(57)【要約】【課題】有機廃棄物をメタン発酵に使用した後に残留する比較的難溶性の有機物（有機残渣）を可溶化して、再びメタン発酵に利用することにより、有機廃棄物から得られるメタンガス及びアンモニアガスの生産量を増やすことが可能な廃棄物処理方法を提供する。【解決手段】有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理システムであって、第一処理槽１と、第二処理槽２とを備え、第一処理槽１は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理が施される容器部を備え、第二処理槽２は、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する加熱手段と、前記消化液を曝気し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする、曝気手段と、前記有機残渣を可溶化するためのマイクロバブルを供給する、マイクロバブル供給手段と、を備えていることを特徴とする廃棄物処理システム１０。【選択図】図１
2017121603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理方法であって、
前記有機廃棄物にメタン発酵処理を施す発酵工程と、
前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する操作、及び、前記消化液を曝気する操作によって、前記有機残渣を可溶化し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする第一可溶化工程と、
前記可溶化した有機残渣に酸素を含まない気体からなるマイクロバブルを接触させることにより前記有機残渣をさらに可溶化する第二可溶化工程と、
を有することを特徴とする廃棄物処理方法。
【請求項２】
前記マイクロバブルは炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物処理方法。
【請求項３】
前記マイクロバブルは前記発酵工程で発生した炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする請求項２に記載の廃棄物処理方法。
【請求項４】
前記第二可溶化工程において、前記消化液に残留しているアンモニアの少なくとも一部を前記マイクロバブルによって酸化することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
【請求項５】
前記第一可溶化工程における前記消化液の温度よりも、前記第二可溶化工程における前記消化液の温度が低いことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
【請求項６】
前記第二可溶化工程において可溶化された有機残渣を含む前記消化液の固形分濃度を調整し、前記メタン発酵処理の原料として利用することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。  
【請求項７】
前記第一可溶化工程でストリッピングしたアンモニアを回収することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
【請求項８】
前記有機廃棄物は下水汚泥であり、前記アンモニアをエネルギー資源として回収することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
【請求項９】
有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理システムであって、
第一処理槽と、第二処理槽とを備え、
前記第一処理槽は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理が施される容器部を備え、
前記第二処理槽は、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する加熱手段と、前記消化液を曝気し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする、曝気手段と、前記有機残渣を可溶化するためのマイクロバブルを供給する、マイクロバブル供給手段と、を備えていることを特徴とする廃棄物処理システム。
【請求項１０】
前記マイクロバブルは炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする請求項９に記載の廃棄物処理システム。
【請求項１１】
前記第二処理槽は３つの区画を有し、第一区画は、前記加熱手段を有し、第二区画は、前記曝気手段を有し、第三区画は、前記マイクロバブル供給手段を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の廃棄物処理システム。
