JP4671434B2

JP4671434B2 - アンモニア阻害抑制型メタン発酵装置

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Publication number: JP4671434B2
Application number: JP2006326542A
Authority: JP
Inventors: 寛宮野; 昌浩多田羅; 雅史後藤; 哲山澤
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008136955A

Description

本発明はアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置に関し、とくに窒素含有量の高い有機性廃水や有機性廃棄物を処理する場合に発生し得るアンモニア阻害を抑制できるメタン発酵処理装置に関する。

循環型社会の形成に寄与する再資源化技術として、産業廃水等の有機性廃水や生ごみ等の有機性廃棄物を分解してエネルギー（メタンガス）を回収できるメタン発酵処理の普及が進められている（特許文献１及び２参照）。窒素含有量の高い有機性廃水や有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合は、その処理時に発生するアンモニアによりメタン発酵微生物の活性が低下する可能性があるため、アンモニアによる処理効率の低下（アンモニア阻害）を抑制する対策が必要となる。メタン発酵処理のアンモニア阻害は、処理液中のアンモニア性窒素濃度（以下、単にアンモニア濃度ということがある）が3,000〜5,000mg／リットル程度以上になると発生するといわれている。

従来、メタン発酵処理のアンモニア阻害を防止する対策として、発酵槽内の処理液のアンモニア濃度を継続的に計測し、アンモニア濃度がメタン発酵を阻害する程度まで上昇したときは処理液を希釈してアンモニア濃度を低下させる方法が採られている。しかし、処理液の希釈によりアンモニア阻害を防止する方法は、希釈により処理液の容量が増加し、それに伴い処理液の加熱エネルギー等の維持管理コスト（ランニングコスト）が増加する問題点がある。

特許文献３は、アンモニア阻害を防止する他の方法として、発酵槽の処理液をpH7.0以上pH8.5以下でメタン発酵処理し、その処理時に発生した分解生成ガス（バイオガス）を回収してアンモニアを除去し、アンモニア除去後の分解生成ガスを発酵槽内の処理液に吹き込んで攪拌することにより、処理液中のアンモニアを分解生成ガスに移行させて処理液のアンモニア濃度の上昇を抑える廃棄物処理方法を開示している。しかし、特許文献３のようにアンモニア除去後の分解生成ガスを発酵槽に吹き込むためには高圧型ブロワが必要であり、高圧型ブロワで発酵槽の処理液にガスを噴出すると、例えばUASB（Upflow Anaerobic Sludge Blanket）式の発酵槽ではグラニュールの崩壊・流出等を引き起こし、固定床式の発酵槽では固定床の損傷や早期老朽化・固定床表面に付着したバイオフィルムの剥離等を引き起こすおそれがある。グラニュールの崩壊や固定床の損傷等は発酵槽内における微生物の高濃度保持を破壊し、アンモニア阻害が防止できたとしてもメタン発酵処理の全体の効率を低下させる原因となり得る。

これに対し本発明者らは、発酵槽内における微生物の高濃度保持を破壊することなくアンモニア阻害を効率的に低減できるメタン発酵処理方法及び装置を開発し、特許文献４に開示した。同方法及び装置を、図８を参照して、本発明の理解に必要な程度において説明する。図示例のメタン発酵処理装置は、メタン発酵微生物の固定床２を有する嫌気性発酵槽１と、発酵槽１の下部の抜出口5cと頂部の気相部９の吐出口5bとを連通する外付け循環路５と、循環路５上に設けた循環ポンプ６と、発酵槽１の頂部の気相部９に設けた抜出口10aと戻り口10bとを連通する外付け循環ガス流路10と、ガス流路10上に設けたエアポンプ11及びアンモニア捕集装置12とを有する。

例えば図８の貯留タンク50に生ごみ等の有機性廃棄物を平均100ミクロン程度に細かく粉砕したスラリー状の有機物含有液Ｅを蓄え、その貯留タンク50の有機物含有液Ｅを供給ポンプ51及び供給路52により発酵槽１へ投入して所要時間滞留させる。発酵槽１内の有機物含有液Ｅは、循環ポンプ６により下部から引き抜き、循環路５を介して頂部の気相部９に戻して循環させることにより、攪拌しながら固定床２と接触させる。それと同時に、ガスポンプ11によって発酵槽１の気相部９の分解生成ガスＧを循環ガス流路10に引き抜き、アンモニア捕集装置12を介して気相部９へ戻すことにより気相部９のアンモニア分圧を低下させる。

図８のメタン発酵処理装置は、発酵槽１の気相部９のアンモニア分圧を低下することによって有機物含有液Ｅ中のアンモニアを気相部９に移行（拡散）させるので、発酵槽１の液相部における微生物の高濃度保持を破壊するおそれが小さく、高濃度の微生物によるアンモニア阻害のないメタン発酵処理を実現できる。また、有機物含有液Ｅから気相部９へのアンモニア移行が促進されるようにガス流路10から気相部９への吹き込み量（すなわちガスポンプ11の流量）を適当に調節することができ、必要に応じて複数の抜出口10a又は戻り口10bを設けることもできる。ガス流路10の戻り口10bを発酵槽１内の液面Ｌに臨ませ、捕集装置12でアンモニア除去後のガスＧを液面Ｌへ吹き付けることにより、有機物含有液Ｅ（とくに液面Ｌ）からのアンモニア除去効率を高めることも期待できる。

