(57)【要約】【課題】  メタン発酵槽に投入される有機性廃棄物量の変動の影響を受けにくく、運転費等が安く、しかも、処理時間が短い有機性廃棄物の嫌気性分解処理方法を提供することを目的とする。【解決手段】  メタン発酵槽内のメタン発酵汚泥の少なくとも一部を槽外に取り出し、有機酸除去装置を用いて取り出したメタン発酵汚泥中の有機酸濃度を低下させた後、メタン発酵槽内に返送する。メタン発酵槽内の有機酸濃度を低濃度に抑えることにより、メタン生成菌の活性が阻害されず、安定して有機性廃棄物の嫌気性分解処理を行うことが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物又は有機性廃水をメタン発酵槽でのメタン発酵により処理する方法であって、メタン発酵槽内の発酵汚泥の少なくとも一部を槽外に取り出し、有機酸除去装置を用いて取り出した発酵汚泥中の有機酸濃度を低下させた後、メタン発酵槽内に返送することを特徴とする嫌気性分解処理方法。
【請求項２】
メタン発酵槽内の総有機酸濃度を、酢酸換算で4000 ｍｇ/Ｌ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の嫌気性分解処理方法。
【請求項３】
前記有機酸除去装置が、メタン発酵汚泥を原料相、アルカリ溶液を受容相とする液膜を組み込んだものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の嫌気性分解処理方法。
【請求項４】
前記有機酸除去装置が除去した有機酸を、メタン発酵槽から排出される発酵処理液の生物学的硝化脱窒処理に必要な水素供与源として用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の嫌気性分解処理方法。
【請求項５】
メタン発酵槽、汚泥取り出し手段、有機酸除去装置、汚泥返送手段を含む有機性廃棄物又は有機性廃水の嫌気性分解処理装置であって、有機性廃棄物をメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、汚泥取り出し手段によってメタン発酵槽からメタン発酵汚泥の少なくとも一部を取り出し、有機酸除去装置を用いて取り出したメタン発酵汚泥中の有機酸を除去し、有機酸除去処理後のメタン発酵汚泥を汚泥返送手段によってメタン発酵槽に返送することを特徴とする嫌気性分解処理装置。
【請求項６】
メタン発酵槽内の総有機酸濃度を、酢酸換算で4000 ｍｇ/Ｌ以下とすることを特徴とする請求項５に記載の嫌気性分解処理装置。
【請求項７】
前記有機酸除去装置が、メタン発酵汚泥を原料相、アルカリ溶液を受容相とする液膜を組み込んだものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の嫌気性分解処理装置。
【請求項８】
メタン発酵後の発酵汚泥を生物学的硝化脱窒する手段をさらに備え、前記有機酸除去装置が除去した有機酸を、メタン発酵槽から排出される発酵処理液の生物学的硝化脱窒処理に必要な水素供与源として用いることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の嫌気性分解処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミ、残飯、食品廃棄物、家畜糞尿等の有機性廃棄物又は有機性廃水を、有機酸を除去しつつ、効果的にメタン発酵分解処理するための処理方法及び処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、メタン発酵技術は、創エネルギー型の有機性廃棄物処理技術として広く行われており、有機性廃水、下水汚泥、家畜糞尿、生ゴミ等の様々な性状及び有機物濃度の廃棄物を処理対象としている。
【０００３】
生ゴミ、残飯、食品廃棄物等の有機性固形廃棄物のメタン発酵処理においては、固形廃棄物を破砕、分別、稀釈等の前処理によりスラリー状とし、これをメタン発酵槽に供給し、嫌気性微生物の働きにより有機物を分解し、発生するメタンガスを回収する。メタン発酵槽内では、加水分解菌、酸発酵菌、メタン生成菌の働きにより、有機物の加水分解、酸発酵、メタンガス生成が順次行われる。
【０００４】
メタン発酵槽の運転温度には、中温（３５℃付近）及び高温（５５℃付近）がある。高温発酵は中温発酵と比較して発酵速度が速いという特徴があるが、高温発酵では、有機性廃棄物量の変動により、発酵処理が不安定になり易いという問題がある。これは、加水分解又は酸発酵の速度と比較してメタンガス生成の速度が遅いことが多く、メタンガス生成段階が発酵処理における律速段階となっているためである。すなわち、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物量が過剰となると、中間生成物である有機酸（酢酸、プロピオン酸、n-酪酸、iso-酪酸、吉草酸、カプロン酸等）がメタン発酵汚泥中に蓄積し、この有機酸がメタン生成菌の活性を阻害するためである。