【請求項１２】
前記第二処理槽で可溶化された有機残渣を含む前記消化液の固形分濃度を調整する、第三処理槽を備えたことを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の廃棄物処理システム。
【請求項１３】
前記第二処理槽でストリッピングされたアンモニアを回収する、ガスホルダを備えたことを特徴とする請求項９〜１２の何れか一項に記載の廃棄物処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物処理方法及び廃棄物処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン発酵は、下水汚泥や生ごみ、家畜糞尿などの有機廃棄物を嫌気性微生物の力によって分解し、安定化及び減容化するとともに、発生させたメタンをエネルギー資源として回収及び利用することが可能である。しかしながら、例えば下水処理場では古くからメタン発酵処理を現場に導入しているものの、その目的は下水汚泥の減容化が主目的であり、メタン回収の手段として積極的に導入されてきたわけではない。ところが、近年、再生可能エネルギー資源としてメタン発酵が各地の自治体により推奨されており、メタン発酵によるメタンガスの増産が求められている。
【０００３】
メタン発酵において、（１）メタン発酵槽の管理、及び（２）消化液の処理が重要事項となる。メタン発酵槽の管理として、アンモニア性窒素の濃度とｐＨ制御が挙げられる。発酵液中にアンモニア性窒素が過剰に存在すると、メタン発酵菌の活動が阻害され、メタン生成量が低下する。また、メタン発酵菌の適正ｐＨ範囲は６．５〜８．２の中性域であり、この中性域を外れるとメタン生成量が低下する。メタン発酵では、酸生成期に有機酸が生成され、この有機酸がメタン生成に利用される。酸生成と酸消費のバランスが崩れた場合、発酵槽には酸が蓄積し、ｐＨが低下する。ｐＨが６．５以下になるとメタン発酵菌の活動が阻害され、酸の蓄積が一層進行する。この結果、メタン生成が停止して酸敗に至る。
【０００４】
メタン発酵に使用された消化汚泥を含む消化液には、まだ分解されていない比較的難溶解性の有機物が残留している。この残留物を可溶化し、再度メタン発酵槽に投入することによって、有機物の有効利用を図る方法が提案されている。この際、再投入する有機物中には高濃度のアンモニア性窒素が含まれないことが望ましい。
【０００５】
特許文献１では、メタン発酵槽において比較的難溶性の有機物を高温-好気性菌によって、可溶化することが提案されている。この可溶化の時にアンモニアが蒸発して減少することも報告されている。しかし、可溶化を高温-好気条件で実施しているので、後段の嫌気条件で実施するメタン発酵に悪影響がでることが懸念される。
特許文献２では、メタン発酵槽から排出した消化液からアンモニアストリッピング法によりアンモニアを放散させ、消化液の少なくとも一部をメタン発酵槽に返送するシステムが提案されている。しかし、このシステムでは、消化液中の比較的難溶性の有機物を充分に可溶化していないため、メタン発酵の効率が悪いという問題がある。
【０００６】
特許文献３では、メタン発酵槽中のアンモニア性窒素を除去するため、メタン発酵により発生したバイオガスの一部を回収し、回収したバイオガスからアンモニアを除去する工程と、アンモニアを除去したバイオガスをメタン発酵している液体に戻すという工程を循環させている。しかし、メタン発酵に利用されなかった比較的難溶性の有機物を可溶化することは検討されていない。
特許文献４では、メタン発酵により生成した消化液に対して、有機酸資化菌を作用させてアンモニアを窒素ガスに変換している。さらに、有機酸が消費されることにより消化液がアルカリ性になるため、消化液中のアンモニアがガス化して除去される方法が提案されている。しかし、この方法ではアンモニアを窒素ガスに変換しているので、エネルギー資源であるアンモニアの回収という観点からは望ましくない。また有機酸資化菌の制御が必要となり管理が困難になる可能性がある。さらに、メタン発酵に利用されなかった比較的難溶性の有機物を可溶化することは検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８３７６１号公報
【特許文献２】特開２００９−６６５５８号公報
【特許文献３】特開２０１４−１８０６３０号公報
