(57)【要約】      （修正有）【課題】メタン発酵状態を監視でき、安定した発酵状態を維持できるメタン発酵処理方法を提供する。【解決手段】有機性廃棄物を、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を含むメタン発酵槽に投入してメタン発酵すると共に、得られたバイオガス中の硫化水素を乾式脱硫器で脱硫するメタン発酵処理方法において、前記バイオガス中の、メタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定して前記バイオガス中の硫化水素濃度を算出し、その値に基づいてメタン発酵の運転制御を行なう。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を含むメタン発酵槽に投入してメタン発酵すると共に、得られたバイオガス中の硫化水素を脱硫装置で脱硫するメタン発酵処理方法において、
前記バイオガス中の、メタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定して前記バイオガス中の硫化水素濃度を算出し、その値に基づいてメタン発酵の運転制御を行なうことを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
算出された前記バイオガス中の硫化水素濃度の増大量に応じて、前記メタン発酵槽に添加するメタン菌の栄養塩の投入量を増大させる請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
算出された前記バイオガス中の硫化水素濃度、及び、実測される前記バイオガスの発生量より算出した前記脱硫装置への硫黄流入量を基に、脱硫材への硫黄吸着量を予め算出することで交換時期を決定する請求項１又は２に記載のメタン発酵処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、嫌気性微生物を用いて、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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することで、有機性廃棄物をメタンガスに転換するもので、投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法、発酵槽が提案されている。
【０００４】
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。
【０００５】
ここで、メタン発酵処理においては、効率よく有機性廃棄物を分解してメタンガスを取り出す必要があるため、メタン発酵槽内の発酵状態を最適に制御することが重要である。
【０００６】
メタン発酵槽内の発酵効率を向上させる方法として、メタン菌等の栄養素となる金属塩の添加量の調整がある。栄養素としてはニッケルやコバルト等をメタン発酵槽内に添加することが広く知られている。
【０００７】
また、メタン発酵処理に用いる有機性廃棄物中には、プロピオン酸などの有機酸が含まれている。有機酸の蓄積によりメタン菌の活性が低下することが知られており、通常、硫酸還元菌などの有機酸を分解できる微生物を投入して、二酸化炭素、硫化水素等に分解している。
【０００８】
しかしながら、この有機酸の分解で発生する硫化水素は、毒性や腐食性が強く、高濃度になるとメタン発酵等を阻害することが知られている。
【０００９】
この硫化水素を低減させるために、例えば、下記特許文献１では、発酵槽内の硫酸還元菌の生育状況をモニタリング、又は硫酸還元菌の菌数をモニタリングし、モニタリング結果を指標としてメタン発酵槽に栄養塩等を添加している。
【００１０】
また、下記特許文献２では、バイオガス中のメタンガス含有量及び硫化水素含有量を測定し、測定値に応じて、酸素含有気体又は酸素の供給、停止を行なうことで硫化水素発生量を抑制している。
【特許文献１】特開２００２−２８２８２６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３６０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１、２では、メタン発酵処理において、安定した発酵状態を維持するため、メタン発酵処理槽内の硫化水素濃度を低減させており、その際、バイオガス中の硫化水素濃度を測定し、測定結果に応じた処理を行っている。
【００１２】
しかしながら、バイオガス中の硫化水素は微量であるため、その測定機器は比較的高価なものである。また、その測定手段としてはバッチ式であるため、リアルタイムでの連続した測定ができず、利便性に欠けるものであった。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、簡便な分析手法で、メタン発酵状態を監視でき、安定した発酵状態を維持できるメタン発酵処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するにあたり、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を含むメタン発酵槽に投入してメタン発酵すると共に、得られたバイオガス中の硫化水素を脱硫装置で脱硫するメタン発酵処理方法において、前記バイオガス中の、メタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定して前記バイオガス中の硫化水素濃度を算出し、その値に基づいてメタン発酵の運転制御を行なうことを特徴とする。
