JP5574398B2 - 有機性固形廃棄物のメタン発酵方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は有機性固形廃棄物のメタン発酵方法及びシステムに関し、とくに有機性固形廃棄物を無希釈でメタン発酵処理する方法及びシステムに関する。

循環型社会を実現するための再資源化技術として、生ごみ等の有機性廃棄物を嫌気性微生物により分解してエネルギー源として利用可能なバイオガス（約６０％のメタンガス、約４０％の二酸化炭素ガス、少量の硫化水素等を含む）を回収するメタン発酵処理が実用化されている。従来のメタン発酵処理方法の一例は、例えば特許文献１が開示するように、有機性固形廃棄物を混入異物と分別したうえで５〜１５％程度のＴＳ濃度（有機固形物濃度）のスラリー状に微粉砕してメタン発酵槽（嫌気性発酵槽）に投入し、発酵槽内で有機物スラリーを嫌気性微生物と接触させてメタン発酵させる湿式法である。しかし、湿式メタン発酵法は廃棄物に対して少なくとも１〜２倍程度の希釈水を加えてＴＳ濃度を下げる必要があるため、発酵処理後に生じる廃液の量が増える問題点がある。とくに下水道等が完備されていない地域では、廃液を公共水域に放流するため高度な二次処理が要求されるので、二次処理コスト削減等の観点から発酵処理後に生じる廃液量をできる限り少なくすることが望まれている。

他方、例えば特許文献２及び３が開示するように、有機性固形廃棄物を無希釈又は低希釈率（ＴＳ濃度２０〜４０％程度）で嫌気性微生物と接触させてメタン発酵させる乾式メタン発酵法が開発されている。乾式メタン発酵法によれば、湿式メタン発酵法に比して希釈水分だけ処理対象量を少なくして発酵槽の小型化を図り、処理後に生じる廃液量の削減も期待できる。しかし、従来の乾式メタン発酵処理法は、嫌気性微生物による分解速度が比較的早い易分解性有機物（例えば生ごみ等）と比較的遅い難分解性有機物（例えば紙ごみ等）とを混合して一緒に処理した場合に、難分解性有機物が分解不十分なまま発酵槽から流出してしまうため廃液中の未分解又は分解不十分な有機物を二次的に分離回収する工程や施設が必要となり、二次処理コストを削減することが難しい問題点がある。また、難分解性有機物を発酵槽において十分にメタン発酵させないまま流出させてしまうので、有機性固形廃棄物全体のメタン発酵効率（バイオガスの回収率）を高めることが難しく、非効率的な処理システムになるおそれもある。

これに対し本発明者らは、有機性固形廃棄物の全体を無希釈で効率的に処理できるメタン発酵法を開発し、特許文献４及び５に開示した。図５は、特許文献５の開示するメタン発酵装置の一例を示す。図示例のメタン発酵装置６０は、有機性固形廃棄物Ｃを嫌気性微生物の発酵液Ｓと共に貯える嫌気性発酵槽６１と、発酵液Ｓを所定時間滞留させる一時滞留槽７０と、発酵槽６１の発酵液Ｓを下部（又は上部）から抜出して滞留槽７０へ送ると共に滞留槽７０から発酵槽６１の上部（又は下部）へ戻して循環させるポンプ６８付き還流路６７ａ、６７ｂとを有する。

図５の発酵槽６１の内部には有孔隔壁６２、６３で囲まれた貯留空間が形成されており、その貯留空間に発酵槽６１の取入口６４を介して有機性固形廃棄物Ｃを投入する。貯留空間内に投入された廃棄物Ｃは循環する発酵液Ｓにより徐々に分解されて有孔隔壁６２、６３から流出し、還流路６７ａに引き抜かれて滞留槽７０へ送られる。一時滞留槽７０の内部には例えば一対の有孔板７２ａ、７２ｂにより固定床７１が保持されており、還流路６７ａを介して滞留槽７０に流入した発酵液Ｓは、固定床７１の間を上昇又は下降する間に嫌気性微生物によって有機物が分解されたのち、還流路６７ｂを介して発酵槽６１に戻る。また、滞留槽７０の底部には発酵液Ｓを槽外の液面対応高さまで上昇させて溢流させる比較的小径の溢流路７３が設けられており、有機物の分解により増加した発酵液Ｓは溢流路１５を介して装置の外部へ排出される。

図５のメタン発酵装置６０では、発酵槽６１に投入された廃棄物Ｃのうち、易分解性有機物は比較的早期に分解されて滞留槽７０へ送られるのに対し、難分解性有機物は時間をかけて分解されたのち滞留槽７０へ送られる。従って、易分解性有機物と難分解性有機物とが混合されて一緒に処理される場合でも、難分解性有機物と易分解性有機物とで発酵槽６１に留まる残留時間を切り分け、難分解性有機物が分解不十分なまま装置の外部に流出してしまうことがなく、廃棄物Ｃの全体を効率的にメタン発酵することが期待できる。なお、図中の符号６５は発酵槽６１内に投入された有機性固形廃棄物Ｃを撹拌する撹拌羽根付き撹拌装置を示し、符号７４は発酵槽６１の気相部と滞留槽７０の気相部とを接続する連通路を示す。

特許第３０６４２７２号公報 特開１１−３０９４９３号公報 特開２００４−０１７０２４号公報 特開２００７−０４４５８８号公報 特開２００７−２１６１３５号公報 特開平５−１１７９８８号公報 特開２００３−１５５６７９号公報

