(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度が３０質量％以上の有機性廃棄物を好気的条件で好気発酵させることにより、前記有機性廃棄物の一部を好気性微生物に転換させた好気発酵中間物を得る好気処理工程と、
前記好気発酵中間物と、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と、を混合して乾式メタン発酵させるメタン発酵工程と、を有する有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
前記好気処理工程において、前記有機性廃棄物に含まれる有機物が７０質量％以上、９０質量％以下になるまで該有機性廃棄物を好気的条件で分解させる請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
前記好気処理工程において、前記好気発酵中間物の乾燥重量あたりの微生物濃度が１０５個／ｇ以上１０９個／ｇ以下の範囲となるまで前記有機性廃棄物を好気発酵させる請求項１または２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
前記メタン発酵工程において、４５〜６０℃で高温乾式メタン発酵を行う請求項１から３のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項５】
Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度３０質量％以上の固形状の有機性廃棄物が導入され、前記有機性廃棄物を好気的条件で好気発酵させる、酸素含有ガス供給手段を備える好気発酵槽と、
前記好気発酵槽から取り出された好気発酵中間物が導入され、該好気発酵中間物と全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥とが混合された状態で乾式メタン発酵が行われるメタン発酵槽と、を有し、
前記好気発酵槽は、前記有機性廃棄物に含まれる有機物が７０質量％以上、９０質量％以下になるまで該有機性廃棄物を分解させる容量とされている有機性廃棄物の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させる有機性廃棄物の処理方法および処理装置に関し、特に、Ｃ／Ｎ比が２０以下で固形物濃度が３０質量％以上である固形状の有機性廃棄物の処理方法および処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機性廃棄物をエネルギー源として利用する方法として、メタン発酵が知られている。近年ではメタンガスが新たなエネルギー源として注目されており、剪定枝、稲藁、および籾殻等の植物残渣、生ごみ、食品加工物残渣、並びに家畜糞尿等の固形状の有機性廃棄物からメタンガスを取り出す技術が注目されている。
【０００３】
ここで、メタン発酵は、原料の有機性廃棄物の全固形物（ＴＳ）濃度により湿式メタン発酵と乾式メタン発酵とに大別される。湿式メタン発酵では、メタン細菌を含むメタン汚泥が液体中に浮遊した状態、または粒状に集積した状態で発酵槽内に保持され、有機性廃棄物は、ＴＳ濃度が４〜１０質量％程度の液状またはスラリ状で発酵槽に導入される。このように、湿式メタン発酵では液状化した有機性廃棄物を処理対象とするため、生ごみのような固形物濃度が高い有機性廃棄物を処理する場合、メタン発酵に先立ち、有機性廃棄物を可溶化する処理を行い、メタン発酵を促進する方法が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。
【０００４】
一方、乾式メタン発酵では、有機性廃棄物は、ＴＳ濃度が２５〜６０重量％程度というほぼ固体に近い状態で発酵槽に導入され、発酵槽内には、ＴＳ濃度が１５〜４０質量％程度の固形状のメタン汚泥（乾式メタン汚泥）が保持される。このように、乾式メタン発酵によれば固形状の有機性廃棄物をメタン発酵させることができるため、固形状有機性廃棄物を原料としてメタンガスを発生させる技術として、近年、乾式メタン発酵に注目が集まっている。
【０００５】
ところで、固形状有機性廃棄物の中でも、生ごみ、食品加工物残渣、および家畜糞尿は蛋白質、すなわち有機態窒素を多く含み、Ｃ／Ｎ比（炭素／窒素の質量比）が２０以下と低い。このようにＣ／Ｎ比が低い有機性廃棄物（以下、「低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物」）をメタン発酵すると、有機物が分解されてメタンガスが生成されると同時に、有機態窒素が分解されてアンモニア態窒素も生成される。
【０００６】
メタン細菌の活性は、高濃度の遊離性のアンモニア態窒素により阻害され、メタン汚泥中のアンモニウム（ＮＨ４＋）濃度が２，５００ｍｇ／ｋｇ以上になると、メタン発酵活性が著しく阻害され、メタン発酵が停止することが知られている。このため、有機性廃棄物のメタン発酵処理においては、遊離性のアンモニア態窒素によるメタン発酵活性の阻害（以下、「アンモニア阻害」と略する）の防止は重要な技術課題であり、従来、アンモニア阻害を防止するための様々な方法が提案されている。
