(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物含有廃棄物から発酵不適物を除去し、発酵適物の性状を整える前処理装置と、
前記発酵適物をメタン発酵してメタンガスを生成し、かつ、発酵残渣を排出するメタン発酵装置と、
前記発酵残渣を脱水して濾液と残余物とに分離する脱水機と、
前記前処理装置から前記メタン発酵装置へ前記発酵適物を移送する第一ポンプと、
前記メタン発酵装置から前記脱水機へ前記発酵残渣を移送する第二ポンプと、
し尿を貯留した貯留槽と、
所定流量の前記し尿を二方向に分岐させ、前記分岐した一方のし尿を前記第一ポンプの上流で前記発酵適物に供給し、前記分岐した他方のし尿を前記メタン発酵装置の下流、かつ、前記脱水機の上流で前記発酵残渣に供給する配管と、前記配管に配置されて制御装置または手動操作により開閉状態または開度が制御または調整される弁とを備えたし尿供給装置と
を有し、
前記し尿供給装置は、前記制御装置による前記弁の制御または前記手動操作による前記弁の調整により、前記第一ポンプのトルクが第一閾値以上の場合は前記一方のし尿の流量を増加させ、前記第一ポンプのトルクが前記第一閾値未満の場合は前記一方のし尿の流量を減少させて、前記一方のし尿と前記他方のし尿の各々の流量を相補的に変更するメタン発酵システム。
【請求項２】
前記メタン発酵装置が、湿式メタン発酵装置である場合は、前記濾液の一部を前記メタン発酵装置よりも上流側へ返送する濾液返送配管をさらに備え、
前記メタン発酵装置が、乾式メタン発酵装置である場合は、前記発酵残渣の一部を前記メタン発酵装置よりも上流側へ循環する発酵残渣循環配管をさらに備え、あるいは、前記発酵残渣循環配管と前記濾液返送配管とをさらに備える請求項１に記載のメタン発酵システム。
【請求項３】
前記し尿供給装置は、
前記配管として、
一端が前記貯留槽に接続された第一配管と、
前記第一配管の他端に一端が接続され、他端から前記一方のし尿を供給する第二配管と、
前記第一配管の他端に一端が接続され、他端から前記他方のし尿を供給する第三配管と、
前記弁として、
前記第二配管に配置された第一弁と
を備え、
前記第一ポンプのトルクが前記第一閾値以上の場合に、前記制御装置または前記手動操作により前記第一弁を開くことで前記一方のし尿の流量を増加させ、前記第一ポンプのトルクが前記第一閾値未満の場合に、前記制御装置または前記手動操作により前記第一弁を閉じることで前記一方のし尿の流量を減少させる請求項２に記載のメタン発酵システム。
【請求項４】
前記第二ポンプと前記脱水機との間に配置された切替装置をさらに有し、
前記し尿供給装置は、
前記配管として、一端が前記第三配管に接続され、他端が前記脱水機の下流に接続された第四配管と、
前記弁として、前記第三配管において、前記第四配管の接続点より下流に配置された第二弁と、
前記第四配管に配置された第三弁と
をさらに備え、
前記第二ポンプのトルクが第二閾値未満の場合に、前記制御装置または前記手動操作により前記第二弁を全開し、かつ、前記第三弁を全閉し、
前記第二ポンプのトルクが前記第二閾値以上の場合に、前記制御装置または前記手動操作により前記第二弁を全閉し、かつ、前記第三弁を全開し、
前記第二ポンプのトルクが前記第二閾値未満の場合に、前記制御装置または手動操作により前記切替装置は前記発酵残渣を前記脱水機へ移送し、
前記第二ポンプのトルクが前記第二閾値以上の場合に、前記制御装置または手動操作により前記切替装置は前記発酵残渣をごみ貯留槽へ移送する請求項３に記載のメタン発酵システム。
【請求項５】
前記第一ポンプ並びに前記第二ポンプのそれぞれのトルクの大小は、各々を駆動する電流値の大小で判定する請求項４に記載のメタン発酵システム。
【請求項６】
ごみ焼却施設が備えるごみピットと、
水処理施設が備える生物処理槽と
をさらに有し、
前記残余物が移送される前記ごみピットは、前記ごみ貯留槽であり、
前記濾液は前記生物処理槽で処理され、
前記第一ポンプのトルク並びに前記第二ポンプのトルクに対応して、前記第一弁、前記第二弁、前記第三弁、及び前記切替装置が、前記制御装置または前記手動操作により制御される請求項４または請求項５のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物含有廃棄物からメタンガスを生成するメタン発酵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、家庭から排出される厨芥（生ゴミ）、紙ごみ、草木といった木質系廃棄物、家畜糞尿、汚泥などの有機物含有廃棄物（原料）をメタン発酵させて、メタンガスを生成する技術が知られている。メタンの発酵方式は、原料の固形分濃度に応じて乾式と湿式とに分類される。乾式では原料の発酵槽内濃度が比較的高く調整され、湿式では比較的低く調整される。また、乾式では比較的高温で活性化するメタン生成菌が使用されるのに対し、湿式では乾式よりもやや低温で活性化するメタン生成菌が使用される。いずれの発酵方式においても、原料の性状に応じてメタン発酵装置に水が供給され、各々の方式に適した水分量に調整される（特許文献１、２参照）。また、このような水分供給に際し、メタン発酵装置に原料を移送するためのポンプの駆動電流値から原料の流動化状態を検知して、水の供給量を調整する技術も提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１２８６０号公報
【特許文献２】特開２０１９−１３０４８６号公報
