二槽式メタン発酵装置及び方法
【課題】酸生成過程を行う反応槽内の反応状況をリアルタイムで把握可能とする。
【解決手段】有機物から酸を生成する酸生成槽３と該酸生成槽３で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽１１とからなる二槽式メタン発酵装置Ａであって、酸生成槽３内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部５と、酸生成槽３内のｐＨを測定するｐＨ測定部６と、酸化還元電位測定部５から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部６から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽３内の反応状態を評価する酸生成槽評価部９とを備える。
【解決手段】有機物から酸を生成する酸生成槽３と該酸生成槽３で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽１１とからなる二槽式メタン発酵装置Ａであって、酸生成槽３内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部５と、酸生成槽３内のｐＨを測定するｐＨ測定部６と、酸化還元電位測定部５から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部６から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽３内の反応状態を評価する酸生成槽評価部９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸生成過程とメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水や廃棄物の処理としては、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。特にメタン発酵処理は、非特許文献１に記載の通り、ビール、食品などの溶解性有機物を含む排水処理には、広く用いられるようになってきた。さらに近年では、生ごみ、畜産糞尿などの固形の有機廃棄物にも適用されるようになってきた。
【０００３】
メタン発酵処理は、一般に、原料となる有機物の加水分解過程、酸生成過程及びメタン発酵過程との３つの反応過程からなる。これら反応過程のうち、加水分解過程は、有機物を加水分解してグルコースを生成する反応であり、酸生成過程及びメタン発酵過程は、嫌気性処理であり、メタン発酵に寄与する複数種の微生物の複合体（一般にメタン発酵菌と称する）による微生物反応である。酸生成過程は、さらに下記の３つの反応過程からなる。すなわち、グルコースから蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの低級脂肪酸を生成する酸発酵過程と、プロピオン酸または酪酸から酢酸を生成する酢酸発酵過程と、プロピオン酸または酪酸から水素を生成する水素発酵過程である。メタン発酵過程は、このような酸生成過程で生成された低級脂肪酸をメタンガスと二酸化炭素とに分解するものである。
【０００４】
このようなメタン発酵処理を行うメタン発酵装置には、上記酸生成過程とメタン発酵過程とを単一の反応槽で行う一槽式（一相式）のメタン発酵装置と、両者を個別の反応槽で行う二槽式（二相式）のメタン発酵装置とがあり、従来では一槽式メタン発酵装置が主流であった。しかしながら、一槽式メタン発酵装置は単一の反応槽で酸生成過程とメタン発酵過程とを同時に進行させるので、複数種の微生物をバランスよく共存させる必要があり、槽内環境の適正化とその維持管理が困難であるという問題がある。これに対して二槽式メタン発酵装置は、各反応槽をより最適な条件で運転することができるため、維持管理が容易である上に、メタン発酵処理の高速化が図れるというメリットがある。
【０００５】
ところで、一槽式、二槽式のいずれのメタン発酵装置であっても、その不調の一因は、メタン発酵過程の環境が一定に維持できないためであり、発酵環境の適正化と維持に関しては、既に種々の提案が成されている。
例えば、特許文献１には、有機性排液をＡ２Ｏ法で処理した際に発生する余剰汚泥を減容化する方法が開示されている。そして、活性汚泥処理水中から余剰汚泥を分離して、その中から嫌気性汚泥を選択的に分離する際に、その嫌気度を酸化還元電位で識別することと、酸化還元電位によって嫌気度が規定された余剰汚泥を用いることにより、メタン発酵過程を適正環境下で行えることが、記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、有機性排水のメタン発酵と脱窒処理とを同一の嫌気性消化処理槽内で行う方法と装置とが開示されており、消化処理槽内が一定の嫌気度になるように制御する際の指標として、酸化還元電位を使用することが記載されている。さらに、消化処理槽の前段に、酸生成槽を設けた二槽式の発酵処理設備についての記載がある。
【０００７】
これら特許文献１あるいは特許文献２に記載された装置及び方法は、メタン発酵過程を適正環境で行えるように、メタン発酵過程へ投入する被処理物の嫌気度を限定し、嫌気度の指標として酸化還元電位を用いるものである。なお、反応槽内の環境の適正化と維持には、被処理物の供給方法、温度、ｐＨ、攪拌条件、滞留時間の他、嫌気度の管理が有効であることが一般的に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２３９５１０号公報
【特許文献２】特開２００９−０３９６４３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R.E.Speece原著、産業廃水処理のための嫌気性バイオテクノロジー、技術堂出版、１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述したようにメタン発酵過程については種々の提案が成されているが、酸生成過程を行なう反応槽及びその運転方法については考慮されることはなく、ｐＨと温度の管理と間欠的な攪拌が行われているに過ぎないのが現状である。特に、反応槽における酸生成過程が順調に進行しているかの評価は殆ど行われず、酸発酵、酢酸発酵、水素発酵のうちのどの発酵が現時点で進行しているかについて顧られることもなかった。
【００１１】
このような状況は、酸の生成確認には、反応槽の内容物の採取に続いて、精密な化学機器分析を行う必要があるためである。また、反応状況を把握するためには、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの低級脂肪酸を個別に測定する必要があり、分析費用が高くなるという問題がある上に、事後分析とならざるを得ない。このため、上述した従来技術には、反応槽内で同時進行している複数の発酵をリアルタイムで把握することができなく、酸生成過程が不調になる予兆を確認できないという問題点がある。
【００１２】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、酸生成過程の進行状態をリアルタイムで把握することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明では、二槽式メタン発酵装置に係る第１の解決手段として、有機物から酸を生成する酸生成槽と該酸生成槽で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽とからなる二槽式メタン発酵装置であって、酸生成槽内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部と、酸生成槽内のｐＨを測定するｐＨ測定部と、酸化還元電位測定部から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽内の反応状態を評価する酸生成槽評価部とを備える、という手段を採用する。
【００１４】
