(57)【要約】  【課題】  スラリーの予定受入量の状況を考慮して、数週間先までの最適な供給スラリー量を制御でき、調整槽まで含めてメタン発酵槽を最も効率よく運転できるメタン発酵処理装置を提供する。  【解決手段】  このメタン発酵処理装置は、スラリー調整槽１、水位計６、メタン発酵槽４、スラリー供給ポンプ５、バイオガス流量計８、調整槽３へのスラリーの予定受入量を入力表示する入力表示器１、制御装置２とを備え、制御装置２はバイオガス流量に基づいて供給スラリー量の上限値を演算する第１演算手段と、スラリーの予定受入量と、調整槽の容量と、調整槽の現在水位と、メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、供給スラリー量の計画値を予測演算する第２演算手段と、計画値と上限値とを比較していずれかを出力する判定手段とを有している。  【選択図】  図１
2005111344.tif 000002
【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受け入れるスラリー調整槽と、
前記スラリー調整槽の現在水位を測定する水位計と、
前記スラリーをメタン発酵させてバイオガスを発生させるメタン発酵槽と、
前記調整槽から前記メタン発酵槽へ前記スラリーを供給するスラリー供給手段と、
前記メタン発酵槽で発生するバイオガス流量を測定するバイオガス流量計と、
前記調整槽への前記スラリーの予定受入量を入力表示する入力表示手段と、
前記メタン発酵槽への供給スラリー量を制御するスラリー制御手段とを備え、
前記スラリー制御手段は、前記バイオガス流量に基づいて前記メタン発酵槽へ供給可能なスラリー量の上限値を演算する第１演算手段と、
前記スラリーの予定受入量と、前記調整槽の容量と、前記調整槽の現在水位と、前記メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、前記供給スラリー量の計画値を予測演算する第２演算手段と、
前記計画値が前記上限値以下の場合には、前記供給スラリー量として前記計画値を出力し、前記計画値が前記上限値を超える場合には、前記供給スラリー量として前記上限値を出力する判定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２】
前記第２演算手段が、前記スラリーの予定受入量と前記メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、前記調整槽における将来の予定水量を演算し、この予定水量が前記調整槽の容量以下であって、かつ、前記予定水量がマイナスにならないように前記計画値を出力する供給量予測演算手段を有している請求項１に記載のメタン発酵処理装置。
【請求項３】
前記供給量予測演算手段が、前記計画値とともに、将来の時間毎の計画値である予測値を出力し、この予測値と、メタン菌の増殖又は死滅モデルとに基づいて、前記予測値の上限である上限予測値を演算出力する上限予測値演算手段を有し、
前記供給量予測演算手段は、前記計画値が前記上限予測値を超える場合には、前記計画値を前記上限予測値以下に修正する演算手段を有している請求項２に記載のメタン発酵処理装置。
【請求項４】
前記入力表示手段が、前記計画値が前記上限予測値を超える場合に、前記入力表示手段における前記スラリーの受け入れ入力を制限する警告手段を有している請求項３に記載のメタン発処理酵装置。
【請求項５】
前記第１演算手段における前記上限値が、以下の（１）〜（３）式によって演算される請求項１〜４のいずれか１つに記載のメタン発酵処理装置。
ガス化した有機物(kg-TOD/h)＝０．３５×バイオガス流量(m３/h)×バイオガス中のメタン濃度(-)      -----------（１）
ガス化されたスラリー量(L/h)＝ガス化した有機物(kg-TOD/h)÷スラリーのTOD濃度(kg-TOD/L)      -----------(２)
上限値(L/h)＝ガス化されたスラリー量(L/h)÷Ａ      ------（３）
