メタン発酵処理装置
【課題】メタン発酵槽に供給される生ごみスラリーの塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測できるようにする。
【解決手段】ベース伝導率演算部４１は、生ごみスラリーのスラリー流量Ｆ０１及び電気伝導率Ｅ０１と、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量Ｆ０２と、予め設定した希釈水の電気伝導率Ｅ０２とに基づきメタン発酵槽６に貯留されている発酵液中の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを算出する。減算部３１ａはメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３からベース電気伝導率Ｅ０３ｂを減算して、発酵液中のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出する。
【解決手段】ベース伝導率演算部４１は、生ごみスラリーのスラリー流量Ｆ０１及び電気伝導率Ｅ０１と、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量Ｆ０２と、予め設定した希釈水の電気伝導率Ｅ０２とに基づきメタン発酵槽６に貯留されている発酵液中の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを算出する。減算部３１ａはメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３からベース電気伝導率Ｅ０３ｂを減算して、発酵液中のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物からメタン発酵によりメタンガスを含むバイオガスを発生させるメタン発酵処理装置に係り、特にメタン発酵槽内へ供給する希釈水流量を調節してアンモニア性窒素濃度を一定に保持させるメタン発酵処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ、蓄糞などの有機性廃棄物の殆どは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、精製したメタンガスを発電利用及び熱利用する技術が開発されている。
【０００３】
メタン発酵処理は、スラリー化した有機性廃棄物をメタン発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌によって発酵処理して、有機性廃棄物をメタンガスに転換するものであり、投入原料の性状や運転条件などにより様々なメタン発酵処理方法、メタン発酵槽が提案されている。
【０００４】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物をメタンガスを含むバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができる。また、メタン発酵処理は、嫌気性下で行われるため、曝気動力が不要であり、省エネルギー効果がある。しかも、メタンガスは有機性廃棄物処理の副産物として生成されるものであるため、エネルギーの有効利用を図ることができる利点もある。
【０００５】
有機性廃棄物をメタン発酵で効率的に処理するシステムとして、例えば特許文献１や特許文献２には、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するシステムが開示されている。高温菌は、３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行うことで、分解速度の向上と消化率の向上とを図ることができる。
【０００６】
しかし、上述した各特許文献に開示されている技術では、メタン発酵が安定しているときは、有機性廃棄物を規定量投入することで、メタンガスを一定量生成することができるが、発酵温度や有機性廃棄物の投入量が変動した場合、メタン発酵性能が低下してしまう問題がある。
【０００７】
メタン発酵性能の低下は、メタン発酵に関係する嫌気性細菌群（主にメタン菌）の活性が低下することに起因している。メタン菌の活性を低下させる原因は、ｐＨの範囲の変動や発酵温度の変動以外に、アンモニアなどの発酵阻害物質の存在がある。
【０００８】
例えば特許文献３には、有機性廃棄物をメタン発酵処理する前に、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以下になるように、有機性廃棄物を希釈することで、メタン菌の活性阻害を防止する技術が開示されている。同様に、特許文献４には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を、５０００ｍｇ／Ｌ以下になるように、有機性廃棄物を希釈することで、メタン菌の活性阻害を防止する技術が開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献５には、排水処理槽で脱窒素処理した排水を生ごみに注入する希釈水として利用することで、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度の高濃度化を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１３７７３０号公報
【特許文献２】特開２００１−４６９９７号公報
【特許文献３】特公平７−１１５０３０号公報
【特許文献４】特開２００３−３９０３９号公報
【特許文献５】特許第３３０３９０６号公報
【特許文献６】特許第３６３０１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発酵阻害物質の１つであるアンモニアは、メタン発酵に係わる嫌気性細菌群（主にメタン菌）の活性を阻害し、メタン発酵性能を著しく低下させるため、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度は正確に検出する必要がある。
【００１１】
しかし、上述した各特許文献３〜５に開示されている技術には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を検出する具体的手段が明確に記載されておらず、従って、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を常に最適な範囲に制御することは困難である。
【００１２】
これに対処するに、本出願人は、特許文献６（特許第３６３０１６５号公報）において、メタン発酵槽内に貯留されているスラリー化された有機性廃棄物（以下、「発酵液」と称する）の電気伝導率がアンモニア性窒素濃度と相関を有している点に着目し、電気伝導率からアンモニア性窒素濃度を換算し、発酵液中のアンモニア性窒素濃度が所定値以上にならないように制御する技術を提案した。
【００１３】
さらに、本出願人は、同文献において、電気伝導率がアンモニア性窒素濃度以外の塩濃度にも関係している点を考慮し、未発酵のスラリーを貯留するスラリー調整槽内の電気伝導率を計測して、スラリーに当初から含まれている塩濃度を把握し、この電気伝導率を、メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率から減算することで、メタン発酵槽に貯留されている発酵液のアンモニア性窒素濃度を計測する技術を提案した。
【００１４】
しかし、スラリー調整槽にはスラリーが少なくとも数日滞留しており、スラリーの電気伝導率を計測しても、その電気伝導率を有するスラリーがメタン発酵槽に供給されるのは数日後になるため、スラリー調整槽で計測した電気伝導率とメタン発酵槽で計測した電気伝導率との間にはタイムラグが生じている。その結果、例えばスラリー調整槽の電気伝導率が大きく変動した場合、実際にはメタン発酵槽に供給されていないスラリーの電気伝導率をメタン発酵槽で計測した電気伝導率から減算することになり、測定誤差が大きくなってしまう問題がある。
【００１５】
この対策として、測定結果に対する安全率を高く設定して、希釈水を多めに供給することも考えられるが、アンモニア性窒素濃度が必要以上に低く設定されてしまい、メタン発酵効率が低下してしまうため好ましくない。
【００１６】
