(57)【要約】【課題】バイオガスの循環量等の運転条件を最適化することにより、発酵槽中のアンモニア性窒素に代表される発酵阻害物質を簡易且つ安価に低減するための、有機性廃棄物の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】有機性廃棄物を含む液体をメタン発酵により処理する工程と、前記メタン発酵により発生したバイオガスの一部を回収し、回収したバイオガスからアンモニアを除去する工程と、アンモニアを除去したバイオガスを、メタン発酵している液体に戻す工程と、を有し、前記バイオガスの一部を回収する工程と液体に戻す工程とを繰り返すことによってバイオガスを循環させる、有機性廃棄物の処理方法であって、単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比が、５〜３００である前記処理方法である。【選択図】図１
2014180630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を含む液体をメタン発酵により処理する工程と、
前記メタン発酵により発生したバイオガスの一部を回収し、回収したバイオガスからアンモニアを除去する工程と、
アンモニアを除去したバイオガスを、メタン発酵している液体に戻す工程と、
を有し、
前記バイオガスの一部を回収する工程と液体に戻す工程とを繰り返すことによってバイオガスを循環させる、有機性廃棄物の処理方法であって、
単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比が、５〜３００である前記処理方法。
【請求項２】
循環比が、１０〜５０である、請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
メタン発酵を行う液体のｐＨが、７〜９である、請求項１又は２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
メタン発酵を行う液体の温度が、３０℃〜６０℃である、請求項１〜３のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項５】
有機性廃棄物を含む液体をメタン発酵により処理するための発酵槽と、
前記メタン発酵により発生したバイオガスの一部を通気させることにより、バイオガスからアンモニアを除去するための吸収槽と、
発酵槽から吸収槽までバイオガスを移送するためのバイオガス循環ラインと、
吸収槽においてアンモニアを除去したバイオガスを移送し、発酵槽の液体に戻すためのバイオガス循環ラインと、
を備え、発酵槽及び吸収槽の間でガスを循環させる、有機性廃棄物の処理装置であって、
単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比が５〜３００となるように制御するための循環比制御手段を有する、前記処理装置。
【請求項６】
循環比制御手段が、循環比が１０〜５０となるように制御するためのものである、請求項５に記載の有機性廃棄物の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ごみ等の有機性廃棄物の処理方法及び処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみや下水等の有機性廃棄物を対象とするメタン発酵は、カーボンニュートラルなエネルギー変換技術として注目されている。しかし、発酵液中のアンモニア濃度によっては、アンモニア阻害が発生し、エネルギー変換が著しく困難になることが知られている。特に、タンパク質等の窒素源が多く含まれる食品系の有機性廃棄物を発酵させる場合には、アンモニア阻害を防ぐための大量の希釈水を投入して発酵槽中のアンモニア濃度を低減させており、発酵槽を大型化させる要因となっている。
【０００３】
アンモニア等の発酵阻害物質の除去技術としては、上述の希釈型の他にも、発酵槽の前段で前処理を行う前処理型と、メタン発酵により発生したバイオガスを循環させつつ、アンモニアを除去する循環型の、大きく分けて３つの技術が知られている。
【０００４】
循環型の発酵阻害物質の除去技術として、（特許文献１）には、発酵汚泥を収容するタンクと、前記タンク内で前記発酵汚泥がメタン発酵したことにより発生した発酵ガスが導入され、当該ガスからアンモニアガス及び炭酸ガスを除去して前記タンクの気相部分へ還流する除去手段と、前記タンク内のｐＨを計測する計測手段と、を備え、前記除去手段は、前記計測手段が計測したｐＨが７．８未満の場合は炭酸ガスを除去し、８．５を超えた場合は炭酸ガスを除去しないことを特徴とするメタン発酵装置が開示されている。
