特許 7515166 メタン発酵排水処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】メタン発酵排水処理装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/28 20230101AFI20240705BHJP

   C02F 1/24 20230101ALI20240705BHJP

   C02F 11/00 20060101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

C02F3/28 A ZAB

C02F1/24 D

C02F11/00 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020168701

(22)【出願日】2020-10-05

(65)【公開番号】P2022060930

(43)【公開日】2022-04-15

【審査請求日】2023-07-04

(73)【特許権者】

【識別番号】592059622

【氏名又は名称】株式会社エイブル

(74)【代理人】

【識別番号】100091384

【弁理士】

【氏名又は名称】伴 俊光

(74)【代理人】

【識別番号】100125760

【弁理士】

【氏名又は名称】細田 浩一

(72)【発明者】

【氏名】吉村 敏機

【審査官】田中 雅之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０６９３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８５９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１２５２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２０６７８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ １／００－１１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸発酵槽とＵＡＳＢメタン発酵槽とからなるメタン発酵排水処理装置において、
前記酸発酵槽の前段に、気泡の浮力を利用して固形物を浮上させて分離する固液分離手段としての加圧浮上分離装置が設けられ、該固液分離手段は、分離された前記固形物を溶解槽に送給する配管と、前記固形物が分離されて残った分離水を前記固液分離手段の下流側へ送給する配管とを有し、
前記溶解槽は、前記固形物を撹拌して有機性成分を溶解させる溶解手段と、溶解した前記有機性成分を前記固液分離手段の上流側へ返送する配管を有することを特徴とするメタン発酵排水処理装置。

【請求項2】

酸発酵槽とＵＡＳＢメタン発酵槽とからなるメタン発酵排水処理装置において、
前記酸発酵槽の後段に、気泡の浮力を利用して固形物を浮上させて分離する固液分離手段としての加圧浮上分離装置が設けられ、該固液分離手段は、分離された前記固形物を溶解槽に送給する配管と、前記固形物が分離されて残った分離水を前記固液分離手段の下流側へ送給する配管とを有し、
前記溶解槽は、前記固形物を撹拌して有機性成分を溶解させる溶解手段と、溶解した前記有機性成分を前記固液分離手段の上流側へ返送する配管を有することを特徴とするメタン発酵排水処理装置。

【請求項3】

前記溶解槽に、薬液注入によりｐＨを調整するｐＨ調整手段が設けられている、請求項１または２に記載のメタン発酵排水処理装置。

【請求項4】

前記溶解槽において、前記固形物がポンプにより循環撹拌される、請求項１～３のいずれかに記載のメタン発酵排水処理装置。

【請求項5】

前記溶解槽に、溶解せず残留する固形物を系外に排出する配管が設けられている、請求項１～４のいずれかに記載のメタン発酵排水処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は有機性排水をＵＡＳＢメタン発酵処理するメタン発酵排水処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から糖類、でんぷん、アミノ酸、アルコール類、その他の溶解性有機物を含む排水を浄化処理するに際して、メタン発酵排水処理装置が採用されている。

【0003】

メタン発酵排水処理装置は、有機物をメタン生成菌によって分解して浄化するとともに、蒸気や熱水を発生させるボイラーの熱源や電力に変換できるメタンガスを発生させるものであり、エネルギー的に非常に有利な処理装置である。

【0004】

メタン発酵排水処理装置には種々の装置が用いられているが、近年ではＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置が用いられている。しかしながらＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置の応用例は少なく、応用対象とし得る工場等の排水発生施設において、その数％しか採用されていない。

【0005】

ＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置は、前段に設ける酸生成槽と後段に設けるＵＡＳＢメタン発酵槽の組み合わせにより、前段の酸発酵槽で有機物を低級脂肪酸等に低分子化した後に、ＵＡＳＢメタン発酵槽で、メタン生成菌により副生成物としてメタンガスを発生させながら効率よく有機物を分解するものである。

【0006】

ＵＡＳＢメタン発酵槽は、主としてメタン生成菌を０．５～４ｍｍ径のグラニュールと呼ばれるペレット状の塊として反応槽内に保持して嫌気性処理を行う槽であり、槽内汚泥の保持濃度が４万～６万ｍｇ／Ｌと高く、しかも当該グラニュールのメタン生成活性が高いことからＵＡＳＢメタン発酵槽を用いた装置は最も効率的な嫌気処理装置とされている。

