(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下向き錐形状の底部を有する、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む有機性廃棄物が投入される攪拌分離槽と、前記攪拌分離槽の内容物を攪拌する２段の攪拌羽根を備えた攪拌機と、前記攪拌分離槽の底部に集積した前記メタン発酵不適物を排出するための排出手段とを備え、前記２段の攪拌羽根のうち、前記攪拌分離槽の底部の上端と下段の羽根との間隔と、下段の羽根と上段の羽根との間隔が略等しく、上段の羽根径が下段の羽根径よりも大きく、１分〜１時間の撹拌時間でカルシウムを含有するメタン発酵不適物の除去率が７０〜９５％になる除去装置を、メタン発酵槽の前段に有し、かつメタン発酵槽の後段に膜分離槽を有することを特徴とする膜分離メタン発酵装置。
【請求項２】
下向き錐形状の底部を有する、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む発酵液が投入される攪拌分離槽と、前記攪拌分離槽の内容物を攪拌する２段の攪拌羽根を備えた攪拌機と、前記攪拌分離槽の底部に集積した前記メタン発酵不適物を排出するための排出手段とを備え、前記２段の攪拌羽根のうち、前記攪拌分離槽の底部の上端と下段の羽根との間隔と、下段の羽根と上段の羽根との間隔が略等しく、上段の羽根径が下段の羽根径よりも大きく、１分〜１時間の撹拌時間でカルシウムを含有するメタン発酵不適物の除去率が７０〜９５％になる除去装置を、メタン発酵槽の後段かつ膜分離槽の前段に有することを特徴とする膜分離メタン発酵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭系生ごみや食品製造工場などの事業系生ごみから排出される、生ごみなどに含まれる卵殻等のカルシウムを含有するメタン発酵不適物を除去する装置を備えた膜分離メタン発酵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家庭や料理店、菓子店などから排出される生ごみや食品製造工場、畜産場などから排出される生ごみを処理する方法のひとつとしてメタン発酵法がある。メタン発酵法のなかでメタン発酵菌を含む汚泥を膜分離して処理水を取り出す膜分離メタン発酵法は、汚泥を高濃度化できるため、メタン発酵槽の小型化やガス発生量増加が可能である。しかし、生ごみからの膜分離メタン発酵法の場合には、卵殻や貝殻に由来するカルシウムスケールによる膜目詰まりや配管等へのスケール生成に伴う閉塞が知られており、特許文献１や２という方法が開発されている。
【０００３】
特許文献１の方法は、膜分離槽を隔壁で仕切ってメタン発酵槽からの流入側を卵殻や貝殻等の沈降槽としてこれらを分離し、隔壁を越流した液を膜分離する方法である。
【０００４】
また、特許文献２の方法は、膜透過液に炭酸ソーダを加えてカルシウムを炭酸カルシウムとして析出させて除去し、このカルシウムを除去した液を濃度調整液としてメタン発酵槽に返送して希釈する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７２１０５号公報
【特許文献２】特開２００４−１４８２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法は、卵殻や貝殻等の沈降に時間がかかるため沈降槽を大きなものにする必要があり、沈降が不十分な状態で膜分離槽に送ると膜へのカルシウムの析出による目詰まりや、配管へのスケール生成による閉塞の問題がある。
【０００７】
特許文献２の方法は、メタン発酵槽内のカルシウム濃度を低下させるために相当量の濃度調整液をメタン発酵槽に返送する必要があってメタン発酵槽が大型になり、また、カルシウムを除去するための炭酸ソーダの使用にコストがかかるという問題もある。
【０００８】
