JP2004050143A

JP2004050143A - 有機性廃棄物の処理方法

Info

Publication number: JP2004050143A
Application number: JP2002214856A
Authority: JP
Inventors: Taira Hanaoka; 花岡　平; Akio Tamaki; 田巻　昭夫; Mitsuharu Yasutake; 安武　光春
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができ、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を処理する方法において、廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物を処理する方法に関し、更に詳しくは、有機性廃棄物を可溶化し、嫌気性消化処理してメタンガスを回収する方法であり、特に、有機性廃棄物としてのセルロース含有廃棄物を処理するのに効果的な有機性廃棄物の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される有機性廃棄物は、コンポスト化処理方法や飼料化処理方法により有効利用されているものもあるが、多くは焼却して埋立処分されている。
【０００３】
前記有機性廃棄物の処理方法にあって、コンポスト化処理や飼料化処理する方法においては、大都市圏で廃棄物量が多いにもかかわらず、製造されたコンポストや飼料の消費量が極めて少なく、多量に処理しても流通を確保するのが容易ではない問題がある。そのため有機性廃棄物を処理する方法として、廃棄物を破砕し、破砕物をメタン菌等の嫌気性微生物が浮遊する嫌気性処理槽により、嫌気性微生物の生物学的作用で有機物を生物学的に分解し、メタンを主成分とする消化ガスを生成させ、消化ガスを燃料等に有効活用する嫌気性消化処理方法が開示されている（特開平１１−２８４４５号公報、特開１１−３００３２３号公報参照）。
【０００４】
また、有機性排水を生物処理し、発生した有機性廃棄物としての余剰汚泥を嫌気性消化処理する方法として、特開平２−２１１２９９号公報に、汚泥を適宜な可溶化処理工程で可溶化したのち、所定のｐＨ範囲と処理日数で嫌気性消化処理する方法が開示されており、また、特開２０００−２４６２８０号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化液を好気性消化処理し、更に、好気消化液を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥をオゾンによる可溶化処理で可溶化して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。更に、特開２００１−１５７９００号公報には、汚泥を嫌気性で消化処理し、処理後の嫌気消化汚泥を固液分離して汚泥を濃縮し、濃縮汚泥を適宜な改質処理工程（可溶化処理工程）で可溶化処理して嫌気性処理工程に返送する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記各公報に記載された、有機性廃棄物を破砕して破砕物を嫌気性消化処理する方法や有機性廃棄物を可溶化処理した可溶化液を嫌気性消化処理する方法などにおいては、食品製造業、食品流通業又は外食産業の厨房などから排出される食品廃棄物など、セルロースを比較的多く含有する有機性廃棄物では、セルロースが極めて生物による分解がしにくい性質をもっているため、破砕処理単独や可溶化処理単独による前処理では、メタン菌等の嫌気性微生物による分解がしやすい性状とするには不十分であるため、嫌気性消化処理により効率的にメタンガスを回収することができにくい問題がある。
【０００６】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法を提供する目的で成されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項１に記載した発明においては、有機性廃棄物を処理する方法において、前記廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
【０００８】
前記請求項１に記載の方法では、有機性廃棄物を機械的に微細破砕することにより、セルロースの裁断による表面積の増加や細胞壁の破壊などにより、後段の可溶化処理においての可溶化処理における効率を高めることができ、可溶化処理により、高分子状物質が低分子化されるため、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の装置においては、請求項１に記載の有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である。
【００１０】
前記請求項２に記載の方法では、酵素反応工程を設けたことにより、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができ、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【００１１】
