(57)【要約】【課題】全固形物濃度が高く、Ｃ／Ｎ比が低い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。【解決手段】乾式メタン発酵を行う発酵槽２５への有機性廃棄物の供給速度を低くする。具体的には、有機性廃棄物中の有機物が最大分解速度の９０％以下の分解速度で分解されるように該有機性廃棄物を発酵槽２５に供給する。特に、有機性廃棄物の供給速度は、発酵槽２５から取り出される発酵残渣のｐＨが８〜９となるように調整することが好ましい。また、有機性廃棄物と乾式メタン汚泥との混合物のアンモニア態窒素１質量部に対して、リンが１質量部１以上、マグネシウムが０．８質量部以上となるよう、必要に応じてマグネシウム塩等を添加する。【選択図】図１
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【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１５質量％以上の固形状の有機性廃棄物と、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と、を混合して発酵槽において嫌気的条件下でメタン発酵させる有機性廃棄物の処理方法であって、
前記発酵槽での前記有機性廃棄物中の有機物の分解速度が、前記乾式メタン汚泥による前記有機性廃棄物中の有機物の最大分解速度の９０％以下となるように前記有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してメタン発酵させる乾式メタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
前記乾式メタン発酵工程において、前記発酵槽に導入された前記有機性廃棄物と前記乾式メタン汚泥との混合物のｐＨが８〜９の範囲となるように前記有機性廃棄物を前記発酵槽に供給する請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
前記有機性廃棄物と前記乾式メタン汚泥との混合物のアンモニア態窒素１質量部に対して、リンが１質量部以上、マグネシウムが０．８質量部以上となるようにして前記乾式メタン発酵工程を行う請求項１または２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度１５質量％以上の固形状の有機性廃棄物が導入され、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と該有機性廃棄物が混合された状態でメタン発酵が行われる発酵槽を有する有機性廃棄物の処理装置であって、
前記発酵槽は、該発酵槽での前記有機性廃棄物中の有機物の分解速度が、前記乾式メタン汚泥による前記有機性廃棄物中の有機物の最大分解速度の９０％以下となるように前記有機性廃棄物を該発酵槽に供給できる容積を有する有機性廃棄物の処理装置。
【請求項５】
前記発酵槽は、該発酵槽内に保持される前記乾式メタン汚泥と前記有機性廃棄物との混合物のｐＨを計測するｐＨ計を備え、
前記混合物のｐＨが８〜９となるように、前記発酵槽に対する前記有機性廃棄物の供給速度を調整する供給制御手段をさらに有する請求項４に記載の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に関し、特に、Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度が１５質量％以上である固形状の有機性廃棄物をメタン発酵させる乾式メタン発酵による有機性廃棄物の処理方法に関する。
【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。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。
【０００４】
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。このため、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】
例えば、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が提案されている（特許文献１）。また、有機性廃棄物のＣ／Ｎ比を高くすることによりアンモニア阻害を回避する方法も知られている（例えば特許文献２）。さらに、発酵槽にマグネシウムおよびリンを添加することにより、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も提案されている（例えば特許文献３）。
【特許文献１】特開２００１−２７６８８０号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７２４７号公報
【特許文献３】特開平７−５１６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、有機性廃棄物を水で希釈する方法ではメタン発酵残渣（以下、単に「発酵残渣」と省略する場合がある）から排出される排水量が多くなる。特に乾式メタン発酵の場合は水で希釈することにより発酵槽内のＴＳ濃度が低下して乾式メタン発酵ができなくなる場合もある。また、特許文献２に記載された方法は、湿式メタン発酵には適用できるが、乾式メタン発酵では、発酵槽内に保持される乾式メタン発酵汚泥はほぼ固形状であるため、十分な効果を得ることは困難である。