【特許文献４】特開２０１４−５０７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、有機廃棄物をメタン発酵に使用した後に残留する比較的難溶性の有機物（有機残渣）を可溶化して、再びメタン発酵に利用することにより、有機廃棄物から得られるメタンガス及びアンモニアガスの生産量を増やすことが可能な廃棄物処理方法及び廃棄物処理システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［１］  有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理方法であって、前記有機廃棄物にメタン発酵処理を施す発酵工程と、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する操作、及び、前記消化液を曝気する操作によって、前記有機残渣を可溶化し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする第一可溶化工程と、前記可溶化した有機残渣に酸素を含まない気体からなるマイクロバブルを接触させることにより前記有機残渣をさらに可溶化する第二可溶化工程と、を有することを特徴とする廃棄物処理方法。
［２］  前記マイクロバブルは炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする上記［１］に記載の廃棄物処理方法。
［３］  前記マイクロバブルは前記発酵工程で発生した炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする上記［２］に記載の廃棄物処理方法。
［４］  前記第二可溶化工程において、前記消化液に残留しているアンモニアの少なくとも一部を前記マイクロバブルによって酸化することを特徴とする上記［１］〜［３］の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
［５］  前記第一可溶化工程における前記消化液の温度よりも、前記第二可溶化工程における前記消化液の温度が低いことを特徴とする上記［１］〜［４］の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
［６］  前記第二可溶化工程において可溶化された有機残渣を含む前記消化液の固形分濃度を調整し、前記メタン発酵処理の原料として利用することを特徴とする上記［１］〜［５］の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
［７］  前記第一可溶化工程でストリッピングしたアンモニアを回収することを特徴とする上記［１］〜［６］の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
［８］  前記有機廃棄物は下水汚泥であり、前記アンモニアをエネルギー資源として回収することを特徴とする上記［１］〜［７］の何れか一項に記載の廃棄物処理方法。
［９］  有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理システムであって、第一処理槽と、第二処理槽とを備え、前記第一処理槽は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理が施される容器部を備え、前記第二処理槽は、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する加熱手段と、前記消化液を曝気し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする、曝気手段と、前記有機残渣を可溶化するためのマイクロバブルを供給する、マイクロバブル供給手段と、を備えていることを特徴とする廃棄物処理システム。
［１０］  前記マイクロバブルは炭酸ガスを１０体積％以上含むことを特徴とする上記［９］に記載の廃棄物処理システム。
［１１］  前記第二処理槽は３つの区画を有し、第一区画は、前記加熱手段を有し、第二区画は、前記曝気手段を有し、第三区画は、前記マイクロバブル供給手段を有することを特徴とする上記［９］又は［１０］に記載の廃棄物処理システム。
［１２］  前記第二処理槽で可溶化された有機残渣を含む前記消化液の固形分濃度を調整する、第三処理槽を備えたことを特徴とする上記［９］〜［１１］の何れか一項に記載の廃棄物処理システム。
［１３］  前記第二処理槽でストリッピングされたアンモニアを回収する、ガスホルダを備えたことを特徴とする上記［９］〜［１２］の何れか一項に記載の廃棄物処理システム。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の廃棄物処理方法及び廃棄物処理システムによれば、有機廃棄物のメタン発酵から得られるメタンガス及びアンモニアガスの生産量を増やすことができる。これらのガスはエネルギー資源として有用であり、低炭素社会の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る廃棄物処理システムの模式図である。
【図２】本発明に係る廃棄物処理システムの第二処理槽の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
《廃棄物処理方法》
