(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をメタン発酵によって処理する方法において、前記有機性廃棄物を複数の発酵槽に導入して発酵させ、前記複数の発酵槽内の圧力を検出して、前記圧力の高い方の発酵槽から、前記圧力の低い方の発酵槽へと、前記メタン発酵によって生成したガスを供給することによって、前記圧力の低い方の発酵槽の攪拌を行ない、この攪拌を前記複数の発酵槽間で交互に行なうことを特徴とする有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記有機性廃棄物を、前記複数の発酵槽間で交互に圧力差が生じるように、前記複数の発酵槽に交互に導入する請求項１記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物を発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記有機性廃棄物をメタン発酵させるための複数の発酵槽と、前記発酵槽内の圧力を検出するための圧力検出手段と、前記メタン発酵によって生成したガスを貯留するためのガス貯留槽と、
前記複数の発酵槽内の前記生成ガスが占める上部空間と前記ガス貯留槽とを連結する第１配管と、前記発酵槽内の上部空間と他の発酵槽内の前記有機性廃棄物が占める下部空間とを連結する第２配管とを備え、
前記圧力検出手段によって前記複数の発酵槽間の圧力差を検出した場合に、前記圧力の高い方の発酵槽から前記圧力の低い方の発酵槽へ、前記第２配管を通じて前記生成ガスを供給する切替え手段が設けられていることを特徴とする有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【請求項４】
前記有機性廃棄物供給手段が、前記有機性廃棄物を前記複数の発酵槽に交互に供給するための切替え手段を備える請求項３記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、嫌気性生物を用いて、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物を処理する、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
上記の嫌気性生物を用いた発酵槽においては、細菌と有機性廃棄物の接触をよくし、バイオガスの発生を促進させるために発酵槽内を攪拌する必要がある。また、この攪拌によって、発酵槽内の温度やｐＨが均一になるので発酵条件が一定となり、安定したバイオガスの発生が可能となる。
【０００５】
従来、発酵槽を攪拌する方法としては、機械攪拌法、ポンプ循環法、ガス攪拌法等が用いられている。機械攪拌方法は、羽根式攪拌機やスクリュー式攪拌機を発酵槽内に設置し、強制的に有機性廃棄物を攪拌する方法であり、ポンプ循環法は、発酵槽の外部にあるポンプで有機性廃棄物自身を発酵槽底部から上部へ循環させる方法である。
【０００６】
また、ガス攪拌法は、バイオガスをガス圧縮機で圧縮し、発酵槽下部より圧入する方法であり、例えば、特開２００１−４６９９７号公報には、閉鎖空間を形成するメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に浸漬されて膜分離装置と散気装置を配置した膜分離槽と、発酵槽と膜分離槽とを連通する循環系と、一端が発酵槽の気相部に連通するとともに、他端が散気装置に連通し、途中にブロアを介装したバイオガス循環系とを有する発酵槽の攪拌装置が記載されており、発酵槽内で発生するバイオガスのエアリフト作用を利用して、発酵汚泥を攪拌することが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術のうち、機械攪拌法においては、発酵槽内に攪拌機が必要となるので装置構造が複雑となり、また、大きな攪拌動源が必要となるという問題があった。また、ポンプ循環法においても、循環ポンプ等の駆動源があり、大きな動力を必要とするという問題点があった。
【０００８】
更に、特開２００１−４６９９７号公報の方法のようなガス攪拌法においても、ガスを発酵槽に送り込むための、ブロアやガス圧縮機が必要になるとういう問題点があった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、メタン発酵槽の攪拌動力を低減でき、これによって処理装置のランニングコストを低減できる、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者等は鋭意検討した結果、メタン発酵槽内部を密閉系にするとバイオガスの発生に伴い発酵槽内の圧力は上昇するので、この圧力を発酵槽内の原料スラリーの攪拌に利用すれば、攪拌動力が大幅に低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法は、嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をメタン発酵によって処理する方法において、前記有機性廃棄物を複数の発酵槽に導入して発酵させ、前記複数の発酵槽内の圧力を検出して、前記圧力の高い方の発酵槽から、前記圧力の低い方の発酵槽へと、前記メタン発酵によって生成したガスを供給することによって、前記圧力の低い方の発酵槽の攪拌を行ない、この攪拌を前記複数の発酵槽間で交互に行なうことを特徴とする。
