JP6316119B2 - 嫌気性処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、嫌気性微生物を利用して処理流体を嫌気的に処理する嫌気性処理方法及び装置に関し、特に、嫌気ガスから嫌気発酵によってアルコール等の有機物質を合成して抽出した後の抽出残流体を嫌気的に処理する嫌気性処理方法及び装置に関する。

特許文献１には、或る種の嫌気性細菌を用いて、産業廃棄物等からエタノール等の有機物質を生成する方法が開示されている。詳しくは、産業廃棄物等の供給原料をガス化装置にて燃焼させて、一酸化炭素及び水素等を含有する嫌気ガスを生成する。この嫌気ガスを発酵槽へ導く。発酵槽には、或る種の嫌気性細菌を培養した液状培地を入れておく。この液状培地に上記嫌気ガスを溶解させる。すると、嫌気性細菌の発酵作用によって、エタノール等が生成される。このエタノール等を蒸留プロセス等によって抽出する。エタノール等以外の抽出残液は、好ましくは発酵槽へ戻す（[0085]）。

特許文献２では、発酵槽からの流出液を蒸留塔に導入し、エタノールを抽出している。エタノール以外の抽出残液（水）は、還流路によってそのまま発酵槽に戻している（図１）。したがって、水の流通ラインが、閉じた循環系になっている。

特開２０１４−０５０４０６号公報 特開２００４−５０４０５８号公報

この種の嫌気性発酵では、エタノール等の生成目的の有機物質の他、酢酸等の副生成物も合成される（特許文献１の［0066］）。そのため、特許文献２のような閉循環系の場合、系内における上記副生成物の濃度が上昇し、嫌気性細菌の培養に悪影響を及ぼす。また、嫌気性細菌の屍骸等の高分子有機物（バイオマス）も累増してしまう。
一方、ワンスルーで蒸留後の抽出残液を廃棄する場合には、廃棄した分の水を新たに供給しなければならず、必要水量が多大になる。また、環境へ放出可能なレベルまで汚染度を下げるための廃液処理ないしは浄化処理の負荷が過大になる。さらに、抽出残液には上記嫌気性細菌のための栄養分も含まれており、これを抽出残液と一緒に廃棄すると、新たな栄養分を発酵槽に補充しなければならず、無駄が多い。
特許文献２のような閉循環系において、抽出残液を浄化処理したうえで発酵槽へ戻すことが考えられえる。しかし、抽出残液の全部を浄化処理するのは負荷が大きく時間もかかる。また、浄化処理によって栄養分を分解すると、上記ワンスルー方式と同様に、新たな栄養分を発酵槽に補充しなければならない。

上記課題を解決するため、本発明方法は、一酸化炭素及び水素の少なくとも一方を含む嫌気ガスを発酵槽の液状培地に溶け込ませ、前記液状培地中の嫌気性微生物の発酵作用によってアルコール等の有機物質を生成するとともに、前記発酵槽からの流出培地を、前記有機物質の濃度が高い抽出流体と、前記有機物質の濃度が低い抽出残流体とに分離した後、前記抽出残流体を処理する嫌気性処理方法において、
前記抽出残流体のＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand:化学的酸素要求量）を嫌気処理によって低減する嫌気処理工程と、
前記嫌気処理工程の途中の抽出残流体から一部を分流して還流体として前記発酵槽へ戻す一部還流工程と、
を備えたことを特徴とする。
発酵槽で例えば酢酸などの副生成物が生成されたとしても、嫌気処理工程によって前記副生成物の濃度上昇を抑えることができる。還流体については、嫌気処理工程の途中で取り出すことで、ＣＯＤがあまり低くならないようにして、栄養分の過剰な処理を抑えることができる。この還流体を発酵槽へ戻すことで液状培地として循環再利用でき、水の補充流量を小さくできる。さらに、残りの抽出残流体については、還流体の分流後も継続して嫌気処理することでＣＯＤを十分に小さくでき、その後の好気処理等の後処理ひいては廃棄処理ないしは浄化処理の負荷を低減して処理効率を高めることができる。

前記嫌気処理工程中の抽出残流体のＣＯＤが、前記嫌気処理工程前の抽出残流体のＣＯＤの０．５倍〜０．９９倍になったとき、前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流することが好ましい。
前記嫌気処理工程中の抽出残流体のＣＯＤが、前記嫌気処理工程前の抽出残流体のＣＯＤの０．９倍〜０．９７倍になったとき、前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流することがより好ましい。
これによって、還流体を過度に嫌気処理するのを確実に防止でき、栄養分の無駄を確実に抑えることができる。

前記還流体の流量を、前記還流体を分流した後の残りの抽出残流体の流量よりも大きくすることが好ましい。
これによって、液状培地の再利用率を高め、水の補充流量を確実に小さくできる。

前記抽出残流体を複数段の嫌気処理槽に順次送り、かつ隣接する所定の２つの嫌気処理槽どうしの間から前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流させてもよい。
これによって、抽出残流体のＣＯＤを段階的に低下させることができる。かつ、嫌気処理の途中の抽出残流体の一部を還流体として確実に取り出すことができる。各嫌気処理槽において抽出残流体を撹拌してもよい。

前記抽出残流体を、１つの嫌気処理槽内において流入口から終端流出口へ向って一方向流になるように流し、かつ前記嫌気処理槽の前記流入口と前記終端流出口との間の中途流出口から前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流させてもよい。
これによって、抽出残流体が嫌気処理槽の流入口から終端流出口へ向かって流れるにしたがって、抽出残流体のＣＯＤを漸減できる。かつ、嫌気処理の途中の抽出残流体の一部を還流体として取り出すことができる。