しかし、図５のメタン発酵装置６０は、大量の有機性固形廃棄物Ｃを処理するためにスケールアップ（大型化）することが難しい問題点がある。例えば、図示例の発酵装置６０を用いて家庭・レストラン・食品工場等から排出される生ごみ及び紙ごみが混合した有機性固形廃棄物Ｃ（いわゆる可燃ごみ）を実際に処理してみると、紙ごみによって有孔隔壁６２、６３に閉塞が生じやすい問題が経験された。このような閉塞が発生した場合に図示例では発酵槽６１の排出口６６を介して有孔隔壁６２、６３に溜まった紙ごみＢを掻き出して復旧可能としているが、大量の廃棄物Ｃを処理する場合は頻繁に掻き出し作業が必要となり、発酵槽６１が大型になると復旧作業に非常に手間がかかる。また、復旧作業時に発酵液の循環（装置の運転）を一時的に中断しなければならないので、定常的なメタン発酵状態が阻害されてメタン発酵効率を低下させるおそれがある。更に、図示例の発酵装置６０では大量の廃棄物Ｃの荷重を有孔隔壁６２、６３によって支持しなければならず、有孔隔壁６２、６３に強度不足が発生して発酵槽６１の安全性が損なわれるおそれもある。図５のような発酵システムの実用化を図るためには、スケールアップしても安全性を損なわずに定常的なメタン発酵状態を維持するための改良が必要である。

そこで本発明の目的は、スケールアップしても効率的なメタン発酵処理を安定的に維持できる有機性固形廃棄物のメタン発酵処理方法及びシステムを提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明による有機性固形廃棄物のメタン発酵方法は、有機性固形廃棄物Ｃを原料槽１０に嫌気的に貯え、原料槽１０と気相部が連通する嫌気性発酵槽３０に廃棄物Ｃの分解微生物含有発酵液Ｓを貯え、発酵槽３０内部の発酵液Ｓを継続的に原料槽１０へ供給して廃棄物Ｃを浸漬させ、原料槽１０内部の廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を固液分離装置２０へ継続的に抜出して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると同時に固形分Ｅを原料槽１０へ戻し、発酵槽３０において増加する発酵液Ｓを発酵残渣Ｎとして外部へ排出し、発酵槽３０内部の発酵液Ｓを原料槽１０へ供給しながら原料槽１０内部の混合液（Ｃ＋Ｓ）を固液分離装置２０へ抜出すことにより原料槽１０の廃棄物Ｃを原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環する発酵液Ｓに浸漬させつつ分解し且つ分解生成ガスＧを両槽３０、１０の気相部から回収してなるものである。

また、図１の実施例のブロック図を参照するに、本発明による有機性固形廃棄物のメタン発酵システムは、有機性固形廃棄物Ｃを嫌気的に貯える原料槽１０、廃棄物Ｃの分解微生物含有発酵液Ｓを貯える嫌気性発酵槽３０、発酵槽３０内部の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給して廃棄物Ｃを浸漬させる供給装置４０、原料槽１０内部の廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を継続的に抜出して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると同時に固形分Ｅを原料槽１０へ戻す固液分離装置２０、発酵槽３０において増加する発酵液Ｓを発酵残渣Ｎとして外部へ排出する排出路３５又は７３、並びに原料槽１０及び発酵槽３０の気相部に連通するガス回収路４４を備え、発酵槽３０内部の発酵液Ｓを原料槽１０へ供給しながら原料槽１０内部の混合液（Ｃ＋Ｓ）を固液分離装置２０へ抜出すことにより原料槽１０の廃棄物Ｃを原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環する発酵液Ｓに浸漬させつつ分解し且つ分解生成ガスＧを両槽３０、１０の気相部から回収してなるものである。

好ましくは、分離装置２０の濾液Ｄの分離量に応じて供給装置４０の発酵液Ｓの供給量又は分離装置２０による原料槽１０からの混合液（Ｃ＋Ｓ）の抜出量を調整する制御装置５０を設ける。また、原料槽１０に内部の廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓを混合撹拌する撹拌装置１１を設け、発酵槽３０に内部の発酵液Ｓを撹拌する撹拌装置３１を設けることが望ましい。更に好ましくは、分離装置２０又は原料槽１０に開閉弁５６ａ又は５６ｂ（図２参照）を介して接続され且つ開閉弁５６ａ又は５６ｂの開放時に廃棄物Ｃ中に混入した金属、ビニールその他の残渣Ｍを堆積しつつ原料槽１０及び固液分離装置２０を循環する混合液（Ｃ＋Ｓ）を抜出して残渣Ｍを脱水分離する脱水装置５３と、脱水装置５３の残渣分離液Ｆを発酵槽３０又は原料槽１０へ戻す返送装置５５とを設ける。

有機性固形廃棄物Ｃは、例えば微生物分解速度の異なる廃棄物Ａ、Ｂの混合した混合有機性固形廃棄物（Ａ＋Ｂ）とすることができる。また固液分離装置２０には、図３に示すように、細孔又はスリット付き隔壁２１により仕切られた導入室２２及び分離室２３と、その隔壁２１の導入室２２側表面に対向して旋回する回転翼２４と、原料槽１０の混合液（Ｃ＋Ｓ）を導入室２２へ送る導入路１５と、導入室２２に残った固形分Ｅを原料槽１０へ戻す返戻路２７と、分離室２３に排出された濾液Ｄを発酵槽３０へ送る輸送路２８とを含めることができる。

