(57)【要約】【課題】バイオマスのメタン発酵処理において、メタン発酵後の消化液から抽出した残泥をメタン発酵に利用するにあたり、消化液から抽出する残泥中の微生物を高濃度に濃縮して、系全体の加水分解活性を効率良く高めることができる技術の開発。【解決手段】メタン発酵後の残泥を気体で加圧した後、常圧に戻し、浮上した残渣を含む分画をメタン発酵に利用するメタン生成方法、メタン発酵後の残泥を気体を用いて加圧する加圧槽６と、加圧した残泥を常圧に戻す加圧浮上槽７と、浮上した残渣を含む分画を酸発酵槽３に返送する返送ライン８とを有するバイオマス処理設備１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスからメタンを生成する方法において、
バイオマスを酸発酵させ、次いで、メタン発酵させることにより、メタン発酵の残渣を含む残泥を気体で加圧した後、常圧に戻し、浮上した残渣を含む分画を酸発酵に利用することを特徴とするメタン生成方法。
【請求項２】
メタン発酵を、酸発酵用の槽とは別の槽にて行うことを特徴とする請求項１記載のメタン生成方法。
【請求項３】
メタン発酵槽から排出される残泥を、消化液槽に一時貯留した後、消化液槽から加圧槽に導入することを特徴とする請求項１又は２記載のメタン生成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のメタン生成方法を実施して、バイオマスを発酵処理するための設備であって、
バイオマスが投入され、投入されたバイオマスを酸発酵させる酸発酵槽と、
酸発酵槽にて酸発酵させたバイオマスをメタン発酵させるメタン発酵槽と、
メタン発酵後の残渣を含む残泥を気体を用いて加圧する加圧槽と、
加圧した残泥を常圧に戻す加圧浮上槽と、
浮上した残渣を含む分画を酸発酵槽に返送する返送ラインとを有することを特徴とするバイオマス処理設備。
【請求項５】
さらに、メタン発酵槽から排出される残泥を一時貯留するための消化液槽を具備し、加圧槽には、メタン発酵後の残泥が、消化液槽から導入されるようになっていることを特徴とする請求項４記載のバイオマス処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスを微生物により分解しメタン発酵してメタンを生成する方法及びそのための処理設備に係り、例えば生ゴミ、畜産糞尿といった固形有機廃棄物の分解、メタン発酵に適用されるメタン生成方法、バイオマス処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水や廃棄物の処理技術としては、近年、脱焼却の動きなどから、微生物による浄化（生物処理）の適用分野が拡がりつつある。特にメタン発酵技術は、ビール、食品などの溶解性有機廃棄物主体の排水には広く用いられるようになってきた。そして、近年では、生ゴミ、畜産糞尿などの固形の有機廃棄物(Solid Waste。以下、固形廃棄物、あるいは、単に固形物とも言う)にも適用されるようになった。
しかしながら、固形物の生物処理には大きな問題がある。それは処理速度が遅いことである。例えば、溶解性有機廃棄排水のメタン発酵施設（ＵＡＳＢなど）では、１日以内の滞留時間で処理できることが多いのに対し、固形廃棄物のメタン発酵施設は一般には３０日、効率化しても１５日程度の滞留時間が必要である。その最大の理由は、固形物の加水分解速度が遅く、全体の律速になっているためと考えられている。また、分解が遅いために大量の残渣を排出しなくてはならない。固形廃棄物のメタン発酵施設では、一般的に投入固形物の乾燥重量の５０％前後が残渣として系外に排出される。
【０００３】
加水分解速度が低い理由としては、２つ考えられる。
ひとつは、一般的に微生物は周囲の環境中で容易に利用できる溶存体の有機物（栄養）が存在する状況下では、それらをまず利用するため、その間、固形廃棄物の高分子の有機物は分解されないことが考えられる。高分子有機物を加水分解する微生物（加水分解菌）は、容易に利用できる栄養が枯渇した後に出現する。そのため、処理開始後、暫く経ってから増殖を始める形となり、必然的に槽内における加水分解菌の濃度は高くなりにくい。
二つ目は、加水分解をするような微生物は比較的増殖が遅く、固形物に付着している、ことにあると考えられている。系外に５０％の残渣が排出されるとすると、そこに付着している増殖速度の低い微生物も一緒に系外に引き抜かれてしまう。このため、高分子有機物を分解する微生物の増加を難しくしている一因になっていると考えられる。
