WO2010052805A1 - 有機性廃棄物の処理システムおよび方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法 - Google Patents

有機性廃棄物の処理システムおよび方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法 Download PDF

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一孝 梅津
修 浜本
陽子 宮崎
卓也 三崎
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国立大学法人帯広畜産大学
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Definitions

  • the present invention is a treatment of organic waste, particularly organic waste containing organic manure such as livestock and the like, which can effectively reduce soil by modifying the properties of fermentation broth produced by methane fermentation treatment.
  • the present invention relates to a system and method, and a method for reforming a fermentation broth derived from organic waste.
  • the object of the present invention is to reduce the fermented liquor produced by subjecting organic waste to methane fermentation treatment to reduce the warming coefficient gas (CH 4 , N 2 O) from the fermented liquor after soil reduction.
  • An object of the present invention is to provide an organic waste treatment system and method capable of reducing the problems that occur and realizing effective fertilization without the problem of malodor.
  • Another object of the present invention is to improve the properties of the fermented liquor produced by subjecting organic waste to methane fermentation, and it can be sufficiently fertilized even when sprayed on the soil surface. Therefore, an object of the present invention is to provide a method for reforming a fermented liquor derived from organic waste that can realize effective soil reduction at low cost.
  • malodor contained in the organic waste can be decomposed during the methane fermentation treatment.
  • the organic waste contains animal manure such as livestock
  • a lot of malodorous gas components containing sulfides such as methyl sulfide, methyl disulfide, and methyl mercaptan are contained in the fermentation solution.
  • malodorous components are decomposed by the high temperature methane fermentation treatment.
  • the fermented liquor that has been subjected to the high-temperature methane fermentation treatment is modified by the fermented liquor reforming treatment unit to improve water retention.
  • the slurry of the fermented liquid processed by the organic waste processing system according to the present invention can be applied to the soil surface when being reduced to the soil. That is, the following effects can be obtained.
  • the organic waste treatment system according to the first aspect, wherein the organic waste is provided between the methane fermentation tank and the fermentation broth reforming treatment unit, and nitrogen is added to the fermentation broth.
  • a nitrogen compound removing unit for removing the compound is provided.
  • the fermentation broth subjected to the methane fermentation treatment contains undecomposed organic nitrogen and ammonia nitrogen obtained by adding what was originally produced by decomposition of organic nitrogen.
  • more ammonia nitrogen is produced.
  • nitrogen compounds typified by the ammonia nitrogen produced in the fermentation liquor in a large amount in the fermentation liquor are removed by a nitrogen removal unit such as an ammonia recovery device, it is included in the fermentation liquor after nitrogen compound removal. The amount of total nitrogen generated can be reduced, and the problem of nitrogen contamination of soil and groundwater can be improved after soil application.
  • the methane fermentation tank is configured to perform a methane fermentation process at a high temperature of 60 ° C. or higher. It is characterized by that.
  • the methane fermentation tank can perform methane fermentation at a high temperature of 60 ° C. or higher, the sterilization effect is expressed by performing the methane fermentation at a high temperature of 60 ° C. or higher, thereby causing pathogenic bacteria to humans. Can kill most of them.
  • porcine prabovirus can be almost killed in a short time. Therefore, it is not necessary to provide a separate sterilizer.
  • the methane fermentation treatment is performed at a high temperature of 60 ° C. or higher, a larger amount of ammonia can be generated than the methane fermentation treatment at a high temperature of about 50 ° C. to 55 ° C.
  • a large amount of ammonia can be recovered and removed from the fermentation broth by subjecting it to the recovery process of the ammonia recovery unit in a state where a large amount of ammonia is generated in this way.
  • the amount of total nitrogen in the fermented liquid can be reduced, and the problem of nitrogen contamination from the fermented liquid that is subjected to soil reduction can be further improved.
  • the fermentation broth is modified by lactic acid fermentation by lactic acid bacteria, the modification can be performed easily and at low cost in a short time.
  • fermenting bacteria other than lactic acid bacteria can use sugars in the fermentation broth, for example, those capable of oxy-carboxylating glucose.
  • 5th aspect which concerns on this invention is a processing method of the organic waste which carries out soil reduction
  • a sixth aspect of the present invention is the organic waste treatment method according to the fifth aspect, characterized in that the organic waste contains manure of living organisms such as livestock.
  • ammonia is added from the fermentation broth between the first fermentation process and the second fermentation process. It includes an ammonia recovery step for recovery. According to this aspect, the same effect as the second aspect can be obtained.
  • An eighth aspect of the present invention is a method for reforming an organic waste-derived fermentation broth characterized in that a fermentation treatment for improving water retention is performed on a fermentation broth produced by methane fermentation of organic waste. is there.
  • the fermentation liquid is modified to improve water retention. Due to the improved water retention, the modified fermented liquid can be fertilized over a long period (long time) even if it is applied to the surface of the soil. Fertilizer can be realized in the same way as the case of carrying This eliminates the need for a squeeze-in process, thereby reducing labor and cost. Moreover, since the modified fermentation treatment liquid is placed on the ground surface, when it is infused into the ground as in the past (anaerobic environment), a gas with a high warming potential that is generated when anaerobic fermentation resumes ( Generation of CH 4 , N 2 O) can be prevented.
  • the fermentation treatment for improving the water retention is performed by lactic acid fermentation with lactic acid bacteria. It is what.
  • the fermentation broth is modified by lactic acid fermentation by lactic acid bacteria, the modification can be performed easily and at low cost in a short time.
  • fermenting bacteria other than lactic acid bacteria can use sugars in the fermentation broth, for example, those capable of oxy-carboxylating glucose.
  • the lactic acid bacterium is a bacterium that performs homolactic fermentation. According to this aspect, since the bacteria performing homolactic fermentation do not by-produce ethanol, acetic acid, carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen (H 2 ), and the like by lactic acid fermentation, the properties of the fermentation broth after modification are controlled. The effect which becomes easy is acquired.