本発明による有機性固形廃棄物のメタン発酵方法及びシステムは、有機性固形廃棄物Ｃを嫌気的に貯えた原料槽１０に発酵槽３０から発酵液Ｓを継続的に供給して廃棄物Ｃを浸漬させ、原料槽１０の廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を固液分離装置２０へ継続的に抜出して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻し、発酵槽３０において増加する発酵液Ｓを発酵残渣Ｎとして外部へ排出し、発酵槽３０内部の発酵液Ｓを原料槽１０へ供給しながら原料槽１０内部の混合液（Ｃ＋Ｓ）を固液分離装置２０へ抜出すことにより原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環する発酵液Ｓに原料槽１０の廃棄物Ｃを浸漬させながら分解し、分解生成ガス（バイオガス）Ｇを両槽３０、１０の気相部から回収するので、次のような有利な効果を奏する。

（イ）原料槽１０と発酵槽３０との間に固液分離装置２０を設け、分解速度が早く小粒径となった廃棄物Ｃのみを発酵槽３０へ送ると共に分解速度が遅く大粒径のままの廃棄物Ｃを原料槽１０へ戻すことで、難分解性及び易分解有機物が混合した有機性固形廃棄物の全体を効率的にメタン発酵処理することができる。
（ロ）また、固液分離装置２０を原料槽１０及び発酵槽３０から独立させることにより、従来のように発酵槽の内部で分離する方法に比して分離装置２０に堆積した残渣Ｍの除去・回収作業が容易であり、システムのメンテナンスに伴う停止・中断時間を最小限に抑えつつスケールアップすることができる。
（ハ）更に、固液分離装置２０を原料槽１０及び発酵槽３０から独立させているので、分離装置２０のメンテナンス時に原料槽１０と発酵槽３０との間の循環を一時的に中断した場合でも、例えば原料槽１０及び発酵槽３０の内部をそれぞれ単独で撹拌することにより、システム全体の定常的なメタン発酵状態を維持することができる。
（ニ）廃棄物Ｃの分解時に生じる有機酸が原料槽１０から発酵槽３０へ移送されるので、原料槽１０内の有機酸の蓄積によるｐＨの低下（いわゆる酸敗）を防ぎ、原料槽１０における固形廃棄物Ｃの効率的な分解を促進できる。
（ホ）また、発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ循環させることにより、原料槽１０において廃棄物Ｃの分解時に生じるＨ_２やＣＯ_２を取り込んでバイオガスを生成させることができ、原料槽１０及び発酵槽３０の両槽から分解生成ガスＧを回収することでバイオガスの回収率を高めることができる。

図１は、本発明のメタン発酵システム１の実施例を示す。本発明の処理対象である有機性固形廃棄物Ｃの一例は生ごみ、生分解性プラスチック、草木系バイオマス（雑草等）等の固形の有機性廃棄物である。後述するように本発明のシステム１によれば、難分解性有機物と易分解有機物とを含む固形廃棄物Ｃの全体を有機物の分解速度に応じて処理時間を切り分けながら効率的にメタン発酵処理することが期待できる。一般の生ごみ中にも易分解有機物Ａである果肉・果汁と難分解性有機物Ｂである果皮・芯とが含まれている場合があり、本発明によれば、そのような生ごみ廃棄物Ｃを効率的にメタン発酵処理することが期待できる。また本発明は、生ごみ等の易分解性有機物Ａと紙ごみ等の難分解性有機物Ｂとを含むいわゆる可燃ごみ等の混合有機性固形廃棄物Ｃをメタン発酵処理する場合にとくに有効である。

図示例のシステム１は、有機性固形廃棄物Ｃを嫌気的に貯える原料槽１０と、その廃棄物Ｃの嫌気性分解微生物が含まれる発酵液Ｓを貯える嫌気性発酵槽（メタン発酵槽）３０と、原料槽１０及び発酵槽３０から独立した固液分離装置２０と、発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ供給する供給装置４０とを有する。原料槽１０は廃棄物Ｃを気密に投入して貯えることができる嫌気槽であり、例えば取入口８から廃棄物Ｃを一定量（例えば１日１トン）ずつ原料槽１０へ投入する。例えば取入口８にスクリューを取り付けて廃棄物投入時のガスの出入を抑えることにより、原料槽１０内を嫌気状態に保持することができる。

好ましくは図示例のように、原料槽１０の取入口８に破砕装置２及び選別装置３を設け、破砕装置２において包装（ビニール袋等）を破砕して混入異物（金属、ビニール等）を分別すると共に廃棄物Ｃを適当な大きさに粗粉砕したのち、選別装置３において所定粒径以下の廃棄物Ｃのみをふるい分けして原料槽１０に投入する。本発明のシステム１では、原料槽１０に取り入れる廃棄物Ｃに異物が多少混入していても、そのような混入異物の発酵槽３０への進入は分離装置２０により阻止されて原料槽１０に戻され、残渣Ｍとして堆積するので、例えば分離装置２０に設けた開閉弁５６ａ（又は図２に示す原料槽１０に設けた開閉弁５６ｂ）を介してシステム内の残渣Ｍとして比較的容易に除去することができる。従って、原料槽１０へ投入する前の異物分別は簡略化できる。図示例のように、破砕装置２及び選別装置３と原料槽１０との間に、粉砕・破砕した廃棄物Ｃを一時的に貯留する原料ホッパを設けてもよい。

