JP4835932B2 - メタン発酵処理システム - Google Patents

Description

本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などで発生する余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理システムに関する。

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。
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、メタン発酵槽が提案されている。メタン発酵法は、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。

生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するシステムとして、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するシステムが特許文献１〜特許文献３等に開示されている。高温菌は３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍程度の活性を有しており、高温菌でメタン発酵を行うことで分解速度の向上と消化率の向上を図ることができ、有機性廃棄物を用いたメタン発酵においては、メタンガスの生成量を増大でき、燃料電池などのガス発電に有効利用できるメリットがある。
尚、メタン発酵槽で発生する発酵廃液は、堆肥として土壌に散布するか、又は、浄化処理を行い下水・河川等に放流されるが、浄化処理を行う場合には、下水処理などで用いられる活性汚泥法を主体とする生物学的処理が一般的に行われている。ここで活性汚泥処理工程においては、主に有機物と窒素除去が行われ、又、メタン発酵廃液中の有機物は活性汚泥を構成する微生物の食物となり分解除去される。窒素は好気性の条件下で硝化菌の働きによりアンモニア性窒素（ＮＨ4−Ｎ）が硝酸性窒素（ＮＯ3−Ｎ）に酸化され、次いで、嫌気性の条件下で脱窒菌の働きにより硝酸性窒素（ＮＯ3−Ｎ）が窒素ガス（Ｎ2）に還元されて除去される。
特開平１０−１３７７３０号公報 特開平１３−４６９９７号公報 特開２００４−２９０９２１号公報

ところで、特許文献３に開示された処理方法では、スラリー化した有機性廃棄物を高温菌でメタン発酵した後に消化液として排出される高温（５５℃程度）のメタン発酵廃液は、活性汚泥槽において活性汚泥を構成する微生物の生物処理により有機物、窒素が除去される。このとき、活性汚泥槽における処理温度が４０℃を超えると活性汚泥槽内の菌は死滅してしまい効率のよい処理が進行しなくなるので、活性汚泥槽内の液温を２０〜３５℃程度に保持する必要がある。
活性汚泥槽内の液温を２０〜３５℃程度に保持するには、例えば、活性汚泥槽に空冷式冷却器、水冷式冷却器等を設けて活性汚泥槽に供給されるメタン発酵廃液を冷却する方法を採用できる。
空冷式冷却器はメンテナンスフリーであるという長所があるが、夏季等の気温が高い時期には外気温の制約を受け、活性汚泥槽内を必要な温度まで下げることが難しい場合もあるが、水冷式冷却器によれば、夏季等の気温上昇時においても活性汚泥槽に供給されるメタン発酵廃液を３０℃程度に維持できるので、この点で空冷式冷却器と比べて有利である。
しかしながら、水冷式冷却器は、その循環水が蒸発損失することにより不純物濃度が高まるので、強制的に循環水の一部を外部へ排出するいわゆるブローダウンを行うと共に新たな循環水を水道水などで補給する必要があり、メタン発酵処理システムのランニングコストを上昇させる一因となるという問題があった。
一方、メタン発酵処理システムにおいては各種の洗浄水、希釈水等のシステム使用水（場内使用水）が必要であり、これらの場内使用水は日々、定常的に必要であるため、これらの使用量は処理システムのランニングコストに与える影響が大きい。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、活性汚泥水の温度を適切な温度に維持してメタン発酵廃液の生物処理を促しつつ、低いランニングコストで、かつ長期間安定的に運転できるメタン発酵処理システムを提供することにある。

本発明に係るメタン発酵処理システムは、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、メタン発酵槽においてメタン発酵させた後のメタン発酵廃液を生物処理するための活性汚泥槽と、活性汚泥槽内のメタン発酵廃液を冷却する水冷式冷却器と、水冷式冷却器の循環水の不純物濃度の上昇を抑制するために排出された循環水の一部であるブローダウン水を再利用可能に蓄える一時貯留槽と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、水冷式冷却器から排出されるブローダウン水が一時貯留槽に蓄えられて再利用できるので、ブローダウン水が無駄にならずシステムのランニングコストを抑制できる。

