(57)【要約】【課題】エネルギーを浪費することなく、有機性廃棄物処理装置の機器点数を抑えたシンプルな構成の有機性廃棄物処理装置、および有機性廃棄物処理方法を提供する。【解決手段】本発明の有機性廃棄物処理装置は、有機性廃棄物１をメタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理装置１１であって、嫌気性微生物によって有機性廃棄物１をメタン発酵させるメタン発酵槽２２と；前記メタン発酵により生じる消化混合液２中に含まれる窒素化合物を、硝化脱窒法により処理する排水処理槽２４と；メタン発酵槽２２内の消化混合液２と排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４が、直接熱交換を行う熱交換器３１とを備える。【選択図】図１
2011218283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物をメタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理装置であって、
嫌気性微生物によって前記有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵槽と；
前記メタン発酵により生じる消化混合液中に含まれる窒素化合物を、硝化脱窒法により処理する排水処理槽と；
前記メタン発酵槽内の消化混合液と前記排水処理槽内の活性汚泥混合液が、直接熱交換を行う熱交換器とを備える；
有機性廃棄物処理装置。
【請求項２】
前記排水処理槽内の活性汚泥混合液を、前記排水処理槽と前記熱交換器との間を循環させる活性汚泥循環器を備え；
前記熱交換器は前記メタン発酵槽内に設けられ、前記消化混合液と前記活性汚泥混合液が熱交換を行う、
請求項１に記載の有機性廃棄物処理装置。
【請求項３】
前記排水処理槽内の活性汚泥混合液を、前記排水処理槽と前記熱交換器との間を循環させる活性汚泥循環器と；
前記メタン発酵槽内の消化混合液を、前記メタン発酵槽と前記熱交換器との間を循環させる消化液循環器とを備え；
前記熱交換器において前記消化混合液と前記活性汚泥混合液が熱交換を行う、
請求項１に記載の有機性廃棄物処理装置。
【請求項４】
前記メタン発酵槽内の消化混合液を、前記メタン発酵槽と前記熱交換器との間を循環させる消化液循環器を備え；
前記熱交換器は前記排水処理槽内に設けられ、前記消化混合液と前記活性汚泥混合液が熱交換を行う、
請求項１に記載の有機性廃棄物処理装置。
【請求項５】
前記廃水処理槽内の温度が所定の温度となるように、前記メタン発酵槽内の温度または前記排水処理槽内の温度を制御する制御装置とを備える；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の有機性廃棄物処理装置。
【請求項６】
有機性廃棄物をメタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理方法であって、
嫌気性微生物によって前記有機性廃棄物をメタン発酵させる工程と；
前記メタン発酵させる工程により生じる消化混合液中に含まれる窒素化合物を、硝化脱窒法により処理する排水処理工程と；
前記メタン発酵させる工程により生じる消化混合液と、前記排水処理工程により生じる活性汚泥混合液が、熱交換器を介して直接熱交換を行う工程とを備える；
有機性廃棄物処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵処理および排水処理する、有機性廃棄物処理装置および有機性廃棄物処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法は、処理設備の運転コストが低いこと、メタン発酵処理後の消化汚泥が生物学的に安定していること、メタン発酵処理で得られる消化ガス（メタンガス）をエネルギーとして利用できることなど、多くのメリットがある。そのため、近年では厨芥、残飯、食品や飲料品の製造残渣、下水汚泥、有機性の排水処理汚泥、家畜糞尿などの有機性廃棄物を対象としたメタン発酵処理設備の新設が増加している。
【０００３】
図１１に従来の処理設備の例として、メタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理装置１０１の構成を示す。有機性廃棄物処理装置１０１は、可溶化槽２１、メタン発酵槽２２、脱水設備２３、排水処理槽２４を備える。有機性廃棄物処理装置１０１では、メタン発酵槽２２において有機性廃棄物をメタン発酵により処理し、メタン発酵処理後の消化混合液中に含まれる高濃度の窒素分を排水処理槽２４において処理する。なお、可溶化槽２１では固形状の有機物を水に溶ける状態にまで分解し、脱水設備２３では消化混合液を固形物と液に分離する。
【０００４】
