JP4292999B2

JP4292999B2 - メタン発酵装置

Info

Publication number: JP4292999B2
Application number: JP2004018379A
Authority: JP
Inventors: 智弘杉山; 美也子人見
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005211713A

Description

本発明は、嫌気性微生物を用いて有機性廃棄物を処理するメタン発酵装置において、システムの再起動時におけるメタン発酵処理能力の低下を抑え、速やかに安定状態とすることのできるメタン発酵装置に関する。

生ごみ、消化汚泥等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋め立て処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋め立て処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために、有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが開発されている。

このメタン発酵は、有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができ、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法であり、しかも副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。

メタン発酵処理においては、有機性廃棄物を粉砕、破砕、希釈など前処理をした後、この前処理済みの有機性廃棄物をメタン発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理することで、有機性廃棄物をメタンガスに転換する。そして、投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法、発酵槽が提案されている。

一方、メタン発酵処理工程において完全に分解発酵しきれなかった発酵残渣や、メタン発酵槽内にて増殖した雑菌体の汚泥からなる発酵廃液がメタン発酵槽から排出される。この発酵廃液には高濃度のアンモニアなどの窒素化合物が含まれているため、脱窒素処理を施し、下水道や河川の放流できる水質レベルまでの浄化処理が行われている。

メタン発酵においては、発酵が安定しているときは、生ゴミ等の有機性廃棄物が規定量投入されていればバイオガスが一定量生成する。しかし、発酵温度やゴミ投入量の変動によって発酵状態も変動し、この変動は発酵性能を低下させる要因となる。発酵性能が低下するのは、主としてメタン発酵に関係する嫌気性細菌群の活性が低下するためであり、活性の低下要因としては、ｐＨや温度の他にアンモニアなどの阻害物質の生成がある。したがって、このアンモニア、特にアンモニア性窒素濃度が所定濃度以下になるように発酵状態を制御する技術が知られている。

例えば、下記特許文献１には、有機性廃水をメタン発酵処理する際に、槽内のアンモニア性窒素の濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以下になるよう有機性廃水を希釈することが開示されている。

また、下記特許文献２には、有機性廃棄物を処理するメタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を検出部にて検知し、この濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以下となるように発酵槽内へ水を供給し、希釈することが開示されている。

更に、下記特許文献３には、廃水処理槽で脱窒素処理した廃水を希釈水として生ゴミに注入し、メタン発酵槽内のアンモニア濃度を低下させることが開示されている。
特公平７−１１５０３０号公報特開２００３−３９０３９号公報特開平１１−５７６６１号公報

上記のように、メタン発酵の阻害物質の一つであるアンモニアは、メタン発酵に関わる菌の活動を阻害し、その発酵性能を著しく低下させてしまう。上記従来技術では、メタン発酵槽内部のアンモニア性窒素濃度を嫌気性細菌による活動阻害濃度以下にして運転するために、希釈水によってアンモニア性窒素濃度を低下させるようにしている。

しかし、メタン発酵装置を停止、すなわちメタン発酵装置内への有機性廃棄物の供給を停止したときには、メタン発酵槽内では有機性廃棄物を養分として活動を行っている嫌気性細菌の死滅が起る。この嫌気性細菌の死滅に伴いアンモニアが発生するため、メタン発酵槽内には徐々にアンモニア性窒素が蓄積されることになる。

よって、長期間に亘ってメタン発酵装置を停止した場合には、メタン発酵槽内部にアンモニア性窒素が蓄積し、嫌気性細菌の活動に阻害を及ぼすこととなり、嫌気性細菌の生息環境が徐々に悪化していくので、嫌気性細菌の死滅量は時間の経過と共にいっそう激しいものとなる。

すなわち、有機性廃棄物の供給を停止させ、メタン発酵装置の運転を停止させることでメタン発酵槽内の嫌気性細菌は図３に示すように徐々に死滅、減少していき、それに伴い、図４に示すようにメタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度は徐々に高くなっていく。一方、廃液処理槽においてでも、図５に示すように菌の死滅、減少がおこる。