また、請求項３に記載した発明においては、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法における有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、可溶化処理工程が、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程と少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程からなる。
【００１２】
前記請求項３に記載の方法では、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けることにより、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解し、更に、酵素反応工程により、セルロースなどの生物により分解しにくい物質を効率的に低分子化させ、水に可溶な物質に可溶化処理することができることにより、嫌気性消化工程における嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の方法においては、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程が酸発酵工程とメタン発酵工程からなる有機性廃棄物の処理方法である。
【００１４】
前記請求項４に記載の方法では、嫌気性消化工程を酸発酵工程とメタン発酵工程の２工程とすることにより、酸発酵工程において、可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、メタン発酵工程におけるメタン菌によるメタン発酵を効率的におこなうことができ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮を図ることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の方法においては、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法における、嫌気性消化工程における消化液及び／又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送する有機性廃棄物の処理方法である。
【００１６】
前記請求項５に記載の方法では、嫌気性消化液及び／又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送することにより、可溶化工程において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図ることができる。
【００１７】
また、前記において、嫌気性消化工程においては、機械攪拌手段やガス攪拌手段などが付設されたメタン発酵槽などを用いることができ、更に、酸発酵槽とメタン発酵槽とを区画分離して設けた槽であってもよい。なお、嫌気性消化工程における処理温度は、２５〜７５℃、好ましくは４５〜６０℃、滞留時間は、２４時間〜２週間であり、処理温度が２５℃よりも低いと、生物学的嫌気性消化処理が進みにくいなどの問題があり、また、７５℃よりも高いと、嫌気性微生物が生存しにくいなどの問題がある。なお、生成したメタンガスを汚泥の加温に利用することで、運転経費や設備費などが低廉化できる。
【００１８】
また、酵素反応工程における少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素を用いることができる。また、酵素反応工程における反応温度は４５〜６５℃、好ましくは５０〜５５℃であり、反応温度が４５℃よりも低い場合や６５℃よりも高い場合には、酵素の活性が低下して反応が進みにくく、処理効率が低くなり過ぎる。また、滞留時間は１〜４８時間が好ましく、更に好ましくは、６〜２４時間であり、滞留時間が１時間よりも短いと反応が不足し、可溶化処理が充分に行われず、４８時間よりも長いと、反応槽が過大となるわりには、可溶化効果の増加が望めない。また、酵素添加量は、有機性廃棄物中の固形分の０．０１〜１．０ｗｔ％が好ましく、更に好ましくは０．０５〜０．４ｗｔ％であり、０．０１ｗｔ％よりも低いと、可溶化効果が少なく、１．０ｗｔ％よりも高いと必要以上に酵素費用が嵩む問題がある。
【００１９】
また、有機性廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程に用いられる破砕装置としては、被処理物を固定刃に高速で衝突させて破砕、又は高速回転刃で破砕する機械式破砕機や摩砕する石臼などが用いられ、また、水を混合して破砕する湿式破砕装置なども用いることができる。
【００２０】
