JP5715350B2 - メタン発酵残渣脱水システム - Google Patents

Description

本発明は、メタン発酵残渣の脱水システムおよび脱水方法に関する。

家庭、事業所などからの廃棄物をメタン発酵に供する場合、処理前に選別され、有機性廃棄物（生ごみなど）と生分解性を有さない物質（プラスチック、布類、金属などの夾雑物）とに選別される。選別された有機性廃棄物はメタン発酵の原料として使用され、一方、夾雑物は焼却などにより処理されることが多い。また、メタン発酵原料となる有機性廃棄物（生ごみなど）が、排出元で分別収集され、使用される場合もある。

有機性廃棄物のメタン発酵により得られるメタンは、バイオガスとして燃料などに使用されている。一方、メタン発酵後に生じるメタン発酵残渣は脱水され、汚泥と排水とに分離される。

一般的に、メタン発酵としては、乾式メタン発酵および湿式メタン発酵が挙げられる。簡易な選別で処理できる、対象物が幅広い、高濃度の原料を低動力で処理できるなどの利点から、家庭などから排出される廃棄物を対象とする場合は、乾式メタン発酵が好ましく行われている（特許文献１および２）。有機性廃棄物と夾雑物との選別は、機械選別による場合、あるいは排出元で分別する場合のいずれにおいても、全ての夾雑物を除去するには煩雑な作業が必要である。したがって、乾式メタン発酵では、夾雑物を含む状態で処理が行われ、その結果、乾式メタン発酵残渣には、有機物主体の汚泥とプラスチックなどの夾雑物とが含まれる。

従来、図１に示すような乾式メタン発酵残渣脱水システム１０により、発酵残渣の脱水が行われている。すなわち、メタン発酵槽１１で生じる乾式メタン発酵残渣は、スクリュープレス１２で夾雑物と一部の汚泥とが回収され、汚泥含有液が遠心脱水機１３に供され、脱水汚泥と排水とに分離される。

乾式メタン発酵では、発酵前に原料となる廃棄物を微粉砕しないため、スクリュープレス１２を用いて、比較的容易に発酵残渣から夾雑物や粒度の大きい固形物が分離される。

しかし、乾式メタン発酵に用いるメタン発酵槽１１は、完全混合式ではなく、プラグフロー（押出し流れ）方式であるため、発酵槽内の夾雑物と汚泥との割合が必ずしも均一ではなく、排出される発酵残渣の状態は安定しない。そのため、排出される発酵残渣の状態に応じてスクリュープレス１２の運転条件を変更しなければならない。また、分離された汚泥含有液の汚泥濃度が変動し、汚泥含有液の状態も不安定になる。

さらに、遠心脱水機１３は、砂分などによる摩耗が激しいこと、比重の小さい繊維分などを除去できないことなどの問題を有する。

特開平４−２３１３９５号公報 特開平６−３１９５２６号公報

本発明は、有機性廃棄物に含まれる夾雑物の濃度および汚泥濃度の変動に関係なく、メタン発酵残渣の脱水を安定して行い得るメタン発酵残渣脱水システムを提供することを目的とする。

本発明は、メタン発酵残渣脱水システムを提供し、該システムは、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽；該有機性廃棄物の発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する夾雑物分離手段；該夾雑物分離手段によって分離された該汚泥含有液に含まれる汚泥を濃縮する濃縮手段；および該濃縮手段で濃縮された濃縮汚泥を、該夾雑物分離手段に返送する濃縮汚泥返送手段を備え、該メタン発酵槽で生じる該発酵残渣が該夾雑物分離手段に供給され、該夾雑物分離手段によって分離された該汚泥含有液が該濃縮手段に供給され、そして該濃縮手段で濃縮された該濃縮汚泥が、該濃縮汚泥返送手段によって該夾雑物分離手段に返送されるように構成されている。

１つの実施態様では、さらに、上記汚泥含有液に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段を備える。

