JP2004223470A - 有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】有機性廃棄物と生分解性プラスチックとを含む混合物を効率良く微細化、分解でき、メタン発酵後の残渣が少ないメタン発酵処理方法および装置を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物と生分解性プラスチックとを含む混合物を、粉砕機11、微粉砕機12で粉砕する粉砕工程と、プラスチック分解槽13でスラリー化しながら、生分解性プラスチックの分解を40〜60℃の嫌気性下で行なう生分解工程と、生分解工程後のスラリーをメタン発酵槽15で発酵処理させるメタン発酵工程とからなる。生分解工程は、前記混合物を更に粉砕しながら行なうことが好ましい。
【選択図】 図1
【解決手段】有機性廃棄物と生分解性プラスチックとを含む混合物を、粉砕機11、微粉砕機12で粉砕する粉砕工程と、プラスチック分解槽13でスラリー化しながら、生分解性プラスチックの分解を40〜60℃の嫌気性下で行なう生分解工程と、生分解工程後のスラリーをメタン発酵槽15で発酵処理させるメタン発酵工程とからなる。生分解工程は、前記混合物を更に粉砕しながら行なうことが好ましい。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために、有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。
【0003】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができるとともに、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。
【0004】
上記の有機性廃棄物のうち、特に生ゴミのように異臭を発する廃棄物は、プラスチックの袋などに入れて収集されるのが一般的である。しかし、通常のプラスチックは分解性を有していないために、メタン発酵処理においては事前の分別が必要となる。このため、上記のプラスチックを生分解性プラスチックとして、有機性廃棄物と同時に、プラスチックの袋も分解処理することが検討されている。
【0005】
しかし、生ゴミ等の有機性廃棄物に比べて、生分解性プラスチックの分解速度は遅いため、両者をそのまま同時にメタン発酵処理した場合には、メタン発酵槽内に未分解のプラスチックが残留してしまう。
【0006】
このため、上記のような生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を効率よく発酵処理する方法として、特開2001−269652号公報には、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を収納する処理槽と、該処理槽内に空気を送り込むブロアーと、該処理槽内を加温することができる加温設備とを備えた有機性廃棄物処理装置を用いて、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を処理する方法において、主として有機性廃棄物の発酵分解を行う工程と、主として生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程とからなる有機性廃棄物の処理方法が開示されており、また、生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程の温度を60〜100℃とすることが開示されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−269652号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開2001−269652号公報のメタン発酵処理方法においては、生分解性プラスチック製品の分解工程の温度が60℃以上であるので、有機性廃棄物中における菌自体のタンパク質が熱変性してしまい、これによって菌の活性が急激に活性が低下し、生分解性プラスチックの分解が進行しななるという問題点があった。
【0009】
また、処理槽内に空気を送り込んで、生分解性プラスチック製品の崩壊を好気性下で行なっているため、曝気動力が別途必要である。また、発生する炭酸水素イオン(HCO3−)が炭酸ガスとして槽外に抜けてしまうために、槽内のpHが変化しやすく、安定した条件での分解が困難で処理効率が低い。
【0010】
更に、同一の処理槽において、生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程と、有機性廃棄物の発酵分解を行う工程とを順次行なうので、処理槽内での滞留時間が長くなり処理効率が低下する。
【0011】
更にまた、生ゴミのように固形分が多い有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するためには、生ゴミを微細に粉砕した生ゴミスラリーとする工程が必要とされるが、収集用の袋に加工された生分解性プラスチックは薄いため、そのままでは微細化が困難であり、有機性廃物のスラリー化が不充分となって、やはり処理効率が低下するという問題点があった。
【0012】
したがって、本発明の目的は、有機性廃棄物とそれを収容するためのプラスチックの袋等との分別を不要とし、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解でき、メタン発酵後の残渣が少ないメタン発酵処理方法および装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物をメタン発酵処理する方法であって、
前記混合物を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を行なう生分解工程と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵工程とを含み、
前記生分解工程を40〜60℃の嫌気性下で行なうことを特徴とする。
【0014】
本発明のメタン発酵処理方法によれば、生分解工程を40〜60℃で行うので、有機性廃棄物中の微生物の活性を最適範囲に維持でき、プラスチックの分解効率を高めて短時間での処理を可能とし、発酵残渣の量も低減することができる。
【0015】
また、生分解工程を嫌気性下で行なうので、プラスチック分解槽内のpH変化等も生じ難く、その結果、微生物によるプラスチックの分解を安定的に行うことができ、処理能力を向上することができる。
【0016】