【０００９】
さらに、ＭＡＰは液体中では比較的容易に生成させることができるものの、乾式メタン発酵では発酵槽内の混合物がほぼ固体であるため、ＭＡＰを生成させることは容易ではない。このため、発酵槽に供給する有機性廃棄物にマグネシウム等を添加して窒素、リン、およびマグネシウムの濃度、並びにｐＨをＭＡＰ生成に適した条件としても必ずしもＭＡＰが生成されるとは限らない。また、特許文献３に記載された方法では、ＭＡＰを生成させるために発酵槽にｐＨ調整剤を添加する必要があり、ｐＨ調整剤の添加装置の設置および運転コストが発生する。
【００１０】
このように、メタン発酵技術においては、アンモニア阻害を防止することは重要な技術課題であるが、従来提案されている方法では必ずしも満足できる結果を得られない場合もある。一方、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。
【００１１】
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−ＶＳｋｇ／ｍ３／日程度に達する。このため、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こととなる。
【００１２】
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、およそ４，０００ｍｇ／ｋｇ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。
【００１３】
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。
【００１４】
しかし、上述したとおり、乾式メタン発酵と湿式メタン発酵とでは特性が異なるため、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。
【００１５】
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。特に、本発明は、ｐＨ調整剤や水等を有機性廃棄物に添加することなく、アンモニア阻害を防止できる乾式メタン発酵によ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】
【００１６】
本発明者らは、乾式メタン発酵を行う発酵槽内への有機性廃棄物の供給速度を低下させ、発酵槽内での有機性廃棄物の滞留時間を長くすることでｐＨ調整剤等を添加することなく、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。
【００１７】
（１）  Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度１５質量％以上の固形状の有機性廃棄物と、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と、を混合して発酵槽において嫌気的条件下でメタン発酵させる有機性廃棄物の処理方法であって、  前記発酵槽での前記有機性廃棄物中の有機物の分解速度が、前記乾式メタン汚泥による前記有機性廃棄物中の有機物の最大分解速度の９０％以下となるように前記有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してメタン発酵させる乾式メタン発酵工程を有する有機性廃棄物の処理方法。
【００１８】
本発明は、全固形物濃度が１５質量％以上、特に２０〜４０質量％程度の固体または泥状（これらを「固形状」と総称する）であって、下記数式で表される乾物分解率が４０質量％以上の有機性廃棄物を処理対象とする乾式メタン発酵法である。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。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
乾式メタン発酵では、発酵原料である有機性廃棄物と混合されるメタン汚泥は、ＴＳ濃度が１５質量％以上、特に２５〜６０質量％程度で土塊状の乾式メタン汚泥である。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。有機性廃棄物は、発酵槽の内部または／および外部で上記乾式メタン汚泥と混合され、嫌気的条件が維持される発酵槽内に所定時間保持されることにより、有機物がメタン細菌により分解されてメタンガスが生成される。
【００２１】
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、「ＶＳ」と省略する場合がある。また、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。
【００２２】
本発明では、発酵槽におけるメタン発酵時の温度条件は特に限定されず、２０〜４０℃程度でメタン発酵させる中温メタン発酵としてもよく、あるいは、４５〜６０℃程度でメタン発酵させる高温メタン発酵としてもよい。高温メタン発酵は、発酵槽を小型化できるため好ましい。高温メタン発酵を行うためには、スチーム吹き込み装置等の加温手段を適宜、配置し、発酵槽に供給する有機性廃棄物を必要に応じて５０〜６５℃程度に加温するとよい。
