(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物の膜分離メタン発酵法において、発酵槽と膜分離槽の間に気相部の吸引機構を備えた中継タンクを設け、該中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を発酵槽および膜分離槽のいずれの気相部のＣＯ２分圧よりも小さくなるよう調整して該中継タンク内で炭酸カルシウムを析出させることを特徴とする、有機性廃棄物のメタン発酵方法。
【請求項２】
有機性廃棄物の膜分離メタン発酵装置において、発酵槽と膜分離槽の間に、気相部の吸引機構を備えて炭酸カルシウムを析出させる中継タンクを設けたことを特徴とする、有機性廃棄物のメタン発酵装置。
【請求項３】
中継タンクに攪拌を制御するインバーター制御機構を備えた撹拌機が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のメタン発酵装置。
【請求項４】
気相部の吸引機構が、該メタン発酵装置に付設されている脱臭設備である請求項２又は３に記載のメタン発酵装置。
【請求項５】
中継タンクにｐＨ調整剤を供給する機構が設けられている請求項２ないし４のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【請求項６】
中継タンクに汚泥の引抜部が設けられている請求項２ないし５のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【請求項７】
発酵槽からの引抜汚泥に、中継タンクからの引抜汚泥を合流させるように構成されている請求項２ないし６のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【請求項８】
中継タンクは、発酵槽から膜分離槽へ向かうラインに設置されている請求項２ないし７のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【請求項９】
中継タンクは、膜分離槽から発酵槽へ向かうラインに設置されている請求項２ないし７のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【請求項１０】
中継タンクは、発酵槽から膜分離槽へ向かうラインと、膜分離槽から発酵槽へ向かうラインの両方に設置されている請求項２ないし７のいずれかに記載のメタン発酵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物を膜分離メタン発酵法で処理する方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみのなかで家庭や料理店などから廃棄される生ごみ、総菜や料理の製造工場、農作物や水産物の加工場から排出される生ごみ、下水汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵させることが行われている。メタン発酵すると発酵汚泥が増加していくので発酵槽から引き抜くが、そうするとメタン菌も引き抜かれてしまう。そこで、発酵液を膜分離槽に送って膜分離し、汚泥を発酵槽へ返送する膜分離発酵法が開発されている。
【０００３】
この膜分離発酵法の概略を図５に示す。有機性廃棄物が発酵槽に投入されてメタン発酵が行われる。その間、発酵液は膜分離槽との間を循環させて膜分離された透過液は系外に排出されて発酵汚泥が濃縮されて発酵槽に返送され、発酵槽内で沈降した余剰汚泥は引き抜かれて脱水機で脱水され、脱水ケーキとして取り出される。
【０００４】
ところで、上記の生ごみ等の廃棄物には卵殻や貝殻、骨などのカルシウム成分が含まれていて、これが槽内や配管にカルシウムスケールとして析出する。
【０００５】
その対策として、特許文献１では、膜分離槽の膜面に炭酸カルシウムが析出することを問題視し、膜分離槽の膜透過液に炭酸ソーダを加えて、カルシウムを炭酸カルシウムとして析出させて分離し、このカルシウムを除去した透過液を発酵槽に返送して膜面でのカルシウムの析出を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４８２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
膜分離メタン発酵法で系内にカルシウムスケールが発生すると運転効率が低下し、特に、膜分離槽の膜面への析出がひどくなると膜分離ができなくなるので、運転を停止してスケールの除去を行う。このスケールの除去を全て酸を用いて行うと、酸のコストが多額になるので、酸洗いは膜モジュールにとどめ、槽内のスケールはスクレーパーなどで掻き落としたり、配管はそれ自体を交換したりして大変な作業になる。特許文献１の方法は炭酸ソーダの使用にコストがかかるので、より安価で実用的な方法を開発する必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、カルシウムのスケール析出を防止できる安価で簡便な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討し、カルシウムスケールが、発酵槽や膜分離槽およびその周辺配管で発生しやすいことに注目した。そして、炭酸カルシウムのスケールが析出するメカニズムを次のように考えた。