二槽式メタン発酵装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸生成槽評価部は、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを記憶し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１５】
二槽式メタン発酵装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸生成槽の反応条件を規定する反応条件設定手段と、酸生成槽評価部の評価結果に基づいて反応条件設定手段を制御することにより酸生成槽の反応条件を調節する制御装置とを具備する、という手段を採用する。
【００１６】
また、本発明では、二槽式メタン発酵方法に係る第１の解決手段として、有機物から酸を生成する酸生成過程と該酸生成過程で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵方法であって、酸生成過程における酸化還元電位とｐＨをとを測定し、該測定によって得られたＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成過程の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１７】
二槽式メタン発酵方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め作成し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１８】
二槽式メタン発酵方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸生成過程の反応状態の評価結果に基づいて酸生成過程の反応条件を調節する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、酸生成過程の進行状態をリアルタイムで把握することが可能であると共に、酸生成過程の不調の予兆を容易に検知することができるので、酸生成過程の反応条件の適正化と維持管理とを容易に行うことが可能である。
また、検知した予兆に基づいて、それを回避する対策案を実施でき、酸生成過程を安定的に行うことが可能である。
この結果として、本発明によれば、高速かつ安定したメタン発酵処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置Ａのプロセス構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態における酸生成過程を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態における評価チャートの模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態における酸化還元電位の変動パターンの一例を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置Ｂのプロセス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】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
第１実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ａは、図１に示すように、原料貯留槽１、ｐＨ調整液貯留槽２、酸生成槽３、攪拌機４、酸化還元電位測定部５（以下、ＯＲＰ計５と略記する）、ｐＨ測定部６（以下、ｐＨ計６と略記する）、加熱装置７、保温装置８、演算装置９（酸生成槽評価部）、供給ポンプ１０、メタン発酵槽１１、調整液供給管１２、１３、調整バルブ１４、１５、原料供給管１６、信号線１７、１８、移送管１９、排気管２０、排出配管２１を備えている。
【００２２】
本二槽式メタン発酵装置Ａは、外部から供給された有機性の原料に嫌気性処理である酸生成処理及びメタン発酵処理を施すことによりメタンガスに分解するものである。すなわち、本二槽式メタン発酵装置Ａは、嫌気性雰囲気下でメタン発酵菌（メタン発酵に寄与する複数種の微生物の複合体）を作用させることにより有機性の原料をメタンガスに分解する装置である。なお、上記有機性の原料は、畜産糞尿などの畜産廃棄物、生ごみや下水汚泥などの有機性廃棄物、食品工場や製紙工場などから排出される有機性廃水等である。
【００２３】
原料貯留槽１は、上記有機性の原料を受け入れてスラリー状原料として貯留すると共に当該スラリー状原料を原料供給管１６を介して酸生成槽３に供給する。上記スラリー状原料は、上記有機性の原料を破砕・粉砕し、適度な水を添加することによりスラリー化し、またｐＨ調整液貯留槽２から供給されたｐＨ調整液によってｐＨが５〜７の範囲に調整された液状物である。原料貯留槽１は、このようなスラリー状原料を所定の供給速度で酸生成槽３に供給する。なお、このような原料貯留槽１は、有機性の原料が比較的細かいものであったり、柔らかいものである場合等には省略しても良い。
【００２４】
ｐＨ調整液貯留槽２は、水酸化ナトリウム水溶液などのｐＨ調整液を貯蔵するものであって、調整液供給管１２を介して原料貯留槽１に接続されると共に、調整液供給管１３を介して酸生成槽３に接続されている。各々の調整液供給管１２、１３には、調整バルブ１４、１５がそれぞれ備えられており、これら調整バルブ１４，１５の開閉によって、適量のｐＨ調整液が原料貯留槽１及び酸生成槽３に供給される。
【００２５】
酸生成槽３は、内部にメタン発酵菌を蓄えており、当該メタン発酵菌の作用によって上記原料貯留槽１から供給されたスラリー状原料に対して酸生成処理（酸生成過程）を行う反応槽である。すなわち、この酸生成槽３は、スラリー状原料にメタン発酵菌を作用させることにより、後続するメタン発酵過程の基質となる各種酸を生成するものである。この酸生成槽３における酸生成過程は、加水分解、酸発酵、酢酸発酵及び水素発酵の４つの反応過程からなる。
【００２６】
図２は、このような酸生成過程における各反応過程の進行状態を示している。この図２に示しているように、スラリー状原料に含まれるセルロースは、加水分解反応を経ることによってセロオリゴ糖（（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎ）からグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）に分解される。この加水分解反応で生成したグルコースは、酸発酵反応を経ることによって蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、プロピオン酸（Ｃ２Ｈ５ＣＯＯＨ）、酪酸（Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ）などの低級脂肪酸となる。この酸発酵反応で生成したプロピオン酸及び酪酸は、酢酸発酵反応を経ることによってそれぞれが酢酸とされる一方、水素発酵反応を経ることによって水素と二酸化炭素とに分解される。なお、このような酸生成過程の全体的な反応時間は、例えば２時間〜２日間程度である。
【００２７】
さらに詳細には、酸発酵反応は、以下の反応式（１）〜（４）で示される反応過程からなり、酢酸発酵反応は、以下の反応式（５）、（６）で示される反応過程からなり、また水素発酵反応は、以下の反応式（７）、（８）で示される反応過程からなる。図２における（１）〜（８）は、このような反応式（１）〜（８）に対応するものである。
【００２８】
【化１】
【００２９】
【化２】
【００３０】
【化３】
【００３１】
【化４】
【００３２】
【化５】
【００３３】
【化６】
【００３４】
【化７】
【００３５】
【化８】
【００３６】
酸生成槽３には、攪拌機４が備えられており、スラリー状原料を適宜攪拌し、上記の各反応を進行させる。この攪拌機４は、間欠攪拌または連続攪拌のいずれでもよく、その方式も特に限定されなく、パドル式攪拌機による間欠攪拌等を例示できる。また、酸生成槽３には、加熱装置７と保温装置８とが配設されており、これらによって酸生成槽３内の液温が上記各反応に適した温度（例えば２０〜４０℃）に維持されている。
