JP2021193990A - 無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様なバイオマスを効率良くメタン発酵することができる、メタン発酵方法および発酵装置の提供。【解決手段】無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置であって、発酵槽の内部に圧密抑制棒と摺動板を有し、且つ発酵槽の内部に強制的な攪拌装置を設けないこと、圧密抑制棒と摺動板が発酵温度を確保するための伝熱材の機能を有すること、発酵槽を単独又は複数基有すること、発酵槽を複数、任意の基数を有する場合には各発酵槽が回分式で運用されること、を特徴とする、無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置に関する。

メタン発酵の歴史は古く、その原料は様々な有機物である。メタン発酵は、有機物を発酵槽で低分子化して、メタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスに転換する。

メタン発酵から得られるバイオガスには可燃性ガスであるメタンが５０〜６０％含まれており、このメタンをガスボイラーで熱に変換して発酵槽の加温や他の資源の乾燥等に、或いは、他のプロセスの燃料、メタンを利用したガス発電等に用いられている。また、発酵残渣は、直接、或いは乾燥やコンポスト化を経て緑農地に利用される。乾燥物は、炭化の原料や燃料の原料ともなり得る。

地域社会における有機物には、食料・食物の他に、未利用バイオマスと称される生ごみ、家畜糞尿、汚水処理由来の汚泥、工場加工残渣、作物栽培残渣、緑地管理由来の草木、湖沼・海域からの藻類等の多種、多様のものがあり、これらの有機物は、全てがメタン発酵の原料と成り得るものである。

本発明は、この未利用バイオマスを地域社会の保全のために、資源として位置づけ、その一法としてメタン発酵による資源化利用を行うとするものである。

メタン発酵のリアクター形式には種々の方法が提案され、実用化されているものもあるが、未利用となっているバイオマスに適用できる有効なリアクター形式は少なく、よって未利用となっている。

社会的に受け入れられる技術とするためには、投入エネルギーを少なく、装置をシンプルにすることが重要であり、本発明は、これらを解決する方法と装置を提供するものである。

メタン発酵の要点は、原料となる有機物の種類と性状に応じて、発酵微生物の生育環境を整えることであり、その主要は、発酵微生物の供給、必要な栄養塩とミネラル、発酵日数および発酵温度である。

ここで、発酵微生物は、メタン発酵後の発酵残渣を返送利用でき、栄養塩とミネラルは化学製品の添加も可能であるが、下水処理場から得られる下水汚泥が適している。下水汚泥は発酵微生物の供給としても働く。これらは、仕込み条件として、発酵槽に仕込む前に原料の有機物の性状に応じた適量が混合される。

仕込まれた発酵槽は、その運用方法と工学的な目的から発酵日数と発酵温度が設定される。発酵温度は３０℃〜５５℃の範囲で、発酵日数は１５日より長い日数が設定される場合が多い。

発酵槽内においては、設定された発酵温度が維持され、必要な発酵日数の間、発酵物が滞留することになる。本発明は、この間の発酵物の動きと状態がメタン発酵装置の良否を決めると考え、この槽内において発酵物が設定された温度のもと無攪拌の状態で円滑に発酵できるリアクター方式、即ち無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置を考案したものである。

