(57)【要約】【課題】有機性廃水及び／又は有機性廃棄物のメタン発酵処理における処理設備の小型化及び簡略化を計ると共に、安定したメタン発酵処理が行える方法と装置を提供する。【解決手段】有機性廃棄物及び／又は廃水をメタン発酵槽でメタン発酵処理する方法において、前記メタン発酵槽として、２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽を用いると共に、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段に注入し、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段から後段に分けて注入することとしたものであり、前記メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水は、その添加量を、前記発酵槽の前段が少なく、後段を多くするのがよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物及び／又は廃水をメタン発酵槽でメタン発酵処理する方法において、前記メタン発酵槽として、２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽を用いると共に、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段に注入し、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段から後段に分けて注入することを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水は、その添加量を、前記発酵槽の前段が少なく、後段を多くすることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
有機性廃棄物及び／又は廃水をメタン発酵槽を用いてメタン発酵処理する装置において、前記メタン発酵槽が、２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽であり、該メタン発酵槽には、該発酵槽の前段に、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を注入する送液管と、該発酵槽の前段から後段に分けて、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水をそれぞれに注入する送液管とを配したことを特徴とするメタン発酵処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン発酵処理に係り、特に、下水汚泥、し尿汚泥、家畜糞尿、生ごみ等の有機性廃棄物及び／又は廃水を嫌気性処理するメタン発酵処理方法と装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】特開２０００−２４６２９１号公報
【特許文献２】特開平１１−２０７３８７号公報
最近、有機資源の再利用の必要性が高くなっている。この分野における高濃度に排出される有機性排水や有機性廃棄物等は、メタン発酵処理によって分解処理される。この分解工程は、大きく分けると加水分解、酸発酵、メタン発酵の三段階に分けられる。例えば、蛋白質は、加水分解によりアミノ酸、ペプチド等に分解され、酸発酵により、プロピオン酸、酪酸等の有機酸に変換され、メタン発酵で、メタンと炭酸ガスに分解される。各過程には、各々の反応に関与する酵素、微生物、最適ｐＨ、最適滞留時間が存在する。
【０００３】
この改良技術として、二相処理あるいは多段型嫌気性処理（図２）が挙げられるが、反応律速段階で反応装置が大きくなったり、酸発酵でｐＨ調整用のアルカリを多く必要となる等の問題があった。前者についは、特開２０００−２４６２９１号公報のような改良案が提示され、後者については、特開平１１−２０７３８７号公報のような改良案が提示されている。しかしながら、特開２０００−２４６２９１号公報では、固液分離設備が必要なこと等の問題点があり、特開平１１−２０７３８７号公報では、同一原水を分注するのみであるため、若干のｐＨ調整ができるのみで抜本的な改良技術ではなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、前記従来技術の問題点を改善し、有機性廃水及び／又は有機性廃棄物のメタン発酵処理における処理設備の小型化及び簡略化を計ると共に、安定したメタン発酵処理が行える方法と装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、有機性廃棄物及び／又は廃水をメタン発酵槽でメタン発酵処理する方法において、前記メタン発酵槽として、２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽を用いると共に、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段に注入し、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を該発酵槽の前段から後段に分けて注入することを特徴とするメタン発酵処理方法としたものである。
前記処理方法において、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水は、その添加量を、前記発酵槽の前段が少なく、後段を多くするのがよい。