特許第２７０８０８７号公報特許第３０６４２７２号公報特開２００１−２７６８８０号公報特開２００６−２９７１７１号公報

しかし、図８のように発酵槽１の気相部９のアンモニア分圧の低下により液相部のアンモニア濃度を低下させる方法は、大型の発酵槽１におけるアンモニア阻害を十分に防止できない問題点がある。従来から大量の有機性廃棄物を再資源化処理するために大型の発酵槽１を用いてメタン発酵処理を行う場合があるが、有機性廃棄物を効率的・安定的にメタン発酵処理するためには発酵槽１内で有機物含有液Ｅを均一に攪拌する必要があることから、とくに図８のように有機物含有液Ｅを循環流によって均一化する場合は、発酵槽１内で均一な流れが形成されるように発酵槽１の径の大きさを制限し高さ（深さ）を大きくすることで大型化に対応している。このため大型発酵槽１では、小型又は中型の発酵槽１に比して有機物含有液Ｅの全体量に対する液面Ｌの面積の割合が小さくなっている。

図８に示したアンモニア阻害の低減方法は、液面Ｌから気相部９へのアンモニアの拡散によって有機物含有液Ｅ中のアンモニア濃度を低下させるので、発酵槽１の大型化により有機物含有液Ｅの全体量に対する液面Ｌの面積の割合が減少すると、液面Ｌからのアンモニアの拡散だけでは有機物含有液Ｅのアンモニアを十分に除去できなくなり、例えば発酵槽１の底部においてアンモニア濃度がメタン発酵を阻害する程度まで上昇するおそれがある。大型の発酵槽１で効率的・安定的なメタン発酵処理を実現するためには、微生物の高濃度保持を維持しつつ、発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑えることが必要である。

そこで本発明の目的は、大型の発酵槽においてもアンモニア阻害を効率的に抑制できるメタン発酵処理装置を提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明によるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置は、有機物含有液Ｅを滞留させつつメタン発酵微生物の固定床２に接触させて分解する嫌気性発酵槽１、発酵槽１内の有機物含有液Ｅを微生物の活性温度に保温する保温装置７、発酵槽１内の有機物含有液Ｅを発酵槽１の下部から引き抜き発酵槽１の上部に戻して循環させるポンプ６付き循環路５、発酵槽１の頂部の気相部９から分解生成ガスＧを引き抜き循環路５上に吹き込むポンプ11付きガス流路10、ガス流路10上に設けたアンモニア捕集装置12、及び発酵槽１の気相部９の分解生成ガスＧを外部へ回収するガス回収路18を備え、ガス回収路18により分解生成ガスＧを外部へ回収しながらガス流路10によりアンモニア捕集後の分解生成ガスＧを有機物含有液Ｅ中に吹き込んでアンモニア濃度の上昇を抑制してなるものである。望ましくは、循環路５上のガス送り込み部位に、発酵槽１からの有機物含有液Ｅとアンモニア捕集装置12からの分解生成ガスＧとを混合攪拌して有機物含有液Ｅから分解生成ガスＧへのアンモニアの移行を促進するラインミキサー14を設ける。

アンモニア捕集装置12には、図４に示すように、分解生成ガスＧをメタン発酵微生物の活性温度以下に冷却してアンモニア水を凝縮させる冷却器12aを含めることができる。また図３に示すように、発酵槽１の処理済液Ｆを更に生物学的脱窒処理する硝化槽43及び脱窒槽42を併設した場合は、アンモニア捕集装置12に、分解生成ガスＧを硝化槽43の硝化液Ｎに注入してアンモニアを除去するスクラバを含めることができる。

好ましくは、図２に示すように、発酵槽１内の固定床２の上方に有孔隔壁21を介して隣接する固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25を設け、ポンプ６付き循環路５により発酵槽１の有孔隔壁21の下方から有機物含有液Ｅを引き抜き有孔隔壁21の上方に戻して循環させ、固形状有機性廃棄物Ａ中の有機物を有機物含有液Ｅに移行させて分解する。また図６に示すように、循環路５上のポンプ６の下流側部位に、発酵槽１の下部に連通する下部密閉空間26aと発酵槽１の頂部の気相部９に連通する上部密閉空間26bとその両密閉空間26a、26bの間にそれぞれ有孔隔壁21、22を介して挟まれた固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25とを有する有機物格納槽20を設け、ポンプ６付き循環路５により発酵槽１の有機物含有液Ｅを格納槽20の下部密閉空間26aへ圧入し且つ格納槽20の上部密閉空間26bから発酵槽１に戻して循環させることにより、固形状有機性廃棄物Ａ中の有機物を有機物含有液Ｅに移行させて分解することもできる。

更に好ましくは、図４又は図５に示すように、発酵槽１の頂部の気相部９に連通する固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25とその格納空間25の下方に有孔隔壁21を介して隣接し且つ開閉弁33付き排液路32を介して発酵槽１に連通する密閉空間26とを有する有機物格納槽20を併設し、格納槽20の密閉空間26に一端が接続され且つ他端が発酵槽１の循環路５のポンプ６の下流側部位に切替弁31a、31bを介して接続された導入路30と、格納槽20の格納空間25における有機物含有液Ｅの冠水を検出する検出器27と、切替弁31a、31bを定期的に導入路30側に切り替えて発酵槽１の有機物含有液Ｅを循環路５のポンプ６により格納槽20内へ圧入し且つ検出器27の検出信号に応じて切替弁31a、31bを循環路５側に切り替えると共に排液路32の開閉弁33を開放して格納槽20内の有機物含有液Ｅを発酵槽１へ戻す制御装置35とを設け、固形状有機性廃棄物Ａ中の有機物を定期的に圧入する有機物含有液Ｅに移行させて分解する。このように発酵槽１と独立した有機物格納槽20を用いる場合は、図４に破線で示すように、ガス流路10を、発酵槽１の頂部の気相部９に代えて有機物格納槽20の頂部の気相部に接続してもよい。