【特許文献３】特開２０１８−１６７２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メタン発酵装置で効率よくメタン発酵を行うためには、メタン発酵装置に投入される原料中の有機物由来の窒素量が約１０００〜約３０００ｍｇ／Ｌであることが望ましいとされている。一方、メタン発酵装置に投入される原料には多種多様な廃棄物が含まれ、廃棄物に含まれる内容物の比率が必ずしも一定ではないため、当該比率に応じて窒素量が変動してしまい、良好なメタン発酵効率が得られない場合がある。例えば、原料全体に占める紙ごみの割合が大きい場合には、原料中の炭素量が増加するとともに窒素量が減少し、メタン発酵効率が低下する。
【０００５】
また、メタン発酵装置では、発酵効率を向上させるべく原料に水を供給して水分量を調整することがある。一方、メタンガスを生成した後に生じる残物である発酵残渣は、脱水機で脱水された後に水処理施設などへ移送されて生物処理される。この生物処理の負荷を低減するには、脱水助剤を供給して脱水機による脱水を効果的に行うのが望ましく、このため、システムの運転費用が増加してしまう。
【０００６】
したがって、運転コストを安価にしつつも、効率よくメタン発酵並びにメタン発酵で生じる発酵残渣の処理または処分を行うシステムが求められていた。
本発明は、上記のような課題に鑑み案出されたものであって、有機物含有廃棄物に含まれる内容物の比率によらず、メタンガスの生成効率、発酵残渣の処理効率、処分効率を改善でき、運転コストを削減できるメタン発酵システム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】
【０００７】
本発明のメタン発酵システムは、有機物含有廃棄物から発酵不適物を除去し、発酵適物の性状を整える前処理装置と、前記発酵適物をメタン発酵してメタンガスを生成し、かつ、発酵残渣を排出するメタン発酵装置と、前記発酵残渣を脱水して濾液と残余物とに分離する脱水機と、前記前処理装置から前記メタン発酵装置へ前記発酵適物を移送する第一ポンプと、前記メタン発酵装置から前記脱水機へ前記発酵残渣を移送する第二ポンプと、し尿（屎尿）を貯留した貯留槽と、所定流量の前記し尿を二方向に分岐させ、前記分岐した一方のし尿を前記第一ポンプの上流で前記発酵適物に供給し、前記分岐した他方のし尿を前記メタン発酵装置の下流、かつ、前記脱水機の上流で前記発酵残渣に供給するし尿供給装置とを有する。前記し尿供給装置は、前記第一ポンプのトルクが第一閾値以上の場合は前記一方のし尿の流量を増加させ、前記第一ポンプのトルクが前記第一閾値未満の場合は前記一方のし尿の流量を減少させて、前記一方のし尿と前記他方のし尿の各々の流量を相補的に変更する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のメタン発酵システムによれば、第一ポンプのトルクが高い場合（例えば、紙ごみの比率が高い場合）に、メタン発酵装置の上流側に供給されるし尿が増加し、水分及び窒素分が供給される。また、脱水機の上流側にも、脱水助剤として作用するし尿が供給される。これにより、メタンガスの生成効率及び発酵残渣の脱水効率を改善できる。さらに、水や一般的な脱水助剤の代わりに廃棄対象のし尿を使用することで、運転コストを削減できる。このように、有機物含有廃棄物に含まれる内容物の比率によらず、メタンガスの生成効率、発酵残渣の処理効率、処分効率を改善でき、運転コストを削減できるメタン発酵システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例に係るメタン発酵システムを示す模式図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はトルクと流量割合との関係を例示するグラフである。
【図３】制御装置で実施される制御の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】第一変形例に係るメタン発酵システムを示す模式図である。
【図５】第二変形例に係るメタン発酵システムを示す模式図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はトルクと流量割合との関係を例示するグラフである。
【図７】制御装置で実施される制御の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１〜図７を参照して、実施例及び変形例に係るメタン発酵システムについて説明する。以下に示す実施例及び変形例はあくまでも例示に過ぎず、明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、以下の各構成は、本発明に必須の構成を除き、必要に応じて取捨選択でき、あるいは公知の構成と組み合わせ可能である。
【００１１】
［１．実施例］
（１）構成
図１は、実施例としてのメタン発酵システム１の構造を説明するための模式図である。図１に示すメタン発酵システム１は、ごみ焼却施設１０と、バイオガスプラント２０と、水処理施設３０と、し尿供給装置４０とを有する。
【００１２】
ごみ焼却施設１０は廃棄物を焼却するための施設であり、ごみピット１１（ごみ貯留槽）及びコンベヤ１２のほか、図示しない焼却炉を有する。
ごみピット１１は、焼却炉で焼却される廃棄物を一時的に貯留するための貯留槽である。ごみピット１１内の廃棄物は、例えばクレーンで撹拌・混合された後、定量供給装置で自動的に一定量ずつ焼却炉へと移送される。本実施例では、有機物を含有する廃棄物がごみピット１１に貯留され、その廃棄物の少なくとも一部がバイオガスプラント２０へ移送される。
また、コンベヤ１２は、バイオガスプラント２０で生じた残余物や水処理施設３０で生じたし渣（屎渣）をごみピット１１へ搬送するための移送装置である。ここでは、移送装置の一例としてコンベヤ１２を用いて説明しているが、コンベヤ１２の代わりに、自動車など他の移送装置を用いてもよい。
【００１３】
