(57)【要約】【課題】メタン発酵槽より発生するメタンガス中に硝酸性窒素などの窒素成分、とくに硝酸性窒素などやアンモニアなどの窒素混入を防止することができるメタン発酵処理装置の運転方法を提供すること。【解決手段】メタン発酵させるメタン発酵槽、浄化処理を行う活性汚泥槽、前記メタン発酵槽から排出されるメタンガスを利用して発電を行う燃料電池を備えるメタン発酵処理装置の運転方法において、上記活性汚泥槽からの余剰汚泥を活性汚泥槽の嫌気工程終了時に上記メタン発酵槽に送ることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵槽、活性汚泥槽、燃料電池を備え、メタン発酵槽においてメタンガスを生成させ、燃料電池により発電を行い、メタン発酵廃液は活性汚泥槽へ流入させ、好気状態及び嫌気状態として処理するメタン発酵処理装置の運転方法において、活性汚泥槽から亜硝酸性窒素あるいは硝酸性窒素が実質的に含まれない余剰汚泥をメタン発酵槽に送ることを特徴とする運転方法。
【請求項２】
メタン発酵槽、活性汚泥槽、前記メタン発酵槽から排出されるメタンガスを利用して発電を行う燃料電池を備えるメタン発酵処理装置の運転方法において、上記活性汚泥槽からの余剰汚泥を上記メタン発酵槽に送るタイミングを活性汚泥槽の嫌気工程終了時とすることを特徴とするメタン発酵処理装置の運転方法。
【請求項３】
上記活性汚泥槽が嫌気槽と好気槽を有する構造の場合、嫌気槽よりの余剰汚泥をメタン発酵槽に送ることを特徴とする請求項２記載のメタン発酵処理装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、牛、豚などの糞尿、また生ゴミなどの有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置を運転する方法であって、燃料電池からの電力を利用するメタン発酵処理する装置の運転方法に関する。とくに、牛、豚などの糞尿、また生ゴミなどの有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置を運転する方法であって、燃料電池の性能劣化の程度が抑制され燃料電池を効率よく稼動させることができるメタン発酵処理装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、牛、豚などの畜産糞尿や生ゴミ等の有機性廃棄物をメタン発酵し、メタンガスとしてエネルギーを回収する方法が省資源、循環型社会形成の一環とて採用されている。
上記有機性廃棄物のメタン発酵処理を行う場合、発酵処理した後に廃液が発生し、この発酵廃液を処分する必要がある。処分方法としては、堆肥として土壌に散布する方法、もしくは浄化処理を行い河川等に放流する方法などが知られている。後者の発酵廃液を浄化処理する方法としては、下水処理などで用いられる活性汚泥法によって発酵廃液を生物学的処理することが一般的である。
【０００３】
図３に従来行われているメタン発酵処理装置の要部構成の一例を示す。具体的に説明すると、有機性廃棄物１をメタン発酵槽２に投入し、メタン発酵処理する。メタン発酵槽２から排出されるメタン発酵廃液３が、活性汚泥槽４に送られ、浄化処理される。メタン発酵廃液３は有機物に加えてアンモニアを主体とする窒素分を含有している。活性汚泥槽４内では微生物が好気条件下、嫌気条件下に交互におかれ、メタン発酵廃液中の有機物、窒素の除去がなされ、処理水１１として排出される。これにより余剰汚泥５の量が削減できる。なお、活性汚泥槽内に空気１３を吹き込み好気条件をつくりだす。また余剰汚泥の一部は脱水装置（図示されていない）にて凝集脱水処理され、脱水汚泥として系外に排出される。一方、メタン発酵槽２より排出したメタンガス７が燃料電池設備内にある改質器（図示されていない）により水素に変換され、燃料電池により発電が行われる。メタン発酵槽２から排出されるメタンガス７を利用して燃料電池８が発電を行う。  