本発明によるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置は、メタン発酵微生物の固定床２を有する嫌気性発酵槽１に有機物含有液Ｅを滞留させると共に微生物の活性温度に保温し、発酵槽１内の有機物含有液Ｅをポンプ６付き循環路５で下部から引き抜き上部へ戻して循環させながらメタン発酵微生物により分解し、発酵槽１の気相部９の分解生成ガスＧをガス回収路18により外部へ回収しながらポンプ11付きガス流路10に引き抜き、そのガス流路10上に設けたアンモニア捕集装置12でアンモニア捕集後のガスＧをポンプ11によって循環路５上に吹き込んで有機物含有液Ｅ中のアンモニア濃度の上昇を抑制するので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）循環路５の有機物含有液Ｅ中にアンモニア捕集後の分解生成ガスＧを吹き込むので、液面Ｌからアンモニアを拡散させる方法に比し有機物含有液ＥとガスＧとの接触面積を増大させ、有機物含有液Ｅ中のアンモニアを迅速且つ効率的にガスＧに移行させて除去することができる。
（ロ）有機物含有液Ｅのアンモニアが移行した分解生成ガスＧは循環路５から発酵槽１に戻されたのち有機物含有液Ｅと気液分離されるので、循環路５から発酵槽１に戻す有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を十分に低下させ、ひいては発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑制できる。
（ハ）有機物含有液Ｅの全体量に対する液面Ｌの面積の割合が小さい大型の発酵槽１においても、発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑制し、アンモニア阻害の発生を有効に防止できる。
（ニ）循環路５上のガス送り込み部位に有機物含有液Ｅと分解生成ガスＧとを混合攪拌するラインミキサー14を設けて両者の接触面積を更に増大することにより、アンモニア阻害の発生を一層確実に防止できる。

（ホ）発酵槽１の外付け循環路５に分解生成ガスＧを吹き込むので、発酵槽１内の固定床２の微生物に対する影響が小さく、発酵槽１内における微生物の高濃度保持を維持しつつアンモニア阻害のない効率的なメタン発酵処理を実現できる。
（ヘ）有機物含有液Ｅ中のアンモニアを効率的に除去することで、窒素濃度が高い有機物をメタン発酵処理することが可能となり、アンモニア阻害が発生しやすい無希釈の固形状又は半固形状の有機性廃棄物Ａを処理する乾式メタン発酵にも適用できる。
（ト）既存のメタン発酵槽に対してもアンモニア捕集装置12付きガス流路10の増設によって適用可能であり、アンモニア阻害の低減によるメタン発酵処理の効率向上を図ることができる。

図１は、有機性廃棄物をほぼ等量の水と共にスラリー状に粉砕した有機物含有液Ｅをメタン発酵処理する本発明の処理装置の実施例を示す。図示例の処理装置は、図８の処理装置と同様に、内部にメタン発酵微生物の固定床２を有する嫌気性発酵槽１と、その発酵槽１内の有機物含有液Ｅを発酵槽１の下部から引き抜き発酵槽１の上部に戻して循環させる循環ポンプ６付き循環路５と、発酵槽１の頂部の気相部９から分解生成ガスＧ（以下、バイオガスＧということがある）を引き抜くエアポンプ11付きガス流路10とを有し、そのガス流路10上にアンモニア捕集装置12を設けている。ただし図示例の処理装置は、図８のように発酵槽１の気相部９とアンモニア捕集装置12との間でバイオガスＧを循環させるのではなく、ポンプ11付きガス流路10によりアンモニア捕集装置12からのアンモニア除去後のバイオガスＧを循環路５上に吹き込んでいる。

発酵槽１の固定床２には、高分子量の有機物を低分子量に分解する加水分解菌、低分子量の有機物を酢酸等の有機酸に分解する酸発酵菌、有機酸をメタンと二酸化炭素とに分解するメタン生成菌等を含むメタン発酵微生物を付着させる。固定床２の一例は、メタン発酵微生物が高濃度に付着可能な適当な微生物担体３、例えばガラス繊維製又は炭素繊維製の織布又は不織布が中空筒状に成形された微生物担体３を規則的に並べたものである。発酵槽１内には、固定床２が浸漬するように、頂部の開閉弁8a付き取入口８から有機物含有液Ｅを連続的に供給する。図示例の発酵槽１は、その底部の有機物含有液Ｅを外側の液面対応高さの溢流口17から溢流させる溢流路16を有し、溢流口17の高さによって発酵槽１内の有機物含有液Ｅの液面高さを定める構造となっており、固定床２が浸漬する高さに溢流口17が設けられている。

また発酵槽１には、発酵槽１内の有機物含有液Ｅをメタン発酵微生物の活性温度に保温する保温装置７を設ける。図示例では、保温装置７を循環路５上に設けた熱交換器とし、熱交換器７に例えば蒸気その他の高温流体Ｈを送り、その高温流体Ｈとの熱交換により発酵槽１内の有機物含有液Ｅをメタン発酵に最適な発酵温度に保温している。例えばメタン生成菌として高温菌を用いる場合は、保温装置７により有機物含有液Ｅを50〜60℃、好ましくは54〜56℃に保温する。ただし、保温装置７は図示例に限定されず、例えば保温装置７を発酵槽１の周壁に取り付けたジャケット型の熱交換器とし、ジャケット型の熱交換器により発酵槽１内の有機物含有液Ｅをメタン発酵微生物の活性温度に保温してもよい。