よって、メタン発酵装置の運転を停止させることで嫌気性細菌が養分とする有機性廃棄物の供給がなくなるため、嫌気性細菌の死滅、減少が起こる。そして、嫌気性細菌の死滅、減少に伴い、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素は徐々に蓄積され高濃度となる。その結果、メタン発酵処理においては、菌数に見合った負荷量に相当する有機性廃棄物しか処理することができないため、システムの再起動時における処理能力が著しく低下してしまう。更には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が高まることで、嫌気性細菌の増殖にも阻害が及ぼされてしまい、メタン発酵装置を安定状態へと移行するのに多大な時間を要することになる。

また、廃液処理槽内においても、脱窒素処理を行う菌が養分とするアンモニア等の窒素化合物の供給がなくなるため、脱窒素処理を行う菌の死滅、減少が起こる。その結果、廃液処理能力の低下が起こり、処理水の脱窒素処理が不十分な状態で排水されてしまう恐れがある。

よって、メタン発酵装置の再起動を効果的に実施するためには、メタン発酵装置の運転を停止している間であっても、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を所定量以下とするように制御する必要がある。

しかしながら、従来技術では、メタン発酵装置の起動中において、メタン発酵槽内部のアンモニア性窒素濃度を、嫌気性細菌による活動阻害量以下とするように制御、調整する方法については開示されているが、メタン発酵装置の運転を停止させている間の制御、調整方法については開示がなされていない。

したがって、本発明の目的は、メタン発酵装置を停止することにより蓄積するアンモニア性窒素の増加を制御することで、メタン発酵装置の再起動時におけるメタン発酵を効果的に、そして速やかに安定した運転状態で行えるようにしたメタン発酵装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、有機性廃棄物を粉砕、破砕、希釈などの処理を行う前処理槽と、前記前処理槽から供給される前処理済みの有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽から排出される廃液を処理する廃液処理槽から主に構成されるメタン発酵装置において、前記廃液処理槽の処理液を前記メタン発酵槽に循環させる手段を設け、前記メタン発酵槽内部と前記廃液処理槽内部の双方に電気伝導率計を設け、有機性廃棄物の供給を停止している際、メタン発酵槽内部と廃液処理槽内部の電気伝導率の差を測定し、それらの差が９ｍＳ／ｃｍ以上となったら、前記廃液処理槽の処理水を前記メタン発酵槽へ循環させるように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、メタン発酵装置の運転を停止している際においてでも、廃液処理槽にて処理の行われた処理水をメタン発酵槽へ循環させ、メタン発酵槽内の発酵液を廃液処理槽内の処理液で希釈することにより、メタン発酵槽内部に過剰濃度のアンモニア性窒素が滞留することを防止できるので、嫌気性細菌の活動に対する阻害を抑え、嫌気性細菌の死滅、減少量を抑えることができる。また、廃液処理槽内に対してはアンモニア類を供給することになるため、脱窒素処理を行う菌に対し養分を補給することができるので、廃液処理槽内の菌の減少を抑制することができる。

また、液体中の塩濃度は電気伝導率として表示されるため、塩基であるアンモニウムイオン濃度は電気伝導率として反映される。しかしながら、例えば、メタン発酵処理システムに投入される、生ゴミ等の有機性廃棄物に当初から含まれる、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ等も塩濃度に影響する。そこで、メタン発酵槽に存在するアンモニア性窒素分を精度よく電気伝導率として換算するためには、有機性廃棄物に当初から存在する塩濃度を電気伝導率として計測して、上記の発酵槽測定値から除く必要がある。この場合、廃液処理槽内の電気伝導率は、脱窒によってアンモニウムイオンが減少しているので、有機性廃棄物中に当初から含まれる塩濃度を反映している。そこで、廃液処理槽内の電気伝導率値を処理槽測定値として求め、発酵槽測定値から減ずることで、メタン発酵槽内におけるアンモニア性窒素濃度と相関の取れた電気伝導率値が得られる。

