JP2005218895A - 固定床型メタン発酵システム - Google Patents

Abstract

【課題】固定床に均等に有機性廃棄物の液状物を供給し、ガス生成率を高めることができる固定床型メタン発酵システムを提供する。
【解決手段】メタン発酵菌を付着させた多孔質充填材を装填した充填槽部１６と、充填槽部１６の下部に設けた空洞状の混合槽部１７とを有する固定床型メタン発酵槽１５と、固定床型メタン発酵槽１５の前記充填槽部１６の上部から有機性廃棄物の液状物１２を抜き出して混合槽部１７に戻しながらメタン発酵槽１５内を循環する循環系統１９とを備え、循環系統１９上に、循環ポンプ３１と循環する液状物１２を加温する加温部３２とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、家庭やホテル等から排出される生ごみなどの有機性廃棄物をメタン発酵してバイオガスを得る固定床型メタン発酵システムに関する。

容器包装リサイクル法や食品廃棄物リサイクル法の施行により、今後より一層ごみの分別回収と再資源化が進むと予測される。その結果、分別後の低カロリーの生ごみ類に対しては非燃焼方式が、その他の高カロリーの可燃ごみに対しては焼却方式が、今後普及すると考えられる。生ごみ類の処理に関しては、メタン発酵させて、その回収されたメタンガスを再利用する方式が、時代の要請によくマッチングしており、装置開発に関連する企業は活発に研究開発を行っている。

メタン発酵に供される有機性廃棄物は、家庭やホテル等から排出される生ごみ類の他に、食品製造過程で発生する野菜くずやパンくず等の産業廃棄物を含む食品廃棄物である。

これらの食品廃棄物は、パッカー車等で各収集場所から回収された後、メタン発酵処理設備に送られる。ここで食品廃棄物は１０ｍｍ程度以下に破砕され、その後メタン発酵槽に送られる。メタン発酵槽では、加温状態でメタン発酵菌等の働きにより、食品廃棄物を構成する炭水化物，脂肪，たんぱく質が低分子化し、酢酸等の有機酸が生成し、その後メタンを６０％程度含むバイオガスが発生する。

メタンの発酵効率を向上させるには、メタン菌と食品廃棄物の接触効率を高めることやガスを放出しやすくすることが重要である。各社特色あるメタン発酵槽が開発されているが、いずれにしても何らかの攪拌力を利用してガス生成の効率を高めている。攪拌力を得る方法としては、攪拌翼を用いることが一般的である。

発酵槽内のメタン菌はそれ自身の増殖により、あるいは発酵槽から引き抜いた汚泥を濃縮する等して水分を低減させた後、再度メタン発酵槽へ戻すことにより、その濃度を高めることができる。しかし、液の粘性が高まり攪拌が容易でなくなることから、濃度を一定以上に高めることができないため、それに伴うガス生成量も一定限度までしか高めることができない。

槽内のメタン菌の濃度を高めガス生成量を増大させる一つの方法として、メタン菌を付着させる多孔質の充填材を充填した固定床型メタン発酵槽がある。

なお、メタン発酵処理に関しては、例えば下記のような非特許文献や特許文献などを挙げることができる。
書籍名：「微生物利用水処理技術」 発行元：恒星社厚生閣 文献タイトル：「担子菌高濃度培養排水の嫌気処理」４５〜５６頁 執筆者：ヤエガキ発酵技研（株）、ナガオ（株） 特開平５―１６９０８６号公報

