有機性廃棄物の処理方法
【課題】 有機性廃棄物及び又は廃水を対象とした嫌気性消化法において、効率よく固定化微生物と有機物を接触させ、ガス化効率を向上させる方法を提供する。
【解決手段】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させたポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【解決手段】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させたポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭・レストラン・工場・下水処理場等から排出される有機性廃棄物や廃水を、直接、嫌気性消化槽を用い嫌気的に発酵させることにより、廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ等有機性廃棄物の処理方法として、嫌気性消化が注目されるようになっている。しかし、従来の嫌気性消化法では、有機物分解速度、消化ガス生成速度は十分に高くないという問題点があり、そのため、ある程度大きな消化槽を用意する必要があった。分解速度が速くなれば、消化槽がよりコンパクトにでき、経済性・エネルギー収支等の改善が実現できる。
【０００３】
これらの問題点を解消するために、活性汚泥方式で発生する汚泥の余剰部分を、高温嫌気性消化処理し、該処理液を固液分離膜に通して循環させ、該分離膜を通して水分を抜き取ることを特徴とする有機性汚泥の処理方法が提案されているが（特許文献１）、この方法は、従来の高温型嫌気性消化法であり、十分に消化効率が上がらないという問題があった。
【０００４】
嫌気性消化槽内に微生物の住処となる担体を具備することにより、分解に関わる微生物を高濃度に槽内に維持し、分解・ガス化効率を図る固定化法が検討されている。
UASB法といわれる微生物が自己凝集したグラニュールを用い、消化槽内の微生物濃度を高める方法が検討・実用化されているが（特許文献２）、この方法は固形分をあまり分解できないので、もっぱら懸濁固形分の少ない有機性廃水の処理に利用されており、固形分を含有する有機性廃棄物や廃水の嫌気性処理には不向きである。
【０００５】
多孔質セラミック顆粒担体を用いた固定化嫌気性消化法が報告されているが（特許文献３）、本法はセラミック顆粒に貫通孔を設け数珠状に固定化して使用するため、装置が複雑で施工が難しく、槽内の担体容積が少ないため分解効率がさほど上昇しないという問題は残る。
【０００６】
また、流動性の0.5〜6 mmの粒状有機ゲル微粒子を微生物固定化担体として用いる方法が報告されているが（特許文献４）、流動性の微粒子を製造することや消化槽内に維持することが難しく、経済性や操作性に問題がある。
【０００７】
有機性汚泥の嫌気性及び又は好気性前分解処理として、有機性汚泥を予め回転円盤法により前分解処理する方法が報告されているが（特許文献５）、本法は好気性微生物を固定化した回転円盤を用いる酸素の存在する前分解に関する方法であり、嫌気性消化の効率を改善する方法ではない。
【０００８】
【特許文献１】特開平０７−１４８５００号公報
【特許文献２】特開平１１−３１９７８２号公報
【特許文献３】特開平０９−０３８６８６号公報
【特許文献４】特開２００３−０６２５９４号公報
【特許文献５】特願２００２−１１２４８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、有機性廃棄物からなる被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、嫌気性処理する方法において、消化槽内に効率よく嫌気性微生物を維持し、有機性廃棄物を嫌気性消化により効率よく分解・ガス化し、メタンの生成効率を高めて消化速度を向上させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、
本発明は、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させた炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれるポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
また、本発明においては、ポーラスな材料が炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる材料であり、回転させる担体を円盤型とすることができる。
さらに、本発明においては、 回転担体の一部が嫌気性消化槽内の気相に接触させることができる。
また、本発明においては、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、直接、嫌気性処理消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該被処理物を回転担体と接触させ嫌気的に消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことができる。
またさらに、この場合の本発明においては、（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を取り出して、燃料の原料として用いることができる。
