(57)【要約】【課題】窒素濃度の低い有機性廃棄物を、効率よくメタン発酵処理することが可能なメタン発酵処理方法を提供する。【解決手段】ＣＯＤ濃度と窒素濃度の比（ＣＯＤ／Ｎ比）が５０以上の有機性廃棄物をメタン発酵槽に供給してメタン発酵処理し、メタン発酵槽から発酵液を所定量ずつ取出して分離汚泥と分離液とに分離して、分離汚泥の少なくとも一部を、メタン発酵槽に返送するメタン発酵処理方法において、メタン発酵槽内の発酵液中のアンモニア性窒素濃度を直接又は間接的に測定し、該アンモニア性窒素濃度が所定値を超えるように分離汚泥のメタン発酵槽への返送量を制御する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯＤ濃度と窒素濃度の比（ＣＯＤ／Ｎ比）が５０以上の有機性廃棄物をメタン発酵槽に供給してメタン発酵処理し、前記メタン発酵槽から発酵液を所定量ずつ取出して分離汚泥と分離液とに分離して、前記分離汚泥の少なくとも一部を前記メタン発酵槽に返送するメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽内の発酵液中のアンモニア性窒素濃度を直接又は間接的に測定し、該アンモニア性窒素濃度が所定値を超えるように、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を制御することを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を制御する、請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
前記メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が所定値以下となったときに、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を増大させると共に、該返送量が上限に達しても、アンモニア性窒素濃度が所定値を超えない場合は、前記分離液に含まれるアンモニア性窒素を前記メタン発酵槽に供給する請求項１又は２記載のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
前記有機性廃棄物が、パーム油排液である、請求項１〜３のいずれか１つ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、窒素濃度の低い有機性廃棄物のメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を嫌気性下でメタン菌により発酵処理してメタンガスに転換するもので、有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができる。しかも、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。
【０００３】
ところで、メタン発酵処理効率は、メタン菌等のメタン発酵に関係する微生物の活性によって影響される。そして、メタン菌等の活性が低下する要因の一つとして、アンモニアなどの阻害物質の増加が挙げられる。このため、例えば、下記特許文献１に記されるように、発酵液中のアンモニア性窒素濃度が所定濃度以下になるように発酵状態を制御することが、従来より行われている。
【０００４】
また、発酵液のアルカリ度が低下することにより、メタン発酵槽内の発酵液内の炭酸イオンを緩衝しきれなくなって、発酵液のｐＨが低下し、メタン発酵性能が低下することが知られている。そこで、発酵液のアルカリ度が所定値を超えるように発酵状態を制御する方法がある。
【０００５】
例えば、特許文献２には、メタン発酵槽内の発酵液の電気伝導率と、有機性廃棄物の電気伝導率との差が所定値以下の場合には、発酵液のアルカリ度を高めるようにしてメタン発酵を行うことが開示されている。そして、アルカリ度を高める手段の一つとして、メタン発酵槽に供給する有機性廃棄物に、窒素分を多く含む他の有機性廃棄物を添加して窒素濃度を増加させ、発酵により分解されるアンモニア性窒素を増大させてアルカリ度を高める方法が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献２】特許第３６３０１６５号公報（請求項１）
【特許文献１】特開２００９−２１９９６０号公報（請求項３、段落番号００１３、００２０参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
生ごみ、糞尿などのタンパク質等の窒素成分を多く含む有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合であれば、外部から窒素成分を添加しなくてもメタン菌等の微生物の活動に必要な窒素を確保できる。
【０００８】
