JP4206010B2

JP4206010B2 - 温度成層旋回流型発酵槽

Info

Publication number: JP4206010B2
Application number: JP2003306087A
Authority: JP
Inventors: 徹美馬
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005074275A

Description

本発明は、有機系廃棄物等の資源リサイクル技術や、バイオガス製造技術、微生物反応技術等において、有機系被処理液中の有機系廃棄物をメタン菌によって分解させるための発酵槽に関するものである。

家庭の生ごみ、家畜のふん尿、農産物の残渣や汚泥等の有機系廃棄物を含む有機系被処理液を、発酵槽内で微生物の作用でメタン醗酵させることによって生成されたバイオガス（主にメタンＣＨ_４）は、これを燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等によって電力に変換したり、燃焼によって熱エネルギに変換することができる一方、発酵後の消化液からは、液肥や堆肥を得ることができるので、このような発酵技術は、クリーンエネルギの供給や資源リサイクルを図るうえできわめて重要である。

上述のような有機系被処理液からバイオガスを生成させる場合、バイオガスの発生を効率良く行うためには、有機系被処理液を中温発酵（摂氏３５度付近の温度環境での発酵）させた後に、高温発酵（摂氏５５度付近の温度環境での発酵）を行うことが有効である。これは、それぞれの温度環境で活動するメタン菌（中温メタン菌及び高温メタン菌）を利用して有機系被処理液を分解するもので、例えば有機物の濃度が高い場合などは、中温発酵だけでは発酵が適切に行われなくなることがあるが、後段に高温発酵プロセスをおくことによって、発酵効率を上げることができる。従来、このような技術としては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。
特開２００３−２４９１２（第２図及び第３図参照）

図４は、有機系被処理液を中温発酵後に高温発酵させる従来のバイオガス生成システムを概略的に示す説明図である。図４における参照符号１０１は中温発酵槽で、この中温発酵槽１０１には、有機系廃棄物を含む有機系被処理液Ｌが、加熱装置１０２によって摂氏３５度程度に加熱されつつ、配管１０３を通じて供給されている。中温発酵槽１０１内に貯留された有機系被処理液Ｌは、側壁に設けられた保温装置１０４によって上記温度に保温されるので、中温メタン菌によって発酵し、これによって発生したバイオガスＧが液中を気泡Ｂとなって浮上し、液面上の気室１０１ａに開口した配管１０５を通じて回収され、電力や熱エネルギ源として供される。そして、中温発酵槽１０１内の有機系被処理液Ｌは、配管１０３から槽下部へ順次供給される新たな有機系被処理液Ｌによって徐々に押し上げられるので、貯留時間（発酵時間）の長い液面側から、配管１０６を通じて、ポンプ１０７によって高温発酵槽１０８へ送られる。

中温発酵槽１０１から配管１０６を通じて高温発酵槽１０８へ供給される有機系被処理液Ｌは、配管１０６の中途に設けられた加熱装置１０９によって、中温メタン菌による発酵に適した摂氏３５度程度から、高温メタン菌による発酵に適した摂氏５５度程度まで加熱される。そして高温発酵槽１０８内に貯留された有機系被処理液Ｌは、側壁に設けられた保温装置１１０によって上記温度に保温されるので、高温メタン菌によって発酵し、これによって発生したバイオガスＧが液中を気泡Ｂとなって浮上し、液面上の気室１０８ａに開口した配管１１１を通じて回収され、中温発酵槽１０１からのバイオガスＧと共に電力や熱エネルギ源として供される。

また、高温発酵槽１０８内の有機系被処理液Ｌは、中温発酵槽１０１から配管１０６を通じて槽下部へ順次供給される有機系被処理液Ｌによって徐々に押し上げられるので、発酵が十分に進んだ消化液Ｌ’が、配管１１２を通じてポンプ１１３によって順次排出され、液肥化あるいは排水処理等の次工程へ送られる。

