JP4844608B2 - メタン発酵装置 - Google Patents
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Description
本発明は、長期にわたって安定したメタン発酵状態を維持できるメタン発酵装置に関する。
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。
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、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、有機性廃棄物をメタンガスに転換する処理方法で、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る。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。
有機性廃棄物を効率的にメタン発酵処理するシステムとして、例えば特許文献１や特許文献２には、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倍の活性を持っており、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とを図ることができる。
ところで、メタン発酵処理は、発酵状態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。しかしながら、発酵温度や有機性廃棄物の投入量、有機性廃棄物の性状等の変動によって、メタン発酵に関係する菌体の活性が低下し、発酵性能が低下する傾向がある。
そこで、メタン発酵槽内のｐＨ、アルカリ度、アンモニア性窒素濃度、全有機酸濃度などを計測し、阻害限界値とならないように運転する試みがなされている。
例えば、特許文献３には、有機性廃棄物をメタン発酵処理する前に、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以下になるように有機性廃棄物を希釈することで、メタン菌の活性阻害を防止する技術が開示されている。同様に、特許文献４には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が、３０００ｍｇ／Ｌを越えると、あるいは、酢酸やプロピオン酸などの揮発性脂肪酸が２０００〜３０００ｍｇ／Ｌを超えるとメタン発酵が阻害されることが記載されており、有機性廃棄物をメタン発酵させるに際し、発酵槽内の発酵液の一部を抜き出して固液分離し、分離した固形分を水で希釈して発酵槽内へ返送することにより、発酵槽内の溶解性発酵阻害物質の濃度を低下させることを特徴とするメタン発酵処理が開示されている。
特開平１０−１３７７３０号公報
特開平１３−４６９９７号公報
特公平７−１１５０３０号公報
特開平１１−２２１５４８号公報
特許第３６３０１６５号公報
発酵液のｐＨは、ｐＨメータなどで常時観測が可能である。また、発酵液のアンモニア性窒素濃度は、本出願人は、特許文献５（特許第３６３０１６５号公報）において、メタン発酵槽内に貯留されているスラリー化された有機性廃棄物の電気伝導率がアンモニア性窒素濃度と相関を有している点に着目し、電気伝導率からアンモニア性窒素濃度を換算して、発酵液中のアンモニア性窒素濃度が所定値以上にならないように制御する技術を提案した。
一方、全有機酸濃度は、通常、ガスクロマトグラフ法等で検出することが一般的であり、また、アルカリ度は、塩酸による滴定法で検出することが一般的であった。
このため、全有機酸濃度やアルカリ度の検出には時間や手間を要し、リアルタイムでの検出が困難であった。そのため、メタン発酵の処理性能の低下に対して、迅速な対処を行うことは困難であった。
したがって、本発明の目的は、特に複雑な操作や、高価な測定器具を用いなくとも、発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度を自動計測でき、メタン発酵の発酵性能低下に対し迅速に対処が可能なメタン発酵装置を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵装置は、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵槽を備えたメタン発酵装置において、スラリー調整槽内のスラリーの電気伝導率を測定する第１の電気伝導率計と、メタン発酵槽内の発酵液のｐＨを測定するｐＨメータと、メタン発酵槽内の発酵液の電気伝導率を測定する第２の電気伝導率計と、前記第１の電気伝導率計の測定値、前記第２の電気伝導率計の測定値及び前記ｐＨメータの測定値に基づき、下式（１）からメタン発酵槽内の発酵液のアルカリ度を算出し、下式（２）からアンモニア性窒素濃度を算出し、下式（３）から全有機酸濃度を算出する演算機とを備えることを特徴とする。
