(57)【要約】【課題】ＴＳ濃度の高い生ごみスラリーをメタン発酵処理する際に、ＶＳ容量負荷を高くしても、メタンガスの発生量が増加できる生ごみのメタン発酵処理システムを提供すること。【解決手段】生ごみを処理してスラリーを得るスラリー調製装置１と、スラリー調製装置１で得られたスラリーを貯留するスラリータンク２と、スラリータンク２内のスラリーを導入して流動状態にあるメタン生成菌と接触させてメタン発酵処理してメタンを生成するメタン発酵槽３とを備えたメタン発酵処理システムであって、スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）が、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％であり、且つスラリーに対して、スラリー調製装置１又はメタン発酵槽３に、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備を有することを特徴とするメタン発酵処理システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生ごみを処理してスラリーを得るスラリー調製装置と、
前記スラリー調製装置で得られた前記スラリーを貯留するスラリータンクと、
前記スラリータンク内の前記スラリーを導入して流動状態にあるメタン生成菌と接触させてメタン発酵処理してメタンを生成するメタン発酵槽とを備えたメタン発酵処理システムであって、
前記スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）が、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％であり、
且つ前記スラリーに対して、前記スラリー調製装置又は前記メタン発酵槽に、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備を有することを特徴とするメタン発酵処理システム。
【請求項２】
前記Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備が、Ｆｅを添加する添加装置、Ｎｉを添加する添加装置及びＣｏを添加する添加装置からなることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理システム。
【請求項３】
前記Ｆｅを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＦｅの添加量が２００〜１５００（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であり、
前記Ｎｉを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＮｉの添加量が、
２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であり、
前記Ｃｏを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＣｏの添加量が、２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）である
ことを特徴とする請求項２記載のメタン発酵処理システム。
【請求項４】
前記メタン発酵槽に導入される前記スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）が、１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のメタン発酵処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ごみのメタン発酵処理システムに関し、より詳しくは、ＴＳ濃度の高いスラリーを、流動状態のメタン生成菌で効率よく処理し、メタン生成効率に優れる生ごみのメタン発酵処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、嫌気性固定床を用いて有機性廃水をメタン発酵により処理するに当たり、ニッケル、鉄、コバルトを添加することによって、高負荷のメタン発酵が達成されることが記載されている。固定床は、メタン生成菌を担持、固定化した担体によって構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１６５８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のようにメタン生成菌を担体に担持すれば、発酵槽内に保持できる菌数が増加し、体積負荷を高めることができる。
【０００５】
近年、生ごみを資源化する試みが検討されており、有価物資源としての利用も本出願人によって研究されている。
生ごみを破砕すると、生ごみスラリーが得られる。生ごみスラリーは、メタン発酵して、エネルギー資源であるメタンガスを生成している。このメタンガスも有価物資源である。
【０００６】
生ごみスラリーは、固形分濃度（ＴＳ）が１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％というように高い濃度である。かかる高濃度のスラリーは、特許文献１のような固定床を用いたメタン発酵処理を行おうとすると、すぐに目詰まりを生じるため、処理を継続できなくなる問題がある。
【０００７】
