JP2010207700A - メタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メタン発酵槽内をメタン発酵に適したｐＨに維持しつつ、膜透過液導出配管内におけるＭＡＰの析出を抑制することが可能な低コストのメタン発酵処理装置を提供する。
【解決手段】メタン発酵槽１２内の消化汚泥よりも高温で且つ液状に可溶化された有機性物質をメタン発酵槽１２に供給し、メタン発酵槽１２内の消化汚泥を膜分離手段１３によって濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理装置１１であって、膜分離手段１３の分離膜１９を透過した膜透過液を外部へ取り出す膜透過液導出配管３０と、膜透過液導出配管３０内を流れる膜透過液と可溶化槽１５内の有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温する熱交換手段とが備えられ、熱交換手段として、膜透過液導出配管３０の一部に形成されたコイル状の管部３０ａが可溶化槽１５内に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸留酒やアルコール製造工程からの蒸留廃液、食品工場廃棄物等のリン、マグネシウム、窒素分を多く含んだ高温の有機性物質をメタン発酵処理するメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法に関する。

従来、この種のメタン発酵処理装置としては、図５に示すように、メタン発酵槽５１内の消化汚泥を膜分離槽５３との間で循環しながら浸漬型の膜分離手段５２で濃縮してメタン発酵処理を行なうものがある。膜分離手段５２は膜分離槽５３内に設置され、膜分離槽５３はメタン発酵槽５１に連通している。メタン発酵槽５１の前段には可溶化槽５４が設置されている。また、メタン発酵槽５１の後段には、膜分離手段５２の分離膜を透過した膜透過液を生物処理する生物処理槽５５が設置されている。

膜分離槽５３と生物処理槽５５との間には、膜透過液を膜分離手段５２から生物処理槽５５へ移送する膜透過液導出配管５６が設けられている。
これによると、可溶化槽５４において液状に可溶化された有機性物質は、メタン発酵槽５１に投入され、通常約３５〜６０℃の温度でメタン発酵処理される。メタン発酵槽５１内の消化汚泥は膜分離手段５２で固液分離されることで濃縮される。この際、膜分離手段５２の分離膜を透過した膜透過液は、吸引ポンプ５７によって吸引され、膜透過液導出配管５６内を流れて生物処理槽５５に送られ、生物処理槽５５において生物処理された後、処理液として河川等に放流される。

また、有機性物質としては例えば焼酎やウイスキー等の蒸留酒を造る際に発生する蒸留廃液等があるが、このような蒸留廃液は、通常約７０〜８０℃の温度を有し、リン、マグネシウム等の無機分と窒素の含有率が高く、メタン発酵処理工程中でリン酸マグネシウムアンモニウム（以下、ＭＡＰと略記する）が生成し易くなる。特に、膜透過液導出配管５６においては膜透過液が外気により冷却されるため、膜透過液導出配管５６の内周面にＭＡＰの無機結晶が生成し易い環境となり、この無機結晶が次第に成長して膜透過液導出配管５６が閉塞するといった問題がある。

このような問題の対策として、ＭＡＰの無機結晶の生成を抑制するために、塩鉄等の薬剤を多量にメタン発酵槽５１内に添加している。
また、下記特許文献１には、メタン発酵槽内の消化汚泥の一部を引き抜き、濃縮機で濃縮し、濃縮機の濃縮分離液を処理水として下水道等へ放流することが記載されており、さらには、濃縮分離液の移送配管中にＭＡＰの結晶が析出する場合、濃縮分離液に水道水、工業用水、下水二次処理水等を導入して濃度を下げ、ＭＡＰの析出を抑制する点が記載されている。

特開２００５−１９９２５８

しかしながら上記図５に示した従来形式では、薬剤の添加に要するコストが高いといった問題や、或いは、薬剤の添加によってメタン発酵槽５１内のｐＨが変動し、メタン発酵槽５１内をメタン発酵に最適なｐＨに維持することが困難になるといった問題がある。

また、上記特許文献１に示したものでは、濃縮分離液に水道水、工業用水、下水二次処理水等を導入することにより、濃縮分離液を薄めて濃縮分離液に含まれるアンモニアやリン等の濃度を下げているため、濃縮分離液の量が大幅に変動してしまうという問題がある。

