JP6513448B2 - 排水処理装置及び排水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、排水処理装置及び排水処理方法に関する。

近年、都市部にて排出される生ごみなどの食品廃棄物を嫌気性微生物によりメタン発酵させ、発生したバイオガスを発電燃料などに利用することで、廃棄物を削減し、ＣＯ_２の発生量も抑制する試みがなされている。
また、各家庭から廃棄される生ごみの排出量削減のため、ディスポーザーが普及してきており、ディスポーザーによる希釈率の高いバイオマス原料についても、高効率にメタン発酵させる技術が知られている。

例えば、生ごみ粉砕処理廃液を可溶化する可溶化槽、可溶化した生ごみ粉砕処理廃液を沈殿分離する固液分離槽、固液分離槽にて沈殿分離された沈殿物をバイオガス化する嫌気発酵槽、及び固液分離槽で固液分離された液相を好気処理する好気処理槽を備える排水処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２７８５１号公報

通常のメタン発酵は、生ごみなどのバイオマス原料の含水率を８０％〜９５％程度に希釈して行なわれる。これ以上にバイオマス原料が希釈されている場合、発酵システムに投入される水が増加して発酵槽の体積が大きくなり、また、メタン発酵に必要な加温エネルギーが大きくなってしまう。そのため、発酵システムに投入される水の量及びメタン発酵に必要な加温エネルギーを削減する点から、固液分離槽にてバイオマス原料を固液分離し、含水率が９５％以下になるよう濃縮する。

特許文献１に記載の排水処理装置は、ディスポーザーによる希釈率の高いバイオマス原料（希釈率が９６％〜９９％程度）も処理対象としているため、この排水処理装置には固液分離槽が設けられている。そして、この排水処理装置は、固液分離槽にてバイオマス原料を固液分離した後、分離された沈殿物をバイオマス化してメタン発酵を行なっている。

しかしながら、特許文献１に記載の排水処理装置では、固液分離槽にて固液分離した液相に含まれるバイオマス原料については、メタン発酵せずに好気処理槽に移送しており、投入したバイオマス原料からエネルギーを最大限回収していない。

また、特許文献１に記載の排水処理装置では、嫌気発酵槽にて発生したバイオガスを吹き込むことにより、槽内の撹拌を行なっている。しかし、槽内の撹拌にエネルギーが必要であり、バイオガス生成により得られる正味のエネルギーがその分少なくなってしまう。そのため、バイオガスの生成効率を高める点から、撹拌動力を小さくすることが好ましい。

また、特許文献１に記載の排水処理装置では、バイオマス原料を固液分離するための固液分離槽が必要であり、排水処理装置が大型化してしまうという問題がある。さらに、好気処理槽には固液分離したバイオマス原料を含む液相が投入されるが、排水基準まで液相の有機物濃度を低減させる必要があるため、好気処理槽の排水処理の負荷が大きく、好気処理槽も大型化してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、バイオマス原料から高効率にバイオガスを生成でき、かつ簡略化かつ小型化された排水処理装置、及びこのような排水処理装置を用いた排水処理方法を提供することを目的とする。

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ バイオマス原料を分解してバイオガス化する微生物を担持する微生物担持体が設置され、前記バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備え、前記嫌気発酵槽は、発生するバイオガスを利用して投入された前記排水を無動力で撹拌する排水処理装置。

通常、排水処理装置は、バイオマス原料を含む排水を固液分離する固液分離槽を備え、分離された沈殿物を嫌気微生物などで分解しバイオガス化し、固液分離したバイオマス原料を含む液相は、嫌気微生物で分解されずに、好気処理槽に移送されて好気処理が行なわれた後、放流される。

一方、本形態に係る排水処理装置は、バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備えており、排水処理装置に通常設けられる固液分離槽は有していない。そのため、本形態に係る排水処理装置では、固液分離を行なった場合に液相に溶解するバイオマス原料についても嫌気発酵槽でのバイオガスの発生に使用され、エネルギー回収量が増加する。よって、本形態に係る排水処理装置は、固液分離槽を有する排水処理装置と比較してバイオマス原料から高効率にバイオガスを生成することができる。また、固液分離槽を備えていないため、装置が簡略化かつ小型化されており、その結果、製造コストを削減することができる。

