(57)【要約】【課題】下水汚泥及び木質系バイオマスをメタン発酵させる有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理設備の運転方法であって、長時間運転停止させても、可溶化槽に木質系バイオマスが堆積しにくい運転方法を提供すること。【解決手段】下水汚泥の大部分を湿式メタン発酵させるメタン発酵設備と、下水汚泥の一部と、加圧下で混練されることによって破砕及び膨潤化された木質系バイオマスとを混合し、可溶化処理した後、可溶化処理液をメタン発酵槽において湿式メタン発酵させるための可溶化槽とを備える湿式メタン発酵設備において、可溶化槽の運転を停止する際に、可溶化槽内の木質系バイオマス及び下水汚泥の混合液をメタン発酵槽へと移送し、可溶化槽内を下水汚泥で置換することによって、破砕及び膨潤化された木質系バイオマスの可溶化槽内における堆積を防止する。【選択図】図２
2016010739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥及び木質系バイオマスをメタン発酵させる有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理設備の運転方法であって、
前記湿式メタン発酵処理設備は、
下水汚泥の大部分を湿式メタン発酵させるメタン発酵設備と、
下水汚泥の一部と、加圧下で混練されることによって破砕及び膨潤化された木質系バイオマスとを混合し、可溶化処理した後、可溶化処理液をメタン発酵槽において湿式メタン発酵させるための可溶化槽を備え、
前記運転方法は、
前記可溶化槽の運転を停止する際に、前記可溶化槽内の木質系バイオマス及び下水汚泥の混合液を前記メタン発酵槽へと移送し、前記可溶化槽内を下水汚泥で置換することによって、前記破砕及び膨潤化された木質系バイオマスの前記可溶化槽内における堆積を防止する、運転方法。
【請求項２】
前記可溶化槽の運転を停止する際に、前記可溶化槽から前記メタン発酵槽へと至る配管内も下水汚泥で置換し、前記破砕及び膨潤化された木質系バイオマスの配管内における堆積を防止する、請求項１に記載の運転方法。
【請求項３】
前記メタン発酵処理設備が、
下水汚泥の大部分を湿式メタン発酵させる第一メタン発酵設備と、
前記可溶化槽において下水汚泥の一部と混合され可溶化処理した後の木質系バイオマスをメタン発酵させる第二メタン発酵設備と、
を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水汚泥及び木質系バイオマスをメタン発酵させる有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理設備の運転方法であって、下水汚泥の一部及び木質系バイオマスをメタン発酵前に可溶化処理する可溶化処理槽を備える湿式メタン発酵設備の運転を停止する際に、可溶化槽への木質系バイオマスの堆積を抑制し得る運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水汚泥の処理方法には、汚泥の安定化及びバイオガスの回収を目的として、嫌気性消化法であるメタン発酵法が一般的に用いられる。メタン発酵を効率よく行うためには、メタン発酵槽内に存在するメタン菌の濃度を高めることが有効である。メタン菌は、メタン発酵槽内の汚泥（消化汚泥）中に存在しているため、メタン菌の濃度を高めるためには、消化汚泥の濃度を高くする方法がとられている。しかし、メタン菌は増殖速度が遅く、特に生ごみ等の易分解性物質を対象としたメタン発酵では、消化汚泥の濃度が低下するため、メタン菌が系外に排出されやすくなり、メタン発酵処理が不可能となる場合がある。
【０００３】
特許文献１は、有機性廃棄物を原料とするメタン発酵処理方法において、該メタン発酵処理が終了すると、処理液中に凝集剤を注入し、汚泥を沈降させて上澄液のみを排出させた後に、再び原料の有機性廃棄物を注入してメタン発酵処理を継続することで、処理液中に汚泥及び菌体を保持しながら処理することを特徴とするメタン発酵処理方法を開示している。このメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵槽内に凝集剤を注入することで槽内の消化汚泥を沈降させ、槽内液を排出する際に、メタン発酵槽内で固液分離した消化汚泥の上澄液のみを排出させることで、発酵槽内にメタン発酵に有効な菌体を保持することができ、設備建設費及び運転維持管理費を安価に抑え、効率のよいメタン発酵処理を行うことが可能とされている。
