膜型メタン発酵処理方法および装置
【課題】 メタン発酵槽内のＴＳ濃度および投入負荷を一定に維持してメタン生成菌等の濃度を安定させることができる膜型メタン発酵処理方法および装置を提供する。
【解決手段】 メタン発酵槽５で発生するバイオガス量を流量計２０で測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、汚泥ポンプ１６ｂで引抜く余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料ポンプ７ａで供給するメタン発酵槽５への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて吸引ポンプ１４で引抜く膜透過液の引抜き量を増減調整する。
【解決手段】 メタン発酵槽５で発生するバイオガス量を流量計２０で測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、汚泥ポンプ１６ｂで引抜く余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料ポンプ７ａで供給するメタン発酵槽５への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて吸引ポンプ１４で引抜く膜透過液の引抜き量を増減調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜型メタン発酵処理方法および装置に関し、有機性廃棄物リサイクル設備において有機性廃棄物をリサイクルする技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜分離装置を使用しない所定容量のメタン発酵槽では、所定容量の発酵槽へ投入する原料である有機性廃棄物の原料投入量に対して、メタン発酵槽から引抜く余剰発酵汚泥（消化汚泥）の引抜き量とバイオガスの生成に費やした消費量との和とが同量となる。
【０００３】
この膜分離装置を使用しないメタン発酵槽では、メタン生成菌等の菌体が余剰発酵汚泥とともに槽外へ流出するので、処理性能を左右する槽内のメタン生成菌等の濃度が制御できない。このため、バイオガス発生量を一定に維持することは、メタン発酵槽へ投入する投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）をよほど低負荷に抑制して運転しないと困難であり、投入負荷の抑制には槽容量の大きなメタン発酵槽を必要とした。
【０００４】
膜分離装置を使用する膜型メタン発酵槽は、発酵槽から取り出す余剰発酵汚泥の引抜き量と膜分離装置を透過した膜透過液の引抜き量との引抜き比率を調整することにより、発酵槽からメタン生成菌等が過剰に流出することを防止し、メタン発酵槽内のＴＳ（トータルスラッジ）濃度を一定に維持できるという特徴をもつ。
【０００５】
しかし、実際の原料投入のプロセスでは、原料の性状や原料投入時の希釈水、洗浄水の多少により投入原料の濃度が変動することを要因として、メタン発酵槽内のＴＳ濃度の変化が生じてプロセスに悪影響を及ぼす。
【０００６】
即ち、原料濃度が濃くなってＴＳ濃度が高くなり過ぎると、メタン発酵汚泥の粘度が高くなり、膜の透過性能が悪化してフラックスが低下する。逆に原料濃度が薄くなってＴＳ濃度が低くなり過ぎると、メタン生成菌の濃度も低下するために処理可能な負荷量が低下し、当初想定していた処理可能最大投入負荷をかけても過負荷となってメタン生成菌が活性低下もしくは死滅する。
【０００７】
このため、特許文献１においては、有機性液状廃棄物が流入するメタン発酵槽において、浸漬型膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を系外へ取り出すとともに、オーバーフロー管路によって発酵汚泥を槽外へ排出することで発酵槽内の液位を一定に維持し、浸漬型膜分離装置に作用する吸引負圧の測定値に基づいて浸漬型膜分離装置の運転を制御してメタン発酵槽の内部のＴＳ濃度をメタン発酵の適値に維持している。
【特許文献１】特開２００３−２０５３００公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、投入原料の濃度の変動は、メタン発酵槽の内部のＴＳ濃度に影響を与えるのみならず、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）、つまりメタン生成菌等にとっての栄養源の変動を伴う。
【０００９】
このため、特許文献１のように、原料投入量を一定としてメタン発酵槽へ原料を投入する場合には、メタン発酵槽内のＴＳ濃度を一定に維持することができても、投入負荷を一定に維持することができずにメタン生成菌等の濃度が変化する。
【００１０】
この投入負荷を一定とするためには、発酵槽へ投入する原料の濃度の変化に応じて原料投入量の増減を引抜き比率の調整と同時に行う必要がある。このため、運転員が原料濃度及びメタン発酵槽内のＴＳ濃度を手分析し、その結果を見て原料投入量及び引抜き比率の再設定を行っていた。
【００１１】
しかし、このような操作を１日に何回も行うことは困難であり、原料濃度が短時間で変動する場合には、過負荷にならないように低めの投入負荷に設定せざるを得ず、高い負荷での運転が可能な膜型メタン発酵槽の処理性能を十分に発揮させることができなかった。
【００１２】
また、メタン生成は、酸生成菌によって炭水化物、脂肪、蛋白質などから生成する低級脂肪酸をメタン生成菌によってメタンと炭酸ガスに分解する工程であり、メタン生成菌の至適ｐＨ範囲が６．４〜７．４のいわゆる中性付近であることから、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎるとメタン生成菌の活動が阻害される。
【００１３】
このため、投入負荷を一定とする運転を行う場合にあっても、温度等の要因によってメタン生成菌の活動が不調であるときには、投入負荷を低減する必要がある。
本発明は上記した課題を解決するものであり、メタン発酵槽内のＴＳ濃度および投入負荷を一定に維持してメタン生成菌等の濃度を安定させることができる膜型メタン発酵処理方法および装置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】
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、発酵槽において原料としての有機性廃棄物を投入しつつメタン発酵を行い、膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜くとともに、発酵槽内の余剰発酵汚泥を槽外へ引抜く膜型メタン発酵処理方法であって、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整するものである。
【００１５】
上記した構成において、予備的な運転もしくは実験による経験則によって、原料投入量、余剰発酵汚泥の引抜き量、膜透過液の引抜き量の標準的な適値を求め、この値を運転時の基本値として膜型メタン発酵処理を行う。
【００１６】
運転時に発酵槽で発生するバイオガス量の変動は、原料濃度の変化に由来するものであり、原料濃度の変化に起因して投入負荷が変化することや、発酵槽内でメタン発酵に関わるメタン生成菌等の濃度、つまり発酵槽内のＴＳ濃度が変化することによる。
【００１７】
このため、制御指標のバイオガス量が目標値となるように、つまりバイオガス発生量が一定量を維持するように、発酵槽への原料投入量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して投入負荷を一定に維持する。つまり、原料濃度が低くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が低下し、原料濃度が高くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が増加するので、原料濃度が低くなる時には原料投入量を増加させ、原料濃度が高くなる時には原料投入量を低減する。この原料投入量の調整量は予め原料濃度との関係において定めておく。
【００１８】
また、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に収束させる。つまり、原料濃度の変動および原料投入量の増減により、発酵槽へ投入する水分量が変動するので、膜透過液の引抜き量を変動させて水分量の変動を吸収することで、原料濃度の変動および原料投入量の増減に対して発酵槽内の発酵汚泥を一定量に維持する。発酵槽内の発酵汚泥を一定量に維持しつつ、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量とする状態において、原料濃度の増減にともなって発酵槽へ流入するＴＳが増減すると発酵槽から流出するＴＳの引抜き量も増減し、結果としてＴＳ濃度は一定の濃度に収束する。