ある実施態様では、上記濃縮手段は、ドラムスクリーンまたは裏掻バースクリーンである。

他の実施態様では、上記夾雑物分離手段は、スクリュープレスである。

さらに、本発明は、メタン発酵残渣を脱水する方法を提供し、該方法は、有機性廃棄物をメタン発酵させて発酵残渣を得る工程；該発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する工程；該汚泥含有液を濃縮して、濃縮汚泥を回収する工程；および回収された該濃縮汚泥を、該夾雑物と該汚泥含有液とを分離する工程に返送する工程を包含する。

１つの実施態様では、上記夾雑物と上記汚泥含有液とを分離する工程の後、さらに該汚泥含有液に凝集剤を添加する工程を包含する。

ある実施態様では、上記汚泥含有液の濃縮は、ドラムスクリーンまたは裏掻バースクリーンを用いて行われる。

他の実施態様では、上記夾雑物と上記汚泥含有液との分離は、スクリュープレスを用いて行われる。

本発明によれば、有機性廃棄物に含まれる夾雑物の濃度および汚泥濃度の変動に関係なく、メタン発酵残渣の脱水を安定して行い得る。さらに、本発明のシステムによって生じる排水をさらに処理する場合、排水処理設備の脱水機への負荷を低減し得る。

従来のメタン発酵残渣脱水システムの実施態様を示す系統図である。 本発明のメタン発酵残渣脱水システムの一実施態様を示す系統図である。 本発明のメタン発酵残渣脱水システムの他の実施態様を示す系統図である。

本発明のメタン発酵残渣脱水システムおよびメタン発酵残渣の脱水方法を、添付の図面を参照して説明する。

Ａ．メタン発酵残渣脱水システム
図２に、本発明のメタン発酵残渣脱水システムの一実施態様を示す。このメタン発酵残渣脱水システム２０は、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽２１；有機性廃棄物の発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する夾雑物分離手段２２；夾雑物分離手段によって分離された汚泥含有液に含まれる汚泥を濃縮する濃縮手段２３；および濃縮手段で濃縮された濃縮汚泥を、夾雑物分離手段に返送する濃縮汚泥返送手段２４を備え、メタン発酵槽２１で生じる発酵残渣が夾雑物分離手段２２に供給され、夾雑物分離手段２２によって分離された汚泥含有液が濃縮手段２３に供給され、そして濃縮手段２３で濃縮された濃縮汚泥が、濃縮汚泥返送手段２４によって夾雑物分離手段２２に返送されるように構成されている。

（メタン発酵槽）
メタン発酵槽２１は、家庭、事業所などからの廃棄物を簡易選別して得られる有機性廃棄物を、メタン発酵させる。メタン発酵槽２１は、特に限定されず、当該技術分野で一般的に用いられる発酵槽が用いられる。

上記のように、メタン発酵としては、乾式メタン発酵および湿式メタン発酵が挙げられる。本発明において、メタン発酵槽２１では、乾式メタン発酵および湿式メタン発酵のいずれの発酵を行ってもよいが、上記のように、簡易な選別で処理できる、対象物が幅広い、高濃度の原料を低動力で処理できるなどの利点から、乾式メタン発酵が好ましい。

（夾雑物分離手段）
有機性廃棄物と夾雑物とを完全に分離することは難しい。したがって、夾雑物を含む状態で発酵を行うため、乾式メタン発酵残渣には夾雑物が含まれる。夾雑物分離手段２２は、乾式メタン発酵残渣に含まれる夾雑物を分離する目的で備えられている。

夾雑物分離手段２２としては、例えば、スクリュープレス、粗目スクリーンなどが挙げられる。これらの中でも、通常使用される穴径より少し大きな穴径（約２ｍｍ〜５ｍｍ）を有するスクリュープレスが好ましい。このように少し大きな穴径を有するスクリュープレスを用いることによって、粒径の小さい汚泥は、目詰まりすることなく容易に通過し、粒径の大きなプラスチックなどの夾雑物は、通過することができず回収され得る。穴径が小さすぎると、汚泥が通過せずに目詰まりし、安定して夾雑物を分離することができない場合がある。一方、穴径が大きすぎると、夾雑物が目詰まりする場合がある。

