(57)【要約】【課題】固液分離膜を利用した有機性廃水及び／又は廃棄物の高効率嫌気性消化処理方法において、膜の閉塞が最低限に抑えられ、かつ有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができ、同時にメタンや肥料を効率的に製造することができる、工業的に有利な嫌気性消化処理方法および装置を提供する。【解決手段】有機性廃水及び／又は有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、得られる消化液を固液分離膜により分離する嫌気性消化処理方法であって、嫌気性消化処理を嫌気性消化微生物固定化担体の存在下で行う。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃水及び／又は有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、得られる消化液を固液分離膜により分離する嫌気性消化処理方法であって、嫌気性消化処理を嫌気性消化微生物固定化担体の存在下で行うことを特徴とする有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理方法。
【請求項２】
有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理方法であって、（Ｉ）嫌気性消化微生物固定化担体の存在下で、有機物を嫌気性消化微生物によりメタンと二酸化炭素に分解する工程、（ＩＩ）該分解工程で得られた消化液を固液分離膜により懸濁粒子濃縮液と脱離液に分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた懸濁粒子濃縮液を嫌気性消化槽内に返送することを特徴とする嫌気性消化処理方法。
【請求項３】
（Ｉ）の工程で得られるメタンを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする請求項２記載の嫌気性消化処理方法。
【請求項４】
（ＩＩ）の工程で得られる脱離液及び／又は懸濁粒子濃縮液を、肥料及び／又は肥料の原料として利用することを特徴とする請求項２に記載の嫌気性消化処理方法。
【請求項５】
固液分離膜手段と嫌気性消化槽を備えた有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置であって、該嫌気性消火槽には嫌気性消化微生物固定化担体が収容されていることを特徴とする有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置。
【請求項６】
固液分離膜手段と嫌気性消化槽を備えた有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置であって、（Ｉ）嫌気性消化微生物固定化担体を収容してなる嫌気性消化槽、（ＩＩ）該嫌気性消化槽で得られた消化液を懸濁粒子濃縮液と脱離液に分離する固液分離膜手段、（ＩＩＩ）該固液分離膜手段で分離された懸濁粒子濃縮液を嫌気性消化槽に返送する手段とを備えたことを特徴とする嫌気性消化処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭・レストラン・食品工場等から排出される廃水および生ごみ等の有機性廃棄物、家庭の浄化槽・工場等の廃水処理設備・下水処理場等から排出される有機性汚泥、畜産業から排出される畜産排泄物、水産業から排出される有機性廃棄物等を嫌気性消化処理方法及び該方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
嫌気性消化（メタン発酵）は、エネルギー回収型有機性廃水及び／又は廃棄物処理技術として用いられるようになってきた。有機性廃水や廃棄物の高効率嫌気性消化処理方法として、これまでに、固液分離膜によりメタン生成菌等の分解微生物を嫌気性消化槽内に高密度に維持する方法が提案されている（特許文献１）。
しかし、この固液分離膜を利用する嫌気性消化処理方法は、その膜分離工程において微生物等の微小な粒子が膜の細孔に詰まり閉塞を起こしやすいという問題点があった。閉塞した膜は洗浄により膜分離性能を回復することができるが、膜の洗浄には膜分離装置の停止や薬液の注入などの操作が必要で、このことが維持管理の煩雑さやコスト増大の原因となるため、膜の閉塞が起こりにくい技術が求められている。
【０００３】
このような膜の閉塞の問題を解消するために、嫌気性消化槽内のガスを曝気して気液混相流を起こし膜面に対して掃流として作用させる方法が提案されている（特許文献２）。
しかしながら、この方法でも、嫌気性消化槽内の微生物や懸濁物濃度が高いため、膜の閉塞が起こるという問題があった。
【０００４】
一方、メタン発酵槽内の微生物濃度を高く維持する方法として、微生物を固定化する担体をメタン発酵槽内に装備する方法が提案されている（特許文献３）。
この方法は、微生物が担体に固定化されるため微生物濃度が高く維持できるという利点を有するものであるが、固液分離膜を利用する方法とは異なり、担体に固定化されない微生物も存在し、さらに未分解の有機物粒子は担体に固定化されないのでメタン発酵槽内に維持されず系外に排出される。そのため、有機物の分解率がそれほど向上しないという難点があった。