【００１２】
本発明の方法によれば、複数の発酵槽内の圧力差を利用して、圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給することによって有機性廃棄物の攪拌を行なうことができる。したがって、加圧されたガスを発酵槽内に送り込むことができるので、ブロアやガス圧縮機が不要であり、攪拌に必要な動力を低減してランニングコストを低減することができる。また、複数の発酵槽間で交互に攪拌を行うことにより、処理装置の連続運転が可能となり、処理効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の方法においては、前記有機性廃棄物を、前記複数の発酵槽間で交互に圧力差が生じるように、前記複数の発酵槽に交互に導入することが好ましい。これによれば、それぞれの発酵槽への有機性廃棄物の導入のタイミングを順次切替えるだけで、発酵槽間の圧力差を容易に発生させることができる。
【００１４】
一方、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置は、嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物を発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、前記有機性廃棄物をメタン発酵させるための複数の発酵槽と、前記発酵槽内の圧力を検出するための圧力検出手段と、前記メタン発酵によって生成したガスを貯留するためのガス貯留槽と、
前記複数の発酵槽内の前記生成ガスが占める上部空間と前記ガス貯留槽とを連結する第１配管と、前記発酵槽内の上部空間と他の発酵槽内の前記有機性廃棄物が占める下部空間とを連結する第２配管とを備え、
前記圧力検出手段によって前記複数の発酵槽間の圧力差を検出した場合に、前記圧力の高い方の発酵槽から前記圧力の低い方の発酵槽へ、前記第２配管を通じて前記生成ガスを供給する切替え手段が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の装置によれば、圧力検出手段と第１配管、第２配管によって、複数の発酵槽内の圧力差を利用して、圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給することによって攪拌ができる。したがって、生成ガスを発酵槽内に送り込むためのブロアやガス圧縮機が不要となり、攪拌に必要な動力が低減できるのでランニングコストが低減する。
【００１６】
また、発酵槽内の攪拌装置が不要であり、装置の構造を単純にできる。更に、複数の発酵槽間で交互に攪拌を行うことにより、処理装置の連続運転が可能となるので、処理効率を向上させることができる。
【００１７】
本発明の装置においては、前記有機性廃棄物供給手段が、前記有機性廃棄物を前記複数の発酵槽に交互に供給するための切替え手段を備えることが好ましい。
【００１８】
これによれば、切替え手段によって、有機性廃棄物の導入を、複数の発酵槽で交互に行なうことができるので、複数の発酵槽における圧力差の発生を容易に行なうことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。
【００２０】
図１、２には、本発明の有機性廃棄物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はメタン発酵処理装置の概略構成図、図２は発酵槽内の圧力制御の状態を示すタイムチャートである。
【００２１】
まず、本発明のメタン発酵装置について説明すると、図１に示すように、この処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する前処理装置１０と、これをスラリー化する混合槽２０と、供給ポンプ３０ａ、３０ｂとからなる有機性廃棄物供給手段と、２つの発酵槽４０ａ、４０ｂと、圧力センサ５０ａ、５０ｂからなる圧力検出手段と、生成したガスを貯留するためのガスタンク６０とで主に構成されている。
【００２２】
有機性廃棄物供給手段は、有機性廃棄物を投入、粉砕するための前処理装置１０が、供給配管８１によって、次工程の混合槽２０に供給されるように構成されている。そして、混合槽２０からは、供給配管８２ａ、８２ｂが、それぞれ発酵槽４０ａ、４０ｂへ連結されるように接続されている。
【００２３】
供給配管８２ａ、８２ｂの途中には、供給ポンプ、３０ａ、３０ｂが設けられており、これによって、発酵槽４０ａ又は４０ｂへの有機性廃棄物の供給が切替え可能となっている。
【００２４】