【００１９】
上述の操作によって、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量に維持しつつ、バイオガス発生量を一定量に維持するように原料投入量を増減し、かつ原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）を一定に維持することができ、投入負荷を糧として増殖する酸生成菌、メタン生成菌の量をほぼ一定に維持することができ、発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に維持することができる。
【００２０】
請求項２の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように、膜透過液の引抜き量を増減調整するものである。
【００２１】
上記した構成により、原料投入量の増加により発酵槽内の液位が予め設定する一定液位より上昇する場合には膜透過液の引抜き量を増加させることで液位を低下させ、原料投入量の減少により発酵槽内の液位が予め設定する一定液位より低下する場合には膜透過液の引抜き量を減少させることで液位を上昇させる。この膜透過液の引抜き量の調整量は予め液位の変動幅との関係において定めておく。
【００２２】
したがって、メタン発酵槽の液位が一定になるように膜透過液を増減することで、膜透過液の引抜き量の増減が原料投入量の増減に応じて変化し、膜透過液引抜き量は下記の式で表される。
〔膜透過液の引抜き量〕＝〔原料投入量〕−〔余剰発酵汚泥の引抜き量〕−〔ガス化量〕
請求項３の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００２３】
上記した構成により、バイオガス発生量は、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎてメタン生成菌の活性が阻害され、メタン発酵状態が悪くなっても減少する。このメタン発酵状態が不調な時に原料投入量を増やすと、酸生成菌の働きが維持されるために、さらにメタン生成菌の活性が弱ってメタンガス濃度が低下する。
【００２４】
このため、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをメタンガス濃度を指標として見分ける。そして、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できるメタンガス濃度を予め経験則から設定値として求め、運転時にメタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することで、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。この原料投入量の下限量は酸生成菌による有機酸の生成を抑制するのに十分に少ない値となる。
【００２５】
請求項４の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００２６】
上記した構成により、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とを、発生量の減少率を指標として見分ける。
【００２７】
そして、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できる発生量の減少率を予め経験則から評価基準値として求め、運転時に減少率が評価基準値を上回った状態を複数評価サイクル時間にわたって継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することで、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。この際に、減少率が評価基準値を上回った時点で原料投入量を現在量に維持することが望ましい。また、評価基準値として複数の値を設定し、減少率が第１の評価基準値を超えた場合には、次回の評価時に第１の評価基準値より大きい評価基準値で評価を行うことも可能である。
【００２８】
請求項５の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う発酵槽と、原料を発酵槽へ供給する原料投入装置と、発酵槽内の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く膜分離装置と、発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く余剰発酵汚泥引抜き装置と、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求めるバイオガス流量計測手段と、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料投入装置による発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように膜分離装置による膜透過液の引抜き量を増減調整する制御手段とを備えたものである。
【００２９】
請求項６の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計を有し、制御手段はメタン濃度計の計測値が設定値を下回った時に、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標の値に拘らず、原料投入装置による発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは原料投入装置による発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００３０】
請求項７の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、バイオガス流量計測手段が、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、制御手段は、バイオガス発生量の減少傾向を示す減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように本発明によれば、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量に維持しつつ、バイオガス発生量を一定量に維持するように原料投入量を増減し、かつ原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度が変化しても、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）を一定に維持することができ、投入負荷を糧として増殖する酸生成菌、メタン生成菌の量をほぼ一定に維持することができ、これらの菌を含む発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に維持して安定したメタン発酵が可能となる。
【００３２】
また、制御サイクル時間を調整することで短時間（例えば１〜２時間）の濃度変動に対しても最適な原料投入量（投入負荷）に調整できるので、投入負荷が一時的に下がってしまうことによるメタン発酵槽の性能低下を防ぐことができる。
【００３３】
このため、例えばＣＯＤＣｒ容積負荷を２０ｋｇ／ｍ３程度の高い値に保持して膜型メタン発酵槽の高い処理性能を十分に発揮させることができ、バイオガス発生量が一定であるためにガス利用設備（ボイラ、発電機など）を安定的に稼動させることができる。
【００３４】
また、バイオガス発生量の減少が投入負荷量の低下によるものか、メタン発酵状態の悪化によるものかを判断して、その原因に応じて原料の増減を行うことが可能となる。メタン発酵状態の悪化を早期に発見し、投入負荷低減が可能になることで、発酵状態が回復不能な危機的状況となることを回避し、安定した運転が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、原料１は有機性廃棄物であり、本実施の形態では食品廃棄物（例えば4.4ｔ/日）である。この原料１は破砕機２を経て可溶化槽３へ導入（例えばＣＯＤＣｒ270,000mg/l）するか、もしくは直接に可溶化槽３に導入する。可溶化槽（例えば２５ｍ３）３は原料投入装置４を介してメタン発酵槽５に接続しており、原料投入装置４は可溶化槽３とメタン発酵槽５とを連通する原料管路６と原料管路６に介装した原料ポンプ７ａおよび原料投入量を計測する原料流量計７ｂとからなる。また、メタン発酵槽（例えば５７ｍ３、発酵温度５５℃）５は発酵汚泥を返送発酵汚泥（例えば1.99ｔ／日）として可溶化槽３へ返送する汚泥管路８を介して可溶化槽３に連通している。
