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えつまにかどり
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1 岡山総畜セ研報 17:51 ~ メタン発酵消化液の活性汚泥法による BOD 容積負荷量の検討 * ** *** 脇本進行白石誠滝本英二小林宙北村直起 Examination of amount of BOD cativety sludge procedure of methane fermentation digestion liquid Nobuyuki WAKIMOTO,Makoto SHIRAISHI,Eiji TAKIMOTO,Hirosi KOBAYASI and Naoki KITAMURA 要約メタン発酵消化液の活性汚泥法によるBOD 容積負荷量の違いが処理水質に与える影響を検討した 1 中温発酵 5 滞留期間 18 日有機物負荷量 1.5kg/m 日の条件で処理したメタン発酵消化液の性状は BOD 941mg/L T-N 148mg/L となり BOD より窒素が高い値を示した 2 この消化液を用いた浄化処理では一般的な浄化処理の BOD 容積負荷量である 0.4kg/m 日では十分な処理は行われれなかった消化液の浄化を考えた場合の適正負荷量は 0.25kg/m 日程度が適当と考えられた処理水中のT-Nはすべての区において 455 ~ 624mg/L と高い値で残存したことから窒素の除去方法の検討が必要であるキーワード : メタン発酵消化液活性汚泥法緒近年地球環境を守るため地球温暖化の防止循環社会の形成などバイオマスの有効利用が叫ばれているまた畜産分野においては平成 16 年 11 月に家畜排泄物法の施設整備の猶予期間が終わり罰則等が適用されることになり農家においてふん尿の適正な処理が求められるようになったこのような状況の中で家畜排せつ物も資源として利用しようとする観点からメタン発酵技術が注目されてきているこのメタン発酵技術は従来の堆肥化技術などと異なり畜ふん尿からバイオガスを生成し発電等を行うことにより熱や電気として再生することができるこれらのことからメタン発酵技術は環境負荷の少ない技術として注目されてきているしかし堆肥舎などと同様にメタン発酵処理施設の導入にあたっても地域性や環境規制を考慮して設置していく必要がある特に宅地化が進む地域などへの導入を考えた場合メタン発酵残さである消化液は臭気などの問題もありほ場等への利用は困難な状況となっているそのため消化液については浄化処理の必要性があると考えられるが消化液は一般的に C 言 /N バランスが悪く生物学的な方法による浄化処理には不向きとされるそこで本試験ではこのような消化液に対し一般的な活性汚泥法の条件での処理性能について調査検討した材料及び方法 1 実験装置及び運転条件 (1) メタン発酵実験装置メタン発酵実験装置 ( 図 1) は 20 Lのプラスチック容器を用いてメタン発酵槽を作成した供試汚水は 9 Lの雑排水を含む尿汚水に 1.9Kg の割合でふん尿を混合し 1mm メッシュの篩を通して固形物を分離し得られた混合液を用いた汚水の投入は毎日 900ml の原料を投入し発酵槽内液の ph はメタン発酵の最適 ph7. ) ~ 7.6 の間になるように 10 % 塩酸を用いて適宜調整したメタン発酵槽の運転条件は滞留時間約 18 日間有機物負荷量は 1.5kg/m 日であった * 現備中県民局井笠支局 ** 現畜産課 *** 現岡山家畜保健衛生所

