JP2012071277A

JP2012071277A - メタン発酵浄化システム

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Publication number: JP2012071277A
Application number: JP2010219427A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshimoto; 弘吉元
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP5623854B2

Abstract

【課題】外部動力による攪拌を行わず、低いコストで運用可能でありながら、処理液を円滑に循環させることができ、効率的にメタンを発酵させることのできるメタン発酵浄化装置を提供する。
【解決手段】（１）メタン発酵槽と、生成したメタンガスをメタンガス分離部１０に導く導出管３と、メタンガスを分離後の処理物をメタン発酵槽に戻す戻し管４とを有し、上面は導出管接続部が最も高い位置となり、導出管３は、導出管接続部より高い位置で戻し管４と接続し、戻し管上部は、メタンガス分離部１０を形成し、戻し管下部は、前記メタン発酵槽と連通すると共に、処理物投入口９をメタンガス分離部１０または戻し管の上部に設けたメタン発酵浄化装置１；（２）メタン発酵浄化装置で発生したメタンガスを送気する送気装置２１；（３）メタン発酵槽中に設けられた、吹込み管２４；および（４）メタンガス配管２５ｂ中に設けられたメタンガス取り出し部２３を有する。
【選択図】図３

Description

本発明はメタン発酵浄化システムに関し、更に詳細には、低コストで稼動させることができ、しかも硫化水素等が少なく、濃度の高いメタンガスを得ることのできるメタン発酵浄化システムに関する。

近年、畜産業等における糞尿等の有機性廃棄物処理が大きな問題となっている。すなわち、浄化槽設備等で処理せず、糞尿等を環境中に廃棄することにより、悪臭が発生したり、河川、地下水、海洋汚染等の畜産公害を起こすなど悪影響を与えている。また、それ以外の生ゴミ等有機性の塵芥の処理も、現在、主に焼却、埋立等しているが、二酸化炭素の発生や、埋め立て地の問題があり、有効な処理法の開発が求められている。

そこで近年、糞尿や生ゴミ等の有機性廃棄物等を嫌気条件下で発酵させ、発生するメタンガスを燃料として利用するメタン発酵が注目されている。このメタン発酵は、水分量の高い液状または泥状の有機性廃棄物から簡単な工程で可燃ガスとして熱エネルギーを抽出できることが最大の特徴であるといえる。また、活性汚泥法のような曝気のための電力を要せず、さらに生成ガスが燃料ガスとして回収されるので省エネルギープロセスであるといえる。

従来、このメタン発酵を利用した浄化槽が、沖縄県だけでも那覇、名護、西原等の下水処理場で利用されているが、これらには建設コストが高い、ランニングコストが高い、装置が複雑で、維持管理が難しい等の欠点があり、公的な施設であればともかく、一般の畜産農家や、小規模企業では利用できるものではなかった。

本発明者は先に、一般の畜産農家が負担可能な安価で維持管理の簡単な糞尿処理設備として嫌気式メタン発酵浄化槽をいくつか提案した（特許文献１）。これらのメタン発酵浄化槽のうち、特許文献１のものは、メタン発酵槽中に蓄積したメタンの間欠的な噴出力を用いて生成するスカム層を破壊、除去使用とするものであり、しかも、外部動力を要さないという特徴をも有するものであった。しかしながら、このものは低コストで運用できるものの、処理液の円滑な循環などの点で未だ十分でない点もあり、更なる改善が求められていた。

また本発明者は、別に、図１に示すような、メタン発酵により発生したメタンガスの力を利用し、動力手段を要することなくメタン発酵槽内で処理物の円滑な循環を図った発酵浄化装置も発明したが（特願２００９−２１５１２５）、このものには、発生したガスの圧力が低い場合には、硫化水素の脱硫がうまく行えないとか、処理物量が少ない場合には、処理液の循環がうまく行かないなどまだ改良の余地があった。

すなわち、図１のメタン醗酵浄化装置１は、メタン発酵槽２中で生じたメタンガスの気泡が、処理物との混合物（以下、「含メタン処理物」という）の状態で、その浮力により、上部へと浮上を開始する。そして、メタン発酵槽上部５は、導出管接続部６が最も高い位置となるよう形成されているので、含メタン処理物はすべて導出管接続部６へ集まることになる。

そして、この導出管接続部６は、斜め上方に向かって伸びている導出管３およびこれと続く戻し管４と接続しているから、更に含メタン処理物は、導出管３を通って上方に移動し、戻し管４上部に設けられたメタンガス分離部１０に至り、メタンガスと処理物に分かれる。

