JP2006281111A - メタン発酵槽 - Google Patents

Abstract

【課題】 担体表面に付着するバイオガス等の気泡や、可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物を効果的に除去し、担体を発酵液中に均一に分散できるようにしたメタン発酵槽を提供すること。
【解決手段】 前記メタン発酵槽１０内の液面の上下に渡る、複数の板状及び／又は棒状の攪拌子２２と、これらの攪拌子を支持して水平方向に回転させる回転手段とを有する攪拌手段２１を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、嫌気性微生物を用いて、糞尿、生ゴミ、食品加工残滓等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵槽に関する。

生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。

メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができると共に、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。

ごみ等の有機性廃棄物をメタン発酵法で効率的に処理するメタン発酵装置として、例えば下記特許文献１、２には、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するメタン発酵装置が開示されている。高温菌は３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍程の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行うことで分解速度の向上と消化率の向上を図っている。有機性廃棄物を用いたメタン発酵は、メタンガスの生成量を増大でき、燃料電池などのガス発電に有効利用できるメリットがある。

また、メタン発酵槽内に微生物を担体に担持したろ床を設けて処理効率を向上させることも検討されており、例えば、下記特許文献３には、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させた固定化微生物を発酵槽内に充填することが記載されている。また、この文献には、担体の内部に磁性体となり得る金属を充填し、外部から磁力によって固定化微生物を流動させてもよいことが記載されている。

更に、下記特許文献４には、比重が１より大きい砂、活性炭等の担体が充填された生物反応槽内に廃水を流入すると共にこの廃水を上向流で循環して前記担体を流動化し、かつ前記担体表面に生物膜を形成して廃水の生物処理を行う流動式廃水処理装置において、前記生物反応槽内の上下方向に形状の異なる複数個の攪拌機構を配設し、これらの攪拌機構を異なる回転数でそれぞれ回転させるようにした流動式廃水処理装置が開示されている。
特開平１０−１３７７３０号公報 特開２００１−４６９９７号公報 特開２００４−４１９２９号公報 特開昭６３−２２９１９２号公報

しかしながら、従来のメタン発酵処理装置では、嫌気性微生物を担体に担持させて発酵を行う場合、発酵工程中に発生するバイオガスが等の気泡が担体表面に付着したり、発酵液中の可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物が担体表面に付着したりして担体を閉塞するため、発酵効率が次第に低下してしまうという問題があった。また、バイオガスが付着した担体が浮き上がって、発酵液中に担体が均一に分布しにくくなったり、発酵液の流動が阻害されて温度に偏りが生じたりすることもあった。

これに対して、上記特許文献３には、担体の内部に磁性体となり得る金属を充填し、外部から磁力によって固定化微生物を流動させてもよいことが記載されているものの、一般に磁力は距離が離れると吸引力が急激に低下するため、発酵槽の内周に近接した担体しか流動させることができず、担体を効果的に流動させることができなかった。

また、上記特許文献４には、生物反応槽内の上下方向に配設した攪拌機構によって、廃水及び担体を上方に向けて流動化することが記載されているが、攪拌機構が配設された整流筒内を４８〜９６時間かけて上昇するようにしており、担体の流動化による発酵液の攪拌作用等は期待できないと考えられる。

したがって、本発明の目的は、担体表面に付着するバイオガス等の気泡や、可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物を効果的に除去し、担体を発酵液中に均一に分散できるようにしたメタン発酵槽を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵槽は、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させる流動式担体を有し、スラリー化された有機性廃棄物を、嫌気性微生物によりメタン発酵させるメタン発酵槽において、前記メタン発酵槽内の液面の上下に渡る、複数の板状及び／又は棒状の攪拌子と、これらの攪拌子を支持して水平方向に回転させる回転手段とを有する攪拌手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、担体にバイオガス等の気泡が付着して、担体が発酵液の液面に浮き上がっても、攪拌手段により回転する攪拌子が、液面に浮き上がった担体に衝突して、担体に付着した気泡を除去するため、担体を再び発酵液中に沈めて発酵液中に均一に分散させることができる。また、その際に、担体表面に付着した可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物も効果的に除去されるため、担体の目詰まりも解消でき、発酵効率を長期間に亘って良好に維持することができる。更に、発酵液の表面に浮き上がって堆積するスカムを拡散させる効果ももたらされる。

