JP6833555B2 - 有機性廃棄物処理システム - Google Patents

Description

本発明は、生ごみなどの有機性廃棄物処理システムに関し、より詳しくは、凝集剤の消費量を削減できる有機性廃棄物処理システムに関する。

生ごみ等の有機性廃棄物は、脱水機によって固形分と液分（スラリー）に分離し、固形分は乾燥して飼料化し、スラリーは、メタン発酵処理してメタンガスを再生可能エネルギーとして回収している（特許文献１）。

特開２０１６−２０３１０３号公報

メタン発酵処理を行うと、その残渣として消化液が発生する。消化液を液肥（液体肥料）として利用する手法もあるが、施設近隣に液肥を散布できる農地がないと散布できない。また、農地があっても、住民や農家の反対により、利用できないこともある。

消化液は、有機物濃度、窒素分が高いので、そのまま下水や河川に放流することはできない。そのため生物処理を行なおうとしても、生物処理を行う上で、有機物濃度が高すぎる。

このため、従来、生物処理の前に、前脱水処理設備を設置している。前脱水処理設備は、消化液に凝集剤を添加するための凝集剤添加槽を備えている。その添加槽に凝集剤添加装置から凝集剤を添加し凝集物を得ている。その凝集物は、脱水機に送られ脱水され、分離液は、生物処理槽に送られる。

この手法では、前脱水処理設備で添加する凝集剤のコストが高くなる問題があり、その問題の解決が求められる。

そこで本発明の課題は、前脱水処理設備における凝集剤の添加量を削減できる有機性廃棄物処理システムを提供することにある。

また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）
有機性廃棄物を導入してメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
メタン発酵槽におけるメタン発酵処理により生成された消化液を導入して、前記消化液中の溶解性物質（ＤＳ）の重量が多い分離液又は上澄み液と、溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物に分離する簡易濃縮装置と、
前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物を導入すると共に、該濃縮液又は沈殿物に凝集剤を添加して前脱水する前脱水処理設備と、
前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が多い分離液又は上澄み液と、前記前脱水処理設備で分離された分離液とを導入して生物処理を行う生物処理槽と、を有し、
前記前脱水処理設備は、前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物を導入すると共に、該濃縮液又は沈殿物に凝集剤を添加する凝集剤添加槽と、該凝集剤添加槽から送られる凝集濃縮液を導入して脱水する前脱水装置とからなることを特徴とする有機性廃棄物処理システム。
（請求項２）
前記簡易濃縮装置は、遠心分離機、膜分離機または重力式沈降分離機から選ばれることを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物処理システム。
（請求項３）
前記メタン発酵槽の前段に、前記有機性廃棄物を導入して、固形分とスラリー液とに分離する固液分離機と、該固液分離機で得られた前記スラリー液を導入して可溶化処理を施す可溶化槽とを更に備え、該可溶化槽で可溶化されたスラリー液を前記メタン発酵槽に導入することを特徴とする請求項１又は２記載の有機性廃棄物処理システム。
（請求項４）
前記生物処理槽は、前記簡易濃縮装置で分離された前記分離液又は上澄み液と、前記前脱水装置で分離された分離液とを受け入れ、これらの混合分離液中のＢＯＤを除去すると共に窒素成分を除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機性廃棄物処理システム。
（請求項５）
前記生物処理槽に導入される前記混合分離液のＢＯＤ／Ｎが２．５〜３．５の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の有機性廃棄物処理システム。

本発明によれば、前脱水処理設備における凝集剤の添加量を削減できる有機性廃棄物処理システムを提供することができる。

本発明の有機性廃棄物処理システムの一例を説明する図

以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の有機性廃棄物処理システムの一例を説明する図である。

有機性廃棄物は、固液分離機１で固形分と分離液に分離する。

有機性廃棄物としては、家庭用生ごみ、食品工場から排出される食品廃棄物、レストランやホテルの調理場から排出される生ごみ、汚泥、家畜排泄物等などの有機性廃棄物が挙げられる。

固液分離機１は、格別限定されず、遠心脱水機、スクリュー脱水機（スクリュープレス）などを用いることができる。

固液分離機１で分離して得られた固形分は、例えば、油温減圧脱水手法を用いて脱水乾燥して、飼料化することができる。油温減圧脱水手法は、格別限定されないが、例えば、加熱油を入れたクッカーに固形分を投入し、減圧下で脱水乾燥する手法が挙げられる。