バイオガスプラント２０は、微生物の働きを利用して有機物含有廃棄物を発酵させ、バイオガス（例えば、メタンガスや二酸化炭素など）を生成する設備である。メタン発酵のプロセスは、複数の段階からなる。最初の段階では、加水分解菌の作用により、高分子有機物（例えば、炭水化物、タンパク質、脂質）が加水分解され、低分子の有機物（例えば、単糖類、アミノ酸、高級脂肪酸）が生成される。次に、酸生成細菌の作用により、低級アルコールや低級脂肪酸などが生成される。また、水素生成細菌の作用により、酢酸、ギ酸、水素などが生成される。その後、メタン生成菌群の作用によりメタンが生成される。
【００１４】
図１に示すバイオガスプラント２０は、前処理装置２１と、ホッパ２２と、第一ポンプ２３と、メタン発酵装置２４と、第二ポンプ２５と、脱水機２６とを有する。
前処理装置２１は、原料である有機物含有廃棄物から発酵不適物を除去し、発酵適物の性状を整える前処理を実施する装置である。図１に示す前処理装置２１に導入される原料は、ごみピット１１から移送される。前処理装置２１では、例えば、原料が粗破砕機や微破砕機で破砕されるとともに、原料中に含まれる不純物が選別機によって除去される。前処理装置２１には、例えば、回転破砕機、回転選別機、ブレード破砕選別機、圧縮選別機、粉砕選別機、混合調整機、蒸気加圧機といった複数の機器が含まれうる。
【００１５】
また、必要に応じて原料に可溶化処理が施されてスラリー化（可溶化）される。可溶化処理においては、例えば、希釈水や工業用水、消化液などが添加される。これらの前処理により、原料の性状が適正化され、バイオガスプラント２０でのバイオガスの生成効率が向上する。メタン発酵装置２４での発酵方式が乾式である場合、投入固形物濃度（ＴＳ）は、約１５〜６０％程度の範囲内で調整される。また、発酵方式が湿式である場合、投入固形物濃度は、約１０〜２０％に調整される。
【００１６】
前処理装置２１で前処理が施された原料は、ホッパ２２の内部に投入された後、第一ポンプ２３によってメタン発酵装置２４へと移送される。
ホッパ２２では、後述するし尿貯留槽３１に貯留されたし尿の一部が原料に混合される。
第一ポンプ２３は、ホッパ２２の内部の発酵適物をメタン発酵装置２４へ移送する圧送装置である。メタン発酵装置２４での発酵方式が乾式である場合、例えば、ピストンポンプなどの粘性の高い物質を移送する高圧力型のポンプが第一ポンプ２３として用いられる。また、発酵方式が湿式である場合、例えば、一軸ネジポンプなどの比較的粘性の低い物質を移送する低圧力型のポンプが第一ポンプ２３として用いられる。
【００１７】
メタン発酵装置２４は、発酵適物をメタン発酵してメタンガスを生成し、発酵残渣を排出する装置である。発酵方式の種類は不問であり、乾式でもよいし湿式でもよい。メタン発酵装置２４の内部では、微生物の働きによりメタンガスを含むバイオガスが生成される。バイオガスは、例えば、図示しない脱硫装置で脱硫された後に、ガスタンクやガス利用施設（例えば、発電プラントや都市ガス生成施設）などに送給される。一方、メタン発酵装置２４の内部に残留する発酵残渣は、第二ポンプ２５によって脱水機２６へと移送される。なお、メタン発酵装置２４での発酵方式が乾式である場合、例えば、ピストンポンプなどの高圧力型のポンプが第二ポンプ２５として用いられる。また、発酵方式が湿式である場合、例えば、一軸ネジポンプなどの低圧力型のポンプが第二ポンプ２５として用いられる。
【００１８】
脱水機２６は、発酵残渣を脱水して濾液と残余物（脱水汚泥）とに分離する装置である。脱水機２６には、例えば、遠心脱水機、ベルトプレス型脱水機、スクリュープレス型脱水機、フィルタプレス型脱水機といった複数の機器が含まれうる。ここで分離された濾液は、水処理施設３０へと移送されて除渣装置３２に導入される。また、脱水機２６で分離された残余物は、コンベヤ１２でごみピット１１へと搬送される。
【００１９】
水処理施設３０は、し尿や浄化槽汚泥などを処理する施設であり、し尿貯留槽３１と、除渣装置３２と、生物処理槽３３とを有する。
し尿貯留槽３１は、し尿収集車両によって搬入されたし尿や浄化槽汚泥などが投入される水槽である。し尿貯留槽３１に貯留されているし尿のＣ／Ｎ比は約３〜５である。し尿貯留槽３１に貯留されたし尿は、し尿処理用配管３４を介して除渣装置３２へと供給される。本実施例では、し尿貯留槽３１に貯留されたし尿の一部がし尿供給装置４０にも供給され、バイオガスプラント２０に導入される。し尿供給装置４０に供給されるし尿には、水分や窒素分が含まれているほか、脱水助剤として機能する繊維分も含まれている。
【００２０】
除渣装置３２は、し尿に含まれるし渣が除去された被処理液を生成する装置である。除渣装置３２には、例えば、ドラムスクリーン装置や遠心分離装置といった複数の機器が含まれうる。し尿から除去されたし渣は、コンベヤ１２でごみピット１１へと搬送される。また、し尿からし渣を除去した後に残る被処理液は、生物処理槽３３へと移送される。
【００２１】
生物処理槽３３は、被処理液に生物処理を施して浄化するための槽である。生物処理槽３３には、例えば、調整槽、硝化槽、脱窒素槽、滅菌槽といった複数の槽が含まれうる。調整槽は、被処理液に無機凝集剤（鉄系凝集剤など）や有機炭素源としての薬剤を添加して、その成分を調整する槽である。また、硝化槽は、好気性硝化細菌群の作用により、被処理液中のアンモニアを硝化する槽であり、脱窒素槽は、嫌気性脱窒細菌群の作用により、被処理液を脱窒する槽であり、滅菌槽は、滅菌処理を施すための槽である。生物処理槽３３で、これらの各種生物処理を施された後の被処理液は、水処理施設３０の外部へと放流される。
【００２２】