特許第４６２６３３２号 特許第６２４９１５２号 特許第６５５００９７号

本発明が解決しようとする課題は、多種、多様なバイオマスを効率良くメタン発酵することができる方法と装置を提供することである。

実施形態の無攪拌式メタン発酵方法および装置は、発酵槽の内部構造にある。仕込み条件により調整された発酵原料は、発酵槽の上部から投入され、投入口は密閉される。投入された発酵原料は、槽内に堆積され、必要な発酵日数の間、静かに放置される。発明の特徴は、この放置の間における発酵物の状態を良好に保つことにある。発酵原料の形状、性状が粒状、塊状に近い場合は、発酵物が過度な圧密状態とならないように、鉄製の棒材、即ち圧密抑制棒が槽を横断するように、槽の大きさと発酵原料の性状に応じて配置される。過度な圧密が危惧されない状態においては、発酵が終了した時点で切り出す際に、円滑に槽の下部まで移動する必要があり、このために、発酵物間で形成されたブリッジや発酵槽壁面との摩擦による移動抵抗やブリッジ化を防ぐ鉄製の板、即ち摺動板が槽の規模や発酵原料の性状に応じて槽の垂直方向に平行に配置され、槽の壁面も鉄製板で施工され同様の機能を有す。ここで、圧密抑制棒と摺動板は、槽内の発酵温度を維持するために、間接的に熱量が供給される伝熱材の役割を担い、その材質は、発酵微生物の活性を阻害せず、どちらかというと良好に作用し、且つ熱伝導率の高い特性を有する鉄材、又は鉄材以上の材質を有する資材とする。

メタン発酵においては発酵槽内部を攪拌する形式が主であり、相応の攪拌装置と動力を必要としているが、本発明により発酵槽内の攪拌が不要となり、設備経費の軽減と省エネルギー化が可能となる。

第１の実施形態を示す模式図。 第２の実施形態を示す模式図。 第３の実施形態を示す模式図。

以下、実施形態の無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置を、図面を参照して説明する。実施形態のメタン発酵の対象・原料は、地域社会の活動から発生する様々な未利用のバイオマスである。

主原料と栄養塩、ミネラル、発酵微生物等が仕込み条件に応じて混合されたものが発酵槽に投入され、発酵槽では無攪拌のもとで必要な温度で、必要期間、発酵され、発酵が終了した発酵残渣は槽の下部から切り出される。

［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態について図１を参照して説明する。
図１に示す無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置は、様々な種類のバイオマスをメタン発酵する方法および装置である。図１は、正面からみた断面図であり、図に示す１は発酵槽の躯体である。２は、仕込み条件により混合調整された発酵原料の投入口である。３は、発酵過程で発生するバイオガスの排出ラインである。４は、発酵が終了した発酵残渣の切り出し装置である。５は、発酵過程において発酵物の過度な圧密を防止するための圧密抑制棒である。６は、発酵過程にあった発酵物の切り出しに際して、ブリッジ等を形成せずに円滑に下部に移動できるようにするための内部に設けられる摺動板である。７は、発酵槽の側面に施工される摺動板である。８は、発酵物を切り出し装置に導く傾斜板である。９は、発酵槽躯体の下部に形成される躯体・底部空間である。１０は、仕込まれた発酵物の堆積表面部を表している。

図１における５…圧密抑制板、６…内部摺動板、７…側面摺動板および８…切り出し用傾斜板の材質は、発酵微生物の活性を阻害せず、どちらかというと良好に作用し、且つ熱伝導率の高い特性を有する鉄材、又は、その鉄材以上の材質を有する材料とする。

第１の実施形態における発酵温度を維持するための熱量の供給方法は、２つある。一つは、５、６、７、８の鉄製板を二重構造とし、内部に温風や蒸気を送る方法であり、これら熱量の導入・循環ラインは、８…切り出し用傾斜版の任意の場所に入りと出のパイプを接続する方法で達成される。他の一つは、９…躯体・底部空間に温風を供給する方法であり、この場合、供給する熱は８…切り出し用傾斜版を介して伝わる構造となる。

５…圧密抑制棒と、６…内部摺動板の設置数および大きさは、発酵槽の規模と仕込まれる原料の種類・性状により決められる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、一つの躯体の中に複数の発酵槽を設けるものである。

以下、第２の実施形態について図２を参照して説明する。
図２は、１つの躯体の中に２つの発酵槽を設ける例の正面・断面図であり、発酵槽の躯体の強度が堅固であるならば、２つ以上の発酵槽を設けることができる。発酵槽の個々の部位の名称、役割は、第１の実施形態に示された図１と同様の機能を有するものである。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、独立した発酵槽を複数設け、各発酵槽は回分式の運転法が取られる方法である。

以下、第３の実施形態について図３を参照して説明する。
図３は、個々に独立した発酵槽が複数配置される例の平面・配置図である。各発酵槽では、仕込まれた時点から切り出される時点、即ち必要な発酵日数が経過した時点まで、外気と遮断された静置状態に置かれる。