本発明の第一態様の廃棄物処理方法は、有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理方法であって、前記有機廃棄物にメタン発酵処理を施す発酵工程と、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する操作、及び、前記消化液を曝気する操作によって、前記有機残渣を微細化して可溶化し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする第一可溶化工程と、前記可溶化した有機残渣に酸素を含まない気体からなるマイクロバブルを接触させることにより前記有機残渣をさらに可溶化する第二可溶化工程と、を有する廃棄物処理方法である。可溶化された有機残渣は、再びメタン発酵の原料とすることができる。
【００１３】
本発明の廃棄物処理方法で処理する有機廃棄物としては、例えば、下水汚泥、生ごみ、間伐材等のバイオマスが挙げられる。後段の処理に不適切な夾雑物は常法により予め除去される。
【００１４】
＜発酵工程＞
発酵工程は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理を施す工程である。メタン発酵処理の前段階として、前記有機廃棄物から有機酸を生成する酸生成処理が施されることが好ましい。メタン発酵菌は前記有機酸を利用することにより、高効率でメタン発酵を行うことができる。前記酸生成処理は、前記有機廃棄物に公知の微生物を作用させることにより行われる。前記酸生成処理の後、前記有機廃棄物及び有機酸を原料として、公知のメタン発酵菌を用いてメタン発酵を行う。
【００１５】
＜第一可溶化工程＞
第一可溶化工程は、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する操作（熱アルカリ処理）、及び、前記消化液を曝気する操作（曝気処理）によって、前記有機残渣を微細化して可溶化し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする工程である。前記加熱処理及び前記曝気処理は、個別に行ってもよいし、同時に行ってもよい。アルカリの種類、濃度、加熱温度等の処理条件は後述する。
曝気処理において吹き込む気体としては炭酸ガスが好ましい。メタン発酵を嫌気性条件下で行うことが有利であるため、曝気処理においては酸素を含む空気ではなく、酸素を含まない炭酸ガスを吹き込むことが好ましい。
ストリッピングしたアンモニアはエネルギー資源として回収することが好ましい。
【００１６】
＜第二可溶化工程＞
第二可溶化工程は、前記熱アルカリ処理及び曝気処理によって微細化した有機残渣に、マイクロバブルを接触させることにより前記有機残渣をさらに可溶化する（より一層微細化する）工程である。マイクロバブルの好適な大きさ、その生成方法は後述する。
第二可溶化工程において、マイクロバブル及び有機残渣に対して、超音波を当てる超音波処理を並行して行ってもよい。超音波処理により、有機残渣の可溶化をより一層促進することができる。
【００１７】
前記マイクロバブルは炭酸ガスを含むことが好ましく、その濃度は、マイクロバブルの全体積に対して、１０体積％以上が好ましく、４０〜１００体積％がより好ましく、７０〜１００体積％がさらに好ましい。マイクロバブルが炭酸ガスを含むことにより、消化液中のアルカリを中和し、消化液のアルカリ度（炭酸水素イオン濃度）を高めることができる。消化液のｐＨを中性域に戻して、アルカリ度を高めることにより、当該消化液を再びメタン発酵処理の原料とした際に、メタン発酵菌の活動を高めることができる。
前記マイクロバブルに含ませる炭酸ガスとして、メタン発酵処理においてメタンガスとともに発生した炭酸ガスを有効に利用することが好ましい。
【００１８】
一般に炭酸水素イオンは温水よりも冷水に溶解し易い。このため、炭酸ガスを前記消化液中に吹き込み、当該消化液中の炭酸水素イオン濃度を高める観点から、前記第一可溶化工程における前記消化液の温度よりも、前記第二可溶化工程における前記消化液の温度が低いことが好ましい。
【００１９】
第二可溶化工程において、前記消化液に残留しているアンモニアの少なくとも一部は、前記マイクロバブルによって酸化することができる。その詳細は未解明であるが、マイクロバブルが消化液中で自己圧壊した際に生じるフリーラジカルが、アンモニアを酸化して分解すると考えられる。アンモニアはメタン発酵菌の活動を阻害する傾向があるため、前記消化液からアンモニアを除去することによって、当該消化液を再びメタン発酵処理の原料として利用することが容易になる。
【００２０】
第二可溶化工程において可溶化された有機残渣を含む前記消化液の固形分濃度を調整し、前記発酵工程におけるメタン発酵処理の原料として利用することが好ましい。
【００２１】
《廃棄物処理システム》
