(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽内に投入し、このメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、消化液として取出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽として第１発酵槽と第２発酵槽とを設置し、この第１発酵槽及び第２発酵槽内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床を配置し、
前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に投入し、前記第１発酵槽のろ床を通過させてメタン発酵させた後、前記第１発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液を前記第２発酵槽に投入し、前記第２発酵槽のろ床を通過させて再度メタン発酵させ、
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液と、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽のろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを消化液として取出し、
メタン発酵処理中に、前記第１発酵槽及び／又は第２発酵槽のろ床の洗浄を連続的又は定期的に行うことを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液の一部を前記第１発酵槽に返送する請求項１記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
前記第１発酵槽に返送する処理液を加温した後、前記第１発酵槽に返送する請求項２記載のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
少なくとも前記第１発酵槽内に、筒状のドラフトチューブを、その両端開口部が上下に向くように配置し、前記ろ床を前記ドラフトチューブの周辺に配置し、
前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記ドラフトチューブ内に供給し、該ドラフトチューブを通過させて前記ろ床に接触させると共に、メタン発酵によって前記第１発酵槽又は第２発酵槽から発生するバイオガスを前記ドラフトチューブ内に吹き込む請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項５】
前記第２発酵槽のろ床上方の液面を攪拌翼によって攪拌する請求項１〜４のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項６】
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の体積充填率が３０％以上である請求項１〜５のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項７】
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の洗浄を、攪拌洗浄、超音波照射、ガス吹き込みによるバブリングより選ばれる少なくとも１種によって行う請求項１〜６のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項８】
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床が流動床であって、該発酵槽とは別に前記流動床を洗浄するための洗浄槽が設けられ、前記流動床を前記発酵槽と前記洗浄槽との間を循環させることにより洗浄する請求項１〜７のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項９】
前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽におけるメタン発酵を５０〜６０℃で行う請求項１〜８のいずれか１つに記載のメタン発酵処理方法。
【請求項１０】
嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、
前記有機性廃棄物を含むスラリーをメタン発酵させるためのメタン発酵槽であって、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床が配置された、第１発酵槽及び第２発酵槽と、
前記第１発酵槽のろ床の上部から、前記第２発酵槽のろ床の下部へ前記有機性廃棄物を含むスラリーを送る手段と、
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液と、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽のろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、それぞれ取出す消化液取出し手段と、
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の洗浄手段とを有していることを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項１１】
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液の一部を、前記第１発酵槽に返送する返送手段を有している請求項１０記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１２】