  • gas (CH 4 , N 2 O) having a high warming potential is produced from the fermented liquor after soil reduction. While improving the problem which generate
  • FIG. 4 is a redox potential-pH diagram regarding the stability of CH 4 , NH 3 , N 2 , N 2 O, NO 3 ⁇ , O 2 and the like.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a treatment system for organic waste according to the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration example of a fermentation liquid reforming processing unit in the treatment system.
  • the organic waste treatment system receives a methane fermentation layer 3 that performs high-temperature methane fermentation treatment on livestock manure 2 introduced from a barn 1 and a fermentation liquid 4 that is generated in the methane fermentation tank 3.
  • the fermented liquor reforming processing unit 5 is provided for performing a fermenting process for improving the water retention of the fermented broth 4.
  • an ammonia recovery unit 6 is provided as an example of a nitrogen compound removing unit between the methane fermentation tank 3 and the fermentation broth reforming processing unit 5.
  • the nitrogen compound removing unit a known unit can be applied in addition to the ammonia recovery unit.
  • the methane fermentation layer 3 is configured to perform a high temperature methane fermentation process in which the fermentation temperature is higher than so-called medium temperature methane fermentation (about 35 ° C. to 37 ° C.). Specifically, the anaerobic fermentation treatment is performed at a temperature of at least 45 ° C. or more, preferably 50 ° C. or more, more preferably 60 ° C. or more.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between fermentation temperature and sterilization effect.
  • the solid line shows the porcine prabovirus and the broken line shows the fecal coliform. From this figure, it can be seen that most of pathogenic bacteria to humans can be killed by performing methane fermentation at a high temperature of 60 ° C. or higher. When the methane fermentation treatment is performed at a high temperature of 70 ° C. or higher, porcine prabovirus can be almost killed in a short time.
  • the organic waste introduced into the methane fermentation tank 3 is livestock manure 2 in this embodiment, but other organic waste may be used. That is, livestock waste, green farm waste, wastewater treatment sludge, etc. are listed as treatment measures.
  • the livestock waste includes carcasses and / or processed products thereof in addition to the excrement of organisms such as livestock, and more specifically, carcasses of livestock such as cattle, sheep, goats and chickens, Bones, meat, fat, viscera, blood, brain, eyeballs, skin, hoofs, horns, etc. separated from them, as well as bones and meats of livestock carcasses represented by meat and bone meal, meat meal, bone meal, blood meal etc.
  • the crushed material which crushed etc. and the dried material which dried blood etc. are also contained.
  • green agricultural waste includes agricultural and industrial waste, food processing waste, etc. as industrial waste.
  • the fermented liquor reforming processing unit 5 performs a fermenting process for receiving the fermented liquid 4 and improving the water retention of the fermented liquid 4.
  • the fermented liquid reforming processing unit 5 is configured to perform lactic acid fermentation by lactic acid bacteria.
  • FIGS. 2 (A) and 2 (B) Specific examples of the fermented liquid reforming processing unit 5 include those shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B).
  • FIG. 2 (A) a culture tank 10 for lactic acid bacteria and a modified fermentation layer 11 for the fermented liquid are provided, and lactic acid bacteria are added from the culture tank 10 to the modified fermentation tank 11 and fermented in the modified fermentation tank 11. Lactic acid fermentation proceeds with the sugar contained in the liquid 4 as a substrate.
  • lactic acid bacteria are added to the modified fermenter 11 (100 mg lactic acid bacteria / 10 g fermentation solution), and lactic acid fermentation is performed in the range of room temperature to 30 ° C. for a predetermined time (5 minutes to several tens of minutes). It is like that. Depending on the type of lactic acid bacteria, it is preferable to sufficiently increase the cell density by setting the fermentation time to 2 to 3 hours.
  • the fermentation liquid is modified to become a modified fermentation treatment liquid 14.
  • reference numeral 13 indicates a stirring device
  • reference numerals 23, 24, and 25 indicate open / close valves. Each of the open / close valves 23, 24, and 25 and the stirrer 13 is operated by a control unit (not shown). Is to be controlled.
  • a modified fermenter 11 and a fermented liquid storage tank (slurry tank) 12 are provided separately.
  • a part of the modified fermentation treatment liquid 14 in the modified fermentation tank 11 is extracted and supplemented to the culture tank 10 (10 g lactic acid bacteria treated fermentation liquid / 10 g fermentation liquid). That is, as a lactic acid bacterium to be added to the modified fermenter 11, the lactic acid bacterium cultured at the beginning of the system startup is reused from an appropriate time after the system startup.
  • reference numerals 26 and 27 also indicate open / close valves, and the operation of each of the open / close valves 23, 24, 25, 26, and 27 and the stirring device 13 is controlled by a control unit (not shown). It is like that.
  • lactic acid bacteria include Lactobacillus gram-positive bacillus, Bifidobacterium gram-positive obligate anaerobe, Enterococcus gram-positive cocci, Lactococcus gram-positive ), Pediococcus gram positive cocci, and Leuconostoc gram positive cocci.
  • a bacterium which produces only lactic acid as a final product and performs homolactic fermentation without producing ethanol, acetic acid, carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen (H 2 ) or the like as a byproduct (heterolactic fermentation).
  • bacteria that carry out homolactic fermentation include the genus Streptococus (linear cocci), the genus Pediococus (quartococcus), and the genus Leuconostoc, which are gram-positive cocci.
  • L. lactis, L. acidophilus, L. bulgaricus etc. which are Gram positive rods are also mentioned.
  • the bacteria that carry out heterolactic fermentation include L. pastrianus, L. brevis, L. fermenti and the like.
  • Fermentation time is about 12 to 48 hours in the production process of general dairy products when Leuconostoc bulgaricus is used, and this time can be set as a guide.
  • FIG. 4 is a comparison diagram of water retention between the modified fermentation treatment liquid 14 that has been subjected to the treatment according to the present invention and the original fermentation liquid (original digestive liquid) 16 that has not been subjected to the modification treatment.
  • This comparative diagram is a weight reduction curve with time of each liquid at a temperature of 40 ° C., which is determined by a thermobalance method. That is, this modified fermentation treatment solution 14 is subjected to a water retention expression test (relationship between temperature and weight loss differential value) by a thermobalance method using a thermobalance (manufactured by Rigaku Corporation: TG-8101D Thermoflex TAS300). Test).