本発明の第二態様の廃棄物処理システムは、有機廃棄物にメタン発酵処理を施して処理する廃棄物処理システムであって、第一処理槽と、第二処理槽とを備え、前記第一処理槽は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理が施される容器部を備え、前記第二処理槽は、前記メタン発酵処理の後に残った有機残渣を含む消化液をアルカリ存在下で加熱する加熱手段と、前記消化液を曝気し、前記消化液に含まれるアンモニアをストリッピングする、曝気手段と、前記有機残渣を可溶化するためのマイクロバブルを供給する、マイクロバブル供給手段と、を備えている廃棄物処理システムである。
【００２２】
図１に、本発明に係る廃棄物処理システムの一例を模式図で示す。廃棄物処理システム１０は、第一処理槽１と、その後段の第二処理槽２とを備える。
第一処理槽１は、前記有機廃棄物にメタン発酵処理が施される容器部を備える。容器部には、前記有機廃棄物を撹拌する撹拌羽が備えられている。メタン発酵処理によって発生したメタンガス及び炭酸ガスを回収するためのガスホルダ６が、容器部に接続されている。
第二処理槽２は、第一処理槽１から前記消化液を受け入れる容器部を備える。第一処理槽１から第二処理槽２へ前記消化液を輸送する配管やポンプ等の送液手段が備えられていてもよい。第二処理槽２の容器部で行われる処理によって発生したアンモニアガス及び炭酸ガスを回収するためのガスホルダ７が、容器部に接続されている。
【００２３】
第二処理槽２の構成を図２に示す。第二処理槽２の容器部は、第一〜第三の３つの区画を有する。
第一区画２ａは、第一処理槽１から送液された消化液Ｌ１を加熱する加熱手段Ｈを有する。加熱手段Ｈは、消化液Ｌ１を加熱できる手段であれば特に限定されず、例えば、ヒートパイプ、熱交換器等が挙げられる。ポンプＰによって第一処理槽１にアルカリ剤を注入する。
第二区画２ｂは、第一区画２ａで熱アルカリ処理が施された後の消化液Ｌ２を曝気する曝気手段を有する。曝気手段Ｔ１は、消化液Ｌ２を曝気できる手段であれば特に限定されず、例えば、炭酸ガスを供給するエアポンプＡＰを備えた送気管が挙げられる。
第三区画２ｃは、第二区画２ｂで曝気処理が施された後の消化液Ｌ３にマイクロバブルを供給するマイクロバブル供給手段Ｔ２を有する。マイクロバブル供給手段Ｔ２は、消化液Ｌ３にマイクロバブルを供給できる手段であれば特に限定されず、例えば、酸素を含まない気体からなるマイクロバブル、具体例としては、炭酸ガスのマイクロバブルを供給するマイクロポンプＭＰを備えた送気管が挙げられる。マイクロポンプＭＰは、不図示のマイクロバブル発生装置に備えられている。
エアポンプＡＰ及び／又はマイクロポンプＭＰには炭酸ガスを供給するボンベ等の炭酸ガス供給源Ｂが接続されていてもよい。
第三区画２ｃには、消化液Ｌ３を超音波処理するための超音波発信機Ｓが設置されていてもよい。
【００２４】
第一区画２ａの容器部の底面ｆ１は、第二区画２ｂの容器部の底面ｆ２よりも上方にあることが好ましい。この構造であると、第一区画２ａで消化液Ｌ１が熱アルカリ処理された後、消化液Ｌ１が第二区画２ｂへ自然対流によって容易に送液される。この送液をより容易にする観点から、第一区画２ａの容器部の底面ｆ１は、第二区画２ｂへ向けて低くなる勾配（スロープ）を有することが好ましい。    
【００２５】
加熱手段Ｈは、第一区画２ａの底面ｆ１に設置されている。この構造であると、第一区画２ａにおける消化液Ｌ１の加熱効率が高まる。加熱手段Ｈは、第二区画２ｂの底面ｆ２及び第二区画２ｂの第一区画２ａ側の側面に延設されていてもよい。
【００２６】
第一区画２ａ、第二区画２ｂ、第三区画２ｃの間は、物理的な隔壁が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。
図２に示す第二処理槽２においては、第二区画２ｂと第三区画２ｃの間に隔壁Ｗが設けられている。ただし、第二区画２ｂの底部と第三区画２ｃの底部は隔壁Ｗによって隔てられておらず、消化液Ｌ２はその底部において第三区画２ｃへ流入可能とされている。
効率的なアンモニア除去と有機残渣の可溶化のために、第二区画２ｂと第三区画２ｃの間には物理的な隔壁が設けられていることが好ましい。
【００２７】
第一区画２ａ、第二区画２ｂ、第三区画２ｃの上方において、消化液Ｌ１〜Ｌ３の液面と天井面Ｃとの間は、ガス回収ダクトＤを形成する。天井面Ｃには、ダクト排気口ｄが設置されている。ダクト排気口ｄには、ガスホルダ７が接続されている。また、第二区画２ｂの上部と第三区画２ｃの上部は隔壁Ｗによって隔てられていない。この構造により、消化液Ｌ３から揮発したアンモニアガスや炭酸ガスが、第三区画２ｃ上方のガス回収ダクトＤから第二区画２ｂ上方のガス回収ダクトＤへ流入し、さらに第一区画２ａ上方のガス回収ダクトＤへ合流し、ダクト排気口ｄからガスホルダ７へ回収可能とされている。
【００２８】
