JP2015051390A - メタン発酵処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘性の高濃度汚泥を十分に攪拌することができるメタン発酵処理装置を提供する。【解決手段】メタン発酵処理装置は、汚泥を貯留する消化槽１と、消化槽１内の汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを消化槽１内に戻す消化ガス移送機構８と、消化ガス移送機構８に接続され、消化ガスを気泡として消化槽１内に分散させるガス分散装置１６と、ガス分散装置１６よりも上方に配置され、消化ガスの気泡を含む汚泥を攪拌する攪拌翼４とを備えており、ガス分散装置１６は、消化槽１の底部に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高粘性を有する高濃度汚泥をメタン発酵処理するメタン発酵処理装置に関し、特に汚泥を攪拌する機械攪拌装置を備えたメタン発酵処理装置に関する。

メタン発酵処理装置は、下水汚泥、家畜糞尿、し尿汚泥、浄化槽汚泥、生活系または事業系の生ごみなどの有機性汚泥（以下、単に汚泥と呼ぶ）を処理することで、汚泥から発生した消化ガス中のメタンガスをエネルギーとして取り出すことができ、また汚泥を衛生的に処理することができる装置である。汚泥を発酵させてメタンガスを取り出すには、汚泥を十分に攪拌し、混合することが必要である。

汚泥を攪拌する手段として、消化ガスを用いたガス攪拌方式と、攪拌翼を用いた機械攪拌方式とが知られている。ガス攪拌方式は、加圧された消化ガスをメタン発酵処理装置の消化槽内に吹き込んで消化槽内の汚泥を流動させる攪拌方式である。ガス攪拌方式の中でもディフューザー方式とドラフトチューブ方式とが知られている。ディフューザー方式は消化槽内に消化ガスを吹き込み、吹き込まれた消化ガスの浮力により汚泥を上昇させ、消化槽内で循環させる。ドラフトチューブ方式は消化槽内に設置されたドラフトチューブ内に消化ガスを吹き込んでドラフトチューブ内に上昇流を発生させ、汚泥をこの上昇流に乗せて消化槽内で循環させる。機械攪拌方式は攪拌翼により消化槽内の汚泥を攪拌する攪拌方式である。

しかしながら、消化槽内の固形物濃度が約３％以上の高濃度汚泥を攪拌する場合、汚泥の粘度が高いため、ガス攪拌方式では導入するガス量を増やしても高濃度汚泥はほとんど流動しない。機械攪拌方式でも、攪拌翼と、汚泥の循環を補助するドラフトチューブとを併用しても高濃度汚泥はほとんど流動しない。その結果、汚泥の攪拌効率が低下して、汚泥を攪拌するための攪拌動力が増大するという問題が生じる。

特開平１１−９０４９１号公報 特開２００５−１８５８８６号公報 特開２００２−２６３６９３号公報 特開平５−２６９４９６号公報 特開平５−２９３５００号公報 特開２００４−４１９２９号公報

本発明は上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、高粘性の高濃度汚泥を十分に攪拌することができるメタン発酵処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、前記汚泥を貯留する消化槽と、前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記消化槽内に戻す消化ガス移送機構と、前記消化ガス移送機構に接続され、前記消化ガスを気泡として前記消化槽内に分散させるガス分散装置と、前記ガス分散装置よりも上方に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えており、前記ガス分散装置は、前記消化槽の底部に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ガス分散装置は前記消化槽の底部の内面に沿って配置されていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、前記汚泥を貯留する消化槽と、前記消化槽内に設けられたドラフトチューブと、前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記ドラフトチューブ内に導いて該ドラフトチューブ内に前記消化ガスの気泡を形成する消化ガス移送機構と、前記ドラフトチューブ内に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥の下降流を前記ドラフトチューブ内に形成する方向に回転することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも上方に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも下方に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥の上昇流を前記ドラフトチューブ内に形成する方向に回転することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも上方に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも下方に配置されていることを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、前記汚泥を貯留する消化槽と、前記汚泥を前記消化槽内に供給する汚泥供給管と、前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記汚泥供給管内に導いて該汚泥供給管内に前記消化ガスの気泡を形成する消化ガス移送機構と、前記消化槽内に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、消化ガスの汚泥への注入と、機械攪拌の併用によって、消化槽内の汚泥の粘性が低下する。したがって、消化槽内の汚泥を強力に攪拌でき、スカムの破砕や消化槽底部の壁面への汚泥の堆積防止が実現される。その結果、攪拌動力の削減と消化ガスの生成が良好に維持できる。また、消化槽の形状に関係なく、消化槽内の汚泥を強力に攪拌できる。