上記構成において、一時貯留槽に蓄えられたブローダウン水は、メタン発酵廃液及び／又は活性汚泥水を冷却するための冷却水と、システム内で使用されるシステム使用水との少なくともいずれかとして利用される構成を採用できる。
この構成によれば、ブローダウン水がメタン発酵廃液及び／又は活性汚泥水を冷却するための冷却水及びシステムで使用されるシステム使用水の双方に再利用できるため、システムのランニングコストを一層抑制できる。

上記構成において、一時貯留槽に蓄えられたブローダウン水をシステム使用水として供給するための配管の一部が冷却管として活性汚泥槽内に設けられている構成を採用でき、又、メタン発酵槽から活性汚泥槽へメタン発酵廃液を供給するための配管の一部が熱交換用の配管として一時貯留槽内に設けられている構成を採用できる。
これらの構成によれば、配管の一部を活性汚泥槽内や一時貯留槽内に設けることで、ブローダウン水をメタン発酵廃液を冷却する冷却水あるいは活性汚泥水を冷却する冷却水として利用した後、システム使用水として利用できる。

上記構成において、一時貯留槽に蓄えられたブローダウン水は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕処理機の洗浄水、粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調整するためのスラリー調整槽のスラリー用の希釈水、活性汚泥槽から排出された処理液から生じた余剰汚泥を固体成分と液体成分に分離するための固液分離装置の洗浄水、及び、前記固液分離装置の固液分離に使用する高分子凝集剤の希釈水の少なくともいずれかとして再利用される、構成を採用できる。
この構成によれば、上記のような洗浄水、希釈水であれば不純物を含むブローダウン水を使用できる。

本発明によれば、水冷式冷却器により活性汚泥水温を適切な温度に維持してメタン発酵廃液の生物処理を促しつつ、低ランニングコストで、かつ長期間安定にメタン発酵処理システムを運転できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係るメタン発酵処理システムの概略構成図である。
このメタン発酵処理システムは、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などで発生する余剰汚泥等の有機性廃棄物を粗破砕する粉砕分別機１０、粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調整するためのスラリー調整槽２０、有機性廃棄物のメタン発酵を行うメタン発酵槽３０、メタン発酵廃液３０ａを生物処理により浄化する活性汚泥槽４０、最終沈殿池５０、固液分離装置６０、メタン発酵槽３０において発酵により生成したバイオガスを貯留するためのガスホルダー７０、活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａを冷却する水冷式の冷却器８０等を備える。これらに加えて、冷却器８０から排出されるブローダウン水を再利用可能に蓄える一時貯留槽１１０、冷却器８０から排出されるブローダウン水を一時貯留槽１１０に供給するためのブローダウン系配管１１５、一時貯留槽１１０に貯留されたブローダウン水をシステム使用水として供給するためのシステム使用水ポンプ１２０、システム使用水を供給するためのシステム使用水系配管１３０等を備えている。

粉砕分別機１０は、生ゴミ等の有機性廃棄物を粉砕・ペースト化する。また、配管によりスラリー調整槽２０に接続されており、粉砕・ペースト化された有機性廃棄物が配管を通じてスラリー調整槽２０に投入される。尚、粉砕分別機１０は、有機性廃棄物を受け入れる時に汚れてこれが臭気の原因となるため、洗浄水で洗浄する必要がある。

スラリー調整槽２０は、粉砕・ペースト化された有機性廃棄物からなるスラリー２０ａが適当な固形濃度になるまで、希釈水により希釈調整を行う。また、メタン発酵槽３０と配管により接続されており、スラリー調整槽２０内のスラリー２０ａは、配管を通じてメタン発酵槽３０に送られる。