第二処理槽２の後段には、第二処理槽２で可溶化された有機残渣を含む消化液Ｌ３の固形分濃度を調整する、第三処理槽３が備えられている。第三処理槽３は、消化液Ｌ３を受け入れる容器部を少なくとも有する。
第三処理槽３の後段には、第四処理槽４及び脱水機５が備えられている。第三処理槽３で濃度調整された消化液の少なくとも一部は、第四処理槽４へ送液される。
第四処理槽４は、消化液及び前記有機廃棄物を受け入れる容器部を少なくとも有する。容器部には、消化液及び前記有機廃棄物を撹拌する撹拌羽が備えられている。容器部には、容器部で処理された原料液を第一処理槽１へ送液する送液手段が備えられていてもよい。
【００２９】
以上で説明した廃棄物処理システム１０を使用して、本発明の第一態様の廃棄物処理方法を実施することができる。以下、図面を参照して、その実施例を説明する。
【００３０】
図１に示す様に、有機廃棄物は、まず、第四処理槽（酸生成槽）４において、メタン発酵の前段階である酸生成の原料として使用される。第四処理槽４には有機廃棄物の他に、第三処理槽（濃縮槽）３で固形分濃度が調整された消化液の少なくとも一部が投入され、有機廃棄物と共に酸生成の原料として使用される。上記の消化液には、微生物が利用可能な形態に可溶化された有機物及び水分が含まれている。第四処理槽４に投入する消化液と有機廃棄物の混合割合を調整することによって、混合物（混合液）中の水分量を調整することができる。
【００３１】
第四処理槽４において、有機廃棄物及び消化液を含む前記混合液を原料として、微生物を作用させる公知方法よって有機酸を生成する。生成された有機酸を含む混合液は、第一処理槽（メタン発酵槽）１の容器部に移されて、メタン発酵菌によるメタン発酵の原料として使用される。
【００３２】
第一処理槽１に投入された有機酸を含む混合液（発酵液）において、メタン発酵菌による嫌気性条件下でのメタン発酵が行われる。メタン発酵の方法としては、公知方法が適用される。メタン発酵菌により、発酵液中の有機酸等の有機物質は分解され、メタンガス及び炭酸ガス（二酸化炭素）が生成される。発酵液から揮発したメタンガス及び炭酸ガスは、ガスホルダ６に回収される。
【００３３】
メタン発酵を終えた後の発酵液（消化液）には、メタン発酵菌による分解が進まなかった比較的難溶解性の有機物（有機残渣）が残留している。有機残渣は、第二処理槽（可溶化槽）２において、熱アルカリ処理及び曝気処理によって微細化して可溶化される。その後、可溶化された有機残渣はマイクロバブルを用いてさらに可溶化される（より一層微細化される）ことによって、メタン発酵菌が分解し易い形態になる。第二処理槽２での熱アルカリ処理及び曝気処理の際に発生したアンモニアガス及び炭酸ガスは、ガスホルダ７に回収される。
【００３４】
可溶化された有機残渣を含む消化液は、第三処理槽３において、沈殿、濾過、遠心分離等の公知方法によって濃縮される。濃度調整された消化液の少なくとも一部は、第四処理槽４に返送され、有機廃棄物と混合される。消化液の一部を第四処理槽４に戻さない場合には、脱水機５によって消化液を脱水し、脱水汚泥にする。脱水汚泥は、土木・建設資材等の用途に利用してもよい。
【００３５】
以下、第二処理槽２における処理を詳細に説明する。
（第一区画２ａ）
第一処理槽１のメタン発酵の後に残った有機残渣を含む消化液Ｌ１は、第二処理槽２の第一区画２ａに送り込まれ、第一区画２ａにおいて熱アルカリ処理を受ける。第一区画２ａに投入した消化液Ｌ１に、ポンプＰによってアルカリ剤又はその水溶液を添加し、消化液のｐＨを高める。また、第一区画２ａの底面ｆ１には、加熱手段の熱源Ｈが設置されている。熱源Ｈによって、消化液Ｌ１を加熱する。消化液Ｌ１を熱アルカリ処理することによって、有機残渣の可溶化を進める。
【００３６】
さらに、熱アルカリ処理によって消化液Ｌ１中に含まれるアンモニア性窒化物とアルカリ剤が反応して、アンモニアが生成する。第一区画２ａで生成した遊離のアンモニアの多くは消化液Ｌ１中に溶存し、アンモニアの一部は、ガス化して消化液Ｌ１から揮発する。揮発したアンモニアガスは、消化液Ｌ１の液面の上方に設置されたガス回収ダクトＤからガスホルダ７へ回収される。
なお、通常は、熱アルカリ処理によって発生するアンモニアの量よりも、メタン発酵時に消化液中に溶解するアンモニアの量の方が多い。よって、ここで揮発して回収されるアンモニアは主にメタン発酵時に発生したものである。
【００３７】
第一区画２ａに投入された消化液Ｌ１に含まれる有機残渣等の固形分濃度は、後段で可溶化できる範囲で適宜設定される。
【００３８】
熱アルカリ処理に使用するアルカリ剤として、例えば、水酸化ナトリウム等が挙げられる。なお、水酸化カルシウムは、スケール発生を防止する理由から、使用しないことが好ましい。アルカリ剤は、１種単独で使用されてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
消化液Ｌ１中に添加するアルカリ剤の濃度としては、例えば、消化液Ｌ１のｐＨを所望の範囲に調整するように適宜設定される。