しかしながら、一部の工場廃水などに見られる窒素濃度の低い有機性廃棄物を高負荷運転でメタン発酵処理する場合、微生物の活動に必要な窒素を十分に確保できないことがあり、窒素不足に陥って微生物の活性が低下する問題があった。
このため、窒素濃度の低い有機性廃棄物を高負荷運転でメタン発酵処理する場合においては、外部から窒素分を供給して不足分を補ったり、滞留時間を長めに設定する必要があった。
【０００９】
上記特許文献２では、メタン発酵槽に供給する有機性廃棄物に、窒素分を多く含む他の有機性廃棄物を添加して窒素濃度を増加させ、発酵により分解されるアンモニア性窒素を増大させてアルカリ度を高めることが開示されている。
【００１０】
しかしながら、このようにしてメタン発酵処理した場合、処理対象となる有機性廃棄物の貯留槽の他に、窒素分を多く含む他の有機性廃棄物の貯留槽などを別途設ける必要があるので、装置が大型化する問題があった。また、窒素分を多く含む他の有機性廃棄物を別途用意する必要があるので、運搬費用等が嵩み、ランニングコストが増大する問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、窒素濃度の低い有機性廃棄物を効率よくメタン発酵処理することが可能な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】
【００１２】
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、ＣＯＤ濃度と窒素濃度の比（ＣＯＤ／Ｎ比）が５０以上の有機性廃棄物をメタン発酵槽に供給してメタン発酵処理し、前記メタン発酵槽から発酵液を所定量ずつ取出して分離汚泥と分離液とに分離して、前記分離汚泥の少なくとも一部を前記メタン発酵槽に返送するメタン発酵処理方法において、前記メタン発酵槽内の発酵液中のアンモニア性窒素濃度を直接又は間接的に測定し、該アンモニア性窒素濃度が所定値を超えるように、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明のメタン発酵処理方法は、前記メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を制御することが好ましい。
【００１４】
本発明のメタン発酵処理方法は、前記メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が所定値以下となったときに、前記分離汚泥の前記メタン発酵槽への返送量を増大させると共に、該返送量が上限に達しても、アンモニア性窒素濃度が所定値を超えない場合は、前記分離液に含まれるアンモニア性窒素を前記メタン発酵槽に供給することが好ましい。
【００１５】
本発明のメタン発酵処理方法は、前記有機性廃棄物が、パーム油排液であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
メタン発酵槽から取出した発酵液を固液分離した分離汚泥には、メタン発酵槽から流出したメタン菌等の微生物の死骸由来の窒素や、メタン発酵時に生じたアンモニアなどが濃縮されて含まれている。ＣＯＤ／Ｎ比が５０以上の有機性廃棄物は、窒素濃度が極めて低いので、窒素不足に陥って微生物の活性が低下し易く、発酵効率が経時低下し易かった。本発明によれば、メタン発酵槽内の発酵液中のアンモニア性窒素濃度が所定値を超えるように分離汚泥のメタン発酵槽への返送量を制御するので、高負荷運転でメタン発酵処理を行っても、分離汚泥に含まれる微生物の死骸由来の窒素やアンモニアなどがメタン発酵槽に返送され、窒素不足による微生物の活性低下を抑制でき、長期にわたって安定して有機性廃棄物をメタン発酵処理できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のメタン発酵処理で用いる処理装置の概略図である。
【図２】実施例１において、メタン発酵槽内の発酵液のｐＨ、アルカリ度、アンモニア性窒素濃度、揮発性脂肪酸濃度、硫化水素濃度の経時変化を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のメタン発酵処理に用いるメタン発酵装置の一実施形態について、図１を用いて説明する。
【００１９】
図１に示すように、このメタン発酵装置は、メタン発酵槽１と、固液分離槽２とで主に構成されている。
【００２０】
メタン発酵槽１は、槽内に供給された有機性廃液をメタン菌等の嫌気性微生物の作用で嫌気処理し、メタンガス等のバイオガスに分解する処理槽である。メタン発酵槽１には、有機性廃棄物の供給源から伸びた配管Ｌ１と、固液分離槽２の底部（側面の下部に接続してもよい）から伸びた配管Ｌ２とが連結している。また、メタン発酵槽１内には、槽内の発酵液を攪拌する攪拌装置（図示しない）と、アンモニア計１０とが配置されている。また、メタン発酵槽１の上部からは、バイオガス取出し用の配管Ｌ３が伸びて、ガスホルダやガス利用設備等に接続している。
【００２１】