（TODは全酸素要求量、ＡはTODの分解率を示し0.4〜0.8の定数を表す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、嫌気性微生物を用いて、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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共に、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。
【０００３】
このメタン発酵は、中温(３５℃付近)又は高温(５５℃付近)に温度制御されて運転され、中温では３０日程度の滞留時間、高温では１５日程度の滞留時間を持った容量のメタン発酵槽を用いるのが一般的である。
【０００４】
しかし、有機性廃棄物は、日常の社会活動や工業的生産活動に伴って発生するものなので、有機性廃棄物の処理が滞らないようにプラントを効率的に運転する必要がある。このため、トラブルに備えて装置を多重化したり、槽容積を大きくとって安全率を増したりすることが行われている。
【０００５】
メタン発酵処理を効率的に行なう方法として、例えば、下記の特許文献１、２には、発生するバイオガスにおけるメタン生成速度を測定し、この生成速度に応じてスラリーの供給量を調整することが開示されている。
【０００６】
また、下記の特許文献３、４には、メタン発酵槽内のメタン生成菌の処理能力をモニタリングして制御する方法が開示されており、バイオガスの発生量やバイオガス中のメタン濃度の測定によってスラリー供給量の制御を行うことが開示されている。
【特許文献１】特開昭５９−２２５７９６号公報
【特許文献２】特開平１０−２７７５８３号公報
【特許文献３】特開２００２−２８２８９７号公報
【特許文献４】特開平１１−２５３１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、有機性廃棄物の発生量は日々変化するものであるので、廃棄物処理装置の一つであるメタン発酵処理装置も、この日々変化する有機性廃棄物の負荷変化量に可能な範囲で追従する必要がある。
【０００８】
また、メタン発酵は、槽内のメタン菌などの微生物の作用により有機物を分解するものなので、有機物が供給されない状態では死滅してメタン菌が減少し、有機物の処理能力が低下する。そして有機物の供給を再開しても直ちには処理能力が回復しないので、処理能力に見合った有機物負荷を与えて、計画にあった処理能力まで馴養する必要がある。したがって、この処理能力の変化を考慮して、あらかじめ受け入れ可能な有機性廃棄物の量を見積もる必要もある。
【０００９】
しかし、上記の特許文献１〜４に記載されている制御方法は、いずれも発生するバイオガスから得られる情報のみを用いて発酵状態をモニタし、これをスラリー供給量にフィードバックすることによりメタン発酵槽の安定した運転を行うものであり、現在のメタン発酵槽の運転状態のみが制御パラメーターとなっている。
【００１０】
したがって、上記の従来技術においては、スラリーを受け入れる調整槽まで含め、将来受け入れる予定スラリー量まで考慮して、最適なスラリー供給量を決定することは検討されていない。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、スラリーを受け入れる調整槽まで含めたメタン発酵処理装置において、メタン発酵槽の有機性廃棄物の処理能力に応じた、有機性廃棄物スラリー供給量の最適な制御を行なうことができるメタン発酵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】
【００１２】
すなわち、本発明のメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物をスラリー化して受け入れるスラリー調整槽と、
前記スラリー調整槽の現在水位を測定する水位計と、
前記スラリーをメタン発酵させてバイオガスを発生させるメタン発酵槽と、
前記調整槽から前記メタン発酵槽へ前記スラリーを供給するスラリー供給手段と、
前記メタン発酵槽で発生するバイオガス流量を測定するバイオガス流量計と、
前記調整槽への前記スラリーの予定受入量を入力表示する入力表示手段と、
前記メタン発酵槽への供給スラリー量を制御するスラリー制御手段とを備え、
