JP2008279324A - メタン発酵装置及びメタン発酵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ消費量を低減し、発酵ガスをより効率的に取り出すこと。
【解決手段】
発酵汚泥Ｂを収容するタンク１０と、タンク１０内に配設され、水平方向に延びる軸体２０と、軸体２０を回転駆動する駆動部３０と、軸体２０に複数設けられ、軸体２０の径方向に突出した撹拌板４０と、を備えたメタン発酵装置１００において、タンク１０の内部空間は、発酵汚泥Ｂが堆積する下方空間Ｓ１と、発酵汚泥Ｂから発生した発酵ガスが蓄積する上方空間Ｓ２と、を有し、軸体２０が、撹拌板４０が軸体２０の回転に伴って、下方空間Ｓ１及び上方空間Ｓ２を通過するように配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機物の再資源化技術に関し、特に有機物をメタン発酵する技術に関するものである。

生ゴミ、糞尿、紙、剪定枝等の有機性廃棄物（以下、単に有機物という。）をメタン発酵させて、発酵ガスを電力等のエネルギとして再資源化する技術が提案されている（特許文献１乃至３）。メタン発酵には、有機物に加水してメタン発酵する湿式メタン発酵と有機物に加水せずにメタン発酵する乾式メタン発酵とが一般に知られている。

有機物を湿式メタン発酵する手法は、加水している分だけタンクの容量を大きくする必要があり、また、多量の排水が発生するという短所がある。一方、有機物を乾式メタン発酵する手法は、湿式メタン発酵のような短所は有さないが、含水率が低く、粘性が高い。このため、発酵汚泥が均一に撹拌されにくく、メタン発酵の効率が悪いという問題がある。また、発酵時に発生する発酵ガスが発酵汚泥内に滞留してしまい、発酵ガスを効率的に取り出し難いという問題がある。
実用新案登録第３１０４３６４号公報 特開２００３−３０００９６号公報 特開２００４−３０７２７３号公報

発酵汚泥を均一に撹拌するためには、発酵汚泥を撹拌する撹拌装置として高出力の撹拌装置を採用することが考えられる。しかし、これでは発酵ガス生成のためのエネルギ消費量が大きくなり、発酵ガスを再資源化して得られる実質的なエネルギが少なくなる。また、従来の撹拌装置は、パドル等の撹拌要素がタンク内の発酵汚泥中に常時埋没してこれを撹拌する構成であり、撹拌装置を高出力化しても、発酵ガスの脱泡・脱気・ガス交換が促進されるとは限らず、発酵ガスを効率的に取り出すことができないという問題は残る。

そこで、本発明の目的は、エネルギ消費量を低減し、発酵ガスをより効率的に取り出すことにある。

本発明によれば、発酵汚泥を収容するタンクと、前記タンク内に配設され、水平方向に延びる軸体と、前記軸体を回転駆動する駆動手段と、前記軸体に複数設けられ、前記軸体の径方向に突出した撹拌板と、を備えたメタン発酵装置において、前記タンクの内部空間は、発酵汚泥が堆積する下方空間と、前記発酵汚泥から発生した発酵ガスが蓄積する上方空間と、を有し、前記軸体が、前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記下方空間及び前記上方空間を通過するように配置されていることを特徴とするメタン発酵装置が提供される。

このメタン発酵装置では、前記軸体が、前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記下方空間及び前記上方空間を通過するように配置されているので、前記撹拌板が前記上方空間を通過している間には前記駆動手段の駆動負荷が下がり、そのエネルギ消費量を低減できる。加えて、前記発酵汚泥が前記上方空間へ前記撹拌板により掻き揚げられて再び前記下方空間へ落下するので、その過程で発酵汚泥からの前記発酵ガスの脱泡・脱気・ガス交換が促進され、発酵ガスをより効率的に取り出すことができる。

本発明においては、前記撹拌板が、前記軸体の軸方向に沿って前記軸体に複数設けられ、前記軸体の軸方向から見た場合に、複数の前記撹拌板が前記軸体回りに等ピッチで設けられていることが好ましい。この構成によれば、前記駆動手段の駆動負荷を均一化でき、また、発酵汚泥の撹拌力を向上できる。