アルカリ剤を添加した後の消化液Ｌ１のｐＨは、例えば、１０．５〜１１．０が好ましい。
【００３９】
アルカリ剤が添加された消化液Ｌ１の温度としては、例えば、３５〜１００℃が好ましく、６０〜１００℃がより好ましい。
消化液Ｌ１を上記の好適な温度に加熱する熱源Ｈは、例えば、ガスホルダ６，７に回収したメタンやアンモニアをエネルギー資源として利用するガスボイラーの排熱や太陽熱等を利用してもよい。
【００４０】
（第二区画２ｂ）
第一区画２ａにおける熱アルカリ処理に続いて、第二区画２ｂにおいて、熱アルカリ処理された消化液Ｌ２を曝気する。曝気によって消化液Ｌ２が混合され、撹拌されるため、消化液Ｌ２中で凝集していた有機残渣が微細化される。
【００４１】
消化液Ｌ２を曝気する方法は特に限定されず、例えば、第二区画２ｂの底部に設置した曝気手段の送気管Ｔ１から気泡Ｇ１を放出する方法が挙げられる。エアポンプＡＰが接続された送気管Ｔ１から放出された気泡Ｇ１は、消化液Ｌ２中を上昇する過程で消化液Ｌ２を混合する。第一区画２ａから第二区画２ｂに流入する消化液Ｌ２の下降流と、気泡Ｇ１の上昇流とが互いに向流であることにより、アンモニアの除去効率を高めることができる。アンモニアストリッピング法におけるアンモニア除去機構は濃度平衡であるため、向流で混合することが好ましい。
【００４２】
第二区画２ｂで消化液Ｌ２を曝気し、混合することにより、消化液Ｌ２に溶存していたアンモニアをストリッピングする。すなわち、消化液Ｌ２に溶存していたアンモニアが曝気によりガス化して、消化液Ｌ２から揮発する。揮発したアンモニアガスは、消化液Ｌ２の液面の上方に設置されたガス回収ダクトＤからガスホルダ７へ回収される。
【００４３】
気泡Ｇ１の大きさは、後段で使用するマイクロバブルよりも大きければ特に限定されず、消化液Ｌ２を充分に曝気し、アンモニアのストリッピング及び有機残渣の微細化が可能な、充分な量の気体を吹き込むことが好ましい。気泡Ｇ１は個々の気泡に分離していてもよいし、大量の気体からなる気体流（分離せずに連結している気泡）であってもよい。個々に分離した気泡Ｇ１の大きさとしては、例えば、球換算の直径で１ｃｍ〜２０ｃｍが挙げられる。単位体積（１ｍ３）当たりの消化液Ｌ２に吹き込む気体の量は、アンモニアをストリッピング可能な量に適宜設定される。
【００４４】
（第三区画２ｃ）
第二区画２ｂにおける曝気処理に続いて、第三区画２ｃにおいて、曝気処理後の消化液Ｌ３に含まれる微細化して可溶化された有機残渣に、マイクロバブルＧ２を接触させ、有機残渣を圧壊することにより、有機残渣を可溶化する。
【００４５】
有機残渣にマイクロバブルＧ２を接触させる方法としては、例えば、第三区画２ｃの底部に設置したマイクロバブル供給手段の送気管Ｔ２からマイクロバブルＧ２を放出する方法が挙げられる。マイクロポンプＭＰが接続された送気管Ｔ２から放出されたマイクロバブルＧ２は、消化液Ｌ３中を上昇する過程で有機残渣に接触する。有機残渣の圧壊の効率を高めるために、超音波処理を併用してもよい。超音波処理としては、例えば、第三区画２ｃの側面部から超音波発信機Ｓによって消化液Ｌ３に超音波を照射する方法が挙げられる。
【００４６】
第三区画２ｃで消化液Ｌ３にマイクロバブルＧ２を通し、必要に応じて超音波処理することにより、消化液Ｌ３に溶存していたアンモニアがガス化して、消化液Ｌ３から揮発する。揮発したアンモニアガスは、消化液Ｌ３の液面の上方に設置されたガス回収ダクトＤからガスホルダ７へ回収される。また、消化液Ｌ３に溶存していたアンモニアの一部は、マイクロバブルＧ２の自己圧壊によって生じるフリーラジカルの作用によって、酸化分解される。
【００４７】
マイクロバブルＧ２の大きさは、気泡Ｇ１よりも格段に小さく、例えば、直径１００μｍ以下が好ましい。送気管Ｔ２から放出される際の気泡濃度としては、例えば、１００〜１００００個／ｍＬが挙げられる。
マイクロバブルＧ２を生成する方法は、公知方法が適用可能であり、例えば、高圧下で水に気体を大量に溶解させ、その後減圧することにより、気体を気泡化する方法（加圧・減圧法）；水中に毎秒数百回転の渦流を作り、この中に気体を巻き込み、その後渦流を邪魔板等の障害物やバルク水に当てて破壊する方法（気液せん断法、気液２相流旋回法）等が挙げられる。
なお、図２においては、公知方法によってマイクロバブルを発生する装置を、便宜上、マイクロポンプＭＰとして示している。また、炭酸ガス供給源をＢで表している。
【００４８】
消化液Ｌ２及び消化液Ｌ３に通す、気泡Ｇ１及びマイクロバブルＧ２のうち少なくとも一方には、炭酸ガスを含有させることが好ましい。炭酸ガスを消化液Ｌ２，Ｌ３に吹き込むことにより、消化液Ｌ２，Ｌ３中のアルカリ剤を中和し、炭酸水素イオン濃度を高めて、消化液Ｌ２，Ｌ３のアルカリ度を高めることができる。消化液のアルカリ度を高めると、第四処理槽４に消化液を返送して使用した場合に、炭酸水素イオンが中性域におけるｐＨ緩衝剤として機能する。これにより、第四処理槽４における微生物による酸生成の効率を高めることができる。同様に、第四処理槽４の後段の第一処理槽１においても炭酸水素イオンが中性域におけるｐＨ緩衝剤として機能する。これにより、第一処理槽１におけるメタン発酵菌によるメタン生成の効率を高めることができる。
