JP4252189B2

JP4252189B2 - メタン発酵処理装置

Info

Publication number: JP4252189B2
Application number: JP2000069162A
Authority: JP
Inventors: 英樹稲葉
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Environment Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Environment Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2020-03-13
Also published as: JP2001252685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業排水等の処理を行うためのメタン発酵処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術として、特開平１１−３３３４９２号公報がある。この公報に記載されたメタン発酵処理装置は、食品、飲料水、医薬、パルプ等を製造する際に発生する産業排水を処理するためのものである。具体的にこの装置は、有機性排水の有機物質を酸生成菌により低級脂肪酸に分解する酸生成槽と、この低級脂肪酸をさらにメタン菌によりメタンと炭酸ガスをに分解する反応槽とからなり、酸生成槽と反応槽とをパイプラインで連結している。従って、各槽を独立した状態にすることで、個別の管理や個別の処理を確実に行わせている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のメタン発酵処理装置には、次のような課題が存在している。すなわち、酸生成槽と反応槽とを独立したものとする結果、それぞれの槽に独立した付帯設備を必要とする。例えば、酸生成槽内で発生した硫化水素は、槽内の自由気液界面から揮散して、気相中の硫化水素濃度を上昇させる。そして、悪臭の発生源となったり、硫化水素濃度が飽和状態以上になると硫化水素が液相内に溶け込む事態が発生する。そこで、これを回避させるため、酸生成槽に換気装置を設けたり脱臭装置を設けたりするが、設備コスト的な不利は免れない。また、現場において、一槽毎に据え付け工事を必要とし、基礎工事などに費やす建設コストがかかる。また、二槽にすることで、設置スペースの狭い場所では、各槽自体を縦長構造にしなければならず、槽内での撹拌や混合が悪化するといった問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、特に、設置スペースの有効活用及び設備コストの低減を図るようにしたメタン発酵処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るメタン発酵処理装置は、密閉された容器内に設けられ、有機性排水の有機物質を酸生成菌により低級脂肪酸に分解する酸生成室と、容器内に設けられ、低級脂肪酸をさらにメタン菌によりメタンガスと炭酸ガスとに分解する反応室と、容器内に設けられて、酸生成室と反応室とを仕切る仕切壁とを備え、酸生成室と反応室とをガス捕集空間で連通させており、反応室の水位と酸生成室と水位とを略等しくさせる水位調整手段をさらに備え、反応室の上部に設けられ当該反応室内の排水の上澄みを分離する気固液分離器と酸生成室とを、反応室における排水の液面下で連結させた連通パイプによって連通させたことを特徴とする。
【０００６】
このメタン発酵処理装置は、密閉された容器内を、仕切壁によって酸生成室と反応室とに分断させることにより、現在利用されている二槽式から一槽式への転換を図ったものである。本発明のような一槽式のメタン発酵処理装置は、構造の簡素化を可能にすることは言うに及ばず、現場において、一槽毎に据え付け工事する必要がなく、基礎工事などに費やす建設コストが大幅に低減される。また、設置スペースの関係で、二槽式の小型の装置しか据え付けられないような狭い場所でも、このスペースを有効に活用しながら、大型の一槽式装置を据え付けることができる。更に、このメタン発酵処理装置では、ガス捕集空間を介して酸生成室と反応室とを連通させている。これにより、酸生成室の上部に設けたガス空間と反応室の上部に設けたガス空間とが連通し、実質的なガス空間の拡大化が達成される。すなわち、酸生成室から発生する硫化水素ガスなどや反応室から発生するメタンガスや炭酸ガスが飽和状態になり難く、これによって、一旦発生したこれらガスが、液相内に逆戻りするような事態が起こり難くなり、更には、ガス空間の拡大化により液相面からのガスの揮散効率を高めることもできる。また、酸生成室から発生するガスと反応室から発生するガスを混合状態で一度に排出させることができるので、装置外のボイラーや脱硫装置等でこれらガスを効率良く処理させることができ、別途、硫化水素による悪臭発生を防止する設備が不要となる。
