メタン発酵処理方法
【課題】メタン発酵の状態を把握でき、有機性廃棄物の性状変化が大きい場合でも、メタン発酵の安定化を図る。
【解決手段】メタン発酵を行う発酵槽２５において、第１のバッチ期間中に発生したガス発生量をガス流量計Ｆ２で測定する。第１バッチに続く第２のバッチでは、当該バッチ期間中に発酵槽２５に供給する有機性廃棄物供給量（第１供給量）を測定機器Ｆ１で測定するとともに、第１供給量の有機性廃棄物から発生する発生ガスの予測値を算出する。さらに、第２バッチ期間中に発生したガス発生量もガス流量計Ｆ２で測定し、測定された実際の測定値を、予測値および第１バッチで発生した発生ガスの実際の測定値と比較して第２バッチに続く第３バッチにおける有機性廃棄物の供給量を決定する。
【解決手段】メタン発酵を行う発酵槽２５において、第１のバッチ期間中に発生したガス発生量をガス流量計Ｆ２で測定する。第１バッチに続く第２のバッチでは、当該バッチ期間中に発酵槽２５に供給する有機性廃棄物供給量（第１供給量）を測定機器Ｆ１で測定するとともに、第１供給量の有機性廃棄物から発生する発生ガスの予測値を算出する。さらに、第２バッチ期間中に発生したガス発生量もガス流量計Ｆ２で測定し、測定された実際の測定値を、予測値および第１バッチで発生した発生ガスの実際の測定値と比較して第２バッチに続く第３バッチにおける有機性廃棄物の供給量を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法に関し、特に、発酵槽内でのメタン発酵の状態を監視して処理の安定化を図るメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、家畜糞尿、剪定枝、稲または籾殻のような農畜産廃棄物、生ごみ、および廃水処理により発生する有機性汚泥といった有機性廃棄物をエネルギー源として利用する方法として、メタン発酵が知られている。近年、エネルギー源を、石油に代表される化石燃料から「バイオマス」と呼ばれる生物資源に転換する動きが活発化し、有機性廃棄物を原料としてメタンガスを生成させるメタン発酵に注目が集まっている。
【０００３】
メタン発酵は、糖等を基質として酸を生成する「酸生成工程」と、酢酸または水素からメタンを生成する「メタン生成工程」とに大別される工程を含み、メタン発酵には多種多様な微生物群集が関与する。このため、メタン発酵に係る微生物群集（以下、「メタン発酵菌群」と呼ぶ場合がある）を、メタン発酵がスムーズに進行する状態に維持することは必ずしも容易でない。また、メタン発酵は、固形物および有機物を高濃度で含む有機性廃棄物を原料とすることから、メタン発酵過程で生成される様々な代謝副産物も高濃度となって、メタン発酵菌群に与える影響が大きくなりやすい。
【０００４】
具体的には、メタン発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量が過大となった場合、メタン発酵過程で生成される有機酸（ＶＦＡ）やアンモニア態窒素（ＮＨ４−Ｎ）が発酵槽内に高濃度で蓄積される場合がある。ＶＦＡやＮＨ４−Ｎが蓄積されると、メタン発酵が阻害され、最悪の場合はメタン発酵が停止する場合がある。メタン発酵に関与する微生物は、活性汚泥を構成する好気性微生物に比べると増殖速度が遅いため、ひとたびメタン発酵が停止すると回復させることは容易ではない。
【０００５】
このため、有機性廃棄物は、発酵槽内での滞留時間が設計値の範囲内となるように発酵槽へ供給される。一般に、有機性廃棄物の滞留時間の設計値（すなわち、有機性廃棄物がメタン発酵槽に滞留する予定の時間）は、ある性状の有機性廃棄物がメタン発酵されるために必要な時間を予め求めることで決定される。有機性廃棄物の性状が一定の場合、滞留時間の設計値の範囲内となるように有機性廃棄物を供給すれば、発酵槽内の状態を把握して、発酵槽に対する負荷が課題となることを防止することはある程度、可能である。
【０００６】
しかし、有機性廃棄物の性状は、季節変動または発酵槽に投入するまでの保管条件といった要因により変化する。有機性廃棄物の性状の変化が設計値の範囲内であれば、メタン発酵が阻害される問題は生じにくいが、設計値を超えて発酵槽への負荷が過大となれば発酵が阻害される。
【０００７】
そこで、発酵槽内のＶＦＡ濃度、またはＮＨ４−Ｎ濃度を測定して、発酵槽内のメタン発酵の状態を判断する方法が考えられている。しかし、ＶＦＡ濃度、またはＮＨ４−Ｎ濃度の測定には特別な機器が必要で、現在はオンサイトでの測定は容易ではなく、測定コストもかかる。このため、有機性廃棄物の性状の変動が大きく、発酵槽内が不安定化しやすい場合はＶＦＡ濃度やＮＨ４−Ｎ濃度を測定するコストも大きくなる。
【０００８】
一方、メタン発酵槽から発生するガスであってＶＦＡ、ＮＨ４−Ｎ以外にメタン、二酸化炭素等を含むガス（以下、特に「発生ガス」と称する場合がある）の発生量を測定して発酵槽への有機性廃棄物の供給量を増減させる方法も提案されている（例えば特許文献１および特許文献２）。特許文献１に記載された方法では、発酵槽内でのガス発生量が基準値に達しない場合、メタン発酵菌群が含まれる発酵槽内の汚泥のｐＨ、または発生ガスの二酸化炭素濃度に応じて、発酵槽の状態を判断して発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量を調整する。
【０００９】
また、特許文献２には固形の生ごみ、および泥状の有機性汚泥といった性状が異なる複数種類の有機性廃棄物をメタン発酵させる方法において、発酵槽内の状態を監視してメタン発酵の安定化を図る方法が開示されている。具体的には、発酵槽に供給する複数種類の有機性廃棄物の供給量をそれぞれ、測定し、各種有機性廃棄物から発生するガス発生量を予測した上で、実際の発酵槽内でのガス発生量を測定し、ガス発生量の予測値と実測値とを比較してガス発生量の低下を検知する。
【特許文献１】特開平３−１３１３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１１３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、メタン発酵処理を安定的に行う技術が提案されているが、近年のメタン発酵の広がりを背景に、メタン発酵の原料とされる有機性廃棄物の種類も多様化している。このため、メタン発酵を安定させる更なる技術開発が求められている。
【００１１】
ところでメタン発酵は、原料の有機性廃棄物の全固形物（ＴＳ）濃度によって湿式メタン発酵と乾式メタン発酵とに分けられる。湿式メタン発酵では、スラリ状の有機性廃棄物を原料としてＴＳ濃度４〜１２質量％程度でメタン発酵させるのに対し、乾式メタン発酵では、固形の有機性廃棄物を原料としてＴＳ濃度が１５〜４０質量％程度でメタン発酵を行う。
【００１２】
上述した特許文献１および特許文献２に記載された方法は、どちらの湿式メタン発酵に適用され、特許文献１に開示された方法は湿式メタン発酵を行う装置の立ち上げに際し、メタン発酵が行われる発酵槽内にメタン発酵菌群集を順調に増殖させるために用いられる方法である。一方、特許文献２に記載された方法は、メタン発酵処理装置の立ち上げが完了してメタン発酵菌群が発酵槽内に安定的に保持されるようになった後、有機性廃棄物が発酵槽に過剰に供給されること等によって処理が不安定化することを回避しようとする方法である。
【００１３】
