JP4354504B2

JP4354504B2 - バッチ式乾式メタン発酵用発酵槽および発酵方法

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Publication number: JP4354504B2
Application number: JP2007220959A
Authority: JP
Inventors: 信三伊藤
Original assignee: 株式会社ユーリカエンジニアリング
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: JP2009050808A; WO2009028386A1

Description

本発明は有機性廃棄物等のバイオマスをメタン発酵させるための乾式メタン発酵に関する。

有機性廃棄物等のバイオマスからエネルギーを回収する方法として、メタン発酵を利用するものがある。メタン発酵は、固形物の割合（ＴＳ濃度）が１０％以下であるような液状バイオマスに対して行われる湿式メタン発酵と、固形物が例えば１０％以上、より典型的には２０％以上と云う高い割合を占める有機性廃棄物等のバイオマスに対して、加水せずに非浸水状態でメタン発酵を行う乾式メタン発酵とが知られている。

湿式メタン発酵は歴史もあり、実績も多く、ほぼ完成された技術であるが、次のような問題がある。

ア、湿式メタン発酵の際に排出される多量の発酵廃液の処理には初期費用や運用費用などを含め、多大な経費を要する。また、発酵を促進させるために撹拌する必要があり、その撹拌エネルギーも必要となる。

イ、固形物の割合が高い場合、湿式メタン発酵を利用するためには水などの液を加えることによって希釈し、スラリー状にする。しかし、この加水のため処理容量が増加するため処理効率が悪くなり、更に、加えた液体は結局廃水として処理しなければならない。

ウ、湿式メタン発酵で発生する含水率の高い（約９５％）発酵残渣は、それを液肥として利用する以外、脱水装置にて固液分離を行い、液分は廃水処理プラントで処理された後、付近の河川や下水道に放流される。一方、固分すなわち脱水ケーキは堆肥化システムにて堆肥にされ販売されるか、または埋立や焼却にて処分される。

一方、乾式メタン発酵では、発酵対象バイオマスを希釈せずに処理することができるため、処理容量が増加することはなく、発酵残渣の含水率が低く、発酵廃液処理が不要である。このためシステム全体を、扱いやすく、シンプルなものにすることができる。従って、乾式メタン発酵は湿式メタン発酵に比べて初期コストの低減化が計れるという利点がある。しかし、乾式メタン発酵は１０数年前にヨーロッパで開発された技術で実績も出てきているが、まだまだ技術開発が必要なこれからの技術であり、種々の提案がなされている。

従来の乾式メタン発酵においては、有機廃棄物を連続的に処理する方法が殆どである。例えば、特開２００６−２５５６２６号公報（特許文献１）、特開平１１−３０９４９３号公報（特許文献２）などに見みられるように、密閉された発酵槽の一部に有機廃棄物を送込むための取入れ口と発酵後の発酵残渣を取出すための取出し口が設けられ、また発生したバイオガスを排出する配管が設けられており、発酵槽は配管により発酵原料供給装置、脱水装置および発酵残渣の一部を再び発酵槽に送込む返還路に連結されている。このように発酵槽は巨大な循環システムの一部である。

そして、従来の乾式メタン発酵においては、発酵槽の中に嫌気性のメタン菌を含む種汚泥を入れておき、そこに粉砕した有機廃棄物などを通常１日１回ポンプで送り込むとともに発酵残渣を取出し口から取除くことが行われる。このように従来は連続して行うため、発酵槽の中に回転する攪拌装置を設置して、種汚泥と新たに投入された有機廃棄物とを混合することが一般的に行われている。

このような連続式の乾式メタン発酵槽においては、毎日のように新たな有機廃棄物の投入と発酵残渣の排出を行わなければいけないので、その度に発酵槽における密閉状態が解放されてしまうことになる。

また、個々の発酵槽に攪拌機を設置した場合には、設備費用も高くになるとともに、詰まりなどが生じた時にメンテナンスが難しく、そのためランニングコストも掛かってしまう。

このように連続式の乾式メタン発酵槽においては問題があるので、バッチ式の乾式メタン発酵も提案されている。例えば、特許文献３（特許第３９１３６７６号公報）ではバッチ式のバイオガス発酵槽が提案されている。