【０００７】
また、本発明のメタン発行処理装置は、反応室の水位と酸生成室と水位とを略等しくさせる水位調整手段をさらに備える。従って、酸生成室側から仕切壁に加わる水圧と反応室側から仕切壁に加わる水圧とが等しくなるような水位調整が行われる結果、仕切壁をコンクリートや他の特殊な耐圧構造にする必要がなく、比較的薄い鉄板やＦＲＰ等の素材で形成することができ、低コスト化や装置の軽量化、ひいては容器内のレイアウトの自由度を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明のメタン発行処理装置では、反応室の上部に設けられ当該反応室内の排水の上澄みを分離する気固液分離器と酸生成室とを、反応室における排水の液面下で連結させた連通パイプによって連通させている。このような構成は、水位調整手段の一例として、気固液分離器の有効活用を図ったものである。
【００１１】
また、仕切壁の下部には、容器の壁面に向けて傾斜させたテーパ部が設けられると好適である。これによって、反応室内に設けられたグラニュール汚泥床から巻き上げられたグラニュール汚泥の落下の促進化を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるメタン発酵処理装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係るメタン発酵処理装置の第１の実施形態を示す概略図である。同図に示すメタン発酵処理装置１は、密封されて気密性が保たれた容器１０を有している。この容器１０の内部は、酸発酵反応を行う酸生成菌を液相内に浮遊状態で保持させる酸生成室２と、メタン菌を顆粒状のグラニュール汚泥に保持させて、液相下部でグラニュール汚泥床３として保有した反応室４とに、仕切壁１５を介して二分割されている。
【００１６】
これは、現在一般的に利用されている二槽式から一槽式へ転換を図った技術である。これにより、構造の簡素化を可能にすることは言うに及ばず、現場において、一槽毎に据え付け工事する必要がなく、基礎工事などに費やす建設コストが大幅に低減される。また、設置スペースの関係で、二槽式の小型の装置しか据え付けられない狭い場所でも、スペースを有効に活用しながら、大型の一槽式装置を据え付けることができる。
【００１７】
このとき、仕切壁１５の上端部において、酸生成室２と反応室４とを連通させて、ガス捕集空間Ｓを形成させている。このガス捕集空間Ｓは、仕切壁１５の上端面と容器１０の蓋部１０ａの内壁面とを離間させることで形成している。そして、ガス捕集空間Ｓ内のガスは、容器１０に接続したガス管１６によって図示しないボイラまで送られて燃焼させたり、脱硫装置等によって処理される。
【００１８】
このように、酸生成室２の上部に設けたガス空間と反応室４の上部に設けたガス空間とを連通させることで、実質的なガス空間の拡大化を達成させたガス捕集空間Ｓが容器１０内で作り出されることになる。これにより、酸生成室２から発生する硫化水素ガスなどや反応室４から発生するメタンガスや炭酸ガスが飽和状態になり難く、その結果、一旦発生したこれらガスが、液相内に逆戻りするような事態が起こり難くなり、更には、ガス空間の拡大化によりガスの揮散効率を高めることもできる。また、酸生成室２から発生するガスと反応室４から発生するガスを混合させた状態で一度に排出させることができるので、装置１外のボイラーや脱硫装置等でこれらガスを効率良く処理することができる。
【００１９】
また、酸生成室２内には、排水導入管５から有機性の排水が供給され、酸生成室２と反応室４とは配管６を介して接続され、この配管６の入口側は、酸生成室２の底部に接続され、配管６の出口側は、グラニュール汚泥床３の下部まで導かれている。そして、配管６の途中に循環ポンプ７が設けられることで、酸生成室２から排出される処理水を反応室４内に、一定流速をもって強制的に送り込むことができる。
【００２０】
更に、反応室４の上部には、気固液分離器８が容器１０に固定されるように設けられている。この気固液分離器８は、配管６を介して圧送された処理水や発生するメタンガスによって巻き上げられたグラニュール汚泥が、処理水導出管９から出ないようにするためのものである。そして、この気固液分離器８の上部に設けた溢流トラフ１１に処理水導出管９を接続させることで、沈殿室８ａの上澄みの液体を処理水導出管９に流し出すことができる。
【００２１】