更に、生分解工程をスラリー化と同時に行なうので、スラリー化の段階でプラスチックが分解されて微細化される。したがって、生分解性プラスチックを含んだ有機性廃棄物においてもスラリー化を容易に行なうことができる。
【0017】
本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物を粉砕しながら行なうことが好ましい。この態様によれば、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。
【0018】
また、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物に紫外線を照射しながら行なうことが好ましい。この態様によれば、紫外線照射を併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0019】
更に、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物にオゾンガスを接触させながら行なうことが好ましい。この態様によれば、オゾンガスを併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0020】
更にまた、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を高圧下で行なうことが好ましい。この態様によれば、高圧を併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0021】
一方、本発明のメタン発酵処理装置は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を粉砕するための粉砕手段と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を嫌気性下で行なうためのプラスチック分解槽と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵槽とを備え、前記プラスチック分解槽内の温度を40〜60℃に維持するための温度調整手段が設けられていることを特徴とする。
【0022】
本発明のメタン発酵処理装置によれば、粉砕後の混合物をスラリー化しながら、同時に生分解性プラスチックの分解を行なうので、従来のメタン発酵処理装置に通常用いられているスラリー調整槽において、同時にプラスチックの生分解を行なうことができる。したがって、従来のメタン発酵処理装置をそのまま用いて生分解性プラスチックの分解を行なうことができ、処理装置をコンパクトにすることができる。また、生分解工程は嫌気性下で行なわれるので、曝気動力が不要でありランニングコストも低下できる。また、プラスチック分解槽とメタン発酵槽とを別々に設けたので、メタン発酵槽における滞留時間を短くして、全体の処理能力を向上することができる。
【0023】
本発明の処理装置においては、前記プラスチック分解槽が、前記混合物を更に粉砕するための2次粉砕手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽が、紫外線照射手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽が、オゾンガス供給手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽内を高圧にするための圧力調整手段を備えていることが好ましい。
【0024】
この態様によれば、プラスチック分解槽が2次粉砕手段を備える場合には、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。また、プラスチック分解槽が紫外線照射手段、オゾンガス供給手段、圧力調整手段を備える場合には、生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0025】
【発明の実施形態】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図1には、本発明の一実施形態であるメタン発酵処理装置の概略構成図が示されている。
【0026】
まず、図1の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕機11、微粉砕機12と、これをスラリー化しながら生分解性プラスチックの分解を行なうためのプラスチック分解槽13と、メタン発酵槽15と、生成したバイオガスを貯留するためのガスタンクホルダー20とで主に構成されている。
【0027】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機11は、供給配管によって微粉砕機12に連結されており、この粉砕機11及び微粉砕機12が本発明における粉砕手段を構成している。そして、微粉砕機12からの供給配管は、更に、プラスチック分解槽13に連結されている。
【0028】
粉砕機11、微粉砕機12としては、従来公知のカッター装置等の粉砕機を用いることが可能であり特に限定されない。また、本発明においては、粉砕機11、微粉砕機12は必ずしも両方必要ではなく、粉砕機11、微粉砕機12のいずれか一方であってもよい。
【0029】
プラスチック分解槽13の内部には、図示しない公知の攪拌装置が設けられており、有機性廃棄物の固形分濃度を調整するスラリー調整を行なうことができるようになっている。
【0030】
また、プラスチック分解槽13には、槽内温度を40〜60℃に維持するための、やはり図示しない温度調整手段が設けられている。温度調整手段としては特に限定されず、例えばヒーターや温水等が使用可能である。
【0031】
なお、本発明においては、プラスチック分解槽13内に、更に上記のスラリーを粉砕するための、図示しない2次粉砕装置が設けられていてもよい。2次粉砕装置としては上記の粉砕機11、微粉砕機12と同様のものを用いることができる。
【0032】
また、図示しないオゾン供給装置、紫外線照射装置、圧力調整装置より選択される少なくとも1つが設けられていてもよい。オゾン供給装置としては、公知のオゾンガス発生装置が使用でき、紫外線照射としては公知の紫外線ランプ等を使用することができる。また、圧力調整装置としては、プラスチック分解槽13内を1〜22MPaの高圧に調整可能な装置を用いることが好ましい。
【0033】
プラスチック分解槽13からの供給配管は、メタン発酵槽15に接続され、プラスチック分解槽13とメタン発酵槽15とが連結されており、スラリー状の有機性廃棄物及び分解されたプラスチックは、ポンプ14により、メタン発酵槽15内に送られるように構成されている。
【0034】
