JP4536307B2 - ２相型メタン発酵反応装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、家畜糞尿のような有機廃棄物を発酵処理して、有用な燃料ガスとしてメタンガスを発生させるためのメタン発酵反応装置、より詳しくは、２相型メタン発酵反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家畜糞尿を含む様々な有機廃棄物をメタン発酵することによってメタン系燃料ガスを生産することは、確立された工業的方法である。メタンガスの収容量に応じてガスホルダーの容量を変えるための上下可動天蓋を有するガスホルダーを内蔵した容量可変ガスホルダー型反応装置、ガスホルダーが発酵槽上部に固定されたガスホルダー固定型反応装置及び下水処理場で嫌気性処理を行うために慣用されている下水消化槽、酸発酵槽及びメタン発酵槽とを有する２相型反応装置を含む数種の家畜糞尿の発酵処理用メタン発酵反応装置が開発されおり、実用されている。
ヨーロッパ特許公開第 0335825 号公報は、隔壁で分離された２区画（酸加水分解用第１区画及びメタン発酵用第２区画）を有する１つの槽からなる２相メタン発酵用バイオリアクターを開示する。両区画は永久に開放されたチャンネルによって液体伝達されている。
フランス特許公開第 2510605 号公報は、嫌気発酵による有機廃棄物からのメタン生産用バイオリアクターを開示しており、それは隔壁で分離された２区画からなる。両区画は永久に互いに液体伝達されているが、液体の逆流は両区画に連結するチャンネルに配置された一連の鎖によって防止されている。
フランス特許公開第 2305113 号公報は、嫌気発酵用バイオリアクターを開示しており、それは隔壁で分離された２区画からなる。両区画は永久に互いに液体伝達されているが、液体の逆流は特定の形状の隔壁によって防止されている。
ドイツ特許公開第 19715646 号公報は、発酵槽が隔離されていない嫌気発酵による有機廃棄物からのメタン生産用バイオリアクターを開示している。
【０００３】
先行技術におけるこれらの発酵反応装置には、それぞれ問題や不利がある。たとえば、ガスホルダー内蔵型のメタン発酵反応装置においては、その中に収容された液、すなわち消化液が、ガスホルダーの内部圧力の変動によって、メタン発酵槽から酸発酵槽又は原料廃液受液槽へ、あるいは沈降槽からメタン発酵槽へと逆流することが時々ある。メタン発酵は、１５０ｍＶないし４００ｍＶの酸化還元電位を必要とする絶対嫌気性菌の増殖によって進行可能なので、メタン発酵槽から酸発酵槽への液の逆流は、メタン発酵槽内のメタン菌濃度を減少させ、メタン発酵効率を低下させる。沈降槽からメタン発酵槽への液の逆流は、沈降槽内の液に含まれる溶存酸素がメタン発酵槽に流入することを意味し、部分的なメタン菌微生物の活性をある程度減少させるか死滅させる。このように、発酵槽容積が液の逆流に対応できるように大きくする必要があるので、反応装置を充分に小型化することが制限されるだけでなく、構成槽間の液の逆流は反応装置のメタン発酵能力の著しい低下と工程の不安定性の原因となっている。
上記の欠点がガスホルダー内蔵メタン発酵反応装置の使用の障害となり、この型の反応装置は、有利に低コストであるにもかかわらず、著しくは普及していない。
【０００４】
発明の開示
したがって、本発明は、従来のガスホルダー内蔵型メタン発酵反応装置における前記の問題の解決及び欠点の克服をはかり、長期間にわたり安定した高い能力を保ちながら作動することが可能な、高効率のメタン発酵反応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】
本発明者は、効率のよい２相型メタン発酵反応装置を開発することを目的として鋭意研究を重ねた結果、酸発酵槽からメタン発酵槽へ及びメタン発酵槽から沈降槽へと液を一方向へ流れさせるように酸発酵槽とメタン発酵槽との間及びメタン発酵槽と沈降槽との間に仕切り弁を設け、ガスホルダー内の水面の上下動と圧力変動を利用して仕切り弁を制御して、供給液を酸発酵槽、メタン発酵槽及び沈降槽を順次経て流れて排出されるようにすることにより、各槽間の液の逆流を効率よく防止しうるという予想外の事実を見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明によって提供される２相メタン発酵反応装置は、