乾式メタン発酵については、湿式メタン発酵に比べてＴＳ濃度の高い有機性廃棄物を処理対象として多くのメタンガスを生成させることができる一方、湿式メタン発酵より高いＴＳ濃度でメタン発酵を行うため、湿式メタン発酵に比べてもＶＦＡ等の代謝副産物による発酵阻害によって処理が不安定化しやすい傾向がある。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みてなされ、ＶＦＡ濃度あるいはＮＨ４−Ｎ濃度を測定する場合のように特別な測定機器を用いることなく、メタン発酵が不安定化することを防止できる有機性廃棄物のメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。本発明は特に、メタン発酵原料となる有機性廃棄物の性状が変化する場合においても、メタン発酵の安定化を図ることができるメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、従来、湿式メタン発酵に比べても安定化が困難であって乾式メタン発酵においても、処理の安定化を図ることができるメタン発酵処理方法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】
【００１５】
本発明者らは、メタン発酵槽への有機性廃棄物供給量を測定し、そこからの発生ガスの予測発生値と実発生値とを求め、実発生値を予測発生値および過去の発生値と比較して有機性廃棄物の次回供給量を決定することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。具体的には、本発明は以下を提供する。
【００１６】
（１）第１バッチにおける発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、 前前記第１バッチに続く第２バッチにおける記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出し、 前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、 前記第２バッチの予測発生値と実発生値とを比較し、 前記第１バッチの実発生値と前記第２バッチの実発生値とを比較して前記第２バッチに続く第３バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第３供給量を決定する有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（２）前記有機性廃棄物を全固形物濃度１５重量％以上の乾式メタン汚泥と混合して、前記発酵槽で乾式メタン発酵させる（１）に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（３）１のバッチの期間を５日以上１０日以内とし、期間の初日から３日以上９日以内に前記実発生値を測定する（１）または（２）に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（４）発酵槽において発生したガスの実発生値を測定する測定手段と、 前記測定手段により測定され第１バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を記憶する記憶手段、前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出する算出手段、および、前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で前記測定手段により測定された当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を前記第２バッチの予測発生値および前記第１バッチの実発生値と比較する比較手段を有する演算処理装置と、を備える有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【００１７】
本発明は、畜産業に伴い発生する家畜糞尿、食品産業または家庭から発生する生ごみ、下水および屎尿処理等に伴って発生する有機性汚泥、その他、紙ごみ、草、廃菌床等の有機性廃棄物の処理に用いられる。本発明は、含水率が８５質量％以下、特に３０〜７０質量％程度の固形有機性廃棄物の処理に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、特別な測定機器を用いることなく、メタン発酵の状態を把握でき、有機性廃棄物の性状変化が大きい場合でも、メタン発酵の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る有機性廃棄物の処理装置１０の模式図である。処理装置１０は乾式メタン発酵を行う装置として構成され、貯留槽２１、混合装置２３、演算処理装置２４、および発酵槽２５を備える。
【００２０】
貯留槽２１は、移送路３１によって混合装置２３と接続されており、メタン発酵処理に供される有機性廃棄物は貯留槽２１に一時的に貯留され、移送路３１を介して混合装置２３に供給される。混合装置２３は、導入路３３および汚泥返送路３６を介してメタン発酵が行われる発酵槽２５と接続されている。
【００２１】
発酵槽２５にはＴＳ濃度が１５〜５０質量％の乾式メタン汚泥が保持され、５〜２０ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度の高い負荷で、嫌気的条件下、乾式メタン発酵処理が行われる。発酵槽２５で発生したガス（発生ガス）は、一端が発酵槽２５に接続されたガス路３７から取り出され、ガス路３７の他端に接続されたガスタンク２７に貯留される。ガス路３７の途中には、発生ガスの発生量を測定するためにガス流量計Ｆ２が取り付けられており、ガス路３７から取り出された発生ガスの流量が計測される。
【００２２】
発酵槽２５には汚泥引抜路３５の一端が接続されており、汚泥引抜路３５を介して発酵槽２５内からメタン汚泥が取り出される。汚泥引抜路３５の他端は汚泥返送路３６と排泥路３８とに接続され、取り出されたメタン汚泥の一部は、汚泥返送路３６を介して混合装置２３に返送され、残部は余剰汚泥として排泥路３８から系外へ排出することができる。
【００２３】
有機性廃棄物は、貯留槽２１から取り出され移送路３１を介して混合装置２３に供給され、発酵槽２５から取り出され汚泥返送路３６から供給されたメタン汚泥と混合され、発酵槽２５に投入される。発酵槽２５からの一日あたりの汚泥引抜量は、槽内に保持される汚泥の１／４〜１倍、特に１／３〜１／２倍とし、汚泥返送量は循環比が１〜３回／週とすることが好ましい。
【００２４】
このように処理装置１０は、有機性廃棄物を発酵槽２５外でメタン汚泥と混合した後、発酵槽２５に供給するように構成されている。したがって、処理装置１０では、ＴＳ濃度が高い固形の有機性廃棄物であっても希釈水を加えることなく発酵槽２５に供給でき、発酵槽２５内を嫌気条件に維持することも容易である。ただし、本発明は、発酵槽２５内に攪拌手段を設ける等して発酵槽２５内で有機性廃棄物とメタン汚泥を混合する場合に適用することができ、湿式メタン発酵に適用することもできる。また、メタン発酵は高温（４５〜６０℃）で行うことが好ましいが、中温メタン発酵としてもよい。
【００２５】
移送路３１は有機性廃棄物の移送量を調整することにより、発酵槽２５に対する有機性廃棄物の供給量を制御できるように構成されている。例えば本実施態様では、移送路３１をベルトコンベアで構成し、ベルトコンベアを駆動させるモータＭの出力を制御することにより、発酵槽２５に供給される有機性廃棄物の量を調整するようにしている。また、移送路３１の途中には有機性廃棄物の移送量を測定する計測機器Ｆ１が取り付けられ、計測機器Ｆ１から有機性廃棄物の移送量を示す出力信号が出力される。
【００２６】
計測機器Ｆ１は第１の信号伝送路４１を介して演算処理装置２４と接続され、移送路３１および混合装置２３を介して発酵槽２５に対する有機性廃棄物の供給量が演算処理装置２４に入力される。また、演算処理装置２４は、第２の信号伝送路４３を介してガス流量計Ｆ２とも接続されており、ガス流量計Ｆ２で計測され出力された発生ガスの実発生値が入力される。
【００２７】