前記返送手段が、前記液状の処理液を加温する手段を更に備える請求項１１記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１３】
少なくとも前記第１発酵槽内に、筒状のドラフトチューブが、その両端開口を上下に向けて配置され、前記ろ床は前記ドラフトチューブの周辺に配置されており、
前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記ドラフトチューブ内に供給し、該ドラフトチューブを通過させて前記ろ床に接触させる手段と、メタン発酵によって前記第１発酵槽又は第２発酵槽から発生するバイオガスを前記ドラフトチューブ内に吹き込む通気手段とを有する請求項１０〜１２のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１４】
前記第２発酵槽のろ床上方に、液面を攪拌する攪拌翼が設置されている請求項１０〜１３のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１５】
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の体積充填率が３０％以上である請求項１０〜１４のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１６】
前記洗浄手段が、攪拌洗浄、超音波照射、ガス吹き込みによるバブリングより選ばれる少なくとも１種である請求項１０〜１５のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１７】
前記ろ床が流動床であって、前記洗浄手段として、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽とは別の洗浄槽が設けられ、前記流動床を、前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽と、前記洗浄槽との間で循環させる循環手段を有している請求項１０〜１６のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１８】
前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽が温度調節手段を有している請求項１０〜１７のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。
【０００３】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができるとともに、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。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。表１には、このようなメタン発酵処理における一般的な運転条件の一例が示されている。
【０００４】
【表１】
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【０００５】
上記のメタン発酵における処理効率を向上させる各種の方法が検討されており、例えば下記の特許文献１、２には、発酵に先立って、有機性廃棄物を高圧による圧縮破砕機で粉砕、スラリー化して効率よく破砕することが開示されている。また、下記の特許文献３には、破砕機能を有するカッター付きポンプによって、有機性廃棄物を破砕しつつ、メタン発酵槽に投入することが開示されている。
【０００６】
更に、メタン発酵槽内に微生物を担体に担持したろ床を設けて処理効率を向上させることも検討されており、例えば、下記の特許文献４には、浮上性微生物固定化担体と沈降性微生物固定化粒状担体とを反応槽内に充填して排水の処理を行なうことが開示されている。
【０００７】
また、メタン発酵槽内に、メタン菌などの微生物の流出を防止するための分離膜を設けることも知られている。例えば、下記の特許文献５には、反応槽の外部循環流路内に設置した散気装置において作動気体を散気し、外部順循環流路の一端開口から反応槽に駆動流を吐出して反応槽を攪拌するとともに、反応槽と外部循環路とにわたって槽内液を循環させ、外部循環流路に配置した膜分離装置で槽内液を固液分離し、駆動流を掃流として、膜分離装置の膜面に作用させて洗浄することが開示されている。
【０００８】
更に、下記の特許文献６には、メタン発酵槽と、分解処理中の発酵槽内に浸漬されて残留固形分及び、発酵菌を分離しながら発酵液をろ過して処理する精密ろ過膜、前記分解時に生じるバイオガスを貯えるガスホルダー、並びに前記ガスホルダーに結合し且つ前記精密ろ過膜した下方に配置した散気管を備え、該散気管から発酵槽内へ放散したバイオガスの気泡の上昇流により前期精密ろ過膜の閉塞を防止してなる浸漬型膜利用メタン発酵システムが開示されている。
【０００９】
また、下記の特許文献７、８には、メタン発酵槽において反応槽を２つに分け、処理液を最初の槽に返送することが開示されている。
【００１０】
更に、下記の特許文献９、１０には、それぞれ超音波照射、ガスのバブリングによって発酵槽の洗浄を行うことが開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２２１５４１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３７７３０号公報
【特許文献３】特開２００２−２１０４３１号公報
【特許文献４】特開２００２−１０２８８１号公報
【特許文献５】特開２００１−１７０６３１号公報
【特許文献６】特開２０００−９４０００号公報
【特許文献７】特開２０００−１６７５８７号公報
【特許文献８】特開平１１−７７００５号公報
【特許文献９】特開平１０−１２８３６７号公報