【００２３】
従来の乾式メタン発酵では、有機性廃棄物中の有機物が最大分解速度で分解されるよう、発酵槽に対する有機性廃棄物の供給速度が設定されている。ここで、有機性廃棄物中の有機物の最大分解速度とは、所定量の有機性廃棄物を所定の有機物分解率（例えば５０〜６０質量％程度）までメタン発酵させるために要する時間（分解速度）が最短である分解速度のことであり、有機物の分解速度は、有機物濃度の単位時間当たりの変化量（ｄＶＳ／ｄｔ）で表される。最大分解速度は、酸生成菌、およびメタン生成細菌を含むメタン発酵に関与する細菌類（以下、「メタン発酵菌群」）が対数増殖する場合に得られ、有機物が不足するとメタン発酵菌群の増殖速度が低下して最大分解速度が得られない。
【００２４】
このため、従来は、最大分解速度が得られるように、発酵槽に対する有機性廃棄物の供給速度を高くしていた。これに対し、本発明は発酵槽に対する有機性廃棄物の供給速度を低くして、すなわち、発酵槽の単位容積あたりの有機性廃棄物の滞留時間を長くして、発酵槽において最大分解速度の９０％以下、好ましくは６０〜９０％の分解速度でメタン発酵が行われるようにする。
【００２５】
有機性廃棄物の最大分解速度は、有機性廃棄物の性状によっても異なるが、概ね、４〜１２ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度で、従来、発酵槽への有機性廃棄物の単位容積あたりの供給速度は、湿質で１５〜１５０ｋｇ／ｍ３／日程度である。これに対し本発明では、有機性廃棄物の発酵槽への単位容積あたりの供給速度は１３〜１３０ｋｇ／ｍ３／日程度とする。
【００２６】
より具体的には、ＴＳ濃度が概ね２０〜３０質量％でＣ／Ｎ比が８〜１０程度の生ごみの場合、最大分解速度は８〜１０ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度で、従来、発酵槽への単位容積あたりの供給速度は、５５〜７０ｋｇ／ｍ３／日程度であるのに対し、本発明では３０〜６３ｋｇ／ｍ３／日程度とする。また、ＴＳ濃度が概ね５０〜６０質量％でＣ／Ｎ比が４〜１０程度の食品残渣の場合、最大分解速度は９〜１１ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度で、従来、発酵槽への単位容積あたりの供給速度は、１９〜２３ｋｇ／ｍ３／日程度であるのに対し、本発明では６〜２０ｋｇ／ｍ３／日程度とする。さらに、ＴＳ濃度が概ね２０〜３０質量％でＣ／Ｎ比が３〜８程度の家畜（牛・豚）糞尿の場合、最大分解速度は４〜６ｋｇ−ＶＳｋｇ／ｍ３／日程度で、従来、発酵槽への単位容積あたりの供給速度は、４０〜６０ｋｇ／ｍ３／日程度であるのに対し、本発明では２５〜５５ｋｇ／ｍ３／日程度とする。そして、ＴＳ濃度が概ね３０〜５０質量％でＣ／Ｎ比が８〜１５程度の鶏糞の場合、最大分解速度は５．５〜７．５ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度で、従来、発酵槽への単位容積あたりの供給速度は、３５〜５５ｋｇ／ｍ３／日程度であるのに対し、本発明では２０〜５０ｋｇ／ｍ３／日程度とする。なお、上記の発酵槽への供給速度は湿重としての値である。
【００２７】
本発明では、このように発酵槽への有機性廃棄物の供給速度を低下させ、該有機性廃棄物の最大分解速度より１割以上低い分解速度で有機性廃棄物をメタン発酵させることにより、アンモニア阻害を防止する。
【００２８】
（２）  前記乾式メタン発酵工程において、前記発酵槽に導入された前記有機性廃棄物と前記乾式メタン汚泥との混合物のｐＨが８〜９の範囲となるように前記有機性廃棄物を前記発酵槽に供給する（１）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【００２９】
乾式メタン発酵により有機性廃棄物を発酵させる場合の好適ｐＨは、従来は６〜８．５とされる。しかし、本発明者らは、発酵槽内にある固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物と乾式メタン発酵汚泥との混合物（以下、単に「混合物」と称する）のｐＨが８〜９となるように該有機性廃棄物を発酵槽に供給することで、該有機性廃棄物を最大分解速度より１割以上低い分解速度で乾式メタン発酵させ、アンモニア阻害をより効果的に防止できることを見出した。そこで、（２）記載の発明では、発酵槽内の混合物のｐＨが８〜９となるように固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を発酵槽に供給する。
【００３０】
このようにｐＨを指標とすることで、発酵槽内にｐＨ計を設ける等して発酵槽内の混合物のｐＨを測定することにより、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物の発酵槽への供給速度を容易に調整できる。このため本発明によれば、有機性廃棄物の処理装置を複雑化させることを回避して、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を、最大分解速度より１割以上低い分解速度で乾式メタン発酵させる状態を容易に維持し、アンモニア阻害を効果的に防止できる。