  • the weight loss (water evaporation) is small for 60 hours or more after the start of measurement, whereas in the original fermentation liquid (original digestive liquid) 16, The weight is drastically decreasing.
  • FIG. 5 shows the water retention capacity at a temperature of 80 ° C. with respect to the modified fermentation treatment liquids 14A and 14B subjected to the treatment according to the present invention, the raw fermentation liquid 16 not subjected to the modification treatment, and the hydrous starch 17.
  • FIG. This comparative diagram is a weight loss curve with respect to the passage of time (from the start to about 5 hours) of each solution at a temperature of 80 ° C. obtained by a thermobalance method.
  • the modified fermentation treatment liquids 14A and 14B that have undergone the treatment according to the present invention both have an inflection point 18 at a position of about one and a half hours after the start of measurement, but in the other raw fermentation liquid 16 and the hydrous starch 17 There is no inflection point. From this, the modified fermentation treatment liquids 14A and 14B subjected to the treatment according to the present invention take a certain time until solidification drying starts at a temperature of 80 ° C. It can be seen that the hydrous starch 17 tends to start solidifying and drying suddenly.
  • Table 1 shows the temperature at the peak of weight reduction in the thermobalance method for the modified fermentation treatment liquid subjected to the treatment according to the present invention, the raw fermentation liquid not subjected to the modification treatment, hydrous starch, water, and 5% NaCl.
  • the measurement result of (vapor pressure drop (boiling point rise)) was shown.
  • thermobalance method for the modified fermentation treatment liquid subjected to the treatment according to the present invention and the original fermentation liquid not subjected to the modification treatment was obtained. It is a weight reduction curve.
  • numerals 21 and 22 differentiate the weight reduction curve to make it easier to solve the inflection point.
  • modified fermented treatment liquids 14A and 14B subjected to the treatment according to the present invention have significantly improved water retention compared to the original fermented liquid (original digested liquid) 16.
  • the ammonia recovery unit 6 recovers and removes ammonia from the fermentation broth 4.
  • a known one can be used, but in this embodiment, a gas-liquid contact type ammonia diffusion tower is used.
  • the ammonia stripping tower sprays the fermented liquid 4 from the upper part of the tower, sends air from the lower part of the tower, brings the fermented liquid 4 and air into gas-liquid contact in a countercurrent flow, and turns the ammonia in the fermented liquid 4 into the air. It is a structure to dissipate and collect.
  • the ammonia in the fermentation broth 4 is almost removed, and the recovered ammonia is appropriately used at the usage destination.
  • the operation of the organic waste processing system and method according to the present invention will be described.
  • the high-temperature methane fermentation treatment first fermentation step
  • the methane fermentation tank 3 since the high-temperature methane fermentation treatment (first fermentation step) is performed in the methane fermentation tank 3, malodor contained in the organic waste can be decomposed during the methane fermentation treatment.
  • a lot of malodorous gas components containing sulfides such as methyl sulfide, methyl disulfide and methyl mercaptan are contained in the fermentation broth.
  • These malodorous components are decomposed by the high temperature methane fermentation treatment.
  • the fermented liquid 4 that has been subjected to the high-temperature methane fermentation treatment is modified by the fermented liquid reforming treatment unit 5 (second fermentation step), and water retention is improved.
  • the sprinkler As a spraying means for spraying the slurry of the modified fermentation treatment liquid 14 on the soil surface, the sprinkler having a nozzle diameter larger than that of the conventional one or a modified fermentation treatment liquid 14 installed in a storage tank installed. It is possible to use a fixed-type apparatus that collects the slurry and sprays it to the farmland by a supply pump and a hose. Also, a mobile device that spreads the slurry of the modified fermentation treatment liquid 14 on the farmland while moving in a tank or the like can be used.
  • FIG. 7 is a redox potential-pH diagram regarding the stability of CH 4 , NH 3 , N 2 , N 2 O, NO 3 ⁇ , O 2, and the like. Regions of two places hatched in this figure, N 2 can be stably present, the region between the said oblique lines is sandwiched in two places of the area assigned the N 2 O is stable to other N 2 It is an area that can exist.
  • the lower region is a region where CH 4 and NH 3 can exist stably, and the upper region is a region where NO 3 ⁇ and O 2 can exist stably.
  • the oxidation-reduction potential near the soil surface is around the region 19 when the pH is around 7 due to the presence of air (oxygen). That is, N 2 O is an unstable region. Moreover, since the soil surface is aerobic production environment, anaerobic methanogens does not work, CH 4 and N 2 O is not generated.
  • the oxidation-reduction potential in the soil at a depth of 15 cm to 20 cm from the soil surface (soaked state) decreases as it approaches an anaerobic environment and becomes around the region 20 in the figure.
  • N 2 O can exist stably, and CH 4 and N 2 O are produced by anaerobic fermentation bacteria. Therefore, N 2 O produced by anaerobic fermentation stops reaction there and is diffused into the atmosphere.
  • Table 2 shows the measured redox potential around 1 cm to 2 cm from the soil surface when fermented liquid 4 was sprayed on the soil surface of the pasture, and analysis of the gas collected from that location after 10 hours of spraying Results, measured values of redox potential around 15 cm to 20 cm from the soil surface when fermented broth 4 was poured into the soil, and analysis results of gas collected from that place 10 hours after pouring Indicates.
  • CH 4 and N 2 O were not detected. However, when the latter was infused into the soil, CH 4 was detected at about 10 ppm and N 2 O was detected at about 500 ppb.
  • the sprayed on the soil surface as described above can be maintained aerobic, to prevent the generation of gas with high global warming potential (CH 4, N 2 O) .