【０００５】
また、前記膜分離法はメタン発酵槽外に設けられた膜分離装置により微生物を濃縮して、濃縮された微生物をメタン発酵槽に返送するという方式で、メタン発酵槽内の微生物濃度を高く維持しようとするものである。これに対して、固定化法は外部の分離装置を用いることなく、メタン発酵槽内部で微生物を担体に固定化するという方法でメタン発酵槽内の微生物濃度を高く維持するものである。
したがって、従来よりこれらの方法はそれぞれ単独で用いられる別異の方式であり、両者の方法を結合させる発想はこれまでになかった。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８８５７３７号公報
【特許文献２】特開２０００−０２４６６１号公報
【特許文献３】特開平０９−０３８６８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の実情に鑑みなされたものであって、固液分離膜を利用した有機性廃水及び／又は廃棄物の高効率嫌気性消化処理方法において、膜の閉塞が最低限に抑えられ、かつ有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができ、同時にメタンや肥料を効率的に製造することができる、工業的に有利な嫌気性消化処理方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【発明を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、膜分離方法と固定化担体方法を結合させると、膜の閉塞が最低限に抑えられ、かつ有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができ、同時にメタンや肥料を効率的に製造することができることを知見し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）有機性廃水及び／又は有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、得られる消化液を固液分離膜により分離する嫌気性消化処理方法であって、嫌気性消化処理を嫌気性消化微生物固定化担体の存在下で行うことを特徴とする有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理方法。
（２）有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理方法であって、（Ｉ）嫌気性消化微生物固定化担体の存在下で、有機物を嫌気性消化微生物によりメタンと二酸化炭素に分解する工程、（ＩＩ）該分解工程で得られた消化液を固液分離膜により懸濁粒子濃縮液と脱離液に分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた懸濁粒子濃縮液を嫌気性消化槽内に返送することを特徴とする嫌気性消化処理方法。
（３）（Ｉ）の工程で得られるメタンを含有する気相部を燃料とすることを特徴とする上記（２）に記載の嫌気性消化処理方法。
（４）（ＩＩ）の工程で得られる脱離液及び／又は懸濁粒子濃縮液を、肥料及び／又は肥料の原料として利用することを特徴とする上記（２）に記載の嫌気性消化処理方法。
（５）固液分離膜手段と嫌気性消化槽を備えた有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置であって、該嫌気性消火槽には嫌気性消化微生物固定化担体が収容されていることを特徴とする有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置。
（６）固液分離膜手段と嫌気性消化槽を備えた有機性廃水及び／又は有機性廃棄物の嫌気性消化処理装置であって、（Ｉ）嫌気性消化微生物固定化担体を収容してなる嫌気性消化槽、（ＩＩ）該嫌気性消化槽で得られた消化液を懸濁粒子濃縮液と脱離液に分離する固液分離膜手段、（ＩＩＩ）該固液分離膜手段で分離された懸濁粒子濃縮液を嫌気性消化槽に返送する手段とを備えたことを特徴とする嫌気性消化処理装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、従来の固液分離膜を利用した嫌気性消化処理方法の有する、膜が閉塞し易く、有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することが困難であるといった問題点を克服するために、嫌気性消化槽内に嫌気性消化微生物固定化担体を収容する点にある。
【００１０】