本発明は、メタン発酵槽内をメタン発酵に適したｐＨに維持しつつ、膜透過液導出配管内におけるＭＡＰの析出を抑制することが可能な低コストのメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本第１発明は、消化汚泥中において有機性物質のメタン発酵処理を行なうメタン発酵槽と、流動性を有し且つメタン発酵槽内の消化汚泥よりも高温である有機性物質をメタン発酵槽に供給する原料供給手段と、膜分離手段を有し、
メタン発酵槽内の消化汚泥中の固形分を膜分離手段によって濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理装置であって、
膜分離手段の分離膜を透過した膜透過液を外部へ取り出す膜透過液導出配管と、膜透過液導出配管内を流れる膜透過液と原料供給手段によってメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温する熱交換手段が備えられているものである。

これによると、高温で且つ液状に可溶化された有機性物質は、原料供給手段によってメタン発酵槽に供給され、メタン発酵槽内でメタン発酵処理される。また、メタン発酵槽内の消化汚泥は膜分離手段により濃縮される。この際、膜分離手段の分離膜を透過した膜透過液は膜透過液導出配管内を流れて外部へ取り出される。

このとき、熱交換手段が膜透過液導出配管内を流れる膜透過液とメタン発酵槽に供給される高温の有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温することにより、膜透過液導出配管内の膜透過液の温度低下に伴うＭＡＰの溶解度積の減少が抑制されるため、ＭＡＰの無機結晶が析出し難い環境となり、膜透過液導出配管の内周面にＭＡＰが析出するのを抑制することができる。

これにより、塩鉄等の薬剤の添加量（使用量）を大幅に削減することができるため、コストを低減することが可能であり、さらに、容易にメタン発酵槽内をメタン発酵に最適なｐＨに維持することができる。

また、メタン発酵槽に供給される高温の有機性物質の温度を利用して膜透過液を加温するため、有機性物質の温度を有効に利用でき、さらにコストを低減することができる。
本第２発明は、原料供給手段は有機性物質を液状又はスラリー状に可溶化させる可溶化槽を有し、
熱交換手段は膜透過液導出配管が可溶化槽内を通過する構成を有するものである。

これによると、膜透過液が膜透過液導出配管内を流れて外部へ取り出される際、膜透過液導出配管内の膜透過液と可溶化槽内に貯留された高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて膜透過液が加温される。これにより、膜透過液導出配管内の膜透過液の温度低下が抑制される。

本第３発明は、原料供給手段は流動性を有する有機性物質を貯留する貯留槽を有し、
熱交換手段は膜透過液導出配管が貯留槽内を通過する構成を有するものである。
これによると、膜透過液が膜透過液導出配管内を流れて外部へ取り出される際、膜透過液導出配管内の膜透過液と貯留槽内に貯留された高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて膜透過液が加温される。

本第４発明は、原料供給手段は流動性を有する有機性物質をメタン発酵槽に供給する原料供給配管を有し、
熱交換手段は膜透過液導出配管と原料供給配管とが当接する構成を有するものである。

これによると、膜透過液が膜透過液導出配管内を流れて外部へ取り出される際、膜透過液導出配管内の膜透過液と原料供給配管内の高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて膜透過液が加温される。これにより、膜透過液導出配管内の膜透過液の温度低下が抑制される。

本第５発明は、熱交換手段は、熱媒を介して、膜透過液と原料供給手段によってメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なうものである。
これによると、膜透過液が膜透過液導出配管内を流れて外部へ取り出される際、膜透過液導出配管内の膜透過液とメタン発酵槽に供給される高温の有機性物質との間で、熱媒を介して、熱交換が行なわれ、膜透過液が加温される。これにより、膜透過液導出配管内の膜透過液の温度低下が抑制される。

本第６発明は、メタン発酵槽に、メタン発酵槽内の消化汚泥よりも高温で且つ液状に可溶化された有機性物質を供給し、メタン発酵槽内の消化汚泥を膜分離手段によって濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理方法であって、
膜分離手段の分離膜を透過して膜透過液導出配管内を流れる膜透過液とメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温するものである。

以上のように本発明によれば、メタン発酵槽内をメタン発酵に適したｐＨに維持しつつ、低コストで、膜透過液導出配管内におけるＭＡＰの析出を抑制することが可能である。

本発明の第１の実施の形態におけるメタン発酵処理装置の図である。 本発明の第２の実施の形態におけるメタン発酵処理装置の図である。 本発明の第３の実施の形態におけるメタン発酵処理装置の図である。 本発明の第４の実施の形態におけるメタン発酵処理装置の図である。 従来のメタン発酵処理装置の図である。

