JP4844951B2 - 生ごみと紙ごみの処理方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭、レストラン、オフィス、食品工場等から排出される生ごみと紙ごみの両者を、可溶化水素発酵とメタン発酵を利用することにより、被処理物中の有機物を迅速に分解・消化処理する方法および装置に関する。

近年、生ごみや下水汚泥等有機性廃棄物の処理方法として、嫌気性消化法が再び注目されるようになっている。従来の嫌気性消化法では、有機物の分解速度や消化ガス生成速度は満足できる程に高くないという問題点があり、そのため、ある程度大きな消化槽を用意する必要があった。しかし、有機物の分解速度が速くなれば、消化槽をよりコンパクトにすることができ、経済性・エネルギー収支等の改善が実現できる。

嫌気性消化には、ＵＡＳＢ法（上向流式嫌気性スラッジブランケット法）といわれる微生物が自己凝集したグラニュールを用い、消化槽内の微生物濃度を高め、高速、高効率な方法が検討・実用化されているが（例えば、特許文献１参照）、この方法は固形分をあまり分解できないので、もっぱら懸濁固形分の少ない有機性廃水の処理に利用されており、固形分を多く含有する廃水やほとんどが固形分である有機性廃棄物の嫌気性処理には不向きである。
また、有機性廃棄物の水素発酵法が提案されているが、これは水素発酵を減圧微嫌気条件で行う方法であり（例えば、特許文献２参照）、発酵処理後の水素発酵液の浄化処理の問題は依然として残る。

さらに、これよりもっと安定的な水素発酵法が提案されているが、これは水素発酵槽での滞留時間を制御して、水素発酵を安定に行う方法に関する発明であり（例えば、特許文献３参照）、やはり処理後の水素発酵液の処理の問題は解決されていない。
またさらに、水素発酵の促進方法が提案されているが、原料を加熱して水素発酵微生物の活動を促進しようとする技術であり（例えば、特許文献４参照）、加熱にコストがかかるうえ、水素発酵液の処理の問題は残る。

リサイクル対象の古紙類や廃棄対象のシュレッダー紙、家庭ごみ等の紙ごみ類の処理については、分別・破砕等の物理的手段と脱インク処理などを含む化学的な処理手段により再生するのが一般的であり、また、焼却処分に付されるものも大量である。しかしながら、廃棄対象の紙ごみ類を対象とした紙ごみの安価な処理、有効利用法は見当たらず、生物学的な処理方法、特に嫌気性発酵を施す技術は十分な研究も進展していない。