演算処理装置２４は、例えば中央演算処理装置を備えるコンピュータで構成され、計測機器Ｆ１から送られた有機性廃棄物の供給量を入力値として、当該供給量に応じた発生ガスの予測発生値を算出する予測値演算プログラムを有する。また、演算処理装置２４は、発生ガスの予測発生値と実発生値を比較演算処理する比較演算プログラムも備え、ある供給量の有機性廃棄物に対する発生ガスの予測発生値と実発生値とを比較して、両者の差を算出する。
【００２８】
以下、図２を参照して、図１の処理装置１０を用いて本発明に係る有機性廃棄物のメタン発酵処理方法を実施する手順について説明する。図２は、本発明の一実施態様に係る有機性廃棄物のメタン発酵処理方法のフローチャートである。
【００２９】
本実施態様では、７日間を１つの単位処理期間（バッチ）として、期間の初日から６日間をかけて第１供給量の有機性廃棄物を発酵槽２５に投入する。そして、単位処理期間の最終日である７日目に、第１供給量の有機性廃棄物から発生するはずの発生ガスの予測発生値（第１予測発生値）と、第１供給量の有機性廃棄物から実際に発生した発生ガスの実発生値（第１実発生値）とを比較する。
【００３０】
以下、具体的に説明する。処理装置１０では、移送路３１に計測機器Ｆ１が取り付けられており、１日あたりに発酵槽２５に供給される有機性廃棄物量（以下、「１日供給量」と呼ぶ場合がある）は、計測機器Ｆ１により測定されて第１ステップＳ１で演算処理装置２４に入力される。すなわち、第１ステップＳ１では、第１バッチの初日から６日までの６日間それぞれの１日供給量を積算して、第１バッチにおいて発酵槽２５に投入された有機性廃棄物の量である第１供給量を演算処理装置２４に入力する。
【００３１】
次に、第２ステップＳ２として、第１予測発生値を算出する。予測発生値は、例えば数式１にしたがって算出できる。
【００３２】
（数１）
予測発生値（Ｎｍ３／ｍ３・バッチ）＝（Ａ×Ｂ）／Ｖ×Ｄ
【００３３】
数式１において、Ａは有機性廃棄物の１日供給量を示し単位はｋｇ／日、Ｂは有機性廃棄物の単位量（１ｋｇ）あたりから本来発生するはずの発生ガス量を示し単位はＮｍ３／ｋｇ、Ｖは発酵槽２５の容積を示し単位はｍ３、Ｄは１回のバッチにおいて有機性廃棄物を投入した日数を示す。Ｂは、予め馴養して定常状態に達したメタン汚泥を種汚泥とし、種汚泥と発酵槽２５に投入する有機性廃棄物とを混合して発生ガス量を求める予備実験を行って求めればよい。
【００３４】
なお、数式１では、予測発生値として発生ガスの１バッチあたりの予測発生量（発酵槽１ｍ３あたり）を求めているが、予測発生値として発生ガスの単位時間あたりの予測発生量である予測発生速度（発酵槽１ｍ３あたり）を求めてもよい。例えば数式１においてＤ（１バッチにおける有機性廃棄物の投入日数）を乗じなければ、１日あたりの発生ガスの予測発生速度を求めることができる。発生ガスの予測値として単位時間あたりのガス発生速度を求める場合、実測値としても単位時間あたりのガス発生速度を求めるが、ここではガス発生量の予測値および実測値を求める場合を例として説明する。
【００３５】
第２ステップＳ２に続く第３ステップＳ３では、第１実発生値として、第１バッチの初日から期間最終日の７日目までに実際に発生したガスの発生量を演算処理装置２４に入力して記憶させる。本実施態様では発酵槽２５で実際に発生するガスの発生量はガス流量計Ｆ２で測定されて出力され、演算処理装置２４に自動的に入力され記憶される。
【００３６】
第４ステップＳ４は、第２ステップＳ２で得られた第１予測発生値（ここでは第１予測発生量）と、第３ステップＳ３で得られた第１実発生値（ここでは第１実発生量）とを比較して、比較結果を第１演算結果として出力する。本実施態様では、第１演算結果も演算処理装置２４に記憶させる。
【００３７】
上記手順により、第１バッチを終了した後、第２バッチに入る。第２バッチでは、第１バッチと同様の手順で第２供給量の有機性廃棄物を６日間かけて発酵槽２５に供給する。第２供給量は、第１演算結果に基づいて決定してもよく、例えば、第１実発生値が第１予測発生値と同じであれば、第１供給量と同じ量としてよく、第１実発生値が第１予測発生値を下回っていれば第１供給量より少なくし、逆に第１実発生値が第１予測発生値を上回っていれば第１供給量より多くしてよい。
【００３８】
第２バッチでは、上述した第１ステップＳ１〜第４ステップＳ４を行い、第４ステップ終了後、第３供給量を決定するため、第５ステップＳ５に進む。第５ステップでは、第２バッチの第４ステップＳ４で得られた第２演算結果に応じ３つのステップのいずれかを選択する。具体的には、第２バッチについて、実発生値と予測発生値を比較した結果、実発生値が予測発生値を下回れば第６ステップとしてＳ６−１を選択し、実発生値と予測発生値が同じであれば第６ステップとしてＳ６−２を選択し、実発生値が予測発生値を上回れば第６ステップとしてＳ６−３を選択する。
【００３９】
第６ステップＳ６−１〜Ｓ６−３では、第２バッチでの発生ガスの実測値（第２実発生量）と、第１バッチでの発生ガスの実測値（第１実発生量）とが比較される。第２バッチにおいて実発生値が予測発生値を下回った場合、第６ステップＳ６−１において、第２実発生値と第１実発生値とが比較され、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量より少なくするＡが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量をやや少なくするＢ、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択される。
【００４０】
第２バッチの実発生値が予測発生値と同じであれば、第２実発生値と第１実発生値とを比較する第６ステップＳ６−２において、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量よりやや少なくするＢが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択され、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量より多くするやや多くするＤが選択される。
【００４１】
第２バッチの実発生値が予測発生値を上回れば、第２実発生値と第１実発生値とを比較する第６ステップＳ６−３において、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量よりやや少なくするＢが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択され、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量より多くする多くするＥが選択される。
【００４２】
なお、「実発生値と予測発生値とが同じ」「実発生値同士が同じ」という場合、値のずれが±２％以内程度であることを意味し、「実発生値が予測発生値を下回る」「第２実発生値が第１実発生値を下回る」という場合、（第２）実発生値が予測発生値（または第１実発生値）の２％以下であることを意味するものとする。また、「実発生値が予測発生値を上回る」「第２実発生値が第１実発生値を上回る」という場合、（第２）実発生値が予測発生値（または第１実発生値）の２％以上であることを意味するものとする。
【００４３】
さらに、「第３供給量を第２供給量より多くする」とは、第２供給量に対して５〜１５質量％程度、増量することを意味し、「第３供給量を第２供給量よりやや多くする」とは、第２供給量に対して３〜１０質量％程度、増量することを意味するものとする。同様に、「第３供給量を第２供給量より少なくする」とは、第２供給量に対して５〜１５質量％程度、減量することを意味し、「第３供給量を第２供給量よりやや少なくする」とは、第２供給量に対して３〜１０質量％程度、減量することを意味するものとする。「第３供給量を第２供給量と同じとする」とは、実質的に同じとすることを意味するものとする。