し尿供給装置４０は、し尿貯留槽３１に貯留されたし尿の一部をバイオガスプラント２０に供給する装置である。ここでは、し尿貯留槽３１から導入されたし尿が少なくとも二方向に分岐するように流路が形成される。一方の流路のし尿は、第一ポンプ２３の上流で発酵適物に供給され、発酵適物に水分や窒素分を補充するように作用する。また、他方の流路のし尿は、メタン発酵装置２４の下流、かつ、脱水機２６の上流で発酵残渣に供給され、発酵残渣の脱水効率を向上させるように作用する。
【００２３】
し尿供給装置４０は、第一配管４１と、第二配管４２と、第三配管４３と、総流量調節弁４４と、第一弁４５と、制御装置４６とを有する。
第一配管４１は、し尿貯留槽３１に一端（上流端）が接続された管路である。第一配管４１の他端（下流端）は、例えば、三方継手を介して第二配管４２及び第三配管４３の双方に接続される。これにより、二手に分岐する管路が形成される。
第二配管４２は、第一配管４１から導入されるし尿を第一ポンプ２３の上流側に供給するための管路である。第二配管４２の一端（上流端）は、第一配管４１の他端に接続される。また、第二配管４２の他端（下流端）は、ホッパ２２の上方に配置される。これにより、第二配管４２の他端から流出するし尿は、ホッパ２２の内部で発酵適物と混合される。
【００２４】
第三配管４３は、第一配管４１から導入されるし尿をメタン発酵装置２４の下流側であって脱水機２６の上流側に供給するための管路である。第三配管４３の一端（上流端）は、第一配管４１の他端に接続される。また、第三配管４３の他端（下流端）は、第二ポンプ２５と脱水機２６とを繋ぐ管路に接続される。これにより、第三配管４３の他端から流出するし尿は、脱水機２６の上流側で発酵残渣と混合される。
【００２５】
総流量調節弁４４は、し尿貯留槽３１から導入されるし尿の総流量を制御するための弁であり、第一配管４１の中途に介装される。総流量調節弁４４の開閉状態や開度は、総流量調節弁４４が手動弁である場合は作業員の手動操作によって変更され、電磁制御弁である場合は制御装置４６によって電気的に自動制御される。
また、第一弁４５は、第一ポンプ２３の上流側に供給されるし尿の流量を制御するための電磁制御弁であり、第二配管４２の中途に介装される。第一弁４５の開閉状態や開度は、制御装置４６によって電気的に制御される。
【００２６】
ここで、第一弁４５よりも下流側の管路を流路Ａと呼び、第三配管４３の管路を流路Ｂと呼ぶ。流路Ａの流量と流路Ｂの流量との和は、総流量調節弁４４を通過するし尿の流量に等しい。また、総流量調節弁４４の開閉状態や開度が固定された状態において、第一弁４５の開度を絞るにつれて流路Ａの流量が減少し、その減少分だけ流路Ｂの流量が増加する。反対に、第一弁４５の開度を開くにつれて流路Ａの流量が増加し、その増加分だけ流路Ｂの流量が減少する。このように、流路Ａ及び流路Ｂの各々の流量は、第一弁４５の開度変化に対して相補的に変化する。なお、流路Ａ及び流路Ｂの流量割合を適正化すべく、第二配管４２及び第三配管４３の流路断面積をあらかじめ相違させておいてもよいし、適宜の位置に絞り（オリフィス）を設けて、し尿の流れやすさを相違させておいてもよい。
【００２７】
制御装置４６は、少なくとも第一弁４５の開閉状態を制御する電子制御装置（コンピュータ）である。制御装置４６には、プロセッサとメモリとが搭載される。プロセッサには、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）などのマイクロプロセッサが含まれ、メモリには、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発メモリなどが含まれる。制御装置４６で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリに記録・保存される。また、プログラムの実行時には、プログラムの内容がメモリ空間内に展開され、プロセッサに読み込まれて実行される。
【００２８】
（２）制御
制御装置４６は、第一ポンプ２３のトルクＴ１に応じて第一弁４５の開閉状態を制御する機能を持つ。トルクＴ１の大きさは、例えば、第一ポンプ２３を駆動するための電流値（駆動用モータの電流値）に基づいて推定してもよいし、駆動電力（電流値及び電圧値）に基づいて推定してもよい。あるいは、第一ポンプ２３の内部圧力や吐出圧に基づいて推定してもよい。
トルクＴ１の値は、例えば、第一ポンプ２３によって圧送される発酵適物中に紙ごみが多く発酵適物中の水分量が低い場合に上昇する。反対に、発酵適物中に紙ごみが少なく水分量が高い場合には、トルクＴ１が低下する。
【００２９】
ここで、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上である場合、制御装置４６は、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満である場合と比較して流路Ａの流量が増加するように（流路Ｂの流量が減少するように）第一弁４５の開閉状態を制御する。言い換えると、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満である場合には、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上である場合と比較して流路Ａの流量が減少するように（流路Ｂの流量が増加するように）、第一弁４５の開閉状態が制御される。
【００３０】
図２（Ａ）は、流路Ａ及び流路Ｂを流れるし尿の割合（百分率）と第一ポンプ２３のトルクＴ１との関係を例示するグラフである。ここでは、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上であるときに流路Ａを流れるし尿の割合をＲＡ１とし、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満であるときに流路Ａを流れるし尿の割合をＲＡ２として、０％≦ＲＡ２＜ＲＡ１＜１００％の関係が成立している。