【００３６】
メタン発酵槽５は往路管路９および復路管路１０を通して膜分離槽（例えば３ｍ３）１１に連通し、膜分離槽１１には発酵槽の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く浸漬型膜分離装置１２を配置している。浸漬型膜分離装置１２に接続した膜透過液引抜き管路１３には浸漬型膜分離装置１２に駆動圧として膜間差圧を与える吸引ポンプ１４を設けており、吸引ポンプ１４はメタン発酵槽５に設けた制御手段をなす液位計１５の指示信号によって駆動を制御し、メタン発酵槽５における発酵汚泥の液位を予め設定する一定の液位に維持するように膜透過液の引抜き量を増減調整する。この液位計１５は圧力式レベル計で差圧式が望ましい。
【００３７】
メタン発酵槽５の底部側には余剰発酵汚泥を引抜く余剰汚泥引抜き管路１６ａが接続しており、余剰汚泥引抜き管路１６ａには容積式定量ポンプ等からなる汚泥ポンプ１６ｂおよび余剰発酵汚泥の引抜き量を計測する汚泥流量計１６ｃを設けている。この余剰汚泥引抜き管路１６ａ、汚泥ポンプ１６ｂおよび汚泥流量計１６ｃからなる余剰発酵汚泥引抜き装置１７は発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く。
【００３８】
また、メタン発酵槽５の頂部側には発酵槽内で発生するバイオガス１８を取り出すガス管路１９が接続しており、ガス管路１９にはバイオガス量を計測する流量計２０と、バイオガス中のメタンガス濃度を計測する赤外線式等からなる濃度計２１とを設け、原料ポンプ７と流量計２０と濃度計２１に接続して制御装置２２を設けている。
【００３９】
流量計２０は積算機能を有するルーツメータ等からなり、シーケンサ等からなる制御装置２２との組み合わせによってバイオガス流量計測手段を構成する。このバイオガス流量計測手段は、メタン発酵槽５で発生してガス管路１９を流れるバイオガスの流量を流量計２０で積算量として計測し、制御装置２２の制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量を制御指標として算出する。制御指標は、制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量とすることも可能である。
【００４０】
また、バイオガス流量計測手段は、制御装置２２の評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求めるものであり、本実施の形態では評価平均量の減少率を求める。評価サイクル時間は制御サイクル時間と異なるサイクル時間であっても良く、同じサイクル時間であっても良い。
【００４１】
制御装置２２は、通常制御において制御サイクル時間毎に算出する制御指標に基づいて原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動を制御し、制御指標が目標値となるように発酵槽への原料投入量を増減調整する。
【００４２】
また、制御装置２２は、濃度計２１の計測値が設定値（例えば５０％）を下回った時に、バイオガス量の制御指標の値に拘らず、原料投入装置４によるメタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、濃度計２１の計測値が設定値を上回る値に回復した時にバイオガス量の制御指標に基づく制御に復帰する。原料投入量を下限量に低減することに代えて原料投入装置４によるメタン発酵槽５への原料投入を停止することも可能である。
【００４３】
また、制御装置２２は、減少率が評価基準値以上である時に原料投入量を現在量に維持し、この状態が次回評価サイクル時間にも継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止する。この評価基準値は、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できる発生量の減少率を予め経験則から求めて設定する。
【００４４】
メタン発酵槽５の頂部には希釈水（例えば2.64ｔ／日）を供給する希釈水管路２３を接続している。上述の構成によって、本発明の膜型メタン発酵処理装置は、例えばＣＯＤＣｒ容積負荷２０ｋｇ／ｍ３・日、ＣＯＤ分解率８５％、ＨＲＴ６〜７日、ＳＲＴ１２〜１４日を達成する。
【００４５】
以下、上記した構成における作用を説明する。予備的な運転もしくは実験による経験則によって、原料投入量、余剰発酵汚泥の引抜き量、膜透過液の引抜き量の標準的な適値を求め、この値を運転時の基本値として膜型メタン発酵処理を行う。
【００４６】
可溶化槽３に貯留する原料（例えば6.43ｔ／日）１を原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動により原料管路６を通してメタン発酵槽５へ投入しつつ、メタン発酵槽５において原料１の食品廃棄物をメタン発酵させる。
【００４７】
メタン発酵槽５の発酵汚泥は往路管路９および復路管路１０を通して膜分離槽１１との間を流動し、浸漬型膜分離装置１２は吸引ポンプ１４の駆動により発酵汚泥を膜分離する。膜透過液引抜き管路１３を通して引抜いた膜透過液（例えば3.50ｔ／日）は槽外の排水処理設備へ供給し、汚泥ポンプ１６ｂの駆動により余剰汚泥引抜き管路１６ａを通して引抜いたメタン発酵槽５の余剰発酵汚泥（例えば4.68ｔ／日）を槽外の排水処理設備へ供給する。
【００４８】
メタン発酵槽５で発生するバイオガス（例えば597Ｎｍ３／日）はガス管路１９を通して発電設備へ燃料として供給する。運転時にメタン発酵槽５で発生するバイオガス量は、原料濃度の変化に起因して投入負荷が変化すること、メタン発酵に関わるメタン生成菌等の濃度、つまりメタン発酵槽５の発酵汚泥のＴＳ濃度（ＳＳ濃度）が変化すること、メタン生成菌の活性によってメタン発酵状態が変化すること等に由来して変動する。
【００４９】
このため、通常制御においては、ガス管路１９を流れるバイオガスの流量を流量計２０で積算量として計測し、制御装置２２により制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量を制御指標として算出するとともに、この制御サイクル時間毎に算出する制御指標に基づいて原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動を制御し、制御指標が目標値となるようにメタン発酵槽５への原料投入量を増減調整する。
【００５０】
バイオガス発生量の変動は原料投入量の増減に対して時間遅れで反応するので、所定時間の制御サイクル時間内に発生するバイオガス発生量を積算し、目標値との差により次の回の原料投入量を決定することが好ましい制御となる。
【００５１】
炭酸ガスは投入時にすぐ発生するが、メタンガスの発生は３〜５時間程度遅れる傾向がある。バイオガス（炭酸ガスとメタンガスの和）量で制御する場合には、３０分〜２時間程度を制御サイクル時間とし、バイオガス量に代えてメタンガス発生量で制御する場合には２〜５時間程度をサイクル時間とするのが良い。本実施の形態ではバイオガス発生量で制御して制御サイクル時間を１時間とした。
【００５２】
この制御指標のバイオガス量が目標値となるように、つまりバイオガス発生量が一定量を維持するように、メタン発酵槽５への原料投入量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して投入負荷を一定に維持する。
【００５３】
つまり、原料濃度が低くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が低下し、原料濃度が高くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が増加するので、原料濃度が低くなる時には原料投入量を増加させ、原料濃度が高くなる時には原料投入量を低減する。この原料投入量の調整量は予め原料濃度との関係において定めておく。
【００５４】