特許文献３に開示されている発酵槽はガレージ式の構造をしており、１つの床と複数の壁面、および扉によって均一に閉鎖可能な１つの搬入・搬出口からなりたっているものである。搬入・搬出口は処理すべき廃棄物などを搬送し、また残渣を搬出するために車輌（例えば、フロント積下し機）などが出入りできるような大きな扉を設けており、この扉を気密状態に閉じられるようにしている。床は搬入・搬出口から反対側の奥の壁に向かって傾斜しており、奥側の壁に発生したガスを取出すガス取出し口が設けられている構造となっている。この特許文献３の発酵槽における問題点は、ガレージ形式であり、扉を開け閉めする構造になっているため、密閉性を良くしようとするとコスト高になったり、扉を閉鎖する際にごみ等が扉周縁の密閉箇所に付着しないようしなければならない等と、経済的および操作上に難しい面がある。また、このガレージ式の発酵槽においては、発酵槽内に入れられた有機物を種汚泥と均一に混合することが困難である。

特開２００６−２５５６２６号公報特開平１１−３０９４９３号公報特許第３９１３６７６号公報

本発明は従来の湿式メタン発酵システムにおける問題点を解決して、乾式メタン発酵としたものである。また、従来の乾式メタン発酵システムにおける連続式メタン発酵槽における前述したような問題点を解決し、バッチ式のメタン発酵槽を提供することを目的とするものである。

更に、本発明は、特許文献３に開示されているバッチ式のメタン発酵槽における問題点を解決することである。すなわち、発酵槽がガレージ式であるため非常に大きな設備となってしまうという問題があり、特に、バッチ式の場合は排出される廃棄物を処理するためには、１つの発酵槽において処理するべき日時に対応した数のメタン発酵槽を用意する必要があり、例えば、１０日間で発酵を完了させるとすれば、１０個の発酵槽が必要となる。このようにガレージ式の大きな発酵槽を１０個も用意するには面積的にも広大なものとなる。

また、特許文献３の発酵槽においては、大きな開閉扉を密閉状態とするためにシールが難しく気密性を高く保つことが困難である。また、大きなガレージ式の発酵槽であるため中に収容した廃棄物を効率よく均一に混合攪拌することが困難であるという問題がある。

本発明は、このような特許文献３に開示されている発酵槽が有する問題点を解消し、密閉性がよく、発生するガス圧も高くでき、構造が簡便で、設備的にも安価で、メンテナンスが簡単であり、ランニングコストも安く、トータル的に経済的なバッチ式乾式メタン発酵用の発酵槽を提供することを目的とするものである。また、本発明はこの発酵槽を使用した発酵方法を提供することをも目的とするものである。

本発明は、乾式メタン発酵用の発酵槽が発酵原料を収容する為の発酵槽本体と、該発酵槽本体の上部に形成された開口を閉鎖する蓋とからなり、前記発酵槽本体の内部には撹拌部材が設置されておらず且つ底部および周壁には発酵原料の投入口または既発酵物の抜取り用穴が存在せず、発酵原料の投入および既発酵物の抜取りが前記発酵槽本体上部の開口から行われるものであり、該発酵槽本体上部の開口の全周を取囲んで液体貯留部が設けられており、前記蓋はその全体が発酵槽本体に対して着脱自在であり、該蓋はその周縁部が垂下した形状であり、発酵槽本体に載置した状態で該蓋の全周縁部が前記液体貯留部の液中に没入することを特徴とするバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽により前記目的を達成する。

この場合、発酵槽本体の上部または蓋に発生バイオガス供給管との接続用部材が設けられている。

また、本発明は、上部が開口した発酵槽本体と前記開口を密封状態で塞ぐ着脱自在の蓋とからなる前述したバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽を使用し、前記発酵槽本体内にメタン菌を含む既発酵物を収容しておき、前記開口から新たな発酵原料を発酵槽本体内に投入し、発酵槽内に設置されていない撹拌装置を前記開口から挿入して既発酵物と発酵原料とを混合し、前記開口に蓋をして密封し、この状態でメタン菌により発酵させ、発生したバイオガスは発酵槽本体の上部または蓋に設けた発生バイオガス供給管用接続部材を介して発酵槽から排出し、そして発酵終了後、発酵槽の蓋を取外して、前記開口から既発酵物の一部を抜取り、再び新たな発酵原料を投入するという工程を繰返し行うことを特徴とするバッチ式乾式メタン発酵方法により前記目的を達成する。

