(57)【要約】【課題】アンモニアを効率的に除去し、有機物の発酵を長期間に渡って持続させ、メタンガスの回収量を増大させること。【解決手段】  発酵汚泥Ｂを収容するタンク１０と、タンク１０内で発酵汚泥Ｂがメタン発酵したことにより発生した発酵ガスが導入され、当該発酵ガスからアンモニアガス及び炭酸ガスを除去してタンク１０へ還流する除去部２０と、タンク１０内のｐＨを計測する計測部３０と、を備え、除去部２０は、計測部３０が計測したｐＨが７．８未満の場合は炭酸ガスを除去し、８．５を超えた場合は炭酸ガスを除去しないことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発酵汚泥を収容するタンクと、
前記タンク内で前記発酵汚泥がメタン発酵したことにより発生した発酵ガスが導入され、当該発酵ガスからアンモニアガス及び炭酸ガスを除去して前記タンクへ還流する除去手段と、
前記タンク内のｐＨを計測する計測手段と、を備え、
前記除去手段は、前記計測手段が計測したｐＨが７．８未満の場合は炭酸ガスを除去し、８．５を超えた場合は炭酸ガスを除去しないことを特徴とするメタン発酵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミ等の有機物をメタン発酵する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生ゴミ、糞尿、紙、剪定枝等の有機性廃棄物（以下、単に有機物という。）をタンク内でメタン発酵させて、発酵ガスを電力等のエネルギとして再資源化する技術が提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
ここで、有機物が発酵するとメタンガスの他に、アンモニア（ＮＨ３）や炭酸ガス等が発生する。アンモニアがタンク内に多く存在すると、有機物の発酵を阻害することが知られている。そこで、発酵タンク内の発酵ガスを取り出し、アンモニアガスを発酵ガスから除去して発酵タンクに還流することで、タンク内の総アンモニア（アンモニアとアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）との総和）濃度を低減することが有効である。
【特許文献１】特開２００２−２９２３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メタン発酵は、タンク内のｐＨが中性近傍、例えば、６．８〜７．５程度に維持されると最も効果的であることが知られている。一方、アンモニアはｐＨが約７．８（室温３７℃）でアンモニウムイオンとアンモニアとが平衡になるため、タンク内のｐＨが７．８未満である場合には、アンモニウムイオンの形態でタンク内に存在し易い。この場合、タンク内の発酵ガスを取り出し、アンモニアガスを発酵ガスから除去して発酵タンクに還流してもタンク内の総アンモニアの除去効果が低い。
【０００５】
このため、タンク内のｐＨを中性近傍に維持すると、短期的にはメタン発酵が促進されるものの、同時に発生するアンモニアの存在によりメタン発酵が短期間で終了してしまう。メタン発酵を継続するためには、タンク内のアンモニアを除去する処理が必要となり、手間がかかる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、アンモニアを効率的に除去し、発酵汚泥の発酵を長期間に渡って持続させ、メタンガスの回収量を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、発酵汚泥を収容するタンクと、前記タンク内で前記発酵汚泥がメタン発酵したことにより発生した発酵ガスが導入され、当該発酵ガスからアンモニアガス及び炭酸ガスを除去して前記タンクへ還流する除去手段と、前記タンク内のｐＨを計測する計測手段と、を備え、前記除去手段は、前記計測手段が計測したｐＨが７．８未満の場合は炭酸ガスを除去し、８．５を超えた場合は炭酸ガスを除去しないことを特徴とするメタン発酵装置が提供される。
【０００８】
本発明のメタン発酵装置では、前記除去手段による炭酸ガスの除去、不除去により、酸性である炭酸ガスの前記タンク内の濃度が調整され、前記タンク内のｐＨが７．８以上８．５以下に維持される。前記タンク内のｐＨを７．８以上に維持することで、前記タンク内においてアンモニアとして存在する割合が多くなり、前記除去手段によるアンモニアの除去効率が向上できる。一方、メタン生成菌はｐＨが８．５を超えると失活する。そこで、前記タンク内のｐＨを８．５以下に維持することで、メタン菌が失活することを防止することができる。
【０００９】