（ａ）発酵処理用の供給液を収容する酸発酵槽、
（ｂ）酸発酵槽に添接して配置され、その上部空間がメタンガスホルダーとなるガスホルダー型メタン発酵槽、
（ｃ）酸発酵槽とメタン発酵槽とを仕切る第一の垂直な隔壁、
（ｄ）メタン発酵槽に添接して 配置され、消化液が排出される沈降槽、
（ｅ）メタン発酵槽と沈降槽とを仕切る第二の垂直な隔壁、
（ｆ）酸発酵槽とメタン発酵槽との間の液体の流れ方向を調節するための、第一の隔壁に設けられた第一の仕切り弁、
（ｇ）メタン発酵槽と沈降槽との間の液体の流れ方向を調節するための、第二の隔壁に設けられた第二の仕切り弁、及び
（ｈ）メタンガスホルダーに連結した閉止弁を有するメタンガス出口導管を包含してなる一体型システムである。
【０００７】
上記に定義された本発明の反応装置を、半地下又は完全に地下に埋設して発酵槽の断熱性を向上させるのは、任意であるが有利である。効率をさらに高める必要があれば、酸発酵槽に導入される供給液の温度を、例えば供給液受液槽に空気を供給し、熱の発生を伴う廃棄物の好気分解を起こさせることによって、２０〜３０℃に穏やかに上昇させる。
【０００８】
発明を実施する最良の形態
次に添付図面を参照して本発明反応装置を詳細に説明する。
図１は、本発明反応装置の代表的な１例の断面略解図であり、このものは、基本的に酸発酵槽１、メタン発酵槽２及び沈降槽３を含む３区画からなり、酸発酵槽１及びメタン発酵槽２との間は第一の垂直な隔壁４で仕切られ、メタン発酵槽２及び沈降槽３との間は第二の垂直な隔壁５で仕切られている。供給液は供給液受液槽（図示せず）に連結した供給液流入管７を介して酸発酵槽１に導入される。メタン発酵槽２内に滞留する液の上部空間６はメタンガスホルダーとなる。沈降槽３で形成された消化液は消化液受液槽９に連結した流出管８を介して排出される。閉止弁１０Ａを有するメタンガス出口管１０は、メタン発酵槽２の天蓋部２Ａの頂点に連結され、メタンガスホルダー６に通じている。
【０００９】
前記の本発明反応装置においては、揮発性有機酸の産出量を高めるために酸発酵槽１とメタン発酵槽２の容積比が１：５ないし１：１０の範囲にあることが重要である。酸発酵槽１への供給において特に家畜糞尿のように不溶性固形分含有量が多い場合には、この比を１：５又は１：５付近に設定し、酸発酵槽２への供給が生活廃水のように不溶性固形分と大量の溶解分を含有する場合には、この比を好ましくは１：８又は１：８付近に設定することにより円滑で効率のよいメタン発酵の進行を確保する。供給が食品工業廃水のように大量の可溶性固形分を含む場合には、この比を好ましくは１：１０又は１：１０付近に設定する。一方、沈降槽３は、その断面が、浮遊性固形粒（ＳＳ）が、ストークスの法則により計算された静止水時における粒径１０〜２０μｍ粒子の沈降速度を越えない上昇流速度を確保するように設計される。
【００１０】
酸発酵槽１とメタン発酵槽２とを仕切る隔壁４にはその下部に、酸発酵槽１からメタン発酵槽２への液の円滑な流出のための制御手段となる第一の仕切り弁４Ａが設けられており、一方、メタン発酵槽２と沈降槽３とを仕切る隔壁５にはその下部に、メタン発酵槽２から沈降槽３への液の円滑な流出のための制御手段となる第二の仕切り弁５Ａが設けられている。例えば、酸発酵槽１の水位よる圧力とガスホルダー６内の気体の圧力を加えたメタン発酵槽２の水位による圧力との圧力差を考慮して、又はガスホルダー６内の気体の圧力を加えたメタン発酵槽２の水位による圧力と沈降槽３の水位による圧力との圧力差を考慮して、各仕切り弁４Ａ及び５Ａは、自重を有するよう設計される。仕切り弁４Ａ,５Ａはいずれも、典型的には、その上部において隔壁４,５に蝶番留されたフラップ板構造を有し、その下部においてメタン発酵槽２及び沈降槽３内の水面上に浮遊する浮子４Ｂ,５Ｂの紐４Ｃ,５Ｃにそれぞれ係止されている（図２参照）。
【００１１】
この場合、メタン発酵槽２は、その必要な容量が比較的低い水面でも得られるように建造されることが重要である。他方、酸発酵槽１の水位の高さは、液体の流れが、開放された仕切り弁４Ａを通って酸発酵槽１からメタン発酵槽２へ、また、開放された仕切り弁５Ａを通ってメタン発酵槽２から沈降槽３へ、さらにオーバーフローによって消化液受液槽９へとなるように設計され、制御される。ガスホルダー６の内圧を２００ｍｍＨ₂Ｏ以上に保持しなくてはならないので、メタン発酵槽２内の水位の高さは制限される。