中温発酵槽１０１や高温発酵槽１０８には、回転する撹拌羽根を設けて、有機系被処理液Ｌを撹拌混合させるようにしたものもあるが、この場合は、中温発酵槽１０１あるいは高温発酵槽１０８に供給された有機系被処理液Ｌの一部が、十分に発酵されることなく出口から排出されてしまうことが避けられない。これに対し、上述のような押し出し式（ピストン式）のものは、貯留時間（発酵時間）の長い順に出口側へ押し出されるので、そのようなことはない。

しかしながら、上記従来の技術では、中温発酵槽１０１と高温発酵槽１０８の二槽が必要であり、配管やポンプ、保温装置等を中温発酵槽１０１と高温発酵槽１０８のそれぞれに設けなければならないので、コストアップが避けられず、設置スペースも大きくならざるを得なかった。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、有機系被処理液に含まれる有機系廃棄物を、低コストで、かつ効率良く発酵させることの可能な発酵槽を提供することにある。

上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、槽本体と、この槽本体内の下端部へ有機系被処理液を供給する原液供給部と、前記槽本体内へ送られる有機系被処理液を中温発酵温度に加熱する第一加熱装置と、前記槽本体内の液貯留高さの中間位置に配置されてその上側の有機系被処理液を中温発酵温度から高温発酵温度に加熱する第二加熱装置と、この第二加熱装置より上方であって前記槽本体内の有機系被処理液の液面下に開口した消化液排出部と、前記槽本体内の上部気室に開口したバイオガス排出部とを備え、前記原液供給部が、槽本体内の有機系被処理液に旋回流を与える方向へ開口され、前記第二加熱装置が、平面的に配置された蛇管又はコイル状配管からなり、下方から上方へ前記有機系被処理液が均一に通過可能な隙間を有するものである。

なお、ここでいう有機系被処理液とは、家庭の生ごみ、家畜のふん尿、農産物の残渣や汚泥等の有機系廃棄物を１種類以上混合した液体のことであり、中温発酵温度とは、良く知られているように、中温メタン菌による発酵に適したほぼ摂氏３０〜４０度の温度環境のことであり、高温発酵温度とは、良く知られているように、高温メタン菌による発酵に適したほぼ摂氏５０〜６０度の温度環境のことである。

請求項２の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、請求項１に記載の構成において、槽本体の側壁に、第二加熱装置より下側の有機系被処理液を中温発酵温度に保温する第一保温装置と、前記第二加熱装置より上側の有機系被処理液を高温発酵温度に保温する第二保温装置が設けられたものである。

請求項３の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、請求項１又は２に記載の構成において、消化液排出部の開口部が、有機系被処理液の旋回中心に位置するものである。

請求項１の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、一つの槽本体内に、第二加熱装置を境にして、中温発酵領域とその上側の高温発酵領域からなる温度成層状態を創出し、中温発酵領域での中温発酵と、高温発酵領域での高温発酵を行うものであるため、従来の二槽式のものに比較して構造が簡素になり、設置スペースを小さくすることができると共に、撹拌装置を用いないため、コストを低減することができる。また、原液供給部からの吐出流によって、槽本体内の有機系被処理液が旋回しながら、下部中温発酵領域、蛇管又はコイル状配管からなる第二加熱装置の隙間及び上部高温発酵領域を経由して順次送り出され、滞留時間の長い順に排出されるので、下側の中温発酵領域から上側の高温発酵領域へ押し上げられる有機系被処理液を、中温発酵温度から高温発酵温度へ効率良く加温して、十分なメタン発酵を行うことができる。

請求項２の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、槽本体の内部が、第二加熱装置を境にして、第一保温装置によってほぼ一様な中温発酵温度環境に保たれた下部中温発酵領域と、第二保温装置によってほぼ一様な高温発酵温度環境に保たれた上部高温発酵領域との温度成層状態を創出するため、中温発酵領域での中温発酵及び高温発酵領域での高温発酵を安定的に行うことができる。

請求項３の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、消化液排出部の開口部を、有機系被処理液の旋回中心に設けたことによって、槽本体内の安定した旋回流を維持することができる。