本発明に係るメタン発酵処理装置の一実施形態を示す模式図である。 ガス分散装置の変形例を示す模式図である。 図２に示すガス分散装置を上から見た図である。 図２に示すガス分散装置の変形例を示す模式図である。 図２に示すガス分散装置の他の変形例を示す模式図である。 図２に示すガス分散装置のさらに他の変形例を示す模式図である。 ガス分散装置の他の変形例を示す模式図である。 図７に示すガス分散装置を上から見た図である。 図７に示すガス分散装置の変形例を示す模式図である。 メタン発酵処理装置の他の実施形態を示す模式図である。 図１０に示すメタン発酵処理装置の攪拌翼を逆方向に回転させた状態を示す模式図である。 図１０に示すメタン発酵処理装置の変形例を示す模式図である。 図１２に示すメタン発酵処理装置の攪拌翼を逆方向に回転させた状態を示す模式図である。 メタン発酵処理装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図１４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。図１は、本発明に係るメタン発酵処理装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、メタン発酵処理装置は、汚泥を貯留する消化槽１と、汚泥を消化槽１内に供給する汚泥供給管３と、消化槽１内に供給された汚泥を攪拌する機械攪拌装置２とを備えている。機械攪拌装置２は、消化槽１内に配置された攪拌翼４と、攪拌翼４を回転させるモータなどからなる駆動装置６とを備えている。駆動装置６が駆動されると、攪拌翼４が回転して消化槽１内の汚泥を攪拌する。

メタン発酵処理装置は、汚泥から発生した消化ガスを回収し、消化ガスを外部に移送しつつ、回収した消化ガスの一部を消化槽１内に戻す消化ガス移送機構８と、消化槽１内に配置されたガス分散装置１６をさらに備えている。ガス分散装置１６は消化ガス移送機構８に接続されており、回収した消化ガスの一部はガス分散装置１６を通じて消化槽１内に戻されるようになっている。

消化ガス移送機構８は、回収した消化ガスを外部に移送しつつ、回収した消化ガスの一部を消化槽１に戻すガス移送管１０を備えている。ガス移送管１０は、その途中で分岐しており、一方には回収した消化ガスを貯留するガスホルダ１３が設けられており、他方にはガスホルダ１３内の消化ガスを消化槽１内に送るガス移送機１４が設けられている。ガス移送機１４は例えば、ガスブロワまたは圧縮機である。

ガス移送管１０の一端は、ガス入口９として消化槽１内の汚泥の上方に位置している。消化槽１内の汚泥から発生した消化ガスは、このガス入口９からガス移送管１０に導入される。ガス移送管１０は、ガス分散装置１６に接続されている。ガス移送管１０内に導入された消化ガスは、ガスホルダ１３内に貯留される。さらに、ガスホルダ１３内の消化ガスの一部はガス移送機１４により消化槽１内のガス分散装置１６に移送される。

ガス分散装置１６は、消化ガスを気泡として消化槽１内に分散させるように構成されている。このガス分散装置１６は消化槽１の底部に配置されている。図１に示すガス分散装置１６は消化槽１の底部からやや離間した位置に配置されているが、ガス分散装置１６を消化槽１の底部上に配置してもよい。攪拌翼４はガス分散装置１６よりも上方に配置されている。

