JP6993156B2

JP6993156B2 - メタン発酵システム

Info

Publication number: JP6993156B2
Application number: JP2017190238A
Authority: JP
Inventors: 繁人井上; 謙三久保田; 貴之久保田
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: JP2019063716A

Description

本発明は、有機性廃棄物等のバイオマス原料から、メタン等のバイオガスを生成させるメタン発酵システム及びメタン発酵方法に関する。

有機性廃棄物の有効利用という観点から、例えば特開２０１２－５０９１７号公報（特許文献１）に記載のように、有機性廃棄物をメタン発酵槽に投入・発酵させてバイオガスを生成するメタン発酵システムが注目されている。

メタン発酵槽では副産物としてアンモニアが生成される。アンモニアは発酵を阻害するため、メタン発酵槽から適宜除去することが求められる。特許文献１では、メタン発酵槽にアンモニア除去システムを附設する。アンモニア除去システムは、メタン発酵槽からメタン発酵液を抜き出し、アンモニア放散塔に通してアンモニア除去を行う。アンモニアの濃度レベルが低下したメタン発酵液は、メタン発酵槽に戻される。

特許文献１のアンモニア除去システムで管理される最終目標濃度レベルは、例えば３０００ｍｇ／Ｌ以下というものである。あるいは特許文献１のアンモニア除去システムは、メタン発酵液を一回以上の規定回数だけ放散塔を循環させるというものである。

このようにメタン発酵液の一部は、アンモニアを除去された後にメタン発酵槽へ加水され、メタン発酵槽およびアンモニア除去システム間を循環する。またメタン発酵液の他の一部は、凝集槽を経由して、あるいは直接、固液分離装置に送られる。

固液分離装置で分離した固形物は、炭化炉あるいは堆肥化設備で処理されて、炭化物あるいは堆肥とされる。

固液分離装置で分離した脱離水は、水槽に貯留し、再利用液としてメタン発酵槽に戻される。再利用されない脱離液は、排水処理設備等を経由して、系外に排出される。

特開２０１２－５０９１７号公報

特許文献１記載のアンモニア除去システムは、当該システム内を循環するメタン発酵液のアンモニア濃度を測定するため、メタン発酵槽のアンモニア濃度を測定し得ず、メタン発酵槽のアンモニア濃度を適正に管理することができない。例えば、メタン発酵液とアンモニア除去システムを連絡する管を流れる流量が少ない場合や、当該管が弁によって閉じられている場合には、アンモニア除去システム内を循環するメタン発酵液のアンモニア濃度が低下しても、メタン発酵槽のアンモニア濃度は高いままの場合がある。そうするとメタン発酵に支障をきたす場合がある。

また特許文献１記載のアンモニア除去システムは、メタン発酵槽に付属することから、メタン発酵槽内部のアンモニア（ＮＨ_３）濃度を低下させることができる。しかしながら特許文献１記載の設備では、メタン発酵槽から固液分離装置および水槽を経由してメタン発酵槽に戻される脱離水の窒素（Ｎ）分について特に対策されていない。

結局のところ特許文献１記載のメタン発酵システムでは、アンモニア除去システムとは別に、メタン回収後の消化液を処理する浄化設備ないし排水処理設備が別途、必要になる。このため、メタン発酵システムのイニシャルコストおよびランニングコストが大きなものとなり、普及の阻害になっている。

本発明は、上述の実情に鑑み、メタン発酵槽のアンモニア濃度を適切に管理することと、メタン発酵液あるいは消化液を固液分離装置で処理した後に生じる液分から窒素分を除去してメタン発酵システムに再利用することを目的とする。

この目的のため本発明によるメタン発酵システムは、有機性廃棄物を所定の状態に調整
する原料調整部と、原料調整部で調整される原料を供給されてメタンを生成するメタン発
酵槽と、メタン発酵槽の状態を計測する計測部と、メタン発酵槽から取り出されるメタン
発酵液（消化液）を固形分および液分に分離する固液分離部と、液分に溶存するアンモニ
ア濃度を低下させる液分処理部と、液分処理部でアンモニア濃度を低下させられた液分を
原料調整部へ供給する戻り通路と、計測部の計測結果に基づきメタン発酵槽から固液分離
部を経て液分処理部に至る区間を流れる液分の流量を制御する制御部と、固液分離部から液分処理部へ液分を供給する液分供給通路と、液分供給通路と戻り通路を接続する第１バイパス通路と、液分供給通路および／または第１バイパス通路に設けられる第１通路切替部とを備え、制御部は計測部で計測されたアンモニア濃度が所定の閾値を超える場合に液分供給通路を流れる液分の過半を前記液分処理部へ導くよう第１通路切替部を動作させ、計測部で計測されたアンモニア濃度が閾値以下の場合に液分供給通路を流れる液分の過半を第１バイパス通路へ導くよう第１通路切替部を動作させる。