また、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整する。例えば、原料投入量の増加により液位計１５で計測するメタン発酵槽５の液位が予め設定する一定液位より上昇する場合には、液位計１５の指示信号によって吸引ポンプ１４の駆動を制御し、膜透過液の引抜き量を増加させることで液位を低下させる。あるいは、原料投入量の減少により液位計１５で計測するメタン発酵槽５の液位が予め設定する一定液位より低下する場合には、液位計１５の指示信号によって吸引ポンプ１４の駆動を制御し、膜透過液の引抜き量を減少させることで液位を上昇させる。この膜透過液の引抜き量の調整量は予め液位の変動幅との関係において定めておく。
【００５５】
したがって、メタン発酵槽５の液位が一定になるように膜透過液の引抜き量を増減することで、膜透過液の引抜き量の増減が原料投入量の増減に応じて変化し、膜透過液引抜き量は下記の式で表される。
〔膜透過液の引抜き量〕＝〔原料投入量〕−〔余剰発酵汚泥の引抜き量〕−〔ガス化量〕
このように、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して発酵槽内のＴＳ濃度が一定の値に収束する。
【００５６】
つまり、原料濃度の変動および原料投入量の増減により、メタン発酵槽５へ投入する水分量が変動するが、膜透過液の引抜き量を変動させて水分量の変動を吸収することで、原料濃度の変動および原料投入量の増減に対してメタン発酵槽５の発酵汚泥が一定量（一定の液位）となる。このメタン発酵槽５の発酵汚泥を一定量に維持しつつ、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量とする状態において、原料濃度の増減にともなってメタン発酵槽５へ流入するＴＳが増減するとメタン発酵槽５から流出するＴＳの引抜き量も増減し、結果としてＴＳ濃度は一定の濃度に収束する。本実施の形態ではＴＳ濃度を指標としたがＳＳ濃度を指標とすることも可能であり、ＳＳ濃度によってメタン生成菌の状態をある程度に推量することが可能である。
【００５７】
ところで、バイオガス発生量は、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎてメタン生成菌の活性が阻害され、メタン発酵状態が悪くなっても減少する。このメタン発酵状態が不調な時に原料投入量を増やすと、酸生成菌の働きが維持されるために、さらにメタン生成菌の活性が弱ってメタンガス濃度が低下する。
【００５８】
このため、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをメタンガス濃度を指標として見分ける。
【００５９】
具体的には、制御装置２２にメタン生成菌の活性が阻害されていると推定できるメタンガス濃度（例えば５０％）を予め経験則から求めて設定値として設定する。そして、運転時に濃度計２１でバイオガス中のメタンガス濃度（例えば通常６０％）を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、メタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減するか、メタン発酵槽５への原料投入を停止する。この操作によって、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。濃度計２１の計測値が設定値を上回る値に回復した時に、バイオガス量の制御指標に基づく制御に復帰する。
【００６０】
また、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをバイオガス発生量の減少率を指標として見分ける。
【００６１】
具体的には、図２に示すように、バイオガス流量計測手段によって、評価サイクル時間毎にガス発生量の評価平均量を求めるとともに、前回の評価サイクル時間の評価平均量との比較によって減少率を求める（Ｓ１）。
【００６２】
制御装置２２は、バイオガス流量計測手段で計測する発生量の減少率の値が評価基準値以上である場合に（Ｓ２）、メンテナンス会社へ警報を出力し（Ｓ３）、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、原料投入量を現在量に維持する（Ｓ４）。
【００６３】
そして、次回の評価サイクル時間において減少率が評価基準値以上である場合に（Ｓ５）、メンテナンス会社へ警報を出力してメタン発酵槽５への原料投入を停止する（Ｓ６）。原料投入を停止した場合は、人的操作によってリセットして通常運転に復帰する（Ｓ７）。上述の評価基準値としては複数の値を設定することができる。つまり、減少率が第１の評価基準値を超えた場合には、次回の評価時に第１の評価基準値より大きい評価基準値で評価を行う。
【００６４】
減少率が評価基準値以上となった後に、次回の評価サイクル時間で評価基準値以下となった場合は通常制御に戻る（Ｓ８）。メタン発酵槽５への原料投入の停止に変えて、メタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態における膜型メタン発酵処理装置を示す模式図
【図２】同実施の形態における膜型メタン発酵処理工程を示すフロー図
【符号の説明】
【００６６】
１ 原料
２ 破砕機
３ 可溶化槽
４ 原料投入装置
５ メタン発酵槽
６ 原料管路
７ａ 原料ポンプ
７ｂ 原料流量計
８ 汚泥管路
９ 往路管
１０ 復路管路
１１ 膜分離槽
１２ 浸漬型膜分離装置
１３ 膜透過液引抜き管路
１４ 吸引ポンプ
１５ 液位計
１６ａ 余剰汚泥引抜き管路
１６ｂ 汚泥ポンプ
１６ｃ 汚泥流量計
１７ 余剰発酵汚泥引抜き装置
１８ バイオガス
１９ ガス管路
２０ 流量計
２１ 濃度計
２２ 制御装置
２３ 希釈水管路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜型メタン発酵処理方法および装置に関し、有機性廃棄物リサイクル設備において有機性廃棄物をリサイクルする技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜分離装置を使用しない所定容量のメタン発酵槽では、所定容量の発酵槽へ投入する原料である有機性廃棄物の原料投入量に対して、メタン発酵槽から引抜く余剰発酵汚泥（消化汚泥）の引抜き量とバイオガスの生成に費やした消費量との和とが同量となる。
【０００３】
この膜分離装置を使用しないメタン発酵槽では、メタン生成菌等の菌体が余剰発酵汚泥とともに槽外へ流出するので、処理性能を左右する槽内のメタン生成菌等の濃度が制御できない。このため、バイオガス発生量を一定に維持することは、メタン発酵槽へ投入する投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）をよほど低負荷に抑制して運転しないと困難であり、投入負荷の抑制には槽容量の大きなメタン発酵槽を必要とした。
【０００４】
膜分離装置を使用する膜型メタン発酵槽は、発酵槽から取り出す余剰発酵汚泥の引抜き量と膜分離装置を透過した膜透過液の引抜き量との引抜き比率を調整することにより、発酵槽からメタン生成菌等が過剰に流出することを防止し、メタン発酵槽内のＴＳ（トータルスラッジ）濃度を一定に維持できるという特徴をもつ。
【０００５】
しかし、実際の原料投入のプロセスでは、原料の性状や原料投入時の希釈水、洗浄水の多少により投入原料の濃度が変動することを要因として、メタン発酵槽内のＴＳ濃度の変化が生じてプロセスに悪影響を及ぼす。
【０００６】
即ち、原料濃度が濃くなってＴＳ濃度が高くなり過ぎると、メタン発酵汚泥の粘度が高くなり、膜の透過性能が悪化してフラックスが低下する。逆に原料濃度が薄くなってＴＳ濃度が低くなり過ぎると、メタン生成菌の濃度も低下するために処理可能な負荷量が低下し、当初想定していた処理可能最大投入負荷をかけても過負荷となってメタン生成菌が活性低下もしくは死滅する。
【０００７】
このため、特許文献１においては、有機性液状廃棄物が流入するメタン発酵槽において、浸漬型膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を系外へ取り出すとともに、オーバーフロー管路によって発酵汚泥を槽外へ排出することで発酵槽内の液位を一定に維持し、浸漬型膜分離装置に作用する吸引負圧の測定値に基づいて浸漬型膜分離装置の運転を制御してメタン発酵槽の内部のＴＳ濃度をメタン発酵の適値に維持している。
【特許文献１】特開２００３−２０５３００公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、投入原料の濃度の変動は、メタン発酵槽の内部のＴＳ濃度に影響を与えるのみならず、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）、つまりメタン生成菌等にとっての栄養源の変動を伴う。