【０００４】
特許文献２は、メタン発酵槽内に有機性廃棄物又は有機物を含有する排水からなる被処理物を投入してメタン発酵させて取出すメタン発酵処理方法において、前記メタン発酵の開始時、再起動時、又は運転中に被処理物の投入負荷を増加させる場合に、種汚泥又は発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた菌濃縮液を前記被処理物に添加するか、又は前記菌濃縮液に前記被処理物を添加することを特徴とするメタン発酵処理方法を開示している。このメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵槽の新規立ち上げ時には、種汚泥中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた後、この濃縮液に被処理物を徐々に添加しながら投入負荷の増加を開始することで、馴養期間を短縮することができ、再起動時又は運転中に投入負荷を増加させる場合にも、停止中のメタン発酵液中の菌体を濃縮して菌体濃度を高めた後、被処理物を徐々に添加しながら投入負荷の増加を開始することで、馴養期間を短縮することができるとされている。
【０００５】
ここで、セルロースを含有する有機性廃棄物の中でも、剪定枝のような木質系廃棄物（木質系バイオマス）は、セルロース繊維をリグニンが膠着させた組織からなっているため、微生物による分解及び消化を受け難い。そのため、剪定枝のような木質系バイオマスは、そのままメタン発酵槽に投入してもほとんど分解されずバイオガスもあまり発生しない。
【０００６】
特許文献３は、乾式発酵槽に葉及び枝を投入してメタン発酵させ、バイオガスを回収する技術を開示している。特許文献３の方法では、ピストンポンプで対象物を発酵槽に押し込んでいくため、木質のような大きな固形分が発酵槽に投入されても機械的な問題は起こらない。しかし、幹の部分は強固な木材組織構造であるために、メタン発酵効率は低い。
【０００７】
一方、湿式発酵では、例えば、中温発酵では発酵条件が20日〜30日であり、処理対象物の含水率は高いが、木質系バイオマスは分解性が悪く、含水率も低いことから発酵不適物として処理対象外とされることが通常であった。
【０００８】
特許文献４は、刈り取った雑草、剪定枝又は廃木材のような木質系バイオマスを繊維状に破砕した後、熱処理することにより、メタン発酵させる前に易分解化させる方法を開示している。また、特許文献５は、生ゴミ又は剪定枝のような木質系バイオマスを、圧縮しながら混練粉砕するためのスクリュー式圧縮混練粉砕装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−８１２４５号公報
【特許文献２】特開２００５−４６７８８号公報
【特許文献３】特開平４−２３１３９５号公報
【特許文献４】特開２００４−１６７３９２号公報
【特許文献５】特開２００２−３０１３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献５に開示されているスクリュー式圧縮混練粉砕装置のような前処理装置によって木質系バイオマスを破砕及び膨潤化させれば、メタン発酵効率を向上させ得る。そして、本発明者等は、破砕及び膨潤化させた木質系バイオマスを、下水汚泥に特定比率で混合させれば、下水汚泥をメタン発酵させる既存のプラントにおいて、木質系バイオマスの一部を湿式メタン発酵に供することが可能であり、しかもメタン発酵後の発酵残渣の脱水性も向上させ得ることを見出した。
【００１１】
ところが、木質バイオマスと下水汚泥とを混合して処理するにあたり、季節によっては木質バイオマスの量が異なり、剪定が必ずしも定期的に実施されるとも限らない。また、木質バイオマスを保管するスペースに限りがあるため、投入できる木質バイオマスがなくなると、関連する処理設備も停止する必要がある。
【００１２】
可溶化槽は、滞留時間が1〜3日程度と短い。これに対して湿式メタン発酵は滞留時間が長く、例えば中温発酵においては20~30日である。そのため、可溶化槽を一時停止した際にそのまま放置すると、破砕及び膨潤化させた木質系バイオマスが可溶化槽の底部に堆積物として堆積してしまうことがわかった。この堆積物は、比重が高く、一度凝集してしまうと強固に固着した塊を形成するだけでなく、壁面への付着性も高いために、可溶化槽の底面又は側面下部に設けられたドレン配管から排出することができず、一旦堆積物が堆積すると、除去するために可溶化槽を空にして、底面を洗浄する必要が生じることも判明した。