攪拌装置は、槽内の発酵液を攪拌出来るものであれば特に限定はない。例えば、攪拌翼を備えた攪拌機等が挙げられる。また、槽内の発酵液を循環する経路を形成して、槽内の発酵液に上昇流又は下降流を形成するような機構を設けたり、発生したバイオガスを循環させて吹き込みバブリングさせるガス攪拌装置を設けても良い。
【００２２】
アンモニア計１０としては、発酵液中のアンモニア性窒素濃度を測定できるものであればよく、特に限定は無い。例えば、電極式アンモニア計等が挙げられる。また、特許第３６３０１６５号、特開２００９−２１９９６０号等に記載されるように、発酵液の電気伝導率はアンモニア性窒素濃度と相関関係を有していることが知られているので、発酵液の電気伝導率を測定して、間接的に発酵液のアンモニア性窒素濃度を測定できるものであってもよい。
【００２３】
メタン発酵槽１の後段には、固液分離槽２が配置されている。メタン発酵槽１と固液分離槽２は配管Ｌ４を介して連結している。
【００２４】
固液分離槽２は、メタン発酵槽１から取出した発酵液を、分離液と分離汚泥とに固液分離できるような構成を有するものであれば特に限定はなく、重力沈澱槽、遠心分離装置、膜分離装置等の固液分離槽を広く利用できる。
【００２５】
固液分離槽２の側部からは、分離液を排出する配管Ｌ５が伸びている。また、固液分離槽２の下部（本実施例では底部）からは、送液ポンプＰ１が介装された配管Ｌ２が伸びて、メタン発酵槽１に接続しており、分離汚泥の少なくとも一部をメタン発酵槽１に返送できるように構成されている。
【００２６】
次に、このメタン発酵装置を用いた場合を例にして、本発明のメタン発酵方法について説明する。
【００２７】
本発明のメタン発酵処理では、ＣＯＤ濃度と窒素濃度の比（ＣＯＤ／Ｎ比）が５０以上、好ましくは６５〜８０程度の有機性廃棄物を処理対象物として用いる。
【００２８】
上記有機性廃棄物は、窒素濃度が極めて低いので、メタン発酵槽内が窒素不足に陥り易かった。特に、高負荷運転時に窒素不足に陥り易かった。本発明によれば、かかる窒素濃度の極めて低い有機性廃棄物を高負荷運転でメタン発酵処理した場合であっても、後述する理由から効率よくメタン発酵することができるので、処理対象物として好適に用いることができる。このような有機性廃棄物は、タンパク質含有量の低い有機性廃棄物等が挙げられ、具体的な一例としては、パーム油排液、アルコール廃液等が挙げられる。なお、パーム油排液とは、パームヤシを圧搾してパーム油を回収した後の残さを洗浄した際に排出される洗浄排液であって、後述する実施例に示すように、タンパク質含量が低い有機性廃棄物である。
【００２９】
本発明では、メタン発酵槽１に、有機性廃棄物と分離汚泥とを、それぞれ配管Ｌ１、配管Ｌ２を通して供給する。そして、槽内の発酵液の汚泥濃度及び温度がほぼ均一になるように、図示しない攪拌手段で連続的又は間欠的に攪拌しつつ、供給した有機性廃液を所定期間滞留して、メタン菌などの嫌気性微生物の作用でメタン発酵する。
【００３０】
メタン発酵条件は、特に限定はないが、有機物負荷が５〜２５ｇ／ｌ／ｄａｙ、滞留時間が４〜２０日の条件でメタン発酵処理することが好ましく、有機物負荷が１０〜２５ｇ／ｌ／ｄａｙ、滞留時間が４〜１０日が特に好ましい。本発明では、このような、高速かつ高負荷の条件で運転しても、メタン発酵槽内が窒素不足に陥ることなく、安定してメタン発酵処理することができる。
【００３１】
そして、メタン発酵槽１に供給した有機性廃液と同量の発酵液を配管Ｌ４から引き抜き、後段の固液分離槽２に供給する。また、有機性廃棄物をメタン発酵した際に発生したメタンガス等のバイオガスは、配管Ｌ３から槽外に取り出し、図示しないバイオガスホルダ等に貯留する。
【００３２】
固液分離槽２では、メタン発酵槽１から取出した発酵液を、分離液と分離汚泥とに固液分離する。そして、分離液の少なくとも一部を、配管Ｌ５を通して槽外に排出すると共に、分離汚泥の少なくとも一部を、配管Ｌ２を通してメタン発酵槽１に返送する。
【００３３】
上記分離汚泥は、メタン発酵槽から流出したメタン菌等の微生物及びこれらの死骸由来の窒素や、メタン発酵時に生じたアンモニアなどが濃縮されているので、分離汚泥をメタン発酵槽１に返送することで、これらの分離汚泥に含まれる窒素成分が、メタン発酵槽内の微生物の養分等として利用される。
【００３４】
そこで、本発明では、メタン発酵槽１内のアンモニア性窒素濃度が、予め設定した閾値を超えるように分離汚泥の前記メタン発酵槽１への返送量を制御する。この実施形態では、アンモニア計１０による測定値が閾値を越えるように、送液ポンプＰ１の駆動を制御して、分離汚泥の返送量を制御する。
【００３５】
分離汚泥の返送量は、メタン発酵槽１内のアンモニア性窒素が検出限界値を超えるように送液ポンプＰ１の作動を制御することが好ましい。より好ましくは、アンモニア性窒素濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上となるように、送液ポンプＰ１の作動を制御し、特に好ましくは、アンモニア性窒素濃度が４０〜１００ｍｇ／Ｌとなるように送液ポンプＰ１の作動を制御する。