以下、本発明における第１の実施の形態を、図１を参照しながら説明する。
１１は、メタン発酵槽１２内の消化汚泥を浸漬型の膜分離手段１３で固液分離して濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理装置である。メタン発酵処理装置１１は、メタン発酵槽１２内の消化汚泥よりも高温で且つ流動性を有する有機性物質をメタン発酵槽１２に供給する原料供給手段１４を有している。

原料供給手段１４は、メタン発酵槽１２の前段に設置され且つ上記高温の有機性物質を液状又はスラリー状に可溶化させる可溶化槽１５と、メタン発酵槽１２と可溶化槽１５とに連通する原料供給配管１６と、原料供給配管１６に設けられた供給ポンプ１７とを有している。

また、メタン発酵槽１２の後段には、膜分離手段１３の分離膜１９を透過した膜透過液を生物処理する生物処理槽２０が設置されている。生物処理槽２０は脱窒素槽２１と硝化槽２２とを有している。硝化槽２２には曝気手段２３が設けられている。

膜分離手段１３は、メタン発酵槽１２に連通する膜分離槽２５内に設けられており、所定間隔をあけて平行に配列された複数枚の平板状の膜カートリッジを鉛直方向に配置し、各膜カートリッジの相互間に流路を形成したものである。各膜カートリッジは、濾板の両面に分離膜１９（濾過膜）を配置している。

また、膜分離槽２５内には、メタン発酵槽１２内のバイオガスを膜分離手段１３の下方から散気する散気手段２６が設けられている。尚、メタン発酵槽１２内のバイオガスを散気手段２６へ供給するガス供給流路２７には、ブロワ装置２８が設けられている。

膜分離手段１３と生物処理槽２０との間には、膜分離手段１３の分離膜１９を透過した膜透過液を膜分離手段１３から外部の脱窒素槽２１へ取り出す膜透過液導出配管３０が設けられている。膜透過液導出配管３０の一端は膜カートリッジに形成された透過液流路に連通し、他端は脱窒素槽２１に連通している。

膜透過液導出配管３０は、可溶化槽１５内の底部に設けられたコイル状の第１の管部３０ａと、膜カートリッジの透過液流路と第１の管部３０ａの一端とに連通する第２の管部３０ｂと、第１の管部３０ａの他端と脱窒素槽２１とに連通する第３の管部３０ｃとを有している。尚、第１の管部３０ａは、膜透過液導出配管３０内を流れる膜透過液と原料供給手段１４によってメタン発酵槽１２に供給される高温の有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温する熱交換手段の一例であり、膜透過液導出配管３０の一部を可溶化槽１５内に通した構成に該当する。

また、膜透過液導出配管３０の第２の管部３０ｂには吸引ポンプ３２が介装され、膜分離手段１３は、吸引ポンプ３２によって、メタン発酵槽１２内の消化汚泥を吸引濾過するものである。

以下、上記構成における作用を説明する。
有機性物質は、可溶化槽１５に投入され、可溶化槽１５内で液状（又はスラリー状）に可溶化された後、可溶化槽１５から原料供給配管１６を流れてメタン発酵槽１２内へ供給され、メタン発酵槽１２内でメタン発酵処理される。また、メタン発酵槽１２内の消化汚泥は膜分離手段１３で固液分離されて固形分が濃縮される。この際、膜分離手段１３の分離膜１９を透過した膜透過液は、吸引ポンプ３２によって吸引され、膜透過液導出配管３０内を流れて脱窒素槽２１と硝化槽２２で生物処理された後、処理液として河川等に放流される。

尚、有機性物質としては例えば焼酎やウイスキー等の蒸留酒を造る際に発生する蒸留廃液等があり、このような蒸留廃液は、通常約７０〜８０℃の温度を有した状態で可溶化槽１５に投入される。また、メタン発酵槽１２内の消化汚泥の温度は約３５〜６０℃の範囲内で保持され、メタン発酵槽１２に供給される有機性物質の温度はメタン発酵槽１２内の消化汚泥の温度よりも高温である。尚、メタン発酵槽１２と可溶化槽１５とは、保温材で保温或いはヒーター等で加温されている。

上記のような高温の有機性物質をメタン発酵処理する際、上記膜透過液は、膜透過液導出配管３０の第２の管部３０ｂから第１の管部３０ａを経て第３の管部３０ｃへ流れるのであるが、このとき、可溶化槽１５内の有機性物質の温度が第１の管部３０ａ内を流れる膜透過液の温度よりも高温であるため、第１の管部３０ａ内を流れる膜透過液と可溶化槽１５内の高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて、第１の管部３０ａ内の膜透過液が加温される。