前記非特許文献には、充填槽部での性能については言及されているが、食品廃棄物の液状物の供給法までは言及されていない。

食品廃棄物の液状物は、固形分濃度１０％程度を含む粘性流体であるため、固定床の充填部に食品廃棄物の液状物を供給する場合、充填物に均等に液状物を供給しないと、ある特定箇所の充填材にのみ供給され、充填材（メタン発酵菌）の働きが十分生かされずに、効率よくバイオガスを発生させることができない。特に数ｍｍ程度の小さい粒子が混入していることが多く、充填材の目詰まりを早める恐れがある。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、固定床に均等に有機性廃棄物の液状物を供給し、ガス生成率を高めることができる固定床型メタン発酵システムを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第1の手段は、メタン発酵菌を付着させた多孔質充填材を装填した充填槽部と、その充填槽部の下部に設けた空洞状の混合槽部とを有する固定床型メタン発酵槽と、その固定床型メタン発酵槽の前記充填槽部の上部から有機性廃棄物の液状物を抜き出して前記混合槽部に戻しながらメタン発酵槽内を循環する循環系統とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第1の手段において、前記充填槽部の上部から前記循環系統に液状物を取り出す第１の取出しラインと、前記混合槽部から前記循環系統に液状物を取り出す第２の取出しラインとを設け、前記第１の取出しラインに第１の出口弁を、前記第２の取出しラインに第２の出口弁をそれぞれ付設して、前記充填槽部内における前記液状物の上昇線速度及び混合槽部の液循環量を、前記循環ポンプの吐出量と前記第１及び第２の出口弁の開度により調整することを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第1の手段において、前記充填槽部の上部から前記循環系統に液状物を取り出す第１の取出しラインと、前記混合槽部の上層部側から前記循環系統に液状物を取り出す第２の取出しラインと、前記混合槽部の下層部側から前記循環系統に液状物を取り出す第３の取出しラインとを設け、前記第１の取出しラインに第１の出口弁を、前記第２の取出しラインに第２の出口弁を、前記第３の取出しラインに第３の出口弁をそれぞれ付設して、前記充填槽部内における前記液状物の上昇線速度及び混合槽部の液循環量を、前記循環ポンプの吐出量と前記第１、第２、第３の出口弁の開度により調整することを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第1ないし第３の手段において、前記充填槽部中の液状物の上昇線速度が０．３ｍ／ｓ〜１．３ｍ／ｓの範囲に規制されていることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第1ないし第４の手段において、前記混合槽部の液循環量が、混合槽部の容積Ｖ（ｍ^３）、混合槽部の液循環量をＦ（ｍ^３／ｈ）、置換回数をＮ (回／ｈ)としたとき、Ｎ＝Ｆ／Ｖの式でＮが３〜６の範囲に規制されていることを特徴とするとするものである。

本発明の第６の手段は前記第1ないし第５の手段において、前記混合槽の容積は前記充填槽部の容積の５／１００〜２０／１００の範囲に規制されていることを特徴とするものである。

有機性廃棄物の液状物は混合槽部に一旦送液されることにより、ここでメタン発酵菌を含む汚泥と混ざる。この液が上昇して固定床の充填材と接触するため、単に充填槽部からなる固定床と比べて、槽内における有機性廃棄物の濃度の不均一が起こりにくく、充填材に付着したメタン発酵菌と有機性廃棄物を満遍なく接触させることができ、ガス発生率を高めることができる。また、局所的に有機性廃棄物の濃度が高まることがないから、部分的な充填材の目詰まりも緩和できる。

混合槽部から一部汚泥を引き抜き、循環ポンプで再度混合槽部へ戻すことにより、混合槽部の攪拌効果が促進されるため、メタン発酵の効率が高まる。特に粒子状のまま移送されてきた有機性廃棄物は、混合槽部である程度発酵が進んで粒子径が小さくなってから充填槽部へ導かれるため、充填材の目詰まりが防止できる。本発明の充填槽部と混合槽部を組み合わせた固定床型メタン発酵槽によれば、安定運転が可能でかつガス発生効率を高めることができる。

ガス発生量を高めるには、単に循環ポンプの流量と出口弁の開度調整すればよく、極めて簡単なシステムで効果が得られる。また主要部分は固定床であり、設備の設置容積が小さくて済むみ、経済的である。

次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図４は、本発明の実施形態に係るメタン発酵システムの全体的な系統図である。

家庭やホテル等から排出される生ごみ類，食品製造過程で発生する野菜くずやパンくず等の産業廃棄物などの有機性廃棄物１は破砕機２で破砕された後、調整水３とともに可溶化槽４に投入される。ここで有機性廃棄物１中に存在する不特定の微生物の働きと攪拌程度の比較的穏やかな条件により約１日間可溶化され、メタン発酵の原料となる有機酸や低分子有機物を生成する液状物を得る。