前記スラリー制御手段は、前記バイオガス流量に基づいて前記メタン発酵槽へ供給可能なスラリー量の上限値を演算する第１演算手段と、
前記スラリーの予定受入量と、前記調整槽の容量と、前記調整槽の現在水位と、前記メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、前記供給スラリー量の計画値を予測演算する第２演算手段と、
前記計画値が前記上限値以下の場合には、前記供給スラリー量として前記計画値を出力し、前記計画値が前記上限値を超える場合には、前記供給スラリー量として前記上限値を出力する判定手段とを有していることを特徴とする。
【００１３】
本発明のメタン発酵処理装置によれば、スラリーの予定受入量と、調整槽の容量と、調整槽の現在水位と、メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、供給するスラリー量の計画値を予測演算することができる。したがって、スラリーの予定受入量の状況を考慮して、数週間先までの最適な供給スラリー量を制御でき、調整槽まで含めてメタン発酵槽を最も効率よく運転できる。また、判定手段によって上限値を超えないように運転できるので、過負荷によるメタン発酵槽の破綻を防止できる。
【００１４】
本発明においては、前記第２演算手段が、前記スラリーの予定受入量と前記メタン発酵槽の処理能力とに基づいて、前記調整槽における将来の予定水量を演算し、この予定水量が前記調整槽の容量以下であって、かつ、前記予定水量がマイナスにならないように前記計画値を出力する供給量予測演算手段を有していることが好ましい。
【００１５】
これによれば、受け入れスラリー量が減少する予定のときには供給スラリー量も連動して低下させることができ、逆に、受け入れスラリー量が増加する予定のときには供給スラリー量も連動して増加させることができるので、スラリーの受け入れ予定に応じて最適な状態でメタン発酵槽を運転できる。また、調整槽をバッファとして最大限に利用できるので、供給スラリー量の変動を防止でき、安定したメタン発酵処理を行うことができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記供給量予測演算手段が、前記計画値とともに、将来の時間毎の計画値である予測値を出力し、この予測値と、メタン菌の増殖又は死滅モデルとに基づいて、前記予測値の上限である上限予測値を演算出力する上限予測値演算手段を有し、
前記供給量予測演算手段は、前記計画値が前記上限予測値を超える場合には、前記計画値を前記上限予測値以下に修正する演算手段を有していることが好ましい。
【００１７】
メタン発酵では、スラリーが供給されない状態では死滅してメタン菌が減少して有機物の処理能力が低下し、有機物の供給を再開しても直ちには処理能力が回復しない。しかし、上記発明によれば供給スラリー量によって変化するメタン発酵槽の能力に応じて、供給スラリー量を制御することができるので、より安定したメタン発酵処理装置の運転が可能となる。
【００１８】
更に、本発明においては、前記入力表示手段が、前記計画値が前記上限予測値を超える場合に、前記入力表示手段における前記スラリーの受け入れ入力を制限する警告手段を有していることが好ましい。
【００１９】
これによれば、スラリーの受け入れ量がメタン発酵槽の処理能力を超えるかどうかを、入力表示器への予定入力時点であらかじめ知ることができる。したがって、過剰の有機性廃棄物を誤って受け入れることを事前に防止できる。また、過剰分を他の処理施設へ廻して処理することができ、複数の処理施設間での処理の平滑化を行うことができる。
【００２０】
また、本発明においては、前記第１演算手段における前記上限値が、以下の（１）〜（３）式によって演算されることが好ましい。
【００２１】
ガス化した有機物(kg-TOD/h)＝０．３５×バイオガス流量(m３/h)×バイオガス中のメタン濃度(-)      -----------（１）
ガス化されたスラリー量(L/h)＝ガス化した有機物(kg-TOD/h)÷スラリーのTOD濃度(kg_TOD/L)      -----------(２)
上限値(L/h)＝ガス化されたスラリー量(L/h)÷Ａ      ------（３）
