JP2006043687A

JP2006043687A - メタン発酵装置

Info

Publication number: JP2006043687A
Application number: JP2005176495A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Seto; 弘瀬戸
Original assignee: SETEC KK
Current assignee: SETEC KK
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: JP4044577B2

Abstract

【課題】
メタン発酵において、有機性廃棄物を受入し原料の加温、酸生成は好気性発酵となり、悪臭発生源となるためその防止を行う。またメタン発酵、脱硫、及びガス貯溜の各機能を一体化してローコスト化をはかる。
【解決手段】
同一軸心上に三重円筒を配置したメタン発酵装置であって、三重円筒の中心より、原料加温部、酸生成部、メタン発酵部とし、脱硫機能及びガス貯溜機能を一体化した構成とし、上部に脱硫部を設けて、原料加温部及び酸生成部にて生成される好気性バイオガスの悪臭成分と、メタン発酵部にて生成される嫌気性バイオガスに含まれる硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を除去し、また残留分についても、メタン発酵装置の系外に排出しないものとして悪臭発生を防止するメタン発酵装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、家畜ふん尿、生ゴミなどの原料を嫌気性微生物によりメタン発酵するためのメタン発酵装置である。

家畜ふん尿及び生ゴミなどから嫌気性発酵によりメタンガスを生成し、そのメタンガスをコジェネレーション等に有効利用する場合、メタン発酵効率を向上させるため、メタン発酵を行う上でのそれぞれの段階を個別の槽において行う方式が採用されている。図１はその代表的な例を図示したものであり、例えば、第Ｉ槽では酸生成槽として有機酸を生成後、第ＩＩ槽のメタン発酵槽に移送して嫌気性発酵させて、その発酵により生じたメタンガスを第ＩＩＩ槽の脱硫塔に導入し、メタンガス中の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を除去し、第ＩＶ槽においてガス貯溜する、というものである。また一部には、酸生成槽とメタン発酵槽、メタン発酵槽とガス貯溜などの組み合わせたものを採用している。
特開２００３−２８５０３１号公報

しかしながら、前述した従来のものでは、受入加温、酸生成、メタン発酵、脱硫、ガス貯溜の各々は独立、また酸生成とメタン発酵、メタン発酵とガス貯溜などの組み合わせたものもあるが、各処理装置間の移送ポンプ、配管を必要とし、各処理装置を単独に設置するとき熱損失が大きく、設置スペースに余裕のない場所では適用できない、という問題を有していた。

原料の家畜ふん尿は、メタン発酵槽に供給する前処理で発酵に適する温度まで加温する場合、原料加温及び酸生成において好気性発酵となるため、その排気は悪臭発生源となり、設置周辺の環境を悪化させる要因となり、その対策を講ずる必要がある。

家畜ふん尿、生ゴミを嫌気性発酵する場合は、家畜糞尿には敷藁など固形分が含まれているため、発酵槽内に固形分残渣が滞溜し、その排出作業は定期的に実施するとしても、発酵槽を大気開放し発酵液を排出して実施するため繁雑なものとなり、また排出後、発酵液を再充填しても、嫌気性発酵のため大気接触から嫌気性雰囲気になるための復旧時間は長時間を要するなどの欠点を有する。また、有機性固形分はメタン発酵槽内では固形分残渣として滞積するため、メタン発酵前に固液分離して、メタン発酵に有効利用されていない場合もあった。