メタン発酵槽15には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床16が設置されており、また、メタン発酵槽15内には、スラリー化された有機性廃棄物を攪拌するための攪拌羽根17が配置されている。
【0035】
メタン発酵槽15の上部空間からは、ガスホルダー20に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽15において発生したバイオガスが、ガスホルダー20に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー20に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として、図示しないガス利用システムで有効利用されるようになっている。
【0036】
更に、メタン発酵槽15の底部の取出口19からは、発酵後のスラリーを消化液として取出すための配管が接続されており、この消化液は、処理後の残渣として、図示しない固液分離槽等の後処理装置に送られるように構成されている。
【0037】
次に、上記のメタン発酵処理装置を用いた、本発明のメタン発酵処理方法について説明する。
【0038】
図1において、まず、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物は、粉砕機11で粗砕された後、更に分解速度及び消化率の向上を図るために、微粉砕機12で微粉砕・ペースト化されてプラスチック分解槽13に投入される。
【0039】
このように、メタン発酵処理に供する生分解性プラスチックと有機性廃棄物を微粉砕することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。また、通常、原料となる有機性廃棄物の含水量は高いので微粉砕することによりペースト状になる。この段階では、生分解プラスチックは、1〜5mm程度まで粉砕されていることが好ましい。
【0040】
本発明の処理対象である有機性廃棄物としては特に限定されないが、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等が例示できる。
【0041】
生分解性プラスチックとしては、上記の有機性廃棄物を収容するための包装袋等が挙げられる。この場合、包装袋と有機性廃棄物との事前の分別は不要である。また、生分解性プラスチックからなる食器等の成形品も本発明において分解処理可能である。
【0042】
生分解性プラスチックとしては特に限定されず、例えば、ポリヒドロキシ酪酸(ポリヒドロキシブチレート)等の微生物産出系、ポリ乳酸(ポリラクチド)、ポリ−ε−カプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリエチレンテレフタレート改質タイプ等の化学合成系、修飾デンプン、酢酸セルロース等のデンプン系等を処理可能である。
【0043】
次に、プラスチック分解槽13において、ペースト化された有機性廃棄物は、希釈水により適当な固形物濃度に調整されて攪拌、混合が行なわれてスラリー化されるとともに、40〜60℃の嫌気性下でプラスチックの分解が行なわれる。
【0044】
スラリー化は、固形物濃度が10〜20質量%となるように調整することが好ましい。
【0045】
そして、本発明においては、このスラリー化と同時に、40〜60℃の嫌気性下でプラスチックの生分解工程を行なうことを特徴としている。生分解工程の温度は50〜60℃であることがより好ましい。
【0046】
生分解工程の温度が40℃未満であると、高分子有機質を養分とする通性嫌気性菌の活性が低下して分解速度が著しく低下するので好ましくなく、60℃を超えると、前記通性嫌気性菌自体のタンパク質が熱変性してしまい、これによって菌の活性が低下してやはり分解速度が著しく低下するので好ましくない。
【0047】
これらの生分解性プラスチックの分解に寄与する通性嫌気性菌としては、クロストリジウム属(Clostridium sp.)、ルミノコッカス属(Ruminococcus.sp.)、バクテリオデス属(Bacteriodes sp.)、サーモアナエルビウム属(Thermoanaerbium sp.)などが例示できる。
【0048】
これらの微生物が有機性廃棄物中に存在する場合には、これをそのまま利用してもよく、別途上記の微生物をプラスチック分解槽13内に添加してもよい。
【0049】
生分解工程に要する時間は、処理量や分解条件によって適宜設定されるが、通常5〜60日である。
【0050】
なお、本発明においては、上記の生分解工程において、更に上記のスラリーを粉砕するための2次粉砕工程を併用することが好ましい。これにより、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。
【0051】
また、紫外線照射、オゾンガス供給、高圧処理より選択される少なくとも1つを併用することも好ましく行なわれる。これらを併用することで、生分解性プラスチックの酸化分解を促進でき、分解速度をより向上することができる。また、アルカリによる生分解プラスチックの可溶化手段や、超音波照射手段等を用いてもよい。
【0052】
紫外線の照射条件としては、例えば185nm付近の紫外線を0.5〜1.5時間照射することが好ましく、オゾンガスの供給条件としては、例えば、未分解の浮遊物質(SS分)に対して0.02〜0.08gO3/gSSのオゾンガスを注入することが好ましい。また、高圧処理の圧力としては、プラスチック分解槽13内を1〜22MPaとすることが好ましい。
【0053】
なお、上記の紫外線照射、オゾンガス供給、高圧処理等は単独で用いてもよく、複数を組み合わせてもよい。
【0054】
次に、プラスチック分解槽13からの、スラリー化した有機性廃棄物と生分解されたプラスチックとの混合物は、ポンプ14によりメタン発酵槽15に送られる。
【0055】
このメタン発酵槽15には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床16が設置されている。メタン発酵槽15内では、イ)ポンプ14により有機性廃棄物を循環させる、ロ)攪拌羽根17で攪拌する、ハ)バイオガスの一部をポンプ18によりメタン発酵槽15の下部に吹き込んでバブリングして攪拌する、などの方法で攪拌が行われ、嫌気性微生物による分解が行われる。
【0056】
なお、本発明においては、メタン発酵槽15は上記の構造には限定されず、固定ろ床16の代わりに、メタン発酵槽15内に嫌気性微生物が混合された槽を用いてもよい。また、有機性廃棄物中の嫌気性微生物のみを利用してメタン発酵を行なってもよい。
【0057】