かかる本発明によれば、メタン発酵槽の状態を適正に管理することができ、メタン等の
バイオガスを効率良く生成することができる。また本発明は、メタン発酵槽の下流に液分
処理部を接続し、液分処理部の下流とメタン発酵槽の上流を戻り通路で接続する循環形式
のメタン発酵システムであることから、消化液の液分を再利用することができ、コスト上
有利である。またメタン回収後の消化液から液分を分離し、さらに液分処理部が液分から
アンモニアを取り除くことから、循環形式のメタン発酵システムにアンモニアが蓄積する
ことがなく、メタン発酵槽でメタンガスを効率良く生成することができる。また再利用し
ない場合であっても、液分に溶存する窒素分が少ないため、液分を処理する浄化設備ない
し排水処理設備が従来よりも簡易となり、メタン発酵システムのイニシャルコストおよび
ランニングコストを下げることができる。なおメタン発酵槽内のアンモニア濃度は、原料
調整部からの原料投入によって希釈される。また本発明によれば、固液分離部で分離される液分に溶存するアンモニア濃度が小さく、あるいは当該液分に含まれる窒素（Ｎ）分が少ないことから、当該液分をメタン発酵システムに再利用可能である。また本発明によれば、液分のアンモニア濃度が当初から小さい場合に、当該液分を第１バイパス通路経由でそのまま原料調整部で再利用することができる。なお液分の過半とは、半分以上～全ての液分という意味である。

計測部の計測項目は特に限定されない。本発明の一つの局面として計測部は、メタン発
酵槽のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）、およびメタン生成菌の個数を計測項目とする第１
計測機器と、メタン発酵槽のアンモニア濃度を計測する第２計測機器とを有する。

制御部は、第１計測機器の計測結果が所定の条件を満たし、かつ第２計測機器で計測されるアンモニア濃度が所定の閾値以上である場合に、固液分離部から液分処理部へ液分を供給する。

制御部は、計測部から送信されるメタン発酵槽の内部状態に基づき、メタン発酵槽から排出される消化液の流量や、液分処理部に流入する液分の流量を制御する。本発明の１つの局面として制御部は、計測部で計測されるアンモニア濃度の時間変化に応じて、液分処理部へ供給する液分の流量を調整する。かかる実施形態によれば、メタン発酵槽に貯留するメタン発酵液が所定の閾値（アンモニア濃度・他）を超えることを予想し、メタン発酵槽の状態が悪化しない様に予防することができる。したがってメタン発酵槽の内部状態を一層好適に維持することができる。他の実施形態として、アンモニア濃度等の閾値を予め設定しておき、アンモニア濃度等の計測値が閾値を超える間、メタン発酵槽から排出される消化液の流量や、液分処理部に流入する液分の流量を制御する。

液分処理部の構造は特に限定されない。液分処理部は、液分に溶存するアンモニアを、化学的方法、物理的方法、あるいは生物的方法により取り出す。好ましい局面として液分処理部は、好気性微生物および嫌気性微生物を利用する構造であり、好気的環境および／または嫌気的環境下で液分に含まれるアンモニウムイオンを（亜）硝酸イオンに変化させ、さらに（亜）硝酸イオンを窒素ガス（Ｎ_２）に変化させる。本発明の好ましい局面として液分処理部は、硝化槽および脱窒槽を有する。かかる局面によれば、液分のアンモニア濃度を低下させる処理を硝化のみにとどめておき、液分に窒素（Ｎ）分を残すことができる。あるいは液分に溶存するアンモニアを窒素ガス（Ｎ_２）に変化させて、液分から窒素（Ｎ）分を取り除くことができる。ここで好ましくは、硝化槽では好気的環境にされ、好気性微生物の活動によりアンモニウムイオンを（亜）硝酸イオンに変化させる。また脱窒槽では嫌気的環境にされ、嫌気性微生物の活動により（亜）硝酸イオンを窒素ガスに変化させる。

本発明の好ましい局面として硝化槽には固液分離部から液分が流入し、戻り通路は脱窒
槽から原料調整部まで延びる。液分処理部は、硝化槽から脱窒槽に液分を供給する中継通
路と、中継通路から分岐して延び戻り通路と接続する第２バイパス通路と、中継通路およ
び／または第２バイパス通路に設けられる第２通路切替部と、脱窒槽に貯留する液分に溶
存するアンモニア濃度を計測する液分計測部とをさらに有する。制御部は、液分計測部の計測値が所定値未満であるか（Ｙｅｓ）否か（Ｎｏ）を判断し、（Ｙｅｓ）の場合にメタン発酵槽から固液分離部へ消化液を排出する作業を終了させ、（Ｎｏ）の場合に硝化槽１６から脱窒槽に液分を供給するよう第２通路切替部を動作させる。かかる局面によれば、液分を硝化槽のみに通し、（亜）硝酸イオンを含む液分を第２バイパス通路経由で原料調整部へ供給可能になる。あるいは液分を硝化槽および脱窒槽に通し、窒素（Ｎ）分を略含まない液分を原料調整部へ供給可能になる。したがって液分を効率良く再利用することができる。特に、嫌気的環境の脱窒槽を経て酸素を略含まなくされる液分を、原料調整部へ供給できることから、後の工程である嫌気的環境のメタン発酵槽に原料を投入する過程において、酸素の混入を防止することができ、メタン発酵システムの運転効率上有利である。

