CN109071292A - 甲烷发酵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种甲烷发酵装置(1)，其为干式的甲烷发酵装置。甲烷发酵槽(40)被分成3个以上的处理槽(40A、40B、40C)，在投入到最上部槽的处理物依次被送到更下段的处理槽的期间，使处理物发酵而产生甲烷气体。甲烷发酵槽(40)具有处理物循环部(40E)，该处理物循环部(40E)回收处于槽内底面的处理物，并且从设置于由槽内的处理物形成的立体的上侧缘部的流出口将处理物吹出到槽内。该流出口面向立体的中心。
Description
技术领域
本发明涉及一种甲烷发酵装置。
背景技术
一直以来，使用通过对溶解了有机废弃物的处理物进行甲烷发酵处理而产生甲烷气体的甲烷发酵装置(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-21732号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在甲烷发酵装置中，在只有一个甲烷发酵槽的情况下，未被进行甲烷发酵处理的未处理物有可能被排出。
并且，在甲烷发酵槽中，为了提高甲烷气体的浓度，需要搅拌处理物。然而，以往通常是通过搅拌棒来搅拌处理物。因此，在槽内需要搅拌棒等设备，并且也需要对设备进行维护。
鉴于上述情况，本发明的目的在于，提供一种防止未处理物的排出，并且无需机械性的搅拌就能提高甲烷气体的浓度的甲烷发酵装置。
用于解决问题的手段
为了解决上述目的，本发明的第一观点所涉及的甲烷发酵装置为干式的甲烷发酵装置，其具有甲烷发酵槽，该甲烷发酵槽被分成3个以上的处理槽，在投入到最上部槽的处理物被依次送到更下段的处理槽的期间，使所述处理物发酵而产生甲烷气体，所述甲烷发酵槽具有处理物循环部，该处理物循环部回收处于槽内底面的处理物，并且从设置在由槽内的处理物形成的立体的上侧缘部的第一流出口将处理物吹出到槽内，所述第一流出口面向所述立体的中心。
该情况下，可以采用如下方式，即，在所述甲烷发酵槽中，具有气体循环部，该气体循环部回收槽内产生的气体，并且从设置在槽内底部的第二流出口将所述气体吹出到槽内。
可以采用如下方式，即，所述气体循环部具有圆筒体，该圆筒体以包围所述第二流出口的方式设置在槽内底面，并且所述圆筒体的下部侧面以及上表面开放。
可以采用如下方式，即，所述第二流出口以及所述圆筒体配置于，通过从所述第一流出口流出的处理物而形成在槽内的处理物流中的所述处理物停留的位置。
可以采用如下方式，即，所述处理物循环部具有热交换器，该热交换器将利用所述甲烷发酵槽中产生的甲烷气体进行发电的燃气发动机的热量传递到处理物。
本发明的第二观点所涉及的甲烷发酵装置为干式的甲烷发酵装置，其具有甲烷发酵槽，该甲烷发酵槽被分成3个以上的处理槽，在投入到最上部槽的处理物被依次送到更下段的处理槽的期间，使所述处理物发酵而产生甲烷气体，所述甲烷发酵槽具有气体循环部，该气体循环部回收槽内产生的气体，并且从设置在槽内底部的流出口将所述气体吹出到槽内。
该情况下，可以采用如下方式，即，所述气体循环部具有圆筒体，该圆筒体以包围所述流出口的方式设置在所述甲烷发酵槽内的底面，并且所述圆筒体的下部侧面以及上表面开放。
根据本发明，甲烷发酵槽被分为3段以上，在处理物被输送到下段的处理槽的期间，未被进行甲烷发酵的未处理物不会残留，因此能防止未处理物的排出。另外，由于能在槽内的对角线上形成处理物流，因此无需机械性的搅拌便能使槽内的处理物均匀化。此外，通过使所产生的甲烷气体通过处理物内部，能使处理物吸收二氧化碳，因此能提高甲烷气体的浓度。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的甲烷发酵装置的结构的示意图。
