JP7635581B2

JP7635581B2 - メタン発酵処理方法

Info

Publication number: JP7635581B2
Application number: JP2021034554A
Authority: JP
Inventors: 麻由梅本
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2025-02-26
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: JP2022135001A

Description

本発明は、食品廃棄物、汚泥等の有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法に係り、特にメタン発酵処理により生じる脱水汚泥の処分量及び処分コストを低減させることができるメタン発酵処理方法に関する。

下水汚泥、生ごみ、家畜糞尿などの有機性廃棄物をメタン発酵菌の作用で嫌気性分解するメタン発酵処理は、廃棄物を大幅に減容化すると共に、メタンガスを含むバイオガスを生成させることができるという優れた利点を有する。このバイオガスを用いて発電することが行われている。

バイオガス発電事業において、収益性を向上させるためには、メタン発酵原料からのメタン回収率を上げることで売電料を増加させること以外に、消化残渣処理費を低減させることが重要である。

消化残渣処理費を低減させる方法として、特許文献１，２に以下の方法が記載されている。

特許文献１には、有機性汚泥を嫌気性処理した後の難脱水性消化汚泥に対し、酸素含有気体を通気して曝気処理を行うことにより難脱水性消化汚泥の汚泥粘度を低減させた後、蒸気を吹込んで加温脱水処理することを含む有機性汚泥の処理方法が記載されている。この特許文献１の方法では、曝気処理に設備費や電気代がかかり、高コストとなる。

特許文献２には、有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液に酸及び繊維質を添加した後、固形物分離工程、リン回収工程及び窒素制御工程を経て廃液処理する方法が記載されている。

特開２０２０－１５７２６１号公報特開２００９－６６４９９号公報

特許文献２のように、消化液に後添加で繊維質を投入する場合、繊維質代金が発生する場合が多い。脱水助剤として繊維質薬品が販売されているが、高コストである。また、無償で入手できる繊維質であったとしても、添加した繊維質がメタン発酵原料として利用されず、メタンが回収されない。

本発明は、脱水汚泥発生量低減のためのコストを低減することができるメタン発酵処理方法を提供することを課題とする。

本発明のメタン発酵処理方法は、メタン発酵槽内にて有機性廃棄物を発酵処理するメタン発酵処理方法において、不溶性食物繊維を５ｗｔ％以上（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）含む繊維質の有機性廃棄物を、有機性廃棄物全体の１０％ｗｔ％以上（希釈水除く、湿重量に対して）含有させて処理することを特徴とする。

前記メタン発酵槽としては湿式メタン発酵槽が好適である。

本発明の一態様では、前記メタン発酵槽からの消化液中に含まれる、目開き１５０μｍのふるいで回収される残留乾燥固形物である繊維分を１０％以上（％対ＳＳ濃度）にする。ＳＳ濃度は１μｍのフィルターでろ過した時の残留乾燥固形物である。繊維分およびＳＳ濃度は、ふるいまたはフィルターでろ過した残留物を１０５℃で２時間以上乾燥後の重量に基づき算出する。

本発明の一態様では、前記消化液をカチオンポリマーで凝集処理し、脱水機で凝集汚泥を脱水する。

本発明の一態様では、前記繊維質有機性廃棄物がコーヒー粕、茶粕及び小麦ふすまの少なくとも１種である。

本発明では、メタン発酵原料の一部として不溶性食物繊維を含む有機物を用いる。これにより、消化液中に繊維分が残留し、消化液の脱水時に残留繊維分が水の向け道として機能することで、脱水ケーキの含水率を低減させることができる。

本発明では、脱水助剤としての繊維分を購入する必要がなく、消化液曝気処理槽のような追加設備も必要としないため、非常に経済的である。また、メタン発酵原料として不溶性食物繊維を受け入れるため、ゲートフィーを得ることができ、メタンガスも回収できる点でも、収益を確保できる。

例えばコーヒー粕、茶粕、小麦ふすまのような不溶性食物繊維を５ｗｔ％以上、例えば５～５０ｗｔ％（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）含む繊維質の有機性廃棄物を、メタン発酵原料である、有機性廃棄物全体の１０ｗｔ％以上（希釈水除く、湿重量に対して）投入することで、前記メタン発酵槽内の消化液中の繊維分（％対ＳＳ濃度）を１０％以上に調整する。これにより、消化液凝集後の脱水工程で繊維分が水の向け道となり、脱水ケーキの含水率が大幅に低減される。

実施の形態に係るメタン発酵処理方法を示すブロック図である。実施例の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１の通り、複数種類の有機性廃棄物１ａ，１ｂ…がそれぞれのピット（受入槽）２ａ，２ｂ…に投入される。このうち、有機性廃棄物１ａは不溶性食物繊維の含有率の高い繊維質有機性廃棄物である。