【0007】

しかしながら動物性油脂や植物性油脂やタンパク質等の有機性固形物を含む排水、たとえば大豆製品製造排水、菓子・デザート等製造排水、食肉、魚類化工排水、あるいはその他の食品製造排水を対象とする場合、ＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置を採用することは難しかった。

【0008】

すなわち、排水中に含まれる油分やたんぱく質、その他の有機性固形物の濃度が一定の値を超えると、ＵＡＳＢメタン発酵槽内に存在するグラニュールの表面に油分や有機性固形物が付着し、原理的には固液反応であるメタン発酵反応そのものを阻害し、メタン反応速度を低下させるからである。

【0009】

またグラニュールの表面に付着した有機性固形物によってグラニュール内部で発生したガスを外部に放出させることができなくなり、さらに当該固形物、特に油分によってグラニュール表面にガスが付着しやすくなり、その結果としてグラニュールが軽くなり、水中で浮き上がり処理水と一緒に系外に流出してしまい、システム自体が破綻してしまう。

【0010】

また多量の有機性固形物の存在は、槽内に留まるべきグラニュールの存在位置に当該固形物が占めることになり、その分のグラニュールが系外に排出され、その結果、メタン反応能力が低下する。

【0011】

上述した理由によりＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置の対象となる被処理水中の油分と有機性固形物の上限濃度は、概ねそれぞれ油分は３０ｍｇ／Ｌ、有機性固形物は５００ｍｇ／Ｌとされており、当該数値を超える排水の場合はＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置の適用が難しい。

【0012】

なお油分や有機性固形物の弊害を防ぐため油分や有機性固形物を溶解させることができる分解酵素を排水中に添加し、油分や有機性固形物を溶解させた後にＵＡＳＢメタン発酵排水装置で処理することも提案されているが、大容量の溶解槽が必要となり、実施される例は少ない。

【0013】

また特許文献１には、有機性固形物が多く含まれている排水を酸発酵槽で処理した後に、酸発酵槽の処理水中の当該固形物を遠心脱水機やベルトプレスなどの汚泥脱水機で除くことにより、後段に設置されているＵＡＳＢメタン発酵槽の当該固形物による障害を除くことが開示されている。

【0014】

しかしながら上記の方法は、汚泥脱水機で除いた有機性固形物を別途処理するためのコストがかかり、経済的にはよい方法とは言えない。

【0015】

さらに特許文献２には、懸濁固形物（ＳＳ）が６ｇ／Ｌ以上で、ＣＯＤｃｒが９ｇ／Ｌ以上の排水をＵＡＳＢメタン発酵槽で処理するにあたり、ＳＳ／ＣＯＤｃｒの重量比を０．３５以下に調整してＵＡＳＢメタン発酵槽で処理することが開示されており、具体的には０．１ｍｍのメッシュを備えたスクリーン装置で予め排水を処理して当該固形物を除き、ＳＳ／ＣＯＤｃｒの値を上記数値内に調整した後、酸発酵槽とＵＡＳＢメタン発酵槽で順に処理するものである。

【0016】

しかしながら上記の方法も、スクリーン装置で除いた懸濁固形物を別途処理するためのコストがかかり、経済的にはよい方法とは言えない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【文献】特公平３－６７７６０号公報

【文献】特開平５－２５３５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

本発明は油分やたんぱく質、その他の有機物からなる有機性固形物が多量に含まれていて、従来ではＵＡＳＢメタン発酵槽で処理することができないような排水を問題なく処理できるメタン発酵排水処理装置を提供することを目的とする。

【0019】

また系外に排出される固形物の量を極力少なくすることができるメタン発酵排水処理装置を提供することを目的とする。

【0020】

さらに溶解性有機物質のみならず、前記有機性固形物をもメタン発酵の対象とすることができ、熱源や動力源に変換しうるメタンガスの発生量を飛躍的に増加させることができ、エネルギーの回収率を大幅に増加し得るメタン発酵排水処理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】

【0021】

本発明者等は油分やたんぱく質、その他の有機物からなる有機性固形物を濃縮し、特定のｐＨ範囲に保って撹拌を行うと有機性固形物の大部分が溶解できることを知見した。

【0022】

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、酸発酵槽とＵＡＳＢメタン発酵槽とからなるメタン発酵排水処理装置において、前記酸発酵槽の前段または後段に固形物を分離する固液分離手段が設けられ、該固液分離手段は、分離された前記固形物を溶解槽に送給する配管と、前記固形物が分離されて残った分離水を前記固液分離手段の下流側へ送給する配管とを有し、前記溶解槽は、前記固形物を撹拌して有機性成分を溶解させる溶解手段と、溶解した前記有機性成分を前記固液分離手段の上流側へ返送する配管を有することを特徴とするメタン発酵排水処理装置である。