【特許文献１０】特開平５−１６９０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の従来のメタン発酵処理方法のうち、特開平１１−２２１５４１号公報、特開平１０−１３７７３０号公報、特開２００２−２１０４３１号公報のような粉砕手段を用いる方法は機器コストが高額であり、使用電力量も大きくランニングコストも高い。
【００１２】
また、特開２００２−１０２８８１号公報の方法においては、担体を用いることが開示されているものの、担体はメタン菌の流出防止を目的に配置されており、難分解性の固形物や発酵不適物の分離除去については検討されていない。更に、特開２０００−１７０６３１号公報、特開２０００−９４０００号公報に記載されている方法においても同様で、メタン菌の流出防止が主目的とされており、難分解性の固形物や発酵不適物を分離除去する機能を持たせることを特徴とはしていない。
【００１３】
また、特開２０００−１６７５８７号公報、特開平１１−７７００５号公報の方法においては、処理液を返送する最初の槽は、いずれも生物可溶化を行う酸発酵槽として用いており、この槽ではメタン発酵を行っていないので、全体のメタン発酵処理効率が不充分であるという問題があった。
【００１４】
また、特開平１０−１２８３６７号公報、特開平５−１６９０８６号公報のような洗浄方法のみでは、連続的な高速高容積負荷を長期間維持することは困難であった。
【００１５】
このように、上記の従来技術においては、例えば滞留時間が３日以下の高速高容積負荷のメタン発酵槽を長期間安定に行うプラントの実現は困難であった。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、有機性廃棄物の前処理における機器コスト及びランニングコストを低減でき、しかも、高速高容積負荷のメタン発酵槽を長期間安定に行うことができるメタン発酵処理方法及び処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽内に投入し、このメタン発酵槽内でメタン発酵させた後、消化液として取出すメタン発酵処理方法において、
前記メタン発酵槽として第１発酵槽と第２発酵槽とを設置し、この第１発酵槽及び第２発酵槽内にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床を配置し、
前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記第１発酵槽に投入し、前記第１発酵槽のろ床を通過させてメタン発酵させた後、前記第１発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液を前記第２発酵槽に投入し、前記第２発酵槽のろ床を通過させて再度メタン発酵させ、
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液と、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽のろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを消化液として取出し、
メタン発酵処理中に、前記第１発酵槽及び／又は第２発酵槽のろ床の洗浄を連続的又は定期的に行うことを特徴とする。
【００１８】
本発明のメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵槽を第１発酵槽と第2発酵槽に分けて設置し、それぞれにろ床を配置したので、第１発酵槽内で、嫌気性微生物による可溶化を行うことができ、高圧プレスや、粉砕ポンプによる微粉砕等の前処理が不要となる。
【００１９】
そして、第１発酵槽内に設置したろ床によるフィルタリング効果によって、メタン菌の流出を抑制することができ、メタン発酵槽内のメタン菌濃度を高濃度に保持することができ、処理効率を向上できる。また、フィルタリング効果によって第２発酵槽へおくる１次発酵液のＳＳ（浮遊粒子）を除去することができる。また、粒径の大きな有機性廃棄物は、ろ床に捕らえられ、滞留時間を長くとって徐々に分解が進行する。
【００２０】
また、第２発酵槽ではＳＳ分の少ない液状の処理液を高速処理できるので、全体として高速高容積負荷のメタン発酵槽を行うことができる。また、メタン発酵処理中にろ床の洗浄を行うことで、上記の高速高容積負荷のメタン発酵槽を長期間安定に行うことができる。更に、ろ床を通過した消化液は、固形分の少ない液状の処理液として排出可能であるので、その廃液処理も容易である。
【００２１】
一方、本発明のメタン発酵処理装置は、
嫌気性微生物によって分解可能な有機性廃棄物をスラリー化してメタン発酵槽に導入するための有機性廃棄物供給手段と、
前記有機性廃棄物を含むスラリーをメタン発酵させるためのメタン発酵槽であって、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたろ床が配置された、第１発酵槽及び第２発酵槽と、
前記第１発酵槽のろ床の上部から、前記第２発酵槽のろ床の下部へ前記有機性廃棄物を含むスラリーを送る手段と、
前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液と、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽のろ床の下部に溜まる余剰汚泥とを、それぞれ取出す消化液取出し手段と、
前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の洗浄手段とを有していることを特徴とする。
【００２２】
これによっても、上記のメタン発酵処理方法と同様の作用効果が得られる。特に前処理として微粉砕装置が不要であるので、高速高容積負荷のメタン発酵処理が可能でありながら、高速装置全体をコンパクトにでき、設置コストやランニングコストを大幅に低減することができる。
