(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機基質が供給されるメタン発酵タンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とメタン発酵タンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記メタン発酵タンク内の汚泥の揮発性浮遊物質（ＶＳＳ）を測定するＶＳＳ濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をＣＯＤ換算してＶＳＳ濃度測定手段で得られた汚泥ＶＳＳ濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第１の定数を乗算し、得られた値に第２の定数を加算してＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を得るＦ／Ｍ比計算手段と、
このＦ／Ｍ比計算手段で得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と前記ＶＳＳ濃度測定手段で得られたメタン発酵タンク内ＶＳＳ濃度とを乗算してＣＯＤ容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするメタン発酵における負荷推定装置。
【請求項２】
有機基質が供給されるＵＡＳＢタンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とＵＡＳＢタンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記ＵＡＳＢタンク内の汚泥の揮発性浮遊物質（ＶＳＳ）を測定するＶＳＳ濃度測定手段と、
このＶＳＳ濃度測定手段により得られた値とＵＡＳＢタンク有効容積との積から換算ＶＳＳ濃度を得る換算ＶＳＳ濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をＣＯＤ換算して換算ＶＳＳ濃度測定手段で得られた換算ＶＳＳ濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第１の定数を乗算し、得られた値に第２の定数を加算してＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を得るＦ／Ｍ比計算手段と、
このＦ／Ｍ比計算手段で得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と前記換算ＶＳＳ濃度測定手段で得られたＵＡＳＢタンク換算ＶＳＳ濃度とを、乗算してＣＯＤ容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするメタン発酵における負荷推定装置。
【請求項３】
タンク内で発生したメタンガス流量とメタン濃度の積からメタン生成速度を得た後、そのメタン生成速度とタンク内の汚泥ＶＳＳ濃度もしくは汚泥換算ＶＳＳ濃度を用いて比メタン生成活性を測定した後、比メタン生成活性とＣＯＤ・ＶＳＳ負荷との相関関係を利用して比メタン生成活性からＦ／Ｍ比を推定し、その後、推定したＦ／Ｍ比に汚泥ＶＳＳ濃度を乗じて負荷を推定するメタン発酵における負荷推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタン生成速度とメタン発酵タンク内の汚泥濃度を測定して、計算式によりＣＯＤ・ＶＳＳ負荷およびＣＯＤ容積負荷を推定するメタン発酵における負荷推定装置及び負荷推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタン発酵における負荷の表現方法の代表的なものとして有機物容積負荷と有機物負荷率があり、これらは次の（１）式および（２）式により計算される。
【０００３】
【数１】
0004016474.tif 000002
【０００４】
【数２】
0004016474.tif 000003
【０００５】
有機物容積負荷は、単位容積当り１日当りの負荷量であり、基質有機物濃度の表現方法としてＶＳ（強熱減量）の代わりにＴＯＣ（総有機炭素量），ＣＯＤ（化学的酸素要求量），ＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）などが用いられた場合、有機物容積負荷に相当する負荷の表現方式は、ＴＯＣ容積負荷、ＣＯＤ容積負荷、ＢＯＤ容積負荷などとなる。また、有機物負荷率は、Ｆ／Ｍ比に相当し、基質有機物濃度の表現方法としてＶＳ（強熱減量）の代わりにＴＯＣ，ＣＯＤ，ＢＯＤなどが用いられた場合、有機物負荷率に相当する負荷の表現方式は、ＴＯＣ・ＶＳＳ（揮発性浮遊物質）負荷、ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷、ＢＯＤ・ＶＳＳ負荷などとなる。
