JP5301788B2 - 共発酵方法 - Google Patents
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Description
本発明は共発酵方法に関し、詳しくは安定した発酵が可能で、発酵速度が大きく、バイオガス発生率が高い共発酵方法に関する。
従来、下水は、好気性生物処理工程を有する水処理施設において処理されている。水処理施設で発生した余剰汚泥は、焼却したり、コンポスト化したりしていたが、近年では有用物質の回収を目的として下水汚泥を嫌気発酵する手法が試みられている。
しかし、原水汚泥を嫌気発酵させても得られるバイオガス量は１０〜１５（Ｌ／Ｌ−原料）と少なく、実用的ではなかった。
非特許文献１には、食品廃棄物、食品加工残渣、生ごみ、緑農廃棄物または畜産廃棄物のような水処理施設外で発生する有機性廃棄物を下水汚泥に混入して嫌気発酵する方法が開示されている。
しかし、この手法によると、メタン発酵効率が上昇するが依然として十分な発生量とは言えなかった。
下水道開発プロジェクト、"グリーン・スラッジ概略フロー「低ランニングコスト型混合消化ガス発電システム」"、[ｏｎｌｉｎｅ]、財団法人 下水道新技術推進機構、[平成１９年３月２８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jiwet-spirit21.jp/LOTUS/pdf/Green_sludge_energy.pdf＞
下水道開発プロジェクト、"グリーン・スラッジ概略フロー「低ランニングコスト型混合消化ガス発電システム」"、[ｏｎｌｉｎｅ]、財団法人 下水道新技術推進機構、[平成１９年３月２８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.jiwet-spirit21.jp/LOTUS/pdf/Green_sludge_energy.pdf＞
そこで、本発明の課題は、安定した発酵が可能で、発酵速度が大きく、バイオガス発生率が高い共発酵方法を提供することにある。
本発明の他の課題は以下の記載によって明らかとなる。
上記課題は以下の各発明によって解決される。
（請求項１）
好気性生物処理工程を有する水処理施設において発生する濃縮汚泥を返送汚泥と余剰汚泥とに分割し、該余剰汚泥に、該水処理施設外から搬入した有機性廃棄物を混合して５０℃以上の高温型のメタン発酵槽でメタン発酵処理を行い、該メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分を前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液する共発酵方法であって、
前記有機性廃棄物を前記余剰汚泥と定量的に混合する前に、貯蔵タンク内において、該有機性廃棄物に、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液の一部を混合して前発酵処理を行うことを特徴とする共発酵方法。
好気性生物処理工程を有する水処理施設において発生する濃縮汚泥を返送汚泥と余剰汚泥とに分割し、該余剰汚泥に、該水処理施設外から搬入した有機性廃棄物を混合して５０℃以上の高温型のメタン発酵槽でメタン発酵処理を行い、該メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分を前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液する共発酵方法であって、
前記有機性廃棄物を前記余剰汚泥と定量的に混合する前に、貯蔵タンク内において、該有機性廃棄物に、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液の一部を混合して前発酵処理を行うことを特徴とする共発酵方法。
（請求項２）
前記有機性廃棄物は、食品廃棄物、食品加工残渣、生ごみ、緑農廃棄物または畜産廃棄物から選ばれる少なくとも１種であり、前記貯蔵タンクに導入される前に、該有機性廃棄物の異物を除去する工程及び又は破砕処理工程を経ていることを特徴とする請求項１記載の共発酵方法。
前記有機性廃棄物は、食品廃棄物、食品加工残渣、生ごみ、緑農廃棄物または畜産廃棄物から選ばれる少なくとも１種であり、前記貯蔵タンクに導入される前に、該有機性廃棄物の異物を除去する工程及び又は破砕処理工程を経ていることを特徴とする請求項１記載の共発酵方法。
（請求項３）