従って、本発明の目的は、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができて、必要以上の希釈水の供給が不要となり、高いメタン発酵効率を得ることのできるメタン発酵処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、第１の発明は、メタン発酵槽に供給するスラリー化された有機性廃棄物の電気伝導率を検出する第１電気伝導率検出手段（２１）と、前記メタン発酵槽に供給する前記有機性廃棄物のスラリー流量を検出する第１流量検出手段（２０）と、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を検出する第２流量検出手段（２３）と、前記メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率を検出する第２電気伝導率検出手段（２２）と、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する演算手段（３１）とを備え、前記演算手段（３１）は、前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した前記有機性廃棄物の電気伝導率と前記第１流量検出手段（２０）で検出した該有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した希釈水流量とに基づき前記メタン発酵槽に貯留されている前記発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を演算するベース伝導率演算手段（４１）と、前記ベース伝導率演算手段（４１）で演算したベース電気伝導率と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づき、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定する目標希釈水流量設定手段（４２）と、前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記メタン発酵槽に供給される希釈水流量が前記目標希釈水流量設定手段（４２）で設定した希釈水流量の目標値に収束するように前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する希釈水流量演算手段（４３）とを有することを特徴とする。
【００１８】
このような構成では、第２電気伝導率検出手段で検出した発酵液の電気伝導率から発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を減算して、アンモニア性窒素濃度に相当するベース電気伝導率のみを算出するようにしたので、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、必要以上の希釈水の供給が不要となり、高いメタン発酵効率を得ることができる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、前記ベース伝導率演算手段（４１）は、前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した該有機性廃棄物の電気伝導率との積、及び前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との積を加算して前記メタン発酵槽内に流入する塩量を算出する流入塩量算出手段（５１）と、前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量とを加算して前記メタン発酵槽内へ流入する総流入量を算出する総流入量算出手段（５２）と、前記総流入量算出手段（５２）で算出した総流入量と前回の演算時に前記ベース伝導率演算手段（４１）で求めた前記ベース電気伝導率との積から前記メタン発酵槽から流出される塩量を算出する流出塩量算出手段（５３）と、前記流入塩量算出手段で算出した前記メタン発酵槽内に流入する塩量と前記流出塩量算出手段（５３）で算出した前記メタン発酵槽から流出される塩量との差分を時間積分して前記メタン発酵槽内の蓄積塩量を算出する蓄積塩量算出手段（５４）と、前記蓄積塩量算出手段（５４）で算出した蓄積塩量を前記メタン発酵槽の有効容積で除算して該メタン発酵槽内の塩濃度を算出し、該塩濃度を今回のベース電気伝導率として出力するベース伝導率算出手段（５６）とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
このような構成では、メタン発酵槽に流入する塩量とメタン発酵槽から流出する塩量との差分を時間積分してメタン発酵槽内の蓄積塩量を算出するようにしたので、蓄積塩量を正確に算出することができ、この蓄積塩量に基づき発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、メタン発酵槽に蓄積する発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を求め、このベース電気伝導率と第２電気伝導率検出手段で検出した発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づいて、メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定するようにしたので、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、メタン発酵槽に対してアンモニア濃度の上昇を抑制する希釈水を必要以上に供給する必要がなくなり、高いメタン発酵効率を得ることができるばかりでなく、希釈水の消費量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１にメタン発酵処理装置の概略構成図を示す。
【００２３】
図１の符号１は、有機性廃棄物を前処理するための前処理装置である。有機性廃棄物としては、塵芥、生ごみ、家畜糞尿などがある。なお、以下においては、便宜的に有機性廃棄物を、その代表である「生ごみ」と称して説明する。前処理装置１は、生ごみと上水（水道水）とを所定割合（本実施形態では、１：１）で混練した後、破砕する。
【００２４】
また、この前処理装置１の下流に、この前処理装置１で前処理された生ごみを適当な濃度に希釈調整してスラリー化するスラリー調整槽２が設けられており、前処理装置１とスラリー調整槽２とを連通する供給ライン３に生ごみ移送ポンプ４が介装されている。このスラリー調整槽２には、生ごみを水と攪拌混合してスラリー化する攪拌機５が配設されている。
【００２５】
なお、本実施形態による前処理装置１は、１５Ｋｇ／日の処理能力を有しており、スラリー調整槽２は６０Ｌの容量を有し、スラリー化された生ごみ（以下、「生ごみスラリー」と称する）を、前処理装置１の１日あたりの処理能力を基準として２日間溜めることができる。
【００２６】
また、スラリー調整槽２の下流にメタン発酵槽６が配設されている。スラリー調整槽２とメタン発酵槽６とはスラリー供給ライン７を介して連通されており、このスラリー供給ライン７にスラリー移送ポンプ８が介装されている。このメタン発酵槽６内に、所定断面積（本実施形態では１０ｍｍ角）のポリエステルなどからなる縦長の接触担体９が多数装填されており、この接触担体９に嫌気性細菌（主に、メタン菌）が担持されている。このメタン発酵槽６は、生ごみをメタン発酵処理してメタンガスを含むバイオガスを発生させるもので、その側壁には循環ライン１０が併設されている。この循環ライン１０の上流がメタン発酵槽６の底部付近に開口され、下流がメタン発酵槽６の中位レベル付近に開口されている。この循環ライン１０に、上流側から発酵液循環ポンプ１１と熱交換器１２とが介装されている。
【００２７】
この熱交換器１２に温水ライン１３が挿通されており、この温水ライン１３の上流側に温水制御バルブ１４が介装されている。この温水制御バルブ１４は、メタン発酵槽６内の温度を検知する発酵槽温度計１５で検出した発酵槽温度に基づき、熱交換器１２を通過させる温水流量を制御する。熱交換器１２を通過する発酵液は、発酵液循環ポンプ１１の駆動により一定流量に設定されおり、熱交換器１２を通過させる温水流量を制御することで、熱交換器１２を通過する発酵液の加熱温度が制御される。その結果、温水制御バルブ１４をメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の温度に応じて制御することで、この発酵液の温度を、メタン菌が最も活性する温度範囲（例えば、５０〜６０℃）に保持させることができる。さらに、メタン発酵槽６の上部に、このメタン発酵槽６内で発生したメタンガスを含むバイオガスを取出す、ガス取出しライン１６が接続されている。
【００２８】
また、このメタン発酵槽６に、上流側から希釈水が供給される希釈水供給ライン１７の下流端が接続されている。なお、希釈水としては、廃水処理槽（図示せず）で脱窒素処理した廃水、あるいは外部からの供給水が利用されている。この希釈水供給ライン１７に希釈水流量制御バルブ１８が介装されている。
【００２９】
また、メタン発酵槽６の上部に、オーバフローした発酵消化液を排出する消化液排出ライン１９が設けられている。本実施形態によるメタン発酵槽６の容量は９０Ｌであり、生ごみスラリーを、前処理装置１の１日あたりの処理能力を基準として３日間滞留させることができる。このメタン発酵槽６は発酵液で常時満たされた状態にあり、従って、供給される生ごみスラリーと同量の発酵消化液が消化液排出ライン１９から排出される。
【００３０】
また、スラリー供給ライン７に、このスラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーの流量（スラリー流量）Ｆ０１［ｍ３／ｈ］を計測する、第１流量検出手段としてのスラリー流量計２０と生ごみスラリーの電気伝導率Ｅ０１［Ｓ／ｍ］を計測する、第１電気伝導率検出手段としてのスラリー電気伝導率計２１とが配設されている。また、メタン発酵槽６には、このメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率Ｅ０３［Ｓ／ｍ］を計測する、第２電気伝導率検出手段としての発酵液電気伝導率計２２が配設されている。さらに、希釈水供給ライン１７に希釈水の流量（希釈水流量）Ｆ０２［ｍ３／ｈ］を計測する、第２流量検出手段としての希釈水流量計２３が設けられている。
【００３１】
