JP4352911B2

JP4352911B2 - メタン発酵処理装置

Info

Publication number: JP4352911B2
Application number: JP2004019386A
Authority: JP
Inventors: 崇大内; 豊森
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005211733A

Description

本発明は、有機性廃棄物のメタン発酵によって発生する発酵廃液の処理を行い、河川等に放流可能なレベルまで水質改善するメタン発酵処理装置に関する。

生ごみ、汚泥等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、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。

メタン発酵は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、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もので、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。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。

生ごみや食品加工残滓などの有機性廃棄物を嫌気状態で発酵させるメタン発酵プラントでは、メタン発酵後の発酵廃液を、例えば下水放流可能なレベルまで廃液処理するシステムが必要となる。この場合、生物処理によりメタン発酵廃液中のＢＯＤ、窒素分等を低減し、更に膜処理装置により固液分離を行った処理水を下水放流する廃液処理システムが知られている。

図４には、上記のような廃液処理の膜処理装置として用いることができる、従来の重力ろ過方式の膜分離槽が示されている。

この膜分離槽５０は、容器５１中に膜ユニット５２が浸漬されている。膜ユニット５２は、複数枚の膜エレメント５３を重ねて膜モジュールを構成しており、その下部には空気洗浄用の散気装置５４、側面には洗浄空気のガイドケース５５を備え、全体として膜ユニット５２を形成している。

膜分離槽５０には、生物処理を行う間欠暴気槽からの上澄水が流入口５６より流入し、膜ユニット５２が冠水した状態で運転が行われる。膜ろ過抵抗に応じた水位で膜ろ過された処理水は、膜エレメント５３毎にチューブ５７によってヘッダー管５８に集水された後、流出口５９から次工程の処理水槽へと排出される。

また、例えば、下記の特許文献１には、廃液処理に使用されるその他の膜分離槽の構成として、重力式のろ過膜カートリッジを膜分離槽中に浸漬させ、この膜分離槽の側面に膜カートリッジを取り出すための取出口を設けた構成が開示されている。
特開平８−２４３５９７号公報

上記のような重力ろ過方式の膜分離槽は、液面の水位差を利用して重力でろ過を行う原理であり、シンプルなシステムとなるメリットがある。しかし、重力以外の圧力を用いないため、連続使用によって膜ろ過抵抗が増加すると、それに応じて、図４における膜分離槽内の水位Ｌが上昇することとなる。したがって、この水位Ｌの上昇を考慮して、膜ユニット５２の最上面から容器５１の上部開口部５１ａまでの高さｈをバッファとしてあらかじめ設けておく必要がある。この高さｈは通常５０〜１００ｃｍ程度必要とされる。このため、膜分離槽５０全体の容積が大きくなるといった問題がある。

また、膜ユニット５２は、メンテナンスや交換のために容器５１の上部開口部５１ａから取り出す必要があるが、この際、図４における高さｈをあらかじめ設けておく必要があるので、別途メンテナンス用の膜ユニット５２の吊り上げ装置等が必要となる。すなわち、メンテナンス作業等における膜ユニット５２へのアクセス性が悪化する。

この場合、特許文献１のように、容器５１の側面に膜ユニットを取出口を設けることも考えられるが、重力ろ過方式の膜分離槽である以上、容器５１内の水位Ｌの上昇は避けられないので、やはり上記のｈの分だけ余分な空間が必要となるという問題がある。

更に、上記の容器５１内の高さｈによる余分な空間によって、膜ろ過抵抗が増加時には、水位Ｌが上昇して膜分離槽５０内の全体水量が増大する。これによって、処理液の滞留時間が長くなるので、有機性窒素（固形性）→アンモニア性窒素（溶解性）→硝酸性窒素（溶解性）の反応が起こり、有機性窒素から、溶解性のある硝酸性窒素へ変化する量が増加する。その結果、膜分離では有機性窒素は固形分として膜で遮蔽可能であるが、硝酸性窒素は溶解性であるので膜を通過してしまい、結果として処理水（膜ろ過水）中に窒素分が増加することとなり、下水や河川の放流基準達成が困難となる問題がある。

このように、従来の重力ろ過方式膜分離槽の場合、大型貯槽となり、メンテナンス性に問題があるとともに、膜ろ過抵抗増加時の膜分離槽内の水量増の結果、洗浄用空気による硝化反応により、処理水中の窒素量も増加するという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、廃液処理系、特に膜分離槽のメンテナンンス性が良好で、かつ、膜ろ過抵抗増大時でも処理水水質が安定して発酵廃液を処理できる、メタン発酵処理装置を提供することにある。

