JP4626332B2 - メタン発酵処理方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、生分解性プラスチックを生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物と共にメタン発酵処理する方法及び装置に関する。
有機性廃棄物のメタン発酵処理は、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して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができるとともに、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。また、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る。
上記の有機性廃棄物のうち、特に生ゴミのように異臭を発する廃棄物は、プラスチックの袋などに入れて収集されるのが一般的である。しかし、通常のプラスチックは分解性を有していないために、メタン発酵処理においては解袋などの事前の分別が必要となる。このような分別は厄介であるので、上記のプラスチックを生分解性プラスチックとすることにより、分別作業することなく有機性廃棄物と共にプラスチック袋を生分解処理することが検討されている。
しかし、生ゴミ等の有機性廃棄物に比べて、生分解性プラスチックの分解速度は遅いため、両者をそのまま同時にメタン発酵処理した場合には、メタン発酵槽内に未分解のプラスチックが残留してしまう。
上記のような生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を効率よく発酵処理する方法として、特開２００１−２６９６５２号公報には、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を収納する処理槽と、該処理槽内に空気を送り込むブロアーと、該処理槽内を加温することができる加温設備とを備えた有機性廃棄物処理装置を用い、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を該処理槽内で６０〜１００℃にて１〜４８時間加温して生分解性プラスチック製品を崩壊させ、その後メタン発酵処理することが開示されている。
特開２００１−２６９６５２号公報
しかしながら、上記の特開２００１−２６９６５２号公報のメタン発酵処理方法においては、生分解性プラスチック製品の分解工程に１〜４８時間という長時間を要し、処理効率が良くない。また、このように長時間にわたり高温処理すると、有機性廃棄物中における菌の活性が低下し、生分解性プラスチックの分解が阻害されるおそれもある。
また、有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するためには、有機性廃棄物を細かく破砕する工程が必要とされるが、プラスチック製の生ゴミ収集用の袋や魚箱等の成形品は微細化が困難であり、有機性廃物の微細化が不十分となって処理効率が低下するおそれもある。
本発明の目的は、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良くメタン発酵処理することができる方法及び装置を提供することにある。
請求項１のメタン発酵処理方法は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物をメタン発酵処理する方法において、該混合物に水蒸気を接触させて加熱することにより混合物中の生分解性プラスチックの少なくとも一部を溶融する溶融工程と、次いで混合物をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と、を有し、前記溶融工程において前記メタン発酵処理工程からのメタン発酵汚泥の一部を該混合物に添加することを特徴とするものである。
請求項２のメタン発酵処理方法は、請求項１において、前記生分解性プラスチック及び有機性廃棄物を破砕した後、前記溶融工程に供給することを特徴とするものである。
請求項３のメタン発酵処理方法は、請求項１又は２において、前記水蒸気の温度は７０〜１２０℃であり、メタン発酵工程に供給される被処理物の温度はメタン発酵工程での温度よりも高いことを特徴とするものである。
請求項４のメタン発酵処理方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記溶融工程での溶融処理時間が３〜６０分であることを特徴とするものである。
請求項５のメタン発酵処理装置は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物に水蒸気を接触させて生分解性プラスチックの少なくとも一部を溶融させるための溶融手段と、該溶融手段に対し水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、該溶融手段からの混合物を受け入れてメタン発酵処理するメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽のメタン発酵汚泥の一部を前記溶融手段に添加する手段とを備えてなるものである。
請求項６のメタン発酵処理装置は、請求項５において、前記生分解性プラスチック及び有機性廃棄物を破砕する破砕手段を備え、該破砕手段での破砕物を前記溶融手段に供給するように構成したことを特徴とするものである。
本発明のメタン発酵処理方法及び装置によると、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物に水蒸気を接触させて加熱し、生分解性プラスチックを溶融するため、生分解性プラスチックを容易に細かくすることができ、メタン発酵処理を効率よく行うことができる。また、水蒸気は大きな潜熱を有しているので、混合物が短時間（例えば６０分以内）で加熱溶融され、処理時間が短縮される。加えて、このように加熱時間が短くて済むので、混合物にメタン発酵槽処理物の一部を添加する場合でもメタン菌の活性低下が抑制される。