固液分離せずにバイオマス原料を含む排水を嫌気発酵槽に投入した場合、嫌気発酵槽での処理対象の体積が増え、嫌気発酵槽を大型化する必要がある。そのため、嫌気発酵槽中のバイオマス原料を撹拌する際の撹拌動力が多く必要となる。しかし、本形態に係る排水処理装置は、嫌気発酵槽に微生物担持体が設けられているため、嫌気発酵槽を大型化することなく、嫌気発酵槽に投入されるバイオマス原料の分解が促進される。さらに、発生するバイオガスを利用して嫌気発酵槽中の排水を無動力撹拌しているため、嫌気発酵槽に動力を必要とする撹拌手段を備える従来技術よりも自己消費電力を低減でき、より高効率にバイオガスを生成することができる。

＜２＞前記嫌気発酵槽より排出された前記排水を好気処理する好気処理槽をさらに備える＜１＞に記載の排水処理装置。

通常の排水処理装置では、固液分離したバイオマス原料を含む液相及び嫌気発酵槽より排出された排水を好気処理槽に投入して好気処理することで排水基準まで有機物濃度を低減させた後、好気処理槽内の排水を放流する。そのため、有機物濃度を低減させる際の好気処理槽の負担が大きく、好気処理槽の容積及び消費電力が増加してしまう。

一方、本形態に係る排水処理装置では、固液分離せずにバイオマス原料を含む排水が嫌気発酵槽に投入されるため、バイオマス原料の多くは分解されてバイオガスが生成され、バイオマス原料の一部が分解されずに嫌気発酵槽より排出され、好気処理槽に投入される。そのため、固液分離槽を備える排水処理装置と比較して、バイオマス原料を低減させる際の好気処理槽の負担が少なく、好気処理槽の容積及び消費電力を低減することができる。

＜３＞ 前記嫌気発酵槽に投入される前記排水中の前記バイオマス原料の含有量は、前記排水の全体積に対して、１体積％〜２０体積％である＜１＞又は＜２＞に記載の排水処理装置。

排水中の前記バイオマス原料の含有量が上記範囲にあることで、固液分離をすることなく、排水中のバイオマス原料からバイオガスをより効率的に発生させることができる。

＜４＞ ＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の排水処理装置を用いた排水処理方法であって、前記バイオマス原料を含む排水を嫌気発酵槽に投入する工程と、前記嫌気発酵槽にて、前記バイオマス原料を微生物に分解させて前記バイオガスを発生させ、発生した前記バイオガスを利用して投入された前記排水を無動力で撹拌させる工程と、を含む排水処理方法。
＜５＞ 前記排水を無動力で撹拌させた後、前記嫌気発酵槽より排出された前記排水を好気処理する工程をさらに含む＜４＞に記載の排水処理方法。

前述の排水処理装置と同様、本形態に係る排水処理方法は、バイオマス原料から高効率にバイオガスを生成することができる。また、バイオマス原料を含む排水を固液分離する必要が無いため、処理方法が簡略化されている。

本発明によれば、バイオマス原料から高効率にバイオガスを生成でき、かつ簡略化かつ小型化された排水処理装置、及びこのような排水処理装置を用いた排水処理方法を提供することができる。

（ａ）排水処理装置１、（ｂ）排水処理装置２、及び（ｃ）排水処理装置３の概略構成ならびに、それぞれの排水処理装置にて発生するバイオガス量、必要となる槽の容積、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力を示す図である。 本実施形態に係る排水処理装置が備える無動力撹拌方式の嫌気発酵槽の一構成を示す図である。

本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

［排水処理装置］
以下、本発明の一実施形態に係る排水処理装置について説明する。本実施形態に係る排水処理装置は、バイオマス原料を分解してバイオガス化する微生物を担持する微生物担持体が設置され、前記バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備え、前記嫌気発酵槽は、発生するバイオガスを利用して投入された前記排水を無動力で撹拌する。

本実施形態に係る排水処理装置は、生ごみなどの食品廃棄物、畜産廃棄物、家畜糞尿、浄化槽汚泥、し尿などのバイオマス原料を分解（主にメタン発酵）することでメタンガスなどのバイオガスを生成するための装置である。