メタン発酵槽２２内の温度は、メタン生成菌（以後メタン菌とする）の生息に適した温度域に調整する必要がある。すなわち、中温メタン発酵では約３０〜３８℃、高温メタン発酵では約５０〜５５℃に調整する必要がある。通常、処理対象物である有機性廃棄物は、処理設備に常温（約１０〜２５℃）で持ち込まれることが多い。そのため、メタン発酵槽２２には加温装置４１が設置され蒸気等を用いて加温する。一般的には、メタン発酵により生ずるメタンガスを熱に変換し加温するエネルギーとして利用することが行われている。
【０００５】
有機性廃棄物は、高濃度の窒素分を含有する。しかし、メタン発酵では該窒素分が除去されないため、メタン発酵処理後の消化混合液を排水処理する必要がある。有機性廃棄物処理装置１０１の排水処理槽２４では、硝化脱窒法により含有する窒素分を処理する。排水処理槽２４は溶存酸素のない嫌気的状態の脱窒槽２５と、曝気により溶存酸素のある好気的状態の硝化槽２６から構成される。排水処理槽２４内に存在する活性汚泥混合液４は、脱窒槽２５から硝化槽２６に送られた後再度脱窒槽２５に循環させることを繰り返し、含有窒素分が除去される。なお、硝化脱窒法における硝化反応（アンモニア酸化）は発熱反応であり硝化槽２６内の温度を上昇させる。さらに、有機性廃棄物は一般的に窒素含有率が高い。そのため、消化混合液またはその脱水分離液を処理する場合、硝化槽２６内の温度は上昇する。しかし、硝化槽２６内の温度が硝化菌の生息限界となる温度付近まで上がると硝化菌が温度により阻害される。そのため、硝化槽２６には冷却塔５２などが付設され、強制的に生息限界以下の温度に冷却される。
このように、従来の有機性廃棄物処理装置１０１では、排水処理槽２４（硝化槽２６）を冷却する一方で、メタン発酵槽２２を加温していた。
【０００６】
従来の有機性廃棄物処理装置の他の例として、有機質を含む排水を処理対象とした排水処理装置であって、硝化脱窒法の発熱反応で得られた熱を有効利用する排水処理装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、嫌気性反応槽（メタン発酵槽）の加温を目的として、生物学的硝化脱窒反応槽（排水処理槽）で発生する硝化熱を、「熱回収装置」「熱媒体による伝熱ライン」「熱放散装置」を用いて、嫌気性反応槽の前段にあるｐＨ調整槽に供給しｐＨ調整槽を加温するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−６６５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の有機性廃棄物処理装置１０１のような従来の装置では、メタン発酵槽２２を加温する一方で、排水処理槽２４（硝化槽２６）を冷却しており、エネルギーを浪費するだけでなく、それぞれの槽の温度を制御する装置が必要であった（図１１参照）。そのため、設置費用がかさみ、運転管理にも手間がかかっていた。
さらに、図１２に特許文献１に記載された排水処理装置を例とした有機性廃棄物処理装置１０２を示す。有機性廃棄物処理装置１０２では、生物学的硝化脱窒反応槽（排水処理槽２４）の熱エネルギーを有効に活用することはできるが、一方で、依然として嫌気性反応槽（メタン発酵槽２２）と生物学的硝化脱窒反応槽（排水処理槽２４）のそれぞれの温度を制御する装置が必要である。さらに「熱回収装置５６」と「熱放散装置５７」の２つが必要となるため、装置の構成がより複雑になる。また、別途熱媒体を供給する必要がある。例えば、水を熱媒体とする場合は補給水の供給が必要となる。
そこで本発明は、エネルギーを浪費することなく、機器点数を抑えたシンプルな構成の有機性廃棄物処理装置、および有機性廃棄物処理方法を提供することを目的とする。シンプルな構成とすることにより、設置費用や運転経費の削減、および運転管理の手間の軽減が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の第１の態様に係る有機性廃棄物処理装置は、例えば図１に示すように、有機性廃棄物１をメタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理装置１１であって、嫌気性微生物によって有機性廃棄物１をメタン発酵させるメタン発酵槽２２と；前記メタン発酵により生じる消化混合液２中に含まれる窒素化合物を、硝化脱窒法により処理する排水処理槽２４と；メタン発酵槽２２内の消化混合液２と排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４が、直接熱交換を行う熱交換器３１とを備える。
なお本明細書において、「消化混合液」とは、少なくともメタン発酵により生ずる消化液を含むメタン発酵槽内の内容物をいう。「活性汚泥混合液」とは、少なくとも硝化・脱窒により生ずる活性汚泥を含む排水処理槽内の内容物をいう。「直接熱交換を行う」とは、水等の熱媒体を使用することなく熱交換を行うことをいい、上記の場合では消化混合液と活性汚泥混合液との間で熱交換を行うことをいう。
【００１０】