よって、この電気伝導率値の差を監視することで、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を把握することができる。前記電気伝導率の差が所定値を超えた際に、廃液処理槽の処理水をメタン発酵槽へ循環させるような装置構成とすることで、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素を所定値以下に保つことができ、更には適切なタイミングで循環操作を実施することができる。

本発明によれば、有機性廃棄物の供給を停止し、メタン発酵装置の運転を停止している際に、廃液処理槽の処理水をメタン発酵槽に循環させるように構成することで、メタン発酵槽内に過剰なアンモニア性窒素が蓄積することを抑制できるので、システムの再起動時におけるメタン発酵処理能力をできる限り損なうことなく、更には速やかに装置を安定させて運転することが可能となる。

また、メタン発酵槽内と廃液処理槽内の電気伝導率を測定し、これらの差が所定値以上となった時に処理水を循環するよう装置を制御させることにより、処理水を循環する適切なタイミングを設定することができる。

以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１には、本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。

このメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物を粉砕、破砕し希釈などの処理を行う前処理槽１０と、メタン発酵槽１１と、廃液処理槽１２とで主に構成されている。前処理槽１０からの配管は、供給ポンプ２０を介してメタン発酵整槽１１に連結されており、メタン発酵槽１１からの配管は、発酵廃液引き抜きポンプ２２を介して廃液処理槽１２に連結されている。そして、廃液処理槽１２からの処理水の一部がメタン発酵槽１１へ返送できるように廃液処理槽１２からの配管が処理水供給ポンプ２１を介してメタン発酵槽１１に連結されている。

廃液処理槽１２としては脱窒処理が可能であればよく、例えば、微生物によって有機物や窒素を除去する生物処理法を行うための活性汚泥槽や、アンモニアを曝気処理した後に空気と触媒燃焼して窒素ガスに無害化するアンモニアストリッピング法を行う装置等を用いることができる。

更に、メタン発酵槽１１の上部には、発生したバイオガスを取り出すための配管が接続されており、このバイオガスは、図示しないガスホルダーで回収される。

メタン発酵槽１１には、電気伝導率計３０が接続されており、廃液処理槽１２には、電気伝導率計３１が接続されており、メタン発酵槽１１内及び、廃液処理槽１２内の電気伝導率が測定可能となっている。ここで、電気伝導率計３０及び３１としては従来公知のものを用いることができ特に限定されない。

この電気伝導率計３０及び３１からの測定値は、演算器であるコントローラ４０に入力されるように構成されている。

次にこの処理装置を用いた、メタン発酵処理方法について説明する。有機性廃棄物は、前処理槽１０にて、粉砕、破砕及び希釈処理がなされ、前処理が行われる。前処理された有機性廃棄物は供給ポンプ２０を介してメタン発酵槽１１へ供給され、メタン発酵が行われる。メタン発酵槽１１には、図示しないメタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床等が設置されており、ここで前処理済み有機性廃棄物のメタン発酵が行なわれ、嫌気性微生物による有機性廃棄物の分解が行われる。メタン発酵における温度は５０〜６０℃で行なうことが好ましい。これによれば、より活性の高い、高温メタン菌での発酵が行なえるので、有機性廃棄物の分解速度を更に向上することができる。なお、一定時間毎に供給される有機性廃棄物と同量の発酵廃液が、発酵廃液引き抜きポンプ２２によってメタン発酵槽１１の底部から引き抜かれ、廃液処理槽に送られる。その結果、メタン発酵槽１１内は、常に一定量の発酵液で満たされている。なお、発酵により生成したバイオガスは、図示しないガスホルダーに回収され、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として有効利用されるようになっている。そして、メタン発酵槽での発酵廃液は廃水処理槽１２へ移送され、未分解の有機成分や溶解性窒素の処理を行った後、処理水として排水される。

通常の運転時は上記手順でメタン発酵が行われているが、定期点検や修理、故障などの理由によりメタン発酵装置を停止させる際には、下記に示すメタン発酵装置の維持動作が行われる。