ここで、通常の排水処理装置は、バイオマス原料を含む排水を固液分離する固液分離槽を備え、分離された沈殿物を嫌気微生物などで分解しバイオガス化し、固液分離したバイオマス原料を含む液相は、嫌気微生物で分解されずに、好気処理槽に移送されて好気処理が行なわれた後、放流される。

一方、本実施形態に係る排水処理装置は、バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備えており、排水処理装置に通常設けられる固液分離槽は有していない。そのため、本実施形態に係る排水処理装置では、固液分離を行なった場合に液相に溶解するバイオマス原料についても嫌気発酵槽でのバイオガスの発生に使用され、エネルギー回収量が増加する。よって、本形態に係る排水処理装置は、固液分離槽を有する排水処理装置と比較してバイオマス原料から高効率にバイオガスを生成することができる。また、固液分離槽を備えていないため、装置が簡略化かつ小型化されており、その結果、製造コストを削減することができる。

通常の排水処理装置では、固液分離せずにバイオマス原料を含む排水を嫌気発酵槽に投入した場合、嫌気発酵槽での処理対象の体積が増え、嫌気発酵槽を大型化する必要があり、さらに、嫌気発酵槽中のバイオマス原料を撹拌する際の撹拌動力が多く必要となる。そのため、通常の排水処理装置では、固液分離槽を設けることにより、バイオマス原料を含む排水を固液分離し、嫌気発酵槽の小型化及び省電力化を図っている。

しかし、本実施形態に係る排水処理装置は、嫌気発酵槽に微生物担持体が設けられているため、嫌気発酵槽を大型化することなく、嫌気発酵槽に投入されるバイオマス原料の分解が促進される。さらに、発生するバイオガスを利用して嫌気発酵槽中の排水を無動力撹拌しているため、嫌気発酵槽に動力を必要とする撹拌手段を備える従来技術よりも自己消費電力を低減でき、より高効率にバイオガスを生成することができる。

（嫌気発酵槽）
本実施形態に係る排水処理装置は、バイオマス原料を分解してバイオガス化する微生物を担持する微生物担持体が設置され、バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備える。この嫌気発酵槽は、発生するバイオガスを利用して投入された排水を無動力で撹拌する無動力撹拌方式の発酵槽である。

嫌気発酵槽は、嫌気性下で、投入された排水に含まれるバイオマス原料をメタン菌などの微生物により分解（メタン発酵）し、バイオガスを生成するための槽である。この嫌気発酵槽には、バイオマス原料を分解してバイオガス化する微生物を担持する微生物担持体が設置されている。

嫌気発酵槽内に設けられる微生物担持体としては、メタン菌などの微生物を担持できるものであれば特に限定されず、スポンジ、軽石、プラスチックなどが挙げられる。微生物担持体を嫌気発酵槽内に設けることにより、希釈率の高い排水をバイオガスの生成に用いても、メタン菌などの微生物の流出が抑制され、バイオマス原料の分解処理を安定化させることができる。

嫌気発酵槽内は、メタン菌などの微生物が繁殖できるように温度、ｐＨ等の条件が維持されている。バイオマス原料をメタン菌により発酵させて分解するときは、嫌気発酵槽の温度は、例えば、３５℃〜５５℃程度に調整することが好ましい。

また、メタン菌などの微生物によるバイオマス原料の分解を促進するため、嫌気発酵槽内におけるバイオマス原料の固形分濃度を適宜調整してもよい。

通常、排水処理装置の嫌気発酵槽は、発生したバイオガスを噴射することにより撹拌するガス撹拌手段、撹拌羽根を回転させることにより撹拌する機械撹拌手段などが付設された発酵槽が一般的である。

一方、本実施形態に係る排水処理装置では、嫌気発酵槽は、発生するバイオガスを利用して投入された排水を無動力で撹拌する無動力撹拌方式の発酵槽である。無動力撹拌方式の発酵槽としては、バイオマス原料を微生物に分解させて発生するバイオガスを用いて無動力撹拌可能な発酵槽であれば特に限定されないが、例えば、図２に示すような発酵槽内をガス溜り室とガス抜き室とに区画した上で、ガス溜り室とガス抜き室とをＵ字管で連通したものであってもよい。図２は、本実施形態に係る排水処理装置が備える無動力撹拌方式の嫌気発酵槽１０の一構成を示す図である。