本発明の目的は、卵殻等のカルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む有機性廃棄物から、配管トラブル等を引き起こす卵殻等のカルシウムを含有するメタン発酵不適物を安価に効率よく除去できる膜分離メタン発酵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、従来の沈降分離方式から、装置内に縦方向の旋回流を発生させて、生ごみ等の有機性廃棄物スラリーを流動させることで、比重の大きい卵殻等のカルシウムを含有するメタン発酵不適物を短時間に効率よく分離でき、しかも、この方法は適応可能な有機性廃棄物スラリーの粘度範囲が広いことを見出した。より具体的には、攪拌分離槽に攪拌羽根を２段に設けて旋回流を形成させ、この攪拌羽根の位置や径、さらには回転数を調整することによってメタン発酵不適物を効率よく沈降分離できる範囲があることを見出し、この攪拌分離槽の底部を逆錐状にすることによって底部中央にメタン発酵不適物を効率よく集めて分離できることを見出した。そして、この攪拌分離槽は、汚泥を高濃度化してメタン発酵を効率的に行わせる膜分離メタン発酵法に特に適することを見出して本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、
下向き錐形状の底部を有する、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む有機性廃棄物が投入される攪拌分離槽と、前記攪拌分離槽の内容物を攪拌する２段の攪拌羽根を備えた攪拌機と、前記攪拌分離槽の底部に集積した前記メタン発酵不適物を排出するための排出手段とを備えた除去装置を、メタン発酵槽の前段に有し、かつメタン発酵槽の後段に膜分離槽を有することを特徴とする膜分離メタン発酵装置と、
下向き錐形状の底部を有する、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む発酵液が投入される攪拌分離槽と、前記攪拌分離槽の内容物を攪拌する２段の攪拌羽根を備えた攪拌機と、前記攪拌分離槽の底部に集積した前記メタン発酵不適物を排出するための排出手段とを備えた除去装置を、メタン発酵槽の後段かつ膜分離槽の前段に有することを特徴とする膜分離メタン発酵装置と、
前記２段の攪拌羽根のうち、前記攪拌分離槽の底部の上端と下段の羽根との間隔と、下段の羽根と上段の羽根との間隔が略等しく、上段の羽根径が下段の羽根径よりも大きいことを特徴とする上記の膜分離メタン発酵装置
を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、卵殻等のカルシウムを含有するメタン発酵不適物を含む有機性廃棄物から、このメタン発酵不適物を短時間に効率よく分離して膜分離メタン発酵を円滑に行うことができる。さらに、カルシウムを含有するメタン発酵不適物の除去装置によって、幅広い粘度範囲の有機性廃棄物スラリーに対して適用可能であるため、処理対象である有機性廃棄物の性状が変動した場合であっても安定して効率よく膜分離メタン発酵を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施態様を示すブロック図である。
【図２】本発明の別の実施態様を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１で用いたメタン発酵不適物の除去装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の処理対象である有機性廃棄物は、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を含むものである。カルシウムを含有するメタン発酵不適物とは、卵殻、貝殻、脊椎動物の骨、甲殻類の外骨等であり、比重は2.40〜3.00ｇ／ｍＬ程度、通常2.60〜2.84ｇ／ｍＬ程度のものである。これらを含む有機性廃棄物とは、例示すれば、家庭から排出される生活ごみ、料理店あるいはその他の飲食店から排出される生ごみ、スーパーやコンビニから排出される生ごみ等である。この有機性廃棄物に水を加えてスラリー化した有機性廃棄物スラリー（以下、単に「スラリー」と呼ぶことがある）を原料とする。本発明の方法は、スラリー粘度については、幅広く、８Ｐａ・ｓ以下のものに対して適応できる。８Ｐａ・ｓを越えると、メタン発酵不適物の除去率が低下する。好ましい粘度は０．１〜８．０Ｐａ・ｓの範囲であり、特に好ましい粘度は０．４〜５．０Ｐａ・ｓの範囲である。また、スラリー状態の比重はほぼ１ｇ／ｍＬであり、通常１．００〜１．０５ｇ／ｍＬ程度である。