【００２６】
また、本発明のメタン発酵処理方法及び装置においては、前記第２発酵槽のろ床の上部に溜まる液状の処理液の一部を前記第１発酵槽に返送することが好ましく、この場合、前記第１発酵槽に返送する処理液を加温した後、前記第１発酵槽に返送することがより好ましい。これによれば、第１発酵槽内のｐＨの低下による酸敗を防止することができる。
【００２７】
更に、本発明のメタン発酵処理方法及び装置においては、少なくとも前記第１発酵槽内に、筒状のドラフトチューブを、その両端開口部が上下に向くように配置し、前記ろ床を前記ドラフトチューブの周辺に配置し、前記有機性廃棄物を含むスラリーを前記ドラフトチューブ内に供給し、該ドラフトチューブを通過させて前記ろ床に接触させると共に、メタン発酵によって前記第１発酵槽又は第２発酵槽から発生するバイオガスを前記ドラフトチューブ内に吹き込むようにすることが好ましい。
【００２８】
これによれば、前記有機性廃棄物を含むスラリーがドラフトチューブ内を通過する際に、バイオガスによるバブリング作用及びリフトオフ上昇流を受けて、スラリー中の重いものはドラフトチューブの下方に沈降し、軽いものは液面に浮上するので、発酵に不適切な重いものや、軽いものを分離して、これらがろ床に滞留するのを防ぎ、安定した運転を実現することができる。
【００２９】
また、本発明のメタン発酵処理方法及び装置においては、前記第２発酵槽のろ床上方の液面を攪拌翼によって攪拌することが好ましい。これによれば、発酵槽上部に蓄積されやすい油脂状成分であるスカムの発生を防止することができる。仮に、スカムが発生したとしても、攪拌翼により攪拌してスカムを再分散させることができる。
【００３０】
更に、前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の体積充填率が３０%以上であることが好ましい。これによれば、ろ床のフィルタリング効果によって、メタン菌の流出を充分抑制してメタン発酵槽内のメタン菌濃度を高濃度に保持しつつ、難分解性の固形物や発酵不適物を分離除去も同時に行うことができる。
【００３１】
また、本発明のメタン発酵処理方法及び装置においては、前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床の洗浄を、攪拌洗浄、超音波照射、ガス吹き込みによるバブリングより選ばれる少なくとも１種によって行うことが好ましい。
【００３２】
また、前記第１発酵槽及び／又は前記第２発酵槽のろ床が流動床であって、該発酵槽とは別に前記流動床を洗浄するための洗浄槽が設けられ、前記流動床を前記発酵槽と前記洗浄槽との間を循環させることにより洗浄するように構成してもよい。
【００３３】
これによって、ろ床を連続的又は定期的に洗浄することができるので、ろ床内に付着する余剰汚泥、難分解性の固形物や発酵不適物の洗浄を行うことができ、長期間の運転においても、ろ床の閉塞等のトラブルを防止してメタン発酵を安定して行うことができる。
【００３４】
更に、本発明のメタン発酵処理方法では、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽におけるメタン発酵を５０〜６０℃で行うことが好ましく、本発明のメタン発酵処理装置では、上記のような発酵温度を維持するために、前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽が温度調節手段を有していることが好ましい。これによれば、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理することができ、発酵処理能力をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、例えば、滞留時間が３日以下である、高速高容積負荷のメタン発酵処理を長期間安定的に行うことができるメタン発酵処理方法及び装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて更に詳細に説明する。
【００３７】
図１〜３には、本発明のメタン発酵処理装置の第一の実施形態が示されている。図１はメタン発酵処理装置の概略構成図、図２、３は、図１におけるメタン発酵槽（第１発酵槽又は第２発酵槽）の構成の一例を示す一部切欠き図である。
【００３８】
まず、図１の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粗砕する粉砕機１１と、微粉砕した有機性廃棄物を貯留してスラリー調製するためのスラリー調整槽１２と、２つのメタン発酵槽である第１発酵槽１３、第２発酵槽１４と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー１５とから主に構成されている。そして、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４内には、それぞれろ床２１、２２が配置されている。
【００３９】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機１１は、供給配管によって、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽１２に連結されるように構成され、更に、スラリー調整槽１２からの供給配管が第１発酵槽１３の底部に接続されている。スラリー調整槽１２と第１発酵槽１３とを接続する供給配管には、図示しないポンプ等が設けられており、第１発酵槽１３に有機性廃棄物を供給する有機性廃棄物供給手段となる。
【００４０】