また、（特許文献２）には、有機物含有液をメタン発酵微生物群が保持された発酵槽に投入し、前記発酵槽の頂部の気相部を発酵槽外のアンモニア捕集装置付き循環ガス流路に連通させ、前記発酵槽内の液相部を撹拌しつつ発酵槽内の分解生成ガスを気相部と捕集装置との間で循環させてなるアンモニア阻害低減型メタン発酵処理方法が開示されている。
【０００５】
上記のように、アンモニアを除去した後のバイオガス（発酵ガス、分解生成ガス）を発酵槽内の気相部分に還流させた場合には、生成したアンモニアが循環させるバイオガスに移行し難く、アンモニアの除去効率が落ちる場合がある。そこで、アンモニアを除去した後のバイオガスを、発酵槽内の気相部分ではなく液相部分に戻す技術が提案されている。例えば、（特許文献３）には、固形有機性廃棄物をスラリ状に可溶化した混合液をメタン発酵処理にて処理する廃棄物処理方法において、前記混合液をｐＨ７．０以上８．５以下でメタン発酵処理し、このメタン発酵処理により生成する生成ガスを回収し、この回収した生成ガスの少なくとも一部からアンモニアを除去し、このアンモニアが除去された生成ガスの少なくとも一部を前記混合液に噴出して撹拌することを特徴とする廃棄物処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８９９６２号公報
【特許文献２】特開２００６−２９７１７１号公報
【特許文献３】特開２００１−２７６８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記（特許文献３）は、発酵槽中に発生する発酵阻害物質であるアンモニアを除去するための新しい方式を示唆するものであるが、実際にアンモニアの除去効果を大きくするための、発酵槽の状態やバイオガスの循環方法等、具体的な運転条件が不明であるため、なお改良の余地があった。
【０００８】
そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、バイオガスの循環量等の運転条件を最適化することにより、発酵槽中のアンモニア性窒素に代表される発酵阻害物質を簡易且つ安価に低減するための、有機性廃棄物の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意研究を行った結果、有機性廃棄物のメタン発酵により発生したバイオガスを循環させつつアンモニアを除去し、アンモニアを除去したバイオガスはメタン発酵している液体に戻し、さらに、バイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比を特定の範囲内に制御すること等により、アンモニアの除去効率が高まることを見出し、発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
【００１０】
（１）有機性廃棄物を含む液体をメタン発酵により処理する工程と、
前記メタン発酵により発生したバイオガスの一部を回収し、回収したバイオガスからアンモニアを除去する工程と、
アンモニアを除去したバイオガスを、メタン発酵している液体に戻す工程と、
を有し、
前記バイオガスの一部を回収する工程と液体に戻す工程とを繰り返すことによってバイオガスを循環させる、有機性廃棄物の処理方法であって、
単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比が、５〜３００である前記処理方法。
（２）循環比が、１０〜５０である、上記（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（３）メタン発酵を行う液体のｐＨが、７〜９である、上記（１）又は（２）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
（４）メタン発酵を行う液体の温度が、３０℃〜６０℃である、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理方法。
（５）有機性廃棄物を含む液体をメタン発酵により処理するための発酵槽と、
前記メタン発酵により発生したバイオガスの一部を通気させることにより、バイオガスからアンモニアを除去するための吸収槽と、
発酵槽から吸収槽までバイオガスを移送するためのバイオガス循環ラインと、
吸収槽においてアンモニアを除去したバイオガスを移送し、発酵槽の液体に戻すためのバイオガス循環ラインと、
を備え、発酵槽及び吸収槽の間でガスを循環させる、有機性廃棄物の処理装置であって、
単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比が５〜３００となるように制御するための循環比制御手段を有する、前記処理装置。