本発明において、メタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定できるが、例えば、固形物濃度20質量%の有機性廃棄物を処理する場合は、発酵槽温度50〜60℃、発酵槽内滞留時間10日以下でメタン発酵を行なうことができる。
【0058】
その後、発酵により生成したバイオガスは、ガスホルダー20に回収され、ガスタービンや燃料電池などの、図示しないガス利用システムでエネルギーとして利用される。
【0059】
そして、メタン発酵槽15内で発酵処理された有機性廃棄物の消化液は、該発酵槽15の底部に設けられた取出口19から排出されて、必要に応じて更に活性汚泥処理等の後処理が行なわれる。
【0060】
このように、本発明の処理方法によれば、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解処理でき、発酵後の残渣も減少させることができる。
【0061】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例1
図1に示すような構成のメタン発酵処理装置を用い、以下に示すような有機性廃棄物と生分解性プラスチックとの混合物を処理した。
【0062】
有機性廃棄物としては、表1に示す組成の生ゴミ原料を使用した。なお、表1におけるTSは固形分濃度、VSは有機物濃度、T−CODは全化学的酸素要求量、T−Nは全窒素である。
【0063】
【表1】
【0064】
生分解性プラスチックとしては、ポリ−ε−カプロラクトンを原材料とした「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製、厚さ30μm)を50mm角に切断した。
【0065】
これを、上記の生ゴミ原料とともに、40℃に加温した容積2Lのプラスチック分解槽13に投入し、メカニカルスーターラーで100rpmの回転速度で攪拌しながら3日間、1週間、1ヶ月間の3条件で生分解工程を行なった。
【0066】
次に、生分解工程後の混合物を、容積2Lのメタン発酵槽15に投入し、発酵温度55℃、滞留時間(HRT)40日、投入負荷4.5gCOD/L/日の条件でメタン発酵工程を行なった。
【0067】
実施例2
プラスチック分解槽13の温度を55℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0068】
実施例3
実施例1で用いた、「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製)を、ポリブチレンサクシネート・アジペートを原材料にしたアミティーCタイプコンポストバック(中興化成工業株式会社製、厚さ20μm)に代えた以外は、実施例2と同様の条件で処理を行った。
【0069】
実施例4
実施例1で用いた、「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製)を、ポリ乳酸を原材料にしたラクトロン(カネボウ合繊株式会社製、厚さ30μm)に代えた以外は、実施例2と同様の条件で処理を行った。
【0070】
比較例1
プラスチック分解槽13の温度を20℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0071】
比較例2
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0072】
比較例3
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例3と同様の条件で処理を行った。
【0073】
比較例4
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例4と同様の条件で処理を行った。
【0074】
試験例1
実施例1〜4、比較例1〜4のメタン発酵工程後の残渣について、生分解性プラスチックの破片の大きさを、目開き3mm、1mm、0.5mmのメッシュふるいを使って、測定選別した。その結果を表2に示す。
【0075】
【表2】
【0076】
表2より、実施例1〜4においては、いずれも1ヶ月後には1mm角以下までプラスチックの分解が進んでおり、特に、生分解工程の温度が55℃の実施例2〜4においては、1週間後で1mm角以下まで分解が進んでおり、短期間での分解が可能なことがわかる。
【0077】
一方、生分解工程の温度が本発明に規定する範囲未満である比較例1〜4においては、1ヶ月後においても分解が進行していないことがわかる。
【0078】
試験例2
実施例1において、プラスチック分解槽13の温度を20〜65℃まで変化させて生分解工程を1ヶ月間行なった場合の、生分解工程における温度と、生分解性プラスチックの分解率との関係について調べた。その結果を図2に示す。
【0079】
なお、図2における分解率(%)は、次式で算出される数値である。
分解率(%)=100×((投入固形物(g)−1mm以上の固形物(g))/投入固形物(g))
図2より、生分解工程の温度が本発明に規定する40〜60℃の範囲では分解が良好に進行するのに対し、40℃未満及び60℃を超える場合には分解率は30%以下と低いことがわかる。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解でき、メタン発酵後の残渣が少ないメタン発酵処理を、簡便な処理装置で行なうことができる。したがって、本発明は、生ゴミ等の有機性廃棄物と、それを収容するための生分解プラスチックの袋等との混合物の処理に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】実施例における、分解時の温度と生分解性プラスチックの分解率との関係を示す図表である。
【符号の説明】
11 粉砕機
12 微粉砕機
13 プラスチック分解槽
14 ポンプ
15 メタン発酵槽
16 固定ろ床
17 攪拌羽根
18 ガスポンプ
19 取出口
20 ガスホルダー
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法及び処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために、有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。
【0003】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができるとともに、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。
【0004】