图2A是气体循环部的一部分的俯视图。
图2B是气体循环部的一部分的侧剖视图。
图3A是表示由处理物循环部进行的处理物的循环的侧视图。
图3B是表示由处理物循环部进行的处理物的循环的俯视图。
图4是表示设有气体循环部的位置的一个例子的图。
图5是表示甲烷发酵槽的变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。本实施方式中，将Z轴设为上下方向，将XY面设为水平面。
就本实施方式所涉及的甲烷发酵装置而言，通过对有机废弃物进行甲烷发酵而生成甲烷气体，并将所生成的甲烷气体用作生物质能。这里，有机废弃物是主要由蛋白质、碳水化合物、脂肪、纤维素等高分子有机化合物或其衍生出的化合物组成的物质，实质上不含固体无机化合物。然而，如果为可简单地溶解且不会对微生物的增殖产生不利影响的固体无机化合物，则也可以含有一些。
作为所涉及的有机废弃物，可以举出例如牲畜污泥、污水污泥、生活垃圾等厨房垃圾等有机废弃物。这些有机废弃物可以用作在溶解处理之前对固体物浓度进行了浓缩处理后的原料。另外，也可以添加糖、有机酸或它们混合后的甲烷发酵处理中的代谢通路的有机物。
如图1所示，甲烷发酵装置1包括破碎机10、混合槽20、溶解槽30、甲烷发酵槽40、冷却塔50、脱硫塔60、储气罐70和燃气发动机80。
破碎机10和混合槽20之间通过输送处理物(原料)的配管11连接，在配管11插入有原料泵12。混合槽20和溶解槽30之间通过输送处理物(原料)的配管21连接，在配管21插入有电磁三通阀22。另外，溶解槽30和甲烷发酵槽40之间通过输送处理物(原料)的配管31连接，在配管31插入有电磁三通阀32。电磁三通阀22和电磁三通阀32之间通过输送处理物(原料)的配管23连接，在配管23插入有原料泵24。
有机废弃物被投入到破碎机10后，依次通过配管11、混合槽20、配管21、溶解槽30和配管31，并输送至甲烷发酵槽40，在甲烷发酵后，从甲烷发酵槽40排出。排出的处理物被用作堆肥。
甲烷发酵槽40和冷却塔50之间通过输送所产生的甲烷气体的配管51连接。另外，冷却塔50和脱硫塔60之间通过输送甲烷气体的配管52连接。此外，脱硫塔60和储气罐70之间通过输送甲烷气体的配管61连接。储气罐70和燃气发动机80之间通过输送甲烷气体的配管71连接。甲烷发酵槽40中所产生的甲烷气体按照配管51、冷却塔50、配管52、脱硫塔60、配管61、储气罐70、配管71和燃气发动机80的顺序输送。
从外部向破碎机10投入有机废弃物。破碎机10将所投入的有机废弃物粉碎成适当的大小。粉碎后的处理物通过原料泵12，经由配管11被输送到混合槽20。
混合槽20的内部设有搅拌机，将所投入的有机废弃物用搅拌机进行搅拌。由此，容纳在混合槽20中的有机废弃物混合并成为均匀的状态。另外，在混合槽20安装有紫外线照射部。紫外线照射部例如通过发光二极管(LED)将紫外线照射到混合槽20内。紫外线照射部对投入到混合槽20的处理物照射紫外线，以对处理物进行杀菌。在混合槽20中被杀菌后的有机废弃物经由配管21送到溶解槽30。
溶解槽30对所投入的处理物进行溶解处理。在溶解槽30中，例如使用蛋白酶生成菌等溶解菌进行高温溶解处理。在溶解槽30安装有培养槽33。在培养槽33中，培养溶解菌，从培养槽33向溶解槽30提供溶解菌。培养槽33和UV-LED(紫外线照射装置)34被插入到供水管35。从供水管35送来的水以由UV-LED34杀菌后的状态输送到培养槽33。培养槽33将含有溶解菌的水经由供水管35送到溶解槽30。
溶解槽30设有容纳处理物的内容器30A以及以包围内容器30A的方式而设置的外容器30B。待进行溶解处理的处理物被容纳在内容器30A内。在外容器30B和内容器30A之间收容有热介质。在本实施方式中，使用热水以作为热介质。通过该热介质使溶解槽30的槽内的温度保持为高温。
