JP2006205030A

JP2006205030A - メタン発酵処理方法及び装置

Info

Publication number: JP2006205030A
Application number: JP2005019221A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Tomiuchi; 芳昌富内
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】汚泥の堆積や、嫌気性微生物を担持した担体の細孔が閉塞されにくく、メタン発酵処理能力に優れ、ランニングコストの低いメタン発酵処理方法および装置を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物を粉砕して処理液とし、前記処理液をメタン発酵処理してバイオガス等の資源を回収するメタン発酵処理方法において、メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた繊維素材を不織布状に形成した担体、及び処理液を攪拌する攪拌手段を配置し、前記攪拌手段による前記メタン発酵槽内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上とする。

【選択図】なし

Description

本発明は、嫌気性微生物を用いて、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理方法及び装置に関する。

生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。

メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができると共に、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。

生ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するメタン発酵装置として、例えば下記特許文献１などには、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するメタン発酵装置が開示されている。高温菌は、３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍程の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行うことで分解速度の向上と消化率の向上を図っている。

また、下記特許文献２には、メタン発酵処理装置には固定ろ床を設置し、メタン菌を固定ろ床に付着保持させる手法が開示されている。
特開平１０−１３７７３０号公報特開２００１−４６９９７号公報

メタン発酵処理技術が向上し、現在のメタン発酵処理装置は、例えば、固形物（ＴＳ）濃度１０％程度で、ＣＯＤ負荷１５ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ^３・Ｄ、発酵槽内滞留時間が約１０日間等といった高容積の有機物負荷での運転が可能となったが、メタン発酵槽の底部には発酵汚泥等が経時的に堆積し、処理液投入口等が閉塞されてしまい、また、嫌気性微生物を担持した担体の繊維間に、比較的粒度の大きい有機性廃棄物の未分解残渣等が入り込み、閉塞されてしまうため、メタン発酵処理能力が徐々に低下してしまうという問題点があり、メタン発酵槽内に導入された処理液を適宜攪拌し、汚泥の堆積等を抑制する必要がある。

しかし、過大な攪拌は、装置動力が必要でランニングコストが高くなるため、最適な攪拌を選定する必要があったが、具体的な判断がないのが現状であった。

本発明の目的は、これらの問題に鑑み、汚泥の堆積や、嫌気性微生物を担持した担体の細孔が閉塞されにくく、メタン発酵処理能力に優れ、ランニングコストの低いメタン発酵処理方法および装置を提供することにある。

上記問題を解決するにあたって、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を粉砕して処理液とし、前記処理液をメタン発酵処理してバイオガス等の資源を回収するメタン発酵処理方法において、メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた繊維素材を不織布状に形成した担体、及び処理液を攪拌する攪拌手段を配置し、前記攪拌手段による前記メタン発酵槽内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上とすることを特徴とする。

また、本発明において前記攪拌手段は、攪拌翼による機械攪拌、循環水流ポンプを利用した循環攪拌から選ばれた１種または２種を組み合わせて用いることが好ましい。

本発明のメタン発酵装置は、有機性廃棄物を粉砕した処理液をメタン発酵槽内に投入し、嫌気性微生物によりメタン発酵させて、バイオガス等の資源を回収するメタン発酵処理装置において前記メタン発酵槽は、供給された前記処理液を攪拌する攪拌機と、攪拌された前記処理液をメタン発酵させる繊維素材を不織布状に形成した担体にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持した担体保持層とを有し、前記メタン発酵槽内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上となるように前記攪拌機の駆動が設定されていることを特徴とする。

また、本発明において前記攪拌機は、攪拌翼による機械攪拌機、循環水流ポンプを利用した循環攪拌機から選ばれた１種または２種を組み合わせたものであることが好ましい。

本発明のメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵槽内を最小限の攪拌強度にて攪拌をおこない、メタン発酵槽の底部の汚泥等の堆積、処理液投入口の閉塞、及び嫌気性微生物を担持させた担体の処理液の未分解残渣等による目詰まり・閉塞等を防止するため、その方法を用いたメタン発酵装置は運転費用を低減できる。

以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１、２には、本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。

