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技術 食品残渣を含有する有機性固形物の処理方法

出願人 株式会社神鋼環境ソリューション
発明者 長谷川進徳田直子竹林徹也塩田憲明水口護
出願日 2015年9月24日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2015-186690
公開日 2017年3月30日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-060908
状態 拒絶査定
技術分野 汚泥処理 固体廃棄物の処理
主要キーワード 乾燥質量ベース 紫外線吸光光度法 灰分濃度 栄養元素 被処理対象 原料槽 有機固形物 微量金属元素
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月30日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

食品残渣を含有する有機性固形物メタン発酵効率を高める処理方法の提供。

解決手段

メタン発酵槽内で有機性固形物をメタン発酵させる際に、メタン発酵槽内に食品残渣を含有する有機固形物灰分濃度が5質量%未満である有機性固形物に、(メタン菌体を合成するために必要な濃度)−(有機性固形物中に含有されている濃度)の差だけ、リンナトリウムカリウム及びマグネシウム塩類をメタン菌の栄養源として添加してメタン発酵を行う発酵効率を向上させる有機性固形物のメタン発酵処理方法

概要

背景

下水処理汚泥又は生ごみのような有機性固形物処理方法として、環境負荷が小さく、エネルギー源となるメタンガス回収し得るメタン発酵処理が広く用いられている。メタン発酵処理においては、メタン菌のような嫌気性微生物によって、効率良く有機性固形物を分解し、メタンガスを回収する必要がある。そのためには、メタン発酵槽内発酵状態を最適に保持することが重要となる。

メタン発酵槽内の発酵効率を向上させる方法としては、嫌気性微生物の栄養素であるニッケル、鉄又はコバルトのような微量金属元素を槽内に添加して、嫌気性微生物の増殖と活性向上を図ることが知られている。

特許文献1は、有機性廃水をメタン発酵処理する際に、嫌気性微生物の増殖に必要な栄養元素であるニッケル、鉄、コバルトを有機性廃棄物BOD濃度に対して所定量以上となるように適宜添加して、嫌気性微生物の増殖活性を向上させて、BOD負荷が高くなってもBOD除去率の低下を防止するメタン発酵処理方法を開示している。同様に、特許文献2は、有機性廃棄物の破砕物をメタン発酵処理する方法であって、メタン発酵処理時の破砕物中の全蒸発残留物濃度TS濃度)が5%以上となる場合、鉄化合物コバルト化合物及びニッケル化合物の少なくとも何れか一方を添加する方法を開示している。

特許文献3は、有機性廃棄物の処理方法であって、嫌気性微生物の必須栄養素のうち、カリウム又はカルシウムの少なくとも一方をイオン化して供給し、嫌気性微生物の代謝機能を促進して、プロピオン酸のような中間生成物蓄積を防止する処理方法を開示している。

概要

食品残渣を含有する有機性固形物のメタン発酵効率を高める処理方法の提供。メタン発酵槽内で有機性固形物をメタン発酵させる際に、メタン発酵槽内に食品残渣を含有する有機固形物灰分濃度が5質量%未満である有機性固形物に、(メタン菌体を合成するために必要な濃度)−(有機性固形物中に含有されている濃度)の差だけ、リンナトリウム、カリウム及びマグネシウム塩類をメタン菌の栄養源として添加してメタン発酵を行う発酵効率を向上させる有機性固形物のメタン発酵処理方法。

目的

本発明は、メタン発酵効率の高い、食品残渣を含有する有機性固形物のメタン発酵処理方法の提供を目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

食品残渣を含有する有機性固形物メタン発酵槽内メタン発酵させる有機性固形物の処理方法であって、前記メタン発酵内で有機性固形物をメタン発酵させる際に、前記メタン発酵槽内の有機性固形物に、(メタン菌体を合成するために必要な濃度)−(有機性固形物中に含有されている濃度)の差だけ、リンナトリウムカリウム及びマグネシウム塩類をメタン菌の栄養源として添加することを特徴とする、有機性固形物の処理方法。