このように嫌気性消化槽内に予め嫌気性消化微生物固定化担体（以下、担体ともいう）を収容しておくと、嫌気性消化槽内の嫌気性消化微生物（以下、単に微生物ともいう）が担体に付着・固定化されると共に分離膜によって分離された懸濁粒子濃縮液が返送された場合にも、返送された微生物は固定化担体に付着・固定化および又は分解されるため槽内での浮遊状態の微生物を減少させることができる。また微生物が浮遊した消化液を膜分離するに当たっては、消化液の微生物濃度が低いため、膜の閉塞の原因となる微生物による細孔の詰まりが著しく減少し、膜の閉塞を効率的に抑制することが可能となる。更に、本発明においては、嫌気性消化槽内の微生物濃度は、担体に固定化された微生物と膜分離によって返送された微生物とが合算された、高濃度となり、これらが同時に有機物の分解反応に加わるため、有機物のメタンと二酸化炭素への分解反応が効率よく進む。
【００１１】
本発明の処理対象となる有機性廃水としては、家庭・レストラン・食品工場・発酵工場等の有機性廃水一般などが挙げられ、また、有機性廃棄物としては、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残渣、食品工場・浄化槽・下水処理場等で廃水処理時に発生する有機性汚泥、畜産排泄物、水産加工廃棄物等が含まれる他、嫌気性消化した後に排出される消化汚泥などが包含される。
【００１２】
本明細書でいう固液分離膜とは、それ自体公知の浸漬型平膜や中空糸膜など、孔の大きさが０．０１〜１  μｍ、望ましくは０．１〜０．２  μｍで、嫌気性消化微生物を効率よく分離濃縮できる膜を意味する。このような分離膜についてはたとえ特開昭６２−１８１７７２号公報によって詳細に開示されている。
【００１３】
嫌気性消化微生物固定化担体とは、嫌気性消化微生物が付着・固定化できる固形物を意味し、担体の材質は、炭素繊維、ポリウレタン、ロックウール、ヘチマなど有機や無機材料の数多くの種類を用いることができ、担体の形状は従来用いられている平板、円筒、球状、円盤状などが利用できる。
【００１４】
本明細書でいう嫌気性消化微生物とは、酸発酵微生物とメタン生成微生物の総称である。酸発酵性微生物とは、嫌気性消化において有機酸等を生成する微生物を意味し、Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｓ  ｓｐ．、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｓｐ．、Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．、Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．等があげられる。メタン生成微生物とは、嫌気性消化においてメタンを生成する微生物を意味し、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ  ｓｐ．、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｅｔａ  ｓｐ．、Ｍｅｔｈａｎｏｇｅｕｍ  ｓｐ．等があげられる。両者とも従来よく知られているものである。
【００１５】
以下、本発明方法を具体的に説明する。
本発明方法においては、まず、有機性廃水及び／又は有機性廃棄物を嫌気性消化する際に、嫌気性消化槽内に前記した担体を収容することが必要である。担体を収容する方法は、固定床でも流動床でも、それらを組み合わせた方法でも良い。
この嫌気性消化処理は、嫌気性消化微生物と担体を含む嫌気性消化槽内で、有機物含量を０．００１〜３０％、好ましくは０．０１〜９０％に調整し、反応温度は１０〜１００℃好ましく３０〜３５℃の中温発酵かまたは５０〜６０℃の高温発酵で嫌気性消化処理させ、有機物を分解しメタンを発生させる。この嫌気性消化処理工程においては、嫌気性消化槽内には空気及び／又は酸素は供給しない。
【００１６】
次に、本発明においては、嫌気性消化微生物やその他の微生物等が懸濁した消化液を、固液分離膜手段により懸濁粒子濃縮液と微生物等の懸濁粒子を含まない脱離液とに分離する。
この分離膜として、前記したように、浸漬型平膜や中空糸膜などの従来公知の分離膜が利用でき、孔の大きさが０．０１〜１  μｍ、望ましくは０．１〜０．２  μｍであるものが好ましく用いられる。この固液分離工程においては、空気及び／又は酸素を供給しないことが望ましい。
【００１７】
次に、固液分離膜手段により分離された懸濁粒子濃縮液を嫌気性消化槽内に返送する。この返送工程においても、空気及び／又は酸素を供給しないことが望ましい。
【００１８】
本発明方法では、担体を収容した嫌気性消化槽で嫌気性消化し、消化液を固液分離膜装置で懸濁粒子濃縮液と脱離液に分離するものであるが、担体に微生物が固定化されているので、消化液に懸濁している微生物濃度が低く、膜の閉塞を抑制することができるので、装置の維持、管理が容易となる。また、本発明においては、嫌気性消化槽内の微生物濃度は、担体に固定化された微生物と膜分離によって返送された微生物とが合算された、高濃度となり、これらが同時に有機物の分解反応に加わるため、有機物のメタンと二酸化炭素への分解反応が効率よく進む。更に本発明方法では、従来の嫌気的消化法に比べ有機物分解率が向上するため、残渣の発生量も従来法に比べ減少する。
【００１９】