2 52 脇本白石滝本小林北村 : メタン発酵消化液の活性汚泥法による BOD 容積負荷量の検討槽の保温は熱帯魚用のヒーターで 5 に加温した 50 L 恒温槽内にメタン発酵実験装置を設置し運転を行ったまた槽内は原料とメタン発酵汚泥が攪拌混合されるように常時スターラーで攪拌をおこなった P ガス採取の区とさらに低い BOD 容積負荷量の1 区 0.1kg/m 日と2 区 0.25kg/m 日を設定し試験を行った表 1 試験区分区分投入量 BOD 容積負荷量 1 区 100ml 0.1 kg/m 日 2 区 00ml 0.25kg/m 日区 500ml 0.4 kg/m 日 20L テトラーバック原水槽図 1 メタン発酵実験装置 (2) 活性汚泥処理実験装置活性汚泥処理実験装置 ( 図 2) は 2L メスシリンダーを利用した回分式活性汚泥法とした槽の有効容積は 1.2 L とした運転方法は 2 時間の曝気運転とし曝気停止後 0 分静置し上澄み液をサンプリング後手動で汚水を投入曝気を再開するサイクルを 1 日 1 回行ったなお活性汚泥濃度は約 8000mg/L に保った図 2 メタン発酵槽5 度恒温槽消化液処理液曝スターラー浄化処理実験装置 2 試験区分試験区分を表 1に示した試験は標準的な BOD 容積負荷量 0.4kg/m 日消化液槽気槽供試消化液供試消化液はメタン発酵実験装置から得られた消化液とし活性汚泥処理装置には 1 日当たり定量 ( 表 1) の消化液を浄化処理試験装置に投入した 4 調査項目等 (1) メタン発酵調査調整したメタン発酵原料及び生成された消化液をサンプリングし水分固形物量有機物量を分析したまた装置から発生したバイオガスはその発生量とメタンガス濃度を測定したガス発生量はメタン発酵槽空隙部分からシリコンチューブを用いて 20 Lテトラーバックに1 日分貯めた後積算流量計を用いて測定したメタンガス濃度は携帯式メタンガス濃度計を用いて測定した分析方法では固形物量は蒸発乾固後秤量有機物量は蒸発乾固後灰化し秤量し固形物量から差し引いた (2) 消化液の浄化処理調査調査試料は原料消化液処理水とし試料に含まれる汚濁成分等を分析した分析は ph EC COD BOD SS T-N NH4-N NO2-N NO-N T-P を測定したまた曝気槽では定期のサンプリング時に活性汚泥混合液を採取し MLSS を測定した分析方法では ph EC はガラス電極法 COD は過マンガン酸カリウムによる 100 加熱法 BOD はウインクラーアジ化ナトリウム変法 SS はガラス繊維濾過法 T-N 及び T-P は同時分解法 NH4-N NO2-N 及び NO-N はブレムナー蒸留法 MLSS は蒸留水で洗い蒸発乾固後秤量した 5 試験期間メタン発酵実験装置は平成 17 年 8 月から 1 ヶ月間馴致運転を行い消化液を浄化処理試験に利用した

3 岡山県総合畜産センター研究報告第 17 号 5 浄化処理実験装置は 9 月から馴致運転を開始し 10 月 21 日から 11 月 11 日にかけて試験運転を行った水質検査は 1 ヶ月の試験期間中週 1 回計 4 回 ( 水質検査日 10 月 21 日 10 月 29 日 11 月 4 日 11 月 11 日の計 4 回 ) の平均を比較した結 1 メタン発酵原料及び消化液の性状メタン発酵実験装置に用いた原水及び消化液の性状は表 2 に示す通りである原水中固形物量 (TS) は現物中.04 % に対して消化液では 1.05 % まで低下したメタン発酵槽で分解された固形物量は 17.6g/ 日であった表 2 メタン発酵原料及び消化液の性状 ( 現物 %) TS VS メタン発酵原料消化液除去率 65.5% 69.2% 1) 水質検査成績は4 回の平均 2) 除去率 :(1- 消化液濃度 / 原料濃度 ) 100 果有機物含量 (VS) は現物中 2.4 % に対して発酵残さでは 0.74 % まで低下したこのときのメタン発酵装置における除去率は 69.2 % であったまたメタン発酵槽で分解された有機物量は 14.9g/ 日であったメタン発酵に関係する BOD COD 等の汚濁成分は表に示すとおりである BOD は原水 12,170mg/L に対して消化液では 941mg/L まで低下しメタン発酵槽での除去率は 92.% であった COD は原水 8,65mg/L に対して消化液では,260mg/L まで低下し除去率は 62.% であった SS は原水 22,850mg/L に対して消化液では 9,750mg/L まで低下し除去率は 57.% であった T-N は原水 1,742mg/L に対して消化液では 1,48mg/L まで低下し除去率は 14.9% であった NH4-N は原水 499mg/L に対して消化液では 611mg/L となり約 2 割ほど増加した T-P は原水 678mg/L に対して消化液では 254mg/L まで低下し除去率は 62.6% であった表メタン発酵原料及び消化液の性状及び除去率 (ms/cm mg/l) ph EC BOD COD SS T-N NH4-N T-P メタン発酵原料 ,170 8,65 22,850 1, 消化液 ,260 9,750 1, 除去率 92.% 62.% 57.% 14.9% 122.4% 62.6% 1) 水質検査成績は4 回の平均 2) 除去率 :(1- 消化液濃度 / 原料濃度 ) メタン発酵実験装置におけるガス発生状況メタン発酵実験装置からのバイオガス発生量及びメタンガス濃度は表 4 に示すとおりであるメタン発酵装置からのバイオガス発生量は調査 4 回の平均で 1 日当たり 9.0L/ 日でメタンガス濃度は 51 % を示した表 4 メタン発酵実験装置のガス発生量等バイオガス発生量 9L メタンガス濃度 51% 試験期間中 4 回の平均浄化処理水中の汚濁成分濃度及び除去率各区の処理水水質検査 4 回の平均を表 5 に示した ph は消化液 7.5 に対して 1 区 4. 2 区 6.2 区 6.2 であった EC は消化液 8.0mS/cm に対して 1 区 6.0mS/cm 2 区 6.6mS/cm 区 7.7mS/cm であった BOD は消化液 941mg/L に対して処理水では 1 区 4mg/L 2 区 58mg/L 区 681mg/L まで低下した除去率は 1 区 96.% 2 区 9.8% 区 26.7% であった COD は消化液,260mg/L に対して処理水では 1 区 5mg/L 2 区 776mg/L 区 1,002mg/L まで低下した除去率は 1 区 88.8% 2 区 75.4% 区 68.2% であった SS は消化液 9,750mg/L に対して処理水では 1 区 45mg/L 2 区 444mg/L 区 790mg/L まで低下した除去率は 1 区 95.0% 2 区 94.1% 区 89.2% であった T-N は消化液 1,48mg/L に対して処理水では 1 区 455mg/L 2 区 499mg/L 区 624mg/L まで低下した除去率は 1 区 67.2% 2 区 64.0% 区 54.7% であったま