前記還流体を分流した後の残りの抽出残流体を更に嫌気処理した後、好気処理することが好ましい。
これによって、残りの抽出残流体のＣＯＤを好気処理に適したレベルまで十分に低下させたうえで好気処理を行なうことができ、好気処理の負荷を低減できる。好気処理によって、抽出残流体のＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand:生物化学的酸素要求量）を環境放出可能なレベルまで下げて放出することができる。
好気処理工程として、ＢＯＤの酸化工程、硝化工程、脱窒工程、脱リン工程、脱硫工程の少なくとも１つを行ってもよい。

前記嫌気処理工程前に、前記抽出残流体を、固体成分が濃縮された固体状抽出残物と、固体成分が希釈された液状抽出残流体とに分離し、前記液状抽出残流体に対して前記嫌気処理工程を行うことが好ましい。
これによって、嫌気処理の効率を高めることができ、嫌気処理工程の所要時間を短縮できる。固体状抽出残物については、別途、処理することができる。

前記固体状抽出残物を酸発酵によって可溶化することが好ましい。
これによって、可溶化物を嫌気処理工程に回送して抽出残流体と共に嫌気処理したり、好気処理等の後処理工程を行って廃棄したりすることができる。

本発明に係る嫌気性処理装置は、一酸化炭素及び水素の少なくとも一方を含む嫌気ガスを溶け込ませた液状培地が収容され、前記液状培地中の嫌気性微生物の発酵作用によってアルコール等の有機物質を生成する発酵槽と、
前記発酵槽からの流出培地を、前記有機物質を濃縮した抽出流体と前記有機物質を希釈した抽出残流体とに分離する抽出部と、
前記抽出残流体のＣＯＤ（化学的酸素要求量）を嫌気処理によって低減する嫌気処理部と、
を備え、前記嫌気処理部が、中途に設けられた中途流出口と、終端に設けられた終端流出口とを有し、かつ前記中途流出口が、還流路を介して前記発酵槽に連なっており、
前記中途流出口から流出される還流体のＣＯＤが、残りの抽出残流体が前記終端流出口に達したときのＣＯＤよりも大きいことを特徴とする。
発酵槽で例えば酢酸などの副生成物が生成されたとしても、嫌気処理部において分解することで、前記副生成部物の濃度上昇を抑えることができる。また、抽出残流体の一部を嫌気処理部の途中で取り出して発酵槽に戻し、液状培地として循環再利用することができる。これによって、水の補充流量を小さくできる。しかも、嫌気処理部の途中から戻すことで、還流体のＣＯＤがあまり低くならないようにして、栄養分の無駄を抑えることができる。さらに、残りの抽出残流体については、還流体の分流後も継続して嫌気処理することでＣＯＤを十分に小さくでき、その後の好気処理等の後処理の負荷を低減でき、処理効率を高めることができる。

前記嫌気処理部が、直列接続された複数段の嫌気処理槽を有し、これら嫌気処理槽における隣接する２つの嫌気処理槽どうしの間に前記中途流出口が接続され、最終段の嫌気処理槽に前記終端流出口が接続されていてもよい。
これによって、抽出残流体を複数段の嫌気処理槽に順次送りながら嫌気処理を行うことで、ＣＯＤを段階的に低下させることができる。かつ、隣接する所定の２つの嫌気処理槽どうしの間から抽出残流体の一部を還流体として分流させて発酵槽に戻すことができる。各嫌気処理槽において抽出残流体を撹拌してもよい。

前記嫌気処理部には、流入口から前記終端流出口へ向かう一方向流が形成されており、前記嫌気処理部の前記流入口と前記終端流出口との間に前記中途流出口が設けられていてもよい。
これによって、抽出残流体が嫌気処理部の流入口から終端流出口へ向かって流れるにしたがって、抽出残流体のＣＯＤを漸減できる。かつ、嫌気処理の途中の抽出残流体の一部を還流体として取り出すことができる。

前記終端流出口に好気処理部が接続されていることが好ましい。
これによって、前記嫌気処理部において、還流体を分流した後の残りの抽出残流体を更に嫌気処理することで、ＣＯＤを好気処理に適したレベルまで十分に低下させたうえで、終端流出口から出して好気処理することができる。したがって、好気処理の負荷を低減できる。好気処理によって、抽出残流体のＢＯＤを環境放出可能なレベルまで下げて放出することができる。

前記還流体のＣＯＤが、前記嫌気処理前の抽出残流体のＣＯＤの０．５倍〜０．９９倍であることが好ましい。
前記還流体のＣＯＤが、前記嫌気処理前の抽出残流体のＣＯＤの０．９倍〜０．９７倍であることがより好ましい。
これによって、還流体を過度に嫌気処理するのを確実に防止でき、栄養分の無駄を確実に抑えることができる。

前記還流体の流量が、残りの抽出残流体の流量よりも大きいことが好ましい。
これによって、液状培地の再利用率を高め、水の補充流量を確実に小さくできる。

前記抽出部と前記嫌気処理部との間に、前記抽出残流体を、固体成分が濃縮された固体状抽出残物と、固体成分が希釈された液状抽出残流体とに分離する固液分離部が設けられ、前記液状抽出残流体が、前記嫌気処理部に導入されることが好ましい。
これによって、嫌気処理の効率を高めて所要時間を短縮できる。固体状抽出残物については、別途、処理することができる。