すなわち、本発明のメタン発酵処理装置は、嫌気性微生物によって有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の発酵廃液を活性汚泥処理するための活性汚泥槽と、前記活性汚泥処理後の処理液を固液分離する重力ろ過式の膜ユニットを収容した膜分離槽とを備えるメタン発酵処理装置であって、
前記膜分離槽が、前記膜ユニット全体を収容する下部容器と、この下部容器の上部開口部上に設けられた上部容器とからなり、
前記上部容器の水平断面積が、前記下部容器の前記上部開口部の水平断面積より小さくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明のメタン発酵処理装置によれば、膜分離槽を、活性汚泥処理後の処理液と膜ユニットを通過させる洗浄用空気とが流通可能な上部容器と、膜ユニットを収容する下部容器とで２分割として、上部容器の水平断面積が、下部容器の上部開口部の水平断面積より小さくなるように構成したので、下部容器の上部開口部までの高さを、膜ユニットの上面付近まで下げることができ、余分な高さｈを排除して下部容器をコンパクトにすることができる。

更に、上部容器は、洗浄用空気の排気口として必要な断面積まで減らすことができるので、結果として上部容器の容積を小さくすることが可能となる。すなわち、上記の構成とすることによって、上部容器と下部容器との合計容積を減らすことができるので、膜ろ過抵抗増大時でも膜分離槽内の保有水量の変動が少なくなり、処理水の水質を長期間、安定に維持できる。

また、上部容器を取り外し可能にすれば、膜ユニットの点検補修が必要な場合でも、容易に膜ユニットを取出すことができ、メンテナンス性を向上させることができる。

本発明のメタン発酵処理装置においては、前記下部容器の前記上部開口部の水平断面積に対する、前記上部容器の水平断面積の割合が１０〜５０％であることが好ましい。この態様によれば、上部容器は、例えば筒状のように構成でき、洗浄用空気の排気口としての断面積を確保しつつ、大幅に断面積を減らして上部容器の容積をより小さくできる。

また、本発明のメタン発酵処理装置においては、前記下部容器内に収容された前記膜ユニットの上面から、前記下部容器の上部開口部までの距離が５〜１０ｃｍであることが好ましい。この態様によれば、図４における高さｈが非常に小さくできるので、下部容器をよりコンパクトにできる。

更に、本発明のメタン発酵処理装置においては、前記上部容器が、分割可能なパネルによって構成されていることが好ましい。この態様によれば、上部容器の取り外しが非常に簡単になるので、メンテナンス性をより向上させることができる。

本発明によれば、２分割し、小型化した上部容器を備えることにより、膜分離槽の全体容積を小さくでき、膜ろ過抵抗増大時の保有水量の変化を低減することができ、処理水水質を安定化することが可能となる。また、上部容器を、円形、または矩形断面の配管により構成することにより、上部容器を低コストで容易に製作することができる。また、上部容器を取り外すことにより、膜ユニットのメンテナンス性を改善することが可能となる。その結果、膜ユニットのメンテナンス性が良好で、処理水の水質を長期間安定にすることが可能な、重力ろ過方式の膜分離装置が得られる。

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は本発明の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り、図２は、図１における膜分離槽の概略構成を示す一部切欠断面図である。

図１に示すように、このメタン発酵処理装置は、メタン発酵槽１０と、メタン発酵後の発酵廃液を活性汚泥処理するための間欠曝気槽２０と、活性汚泥処理後の廃液を固液分離する膜分離槽３０とから主に構成されている。

メタン発酵槽１０からの配管は、供給ポンプ４３を介して間欠曝気槽２０に接続されており、間欠曝気槽２０内の底部には、酸素を含む気体（通常空気）で発酵廃液を曝気可能なように曝気装置２１が設けられている。曝気装置２１としては従来公知のものが使用可能であり特に限定されない。一方、間欠曝気槽２０内の上部には、図示しない攪拌機が設けられており、攪拌羽根によって発酵廃液を攪拌可能になっている。攪拌機としても従来公知のものが使用可能であり特に限定されない。