図２（ａ）に示すように、嫌気発酵槽１０は、ガス溜り室１、ガス抜き室２及びＵ字管３を備え、Ｕ字管３は、ガス溜り室１とガス抜き室２とを連通している。また、ガス溜り室１及びガス抜き室２は底部で液相が移流するようになっている。まず、図２（ｂ）に示すように、ガス溜り室１にてバイオガスが発生することにより、ガス溜り室１の気相にガスが溜り、液相がガス溜り室１からガス抜き室２に移流するため、ガス溜り室１の液面が下がり、ガス抜き室２の液面が上昇する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ガス溜り室１に一定量のバイオガスが充満するまでガス溜り室１の液面が下がり、ガス抜き室２の液面が上昇する。ガス溜り室１に一定量のバイオガスが充満すると、図２（ｄ）に示すように、ガス溜り室１に充満しているバイオガスがＵ字管３を通ってガス抜き室２に流入されて、両室の均圧化が行われる。そして、両室の均圧化により生じる液面変動に伴う液流の撹拌作用により嫌気発酵槽１０内の液相が撹拌される。したがって、発生するバイオガスを利用して嫌気発酵槽１０内の液相を撹拌するため、動力を必要とする撹拌手段を設ける必要はない。

本実施形態に係る排水処理装置では、バイオマス原料を一定期間、例えば、１０日〜３０日滞留させるが、微生物にバイオマス原料より分解されて発生するバイオガスを用いて排水を無動力で撹拌させることでバイオマス原料の分解が促進され、バイオガスが継続的に発生する。

固液分離せずにバイオマス原料を嫌気発酵槽にて分解してバイオガスを発生させた場合、バイオマス原料が排水により希釈されている。無動力撹拌方式では、発生するバイオガスの量に撹拌強度が依存するため、希釈されたバイオマス原料を用いたときは、単位体積あたりのバイオガスの発生量が少なく、嫌気発酵槽が十分に撹拌されないおそれがある。

しかしながら、本実施形態に係る排水処理装置では、微生物を担持する微生物担持体が嫌気発酵槽に設けられている。そのため、固液分離せずに希釈されたバイオマス原料を用いた場合であっても、バイオマス原料の分解効率が向上しており、無動力撹拌を行なうために十分なバイオガスが発生する。

また、嫌気発酵槽に投入される排水中のバイオマス原料の含有量は、排水の全体積に対して、１体積％〜２０体積％であることが好ましい。排水中の前記バイオマス原料の含有量が上記範囲にあることで、固液分離をすることなく、排水中のバイオマス原料からバイオガスをより効率的に発生させることができる。

（好気処理槽）
本実施形態に係る排水処理装置は、嫌気発酵槽より排出された排水を好気処理する好気処理槽をさらに備えることが好ましい。嫌気発酵槽より排出された排水には、未分解のバイオマス原料が一部含まれており、例えば、排水指標のうちＣＯＤ（化学的酸素要求量）が高い状態となっている。そのため、さらに好気処理を行うことによってＣＯＤを低下させ、放流可能な水質まで浄化することが好ましい。

ここで、通常の排水処理装置では、固液分離したバイオマス原料を含む液相及び嫌気発酵槽より排出された排水を好気処理槽に投入して好気処理することで排水基準まで有機物濃度を低減させた後、好気処理槽内の排水を放流する。そのため、有機物濃度を低減させる際の好気処理槽の負担が大きく、好気処理槽の容積及び消費電力が増加してしまう。

一方、本実施形態に係る排水処理装置では、固液分離せずにバイオマス原料を含む排水が嫌気発酵槽に投入されるため、バイオマス原料の多くは分解されてバイオガスが生成され、バイオマス原料の一部が分解されずに嫌気発酵槽より排出され、好気処理槽に投入される。そのため、固液分離槽を備える排水処理装置と比較して、バイオマス原料を低減させる際の好気処理槽の負担が少なく、好気処理槽の容積及び消費電力を低減することができる。