燃料電池８からの電力はメタン発酵処理装置の稼働動力源として使用でき、余剰分は他の施設の動力源として使用できるほかに売電することもできる。メタン発酵により発生するメタンガスを利用して燃料電池発電を行うシステムは、例えば、特許文献１に示されている。なお、ここでは、複合ラグーン式浄化槽という省エネルギー型（稼働に要する動力が少ない）の浄化槽を採用し、活性汚泥槽で用いられる曝気動力が大きいという問題点を解決する技術が開示されている。
この燃料電池を用いて発電する場合には、メタン発酵槽からできるだけ多くのメタンガスを排出させ、それらのメタンガスを利用して燃料電池にて発電することができれば、それだけ有利である。そこで、例えば有機性廃棄物をメタン発酵処理する際、固形残渣発生量を低減し、高効率的にメタンガスを回収を可能にした技術が報告されている（特許文献２を参照）。
一方、燃料電池を用いて発電する際の技術上の問題点の一つとして、燃料電池に導入されるガスの不純物による悪影響が指摘されている。たとえば、燃料電池に導入されるガス中に含硫黄化合物が含まれていると、その硫黄化合物が燃料電池の性能低下を引き起こすこと、また、メタンガス中に窒素が混入した場合、燃料電池設備内にあるメタンガスから水素を生成させる改質装置において、生成した水素と窒素が反応し、アンモニアが生成するため、このアンモニアによって燃料電池の電極が劣化し、発電性能が低下する問題がある。
この不都合さを解消するために、燃料電池に導入するメタンガスに前処理を施し、それら含硫黄化合物やアンモニアを除去する工程が必須となっている。しかし、その除去工程では、アンモニア以外の窒素成分例えば、窒素ガスや硝酸などまで完全に除去することができず、アンモニア以外の窒素成分がある場合は上述と同様の理由でアンモニアが生成し、燃料電池の性能低下を引き起こす。そこで、メタンガス内に硝酸性窒素などの窒素成分ができるだけ少ないようにする技術の出現が望まれている。とくに硝酸性窒素などアンモニア以外の窒素成分ができるだけ少ないようにする技術の出現が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】：特開２００１−２１２５８３
【特許文献２】：特開２００２−３１６１３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的はメタン発酵槽より発生するメタンガス中への硝酸性窒素などの窒素成分、とくに硝酸性窒素などのアンモニア成分以外の窒素混入を防止することができるメタン発酵処理装置の運転方法を提供することにある。また、多量のメタンガスを生成させることができるようメタン発酵処理装置の運転方法を提供することにある。さらには、有機性廃棄物をメタン発酵処理し、メタン発酵槽より発生するメタンガス中への硝酸性窒素などの窒素成分、とくに硝酸性窒素などのアンモニア成分以外の窒素混入を防止することができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記の課題を解決するためにいろいろと工夫を重ねる最中、メタン発酵槽、活性汚泥槽、前記メタン発酵槽から排出されるメタンガスを利用して発電を行う燃料電池を備えるメタン発酵処理装置を運転する際に、活性汚泥槽から余剰汚泥をメタン発酵槽に送るタイミングを活性汚泥槽の嫌気工程終了時とすると、上記課題を解決できることを見出し、さらに工夫を重ね、本発明に到達した。
【０００７】
本発明の請求項１に係る発明は、メタン発酵槽、活性汚泥槽、燃料電池を備え、メタン発酵槽においてメタンガスを生成させ、燃料電池により発電を行い、メタン発酵廃液は活性汚泥槽へ流入させ、好気状態及び嫌気状態として処理するメタン発酵処理装置の運転方法において、活性汚泥槽から亜硝酸性窒素あるいは硝酸性窒素が実質的に含まれない余剰汚泥をメタン発酵槽に送ることを特徴とする運転方法である。
本発明の請求項２に係る発明は、有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵槽、メタン発酵廃液を活性汚泥処理する活性汚泥槽、前記メタン発酵槽から排出されるメタンガスを利用して発電を行う燃料電池を備えるメタン発酵処理装置の運転方法において、上記活性汚泥槽からの余剰汚泥を上記メタン発酵槽に送るタイミングを活性汚泥槽の嫌気工程終了時とすることを特徴とするメタン発酵処理装置の運転方法に関する。また、請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において活性汚泥槽が嫌気槽と好気槽を有する構造の場合、嫌気槽よりの余剰汚泥をメタン発酵槽に送ることを特徴とする発明である。