前記有機性廃棄物と、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液と、前記水処理施設から移送される濃縮汚泥とを定量的に混合して高温型のメタン発酵槽に送る際に、前記水処理施設の初沈汚泥を混入することを特徴とする請求項１又は２記載の共発酵方法。
前記有機性廃棄物と、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液と、前記水処理施設から移送される濃縮汚泥とを定量的に混合して高温型のメタン発酵槽に送る際に、前記水処理施設の初沈汚泥を混入することを特徴とする請求項１又は２記載の共発酵方法。
（請求項４）
前記メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分をアンモニアストリッピングにより脱窒処理し、その後、前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の共発酵方法。
前記メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分をアンモニアストリッピングにより脱窒処理し、その後、前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の共発酵方法。
本発明によれば、安定した発酵が可能で、発酵速度が大きく、バイオガス発生率が高い共発酵方法を提供することができ、しかも消化液をアンモニアストリッピングすると下水処理施設の高度処理の負荷が大きく低減でき、良好な放流水質を維持できる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の共発酵方法を実現する装置の一例を示すフローシートであり、同図において、１は下水に含まれる夾雑物を除去する夾雑物除去手段であり、例えば粗目スクリーンや微細目スクリーンなどが用いられる。夾雑物が除去された下水は初沈槽２に送られ、固液分離される。固液分離された下水は好気性生物処理工程の実現手段である反応槽３に送られ、好気性微生物による生物的な処理が実施される。反応槽３で生物反応された下水は微生物汚泥と共に重力沈降式の終沈槽４に送られて汚泥と処理水に固液分離される。処理水は高度処理手段５に送られ、更に活性炭処理、殺菌処理などの高度処理が施される。
本発明に用いられる好気性生物処理工程を有する水処理施設は、標準活性汚泥法や、その変法による施設、オキシデーションディッチによる施設などが挙げられ、いずれの処理法を採用してもよい。
終沈槽４で分離された濃縮汚泥は、返送汚泥と余剰汚泥とに分割し、返送汚泥は返送管４０を介して反応槽３に返送される。
濃縮汚泥は含水率９５〜９８％の範囲が好ましく、必要により鉄系の薬剤を添加したりすることもできる。なお、後段のメタン発酵のために、高分子系、アルミニウム系の薬剤は好ましくない。
一方、本発明において、該水処理施設外から搬入する有機性廃棄物は、食品廃棄物、食品加工残渣、生ごみ、緑農廃棄物または畜産廃棄物から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、２種以上を混合してもよい。
水処理施設外で発生する有機性廃棄物をメタン発酵のバイオマスとして受け入れるが、その際、まず、前処理手段６で、固形分の破砕、摩砕、異物除去を行う。メタン発酵に支障のない性状とするためである。
異物除去では金属片、高分子化合物（プラスチック類）、ガラス片や電池などを自動的に必要によって人為的に排除する。
破砕、摩砕工程では有機廃棄物の固形分の粒径を平均して１ｍｍ未満、好ましくは０．１ｍｍ未満までに粉砕する。
粉砕後の有機性廃棄物の性状は、含水率やＣ／Ｎ比からして、その種類によってまちまちであり、安定したメタン発酵を行うためには、バイオマス源として調整が必要である。
この調整は貯蔵タンク７内で行う。本発明に用いられる貯蔵タンクの役割は次のとおりである。
第１に、バイオマスとしての有機性廃棄物を濃縮汚泥と定量的に混合するための量的なバッファータンクとして機能する。第２に、メタン発酵槽９内の消化液の一部を混合して前発酵処理を行うタンクとして機能する。このとき酸発酵が進んでタンク内が過剰に酸性化することを防ぐために、消化液のｐＨ緩衝性を利用することも重要である。貯蔵タンク７はメタン発酵槽９と同様に保温し、好ましくは温度制御することが求められる。
消化液の混合量を制御する方法は、安定して均質な有機性廃棄物が搬入されるときは単に定量ポンプによる混合のみでも良いが、ｐＨが低下傾向（例えば５〜４を下回っていくときなど）にあるときは、消化液混合量を増加する処置をとることが好ましい。
また、貯蔵タンク７の容量は有機性廃棄物のタンク内滞留時間が少なくとも５時間以上になるように設計することが好ましい。