【０００７】
アンモニア阻害を防止する方法としては、有機性廃棄物を水で希釈する方法、酸素およびアンモニアを実質的に含まない気体を発酵槽内の混合物に通気することでアンモニアを気相に揮散させる方法、およびリン酸マグネシウムアンモニウム（以下、「ＭＡＰ」）を生成させてアンモニアを不溶化させる方法等が提案されている。また、複数種類の有機性廃棄物を混合するといった方法で、有機性廃棄物の物理化学的性状を変化させる方法も提案されている。例えば、特許文献３にはメタン発酵に先立ち、Ｃ／Ｎ比が比較的高い籾殻のような植物残渣、およびＣ／Ｎ比が比較的低い豆腐粕等を混合し、得られた混合物を好気的に発酵させる方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３２７９９８号公報
【特許文献２】特開２００３−３９０９６号公報
【特許文献３】特開２００２−１５４８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記アンモニア阻害の問題は、乾式、湿式を問わずメタン発酵を行う場合に共通する課題であるが、乾式メタン発酵では湿式メタン発酵に比してアンモニア阻害が生じやすい。すなわち、湿式メタン発酵では発酵槽に対する有機物負荷は２〜８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度であるのに対し、乾式メタン発酵では発酵槽に対する有機物負荷は８〜１８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度に達するため、そもそも乾式メタン発酵では湿式メタン発酵に比べて多くのアンモニア態窒素が生成される。
【０００９】
例えば、蛋白質等の有機態窒素濃度が１０，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）の有機性廃棄物を有機物分解率５０％でメタン発酵させると、５，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）のアンモニア態窒素が発生する。発生したアンモニア態窒素のうち一部は微生物により消費されるが、４，０００ｍｇ／ｋｇ程度ものアンモニア態窒素がメタン発酵中の汚泥に存在することになる。
【００１０】
さらに、湿式メタン発酵では、メタン発酵が液系で行われるため、メタン発酵過程で生成されるアンモニア態窒素は多くの液体で希釈される。一方、乾式メタン発酵では、原料有機物のＴＳ濃度が高いため、メタン発酵の過程で生成されたアンモニア態窒素は少量の水に溶解して濃縮された状態になると考えられる。このため、乾式メタン発酵では湿式メタン発酵に比してアンモニア阻害が生じやすく、中でもＣ／Ｎ比が２０以下の有機性廃棄物を被処理物とする場合はアンモニア阻害の問題が生じやすい。
【００１１】
しかし、湿式メタン発酵において有効なアンモニア阻害防止法であっても、乾式メタン発酵に適用できない場合も多い。例えば、有機性廃棄物を水で希釈すると発酵槽内のＴＳ濃度が低下して乾式メタン発酵ができなくなるおそれがある。また、発酵槽に投入する有機性廃棄物の含水率が高くなると、発酵槽から排出される発酵残渣に含まれる水分が多くなり、発酵残渣の処理および排水処理のコスト上昇を招く。
【００１２】
さらに、乾式メタン発酵は、ほぼ固形状の乾式メタン汚泥と有機性廃棄物とを固相でメタン発酵させる方法であり、メタン発酵により生成されたアンモニア態窒素の多くは固形物中に包含される少量の水分に溶解した状態となる。このため、乾式メタン発酵では、アンモニアを除去したガスの吹込みによりアンモニアを揮散させることは容易ではなく、メタン発酵させる有機性廃棄物の窒素、リン、およびマグネシウムの濃度のバランスをＭＡＰ生成に適した範囲に維持してＭＡＰを生成させることも困難である。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みてなされ、固形状の低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を乾式メタン発酵する際のアンモニア阻害を防止することを目的とする。また、本発明はスチーム吹込み等により有機性廃棄物を加温することなく４５〜６０℃での高温乾式メタン発酵を行うことを可能とし、発酵残渣の処理コストの上昇を抑制できる有機性廃棄物の処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、乾式メタン発酵を行うメタン発酵工程に先立ち、有機性廃棄物を好気的条件で好気発酵させ、有機性廃棄物に含まれる有機態窒素を好気性細菌の菌体中に固定することでアンモニア阻害を防止できることを見出し、本発明を完成させた。具体的には、本発明は、以下を提供する。
【００１５】