この好気処理槽では、未分解のバイオマス原料を含む排水を好気処理する好気性菌により、排水は放流可能な水質まで浄化される。好気処理槽には、好気性菌を担持するスポンジ、軽石、プラスチックなどの担持体が設けられていてもよい。

［排水処理方法］
前述の排水処理装置を用いた排水処理方法についても本発明の範囲に包含される。本発明の一実施形態に係る排水処理方法は、前述の排水処理装置を用いた排水処理方法であって、バイオマス原料を含む排水を嫌気発酵槽に投入する工程と、嫌気発酵槽にて、バイオマス原料を微生物に分解させてバイオガスを発生させ、発生したバイオガスを利用して投入された排水を無動力で撹拌させる工程と、を含む。また、本実施形態に係る排水処理方法は、排水を無動力で撹拌させた後、嫌気発酵槽より排出された排水を好気処理槽に投入して好気処理する工程をさらに含むことが好ましい。

本実施形態に係る排水処理方法では、バイオマス原料を含む排水を固液分離することなく、嫌気発酵槽に投入し、嫌気発酵槽にて、バイオマス原料を微生物に分解させてバイオガスを発生させている。そのため、固液分離を行なった場合よりも多くのバイオガスが回収される。また、発生したバイオガスを利用して排水を無動力で撹拌させているため、動力を必要とする撹拌手段を用いた場合よりも自己消費電力を低減できる。

また、本実施形態に係る排水処理方法では、嫌気発酵槽に微生物担持体が設けられているため、嫌気発酵槽を大型化することなく、嫌気発酵槽に投入されるバイオマス原料の分解が促進される。そのため、バイオガスを効率よく発生し、発生したバイオガスを利用して無動力撹拌を好適に行なうことができる。

したがって、前述の排水処理装置と同様、本実施形態に係る排水処理方法は、バイオマス原料から高効率にバイオガスを生成することができる。また、バイオマス原料を含む排水を固液分離する必要が無いため、本実施形態に係る排水処理方法では処理方法が簡略化されている。

以下、従来の排水処理装置（排水処理装置１）、固液分離槽を除いた従来の排水処理装置（排水処理装置２）及び本発明の一実施形態に係る排水処理装置（排水処理装置３）について、図１に示すように、発生するバイオガス量、必要となる槽の容積の合計、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力をそれぞれ試算した。図１は、（ａ）排水処理装置１、（ｂ）排水処理装置２、及び（ｃ）排水処理装置３の概略構成ならびに、それぞれの排水処理装置にて発生するバイオガス量、必要となる槽の容積、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力を示す図である。

なお、発生するバイオガス量、必要となる槽の体積の合計、及び排水処理装置の稼動に必要なエネルギーは、以下の仮定に基づき試算したものである。
固液分離により、溶解性ＣＯＤ成分が液相側に全て移動する。固液分離された固体及び液体の体積比は、固体／液体＝３０／７０と仮定した。
嫌気発酵槽の容量はメタン発酵の滞留時間を１５日として１日分で計算した。
固液分離したときの嫌気発酵槽のＣＯＤ負荷は２．１ｋｇ／ｍ^３／ｄ（ｄは「ｄａｙ（一日）」の略称である）と仮定した。また、嫌気発酵槽のＣＯＤ成分の分解率は７０％とした。
好気処理槽のＣＯＤ負荷は０．５ｋｇ／ｍ^３／ｄとした。
メタン発酵により発生するメタン量はＣＯＤ１ｋｇ当たり０．３５ｍ^３（０．３５ｍ^３−ＣＨ_４／１ｋｇ−ＣＯＤ）と仮定し、発生したバイオガス中のメタン濃度は６０体積％と仮定した。
自己消費電力は、嫌気発酵槽の撹拌動力、及び好気処理槽の曝気（バブリング）動力のみと仮定した。
嫌気発酵槽の撹拌動力は、投入体積に比例すると仮定し、嫌気発酵槽１ｍ^３あたりＡ ｋＷｈ／ｄとした。また、好気処理槽の曝気動力は、投入されたバイオマス原料のＣＯＤに比例すると仮定し、バイオマス原料のＣＯＤ１．６１ｋｇあたりＡ ｋＷｈ／ｄとした。
処理対象としては、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）が３．０８ｋｇのバイオマス原料を用いた。