【００４４】
第２バッチに続く第３バッチでは、演算処理装置２４から出力制御信号路４２を介してモータＭの出力を制御する制御信号を送って有機性廃棄物の移送量を調整し、第２バッチで実行された第６ステップで決められた第３供給量の有機性廃棄物を６日間で発酵槽２５に供給するようにする。具体的には、移送路３１に設けられた計測機器Ｆ１を用いて、貯留槽２１から取り出される有機性廃棄物量を測定し、第３バッチにおける有機性廃棄物の供給量が第３供給量となるように、移送路３１の移送スピードを調整すればよい。
【００４５】
第３バッチでは第２バッチと同様の操作を行い、第５ステップでは第３実発生値と第３予測発生値とを比較し、第６ステップでは第２実発生値と第３実発生値とを比較して第３バッチに続く第４バッチにおける有機性廃棄物の供給量を決定する。以下、第４バッチ以降も同様とする。
【００４６】
乾式メタン発酵では、発酵槽２５に対する有機物負荷は有機物（６００℃での強熱減量可能な有機物。以下「ＶＳ」と略する場合がある）として５〜２０ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度の高い負荷での運転が可能であるが、上述したとおり、高濃度のＶＦＡ等が蓄積することによるメタン発酵への影響も大きい。発酵槽２５に供給する有機性廃棄物の量に応じたガス発生の予測値と実測値とを単に比較するだけでは、メタン発酵の進行履歴を考慮できずに、有機性廃棄物の供給量を必要以上に変動させてしまうおそれがあるが、本発明では過去におけるガス発生の実測値を勘案することでメタン発酵の実情をより反映させた供給量制御ができる。
【実施例】
【００４７】
［実施例］
以下、実施例について説明する。実施例として、図１に示す処理装置１０を用い、豚糞と廃棄紙との混合物を有機性廃棄物として乾式メタン発酵処理した。有機性廃棄物は、水分が７０質量％、ＶＳが２５．６質量％で、乾重ベースで８５．３％が強熱減量可能で、ＶＳの４５％がメタン発酵で分解されうる分解性有機物であった。
【００４８】
まず、メタン発酵処理に先立ち、上記有機性廃棄物についての発生ガスの予測値を求める計算式を得るため、図３の実験装置を用いて実験を行った。実験装置は、恒温槽５１内に設置された発酵槽としての容量３Ｌのセパラブルフラスコ５３を備える。セパラブルフラスコ５３は、メタン発酵により発生するガスを捕捉して計量するため、透明チューブ５５で水槽５０に立設したガスホルダ５２と接続した。ガスホルダ５２の内部にはパラフィンオイル５４を入れ、適宜、ガスをサンプリングするためにバルブ５８を取り付けたガス取出管５６を設けた。
【００４９】
セパラブルフラスコ５３の外で、後述する種汚泥１，０００ｇと上記有機性廃棄物５〜２００ｇとを混合した後、混合物をセパラブルフラスコ内に入れ、５０〜５５℃に維持されるように設定した恒温槽５１内に設置し、７日間、嫌気条件下でメタン発酵させた。種汚泥としては、予め培養されＴＳ濃度が１５〜３０質量％の乾式メタン汚泥を用いた。種汚泥は、１ｋｇの種汚泥によって７日間で１５ｇのセルロースの約８０％を分解する程度の活性を有していた。
【００５０】
セパラブルフラスコ５３から発生するガス発生量は、実験開始後６日目で定常状態に達し、上記有機性廃棄物についての単位有機性廃棄物量あたりのガス発生量は０．０８０６Ｎｍ３／ｋｇであると測定された。なお、バルブ５８を開いてガス取出管５６から取り出した発生ガスの成分を分析したところ、発生ガスのメタン濃度は５５％であった。
【００５１】
上記実験結果から、次の条件で上記有機性廃棄物をメタン発酵させる場合における１バッチあたりの発生ガスの予測発生値（予測発生量）を求める計算式として、数式２が得られた。その条件とは、発酵槽２５の容積を７００Ｌとした処理装置１０を用いて、１バッチの期間を７日間とし、１バッチあたりの有機性廃棄物の供給を６日間に分けて行う（１日あたりの有機性廃棄物の供給量はＡｋｇ）ようにするものである。
【００５２】
（数２）
予測発生量（Ｎｍ３／ｍ３・バッチ）＝０．０８０６×Ａ／０．７×６
【００５３】
実施例では、発酵槽２５内に、含水率７５〜８０質量％のメタン発酵汚泥６００〜７００ｋｇを保持し、試験開始後３週間目（すなわち第３バッチ）以降は、当該バッチにおける有機性廃棄物の供給量を、図２に示したフロー図に従い決定した。実施例では、図２のフロー図の第６ステップでＡが選ばれた場合は７％の減量、Ｂが選ばれた場合は３％の減量、Ｃが選ばれた場合は増減なし、Ｄが選ばれた場合は３％の増量、Ｅが選ばれた場合は７％の増量とした。
【００５４】
表１に、第５バッチ（実験開始から第２９日目からスタートする期間）以降の各バッチにおける有機性廃棄物の供給量、発生ガスの予測発生値（１バッチあたりの予測発生量）と実発生値、当該バッチの直前のバッチにおける発生ガスの実発生値、および第６ステップにおける判断結果を示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１に示すとおり、実験期間中、メタン発酵が停止することも大幅に阻害されることもなく、安定した運転ができた。また、発酵槽２５の状態に応じて有機性廃棄物の供給量を増量することもできたため発酵槽２５のメタン発酵能力を十分に活用できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、有機性廃棄物からバイオマスエネルギーとしてのメタンガスを得るために用いることができる
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を実施するために用いられるメタン発酵処置装置の模式図。
【図２】本発明の一実施態様に従いメタン発酵供給量を決定するフロー図。
【図３】実施例で用いた有機性廃棄物のガス発生量測定実験の装置模式図。
【符号の説明】
【００５９】
１０ メタン発酵処理装置
２１ 貯留槽
２３ 混合装置
２４ 演算処理装置
２５ 発酵槽
Ｆ１ 測定機器
Ｆ２ 流量計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物のメタン発酵処理方法に関し、特に、発酵槽内でのメタン発酵の状態を監視して処理の安定化を図るメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、家畜糞尿、剪定枝、稲または籾殻のような農畜産廃棄物、生ごみ、および廃水処理により発生する有機性汚泥といった有機性廃棄物をエネルギー源として利用する方法として、メタン発酵が知られている。近年、エネルギー源を、石油に代表される化石燃料から「バイオマス」と呼ばれる生物資源に転換する動きが活発化し、有機性廃棄物を原料としてメタンガスを生成させるメタン発酵に注目が集まっている。
【０００３】
メタン発酵は、糖等を基質として酸を生成する「酸生成工程」と、酢酸または水素からメタンを生成する「メタン生成工程」とに大別される工程を含み、メタン発酵には多種多様な微生物群集が関与する。このため、メタン発酵に係る微生物群集（以下、「メタン発酵菌群」と呼ぶ場合がある）を、メタン発酵がスムーズに進行する状態に維持することは必ずしも容易でない。また、メタン発酵は、固形物および有機物を高濃度で含む有機性廃棄物を原料とすることから、メタン発酵過程で生成される様々な代謝副産物も高濃度となって、メタン発酵菌群に与える影響が大きくなりやすい。
【０００４】
具体的には、メタン発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量が過大となった場合、メタン発酵過程で生成される有機酸（ＶＦＡ）やアンモニア態窒素（ＮＨ４−Ｎ）が発酵槽内に高濃度で蓄積される場合がある。ＶＦＡやＮＨ４−Ｎが蓄積されると、メタン発酵が阻害され、最悪の場合はメタン発酵が停止する場合がある。メタン発酵に関与する微生物は、活性汚泥を構成する好気性微生物に比べると増殖速度が遅いため、ひとたびメタン発酵が停止すると回復させることは容易ではない。