【０００６】
負荷を計算するためには、基質投入速度、基質有機物濃度および発酵タンク内汚泥ＶＳＳ濃度などを測定する必要がある。しかし、従来は、基質有機物濃度や発酵タンク内汚泥ＶＳＳ濃度などの自動測定が困難であったり、自動測定器が高価である。これらの理由により、基質投入速度を測定してＨＲＴ（水理学的滞留時間）を制御することは行なわれていたが、連続自動測定により負荷を測定して負荷を制御することは、ほとんど行なわれていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来より行なわれているメタン発酵のＨＲＴ制御においては、例えば、下水汚泥を対象として発酵温度を３５℃とした場合、ＨＲＴを３０日程度にする。ところが、実際には、ＨＲＴを３０日以下に短縮しても支障を生じないことが多い。しかし、ＨＲＴを３０日以下にして運転した場合に投入基質の有機物濃度が上昇した場合に有機物過負荷となりシステムフェイリュアー（異常発酵）を生じる可能性があるので、安全性を考慮して低負荷運転を行っているのが現状である。したがって、汚泥発生量の増加や汚泥の有機物含有比の上昇などにより汚泥処理効率を高める必要が生じた場合、汚泥処理の増設以外の手段での対応は困難であった。
【０００８】
また、溶解性有機物濃度が高く、ＳＳ（浮遊物）濃度が低い産業廃水のような基質を対象とした場合には、ＵＡＳＢ法が適用される。このＵＡＳＢ法においては、汚泥消化の場合よりＨＲＴを短縮でき、有機物容積負荷も高くなる。しかし、何らかの原因によりグラニュール汚泥が浮上してタンクから流出すると、Ｆ／Ｍ比が高くなり、システムフェイリュアーを生じる可能性があるので、Ｆ／Ｍ比を制御することが望ましい。しかし、Ｆ／Ｍ比の連続自動測定は困難であり、実際には行なわれていないのが現状である。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、比メタン生成活性を用いてＦ／Ｍ比および負荷の推定精度の向上を図るとともに、その推定による負荷が最適であるかどうかを判断することができるメタン発酵における負荷推定装置及び負荷推定方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、有機基質が供給されるメタン発酵タンクを有し、このタンクで発酵されたメタンガスを貯留部で貯留し、貯留部とメタン発酵タンクとを連結するガス通路にガス流量計およびメタン濃度計を設置し、ガス流量計で測定されたガス流量とメタン濃度計で測定されたメタン濃度の積からメタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記メタン発酵タンク内の汚泥の揮発性浮遊物質（ＶＳＳ）を測定するＶＳＳ濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をＣＯＤ換算してＶＳＳ濃度測定手段で得られた汚泥ＶＳＳ濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第１の定数を乗算し、得られた値に第２の定数を加算してＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を得るＦ／Ｍ比計算手段と、
このＦ／Ｍ比計算手段で得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と前記ＶＳＳ濃度測定手段で得られたメタン発酵タンク内ＶＳＳ濃度とを乗算してＣＯＤ容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
第２発明は、メタン発酵タンクに代えてＵＡＳＢタンクを使用して、メタン生成速度を得るメタン生成速度計算手段と、
前記ＵＡＳＢタンク内の汚泥の揮発性浮遊物質（ＶＳＳ）を測定するＶＳＳ濃度測定手段と、
このＶＳＳ濃度測定手段により得られた値とＵＡＳＢタンク有効容積との積から換算ＶＳＳ濃度を得る換算ＶＳＳ濃度測定手段と、
前記メタン生成速度計算手段で得られたメタン生成速度をＣＯＤ換算して換算ＶＳＳ濃度測定手段で得られた換算ＶＳＳ濃度で除して比メタン生成活性を得る比メタン生成活性計算手段と、
この比メタン生成活性計算手段で得られた比メタン生成活性に第１の定数を乗算し、得られた値に第２の定数を加算してＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を得るＦ／Ｍ比計算手段と、