【００１３】
しかし、特許文献１〜５には、長期間に亘ってメタン発酵設備の運転を停止させている間の可溶化槽において、堆積防止機能を設けていることは開示されていない。
【００１４】
本発明は、下水汚泥及び木質系バイオマスをメタン発酵させる有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理設備の運転方法であって、長時間運転停止させても、可溶化槽に木質系バイオマスが堆積しにくい運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、可溶化槽を長時間運転停止する場合には、可溶化槽内部の木質バイオマスを含む可溶化処理液を強制的に下流側のメタン発酵槽へと移動させ、下水汚泥のみを可溶化槽に供給することにより、可溶化槽内の木質系バイオマスの堆積を防止し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明でいう下水汚泥には、下水等を処理した際に発生する余剰汚泥や、下水処理工程において発生し、固液分離によって得られる汚泥（初沈汚泥又は水処理後に固液分離されて得られる汚泥）も含まれる。
【００１６】
具体的に、本発明は、
下水汚泥及び木質系バイオマスをメタン発酵させる有機性廃棄物の湿式メタン発酵処理設備の運転方法であって、
前記湿式メタン発酵処理設備は、
下水汚泥の大部分を湿式メタン発酵させるメタン発酵設備と、
下水汚泥の一部と、加圧下で混練されることによって破砕及び膨潤化された木質系バイオマスとを混合し、可溶化処理した後、可溶化処理液をメタン発酵槽において湿式メタン発酵させるための可溶化槽とを備え、
前記運転方法は、
可溶化槽の運転を停止する際に、前記可溶化槽内の木質系バイオマス及び下水汚泥の混合液を前記メタン発酵槽へと移送し、前記可溶化槽内を下水汚泥で置換することによって、前記破砕及び膨潤化された木質系バイオマスの前記可溶化槽内における堆積を防止する、運転方法に関する。
【００１７】
前記可溶化槽の運転を停止する際に、前記可溶化槽から前記メタン発酵槽へと至る配管内も下水汚泥で置換し、前記破砕及び膨潤化された木質系バイオマスの配管内における堆積を防止することが好ましい。
【００１８】
前記メタン発酵設備は、
下水汚泥の大部分を湿式メタン発酵させる第一メタン発酵設備と、
下水汚泥の一部と木質バイオマスとを混合し、可溶化処理した後、可溶化処理液をメタン発酵させる第二メタン発酵設備と、
を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の湿式メタン発酵処理設備の運転方法によれば、長時間可溶化槽の運転を停止する場合にも、下水汚泥を供給することで可溶化槽内の木質系バイオマスの堆積を防止可能であり、迅速に運転を再開することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態１の湿式メタン発酵設備の概略工程フローを示す。
【図２】本発明の実施形態２の湿式メタン発酵設備の概略工程フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の記載に限定されない。
【００２２】
＜実施形態１＞
（メタン発酵設備）
図１は、本発明の実施形態１の湿式メタン発酵設備の概略工程フローを示す。下水処理施設から排出される下水汚泥の大部分は、濃縮機によって濃縮処理され、濃縮汚泥となる。濃縮汚泥は、配管Ｂから大型メタン発酵タンクのような大規模メタン発酵槽へと供給され、湿式メタン発酵によって含有される有機物が分解される。発生したバイオガスは、脱硫された後、必要に応じて精製され、ガスタンクのような貯蔵施設に貯蔵される。メタン発酵設備におけるメタン発酵工程は、公知の湿式メタン発酵方法によって行い得る。
【００２３】
メタン発酵が終了した後、大規模メタン発酵槽内の消化液は引き抜かれ、脱水機を用いて固液分離される。通常、メタン発酵においては、汚泥が所定量ずつ定期的にメタン発酵槽内に投入されるため、汚泥の投入に合わせて、投入された汚泥とほぼ同量の消化液が槽内から引き抜かれる。脱水機の例は、汚泥脱水機である。固形分は、通常は焼却処分され、液体は排水設備へと排水され、処理される。消化液を固液分離する際、通常であれば、無機金属塩又は高分子凝集剤のような凝集剤を消化液に添加し、有機物を凝集沈殿させた後、脱水機へと供給して固液分離する。