【００３１】
なお、発酵槽内のｐＨ測定に代えて、発酵槽から排出される発酵残渣の残留有機酸（ＶＦＡ）を指標とし、発酵残渣中のＶＦＡ濃度が１，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）以下となるように固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物の供給速度を調整してもよい。
【００３２】
（３）  前記有機性廃棄物と前記乾式メタン汚泥との混合物のアンモニア態窒素１質量部に対して、リンが１質量部以上、マグネシウムが０．８質量部以上となるようにして前記乾式メタン発酵工程を行う（１）または（２）に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【００３３】
本発明に従い、有機性廃棄物の分解速度を低く設定してメタン発酵を行うことにより、アンモニア阻害を防止できる理由は明らかではない。しかし、発酵槽内でＭＡＰが生成されることにより、アンモニア態窒素が不溶化されている可能性も考えられる。そこで、本発明ではＭＡＰの生成を促進するために、発酵槽に供給する固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物のアンモニア態窒素濃度、リン酸濃度、およびマグネシウム濃度を調整する。具体的には、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物のアンモニア態窒素１モルに対し、リンおよびマグネシウムが共に０．５モル以上、好ましくは１モル程度となるよう調整する。
【００３４】
リンは、リン酸の形態で存在することが好ましく、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物のリン酸およびマグネシウム濃度を上記範囲とするためには、酸化マグネシウムを含む土等をマグネシウム源として固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物、乾式メタン汚泥、およびこれらの混合物のいずれか１種以上に添加することが好ましい。また、ＭＡＰの粒子を種晶として固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物等に添加してもよい。リン酸濃度については、固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物のメタン発酵の進行に伴ってリン酸が生成されるため、リン酸源については添加しなくてもよいが、リン酸が不足する場合は、液体のオルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）等をリン酸源として添加すればよい。
【００３５】
（４）  Ｃ／Ｎ比が２０以下で全固形物濃度１５質量％以上の固形状の有機性廃棄物が導入され、全固形物濃度１５質量％以上の乾式メタン汚泥と該有機性廃棄物が混合された状態でメタン発酵が行われる発酵槽を有する有機性廃棄物の処理装置であって、  前記発酵槽は、該発酵槽での前記有機性廃棄物中の有機物の分解速度が、前記乾式メタン汚泥による前記有機性廃棄物中の有機物の最大分解速度の９０％以下となるように前記有機性廃棄物を該発酵槽に供給できる容積を有する有機性廃棄物の処理装置。
【００３６】
本発明では、発酵槽に対する有機性廃棄物の供給速度が低く、発酵槽内での有機性廃棄物の滞留時間が長くなるため、従来法と同量の有機性廃棄物をメタン発酵させる場合は、従来法を行う場合に比して発酵槽を大きくする必要がある。具体的には、発酵槽での有機性廃棄物の分解速度を、最大分解速度の９０％以下となるように有機性廃棄物を発酵槽に供給した場合でも、発酵槽内に供給された有機性廃棄物の有機物分解率が所定値、例えば５０質量％となるまで、発酵槽内に有機性廃棄物を保持することができる大きさとする。
【００３７】
（５）  前記発酵槽は、該発酵槽内に保持される前記乾式メタン汚泥と前記有機性廃棄物との混合物のｐＨを計測するｐＨ計を備え、  前記混合物のｐＨが８〜９となるように、前記発酵槽に対する前記有機性廃棄物の供給速度を調整する供給制御手段をさらに有する（４）に記載の有機性廃棄物の処理装置。
【００３８】
本発明では、発酵槽内にｐＨ計を設けることで、容易に固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物の供給速度を調整できる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、Ｃ／Ｎ比が低く、ＴＳ濃度が高い固形状の有機性廃棄物のメタン発酵処理において、簡易にアンモニア阻害を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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、有機性廃棄物を一時的に貯留する貯留槽２１、混合装置２３、および発酵槽２５を備える。混合装置２３と発酵槽２５とは導入路３３および汚泥返送路３６で接続され、有機性廃棄物は発酵槽２５から返送された乾式メタン汚泥と発酵槽２５外で混合されてから、発酵槽２５に供給されるよう、構成されている。