［排水処理装置１］
排水処理装置１は、バイオマス原料を固液分離する固液分離槽を備え、嫌気発酵槽より排出された未発酵（未分解）のバイオマス原料と、固液分離された液相のバイオマス原料とを混合した後に好気処理槽にて好気処理する装置である。

ＣＯＤが３．０８ｋｇのバイオマス原料（１００体積％）を、排水処理装置１の固液分離槽（容積０．２ｍ^３）に投入して固液分離を行なう。固液分離により、溶解性ＣＯＤ成分が液相側に全て移動し、かつ固液分離槽にて、バイオマス原料は、固体／液体＝３０／７０の体積比で分離される。その結果、固体のバイオマス原料はＣＯＤが２．１ｋｇ、３０体積％（固液分離前を１００体積％とする）となり、液相に溶解したバイオマス原料はＣＯＤが０．９８ｋｇ、７０体積％（固液分離前を１００体積％とする）となる。

ＣＯＤ（化学的酸素要求量）が２．１ｋｇの固体のバイオマス原料を嫌気発酵槽に投入する。このとき、嫌気発酵槽のＣＯＤ負荷は２．１ｋｇ／ｍ^３／ｄであるため、嫌気発酵槽の容量は１．０ｍ^３であればよい。

嫌気発酵槽のＣＯＤ成分の分解率は７０％、メタン発酵により発生するメタン量はＣＯＤ１ｋｇ当たり０．３５ｍ^３及び発生したバイオガス中のメタン濃度は６０体積％であるため、嫌気発酵槽より発生するバイオガス量は以下のように算出される。
２．１ｋｇ（ＣＯＤ）×０．７×０．３５ｍ^３／ｋｇ（ＣＯＤ）÷０．６＝０．８５７５ｍ^３
よって、排水処理装置１の嫌気発酵槽より発生するバイオガス量は、８５８Ｌである。

また、嫌気発酵槽の容積が１ｍ^３であるため、排水処理装置１の嫌気発酵槽の撹拌動力は、Ａ ｋＷｈ／ｄである。

次に、嫌気発酵槽にて未発酵であったバイオマス原料（ＣＯＤ０．６３ｋｇ）と、固液分離槽にて固液分離した液相に溶解したバイオマス原料（ＣＯＤ０．９８ｋｇ）とを混合した後、好気処理槽に投入する。このとき、ＣＯＤが１．６１ｋｇのバイオマス原料が好気処理槽に投入されるが、好気処理槽のＣＯＤ負荷は０．５ｋｇ／ｍ^３／ｄであるため、好気処理槽の容量は３．２２ｍ^３であればよい。

投入されたバイオマス原料のＣＯＤが１．６１ｋｇであるため、好気処理槽の曝気動力は、Ａ ｋＷｈ／ｄｋＷｈ／ｄである。

排水処理装置１について、発生するバイオガス量、必要となる槽の容積の合計、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力は以下の通りである。
バイオガス量・・・８５８Ｌ
処理槽の容積の合計・・・０．２＋１．０＋３．２２＝４．４２ｍ^３
自己消費電力・・・Ａ＋Ａ＝２Ａ ｋＷｈ／ｄ

［排水処理装置２］
排水処理装置２は、バイオマス原料を固液分離する固液分離槽を備えておらず、固液分離することなく、バイオマス原料を嫌気発酵槽にて発酵させた後、未発酵のバイオマス原料を好気処理槽にて好気処理する装置である。つまり、排水処理装置２は、固液分離槽を備えていない点で、前述の排水処理装置１と相違する。

ＣＯＤ（化学的酸素要求量）が３．０８ｋｇのバイオマス原料（１００体積％）を、排水処理装置２の嫌気発酵槽に投入する。このとき、バイオマス原料を固液分離していないため、処理対象の体積は、前述の排水処理装置１の嫌気発酵槽の３．３倍となる。そのため、排水処理装置１と同様の速度でバイオマス原料を発酵するためには、排水処理装置２の嫌気発酵槽の容量を３．３ｍ^３とする必要があり、このとき、嫌気発酵槽のＣＯＤ負荷は０．９３ｋｇ／ｍ^３／ｄとなる。