【０００５】
この有機酸の蓄積によるメタン発酵処理の不安定化を防止する方法として、発酵槽に供給する有機性廃棄物量を抑制する、又はメタン生成菌が有機酸を分解するのに十分な滞留時間を確保するために大規模なメタン発酵槽を設けることが従来から行われてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１及び２には、メタン発酵槽中の有機酸濃度を測定し、有機性廃水又は廃棄物のメタン発酵槽への投入量等を制御する方法が開示されている。また、同様に、メタン発酵槽中の有機酸濃度を正確に測定し、有機性廃水又は廃棄物のメタン発酵量を制御する方法が開示されている。
【０００７】
一方、特許文献３には、発酵槽内で有機酸等の発酵阻害物質が所定濃度を超えた場合に、膜分離手段によって液状分を排出し、稀釈水を加えることにより発酵阻害物質濃度を低下させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２３９３９７号公報
【特許文献２】特開２００３−１０８９３号公報
【特許文献３】特許第３４４２２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１及び２に開示される処理方法では、処理すべき有機物性廃棄物量が多い場合、又は廃棄物中の有機物濃度が高い場合には、処理に時間がかかることになる。つまり、大規模なメタン発酵槽が必要となり、設備面積も非常に大きくなる。さらに、特許文献３に開示される方法では、発酵阻害物質が多い場合、有機酸を除去するために必要な膜面積が増加すると共に、稀釈水量を多量に加える必要があり、その結果、廃水処理量も増加し、運転費、メインテナンス費が嵩むという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記既存技術の問題を解決し、メタン発酵槽に投入される有機性廃棄物量の変動の影響を受けにくく、運転費等が安く、しかも、処理時間が短い有機性廃棄物の嫌気性処理方法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】
【００１０】
本発明は、メタン発酵槽内のメタン発酵汚泥を槽外に取り出し、発酵汚泥中の有機酸を除去した後、メタン発酵槽に返送することを特徴とする、有機性廃棄物の嫌気性分解処理方法及び処理装置に関する。
【００１１】
具体的に、本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵により嫌気性分解処理する方法であって、メタン発酵槽内のメタン発酵汚泥の少なくとも一部を槽外に取り出し、有機酸除去装置を用いて取り出した発酵汚泥中の有機酸濃度を低下させた後、メタン発酵槽内に返送することを特徴とする方法及び装置に関するものである（請求項１、５）。メタン発酵槽内のメタン発酵汚泥に蓄積される有機酸を、有機酸除去装置を用いて除去し、有機酸除去後の発酵汚泥をメタン発酵槽内に返送することにより、メタン発酵槽内の有機酸濃度が低下し、メタン生成菌の活性が低下することを防止できる。
【００１２】
また、本発明では、メタン発酵槽内の有機酸濃度が上昇しても、メタン発酵槽に投入する有機性廃棄物量を減量する必要がなく、処理時間を延長する必要もない。さらに、有機性廃棄物を水で稀釈する必要がないため、廃水処理量が一定しており、運転費も安い。
【００１３】
メタン生成菌の活性を低下させないためには、メタン発酵槽内の総有機酸濃度を、酢酸換算で4000 ｍｇ/Ｌ以下とすること好ましい（請求項２、６）。ここで、酢酸換算とは、有機酸各成分（酢酸、プロピオン酸、n-酪酸、iso-酪酸、吉草酸、カプロン酸等）の総量を、当モルの酢酸量に換算した数値であり、例えば、有機酸の種類が酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸及びカプロン酸の５種類である場合には、次式により求めることができる。
【００１４】
【数１】
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有機酸除去装置としては、抽出塔、ミキサーセトラー等の溶媒抽出装置を用いることもできるが、メタン発酵汚泥を原料相、アルカリ溶液を受容相とする液膜を組み込んだ装置が好ましい（請求項３、７）。液膜による分離法は、原料相と受容相の間を、それらと互いに混じり合わない膜状の液体、すなわち液膜相で仕切り、原料側から液膜相への溶質の抽出と、液膜相から受容相への溶質の逆抽出を同時に行う膜分離法である。有機酸除去装置として液膜を組み込んだ装置を用いれば、運転費が安く、メインテナンスが容易である。また、設備の簡略化を図ることも可能である。さらに、受容相はｐＨの高いアルカリ溶液であるために、受容相に透過した有機酸は解離型となり、非解離型有機酸濃度を低く保つことによって、有機酸を原料相から受容相に汲み上げ輸送して高濃度に濃縮することが可能である。なお、液膜を組み込んだ有機酸除去装置は、抽出を原理としているため、特許文献３に開示されている方法と比較して物質選択性に優れ、ミネラル、アルカリ成分等のメタン発酵に必要な成分まで除去する心配がない点で、本発明の有機酸除去装置として好ましい。