貯蔵タンク７内で調整された有機性廃棄物は、ミキシング部８に送られ、濃縮汚泥の一部である余剰汚泥と混合する。ミキシング部８におけるミキシング手段は特に限定されない。
本発明では、このミキシング部８に初沈槽２の初沈汚泥を混入することは好ましいことである。下水処理施設で発生する汚泥を有機資源として利用できるのみならず、濃縮汚泥単独よりもバイオガス発生量が増加する効果もあるからである。
本発明において、ミキシング部８にミキシングされたバイオマス原料はメタン発酵槽９に送られ、メタン発酵処理される。
本発明におけるメタン発酵温度は、５０℃以上好ましくは５５℃以上であり、いわゆる高温発酵である。非特許文献１のような３５℃の低温発酵ではバイオガス発生量が少ない問題があるが、本発明では高温発酵であるため、バイオガス発生量が多い効果を発揮する。バイオマス原料が、濃縮汚泥、水処理施設外で発生する有機性廃棄物、終沈汚泥が混合されているので、共発酵により、安定した発酵が可能となる。また発酵速度が大きく、バイオガス発生率が高い高温型の発酵が可能となる。メタン発酵温度を５５℃以上に維持する手法は特に限定されない。
メタン発酵後に生成する消化液は固液分離手段１０に送られ、消化液と固形分に分離され、消化液は送液ライン１００を介して好気性生物処理工程に返送され、処理される。図示の例では、反応槽３の前段に返送されている。
本発明では、消化液を反応槽３に送る過程で、アンモニアストリッピングにより脱窒処理し、その後、前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液することが好ましい。消化液をアンモニアストリッピングすると下水処理施設の高度処理の負荷が大きく低減でき、良好な放流水質を維持できるからである。
以下に、アンモニアストリッピングを行う好ましい装置の一例を図２に基づいて説明する。
消化液は、ポンプ１０１によって循環タンク１０２に導入される。循環タンク１０２は架台１０３の上に設置され、該循環タンク１０２の上方にアンモニア放散塔１０４が設けられ、タワー形式に構成できる。
アンモニア放散塔１０４の例としては、内部に多孔板１０５が設けられ、多孔板１０５上に樹脂、金属、セラミックで形成される各種の充填材１０６が充填される。
充填材１０６の上方にはスプレーノズル１０７が設けられ、消化液を充填材１０６に散布可能に構成されている。
スプレーノズル１０７は配管１０８を介して循環ポンプ１０９に接続されている。充填材１０６に散布された消化液は、図２においては接続管１１０を介して循環タンク１０２に貯留され、循環ポンプ１０９でスプレーノズル１０７に送られ、循環するように構成されているが、循環タンクを経ずに排出される場合もある。
１１１は、アンモニア放散塔に空気を導入するコンプレッサまたはブロワである。
アンモニアストリッピング装置でアンモニア成分を除いた消化液は脱窒消化液として排出され、反応槽３の前段に返送される。
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
実施例１
標準活性汚泥法による下水処理施設の初沈汚泥および終沈汚泥を採取した。初沈汚泥および終沈汚泥の固形分濃度と強熱減量とｐＨは下記表１に示す結果であった。
標準活性汚泥法による下水処理施設の初沈汚泥および終沈汚泥を採取した。初沈汚泥および終沈汚泥の固形分濃度と強熱減量とｐＨは下記表１に示す結果であった。
一方、家庭生ごみを油圧式の生ごみ圧縮分別機（油研工業（株））でペースト化した。このペーストの固形分濃度（１０５℃恒量化）は１８ｗｔ％、６００℃強熱減量減少率は８７ｗｔ％であった。
搾乳牛糞尿を入れた１０Ｌ完全混合型高温（５５℃）メタン発酵実験槽に初沈汚泥、終沈汚泥、生ごみを一日一回合計量６００ｍｌずつ加えていく実験を行った。（生ごみ４０％、初沈汚泥２０％、終沈汚泥４０％）
本発酵槽は６００ｍｌのバイオマス投入によって槽内の過剰量は自然溢流によって槽外に流出する構造になっている。１５〜２０日間のメタン発酵試験におけるバイオガス発生量は図３の結果となった。
比較のために以下の実験を行った。
比較実験１
実施例１において、高温型（５５℃）で、生ごみのみを投与して、メタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
実施例１において、高温型（５５℃）で、生ごみのみを投与して、メタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
比較実験２
実施例１において、高温型（５５℃）で、終沈汚泥のみを投与して、メタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