メタン発酵槽３０は、廃棄物Ｃを分解する嫌気性微生物の発酵液Ｓを気密に貯える嫌気性消化槽であり、その気相部をガス回収路４４により原料槽１０の気相部と連通させたものである。発酵液Ｓの一例は嫌気性微生物を含有させた汚泥であるが、必要に応じて中和剤や微量栄養剤等の分解処理添加剤を加えてもよい。例えば、システム稼動時に他のメタン発酵処理において馴養された嫌気性微生物の種汚泥を添加して発酵液Ｓとする。発酵槽３０には図５と同様の微生物固定床７１を設置してもよいが、図示例では発酵槽３０を固定床７１のない浮遊型としている。発酵槽３０及び原料槽１０を連通するガス回収路４４は、両槽３０、１０内で発生するバイオガスＧの同時回収を可能にすると共に、両槽１０、３０間でバイオガスＧを移動させることにより外部からのガス流入を抑えて両槽１０、３０の内部を嫌気状態に維持する機能を果たす。

好ましくは、メタン発酵槽３０に内部の発酵液Ｓを撹拌する撹拌装置３１を設ける。図示例では、発酵槽３０に循環ポンプ３３付き外付け循環路３２を設け、内部の発酵液Ｓを下部（又は上部）から抜出して上部（又は下部）へ戻し、発酵槽３０内に下降流（又は上昇流）を形成することにより発酵液Ｓを撹拌している。また、その循環路３２上に保温装置３４を設け、発酵槽３０内の発酵液Ｓを嫌気性微生物の活性温度（例えば２０〜６５℃、好ましくは３０〜６０℃）に維持している。例えば、ガス回収路４４にバイオガスＧを貯えるガスホルダ４５とバイオガスＧを燃料とする温水ボイラ４７とを設け、保温装置３４である熱交換器に温水ボイラ４７の温水を供給路４８経由で送り込むことにより発酵液Ｓを所要温度に加温する。発酵槽３０内で発生するバイオガスＧを用いて発酵液Ｓを保温することにより、システム外部から供給するエネルギーを最小限に抑えることができる。図示例のような保温装置３４に代えて、発酵槽３０の周壁にジャケット型の熱交換器又はヒータ等を取り付けて保温装置３４としてもよい。

供給装置４０は、発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給するものであり、例えば図示例のようにポンプ４２付き供給路４１とすることができる。また図示例の固液分離装置２０は、原料槽１０の廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を継続的に抜出して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離するものであり、原料槽１０の混合液（Ｃ＋Ｓ）を抜出す導入装置１４（図示例ではポンプ１６付き導入路１５）と、固液分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送る輸送路２８と、固液分離した固形分Ｅを原料槽１０へ戻す返戻路２７とを有している。固液分離の方式はとくに限定されず、例えば混合液（Ｃ＋Ｓ）中の所定粒径（例えば１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ）以上の固形物Ｅを濾液Ｄと分離する沈降分離方式、フィルタ（スクリーン）方式、振動振るい方式、膜分離方式、又は後述する図３に示すような分離装置２０とすることができる。ただし、固液分離後の固形分Ｅは返戻路２７を流れる程度の流動性を有する必要があり、例えば含水率８０％以上の固形分Ｅを分離する固液分離装置２０を用いるが、含水率９０％以上の固形分Ｅを分離する固液分離装置２０とすることが望ましい。

原料槽１０に貯えた廃棄物Ｃの流動性が低い場合は、導入装置１４により原料槽１０から固液分離装置２０へ廃棄物Ｃを抜出すことが困難となりうるが、供給装置４０によって供給される発酵液Ｓに原料槽１０内の廃棄物Ｃを浸漬させながら分離装置２０へ抜出し、分離装置２０によって分離された固形分Ｅを原料槽１０へ戻すことにより、原料槽１０と分離装置２０との間で固形廃棄物Ｃを比較的容易に循環させることができる。好ましくは原料槽１０に撹拌装置１１を設け、撹拌装置１１によって原料槽１０の内部の廃棄物Ｃと発酵液Ｓとを撹拌しながら混合する。撹拌装置１１は、例えば図示例のように原料槽１０の下部（又は上部）から廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓを抜出して上部（又は下部）へ戻すポンプ１３付き外付け循環路１２とすることができるが、図５のように撹拌羽根を有するものとしてもよい。廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させながら撹拌することにより、廃棄物Ｃの流動性を高めて撹拌の容易化も図ることができる。

また、供給装置４０によって原料槽１０内の廃棄物Ｃが常に浸漬する量の発酵液Ｓを継続的に供給し、その混合液（Ｃ＋Ｓ）から固液分離装置２０によって分離された濾液Ｄを発酵槽３０へ戻すことにより、廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させながら発酵槽３０と原料槽１０と固液分離装置２０との間で発酵液Ｓを循環させる。好ましくは、図示例のように供給装置４０の発酵液Ｓの供給量又は分離装置２０の混合液（Ｃ＋Ｓ）の抜出量を調整する制御装置５０を設け、分離装置２０とメタン発酵槽３０との間の輸送路２８に濾液流量を計測する流量計２９を設け、その流量計２９の濾液流量応じて供給装置４０の供給量又は導入装置１４の抜出量を調整する。

例えば供給装置４０をポンプ４２付き供給路４１とし、制御装置５０によってポンプ４２の供給流量を流量計２９の濾液流量と一致するよう調整する。或いは、導入装置１４をポンプ１６付き導入路１５とし、供給装置４０の供給流量が流量計２９の濾液流量と一致するように制御装置５０によってポンプ１６の抜出流量を調整してもよい。供給装置４０の供給流量及び導入装置１４の抜出流量は、原料槽１０に投入される廃棄物（Ａ＋Ｂ）の量及び種類に応じて適宜調整可能であるが、例えば廃棄物Ｃを浸漬させる原料槽１０内の発酵液Ｓの全量が１日〜１／６日程度、好ましくは１／２日〜１／５日程度で発酵槽３０に循環するように設定することにより、原料槽１０及び発酵槽３０の両槽においてバイオガスＧの発生量が安定するメタン発酵処理の定常状態を作り出すことができる。