このように本発明によれば、メタン発酵槽の状態を適正に管理することができ、メタン等のバイオガスを効率良く生成することができる。また窒素（Ｎ）分の少ない液分を、原料調整のために再利用することから、メタン発酵槽から排出される消化液を少なくし得て、消化液を処理する浄化設備ないし排水処理設備のイニシャルコストおよびランニングコストを下げることができる。

本発明の一実施形態になるメタン発酵システムを示す模式図である。同実施形態の制御部が実行するフローチャートである。同実施形態の硝化脱窒槽を示す模式図である。対比例のメタン発酵システムを示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態になるメタン発酵システムを示す模式図である。本実施形態のメタン発酵システムは、原料調整部１０と、メタン発酵槽１２と、消化液貯留槽１３と、固液分離部１４と、計測部３０と、液分処理部４０と、制御部５０とを備える。

原料調整部１０は、受入槽１１を有する。受入槽１１には、有機質を含む原料２０、例えば有機性廃棄物、エネルギー作物（藻類含む）および薬剤が投入される。受入槽１１は、原料に水等を添加し、次の発酵槽１２に供給可能な状態に調整する。調整の対象は、例えば含水率、温度等である。本実施形態では、受入槽１１に水を供給する供給源として、後述する液分処理部４０で調整される液分を使用する。受入槽１１は、原料供給管２１の入口端と接続する。メタン発酵槽１２は、原料供給管２１の出口端と接続する。このように受入槽１１とメタン発酵槽１２は原料供給管２１で接続される。原料は受入槽１１でスラリーにされ、原料供給管２１を通って発酵槽１２に供給される。原料供給管２１にはポンプＰおよび弁２１ｖが設けられる。原料供給管２１は硬質のパイプあるいは可撓性を有するホースであるが、これに限られず、樋等、他の形状の通路であってもよい。以下の説明において管とは、通路の１例であると理解されたい。

メタン発酵槽１２は、メタン生成を主目的とする湿式メタン発酵槽であり、メタン生成菌の培地になるメタン発酵液が既に貯留する。メタン発酵槽１２の内壁面には攪拌機１２ａが設けられる。攪拌機１２ａは、発酵槽１２に貯留するメタン発酵液と、原料供給管２１から供給される原料スラリーを攪拌する。以下の説明では、メタン発酵槽１２に投入される原料の多少に関わらず、発酵槽１２内部に貯留するスラリーを単にメタン発酵液という。メタン発酵槽１２内部は発酵の温度域（３６～４２℃）に保持される。

所定の条件に保持されるメタン発酵槽１２内部でメタン生成菌等の微生物が活動することにより、原料は分解され、メタン（メタンガス）が発生する。メタン発酵槽１２は、ガス管２２の一端と接続する。メタンはガス管２２を通って収集される。

メタン発酵槽１２にはＵ字状に延びる計測管２３の両端が接続する。計測管２３には第１計測機器２４および第２計測機器２５が設置される。第１計測機器２４は、メタン発酵液のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）、単位体積に含まれるメタン生成菌の菌数、等を計測する。第２計測機器２５はメタン発酵液に溶存するアンモニウムイオンＮＨ_４ ^＋の濃度を計測する。第１計測機器２４および第２計測機器２５は、計測管２３を流れるメタン発酵液の状態を検出する。なお図示しない変形例として、計測機器を発酵槽１２の内壁面に設けてもよい。

メタン発酵槽１２は、排出管２６の入口端と接続する。消化液貯留槽１３は、排出管２６の出口端と接続する。このようにメタン発酵槽１２と消化液貯留槽１３は、排出管２６で接続される。排出管２６には弁２６ｖが設けられる。弁２６ｖが開くことにより、発酵槽１２内部のメタン発酵液が排出管２６を通って消化液貯留槽１３に送られる。弁２６ｖが閉じる間、メタン発酵液は発酵槽１２内部に貯留する。消化液貯留槽１３に貯留するメタン発酵液および消化液貯留槽１３よりも下流を流れるメタン発酵液を、消化液ともいう。

