JP7035572B2 - 湿式メタン発酵処理施設の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機性廃棄物を湿式メタン発酵処理する施設の運転方法に関する。

下水汚泥、生ごみ、家畜糞尿などの有機性廃棄物をメタン発酵菌の作用で嫌気性分解するメタン発酵処理は、廃棄物を大幅に減容化すると共に、メタンガスを含むバイオガスを生成させることができるという優れた利点を有する。

しかしながら、メタン発酵法では、被処理物によっては窒素含有濃度が高くアンモニアが高濃度に発生して、メタン生成細菌の活性が低下し、メタン発酵効率が低下したり、炭素源が少なく、メタン発酵の基質が不足してメタン発酵が進行せず、メタンガスを安定かつ効率的に生成させることができないという不具合があった。

メタン発酵処理においては、糖質、タンパク質、脂質などの有機物は、まず酸生成菌の働きにより、プロピオン酸、酪酸、乳酸、酢酸などの低級脂肪酸に分解され、次いで、炭素数が３以上の有機酸は酢酸生成菌により酢酸に分解される。そして、最後にメタン生成細菌により、この酢酸生成反応で生成した酢酸及び水素を利用して、メタン生成が行なわれる。

メタン発酵処理における一連の嫌気性分解プロセスにおいて、メタン生成段階が全体の反応の律速段階であることが知られている。嫌気性排水処理装置が許容する以上の有機物負荷を与えた場合、処理水中には酢酸、プロピオン酸などの有機酸が残留し、糖やタンパクが残留することは少ない。特に、プロピオン酸等の炭素数が３以上の有機酸が残留しやすい。これは、これらの有機酸からの酢酸生成反応が、系内の水素分圧が低い時に進むからである。有機酸からの酢酸生成反応促進のために系内の水素分圧を下げるためには、水素を利用するメタン生成細菌の活性が十分に高い状態であることが必要である。

低級脂肪酸はメタン生成細菌に対して阻害作用があり、特にプロピオン酸の場合、２００～５００ｐｐｍ程度の濃度になると、水素利用メタン生成細菌が阻害を受け、その結果、系内の水素分圧が下がらず、従って、プロピオン酸等の有機酸からの酢酸生成反応が進行しなくなる。

そこで、特許文献１には、メタン発酵処理水中の有機酸濃度の値に基き、発酵槽に受入れる有機性排水の流量又は該発酵槽の温度を制御するメタン発酵処理装置が記載されている。

特許文献２には、消化槽に投入される複数種類の有機性処理対象物について、前記種類毎に投入量を測定し、測定された種類毎の投入量と種類毎に求められているガス発生速度とを用いて投入された有機性処理対象物全体のガス発生速度を予測演算し、この予測演算されたガス発生速度と消化槽から発生するガスの発生速度実測値とを比較して消化槽内の状況を監視する、嫌気性消化プロセスの監視方法が記載されている。

特開平５－３２８９９４号公報 特開２００５－１１１３３８号公報

本発明は、複数種類の有機性廃棄物を受け入れて湿式メタン発酵処理する施設において、湿式メタン発酵処理を安定的に行うことができる運転方法を提供することを目的とする。

第１発明の湿式メタン発酵処理施設の運転方法は、複数種類の有機性廃棄物を受け入れて湿式メタン発酵処理する湿式メタン発酵処理施設の運転方法において、生成するバイオガスの量及び組成が所定範囲となるように各有機性廃棄物の供給量、混合比、又は希釈率を制御することを特徴とする。

第２発明の湿式メタン発酵処理施設の運転方法は、複数種類の有機性廃棄物を受け入れて湿式メタン発酵処理する湿式メタン発酵処理施設の運転方法において、湿式メタン発酵槽の指標値が所定範囲となるように各有機性廃棄物の供給量又は混合比を制御することを特徴とする。

第２発明の一態様では、前記指標値は、ｐＨ、アルカリ度及び有機酸濃度であり、ｐＨ及びアルカリ度が所定範囲外であるときに有機酸濃度を測定し、この結果に基づいて各有機性廃棄物の供給量又は混合比を制御する。

本発明では、生成するバイオガスの量及び組成や、湿式メタン発酵処理の指標値が規定範囲となるように有機性廃棄物の供給量及び混合割合を制御することにより、湿式メタン発酵処理を安定的に行うことができる。

実施の形態に係る湿式メタン発酵処理施設の運転方法を示すブロック図である。 実施の形態に係る湿式メタン発酵処理施設の運転方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１の通り、複数種類の有機性廃棄物１ａ，１ｂ，１ｃ…がそれぞれのピット（受入槽）２ａ，２ｂ，２ｃ…に投入される。ビット内の有機性廃棄物は、フィーダー３ａ，３ｂ，３ｃ…によって破砕機４に供給されて破砕された後、又は破砕機４を経ることなく直接に混合機５に供給されて混合される。必要に応じ、混合機５に希釈水供給手段６から希釈水が供給されて適正水分量ないし適正全窒素濃度又はケルダール窒素濃度のスラリーとされた後、湿式メタン発酵槽７に供給され、湿式メタン発酵処理される。また、前記希釈水に加えて湿式メタン発酵槽７からの消化液（湿式メタン発酵槽７内の循環又は余剰消化液）を混ぜることがある。生成したメタン含有バイオガスは取出ライン８から取り出される。この取出ライン８には、流量計９とメタン濃度センサ１０とが設けられている。これらの計測データは制御器１５に入力される。残渣は取出ライン１１によって排水（又は汚泥）処理設備へ送られる。