このため生ごみスラリーのようなＴＳ濃度の高いスラリーを、流動状態のメタン生成菌で処理する際に、従来、ＶＳ容量負荷を高くすると、メタンガスの発生量が低下する問題があった。
【０００８】
そこで本発明の課題は、ＴＳ濃度の高い生ごみスラリーをメタン発酵処理する際に、ＶＳ容量負荷を高くしても、メタンガスの発生量が増加できる生ごみのメタン発酵処理システムを提供することにある。
【０００９】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１１】
（請求項１）
生ごみを処理してスラリーを得るスラリー調製装置と、
前記スラリー調製装置で得られた前記スラリーを貯留するスラリータンクと、
前記スラリータンク内の前記スラリーを導入して流動状態にあるメタン生成菌と接触させてメタン発酵処理してメタンを生成するメタン発酵槽とを備えたメタン発酵処理システムであって、
前記スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）が、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％であり、
且つ前記スラリーに対して、前記スラリー調製装置又は前記メタン発酵槽に、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備を有することを特徴とするメタン発酵処理システム。
（請求項２）
前記Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備が、Ｆｅを添加する添加装置、Ｎｉを添加する添加装置及びＣｏを添加する添加装置からなることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理システム。
（請求項３）
前記Ｆｅを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＦｅの添加量が２００〜１５００（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であり、
前記Ｎｉを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＮｉの添加量が、
２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であり、
前記Ｃｏを添加する添加装置から前記スラリーに添加するＣｏの添加量が、２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）である
ことを特徴とする請求項２記載のメタン発酵処理システム。
（請求項４）
前記メタン発酵槽に導入される前記スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）が、１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のメタン発酵処理システム。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＴＳ濃度の高い生ごみスラリーをメタン発酵処理する際に、ＶＳ容量負荷を高くしても、メタンガスの発生量が増加できる生ごみのメタン発酵処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の生ごみのメタン発酵処理システムを実施するための処理システムの一例を説明する図
【図２】実施例の結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための形態について詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明の生ごみのメタン発酵処理システムの一例を説明する図である。
【００１６】
図１において、１は、生ごみを処理してスラリーを得るスラリー調製装置である。スラリー調製装置１は、生ごみを破砕してスラリーを得られるものであればよい。スラリー調製装置１は、生ごみを破砕してスラリーを得る手段と、スラリーを固液分離する手段とを備えたものであってもよい。
前記スラリー調製装置１で得られたスラリーは、スラリータンク２に貯留される。
【００１７】
スラリー調製装置１に供給される生ごみは、家庭用生ごみ、食品工場から排出される食品廃棄物、レストランやホテルの調理場から排出される生ごみ等が挙げられる。
【００１８】
本発明において、スラリー調製装置１により得られるスラリーは、固形分濃度が高濃度である特性があり、具体的には、スラリーの全固形分濃度（ＴＳ）は、１０ｗｔ％〜３０ｗｔ％であり、好ましくは、１０ｗｔ％〜２５ｗｔ％である。
【００１９】
スラリータンク２内のスラリーは、スラリータンク２と後述するメタン発酵槽３との間に設けることができる可溶化槽に導入され、メタン発酵前に可溶化処理を施してもよい。可溶化槽は、スラリー中の固形分を可溶化できれば格別限定されず、例えば、アルカリ処理、加熱処理、超音波処理、またはオゾン処理などから選ばれる可溶化処理を施すことができればよい。
【００２０】
可溶化されたスラリーはメタン発酵槽３に導入され、メタン発酵処理される。
【００２１】
メタン発酵槽３は、導入されたスラリーを、担持されることなく流動状態にあるメタン生成菌と接触させて、メタン発酵処理してメタンを生成する。本実施形態では、担持体を用いずに、撹拌混合型のメタン発酵槽３を用いている。
【００２２】