消化液貯留槽１３は、消化液供給管２７の入口端と接続する。固液分離部１４は、消化液供給管２７の出口端と接続する。このように消化液貯留槽１３と固液分離部１４は、消化液供給管２７で接続される。消化液供給管２７には弁２７ｖが設けられる。弁２７ｖが開くことにより、消化液貯留槽１３に貯留する消化液が消化液供給管２７を通って固液分離部１４に送られる。

固液分離部１４は、公知の固液分離装置であり、消化液供給管２７から供給される消化液を、固形分と液分に分離する。分離された固形分は、公知の方法によって処理され、堆肥等に再利用される。

固液分離部１４は、液分供給管２８の入口端と接続する。液分処理部４０は、液分供給管２８の出口端と接続する。このように固液分離部１４と液分処理部４０は、液分供給管２８で接続される。固液分離部１４で分離された液分は、液分供給管２８を通って液分処理部４０へ供給される。液分処理部４０は液分から窒素（Ｎ）分を除去する。

液分処理部４０は、硝化脱窒槽１５を有する。硝化脱窒槽１５には、液分供給管２８から液分が供給される。また硝化脱窒槽１５には、酸素が供給される。硝化脱窒槽１５の内部では、好気性のアンモニア硝化細菌ないし亜硝酸硝化細菌の活動により、液分に溶存するアンモニウムイオン（ＮＨ４^＋）が酸素（Ｏ_２）と反応して、亜硝酸イオン（ＮＯ_２ ^―）ないし硝酸イオン（ＮＯ_３ ^―）が生成される。さらに硝化脱窒槽１５の内部では、嫌気性の脱窒菌の活動により、亜硝酸イオンあるいは硝酸イオンから窒素ガス（Ｎ_２）が生成される。窒素ガス（Ｎ_２）は気体であるため液分から容易に除去される。

液分処理部４０では、細菌等の微生物の活動に基づく幾つかの化学反応が並行して進み、硝化脱窒処理を実行する。硝化ないし脱窒を行う微生物は公知であるため、ここでは特に説明を要しない。微生物は特に限定されるのがよく、硝化を主とする微生物と脱窒を主とする微生物を利用して、硝化と脱窒を別々に行う。あるいは他の例としてＡＮＡＭＭＯＸ微生物のように、硝化と脱窒を並行して行ってもよい。

液分処理部４０は、戻り管２９の入口端と接続する。原料調整部１０は、戻り管２９の出口端と接続する。このように液分処理部４０と原料調整部１０は、戻り管２９で接続される。窒素（Ｎ）分を低下ないし除去された液分は、戻り管２９を経て受入槽１１に供給される。これによりメタン発酵槽１２から排出される消化液の液分は、再びメタン発酵槽１２に送り込まれ、メタン発酵のために再利用される。なお図示はしなかったが原料供給管２１、計測管２３、排出管２６、消化液供給管２７、液分供給管２８、および戻り管２９には、各管を流れる液体の流下を促すポンプを設置してもよい。また各管のサーチャージを緩和するため、液分供給管２８および戻り管２９には、貯留槽を設けてもよい。また図示はしなかったが、戻り管２９には流量調整弁を設けてもよい。本実施形態は、各槽および固液分離部１４のオーバーフローを防止する安全機能を有することは勿論である。安全機能は例えば、図１に示す各弁を緊急停止させる。

なお図１には示さなかったが、液分処理部４０に分岐路を設けるとよい。当該分岐路は浄化設備に接続され、あるいは系外に接続される。液分処理部４０から流れる液分は、浄化設備に供給され、あるいは系外に放流される。なおここでいう浄化設備は、窒素（Ｎ）分が取り除かれた液分を浄化すればよく、簡易なもので足りる。

図２は液分処理部４０を取り出して具体的に示す模式図である。本実施形態では、硝化脱窒槽１５として硝化槽１６および脱窒槽１７の２槽式を採用する。硝化槽１６および脱窒槽１７は中継管１８で接続される。硝化槽１６には、液分供給管２８の出口端が接続される。脱窒槽１７には、戻り管２９の入口端が接続される。脱窒槽１７には液分計測部４３が設けられる。液分計測部４３は脱窒槽１７に貯留する液分の状態を計測する。

硝化槽１６では、液分の溶存酸素を多くされ、好気性微生物の活動により、液分中のアンモニウムイオンが亜硝酸イオンないし硝酸イオンに変化する。亜硝酸イオンないし硝酸イオンを含む液分は、硝化槽１６から中継管１８を経て脱窒槽１７へ送られる。脱窒槽１７では、嫌気性微生物の活動により、液分中の硝酸イオンが窒素ガス（Ｎ_２）に変化する。窒素ガスが脱窒槽１７の液分から抜けると、溶存酸素の少ない液分は、脱窒槽１７から戻り管２９を経て受入槽１１へ供給される。液分は受入槽１１で原料２０とともに攪拌される。