【００３１】
また、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上であるときに流路Ｂを流れるし尿の割合をＲＢ１とし、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満であるときに流路Ｂを流れるし尿の割合をＲＢ２として、０％＜ＲＢ１＜ＲＢ２≦１００％の関係が成立している。なお、流路Ａ及び流路Ｂの各々の流量は相補的に変化するため、ＲＡ１＋ＲＢ１＝ＲＡ２＋ＲＢ２＝１００である。例えば、割合ＲＡ１が７０％であるとき、割合ＲＢ１は３０％となる。また、割合ＲＡ２が１０％であるとき、割合ＲＢ２は９０％となる。
【００３２】
トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上であるときの流路Ｂの割合ＲＢ１は、０％にしないことが好ましい。これにより、トルクＴ１の大小に依存することなく常にし尿がメタン発酵装置２４の下流側に供給され、し尿の脱水助剤としての機能が確保される。また、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満であるときの流路Ａの割合ＲＡ１は、図２（Ｂ）に示すように０％にしてもよい。つまり、トルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満であるときの流路Ｂの割合ＲＢ２は１００％にしてもよい。これにより、総流量調節弁４４を通過したし尿の全量が脱水機２６の上流側に供給され、し尿の脱水助剤としての機能が十分に発揮される。
【００３３】
具体的な数値を例示すると、ホッパ２２内の発酵適物（原料）１０トン中の内訳が、紙ごみ９トン、厨芥１トンである場合、有機物由来の窒素量は約５００ｍｇ／Ｌである。一方、メタン発酵装置２４で効果的にメタン発酵を実施するには、発酵適物中の有機物由来の窒素量が約１０００〜約３０００ｍｇ／Ｌであることが好ましく、窒素量が約２０００ｍｇ／Ｌのし尿を少なくとも５トン用意すれば、窒素量が確保される。したがって、５トンのし尿が流路Ａからホッパ２２内へと導入されるように、第一弁４５の開閉状態を制御すればよい。
【００３４】
また、ホッパ２２内の発酵適物１０トン中の内訳が、紙ごみ１０トンである場合には、有機物由来の窒素量は約０ｍｇ／Ｌであり、窒素量が約２０００ｍｇ／Ｌのし尿を少なくとも１０トン用意すれば、窒素量が確保される。そこで、１０トンのし尿が流路Ａからホッパ２２内へと導入されるように、第一弁４５の開閉状態を制御すればよい。
【００３５】
（３）フローチャート
図３は、制御装置４６で実施される第一弁４５の制御の流れを説明するためのフローチャートである。ステップＡ１では、第一ポンプ２３のトルクＴ１が算出される。トルクＴ１の値は、第一ポンプ２３によって圧送される発酵適物中の紙ごみが多いほど上昇する。また、発酵適物中に紙ごみが多い状態は、発酵適物中の窒素量が炭素量に比して相対的に少ない状態であるといえる。
【００３６】
ステップＡ２では、第一ポンプ２３のトルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上であるか否かが判定される。この条件が成立する場合にはステップＡ３に進み、流路Ａを流れるし尿の割合がＲＡ１に設定される。一方、ステップＡ２の条件が成立しない場合にはステップＡ４に進み、流路Ａを流れるし尿の割合がＲＡ２に設定される。割合ＲＡ１の値は、少なくとも割合ＲＡ２よりも大きな値に設定される。また、ステップＡ５では、ステップＡ３及びＡ４で設定された流量割合が実現されるように、第一弁４５の開度が制御される。
【００３７】
上記の制御では、第一ポンプ２３のトルクＴ１に基づいて第一弁４５が制御され、流路Ａ及び流路Ｂの各々を流れるし尿の割合が相補的に変更される。例えば、第一ポンプ２３のトルクＴ１が高いときには、発酵適物中に紙ごみが多く窒素量が相対的に少ない状態であると判断されて、ホッパ２２に導入されるし尿の流量が増量される。これにより、発酵適物中の窒素量が増加し、メタン発酵装置２４でのメタン発酵効率が向上する。
【００３８】
また、ステップＡ３で設定される割合ＲＡ１の値は、１００％未満の値に設定される。つまり、流路Ｂを流れるし尿の割合が０％にならないように第一弁４５が制御される。これにより、少なくとも総流量調節弁４４が開放されている状態であれば、し尿が常にメタン発酵装置２４の下流側の発酵残渣に供給される。ここで供給されるし尿に含まれる繊維分は、脱水機２６での脱水時に脱水助剤として機能するため、他の脱水助剤を添加する必要がなく、あるいは他の脱水助剤の添加量が大幅に削減される。
【００３９】
（４）効果
上記のメタン発酵システム１では、発酵適物中に紙ごみが多く、第一ポンプ２３のトルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上である場合に、比較的多量のし尿が第一ポンプ２３の上流側に供給されて、水分及び窒素分が導入される。これにより、発酵適物中の水分及び窒素量をともに増加させて適正化することができ、メタン発酵装置２４でのメタンガスの生成効率を改善できる。
【００４０】
また、上記のメタン発酵システム１では、メタン発酵装置２４の下流側であって脱水機２６の上流側にも、脱水助剤として作用するし尿が供給される。これにより、脱水機２６による脱水効率を改善できる。さらに、水や一般的な脱水助剤の代わりに廃棄対象のし尿を再利用することで、運転コストを削減できる。このように、有機物含有廃棄物に含まれる内容物の比率によらず、メタンガスの生成効率、発酵残渣の処理効率、処分効率を改善でき、運転コストを削減できるメタン発酵システム１を提供できる。