次に、このように構成されたメタン発酵処理装置の動作について説明する。消化槽１内で発生した消化ガスはガス移送管１０内に導入され、ガス移送管１０を通ってガスホルダ１３に移送される。ガス移送機１４の駆動により、ガスホルダ１３内の消化ガスの一部はガス分散装置１６を介して消化槽１内に導入され、汚泥内に消化ガスの気泡を形成する。

この状態で、駆動装置６により攪拌翼４が回転されると、消化槽１の汚泥内に分散された消化ガスの気泡と消化槽１内の汚泥とが混合され、これによって消化槽１内の汚泥の粘度が低下する。したがって、攪拌翼４は、消化槽１内の汚泥を均一かつ十分に攪拌することができる。つまり、ガス分散装置１６から消化槽１内に消化ガスを注入し、同時に攪拌翼４を回転させることで、消化槽１内の汚泥の粘度を下げることができ、かつ汚泥の攪拌効率を向上させることができる。したがって、機械攪拌装置２は小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができる。

このように、メタン発酵処理装置は、消化ガスの注入と機械攪拌との相乗効果により消化槽１内の汚泥の粘度を下げることができる。したがって、消化槽１に投入される汚泥の濃度を一般的な消化槽よりも２〜４倍に高めることができる。結果として、消化槽１の容量をコンパクトにすることができる。具体的には、消化槽１の容量は、一般的な消化槽の容量の１／４〜１／８とすることができる。さらに、このメタン発酵処理装置は、汚泥の攪拌効率を向上させることができるので、汚泥の消化日数を従来よりも短縮することができる。具体的には、一般的な消化槽では、汚泥を消化するための消化日数は２０日〜３０日であったのに対し、消化槽１では、消化日数を１２日〜１５日に短縮することができる。

図２はガス分散装置１６の変形例を示す模式図である。図３は図２に示すガス分散装置１６を上から見た図である。図２および図３に示すように、ガス分散装置１６は環状形状を有しており、消化槽１の内面１ａに沿って配置されている。一般的なメタン発酵処理装置では、消化槽内の汚泥は自身の粘性により消化槽の内面に付着し、機械攪拌動作を妨げることがある。そこで、ガス分散装置１６は、消化ガスを処理槽１内の汚泥に注入し、消化槽１の内面１ａに沿って消化ガスの気泡の上昇流を形成する。

消化ガスの気泡の上昇流は、汚泥と内面１ａとの摩擦を低減させることによって、消化槽１内の汚泥の循環を改善する。したがって、機械攪拌装置２は小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができ、かつ汚泥の攪拌効率を向上させることができる。ガス分散装置１６は、消化槽１の内面１ａの全周に亘って配置されていることが好ましい。この場合、ガス分散装置１６の一部に切り欠きが形成されてもよく、または、ガス分散装置１６は、図４に示すように、消化槽１の内面１ａの全周に沿って配置された複数の散気部１８から構成されていてもよい。

図５に示すように、ガス分散装置１６は、第１の環状散気管１２Ａおよび第２の環状散気管１２Ｂを備えてもよい。これら環状散気管１２Ａ，１２Ｂは環状形状を有しており、同心円状に消化槽１内に配置されている。第１の環状散気管１２Ａは、消化槽１の内面１ａに沿うように配置されている。第２の環状散気管１２Ｂは、第１の環状散気管１２Ａの内側に配置されている。図６に示すように、環状散気管１２Ａ，１２Ｂの代わりに、複数の同心円（仮想的な円）に沿って配列された複数の散気部１８を消化槽１内に配置してもよい。

図７はガス分散装置１６の他の変形例を示す模式図である。図８は、図７に示すガス分散装置１６を上から見た図である。図７および図８に示すように、ガス分散装置１６は、半環状形状を有する２つの半環状散気管１１Ａ，１１Ｂを備えている。これら半環状散気管１１Ａ，１１Ｂは、消化槽１の内面１ａに沿うように配置されている。これら半環状散気管１１Ａ，１１Ｂはそれぞれガス移送管１０に接続されており、ガスホルダ１３内の消化ガスの一部はガス移送管１０を通って半環状散気管１１Ａ，１１Ｂに移送される。図８の半環状散気管１１Ａ，１１Ｂの代わりに図９に示すように、複数の散気部１８を消化槽１の内面１ａに沿うように配置してもよい。