【００１５】
本発明者らは、種々の検討の結果、有機性廃棄物のメタン発酵で得られるバイオガス中のメタンガス濃度及び炭酸ガス濃度は、バイオガス中の硫化水素濃度と相関性があることを見い出した。そして、このバイオガス中のメタンガス濃度及び炭酸ガス濃度は、非分散赤外線吸収法によって、リアルタイム測定が可能であり、またこれらの測定機器は比較的安価である。
【００１６】
したがって、本発明によれば、比較的簡易な方法で、メタン発酵槽内の硫化水素濃度を算出でき、この算出された硫化水素濃度に応じて、槽内の硫化水素濃度が低減できるように運転状態を適宜制御することで、安定したメタン発酵処理状態を維持できる。
【００１７】
また、本発明においては、算出された前記バイオガス中の硫化水素濃度の増大量に応じて、メタン発酵槽に添加するメタン菌の栄養塩の投入量を増大させることが好ましい。
【００１８】
メタン発酵槽内の水素利用において、メタン菌と硫酸還元菌とは競合関係にあることが知られている。よって、バイオガス中の硫化水素濃度が高い場合においては、メタン菌の活性が低下していると推測できる。
【００１９】
したがって、バイオガス中の硫化水素濃度を、メタン菌の活性指針として用い、この硫化水素濃度が増加した場合、メタン菌の栄養塩となる微量金属を添加することで、メタン菌を活性化でき、それに伴ないメタン発酵槽内の硫化水素濃度を低下でき、安定したメタン発酵状態を維持できる。
【００２０】
また、本発明においては、算出された前記バイオガス中の硫化水素濃度、及び、実測される前記バイオガスの発生量より算出した前記脱硫装置への硫黄流入量を基に、脱硫材への硫黄吸着量を予め算出することで交換時期を決定することが好ましい。
【００２１】
これによれば、硫化水素の発生量を安定化させることにより、脱硫装置の負荷を安定化させることができ、また、脱硫装置に充填する脱硫材の最適な交換時期を設計でき、脱硫材の使用量の低減化、及び、脱硫処理工程の最適化が期待できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、バイオガス中のメタンガス濃度及び炭酸ガス濃度はに基づいてバイオガス中の硫化水素濃度を算出するようにしたので、メタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を比較的簡単な装置でリアルタイムで測定し、バイオガス中の硫化水素濃度の推移を常時モニタリングできる。また、この算出した硫化水素濃度に応じて栄養塩の添加量を決定する等の方法により、バイオガス中の硫化水素濃度を安定化させて、メタン発酵処理状態を安定化できる。
【００２３】
更には、バイオガス中の硫化水素濃度を安定化させることができるので、バイオガスの発生量と併せて考慮することで、脱硫装置での脱硫処理量を推測でき、脱硫装置のサイズ、処理能力などの最適な設計が行なえる。また、脱硫材の最適な交換時期を設計でき、脱硫材の消費量を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１には、本発明のメタン発酵処理方法に用いることができるメタン発酵処理装置の一実施形態の概略構成図が示されている。
【００２５】
まず、図１のメタン発酵処理装置について説明すると、このメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物をペースト状に処理する粉砕機１と、このペーストをスラリー化して貯留するスラリー調整槽２と、メタン発酵槽３と、メタン発酵処理後の発酵液を処理するための廃液処理槽４と、メタン発酵処理で得られたバイオガスから硫化水素を除去する乾式脱硫器５と、栄養塩貯留タンク６とで主に構成されている。
【００２６】
粉砕機１からの配管１ａは、ペースト供給ポンプ１０を介してスラリー調整槽２に連結し、スラリー調整槽２からの配管２ａは、スラリー供給ポンプ１１を介してメタン発酵槽３に連結している。また、メタン発酵槽３内に金属塩などの栄養塩を添加するための栄養塩貯留タンク６から伸びた配管６ａが、栄養塩供給ポンプ２０を介してメタン発酵槽３と連結している。
【００２７】
メタン発酵槽３の底部には、メタン発酵処理後のスラリーを引き抜くための配管４ａが、スラリー引き抜きポンプ１２を介して廃液処理槽４に連結している。
【００２８】
廃液処理槽４としては脱窒処理が可能であればよく、例えば、微生物によって有機物や窒素を除去する生物処理法を行うための活性汚泥槽や、アンモニアを曝気処理した後に空気と触媒燃焼して窒素ガスに無害化するアンモニアストリッピング法を行う装置等を用いることができる。