【００１０】
すなわち、膜分離槽では、膜の表面に汚泥の固まりが付着することを防ぐ目的でバブリングを行っているが、メタン発酵が嫌気性のため空気を使えず、発酵槽で発生するメタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスをバブリングに用いている。水への溶解度がメタンよりも大きい二酸化炭素は、膜分離槽の汚泥に溶解しやすく、膜分離槽内の汚泥はＣＯ２が過飽和状態になっている。膜分離槽内の汚泥が発酵槽に返送されると、過飽和状態になっていたＣＯ２が発酵槽において気相に放出され、汚泥中の溶解ＣＯ２濃度が低下する。液中のＣＯ２濃度が低下することで、炭素イオンの平衡により、２ＨＣＯ３−→ＣＯ２↑＋ＣＯ３２−＋Ｈ２Ｏの反応が進行し、ｐＨが上昇する。ｐＨが上昇することによって炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が発酵槽で析出する。
【００１１】
そこで、本発明者らは、その対策として膜分離槽から発酵槽へ汚泥を返送するラインに中継タンクを設けて、中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を発酵槽の気相部のＣＯ２分圧よりも小さくすれば、中継タンク内で返送する汚泥からＣＯ２が気相部に移って除かれ、発酵槽での炭酸カルシウムの析出を阻止できると考えた。そして、中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を下げるためには中継タンクに気相部の吸引機構を設けることによって達成でき、この中継タンクは、膜分離槽から発酵槽へ汚泥を返送するラインではなく、発酵槽から膜分離槽へ発酵液を送るラインに設けても炭酸カルシウムの析出を阻止でき、この炭酸カルシウムの析出を防ぐ効果は、系内全体で発揮されることを見出した。
【００１２】
本発明はかかる知見に基いてなされたもので、
有機性廃棄物の膜分離メタン発酵法において、発酵槽と膜分離槽の間に気相部の吸引機構を備えた中継タンクを設け、該中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を発酵槽および膜分離槽のいずれの気相部のＣＯ２分圧よりも小さくなるよう調整して該中継タンク内で炭酸カルシウムを析出させすることを特徴とする、有機性廃棄物のメタン発酵方法と、
有機性廃棄物の膜分離メタン発酵装置において、発酵槽と膜分離槽の間に、気相部の吸引機構を備えて炭酸カルシウムを析出させる中継タンクを設けたことを特徴とする、有機性廃棄物のメタン発酵装置と、
中継タンクは、膜分離槽から発酵槽へ向かうラインに設置されている上記に記載のメタン発酵装置
を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、有機性廃棄物を膜分離法でメタン発酵させる際に発酵装置内での炭酸カルシウムのスケールの析出を阻止して、メタン発酵を長期間にわたり安定して運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の中継タンクの取付例を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施態様を示すブロック図である。
【図３】本発明の別の実施態様を示すブロック図である。
【図４】本発明のさらに別の実施態様を示すブロック図である。
【図５】従来の膜分離メタン発酵法の基本的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
有機性廃棄物はメタン発酵されるものであり、家庭や料理店などから廃棄される生ごみ、総菜や料理の製造工場、農作物や水産物の加工場などから排出される生ごみ、下水処理場から排出される汚泥などが含まれる。
【００１６】
これらの家庭や料理店などから排出される生ごみは一般にプラスチック袋に入れられ、総菜や料理の製造工場等から排出される生ごみは段ボール箱に入れられているものが多いので、受け入れた有機性廃棄物は破砕機、破袋機等で破砕して内容物を取り出す。
【００１７】
従来、こうして受け入れた有機性廃棄物は、破砕の際に生じたプラスチック袋の破片や有機性廃棄物に混入している石ころ等を取除くために、まず分別が行われる。
【００１８】
これらの発酵不適物を残渣として除去した有機性廃棄物は発酵槽に投入される。
【００１９】
発酵槽は、密閉構造で、上部にはガスの排出口が、底部には汚泥の引抜口が設けられ、さらに膜分離槽との循環ラインを形成するための発酵液の取出口と膜分離槽からの返送汚泥の入口が設けられ、通常、発酵液を攪拌する撹拌機も取り付けられている。その外、液面計や温度計など発酵管理に必要な計器類も取り付けられている。