このような装置構成を採用した場合、工場等から排出させた有機性排水が、排水導入管５を介して酸生成室２内に送り込まれると、酸生成室２内で、排水の有機物質は、酸生成菌によって低級脂肪酸に分解される。その後、低級脂肪酸は、配管６によって反応室４内に送り込まれ、メタン菌を保有させたグラニュール汚泥によって、主として、メタンガスと炭酸ガスとを発生させる。そして、沈殿室８ａ内の処理水のみが処理水導出管９を介して容器１０の外部に送られることになる。また、仕切壁１５の下部には、容器１０の側壁１０ｂに向けて傾斜させたテーパ部１５ａが設けられ、これによって、グラニュール汚泥床３から巻き上げられたグラニュール汚泥の落下の促進化が図られている。
【００２２】
なお、ガス捕集空間Ｓを介し、酸生成室２と反応室４を連通させる関係上、酸生成室２内の液体が反応室４内に溢れ出ないようにする必要がある。そこで、排水導入管５によって酸生成室２内に送り込まれる流量よりも、酸生成室２から配管６を介して排出させる液体の流量が等しいか又は大きくなるように設定されている。
【００２３】
ここで、メタン発酵処理装置１には、反応室４内の水位と酸生成室２内の水位とを略同じ水位にするような水位調整手段１３が設けられている。これは、酸生成室２側から仕切壁１５に加わる水圧と反応室４側から仕切壁１５に加わる水圧とを等しくするような水位調整を行うための手段である。このような水位調整の結果、仕切壁１５をコンクリートや他の特殊な耐圧構造にする必要がなく、比較的薄い鉄板やＦＲＰ等の素材で形成することができ、低コスト化、装置１の軽量化及び容器１０におけるレイアウトの自由度の向上などを実現できる。更に、仕切壁１５を容器１０の側壁１０ｂに固定する際の接合部分も耐圧性や高いシール性を必要とせず、低コスト化や装置１の組立て作業性をも向上させる。
【００２４】
このような水位調整手段１３の一例として、気固液分離器８内の沈殿室８ａと酸生成室２とを連通部１４を介して連結させる。具体的に連通部１４は、気固液分離器８の上部において、沈殿室８ａを形成する分離板８ｂと仕切壁１５とを連通パイプを介して連結させる。このような構成によって、酸生成室２内の水位が下るに伴って、沈殿室８ａ内の処理水が酸生成室２内に自動的に供給され続けることになる。従って、酸生成室２内は反応室４側の処理水によって希釈されることになるため、酸生成室２内での有機酸や阻害物質などの濃度が低下し、ｐＨ調整のためのアルカリ薬剤の添加量を低減させることが可能となる。
【００２５】
なお、当然のことであるが、処理前の水が連通部１４を通って反応室４内に入らないようにすること、酸生成室２内の水位が沈殿室８ａ内の水位より上がらないようにすることが肝要である。これは、排水導入管５を介して酸生成室２内に供給されることが予定されている流量に対応するように、配管６の流量及び処理水導出管９の流量の初期設定によってなされる。
【００２６】
ここで、仕切壁１５は、熱伝導性を有する金属（鉄又はステンレス）又は樹脂（例えば、ＦＲＰ，塩化ビニル等）で形成させると好適である。このような仕切壁１５を採用することで、酸生成室２と反応室４との間の熱伝導性が向上し、高温に温度管理されている酸生成室２内の熱を仕切壁１５を介して反応室４内に適切に伝え続けることができる。その結果、酸生成室２の水温管理によって、反応室４内の微生物を最適な温度環境下に置き続けることができる。なお、仕切壁１５に利用されるものは、熱伝導効率が良ければ良いほど初期の目的が十分に発揮されることは言うまでもない。
【００２７】
［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態に係るメタン発酵処理装置２０について説明する。なお、前述したメタン発酵処理装置１と同一又は同等な構成部分については、同一符号を付しその説明を省略する。
【００２８】
図２に示すメタン発酵処理装置２０の反応室４内には、ガス捕集器２１が容器１０の壁面に固定するように設けられている。このガス捕集器２１は、下部に設けられたロート状のガス捕集部２１ａと、このガス捕集部２１ａから上方に延びるガスリフト管２１ｂと、ガスリフト効果によってガスリフト管２１ｂ内をポンプアップした処理水から気体のみを分離させるガス分離部２１ｃとからなり、このガス分離部２１ｃの上端は、ガス捕集空間Ｓ内で開放されている。また、容器１０内には、酸生成室２と反応室４とを連通させる流路２２が形成され、酸生成室２からの自然排出を達成させている。
【００２９】
ここで、装置２０には、反応室４内の水位と酸生成室２内の水位とを略同じ水位にするような水位調整手段２３が設けられている。このような水位調整手段２３の一例として、ガス捕集器２１のガスリフト管２１ｂと酸生成室２とを連通部２４を介して連結させる。具体的に連通部２４は、ガスリフト管２１ｂの上部と仕切壁１５とを連通パイプを介して連結させる。このような構成により、酸生成室２内の水位が下るに伴い、ガスリフト管２１ｂ内の処理水が酸生成室２内に自動的に供給され続けることになる。従って、酸生成室２内では反応室４側の処理水によって希釈されることになるため、酸生成室２内での有機酸や阻害物質などの濃度が低下し、ｐＨ調整のためのアルカリ薬剤の添加量を低減させることが可能となる。