固液分離機１で分離して得られた分離液は、スラリー状の液体であり、可溶化槽２に導入され、メタン発酵前に可溶化処理が施される。

可溶化槽２は、スラリー中の固形分を可溶化できれば格別限定されず、例えば、アルカリ処理、加熱処理、超音波処理、またはオゾン処理などから選ばれる可溶化処理を施すことができればよい。

可溶化されたスラリー液はメタン発酵槽３に導入され、メタン発酵処理される。メタン発酵槽３は、スラリー液をメタン発酵して、メタンや二酸化炭素を含むバイオガスを生成する。

メタン発酵槽３で発生したメタンガスは、例えば、図示しない発電装置やボイラーに導入され、発電や温水熱源として利用することができる。

一方、メタン発酵槽３では、メタン発酵に伴って、発酵残渣として、消化液が生成される。

メタン発酵槽３におけるメタン発酵処理により生成された消化液は、簡易濃縮装置４に送られる。

簡易濃縮装置４では、消化液中の固形分の固液分離を行う。消化液には、固形分が含まれる。固形分の分析で全固形分（ＴＳ）を分析すると、そのＴＳには、溶解性物質（ＤＳ）と固形分（ＳＳ）とが含まれる。

遠心分離装置や膜分離装置のような簡易濃縮装置４により、消化液中のＤＳは、分離されにくいため、大部分が液側に移行する。そのため、消化液は、ＤＳの重量が少ない濃縮液と、ＤＳの重量が多い分離液とに分離する。つまり、分離液として分離されるＤＳの重量は、濃縮液として分離されるＤＳの重量よりも多い。ここでいう重量は、分離物（液）中のＤＳ濃度と、該分離物（液）の容量との積である。

重力による沈降分離装置のような簡易濃縮装置４によると、消化液は、ＤＳの重量が大幅に低減した沈殿物と、ＤＳの重量が多い上澄み液に分離される。つまり、上澄み液として分離されるＤＳの重量は、沈殿物として分離されるＤＳの重量よりも多い。

一方、ＳＳは大部分が濃縮液や沈殿物中に移行する。そのため、濃縮液や沈殿物はＳＳの重量が多く、分離液や上澄み液はＳＳの重量が少ない。

簡易濃縮装置４によって分離されたＤＳの重量が少ない濃縮液や沈殿物は、濃縮液（沈殿物）ライン４０１を介して、前脱水処理設備５に送られる。

また簡易濃縮装置４によって分離されたＤＳの重量が多い分離液や上澄み液は、分離液（上澄み液）ライン４０２を介して、生物処理槽６に送られる。

前脱水処理設備５は、生物処理槽６の前段で脱水処理ができれば格別限定されるわけではない。前脱水処理設備５は、例えば、凝集剤添加槽５０と前脱水装置５１からなることが好ましい。

凝集剤添加槽５０は、簡易濃縮装置４で得られた濃縮液又は沈殿物を導入すると共に、該濃縮液又は沈殿物に凝集剤を添加して凝集処理する。凝集剤添加槽５０には、凝集剤添加ライン５０１が設けられており、凝集剤添加槽５０の内部に撹拌装置５０２が設置されている。５０３は撹拌装置５０２用のモータである。

凝集剤添加槽５０で凝集した凝集濃縮液（凝集汚泥）は、前脱水装置５１で脱水処理される。

前脱水装置５１に用いられる脱水機は、格別限定されず、例えば遠心脱水機やフィルタープレス型脱水機等が挙げられる。

前脱水処理設備５で分離された固形分は、例えば、図示しない焼却炉又は堆肥化装置に導入され、焼却又は堆肥化により処理することができる。

凝集剤添加槽５０に添加される凝集剤は、格別限定されず、例えば、高分子凝集剤等から選択される１種又は２種以上を用いることができる。

高分子凝集剤としては、例えば、カチオン系のものが挙げられる。市販品としては、例えば、ハイモ社製「ＺＰ−８００Ｔ」、三菱レイヨン社製「ＫＰ−７０００」等が挙げられる。