【００３７】
また、酸生成槽３には、反応液の酸化還元電位（Oxidation Reduction Potential：以下、ＯＲＰと略記する）を測定するＯＲＰ計５と、水素イオン濃度（以下、ｐＨと略記する）を測定するｐＨ計６とが設置されている。酸生成槽３内における反応液のｐＨは、ｐＨ調整槽２から供給されるｐＨ調整液により概ね４〜６．５に調整される。
【００３８】
上記ＯＲＰ計５は、信号線１７によって演算装置９に接続され、酸生成槽３内の反応液に関するＯＲＰ測定値を演算装置９に出力する。ｐＨ計６は、信号線１８によって演算装置９に接続され、酸生成槽３内の反応液に関するｐＨ測定値を信号線１８を介して演算装置９に出力する。
【００３９】
演算装置９は、一種のコンピュータであり、所定の評価プログラムに従って上記ＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値を信号処理することにより酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を評価し、当該評価結果を酸生成過程評価情報として外部に出力する。詳細は後述するが、演算装置９は、酸生成槽３内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め記憶し、当該評価チャート上に上記ＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより、酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を評価する。
【００４０】
このような酸生成槽３は、供給ポンプ１０が配設された移送管１９を介してメタン発酵槽１１と接続されている。酸生成槽３内の反応液は、供給ポンプ１０の動力によって酸生成槽３から移送管１９を介してメタン発酵槽１１に移送される。
【００４１】
メタン発酵槽１１は、内部にメタン発酵菌を蓄えており、酸生成槽３から供給された反応液をさらに発酵させてメタンガスと二酸化炭素とに分解する。メタンガスは、排気管２０を介してメタン発酵槽１１から外部に排気され、有価物として利用される。また、二酸化炭素は、外部に排気される。一方、メタン発酵後の固形分は、消化汚泥として排出配管２１を介してメタン発酵槽１１の外部に排出される。
【００４２】
次に、このような二槽式メタン発酵装置Ａを用いたメタン発酵方法について、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。
【００４３】
本メタン発酵方法では、最初に、前工程として原料貯留槽１においてスラリー状原料を生成する。すなわち、原料貯留槽１に上述した有機性の原料を投入して細かく粉砕し、水及びｐＨ調整液を添加することによりスラリー状原料を生成する。上記ｐＨ調整液は、スラリー状原料のｐＨが５〜７程度となるように適量添加される。このようにして原料貯留槽１で生成されたスラリー状原料は、原料供給管１６を介して酸生成槽３に供給される。なお、このような前工程は、有機性の原料が比較的細かいものであったり、柔らかいものである場合には、割愛することができる。
【００４４】
続いて、酸生成過程として、スラリー状原料を酸生成槽３において低級脂肪酸に分解する。すなわち、攪拌機４によってスラリー状原料にメタン発酵菌を攪拌・混合させてスラリー状原料にメタン発酵菌を作用させることにより、上述した加水分解、酸発酵、酢酸発酵及び水素発酵の４つの反応過程を経て低級脂肪酸が生成される。そして、このような酸生成槽３の反応液は、供給ポンプ１０及び移送管１９を介してメタン発酵槽１１に供給される。
【００４５】
また、このような酸生成過程では、ｐＨ調整液貯留槽２から酸生成槽３にｐＨ調整液が供給されることにより、酸生成槽３内における反応液のｐＨが、酸生成過程が最も活発になる４〜６．５程度に調整される。また、この酸生成過程では、加熱装置７及び保温装置８によって、酸生成槽３内における反応液の温度が、酸生成過程が最も活発になる温度に設定される。
【００４６】
続いて、このような酸生成過程の反応液は、メタン発酵槽１１におけるメタン発酵過程を経ることによりメタンガスと消化汚泥等に分解される。すなわち、酸生成過程の反応液は、メタン発酵槽１１に充填されたメタン発酵菌の作用によってメタンガスと消化汚泥等に分解される。
【００４７】
ここで、上述した酸生成過程では、本メタン発酵方法の特徴的な処理として、酸生成過程の進行状態が評価される。すなわち、本二槽式メタン発酵装置Ａでは、酸生成槽３内における反応液のＯＲＰはＯＲＰ測定値としてＯＲＰ計５から演算装置９に順次出力され、また酸生成槽３内における反応液のｐＨはｐＨ測定値としてｐＨ計６から演算装置９に順次出力される。そして、演算装置９は、このようにして時系列的に順次入力されるＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値を評価チャートにマッピングすることにより、酸生成過程の進行状態を以下のように評価する。
【００４８】
図３は、上記評価チャートの模式図である。酸生成槽３では、上記反応式（１）〜（４）で表される４種の酸発酵反応と、上記反応式（５）と（７）で表される２種の酢酸発酵反応と、上記反応式（６）と（８）で表される２種の水素発酵反応とが起こるが、評価チャートは、これら反応式（１）〜（８）で示される各反応に関するＯＲＰとｐＨとの関係、つまり反応式（１）〜（８）で示される各反応におけるＯＲＰとｐＨとの関係を示す下記関係式（１´）〜（８´）によって与えられる値をプロットした特性図である。このような評価チャートは、酸生成槽３内における酸生成過程の化学平衡状態を示すものである。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
【数３】
【００５２】
【数４】
【００５３】
【数５】
【００５４】
【数６】
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
このような評価チャートから、上述した反応式（２）〜（４）で示される酸発酵反応のＯＲＰと、反応式（５）〜（８）で示される酢酸発酵反応及び水素発酵反応のＯＲＰとは大きく異なり、また酸発酵反応における各反応過程間でもＯＲＰが異なるので、このようなＯＲＰの違いに基づいて酸生成槽３内で進行している酸生成過程の進行状況の概要を知ることができる。
【００５８】
すなわち、蟻酸を生成する酸発酵反応を除外した酸発酵反応はＯＲＰが小さい（図３では上側になる）のに対して、蟻酸を生成する酸発酵反応と、酢酸発酵反応と、水素発酵反応のＯＲＰは大きい（図３では下側になる）。また、ＯＲＰが大きくなるに従って酸発酵反応の生成物がプロピオン酸、酪酸、酢酸に順次変化する。
【００５９】
この評価チャートは、酸生成槽３内で進行する各反応過程の熱力学的な平衡関係を示すものであり、進行中の反応過程を直接扱うものではないが、この評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより、少なくとも酸生成槽３内で進行する上記４つの反応過程（加水分解反応、酸発酵反応、酢酸発酵反応及び水素発酵反応）のうち、酸生成槽３内で何れの反応過程が主体となって進行しているかを把握することが可能である。
【００６０】
例えば、上記４つの反応過程に関するＯＲＰの領域は、以下の通りである。
（１） 加水分解反応：−１１００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ以下
（２） 酸発酵反応：−１１００〜―５００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（３） 酢酸発酵反応及び水素発酵反応：−５００〜０ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
【００６１】
