(57)【要約】【課題】水に代えて有機酸含有液を用いて固形バイオマスを水熱反応により高効率で液状化して得た液体基質を、有機性排水とともに、嫌気性処理装置に通水して安定かつ効率的に嫌気性処理する方法の提供。【解決手段】酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置における有機性排水の嫌気性処理方法において、以下の工程：  該酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得、  得られた液体基質を、該酸生成槽に返送する、を含み、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理することを特徴とする、前記方法、及びこれを実施するための排水処理装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置における有機性排水の嫌気性処理方法において、以下の工程：
該酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得、
得られた液体基質を、該酸生成槽に返送する、
を含み、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理することを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
前記水熱処理装置の出口液である液体基質と、前記水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で、熱交換する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記嫌気性反応槽が、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記固形バイオマスが、飲料工場等の食品製造工程から排出された廃棄物である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
酸生成槽と嫌気性反応槽と水熱処理装置とを含む、有機性排水の排水処理装置であって、該酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、該水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得、得られた液体基質を、該酸生成槽に返送し、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理することを特徴とする、前記排水処理装置。
【請求項６】
前記水熱処理装置の出口液である液体基質と、前記水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で、熱交換する、請求項５に記載の排水処理装置。
【請求項７】
前記嫌気性反応槽が、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽である、請求項５又は６に記載の排水処理装置。
【請求項８】
前記固形バイオマスが、飲料工場等の食品製造工程から排出された廃棄物である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水に代えて有機酸含有液を用いて固形バイオマスを水熱反応により高い効率で液状化して得た液体基質を、有機性排水とともに、嫌気性処理装置に通水して安定かつ効率的に嫌気性処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、お茶やコーヒー飲料工場等の食品製造工程からの緑茶滓やコーヒー豆滓などの水に不溶な食品系有機廃棄物は、焼却処理がなされ、あるいは家畜の飼料、肥料などとして利用されている。
焼却処理においては、前記緑茶滓等の燃焼により発生した熱を回収しているが、以下に説明する嫌気処理においてメタンガスとして回収されない。
【０００３】
以下の特許文献１に記載されるように、有機性排水を、酸生成槽を介して嫌気反応槽、例えば、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気反応槽で嫌気性処理する方法は知られている。
ＵＡＳＢ法、すなわち、上向流嫌気性汚泥床法（Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process)は、嫌気性菌（メタン生成細菌）を、付着担体を用いることなく自己造粒又は核となる物質に造粒させてなる造粒汚泥（グラニュール）の汚泥床（スラッジブランケット）を形成した反応槽に、原水を上向流で通水して処理する方法であり、ＵＡＳＢ反応槽中に高濃度の微生物を保持することが可能であることから、高負荷処理にて、有機性排水中の有機物を効率良く分解除去することができる方法である。それゆえ、ＵＡＳＢ型嫌気性処理装置は、好気性活性汚泥法に比べて、反応槽容積当りの有機物負荷が高く、曝気のためのエネルギーが不要で、メタンガスとしてエネルギーの回収が可能である上に、余剰汚泥発生量が少なく、しかも、槽内構造がシンプルであるといった優れた特長を備えているため、近年、食品工場排水などを対象として普及しつつある。