【００２０】
汚泥の引抜口は脱水機に接続されていて、そこで汚泥の脱水が行われ、脱水ケーキとして排出される。
【００２１】
膜分離槽には複数の膜モジュールが設けられ、その下には膜を洗浄する散気装置が設置されている。膜は孔径が平均孔径でメタン菌を通さない０．０５〜０．４μｍ程度のものが好適である。散気装置には、メタン発酵が嫌気性であるため、空気は好ましくなく、発酵槽から排出されるメタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスなどが使用される。
【００２２】
有機性廃棄物は通常水を加えてから発酵槽に投入され、そのための混合槽を必要により設けることができる。水の添加によって、ＴＳ濃度が４〜１０重量％程度にされる。発酵槽における有機性廃棄物の濃度はＴＳ２〜５重量％程度、ＣＯＤ−Ｃｒ１０，０００〜６０，０００ｍｇ／Ｌ程度、Ｃａ１，０００〜７，０００ｍｇ／Ｌ程度、通常２，０００〜６，０００ｍｇ／Ｌ程度であり、ｐＨは６〜８程度、通常７．０〜７．９程度である。これにメタン菌を接種してメタン発酵を行う。メタン発酵は常法に従って行えばよく、高温菌を用いて高温発酵を行ってもよいが、通常の３５〜４０℃程度で行えばよい。発酵中はメタン菌の濃度を発酵が円滑に進行するよう維持する必要があり、ＴＳ濃度として２〜５重量％程度に維持するようにする。そのため、発酵液を発酵槽と膜分離槽との間を循環させて膜で分離された水を引き抜いて汚泥は発酵槽に返送し、発酵槽内で沈殿した余剰汚泥は汚泥の引抜口から取り出す。
【００２３】
発酵槽内の発酵液は撹拌機で攪拌するが、攪拌が強すぎると層内に沈降した汚泥が舞上がって膜分離槽への移行量が増すため、回転数を緩やかな攪拌ができるようにするのがよい。
【００２４】
発酵は連続的に行ってもよくバッチ処理でもよい。
【００２５】
本発明は、このような膜分離メタン発酵法において、発酵槽と膜分離槽の間に中継タンクを設けたところに特徴がある。
【００２６】
その一例は図１に示すように、有機性廃棄物が発酵槽に入れられてメタン発酵が行われ、その間、発酵液が膜分離槽との間を循環しており、その返送ラインに中継タンクが設置されている。膜分離槽では、発酵槽から排出されるバイオガスの一部が供給されてバブリングが行われ、それによってバイオガス中の炭酸ガスが溶解することによって、発酵液のｐＨが例えばｐＨ７．８からｐＨ７．６に低下している。尚、図には示されていないが、膜分離槽でバブリングが行われたバイオガスは槽の上部から抜き出され、発酵槽の気相部と連結されている。膜分離槽を出た発酵液は中継タンクに入れられて、過飽和となって溶解していた炭酸ガスが気相に放出されることでｐＨが７．８に上昇し、それによって発酵液中のカルシウム成分が炭酸カルシウムとして析出する。膜分離槽内の気相部と中継タンクは連結しておらず、また、膜分離槽から中継タンクを経由しないバイパスを設けて、中継タンクに蓄積した炭酸カルシウムを、発酵運転を停止しないで除去できるようにしている。
【００２７】
中継タンクは、空気中の酸素が接触しないよう密閉構造になっており、炭酸カルシウムのスケールを析出・沈殿させやすくするため、撹拌機を設け、これをインバーター制御して緩やかに攪拌できるようにすることが好ましい。中継タンク内では、析出した炭酸カルシウムの粒子が存在しているので、それが種晶の役割をして汚泥中に過飽和状態になって存在している二酸化炭素を炭酸カルシウムとして析出させる。そして、中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を下げれば、炭酸イオンの平衡による、２ＨＣＯ３−→ＣＯ２↑＋ＣＯ３２−＋Ｈ２Ｏの反応が進行しやすくなって、中継タンク内の発酵液のｐＨが上昇し、炭酸カルシウムの析出量が増す。
【００２８】
この中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を下げることは、気相部を吸引してその圧力を下げることによって行えばよく、発酵槽気相部ＣＯ２分圧と膜分離槽気相部ＣＯ２分圧のいずれか低い方のＣＯ２分圧より０．１〜２ｋＰａ程度、好ましくは０．５〜１．５ｋＰａ程度下げるようにするのがよい。ＣＯ２分圧は気相部の全圧と、気相部におけるＣＯ２濃度を測定し、気相部圧力×ＣＯ２濃度（ｖｏｌ％）＝ＣＯ２分圧とする。気相部の全圧は、例えば、圧力計で測定すればよく、ＣＯ２濃度は、例えば、気相部のガスを採取してガスクロマトグラフ法で測定することによって求める。
【００２９】
気相部のＣＯ２分圧を下げる手段は、例えば吸気ポンプやブロワ、アスピレータなどを用いることができるが、発酵設備内にある吸引装置を用いることが好ましく、例えば、図２に示されているように、脱臭設備に中継タンクの気相部を接続することができる。脱臭設備は、臭気が外部に漏れないように、ごみの受入設備や発酵槽投入前の混合槽気相部を吸引して脱臭するもので、脱臭装置には、酸とアルカリによる薬液洗浄装置等が用いられている。
【００３０】
