JP2004525743A

JP2004525743A - 生体触媒式酸化リアクター

Info

Publication number: JP2004525743A
Application number: JP2000544612A
Authority: JP
Inventors: ギャリーディーンロバーツ，; ヴァーリンジェイロバーツ，
Original assignee: ライフラインエンタープライジズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2004-08-26
Also published as: WO1999054269A1; US5981270A; KR20010034800A; AU3496699A; EP1086058A1

Abstract

有機物の酸化還元するのためのバイオ・リアクターを提供する。
このリアクターは、実質的に有機物で満たされるように用いられる、閉鎖型の、回転可能な円筒形容器（１１）から成り、有機物の個々のセグメントを酸化させる一方で、バイオ・フィルタ（５７）によって容器から湿気およびガスを排出させる手段（４６）を含む。酸化工程中、容器は、制御速度で間歇的に回転されて、有機材料の還元を高めながら、分解工程の崩壊を回避する。容器内の温度を監視し、制御して、最適な速度で材料の完全な酸化を行って、栄養豊富な、病原菌のない堆肥を得る適切な環境を確保するための手段（６１）が配設されている。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機廃棄物を処理するための生体触媒式酸化リアクターに関し、更に具体的に説明すると、本発明は、有機廃棄物や副産物の酸化還元工程や堆肥化工程を効果的に行なうためのバイオ・リアクターに関する。
【０００２】
【発明の背景】
有機物が分解したり腐敗したりするのは、バクテリアや真菌によって成し遂げられる自然の工程である。腐敗工程あるいは酸化還元反応工程では、炭素、窒素、ビタミンの形で養分補給する、ということに加えて、適切に酸素を補給する、ということが必要となる。それ故、酸化バイオ・リアクターは呼吸をするということが必要であり、つまり、これは、酸素がバイオ・リアクターに入り、二酸化炭素がバイオ・リアクターから排出されなければならない、ということである。好気性バクテリアを生かし続けるための酸素が不足してる場合、好気性バクテリアは、嫌気性の、酸素を消費しないバクテリアに取って代わられ、分解工程が遅くなり、不完全に終わり、すなわち、その後さらに処理加工をしなければならないヘドロ残留物が残ることになるのである。
【０００３】
好気性腐敗工程においては、有機物のバクテリア分解は、異なる温度で活性化されるバクテリアの連続的な菌株により行われる。腐敗工程は、一回分操作では、約４５〜５５＃Ｆで最も機能を発揮する好冷菌として知られる冷温バクテリアで始められる。
【０００４】
冷温度バクテリアは、有機物を攻撃し、炭素化合物を焼き払うとか酸化したりして、副産物として熱を発生させる。バクテリア活性温度かそれよりもっと高い大気温度から温度が上昇すると、７０〜９０＃Ｆで最も活発となる常温菌と呼ばれる暖温度バクテリアの菌株が活性化されることになる。
【０００５】
常温菌は、リアクター内の環境がもはやこれら常温菌に適合しなくなる、というところまで周囲温度を上げる分の量が供給される。この状態は、好熱菌と呼ばれる高温バクテリアが活性化される約１０４＃Ｆで生じる。
次いで、これらの好熱菌は、周囲温度が安定する１５８＃Ｆまでその温度を上げ、この状態で、その役割を終える。その後、腐敗中の材料が通常の大気温度近くまで戻り、常温菌は、バクテリア分解がほとんど完了するまで再び活発になる。
【０００６】
バクテリア分解が起きている間には、多種多様な他の微生物が腐敗中の材料内で作用している。たとえば、好冷性、中温性、好熱性の菌類は、すべての温度相の工程中で、セルロースおよびリグニンを分解する助きをする。アクチノミセス（一部バクテリア、一部真菌である）は、頑強なセルロース、澱粉、タンパク質およびリグニンを消費することによって、バクテリアの後に浄化作用を行う。加えて、バクテリアによって生成される酵素は、親バクテリアが死んでしまった後も、長い間、最も頑強な堆肥成分を還元するのに効力を持続する状態のままにある。
【０００７】
通常の庭園堆肥化作業工程では、まず野菜屑や食品の生ゴミを山積みに積み上げておいてから、この山積みした堆肥用材料を周期的に庭用フォークなどで手作業でひっくり返して、換気を行う。このような工程では、完了するのに６ヶ月もかかる上に、腐敗しつつある材料が臭気を放ち、ハエその他の害虫を引き寄せることにもなり、実に骨の折れる、緩慢で、じれったい作業となる。
【０００８】