さらに、（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料として用いるもできる。
本発明は別の角度からみれば、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する嫌気性消化装置であって、該嫌気性消化装置の内部にポーラスな材料で作成した回転担体が収容されていることを特徴とする嫌気性消化装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、分解消化に関わる微生物が効率よく回転担体に固定化され、担体が回転することにより分解対象物と効率よく接触するので、分解消化が効率よく進む。結果として、有機物の分解速度が速く、メタンガスがより迅速に発生する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最大の特徴は、従来の固定化様式が固定床または流動床ではなく、担体そのものが回転し、有機物の分解に係わる担体上の固定化微生物と分解の対象となる有機物が効率よく接触できる点にある。
固定化微生物と原料の有機物が効率よく撹拌され接触するので、分解消化・ガス化が効率よく安定してすすむ。
本発明で用いる回転担体を構成するポーラスな材料は、炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる。
炭素繊維、ポリウレタン、セラミックとしては、表面がポーラスなものであればどのようなものでも良く、それぞれ、市販のものが広く用いることができる。
たとえば、炭素繊維の一例を挙げると、孔隙率92.2%、比表面積0.70g/cm3、比重0.11g/cm3 である。耐久性に優れている材料である。
【００１３】
本発明でいう、嫌気性消化には、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物からメタンと二酸化炭素を生成させる方法と、嫌気性消化処理とは、20〜70℃、好ましくは30〜60℃で行う嫌気性消化処理の両消化法が包含される。この嫌気性消化処理は、35〜37℃で行われる中温消化法でも、55℃で行われる高温消化法であってもよい。
また、本発明の嫌気性消化装置においては、固定化微生物を利用し、原料の水分含量を80%以上に調整して消化を行う湿式消化方法を採用することが好ましい。
【００１４】
また、本明細書で言う回転担体とは、消化微生物を固定化する担体が自ら回転する方法を意味する。回転担体の形状は通常円盤形で、担体の回転速度は、望ましくは1〜100 rpmである。回転担体により嫌気性消化槽内は撹拌されるが、別途回転翼や循環ポンプにより、槽内の撹拌を補助しても良い。
【００１５】
また、本明細書で言う酸発酵性微生物とは、嫌気性消化において有機酸等を生成する微生物を意味し、Bacteroides sp.、Clostridium sp.、Bacillus sp.、Lactobacillus sp.等があげられる。メタン発酵性微生物とは、嫌気性消化においてメタンを生成する微生物を意味し、Methanobacterium sp., Methanothermobacter sp., Methanosarcina sp.、Methanosaeta sp.等があげられる。両者とも従来よく知られているものである。
【００１６】
本発明の処理対象となる有機性廃棄物には、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残滓や排水および発酵工場等で排出される発酵残滓や排水、下水処理場・食品工場・浄化槽等で廃水処理後排出される有機性汚泥一般、落ち葉や剪定枝なその植物性バイオマス、古紙類などを意味する。
【００１７】
本発明の方法を実施するには、消化槽内で嫌気性消化汚泥と原料の有機性廃棄物を混合し、含水率75〜99.9%望ましくは85〜98%に調整し、必要に応じて破砕し、20℃以上望ましくは30〜60℃更に好ましくは35または55℃で湿式嫌気性消化処理させる。
【００１８】
この場合、本発明においては、この消化槽内に、ポーラスな材料で作成した回転担体を具備させる。流動床担体は、嫌気性消化槽内の気相と液相の両方に同時に接することが望ましい。
【００１９】
担体の形状は、通常円盤状であるが、制約されず、補助資材等を用いて平板状、球状、円筒状に成型して使用することができる。
【００２０】
固定化に用いる嫌気性消化汚泥としては、酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を含有する下水汚泥の嫌気性消化に使用される通常の嫌気性消化汚泥や、既存の嫌気性消化汚泥を別途培養したものを使用することができる。
【００２１】
前記のようにして、有機性廃棄物を酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を固定化した固定床担体と流動床担体を用いて嫌気的に消化処理すると、有機物が分解されてガス化し、嫌気性消化残滓が得られる。その時発生する嫌気性消化残滓は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することが可能である。