【００３６】
メタン発酵槽内にアンモニア性窒素が検出されれば、槽内が窒素不足に陥っておらず、微生物の活動に必要な窒素成分が存在していると推測できる。そして、アンモニア性窒素濃度が４０ｍｇ／Ｌ以上であれば、メタン菌等の活性状態を特に良好にでき、より高いメタン発酵効率が期待できる。また、ＣＯＤ／Ｎ比が５０以上の有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合は、アンモニア性窒素濃度が高くなりすぎる虞れは少ないが、アンモニア性窒素濃度が２５００ｍｇ／Ｌを超えるとメタン菌の活性が阻害されるので、上限は２０００ｍｇ／Ｌ程度が好ましい。
【００３７】
なお、分離汚泥の返送量が上限に達しても、メタン発酵槽１内のアンモニア性窒素濃度が閾値を超えない場合は、分離液に含まれるアンモニア性窒素を、アンモニアストリッピング、イオン交換膜等の方法により分離回収し、メタン発酵槽１へ返送することが好ましい。
【００３８】
このように、本発明によれば、メタン発酵槽１内の発酵液中のアンモニア性窒素濃度が閾値を超えるように分離汚泥のメタン発酵槽への返送量を制御するので、高負荷運転でメタン発酵処理を行っても、分離汚泥に含まれる微生物の死骸由来の窒素やアンモニアなどがメタン発酵槽に返送されて、微生物の活動に必要な窒素を供給できる。このため、滞留時間を長めに設定したり、炭酸アンモニウム等の窒素分となりうる含窒素化合物や、生ゴミ、糞尿等のタンパク質含量の高い有機性廃棄物等を添加するといった処置を行わなくても、窒素不足による微生物の活性低下を抑制して、有機性廃棄物を長期にわたって、高速かつ高負荷でメタン発酵処理できる。そして、炭酸アンモニウム等の窒素分となりうる含窒素化合物や、生ゴミ、糞尿等のタンパク質含量の高い有機性廃棄物を別途用意する必要がないので、これらの原料を貯留する設備、搬送費、材料費等を抑えることができ、運転コストをより低減できる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
以下の表１に示す組成のパーム油排液（ＣＯＤ／Ｎ比＝７２）を用い、図１に示す装置を用いて、滞留時間１０日の条件でメタン発酵処理を行った。メタン発酵槽１は、容積５Ｌの槽を用いた。固液分離槽２は、容積０．５Ｌの重力沈殿槽３を用いた。
【００４０】
【表１】
2011206639.tif 000002
【００４１】
なお、ＴＳ濃度は、下水試験方法−２．２．９に準じて測定した。すなわち、試料液を１１０℃で蒸発乾固して残った固形物量を試料液体積で割って求めた。また、ＶＳ濃度は、試料液を６００℃±２５℃で加熱した残った固形物（灰分）の質量を試料体積で割って求めた灰分濃度を、上記で求めたＴＳ濃度から差し引いて求めた。また、ＣＯＤ／Ｎ比は、表１中のＣＯＤｃｒ／Ｋｊ−Ｎ（ケルダール窒素）から算出した。
【００４２】
メタン発酵槽１には、１日当たり、パーム油排液５００ｍＬを投入し、固液分離槽２から分離汚泥（固形物（ＴＳ）濃度：６６０００ｍｇ／Ｌ、不揮発性有機物（ＶＳ）濃度：４６０００ｍｇ／Ｌ）を１２５ｍＬ返送した。また、メタン発酵槽１から同量の発酵液６２５ｍｌを引き抜いて固液分離槽２に導入した。メタン発酵槽１内の発酵液のｐＨ、アルカリ度（Ｍ−ａｌｋ）、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）濃度、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）濃度、硫化水素（Ｈ２Ｓ）濃度を測定した。図２に結果を記す。
【００４３】
図２に示すように、メタン発酵処理中は、発酵液のアンモニア性窒素濃度が平均値で９４ｍｇ／Ｌであった。そして、ｐＨ、アルカリ度、揮発性脂肪酸濃度、硫化水素濃度のバラつきがなく、発酵状態が安定していた。
また、メタン発酵槽１に投入された有機性廃棄物の滞留時間１０日になってから３１日間経過した後のメタン発酵槽２内の発酵液のＶＳ濃度を測定したところ、１７０００ｍｇ／Ｌであり、ＶＳ分解率は６９％であった。
【００４４】
（比較例１）
表２に示す組成のパーム油排液（ＣＯＤ／Ｎ比＝７８）に、１００ｍｇ／Ｌのアンモニア性窒素を添加した有機性廃棄物を、滞留時間８日の条件でメタン発酵処理を行った。この有機性廃棄物のアンモニア性窒素濃度は１４４ｍｇ／Ｌであったと推定される。
【００４５】
【表２】
2011206639.tif 000003
【００４６】
４０日間運転経過後、メタン発酵槽内の発酵液のアンモニア性窒素濃度を測定したところ、平均値で６０ｍｇ/Ｌであった。
このことから、アンモニア性窒素を添加しなければ、発酵槽内のアンモニア性窒素は検出されずに、窒素不足になっていたと推定される。
【符号の説明】
【００４７】
１：メタン発酵槽
２：固液分離槽
１０：アンモニア計
Ｌ１〜Ｌ５：配管
Ｐ１：送液ポンプ
【図１】
2011206639.tif 000004
【図２】
2011206639.tif 000005