この形態の実施方法は、例えば、発酵槽を８基設け、１週間に１回、１槽目に十分量を仕込み、その槽が７週経過した時点で全量を切り出す。これを各槽に順次実施し、繰り返して行く方法を取る。

第３の実施形態は、事業規模が大きい場合や、運転管理の要員配置に制限がある場合等に柔軟に適用できる方法である。

各発酵槽は、第１の実施形態に示された図１と同様の名称と機能を有する。

未利用バイオマスのメタン発酵性の可能性を調べるために、セルロースパウダーを用いた実験を行い、発酵微生物と栄養塩、ミネラルが整うと３０℃以上で容易にメタン発酵が起こることが示され、バイオマスは種類を問わずメタン発酵の原料となることが分かった。

未利用バイオマスとして、爆砕木質、厨芥、シメジ栽培廃菌床および干草について、下水汚泥との混合メタン発酵試験を３０〜３５℃の発酵温度で行った結果、爆砕木質では７００ｍ^３−ｇａｓ／ｔ−ＤＳ、３００ｍ_３−ＣＨ_４／ｔ−ＤＳ、厨芥では、１、０００ｍ^３−ｇａｓ／ｔ−ＴＳ、６８０ｍ_３−ＣＨ_４／ｔ−ＴＳ、シメジ栽培廃菌床では、２００ｍ^３−ｇａｓ／ｔ−ＤＳ、１２０ｍ_３−ＣＨ_４／ｔ−ＤＳ、干し草からは３９０ｍ^３−ｇａｓ／ｔ−ＤＳ、２００ｍ_３−ＣＨ_４／ｔ−ＤＳ等のガス発生率が得られ、十分活用が可能と示された。また、根菜やホテアオイについても試験したが、容易に加水分解され現状有姿は早々に崩れ、厨芥の分解性、メタン発酵性に近いと判断された。

課題は、省エネ型のリアクター形式にあると考えられた。そこで、未利用バイオマスの発生・保管現地の状況を踏査した結果、外見は堅固に見える保管状況にあっても悪臭を放ち、生物分解が進行していることは明らかであった。また、重機による移動操作からは、バイオマスの種類により動態に特徴あることが分かり、それが、静的メタン発酵性の可能性を示唆するものであり、そのポイントが発生するバイオガスの円滑な移動・分離と発酵物の円滑な切り出しにあること、前者に対しては圧密抑制棒を、後者に対しては摺動板を見い出し、更にこれらに熱伝導を担わせ、且つ生物学的に安全な鉄材を適用する方法に至った。

我が国には食物栽培やその加工からの残渣、湖沼や緑地管理から発生する藻類や草木類、有機性排水処理由来の汚泥等、様々な未利用バイオマスが大量に存在し、これらは全てがエネルギー資源と成り得るものであり、そのエネルギー資源の回収方法の一法としてメタン発酵は重要なプロセスと位置付けられ健全な産業発展に寄与するものである。

１…発酵槽躯体、２…発酵原料投入口、３…バイオガスライン
４…発酵物切り出し装置、５…伝熱兼・圧密抑制棒
６…伝熱兼・摺動板、７…伝熱兼・側壁板
８…伝熱兼・切り出し用傾斜板、９…躯体・底部空間
１０…発酵物表面

Claims (4)

1. 発酵槽の内部に圧密抑制棒と摺動板を有し、且つ発酵槽の内部に強制的な攪拌装置を設けないことを特徴とする無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置
2. 請求項１において、圧密抑制棒と摺動板が発酵温度を確保するための伝熱材の機能を有することを特徴とする無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置
3. １つの躯体の内部に、請求項１および請求項２を満足する発酵槽を単独、又は複数基を有することを特徴とする無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置
4. 請求項１、請求項２および請求項３において、発酵槽の複数、任意の基数を有し、各発酵槽は回分式で運用される方法を特徴とする無攪拌式メタン発酵方法および発酵装置

Images