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Abstract

 課題は、有機性廃棄物に対してメタン発酵処理を行って生じる発酵液を土壌還元するに際して、土壌還元後の発酵液から温暖化係数の高いガス(CH、NO)が発生する問題を低減できると共に、悪臭の問題なく、有効な肥料化を実現できる有機性廃棄物の処理システムを提供すること。そのために、本発明に係る有機性廃棄物の処理システムは、有機性廃棄物に対して高温メタン発酵処理を行うメタン発酵槽3と、前記メタン発酵槽3の後段に設けられ、前記発酵液の保水性を向上させる発酵処理を行う発酵液改質処理部5と、を備えたことを特徴とするものである。

Description

有機性廃棄物の処理システムおよび方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法
 本発明は、有機性廃棄物、特に家畜などの生物の糞尿を含む有機性廃棄物をメタン発酵処理して生じる発酵液の性状を改質して土壌還元を有効に行える有機性廃棄物の処理システム及び方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法に関するものである。
 従来より、畜産廃棄物や生ゴミ等の有機性廃棄物の処理には、中温メタン発酵菌(発酵槽の温度:35℃~37℃程度)や高温メタン発酵菌(発酵槽の温度:50℃~55℃程度)による発酵処理が行われている(特許文献1)。 
 前記メタン発酵処理により生じた発酵液(「消化液」とも言う)は、公知の浄化処理を施して、最終的に土壌に還元される。
 従来、発酵液の土壌還元は土壌表面への散布ではなく、土壌中に鋤き込むことが行われている。これは表面散布の場合には発酵液から悪臭が発散する心配があると共に、土壌中に鋤き込むようにすれば更に発酵が進行し、肥料化が一層進むことを期待したものである。特に、前記中温メタン発酵処理(前記35℃~37℃程度)の場合は、悪臭の問題は顕著である。
 しかし、前記鋤き込みは、土壌に還元された発酵液からの悪臭発生の問題は低減できるが、土壌中に鋤き込まれた発酵液は嫌気性環境下に置かれた状態に近いため、土壌中において更なる嫌気発酵が進行して温暖化係数の高いガスであるメタン(CH)や亜酸化窒素(NO)が生成し、大気中に放出される問題がある。メタン(CH)の温暖化係数(温室効果ポテンシャル)は二酸化炭素の21倍、亜酸化窒素(NO)の温暖化係数は二酸化炭素の310倍と言われている。
 また、土壌中に鋤き込むためには、鋤き込みのための装置が必要であり、労力及びコストのアップに繋がる問題がある。
 仮に、前記発酵液を鋤き込まずに土壌表面に散布した場合、好気性環境が維持されることで前記温暖化係数の高いガスの発生の問題は少ないが、また鋤き込みのための装置も不要となり労力及びコストのアップを抑制できるが、前記悪臭発散の問題が出ると共に、発酵液が短時間で乾燥してしまい肥料化が不十分になる問題がある。
 本発明の目的は、有機性廃棄物に対してメタン発酵処理を行って生じる発酵液を土壌還元するに際して、土壌還元後の発酵液から温暖化係数の高いガス(CH、NO)が発生する問題を低減できると共に、悪臭の問題なく、有効な肥料化を実現できる有機性廃棄物の処理システムおよび方法を提供することにある。
 また、本発明の他の目的は、有機性廃棄物に対してメタン発酵処理を行って生じる発酵液の性状を改質して、土壌の表面に散布しても充分に肥料化することができ、以って低コストで有効な土壌還元を実現できる有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法を提供することにある。
 上記目的を達成するため、本発明の第1の態様は、有機性廃棄物に対して高温メタン発酵処理を行うメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽の後段に設けられ、前記メタン発酵槽で生じる発酵液の保水性を向上させる発酵処理を行う発酵液改質処理部と、を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。 
 本発明において、「高温メタン発酵処理」は、発酵温度がいわゆる中温メタン発酵(35℃~37℃程度)より高い、少なくとも常時45℃以上、好ましくは50℃以上、更に好ましくは60℃以上の温度での発酵処理を意味する。
 本態様によれば、高温メタン発酵処理を行うことで、有機性廃棄物に含まれる悪臭をメタン発酵処理時に分解することができる。特に、有機性廃棄物が家畜などの生物の糞尿を含むものである場合は、硫化メチル、二硫化メチル、メチルメルカプタン等の硫化物を含む悪臭ガス成分が発酵液中に多く含まれるが、本発明では高温メタン発酵処理によって、これらの悪臭成分が分解される。 
 更に、高温メタン発酵処理がなされた前記発酵液が、前記発酵液改質処理部によって改質され、保水性が向上される。
 従って、本発明に係る有機性廃棄物の処理システムによって処理された発酵液のスラリーは、土壌に還元するに際して土壌表面に散布する形を採ることが可能になる。すなわち、以下の効果が得られる。
(1)その高い保水性によって、土壌の表面に散布しても長期間(長時間)にわたって土壌改質を継続させることができ、従来の土中への鋤き込みを行った場合と同様の肥料化を実現できる。これにより、鋤き込み工程が不要となり、その分、労力及びコストを低減することができる。
(2)しかも、発酵液スラリーは好気性環境下(地表面)に置かれるので、地中に鋤き込んだ場合(嫌気性環境)に発生する温暖化係数の高いガス(CH、NO)の発生を防止することができる。
(3)また、高温メタン発酵するので、家畜などの生物の糞尿を含む有機性廃棄物由来の発酵液スラリーであっても悪臭成分は分解され、該発酵液スラリーを土壌の表面に散布した後の悪臭発生の問題がない。
 本発明の第2の態様は、前記第1の態様に係る有機性廃棄物の処理システムにおいて、前記メタン発酵槽と前記発酵液改質処理部との間に設けられて、前記発酵液から窒素化合物を除去する窒素化合物除去部を備えたことを特徴とするものである。
 メタン発酵処理が行われた発酵液中には、未分解の有機態窒素と、元々含まれていたものに有機態窒素の分解により生成されたものが加わったアンモニア態窒素が含まれる。高温のメタン発酵処理が行われと、アンモニア態窒素が一層多く生成される。 
 本態様によれば、アンモニア回収装置等の窒素除去部によって前記発酵液中に多く生成された前記アンモニア態窒素を代表とする窒素化合物が除去されるので、窒素化合物除去後の発酵液中に含まれるトータル窒素の量を減らすことができ、土壌散布後に土壌や地下水に対する窒素汚染の問題を改善することができる。