また、好気的なコンポスト法によって生産された有機性肥料中の塩分が問題となる場合があるが、本法では発酵残滓は固液分離後固相部が有機性肥料となり、塩分は液相部中に多く含まれるため、本法により得られる有機性肥料はコンポスト法による有機性肥料に比べ塩分濃度が低いという利点を有する。
【００２２】
また、消化時に発生するメタンは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンや水素への改質後燃料電池の燃料として利用することが出来る。
【００２３】
次に、本発明について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートの概略を示す。
図１において、１は廃棄物貯留タンク、２は原料廃棄物配管、３は嫌気性消化槽、４は回転担体、５は回転翼、６は消化ガス配管、７は消化ガス貯留タンク、８は処理物配管、９は固液分離装置、１０は処理固形物配管、１１は処理固形物貯留タンク、１２は処理液相配管、１３は処理液相貯留タンクを各示す。
【００２４】
図１に従って本発明を実施するには、有機性廃棄物貯留タンク１より有機性廃棄物配管２を通って、嫌気性消化を生じさせる嫌気性消化槽３に、有機性廃棄物を供給する。嫌気性消化槽３には、当初嫌気性汚泥を投入して消化微生物を固定化した回転担体４と回転翼５を具備させる。
嫌気性消化を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥としては、前記したように、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。この場合、この嫌気性消化槽３は、その内部に炭素繊維やポリウレタン等から成る回転担体を設置し、嫌気性微生物を固定化する。回転担体４の一部は、嫌気性消化槽３内の気相に接することが望ましい。通常、微生物の固定化には、消化槽の立ち上げ時に槽内に嫌気性消化汚泥を投入後、原料を加えないで2〜3週間運転し、その後徐々に原料を加えていく方法を用いる。
【００２５】
この嫌気性消化槽３において、廃棄物は固定化微生物の分解作用を受けながら消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の嫌気性消化に比べ、より迅速に安定的に分解消化されメタンを発生する。本発明の場合、固定床と流動床を組み合わせた固定化方式なので、それぞれの担体に効率よく多様なメタン発酵性微生物が固定化され、槽内の分解微生物濃度と多様性が高くなっているので、従来の消化法に比べ有機物分解速度及び消化ガス化速度の向上が達成される。
【００２６】
本発明に係る嫌気性消化槽は、槽内の汚泥を撹拌し発酵反応を促進させるために、撹拌装置を具備させることが望ましい。また、槽内の汚泥を抜き再度投入することにより撹拌を実現してもよい。
【００２７】
また、嫌気性消化槽３内で発生したメタンを含む消化ガスは消化ガス配管６を通って消化ガス貯留タンク７に貯留される。この場合の消化ガスは、通常CH4:50〜100モル％、CO2:0〜50モル％、H2:0〜10モル％を含有する。
【００２８】
一方、嫌気性消化槽３で得られた消化物は処理物配管８を通って固液分離装置９に導入される。固液分離装置９において、液相部（廃水）と固相部（処理物）とに分離され、固相部は処理固形物配管１０を通って固相部貯留タンク１１に貯留され、液相部は処理液相配管１２を通って処理液相貯留タンク１３に貯留される。
【００２９】
前記固液分離装置９は、濾過器や遠心分離機、沈降槽等からなる。この固液分離装置により、消化物は液相部と固相部とに分離される。この固相部は窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することができる。また、前記液相部（廃水）は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、必要に応じ廃水処理後放流される。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
本実施例で用いる回転担体は、SUS304製の円盤(直径33cm)の間に厚さ10mmのポリウレタンと厚さ5mmのカーボンフェルトをはさんで1cmに圧縮することにより作製した。容積185 lの実証プラント規模のメタン発酵リアクタ内に回転担体を10個設置した。嫌気性消化汚泥を投入し担体上に消化微生物を固定化させた。坦体担体の回転速度は8 rpmに設定し、槽内の汚泥を抜き再度投入させて循環させることにより、槽内の撹拌を行った。処理対象となる有機性廃棄物として、レストランから排出される食品残滓を粉砕したものに、最終的に紙ごみが1%の割合となるように混合したものを用いた。
55℃の高温発酵条件下、滞留時間50日(有機物負荷約1.4 g/l-reactor/d)および25日(有機物負荷約2.8 g/l-reactor/d)でそれぞれ約30日間連続運転を行った。
リアクタから発生したバイオガスならびにメタンガス生成量を測定した。原料と処理液の有機物濃度を測定することによりメタン収率を検討した。
【００３１】
(ラボ実験)
高温消化汚泥に酢酸合成培地を供給し、ポリウレタンを担体材料とした円盤回転担体 リアクタを用い、55℃条件下の高温消化を行った。回転数を5rpmで設定し、有機負荷 2.69 g/l-reactor/d 、ＨＲＴ＝2dayで運転した。その後、回転数を0rpm（停止）とした運転を行った。また、回転数5rpmを16時間、回転数0rpm（停止）を8時間という間欠式運転、および、回転数を30rpmにした運転を行った。