発酵槽１の頂部に供給された有機物含有液Ｅは、ポンプ６付き循環路５によって形成される下向流で攪拌されながら発酵槽１の下部に向けて移行する。望ましくは、図示例のように循環路５の戻り口に分散器5aを設け、循環路５の有機物含有液Ｅを分散器5aにより発酵槽１の液面Ｌに均一に散布し、発酵槽５内に緩やかで均一な下向流を形成する（図２の分散器5aも参照）。発酵槽５内に均一な下向流を形成することで、発酵槽１内で発生したバイオガスＧの気泡の上昇流と有機物含有液Ｅの下向流との交差による効果的な攪拌が期待でき、有機物含有液Ｅ中に溶解又は懸濁したアンモニアの除去効率を高める効果も期待できる。有機物含有液Ｅは、発酵槽１内を移行する間に固定床２と接触して徐々に分解され、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスＧが生成される。バイオガスＧは、気泡となって発酵槽１内の頂部の気相部９に移行し、ガス回収路18から処理系外へ回収される。必要に応じてガス回収路18に脱硫器19（図８参照）等を設けることができる。

発酵槽１の下部に移行した有機物含有液Ｅは、ポンプ６付き循環路５に引き抜かれて発酵槽１の上部に戻され、発酵槽１に所要時間滞留しながら更に分解される。このように発酵槽１に滞留させながら分解すると、有機物含有液Ｅの窒素濃度の高い場合に、有機物含有液Ｅのアンモニア濃度が上昇する可能性がある。図示例の処理装置は、ガス流路10により発酵槽１の気相部９から引き抜いたバイオガスＧをアンモニア捕集装置12へ送り、捕集装置12でアンモニア除去後のバイオガスＧをエアポンプ11により循環路５上へ吹き込むことで有機物含有液Ｅのアンモニア濃度の上昇を抑制している。アンモニア捕集装置12は、従来技術に属する適当な湿式又は乾式の捕集装置を利用することが可能であるが、例えば水や酸溶液（例えば希硫酸溶液）等の洗浄液を利用してバイオガスＧ中のアンモニアを捕集するスクラバ（洗浄集塵器）を用いることができる。また、図示例では循環ポンプ６への気泡の進入を防ぐためにポンプ６の下流側にバイオガスＧを送り込んでいるが、気泡の進入が問題とならなければ循環路５上の任意部位にバイオガスＧを送り込むことができ、発酵槽１によってガス送り込み部位を適宜に選択できる。

図示例では、循環路５上の有機物含有液Ｅ中に、ガス流路10のアンモニア捕集装置12でアンモニア分圧を低下させたバイオガスＧがエアポンプ11により気泡として吹き込まれる。バイオガスＧを小さな気泡として吹き込むことで有機物含有液Ｅとの接触面積が増大し、アンモニア分圧の低下したバイオガスＧ中に有機物含有液Ｅのアンモニアを効率的に移行させることができる。また、循環路５に吹き込んだバイオガスＧは発酵槽１に戻ったのち有機物含有液Ｅから分離されるので、循環路５において有機物含有液Ｅ中のアンモニアをバイオガスＧ中に移行させることにより、循環路５から発酵槽１に戻る有機物含有液Ｅ（図示例では、分散器5aにより液面Ｌに散布される有機物含有液Ｅ）のアンモニア濃度を十分に低下させ、その結果として発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑制することができる。更に有機物含有液ＥからバイオガスＧへのアンモニアの移行が促進されるように、循環路５上の有機物含有液Ｅの流量（循環ポンプ６の流量）に応じてバイオガスＧの吹き込み量（エアポンプ11の流量）を適切に選択し、必要に応じて循環路５上に複数のバイオガスＧの吹き込み口を設けてもよい。

好ましくは、図示例のように、循環路５上のガス送り込み部位に、発酵槽１からの有機物含有液Ｅとアンモニア捕集装置12からのバイオガスＧとを混合攪拌するラインミキサー14を設ける。図示例のラインミキサー14は、循環路５の流れ方向の回転軸の周りに回転自在な攪拌羽根15を有し、有機物含有液ＥとバイオガスＧとを均一に混合すると共に、ガスＧの気泡を微細化して有機物含有液Ｅ中への溶解効率を高めることにより有機物含有液ＥとガスＧとの接触面積を大きくする。バイオガスＧとの接触面積が増大することで有機物含有液ＥからガスＧへのアンモニアの移行を促進し、循環路５から発酵槽１に戻る有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を更に低く抑えることができる。

発酵槽１内に所要時間滞留して粒径及び粒子密度が小さくなった有機物含有液Ｅ中の有機物は、発酵槽１の底部から溢流路16に進入して溢流口17から処理済液Ｆと共に排出される。一般に発酵の進んでいない比較的粒径の大きな有機物は流れに乗って移動しやすく、発酵槽１の底部において循環路５に引き抜かれて更に循環するので、発酵の進んだ比較的粒径の小さい有機物のみが発酵槽１の底部から溢流路16に送られて排出されることとなる。溢流口17から排出された処理済液Ｆは、必要に応じて排水処理装置40（図３参照）により二次処理されたのち下水道や河川等の環境中に放流される。発酵槽１内における有機物含有液Ｅの滞留時間は、取入口８からの有機物含有液Ｅの供給流量によって調節することができる。

図１のメタン発酵処理装置によれば、発酵槽１内の固定床２の微生物の高濃度保持を破壊するおそれがなく、しかも循環路５においてアンモニア濃度を十分に低下させた有機物含有液Ｅを発酵槽１に戻して循環することで発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑制できるので、大型の発酵槽１においても高濃度微生物によるアンモニア阻害のない効率的なメタン発酵処理を実現することができる。また、発酵槽１内の全体のアンモニア濃度の上昇を効果的に抑えることができることから、図１のように有機性廃棄物をある程度希釈して粉砕したスラリー状の有機物含有液Ｅを処理する湿式メタン発酵だけでなく、アンモニア阻害が発生しやすいとされている無希釈の固形状又は半固形状の有機性廃棄物をそのまま処理する乾式メタン発酵にも適用することが期待できる。