前記固体状抽出残物を酸発酵によって可溶化させる酸発酵部が設けられていることが好ましい。
これによって、可溶化物を嫌気処理部に送って抽出残流体と共に嫌気処理したり、好気処理等の後処理を施して廃棄したりすることができる。

本発明によれば、発酵槽で例えば酢酸などの副生成物が発生したとしても、その濃度上昇を抑えることができる。また、還流体を過度に嫌気処理するのを防止して、栄養分の無駄を抑えることができるとともに、水の補充流量を少なくできる。さらには、その後の好気処理等の後処理（廃棄処理ないしは浄化処理）の負荷を低減して処理効率を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る嫌気性処理装置を含む廃棄物処理システムの回路図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る嫌気性処理装置を含む廃棄物処理システムの回路図である。 図３は、本発明の第３実施形態に係る嫌気性処理装置を含む廃棄物処理システムの回路図である。 図４は、本発明の第４実施形態に係る嫌気性処理装置を含む廃棄物処理システムの回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示したものである。嫌気性処理装置１は、廃棄物２の処理システムに組み込まれている。廃棄物処理システムでは、溶融炉１１において廃棄物２を燃やして低分子レベルまで分解し、一酸化炭素（ＣＯ）を含有する嫌気ガス３を生成する。嫌気性処理装置１において、この嫌気ガス３を液状培地４に溶解させるとともに、有機物質生成嫌気性微生物５の嫌気的発酵作用によってエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、その他の有機物質を生成して、これを抽出する。
以下、詳述する。

嫌気性処理装置１は、ガスライン１０と、液状体ライン２０とを含む。溶融炉１１からガスライン１０が延びている。溶融炉１１は、嫌気ガス３の供給部となる。ガスライン１０上に、脱酸素部１２と、圧送ポンプ１３とが順次設けられている。脱酸素部１２には、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ等の遷移金属からなる触媒１２ａが設けられている。

液状体ライン２０上には、発酵槽２１と、抽出部２２と、嫌気処理部３０と、好気処理部５０とが順次設けられている。ガスライン１０の下流端が、発酵槽２１の底部に接続されている。発酵槽２１には、液状培地４が収容されている。液状培地４の大部分は水（Ｈ_２Ｏ）であり、これにビタミンやリン酸等の栄養分が分散又は溶解されている。この液状培地４中で有機物質生成嫌気性微生物５が培養されている。有機物質生成嫌気性微生物５としては、例えば特許文献１、２等に開示された嫌気性細菌を用いることができる。この有機物質生成嫌気性微生物５が、嫌気的な発酵作用によってＣＯ及びＨ_２等からエタノールを合成する。ブタノール等の他のアルコールや他の有機物質を合成することもある（特許文献１、２等参照）。

発酵槽２１の液出口２１ｂに抽出部２２が接続されている。抽出部２２は、例えば蒸留塔にて構成され、上下に延びている。抽出部２２には、頂部出口２２ａと、底部出口２２ｂとが設けられている。頂部出口２２ａは、抽出流体７ａの出口となる。抽出流体７ａは、上記発酵槽２１にて生成されたエタノール等のアルコールを高濃度に含む。抽出部２２図示は省略するが、頂部出口２２ａには、脱水処理部などが設けられている。抽出及び脱水等を経た抽出流体７ａのエタノール等のアルコール濃度は、例えば９２ｗｔ％〜９９．９ｗｔ％程度である。
なお、抽出部２２は、複数の蒸留塔を含んでいてもよい。これら複数の蒸留塔が直接又は並列に接続されていてもよい。抽出部２２が、もろみ塔、単蒸留部、精留部などを含んでいてもよい。

底部出口２２ｂは、抽出残流体７ｂの出口となる。抽出残流体７ｂは、大部分が水であり、これに上記の栄養分や、有機物質生成嫌気性微生物５の生体又は屍骸等の高分子有機物（バイオマス）や、抽出しきれなかった低濃度ないしは微量濃度のエタノールや副生成物の酢酸等が含まれている。底部出口２２ｂに嫌気処理部３０が接続されている。

嫌気処理部３０には、抽出部２２から抽出残流体７ｂが導入されて収容されている。この抽出残流体７ｂ中で抽出残処理用嫌気性微生物６が培養されている。嫌気性微生物６としては、酸発酵菌やメタン発酵菌が挙げられる。これら菌の発酵作用によって抽出残流体７ｂ中の有機物が分解され、抽出残流体７ｂのＣＯＤ（化学的酸素必要量）が低減される。

嫌気処理部３０には、２つの流出口３５，３６が設けられている。中途流出口３５は、嫌気処理部３０の処理進展方向の中途に設けられている。この中途流出口３５から抽出残流体７ｂの一部が還流体７ｃとして流出される。終端流出口３６は、嫌気処理部３０の処理進展方向の終端に設けられている。この終端流出口３６から抽出残流体７ｂの残部７ｄが流出して排出流体７ｅとなる。

具体的に第１実施形態では、嫌気処理部３０が、複数段（ここでは２段）の嫌気処理槽３１，３２にて構成されている。これら嫌気処理槽３１，３２が連絡路３３を介して直列接続されている。抽出残流体７ｂが、嫌気処理槽３１，３２に順次導入される。各嫌気処理槽３１，３２の抽出残流体７ｂ中で嫌気性微生物６が培養され、嫌気発酵が行われている。嫌気処理槽３１，３２の大きさは、ほぼ等しいが、互いに異なっていてもよい。