（１）Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度が３０質量％以上の有機性廃棄物を好気的条件で好気発酵させることにより、前記有機性廃棄物の一部を好気性微生物に転換させた好気発酵中間物を得る好気処理工程と、前記好気発酵中間物と、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と、を混合して乾式メタン発酵させるメタン発酵工程と、を有する有機性廃棄物の処理方法。 
【００１６】
（２）  前記好気処理工程において、前記有機性廃棄物に含まれる有機物が７０質量％以上、９０質量％以下になるまで該有機性廃棄物を好気的条件で分解させる（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【００１７】
（３）  前記好気処理工程において、前記好気発酵中間物の乾燥重量あたりの微生物濃度が１０５個／ｇ以上１０９個／ｇ以下の範囲となるまで前記有機性廃棄物を好気発酵させる（１）または（２）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【００１８】
（４）前記メタン発酵工程において、４５〜６０℃で高温乾式メタン発酵を行う（１）から（３）のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理方法。 
【００１９】
（５）Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度３０質量％以上の固形状の有機性廃棄物が導入され、前記有機性廃棄物を好気的条件で好気発酵させる、酸素含有ガス供給手段を備える好気発酵槽と、前記好気発酵槽から取り出された好気発酵中間物が導入され、該好気発酵中間物と全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥とが混合された状態で乾式メタン発酵が行われるメタン発酵槽と、を有し、前記好気発酵槽は、前記有機性廃棄物に含まれる有機物が７０質量％以上、９０質量％以下になるまで該有機性廃棄物を分解させる容量とされている有機性廃棄物の処理装置。
【００２０】
本発明は、全固形物濃度が３０％以上、特に３５〜５５質量％程度の固体または泥状（これらを「固形状」と総称する）の有機性廃棄物を処理対象とする方法である。本発明は、固形状有機性廃棄物の中でも、炭素（Ｃ）／窒素（Ｎ）の質量比が２０以下、好ましくは１８以下で、特に好ましくは特に３〜１２程度であって窒素含有量が多い固形状有機性廃棄物（固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物）を好適な処理対象とする。固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物の具体例としては、一般家庭およびレストラン等の事業所から排出される生ごみ、家畜糞尿、および食品加工産業に伴って排出される食品加工物残渣（以下、単に「食品残渣」と称する）が挙げられる。また、下水および屎尿処理等に伴って発生する有機性汚泥の脱水物（以下、「脱水ケーキ」）も本発明の処理対象としてよい。
【００２１】
有機性廃棄物は、有機物以外に１〜３０質量％程度の無機物を含んでよい。なお、本明細書において、「有機物」とは６００℃での強熱減量可能な炭素化合物を指し、以下、「ＶＳ」と省略する場合がある。
【００２２】
有機性廃棄物は、好気性微生物、特に好熱性好気性細菌を含む好気発酵汚泥と混合し、好気発酵槽において空気等の酸素含有気体を供給しながら、好気的に生物処理する。本発明では、有機性廃棄物を好気的に発酵させる好気処理工程において、有機性廃棄物の一部を好気発酵汚泥により分解させた状態で好気処理を終了し、好気発酵途中の前記有機性廃棄物（好気発酵中間物）をメタン発酵工程に送る。
【００２３】
好気処理工程では、好気発酵槽に対して空気等の酸素含有ガスを供給することにより、槽外に排出される気体の酸素濃度が１０体積％以上となるように維持することが好ましい。また、好気発酵槽への酸素含有ガスの供給量を調整するなどして、好気発酵槽の槽内温度を６０〜８０℃、特に６５℃〜７０℃程度に維持した状態で行うことが好ましい。
【００２４】
好気処理を終了するタイミングは、好気発酵槽に導入された有機性廃棄物の重量、菌体濃度、有機性廃棄物の好気処理により発生するアンモニアの発生量のいずれか１以上を指標として決定できる。また、所定量の有機物が分解されるまでに必要な有機性廃棄物の処理時間、すなわち好気発酵槽での滞留時間を予備実験等により求め、所定の滞留時間が経過した時点で好気処理を終了するようにしてもよい。このように処理することで全固形物濃度３０質量％以上の好気発酵中間物を得ることができる。
【００２５】
好気処理を継続する時間が長すぎると、有機性廃棄物の好気発酵が過度に進行し、後段のメタン発酵工程でメタン発酵される有機物量が不足してメタンガスの収量が低下する。一方、好気処理を継続する時間が短すぎると、好気発酵される有機性廃棄物の量が少なすぎることにより、メタン発酵工程でアンモニア阻害が生じるおそれがある。すなわち、好気処理工程では、アンモニア阻害を防止できる量の有機性廃棄物を好気発酵させ、所定量、例えば有機性廃棄物の少なくとも半分以上は分解されずに好気発酵槽から取り出されるようにする。