メタン発酵槽３０は、槽内を５０〜６０℃に維持できるように図示しない加熱器を備えていると共に、その内部に図示しないガラス繊維などで形成された担持体が設けられている。この担持体が５０〜６０℃程度で大きな活性を示す高温メタン菌を担持しており、この高温メタン菌により有機性廃棄物からなるスラリー２０ａを５０〜６０℃の温度環境化でメタン発酵させる。メタン発酵槽３０に、高温メタン菌を使用することにより、有機性廃棄物の分解速度を向上させて有機物容積負荷を高めることができる。
また、メタン発酵槽３０は、その上部空間がガスホルダー７０と配管により接続されており、メタン発酵槽３０においてメタン発酵により発生したバイオガスが、ガスホルダー７０に貯蔵されるように構成されている。これにより、ガスホルダー７０に貯蔵されたバイオガスがガスエンジン、マイクロガスタービン、燃料電池発電装置等の発電機、ボイラーの燃料などとして有効利用される。
さらに、メタン発酵槽３０は、活性汚泥槽と供給配管２００により接続されており、メタン発酵槽３０で発生した有機性廃棄物のメタン発酵後のメタン発酵廃液３０ａがポンプにより供給配管２００を通じて活性汚泥槽４０へ排出される。

活性汚泥槽４０は、供給配管２００を通じてメタン発酵槽３０から供給されるメタン発酵廃液３０ａを活性汚泥水４０ａの生物処理により浄化するための活性汚泥処理工程を行う。活性汚泥槽４０内では、微生物が好気条件及び嫌気条件に交互におかれ、有機物、窒素の除去がなされる。
活性汚泥槽４０は、その内部に、好気条件を作るための曝気装置４１と、槽内を均一化するための水中攪拌機４２とを備える。
また、活性汚泥槽４０の活性汚泥水４０ａは、２０〜３５℃程度がその生物処理に適温であり、メタン発酵槽３０からの５０〜６０℃の発酵廃液３０ａの投入及び曝気装置４１及び水中攪拌機４２からの放熱により、活性汚泥水４０ａの水温が３５℃を超える場合には、冷却して２０〜３５℃程度に水温を維持する必要がある。

最終沈殿池５０は、活性汚泥槽４０から活性汚泥水４０ａからなる処理液５０ａが供給され、この処理液５０ａから重力沈降により活性汚泥を分離すると共に、沈降した活性汚泥を返送系配管５１を通じて活性汚泥槽４０に返送し、余剰汚泥を余剰汚泥系配管５２を通じて固液分離装置６０に供給する。

固液分離装置６０は、最終沈殿池５０からの余剰汚泥の固液分離を機械的に行うよう構成されており、分離した固形物を排泥として排出すると共に、脱水液を活性汚泥槽４０へ返送する。固液分離装置６０は、固液分離の際に、高分子凝集剤タンク９０から供給される高分子凝集剤を使用する。
使用される高分子凝集剤は、高分子凝集剤タンク９０において、濃度０．２〜０．３％程度まで希釈を行う必要があり、希釈水が必要である。また、固液分離装置６０の内部は、洗浄水による定期的なシャワー洗浄が必要である。

冷却器８０は、水冷式冷却器であり、循環水を貯留する冷却塔８１、活性汚泥槽４０内に設けられて冷却塔８１に貯留された循環水ＣＷが流れる冷却管８２等から構成されている。冷却塔８１内は外気に対して開放されており、又、循環水ＣＷには、水道水等が使用される。
冷却器８０は、水分の蒸発潜熱により冷却するいわゆる湿り冷却が主であり、夏季においても、活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａの水温を３０℃程度まで冷却し、これを維持することが可能となっている。
また、冷却器８０は、ブローダウン系配管１１５により一時貯留槽１１０と接続されており、蒸発損失により循環水ＣＷ中の不純物含有量が増加しないように（不純物濃度の上昇を抑制するために）、図示しない制御バルブを開閉して定期的又は必要に応じてブローダウンを行い、循環水ＣＷの一部をブローダウン系配管１１５を通じて一時貯留槽１１０へ排出すると共に図示しない自動給水装置等により補給水を補給する。