【００４１】
このように、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、有機性廃棄物のＴＳ濃度が３０〜７０質量％程度、乾式メタン汚泥のＴＳ濃度が１５〜５０質量％程度である場合でも、希釈水を加えることなく、有機性廃棄物と乾式メタン汚泥とを混合でき、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、発酵槽２５の内部に攪拌手段を設けることにより、発酵槽２５内部で有機性廃棄物と乾式メタン汚泥とを混合する方法を排除しない。
【００４２】
なお、汚泥返送路３６の一端縁は、混合装置２３と発酵槽２５との間に接続してもよく、例えば導入路３３の途中に設けた攪拌手段を備える投入ポンプＰに接続してもよい。
【００４３】
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、混合装置２３には、有機性廃棄物を加温するための加温手段２４が接続されている。加温手段２４は特に限定されず、例えば有機性廃棄物にスチームを吹き込むことにより、有機性廃棄物を直接的に加温する装置、または、混合装置を加温することで有機性廃棄物を間接的に加温する構成としてもよい。なお、高温メタン発酵に代えて中温メタン発酵を行う場合は、加温手段２４を省略してもよい。
【００４４】
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、発酵槽２５内でメタン発酵が進んだ混合物は、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、発酵残渣の一部は汚泥返送路３６を介して返送汚泥として混合装置２３に送られる。排泥路３５は、堆肥化装置２９Ａと接続されており、返送汚泥として利用されない発酵残渣を原料として堆肥を製造できるように構成されている。
【００４５】
処理装置１１は、発酵残渣を堆肥原料として利用できるように構成されているが、発酵残渣は炭化物原料とすることもできる。発酵残渣から炭化物を製造する場合は、堆肥化装置２９Ａに代えて、排泥路３５を介して炭化装置２９Ｂを発酵槽２５の後段に配置すればよい。また、排泥路３５を分岐させて、堆肥化装置２９Ａと炭化装置２９Ｂとを設ければ、発酵残渣を原料として、堆肥および炭化物のどちらかまたは両方を適宜、製造できる。
【００４６】
ガス路３７は、メタンガスをエネルギー源として発電を行う発電装置２７と接続されている。発電装置２７は、破線で示した廃熱路３８を介して堆肥化装置２９Ａ、炭化装置２９Ｂ、および混合装置２３の加温手段２４のいずれか１以上の機器と接続することが好ましい。かかる構成により、堆肥化装置２９Ａ、炭化装置２９Ｂおよび加温手段２４のいずれか１以上の機器の熱源として、発電装置２７の廃熱を利用できる。
【００４７】
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１５質量％以上の固形状低Ｃ／Ｎ有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う。以下、本発明で処理するメタン発酵原料を「発酵原料」と称する。
【００４８】
まず、メタン発酵工程に先立ち、既存のメタン発酵槽から採取されたメタン汚泥等を種汚泥として発酵原料の供給量を徐々に増大させる立ち上げ工程を実施する。立ち上げ工程とは、乾式、または湿式を問わず、メタン発酵を行う既存のメタン発酵処理装置の発酵槽に保持されたメタン細菌を含む汚泥（メタン汚泥）を種汚泥とし、種汚泥を馴養することにより、ＴＳ濃度や菌相が発酵原料の性状に適した乾式メタン汚泥を得る工程である。
【００４９】
具体的には、立ち上げ工程では処理対象とする有機性廃棄物を種汚泥と混合して、有機性廃棄物の供給量を徐々に増加させる。このように、有機性廃棄物の供給量を増大させると、供給量の増大に伴ってメタンガスの発生量が指数関数的に増大するが、供給量がある一定量を超えると、メタンガスの発生量の増大が鈍化する。有機性廃棄物の最大分解速度は、このようにメタンガスの発生量の増大が鈍化する付近での分解速度である。
【００５０】
本発明のメタン発酵工程は、有機性廃棄物の供給量を徐々に増大させる立ち上げ工程において、最大分解速度が得られた時点で立ち上げ工程を終了し、最大分解速度での有機性廃棄物のメタン発酵処理が可能となって以降行うものである。このように、メタン発酵工程に先立ち、立ち上げ工程を行って処理対象の有機性廃棄物に適した性状で、該有機性廃棄物の最大分解速度での処理が可能な乾式メタン汚泥を調整することで、メタン発酵工程での処理を安定して行うことができる。
【００５１】
メタン発酵工程は、かかる立ち上げ工程を終了した後、開始する。具体的には、まず、発酵槽２５への供給量を調整するために発酵原料を貯留槽２１に一時的に貯留し、移送路３１またはパワーショベル等の移送手段を介して発酵原料を貯留槽２１から混合装置２３に供給する。混合装置２３では、加温手段２４により発酵原料を３０〜６５℃程度に加温するとともに、立ち上げ工程で得られた乾式メタン汚泥を返送汚泥として汚泥返送路３６から供給し、加温された発酵原料と混合する。混合装置２３で得られた発酵原料と乾式メタン汚泥との混合物は、導入路３３から発酵槽２５に投入する。