本発明においては、前記流動式担体を循環させる担体循環手段を更に備えていることが好ましい。これによれば、担体循環手段により担体を流動化させることにより、バイオガスが付着して浮上する担体以外の担体も前記攪拌子に衝突しやすくなり、担体に付着した可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物を効果的に除去することができる。

また、前記メタン発酵槽内が、底壁に対して所定の高さから上方に伸びる隔壁によって、２つ以上の領域に仕切られており、前記担体循環手段によって、担体が前記２つ以上の領域を移動して循環するように構成されていることが好ましい。これによれば、隔壁によって仕切られた１つの領域から他方の領域へと、担体を移動させて循環させることができるので、担体が発酵液中に均一に分散しやすくなると共に、発酵液が流動して担体と接触しやすくなり、発酵液の温度分布も均一になる。

更に、前記隔壁は、前記メタン発酵槽の底壁に対して所定の高さから上方に伸びる筒状体で構成され、この筒状の隔壁で仕切られた内部領域には、上下に配設された回転軸によって回転するスクリューコンベヤが配置されており、担体はこのスクリューコンベアで強制的に上昇されて、前記隔壁の上端開口部から前記隔壁の外部領域に移動するように構成されていることが好ましい。これによれば、担体がスクリューコンベヤで強制的に上昇されて、隔壁の上端開口部から隔壁の外部領域に移動し、外部領域を下降した後、再び隔壁内部領域に移動してスクリューコンベヤで上昇するという循環がなされ、それによって担体と発酵液との接触性を更に良好にし、発酵液を攪拌して温度分布を均一にすることができる。また、担体が上昇して発酵液の液面近傍に移動したとき、前記攪拌手段の攪拌子に衝突しやすくなるので、担体に付着したバイオガスや、可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物を効果的に除去することができる。

本発明によれば、担体表面に付着するバイオガス等の気泡や、可溶化しにくい有機性固形物やそれ以外の異物を効果的に除去し、担体を発酵液中に均一に分散して、発酵効率を長期に亘って良好に維持することができる。

このメタン発酵槽１０は、縦長円筒形状の本体１１と、その底壁１４から所定の距離をおいて仕切り板１５が配設され、その中央部には開口部が設けられて、そこに金網１６が取付けられている。そして、仕切り板１５は、担体引き抜き管４３の設けられた壁面に向かって傾斜するように設置されており、この担体引き抜き管４３は、担体引き抜きポンプ４４を介してメタン発酵槽１０の上部に接続している。

メタン発酵槽１０の上部には、前記駆動モータ１７ａによって回転する支持枠２１と、この支持枠２１から垂下して取付けられた複数本の攪拌子２２とからなる攪拌手段２３が設けられている。この場合、攪拌子２２は、板状及び／又は棒状をなしており、発酵液の液面Ｌの上下に渡るように伸びている。攪拌子２２の下端は、発酵液の液面Ｌより５〜２０ｃｍ程度下方に位置することが好ましい。

攪拌子２２が棒状の場合には、直径２〜３０ｍｍの円柱状の棒であることが好ましく、それによって周面が円弧状であることから、回転時に担体を傷つけにくくなり磨耗を低減できる利点が得られる。

また、攪拌子２２が板状の場合には、板厚２〜６ｍｍで幅２０〜１００ｍｍ程度のものが好ましく、かつ、発酵液がメタン発酵槽１０の中心から外周方向に向けて流れるように、板面が回転の半径方向に対して５〜３０°傾いていることが好ましい。攪拌子２２が板状の場合には、接触面積が大きいので、発酵液を流動させやすく、担体に当りやすくなり、低回転でも担体のガス抜きを行うことができる。

メタン発酵槽１０には、図示しない前処理装置及びスラリー調整槽によって処理された有機性廃棄物のスラリーがスラリー供給管３３を介して供給されるようになっている。

また、メタン発酵槽１０の底部には、残渣取出し管３４が取付けられている。更に、メタン発酵槽１０の側壁下部には、発酵廃液取出し管３５が連結され、この発酵廃液取出し管３５は、活性汚泥槽などの生物反応槽からなる廃液処理設備３６に連結されている。更に、この廃液処理設備３６で処理された廃液は、排出管３７を通して外部に排出されるようになっている。

また、メタン発酵槽１０の側部には、汚泥循環ポンプ３８を途中に有する引き抜き管３９が連結されており、この引き抜き管３９は、汚泥熱交換器４０を介して、返送管４１に連結されており、返送管４１を通して汚泥をメタン発酵槽１０内に戻すようになっている。汚泥熱交換器４０には、温水が循環しており、汚泥を加熱してメタン発酵槽１０内に戻し、メタン発酵槽１０内の発酵液の温度を一定に保つようにしている。