 本発明の第3の態様は、前記第1の態様又は第2の態様に係る有機性廃棄物の処理システムにおいて、前記メタン発酵槽は60℃以上の高温でメタン発酵処理を行えるように構成されていることを特徴とするものである。
 本態様によれば、前記メタン発酵槽は60℃以上の高温でメタン発酵処理を行えるので、この60℃以上の高温でメタン発酵処理を行うことにより、滅菌効果が発現し、人に対する病原性細菌のほとんどを死滅させることができる。70℃以上の高温でメタン発酵処理を行うとブタプラボウィルスも短時間でほとんど死滅させることができる。従って、別途の滅菌装置を設ける必要がない。
 また、60℃以上の高温でメタン発酵処理を行うので、50℃~55℃程度の高温の温度でのメタン発酵処理よりもその高温の分、多量のアンモニアを生成することができる。このように多量のアンモニアを生成させた状態で前記アンモニア回収部の回収処理にかけることで、多量のアンモニアを発酵液から回収除去することができる。これにより、発酵液中のトータル窒素の量を低減することができ、土壌還元される発酵液からの窒素汚染の問題を一層改善することができる。
 本発明の第4の態様は、前記第1の態様から第3の態様のいずれか一つに係る有機性廃棄物の処理システムにおいて、前記発酵液改質処理部では乳酸菌による乳酸発酵が行われる構成であることを特徴とする。
 本態様によれば、乳酸菌による乳酸発酵によって発酵液を改質するので、短時間で、簡単且つ低コストで前記改質を行うことができる。尚、乳酸菌以外の他の発酵菌でも、前記発酵液中の糖分、例えばグルコースをオキシ・カルボン酸化できるものは利用することができる。
 本発明に係る第5の態様は、有機性廃棄物をメタン発酵処理して生じる発酵液を土壌還元する有機性廃棄物の処理方法であって、前記有機性廃棄物に対して高温でメタン発酵処理を行う第1発酵工程と、前記メタン発酵処理で生じた発酵液に対して保水性を向上させる発酵処理を行う第2発酵工程と、前記第2発酵工程を経た発酵液のスラリーを土壌の表面に散布する第3工程とを含むことを特徴とするものである。
 本発明の第6の態様は、前記第5の態様に係る有機性廃棄物の処理方法において、前記有機性廃棄物は家畜などの生物の糞尿を含むものであることを特徴とするものである。
 第5の態様と第6の態様の各態様によれば、有機性廃棄物をメタン発酵処理して生じる発酵液を土壌還元するに際して、前記第1の態様の作用効果(1)~(3)と同様の作用効果を得ることができる。
 本発明の第7の態様は、前記第5の態様又は第6の態様に係る有機性廃棄物の処理方法において、前記第1発酵工程と第2発酵工程の間に、前記発酵液からアンモニアを回収するアンモニア回収工程を含むことを特徴とするものである。 
 本態様によれば、前記第2の態様と同様の作用効果をえることができる。
 本発明の第8の態様は、有機性廃棄物のメタン発酵で生じる発酵液に対して保水性を向上させる発酵処理を施すことを特徴とする有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法である。
 本態様によれば、有機性廃棄物のメタン発酵で生じる発酵液に対して保水性を向上させる発酵処理を施すので、当該発酵液は改質されて保水性が向上する。改質発酵処理液は保水性が向上したことにより、土壌の表面に散布する形を採用しても長期間(長時間)にわたって肥料化を進行させることができ、従来の土中への鋤き込みを行った場合と同様の肥料化を実現できる。これにより、鋤き込み工程が不要となり、その分、労力及びコストを低減することができる。 
 しかも、改質発酵処理液は地表面に置かれるので、従来のように地中に鋤き込んだ場合(嫌気性環境)に、嫌気性発酵が再開して発生する温暖化係数の高いガス(CH、NO)の発生を防止することができる。
 本発明の第2の態様は、前記第1の態様に係る有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法において、前記保水性を向上させる発酵処理は、乳酸菌による乳酸発酵で行われることを特徴とするものである。
 本態様によれば、乳酸菌による乳酸発酵によって発酵液を改質するので、短時間で、簡単且つ低コストで前記改質を行うことができる。尚、乳酸菌以外の他の発酵菌でも、前記発酵液中の糖分、例えばグルコースをオキシ・カルボン酸化できるものは利用することができる。
 本発明の第3の態様は、前記第2の態様に係る有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法において、前記乳酸菌はホモ乳酸発酵を行なう菌であることを特徴とするものである。 
 本態様によれば、ホモ乳酸発酵を行う菌は乳酸発酵によりエタノール、酢酸、二酸化炭素(CO)、水素(H)等を副生しないので、改質後の発酵液の性状を管理しやすくなる効果が得られる。
 本発明によれば、有機性廃棄物に対してメタン発酵処理を行って生じる発酵液を土壌還元するに際して、土壌還元後の発酵液から温暖化係数の高いガス(CH、NO)が発生する問題を改善すると共に、悪臭の問題なく、有効な肥料化を実現することができる。
 また、本発明によれば、有機性廃棄物に対してメタン発酵処理を行って生じる発酵液の性状を改質して保水性を向上するので、改質発酵処理液を土壌の表面に散布しても肥料化を充分に進行させることができ、以って低コストで有効な土壌還元を実現することができる。
本発明に係る有機性廃棄物の処理システムの一実施形態を示す構成図である。 同処理システムにおける発酵液改質処理部の具体的構成例を示す構成図である。 発酵温度と滅菌効果の関係を示す図である。 本発明に係る処理を行った改質発酵処理液と、改質処理を行っていない原発酵液との保水性の比較図である。 本発明に係る処理を行った改質発酵処理液と、改質処理を行っていない原発酵液と、更に含水澱粉について温度80℃の下での保水性の比較図である。 (A)(B)は、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液と、改質処理を行っていない原発酵液についての熱天秤法における重量減少ピーク時の温度を求めた重量減少曲線である。 CH、NH、N、NO、NO 、O等の安定性に関する酸化還元電位-pH図である。
発明を実施するための形態
 本発明に係る有機性廃棄物の処理システムおよび方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る有機性廃棄物の処理システムの一実施形態を示す構成図、図2は同処理システムにおける発酵液改質処理部の具体的構成例を示す構成図である。