図１に示すように、この有機性廃棄物のメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕処理槽１と、この粉砕物を処理液として貯留する貯留槽２と、有機性廃棄物のメタン発酵を行うメタン発酵槽１０と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー３とから構成されている。

貯留槽２からの配管は、処理液供給ポンプ５を介してメタン発酵槽１０の処理液投入口２０に連結されている。

メタン発酵槽１０内には、メタン菌を主体とした嫌気性微生物（以下、単にメタン菌等ともいう。）が付着・担持された塊状の担体を分散させた流動床１１又はメタン菌等が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床が設置されており、この流動床１１又は固定ろ床により有機性廃棄物はメタンガス等のバイオガスと水に分解される。

担体を構成する材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ビニロン樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ピリジウムポリマーなどの合成樹脂素材や、炭素繊維などの繊維素材を用いることができる。本発明においては、上記合成樹脂素材を多孔質状に成形したものが好ましく、不織布や発泡体などがより好ましく、不織布が特に好ましく用いられる。また、繊維素材を紐状に編み込んだものも好ましく用いられ、このような多孔質状の担体を用いることにより、担体の表面積を増大することができるので、担体に付着・担持できるメタン菌等の数を大幅に増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止できる。このような担体として、例えば、菊花弁型バイオフレックス担体（商品名：株式会社日本バイリーン製）や、バイオコード（商品名：ティビーアール株式会社製）などの紐状の担体等が挙げられる。

また、担体にメタン菌等を付着・担持させる方法は、特に制限はなく、例えば、担体を、メタン菌等の培養液、メタン発酵槽内の消化汚泥、メタン菌等を含む下水消化汚泥等に浸漬して、そのまま１〜２時間、より好ましくは２４時間以上培養することにより、該担体にメタン菌等を付着・担持させることができる。

本発明においては、高温メタン菌を主体とする嫌気性微生物が好ましく用いられる。高温メタン菌とは、最大活性を示す温度域が５０〜５７℃であるメタン菌を意味し、具体的には特開平１０−１３７７３０号公報等に記載された高温メタン菌等が例示できるがこれらに限定されるものではない。例えば、メタン発酵槽内の消化汚泥や下水消化汚泥中には、高温メタン菌等の高温域で高い活性を示す嫌気性微生物以外に、低温メタン菌（最大活性を示す温度域：１５〜２０℃）、中温メタン菌（最大活性を示す温度域：３０〜３７℃）等が含まれており、このような消化汚泥を嫌気性条件下、５０〜６０℃で７〜２１日間発酵させることにより、高温メタン菌を主体とする嫌気性微生物を含む消化汚泥を得ることができるので、これに担体を浸漬することにより、高温メタン菌等を付着・担持させることができる。

また、メタン発酵槽１０は、安定したメタン発酵を行うために、該発酵槽内の有機性廃棄物を撹拌する手段を備えている。具体的には、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、以下の２つの手段が例示できる。

一つ目は、図２（ａ）に示すように、メタン発酵槽１０の上部に設けられた抜出し口１２ａから、循環ポンプ１３により該発酵槽内の有機性廃棄物の一部を抜出し、該発酵槽下部に設けられた投入口１２ｂから再び発酵槽内に投入することにより、発酵槽内の有機性廃棄物を循環させながら撹拌する方法である。

二つ目は、図２（ｂ）に示すように、メタン発酵槽１０にモーターによって回転する撹拌羽根１４を取り付けて、該発酵槽内の有機性廃棄物を機械的に撹拌する方法である。

本発明においては、上記の２つの撹拌手段を組み合わせて用いてもよい。

そして、メタン発酵槽１０内で発酵処理された有機性廃棄物の消化液は、該発酵槽１０の底部に設けられた排出口から排出されて、必要に応じて更に活性汚泥処理等の後処理が行なわれる。また、メタン発酵槽１０には、該発酵槽内を一定温度に保ち、発酵を促進するためにヒーター等の加熱手段を備えていることが好ましい。

なお、メタン菌等を流動床に担持して用いる場合、後述する攪拌強度Ｇを測定しやすくするため、メタン発酵槽１０に担体の大きさより小さな穴の開いたメッシュやパンチングメタル等の仕切り板１５を配置し、投入したスラリーだけが充填された混合部１０ａと、混合処理したスラリーをメタン発酵処理する発酵処理部１０ｂとに区画することが好ましい。