また、本メタン発酵方法では、ＯＲＰに関連性を有するｐＨを測定するので、酸生成槽３内で何れの反応過程が主体となって進行しているかをより正確に把握することができる。例えば、ｐＨが４〜６の場合の各反応過程に対応するＯＲＰの領域は以下の通りである。図３では、下記（４）〜（６）の各領域を斜線部で示している。
（４） 加水分解反応：−１１５０〜―１３００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（５） 酸発酵反応：−５５０〜−１３００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（６） 酢酸発酵反応及び水素発酵反応：−２５０〜−３５０ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
なお、ＯＲＰの領域間に空白域があるが、これは各反応過程が同時に進行している状態を示している。
【００６２】
このような本実施形態によれば、酸生成槽３から試料サンプルを採取することなく、ＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽３内における酸生成過程の進行状態を把握することができる。したがって、酸生成槽３における酸生成が順調に進行しているか、あるいは何らかの原因によって不調な状態にあるのかを容易に把握することができる。
【００６３】
なお、時間の経過に従って、酸生成槽３内での主体となる反応過程が加水分解反応→酸発酵反応→酢酸発酵反応及び水素発酵反応の順で移行するので、これに伴って酸生成槽３のＯＲＰとｐＨは一定のパターンをもって変動する。このＯＲＰに関する変動パターンは、原料の種類、滞留時間などの運転条件の他、酸生成槽３の構造などによってそれぞれ異なるため正確なモデル化は困難であるが、酸生成槽３の運転条件が固有の条件に特定された場合には十分な確度の固有モデルを求めることが可能である。
【００６４】
したがって、上記固有モデルを加味した評価チャートにＯＲＰ測定値とｐＨ測定値を逐次マッピングすることによって、酸生成槽３が安定運転下にあるかどうかを判断することができる。また、ＯＲＰ測定値とｐＨ測定値が固有モデル（固有の変動パターン）から逸脱する傾向を示した場合には、酸生成槽３内における酸生成過程の不調の予兆として捉えることができる。
【００６５】
図４は、上記変動パターンの一例を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸はＯＲＰ測定値、横軸は時間である。このグラフが示すように、酸生成槽３にスラリー状原料を投入する前では、上記（３）に示された酢酸発酵反応及び水素発酵反応に対応するＯＲＰ測定値を示す。これに対して、スラリー状原料を酸生成槽３に供給すると、ＯＲＰ測定値は、一旦、低下した後に上昇傾向を示して、投入前のＯＲＰ測定値に近づく。
【００６６】
すなわち、原料投入を境にして、ＯＲＰ測定値は、（３）の酢酸発酵反応及び水素発酵反応を示す領域値から、（２）の領域を瞬時に経過して（１）の加水分解反応の領域値、（２）の酸発酵反応の領域値を経て、投入前の（３）の酢酸発酵反応及び水素発酵反応の領域値に移行する。したがって、原料投入に同期してＯＲＰとｐＨとを測定し、このＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とを変動パターンに対応する評価チャートにマッピングすることにより、酸生成槽３が安定的に運転されているか否かを把握することができる。
【００６７】
以上のように、本第１実施形態によれば、酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を把握し、酸の生成状態をリアルタイムで確認することができる。また、酸生成槽３毎に固有のＯＲＰの変動パターンに対応する評価チャートにＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とをマッピングすることにより、酸生成槽３の運転不調の予兆を捉えることができる。そして、この結果として、酸生成過程の反応条件の適正化を容易に行うことが可能であると共に、適正化された反応条件の維持管理を容易に行うことができる。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。
第２実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ｂは、図５に示すように、上述した第１実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ａとの対比において、制御装置２２を備える点で相違する。図５では、図１と同一の構成要素については同一の符号を付している。
【００６９】
制御装置２２は、信号線２３によって演算装置９と接続され、信号線２４によってｐＨ調整液貯留槽２と接続され、信号線２５によって攪拌機４と接続され、また信号線２６によって加熱装置７と接続されている。このような制御装置２２は、信号線２３を介して演算装置９から入力される酸生成過程評価情報に基づいてｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７を制御することにより、酸生成槽３における酸生成過程の反応条件、つまりｐＨ、攪拌速度及び温度を調節する。なお、制御装置２２の制御対象物であるｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７は、本第２実施形態における反応条件設定手段を構成する。
【００７０】
このような本実施形態によれば、酸生成過程の反応状態に応じて酸生成過程の反応条件を最適設定することが可能であり、よって酸生成過程の不調状態の招来を防止して安定したメタン発酵処理、つまりメタンガスを安定して発生させることが可能である。
【００７１】
なお、本第２実施形態では、ｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７を反応条件設定手段としたが、これらの何れか１つあるいは２つを反応条件設定手段としても良い。また、必要に応じてｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７に加えて他の反応条件を規定する装置を反応条件設定手段としても良い。
【符号の説明】
【００７２】
Ａ、Ｂ…メタン発酵装置、１…原料貯留槽、２…ｐＨ調整液貯留槽、３…酸生成槽、４…攪拌機、５…ＯＲＰ計（酸化還元電位測定部）、６…ｐＨ計（ｐＨ測定部）、７…加熱装置、８…保温装置、９…演算装置（酸生成槽評価部）、１０…供給ポンプ、１１…メタン発酵槽、１２、１３…調整液供給管、１４、１５…調整バルブ、１６…原料供給管、１７、１８、２３、２４、２５、２６…信号線、１９…移送管、２０…排気管、２１…排出配管、２２…制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸生成過程とメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排水や廃棄物の処理としては、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。特にメタン発酵処理は、非特許文献１に記載の通り、ビール、食品などの溶解性有機物を含む排水処理には、広く用いられるようになってきた。さらに近年では、生ごみ、畜産糞尿などの固形の有機廃棄物にも適用されるようになってきた。
【０００３】
メタン発酵処理は、一般に、原料となる有機物の加水分解過程、酸生成過程及びメタン発酵過程との３つの反応過程からなる。これら反応過程のうち、加水分解過程は、有機物を加水分解してグルコースを生成する反応であり、酸生成過程及びメタン発酵過程は、嫌気性処理であり、メタン発酵に寄与する複数種の微生物の複合体（一般にメタン発酵菌と称する）による微生物反応である。酸生成過程は、さらに下記の３つの反応過程からなる。すなわち、グルコースから蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの低級脂肪酸を生成する酸発酵過程と、プロピオン酸または酪酸から酢酸を生成する酢酸発酵過程と、プロピオン酸または酪酸から水素を生成する水素発酵過程である。メタン発酵過程は、このような酸生成過程で生成された低級脂肪酸をメタンガスと二酸化炭素とに分解するものである。