【００２６】
具体的には、（２）に記載のように、好気発酵槽に導入された有機性廃棄物に含まれる有機物が、好気処理前の７０〜９０質量％となるまで分解された時点で好気処理工程を終了する。また、（３）に記載のように、好気発酵槽から排出された好気発酵中間物の菌体濃度が１０５個／ｇ以上１０９個／ｇ以下となった時点で好気処理工程を終了してもよい。あるいは、好気処理工程で発生するアンモニアガスの発生量が、有機性廃棄物に含まれる有機態窒素の１／３〜２／３程度が分解されることにより生じるアンモニアガスの発生量となった時点で好気処理工程を終了するようにしてもよい。
【００２７】
このように本発明では、好気発酵の途中にある有機性廃棄物（好気発酵中間物）がメタン発酵槽に送られる。メタン発酵槽では、ＴＳ濃度が１５〜４０質量％程度で土塊状の乾式メタン汚泥と好気発酵中間物とを混合してメタン発酵させるメタン発酵工程を行う。乾式メタン汚泥には、メタン細菌がコロニー形成菌数（ＣＦＵ）として１０７〜９Ｎ／ｇ（乾重）程度含まれており、ＴＳ濃度が４〜１０質量％程度の湿式メタン汚泥に比して高い有機物負荷でメタン発酵を行うことができる。
【００２８】
メタン発酵工程での処理条件は特に限定されず、例えば有機物負荷８〜１８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度、温度２０〜６０℃、メタン発酵槽内の槽内物のｐＨを７〜９、滞留時間８〜１５日程度とすればよい。好気発酵中間物は、メタン発酵槽の内部で乾式メタン汚泥と混合してもよいが、メタン発酵槽から引き抜かれ返送汚泥としてメタン発酵槽に返送される発酵残渣を、メタン発酵槽の外部で好気発酵中間物に混合することが好ましい。
【００２９】
本発明では好気処理工程で有機性廃棄物が好気発酵されることにより、好気発酵槽から取り出される好気発酵中間物は６０〜８０℃程度となっている。このため、本発明ではメタン発酵原料を加温することなく、メタン発酵槽の槽内を４５〜６０℃に維持して（４）記載のように高温メタン発酵を行うことができる。高温メタン発酵を行う場合、メタン発酵槽から引き抜かれる発酵残渣は５０℃程度であることから、好気発酵中間物と発酵残渣とを質量比で１：２〜２０で混合してメタン発酵を行うことが好ましい。
【００３０】
本発明に係る有機性廃棄物の処理方法は、酸素含有ガス供給手段を備える好気発酵槽と、嫌気的条件を維持できるメタン発酵槽とを備える有機性廃棄物の処理装置を用いて実施できる。本発明においては、特に、好気発酵槽は分解可能な有機性廃棄物の全量が好気発酵される前に槽外に取り出されるよう、構成する。
【００３１】
すなわち、好気発酵槽における有機性廃棄物の滞留日数（発酵日数）は、好気発酵槽容積、および有機性廃棄物の種類等に応じて３〜４０日程度であるが、本発明では有機性廃棄物の一部のみを好気的に分解させるため、有機性廃棄物のほぼ全量を好気的に分解させる場合に比して短い。このため好気発酵槽は、（５）に記載のように有機性廃棄物の一部のみが好気的に分解され、残部、例えば有機性廃棄物の半分以上は分解されない状態で排出される容量となるよう設計することが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明では、有機性廃棄物をメタン発酵させる前に、有機性廃棄物の一部を好気的に分解させることにより、メタン発酵工程におけるアンモニア阻害を防止する。この作用機序の詳細は明らかではないが、有機性廃棄物の一部のみを好気分解させることで、有機性廃棄物に含まれる有機態窒素の一部が好気性微生物に取り込まれ、好気性微生物に固定されることにより、メタン発酵時のアンモニア阻害が防止できると推察される。
【００３３】
すなわち、好気処理工程では、好気発酵槽に導入された有機性廃棄物の一部が好気性微生物の代謝活動により無機化されて二酸化炭素、水、およびアンモニアガス等が生成されるとともに好気性微生物が増殖する。好気性微生物はＣ／Ｎ比が４〜５程度で窒素含有比が高く、特に好熱性細菌の細胞質内にはグルタミン酸脱水素酵素（ＧＤＨ）が多量に含まれる。かかる微生物は、キチン質等の生物分解が困難な細胞壁を有するため、微生物体に取り込まれた窒素はメタン発酵工程で分解されにくい。このため、好気処理工程で有機性廃棄物の一部、例えば３０質量％程度のみを好気分解させることで有機性廃棄物に含まれる有機態窒素の一部が菌体に保持され、メタン発酵工程でのアンモニアの生成量を減少させると考えられる。
【００３４】