このようにしてメタンガス分離部１０において分離されたメタンガスは、メタンガス配管（図示せず）を通じて燃料等として供給される。一方、メタンガスが分離された処理物は、メタンガス気泡が無くなったことによる比重の増加と、また、継続的に導出管３を通って上方に移動して来る含メタン処理物の圧力によって、戻し管４を下に向かって流下し、戻し管出口８を通ってメタン発酵槽２に戻る。

このようなメカニズムが働くため、上記メタン発酵浄化装置では外部動力を要せずに処理物を循環、撹拌することが可能となる。更に、処理物投入口９から、糞尿等を投入する場合には、それらが戻り管４を流れ落ちるため、この力によって更に循環、撹拌する力がより強くなる。特に、メタンガス分離部１０に処理物投入口９を設けた場合は、処理物上にスカムが発生しても投入される処理物によって戻し管４に戻され、メタン発酵槽へと戻ることになるものである。

しかしながら、図１の装置では、メタン発酵槽２で発生したメタンガスは、そのままの状態でメタンガス分離部１０からメタンガス配管へ供給されるため、圧力が低く、発生ガス中には０．２％程含まれる硫化水素ガスを除去しにくいという問題があった。また、前記のように、含メタン処理物は、導出管３を通って上方に移動し、戻し管４上部に設けられたメタンガス分離部１０まで運ばれるわけであるが、発生するメタンガスの量が少なすぎると導出管３中での上方へ向かっての流れが弱く、循環がスムーズに行かなくなるおそれがあるので、ある程度の大きさのメタン発酵槽とする必要があり、小型化がしにくいという課題もあった。

特開平１１−１９７６９６号

従って、図１に示すような低いコストで運用可能なメタン発酵浄化槽を利用しながら、処理量が少なくても処理液を円滑に循環させて効率的にメタンを発酵させることができ、しかも発生したメタンを脱硫し、ある程度の高い圧力のものとして供給することのできるメタン発酵浄化システムの提供をその課題とするものである。

本発明者は、前記図１に示すメタン発酵浄化槽の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、メタンガス分離部において分離されたメタンガスを再度発酵槽に戻すようにすれば、メタンガスの濃度を高めることが可能であると共に、メタン発酵槽内の処理物をより円滑に循環させることができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、
（１）メタン発酵槽と、当該メタン発酵槽で生成するメタンガスを、処理物とともにメ
タンガス分離部に導く導出管と、メタンガスを分離した後の処理物を前記メタン発酵
槽に戻す戻し管とを有し、前記メタン発酵槽の上面は、前記導出管接続部が最も高い
位置となるよう形成され、当該導出管は、少なくとも前記導出管接続部より高い位置
において、前記戻し管と接続し、前記戻し管の上部は、メタンガス分離部を形成し、
前記戻し管の下部は、前記メタン発酵槽と連通すると共に、処理物投入口を前記メタ
ンガス分離部または戻し管の上部に設けたメタン発酵浄化装置；
（２）前記メタン発酵浄化装置のメタンガス分離部とメタンガス配管で連通し、メタンガスを送気する送気装置；
（３）メタン発酵槽中に設けられ、前記送気装置と連通し、メタン発酵槽中にメタンガ
スを吹き込む吹込み管；および
（４）メタンガス配管の何れかに設けられたメタンガス取り出し部
を有することを特徴とするメタン発酵浄化システムである。

また本発明は、メタンガス分離部と送気装置の間、もしくは送気装置の後ろに脱硫装置を設けた前記のメタン発酵浄化システムである。

更に本発明は、メタン発酵槽上面が、導出管接続部を頂点とする円錐もしくは四角錐型の形状であるか、導出管接続部に向かって上ってゆく片流れ屋根の形状である前記のメタン発酵浄化システムである。

本発明のメタン発酵浄化システムは、スカムの発生をもたらすことなく、嫌気状態で処理液を円滑に発酵槽内で循環させることができ、しかも硫化水素含有量の少ない高濃度のメタンを得ることができるものである。

また、上記システムの、送気装置の前段または後段に脱硫装置を設置すれば、より純度の高いメタンガスが得られ、種々の目的に利用可能することができる。

従って、本発明によるメタン発酵浄化システムは、有機性廃棄物の嫌気性メタン発酵浄化処理を、より簡便に、低コスト、省エネルギーで実施することができるものである。

本発明者が先に開発したメタン発酵浄化装置の一実施態様を模式的に示した図面である。本発明のメタン発酵浄化システムで使用するメタン発酵浄化装置の一実施態様を模式的に示した図面である。本発明の一態様であるメタン発酵浄化システムの概要を示す図面である。本発明の別の態様であるメタン発酵浄化システムの概要を示す図面である。