図２は、固形状又は半固形状の有機性廃棄物Ａ（以下、これらを纏めて「固形状有機性廃棄物」ということがある）を処理する本発明のメタン発酵処理装置の一例を示す。図示例の発酵槽１には、固定床２の上方に有孔隔壁21を介して隣接する固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25が設けられている。有孔隔壁21の一例は、発酵槽１の内周断面形状と同じ外縁形状であって全面又は一部に適当径の小孔が穿たれた多孔板である。発酵槽１の内周面の所定部位に多孔板21の外縁を密着させて嵌め込むことにより、発酵槽１の内側を固定床２が設けられた下方空間と上方の格納空間25とに仕切ることができる。格納空間25には、取入口８から適当な大きさに粗粉砕した固形状有機性廃棄物Ａを投入する。また、図示例の発酵槽１内には有機性廃棄物Ａが冠水する高さの有機物含有液Ｅ（例えばメタン発酵微生物を含む有機排水等）が投入されている。ただし、発酵槽１内の有機物含有液Ｅの液面Ｌは必ずしも有機性廃棄物Ａが冠水する高さでなくてもよく、発酵槽１に投入する有機性廃棄物Ａの種類・粒径等の条件によって適宜選択できる。例えば有機性廃棄物Ａが易分解性である場合は、同図に点線で示すように、有機物含有液Ｅの液面Ｌを有孔隔壁21とほぼ同じ高さとすることができる。

図２の処理装置では、ポンプ６付き循環路５によって発酵槽１の有孔隔壁21の下方から有機物含有液Ｅを引き抜き、発酵槽１の有孔隔壁21の上方の格納空間25に戻して循環させることにより、格納空間25の固形状有機性廃棄物Ａを有機物含有液Ｅ中の微生物との接触によって徐々に分解して、粒径の小さい有機物に可溶化して有機物含有液Ｅと共に有孔隔壁21の下方に移行させる。また、この有機物含有液Ｅの循環と同時に、ポンプ11付きガス流路10により発酵槽１の格納空間25の気相部９からバイオガスＧを引き抜いてアンモニア捕集装置12へ送り、捕集装置12でアンモニア除去後のバイオガスＧを循環路５上へ吹き込む。

図２の実施例においても、図１の場合と同様に、アンモニア捕集装置12でアンモニアを除去したバイオガスＧを小さな気泡として循環路５上の有機物含有液Ｅに吹き込むことで、有機物含有液ＥのアンモニアをバイオガスＧ中に効率的に移行させ、循環路５から発酵槽１の格納空間25に戻る有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を十分に低下させることができる。その結果として、発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑制し、従来アンモニア阻害が発生しやすいとされている固形状有機性廃棄物Ａを無希釈でメタン発酵する際のアンモニア阻害を防止することができる（後述の実験例１参照）。

なお、図２の処理装置は、固形有機性廃棄物Ａ中に混入することのある固形異物Ｂを排出するための排出口24を有している。有機性廃棄物Ａ中の可溶化しない異物Ｂは有孔隔壁21の下方に移行せず有孔隔壁21上に滞留するため、有孔隔壁21上に溜まった異物Ｂを排出口24から適宜取り出して回収する。従って、図示例の格納空間25に投入する有機性廃棄物Ａは、前処理段階で粗粉砕すれば十分であり、異物Ｂが混入していても有孔隔壁21上に滞留して固定床２への侵入や付着等が防止され、メタン発酵を阻害しないので、必ずしも前処理段階で異物Ｂを分別する必要もない。従って、図１のような湿式メタン発酵法に比し、固形状有機性廃棄物Ａの前処理を極めて簡単化・低コスト化できる利点を有している。

図５は、固形状又は半固形状の有機性廃棄物Ａをメタン発酵処理する本発明の他の処理装置の実施例を示す。図示例の処理装置は、嫌気性発酵槽１と独立した有機物格納槽20を有し、その有機物格納槽20内に、発酵槽１の気相部９にガス連絡路29を介して連通する固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25と、その格納空間25の下方に有孔隔壁21を介して隣接すると共に開閉弁33付き排液路32を介して発酵槽１に連通する密閉空間26とを設けている。有孔隔壁21は図２の実施例と同様のものである。また図示例の処理装置は、発酵槽１の循環路５と有機物格納槽20の密閉空間26とを接続する導入路30を有する。導入路30は、その一端が切替弁31a、31bを介して発酵槽１の循環路５のポンプ６の下流側部位に接続され、その他端が有機物格納槽20の密閉空間26に接続されている。更に図示例の処理装置は、有機物格納槽20の格納空間25の冠水を検出する冠水検出器27と、切替弁31a、31bの切り替えを制御する制御装置35とを有する。図示例の有機物格納槽20の格納空間25には、図２の場合と同様に、取入口８から適当な大きさに粗粉砕した固形状有機性廃棄物Ａを投入する。発酵槽１には、例えばメタン発酵微生物を含む有機排水等の有機物含有液Ｅを蓄える。

図５の制御装置35は、切替弁31a、31bを定期的に導入路30側に切り替えて発酵槽１の有機物含有液Ｅを循環路５のポンプ６により有機物格納槽20の密閉空間26から格納空間25内へ圧入し、有機物格納槽20の格納空間25の固形状有機性廃棄物Ａを有機物含有液Ｅで冠水させる。ポンプ６の駆動時間間隔は有機性廃棄物Ａの量や種類に応じて適宜設定できるが、たとえば１日に１〜４回程度とすることができる。冠水検出器27の検出信号により有機物含有液Ｅによる有機性廃棄物Ａの冠水が検出されると、必要に応じて冠水を一定時間保持したのち、制御装置35は切替弁31a、31bを循環路５側に切り替えると共に排液路32の開閉弁33を開放して格納槽20内に圧入した有機物含有液Ｅを密閉空間26経由で発酵槽１へ戻す。格納空間25の固形状有機性廃棄物Ａは、冠水時に有機物含有液Ｅ中の微生物との接触によって徐々に分解されて可溶化し、排液時に有機物含有液Ｅと共に発酵槽１に戻されてメタン発酵に供される。