以上の現状に鑑み、本発明は、同一軸心上に三重円筒を配置し、原料加温、酸生成、メタン発酵、脱硫、ガス貯溜の各機能を一体化構成とし、上部に脱硫部を設けて、原料加温部、酸生成部で生成した好気性バイオガスの悪臭成分とメタン発酵部より生成する嫌気性バイオガスに含まれる硫化水素（Ｈ_２Ｓ）を除去し、また残留分についても、メタン発酵装置の系外に排出しないものとして悪臭発生を防止するメタン発酵装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係るメタン発酵装置は、同心軸上の三重円筒において、中心部より第１の円筒体を有機性廃棄物である原料の原料加温部とし、第１の円筒体と第２の円筒体との間で形成される円環部を酸生成部、第２の円筒体と第３の円筒体との間で形成される円環部をメタン発酵部とし、原料は原料加温部の下部より供給して酸生成及びメタン発酵に適する温度（３８〜５５℃）に加温する手段と、原料加温部下部より空気を供給してエアリフトを形成することにより原料加温部内のスラッジ滞積を防止する手段と、加温され上昇した原料が原料加温部を溢流して酸生成部に流入する手段と、酸生成部にて発酵期間ｎ日の(０．２〜０．３)×ｎ日滞留させた原料を酸生成部底部よりメタン発酵部へ流出させる手段と、酸生成部の底部は円錐状の傾斜面を利用して原料中スラッジ滞積を防止する手段と、原料の酸生成部よりメタン発酵部への流入部にメタン発酵を促進するためメタン菌保持体を配置し、原料がメタン発酵部を上昇する過程において嫌気発酵しメタンガスを発生させる手段と、発生したメタンガス、原料加温部に供給した空気及び酸生成部で発生したバイオガスを酸生成部及びメタン発酵部の上部に位置する脱硫部へ導入し硫化水素（Ｈ_２Ｓ）除去を行う手段とを有し、脱硫部から流出したメタンを含むバイオガスを脱硫部の上部にあるガス貯溜部に貯溜するためフロートタンクを設置し、フロートタンクはフロートタンクカバー内に収納し、フロートタンク頂部にはフロートタンクガイド部を付したガス貯溜手段を具備して、バイオガス中に含まれる悪臭成分をメタン発酵装置の系外へ排出させることなく、受入加温、酸生成、メタン発酵、脱硫、ガス貯溜の機能を一体化したことを特徴とする。

請求項２に係るメタン発酵装置は、前記脱硫の手段として、原料加温部よりメタン発酵ガス量の１５％(ｖｏｌ)以下の空気を供給し、その空気を原料加温部及び酸生成部より発生する悪臭を有するバイオガスと、メタン発酵部で生成したメタンガスとを脱硫部のガス流入口で直交流させることにより両者の混合性の向上を図り、脱硫部において硫化水素（Ｈ_２Ｓ）及びバイオガス中の悪臭成分を除去することを特徴とする。

請求項３に係るメタン発酵装置は、前記脱硫の手段として、メタン発酵部の上部よりメタン発酵後の残渣液である消化液を抽出し、脱硫液培養タンクに貯溜し、該タンク上部の採光窓より採光して消化液中の硫黄酸化菌及び光合成菌の培養を促進させて脱硫液とし、脱硫液循環ポンプにより脱硫部へ散布し、その脱硫液を循環することを特徴とする。

請求項４に係るメタン発酵装置は、前記メタン発酵部の底部にメタン発酵槽と同心軸上に円環状ダクトを設け、円環状ダクト内に発酵液の循環流を軸流攪拌機または発酵槽外の循環用ポンプにより形成する手段と、円環状ダクトの一部にピット部を設け発酵液中の固形分残渣を沈降滞溜させて、その固形分残渣を間欠的に自動排出させる手段によりメタン発酵槽内に固形分残渣の滞積を防止することにより、バイオ原料として生ゴミなどの有機性固形分をメタン発酵に有効利用し、メタン発酵槽内の底部に滞溜する固形分残渣を自動排出することを特徴とする。

本発明によるメタン発酵装置は、メタンガス貯溜の各機能を一体化構成することにより、各装置間移送のための液移送ポンプ等の配管が全く不要となり、またメタン発酵部の外周部のみ保温対策を要するのみとなるため設置スペースの縮小とローコスト化が可能となり、また一体化構成により悪臭は系外へ排出することはなく、悪臭防止した構造としている。

また、メタン発酵槽内に原料中スラッジの自動排出装置を設けることにより、メタン発酵槽内スラッジ除去のため原料の全量排出による内部点検清掃を必要とすることなく長期間運転継続が可能となり、また有機性固形分はメタン発酵槽前に固液分離することなく、メタン発酵に有効利用することによりメタンガス生成量を増加させることができる。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
図１は前述の通り、メタン発酵装置の従来例である。

図２はメタンの中温発酵（３８℃）において酸生成、メタン発酵の組合せによる家畜ふん尿のメタンガス発酵期間とメタンガス発生量の実測値を示したものである。その結果、酸生成期間４〜５日経過後のメタン発酵は１５〜１６日によりメタンガス生成量が飽和することを示しており、従来、メタンの中温発酵においては発酵期間は３０日程度を要しているが、酸生成及びメタン発酵を含めて発酵期間は２０〜２２日に短縮することが可能である。