【０００４】
このようなメタン発酵処理を行うメタン発酵装置には、上記酸生成過程とメタン発酵過程とを単一の反応槽で行う一槽式（一相式）のメタン発酵装置と、両者を個別の反応槽で行う二槽式（二相式）のメタン発酵装置とがあり、従来では一槽式メタン発酵装置が主流であった。しかしながら、一槽式メタン発酵装置は単一の反応槽で酸生成過程とメタン発酵過程とを同時に進行させるので、複数種の微生物をバランスよく共存させる必要があり、槽内環境の適正化とその維持管理が困難であるという問題がある。これに対して二槽式メタン発酵装置は、各反応槽をより最適な条件で運転することができるため、維持管理が容易である上に、メタン発酵処理の高速化が図れるというメリットがある。
【０００５】
ところで、一槽式、二槽式のいずれのメタン発酵装置であっても、その不調の一因は、メタン発酵過程の環境が一定に維持できないためであり、発酵環境の適正化と維持に関しては、既に種々の提案が成されている。
例えば、特許文献１には、有機性排液をＡ２Ｏ法で処理した際に発生する余剰汚泥を減容化する方法が開示されている。そして、活性汚泥処理水中から余剰汚泥を分離して、その中から嫌気性汚泥を選択的に分離する際に、その嫌気度を酸化還元電位で識別することと、酸化還元電位によって嫌気度が規定された余剰汚泥を用いることにより、メタン発酵過程を適正環境下で行えることが、記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、有機性排水のメタン発酵と脱窒処理とを同一の嫌気性消化処理槽内で行う方法と装置とが開示されており、消化処理槽内が一定の嫌気度になるように制御する際の指標として、酸化還元電位を使用することが記載されている。さらに、消化処理槽の前段に、酸生成槽を設けた二槽式の発酵処理設備についての記載がある。
【０００７】
これら特許文献１あるいは特許文献２に記載された装置及び方法は、メタン発酵過程を適正環境で行えるように、メタン発酵過程へ投入する被処理物の嫌気度を限定し、嫌気度の指標として酸化還元電位を用いるものである。なお、反応槽内の環境の適正化と維持には、被処理物の供給方法、温度、ｐＨ、攪拌条件、滞留時間の他、嫌気度の管理が有効であることが一般的に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２３９５１０号公報
【特許文献２】特開２００９−０３９６４３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R.E.Speece原著、産業廃水処理のための嫌気性バイオテクノロジー、技術堂出版、１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述したようにメタン発酵過程については種々の提案が成されているが、酸生成過程を行なう反応槽及びその運転方法については考慮されることはなく、ｐＨと温度の管理と間欠的な攪拌が行われているに過ぎないのが現状である。特に、反応槽における酸生成過程が順調に進行しているかの評価は殆ど行われず、酸発酵、酢酸発酵、水素発酵のうちのどの発酵が現時点で進行しているかについて顧られることもなかった。
【００１１】
このような状況は、酸の生成確認には、反応槽の内容物の採取に続いて、精密な化学機器分析を行う必要があるためである。また、反応状況を把握するためには、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの低級脂肪酸を個別に測定する必要があり、分析費用が高くなるという問題がある上に、事後分析とならざるを得ない。このため、上述した従来技術には、反応槽内で同時進行している複数の発酵をリアルタイムで把握することができなく、酸生成過程が不調になる予兆を確認できないという問題点がある。
【００１２】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、酸生成過程の進行状態をリアルタイムで把握することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明では、二槽式メタン発酵装置に係る第１の解決手段として、有機物から酸を生成する酸生成槽と該酸生成槽で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽とからなる二槽式メタン発酵装置であって、酸生成槽内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部と、酸生成槽内のｐＨを測定するｐＨ測定部と、酸化還元電位測定部から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽内の反応状態を評価する酸生成槽評価部とを備える、という手段を採用する。
【００１４】
二槽式メタン発酵装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸生成槽評価部は、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを記憶し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１５】
二槽式メタン発酵装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸生成槽の反応条件を規定する反応条件設定手段と、酸生成槽評価部の評価結果に基づいて反応条件設定手段を制御することにより酸生成槽の反応条件を調節する制御装置とを具備する、という手段を採用する。
【００１６】
また、本発明では、二槽式メタン発酵方法に係る第１の解決手段として、有機物から酸を生成する酸生成過程と該酸生成過程で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵方法であって、酸生成過程における酸化還元電位とｐＨをとを測定し、該測定によって得られたＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成過程の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１７】
二槽式メタン発酵方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め作成し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価する、という手段を採用する。
【００１８】
二槽式メタン発酵方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、酸生成過程の反応状態の評価結果に基づいて酸生成過程の反応条件を調節する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、酸生成過程の進行状態をリアルタイムで把握することが可能であると共に、酸生成過程の不調の予兆を容易に検知することができるので、酸生成過程の反応条件の適正化と維持管理とを容易に行うことが可能である。
また、検知した予兆に基づいて、それを回避する対策案を実施でき、酸生成過程を安定的に行うことが可能である。
この結果として、本発明によれば、高速かつ安定したメタン発酵処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置Ａのプロセス構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態における酸生成過程を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態における評価チャートの模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態における酸化還元電位の変動パターンの一例を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置Ｂのプロセス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】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