（式中、Ａ ｔｏｔａｌ は発酵液のアルカリ度であり、［ＮＨ ４ ＋ ］は発酵液のアンモニア性窒素濃度であり、ＶＦＡ ｔｏｔａｌ は発酵液の全有機酸濃度であり、ｐＨ １ は発酵液のｐＨであり、ＥＣ １ は発酵液の電気伝導率であり、ＥＣ ２ はスラリーの電気伝導率であり、ａ〜ｆは定数である。）
（式中、Ａ ｔｏｔａｌ は発酵液のアルカリ度であり、［ＮＨ ４ ＋ ］は発酵液のアンモニア性窒素濃度であり、ＶＦＡ ｔｏｔａｌ は発酵液の全有機酸濃度であり、ｐＨ １ は発酵液のｐＨであり、ＥＣ １ は発酵液の電気伝導率であり、ＥＣ ２ はスラリーの電気伝導率であり、ａ〜ｆは定数である。）
本発明者らは、種々の検討の結果、メタン発酵槽における発酵液のアルカリ度は、発酵液のｐＨとの間に相関があり、また、発酵液の電気伝導率は、アンモニア性窒素由来のアルカリ度と相関があり、また、発酵液の全有機酸濃度は、アンモニア由来のアルカリ度と発酵液のアルカリ度との差分と相関があることを見出した。そこで、本発明によれば、メタン発酵槽内の電気伝導率とｐＨ値を計測することにより、特に複雑な操作や、高価な測定器具を用いなくとも、発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度を常時監視でき、メタン発酵の発酵性能低下に対してより迅速に対処することができる。
また、メタン発酵槽内の発酵液の電気伝導率は、アンモニアに起因する電気伝導率の他に、有機性廃棄物が含有する塩濃度（例えば、Ｎａ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｇ等）に起因する電気伝導率がある。未分解の蛋白質等は、電気伝導率をほぼ有さないので、スラリー調整槽内の電気伝導率を測定することで、有機性廃棄物が含有するＮａ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｇ等の塩由来の電気伝導率を測定することができ、アンモニアに起因しない電気伝導率とアルカリ度を算出することができるので、発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度を精度よく演算することができる。
また、本発明のメタン発酵装置は、演算された前記発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度のいずれか一つの値が所定値を外れたとき、警報を出力する及び／又はメタン発酵槽内のスラリー濃度を低減させるように構成されていることが好ましい。この態様によれば、メタン発酵の性能低下に対して迅速に対応ができ、安定した発行状態でメタン発酵を長期間継続することができる。
本発明によれば、特に複雑な操作や、高価な測定器具を用いなくとも、発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度を常時監視でき、メタン発酵の発酵性能低下に対してより迅速に対処することができる。
以下、本発明について図面を参照して更に詳細に説明する。図１には、本発明のメタン発酵装置の概略構成図が示されている。
このメタン発酵装置は、有機性廃棄物をスラリー化して貯留するスラリー調整槽１１と、メタン発酵槽１２とで主に構成されている。
スラリー調整槽１１の側壁には、有機性廃棄物の供給源から伸びた配管Ｌ１が接続している。
スラリー調整槽１１の側壁からは、ポンプＰ１の配置された配管Ｌ２が伸びて、メタン発酵槽１２の側壁に接続している。
スラリー調整槽１１の内部には、第１の電気伝導率計２１が配置され、槽内に貯留されたスラリーの電気伝導率（ＥＣ２）を測定して、測定データを演算機３０に出力するように構成されている。
メタン発酵槽１２には、図示しないメタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化担体を充填した固定ろ床等が設置されており、ここでスラリーがメタン発酵されて、有機性廃棄物が分解される。
メタン発酵槽１２の内部には、第２の電気伝導率計２２と、ｐＨメータ２３とが配置され、メタン発酵槽１２内の発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）及びｐＨ（ｐＨ１）を測定して、測定データを演算機３０に出力するように構成されている。
メタン発酵槽１２の上部には、ポンプＰ２が途中に配置された配管Ｌ３が接続しており、配管Ｌ３から希釈水を供給してメタン発酵槽１２内の発酵液を希釈するように構成されている。なお、希釈水としては、廃水処理槽（図示せず）で脱窒素処理した廃水、あるいは外部からの供給水が利用される。また、メタン発酵槽１２の上部には、オーバーフローした発酵液を排出する配管Ｌ４が設けられている。更に、メタン発酵槽１２の上部からは、発生したバイオガスを取出すための配管Ｌ５が伸びて、図示しないガスホルダーと接続している。