この混合物溶融に先立って生分解性プラスチック及び有機性廃棄物を破砕しておくことにより、溶融処理効率及びメタン発酵処理効率が向上する。
この混合物の水蒸気加熱を行うときに、メタン発酵槽のメタン発酵汚泥の一部を添加することにより、被処理物に対しメタン発酵菌が万遍なく添加混合され、メタン発酵処理効率がさらに向上する。
上記の水蒸気の温度を７０℃以上と高くすると、メタン発酵工程に供給される被処理物の温度がメタン発酵工程の温度よりも高くなるが、混合工程で返送汚泥と混合することにより、メタン発酵に適した温度まで減温することができる。
本発明によると、生分解性プラスチック製の袋に収容された生ゴミ等の有機性廃棄物を、解袋機を用いることなく効率よくメタン発酵処理することができる。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係るメタン発酵処理方法及び装置を示す系統図である。
生分解性プラスチック製の袋に入った生ゴミ、あるいは生分解性プラスチック製の魚箱、食品箱などの生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物よりなる被処理物は、破砕機１によって破砕された後、配管内にスクリュを配置してなるスクリュ式などの移送装置２を介して混合装置３へ送られる。移送装置２内で水蒸気用配管１２から水蒸気が供給されることにより、破砕物が急速に加温され、破砕物中の生分解性プラスチックの少なくとも一部、好ましくは半分以上が熱溶融する。このように熱溶融した生分解性プラスチックを含んだ被処理破砕物が混合装置３へ導入され、乾式メタン発酵槽５から返送されてきたメタン発酵汚泥と混合される。溶融した生分解性プラスチックは、この混合装置３内での混合により、混合物中に細かく分散すると共に６０℃以下に減温される。
なお、後述の通り、汚泥返送量は移送装置２からの被処理破砕物の導入量の３〜５０倍程度と多量である。メタン発酵汚泥の温度は通常５０〜５５℃程度であるので、混合装置３に対し配管１３から水蒸気を供給することにより、混合装置３からメタン発酵槽５へ送り出される混合物の温度を５５〜５７℃程度とメタン発酵槽５内の温度よりも若干高くすることが好ましい。これにより、メタン発酵槽５内の温度が高められ、メタン発酵効率が向上する。
混合装置３内の混合物は、ポンプ４を介して乾式メタン発酵槽５へ送られ、メタン発酵処理される。図示は省略するが、メタン発酵槽５には、汚泥濃度１５〜４０重量％という比較的高濃度の汚泥が存在し、また返送汚泥との混合によって被処理物が十分にメタン発酵菌と混合している状態でメタン発酵槽に供給されるため、メタン発酵槽内を撹拌しなくても十分にメタン発酵が進む。
また、汚泥濃度が高い場合は槽内滞留時間が９０日程度と長くなることがあるが、メタン発酵の負荷は変わらず、一定効率でバイオガスを回収できる。メタン発酵槽５内の発酵温度は５０〜５５℃特に５０〜５３℃程度が好適であり、槽内滞留時間は１８〜９０日程度が好適である。
発酵反応により生成したメタン発酵汚泥の一部は、槽５の底部からスクリュ式の移送装置６を介して残渣として排出され、該汚泥の残部は前記の通りスクリュ式の移送装置７を介して混合装置３へ供給される。乾式メタン発酵槽５内で生成したバイオガスの一部は槽５の上部から余剰ガスとして配管９より取り出される。バイオガスの残部はボイラ１０へ送られる。ボイラ１０にて発生した水蒸気が配管１１から配管１２を介して前記移送装置２へ供給され、また配管１３を介して混合装置３へ供給される。
この生分解性プラスチック及び有機性廃棄物の処理システムにおいて、配管１２，１３から移送装置２及び混合装置３へ供給される水蒸気の温度は７０〜１２０℃好ましくは１００〜１２０℃、圧力は０．３ｋｇ／ｃｍ２以上好ましくは１．２〜２．０ｋｇ／ｃｍ２程度である。この高温の水蒸気を配管１２から移送装置２内へ供給することにより、該移送装置２内の破砕物が急速に加温される。通常の生分解性プラスチックのガラス転移温度は６０℃前後であり、配管１２から移送装置２へ７０℃以上の水蒸気を供給して被処理物を７０〜１２０℃好ましくは１００〜１２０℃に加温することにより、３〜６０分例えば５〜２０分程度の短時間で生分解性プラスチックが熱溶融し、この生分解性プラスチックが混合装置３内で混合物中に細かく分散するようになる。
なお、水蒸気温度が１２０℃以上であると、混合工程で返送汚泥と混合して温度中和しても、メタン発酵槽に移送した時に被処理物温度が６０℃より大きくなり、メタン発酵の活性が低下するため、好ましくない。
また、高温水蒸気の生成には高エネルギーが必要となるが、この実施の形態は、メタン発酵で回収したエネルギー（バイオガス）を用いるというエネルギー自立型であるため、効率よく高温水蒸気を生成させることができる。
単位時間当りに混合装置３へ返送されるメタン発酵汚泥量Ｂ（ｋｇ）と混合装置３に導入されるニューフィードの生分解性プラスチック及び有機性廃棄物の合計量Ａ（ｋｇ）との比Ｂ／Ａは３〜５０特に５〜１５程度が好適である。このように汚泥返送量を多くすることにより、混合装置３内で高温の水蒸気と接触して一部のメタン菌がダメージを受けても、混合装置３から乾式メタン発酵槽５へ送られる混合物中にはメタン菌が多量に残存するようになり、乾式メタン発酵槽５内で効率よくメタン発酵処理が行われる。本発明によると、該槽５内でのメタン発酵による有機物の分解速度を１〜１０ｋｇＶＳ／ｍ３・日程度とすることが可能である。
本発明の処理対象である有機性廃棄物としては特に限定されないが、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等が例示できる。