【００２９】
メタン発酵槽３の上部には、発生したバイオガスを取り出すための配管５ａが接続されており、バイオガス中の硫化水素を脱硫するための乾式脱硫器５と連結している。
【００３０】
そして、この配管５ａと乾式脱硫器５との間には、バイオガス中のメタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定する測定器７が配置されている。ここで、測定器７としては、メタンガスや炭酸ガスの検出に用いることのできる測定機であれば特に限定はなく、例えば、非分散赤外線吸収測定器などが挙げられる。
【００３１】
そして、この測定器７からの測定値は、演算器３０に入力されるように構成されており、測定値に応じて、栄養塩供給ポンプ２０から栄養塩を供給、あるいは供給量を増大させることができる。
【００３２】
測定器７において、バイオガス中のメタンガス濃度を測定した場合における演算器３０による演算処理及び制御は、図２のフローチャートに示したような処理が行なわれている。
【００３３】
まず、ステップＳ１で、測定器７により測定された、バイオガス中のメタン濃度が、測定値として演算器３０に入力される。
【００３４】
そして、ステップＳ２へ進み、測定値が所定の以上であるかどうかの判断が行われ、所定値以上であれば、ステップＳ３へ進み、栄養塩供給ポンプ２０からの栄養塩の供給量は、設定量のままでメタン発酵処理がなされる。
【００３５】
一方、測定値が所定値以下の場合、ステップＳ４へ進み、栄養塩供給ポンプ２０から栄養塩を供給、あるいは供給量を増大させる。以上の処理を所定間隔で繰り返し、ステップＳ２での測定値が所定値以上となるように制御することができる。
【００３６】
また、測定器７において、バイオガス中の炭酸ガス濃度を測定した場合における演算器３０による演算処理及び制御は、図３のフローチャートに示すような処理が行なわれている。
【００３７】
まず、ステップＳ１１で、測定器７により測定された、バイオガス中の炭酸ガス濃度が、測定値として演算器３０に入力される。
【００３８】
そして、ステップＳ１２へ進み、測定値が所定の以下かどうかの判断が行われ、所定値以下であれば、ステップＳ１３で栄養塩供給ポンプ２０からの栄養塩の供給量は、設定量のままでメタン発酵処理がなされる。
【００３９】
一方、測定値が所定値以上の場合、ステップＳ１４へ進み、栄養塩供給ポンプ２０から栄養塩を供給、あるいは供給量を増大させる。以上の処理を所定間隔で繰り返し、ステップＳ１２での測定値が所定値以下となるように制御することができる。
【００４０】
このように、演算器３０では、測定値に応じてメタン発酵槽内に栄養塩を供給できるよう構成されている。
【００４１】
次に、この処理装置を用いた、本発明のメタン発酵処理方法について説明する。
有機性廃棄物は、粉砕機１にまず貯蔵され、破砕・粉砕などの処理がなされ、ペースト化される。そして、ペースト化された有機性廃棄物は、ペースト供給ポンプ１０を介してスラリー調整槽２に貯留される。ここで適度な水で希釈されてスラリー化される。
【００４２】
次に、このスラリーは、スラリー供給ポンプ１１によってメタン発酵槽３に投入されてメタン発酵が行なわれる。
【００４３】
メタン発酵槽３には、図示しないメタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床等が設置されており、ここでスラリーのメタン発酵が行なわれ、嫌気性微生物による有機性廃棄物の分解が行われる。なお、一定時間毎に供給されるスラリーと同量の発酵液が、スラリー引抜きポンプ１２によってメタン発酵槽３の底部から引き抜かれ、メタン発酵槽３内は、常に一定量のスラリーで満たされている。
【００４４】
また、メタン発酵処理で発生したバイオガスは、酸化鉄などの鉄系触媒、（テツゲン製：ＴＧリファイナー）などの脱硫材が充填された乾式脱硫器５で脱硫処理され、硫化水素が取り除かれる。
【００４５】
ここで、バイオガスは、測定器７において、バイオガス中のメタンガス濃度又は炭酸ガス濃度が測定され、測定値が演算器３０に入力される。そして、演算器３０においては、入力された測定値に基づき演算処理、制御が行なわれ、必要に応じて栄養塩供給ポンプ２０からの栄養塩の供給量を調整し、メタン発酵槽３にメタン菌の栄養塩を投入、又は投入量を増加し、メタンガス濃度が所定値以上、あるいは炭酸ガス濃度が所定値以下となるように制御する。
【００４６】
乾式脱硫器５の処理能力や、メタン発酵槽のスケールなどにより異なるが、例えば、メタン発酵槽内の硫化水素濃度を６００ｐｐｍ以下となるように制御するには、炭素ガス濃度が４２％以上となった時に、栄養塩供給ポンプ２０から栄養塩を供給する、あるいは、栄養塩の供給量を増大させることにより、炭酸ガス濃度が４２％以下となるようにメタン菌の栄養塩の投入量を制御する。又は、メタンガス濃度が５８％以下となった時に、栄養塩供給ポンプ２０から栄養塩を供給する、あるいは、栄養塩の供給量を増大させることにより、メタンガス濃度が５８％以上となるようにメタン菌の栄養塩の投入量を制御する。
【００４７】