図５の実施例においても、図１及び図２の場合と同様に、発酵槽１において有機物含有液Ｅをメタン発酵処理する際に、ポンプ11付きガス流路10により発酵槽１の気相部９からバイオガスＧを引き抜き、アンモニア捕集装置12でアンモニア除去後のバイオガスＧを循環路５上へ吹き込むことにより、発酵槽１内の有機物含有液Ｅのアンモニア濃度の上昇を抑制することができる。なお、図示例では有機物格納槽20の格納空間25と発酵槽１の気相部９とはガス連絡路29により連通しているので、ガス流路10により有機物格納槽20のバイオガスＧも同時に引き抜くことができ、ガス流路10を発酵槽１の頂部に代えて有機物格納槽20の頂部（格納空間25）の気相部に接続してバイオガスＧを引き抜いてもよい（図４の破線参照）。また、図５の実施例では有機物格納槽20の密閉空間26を発酵槽１の頂部より上方に設け、有機物格納槽20内に圧入した有機物含有液Ｅを重力によって排液路32経由で発酵槽１に戻しているが、有機物格納槽20と発酵槽１とが同じレベルに設置されている場合は、図４に示すように、排液路32上に排液ポンプ34を設け、制御装置35により排液路32の開閉弁33を開放すると共に排液ポンプ34を駆動して有機物格納槽20内の有機物含有液Ｅを発酵槽１に戻してもよい。この場合は、有機物格納槽20の密閉空間26に水位を検出する水位検出器28を設け、水位検出器28の検出信号に応じて制御装置35が排液路32の開閉弁33を閉鎖することや排液ポンプ34を停止することができる。

［実験例１］
本発明による発酵槽１のアンモニア濃度の低減効果を確認するため、有効容積５リットルの発酵槽１及び有機物格納槽20を用いて図５に示す処理装置を試作し、メタン発酵処理時の有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を計測する実験を行った。本実験では、発酵槽１内の固定床２にメタン発酵微生物として高温菌群を保持させると共に発酵槽１内に有機物含有液Ｅを蓄え、その有機物含有液Ｅを保温装置７で55℃に保温しつつ循環路５及び循環ポンプ６経由で循環させた。また、有機物格納槽20の格納空間25に固形状有機性廃棄物Ａとして弁当と野菜くずとを混合粉砕処理した含水率70％の生ごみ（T-CODcr＝350,000mg／リットル、ケルダール窒素濃度＝10,000mg／リットル）を130ｇ／日の割合で供給し、制御装置35により４回／日の頻度で発酵槽１の有機物含有液Ｅを有機物格納槽20に圧入し、固形状有機性廃棄物Ａ中の有機物を有機物含有液Ｅに移行させた。更に、発酵槽１の気相部９のバイオガスＧをエアポンプ11により発酵槽１の単位容積（m³）当たり10m³／dayの流量でガス流路10に引き抜いてアンモニア捕集装置12へ送り、アンモニア捕集後のバイオガスＧを循環路５上に設けたラインミキサー14に吹き込みながら、発酵槽１内の有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を50日間にわたり継続的に計測した。アンモニア捕集装置12として0.1Nの硫酸溶液利用のスクラバを使用した。

固形状有機性廃棄物Ａのケルダール窒素濃度が10,000mg／リットルであり、ケルダール窒素の約70％がアンモニア性窒素に変換されると仮定すると、アンモニア除去を行わなければ、発酵槽１内の有機物含有液Ｅのアンモニア濃度は約7,000mg／リットルになると予想された。図７（Ａ）のグラフは、図５の実験装置における発酵槽１内のアンモニア濃度の計測結果を示す。また同図（Ｂ）は、アンモニア捕集後のバイオガスＧを循環路５上に吹き込むのではなく、図８のように発酵槽１の気相部９とアンモニア捕集装置12との間でバイオガスＧを循環させてアンモニア分圧の低下させた対照実験における発酵槽１内のアンモニア濃度の計測結果を示す。

図７（Ｂ）のグラフから、発酵槽１の気相部９のアンモニア分圧の低下させる方法によっても、発酵槽１内のアンモニア濃度をアンモニア阻害が発生しうる3,000mg／リットル以下に抑えることができることが分かる。しかし、図７（Ａ）のグラフから分かるように、アンモニア捕集後のバイオガスＧを循環路５上に吹き込むことにより、発酵槽１内のアンモニア濃度を2,000mg／リットル以下に低下させ、有機物含有液Ｅ中のアンモニアを一層効率的に除去することができる。この実験結果から、本発明のメタン発酵処理装置によれば、有機物含有液Ｅの全体量に対する液面Ｌの面積の割合が小さい大型の発酵槽１においてもアンモニア濃度の上昇を低く抑え、アンモニア阻害のない効率的なメタン発酵が可能であることを確認することができた。