生分解性プラスチックとしては、上記の有機性廃棄物を収容するための包装袋等が挙げられる。また、生分解性プラスチックからなる魚箱や食器等の成形品も本発明により分解処理可能である。
生分解性プラスチックとしては特に限定されず、例えば、ポリヒドロキシ酪酸（ポリヒドロキシブチレート）等の微生物産出系、ポリ乳酸（ポリラクチド）、ポリ−ε−カプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリエチレンテレフタレート改質タイプ等の化学合成系、修飾デンプン、酢酸セルロース等のデンプン系等が処理可能である。
以下、実験例と実施例について説明する。
実験例１
生分解性プラスチックとしてポリ乳酸よりなる袋０．０２ｋｇに対し温度１１０℃、圧力１．５ｋｇ／ｃｍ２の水蒸気を１５分間接触させて溶融した後、内容積３Ｌのバッチ式のメタン発酵槽に供給し、温度５５℃にて７日間メタン発酵処理した。このときのバイオマスの累計発生量を図２に示す。図２の通り、約７日間の処理により生分解性プラスチックのほぼ全量を分解できることが認められた。
生分解性プラスチックとしてポリ乳酸よりなる袋０．０２ｋｇに対し温度１１０℃、圧力１．５ｋｇ／ｃｍ２の水蒸気を１５分間接触させて溶融した後、内容積３Ｌのバッチ式のメタン発酵槽に供給し、温度５５℃にて７日間メタン発酵処理した。このときのバイオマスの累計発生量を図２に示す。図２の通り、約７日間の処理により生分解性プラスチックのほぼ全量を分解できることが認められた。
実施例１
下記投入原料を図１に示すメタン発酵処理装置によって下記条件にて処理した。
なお、生分解性プラスチックはポリ乳酸製の袋であり、この袋の中に家庭生ゴミと包装紙を収容したものを被処理物とした。メタン発酵槽５の容積は７００Ｌである。
［被処理物］
生分解性プラスチック １ｋｇ／日 含水率０％；強熱減量：９９％
家庭生ゴミ ５ｋｇ／日 含水率８０％；強熱減量：９０％
包装紙 ２ｋｇ／日 含水率１０％；強熱減量：９５％
メタン発酵槽返送汚泥 ３．６ｋｇ／日
［注入蒸気量及び温度］
注入蒸気量：配管１２より１．０ｋｇ／日
配管１３より０．５ｋｇ／日
蒸気圧力：１．５ｋｇ／ｃｍ２
その結果、バイオガス発生量２．９Ｎｍ３／日（メタン濃度６０％）にてバイオガスが生成し、メタン発酵汚泥の含水率は８１％であった。
下記投入原料を図１に示すメタン発酵処理装置によって下記条件にて処理した。
なお、生分解性プラスチックはポリ乳酸製の袋であり、この袋の中に家庭生ゴミと包装紙を収容したものを被処理物とした。メタン発酵槽５の容積は７００Ｌである。
［被処理物］
生分解性プラスチック １ｋｇ／日 含水率０％；強熱減量：９９％
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メタン発酵槽返送汚泥 ３．６ｋｇ／日
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その結果、バイオガス発生量２．９Ｎｍ３／日（メタン濃度６０％）にてバイオガスが生成し、メタン発酵汚泥の含水率は８１％であった。
１ 破砕機
２ 破砕物移送装置
３ 混合装置
４ ポンプ
５ 乾式メタン発酵槽
１０ ボイラ
１１，１２，１３ 水蒸気用配管
２ 破砕物移送装置
３ 混合装置
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５ 乾式メタン発酵槽
１０ ボイラ
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Claims (6)
- 生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物をメタン発酵処理する方法において、
該混合物に水蒸気を接触させて加熱することにより混合物中の生分解性プラスチックの少なくとも一部を溶融する溶融工程と、
次いで混合物をメタン発酵処理するメタン発酵処理工程と、
を有し、
前記溶融工程において前記メタン発酵処理工程からのメタン発酵汚泥の一部を該混合物に添加することを特徴とするメタン発酵処理方法。 - 請求項１において、前記生分解性プラスチック及び有機性廃棄物を破砕した後、前記溶融工程に供給することを特徴とするメタン発酵処理方法。
- 請求項１又は２において、前記水蒸気の温度は７０〜１２０℃であり、
メタン発酵工程に供給される被処理物の温度はメタン発酵工程での温度よりも高いことを特徴とするメタン発酵処理方法。 - 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記溶融工程での溶融処理時間が３〜６０分であることを特徴とするメタン発酵処理方法。
- 生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物に水蒸気を接触させて生分解性プラスチックの少なくとも一部を溶融させるための溶融手段と、
該溶融手段に対し水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
該溶融手段からの混合物を受け入れてメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽のメタン発酵汚泥の一部を前記溶融手段に添加する手段とを備えてなるメタン発酵処理装置。 - 請求項５において、前記生分解性プラスチック及び有機性廃棄物を破砕する破砕手段を備え、該破砕手段での破砕物を前記溶融手段に供給するように構成したことを特徴とするメタン発酵処理装置。
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2005
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