JP5424293B2

JP5424293B2 - 生物処理装置及び生物処理方法

Info

Publication number: JP5424293B2
Application number: JP2008025668A
Authority: JP
Inventors: 久佐藤; 禎仁中原; 学笹川
Original assignee: Hokkaido University NUC; Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: JP2009183848A

Description

本発明は、生物処理装置及び生物処理方法に関する。

農業、畜産業、水産業等における廃棄物や廃水、下水や下水汚泥等の処理では、これらを嫌気性微生物により生物処理する方法が開発・実用化されている。これらの廃棄物、廃水等に含まれる有機物は、嫌気性微生物により発酵され、最終的にメタン、二酸化炭素、水素ガスが発生する。そのため、廃棄物や廃水等を処理すると同時に、気相に放出されたガスを回収し、該ガスからメタンガス等の特定のガスを分離することも行われている。

廃棄物や廃水等から発生したガスから二酸化炭素を除去してメタンガスを濃縮、分離する方法としては、化学吸収法、物理吸収法、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法、分離膜を用いた分離法等が挙げられる。なかでも、システムを簡便に構成できる点、装置を比較的小規模にできる点から分離膜を用いた分離法が好ましい。

分離膜を用いてメタンガスを分離する方法としては、嫌気性微生物の作用によってごみ埋立地から発生し、気相に放出されたガスを回収して、二酸化炭素を通しやすい分離膜に該ガスを通してメタンガスを分離する方法が示されている（特許文献１）。
また、嫌気性微生物による廃水処理によって発生し、気相に放出されたメタンガスと炭酸ガスの混合ガスを回収し、該混合ガスから分離膜を用いてメタンガスを分離して利用する装置が示されている（特許文献２）。
特開昭６１−５３９９４号公報特開平４−１７７０１３号公報

このような従来の生物処理方法や生物処理装置においては、生物処理中に廃棄物から発生して気相に放出されたガスを回収している。しかし、これらは、ガスは嫌気性微生物により生成されているため、廃棄物や廃水から気相に放出されるまでに消費されたり、廃棄物、廃水、微生物集合体（すなわち生物膜）中に残存していたガスを回収できていなかった。このため、生物処理方法や生物処理装置におけるシステム全体のガス回収量を増大させることができず、エネルギー回収量を増大させることができなかった。
そのため、廃棄物や廃水中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる方法が望まれている。

そこで本発明では、廃棄物や廃水等の処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる生物処理装置および生物処理方法の提供を目的とする。

本発明の生物処理装置は、処理対象物を生物処理してガスを発生させる生物処理槽と、前記処理対象物と接触するように前記生物処理槽内に配置され、ガスを透過する非透水性の分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の内部を減圧する減圧手段と、前記減圧手段から排出されるガスを回収貯留するためのガス貯留手段とを備えていることを特徴とする装置である。

また、本発明の生物処理装置は、前記ガス分離手段が、前記分離膜の表面又はその近傍に微生物担持機構を備えていることが好ましい。
また、前記分離膜が非透水性分離膜であることが好ましい。
また、前記分離膜が気体選択透過性分離膜であることが好ましい。

また、本発明の生物処理方法は、処理対象物を生物処理してガスを発生させ、当該ガスを回収する生物処理方法において、ガスを透過する非透水性の分離膜を有するガス分離手段を前記処理対象物に接触させ、前記ガス分離手段の内部を減圧して、前記処理対象物から前記ガスを分離し、分離したガスを回収することを特徴とする方法である。
また、本発明の生物処理方法は、前記分離膜の表面に生物層を形成させることが好ましい。

本発明の生物処理装置および生物処理方法は、廃棄物や廃水等の処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる。

［生物処理装置］
本発明の生物処理装置は、処理対象物を生物処理してガスを発生させる生物処理槽と、前記処理対象物と接触するように前記生物処理槽内に配置され、ガスを透過する分離膜を有するガス分離手段と、前記ガス分離手段の内部を減圧する減圧手段とを備えていることを特徴とする装置である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の生物処理装置の一例を示す構成図である。生物処理装置１０は、生物処理槽１２と、生物処理槽１２内に配置されたガス分離手段１４と、ガス分離手段１４に接続された減圧手段１６と、ガス分離手段１４の表面又は表面近傍に設けられた微生物担持機構１８と、生物処理槽１２の上部のガス排出口２０および減圧手段１６から排出されるガスを貯留するガス貯留手段２２とを備える。