本実施形態のメタン発酵システムは、第１バイパス管４１および第２バイパス管４２をさらに備える。第１バイパス管４１の入口端は、液分供給管２８と接続する。第１バイパス管４１の出口端は、戻り管２９と接続する。このように第１バイパス管４１は、液分供給管２８と戻り管２９を接続し、硝化槽１６および脱窒槽１７を迂回する。第２バイパス管４２の入口端は、中継管１８と接続する。第２バイパス管４２の出口端は、戻り管２９と接続する。このように第２バイパス管４２は、中継管１８と戻り管２９を接続し、脱窒槽１７を迂回する。

第１バイパス管４１には、弁４１ｖが設けられる。液分供給管２８のうち第１バイパス管４１との接続箇所よりも硝化槽１６寄りには、弁２８ｖが設けられる。弁４１ｖ，２８ｖは切替部として機能し、液分供給管２８を流れる液分を硝化槽１６へ導いたり、あるいは戻り管２９へ導いたり、あるいは双方へ導いたりする。

第２バイパス管４２には、弁４２ｖが設けられる。中継管１８のうち第２バイパス管４２との接続箇所よりも脱窒槽１７寄りには、弁１８ｖが設けられる。弁４２ｖ，１８ｖは切替部として機能し、中継管１８を流れる液分を脱窒槽１７へ導いたり、あるいは戻り管２９へ導いたり、あるいは双方へ導いたりする。

本実施形態は、硝化槽１６および脱窒槽１７のオーバーフローを防止する安全機能を有することは勿論である。安全機能は例えば、図２に示す各弁を緊急停止させる。

制御部５０は、計測部３０が計測した計測結果に基づき、メタン発酵槽１２から固液分
離部１４を経て液分処理部４０に至る区間を流れる消化液あるいは液分の流量を制御する。具体的には図３に示すフローチャートに依る。

図３は、制御部５０で実行される制御を示すフローチャートである。まずステップＳ１１では第１計測機器２４が計測する管理項目（計測項目）が所定の条件を満たすか否かを判断する。本実施形態では、メタン発酵液につき、ｐＨが６．５以上８．０以下の範囲に含まれるかどうか、ＯＲＰが‐３５０以下かどうか、メタン生成菌の個数が、１［ｍｌ］当たり１０^７個以上であるか否かを判断する。かかる条件を全て満足する場合（Ｙｅｓ）、次のステップＳ１２へ進む。反対に、かかる条件のうちいずれか１つでも満たさない場合（Ｎｏ）、ｔｂ分待機後、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１の作業を再度実行する。ｔｂ分は予め定められる任意の値（所定値）である。ステップＳ１１の実行中、弁２６ｖ，弁２７ｖは閉じている。

次のステップＳ１２では第２計測機器２５が計測する管理項目（計測項目）が所定の条件を満たすか否かを判断する。本実施形態では、メタン発酵液に溶存するアンモニア濃度が所定値（例えば３０００[ｐｐｍ]）未満であるか否かを判断する。かかる条件を満足する場合（Ｙｅｓ）、次のステップＳ１３へ進む。反対にかかる条件を満足しない場合（Ｎｏ）、次のステップＳ１４へ進む。

次のステップＳ１３では、制御部５０から弁２６ｖおよび弁４１ｖに信号を送信して（以下、指令という）、弁２６ｖおよび弁２７ｖを開き、液分を液分処理部４０に導く。またステップＳ１３では、制御部５０からの指令により弁４１ｖを閉じ、弁２８ｖを開き、液分を硝化槽１６に導き、当該液分を硝化槽１６のみで処理する。これにより、当該液分のアンモニア濃度は低下する。またステップＳ１３では、制御部５０からの指令により、弁１８ｖを閉じ、弁４２ｖを開き、アンモニア濃度の低下した液分を硝化槽１６から第２バイパス管４２へ導き、さらに戻り管２９を経て、受入槽１１へ供給する。ステップＳ１３によれば、アンモニア濃度を所定値よりも低くされかつ酸素濃度が後述する脱窒槽１７よりも高い液分を原料調整部１０で再利用することができる。原料調整部１０で液分が必要でなくなるとき、あるいはその他の所定の条件が整うとき、ステップＳ１３を抜けて本制御を終了し、制御部５０からの指令により、あるいは手動により、弁２６ｖ，２７ｖを閉じる。本制御終了後から本制御を再開してステップＳ１３に入るまでの間、弁４１ｖ，弁２８ｖ，弁４２ｖ，弁１８ｖの開閉は特に問題とはならないが、安全を鑑みてこれらの弁を閉じるとよい。