【００１５】
有機酸除去装置によって発酵汚泥から有機酸を除去した後、除去した有機酸をメタン発酵槽から排出される発酵処理液の生物学的硝化脱窒処理に必要な水素供与源として用いることもできる（請求項４、８）。生物学的硝化脱窒処理には、亜硝酸型硝化脱窒（化１）及び硝酸型硝化脱窒（化２）があるが、脱窒を行うためには水素供与源が必要であり、この水素供与源として、通常、メタノール等の添加剤を添加する必要がある。抽出した有機酸を水素供与源として利用することにより、添加剤を節約して運転費を抑えることができる。
【００１６】
【化１】
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【００１７】
【化２】
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【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、有機酸除去装置を用いることにより、稀釈水を投入することなく、発酵汚泥中の有機酸濃度を容易に低下させることができ、従来よりも小型のメタン発酵槽で安定したメタン発酵処理を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り下記に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２０】
図１に、本発明の一実施例である、有機性廃棄物の処理装置における処理工程のフローチャートを示す。生ゴミ、残飯等の有機性廃棄物１は、前処理装置Ａ１により破砕、分別、稀釈等の前処理を行った後、廃棄物スラリー２としてメタン発酵槽Ｂ１に投入される。メタン発酵槽Ｂ１においては加水分解菌、酸発酵菌、メタン生成菌の働きにより、有機物が加水分解された後、酸発酵、次いでメタンガス生成が順次行われ、メタンガス３が回収される。前処理装置としては、破袋機、パルパー、磁選機等があり、必要に応じて、単独で、又は廃棄物の排出形態に応じた適切な装置を組み合わせて、任意に使用することができる。なお、元々廃棄物が流動性を有し、プラスチック、金属等の発酵不適物や直径数ｍｍ以上の粗大物質がほとんど含まれない場合には、前処理装置Ａ１による前処理は不要となる場合もある。
【００２１】
メタン発酵汚泥４の少なくとも一部は、有機酸除去装置Ｃ１によって有機酸を除去され、有機酸除去後の発酵汚泥５は、メタン発酵槽Ｂ１に返送される。メタン発酵処理終了後、メタン発酵処理液７は、メタン発酵槽Ｂ１から固液分離装置Ｄ１へ送られ、固形物残渣８と脱離液９に分離される。固形物残渣８は、処理装置から取り出して廃棄され、脱離液９は、循環式硝化脱窒装置Ｇの脱窒槽Ｅ１に送られる。
【００２２】
脱窒槽Ｅ１内の処理水が硝化槽Ｆ１へと送られた後、硝化処理液１１が硝化槽Ｆ１から脱窒槽Ｅ１に返送され、硝酸又は亜硝酸態の窒素成分が窒素ガスに変換されて水中より除去される。循環式硝化脱窒装置Ｇは、生物学的脱窒に必要な有機物として、被処理液中の有機物の一部を利用するため、水素供与源としての有機物の添加量を、非循環式硝化脱窒装置よりも削減することができる。
【００２３】
有機酸除去装置Ｃ１で汚泥中から除去された有機酸は、濃縮されて溶媒６に移行し、硝化槽Ｅ１に送られる。溶媒６に含まれる有機酸は、脱窒処理に必要な水素供与源として、脱窒槽Ｅ１内の生物学的脱窒処理に利用される。このような構成とすることにより、生物学的脱窒処理を行うために添加する薬品コストを抑制することが可能となる。脱窒処理後、循環式硝化脱窒装置Ｇから排出される脱窒処理液１２は、沈殿槽Ｈ１へ送られて固液分離され、最終処理水１３は、装置外へ排出される。また、固液分離された汚泥は、汚泥返送経路１４により脱窒槽Ｅ１の前段に返送される。
【００２４】
本実施例で使用する有機酸除去装置Ｃ１として、抽出塔、ミキサーセトラー等を用いる溶媒抽出法、浸漬膜を用いる浸漬法、又は支持液膜、乳化液膜、中空糸膜間保持液膜、静電擬液膜等の液膜を用いる液膜法を利用したものを使用できる。特に、ｐＨの高い水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液を受容相として用いる液膜法を利用した有機酸除去装置は、発酵汚泥４中から有機酸を除去して、受容相中に高濃度に濃縮することができるので好ましい。また、液膜法は、他法と比較して運転費用、メインテナンスの面で有利である。有機酸除去装置Ｃ１は、常時運転させても良いし、発酵汚泥４中の有機酸濃度が所定濃度を超えた場合にのみ運転させても良い。なお、本実施例における有機酸除去装置は、抽出を原理としているため、特許文献３に開示されている方法と比較して物質選択性に優れ、ミネラル、アルカリ成分等のメタン発酵に必要な成分まで除去する心配がない。