このように本発明によれば、有機性廃棄物の一部を好気発酵により菌体に転換することで、メタン発酵工程におけるアンモニア阻害を抑制できる。また、好気処理工程で有機性廃棄物を好気発酵させることで有機性廃棄物の温度が上昇するため、メタン発酵槽に投入する発酵原料にスチームを吹き込んで加温することなく、高温メタン発酵することができる。このため、発酵原料を加温するための設備および運転コストを削減できる。さらに、従来であれば、加温用のスチーム吹込みにより発酵原料の含水率が１０質量％程度増大するため、メタン発酵槽内の固形物濃度の低下、および発酵残渣の含水率が増大する問題があったが、本発明によればかかる問題を回避できる。加えて、本発明によれば、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物をＣ／Ｎ比の高い他の有機性廃棄物と混合することなくメタン発酵させることができるため、処理装置の大型化を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る有機性廃棄物の処理装置１１の模式図である。処理装置１１は、好気発酵槽２１、混合装置２３、およびメタン発酵槽２５を備える。
【００３６】
好気発酵槽２１は、酸素含有ガスとしての空気を吹き込む酸素含有ガス供給手段である通気ファン２２と、アンモニアを含む排気ガスを処理する脱臭装置２４と、を備える。好気発酵槽２１は、移送路３１を介して混合装置２３と接続されている。混合装置２３は、導入路３３および汚泥返送路３６を介してメタン発酵槽２５と接続されており、メタン発酵槽２５から排出される発酵残渣の一部は、乾式メタン汚泥を含む返送汚泥として混合装置２３に送られる。混合装置２３では、移送路３１を介して好気発酵槽２１から送られた好気発酵中間物と、汚泥返送路３６を介してメタン発酵槽２５から返送された返送汚泥とが混合され、混合物が導入路３３を介してメタン発酵槽２５に導入される。
【００３７】
このように、メタン発酵槽２５外で乾式メタン汚泥と有機性廃棄物とを混合する構成にすれば、ＴＳ濃度が３０〜７０質量％程度の固形物であっても、希釈水を加えることなく乾式メタン汚泥と混合できる。また、メタン発酵槽２５内を攪拌する必要がないため、メタン発酵槽２５内を嫌気的条件に維持することも容易となる。ただし、本発明は、メタン発酵槽２５の内部に攪拌手段を設けることにより、メタン発酵槽２５内部で乾式メタン汚泥を発酵原料と混合する方法を排除しない。また、汚泥返送路３６の一端縁は、混合装置２３とメタン発酵槽２５との間に接続してもよい。
【００３８】
メタン発酵槽２５には、排泥路３５とガス路３７とがさらに接続されており、メタン発酵槽２５内でメタン発酵された槽内物（乾式メタン汚泥と好気発酵中間物のメタン発酵物）は、発酵残渣として排泥路３５から取り出される。排泥路３５の途中には、汚泥返送路３６が接続されており、発酵残渣の一部が返送汚泥として返送される。返送汚泥として利用されない発酵残渣は、堆肥および炭化物等を製造する原料として利用してもよく、かかる場合は、排泥路３５を堆肥化装置、炭化装置のいずれか一方または両方と接続すればよい。
【００３９】
ガス路３７は、メタンガスを精製するガス精製装置２７と接続されている。ガス精製装置２７はガスタンクＧと接続されており、精製されたメタンガスがガスタンクＧに貯留される。
【００４０】
なお、処理装置１１は４５〜６０℃の高温メタン発酵を行う装置として構成されているが、混合装置２３は加温手段を備えていない。本発明では、好気発酵槽２１で好気発酵され、６０〜８０℃程度に昇温した好気発酵中間物をメタン発酵槽２５の発酵原料とするため、メタン発酵槽２５への導入物に対する加温は不要となるためである。
【００４１】
すなわち、従来であれば加温のためにメタン発酵槽２５へ導入する有機性廃棄物に対して１０質量％程度のスチームが吹き込まれ、ＴＳ濃度の低下を招くが、本発明ではスチームの吹き込みによる加温が不要であるため、メタン発酵槽２５槽内物のＴＳ濃度の低下を防止してメタンガスの収率を向上させることができる。また、メタン発酵槽２５から排出される発酵残渣の含水率を低下させることができるため、発酵残渣の発生量を低減し、発酵残渣を堆肥等の原料として使用する場合に発酵残渣の水分を蒸発させるために必要なエネルギー量も低減できる。
【００４２】
次に、上記処理装置１１を用いた有機性廃棄物の処理方法について説明する。本発明では、Ｃ／Ｎ比が２０以下、ＴＳ濃度が３０質量％以上の固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を原料とする。
【００４３】
まず、メタン発酵工程に先立ち、有機性廃棄物を好気発酵槽２１に導入して好気処理工程で処理する。好気処理工程では、好気発酵槽２１に通気ファン２２から空気を供給しながら有機性廃棄物の一部が好気分解されるまで、例えば有機性廃棄物の質量が１０〜３０質量％（乾重）減少するまで好気的条件下での生物分解を行う。空気の吹き込みに伴い好気発酵槽２１から排出される排ガスは、好ましくは本実施形態のように脱臭装置２４により処理する。また、好気発酵槽２１内には必要に応じて攪拌機（図示せず）等を設け、好気発酵槽２１内全体を好気的条件とすることが好ましい。
【００４４】
好気発酵槽２１内は、６０〜８０℃に維持することが好ましく、通気ファン２２からの通気量を必要に応じて調整して温度低下を防止することが好ましい。また、好気処理工程の後段に設けたメタン発酵工程で発生させるメタンガスの収量低下を防止するため、好気処理工程では有機性廃棄物が過度に好気分解される前に好気発酵槽２１の槽内物を取り出し、移送路３１から混合装置２３へ供給する。
【００４５】