次に運転停止中における上記、メタン発酵装置の維持動作について説明する。前述したように、メタン発酵槽１１には電気伝導率計３０が、廃液処理槽１２には電気伝導率計３１が設置されており、メタン発酵槽１１及び廃液処理槽１２内の電気伝導率の測定できるように構成されている。この測定値がコントローラ４０へそれぞれ入力される。

そして、コントローラ４０では、メタン発酵槽内の電気伝導率と、廃液処理槽内の電気伝導率の差が計算され、前記電気伝導率の差が所定値を超えた場合、処理水循環ポンプ２１を作動させて、処理水の一部をメタン発酵槽へ移送させ、メタン発酵槽内部のアンモニア性窒素濃度を所定値以下とするような制御が行われている。

次に、コントローラ４０による演算処理及び制御について図２を用いて説明する。メタン発酵装置の運転停止後、まずステップＳ１では、電気伝導率計３０を用いてメタン発酵槽１１内の電気伝導率の測定が実施され、測定結果がコントローラ４０へ測定値として入力される。ステップＳ２では、電気伝導率計３１を用いて廃液処理槽１２内の電気伝導率の測定が実施され、測定結果がコントローラ４０へ測定値として入力さる。このステップＳ１及びステップＳ２の工程は並行して、ほぼ同時期に行われる。

次に、ステップＳ３では、ステップＳ１及びＳ２の工程で出力された、電気伝導率計３０と電気伝導率計３１による測定値の差が演算され、演算値の差が所定値未満であるかどうかの判断が行われる。この演算値の差が所定値未満であるならば、ステップＳ４にて循環操作を停止させて、ステップＳ１に戻る。しかし、この演算値の差が所定値以上であった場合はステップＳ５へと進み、処理液循環ポンプ２２を作動させて処理水の一部をメタン発酵槽１１内へ供給し、メタン発酵槽１１の循環操作を行い、ステップＳ１に戻る。ステップＳ１及びステップＳ２での電気伝導率はメタン発酵装置の停止中は、リアルタイムで観測されるので、この循環操作は前記演算値の差が所定値以下となるまで行われる。

このように、廃液処理槽の処理液をメタン発酵槽へ循環させることで、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素は所定濃度以下に保つことができ、更には、循環操作によりメタン発酵槽内に滞留しているアンモニア性窒素が廃液処理槽へ移されるため、脱窒素処理を行う菌に対して養分を供給することになり、廃液処理槽の菌の減少を抑制することができる。

また、メタン発酵槽内の電気伝導率と、廃液処理槽内の電気伝導率との差が所定値を超えたら循環するよう制御することが好ましく、前記電気伝導率の差が８ｍＳ／ｃｍ〜１０ｍＳ／ｃｍを超えたとき、より好ましくは９ｍＳ／ｃｍ以上となったら処理水の一部をメタン発酵槽へ移送させ、循環処理することが好ましい。前記電気伝導率の差を９ｍＳ／ｃｍ未満に保つことにより、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を２０００ｍｇ／ｌ以下にすることができるため、嫌気性細菌の活動に阻害をおよぼすといわれている濃度以下に保つことが可能である。

このように、本発明では、有機性廃棄物の供給を停止し、メタン発酵装置の運転停止させる際において、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素に起因する電気伝導率値が所定値以上となった時に廃液処理槽の処理水をメタン発酵槽に循環するよう制御することで、メタン発酵槽内に過剰なアンモニア性窒素が蓄積することを抑制することができるので、システムの再起動時におけるメタン発酵処理能力をできる限り損なうことなく、更には速やかに装置を安定させて運転することができる。なお、本発明における、メタン発酵槽１１内及び廃液処理槽１２内の電気伝導率はリアルタイムで測定することが好ましい。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

なお、本発明に使用しているメタン発酵槽は容量１０リットルの発酵槽を、廃液処理槽は容量２０リットルの処理槽を使用した。電気伝導率計としてはＨＯＲＩＢＡ製の導電率計ＥＳ−５１を用いた。