また、本発明においては、前記タンクの内面のうち、前記軸体よりも下方の部分の断面形状が、前記軸体の軸心から前記撹拌板の端部までの長さよりも僅かに長い半径の円弧状をなしていることが好ましい。この構成によれば、堆積した発酵汚泥の局所的な撹拌漏れを防ぎ、その全体をより均一に撹拌できる。

また、本発明によれば、発酵汚泥を収容するタンクと、前記タンク内に配設され、水平方向に延びる軸体と、前記軸体を回転駆動する駆動手段と、前記軸体に複数設けられ、前記軸体の径方向に突出した撹拌板と、を備えたメタン発酵装置によりメタン発酵を行なうメタン発酵方法において、前記タンク内に収容する発酵汚泥の量を、前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記撹拌板が前記タンク内に堆積された前記発酵汚泥中を通過した後、当該堆積された前記発酵汚泥の上方を通過するように設定したことを特徴とするメタン発酵方法が提供される。

このメタン発酵方法では、前記タンク内に収容する発酵汚泥の量を、前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記撹拌板が前記タンク内に堆積された前記発酵汚泥中を通過した後、当該堆積された前記発酵汚泥の上方を通過するように設定することにより、前記撹拌板が堆積された前記発酵汚泥の上方を通過している間には前記駆動手段の駆動負荷が下がり、そのエネルギ消費量を低減できる。加えて、発酵汚泥が前記撹拌板により上方へ掻き揚げられて再び落下するので、その過程で発酵汚泥からの前記発酵ガスの脱泡・脱気・ガス交換が促進され、発酵ガスをより効率的に取り出すことができる。

以上述べた通り、本発明によれば、エネルギ消費量を低減し、発酵ガスをより効率的に取り出すことができる。

＜全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るメタン発酵装置１００の全体斜視図であり、図２は、メタン発酵装置１００の側面部１１ｃ側から見た断面図である。メタン発酵装置１００は、原料となる有機物と発酵微生物が混合された発酵汚泥Ｂを収容するタンク１０と、タンク１０内に配設され、水平方向に延びる軸体２０と、軸体２０を回転駆動する駆動部３０と、軸体２０に複数設けられた撹拌板４０と、発酵処理により発生した発酵ガスを循環させる発酵ガス循環ユニット５０と、を備える。

タンク１０は、略方形状の上面部１１ａと、上面部１１ａに対面する下面部１１ｂと、上面部１１ａに直交して、上面部１１ａと下面部１１ｂとの間に配される側面部１１ｃ、１１ｄと、を有する。下面部１１ｂは、軸体２０の軸心から撹拌板４０の端部までの長さよりも僅かに長い半径の円弧状をなしている。タンク１０の材質は、耐久性や防臭性等を考慮して任意に選択でき、例えば、鉄、アルミニウム、ポリエチレン等から選択できる。また、タンク１０は、上面部１１ａにタンク１０内で発生した発酵ガスをタンク１０外へ排気する排気部１２と、タンク１０内に発酵汚泥Ｂを導入し、又は、タンク１０から発酵汚泥の残渣を排出するための導入排出部１４と、を有する。また、タンク１０は、下面部１１ｂに発酵ガスを導入するガス導入部１３を複数有する。なお、導入排出部１４は、導入部と排出部を別々に設けて、排出部を側面部や下面部１１ｂに設けてもよい。

タンク１０の下面部１１ｂを断面円弧状とすることにより、下面部１１ｂに撹拌板４０が接触することなく、かつ、タンク１０の下面部１１ｂ付近に堆積した発酵汚泥Ｂの局所的な撹拌漏れを防ぎ、その全体をより均一に撹拌できる。

軸体２０は、断面円形の棒状部材であり、タンク１０の側面部１１ｃと側面部１１ｄとの間に回転可能に軸支されている。なお、軸体２０は、中空部材であっても、中実部材であってもよい。

駆動部３０は、タンク１０の側面部１１ｃに近接して配設され、駆動部３０の軸心が軸体２０に接続されている。これにより、駆動部３０の回転動作が軸体２０の軸心に伝達される。また、駆動部３０には、不図示の制御ユニットが接続され、軸体２０の回転速度や回転タイミングを調整可能である。駆動部３０は、例えば、電動モータ等で構成される。