図示例のシステム１により固形廃棄物Ｃをメタン発酵処理する場合は、先ず供給装置４０により発酵槽３０の発酵液Ｓを抜出して原料槽１０へ供給し、原料槽１０内の廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ、好ましくは原料槽１０に設けた撹拌装置１１により撹拌して混合する。発酵液Ｓと混合することにより、原料槽１０に貯えた廃棄物Ｃは発酵液Ｓの内部の嫌気性微生物により徐々に分解される。望ましくは供給路４１の原料槽側端にスプレー等の分散吐出器等を取り付け、発酵液Ｓを分散させて原料槽１０の全体に均等に供給する。次いで、導入装置１４により原料槽１０の撹拌された廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を抜出し、分離装置２０へ送って固形分Ｅと濾液Ｄとに分離する。

原料槽１０において十分に分解されて小粒径となった廃棄物Ｃは、発酵液Ｓと共に濾液Ｄとして分離装置２０から輸送路２８を介して発酵槽３０に送られ、発酵槽３０と原料槽１０との間で循環しながら嫌気性微生物により更にバイオガスＧにまで分解される。発酵槽３０で生成されたバイオガスＧは回収路４４を介してガスホルダ４５に回収する。他方、原料槽１０において未だ十分に分解されておらず大粒径の廃棄物Ｃは、固形分Ｅとして分離装置２０から返戻路２７を介して原料槽１０に戻す。原料槽１０に戻された廃棄物Ｃは、原料槽１０を再度循環する間に更に分解されて小粒径となったのち固液分離装置２０へ再導入され、この段階で十分に小粒径となっている場合は輸送路２８を介して発酵槽３０に送られ、未だ十分に小粒径となっていない場合は再び原料槽１０に戻して循環させる。こうして原料槽１０に留まる残留時間を難分解性有機物と易分解有機物とで切り分け、難分解性有機物と易分解有機物とを含む廃棄物Ｃの全体を効率的にメタン発酵処理することができる。

原料槽１０に貯えた廃棄物Ｃに発酵液Ｓを循環させない場合には、分解反応（酸発酵）の進行により徐々に原料槽１０内のｐＨが低下（いわゆる酸敗）して分解反応が不均一になりうるが、本発明では原料槽１０で生じた有機酸が固液分離装置２０により濾液Ｄとして分離されて発酵槽３０へ移送されるので、原料槽１０内の有機酸の蓄積によるｐＨの低下（酸敗）を防ぎ、原料槽１０における固形廃棄物Ｃの効率的な分解を促進できる。また、原料槽１０に残った有機酸も、継続的に供給される発酵液Ｓ中のメタン生成菌等の嫌気性微生物により分解されるので、原料槽１０内の有機酸濃度を低く抑え、更なる酸発酵反応の促進が期待できる。更に、原料槽１０では酸生成に伴いＨ_２やＣＯ_２が生成されるが、継続的に供給される発酵液Ｓ中のメタン生成菌等がそれらを取り込んでバイオガスを生成するので、原料槽１０においてもバイオガスＧが生成され、生成されたバイオガスＧを回収路４４によりガスホルダ４５へ回収することができる。従って本発明では、原料槽１０及び発酵槽３０の両槽から分解生成ガスＧを回収することでバイオガスの回収率を高めることができる。

本発明のメタン発酵システム１は、固液分離装置２０を原料槽１０及び発酵槽３０から独立させているので、図５のように発酵槽の内部で固液分離する従来方法に比して原料槽１０に堆積した残渣Ｍの除去・回収作業が容易であり、メンテナンスに伴う停止・中断時間も最小限に抑えつつスケールアップすることができる。また、固液分離装置２０のメンテナンス時に原料槽１０と発酵槽３０との間の循環が一時的に中断した場合でも、原料槽１０及び発酵槽３０にそれぞれ設けた撹拌装置１１、３１によってそれぞれ内部を単独で撹拌することにより、原料槽１０及び発酵槽３０における定常的なメタン発酵状態を維持することができる。

こうして本発明の目的である「スケールアップしても効率的なメタン発酵処理を安定的に維持できる有機性固形廃棄物のメタン発酵処理方法及びシステム」の提供を達成することができる。

なお、メタン発酵槽３０の発酵液Ｓは、原料槽１０へ循環する間に廃棄物Ｃ中の水分により補われて徐々に増加するので、その増加量に応じて廃液Ｎ（発酵残渣）として外部に排出する。例えば、発酵槽３０に図５と同様な溢流路７３を設け、発酵槽３０の底部から廃液Ｎを溢流路７３に進入させて外部に溢流させることができる。また、図１に示すように発酵槽３０の循環ポンプ３３の底部に弁３５ａ付き廃液路３５を設け、発酵槽３０内の廃液Ｎを適宜抜出して排出してもよい。

図１の実施例は、廃棄物Ｃ中に混入した残渣Ｍ（例えば非分解性の金属、ビニール、難分解性の木質系廃棄物等）をシステム外に排出するため、固液分離装置２０に開閉弁５６ａ付き抜出路５６を介して残渣除去装置５２を接続している。本発明において残渣Ｍは、分離装置２０により発酵槽３０への進入が阻止され、固形物Ｅと共に原料槽１０に戻されて堆積するが、システム全体のメタン発酵効率を維持するために、原料槽１０又は分離装置２０に滞留する残渣Ｍを定期的に除去する必要がある。上述したように、固液分離装置２０を原料槽１０及び発酵槽３０から独立させた本発明では、図示例のように分離装置２０に残渣除去装置５２を接続することで、原料槽１０及び分離装置２０を循環する混合液（Ｃ＋Ｓ）中の残渣Ｍをまとめて除去することができ、更に除去作業の容易化・自動化を図ることができる。