こうして本発明の目的である「大型の発酵槽においてもアンモニア阻害を効率的に抑制できるメタン発酵処理装置」を達成することができる。

図４は、冷却器12aを含むアンモニア捕集装置12を用いた本発明の処理装置の実施例を示す。上述したように本発明の処理装置では、硫酸スクラバその他の従来技術に属する適当なアンモニア捕集装置12を利用できるが、硫酸スクラバ等を用いた場合は、薬品を頻繁に補充・交換する必要が生じる。図示例のアンモニア捕集装置12は、発酵槽１の気相部９から抜き出したバイオガスＧを例えば冷却水その他の冷却流体Ｃにより冷却してアンモニア水を凝縮させる冷却器12aと、凝縮したアンモニア水を分離する気液分離器12b（トラップなど）とを有する。

図示例の発酵槽１の内部は保温装置７によりメタン発酵微生物に適した高温（例えば50〜60℃）に保温されており、その気相部９のバイオガスＧも高温となっている。図示例では、気相部９から抜き出したバイオガスＧを冷却器12aにおいてメタン発酵微生物の活性温度以下、好ましくは25℃程度の室温以下、更に好ましくは５℃程度に冷却することにより、バイオガスＧ中に含まれる水蒸気を液化して水とし、バイオガスＧ中のアンモニアを水に溶かして除去している。その凝縮したアンモニア水を気液分離器12bで分離したうえでバイオガスＧを循環路５に吹き込むことで、循環路５の有機物含有液Ｅのアンモニア濃度を低下させ、発酵槽１内の有機物含有液Ｅ全体のアンモニア濃度の上昇を抑えることができる。このようにアンモニア捕集装置12としてアンモニア水を凝縮させる冷却器12aを用いることにより、硫酸スクラバ等のように薬品の補充・交換といった手間やコストが不要となり、メタン発酵処理のランニングコストを削減することができる。なお、冷却器12aをアンモニア捕集装置12として用いる場合は、液化した水を補充するため、発酵槽１に適宜水分（例えば図３の排水処理装置40からの二次処理水）を補給することが望ましい。

図３は、発酵槽１の処理済液Ｆを更に生物学的脱窒処理する硝化槽43及び脱窒槽42を併設した場合に、その硝化槽43の硝化液Ｎを用いてバイオガスＧ中のアンモニアを除去する本発明の処理装置の実施例を示す。一般に発酵槽１から排出される処理済液Ｆは、そのまま下水道等に放流できない場合は、排水処理装置40を用いて処理済液Ｆ中の残留有機物を更に浄化したうえで環境中に放流する必要がある。図示例の排水処理装置40は、処理済液Ｆ中の固形分を除去する最初沈殿池41とその上澄み液を流入させる脱窒槽42及び硝化槽43と最終沈殿池44とを有し、最終沈殿池44から脱窒槽42に硝化液Ｎを循環させて戻すことにより、処理済液Ｆ中のＢＯＤ及び窒素を浄化するものである。図示例では、硝化槽43の硝化液Ｎを貯留し、その硝化液Ｎに発酵槽１の気相部９から抜き出したバイオガスＧを吹き込んでアンモニアを捕集するスクラバ（硝酸スクラバ）をアンモニア捕集装置12としている。このように排水処理装置40において発生する硝化液Ｎを用いてバイオガスＧ中のアンモニアを捕集することにより、薬品に要するランニングコストを削減できる効果が得られる。

図６は、図２及び図４の場合と同様に固形状又は半固形状の有機性廃棄物Ａをメタン発酵処理する本発明の更に他の実施例を示す。図示例の処理装置は、循環路５上のポンプ６の下流側部位に発酵槽１と独立した有機物格納槽20を設けている。有機物格納槽20内には、発酵槽１の下部に連通する下部密閉空間26aと、発酵槽１の頂部の気相部９に連通する上部密閉空間26bと、その両密閉空間26a、26bの間にそれぞれ有孔隔壁21、22を介して挟まれた固形状有機性廃棄物Ａの格納空間25とが設けられている。有孔隔壁21は図４の実施例と同様のものである。有機物格納槽20の上部密閉空間26bには有孔隔壁22を貫通して格納槽20の外部と格納空間25とを連通する取入弁23a付き取入口23が設けられており、図４の場合と同様に、その取入口23から格納空間25に有孔隔壁22を介して適当な大きさに粗粉砕した固形状有機性廃棄物Ａを投入する。また発酵槽１には、例えばメタン発酵微生物を含む有機排水等の有機物含有液Ｅを蓄える。

図６の実施例では、ポンプ６付きの上流側循環路5nにより発酵槽１の有機物含有液Ｅを格納槽20の下部密閉空間26aへ圧入し、有孔隔壁21を介して有機物含有液Ｅを格納空間25内に進入させて固形状有機性廃棄物Ａを攪拌し、更に有孔隔壁22を介して上部密閉空間26bに進入した有機物含有液Ｅを下流側循環路5mにより発酵槽１に戻して循環させる。このような有機物含有液Ｅの循環により、格納空間25の固形状有機性廃棄物Ａは微生物との接触によって徐々に分解されて可溶化し、下流側循環路5mを介して有機物含有液Ｅと共に発酵槽１に戻されてメタン発酵に供される。更に、上述したように発酵槽１において有機物含有液Ｅをメタン発酵処理する際に、ポンプ11付きガス流路10により発酵槽１の気相部９（又は有機物格納槽20の上部密閉空間26bの気相部）からバイオガスＧを引き抜き、アンモニア捕集装置12でアンモニア除去後のバイオガスＧを循環路５上へ吹き込むことにより、発酵槽１及び有機物格納槽20における有機物含有液Ｅのアンモニア濃度の上昇を抑制することができる。