在溶解槽30的槽内安装有用于搅拌有机废弃物的搅拌机和马达。并且，在溶解槽30设有用于向有机性废弃物供给空气的空气插入口，在空气插入口连接有空气泵36、37。通过该空气泵36、37，空气被送到溶解槽30。这样，在溶解槽30中，通过进行搅拌或曝气，从而在高温好氧的条件下促进溶解。所谓高温好氧性意味着，将温度设为50℃～100℃，优选不施加压力而在标准状态下(空气气氛下)使有机废弃物溶解的状态。
溶解处理是指将固体状或水悬浊状的通常高分子状的有机化合物分解至可溶解于水的低分子状态的处理。在本实施方式中，使用蛋白酶生成菌进行超高温溶解。蛋白酶生成菌是能在菌体外生成分泌蛋白质分解酶(蛋白酶)的细菌。
作为蛋白酶生成菌，可举出例如芽孢杆菌(Bacillus)种，尤其是Bacillussp.MU3(微生物专利保藏中心第NITEAP-156号)。该耐热性蛋白酶生成菌具有即便在80℃下也可充分活动的超高温好氧性。由该细菌产生的酶的分子量约为57000，显示出优异的耐热性，并且在宽pH范围内具有高蛋白质分解能力。
超高温为50℃至100℃，优选为60℃至90℃，特别优选为70℃至80℃。超高温溶解是在水溶液介质中，在好氧或厌氧条件下，优选在好氧条件下，以使有机废弃物浓度成为50wt％以下，优选成为5至40wt％，特别优选成为10至30wt％的量，使有机废弃物与蛋白酶生成菌接触而进行的。在该实施方式中，在特别优选的条件下，能将原料的固体物浓度(DS)提高至有机废弃物浓度成为10至30wt％，优选为DS20％以上，pH为5至8，优选为6附近，好氧性是溶解槽气氛的最佳条件。
供蛋白酶生成菌消化的时间为12至72小时，优选为24至48小时。在好氧或厌氧条件下进行的情况下，能在搅拌、曝气条件下进行。当在所涉及的条件下进行时，如后所述，能当场去除氨，从而能同时进行原料的溶解和除氨，由此能促进甲烷发酵。在将Bacillussp.MU3用作蛋白酶生成菌的情况下，由于该菌是好氧且耐热性菌，因此能在边用空气曝气边搅拌的条件下进行溶解，从溶解、除氨这两个方面来看都是最佳的。
在该实施方式所涉及的溶解工序中，除了蛋白酶生成菌之外，还能将脂肪酶生成菌、葡萄糖苷酶生成菌和/或纤维素酶生成菌等产生各种分解酶的菌体单独或者组合起来进行添加。如果它们的生长、繁殖条件相似，则能在同一反应槽中使用，而在条件不同的情况下，只需设置多个溶解槽30，并在不同的条件下使用各个溶解槽30即可。在这种情况下，优选为，在使用脂肪酶生成菌、葡萄糖苷酶生成菌和/或纤维素酶生成菌的溶解槽中进行了溶解后，在利用蛋白酶生成菌的高温溶解槽中进行溶解。
在溶解槽30连接有氨吸附槽38。氨吸附槽38是为了吸附并去除由溶解槽30中的溶解处理产生的氨而设置的。
在溶解槽30中溶解的处理物经由配管31被送到甲烷发酵槽40。甲烷发酵槽40对所收容的处理物进行甲烷发酵处理。
甲烷发酵处理通常使用在厌氧气氛下活动的甲烷菌，并利用其消化作用。甲烷菌的活性温度区域通常是0～70℃，虽然在这以上的高温区域中还存在有直到90℃左右仍幸存的菌种，但几乎都会灭绝。在低温区域中，3℃到4℃被设为界限。甲烷气体生成速度受到该活性温度非常大的影响。
发酵槽温度越高，气体生成速度越快，气体产生量越增大。实际上已确认甲烷菌易于生存的温度区域是以下3个区域：(1)20℃以下的低温区域，(2)25至35℃的中温区域，(3)45℃以上的高温区域。虽然低温、中温、高温的甲烷发酵中的任意温度均适用于本发明的甲烷发酵温度，但优选在40℃至70℃下进行高温甲烷发酵，更优选在50℃至55℃下进行甲烷发酵。