市販のバッチ・コンポスター（一回分堆肥化装置）では、回転用のローラに装着された円筒タンク内に堆肥化工程を封じ込めるものが提案されている。一般的に、タンクにはその体積のほぼ半分位まで有機物質が詰め込まれるようになっている。この種のコンポスターにおいては、腐敗しつつある材料とそれに伴う臭気がタンク内に閉じ込められるようになり、材料はここで害虫から保護され、タンクそれ自体を周期的に回転させることで換気され、材料がかき混ぜられるようになる。このような装置は、臭気や害虫からの迷惑を取り除く一方、必要とされる物理的労力も限られ、また、１回分の材料を堆肥化するのに必要な期間を２〜４週間まで短縮することができるので、従来の堆肥積重ね方式に対する進歩改良ではある。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、有機物の酸化還元反応を最も効果的に行なうことのできる、新規で改良された生体触媒式酸化リアクターおよび方法・工程を提供することによって、従来知られているところのコンポスター（堆肥化装置）および堆肥化技術の欠点を解消することを目的とする。
【００１０】
上記目的は本発明により、１回分モードでも連続的モードでもいずれの場合も、理想に近い条件の下、最短時間で、最適効率で、有機物を酸化するためのバイオ・リアクターおよび操作方法を提供することによって実現される。
【００１１】
本発明のバイオ・リアクターは、その体積の約９０〜９５％まで有機物で満されるようになっている閉形円筒容器と、この容器から湿気およびガス（たとえば、二酸化炭素）をバイオ・フィルタを介して大気中へと排出させる一方で有機物の個々のセグメント（部分）を酸化させる手段と、を包む。容器は、酸化工程において制御速度で間歇的に回転されて、有機物の還元を高める一方で、分解工程の崩壊を回避するようにしている。容器内の温度を監視・制御する手段が備えられているので、最適速度で材料の完全酸化を行うための適切な環境を確保し、栄養豊富で病原体のない堆肥を得ることができる。
【００１２】
【実施例の詳細な説明】
本発明を実施することを意図した現在のところ最良の形態は、添付図面に示した好ましい実施例の詳細な説明から理解して貰えよう。
図１を特に参照して更に具体的に説明すると、本発明のバイオ・リアクターは、円筒形の鋼製容器またはタンク１１を含んでいる。タンク１１は、パッドまたはデッキ１４上にしっかりと装着された２組以上の対のローラ１２，１３上に支持されている。モータ２０が容器に作動的に連結されていて、その長手軸線周囲で容器を選択的に回転させるようになっている。容器１１の両端部は、環状の端部分１５，１６によって閉ざされており、これらの端部分１５，１６には、中心に配置された充分な大きさの円形開口部１７，１８が設けてある。
【００１３】
図１に示すように、複数の長手方向羽根１９が、容器１１の内面に固定され、その全長にわたって延びている。パッドまたはデッキ１４上で端部分１５に隣接した所に、垂直ポスト２２を介して、詰込み用シューター２１（図ｌおよび３）が配設してある。この詰込み用シューター２１は、側部パネル２３，２４および端部パネル２５，２６を備えていて、その上縁に廃棄物収容開口部が限定されている。側部パネル２３，２４は下方へ収束しており、その下縁は、シューターの底部を形成する半円筒形のシェル２７の縁に結合してある。端部パネル２５，２６は、垂直方向へ延びていて、外側の端部パネル２６がシェル２７の外端部に結合されて、シェルを閉じるようになっている。シェルの内側端部には、円筒形カラー２８が形成されていて、このカラー２８は内側端部パネル２５の下縁に固着されている。円筒形カラー２８は、開口部１７の中に収まるような寸法となっている。可撓性の耐摩耗性ラビング・シール６４が、開口部１７を囲む端部分１５にクランプ止めしてあり、カラー２８の外面を押圧している。
【００１４】
材料供給組立体２９が、端部分１５の内面に配設されていて、カラー２８を通過して外側端部パネル２６のごく近くへと延びている。供給組立体２９は、中空の円筒形ハブ３１上に設置された螺旋形のブレード（刃）３０を含んでいる。円筒形ハブ３１は、ヘッダ４６上に入れ子式に嵌合され、ほとんど端部パネル２６の内面まで伸長している。半径方向に延びる支持バー３２，３３が２つ以上、開口部１７の直径上で端部分１５の内面にボルト止めされていて、支持バー３２，３３の内端はハブ３１の内縁に溶接されている。
【００１５】
容器１１のもう一方の端には、垂直方向へ延びている排出用シューター３４が、端部分１６に隣接してパッドまたはデッキ１４に装着されたポスト３５へと取り付けられている。排出用シューター３４には、端部分１６の開口部１８内に収容された横方向に延びている円筒形カラー３６をが形成されている。カラー３６の外面は、開口部１８を取り囲んでいる端部分１６にクランプ止めされている可撓性の、耐摩耗性ラビング・シール６３を押圧している。カラー３６の下部は延長されて、容器１１の内部へ突出した半円筒シェル３７を形成する。円形のプレート３８が、シェル３７の開放端部に隣接してヘッダ４６に固定されている。