（TODは全酸素要求量、ＡはTODの分解率を示し0.4〜0.8の定数を表す。）
これによれば、メタン発酵槽の現在の処理能力を正確に把握できるので、処理能力を超える過剰なスラリーの供給を有効に防止できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、スラリーの予定受入量の状況を考慮して、数週間先までの最適な供給スラリー量を制御でき、調整槽まで含めてメタン発酵槽を最も効率よく運転できる。また、有機性廃棄物のメタン発酵装置への受入れ量は、メタン発酵槽の未来予測能力に応じて、受入が可能か判断できるため、他の有機性廃棄物処理設備との関係を考慮して、メタン発酵装置の最適運転計画を立案できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１〜８には、本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。
【００２４】
図１は本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図であり、図２は同処理装置の入力表示器におけるスラリーの予定受入量を入力した画面を示す図であり、図３は同処理装置の入力表示器における、入力したスラリー受入れ予定及び予想される調整槽内のスラリー量を表示した画面を示す図である。
【００２５】
また、図４は同処理装置の制御装置におけるスラリー供給ポンプの制御ブロック図であり、図５は図４における処理能力演算器を展開したブロック図であり、図６は図４における供給量予測演算器の内容を示す図であり、図７は図４における処理能力上限予測値演算器を展開したブロック図である。
【００２６】
また、図８はスラリーを投入しない場合の、菌数の減少を測定した図であり、図９はスラリーを供給した場合の菌数の増加を測定した図であり、図１０は図７の処理能力予測演算器を具体化したブロック図であり、図１１は同処理装置の入力表示器における、演算した供給スラリー上限予測値と発酵槽への供給スラリー予測値を表示した画面を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、このメタン発酵処理装置は、スラリーを一時的に貯留する調整槽３と、メタン発酵槽４と、このメタン発酵槽４に有機性廃棄物をスラリー化して供給するスラリー供給ポンプ５と、メタン発酵槽４内のバイオガス流量を測定するためのバイオガス流量計８と、調整槽３への前記スラリーの予定受入量を入力表示する入力表示器１と、スラリー供給ポンプ５を制御して供給するスラリー量を制御するための制御装置２とから主に構成されている。
【００２８】
有機性廃棄物は、図示しない破砕装置等を介した後、洗浄水とともにスラリー化として調整槽３に受け入れられる。このときの受け入れ量は、入力表示器１にあらかじめ入力されている量である。
【００２９】
そして、調整槽３から、流量を制御されたスラリー供給ポンプ５でメタン発酵槽４にスラリーが供給される。これによって、有機性廃棄物はメタン発酵槽４内でメタン菌などの微生物によって嫌気性処理が行われ、メタンと炭酸ガスを主成分とするバイオガスに分解され、発生バイオガスとしてメタン発酵槽４の上部空間に接続される配管から排出される。なお、未分解有機物は発酵廃液として排出される。
【００３０】
調整槽３は、有機性廃棄物をスラリー化して受け入れるための貯留槽であり、調整槽３には、調整槽内におけるスラリーの現在水位を測定するための水位計６が接続されており、測定水位が制御装置２に送られるようになっている。調整槽３は通常、受け入れスラリーを１日分貯留できる容量であることが好ましい。
【００３１】
調整槽３からの配管は、スラリー供給ポンプ５、スラリー濃度計７を介してメタン発酵槽４に接続されている。なお、本発明においてはスラリー濃度計７は必ずしも必要ではない。
【００３２】
メタン発酵槽４の上部には、発酵廃液を取り出すための配管が接続されている。また、メタン発酵槽４の上部空間には生成したバイオガスを取り出すための配管が接続されており、この配管は図示しないガスホルダーに回収され、ガスタービンや燃料電池などのガス利用システムでエネルギーとして利用されるように構成されている。
【００３３】