【００２５】
メタン発酵内の総有機酸濃度（酢酸換算）とガス化率（％）の関係を図２に示す。図２は、食品廃棄物を５５℃、ｐＨ７の条件でメタン発酵させた場合の実験データであり、ガス化率（％）は、次式を用いて求めた。なお、ＣＯＤＣｒは、重クロム酸カリウム法による測定値を意味し、メタン発酵槽から発生するガスの量は、標準状態（０℃、１気圧）における容積に換算した。
【００２６】
【数２】
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メタン発酵槽内の総有機酸濃度が2000 ｍｇ／Ｌ以下であれば、ガス化率は７０％程度で安定しているが、2000 ｍｇ／Ｌを超えると、メタン生成菌の活性が阻害されるためにガス化率が低下し始め、総有機酸濃度4000 ｍｇ／Ｌにおけるガス化率は、2000 ｍｇ／Ｌ以下のガス化率の約９割となった。総有機酸濃度が4000 ｍｇ／Ｌを超えると、ガス化率の低下がさらに大きくなり、5000 ｍｇ／Ｌ及び6000 ｍｇ／Ｌにおけるガス化率は、2000 ｍｇ／Ｌ以下のガス化率の、それぞれ約７割及び約６割にまで低下した。従って、メタン生成菌の活性を阻害しないためには、メタン発酵槽Ｂ１内の総有機酸濃度を、酢酸換算で4000 ｍｇ／Ｌ、好ましくは2000 ｍｇ/Ｌ以下とする必要がある。
【実施例２】
【００２７】
実施例１では、循環式硝化脱窒装置Ｇを用いているが、本発明では、図３に示すように循環式ではなく、硝化槽Ｅ２・脱窒槽Ｆ２の順に脱離液２９をワンスルーさせる構成とすることもできる。なお、実施例１及び実施例２の硝化脱窒装置に限定されず、これらの硝化脱窒槽を複数段設置する構成としても良い。硝化脱窒槽を複数段設置することにより、分離液中のアンモニア濃度が変動しても安定した処理を行うことが可能となる。
【００２８】
なお、実施例１及び実施例２では、有機酸除去装置Ｃ１及びＣ２がメタン発酵汚泥中から除去した有機酸を、生物学的脱窒処理に必要とされる有機炭素源として用いているが、有機酸をそのまま処理装置外へ排出し、通常の排水と同様に、例えば、活性汚泥法等によって排水処理する構成とすることもできる。
【実施例３】
【００２９】
本発明は、図４に示すように硝化槽及び脱窒槽を設けない構成とすることも可能である。この実施例においては、メタン発酵槽Ｂ３から排出されるメタン発酵処理液４７を固液分離するための固液分離装置も含まない構成としている。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
このように、本発明の有機性廃棄物の嫌気性分解処理方法及び処理装置は、稀釈水を投入することなく発酵汚泥中の有機酸濃度を常時低濃度に維持することが可能であり、従来よりも小型のメタン発酵槽で有機性廃棄物を安定的にメタン発酵処理することができる。本発明の有機性廃棄物の嫌気性分解処理方法及び処理装置は、処理の安定性、経済性、メインテナンス性等にも優れており、有機性廃棄物分野における処理方法又は処理装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の有機性廃棄物処理方法の一実施形態を示す図である。
【図２】メタン発酵槽内の総有機酸濃度（酢酸換算）とガス化率の関係を示す図である。
【図３】本発明の有機性廃棄物処理方法の別の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明の有機性廃棄物処理方法のさらに別の一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ１〜３：前処理装置
Ｂ１〜３：メタン発酵槽
Ｃ１〜３：有機酸除去装置
Ｄ１〜２：固液分離装置
Ｅ１，Ｅ２:脱窒槽
Ｆ１，Ｆ２：硝化槽
Ｇ：循環式硝化脱窒装置
１，２１，４１：有機性廃棄物
２，２２，４２：廃棄物スラリー
３，２３，４３：メタンガス
４，２４，４４：メタン発酵汚泥
５，２５，４５：有機酸除去処理後のメタン発酵汚泥
６，２６，４６：濃縮された有機酸
７，２７，４７：メタン発酵処理液
８，２８：固形物残渣
９，２９：脱離液
１０，３０：窒素ガス  
１１，３１：硝化処理液
１２，３２：脱窒処理液
１３，３３：最終処理水
１４，３４：汚泥返送経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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