各嫌気処理槽３１，３２には、攪拌機構３１ｆ，３２ｆが設けられている。撹拌機構３１ｆによって前段の嫌気処理槽３１内の抽出残流体７ｂが撹拌されている。したがって、嫌気処理槽３１内のＣＯＤ分布や嫌気性微生物６の分散濃度は、嫌気処理槽３１の全域にわたってほぼ一様になっている。同様に、撹拌機構３２ｆによって後段の嫌気処理槽３２内の抽出残流体７ｂが撹拌されることで、嫌気処理槽３２内のＣＯＤ分布や嫌気性微生物６の分散濃度が嫌気処理槽３２の全域にわたってほぼ一様になっている。撹拌機構３１ｆ，３２ｆは、撹拌スクリューでもよく、撹拌ポンプでもよい。

連絡路３３から還流路４０が分岐されている。還流路４０には、還流ポンプ３７が設けられている。
連絡路３３における還流路４０の分岐部よりも後段の嫌気処理槽３２側の部分には、送流ポンプ３８が設けられている。

還流路４０上に中途流出口３５が設けられている。中途流出口３５は、それより連絡路３３側の還流路４０を介して、隣接する２つの嫌気処理槽３１，３２どうしの間に接続されている。なお、中途流出口３５が、連絡路３３と還流路４０の分岐部に配置されていてもよい。

還流路４０は、発酵槽２１へ延びている。これによって、中途流出口３５が、還流路４０を介して発酵槽２１に連なっている。還流路４０の中途部には、補充部４１が接続されている。補充部４１は、水（Ｈ_２Ｏ）を、還流路４０を介して発酵槽２１に補充（供給）する。さらに、補充部４１は、この水と一緒に、有機物質生成嫌気性微生物５用の栄養分（ビタミン、リン酸等）をも還流路４０を介して発酵槽２１に補充（供給）する。

補充部４１と還流路４０との間には、脱酸素部４２が設けられている。脱酸素部４２は、窒素（Ｎ_２）の曝気部を有している。

後段（最終段）の嫌気処理槽３２の出口は、終端流出口３６を構成している。つまり、嫌気処理槽３２に終端流出口３６が接続されている。終端流出口３６には、好気処理部５０が連なっている。好気処理部５０は、好気処理槽５１と、曝気機構５２を含む。好気処理槽５１には、好気性細菌が培養されている。曝気機構５２は、空気又は酸素（Ｏ_２）を好気処理槽５１中に曝気する。

上記の廃棄物処理システムひいては嫌気性処理装置１による嫌気性処理方法を説明する。
＜廃棄物燃焼〜ガス生成工程＞
溶融炉１１に廃棄物２を投入する。廃棄物２は、例えば有機系の産業廃棄物である。また、好ましくはほぼ１００％の酸素を溶融炉１１に供給する。そして、廃棄物２を例えば２０００℃程度に高温加熱して燃焼させる。これによって、廃棄物２の構成分子のほとんどがガス化され、嫌気ガス３が生成される。嫌気ガス３は、ＣＯの他，Ｈ_２、ＣＯ_２等を含有する。
廃棄物２の燃焼で生じた固形成分（スラグ）は溶融炉１１から別途、排出される。

＜ガス脱酸素工程＞
嫌気ガス３を脱酸素部１２に通す。このとき、嫌気ガス３中にＯ_２が含まれていた場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ等の遷移金属を触媒として、嫌気ガス３中のＣＯやＨ_２とＯ_２とが反応して、ＣＯ_２やＨ_２Ｏが生成される。これによって、嫌気ガス３からＯ_２が除かれる。

＜ガス供給工程＞
脱酸素後の嫌気ガス３を、圧送ポンプ１３にて圧縮して、発酵槽２１に圧送する。この嫌気ガス３が、発酵槽２１の液状培地４内に勢い良くバブリングされて溶け込む。

＜発酵工程＞
これによって、液状培地４中の有機物質生成嫌気性微生物５の発酵作用によって、嫌気ガス３のＣＯ及びＨ_２等からエタノール等のアルコール（有機物質）が生成される。また、ＣＯ_２や酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）等の副生成物も生成される。
上述したガス脱酸素工程によって嫌気ガス中のＯ_２を除去しておくことで、嫌気性微生物５にダメージを与えるのを防止できる。

上記のＣＯ_２や、未使用のＣＯ、Ｈ_２等の気体成分は、発酵槽２１のガス出口から放出される。これら気体成分は、溶融炉１１に戻してもよく、空気と一緒に燃焼させて蒸留などの熱源として利用してもよい。

発酵槽２１の液出口２１ｂからは、液状培地４の一部４ｅが、一定の流量で連続的に流出される。この流出培地４ｅが抽出部２２へ送られる。

＜抽出（蒸留）工程＞
抽出部２２においては、流出培地４ｅが蒸留されてエタノールが抽出される。つまり、流出培地４ｅが、エタノールを高濃度に含む抽出流体７ａと、エタノール濃度が低い抽出残流体７ｂとに分離される。抽出流体７ａは、頂部出口２２ａから流出され、低沸点物質除去や脱水工程などの精製処理等を経て、溶剤や化学品原料、燃料用などの種々の利用に供することができる。
抽出残流体７ｂは、底部出口２２ｂから嫌気処理部３０へ導かれる。