メタン発酵槽１２の下部からは、ポンプＰ３が途中に配置された配管Ｌ６が伸びて、槽内に蓄積した発酵汚泥を排出するように構成されている。
演算機３０は、ポンプＰ２、表示器４１及び警報機４２と電気的に接続している。
この演算機３０は、図２に示すように、アルカリ度演算部３１と、塩由来のアルカリ度演算部３２と、アンモニア性窒素濃度演算部３３と、アンモニア由来のアルカリ度演算部３４と、全有機酸濃度演算部３５と、比較部３６とを有している。
演算機３０による演算処理及び制御を図２を用いて説明する。
アルカリ度演算部３１では、ｐＨメータ２３で計測した発酵液のｐＨ（ｐＨ１）を読み込み、下式（１）に基づき発酵液のアルカリ度（Ａｔｏｔａｌ）を算出する。
（式中、Ａｔｏｔａｌは発酵液のアルカリ度であり、ｐＨ１は発酵液のｐＨであり、ａ、ｂは定数である。）
図３に、発酵液のアルカリ度とｐＨとの関係図を示すが、アルカリ度とｐＨとの間には、ほぼ正の相関がある。したがって、アルカリ度とｐＨとは、上式（１）で近似して表すことができる。図中の横軸はｐＨ値であり、縦軸はアルカリ度の対数値である。なお、上式（１）の定数ａは、図３に示す発酵液のアルカリ度とｐＨとの関係図から求めた傾きの値であり、定数ｂは、切片の値である。そして、図３においては、ａ＝０．２７、ｂ＝１．８５である。この定数ａ，ｂは、発酵液の種類や性状によらず、ほぼ一定の値を示すことが多いが、検出精度を向上させるため、定数ａ、ｂは、発酵液毎にアルカリ度とｐＨとの関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
図３に、発酵液のアルカリ度とｐＨとの関係図を示すが、アルカリ度とｐＨとの間には、ほぼ正の相関がある。したがって、アルカリ度とｐＨとは、上式（１）で近似して表すことができる。図中の横軸はｐＨ値であり、縦軸はアルカリ度の対数値である。なお、上式（１）の定数ａは、図３に示す発酵液のアルカリ度とｐＨとの関係図から求めた傾きの値であり、定数ｂは、切片の値である。そして、図３においては、ａ＝０．２７、ｂ＝１．８５である。この定数ａ，ｂは、発酵液の種類や性状によらず、ほぼ一定の値を示すことが多いが、検出精度を向上させるため、定数ａ、ｂは、発酵液毎にアルカリ度とｐＨとの関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
そして、アルカリ度演算部３１での演算結果（Ａｔｏｔａｌ）は、全有機酸濃度演算部３５、比較部３６に送る。また、表示器４１に送り、発酵液のアルカリ度を表示する。
塩由来のアルカリ度演算部３２では、第１の電気伝導率計２１で計測したスラリー調整槽１１内のスラリーの電気伝導率（ＥＣ２）を読み込み、下式（４）に基づいて発酵液の塩濃度由来のアルカリ度（Ａ２）を算出する。
（式中、Ａ２は発酵液の塩由来アルカリ度であり、ＥＣ２はスラリーの電気伝導度であり、ｅは定数である。）
図４は、アンモニア以外の塩の、電気伝導度とアルカリ度の関係を示すが、有機物分解が進行していないスラリー調整層の電気伝導率ＥＣ２とアルカリ度が、アンモニア以外の塩のものに該当する。従って、図４は、スラリーのアルカリ度とスラリーの電気伝導率との関係図を示すことになり、アルカリ度と電気伝導率との間には正の相関がある。また、スラリーの電気伝導率は、発酵液のアンモニア性窒素濃度以外の成分（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇなどの塩）の電気伝導率とみなすことができるので、発酵液の塩由来のアルカリ度（Ａ２）は、上式（４）で近似して表すことができる。図中の横軸はスラリーの電気伝導率（ｍＳ／ｃｍ）であり、縦軸はスラリーのアルカリ度（ｍｇ／Ｌ）である。なお、上式（４）の定数ｅは、図４に示すスラリーのアルカリ度とスラリーの電気伝導率との関係図から求めた傾きの値である。そして、図４においては、ｅ＝３３２であるが、定数ｅは、メタン発酵処理に用いた有機性廃棄物に含まれる塩の種類等によって変動する場合がある。このため、測定精度を向上させるため、定数ｅは、スラリー毎にアルカリ度と電気伝導率との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
図４は、アンモニア以外の塩の、電気伝導度とアルカリ度の関係を示すが、有機物分解が進行していないスラリー調整層の電気伝導率ＥＣ２とアルカリ度が、アンモニア以外の塩のものに該当する。従って、図４は、スラリーのアルカリ度とスラリーの電気伝導率との関係図を示すことになり、アルカリ度と電気伝導率との間には正の相関がある。また、スラリーの電気伝導率は、発酵液のアンモニア性窒素濃度以外の成分（Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇなどの塩）の電気伝導率とみなすことができるので、発酵液の塩由来のアルカリ度（Ａ２）は、上式（４）で近似して表すことができる。図中の横軸はスラリーの電気伝導率（ｍＳ／ｃｍ）であり、縦軸はスラリーのアルカリ度（ｍｇ／Ｌ）である。なお、上式（４）の定数ｅは、図４に示すスラリーのアルカリ度とスラリーの電気伝導率との関係図から求めた傾きの値である。そして、図４においては、ｅ＝３３２であるが、定数ｅは、メタン発酵処理に用いた有機性廃棄物に含まれる塩の種類等によって変動する場合がある。このため、測定精度を向上させるため、定数ｅは、スラリー毎にアルカリ度と電気伝導率との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