バイオガスを取り出すための配管には、バイオガス流量計８、メタン濃度計９が設けられており、それぞれの測定値が制御装置２に送られるようになっている。制御装置２には入力表示器１が接続されており、この入力表示器１にはスラリーの予定受入量が入力される。なお、本発明においてはメタン濃度計９は必ずしも必要ではない。
【００３４】
入力表示器１には、例えば、図２に示すような入力画面が表示され、スラリーの予定受入量に関する情報が入力可能となっている。
【００３５】
図２は、２週間分のスラリー受入れ予定の値がタッチパネルで入力表示できる画面であり、曜日と時刻に該当する場所にスラリ−受入れ量の値を入力する。例えば図２においては、月〜土曜日まで毎日１０ｔのスラリーを受け入れるように入力されており、日曜日は０ｔで受け入れが行われない例である。また、スラリーの受け入れは９〜１１時、１４〜１６時に６回に分けて受け入れられる予定となっている。なお、図２における当日、前日、前々日の表示はカレンダーに合わせてスクロール表示される。なお、この入力は、後述するように、入力したスラリ−受入れ量が、発酵槽能力に対し過剰な場合は、入力窓が点滅し入力を受付けないようになっている。
【００３６】
図３は、入力表示器１に表示される別の画面の一例であり、調整槽３内におけるスラリー量の予測状況を示している。図３の実線は図２の予定受入量を示している。また、点線は、後述する調整槽３内の予測水位を示している。これによって、各曜日のどの時刻に調整槽が満水になるかわかり、スラリー受入予定の修正を容易にするために表示するものである。図３の例では、予測時間０は金曜日の０時を示しており、日曜日に備えて、２０時よりスラリーの供給量を減らしている。調整槽は４０時間後(土曜日の１６時)にほぼ満水となり、次回受入れが始まる８０時間後(月曜日の８時)に空になるパターンである。
【００３７】
制御装置２は、各種演算とシーケンス制御機能を有しているプログラマブルロジックコントローラである
図２に示すように、制御装置２へは、水位計６による測定水位、スラリー濃度計７によるスラリー濃度、バイオガス流量計８によるバイオガス流量、メタン濃度計９によるバイオガス中のメタン濃度、後述する入力表示器１からのスラリーの予定受入量が入力される。そして、制御装置２からは、スラリー供給ポンプ５を制御するための出力がされるように構成されている。
【００３８】
図４は、この制御装置２における、スラリー供給ポンプ５の制御ブロック図である。このブロック図は、処理能力演算器Ｓ１０と、ローレベルセレクタＳ２０と、ポンプ流量特性換算演算器Ｓ３０と、供給量予測演算器Ｓ４０と、上限予測値演算器Ｓ５０とからなっている。
【００３９】
まず、処理能力演算器Ｓ１０へは、バイガス流量計８の出力である測定バイオガス流量、メタン濃度計９の出力である計測メタン濃度、スラリー流量計７の出力である計測スラリー濃度が入力され、ここから上限値が出力されてローレベルセレクタＳ３０へ入力される。この上限値は、発生するバイオガスからの情報から発酵状態をモニタし、メタン発酵槽３が破綻しないようにスラリー供給量の上限を演算するためのものである。
【００４０】
図５は、この処理能力演算器Ｓ１０を展開したブロック図である。図５に示すように、処理能力演算器Ｓ１０は、３つのステップである、ガス化した有機物の演算Ｓ１１と、ガス化されたスラリー量の演算Ｓ１２と、処理可能なスラリー量の演算Ｓ１３とに分かれている。
【００４１】
ガス化した有機物の演算Ｓ１１においては、ます以下の（１）式によってガス化した有機物(kg-TOD/h)を求める。
【００４２】
ガス化した有機物(kg-TOD/h)＝バイオガス量(m3/h)×メタン濃度(-)×0.35(kg/m3)      -----------(1)
ここでＴＯＤは全酸素要求量であり、有機物量を示す指標のひとつである。０．３５はメタンのＴＯＤ換算係数であり、１ｍ３のメタンはＴＯＤで０．３５ｋｇに相当することを示す値である。また、バイオガス量は、０℃、１気圧、乾燥状態に換算した値を用いる。
【００４３】
なお、本発明においては、メタン濃度はメタン濃度計９による実測値として入力してもよいが、有機性廃棄物の性状変化が少ない場合は定数として扱っても良い。例えば生ゴミの場合は、メタン濃度は５５〜６０％であるので、（１）式のメタン濃度として０．５５〜０．５８を用いることができる。