この問題に対しては残渣を遠心分離して固形物を反応槽に返送する方法（例えば、特許文献１）や、反応槽と膜との組み合わせによって微生物の流出を抑える方法（例えば、特許文献２）が実施されているが、期待ほどの効率アップにならない上、反応槽内の固形物濃度の上昇が膜の目詰まりや気泡発生などの別のトラブルの原因になりかねない。
また、これらとは別に、酵素を利用した方法も提案されている（例えば特許文献３−５）。
【特許文献１】特開平６−６３５９８号公報
【特許文献２】特開平５−７６８７０号公報
【特許文献３】特開平５８−７４１８５号公報
【特許文献４】特開平５０−２２４６２号公報
【特許文献５】特開平５０−９０１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、高分子有機物はセルラーゼなどの菌体外酵素による加水分解が主体であるため、人為的にセルラーゼなどを投入すれば、加水分解を行う微生物が存在しなくても加水分解反応は進むはずである。例えば、特許文献３−５では、嫌気性消化や好気性消化を行う際に酵素を添加することにより、その処理日数を短くすることが示されている。しかし、酵素の値段は高いため、コストアップに繋がる。また、微生物のように増殖するものではないから、大量の固形物の処理には大量のセルラーゼが必要となり、コスト問題が非常に大きくなる。
【０００５】
本発明は、前記課題に鑑みて、固形の有機廃棄物等のバイオマスの微生物による加水分解速度を向上でき、処理日数の短縮を実現できるメタン生成方法、バイオマス処理設備の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
第１の発明は、バイオマスからメタンを生成する方法において、バイオマスを酸発酵させ、次いで、メタン発酵させることにより、メタン発酵の残渣を含む残泥を気体で加圧した後、常圧に戻し、浮上した残渣を含む分画を酸発酵に利用することを特徴とするメタン生成方法を提供する。
第２の発明は、メタン発酵を、酸発酵用の槽とは別の槽にて行うことを特徴とする第１の発明のメタン生成方法を提供する。
第３の発明は、メタン発酵槽から排出される残泥を、消化液槽に一時貯留した後、消化液槽から加圧槽に導入することを特徴とする第１又は第２の発明のメタン生成方法を提供する。
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明のメタン生成方法を実施して、バイオマスを発酵処理するための設備であって、バイオマスが投入され、投入されたバイオマスを酸発酵させる酸発酵槽と、酸発酵槽にて酸発酵させたバイオマスをメタン発酵させるメタン発酵槽と、メタン発酵後の残渣を含む残泥を気体を用いて加圧する加圧槽と、加圧した残泥を常圧に戻す加圧浮上槽と、浮上した残渣を含む分画を酸発酵槽に返送する返送ラインとを有することを特徴とするバイオマス処理設備を提供する。
第５の発明は、さらに、メタン発酵槽から排出される残泥を一時貯留するための消化液槽を具備し、加圧槽には、メタン発酵後の残泥が、消化液槽から導入されるようになっていることを特徴とする第４の発明のバイオマス処理設備を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、メタン発酵の残渣を含む残泥を気体で加圧した後、常圧に戻すことで、残泥上部に、浮上した残渣と加水分解菌とを高濃度で含む分画（スカム。以下、濃縮分画とも言う）を形成し、この濃縮分画を酸発酵に利用するので、系の加水分解菌濃度を効率良く上昇させることができる。系の運転によって、加水分解菌の濃度が次第に上昇していき、加水分解活性が向上していく。その結果、処理日数の短縮を実現できる。
メタン発酵の残渣を含む残泥を気体で加圧した後、常圧に戻すことで、濃縮分画を形成する構成は、残泥中の残渣を加水分解菌が付着したまま濃縮でき、加水分解菌を効率良く濃縮できる。加水分解菌が高濃度に濃縮された残泥を酸発酵に返送利用するので、系の加水分解菌濃度を効率良く上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施したメタン生成方法、バイオマス処理設備について、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、バイオマス処理設備１の構成を示す。
ここで説明するバイオマス処理設備１は、例えば生ゴミ、畜産糞尿といった固形廃棄物（固形の有機廃棄物）からなる原料２（バイオマス）を微生物によって分解しメタン発酵させて処理するものである。