【００２４】
（木質系バイオマスの前処理）
木質系バイオマスの具体例は、剪定枝、刈草、藻類、籾殻、稲藁又は廃木材である。木質系バイオマスは、破砕機に供給され、加圧下で混練されることによって破砕及び膨潤化される。破砕機としては、神鋼造機株式会社製、商品名：植繊機（登録商標）を使用し得る。破砕機では、水分を含有している木質系バイオマスが圧縮及び混練された後、圧力が開放されることによって、破砕された木質系バイオマスが膨潤化される。膨潤化されることによって、木質系バイオマスの繊維が開繊され、結晶構造が崩れる。その結果、表面積が増大し、かつ、吸水性が向上するために、通常の微粉砕処理された木質系バイオマスと比較して、微生物による発酵を受けやすくなる。
【００２５】
植繊機（登録商標）を用いる破砕処理は、連続処理でもよく、バッチ式処理でもよい。粉砕程度は、単位質量当たりの表面積（比表面積）で数値化される。破砕後の木質系バイオマスは、その50質量％以上が直径0.05mmφ以下とすることが好ましい。木質系バイオマスの比表面積が大きくなることにより、木質系バイオマスがより分解され易くなり、メタン発酵効率が向上するためである。破砕後の木質系バイオマスの比表面積は、1.0m2/g以上とすることが好ましい。
【００２６】
（可溶化処理）
下水汚泥の一部は、配管Ｃから可溶化槽へと供給される。そして、前処理後の木質系バイオマスも、経路Ａから可溶化槽へと供給され、両者が攪拌及び混合される。このとき、調質槽内での混合物の含水率が90質量％以上98質量％以下、好ましくは92質量％以上95質量％以下となるように木質系バイオマスと下水汚泥の混合割合を調整する。混合液の流動性が悪い場合には、適宜水を添加して流動性を調整してもよい。
【００２７】
可溶化槽では、散気装置によって混合液が好気的状態に維持されつつ、加熱されることで前処理後の木質系バイオマスが可溶化される。なお、加熱せず散気のみによって可溶化を行ってもよく、散気せずに嫌気状態で可溶化を行ってもよい。また、その他の手段（例えば、アルカリ添加）によって可溶化を行ってもよく、複数の可溶化手段を組み合わせて可溶化を行ってもよい。
【００２８】
可溶化槽における滞留時間は特に限定されないが、1日以上、好ましくは4日以内が好ましい。滞留時間が全く無い場合、木質系バイオマスを均一化させないままメタン発酵槽に供給するため、メタン発酵槽内で木質系バイオマスが拡散するのに時間を要する可能性がある。一方で滞留時間が長すぎると、調質槽が大きくなり調質のための場所と動力が過大となる。
【００２９】
可溶化処理後、有機性廃水及び木質系バイオマスの混合物は、配管Ｄからメタン発酵槽へと供給され、含有される有機物が、湿式メタン発酵によって嫌気的に生物分解される。この際、メタン発酵槽内においては、木質系バイオマスが混合物全体の0.1質量％以上3質量％以下となるように調整される。メタン発酵工程は、公知の湿式メタン発酵方法によって行い得る。発生したバイオガスは、脱硫された後、ガスタンクのような貯蔵施設に貯蔵される。本発明では、前処理として木質系バイオマスを破砕及び膨潤化しているために、単に微粉砕した木質系バイオマスを湿式メタン発酵させる場合と比較して、木質系バイオマスのメタン発酵効率が高い。
【００３０】
メタン発酵槽内での滞留時間は中温（35℃〜40℃程度）嫌気性醗酵の場合、20日〜30日程度とすることが好ましく、高温（50℃〜60℃程度）嫌気性発酵の場合、10日〜20日程度とすることが好ましい。なお、低温（20℃程度）嫌気性醗酵の場合、メタン発酵槽内での滞留時間は30〜60日程度とすることが好ましい。
【００３１】
メタン発酵が終了した後、メタン発酵槽内の消化液は、前記したとおり固液分離され、固形分及び液体が処理される。
【００３２】
＜可溶化槽の運転を停止する場合＞
（破砕機）
原料の木質バイオマスが不足することによって長時間（例えば、1日以上30日以下）可溶化槽を停止する場合は、破砕機によって木質系バイオマスを破砕した後、次の木質系バイオマスが入ってくるまで、破砕機は停止される。
【００３３】
（可溶化槽）