間欠曝気槽２０からの処理水は、膜ユニット３２が浸漬されている膜分離槽３０へと送られるように配管が連結されている。そして、膜分離槽３０の上部に接続された配管は、膜ろ過液を一旦貯留するための処理水槽４１に連結され、そこから処理水が放流可能なように配管が接続されている。一方、膜分離槽３０の底部には２本の配管が連結されており、１本はポンプ４４を介して残渣の一部を間欠曝気槽２０へ返送可能になっており、もう１本の配管はポンプ４５を介して脱水機４２に接続されている。

図２は、膜分離槽３０の拡大図である。この膜分離槽３０は、下部容器３１ａと上部容器３１ｂとからなり、下部容器３１ａの底部に膜ユニット３２が配置されている。上部容器３１ｂは、下部容器３１ａの上部開口部を覆い、その中央部に開口部が形成された蓋部６１と、蓋部６１の開口部から上方に伸びるように四角柱状に形成された筒部６２とからなっている。そして、蓋部６１と筒部６２とは、下部容器３１ａから取り外し可能となっている。

下部容器３１ａの材質としては特に限定されないが、コンクリート、鉄、ステンレス、樹脂等が用いられる。また、上部容器３１ｂの蓋部６１と筒部６２の材質も特に限定されないが、下部容器３１ａからの取り外しが容易な点から、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等の軽量な樹脂材料が好ましく用いられる。

下部容器３１ａの大きさは、配置される膜ユニット３２の大きさによって適宜選択可能であるが、例えば、高さ１．５〜２ｍであることが好ましい。また、その高さは、配置される膜ユニットの高さにできる限り近いほうが下部容器３１ａの上部の空間容積が小さくなるので好ましい。

具体的には、下部容器３１ａ内に収容された膜ユニット３２の上面から、前記上部容器の上部開口部までの距離が５〜１０ｃｍであることが好ましい。下部容器３１ａの内容積は極力小さくすることが好ましいが、前記下部容器の上部開口部までの距離が５ｃｍ未満であると、構造上、チューブ３７とヘッダー管３８とが収容できなくなるので好ましくない。

膜ユニット３２は、図４と同様の構成であり、複数枚の膜エレメント３３を重ねて膜モジュールを構成しており、その下部には空気洗浄用の散気装置３４、側面には洗浄空気のガイドケース３５を備え、全体として膜ユニット３２を形成している。膜エレメント３３としては、平均孔径０．１〜１μm程度（精密ろ過膜の孔径範囲）の膜を用いることが好ましい。なお、このような膜エレメント、膜モジュールは市販されている公知のものを用いることができる。なお、膜分離槽３０には、生物処理を行う間欠暴気槽２０からの上澄水が流入口３６より流入し、膜ユニット３２が冠水した状態で運転が行われる。膜ろ過抵抗に応じた水位で膜ろ過された処理水は、膜エレメント３３毎にチューブ３７によってヘッダー管３８に集水された後、流出口３９から次工程の処理水槽へと排出されるように構成されている。

上部容器３１ｂの筒部６２の形状は、特に限定されず、図２のような四角柱でもよく、円筒状でもよく特に限定されない。しかし、上部容器３１ｂの水平断面積が、下部容器３１ａの上部開口部の水平断面積より小さくなるように構成されていることが必要である。ここで、上部容器の水平断面積とは、下部容器３１ａの上部開口部の位置における断面積をいう。具体的には、下部容器３１ａの上部開口部の水平断面積に対する、上部容器３１ｂの水平断面積の割合が１０〜５０％であることが好ましく、２５〜３５％がより好ましい。１０％未満では上部容器が小さすぎ、散気装置３４からの空気が上部容器にうまく抜けなくなるので好ましくない。また、５０％を超えると、上部容器を小さくした効果が充分に得られず、膜ろ過抵抗増大時の膜分離槽３０内の保有水量の変動が大きくなり、窒素分が増えて処理水の水質が低下するので好ましくない。

また、筒部６２の高さは少なくとも５００ｍｍ水柱まで安定に運転できる高さが必要であり、特に０．８〜１ｍが好ましい。

次に、上記のメタン発酵処理装置の作用について説明する。
メタン発酵槽１０においてメタン発酵処理された後の発酵廃液は、間欠暴気槽２０に送られる。この間欠曝気槽２０では、曝気装置２１からで空気を供給して酸素濃度を高めて硝化反応を行う曝気工程と、空気の供給を停止して脱窒反応を行う攪拌工程を交互に繰り返す回分処理により、全窒素（Ｔ−Ｎ）の低減を行なう。その後、間欠暴曝気槽２０の上澄水は、膜分離槽３０にオーバーフロー水として流入口３６より流入し、例えば孔径０．２μｍ程度の複数の膜エレメント３３を通過して膜ろ過処理されて固液分離される。そして、膜エレメント３３毎にチューブ３７によってヘッダー管３８に集水された後、流出口３９から次工程の処理水槽４１へと排出される。