【００１６】
供給組立体３９は、ヘッダ４６に入れ子式に嵌められた中空円筒ハブ４１を取り囲む螺旋形のブレード４０と、シェル３７上に摺動可能に支持された半円筒形のゲートまたはシールド４２と、を包含する。一対のＬ字形のブラケット４３，４４がそれぞれ、一端で端部分１６の内面へボルト止めされており、プレート３７に隣接して容器の軸線方向へ、次いで、半径方向へと延びており、両先端はハブ４１の内縁に溶接してある。操作ハンドル４５が、排出用シューターの外壁を貫通しており、その内端はゲート４２に取り付けてある。
【００１７】
容器１１およびシューター２１，３４は、周囲温度からリアクターの内部を絶縁して、容器の内部から、或いは容器の内部への熱の伝達を防止するように、好ましくは、発泡プラスチッ製コーティングと弾性ビニール樹脂の外層で被覆される。リアクターの内面には、適切なエポキシ樹脂をスプレーして、金属の摩耗及び劣化を防ぐようにすることもできる。
【００１８】
管状のヘッダ４６は、容器１１の回転軸線に沿って伸長していて、端部分１５，１６を越えて突出している。ヘッダ４６の１端は、排出用シューター３４の外面に取り付けたハウジング４７内に固定され、反対端は、詰込み用シューター２１の端部パネル２６の外面に取り付けたハウジング４８内に摺動可能に受け入れられている。種々の長さの複数のチューブ４９が、ヘッダ４６の全長に沿って間隔を置いて半径方向に延びており、チューブの末端にはノズル５１が設けてある。
【００１９】
同様に、湿気センサ５２および１つまたはそれ以上の温度プローブ５３が、ヘッダ４６に配置されており、リード線（図示せず）がヘッダ４６に担持され、ハウジング４７上の導管５９を通して外に引き出されるようになっている。ヘッダ４６は、たとえば、ハウジング４７にキー止めするとか、ヘッダおよびハウジングを矩形横断面形状に形成することによって、回転しないように装着されている。ヘッダ４６は、好ましくは、正方形の金属管で形成されており、対角線が垂直および水平となるように位置付けられている。チューブ４９は、ヘッダの下方の平坦面に設置されて、他方の下面にはセンサ５２，５３が設置されている。
【００２０】
酸素供給源５８が、ホース接続具５４を通して、ハウジング４７およびヘッダ４６に接続されている。容器からガスを排出させるためのシステムでは、パイプ５５があり、このパイプ５５は、ハウジング４７を通ってヘッダ４６内へ伸長して、有機材料の高さより上の位置まで、ヘッダ４６から垂直方向へ突出している。
【００２１】
排気用ファン５６およびバイオ・フィルタ５７が、ハウジング４７の外側でパイプ５５に取り付けられている。プログラム可能な論理コントローラ６１が、導管５９からのリード線へ、さらにまた、酸素供給源５８およびモータ２０へと接続されている。
羽根１９は、容器１１の軸線と平行でもよいし、若干傾斜していて、排出用シューターに向かって有機材料に軽い動きを与えるようにしてもよい。排出用シューターに隣接した各羽根の端は拡大していて、パドル６２を形成している。
【００２２】
本発明のバイオ・リアクターは、一回分処理操作にも有用であるが、特に、材料混合物に新しい有機物が次々に連続的に追加されるようになる連続流モードで使用するのに適している。
このような連続的操作のとき、リアクター内の温度はその全長にわたって変化することになる。供給端部では、リアクターは中温菌レンジの上限付近で作動するが、中央部では、好熱菌レンジで作動することになり、排出端部では、再び、中温菌レンジで作動することになる。
【００２３】
本発明のバイオ・リアクターの作動に際しては、１５〜３０：１のＣ／Ｎ比、約６５％の含水量、６．５〜７．５のｐＨを有する有機物質、たとえば、動物性廃棄物、野菜廃棄物、炭素質、窒素質の物質、鉱物などの適当な混合物を、好ましくは、コンベヤによって詰込み用シューター２１の開口部へと詰め込んで、容器をほぼ９０〜９５％満たす。
【００２４】
作動開始時に、適当なバクテリア培養物を材料混合物に加える。有機混合物内のバクテリアの活動が強められて、リアクター内のあらゆる部位において最大に近い腐敗率が発生するようになる。このことは、ホース接続具５４、ヘッダ４６、チューブ４９およびノズル５１を通して、容器の全長にわたって間隔をあけて酸素を注入することによって達成されるものであり、酸素は有機混合物の全体に浸透する。容器の入口端部での温度は、新しい材料が追加されると実質的に冷やされるが、排出用端部では好温菌活動が尽きるので、この領域の温度はいくぶん低下するはずである。
【００２５】