このＦ／Ｍ比計算手段で得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と前記換算ＶＳＳ濃度測定手段で得られたＵＡＳＢタンク換算ＶＳＳ濃度とを、乗算してＣＯＤ容積負荷を得る負荷計算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
第３発明は、タンク内で発生したメタンガス流量とメタン濃度の積からメタン生成速度を得た後、そのメタン生成速度とタンク内の汚泥ＶＳＳ濃度もしくは汚泥換算ＶＳＳ濃度を用いて比メタン生成活性を測定した後、比メタン生成活性とＣＯＤ・ＶＳＳ負荷との相関関係を利用して比メタン生成活性からＦ／Ｍ比を推定し、その後、推定したＦ／Ｍ比に汚泥ＶＳＳ濃度を乗じて負荷を推定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の第１形態を示す完全混合型メタン発酵（嫌気性消化の）負荷推定処理装置で、この完全混合型メタン発酵における負荷の推定装置として、メタン生成速度とメタン発酵タンク内の汚泥ＶＳＳ濃度を測定して、装置の比メタン生成活性を計算し、この比メタン生成活性とＦ／Ｍ比の相関関係を利用してＦ／Ｍ比と負荷を推定するものである。
【００１４】
図１において、１は完全混合型メタン発酵タンクであり、基質流入口２から下水汚泥のような通常の有機性基質が供給される。タンク１内の嫌気性菌の作用により、基質の一部はメタンに変換される。メタン生成速度は、次の（３）式のようにメタン発酵タンク１とガスホルダー３の間に設置されたガス流量計４およびメタン濃度計５により測定したガス流量とメタン濃度の積として計算される。
【００１５】
【数３】
0004016474.tif 000004
メタン発酵タンク１の汚泥ＶＳＳ濃度は、ＶＳＳ濃度測定手段７により測定される。実際には、センサ６ａにより採取して手分析あるいは汚泥濃度計６により測定されたＳＳ濃度に、次の（４）式のようにＶＳＳ／ＳＳの比率を乗じるなどの手段が用いられる。
【００１６】
【数４】
0004016474.tif 000005
タンク１内汚泥のＶＳＳ／ＳＳの比率は、投入汚泥に比較して変動が少ないことから、このようなＶＳＳ濃度測定が可能である。次に、比メタン生成活性計算手段８により次の（５）式を用いてメタン生成速度をＣＯＤ換算して汚泥ＶＳＳ濃度で除することにより、システムの比メタン生成活性を算出する。この比メタン生成活性は、汚泥を採取して酢酸などを基質として測定した通常の意味で用いられる比メタン生成活性とは異なる。
【００１７】
【数５】
0004016474.tif 000006
【００１８】
次に、比メタン生成活性計算手段８により得られた比メタン生成活性をＦ／Ｍ比計算手段９に供給し、このＦ／Ｍ比計算手段９に得られた比メタン生成活性とＣＯＤ・ＶＳＳ負荷との相関解析により導いた次の（６）式に、比メタン生成活性を代入することによりＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を計算する。
【００１９】
【数６】
ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷(kg/kg・日)＝ａ×比メタン生成活性＋ｂ    …（６）
この（６）式において、下水汚泥を基質とした場合、第１の定数ａ＝4.00、第２の定数ｂ＝-0.012である。これらは下水汚泥消化ＨＲＴ制御室内実験において、重力濃縮混合生汚泥を用いた高温（54℃）および中温（38℃）消化（ＨＲＴ；20〜3.3日）および遠心濃縮混合生汚泥を用いた中温（36℃）消化（ＨＲＴ；30〜5日）を行った結果を相関解析して算出したものを図２に示す。下水汚泥ではＣＯＤ／ＶＳ（強熱減量）の比率の平均値は1.6であったので、有機物負荷率は、次の（７）式のようにＣＯＤ／ＶＳＳ負荷を1.6で除して計算される。
【００２０】
【数７】
有機物負荷率(kg/kg・日)＝ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷／1.6  …（７）
また、Ｆ／Ｍ比計算手段９により得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を負荷計算手段１０に供給し、この負荷計算手段１０により、次の（８）式を用いてＣＯＤ容積負荷と（９）式を用いて有機物容積負荷が計算される。
【００２１】
【数８】
ＣＯＤ容積負荷(kg/m3・日)＝ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷(kg/kg・日)×メタン発酵タンク内ＶＳＳ濃度(kg/m3)    …（８）