【００１４】
発酵汚泥は、上記有機性廃棄物をメタン発酵して発生した汚泥であり、メタン発酵槽から排出されるものである。発酵汚泥はＴＳが１．５〜３．０質量％、通常２．０〜２．５質量％程度である。
【００１５】
メタン発酵は公知の方法に従って行えばよい。メタン発酵槽は、メタン発酵が嫌気発酵であり、また、発酵で生成したメタンを有効利用するために密閉構造とする。形状は箱形や円筒形などでよい。内部には攪拌機は設けなくてもよいが、ドラフトチューブなどを設けてもよい。
【００１６】
メタン発酵槽でメタン発酵が行われて流出する発酵液には、メタン菌が大量に含まれているので、メタン菌を高濃度に維持して発酵を効率よく行わせるために、膜分離槽で処理水を分離して残った発酵汚泥を回収してメタン発酵槽に返送する。このメタン発酵槽に付設する膜分離槽は特開２００１−１７０６３１号公報に開示されているものを利用できる。用いる膜は、精密濾過膜（ＭＦ膜）、限外濾過膜（ＵＦ膜）等を用いることができ、膜の形状は、平膜、中空糸膜等がある。膜の下には散気装置を設けて膜面の流速を高めるとともに発酵汚泥等の膜面への付着を防止する。散気装置に使用するガスは、窒素ガスや炭酸ガスなどを用いてもよいが、メタン発酵で発生するメタンを主成分とするバイオガスを利用するのがよい。
【００１７】
本発明の装置では、メタン発酵の対象物でないばかりでなく、膜面に析出して、膜分離を阻害したり、配管等に析出して流れ等を阻害するカルシウムなどの発酵不適物を除去する。
【００１８】
本発明のメタン発酵不適物の除去装置の攪拌分離槽は底部が下向き錐形状をしている。底部を下向き錐形状にするのは、そこにメタン発酵不適物を集積させるためであり、錐面の角度は、攪拌分離槽の水平面（軸を直角の面）に対し３０〜６０度程度が適当である。この錐形状は、通常は円錐であるが角錐等であってもよい。
【００１９】
攪拌分離槽は内部に攪拌機を設けてスラリーの縦方向の旋回流を形成させ、スラリーを流動化する。旋回流は、攪拌分離槽の周面側を上向流あるいは下向流、攪拌分離槽の中央部を下向流あるいは上向流のいずれでもよいが、周面側を下向流、中央部を上向流とすることが好ましい。この旋回流によって比重の大きいメタン発酵不適物を槽底部の中央に沈降集積させる。そのために、攪拌機の撹拌羽根を２段とする必要があることを本発明者らは見出した。攪拌羽根は、縦方向の旋回流を形成するために、プロペラ翼や翼面を斜めにしたパドル翼などが用いられる。いずれにしてもメタン発酵不適物を沈降集積させる条件は非常にデリケートであり、基本的には各攪拌分離槽ごとに試験をして設定するのがよいが、攪拌羽根の位置と径は重要である。具体的には、攪拌分離槽の底部の上端（下向き錐形状の上縁）と下段の羽根との間隔と下段の羽根と上段の羽根との間隔を略等しく、上記２つの間隔の比を１：０．５〜２程度、好ましくは１：０．７５〜１．５程度とし、さらに好ましくは１：０．８〜１．３程度、また、上段の羽根の径を下段の羽根の径より大きく、上段の羽根の径／下段の羽根の径を１．１〜２程度、好ましくは１．２〜１．５程度とするのがよい。
【００２０】
攪拌分離槽には、さらに、有機性廃棄物または発酵液の投入口、底部に集積したメタン発酵不適物の排出口およびメタン発酵不適物が除去された有機性廃棄物または発酵液の排出口が設けられる。
【００２１】
メタン発酵不適物を攪拌分離槽の底部に集積させる条件として攪拌機の回転数も重要であり、スラリーの濃度や粘度等に応じて制御する必要がある。一方、攪拌時間は短時間でよく、攪拌分離槽の規模によるが１分〜１時間程度、通常２分〜１５分程度でよい。また、メタン発酵不適物は１００％除去する必要はなく、実用上、除去率は７０〜９５％程度でよい。
【００２２】