【０００９】
このため、特許文献１のように、原料投入量を一定としてメタン発酵槽へ原料を投入する場合には、メタン発酵槽内のＴＳ濃度を一定に維持することができても、投入負荷を一定に維持することができずにメタン生成菌等の濃度が変化する。
【００１０】
この投入負荷を一定とするためには、発酵槽へ投入する原料の濃度の変化に応じて原料投入量の増減を引抜き比率の調整と同時に行う必要がある。このため、運転員が原料濃度及びメタン発酵槽内のＴＳ濃度を手分析し、その結果を見て原料投入量及び引抜き比率の再設定を行っていた。
【００１１】
しかし、このような操作を１日に何回も行うことは困難であり、原料濃度が短時間で変動する場合には、過負荷にならないように低めの投入負荷に設定せざるを得ず、高い負荷での運転が可能な膜型メタン発酵槽の処理性能を十分に発揮させることができなかった。
【００１２】
また、メタン生成は、酸生成菌によって炭水化物、脂肪、蛋白質などから生成する低級脂肪酸をメタン生成菌によってメタンと炭酸ガスに分解する工程であり、メタン生成菌の至適ｐＨ範囲が６．４〜７．４のいわゆる中性付近であることから、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎるとメタン生成菌の活動が阻害される。
【００１３】
このため、投入負荷を一定とする運転を行う場合にあっても、温度等の要因によってメタン生成菌の活動が不調であるときには、投入負荷を低減する必要がある。
本発明は上記した課題を解決するものであり、メタン発酵槽内のＴＳ濃度および投入負荷を一定に維持してメタン生成菌等の濃度を安定させることができる膜型メタン発酵処理方法および装置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】
【００１４】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、発酵槽において原料としての有機性廃棄物を投入しつつメタン発酵を行い、膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜くとともに、発酵槽内の余剰発酵汚泥を槽外へ引抜く膜型メタン発酵処理方法であって、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整するものである。
【００１５】
上記した構成において、予備的な運転もしくは実験による経験則によって、原料投入量、余剰発酵汚泥の引抜き量、膜透過液の引抜き量の標準的な適値を求め、この値を運転時の基本値として膜型メタン発酵処理を行う。
【００１６】
運転時に発酵槽で発生するバイオガス量の変動は、原料濃度の変化に由来するものであり、原料濃度の変化に起因して投入負荷が変化することや、発酵槽内でメタン発酵に関わるメタン生成菌等の濃度、つまり発酵槽内のＴＳ濃度が変化することによる。
【００１７】
このため、制御指標のバイオガス量が目標値となるように、つまりバイオガス発生量が一定量を維持するように、発酵槽への原料投入量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して投入負荷を一定に維持する。つまり、原料濃度が低くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が低下し、原料濃度が高くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が増加するので、原料濃度が低くなる時には原料投入量を増加させ、原料濃度が高くなる時には原料投入量を低減する。この原料投入量の調整量は予め原料濃度との関係において定めておく。
【００１８】
また、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に収束させる。つまり、原料濃度の変動および原料投入量の増減により、発酵槽へ投入する水分量が変動するので、膜透過液の引抜き量を変動させて水分量の変動を吸収することで、原料濃度の変動および原料投入量の増減に対して発酵槽内の発酵汚泥を一定量に維持する。発酵槽内の発酵汚泥を一定量に維持しつつ、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量とする状態において、原料濃度の増減にともなって発酵槽へ流入するＴＳが増減すると発酵槽から流出するＴＳの引抜き量も増減し、結果としてＴＳ濃度は一定の濃度に収束する。
【００１９】
上述の操作によって、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量に維持しつつ、バイオガス発生量を一定量に維持するように原料投入量を増減し、かつ原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）を一定に維持することができ、投入負荷を糧として増殖する酸生成菌、メタン生成菌の量をほぼ一定に維持することができ、発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に維持することができる。
【００２０】
請求項２の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように、膜透過液の引抜き量を増減調整するものである。
【００２１】
上記した構成により、原料投入量の増加により発酵槽内の液位が予め設定する一定液位より上昇する場合には膜透過液の引抜き量を増加させることで液位を低下させ、原料投入量の減少により発酵槽内の液位が予め設定する一定液位より低下する場合には膜透過液の引抜き量を減少させることで液位を上昇させる。この膜透過液の引抜き量の調整量は予め液位の変動幅との関係において定めておく。
【００２２】
したがって、メタン発酵槽の液位が一定になるように膜透過液を増減することで、膜透過液の引抜き量の増減が原料投入量の増減に応じて変化し、膜透過液引抜き量は下記の式で表される。
〔膜透過液の引抜き量〕＝〔原料投入量〕−〔余剰発酵汚泥の引抜き量〕−〔ガス化量〕
請求項３の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００２３】
上記した構成により、バイオガス発生量は、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎてメタン生成菌の活性が阻害され、メタン発酵状態が悪くなっても減少する。このメタン発酵状態が不調な時に原料投入量を増やすと、酸生成菌の働きが維持されるために、さらにメタン生成菌の活性が弱ってメタンガス濃度が低下する。
【００２４】
このため、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをメタンガス濃度を指標として見分ける。そして、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できるメタンガス濃度を予め経験則から設定値として求め、運転時にメタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することで、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。この原料投入量の下限量は酸生成菌による有機酸の生成を抑制するのに十分に少ない値となる。
【００２５】
請求項４の本発明の膜型メタン発酵処理方法は、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００２６】
上記した構成により、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とを、発生量の減少率を指標として見分ける。
【００２７】
そして、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できる発生量の減少率を予め経験則から評価基準値として求め、運転時に減少率が評価基準値を上回った状態を複数評価サイクル時間にわたって継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することで、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。この際に、減少率が評価基準値を上回った時点で原料投入量を現在量に維持することが望ましい。また、評価基準値として複数の値を設定し、減少率が第１の評価基準値を超えた場合には、次回の評価時に第１の評価基準値より大きい評価基準値で評価を行うことも可能である。