夾雑物分離手段２２により分離された夾雑物は、ごみピットなどに回収され、焼却などによって処理される。一方、夾雑物が分離された汚泥含有液は、濃縮手段２３に供給される。

（濃縮手段）
濃縮手段２３は、夾雑物が分離された汚泥含有液中の水分量を減らし、汚泥含有濃度を高める（濃縮する）。通常、夾雑物が分離された汚泥含有液中には、９５質量％程度の水分が含まれている。濃縮手段２３は、この水分量を９２質量％程度にまで低下させて汚泥濃度を高める。

濃縮手段２３としては、例えば、ドラムスクリーン、裏掻バースクリーン、微細目スクリーンなどが挙げられる。濃縮手段２３は、汚泥を通過させないようにするため、夾雑物分離手段２２の穴径よりも小さい穴径を有するものが用いられ得る。これらの中でも、ドラムスクリーンおよび裏掻バースクリーンが好ましい。

濃縮手段２３を用いることによって、遠心脱水機では除去しきれず、汚泥含有液中に残存していた繊維などの比重の小さい固形物を、汚泥と共に濃縮することができる。したがって、繊維などの比重の小さい固形物は、排水中に残存することがなく、排水を処理する際の脱水機への負荷を低減し得る。

（濃縮汚泥返送手段）
濃縮汚泥返送手段２４は、濃縮手段２３で濃縮された濃縮汚泥を、夾雑物分離手段２２に返送する。

濃縮手段２３で濃縮された濃縮汚泥は、濃縮汚泥中に含まれる繊維などの固形物に付着することによって、水分量が多い濃縮前の汚泥と比べて粒径の大きなフロックを形成している。したがって、濃縮汚泥を夾雑物分離手段２２に返送することによって、粒径の大きなフロックは、夾雑物分離手段２２で分離され回収される。

さらに、汚泥のフロックを安定して形成させるために、後述する凝集剤添加手段を設けてもよい。

濃縮汚泥返送手段２４としては、例えば、ポンプ、濃縮手段２３から夾雑物分離手段２２へ濃縮汚泥を自然流下させる方法などが挙げられる。

次に、本発明のメタン発酵残渣脱水システムの他の実施態様を図３に示す。このメタン発酵残渣脱水システム３０は、有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽３１；有機性廃棄物の発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する夾雑物分離手段３２；夾雑物分離手段によって分離された汚泥含有液に含まれる汚泥を濃縮する濃縮手段３３；汚泥含有液に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段３５；および濃縮手段で濃縮された濃縮汚泥を、夾雑物分離手段に返送する濃縮汚泥返送手段３４を備え、メタン発酵槽３１で生じる発酵残渣が夾雑物分離手段３２に供給され、夾雑物分離手段３２によって分離された汚泥含有液が濃縮手段３３に供給され、そして濃縮手段３３で濃縮された濃縮汚泥が、濃縮汚泥返送手段３４によって夾雑物分離手段３２に返送されるように構成されている。すなわち、図３に示すメタン発酵残渣脱水システムは、図２に示すメタン発酵残渣脱水システムに、さらに凝集剤を添加するための凝集剤添加手段を設けたものである。

メタン発酵槽３１、夾雑物分離手段３２、濃縮手段３３、および濃縮汚泥返送手段３４は、上記の図２に示すメタン発酵残渣脱水システム２０におけるメタン発酵槽２１、夾雑物分離手段２２、濃縮手段２３、および濃縮汚泥返送手段２４と同様であり得る。

（凝集剤添加手段）
凝集剤添加手段３５は、夾雑物分離手段３２によって分離された汚泥含有液に、必要に応じて、凝集剤を添加する。

凝集剤添加手段３５は、例えば、機械制御により凝集剤を添加する手段、手動で添加する手段などであり得る。なお、凝集剤については後述する。

Ｂ．メタン発酵残渣の脱水方法
本発明のメタン発酵残渣の脱水方法（以下、単に「脱水方法」と記載する場合がある）は、有機性廃棄物をメタン発酵させて発酵残渣を得る工程（メタン発酵工程）；発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する工程（夾雑物分離工程）；汚泥含有液を濃縮して、濃縮汚泥を回収する工程（濃縮工程）；および回収された該濃縮汚泥を、該夾雑物と該汚泥含有液とを分離する工程に返送する工程（返送工程）を包含する。本発明の脱水方法は、例えば、図２に示すようなメタン発酵残渣脱水システムにおいて行われ得る。以下、各工程を、図２を参照して説明する。