以下、本発明のメタン発酵浄化システムのいくつかの実施態様を示す図と共に本発明を説明する。

図２は、本発明のメタン発酵浄化システムで用いるメタン発酵浄化装置の基本的構成を模式的に示した図面である。図中、１はメタン発酵浄化装置、２はメタン発酵槽、３は導出管、４は戻し管、５はメタン発酵槽上面、６は導出管接続部、７は戻し管接続部、８は戻し管出口、９処理物投入口、１０はメタンガス分離部、１１は汚泥排出管を示し、２４は吹込み管、２５ａおよび２５ｃは、それぞれメタン配管を示す。

本発明のメタン発酵浄化装置１は、図２に示すように、メタン発酵槽２と、導出管３お、戻し管４および吹込み管２４で構成されている。このうち、メタン発酵槽２は、その上面５が、導出管接続部６で最も高い位置となるよう形成されている。具体的には、メタン発酵槽上面５は、導出管接続部６を頂点とする円錐あるいは四角錐型の形状であったり、導出管接続部６に向かって片流れの屋根の形状であっても良い。

上記した導出管接続部６から伸びる導出管３は、少なくとも導出管接続部６より高い位置において、戻し管４と接続する。すなわち、導出管３は、斜め上方に向かって伸び、この導出管３は、戻し管４と、戻し管接続部７において接続される。

この戻し管４は、ほぼ垂直に設けられた管であり、その上部にはメタンガス分離部１０を形成し、その下部は、発酵槽上部５を貫き、戻し管出口８でメタン発酵槽２と連通する。このメタンガス分離部１０は、メタンガス配管２５ａと接続されている。

また、前記戻し管４の上部には、処理物投入口９が設けられており、ここから糞尿、生ゴミ等が投入することができ、戻し管４から戻し管出口８を通じてメタン発酵槽２中に供給する。この処理物投入口９は、そこから処理物が流出しない位置であればどこであっても良い。例えば、図２に示すように、処理物投入口９とメタンガス分離部１０とを同じ位置に設けることもできるが、その場合は、例えば、Ｕ字管１２等を用いて、これらを分離し、メタンガスが漏出しないようにすることが望ましい。

図３は、このメタン発酵浄化槽１を利用したメタン発酵浄化システムの一態様の概要を示す図面である。図中、１、３、４、９および１０は、前記と同じであり、２１は送気装置、２２は脱硫装置、２３はメタンガス取出し口、２４は吹込み管、２５はメタンガス配管、２６は弁をそれぞれ示す。

図３のシステムにおいて、メタンガス分離部１０からメタンガス配管２５ａに出たメタンガスは、例えば、図３の脱硫装置２２に流入し、硫化水素が取り除かれる。脱硫装置２２としては、硫化水素を除去できればどのようなものであっても良く、例えば、水酸化鉄やゼオライト等を利用した脱硫装置や、水や石灰水でメタンガスを洗浄する装置等が挙げられる。なお、後記するメタンガスを処理物へ吹き込み、接触させることによっても硫化水素がある程度除去されるので、メタンガスにあまり高い精製度を求めない場合は、脱硫装置２２を省略することも可能である。

次いで、脱硫装置２２で浄化されたメタンガスは、送気装置２１の吸引力により、メタンガス配管２５ｂを通じて、送気装置２１に流入し、この送気装置２１の力で、メタンガス配管２５ｃから吹込み管２４を通じて、メタン発酵浄化槽１に吹き込まれる。この送気装置２１としては、一般の送風機（ブロワー）等を利用することができる。また、吹込み管２４は、数多くの孔が形成されており、かつ処理物中に突き出しているので、送気装置２１によりメタンガス配管２５ｃを通じて送り込まれたメタンガスを気泡状態で処理物中に放出させることができ、本来のメタン発酵で生じるメタン気泡と相俟って上方への強い流れを形成させることができる。この吹込み管２４としては、先端に気泡放出用穴のある棒状のものであっても良いが、先端をリング状とし、ここに気泡放出用穴を設けたものとすることが好ましい。

また、図３のシステムにおいては、脱硫装置２２と送気装置２１の間の配管に、弁２６を介してメタンガス取出し口２３が設置されており、配管２５ａ、脱硫装置２２、配管２５ｂ、送気装置２１および吹込み管２４と循環するメタンガスの濃度がある程度高くなった後には、ここからメタンガスを取り出し、利用することができる。