（６）循環比制御手段が、循環比が１０〜５０となるように制御するためのものである、上記（５）に記載の有機性廃棄物の処理装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の有機性廃棄物の処理方法及び処理装置は、従来に比してアンモニアの除去効率に優れ、発酵槽中のアンモニア性窒素に代表される発酵阻害物質を簡易且つ安価に低減することができる。したがって、本発明はメタン発酵設備において広く利用が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の有機性廃棄物の処理装置の一実施形態を示す図である。
【図２】従来の有機性廃棄物の処理装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づき、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る有機性廃棄物の処理装置の一実施形態を示している。この処理装置１は、有機性廃棄物を含む液体Ｌをメタン発酵により処理するための発酵槽１０と、メタン発酵により発生したバイオガスＧの一部を通気させることにより、バイオガスＧからアンモニアを除去するための吸収槽１１とを備える。
【００１４】
そして、図１に示すように、発酵槽１０から吸収槽１１までバイオガスＧを移送するためのバイオガス循環ライン１８と、吸収槽においてアンモニアを除去したバイオガスＧを移送し、発酵槽１０の液体Ｌに戻すためのバイオガス循環ライン１９とを備えており、これにより、バイオガスＧが発酵槽１０及び吸収槽１１の間で循環するように構成されている。また、発酵槽１０内には、羽１２が適宜設けられ、液体Ｌを撹拌することができる。さらに、処理装置１には、ポンプ１３等の、バイオガスＧの循環量を制御する手段や流量計１６等を適宜設けることができる。
【００１５】
吸収槽１１においてアンモニアが除去されたバイオガスＧは、回収されて利用される。図１の例では、バイオガスＧを冷却器１４及び乾燥剤１５を経て飽和食塩水１７に通気することにより回収しているが、これに限定されるものではない。
【００１６】
図２は、従来の有機性廃棄物の処理装置を示しており、この処理装置２１は、図１の装置と同様に、有機性廃棄物を含む液体Ｌをメタン発酵により処理するための発酵槽２１０と、メタン発酵により発生したバイオガスＧの一部を通気させることにより、バイオガスＧからアンモニアを除去するための吸収槽２１１を有している。また、処理装置２１は、羽２１２、冷却器２１４、乾燥剤２１５、流量計２１６、飽和食塩水２１７等が備えられている。図２の従来の処理装置２１においても、発酵槽２１０と吸収槽２１１とは、バイオガス循環ライン２１８及びバイオガス循環ライン２１９によって接続され、バイオガスＧが循環するように構成されているが、吸収槽２１１からバイオガスＧを移送し、発酵槽２１０に戻すためのバイオガス循環ライン２１９は、発酵槽２１０の気相部分（液体Ｌの液面より上の部分）に接続されている。一方、本発明では、図１に示すように、バイオガス循環ライン１９の出口をメタン発酵している液体Ｌ中に設置し、バブリングさせている。したがって、本発明の方式では、液体Ｌ中のアンモニアとバイオガスＧとの接触面積及び接触時間が図２の装置よりも増加し、その結果アンモニアがバイオガスＧに移行しやすくなるため、アンモニアの除去効率が向上する。
【００１７】
メタン発酵を行う有機性廃棄物とは、メタン発酵により処理可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、事業系・家庭系の生ごみ、家畜糞尿、種々の食品工場から廃棄される有機物を含んだ排水、工場から排出される汚泥、下水汚泥等を挙げることができる。
【００１８】
発酵槽１０には、有機性廃棄物を含む液体Ｌが入れられ、有機性廃棄物に含まれる有機物をメタン生成細菌により分解し、メタンや二酸化炭素等を含むバイオガスを発生させるメタン発酵を行う。メタン発酵は、中温メタン発酵、高温メタン発酵のいずれも行うことができる。例えば、ＢＯＤ（生化学的酸素要求量）として数万ｐｐｍの液体を酸化還元電位で−３００ｍＶ〜−５００ｍＶの嫌気状態とし、液体の温度を３０℃〜６０℃、好ましくは５０℃〜６０℃に保つことによって行うことができる。
【００１９】
発酵槽１０の形式は、従来知られたものを適宜選択して用いることができ、例として、縦型円筒リアクター、横型円筒リアクター、卵型消化槽、ＵＡＳＢリアクター、固定床型リアクター、流動床型リアクター等を挙げることができる。
【００２０】
この実施形態では、羽１２を駆動させることにより液体Ｌを撹拌しているが、これに限定されるものではなく、メタン発酵の効率を考慮しながら、液循環ポンプや、該ポンプと羽との組み合わせ等を適宜用いることができる。また、本発明では、バイオガス循環ライン１９の出口を液体Ｌの中に設け、液体Ｌにバブリングしているので、そのバブリングにより撹拌の効果を得ることもできる。そのため、場合によっては羽１２を省略することができる。