このとき、膜ユニット３２は冠水した状態で運転が行われ、水位Ｌは上部容器３１ｂ内で調整され、下部容器３１ａは満水状態である。そして、上記のように下部容器３１ａの高さが充分に低く、膜ユニット３２の上部空間容積が小さくなっているため、膜ろ過抵抗増大時でも膜分離槽内の保有水量の変動が少なくなり、処理水の水質を長期間、安定に維持可能となる。なお、膜ろ過抵抗増大時においては、上部容器３１ｂ内の水位Ｌが上昇する。また、メンテナンスの際には、上部容器３１ｂが取り外し可能であり、このとき、膜ユニット３２の上部空間容積が小さくなっているため、直接膜ユニット３２に手が届くのでメンテナンス性に優れる。

また、膜エレメント３３では、目詰まり物質濃度の増加や、粘性増などにより、膜ろ過抵抗が増加する問題があり、空気バブリングによる膜面洗浄を行う必要があるが、この場合、散気装置３４からの空気は、上部容器３１ｂの筒部６２を通じて外部に放出される。

このようにして、放流基準以下の水質となった処理水は、処理水槽４１を経て下水、または河川に放流される。また、膜分離槽の濃縮汚泥は、一部、間欠曝気槽２０に返送される。また、余剰汚泥は、脱水機４２に移送され、膜分離槽２０内の固形分（ＴＳ）濃度を一定に保つとともに、脱水機４２で余剰汚泥を含水率８５％程度の脱水ケーキとして減容化した後、産廃処理される。

図３には、上記のメタン発酵処理装置における、膜分離槽の他の実施形態が示されている。なお、以下の実施形態の説明においては、上記の図２の実施形態と同一部分には同符合を付して、その説明を省略することにする。

この膜分離槽７０においては、上部容器６５の蓋部６４、筒部６３が、それぞれ複数毎の分割パネル６３ａ、６４ａで構成されている点は上記の実施形態と異なっている。分割パネル６３ａ、６４ａとしては、例えばＦＲＰ等の分割式パネル等が好適に用いられる。かかる構成により、例えば下部容器３１ａが大型のコンクリート製からなるような大型の膜分離槽においても、分割パネルを一部のみ又は全部を容易に取り外すことができるので、メンテナンス等の作業性を向上させることができる。

本発明のメタン発酵処理方法は、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。

本発明の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。図１における膜分離槽の一実施形態の概略構造を示す一部切欠断面図である。図１における膜分離槽の他の実施形態の概略構造を示す一部切欠断面図である。従来のメタン発酵処理装置における膜分離槽の一例を示す一部切欠断面図である。

符号の説明

１０メタン発酵槽
２０間欠曝気槽
３０膜分離槽
３１容器
３１ａ下部容器
３１ｂ上部容器
３２膜ユニット
３３膜エレメント
３４散気装置
３５ガイドケース
３６流入口
３７チューブ
３８ヘッダー管
３９流出口
４１処理水槽
４２脱水機
４３供給ポンプ
４４、４５ポンプ
６１、６３蓋部
６２、６４筒部
６３ａ、６４ａ分割パネル
６５上部容器
Ｌ水位

Claims

嫌気性微生物によって有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、前記メタン発酵後の発酵廃液を活性汚泥処理するための活性汚泥槽と、前記活性汚泥処理後の処理液を固液分離する重力ろ過式の膜ユニットを収容した膜分離槽とを備えるメタン発酵処理装置であって、
前記膜分離槽が、前記膜ユニット全体を収容する下部容器と、この下部容器の上部開口部上に設けられた上部容器とからなり、
前記上部容器の水平断面積が、前記下部容器の前記上部開口部の水平断面積より小さくなるように構成されていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
前記下部容器の前記上部開口部の水平断面積に対する、前記上部容器の水平断面積の割合が１０〜５０％である請求項１に記載のメタン発酵処理装置。
前記下部容器内に収容された前記膜ユニットの上面から、前記下部容器の上部開口部までの距離が５〜１０ｃｍである請求項１又は２に記載のメタン発酵処理装置。
前記上部容器が、分割可能なパネルによって構成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。