在对进行了高温溶解后的有机废弃物进行甲烷发酵处理的情况下，通过采用干式(将投入的固体物浓度设为10％以上的干式)的处理方式，能高效地进行甲烷发酵处理，在本实施方式中，也能使用干式的处理方法。
在本实施方式中，具有如下优点，即，由于能够在高温好氧条件下进行溶解处理，在厌氧条件下进行甲烷发酵处理，因此在温度方面，能利用溶解处理的高温来提高甲烷发酵的温度，并且，作为细菌繁殖条件，溶解处理(好氧条件)的细菌在甲烷发酵工序(厌氧条件)中会失活，因此不会妨碍甲烷发酵。
在本实施方式中，上述高温好氧性意味着如下状态，即，将温度设为50℃～100℃，优选为不施加压力而在标准状态下(空气气氛下)使有机废弃物溶解的状态。
甲烷发酵槽40分为第一槽40A、第二槽40B和第三槽40C。从外部投入的处理物首先被投入第1槽40A，并在其中进行甲烷发酵。在该第1槽40A中，完成约95％的处理物的甲烷发酵。随着甲烷发酵的进行，处理物的比重变轻，因此会向上前进并越过侧壁而被送到第二槽40B。
在第二槽40B中也进行甲烷发酵，以未处理物残留1.2～2％左右的程度，即在甲烷发酵基本完成的状态下，处理物被送到第三槽40C。在第三槽40C中也进行甲烷发酵。甲烷发酵完成。完成了甲烷发酵后的处理物从第三槽40C排出到外部。
在甲烷发酵槽40设置有气体循环部40D，该气体循环部40D回收由甲烷发酵产生的气体(甲烷气体和二氧化碳)，将其取出到外部并返回到内部，从而使气体循环。在气体循环部40D设置有配管41和输送气体的鼓风机42。通过鼓风机42，在甲烷发酵槽40内产生的甲烷气体被送到配管41并返回到甲烷发酵槽40。
如图2A和图2B所示，在甲烷发酵槽40的底面直立设置有圆筒体4。在圆筒体4的下部侧面设置有多个开口4A，在圆筒体4的上端设置有开口4B。另外，配管41的前端41A延伸到圆筒体4内的底面中央，从该前端41A的开口(第一流出口)排出气体。
从配管41的前端41A排出的气体在圆筒体4内上升。由于气体的上升流，圆筒体4内的处理物6也开始上升。于是，在开口4A中产生从圆筒体4的外部向内部的处理物6流，在开口4B中产生从圆筒体4的内部向外部的处理物流。由此，在甲烷发酵槽40的内部，形成上下循环的处理物流，由此进行处理物6的搅拌。
另外，从配管41的前端41A排出的气体是甲烷气体和二氧化碳的混合气体。当该气体被排出到处理物6内时，二氧化碳会被处理物6吸收，因此能够提高甲烷气体的比率。当甲烷气体的比率提高时，能提高燃气发动机80的发电效率。
另外，通过向处理物6供给二氧化碳，能抑制氨气的产生。由于氨气阻碍甲烷发酵，因此通过向处理物6供给二氧化碳，能促进甲烷发酵。
返回图1，在甲烷发酵槽40设置有处理物循环部40E，该处理物循环部40E通过回收处理物6并将其返回到内部，从而使处理物6循环。处理物循环部40E包括配管43、原料泵44和电磁三通阀45、46。原料泵44被插入配管43。通过原料泵44，从甲烷发酵槽40排出的处理物6经由配管43返回到甲烷发酵槽40。电磁三通阀45使配管43分岔。电磁三通阀46经由配管13连接破碎机10和配管43。此外，在配管43插入有热交换器47。
如图3A和图3B所示，供在配管43内输送的处理物6流出的流出口5(第二流出口)安装在甲烷发酵槽40中的处理物的上表面的由甲烷发酵槽40的处理物6形成的立体(长方体)的上侧角部。而且，流出口5面向由处理物6形成的立体(长方体)的对角线方向，即，立体的中心点的方向。
当处理物6从流出口5喷出时，甲烷发酵槽40内的处理物6形成如图3A和图3B所示的流动，由此，全部处理物6被搅拌。虽然由气体进行的搅拌是上下方向的搅拌，但由处理物6流进行的搅拌包括横向的流动。