各ピット内の有機性廃棄物は、フィーダー３ａ，３ｂ…によって破砕機４に供給されて破砕された後、（又は破砕機４を経ることなく直接に）混合槽（又は酸生成槽）５に供給されて混合される。必要に応じ、混合槽５に希釈水供給手段６から希釈水が供給されて適正水分量のスラリーとされた後、メタン発酵槽（この実施の形態では湿式メタン発酵槽）７に供給され、メタン発酵処理される。また、前記希釈水に加えてメタン発酵槽７からの消化液（メタン発酵槽７内の循環又は余剰消化液）を混ぜることがある。生成したメタン含有バイオガスは取出ライン８から取り出される。

メタン発酵槽７には、図示は省略するが、栄養無機塩やｐＨ調整剤を添加する薬注装置のほか、槽内のｐＨ、アルカリ度、温度、ＣＯＤ_Ｃｒ，ＴＯＣ，ＯＲＰ（酸化還元電位）等の指標値を計測する計測装置が設けられている。この計測装置の計測データは制御器に入力される。制御器には各有機性廃棄物１ａ，１ｂ…の性状データ（含水率、繊維質含有率、ＴＳ（全固形分）濃度、ＶＳ（揮発性固形分）濃度、ＢＶＳ（生分解性揮発性固形分）濃度、ＣＯＤ_Ｃｒ、Ｃ／Ｎ（炭素／窒素）比など）及び受入量が入力される。制御器は、入力されたデータと、予め設定された指標値適正範囲とに基づいて、フィーダー３ａ，３ｂ…による各有機性廃棄物供給量、希釈水供給装置６による希釈水注入量、薬注装置による無機塩類及びｐＨ調整剤供給量を制御する。

メタン発酵槽７で生成した汚泥は、脱水機９に送られて脱水処理され、脱水された汚泥は脱水ケーキとして取り出される。脱水濾液は排水処理槽１０に送られて処理される。

本発明において、繊維質含有率の高い有機性廃棄物としては、例えばコーヒー粕、茶粕、小麦ふすまのような不溶性食物繊維を５ｗｔ％以上、例えば５～５０ｗｔ％（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）含む繊維質の有機性廃棄物が好適である。コーヒー粕は、メタン発酵菌が分解する成分の大部分が取り除かれており、通常のメタン発酵の原料利用には望ましくないが、繊維質を多く含むので、本発明で利用するのに好適である。なお、不溶性食物繊維の含有率の測定は、プロスキー変法およびＡＯＡＣ２０１１．２５法に規定された方法により行う。

処理対象となる有機性廃棄物としては、生物処理汚泥、食品廃棄物、家畜糞尿、農業系廃棄物などが例示されるがこれに限定されない。なお、これらの有機性廃棄物の不溶性食物繊維の含有率は、通常５ｗｔ％以下、特に３ｗｔ％以下（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）である。

有機性廃棄物は破砕機（ハンマーミルなど）を用いて細かく破砕し、希釈水（工業用水などの他に排水処理水又はメタン発酵槽７からの汚泥を脱水した脱水濾液も利用可能）又は消化液（メタン発酵槽７内の循環又は余剰消化液）を用いてスラリーにするのが好ましい。

本発明では、上記の通り、コーヒー粕、茶粕、小麦ふすまのような不溶性食物繊維を５％以上（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）含む有機性廃棄物を、メタン発酵原料全体の１０ｗｔ％以上例えば１０～３０ｗｔ％（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）投入するのが好ましい。また、メタン発酵槽内の消化液が繊維分（目開き１５０μｍのふるいで回収される残留固形分）を１０ｗｔ％以上、例えば１０～３０ｗｔ％（対ＳＳ濃度）含むように、原料混合槽５に投入する不溶性食物繊維を含む原料の量を調整するのが好ましい。

メタン発酵槽７のＨＲＴを２０日～６５日とし、温度は３０～６０℃、消化液ＴＳ濃度は１～１０％とするのが好ましい。

脱水機９としてはベルトプレス、またはスクリュープレス、または遠心脱水機などが好ましいが、これに限定されない。

排水処理槽１０としては曝気槽、窒素処理槽、固液分離槽など各種のものを用いることができる。

［実施例１］
＜有機性廃棄物＞
処理対象有機性廃棄物：餃子、下水汚泥、サラダ油、米、ドッグフード、及びオレンジジュースを用いて作成した模擬食品廃棄物（不溶性食物繊維の含有率２ｗｔ％（対湿重量））
繊維質含有率の高い有機性廃棄物：コーヒー粕（不溶性食物繊維の含有率２５ｗｔ％（対湿重量））
湿重量ベースで［模擬食品廃棄物］：［コーヒー粕］を８：２になるように混合し、不溶性食物繊維を有機性廃棄物全体の２０ｗｔ％になるように調整し、湿式メタン発酵実験に供した。