【００２２】
【数９】
有機物容積負荷(kg/m3・日)＝ＣＯＤ容積負荷／1.6      …（９）
豚糞搾汁液を基質とした場合、前記（６）式において、第１の定数ａ＝4.95，第２の定数ｂ＝-0.074である。これらは，豚糞搾汁液の低温（27〜24℃）二相メタン発酵プラントおよび低温（23〜15℃）単相メタン発酵ベンチスケールブラントの検証を行った結果を相関解析して算出したものを図３に示す。
【００２３】
図４は本発明の実施の第２形態を示すＵＡＳＢ法における負荷推定装置で、このＵＡＳＢ法における負荷推定装置としては、メタン生成速度とＵＡＳＢタンク内の汚泥の換算ＶＳＳ濃度を測定して、システムの比メタン生成活性を計算し、この比メタン生成活性とＦ／Ｍ比の相関関係を利用してＦ／Ｍ比と負荷を推定するものである。
【００２４】
ここで、換算ＶＳＳ濃度とは、ＵＡＳＢタンク内の汚泥の分布状態が不均一であることを考慮して、タンク内総汚泥ＶＳＳ量を測定してタンク容積で除することにより、汚泥が均一に分布すると仮定した場合のＶＳＳ濃度に換算したものである。
【００２５】
図４において、４１はＵＡＳＢタンクであり、基質流入口４２から基質が供給される。タンク４１内の嫌気性菌の作用により、基質の一部はメタンに変換される。メタン生成速度は、前記（３）式のようにタンク４１とガスホルダー４３の間に設置されたガス流量計４４およびメタン濃度計４５により測定したガス流量とメタン濃度の積として計算される。
【００２６】
ＵＡＳＢタンク４１の汚泥ＶＳＳ濃度は，ＶＳＳ濃度測定手段４７により測定される。実際には、タンク底部のスラッジベッドから採取したグラニュール汚泥を対象として手分析あるいは汚泥濃度計４６により測定されたＳＳ濃度に、次の（１０）式のようにＶＳＳ／ＳＳの比率を乗じるなどの手段によりスラッジベッド部分の汚泥ＶＳＳ濃度が計算される。
【００２７】
【数１０】
スラッジベッド部分の汚泥ＶＳＳ濃度(kg/m3)＝スラッジベッド部分の汚泥ＳＳ濃度×ＶＳＳ／ＳＳ      …（１０）
さらに、スラッジベッド容積とＵＡＳＢタンク容積の比を目視あるいは汚泥界面を検出する装置を用いて測定する。あるいは、垂直方向に汚泥ＳＳ濃度を測定できるような汚泥濃度分布計４８のような計測器を用いる。換算ＶＳＳ濃度は、次の（１１）式により計算される。
【００２８】
【数１１】
ＵＡＳＢタンク換算ＶＳＳ濃度(kg/m3)＝スラッジベッド部分の汚泥ＶＳＳ濃度×スラッジベッド容積／ＵＡＳＢタンク容積      …（１１）
次に、前記（３）式で得られたメタン生成速度と（１１）式で得られたＵＡＳＢタンク換算ＶＳＳ濃度が比メタン生成活性計算手段９に供給され、（１２）式を用いてメタン生成速度をＣＯＤ換算して汚泥ＶＳＳ濃度で除することにより、装置の比メタン生成活性を算出する。
【００２９】
【数１２】
0004016474.tif 000007
【００３０】
次に第１形態の場合と同様に、比メタン生成活性計算手段９により得られた比メタン生成活性をＦ／Ｍ比計算手段１０に供給し、このＦ／Ｍ比計算手段１０により比メタン生成活性とＣＯＤ・ＶＳＳ負荷との相関解析により導いた前記（６）式に、比メタン生成活性を代入することによりＣＯＤ・ＶＳＳ負荷を計算する。  前記（６）式において、酢酸を主成分とした人工基質を基質とした場合、第１の定数ａ＝1.51、第２の定数ｂ＝0.27である。これらは、人工基質を用いた高温（48〜51℃）および中温（34〜36℃）ＵＡＳＢ法室内実験の結果を相関解析して算出したもので図５に示す。
【００３１】
Ｆ／Ｍ比計算手段１０により得られたＣＯＤ・ＶＳＳ負荷は負荷計算手段１１に供給され、この負荷計算手段１１により、次の（１３）式を用いてＣＯＤ容積負荷が計算される。
【００３２】
【数１３】
ＣＯＤ容積負荷(kg/m3・日)＝ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷(kg/kg・日)×ＵＡＳＢタンク換算ＶＳＳ濃度(kg/m3)      …（１３）
図６は第１形態と第２形態のすべてを合わせた場合におけるＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図である。この図６の特性図において、鎖線内の例は、過負荷により非電離揮発性有機酸濃度が上昇して比メタン生成活性が急激に低下した例である。従って、図６において、この２例を除いた場合の相関係数は0.972(N：80)であり、ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係は、ほぼ比例関係にあり、直線性も高い。
【００３３】