図示例の残渣除去装置５２は、分離装置２０の混合液（Ｃ＋Ｓ）を抜出して残渣Ｍを脱水分離する脱水装置５３と、脱水装置５３で分離した残渣分離液Ｆを発酵槽３０又は原料槽１０へ戻す返送装置５５とを有する。開閉弁５６ａの開放時に、抜出路５６を介して分離装置２０から混合液（Ｃ＋Ｓ）を脱水装置５３へ抜出し、脱水装置５３において混合液（Ｃ＋Ｓ）を脱水処理して混合液（Ｃ＋Ｓ）中の残渣Ｍを分離する。残渣分離液Ｆは、例えば濾液受け槽５４に一旦貯留したのち、ポンプ等の返送装置５５により返送路５７を介して発酵槽３０又は原料槽１０へ戻してシステムに返送させる。このような残渣Ｍの除去作業を適当な時間継続することにより、原料槽１０及び分離装置２０を循環する混合液（Ｃ＋Ｓ）中の残渣Ｍを纏めて自動的に除去することができる。残渣Ｍの除去作業は、返戻路２７の開閉弁２７ａを閉鎖して原料槽１０と分離装置２０との間の循環を停止したうえで行うこともできるが、開閉弁２７ａを開放して上述した原料槽１０と分離装置２０との間の循環と並行して行うことも可能である。また、システムに返送させる残渣分離液Ｆは、返送路５７の開閉弁５７ａを開放して発酵槽３０に戻すことができるが、開閉弁５７ｂを開放して原料槽１０に戻してもよい。

図２は、本発明に適用可能な残渣除去装置５２の他の実施例を示す。この実施例では、分離装置２０に代えて原料槽１０の導入装置１４に開閉弁５６ｂを介して脱水装置５３を接続し、開閉弁５６ｂの開放時に原料槽１０から導入装置１４を介して混合液（Ｃ＋Ｓ）を脱水装置５３に抜出して残渣Ｍを分離している。或いはそれに代えて又は加えて、原料槽１０に脱水装置５３と接続された開閉弁１７ａ（又は開閉弁１７ｂ）付き抜出路１７を設け、原料槽１０から直接的に混合液（Ｃ＋Ｓ）を抜出して脱水装置５３により残渣Ｍを分離することも可能である。抜出路１７を用いる方法は、とくに（開閉弁１７ａを介して）原料槽１０の上部液面に浮遊する軽量の残渣Ｍを除去する場合、又は（開閉弁１７ｂを介して）原料槽１０の底に沈殿した比重の大きい残渣Ｍを除去する場合に有効である。軽量の残渣Ｍと比重の大きい残渣Ｍとは異なる脱水装置を用いて分離することができ、比重の大きい残渣Ｍについてはメッシュ又はフィルター等の脱水装置５３を用いて固液分離してもよい。また、図２の実施例では、脱水装置５３の残渣分離液Ｆの返送路５７を原料槽１０の取入装置８に接続し、開閉弁５７ｃを開放して残渣分離液Ｆを原料槽１０の取入口に戻すことを可能としている。このように脱水装置５３の残渣分離液Ｆを原料槽１０の取入装置８へ戻すことは、例えば原料槽１０の取入装置８の目詰まり等を防止するために有効である。

図３は、紙料精選方式の固液分離装置２０を用いて生ごみＡと紙ごみＢとを含む混合有機性固形廃棄物（可燃ごみ）Ｃをメタン発酵処理する本発明の実施例を示す。図示例の分離装置２０は、細孔又はスリット付き隔壁２１により仕切られた導入室２２及び分離室２３と、その隔壁２１の導入室２２側表面に対向して旋回する回転翼２４と、原料槽１０の混合液（Ｃ＋Ｓ）を導入室２２へ送る導入路１５とを有する。密閉された導入室２２と分離室２３との間に平板状の細孔又はスリット付き隔壁２１を設けると共に、その隔壁２１と垂直な回転軸２６を有する回転翼２４を隔壁２１の導入室側表面に対向させて配置し、駆動装置２５で回転軸２６を回転させることにより回転翼２４を隔壁２１の導入室側表面と対向する平面上で旋回させる。原料槽１０から導入路１５を介して混合液（Ｃ＋Ｓ）が導入室２２に導入され、隔壁２１の細孔又はスリットによって混合液（Ｃ＋Ｓ）中の小粒径廃棄物と大粒径廃棄物とが分離されるが、隔壁２１の導入室側表面に微小間隙を介して回転翼２４を旋回させることにより、その旋回により導入した混合液（Ｃ＋Ｓ）をほぐすと共に隔壁２１の細孔又はスリットの目詰まり（閉塞）を防止する。回転翼２４は、隔壁２１の全表面にわたる目詰まりを確実に防止できる大きさとすることが望ましい。