【００４４】
次に、ガス化されたスラリー量の演算Ｓ１２においては、以下の（２）式によってガス化されたスラリー量(L/h)を求める。
【００４５】
ガス化されたスラリー量(L/h)＝ガス化した有機物(kg-TOD/h)÷スラリーのTOD濃度(kg-TOD/L)      -----------(2)
スラリーのＴＯＤ濃度はスラリー濃度計7で計測した粘度や電気伝導率をＴＯＤに換算した値を用いてもよく、あらかじめ測定した平均値を定数として使っても良い。例えば、厨芥生ゴミ１質量部に対し希釈水１．５質量部を加えたスラリーのＴＯＤ濃度としては０．１０〜０．１４kg-TOD/Lを用いることができる。
【００４６】
最後に。処理可能なスラリー量の演算Ｓ１３においては、以下の（３）式によってメタン発酵槽３へ供給可能なスラリー量の上限値が出力される。
【００４７】
処理可能なスラリー量(L/h)＝ガス化されたスラリー量(L/h)÷Ａ------(3)
ここでＡはＴＯＤの分解率を示し、Ａは０．４〜０．８が好ましく、０．５〜０．７がより好ましく、０．６５が特に好ましい。Ａが０．４未満であると、未分解生成物が発酵槽内に蓄積し、発酵槽内に酢酸やプロピオ酸が蓄積して発酵効率が悪くなる。なお、本発明では、発酵槽能力を超えないように供給スラリー計画値が演算されているので、一般的な分解率(約０．８)より小さくても充分である。Ａが０．８を超えると次回スラリー供給量がメタン発酵槽のスラリー処理能力より少なくなり、スラリー供給量が０の方向に収束してしまうので好ましくない。
【００４８】
次に、供給量予測演算器Ｓ４０へは、水位計６の出力である計測調整槽水位、図２のような入力表示器１から操作員が入力したスラリーの予定受入量が入力される。この供給量予測演算器Ｓ４０によって、将来のスラリーの受け入れ量が考慮され、スラリーの受入予定量に応じて最適な状態でメタン発酵槽を運転できる。
【００４９】
図６は、図４における供給量予測演算器Ｓ４０における演算の内容を示す概念図であり、図中、縦軸は水量の変化であり、横軸は現在からの経過時間を表す予測時間（ｔ）である。
【００５０】
図６において、調整槽３へのスラリー受入れ予定表からのスラリー受入れ量は積算水量として積分されている。すなわち、この積算水量はスラリーの予定受入量（積算水量増加要因）に応じて変化するので、通常図６に示すように段階的に変化する。
【００５１】
そして、図６における原点と積分値（引き抜き積算量）を結ぶ直線の傾きが計画値として出力される。
【００５２】
この直線の傾きは、図６に示すように積算水量を示す線より下方であって、積算水量を示す線と交わらないように選択され、かつ、積算水量を示す線と引き抜き積算量との差が調整槽容量を越えないように（ｔ２の場所）演算される。特に図６のように積算水量を示す線と１点で接するように（ｔ１の場所）選択されることが好ましい。
【００５３】
すなわち、時間ｔにおける積算水量をａｔとして、時間ｔにおける引き抜き積算量をｂｔとし、調整槽容量をＸとすれば、
Ｘ＞ａｔ−ｂｔ＞０
となるように計画値が演算される。直線の傾きが積算水量を示す線と交わると（ａｔ−ｂｔ＜０）、供給スラリー量（引き抜き積算量）多すぎて一次的に貯留槽が空になる。また、積算水量を示す線に対して引き抜き積算量が低すぎると（Ｘ＜ａｔ−ｂｔ）、供給スラリー量が少なすぎて調整槽容量が溢れてしまう。
【００５４】
供給量予測演算器Ｓ４０からの出力の１つは上記の計画値であり、この計画値はローレベルセレクタＳ３０に入力されて、計画値と上限値との比較判定が行われる。その結果、計画値が上限値以下の場合には、供給スラリー量として計画値が選択出力されてポンプ流量特性換算演算器Ｓ３０へ入力され、スラリー供給ポンプ５を駆動する電圧周波数制御装置(VVVF)への信号が出力されてポンプが制御される。一方、計画値が上限値を超える場合には、上限値が選択される。これによって常時上限値以下に供給スラリー量が制御される。
【００５５】
なお、通常の運転状態においては計画値に基づいてスラリー供給ポンプ５が制御されるので、スラリーの予定受入量の状況を考慮して、数週間先までの最適な供給スラリー量を制御でき、調整槽まで含めてメタン発酵槽を最も効率よく運転できる。