第１実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ａは、図１に示すように、原料貯留槽１、ｐＨ調整液貯留槽２、酸生成槽３、攪拌機４、酸化還元電位測定部５（以下、ＯＲＰ計５と略記する）、ｐＨ測定部６（以下、ｐＨ計６と略記する）、加熱装置７、保温装置８、演算装置９（酸生成槽評価部）、供給ポンプ１０、メタン発酵槽１１、調整液供給管１２、１３、調整バルブ１４、１５、原料供給管１６、信号線１７、１８、移送管１９、排気管２０、排出配管２１を備えている。
【００２２】
本二槽式メタン発酵装置Ａは、外部から供給された有機性の原料に嫌気性処理である酸生成処理及びメタン発酵処理を施すことによりメタンガスに分解するものである。すなわち、本二槽式メタン発酵装置Ａは、嫌気性雰囲気下でメタン発酵菌（メタン発酵に寄与する複数種の微生物の複合体）を作用させることにより有機性の原料をメタンガスに分解する装置である。なお、上記有機性の原料は、畜産糞尿などの畜産廃棄物、生ごみや下水汚泥などの有機性廃棄物、食品工場や製紙工場などから排出される有機性廃水等である。
【００２３】
原料貯留槽１は、上記有機性の原料を受け入れてスラリー状原料として貯留すると共に当該スラリー状原料を原料供給管１６を介して酸生成槽３に供給する。上記スラリー状原料は、上記有機性の原料を破砕・粉砕し、適度な水を添加することによりスラリー化し、またｐＨ調整液貯留槽２から供給されたｐＨ調整液によってｐＨが５〜７の範囲に調整された液状物である。原料貯留槽１は、このようなスラリー状原料を所定の供給速度で酸生成槽３に供給する。なお、このような原料貯留槽１は、有機性の原料が比較的細かいものであったり、柔らかいものである場合等には省略しても良い。
【００２４】
ｐＨ調整液貯留槽２は、水酸化ナトリウム水溶液などのｐＨ調整液を貯蔵するものであって、調整液供給管１２を介して原料貯留槽１に接続されると共に、調整液供給管１３を介して酸生成槽３に接続されている。各々の調整液供給管１２、１３には、調整バルブ１４、１５がそれぞれ備えられており、これら調整バルブ１４，１５の開閉によって、適量のｐＨ調整液が原料貯留槽１及び酸生成槽３に供給される。
【００２５】
酸生成槽３は、内部にメタン発酵菌を蓄えており、当該メタン発酵菌の作用によって上記原料貯留槽１から供給されたスラリー状原料に対して酸生成処理（酸生成過程）を行う反応槽である。すなわち、この酸生成槽３は、スラリー状原料にメタン発酵菌を作用させることにより、後続するメタン発酵過程の基質となる各種酸を生成するものである。この酸生成槽３における酸生成過程は、加水分解、酸発酵、酢酸発酵及び水素発酵の４つの反応過程からなる。
【００２６】
図２は、このような酸生成過程における各反応過程の進行状態を示している。この図２に示しているように、スラリー状原料に含まれるセルロースは、加水分解反応を経ることによってセロオリゴ糖（（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎ）からグルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）に分解される。この加水分解反応で生成したグルコースは、酸発酵反応を経ることによって蟻酸（ＨＣＯＯＨ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、プロピオン酸（Ｃ２Ｈ５ＣＯＯＨ）、酪酸（Ｃ３Ｈ７ＣＯＯＨ）などの低級脂肪酸となる。この酸発酵反応で生成したプロピオン酸及び酪酸は、酢酸発酵反応を経ることによってそれぞれが酢酸とされる一方、水素発酵反応を経ることによって水素と二酸化炭素とに分解される。なお、このような酸生成過程の全体的な反応時間は、例えば２時間〜２日間程度である。
【００２７】
さらに詳細には、酸発酵反応は、以下の反応式（１）〜（４）で示される反応過程からなり、酢酸発酵反応は、以下の反応式（５）、（６）で示される反応過程からなり、また水素発酵反応は、以下の反応式（７）、（８）で示される反応過程からなる。図２における（１）〜（８）は、このような反応式（１）〜（８）に対応するものである。
【００２８】
【化１】
【００２９】
【化２】
【００３０】
【化３】
【００３１】
【化４】
【００３２】
【化５】
【００３３】
【化６】
【００３４】
【化７】
【００３５】
【化８】
【００３６】
酸生成槽３には、攪拌機４が備えられており、スラリー状原料を適宜攪拌し、上記の各反応を進行させる。この攪拌機４は、間欠攪拌または連続攪拌のいずれでもよく、その方式も特に限定されなく、パドル式攪拌機による間欠攪拌等を例示できる。また、酸生成槽３には、加熱装置７と保温装置８とが配設されており、これらによって酸生成槽３内の液温が上記各反応に適した温度（例えば２０〜４０℃）に維持されている。
【００３７】
また、酸生成槽３には、反応液の酸化還元電位（Oxidation Reduction Potential：以下、ＯＲＰと略記する）を測定するＯＲＰ計５と、水素イオン濃度（以下、ｐＨと略記する）を測定するｐＨ計６とが設置されている。酸生成槽３内における反応液のｐＨは、ｐＨ調整槽２から供給されるｐＨ調整液により概ね４〜６．５に調整される。
【００３８】
上記ＯＲＰ計５は、信号線１７によって演算装置９に接続され、酸生成槽３内の反応液に関するＯＲＰ測定値を演算装置９に出力する。ｐＨ計６は、信号線１８によって演算装置９に接続され、酸生成槽３内の反応液に関するｐＨ測定値を信号線１８を介して演算装置９に出力する。
【００３９】
演算装置９は、一種のコンピュータであり、所定の評価プログラムに従って上記ＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値を信号処理することにより酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を評価し、当該評価結果を酸生成過程評価情報として外部に出力する。詳細は後述するが、演算装置９は、酸生成槽３内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め記憶し、当該評価チャート上に上記ＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより、酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を評価する。
【００４０】
このような酸生成槽３は、供給ポンプ１０が配設された移送管１９を介してメタン発酵槽１１と接続されている。酸生成槽３内の反応液は、供給ポンプ１０の動力によって酸生成槽３から移送管１９を介してメタン発酵槽１１に移送される。
【００４１】
メタン発酵槽１１は、内部にメタン発酵菌を蓄えており、酸生成槽３から供給された反応液をさらに発酵させてメタンガスと二酸化炭素とに分解する。メタンガスは、排気管２０を介してメタン発酵槽１１から外部に排気され、有価物として利用される。また、二酸化炭素は、外部に排気される。一方、メタン発酵後の固形分は、消化汚泥として排出配管２１を介してメタン発酵槽１１の外部に排出される。
【００４２】
次に、このような二槽式メタン発酵装置Ａを用いたメタン発酵方法について、図３及び図４をも参照して詳しく説明する。
【００４３】
本メタン発酵方法では、最初に、前工程として原料貯留槽１においてスラリー状原料を生成する。すなわち、原料貯留槽１に上述した有機性の原料を投入して細かく粉砕し、水及びｐＨ調整液を添加することによりスラリー状原料を生成する。上記ｐＨ調整液は、スラリー状原料のｐＨが５〜７程度となるように適量添加される。このようにして原料貯留槽１で生成されたスラリー状原料は、原料供給管１６を介して酸生成槽３に供給される。なお、このような前工程は、有機性の原料が比較的細かいものであったり、柔らかいものである場合には、割愛することができる。