図１０は、メタン発酵処理装置の他の実施形態を示す模式図である。図１０に示すメタン発酵処理装置は、消化槽１内に配置された円筒状のドラフトチューブ２０を備えている。このドラフトチューブ２０は鉛直方向に延びている。本実施形態は、ガス移送管１０の他端がガス出口１５としてドラフトチューブ２０の内部に配置されている点で先述の実施形態と異なっている。本実施形態に係るメタン発酵処理装置はガス分散装置１６を備えていない。

攪拌翼４は、ドラフトチューブ２０の内部に配置されており、消化ガス移送機構８（ガス移送管１０）のガス出口１５よりも上方に配置されている。ガスホルダ１３内に回収された消化ガスの一部は、攪拌翼４の下方の領域に導入され、ドラフトチューブ２０内に気泡を形成する。駆動装置６は攪拌翼４を回転させ、消化ガスの気泡を含んだ汚泥を攪拌する。攪拌翼４の回転方向は、消化ガスの気泡を含んだ汚泥の下降流がドラフトチューブ２０内に形成される方向である。

攪拌翼４が回転している間、消化ガスの気泡と混合された汚泥は、ドラフトチューブ２０内で下降し、ドラフトチューブ２０の下端開口から排出され、ドラフトチューブ２０の外側で上昇し、そしてドラフトチューブ２０の上端開口から吸入される。このように、処理槽１の内部には、ドラフトチューブ２０の内側を下降し、ドラフトチューブ２０の外側を上昇する汚泥の循環流が形成される。消化ガスの気泡を含んだ汚泥の循環流は、消化槽１内の汚泥の粘度を下げ、かつ汚泥の攪拌効率を向上させることができる。したがって、機械攪拌装置２は小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができる。

図１１に示すように、攪拌翼４を図１０に示す攪拌翼４とは逆方向に回転させてもよい。攪拌翼４が回転している間、消化ガスの気泡と混合された汚泥は、ドラフトチューブ２０内で上昇し、ドラフトチューブ２０の上端開口から排出され、ドラフトチューブ２０の外側で下降し、そしてドラフトチューブ２０の下端開口から吸入される。このように、処理槽１の内部には、ドラフトチューブ２０の内側を上昇し、ドラフトチューブ２０の外側を下降する汚泥の循環流が形成される。攪拌翼４はガス出口１５の上方に配置され、消化ガスの気泡を含んだ汚泥の上昇流がドラフトチューブ２０内に形成される。図１１に示す機械攪拌装置２は、図１０に示す機械攪拌装置２の動力よりも小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができる。

図１２に示すように、ドラフトチューブ２０内の攪拌翼４を、消化ガス移送機構８（ガス移送管１０）のガス出口１５の下方に配置してもよい。攪拌翼４は図１０に示す攪拌翼４とは逆方向に回転する。すなわち、攪拌翼４の回転方向は、消化ガスの気泡を含んだ汚泥の上昇流がドラフトチューブ２０内に形成される方向である。

攪拌翼４が回転している間、消化ガスの気泡と混合された汚泥は、ドラフトチューブ２０内で上昇し、ドラフトチューブ２０の上端開口から排出され、ドラフトチューブ２０の外側で下降し、そしてドラフトチューブ２０の下端開口から吸入される。このように、処理槽１の内部には、ドラフトチューブ２０の内側を上昇し、ドラフトチューブ２０の外側を下降する汚泥の循環流が形成される。消化ガスの気泡を含んだ汚泥の循環流は、消化槽１内の汚泥の粘度を下げ、かつ汚泥の攪拌効率を向上させることができる。したがって、機械攪拌装置２は小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができる。図１３に示すように、攪拌翼４を図１２に示す攪拌翼４とは逆方向に回転させてもよい。この場合、処理槽１の内部には、ドラフトチューブ２０の内側を下降し、ドラフトチューブ２０の外側を上昇する汚泥の循環流が形成される。