【００３０】
［第３の実施形態］
以下、第３の実施形態に係るメタン発酵処理装置３０について説明する。なお、前述したメタン発酵処理装置２０と同一又は同等な構成部分については、同一符号を付しその説明を省略する。
【００３１】
図３に示すメタン発酵処理装置３０の反応室４内には、ガス捕集器３１が容器１０の壁面に固定するように設けられている。このガス捕集器３１は、下部に設けられたロート状のガス捕集部３１ａと、このガス捕集部３１ａから上方に延びて容器１０の蓋部１０ａから突出させたガスリフト管３１ｂと、ガスリフト効果によってガスリフト管３１ｂ内をポンプアップした処理水から気体のみを分離させるガス分離部３１ｃとからなる。
【００３２】
ここで、装置３０には、反応室４内の水位と酸生成室２内の水位とを略同じ水位にするような水位調整手段３３が設けられている。このような水位調整手段３３の一例として、ガス捕集器３１のガス分離部３１ｃと酸生成室２とを連通部３４を介して連結させる。具体的に連通部３４、ガス分離部３１ｃ内の堰部３１ｄから溢れ出た処理水を酸生成室２内に戻す戻り管３４によって構成させる。
【００３３】
更に、戻り管３４の下端は、酸生成室２の水面から離すように位置する。これによって、戻り水内に含まれている硫化水素や炭酸ガスをガス捕集空間Ｓ内に放散させることができ、メタン発酵に有害な硫化水素の除去やアルカリ添加の増加につながる炭酸ガスの除去を可能にする。
【００３４】
このような構成により、酸生成室２内の水位が下るに伴って、ガス分離部３１ｃ内の処理水が酸生成室２内に自動的に供給され続けることになる。従って、酸生成室２内は反応室４側の処理水によって希釈されることになるため、酸生成室２内での有機酸や阻害物質などの濃度が低下し、ｐＨ調整のためのアルカリ薬剤の添加量を低減させることが可能となる。なお、ガス管１６は、ガス分離部３１ｃにも接続されている。
【００３５】
［第４の実施形態］
以下、第４の実施形態に係るメタン発酵処理装置４０について説明する。なお、前述したメタン発酵処理装置１と同一又は同等な構成部分については、同一符号を付しその説明を省略する。
【００３６】
図４に示すメタン発酵処理装置４０に設けられた水位調整手段４５は、酸生成室２の水位を検出する水位検出手段４１を有し、この水位検出手段４１には、酸生成室２内の水位が一定レベル以下になったことを検知する検知部４１ａが設けられている。更に、水位調整手段４１は、処理水導出管９と酸生成室２とを連通させる戻しパイプ４２を有し、この戻しパイプ４２には、水量調整弁４３と圧送ポンプ４４とが取り付けられている。そして、水量調整弁４３は、水位検出手段４１からの信号に基づいて開閉するような電磁弁からなっている。
【００３７】
そこで、配管６と処理水導出管９との流量調整によって、反応室４内の水位が略一定に保たれている場合において、酸生成室２の水位が、反応室４の水位より所定量下り、検知部４１ａから検出信号が発せられると、水量調整弁４３が開き、常時駆動している圧送ポンプ４４によって、処理水が、戻しパイプ４２を介して酸生成室２内に送り込まれる。そして、酸生成室２の水位が上昇し、所定のレベル（反応室４の水位と略同レベル）に達したときに、検知部４１ａからの信号に基づいて水量調整弁４３が閉じ、これによって、酸生成室２内への処理水の供給が断たれる。このような動作は、酸生成室２の水位の上下動に伴って断続的に繰り返される。
【００３８】
［実施例］
本発明者は、本発明に係るメタン発酵処理装置の効果を立証するため、モデル水槽を用いて以下のような実験を行った。なお、この場合、グラニュール汚泥は投入されていない。
【００３９】
図５に示す第１のモデル水槽では、容積５０リットルの反応室４と、容積１リットルの酸生成室２と、内径１６ｍｍの配管６と、流量１．８リットル／ｍｉｎの循環ポンプ７とを用い、酸生成室２内に排水導入管５から１．２リットル／ｍｉｎの水を供給して運転した。この状態で、インクを連通部１４の入口側と出口側にそれぞれ滴下して、連通部１４内での水の流れを観察すると、水は反応室４側から酸生成室２側に向けて流れ続けることが確認された。また、酸生成室２では水が溢れ出ることも空になることもなく、水が反応室４から酸生成室２に良好に返送され続け、反応室４の水位と酸生成室２の水位とが同じになるよう、自然に水位調整がなされることも確認した。
【００４０】