以下、本発明に係る温度成層旋回流型発酵槽の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る温度成層旋回流型発酵槽の概略構成を示す鉛直断面図、図２及び図３は、旋回流の発生原理を示す説明図である。

図１に示される形態による温度成層旋回流型発酵槽は、槽本体１と、この槽本体１内の下部へ有機系被処理液Ｌを供給する原液供給部２と、槽本体１内へ送られる有機系被処理液Ｌを中温発酵温度、すなわち摂氏３５度程度に加熱する第一加熱装置３と、槽本体１内の液貯留高さの中間高さに配置されてその上側の有機系被処理液Ｌを中温発酵温度から高温発酵温度すなわち摂氏５５度程度に加熱する第二加熱装置４と、この第二加熱装置４より上方であって槽本体１内の有機系被処理液Ｌの液面下に開口した消化液排出部５と、槽本体１の上部から外部へ延びるバイオガス排出部６とを備える。

槽本体１は、密閉円筒状の金属容器からなるものであって、基礎１１上に固定され、側壁外周には、第二加熱装置４より下側に位置する第一保温装置７と、その上側に位置する第二保温装置８が取り付けられている。また、第一保温装置７及び第二保温装置８を含む槽本体１の側壁１ａ及び天板部１ｂの外側は、断熱材からなる断熱層１２及び外装材で被覆されている。

原液供給部２は、液供給配管２１及びその中途に設けられたポンプ２２からなる。液供給配管２１の下流部は複数の管路に分岐している。そして、その下流端部のノズル２１ａ，２１ａは、槽本体１内の底部１ｃ近傍において、例えば図２に示されるように、槽本体１の円筒状の側壁１ａにおける円周方向１８０度対称位置で、この円周に対するほぼ接線方向へ、回転対称に開口している。したがって、液供給配管２１のノズル２１ａ，２１ａから吐出される有機系被処理液Ｌの接線方向の吐出流Ｆ_１，Ｆ_１は、槽本体１の内側面に沿った円周方向の流れとなり、貯留された有機系被処理液Ｌ全体に、一様な旋回流Ｆ_２を生じさせるようになっている。

なお、原液供給部２における液供給配管２１の下流端部のノズル２１ａは、図３に示されるように、槽本体１の円筒状の側壁１ａにおける円周方向３箇所以上に、接線方向へ互いに回転対称に開口させても良い。

第一加熱装置３は、温水を通す蛇管又はコイル状配管３ａを有する熱交換器であり、原液供給部２における液供給配管２１の中途に接続されて、先に説明したように、槽本体１内へ送られる有機系被処理液Ｌを摂氏３０〜４０度、好ましくは摂氏３５度程度に加熱するものである。

第二加熱装置４は、温水を通す蛇管又はコイル状配管を平面的に配置した熱交換器であって、槽本体１内の液貯留部を、下部中温発酵領域１０Ａと、上部高温発酵領域１０Ｂに分割するように設けられている。この第二加熱装置４は、これを構成する蛇管又はコイル状配管の間に、有機系被処理液Ｌや、下部中温発酵領域１０Ａで発生したバイオガスの通過を許容する隙間４ａが形成されており、下部中温発酵領域１０Ａから上部高温発酵領域１０Ｂへ向けて前記隙間４ａ通過する有機系被処理液Ｌを、摂氏５０〜６０度、好ましくは摂氏５５度程度に効率良く加熱するものである。

消化液排出部５は、槽本体１及びその外側の断熱層１２の上部を貫通して配設された配管５１と、槽本体１の外部で配管５１の中途に設けられたポンプ５２とを備える。配管５１の内端開口部５１ａは、槽本体１内における有機系被処理液Ｌの旋回流Ｆ_２のほぼ中心位置（旋回中心Ｏ）、言い換えれば円筒状の槽本体１のほぼ軸心位置にあって、かつ上部高温発酵領域１０Ｂの上端近傍、好ましくは有機系被処理液Ｌの液面上の上部気室１０ＣからバイオガスＧを吸い込むことがないように、有機系被処理液Ｌの液面レベルｈよりも１５ｃｍ程度下側にある。