これに対して、固体分離膜のみを用いる従来の嫌気性消化法は、前記したように、嫌気性消化槽内の微生物濃度を高く維持できるものの、膜の閉塞の問題があり、操作性が悪く維持管理が難しいという問題点があり、本発明のように、膜の閉塞が最低限に抑えられ、かつ有機物を迅速に高い分解率で分解・消化処理することができない。
【００２０】
この嫌気性消化処理時に発生するメタンは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンや水素への改質後燃料電池の燃料として利用することが出来る。
【００２１】
嫌気性消化残渣や消化液の膜分離脱離液は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み発酵が進んでいるので、そのまま及び／又は肥料の原料として利用すること可能である。
【００２２】
次に、本発明方法を好ましく実施するための処理装置を図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明の嫌気性消化処理装置の説明図である。
図１において、１は有機性廃水及び／又は有機性廃棄物貯留タンク、２は原料配管、３は嫌気性消化槽、４は消化液配管、５は固液分離膜装置、６は懸濁粒子濃縮液返送配管、７は脱離液配管、８は脱離液貯留タンク、９は消化ガス配管、１０は消化ガス貯留タンク、１１は懸濁粒子濃縮液配管、１２は懸濁粒子濃縮液貯留タンクを各示す。
【００２３】
図１の装置によって本発明方法を実施するには、原料貯留タンク１より原料配管２を通って、嫌気的な分解を生じさせ、担体を含有する嫌気性消化槽３に、処理対象となる有機性廃水及び／又は有機性廃棄物または返送した膜分離固形分を供給・混合する。
【００２４】
この嫌気性消化槽３において、嫌気的な条件で有機物は固定化微生物と浮遊微生物の分解作用を受け、メタンと二酸化炭素が生成する。この時、担体により嫌気性消化槽３内の嫌気性微生物濃度が高いので、有機物の分解が効率よく進む。
【００２５】
本発明に係る嫌気性消化槽は、酸素がない嫌気条件に保たれ、槽内の消化液を撹拌し発酵反応を促進させるために、必要に応じ撹拌装置を具備させてもよい。
【００２６】
一方、嫌気性消化槽３で得られた消化液は消化液配管４を通って固液分離膜装置５に導入される。固液分離膜装置５は嫌気条件に保たれ、消化液はこの固液分離膜装置５で懸濁粒子濃縮液と懸濁粒子を含まない脱離液に分離される。この時、嫌気性消化槽３内では固定化担体に微生物が固定化されているので、消化液中の浮遊微生物の濃度が低くなっているため、固液分離膜装置の閉塞が抑制される。  得られた懸濁粒子濃縮液は嫌気性消化微生物や未分解の有機物を含有しており、懸濁粒子濃縮液返送配管６により嫌気性消化槽３に返送され、返送された嫌気性微生物の一部は固定化され一部は浮遊状態のまま再度分解反応に関与し、返送された未分解の有機物は再度メタンや二酸化炭素への分解作用を受ける。また、固液分離膜装置からの脱離液は、脱離液配管７で、脱離液貯留タンク８に移送される。
【００２７】
固液分離膜装置５で発生したメタンを含む消化ガスは消化ガス配管９を通って消化ガス貯留タンク１０に貯留される。この場合の消化ガスは、通常メタン５０〜１００モル％、二酸化炭素０〜５０モル％、水素０〜１０モル％を含有する。
【００２８】
一方、固液分離膜装置５で得られた懸濁粒子濃縮液の一部は、懸濁粒子濃縮液配管１１を通って懸濁粒子濃縮液貯留タンク１２で貯留される。
【００２９】
脱離液（廃水）は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、液体肥料として利用し、必要に応じ活性汚泥法などで廃水高度処理後放流される。懸濁粒子濃縮液は、有機物の分解が十分に行われており、同時にアンモニアやリン酸を多く含むので、そのまま有機肥料及び／又は肥料の原料となる。また、脱水後固形分をそのまま又は有機肥料や土壌改良材の原料として利用しても良く、含水率が下がり十分減量化されているので、焼却処分してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明方法では、固定化担体に微生物が固定化されているので、消化液に懸濁している微生物濃度が低く、膜の閉塞が起こりにくい。従って、嫌気性消化装置の操作、維持管理が容易となる。また、嫌気性消化槽内では固定化された嫌気性消化微生物と固液分離膜によって分離され、返送された浮遊嫌気性消化微生物が同時に分解反応に関わるので、従来の方法に比べ有機物のメタンと二酸化炭素への転換速度や転換率が向上する。結果として、より多くのメタンガスが発生し、残渣の発生量が少なくなり、最終的な残渣汚泥処理量が低減される。
【  図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る有機性汚泥の嫌気性消化処理装置の説明図である。
【符号の説明】
１．原料貯留タンク
２．原料配管
３．嫌気性消化槽
４．消化液配管
５．固液分離膜装置
６．懸濁粒子濃縮液返送配管
７．脱離液配管
８．脱離液貯留タンク
９．消化ガス配管
１０．消化ガス貯留タンク
１１．懸濁粒子濃縮液配管
１２．懸濁粒子濃縮液貯留タンク
【図１】
2004167461.tif 000002