JP4218504B2 - メタン発酵処理方法 - Google Patents
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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に関する。
生ごみ、消化汚泥等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋め立て処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋め立て処分地の逼迫、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開発されている。このメタン発酵は、有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができ、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り、しかも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。
メタン発酵処理においては、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することで、有機性廃棄物をメタンガスに転換する。そして、投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法、発酵槽が提案されている。
例えば、下記の特許文献１には、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システムとして、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システムが開示されている。高温メタン菌は、３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べて２〜３倍の活性を持っており、高温メタン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ることができる。
このように、高温メタン発酵は高速処理が可能であるが、一方、高温による菌の死滅が大きくなるデメリットがある。通常、温度が高いと菌の死滅速度は上昇し、特に高温側で６０℃を超えた場合には著しく菌が死滅する。このため、高温メタン発酵においては、発酵槽内の温度を常時一定範囲内に管理して、特に高温による菌の死滅を防ぐ必要がある。
メタン発酵槽の加温の方式には、下記の非特許文献１に示すように、発酵槽に直接蒸気を吹き込む方式や、外部に熱交換器を設けて間接加熱する方式がある。
また、下記の特許文献２には、嫌気性消化リアクター内で生成する消化汚泥を主体とする混合液の一部を引き抜き、その引き抜いた混合液を６０〜１５０℃の温度範囲で３分間以上加熱処理して混合液中の難分解性有機物を変性させ、該混合液を前記嫌気性消化リアクターに循環・返送させること、及び、循環・返送系統中に加熱設備を設け、嫌気性消化リアクター中の消化温度を適正範囲に制御することが開示されている。
更に、下記の特許文献３には、窒素含有排水の処理方法において、アンモニアストリッピング処理後の排水を予熱器で熱交換して、高窒素含有排水を昇温させることが開示されている。
特開平１０−１３７７３０号公報
特開平１０−８５７８４号公報
特開２００１−７０９８８号公報
松本幸一，「下水道施設計画・設計指針と解説 後編 -2001年度版-」，社団法人日本下水道協会，２００１年５月２４日発行，ｐ３９３
上記の従来技術のうち、非特許文献１の蒸気を吹き込む方式では、蒸気に接する部分で発酵液が局所的に高温になり、部分的に６０℃を超えて高温メタン菌が死滅する危険性がある。また、熱交換器による間接加熱においては、加熱に用いる温水温度は６０〜９０℃が一般的であるが、この場合にも、熱交換器の滞留部もしくは発酵液を循環する受熱側の流量が少ない場合、菌を含む消化液の温度が６０℃を超えてしまう場合がある。
また、特許文献２の方法では、引き抜いた混合液を６０〜１５０℃の温度範囲で３分間以上加熱処理しており、これは通常の高温メタン発酵に比べて高い温度であるので、汚泥の分解は進むものの、同時に菌の死滅も進み、最終的には菌数が減ってしまい目的のスラリー量を処理できなくなるという問題がある。