本発明において、前記スラリー調製装置１、又はメタン発酵槽３に、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備を有する。以下の説明では、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備が、メタン発酵槽３に添加する態様について説明する。
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加可能な添加設備は、好ましい態様としては、Ｆｅを添加する添加装置、Ｎｉを添加する添加装置及びＣｏを添加する添加装置からなることである。
図１には、Ｆｅを添加する添加装置に接続されたＦｅ添加ライン３０１が示され、またＮｉを添加する添加装置に接続されたＮｉ添加ライン３０２が示され、さらにＣｏを添加する添加装置に接続されたＣｏ添加ライン３０３が示されている。
Ｆｅ添加ライン３０１、Ｎｉ添加ライン３０２、Ｃｏ添加ライン３０３は、それぞれメタン発酵槽３に接続されている。本実施形態では、メタン発酵槽３内のスラリーに、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを個別に添加できるようにしている。
【００２３】
本態様において、前記Ｆｅ添加ライン３０１からスラリーに添加するＦｅの添加量は２００〜１５００（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であることが好ましく、前記Ｎｉ添加ライン３０２からスラリーに添加するＮｉの添加量は、２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であることが好ましく、Ｃｏ添加ライン３０３からスラリーに添加するＣｏの添加量は、２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）であることが好ましい。
ここでＶＳは、スラリーの強熱減量である。
【００２４】
メタン発酵槽３内において、担持されることなく流動状態にあるメタン生成菌は、スラリー中に拡散された状態で存在している。そのため、添加されたＦｅ、Ｎｉ及びＣｏを効率よく利用することができる。
これに対して、担体に担持されたメタン生成菌では、液中のＦｅ、Ｎｉ及びＣｏのうち、該担体の表面近傍に存在するＦｅ、Ｎｉ及びＣｏを利用するのがせいぜいである。このとき、スラリーは流動性に乏しいため、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏが該担体の表面近傍まで拡散することは困難である。
【００２５】
スラリーを処理する場合において、担持されることなく流動状態にあるメタン生成菌を用いることで、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏが効率よく利用され、メタン発酵におけるＶＳ容量負荷を高く設定できる。
【００２６】
例えば、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加しない場合は、ＶＳ容量負荷を１．５〜２．０（ｋｇ−ＶＳ／（ｍ３・日））程度に低く設定しても、発酵状態が不良になり易く、ＣＯＤｃｒが高くなり易い。この結果、メタン生成効率に劣る。また、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）も増加する。
【００２７】
これに対して、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを所定量添加する場合は、ＶＳ容量負荷を３．０〜５．０（ｋｇ−ＶＳ／（ｍ３・日））程度に高く設定しても、発酵状態を良好に維持できる。この結果、本発明によると、ＣＯＤｃｒが低くなり、メタン生成効率に優れる。また、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）も低下する。
【００２８】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加量、特にＮｉ及びＣｏの添加量（２．０〜３０．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ））は、比較的低く設定されているが、十分な効果が発揮される。この事実は、担持されることなく流動状態にあるメタン生成菌によって、スラリーに添加されたＦｅ、Ｎｉ及びＣｏが効率よく利用されることを裏付けている。
添加量が低く設定されることによって、これら金属のコストを低減でき、更に消化液を液肥として利用する場合の安全性が向上する。特にＮｉは、肥料取締法において肥料中の許容限度を３００（ｍｇ／ｋｇ−乾燥試料）とされているが、本実施形態で得られる消化液中のＮｉ濃度は３０〜４０（ｍｇ／ｋｇ−乾燥試料）であり、許容限度の約１／１０である。
【００２９】
本実施形態では、可溶化槽からメタン発酵槽３にスラリーを導入するための導入配管３０４に、該配管内のスラリーのＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ濃度を測定する濃度センサー３０５を設けている。この濃度センサー３０５によって測定されるＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ濃度に基づいて、所定添加量に対する不足分を補うように、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加量を調整することもできる。