ステップＳ１４では、制御部５０からの指令により、弁２６ｖおよび弁２７ｖを開き、弁４１ｖを閉じ、弁２８ｖを開き、固液分離部１４からの液分を硝化槽１６に導き、当該液分を硝化槽１６で処理する。これにより、当該液分のアンモニア濃度は低下する。またステップＳ１４では、制御部５０からの指令により、弁１８ｖを開き、弁４２ｖを閉じ、（亜）硝酸イオンに富む液分を硝化槽１６から中継管１８を経て脱窒槽１７へ導く。つまりステップＳ１４では、固液分離部１４からの液分を硝化槽１６および脱窒槽１７で処理する。これにより、当該液分の窒素（Ｎ）分は除去される。さらにステップＳ１４では、窒素（Ｎ）分の低下した液分を脱窒槽１７から戻り管２９を経て、受入槽１１へ供給する。

ステップＳ１４に続くステップＳ１５では、液分計測部４３が計測する管理項目（計測項目）が所定の条件を満たすか否かを判断する。本実施形態では、脱窒槽１７に貯留する液分に溶存するアンモニア濃度が所定値（例えば３０００ｐｐｍ）未満であるか否かを判断する。かかる条件を満足する場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５を抜けて本制御を終了し、制御部５０からの指令により、弁２６ｖおよび弁２７ｖを閉じて、メタン発酵槽１２から消化液を排出する作業を終了する。ステップＳ１４によれば、アンモニア濃度および窒素分を所定値よりも低くされかつ酸素濃度が硝化槽１６よりも低い液分を原料調整部１０で再利用することができる。なお原料調整部１０で液分が必要でなくなるとき、あるいはその他の所定の条件が整うとき、ステップＳ１４の実行中であっても戻り管２９の流量をゼロにするとよい。

本制御終了後から本制御を再開してステップＳ１４に入るまでの間、弁４１ｖ，弁２８ｖ，弁４２ｖ，弁１８ｖの開閉は特に問題とはならないが、安全を鑑みてこれらの弁を閉じるとよい。反対にステップＳ１５の判定条件を満足しない場合（Ｎｏ）、ｔｃ分待機後、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４の作業を再度実行する。ｔｃ分は予め定められる任意の値（所定値）である。ｔｃ分の待機中も、ステップＳ１４を実行し続けるとよい。

なおステップＳ１１でＮｏ判定される場合に続くｔｂ分待機では、弁４１ｖを開くことを許容してもよい。この場合、固液分離部１４で分離された液分は、液分供給管２８から第１バイパス管４１を経て戻り管２９に流れ、受入槽１１に流入する。これにより、液分の再利用を促すことができる。ここで弁２８ｖを閉じれば、液分供給管２８を流れる液分はすべて戻り管２９に流れる。

本実施形態によれば、固液分離部１４で消化液から分離された液分が、液分処理部４０で処理され戻り管２９を流れて受入槽１１に供給される場合と、そのままの状態で戻り管２９を流れて受入槽１１に供給される場合があることが理解される。また前者の場合、固液分離部１４で消化液から分離された液分が、硝化槽１６でアンモニア濃度のみを低下させられ受入槽１１に供給される場合と、脱窒槽１７で窒素分を低下させられ受入槽１１に供給される場合があることが理解される。受入槽１１へ液分を供給する構成は、例えば液分処理部４０のオーバーフローであってもよいし、液分処理部４０からの自然流下であってもよいし、戻り管２９に流量調整弁および／またはポンプを設けておき受入槽１１の求めに応じて流量調整弁および／またはポンプを作動させてもよい。

本実施形態の理解を容易にするため、対比例につき説明する。

図４は対比例のメタン発酵システムを示す模式図である。この対比例につき、前述した実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成について以下に説明する。この対比例では固液分離部１４で分離される液分が、受入槽１１に供給されず、浄化設備３１へ供給される。浄化設備３１では、液分の水質を向上させ、メタン発酵システムの系外へ放流する。固液分離部１４で分離される固形分は、堆肥設備３２へ供給される。

対比例では、受入槽１１で原料を所定の含水率に調整する際に、系外からの水を必要とする。このため、浄化設備３１の処理容量が大きくなり、メタン発酵システムのイニシャルコストおよびランニングコストが大きなものとなる。

ところで本実施形態のメタン発酵システムは、有機性廃棄物を含む原料を所定の状態に調整する原料調整部１０と、原料調整部１０で調整される原料を投入されてメタンガスを生成するメタン発酵槽１２と、メタン発酵槽１２の状態を計測する計測部３０と、メタン発酵槽１２から取り出されて排出管２６を流れる消化液を固形分および液分に分離する固液分離部１４と、液分に溶存するアンモニア濃度を低下させる液分処理部４０と、液分処理部４０でアンモニア濃度を低下させられた液分を原料調整部１０へ供給する戻り管２９と、計測部３０の計測結果に基づきメタン発酵槽１２から固液分離部１４を経て液分処理部４０に至る区間（排出管２６、消化液供給管２７、液分供給管２８）を流れる液分の流量を制御する制御部５０とを備える。