混合装置２３では、メタン発酵槽２５から返送された５０℃程度の返送汚泥と、好気発酵槽２１から供給された好気発酵中間物とを混合し、この混合物をメタン発酵原料として、メタン発酵槽２５に供給する。
【００４６】
メタン発酵槽２５には、予め立ち上げ工程等を経て既存装置のメタン汚泥を種汚泥として馴養して得られた乾式メタンが保持されており、嫌気的条件として混合物をメタン発酵させる。本発明では、好気処理工程における好気発酵の過程で昇温された好気発酵中間物がメタン発酵原料として用いられることから、混合装置２３に加温手段を設けることなくメタン発酵槽２５において槽内温度４５〜６０℃程度の高温メタン発酵を行うことができる。メタン発酵槽２５に導入された混合物は、乾式メタン汚泥の作用により分解されながら、新たな混合物の投入に伴いメタン発酵槽２５下部に移動し、発酵残渣として排泥路３５から取り出される。
【００４７】
メタン発酵槽２５からの発酵残渣の一日あたりの引き抜き量は、槽内物の０．１〜１倍、特に０．２〜０．５倍とすることが好ましい。また、引き抜いた発酵残渣は、一部を循環比が１〜６回／週となるように汚泥返送路３６を介してメタン発酵槽２５へ循環させることが好ましい。なお、返送汚泥は発酵原料と混合することなく、直接、メタン発酵槽２５へ循環させてもよい。しかし、返送汚泥と発酵原料とをメタン発酵槽２５外で混合することにより、ＴＳ濃度が高い発酵原料中にメタン細菌を容易に分散させることができ、またメタン発酵槽２５内のメタン発酵条件の撹乱が防止できるため、返送汚泥は混合装置２３に返送することが好ましい。
【００４８】
メタン発酵槽２５から取り出された発酵残渣のうち、返送汚泥を除いた余剰分は、排泥路３５から堆肥化装置等に供給され、堆肥等の原料とすることができる。また、メタン発酵槽２５内で有機性廃棄物がメタン発酵されることにより発生するメタンガスは、ガス路３７からメタン発酵槽２５外へ取り出し、エネルギー源として利用できる。
【実施例】
【００４９】
［実施例１］
実施例１として、図１に示す処理装置１１を用い、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物として鶏糞を処理した。鶏糞は含水率が７０質量％、有機物濃度７８質量％（乾重）、全窒素（Ｔ−Ｎ）濃度２８，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、アンモニア濃度４，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｃ／Ｎ比４．２であった。
【００５０】
鶏糞は、好気発酵槽２１で好気処理し、得られた好気発酵中間物を好気発酵槽２１から取り出した。好気発酵槽２１における好気処理の条件は以下のとおりであり、かかる好気処理工程で１３，６０７ｋｇ／日（湿重）の好気発酵中間物が得られ、８４．１５ｋｇ／日のアンモニアが気相に揮散した。
【００５１】
［好気処理条件］
槽容積                ；３１２ｍ３
好気処理日数          ；１０日
有機物（ＶＳ）分解率  ；２４質量％
有機性廃棄物投入量    ；２５，０００ｋｇ／日
【００５２】
上述した好気処理工程で得られた好気発酵中間物は、含水率５１．８質量％、有機物濃度６２．１質量％（乾重）、Ｔ−Ｎ濃度２２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、アンモニア濃度１，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｃ／Ｎ比６８、温度６５℃であった。
【００５３】
好気発酵中間物は、移送路３１を介して全量を混合装置２３に送り、混合装置２３でメタン発酵槽２５から返送された返送汚泥（乾式メタン汚泥）と混合した後、メタン発酵槽２５に供給してメタン発酵させた。メタン発酵槽２５におけるメタン発酵の条件を以下に示す。
【００５４】
［メタン発酵条件］
槽容積                ；４６２ｍ３
メタン発酵日数        ；３４日
有機物（ＶＳ）分解率  ；４５質量％
好気発酵中間物投入量  ；１３，６０７ｋｇ／日
返送汚泥量            ；１３０，０００ｋｇ／日
槽内温度              ；５０〜５５℃
【００５５】
上記条件でのメタン発酵により得られたメタンガス量は１，７８０Ｎｍ３であり、１１，８００ｋｇ／日の発酵残渣がメタン発酵槽２５から取り出された。発酵残渣は含水率６０質量％、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、温度５２℃で、処理装置１１を用いた処理での固形状低Ｃ／Ｎ有機施廃棄物全体の減量率は５２．８質量％となった。また、実施例１では、メタン発酵槽２５へ投入するメタン発酵原料へのスチームの吹き込み、およびメタン発酵槽２５から取り出される発酵残渣の乾燥は不要であったため、メタン発酵槽２５から取り出されたメタンガスの全量がガスタンクＧに貯留された。なお、実施例１では９０日間の処理期間中、アンモニア阻害は発生しなかった。
【００５６】
［比較例１］