そして、脱硫処理されたバイオガスは、図示しないガスホルダーに回収され、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。なお、この実施形態においては、脱硫処理前のバイオガス中のメタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定しているが、脱硫処理後のメタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定してもよい。
【００４８】
このように、本発明は、バイオガス中のメタンガス濃度又は炭酸ガス濃度を測定することで、バイオガス中の硫化水素濃度を算出し、その値に基づいてメタン発酵の運転制御を行なうことを特徴としている。
【００４９】
メタン発酵処理を８２日間行い、そのうち、滞留日数４日で４５日間運転し、バイオガス中の硫化水素濃度と、メタンガス濃度と、炭酸ガス濃度とを測定したところ、図４に示す測定結果が得られた。経過日数における、運転負荷を示す滞留日数と、バイオガス中のメタンガス濃度と、炭酸ガス濃度と、硫化水素濃度との関係を図４に示す。
【００５０】
そして、滞留日数４日における硫化水素濃度とメタンガス濃度との関係は、図５に示すように負の相関関係にあり、また、炭酸ガスとは図６に示すように正の相関関係にあり、バイオガス中の硫化水素濃度は、バイオガス中のメタンガス濃度、又は炭酸ガス濃度と高い相関性があることがわかった。なお、図５及び６は、図４の測定結果から滞留日数４日のデータを抽出し、プロットしたものである。
【００５１】
すなわち、炭酸ガス濃度が増加又はメタンガス濃度が低下するに伴い、硫化水素濃度が増加し、一方、炭酸ガス濃度が低下、又はメタンガス濃度が増加するに伴い、硫化水素濃度が低下して低濃度で安定する。なお、ここで、バイオガス中の硫化水素濃度は、硫化水素用ガステック検知器を用いて測定し、メタンガス濃度及び炭酸ガス濃度はガスクロマトグラフ（商品名；「Ｐ２００」  アジレントテクノロジー製）を用いて測定した。
【００５２】
よって、バイオガス中の硫化水素濃度を直接測定しなくとも、メタンガス濃度又は炭酸ガス濃度のどちらか一方を測定することで、バイオガス中の硫化水素濃度を算出することができる。
【００５３】
そして、バイオガス中の硫化水素濃度を、メタン菌の活性指針として用い、この硫化水素濃度が増加した場合において、メタン菌の栄養塩となる微量金属を添加したりするなどの方法でメタン菌を活性化させて、メタン発酵槽内の硫化水素濃度を低下することで、安定したメタン発酵状態を維持できる。
【００５４】
このように、バイオガス中のメタンガス濃度及び炭酸ガス濃度は連続した検出が可能であるため、メタンガス濃度又は炭酸ガスから、硫化水素濃度を算出することで、濃度バイオガス中の硫化水素濃度の推移をモニタリングでき、メタン菌の栄養塩の供給量を制御する等の方法により、バイオガス中の硫化水素濃度を安定化させて、メタン発酵処理状態を安定化できる。
【００５５】
また、バイオガス中の硫化水素濃度を安定化させることで、前記バイオガス中の硫化水素濃度、及び、実測される前記バイオガスの発生量から前記脱硫装置への硫黄流入量を算出でき、それを基に脱硫材への硫黄吸着量を予め算出できるので、脱硫装置での脱硫処理量を推測でき、脱硫材の最適な交換時期を設計できるので、脱硫材の消費量を低減できる。よって、運転コストやメンテナンスコストを低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明のメタン発酵処理方法は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の、有機性廃棄物のメタン発酵処理に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に用いる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】測定器７でメタンガス濃度を測定した場合における演算器３０による演算処理、制御方法を示すフローチャート図である。
【図３】測定器７で炭酸ガス濃度を測定した場合における演算器３０による演算処理、制御方法を示すフローチャート図である。
【図４】バイオガス中の硫化水素濃度、メタンガス濃度、炭酸ガス濃度の経時変化を示す試験結果である。
【図５】滞留日数４日におけるメタンガス濃度と硫化水素濃度との関係を示す図表である。
【図６】滞留日数４日における炭酸ガス濃度と硫化水素濃度との関係を示す図表である。
【符号の説明】
【００５８】
１：粉砕機
２：スラリー調整槽
３：メタン発酵槽
４：廃液処理槽
５：乾式脱硫器
６：栄養塩貯留タンク
７：測定器
２０：栄養塩供給ポンプ２０
３０ 演算器
【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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【図６】
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