このように構成すると、メタン発酵槽内の消化混合液と排水処理槽内の活性汚泥混合液が直接熱交換を行うため、メタン発酵槽の温度と排水処理槽の温度を極力近づけることができる。なお、排水処理槽は発熱反応である硝化反応により昇温する。したがって、熱交換を行うと排水処理槽の硝化反応熱によりメタン発酵槽を加温することができる。一方で、排水処理槽を冷却することができる。さらに排水処理槽内では、槽内の温度がアンモニア酸化菌（以後硝化菌とする）の生息限界温度になると、硝化菌が温度により阻害される。このため、排水処理槽内の温度は硝化菌の生息限界温度を超えない。したがって、メタン菌の生息限界温度が硝化菌の生息限界温度よりも高い場合には、メタン発酵槽と排水処理槽の温度を極力近づけメタン発酵槽を加温しても、メタン発酵槽の温度がメタン菌の生息限界温度までは上がらない。よって、メタン発酵槽に温度制御装置を設置しなくても、メタン発酵槽が前記加温によりメタン菌の生息限界温度まで上がるのを回避できる。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る有機性廃棄物処理装置は、上記本発明の第１の態様に係る有機性廃棄物処理装置において、例えば図１に示すように、排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４を、排水処理槽２４と熱交換器３１との間を循環させる活性汚泥循環器３６を備え；熱交換器３１はメタン発酵槽２２内に設けられ、消化混合液２と活性汚泥混合液４が熱交換を行う。
【００１２】
このように構成すると、排水処理槽２４が２つの反応槽（硝化槽、脱窒槽）を有し、活性汚泥混合液を硝化槽と脱窒槽の間を循環させて硝化脱窒処理を行う装置の場合、活性汚泥混合液を循環させる循環器をそのまま排水処理槽と熱交換器との間を循環させる活性汚泥循環器として使用することができる。また、熱交換器がメタン発酵槽内部に設けられるため、メタン発酵槽で生じる消化ガスやメタン発酵槽が通常有する攪拌装置を使用して、消化混合液を流動化させることができる。このため、熱交換率を高めるとともに、熱交換器外部に付着物が付着するのを抑制することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様に係る有機性廃棄物処理装置は、上記本発明の第１の態様に係る有機性廃棄物処理装置において、例えば図６に示すように、排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４を、排水処理槽２４と熱交換器３３との間を循環させる活性汚泥循環器３６と；メタン発酵槽２２内の消化混合液２を、メタン発酵槽２２と熱交換器３３との間を循環させる消化液循環器３５とを備え；熱交換器３３において消化混合液２と活性汚泥混合液４が熱交換を行う。
【００１４】
このように構成すると、熱交換器を槽外に設置することができ熱交換器の点検やメンテナンス（洗浄等）がし易くなる。特に、有機性廃棄物中にカルシウムのようなスケールの核になりやすい物質が含まれている場合に有益である。
【００１５】
本発明の第４の態様に係る有機性廃棄物処理装置は、上記本発明の第１の態様に係る有機性廃棄物処理装置において、例えば図９に示すように、メタン発酵槽２２内の消化混合液２を、メタン発酵槽２２と熱交換器３１との間を循環させる消化液循環器３５を備え；熱交換器３１は排水処理槽２４内に設けられ、消化混合液２と活性汚泥混合液４が熱交換を行う。
【００１６】
このように構成すると、消化混合液が比較的さらさらした液状物であるため、熱交換器内での管内付着の可能性を抑制することができる。また、熱交換器が排水処理槽内部に設けられるため、排水処理槽が通常有する曝気装置を使用して、活性汚泥混合液を流動化させることができる。このため、熱交換率を高めるとともに、熱交換器外部に付着物が付着するのを抑制することができる。
【００１７】
本発明の第５の態様に係る有機性廃棄物処理装置は、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１の態様に係る有機性廃棄物処理装置において、例えば図１０に示すように、廃水処理槽２４内の温度が所定の温度となるように、メタン発酵槽２２内の温度または排水処理槽２４内の温度を制御する制御装置４１を備える。
【００１８】
このように構成すると、有機性廃棄物中に含まれる窒素分が極端に多く、メタン発酵槽および排水処理槽全体の熱量が過剰となった場合、または、外気温が著しく低い若しくは有機性廃棄物の受け入れ温度が極端に低いなどの理由でメタン発酵槽および排水処理槽全体の熱量が不足する場合であっても、１つの制御装置で両槽内の温度を適温に維持することができる。
【００１９】
本発明の第６の態様に係る有機性廃棄物処理方法は、例えば図１に示すように、有機性廃棄物１をメタン発酵処理および排水処理する有機性廃棄物処理方法であって、嫌気性微生物によって有機性廃棄物１をメタン発酵させる工程と；前記メタン発酵させる工程により生じる消化混合液２中に含まれる窒素化合物を、硝化脱窒法により処理する排水処理工程と；前記メタン発酵させる工程により生じる消化混合液２と、前記排水処理工程により生じる活性汚泥混合液４が、熱交換器３１を介して直接熱交換を行う工程とを備える。