更に、メタン発酵槽１０の上部には、発酵によって発生するバイオガスを取出すバイオガス取出し管４２が接続されている。

メタン発酵槽１０内には、多数の担体３０が充填されている。担体３０の材質及び形状は、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン、ビニロン、塩化ビニリデン、ピリジウムポリマー等の合成樹脂からなる不織布、織布、紐体等で形成されたものが好ましく使用される。その他、発泡樹脂、多孔質セラミックス等の多孔質な材料で形成されていてもよい。また、担体３０の材質としては、ポリ（β−ヒドロキシ酢酸）、ポリεカプロラクタム、ポリブチレンサクシネート、ポリ乳酸等の生分解性プラスチックを用いることもできる。

なお、メタン発酵槽１０内の担体３０の充填率、言い換えると、メタン発酵槽１０の発酵液Ｌが貯留される部分の容積中に占める担体３０の体積の割合は、５〜４０％とすることが好ましい。充填率が５％よりも低いと、発酵液が固定化微生物に接触しにくくなって発酵効率が低下し、充填率が４０％よりも高いと、担体３０の流動性が損なわれて、担体３０表面に付着する不溶性固形物や異物を払い落しにくくなる。

次に、上記メタン発酵処理装置を用いたメタン発酵処理方法について説明する。図示しない前処理装置及びスラリー調整槽を通して供給されるスラリー化した生ゴミ等の有機性廃棄物は、スラリー供給管３３を通してメタン発酵槽１０に供給され、メタン発酵槽１０内に配置された担体３０に担持された嫌気性微生物によりメタン発酵がなされる。こうして発生したバイオガスは、バイオガス取出し管４２を通して取出され、図示しない発電機等に送られる。

メタン発酵処理を継続するにつれ、担体に不溶性の固形物などの異物が付着していき、徐々に仕切り板１５に堆積していくが、この仕切り板１５は、引き抜き管４３に向かって傾いているため、仕切り板１５に堆積した担体３０は、引き抜かれてメタン発酵槽１０の上部に返送される。そして、返送された担体３０は、下降して仕切り板１５近傍に至り、再度引き抜き管４３から引き抜かれる。このようにして、メタン発酵槽１０内で担体３０の循環がなされ、それと共に発酵液も循環される。

また、メタン発酵槽１０上部では、攪拌手段２３の攪拌子２２が回転しており、担体循環ポンプ４４で引き抜かれた担体３０は、上記攪拌子２２に衝突して、担体３０に付着するバイオガスや、不溶性の固形物やその他の異物を払い落される。なお、担体３０バイオガス等の気泡が付着して、担体３０が発酵液の液面に浮き上がってしまうことがあるが、攪拌手段２３により回転する攪拌子２２によって、液面に浮き上がった担体３０に衝突して、担体３０に付着した気泡が除去されるため、担体３０を再び発酵液中に沈めて発酵液中に均一に分散させることができる。

こうして発酵処理がなされた発酵廃液は、発酵廃液取出し管３５を通して取出され、廃液処理設備３６で処理された後、排出管３７を通して外部に排出される。

図２には、本発明によるメタン発酵槽の他の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符号を付してその説明を省略することにする。

この実施形態では、仕切り板１５は、下端が仕切り板１５から所定の距離だけ離れて配置され、その上端が発酵液面によりやや低い位置になるように配置されている板状の隔壁１３ａによって区画された領域に向かって傾斜しており、該領域内には、駆動モータ１７ｂによって回転する回転軸１８と、この回転軸１８に連結されたスクリュー羽根１９とで構成されているスクリューコンベヤ２０が配置されている点が前記実施形態と相違している。

これによって、仕切り板１５に堆積した担体３０は、スクリューコンベヤ２０により、強制的に上方に送られて、隔壁１３ａの上端部から隔壁１３ａで区切られた領域の外部に移動する。そして、隔壁１３ａの外部領域に入った担体３０は、該領域を下降して仕切り板１５近傍に至り、発酵液の流れに乗って隔壁１３ａの底部開口から、再び隔壁１３ａで区切られた領域内に入る。このようにして、メタン発酵槽１０内で担体３０の循環がなされ、それと共に発酵液も循環される。また、メタン発酵槽１０上部の隔壁１３ａの外周領域では、攪拌手段２３の攪拌子２２が回転しており、隔壁１３ａの上部からその外周領域に移動した担体３０は、上記攪拌子２２に衝突して、担体３０に付着するバイオガスや、不溶性の固形物やその他の異物を払い落される。この場合、隔壁１３ａによって仕切られた１つの領域から他方の領域へと、担体３０を移動させて循環させることができるので、担体３０が発酵液中に均一に分散しやすくなると共に、発酵液が流動して担体３０と接触しやすくなるので、発酵液の温度分布も均一にできる。