湿式メタン発酵槽７には、栄養無機塩やｐＨ調整剤を添加する薬注装置１２のほか、槽内のｐＨ、アルカリ度、温度、ＣＯＤＣｒ，ＴＯＣ，ＯＲＰ（酸化還元電位）等の指標値を計
測する計測装置１３が設けられている。この計測装置１３の計測データは制御器１５に入力される。制御器１５には各有機性廃棄物１ａ，１ｂ，１ｃ…の性状データ（含水率、ＴＳ（全固形分）濃度、ＶＳ（揮発性固形分）濃度、ＢＶＳ（生分解性揮発性固形分）濃度、ＣＯＤＣｒ、Ｃ／Ｎ（炭素／窒素）比など）及び受入量が入力される。制御器１５は、入力されたデータと、予め設定された指標値適正範囲とに基づいて、フィーダー３ａ，３ｂ，３ｃ…による各有機性廃棄物供給量、希釈水供給装置６による希釈水注入量、薬注装置による無機塩類及びｐＨ調整剤供給量を制御する。

本発明では、湿式メタン発酵槽７内の状態やバイオガス生成量及び組成を指標値とし、各指標値が目標範囲となるように各有機性廃棄物の供給量及び混合比を制御する。指標値としてはバイオガス生成量と、バイオガスの組成特にメタン濃度、水素及び二酸化炭素濃度と、湿式メタン発酵槽内の温度、ｐＨ、アルカリ度、ＯＲＰ、Ｔ－ＣＯＤＣｒ、Ｓ－ＣＯＤＣｒ、ＶＦＡ（揮発性有機酸）濃度や、アンモニア性窒素濃度、滞留時間（ＨＲＴ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）濃度、粘性、粒径分布等が例示されるが、これに限定されない。

本発明において、有機性廃棄物としては、生物処理汚泥、食品廃棄物、家畜糞尿、農業系廃棄物などが例示されるがこれに限定されない。

有機性廃棄物は破砕機（ハンマーミルなど）を用いて細かく破砕し、希釈水（工業用水などの他に排水処理水又は湿式メタン発酵槽７からの汚泥を脱水した脱水ろ液も利用可能）及び消化液（湿式メタン発酵槽７内の循環又は余剰消化液）を用いてスラリーにするのが好ましい。スラリーは、一般的にはＴＳ５～１６％が好ましいが、配管へのつまりやポンプ故障を考慮すると８～１３％が望ましく、１１～１３％がさらに望ましい。食品廃棄物の場合は、包装類の破袋・除去処理→破砕処理→夾雑物の分離・除去処理を行うことが好ましい。

動植物油からは、メタンガス量が多く発生する。動植物油は、分解速度が速く、過負荷による有機酸蓄積の原因にもなる。ｎ－ヘキサン抽出物（油分）濃度が高い有機性廃棄物は、貯留槽に一時的に受けた上で、ｎ－ヘキサン抽出物濃度が低い有機性廃棄物と混合することが望ましい。特に、動物油は常温で固体であるため、槽内で分散せず、湿式メタン発酵槽内で、局所的に有機酸濃度が高くなり、発泡やスカム、活性低下の原因となるので、ｎ－ヘキサン抽出物濃度が低い他の有機性廃棄物と混合することが望ましい。

鉱物油は、湿式メタン発酵阻害となるため、投入しない。

タンパク質が多くＣ／Ｎ比が低い原料（肉や鶏糞など）の場合、アンモニア性窒素が蓄積し、メタン生成菌を阻害する可能性がある。具体的には、アンモニア性窒素は、湿式メタン発酵槽内の濃度が１５００～３０００ｍｇ／Ｌあるいはそれ以上になると、湿式メタン発酵を阻害する。そのため、Ｃ／Ｎ比が低い原料は、Ｃ／Ｎ比が高い原料（炭水化物主体の原料など）と混合することが望ましい。

畜産系・農業系廃棄物は、ＶＳ分解率が低いため、ＶＳ負荷を食品廃棄物より高く運転することができる。

有機性廃棄物（原料）投入量に関しては、バイオガス発生量をモニタリングしながら、バイオガス発生速度が一定となるように調整することが望ましい。バイオガスが生成しており、かつ有機酸濃度が低い条件では、ガス発生速度は有機酸生成速度に律速されている。従って、ガス生成速度を一定に維持することで有機酸生成速度が速くなりすぎるのを抑え、有機酸蓄積を起こしにくい。例えば、通常と同じ量の原料を投入した場合でも、原料中の易分解性有機物の割合が高い場合には、有機酸生成速度が速くなりガス発生速度が上
昇する。このような場合には、原料投入量を減らして、ガス発生量を減少させるようにする。

