(57)【要約】【課題】水素発酵菌源の必要量を少なくすることができる水素発酵装置、排水処理装置及び水素発酵方法を提供する。【解決手段】排水処理装置１における水素発酵装置１１は、導入した有機性排水を水素発酵させる装置である。この水素発酵装置１１は、有機物を導入し水素発酵菌によって水素発酵処理を行う水素発酵槽１２と、グラニュール汚泥を原料とし水素発酵菌を含む種菌汚泥を、水素発酵槽１２に供給する汚泥供給部３０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を水素発酵させる水素発酵装置において、
前記有機物を導入し水素発酵菌によって水素発酵処理を行う水素発酵部と、
グラニュール汚泥を原料とし前記水素発酵菌を含む種菌汚泥を、前記水素発酵部に供給する汚泥供給手段と、を備えたことを特徴とする水素発酵装置。
【請求項２】
前記汚泥供給手段は、
前記グラニュール汚泥を熱処理する熱処理手段を有することを特徴とする請求項１に記載の水素発酵装置。
【請求項３】
前記汚泥供給手段は、
前記グラニュール汚泥を、熱処理の前にスラリー化するスラリー化手段を更に有することを特徴とする請求項２に記載の水素発酵装置。
【請求項４】
前記有機物を含む有機性排水を処理する排水処理装置において、
請求項１〜３の何れか１項に記載の水素発酵装置を備えたことを特徴とする排水処理装置。
【請求項５】
前記水素発酵装置から得られる処理水を導入し、グラニュール汚泥を用いて前記処理水をメタン発酵処理するメタン発酵部を更に備え、
前記汚泥供給手段は、
前記メタン発酵部から前記グラニュール汚泥を回収する汚泥回収手段を有することを特徴とする請求項４に記載の排水処理装置。
【請求項６】
有機物を水素発酵させる水素発酵方法において、
前記有機物を水素発酵部に導入し水素発酵菌によって水素発酵処理を行う水素発酵工程と、
グラニュール汚泥を原料とし前記水素発酵菌を含む前記種菌汚泥を、前記水素発酵部に供給する汚泥供給工程と、を備えたことを特徴とする水素発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物を水素発酵させる水素発酵装置、排水処理装置及び水素発酵方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の水素発酵処理が知られている。この水素発酵処理は、水素発酵菌によって有機物を水素発酵処理するものであり、その水素発酵菌源として、排水処理場から容易に入手可能な消化汚泥を用いることが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−６６４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような消化汚泥は、含水率が高く、ほとんどが水分である。すなわち、菌体濃度が低いので、水素発酵菌源として適切に利用するためには、大量の消化汚泥を水素発酵装置に供給する必要がある。このように、大量の消化汚泥を必要とするので、消化汚泥の処理や運搬に大きなコストを要すると共に、発酵反応が不安定になった際の再立ち上げを迅速に行うことができないという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、水素発酵菌源の必要量を少なくすることができる水素発酵装置、排水処理装置及び水素発酵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】
【０００５】
本発明に係る水素発酵装置は、有機物を水素発酵させる水素発酵装置において、有機物を導入し水素発酵菌によって水素発酵処理を行う水素発酵部と、グラニュール汚泥を原料とし水素発酵菌を含む種菌汚泥を、水素発酵部に供給する汚泥供給手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