図１において、バイオマス処理設備１は、原料２を酸発酵させる酸発酵槽３と、酸発酵槽３にて酸発酵させた原料をメタン発酵させるメタン発酵槽４と、メタン発酵後の残泥（消化液）を貯留する消化液槽５と、消化液槽５から導入される残泥を気体を用いて加圧する加圧槽６と、加圧槽６にて加圧した残泥を常圧に戻す加圧浮上槽７と、加圧浮上槽７にて常圧に戻された残泥の上部に形成される分画（濃縮分画。スカム２ａ）を酸発酵槽３に返送する返送ライン８とを有する概略構成になっており、原料２を分解処理する系を構成している。
また、このバイオマス処理設備１は、原料２を酸発酵槽３からメタン発酵槽４に送り出すためのポンプ９、消化液槽５内の残泥を加圧槽６に送り込むためのポンプ１０、加圧槽６に圧縮空気を導入するための空気圧縮機６１も具備する。
【００１０】
原料２は、酸発酵槽３に投入されて、酸発酵が行われる。酸発酵槽３内で原料２はスラリー状になっている。その後、メタン発酵槽４に入り、メタン発酵される。ここで生成したメタンを含むバイオガス２ｂは回収される。
メタン発酵槽４でのメタン発酵後の残泥（消化液）は、メタン発酵槽４から排出されて、消化液槽５に一時蓄えられ、その後、加圧槽６に入る。メタン発酵槽４から排出される残泥を消化液槽５に一時貯留することで、加圧槽６へのメタンガスの流入を防止する。
【００１１】
加圧槽６では、空気圧縮機６１によって送り込んだ圧縮空気（気体）を残泥中に溶解させて、残泥を加圧し、飽和状態にする。
なお、本発明においては、加圧槽６での残泥の加圧は、圧縮空気による加圧に限定されるものではなく、圧縮空気以外の気体を残泥に送り込んで、残泥中の水に溶解させても良い。
【００１２】
加圧槽６内で加圧された残泥は、加圧浮上槽７に移されて、加圧浮上槽７内の加圧水中で常圧に戻される。
加圧後の残泥を常圧に戻したときに、残泥中に微細な気泡が発生する。発生した気泡は、残泥中の残渣に付着して、残渣に浮力を与える。
本発明者等は、残泥を気体で加圧した後、常圧に戻したときに、残泥中の残渣の内、加水分解菌による分解の進行度が低い残渣（以下、未分解原料とも言う）が気泡の付着によって残泥中で浮上し（いわゆる加圧浮上）て、残泥中の残渣が細分化され、残泥上部に、浮上した残渣と加水分解菌とを高濃度で含む分画（濃縮分画。スカム２ａ）を形成できることを見出した。つまり、未分解原料の加圧浮上によって、加水分解菌を高濃度に含む分画（スカム２ａ）と、加水分解菌の濃度が低い残渣とに分離できる。
【００１３】
分解が充分に進行した残渣（以下、処理済み残渣２２とも言う）に比べて未分解原料２１（概ね、処理済み残渣２２よりもサイズが大きい）の方が浮上しやすく、加水分解菌の濃度が高いスカム２ａを形成できる理由は、現在の所、明らかでは無く、検証の必要があるが、ひとつの推論として、以下のことが想定される。
図２に示すように、未分解原料２１は、処理済み残渣２２に比べてサイズが大きく、また、未分解原料２１自体の形状や、微生物２３（加水分解菌）による原料の分解処理の不均一な進行等によって、処理済み残渣２２に比べて形状が複雑（例えば表面の凹凸、穴の数が格段に多い等）なものが多く、気泡が付着する部分が多く存在する。原料である生ゴミ等の固形廃棄物について考えれば、未分解原料２１と処理済み残渣２２とは、比重に大差が無く、また、両方とも比重が水に近いため、水中で浮遊状態となる。してみると、処理済み残渣２２に比べてサイズが格段に大きく、気泡が付着しやすい未分解原料２１に、処理済み残渣２２よりも大きい浮力が作用する。これにより、処理済み残渣２２に比べて浮上しやすい未分解原料２１が、残泥上部に集合することになるものと考えられる。
【００１４】
例えば、遠心分離によって残泥を濃縮する方法（例えば特許文献１）では、残泥から消化液を遠心分離するが、未分解原料と処理済み残渣とを一緒に濃縮することになるため、微生物濃度を高めることは容易ではない。
これに対して、本発明では、残泥上部に形成されるスカム２ａには、サイズが大きく未分解部分が多く存在する未分解原料２１が残泥中から選択的に集められることになる。未分解原料２１は、処理済み残渣２２に比べて加水分解菌が付着しやすい未分解部分が多く存在するため、処理済み残渣２２に比べて加水分解菌の活性が高く保たれている。このため、未分解原料２１が濃縮されたスカム２ａの形成によって、加水分解菌を効率良く濃縮できる。
【００１５】
図１に示すように、加圧浮上槽７にて得られたスカム２ａは、返送ライン８によって酸発酵槽３に返送される。
