JP2006007214A - バイオリアクター - Google Patents

Abstract

【課題】 平底のタンクでも沈澱固形物の排出を保証でき、しかもエネルギー消費を最小化できる構造のバイオリアクターを提供する。
【解決手段】 タンク内で生物系廃棄物や排水又は汚水などの有機物含有汚泥懸濁液を処理するためのバイオリアクター。底床(２)を有するタンク(１)の底部中央領域に沈澱固形物の排出用の開口部(９)を備えている。懸濁固形物の沈澱集積によるバイオリアクターの機能低下を防止するために、タンク内の底部領域に、タンク内壁側から中央部へ向かって下降傾斜する円錐状の環状受け面を上面に備えた独立構造体(６)がリアクターに対する固定連結なしに沈降配置され、平底の通常のタンクでも沈澱固形物の排出の信頼性が保証される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、底床を有するタンクの底部中央領域に沈澱固形物の排出用の開口部を備え、タンク内で生物系廃棄物や排水又は汚水などの有機物含有汚泥懸濁液を処理するためのバイオリアクターに関するものである。

冒頭に述べたようなバイオリアクターは、例えば浄水場の廃汚泥、生物系廃棄物やその他の有機成分を含む廃棄物、或いは動物飼育場から排出される汚水の好気的又は嫌気的微生物処理に使用される。このようなバイオリアクターを塵芥処理に使用する場合、先ず前処理工程で塵芥をポンプ輸送可能な汚泥懸濁物に変換し、次いでこの汚泥懸濁物を好ましくは内容物が充分に混合されるような反応槽形式のバイオリアクター内で通常は好気的に処理、すなわち発酵処理する。このような発酵リアクター内における湿式発酵として知られるプロセスは、微生物による廃棄物処理に際して普通に行なわれる方法である。

ところで、これらの汚泥懸濁物中に常に含まれる微粒子状の固形物は、発酵リアクターに供給される前に有効に除去することができない。そのわけは、粘稠な汚泥中では例えば沈降による固液分離を実現するのが困難だからである。有機化合物の大部分が嫌気的に分解されることになると、発酵原料の粘度が著しく低下し、微粒子状の固形物が発酵リアクター内で沈降するため、長期に亘って蓄積した場合にはリアクターが甚だしく詰まってしまう場合がある。

リアクターの底部を漏斗状の円錐形その他の傾斜面構造とし、沈殿物が特定の取り出し位置となる例えば中央の最も低い箇所に滑り落ちるようにする解決策は簡単に思えるが、発酵による廃棄物処理の実地においては、経済性の理由から実施に至っていない。すなわち、ここで問題にしているようなサイズの大きなリアクターの場合、円錐形の底部構造はリアクター全体に必要とされる支持構造の強度条件に照らして、建設及び保守コストが極めて高くなってしまうからである。

同様に、漏斗状のリアクター底部を地中に埋め込み、コンクリートで補強固定することも望ましくない。なぜならば、リアクターからの内容物の漏洩による水質汚染の危険があるため、漏洩防止システムにかなりのコストをかけなければならないからである。

このため、従来から一般に行なわれている方法は、発酵リアクターのコンクリート基礎に傾斜角が約１０度以下の比較的扁平な円錐形を型枠成形によって形成するという妥協的な解決策である。例えば、本願の出願時点では未だ公開準備中であるが、下記特許文献１として公開予定の先行技術では、このような緩い傾斜を利用して沈殿物をリアクター底部領域の液体に残されている回転流に乗せて底部中央領域の最深部に移動させ、これにより吸引による沈殿物の取り出しを補助している。また、例えば特許文献２にも循環流れを伴うバイオリアクターが記載されているが、いずれにせよ、直径が大きく、それに応じてタンクの周長も大きいリアクターの場合は、従来から採用されている条件下で回転流を維持するための設備投資コストとエネルギー消費が無視できないことが重大な欠点であり、加えてリアクターからの沈殿物の取出配管を底部領域でしかも底板を貫いて通さなければならないことも、構造設計や保守などの面で問題がないとは言えない。
独国特許出願公開第１０３５８４００号明細書 独国特許出願公開第１９７２５８３２号明細書

本発明は、平底のタンクでも沈澱固形物の排出を保証でき、しかもエネルギー消費を最小化できる構造のバイオリアクターを提供しようとするものである。

この課題は、本発明に従って、タンク内の底部領域に、タンク内側壁から中央部へ向かって下降傾斜する円錐状の環状受け面を上面に備えた独立構造体がタンクに対する固定連結なしに沈降配置されていることを特徴とするバイオリアクターによって解決される。

すなわち、本発明の基本理念は、中央部へ向かって下降傾斜の円錐状の環状受け面を上面に備えた独立構造体をタンクに対して固定連結することなく平底リアクターの底部領域に沈降配置することにより、タンク内側壁とタンク底部中央領域との間に所望の傾斜面を実現することにある。この場合、独立構造体は、適切な形状の成形石材の配置により、又は上面に耐食被覆層を上張りした軽量発泡コンクリートなどの発泡又は非発泡成形体により、或いは上面に円錐状の環状受け面を形成する上張り屋根構造を支持組桁で支持してなる構造体により構成可能である。どれを選ぶかはリアクターの大きさと立地条件及び建設地域で調達できる材料の種類と加工を含めたコストによって決定すればよい。