撹拌板４０は、軸体２０の軸方向に沿って、軸体２０に４つ設けられ、側面部１１ｃからの側面方向視で軸体２０回りに９０度間隔で軸体２０の径方向に突出して設けられる。すなわち、側面部１１ｃに最も近接する位置に設けられる撹拌板４０ａの角度を０度とした場合には、隣接する撹拌板４０ｂ、４０ｃ、４０ｄはそれぞれ９０度、１８０度、２７０度の位置に設けられる。なお、この場合の角度は、時計回りで設定しても、反時計回りで設定してもよい。また、本実施形態では撹拌板４０を４つ設けたが、撹拌板４０を６つ設けた場合には、隣接する撹拌板４０を６０度間隔でずらして配設すればよい。

発酵ガス循環ユニット５０は、タンク１０内での発酵処理で発生したメタンガスを含む発酵ガスをタンク１０の上面部１１ａに設けられた排気部１２から取り出し、所望の処理を施した後に、タンク１０の下面部１１ｂに設けられたガス導入部１３から発酵ガスを導入するものである。排気部１２には配管５１、ガス導入部には配管５２が接続されている。なお、所望の処理とは、メタン発酵処理を阻害する要因となることが一般に知られている水素、硫化水素、アンモニア等の気体を発酵ガス中から除去する処理をいう。

＜動作手順＞
図３において、（ａ）乃至（ｆ）は、一実施形態の撹拌処理の動作手順を説明するための図である。図３は、軸体２０の反時計回りの回転に伴って、撹拌板４０が発酵汚泥Ｂを撹拌する様子を４５度間隔で示す。なお、撹拌板４０の初期位置ａから反時計回りに４５度間隔で示される撹拌板４０の位置をそれぞれ位置ｂ乃至位置ｇとする。また、本動作説明では、１つの撹拌板４０ａ（図１で示す。）に着目して説明するが、他の撹拌板４０ｂ乃至４０ｄ（図１で示す。）も同様の動作で説明することができる。

タンク１０は、発酵汚泥Ｂがその内部空間に投入された状態において、発酵汚泥Ｂが堆積する下方空間Ｓ１と、発酵汚泥Ｂから発生した発酵ガスが蓄積する上方空間Ｓ２と、を有する。

まず、図３（ａ）で示すように、撹拌板４０ａを位置ａから４５度回転させた場合には、撹拌板４０ａの回転に伴って、発酵汚泥Ｂが掻き上げられ、撹拌板４０ａが通過したスペースには裂け目Ｂ１が生じる。この裂け目Ｂ１を埋めるように、徐々に発酵汚泥Ｂが移動する。係る回転を継続させ、位置ｂから更に４５度回転させた状態（位置ｃ）を図３（ｂ）で示す。

次に、図３（ｃ）で示すように、撹拌板４０ａを位置ｃから位置ｄまで、更に回転させると、下方空間Ｓ１に形成されていた裂け目Ｂ１が上方空間Ｓ２に連通するようになるため、裂け目Ｂ１に滞留していた発酵ガスが上方空間Ｓ２に解放される。

その後、図３（ｄ）で示すように、撹拌板４０ａを位置ｄから位置ｅまで、更に回転させると、掻き上げられた発酵汚泥Ｂは撹拌板４０ａ上から滑るように落下するため、多数の裂け目Ｂ２が生じる。このため、発酵汚泥Ｂの表面積が増加し、発酵汚泥Ｂ中に滞留していた発酵ガスを効果的に脱気或いはガス交換することができる。

ここで、メタン発酵装置１００は、一度に多量の発酵ガスを取り出すためには、多量の有機物をタンク内に投入することが望ましいように思える。しかし、多量の有機物をタンク１０内に投入しても、発酵ガスを効率的に取り出すことができるとは限らない。従って、撹拌板４０ａによって掻き上げられた発酵汚泥Ｂを落下させて、より長い間、上方空間Ｓ２中の気体と接触させるためには、発酵汚泥Ｂの液面（表面）を軸体２０の軸心の高さとすることが望ましい。ただし、タンク１０内に投入する発酵汚泥Ｂは、その液面が、軸体２０の軸心と、撹拌板４０ａが最上部（位置ｅ）に位置した状態における端部と、の間であれば、発酵汚泥Ｂを撹拌板４０ａから滑落させることは可能であるため、本発明を適用することができる。