一時貯留槽１１０は、ブローダウン系配管１１５を通じてブローダウンされた循環水ＣＷの一部であるブローダウン水ＢＷを貯留する。一時貯留槽１１０に貯留されたブローダウン水ＢＷは、活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａを冷却する冷却水として利用されると共にシステム使用水として利用される。システム使用水とは、粉砕分別機１０及び固液分離装置６０の洗浄水、スラリー調整槽２０及び高分子凝集剤タンク９０の希釈水等である。これらの洗浄水や希釈水に用いる水の水質は、市水（水道水）ほど高い必要はないので、ブローダウン水ＢＷを再利用できる。

システム使用水系配管１３０は、一時貯留槽１１０に接続されており、その途中にシステム使用水ポンプ１２０が接続されており、一部が冷却管１３１として活性汚泥槽４０内に設けられていると共に、粉砕分別機１０、スラリー調整槽２０、固液分離装置６０、高分子凝集剤タンク９０等へブローダウン水ＢＷを供給可能に配置されている。

システム使用水ポンプ１２０を起動すると、システム使用水系配管１３０内をブローダウン水ＢＷが流れ、冷却管１３１が活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａを冷却すると共に、ブローダウン水ＢＷが粉砕分別機１０、スラリー調整槽２０、固液分離装置６０、高分子凝集剤タンク９０等で使用されるシステム使用水として供給される。

このように、システム使用水（希釈水や洗浄水）の供給時に、活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａの冷却を同時に行うことができ、冷却器８０の熱負荷を低減することができる。この結果、冷却器８０の小型化、小容量化が可能となり、冷却器８０廻りの動力費、補給水量の低減が可能となり、又、循環水ＣＷの蒸発損失量や飛散損失量を低減することができ、システムのランニングコストを削減することが可能となる。

また、冷却器８０のブローダウン水量は、希釈水や洗浄水などのシステム内の使用水量に応じて決定されることとなり、システム内の使用水量は、冷却器８０で本来必要とされるブローダウン水量よりも十分に多いので、十分な量のブローダウン水ＢＷが排出され、かつ、新たな循環水ＣＷが補充される。これにより、冷却器８０において、循環水ＣＷ中の不純物の濃縮倍率（＝補給水量÷（飛散損失＋ブローダウン水量）を長期間低く抑えることができ、特に夏季等の気温が高い環境化においても不純物の濃縮倍率の上昇が抑制されて安定的にシステムを運転することが可能となる。

さらに、一時貯留槽１１０の水位を検出し、検出した水位に基づいて冷却器８０のブローダウン水ＢＷの量および補充水の供給を制御することにより、システム内の使用水量に応じてより経済的な運用が可能となる。

また、システム使用水は、外気温が上昇する日中においてその使用量が増大するので、日中における外気温上昇に合わせて活性汚泥槽４０の活性汚泥水４０ａを冷却することができる。

図２は、本発明の第２の実施例に係るメタン発酵処理システムの概略構成図である。尚、図２において、図１に示したメタン発酵処理システムと同一構成部分については同一の符号を使用している。
図２に示すメタン発酵処理システムは、メタン発酵槽３０からポンプにより活性汚泥槽４０へメタン発酵廃液３０ａを供給する供給配管２００の一部が熱交換チューブ２０１（熱交換用の配管）として一時貯留槽１１０内に設けられている点において図１に示したメタン発酵処理システムと異なり、その他の点は同じである。