【００４４】
続いて、酸生成過程として、スラリー状原料を酸生成槽３において低級脂肪酸に分解する。すなわち、攪拌機４によってスラリー状原料にメタン発酵菌を攪拌・混合させてスラリー状原料にメタン発酵菌を作用させることにより、上述した加水分解、酸発酵、酢酸発酵及び水素発酵の４つの反応過程を経て低級脂肪酸が生成される。そして、このような酸生成槽３の反応液は、供給ポンプ１０及び移送管１９を介してメタン発酵槽１１に供給される。
【００４５】
また、このような酸生成過程では、ｐＨ調整液貯留槽２から酸生成槽３にｐＨ調整液が供給されることにより、酸生成槽３内における反応液のｐＨが、酸生成過程が最も活発になる４〜６．５程度に調整される。また、この酸生成過程では、加熱装置７及び保温装置８によって、酸生成槽３内における反応液の温度が、酸生成過程が最も活発になる温度に設定される。
【００４６】
続いて、このような酸生成過程の反応液は、メタン発酵槽１１におけるメタン発酵過程を経ることによりメタンガスと消化汚泥等に分解される。すなわち、酸生成過程の反応液は、メタン発酵槽１１に充填されたメタン発酵菌の作用によってメタンガスと消化汚泥等に分解される。
【００４７】
ここで、上述した酸生成過程では、本メタン発酵方法の特徴的な処理として、酸生成過程の進行状態が評価される。すなわち、本二槽式メタン発酵装置Ａでは、酸生成槽３内における反応液のＯＲＰはＯＲＰ測定値としてＯＲＰ計５から演算装置９に順次出力され、また酸生成槽３内における反応液のｐＨはｐＨ測定値としてｐＨ計６から演算装置９に順次出力される。そして、演算装置９は、このようにして時系列的に順次入力されるＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値を評価チャートにマッピングすることにより、酸生成過程の進行状態を以下のように評価する。
【００４８】
図３は、上記評価チャートの模式図である。酸生成槽３では、上記反応式（１）〜（４）で表される４種の酸発酵反応と、上記反応式（５）と（７）で表される２種の酢酸発酵反応と、上記反応式（６）と（８）で表される２種の水素発酵反応とが起こるが、評価チャートは、これら反応式（１）〜（８）で示される各反応に関するＯＲＰとｐＨとの関係、つまり反応式（１）〜（８）で示される各反応におけるＯＲＰとｐＨとの関係を示す下記関係式（１´）〜（８´）によって与えられる値をプロットした特性図である。このような評価チャートは、酸生成槽３内における酸生成過程の化学平衡状態を示すものである。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
【数３】
【００５２】
【数４】
【００５３】
【数５】
【００５４】
【数６】
【００５５】
【数７】
【００５６】
【数８】
【００５７】
このような評価チャートから、上述した反応式（２）〜（４）で示される酸発酵反応のＯＲＰと、反応式（５）〜（８）で示される酢酸発酵反応及び水素発酵反応のＯＲＰとは大きく異なり、また酸発酵反応における各反応過程間でもＯＲＰが異なるので、このようなＯＲＰの違いに基づいて酸生成槽３内で進行している酸生成過程の進行状況の概要を知ることができる。
【００５８】
すなわち、蟻酸を生成する酸発酵反応を除外した酸発酵反応はＯＲＰが小さい（図３では上側になる）のに対して、蟻酸を生成する酸発酵反応と、酢酸発酵反応と、水素発酵反応のＯＲＰは大きい（図３では下側になる）。また、ＯＲＰが大きくなるに従って酸発酵反応の生成物がプロピオン酸、酪酸、酢酸に順次変化する。
【００５９】
この評価チャートは、酸生成槽３内で進行する各反応過程の熱力学的な平衡関係を示すものであり、進行中の反応過程を直接扱うものではないが、この評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより、少なくとも酸生成槽３内で進行する上記４つの反応過程（加水分解反応、酸発酵反応、酢酸発酵反応及び水素発酵反応）のうち、酸生成槽３内で何れの反応過程が主体となって進行しているかを把握することが可能である。
【００６０】
例えば、上記４つの反応過程に関するＯＲＰの領域は、以下の通りである。
（１） 加水分解反応：−１１００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ以下
（２） 酸発酵反応：−１１００〜―５００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（３） 酢酸発酵反応及び水素発酵反応：−５００〜０ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
【００６１】
また、本メタン発酵方法では、ＯＲＰに関連性を有するｐＨを測定するので、酸生成槽３内で何れの反応過程が主体となって進行しているかをより正確に把握することができる。例えば、ｐＨが４〜６の場合の各反応過程に対応するＯＲＰの領域は以下の通りである。図３では、下記（４）〜（６）の各領域を斜線部で示している。
（４） 加水分解反応：−１１５０〜―１３００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（５） 酸発酵反応：−５５０〜−１３００ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
（６） 酢酸発酵反応及び水素発酵反応：−２５０〜−３５０ｍＶｖｓ.ＳＨＥ
なお、ＯＲＰの領域間に空白域があるが、これは各反応過程が同時に進行している状態を示している。
【００６２】
このような本実施形態によれば、酸生成槽３から試料サンプルを採取することなく、ＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽３内における酸生成過程の進行状態を把握することができる。したがって、酸生成槽３における酸生成が順調に進行しているか、あるいは何らかの原因によって不調な状態にあるのかを容易に把握することができる。
【００６３】
なお、時間の経過に従って、酸生成槽３内での主体となる反応過程が加水分解反応→酸発酵反応→酢酸発酵反応及び水素発酵反応の順で移行するので、これに伴って酸生成槽３のＯＲＰとｐＨは一定のパターンをもって変動する。このＯＲＰに関する変動パターンは、原料の種類、滞留時間などの運転条件の他、酸生成槽３の構造などによってそれぞれ異なるため正確なモデル化は困難であるが、酸生成槽３の運転条件が固有の条件に特定された場合には十分な確度の固有モデルを求めることが可能である。
【００６４】
したがって、上記固有モデルを加味した評価チャートにＯＲＰ測定値とｐＨ測定値を逐次マッピングすることによって、酸生成槽３が安定運転下にあるかどうかを判断することができる。また、ＯＲＰ測定値とｐＨ測定値が固有モデル（固有の変動パターン）から逸脱する傾向を示した場合には、酸生成槽３内における酸生成過程の不調の予兆として捉えることができる。
【００６５】
図４は、上記変動パターンの一例を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸はＯＲＰ測定値、横軸は時間である。このグラフが示すように、酸生成槽３にスラリー状原料を投入する前では、上記（３）に示された酢酸発酵反応及び水素発酵反応に対応するＯＲＰ測定値を示す。これに対して、スラリー状原料を酸生成槽３に供給すると、ＯＲＰ測定値は、一旦、低下した後に上昇傾向を示して、投入前のＯＲＰ測定値に近づく。
【００６６】
すなわち、原料投入を境にして、ＯＲＰ測定値は、（３）の酢酸発酵反応及び水素発酵反応を示す領域値から、（２）の領域を瞬時に経過して（１）の加水分解反応の領域値、（２）の酸発酵反応の領域値を経て、投入前の（３）の酢酸発酵反応及び水素発酵反応の領域値に移行する。したがって、原料投入に同期してＯＲＰとｐＨとを測定し、このＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とを変動パターンに対応する評価チャートにマッピングすることにより、酸生成槽３が安定的に運転されているか否かを把握することができる。