【００４９】
気泡Ｇ１及びマイクロバブルＧ２に含有させる炭酸ガス濃度としては、それぞれ独立に、気泡Ｇ１及びマイクロバブルＧ２の総体積に対して、１０体積％以上が好ましく、４０〜１００体積％がより好ましく、７０〜１００体積％がさらに好ましい。
炭酸ガス濃度が高いほど、消化液中に含まれるアルカリ剤を容易に中和し、消化液のアルカリ度を容易に高めることができる。また、後段における嫌気性条件下でのメタン発酵を行う際に有利であることから、マイクロバブルＧ２には酸素が含有されないことが好ましい。
なお、消化液中のアルカリ度が充分に高まった後では、マイクロバブルＧ２に含有させる炭酸ガス濃度を低くして、消化液のｐＨが過剰に低くなることを避けることが望ましい。
【００５０】
気泡Ｇ１及びマイクロバブルＧ２に含有させる炭酸ガスの少なくとも一部は、第一処理槽１からガスホルダ６に回収された炭酸ガスであることが好ましい。第一処理槽１におけるメタン発酵によって生じた副生成物である炭酸ガスを有効に利用することができる。
【００５１】
上記の様に消化液Ｌ３に炭酸ガスを吹き込み、消化液Ｌ３のアルカリ度を高める場合、第三区画２ｃの消化液Ｌ３の温度は、第一区画２ａにおける消化液Ｌ１よりも低いことが好ましい。温度が低い方が、炭酸ガスが炭酸水素イオンとして溶解する効率が高まる。
なお、前述した様に、第一区画２ａにおいて、消化液Ｌ１は加熱されている。したがって、第三区画２ｃにおいて消化液Ｌ３を加熱しなければ、自然の放熱及び第二区画２ｂにおける曝気処理によって、消化液Ｌ３の温度は消化液Ｌ１の温度よりも低くなる。
【００５２】
消化液Ｌ３から揮発したアンモニアガスは、第三区画２ｃ上方のガス回収ダクトＤから第二区画２ｂ上方のガス回収ダクトＤへ流入し、さらに第一区画２ａ上方のガス回収ダクトＤへ合流し、ダクト排気口ｄからガスホルダ７へ回収される。
ガスホルダ７へ回収されたアンモニアは、エネルギー資源として有用である。
【００５３】
以下、第三処理槽３における処理を詳細に説明する。
マイクロバブルＧ２によって可溶化された有機残渣を含む消化液Ｌ３は、第三処理槽３に移される。第三処理槽３において、消化液Ｌ３に含まれる固形分濃度を調整する。この調整を終えた消化液の少なくとも一部は第四処理槽４に返送されて、再利用される。第四処理槽４における処理では、固形分濃度が１０質量％以下であることが好ましい。このため、第四処理槽４に新たに投入する前記有機廃棄物の固形分濃度が低い（例えば１質量％程度）場合には、第三処理槽３において消化液Ｌ３の固形分濃度を比較的高く調整する（例えば１５質量％程度）ことが好ましい。逆に、第四処理槽４に新たに投入する前記有機廃棄物の固形分濃度が高い場合（例えば１５質量％程度）場合には、第三処理槽３において消化液Ｌ３の固形分濃度を比較的低く調整する（例えば１質量％程度）ことが好ましい。この様に濃度調整された消化液を第四処理槽４に返送することによって、第四処理槽４において新たに投入された前記有機廃棄物と混合され、第四処理槽４における処理に適した固形分濃度（例えば、１〜１０質量％）に調整することが容易になる。
【００５４】
第三処理槽３において、消化液Ｌ３の固形分濃度を高める方法としては、例えば、消化液Ｌ３を静置して、固形物が消化液Ｌ３の下方に沈殿した後、消化液Ｌ３の上澄みを除去する沈殿法が挙げられる。この他、フィルターを用いた濾過法、遠心分離法等の公知方法が適用可能である。一方、消化液Ｌ３の固形分濃度を低くする方法としては、例えば、固形分を消化液Ｌ３から物理的に除去する方法が挙げられる。
【００５５】
第三処理槽３で濃度が調整された消化液のうち、余剰な消化液は、脱水機５に投入されて脱水される。脱水後の固形分（脱水汚泥）は、燃料や建設資材として再利用してもよい。脱水で発生した水分は、下水処理等の公知の排水処理がなされる。
【００５６】
以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…第一処理槽（メタン発酵槽）、２…第二処理槽（可溶化槽）、３…第三処理槽（濃縮槽）、４…第四処理槽（酸生成槽）、５…脱水機、６…ガスホルダ、７…ガスホルダ、１０…廃棄物処理システム、２ａ…第一区画、２ｂ…第二区画、２ｃ…第三区画、Ｄ…ガス回収ダクト、ｄ…ダクト排気口、Ｗ…隔壁、Ｓ…超音波発信機、Ｈ…加熱手段（熱源）、Ｇ１…気泡、Ｇ２…マイクロバブル、Ｔ１…曝気手段（送気管）、Ｔ２…マイクロバブル供給手段（送気管）、Ｌ１…消化液、Ｌ２…消化液、Ｌ３…消化液、Ｂ…炭酸ガス供給源（ボンベ）
【図１】
2017121603.tif 000003
【図２】
2017121603.tif 000004