处理物6整体上由图3A和图3B的流动搅拌，但是在槽内的一部分，出现处理物6停留的位置。因此，在本实施方式中，如图4所示，如果在处理物6停留的位置配置用于吹出从图2A和图2B所示的圆筒体4等形成的气体的结构，能防止由于一部分的处理物6停留而引起的处理不均匀。
在甲烷发酵槽40中生成的气体被送到冷却塔50冷却，并输出到脱硫塔60。脱硫塔60对输入的气体进行脱硫处理，并将取出的甲烷气体输出到储气罐70。储气罐70储存甲烷气体。燃气发动机80利用从储气罐70送来的甲烷气体使燃气轮机旋转而进行发电。由燃气发动机80产生的电力经由电力线81被送到封闭配电箱(受电设备)。
燃气发动机80由于发电而发热。因此，在燃气发动机80和热交换器84之间，设置有供热水流动的配管82和冷热水泵83，燃气发动机80的热量被输送到热交换器84。热交换器84通过配管85与投入式加热器90连接。由此，燃气发动机80的热量经由热交换器84传递到投入式加热器90。
在投入式加热器90、溶解槽30和热交换器47之间构筑有热介质的配管路径。由投入式加热器90加热的热介质将溶解槽30的槽内的温度保持为恒定，并且从溶解槽30输送到热交换器47，再从热交换器47返回到投入式加热器90。将该热介质循环路径设为热介质循环部。
热交换器47在循环于热介质循环部的热介质和循环于处理物循环部40E的处理物之间进行热交换。由热交换器47加热的处理物6返回到甲烷发酵槽40，从而以发酵效率高的温度进一步进行甲烷发酵。通过这种热交换器47，在甲烷发酵槽40中发酵的处理物的温度保持为均匀，而且发酵菌的甲烷发酵效率维持为不会降低。
接下来，对甲烷发酵装置1的动作进行说明。
处理物被粉碎机10粉碎后，在混合槽20中被搅拌、杀菌，在溶解槽30中进行溶解处理后，在甲烷发酵槽40中进行甲烷发酵。甲烷发酵槽40分为第一槽40A、第二槽40B、第三槽40C，在被送到下段的处理槽的期间，未处理的处理物逐渐消失。在甲烷发酵槽40内，进行气体循环部40D和处理物循环部40E对处理物的搅拌和二氧化碳的吸附，并进行甲烷发酵，从而产生甲烷气体。甲烷气体被储存在储气罐70中，用于燃气发动机80的发电。
由燃气发动机80产生的热量依次经过热交换器84和投入式加热器90而用于溶解槽30的保温，并且还用于经由热交换器47的处理物6的保温。
在甲烷发酵槽40中结束处理的处理物从甲烷发酵槽40排出。排出的处理物可用作堆肥。因为处理物全部处理完毕，所以不会产生腐烂的气味。
如以上所详细说明的那样，根据本实施方式，甲烷发酵槽40分为3段以上，在处理物被输送到下段的处理槽40B、40C的期间，未被进行甲烷发酵的未处理物不会残留，因此能防止未处理物的排出。另外，由于能在甲烷发酵槽40内的对角线上形成处理物流，因此无需进行机械性的搅拌便能使槽内的处理物6均匀化。此外，通过使所产生的甲烷气体通过处理物6内部，能使处理物吸收二氧化碳，因此能提高甲烷气体的浓度。
另外，虽然在本实施方式中，将甲烷发酵槽40的处理槽形成为3段，但也可以为4段以上。
另外，虽然在本实施方式中，将甲烷发酵槽40的各处理槽40A、40B、40C形成为长方体，但本发明不限于此，例如也可以是圆筒状。在这种情况下，流出口5只需面向处理物6的中心即可。
此外，流出口5可以不面向处理物6的中心。在处理槽的形状为圆筒状的情况下，如图5所示，流出口5'可以面向圆筒状的甲烷发酵槽(第一槽)40A'的内侧壁的圆周方向。在这种情况下，只需在甲烷发酵槽(第一槽)40A'的底面的中心配置配管41的前端41A的开口和圆筒体4即可。
虽然在本实施方式中，在第一槽40A设有圆筒体4，但是也可以在第二槽40B、第三槽40C设置圆筒体4。
另外，虽然在图1中，图示为气体循环部40D、处理物循环部40E使气体或处理物从第三槽40C向第一槽40A进行循环，但是也可以在第一槽40A、第二槽40B和第三槽40C中分别使气体、处理物进行循环。