【0023】

このようなメタン発酵排水処理装置によれば、排水から有機性固形物を効果的に除いてＵＡＳＢメタン発酵槽で処理することができる。

【0024】

本発明のメタン発酵排水処理装置において、前記固液分離手段が、気泡の浮力を利用して前記固形物を浮上させる加圧浮上分離装置からなることが好ましい。排水に含まれる有機性固形物は比較的軽いため、加圧浮上操作により発生する微細気泡を付着させることにより効率的に固液分離を行うことができる。

【0025】

本発明のメタン発酵排水処理装置において、前記溶解槽に、薬液注入によりｐＨを調整するｐＨ調整手段が設けられていることが好ましい。具体的にはｐＨ計とｐＨ計に連動する薬液注入ポンプを設けてｐＨが６～８．５の範囲に入るように制御することにより、有機性固形物が溶解して発生する有機酸により液が酸性に偏って反応が阻害されることを防止することができる。

【0026】

本発明のメタン発酵排水処理装置において、前記溶解槽において、前記固形物がポンプにより循環撹拌されることが好ましい。攪拌機などの撹拌手段を用いてもよいが、ポンプにより循環撹拌する場合には撹拌機の設置が不要である上に、溶解槽の底部から溶解液を取り出して溶解槽の上方に戻すことにより固形物を効果的に撹拌できる。

【0027】

本発明のメタン発酵排水処理装置において、前記溶解槽に、溶解せず残留する固形物を系外に排出する配管が設けられていることが好ましい。本発明によれば有機性固形物の大部分を溶解させて固液分離手段の上流側へ返送することができるが、溶解せず残留する固形物は上流側へ返送されずに系内に蓄積されるので、所定の頻度で配管を通じて固形物を系外に排出することで、排水処理を安定的に継続することができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明のメタン発酵廃液処理装置は、被処理水中に存在する有機性固形物を除いてからＵＡＳＢメタン発酵槽で処理することができるので、従来ではＵＡＳＢメタン発酵処理を採用することができないような排水でもＵＡＳＢメタン発酵処理することができ、ＵＡＳＢメタン発酵処理装置の応用分野を拡大することが可能となり、社会に貢献するところが大きい。

【0029】

さらに、ＵＡＳＢメタン発酵槽内のグラニュールの表面を有機性固形物が付着することがなく、グラニュールの持つ能力を最大限に発揮することができ、メタン発酵処理を効果的に行うことができる。

【0030】

また有機性固形物の大部分を溶解させてメタン発酵処理を行う事ができるので、系外に排出される固形物量を著しく少なくすることができ、固形物の廃棄処分費用を大幅に低減できる。

【0031】

また従来ではメタン発酵処理の対象とならない有機性固形物をも溶解させてメタン発酵処理の対象とすることができ、熱源や動力源に変換しうるメタンガスの発生量を飛躍的に増加させることができ、エネルギーの回収率を大幅に増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明のＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置の一実施態様を示す説明図である。

【図2】本発明のＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置の他の実施態様を示す説明図である。

【図3】本発明のＵＡＳＢメタン発酵排水処理装置のさらに他の実施態様を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下に本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、固液分離装置を酸発酵槽の後段に設置する場合の、本発明のメタン発酵排水処理装置の一実施態様を示す説明図であり、１は調整槽、２は酸発酵槽、３はＵＡＳＢメタン発酵槽である。

【0034】

酸発酵槽２とＵＡＳＢメタン発酵槽３の間には固液分離装置としての加圧浮上分離装置４が設置され、加圧浮上分離装置４で分離された分離水をＵＡＳＢメタン発酵槽３に送給する配管５と、加圧浮上分離装置４で分離された有機性固形物をスカム受け槽６を介して溶解槽７に送給する配管８とが設けられている。また溶解槽７には溶解液を酸発酵槽２に返送する配管９と、加圧浮上分離装置４に返送する配管１０とが設けられている。

【0035】

また溶解槽７には循環ポンプ１１が設置されており、溶解槽７の底部から溶解液を取り出して循環配管１２を介して溶解槽７の上方に戻すことにより、溶解槽７内を撹拌できるようになっている。