また、固液分離工程に用いられる固液分離装置としては、沈殿槽、加圧浮上装置、分離膜装置及び遠心分離装置などを適宜に用いることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態の処理装置の系統図、図２は本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図、図３は本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を２段に設けた要部系統図、図４は本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を２段に設けた要部系統図である。なお、全図において、相当する作用を有する部材には同一の番号を付した。
【００２２】
図において、１は、固形の有機性廃棄物（以下単に廃棄物という。）であるセルロース含有廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程の機械式破砕装置であり、２は、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程の少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程である酵素反応槽であり、パドル型攪拌機、スクリュウ型攪拌機などの機械式攪拌混合装置やニーダーなどの混練混合装置などの攪拌混合手段７及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段が付設されている。
【００２３】
３は、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程の嫌気性消化槽であり、図示しないガス攪拌手段及び図示しないスチームや熱交換器などの加熱手段などが付設されている。また、４は、嫌気性消化された消化液を処理水と汚泥に固液分離する固液分離工程の沈殿槽である。
【００２４】
５は、沈殿槽４で沈降分離された分離消化汚泥をコンポスト化するコンポスト化工程のコンポスト化装置であり、縦型発酵槽、横型切り替えし手段付設装置などを用いることができる。なお、コンポスト化装置の前段に分離汚泥を更に濃縮する分離膜装置や遠心分離装置などを配置することができる。６は、酵素反応槽２及び嫌気性消化装置３で生成したメタンを主成分とする消化ガスを貯留するガスホルダであり、本ガスホルダの前段に、消化ガス中の硫黄化合物を除去する脱硫装置を配置するのが好ましい。
【００２５】
また、図２においては、嫌気性消化工程の嫌気性消化槽３からの消化液を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路や沈殿槽４で固液分離された分離汚泥を更に濃縮装置８で濃縮し、濃縮汚泥を可溶化工程の酵素反応槽に返送する経路を設けたものであり、また、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化して嫌気性消化槽３や好気性消化槽などに供給する構成としてもよい。
【００２６】
また、図３においては、可溶化工程を好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽２ａと酵素反応工程の酵素反応槽２ｂの２段に設けたものであり、好熱好気生物可溶化槽２ａの後に酵素反応槽２ｂを配置しているが、酵素反応槽２ｂの後に好熱好気生物可溶化槽２ａを配置した構成であってもよい。また、図４においては、嫌気性消化工程を酸発酵工程の酸発酵槽３ａとメタン発酵工程のメタン発酵槽３ｂの２段に設けたものである。
【００２７】
なお、可溶化処理工程における酵素反応槽２，２ｂ、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程を設けた装置における好熱好気生物可溶化槽２ａ、嫌気性消化工程における嫌気性消化槽３及び酸発酵工程とメタン発酵工程を設けた装置における酸発酵槽３ａやメタン発酵槽３ｂなどにおいては、それぞれの内容液の循環経路３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂを設けてもよい。
【００２８】
次に有機性廃棄物の処理装置によりセルロース含有の食品廃棄物を処理する処理方法について以下詳述する。図１において、セルロース含有の食品廃棄物を廃棄物供給経路１１から機械式破砕装置１に供給し、廃棄物破砕工程で０．２ｍｍ以下まで微細破砕してスラリー状とする。
【００２９】
破砕されたスラリー状の破砕物を破砕物供給経路１２から酵素反応槽２に供給し、酵素反応工程で少なくともセルロース分解酵素を含む酵素を酵素供給経路１３から供給して、攪拌混合手段７で攪拌混合し、図示しない加熱手段により反応温度４５〜６５℃、好ましくは５０〜５５℃で、滞留時間１〜４８時間、好ましくは、６〜２４時間で廃棄物と酵素を反応させることにより、廃棄物中の生物分解されにくいセルロースなどを低分子化して可溶化する。なお、混合する少なくともセルロース分解酵素を含む酵素としては、セルラーゼ、ヘミセルラーゼ又はペクチナーゼから選ばれた少なくとも一つの酵素を単独又は混合した酵素である。なお、酵素反応においては、必要により更に水を添加してもよい。また、酵素添加量は、廃棄物中の固形分の０．０１〜１．０ｗｔ％、好ましくは０．０５〜０．４ｗｔ％である。