【０００４】
他方、以下の特許文献２や３に記載されるように、廃酵母や麦搾り滓、生ごみ等の水に不溶な食品系有機廃棄物を亜臨界水条件下での水熱反応により液状化する技術が知られている。また、特許文献２や３には、かかる水熱反応を行う水熱反応処理装置と嫌気性処理装置を含む処理槽位置によりメタンガスを回収することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１５５４８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１０２８９７号公報
【特許文献３】特開２００９−１１９３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２や３に記載された嫌気性処理装置は、被処理物が、廃酵母や麦搾り滓、生ごみ等の固形バイオマスであり、かかる固形バイオマスを、まず、水熱反応により液状化し、これを嫌気性処理してメタンガスを回収する装置であるため、有機性排水と固形バイオマスを共に処理することは想定されていない。また、特許文献２や３に記載された技術における水熱反応は、水に不溶な固形バイオマスを液状化できるが、液状化のために水と、水を亜臨界水条件化とするための熱と、液状化までの反応時間が必要となる。さらに、特許文献２と３に記載された方法は、バッチ処理であり、特に、特許文献３においては、以降のメタン発酵槽において使用する凝集剤の量を低減するために、水熱処理された後の液状化されなかった処理物を、メタン発酵槽に供給している。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、水に代えて有機酸含有液を用いて固形バイオマスを水熱反応することにより、水を用いた水熱反応よりも水熱反応を促進させて液状化して得た液体基質を、有機性排水とともに、嫌気性処理装置に通水して安定かつ効率的に嫌気性処理する方法及び装置を提供することである。
【０００８】
本発明者らは、かかる課題を解決すべく、鋭意検討し実験を重ねた結果、酸生成槽と嫌気反応槽を含む排水処理装置において有機性排水を嫌気性処理する方法において、水に代えて、酸生成槽の出口液である有機酸含有水を水熱処理に用いることで、上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は、以下の通りのものである。
［１］酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置における有機性排水の嫌気性処理方法において、以下の工程：
該酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得、
得られた液体基質を、該酸生成槽に返送する、
を含み、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理することを特徴とする、前記方法。
【００１０】
［２］前記水熱処理装置の出口液である液体基質と、前記水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で、熱交換する、前記［１］に記載の方法。
【００１１】
［３］前記嫌気性反応槽が、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽である、前記［１］又は［２］に記載の方法。
【００１２】
［４］前記固形バイオマスが、飲料工場等の食品製造工程から排出された廃棄物である、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
【００１３】
［５］酸生成槽と嫌気性反応槽と水熱処理装置とを含む、有機性排水の排水処理装置であって、該酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、該水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得、得られた液体基質を、該酸生成槽に返送し、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理することを特徴とする、前記排水処理装置。
【００１４】
［６］前記水熱処理装置の出口液である液体基質と、前記水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で、熱交換する、前記［５］に記載の排水処理装置。
【００１５】
［７］前記嫌気性反応槽が、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽である、前記［５］又は［６］に記載の排水処理装置。
【００１６】
［８］前記固形バイオマスが、飲料工場等の食品製造工程から排出された廃棄物である、前記［５］〜［７］のいずれかに記載の排水処理装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の嫌気性処理方法においては、酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、固形バイオマスを、水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得るため、有機酸が水熱反応を促進するため、固形バイオマスを、水を用いた水熱反応よりも短い水熱反応時間で糖や有機酸を含む液体基質に変換することが可能となり、水熱反応に必要な熱の使用量が削減され、省エネに寄与する。