図４は、本発明のメタン発酵浄化システムの別の態様の概要を示す図面である。図中の各記号は、前記と同じである。本態様のメタン発酵浄化システムは、図３のものと、基本的に送気装置２１と脱硫装置２２の位置が異なる。すなわち、本態様のメタン発酵浄化システムでは、メタン発酵浄化槽１で発生したメタンガスは、メタンガス分離部１０から、メタンガス配管２５ｄを通り、直接送気装置２１に送り込まれる。

そして、この送気装置２１中のメタンガスは、その力によりメタンガス配管２５ｅを通じて脱硫装置２２に送り込まれ、脱硫される。この脱硫されたメタンガスは、メタンガス配管２５ｆを通じ吹込み管２４から気泡状態で処理物中に放出される。

このようにして、図４の態様のシステムでも、図３の態様のシステムと同様、メタン発酵槽２で生じたメタンガスを循環させることができるのであるが、送気装置２１と脱硫装置２２の位置が逆になるため、吹込み管２４から吹き込まれるメタンガスの吐出圧が低くなるため、これをなるべく上部に設けることが好ましい。例えば、低い圧力でも気泡として放出できるように、メタン発酵槽２の上部５付近に吹込み管２４を設けることが好ましい。

なお、吹込み管２４の位置も、吹き込んだメタンガスがなるべく長い距離を移動することで、全体の循環を良くするよう、導出管接続部６から離すことが望ましい。例えば、メタン発酵槽２の上面５が導出管接続部６を頂点とし、これに向かって片流れの屋根の形状である場合は、導出管接続部６と戻し管４は、メタン発酵槽２中での処理物が大きく循環するよう正反対の位置に設けられる（すなわち、導出管接続部６は上面５の最も高いところに設けられるのに対し、戻り管４は、上面５の最も低いところあるいはその近傍に設けられる）ことが好ましいが、上記吹込み管２４もこの戻し管４に近い位置に設けてメタンガスが広く処理物中に放出され、最終的に導出管接続部６に集められるようにすることが好ましい。また、図４では、送気装置２１の手前の配管に、弁２６を介してメタンガス取出し口２３が設置されているが、これに限らず、送気装置２１の後にメタンガス取り出し口を設けても良い。

本発明のシステムにおいて、低動力でありながら十分なメタン発酵が行われ、かつ安定に脱硫された、ある程度の濃度のメタンガスを供給し得る理由は、図３にシステムにより説明すれば次の通りである。すなわち、メタン発酵槽２中で生じたメタンガスの気泡は、処理物との混合物（以下、「含メタン処理物」という）の状態で、その浮力により、上部へと浮上を開始するが、前記のように既に生成していたメタンガスも、吹込み管２４を介して処理物中に吹き込まれるため、この力も加わって、含メタン処理物はより強い力で上方へ移動する。

そして、本発明システムで用いるメタン発酵槽２の上部５は、前記のように導出管接続部６が最も高い位置となるよう形成されているから、含メタン処理物はすべて導出管接続部６へ集まることになる。

この導出管接続部６は、図２にも示すように、斜め上方に向かって伸びている導出管３およびこれと続く戻し管４と接続しているから、含メタン処理物は、導出管３を通って強い力で上方に移動し、戻し管４上部に設けられたメタンガス分離部１０に至り、メタンガスと処理物に分かれる。

このようにしてメタンガス分離部１０において分離されたメタンガスは、配管２５ａおよび２５ｂを介した送気装置２１の吸引力により、配管２５ａから吹きこみ管２４へと循環を開始する。

一方、メタンガスが分離された処理物は、メタンガス気泡が無くなったことによる比重の増加と、また、継続的に導出管３を通って上方に移動して来る含メタン処理物の圧力によって、戻し管４を下に向かって流下し、戻し管出口８を通ってメタン発酵槽２に戻る。

このようなメカニズムが働くため、本発明メタン発酵浄化装置では少ない外部動力により処理物を循環、撹拌させることが可能となる。更に、処理物投入口９から、糞尿等を投入する場合には、それらが戻り管４を流れ落ちるため、この力によっても循環、撹拌が図れる。特に、図２に示すように、メタンガス分離部１０に処理物投入口９を設けた場合は、処理物上にスカムが発生しても投入される処理物によって戻し管４に戻され、メタン発酵槽へと戻ることになる。

図４のシステムでも、メタンガス分離部１０において分離されたメタンガスが、配管２５ｄを介した送気装置２１の吸引力により、脱硫装置２２を通った後、吹きこみ管２４へ吹き込まれ循環を開始する以外は、図３のシステムとほぼ同一である。