【０００８】
以下、図１、２を参照しながら本発明を説明する。
本発明のメタン発酵装置はメタン発酵槽２、活性汚泥槽４、燃料電池８を備えている。さらに可溶化装置６を備えていてもよい。
上記メタン発酵槽内で有機性廃棄物をメタン発酵処理する。具体的には、有機性廃棄物を好ましくは粉砕・スラリー化し、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性条件下でメタン菌を主体とする嫌気性微生物により発酵処理して有機性廃棄物をメタンガスと水とに分解する処理方法である。この処理方法は、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点で有用である。また、嫌気性条件下で処理が進むため曝気処理が不要であり、曝気のための動力が不要であるため省エネルギー的な処理法であるともいえる。なお、有機性廃棄物としては牛、豚などの糞尿、また生ゴミなどの有機性廃棄物を示すことができるが、これらに何ら制限されない。
【０００９】
上記嫌気性生物を用いた発酵槽においては、細菌と有機性廃棄物を十分に接触させ、メタンガスの発生を促進させるために発酵槽内を攪拌する必要がある。また、この攪拌によって、発酵槽内の温度やｐＨが均一になるので発酵条件が一定となり、安定したメタンガスの発生が可能となる。本発明では、メタン発酵槽は一般的な発酵槽を使用することができる。
活性汚泥槽４内では、主に、窒素成分を含めた有機物の除去を好気条件下あるいは嫌気条件下で行ういわゆる生物学的処理がなされる。活性汚泥を構成する微生物がメタン発酵廃液中の有機物を栄養源として炭酸ガスと水に分解し、除去される。とくに窒素成分は好気性の条件下で硝化菌の働きによりNH４−N（アンモニア性窒素）がNO２−N（亜硝酸性窒素）に酸化され、さらにNO２−NがNO３−N（硝酸性窒素）に酸化され、ついで嫌気性の条件下で脱窒菌の働きによりNO３−NがN２（窒素ガス）に還元されて除去される。なお、NO２−Nの一部は酸化されずに残ることがある。硝化・脱窒の関係を整理すると次のようになる。
反応          窒素の形態変化                反応条件             微生物
硝化反応  アンモニア性窒素→亜硝酸性窒素      好気性（溶存酸素あり）  硝化菌
→硝酸性窒素
脱窒反応  硝酸性窒素、亜硝酸性窒素→窒素ガス  嫌気性（溶存酸素なし）  脱窒菌
【００１０】
このように、嫌気性条件の終了時点においては、活性汚泥中の硝酸性窒素や亜硝酸性窒素は窒素ガスとして気中に放出され、硝酸性窒素あるいは亜硝酸性窒素が実質的に含まれなくなるので、このタイミングで余剰汚泥をメタン発酵槽に返送することが極めて重要である。ここで、硝酸性窒素あるいは亜硝酸性窒素が実質的に含まれなくなるとは、硝酸性窒素あるいは亜硝酸性窒素が含まれないとき、または本発明の所期の効果を達成できる範囲の微量の硝酸性窒素あるいは亜硝酸性窒素が含まれるときを言う。この返送処理により、メタン発酵槽から排出されるメタンガスには窒素成分の混入量が少なくなり、とくに硝酸性窒素等の混入を防止することができる。上記メタン発酵槽に返送する余剰汚泥の量は、メタン発酵槽内へ投入される有機性廃棄物の種類や量、活性汚泥槽などの性状など多くの要因により影響を受けるので、一概に規定することができないが、通常、活性汚泥槽から引き出される量の２０％程度から全量である。
ここで、嫌気性条件の終了時点、すなわち脱窒が実質的に終了し硝酸性窒素等が実質的に含まれなくなる時点、あるいは嫌気工程終了時を知る方法としては、たとえばｐＨや酸化還元電位（ＯＰＲ）を測定して硝酸性窒素等が実質的に含まれないことを知る方法、あるいは硝酸性窒素濃度計にて硝酸性窒素濃度を測定し、硝酸性窒素等が実質的に含まれないことを知る方法などが挙げられる。