上述したスラリー移送ポンプ８の流量制御、及び希釈水流量制御バルブ１８の開度制御は、演算手段としてのＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）３１により制御される。
【００３２】
ＰＬＣ３１は、マイクロコンピュータを主体に構成されており、周知のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェイスなどを所定に備えている。Ｉ／Ｏインターフェイスの入力側に、スラリー流量計２０、スラリー電気伝導率計２１、発酵液電気伝導率計２２、希釈水流量計２３、及び第１定数設定器２４、第２定数設定器２５が接続されている。
【００３３】
第１定数設定器２４は、メタン発酵槽６へ供給する希釈水の電気伝導率Ｅ０２［Ｓ／ｍ］を設定するもので、第２定数設定器２５は目標とするアンモニア性窒素濃度［ｇ／ｍ３］に対応する電気伝導率（目標電気伝導率）Ｅ＿ＳＶを設定するものである。すなわち、メタン発酵槽６へ供給する希釈水の電気伝導率Ｅ０２は、希釈水供給ライン１７に電気伝導率計を設けて直接計測しても良いが、希釈水の電気伝導率はほぼ一定しているため、第１定数設定器２４にて外部操作により希釈水の電気伝導率Ｅ０２を入力して設定する。また、第２定数設定器２５は、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度の目標値を電気伝導率Ｅ＿ＳＶ［Ｓ／ｍ］に変換して設定するもので、良好なメタン発酵性能を維持させることのできる値を予め実験などから求め、外部操作により入力する。
【００３４】
ＰＬＣ３１は、生ごみスラリーの予定受入量に基づきメタン発酵槽６の発酵処理能力を超えないような供給スラリー計画値を演算し、この供給スラリー計画値に基づいてスラリー移送ポンプ８の駆動を制御する。さらに、このＰＬＣ３１は、各計測器２０〜２３で検出したデータＦ０１，Ｅ０１，Ｅ０３，Ｆ０２、及び両定数設定器２４，２５に入力した電気伝導率Ｅ０２，Ｅ＿ＳＶに基づき、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度が目標値を越えないように、このメタン発酵槽６に供給する希釈水の水量を制御する。
【００３５】
図２に示すように、ＰＬＣ３１には、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量を制御する機能として、ベース伝導率演算手段としてのベース伝導率演算部４１、減算部３１ａ、目標希釈水流量設定手段としての目標希釈水流量演算部４２、希釈水流量演算手段としての希釈水制御量演算部４３を有している。さらに、図３に示すように、ベース伝導率演算部４１は、さらに、流入塩量算出手段としての流入塩量算出部５１、総流入量算出手段としての総流入量算出部５２、流出塩量算出手段としての流出塩量算出部５３、減算部４１ａ、蓄積塩量算出手段としての蓄積塩量算出部５４、有効容積定数設定部５５、ベース伝導率算出手段としてのベース伝導率算出部５６を有している。なお、有効容積定数設定部５５には、メタン発酵槽６の有効容積Ｖが予め入力されている。
【００３６】
次に、このような構成によるメタン発酵処理装置を用いたメタン発酵処理について簡単に説明する。
【００３７】
先ず、前処理装置１に生ごみと上水とを所定割合で投入して混練し、破砕する。そして、破砕された生ごみを、生ごみ供給ライン３を経て、この生ごみ供給ライン３に介装されている生ごみ移送ポンプ４にてスラリー調整槽２へ送られる。
【００３８】
スラリー調整槽２に供給された破砕生ごみは、ここで適度な水で希釈されると共に、攪拌機５にて攪拌混合されてスラリー化される。そして、このスラリー調整槽２に貯留されている生ごみスラリーが、ＰＬＣ３１から出力される駆動信号で駆動されているスラリー移送ポンプ８により、スラリー供給ライン７を通り、メタン発酵槽６へ供給される。
【００３９】
メタン発酵槽６には、嫌気性細菌（主に、メタン菌）を担持する多数の接触担体９が装填されており、供給された生ごみスラリーはメタン菌の作用によりメタンガスを含むバイオガスと水とに分解される。なお、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液は、メタン菌が最も活性化する温度範囲に保持されることが好ましいため、熱交換器１２により、常にメタン菌の活性温度範囲（例えば５０〜６０℃）を維持するように加熱されている。
【００４０】
そして、メタン発酵処理により発生したバイオガスは、メタン発酵槽６の上部に臨まされているガス取出しライン１６を経て回収し、メタンガスを精製する。精製したメタンガスは発電利用、及び熱利用される。なお、メタン発酵槽６の上部には消化液排出ライン１９が臨まされており、この消化液排出ライン１９からメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の上澄み液（発酵消化液）が排出される。この消化液排出ライン１９は、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の液面に臨まされており、従って、スラリー調整槽２から生ごみスラリーが供給されると、それと同じ量の上澄み液（発酵消化液）が排出されることになるため、液面は常に一定に保たれている。従って、メタン発酵槽６の有効容積（発酵液で満たされている部分の容積）は常に一定となる。
【００４１】
ところで、上述したように、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率、及びメタン発酵槽６に供給される生ごみスラリーの電気伝導率を計測することで、アンモニア性窒素濃度を把握することができる。このアンモニア性窒素はメタン菌活性の阻害物質であるため、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度の上限値を目標値として設定し、この目標値を越えないようにアンモニア性窒素濃度を調整する必要がある。しかし、電気伝導率はアンモニア性窒素濃度以外の塩類（例えば、Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ）の濃度にも関係しているため、計測した電気伝導率から塩濃度に起因する電気伝導率を除外しないと正確なアンモニア性窒素濃度を計測することはできない。
【００４２】
そこで、本実施形態は、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液から塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを算出し、このベース電気伝導率Ｅ０３ｂを、発酵液電気伝導率計２２で計測した発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３から減算することで、アンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出するようにしている。
【００４３】
以下、図２、図３に示す機能ブロック図を参照して、ＰＬＣ３１で実行されるメタン発酵槽６内のメタン発酵処理制御について説明する。
【００４４】
ベース伝導率演算部４１では、スラリー流量計２０及びスラリー電気伝導率計２１でそれぞれ計測した、スラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーのスラリー流量Ｆ０１及び電気伝導率Ｅ０１と、希釈水流量計２３で計測した、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量Ｆ０２と、第１定数設定器２４で設定した希釈水の電気伝導率Ｅ０２を読込み、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液中の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂ（＝Ｍ／Ｖ）を算出する。
【００４５】
すなわち、図３に示すように、ベース伝導率演算部４１の流入塩量算出部５１は、スラリー流量Ｆ０１とその電気伝導率Ｅ０１とを乗算して、スラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーに含有されている塩類の質量流量を算出し（Ｆ０１×Ｅ０１）、さらに、希釈水流量Ｆ０２とその電気伝導率Ｅ０２とを乗算してメタン発酵槽６に供給する希釈水に含有されている塩類の質量流量を算出する（Ｆ０２×Ｅ０２）。そして、この両質量流量Ｆ０１×Ｅ０１、Ｆ０１×Ｅ０１を加算して、メタン発酵槽６に供給される流入塩量Ｍｉｎ[ｇ／ｈ]を算出する（Ｍｉｎ＝Ｆ０１×Ｅ０１＋Ｆ０２×Ｅ０２）。
【００４６】
総流入量算出部５２は、メタン発酵槽６に流入するスラリー流量Ｆ０１と希釈水流量Ｆ０２とを加算して、メタン発酵槽６に流れ込む総流入量Ｆ０３［ｍ３／ｈ］を算出する（Ｆ０３＝Ｆ０１＋Ｆ０２）。
【００４７】