【００２０】
このように構成すると、消化混合液と活性汚泥混合液が直接熱交換を行うため、消化混合液の温度と活性汚泥混合液の温度を極力近づけることができる。なお、活性汚泥混合液は発熱反応である硝化反応により昇温する。したがって、熱交換を行うと活性汚泥混合液の硝化反応熱により消化混合液を加温することができる。一方で、活性汚泥混合液を冷却することができる。さらに、活性汚泥混合液の温度が硝化菌の生息限界温度になると、硝化菌が温度により阻害される。このため、活性汚泥混合液の温度は硝化菌の生息限界温度を超えない。したがって、メタン菌の生息限界温度が硝化菌の生息限界温度よりも高い場合には、消化混合液と活性汚泥混合液の温度を極力近づけ消化混合液を加温しても、消化混合液の温度がメタン菌の生息限界温度までは上がらない。よって、消化混合液の温度を制御しなくても、消化混合液が前記加温によりメタン菌の生息限界温度まで上がるのを回避できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、排水処理槽における発熱反応のエネルギーを浪費することなく、機器点数を抑えたシンプルな構成の有機性廃棄物処理装置、および有機性廃棄物処理方法を提供することができる。そのため、装置の設置費用や運転経費の削減、および運転管理の手間を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１１の構成図である。
【図２】熱交換器３１の構成図である。
【図３】熱交換器３２の構成図である。
【図４】熱交換器３１（３２）上方のヘッダ管３９から消化混合液２をポンプ等（不図示）により圧送する場合の構成図である。
【図５】熱交換器３２（３１）下方の散気装置４０からメタン発酵により生じた消化ガス６を拡散用ガスとして吹き込む場合の構成図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１２の構成図である。
【図７】熱交換器３３の構成図である。
【図８】熱交換器３４の構成図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１３の構成図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１４の構成図である。
【図１１】一例としての従来の有機性廃棄物処理装置１０１の構成図である。
【図１２】他の例としての従来の有機性廃棄物処理装置１０２の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一または相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。また、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００２４】
本発明の有機性廃棄物処理装置は、エネルギーを浪費することなく、機器の点数を減らし装置を簡素化するという目的を、以下のように、メタン発酵槽内の消化混合液と排水処理槽内の活性汚泥混合液とを直接熱交換させることにより実現した。なお、メタン発酵には発酵温度域により、低温発酵、中温発酵、および高温発酵があるが、以下の実施の形態では例として、中温域にてメタン発酵処理する処理槽を有する、有機性廃棄物処理装置を説明する。なお、「中温域」とは、中温メタン菌の生息域である約３０℃〜約３８℃の範囲をいう。
【００２５】
図１を参照して本発明の実施例の概要を説明する。本発明者は、中温メタン発酵に適した温度域と排水処理に適した温度域に着目し、メタン発酵槽２２内の消化混合液２と排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４を直接熱交換させることにより、両槽の温度を極力近づけた。その結果、有機性廃棄物１が十分なエネルギーを保持する場合、すなわちメタン発酵槽投入時の温度や含有する窒素分量により、メタン発酵槽２２に熱源（例えば蒸気等）を用いて熱を供給しなくても排水処理槽２４の有する熱により、メタン発酵槽２２を中温メタン発酵に適した温度域に維持できることを見出した（第１〜第３の実施の形態参照）。また、有機性廃棄物１のエネルギー量が不十分でありメタン発酵槽２２の加温が必要な場合でも、加温に要するエネルギーを大幅に節約することが可能になった。
【００２６】
本発明では、排水処理槽２４において硝化脱窒法を用いて含有する窒素分を除去する。そのため、槽内は発熱反応である硝化反応（アンモニア酸化）により加温される。その結果、メタン発酵槽２２と排水処理槽２４の間で熱交換すると排水処理槽２４の有する熱によりメタン発酵槽２２が加温される。しかし、排水処理槽２４の温度が硝化菌の生息限界である３８℃付近まで上がると、硝化菌が温度により阻害されるため、それ以上は上がらないという特性を有する。本発明はさらにこの特性を利用して、メタン発酵槽２２内に温度制御機器を設けることなく、メタン発酵槽２２内の温度がメタン菌の生息限界である約４０℃に達するのを回避することを可能にした（第１〜第３の実施の形態参照）。なお、以下の実施の形態における硝化菌の生息に適した温度域は、上が３８℃下が２０℃〜２５℃の範囲である。