この場合、前記既発酵物と発酵原料とを混合した後に、上方から混合物を押圧するとともに混合物中に棒状体を差込んで、ガス抜き穴を混合物中に形成し、その後、蓋を閉めることが好ましい。

また、発酵槽を複数個用意し、処理すべき発酵原料を日時をずらして各発酵槽に投入し、１つの撹拌装置を順繰りに使用して、各発酵槽内の既発酵物と発酵原料とを混合することが好ましい。

本発明のバッチ式乾式メタン発酵槽は蓋が完全に取外すことができ、蓋を外した状態で上から新たな有機廃棄物を投入することができる。また、蓋を完全に取除けるので、不要な発酵残渣も上方からパワーシャベルなどにより簡単に取除くことができる。

また、本発明によれば、発酵槽本体から蓋が完全に取外せるので、発酵槽本体の上部に大きな開口が生じるため、そこから撹拌装置を発酵槽本体内に入れて、新たに投入された有機廃棄物と種汚泥との混合を簡単に行うことができる。また、この混合撹拌装置は発酵槽内に設置されているものでないので、他の発酵槽と共用できるので経済的である。

本発明によれば、蓋の周縁部を水封することにより発酵槽を密閉しているので、密閉が簡単且つ完全である。簡単な密閉方式であるにも拘らず、完全な密閉ができ、単に蓋を発酵槽本体から持上げたり、発酵槽本体に載せたりするだけで、蓋を簡単に取外したり取付けたりすることができる。

本発明においては、発生したバイオガスを外部へ排出するために、発酵槽本体の上部に発生バイオガス供給管との接続部材を設けておくだけでよいので、極めて構成が簡単である。なお、蓋の方にこのような発生バイオガス供給管との接続部材を設けておいてもよい。

また、発生バイオガス供給管の経路にバイオガス圧力調節装置を設置しておくことにより、従来のような増圧装置を使用しなくても、バイオガスの圧力を水封の許す圧力まで高くすることができる。

以下本発明の実施例を図面に基いて詳細に説明する。図１は本発明のバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽の一実施例の断面図である。

本発明のバッチ式乾式メタン発酵に使用する発酵槽１０は図１示すように、発酵槽本体１と発酵槽本体上部に形成された開口１１を閉鎖する蓋２とから構成されている。発酵槽本体１は筒状体またはバケツ状に上方に開拡した筒状体であり、断面が円形であるものが好ましい。発酵槽本体１の内部には従来の発酵槽内部に設けられるような撹拌装置や撹拌部材が設置されていない。また、発酵槽本体１の底部１２や周壁１３には発酵原料を投入するための投入口或いは既発酵物を抜取るための穴などが設けられていない。

発酵原料の投入および既発酵物の抜取りは発酵槽本体１の上部の開口１１から行われる。発酵槽本体１の上部の全周を取囲んで液体貯留部３が設けられており、液体貯留部３の中には液体（例えば水）が貯留される。

蓋２は発酵槽本体１に固定されておらず、着脱自在なものである。蓋２の周縁部２１は垂下した状態であり、蓋２を発酵槽本体１に被せた状態では蓋２の全周縁部２１が発酵槽本体１の上部に設けた液体貯留部３の液体３１の中に没入した状態となる。

図１に示した実施例では蓋２は取手２２が設けられている。また、発酵槽本体１の周壁１３の上部に発生したバイオガスを外部に排出するために発生バイオガス供給管と接続するための接続部材４が設けられている。発生したバイオガスは接続部材４に連結された発生バイオガス供給管により従来のプラントにおけると同様に使用する箇所に運ばれる。