【００５２】
混合装置２３または導入路３３には土等のマグネシウム源を添加するＭＡＰ成分添加装置（図示せず）を必要に応じて接続し、混合物のアンモニア態窒素：リン：マグネシウムのモル比を１：１：１とすることが好ましい。また、ＭＡＰの生成を促進するために、発酵原料および混合物のいずれか一方または両方にＭＡＰの種晶を添加してもよい。ＭＡＰの種晶の添加量は、混合物に対して０．０１〜１質量％（乾重）とするとよい。混合物にＭＡＰの種晶を添加することで、アンモニア阻害防止効果を安定して発揮させるまでに要する期間を短縮できる。
【００５３】
混合物は、発酵槽２５における発酵原料の最大分解速度の９割以下、好ましくは６〜９割の分解速度で発酵原料のメタン発酵を完成させるように発酵槽２５に供給する。具体的には、発酵槽２５に対する有機物負荷を１日あたり５〜１６ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度、発酵原料の発酵槽２５内での滞留時間が１８〜５０日程度となるように混合物を供給すればよい。発酵原料の分解速度をかかる範囲とするためには、発酵槽２５に対する混合物の供給速度を調整してもよく、発酵槽２５の容積を調整してもよい。
【００５４】
また、発酵槽２５または排泥路３５にｐＨ計ＰＨを取り付けることにより、発酵槽２５内の混合物または発酵残渣のｐＨを測定して、混合物または発酵残渣のｐＨが８〜９となるように発酵原料の供給速度を調整してもよい。さらに、発酵残渣のＶＦＡ濃度を測定し、ＶＦＡ濃度が１，５００ｍｇ／ｋｇ以下となるように発酵原料の供給速度を調整してもよい。
【００５５】
発酵槽２５では、嫌気的条件で混合物を高温または中温でメタン発酵させる。高温メタン発酵を行う場合、発酵槽２５内の混合物の温度は３０〜６０℃程度、中温メタン発酵を行う場合は、３０〜４０℃とするとよい。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て含水率が徐々に上昇するとともに、新たな混合物の投入に伴い発酵槽２５下部に移動する。本発明では、発酵原料は発酵槽２５内に比較的長く滞留した後、発酵残渣として排泥路３５から取り出される。発酵残渣の一部は、排泥路３５に接続された汚泥返送路３６を介して返送汚泥として混合装置２３に返送される。
【００５６】
発酵槽２５からの発酵残渣の一日あたりの引き抜き量は、槽内に保持される混合物の０．１〜１倍、特に０．２〜０・５倍として、引き抜いた発酵残渣の一部を循環比が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、発酵槽２５へ循環させてもよい。しかし、返送汚泥を発酵原料と発酵槽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。
【００５７】
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２９Ａ等に供給され、堆肥等の原料とすることができる。また、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から発酵槽２５外へ取り出し、発電装置２７等のエネルギー源として利用できる。ガス路３７の途中には硫化水素等の不純物を除去する精製装置（図示せず）を設けてもよい。また、発電装置２７から排出される廃熱は、堆肥化装置２９Ａ等の熱源等として利用できる。
【実施例】
【００５８】
［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６０質量％、有機物濃度７５質量％（乾重）、全窒素（Ｔ−Ｎ）濃度１．８質量％（湿重）、全リン（Ｔ−Ｐ）濃度１．７質量％（湿重）、マグネシウム（Ｍｇ）濃度６，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｃ／Ｎ比８．５であった。
【００５９】
鶏糞は、混合装置２３を用いて返送汚泥と混合した後、分解速度が４ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日となるように８ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日の供給速度で発酵槽２５に供給した。発酵槽２５におけるメタン発酵工程の処理条件を以下に示す。なお、発酵原料と混合する乾式メタン汚泥は、鶏糞と一般ごみを用いて、３０日間かけて有機物負荷を４ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日から８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日まで徐々に増大させることにより、ＴＳ濃度３５質量％としたものである。得られた乾式メタン汚泥を用いた場合の上記鶏糞の最大分解速度は６．５ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日である。
【００６０】
［処理条件］
発酵槽容積                ；１，２００Ｌ
発酵槽内の乾式メタン汚泥量；１，０００ｋｇ