【００３２】
［実施例１の実験結果およびその考察］
(ラボ実験)
回転数を5rpmで設定し、有機負荷2.69 g/l-reactor/d 、ＨＲＴ＝2dayで運転したところ、ＴＯＣ除去率は95〜98％を達成したし、メタン生成も安定していた。回転数を0rpm（停止）としたところ、TOC除去率とメタンガス生産量は回転数5rpm時に比べ、大きな差が見られなかった。しかし、回転数5rpmを16時間運転、回転数0rpm（停止）を8時間という間欠式運転をおこなった ところ、メタンガス生産量も間欠的に2〜3割ぐらい増加した。さらに、回転数を30rpmにしたところ、メタンガス量は回転数0と5rpm時に比べ、25％〜38％程度増加し、有機物分解率も92〜96%を達成した。以上のことから本発明方法により、メタン発酵の効率化が達成された。
【実施例２】
【００３３】
（プラント実験）
回転担体は、SUS304製の円盤(直径33cm)の間に厚さ10mmのポリウレタンと厚さ5mmのカーボンフェルトをはさんで1cmに圧縮することにより作製した。容積185 l(実効容量104 lで運転)の実証プラント規模のメタン発酵リアクタ内に回転担体を10個設置した。嫌気性消化汚泥を投入し担体上に消化微生物を固定化させた。坦体担体の回転速度は8 rpmに設定し、槽内の汚泥を抜き再度投入させて循環させることにより、槽内の撹拌を行った。処理対象となる有機性廃棄物として、レストランから排出される食品残滓を粉砕したものに、最終的に紙ごみが1%の割合となるように混合したものを用いた。
55℃の高温発酵条件下、滞留時間50日(有機物負荷約1.4 g/l-reactor/d)および25日(有機物負荷約2.8 g/l-reactor/d)でそれぞれ約30日間連続運転を行った。
リアクタから発生したバイオガスならびにメタンガス生成量を測定した。原料と処理液の有機物濃度を測定することにより有機物分解率を検討した。
【００３４】
［実施例２の実験結果およびその考察］
（プラント実験）
円盤型の回転坦体を有するメタン発酵リアクタの連続運転実験を行ったところ、有機物負荷を約1.4 g/l-reactor/dから約2.8 g/l-reactor/dに上げても、バイオガス発生量は約200 l/d, メタンガス発生量は約130 l/dで安定していたことから、このシステムは実証規模で安定して運転することが可能であることが示された。また、有機物負荷約1.4 g/l-reactor/dと有機物負荷約2.8 g/l-reactor/dのいずれにおいても、有機物量の80％を分解することができた。このことより、回転担体リアクタ内の分解微生物の濃度と多様性は、従来法に比べ高くなっていると考えられる。本発明方法により、有機性廃棄物の分解速度や消化ガス速度の向上が達成された。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る有機性廃物の嫌気性消化装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１．廃棄物貯留タンク
２．原料廃棄物配管
３．嫌気性消化槽
４．回転担体
５．回転翼
６．消化ガス配管
７．消化ガス貯留タンク
８．処理物配管
９．固液分離装置
１０．処理固形物配管、
１１．処理固形物貯留タンク
１２．処理液相配管
１３．処理液相貯留タンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭・レストラン・工場・下水処理場等から排出される有機性廃棄物や廃水を、直接、嫌気性消化槽を用い嫌気的に発酵させることにより、廃棄物中の有機物を迅速に分解・消化処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生ごみ等有機性廃棄物の処理方法として、嫌気性消化が注目されるようになっている。しかし、従来の嫌気性消化法では、有機物分解速度、消化ガス生成速度は十分に高くないという問題点があり、そのため、ある程度大きな消化槽を用意する必要があった。分解速度が速くなれば、消化槽がよりコンパクトにでき、経済性・エネルギー収支等の改善が実現できる。
【０００３】
これらの問題点を解消するために、活性汚泥方式で発生する汚泥の余剰部分を、高温嫌気性消化処理し、該処理液を固液分離膜に通して循環させ、該分離膜を通して水分を抜き取ることを特徴とする有機性汚泥の処理方法が提案されているが（特許文献１）、この方法は、従来の高温型嫌気性消化法であり、十分に消化効率が上がらないという問題があった。
【０００４】
嫌気性消化槽内に微生物の住処となる担体を具備することにより、分解に関わる微生物を高濃度に槽内に維持し、分解・ガス化効率を図る固定化法が検討されている。
UASB法といわれる微生物が自己凝集したグラニュールを用い、消化槽内の微生物濃度を高める方法が検討・実用化されているが（特許文献２）、この方法は固形分をあまり分解できないので、もっぱら懸濁固形分の少ない有機性廃水の処理に利用されており、固形分を含有する有機性廃棄物や廃水の嫌気性処理には不向きである。
【０００５】