【０００５】
このため、有機性廃棄物は、発酵槽内での滞留時間が設計値の範囲内となるように発酵槽へ供給される。一般に、有機性廃棄物の滞留時間の設計値（すなわち、有機性廃棄物がメタン発酵槽に滞留する予定の時間）は、ある性状の有機性廃棄物がメタン発酵されるために必要な時間を予め求めることで決定される。有機性廃棄物の性状が一定の場合、滞留時間の設計値の範囲内となるように有機性廃棄物を供給すれば、発酵槽内の状態を把握して、発酵槽に対する負荷が課題となることを防止することはある程度、可能である。
【０００６】
しかし、有機性廃棄物の性状は、季節変動または発酵槽に投入するまでの保管条件といった要因により変化する。有機性廃棄物の性状の変化が設計値の範囲内であれば、メタン発酵が阻害される問題は生じにくいが、設計値を超えて発酵槽への負荷が過大となれば発酵が阻害される。
【０００７】
そこで、発酵槽内のＶＦＡ濃度、またはＮＨ４−Ｎ濃度を測定して、発酵槽内のメタン発酵の状態を判断する方法が考えられている。しかし、ＶＦＡ濃度、またはＮＨ４−Ｎ濃度の測定には特別な機器が必要で、現在はオンサイトでの測定は容易ではなく、測定コストもかかる。このため、有機性廃棄物の性状の変動が大きく、発酵槽内が不安定化しやすい場合はＶＦＡ濃度やＮＨ４−Ｎ濃度を測定するコストも大きくなる。
【０００８】
一方、メタン発酵槽から発生するガスであってＶＦＡ、ＮＨ４−Ｎ以外にメタン、二酸化炭素等を含むガス（以下、特に「発生ガス」と称する場合がある）の発生量を測定して発酵槽への有機性廃棄物の供給量を増減させる方法も提案されている（例えば特許文献１および特許文献２）。特許文献１に記載された方法では、発酵槽内でのガス発生量が基準値に達しない場合、メタン発酵菌群が含まれる発酵槽内の汚泥のｐＨ、または発生ガスの二酸化炭素濃度に応じて、発酵槽の状態を判断して発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量を調整する。
【０００９】
また、特許文献２には固形の生ごみ、および泥状の有機性汚泥といった性状が異なる複数種類の有機性廃棄物をメタン発酵させる方法において、発酵槽内の状態を監視してメタン発酵の安定化を図る方法が開示されている。具体的には、発酵槽に供給する複数種類の有機性廃棄物の供給量をそれぞれ、測定し、各種有機性廃棄物から発生するガス発生量を予測した上で、実際の発酵槽内でのガス発生量を測定し、ガス発生量の予測値と実測値とを比較してガス発生量の低下を検知する。
【特許文献１】特開平３−１３１３９６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１１３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、メタン発酵処理を安定的に行う技術が提案されているが、近年のメタン発酵の広がりを背景に、メタン発酵の原料とされる有機性廃棄物の種類も多様化している。このため、メタン発酵を安定させる更なる技術開発が求められている。
【００１１】
ところでメタン発酵は、原料の有機性廃棄物の全固形物（ＴＳ）濃度によって湿式メタン発酵と乾式メタン発酵とに分けられる。湿式メタン発酵では、スラリ状の有機性廃棄物を原料としてＴＳ濃度４〜１２質量％程度でメタン発酵させるのに対し、乾式メタン発酵では、固形の有機性廃棄物を原料としてＴＳ濃度が１５〜４０質量％程度でメタン発酵を行う。
【００１２】
上述した特許文献１および特許文献２に記載された方法は、どちらの湿式メタン発酵に適用され、特許文献１に開示された方法は湿式メタン発酵を行う装置の立ち上げに際し、メタン発酵が行われる発酵槽内にメタン発酵菌群集を順調に増殖させるために用いられる方法である。一方、特許文献２に記載された方法は、メタン発酵処理装置の立ち上げが完了してメタン発酵菌群が発酵槽内に安定的に保持されるようになった後、有機性廃棄物が発酵槽に過剰に供給されること等によって処理が不安定化することを回避しようとする方法である。
【００１３】
乾式メタン発酵については、湿式メタン発酵に比べてＴＳ濃度の高い有機性廃棄物を処理対象として多くのメタンガスを生成させることができる一方、湿式メタン発酵より高いＴＳ濃度でメタン発酵を行うため、湿式メタン発酵に比べてもＶＦＡ等の代謝副産物による発酵阻害によって処理が不安定化しやすい傾向がある。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みてなされ、ＶＦＡ濃度あるいはＮＨ４−Ｎ濃度を測定する場合のように特別な測定機器を用いることなく、メタン発酵が不安定化することを防止できる有機性廃棄物のメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。本発明は特に、メタン発酵原料となる有機性廃棄物の性状が変化する場合においても、メタン発酵の安定化を図ることができるメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、従来、湿式メタン発酵に比べても安定化が困難であって乾式メタン発酵においても、処理の安定化を図ることができるメタン発酵処理方法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】
【００１５】
本発明者らは、メタン発酵槽への有機性廃棄物供給量を測定し、そこからの発生ガスの予測発生値と実発生値とを求め、実発生値を予測発生値および過去の発生値と比較して有機性廃棄物の次回供給量を決定することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。具体的には、本発明は以下を提供する。
【００１６】
（１）第１バッチにおける発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、 前前記第１バッチに続く第２バッチにおける記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出し、 前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、 前記第２バッチの予測発生値と実発生値とを比較し、 前記第１バッチの実発生値と前記第２バッチの実発生値とを比較して前記第２バッチに続く第３バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第３供給量を決定する有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（２）前記有機性廃棄物を全固形物濃度１５重量％以上の乾式メタン汚泥と混合して、前記発酵槽で乾式メタン発酵させる（１）に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（３）１のバッチの期間を５日以上１０日以内とし、期間の初日から３日以上９日以内に前記実発生値を測定する（１）または（２）に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
（４）発酵槽において発生したガスの実発生値を測定する測定手段と、 前記測定手段により測定され第１バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を記憶する記憶手段、前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出する算出手段、および、前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で前記測定手段により測定された当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を前記第２バッチの予測発生値および前記第１バッチの実発生値と比較する比較手段を有する演算処理装置と、を備える有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【００１７】