【0036】

さらに溶解槽７には槽内液のｐＨを検出するｐＨ計１３と当該ｐＨ計に連動する薬液注入ポンプ１４が設けられている。

【0037】

なお調整槽１にも循環ポンプ１５と循環配管１６が設けられていて、調整槽１内を撹拌できるようになっている。また、配管１７は調整槽１と酸発酵槽２とを連通し、配管１８は酸発酵槽２と加圧浮上分離槽４とを連通している。

【0038】

次に本発明のメタン発酵排水装置の操作を説明する。
溶解性有機物および油分、たんぱく質、その他の有機物からなる有機性固形物を含む被処理水は調整槽１に流入され、循環ポンプ１５を稼働して調整槽１内を撹拌しながら１２～２４時間滞留させることにより被処理水は均一に混合される。なお調整槽１は発生元で流出される有機性排水の流量が変動しても滞留させることにより一定の流量で当該排水を処理できるような役割も持っている。

【0039】

調整槽１で均一に混合された被処理水は配管１７を介して酸発酵槽２に流入され、図示されていない循環ポンプ、循環配管によって撹拌しながら、６～２４時間滞留させることにより溶解性有機物の分解が進行し、溶解性有機物は低分子化する。

【0040】

酸発酵槽２で処理された処理水中には、低分子化した溶解性有機物、有機性固形物を含むが、当該処理水は配管１８を介して加圧浮上分離装置４に流入されて処理される。

【0041】

一般に加圧浮上分離装置は、懸濁物質を含む水に高分子凝集剤等の凝集剤を加えて懸濁物質を凝集し、その凝集物を含む水に空気を加圧下で溶解させた加圧水を加え、その圧力を一気に常圧に戻すことによって発生する微細気泡を前記凝集物に付着させて軽くし、軽くなった凝集物を浮上させて分離する装置であるが、酸発酵槽２の処理水中に含まれる有機性固形物は比較的軽く、これを固液分離するに際しては加圧浮上分離装置が最も適している。

【0042】

加圧浮上分離装置４によって常法により有機性固形物が除かれた処理水は配管５を介してＵＡＳＢメタン発酵槽３に送給され、流入水中に含まれる低分子化した溶解性有機物はグラニュール状のメタン生成菌によって分解され、その処理水は処理水流出管１９から流出される。

【0043】

なお上記有機物が分解することにより発生するメタンガスはガス放出管２０から取り出され、図示していないガスホルダーに一旦貯留され、ボイラーの熱源として供給され、あるいは発電機に送給され発電に供される。

【0044】

一方、加圧浮上分離装置４で分離されることにより、懸濁固形物量として２～３％に濃縮された有機性固形物の濃縮液は、スカム受け槽６で一旦貯留され、次いで配管８を介して溶解槽７に送給される。

【0045】

循環ポンプ１１および循環配管１２により溶解槽７内の濃縮液が撹拌される過程で、上記濃縮液中の有機性固形物は、元々被処理水に含まれていた油脂分解酵素、タンパク質分解酵素あるいは腐敗菌によって分解され、１０～３０日の滞留によって有機性固形物の７０～９０％が溶解される。この反応は２０～４０℃で行われるが、場合によっては溶解槽７に油脂分解酵素やたんぱく質分解酵素を添加してもよい。

【0046】

上記反応によって有機性固形物の溶解が進むと若干の有機酸が発生することにより、液が酸性に偏り反応が阻害される。よって液のｐＨをｐＨ計１３で計測し、液のｐＨが６～８．５の範囲に入るようにｐＨ計１３に連動する薬液注入ポンプ１４から苛性ソーダ液等のアルカリ液が注入される。

【0047】

このようにして得られた溶解槽７の溶解液は配管９および／または１０によって酸発酵槽２および／または加圧浮上分離装置４に戻され、酸発酵槽２の流入水と混合され、また加圧浮上分離装置４の流入液と混合され、循環処理される。

【0048】

なお図１の実施態様では溶解液は酸発酵槽２と加圧浮上分離装置４の両方に戻されているが、これに限定されることはなく、溶解液は酸発酵槽２のみ、あるいは加圧浮上分離装置４のみに戻してもよい。