本発明の一実施例の説明図である。固形状有機性廃棄物を分解する本発明の実施例の説明図である。硝化槽の硝化液を用いたアンモニア捕集装置の実施例の説明図である。冷却器を用いたアンモニア捕集装置の実施例の説明図である。固形状有機性廃棄物を分解する本発明の他の実施例の説明図である。固形状有機性廃棄物を分解する本発明の更に他の実施例の説明図である。本発明によるアンモニア阻害抑制効果の確認実験結果の説明図である。従来のアンモニア阻害低減型のメタン発酵装置の説明図である。

符号の説明

１…嫌気性発酵槽２…固定床
３…微生物担体５…循環路
5a…分散器 5b…吐出口
5c…抜出口 5m…下流側循環路
5n…上流側循環路６…循環ポンプ
７…保温装置（熱交換器）８…取入口
8a…開閉弁９…気相部
10…ガス流路 10a…抜出口
10b…戻り口
11…エアポンプ 12…アンモニア捕集装置
12a…冷却器 12b…気液分離器
14…ラインミキサー 15…攪拌羽根
16…溢流路 17…溢流口
18…ガス回収路 19…脱硫器
20…有機物格納槽 21、22…有孔隔壁（多孔板）
23…取入口 23a…取入弁
24…排出口 25…格納空間
26…密閉空間 26a…下部密閉空間
26b…上部密閉空間 27…冠水検出器
28…水位検出器 29…ガス連絡路
30…導入路 31、31a、31b…切替弁
32…排液路 33…開閉弁
34…排液ポンプ 35…制御装置
40…排水処理装置 41…最初沈殿池
42…脱窒槽 43…硝化槽
44…最終沈殿池 50…貯留タンク
51…供給ポンプ 52…供給路
Ａ…固形状有機性廃棄物（固形状又は半固形状の有機性廃棄物）
Ｂ…異物Ｅ…有機物含有液
Ｆ…処理済液Ｈ…高温流体（蒸気等）
Ｃ…冷却流体（冷却水等）Ｇ…分解生成ガス（バイオガス）
Ｎ…硝化液Ｌ…液面

Claims

有機物含有液を滞留させつつメタン発酵微生物の固定床に接触させて分解する嫌気性発酵槽、前記発酵槽内の有機物含有液を微生物の活性温度に保温する保温装置、前記発酵槽内の有機物含有液を発酵槽の下部から引き抜き発酵槽の上部に戻して循環させるポンプ付き循環路、前記発酵槽の頂部の気相部から分解生成ガスを引き抜き前記循環路上に吹き込むポンプ付きガス流路、前記ガス流路上に設けたアンモニア捕集装置、及び前記発酵槽の気相部の分解生成ガスを外部へ回収するガス回収路を備え、前記ガス回収路により分解生成ガスを外部へ回収しながら前記ガス流路によりアンモニア捕集後の分解生成ガスを有機物含有液中に吹き込んでアンモニア濃度の上昇を抑制してなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１の処理装置において、前記循環路上のガス吹き込み部位に、前記発酵槽からの有機物含有液と前記アンモニア捕集装置からの分解生成ガスとを混合攪拌して有機物含有液から分解生成ガスへのアンモニアの移行を促進するラインミキサーを設けてなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１又は２の処理装置において、前記アンモニア捕集装置に、前記分解生成ガスを前記微生物の活性温度以下に冷却してアンモニア水を凝縮させる冷却器を含めてなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１から３の何れかの処理装置において、前記発酵槽の処理済液を更に生物学的脱窒処理する硝化槽及び脱窒槽を設け、前記アンモニア捕集装置に、前記分解生成ガスを硝化槽の硝化液に注入してアンモニアを除去するスクラバを含めてなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１から４の何れかの処理装置において、前記発酵槽内の固定床上方に有孔隔壁を介して隣接する固形状有機性廃棄物の格納空間を設け、前記ポンプ付き循環路により前記発酵槽の有孔隔壁下方から有機物含有液を引き抜き有孔隔壁上方に戻して循環させ、前記有機性廃棄物中の有機物を有機物含有液に移行させて分解してなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１から４の何れかの処理装置において、前記循環路上のポンプ下流側部位に、前記発酵槽の下部に連通する下部密閉空間と前記発酵槽の頂部の気相部に連通する上部密閉空間とその両密閉空間の間にそれぞれ有孔隔壁を介して挟まれた固形状有機性廃棄物の格納空間とを有する有機物格納槽を設け、前記ポンプ付き循環路により前記発酵槽の有機物含有液を前記格納槽の下部密閉空間へ圧入し且つ前記格納槽の上部密閉空間から前記発酵槽に戻して循環させ、前記有機性廃棄物中の有機物を有機物含有液に移行させて分解してなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項１から４の何れかの処理装置において、前記発酵槽の頂部の気相部に連通する固形状有機性廃棄物の格納空間とその格納空間の下方に有孔隔壁を介して隣接し且つ開閉弁付き排液路を介して前記発酵槽に連通する密閉空間とを有する有機物格納槽を併設し、前記格納槽の密閉空間に一端が接続され且つ他端が前記発酵槽の循環路のポンプ下流側部位に切替弁を介して接続された導入路と、前記格納槽の格納空間における有機物含有液の冠水を検出する検出器と、前記切替弁を定期的に導入路側に切り替えて前記発酵槽の有機物含有液を循環路ポンプにより前記格納槽内へ圧入し且つ前記検出器の検出信号に応じて前記切替弁を循環路側に切り替えると共に前記排液路の開閉弁を開放して前記格納槽内の有機物含有液を前記発酵槽へ戻す制御装置とを設け、前記有機性廃棄物中の有機物を定期的に圧入する有機物含有液に移行させて分解してなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。
請求項６又は７の処理装置において、前記ガス流路を、前記発酵槽の頂部の気相部に代えて前記有機物格納槽の頂部の気相部に接続してなるアンモニア阻害抑制型メタン発酵処理装置。