第１発酵槽１３と第２発酵槽１４とは、ポンプ３１を介して直列に連結されており、第１発酵槽１３の上部空間からの配管が、ポンプ３１を介して、第２発酵槽１４の底部に接続され、第１発酵槽１３のろ床２１の上部から、第２発酵槽１４のろ床２２の下部へ有機性廃棄物を含むスラリーを送る手段となっている。そして、第２発酵槽１４の上部空間からの配管が、ポンプ３２を介して、廃液処理装置１６に送られるように構成されており、消化液取出し手段となる。なお、この第２発酵槽１４の上部空間からの配管は途中で分岐しており、加温する手段である熱交換器１７を介して第１発酵槽１３の上部空間に接続され、第２発酵槽１４からの消化液の一部が熱交換器１７で加温されて第１発酵槽１３へ返送可能となっており、第２発酵槽１４のろ床２２の上部に溜まる液状の処理液の一部を、第１発酵槽１３に返送する返送手段を構成している。
【００４１】
第１発酵槽１３、第２発酵槽１４の上部空間からは、ガスホルダー１５に連結される配管が接続されており、それぞれの発酵槽において発生したバイオガスが、ガスホルダー１５に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー１５に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として有効利用されるようになっている。
【００４２】
なお、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４の底部からは、ろ床２１、２２の下部から余剰汚泥を取出す手段である配管が接続されており、それぞれの配管はポンプ３３を介して固液分離装置１８に接続され、固液分離後の液体が廃液処理装置１６に送られるように構成されている。
【００４３】
次に、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４について、図２、３を併せて参照しながら説明する。
【００４４】
第１発酵槽１３、第２発酵槽１４内には、それぞれろ床２１、２２が配置されており、両者は基本的には同じ構成となっている。この第１発酵槽１３、第２発酵槽１４には、発酵槽内を一定温度に保ち、発酵を促進するためにヒーター等の温度調整手段を備えていることが好ましい。
【００４５】
ろ床２１、２２としては特に限定されないが、例えば合成樹脂素材又は繊維素材からなる担体にメタン菌等を付着・担持したものからなる。
【００４６】
図２、３を併せて参照すると、ろ床２１、２２の形態は、接触面積を増加させるために各種形態とすることができ、例えば、ろ床２１、２２が固定床の場合には、図２のろ床２１ａ（２２ａ）のような中空円筒状でもよく、図３のろ床２１ｂ（２２ｂ）のような板状であってもよい。
【００４７】
このような固定床の場合、ろ床２１、２２は、上記担体を互いに平行になるように規則的に配置して構成することが好ましい。例えば、図２に示すように、第１発酵槽１３（１４）内に、複数本の中空円筒状の担体を垂直方向に並列に配置・充填したものでもよく、図３に示すように、複数枚の板状の担体を垂直方向に並列させて配置・充填したものでもよい。これにより、限られた容積内に固定化微生物をより多く充填することができるとともに、スラリーと微生物との接触面積を大きくすることができる。
【００４８】
なお、スラリーを循環させる場合には、上記担体の配列方向を、循環経路に沿った方向とすることが好ましく、それによって循環抵抗を少なくすると共に、固定化微生物表面にスラリーが均一に接触するようにすることができる。
【００４９】
また、本発明においては、ろ床は固定床には限定されず、例えば、後述する図４のろ床２１ｃ（２２ｃ）に示すような、塊状の担体を分散させた流動床であってよい。
【００５０】
担体を構成する材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ビニロン樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ピリジウムポリマーなどの合成樹脂素材や、炭素繊維などの繊維素材を用いることができる。本発明においては、上記合成樹脂素材を多孔質状に成形したもの、例えば不織布や発泡体などが好ましく用いられる。また、繊維素材を紐状に編み込んだものも好ましく用いられ、このような多孔質状の担体を用いることにより、担体の表面積を増大することができるので、担体に付着・担持できるメタン菌等の数を大幅に増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止できる。このような担体として、例えば、菊花弁型バイオフレックス担体（商品名：株式会社日本バイリーン製）や、バイオコード（商品名：ティビーアール株式会社製）などの紐状の担体等が挙げられる。
【００５１】
ろ床２１、２２の体積充填率は３０％以上であることが好ましく、３０〜６０％であることがより好ましい。なお、ろ床の体積充填率とは、ろ床を充填する容積（容器）に対する、ろ床のみかけ体積の体積充填率のことをいい、例えば図２の場合、第１発酵槽１３（１４）の円筒形容器の容積に対する、ろ床２１ａ（２２ａ）の体積の占有率を意味する。体積充填率が３０％未満であると、ろ床に付着する菌数が低下し、滞留日数３日以下の処理が困難になる。また、分解率やガス化率の低下を招くので好ましくない。
【００５２】
また、図２に示すように、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４内には、ろ床の洗浄を行うための洗浄手段が設けられている。
【００５３】
図２において、棒超音波ホモジナイザ４１は、超音波照射による洗浄手段であり、バイオガス循環ポンプ４３は、発酵によって生成したガスを回収するとともに、そのガスの一部を発酵槽の下部に吹き込んでバブリングする攪拌手段であり、攪拌機４２は、発酵槽内にモーターによって回転する撹拌羽根を取り付けて、発酵槽内のスラリーを機械的に混合・撹拌する洗浄手段である。なお、攪拌羽根にはブラシが取り付けられており、担体に圧力をかけて付着汚泥を押出すことができる構造のものを用いることがより好ましい。本発明における洗浄手段はこれらに限定されるものではなく、また、これらの洗浄手段は単独で使用してもよく複数の洗浄手段を組み合わせて用いてもよい。