上記の有機性廃棄物のうち、特に生ゴミのように異臭を発する廃棄物は、プラスチックの袋などに入れて収集されるのが一般的である。しかし、通常のプラスチックは分解性を有していないために、メタン発酵処理においては事前の分別が必要となる。このため、上記のプラスチックを生分解性プラスチックとして、有機性廃棄物と同時に、プラスチックの袋も分解処理することが検討されている。
【0005】
しかし、生ゴミ等の有機性廃棄物に比べて、生分解性プラスチックの分解速度は遅いため、両者をそのまま同時にメタン発酵処理した場合には、メタン発酵槽内に未分解のプラスチックが残留してしまう。
【0006】
このため、上記のような生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を効率よく発酵処理する方法として、特開2001−269652号公報には、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を収納する処理槽と、該処理槽内に空気を送り込むブロアーと、該処理槽内を加温することができる加温設備とを備えた有機性廃棄物処理装置を用いて、生分解性プラスチック製品が混合された有機性廃棄物を処理する方法において、主として有機性廃棄物の発酵分解を行う工程と、主として生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程とからなる有機性廃棄物の処理方法が開示されており、また、生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程の温度を60〜100℃とすることが開示されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−269652号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開2001−269652号公報のメタン発酵処理方法においては、生分解性プラスチック製品の分解工程の温度が60℃以上であるので、有機性廃棄物中における菌自体のタンパク質が熱変性してしまい、これによって菌の活性が急激に活性が低下し、生分解性プラスチックの分解が進行しななるという問題点があった。
【0009】
また、処理槽内に空気を送り込んで、生分解性プラスチック製品の崩壊を好気性下で行なっているため、曝気動力が別途必要である。また、発生する炭酸水素イオン(HCO3−)が炭酸ガスとして槽外に抜けてしまうために、槽内のpHが変化しやすく、安定した条件での分解が困難で処理効率が低い。
【0010】
更に、同一の処理槽において、生分解性プラスチック製品の崩壊を行う工程と、有機性廃棄物の発酵分解を行う工程とを順次行なうので、処理槽内での滞留時間が長くなり処理効率が低下する。
【0011】
更にまた、生ゴミのように固形分が多い有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するためには、生ゴミを微細に粉砕した生ゴミスラリーとする工程が必要とされるが、収集用の袋に加工された生分解性プラスチックは薄いため、そのままでは微細化が困難であり、有機性廃物のスラリー化が不充分となって、やはり処理効率が低下するという問題点があった。
【0012】
したがって、本発明の目的は、有機性廃棄物とそれを収容するためのプラスチックの袋等との分別を不要とし、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解でき、メタン発酵後の残渣が少ないメタン発酵処理方法および装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物をメタン発酵処理する方法であって、
前記混合物を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を行なう生分解工程と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵工程とを含み、
前記生分解工程を40〜60℃の嫌気性下で行なうことを特徴とする。
【0014】
本発明のメタン発酵処理方法によれば、生分解工程を40〜60℃で行うので、有機性廃棄物中の微生物の活性を最適範囲に維持でき、プラスチックの分解効率を高めて短時間での処理を可能とし、発酵残渣の量も低減することができる。
【0015】
また、生分解工程を嫌気性下で行なうので、プラスチック分解槽内のpH変化等も生じ難く、その結果、微生物によるプラスチックの分解を安定的に行うことができ、処理能力を向上することができる。
【0016】
更に、生分解工程をスラリー化と同時に行なうので、スラリー化の段階でプラスチックが分解されて微細化される。したがって、生分解性プラスチックを含んだ有機性廃棄物においてもスラリー化を容易に行なうことができる。
【0017】
本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物を粉砕しながら行なうことが好ましい。この態様によれば、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。
【0018】
また、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物に紫外線を照射しながら行なうことが好ましい。この態様によれば、紫外線照射を併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0019】
更に、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を、前記混合物にオゾンガスを接触させながら行なうことが好ましい。この態様によれば、オゾンガスを併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0020】
更にまた、本発明の処理方法においては、前記生分解工程を高圧下で行なうことが好ましい。この態様によれば、高圧を併用することで生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0021】
一方、本発明のメタン発酵処理装置は、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を粉砕するための粉砕手段と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を嫌気性下で行なうためのプラスチック分解槽と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵槽とを備え、前記プラスチック分解槽内の温度を40〜60℃に維持するための温度調整手段が設けられていることを特徴とする。
【0022】