＜湿式メタン発酵実験条件＞
各原料の投入量を表１に示す。容積１０Ｌのメタン発酵槽に種汚泥を８Ｌ入れ、表１の条件で各原料を１日１回投入し（ただし週２日は投入せず。）、ＨＲＴ４２ｄａｙになるよう運転した。メタン発酵槽の内部に空気が混入しないようメタン発酵槽をシーリングし、嫌気状態を維持した。スターラによりメタン発酵槽内の汚泥を１００ｒｐｍで常時撹拌し混合した。メタン発酵槽内の温度は、ヒーターで約３５℃に保った。発生したバイオガス量をガスカウンター（Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ社製、スウェーデン）で常時測定した。

排出される消化液は定期的（約１週間に１回）に、下記脱水試験条件に従ってカチオンポリマーで凝集させた後、圧搾機で圧搾し、ケーキ含水率を調べた。

＜脱水試験条件＞
消化液２００ｍＬに対して凝集剤として０．３ｗｔ％濃度のＤＡＡ（ジメチルアミノアクリレート）系高カチオンポリマー水溶液１５０ｍＬを添加し、ハンドミキサー（日本精機製作所，Ｊａｐａｎ）を使用して、４０００ｒｐｍで約６秒間撹拌した。撹拌後、消化液の凝集状態を確認し、３ｍｍ程度またはそれ以上の大きさのフロックが形成された汚泥を、濾布をセットしたブフナーロートを用いて重力濾過した。フロックの形成が不十分であった場合、再度高分子凝集剤を添加し、同じ条件で撹拌する操作を繰り返した。濾過後の凝集汚泥を、ケーキ型枠（３０ｍｍφ×１７．５ｍｍＨ）にスパーテラを用いて充填し、面圧２ｋｇ／ｃｍ^２で５分間、圧搾機で圧搾した。その後、金属製のへらを用いて、濾布から剥離させたケーキを、秤量後、１０５℃で１２ｈ以上乾燥させ、乾燥後の重量を測定して含水率を求めた。脱水ケーキ含水率の経時変化を図２に示す。

［比較例１］
コーヒー粕の代りに下水汚泥（不溶性食物繊維の含有率２ｗｔ％（対湿重量））を用いたこと以外は、実施例１と同様にしてメタン発酵処理を行った。原料投入条件を表２に示す。
また、脱水試験は、消化液２００ｍＬに対して凝集剤として０．３ｗｔ％濃度のＤＡＡ（ジメチルアミノアクリレート）系高カチオンポリマー水溶液６０ｍＬを添加したこと以外は、実施例１と同様に行った。消化液の脱水ケーキ含水率の経時変化を図２に示す。

［比較例２］
コーヒー粕を入れずに模擬食品廃棄物のみを対象として実施例１と同様にして湿式メタン発酵実験および脱水試験を実施した。

＜結果・考察＞
実施例１及び比較例１における消化液の脱水ケーキ含水率の経時変化を図２に示す。
図２の通り、実施例１では、比較例１よりも脱水ケーキの含水率が約９％低減し、試験１３０日目には含水率６９％に到達した。
これに対し、比較例１では、試験１３０日目における消化液の脱水ケーキ含水率は約７８％であった。
比較例２においても、試験１３０日目における消化液の脱水ケーキ含水率は７８%であり、実施例の結果と比較して約９％含水率が高かった。

１ａ、１ｂ有機性廃棄物
２ａ、２ｂピット
３ａ、３ｂフィーダー
７メタン発酵槽
９脱水機
１０排水処理槽

Claims

メタン発酵槽内にて有機性廃棄物を発酵処理するメタン発酵処理方法において、
不溶性食物繊維を５ｗｔ％（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）以上含む繊維質の有機性廃棄物を、有機性廃棄物全体の１０％以上（希釈水を除く、湿重量に対して）含有させて処理するメタン発酵処理方法であって、
前記メタン発酵処理対象となる有機性廃棄物が、不溶性食物繊維の含有率が３ｗｔ％（メタン発酵処理前に有機性廃棄物に添加する希釈水を除く、対湿重量）以下の食品廃棄物であり、
前記繊維質の有機性廃棄物がコーヒー粕、茶粕及び小麦ふすまの少なくとも１種であり、
前記メタン発酵槽からの消化液中に含まれる、目開き１５０μｍのふるいで回収される残留乾燥固形物である繊維分を１０％以上（％対ＳＳ濃度）にすることを特徴とするメタン発酵処理方法。
前記消化液をカチオンポリマーで凝集処理し、脱水機で凝集汚泥を脱水することを特徴とする請求項１のメタン発酵処理方法。
前記繊維質の有機性廃棄物がコーヒー粕である請求項１又は２のメタン発酵処理方法。
前記メタン発酵槽が湿式メタン発酵槽である請求項１～３のいずれかのメタン発酵処理方法。