【００５４】
次に、上記のメタン発酵処理装置を用いた有機性廃棄物のメタン発酵処理方法について説明する。
【００５５】
図１に示すように、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物は、粉砕機１１により粗砕された後、スラリー調整槽１２に投入される。このスラリー調整槽１２では、必要に応じて加水し、固形物濃度１０〜２０質量％となるように調整される。このようにメタン発酵処理に供する有機性廃棄物を粉砕、スラリー化することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。
【００５６】
なお、本発明においては、後述する第１発酵槽１３において嫌気性微生物により可溶化を行うため、高圧プレスや微粉砕機による微粉砕は不要であり、前処理工程が簡略化されている。
【００５７】
このスラリーは第１発酵槽１３に送られ、該発酵槽内でメタン発酵が行なわれる。なお、この実施形態においては、第１発酵槽１３内の下方から入ったスラリーは、ろ床２１を通過して上方に向かう上向流となる。その後、スラリーは第１発酵槽１３からポンプ３１を介して第２発酵槽１４の下部に送られ、第２発酵槽１４内に配置されたろ床２２を上方に向かって通過した後、第２発酵槽１４の上部からポンプ３２によって引き抜かれて廃液処理装置１６に送られる。そして、廃液処理装置１６において、例えば硝化・脱窒反応等を行ってアンモニアを除去した後、排水されることになる。なお、第１発酵槽１３のろ床２１の下部、第２発酵槽１４のろ床２２の下部に溜まる余剰汚泥は、ポンプ３３によって定期的に引き抜かれる。この余剰汚泥は、固液分離装置１８によって固液分離され、固体部分は必要に応じてコンポスト化されると共に、液体部分は廃液処理装置１６に送られる。また、発生したバイオガスは、第１発酵槽１３及び第２発酵槽１４の上部空間からガスホルダー１５に送られて、エネルギー等として使用される。
【００５８】
なお、必要に応じて、ポンプ３２によって引き抜かれた処理液の一部は第１発酵槽１３に返送される。このとき、処理液は、高温メタン発酵に適する５０〜６０℃に加温して返送されることが好ましい。このときの返送は第１発酵槽１３内におけるｐＨの低下によう酸敗を防止するためのものであるので、第１発酵槽１３内におけるｐＨが６．５〜７．５となるように返送量を設定することが好ましい。
【００５９】
このように、第１発酵槽１３と第２発酵槽１４とで２段階に分けてメタン発酵を行うことにより、第１発酵槽１３内では嫌気性微生物による可溶化を行うことができ、高圧プレスや、粉砕ポンプによる微粉砕等の前処理が不要となる。そして、第１発酵槽１３内に設置したろ床２１によるフィルタリング効果によって、難分解性の固形物や発酵不適物を分離除去することができる。一方、第２発酵槽１４においては、ＳＳ（浮遊粒子）の少ない処理液が送られるので短時間での処理が可能であり、全体として高速高容積負荷のメタン発酵槽を行うことができる。
【００６０】
本発明において、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４におけるメタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定できるが、例えば、固形物濃度２０質量％の有機性廃棄物を処理する場合は、第１発酵槽１３と第２発酵槽１４との合計でＣＯＤ負荷を最大６０ｇCODCr／Ｌ／dまで安定に処理できる。また、発酵槽温度は高温メタン菌による発酵が可能な５０〜６０℃で行なうことが好ましい。こうすると、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理することができ、発酵処理能力を向上させることができ、融点の高い高級脂肪酸などの溶解度も高くなるため油脂状成分であるスカムの形成が生じ難くなる。この際の温度は、より好ましくは５３〜５７℃である。
【００６１】
また、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４における発酵液中のアンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）濃度は８００〜１８００ｍｇ／Ｌの範囲が好ましい。ＮＨ４−Ｎ濃度が高過ぎる場合には水又は廃液の脱窒処理液で希釈すればよく、低過ぎる場合には炭酸アンモニウムを追加すればよい。また、ｐＨは６．５〜７．５に維持することが好ましい。ｐＨの調整は重炭酸ナトリウム塩酸の添加によって行うことができる。
【００６２】
また、第１発酵槽１３と第２発酵槽１４とで別の攪拌方法や温度制御を行ってもよい。この場合、例えば第１発酵槽１３では３０〜４０℃の中温メタン発酵を行ない、第２発酵槽１４で５０〜６０℃の高温メタン発酵を行なうことが好ましい。また、一方の発酵槽でろ床が閉塞して処理効率が低下した場合でも、他方の発酵槽を停止することなく、処理効率が低下した方のろ床交換や除去操作が可能になる。
【００６３】
更に、本発明においては、上記のメタン発酵処理中にろ床２１、２２の洗浄を行う。洗浄方法としては、図２における棒超音波ホモジナイザ４１を用いた超音波照射洗浄、攪拌機４２を用いた攪拌洗浄、バイオガス循環ポンプ４３を用いたバイオガスによるバブリング洗浄等によって行うことができる。なお、超音波洗浄、攪拌洗浄の頻度は、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４ともに、１〜６回／週で行うことが好ましく、ガスバブリング洗浄では、それぞれスラリー投入時に合わせた６〜２４回／日で行うことが好ましい。