他の実施形態において、濃度センサー３０５を省略して、例えば導入配管３０４等のメタン発酵槽３よりも上流の位置で、スラリーをサンプリングして濃度測定を行ってもよい。
【００３０】
ここで、Ｆｅの濃度はＪＩＳ  Ｋ  ０１０２  ５７．４に準拠して測定される値である。Ｎｉの濃度はＪＩＳ  Ｋ  ０１０２  ５９．３に準拠して測定される値である。Ｃｏの濃度はＪＩＳ  Ｋ  ０１０２  ６０．３に準拠して測定される値である。
【００３１】
本実施形態では、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを個別の添加ライン３０１〜３０３から添加するため、各添加量を個別に調整できる。
【００３２】
スラリーの濃度測定は、例えば、１回／１日、１回／１週間、更には１回／１月程度であってもよい。生ごみを原料とするスラリーの濃度測定は必ずしも頻繁に行う必要がない。生ごみは性状（組成等）が変動し易く、発酵状態が不安定になり易い。しかし、生ごみ中のＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ濃度は変動が少なく、通常は検出下限未満（０．０５ｍｇ／Ｌ未満）である。
そのため、例えば月に１回の濃度測定を行って、スラリーのＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの濃度を把握しておけば、その後は一定量のＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加によって所定添加量を達成できる。
【００３３】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加は、例えば、１回／１日〜１回／１月程度というようにスポットで添加してもよいし、連続的に添加してもよい。
【００３４】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏは、それぞれ何れの化合物として添加してもよく、例えば塩化物として添加することができる。
Ｆｅの塩化物として塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）等が挙げられる。Ｎｉの塩化物として塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）等が挙げられる。Ｃｏの塩化物として塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）等が挙げられる。また、Ｆｅについては、例えばポリ硫酸第二鉄等として添加してもよい。
【００３５】
メタン発酵槽３で発生したメタンガスを含むバイオガスは、脱硫塔４に導入され脱硫処理された後、例えば、図示しない発電装置やボイラーに導入され、発電や温水熱源として利用することができる。
【００３６】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加によって、バイオガスに含まれる硫化水素濃度を低下する効果も得られる。例えば、添加を省略した場合の硫化水素濃度は１０００ｐｐｍであるが、添加によって１５０〜４００ｐｐｍまで低下させることができる。そのため、脱硫塔４による脱硫処理の負荷を低減できる効果が得られる。例えば、脱硫処理にＦｅを使用する場合は、Ｆｅの使用量を低減できる効果が得られる。
【００３７】
一方、メタン発酵槽３におけるメタン発酵処理により生成された消化液は、前脱水処理設備５に送られる。また、消化液の一部を、前脱水処理設備５に送らず、液肥として利用することも好ましい。前脱水処理設備５は、生物処理槽６の前段で脱水処理ができれば格別限定されるわけではない。前脱水処理設備５は、例えば、凝集剤添加槽５０と前脱水装置５１からなることが好ましい。
【００３８】
凝集剤添加槽５０には、凝集剤添加ライン５０１が設けられており、凝集剤添加槽５０の内部に撹拌装置５０２が設置されている。５０３は撹拌装置５０２用のモータである。
【００３９】
凝集剤添加槽５０で凝集した凝集濃縮液（凝集汚泥）は、前脱水装置５１で脱水処理される。前脱水装置５１に用いられる脱水機は、格別限定されず、例えば遠心脱水機やフィルタープレス型脱水機等が挙げられる。
【００４０】
前脱水処理設備５で分離された固形分は、例えば、図示しない焼却炉又は堆肥化装置に導入され、焼却又は堆肥化により処理することができる。
【００４１】
凝集剤添加槽５０に添加される凝集剤は、格別限定されず、例えば、高分子凝集剤等から選択される１種又は２種以上を用いることができる。高分子凝集剤としては、例えば、カチオン系のものが挙げられる。市販品としては、例えば、ハイモ社製「ＺＰ−８００Ｔ」、三菱レイヨン社製「ＫＰ−７０００」等が挙げられる。
【００４２】
また、凝集剤として鉄系凝集剤等を用いてもよい。鉄系凝集剤としては、例えば、硫酸第一鉄、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等が挙げられる。
【００４３】
前脱水処理設備５で分離された分離液は、生物処理を行う生物処理槽６に導入される。
【００４４】
生物処理槽６は、有機物の分解と、脱窒を行う。このため図示のように、前段に嫌気槽６０を配置し、後段に好気槽６１を配置することが好ましい。
【００４５】
嫌気槽６０で脱窒を行い、好気槽６１で有機物の分解を行う。生物処理後の処理水は、例えば、河川放流あるいは下水放流することができる。
【００４６】