【００１１】
本発明では、微生物が好気条件下および嫌気条件下に交互におかれる、いわゆる間欠曝気法で窒素成分を含む有機物の除去がなされることが好ましいが、槽を分割して無酸素の状態を置くいわゆるＡ2Ｏ法（嫌気−無酸素−好気法）や循環式硝化脱窒法などを採用してもよい。上記間欠曝気法は、好気工程および嫌気工程の比率を時間的に設定でき、しかも従来から使用されている施設を使用すればよいのであって、それらの点から有利な方法ということができる。
本発明では、活性汚泥中の汚泥をメタン発酵槽に返送する際、活性汚泥槽４での嫌気工程の終了時点に、活性汚泥中の汚泥をメタン発酵槽に返送することが特徴の一つである。活性汚泥中の嫌気工程の終了時点での汚泥としては、上記方法により嫌気工程の終了時点を知り、そのときの汚泥を取り出せばよい。上記間欠曝気法の場合には、曝気処理していない嫌気工程から曝気処理する好気工程に移行するときの活性汚泥槽からの汚泥を取り出せばよい。また、活性汚泥槽が嫌気槽と好気槽とから構成されている場合には、嫌気槽からの汚泥をメタン発酵槽に送ればよい。なお、本発明では活性汚泥槽は一般的な活性汚泥槽を使用すればよい。
【００１２】
燃料電池は一般的な燃料電池を採用すればよい。また、該燃料電池を備える発電設備は、燃料電池本体に、さらに下水汚泥からメタン発酵処理により得られる消化ガスを導く原燃料供給配管、この原燃料供給配管を通して供給されるメタンガス中に含まれる硫黄成分を除去する脱硫装置、この脱硫装置からのメタンガスを水蒸気で触媒反応させて一酸化炭素と水素ガスに改質する改質装置、この改質装置から出力される一酸化炭素および水素ガスを水蒸気などで触媒反応させて二酸化炭素と水素ガスに変成する変成装置などが設けられていてもよい。
この燃料電池は、燃料極および空気極を有し、上記変成装置から出力される水素ガス（Ｈ2 ）に大気中の酸素ガス（Ｏ2 ）を反応させて燃料極側から直流電力を取り出す構成を有しており、さらには当該直流電力をインバータにて交流電力に変換し、出力することができる。
【００１３】
本発明では、さらに、可溶化装置６を備えていてもよい。可溶化装置６に、活性汚泥槽４からの余剰汚泥の一部を導入し、余剰汚泥を可溶化処理する。可溶化処理された余剰汚泥はメタン発酵槽に返送される。可溶化装置は機械的処理、生物的処理、化学的処理及び物理的処理の各種処理方法を用いて、余剰汚泥可溶化処理することができる。たとえば、超臨界水、超音波、オゾン、高圧パルス放電などに代表される物理処理方法あるいは好気的微生物を用いて処理する方法がある。その中でもとくにオゾン等の酸化性物質を汚泥に接触させることにより行う方法が有効である。これら可溶化装置での処理条件は、その処理対象である有機性固形廃棄物の種類及び濃度及び当該固形廃棄物を分解しうる微生物の可溶化至適温度等に依存して変動可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明ではこの余剰汚泥返送により硝酸性窒素がメタン発酵槽内に混入することを防止するものであり、メタンの回収効率を高めると共に、固形残滓の発生量を格段に削減することができる。また、本発明によりメタン発酵槽への硝酸性窒素の混入量を大幅に減らすことを可能とし、メタン発酵槽からのメタンガスには窒素分などの不純物含有量が低減された。これにより、メタンガスを利用して発電する燃料電池の性能低下を防ぐことができるのである。
【発明の実施の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
有機性廃棄物１をメタン発酵槽２に投入し、メタン発酵処理を施し、メタンガス７を生成させる。生成したメタンガス７を燃料電池８に送り、メタンガスのエネルギーを利用した発電を行う。