また、固液分離装置２０の導入室２２には導入室２２に残った固形分Ｅを原料槽１０へ戻す返戻路２７を接続し、分離室２３には隔壁２１を介して排出された濾液Ｄを発酵槽３０へ送る輸送路２８を接続する。このように返戻路２７及び輸送路２８を接続することにより、混合液（Ｃ＋Ｓ）のうち比較的分解しにくい大粒径の紙ごみＢを原料槽１０へ戻し、比較的分解しやすく小粒径となった生ごみＡのみをメタン発酵槽３０へ送ることができ、分解速度の異なる紙ごみＢ及び生ごみＡに応じて原料槽１０に留まる残留時間を分離装置２０によって切り分けることができる。

図示例のような回転翼２４を有する固定分離装置２０として、例えば従来から紙料原料中の良質繊維の分離のために使用される紙料精選装置（特許文献６及び７参照）を用いることができる。図示例のような平板状の隔壁２１に代えて、例えば特許文献６が開示するような円筒状（ドラム型）の隔壁２１を有する分離装置２０を用いることもできる。ただし隔壁２１の口径や開口率は、メタン発酵槽３０へ送られる生ごみＡ及び紙ごみＢが効率的に発酵処理される大きさ（例えば１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下）となるように選定する必要がある。隔壁２１の口径や開口率は生ごみＡ及び紙ごみＢの種類・粒径等の条件に応じて選択可能であるが、口径３ｍｍ程度の細孔付き隔壁２１を用いることでメタン発酵槽３０へ送られる有機物の細粒化が図れることを実験的に見出した。

［実験例１］
生ごみＡ・紙ごみＢの混合有機性固形廃棄物Ｃを適切に処理できることを確認するため、図３に示すように原料槽１０と固液分離装置２０とを接続した実験装置を用いて実験を行った。本実験では、固形廃棄物Ｃ１５０ｋｇと水１．２ｍ^３とを増粘剤１５ｋｇと共に混合した試料を原料槽１０に投入し、原料槽１０から分離装置２０への試料導入量を流量計１９で計測し、分離装置２０からの濾液分離量を流量計２９で計測しながら、分離装置２０の濾液中に含まれる有機物の粒度分布を計測して粒径加積曲線を作成した。先ず幅０．４５ｍｍのスリット付き隔壁２１を設けた分離装置２０を用いて粒径加積曲線を作成し、次いで口径３ｍｍの丸型パンチング細孔付き隔壁２１を設けた分離装置２０を用いて粒径加積曲線を作成した。これらの実験結果を図４のグラフに示す。

図４のグラフから分かるように、幅０．４５ｍｍのスリット付き隔壁２１及び口径３ｍｍの細孔付き隔壁２１の何れを用いた場合も、濾液中の有機物に４．７５ｍｍ以上のものはなく、メタン発酵槽３０で効率的に発酵処理できる程度の粒径（５ｍｍ以下）の有機物のみが固液分離されることを確認することができた。濾液中の有機物の最大粒径がスリットの幅及び細孔の口径より大きい理由は、有機物が変形しながら隔壁２１を透過するためと考えられる。また、何れの隔壁２１を用いた場合も、実験中における細孔又はスリットの目詰まりは回転翼２４の旋回によって防止されており、図示例のような回転翼２４付き固液分離装置２０を用いることで、隔壁２１の閉塞を避けながら粘度の高い固形廃棄物Ｃを安定的に固液分離できることが確認できた。

更に本発明者は、図４の実験結果から、スリット付き隔壁２１を用いた場合に比して細孔付き隔壁２１を用いることにより、濾液中の有機物の粘土分（０．００５ｍｍ以下）、シルト分（０．００５〜０．０７５ｍｍ）、及び細粒分（０．０７５〜０．２５０ｍｍ）の割合が高くなり、隔壁２１を透過する有機物の細粒化が図れることを見出した。スリット付き隔壁４１ではなく細孔付き隔壁４１を用いることで有機物の細粒化が促進される機構の詳細は不明であるが、濾液中の有機物の粒径は細かいほどメタン発酵槽３０における発酵効率（バイオガスの回収率）を高めることができる。従って、本発明で用いる固液分離装置２０としては、スリット付き隔壁２１よりも適当な口径の細孔付き隔壁２１を用いることがメタン発酵処理に適している。

本発明のメタン発酵システムの一実施例の説明図である。 本発明のメタン発酵システムの他の実施例の説明図である。 本発明で用いる固液分離装置の一例の説明図である。 図３の固液分離装置を用いた実験結果を示すグラフである。 従来の固形廃棄物のメタン発酵システムの一例の説明図である。

符号の説明

１…メタン発酵システム ２…粉砕装置
３…選別装置 ７…原料ホッパ
８…（スクリュー付き）取入口
１０…原料槽 １１…撹拌装置
１２…外付け循環路 １３…循環ポンプ
１４…導入装置 １５…導入路
１６…導入ポンプ １７…抜出路
１９…流量計
２０…固液分離装置 ２１…細孔又はスリット付き隔壁
２２…導入室 ２３…分離室
２４…回転翼 ２５…駆動装置
２６…回転軸 ２７…返戻路
２８…輸送路 ２９…流量計
３０…メタン発酵槽 ３１…撹拌装置
３２…外付け循環路 ３３…循環ポンプ
３４…保温装置（熱交換器） ３５…廃液路
４０…供給装置 ４１…供給路
４２…供給ポンプ
４４…ガス回収路 ４５…ガスホルダ
４６…脱硫装置 ４７…温水ボイラ
４８…温水供給路
５０…制御装置
５２…残渣除去装置 ５３…脱水装置
５４…濾液受け槽 ５５…返送装置（返送ポンプ）
５６…抜出路 ５７…返送路
６０…メタン発酵装置 ６１…嫌気発酵槽
６２…有孔隔壁 ６３…有孔隔壁
６４…取入口 ６５…撹拌装置
６６…排出口 ６７…還流路
６８…還流ポンプ
７０…一時滞留槽 ７１…微生物固定床
７２…有孔板 ７３…溢流路
７４…気相部連通路
Ａ…易分解有機物 Ｂ…難分解性有機物
Ｃ…有機性固形廃棄物 Ｄ…濾液
Ｅ…固形分 Ｆ…残渣分離液
Ｍ…残渣 Ｎ…廃液
Ｓ…発酵液 Ｇ…分解生成ガス（バイオガス）