本発明では簡易濃縮装置を設けたことによって、前脱水処理設備における凝集剤の使用量を大幅に削減できる効果が得られる。特に、簡易濃縮装置を省略した場合と比較して、凝集剤の単位ＴＳ当たりの添加率を５０％〜７０％を削減できる（凝集剤の絶対量としては、６５％〜８０％を削減できる）。

凝集剤を用いて消化液を脱水処理する場合、消化液中に含まれる溶解性成分（ＤＳ）による凝集剤の消費量が非常に大きいことが試験により確認された。ＳＳによる凝集剤の消費量を１とした場合、ＤＳによる凝集剤の消費量は３〜５倍となり、非常に大きい。

ＤＳは、有機性汚濁物質としてはそれほど濃度が高くないため、凝集により除去する意義は大きくない。それにも関わらず、ＤＳは、凝集剤を多量に消費する原因になっている。前脱水における凝集剤使用量を大幅に増加させるＤＳを減少させることにより、凝集剤添加量を大幅に削減できる。

消化液に含有されるＤＳは、十分に分解されなかった未分解有機物であると考えられる。例えば生ごみに由来する有機性廃棄物をメタン発酵する場合は、該有機性廃棄物の性状（組成等）が変動し易いこと等に起因して、メタン発酵における発酵状態を常に良好に維持することが困難である。発酵状態が不良になると、消化液中にＤＳが発生し易くなる。このＤＳを簡易濃縮装置で除去することによって、前脱水処理施設に導入される消化液のＤＳは減少し、その結果、凝集剤の使用量を大幅に削減できる。

また、簡易濃縮装置を設けることによって、凝集剤の選択の自由度が大きくなる効果も得られる。

従来、ＤＳの濃度が高い場合には、凝集性能の高い高価な凝集剤を用いなければならなかった。

しかし、本発明の有機性廃棄物処理システムにより、ＤＳの濃度が低下することで、相対的に安価な凝集剤を用いても優れた凝集性能を得ることができた。これは、ＤＳは、凝集性能の低い安価な凝集剤では凝集することが困難な物質であるためであると推測される。本発明において使用される全体的な凝集剤のコストは、従来の有機性廃棄物処理システムと比較すると、８０％〜８５％削減できる。

消化液は凝集剤の消費量が非常に多く、凝集剤コストにより採算性の悪化を招くことがわかった。凝集剤コストがメタン発酵施設全体の運転経費に占めるインパクトは大きく、２０％〜３０％程度にも達すると試算される。

前記簡易濃縮装置４で分離された分離液又は上澄み液と、前脱水処理設備５で分離された分離液とを導入して生物処理を行う生物処理槽６に導入される。

生物処理槽６は、有機物の分解と、脱窒を行う。このため図示のように、前段に嫌気槽６０を配置し、後段に好気槽６１を配置することが好ましい。

嫌気槽６０で脱窒を行い、好気槽６１で有機物の分解を行う。生物処理後の処理水は、例えば、河川放流あるいは下水放流することができる。

嫌気槽６０による脱窒反応においては、有機物、例えばメタノールのような栄養源を添加している。

嫌気槽６０には、簡易濃縮装置４で分離された分離液又は上澄み液と、前脱水処理設備５で分離された分離液とが導入される。簡易濃縮装置４で分離された分離液又は上澄み液は、上述したようにＤＳの重量が多いため、有機物濃度（ＢＯＤ濃度）が高い値になる。

従って、嫌気槽６０に有機物濃度（ＢＯＤ濃度）が高い液が導入されるため、メタノールを添加しなくてもよかったり、添加量を大幅に削減できる。

また前脱水処理設備５で分離された分離液は、そのままではＢＯＤ／Ｎが小さいが、これに簡易濃縮装置４で分離された分離液又は上澄み液を混合することによって、ＢＯＤ／Ｎが上昇する。

ＢＯＤ／Ｎが上昇すると、有機物の添加量を削減しても、嫌気槽における脱窒が好適に進行する。

上述したように、凝集剤のコストと同様に、メタノールのコストも大きいため、添加量の削減によってコストを大幅に削減できる。このようにして、薬品量（凝集凝量及びメタノール量）が減る合理的なプロセスを構築することができる。