【００３０】
酵素反応槽２により可溶化された可溶化液を可溶化液供給経路１４から嫌気性消化槽３に供給し、嫌気性消化工程で、図示しない攪拌手段により攪拌し、また、加熱手段により温度２５〜７５℃、好ましくは４５〜６０℃に加熱し、滞留時間２４時間〜２週間で消化処理してメタンを主成分とする消化ガスを得る。生成した消化ガスは消化ガス抜き出し経路１７からガスホルダ６に供給して貯留し、貯留された消化ガスは、燃料などとして適宜に使用される。なお、廃棄物によっては、硫黄化合物を含有し、嫌気性消化処理工程での生物処理で硫化水素ガスが発生するため、ガスホルダ６の前段に脱硫装置が配置され、脱硫処理される。
【００３１】
嫌気性消化槽３で消化処理された消化液を消化液供給経路１４から沈殿槽４に供給し、固液分離工程により処理水と汚泥に固液分離し、処理水は系外に排出されて、図示しない活性汚泥処理装置などで更に浄化されて放流される。
【００３２】
また、沈殿槽４で沈降分離された分離汚泥は、分離汚泥抜き出し経路２０から抜き出され、コンポスト化装置５に供給され、コンポスト化工程でコンポスト化され、図示しない貯留槽で貯留されたのち、土壌改良材や肥料などとして系外に搬出される。なお、分離汚泥をコンポスト化せずに、公知の可溶化装置で再可溶化処理し、可溶化液を嫌気性消化槽３や好気性消化槽などに供給してもよい。
【００３３】
また、図２において、嫌気性消化処理工程の嫌気性消化槽３で消化処理された消化液の少なくとも一部を消化液返送経路２３から可溶化処理工程の酵素反応槽に返送する。又は、固液分離工程の沈殿槽４で分離された分離汚泥の少なくとも一部を分離汚泥返送経路２４から可溶化処理工程の酵素反応槽２に返送することにより、酵素反応槽２において、酵素反応と酸発酵が併行して行われるため、可溶化効率を向上させることができると共に、嫌気性消化処理に伴って発生する汚泥の発生量の低減化とメタン回収率の向上を図る。なお、前記工程における処理は、それぞれ単独に行なってもよく、又は、併行して行なってもよい。また、分離汚泥の返送においては、返送経路２４に濃縮装置８を配置して濃縮し、濃縮汚泥として濃縮汚泥返送経路２４ａから返送する構成としてもよい。
【００３４】
また、図３において、可溶化工程が好熱性菌可溶化工程の好熱好気生物可溶化槽２ａと酵素反応工程の酵素反応槽２ｂの２段に設けてあり、好熱好気生物可溶化槽２ａにおいて、有機性廃棄物の蛋白質、炭水化物及び脂肪などを好熱性菌が産生するプロテアーゼ、アミラーゼ及びリパーゼなどの酵素により分解して可溶化され、第１可溶化液は第１可溶化液供給経路１４ａから酵素反応槽２ｂに供給され、酵素反応槽２ｂにおいてセルロースなどの生物により分解しにくい物質が、前記酵素反応により可溶化され、廃棄物全体としての可溶化を効率的に行なうことができ、可溶化液は第２可溶化液供給経路１４ｂから後段の嫌気性消化工程に供給される。なお、前記においては、好熱性菌可溶化工程の後に酵素反応工程を行なう構成であるが、酵素反応工程の後に好熱性菌可溶化工程を行なう構成であってもよい。
【００３５】
また、図４においては、嫌気性消化工程が酸発酵工程の酸発酵槽３ａとメタン発酵工程のメタン発酵槽３ｂの２段に設けてあり、酸発酵槽３ａの酸発酵工程において可溶化液中の有機物が有機酸に転換され、酸発酵処理された第１消化液は第１消化液供給経路１５ａからメタン発酵槽３ｂに供給され、メタン発酵槽３ｂのメタン発酵工程によりメタン菌によるメタン発酵が効率的に行われ、メタン回収率が向上すると共にメタン発酵時間の短縮が図られる。メタン発酵処理された第２消化液は第２消化液供給経路１５ｂから後段の固液分離工程に供給される。
【００３６】
また、可溶化工程及び嫌気性消化工程におけるそれぞれの槽に、内容液の循環経路３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂを設け、内容液の循環を行なうことにより、それぞれの反応を確実に促進することができ、メタン回収率が向上する。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
製餡工場からの小豆餡粕（固形物濃度（ＳＳ）１５〜２０ｗｔ％、水分８０〜８５ｗｔ％、固形物中の有機性固形物（ＶＳＳ）９６ｗｔ％以上）を、機械式破砕機（アーシェルジャパン株式会社製の商標「コミトロール」）で、０．２ｍｍ以下に破砕し、水を加えて固形物濃度１０ｗｔ％に調製し、酵素の相違による影響（表１）、複数酵素のブレンドによる影響（表２）、反応温度の影響（表３）、反応時間の影響（表４）、酵素添加量の影響（表５）及び酸発酵併用による可溶化効果の影響（表５）について調査した。なお、添加する酵素としては、固体培養（こうじ菌培養）を行なって得た、酵素Ａ：セルラーゼ、酵素Ｂ：セルラーゼ＋ヘミセルラーゼ、酵素Ｃ：ペクチナーゼ、酵素Ｄ：ペクチナーゼ＋ヘミセルラーゼを用いた。
【００３８】
【表１】