（メタン発酵工程）
メタン発酵槽２１に供給された有機性廃棄物は嫌気的にメタン発酵され、メタン発酵残渣およびメタンガスを生じる。メタン発酵槽２１では、メタン生産菌により、メタン発酵が行われる。本発明では、上記のように乾式メタン発酵および湿式メタン発酵のいずれでもよく、好ましくは乾式メタン発酵である。

メタン発酵により生成されたメタン発酵残渣は、夾雑物分離工程に供され、メタンガスはメタン発酵槽２１に設けられたメタンガス回収装置（図示せず）によって回収され、バイオガスとして使用される。

（夾雑物分離工程）
有機性廃棄物と夾雑物とを完全に分離することは難しいため、乾式メタン発酵残渣にはプラスチックなどの夾雑物が残存している。このような夾雑物は、夾雑物分離手段２２を用いて分離し得る。

夾雑物分離手段２２としては、上記のスクリュープレス、粗目スクリーンなどが用いられ、メタン発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液が分離される。夾雑物分離手段２２により分離された夾雑物は、ごみピットなどに回収され、焼却などによって処理される。一方、夾雑物が分離された汚泥含有液は、濃縮工程に供される。

（濃縮工程）
通常、夾雑物が分離された汚泥含有液中には、９５質量％程度の水分が含まれている。そこで、濃縮工程では、この水分量を９２質量％程度にまで低下させて汚泥濃度を高める。

濃縮工程では、夾雑物が分離された汚泥含有液を、濃縮手段２３を用いて濃縮する。濃縮手段２３としては、上記のドラムスクリーン、裏掻バースクリーン、微細目スクリーンなどが挙げられる。

本発明の脱水方法では、濃縮工程の前に凝集剤を添加する工程を包含することが好ましい。例えば、図３に示すように、凝集剤添加手段３５によって、夾雑物が分離された汚泥含有液に凝集剤が添加される。凝集剤を添加することにより、大きな汚泥フロックが形成されるため、後述の返送工程において濃縮汚泥を夾雑物分離工程に返送した場合に、効率よく汚泥フロックを除去し得る。

凝集剤としては、汚泥を良好なフロック状にするものであれば、特に限定されない。例えば、高分子凝集剤が単独で使用されるか、あるいは高分子凝集剤と鉄系などの無機系凝集剤とが併用される。凝集剤は、夾雑物が分離された汚泥含有液中の固形物１００質量部に対して、０．１質量部〜１．５質量部の割合で添加されることが好ましい。

濃縮工程において濃縮された濃縮汚泥は、返送工程に供される。一方、分離された排水は、処理されて、河川など自然界に排出され得る。または、メタン発酵設備で再利用される。

（返送工程）
濃縮工程において濃縮された濃縮汚泥は、夾雑物分離工程に返送され、夾雑物とともに分離される。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に制限されない。

（実施例１）
図３に示す本発明の乾式メタン発酵残渣脱水システムを用いて、乾式メタン発酵残渣の脱水を行った。

メタン発酵槽３１に有機性廃棄物を供給し、乾式メタン発酵を行った。次いで、メタン発酵槽３１から発酵残渣を抜き出し、夾雑物分離手段３２（スクリュープレス）に供して発酵残渣中のプラスチック、布類などの夾雑物を除去した。夾雑物を除去した汚泥含有液に、凝集剤添加手段３５によって高分子凝集剤を添加し（汚泥含有液中の固形物に対して、約１．０質量％の割合）、大きな汚泥フロックを形成させた。次いで、スクリュープレスよりも目が細かいドラムスクリーンを濃縮手段３３として用い、汚泥含有液中の水分量を減らし、汚泥含有濃度を高めた。汚泥含有濃度が高まった液（濃縮汚泥）を濃縮汚泥返送手段３４によって、夾雑物分離手段３２（スクリュープレス）に返送し、濃縮汚泥を発酵残渣とともに脱水した。