また、メタン発酵槽及び廃液処理槽内の菌数については以下の測定方法により測定を行った。

〔メタン発酵槽及び廃液処理槽内の菌数の測定方法〕
メタン発酵槽１１及び廃液処理槽１２から消化液の一部を５ｍｌ採取し、超純水で１０倍に希釈した。希釈後、孔径２０μｍのろ紙に通して、ろ過した後、超音波分散を１５分間行なった。

次に、ＫＨ_２ＰＯ_４からなるｐＨ緩衝液を加え、ｐＨを８となるように調整した。

上記のｐＨ調整後の消化液２００μｌに対して、蛍光試薬である５-カルボキシフルオレセインジアセテート（５−ＣＦＤＡ、フナコシ株式会社製）を２４μｌ加え、再び充分に混合して測定試料を調整した。

この測定試料３μｌを、バクテリア計測盤を持つ深さ０．０２ｍｍのプレパラートに垂らし、蛍光顕微鏡により観察をした。蛍光顕微鏡の励起波長は３８０〜４２０ｍｍの青色を用い、蛍光発光波長は５００〜５５０ｎｍであった。観察画像は市販のソフト（Optimas6.5、MEDIA CYBERNETICS製）で画像解析し、菌数をカウントした。

実施例１
図１に示したメタン発酵装置を用いてメタン発酵を行った。

そして、装置の運転停止後、電気伝導率計３０及び電気伝導率計３１によりメタン発酵槽１１及び廃液処理槽１２内の電気伝導率を常時測定し、図２に示したフローチャートに従って、電気伝導率計３０と電気伝導率計３１の測定値の差が９ｍＳ／ｃｍ以上となったら廃液処理槽内の処理水の一部をメタン発酵槽へ循環処理するよう制御を行った。

図６、図８には上記の測定方法により求めたメタン発酵槽１１及び廃液処理槽１２内の菌数の経時変化を示す。また、図７にはイオンクロマトグラフ法から求めたメタン発酵槽のアンモニア性窒素濃度の経時変化を示す。

図６、７の結果より、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率値を９ｍＳ／ｃｍ以下に保つことにより、アンモニア性窒素の過剰な滞留を防止することができ、更には、メタン発酵槽内の嫌気性細菌の死滅量を抑制することができる。

また、廃液処理槽内の処理水とメタン発酵槽内の発酵液を循環させることで、廃液処理槽内にアンモニア性窒素を供給することになるため、脱窒素処理を行う菌に対し養分を補給することができるので、脱窒素処理を行う菌の死滅も抑制することができる。

本発明のメタン発酵処理装置は、例えば、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するために好適に用いられる。

本発明に用いるメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。コントローラ４０による演算処理、制御方法を示すフローチャート図である。従来の装置における、メタン発酵装置停止時のメタン発酵槽内の嫌気性細菌数の経時変化である。従来の装置における、メタン発酵装置停止時のメタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度の経時変化である。従来の装置における、メタン発酵装置停止時の廃液処理槽槽内部の菌数の経時変化である。本発明の実施例におけるメタン発酵槽内の嫌気性細菌数の経時変化である。本発明の実施例におけるメタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度の経時変化である。本発明の実施例における廃液処理槽槽内部の菌数の経時変化である。

符号の説明

１０前処理槽
１１メタン発酵槽
１２廃液処理槽
２０供給ポンプ
２１処理水循環ポンプ
２２発酵廃液引き抜きポンプ
３０、３１電気伝導率計
４０コントローラ

Claims

有機性廃棄物を粉砕、破砕、希釈などの処理を行う前処理槽と、前記前処理槽から供給される前処理済みの有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽から排出される廃液を処理する廃液処理槽から主に構成されるメタン発酵装置において、
前記廃液処理槽の処理液を前記メタン発酵槽に循環させる手段を設け、
前記メタン発酵槽内部と前記廃液処理槽内部の双方に電気伝導率計を設け、
有機性廃棄物の供給を停止している際、メタン発酵槽内部と廃液処理槽内部の電気伝導率の差を測定し、それらの差が９ｍＳ／ｃｍ以上となったら、前記廃液処理槽の処理水を前記メタン発酵槽へ循環させるように構成したことを特徴とするメタン発酵装置。