【００２８】
請求項５の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う発酵槽と、原料を発酵槽へ供給する原料投入装置と、発酵槽内の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く膜分離装置と、発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く余剰発酵汚泥引抜き装置と、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求めるバイオガス流量計測手段と、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料投入装置による発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように膜分離装置による膜透過液の引抜き量を増減調整する制御手段とを備えたものである。
【００２９】
請求項６の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計を有し、制御手段はメタン濃度計の計測値が設定値を下回った時に、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標の値に拘らず、原料投入装置による発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは原料投入装置による発酵槽への原料投入を停止するものである。
【００３０】
請求項７の本発明の膜型メタン発酵処理装置は、バイオガス流量計測手段が、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、制御手段は、バイオガス発生量の減少傾向を示す減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止するものである。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように本発明によれば、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量に維持しつつ、バイオガス発生量を一定量に維持するように原料投入量を増減し、かつ原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度が変化しても、投入負荷（分解可能なＣＯＤＣｒ負荷）を一定に維持することができ、投入負荷を糧として増殖する酸生成菌、メタン生成菌の量をほぼ一定に維持することができ、これらの菌を含む発酵槽内のＴＳ濃度を一定の値に維持して安定したメタン発酵が可能となる。
【００３２】
また、制御サイクル時間を調整することで短時間（例えば１〜２時間）の濃度変動に対しても最適な原料投入量（投入負荷）に調整できるので、投入負荷が一時的に下がってしまうことによるメタン発酵槽の性能低下を防ぐことができる。
【００３３】
このため、例えばＣＯＤＣｒ容積負荷を２０ｋｇ／ｍ３程度の高い値に保持して膜型メタン発酵槽の高い処理性能を十分に発揮させることができ、バイオガス発生量が一定であるためにガス利用設備（ボイラ、発電機など）を安定的に稼動させることができる。
【００３４】
また、バイオガス発生量の減少が投入負荷量の低下によるものか、メタン発酵状態の悪化によるものかを判断して、その原因に応じて原料の増減を行うことが可能となる。メタン発酵状態の悪化を早期に発見し、投入負荷低減が可能になることで、発酵状態が回復不能な危機的状況となることを回避し、安定した運転が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、原料１は有機性廃棄物であり、本実施の形態では食品廃棄物（例えば4.4ｔ/日）である。この原料１は破砕機２を経て可溶化槽３へ導入（例えばＣＯＤＣｒ270,000mg/l）するか、もしくは直接に可溶化槽３に導入する。可溶化槽（例えば２５ｍ３）３は原料投入装置４を介してメタン発酵槽５に接続しており、原料投入装置４は可溶化槽３とメタン発酵槽５とを連通する原料管路６と原料管路６に介装した原料ポンプ７ａおよび原料投入量を計測する原料流量計７ｂとからなる。また、メタン発酵槽（例えば５７ｍ３、発酵温度５５℃）５は発酵汚泥を返送発酵汚泥（例えば1.99ｔ／日）として可溶化槽３へ返送する汚泥管路８を介して可溶化槽３に連通している。
【００３６】
メタン発酵槽５は往路管路９および復路管路１０を通して膜分離槽（例えば３ｍ３）１１に連通し、膜分離槽１１には発酵槽の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く浸漬型膜分離装置１２を配置している。浸漬型膜分離装置１２に接続した膜透過液引抜き管路１３には浸漬型膜分離装置１２に駆動圧として膜間差圧を与える吸引ポンプ１４を設けており、吸引ポンプ１４はメタン発酵槽５に設けた制御手段をなす液位計１５の指示信号によって駆動を制御し、メタン発酵槽５における発酵汚泥の液位を予め設定する一定の液位に維持するように膜透過液の引抜き量を増減調整する。この液位計１５は圧力式レベル計で差圧式が望ましい。
【００３７】
メタン発酵槽５の底部側には余剰発酵汚泥を引抜く余剰汚泥引抜き管路１６ａが接続しており、余剰汚泥引抜き管路１６ａには容積式定量ポンプ等からなる汚泥ポンプ１６ｂおよび余剰発酵汚泥の引抜き量を計測する汚泥流量計１６ｃを設けている。この余剰汚泥引抜き管路１６ａ、汚泥ポンプ１６ｂおよび汚泥流量計１６ｃからなる余剰発酵汚泥引抜き装置１７は発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く。
【００３８】
また、メタン発酵槽５の頂部側には発酵槽内で発生するバイオガス１８を取り出すガス管路１９が接続しており、ガス管路１９にはバイオガス量を計測する流量計２０と、バイオガス中のメタンガス濃度を計測する赤外線式等からなる濃度計２１とを設け、原料ポンプ７と流量計２０と濃度計２１に接続して制御装置２２を設けている。
【００３９】
流量計２０は積算機能を有するルーツメータ等からなり、シーケンサ等からなる制御装置２２との組み合わせによってバイオガス流量計測手段を構成する。このバイオガス流量計測手段は、メタン発酵槽５で発生してガス管路１９を流れるバイオガスの流量を流量計２０で積算量として計測し、制御装置２２の制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量を制御指標として算出する。制御指標は、制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量とすることも可能である。
【００４０】
また、バイオガス流量計測手段は、制御装置２２の評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求めるものであり、本実施の形態では評価平均量の減少率を求める。評価サイクル時間は制御サイクル時間と異なるサイクル時間であっても良く、同じサイクル時間であっても良い。
【００４１】
制御装置２２は、通常制御において制御サイクル時間毎に算出する制御指標に基づいて原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動を制御し、制御指標が目標値となるように発酵槽への原料投入量を増減調整する。
【００４２】
また、制御装置２２は、濃度計２１の計測値が設定値（例えば５０％）を下回った時に、バイオガス量の制御指標の値に拘らず、原料投入装置４によるメタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、濃度計２１の計測値が設定値を上回る値に回復した時にバイオガス量の制御指標に基づく制御に復帰する。原料投入量を下限量に低減することに代えて原料投入装置４によるメタン発酵槽５への原料投入を停止することも可能である。
【００４３】
また、制御装置２２は、減少率が評価基準値以上である時に原料投入量を現在量に維持し、この状態が次回評価サイクル時間にも継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止する。この評価基準値は、メタン生成菌の活性が阻害されていると推定できる発生量の減少率を予め経験則から求めて設定する。