嫌気発酵槽のＣＯＤ成分の分解率は７０％、メタン発酵により発生するメタン量はＣＯＤ１ｋｇ当たり０．３５ｍ^３及び発生したバイオガス中のメタン濃度は６０体積％であるため、嫌気発酵槽より発生するバイオガス量は以下のように算出される。
３．０８ｋｇ（ＣＯＤ）×０．７×０．３５ｍ^３／ｋｇ（ＣＯＤ）÷０．６＝１．２５８ｍ^３
よって、排水処理装置２の嫌気発酵槽より発生するバイオガス量は、１２５８Ｌである。

また、嫌気発酵槽の容積が３．３ｍ^３であるため、排水処理装置２の嫌気発酵槽の撹拌動力は、Ａ×３．３＝３．３Ａ ｋＷｈ／ｄである。

次に、嫌気発酵槽にて未発酵であったバイオマス原料（ＣＯＤ０．９２ｋｇ）を好気処理槽に投入する。このとき、好気処理槽のＣＯＤ負荷は０．５ｋｇ／ｍ^３／ｄであるため、好気処理槽の容量は１．８４ｍ^３であればよい。

投入されたバイオマス原料のＣＯＤが０．９２ｋｇであるため、好気処理槽の曝気動力は、Ａ×（０．９２／１．６１）＝０．５７Ａ ｋＷｈ／ｄである。

排水処理装置２について、発生するバイオガス量、必要となる槽の容積の合計、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力は以下の通りである。
バイオガス量・・・１２５８Ｌ
処理槽の容積の合計・・・３．３＋１．８４＝５．１４ｍ^３
自己消費電力・・・３．３Ａ＋０．５７Ａ＝３．８７Ａ ｋＷｈ／ｄ

［排水処理装置３］
排水処理装置３は、バイオマス原料を固液分離する固液分離槽を備えておらず、固液分離することなく、バイオマス原料を嫌気発酵槽にて発酵させた後、未発酵のバイオマス原料を好気処理槽にて好気処理する装置である。さらに、この排水処理装置３では、嫌気発酵槽に微生物担持体が設けてバイオマス原料の処理速度を上げ、かつ発生するバイオガスを用いて無動力撹拌を行なっている点で、前述の排水処理装置２と相違している。

ＣＯＤ（化学的酸素要求量）が３．０８ｋｇのバイオマス原料（１００体積％）を、排水処理装置３の嫌気発酵槽に投入する。このとき、バイオマス原料を固液分離していないため、処理対象の体積は、前述の排水処理装置１の嫌気発酵槽の３．３倍となる。しかし、排水処理装置３には、嫌気発酵槽に微生物担持体が設けられているため、バイオマス原料の処理速度が上がっている。そのため、嫌気発酵槽のＣＯＤ負荷を、前述の排水処理装置１と同程度（２．１ｋｇ／ｍ^３／ｄ）まで高めることができると仮定すると、排水処理装置３の嫌気発酵槽の容積は、１．５ｍ^３であればよい。

排水処理装置３の嫌気発酵槽に投入されるバイオマス原料のＣＯＤは、排水処理装置２と同様であるため、排水処理装置３の嫌気発酵槽より発生するバイオガス量は、１２５８Ｌである。

さらに、排水処理装置３の嫌気発酵槽では、発生するバイオガスを用いて無動力撹拌を行なっているため、排水処理装置３の嫌気発酵槽の撹拌動力は、０ｋＷｈ／ｄである。

次に、嫌気発酵槽にて未発酵であったバイオマス原料（ＣＯＤ０．９２ｋｇ）を好気処理槽に投入する。このとき、好気処理槽の容量は、排水処理装置２の好気処理槽同様、１．８４ｍ^３であればよく、また、好気処理槽の曝気動力は、Ａ×（０．９２／１．６１）＝０．５７Ａ ｋＷｈ／ｄである。

排水処理装置３について、発生するバイオガス量、必要となる槽の容積の合計、及び排水処理装置稼動時の自己消費電力は以下の通りである。
バイオガス量・・・１２５８Ｌ
処理槽の容積の合計・・・１．５＋１．８４＝３．３４ｍ^３
自己消費電力・・・０＋０．５７Ａ＝０．５７Ａ ｋＷｈ／ｄ