特開平１１−３１９７８２号公報 特開平０７−０３１９９８公報 特開２００２−２７２４９１公報 特開２００３−１３５０８９号公報

紙ごみの処理に当たって、紙ごみのみでは栄養基質のバランスが悪く、繊維質の微細化・均質化等の前処理も不十分であるために、発酵微生物群の増殖が進まず、嫌気性発酵処理が遂行できにくいこと、また、従来の生ごみ等の１槽式メタン発酵ではメタン生成微生物の増殖が遅くメタン生成反応が遅いため、滞留時間を長く取る必要があり、水素ガスが発生しないといった問題点があった。
そこで本発明の目的は、生ごみと紙ごみからなる被処理物を嫌気性微生物の存在下で分解する嫌気性消化処理法において、その有機物の可溶化と水素ガスを発生させる可溶化水素発酵処理と、メタンガスを発生させるメタン発酵処理により、生ごみや紙ごみの可溶化、水素・酸生成と、メタン生成を効率よく進行させ、有機物のガス化効率を高めて消化速度を向上させる。それにより、消化槽をより小型化し、また、難分解性のセルロース及びヘミセルロース分解率を向上させて処理廃液の浄化度合いを高くする。そして、得られる気体及び固体は有効利用できる方法および装置を提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、紙ごみと生ごみを同時に処理すること、水素発酵処理とメタン発酵処理をそれぞれ別々の処理槽で行い、その消化液の返送により可溶化水素発酵の条件をｐＨ５〜６．５とすることで、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、
（１）生ごみと紙ごみからなる被処理物を嫌気性消化処理する方法であって、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽を具備し、可溶化水素発酵処理とメタン発酵処理の組合せで消化を行う際に、可溶化水素発酵槽にメタン発酵後の消化液を返送して可溶化水素発酵における処理条件をｐＨ５〜６．５に調整することを特徴とする生ごみと紙ごみの処理方法、
（２）前記可溶化水素発酵処理および／または前記メタン発酵処理が、高温発酵処理であることを特徴とする（１）に記載の生ごみと紙ごみの処理方法、
（３）前記メタン発酵処理が、固定化担体を備える固定化メタン発酵処理であることを特徴とする（１）または（２）に記載の生ごみと紙ごみの処理方法、
（４）生ごみと紙ごみからなる被処理物を嫌気性処理する方法であって、（I）加水分解微生物群及び水素発酵微生物群を含有する可溶化水素発酵槽において、可溶化と水素発酵を行う工程、（II）該工程で得られた発酵液をメタン発酵微生物の存在下、メタン発酵槽においてメタン生成を行う工程、（III）前記（II）の工程で得られた消化液を前記（I）の工程に返送して可溶化水素発酵の処理条件をｐＨ５〜６．５に調整する工程、を含むことを特徴とする生ごみと紙ごみの処理方法、
（５）前記（I）の工程で発生した水素ガスを含有する気相部と、前記（II）の工程で発生したメタンガスを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする（４）に記載の生ごみと紙ごみの処理方法、
（６）前記被処理物が生ごみ１００部に対して紙ごみ３０部以下を含むことを特徴とする（４）又は（５）に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
（７）前記被処理物の含水率を７５〜９９．９％に調整することを特徴とする（４）乃至（６）のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
（８）前記可溶化水素発酵における処理条件をアルカリ度５００〜５０００ｍｇ／ｌに調整することを特徴とする（４）乃至（７）のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
（９）生ごみと紙ごみの嫌気性消化装置であって、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽を別々に備えることを特徴とする（１）乃至（８）のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法に用いられる嫌気性消化装置。
を提供するものである。

本発明によれば、紙ごみを低コストで生ごみと一緒に処理でき、そして、紙ごみ中に在る難生物分解性物質が微生物の担体としても機能する。生ごみと紙ごみは、可溶化水素発酵処理とメタン発酵処理を別槽で順番に受けるので、分解消化に関わる微生物がそれぞれの槽で温度やｐＨ等最適な条件に維持されるので、有機物の分解速度が速く、水素ガスとメタンガスがより迅速に発生する。したがって、処理量に対する処理槽の大きさをよりコンパクトにすることができる。そして、得られる水素ガス、メタンガスは燃料、動力源ガス等として有効利用でき、発酵残渣は塩分濃度の低い良質の有機肥料となる。また、処理廃液は従来の発酵処理液より浄化度合いが進んだものである。

本発明の生ごみと紙ごみの処理方法の好ましい実施の形態について、詳細に説明する。
本発明は、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽の２つの発酵槽を具備して、それぞれ可溶化水素発酵処理とメタン発酵処理をするものである。それは、可溶化水素発酵に係わる微生物は増殖速度が速く反応速度も速いにもかかわらず、従来の１槽式メタン発酵ではメタン生成微生物の増殖が遅くメタン生成反応が遅いため、滞留時間を長く取る必要があり、また、水素ガスが発生しないといった問題点があった。これを克服するために、本発明では滞留時間の短い可溶化水素発酵槽を別に設け、可溶化水素発酵を効率よく行わせ、有機物の可溶化を進めると同時に水素ガスを含むバイオガスを取り出せるものである。