この水素発酵装置では、水素発酵部において水素発酵菌による水素発酵が行われ有機物が処理される。この処理に必要な水素発酵菌を含む種菌汚泥は、汚泥供給手段により水素発酵部に供給される。この種菌汚泥は、グラニュール汚泥を原料とするものである。グラニュール汚泥は菌体の集積度が高いので、グラニュール汚泥からは菌体濃度が高い種菌汚泥が得られ、その結果、水素発酵菌源としてのグラニュール汚泥の必要量は少なく抑えられる。
【０００７】
また、汚泥供給手段は、グラニュール汚泥を熱処理する熱処理手段を有してもよい。グラニュール汚泥を熱処理することにより、汚泥中の水素発酵菌を優位にすることができる。また、この場合、汚泥供給手段は、グラニュール汚泥を、熱処理の前にスラリー化するスラリー化手段を更に有してもよい。
【０００８】
また、本発明の排水処理装置は、有機物を含む有機性排水を処理する排水処理装置において、上記何れかの水素発酵装置を備えたことを特徴とする。この排水処理装置によれば、排水中の有機物を処理する水素発酵装置において、水素発酵菌源としてのグラニュール汚泥の必要量が少なく抑えられる。
【０００９】
また、本発明の排水処理装置は、水素発酵装置から得られる処理水を導入し、グラニュール汚泥を用いて処理水をメタン発酵処理するメタン発酵部を更に備え、汚泥供給手段は、メタン発酵部からグラニュール汚泥を回収する汚泥回収手段を有してもよい。
【００１０】
この排水処理装置によれば、水素発酵装置による処理後、更に処理水がメタン発酵部においてメタン発酵されるので、排水が効率よく処理される。また、種菌汚泥の原料としてのグラニュール汚泥を、メタン発酵部から回収し容易に確保することができる。
【００１１】
また、本発明の水素発酵方法は、有機物を水素発酵させる水素発酵方法において、有機物を水素発酵部に導入し水素発酵菌によって水素発酵処理を行う水素発酵工程と、グラニュール汚泥を原料とし水素発酵菌を含む種菌汚泥を、水素発酵部に供給する汚泥供給工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この水素発酵方法では、水素発酵工程で水素発酵菌による水素発酵が行われ有機物が処理される。この処理に必要な水素発酵菌を含む種菌汚泥は、汚泥供給工程で水素発酵部に供給される。この種菌汚泥は、グラニュール汚泥を原料とするものである。グラニュール汚泥は菌体の集積度が高いので、グラニュール汚泥からは菌体濃度が高い種菌汚泥が得られ、その結果、汚泥供給工程において用いられる水素発酵菌源としてのグラニュール汚泥の必要量が少なく抑えられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素発酵装置、排水処理装置及び水素発酵方法によれば、水素発酵菌源の必要量を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る水素発酵装置、排水処理装置及び水素発酵方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１に示す排水処理装置１は、前段で水素発酵処理を行い、後段でメタン発酵処理を行うメタン二段発酵プロセスによって、有機性排水を嫌気的に処理する装置である。この処理装置１は、下水処理場における下水処理や民間産業排水及び廃棄物の処理に用いられ、水素発酵装置１１、バイオリアクター１４、固液分離装置１６、堆肥化設備１８、阻害物質除去装置２０、及び高負荷型メタン発酵装置２２を備えている。
【００１６】
水素発酵装置１１の水素発酵槽（水素発酵部）１２では、ラインＬ１を通じて導入された有機性排水に含まれる有機物が、Clostridiumu属やEnterobacter属等の水素発酵菌により水素発酵処理され、水素と有機酸とが生成される（水素発酵工程）。そして、有機酸を含む処理物は、ラインＬ３を通じて水素発酵槽１２から固液分離装置１６に送られる。詳細は後述するが、このような水素発酵処理を行うための水素発酵菌は、水素発酵装置１１の汚泥供給部（汚泥供給手段）３０から水素発酵槽１２に供給される種菌汚泥に含まれている。