【００２７】
さらに、消化混合液２と活性汚泥混合液４の熱交換により、活性汚泥混合液４が冷却される。しかし、活性汚泥混合液４中に含まれる窒素分の濃度が極めて高く、排水処理槽２４内の温度を硝化菌の生息限界温度以下（約３８℃以下）にできないような有機性廃棄物を処理する有機性廃棄物処理装置では、排水処理槽２４にのみ冷却装置を設置すればよい。また、メタン発酵槽２２に投入する有機性廃棄物２の温度が極端に低い、または外気温が低い等の理由から、メタン発酵槽２２と排水処理槽２４全体の熱量が不足するような有機性廃棄物処理装置では、排水処理槽２４にのみ加温装置を設置すればよい。すなわち、排水処理槽２４にのみ温度制御装置（加熱・冷却装置）を設け槽内の温度を制御すればよい（第４の実施の形態参照）。
【００２８】
メタン発酵槽２２と排水処理槽２４は、熱交換により両槽の温度が常に近い温度に保たれる。したがって、排水処理装置２４にのみ温度制御装置を設けるかわりに、メタン発酵槽２２にのみ温度制御装置を設けてもよい。すなわち、排水処理槽２４内の温度を約３８℃以下にできないような有機性廃棄物を処理する有機性廃棄物処理装置では、メタン発酵槽２２に冷却装置を設け、冷却された消化混合液２により排水処理装置２４内を冷却してもよい。また、メタン発酵槽２２と排水処理槽２４全体の熱量が不足するような有機性廃棄物処理装置では、メタン発酵槽２２にのみ加温装置を設置して、加温された消化混合液２により排水処理装置２４内を加温してもよい（第４の実施の形態参照）。
【００２９】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１１について説明する。図１の有機性廃棄物処理装置１１は、可溶化槽２１、メタン発酵槽２２、脱水設備２３、排水処理槽２４を備える。さらに、熱交換器３１、活性汚泥循環ポンプ３６、活性汚泥循環配管３８を備える。なお、熱交換器３１は、メタン発酵槽２２の内部に設置される。
【００３０】
処理対象である有機性廃棄物１は、必要に応じて粉砕分別機（不図示）等を用いて、発酵に不適な物質が除去されるとともに粉砕され、可溶化槽２１に送られる。可溶化槽２１では、有機性廃棄物１を可溶化処理（固形状の有機物を水に溶ける状態にまで分解）し、可溶化処理された有機性廃棄物１はメタン発酵槽２２に送られる。メタン発酵槽２２では、可溶化処理された有機性廃棄物１を１５日〜３０日間滞留させ、中温メタン発酵菌によりメタン発酵させメタンガスを発生させる。メタン発酵により生成されたスラリー状の消化混合液２は、脱水設備２３に送られ、固形物（発酵残渣）と液（脱水分離液３）に分離される。その後脱水分離液３は、排水処理槽２４に送られる。排水処理槽２４では、活性汚泥法（硝化脱窒法）により、脱水分離液３中に含まれる窒素化合物（アンモニア）から窒素ガスを発生させ、上澄水である処理水５を排出する。
【００３１】
排水処理槽２４は、脱窒槽２５・硝化槽２６の２つの反応槽を有する。排水処理槽２４内のスラリー状の活性汚泥混合液４は、嫌気工程である脱窒槽２５と好気工程である硝化槽２６を繰り返し循環させられることにより、硝化・脱窒処理される。なお、本願の有機性廃棄物処理装置１１では、活性汚泥混合液４は、活性汚泥循環器としての活性汚泥循環ポンプ３６によって硝化槽２６から活性汚泥循環配管３８を通じて一旦メタン発酵槽２２内部に設置された熱交換器３１に供給される。その後、熱交換器３１から脱窒槽２５へ戻される。すなわち、活性汚泥混合液４は、硝化槽２６→熱交換器３１（メタン発酵槽２２）→脱窒槽２５→硝化槽２６・・・の順で循環する。このように、熱交換器３１の内部に活性汚泥混合液４を循環させ、メタン発酵槽２２内部に設置することにより、活性汚泥混合液４とメタン発酵槽２２内の消化混合液２とを直接熱交換させる。なお循環は、脱水分離液３の流入量の１０〜１００倍の量を定常的に循環させることにより行う。また活性汚泥混合液４の循環には、硝化脱窒に通常用いられる循環手段（活性汚泥循環ポンプ３６）を利用することができ、新たな機器を追加することなく活性汚泥混合液４を熱交換器３１に循環させることができる。さらに、排水処理槽２４の前段では、消化混合液２が固形物（発酵残渣）と液（脱水分離液３）に分離され、脱水分離液３が排水処理槽２４に送られる。そのため、排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４を循環させても、夾雑物による詰まりを抑制することができる。なお詰まりは、活性汚泥混合液４の流速を調節することによっても抑制することができる。
また、活性汚泥混合液４を循環させる他の例として、熱交換器３１から脱窒槽２５ではなく硝化槽２６に戻してもよい。このようにすると、脱窒槽２５への循環量とは関係なく、熱交換器３１への循環量を調整することができる。
【００３２】