比較例１として、図２に示す従来フローに係る処理装置１２を用いた実験を行った。処理装置１２は以下の点で処理装置１１と異なる。まず、処理装置１２は、好気発酵槽を備えておらず、メタン発酵槽２５に蒸気発生器２６が接続されることで混合装置２３にスチームが吹き込まれるように構成されている。また、処理装置１２には、メタン発酵槽２５から排出される発酵残渣の含水率を低下させる乾燥手段２８、および発酵残渣を好気発酵させて堆肥化する堆肥化装置２９Ａが設けられている。以下、処理装置１２による固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物（鶏糞）の処理工程について説明する。
【００５７】
処理装置１２では、鶏糞はこれを一時的に貯留する貯留槽２０から混合装置２３に送られる。混合装置２３には、蒸気発生器２６からスチームが供給され、スチームの吹込みにより加温された鶏糞が固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物としてメタン発酵槽２５に送られる。メタン発酵槽２５には、混合装置２３に供給するスチームを発生させるため、メタン発酵槽２５から取り出されたメタンガスをエネルギー源として蒸気を発生させる蒸気発生器２６が接続されている。さらに、メタンガスをエネルギー源として温風を発生させ、この温風を発酵残渣に吹き込む乾燥手段２８が堆肥化装置２９Ａに接続されている。
【００５８】
かかる処理装置１２を用いて、実施例１に用いたものと同じ性状の鶏糞を処理した。メタン発酵槽２５の処理条件は以下とした。
【００５９】
［メタン発酵条件］
槽容積                ；５９３ｍ３
メタン発酵日数        ；２４日
有機物（ＶＳ）分解率  ；４５質量％
有機性廃棄物物投入量  ；２５，０００ｋｇ／日
返送汚泥量            ；２５０，０００ｋｇ／日
槽内温度              ；５２℃
【００６０】
上記条件でのメタン発酵により得られたメタンガス量は２，３００Ｎｍ３であり、２５，１００ｋｇ／日の発酵残渣がメタン発酵槽２５から取り出された。発酵残渣は含水率７９．４質量％、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度は処理開始後２０日で２，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）を超え、アンモニア阻害により処理の継続が不可能になった。
【００６１】
処理を停止するまでの実験期間中、発酵残渣は返送汚泥として混合装置２３へ返送される分を除いて、堆肥化装置２９Ａを用いて好気発酵させて堆肥化した。堆肥化の処理条件を以下に示す。
【００６２】
［堆肥化処理条件］
槽容積                ；５４２ｍ３
好気処理日数          ；１４日
有機物（ＶＳ）分解率  ；１０質量％
発酵残渣投入量        ；２５，１００ｋｇ／日
温度                  ；６０℃
【００６３】
上記条件での堆肥化処理により得られた堆肥は含水率が６０質量％で、得られた堆肥の量は１４，１６４ｋｇ／日となり、処理装置１２を用いた処理での固形状低Ｃ／Ｎ有機施廃棄物全体の減量率は４３．３質量％となった。また、メタン発酵槽２５から取り出されたメタンガスの収量は２，３００Ｎｍ３であったが、このうち、４６０Ｎｍ３が蒸気発生器２６でのスチーム発生に使用され、１，１７２Ｎｍ３が発酵残渣を乾燥させるための温風発生に使用された。この結果、ガスタンクＧに貯留されたメタンガス量は６６８Ｎｍ３となった。
【００６４】
［比較例２］
比較例２として、図２の処理装置１２を用い、実施例１で用いた鶏糞に、紙を混合した混合物を処理した。紙は含水率が１５質量％、有機物濃度２５．２質量％（乾重）、Ｔ−Ｎ濃度１，９００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、アンモニア濃度０ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。鶏糞は２５，０００ｋｇ／日、紙は５０，０００ｋｇ／日の処理量で処理されるように混合し、さらに６０，０００ｋｇ／日の希釈水で紙と鶏糞との混合物を希釈した。
【００６５】
混合装置２３からメタン発酵槽２５に供給された鶏糞と紙との混合物の希釈物（メタン発酵原料）はスチームの吹込みによる加温処理後の含水率が６６質量％、有機物濃度８６質量％（乾重）、Ｔ−Ｎ濃度６，８００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度７００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｃ／Ｎ比２６、および温度５５℃あった。以下に比較例２におけるメタン発酵処理条件を示す。
【００６６】
［メタン発酵条件］
槽容積                ；４，９５８ｍ３
メタン発酵日数        ；３６日
有機物（ＶＳ）分解率  ；４８質量％
有機性廃棄物物投入量  ；１３５，０００ｋｇ／日