特に、混合液（混合分離液）のＢＯＤ／Ｎが２．５〜３．５が好ましく、より好ましくは３．０〜３．５になるように、簡易濃縮装置で得られた分離液又は上澄み液と、前脱水処理設備で得られた分離液とを混合することにより、脱窒及び有機物除去が更に効率的に進行する。

上記のＢＯＤ／Ｎの値は、簡易濃縮装置における分離条件（処理強度、処理時間、膜の目開き等）、前脱水処理設備における分離条件（凝集剤種の選択、凝集剤添加量等）、混合比等によって調整することができる。

以上の説明では、有機性廃棄物処理システムが固液分離機１及び可溶化槽２を備える場合について主に示したが、これらは、有機性廃棄物の種類等に応じて適宜省略できる。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。

（実施例１）
図１に示したものと同様の構成を備える有機性廃棄物処理システムを用いて、生ごみを処理した。

まず、生ごみを固液分離機１に導入して、固形分とスラリー液とに分離した。次いで、スラリー液を可溶化槽２に導入して、可溶化処理を施した。次いで、可溶化処理が施されたスラリー液をメタン発酵槽３に導入して、メタン発酵を行った。メタン発酵に伴ってバイオガスが生成され、また、発酵残渣として消化液（ａ）が生成された。

次いで、消化液（ａ）を、遠心分離機からなる簡易濃縮装置４に導入し、濃縮液（ｂ）と分離液（ｃ）とに分離した。この分離工程におけるＤＳ及びＳＳの重量変化を表１に示す。

表１に示したように、簡易濃縮装置４によって、消化液（ａ）が、ＤＳの重量が多い分離液（ｃ）と、ＤＳの重量が少ない濃縮液（ｂ）とに分離されることがわかる。また、消化液（ａ）のＳＳの大部分が、濃縮液（ｂ）に移行することがわかる。

次いで、濃縮液（ｂ）を前脱水処理設備５に導入して、凝集剤（ｅ）（ハイモ社製「ＺＰ−８００Ｔ」（三菱レイヨン社製「ＫＰ−７０００」相当））を添加した後、脱水して、固形分（ｇ）と分離液（ｆ）とに固液分離した。

なお、簡易濃縮装置４から濃縮液（ｂ）の成分を全て回収するために、水（洗浄水）（ｄ）による洗浄を行った。この洗浄は、試験精度向上のためであり、発明の実施において必須ではない。

次いで、前脱水処理設備５で得られた分離液（ｆ）に、簡易濃縮装置４で得られた分離液（ｃ）を混合した。このようにして、混合分離液からなる水処理原水（ｈ）を得た。

（比較例１）
比較例１では、実施例１と同様にして得られた消化液（ａ）を、実施例１における簡易濃縮装置４を省略したシステムによって処理した。

具体的には、消化液（ａ）を、そのまま前脱水処理設備５に導入して、実施例１と同様の凝集剤（ｅ’）を添加した後、脱水して、固形分（ｇ’）と分離液（ｆ’）とに固液分離した。得られた分離液（ｆ’）を水処理原水（ｈ’）とした。

＜評価＞
実施例１と比較例１とで下記の評価項目について分析した。

（１）凝集剤消費量の比較
上述したように、実施例１では、表１の濃縮液（ｂ）を前脱水処理設備５に導入し、凝集剤を添加して脱水処理した。
一方、比較例１では、表１の消化液（ａ）を前脱水処理設備５に導入し、凝集剤を添加して脱水処理した。

実施例１及び比較例１のそれぞれにおいて凝集に使用された凝集剤の重量、これらの重量の差（削減量）、及び、削減率を表２に示す。なお、削減率（％）は、削減量を比較例１の凝集剤重量で除した値の百分率である。

表２より、実施例１は比較例１との対比で、凝集剤消費量を大幅に削減できることがわかる。

（２）凝集剤消費量削減の原因事実の確認
実施例１における凝集剤消費量削減の原因事実を確認するために、消化液のＴＳ（全体）、並びに、該ＴＳを構成するＳＳ及びＤＳをそれぞれ凝集させるために必要な凝集剤量（凝集剤消費量）を測定した。結果を表３に示す。

表３より、単位量当たりでは、ＤＳはＳＳの３．０倍の凝集剤を消費することがわかる。そして、表１に示したように、比較例１における凝集脱水対象（消化液（ａ））に対して、実施例１における凝集脱水対象（濃縮液（ｂ））は、ＤＳの重量が少ない。以上のことから、ＤＳの重量が少ない濃縮液（ｂ）を前脱水処理設備５に導入したことが、実施例１における凝集剤消費量削減の原因事実であると実証される。