請求項2

食品残渣を含有する有機性固形物の灰分濃度が5質量%未満であることを特徴とする、請求項1に記載の有機性固形物の処理方法。

技術分野

0001

本発明は、有機性固形物メタン発酵させる処理方法に関し、特に、食品残渣を含有する有機性固形物に対して、特定の無機栄養源を添加することにより、メタン発酵効率を高める処理方法に関する。

背景技術

0002

下水処理汚泥又は生ごみのような有機性固形物の処理方法として、環境負荷が小さく、エネルギー源となるメタンガス回収し得るメタン発酵処理が広く用いられている。メタン発酵処理においては、メタン菌のような嫌気性微生物によって、効率良く有機性固形物を分解し、メタンガスを回収する必要がある。そのためには、メタン発酵槽内発酵状態を最適に保持することが重要となる。

0003

メタン発酵槽内の発酵効率を向上させる方法としては、嫌気性微生物の栄養素であるニッケル、鉄又はコバルトのような微量金属元素を槽内に添加して、嫌気性微生物の増殖と活性向上を図ることが知られている。

0004

特許文献1は、有機性廃水をメタン発酵処理する際に、嫌気性微生物の増殖に必要な栄養元素であるニッケル、鉄、コバルトを有機性廃棄物BOD濃度に対して所定量以上となるように適宜添加して、嫌気性微生物の増殖活性を向上させて、BOD負荷が高くなってもBOD除去率の低下を防止するメタン発酵処理方法を開示している。同様に、特許文献2は、有機性廃棄物の破砕物をメタン発酵処理する方法であって、メタン発酵処理時の破砕物中の全蒸発残留物濃度TS濃度)が5%以上となる場合、鉄化合物コバルト化合物及びニッケル化合物の少なくとも何れか一方を添加する方法を開示している。

0005

特許文献3は、有機性廃棄物の処理方法であって、嫌気性微生物の必須栄養素のうち、カリウム又はカルシウムの少なくとも一方をイオン化して供給し、嫌気性微生物の代謝機能を促進して、プロピオン酸のような中間生成物蓄積を防止する処理方法を開示している。

先行技術

0006

特開平3−165895号公報
特開平11−28445号公報
特開2006−218422号公報

発明が解決しようとする課題

0007

食品残渣も有機物を多量に含有する有機性固形物であり、メタン発酵による処理対象となり得る。食品残渣は、灰分が少ないことが知られており、食品残渣を含有する有機性固形物をメタン発酵させる場合には、灰分を添加することが好ましいと予想される。

0008

本発明者は、特許文献1〜3に開示されている発明のように、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、カリウム(K)又はカルシウム(Ca)の塩を単独又は混合して食品残渣に添加し、メタン発酵槽においてメタン発酵させた。ところが、これら金属元素を添加しても、メタン発酵の効率があまり向上しなかった。

0009

本発明は、メタン発酵効率の高い、食品残渣を含有する有機性固形物のメタン発酵処理方法の提供を目的とする。

課題を解決するための手段

0010

本発明者は、特許文献1〜3に開示されている5種類の金属元素を添加してもメタン発酵効率が向上しない原因について、鋭意検討を重ねた。その結果、食品残渣の場合には、リン(P)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)及びマグネシウム(Mg)の4種類の元素不足しており、これら元素を被処理物に添加しなければ、メタン菌の増殖及び活性化が図れないことが見出され、本発明者は、本発明を完成させるに至った。

0011

具体的に、本発明は、
食品残渣を含有する有機性固形物をメタン発酵槽内でメタン発酵させる有機性固形物の処理方法であって、
前記メタン発酵内で有機性固形物をメタン発酵させる際に、前記メタン発酵槽内の有機性固形物に、
(メタン菌体を合成するために必要な濃度)−(有機性固形物中に含有されている濃度)
の差だけ、リン、ナトリウム、カリウム及びマグネシウムの塩類をメタン菌の栄養源として添加することを特徴とする、有機性固形物の処理方法に関する。