容器の長手方向中心での温度は、容器内部に注入された酸素の量または容器内部から排出されるガス、水分の量あるいはこれら両方を制御して容器内雰囲気の酸素含有量を調節することによって制御される。容器内のガスの濃度（酸化率を弱める可能性がある）は、バイオ・フィルタ５７およびパイプ５５を通じて作用する排気ファン５６によって制御することができる。バイオ・オフ・ガスを排出することで、容器内に部分的な真空状態を創り出すが、この真空状態が、詰込み用シューター２１を通して新鮮な空気を中へ吸い込む。容器の中央での作動温度は、温度プローブ５３で監視され、ノズル５１を通じて排気ファン５６の作動によって注入される酸素を注意深く計量することによって約１６０＃Ｆに維持される。
【００２６】
プローブ５３からの読取値は、連続的にコントローラ６１へ送られ、ここで所定のプログラムに従って処理され、供給源５８からの酸素の放出量および排気ファン５６の動作を制御するための信号を生成する。容器中央での酸化工程は、供給される酸素の率に敏感であり、少なすぎると工程を停滞させ、多すぎると工程を冷えさせる傾向がある。いずれにせよ、腐敗率が低下し、堆肥化工程がそれ相応に遅くなる。
材料の含水量は、湿気センサ５２によって監視され、容器からガスを排出させるか、あるいは加えつつある材料に乾燥した材料を加えることによって調整が行われる。
【００２７】
材料を充填する間、容器は所定のプログラムに従ってゆっくりと間歇的に回転し、その後で、放線菌活動の不必要な中断を避けながら混合物を掻き混ぜる。放線菌を成長させ、混合物内で拡散させるために、通常操作で６分毎の間に、容器を４分／回転速度で４分の１回転させ、５分間停止させる。このスケジュールは代表的なものであるが、他のスケジュールも同様に効果的であり得る。
【００２８】
ブレード３０は、スクリューまたはオーガーを形作り、供給組立体２９が容器と共に回転するにつれて、カラー３１を通してシェル２７から容器の中へ堆肥材料を移動させるようにする。
羽根１９の回転運動は、供給組立体２９によって加えられている新しい材料からの圧力と共に、容器内の材料が端部分１６に向かってゆっくりと移動するようにさせる。
【００２９】
通常約４８時間から７２時間以内で還元工程が完了すると、酸化した材料は、シェル３７内に落とされてから、そこで、カラー３６および排出用シューター３４を通してブレード４０によって運ばれる。腐敗工程中、ガス、主として二酸化炭素は、フィルター材上の好気性バクテリアを介して不快な悪臭を効果的に除去するバイオ・フィルタ５７を通して、排気されるようになる。、放線菌生成物の抗生溶液に加えて、材料内の酸素と温度約１６０＃Ｆという組合せが、材料混合物内のすべての病原菌を殺して、病原菌のない堆肥を生じさせるものである。
【００３０】
本発明を特に図示した好ましい実施例に関して説明してきたが、特に指摘し、特許請求の範囲に記載した発明の主題事項から逸脱することなく種々の変更をなし得ることは了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるバイオ・リアクターの側断面図である。
【図２】
リアクターの放出端部の拡大断面部分側面図である。
【図３】
リアクターの装填端の拡大断面部分側面図である。
【図４】
図２の４−４線に沿った立面図である。

Claims

有機廃棄物の連続流酸化還元のための生体触媒式リアクターにおいて、互いに間隔を置いて整列配置されている装填シューターおよび放出シューターであり、所定位置に固定されているシューターと、前記シューター間に設置してあり、ローラ対上に長手軸線まわりに回転できるように支持されている細長い円筒形の容器であり、各シューターに隣接した環状の端プレートを有し、各端プレートが、中央位置の円形の開口部を有する円筒形容器と、各シューターに設けてあり、隣接の端プレートにある開口部内に入っている円筒形のカラーと、各円筒形カラーと隣接の端プレートと中に設置されたラビング・シールと、前記容器の各端に設置された供給組立体であり、対応するシューターのカラーを貫いて突出し、隣接の端プレート上に装着してあってそれと一緒に回転する可動部材を包含する供給組立体と、容器の長手軸線に沿って設置してあり、２つのシューター上に支えられている細長い管状のヘッダとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項１記載の生体触媒式リアクターにおいて、各供給組立体が、前記ヘッダ上に入れ子になっている中空のハブ上に装着された螺旋形のブレードを包含し、各ハブが、隣接した端プレートの内部に装着されていることを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項２記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記ヘッダに接続し、前記ヘッダから突出する一連のチューブと、前記ヘッダおよびチューブに接続していて前記容器に酸素を注入する酸素供給手段と、前記ヘッダ上に装着されている少なくとも１つの温度センサとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項３記