【００６７】
以上のように、本第１実施形態によれば、酸生成槽３における酸生成過程の進行状態を把握し、酸の生成状態をリアルタイムで確認することができる。また、酸生成槽３毎に固有のＯＲＰの変動パターンに対応する評価チャートにＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とをマッピングすることにより、酸生成槽３の運転不調の予兆を捉えることができる。そして、この結果として、酸生成過程の反応条件の適正化を容易に行うことが可能であると共に、適正化された反応条件の維持管理を容易に行うことができる。
【００６８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。
第２実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ｂは、図５に示すように、上述した第１実施形態に係る二槽式メタン発酵装置Ａとの対比において、制御装置２２を備える点で相違する。図５では、図１と同一の構成要素については同一の符号を付している。
【００６９】
制御装置２２は、信号線２３によって演算装置９と接続され、信号線２４によってｐＨ調整液貯留槽２と接続され、信号線２５によって攪拌機４と接続され、また信号線２６によって加熱装置７と接続されている。このような制御装置２２は、信号線２３を介して演算装置９から入力される酸生成過程評価情報に基づいてｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７を制御することにより、酸生成槽３における酸生成過程の反応条件、つまりｐＨ、攪拌速度及び温度を調節する。なお、制御装置２２の制御対象物であるｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７は、本第２実施形態における反応条件設定手段を構成する。
【００７０】
このような本実施形態によれば、酸生成過程の反応状態に応じて酸生成過程の反応条件を最適設定することが可能であり、よって酸生成過程の不調状態の招来を防止して安定したメタン発酵処理、つまりメタンガスを安定して発生させることが可能である。
【００７１】
なお、本第２実施形態では、ｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７を反応条件設定手段としたが、これらの何れか１つあるいは２つを反応条件設定手段としても良い。また、必要に応じてｐＨ調整液貯留槽２、攪拌機４及び加熱装置７に加えて他の反応条件を規定する装置を反応条件設定手段としても良い。
【符号の説明】
【００７２】
Ａ、Ｂ…メタン発酵装置、１…原料貯留槽、２…ｐＨ調整液貯留槽、３…酸生成槽、４…攪拌機、５…ＯＲＰ計（酸化還元電位測定部）、６…ｐＨ計（ｐＨ測定部）、７…加熱装置、８…保温装置、９…演算装置（酸生成槽評価部）、１０…供給ポンプ、１１…メタン発酵槽、１２、１３…調整液供給管、１４、１５…調整バルブ、１６…原料供給管、１７、１８、２３、２４、２５、２６…信号線、１９…移送管、２０…排気管、２１…排出配管、２２…制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物から酸を生成する酸生成槽と該酸生成槽で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽とからなる二槽式メタン発酵装置であって、
酸生成槽内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部と、
酸生成槽内のｐＨを測定するｐＨ測定部と、
酸化還元電位測定部から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽内の反応状態を評価する酸生成槽評価部と
を備えることを特徴とする二槽式メタン発酵装置。
【請求項２】
酸生成槽評価部は、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを記憶し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価することを特徴とする請求項１記載の二槽式メタン発酵装置。
【請求項３】
酸生成槽の反応条件を規定する反応条件設定手段と、
酸生成槽評価部の評価結果に基づいて反応条件設定手段を制御することにより酸生成槽の反応条件を調節する制御装置と
を具備することを特徴とする請求項１または２記載の二槽式メタン発酵装置。
【請求項４】
有機物から酸を生成する酸生成過程と該酸生成過程で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵方法であって、
酸生成過程における酸化還元電位とｐＨをとを測定し、該測定によって得られたＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成過程の反応状態を評価することを特徴とする二槽式メタン発酵方法。
【請求項５】
酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め作成し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価することを特徴とする請求項４記載の二槽式メタン発酵方法。
【請求項６】
酸生成過程の反応状態の評価結果に基づいて酸生成過程の反応条件を調節することを特徴とする請求項４または５記載の二槽式メタン発酵方法。
【請求項１】
有機物から酸を生成する酸生成槽と該酸生成槽で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵槽とからなる二槽式メタン発酵装置であって、
酸生成槽内の酸化還元電位を測定する酸化還元電位測定部と、
酸生成槽内のｐＨを測定するｐＨ測定部と、
酸化還元電位測定部から入力されるＯＲＰ測定値とｐＨ測定部から入力されるｐＨ測定値とに基づいて酸生成槽内の反応状態を評価する酸生成槽評価部と
を備えることを特徴とする二槽式メタン発酵装置。
【請求項２】
酸生成槽評価部は、酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを記憶し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価することを特徴とする請求項１記載の二槽式メタン発酵装置。
【請求項３】
酸生成槽の反応条件を規定する反応条件設定手段と、
酸生成槽評価部の評価結果に基づいて反応条件設定手段を制御することにより酸生成槽の反応条件を調節する制御装置と
を具備することを特徴とする請求項１または２記載の二槽式メタン発酵装置。
【請求項４】
有機物から酸を生成する酸生成過程と該酸生成過程で生成された酸をメタン発酵させるメタン発酵過程とを個別の反応槽で行う二槽式メタン発酵方法であって、
酸生成過程における酸化還元電位とｐＨをとを測定し、該測定によって得られたＯＲＰ測定値とｐＨ測定値とに基づいて酸生成過程の反応状態を評価することを特徴とする二槽式メタン発酵方法。
【請求項５】
酸生成槽内で進行する各反応過程に関する酸化還元電位とｐＨとの関係を示す評価チャートを予め作成し、当該評価チャート上にＯＲＰ測定値及びｐＨ測定値をマッピングすることにより酸生成槽内の反応状態を評価することを特徴とする請求項４記載の二槽式メタン発酵方法。
【請求項６】
酸生成過程の反応状態の評価結果に基づいて酸生成過程の反応条件を調節することを特徴とする請求項４または５記載の二槽式メタン発酵方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１５７２１（Ｐ２０１１−１１５７２１Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５５７６（Ｐ２００９−２７５５７６）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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