0012

本発明者は、飲食店から排出される食品残渣について、メタン菌のような嫌気性微生物の栄養源のうち何が不足しているか分析した。その結果、食品残渣については、炭素(C)、窒素(N)、硫黄(S)カルシウム(Ca)及び鉄(Fe)は十分であったが、リン(P)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、及びマグネシウムの4種類の元素が不足しており、それがメタン発酵効率を低下させる原因となっていることが確認された。

0013

本発明のメタン発酵処理方法は、近年メタン発酵処理への需要が高まってきたにも拘わらず、これまであまり着目されていなかった食品残渣を被処理対象とする場合に、確認された4元素を添加することにより、メタン発酵効率を高めることが可能である。

0014

食品残渣を含有する有機性固形物の灰分濃度は、特に5質量%未満の場合に4元素が足りなくなる傾向があるとの理由から5質量%未満であることが好ましい。

発明の効果

0015

本発明のメタン発酵処理方法は、4種類の元素を添加するという非常に簡易な手段によって、食品残渣を含有する有機性固形物のメタン発酵効率を向上させ得る。

図面の簡単な説明

0016

本発明のメタン発酵処理方法を実施するためのメタン発酵設備の一例を示す。
実施例及び比較例について、日付と被処理液投入物)の関係をプロットしたグラフを示す。
実施例及び比較例について、負荷上昇と馴致期間との関係をプロットしたグラフを示す。

実施例

0017

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は、以下の記載に限定されない。

0018

図1は、本発明のメタン発酵処理方法を実施するためのメタン発酵設備の一例を示す。食品残渣は、適宜水と混合された後、原料槽内で適宜ミキサーのような粉砕装置を用いて粉砕される。食品残渣を粉砕した後、水と混合してもよい。食品残渣によっては、破砕したり又は水と混合したりせずに、そのまま処理できる場合もある。さらに、下水汚泥のような他のメタン発酵対象物を添加してもよい。下水汚泥を混合すると、下水汚泥中に栄養源が含まれるため、追加栄養塩の添加が不要になる場合もある。

0019

原料槽内の被処理液は、固形物濃度等がメタン発酵に適した状態になるように調整された後、メタン発酵槽へと移送される。4種類の元素を添加するのは、食品残渣を原料槽へ投入する際でもよく、メタン発酵槽へ被処理液を投入する際でもよい。

0020

本発明を適用する被処理液は、好ましくは原料として灰分濃度が5質量%未満(乾燥質量ベース)の有機性固形分である。ここで、灰分とは物質を燃やしたあとに残る不燃物性の鉱物質をいい、灰分濃度が5%質量未満とは、乾燥した有機性固形物の質量と、これを燃焼させた後に残存する灰の質量によって求めることができる。灰分濃度が5質量%未満の場合には、嫌気性微生物の栄養源となる4元素が足りないことが多いため、本発明を好適に適用できる。

0021

添加される4種類の元素は、金属元素については、水溶性金属塩として添加されることが好ましい。リンについては、水溶性のリン酸塩として添加されることが好ましい。

0022

厨芥固形物組成分析
飲食店から廃棄される厨芥固形物について、炭素(C)、窒素(N)、リン(P)、硫黄(S)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)及び鉄(Fe)の9種類の元素の含有率を分析した。炭素は燃焼酸化赤外線分析法、窒素は紫外線吸光光度法、リンは吸光光度法、硫黄はヨウ素滴定法、カリウム及びナトリウムはフレーム原子吸光法、カルシウム、マグネシウム及び鉄はICP発光分光分析法によって、それぞれ分析した。

0023

表1は、厨芥固形物の分析結果を示す。表1において、mg/kg欄は「各元素の含有濃度」、相対比欄は「固形物中の炭素量の10質量%が菌体となると仮定した際に、当該炭素濃度(mg/kg)を100とした場合の炭素に対する相対比」、メタン菌の組成欄は「メタン菌を構成する元素の相対比であって炭素濃度(mg/kg)を100とした場合の相対比」、過不足欄は「メタン菌の組成比で相対比を割った値」であり、数値が1以上であれば元素が足りていることを、数値が1未満であれば元素が足りないことを意味する。