図１４は、メタン発酵処理装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。ガス移送管１０の他端は、消化槽１内に汚泥を供給する汚泥供給管３に接続される。ガスホルダ１３内に回収された消化ガスの一部はガス移送管１０を通じて汚泥供給管３内に導入され、汚泥内に気泡を形成する。汚泥供給管３内の汚泥は消化ガスと混合された状態で、消化槽１内に供給される。消化ガスの気泡を含んだ汚泥は、攪拌翼４の回転によって攪拌される。その結果、消化槽１内の汚泥の粘度が下がり、かつ汚泥の攪拌効率が向上する。したがって、機械攪拌装置２は小さな動力で十分に汚泥を攪拌することができる。

消化ガスと汚泥とをより効率よく混合させるために、汚泥供給管３に屈曲部を設けてもよい。汚泥が汚泥供給管３の屈曲部を通過するときに汚泥の流れに変化が生じ、消化ガスと汚泥とがより効率よく混合される。また、消化ガスと汚泥とを効率よく混合するためのラインミキサを汚泥供給管３内に設けてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ 消化槽
１ａ 内面
２ 機械攪拌装置
３ 汚泥供給管
４ 攪拌翼
６ 駆動装置
８ 消化ガス移送機構
９ ガス入口
１０ ガス移送管
１１Ａ，１１Ｂ 半環状散気管
１２Ａ 第１の環状散気管
１２Ｂ 第２の環状散気管
１３ ガスホルダ
１４ ガス移送機
１５ ガス出口
１６ ガス分散装置
１８ 散気部
２０ ドラフトチューブ

Claims (10)

1. 汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、
   前記汚泥を貯留する消化槽と、
   前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記消化槽内に戻す消化ガス移送機構と、
   前記消化ガス移送機構に接続され、前記消化ガスを気泡として前記消化槽内に分散させるガス分散装置と、
   前記ガス分散装置よりも上方に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えており、
   前記ガス分散装置は、前記消化槽の底部に配置されていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
2. 前記ガス分散装置は前記消化槽の底部の内面に沿って配置さ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処理装置。
3. 汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、
   前記汚泥を貯留する消化槽と、
   前記消化槽内に設けられたドラフトチューブと、
   前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記ドラフトチューブ内に導いて該ドラフトチューブ内に前記消化ガスの気泡を形成する消化ガス移送機構と、
   前記ドラフトチューブ内に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えたことを特徴とするメタン発酵処理装置。
4. 前記攪拌翼は、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥の下降流を前記ドラフトチューブ内に形成する方向に回転することを特徴とする請求項３に記載のメタン発酵処理装置。
5. 前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のメタン発酵処理装置。
6. 前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のメタン発酵処理装置。
7. 前記攪拌翼は、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥の上昇流を前記ドラフトチューブ内に形成する方向に回転することを特徴とする請求項３に記載のメタン発酵処理装置。
8. 前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のメタン発酵処理装置。
9. 前記攪拌翼は、前記消化ガス移送機構のガス出口よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のメタン発酵処理装置。
10. 汚泥を発酵させて消化ガスを回収するメタン発酵処理装置において、
    前記汚泥を貯留する消化槽と、
    前記汚泥を前記消化槽内に供給する汚泥供給管と、
    前記消化槽内の前記汚泥から発生した消化ガスを回収し、回収した消化ガスを前記汚泥供給管内に導いて該汚泥供給管内に前記消化ガスの気泡を形成する消化ガス移送機構と、
    前記消化槽内に配置され、前記消化ガスの気泡を含む前記汚泥を攪拌する攪拌翼とを備えたことを特徴とするメタン発酵処理装置。

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