可溶化槽４から可溶化液抜出ライン５で可溶化液を抜き出し、粉砕ポンプ６を通過させて、切替弁７、可溶化液返送ライン８を通して可溶化槽４に戻す。十分に可溶化した可溶化液（液状物）は、可溶化液排出ライン９を通して貯槽１０に移送される。アルカリは添加ライン１１から可溶化槽４に添加され、可溶化をさらに促進する。

貯槽１０に貯められた可溶化液（液状物）１２は、移送ポンプ１３、可溶化液供給ライン１４を通して固定床型メタン発酵槽１５に送られる。

固定床型メタン発酵槽１５は、多孔性充填材を充填した充填槽部１６と，その充填槽部１６の下部に形成された混合槽部１７と，前記充填槽部１６の上部に設けられた空間部１８から構成されている。

固定床型メタン発酵槽１５に外付けされた循環ライン１９によって固定床型メタン発酵槽１５内の液が循環して上向流を形成しており、空間部１８に貯められた処理水２０はオーバーフローして処理水ライン２１から流出する。処理水２０は、充填槽部１６のフィルター作用により固形分濃度が低くなっているため、濃縮分離せずに排水処理装置２２で処理することが可能である。

空間部１８の上層部に溜まった生成バイオガスは、ガスライン２３を経由してガスホルダ２４に貯留された後、主に燃料として利用される。

一方、混合槽部１７の底部には濃厚な汚泥（菌体と未分解の微粒有機物）が蓄積しており、これは必要に応じて排出弁２５、汚泥排出ライン２６により余剰汚泥として固定床型メタン発酵槽１５から排出する。排出された余剰汚泥は、可溶化槽４に返送して再発酵したり、コンポスト化あるいは焼却処理される。

メタン発酵システムの全体的なフローは、前述のとおりである。前記固定床型メタン発酵槽１５は、充填材にメタン発酵菌を高濃度に担持できるため、処理速度が速く、発酵槽がコンパクト化できるという特長を有している。次にこの固定床型メタン発酵槽１５の具体的な構成ならびに運転方法について、図１を用いて説明する。

固定床型メタン発酵槽１５の中段部には、例えばシリカ系の多孔質体からなり中央部が空洞になった外径５０ｍｍでメタン発酵菌を付着させた円筒形の充填材を充填した充填槽部１６が設けられている。その充填槽部１５の下部に充填材の無い逆円錐状の空洞部からなる混合槽部１７が設けられ、一方、充填槽部１６の上部には処理水２０ならびにバイオガスを貯める空間部１８が形成されている。

充填槽部１６と混合槽部１７の容積比は１００／１０とした。また充填材は充填槽部１６の容積の３５％を占める割合で充填した。

有機性廃棄物の可溶化液（液状物）１２は、移送ポンプ１３によって混合槽部１７の側面から送り込まれ、固定床型メタン発酵槽１５内を上向流となって循環する。循環ライン１９には空間部１８からの液を取り出す第１の取出しライン２７と、混合槽部１７の上層部側からの液を取り出す第２の取出しライン２８とを有し、それぞれ循環ライン１９に接続されている。前記第１の取出しライン２７の途中に第１の出口弁２９が、第２の取出しライン２８の途中に第２の出口弁３０が、それぞれ設けられている。

循環ライン１９の途中には循環ポンプ３１と，有機性廃棄物の可溶化可液１２を発酵に適した温度（例えば３６℃）に加温するヒ−タなどの加温部３２が設けられている。循環ポンプ３１の出口側にはそれの吐出量を計測する流量計（ＦＩＣ）３３が接続されており、それの検出信号に基づき制御部（図示せず）を介して、前記循環ポンプ３１による循環流量ならびに第１の出口弁２９と第２の出口弁３０の開度が調整される。循環ライン１９の出口側は、混合槽部１７の側面に接続されている。

予め下水汚泥処理場から固形物が２重量％の種汚泥を採取し、それを固定床型メタン発酵槽１５に導き、循環ポンプ３１を稼動して、液温３６℃前後、充填槽部１６における汚泥の上昇線速度０．７ｍ／ｓで液循環して1ヶ月馴養した。