【００４４】
メタン発酵槽５の頂部には希釈水（例えば2.64ｔ／日）を供給する希釈水管路２３を接続している。上述の構成によって、本発明の膜型メタン発酵処理装置は、例えばＣＯＤＣｒ容積負荷２０ｋｇ／ｍ３・日、ＣＯＤ分解率８５％、ＨＲＴ６〜７日、ＳＲＴ１２〜１４日を達成する。
【００４５】
以下、上記した構成における作用を説明する。予備的な運転もしくは実験による経験則によって、原料投入量、余剰発酵汚泥の引抜き量、膜透過液の引抜き量の標準的な適値を求め、この値を運転時の基本値として膜型メタン発酵処理を行う。
【００４６】
可溶化槽３に貯留する原料（例えば6.43ｔ／日）１を原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動により原料管路６を通してメタン発酵槽５へ投入しつつ、メタン発酵槽５において原料１の食品廃棄物をメタン発酵させる。
【００４７】
メタン発酵槽５の発酵汚泥は往路管路９および復路管路１０を通して膜分離槽１１との間を流動し、浸漬型膜分離装置１２は吸引ポンプ１４の駆動により発酵汚泥を膜分離する。膜透過液引抜き管路１３を通して引抜いた膜透過液（例えば3.50ｔ／日）は槽外の排水処理設備へ供給し、汚泥ポンプ１６ｂの駆動により余剰汚泥引抜き管路１６ａを通して引抜いたメタン発酵槽５の余剰発酵汚泥（例えば4.68ｔ／日）を槽外の排水処理設備へ供給する。
【００４８】
メタン発酵槽５で発生するバイオガス（例えば597Ｎｍ３／日）はガス管路１９を通して発電設備へ燃料として供給する。運転時にメタン発酵槽５で発生するバイオガス量は、原料濃度の変化に起因して投入負荷が変化すること、メタン発酵に関わるメタン生成菌等の濃度、つまりメタン発酵槽５の発酵汚泥のＴＳ濃度（ＳＳ濃度）が変化すること、メタン生成菌の活性によってメタン発酵状態が変化すること等に由来して変動する。
【００４９】
このため、通常制御においては、ガス管路１９を流れるバイオガスの流量を流量計２０で積算量として計測し、制御装置２２により制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量を制御指標として算出するとともに、この制御サイクル時間毎に算出する制御指標に基づいて原料投入装置４の原料ポンプ７ａの駆動を制御し、制御指標が目標値となるようにメタン発酵槽５への原料投入量を増減調整する。
【００５０】
バイオガス発生量の変動は原料投入量の増減に対して時間遅れで反応するので、所定時間の制御サイクル時間内に発生するバイオガス発生量を積算し、目標値との差により次の回の原料投入量を決定することが好ましい制御となる。
【００５１】
炭酸ガスは投入時にすぐ発生するが、メタンガスの発生は３〜５時間程度遅れる傾向がある。バイオガス（炭酸ガスとメタンガスの和）量で制御する場合には、３０分〜２時間程度を制御サイクル時間とし、バイオガス量に代えてメタンガス発生量で制御する場合には２〜５時間程度をサイクル時間とするのが良い。本実施の形態ではバイオガス発生量で制御して制御サイクル時間を１時間とした。
【００５２】
この制御指標のバイオガス量が目標値となるように、つまりバイオガス発生量が一定量を維持するように、メタン発酵槽５への原料投入量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して投入負荷を一定に維持する。
【００５３】
つまり、原料濃度が低くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が低下し、原料濃度が高くなると投入原料の単位量当たりにおける投入負荷が増加するので、原料濃度が低くなる時には原料投入量を増加させ、原料濃度が高くなる時には原料投入量を低減する。この原料投入量の調整量は予め原料濃度との関係において定めておく。
【００５４】
また、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整する。例えば、原料投入量の増加により液位計１５で計測するメタン発酵槽５の液位が予め設定する一定液位より上昇する場合には、液位計１５の指示信号によって吸引ポンプ１４の駆動を制御し、膜透過液の引抜き量を増加させることで液位を低下させる。あるいは、原料投入量の減少により液位計１５で計測するメタン発酵槽５の液位が予め設定する一定液位より低下する場合には、液位計１５の指示信号によって吸引ポンプ１４の駆動を制御し、膜透過液の引抜き量を減少させることで液位を上昇させる。この膜透過液の引抜き量の調整量は予め液位の変動幅との関係において定めておく。
【００５５】
したがって、メタン発酵槽５の液位が一定になるように膜透過液の引抜き量を増減することで、膜透過液の引抜き量の増減が原料投入量の増減に応じて変化し、膜透過液引抜き量は下記の式で表される。
〔膜透過液の引抜き量〕＝〔原料投入量〕−〔余剰発酵汚泥の引抜き量〕−〔ガス化量〕
このように、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することで、原料濃度の変化に対して発酵槽内のＴＳ濃度が一定の値に収束する。
【００５６】
つまり、原料濃度の変動および原料投入量の増減により、メタン発酵槽５へ投入する水分量が変動するが、膜透過液の引抜き量を変動させて水分量の変動を吸収することで、原料濃度の変動および原料投入量の増減に対してメタン発酵槽５の発酵汚泥が一定量（一定の液位）となる。このメタン発酵槽５の発酵汚泥を一定量に維持しつつ、余剰発酵汚泥の引抜き量を一定量とする状態において、原料濃度の増減にともなってメタン発酵槽５へ流入するＴＳが増減するとメタン発酵槽５から流出するＴＳの引抜き量も増減し、結果としてＴＳ濃度は一定の濃度に収束する。本実施の形態ではＴＳ濃度を指標としたがＳＳ濃度を指標とすることも可能であり、ＳＳ濃度によってメタン生成菌の状態をある程度に推量することが可能である。
【００５７】
ところで、バイオガス発生量は、酸生成菌によって生成する有機酸が多くなり過ぎてメタン生成菌の活性が阻害され、メタン発酵状態が悪くなっても減少する。このメタン発酵状態が不調な時に原料投入量を増やすと、酸生成菌の働きが維持されるために、さらにメタン生成菌の活性が弱ってメタンガス濃度が低下する。
【００５８】
このため、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをメタンガス濃度を指標として見分ける。
【００５９】
具体的には、制御装置２２にメタン生成菌の活性が阻害されていると推定できるメタンガス濃度（例えば５０％）を予め経験則から求めて設定値として設定する。そして、運転時に濃度計２１でバイオガス中のメタンガス濃度（例えば通常６０％）を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、メタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減するか、メタン発酵槽５への原料投入を停止する。この操作によって、酸生成菌によって生成する有機酸を低減してメタン生成菌の活性を回復させる。濃度計２１の計測値が設定値を上回る値に回復した時に、バイオガス量の制御指標に基づく制御に復帰する。
【００６０】
また、原料濃度の低下に伴う投入負荷の減少に起因するバイオガス発生量の低減と、メタン発酵状態の不調に起因するバイオガス発生量の低減とをバイオガス発生量の減少率を指標として見分ける。
【００６１】
具体的には、図２に示すように、バイオガス流量計測手段によって、評価サイクル時間毎にガス発生量の評価平均量を求めるとともに、前回の評価サイクル時間の評価平均量との比較によって減少率を求める（Ｓ１）。
【００６２】
制御装置２２は、バイオガス流量計測手段で計測する発生量の減少率の値が評価基準値以上である場合に（Ｓ２）、メンテナンス会社へ警報を出力し（Ｓ３）、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、原料投入量を現在量に維持する（Ｓ４）。
【００６３】
そして、次回の評価サイクル時間において減少率が評価基準値以上である場合に（Ｓ５）、メンテナンス会社へ警報を出力してメタン発酵槽５への原料投入を停止する（Ｓ６）。原料投入を停止した場合は、人的操作によってリセットして通常運転に復帰する（Ｓ７）。上述の評価基準値としては複数の値を設定することができる。つまり、減少率が第１の評価基準値を超えた場合には、次回の評価時に第１の評価基準値より大きい評価基準値で評価を行う。
【００６４】