また、図７は第１形態と第２形態のすべてを合わせた場合におけるＣＯＤ容積負荷とメタン生成速度の関係を示す特性図である。この図７は、図６と同様に鎖線内の例は過負荷により非電離揮発性有機酸濃度が上昇して比メタン生成活性が急激に低下して、システムフェイリュアーに陥った例であり、これらの例を除いた場合の相関係数は0.909(N=80)であった。これらの結果から、メタン発酵においてメタン生成が順調であれば、ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係およびＣＯＤ容積負荷とメタン生成速度の関係などにおいて負荷の広い変動範囲において比例関係が成立する。
【００３４】
ＣＯＤ容積負荷とメタン生成速度の相関は以前から知られているが、ＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の方が相関係数が高いことから、メタン生成速度よりも比メタン生成活性を用いた方がＦ／Ｍ比および負荷の推定の精度が高くなる効果が認められる。近年、高濃度の汚泥ＳＳ濃度を連続自動計測する計測器が市販されるようになり、比メタン生成活性の連続自動計測が可能な状況になっていることから、比メタン生成活性からＦ／Ｍ比と負荷を推定して現在の負荷が最適であるかどうかを判断することができる。
【００３５】
図７における相関回帰式の勾配から、平均投入ＣＯＤ当たりメタン発生量は、0.204m3/kgとなり、投入ＣＯＤ当たり理論メタン発生量は、0.35m3/kgであるので、投入ＣＯＤの平均分解率は58％となった。投入ＣＯＤの50％が分解されるのを目安としてＣＯＤ当たりメタン発生量が、0.175m3/kg以上になることが望ましいと考えられる。これは図７において任意のＣＯＤ容積負荷に対応するメタン生成速度が直線で示す鎖線よりも上の領域に入ることが望ましく、その鎖線よりも下になるほどシステムフェイリュアーが起き易い状態となることを示す。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、メタン生成速度と汚泥ＶＳＳ濃度を測定して比メタン生成活性を得るようにするとともに、比メタン生成活性とＣＯＤ・ＶＳＳ負荷との相関回帰式を利用して比メタン生成活性からＦ／Ｍ比を推定し、Ｆ／Ｍ比に汚泥ＶＳＳ濃度を乗算して負荷を推定するようにしたので、Ｆ／Ｍ比および負荷の連続自動測定が可能となり、Ｆ／Ｍ比および負荷の推定精度の向上を図ることができるとともに、その推定による負荷が最適であるかどうかも判断することができる利点が得られる。また、本発明によれば、完全混合型メタン発酵（嫌気性消化）とＵＡＳＢ法では同じメタン発酵ではあるが、タンクの構造や処理対象基質の性状などが異なるけれども、Ｆ／Ｍ比や負荷の推定手段がこれらのメタン発酵様式において共通して使用できるので、有用性が高くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態を示す完全混合型メタン発酵における負荷推定装置の構成図。
【図２】下水汚泥消化室内実験におけるＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図３】豚糞搾汁液の低温二相メタン発酵プラントおよび単相メタン発酵ベンチスケールブラントの検証におけるＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図４】本発明の実施の第２形態を示すＵＡＳＢ法における負荷推定装置の構成図。
【図５】人工基質を用いた高温および中温ＵＡＳＢ法室内実験におけるＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図６】メタン発酵実験におけるＣＯＤ・ＶＳＳ負荷と比メタン生成活性の関係を示す特性図。
【図７】メタン発酵実験におけるＣＯＤ容積負荷とメタン生成速度の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…完全混合型メタン発酵タンク
２…基質流入口
３…ガスホルダー
４…ガス流量計
５…メタン濃度計
６…汚泥濃度計
６ａ…センサ
７…ＶＳＳ濃度測定手段
８…比メタン生成活性計算手段
９…Ｆ／Ｍ比計算手段
１０…負荷計算手段
【図１】
0004016474.tif 000008
【図２】
0004016474.tif 000009
【図３】
0004016474.tif 000010
【図４】
0004016474.tif 000011
【図５】
0004016474.tif 000012
【図６】
0004016474.tif 000013
【図７】
0004016474.tif 000014