【００５６】
一方、供給量予測演算器Ｓ４０からは他の出力として予測値が出力される。ここで、予測値とは、スラリーの受け入れ状況に対応した将来の予測時間毎の計画値である。この予測値は上限予測値演算器Ｓ５０に入力される。
【００５７】
図７は、図４における上限予測値演算器Ｓ５０を展開したブロック図である。このブロック図は、積分器Ｓ５１と、メタン菌量から供給スラリ量への換算演算Ｓ５２と、菌の増殖死滅演算Ｓ５３とからなっている。
【００５８】
発酵槽内のメタン菌は、餌である有機性廃棄物スラリーの供給量が減少した場合は菌の増殖量も減少し、スラリーの供給量が増加した場合は菌の増殖量も増加する。また、菌数に比例して一定割合の菌の死滅がある。この菌の増殖・死滅を積分器Ｓ５１と菌の増殖死滅演算Ｓ５３とで演算し、この菌量をＳ５２において処理可能なスラリー量に換算して供給スラリー上限予測値として出力される。
【００５９】
すなわち、供給スラリー量の減少によって菌の増殖より死滅量が多くなる場合には、供給スラリー上限予測値が減少する。一方、供給スラリー量が増加する場合には菌の増殖量が増え、供給スラリー上限予測値が増加する。
【００６０】
この上限予測値演算器Ｓ５０における菌の増殖死滅演算Ｓ５３は、以下のような生物化学工学で用いられる菌の増殖・死滅に関する式で構成される。
【００６１】
図８は、菌の餌であるスラリーを投入しない場合の、菌数変化を測定したものであり、その曲線は次式で近似することが出来る。
【００６２】
ｔ日後の菌数＝初期菌数×exp(−0.16×ｔ)
すなわち１日当り１６%ずつ菌が死滅し減少することを示している。
【００６３】
図９は、ＴＯＤ分解率０．６５として、図４のスラリー処理能力演算器の出力である供給スラリー上限値を使って、発酵槽にスラリーを供給した場合の菌数を測定したものである。その曲線は次式で近似することが出来る。
【００６４】
ｔ日後の菌数＝初期菌数×exp(0.28×ｔ)
すなわち１日当り２８％ずつ菌が増殖することを示している。
【００６５】
この増殖速度は、発酵槽内の菌の餌濃度に依存し、モノーの式と呼ばれる以下の近似式で一般的に表すことができる。
【００６６】
μ=μm×s/(Ks+s)  ------モノーの式
例えば、上記の1日当り２８％の菌の増殖を意味する０．２８は、上式における死滅速度を含んだ見かけのμに相当する。ここで、sは餌濃度、Ksは最大増殖速度を示す。餌濃度は、発酵槽内の溶解性ＴＯＤを測定することで代表でき、Ksは、発酵槽の液の滞留時間と餌濃度との関係より算出できる。また、除去したTODと増殖した菌数との関係は、増殖収率として定数化される。
【００６７】
安定負荷条件でのスラリー供給量と菌量との関係は、菌量から供給スラリー量への換算値として定数化できる。発酵槽の運転データから得られた、これらの菌の動力学定数を表1に示す。
【００６８】
【表１】
2005111344.tif 000003
【００６９】
図１０には、図７の上限予測値演算器Ｓ５０を具体化した一例が示されている。このブロック図は、プログラムを説明するためサイバネットシステム株式会社が販売しているMATLAB-SIMULINKの表記方式を用いている。
【００７０】
図１０においてブロックを結ぶ線は信号の入出力を示し、ブロック内は伝達関数であり、「入力×ブロック内の定数＝出力の関係」にある。図１０のQは図７における供給スラリー予測値であり、時間毎のスラリー流量が入力される。
【００７１】
図中、ＱHは、図７の供給スラリー上限予測値であり、時間毎のスラリー流量の上限値が出力される。
【００７２】
発酵槽が過剰負荷にならない条件では、QH>Q であるが、QH<Q の結果が出力された場合は、QH=>Q になるように供給スラリー予測表のQが修正される。この修正されたQを用いて調整槽内のスラリー量を再予測し、スラリー量が調整槽容量を越えるならば、図２のようなスラリー受入れ予定表にアラームを出力し、予定の修正を促す措置を取る。
【００７３】
なお、図１０の演算は、入力表示器１へスラリー受入れ予定表を入力する際に行えばよく、予定表にフィードバックされた計画値どおりのスラリーが投入されていれば、図2に示すガス発生量から演算した供給スラリー上限値で供給スラリー量が制限されることはない。