多孔質セラミック顆粒担体を用いた固定化嫌気性消化法が報告されているが（特許文献３）、本法はセラミック顆粒に貫通孔を設け数珠状に固定化して使用するため、装置が複雑で施工が難しく、槽内の担体容積が少ないため分解効率がさほど上昇しないという問題は残る。
【０００６】
また、流動性の0.5〜6 mmの粒状有機ゲル微粒子を微生物固定化担体として用いる方法が報告されているが（特許文献４）、流動性の微粒子を製造することや消化槽内に維持することが難しく、経済性や操作性に問題がある。
【０００７】
有機性汚泥の嫌気性及び又は好気性前分解処理として、有機性汚泥を予め回転円盤法により前分解処理する方法が報告されているが（特許文献５）、本法は好気性微生物を固定化した回転円盤を用いる酸素の存在する前分解に関する方法であり、嫌気性消化の効率を改善する方法ではない。
【０００８】
【特許文献１】特開平０７−１４８５００号公報
【特許文献２】特開平１１−３１９７８２号公報
【特許文献３】特開平０９−０３８６８６号公報
【特許文献４】特開２００３−０６２５９４号公報
【特許文献５】特願２００２−１１２４８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、有機性廃棄物からなる被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、嫌気性処理する方法において、消化槽内に効率よく嫌気性微生物を維持し、有機性廃棄物を嫌気性消化により効率よく分解・ガス化し、メタンの生成効率を高めて消化速度を向上させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、
本発明は、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させた炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれるポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。
また、本発明においては、ポーラスな材料が炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる材料であり、回転させる担体を円盤型とすることができる。
さらに、本発明においては、 回転担体の一部が嫌気性消化槽内の気相に接触させることができる。
また、本発明においては、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、直接、嫌気性処理消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該被処理物を回転担体と接触させ嫌気的に消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことができる。
またさらに、この場合の本発明においては、（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を取り出して、燃料の原料として用いることができる。
さらに、（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料として用いるもできる。
本発明は別の角度からみれば、有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する嫌気性消化装置であって、該嫌気性消化装置の内部にポーラスな材料で作成した回転担体が収容されていることを特徴とする嫌気性消化装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、分解消化に関わる微生物が効率よく回転担体に固定化され、担体が回転することにより分解対象物と効率よく接触するので、分解消化が効率よく進む。結果として、有機物の分解速度が速く、メタンガスがより迅速に発生する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最大の特徴は、従来の固定化様式が固定床または流動床ではなく、担体そのものが回転し、有機物の分解に係わる担体上の固定化微生物と分解の対象となる有機物が効率よく接触できる点にある。
固定化微生物と原料の有機物が効率よく撹拌され接触するので、分解消化・ガス化が効率よく安定してすすむ。
本発明で用いる回転担体を構成するポーラスな材料は、炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる。
炭素繊維、ポリウレタン、セラミックとしては、表面がポーラスなものであればどのようなものでも良く、それぞれ、市販のものが広く用いることができる。
たとえば、炭素繊維の一例を挙げると、孔隙率92.2%、比表面積0.70g/cm3、比重0.11g/cm3 である。耐久性に優れている材料である。
【００１３】
本発明でいう、嫌気性消化には、酸素のない嫌気的な条件で嫌気性微生物の働きにより、有機物からメタンと二酸化炭素を生成させる方法と、嫌気性消化処理とは、20〜70℃、好ましくは30〜60℃で行う嫌気性消化処理の両消化法が包含される。この嫌気性消化処理は、35〜37℃で行われる中温消化法でも、55℃で行われる高温消化法であってもよい。
また、本発明の嫌気性消化装置においては、固定化微生物を利用し、原料の水分含量を80%以上に調整して消化を行う湿式消化方法を採用することが好ましい。