【０００６】
また、本発明では、有機性廃棄物及び／又は廃水をメタン発酵槽を用いてメタン発酵処理する装置において、前記メタン発酵槽が、２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽であり、該メタン発酵槽には、該発酵槽の前段に、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を注入する送液管と、該発酵槽の前段から後段に分けて、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水をそれぞれに注入する送液管とを配したことを特徴とするメタン発酵処理装置としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
メタン発酵処理は、次式で示される逐次的な反応で進行する。
Ａ１−（Ｍ１）→Ａ２−（Ｍ２）→Ａ３−（Ｍ３）→Ａ４
Ａ１：原料、Ａ２〜Ａ４：発酵処理物の種類
Ｍ１〜Ｍ３：微生物の種類
反応が進むためには、生成有機物が分解微生物により低分子化（最終段階ではメタンガス、炭酸ガスになる。）されなければならない。しかし、増殖速度の遅い微生物が関与する反応が律速段階となり、全体の反応速度に影響することになる。
【０００８】
例えば、Ｍ２の微生物が増殖速度が遅いため、Ａ２からＡ３の反応が律速の場合、Ａ３物質の生成が少なくなり、Ｍ３の微生物の増殖が少なくなり、Ａ３からＡ４の反応が進まなくなる。本発明では、外部からＡ３に近い物質を含む有機物を投入することで、Ｍ３微生物の増殖を促進することで、前段の反応（Ａ２からＡ３）を円滑に進めることを可能とした。すなわち、メタン発酵しやすい廃水を分注することで、次の段階の微生物を増殖させ、反応律速成分を低分子化し、全体として処理速度を速くできることになると共に、処理の安定性が保たれるようになる。
【０００９】
ここで用いるメタン発酵しやすい有機物とは、以下の物質である。
（１）ＶＦＡ（酢酸、プロピオン酸、酪酸等）、メタノール、エタノ一ルを含む有機物（例、生ごみ、発酵醸造関連の濃厚廃液）。
（２）糖類等の炭水化物を含む有機物（例、シロップ廃液）。
（３）でんぷん等の炭水化物を含む有機物（例、米でんぷん廃液、小麦でんぷん廃液）。
一方、メタン発酵しにくい有機物は、以下の物質である。
（１）脂質類を含む有機物（例、木工廃水、食用油）。
（２）セルロースを含む炭水化物（例、下水の最初沈殿池汚泥、紙パルプ濃厚廃液）。
（３）蛋白質を多く含む有機物（例、活性汚泥の余剰汚泥、おから）。
（４）その他高分子量の有機物。
従って、本発明で用いる有機性廃棄物及び／又は廃水は、前記のメタン発酵しやすい有機物又はメタン発酵しにくい有機物をそれぞれ多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水である。
【００１０】
次に、本発明を詳細に説明する。図１に、本発明の多段メタン発酵処理の概念図を示す。図１は、本発明を実施するにあたり、使用に好適なリアクターの概念を示す図であり、本発明のメタン発酵処理方法及びメタン発酵処理装置を説明するための処理フローである。反応槽（メタン発酵槽）３は、仕切部材６を２箇所に設けることにより、反応槽３全体内をメタン発酵槽（仕切槽ともいう。）３ａ、３ｂ、３ｃと３段に分ける。メタン発酵槽３ａ、３ｂ、３ｃには，ガス抜き管４ａ、４ｂ、４ｃを配してあり、これらガス管４ａ、４ｂ、４ｃは，系外に至るガス合流管４に合流している。廃棄物の性状によるが、メタン発酵槽３ａは，加水分解が主体になり、メタン発酵槽３ｂは、酸発酵が主体になり、メタン発酵３ｃは，メタン発酵が主体となる。
【００１１】
リアクター近傍には、メタン発酵しにくい有機物をを多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を投入する流入管１が、メタン発酵槽３ａに通じている。メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水は、流入管５ａ、５ｂ、５ｃからそれぞれメタン発酵槽３ａ、メタン発酵槽３ｂ、メタン発酵槽３ｃに通じている。メタン発酵しやすい有機性廃棄物が１種類の場合は、メタン発酵しやすい有機性廃棄物の原水貯留槽から流入配管を分岐し、１台のポンプにて各槽に時間をずらして分注できるような設備になっている。メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水が２種類以上の場合は、それぞれの原水貯留槽から個々ポンプでそれぞれのメタン発酵槽に分注できるようになっている。
【００１２】
ここで、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水は、前段の槽に少なく、後段の槽に多くなるように量を設定する。これは、槽の前段では、加水分解、酸発酵処理が中心となり、後段では、酸発酵からメタン発酵が中心となるためである。また、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水が２種類以上の場合は、低級脂肪酸の割合の多いメタン発酵しやすい有機物を後段に、低級脂肪酸の割合の少ないメタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を、前段に送るようにする。なお、メタン発酵しやすい有機物及び／又は廃水の前段の槽への添加量は、後段の添加量の２〜３０％、好ましくは、５〜１５％程度である。
【００１３】