＜嫌気処理工程＞
嫌気処理部３０においては、抽出残処理用嫌気性微生物６の嫌気発酵によって抽出残流体７ｂが嫌気処理される。嫌気発酵は、酸発酵とメタン発酵を含む。酸発酵菌による酸発酵によって、抽出残流体７ｂ中の嫌気性微生物５の屍骸等の高分子有機物（バイオマス）を、酢酸などの低分子酸性有機物に分解又は可溶化できる。更に、メタン発酵菌によるメタン発酵によって、酢酸などの低分子酸性有機物（上記発酵工程における副生成物の酢酸を含む）をメタン（ＣＨ_４）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解できる。これによって、嫌気処理が進むにしたがって、抽出残流体７ｂのＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand:化学的酸素要求量）を漸次低減できる。
嫌気処理工程で生じた気体成分（ＣＨ_４，ＣＯ_２等）は、各嫌気処理槽３１，３２の気体出口から排出される。

＜分流工程（一部還流工程）＞
抽出残流体７ｂは、複数段の嫌気処理槽３１，３２によって順次嫌気処理されるとともに、この嫌気処理工程の途中の嫌気処理槽３１から嫌気処理槽３２へ移行される際に、一部が還流体７ｃとして分流される。
詳しくは、抽出残流体７ｂは、先ず前段（第１段）の嫌気処理槽３１に導入され、嫌気処理槽３１内において撹拌されながら嫌気処理された後、連絡路３３へ導出される。そして、連絡路３３において、還流体７ｃと、残りの抽出残流体７ｄとに分流される。還流体７ｃは、還流路４０へ流れ、発酵槽２１へ送られる。残りの抽出残流体７ｄは、後段の嫌気処理槽３２へ流れ、嫌気処理槽３２において撹拌されながら更に嫌気処理された後、終端流出口３６から出されて排出流体７ｅとなる。

還流体７ｃのＣＯＤは、嫌気処理部３０による嫌気処理前の抽出残流体７ｂのＣＯＤよりも小さく、かつ残りの抽出残流体７ｄが終端流出口３６に達したときのＣＯＤ（好気処理部５０による処理前の排出流体７ｅのＣＯＤ）よりも大きい。また、還流体７ｃの流量は、抽出残流体７ｂの全体流量（嫌気処理部３０への導入流量）よりも小さく、かつ残りの抽出残流体７ｄの流量よりも大きい。
なお、嫌気処理前の抽出残流体７ｂのＣＯＤは、流出培地４ｅにおけるアルコール分を差し引いたＣＯＤとほぼ等しい。

好ましくは、嫌気処理中の抽出残流体７ｂのＣＯＤが、嫌気処理前の抽出残流体７ｂよりも少しだけ小さくなった時点で、抽出残流体７ｂの一部を分流して還流体７ｃとする。言い換えると、嫌気処理中の抽出残流体７ｂのＣＯＤが、終端流出口３６での排出流体７ｅのＣＯＤよりも十分に大きい時点で、抽出残流体７ｂの一部を還流体７ｃとして分流する。
好ましくは、嫌気処理中の抽出残流体７ｂのＣＯＤが、嫌気処理前の抽出残流体７ｂのＣＯＤの０．５倍〜０．９９倍になったとき、還流体７ｃを分流する。
より好ましくは、嫌気処理中の抽出残流体７ｂのＣＯＤが、嫌気処理前の抽出残流体７ｂのＣＯＤの０．９倍〜０．９７倍になったとき、還流体７ｃを分流する。
これによって、嫌気処理槽３１において抽出残流体７ｂを過度に嫌気処理するのを防止でき、還流体７ｃ内に有機物質生成嫌気性微生物５用の栄養分を未分解で残すことができる。

好ましくは、還流体７ｃの流量が、抽出残流体７ｂの全体流量よりも少しだけ小さく、かつ残りの抽出残流体７ｄの流量よりも十分に大きくなるように設定する。これによって、発酵槽２１への戻り流量を確保できるとともに、排出流体７ｅの流量を低減して、後処理（好気処理）の負荷を軽減できる。

好ましくは、嫌気処理槽３１内における抽出残流体７ｂの滞留時間を短くし、嫌気処理槽３２内における残りの抽出残流体７ｄの滞留時間を長くする。これによって、還流体７ｃが過度に嫌気処理されるのを確実に回避できるとともに、残りの抽出残流体７ｄについては十分に時間をかけて嫌気処理することによって、抽出残流体７ｄのＣＯＤを十分に低減でき、後処理（好気処理）の負荷を確実に軽減できる。

例えば、嫌気処理前（嫌気処理部３０へ導入前）の抽出残流体７ｂのＣＯＤが３００００ｍｇ／Ｌ程度とすると、還流体７ｃのＣＯＤは２７０００ｍｇ／Ｌ〜２９０００ｍｇ／Ｌ程度になるようにする。これによって、還流体７ｃが過度に嫌気処理されるのを回避でき、栄養分を殆ど未分解で残留させることができる。
また、残りの抽出残流体７ｄのＣＯＤは最終的に３０００ｍｇ／Ｌ程度になるようにする。これによって、排出流体７ｅのＣＯＤを後述する好気処理に適したレベルまで下げることができる。
なお、本発明が、上記の数値範囲に限定されるものではない。