本発明でいう可溶化水素発酵とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物から水素ガスと有機酸と二酸化炭素を生成する反応で、２０〜７０℃、好ましくは３０〜６５℃で行う発酵法であり、このうち高温発酵とは４５℃以上、好ましくは５０℃以上６５℃のものをいう。また、本発明でいうメタン発酵とは、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物からメタンガスと二酸化炭素を生成させる方法で、２０〜７０℃、好ましくは３０〜６５℃で行う発酵法であり、このうち高温発酵とは４５℃以上、好ましくは５０℃以上６５℃のものをいう。
これらの発酵の温度範囲の限定は、温度が低すぎると微生物の増殖活性が低く、また、高すぎると微生物が失活するためである。なかでも、高温発酵が好ましいのは、有機物分解速度が高いからである。

また、本明細書でいう可溶化水素発酵微生物とは、嫌気性消化において水素ガスと有機酸と二酸化炭素等を生成する微生物を意味し、クロストリジウム属（Clostridium sp.）等が挙げられ、加水分解微生物とは、有機物を低分子化する微生物を意味し、バチルス属（Bacillus sp.）、ラクトバチルス属（Lactobacillus
sp.）、バクトロイデス属（Bacteroides sp.）、ビフィドバクテリウム属（Bifidobacterium sp.）、ユーバクテリウム属（Eubacterium sp.）等が挙げられる。メタン発酵微生物とは、嫌気性消化においてメタンガスと二酸化炭素を生成する微生物を意味し、メタノバクテリウム属（Methanobacterium sp.）、メタノサーモバクタ属（Methanothermobacter sp.）、メタノサルシナ属（Methanosarcina sp.）、メタノサエタ属（Methanosaeta sp.）等が挙げられる。これらはともに従来よく知られているものである。本発明においては、水素発酵槽ではこの他に特定されない多様な水素発酵微生物が生育し、メタン発酵槽でも上記の他に特定されない多様なメタン発酵微生物が成育する。このように、多様な微生物が存在することにより、原料である生ごみや紙ごみを含む被処理物を殺菌しなくても原料に対応した最適な微生物群が増殖し、安定した分解処理を行うことができる。

本発明の処理対象となる生ごみは、家庭、レストラン、食品工場等から排出される食品残滓や排水等であり、紙ごみは、オフィス、印刷工場、家庭等から排出される廃棄紙類、シュレッダーにかけられた紙ごみ等である。
これらからなる被処理物は、質量で表して、生ごみ１００部（含水率約８０％）に対し紙ごみ３０部以下、好ましくは２０部以下であり、少なくとも１部以上混合したものでる。紙ごみが多すぎると発酵原料が固形状となり消化処理があまり進まず、少なすぎては低負荷処理であり、また紙ごみの処理とはいえなくなる。
本発明で生ごみと紙ごみを同時に処理するのは、紙ごみは、繊維を多く含む有機物であり、セルロース等の生物分解性の炭素源とヘミセルロース、リグニン、灰分等の難分解性物質も含むものであるからである。紙ごみを混合することにより、生ごみと紙ごみが有する生物分解性物質が微生物の基質となり、また、紙ごみの難分解性物質が微生物の担体としても機能することで微生物濃度が高くなり、可溶化水素発酵処理およびメタン発酵処理がより良好に進むものである。

次に、本発明の実施方法を述べる。まず原料の生ごみと紙ごみを粉砕し、これを可溶化水素発酵槽内で可溶化水素発酵微生物群と混合し、含水率７５〜９９．９％、好ましくは８５〜９８％に調整し、２０℃以上、好ましくは３０〜７０℃、さらに好ましくは３５〜６５℃で、湿式可溶化水素発酵処理させる。高温発酵の場合は、５０℃〜６５℃が好ましい。本発明において可溶化水素発酵処理はｐＨ５〜６．５で行う。滞留時間８時間〜１０日、酸化還元電位−３００〜−６００ｍＶの範囲が好ましい。
続いて、可溶化水素発酵後の発酵物を原料として、メタン発酵槽内でメタン発酵微生物群と混合し、２０℃以上、好ましくは３０〜７０℃、さらに好ましくは３５〜６５℃で湿式メタン発酵処理させる。高温発酵の場合は、５０℃〜６５℃が好ましい。その他には、ｐＨ６．５〜８．５、滞留時間６〜３０日、酸化還元電位−３００〜−７００ｍＶの範囲が好ましい。