バイオ発酵ガスは一般的にメタン(ＣＨ_４)６０％、二酸化炭素(ＣＯ_２)４０％、硫化水素(Ｈ_２Ｓ)２０００ｐｐｍを含有しており、硫化水素はメタンガス有効利用において、機器、配管系への腐蝕をもたらすため、その除去が必須課題である。脱硫方式として、微生物を利用して硫化水素を除去する生物脱硫はランニングコストが最もローコストであるが、設備費は酸化金属及び活性炭を使用した吸着方式よりコスト高である。そのコストを抑えるため、本発明によるメタン発酵装置は、脱硫部をメタン発酵装置内に収納した構造となっている。

図３は本発明の実施形態に係るメタン発酵装置の断面図で、図４は図３のＡ−Ａ’断面図であり、図５は図３のＢ−Ｂ’断面図である。
本発明のメタン発酵装置は同一軸心にある円筒体３組において、中心部の第１の円筒体１１は、温水ジャケット１１ａを有していて、受入する原料は原料供給部１２より原料加温部１０に供給し、酸生成及びメタン発酵に適する温度（中温発酵においては３８℃、高温発酵においては５５℃が好適である）に加温する。加温された原料は、原料加温部１０の上部より第１の円筒体１１を溢流して第１の円筒体１１と第２の円筒体２１により形成される円環状の酸生成部２０に流入する。

また、原料加温部１０下部に設置された空気供給部１３より供給された空気は、気泡上昇流としてエアリフトを形成し、原料中のスラッジ滞積を防止し、脱硫部４０に供給される。この空気はメタン発酵ガス量の１５％(ｖｏｌ)以下とすることが望ましい。

原料加温部１０を溢流した原料は、酸生成部２０において有機酸を生成し、酸生成部２０を降下し、酸生成部２０の底部にある酸生成部流出口２２よりメタン発酵部３０に流入する。酸生成部２０の酸生成部流出口２２は、円錐状傾斜部２３の傾斜により原料中のスラッジ滞積などを防止する構造となっている。また、酸生成部流出口２２には多孔質のメタン菌保持体３０ａを配置し、原料のメタン発酵を促進させる。

第２の円筒体２１と第３の円筒体３１により形成される円環状のメタン発酵部３０の底部には横軸プロペラ式の攪拌機３２を設置し、原料を撹拌することにより原料中にスラッジが滞積するのを防止している。メタン発酵部３０における原料の滞留期間は１５〜１７日間としている。メタン発酵期間中、原料は第２の円筒体２１が有する温水ジャケット２１ａにより加温され、メタン発酵が促進される。メタン発酵部３０の液面が上昇した場合、規定液面以上は消化液Ｕ字型排出管３３より溢流排出する。

メタン発酵部３０で発生するメタンを含むバイオガスは、脱硫部４０にガス流入口４０ｂより流入し、また原料加温部１０のエアリフトに利用された空気と酸生成部２０で発生したＣＯ_２を主成分とするバイオガスは、脱硫部４０にガス流入口４０ａより流入する。各ガス流入口からのガスの流出は直交流することにより混合し、脱硫気液接触部４１に導入される。

脱硫気液接触部４１には、気液接触用の充填材が充填されており、ここでバイオガスは脱硫液と気液接触することにより、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が除去される。
脱硫液の循環方法は以下の通りである。まず、メタン発酵部３０の上部よりメタン発酵後の残渣液である消化液を抽出して、消化液補給弁４４を経て脱硫液培養タンク４５に供給する。脱硫液培養タンク４５内に移動した消化液は、採光窓４５ａからの採光により硫黄酸化菌及び光合成菌の培養が促進され、脱硫液となる。さらに、脱硫液は脱硫液循環ポンプ４６により脱硫液散布部４２に供給されて脱硫気液接触部４１に散布され、ここでバイオガスと気液接触することによりバイオガスを脱硫する。バイオガス脱硫後の脱硫液は脱硫部５０下部に降下し、脱硫液排出管４３を通って脱硫液培養タンク４５へ再び戻る。脱硫液はメタン発酵部３０より消化液補給弁４４を経て補給され、脱硫液培養タンク４５の規定液面上昇分は脱硫液Ｕ字型排出管４７により排液される。
脱硫気液接触部４１で気液接触して生物脱硫したメタンガスは、フロートタンク５１内のガス貯溜部５０に貯溜される。

図６は本発明によるメタン発酵装置上部に設置されるフロートタンク部の縦断面図である。フロートタンク５１は、フロートタンクカバー５２の中心部にあるフロートタンクガイド５２ａにより保持され、外気とはシール部５２ｂでシールされる。そのため、ガス貯溜部５０内のメタンガスが増減に従ってフロートタンク５１が昇降しても、メタンガスが外部に排出されることはない。