還流体７ｃ及び抽出残流体７ｄの各流量ひいては流量比（連絡路３３から還流路４０への分流比）は、還流ポンプ３７及び送流ポンプ３８の出力によって調節できる。更には、前段の嫌気処理槽３１における抽出残流体７ｂの滞留時間及び後段の嫌気処理槽３２における残りの抽出残流体７ｄの滞留時間や、還流体７ｃのＣＯＤ及び残りの抽出残流体７ｄの最終的なＣＯＤについても、還流ポンプ３７及び送流ポンプ３８の出力によって調節できる。
なお、上記の流量調節は、流量制御弁によって行ってもよい。

＜補充工程＞
還流体７ｃは、還流路４０によって発酵槽２１へ送られる。
この途中で、補充部４１から水及び栄養分（ビタミン、リン酸等）が、脱酸素部４２を経て、還流体７ｃへ供給される。これによって、液状体ライン２０に水を補充できるとともに、有機物質生成嫌気性微生物５のための栄養分（ビタミン、リン酸等）を補充できる。脱酸素部４２においては、上記栄養分を含む水に窒素が曝気されることによって、水中の溶存酸素が、窒素に移り、窒素と一緒に排気される。

補充部４１からの水の補充流量は、抽出残流体７ｄひいては排出流体７ｅの流量とほぼ対応する。これによって、排出流体７ｅが外部に放出されても、液状体ライン２０全体の水量を一定に保つことができる。抽出残流体７ｄは還流体７ｃに比べて十分に少量であるから、補充部４１における水の補充流量を十分に小さくできる。また、還流体７ｃは、栄養分があまり分解されていない段階で嫌気処理部３０から取り出されたものであるから、補充部４１における栄養分の所要補充量は少なくて済む。

＜還流工程＞
その後、還流体７ｃは、発酵槽２１に戻され、液状培地４となる。これによって、液状培地４を循環再利用できる。
上述したように、嫌気処理槽３１における嫌気処理によって、酢酸などの副生成物の増加を防止できるから、発酵槽２１におけるエタノール等のアルコールの合成効率を維持できる。また、脱酸素部４２において補充水から酸素を除去しておくことによって、液状培地４中の有機物質生成嫌気性微生物５に与えるダメージを低減できる。

＜好気処理工程（後処理工程）＞
終端流出口３６から出た排出流体７ｅは、好気処理部５０へ送られる。好気処理部５０においては、排出流体７ｅを、好気処理槽５１に導入するとともに、曝気機構５２によって空気または酸素を曝気して好気発酵を起こさせる。この好気処理によって、排出流体７ｅ中の有機物を酸化分解でき、排出流体７ｅのＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand:生物化学的酸素要求量）を低減できる。更に必要に応じて、周知の方法により、排出流体７ｅの硝化工程、脱窒工程、脱リン工程、脱硫工程等を行ってもよい。硝化工程においては、硝化菌を用いてもよい。脱窒工程においては、脱窒菌を用いてもよい。脱リン工程においては、脱リン菌を用いてもよい。脱硫工程においては、脱硫菌を用いてもよい。上述したように、嫌気処理槽３２における嫌気処理によって排出流体７ｅのＣＯＤひいてはＢＯＤを好気処理可能な大きさまで低減しておくことによって、好気処理ひいては廃棄処理ないしは浄化処理の負荷を低減でき、処理効率を高めることができる。

＜放出工程＞
これによって、排出流体７ｅのＢＯＤを規制レベルまで十分に下げることができ、排出流体７ｅを浄化して河川や下水等の環境に放出して廃棄できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と重複する内容に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図２は、本発明の第２実施形態を示したものである。第２実施形態では、抽出部２２の底部出口２２ｂと嫌気処理部３０とを結ぶライン２０ａから戻し路２０ｂが分岐されている。戻し路２０ｂは、発酵槽２１に連なっている。

したがって、抽出部２２からの抽出残流体７ｂの一部分が、戻し路２０ｂから直接、発酵槽２１に戻される。抽出残流体７ｂの残部が、嫌気処理部３０へ送られて嫌気処理される。これによって、エタノール（生成目的の有機物質）が抽出残流体７ｂに残留していた場合、その一部分を発酵槽２１を経由して再び抽出部２２へ戻し、再び抽出工程にかけることができる。したがって、嫌気処理部３０及び好気処理部５０を経て分解ないしは廃棄されるエタノールの流量を低減することができる。逆に言うと、抽出部２２におけるエタノールの抽出効率が高くなくても、無駄に捨てられるエタノール量を低減することができる。
また、嫌気処理部３０へ送られる抽出残流体７ｂの流量が減るため、嫌気処理部３０の負担を軽減できる。

図３は、本発明の第３実施形態を示したものである。第３実施形態では、嫌気処理部３０Ｘが、上向流式嫌気性汚泥床（USAB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket）にて構成されている。嫌気処理部３０Ｘには、抽出残処理用嫌気性微生物６が凝集したグラニュール６Ｘが底部から頂部近くまで充填されている。

また、嫌気処理部３０Ｘの底部には、流入口３４が設けられている。嫌気処理部３０Ｘの頂部には、終端流出口３６が設けられている。嫌気処理部３０Ｘの高さ方向の途中（流入口３４と終端流出口３６との間）には、中途流出口３５が設けられている。中途流出口３５から還流路４０が延びている。
嫌気処理部３０Ｘには攪拌機構は設けられていない。