そして、塩由来のアルカリ度演算部３２での演算結果（Ａ２）は、全有機酸濃度演算部３５に送る。
アンモニア性窒素濃度演算部３３では、第１の電気伝導率計２１で計測したスラリー調整槽１１内のスラリーの電気伝導率（ＥＣ２）と、第２の電気伝導率計２２で計測したメタン発酵槽１２内の発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）とを読み込み、下式（２）に基づいて発酵液のアンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）を算出する。
（式中、［ＮＨ４ ＋］は発酵液のアンモニア性窒素濃度であり、ＥＣ１は発酵液の電気伝導率であり、ＥＣ２はスラリーの電気伝導率であり、ｃは定数である。）
図５に、発酵液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との関係図を示すが、発酵液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との間には、ほぼ正の相関がある。また、発酵液の電気伝導率は、アンモニア性窒素以外の塩類（例えば、Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ）にも関係しているため、発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）から、スラリーの電気伝導率（ＥＣ２）を減ずることで、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。したがって、発酵液のアンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）は、上式（２）で近似して表すことができる。図中の横軸は発酵液のアンモニア性窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）であり、縦軸は発酵液の電気伝導率（ｍＳ／ｃｍ）である。なお、上式（２）の定数ｃは、図５に示す電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との関係図から求めた傾きの逆数値である。そして、図５においては、ｃ＝（１／０．００３６）≒２８０である。この定数ｃは、発酵液の種類や性状によらず、ほぼ一定の値を示すことが多いが、検出精度を向上させる場合、発酵液毎にアンモニア性窒素濃度と電気伝導率との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
図５に、発酵液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との関係図を示すが、発酵液の電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との間には、ほぼ正の相関がある。また、発酵液の電気伝導率は、アンモニア性窒素以外の塩類（例えば、Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ）にも関係しているため、発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）から、スラリーの電気伝導率（ＥＣ２）を減ずることで、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。したがって、発酵液のアンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）は、上式（２）で近似して表すことができる。図中の横軸は発酵液のアンモニア性窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）であり、縦軸は発酵液の電気伝導率（ｍＳ／ｃｍ）である。なお、上式（２）の定数ｃは、図５に示す電気伝導率とアンモニア性窒素濃度との関係図から求めた傾きの逆数値である。そして、図５においては、ｃ＝（１／０．００３６）≒２８０である。この定数ｃは、発酵液の種類や性状によらず、ほぼ一定の値を示すことが多いが、検出精度を向上させる場合、発酵液毎にアンモニア性窒素濃度と電気伝導率との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