本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置を図７及び図８に示す。
図７は本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置の概略縦断面図であり、図８（ａ）は図７に示すメタン発酵装置に軸流攪拌機を使用した場合のＡ−Ａ’断面図、図８（ｂ）は同メタン発酵装置に循環ポンプを使用した場合のＡ−Ａ’断面図である。
図７に示す円筒体３組において、中心部の第１の円筒体１１は原料加温部１０を形成し、原料加温部１０の下部に位置する原料供給部１２より原料供給されて温水ジャケット１１ａにより加温されて原料加温部１０の上部より溢流し、第２の円筒体２１である酸生成部２０に供給される。

酸生成部２０では空気を供給し、有機酸を生成し、また空気は脱硫部４０にて、メタンガスと混合して、硫黄酸化菌により脱硫を促進する。
酸生成部２０に供給された原料は酸生成部２０を降下する。酸生成部２０の底部は傾斜面を形成しているため、酸生成部内の原料はそのまま第３の円筒体３１が形成するメタン発酵部３０の底部に流下する。メタン発酵部３０の底部はＶ字形の円環状ダクト３１ａを形成しており、そのダクト内には図８（ａ）で示す軸流プロペラ型の攪拌機３２が設置されており、該攪拌機３２によりメタン発酵部３０内の発酵液は円環状の流れを形成する。

図８（ｂ）においては、メタン発酵部３０の外部に設置した循環ポンプ３２ａにより、円環状ダクト３１ａにおいて、発酵液は循環吐出口３２ｂより流出し、循環流を形成する。
以上の攪拌機３２、または循環ポンプ３２ａにより形成される円環状ダクト３１ａ内の循環流により、原料中の固形分やスラッジは滞溜することはないが、円環状ダクト３１ａの一部にスラッジピット３４を設置してあり、スラッジはスラッジピット３４内に沈降して滞溜する。滞溜したスラッジはスラッジ排出ポンプ３５により定期的に排出し、発酵槽内における固形分残渣の滞積を防止し、また原料は発酵槽への供給前に固液分離することなく、固形分残渣は発酵槽にてガス生成に有効利用する。

以上説明したように、本発明に係るメタン発酵装置によれば、有機性廃棄物をメタン発酵する場合、メタン発酵性能を向上させるため、メタン発酵前に酸生成処理する方法が採用され、また脱硫部、ガス貯溜部はメタン発酵部と一体化して設置されている。
本発明では、有機性廃棄物を加温し酸生成する場合、悪臭発生源となるため、原料加温部、酸生成部をメタン発酵装置内に収納し、さらに脱硫部、ガス貯溜部を当該装置内に収納及び一体化することにより、設置スペースの縮小化、外気との接触面積の縮小による機器放熱量の低減及びローコスト化を図ることができる。また原料加温部及び酸生成部をメタン発酵部内へ収納することによる悪臭発生の防止は、環境改善に効果的である。

また、本発明に係るメタン発酵装置によれば、有機性廃棄物を原料とする場合、その原料として家畜ふん尿などでは、牛舎、豚舎などの敷料の混入は避けられないが、敷料などの固形分にはふん尿中のふん体が付着しており、メタン発酵においてはガス発生に寄与することとなる。その有効利用において、原料中スラッジのメタン発酵槽底部への滞積を防止するため自動排出部を設け、メタン生成量の増加と、保守コストの低減に効果的である。

従来のメタン発酵槽の概略構成図である。メタン発酵の前処理に酸生成した場合のメタンガス発酵時間とメタンガス発生量。本発明の実施形態に係るメタン発酵装置の縦断面図である。図３のＡ−Ａ’断面図である。図３のＢ−Ｂ’断面図である。本発明によるメタン発酵装置上部に設置されるフロートタンク部の縦断面図である。本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置の概略縦断面図である。（ａ）は図７におけるメタン発酵装置に軸流攪拌機を使用した場合のＡ−Ａ’断面図であり、（ｂ）は図７におけるメタン発酵装置に循環ポンプを使用した場合のＡ−Ａ’断面図である。