0024

0025

なお、菌体が形成される際に必要な栄養塩の量は、例えば、「廃水処理のための嫌気性バイオテクノロジー井三郎、高橋正信監訳(技報堂出版)のp.260「表9-4メタン生成最近の元素組成」(表2)を元に計算し得る。

0026

0027

例えば、必要な栄養塩としてのカリウム(K)の添加量は、式1によって求めることができる。
式1: K=(投入される有機物量COD)(kg/d))×(菌体合成率(%)/100)×(菌体含有量)
ここで、装置内に投入される有機物量が145kg/d、菌体の合成率が10%と仮定すると、
上記式及び表1より、
K= 145kg/d × 10/100 × 50,000mg/kg = 725g/d
薬剤としてK2PO4を利用する場合、Kの原子量31.9、K2PO4の式量174.2より
145 × 174.2 / (39.1×2) = 323kg/d となる。

0028

表1より、厨芥固形物は、メタン菌の組成と比較すると、炭素(C)以外の8元素のうち、リン(P)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、及びマグネシウム(Mg)の4種類が不足していることが確認された。

0029

[実施例]
食品製造工場の食品残渣を処理する高温メタン発酵槽から種汚泥採取した。有効容量8Lのジャーテスターに種汚泥8Lを投入し、メタン菌の栄養塩として、MgCl2が90mg/L、KClが 370mg/L、Na2HPO4が560mg/Lとなるように、ジャーテスター内の投入物に添加した。リン(P)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、及びマグネシウム(Mg)の投入量は、上述したとおり(投入される厨芥固形物中の濃度(mg/kg))×(菌体合成率(%))×(菌体含有率(%))という計算式に基づいて決定される。栄養塩を添加した後、53℃に加温し、攪拌速度120rpmで攪拌した。そこに、飲食店から排出される厨芥固形物(VS濃度約7質量%)を投入して、メタン発酵させた。

0030

[比較例]
栄養塩として4種類の無機塩を添加しないこと以外、すべて実施例と同じ条件で操作した。

0031

メタン発酵で負荷を上昇させた場合、負荷上昇に見合うだけのメタン菌(嫌気性微生物)が増殖するまでメタン発酵が不十分となり、中間代謝物であるVFA揮発性脂肪酸)が蓄積する。メタン菌が増殖すると、中間代謝物であるVFAも分解されるため、発酵液中のVFA濃度は減少する。

0032

図2は、実施例及び比較例について、日付と被処理液(投入物)の関係をプロットしたグラフを示す。白いプロットが比較例(No.1及びNo.2の2回)、黒いプロットが実施例(No.1〜No.3の3回)である。まず、比較例を先に実行したが、比較例の場合には、被処理液中のVFA濃度は上昇し続けた。一方、実施例の場合には、約10日間でVFA濃度が減少し始めた。

0033

図3は、実施例及び比較例について、負荷上昇(平均値)と馴致期間との関係をプロットしたグラフを示す。ここで、馴致期間とは、負荷上昇によりVFA濃度が上昇してから減少するまでの期間を意味する。

0034

栄養塩を添加した実施例の場合は、負荷を上昇させてVFAが一時的に上昇しても、メタン菌が増殖する結果、2週間程度で馴致し得ることが確認された。一方、栄養塩を添加しない比較例の場合には、メタン菌の増殖が負荷の上昇に追いつかず、馴致することができず、VFA濃度が上昇し続けた。

0035

本発明においては、厨芥固形物(食品残渣)に活性汚泥槽から得られた余剰汚泥等を添加し、メタン発酵槽でメタン発酵を行ってもよい。この場合、余剰汚泥中にリン(P)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、及びマグネシウム(Mg)が含有されている場合があるため、栄養塩として添加すべき無機塩類等の量を節減することが可能となる。

0036

本発明の有機性固形物の処理方法は、廃棄物処理、廃水処理又はエネルギー等の技術分野において有用である。

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