【００２１】
吸収槽１１としては、アンモニアを除去できれば良く、従来知られた除去手段を適宜選択して用いることができる。例えば、硫酸等の酸性溶液中にバイオガスＧを通過させることにより、バイオガスＧ中のアンモニアを酸と反応させて硫酸アンモニウム等のアンモニア化合物を生成させ、酸に溶解させてバイオガスＧから分離除去することができる。アンモニアを除去したバイオガスは、例えば水中を通過させることにより、酸性溶液の成分を除去することが好ましい。あるいは、吸収槽１１として、ゼオライト等のアンモニア吸着能を有する吸着材を用いてアンモニアを除去する方式を採用しても良い。
【００２２】
本発明では、単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比として定義される循環比を、５〜３００とすることを特徴とする。好ましくは１０〜５０である。循環比は大きい程アンモニア除去の効果は期待できるが、循環比が３００を超えると循環のための動力に要するエネルギーが大きくなり、プラントの経済性が悪化するため不適である。そして、本発明の処理装置１は、５〜１０倍程度の低い循環比であってもアンモニアの除去効果が得られ、運転を継続できることを見出した点で従来技術よりも有利である。低い循環比で運転可能であるため、循環に必要な動力が低減され、プラントの処理効率が向上する。なお、例えばバイオガス中のアンモニア濃度をモニターにしておき、測定結果に応じて、処理装置の運転中に循環比の値を変更しても良い。
【００２３】
発酵槽内のメタン発酵させる液体ＬのｐＨは、低過ぎると、生成するアンモニアが液体Ｌに溶解してしまい、バイオガスＧにアンモニアが移行しにくくなってアンモニアが蓄積し、メタン発酵が阻害される恐れがある。また、ｐＨが高過ぎると、メタン発酵に寄与する微生物に対する毒性が強くなり、微生物の活性が低下してやはりメタン発酵の効率が低下するので、これらのバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、ｐＨを７〜９とすることが好ましい。ｐＨを調整するために、塩酸等の酸や水酸化ナトリウム等のアルカリを発酵槽に添加する手段を適宜設けることができる。
【００２４】
また、必要に応じて、メタン発酵している液体に戻すバイオガスＧに、空気Ａを混合し、一緒に発酵槽１０内に吹き込むようにしても良い。空気Ａを混合することにより、メタン発酵によるアンモニア発生を抑制し、処理効率を高めることができる。空気Ａの量は、発生するバイオガスＧの量を測定し、その測定値に応じて調節することが好ましい。好ましくは、空気Ａの供給量はメタン発酵により発生するバイオガスＧの容量の５％以下であり、この空気Ａの供給、停止は自動的に制御されることが好ましい。
【００２５】
なお、発酵槽１０及び吸収槽１１は、図１に示すように１槽ずつ設けても良いが、必要に応じてそれぞれ複数の槽を設けても良い。複数の槽を接続することにより、アンモニアの吸収効率をより高めることができ、有機性廃棄物の処理量を増やすことができる。また、複数の槽を交互に切り替えて用いることにより、処理装置の運転中における槽の掃除が容易になり、処理装置の連続運転が可能となる。さらに、運転中にトラブルが発生した場合にも、使用する槽を切り替えることによって装置が緊急停止する事態を避けることができる。
【００２６】
本発明により、アンモニアが除去されたバイオガスＧは、そのまま、あるいは他の燃料と併用して、エネルギーとして発電やボイラー等に利用することができる。また、バイオガスを回収した後に発酵槽１０内に残る消化残渣は、適宜乾燥し、堆肥等に利用することができる。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例及び比較例に基づき、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１）
図１の処理装置（液相循環方式）を用いて、生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行った。ここで生ごみ蒸留廃液とは、生ごみに乳酸菌を加えて鮮度を保持したものを収集し、粗粉砕・異物除去を行った後予備糖化、及び酵母を加えて糖化・発酵を行い、それを蒸留して得られる廃液であり、組成は表１の通りである。この生ごみ蒸留廃液を、容量８Ｌの発酵槽に加え、５３℃にてメタン発酵を行った。単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比（循環比）は１２０に設定した。また、発酵槽内は羽による撹拌を行った。発酵液のｐＨは７〜８であった。
【００２９】
（比較例１）