4 54 脇本白石滝本小林北村 : メタン発酵消化液の活性汚泥法による BOD 容積負荷量の検討た T-N 中の NH4-N は原料中 499mg/L に対して消化液中では 611mg/L と高くなった T-P は消化液 254mg/L に対して処理水では1 区 42mg/L 2 区 7mg/L 区 48mg/L まで低下した除去率は1 区 8.1% 2 区 85.0% 区 80.8% であった 4 各試験区の有機態窒素 NH4-N NO2-N 及び NO -N の変化有機態窒素 NH4-N NO2-N および NO-N の各区における変化を図に示した消化液中での窒素は有機態 - N 及び NH4-N の状態で存在したこれに対して活性汚泥処理により酸化分解され処理液中ではすべての区において有機態 - N は減少し NH4-N の割合が増加した特に低負荷の1 区ではほとんど認められなかった窒素の硝化反応過程生成物である NO2-N 及び NO -N の処理水中に占める割合はすべての区で有機態 -N や NH4-N に比較して低い結果となった図処理水中の NH4-N NO2-N NO-N 等の変化 (mg/l) NO-N NO2-N NH4-N 有機態 -N 消化液 1 区 2 区区考 1 メタン発酵装置におけるガス発生状況本メタン発酵実験装置の有機物あたりのバイオガス発生量を表 5に示した投入有機物 1 kg あたり 417 L 分解された有機物当たり1 kg あたり 602 Lのバイオガスが生成されたこれは木庭らによる投入有機物 1 kg 当た 4) りガス発生量 400L/ 日や分解された有機物当 1) たり 695L のガス発生に比較しても同程度であったと考えられたまたこの時のメタン発酵装置の有機物負荷量は 1.5kg/m 日であったこれは一般的な中温メタン発酵で用いられる 2.0 ~ 1,2).0kg/m 日と比較して低い数値であったがガス発生には影響は認められなかった察表 5 有機物当たりのガス発生量項目ガス発生量投入有機物 1kg 当たり 417L 分解有機物 1kg 当たり 602L 2 メタン発酵原料及び消化液の性状 ) BOD 除去率では亀岡らによる BOD 除去率 86.9% などと比較しても高い結果となったこれは今回用いたメタン発酵実験装置の有機物負荷量が低い設定であったためと考えられた 7) T-N は稲森らによる窒素除去率 10% などと比較しても同程度であったことはメタン発酵処理では Nの低減はほとんど期待できないことが示されたまた一般的に阻害要因の1つと考えられる NH4-N については消化液中 611mg/L と低く阻 8) 害を受けるとされる 4000mg/L より低い数値となった T-P は 62.6 % の除去率を示し浄化処理の前処理に用いる最初沈殿槽の除去率 12.8% 9) と比較しても高く何らかの形でメタン汚泥の中に取り込まれたと考えられたまたメタン発酵原料と消化液の BOD:N:P の比率を比較すると原料で 100:14:6 であったのに対して消化液では 100:158:27 と BOD の分解に伴って窒素の比率が著しく増加した結果となった 5) これは亀岡らが用いた消化液の BOD:N:P 比 100:91:2 と比較しても窒素の比率が高い結果となり BOD がメタン発酵に効率良く利用されたと考えられた浄化処理水中汚濁成分の性状及び除去率 BOD は低負荷である 1 区 2 区で高い除去効果が認められたが一般的に浄化処理で用いる BOD 容積負荷量である区においては十分処理しきれず処理水中に BOD が残存したこれはメタン発酵で炭素源として BOD が消費され窒素とのバランスが崩れ生物体の構成割合と大きく異なる比率となり生物処理に不向きな水質となったためと考えられた COD SS は処理水中に高濃度で残存したこれは消化液中に多く高濃度で含まれたため比較的除去率は高いものの処理水中に多く残ったためと考えられたしかし COD SS については高負荷の区ほど除去率の低下が認められ前もって除去することにより浄化処理が可能であると考えられた SS はメタン発酵汚泥を含むため高い値となったが汚泥分を脱水機などで脱水または沈殿分離させることで低減させ