【0049】

なお有機性固形物中には溶解が困難な繊維類、ミネラル類が１０～３０％含まれており、系内に未溶解固形物として蓄積してくる。

【0050】

したがってこれらの未溶解固形物は、溶解槽７に付設したブロー管２１から定期的に排出され、別途処理される。

【0051】

図１に示した実施態様では固液分離装置として加圧浮上分離装置４が用いられているが、これに限定されず酸発酵槽２中に含まれる有機性固形物を分離できる装置であれば、凝集沈殿装置等いかなる固液分離装置も用いることができる。

【0052】

また溶解槽７を撹拌するにあたり、循環ポンプと循環配管に代えて、攪拌機などの他の撹拌手段を用いることができる。

【0053】

図２は固液分離装置を酸発酵槽の後段に設置する場合の本発明のメタン発酵排水処理装置の他の実施態様を示す説明図であり、調整槽と酸発酵槽を別々に設ける代わりに調整槽と酸発酵槽とを合体させた調整槽兼酸発酵槽２２を設けた点を除いては、図１に示したメタン発酵排水処理装置と同様である。

【0054】

従来から調整槽および酸発酵槽よりやや大きめの調整槽兼酸発酵槽を設けて装置を簡素化することが行われており、本発明装置においてもこれを採用することができる。

【0055】

このように調整槽兼酸発酵槽２２を設けた場合は、溶解槽７で得られる溶解液は配管９を介して調整槽兼酸発酵槽２２に、また配管１０を介して加圧浮上分離装置４に戻される。その他の操作は図１と同様なので説明を省略する。

【0056】

図３は、固液分離装置を酸発酵槽の前段に設置する場合の本発明のメタン発酵排水処理装置の他の実施態様を示す説明図である。本実施態様では、酸発酵槽２の前段に固液分離装置としての加圧浮上分離装置４が設置されている点、および酸発酵槽２の直後にメタン発酵槽３が設置されている点、そして調整槽１の直後に加圧浮上分離装置４が設置されている点を除いては図１に示したメタン発酵排水処理装置と同様である。

【0057】

図３に示したメタン発酵排水処理装置では、溶解性有機物および油分、たんぱく質、その他の有機物からなる有機性固形物を含む被処理水は調整槽１に流入され、次いで均一に混合された被処理水は配管１７を介して加圧浮上分離装置４に流入されて処理される。

【0058】

加圧浮上分離装置４によって常法により有機性固形物が分離され、有機性固形物が除かれた処理水は配管１８を介して酸発酵槽２に流入され、溶解性有機物は低分子化し種々の有機酸等に変化し、次いで酸発酵槽２の処理水は配管５を介してメタン発酵槽３に流入され、流入水中に含まれる低分子化した溶解性有機物はグラニュール状のメタン生成菌によって分解され、その処理水は処理水流出管１９から流出される。また上記有機物が分解することにより発生するメタンガスはガス放出管２０から取り出され、図示していないガスホルダーに一旦貯留される。

【0059】

一方、加圧浮上分離装置４で分離されることにより、懸濁固形物量として２～３％に濃縮された有機性固形物の濃縮液は、スカム受け槽６で一旦貯留され、次いで配管８を介して溶解槽７に送給され、図１で説明したのと同様に有機性固形物は溶解される。

【0060】

また当該溶解液は配管９および／または１０によって調整槽１および／または加圧浮上分離装置４に戻され、調整槽１の流入水と混合され、また加圧浮上分離装置４の流入液と混合され、循環処理される。

【0061】

なお図３の実施態様では溶解液は調整槽１と加圧浮上分離装置４の両方に戻されているが、これに限定されることはなく、溶解液は調整槽１のみ、あるいは加圧浮上分離装置４のみに戻してもよい。

【0062】

なお溶解が困難な繊維類、ミネラル類がブロー管２１から定期的に排出されることも図１と同様である。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明に係るメタン発酵排水処理装置は、有機物を含む排水を浄化処理するために広く利用可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ 調整槽
２ 酸発酵槽
３ ＵＡＳＢメタン発酵槽
４ 加圧浮上分離装置
５ 配管
６ スカム受け槽
７ 溶解槽
８ 配管
９ 配管
１０ 配管
１１ 循環ポンプ
１２ 循環配管
１３ ｐＨ計
１４ 薬液注入ポンプ
１５ 循環ポンプ
１６ 循環配管
１７ 配管
１８ 配管
１９ 処理水流出管
２０ ガス放出管
２１ ブロー管
２２ 調整槽兼酸発酵槽

【図1】

【図2】

【図3】