（３）水処理への負荷の比較
実施例１の水処理原水（ｈ）と比較例１の水処理原水（ｈ’）とについて、ＢＯＤ、ＣＯＤｃｒ、Ｔ−Ｎ及びＴ−Ｐの各濃度の比（実施例１／比較例１）、及び総負荷の比（実施例１／比較例１）を求めた。結果を表４に示す。なお、実施例１の水処理原水（ｈ）と比較例１の水処理原水（ｈ’）との容量の比（実施例１／比較例１）は、０．９６である。

表４より、実施例１では、比較例１よりも水処理へのＢＯＤ流入量が増加するため、単純に水処理への負荷のみを考慮すると、一見デメリットのようにも考えられる。

しかし、表５に示すとおり、実施例１の水処理原水（ｈ）は、ＢＯＤ／Ｎが３．１５であり、生物処理槽６での水処理において有機物（メタノール等）の添加量を削減できる効果が得られる。これに対して、比較例１の水処理原水（ｈ’）は、ＢＯＤ／Ｎが１．５５であり、生物処理槽６での水処理において有機物の多量添加が必要である。

（４）汚泥発生量の比較
実施例１における汚泥発生量は、前脱水処理設備５で生成した固形分（分離汚泥）（ｇ）におけるＴＳ量（ＴＳの総負荷＝１４．５１ｇ）に対応する。比較例１における汚泥発生量も同様であり、前脱水処理設備５で生成した固形分（分離汚泥）（ｇ’）におけるＴＳ量（ＴＳの総負荷＝１７．２１ｇ）に対応する。これらＴＳ量の比をもって、汚泥発生量の比（実施例１／比較例１）とする。また、汚泥発生量の比に基づいて、実施例１の比較例１に対する汚泥の削減率（％）を求めた。結果を表６に示す。

表６より、実施例１は、比較例１との対比で、汚泥発生量を低減でき、汚泥の削減効果が得られることがわかる。

１：固液分離機
２：可溶化槽
３：メタン発酵槽
４：簡易濃縮装置
５：前脱水処理設備
６：生物処理槽

Claims (5)

1. 有機性廃棄物を導入してメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
   メタン発酵槽におけるメタン発酵処理により生成された消化液を導入して、前記消化液中の溶解性物質（ＤＳ）の重量が多い分離液又は上澄み液と、溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物に分離する簡易濃縮装置と、
   前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物を導入すると共に、該濃縮液又は沈殿物に凝集剤を添加して前脱水する前脱水処理設備と、
   前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が多い分離液又は上澄み液と、前記前脱水処理設備で分離された分離液とを導入して生物処理を行う生物処理槽と、を有し、
   前記前脱水処理設備は、前記溶解性物質（ＤＳ）の重量が少ない濃縮液又は沈殿物を導入すると共に、該濃縮液又は沈殿物に凝集剤を添加する凝集剤添加槽と、該凝集剤添加槽から送られる凝集濃縮液を導入して脱水する前脱水装置とからなることを特徴とする有機性廃棄物処理システム。
2. 前記簡易濃縮装置は、遠心分離機、膜分離機または重力式沈降分離機から選ばれることを特徴とする請求項１記載の有機性廃棄物処理システム。
3. 前記メタン発酵槽の前段に、前記有機性廃棄物を導入して、固形分とスラリー液とに分離する固液分離機と、該固液分離機で得られた前記スラリー液を導入して可溶化処理を施す可溶化槽とを更に備え、該可溶化槽で可溶化されたスラリー液を前記メタン発酵槽に導入することを特徴とする請求項１又は２記載の有機性廃棄物処理システム。
4. 前記生物処理槽は、前記簡易濃縮装置で分離された前記分離液又は上澄み液と、前記前脱水装置で分離された分離液とを受け入れ、これらの混合分離液中のＢＯＤを除去すると共に窒素成分を除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の有機性廃棄物処理システム。
5. 前記生物処理槽に導入される前記混合分離液のＢＯＤ／Ｎが２．５〜３．５の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の有機性廃棄物処理システム。

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