抽出部２２からの抽出残流体７ｂは、流入口３４から嫌気処理部３０Ｘの底部に導入され、グラニュール６Ｘの抽出残処理用嫌気性微生物６と接触する。これによって、抽出残流体７ｂ中の有機物が嫌気的に分解されていく。抽出残流体７ｂは、グラニュール６Ｘ内を流入口３４から終端流出口３６へ向かって上昇する。したがって、グラニュール６Ｘ内に上向きの一方向流が形成される。流れる間に嫌気発酵が進む。したがって、嫌気処理部３０Ｘにおけるより高い位置ほど、抽出残流体７ｂのＣＯＤが小さくなる。

抽出残流体７ｂの一部は、上昇の途中で中途流出口３５から流出して、還流体７ｃとなる。この還流体７ｃが還流路４０を経て発酵槽２１に戻される点は、第１実施形態と同様である。また、好ましくは、第１実施形態と同様に、還流体７ｃの流量を残りの抽出残流体７ｄの流量よりも大きくする。したがって、嫌気処理部３０Ｘ内の流入口３４から中途流出口３５までの抽出残流体７ｂの流速は大きく、中途流出口３５よりも上側の抽出残流体７ｄの流速は小さい。

残りの抽出残流体７ｄは、更に嫌気処理されながら嫌気処理部３０Ｘの頂部まで上昇する。そして、終端流出口３６から流出して、排出流体７ｅとなる。したがって、排出流体７ｅのＣＯＤを十分に小さくしたうえで、好気処理部５０へ導入して効率的に好気処理できる。

図４は、本発明の第４実施形態を示したものである。第４実施形態の嫌気性処理装置１は、固液分離部６０と、酸発酵部６３（可溶化部）とを更に備えている。固液分離部６０及び酸発酵部６３は、液状体ライン２０における抽出部２２と嫌気処理部３０との間に介在されている。したがって、抽出部２２から出た抽出残流体７ｂは、固液分離部６０に導入される。

固液分離部６０は、沈殿槽やフィルタを有している。この固液分離部６０において、抽出残流体７ｂが、固体状抽出残物７ｆと、液状抽出残流体７ｇとに分離される。固体状抽出残物７ｆは、抽出残流体７ｂの固体成分（有機物質生成嫌気性微生物５の屍骸等）を濃縮したものである。液状抽出残流体７ｇは、抽出残流体７ｂの固体成分が希釈され、液状になっている。

固液分離部６０の液状抽出残流体７ｇ側の出口が、嫌気処理部３０に接続されている。これによって、液状抽出残流体７ｇが、嫌気処理部３０に導入されて嫌気処理される。液状抽出残流体７ｇには、固体成分がほとんど含まれていないから、嫌気処理の所要時間を短縮できる。特に、還流体７ｃを分流した後の残りの抽出残流体７ｄの処理時間を短縮でき、嫌気処理の負荷を軽減できる。

固液分離部６０の固体状抽出残物７ｆ側の出口は、酸発酵部６３に接続されている。酸発酵部６３には、酸発酵菌８が培養されている。酸発酵菌８は、固体状抽出残物７ｆを酸発酵によって嫌気的に分解して可溶化する。したがって、有機物質生成嫌気性微生物５の屍骸（バイオマス）を液状にすることができる。
可溶化物は、液状抽出残流体７ｇと共に嫌気処理部３０へ導入してもよい。或いは、好気処理を行ったうえで廃棄してもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、嫌気ガス３は、ＣＯ及びＨ_２のうち少なくとも一方を含んでいればよい。ただし、嫌気ガス３がＨ_２を含みＣＯを含まない場合は、ＣＯ_２等の他の炭素源が必要になる。
生成目的の有機物質は、エタノール、ブタノール等のアルコールに限られず、酢酸などの他の有機化合物であってもよい。
流体４，７ａ〜７ｅ，７ｇは、流動可能であればよく、固形分を含んでいてもよい。
第１実施形態の変形例として、３つ以上の嫌気処理槽が、カスケード接続されていてもよい。これら３つ以上の嫌気処理槽のうち、隣接する所定の２つの嫌気処理槽どうしの間に中途流出口３５及び還流路４０が設けられることで、これら所定の２つの嫌気処理槽どうし間から還流体７ｃが分流されるようにしてもよい。
第１実施形態（図１）において、還流路４０が、連絡路３３から分岐されるのではなく、嫌気処理槽３１における連絡路３３の接続部の近傍から直接延び出ていてもよい。この還流路４０の嫌気処理槽３１との接続部が、中途流出口３５を構成していてもよい。
複数の実施形態を互いに組み合わせてもよい。例えば、第３実施形態（図３）及び第４実施形態（図４）においても、第２実施形態（図２）と同様に、抽出部２２の底部出口２２ｂと嫌気処理部３０とを結ぶライン２０ａから戻し路２０ｂを分岐させて、この戻し路２０ｂを発酵槽２１に接続してもよい。
また、第４実施形態（図４）の嫌気処理部３０は、第１実施形態（図１）と同様に撹拌式の多段嫌気処理槽３１，３２になっているが、第３実施形態（図３）のような一方向流嫌気処理槽３０Ｘにて構成してもよい。

本発明は、例えば産業廃棄物の焼却処理で生じる一酸化炭素からエタノールを合成するエタノール生成システムの水処理装置に適用できる。

１ 嫌気性処理装置
３ 嫌気ガス
４ 液状培地
４ｅ 流出培地
５ 有機物質生成嫌気性微生物
６ 抽出残処理用嫌気性微生物
７ａ 抽出流体
７ｂ 抽出残流体
７ｃ 還流体
７ｄ 残りの抽出残流体
２１ 発酵槽
２２ 抽出部
３０ 嫌気処理部
３０Ｘ 嫌気処理部
３１，３２ 嫌気処理槽
３４ 流入口
３５ 中途流出口
３６ 終端流出口
４０ 還流路
４１ 補充部
４２ 脱酸素部
５０ 好気処理部
６０ 固液分離部
６３ 酸発酵部