本発明のメタン発酵処理装置によれば、粉砕後の混合物をスラリー化しながら、同時に生分解性プラスチックの分解を行なうので、従来のメタン発酵処理装置に通常用いられているスラリー調整槽において、同時にプラスチックの生分解を行なうことができる。したがって、従来のメタン発酵処理装置をそのまま用いて生分解性プラスチックの分解を行なうことができ、処理装置をコンパクトにすることができる。また、生分解工程は嫌気性下で行なわれるので、曝気動力が不要でありランニングコストも低下できる。また、プラスチック分解槽とメタン発酵槽とを別々に設けたので、メタン発酵槽における滞留時間を短くして、全体の処理能力を向上することができる。
【0023】
本発明の処理装置においては、前記プラスチック分解槽が、前記混合物を更に粉砕するための2次粉砕手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽が、紫外線照射手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽が、オゾンガス供給手段を備えていることが好ましい。また、前記プラスチック分解槽内を高圧にするための圧力調整手段を備えていることが好ましい。
【0024】
この態様によれば、プラスチック分解槽が2次粉砕手段を備える場合には、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。また、プラスチック分解槽が紫外線照射手段、オゾンガス供給手段、圧力調整手段を備える場合には、生分解性プラスチックの酸化分解を促進できるので、生分解性プラスチックの分解速度をより向上することができる。
【0025】
【発明の実施形態】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図1には、本発明の一実施形態であるメタン発酵処理装置の概略構成図が示されている。
【0026】
まず、図1の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕機11、微粉砕機12と、これをスラリー化しながら生分解性プラスチックの分解を行なうためのプラスチック分解槽13と、メタン発酵槽15と、生成したバイオガスを貯留するためのガスタンクホルダー20とで主に構成されている。
【0027】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機11は、供給配管によって微粉砕機12に連結されており、この粉砕機11及び微粉砕機12が本発明における粉砕手段を構成している。そして、微粉砕機12からの供給配管は、更に、プラスチック分解槽13に連結されている。
【0028】
粉砕機11、微粉砕機12としては、従来公知のカッター装置等の粉砕機を用いることが可能であり特に限定されない。また、本発明においては、粉砕機11、微粉砕機12は必ずしも両方必要ではなく、粉砕機11、微粉砕機12のいずれか一方であってもよい。
【0029】
プラスチック分解槽13の内部には、図示しない公知の攪拌装置が設けられており、有機性廃棄物の固形分濃度を調整するスラリー調整を行なうことができるようになっている。
【0030】
また、プラスチック分解槽13には、槽内温度を40〜60℃に維持するための、やはり図示しない温度調整手段が設けられている。温度調整手段としては特に限定されず、例えばヒーターや温水等が使用可能である。
【0031】
なお、本発明においては、プラスチック分解槽13内に、更に上記のスラリーを粉砕するための、図示しない2次粉砕装置が設けられていてもよい。2次粉砕装置としては上記の粉砕機11、微粉砕機12と同様のものを用いることができる。
【0032】
また、図示しないオゾン供給装置、紫外線照射装置、圧力調整装置より選択される少なくとも1つが設けられていてもよい。オゾン供給装置としては、公知のオゾンガス発生装置が使用でき、紫外線照射としては公知の紫外線ランプ等を使用することができる。また、圧力調整装置としては、プラスチック分解槽13内を1〜22MPaの高圧に調整可能な装置を用いることが好ましい。
【0033】
プラスチック分解槽13からの供給配管は、メタン発酵槽15に接続され、プラスチック分解槽13とメタン発酵槽15とが連結されており、スラリー状の有機性廃棄物及び分解されたプラスチックは、ポンプ14により、メタン発酵槽15内に送られるように構成されている。
【0034】
メタン発酵槽15には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床16が設置されており、また、メタン発酵槽15内には、スラリー化された有機性廃棄物を攪拌するための攪拌羽根17が配置されている。
【0035】
メタン発酵槽15の上部空間からは、ガスホルダー20に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽15において発生したバイオガスが、ガスホルダー20に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー20に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として、図示しないガス利用システムで有効利用されるようになっている。
【0036】
更に、メタン発酵槽15の底部の取出口19からは、発酵後のスラリーを消化液として取出すための配管が接続されており、この消化液は、処理後の残渣として、図示しない固液分離槽等の後処理装置に送られるように構成されている。
【0037】
次に、上記のメタン発酵処理装置を用いた、本発明のメタン発酵処理方法について説明する。
【0038】
図1において、まず、生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物は、粉砕機11で粗砕された後、更に分解速度及び消化率の向上を図るために、微粉砕機12で微粉砕・ペースト化されてプラスチック分解槽13に投入される。
【0039】
このように、メタン発酵処理に供する生分解性プラスチックと有機性廃棄物を微粉砕することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。また、通常、原料となる有機性廃棄物の含水量は高いので微粉砕することによりペースト状になる。この段階では、生分解プラスチックは、1〜5mm程度まで粉砕されていることが好ましい。
【0040】
本発明の処理対象である有機性廃棄物としては特に限定されないが、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場などから排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理などの余剰汚泥等が例示できる。