以上の説明では、メタン発酵槽３内のスラリーにＦｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加する場合について示したが、添加位置はこれに限定されない。添加位置は、例えばメタン発酵槽３の上流の何れかの位置から選択できる。即ち、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加は、メタン発酵槽３に導入されるスラリーに対して行われてもよい。
【００４７】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを添加する添加ラインは、必ずしもＦｅ、Ｎｉ及びＣｏを個別に添加するものである必要はない。上述したように、生ごみ中のＦｅ、Ｎｉ及びＣｏ濃度は変動が少なく、通常は検出下限未満（０．０５ｍｇ／Ｌ未満）である。そのため、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの各添加率を満たすための各添加量を固定することができる。この場合、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏを混合して一つのタンクに入れておき、該タンクからＦｅ、Ｎｉ及びＣｏを一括して添加するようにしてもよい。
【実施例】
【００４８】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。
【００４９】
（実施例１）
図１に示したものと同様の処理システムを用いて生ごみを処理した。
【００５０】
運転（処理）開始後、９週目にメタン発酵槽３内のスラリーへのＦｅ（塩化物）の添加を開始した。
更に、１１週目にＮｉ及びＣｏ（何れも塩化物）の添加を開始した。
以降、Ｆｅ添加率が７６０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）、Ｎｉ添加率が７．９（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）、Ｃｏ添加率が８．０（ｍｇ／ｋｇ−ＶＳ）になるように、スラリーへのＦｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加を継続した。
【００５１】
図２にメタン発酵槽３における発酵状態の推移を示す。図２（ａ）はＶＳ容量負荷及びＶＦＡ濃度の推移を示すグラフ、図２（ｂ）はＶＦＡ濃度及びＣＯＤｃｒ（溶解性）の推移を示すグラフである。
【００５２】
＜試験結果＞
１．発酵状態
【００５３】
（１）Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前
図２に示すように、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前は、発酵状態が不良であり、ＶＳ容量負荷を２．０（ｋｇ−ＶＳ／（ｍ３・日））未満という低い値に設定しているにもかかわらず、ＶＦＡは４０００ｍｇ／Ｌ以上と高水準で推移した。
また、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前は、ＣＯＤｃｒも１５０００ｍｇ／Ｌ以上であり、投入有機物の分解が進まず、これ以上負荷を上げられない状況が続いた。
【００５４】
（２）Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加後
図２に示すように、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加後は、ＶＳ容量負荷を１週間あたり０．５（ｋｇ−ＶＳ／（ｍ３・日））ずつ、上昇させることができた。
ＶＳ容量負荷が、４．１（ｋｇ−ＶＳ／（ｍ３・日））に到達したところで固定した。
これは、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前の約２倍に相当する負荷である。このような高負荷条件でも、ＶＦＡは２０００ｍｇ／Ｌ以下という低い水準で安定した。
【００５５】
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前のバイオガス発生量は、７００［Ｎｍ３／ｋｇ−ＶＳ］でった。これに対して、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加後は８００［Ｎｍ３／ｋｇ−ＶＳ］であった。ここで、添加前、添加後のいずれの場合においても、バイオガス中のメタンガス濃度は、６０％であった。
また、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加前と添加後との対比で、添加後のＣＯＤｃｒは約３０〜４０％減少した。
このように、本発明によれば、投入有機物の分解が進んだことで、バイオガス発生量も増加し、ＶＳ基準発生率で約１５％向上した。
【００５６】
以上の通り、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの添加によって、メタン発酵におけるＶＳ容量負荷を高く設定でき、更にメタン生成効率に優れることがわかる。これらの効果によって、発酵槽コストを大幅に削減できる。
【符号の説明】
【００５７】
１：スラリー調製装置
２：スラリータンク
３：メタン発酵槽
４：脱硫塔
５：前脱水処理設備
６：生物処理槽
【図１】
2018176005.tif 000003
【図２】
2018176005.tif 000004