 本実施の形態の有機性廃棄物の処理システムは、畜舎1から導入される家畜糞尿2に対して高温メタン発酵処理を行うメタン発酵層3と、該メタン発酵槽3で生じる発酵液4を受けて該発酵液4の保水性を向上させる発酵処理を行う発酵液改質処理部5を備えている。本実施の形態では、前記メタン発酵槽3と前記発酵液改質処理部5との間に窒素化合物除去部の一例としてアンモニア回収部6が設けられている。窒素化合物除去部としては、アンモニア回収部の他に公知のものも適用できる。また、メタン発酵層3で生成されるバイオガス7を精製する生物脱硫装置8が設けられ、該生物脱硫装置8によってバイオガス7中の硫化水素が除去されて精製バイオガス9となって、その利用先10に送られるようになっている。
 [高温メタン発酵処理]
 前記メタン発酵層3は、発酵温度がいわゆる中温メタン発酵(35℃~37℃程度)より高い高温メタン発酵処理を行うように構成されている。具体的には、発酵温度が少なくとも常時45℃以上、好ましくは50℃以上、更に好ましくは60℃以上の温度で嫌気性発酵処理を行えるように構成される。
 また、メタン発酵槽3は、例えば、4tの前記家畜糞尿2が一日3回に分けて送り込まれ、同様に一日3回に分けて前記送り込んだ量と同量の発酵液4を抜き出して後段の前記発酵液改質処理部5に導入するように構成される。そして、メタン発酵槽3の容量は、発酵温度が55℃の場合、滞留時間として15日間程度を確保できるように設定される。発酵温度が60℃の場合は、滞留時間は10日間程度で足りる。
 図3は発酵温度と滅菌効果の関係を示す図である。実線はブタプラボウィルスについて、破線は糞便性大腸菌について示している。この図から、60℃以上の高温でメタン発酵処理を行うことにより、人に対する病原性細菌のほとんどを死滅させることができることがわかる。70℃以上の高温でメタン発酵処理を行うとブタプラボウィルスも短時間でほとんど死滅させることができる。
 メタン発酵槽3に導入される有機性廃棄物は、本実施例では家畜糞尿2であるが、他の有機性廃棄物でもよい。すなわち、畜産廃棄物や緑農廃棄物、排水処理汚泥などが処理対処として挙げられる。ここで畜産廃棄物としては、前記家畜等の生物の糞尿の他に、屠体および/またはその加工品が挙げられ、より具体的には牛、羊、山羊、ニワトリ等の家畜の屠体、そこから分離された骨、肉、脂肪、内蔵、血液、脳、眼球、皮、蹄、角などのほか、例えば肉骨粉、肉粉、骨粉、血粉などに代表される、家畜屠体の骨、肉等を破砕した破砕物や、血液などを乾燥した乾燥物も含まれる。また緑農廃棄物には、家庭の生ごみのほか、産業廃棄物生ごみとして、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。
 [発酵液の改質処理]
 前記発酵液改質処理部5は、前記発酵液4を受けて該発酵液4の保水性を向上させる発酵処理を行うものである。本実施例では、発酵液改質処理部5は乳酸菌による乳酸発酵が行われる構成である。 
 該発酵液改質処理部5の具体的構成は、図2(A)、図2(B)に示したものが挙げられる。 
 図2(A)では、乳酸菌の培養槽10と発酵液に対する改質発酵層11とを備え、培養槽10から乳酸菌が改質発酵槽11に添加されて、該改質発酵槽11内で発酵液4中に含まれる糖分を基質として乳酸発酵を進行させるようになっている。
 すなわち、本実施例では、該改質発酵槽11内に乳酸菌が添加(100mg乳酸菌/10g発酵液)されて室温~30℃の範囲で所定時間(5分間~数10分間)乳酸発酵が行われるようになっている。尚、乳酸菌の種類によっては発酵時間を2~3時間にして十分に菌体の密度を高めることが好ましい。この乳酸発酵処理によって前記発酵液は改質されて改質発酵処理液14となる。図2(A)において、符号13は攪拌装置を示し、符号23、24、25は開閉弁を示し、各開閉弁23、24、25および攪拌装置13は、いずれも図示しない制御部によってその動作を制御されるようになっている。
 該改質発酵槽11は前記発酵液4が農地還元できる状態にまで最終処理された改質発酵処理液14を貯留しておく発酵液貯留槽(スラリータンク)12が兼用されている。乳酸発酵は、発酵液4中の基質が乳酸発酵によって消費されてなくなれば停止するので前記兼用構造が可能である。
 図2(B)では、改質発酵槽11と発酵液貯留槽(スラリータンク)12とが別個に設けられている。また、培養槽10には、改質発酵槽11における改質発酵処理液14が一部抜き出されて補充(10g乳酸菌処理発酵液/10g発酵液)されるようになっている。すなわち、改質発酵槽11に添加する乳酸菌として、システム立ち上げ当初は培養した乳酸菌で、システム立ち上げ後の適宜の時点から前記改質発酵処理液14中の乳酸菌を再利用する構成になっている。尚、図2(B)において、符号26、27も開閉弁を示し、各開閉弁23、24、25、26、27および攪拌装置13は、いずれも図示しない制御部によってその動作を制御されるようになっている。
 乳酸菌の種類としては、ラクトバシラス属(Lactobacillus グラム陽性の桿菌)、ビフィドバクテリウム属(Bifidobacterium グラム陽性の偏性嫌気性桿菌)、エンテロコッカス属(Enterococcus グラム陽性の球菌)、ラクトコッカス属(Lactococcus グラム陽性の球菌)、ペディオコッカス属(Pediococcus グラム陽性の球菌)、リューコノストック属(Leuconostoc グラム陽性の球菌)が挙げられる。
 これらの内、乳酸のみを最終産物として作り出し、エタノール、酢酸、二酸化炭素(CO)、水素(H)等を副生(ヘテロ乳酸発酵)しないホモ乳酸発酵を行う菌を用いることが好ましい。ここで、ホモ乳酸発酵を行う菌として、グラム陽性球菌であるStreptococus属(直鎖状球菌)、Pediococus属(四連球菌)、Leuconostoc属が挙げられる。また、グラム陽性桿菌であるL.lactis、L.acidophilus、L.bulgaricus等も挙げられる。 
 ヘテロ乳酸発酵を行う菌としては、L.pastrianus、L.brevis、L.fermenti等が挙げられる。
 尚、乳酸菌以外の他の発酵菌でも、前記発酵液中の糖分、例えばグルコースをオキシ・カルボン酸化できるものは利用することができる。
 発酵時間は、Leuconostoc属のbulgaricusを用いた場合、一般の乳製品の製造プロセスでは12~48時間程度であり、この時間を目安に設定することができる。
 [改質発酵処理液]
 次に、改質発酵処理液14の性状について説明する。 
