(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵菌により有機性廃棄物を分解する有機性廃棄物の処理システムにおいて、
メタン発酵槽と、
メタン発酵槽からの固形成分と液体成分とを分離する固液分離部と、
メタン発酵槽へ有機性廃棄物を間欠的に供給する有機性廃棄物供給部と、
メタン発酵槽への有機性廃棄物の供給量を求める流量検出部と、
メタン発酵槽への有機性破棄物の濃度を求める入側濃度検出部と、
メタン発酵槽内の有機性廃棄物の濃度を求める発酵槽濃度検出部と、
固液分離部に設けられたｐＨ検出部と、
メタン発酵槽からのバイオガスの生成量を検出するバイオガス量検出部と、
流量検出部、入側濃度検出部および発酵槽濃度検出部からの情報に基づいて、メタン発酵槽からのバイオガス生成量の推定値と、この推定値までに要する推定時間を演算する算出部と、
算出部からのバイオガス生成量の推定値および推定時間と、バイオガス量検出部からのバイオガス生成量の測定値および測定時間とを比較し、ｐＨ検出部からの情報に基づいてメタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の有無を判定する解析・判定部と、
この解析・判定部からの判定結果に基づいて有機性廃棄物供給部を制御する操作部と、を備え、
解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が大きい場合には、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に有機性廃棄物の供給を行なうよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
【請求項２】
メタン発酵菌により有機性廃棄物を分解する有機性廃棄物の処理システムにおいて、
メタン発酵槽と、
メタン発酵槽からの固形成分と液体成分とを分離する固液分離部と、
メタン発酵槽へ有機性廃棄物を間欠的に供給する有機性廃棄物供給部と、
メタン発酵槽への有機性廃棄物の供給量を求める流量検出部と、
メタン発酵槽への有機性破棄物の濃度を求める入側濃度検出部と、
メタン発酵槽内の有機性廃棄物の濃度を求める発酵槽濃度検出部と、
固液分離部に設けられたｐＨ検出部と、
メタン発酵槽からのバイオガスの生成量を検出するバイオガス量検出部と、
流量検出部、入側濃度検出部および発酵槽濃度検出部からの情報に基づいて、メタン発酵槽からのバイオガス生成量の推定値と、この推定値までに要する推定時間を演算する算出部と、
算出部からのバイオガス生成量の推定値および推定時間と、バイオガス量検出部からのバイオガス生成量の測定値および測定時間とを比較し、ｐＨ検出部からの情報に基づいてメタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の有無を判定する解析・判定部と、
この解析・判定部からの判定結果に基づいて有機性廃棄物供給部を制御する操作部と、を備え、
解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が小さい場合には、バイオガス生成量の推定値までに要する推定時間後に有機性廃棄物の供給を行なうよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
【請求項３】
解析、判定部は、バイオガス生成量の推定値までに要する推定時間後に有機性破棄物の供給を行った後、所定の安定期間が経過した場合、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に有機性廃棄物の供給を行うよう操作部を制御することを特徴とする請求項２記載の有機性廃棄物の処理システム。
【請求項４】
メタン発酵菌により有機性廃棄物を分解する有機性廃棄物の処理システムにおいて、
メタン発酵槽と、
メタン発酵槽からの固形成分と液体成分とを分離する固液分離部と、
メタン発酵槽へ有機性廃棄物を間欠的に供給する有機性廃棄物供給部と、
メタン発酵槽への有機性廃棄物の供給量を求める流量検出部と、
メタン発酵槽への有機性破棄物の濃度を求める入側濃度検出部と、
メタン発酵槽内の有機性廃棄物の濃度を求める発酵槽濃度検出部と、
固液分離部に設けられたｐＨ検出部と、
メタン発酵槽からのバイオガスの生成量を検出するバイオガス量検出部と、
流量検出部、入側濃度検出部および発酵槽濃度検出部からの情報に基づいて、メタン発酵槽からのバイオガス生成量の推定値と、この推定値までに要する推定時間を演算する算出部と、
算出部からのバイオガス生成量の推定値および推定時間と、バイオガス量検出部からのバイオガス生成量の測定値および測定時間とを比較し、ｐＨ検出部からの情報に基づいてメタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の有無を判定する解析・判定部と、
この解析・判定部からの判定結果に基づいて有機性廃棄物供給部を制御する操作部と、を備え、