供給配管２００の一部を熱交換チューブ２０１として一時貯留槽１１０内に設けることにより、供給配管２００内を流れる５０〜６０℃のメタン発酵廃液３０ａは、一時貯留槽１１０内に貯留されたブローダウン水ＢＷとの間で熱交換が行われ、その温度が３５℃程度まで低下した状態で活性汚泥槽４０へ投入されることになる。
すなわち、冷却管１３１により活性汚泥槽４０内の活性汚泥水４０ａが冷却されると共に、熱交換チューブ２０１により５０〜６０℃のメタン発酵廃液３０ａ
が冷却されるので、より効率的な補助冷却が行われる。この結果、冷却器８０が負担する熱負荷を軽減することができ、冷却器８０の小型化、小容量化が可能になる。

上記実施形態では、一時貯留槽１１０内に貯留されたブローダウン水ＢＷをメタン発酵廃液３０ａ及び活性汚泥水４０ａを冷却するための冷却水として利用したのち、洗浄水、希釈水等のシステム使用水として使用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、ブローダウン水ＢＷをメタン発酵廃液３０ａ及び活性汚泥水４０ａの一方の冷却にのみ用いることもできるし、システム使用水としてのみ用いることも可能である。

上記実施形態では、ブローダウン水ＢＷを、粉砕分別機１０、スラリー調整槽２０、固液分離装置６０、及び高分子凝集剤タンク９０の洗浄水、希釈水として使用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、これらのうちの一つあるいはいくつかに対してのみブローダウン水ＢＷを使用してもよく、又、これら以外の他の対象に対してブローダウン水ＢＷを用いることも可能である。

本発明の第１の実施例に係るメタン発酵処理システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施例に係るメタン発酵処理システムの概略構成図である。

符号の説明

１０…粉砕分別機
２０…スラリー調整槽
３０…メタン発酵層
４０…活性汚泥槽
５０…最終沈殿池
５０ａ…処理液
５１…返送系配管
５２…余剰汚泥配管
６０…固液分離槽
７０…ガスホルダー
８０…冷却器（水冷式冷却器）
８１…冷却塔
８２…冷却管
９０…高分子凝集剤タンク
１１０…一時貯留槽
１１５…ブローダウン系配管
１２０…システム使用水用ポンプ
１３０…システム使用水系配管
ＣＷ…循環水
ＢＷ…ブローダウン水

Claims (4)

1. 有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と、
   前記メタン発酵槽においてメタン発酵させた後のメタン発酵廃液を生物処理するための活性汚泥槽と、
   前記活性汚泥槽内の活性汚泥水を冷却する水冷式冷却器と、
   前記水冷式冷却器の循環水の不純物濃度の上昇を抑制するために排出された前記循環水の一部であるブローダウン水を再利用可能に供給する第１の配管と、
   前記ブローダウン水を再利用可能に蓄える一時貯留槽と、
   を有するメタン発酵処理システムであって、
   前記第１の配管は、少なくとも一部が前記活性汚泥槽内に設けられていることを特徴とするメタン発酵処理システム。
2. 前記一時貯留槽に蓄えられたブローダウン水は、前記メタン発酵廃液及び／又は前記活性汚泥水を冷却するための冷却水と、システム内で使用されるシステム使用水との少なくともいずれかとして利用される、ことを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵処理システム。
3. 前記メタン発酵槽から前記活性汚泥槽へ前記メタン発酵廃液を供給するための第２の配管をさらに有し、
   前記第２の配管の一部が熱交換用に前記一時貯留槽内に設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のメタン発酵処理システム。
4. 前記一時貯留槽に蓄えられたブローダウン水は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕処理機の洗浄水、粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調整するためのスラリー調整槽のスラリー用の希釈水、前記活性汚泥槽から排出された処理液から生じた余剰汚泥を固体成分と液体成分に分離するための固液分離装置の洗浄水、及び、前記固液分離装置の固液分離に使用する高分子凝集剤の希釈水の少なくともいずれかとして利用される、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメタン処理発酵システム。

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