【００４１】
［２．第一変形例］
図４は、第一変形例としてのメタン発酵システム２の構造を説明するための模式図である。上記実施例で説明した要素と同等の要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
第一変形例のバイオガスプラント２０は、実施例のバイオガスプラント２０に発酵残渣循環配管２７及び濾液返送配管２８を追加したものに相当する。メタン発酵装置２４での発酵方式が乾式である場合には、例えば、発酵残渣循環配管２７のみが設けられ、あるいは、発酵残渣循環配管２７と濾液返送配管２８とが併設される。また、発酵方式が湿式である場合には、例えば、濾液返送配管２８のみが設けられる。
【００４３】
発酵残渣循環配管２７は、メタン発酵装置２４から排出される発酵残渣の一部をホッパ２２へ循環させる管路である。ここでは、第三配管４３を介してし尿が供給される前の発酵残渣が、ホッパ２２に戻される。発酵残渣循環配管２７の一端（上流端）は、第二ポンプ２５と脱水機２６とを繋ぐ管路のうち、第三配管４３の他端が接続される位置よりも上流側（第二ポンプ２５側）に接続される。また、発酵残渣循環配管２７の他端（下流端）は、ホッパ２２の上方に配置される。これにより、メタン菌を含む発酵残渣が、メタン発酵装置２４で再利用される。したがって、このメタン発酵システム２によれば、発酵残渣を再利用しない場合と比較してメタン菌の含有量を増加させることができ、メタン発酵効率を改善できる。
【００４４】
濾液返送配管２８は、脱水機２６から排出される濾液の一部をホッパ２２へ返送する管路である。濾液返送配管２８の一端（上流端）は、脱水機２６と除渣装置３２とを繋ぐ管路に接続される。また、濾液返送配管２８の他端（下流端）は、ホッパ２２の上方に配置される。なお、前処理装置２１が可溶化処理用の可溶化槽を有する場合には、濾液返送配管２８の他端をその可溶化槽に接続してもよい。少なくとも濾液をメタン発酵装置２４よりも上流側に返送する構造にすることで、水分やアンモニアを含む濾液がメタン発酵装置２４で再利用される。したがって、このメタン発酵システム２によれば、濾液を再利用しない場合と比較して水分及び窒素の含有量を増加させることができ、メタン発酵効率を改善できる。また、水処理施設３０へ移送される濾液の量を削減でき、結果的に生物処理槽３３における生物処理の負荷を軽減できる。
【００４５】
［３．第二変形例］
（１）構成
図５は、第二変形例としてのメタン発酵システム３の構造を説明するための模式図である。上記実施例及び第一変形例で説明した要素と同等の要素については、同一の符号を付して説明を省略する。第二変形例のバイオガスプラント２０は、第一変形例のバイオガスプラント２０に切替装置２９を追加したものに相当する。また、第二変形例のし尿供給装置４０は、実施例または第一変形例のし尿供給装置４０に、第四配管４７と、第二弁４８と、第三弁４９とを追加したものに相当する。
【００４６】
切替装置２９は、第二ポンプ２５による発酵残渣の移送先を移送路αと移送路βとのいずれか一方に択一的に切り替える装置である。移送路αは脱水機２６へ向かう経路であり、移送路βはコンベヤ１２を介してごみピット１１へ向かう経路である。切替装置２９の内部には、発酵残渣の移送先を変更するためのアクチュエータが内蔵される。このアクチュエータの作動状態（発酵残渣の移送先）は、第二ポンプ２５の作動状態に基づき制御装置４６によって電気的に制御される。なお、第三配管４３の他端（下流端）は、第二ポンプ２５と切替装置２９とを繋ぐ管路に接続される。
【００４７】
第四配管４７は、第一配管４１から導入されるし尿を脱水機２６の下流側に供給するための管路であり、第三配管４３から分岐するように形成される。第四配管４７の一端（上流端）は、第三配管４３の中途に接続される。また、第四配管４７の他端（下流端）は、脱水機２６と水処理施設３０（除渣装置３２）とを繋ぐ管路に接続される。これにより、第四配管４７の他端から流出するし尿は、濾液と混合されて除渣装置３２に導入される。
【００４８】
図５に示す例では、第一変形例と同様に、発酵残渣循環配管２７及び濾液返送配管２８が設けられている。発酵残渣循環配管２７の一端（上流端）は、第二ポンプ２５と切替装置２９とを繋ぐ管路のうち、第三配管４３の他端が接続される位置よりも上流側（第二ポンプ２５側）に接続される。また、濾液返送配管２８の一端（上流端）は、脱水機２６と水処理施設３０（除渣装置３２）とを繋ぐ管路のうち、第四配管４７の他端が接続される位置よりも下流側（除渣装置３２側）に接続される。これらの発酵残渣循環配管２７及び濾液返送配管２８は省略してもよい。
【００４９】
第二弁４８は、切替装置２９の上流側に供給されるし尿の流量を制御するための電磁制御弁であり、第三弁４９は、脱水機２６の下流側に供給されるし尿の流量を制御するための電磁制御弁である。第二弁４８は、第三配管４３の中途であって第四配管４７との分岐位置よりも下流側に介装され、第三弁４９は、第四配管４７の中途に介装される。第二弁４８及び第三弁４９の開閉状態や開度は、制御装置４６によって電気的に制御される。
【００５０】
ここで、第一弁４５よりも下流側の管路を流路Ａと呼ぶ。第三配管４３のうち、第三配管４３と第四配管４７との接続点よりも上流側の管路を流路Ｂと呼ぶ。また、第二弁４８よりも下流側の管路を流路Ｃと呼ぶ。そして、第三弁４９よりも下流側の管路を流路Ｄと呼ぶ。
流路Ａの流量と流路Ｂの流量との和は、総流量調節弁４４を通過するし尿の流量に等しく、流路Ｃの流量と流路Ｄの流量との和は、流路Ｂの流量に等しい。
【００５１】