この場合、本発明においては可溶化水素発酵槽にメタン発酵後の処理液の一部を返送することにより、可溶化水素発酵槽のアルカリ度を補給し、ｐＨ５〜６．５に調整する。さらにアルカリ度５００〜５０００ｍｇ／ｌに調整することが好ましい。これにより、より安定した水素発酵が持続するようにできる。
また、本発明においては、メタン発酵槽内に増殖の遅いメタン発酵微生物のすみかとなる固定化担体を具備し、槽内の微生物濃度を高くして、メタン生成の効率を向上させることができる。

前記のようにして、生ごみや紙ごみを可溶化水素発酵処理・メタン発酵処理すると、有機物が分解されてガス化し、嫌気性消化処理物が得られる。その時発生する嫌気性消化処理物は、窒素やリン等の肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるのでそのまま液肥として、または固液分離後固形分を有機性肥料として利用することが可能である。
最近実施されている好気的なコンポスト法によって生ごみ等から生産された有機性肥料では、その中に含まれる塩分が問題となる場合があるが、本発明方法によるものは、固液分離後は塩分は液相部中に多く含まれるため、固相である発酵残滓は有機性肥料となり、本法により得られる有機性肥料はコンポスト法による有機性肥料に比べ塩分濃度が低いという利点を有する。

また、それぞれの発酵処理による消化時に発生する水素ガスやメタンガスは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンに利用できるのは勿論、直接又は水素への改質後燃料電池の燃料として利用することができる。

次に、本発明の実施態様を添付の図面に基づいて説明する。
図１は本発明を実施する場合の処理工程を示す説明図である。
生ごみと紙ごみを貯留する原料貯留タンク１より原料配管２を通って、可溶化水素発酵を生じさせる微生物群を含有する可溶化水素発酵槽３に供給する。可溶化水素発酵槽３は嫌気的な条件に保つ。
可溶化水素発酵を生じさせる微生物群としては、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥やコンポスト（堆肥）等を使用すればよい。

この可溶化水素発酵槽３において、生ごみと紙ごみは可溶化水素発酵微生物の分解作用を受け、水素ガスと二酸化炭素と有機酸に分解される。この可溶化処理により、原料中の有機物は迅速に安定的に分解される。
本発明に係る可溶化水素発酵槽は、槽内の原料と微生物群を撹拌して混合するが、発酵反応を促進させるために、槽内に撹拌装置４を具備させることが望ましい。また、槽内の発酵液を一部抜き再度投入する発酵液の循環により撹拌を実現してもよい。
さらに、可溶化水素発酵槽３内で発生した水素ガスを含むバイオガスは水素ガス配管５を通って水素ガス貯留タンク６に貯留される。この場合の水素含有ガスは、通常Ｈ_２：４０〜８０モル％、ＣＯ_２:２０〜６０モル％を含有する。

一方、可溶化水素発酵槽３で得られた発酵物は発酵物配管７を通ってメタン発酵槽８に導入される。メタン発酵槽８は嫌気的な条件に保つ。
メタン発酵を生じさせる微生物群としては、下水処理場の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。
このメタン発酵槽８において、有機酸を主体とする発酵物はメタン発酵微生物の作用を受け、メタンガスと二酸化炭素に分解される。このメタン生成処理により、発酵物中の有機酸は迅速に安定的に分解される。