本発明では、このように前記タンク内を弱アルカリ性に維持することで、短期的に見れば、メタン発酵の効率自体はｐＨが中性近傍の場合よりも劣るが、前記タンク内からアンモニアが効率的に除去されるので、発酵汚泥の発酵を長期間に渡って持続させ、結果としてメタンガスの回収量を増大させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上述べた通り、本発明によれば、アンモニアを効率的に除去し、発酵汚泥の発酵を長期間に渡って持続させ、メタンガスの回収量を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るメタン発酵装置１００の全体構成図である。メタン発酵装置１００は、原料となる有機物と発酵微生物が混合された発酵汚泥Ｂを収容するタンク１０と、タンク１０内で発酵汚泥Ｂがメタン発酵したことにより発生した発酵ガスが導入され、発酵ガスからアンモニアガス及び炭酸ガスを除去してタンク１０へ還流する除去部２０と、タンク１０内のｐＨを計測する計測部３０と、を備える。
【００１２】
タンク１０は、発酵ガスをタンク１０外へ排気する排気部１１と、発酵ガスをタンク１０内へ導入する導入部１２と、発酵汚泥をタンク１０外へ排出する排出部１３と、有機物をタンク１０内へ導入する有機物導入部１４と、を備える。排気部１１、導入部１２、及び有機物導入部１４は、タンク１０の上部にそれぞれ配され、排出部１３は、タンク１０の下部に配される。なお、排出部１３は、本実施形態では、タンク１０の下部に設けたが、タンク１０の側部に設けても構わない。
【００１３】
除去部２０は、発酵ガス内に含まれるアンモニアガスを除去するアンモニアガス除去部２１と、発酵ガス内に含まれる炭酸ガスを除去する炭酸ガス除去部２２と、を備える。排気部１１とアンモニアガス除去部２１との間、及びアンモニアガス除去部２１と炭酸ガス除去部２２との間は、それぞれ配管１ａで接続される。
【００１４】
アンモニアガス除去部２１は、充填された酸性溶液中に発酵ガスを通過させることによりアンモニアガスを除去するアンモニアガス除去塔２１ａと、充填された水道水中に酸性溶液中を通過した発酵ガスを通過させることにより酸性溶液の成分を除去する酸性溶液除去塔２１ｂと、を有する。酸性溶液としては、例えば、硫酸Ｈ２ＳＯ４を用いる。
【００１５】
また、炭酸ガス除去部２２は、充填された塩基性溶液中に発酵ガスを通過させることにより炭酸ガスを除去する炭酸ガス除去塔２２ａと、充填された水道水中に塩基性溶液中を通過した発酵ガスを通過させることにより塩基性溶液の成分を除去する塩基性溶液除去塔２２ｂと、を有する。塩基性溶液としては、例えば、水酸化ナトリウムＮａＯＨを用いる。
【００１６】
なお、排気部１１からの発酵ガスの回収は、発酵ガスの発酵圧による自然回収であるが、酸性溶液除去塔２１ｂ又は塩基性溶液除去塔２２ｂからの発酵ガスの回収はポンプ２の吸引による強制的な回収となる。
【００１７】
計測部３０は、アンモニアガス除去部２１と炭酸ガス除去部２２との間に設けられ、ｐＨセンサ３１と、切替弁３２と、不図示の制御機構と、を備える。ｐＨセンサ３１は、タンク１０の側壁に設けられ、発酵汚泥ＢのｐＨを計測する。制御機構は、ｐＨセンサ３１で計測されたｐＨ値に応じて、発酵ガスの進行経路を切替弁３２によって切り替える。
【００１８】
計測部３０は、本発明においては、計測したｐＨが７．８未満の場合には、炭酸ガス除去部２２に発酵ガスを通過させることによって、炭酸ガスを除去し、配管１ｂを介して、タンク１０内に発酵ガスを戻す処理を行う。一方、計測したｐＨが８．５を越えた場合には、炭酸ガス除去部２２には発酵ガスを通過させずに配管１ｂを介して、タンク１０内に発酵ガスを戻す処理を行う。
【００１９】
なお、計測部３０は、ｐＨが７．８以上８．５以下である場合には、本実施形態では、炭酸ガス除去部２２に発酵ガスを通過させたが、ｐＨがこの範囲である場合には、炭酸ガス除去部２２への発酵ガスの通過、非通過は任意に選択できる。
【００２０】
また、ｐＨが７．８以上８．５以下の範囲で任意の閾値（例えば、ｐＨ８．０）を設けて、その閾値を越える場合には、炭酸ガス除去部２２には発酵ガスを通過させないで、その閾値未満である場合には、炭酸ガス除去部２２に発酵ガスを通過させる制御を行っても構わない。このような制御を行うことにより、結果的に有機物のｐＨを７．８から８．５の間に制御することが可能となる。
［実施例］
上述した構成と同一である、アンモニアガス除去部２１と炭酸ガス除去部２２とを併設したメタン発酵装置１００と、上述した構成から炭酸ガス除去部２２を除いた構成であるメタン発酵装置２００と、を用いて、炭酸ガス除去部２２を設けることによる効果を実証する実験を行った。なお、メタン発酵装置２００は、炭酸ガス除去部２２を除いた構成であるため、その他の構成については、メタン発酵装置１００と同様の符号を付して説明を省略する。
【００２１】