返送ライン８は、例えば、加圧浮上槽７と酸発酵槽３とを接続する配管であり、加圧浮上槽７側から導入した加圧水でスカム２ａを酸発酵槽３に圧送する。
但し、これに限定されず、例えば、コンベア装置等を適用しても良い。
【００１６】
加圧浮上槽７から酸発酵槽３に返送されたスカム２ａ中の残渣（未分解原料２１）には、加圧浮上の際に付着した気泡が残存する可能性があるが、スカム２ａをメタン発酵槽４ではなく酸発酵槽３に返送して、再び系内での処理を行う構成であれば、残渣（未分解原料２１）から気泡が確実に分離され、メタン発酵槽４への影響をなくすことができる。
【００１７】
一方、加圧浮上槽７内の残泥の内、加圧浮上によって形成されたスカム２ａ以外の部分（分画）は、系外に排出される。加圧浮上槽７から排出された残泥２ｃは、例えば、沈殿や遠心分離などの固液分離工程を経て、固形物の汚泥処理、液の排水処理を行う。
【００１８】
返送ライン８によって酸発酵槽３に返送されたスカム２ａは、再び、酸発酵槽３での酸発酵、メタン発酵槽４でのメタン発酵、加圧槽６での加圧、加圧浮上槽７でのスカム２ａの形成（処理残渣の細分化と分離）といった、一連の分解処理を行う。したがって、系の運転によって、加水分解菌の濃度が次第に上昇していき、加水分解活性が向上していく。その結果、処理日数の短縮を実現できる。系外への残渣排出量の削減も実現できる。
【００１９】
また、酸発酵槽３に原料２を新規投入する際に、原料２の投入量を調整することで、系を構成する各槽内の固形物濃度の安定化を図ることができる。これにより、固形物濃度が大きく変動してしまうことを防止でき、原料２の連続的な処理を円滑に行うことができ、しかも、系の加水分解活性を効率良く上昇させることができる。
【００２０】
本発明者等は、メタン発酵槽における残渣から加水分解菌を分離する手法としての加圧浮上を評価するため、容積３．４リットルの、蓋が取り外せる密閉反応槽を用いて試験を行った。反応槽は温度３５℃のウォーターバスに入れ、種菌として活性汚泥等を入れた。活性汚泥濃度（ＭＬＳＳ濃度。ＭＬＳＳ:Mixed Liquor Suspended Solids）は１７００ｍｇ／Ｌ程度に調整した。加水分解の基質として、トイレットペーパーおよび牛乳を、ほぼ毎日、継続的に投入した。３１日間の運転での投入累積量は、牛乳が２０ｍＬ、トイレットペーパーが９．８ｇである。
運転終了時に反応槽内の液を以下の３つに分けた。
（１）反応槽内の沈殿物を０．３ｍｍの篩でろ過したもの（沈殿物）。
（２）反応槽内の液を５分程度静置して沈殿しない部分を採取した液（中間水）。
（３）反応槽内の液を水道水の加圧水を用いて加圧浮上処理したときに、浮上して上部壁面に付着したスカム状のもの（浮上物）。
【００２１】
上記（１）の沈殿物、（２）の中間水、（３）の浮上物について加水分解活性を二酸化炭素発生速度で評価した。
試料を容積６３．３ｍＬのバイアル瓶に入れ気相を窒素ガスに置換し、３５℃にて５〜１０ｒｐｍで回転培養した。その気相をガスクロマトグラフィー（TCD、Molecular Sieve）で経時的に分析して二酸化炭素発生速度を求めた。試験終了時にｐＨ測定し、溶存二酸化炭素量を補正した。
この結果を図３に示す。試料中の固形物の単位量あたりの二酸化炭素発生速度は、上記（３）の浮上物が、上記（１）の沈殿物、（２）の中間水に比べて格段に高いことを確認できた。
このことから、本発明に係る加圧浮上処理によって分画された浮上物は他の方法による分画よりも加水分解菌を高濃度で含むと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るバイオマス処理設備の構成を示す図である。
【図２】加圧浮上槽に導入された残泥に含まれる処理済み残渣と未分解原料とを示す図である。
【図３】活性汚泥の加圧浮上処理を評価するために行った試験結果を示す図であって、試験用の反応槽から取り出した試料の二酸化炭素発生速度の測定結果を示す。
【符号の説明】
【００２３】
１…バイオマス処理設備、２…原料、２ａ…スカム、２ｂ…バイオガス、２ｃ…系外に排出する残泥、２１…未分解原料、２２…処理済み残渣、２３…微生物（加水分解菌）、３…酸発酵槽、４…メタン発酵槽、５…消化液槽、６…加圧槽、６１…空気圧縮機、７…加圧浮上槽、８…返送ライン、９…ポンプ、１０…ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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