その後、食品廃棄物の可溶化液１２を移送ポンプ１３により、固定床型メタン発酵槽１５の混合槽部１７に供給した。混合槽部１７の液循環量が，混合槽部の容積をＶ（ｍ^３）、混合槽部１７の液循環量をＦ（ｍ^３／ｈ）、置換回数をＮ(回／ｈ)としたとき、Ｎ＝Ｆ／Ｖの式でＮが４になるように、すなわち混合槽部１７の容積分の可溶化液１２が４回／ｈの割合で置換されるよう、また、充填槽部１６における可溶化液１２の上昇線速度が０．７ｍ／ｓとなるように、ＦＩＣ３３の検出信号に基づいて第１の出力弁２９と第２の出口弁３０の弁開度、ならびに循環ポンプ３１の吐出流量を調整した。このように充填槽部１６の上流側に中空状の混合槽部１７を設けて、混合槽部１７内で液循環しながらメタン発酵を行うことにより、可溶化液１２に含まれている固形物の粒子径を可及的に小さくして、その可溶化液１２を充填槽部１６に送る。これにより充填槽部１６での目詰りがなくなり、充填槽部１６でのメタン発酵の高効率化が図れる。

本発明によれば、充填槽部１６への可溶化液１２を均等に供給して安定にバイオガスを得ることができる。また、混合槽部１７からの可溶化液１２の引き抜き量と充填槽部１６への可溶化液１２の循環量を、各々の流路の出口弁２９，３０を開度調整することにより、循環ポンプ３１だけで混合槽部１７での攪拌混合効果を発揮し、充填槽部１６でのメタン発酵菌の接触効率を高めて、メタン発酵を促進させることができる。その結果、固定床のみに比べてガス発生量が増加する。また可溶化液１２を均等に充填槽部１６に供給できるため、充填材が目詰まりすることはない。

充填槽部１６への可溶化液１２の循環量は、本発明者らの研究によれば、充填槽部２での上昇線速度０．３ｍ／ｓ〜１．３ｍ／ｓの範囲が良好で、上昇線速度が０．３ｍ／ｓより遅いと攪拌効果が十分ではなく、ガスの発生量が少ない。一方、上昇線速度が１．３ｍ／ｓより速いと充填材に付着したメタン発酵菌を含む生物膜が充填材から剥離するため好ましくない。

なお，本発明の明細書において前述の可溶化液１２の充填槽部２での上昇線速度は、次のように定義した。

上昇線速度＝Ａ÷[Ｂ×〔１−（Ｃ／Ｄ）〕]
式中のＡ：充填槽部１６内での可溶化液１２の流量（ｍ³／ｓ）
Ｂ：充填槽部１６の断面積（ｍ²）
Ｃ：充填槽部１６内に充填されている充填材の体積（ｍ³）
Ｄ：充填材が充填されている部分の充填槽部１６の槽容積（ｍ³）
混合槽部１７の液置換回数（Ｎ）は３〜６回／ｈ程度が適当であり，３回／ｈより少ないと攪拌混合効果が小さい。一方、６回／ｈより多いと混合槽部１７を設置しただけのようになり、充填槽部１６と組み合わせた効果が薄れ、さらに回数を増やすことは動力を使うだけ無駄となる。

本実施形態では循環ポンプ３１と移送ポンプ１３とを別々に設けたが、メタン発酵槽１５への可溶化液１２の移送と槽内液循環を１台のポンプで行ってもよい。すなわち、一定のインターバルで移送と液循環を繰り返し行うようにすれば、設備の簡素化が図れて経済的である。

混合槽部１７の容積は充填槽部１６の容積の５／１００〜２０／１００程度が適当であり、５／１００より小さいと混合槽部１７の設置効果がなく、一方、２０／１００より大きくなると発酵槽１全体の容積が大きくなり、コスト面で不利となり、全体の容積当りの充填槽部１６の割合が小さくなるため、固定床の性能が十分に発揮できない。

図２は本発明の第２実施例を示す系統図で、前記第１実施例と相違する点は、円錐状をした混合槽部３の下層部側に第３の出口弁３４を有する第３の取出しライン３５を設け、それを循環ライン１９に接続した点である。

本発明者らの研究により，混合槽部１７において未発酵分は比重が重いため、下方へ移動する傾向があることが分かった。図２に示すように第３の出口弁３４を有する第３の取出しライン３５を混合槽部１７の下方に設けることにより、下方の液分を循環して発酵を促進し、バイオガスの発生量を高めることができる。