本発明は、畜産業に伴い発生する家畜糞尿、食品産業または家庭から発生する生ごみ、下水および屎尿処理等に伴って発生する有機性汚泥、その他、紙ごみ、草、廃菌床等の有機性廃棄物の処理に用いられる。本発明は、含水率が８５質量％以下、特に３０〜７０質量％程度の固形有機性廃棄物の処理に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、特別な測定機器を用いることなく、メタン発酵の状態を把握でき、有機性廃棄物の性状変化が大きい場合でも、メタン発酵の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る有機性廃棄物の処理装置１０の模式図である。処理装置１０は乾式メタン発酵を行う装置として構成され、貯留槽２１、混合装置２３、演算処理装置２４、および発酵槽２５を備える。
【００２０】
貯留槽２１は、移送路３１によって混合装置２３と接続されており、メタン発酵処理に供される有機性廃棄物は貯留槽２１に一時的に貯留され、移送路３１を介して混合装置２３に供給される。混合装置２３は、導入路３３および汚泥返送路３６を介してメタン発酵が行われる発酵槽２５と接続されている。
【００２１】
発酵槽２５にはＴＳ濃度が１５〜５０質量％の乾式メタン汚泥が保持され、５〜２０ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度の高い負荷で、嫌気的条件下、乾式メタン発酵処理が行われる。発酵槽２５で発生したガス（発生ガス）は、一端が発酵槽２５に接続されたガス路３７から取り出され、ガス路３７の他端に接続されたガスタンク２７に貯留される。ガス路３７の途中には、発生ガスの発生量を測定するためにガス流量計Ｆ２が取り付けられており、ガス路３７から取り出された発生ガスの流量が計測される。
【００２２】
発酵槽２５には汚泥引抜路３５の一端が接続されており、汚泥引抜路３５を介して発酵槽２５内からメタン汚泥が取り出される。汚泥引抜路３５の他端は汚泥返送路３６と排泥路３８とに接続され、取り出されたメタン汚泥の一部は、汚泥返送路３６を介して混合装置２３に返送され、残部は余剰汚泥として排泥路３８から系外へ排出することができる。
【００２３】
有機性廃棄物は、貯留槽２１から取り出され移送路３１を介して混合装置２３に供給され、発酵槽２５から取り出され汚泥返送路３６から供給されたメタン汚泥と混合され、発酵槽２５に投入される。発酵槽２５からの一日あたりの汚泥引抜量は、槽内に保持される汚泥の１／４〜１倍、特に１／３〜１／２倍とし、汚泥返送量は循環比が１〜３回／週とすることが好ましい。
【００２４】
このように処理装置１０は、有機性廃棄物を発酵槽２５外でメタン汚泥と混合した後、発酵槽２５に供給するように構成されている。したがって、処理装置１０では、ＴＳ濃度が高い固形の有機性廃棄物であっても希釈水を加えることなく発酵槽２５に供給でき、発酵槽２５内を嫌気条件に維持することも容易である。ただし、本発明は、発酵槽２５内に攪拌手段を設ける等して発酵槽２５内で有機性廃棄物とメタン汚泥を混合する場合に適用することができ、湿式メタン発酵に適用することもできる。また、メタン発酵は高温（４５〜６０℃）で行うことが好ましいが、中温メタン発酵としてもよい。
【００２５】
移送路３１は有機性廃棄物の移送量を調整することにより、発酵槽２５に対する有機性廃棄物の供給量を制御できるように構成されている。例えば本実施態様では、移送路３１をベルトコンベアで構成し、ベルトコンベアを駆動させるモータＭの出力を制御することにより、発酵槽２５に供給される有機性廃棄物の量を調整するようにしている。また、移送路３１の途中には有機性廃棄物の移送量を測定する計測機器Ｆ１が取り付けられ、計測機器Ｆ１から有機性廃棄物の移送量を示す出力信号が出力される。
【００２６】
計測機器Ｆ１は第１の信号伝送路４１を介して演算処理装置２４と接続され、移送路３１および混合装置２３を介して発酵槽２５に対する有機性廃棄物の供給量が演算処理装置２４に入力される。また、演算処理装置２４は、第２の信号伝送路４３を介してガス流量計Ｆ２とも接続されており、ガス流量計Ｆ２で計測され出力された発生ガスの実発生値が入力される。
【００２７】
演算処理装置２４は、例えば中央演算処理装置を備えるコンピュータで構成され、計測機器Ｆ１から送られた有機性廃棄物の供給量を入力値として、当該供給量に応じた発生ガスの予測発生値を算出する予測値演算プログラムを有する。また、演算処理装置２４は、発生ガスの予測発生値と実発生値を比較演算処理する比較演算プログラムも備え、ある供給量の有機性廃棄物に対する発生ガスの予測発生値と実発生値とを比較して、両者の差を算出する。
【００２８】
以下、図２を参照して、図１の処理装置１０を用いて本発明に係る有機性廃棄物のメタン発酵処理方法を実施する手順について説明する。図２は、本発明の一実施態様に係る有機性廃棄物のメタン発酵処理方法のフローチャートである。
【００２９】
本実施態様では、７日間を１つの単位処理期間（バッチ）として、期間の初日から６日間をかけて第１供給量の有機性廃棄物を発酵槽２５に投入する。そして、単位処理期間の最終日である７日目に、第１供給量の有機性廃棄物から発生するはずの発生ガスの予測発生値（第１予測発生値）と、第１供給量の有機性廃棄物から実際に発生した発生ガスの実発生値（第１実発生値）とを比較する。
【００３０】
以下、具体的に説明する。処理装置１０では、移送路３１に計測機器Ｆ１が取り付けられており、１日あたりに発酵槽２５に供給される有機性廃棄物量（以下、「１日供給量」と呼ぶ場合がある）は、計測機器Ｆ１により測定されて第１ステップＳ１で演算処理装置２４に入力される。すなわち、第１ステップＳ１では、第１バッチの初日から６日までの６日間それぞれの１日供給量を積算して、第１バッチにおいて発酵槽２５に投入された有機性廃棄物の量である第１供給量を演算処理装置２４に入力する。
【００３１】
次に、第２ステップＳ２として、第１予測発生値を算出する。予測発生値は、例えば数式１にしたがって算出できる。
【００３２】
（数１）
予測発生値（Ｎｍ３／ｍ３・バッチ）＝（Ａ×Ｂ）／Ｖ×Ｄ
【００３３】
数式１において、Ａは有機性廃棄物の１日供給量を示し単位はｋｇ／日、Ｂは有機性廃棄物の単位量（１ｋｇ）あたりから本来発生するはずの発生ガス量を示し単位はＮｍ３／ｋｇ、Ｖは発酵槽２５の容積を示し単位はｍ３、Ｄは１回のバッチにおいて有機性廃棄物を投入した日数を示す。Ｂは、予め馴養して定常状態に達したメタン汚泥を種汚泥とし、種汚泥と発酵槽２５に投入する有機性廃棄物とを混合して発生ガス量を求める予備実験を行って求めればよい。
【００３４】
なお、数式１では、予測発生値として発生ガスの１バッチあたりの予測発生量（発酵槽１ｍ３あたり）を求めているが、予測発生値として発生ガスの単位時間あたりの予測発生量である予測発生速度（発酵槽１ｍ３あたり）を求めてもよい。例えば数式１においてＤ（１バッチにおける有機性廃棄物の投入日数）を乗じなければ、１日あたりの発生ガスの予測発生速度を求めることができる。発生ガスの予測値として単位時間あたりのガス発生速度を求める場合、実測値としても単位時間あたりのガス発生速度を求めるが、ここではガス発生量の予測値および実測値を求める場合を例として説明する。
【００３５】
第２ステップＳ２に続く第３ステップＳ３では、第１実発生値として、第１バッチの初日から期間最終日の７日目までに実際に発生したガスの発生量を演算処理装置２４に入力して記憶させる。本実施態様では発酵槽２５で実際に発生するガスの発生量はガス流量計Ｆ２で測定されて出力され、演算処理装置２４に自動的に入力され記憶される。