解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷または阻害物質の影響有と判定した場合には、有機性廃棄物の供給を一時的に停止するよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
【請求項５】
固液分離部は膜を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の有機性廃棄物の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵により処理する有機性廃棄物の処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン発酵を用いた有機性廃棄物の処理システムを制御する場合、測定項目としてガス発生速度、ガス組成、液相ｐＨ、揮発性有機酸（以下、ＶＦＡと略称する）濃度、アンモニア濃度などが用いられている。
【０００３】
このうち、揮発性有機酸濃度は最も有用性が高い測定項目であるが、測定機器が高価であったり、測定に熟練を要するなどの理由により、制御パラメータとして連続測定したり高頻度に測定したりすることは現実的ではない。
【０００４】
一方、ｐＨやガス発生速度は測定が容易であるので、日常的に測定されるが、メタン発酵システムを運転管理する目的でｐＨを測定する場合には、メタン発酵槽内のｐＨを測定するのが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、メタン発酵槽内の汚泥がもつ緩衝作用によって、ｐＨ値が発酵槽内の状態を必ずしも反映しないという問題がある。また、ガス発生速度によって阻害の有無や程度を判定する基準がなく、システムを制御する具体的な方法は未だ確立されていないのが実情である。
【０００６】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、システムへの有機性廃棄物の供給量を制御することによって、システムの立ち上げ、長期運転管理を自動化することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、メタン発酵菌により有機性廃棄物を分解する有機性廃棄物の処理システムにおいて、メタン発酵槽と、メタン発酵槽からの固形成分と液体成分とを分離する固液分離部と、メタン発酵槽へ有機性廃棄物を間欠的に供給する有機性廃棄物供給部と、メタン発酵槽への有機性廃棄物の供給量を検出する流量検出部と、メタン発酵槽への有機性廃棄物の濃度を検出する入側濃度検出部と、メタン発酵槽内の有機性廃棄物の濃度を求める濃度検出部と、固液分離部に設けられたｐＨ検出部と、メタン発酵槽からのバイオガスの生成量を検出するバイオガス量検出部と、流量検出部、入側濃度検出部および発酵槽濃度検出部からの情報に基づいて、メタン発酵槽からのバイオガス生成量の推定値と、この推定値までに要する推定時間を演算する算出部と、算出部からのバイオガス生成量の推定値および推定時間と、バイオガス量検出部からのバイオガス生成量の測定値および測定時間とを比較し、ｐＨ検出部からの情報に基づいてメタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の有無を判定する解析・判定部と、この解析・判定部からの判定結果に基づいて有機性廃棄物供給部を制御する操作部と、を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。
【０００８】
本発明は、解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が大きい場合には、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に有機性廃棄物の供給を行なうよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。
【０００９】
本発明は、解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が小さい場合には、バイオガス生成量の推定値までに要する推定時間後に有機性廃棄物の供給を行なうよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システム。
【００１０】
本発明は、解析、判定部は、バイオガス生成量の推定値までに要する推定時間後に有機性破棄物の供給を行った後、所定の安定期間が経過した場合、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に有機性廃棄物の供給を行うよう操作部を制御することを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。
【００１１】