Claims (14)

1. 有機性固形廃棄物を原料槽に嫌気的に貯え、前記原料槽と気相部が連通する嫌気性発酵槽に前記廃棄物の分解微生物含有発酵液を貯え、前記発酵槽内部の発酵液を原料槽へ継続的に供給して廃棄物を浸漬させ、前記原料槽内部の廃棄物及び発酵液の混合液を固液分離装置へ継続的に抜出して固形分と濾液とに分離し且つ分離した濾液を発酵槽へ送ると同時に固形分を原料槽へ戻し、前記発酵槽において増加する発酵液を発酵残渣として外部へ排出し、前記発酵槽内部の発酵液を原料槽へ供給しながら前記原料槽内部の混合液を固液分離装置へ抜出すことにより前記原料槽の廃棄物を当該原料槽と固液分離装置と発酵槽との間で循環する発酵液に浸漬させつつ分解し且つ分解生成ガスを両槽の気相部から回収してなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
2. 請求項１のメタン発酵方法において、前記固液分離装置の濾液分離量に応じて前記原料槽への発酵液供給量又は前記原料槽からの混合液抜出量を調整してなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
3. 請求項１又は２のメタン発酵方法において、前記原料槽に、当該原料槽内の廃棄物及び発酵液を混合撹拌する撹拌装置を設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
4. 請求項１から３の何れかのメタン発酵方法において、前記発酵槽に、当該発酵槽内の発酵液を撹拌する撹拌装置を設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
5. 請求項１から４の何れかのメタン発酵方法において、前記分離装置又は原料槽に開閉弁を介して脱水装置を接続し、前記開閉弁の開放時に前記廃棄物中に混入した金属、ビニールその他の残渣を堆積しつつ原料槽及び固液分離装置を循環する混合液を抜出して残渣を脱水分離すると共に残渣分離液を発酵槽又は原料槽へ戻してなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
6. 請求項１から５の何れかのメタン発酵方法において、前記有機性固形廃棄物を、微生物分解速度の異なる廃棄物の混合した混合有機性固形廃棄物としてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵方法。
7. 有機性固形廃棄物を嫌気的に貯える原料槽、前記廃棄物の分解微生物含有発酵液を貯える嫌気性発酵槽、前記発酵槽内部の発酵液を原料槽へ継続的に供給して廃棄物を浸漬させる供給装置、前記原料槽内部の廃棄物及び発酵液の混合液を継続的に抜出して固形分と濾液とに分離し且つ分離した濾液を発酵槽へ送ると同時に固形分を原料槽へ戻す固液分離装置、前記発酵槽において増加する発酵液を発酵残渣として外部へ排出する排出路、並びに前記原料槽及び発酵槽の気相部に連通するガス回収路を備え、前記発酵槽内部の発酵液を原料槽へ供給しながら前記原料槽内部の混合液を固液分離装置へ抜出すことにより前記原料槽の廃棄物を当該原料槽と固液分離装置と発酵槽との間で循環する発酵液に浸漬させつつ分解し且つ分解生成ガスを両槽の気相部から回収してなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
8. 請求項７のメタン発酵システムにおいて、前記分離装置の濾液分離量に応じて前記供給装置の発酵液供給量又は前記分離装置による原料槽からの混合液抜出量を調整する制御装置を設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
9. 請求項７又は８のメタン発酵システムにおいて、前記原料槽に、当該原料槽内の廃棄物及び発酵液を混合撹拌する撹拌装置を設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
10. 請求項７から９の何れかのメタン発酵システムにおいて、前記発酵槽に、当該発酵槽内の発酵液を撹拌する撹拌装置を設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
11. 請求項７から１０の何れかのメタン発酵システムにおいて、前記分離装置又は原料槽に開閉弁を介して接続され且つ開閉弁の開放時に前記廃棄物中に混入した金属、ビニールその他の残渣を堆積しつつ原料槽及び固液分離装置を循環する混合液を抜出して残渣を脱水分離する脱水装置と、前記脱水装置の残渣分離液を発酵槽又は原料槽へ戻す返送装置とを設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
12. 請求項７から１１の何れかのメタン発酵システムにおいて、前記有機性固形廃棄物を、微生物分解速度の異なる廃棄物の混合した混合有機性固形廃棄物としてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
13. 請求項７から１２の何れかのメタン発酵システムにおいて、前記固液分離装置に、細孔又はスリット付き隔壁により仕切られた導入室及び分離室と、当該隔壁の導入室側表面に対向して旋回する回転翼と、前記原料槽の混合液を導入室へ送る導入路と、前記導入室に残った固形分を原料槽へ戻す返戻路と、前記分離室に排出された濾液を発酵槽へ送る輸送路とを含めてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。
14. 請求項７から１３の何れかのメタン発酵システムにおいて、前記原料槽の廃棄物取入口に、前記固形廃棄物を粉砕・破砕する破砕装置と、前記粉砕・破砕後の廃棄物から所定粒径以下の廃棄物をふるい分けする選別装置とを設けてなる有機性固形廃棄物のメタン発酵システム。

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