そして、アンモニア性窒素濃度演算部３３での演算結果（［ＮＨ４ ＋］）は、アンモニア由来のアルカリ度演算部３４、比較部３６に送る。また、表示器４１に送り、発酵液のアンモニア性窒素濃度を表示する。
アンモニア由来のアルカリ度演算部３４では、アンモニア性窒素濃度演算部３３での演算結果（［ＮＨ４ ＋］）を読み込み、下式（５）に基づいて、アンモニア由来のアルカリ度（Ａ１）を算出する。
（式中、Ａ１は発酵液のアンモニア由来アルカリ度であり、［ＮＨ４ ＋］は発酵液のアンモニア性窒素塩濃度であり、ｄは定数である。）
ここで、アルカリ度は、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］への換算濃度で示され、発酵液のアンモニアの形態を炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］とすると、炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］１等量は、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］１等量に相当するので、分子量９６ｇ／ｍｏｌの炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］中の窒素量は、１４×２=２８ｇ／ｍｏｌであり、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］の分子量は、１００ｇ／ｍｏｌなので、窒素１ｇ当たりの炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］は、３．５７（１００／２８＝３．５７）であり、定数ｄは３．５７となる。また、アンモニア性窒素濃度と、アンモニア由来のアルカリ度との間には、相関があることが報告されており（「嫌気性バイオテクノロジー」 技報道出版 ｐ２０８）、また、定数ｄは、理論値として３．５７であることも報告されている。
ここで、アルカリ度は、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］への換算濃度で示され、発酵液のアンモニアの形態を炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］とすると、炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］１等量は、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］１等量に相当するので、分子量９６ｇ／ｍｏｌの炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］中の窒素量は、１４×２=２８ｇ／ｍｏｌであり、炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］の分子量は、１００ｇ／ｍｏｌなので、窒素１ｇ当たりの炭酸カルシウム［ＣａＣＯ３］は、３．５７（１００／２８＝３．５７）であり、定数ｄは３．５７となる。また、アンモニア性窒素濃度と、アンモニア由来のアルカリ度との間には、相関があることが報告されており（「嫌気性バイオテクノロジー」 技報道出版 ｐ２０８）、また、定数ｄは、理論値として３．５７であることも報告されている。
そして、アンモニア由来のアルカリ度演算部３４での演算結果（Ａ１）は、全有機酸濃度演算部３５に送る。
全有機酸濃度演算部３５では、アルカリ度演算部３１での演算結果（Ａｔｏｔａｌ）と、塩由来のアルカリ度演算部３２での演算結果（Ａ２）と、アンモニア由来のアルカリ度演算部３４での演算結果（Ａ１）とを読み込み、下式（３）に基づいて、発酵液の全有機酸濃度（ＶＦＡｔｏｔａｌ）を算出する。
（式中、ＶＦＡｔｏｔａｌは発酵液の全有機酸濃度であり、Ａ１は発酵液のアンモニア由来のアルカリ度であり、Ａ２は発酵液の塩由来のアルカリ度であり、Ａｔｏｔａｌは発酵液のアルカリ度であり、ｆは定数である。）
発酵液のアルカリ度は、アンモニウムイオンにより形成される重炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）の他に、アンモニウムイオン以外の成分（塩）からも炭酸塩を形成して存在している。
発酵液のアルカリ度は、アンモニウムイオンにより形成される重炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）の他に、アンモニウムイオン以外の成分（塩）からも炭酸塩を形成して存在している。
一方、発酵液の有機酸（酢酸、プロピオン酸などの揮発性脂肪酸）は、陰イオン（例えば酢酸イオン）と、水素イオンに解離する。このうち、陰イオンは、アンモニウムイオンや、アンモニア以外の成分（塩）と結合し、水素イオンは炭酸イオンと結合して水、二酸化炭素となる。