更に、特許文献３の方法は、窒素含有排水のアンモニアストリッピング処理に関するものであり、メタン発酵処理において発酵廃液の予熱を利用する点については検討されてない。
このように、上記の従来技術においては、過度の高温によるメタン発酵槽内の菌数の減少を回避しつつ、高温メタン発酵槽の温度を最適範囲に保持する具体的な手段については開示されてない。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもので、高温メタン発酵槽内の温度を一定に制御しつつ、高熱による菌の死滅を最小にするように加温を行うメタン発酵処理方法を提供することにある。
すなわち、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を原料スラリー化してメタン発酵槽内に供給し、嫌気性微生物によりメタン発酵させ、発酵廃液として取り出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽の外部に接続された循環経路によって、前記メタン発酵槽内の発酵液の一部を循環させ、この循環経路の途中に熱交換器を設け、
前記熱交換器の加熱側の熱媒体の温度を５５〜６０℃とし、
前記メタン発酵槽内の温度が５３〜５７℃となるように、前記発酵液の循環流量を制御することを特徴とする。
前記メタン発酵槽の外部に接続された循環経路によって、前記メタン発酵槽内の発酵液の一部を循環させ、この循環経路の途中に熱交換器を設け、
前記熱交換器の加熱側の熱媒体の温度を５５〜６０℃とし、
前記メタン発酵槽内の温度が５３〜５７℃となるように、前記発酵液の循環流量を制御することを特徴とする。
本発明の方法によれば、発酵液を循環させながら外部から加熱し、この発酵液の循環流量を制御することによってメタン発酵槽内の温度を調整したので、局部的な加熱ムラを防止でき、過度の高温による菌の死滅を回避してメタン発酵槽内の菌数を維持できる。
また、発酵液を加熱する温水等の熱媒体の温度が６０℃以下であるので、熱交換器の滞留部でも、菌を含む発酵液の温度が６０℃を超えることがない。また、メタン発酵槽の温度が高く、循環ポンプの流量が少ない条件でも、菌を含む発酵液の温度が６０℃を超えることがない。このため、メタン発酵槽内の温度を、高温メタン発酵の最適温度である５３〜５７℃という狭い範囲内でも安定して温度制御でき、菌の活性を最適な状態に維持でき、充分なスラリー処理量を確保することができる。
また、発酵液を加熱する温水等の熱媒体の温度が６０℃以下であるので、熱交換器の滞留部でも、菌を含む発酵液の温度が６０℃を超えることがない。また、メタン発酵槽の温度が高く、循環ポンプの流量が少ない条件でも、菌を含む発酵液の温度が６０℃を超えることがない。このため、メタン発酵槽内の温度を、高温メタン発酵の最適温度である５３〜５７℃という狭い範囲内でも安定して温度制御でき、菌の活性を最適な状態に維持でき、充分なスラリー処理量を確保することができる。
また、本発明の方法においては、前記循環経路の途中で前記発酵液と前記原料スラリーとを混合し、その後に前記加熱手段を通して、前記混合後の前記発酵液及び前記原料スラリーを前記メタン発酵槽内に供給することが好ましい。この場合、前記発酵廃液を別の熱交換器を通して取り出し、前記原料スラリーを、この別の熱交換器を通した後に前記発酵液と混合することによって、前記原料スラリーをあらかじめ加温することがより好ましい。
この実施形態によれば、循環経路の途中で発酵液と原料スラリーとを混合して加熱手段を通すことにより、菌を含む循環消化液の流量を少なくでき、菌の死滅量を少なくすることができる。また、別の熱交換器によって、あらかじめ発酵廃液と原料スラリーとの熱交換を行うことで、原料スラリーが予熱されてメタン発酵槽の温度に近い条件で供給されるので、メタン発酵槽内の温度変動を小さくできる。
更に、本発明においては、前記発酵廃液を別の熱交換器を通して取り出し、前記原料スラリーを、前記別の熱交換器を通した後に前記メタン発酵槽に供給することによって、前記原料スラリーをあらかじめ加温することも好ましい。これによっても、別の熱交換器によって、発酵廃液と原料スラリーとの熱交換を行うことで、原料スラリーが予熱されてメタン発酵槽の温度に近い条件で供給されるので、メタン発酵槽内の温度変動を小さくできる。