流出塩量算出部５１は、総流入量算出部５２で算出した総流入量Ｆ０３に、後述するベース伝導率算出部５６で算出したベース電気伝導率Ｅ０３ｂを乗算して、メタン発酵槽６から流出する塩量（流出塩量）Ｍｏｕｔ［ｇ／ｈ］を算出する（Ｍｏｕｔ＝Ｆ０３×Ｅ０３ｂ）。すなわち、メタン発酵槽６の有効容積は一定であるため、このメタン発酵槽６に生ごみスラリー及び希釈水が流入すれば、その分、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液がオーバフローするため、消化液排出ライン１９から上澄み液（発酵消化液）が流出される。従って、メタン発酵槽６に流入する流量と排出される流量とは同じであるため、総流入量Ｆ０３にメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを乗算することで、流出塩量Ｍｏｕｔを求めることができる。この場合、後述するベース伝導率算出部５６で算出するベース電気伝導率Ｅ０３ｂは、前回の演算周期において算出された値となる。
【００４８】
そして、減算部４１ａにおいて、流入塩量Ｍｉｎと流出塩量Ｍｏｕｔとの差分ｄＭ［ｇ／ｈ］を算出し（ｄＭ＝Ｍｉｎ−Ｍｏｕｔ）、蓄積塩量算出部５４で、この差分ｄＭを時間積分して、メタン発酵槽６に蓄積されている塩量（蓄積塩量）Ｍ［ｇ］を算出する。この蓄積塩量Ｍは、流入塩量Ｍｉｎと流出塩量Ｍｏｕｔとが、Ｍｉｎ＜Ｍｏｕｔの関係に有れば減少し、Ｍｉｎ＞Ｍｏｕｔの関係に有れば増加される。
【００４９】
ベース伝導率算出部５６は、蓄積塩量Ｍを、有効容積定数設定部５５で設定したメタン発酵槽６の有効容積Ｖで除算して、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率であるベース電気伝導率Ｅ０３ｂ（＝Ｍ／Ｖ）を算出する。
【００５０】
そして、図２に示すように、減算部３１ａで、発酵液電気伝導率計２２で計測したメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３から、ベース伝導率演算部４１で算出したベース電気伝導率Ｅ０３ｂを減算して、発酵液中のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出する。
【００５１】
目標希釈水流量演算部４２は、電気伝導率Ｅ＿ＰＶと、第２定数設定器２５で設定した目標電気伝導率Ｅ＿ＳＶ（例えばアンモニア性窒素濃度が２００［ｍｇ／Ｌ］に相当する値）との差分（(Ｅ＿ＰＶ)−(Ｅ＿ＳＶ)）に基づき、記憶手段に予め記憶されている目標希釈水流量テーブル（図４参照）を補間計算付きで参照して目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶを設定する。なお、図４に示すように、目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶは、所定傾きの一次関数で表されているため、この目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶを、差分（(Ｅ＿ＰＶ)−(Ｅ＿ＳＶ)）に基づいて計算式から求めるようにしても良い。
【００５２】
希釈水制御量演算部４３は、目標希釈水流量演算部４２で設定した目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶと希釈水流量計２３で計測した実際の希釈水流量Ｆ０２とに基づき、実際の希釈水流量Ｆ０２が目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶに収束するような希釈水流量を、ＰＩＤ制御、或いはＰＩ制御により求め、対応するバルブ制御信号Ｖ０２＿ＭＶを希釈水流量制御バルブ１８（図１参照）へ出力する。
【００５３】
すると、希釈水流量制御バルブ１８の開度が、バルブ制御信号Ｖ０２＿ＭＶに応じて動作し、メタン発酵槽６へ供給する希釈水流量が調整されて、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率が常に一定範囲に収まるように制御される。
【００５４】
このように、本実施形態では、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率を計測するに際し、塩濃度に起因する電気伝導率を除外したので、メタン発酵槽６に供給される生ごみスラリーの塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、アンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、アンモニア性窒素濃度を一定に保持するための希釈水の供給量を必要以上の安全率を見込んで設定する必要がなくなり、希釈水の消費量を低減することができるばかりでなく、希釈水の供給量を高精度に制御することができるので、高いメタン発酵効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のメタン発酵処理装置は、塵芥、糞尿、生ごみ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するために好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】メタン発酵処理装置の概略構成図である。
【図２】ＰＬＣにて実行されるメタン発酵処理制御を示す機能ブロック図である。
【図３】ベース伝導率演算部での処理を示す機能ブロック図である。
【図４】目標希釈水流量テーブルの概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：前処理装置
２：スラリー調整槽
３：供給ライン
４：生ごみ移送ポンプ
６：メタン発酵槽
７：スラリー供給ライン
８：スラリー移送ポンプ
１６：ガス取出しライン
１７：希釈水供給ライン
１８：希釈水流量制御バルブ
２０：スラリー流量計
２１：スラリー電気伝導率計
２２：発酵液電気伝導率計
２３：希釈水流量計
２４：第１定数設定器
２５：第２定数設定器
３１ａ：減算部
４１：ベース伝導率演算部
４１ａ：減算部
４２：目標希釈水流量演算部
４３：希釈水制御量演算部
５１：流入塩量算出部
５２：総流入量算出部
５３：流出塩量算出部
５４：蓄積塩量算出部
５５：有効容積定数設定部
５６：ベース伝導率算出部
Ｅ＿ＳＶ：目標電気伝導率
Ｅ＿ＰＶ：電気伝導率
Ｅ０１，Ｅ０２，Ｅ０３：電気伝導率
Ｅ０３ｂ：ベース電気伝導率
Ｆ０１：スラリー流量
Ｆ０２：希釈水流量
Ｆ０２＿ＳＶ：目標希釈水流量
Ｆ０３：総流入量
Ｍ：蓄積塩量
Ｍｉｎ：流入塩量
Ｍｏｕｔ：流出塩量
Ｖ：有効容積
Ｖ０２：バルブ制御信号
Ｖ０２＿ＭＶ：開度
ｄＭ：差分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物からメタン発酵によりメタンガスを含むバイオガスを発生させるメタン発酵処理装置に係り、特にメタン発酵槽内へ供給する希釈水流量を調節してアンモニア性窒素濃度を一定に保持させるメタン発酵処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ、蓄糞などの有機性廃棄物の殆どは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、精製したメタンガスを発電利用及び熱利用する技術が開発されている。
【０００３】
メタン発酵処理は、スラリー化した有機性廃棄物をメタン発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌によって発酵処理して、有機性廃棄物をメタンガスに転換するものであり、投入原料の性状や運転条件などにより様々なメタン発酵処理方法、メタン発酵槽が提案されている。
【０００４】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物をメタンガスを含むバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができる。また、メタン発酵処理は、嫌気性下で行われるため、曝気動力が不要であり、省エネルギー効果がある。しかも、メタンガスは有機性廃棄物処理の副産物として生成されるものであるため、エネルギーの有効利用を図ることができる利点もある。
【０００５】
有機性廃棄物をメタン発酵で効率的に処理するシステムとして、例えば特許文献１や特許文献２には、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するシステムが開示されている。高温菌は、３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行うことで、分解速度の向上と消化率の向上とを図ることができる。
【０００６】
しかし、上述した各特許文献に開示されている技術では、メタン発酵が安定しているときは、有機性廃棄物を規定量投入することで、メタンガスを一定量生成することができるが、発酵温度や有機性廃棄物の投入量が変動した場合、メタン発酵性能が低下してしまう問題がある。
【０００７】
メタン発酵性能の低下は、メタン発酵に関係する嫌気性細菌群（主にメタン菌）の活性が低下することに起因している。メタン菌の活性を低下させる原因は、ｐＨの範囲の変動や発酵温度の変動以外に、アンモニアなどの発酵阻害物質の存在がある。
【０００８】