本発明は、解析・判定部は、メタン発酵槽内の過負荷または阻害物質の影響有と判定した場合には、バイオガス生成量の測定値が推定値の１１０〜１３０％に達した後に有機性廃棄物の供給を行なうよう操作部を操作することを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。
【００１２】
本発明は、固液分離部は膜を有することを特徴とする有機性廃棄物の処理システムである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明による有機性廃棄物の処理システムの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、有機性廃棄物の処理システムは、有機性廃棄物を貯留する原液槽１と、有機性廃棄物を間欠的に供給する有機性廃棄物供給部（ポンプ）２と、有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵槽３と、メタン発酵槽３から流出する固形成分と液体成分を膜４ａにより固液分離する固液分離部４とを備えており、固液分離部４には、ｐＨ検出部５が接続されている。
【００１５】
またメタン発酵槽３の前段には有機性廃棄物の供給量を検出する流量検出部６と、有機性廃棄物中の固形物量を検出する入側濃度検出部７が設けられている。
【００１６】
メタン発酵槽３には発酵槽３内の固形物濃度を測定する発酵槽濃度検出部８が接続されている。さらにメタン発酵槽３には、メタン発酵槽３から生成したバイオガス生成量を検出するバイオガス量検出部９と、バイオガス中のメタン濃度を検出するバイオガス組成検出部１０が各々接続される。
【００１７】
また、固液分離部４からの固形成分はメタン発酵槽３内へ戻され、他方固液分離部４からの液体成分は外方へ放出される。さらにメタン発酵槽３から生成したバイオガスは外方へ放出されるとともに、その一部はポンプ３ａによって固液分離部４へ送られて膜４ａを洗浄することができる。
【００１８】
なお有機性廃棄物中の固形物量とバイオガス組成が一定と見なせる場合には、入側濃度検出部７とバイオガス組成検出部１０を省略することができる。
【００１９】
流量検出部６と、入側濃度検出部７と、発酵槽濃度検出部８には、メタン発酵槽３内の固形物濃度に応じたバイオガス発生速度および供給固形物量あたりのバイオガス生成量の推定値を算出し、この値までに要する推定時間を演算する算出部１１が接続されている。
【００２０】
またバイオガス組成検出部１０と、算出部１１は、バイオガス生成量の測定値と推定値を比較解析する解析部１２に接続されている。さらに解析部１２とｐＨ検出部５は、過負荷および阻害物質の有無を判定する判定部１３に接続される。判定部１３はポンプ２を操作する操作部１４を介してポンプ２に接続されている。ところで入側濃度検出部７は、有機性廃棄物の粘度から間接的に有機性廃棄物の濃度を求めることができる。
【００２１】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
原液槽１に貯留された有機性廃棄物は、ポンプ２によりメタン発酵槽３内へ一定量供給され、その後ポンプ２が停止する。有機性廃棄物はメタン発酵槽３において、メタン発酵により、メタンを主成分とするバイオガスに分解される。メタン発酵槽３内で発生するバイオガスの量および速度は、メタン発酵槽へ供給される有機性廃棄物量を検出する流量検出部６と、固形物量を検出する入側濃度検出部７と、メタン発酵槽３内の固形物量を検出する発酵槽濃度検出部８とからの情報に基づいて、算出部１１で推定することができる。
【００２２】
一方、有機性廃棄物が供給された時点からメタン発酵槽３内で発生するバイオガス生成量がバイオガス量検出部９で測定され、この測定値はバイオガスの組成を検出するバイオガス組成検出部１０においてバイオガス中のメタン量に変換される。算出部１１で推定された値と、バイオガス組成検出部１０からの測定値が解析部１２で比較され、ｐＨ検出部５と解析部１２からの情報に基づいて判定部１３においてメタン発酵槽３内における過負荷および阻害物質の有無を判定する。判定部１３はその後、一定時間経過後に操作部１４を介してポンプ２を作動させ、一定量の有機性廃棄物を再度メタン発酵槽３へ供給する。
【００２３】
次に算出部１１、解析部１２および判定部１３における作用について詳述する。
メタン発酵槽からのバイオガスのガス発生速度に関して、発明者らはレストランから排出される食品廃棄物を模擬した連続試験を実施したところ以下のような結果が得られた。
【００２４】
図２はメタン発酵槽から採取したメタン菌へ一定量の人工基質を投入し、バイオガス生成速度を測定した結果である。図２から、投入基質中に含まれる単位炭素あたりに換算したバイオガス生成量は、メタン発酵が阻害されていない限り一定で、メタン発酵槽内の固形物濃度が、２５０００ｍｇ／ｋｇ、５５０００ｍｇ／ｋｇ、７００００ｍｇ／ｋｇおよび９００００ｍｇ／ｋｇと徐々に増加するのにともない、ガスの生成速度は上昇することが分かる。
【００２５】