【００６４】
以上のように、上記のメタン発酵処理装置を用いた処理方法によれば、第１発酵槽１３によって前処理での機器コスト、また、ランニングコストを低減し、難分解性の固形物や発酵不適物を分離除去する機能を持たせることができ、更に第２発酵槽１４でのメタン発酵処理を連続して行い、必要に応じて処理液を第１発酵槽に循環返送することで、高効率なメタン発酵処理を安定して行うことができる。
【００６５】
図４には、本発明のメタン発酵処理装置における第二の実施形態が示されている。
【００６６】
この実施形態においては、第１発酵槽１３（第２発酵槽１４）とは別に、洗浄槽１９が設けられており、ポンプ３４によって、発酵槽内の流動床であるろ床２１ｃ（２２ｃ）が第１発酵槽１３（第２発酵槽１４）と洗浄槽１９の間を循環できるように構成されている。
【００６７】
洗浄槽１９には、図２と同様のバイオガス循環ポンプ４３によるバブリング洗浄手段が設けられており、生成するバイオガスの一部のバブリングによってろ床の洗浄が可能なように構成されている。
【００６８】
この実施形態によれば、洗浄前のろ床２１ｃ（２２ｃ）が、洗浄槽１９を通過し、ここで洗浄が行われて、洗浄後のろ床２１ｃ’（２２ｃ’）が第１発酵槽１３（第２発酵槽１４）に返送されて循環が行われる。このように、本発明においては、洗浄は発酵槽とは別の槽で行われてもよい。
【００６９】
この場合、洗浄手段は特にバブリングに限定されず、図２のような超音波洗浄や攪拌洗浄等の手段を用いてもよい。また、洗浄槽１９は、図２のようにそれぞれの発酵槽ごとに設けられていてもよく、第１発酵槽１３と第２発酵槽１４とで洗浄槽１９を共有してもよい。
【００７０】
図５には、本発明のメタン発酵処理装置における第三の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。
【００７１】
図６を併せて参照すると、この実施形態では、第１発酵槽１３の内部に、ドラフトチューブ２３が配置される構造となっている点が、前記実施形態と異なっている。すなわち、第１発酵槽１３の内部には、円筒形状のドラフトチューブ２３が、その両端開口部が上下に向くように配置されている。
【００７２】
このドラフトチューブ２３には、スラリーが供給されたり、バイオガスを吹き込まれたりされる部材であり、金属や樹脂にて形成されている。この実施形態のドラフトチューブ２３の場合、軸方向に沿って同一径をなしているが、例えば、上端や下端を拡径させたり縮径させたりしてもよい。こうすると、ドラフトチューブ２３内でのスラリー及びバイオガス等の流速や、これらを攪拌する際の攪拌効果を、使用目的等に併せて適宜決定可能となる。また、円筒形状のドラフトチューブ２３の外周には、複数個の円筒形状をなしたろ床２１ｄがほぼ等間隔にて配置されている。
【００７３】
更に、ドラフトチューブ２３の内部には、２本の管が配管されている。一方は、スラリーをドラフトチューブ２３内に供給するための、スラリー供給管５１である。このスラリー供給管５１は、一端がスラリー調整槽１２の下方に接続され、ポンプ３５を介して、他端がドラフトチューブ２３内の下方に配置されている。このスラリー供給管５１は、スラリー調整槽１２内のスラリーをドラフトチューブ２３内に供給し、ドラフトチューブ２３内を通過させて、ろ床２１ｄに接触させる手段となっている。
【００７４】
なお、ドラフトチューブ２３は、第１発酵槽１３のみならず、第２発酵槽１４に設け、その周辺にろ床２２ｄを配置しておいてもよい。
【００７５】
また、ドラフトチューブ２３内の管の他方は、第１発酵槽１３のろ床２１ｄにスラリーが通過した際に生じるバイオガスを、ドラフトチューブ２３内に吹き込むためのバイオガス吹き込み管５２である。このバイオガス吹き込み管５２は、その一端が、第１メタン発酵槽１３の上部空間とガスホルダー１５とを連結する配管５７の途中に、ブロア３６を介して接続されており、他端がドラフトチューブ２３内に配置されている。
【００７６】
したがって、ガスホルダー１５に貯蔵されたバイオガスや、第１発酵槽１３内にて発生し、ガスホルダー１５へ送り込まれる途中のバイオガス等を、ブロア３６によってドラフトチューブ２３内に吹き込むことが可能となる。こうして、ドラフトチューブ２３内にバイオガスを吹き込む通気手段が構成されている。
【００７７】
また、第２発酵槽１４内で発生したバイオガスをガスホルダー１５に送る配管５８を、第１発酵槽１３とガスホルダー１５とを連結する配管５７に接続することにより、第２発酵槽１４内で発生したバイオガスも、バイオガス吹き込み管５２を通してドラフトチューブ２３内に吹込み可能となる。
【００７８】
また、バイオガス吹き込み管５２は、ドラフトチューブ２３内以外にも、第１発酵槽１３のろ床２１ｄ、若しくは第２発酵槽１４のろ床２２ｄの下部に、バルブ等の切り替え手段を介して配管してもよい。更に、ろ床２１ｄ、ろ床２２ｄの下方に散気盤５３、５４をそれぞれ設置し、これにバイオガス吹き込み管５２を、前述のバルブ等の切り替え手段を介して連結しておいてもよい。このようにすればバイオガスを、ろ床２１ｄ、２２ｄの下側から吹き込んで、バブリングして攪拌することが可能となる。
【００７９】
更に、第２発酵槽１４のろ床２２ｄの上方には、モーター等の回転駆動手段を備える攪拌機５５に接続され、ろ床２２ｄ上方に溜まった処理液を攪拌する攪拌翼５６を配置してもよい。これによれば、発酵槽上部に蓄積されやすいスカムの発生を防止し、万一、スカムが発生したとしても、攪拌翼５６によりスカムを攪拌して再分散させることができる。
【００８０】
そして、第１発酵槽１３の下方からの配管が、図示しないポンプ等を介して、第２発酵槽１４の上方に接続されている。この配管により、第１発酵槽１３内のスラリーが第２発酵槽１４に送られるようになっている。
【００８１】