実施例１において、高温型（５５℃）で、終沈汚泥のみを投与して、メタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
比較実験３
実施例１において、発酵温度を３７℃に代えた以外は同様にしてメタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
実施例１において、発酵温度を３７℃に代えた以外は同様にしてメタン発酵実験を行った。その結果を図３に示す。
図３より、比較実験１の生ごみのみの投入では、ｐＨがテスト１０日後から急激に低下（７．５から５以下）し、１５日目からバイオマス投入を停止しても、最終的に４．０まで低下してメタン発酵が停止した。
比較実験２の終沈汚泥の系では、ｐＨを７．５程度に維持し、メタン発酵は継続しえたが発生バイオガス量は大きく低下した。
比較実験３の中温（３７℃）発酵では、発生バイオガス量は十分でなかった。
これに対して、本発明の場合には、発生バイオガス量は安定して高いことがわかる。
実施例２
実施例１において、消化液をアンモニアストリッピングする実験を行った。高温型のメタン発酵であるため、アンモニアストリッピングによる脱窒効率が向上した。
実施例１において、消化液をアンモニアストリッピングする実験を行った。高温型のメタン発酵であるため、アンモニアストリッピングによる脱窒効率が向上した。
従って、消化液をアンモニアストリッピングすると下水処理施設の高度処理の負荷が大きく低減でき、良好な放流水質を維持できる。
これに対して、比較実験３の消化液をアンモニアストリッピングしたが、温度が低いので、脱窒効率が実施例２に比べ３０％程度劣っていた。
１：夾雑物除去手段
２：初沈槽
３：反応槽
４：終沈槽
５：高度処理手段
６：前処理手段
７：貯蔵タンク
８：ミキシング部
９：メタン発酵
１０：固液分離手段
１００：送液ライン
１０１：ポンプ
１０２：循環タンク
１０３：架台
１０４：アンモニア放散塔
１０５：多孔板
１０６：充填材
１０７：スプレーノズル
１０８：配管
１０９：循環ポンプ
１１０：接続管
１１１：コンプレッサ、ブロワ
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１０１：ポンプ
１０２：循環タンク
１０３：架台
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１０５：多孔板
１０６：充填材
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１０８：配管
１０９：循環ポンプ
１１０：接続管
１１１：コンプレッサ、ブロワ
Claims (4)
- 好気性生物処理工程を有する水処理施設において発生する濃縮汚泥を返送汚泥と余剰汚泥とに分割し、該余剰汚泥に、該水処理施設外から搬入した有機性廃棄物を混合して５０℃以上の高温型のメタン発酵槽でメタン発酵処理を行い、該メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分を前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液する共発酵方法であって、
前記有機性廃棄物を前記余剰汚泥と定量的に混合する前に、貯蔵タンク内において、該有機性廃棄物に、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液の一部を混合して前発酵処理を行うことを特徴とする共発酵方法。 - 前記有機性廃棄物は、食品廃棄物、食品加工残渣、生ごみ、緑農廃棄物または畜産廃棄物から選ばれる少なくとも１種であり、前記貯蔵タンクに導入される前に、該有機性廃棄物の異物を除去する工程及び又は破砕処理工程を経ていることを特徴とする請求項１記載の共発酵方法。
- 前記有機性廃棄物と、前記高温型のメタン発酵槽内から抜き出した消化液と、前記水処理施設から移送される濃縮汚泥とを定量的に混合して高温型のメタン発酵槽に送る際に、前記水処理施設の初沈汚泥を混入することを特徴とする請求項１又は２記載の共発酵方法。
- 前記メタン発酵によって生成した残渣の固液分離処理を行い、分離した液側成分をアンモニアストリッピングにより脱窒処理し、その後、前記水処理施設の前記好気性生物処理工程に送液することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の共発酵方法。
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