図３は、前記実施例１及び２と従来の固定床だけのメタン発酵システムのガス発生量を比較した特性図である。固定床だけのものに比べて本発明のものは、ガス発生量が多いことが分かる。実施例１に比べて実施例２のガス発生量が多いのは、混合槽部における未発酵分の液攪拌効果によるガス発生があるためと考えられる。

本発明の実施例１に係るメタン発酵システムの系統図である。 本発明の実施例２に係るメタン発酵システムの系統図である。 本発明の実施例１，２と固定床だけのメタン発酵システムのガス発生量を比較して示す図である。 本発明の実施形態に係るメタン発酵システムの全体的な系統図である。

符号の説明

１：有機性廃棄物、２：破砕機、３：調整水、４：可溶化槽、５：可溶化液抜出ライン、６：粉砕ポンプ、７：切替弁、８：可溶化液返送ライン、９：可溶化液排出ライン、１０：貯槽、１１：添加ライン、１２：可溶化液、１３：移送ポンプ、１４：可溶化液供給ライン、１５：固定床型メタン発酵槽、１６：充填槽部、１７：混合槽部、１８：空間部、２０：処理水、２１：処理水ライン、２２：排水処理装置、２３：ガスライン、２４：ガスホルダ、２５：排出弁、２６：泥排出ライン、２７：第１の取出しライン、２８：第２の取出しライン、２９：第１の出口弁、３０：第２の出口弁、３１：循環ポンプ、３２：加温部、３３：ＦＩＣ、３４：第３の出口弁、３５：第３の取り出しライン。

Claims (6)

1. メタン発酵菌を付着させた多孔質充填材を装填した充填槽部と、その充填槽部の下部に設けた空洞状の混合槽部とを有する固定床型メタン発酵槽と、
   その固定床型メタン発酵槽の前記充填槽部の上部から有機性廃棄物の液状物を抜き出して前記混合槽部に戻しながらメタン発酵槽内を循環する循環系統とを備えたことを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
2. 請求項１記載の固定床型メタン発酵システムにおいて、前記充填槽部の上部から前記循環系統に液状物を取り出す第１の取出しラインと、前記混合槽部から前記循環系統に液状物を取り出す第２の取出しラインとを設け、前記第１の取出しラインに第１の出口弁を、前記第２の取出しラインに第２の出口弁をそれぞれ付設して、
   前記充填槽部内における前記液状物の上昇線速度及び混合槽部の液循環量を、前記循環ポンプの吐出量と前記第１及び第２の出口弁の開度により調整することを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
3. 請求項１記載の固定床型メタン発酵システムにおいて、前記充填槽部の上部から前記循環系統に液状物を取り出す第１の取出しラインと、前記混合槽部の上層部側から前記循環系統に液状物を取り出す第２の取出しラインと、前記混合槽部の下層部側から前記循環系統に液状物を取り出す第３の取出しラインとを設け、前記第１の取出しラインに第１の出口弁を、前記第２の取出しラインに第２の出口弁を、前記第３の取出しラインに第３の出口弁をそれぞれ付設して、
   前記充填槽部内における前記液状物の上昇線速度及び混合槽部の液循環量を、前記循環ポンプの吐出量と前記第１、第２、第３の出口弁の開度により調整することを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
4. 請求項１ないし３記載の固定床型メタン発酵システムにおいて、前記充填槽部中の液状物の上昇線速度が０．３ｍ／ｓ〜１．３ｍ／ｓの範囲に規制されていることを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
5. 請求項１ないし４記載の固定床型メタン発酵システムにおいて、前記混合槽部の液循環量が、混合槽部の容積をＶ（ｍ^３）、混合槽部の液循環量をＦ（ｍ^３／ｈ）、置換回数をＮ (回／ｈ)としたとき、Ｎ＝Ｆ／Ｖの式でＮが３〜６の範囲に規制されていることを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
6. 請求項１ないし５記載の固定床型メタン発酵システムにおいて、前記混合槽の容積は前記充填槽部の容積の５／１００〜２０／１００の範囲に規制されていることを特徴とする固定床型メタン発酵システム。
   
   

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