 先ず、図4は、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14と、改質処理を行っていない原発酵液(原消化液)16との保水性の比較図である。この比較図は熱天秤法によって求めた温度40℃における各液の時間経過に対する重量減少曲線である。すなわち、この改質発酵処理液14を、熱天秤(理学株式会社製:TG-8101DサーモフレックスTAS300)を使用した熱天秤法にて保水性発現試験(温度と重量減微分値との関係を求める試験)を行った。
 尚、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14として、上記したように、発酵液に乳酸菌を添加(100mg乳酸菌/10g発酵液)して改質処理を行った乳酸菌添加発酵液14A(図2(A)に対応)と、発酵液に乳酸菌処理発酵液を混合(10g乳酸菌処理発酵液/10g発酵液)して改質処理を行った乳酸菌処理発酵液混合発酵液14B(図2(B)に対応)について行った。
 本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14A、14Bは、いずれも測定開始後60時間以上にわたって重量減少(水分蒸発)が少ないのに対して、原発酵液(原消化液)16では急激に重量が減少している。
 図5は、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14A、14Bと、改質処理を行っていない原発酵液16と、更に含水澱粉17について、温度80℃の下での保水性の比較図である。この比較図は熱天秤法によって求めた温度80℃における各液の時間経過(開始から5時間程度まで)に対する重量減少曲線である。
 本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14A、14Bは、いずれも測定開始後1時間半くらいの位置に変曲点18が存在するが、他の原発酵液16と含水澱粉17には変曲点が存在しない。このことから、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14A、14Bは、温度80℃の下で、固化乾燥が始まるまでに一定時間かかるのに対して、他の原発酵液16と含水澱粉17はいきなり固化乾燥が始まる傾向があることが解る。
 表1に本発明に係る処理を行った改質発酵処理液と、改質処理を行っていない原発酵液と、含水澱粉、水、5%NaClについて、熱天秤法における重量減少ピーク時の温度(蒸気圧降下(沸点上昇))の測定結果を示した。本発明に係る処理を行うことによって、原発酵液には存在していた、117℃の重量減少ピーク温度が無くなり、重量減少ピーク温度は135℃である性状の発酵処理液に変化していることがわかる。
 図6(A)(B)は、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液と、改質処理を行っていない原発酵液についての熱天秤法における重量減少ピーク時の温度を求めた重量減少曲線である。図において、符号21、22は前記重量減少曲線を微分して変曲点を解りやすくしたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 以上から、本発明に係る処理を行った改質発酵処理液14A、14Bは、原発酵液(原消化液)16に対して保水性が大幅に向上されていることが解る。
 [窒素化合物の除去]
 前記アンモニア回収部6は、前記発酵液4からアンモニアを回収して除去するものである。アンモニア回収部6としては、公知のものが利用可能であるが、本実施例では気液接触式のアンモニア放散塔が使われている。該アンモニア放散塔は、塔内上部から発酵液4を散液し、塔内下部から空気を送り、発酵液4と空気を対向流で気液接触させて発酵液4中のアンモニアを空気中に放散させて回収する構造である。このアンモニア回収部6により、発酵液4中のアンモニアはほとんど除去され、回収されたアンモニアは利用先で適宜利用に供される。
 本発明においては、メタン発酵槽3で高温メタン発酵処理が行われるので、発酵液4中には一層多くのアンモニア態窒素が生成される。前記発酵液4中に多く生成された前記アンモニア態窒素がアンモニア回収部6によって回収されるので、アンモニア回収処理後の発酵液4中に含まれるトータル窒素の量を効果的に減らすことができる。従って、土壌散布後に土壌や地下水に対する窒素汚染の問題を改善することができる。
 本発明に係る有機性廃棄物の処理システム及び方法の作用を説明する。 
 本有機性廃棄物の処理システムによれば、メタン発酵槽3で高温メタン発酵処理(第1発酵工程)を行うので、有機性廃棄物に含まれる悪臭をメタン発酵処理時に分解することができる。特に、有機性廃棄物が家畜などの生物の糞尿を含むものである場合は、硫化メチル、二硫化メチル、メチルメルカプタン等の硫化物を含む悪臭ガス成分が発酵液中に多く含まれるが、本発明では高温メタン発酵処理によって、これらの悪臭成分が分解される。 
 更に、高温メタン発酵処理がなされた前記発酵液4が、発酵液改質処理部5によって改質され(第2発酵工程)、保水性が向上している。
 従って、本発明に係る有機性廃棄物の処理システムによって処理された改質発酵処理液14のスラリーは、土壌に還元するに際して土壌表面に散布する形(第3工程)を採ることが可能になる。すなわち、以下の効果が得られる。
 なお、改質発酵処理液14のスラリーのスラリーを土壌表面に散布するための散布手段としては、ノズルの口径が従来のものより大きいスプリンクラーや、設置してある貯留槽に改質発酵処理液14のスラリーを溜めてそこから供給ポンプとホースによって農地へ散布するような固設型の装置が使用できる。また、改質発酵処理液14のスラリーをタンク等に入れて移動しながら農地へ散布するような移動型の装置も使用できる。
(1)改質発酵処理液14の高い保水性によって、土壌の表面に散布しても長期間(長時間)にわたって土壌改質を継続させることができ、従来の土中への鋤き込みを行った場合と同様の肥料化を実現できる。これにより、鋤き込み工程が不要となり、その分、労力及びコストを低減できる。
(2)しかも、改質発酵処理液14のスラリーは好気性環境下(地表面)に置かれるので、地中に鋤き込んだ場合(嫌気性環境)に発生する温暖化係数の高いガス(CH、NO)の発生を防止することができる。この点を以下に詳しく説明する。