返送汚泥量            ；８１０，０００ｋｇ／日
槽内温度              ；５２℃
【００６７】
上記条件でのメタン発酵により得られたメタンガス量は１９，３００Ｎｍ３であり、１２８，０００ｋｇ／日の発酵残渣がメタン発酵槽２５から取り出された。発酵残渣は含水率７６．２質量％、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度は２，０００ｍｇ／ｋｇで、１４日間の処理期間中、アンモニア阻害は生じなかった。
【００６８】
実験期間中、発酵残渣は返送汚泥として混合装置２３へ返送される分を除いて、堆肥化装置２９Ａを用いて好気発酵させて堆肥化した。堆肥化の処理条件を以下に示す。
【００６９】
［堆肥化処理条件］
槽容積                ；２，２８６ｍ３
好気処理日数          ；１４日
有機物（ＶＳ）分解率  ；１０質量％
発酵残渣投入量        ；８１０，０００ｋｇ／日
槽内温度              ；６０℃
【００７０】
上記条件での堆肥化処理により得られた堆肥は含水率が６０質量％で、得られた堆肥の量は１２４，８１１ｋｇ／日となった。比較例２では、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物である鶏糞にＣ／Ｎ比が高い紙を加えて処理したため、発酵残渣を堆肥化して減量してもなお、処理装置１２に投入した鶏糞の量を上回る量の堆肥が発生した。この結果、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物のみの減量率は−６６．４質量％となった。また、メタン発酵槽２５から取り出されたメタンガスの収量は１９，３００Ｎｍ３であったが、このうち、２，３９０Ｎｍ３が蒸気発生器２６でのスチーム発生に使用され、５，４４３Ｎｍ３が発酵残渣を乾燥させるための温風発生に使用された。この結果、ガスタンクＧに貯留されたメタンガス量は１１，４６７Ｎｍ３となった。
【００７１】
表１に、実施例１、比較例１および比較例２について、メタン発酵槽２５から取り出されたメタンガス量、ガスタンクＧに貯留されたメタンガス量、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物の減量率（湿重）、および処理装置全体の処理槽の合計容積を示す。
【００７２】
【表１】
0004665693.tif 000002
【００７３】
固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を処理対象とした比較例１では、メタン発酵に先立ち好気発酵を行わなかった結果、アンモニア阻害が生じた。比較例２では、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物にＣ／Ｎ比が高い紙を混合し、さらに希釈水を加えたため、アンモニア阻害は防止できたが、メタン発酵槽２５に供給する発酵原料のＴＳ濃度が低下し、発酵残渣の含水率が上昇した。また、比較例２では、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物に加える紙等の他の有機性廃棄物を必要とし、処理装置の大型化を招いた。
【００７４】
一方、比較例１と同様に固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を単独で処理した実施例１ではメタン発酵に先立ち、分解率２４質量％で好気発酵を行うことにより、アンモニア阻害を防止できた。また、メタン発酵槽への供給するメタン発酵原料を加温するスチーム、および発酵残渣を乾燥させる温風が不要であることから、省エネルギーでの運転が可能となる。さらに、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物に紙等を混合する必要がないため、Ｃ／Ｎ比調整用の有機性廃棄物を確保する必要がなく、処理装置を小型化できる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は有機性廃棄物を原料としてメタンガスを生成するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施形態に係る有機性廃棄物の処理装置を示す模式図である。
【図２】従来技術に係る有機性廃棄物の処理装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１、１２  処理装置
２１        好気発酵槽
２２        通気ファン（酸素含有ガス供給手段）
２３        混合装置
２４        脱臭装置
２５        メタン発酵槽
２７        ガス精製装置
３１        移送路
３３        導入路
３５        排泥路
３６        汚泥返送路
Ｇ          ガスタンク
【図１】
0004665693.tif 000003
【図２】
0004665693.tif 000004