また、流路Ｂが一定であると仮定すれば、第二弁４８の開度を開くにつれて流路Ｃの流量が増加し、その増加分だけ流路Ｄの流量が減少する。同様に、第三弁４９の開度を開くにつれて流路Ｄの流量が増加し、その増加分だけ流路Ｃの流量が減少する。このように、流路Ｃ及び流路Ｄの各々の流量は、第二弁４８及び第三弁４９の開度変化に対して相補的に変化する。なお、流路Ｃ及び流路Ｄの流量割合を調整すべく、第三配管４３及び第四配管４７の流路断面積を相違させてもよいし、適宜の位置に絞りを設けてもよい。
【００５２】
（２）制御
制御装置４６は、第二ポンプ２５のトルクＴ２に応じて第二弁４８及び第三弁４９の開閉状態と切替装置２９の作動状態とを制御する機能を持つ。トルクＴ２の大きさは、例えば、第二ポンプ２５を駆動するための電流値（駆動用モータの電流値）に基づいて推定してもよいし、駆動電力（電流値及び電圧値）に基づいて推定してもよい。あるいは、第二ポンプ２５の内部圧力や吐出圧に基づいて推定してもよい。トルクＴ２の値は、第二ポンプ２５によって圧送される発酵残渣中の水分量が低い場合に上昇し、水分量が高い場合に低下する。
【００５３】
ここで、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上である場合、発酵残渣をそのまま焼却処分することが可能であり、脱水機２６に供給する必要がないと判断される。制御装置４６は、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２未満である場合と比較して流路Ｃの流量が減少するように（流路Ｄの流量が増加するように）、第二弁４８及び第三弁４９の開閉状態を制御する。
例えば、制御装置４６は第二弁４８を全閉に制御し、第三弁４９を全開に制御するとともに、切替装置２９を制御して発酵残渣の移送先として移送路βを選択する。これにより、第二ポンプ２５に圧送された発酵残渣はコンベヤ１２に供給され、ごみピット１１に移送される。また、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２未満である場合、制御装置４６は第二弁４８を全開に制御し、第三弁４９を全閉に制御するとともに、切替装置２９を制御して発酵残渣の移送先として移送路αを選択する。これにより、脱水助剤として作用するし尿が発酵残渣に供給され、脱水機２６による脱水効率が改善される。
【００５４】
図６（Ａ）は、流路Ｃ及び流路Ｄを流れるし尿の割合（百分率）と第二ポンプ２５のトルクＴ２との関係を例示するグラフである。ここでは、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２未満であるときに流路Ｃを流れるし尿の割合が１００％であり、流路Ｄを流れるし尿の割合が０％となっている。一方、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるときに流路Ｃを流れるし尿の割合が０％であり、流路Ｄを流れるし尿の割合が１００％となっている。
【００５５】
図６（Ｂ）は、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるときに第二弁４８を全閉にする代わりに、わずかに開放しておく（半開きにする）場合を例示するグラフである。ここでは、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるときに流路Ｃを流れるし尿の割合をＲＣ１として、０％＜ＲＣ１≦１００％の関係が成立している。また、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるときに流路Ｄを流れるし尿の割合をＲＤ１として、０％≦ＲＤ１＜１００％の関係が成立している。
【００５６】
なお、図６（Ｂ）の場合においても、図６（Ａ）の場合と同様、流路Ｃ及び流路Ｄの各々の流量は相補的に変化するため、ＲＣ１＋ＲＤ１＝１００である。
また、図６（Ｂ）に示す制御により、トルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるとき、コンベヤ１２でごみピット１１に移送される発酵残渣中の水分量が若干上昇する。したがって、その後の焼却時における発熱量が低減され、ごみ焼却施設１０の焼却炉の過昇温が抑制される。また、このとき、水分量が若干上昇するのはし尿によるものであるため、焼却炉で無触媒脱硝を行うアンモニアの量を低減することができる。さらに、このとき、発酵残渣に若干の水分が添加されるため、第二ポンプ２５から切替装置２９までの管路での摩擦損失が若干小さくなり、移送が比較的容易となる。
【００５７】
（３）フローチャート
図７は、制御装置４６で実施される制御（切替装置２９、第二弁４８、第三弁４９の制御）の流れを説明するためのフローチャートである。ステップＢ１では、第二ポンプ２５のトルクＴ２が算出される。トルクＴ２の値は、第二ポンプ２５によって圧送される発酵残渣中の水分量が少ないほど上昇する。また、ステップＢ２では、第二ポンプ２５のトルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上であるか否かが判定される。この条件が成立する場合にはステップＢ３に進み、流路Ｃを流れるし尿の割合がＲＣ１に設定される。このとき、流路Ｄを流れるし尿の割合ＲＤ１は、１００−ＲＣ１に設定されることになる。
【００５８】
続くステップＢ４では、設定された流量割合が実現されるように、第二弁４８及び第三弁４９の開度が制御される。また、ステップＢ５では、発酵残渣の移送先が移送路βになるように切替装置２９が制御される。これにより、発酵残渣はコンベヤ１２を介してごみピット１１へ移送される。このとき、ごみピット１１へ移送される発酵残渣は十分に水分量が少ない状態であり、そのまま焼却路で焼却することが可能である。
【００５９】