本発明の特に好ましい実施形態においては、この独立構造体は、深い位置にあるタンク底部中央領域への沈殿物の移動を、タンク耐用期間を減ずることなく長期間継続させるために、凹凸の少ない高耐食性の上面もしくは上張り面を有する受け面を備えている。

独立構造体をタンク壁に締結することは不要である。独立成形体が中実体ではない場合は、屋根型の支持桁組の内部自由空間が稼働中の時間経過に伴って沈殿物及び腐朽した固形分で塞がれることを想定する必要がある。独立構造体の構造については、いずれにせよ上向きの開口部が存在しないためにガスの滞留を許容するようなポケット状の凹みができないように構成することが望ましい。その理由は、ガスの滞留を許容するような凹みが存在すると、凹みの中に発酵で生じたバイオガスが集積し、その浮力によって独立構造体が持ち上がる虞があるからである。受け面の下部が内部空間を有する支持桁組で構成されている場合、発生したバイオガスは受け面の円錐形の下面に沿って気泡となって上昇するから、受け面の外周縁とタンク内側壁との間に隙間を設けて、上昇する気泡が受け面上方のタンク内部領域へ流出できるようにしておくことが望ましい。

好ましくは、円錐状の受け面の傾斜角は約２０〜４０度程度である。このような傾斜角の円錐面は、実用的には１０００〜１００００m³の反応室容積及び１０〜２５ｍのタンク直径を有するバイオリアクターで実現することができる。

但し、受け面には、タンク内側壁とタンク底床との間の周縁隅部の領域だけに傾斜を持たせてもよい。その場合には、目的に合わせて傾斜角は４５度或いはそれ以下とすることができ、それによりタンク内側壁寄りの底部環状部分を環状受け面の傾斜面で覆い、その幅はタンク内側壁に接する円錐環状体の高さと同等にすることができる。

この処置により、受け面の斜面に沿った沈殿物の移動を著しく強化することができる。リアクター内容物を混合するための内部循環流に底部領域の水平面内旋回流を重ねることにより、受け面の斜面に沿った沈殿物の移動が更に促進される。先にも述べたように、循環流を伴うリアクター自体は特許文献２に記載されている。また前出の特許文献１で公開される先行技術でもリアクター底部において旋回流を重畳させているが、その作用は依然として不充分である。

本発明の場合、上述の流体力によるリアクター内混合系のための動力運転コストを最小化することができる。その理由は、底が平坦であったり１０度未満の僅かな傾斜しかないタンク内における混合系の場合に比べて、重力によって引き起こされる粒状物の動きが旋回流に加わるので、その分だけ沈殿物を動かす唯一の媒体としての液体による駆動力を軽減することができるからである。

好ましくは、流体力によってタンク底部近傍に液体の循環流を生起するために、タンク内側壁面における独立構造体の円錐状受け面の外周縁高さ位置よりも上方位置でタンク内側壁に複数の吸引導管が設けられる。更に、同様の目的でタンク内側壁における独立構造体の円錐状受け面の外周縁高さ位置よりも上方に０．５〜１．５ｍ程度の余裕間隔をあけてタンク内に液体流を送り込むための複数の注入ノズルがタンク内周壁の接線方向に指向して取り付けられている。

本発明の好適な一実施形態によれば、タンク内側壁から中央部へ向かって下降傾斜する円錐状の環状受け面を上面に備えた独立構造体は、タンク底部の中心点から半径０．５〜４ｍの範囲内に外周縁が位置するように配置されている。この場合、受け面は中央に円形開口部を有する円錐環状体で構成することが好ましく、この中央の円形開口部の寸法は、目的に応じてタンク底床上で中央部近傍からタンク内側壁へ向かって配管される固形物吸引排出配管その他のプロセスに必要な洗浄用及び供給用の配管類の開口端が円形開口部の内側に機能上好都合に位置するように、好ましくは中央導管の下端開口径とほぼ対応するように定められる。これにより、これらの導管はタンク底部近傍を外向きに放射状にタンク側壁へと導かれ、更に適当な接続用の管又は穿孔を経てタンク側壁を貫通し、外部の配管系へ導かれる。この場合、タンク側壁を介して配管できるので、従来のようにタンク底床を貫通して配管する場合の種々の問題点及びコスト面での不都合を回避することが可能である。

このような受け面の構成によれば、底部近傍領域にある液体の流れの撹乱も効果的に回避される。加えて、固形物の吸引排出挙動も適切な流動技術による管口の形成によって従来法の場合よりも改善され、タンク底部領域におけるエルボー管や配管の上向き部分の存在を回避することにより、管の閉塞や粒状物の分級が少なくなると共に、保守や整備が容易になる利点が得られる。これにより、総体的にはシステムの耐用年数の改善と、プラントリスクの低減がもたらされる。