これにより、膜透過液導出配管３０内の膜透過液の温度低下が抑制されて、それに伴いＭＡＰの溶解度積の減少が抑制されるため（尚、ＭＡＰの溶解度積は温度が低いほど小さくなる）、ＭＡＰの無機結晶が析出し難い環境となり、膜透過液導出配管３０の内周面にＭＡＰが析出するのを抑制することができる。

これにより、塩鉄等の薬剤の添加量（使用量）を大幅に削減することができるため、コストを低減することが可能であり、さらに、容易にメタン発酵槽１２内をメタン発酵に最適なｐＨに維持することができる。

また、メタン発酵槽１２に供給される高温の有機性物質の温度を利用して膜透過液を加温するため、有機性物質の本来の温度を有効に利用でき、さらにコストを低減することができる。

上記第１の実施の形態では、図１に示すように、原料供給手段１４は、可溶化槽１５を有しているが、原料の有機性物質が流動性を有している場合には、可溶化槽１５に替えて、有機性物質を貯留する貯留槽３３を有するものであってもよい。この場合も同様に、膜透過液導出配管３０の第１の管部３０ａが貯留槽３３内の底部に設けられており、膜透過液と貯留槽３３内の有機性物質との間で熱交換を行なってもよい。或いは、貯留槽３３を可溶化槽１５の前段又は後段に配置してもよい。

次に、本発明における第２の実施の形態を、図２を参照しながら説明する。
膜透過液導出配管３０は、原料供給配管１６内に挿入された管状の第１の管部３０ａと、膜カートリッジの透過液流路と第１の管部３０ａの一端とに連通する第２の管部３０ｂと、第１の管部３０ａの他端と脱窒素槽２１とに連通する第３の管部３０ｃとを有している。熱交換手段３４は、上記内管側の第１の管部３０ａと外管側の原料供給配管１６とによって、膜透過液導出配管３０の一部を原料供給配管１６内に通した二重管構造を有して構成される。この熱交換手段３４によって、膜透過液導出配管３０内を流れる膜透過液と原料供給手段１４によってメタン発酵槽１２に供給される高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて膜透過液が加温される。

以下、上記構成における作用を説明する。
膜透過液は、膜透過液導出配管３０の第２の管部３０ｂから第１の管部３０ａを経て第３の管部３０ｃへ流れるのであるが、このとき、原料供給配管１６内を流れる流動性を有する有機性物質の温度が第１の管部３０ａ内を流れる膜透過液の温度よりも高温であるため、第１の管部３０ａ内を流れる膜透過液と原料供給配管１６内の高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて、第１の管部３０ａ内の膜透過液が加温される。

これにより、膜透過液導出配管３０内の膜透過液の温度低下が抑制されて、ＭＡＰの溶解度積の減少が抑制されるため、ＭＡＰの無機結晶が析出し難い環境となり、膜透過液導出配管３０の内周面にＭＡＰが析出するのを抑制することができる。

上記第２の実施の形態では、メタン発酵槽１２と可溶化槽１５との間が原料供給配管１６を介して連通しているが、可溶化槽１５を設けず、可溶化行程が不要である液状（又はスラリー状）の有機性物質を原料供給配管１６からメタン発酵槽１２へ供給するメタン発酵処理装置に適用してもよい。

上記第２の実施の形態では、膜透過液導出配管３０の一部３０ａを原料供給配管１６の内部に挿入したが、原料供給配管１６の一部を膜透過液導出配管３０の内部に挿入してもよい。

次に、本発明における第３の実施の形態を、図３を参照しながら説明する。
熱交換手段３５は、膜透過液導出配管３０の一部３０ａの外周面と原料供給配管１６の一部１６ａの外周面とを当接させた状態で、原料供給配管１６の一部１６ａを膜透過液導出配管３０の一部３０ａの外周面に巻き付けた構成を有している。

これによると、膜透過液導出配管３０内を流れる膜透過液と原料供給配管１６内の高温の有機性物質との間で熱交換が行なわれて、膜透過液導出配管３０内の膜透過液が加温される。

尚、上記第３の実施の形態では、原料供給配管１６の一部１６ａを膜透過液導出配管３０の一部３０ａの外周面に巻き付けたが、膜透過液導出配管３０の一部３０ａを原料供給配管１６の一部１６ａの外周面に巻き付けてもよい。