次に本発明のメタン発酵処理方法について説明する。

有機性廃棄物は、粉砕処理槽１にまず貯蔵され、破砕、粉砕される。この破砕、粉砕された有機性廃棄物は貯留槽２に貯留される。通常、原料となる有機性廃棄物の含水量は高いので、微粉砕することによりペースト状の処理液となる。そして、この処理液の固形分濃度は、後述するメタン発酵槽１０内での分解速度及び消化率を向上させるため、５〜１５質量％となるように調整することが好ましい。また、処理液の粒度も同様の理由から、２ｍｍ以下となるように調整することが好ましい。

貯留槽２に投入されたペースト状の有機性廃棄物は、処理液供給ポンプにより、メタン発酵槽１０に送られ、該発酵槽内でメタン発酵が行なわれる。また、メタン発酵槽１０内では、処理液中の固形分及び未分解残渣等による沈殿や、処理液の細粒化を行うため、メタン発酵槽１０内に設置された攪拌手段を定期的に作動させて、該発酵槽内の攪拌を行われる。

本発明では、メタン発酵槽１０内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上で攪拌することを特徴とし、２．９〜２５０とすることが好ましい。処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上で攪拌することで、メタン発酵槽１０の底部への沈殿物の堆積、処理液投入口２０の閉塞、及び担体の細孔の閉塞等を防止できるため、メタン発酵処理能力の経時低下を抑制できる。また、攪拌強度の上限値は、メタン発酵装置のスケール、消費電力等により適宜設定することができるが、２５０以上としても装置運転コストがかかるだけで処理能力の向上がさほど認められなくなるため、上限値は２５０とすることが好ましい。

また、攪拌はスラリーをメタン発酵槽に投入する際に行うことが好ましく、連続的に攪拌することがより好ましい。

ここで、攪拌強度とはＳｔｅｉｎの式から算出される速度勾配Ｇ値（１／ｓ）を示す数値であり、例えば水道施設設計指針２０００（日本水道協会編、平成１２年３月３１日発行、第１９０ページ）に記載された計算式から算出できる。

例えば、液返送ポンプ拡散方式による攪拌強度は下記式（１）で示すことができる。

ただし、式中の記号はρ：処理液の密度（Ｋｇ／ｍ^３）、μ：処理液の粘性係数（Ｋｇ／ｍ／ｓ）、Ｖ：処理液の容積(ｍ^３)、Ｑ；ノズル噴出水量（ｍ^３／ｓ）、ｖ_０：ノズル噴出水の初速度（ｍ／ｓ）を表す。

また、攪拌翼を用いた場合の攪拌強度は、フラッシュミキサー方式を用いることで計算できる値を用いても同様の評価が可能であり、攪拌翼の運動方向に直角な面積を用いて計算したフラッシュミキサー方式のＧ値は以下の式（２）で表せられる。

ただし、式中の記号はρ：処理液の密度（Ｋｇ／ｍ^３）、μ：処理液の粘性係数（Ｋｇ／ｍ／ｓ）、Ｃ：攪拌翼の抵抗係数、ａ：攪拌翼の運動方向に直角な面積(ｍ^２)、ｖ_ａｖ：攪拌翼の平均速度(ｍ／ｓ)、Ｖ：処理液の容積(ｍ^３)を表す。

ここで、上記式（１）、（２）における処理液の容積Ｖとは、メタン発酵槽１０に仕切り板１５を配置し、メタン発酵槽１０を混合部１０ａと発酵処理部１０ｂに区画した場合は、混合部１０ａ中の処理液の容積であり、メタン発酵槽１０に仕切り板１５を配置せず、メタン発酵槽１０を混合部１０ａと発酵処理部１０ｂに区画していない場合は、メタン発酵槽１０中の処理液の容積である。