本発明においては、複数の発酵槽を用いる点が特徴となっており、この実施形態においては、２つの発酵槽４０ａ、４０ｂを有している。発酵槽としては特に限定されないが、本発明においては、複数の発酵槽の圧力差を利用して攪拌を行なうため、それぞれの発酵槽の体積が等しいことが好ましい。また、発酵槽の数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
【００２５】
メタン発酵を行なうための２つの発酵槽４０ａ、４０ｂの上部には、それぞれ圧力センサ５０ａ、５０ｂが設けられており、発酵槽上部のガス圧力をモニターできるようになっている。圧力センサ５０ａ、５０ｂとしては従来公知の圧力センサが使用可能であり特に限定されない。
【００２６】
発酵槽４０ａ、４０ｂの上部空間からは、ガスタンク６０に連結される第１配管８３ａ、８３ｂがそれぞれ接続されており、第１配管８３ａ、８３ｂの途中には、第１バルブ９０ａ、９０ｂがそれぞれ設けられている。これによって、メタン発酵を行なうための２つの発酵槽４０ａ、４０ｂにおいて発生したバイオガスが、ガスタンク６０に貯蔵されるように構成されており、このガスタンク６０に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として有効利用されるようになっている。
【００２７】
一方、上記の第１配管とは別に、発酵槽４０ａ、４０ｂからは、圧力の高い方の発酵槽から圧力の低い方の発酵槽へ生成ガスを供給して攪拌を行なうために、発酵槽４０ａの上部空間と発酵槽４０ｂの下部空間を連結する第２配管８４、及び、発酵槽４０ａの下部空間と発酵槽４０ｂの上部空間を連結する第２配管８５が連結されており、第２配管８４、８５の途中には、それぞれバルブ９１ａ、９１ｂが設けられている。
【００２８】
更に、発酵槽４０ａ、４０ｂの底部からは、固液分離槽７０に接続される供給配管８６ａ、８６ｂがそれぞれ設けられており、発酵処理後の残渣が固液分離槽７０に送られるように構成されている。この固液分離槽７０からは、分離された液体残渣が再度、混合槽２０に送られるように供給配管８７が接続されており、それ以外の残渣は廃液処理装置へ送られるように構成されている。
【００２９】
次に、このメタン発酵処理装置を用いた、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法処理方法について説明する。
【００３０】
まず、有機性廃棄物は前処理装置１０に投入される。処理原料となる有機性廃棄物としては、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場等から排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理等の余剰汚泥等が使用できる。
【００３１】
前処理装置１０では、発酵に適さない異物を取り除くと同時に、発酵を促進させるために有機性廃棄物を細かく粉砕する。このように、メタン発酵処理に供する有機性廃棄物を微粉砕することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。この段階での有機性廃棄物のＴＳ濃度（固形分濃度）は２０〜２５％であることが好ましい。
【００３２】
そして、上記の粉砕後の有機性廃棄物は混合槽２０に送られる。混合槽２０において、有機性廃棄物は、固液分離槽７０から返送される汚泥と混合される。これによって、有機性廃棄物はＴＳ濃度等が調整されて原料スラリーとなる。このとき、混合槽２０における原料スラリーのＴＳ濃度としては１０〜１５％となるように調整することが好ましい。
【００３３】
次に、原料スラリーは、発酵槽に送られてメタン発酵が行なわれる。以下、更に、図２のタイムチャートを参照しながら、原料スラリーの供給方法、及び発酵槽４０ａ、４０ｂ内の圧力制御の方法について説明する。
【００３４】
この実施形態では、まず、図２ｃに示すように、一方の供給ポンプ３０ａのみを、所定の時間ｔ0からｔ1まで作動させ、原料スラリーを発酵槽４０ａに供給する。このとき、図２ｂに示すように、各バルブ９０ａ、９０ｂ、９１ａ、９１ｂは閉じられている。
【００３５】
その結果、メタン発酵が発酵槽４０ａ内で起こり、メタンガスを主としたバイオガスが発生する。発酵槽４０ａ内は、汚泥等の有機性廃棄物が含有される原料スラリー層と、上部に生成したバイオガスが充満するガス層から構成され、原料スラリー中の有機物１ｇより約１．９Ｌのバイオガスが発生する。そのため、発酵槽を密閉系にするとバイオガスの発生に伴い発酵槽内の圧力は上昇する。
【００３６】
発酵温度としては、高温メタン菌を用いて効率的に処理できる５０〜６０℃が好ましく、５５〜５７℃が特に好ましい。
【００３７】
そして、この実施形態においては、発酵槽４０ｂに比べて、有機性廃棄物を供給した発酵槽４０ａで上記のバイオガスの発生が活発に起こるので、発酵槽４０ａ内の圧力Ｐａと、発酵槽４０ｂ内の圧力Ｐｂは、図２ａに示すように上昇し、発酵槽４０ａと発酵槽Ｂに圧力差Ｐ（Ｐａ−Ｐｂ）が生じる。なお、各発酵槽４０ａ、４０ｂ内の圧力は圧力センサ５０ａ、５０ｂによって常時モニタされている。