例えば特許文献３には、有機性廃棄物をメタン発酵処理する前に、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度が２０００ｍｇ／Ｌ以下になるように、有機性廃棄物を希釈することで、メタン菌の活性阻害を防止する技術が開示されている。同様に、特許文献４には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を、５０００ｍｇ／Ｌ以下になるように、有機性廃棄物を希釈することで、メタン菌の活性阻害を防止する技術が開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献５には、排水処理槽で脱窒素処理した排水を生ごみに注入する希釈水として利用することで、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度の高濃度化を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１３７７３０号公報
【特許文献２】特開２００１−４６９９７号公報
【特許文献３】特公平７−１１５０３０号公報
【特許文献４】特開２００３−３９０３９号公報
【特許文献５】特許第３３０３９０６号公報
【特許文献６】特許第３６３０１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発酵阻害物質の１つであるアンモニアは、メタン発酵に係わる嫌気性細菌群（主にメタン菌）の活性を阻害し、メタン発酵性能を著しく低下させるため、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度は正確に検出する必要がある。
【００１１】
しかし、上述した各特許文献３〜５に開示されている技術には、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を検出する具体的手段が明確に記載されておらず、従って、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度を常に最適な範囲に制御することは困難である。
【００１２】
これに対処するに、本出願人は、特許文献６（特許第３６３０１６５号公報）において、メタン発酵槽内に貯留されているスラリー化された有機性廃棄物（以下、「発酵液」と称する）の電気伝導率がアンモニア性窒素濃度と相関を有している点に着目し、電気伝導率からアンモニア性窒素濃度を換算し、発酵液中のアンモニア性窒素濃度が所定値以上にならないように制御する技術を提案した。
【００１３】
さらに、本出願人は、同文献において、電気伝導率がアンモニア性窒素濃度以外の塩濃度にも関係している点を考慮し、未発酵のスラリーを貯留するスラリー調整槽内の電気伝導率を計測して、スラリーに当初から含まれている塩濃度を把握し、この電気伝導率を、メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率から減算することで、メタン発酵槽に貯留されている発酵液のアンモニア性窒素濃度を計測する技術を提案した。
【００１４】
しかし、スラリー調整槽にはスラリーが少なくとも数日滞留しており、スラリーの電気伝導率を計測しても、その電気伝導率を有するスラリーがメタン発酵槽に供給されるのは数日後になるため、スラリー調整槽で計測した電気伝導率とメタン発酵槽で計測した電気伝導率との間にはタイムラグが生じている。その結果、例えばスラリー調整槽の電気伝導率が大きく変動した場合、実際にはメタン発酵槽に供給されていないスラリーの電気伝導率をメタン発酵槽で計測した電気伝導率から減算することになり、測定誤差が大きくなってしまう問題がある。
【００１５】
この対策として、測定結果に対する安全率を高く設定して、希釈水を多めに供給することも考えられるが、アンモニア性窒素濃度が必要以上に低く設定されてしまい、メタン発酵効率が低下してしまうため好ましくない。
【００１６】
従って、本発明の目的は、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができて、必要以上の希釈水の供給が不要となり、高いメタン発酵効率を得ることのできるメタン発酵処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、第１の発明は、メタン発酵槽に供給するスラリー化された有機性廃棄物の電気伝導率を検出する第１電気伝導率検出手段（２１）と、前記メタン発酵槽に供給する前記有機性廃棄物のスラリー流量を検出する第１流量検出手段（２０）と、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を検出する第２流量検出手段（２３）と、前記メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率を検出する第２電気伝導率検出手段（２２）と、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する演算手段（３１）とを備え、前記演算手段（３１）は、前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した前記有機性廃棄物の電気伝導率と前記第１流量検出手段（２０）で検出した該有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した希釈水流量とに基づき前記メタン発酵槽に貯留されている前記発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を演算するベース伝導率演算手段（４１）と、前記ベース伝導率演算手段（４１）で演算したベース電気伝導率と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づき、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定する目標希釈水流量設定手段（４２）と、前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記メタン発酵槽に供給される希釈水流量が前記目標希釈水流量設定手段（４２）で設定した希釈水流量の目標値に収束するように前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する希釈水流量演算手段（４３）とを有することを特徴とする。
【００１８】
このような構成では、第２電気伝導率検出手段で検出した発酵液の電気伝導率から発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を減算して、アンモニア性窒素濃度に相当するベース電気伝導率のみを算出するようにしたので、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、必要以上の希釈水の供給が不要となり、高いメタン発酵効率を得ることができる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、前記ベース伝導率演算手段（４１）は、前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した該有機性廃棄物の電気伝導率との積、及び前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との積を加算して前記メタン発酵槽内に流入する塩量を算出する流入塩量算出手段（５１）と、前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量とを加算して前記メタン発酵槽内へ流入する総流入量を算出する総流入量算出手段（５２）と、前記総流入量算出手段（５２）で算出した総流入量と前回の演算時に前記ベース伝導率演算手段（４１）で求めた前記ベース電気伝導率との積から前記メタン発酵槽から流出される塩量を算出する流出塩量算出手段（５３）と、前記流入塩量算出手段で算出した前記メタン発酵槽内に流入する塩量と前記流出塩量算出手段（５３）で算出した前記メタン発酵槽から流出される塩量との差分を時間積分して前記メタン発酵槽内の蓄積塩量を算出する蓄積塩量算出手段（５４）と、前記蓄積塩量算出手段（５４）で算出した蓄積塩量を前記メタン発酵槽の有効容積で除算して該メタン発酵槽内の塩濃度を算出し、該塩濃度を今回のベース電気伝導率として出力するベース伝導率算出手段（５６）とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
このような構成では、メタン発酵槽に流入する塩量とメタン発酵槽から流出する塩量との差分を時間積分してメタン発酵槽内の蓄積塩量を算出するようにしたので、蓄積塩量を正確に算出することができ、この蓄積塩量に基づき発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を正確に算出することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、メタン発酵槽に蓄積する発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を求め、このベース電気伝導率と第２電気伝導率検出手段で検出した発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づいて、メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定するようにしたので、メタン発酵槽に供給される有機性廃棄物の塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、メタン発酵槽内のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、メタン発酵槽に対してアンモニア濃度の上昇を抑制する希釈水を必要以上に供給する必要がなくなり、高いメタン発酵効率を得ることができるばかりでなく、希釈水の消費量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１にメタン発酵処理装置の概略構成図を示す。