Claims (18)

1. 一酸化炭素及び水素の少なくとも一方を含む嫌気ガスを発酵槽の液状培地に溶け込ませ、前記液状培地中の嫌気性微生物の発酵作用によって有機物質を生成するとともに、前記発酵槽からの流出培地を、前記有機物質の濃度が高い抽出流体と、前記有機物質の濃度が低い抽出残流体とに分離した後、前記抽出残流体を処理する嫌気性処理方法において、
   前記抽出残流体のＣＯＤ（化学的酸素要求量）を嫌気処理によって低減する嫌気処理工程と、
   前記嫌気処理工程の途中の抽出残流体から一部を分流して還流体として前記発酵槽へ戻す一部還流工程と、
   を備え、前記有機物質がアルコールであることを特徴とする嫌気性処理方法。
2. 前記嫌気処理工程中の抽出残流体のＣＯＤが、前記嫌気処理工程前の抽出残流体のＣＯＤの０．５倍〜０．９９倍になったとき、前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流することを特徴とする請求項１に記載の嫌気性処理方法。
3. 前記嫌気処理工程中の抽出残流体のＣＯＤが、前記嫌気処理工程前の抽出残流体のＣＯＤの０．９倍〜０．９７倍になったとき、前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流することを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性処理方法。
4. 前記還流体の流量を、前記還流体を分流した後の残りの抽出残流体の流量よりも大きくすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の嫌気性処理方法。
5. 前記抽出残流体を複数段の嫌気処理槽に順次送り、かつ隣接する所定の２つの嫌気処理槽どうしの間から前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流させることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の嫌気性処理方法。
6. 前記抽出残流体を、１つの嫌気処理槽内において流入口から終端流出口へ向って一方向流になるように流し、かつ前記嫌気処理槽の前記流入口と前記終端流出口との間の中途流出口から前記抽出残流体の一部を前記還流体として分流させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の嫌気性処理方法。
7. 前記還流体を分流した後の残りの抽出残流体を更に嫌気処理した後、好気処理することを特徴とする請求１〜６の何れか１項に記載の排気性処理方法。
8. 前記嫌気処理工程前に、前記抽出残流体を、固体成分が濃縮された固体状抽出残物と、固体成分が希釈された液状抽出残流体とに分離し、前記液状抽出残流体に対して前記嫌気処理工程を行うことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の嫌気性処理方法。
9. 前記固体状抽出残物を酸発酵によって可溶化することを特徴とする請求項８に記載の嫌気性処理方法。
10. 一酸化炭素及び水素の少なくとも一方を含む嫌気ガスを溶け込ませた液状培地が収容され、前記液状培地中の嫌気性微生物の発酵作用によって有機物質を生成する発酵槽と、
    前記発酵槽からの流出培地を、前記有機物質の濃度が高い抽出流体と、前記有機物質の濃度が低い抽出残流体とに分離する抽出部と、
    前記抽出残流体のＣＯＤ（化学的酸素要求量）を嫌気処理によって低減する嫌気処理部と、
    を備え、前記嫌気処理部が、中途に設けられた中途流出口と、終端に設けられた終端流出口とを有し、かつ前記中途流出口が、還流路を介して前記発酵槽に連なっており、
    前記中途流出口から流出される還流体のＣＯＤが、残りの抽出残流体が前記終端流出口に達したときのＣＯＤよりも大きく、前記有機物質がアルコールであることを特徴とする嫌気性処理装置。
11. 前記嫌気処理部が、直列接続された複数段の嫌気処理槽を有し、これら嫌気処理槽における隣接する２つの嫌気処理槽どうしの間に前記中途流出口が接続され、最終段の嫌気処理槽に前記終端流出口が接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の嫌気性処理装置。
12. 前記嫌気処理部には、流入口から前記終端流出口へ向かう一方向流が形成されており、前記嫌気処理部の前記流入口と前記終端流出口との間に前記中途流出口が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の嫌気性処理装置。
13. 前記終端流出口に好気処理部が接続されていることを特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載の嫌気性処理装置。
14. 前記還流体のＣＯＤが、前記嫌気処理前の抽出残流体のＣＯＤの０．５倍〜０．９９倍であることを特徴とする請求項１０〜１３の何れか１項に記載の嫌気性処理装置。
15. 前記還流体のＣＯＤが、前記嫌気処理前の抽出残流体のＣＯＤの０．９倍〜０．９７倍であることを特徴とする請求項１０〜１４の何れか１項に記載の嫌気性処理装置。
16. 前記還流体の流量が、残りの抽出残流体の流量よりも大きいことを特徴とする請求項１０〜１５の何れか１項に記載の嫌気性処理装置。
17. 前記抽出部と前記嫌気処理部との間に、前記抽出残流体を、固体成分が濃縮された固体状抽出残物と、固体成分が希釈された液状抽出残流体とに分離する固液分離部が設けられ、前記液状抽出残流体が、前記嫌気処理部に導入されることを特徴とする請求項１０〜１６の何れか１項に記載の嫌気性処理装置。
18. 前記固体状抽出残物を酸発酵によって可溶化させる酸発酵部が設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の嫌気性処理装置。

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