したがって、本発明の一実施形態に係る排水処理装置３では、排水処理装置１と比較して、発生するバイオガス量を増加させることができ、さらに必要となる槽の容積の合計及び排水処理装置稼動時の自己消費電力をより低くすることができる。

さらに、本発明の一実施形態に係る排水処理装置３では、排水処理装置２と比較して、必要となる槽の容積の合計及び排水処理装置稼動時の自己消費電力をより低くすることができる。

以上により、本発明に係る排水処理装置は、バイオマス原料から高効率にバイオガスを生成でき、かつシステムが簡略化されていることが分かる。

なお、排水処理装置３の好気処理槽の容積は、１．５ｍ^３であればよいが、仮に排水処理装置１の好気処理槽と同じく３．２２ｍ^３と仮定した場合、排水処理装置３の好気処理槽のＣＯＤ負荷は、０．２８ｋｇ／ｍ^３／ｄとなる。そのため、排水処理装置１の好気処理槽のＣＯＤ負荷０．５ｋｇ／ｍ^３／ｄと比較して、排水処理装置３の好気処理槽では、排水負荷が小さいことがわかる。

また、排水処理装置１、３にてそれぞれ得られたバイオガスについて、メタン濃度を６０％、メタン低位発熱量を３５．９ＭＪ／ｍ^３としたとき、排水処理装置１、３のバイオガス中のメタンの熱量は、以下の通りである。
排水処理装置１・・・３５．９ＭＪ／ｍ^３×８５８Ｌ×０．６×１／３６００＝５．１３３７ｋＷｈ／ｄ≒５．１３４ｋＷｈ／ｄ
排水処理装置３・・・３５．９ＭＪ／ｍ^３×１２５８Ｌ×０．６×１／３６００＝７．５２７ｋＷｈ／ｄ

したがって、従来構成である排水処理装置１では、回収熱量に対する自己消費電力の比率は、２Ａ ｋＷｈ／ｄ／５．１３４ｋＷｈ／ｄ＝０．３８９Ａである。一方、本実施形態に係る排水処理装置３では、回収熱量に対する自己消費電力の比率は、０．５７Ａ ｋＷｈ／ｄ／７．５２７ｋＷｈ／ｄ＝０．０７５Ａである。よって、排水処理装置３では、回収熱量に対する自己消費電力の比率が排水処理装置１に比べて低い値である。よって、本実施形態に係る排水処理装置３では、従来構成の排水処理装置１と比較してバイオガス生成に必要なエネルギーが非常に小さく、高効率にバイオガスを生成できることが分かる。

Claims (5)

1. バイオマス原料を分解してバイオガス化する微生物を担持する微生物担持体が設置され、前記バイオマス原料を含む排水が投入される嫌気発酵槽を備え、
   前記嫌気発酵槽は、ガス溜り室、ガス抜き室及びＵ字管を備え、前記Ｕ字管は前記ガス溜り室と前記ガス抜き室とを連通し、
   前記ガス溜り室及び前記ガス抜き室は前記Ｕ字管よりも鉛直方向下側の底部で液相が移流し、
   発生するバイオガスを利用して投入された前記排水を無動力で撹拌する排水処理装置。
2. 前記嫌気発酵槽より排出された前記排水を好気処理する好気処理槽をさらに備える請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記嫌気発酵槽に投入される前記排水中の前記バイオマス原料の含有量は、前記排水の全体積に対して、１体積％〜２０体積％である請求項１又は請求項２に記載の排水処理装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の排水処理装置を用いた排水処理方法であって、
   前記バイオマス原料を含む排水を前記嫌気発酵槽に投入する工程と、
   前記嫌気発酵槽にて、前記バイオマス原料を微生物に分解させて前記バイオガスを発生させ、発生した前記バイオガスを利用して投入された前記排水を無動力で撹拌させる工程と、を含む排水処理方法。
5. 前記排水を無動力で撹拌させた後、前記嫌気発酵槽より排出された前記排水を好気処理する工程をさらに含む請求項４に記載の排水処理方法。