メタン発酵不適物の除去装置は、膜分離槽の前に設ければよく、メタン発酵槽の前に設けてもよく、メタン発酵槽と膜分離槽の間に設けてもよい。メタン発酵槽の前に設けることで、メタン発酵槽までの配管やメタン発酵槽内等でのスケール生成が抑制される。メタン発酵槽と膜分離槽の間に設けることで、発酵汚泥の固形物滞留時間が２５〜３５日程度と長いため、スラリーと比較して粘度等の性状の変動が小さく、メタン発酵不適物の分離条件の変更頻度が低減できる。
【００２３】
本発明の一実施態様を図１に示す。この装置は、メタン発酵槽の前段にメタン発酵不適物の除去装置が設けられている。生ごみ等の有機性廃棄物が攪拌分離槽に入れられる。攪拌分離槽内では生ごみ中の卵殻等のメタン発酵不適物が沈降して下端の排出口から連続的あるいは間欠的に排出される。メタン発酵不適物が除去された有機性廃棄物はメタン発酵槽に供給されてメタン発酵が行われ、メタン発酵槽からは発酵液が連続的あるいは間欠的に抜き出されて膜分離槽に送られる。膜分離槽で発酵液が処理水と発酵汚泥に分離される処理水は、ＳＳやＣＯＤＭｎ等の有機物濃度が低いため、下水道放流等の後処理が簡易になる。メタン発酵槽内で発生した、主にメタンと炭酸ガスからなるバイオガスは発電燃料等に利用できる。バイオガスの一部は送風機等を介して膜分離槽に送り、散気に利用される。生ごみ等は必要により水とともに直接メタン発酵槽に投入することもでき、あるいは調整槽を設けてそこで水を加えて粘度や比重を調整してからメタン発酵槽に投入することもできる。
【００２４】
本発明の別の実施態様を図２に示す。この装置は、メタン発酵槽と膜分離槽との間にメタン発酵不適物の除去装置が設けられている。生ごみ等の有機性廃棄物がメタン発酵槽に投入されてメタン発酵が行われ、メタン発酵槽からは発酵液が連続的あるいは間欠的に抜き出されて攪拌分離槽に供給される。攪拌分離槽内では生ごみ中の卵殻等のメタン発酵不適物が沈降して下端の排出口から連続的あるいは間欠的に排出される。メタン発酵不適物が除去された発酵液は膜分離槽に送られて処理水と発酵汚泥に分離される。なお、メタン発酵不適物の除去装置は、図１と図２に示す位置の両方に設けることもできる。
【００２５】
系から取り出される発酵汚泥は、メタン発酵槽に返送されるが、焼却処理してもよく、あるいは、乾燥して肥料や燃料に用いてもよい。卵殻、貝殻等は洗浄してチョーク原料とかセメント原料などに利用できる。
【実施例】
【００２６】
実施例１
図１に示す装置を用いた。
【００２７】
メタン発酵槽は容積１，５００Ｌの箱型の密閉槽を、そして、膜分離槽には濾過面積０．１ｍ2×５個の精密濾過膜を装着したものを用いた。メタン発酵不適物の除去装置には図３に示すものを用いた。この装置は、攪拌分離槽１が内径が２００ｍｍ、高さが３００ｍｍ、の円筒形で、底部２が水平面に対する角度が３０度の下向き円錐状をしており、底部２からは、この円筒が下に脚部３として１００ｍｍ延設されている。本体１の側壁には、底部２から上１８０ｍｍのところにスラリーの原料投入口４が、底部２のやや上には卵殻（メタン発酵不適物）を除去した分離液排出口５が、そして底部２の中心には卵殻を含む濃縮液排出口６が設けられ、それぞれに弁を有する配管が接続されている。攪拌分離槽の容積は約９Ｌであり、材質はいずれも透明のポリ塩化ビニルでできている。攪拌分離槽１の中央には攪拌機７が軸を垂直にして設置され、軸の下端とそのやや上に攪拌羽根８が取着されている。この攪拌羽根は上下いずれも角度を４５度にした６枚のパドル翼よりなり、羽根径（Φ）は８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍの３種類が準備されている。
【００２８】
この装置を用い、家庭系生ごみに水を加えて、粘度０．８５〜１．３５Ｐａ・ｓ、比重約１．０ｇ／ｍＬ、ＴＳ（蒸発残留物）３．６〜５．１質量％、卵殻濃度０．７〜３．６ｇ・ｄｒｙ卵殻／ｋｇ・ｗｅｔ原料としたスラリーを、攪拌分離槽に投入した。卵殻を沈降分離して、卵殻が除去された分離液をメタン発酵槽に供給してメタン発酵を行った。得られた発酵液を膜分離槽に供給して処理水と発酵汚泥とに分離した。ここで、メタン発酵不適物の除去装置において、攪拌分離槽内の攪拌羽根の段数、羽根の径、下段の羽根の底部からの高さ、および羽根の間隔を変えて卵殻の分離試験を行った。