【００３８】
次に、この圧力差Ｐが所定の数値に達した時点で（図２ａのｔ2）、バルブ９１ａとバルブ９０ｂを開く。これによって、発酵槽４０ａのバイオガスが、第２配管８４によって、発酵槽４０ｂの下部空間から導入されるので、これによって、発酵槽４０ｂの攪拌が行なわれる。
【００３９】
このとき、高圧側の発酵槽４０ａ内と圧力としては１０〜２０ｋＰａなっていることが好ましく、低圧側の発酵槽４０ｂ内と圧力としては０〜５ｋＰａなっていることが好ましい。また、発酵槽４０ｂの攪拌に必要な上記の圧力差Ｐとしては、１０〜２０ｋＰａであることが好ましい。
【００４０】
そして、攪拌に利用されたバイオガスは、発酵槽４０ｂの有機性廃棄物を攪拌した後、発酵槽４０ｂ内の上部空間に達する。ここで、発酵槽４０ｂ内で発生した圧力Ｐｂのガイオガスと混合された後、第１配管８３ｂを通じてガスタンク６０へ供給される。
【００４１】
これによって、発酵槽４０ａ内で発生したガスを発酵槽４０ｂの攪拌動力として利用でき、攪拌動力として利用できる。しかも、攪拌に利用されたバイオガスは、発酵槽４０ｂのバイオガスとともに回収することもできるので、バイオガスの回収効率が低下することもない。
【００４２】
そして、発酵槽４０ａ内の発酵後の残渣は、供給配管８６ａを経て固液分離槽７０へ送られる。この残渣のＴＳ濃度は、通常２〜３％となっていることが好ましい。固液分離槽７０では残渣を固液分離し、分離された廃液の一部は混合槽２０へ返送されて原料スラリーのＴＳの濃度の調整に用いられ、残りは廃液処理装置にて処理される。
【００４３】
次に、上記の操作によって、発酵槽内の圧力が低下した時点で（図２ａのｔ3）、図２ｂに示すようにバルブ９１ａとバルブ９０ｂを閉じた後、今度は図２ｃに示すように供給ポンプ３０ｂのみを、所定の時間ｔ3からｔ4まで作動させ、原料スラリーを発酵槽４０ｂに供給する。
【００４４】
その結果、今度はメタン発酵が発酵槽４０ｂ内で活発に起こり、発酵槽４０ａ内の圧力Ｐａと、発酵槽４０ｂ内の圧力Ｐｂは、図２ａのｔ4からｔ5に示すように上昇し、発酵槽４０ａと発酵槽４０ｂに圧力差がＰ（Ｐｂ−Ｐａ）が生じる。そして、この圧力差Ｐが所定の数値に達した時点で（図２ａのｔ5）、今度はバルブ９１ｂとバルブ９０ａをｔ5からｔ6まで開く。これによって、発酵槽４０ｂのバイオガスが、第２配管８５によって、発酵槽４０ａの下部空間から導入されて発酵槽４０ｂの攪拌が行なわれる。
【００４５】
そして、バイオガスは、発酵槽４０ａの原料スラリーを攪拌した後、発酵槽４０ａ内の上部空間に達して、発酵槽４０ａ内で発生した圧力Ｐａのガイオガスと混合された後、第１配管８３ａを通じてガスタンク６０へ供給される。
【００４６】
上記のように、ｔ0からｔ6までの工程を１サイクルとして、これを繰り返して運転することで、発酵槽４０ａ、４０ｂ内の攪拌が交互に行なわれ、しかも、攪拌を外部からの大きな動力なしに行なうことが可能となる。また、このように、複数の発酵槽を切替えるので、処理装置の連続運転を行なうことが可能となり、処理効率を向上させることができる。
【００４７】
なお、上記の圧力制御による攪拌操作は、必ずしも処理装置の運転中常時行なう必要はなく、所定の間隔で間欠的に行なってもよい。この場合には、バルブ９１ａ、９１ｂを共に閉じて第２配管８４、８５を使用せず、バルブ９０ａ、９０ｂを開いて発酵槽４０ａ、４０ｂから発生したバイオガスを、それぞれ第１配管の８３ａ、８３ｂから直接取出すようにすればよい。これにより、発酵槽４０ａ、４０ｂを同時に使用することもできる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵槽の攪拌動力を低減でき、これによって、処理装置のランニングコストを低減できる、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置を提供することができるので、嫌気性生物を用いた、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物の処理に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】  発酵槽内の圧力制御の状態を示す図であって、（ａ）各発酵槽内の圧力状態、（ｂ）各バルブの開閉状態、（ｃ）各供給ポンプの運転状態、を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１０  前処理装置
２０  混合槽
３０ａ、３０ｂ  供給ポンプ
４０ａ、４０ｂ  発酵槽
５０ａ、５０ｂ  圧力センサ
６０  ガスタンク
７０  固液分離槽
８１、８２ａ、８２ｂ、８６ａ、８６ｂ、８７  供給配管
８３ａ、８３ｂ  第１配管
８４、８５  第２配管
９０ａ、９０ｂ、９１ａ、９１ｂ  バルブ
【図１】
0003716817.tif 000002
【図２】
0003716817.tif 000003