 図7は、CH、NH、N、NO、NO 、O等の安定性に関する酸化還元電位-pH図である。この図で斜線が付された2箇所の領域は、Nが安定に存在でき、前記斜線が付された2箇所の領域で挟まれた間の領域はNの他にNOも安定に存在できる領域である。また、下方の領域はCH、NHが安定に存在でき、上方の領域はNO 、Oが安定に存在できる領域である。
 土壌表面付近の酸化還元電位は、空気(酸素)の存在によって、pHが7付近では領域19の辺りになる。すなわち、NOは不安定な領域である。しかも土壌表面は好気生環境であるため、嫌気性のメタン生成菌は働かず、CHやNOが生成されない。
 一方、土壌表面から15cm~20cmの深さの土中(鋤き込みされた状態)の酸化還元電位は、嫌気性環境に近づくので低下して図の領域20の辺りになる。この領域20ではNOが安定に存在できる上に嫌気性発酵菌によってCHやNOが作られる。従って、嫌気性発酵で作られたNOは、そこで反応が止まって大気中に放散されることになる。
 表2は、発酵液4を牧草地の土壌表面に散布した場合の土壌表面から1cm~2cmの辺りの酸化還元電位の測定値と、散布して10時間経過後にその場所から採取したガスの分析結果と、発酵液4を土壌中に鋤き込んだ場合の土壌表面から15cm~20cmの辺りの酸化還元電位の測定値と、鋤き込み後10時間経過後にその場所から採取したガスの分析結果を示す。 
 前者の土壌表面散布の場合、CHやNOは検出されないが、後者の土壌中に鋤き込んだ場合はCHが約10ppm、NOが約500ppb検出された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 本発明によれば、上記のように土壌表面に散布するので、好気性が維持されて、温暖化係数の高いガス(CH、NO)の発生を防止することができる。
(3)また、メタン発酵槽3で高温メタン発酵するので、家畜などの生物の糞尿を含む有機性廃棄物由来の発酵液スラリーであっても悪臭成分は分解され、該発酵液スラリーを土壌の表面に散布した後の悪臭発生の問題がない。
 本発明は、有機性廃棄物、特に家畜などの生物の糞尿を含む有機性廃棄物をメタン発酵処理して生じる発酵液の性状を改質して土壌還元を有効に行える有機性廃棄物の処理システム及び方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法に利用可能である。
符号の説明
 1 畜舎、 2 家畜糞尿、 3 メタン発酵槽、 4 発酵液、 5 発酵液改質処理部、 6 アンモニア回収部、 7 バイオガス、 8 生物脱硫装置、 9 精製バイオガス、 10 利用先、 11 改質発酵槽、 12 スラリータンク、 13 攪拌装置、 14 改質発酵処理液(処理消化液)、 16 改質処理を行っていない原発酵液、 17 含水澱粉、 18 変曲点、 19、20 領域、 23、24、25、26、27 開閉弁
特開2005-13909号公報

Claims (10)

  1.  有機性廃棄物に対して高温メタン発酵処理を行うメタン発酵槽と、
     前記メタン発酵槽の後段に設けられ、前記メタン発酵槽で生じる発酵液の保水性を向上させる発酵処理を行う発酵液改質処理部と、を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
  2.  請求項1に記載の有機性廃棄物の処理システムにおいて、
     前記メタン発酵槽と前記発酵液改質処理部との間に設けられて、前記発酵液から窒素化合物を除去する窒素化合物除去部を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
  3.  請求項1又は2に記載の有機性廃棄物の処理システムにおいて、
     前記メタン発酵槽は60℃以上の高温でメタン発酵処理を行えるように構成されていることを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
  4.  請求項1から3のいずれか一項に記載の有機性廃棄物の処理システムにおいて、
     前記発酵液改質処理部では乳酸菌による乳酸発酵が行われる構成であることを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
  5.  有機性廃棄物をメタン発酵処理して生じる発酵液を土壌還元する有機性廃棄物の処理方法であって、
     前記有機性廃棄物に対して高温でメタン発酵処理を行う第1発酵工程と、
     前記メタン発酵処理で生じた発酵液に対して保水性を向上させる発酵処理を行う第2発酵工程と、
     前記第2発酵工程を経た発酵液のスラリーを土壌の表面に散布する第3工程と、を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
  6.  請求項5に記載の有機性廃棄物の処理方法において、
     前記有機性廃棄物は家畜などの生物の糞尿を含むものであることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
  7.  請求項5又は6に記載の有機性廃棄物の処理方法において、
     前記第1発酵工程と第2発酵工程の間に、前記発酵液からアンモニアを回収するアンモニア回収工程を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
  8.  有機性廃棄物のメタン発酵で生じる発酵液に対して保水性を向上させる発酵処理を施すことを特徴とする有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法。
  9.  請求項8に記載の有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法において、
     前記保水性を向上させる発酵処理は、乳酸菌による乳酸発酵で行われることを特徴とする有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法。
  10.  請求項9に記載の有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法において、
     前記乳酸菌はホモ乳酸発酵を行なう菌であることを特徴とする有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法。
PCT/JP2009/001510 2008-11-07 2009-03-31 有機性廃棄物の処理システムおよび方法、有機性廃棄物由来の発酵液の改質方法 WO2010052805A1 (ja)

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