本発明に係るメタン発酵槽は、槽内の発酵物と微生物群を撹拌して混合し、発酵反応を促進させるために、撹拌装置９を具備させることが望ましい。また、槽内の発酵液を抜き再度投入する発酵液の循環利用により槽内の撹拌を実現してもよい。
メタン発酵微生物の濃度を高く維持するために、メタン発酵微生物住処となる固定化担体１０をメタン発酵槽内に具備させることが望ましい。
また、メタン発酵槽８内で発生したメタンを含むガスはメタンガス配管１１を通ってメタンガス貯留タンク１２に貯留される。この場合のメタン含有ガスは、通常ＣＨ₄:４０〜９０モル％、ＣＯ_２:１０〜６０モル％を含有する。

一方、メタン発酵槽８で得られた処理物は処理物配管１３を通って処理物貯留タンク１４に貯留される。また、先にも記載したように、このメタン発酵槽８で得られた処理物は一部可溶化水素発酵槽へ返送することにより、可溶化水素発酵槽のアルカリ度を調整することができる。
処理物貯留タンク１４中の処理物は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであるので、固液分離し、液相は必要に応じ排水処理後放流される。
固相は、有機性肥料や土壌改良材、骨材として、再利用できる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
［実施例１］
実施例に用いた発酵装置は、図２に示すように可溶化水素発酵装置とメタン発酵装置とを直列に接続した二段発酵装置である。可溶化水素発酵装置は有効容積３００Ｌの完全混合型、メタン発酵装置は有効容積３４０Ｌ、合成樹脂製担体を充填した固定床型であり、両装置共にジャッケト式で５５℃に温度制御した。発酵槽の加温には温水ボイラーを用いた。可溶化水素発酵槽およびメタン発酵槽の発酵汚泥は、予め実験原料で１ヶ月以上馴養運転して可溶化微生物、水素発酵微生物、メタン発酵微生物を発酵槽内に十分に増殖させた。
実施例に用いた原料は、Ａ事業所内から排出される食堂残飯とシュレッダー紙ごみを定期的に収集したものである。食堂残飯は、ビニール袋、貝殻、卵の殻、鳥骨、金属片、プラスチック片など残飯中に混在する発酵不適物を取り除いた後、コンパクトチョッパー［ＭＫＢＣ−４２型（商品名）、増幸産業（株）］で粗破砕し、モーノポンプで原料タンクに移送した。原料タンクでは、食堂残飯：雑用水１：１（重量比）濃度調製してスラリー状とし、そこにシュレッダー紙ごみを１％（重量比）投入してカッターポンプ［ＫＤ８０ＭＳ型（商品名）、三菱電機（株）］で１日あたり計２時間運転しながら微破砕した。原水の性状を表１に示す。

原水投入はモーノポンプを使って電磁流量計で計測しながら４０Ｌ／日を可溶化水素発酵槽に間欠投入した（１０Ｌ／回の原水投入を４回／日）。可溶化水素発酵槽から流出した可溶化水素発酵液は、発酵液調整タンクに一旦貯留し、後段のメタン発酵槽に連続投入した。
この実験では、（１）実験Ａ：メタン発酵液を汚泥返送タンクに貯留し、その一部を可溶化水素発酵槽に３０Ｌ／日を返送しながら二段発酵した場合、（２）実験Ｂ（比較例）：汚泥返送せずに二段発酵した場合、（３）実験Ｃ（比較例）：高温メタン発酵槽１槽で処理した場合の３通りの運転方法を行なった。
各実験の条件及び得られた結果を表２に示す。