得られた液体基質は、酸生成に返送して、最終的に、嫌気性反応槽、例えば、ＵＡＳＢ型嫌気性反応槽で嫌気性処理することができるので、該固形バイオマスと該有機性排水を、同一の該嫌気性反応槽で嫌気性処理し、メタンガスを回収することが可能となる。
さらに、酸生成槽の流出液を水熱処理装置に導入して、固形バイオマスの水熱反応に用いるので、水熱処理装置において外部からの水の供給が不要となり、ランニングコスト低減が可能となる。
また、水熱処理装置の出口液である液体基質と、水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で、熱交換することにより、さらなる省エネに寄与する。
すなわち、本発明により、酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置に有機性排水を通水して嫌気性処理する方法に、水熱処理を、該方法の安定性や効率を低下させず、むしろ効率を高めて、組み入れることによって、焼却等により廃棄処理されていた固形バイオマスをメタンガスとして回収することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の嫌気性排水処理法のフロー図である。
【図２】水熱処理装置の出口液である液体基質と水熱処理装置に導入する有機酸含有液との間で熱交換する場合のフロー図である。
【図３】固形バイオマスとして緑茶滓を使用し、通常の水と、酸生成槽の流出液である有機酸含有液とを、それぞれ、用いて反応温度１４０℃で水熱処理して得た溶解液のＢｒｉｘ値を示すグラフである。
【図４】固形バイオマスとして緑茶滓を使用し、通常の水と、酸生成槽の流出液である有機酸含有液とを、それぞれ、用いて反応温度１８０℃で水熱処理して得た溶解液のＢｒｉｘ値を示すグラフである。
【図５】固形バイオマスとして緑茶滓を使用し、通常の水と、酸生成槽の流出液である有機酸含有液とを、それぞれ、用いて反応温度１４０℃、１６０℃、及び１８０℃で水熱処理して得た溶解液の糖＋有機酸濃度（炭素基準）の上昇分を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、図１を参照して、酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置において、嫌気性反応槽として上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型の嫌気性反応槽を用いた排水処理装置に有機性排水を通水して嫌気性処理する方法を説明する。
飲料工場等の食品製造工程から排出される廃棄物である、緑茶、コーヒー飲料等の製造工程からの有機性（工場）排水は、酸生成槽に送られ、該排水中の糖、タンパクなどを、乳酸、プロピオン酸、酪酸、酢酸などの低級脂肪酸に分解される。すなわち、酸生成槽内には、酸生成細菌が浮遊状態で又は担体に固定された状態で存在しており、低級脂肪酸への分解反応が行われる。すなわち、酸生成槽の流出液は、有機酸含有液である。
【００２０】
酸生成槽の流出液は、上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型の嫌気性反応槽に導入される。酸生成による極端なｐＨ低下を防止して、酸生成速度を高めるために、酸生成槽は、通常、ｐＨが５．５〜６．５の弱酸性状態となるように、必要により、アルカリ添加により維持される（図示せず）。また、必要によりｐＨ調整剤が酸生成槽流出液に添加され、ＵＡＳＢ型嫌気性反応槽の処理液は、該酸生成槽に所定量循環される（図示せず）。かかる循環により、酸生成槽のｐＨ調整のためのアルカリ添加量の低減を図ることができる。
【００２１】
前記したように、ＵＡＳＢ反応槽の嫌気性処理水は、その一部が配管により酸生成槽に循環され、残部は配管により凝集沈殿槽に排出される。凝集沈殿槽で固液分離した後、処理液を、必要により好気性処理し、ＣＯＤ（ＣＯＤＭｎ；化学的酸素要求量、過マンガン酸カリウム法による）を、放流基準の濃度以下に低減し、さらに必要に応じてＣＯＤ以外の放流基準を満たすための処理を行った後、一般の下水、あるいは河川等に放流する。
凝集沈殿槽内の余剰汚泥は、配管により抜き出し、従来と同様に脱水埋立処分することが可能であるが、乾燥させた後に肥料として有効利用することも可能である。
【００２２】
ＵＡＳＢ反応槽の上部からは、グラニュール汚泥中に存在するメタン生成細菌により有機酸からメタン発酵により生成されたバイオガス（メタンガス）が発生する。発生したメタンガスは集められ、ボイラーや発電機に利用され、蒸気や電気エネルギーとして回収される。
【００２３】
次に、水熱処理について説明する。
水熱処置としては、亜臨界水によるごみ処理が知られている。