かかる本実施形態によれば、メタン発酵槽１２の状態（ｐＨ、ＯＲＰ、単位体積当たりメタン生成菌数、アンモニア濃度）を適正に管理することができ、メタン等のバイオガスを効率良く生成することができる。またメタン発酵槽１２から排出される消化液の液分を原料調整部１０で再利用することができ、コスト上有利である。またメタン回収後の消化液から液分を分離し、さらに液分処理部４０が液分からアンモニアを取り除くことから、循環形式のメタン発酵システムにアンモニアが蓄積することがなく、メタン発酵槽１２でメタンガスを効率良く生成することができる。また再利用しない場合であっても、液分に溶存する窒素（Ｎ）分が少ないため、液分を浄化設備ないし排水処理設備で処理する場合に、これら設備が従来よりも簡易となり、メタン発酵システムのイニシャルコストおよびランニングコストを下げることができる。

また本実施形態の計測部３０は、メタン発酵槽１２のｐＨ、ＯＲＰ、およびメタン生成菌の単位体積当たり個数を計測項目とする第１計測機器２４と、メタン発酵槽１２のアンモニア濃度を計測する第２計測機器２５とを有し、制御部５０は、第１計測機器２４の計測結果がステップＳ１１の条件を満たし、かつ第２計測機器２５で計測されるアンモニア濃度がステップＳ１２に規定する所定の閾値（３０００[ｐｐｍ]）以上である場合に、固液分離部１４から液分処理部４０へ液分を供給する。

また本実施形態のメタン発酵システムは、固液分離部１４から液分処理部４０へ液分を供給する液分供給管２８と、液分供給管２８と戻り管２９を接続する第１バイパス管４１と、液分供給管２８および第１バイパス管４１にそれぞれ設けられる弁２８ｖ，４１ｖをさらに備える。弁２８ｖ，４１ｖは、第１通路切替部として、固液分離部１４から液分供給管２８を流れる液分を、液分供給管２８の出口端あるいは第１バイパス管４１の出口端に導く。制御部５０は、計測部３０で計測されたアンモニア濃度が所定の閾値（３０００[ｐｐｍ]）以上の場合に、弁２８ｖ，４１ｖ（第１通路切替部）を動作させて液分供給管２８を流れる液分の過半を液分処理部４０へ導き、計測部３０で計測されたアンモニア濃度が閾値以下の場合に弁２８ｖ，４１ｖ（第１通路切替部）を動作させて液分供給管２８を流れる液分の過半を第１バイパス管４１へ導く。これにより固液分離部１４から流れる液分を原料調整部１０へそのまま供給することができる。したがって液分のアンモニア濃度が低ければ、当該液分をそのまま再利用することができる。

また本実施形態の制御部５０は、計測部３０で計測されるアンモニア濃度の時間変化に応じて、液分処理部４０へ供給する液分の流量を調整してもよい。これにより、アンモニア濃度が閾値を超えることを未然に防止して、メタン発酵槽の内部状態を一層好適に維持することができる。

また本実施形態の液分処理部４０は、硝化槽１６および脱窒槽１７を有することから、液分処理部４０が実行する処理を、液分のアンモニア濃度の低下（硝化）のみにとどめておき、液分に窒素（Ｎ）分を残すことができる。あるいは液分のアンモニアを窒素ガス（Ｎ_２）に変化させて、液分から窒素（Ｎ）分を取り除くことができる。したがって液分処理部４０を効率良く運転することができる。

また本実施形態の硝化槽１６には固液分離部１４から液分が流入し、戻り管２９は脱窒槽１７から原料調整部１０まで延び、液分処理部４０は硝化槽１６から脱窒槽１７に液分を供給する中継管１８と、中継管１８から分岐して延び戻り管２９と接続する第２バイパス管４２と、中継管１８および第２バイパス管４２に設けられる弁１８ｖ，４２ｖと、脱窒槽１７に貯留する液分に溶存するアンモニア濃度を計測する液分計測部４３とをさらに有する。弁１８ｖ，４２ｖは、第２通路切替部として、硝化槽１６から中継管１８を流れる液分を、脱窒槽１７あるいは第２バイパス管４２の出口端に導く。制御部５０は、液分計測部４３の計測結果に基づき、弁１８ｖ，４２ｖを動作させ、アンモニア濃度は低下しているが（亜）硝酸イオンを含む液分を硝化槽１６から第２バイパス管４２へ導き、さらに戻り管２９を経て、受入槽１１へ供給する。あるいは制御部５０は、液分計測部４３の計測結果に基づき、弁１８ｖ，４２ｖを動作させ、アンモニア濃度は低下しているが（亜）硝酸イオンを含む液分を硝化槽１６から中継管１８を経て脱窒槽１７へ導く。液分に溶存する（亜）硝酸イオンは脱窒槽１７で窒素ガス（Ｎ_２）に変化し、液分から離脱する。