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記温度センサに接続しかつ前記酸素供給手段に作動可能状態に接続していて、所定プログラムに従って前記容器内の温度に応答して酸素の注入を制御するプログラム可能な論理コントローラを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項４記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記ヘッダ内を軸線方向に延びており、前記ヘッダから垂直方向へ突出しているパイプと、排気ファンと、前記パイプに接続していて前記容器からガスを取り出すためのバイオ・フィルタとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項５記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記コントローラが、所定プログラムに従って前記容器内のガスの蓄積を制御するように前記排気ファンに作動可能状態に接続していることを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項２記載の生体触媒式リアクターにおいて、放出シューターのカラーが、供給組立体下方で容器内部に突き出る半円筒形のシェルと、シェルに隣接してヘッダに固定した円形のプレートとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項７記載の生体触媒式リアクターにおいて、供給組立体上方でシェル上に摺動可能に支持されている半円筒形のシールドと、ハンドルが前記シールドに取り付けてあり、放出シューターの外部に延びている操作ハンドルとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項６記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記容器を回転させるように作動可能状態で接続したモータを包含し、前記コントローラが前記モータに作動可能状態で接続していることを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項８記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記シェルに近接して容器の内部に装着してあり、シールドが操作ハンドルによって開けられたときに供給組立体に材料を落下させる複数の半径方向に延びているパドルを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
有機廃棄物の連続流酸化のための生体触媒式リアクターであって、互いに間隔を置いて整列配置された装填シューターおよび放出シューターであり、所定位置に固定されているシューターと、前記シューター間に設置してあり、ローラ対上に長手軸線まわりに回転できるように支持されている細長い円筒形の容器であり、各シューターに隣接して各端に取り付けた環状のプレートを包含し、各プレートの中央に円形の開口部が設けてある容器と、前記放出シューターに設けてあり、隣接のプレートにある開口部内に入っている円筒形のカラーと、隣接して設置した供給組立体であり、前記カラーを貫いて容器内へ突出しており、隣接のプレートの内部に装着してある可動部材を包含する供給組立体と、容器の長手軸線に沿って設置してあり、２つのシューター上に支えられている細長い管状のヘッダとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項１１記載の生体触媒式リアクターにおいて、供給組立体が、前記ヘッダ上に入れ子になった中空の円筒形ハブ上に装着した螺旋形のブレードを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項１２記載の生体触媒式リアクターにおいて、放出シューターのカラーが、供給組立体下方で容器の内部に突き出ている半円筒形のシェルと、前記シェルに隣接してヘッダに固定した円形のプレートとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項１３記載の生体触媒式リアクターにおいて、前記シェルに近接して容器の内部に装着されており、容器が回転するにつれて供給組立体上へ材料を落下させる複数の半径方向に延びているパドルを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。
請求項１４記載の生体触媒式リアクターにおいて、供給組立体上方でシェル上に摺動可能に支持されている半円筒形のシールドと、前記シールドに取り付けてあり、放出シューターの外部に延びている操作ハンドルとを包含することを特徴とする生体触媒式リアクター。