生物処理槽１２としては、嫌気条件下で嫌気性微生物によって処理対象物に含まれる有機物を発酵させて、ガスを発生させる嫌気性生物処理槽が挙げられる。生物処理槽１２の形状は特に限定されず、各種用途に応じた形状を用いることができる。

ガス分離手段１４は、ガスを透過する分離膜を有するものである。
ガス分離手段１４としては、公知の分離膜モジュール（中空糸膜モジュール、平膜モジュール等）が挙げられる。
分離膜としては、中空糸膜、平膜等が挙げられ、表面積が大きく充填率を高くできる点から、中空糸膜が好ましい。

また、分離膜は、水分率の高い処理対象物を生物処理する場合であっても水分を含まないガスを分離、回収することが容易である点から、非透水性分離膜が好ましく、非透水性中空糸膜がより好ましい。非透水性中空糸膜としては、例えば、疎水素材からなる分離膜や、ガス透過性の非多孔質分離層を多孔質支持層で挟んだ三層構造膜が挙げられる。三層構造膜は、多孔質支持層が後述の微生物担持機構１８としての役割も果たすため、分離膜として好適である。

また、分離膜は、水素やメタン等の有用なガスを高濃度で分離、回収することが容易になる点から、気体選択透過性分離膜が好ましく、気体選択透過性中空糸膜がより好ましい。気体選択透過性中空糸膜としては、例えば、ポリウレタン製の非多孔質分離層を有する三層構造膜等が挙げられる。

ガス分離手段１４は、処理対象物に接触するように生物処理槽１２内に配置される。例えば、処理対象物が液状である場合は、生物処理槽１２内において、処理対象物に浸漬される位置に配置され、処理対象物が固形状の場合は、生物処理槽１２内において、処理対象物に埋没する位置に配置される。

減圧手段１６としては、ガス分離手段１４の内部を減圧できるものであれば特に限定されず、例えば、吸引ポンプ等が挙げられる。

微生物担持機構１８としては、膜表面や膜表面近傍に生物付着性の高い微生物担持機構を設けた分離膜が挙げられる。微生物担持機構１８は、比表面積の高い多孔質体及び／又は微生物の付着し易い素材であり、炭素繊維が好ましい。微生物担持機構１８には、予め嫌気性微生物等の生物を付着させておいてもよい。

ガス貯留手段２２としては、分離、回収したガスを貯留できるものであれば特に限定されず、アルミバッグや圧力容器等が挙げられる。

つぎに、生物処理装置１０を用いた生物処理方法について説明する。
生物処理槽１２内に処理対象物を入れ、処理対象物を生物処理し、ガスを発生させる。同時に、減圧手段１６を作動させてガス分離手段１４内を減圧にし、処理対象物中で発生したガスを透過して分離する。生物処理槽１２の上部のガス排出口２０および減圧手段１６から排出されるガスは、ガス貯留手段２２に回収される。処理対象物の生物処理を続けるうちに、微生物担持機構１８に生物が付着し、ガス分離手段１４の表面に生物層が形成される。

処理対象物としては、生物処理によりガスを発生するものであればよく、例えば、農業、畜産業、水産業、食品業における廃棄物及び廃水、下水、下水汚泥等が挙げられる。処理対象物は、固形状であっても液状であってもよい。
生物処理としては、嫌気条件下で嫌気性微生物によって処理対象物に含まれる有機物を発酵させる処理が挙げられる。

嫌気性微生物としては、例えば、メタン生成古細菌等の微生物が挙げられる。
生物処理を行う際は、微生物を処理対象物に新たに加えてもよく、処理対象物に元から存在する微生物を利用してもよい。
また、ガス分離手段１４の表面又は表面近傍に生物層を形成することにより、生物層中の生物反応により発生したガスを分離膜に透過して分離することが容易になる。また、生物層の内部側、すなわち生物層における最も分離膜に近い側は、より高度な嫌気条件になりやすく、処理対象物の生物処理活性が向上する。生物層は、処理対象物を生物処理する間に自然に形成されるようにしてもよく、予め生物層を形成させたガス分離手段１４を用いてもよい。