有機物負荷                ；８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日
引き抜き汚泥量            ；２４ｋｇ／日
返送汚泥量                ；１５０ｋｇ／日
【００６１】
上記条件での処理を１００日間継続した結果、アンモニア阻害は発生しなかった。また、排泥路３５から引き抜かれた発酵残渣は、含水率が３５質量％で、ＶＦＡ濃度は１，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）未満、ｐＨ８〜９、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度１，０００〜２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、全窒素濃度８，０００〜１２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、およびマグネシウム濃度４，０００〜５，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。また、発酵槽２５に投入した発酵原料からのメタンガス収率は有機物あたり０．２〜０．３５Ｌ−ＣＨ４／ｇ−ＶＳであった。
【００６２】
［実施例２］
実施例２として、発酵原料（鶏糞）の分解速度が４〜６ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日となるように発酵原料の供給速度を８〜１２ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日とした以外は実施例１と同様にして乾式メタン発酵を行なった。かかる処理を１００日間継続した結果、メタン発酵活性は実施例１に比してやや低下したが、メタン発酵を継続することができた。また、排泥路３５から引き抜かれた発酵残渣は、含水率が３５質量％で、ＶＦＡ濃度は１，５００〜２，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、ｐＨ７〜８、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度２，０００〜２，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、全窒素濃度８，０００〜１２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、およびマグネシウム濃度４，０００〜５，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。また、発酵槽２５に投入した発酵原料からのメタンガス収率は有機物あたり０．１５〜０．２５Ｌ−ＣＨ４／ｇ−ＶＳであった。
【００６３】
［参考例１］
参考例１として、発酵原料と返送汚泥との混合物のｐＨが８〜９となるように発酵原料に水酸化ナトリウムを添加した以外は実施例２と同様にして乾式メタン発酵を行なった。かかる処理を６０日間継続した結果、実施例１と同様に良好な処理ができた。参考例１では、排泥路３５から引き抜かれた発酵残渣は、含水率が３５質量％で、ＶＦＡ濃度は１，５００〜２，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、ｐＨ８〜９、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度１，０００〜２，０００（湿重）、全窒素濃度８，０００〜１２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、およびマグネシウム濃度４，０００〜５，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。また、発酵槽２５に投入した発酵原料からのメタンガス収率は有機物あたり０．２〜０．３５Ｌ−ＣＨ４／ｇ−ＶＳで実施例１と同等であった。
【００６４】
［比較例１］
比較例１として、発酵原料（鶏糞）の分解速度が最大分解速度の６．５ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日となるように発酵原料の供給速度を１３ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日とした以外は実施例１と同様にして乾式メタン発酵を行なった。かかる処理を２８日間継続した結果、実験開始後２１日後に発酵残渣中のアンモニウム（ＮＨ４＋）濃度が２，５００ｍｇ／Ｌ（湿重）を越え、アンモニア阻害によりメタンガスの発生が停止した。この時点で、排泥路３５から引き抜かれた発酵残渣は、含水率が４０質量％で、ＶＦＡ濃度は６，５２０ｍｇ／ｋｇ（湿重）に達し、ｐＨは７を下回り、全窒素濃度８，０００〜１２，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、マグネシウム濃度４，０００〜５，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。
【００６５】
［実施例３］