なお、本発明のシステムは、全体として密閉された構造であることが必要である。すなわち、空気が何れかから流入すると、これがメタンガス中に混入し、メタン発酵槽中に吹き込まれた場合に、嫌気条件が維持できなくなるためである。従って、本システムで用いるメタン発酵槽２は、空気等の流入しない密閉した構造のもの、例えば鉄製のタンクや、コンクリートで構成されたものが好ましい。

また、メタン発酵槽２の下部には、発酵での残留固形物を取り出すための汚泥排出管１１を設けることが好ましい。更に、本発明のメタン発生装置を寒冷地で利用する場合には、加熱をすることが好ましい。この場合、加熱機器を導出管３や、メタン発酵槽２中に設置しても良いが、導出管３に加熱機器を設置する方が構造的に簡単であり、好ましい。

以上のように構成された本発明によれば、発生するメタンガス気泡の浮力と、送気装置２１により送り込まれるメタンガス気泡の浮力を利用して常に処理物がメタン発酵槽２、導出管３および戻り管４の間を循環するため、少ない動力で撹拌することが可能である。しかも、吹き込むメタンガスは、空気と異なり酸素を含まないものであるため、メタン発酵の嫌気条件を妨げることはない。

また、発生したメタンガスは、メタンガス分離部１０から送気装置２１の吸引力に基づき、配管２５から吹きこみ管２４へと循環することで、濃度を高く、また圧力を高めることができるので、より安定に利用しやすいものとなる。特に、脱硫装置２２を設けた本発明システムにより得られる、硫化水素を除去した純度の高いメタンガスは広く一般向けに利用しやすいものである。

現在、畜産農家等では、家畜の糞と尿を分離し、糞は堆肥化し、尿は活性汚泥処理を行うことが主流であるが、本発明のメタン発酵浄化槽では糞尿の混合処理が可能なので、維持コストが大幅に低下させることができる。また、本発明のメタン発酵装置では、特段撹拌装置等を用いることはなく、送気装置を用いるだけであるので、その建設費も安価となるので、経済性が高く、畜産農家にとって極めて経済的なものである。

また、それに限らず、小規模酒造所の廃液、レストラン等の残飯あるいはゴミ処理場の生ゴミなどを処理し、メタンガスを得ることができるので、種々の事業所において広く利用しうるものである。

１ … … メタン発酵浄化装置
２ … … メタン発酵槽
３ … … 導出管
４ … … 戻し管
５ … … メタン発酵槽上面
６ … … 導出管接続部
７ … … 戻し管接続部
８ … … 戻し管出口
９ … … 処理物投入口
１０ … … メタンガス分離部
１１ … … 汚泥排出管
１２ … … Ｕ字管
２１ … … 送気装置
２２ … … 脱硫装置
２３ … … メタンガス取出し口
２４ … … 吹込み管
２５ … … メタンガス配管
２６ … … 弁

Claims

（１）メタン発酵槽と、当該メタン発酵槽で生成するメタンガスを、処理物とともにメ
タンガス分離部に導く導出管と、メタンガスを分離した後の処理物を前記メタン発酵
槽に戻す戻し管とを有し、前記メタン発酵槽の上面は、前記導出管接続部が最も高い
位置となるよう形成され、当該導出管は、少なくとも前記導出管接続部より高い位置
において、前記戻し管と接続し、前記戻し管の上部は、メタンガス分離部を形成し、
前記戻し管の下部は、前記メタン発酵槽と連通すると共に、処理物投入口を前記メタ
ンガス分離部または戻し管の上部に設けたメタン発酵浄化装置；
（２）前記メタン発酵浄化装置のメタンガス分離部とメタンガス配管で連通し、メタンガスを送気する送気装置；
（３）メタン発酵槽中に設けられ、前記送気装置と連通し、メタン発酵槽中にメタンガ
スを吹き込む吹込み管；および
（４）メタンガス配管の何れかに設けられたメタンガス取り出し部
を有することを特徴とするメタン発酵浄化システム。
メタンガス分離部と送気装置の間に脱硫装置を設けた請求項１記載のメタン発酵浄化システム。
送気装置の後に脱硫装置を設けた請求項１記載のメタン発酵浄化システム。
メタン発酵槽上面が、導出管接続部６を頂点とする円錐もしくは四角錐型の形状である請求項１ないし３の何れかの項記載のメタン発酵浄化システム。
メタン発酵槽上面が、導出管接続部６に向かって上ってゆく片流れ屋根の形状である請求項１ないし３の何れかの項記載のメタン発酵浄化システム。