【0041】
生分解性プラスチックとしては、上記の有機性廃棄物を収容するための包装袋等が挙げられる。この場合、包装袋と有機性廃棄物との事前の分別は不要である。また、生分解性プラスチックからなる食器等の成形品も本発明において分解処理可能である。
【0042】
生分解性プラスチックとしては特に限定されず、例えば、ポリヒドロキシ酪酸(ポリヒドロキシブチレート)等の微生物産出系、ポリ乳酸(ポリラクチド)、ポリ−ε−カプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリエチレンテレフタレート改質タイプ等の化学合成系、修飾デンプン、酢酸セルロース等のデンプン系等を処理可能である。
【0043】
次に、プラスチック分解槽13において、ペースト化された有機性廃棄物は、希釈水により適当な固形物濃度に調整されて攪拌、混合が行なわれてスラリー化されるとともに、40〜60℃の嫌気性下でプラスチックの分解が行なわれる。
【0044】
スラリー化は、固形物濃度が10〜20質量%となるように調整することが好ましい。
【0045】
そして、本発明においては、このスラリー化と同時に、40〜60℃の嫌気性下でプラスチックの生分解工程を行なうことを特徴としている。生分解工程の温度は50〜60℃であることがより好ましい。
【0046】
生分解工程の温度が40℃未満であると、高分子有機質を養分とする通性嫌気性菌の活性が低下して分解速度が著しく低下するので好ましくなく、60℃を超えると、前記通性嫌気性菌自体のタンパク質が熱変性してしまい、これによって菌の活性が低下してやはり分解速度が著しく低下するので好ましくない。
【0047】
これらの生分解性プラスチックの分解に寄与する通性嫌気性菌としては、クロストリジウム属(Clostridium sp.)、ルミノコッカス属(Ruminococcus.sp.)、バクテリオデス属(Bacteriodes sp.)、サーモアナエルビウム属(Thermoanaerbium sp.)などが例示できる。
【0048】
これらの微生物が有機性廃棄物中に存在する場合には、これをそのまま利用してもよく、別途上記の微生物をプラスチック分解槽13内に添加してもよい。
【0049】
生分解工程に要する時間は、処理量や分解条件によって適宜設定されるが、通常5〜60日である。
【0050】
なお、本発明においては、上記の生分解工程において、更に上記のスラリーを粉砕するための2次粉砕工程を併用することが好ましい。これにより、生分解性プラスチックのより細かい粉砕が可能となるため、分解速度をより向上することができる。
【0051】
また、紫外線照射、オゾンガス供給、高圧処理より選択される少なくとも1つを併用することも好ましく行なわれる。これらを併用することで、生分解性プラスチックの酸化分解を促進でき、分解速度をより向上することができる。また、アルカリによる生分解プラスチックの可溶化手段や、超音波照射手段等を用いてもよい。
【0052】
紫外線の照射条件としては、例えば185nm付近の紫外線を0.5〜1.5時間照射することが好ましく、オゾンガスの供給条件としては、例えば、未分解の浮遊物質(SS分)に対して0.02〜0.08gO3/gSSのオゾンガスを注入することが好ましい。また、高圧処理の圧力としては、プラスチック分解槽13内を1〜22MPaとすることが好ましい。
【0053】
なお、上記の紫外線照射、オゾンガス供給、高圧処理等は単独で用いてもよく、複数を組み合わせてもよい。
【0054】
次に、プラスチック分解槽13からの、スラリー化した有機性廃棄物と生分解されたプラスチックとの混合物は、ポンプ14によりメタン発酵槽15に送られる。
【0055】
このメタン発酵槽15には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床16が設置されている。メタン発酵槽15内では、イ)ポンプ14により有機性廃棄物を循環させる、ロ)攪拌羽根17で攪拌する、ハ)バイオガスの一部をポンプ18によりメタン発酵槽15の下部に吹き込んでバブリングして攪拌する、などの方法で攪拌が行われ、嫌気性微生物による分解が行われる。
【0056】
なお、本発明においては、メタン発酵槽15は上記の構造には限定されず、固定ろ床16の代わりに、メタン発酵槽15内に嫌気性微生物が混合された槽を用いてもよい。また、有機性廃棄物中の嫌気性微生物のみを利用してメタン発酵を行なってもよい。
【0057】
本発明において、メタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定できるが、例えば、固形物濃度20質量%の有機性廃棄物を処理する場合は、発酵槽温度50〜60℃、発酵槽内滞留時間10日以下でメタン発酵を行なうことができる。
【0058】
その後、発酵により生成したバイオガスは、ガスホルダー20に回収され、ガスタービンや燃料電池などの、図示しないガス利用システムでエネルギーとして利用される。
【0059】
そして、メタン発酵槽15内で発酵処理された有機性廃棄物の消化液は、該発酵槽15の底部に設けられた取出口19から排出されて、必要に応じて更に活性汚泥処理等の後処理が行なわれる。
【0060】
このように、本発明の処理方法によれば、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解処理でき、発酵後の残渣も減少させることができる。
【0061】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例1
図1に示すような構成のメタン発酵処理装置を用い、以下に示すような有機性廃棄物と生分解性プラスチックとの混合物を処理した。
【0062】
有機性廃棄物としては、表1に示す組成の生ゴミ原料を使用した。なお、表1におけるTSは固形分濃度、VSは有機物濃度、T−CODは全化学的酸素要求量、T−Nは全窒素である。
【0063】
【表1】
【0064】
生分解性プラスチックとしては、ポリ−ε−カプロラクトンを原材料とした「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製、厚さ30μm)を50mm角に切断した。
【0065】
これを、上記の生ゴミ原料とともに、40℃に加温した容積2Lのプラスチック分解槽13に投入し、メカニカルスーターラーで100rpmの回転速度で攪拌しながら3日間、1週間、1ヶ月間の3条件で生分解工程を行なった。
【0066】
次に、生分解工程後の混合物を、容積2Lのメタン発酵槽15に投入し、発酵温度55℃、滞留時間(HRT)40日、投入負荷4.5gCOD/L/日の条件でメタン発酵工程を行なった。