図６に示す第２のモデル水槽では、容積５０リットルの反応室４と、容積１リットルの酸生成室２と、下端内径１００ｍｍのガス捕集部２１ａ及び内径１６ｍｍ、長さ２３０ｍｍのガスリフト管２１ｂをもったガス捕集器２１とを用いた。そして、ガス捕集部２１ａの下方から１００ｍｌ／ｍｉｎのエアーを供給した。その結果、ガス捕集器２１内では、ガスリフト効果によって４６０ｍｌ／ｍｉｎの流速で水がポンプアップされた。そこで、酸生成室２内に排水導入管５から３００ｍｌ／ｍｉｎの水を供給して運転した。
【００４１】
すると、酸生成室２に滴下したインクは、速やかに拡散されて均一に広がり、次第に反応室４の底部に拡散していった。また、連通部２４内での水の流れを観察すると、水は反応室４側から酸生成室２側に向けてインクが流れ続けることが確認された。この場合、酸生成室２では水が溢れ出ることも空になることもなく、水が反応室４から酸生成室２に良好に返送され続け、反応室４の水位と酸生成室２の水位とが同じになるよう、自然に水位調整がなされることも確認した。
【００４２】
本発明のメタン発酵処理装置は、前述した実施形態に限定されるものではなく、モデル水槽で採用したように、仕切壁１５でカップ状の容器を形成し、その内部を酸生成室２としてもよい。また、仕切壁１５の上端部において酸生成室２と反応室４とを連通させてガス捕集空間Ｓを形成する方策として、仕切壁１５の上端部に１個以上の連通孔を形成するようにしてもよい。また、熱伝導性のある仕切壁１５を利用する場合、酸生成室２と反応室４とをガス捕集空間Ｓを介して連通させない場合もある。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によるメタン発酵処理装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得る。すなわち、密閉された容器内に設けられ、有機性排水の有機物質を酸生成菌により低級脂肪酸に分解する酸生成室と、容器内に設けられ、低級脂肪酸をさらにメタン菌によりメタンガスと炭酸ガスとに分解する反応室と、容器内に設けられて、酸生成室と反応室とを仕切る仕切壁とを備え、酸生成室と反応室とをガス捕集空間で連通させたことにより、設置スペースの有効活用及び設備コストの低減を図ることができる。
【００４４】
また、本発明によるメタン発酵処理装置は、密閉された容器内に設けられ、有機性排水の有機物質を酸生成菌により低級脂肪酸に分解する酸生成室と、容器内に設けられ、低級脂肪酸をさらにメタン菌によりメタンガスと炭酸ガスとに分解する反応室と、容器内に設けられて、酸生成室と反応室とを仕切る金属又は樹脂製の仕切壁とを備えたことにより、設置スペースの有効活用及び設備コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るメタン発酵処理装置の第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係るメタン発酵処理装置の第２の実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明に係るメタン発酵処理装置の第３の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明に係るメタン発酵処理装置の第４の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明に係るメタン発酵処理装置の実験を行うにあたっての第１のモデル水槽を示す概略図である。
【図６】本発明に係るメタン発酵処理装置の実験を行うにあたっての第２のモデル水槽を示す概略図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０…メタン発酵処理装置、２…酸生成室、４…反応室、８…気固液分離器、９…処理水導出管、１０…容器、１３，２３，３３，４５…水位調整手段、１４，２４，３４…連通部、１５…仕切壁、１５ａ…テーパ部、２１，３１…ガス捕集器、４２…戻しパイプ、Ｓ…ガス捕集空間。

Claims

密閉された容器内に設けられ、有機性排水の有機物質を酸生成菌により低級脂肪酸に分解する酸生成室と、
前記容器内に設けられ、前記低級脂肪酸をさらにメタン菌によりメタンガスと炭酸ガスとに分解する反応室と、
前記容器内に設けられて、前記酸生成室と前記反応室とを仕切る仕切壁とを備え、
前記酸生成室と前記反応室とをガス捕集空間で連通させており、
前記反応室の水位と前記酸生成室と水位とを略等しくさせる水位調整手段をさらに備え、
前記反応室の上部に設けられ当該反応室内の排水の上澄みを分離する気固液分離器と前記酸生成室とを、前記反応室における排水の液面下で連結させた連通パイプによって連通させたことを特徴とするメタン発酵処理装置。
前記仕切壁の下部には、前記容器の壁面に向けて傾斜させたテーパ部が設けられたことを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。