したがって、発酵液のアンモニア由来のアルカリ度と塩由来のアルカリ度との合計から、発酵液のアルカリ度を減ずることで、有機酸との反応で消費されたアルカリ度が算出される。そして、有機酸との反応で消費されたアルカリ度と、発酵液の全有機酸濃度とは、図６に示すように、正の相関があるので、発酵液の全有機酸濃度（ＶＦＡｔｏｔａｌ）は、上式（３）で近似して表すことができる。図６の横軸は有機酸との反応で消費されたアルカリ度（ｍｌ／Ｌ）であり、縦軸は発酵槽の有機酸を酢酸に換算した濃度（ｍｇ／Ｌ）である。なお、上式（３）の定数ｆは、図６に示す有機酸との反応で消費されたアルカリ度と、発酵液の全有機酸濃度との関係図から求めた傾きの値である。そして、図６では、ｆ＝１．２である。定数ｆは、ほぼ一定の値を示すことが多いが、検出精度を向上させる場合、発酵液毎にアルカリ度と全有機酸濃度との関係をあらかじめ調べて決定することが好ましい。
そして、全有機酸濃度演算部３５での演算結果（ＶＦＡｔｏｔａｌ）は、比較部３６に送る。また、表示器４１に送り、発酵液の全有機酸濃度を表示する。
比較部３６では、アルカリ度演算部３１での演算結果（Ａｔｏｔａｌ）と、アンモニア性窒素濃度演算部３３での演算結果（［ＮＨ４ ＋］）と、全有機酸濃度演算部３５での演算結果（ＶＦＡｔｏｔａｌ）とを読み込み、あらかじめ比較部３６に入力しておいた設定値と比較し、Ａｔｏｔａｌ、［ＮＨ４ ＋］、ＶＦＡｔｏｔａｌのいずれか一つが、設定値を逸脱した時、好ましくは、アンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）が２０００ｍｇ／Ｌ以上、アルカリ度（Ａｔｏｔａｌ）が１０００ｍｇ／Ｌ以下、全有機酸濃度（ＶＦＡｔｏｔａｌ）が１００００ｍｇ／Ｌ以上のいずれかの場合、警報機４２に信号を送って警報を出力させ、また、ポンプＰ２に信号を送信して、ポンプＰ２の開度を制御させる。
次に、本発明のメタン発酵装置を用いたメタン発酵処理方法について説明する。
まず、スラリー調整槽１１に供給された糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物は、ここで適度な水で希釈されてスラリー化される。そして、このスラリー調整槽１１に貯留されているスラリーが、ポンプＰ１により、配管Ｌ２を通ってメタン発酵槽１２へ供給される。また、スラリー調整槽１１に設けられた第１の電気伝導率計２１で、槽内のスラリーの電気伝導率を計測して、スラリーの電気伝導率（ＥＣ２）を演算機３０に出力する。
メタン発酵槽１２には、嫌気性細菌（主に、メタン菌）を担持する多数の接触担体が装填されており、供給されたスラリーは、メタン菌の作用によりメタンガスを含むバイオガスと水とに分解される。
メタン発酵処理により発生したバイオガスは、メタン発酵槽１２の上部に配置されている配管Ｌ５を経て回収し、メタンガスを精製する。精製したメタンガスは発電利用、及び熱利用される。また、メタン発酵槽１２の上部には配管Ｌ４が配置されており、この配管Ｌ４からメタン発酵槽１２に貯留されている発酵液が排出される。この配管Ｌ４は、メタン発酵槽１２に貯留されている発酵液の液面に配置されており、スラリー調整槽１１からスラリーが供給されると、それと同じ量の上澄み液（発酵消化液）が排出されることになるため、液面は常に一定に保たれている。したがって、メタン発酵槽１２の有効容積（発酵液で満たされている部分の容積）は常に一定となる。
また、メタン発酵槽１２に設けられた第２の電気伝導率計２２及びｐＨメータ２３により、槽内の発酵液の電気伝導率及びｐＨを計測して、発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）及びｐＨ（ｐＨ１）を演算機３０に出力する。
演算機３０では、第１の電気伝導率計２１、第２の電気伝導率計２２、ｐＨメータ２３でそれぞれ計測した、スラリーの電気伝導率（ＥＣ２）と、発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）と、発酵液のｐＨ（ｐＨ１）に基づき、メタン発酵槽１２内の発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、全有機酸濃度を算出して、算出結果を表示器４１に表示する。また、算出結果のいずれかが、設定範囲を逸脱している場合、警報機４２及びポンプＰ２に信号を送り警報を出力させると共に、ポンプＰ２の開度制御を行う。
ここで、メタン発酵槽内の発酵液のアルカリ度は、１０００ｍｇ／Ｌよりも低下すると、有機性廃棄物が分解したときに発生する有機酸によるｐＨ低下を防ぐことができなくなる（緩衝能力が低下する）ことから、アルカリ度は１０００ｍｇ／Ｌ以上が好ましい。また、アンモニア性窒素濃度は、２０００ｍｇ／Ｌを超えるとメタン生成菌の活性を阻害し、発酵悪化が生じる傾向にあることから、アンモニア性窒素濃度は２０００ｍｇ／Ｌ以下が好ましい。また、全有機酸濃度は高くなると発酵槽のｐＨを下げる方向に働くほか、発酵に関わる菌が有機酸（酢酸、プロピオン酸、酪酸などの基質）を分解処理できなくなっていることがあるため、１００００ｍｇ／Ｌ以下が好ましい。