表１から、酵素Ａ＞酵素Ｂ＞酵素Ｄ＞酵素Ｃの順序で可溶化効果があることが判明した。
【００３９】
【表２】

表２から、単独の酵素による可溶化処理よりも複数の酵素をフ゛レント゛した方が可溶化効果があることが判明した。
【００４０】
【表３】

表３から、反応温度が５０℃と５５℃で最も可溶化効果があることが判明したが、その他の温度においても酵素の添加効果が極めて大きいことが判明した。
【００４１】
【表４】

表４から、反応時間としては、６時間までは急激に可溶化効果が上昇し、その後は次第に低下することが判明した。
【００４２】
【表５】

表５から、酵素添加量が増加するに従って可溶化効果が上昇することが判明した。
【００４３】
【表６】

表６から、酸発酵した後に酵素可溶化すると可溶化効果が上昇することが判明した。
【００４４】
（実施例２）
酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用して処理した試料、酸発酵工程のみで処理した試料、原料そのものを試料としたものについて、上向流嫌気性処理槽から採取したグラニュール汚泥を用いて嫌気性消化処理を行ない、累積メタン発生量を調査した結果を図５にグラフで示す。
図５から、酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用することにより、メタン発酵時間の短縮やメタンガスの回収率が約２０％増加することが判明した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、有機性廃棄物からメタンガスを効率的に回収でき、特に、生物分解しにくいセルロースを含有する有機性廃棄物の処理に適した方法として、有機性廃棄物を嫌気性微生物による分解がしやすい性状とし、嫌気性微生物によるメタン発酵を効率的に行うことができることにより、メタンガスとしての再資源化を促進する有機性廃棄物の処理方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の処理装置の系統図
【図２】本発明の他の実施の形態の処理装置の系統図
【図３】本発明の他の実施の形態の処理装置の可溶化工程を２段に設けた要部系統図
【図４】本発明の他の実施の形態の処理装置の嫌気性消化工程を２段に設けた要部系統図
【図５】本発明の一実施の形態の処理方法における酸発酵工程と酵素可溶化工程を併用した効果を示すグラフ
【符号の説明】
１：機械式破砕装置（廃棄物破砕工程）
２：酵素反応槽（可溶化処理工程）
３：嫌気性消化槽（嫌気性消化処理工程）
４：沈殿槽（固液分離工程）
５：コンポスト化装置（コンポスト化工程）
６：ガスホルダ
７：攪拌混合手段

Claims

有機性廃棄物を処理する方法において、前記廃棄物を機械的に微細破砕する廃棄物破砕工程と、破砕された廃棄物を可溶化する可溶化処理工程と、可溶化された可溶化液を嫌気性消化処理してメタンガスを回収する嫌気性消化工程と消化処理された消化液を固液分離する固液分離工程を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
前記有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、前記可溶化処理工程が、少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程であることを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法
前記有機性廃棄物がセルロース含有廃棄物であり、前記可溶化処理工程が、好熱性微生物が生成する酵素により可溶化する好熱性菌可溶化工程と少なくともセルロース分解酵素を含む酵素により可溶化する酵素反応工程からなることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記嫌気性消化工程が酸発酵工程とメタン発酵工程からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
前記嫌気性消化工程における消化液及び／又は固液分離工程で分離された固形物の少なくとも一部を可溶化処理工程に返送することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法。