水の臨界点は圧力22.12MPa、温度374.15°C (647.30K) である。水は臨界点まで蒸気圧曲線に従い、ある温度である圧力以上をかけると液体の状態を保つ。この状態の水（下限は大気圧、100°C）を亜臨界水という。さらに、臨界点以上の圧力・温度条件の水を超臨界水という。亜臨界水ではイオン積が常温常圧の水より高く、オキソニウムイオン及び水酸化物イオンの濃度が高くなる。例えば、この水酸化物イオンが蛋白質のペプチド結合を加水分解してアミノ酸を生成させ、また、脂質や糖質も同様のメカニズムでそれぞれ脂肪酸やグルコースに加水分解される。超臨界水はステンレスをボロボロにしたり、タンパク質をアンモニアにまで分解したり、強力な反応を起こすが、これでは反応が強すぎて扱い難いので、温度を374℃以下、圧力を22MPa以下にした亜臨界水が利用されている。亜臨界水では酸化反応はほとんど起こらず、有機物はアミノ酸や脂肪酸などの分子まで分解するが、二酸化炭素を発生させることはない。そこで、亜臨界水は，生ごみや廃木材，紙くず，動物の糞尿，下水汚泥，廃油などの天然有機物の分解に利用されている。
【００２４】
本発明においては、通常の水に代えて、前記酸生成槽の流出液である有機酸含有液の一部と、緑茶滓又はコーヒー豆滓などの固形バイオマスとを、水熱処理装置に導入し、亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して液体基質を得ることを特徴とする。これにより、液状化を高効率で進行させることができる。すなわち、通常の水に由来する亜臨界水におけるイオン積が常温常圧の水より高く、オキソニウムイオン及び水酸化物イオンの濃度が高くなることに加え、有機酸を含有することで、さらにオキソニウムイオンの濃度が高まり、これにより、固形バイオマスの分解が促進されると考えられる。
【００２５】
亜臨界水条件は、例えば、１４０〜２５０℃、２８〜４０気圧（２．８〜４ＭＰａ）であることができる。かかる亜臨界水条件を調整することにより、どの程度の糖、有機酸、等にまで分解させるのかを制御することができる。あまりに激しい条件を用いると、分解物が縮重合したり、炭化物や気体となってしまう。したがって、本発明においては、酸生成槽で生成される有機酸の程度にまで固形バイオマスを分解するような亜臨界水条件であることが好ましい。
【００２６】
本発明においては、かかる亜臨界水条件下での水熱反応により液状化して得られた液体基質を、酸生成槽に返送することにより、固形バイオマスと有機性排水を、同一のＵＡＳＢ型嫌気性反応槽で嫌気性処理することが可能となる。
すなわち、本発明により、有機性排水を、酸生成槽を介して上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽を含む排水処理装置に通水して嫌気性処理する方法に、水熱処理を、該方法の安定性や効率を低下させず、むしろ効率を高めて、組み入れることによって、焼却等により廃棄処理されていた固形バイオマスをメタンガスとして回収することが可能となる。
【００２７】
尚、以上の説明では、嫌気性反応槽として上向流嫌気性汚泥床（ＵＡＳＢ）型嫌気性反応槽の場合について述べたが、ＵＡＳＢ型嫌気性反応槽以外の、嫌気性固定床型嫌気性反応槽、嫌気性流動床嫌気性反応槽、膨張汚泥床（ＥＧＳＢ：Expanded Granular Bed）型嫌気性反応槽にあっても、ＵＡＳＢ型嫌気性反応槽と同様に、固形バイオマスと有機性排水を同一の嫌気性反応槽で嫌気性処理することが可能である。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
［実施例１：水熱処理前後の溶解液のＢｒｉｘ値の測定］
固形バイオマスとして緑茶滓を使用し、通常の水と、酸生成槽の流出液である有機酸含有液とを、それぞれ、用いて反応温度１４０℃と１８０℃で水熱処理して得た溶解液のＢｒｉｘ値を図３と４にそれぞれ示す。
通常の水に代えて、有機酸含有液を用い場合、水熱処理における糖の含有量が増加した。
【００２９】
［実施例２：水熱処理前後の溶解液の糖と有機酸の濃度の測定］
固形バイオマスとして緑茶滓を使用し、通常の水と、有機酸を含有している酸生成槽の出口で採取した飲料製造工場から排出された排水とを、それぞれ、用いて反応温度１４０℃、１６０℃、及び１８０℃で水熱処理して得た溶解液の糖と有機酸濃度を図５に示す。尚、図５は、糖と有機酸濃度上昇分のブランク差し引き分を示している。
有機酸を含有している排水を用いた場合、水を用いた場合よりも短い反応時間で水熱処理における糖と有機酸濃度が増加しており、反応温度が１８０℃になるとより顕著な効果が奏されることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明により、酸生成槽と嫌気性反応槽を含む排水処理装置に有機性排水を通水して嫌気性処理する方法に、水熱処理を、該方法の安定性や効率を低下させず、むしろ水熱反応を促進させて、組み入れることによって、焼却等により廃棄処理されていた固形バイオマスをメタンガスとして回収することが可能となる。したがって、本発明は、お茶やコーヒー飲料工場等の食品製造工程から廃棄物の処理に好適に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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