図２は本発明の発酵槽１０の別の実施例を示す断面図である。図１に示した発酵槽と異なる点を説明すると、発酵槽本体１に天井部１４が設けられ、この天井部１４に開口１１が形成されている。開口１１の全周縁を取囲むように液体貯留部３が設けられている。また、図２に示した実施例においては発生バイオガス供給管との接続部材４が蓋２に設けられている。なお、接続部材４は図１に示したものと同様に発酵槽本体１に設けてもよい。また、図２に示した実施例における開口１１も撹拌部材や抜取り部材等を挿入・抜取りできるように充分に大きな開口とすることが好ましい。

図３に基いて本発明の発酵槽を用いた発酵原料の処理の工程を説明する。図３（ａ）に示すように、蓋２を取り除いて、上部が開口した状態の発酵槽本体１内にメタン菌を含む既発酵物５１を収容しておく。そして予め準備してある新たな発酵原料５２を適宜な搬送装置７（図３ではシャベルの形状で示した）で開口１１から発酵槽本体１内に投入する。次ぎに図３（ｂ）に示すように、開口１１から撹拌装置８を挿入して既発酵物５１と投入した発酵原料５２とを混合する。

その後、好ましくは、図３（ｃ）に示すように、押圧・ガス穴形成装置９を開口１１から入れて、これを上下動する。押圧・ガス穴形成装置９は押圧部材９１と多数の棒状体９２を有しており、既発酵物５１と発酵原料５２との混合物５３を押圧部材９１により上から押圧して混合物中の空気を追い出す。また、棒状体９２は混合物５３に穴５４を穿つ。この穴５４は混合物５３が発酵してバイオガスが発生した際に、バイオガスがスムーズに抜けるようにするためのものである。なお、混合物５３の押圧とガス穴形成を別に行ってもよいが、その場合は先に混合物５３を押圧しておいてから、ガス穴を形成することが好ましい。

次ぎに図３（ｄ）に示すように、取外しておいた蓋２を発酵槽本体１に被せる。被せた状態を図３（ｅ）に示した。図３（ｆ）は図３（ｅ）における丸で囲んだ箇所の拡大断面図であり、発酵槽本体１の上部に形成した液体貯留部３と蓋２との関係を示す。蓋２の周縁部２１が液体貯留部３の液体３１の中に没入した状態であり、発酵槽１０は密封状態となる。この密封状態のまま、所望日数（例えば１０日間）置いておき、メタン菌により混合物５３を発酵指せてバイオガスを発生させる。なお、図３においては発生バイオガス供給管との接続部材４は省略し図示しているが、発酵槽本体１または蓋２に設けた接続部材４を介して発生バイオガス供給管に接続され、発生バイオガス供給管を介して発生したバイオガスは所望の箇所へと排出される。

発酵終了後、図３（ｇ）に示すように、発酵槽１０の蓋２を取外して、発酵槽本体の１開口１１から既発酵物５１の一部を発酵残渣５５として搬送装置７により抜取る。そして、再び新たな発酵原料５２を既発酵物５１の上に投入する工程（すなわち図３（ａ）に示した工程）に戻る。このように図３（ａ）〜（ｇ）に示した工程を１サイクルとして繰返し行う。

従って、本発明の発酵槽を用いた乾式メタン発酵はバッチ式となるものであり、本発明の発酵槽を複数個準備しておけば、毎日、有機廃棄物の処理およびバイオガスの発生とその利用することができる。例えば、発酵が１０日間で行われるとすれば、図３（ｇ）〜（ｄ）の工程は短時間で終り、図３（ｅ）の状態で１０日間おくことになる。そのため、１０個の発酵槽を用意しておき、各発酵槽における最初の開始日時を１日ずつずらせば、毎日、有機廃棄物の処理およびバイオガスの発生を行える。また、このように作業日時をずらすことにより、搬送装置７、撹拌装置８および押圧・ガス穴形成装置９はそれぞれ１台あれば全ての発酵槽１０に共用することができる。