本発明によれば、高温メタン発酵槽内の温度を一定に制御しつつ、過度の高温による菌の死滅を最小にするように加温を行うことができ、安定な発酵状態を維持することができる。
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には、本発明のメタン発酵処理方法に用いることができるメタン発酵処理装置の一実施形態の概略構成図が示されている。
図１の処理装置は、有機性廃棄物をスラリー化した原料スラリーをメタン発酵処理するメタン発酵槽１と、このメタン発酵槽１の外部に接続された循環経路８とから主に構成されており、メタン発酵槽１には内部の発酵液の温度を測定する温度計Ｔ１が接続されている。
循環経路８の途中には、発酵液を循環させるための循環ポンプ２と、第１熱交換器６が設けられており、メタン発酵槽１内の発酵液の一部が、循環ポンプ２から第１熱交換器６を通って再度メタン発酵槽１内に戻り、循環可能なように構成されている。
そして、温度計Ｔ１の検出温度に応じて循環ポンプ２の流量が制御可能となっており、これによってメタン発酵槽１内の発酵液温度が一定に維持できるようになっている。また、第１熱交換器６とメタン発酵槽１との間には、循環経路８中の発酵液の温度を測定する温度計Ｔ２が設けられている。
第１熱交換器６には、温水を供給する配管が通されており、温水供給ポンプ４によって供給される温水によって、温水を熱媒体として循環経路８の発酵液と熱交換して、発酵液を加熱できるように構成されている。また、第１熱交換器６と温水供給ポンプ４との間には供給する温水の温度を測定する温度計Ｔ３が設けられている。なお、本発明においては、循環経路８に設けられる加熱手段は必ずしも熱交換器でなくてもよく、ヒーター等を用いることもできる。
循環経路８における、循環ポンプ２と第１熱交換器６との間には、スラリー供給ポンプ５、第２熱交換器７を介して原料スラリーを供給する配管が合流している。そして、この第２熱交換器７には、メタン発酵槽１の下部からの発酵廃液を供給する配管が通されており、引抜ポンプ３によって引き抜かれる発酵廃液によって原料スラリーと熱交換して、原料スラリーを加熱できるように構成されている。
次に、上記の処理装置を用いた、本発明のメタン発酵処理方法について説明する。 図１において、有機性廃棄物は、分解速度及び消化率の向上を図るために、図示しない粉砕機、微粉砕機で粗砕された後、希釈水により適当な固形物濃度に調整されてスラリー化される。そして、スラリー供給ポンプ５を介し、第２熱交換器７を通った後、循環経路８を循環する発酵液と合流し、その後、第１熱交換器６を通って、メタン発酵槽１に送られる。
このメタン発酵槽１には、例えば、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床等が設置されており、ここでスラリー状の有機性廃棄物のメタン発酵が行なわれ、嫌気性微生物による有機性廃棄物の分解が行われる。なお、発酵により生成したバイオガスは、図示しないガスホルダーに回収され、ガスタービンや燃料電池などのガス利用システムでエネルギーとして利用される。
また、一定時間毎に供給されるスラリーと同量の発酵廃液が、メタン発酵槽１の下部から引抜ポンプ３によって引き抜かれ、第２熱交換器７を通って排出される。これにより、メタン発酵槽１内は、常に一定量のスラリーで満たされている。
ここで、この実施形態においては、循環経路８によってメタン発酵槽１内の発酵液の一部を循環させる。そして、この循環ポンプ２の流量を制御することによって、メタン発酵槽内の温度が５３〜５７℃となるようする。
メタン発酵槽１内の温度を５３〜５７℃に維持するのは以下の理由による。
菌の死滅速度は以下の（１）式のような指数関数で表されることが知られている（永井,合葉，「生物化学工学-反応速度論-」，技術社，１９７５年，p160-164）。
X=X0*exp(-kd・ｔ) ・・・（１）
（X:菌体数、X0：初期菌体数、ｔ：時間）
ここで、kdは菌の死滅速度である。この（１）式を用いて、まず異なる温度における死滅速度kdがどのように変化するかを測定する。
（X:菌体数、X0：初期菌体数、ｔ：時間）
ここで、kdは菌の死滅速度である。この（１）式を用いて、まず異なる温度における死滅速度kdがどのように変化するかを測定する。