これによりアンモニア濃度を低くされた液分を、（亜）硝酸イオンを多く含んだまま再利用したり、窒素（Ｎ）分を取り除いた状態で再利用したりと、再利用の場合分けが可能になる。

また本実施形態によれば、好気的環境にされる硝化槽１６では液分中の酸素濃度が比較的に多く、嫌気的環境にされる脱窒槽１７では液分中の酸素濃度が比較的に少ないか略０である。これにより、酸素濃度が略０あるいは比較的少ない脱窒槽１７の液分を再利用したり、あるいは酸素濃度が比較的多い硝化槽１６の液分を再利用したりと、再利用の場合分けが可能になる。

以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、本発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

本発明は、エネルギー生成事業において有利に利用される。

１０原料調整部、１１受入槽、１２メタン発酵槽、
１３消化液貯留槽、１４固液分離部、１６硝化槽、
１７脱窒槽、１８中継管、２０原料、
２１原料供給管、２２ガス管、２３計測管、
２４第１計測機器、２５第２計測機器、
２６排出管、２７消化液供給管、２８液分供給管、
２９戻り管、３０計測部、４０液分処理部、
４１第１バイパス管、４２第２バイパス管、
４３液分計測部、５０制御部。

Claims

有機性廃棄物を所定の状態に調整する原料調整部と、
前記原料調整部で調整される原料を供給されてメタンを生成するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽の状態を計測する計測部と、
前記メタン発酵槽から取り出されるメタン発酵液または消化液を固形分および液分に分
離する固液分離部と、
前記液分に溶存するアンモニア濃度を低下させる液分処理部と、
前記液分処理部でアンモニア濃度を低下させられた液分を前記原料調整部へ供給する戻
り通路と、
前記計測部の計測結果に基づき、前記メタン発酵槽から前記固液分離部へ流れる消化液の流量と、前記固液分離部から前記液分処理部へ流れる液分の流量を制御する制御部と、
前記固液分離部から前記液分処理部へ液分を供給する液分供給通路と、前記液分供給通路と前記戻り通路を接続する第１バイパス通路と、前記液分供給通路および／または前記第１バイパス通路に設けられる第１通路切替部とを備え、
前記制御部は、前記計測部で計測されたアンモニア濃度が所定の閾値を超える場合に前記液分供給通路を流れる液分の過半を前記液分処理部へ導くよう前記第１通路切替部を動作させ、前記計測部で計測されたアンモニア濃度が前記閾値以下の場合に前記液分供給通路を流れる液分の過半を前記第１バイパス通路へ導くよう前記第１通路切替部を動作させる、メタン発酵システム。
前記計測部は、前記メタン発酵槽のｐＨ、ＯＲＰ、およびメタン生成菌の個数を計測項
目とする第１計測機器と、前記メタン発酵槽のアンモニア濃度を計測する第２計測機器と
を有し、
前記制御部は、前記第１計測機器の計測結果が所定の条件を満たし、かつ前記第２計測
機器で計測されるアンモニア濃度が所定の閾値以上である場合に、前記固液分離部から前
記液分処理部へ液分を供給する、請求項１に記載のメタン発酵システム。
前記制御部は、前記計測部で計測されるアンモニア濃度の時間変化に応じて、前記液分
処理部へ供給する液分の流量を調整する、請求項１または２に記載のメタン発酵システム。
前記液分処理部は、硝化槽および脱窒槽を有する、請求項１～３のいずれかに記載のメ
タン発酵システム。
前記硝化槽には、前記固液分離部から液分が流入し、
前記戻り通路は、前記脱窒槽から前記原料調整部まで延び、
前記液分処理部は、前記硝化槽から前記脱窒槽に液分を供給する中継通路と、前記中継通路から分岐して延び前記戻り通路と接続する第２バイパス通路と、前記中継通路および／または前記第２バイパス通路に設けられる第２通路切替部と、前記脱窒槽に貯留する液分に溶存するアンモニア濃度を計測する液分計測部とをさらに有し、
前記制御部は、前記液分計測部の計測値が所定値未満であるか（Ｙｅｓ）否か（Ｎｏ）を判断し、前記（Ｙｅｓ）の場合に前記メタン発酵槽から前記固液分離部へ消化液を排出する作業を終了させ、前記（Ｎｏ）の場合に前記硝化槽１６から前記脱窒槽に液分を供給するよう前記第２通路切替部を動作させる、請求項４に記載のメタン発酵システム。