只要不脱离本发明的广义上的构思和范围，本发明能够有各种实施方式和变形。另外，上述实施方式是用于说明本发明的实施方式，并不对本发明的范围加以限定。即，本发明的范围并不限于实施方式，而是由权利要求的保护范围界定的。在权利要求保护的范围内以及与之同等的发明的意义的范围内所进行的各种变形均被视为在本发明的范围内。
本申请基于2016年5月24日提出的日本国专利申请第2016-103446号。在本说明书中以参照的方式引入日本国专利申请第2016-103446号的说明书、权利要求书和附图的所有内容。
本发明可应用于进行甲烷发酵的甲烷发酵装置。
符号说明
1：甲烷发酵装置，4：圆筒体，4A、4B：开口，5：流出口，6：处理物，10：破碎机，11：配管，12：原料泵，13：配管，20：混合槽，21：配管，22：电磁三通阀，23：配管，24：原料泵，30：溶解槽，30A：内容器，30B：外容器，31：配管，32：电磁三通阀，33：培养槽，34：UV-LED(紫外线照射装置)，35：供水管，36，37：空气泵，38：氨吸附槽，40：甲烷发酵槽，40A：第一槽，40B：第二槽，40C：第三槽，40D：气体循环部，40E：处理物循环部，41：配管，41A：前端，42：鼓风机，43：配管，44：原料泵，45、46：电磁三通阀，47：热交换器，50：冷却塔，51、52：配管，60：脱硫塔，61：配管，70：储气罐，71：配管，80：燃气发动机，81：电力线，82：配管，83：冷热水泵，84：热交换器，85：配管，90：投入式加热器，91、92、93：配管，94：冷热水泵。
Claims (7)
1.一种甲烷发酵装置，该甲烷发酵装置为干式的甲烷发酵装置，其特征在于，
具有甲烷发酵槽，该甲烷发酵槽被分成3个以上的处理槽，在投入到最上部槽的处理物被依次送到更下段的处理槽的期间，使所述处理物发酵而产生甲烷气体，
所述甲烷发酵槽具有处理物循环部，该处理物循环部回收处于槽内底面的处理物，并且从设置在由槽内的处理物形成的立体的上侧缘部的第一流出口将处理物吹出到槽内，
所述第一流出口面向所述立体的中心。
2.根据权利要求1所述的甲烷发酵装置，其特征在于，
所述甲烷发酵槽具有气体循环部，该气体循环部回收槽内产生的气体，并且从设置在槽内底部的第二流出口将所述气体吹出到槽内。
3.根据权利要求2所述的甲烷发酵装置，其特征在于，
所述气体循环部具有圆筒体，该圆筒体以包围所述第二流出口的方式设置在槽内底面，并且所述圆筒体的下部侧面以及上表面开放。
4.根据权利要求3所述的甲烷发酵装置，其特征在于，
所述第二流出口以及所述圆筒体配置于，通过从所述第一流出口流出的处理物而形成在槽内的处理物流中的所述处理物停留的位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的甲烷发酵装置，其特征在于，
所述处理物循环部具有热交换器，该热交换器将利用所述甲烷发酵槽中产生的甲烷气体进行发电的燃气发动机的热量传递到处理物。
6.一种甲烷发酵装置，该甲烷发酵装置为干式的甲烷发酵装置，其特征在于，
具有甲烷发酵槽，该甲烷发酵槽被分成3个以上的处理槽，在投入到最上部槽的处理物被依次送到更下段的处理槽的期间，使所述处理物发酵而产生甲烷气体，
所述甲烷发酵槽具有气体循环部，该气体循环部回收槽内产生的气体，并且从设置在槽内底部的流出口将所述气体吹出到槽内。
7.根据权利要求6所述的甲烷发酵装置，其特征在于，
所述气体循环部具有圆筒体，该圆筒体以包围所述流出口的方式设置在所述甲烷发酵槽内的底面，并且所述圆筒体的下部侧面以及上表面开放。
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