また、第２発酵槽１４の底部から、余剰汚泥や、発酵に不適切なスラリー中の重いもの等を取出す配管が接続され、その配管は図示しないポンプ等を介して、廃液処理装置１６に送られるように構成されている。
【００８２】
次に、この実施形態にメタン発酵処理装置を用いた場合の有機性廃棄物のメタン発酵処理について説明する。なお、基本的な工程は前記実施形態と同様であり、異なる点について詳述する。
【００８３】
図５に示されるように、有機性廃棄物は粉砕機１１で粗砕され、スラリー調整槽１２に投入後、適宜加水されてスラリー化され、スラリー供給管５１によって、第１発酵槽１３のドラフトチューブ２３内に供給される。一方、ブロア３６及びバイオガス吹き込み管５２により、バイオガスがドラフトチューブ２３内に吹き込まれるようになっている。そのため、ドラフトチューブ２３内では、バイオガスがスラリーを押しのけて上方へと流れるとともに、スラリーが上向きに持上げられて、いわゆるリフトオフ上昇流が発生し、循環するようになる。また、スラリーはバイオガスの吹き込みによりバブリングされる。なお、スラリーをドラフトチューブ２３内に供給し始める際にはバイオガスは発生していないが、その際には、ブロア３６等による気流がドラフトチューブ２３内に送られる。
【００８４】
こうして、スラリーはドラフトチューブ２３内を通過する際に、バイオガスによるバブリング作用及びリフトオフ上昇流を受けて攪拌分散されて、スラリー中の重いものはドラフトチューブ２３の下方に沈降し、軽いものは液面に浮上するので、発酵に不適切な重いものや、軽いものを分離することができる。また、リフトオフ上昇流により、スカムの発生を防止することができ、仮にスカムが生じても攪拌して再分散可能となる。
【００８５】
そして、ドラフトチューブ２３内のリフトオフ上昇流によって移動したスラリーがドラフトチューブ２３の上部開口から溢れると、ドラフトチューブ２３の外側において下降流となり、ドラフトチューブ２３の外周に配置されたろ床２１ｄを通過しながら下方に移動する。こうして、ドラフトチューブ２３内を上昇する流れと、ドラフトチューブ２３外で下降する流れとにより、循環流が形成される。
【００８６】
この循環流により第１発酵槽１３内の温度を一定とすることができ、発酵に不適切なものを分離したスラリーのみを、ろ床２１ｄに通過させてメタン発酵させるので、ろ床２１ｄの目詰まりや、それに伴うろ床２１ｄの閉塞、或いは、メタン発酵効率の低下、更には、第１発酵槽内の閉塞等を効果的に防止し、安定した運転を実現することができる
なお、スラリー中の発酵に不適切な重いものとは、例えば、金属片、石、砂、貝殻等の夾雑物であり、軽いものとは、例えば、ビニール片等の夾雑物である。そして、スラリーから分離した発酵に不適切な重いものは、各発酵槽の下部から図示しないポンプ等によって定期的に引き抜かれる。スラリーから分離した軽いものも、各発酵槽の上部から、定期的に除去して発酵槽の安定運転を確保している。
【００８７】
更に、第１発酵槽１３、第２発酵槽１４内のろ床２１ｄ、２２ｄに付着した余剰汚泥、難分解性の固形物や発酵不適物を分離除去するため、前述のように、ろ床２１ｄ、ろ床２２ｄの下部に散気盤５３、５４を設置し、これにバルブ等の切り替え手段を介して、バイオガス吹き込み管５２を連結し、バイオガスをろ床２１ｄ、２２ｄの下方から吹き込めるようにしたので、汚泥がろ床２１ｄ、２２ｄの担体中に溜まりはじめても、上記バイオガスによるバブリングによって付着汚泥を剥離でき、長期運転による、ろ床２１、２２ｄの目詰まりや閉塞等の恐れがより少なくなる。
【００８８】
第２発酵槽４で処理された廃液は、ポンプ３２によって廃液処理装置１６に送られ、例えば硝化・脱窒反応等を行ってアンモニアを除去した後、排水されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明のメタン発酵処理方法及び装置は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の、有機性廃棄物のメタン発酵処理に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のメタン発酵処理装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【図３】同処理装置におけるメタン発酵槽の他の例を示す一部切欠き斜視図である。
【図４】本発明のメタン発酵処理装置の第二の実施形態におけるメタン発酵槽付近の概略構成図である。
【図５】本発明のメタン発酵処理装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。
【図６】同処理装置におけるメタン発酵槽の一例を示す一部切欠き斜視図である。
【符号の説明】
【００９１】
１１：粉砕機
１２：スラリー調整槽
１３：第１発酵槽
１４：第２発酵槽
１５：ガスホルダー
１６：廃液処理装置
１７：熱交換器
１８：固液分離装置
１９：洗浄槽
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｃ’、２１ｄ：ろ床
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｃ’、２２ｄ：ろ床
２３：ドラフトチューブ
３１、３２、３３、３４、３５：ポンプ
３６：ブロア
４１：棒超音波ホモジナイザ
４２：攪拌機
４３：バイオガス循環ポンプ
５１：スラリー供給管
５２：バイオガス吹き込み管
【図１】
0004604600.tif 000003
【図２】
0004604600.tif 000004
【図５】
0004604600.tif 000005
【図６】
0004604600.tif 000006
【図３】
0004604600.tif 000007
【図４】
0004604600.tif 000008