【００２３】
図１の符号１は、有機性廃棄物を前処理するための前処理装置である。有機性廃棄物としては、塵芥、生ごみ、家畜糞尿などがある。なお、以下においては、便宜的に有機性廃棄物を、その代表である「生ごみ」と称して説明する。前処理装置１は、生ごみと上水（水道水）とを所定割合（本実施形態では、１：１）で混練した後、破砕する。
【００２４】
また、この前処理装置１の下流に、この前処理装置１で前処理された生ごみを適当な濃度に希釈調整してスラリー化するスラリー調整槽２が設けられており、前処理装置１とスラリー調整槽２とを連通する供給ライン３に生ごみ移送ポンプ４が介装されている。このスラリー調整槽２には、生ごみを水と攪拌混合してスラリー化する攪拌機５が配設されている。
【００２５】
なお、本実施形態による前処理装置１は、１５Ｋｇ／日の処理能力を有しており、スラリー調整槽２は６０Ｌの容量を有し、スラリー化された生ごみ（以下、「生ごみスラリー」と称する）を、前処理装置１の１日あたりの処理能力を基準として２日間溜めることができる。
【００２６】
また、スラリー調整槽２の下流にメタン発酵槽６が配設されている。スラリー調整槽２とメタン発酵槽６とはスラリー供給ライン７を介して連通されており、このスラリー供給ライン７にスラリー移送ポンプ８が介装されている。このメタン発酵槽６内に、所定断面積（本実施形態では１０ｍｍ角）のポリエステルなどからなる縦長の接触担体９が多数装填されており、この接触担体９に嫌気性細菌（主に、メタン菌）が担持されている。このメタン発酵槽６は、生ごみをメタン発酵処理してメタンガスを含むバイオガスを発生させるもので、その側壁には循環ライン１０が併設されている。この循環ライン１０の上流がメタン発酵槽６の底部付近に開口され、下流がメタン発酵槽６の中位レベル付近に開口されている。この循環ライン１０に、上流側から発酵液循環ポンプ１１と熱交換器１２とが介装されている。
【００２７】
この熱交換器１２に温水ライン１３が挿通されており、この温水ライン１３の上流側に温水制御バルブ１４が介装されている。この温水制御バルブ１４は、メタン発酵槽６内の温度を検知する発酵槽温度計１５で検出した発酵槽温度に基づき、熱交換器１２を通過させる温水流量を制御する。熱交換器１２を通過する発酵液は、発酵液循環ポンプ１１の駆動により一定流量に設定されおり、熱交換器１２を通過させる温水流量を制御することで、熱交換器１２を通過する発酵液の加熱温度が制御される。その結果、温水制御バルブ１４をメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の温度に応じて制御することで、この発酵液の温度を、メタン菌が最も活性する温度範囲（例えば、５０〜６０℃）に保持させることができる。さらに、メタン発酵槽６の上部に、このメタン発酵槽６内で発生したメタンガスを含むバイオガスを取出す、ガス取出しライン１６が接続されている。
【００２８】
また、このメタン発酵槽６に、上流側から希釈水が供給される希釈水供給ライン１７の下流端が接続されている。なお、希釈水としては、廃水処理槽（図示せず）で脱窒素処理した廃水、あるいは外部からの供給水が利用されている。この希釈水供給ライン１７に希釈水流量制御バルブ１８が介装されている。
【００２９】
また、メタン発酵槽６の上部に、オーバフローした発酵消化液を排出する消化液排出ライン１９が設けられている。本実施形態によるメタン発酵槽６の容量は９０Ｌであり、生ごみスラリーを、前処理装置１の１日あたりの処理能力を基準として３日間滞留させることができる。このメタン発酵槽６は発酵液で常時満たされた状態にあり、従って、供給される生ごみスラリーと同量の発酵消化液が消化液排出ライン１９から排出される。
【００３０】
また、スラリー供給ライン７に、このスラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーの流量（スラリー流量）Ｆ０１［ｍ３／ｈ］を計測する、第１流量検出手段としてのスラリー流量計２０と生ごみスラリーの電気伝導率Ｅ０１［Ｓ／ｍ］を計測する、第１電気伝導率検出手段としてのスラリー電気伝導率計２１とが配設されている。また、メタン発酵槽６には、このメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率Ｅ０３［Ｓ／ｍ］を計測する、第２電気伝導率検出手段としての発酵液電気伝導率計２２が配設されている。さらに、希釈水供給ライン１７に希釈水の流量（希釈水流量）Ｆ０２［ｍ３／ｈ］を計測する、第２流量検出手段としての希釈水流量計２３が設けられている。
【００３１】
上述したスラリー移送ポンプ８の流量制御、及び希釈水流量制御バルブ１８の開度制御は、演算手段としてのＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）３１により制御される。
【００３２】
ＰＬＣ３１は、マイクロコンピュータを主体に構成されており、周知のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェイスなどを所定に備えている。Ｉ／Ｏインターフェイスの入力側に、スラリー流量計２０、スラリー電気伝導率計２１、発酵液電気伝導率計２２、希釈水流量計２３、及び第１定数設定器２４、第２定数設定器２５が接続されている。
【００３３】
第１定数設定器２４は、メタン発酵槽６へ供給する希釈水の電気伝導率Ｅ０２［Ｓ／ｍ］を設定するもので、第２定数設定器２５は目標とするアンモニア性窒素濃度［ｇ／ｍ３］に対応する電気伝導率（目標電気伝導率）Ｅ＿ＳＶを設定するものである。すなわち、メタン発酵槽６へ供給する希釈水の電気伝導率Ｅ０２は、希釈水供給ライン１７に電気伝導率計を設けて直接計測しても良いが、希釈水の電気伝導率はほぼ一定しているため、第１定数設定器２４にて外部操作により希釈水の電気伝導率Ｅ０２を入力して設定する。また、第２定数設定器２５は、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度の目標値を電気伝導率Ｅ＿ＳＶ［Ｓ／ｍ］に変換して設定するもので、良好なメタン発酵性能を維持させることのできる値を予め実験などから求め、外部操作により入力する。
【００３４】
ＰＬＣ３１は、生ごみスラリーの予定受入量に基づきメタン発酵槽６の発酵処理能力を超えないような供給スラリー計画値を演算し、この供給スラリー計画値に基づいてスラリー移送ポンプ８の駆動を制御する。さらに、このＰＬＣ３１は、各計測器２０〜２３で検出したデータＦ０１，Ｅ０１，Ｅ０３，Ｆ０２、及び両定数設定器２４，２５に入力した電気伝導率Ｅ０２，Ｅ＿ＳＶに基づき、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度が目標値を越えないように、このメタン発酵槽６に供給する希釈水の水量を制御する。
【００３５】
図２に示すように、ＰＬＣ３１には、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量を制御する機能として、ベース伝導率演算手段としてのベース伝導率演算部４１、減算部３１ａ、目標希釈水流量設定手段としての目標希釈水流量演算部４２、希釈水流量演算手段としての希釈水制御量演算部４３を有している。さらに、図３に示すように、ベース伝導率演算部４１は、さらに、流入塩量算出手段としての流入塩量算出部５１、総流入量算出手段としての総流入量算出部５２、流出塩量算出手段としての流出塩量算出部５３、減算部４１ａ、蓄積塩量算出手段としての蓄積塩量算出部５４、有効容積定数設定部５５、ベース伝導率算出手段としてのベース伝導率算出部５６を有している。なお、有効容積定数設定部５５には、メタン発酵槽６の有効容積Ｖが予め入力されている。
【００３６】
次に、このような構成によるメタン発酵処理装置を用いたメタン発酵処理について簡単に説明する。
【００３７】
先ず、前処理装置１に生ごみと上水とを所定割合で投入して混練し、破砕する。そして、破砕された生ごみを、生ごみ供給ライン３を経て、この生ごみ供給ライン３に介装されている生ごみ移送ポンプ４にてスラリー調整槽２へ送られる。
【００３８】
スラリー調整槽２に供給された破砕生ごみは、ここで適度な水で希釈されると共に、攪拌機５にて攪拌混合されてスラリー化される。そして、このスラリー調整槽２に貯留されている生ごみスラリーが、ＰＬＣ３１から出力される駆動信号で駆動されているスラリー移送ポンプ８により、スラリー供給ライン７を通り、メタン発酵槽６へ供給される。
【００３９】
メタン発酵槽６には、嫌気性細菌（主に、メタン菌）を担持する多数の接触担体９が装填されており、供給された生ごみスラリーはメタン菌の作用によりメタンガスを含むバイオガスと水とに分解される。なお、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液は、メタン菌が最も活性化する温度範囲に保持されることが好ましいため、熱交換器１２により、常にメタン菌の活性温度範囲（例えば５０〜６０℃）を維持するように加熱されている。
【００４０】