そして、メタン発酵槽１０における発酵により生成したバイオガスは、ガスホルダー３に回収されて、エネルギー等として使用される。例えば、回収されたガスの一部を、メタン発酵槽１０内の温度を一定に保つためのヒーターの燃料として用いることにより、システムの省エネルギー化を図ることができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。なお、以下の例においては、メタン発酵槽内での攪拌は、循環水流ポンプを利用した循環攪拌を用い、攪拌強度は上記式（１）を用いて算出した。

有機性廃棄物は、食堂厨芥を原料とし、水道水で２倍希釈して、食堂用カッターミキサーで処理し粒径１０ｍｍ以下、固形分濃度１０％のペースト状の処理液に調整して用いた。

図２（ａ）に示す攪拌手段を備えたメタン発酵槽を用い、メタン発酵槽（容積２．０ｍ^３）内に、高温メタン発酵液を２．０ｍ^３投入し、開孔径２００μｍ、空隙率９９％以上のポリエステル繊維を、約１５ｍｍ立方に裁断加工した担体に、高温メタン菌を担持させたものを、メタン発酵槽内に１．２ｍ^３充填した。そして、表１に示す流量条件でメタン発酵槽内を攪拌し、５５℃±１℃にてメタン発酵を２週間行った。投入負荷は、処理液をＨＲＴ（水理学的滞留時間）＝３日（３５ｇＴＯＤ／Ｌ／日）として、一日あたり６６６Ｌを６分割で投入した。流量条件及び攪拌強度Ｇ値を表１に示す。

また、メタン発酵処理槽内の沈殿物等による堆積の有無を経時で確認し、２週間経過後の処理液投入口２０付近の処理液を分析して、ガス化率、ＶＳ分解率、ＶＦＡ（有機酸量）、Ｍアルカリ度を求めた。試験結果を表２に示す。

上記結果より、攪拌強度Ｇ値が０．３６である試験例１は、沈殿物が堆積しやすく、また、ＶＦＡ値も極めて高く、メタン発酵処理能力も経時で低下しやすいものであった。

また、攪拌強度Ｇ値が２．９以上である試験例２、３では、沈殿物による堆積は発生しにくく、長期稼動に適するものであった。また、また、ＶＦＡ値も６０００ｍｇ／ｌ以下と比較的低めであり、メタン発酵処理能力も経時低下しにくいものであった。

本発明のメタン発酵処理方法は、例えば、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するために好適に用いることができ、また、本発明のメタン発酵処理方法を採用したメタン発酵処理装置は、保守・管理・運転コストの低減が期待できる。

メタン発酵装置の一例を示す概略図である。本発明におけるメタン発酵槽を示す概略図である。

符号の説明

１：粉砕処理槽
２：貯留槽
３：ガスホルダー
５：処理液供給ポンプ
１０：メタン発酵槽
１１：流動床
１２ａ：抜き出し口
１２ｂ：投入口
１３：循環ポンプ
１４：撹拌羽根
１５：仕切り板

Claims

有機性廃棄物を粉砕して処理液とし、前記処理液をメタン発酵処理してバイオガス等の資源を回収するメタン発酵処理方法において、
メタン発酵槽内に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた繊維素材を不織布状に形成した担体、及び処理液を攪拌する攪拌手段を配置し、
前記攪拌手段による前記メタン発酵槽内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値を２．９以上とすることを特徴とするメタン発酵処理方法。
前記攪拌手段は、攪拌翼による機械攪拌、循環水流ポンプを利用した循環攪拌から選ばれた１種または２種を組み合わせて用いる請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
有機性廃棄物を粉砕した処理液をメタン発酵槽内に投入し、嫌気性微生物によりメタン発酵させて、バイオガス等の資源を回収するメタン発酵処理装置において、
前記メタン発酵槽は、供給された前記処理液を攪拌する攪拌機と、攪拌された前記処理液をメタン発酵させる繊維素材を不織布状に形成した担体にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持した担体保持層とを有し、
前記メタン発酵槽内の処理液を投入した場所の攪拌強度のＧ値が２．９以上となるように前記攪拌機の駆動が設定されていることを特徴とするメタン発酵装置。
前記攪拌機は、攪拌翼による機械攪拌機、循環水流ポンプを利用した循環攪拌機から選ばれた１種または２種を組み合わせたものである請求項３に記載のメタン発酵処理装置。