本発明の実施にあたり、各メタン発酵槽３ａ、３ｂ、３ｃで使用する嫌気性菌は、環境温度３０〜３５℃を至適温度とする嫌気性菌を使用する中温メタン発酵処理、環境温度５０〜５５℃を至適温度とする嫌気性菌を使用する高温メタン発酵処理、環境温度６０〜８０℃の酸発酵処理、等の反応温度も適宜選択することができる。本発明において処理する有機性排水や有機性廃棄物としては各分野の各種有機成分を含有する排水や廃棄物を挙げることができる。
また、本発明の実施にあたり、各仕切槽３ａ、３ｂ、３ｃの嫌気性菌の適用方式としては、浮遊方式、固定方式、担体投入方式、スラッジブランケット方式等のいずれも適用できる。
また、槽を仕切らない栓流方式のリアクター（流れがピストン流に近く、軸方向に基質や生成物質の濃度分布ができる性質がある）、例えば固定床リアクターにも適用できる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
この実施例は、二種類（活性汚泥の濃縮余剰汚泥と生ごみ）の有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合の処理例である。
表１に、活性汚泥の濃縮余剰汚泥と生ごみの性状を示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
上記、濃縮余剰汚泥と生ごみを混合し、第１槽に投入しメタン発酵処理した場合（対照系列という：第１槽有効容量１Ｌ、第２槽有効容量１Ｌ、第３槽有効容量３Ｌ）と、対照系列と同じリアクターで濃縮余剰汚泥を第１槽に投入し、生ごみを第２槽、第３槽に分注した場合（本法）について比較実験を行った。各反応槽は、撹拌機により均一に混合され、反応液は第１槽、第２槽、第３槽の順に流れるようになっている。ここでは、５５℃の高温メタン発酵処理で行った。対照系列は、濃縮余剰汚泥２００ｇ／日、生ごみ１５０ｇ／日を第１槽に投入し、本法は、濃縮余剰汚泥２００ｇ／日を第１槽に、生ごみを第２槽に５０ｇ／日、第３槽に１００ｇ／日投入した。
【００１７】
表２に実験開始１．５ヶ月経過後のメタン発酵処理成績を示す。
【表２】
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ＣＯＤｃｒ負荷９．７ｋｇ／ｍ３・日の条件で、対照系列は、ＣＯＤｃｒ分解率６０％、発生ガス１７ＮＬ／日、本法はＣＯＤｃｒ分解率８０％、発生ガス２３ＮＬ／日であった。このように、本法は、対照系列に比べて１．４倍のＣＯＤｃｒ分解率、ガス発生量が得られた。
【００１８】
実施例２
この実施例は、三種類の有機性廃水（脂質を含む廃水、糖を含むを廃水、でんぷんを含む廃水）を用いてメタン発酵処理する場合の処理例である。
表３に原水性状を示す。
【表３】
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【００１９】
上記脂質を多く含む廃水、糖を含むを廃水、でんぷんを多く含む廃水を混合し、第１槽に投入しメタン発酵処理した場合（対照系列という：第１槽有効容量１Ｌ、第２槽有効容量２Ｌ、第３槽有効容量２Ｌ）と、対照系列と同じリアクターで脂質を多く含む廃水を第１槽に投入し、でんぷんを多く含む廃水を第２槽、糖質を多く含む廃水を第３槽に分注した場合（本法）について、比較実験を行った。各反応槽は撹拌機により均一に混合され、反応液は第１槽、第２槽、第３槽の順に流れるようになっている。ここでは、３５℃の中温メタン発酵処理で行った。対照系列は、脂質を多く含む廃水１５０ｍｌ／日、でんぷんを多く含む廃水５０ｍｌ／日、糖質を多く含む廃水５０ｍｌ／日を第１槽に投入し、本法は、脂質を多く含む廃水１５０ｍｌ／日を第１槽に、でんぷんを多く含む廃水５０ｍｌ／日を第２槽に、第３槽に糖質を多く含む廃水５０ｍｌ／日を投入した。
【００２０】
表４に、実験開始２ヶ月経過後のメタン発酵処理成績を示す。
【表４】
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ＣＯＤｃｒ負荷６．３ｋｇ／ｍ３・日の条件で、対照系列はＣＯＤｃｒ分解率５０％、発生ガス９．２ＮＬ／日、本法は、ＣＯＤｃｒ分解率８０％、発生ガス１４．７ＮＬ／日であった。このように、本法は、対照系列に比べて１．６倍のＣＯＤｃｒ分解率、ガス発生量が得られた。
【００２１】
【発明の効果】
２つ以上に仕切られたあるいは分離された多段槽又は栓流方式の槽を用いるメタン発酵処理において、メタン発酵しにくい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を槽の前段に、メタン発酵しやすい有機物を多く含む有機性廃棄物及び／又は廃水を槽の前段から後段に分注することにより、メタン発酵しにくい脂質、蛋白質を多く含む有機性廃棄物あるいは有機性廃水のメタン発酵処理おける有機物除去率を高くでき、メタンガス発生量を多くすることを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタン発酵処理に用いる装置の一例を示す概念図。
【図２】公知のメタン発酵処理に用いる装置の概念図。
【符号の説明】
１：原水管、２：処理水管、３：反応槽，３ａ〜３ｃ：仕切槽、４：発生ガス合流管、４ａ〜４ｃ：ガス抜き管、５ａ〜５ｃ：分注原水管、６：仕切部材
【図１】
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【図２】
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