本発明の実質的な利点は、平らコンクリート底床を有する発酵リアクターとして底部に穿孔を持たない標準型の反応槽を使用できることである。この場合、本発明により底部中央領域からの沈殿固形物の排出の信頼性を保証でき、課題遂行上重要な旋回流を維持するためのエネルギー消費を最小化でき、底部領域に通される導管をシステムに好都合な形態とすることができる。例えば反応室容積１０００〜１００００m³程度のリアクターの場合、標準的製作仕様を保ちつつ、底部領域に本発明による円錐状受け面を備えた独立構造体を格納できるようにリアクターの高さを２〜４ｍ増す方が、同様の円錐斜面を持つ一体底部構造のタンクを建造するよりも実際面でコスト的にも有利である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示の実施例について詳しく説明する。

図１には、リアクター周壁１とリアクター底床２とを有する円筒形の発酵リアクターが特に下部の枢要部分の構成について模式的に示されている。発酵リアクター内部には中心軸線上に中央導管３が配置されており、この中央導管の内部には図示しない配管系を介して上向きにバイオガスが注入され、その浮上による流体力により中央導管を介してリアクター内における内容物の循環が果たされる。すなわち、中央導管３の内部に上向きにバイオガスが注入されると、注入されたバイオガスの浮上流による駆動で中央導管３の下端から発酵中の媒質が吸入され、これによって導管３内に生じる上向きの流れ４が導管３内を上昇してその上端に達し、導管上端から導管外に出てリアクター内壁に沿って下方へ向かうループ状の循環流５として再び導管３の下端に戻り、このようにしてリアクター内での媒質の循環が行われる。発酵リアクターの底部には、支持桁組６によって屋根のように受け面７を支持した独立構造体がリアクターに対する固定連結なしに単に沈められており、この受け面７は中央部へ向かって約２０〜４０度の下降傾斜角の円錐状の上面を形成している。支持桁組６の上に覆板として屋根のように固定された受け面７は凹凸の少ない滑らかな表面であり、高い耐食性を有している。発酵リアクター内で沈殿する固形物は、重力の作用のもとに受け面７の上を矢印８で示すように外周部から発酵リアクターの底部中央領域へ向かって移動する。底部中央領域に集められた固体沈殿物は、そこに開口している取出配管９を経て発酵リアクター外部へ吸引排出される。この発酵リアクターには、受け面上を底部中央領域へ向かって移動する沈殿物に旋回流を重ねるために、底部付近の液体を循環させる注入系統１０が装備されている。この注入系統によって発酵リアクター底部領域から吸引されて加圧された液体は、リアクター内周壁に接線方向に指向して配置された複数のノズルから再び発酵リアクター内に送り込まれる。これにより略水平面内での循環流１１が誘発される。受け面７の下側の支持桁組６の内側領域には長い間に沈殿物及び発酵残渣１３が堆積し、屋根のように受け面で覆われた支持桁組内側領域にバイオガスが生成されるので、このガスを受け面の下側から上部のリアクター内部領域へ導くために受け面７の外周縁はリアクター内壁に届かないような寸法形状にしてあり、受け面外周縁とリアクター内壁面との間にバイオガス流出のための隙間１２が設けられている。

本発明の一実施形態によるバイオリアクターの特に下部の枢要部分の構成を示す模式断面図である。

Claims (11)

1. 底床を有するタンクの底部中央領域に沈澱固形物の排出用の開口部を備え、タンク内で生物系廃棄物や排水又は汚水などの有機物含有汚泥懸濁液を処理するためのバイオリアクターにおいて、タンク内の底部領域に、タンク内壁側から中央部へ向かって下降傾斜する円錐状の環状受け面を上面に備えた独立構造体がタンクに対する固定連結なしに沈降配置されていることを特徴とするバイオリアクター。
2. 独立構造体が成形石材を配置することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
3. 独立構造体が上面に耐食被覆層を上張りした発泡又は非発泡成形体によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
4. 独立構造体が上面に円錐状の環状受け面を形成する上張り屋根構造を支持組桁で支持して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイオリアクター。
5. 独立構造体とタンク内側壁との間に、受け面の下部で発生するバイオガスを受け面上方のタンク内部領域に流出させるための隙間が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のバイオリアクター。
6. 独立構造体の上面に形成された環状受け面が外周部から中心部へ向かって約２０〜４０度の下降傾斜角を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
7. 独立構造体の上面に形成された環状受け面がタンク内側壁とタンク底床との間の周縁隅部に傾斜角４５度以下の傾斜面を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
8. タンク内の底部領域に、汚泥懸濁液の旋回流を既存の循環流に重ねる手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のバイオリアクター。
9. 旋回流を重ねる手段として、タンク内側壁に配置された複数の注入ノズルを備えたことを特徴とする請求項８に記載のバイオリアクター。
10. 各注入ノズルが、タンク内側壁における独立構造体の円錐状環状受け面の外周縁高さ位置よりも０．５〜１．５ｍ上方に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のバイオリアクター。
11. 独立構造体は、その外周縁がタンク底部の中心点から半径０．５〜４ｍの範囲内に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバイオリアクター。

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