【００１４】
また、本明細書で言う回転担体とは、消化微生物を固定化する担体が自ら回転する方法を意味する。回転担体の形状は通常円盤形で、担体の回転速度は、望ましくは1〜100 rpmである。回転担体により嫌気性消化槽内は撹拌されるが、別途回転翼や循環ポンプにより、槽内の撹拌を補助しても良い。
【００１５】
また、本明細書で言う酸発酵性微生物とは、嫌気性消化において有機酸等を生成する微生物を意味し、Bacteroides sp.、Clostridium sp.、Bacillus sp.、Lactobacillus sp.等があげられる。メタン発酵性微生物とは、嫌気性消化においてメタンを生成する微生物を意味し、Methanobacterium sp., Methanothermobacter sp., Methanosarcina sp.、Methanosaeta sp.等があげられる。両者とも従来よく知られているものである。
【００１６】
本発明の処理対象となる有機性廃棄物には、家庭・レストラン・食品工場等から排出される食品残滓や排水および発酵工場等で排出される発酵残滓や排水、下水処理場・食品工場・浄化槽等で廃水処理後排出される有機性汚泥一般、落ち葉や剪定枝なその植物性バイオマス、古紙類などを意味する。
【００１７】
本発明の方法を実施するには、消化槽内で嫌気性消化汚泥と原料の有機性廃棄物を混合し、含水率75〜99.9%望ましくは85〜98%に調整し、必要に応じて破砕し、20℃以上望ましくは30〜60℃更に好ましくは35または55℃で湿式嫌気性消化処理させる。
【００１８】
この場合、本発明においては、この消化槽内に、ポーラスな材料で作成した回転担体を具備させる。流動床担体は、嫌気性消化槽内の気相と液相の両方に同時に接することが望ましい。
【００１９】
担体の形状は、通常円盤状であるが、制約されず、補助資材等を用いて平板状、球状、円筒状に成型して使用することができる。
【００２０】
固定化に用いる嫌気性消化汚泥としては、酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を含有する下水汚泥の嫌気性消化に使用される通常の嫌気性消化汚泥や、既存の嫌気性消化汚泥を別途培養したものを使用することができる。
【００２１】
前記のようにして、有機性廃棄物を酸発酵性微生物やメタン発酵性微生物を固定化した固定床担体と流動床担体を用いて嫌気的に消化処理すると、有機物が分解されてガス化し、嫌気性消化残滓が得られる。その時発生する嫌気性消化残滓は、窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することが可能である。
また、好気的なコンポスト法によって生産された有機性肥料中の塩分が問題となる場合があるが、本法では発酵残滓は固液分離後固相部が有機性肥料となり、塩分は液相部中に多く含まれるため、本法により得られる有機性肥料はコンポスト法による有機性肥料に比べ塩分濃度が低いという利点を有する。
【００２２】
また、消化時に発生するメタンは、ボイラー燃料、消化ガス発電、マイクロガスタービンや水素への改質後燃料電池の燃料として利用することが出来る。
【００２３】
次に、本発明について図面を参照しながら詳述する。
図１は本発明を実施する場合のフローシートの概略を示す。
図１において、１は廃棄物貯留タンク、２は原料廃棄物配管、３は嫌気性消化槽、４は回転担体、５は回転翼、６は消化ガス配管、７は消化ガス貯留タンク、８は処理物配管、９は固液分離装置、１０は処理固形物配管、１１は処理固形物貯留タンク、１２は処理液相配管、１３は処理液相貯留タンクを各示す。
【００２４】
図１に従って本発明を実施するには、有機性廃棄物貯留タンク１より有機性廃棄物配管２を通って、嫌気性消化を生じさせる嫌気性消化槽３に、有機性廃棄物を供給する。嫌気性消化槽３には、当初嫌気性汚泥を投入して消化微生物を固定化した回転担体４と回転翼５を具備させる。
嫌気性消化を生じさせる微生物を含有する嫌気性汚泥としては、前記したように、下水処理場の下水汚泥の嫌気性消化汚泥等を使用すればよい。この場合、この嫌気性消化槽３は、その内部に炭素繊維やポリウレタン等から成る回転担体を設置し、嫌気性微生物を固定化する。回転担体４の一部は、嫌気性消化槽３内の気相に接することが望ましい。通常、微生物の固定化には、消化槽の立ち上げ時に槽内に嫌気性消化汚泥を投入後、原料を加えないで2〜3週間運転し、その後徐々に原料を加えていく方法を用いる。
【００２５】
この嫌気性消化槽３において、廃棄物は固定化微生物の分解作用を受けながら消化処理を受ける。この消化処理により、廃棄物中の有機物は従来の嫌気性消化に比べ、より迅速に安定的に分解消化されメタンを発生する。本発明の場合、固定床と流動床を組み合わせた固定化方式なので、それぞれの担体に効率よく多様なメタン発酵性微生物が固定化され、槽内の分解微生物濃度と多様性が高くなっているので、従来の消化法に比べ有機物分解速度及び消化ガス化速度の向上が達成される。
【００２６】
本発明に係る嫌気性消化槽は、槽内の汚泥を撹拌し発酵反応を促進させるために、撹拌装置を具備させることが望ましい。また、槽内の汚泥を抜き再度投入することにより撹拌を実現してもよい。
【００２７】