【００１７】
バイオリアクター１４は、油脂などを高濃度に含む廃棄物の処理において任意的に付加できる設備であって、油分解性のある汚泥を種汚泥として生成し、ラインＬ２を通して水素発酵槽１２に添加する。例えば、動植物性の油脂は一般にグリセロールと脂肪酸のエステル化物であるため、リパーゼ（エステル分解酵素）活性の高いバクテリアをこのバイオリアクター１４で培養し、水素発酵槽１２に添加することで、分解率を上げることができる。
【００１８】
なお、バイオリアクター１４としては、小型で高密度培養が可能な膜ろ過型バイオリアクターが好適である。油分を高濃度に含む有機性廃棄物を処理する場合は、バイオリアクター１４で培養した油分解性のある種汚泥を水素発酵槽１２に添加することで、予め油分を除去することができる。従って、油分がグラニュール汚泥の表面に付着して処理を妨げたり、グラニュール汚泥の浮上・流出したりといったトラブルの発生を低減することができる。
【００１９】
固液分離装置１６は、水素発酵槽１２で可溶性物質まで分解され、ラインＬ３を通して送られてきた処理物のうち、未分解の固形分を分離する。固液分離装置１６としては、遠心脱水機、ベルトプレス、フィルタープレスなどの各種脱水機を用いることができる。
【００２０】
堆肥化設備１８は、固液分離装置１６で分離されラインＬ４を通して送られてきた固形分を堆肥化する。このように固形分を堆肥化することで、臭気を減らし、含水率を低減して減容化すると共に、廃棄物の有効利用が図られる。
【００２１】
阻害物質除去装置２０は、固液分離装置１６で分離されラインＬ５を通して送られてきた分離液から、後段のメタン発酵処理を阻害する物質を除去する。メタン発酵阻害物質としては、アンモニアや硫化水素などが含まれる。アンモニアは、通性嫌気性発酵でタンパク質などを分解することで発生する。また硫化水素は、通性嫌気性発酵で硫黄化合物を還元することで発生する。メタン発酵阻害物質としてアンモニアが含まれる場合は、阻害物質除去装置２０として、例えば、ＭＡＰ（リン酸アンモニウムマグネシウム）やＨＡＰ（ヒドロキシアパタイト）反応装置が好適である。また、メタン発酵阻害物質として硫化水素が含まれる場合は、阻害物質除去装置２０として、例えば、硫化水素放散搭や吸着塔が好適である。
【００２２】
このようなメタン発酵阻害物質は、メタン発酵槽２８内に混入すると除去が困難で、特に発酵槽内の汚泥濃度が高い場合は極めて扱い難いので、阻害物質除去装置２０において予め除去することで、後段の高負荷型メタン発酵装置２２において効率良くメタン発酵処理を行うことができる。
【００２３】
高負荷型メタン発酵装置２２は、固液分離装置１６で分離されメタン発酵阻害物質が除去されて、ラインＬ６を通して送られてきた分離液をメタン発酵処理する。高負荷型メタン発酵装置２２は、酸生成槽２６とメタン発酵槽２８を有している。酸生成槽２６は、酸生成菌により分離液を処理して低級有機酸を生成する。この酸生成槽２６は、メタン発酵槽２８における水位やｐＨ、循環流速などを調整する調整槽としても機能している。メタン発酵槽２８は、ラインＬ７を通して送られてきた有機酸を含む処理液をメタン生成菌によりメタン発酵し、ラインＬ８を通して処理水を排出する。
【００２４】
メタン発酵槽２８としては、ＵＡＳＢやＥＧＳＢといった上向流式メタン発酵槽を用いることができる。メタン発酵汚泥等を自己造粒させたグラニュール汚泥を利用してメタン発酵処理するＵＡＳＢやＥＧＳＢは、高効率な処理が可能であるため好ましい。また、メタン発酵槽２８として、ＵＡＳＢやＥＧＳＢといった上向流式メタン発酵槽を用いることで、後述する種菌汚泥の原料としてのグラニュール汚泥が特に容易に得られるので好ましい。なお、上向流式のメタン発酵槽２８での処理液の一部は、ラインＬ９を通して酸生成槽２６に返送される。