図２を参照して、熱交換器の一例としての熱交換器３１を詳細に説明する。熱交換器３１は、浸漬プレート式熱交換器であって、プレスによりそれぞれに溝が形成された２枚の金属板を重ね合わせて形成されたプレート３１ｃを複数枚備える。金属版の溝どうしが重なることによりプレート３１ｃ内部に一本の連続する空隙が形成される。複数枚のプレート３１ｃは、適度な間隔を設けて配置され、空隙の出入口が、入口配管３１ａと出口配管３１ｂから枝分かれした配管にそれぞれ接続される。入口配管３１ａと出口配管３１ｂの他方は、活性汚泥循環配管３８（図１参照）に接続される。活性汚泥混合液４は、入口配管３１ａからそれぞれのプレート３１ｃ内部の空隙を循環した後、出口配管３１ｂから排出される。空隙の断面形状は特に問うことなく、例えば、円形や楕円形であってもよい。円形（オリフィス）の場合は、直径が２０ｍｍ以上であることが好ましい。２０ｍｍ以上とすると、循環させる活性汚泥混合液４がプレート３１ｃ内部に詰まるのを抑制することができる。また、プレート３１ｃ間の間隔は、１０ｃｍ以上であることが好ましい。１０ｃｍ以上とすると、プレート３１ｃ周辺の消化混合液２を流動化させやすくなる。さらに、プレート３１ｃをステンレス製とすると、消化混合液２や活性汚泥混合液４により侵食されにくく好ましい。また、プレート式熱交換器は、プレート３１ｃの枚数を増やすことで容易に伝熱面積を増加させることができるため好ましい。
【００３３】
図３を参照して、熱交換器の他の例として熱交換器３２を説明する。熱交換器３２は、蛇管式の熱交換器であって、１本の管で螺旋を形成した蛇管３２ｃを備える。活性汚泥混合液４は、入口配管３２ａから下方に向けて螺旋状に蛇管３２ｃ内部を循環し、下方から上方に向けて出口配管３２ｂから排出される。入口配管３２ａと出口配管３２ｂの他方は、活性汚泥循環配管３８（図１参照）に接続される。熱交換器３２（蛇管３２ｃ）の内径は、２０ｍｍ以上であることが好ましい。２０ｍｍ以上とすると、循環させる活性汚泥混合液４が蛇間３２ｃ内部に詰まるのを抑制することができる。また、蛇管式熱交換器は、安価であるためコストを抑えることができる。
【００３４】
熱交換器３１および熱交換器３２の周辺の消化混合液２は、流動化させることにより、熱交換率を高め熱交換器３１、３２へ付着物が付着するのを防止することができる。
図４は、熱交換器３１（または３２）周辺の消化混合液２を流動化させるため、熱交換器３１上方のヘッダ管３９から消化混合液２をポンプ等（不図示）により圧送する例である。消化混合液２は、熱交換器充填容量１ｍ３あたり１．０ｍ３／分以上を供給することが好ましい。
図５は、熱交換器３２（または３１）周辺の消化混合液２を流動化させるため、熱交換器３２下方の散気装置４０からメタン発酵により生じた消化ガス６（メタン、二酸化炭素等）を拡散用ガスとして吹き込む例である。消化ガス６は、熱交換器充填容量１ｍ３あたり０．１ｍ３（ＮＴＰ）ｇａｓ／時以上を吹き込むことが好ましい。
なおメタン発酵槽２２には、通常メタン菌と有機性廃棄物を均一にするための攪拌装置（不図示）が設けられる。この攪拌装置の近辺に熱交換器３１（または３２）を配置させ、熱交換器周辺の消化混合液２を流動化させてもよい。
【００３５】
さらに、熱交換器３１、３２はメタン発酵槽２２内部に配置されるため、液循環や曝気にかかる配管類の接続点を槽上部に集合させることが好ましい。それにより、有機性廃棄物処理装置１１の運転後の点検やメンテナンスを容易に行うことができる。
【００３６】
上記のとおり、第１の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１１では、排水処理槽２４内の活性汚泥混合液４が有する熱により、メタン発酵槽２２を中温メタン発酵に適した温度に維持することができる。さらに、メタン発酵槽２２内の温度を制御することなく、メタン発酵槽２２内の温度が中温メタン菌の生息限界である４０℃付近まで上がることを確実に回避することができる。
【００３７】
一例として、窒素分（Ｎ）を４．０ｇ‐Ｎ／ｋｇ（＝４ｋｇ‐Ｎ／ｔ）含有する事業系生ごみを１日あたり５ｔ、中温メタン発酵処理する施設を紹介する。アンモニアの酸化熱は、３８２．２ｋＪ／ｍｏｌ（＝９１．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ）であり、窒素Ｎあたりに換算すると、３８２．２ｋＪ／ｍｏｌ÷１４ｇ／ｍｏｌ＝２７．３ｋＪ／ｇ‐Ｎとなる。１日に処理する生ごみに含まれる窒素量は、５ｔ×４ｋｇ‐Ｎ／ｔ＝２０ｋｇ‐Ｎであり、そのうち消化混合液の脱水工程で約４０％が除去される。そのため、排水処理槽で発生する硝化熱量は、１日あたり２７．３ｋＪ／ｇ‐Ｎ×２０ｋｇ‐Ｎ×（１−０．４）＝３２８ＭＪ（＝７８．４Ｍｃａｌ）となる。この硝化熱量は、７８．４Ｍｃａｌ÷５ｔ＝１５．７℃分の昇温に相当する。
有機性廃棄物は、処理装置に常温（約１０〜２５℃）で持ち込まれることが多く、さらにメタン発酵槽の前段階（可溶化処理等）において装置の熱等により１５℃以上に加温されている。仮に、２０℃前後でメタン発酵槽に投入されたとしても、上記の硝化熱量は中温メタン発酵域まで昇温するのに充分な発熱量となる。