一方、ステップＢ２で判定される条件が不成立の場合にはステップＢ６に進み、第二弁４８が全開に制御されるとともに、第三弁４９が全閉に制御される。これにより、第三配管４３を通る全てのし尿が流路Ｃを介して発酵残渣に添加され、流路Ｄは遮断される。また、ステップＢ７では、発酵残渣の移送先が移送路αになるように切替装置２９が制御される。これにより、発酵残渣は脱水機２６へ移送され、適切に脱水された後に水処理施設３０へ移送される。
【００６０】
（４）効果
上記のメタン発酵システム３では、メタン発酵装置２４から排出される発酵残渣中の水分量が少なく、第二ポンプ２５のトルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上である場合に、その発酵残渣が直接的にごみピット１１へと移送される。これにより、脱水機２６の動力を省力化でき、運転コストを削減できる。また、水処理施設３０で処理される発酵残渣の量を減少させることができ、生物処理の負荷を軽減できる。
【００６１】
また、上記のメタン発酵システム３では、第二ポンプ２５のトルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２以上である場合に、し尿供給装置４０の導入されたし尿の多くが流路Ｄを通って脱水機２６の下流側に供給される。これにより、し尿を水処理施設３０へと還流させて適切に処理することができる。なお、第二ポンプ２５のトルクＴ２が比較的高い場合には、発酵残渣に水分を添加しなくても、そのまま発酵残渣を焼却処分することが可能である。したがって、第二弁４８を全閉にしても差し支えない。
【００６２】
一方、水分量が少なくそのまま焼却処分が可能な発酵残渣にあえて若干の水分を添加することで、第二ポンプ２５から切替装置２９までの管路での摩擦損失を削減でき、圧送効率や第二ポンプ２５の駆動にかかるエネルギー効率を改善できる。また、このとき、発酵残渣中の水分量を若干増加させることで、焼却時における発熱量を減少させることができ、焼却炉の過昇温を抑制できる。さらに、このとき、水分量の上昇はし尿によるものであるため、焼却炉で無触媒脱硝を行うアンモニアの量を低減することができる。したがって、例えば、焼却炉の運転条件に応じて流路Ｃから供給されるし尿の添加量を調節することで、ごみ焼却施設１０での焼却処理効率を改善できる。
【００６３】
また、上記のメタン発酵システム３では、第二ポンプ２５のトルクＴ２が第二閾値ＴＴＨ２未満である場合に、メタン発酵装置２４から排出される発酵残渣が脱水機２６へと移送される。このとき、し尿供給装置４０に導入されたし尿が流路Ｃを通って発酵残渣に供給される。これにより、し尿が脱水助剤として機能するので脱水機２６による脱水効率を改善できる。また、水や一般的な脱水助剤の代わりに廃棄対象のし尿を再利用することで、運転コストを削減できる。
【００６４】
なお、以上の説明では、実施例並びに第一変形例の第一弁４５、第二変形例の第一弁４５、第二弁４８、及び第三弁４９は、制御装置４６が制御する電磁制御弁として説明したが、作業員が手動操作して開閉状態や開度を調整する手動弁でもよい。また、第二変形例の切替装置２９は、制御装置４６によって制御されると説明したが、作業員の手動操作によって移送路αと移送路βのいずれか一方に択一的に切り替えられる構成としてもよい。
このように手動操作とする場合は、制御装置４６の代わりに、例えば、上述した電流値、駆動電力、内部圧力、吐出圧などを用いて演算し第一ポンプ２３や第二ポンプ２５のトルクの大きさを表示する表示装置（ノート型パーソナルコンピュータなど）を設置すればよい。表示装置の画面を確認することで、第一ポンプ２３や第二ポンプ２５のトルクに応じて、作業員は、上述した各弁や切替装置２９を適切に操作して制御装置４６と同様の制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、２、３  メタン発酵システム
１０  ごみ焼却施設
１１  ごみピット
１２  コンベヤ
２０  バイオガスプラント
２１  前処理装置
２２  ホッパ
２３  第一ポンプ
２４  メタン発酵装置
２５  第二ポンプ
２６  脱水機
２７  発酵残渣循環配管
２８  濾液返送配管
２９  切替装置
３０  水処理施設
３１  し尿貯留槽（貯留槽）
３２  除渣装置
３３  生物処理槽
３４  し尿処理用配管
４０  し尿供給装置
４１  第一配管
４２  第二配管
４３  第三配管
４４  総流量調節弁
４５  第一弁
４６  制御装置
４７  第四配管
４８  第二弁
４９  第三弁
ＴＴＨ１  第一閾値
ＴＴＨ２  第二閾値
【要約】
【課題】有機物含有廃棄物に含まれる内容物の比率によらず、メタンガスの生成効率、発酵残渣の処理効率、処分効率を改善でき、運転コストを削減できるメタン発酵システムを提供する。
【解決手段】開示のメタン発酵システム１は、前処理装置２１と、メタン発酵装置２４と、脱水機２６と、第一ポンプ２３と、第二ポンプ２５と、し尿貯留槽３１と、所定流量のし尿を二方向に分岐させ、分岐した一方のし尿を第一ポンプ２３の上流で発酵適物に供給し、分岐した他方のし尿をメタン発酵装置２４の下流、かつ、脱水機２６の上流で発酵残渣に供給するし尿供給装置４０とを有する。し尿供給装置４０は、第一ポンプ２３のトルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１以上の場合は一方のし尿の流量を増加させ、第一ポンプ２３のトルクＴ１が第一閾値ＴＴＨ１未満の場合は一方のし尿の流量を減少させて、一方のし尿と他方のし尿の各々の流量を相補的に変更する。
【選択図】図１【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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