図３はメタン発酵槽内の固形物濃度５５０００ｍｇ／ｋｇにおける生ごみ投入直後から６時間後までのバイオガス生成速度と、積算ガス量と、メタン濃度を示したものである。投入直後１０分間で、一時的にガス発生速度が増加するが、その後ガス生成速度はほぼ一定となり、メタン濃度もほぼ一定を保っている。
【００２６】
これらの結果を用いて、算出部１１では供給する有機性廃棄物中の有機物量に基づいて、メタン発酵槽３から生成するバイオガスの生成量を推定する。
【００２７】
すなわち、まず有機性廃棄物中の固形物濃度と供給量を各々入側濃度検出部７と流量検出部６において検出し、これら固形物濃度と供給量を掛け合わせることにより有機性廃棄物中の有機物量を求める。。
【００２８】
またメタン発酵槽３内の固形物量が発酵槽濃度検出部８において検出され、有機性廃棄物中の有機物量と、メタン発酵槽３内の固形物濃度とに基づいて、算出部１１においてバイオガス生成量とバイオガス生成速度を推定する。更に算出部１１は、このバイオガス生成速度からバイオガスの推定値に到達するのに要した推定時間を算出する。
【００２９】
次に解析部１２において、算出部１１において求められたバイオガス生成量の推定値およびこの推定値に到達するまでの推定時間と、バイオガス量検出部９およびバイオガス組成検出部１０から送られてくるバイオガス生成量の測定値および測定時間とを比較する。
【００３０】
判定部１３では、解析部１２からの比較結果と、ｐＨ検出部からのｐＨ検出値に基づいて、メタン発酵槽３内の過負荷および阻害物質の有無を判定する。
【００３１】
ところで、メタン発酵槽３からの固形成分と液体成分は固液分離部４において分離されており、分離液からは緩衝能をもつ汚泥が除去されているため、固液分離部４の分離液のｐＨを検出することにより、メタン発酵槽３内の状態をより正確に判定することができる。
【００３２】
すなわち判定部１３はｐＨ値が７．５以上のときは、過負荷および阻害なしの安全領域と判定し、ｐＨ値が７未満のときは過負荷および阻害有りの危険領域と判定する。また判定部１３はｐＨ値が７．０〜７．５のときは、過負荷および阻害の可能性がある注意領域と判定する。
【００３３】
判定部１３は次に過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が大きい場合には、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に有機性廃棄物の供給を行なうよう、操作部１４を制御し、ポンプ２により一定量の有機性廃棄物をメタン発酵槽３へ供給する（図５）。
【００３４】
一方、判定部１３は過負荷および阻害物質の影響無しと判定し、かつバイオガス生成量の推定値までに要する推定時間よりも、バイオガス生成量の測定値が推定値に到達するのに要した測定時間が小さい場合には、バイオガス生成量の推定値までに要する推定時間後に有機性廃棄物の供給を行うよう操作部１４を制御する（図６）。
【００３５】
ところで、判定部１３は、図６に示すような制御作用を何回か繰り返して行った後、所定の安定期間が経過した場合、メタン発酵槽３内のメタン発酵作用から順調に行われていると判断する。この場合は、バイオガス生成量の測定値が推定値まで到達するのに要した測定時間後に、有機性廃棄物の供給を行うよう操作部１４を制御してもよい。
【００３６】
また判定部１３は過負荷または阻害物質の影響有と判定した場合には、操作部１４を制御して、有機性廃棄物の供給を一時的に停止する。この場合は、メタン発酵槽内のＶＦＡ、アンモニア濃度等、詳細な分析を行った後、供給を再開する。
【００３７】
ところでメタン発酵槽３内の固形物濃度を発酵槽濃度検出部８により検出する方法は公知の種々の態様が採用され得るが、図４に示したようにメタン発酵槽３内の粘性から固形物濃度（ＴＳ濃度）を間接的に求めることもできる。とくに固液分離部４が膜を有する場合には、メタン発酵槽３内の粘性が重要となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵槽内への有機性廃棄物の供給量を制御することによって、システムの立ち上げおよび運転管理を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による有機性廃棄物の処理システムの一実施形態を示す構成図。
【図２】固形物濃度とガス発生速度との関係を示す図。
【図３】生ごみ投入後のガス発生を示す図。
【図４】ＴＳ濃度と粘性との関係を示す図。
【図５】判定部による制御作用を示す図。
【図６】判定部による制御作用を示す図。
【図７】判定部による制御作用を示す図。
【符号の説明】
１  原液槽
２  ポンプ
３  メタン発酵槽
４  固液分離部
５  ｐＨ検出部
６  流量検出部
７  入側濃度検出部
８  発酵槽濃度検出部
９  バイオガス量検出部
１０  バイオガス組成検出部
１１  算出部
１２  解析部
１３  判定部
１４  操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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