次に、本発明における第４の実施の形態を、図４を参照しながら説明する。
原料供給手段１４は、可溶化槽１５と、原料供給配管１６と、供給ポンプ１７と、可溶化槽１５内に貯留された液状の有機性物質を底部から取り出して上部へ戻す外部循環配管３７と、外部循環配管３７に設けられた循環ポンプ３８とを有している。

メタン発酵処理装置１１には熱交換器４１（熱交換手段の一例）が設けられており、熱交換器４１は、水（熱媒の一例）を介して、外部循環配管３７内の有機性物質と膜透過液導出配管３０内の膜透過液との間で熱交換を行なうものである。

すなわち、上記熱交換器４１は、内部に、水４１ａと、水４１ａが循環する循環流路４１ｂと、水４１ａを循環させるポンプ４１ｃとを有しており、水４１ａが外部循環配管３７の一部の外周と膜透過液導出配管３０の一部の外周との間で接触しながら循環流路４１ｂを循環することにより、熱交換を行なうものである。

以下、上記構成における作用を説明する。
循環ポンプ３８を駆動することにより、可溶化槽１５内で液状（又はスラリー状）に可溶化された有機性物質が外部循環配管３７内を流れ、可溶化槽１５内が攪拌される。このとき、外部循環配管３７内を流れる液状の有機性物質の温度が膜透過液導出配管３０内を流れる膜透過液の温度よりも高温であるため、膜透過液導出配管３０内の膜透過液と外部循環配管３７内の高温の有機性物質との間で、熱交換器４１の水４１ａ（熱媒）を介して、熱交換が行なわれ、膜透過液導出配管３０内の膜透過液が加温される。これにより、膜透過液導出配管３０内の膜透過液の温度低下が抑制されて、ＭＡＰの溶解度積の減少が抑制される。

上記第４の実施の形態では、熱交換器４１の熱媒の一例として水を用いたが、水に限定されるものではなく、例えば油やエチレングリコール等の液体を用いてもよい。
上記各実施の形態では、有機性物質と膜透過液との間で熱交換を行なって、温度が低下した高温の有機性物質を直接メタン発酵槽１２内に供給しているが、供給された高温の有機性物質がメタン発酵槽１２内の温度保持に悪影響を及ぼす場合には、熱交換手段の前段又は後段で放熱等により高温の有機性物質を適温まで冷却した後、メタン発酵槽１２に供給してもよい。

１１ メタン発酵処理装置
１２ メタン発酵槽
１３ 膜分離手段
１４ 原料供給手段
１５ 可溶化槽
１６ 原料供給配管
１９ 分離膜
３０ 膜透過液導出配管
３０ａ 第１の管部（熱交換手段）
３３ 貯留槽
３４，３５ 熱交換手段
４１ 熱交換器（熱交換手段）
４１ａ 水（熱媒）

Claims (6)

1. 消化汚泥中において有機性物質のメタン発酵処理を行なうメタン発酵槽と、流動性を有し且つメタン発酵槽内の消化汚泥よりも高温である有機性物質をメタン発酵槽に供給する原料供給手段と、膜分離手段を有し、
   メタン発酵槽内の消化汚泥中の固形分を膜分離手段によって濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理装置であって、
   膜分離手段の分離膜を透過した膜透過液を外部へ取り出す膜透過液導出配管と、膜透過液導出配管内を流れる膜透過液と原料供給手段によってメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温する熱交換手段が備えられていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
2. 原料供給手段は有機性物質を液状又はスラリー状に可溶化させる可溶化槽を有し、
   熱交換手段は膜透過液導出配管が可溶化槽内を通過する構成を有することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
3. 原料供給手段は流動性を有する有機性物質を貯留する貯留槽を有し、
   熱交換手段は膜透過液導出配管が貯留槽内を通過する構成を有することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
4. 原料供給手段は流動性を有する有機性物質をメタン発酵槽に供給する原料供給配管を有し、
   熱交換手段は膜透過液導出配管と原料供給配管とが当接する構成を有することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
5. 熱交換手段は、熱媒を介して、膜透過液と原料供給手段によってメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なうことを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
6. メタン発酵槽に、メタン発酵槽内の消化汚泥よりも高温で且つ液状に可溶化された有機性物質を供給し、メタン発酵槽内の消化汚泥を膜分離手段によって濃縮しながらメタン発酵処理を行なうメタン発酵処理方法であって、
   膜分離手段の分離膜を透過して膜透過液導出配管内を流れる膜透過液とメタン発酵槽に供給される有機性物質との間で熱交換を行なって膜透過液を加温することを特徴とするメタン発酵処理方法。

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