脱水後の残渣（脱水残渣）の水分含量を測定すると約６０質量％であり、汚泥の脱水に要した消費電力は約４．５ｋＷであった。

（比較例１）
図１に示す従来の乾式メタン発酵残渣脱水システムを用いて、乾式メタン発酵残渣の脱水を行った。

メタン発酵槽１１に有機性廃棄物を供給し、乾式メタン発酵を行った。次いで、メタン発酵槽１１から発酵残渣を抜き出し、１．５ｍｍφのスクリュープレスで脱水後、汚泥含有液に高分子凝集剤を添加し（汚泥含有液中の固形物に対して、約１．０質量％の割合）、大きな汚泥フロックを形成させた。次いで、遠心脱水機１３を用いて汚泥含有液を脱水した。

脱水後の残渣（脱水残渣）の水分含量を測定すると約７０質量％であり、汚泥の脱水に要した消費電力は約１８ｋＷであった。

本発明の乾式メタン発酵残渣脱水システムは、従来の乾式メタン発酵残渣脱水システムの約２５％の消費電力であるにもかかわらず、脱水残渣中の水分含量は、従来のシステムより約１０質量％も少ないことがわかった。したがって、本発明の乾式メタン発酵残渣脱水システムは、非常に効率よく発酵残渣の脱水を行い得ることがわかる。

本発明によれば、有機性廃棄物に含まれる夾雑物の濃度および汚泥濃度の変動に関係なく、メタン発酵残渣の脱水を安定して行い得る。したがって、一般家庭、事業所などからの廃棄物を処理する分野において有用である。

１０ 乾式メタン発酵残渣脱水システム
１１、２１、３１ メタン発酵槽
１２ スクリュープレス
１３ 遠心脱水機
２０、３０ メタン発酵残渣脱水システム
２２、３２ 夾雑物分離手段
２３、３３ 濃縮手段
２４、３４ 濃縮汚泥返送手段
３５ 凝集剤添加手段

Claims (6)

1. メタン発酵残渣脱水システムであって、
   有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽；
   該有機性廃棄物の発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する夾雑物分離手段；
   該夾雑物分離手段によって分離された該汚泥含有液に含まれる汚泥を濃縮する濃縮手段；および
   該濃縮手段で濃縮された濃縮汚泥を、該夾雑物分離手段に返送する濃縮汚泥返送手段；
   を備え、
   該メタン発酵槽で生じる該発酵残渣が該夾雑物分離手段に供給され、該夾雑物分離手段によって分離された該汚泥含有液が該濃縮手段に供給され、該濃縮手段で濃縮された該濃縮汚泥が、該濃縮汚泥返送手段によって該夾雑物分離手段に返送されるように構成されており、そして該夾雑物分離手段が、２ｍｍから５ｍｍの穴径を有するスクリュープレスである、システム。
2. さらに、前記汚泥含有液に凝集剤を添加するための凝集剤添加手段を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記濃縮手段が、ドラムスクリーンまたは裏掻バースクリーンである、請求項１または２に記載のシステム。
4. メタン発酵残渣を脱水する方法であって、
   有機性廃棄物をメタン発酵させて発酵残渣を得る工程；
   該発酵残渣に含まれる夾雑物と汚泥含有液とを分離する工程；
   該汚泥含有液を濃縮して、濃縮汚泥を回収する工程；および
   回収された該濃縮汚泥を、該夾雑物と該汚泥含有液とを分離する工程に返送する工程；
   を包含し、ここで、該夾雑物と該汚泥含有液との分離工程が、２ｍｍから５ｍｍの穴径を有するスクリュープレスを用いて行われる、方法。
5. 前記夾雑物と前記汚泥含有液とを分離する工程の後、さらに該汚泥含有液に凝集剤を添加する工程を包含する、請求項４に記載の方法。
6. 前記汚泥含有液の濃縮が、ドラムスクリーンまたは裏掻バースクリーンを用いて行われる、請求項４または５に記載の方法。

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