バイオガス排出部６は、槽本体１の天板部１ｂに開口６１ａした配管６１と、その中途に設けられたポンプ６２とを備え、配管６１の下流端部は、不図示のガス回収部に接続されている。

第一保温装置７は、第二加熱装置４の設置高さより下側に位置して槽本体１の外周を取り巻くように設けられたコイル状配管又は温水ジャケットからなる熱交換器であって、温水を通すことによって、槽本体１の下部中温発酵領域１０Ａ内の有機系被処理液Ｌを摂氏３５度程度に保温するものである。また、第二保温装置８は、第一保温装置７の上側で槽本体１の外周を取り巻くように設けられたコイル状配管又は温水ジャケットからなる熱交換器であって、温水を通すことによって、槽本体１の上部高温発酵領域１０Ｂ内の有機系被処理液Ｌを摂氏５５度程度に保温するものである。

以上の構成を備える温度成層旋回流型発酵槽によれば、中温発酵を行う下部中温発酵領域１０Ａと、高温発酵を行う上部高温発酵領域１０Ｂが、単一の槽本体１内に設けられているので、配管等の設備が従来の二槽式のものに比較して簡素になって、コストを低減することができると共に、設置スペースを小さくすることができる。

次に、この形態の温度成層旋回流型発酵槽による有機系被処理液Ｌの処理について説明する。なお、原液供給部２から槽本体１へ供給される有機系被処理液Ｌは、例えば下水あるいは水道水などに、家庭の生ごみを粉砕したスラリー、農産物の残渣等を粉砕したスラリー、家畜のふん尿、浄化槽の汚泥等、一種類以上の有機系廃棄物を混合したものである。また、発酵に必要なメタン菌（中温メタン菌及び高温メタン菌）は、通常、ふんなどに存在するので、プラントを急いで立ち上げる必要がない場合は敢えて添加する必要はないが、好ましくは、原液供給部２に投入される有機系被処理液Ｌに、予めメタン菌を添加する。

まず、原液供給部２からの有機系被処理液Ｌは、槽本体１内における下部中温発酵領域１０Ａの下端部へ連続して送られる過程で、第一加熱装置３によって摂氏３５度程度に加熱される。一方、消化液排出部５では、ポンプ５２の駆動によって、原液供給部２からの供給流量と同じ流量で、発酵の進んだ有機系被処理液Ｌ（消化液Ｌ’）を排出しており、これによって、槽本体１内に貯留された有機系被処理液Ｌの液面レベルｈがほぼ一定に維持される。

原液供給部２における液供給配管２１の下流端部の各ノズル２１ａ，２１ａから槽本体１内における下部中温発酵領域１０Ａの下端部（底部１ｃ近傍）の外周部に、図２に示されるように、接線方向へ吐出される有機系被処理液Ｌの吐出流Ｆ_１，Ｆ_１によって、槽本体１内に供給された有機系被処理液Ｌには、槽本体１の鉛直軸心を旋回中心Ｏとする層流状の旋回流Ｆ_２が与えられる。そして、この有機系被処理液Ｌは、各ノズル２１ａ，２１ａから槽本体１内の下部外周へ一定の吐出流量で継続的に供給されることによって、ピストン的に下部から上部へ順次押し上げられて行く。

槽本体１内における下部中温発酵領域１０Ａに供給される有機系被処理液Ｌは、第一加熱装置３によって、中温メタン菌による発酵に適した摂氏３５度程度に加熱されると共に、その温度が断熱層１２及び第一保温装置７によって維持される。有機系被処理液Ｌ中の中温メタン菌、高温メタン菌は、中温、高温の両環境で生息するが、中温環境では、中温メタン菌が活発に繁殖、活動する。このため、下部中温発酵領域１０Ａでの滞留過程では、主に中温メタン菌による分解（中温発酵）が行われ、メタンを主成分とするバイオガスＧを発生する。発生したバイオガスＧは微細な気泡Ｂとなって、下部中温発酵領域１０Ａから第二加熱装置４の隙間４ａを通って上部高温発酵領域１０Ｂへ液中を浮上し、その液面から上部気室１０Ｃへ放出される。