【００２５】
このような処理装置１における水素発酵装置１１の水素発酵槽１２においては、雑多な菌を含む汚泥を単純に嫌気状態に維持するだけでは、水素発酵菌が優位にはならず、メタン菌が優位になってしまうので、水素発酵処理を行うことができない。従って、水素発酵槽１２には、水素発酵処理を行うために水素発酵菌源を供給する必要がある。このような水素発酵菌源として、水素発酵菌の単離菌を純粋培養した種菌を供給することも考えられるが、雑多な菌を含む排水の処理においては現実的ではない。
【００２６】
また、下水処理場において比較的入手容易な消化汚泥を水素発酵菌源とすることも考えられるが、消化汚泥は、含水率が高く、ほとんどが水分である。また、消化汚泥の菌相は、メタン菌が主であり水素発酵菌は微量しか含まれていない。すなわち、消化汚泥は、水素発酵菌の菌体濃度が低いので、水素発酵菌源として適切に利用するためには、大量の消化汚泥を水素発酵槽１２に供給する必要がある。このように、供給すべき消化汚泥が多いので、消化汚泥の処理や運搬に大きなコストを要してしまうと共に、発酵反応が不安定になった際の再立ち上げを迅速に行うことができないという問題がある。
【００２７】
そこで、この水素発酵装置１１は、メタン発酵槽２８に格納されたグラニュール汚泥を原料とした種菌汚泥を生成し、この種菌汚泥を水素発酵菌源として水素発酵槽１２に供給する汚泥供給部（汚泥供給手段）３０を備えている。この汚泥供給部３０は、メタン発酵槽２８の底部からグラニュール汚泥を原料として回収する回収ライン（汚泥回収手段）Ｌ２１を有している。この回収ラインＬ２１を通じて回収されるグラニュール汚泥は、自己造粒により粒径０．１〜５ｍｍの球形もしくは卵形をなす集塊を形成している。回収ラインＬ２１からのグラニュール汚泥は、ホモジナイザー（スラリー化手段）３１で粉砕処理されスラリー化される。その後、スラリー化されたグラニュール汚泥は、加熱装置（熱処理手段）３３に導入され、６５〜７０℃で約１０分間加熱される。このような処理で生成された種菌汚泥は、水素発酵菌が優位な状態となる。
【００２８】
次に、この種菌汚泥は、加熱装置３３からラインＬ２３を通じて水素発酵槽１２に供給され植種される（汚泥供給工程）。そして、水素発酵処理の立ち上げ時においては、植種後２４時間程度で水素発酵槽１２による水素発酵処理が立ち上がり、安定した有機性排水の水素発酵処理が行われる。このような水素発酵処理の立ち上がりの速さは、消化汚泥を用いた水素発酵処理の立ち上げと同等の速さである。なお、上記種菌汚泥の生成において、グラニュール汚泥のスラリー化は必須の処理ではなく、汚泥供給部３０ではホモジナイザー３１を省略してもよい。
【００２９】
この排水処理装置１において、メタン発酵槽２８に格納されたグラニュール汚泥は、メタン発酵や水素発酵に関連する微生物群からなるメタン発酵汚泥を自己造粒させたものであり、メタン生成菌や水素生成菌が高濃度に集塊を作っている。そして、汚泥供給部３０においては、このような菌体の高い集積度をもつグラニュール汚泥を原料として種菌汚泥を生成しているので、種菌汚泥の原料としてのグラニュール汚泥の必要量は、少なく抑えられる。本発明者らの種々の実験によれば、この場合のグラニュール汚泥の必要量は、水素発酵槽１２の容積当たり、消化汚泥を用いた水素発酵処理の立ち上げに必要な消化汚泥に比較して１０分の１程度の量に抑えられる。
【００３０】
その結果、汚泥供給部３０の処理に必要なエネルギー（特に、加熱装置３３の加熱処理に必要なエネルギー）を低減することができる。また、水素発酵槽１２における水素発酵反応が不安定になった際の再立ち上げを行う場合にも、迅速に水素発酵を立ち上げることができる。また、このような種菌汚泥は、馴養を経ずに汚泥供給部３０から直接水素発酵槽１２に植種することができる。また、この排水処理装置１においては、高負荷型メタン発酵装置２２のグラニュール汚泥を、種菌汚泥の原料として容易に確保することができる。