なお、硝化槽（排水処理槽）の温度を３７℃、メタン発酵槽の温度を３４℃で運転した場合、熱交換器の総括伝熱係数を１００Ｗ／ｍ２・℃（＝８６．１ｋｃａｌ／ｍ２・℃・ｈｒ）とすると、所要伝熱面積は、３２８ＭＪ／ｄ÷１００Ｗｍ２・℃÷（３７℃−３４℃）÷８６４００ｓｅｃ／ｄ＝１２．７ｍ２となる。総括伝熱係数は、熱交換器近傍をメタン発酵槽の有する攪拌装置や、硝化ガスまたは空気による曝気攪拌を行うことにより、高くすることができる。そのため、さらに熱交換器をコンパクトにすることができる。
【００３８】
図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１２について説明する。有機性廃棄物処理装置１１と異なる点は、熱交換器３３を備える点、およびさらに消化液循環ポンプ３５と消化液循環配管３７を備える点である。有機性廃棄物処理装置１２では、図６に示すように、熱交換器３３を槽外に設置する。硝化槽２６内の活性汚泥混合液４を活性汚泥循環ポンプ３６により、硝化槽２６→熱交換器３３→脱窒槽２５に循環させる一方で、メタン発酵槽２２内の消化混合液２を消化液循環ポンプ３５により、メタン発酵槽２２→熱交換器３３→メタン発酵槽２２に循環させる。このように、熱交換器３３を槽外に設置することにより、熱交換器のメンテナンス（洗浄等）をし易くすることができる。特に、有機性廃棄物中にカルシウムのようなスケールの核になりやすい物質が含まれている場合に有益となる。
さらに、メタン発酵槽２２内の消化混合液２を循環させても、消化混合液２は比較的サラッとした状態の液体であるため、管内付着による閉塞の可能性を抑制することができる。なお詰まりは、消化混合液２の流速やメタン発酵槽２２の前段階において有機性廃棄物の粉砕時の大きさを調節することによっても抑制することができる。
【００３９】
図７を参照して、熱交換器の一例として熱交換器３３を詳細に説明する。熱交換器３３は、二重円筒式熱交換器であって、二重に形成された管の内外で熱交換を行う２重筒を備える。熱交換器３３では、内筒外側に活性汚泥混合液４を循環させ、内筒内側に活性汚泥混合液４と向流させる方向に消化混合液２を循環させる。向流にすると熱交換率を高めることができる。さらに、内筒内側に消化混合液２を循環させると、消化混合液全体を加温することができる。なお、内筒外側に消化混合液２、内筒内側に活性汚泥混合液４を循環させてもよい。内筒内側に活性汚泥混合液４を循環させると、活性汚泥混合液４の有する硝化反応熱が放散するのを抑制することができる。
【００４０】
図８を参照して、熱交換器の他の例として熱交換器３４を説明する。熱交換器３４は、プレート式熱交換器であって、内部に空隙（流路）を有する複数枚のプレートを備える。消化混合液２を循環させるプレートと活性汚泥混合液４を循環させるプレートを交互に配置する。このとき、消化混合液２と活性汚泥混合液４が向流するように循環させることが好ましい。向流にすると熱交換率を高めることができる。
【００４１】
なお、第２の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１２では熱交換器が槽外に配置されるため、二重円筒式やプレート式以外に、スパイラル式熱交換器等、多様な熱交換器を用いることもできる。また、いずれの方式であっても、スラリーを内部に循環させるため、流路となる空隙は１０ｍｍピッチ以上であることが好ましい。
【００４２】
図９を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１３について説明する。有機性廃棄物処理装置１１と異なる点は、活性汚泥循環ポンプ３６と活性汚泥循環配管３８の代わりに、消化液循環ポンプ３５と消化液循環配管３７を備える点である。有機性廃棄物処理装置１３では、図９に示すように、熱交換器３１を硝化槽２６内部に設置する。すなわち、メタン発酵槽２２内の消化混合液２を消化液循環ポンプ３５により、メタン発酵槽２２→熱交換器３１（硝化槽２６）→メタン発酵槽２２の順で循環させる。
【００４３】
有機性廃棄物処理装置１３において熱交換器３１（図２参照）または熱交換器３２（図３参照）を使用する場合は、熱交換器３１（または３２）内部に消化混合液２を循環させ、熱交換器周辺に存在する活性汚泥混合液４を流動化させる。熱交換器３１（または３２）周辺の活性汚泥混合液４を流動化させる手段として、硝化槽２６を好気状態に保つための曝気装置をそのまま利用でき曝気空気により流動化させることができる。そのため、新たな機器を追加する必要がない。
【００４４】