有機系被処理液Ｌは、下部中温発酵領域１０Ａ内を、中温発酵の進行と共に、先に説明したように、ピストン的に順次押し上げられて行くので、やがて下部中温発酵領域１０Ａの上部から、第二加熱装置４を構成する蛇管又はコイル状配管の隙間４ａを介して上部高温発酵領域１０Ｂへ押し上げられる。このため、撹拌装置によって強制的に撹拌した場合のように、下部中温発酵領域１０Ａに供給されたばかりの有機系被処理液Ｌの一部が、滞留時間の長い有機系被処理液Ｌと共に上部高温発酵領域１０Ｂへ移動してしまうようなことがなく、下部中温発酵領域１０Ａ内での滞留時間の長いものから順に上部高温発酵領域１０Ｂへ押し上げられるので、十分な中温発酵を行うことができる。しかも、撹拌装置が不要であるため、コストも低減される。

下部中温発酵領域１０Ａ内で中温発酵に適した摂氏３５度程度に保温されていた有機系被処理液Ｌは、第二加熱装置４の隙間４ａを上部高温発酵領域１０Ｂへ通過する際に、高温メタン菌による発酵に適した摂氏５５度程度に加熱されると共に、その温度が断熱層１２及び第二保温装置８によって維持される。このため、槽本体１内は、第二加熱装置４を境にして、ほぼ一様な中温発酵温度環境に保たれた下部中温発酵領域１０Ａと、ほぼ一様な高温発酵温度環境に保たれた上部高温発酵領域１０Ｂとに明確に分けられた温度成層状態となっている。

有機系被処理液Ｌ中の高温メタン菌は、高温環境で活発に繁殖、活動する。このため、有機系被処理液Ｌは、上部高温発酵領域１０Ｂでの滞留過程で、主に高温メタン菌による高速分解（高温発酵）が行われ、メタンを主成分とするバイオガスＧを発生する。発生したバイオガスＧは微細な気泡Ｂとなって、上部高温発酵領域１０Ｂの液中を浮上し、その液面から上部気室１０Ｃへ放出される。

また、下部中温発酵領域１０Ａ内で液供給配管２１の下流端部の各ノズル２１ａ，２１ａによって与えられた旋回力は、第二加熱装置４の隙間４ａを介して上部高温発酵領域１０Ｂ内に伝達される。また、消化液排出部５による排出口（開口５１ａ）が、図２に示される旋回中心Ｏに位置しているので、液面付近まで押し上げられた有機系被処理液Ｌは、旋回しながら徐々に向心方向へ移動することになる。したがって、上部高温発酵領域１０Ｂ内の旋回流Ｆ_２が乱されることがなく、安定した旋回状態が維持される。

上部高温発酵領域１０Ｂ内の有機系被処理液Ｌは、旋回流Ｆ_２によって徐々に混合しながら、上述の高温発酵の進行と共にピストン的に順次押し上げられて行くため、撹拌装置によって強制的に撹拌した場合のように、下部中温発酵領域１０Ａから上部高温発酵領域１０Ｂへ送られたばかりの有機系被処理液Ｌの一部が、上部高温発酵領域１０Ｂでの滞留時間の長い有機系被処理液Ｌと共に消化液排出部５から排出されてしまうようなことがなく、高温発酵による十分な分解を行うことができる。しかも、撹拌装置が不要であるため、コストも低減される。