また、嫌気性消化槽３内で発生したメタンを含む消化ガスは消化ガス配管６を通って消化ガス貯留タンク７に貯留される。この場合の消化ガスは、通常CH4:50〜100モル％、CO2:0〜50モル％、H2:0〜10モル％を含有する。
【００２８】
一方、嫌気性消化槽３で得られた消化物は処理物配管８を通って固液分離装置９に導入される。固液分離装置９において、液相部（廃水）と固相部（処理物）とに分離され、固相部は処理固形物配管１０を通って固相部貯留タンク１１に貯留され、液相部は処理液相配管１２を通って処理液相貯留タンク１３に貯留される。
【００２９】
前記固液分離装置９は、濾過器や遠心分離機、沈降槽等からなる。この固液分離装置により、消化物は液相部と固相部とに分離される。この固相部は窒素やリンなどの肥料成分を多く含み、発酵が進んでいるので有機性肥料として利用することができる。また、前記液相部（廃水）は、通常溶存有機物や溶存無機物の濃度の低いものであり、必要に応じ廃水処理後放流される。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
本実施例で用いる回転担体は、SUS304製の円盤(直径33cm)の間に厚さ10mmのポリウレタンと厚さ5mmのカーボンフェルトをはさんで1cmに圧縮することにより作製した。容積185 lの実証プラント規模のメタン発酵リアクタ内に回転担体を10個設置した。嫌気性消化汚泥を投入し担体上に消化微生物を固定化させた。坦体担体の回転速度は8 rpmに設定し、槽内の汚泥を抜き再度投入させて循環させることにより、槽内の撹拌を行った。処理対象となる有機性廃棄物として、レストランから排出される食品残滓を粉砕したものに、最終的に紙ごみが1%の割合となるように混合したものを用いた。
55℃の高温発酵条件下、滞留時間50日(有機物負荷約1.4 g/l-reactor/d)および25日(有機物負荷約2.8 g/l-reactor/d)でそれぞれ約30日間連続運転を行った。
リアクタから発生したバイオガスならびにメタンガス生成量を測定した。原料と処理液の有機物濃度を測定することによりメタン収率を検討した。
【００３１】
(ラボ実験)
高温消化汚泥に酢酸合成培地を供給し、ポリウレタンを担体材料とした円盤回転担体 リアクタを用い、55℃条件下の高温消化を行った。回転数を5rpmで設定し、有機負荷 2.69 g/l-reactor/d 、ＨＲＴ＝2dayで運転した。その後、回転数を0rpm（停止）とした運転を行った。また、回転数5rpmを16時間、回転数0rpm（停止）を8時間という間欠式運転、および、回転数を30rpmにした運転を行った。
【００３２】
［実施例１の実験結果およびその考察］
(ラボ実験)
回転数を5rpmで設定し、有機負荷2.69 g/l-reactor/d 、ＨＲＴ＝2dayで運転したところ、ＴＯＣ除去率は95〜98％を達成したし、メタン生成も安定していた。回転数を0rpm（停止）としたところ、TOC除去率とメタンガス生産量は回転数5rpm時に比べ、大きな差が見られなかった。しかし、回転数5rpmを16時間運転、回転数0rpm（停止）を8時間という間欠式運転をおこなった ところ、メタンガス生産量も間欠的に2〜3割ぐらい増加した。さらに、回転数を30rpmにしたところ、メタンガス量は回転数0と5rpm時に比べ、25％〜38％程度増加し、有機物分解率も92〜96%を達成した。以上のことから本発明方法により、メタン発酵の効率化が達成された。
【実施例２】
【００３３】
（プラント実験）
回転担体は、SUS304製の円盤(直径33cm)の間に厚さ10mmのポリウレタンと厚さ5mmのカーボンフェルトをはさんで1cmに圧縮することにより作製した。容積185 l(実効容量104 lで運転)の実証プラント規模のメタン発酵リアクタ内に回転担体を10個設置した。嫌気性消化汚泥を投入し担体上に消化微生物を固定化させた。坦体担体の回転速度は8 rpmに設定し、槽内の汚泥を抜き再度投入させて循環させることにより、槽内の撹拌を行った。処理対象となる有機性廃棄物として、レストランから排出される食品残滓を粉砕したものに、最終的に紙ごみが1%の割合となるように混合したものを用いた。
55℃の高温発酵条件下、滞留時間50日(有機物負荷約1.4 g/l-reactor/d)および25日(有機物負荷約2.8 g/l-reactor/d)でそれぞれ約30日間連続運転を行った。
リアクタから発生したバイオガスならびにメタンガス生成量を測定した。原料と処理液の有機物濃度を測定することにより有機物分解率を検討した。
【００３４】
［実施例２の実験結果およびその考察］
（プラント実験）
円盤型の回転坦体を有するメタン発酵リアクタの連続運転実験を行ったところ、有機物負荷を約1.4 g/l-reactor/dから約2.8 g/l-reactor/dに上げても、バイオガス発生量は約200 l/d, メタンガス発生量は約130 l/dで安定していたことから、このシステムは実証規模で安定して運転することが可能であることが示された。また、有機物負荷約1.4 g/l-reactor/dと有機物負荷約2.8 g/l-reactor/dのいずれにおいても、有機物量の80％を分解することができた。このことより、回転担体リアクタ内の分解微生物の濃度と多様性は、従来法に比べ高くなっていると考えられる。本発明方法により、有機性廃棄物の分解速度や消化ガス速度の向上が達成された。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る有機性廃物の嫌気性消化装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１．廃棄物貯留タンク