なお、菌数測定方法としては特に限定されないが、測定すべき試料に、前記菌体内に存在するエステラーゼ酵素によって蛍光物質を生成する試薬を混合し、前記蛍光物質の蛍光を測定することにより行なうことが好ましい。
活性菌内に存在する加水分解酵素であるエステラーゼ酵素によって加水分解することにより蛍光物質を生成する蛍光試薬は、元来蛍光性を有していないが、拡散によって生細胞内に取込まれると、すべての細胞が共通に持っている酵素のエステラーゼによってエステル結合が加水分解され、蛍光物質として細胞内に蓄積される。一方、死菌はエステラーゼ活性が失われており染色されないため、活性菌だけの検出が可能となる。このような、エステラーゼ酵素によって加水分解され、蛍光を呈する蛍光物質となる試薬としては、５−(６−)カルボキシフルオレセインジアセテート、５−カルボキシフルオレセインジアセテートアセトキシメチルエステートなどからなる群が好ましく例示できる。
活性菌の菌数測定方法は、蛍光顕微鏡により、上記の蛍光物質が蛍光を発することを利用して、蛍光画像を観察して菌数をカウントする。この菌数測定方法により、メタン菌、酸生成菌等のメタン発酵槽内のすべての活性菌数の合計を測定することができる。なお、上記の菌数測定に要する時間は３０〜６０分で行うことができるので簡便で、短時間に測定を行なうことができる。なお、上記の菌数測定方法は、本出願人による特願２００２−１６５７１４号に詳細に記載されている。
表１、図２には、５５℃で安定発酵している容量２Ｌのメタン発酵槽の負荷を停止し、温度を変えて停止前後の菌数減少から死滅速度を実験により算出した結果を示す。菌数測定は上記のエステラーゼ酵素を用いた方法で行っている。また、図３には、表１の死滅速度を対数にし、温度に対してプロットしたグラフを示す。
表１、図２からわかるように、死滅速度kdは温度に依存する値である。また、図３に示すように、死滅速度の対数と温度との関係は２種類の直線関係で表される。すなわち、１０〜５５℃の温度範囲と５５〜７０℃では傾きが異なり、両直線の交点は約６０℃である。すなわち６０℃以上では急激に菌が死滅することがわかる。
更に、発酵液の温度と、菌の増殖速度(発酵槽内の全活性菌)との関係を示したグラフを図４に示す。この増殖速度は菌の死滅の影響を含んだ見かけの増殖速度であり、菌の活性の高さを表す。つまり、増殖速度が大きいほど１日あたりの菌の増殖量が高くなるので、当然発酵槽の処理能力は大きくなる。図５は、図４の結果を基に、温度と増殖速度との関係を求めたグラフである。
図５の結果から、発酵液の温度が５５℃の場合に増殖速度はピークを示しており、両端の５０℃および６０℃では、５５℃の場合に半分以下に活性が低下している。これは５０℃では高温菌の活動温度から外れ、６０℃では、上述したように死滅による影響が大きいためである。
特に、５３〜５７℃における増殖速度は５５℃の８０％以上であり、発酵槽の能力が極めて高い温度であることがわかる。
ここで、発酵槽の安全率を１．２〜１．５倍と考えると、５５℃の増殖速度μ＝０．２８(d-1)では、μ=０．１９〜０．２３(d-1)として発酵槽を設計すれば安全となるが、上記の５３℃および５７℃では、それぞれ増殖速度が０．２７、０．２５であるため、設計値よりも高い能力を保持している。一方、５０℃、６０℃における増殖速度はそれぞれ０．０８８、０．１３であり安全設計値から外れている。
したがって、メタン発酵槽の温度を５３〜５７℃に保つことによって、メタン発酵槽内の菌数を減らすことなしに、高温メタン発酵の温度を保持することができる。
上記のようにメタン発酵槽１の温度を５３〜５７℃に保つために、この実施形態では、循環経路８の途中に第１熱交換器６が設けられており、この第１熱交換器６に５５〜６０℃の温水を通している。これによって、循環ポンプ２の流量を変動させることによって発酵液の温度を５３〜５７℃に保つことができる。なお、この場合、循環経路８における温度計Ｔ２の検出温度は５５〜５７℃とすることが好ましい。