5 岡山県総合畜産センター研究報告第 17 号 55 ることができると考えられた T-N はいずれの区においても 50 ~ 60 % 台の除去率にとどまった BOD 容積負荷量を基準とする処理では十分処理することができない結果となり MLSS-T-N 負荷量などからも処理にふさわしい負荷量の設定が必要であると推察された T-P はいずれの区も 80 % 台の除去率を示しすべての区において比較的高い除去効果が認められたこれは活性汚泥中にリンが比較的多く取り込まれた結果ではないかと推察された表 5 消化液及び各試験区処理液の性状 (ms/cm mg/l %) ph EC BOD COD SS T-N T-P 消化液 ,260 9,750 1, 区処理水除去率 96.% 88.8% 95.0% 67.2% 8.1% 2 区処理水除去率 9.8% 75.4% 94.1% 64.0% 85.0% 区処理水 , 除去率 26.7% 68.2% 89.2% 54.7% 80.8% 1) 水質検査成績は4 回の平均 2) 除去率 :(1- 処理液濃度 / 消化液濃度 ) 各試験区の有機態窒素 NH4-N NO2-N および NO-N の変化 NH4-N は活性汚泥処理によって速やかに NOX-N にまで酸化されたと考えられたしかし高い負荷の試験区ほど NH4-N の形で残存する傾向が認められた硝化過程に生成される NO2-N 及び NO-N は処理液中には比較的少ない結果となったこれは回分運転の曝気停止時に脱窒作用がおこったため処理水中の NO2-N 及び NO-N が処理された結果と考えられたこれらのことからメタン発酵消化液の浄化処理を考えた場合は一般的な浄化処理で用いる BOD 容積負荷量のみを基準とする設計では十分な処理水がえられない可能性があることが示唆されたとくに窒素の除去を考えた場合は循環脱窒などの窒素除去手法の浄化施設への付加が必要であると考えられた引用文献 1) 財団法人畜産環境整備機構 (2002): 家畜排せつ物を中心としたメタン発酵処理施設に関する手引き ) 財団法人畜産環境整備機構 (2004): 畜産環境アドバイザー養成研修会資料 ( 臭気対策及び新規処理技術研修 (2004): ) 財団法人畜産環境整備機構 (2004): 畜産環境アドバイザー養成研修会資料 ( 臭気対策及び新規処理技術研修 (2004): ) 技報堂出版 (1990): 水処理工学 : ) 木庭研二押川文夫 (1991): 豚ふん尿によるメタン発酵とその利用に関する研究. 熊本農研セ研報第 2 号, ) 亀岡俊則因野要一崎元道男 (1988): メタン発酵システムによる豚舎汚水の処理. 日畜会報 59(8), ) 森豊小松正吉岡浩 (2001): 間欠曝気活性汚泥法によるメタン発酵廃液処理. 日本水環境学会年会,179. 7) 稲森悠平座間俊輔ら (2004): 畜産糞尿生ゴミ混合廃棄物の USB 生物膜法における処理特性. 水環境学会年会講演集,27. 8) 船石圭介山下耕司ら (2002): 有機性廃棄物の高濃度メタン発酵に及ぼすアンモニアの影響. 水環境学会年会講演集,416. 9) 脇本進行ら (200): 活性汚泥処理水の循環処理による窒素低減, 岡畜セ研究報告第 14 号,77-81.

6 56 脇本白石滝本小林北村 : メタン発酵消化液の活性汚泥法による BOD 容積負荷量の検討

平成28年度家畜ふん尿処理利用研究会資料

平成28年度家畜ふん尿処理利用研究会資料温室効果ガス発生を抑制する炭素繊維担体を用いた排水処理技術岡山県農林水産総合センター畜産研究所経営技術研究室白石誠 1. 背景と目的近年温室効果ガス (GHG) の発生量が増加したため気温の上昇や集中豪雨等による農作物や人的な被害が顕在化してきたこのような状況の中気候変動に関する政府間パネル (IPCC) 第 5 次報告書では温暖化に対する緩和対策等が行われないと 2100 年には平均気温が最大