２．原料廃棄物配管
３．嫌気性消化槽
４．回転担体
５．回転翼
６．消化ガス配管
７．消化ガス貯留タンク
８．処理物配管
９．固液分離装置
１０．処理固形物配管、
１１．処理固形物貯留タンク
１２．処理液相配管
１３．処理液相貯留タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させたポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
ポーラスな材料が、炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる材料であり、回転させる担体が円盤型であることを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
回転担体の一部が嫌気性消化槽内の気相に接していることを特徴とする請求項１及び２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、直接、嫌気性処理消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該被処理物を回転担体と接触させ嫌気的に消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項５】
（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を取り出して、燃料の原料として用いることを特徴とする請求項４に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項６】
（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料として用いることを特徴とする請求項４に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項７】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する嫌気性消化装置であって、該嫌気性消化装置の内部に、ポーラスな材料で作成した回転担体が収容されていることを特徴とする嫌気性消化装置。
【請求項１】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する方法において、消化微生物を固定化させたポーラスな材料で作成した担体を回転させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
ポーラスな材料が、炭素繊維、ポリウレタン、セラミックから選ばれる材料であり、回転させる担体が円盤型であることを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
回転担体の一部が嫌気性消化槽内の気相に接していることを特徴とする請求項１及び２に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項４】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を消化微生物固定化担体の存在下で、直接、嫌気性処理消化する方法において、（Ｉ）酸発酵性微生物及び／又はメタン発酵性微生物を含有する嫌気性消化汚泥の存在下、該被処理物を回転担体と接触させ嫌気的に消化する工程、（ＩＩ）該消化工程で得られた消化生成物を液相部と固相部とに分離する工程、（ＩＩＩ）該分離工程で得られた固相部を回収する工程、を含むことを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項５】
（Ｉ）の工程で発生したメタンを含有する気相部を取り出して、燃料の原料として用いることを特徴とする請求項４に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項６】
（ＩＩＩ）の回収工程で回収された固相部を有機性肥料として用いることを特徴とする請求項４に記載の有機性廃棄物の処理方法。
【請求項７】
有機性廃棄物を含む液状の被処理物を、嫌気性消化槽内において消化微生物の存在下で直接嫌気性処理する嫌気性消化装置であって、該嫌気性消化装置の内部に、ポーラスな材料で作成した回転担体が収容されていることを特徴とする嫌気性消化装置。
【図１】
【公開番号】特開２００６−１５０２１６（Ｐ２００６−１５０２１６Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４３８２３（Ｐ２００４−３４３８２３）
【出願日】平成１６年１１月２９日（２００４．１１．２９）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２９日（２００４．１１．２９）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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