【００３６】
第４ステップＳ４は、第２ステップＳ２で得られた第１予測発生値（ここでは第１予測発生量）と、第３ステップＳ３で得られた第１実発生値（ここでは第１実発生量）とを比較して、比較結果を第１演算結果として出力する。本実施態様では、第１演算結果も演算処理装置２４に記憶させる。
【００３７】
上記手順により、第１バッチを終了した後、第２バッチに入る。第２バッチでは、第１バッチと同様の手順で第２供給量の有機性廃棄物を６日間かけて発酵槽２５に供給する。第２供給量は、第１演算結果に基づいて決定してもよく、例えば、第１実発生値が第１予測発生値と同じであれば、第１供給量と同じ量としてよく、第１実発生値が第１予測発生値を下回っていれば第１供給量より少なくし、逆に第１実発生値が第１予測発生値を上回っていれば第１供給量より多くしてよい。
【００３８】
第２バッチでは、上述した第１ステップＳ１〜第４ステップＳ４を行い、第４ステップ終了後、第３供給量を決定するため、第５ステップＳ５に進む。第５ステップでは、第２バッチの第４ステップＳ４で得られた第２演算結果に応じ３つのステップのいずれかを選択する。具体的には、第２バッチについて、実発生値と予測発生値を比較した結果、実発生値が予測発生値を下回れば第６ステップとしてＳ６−１を選択し、実発生値と予測発生値が同じであれば第６ステップとしてＳ６−２を選択し、実発生値が予測発生値を上回れば第６ステップとしてＳ６−３を選択する。
【００３９】
第６ステップＳ６−１〜Ｓ６−３では、第２バッチでの発生ガスの実測値（第２実発生量）と、第１バッチでの発生ガスの実測値（第１実発生量）とが比較される。第２バッチにおいて実発生値が予測発生値を下回った場合、第６ステップＳ６−１において、第２実発生値と第１実発生値とが比較され、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量より少なくするＡが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量をやや少なくするＢ、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択される。
【００４０】
第２バッチの実発生値が予測発生値と同じであれば、第２実発生値と第１実発生値とを比較する第６ステップＳ６−２において、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量よりやや少なくするＢが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択され、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量より多くするやや多くするＤが選択される。
【００４１】
第２バッチの実発生値が予測発生値を上回れば、第２実発生値と第１実発生値とを比較する第６ステップＳ６−３において、第２実発生値が第１実発生値を下回れば第３供給量を第２供給量よりやや少なくするＢが選択され、第２実発生値が第１実発生値と同じであれば第３供給量を第２供給量と同じにするＣが選択され、第２実発生値が第１実発生値を上回れば、第３供給量を第２供給量より多くする多くするＥが選択される。
【００４２】
なお、「実発生値と予測発生値とが同じ」「実発生値同士が同じ」という場合、値のずれが±２％以内程度であることを意味し、「実発生値が予測発生値を下回る」「第２実発生値が第１実発生値を下回る」という場合、（第２）実発生値が予測発生値（または第１実発生値）の２％以下であることを意味するものとする。また、「実発生値が予測発生値を上回る」「第２実発生値が第１実発生値を上回る」という場合、（第２）実発生値が予測発生値（または第１実発生値）の２％以上であることを意味するものとする。
【００４３】
さらに、「第３供給量を第２供給量より多くする」とは、第２供給量に対して５〜１５質量％程度、増量することを意味し、「第３供給量を第２供給量よりやや多くする」とは、第２供給量に対して３〜１０質量％程度、増量することを意味するものとする。同様に、「第３供給量を第２供給量より少なくする」とは、第２供給量に対して５〜１５質量％程度、減量することを意味し、「第３供給量を第２供給量よりやや少なくする」とは、第２供給量に対して３〜１０質量％程度、減量することを意味するものとする。「第３供給量を第２供給量と同じとする」とは、実質的に同じとすることを意味するものとする。
【００４４】
第２バッチに続く第３バッチでは、演算処理装置２４から出力制御信号路４２を介してモータＭの出力を制御する制御信号を送って有機性廃棄物の移送量を調整し、第２バッチで実行された第６ステップで決められた第３供給量の有機性廃棄物を６日間で発酵槽２５に供給するようにする。具体的には、移送路３１に設けられた計測機器Ｆ１を用いて、貯留槽２１から取り出される有機性廃棄物量を測定し、第３バッチにおける有機性廃棄物の供給量が第３供給量となるように、移送路３１の移送スピードを調整すればよい。
【００４５】
第３バッチでは第２バッチと同様の操作を行い、第５ステップでは第３実発生値と第３予測発生値とを比較し、第６ステップでは第２実発生値と第３実発生値とを比較して第３バッチに続く第４バッチにおける有機性廃棄物の供給量を決定する。以下、第４バッチ以降も同様とする。
【００４６】
乾式メタン発酵では、発酵槽２５に対する有機物負荷は有機物（６００℃での強熱減量可能な有機物。以下「ＶＳ」と略する場合がある）として５〜２０ｋｇ−ＶＳ／ｍ３／日程度の高い負荷での運転が可能であるが、上述したとおり、高濃度のＶＦＡ等が蓄積することによるメタン発酵への影響も大きい。発酵槽２５に供給する有機性廃棄物の量に応じたガス発生の予測値と実測値とを単に比較するだけでは、メタン発酵の進行履歴を考慮できずに、有機性廃棄物の供給量を必要以上に変動させてしまうおそれがあるが、本発明では過去におけるガス発生の実測値を勘案することでメタン発酵の実情をより反映させた供給量制御ができる。
【実施例】
【００４７】
［実施例］
以下、実施例について説明する。実施例として、図１に示す処理装置１０を用い、豚糞と廃棄紙との混合物を有機性廃棄物として乾式メタン発酵処理した。有機性廃棄物は、水分が７０質量％、ＶＳが２５．６質量％で、乾重ベースで８５．３％が強熱減量可能で、ＶＳの４５％がメタン発酵で分解されうる分解性有機物であった。
【００４８】
まず、メタン発酵処理に先立ち、上記有機性廃棄物についての発生ガスの予測値を求める計算式を得るため、図３の実験装置を用いて実験を行った。実験装置は、恒温槽５１内に設置された発酵槽としての容量３Ｌのセパラブルフラスコ５３を備える。セパラブルフラスコ５３は、メタン発酵により発生するガスを捕捉して計量するため、透明チューブ５５で水槽５０に立設したガスホルダ５２と接続した。ガスホルダ５２の内部にはパラフィンオイル５４を入れ、適宜、ガスをサンプリングするためにバルブ５８を取り付けたガス取出管５６を設けた。
【００４９】
セパラブルフラスコ５３の外で、後述する種汚泥１，０００ｇと上記有機性廃棄物５〜２００ｇとを混合した後、混合物をセパラブルフラスコ内に入れ、５０〜５５℃に維持されるように設定した恒温槽５１内に設置し、７日間、嫌気条件下でメタン発酵させた。種汚泥としては、予め培養されＴＳ濃度が１５〜３０質量％の乾式メタン汚泥を用いた。種汚泥は、１ｋｇの種汚泥によって７日間で１５ｇのセルロースの約８０％を分解する程度の活性を有していた。
【００５０】
セパラブルフラスコ５３から発生するガス発生量は、実験開始後６日目で定常状態に達し、上記有機性廃棄物についての単位有機性廃棄物量あたりのガス発生量は０．０８０６Ｎｍ３／ｋｇであると測定された。なお、バルブ５８を開いてガス取出管５６から取り出した発生ガスの成分を分析したところ、発生ガスのメタン濃度は５５％であった。