なお、この実施形態においては、原料スラリーが、スラリー供給ポンプ５、第２熱交換器７を介して上記の循環経路８に合流している。そして、この第２熱交換器７には、メタン発酵槽１の下部からの発酵廃液を供給する配管が通されており、引抜ポンプ３によって引き抜かれる発酵廃液によって原料スラリーと熱交換することで原料スラリーが予熱される。この場合、第２熱交換器７によって原料スラリーを３５〜４５℃まで予熱することが好ましい。これによって、原料スラリーの分だけ発酵液の循環量を少なくできるので、循環によって第１熱交換器６で死滅する菌数を更に少なくすることができる。また、第２熱交換器７によって、あらかじめ発酵廃液と原料スラリーとの熱交換を行うことで、原料スラリーが予熱されてメタン発酵槽の温度に近い条件で供給されるので、メタン発酵槽内の温度変動をより小さくできる。
なお、本発明においては、原料スラリーは必ずしも循環経路８に合流させなくてもよく、第２熱交換器７によって、発酵廃液と熱交換した後、直接メタン発酵槽１内に供給してもよい。これによっても、原料スラリーが予熱されてメタン発酵槽の温度に近い条件で供給されるので、メタン発酵槽内の温度変動をより小さくできる。
図１に示すような構成の処理装置を用いてメタン発酵処理を行った。メタン発酵槽１の容量は１０リットルであり、原料スラリーとして模擬生ゴミスラリーを用いた。
第１熱交換器６には温水供給ポンプ４によって温水を流し、温度計Ｔ３が５５〜６０℃となるように調整した。そして、この状態で、メタン発酵槽１内の温度計Ｔ１が５３〜５７℃となるように循環ポンプ２の流量を調節した。このときの温度計Ｔ２は５５〜５７℃であった。
また、原料スラリーは、第２熱交換器７によって発酵廃液と熱交換されて３８〜４０℃となるように予熱した後、循環経路８に合流させて第１熱交換器６で再度加熱し、発酵液と原料スラリーとを混合させた状態でメタン発酵槽１内に供給した。
その結果、メタン発酵槽１内の温度を常時５３〜５７℃となるように維持することが可能となることを確認でき、高温メタン発酵処理が順調に行われていることを確認できた。また、生ゴミスラリーを循環消化液に合流させることで第１熱交換器６に入る発酵液の流量を５０％減らすことができた。
本発明のメタン発酵処理方法は、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られる。
１ メタン発酵槽
２ 消化液循環ポンプ
３ 消化液引抜きポンプ
４ 温水供給ポンプ
５ 生ゴミスラリー供給ポンプ
６ 第１熱交換器
７ 第２熱交換器
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度計
２ 消化液循環ポンプ
３ 消化液引抜きポンプ
４ 温水供給ポンプ
５ 生ゴミスラリー供給ポンプ
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Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ 温度計
Claims (4)
- 有機性廃棄物を原料スラリー化してメタン発酵槽内に供給し、嫌気性微生物によりメタン発酵させ、発酵廃液として取り出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽の外部に接続された循環経路によって、前記メタン発酵槽内の発酵液の一部を循環させ、この循環経路の途中に熱交換器を設け、
前記熱交換器の加熱側の熱媒体の温度を５５〜６０℃とし、
前記メタン発酵槽内の温度が５３〜５７℃となるように、前記発酵液の循環流量を制御することを特徴とするメタン発酵処理方法。 - 前記循環経路の途中で前記発酵液と前記原料スラリーとを混合し、その後に前記加熱手段を通して、前記混合後の前記発酵液及び前記原料スラリーを前記メタン発酵槽内に供給する請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
- 前記発酵廃液を別の熱交換器を通して取り出し、前記原料スラリーを、この別の熱交換器を通した後に前記発酵液と混合することによって、前記原料スラリーをあらかじめ加温する請求項２に記載のメタン発酵処理方法。
- 前記発酵廃液を別の熱交換器を通して取り出し、前記原料スラリーを、前記別の熱交換器を通した後に前記メタン発酵槽に供給することによって、前記原料スラリーをあらかじめ加温する請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
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