バイオガス組成をモニタリングしている場合、ガス中のメタン比率が低下したときには、有機酸蓄積の可能性があるため、速やかに有機酸濃度を分析する。バイオガス組成をモニタリングしている場合において、水素濃度の上昇が見られた場合、有機酸、特にプロピオン酸が蓄積している可能性がある（熱力学的に、水素濃度が高い条件では、プロピオン酸の分解が進まない）。

従って、湿式メタン発酵槽中の有機酸濃度を分析し、有機酸濃度が高い場合には、投入原料を一時的に減らして有機酸濃度を下げるようにする。湿式メタン発酵槽内のＶＦＡ（揮発性脂肪酸）濃度は２０００ｍｇ／Ｌ以下特に１０００ｍｇ／Ｌ以下であることが望ましい。

メタン生成は、ＯＲＰ－４００～－６００ｍＶで生じるので、湿式メタン発酵槽内のＯＲＰがこの範囲となるように原料投入量を制御する。ＯＲＰは、酸素の混入や酸化剤の混入で上昇する。ＯＲＰが上記の範囲よりも高くなった場合には原料投入を停止する。

Ｃｕ，Ｃｒ６＋，Ｃｒ３＋，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｎなどの重金属は多量に含まれると湿式メタン発酵を阻害するが、生物処理汚泥、食品廃棄物、畜産廃棄物にこれら重金属が高濃度で含まれることは通常はない。

生ごみの湿式メタン発酵は、微量金属が不足する場合が多く、Ｆｅ２＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ２＋濃度を測定し、所定範囲内となるように湿式メタン発酵槽内のＦｅ２＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ２＋を添加する。Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの必要量は、Ｆｅ／ＣＯＤＣｒ＝１１．６～２２７ｍｇ／ｋｇ，Ｃｏ／ＣＯＤＣｒ＝０．０１～８．５０ｍｇ／ｋｇ，Ｎｉ／ＣＯＤＣｒ＝０．０９～１４．３である。

上記以外の栄養塩としては、Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｅ，Ｗ，Ｍｏの塩などが例示される。

湿式メタン発酵槽内の急激な温度変化、酸素の混入、ｐＨ変動、有機物の過負荷などに起因してメタン生成菌の活性が低下した場合に、湿式メタン発酵槽内で有機酸が蓄積し、メタン生成菌の活性がさらに低下（阻害）する。

有機酸が蓄積することによりメタン生成菌の活性が低下する理由は次のａ，ｂの通りであると考えられている。
ａ：メタン生成菌が、酢酸由来の系内ｐＨ低下（ｐＨ＜６．８）によって阻害される。
ｂ：メタン生成菌が、系内の揮発有機酸（＞１０ｍｇ／Ｌ）によって阻害される。

有機酸の蓄積は、ｐＨとアルカリ度と関連しているので、その推移を把握する必要がある。湿式メタン発酵槽のｐＨは６．５～８．５特に７．０～７．８程度が好ましい。

ｐＨやアルカリ度が低下した場合には、直ちに有機酸濃度を分析し、有機酸が高い場合には投入原料を減らして有機酸濃度を減少させるのが望ましい。

アルカリ度を測定する理由は以下の通りである。有機酸の蓄積が始まっても、槽内は無機炭酸（ＩＣ）濃度が高いため緩衝能が高く、すぐにｐＨが低下することはない。このような場合にも、有機酸の蓄積によりアルカリ度は低下し、緩衝能が弱くなるので、アルカリ度を測定することが重要である。

本発明の一態様では、図２のように、湿式メタン発酵槽内のｐＨとアルカリ度を監視し、これらが所定の範囲を外れた又は外れそうになった場合に、湿式メタン発酵槽からサンプルを抽出し、クロマトグラフを用いてＶＦＡ濃度を測定し、原料投入量及び混合比率を制御する。

湿式メタン発酵槽の温度は、中温の場合は３０～３８℃、高温の場合は５０～５６℃とするのが好ましく、必要に応じ原料の供給量を制御すると共に、湿式メタン発酵槽に設けたヒータの制御を行う。

１ａ～１ｃ 有機性廃棄物
２ａ～２ｃ ピット
３ａ～３ｃ フィーダー
７ 湿式メタン発酵槽
９ 流量計
１０ メタン濃度センサ

Claims (1)

1. 複数種類の有機性廃棄物を受け入れて湿式メタン発酵処理する湿式メタン発酵処理施設の運転方法において、
   湿式メタン発酵槽の指標値が所定範囲となるように各有機性廃棄物の供給量又は混合比を制御する湿式メタン発酵処理施設の運転方法であって、
   前記指標値は、ｐＨ、アルカリ度及び有機酸濃度であり、ｐＨ及びアルカリ度の少なくとも一方が所定範囲外であるときに有機酸濃度を測定し、この結果に基づいて各有機性廃棄物の供給量又は混合比を制御することを特徴とする湿式メタン発酵処理施設の運転方法。

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