【００３１】
続いて、上記汚泥供給部３０における種菌汚泥生成処理の好適な処理条件について説明する。本発明者らは、好適な処理条件を求めるべく、上述した水素発酵装置１１における水素発酵処理をモデル化し、図２に示す実験装置５１を用いて以下の実験を行った。
【００３２】
まず、３０ｍｌのグラニュール汚泥をホモジナイザー５３でスラリー化し、蒸留水を加えて２００ｍｌに希釈した。なお、この処理において、スラリー化後の蒸留水による希釈は省略してもよい。
【００３３】
次に、第１の加熱方法として、希釈された２００ｍｌの上記汚泥を加熱装置５５に導入し、加熱ムラが生じないように十分に撹拌しながら、３０分以上の時間をかけて緩やかに６５〜７０℃まで加熱し、６５〜７０℃で１０分加熱した後、水冷した。このように生成した種菌汚泥を水素発酵槽５７に植種しグルコースを基質として培養を行ったが、水素発酵槽からの水素の発生は見られなかった。従って、この加熱方法では、グラニュール汚泥中の水素生成菌を含む微生物が、加熱処理によって死滅又は不活性化したものと考えられる。
【００３４】
また、第２の加熱方法として、希釈された２００ｍｌの上記汚泥を加熱装置５５に導入し、加熱ムラが生じないように十分に撹拌しながら、３０分程度の時間をかけて緩やかに加熱し、６０℃に達した時点で、水冷した。このように生成した種菌汚泥を水素発酵槽５７に植種しグルコースを基質として培養を行ったところ、２４時間後には、水素発酵槽からの十分な水素の発生が見られた。
【００３５】
また、第３の加熱方法として、希釈された２００ｍｌの上記汚泥を加熱装置５５に導入し、加熱ムラが生じないように十分に撹拌しながら、５〜１０分程度の時間をかけて緩やかに６５℃まで加熱し、６５〜７０℃を１０分保持した後、水冷した。このように生成した種菌汚泥を水素発酵槽５７に植種しグルコースを基質として培養を行ったところ、２４時間後には、水素発酵槽からの十分な水素の発生が見られた。
【００３６】
以上の結果に鑑み、上記第２及び第３の方法によって水素発酵槽５７の水素発酵菌の植種が可能であることが判った。従って、汚泥供給部３０における種菌汚泥生成処理においては、例えば、温度の上昇／下降にかかる時間を極力短くしながら、６５〜７０℃で１０分間加熱処理するといった条件を、好適に採用することができる。
【００３７】
次に、このような処理条件で種菌汚泥約２００ｍＬを生成し、グルコースを基質とした連続培養実験を行った。この連続培養実験では、水素発酵槽５７におけるグルコースの仕込量を、１．５Ｌとした。その結果、図３に示すように、種菌汚泥の植種の翌日（経過時間：１日目）には水素を含むガスが安定して発生し、その後も投入培地１Ｌ当たり３〜５Ｌのバイオガスが発生した。このバイオガスの成分は、平均で、Ｈ２が５５％、ＣＯ２が４０％であり、６０日以上の長期間発酵を維持することができた。以上のように、グラニュール汚泥を上述の条件で加熱処理して得られる種菌汚泥によって、安定した水素発酵処理が可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る水素発酵装置を含む排水処理装置の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明者らによる実験に用いられた水素発酵装置を示す図である。
【図３】図２の水素発酵装置で行った実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…排水処理装置、１１…水素発酵装置、１２…水素発酵槽（水素発酵部）、２２…メタン発酵装置（メタン発酵部）、３０…汚泥供給部（汚泥供給手段）、３１…ホモジナイザー（スラリー化手段）、３３…加熱装置（熱処理手段）、Ｌ２１…回収ライン（汚泥回収手段）。
【図１】
2007319841.tif 000003
【図２】
2007319841.tif 000004
【図３】
2007319841.tif 000005