メタン発酵処理後のメタン発酵廃液３は、活性汚泥槽４に送られ、好気性処理と嫌気性処理が施され、廃液中の有機物及び窒素が除去される。活性汚泥槽４では、空気を送り込む時間と空気の送り込みを止める時間を交互に繰り返す運転を行い、好気性処理工程と嫌気性処理工程を作り出している。好気性処理工程と嫌気性処理工程の合計時間（１サイクル時間）は1〜4時間で運転する。好気性処理工程時間と嫌気性処理工程時間の比率は１：１程度とするが、メタン発酵廃液の性状によって上記比率を見直すこともある。活性汚泥槽４で増殖した活性汚泥は、余剰汚泥５として活性汚泥槽４の嫌気性処理工程終了のタイミングで活性汚泥槽４から一部がメタン発酵槽２へ送られ、余剰汚泥５の一部が可溶化装置６に送られる。可溶化装置６で余剰汚泥５中の微生物の細胞膜が破壊されことによりメタン発酵し易い性状にまで可溶化処理され、メタン発酵槽２に送られる。可溶化処理の方法は、オゾンを注入する方法、熱処理する方法など一般に知られている方法の何れを用いてもよい。なお、可溶化装置６を設置せず、直接余剰汚泥をメタン発酵槽へ送ってもよい。残りの余剰汚泥は凝集脱水処理を行い排出される。
以上により、メタン発酵槽２への余剰汚泥からの硝酸性窒素の流入が無くなり、燃料電池設備における改質器でのアンモニアの生成を防止することができ、燃料電池の性能低下を防ぐことができる。
【００１６】
（実施の形態２）
以下、図２を参照しながら、本発明を説明する。
活性汚泥槽４が図１とは異なるが、それ以外は図１と同様である。この実施の形態２では活性汚泥槽が二つに分割して好気性処理工程（好気槽）、嫌気性処理工程（嫌気槽）を作る循環式硝化脱窒法の運転の場合である。
図２は図１と基本的構成は同様であるが、図１における活性汚泥槽４が嫌気槽１４、好気槽１５に分割されている点、好気槽１５から嫌気槽１４へ活性汚泥を循環させる返送汚泥９の経路がある点が異なる。
メタン発酵廃液３は嫌気槽１４へ流入し、嫌気性処理が行われ、ついで好気槽１５に流入し、好気性処理が行われる。好気槽１５では好気状態を保つために空気の送り込みを常時行う。返送汚泥９は好気槽１５から嫌気槽１４へ常時循環させる。循環量は多くすれば窒素除去率は向上するが、循環量が大きすぎると嫌気槽１４の嫌気条件が維持できなくなるため好ましくない。このため循環量は流入するメタン発酵廃液量の１〜２倍程度で運転する。嫌気槽１４及び好気槽１５で増殖した汚泥は嫌気槽１４より余剰汚泥を引き抜く。以下可溶化装置６や残りの余剰汚泥の処理に関しては実施例１と同様であるため省略する。
【００１７】
上記に基づき本発明を次のようにも記載することができる。
（１）メタン発酵槽、活性汚泥槽、燃料電池を備え、メタン発酵槽においてメタンガスを生成させ、燃料電池により発電を行い、メタン発酵廃液は活性汚泥槽へ流入させ、好気状態及び嫌気状態として処理するメタン発酵処理装置の運転方法において、活性汚泥槽からの余剰汚泥をメタン発酵槽に送るタイミングを活性汚泥槽の嫌気工程終了時とすることを特徴とする運転方法。
（２）上記活性汚泥槽が嫌気槽と好気槽を有する構造の場合、嫌気槽より余剰汚泥をメタン発酵槽に送ることを特徴とする運転方法。
（３）メタン発酵させるメタン発酵槽、浄化処理を行う活性汚泥槽、前記メタン発酵槽から排出されるメタンガスを利用して発電を行う燃料電池を備えるメタン発酵処理装置を使用して有機性廃棄物を処理する方法において、活性汚泥槽での浄化処理の嫌気処理工程終了時での活性汚泥槽からの余剰汚泥をメタン発酵槽に送るタイミングをとすることを特徴とするメタン発酵処理装置を使用して有機性廃棄物を処理する方法。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１が適用されるメタン発酵処理装置の要部構成を示す模式図
【図２】本発明の実施例２が適用されるメタン発酵処理装置の要部構成を示す模式図
【図３】従来行われているメタン発酵処理装置の要部構成を示す模式図
【符号の説明】
【００１９】
１    有機性廃棄物
２    メタン発酵槽
３    メタン発酵廃液
４    活性汚泥槽
５    余剰汚泥
６    可溶化装置
７    メタンガス
８    燃料電池
９    返送汚泥
１１    処理水
１４    嫌気槽
１５    好気槽
【図１】
2005211727.tif 000003
【図２】
2005211727.tif 000004
【図３】
2005211727.tif 000005