そして、メタン発酵処理により発生したバイオガスは、メタン発酵槽６の上部に臨まされているガス取出しライン１６を経て回収し、メタンガスを精製する。精製したメタンガスは発電利用、及び熱利用される。なお、メタン発酵槽６の上部には消化液排出ライン１９が臨まされており、この消化液排出ライン１９からメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の上澄み液（発酵消化液）が排出される。この消化液排出ライン１９は、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の液面に臨まされており、従って、スラリー調整槽２から生ごみスラリーが供給されると、それと同じ量の上澄み液（発酵消化液）が排出されることになるため、液面は常に一定に保たれている。従って、メタン発酵槽６の有効容積（発酵液で満たされている部分の容積）は常に一定となる。
【００４１】
ところで、上述したように、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率、及びメタン発酵槽６に供給される生ごみスラリーの電気伝導率を計測することで、アンモニア性窒素濃度を把握することができる。このアンモニア性窒素はメタン菌活性の阻害物質であるため、メタン発酵槽６内のアンモニア性窒素濃度の上限値を目標値として設定し、この目標値を越えないようにアンモニア性窒素濃度を調整する必要がある。しかし、電気伝導率はアンモニア性窒素濃度以外の塩類（例えば、Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ）の濃度にも関係しているため、計測した電気伝導率から塩濃度に起因する電気伝導率を除外しないと正確なアンモニア性窒素濃度を計測することはできない。
【００４２】
そこで、本実施形態は、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液から塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを算出し、このベース電気伝導率Ｅ０３ｂを、発酵液電気伝導率計２２で計測した発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３から減算することで、アンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出するようにしている。
【００４３】
以下、図２、図３に示す機能ブロック図を参照して、ＰＬＣ３１で実行されるメタン発酵槽６内のメタン発酵処理制御について説明する。
【００４４】
ベース伝導率演算部４１では、スラリー流量計２０及びスラリー電気伝導率計２１でそれぞれ計測した、スラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーのスラリー流量Ｆ０１及び電気伝導率Ｅ０１と、希釈水流量計２３で計測した、メタン発酵槽６に供給する希釈水流量Ｆ０２と、第１定数設定器２４で設定した希釈水の電気伝導率Ｅ０２を読込み、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液中の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂ（＝Ｍ／Ｖ）を算出する。
【００４５】
すなわち、図３に示すように、ベース伝導率演算部４１の流入塩量算出部５１は、スラリー流量Ｆ０１とその電気伝導率Ｅ０１とを乗算して、スラリー供給ライン７を通過する生ごみスラリーに含有されている塩類の質量流量を算出し（Ｆ０１×Ｅ０１）、さらに、希釈水流量Ｆ０２とその電気伝導率Ｅ０２とを乗算してメタン発酵槽６に供給する希釈水に含有されている塩類の質量流量を算出する（Ｆ０２×Ｅ０２）。そして、この両質量流量Ｆ０１×Ｅ０１、Ｆ０１×Ｅ０１を加算して、メタン発酵槽６に供給される流入塩量Ｍｉｎ[ｇ／ｈ]を算出する（Ｍｉｎ＝Ｆ０１×Ｅ０１＋Ｆ０２×Ｅ０２）。
【００４６】
総流入量算出部５２は、メタン発酵槽６に流入するスラリー流量Ｆ０１と希釈水流量Ｆ０２とを加算して、メタン発酵槽６に流れ込む総流入量Ｆ０３［ｍ３／ｈ］を算出する（Ｆ０３＝Ｆ０１＋Ｆ０２）。
【００４７】
流出塩量算出部５１は、総流入量算出部５２で算出した総流入量Ｆ０３に、後述するベース伝導率算出部５６で算出したベース電気伝導率Ｅ０３ｂを乗算して、メタン発酵槽６から流出する塩量（流出塩量）Ｍｏｕｔ［ｇ／ｈ］を算出する（Ｍｏｕｔ＝Ｆ０３×Ｅ０３ｂ）。すなわち、メタン発酵槽６の有効容積は一定であるため、このメタン発酵槽６に生ごみスラリー及び希釈水が流入すれば、その分、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液がオーバフローするため、消化液排出ライン１９から上澄み液（発酵消化液）が流出される。従って、メタン発酵槽６に流入する流量と排出される流量とは同じであるため、総流入量Ｆ０３にメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率Ｅ０３ｂを乗算することで、流出塩量Ｍｏｕｔを求めることができる。この場合、後述するベース伝導率算出部５６で算出するベース電気伝導率Ｅ０３ｂは、前回の演算周期において算出された値となる。
【００４８】
そして、減算部４１ａにおいて、流入塩量Ｍｉｎと流出塩量Ｍｏｕｔとの差分ｄＭ［ｇ／ｈ］を算出し（ｄＭ＝Ｍｉｎ−Ｍｏｕｔ）、蓄積塩量算出部５４で、この差分ｄＭを時間積分して、メタン発酵槽６に蓄積されている塩量（蓄積塩量）Ｍ［ｇ］を算出する。この蓄積塩量Ｍは、流入塩量Ｍｉｎと流出塩量Ｍｏｕｔとが、Ｍｉｎ＜Ｍｏｕｔの関係に有れば減少し、Ｍｉｎ＞Ｍｏｕｔの関係に有れば増加される。
【００４９】
ベース伝導率算出部５６は、蓄積塩量Ｍを、有効容積定数設定部５５で設定したメタン発酵槽６の有効容積Ｖで除算して、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率であるベース電気伝導率Ｅ０３ｂ（＝Ｍ／Ｖ）を算出する。
【００５０】
そして、図２に示すように、減算部３１ａで、発酵液電気伝導率計２２で計測したメタン発酵槽６に貯留されている発酵液の実際の電気伝導率Ｅ０３から、ベース伝導率演算部４１で算出したベース電気伝導率Ｅ０３ｂを減算して、発酵液中のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率Ｅ＿ＰＶを算出する。
【００５１】
目標希釈水流量演算部４２は、電気伝導率Ｅ＿ＰＶと、第２定数設定器２５で設定した目標電気伝導率Ｅ＿ＳＶ（例えばアンモニア性窒素濃度が２００［ｍｇ／Ｌ］に相当する値）との差分（(Ｅ＿ＰＶ)−(Ｅ＿ＳＶ)）に基づき、記憶手段に予め記憶されている目標希釈水流量テーブル（図４参照）を補間計算付きで参照して目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶを設定する。なお、図４に示すように、目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶは、所定傾きの一次関数で表されているため、この目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶを、差分（(Ｅ＿ＰＶ)−(Ｅ＿ＳＶ)）に基づいて計算式から求めるようにしても良い。
【００５２】
希釈水制御量演算部４３は、目標希釈水流量演算部４２で設定した目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶと希釈水流量計２３で計測した実際の希釈水流量Ｆ０２とに基づき、実際の希釈水流量Ｆ０２が目標希釈水流量Ｆ０２＿ＳＶに収束するような希釈水流量を、ＰＩＤ制御、或いはＰＩ制御により求め、対応するバルブ制御信号Ｖ０２＿ＭＶを希釈水流量制御バルブ１８（図１参照）へ出力する。
【００５３】
すると、希釈水流量制御バルブ１８の開度が、バルブ制御信号Ｖ０２＿ＭＶに応じて動作し、メタン発酵槽６へ供給する希釈水流量が調整されて、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液のアンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率が常に一定範囲に収まるように制御される。
【００５４】
このように、本実施形態では、メタン発酵槽６に貯留されている発酵液の電気伝導率を計測するに際し、塩濃度に起因する電気伝導率を除外したので、メタン発酵槽６に供給される生ごみスラリーの塩濃度が大きく変動しても、その影響を受けることなく、アンモニア性窒素濃度に起因する電気伝導率のみを高精度に計測することができる。その結果、アンモニア性窒素濃度を一定に保持するための希釈水の供給量を必要以上の安全率を見込んで設定する必要がなくなり、希釈水の消費量を低減することができるばかりでなく、希釈水の供給量を高精度に制御することができるので、高いメタン発酵効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のメタン発酵処理装置は、塵芥、糞尿、生ごみ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するために好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】メタン発酵処理装置の概略構成図である。
【図２】ＰＬＣにて実行されるメタン発酵処理制御を示す機能ブロック図である。