以上説明した生物処理装置１０にあっては、ガス分離手段１４が処理対象物に接触するように生物処理槽１２内に配置されているため、処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる。
また、以上説明した生物処理方法にあっては、ガス分離手段を前記処理対象物に接触させるため、処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の生物処理装置の他の例を示す構成図である。生物処理装置３０において生物処理装置１０と同じ部分については同符号を付して説明を省略する。生物処理装置３０は、生物処理槽３２と、生物処理槽３２内に配置されたガス分離手段３４と、ガス分離手段３４に接続された減圧手段１６と、ガス分離手段３４の表面又は表面近傍に設けられた微生物担持機構３６と、生物処理槽３２の上部のガス排出口３８と、減圧手段１６から排出されるガスを貯留するガス貯留手段２２と、生物処理槽３２の底部側の処理対象物流入口４０（以下、流入口４０という）および上部側の処理対象物流出口４２（以下、流出口４２という）を備える。

生物処理槽３２は、いわゆるＵＡＳＢ（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket）リアクターであり、生物処理槽３２の底部側に設けられた流入口４０から流入した処理対象物が上部側の流出口４２から流出し、流出した処理対象物が再度流入口４０から流入して生物処理装置３０内を循環する。生物処理槽３２の形状は特に限定されず、各種用途に応じた形状を用いることができる。
生物処理槽３２は、処理対象物が液状である場合に好適である。

ガス分離手段３４は、ガスを透過する分離膜を有するものである。
ガス分離手段３４としては、公知の分離膜モジュール（中空糸膜モジュール、平膜モジュール等）が挙げられる。
中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜（分離膜４４）と集気管４６とを備え、中空糸膜の少なくとも一方の端部が集気管４６に連通した状態で集気管４６に固定されたものである。中空糸膜の他方の端部は同様に集気管に連通した状態で固定されたものでもよく、端部が封止されたものであってもよく、ループ状に折り返したものであってもよい。

中空糸膜は、水分率の高い処理対象物を生物処理する場合であっても水分を含まないガスを分離、回収することが容易である点から、非透水性中空糸膜が好ましく、生物処理装置１０において挙げたものと同じものが挙げられる。

また、中空糸膜は、水素やメタン等の有用なガスを高濃度で分離、回収することが容易になる点から、気体選択透過性中空糸膜が好ましく、生物処理装置１０において挙げたものと同じものが挙げられる。

ガス分離手段３４は、処理対象物に浸漬するように生物処理槽３２内に配置される。ガス分離手段３４は、処理対象物の流れを妨げないように配置することが好ましい。また、ガス分離手段の表面または表面近傍に生物層を形成させる場合は、形成される生物層の厚みも考慮して、処理対象物の流れを妨げないようにすればよい。

微生物担持機構３６は、生物処理装置１０における微生物担持機構１８と同じものを挙げることができる。

つぎに、生物処理装置３０を用いた生物処理方法について説明する。
生物処理槽３２内に処理対象物を入れ、処理対象物を生物処理し、ガスを発生させる。同時に、減圧手段１６を作動させてガス分離手段３４内を減圧にし、処理対象物中で発生したガスを透過して分離する。生物処理槽３２の上部のガス排出口３８および減圧手段１６から排出されるガスは、ガス貯留手段２２に回収される。処理対象物の生物処理を続けるうちに、微生物担持機構３６に生物が付着し、ガス分離手段３４の表面に生物層が形成される。

処理対象物としては、第１の実施形態で挙げたもののうち、廃水、下水等の液状のものが挙げられる。生物処理としては、嫌気条件下で嫌気性微生物によって処理対象物に含まれる有機物を発酵させる処理が挙げられる。
嫌気性微生物としては、第１の実施形態で挙げた微生物と同じものが挙げられる。生物処理を行う際は、微生物を処理対象物に新たに加えてもよく、処理対象物に元から存在する微生物を利用してもよい。
また、ガス分離手段３４の表面又は表面近傍に生物層を形成することにより、生物層中の生物により発生したガスを透過して分離することが容易になる。また、生物層の内側はより高度な嫌気条件になりやすく、処理対象物の生物処理活性が向上する。

以上説明した生物処理装置３０にあっては、ガス分離手段３４が処理対象物に浸漬するように生物処理槽３２内に配置されているため、処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる。
また、以上説明した生物処理方法にあっては、ガス分離手段を前記処理対象物に浸漬させるため、処理対象物中で消費されたり、残存したりしていたガスを回収できる。

本発明の生物処理装置および生物処理方法では、発生したガスを処理対象物中から直接取り出しながら生物処理を行うことで、処理対象物中のガス濃度が低くなり、生物処理の活性が高くなるという効果も得られる。
本発明の生物処理装置は、廃棄物や廃水等の廃棄物処理装置として用いてもよく、処理対象物から特定のガスを製造するガス製造装置として用いてもよい。