掻き上げられた発酵汚泥Ｂを撹拌板４０ａ上から落下させた後、図３（ｅ）及び図３（ｆ）で示すように、位置ｅから位置ｇまでの間には、撹拌板４０ａが押し出す発酵汚泥Ｂがないため、軸体２０には回転モーメントがほとんど加わらない。その後、図示しないが、撹拌板４０ａは、タンク１０の下面部１１ｂに対して、発酵汚泥Ｂを押し付けながら回転する。すなわち、この際には軸体２０には大きな回転モーメントが加わる。つまり、１つの撹拌板４０ａに着目すると、軸体２０が１回転する間に、軸体２０に加わる回転モーメントの値が変動するため、駆動部３０の駆動負荷が不均一になってしまう。しかし、本発明においては、前述の通り、撹拌板４０ａ乃至４０ｄが軸体２０の軸方向から見た場合に、軸体２０回りにずらして設けられているため、軸体２０に加わる回転モーメントを均一とすることができる。これにより、駆動部２０の駆動負荷を均一にしたまま、発酵汚泥Ｂの撹拌力を向上できる。

以上説明した通り、本実施形態によれば、撹拌板４０が軸体２０の回転に伴って、下方空間Ｓ１及び上方空間Ｓ２を通過するように、軸体２０が配置されるため、撹拌板４０が上方空間Ｓ２を通過している間には駆動部３０の駆動負荷が下がり、そのエネルギ消費量を低減できる。また、発酵汚泥Ｂが上方空間Ｓ２へ撹拌板４０により掻き揚げられて再び下方空間Ｓ１へ落下するので、その過程で発酵汚泥Ｂからの発酵ガスの脱泡・脱気・ガス交換が促進され、発酵ガスをより効率的に取り出すことができる。

本発明の一実施形態に係るメタン発酵装置１００の全体射視図である。 一実施形態のメタン発酵装置１００の側面部１１ｃ側から見た断面図である。 （ａ）乃至（ｆ）は、一実施形態の撹拌処理の動作手順を説明するための図である。

符号の説明

１０ タンク
２０ 軸体
３０ 駆動部
４０ 撹拌板
１００ メタン発酵装置
Ｓ１ 下方空間
Ｓ２ 上方空間

Claims (4)

1. 発酵汚泥を収容するタンクと、
   前記タンク内に配設され、水平方向に延びる軸体と、
   前記軸体を回転駆動する駆動手段と、
   前記軸体に複数設けられ、前記軸体の径方向に突出した撹拌板と、
   を備えたメタン発酵装置において、
   前記タンクの内部空間は、
   発酵汚泥が堆積する下方空間と、
   前記発酵汚泥から発生した発酵ガスが蓄積する上方空間と、を有し、
   前記軸体が、
   前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記下方空間及び前記上方空間を通過するように配置されていることを特徴とするメタン発酵装置。
2. 前記撹拌板が、前記軸体の軸方向に沿って前記軸体に複数設けられ、
   前記軸体の軸方向から見た場合に、複数の前記撹拌板が前記軸体回りに等ピッチで設けられていることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵装置。
3. 前記タンクの内面のうち、前記軸体よりも下方の部分の断面形状が、前記軸体の軸心から前記撹拌板の端部までの長さよりも僅かに長い半径の円弧状をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載のメタン発酵装置。
4. 発酵汚泥を収容するタンクと、前記タンク内に配設され、水平方向に延びる軸体と、前記軸体を回転駆動する駆動手段と、前記軸体に複数設けられ、前記軸体の径方向に突出した撹拌板と、を備えたメタン発酵装置によりメタン発酵を行なうメタン発酵方法において、
   前記タンク内に収容する発酵汚泥の量を、
   前記撹拌板が前記軸体の回転に伴って、前記撹拌板が前記タンク内に堆積された前記発酵汚泥中を通過した後、当該堆積された前記発酵汚泥の上方を通過するように設定したことを特徴とするメタン発酵方法。

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