【図３】ベース伝導率演算部での処理を示す機能ブロック図である。
【図４】目標希釈水流量テーブルの概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：前処理装置
２：スラリー調整槽
３：供給ライン
４：生ごみ移送ポンプ
６：メタン発酵槽
７：スラリー供給ライン
８：スラリー移送ポンプ
１６：ガス取出しライン
１７：希釈水供給ライン
１８：希釈水流量制御バルブ
２０：スラリー流量計
２１：スラリー電気伝導率計
２２：発酵液電気伝導率計
２３：希釈水流量計
２４：第１定数設定器
２５：第２定数設定器
３１ａ：減算部
４１：ベース伝導率演算部
４１ａ：減算部
４２：目標希釈水流量演算部
４３：希釈水制御量演算部
５１：流入塩量算出部
５２：総流入量算出部
５３：流出塩量算出部
５４：蓄積塩量算出部
５５：有効容積定数設定部
５６：ベース伝導率算出部
Ｅ＿ＳＶ：目標電気伝導率
Ｅ＿ＰＶ：電気伝導率
Ｅ０１，Ｅ０２，Ｅ０３：電気伝導率
Ｅ０３ｂ：ベース電気伝導率
Ｆ０１：スラリー流量
Ｆ０２：希釈水流量
Ｆ０２＿ＳＶ：目標希釈水流量
Ｆ０３：総流入量
Ｍ：蓄積塩量
Ｍｉｎ：流入塩量
Ｍｏｕｔ：流出塩量
Ｖ：有効容積
Ｖ０２：バルブ制御信号
Ｖ０２＿ＭＶ：開度
ｄＭ：差分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵槽に供給するスラリー化された有機性廃棄物の電気伝導率を検出する第１電気伝導率検出手段（２１）と、
前記メタン発酵槽に供給する前記有機性廃棄物のスラリー流量を検出する第１流量検出手段（２０）と、
前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を検出する第２流量検出手段（２３）と、
前記メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率を検出する第２電気伝導率検出手段（２２）と、
前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する演算手段（３１）とを備え、
前記演算手段（３１）は、
前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した前記有機性廃棄物の電気伝導率と前記第１流量検出手段（２０）で検出した該有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した希釈水流量とに基づき前記メタン発酵槽に貯留されている前記発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を演算するベース伝導率演算手段（４１）と、
前記ベース伝導率演算手段（４１）で演算したベース電気伝導率と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づき、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定する目標希釈水流量設定手段（４２）と、
前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記メタン発酵槽に供給される希釈水流量が前記目標希釈水流量設定手段（４２）で設定した希釈水流量の目標値に収束するように前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する希釈水流量演算手段（４３）と
を有することを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項２】
前記ベース伝導率演算手段（４１）は、
前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した該有機性廃棄物の電気伝導率との積、及び前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との積を加算して前記メタン発酵槽内に流入する塩量を算出する流入塩量算出手段（５１）と、
前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量とを加算して前記メタン発酵槽内へ流入する総流入量を算出する総流入量算出手段（５２）と、
前記総流入量算出手段（５２）で算出した総流入量と前回の演算時に前記ベース伝導率演算手段（４１）で求めた前記ベース電気伝導率との積から前記メタン発酵槽から流出される塩量を算出する流出塩量算出手段（５３）と、
前記流入塩量算出手段で算出した前記メタン発酵槽内に流入する塩量と前記流出塩量算出手段（５３）で算出した前記メタン発酵槽から流出される塩量との差分を時間積分して前記メタン発酵槽内の蓄積塩量を算出する蓄積塩量算出手段（５４）と、
前記蓄積塩量算出手段（５４）で算出した蓄積塩量を前記メタン発酵槽の有効容積で除算して該メタン発酵槽内の塩濃度を算出し、該塩濃度を今回のベース電気伝導率として出力するベース伝導率算出手段（５６）と
を備えていることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１】
メタン発酵槽に供給するスラリー化された有機性廃棄物の電気伝導率を検出する第１電気伝導率検出手段（２１）と、
前記メタン発酵槽に供給する前記有機性廃棄物のスラリー流量を検出する第１流量検出手段（２０）と、
前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を検出する第２流量検出手段（２３）と、
前記メタン発酵槽に貯留されている発酵液の電気伝導率を検出する第２電気伝導率検出手段（２２）と、
前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する演算手段（３１）とを備え、
前記演算手段（３１）は、
前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した前記有機性廃棄物の電気伝導率と前記第１流量検出手段（２０）で検出した該有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した希釈水流量とに基づき前記メタン発酵槽に貯留されている前記発酵液の塩濃度に相当するベース電気伝導率を演算するベース伝導率演算手段（４１）と、
前記ベース伝導率演算手段（４１）で演算したベース電気伝導率と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との差分と、予め設定した目標アンモニア濃度に対応する目標電気伝導率とに基づき、前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量の目標値を設定する目標希釈水流量設定手段（４２）と、
前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記メタン発酵槽に供給される希釈水流量が前記目標希釈水流量設定手段（４２）で設定した希釈水流量の目標値に収束するように前記メタン発酵槽に供給する希釈水流量を演算する希釈水流量演算手段（４３）と
を有することを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項２】
前記ベース伝導率演算手段（４１）は、
前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第１電気伝導率検出手段（２１）で検出した該有機性廃棄物の電気伝導率との積、及び前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量と前記第２電気伝導率検出手段（２２）で検出した前記発酵液の電気伝導率との積を加算して前記メタン発酵槽内に流入する塩量を算出する流入塩量算出手段（５１）と、
前記第１流量検出手段（２０）で検出した前記有機性廃棄物のスラリー流量と前記第２流量検出手段（２３）で検出した前記希釈水流量とを加算して前記メタン発酵槽内へ流入する総流入量を算出する総流入量算出手段（５２）と、
前記総流入量算出手段（５２）で算出した総流入量と前回の演算時に前記ベース伝導率演算手段（４１）で求めた前記ベース電気伝導率との積から前記メタン発酵槽から流出される塩量を算出する流出塩量算出手段（５３）と、
前記流入塩量算出手段で算出した前記メタン発酵槽内に流入する塩量と前記流出塩量算出手段（５３）で算出した前記メタン発酵槽から流出される塩量との差分を時間積分して前記メタン発酵槽内の蓄積塩量を算出する蓄積塩量算出手段（５４）と、
前記蓄積塩量算出手段（５４）で算出した蓄積塩量を前記メタン発酵槽の有効容積で除算して該メタン発酵槽内の塩濃度を算出し、該塩濃度を今回のベース電気伝導率として出力するベース伝導率算出手段（５６）と
を備えていることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１１９３２８（Ｐ２００９−１１９３２８Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９３８８６（Ｐ２００７−２９３８８６）
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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