【００７４】
しかし、スラリー中への予想外の阻害物質の混入や発酵槽の温度誤制御などの外乱が生じた場合、図１０の演算と実発酵槽での菌の増殖・死滅速度にずれが生じ、ガス発生量から演算した供給スラリー上限値で供給スラリー量が制限される。この場合は入力表示器１にアラームを発信し原因追及を促すことができる。
【００７５】
図１１は、上記の制御装置２によって得られる、予測入力したスラリー受入れ予定に対して、調整槽のスラリー量を表示した画面であり、図２、３のスラリー受入れ予定量があった場合の例である。図１１において、Ｐは上限予測値であり、Ｑは予測値である。なお、図３の点線である調整槽３内の予測水位は、このＱに応じて変化している。また、この図１１の表示は、図２、３と同様に入力表示器１に表示される。
【００７６】
図１１の結果によれば、制御装置２による演算の結果、スラリーの受け入れがない日曜日に備えて２０時よりスラリーの供給量を減らしている。そして調整槽は４０時間後(土曜日の16時)にほぼ満水となり、次回受入れが始まる８０時間後(月曜日の8時)に空になる。
【００７７】
発酵槽へのスラリー供給を減らすと、発酵槽ではメタン菌の増殖量が少なくなるために供給スラリーの上限予測値は減少する。８０時間後のスラリー受入が増加しても、発酵槽の能力が低下しているので、供給スラリーは急激に増やすことはできず、供給スラリー上限予測値に従って増加させる。このパターンの確認は、スラリー受入れ予定表への入力を容易にするものである。
【００７８】
以上のように、本発明の装置による制御によれば、スラリーの予定受入量の状況を考慮して、数週間先までの最適な供給スラリー量を制御でき、調整槽まで含めてメタン発酵槽を最も効率よく運転できる。また、有機性廃棄物のメタン発酵装置への受入れ量は、メタン発酵槽の未来予測能力に応じて、受入が可能か判断できるため、他の有機性廃棄物処理設備との関係を考慮して、メタン発酵装置の最適運転計画を立案できる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の方法及び装置は、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】
【００８０】
【図１】本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同処理装置の入力表示器におけるスラリーの予定受入量を入力した画面を示す図である。
【図３】同処理装置の入力表示器における、入力したスラリー受入れ予定及び調整槽内のスラリー量を表示した画面を示す図である。
【図４】同処理装置の制御装置におけるスラリー供給ポンプの制御ブロック図である。
【図５】図４における処理能力演算器を展開したブロック図である。
【図６】図４における供給量予測演算器の内容を示す図である。
【図７】図４における上限予測値演算器を展開したブロック図である。
【図８】スラリーを投入しない場合の、菌数の減少を測定した図である。
【図９】スラリーを供給した場合の菌数の増加を測定した図である。
【図１０】図７の上限予測値演算器を具体化したブロック図である。
【図１１】本発明のメタン発酵処理装置の入力表示器における、演算した供給スラリー上限予測値と発酵槽への供給スラリー予測値を表示した画面を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１：入力表示器
２：制御手段（プログラマブルロジックコントローラ：ＰＬＣ）
３：調整槽
４：メタン発酵槽
５：スラリー供給ポンプ
６：水位計
７：スラリー濃度計
８：バイオガス流量計
９：メタン濃度計
Ｓ１０：処理能力演算器
Ｓ１１：ガス化した有機物の演算
Ｓ１２：ガス化されたスラリー量の演算
Ｓ１３：処理可能なスラリー量の演算
Ｓ２０：ローレベルセレクタ
Ｓ３０：ポンプ流量特性換算演算器
Ｓ４０：供給量予測演算器
Ｓ５０：上限予測値演算器
Ｐ：上限予測値
Ｑ：予測値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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