【0067】
実施例2
プラスチック分解槽13の温度を55℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0068】
実施例3
実施例1で用いた、「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製)を、ポリブチレンサクシネート・アジペートを原材料にしたアミティーCタイプコンポストバック(中興化成工業株式会社製、厚さ20μm)に代えた以外は、実施例2と同様の条件で処理を行った。
【0069】
実施例4
実施例1で用いた、「ペパマック」コンポストバッグ(北村化学産業株式会社製)を、ポリ乳酸を原材料にしたラクトロン(カネボウ合繊株式会社製、厚さ30μm)に代えた以外は、実施例2と同様の条件で処理を行った。
【0070】
比較例1
プラスチック分解槽13の温度を20℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0071】
比較例2
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例1と同様の条件で処理を行った。
【0072】
比較例3
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例3と同様の条件で処理を行った。
【0073】
比較例4
プラスチック分解槽13の温度を35℃にした以外は、実施例4と同様の条件で処理を行った。
【0074】
試験例1
実施例1〜4、比較例1〜4のメタン発酵工程後の残渣について、生分解性プラスチックの破片の大きさを、目開き3mm、1mm、0.5mmのメッシュふるいを使って、測定選別した。その結果を表2に示す。
【0075】
【表2】
【0076】
表2より、実施例1〜4においては、いずれも1ヶ月後には1mm角以下までプラスチックの分解が進んでおり、特に、生分解工程の温度が55℃の実施例2〜4においては、1週間後で1mm角以下まで分解が進んでおり、短期間での分解が可能なことがわかる。
【0077】
一方、生分解工程の温度が本発明に規定する範囲未満である比較例1〜4においては、1ヶ月後においても分解が進行していないことがわかる。
【0078】
試験例2
実施例1において、プラスチック分解槽13の温度を20〜65℃まで変化させて生分解工程を1ヶ月間行なった場合の、生分解工程における温度と、生分解性プラスチックの分解率との関係について調べた。その結果を図2に示す。
【0079】
なお、図2における分解率(%)は、次式で算出される数値である。
分解率(%)=100×((投入固形物(g)−1mm以上の固形物(g))/投入固形物(g))
図2より、生分解工程の温度が本発明に規定する40〜60℃の範囲では分解が良好に進行するのに対し、40℃未満及び60℃を超える場合には分解率は30%以下と低いことがわかる。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生分解性プラスチックを含む有機性廃棄物を効率良く微細化、分解でき、メタン発酵後の残渣が少ないメタン発酵処理を、簡便な処理装置で行なうことができる。したがって、本発明は、生ゴミ等の有機性廃棄物と、それを収容するための生分解プラスチックの袋等との混合物の処理に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】実施例における、分解時の温度と生分解性プラスチックの分解率との関係を示す図表である。
【符号の説明】
11 粉砕機
12 微粉砕機
13 プラスチック分解槽
14 ポンプ
15 メタン発酵槽
16 固定ろ床
17 攪拌羽根
18 ガスポンプ
19 取出口
20 ガスホルダー
Claims (10)
- 生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物をメタン発酵処理する方法であって、
前記混合物を粉砕する粉砕工程と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を行なう生分解工程と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵工程とを含み、
前記生分解工程を40〜60℃の嫌気性下で行なうことを特徴とする有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。 - 前記生分解工程を、前記混合物を粉砕しながら行なう請求項1に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 前記生分解工程を、前記混合物に紫外線を照射しながら行なう請求項1又は2に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 前記生分解工程を、前記混合物にオゾンガスを接触させながら行なう請求項1〜3のいずれか1つに記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 前記生分解工程を高圧下で行なう請求項1〜4のいずれか1つに記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理方法。
- 生分解性プラスチックと有機性廃棄物との混合物を粉砕するための粉砕手段と、前記粉砕後の混合物をスラリー化しながら前記生分解性プラスチックの分解を嫌気性下で行なうためのプラスチック分解槽と、前記スラリーをメタン発酵させるメタン発酵槽とを備え、前記プラスチック分解槽内の温度を40〜60℃に維持するための温度調整手段が設けられていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
- 前記プラスチック分解槽が、前記混合物を更に粉砕するための2次粉砕手段を備えている請求項6に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
- 前記プラスチック分解槽が、紫外線照射手段を備えている請求項6又は7に記載の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置。
- 前記プラスチック分解槽が、オゾンガス供給手段を備えている請求項6〜8のいずれか1つに記載のメタン発酵処理装置。
- 前記プラスチック分解槽内を高圧にするための圧力調整手段を備えている請求項6〜9のいずれか1つに記載のメタン発酵処理装置。
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