減少率が評価基準値以上となった後に、次回の評価サイクル時間で評価基準値以下となった場合は通常制御に戻る（Ｓ８）。メタン発酵槽５への原料投入の停止に変えて、メタン発酵槽５への原料投入量を予め設定する下限量に低減することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態における膜型メタン発酵処理装置を示す模式図
【図２】同実施の形態における膜型メタン発酵処理工程を示すフロー図
【符号の説明】
【００６６】
１ 原料
２ 破砕機
３ 可溶化槽
４ 原料投入装置
５ メタン発酵槽
６ 原料管路
７ａ 原料ポンプ
７ｂ 原料流量計
８ 汚泥管路
９ 往路管
１０ 復路管路
１１ 膜分離槽
１２ 浸漬型膜分離装置
１３ 膜透過液引抜き管路
１４ 吸引ポンプ
１５ 液位計
１６ａ 余剰汚泥引抜き管路
１６ｂ 汚泥ポンプ
１６ｃ 汚泥流量計
１７ 余剰発酵汚泥引抜き装置
１８ バイオガス
１９ ガス管路
２０ 流量計
２１ 濃度計
２２ 制御装置
２３ 希釈水管路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発酵槽において原料としての有機性廃棄物を投入しつつメタン発酵を行い、膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜くとともに、発酵槽内の余剰発酵汚泥を槽外へ引抜く膜型メタン発酵処理方法であって、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することを特徴とする膜型メタン発酵処理方法。
【請求項２】
原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように、膜透過液の引抜き量を増減調整することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項３】
発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項４】
測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項５】
有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う発酵槽と、原料を発酵槽へ供給する原料投入装置と、発酵槽内の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く膜分離装置と、発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く余剰発酵汚泥引抜き装置と、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求めるバイオガス流量計測手段と、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料投入装置による発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように膜分離装置による膜透過液の引抜き量を増減調整する制御手段とを備えたことを特徴とする膜型メタン発酵処理装置。
【請求項６】
発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計を有し、制御手段はメタン濃度計の計測値が設定値を下回った時に、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標の値に拘らず、原料投入装置による発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは原料投入装置による発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項５に記載の膜型メタン発酵処理装置。
【請求項７】
バイオガス流量計測手段が、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、制御手段は、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項６に記載の膜型メタン発酵処理装置。
【請求項１】
発酵槽において原料としての有機性廃棄物を投入しつつメタン発酵を行い、膜分離装置によって発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜くとともに、発酵槽内の余剰発酵汚泥を槽外へ引抜く膜型メタン発酵処理方法であって、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求め、余剰発酵汚泥の引抜き量を予め設定する一定量に維持しつつ、制御指標のバイオガス量が目標値となるように制御サイクル時間毎に発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減に応じて膜透過液の引抜き量を増減調整することを特徴とする膜型メタン発酵処理方法。
【請求項２】
原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように、膜透過液の引抜き量を増減調整することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項３】
発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定し、メタンガス濃度が設定値を下回った時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項４】
測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項１に記載の膜型メタン発酵処理方法。
【請求項５】
有機性廃棄物を原料としてメタン発酵を行う発酵槽と、原料を発酵槽へ供給する原料投入装置と、発酵槽内の発酵汚泥を固液分離して膜透過液を槽外へ引抜く膜分離装置と、発酵槽内の余剰発酵汚泥を予め設定する一定量で槽外へ引抜く余剰発酵汚泥引抜き装置と、発酵槽で発生するバイオガス量を測定し、制御サイクル時間内の発生総量であるバイオガス発生積算量、もしくは制御サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量であるバイオガス発生平均量を制御指標として求めるバイオガス流量計測手段と、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標が目標値となるように制御サイクル時間毎に原料投入装置による発酵槽への原料投入量を制御指標の値に基づいて増減調整し、原料投入量の増減により変動する発酵槽内の液位が予め設定する一定液位となるように膜分離装置による膜透過液の引抜き量を増減調整する制御手段とを備えたことを特徴とする膜型メタン発酵処理装置。
【請求項６】
発酵槽で発生するバイオガス中のメタンガス濃度を測定するメタン濃度計を有し、制御手段はメタン濃度計の計測値が設定値を下回った時に、バイオガス流量計測手段で計測する制御指標の値に拘らず、原料投入装置による発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは原料投入装置による発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項５に記載の膜型メタン発酵処理装置。
【請求項７】
バイオガス流量計測手段が、測定したバイオガス量から評価サイクル時間内の発生総量である評価積算量、もしくは評価サイクル時間内の単位時間当たりの平均発生量である評価平均量の何れかの減少率を求め、制御手段は、バイオガス発生量の減少率が複数評価サイクル時間にわたって評価基準値以上を継続する時に、制御指標のバイオガス量の値に拘らず、発酵槽への原料投入量を予め設定する下限量に低減し、もしくは発酵槽への原料投入を停止することを特徴とする請求項６に記載の膜型メタン発酵処理装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１５３３５（Ｐ２００６−１５３３５Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６０７８１（Ｐ２００５−１６０７８１）
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（０００００１０５２）株式会社クボタ (4,415)
【Ｆターム（参考）】
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