実施例３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に代えて生ごみを用いた実験を行なった。生ごみは含水率が７０質量％、有機物濃度８０質量％（乾重）、Ｔ−Ｎ濃度１．１質量％（湿重）、Ｔ−Ｐ濃度１００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｍｇ濃度３０ｍｇ／ｋｇ（湿重）、Ｃ／Ｎ比１１であった。
【００６６】
生ごみは、混合装置２３を用いて返送汚泥と混合した後、分解速度が４．５ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日となるように６ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日の供給速度で発酵槽２５に供給した。発酵槽２５におけるメタン発酵工程の処理条件を以下に示す。なお、発酵原料と混合する乾式メタン汚泥は、豚糞と一般ごみ（ＴＳ濃度２０質量％）を用いて、５０日間かけて有機物負荷を２．５ｋｇ−ＶＳ／ｍ３・日から６ｋｇ−ＶＳ／ｍ３・日まで徐々に増大させることにより、ＴＳ濃度１７質量％としたものである。得られた乾式メタン汚泥を用いた場合の上記生ごみの最大分解速度は８ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日である。
【００６７】
［処理条件］
発酵槽容積                ；１，２００Ｌ
発酵槽内の乾式メタン汚泥量；１，０００ｋｇ
有機物負荷                ；６ｋｇ−ＶＳ／ｍ３・日
引き抜き汚泥量            ；２６ｔ／日
返送汚泥量                ；３００ｋｇ／日
【００６８】
上記条件での処理を１００日間継続した結果、メタン発酵活性は実施例１に比してやや低下したが、アンモニア阻害は発生しなかった。排泥路３５から引き抜かれた発酵残渣は、含水率が１７質量％で、ＶＦＡ濃度は１，１５０ｍｇ／ｋｇ（湿重）、ｐＨ８〜９、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度２，０００〜２，５００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、全窒素濃度４，０００〜６，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、およびマグネシウム濃度５０〜２００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。また、発酵槽２５に投入した発酵原料からのメタンガス収率は有機物あたり０．２５〜０．３５Ｌ−ＣＨ４／ｇ−ＶＳであった。
【００６９】
［参考例２］
参考例２として、発酵原料（生ごみ）の分解速度が最大分解速度の８ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日となるように発酵原料の供給速度を１０ｋｇ―ＶＳ／ｍ３／日とした。また、発酵原料と返送汚泥との混合物のｐＨが８〜９となるように発酵原料に水酸化ナトリウムを添加し、さらにマグネシウム源として３０質量％の塩化マグネシウム（６水和物）水溶液を発酵原料に添加した。その他の条件は、実施例３と同様にして乾式メタン発酵を６０日間、継続したところ、アンモニア阻害は発生せず、良好な処理を行なうことができた。かかる処理により得られた発酵残渣は、含水率が１７質量％で、ＶＦＡ濃度は２，６５０ｍｇ／ｋｇ（湿重）、ｐＨは８〜９、全窒素濃度６，０００〜８，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）、アンモニウム（ＮＨ４＋）濃度１，５５０ｍｇ／ｋｇ（湿重）、およびマグネシウム濃度５，０００〜６，０００ｍｇ／ｋｇ（湿重）であった。また、発酵原料からのメタンガス収率は有機物あたり０．３〜０．４Ｌ−ＣＨ４／ｇ−ＶＳであった。
【００７０】
表１に上記実験例の結果を示す。
【００７１】
【表１】
2007098228.tif 000004
【００７２】
表１に示すとおり、鶏糞を最大分解速度付近で処理した比較例１ではアンモニア阻害により、メタン発酵が停止した。また、参考例１および参考例２では、ｐＨ調整剤等を添加することにより、アンモニア阻害を防止することができた。一方、実施例１では鶏糞の供給速度を低くして最大分解速度より４割程度遅い分解速度で処理することにより、ｐＨ調整剤等を添加することなく、アンモニアによるメタン発酵活性の低下を防止できた。同様に、実施例２および実施例３でもｐＨ調整剤を添加することなく、アンモニア阻害によるメタン発酵の停止を回避できた。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
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】
【００７４】
【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。
【符号の説明】
【００７５】
１１    処理装置
２１    貯留槽
２３    混合装置
２５    発酵槽
２７    発電装置
２９Ａ  堆肥化装置
２９Ｂ  炭化装置
【図１】
2007098228.tif 000005