図２の処理装置（気相循環方式）を用いた以外は、上記実施例１と同様にして生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行った。
有機物負荷を４ｇ／Ｌ／ｄ、及び６ｇ／Ｌ／ｄとしたときの、実施例１及び比較例１のアンモニア吸収速度の測定結果を表２に示す。
【００３０】
【表１】
2014180630.tif 000003
【表２】
2014180630.tif 000004
【００３１】
実験の結果、有機物負荷が６ｇ／Ｌ／ｄの場合には、実施例１では高いアンモニア吸収速度が得られたが、気相循環方式である比較例１ではアンモニア除去が不十分となり、発酵阻害が発生した。
【００３２】
（実施例２）
図１の処理装置（液相循環方式）を用いて、生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行った。生ごみ蒸留廃液を、容量３Ｌの発酵槽に加え、５５℃にてメタン発酵を行った。単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比（循環比）は約１００〜３００に設定し処理を行った。なお、発酵槽内は羽による撹拌を行った。
処理を行った後、吸収槽に吸収されたアンモニア量をバイオガスの循環総量で割ることにより、バイオガス中に気散したアンモニア濃度を算出し、ｐＨ＝７．８のときに気散したアンモニア濃度とｐＨ＝８．５のときに気散したアンモニア濃度の比（気散濃度比）を求めた。その結果を表３に示す。
【００３３】
（比較例２）
図２の処理装置（気相循環方式）を用いて、発酵液のｐＨが７．８及び８．４の場合で測定を行った以外は、上記実施例２と同様にして生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行い、ｐＨ＝７．８のときに気散したアンモニア濃度とｐＨ＝８．４のときに気散したアンモニア濃度の比（気散濃度比）を求めた。その結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】
2014180630.tif 000005
【００３５】
アンモニアは通常、ｐＨが７〜９の範囲では、ｐＨが増加するほど気散するアンモニア濃度は増加する。このため、異なるｐＨにおける気散したアンモニア濃度の比は、ｐＨの差が大きいほど大きくなる。実験の結果、気相循環方式である比較例２では、発酵槽のｐＨが大きくなってもバイオガス中に含まれるアンモニア量はあまり増加せず、ｐＨ増加の効果が小さい（気散濃度比が小さい）ことが明らかとなった。これは、気相循環方式の場合、バイオガスと気散したアンモニアとの接触面積及び接触時間が液相循環方式に比べて小さくなるためと考えられる。
【００３６】
（実施例３）
図１の処理装置（液相循環方式）を用いて、生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行った。生ごみ蒸留廃液を、容量８Ｌの発酵槽に加え、６０℃にてメタン発酵を行った。有機物負荷は７ｇ／Ｌ／ｄに設定した。そして、単位時間当たりのバイオガスの発生量に対するバイオガスの循環量の比（循環比）を１０〜１５０の範囲内で変更し、それぞれの場合でアンモニア吸収速度を測定した。また、バイオガスを循環させない場合（すなわち、循環比０）の場合についても同様に測定を行った。なお、発酵槽内は羽による撹拌を行った。測定結果を表４に示す。
【００３７】
（比較例３）
図２の処理装置（気相循環方式）を用いた以外は、上記実施例１と同様にして生ごみ蒸留廃液のメタン発酵を行った。アンモニア吸収速度の測定結果を表４に示す。
【００３８】
【表４】
2014180630.tif 000006
【００３９】
表４に示すように、実施例３では、いずれの循環比においても比較例３に比べて高いアンモニア吸収速度が得られた。また、実施例３では、１０程度の低い循環比においても比較的高いアンモニア吸収速度が得られ、メタン発酵を安定して行うことができる。これに対し、比較例３の気相循環方式では、循環比を１０に設定すると４．８ｍｍｏｌ／Ｌ／ｄの吸収速度が得られるが、この速度ではアンモニアの除去が不十分となり、発酵阻害が発生した。
【符号の説明】
【００４０】
１  処理装置
１０  発酵槽
１１  吸収槽
１２  羽
１３  ポンプ
１４  冷却器
１５  乾燥剤
１６  流量計
１７  飽和食塩水
１８  バイオガス循環ライン
１９  バイオガス循環ライン
２１  処理装置
２１０  発酵槽
２１１  吸収槽
２１３  ポンプ
２１４  冷却器
２１５  乾燥剤
２１６  流量計
２１７  飽和食塩水
２１８  バイオガス循環ライン
２１９  バイオガス循環ライン
Ａ  空気
Ｇ  バイオガス
Ｌ  液体
【図１】
2014180630.tif 000007
【図２】
2014180630.tif 000008