【００５１】
上記実験結果から、次の条件で上記有機性廃棄物をメタン発酵させる場合における１バッチあたりの発生ガスの予測発生値（予測発生量）を求める計算式として、数式２が得られた。その条件とは、発酵槽２５の容積を７００Ｌとした処理装置１０を用いて、１バッチの期間を７日間とし、１バッチあたりの有機性廃棄物の供給を６日間に分けて行う（１日あたりの有機性廃棄物の供給量はＡｋｇ）ようにするものである。
【００５２】
（数２）
予測発生量（Ｎｍ３／ｍ３・バッチ）＝０．０８０６×Ａ／０．７×６
【００５３】
実施例では、発酵槽２５内に、含水率７５〜８０質量％のメタン発酵汚泥６００〜７００ｋｇを保持し、試験開始後３週間目（すなわち第３バッチ）以降は、当該バッチにおける有機性廃棄物の供給量を、図２に示したフロー図に従い決定した。実施例では、図２のフロー図の第６ステップでＡが選ばれた場合は７％の減量、Ｂが選ばれた場合は３％の減量、Ｃが選ばれた場合は増減なし、Ｄが選ばれた場合は３％の増量、Ｅが選ばれた場合は７％の増量とした。
【００５４】
表１に、第５バッチ（実験開始から第２９日目からスタートする期間）以降の各バッチにおける有機性廃棄物の供給量、発生ガスの予測発生値（１バッチあたりの予測発生量）と実発生値、当該バッチの直前のバッチにおける発生ガスの実発生値、および第６ステップにおける判断結果を示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１に示すとおり、実験期間中、メタン発酵が停止することも大幅に阻害されることもなく、安定した運転ができた。また、発酵槽２５の状態に応じて有機性廃棄物の供給量を増量することもできたため発酵槽２５のメタン発酵能力を十分に活用できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、有機性廃棄物からバイオマスエネルギーとしてのメタンガスを得るために用いることができる
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明を実施するために用いられるメタン発酵処置装置の模式図。
【図２】本発明の一実施態様に従いメタン発酵供給量を決定するフロー図。
【図３】実施例で用いた有機性廃棄物のガス発生量測定実験の装置模式図。
【符号の説明】
【００５９】
１０ メタン発酵処理装置
２１ 貯留槽
２３ 混合装置
２４ 演算処理装置
２５ 発酵槽
Ｆ１ 測定機器
Ｆ２ 流量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１バッチにおける発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、
前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出し、
前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、
前記第２バッチの予測発生値と実発生値とを比較し、
前記第１バッチの実発生値と前記第２バッチの実発生値とを比較して前記第２バッチに続く第３バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第３供給量を決定する有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記有機性廃棄物を全固形物濃度１５重量％以上の乾式メタン汚泥と混合して、前記発酵槽で乾式メタン発酵させる請求項１に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
１のバッチの期間を５日以上１０日以内とし、期間の初日から３日以上９日以内に前記実発生値を測定する請求項１または２に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
発酵槽において発生したガスの実発生値を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定され第１バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を記憶する記憶手段、前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出する算出手段、および、前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で前記測定手段により測定された当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を前記第２バッチの予測発生値および前記第１バッチの実発生値と比較する比較手段を有する演算処理装置と、を備える有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【請求項１】
第１バッチにおける発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、
前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出し、
前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を求め、
前記第２バッチの予測発生値と実発生値とを比較し、
前記第１バッチの実発生値と前記第２バッチの実発生値とを比較して前記第２バッチに続く第３バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第３供給量を決定する有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記有機性廃棄物を全固形物濃度１５重量％以上の乾式メタン汚泥と混合して、前記発酵槽で乾式メタン発酵させる請求項１に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
１のバッチの期間を５日以上１０日以内とし、期間の初日から３日以上９日以内に前記実発生値を測定する請求項１または２に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
発酵槽において発生したガスの実発生値を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定され第１バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第１供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を記憶する記憶手段、前記第１バッチに続く第２バッチにおける前記発酵槽に対する有機性廃棄物の供給量である第２供給量の有機性廃棄物について発生するガスの予測発生値を算出する算出手段、および、前記第２供給量の有機性廃棄物を前記発酵槽に供給してから所定時間を経過した時点で前記測定手段により測定された当該第２供給量の有機性廃棄物について実際に発生したガスの実発生値を前記第２バッチの予測発生値および前記第１バッチの実発生値と比較する比較手段を有する演算処理装置と、を備える有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１７８８２７（Ｐ２００８−１７８８２７Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５６６６（Ｐ２００７−１５６６６）
【出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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