また、中継タンクにはｐＨ調整剤を供給する機構を設けて、中継タンク内の発酵液のｐＨを上昇させれば炭酸カルシウムの析出量をさらに高めることができる。ｐＨ調整剤としては、水酸化ナトリウム等のアルカリを使用することができる。調整するｐＨはｐＨ６以上８以下とし、ｐＨ７〜７．９程度が特に好ましい。ｐＨ調整剤の添加は中継タンク内の発酵液に対して行うので、添加位置は中継タンクの外その少し上流側であってもよい。
【００３１】
中継タンク内で析出する炭酸カルシウムは、多くは固体状であり、中継タンクの底から抜き出せる。また、タンク壁や攪拌翼等にも析出するのでこれらは掻き落とす。中継タンクから引き抜かれる汚泥は析出したカルシウムスケールが多く含まれるため、汚泥中の無機物割合が増加し、脱水ケーキの含水率が低下する。この中継タンクから引き抜いた汚泥はそのまま脱水機で脱水してもよいが、図３に示すように、発酵槽からの引抜汚泥と合流させれば、全体の脱水ケーキの含水率を低下させることができる。発酵液は、発酵槽からではなく、中継タンクの汚泥とともに中継タンクから引き抜いてもよい。
【００３２】
中継タンクは、図４に示すように、発酵槽から膜分離槽へ向かうラインに設置してもよく、それによって膜分離槽内でのカルシウムスケールの析出も抑制できる。中継タンクは、膜分離槽から発酵槽へ向かうラインと発酵槽から膜分離槽へ向かうラインの両方に設置してもよい。
【実施例】
【００３３】
図２に示される装置を用いた。有機性廃棄物には、家庭からビニール袋に入れて廃棄され、集められた生ごみを用い、これをホッパーに入れ、破砕機を用いて破袋した。そして、分別機を用いて、ビニール袋片や石ころなどの発酵不適物を除去した後、水を加え、混合槽で撹拌・混合し、ポンプで発酵槽に投入した。混合槽の濃度はＴＳ４〜１０重量％程度となるように希釈水量が管理されている。発酵槽内の有機性廃棄物の濃度は、ＴＳ３重量％、ＣＯＤ−Ｃｒ２３，０００ｍｇ／Ｌ、Ｃａ４，０００ｍｇ／ＬでｐＨ７．８であった。
【００３４】
この有機性廃棄物にメタン菌を接種してメタン発酵を開始し、発酵液は膜分離槽との間を循環させ、発生したバイオガスは発酵槽の頂部から引き抜いて、一部は膜分離槽に送ってバブリングさせた。中継タンクの気相部は脱臭装置により、連続的に一定速度で吸引が行われ、また、図示されていないが、汚泥は専ら中継タンクの底部から１００Ｌ／ｈで引き抜いた。有機性廃棄物は連続して発酵槽に投入され、こうしてメタン発酵が定常状態に達したときの発酵槽、中継タンク、膜分離槽の気相部の圧力とＣＯ２分圧を測定したところ、ＣＯ２分圧は、１．２ｋＰａ、０ｋＰａ、１．２ｋＰａであり、気相部の圧力は３ｋＰａ、０ｋＰａ、３ｋＰａであった。上記ＣＯ２分圧は、ＣＯ２濃度をガスクロマトグラフ法で測定して求めた。
【００３５】
そして、引き抜かれた汚泥のカルシウム濃度を測定したところ、表１の結果が得られた。
【００３６】
【表１】
0006955235.tif 000002
【００３７】
表１において中継タンクなしは従来法であり、中継タンクありのうち、ｐＨ７．８は脱臭装置による吸引がなく、ｐＨ７．９は吸引が行われた本発明の実施例である。このように、中継タンクを設けることによってカルシウムを除去し、中継タンクの気相部を吸引することによってカルシウムの除去率がさらに高まることがわかる。
【００３８】
また、引き抜いた汚泥を同じ脱水機で同じ条件で脱水したところ、中継タンクのない従来法では、脱水ケーキの含水率が７７重量％であったのに対し、脱臭装置による吸引も行った本発明の実施例では７２重量％と脱水効果も良好になることが示された。
【００３９】
そして、運転を継続して、発酵槽から膜分離槽へ向かう汚泥循環ポンプの流量が２０％以上低下したときに発酵槽から膜分離槽へ向かう配管のスケール除去が必要になり、この頻度は中継タンクのない従来法では１ヶ月に１回必要であったが、本発明の実施例では４ヶ月に１回となり運転期間を大幅に延長することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明により、発酵槽や膜分離槽におけるカルシウムの析出を防止して、メタン発酵運転を円滑に続けることができるのでカルシウムを含む有機性廃棄物のメタン発酵に幅広く利用できる。
【要約】
【課題】  カルシウムのスケール析出を防止できる安価で簡便な手段を提供する。
【解決手段】  上記課題は、有機性廃棄物の膜分離メタン発酵法において、発酵槽と膜分離槽の間に中継タンクを設け、該中継タンクの気相部のＣＯ２分圧を発酵槽および膜分離槽のいずれの気相部のＣＯ２分圧よりも小さくなるよう調整することを特徴とする、有機性廃棄物のメタン発酵方法と装置によって解決される。
【選択図】  図２【図１】
0006955235.tif 000003
【図２】
0006955235.tif 000004
【図３】
0006955235.tif 000005
【図４】
0006955235.tif 000006
【図５】
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