図３には、本発明によるメタン発酵槽の更に別の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には同符号を付してその説明を省略することにする。

このメタン発酵槽１０は、縦長円筒形状の本体１１と、この本体１１内に放射状に配設された複数本のサポート１２を介して支持された円筒状の隔壁１３ｂとを有しており、隔壁１３ｂは、その下端が仕切り板１５から所定の距離だけ離れて配置され、その上端が発酵液面よりやや低い位置になるように配置されている点、隔壁１３ｂ内には、駆動モータ１７ｂによって回転するスクリューコンベヤ２０が配置されている点、仕切り板１５が、スクリューコンベヤ２０に向かうように傾斜している点、駆動モータ１７ｃによって、スクリューコンベヤ２０を駆動すると共に、攪拌手段２３を回転駆動させるように構成されている点が前記実施形態と相違している。

これによって、スクリューコンベヤ２０により、隔壁１３ｂ内の担体３０が強制的に上方に送られて、隔壁１３ｂの上端部から隔壁１３ｂの外周領域に移動する。そして、隔壁１３ｂの外周領域に入った担体３０は、該領域を下降して仕切り板１５近傍に至り、発酵液の流れに乗って隔壁１３ｂの底部開口から、再び隔壁１３内に入る。このようにして、メタン発酵槽１０内で担体３０の循環がなされ、それと共に発酵液も循環される。

また、メタン発酵槽１０上部の隔壁１３ｂの外周領域では、攪拌手段２３の攪拌子２２が回転しており、隔壁１３ｂの上部からその外周領域に移動した担体３０は、上記攪拌子２２に衝突して、担体３０に付着するバイオガスや、不溶性の固形物やその他の異物を払い落される。この場合、スクリューコンベヤ２０によって槽内の発酵液をメタン発酵槽１０の上部に効果的に供給できることから、発酵液の温度分布を均一にすることができ、また、攪拌手段２３との接触効率もよいため、担体３０に付着したバイオガスや異物の除去効率がよく、メタン発酵状態をより良好に維持することができる。

本発明のメタン発酵処理方法は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理などの余剰汚泥等の、有機性廃棄物のメタン発酵処理に好適に用いられる。

本発明によるメタン発酵槽の一実施形態を示す説明図である。 本発明によるメタン発酵槽の他の実施形態を示す説明図である。 本発明によるメタン発酵槽の更に別の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１０：メタン発酵槽
１１：本体
１２：サポート
１３ａ、１３ｂ：隔壁
１４：底壁
１５：仕切り板
１６：金網
１７ａ、１７ｂ，１７ｃ：駆動モータ
２０：スクリューコンベヤ
２２：攪拌子
２３：攪拌手段
３０：担体

Claims (4)

1. メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させる流動式担体を有し、スラリー化された有機性廃棄物を、嫌気性微生物によりメタン発酵させるメタン発酵槽において、
   前記メタン発酵槽内の液面の上下に渡る、複数の板状及び／又は棒状の攪拌子と、これらの攪拌子を支持して水平方向に回転させる回転手段とを有する攪拌手段が設けられていることを特徴とするメタン発酵槽。
2. 前記流動式担体を循環させる担体循環手段を更に備えている請求項１記載のメタン発酵槽。
3. 前記メタン発酵槽内が、底壁に対して所定の高さから上方に伸びる隔壁によって、２つ以上の領域に仕切られており、前記担体循環手段によって、担体が前記２つ以上の領域を移動して循環するように構成された請求項１又は２に記載のメタン発酵槽。
4. 前記隔壁は、前記メタン発酵槽の底壁に対して所定の高さから上方に伸びる筒状体で構成され、この筒状の隔壁で仕切られた内部領域には、上下に配設された回転軸によって回転するスクリューコンベヤが配置されており、担体はこのスクリューコンベアで強制的に上昇されて、前記隔壁の上端開口部から前記隔壁の外部領域に移動するように構成された請求項３記載のメタン発酵槽。