図１０を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る有機性廃棄物処理装置１４について説明する。本発明の有機性廃棄物処理装置では、メタン発酵槽２２内の消化混合液２と排水処理装置２４内の活性汚泥混合液４を直接熱交換させることにより、両槽の温度を極力近づけることができる。したがって、メタン発酵槽２２および排水処理槽２４全体の熱量が過剰となるまたは不足するような有機性廃棄物を処理する有機性廃棄物処理装置では、メタン発酵槽２２または排水処理槽２４のどちらかの温度を制御することにより、両槽を適温に維持することができる。特に、メタン発酵槽２２内の温度が中温メタン菌の生息限界である約４０℃まで上がることは回避できるため、排水処理槽２４内の温度が硝化菌の生息限界である約３８℃以下になるように管理できればよい。したがって、両槽全体の熱量が過剰または不足する場合に備えて、温度センサを排水処理槽２４に設置し、温度制御装置としての加熱・冷却装置をメタン発酵槽２２または排水処理槽２４のどちらかに設置し、両槽全体の温度を調節することが好ましい。なお、温度制御装置（加熱・冷却装置）には、温度センサで検知した温度に基づいて加熱・冷却を制御するコントローラ（不図示）を含むものとする。図１０の有機性廃棄物処理装置１４は、有機性廃棄物処理装置１１と同様に、可溶化槽２１、メタン発酵槽２２、脱水設備２３、排水処理槽２４等を備え、さらに排水処理槽２４に温度センサ４２、メタン発酵槽２２に温度制御装置としての加温装置４１を備えた例である。なお、温度制御装置４１は、メタン発酵槽２２を加熱・冷却できればよく、熱媒体として例えば水や蒸気を用いることができる。
従来の装置ではメタン発酵槽２２と排水処理槽２４にそれぞれ別々に加熱または冷却する装置を備えていた。図１１では、メタン発酵槽２２に加温装置４１を排水処理槽２４に冷却塔５２による冷却装置を備えている。図１２では、メタン発酵槽２２に加温装置４１を排水処理装置２４に給水タンク５８を用いた熱交換による冷却装置を備えている。しかし、有機性廃棄物処理装置１４では温度制御装置を１つにまとめることができる。そのため、設置のコストを低減させるだけでなく、運転後の点検やメンテナンスの手間を低減させることができる。
【００４５】
上記本発明の第１〜第４の実施の形態以外に、メタン発酵槽と排水処理槽（硝化槽）を連接させ有機性廃棄物処理装置を構成してもよい。このとき、連接面の熱伝達係数を高くして連接面が熱交換器を構成するようにするとよい。または、円筒状のメタン発行槽の外周に沿って円筒状の排水処理装置を配置し、有機性廃棄物処理装置を構成してもよい。このとき、メタン発酵槽の外周面が熱交換器を構成するようにするとよい。
また、本発明に係る有機性廃棄物処理装置のメタン発酵槽では、嫌気性固定法（ＵＡＦＰ）、嫌気性流動床法（ＡＦＢＲ）、上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ）等のうち、特にに嫌気性流動床法（ＡＦＢＲ）が好ましい。
【００４６】
本発明は、メタン発酵に適した温度域と排水処理に適した温度域との関係から、熱媒体を解さずに排水処理槽（硝化槽）内の活性汚泥混合液とメタン発酵槽内の消化混合液を直接熱交換させることによって、硝化槽とメタン発酵槽の温度を極力近づけ、メタン発酵槽をメタン発酵に適した温度に維持するものである。また、熱交換器を１つにまとめることを可能にしたものである。さらに、硝化槽内の温度が硝化菌の生息限界温度付近までは上がるがそれ以上は上がらない、という特性を利用して、メタン発酵槽内の温度制御を容易にしたものである。さらに、温度制御装置の設置が必要となるような有機性廃棄物を処理する場合であっても、メタン発酵槽と排水処理槽のどちらかに設置すればよく両槽に設置する必要がない。このように、装置の構成を機器・制御点数を抑えたシンプルなものにできる。そのため、有機性廃棄物処理装置の設置費用や運転経費が安価となり、温度を制御する場合でも半分になる。また、点検箇所を少なくすることができ、熱交換器の洗浄等のメンテナンスも楽になる等の効果を有する。
【符号の説明】
【００４７】
１      有機性廃棄物
２      消化混合液
３      脱水分離液
４      活性汚泥混合液
５      処理水
６      消化ガス
１１、１２、１３、１４  有機性廃棄物処理装置
２１    可溶化槽
２２    メタン発酵槽
２３    脱水設備
２４    排水処理槽
２５    脱窒槽
２６    硝化槽
３１、３２、３３、３４  熱交換器
３１ａ、３２ａ  入口配管
３１ｂ、３２ｂ  出口配管
３１ｃ  プレート
３２ｃ  蛇管
３５    消化液循環ポンプ、消化液循環器
３６    活性汚泥循環ポンプ、活性汚泥循環器
３７    消化液循環配管
３８    活性汚泥循環配管
３９    ヘッダ管
４０    散気装置
４１    制御装置、加温装置
４２    温度センサ
５１    熱交換器
５２    冷却塔
５３    循環水ポンプ
５４    循環水循環配管
５６    熱回収装置
５７    熱放散装置
５８    給水タンク
６０    補給水
１０１  有機性廃棄物処理装置
１０２  有機性廃棄物処理装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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