表１、表２に示す各性状は、次の分析方法で行なったものである。
・ＴＳ（Total Solids、全蒸発残留物）；１０５℃乾燥重量法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・ＶＳ (Volatile Solids、強熱減量)；６００℃強熱減量法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・ＳＳ（Suspended Solids、懸濁物質）；１０５℃乾燥重量法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・ＶＳＳ(Volatile Suspended Solids、懸濁物質の強熱減量)；６００℃強熱減量法
（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・ＣＯＤ_Ｃｒ（化学的酸素消費量）；重クロム酸カリウム法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・ＢＯＤ（生物化学的酸素消費量）；２０℃、５日間の要求酸素量（ＪＩＳ Ｋ０１０２）
・たんぱく質；（ケルダール窒素−アンモンニア性窒素）×６．２５
・Ｔ−Ｐ（全リン）；過塩素酸分解法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）
・全還元糖類；フェノール−硫酸法（吸光度４８８ｎｍ）
・セルロース；エタノール−ベンゼン抽出法
・有機酸（ＶＦＡ）；高速液体クロマトグラフ（エルマ光学 ERC-8710、示差屈折率検出器 ERC-7510、カラム Shodex RSpack KC-811、カラム温度 60℃、移動相 0.1％リン酸）
・水素ガス・メタンガス・二酸化炭素；ガスクロマトグラフ(Shimadzu GC-14B、検出器 TCD、Molecular Sieve 2ｍ、カラム温度 160℃、キャリアガス He)
・溶解性画分；ＧＦ／Ｂ（１μｍ）でのろ液
・ｐＨ；ガラス電極法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２）

表２に示す実験結果から、本発明の可溶化水素発酵・メタン発酵をこの順序で組合せる発酵法において、消化液を返送することにより可溶化水素発酵の処理条件を特定のｐＨに調整でき、従来技術と比較して、生ごみと紙ごみが効率よく水素ガスとメタンガスと二酸化炭素に分解し、生ごみや紙ごみの分解速度やガス化速度が向上することがわかった。

本発明の生ごみと紙ごみの嫌気性消化処理工程の説明図である。 実施例の工程説明図である。

符号の説明

１．原料貯留タンク
２．原料配管
３．可溶化水素発酵槽
４．撹拌装置
５．水素ガス配管
６．水素ガス貯留タンク
７．発酵物配管
８．メタン発酵槽
９．撹拌装置
１０．固定化担体
１１．メタンガス配管
１２．メタンガス貯留タンク
１３．処理物配管
１４．処理物貯留タンク

Claims (9)

1. 生ごみと紙ごみからなる被処理物を嫌気性消化処理する方法であって、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽を具備し、可溶化水素発酵処理とメタン発酵処理の組合せで消化を行う際に、可溶化水素発酵槽にメタン発酵後の消化液を返送して可溶化水素発酵における処理条件をｐＨ５〜６．５に調整することを特徴とする生ごみと紙ごみの処理方法。
2. 前記可溶化水素発酵処理および／または前記メタン発酵処理が、高温発酵処理であることを特徴とする請求項１に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
3. 前記メタン発酵処理が、固定化担体を備える固定化メタン発酵処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
4. 生ごみと紙ごみからなる被処理物を嫌気性処理する方法であって、（I）加水分解微生物群及び水素発酵微生物群を含有する可溶化水素発酵槽において、可溶化と水素発酵を行う工程、（II）該工程で得られた発酵液をメタン発酵微生物の存在下、メタン発酵槽においてメタン生成を行う工程、（III）前記（II）の工程で得られた消化液を前記（I）の工程に返送して可溶化水素発酵の処理条件をｐＨ５〜６．５に調整する工程、を含むことを特徴とする生ごみと紙ごみの処理方法。
5. 前記（I）の工程で発生した水素ガスを含有する気相部と、前記（II）の工程で発生したメタンガスを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする請求項４に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
6. 前記被処理物が生ごみ１００部に対して紙ごみ３０部以下を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
7. 前記被処理物の含水率を７５〜９９．９％に調整することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
8. 前記可溶化水素発酵における処理条件をアルカリ度５００〜５０００ｍｇ／ｌに調整することを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法。
9. 生ごみと紙ごみの嫌気性消化装置であって、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽を別々に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の生ごみと紙ごみの処理方法に用いられる嫌気性消化装置。
   

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