符号の説明

１０原料加温部
１１第１の円筒体
１１ａ温水ジャケット
１２原料供給部
１３空気供給部
２０酸生成部
２１第２の円筒体
２１ａ温水ジャケット
２２酸生成部流出口
２３円錐状傾斜部
３０メタン発酵部
３０ａメタン菌保持体
３１第３の円筒体
３１ａ円環状ダクト
３２攪拌機
３２ａ循環ポンプ
３２ｂ循環吐出口
３３消化液Ｕ字型排出管
３４スラッジピット
３５スラッジ排出ポンプ
４０脱硫部
４０ａガス流入口
４０ｂガス流入口
４１脱硫気液接触部
４２脱硫液散布部
４３脱硫液排出管
４４消化液補給弁
４５脱硫液培養タンク
４５ａ採光窓
４６脱硫液循環ポンプ
４７脱硫液Ｕ字型排出管
５０ガス貯溜部
５１フロートタンク
５２フロートタンクカバー
５２ａフロートタンクガイド
５２ｂシール部

Claims

同心軸上の三重円筒において、中心部より第１の円筒体を有機性廃棄物である原料の原料加温部とし、第１の円筒体と第２の円筒体との間で形成される円環部を酸生成部、第２の円筒体と第３の円筒体との間で形成される円環部をメタン発酵部とし、
原料は原料加温部の下部より供給して酸生成及びメタン発酵に適する温度（３８〜５５℃）に加温する手段と、原料加温部下部より空気を供給してエアリフトを形成することにより原料加温部内のスラッジ滞積を防止する手段と、加温され上昇した原料が原料加温部を溢流して酸生成部に流入する手段と、酸生成部にて発酵期間ｎ日の(０．２〜０．３)×ｎ日滞留させた原料を酸生成部底部よりメタン発酵部へ流出させる手段と、酸生成部底部は円錐状の傾斜面を利用して原料中スラッジ滞積を防止する手段と、酸生成部よりメタン発酵部への流入部にメタン発酵を促進するためメタン菌保持体を配置し、原料がメタン発酵部を上昇する過程において嫌気発酵しメタンガスを発生させる手段と、発生したメタンガス、原料加温部に供給した空気及び酸生成部で発生したバイオガスを酸生成部及びメタン発酵部の上部に位置する脱硫部へ導入し硫化水素（Ｈ_２Ｓ）除去（以下、脱硫という）を行う手段とを有し、
脱硫部から流出したメタンを含むバイオガスを脱硫部の上部にあるガス貯溜部に貯溜するためフロートタンクを設置し、フロートタンクはフロートタンクカバー内に収納し、フロートタンク頂部にはフロートタンクガイド部を付したガス貯溜手段を具備して、バイオガス中に含まれる悪臭成分をメタン発酵装置の系外へ排出させることなく、受入加温、酸生成、メタン発酵、脱硫、ガス貯溜の機能を一体化したことを特徴とするメタン発酵装置。
前記脱硫の手段として、原料加温部よりメタン発酵ガス量の１５％(ｖｏｌ)以下の空気を供給し、その空気を原料加温部及び酸生成部より発生する悪臭を有するバイオガスと、メタン発酵部で生成したメタンガスとを脱硫部のガス流入口で直交流させることにより両者の混合性の向上を図り、脱硫部において硫化水素（Ｈ_２Ｓ）及びバイオガス中の悪臭成分を除去することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
前記脱硫の手段として、メタン発酵部の上部よりメタン発酵後の残渣液である消化液を抽出し、該消化液を脱硫液培養タンクに貯溜し、該タンク上部の採光窓より採光して消化液中の硫黄酸化菌及び光合成菌の培養を促進させて脱硫液とし、該脱硫液は脱硫液循環ポンプにより脱硫部へ散布され、該脱硫部にてバイオガスと気液接触することによりバイオガスを脱硫し、バイオガス脱硫後の脱硫液を脱硫液排出管４３に通し脱硫液培養タンク４５へ再び戻すことにより脱硫液を循環させることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
前記メタン発酵部の底部にメタン発酵槽と同心軸上に円環状ダクトを設け、円環状ダクト内に発酵液の循環流を軸流攪拌機または発酵槽外の循環用ポンプにより形成する手段と、
円環状ダクトの一部にピット部を設け発酵液中の固形分残渣を沈降滞溜させて、その固形分残渣を間欠的に自動排出させる手段によりメタン発酵槽内に固形分残渣の滞積を防止することにより、バイオ原料として生ゴミなどの有機性固形分をメタン発酵に有効利用し、メタン発酵槽内の底部に滞溜する固形分残渣を自動排出することを特徴とする請求項１ないし３いずれか一に記載のメタン発酵装置。