下部中温発酵領域１０Ａでの中温発酵によって発生したバイオガスＧ、及び上部高温発酵領域１０Ｂでの高温発酵によって発生したバイオガスＧは、上部気室１０Ｃに放出され、槽本体１の天板部１ｂに開口６１ａしたバイオガス排出部６を介して回収し、水分や硫化水素等の除去等の処理を行った後、不図示の燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等に送って電力に変換することによって、原液供給部２におけるポンプ２２や、消化液排出部５におけるポンプ５２や、バイオガス排出部６におけるポンプ６２等の駆動エネルギとしても利用することができる。また、上記発電機等で発生する熱を、第一加熱装置３、第二加熱装置４、第一保温装置７及び第二保温装置８に供給される温水の熱源として利用することができる。

一方、消化液排出部５から排出された消化液Ｌ’、すなわち十分な発酵によって有機物の大部分がメタン等に分解された後の被処理液は、液肥化することによって牧草地等に散布することができ、あるいは所定の水処理後に放流することができる。

なお、原液供給部２による有機系被処理液Ｌの供給流量は、十分な発酵に必要な槽本体１内での滞留時間（滞留日数）を考慮して、適切に設定される。また、槽本体１内における上部高温発酵領域１０Ｂでの有機系被処理液Ｌの旋回速度が速いと、図１に一点鎖線で示されるように、遠心力によって液面が旋回中心で下降し、あるいは液中で発生したバイオガスの気泡Ｂが旋回中心へ向けて集まりやすくなる。したがって、このような現象によって消化液排出部５からバイオガスＧが吸い出され、バイオガス排出部６によるバイオガスＧの回収量が減少してしまうことのないように、各ノズル２１ａ，２１ａからの有機系被処理液Ｌの吐出速度は、適切に設定される。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、槽本体１は、必ずしも円筒状である必要はなく、原液供給部２のノズル２１ａからの吐出流Ｆ_１によってほぼ一様な旋回流Ｆ_２を形成可能であれば、水平断面形状が略正方形あるいは略正多角形のものであっても良い。また、第一加熱装置３、第二加熱装置４、第一保温装置７及び第二保温装置８は、電気ヒータを用いることもでき、この場合の電力は、発生したバイオガスを用いて燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等で発電することによって得ることができる。

本発明に係る温度成層旋回流型発酵槽の概略構成を示す鉛直断面図である。本発明による槽内旋回流の発生原理を示す説明図である。本発明による槽内旋回流の発生原理を示す説明図である。従来技術によるバイオガス生成システムを概略的に示す説明図である。

符号の説明

１槽本体
１ａ上部気室
２原液供給部
２１液供給配管
２１ａ，２１ａノズル
３第一加熱装置
４第二加熱装置
５消化液排出部
６バイオガス排出部
７第一保温装置
８第二保温装置
１０Ａ下部中温発酵領域
１０Ｂ上部高温発酵領域
１０Ｃ上部気室
Ｇバイオガス
Ｌ有機系被処理液
Ｌ’ 消化液
Ｏ旋回中心

Claims

槽本体と、この槽本体内の下端部へ有機系被処理液を供給する原液供給部と、前記槽本体内へ送られる有機系被処理液を中温発酵温度に加熱する第一加熱装置と、前記槽本体内の液貯留高さの中間位置に配置されてその上側の有機系被処理液を中温発酵温度から高温発酵温度に加熱する第二加熱装置と、この第二加熱装置より上方であって前記槽本体内の有機系被処理液の液面下に開口した消化液排出部と、前記槽本体内の上部気室に開口したバイオガス排出部とを備え、前記原液供給部が、槽本体内の有機系被処理液に旋回流を与える方向へ開口され、前記第二加熱装置が、平面的に配置された蛇管又はコイル状配管からなり、下方から上方へ前記有機系被処理液が均一に通過可能な隙間を有することを特徴とする温度成層旋回流型発酵槽。
槽本体の側壁に、第二加熱装置より下側の有機系被処理液を中温発酵温度に保温する第一保温装置と、前記第二加熱装置より上側の有機系被処理液を高温発酵温度に保温する第二保温装置が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の温度成層旋回流型発酵槽。
消化液排出部の開口部が、有機系被処理液の旋回中心に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度成層旋回流型発酵槽。