一方、可溶化槽では、木質系バイオマスの供給停止に伴い、可溶化槽の散気装置、攪拌装置及び加温装置のような関連装置も停止状態として、次の木質系バイオマスが供給されるのを待つ。このとき、通常は原料の供給に合わせて排出を行うため、木質系バイオマスの一部は可溶化槽内及び配管（図１の配管Ｄ）に一部残存する状態となる。前処理後の木質系バイオマスは、下水汚泥に比べ比重が高く沈降性が高い上に、凝集性も強いため、可溶化槽の底面に堆積すると、単に塊状となるだけでなく、強固な付着物となり堆積物を形成する。
【００３４】
可溶化槽の底部又は側面下部には、下流側のメタン発酵槽へと処理済みの混合液を移送するための配管（図１の配管Ｄ）又はドレン管（図１の配管Ｅ）が接続されているが、この堆積物はこれら配管を開いて処理済みの混合液を流しても除去することができない。また、可溶化槽内の配管接続部付近に堆積物が堆積すると、配管Ｄ及び配管Ｅが詰まってしまう。
【００３５】
この木質系バイオマスからなる堆積物の堆積を防止するために、可溶化槽内を空にすることも考えられるが、配管Ｄ又は配管Ｅに設けられたポンプのみによって可溶化槽内を完全に空にすることはできず、配管内を空にすることも困難である。また、停止のたびに可溶化槽の蓋を開けて槽内の洗浄作業を行うことは煩雑である。さらに、運転停止中に堆積物が発生してしまった場合には、堆積物を除去するために可溶化槽内を空にして、内部を洗浄する必要がある。従って、従来であれば、長時間可溶化槽の運転を停止する場合には、再始動に時間がかからざるを得なかった。
【００３６】
しかし、本発明の運転方法では、可溶化槽の運転を長時間停止する場合、経路Ａからの前処理後の木質系バイオマス供給を停止し、可溶化槽内の処理済みの混合液を、配管Ｄを経て下流側のメタン発酵槽へと移送する。このとき、可溶化槽内は、可溶化されていない木質系バイオマスと下水汚泥が残っている。そこで、下水処理施設から排出された下水汚泥を可溶化槽に供給する。こうすることにより、可溶化槽内が徐々に下水汚泥で置換され、最終的に下水汚泥のみによって満たされ、木質系バイオマスからなる堆積物の堆積を防止し得る。なお、下水汚泥の代わりに、下水汚泥を濃縮した濃縮汚泥を可溶化槽に供給し、木質系バイオマスを排出させるようにしてもよい。
【００３７】
木質系バイオマスを排出させるために濃縮前の下水汚泥を可溶化槽に供給すると、可溶化槽内における被処理物の含水率が高くなるだけでなく、後段のメタン発酵槽に供給される可溶化液の含水率も高くなってしまう。また、含水率の高い下水汚泥を用いて比重の高い木質系バイオマスを配管内から除去することは困難な場合もある。そこで、濃縮された下水汚泥（脱水後の下水汚泥）を利用すると、濃縮汚泥中で木質系バイオマスの沈降を抑制しつつ、効率的に木質系バイオマスを可溶化槽から排出することができ、後段のメタン発酵に与える影響を小さくし得る。
【００３８】
なお、置換する下水汚泥の量は、可溶化槽の容量に対して１倍以上５倍以下であることが好ましい。置換する下水汚泥の量が少ないと、木質系バイオマスが可溶化槽内に残存しやすく、逆に下水汚泥の量が多いと、下水汚泥の移送に余分なポンプ動力が必要となるため好ましくない。
【００３９】
配管Ｄに処理済みの混合液が残存していると、配管Ｄ内にも木質系バイオマスからなる堆積物が堆積するおそれがある。そのため、可溶化槽の運転を長時間停止する場合には、可溶化槽だけでなく、配管Ｄ内も余剰汚泥（下水汚泥）のみが存在するように、余剰汚泥によって置換することが好ましい。配管Ｄ内及び配管Ｅに可溶化槽内の堆積物の一部が入ってしまった場合には、余剰汚泥の置換により、配管洗浄という機能が果たされ得る。
【００４０】
＜実施形態２＞
図２は、本発明の実施形態２の湿式メタン発酵設備の概略工程フローを示す。実施形態１においては、１つのメタン発酵槽を用いて処理する場合について説明したが、図２に示されるように、主に下水汚泥をメタン発酵する第一のメタン発酵設備と、木質系バイオマスを処理するための第二メタン発酵設備を設けるようにしてもよい。
【００４１】
さらに、第二メタン発酵設備を評価用設備として利用し、第二メタン発酵設備に投入される木質系バイオマスのメタン発酵への適否を確認し、第一メタン発酵設備に投入可能と判断される場合のみ、配管Ｆによって可溶化槽から第一メタン発酵設備へ木質系バイオマスを投入するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の湿式メタン発酵処理設備の運転方法は、廃水処理、廃棄物処理又はエネルギー分野において有用である。
【図１】
2016010739.tif 000003
【図２】
2016010739.tif 000004