図４は本発明のバッチ式乾式メタン発酵槽１０を複数基（発酵に必要とする日数と同じ台数）使用した場合のプラントのシステムフローを示すフローチャートである。

有機廃棄物（プラスチックが分別された可燃ごみ等）５２を粉砕装置６１により粉砕して、メタン菌を含む既発酵物５１が入っている本発明の発酵槽１０内に投入する。発酵により発生したバイオガスは発酵槽１０からバイオガス圧力調節装置６２を経て、バイオガス貯蔵・供給装置６３に送られる。ここからコ・ジェネレーション・システム６４に送られ、電力６５に変換され、この電力６５は消費者に売られる（売電６６）。また、発酵槽１０から抜取られた発酵残渣５５は乾燥装置６７により乾燥され、固形燃料５６として利用される。

一方、コ・ジェネレーション・システム６４で発生した熱は、発酵槽１０に送って発酵槽内の混合物５３を加熱して発酵を助長し、また乾燥装置６７に送って発酵残渣５５を乾燥するのに利用する。

本発明のバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽の一実施例の断面図である。本発明のバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽の別の実施例の断面図である。本発明の発酵槽を用いた発酵原料の処理の手順を示す工程図である。本発明のバッチ式乾式メタン発酵槽を複数基使用した場合のプラントのシステムフローを示すフローチャートである。

符号の説明

１０発酵槽
１発酵槽本体
２蓋
３液体貯留部
４接続部材
１１発酵槽本体の開口
２１蓋の周縁部
３１液体
５１既発酵物
５２発酵原料
７搬送装置
８撹拌装置
９押圧・ガス穴形成装置

Claims

乾式メタン発酵用の発酵槽が発酵原料を収容する為の発酵槽本体と、該発酵槽本体の上部に形成された開口を閉鎖する蓋とからなり、前記発酵槽本体の内部には撹拌部材が設置されておらず且つ底部および周壁には発酵原料の投入口または既発酵物の抜取り用穴が存在せず、発酵原料の投入および既発酵物の抜取りが前記発酵槽本体上部の開口から行われるものであり、該発酵槽本体上部の開口の全周を取囲んで液体貯留部が設けられており、前記蓋はその全体が発酵槽本体に対して着脱自在であり、該蓋はその周縁部が垂下した形状であり、発酵槽本体に載置した状態で該蓋の全周縁部が前記液体貯留部の液中に没入することを特徴とするバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽。
発酵槽本体の上部または蓋に発生バイオガス供給管との接続用部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載のバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽。
請求項１または２記載のバッチ式乾式メタン発酵用発酵槽を使用し、前記発酵槽本体内にメタン菌を含む既発酵物を収容しておき、前記開口から新たな発酵原料を発酵槽本体内に投入し、発酵槽内に設置されていない撹拌装置を前記開口から挿入して既発酵物と発酵原料とを混合し、前記開口に蓋をして密封し、この状態でメタン菌により発酵させ、発生したバイオガスは発酵槽本体の上部または蓋に設けた発生バイオガス供給管用接続部材を介して発酵槽から排出し、そして発酵終了後、発酵槽の蓋を取外して、前記開口から既発酵物の一部を抜取り、再び新たな発酵原料を投入するという工程を繰返し行うことを特徴とするバッチ式乾式メタン発酵方法。
前記既発酵物と発酵原料とを混合した後に、上方から混合物を押圧するとともに混合物中に棒状体を差込んで、ガス抜き穴を混合物中に形成し、その後、蓋を閉めることを特徴とする請求項３記載のバッチ式乾式メタン発酵方法。
発酵槽を複数個用意し、処理すべき発酵原料を日時をずらして各発酵槽に投入し、発酵槽内に設置されていない１つの撹拌装置を順繰りに使用して、各発酵槽内の既発酵物と発酵原料とを混合することを特徴とする請求項３または４記載のバッチ式乾式メタン発酵方法。
発酵槽を複数個用意し、処理すべき発酵原料を日時をずらして各発酵槽に投入し、１つの押圧・ガス穴形成装置を順繰りに使用して、各発酵槽内の既発酵物と発酵原料とを混合物を上方から押圧するとともに混合物中に棒状体を差込んで、ガス抜き穴を混合物中に形成することを特徴とする請求項４または５記載のバッチ式乾式メタン発酵方法。