アンモニアガス除去部２１のアンモニアガス除去塔２１ａには、０．１ＮＨ２ＳＯ４を充填し、炭酸ガス除去部２２の炭酸ガス除去塔２２ａには、０．１ＮＮａＯＨを充填した。また、酸性溶液除去塔２１ｂ及び塩基性溶液除去塔２２ｂには水道水を充填した。それぞれの溶液、及び水道水は、２００ｍｌとした。
【００２２】
図２は、メタン発酵装置１００及び２００における総アンモニア濃度及びｐＨの経時変化を示す図である。横軸は、実験開始からの日数（日）を示し、縦軸は、総アンモニア濃度（ｍｇＮ／ｋｇ−ｗ．ｗ．）又はｐＨを示す。メタン発酵装置１００では、実験開始から３日以内に、メタン発酵装置２００と比較して、顕著に総アンモニア濃度が低下すると共に、ｐＨが上昇した。
【００２３】
ここで、総アンモニアは、前述の通り、ｐＨが約７．８（室温３７℃）でアンモニウムイオンとアンモニアとは同一濃度となる。メタン発酵装置１００では、炭酸ガス除去部２２で炭酸ガスを除去することにより、発酵汚泥ＢのｐＨが７．８を大きく越えて上昇し、アンモニアとして存在する割合が増加したことにより、アンモニアガス除去部２１によってアンモニアが除去されたと考えられる。なお、実験終了時の炭酸ガス濃度は、メタン発酵装置１００では０．５％、メタン発酵装置２００では２０％であった。
【００２４】
また、実験終了時にメタン発酵装置１００及びメタン発酵装置２００における低級脂肪酸（以下ＶＦＡと言う。）濃度は、共に６０００ｍｇＣＯＤ／ｋｇ−ｗ．ｗ．程度であることが確認された。メタン発酵装置２００では、ＶＦＡの蓄積及びアンモニア濃度の低下に伴ってｐＨが低下したが、メタン発酵装置１００では、ＶＦＡの蓄積及びアンモニア濃度の低下にも関わらず、ｐＨは８．０以上に維持された。これにより、炭酸ガス除去部２２により、炭酸ガスが確実に除去されていることが確認された。
【００２５】
図３は、実験前後での総アンモニアの存在場所を比較するための図であり、図４は、アンモニア除去率の時系列変化を示す図である。図３では、実験前に発酵汚泥中に存在したアンモニアが実験後にどこに存在するかについて、アンモニアに含まれる窒素に着目して窒素収支を調べたものである。メタン発酵装置２００では、発酵汚泥中に存在する窒素の８５％が除去され、その内の５５％がアンモニアガス除去塔２１ａによって除去され、３０％が引抜汚泥（排出部１３から排出される汚泥）中に存在した。一方、メタン発酵装置１００では、発酵汚泥中に存在する窒素の９５％が除去され、その内の８７％がアンモニアガス除去塔２１ａによって除去され、８％が引抜汚泥中に存在した。
【００２６】
また、図４で示すように、メタン発酵装置２００では、アンモニアを８０％除去するのに１０日を要したのに対して、メタン発酵装置１００では、２日しか要しなかった。これにより、炭酸ガス除去部２２を備えるメタン発酵装置１００は、炭酸ガス除去部２２を備えないメタン発酵装置２００に比べて、アンモニアを効率的に除去できることを実証することができた。
【００２７】
以上述べた通り、本発明のメタン発酵装置では、除去部２０による炭酸ガスの除去、不除去により、タンク１０内の炭酸ガス濃度が調整され、タンク１０内のｐＨが７．８以上８．５以下に維持される。タンク１０内のｐＨを７．８以上に維持することで、タンク１０内においてアンモニアとしての気散が促進され、除去部２０によるアンモニアの除去効率が向上できる。一方、メタン生成菌はｐＨが８．５を超えると失活する。そこで、タンク内のｐＨを８．５以下に維持することで、メタン菌が失活することを防止することができる。
【００２８】
本発明では、このようにタンク１０内を弱アルカリ性に維持することで、短期的に見れば、メタン発酵の効率自体はｐＨが中性近傍の場合よりも劣るが、タンク１０内からアンモニアが効率的に除去されるので、発酵汚泥Ｂの発酵を長期間に渡って持続させ、結果としてメタンガスの回収量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るメタン発酵装置１００の全体構成図である。
【図２】メタン発酵装置１００及び２００における総アンモニア濃度及びｐＨの経時変化を示す図である。
【図３】実験前後での総アンモニアの存在場所を比較するための図である。
【図４】総アンモニア除去率の時経列変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０    タンク
２０    除去部
３０    計測部
１００  メタン発酵装置
【図１】
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【図２】
2008289962.tif 000004
【図３】
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【図４】
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