尚、本発明の生物処理装置は、図１および図２に例示した装置には限定されない。例えば、図２に例示した生物処理槽３２を複数備え、隣接する生物処理槽３２の流出口４２と流入口４０とを連接した生物処理装置であってもよい。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載によっては限定されない。
本実施例では、図１に例示した生物処理装置１０を用いた。生物処理槽１２として縦１００ｍｍ×横２００ｍｍ×高さ３００ｍｍで有効容積６Ｌの角型生物反応リアクターを用いた。

また、ガス分離手段１４として、複数の中空糸膜と、集気管とを有する下記の中空糸膜モジュールを用いた。
中空糸膜は、ポリウレタン製の気体分離層（厚さ１μｍ）をポリエチレン製の多孔質支持層（厚さ２０μｍ）で挟み込んだ三層構造を有し、外径が２８０μｍであるガス選択性の中空糸膜（三菱レイヨン社製）を用いた。該中空糸膜の有効膜面積は０．１ｍ^２であった。

処理対象物としては、下記組成の模擬廃水を用いた。
ｍｇ／Ｌ
ＮａＨＣＯ_３１０００
Ｋ_２ＨＰＯ_４５０
（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４２８
ＫＣｌ２８
ＮＨ_４Ｃｌ３２
ＦｅＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏ１６
ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ３２
ＭｎＳＯ_４・６Ｈ_２Ｏ０.２
ＣｕＳＯ_４・６Ｈ_２Ｏ０.２
ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ０.２
Ｎｉ０.２
Ｚｎ０.２
粉ミルク１２５０
嫌気性微生物は処理対象物に新たに添加せず、処理対象物中にもともと存在する嫌気性微生物を利用した。

［実施例１］
前記生物処理槽１０を用いて、処理廃水量を２Ｌ／日、処理時間５日、処理温度３５℃の条件下で前記模擬廃水の処理を行った。また、処理期間中は、流出口１２から流出した模擬廃水が流入口１１から流入するようにして、８Ｌ／分で生物処理槽１０内を循環させた。また、処理期間中、分離膜２１である中空糸膜の内部は、減圧ポンプ（図示せず）により０．０５ＭＰａまで減圧した。
模擬廃水の処理中、中空糸膜モジュールから取り出されるガスの組成をガスクロマトグラフィー分析により測定した結果を表１に示す。

［比較例１］
処理対象物である模擬廃水から気相に放出されたガスを、生物処理槽１０の上部に設けられたガス流出口１３から取り出すこと以外は、実施例１と同様にして生物処理を行い、得られたガスの組成を測定した。

表１に示すように、実施例１では、嫌気性微生物により模擬廃水中で消費されたり、残存したりしてしまうガスを分離することができた。また、得られたガス中に占めるメタンガスの割合が高く、目的のガスを高い選択性で得ることができた。
一方、比較例１では、模擬廃水中で消費されたり、残存したりしてしまうガスを分離することができず、得られたガス中に占めるメタンガスの割合が小さかった。

本発明の生物処理装置及び生物処理方法は、処理対象物中で消費されたり、残存したりしてしまうガスを分離することができるため、廃棄物や廃水等の処理や、それらを処理対象物としたメタンガスや水素ガス等の有用なガスの製造等に好適に用いることができる。

本発明の生物処理装置の一例を示した構成図である。本発明の生物処理装置の他の例を示した構成図である。

符号の説明

１０生物処理装置１２生物処理槽１４ガス分離手段１６減圧手段３０生物処理装置３２生物処理槽３４ガス分離手段

Claims

処理対象物を生物処理してガスを発生させる生物処理槽と、
前記処理対象物と接触するように前記生物処理槽内に配置され、ガスを透過する非透水性の分離膜を有するガス分離手段と、
前記ガス分離手段の内部を減圧する減圧手段と、
前記減圧手段から排出されるガスを回収貯留するためのガス貯留手段と、
を備えていることを特徴とする生物処理装置。
前記ガス分離手段が、前記分離膜の表面又はその近傍に微生物担持機構を備えた、請求項１に記載の生物処理装置。
前記分離膜が気体選択透過性分離膜である、請求項１又は２に記載の生物処理装置。
処理対象物を生物処理してガスを発生させ、当該ガスを回収する生物処理方法において、
ガスを透過する非透水性の分離膜を有するガス分離手段を前記処理対象物に接触させ、前記ガス分離手段の内部を減圧して、前記処理対象物から前記ガスを分離し、分離したガスを回収することを特徴とする生物処理方法。
前記分離膜の表面に生物層を形成させる、請求項４に記載の生物処理方法。