したがって、好ましくは、アンモニア性窒素濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以上、アルカリ度が１０００ｍｇ／Ｌ以下、全有機酸濃度が１００００ｍｇ／Ｌ以上のいずれかの場合、警報機４２及びポンプＰ２に信号を送り警報を出力させると共に、ポンプＰ２の開度制御を行う。
このように、本発明によれば、スラリーの電気伝導率と、発酵液の電気伝導率及びｐＨから、メタン発酵の発酵性能を示す重要な指針となるアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度を算出できるので、特に高価な検出器を用いなくともリアルタイムでの検出が可能であり、メタン発酵の処理性能の低下に対して、より迅速な対処を行うことができる。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
図１に示すメタン発酵装置を用いてメタン発酵処理を行った。メタン発酵槽１２の容積は１０Ｌのものを用いた。スラリーは、生ゴミを粉砕・破砕して固形分濃度（ＴＳ）１０％のスラリーを用いた。発酵条件は、発酵温度を５５℃とし、滞留時間（ＨＲＴ）を１０日とし、ＣＯＤｃｒ負荷を１２ｇ／Ｌ／ｄとした。
上記発酵条件でメタン発酵処理を行い、発酵状態が安定したところで、スラリー投入量を変化させて、ＣＯＤｃｒ負荷を１０〜４０ｇ／Ｌ／ｄに変化させた。この時のｐＨ、電気伝導率の値を計測し、スラリーの電気伝導率（ＥＣ２）と、発酵液の電気伝導率（ＥＣ１）と、発酵液のｐＨ（ｐＨ１）を演算機３０に読み込ませで、下式（１’）〜（３’）に基づき、発酵液のアルカリ度（Ａｔｏｔａｌ）、アンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）、全有機酸濃度（ＶＦＡｔｏｔａｌ）を演算した。
また、ｐＨ測定と同時刻の発酵液を、イオンクロマト法により、アルカリ度、アンモニア性窒素濃度、全有機酸濃度を測定した。結果を表１にまとめて示す。
発酵液のアルカリ度（Ａｔｏｔａｌ）、アンモニア性窒素濃度（［ＮＨ４ ＋］）、全有機酸濃度（ＶＦＡｔｏｔａｌ）の演算値と実測値との間には、アルカリ度で９００ｍｇ／Ｌ、アンモニア性窒素濃度で２００ｍｇ／Ｌ、全有機酸濃度で１５００ｍｇ／Ｌの差が最大認められたが、実用的な範囲であった。
１１：スラリー調整槽
１２：メタン発酵槽
２１：第１の電気伝導率計
２２：第２の電気伝導率計
２３：ｐＨメータ
３０：演算機
３１：アルカリ度演算部
３２：塩由来のアルカリ度演算部
３３：アンモニア性窒素濃度演算部
３４：アンモニア由来のアルカリ度演算部
３５：全有機酸濃度演算部
３６：比較部
４１：表示器
４２：警報機
Ｌ１〜Ｌ６：配管
Ｐ１〜Ｐ３：ポンプ
１２：メタン発酵槽
２１：第１の電気伝導率計
２２：第２の電気伝導率計
２３：ｐＨメータ
３０：演算機
３１：アルカリ度演算部
３２：塩由来のアルカリ度演算部
３３：アンモニア性窒素濃度演算部
３４：アンモニア由来のアルカリ度演算部
３５：全有機酸濃度演算部
３６：比較部
４１：表示器
４２：警報機
Ｌ１〜Ｌ６：配管
Ｐ１〜Ｐ３：ポンプ
Claims (2)
- 有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵槽を備えたメタン発酵装置において、
スラリー調整槽内のスラリーの電気伝導率を測定する第１の電気伝導率計と、
メタン発酵槽内の発酵液のｐＨを測定するｐＨメータと、
メタン発酵槽内の発酵液の電気伝導率を測定する第２の電気伝導率計と、
前記第１の電気伝導率計の測定値、前記第２の電気伝導率計の測定値及び前記ｐＨメータの測定値に基づき、下式（１）からメタン発酵槽内の発酵液のアルカリ度を算出し、下式（２）からアンモニア性窒素濃度を算出し、下式（３）から全有機酸濃度を算出する演算機とを備えることを特徴とするメタン発酵装置。
（式中、Ａ ｔｏｔａｌ は発酵液のアルカリ度であり、［ＮＨ ４ ＋ ］は発酵液のアンモニア性窒素濃度であり、ＶＦＡ ｔｏｔａｌ は発酵液の全有機酸濃度であり、ｐＨ １ は発酵液のｐＨであり、ＥＣ １ は発酵液の電気伝導率であり、ＥＣ ２ はスラリーの電気伝導率であり、ａ〜ｆは定数である。） - 演算された前記発酵液のアルカリ度、アンモニア性窒素濃度、及び全有機酸濃度のいずれか一つの値が所定値を外れたとき、警報を出力する及び／又はメタン発酵槽内のスラリー濃度を低減させるように構成されている請求項１に記載のメタン発酵装置。
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