【００２９】
結果を表１に示した。ここで、評価として、次式で表される卵殻除去率を算出し、除去率が８０％以上を◎、７０〜８０％を○、５０〜７０％を△、５０％以下を×とした。
0006617868.tif 000002
条件１〜３では、攪拌が不足したため、卵殻以外の有機物（人参、米粒等）が卵殻とともに堆積し、卵殻を選択分離できなかった。また、条件７〜９では、攪拌が過剰であったため、底部に一度沈降した卵殻が攪拌流により巻き上げられ、卵殻除去量が低下する現象が観察された。条件４〜６において、卵殻を効率的に底部に集積させることができた。目視での比較では、条件４での卵殻分離状況が条件５、６での分離状況より多くの卵殻を選択的に集積していた。
【００３０】
【表１】
0006617868.tif 000003
上記評価は、回転数１００〜２５０ｒｐｍでの攪拌分離槽底部における卵殻の集積状況を目視観察で行なったものである。
実施例２
図２に示す装置を用いた。メタン発酵槽は容積１，５００Ｌの箱型の密閉槽を、そして、膜分離槽には濾過面積０．１ｍ2×５個の精密濾過膜を装着したものを用いた。メタン発酵不適物の除去装置には実施例１と同様に図３に示すものを用いた。攪拌分離槽１が内径が２００ｍｍ、高さが３００ｍｍ、の円筒形で、底部２が水平面に対する角度が３０度の下向き円錐状をしており、底部２からは、この円筒が下に脚部３として１００ｍｍ延設されている。本体１の側壁には、底部２から上１８０ｍｍのところにメタン発酵槽からの発酵液の原料投入口４が、底部２のやや上には卵殻（メタン発酵不適物）を除去した分離液排出口５が、そして底部２の中心には卵殻を含む濃縮液排出口６が設けられ、それぞれに弁を有する配管が接続されている。攪拌分離槽の容積は約９Ｌであり、材質はいずれも透明のポリ塩化ビニルでできている。攪拌分離槽１の中央には攪拌機７が軸を垂直にして設置され、軸の下端とそのやや上に攪拌羽根８が取着されている。この攪拌羽根は上下いずれも角度を４５度にした６枚のパドル翼よりなり、羽根径（Φ）は８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍの３種類が準備されている。
【００３１】
メタン発酵させる有機性廃棄物として、家庭系生ごみに水を加えて、粘度１．２〜１．５Ｐａ・ｓ、比重約１．０ｇ／ｍＬ、ＴＳ約６質量％、卵殻濃度２．７〜３．３ｇ・ｄｒｙ卵殻／ｋｇ・ｗｅｔ原料としたスラリーをメタン発酵槽に１００ｋｇ/日の速度で投入して３８℃でメタン発酵を行った。メタン発酵槽からはＴＳ２．０〜２．５質量％の発酵液を３００ｋｇ/日の速度で抜き出して攪拌分離槽に入れ、卵殻を沈降分離し、卵殻が除去された発酵液を膜分離槽に送り、分離された発酵汚泥をメタン発酵槽に循環した。攪拌分離槽の攪拌羽根の段数、羽根の径、下段羽根の底部からの高さ、および羽根の間隔を変えて卵殻の分離試験を行った。
結果を表２に示す。ここで、評価は、実施例１と同様である。
【００３２】
【表２】
0006617868.tif 000004
条件１〜２では攪拌が不足したため、卵殻以外の有機物(人参、米粒等)が卵殻とともに堆積し、卵殻を選択分離できなかった。また、条件５〜７では、攪拌が過剰であったため、底部に一度沈降した卵殻が攪拌流により巻き上げられ、卵殻除去量が低下する現象が観察された。条件３〜４において、卵殻が効率的に底部に集積させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、家庭や飲食店等から排出される生ごみ等の有機性廃棄物から、カルシウムを含有するメタン発酵不適物を効率よく分離できるので、これらの有機性廃棄物をメタン発酵させる方法に幅広く利用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１  攪拌分離槽
２  底部
３  脚部
４  原料投入口
５  分離液排出口
６  濃縮液排出口
７  攪拌機
８  攪拌羽根
【図１】
0006617868.tif 000005
【図２】
0006617868.tif 000006
【図３】
0006617868.tif 000007