【００１２】
ガスホルダー６内のメタンガスが消費され、酸発酵槽１内の液がメタン発酵槽２内へ導入されることによって、メタン発酵槽２内の水面の上昇運動を引き起こす間、メタン発酵槽２内でメタン発酵は進行するが、この場合、酸発酵槽１内の水位に基づいて発生する圧力が、メタン発酵槽２内の水位に基づいて発生する圧力とガスホルダー６の内圧との和を超えることが条件である。メタン発酵槽２内で進行するメタン発酵は、メタンガス消費に基づく圧力低下の補償としてガスホルダー６の内圧を増加させる。
【００１３】
ガスホルダー６の内圧がメタン発酵槽２内のメタン発酵により上昇して、メタン発酵槽２の水位による圧力とガスホルダー６の内圧との和が、沈降槽３の水位による圧力と仕切り弁５Ａによる自重換算圧力との和よりも大きくなると、仕切り弁５Ａが開いてメタン発酵槽２から液が沈降槽３へ流入し、沈降槽３内の水位がオーバーフロー導管８の高さに達するとオーバーフローにより、液は消化液受液槽９へ導入される。
メタン発酵槽２内の液の平均滞留時間は、そこにおける水位が下限にあるとき最も短くなるので、この時間因子をメタン発酵槽２への有機物負荷の算定基準とするのがよい。
【００１４】
生活廃水及び家畜糞尿のような廃液の日常的な排出過程においては、通常１日１〜４回のピークがあることが知られている。その排出ピーク間に半連続のメタン発酵工程を行うために本発明装置は有利に作動させることができる。すなわち、本装置の運転モードを、２回の廃水発生ピークの合間にガスホルダー６の内圧を低下させるようにプログラムを設定すると、きわめて有効にプラグフロー条件が成立し、逆流のない２相メタン発酵システムが確保できる。酸発酵槽１の必要な容量は、メタン発酵槽２内の水位の下限と酸発酵槽１内の水位の上限と仕切り弁４Ａの自重換算圧力の水頭差の総和から算出することができる。
【００１５】
図２は、図１の反応装置における仕切り弁４Ａ及び５Ａの開閉機構を示す略解図である。すなわち、仕切り弁４Ａ及び５Ａのそれぞれは、メタン発酵槽２内又は沈降槽３内の液面に浮遊する浮子４Ｂ又は５Ｂに牽引ワイヤー又はロープ４Ｃ又は５Ｃによって連結される。この機構は、メタン発酵槽２から酸発酵槽１への逆流ならびに沈降槽３からメタン発酵槽２への逆流を防止し、酸発酵液のメタン発酵槽２へのガスホルダー６からのメタンガスの消費状況に応じた適正な流入を確保するものである。
【００１６】
ガスホルダー６の内圧が高くなってメタン発酵槽２内の水位が設定下限値に達したときは、沈降槽３から液のアウトフローが起こる。この場合、酸発酵槽１内の水位による水頭が、メタン発酵槽２上のガスホルダー内圧換算水頭とメタン発酵槽２自体による水頭と仕切り弁４Ａによる自重換算水頭の和よりもたとえわずかでも大きくなるように反応装置を設計すれば、供給された廃液の流入に対するメタン発酵を有機物負荷の設定値以下で進行させることができる。メタン発酵槽２内の水位が上昇して上限に達するまでは、実際の有機物負荷は有機物負荷の設定値より常に低く保持されるので、反応装置を安全かつ円滑に作動することができる。
【００１７】
図３に略解図示したように、２個の酸発酵槽１,１′、２個のメタン発酵槽２,２′及び１個の沈降槽３からなり、沈降槽３の両側にそれぞれ仕切り弁５Ａ,５Ａ′を有する隔壁５,５′で仕切られた２個のメタン発酵槽２,２′が連設され、一方、メタン発酵槽２,２′にはそれぞれ仕切り弁４Ａ,４Ａ′を有する隔壁４,４′で仕切られた酸発酵槽１,１′が連設されるように本発明装置を構築する設計も可能である。それぞれのメタン発酵槽２,２′上のガスホルダー６,６′は、メタンガス出口管１０,１０′に連結され、必要に応じそれらは合わされて閉止弁１０Ａを介して圧力計又は圧力制御弁（図示せず）に通じる。
【００１８】
任意であるが、各メタン発酵槽２,２′には、例えば岩綿の塊又は板である「担体」ｃを収容する。ガスホルダー６,６′の内圧が所定の設定値に達したり越えたりしたときには、弁１０Ａを手動又は自動で開放し、メタンガスを熱電供給エンジン（図示せず）に供給し、局所用の電力と温湯を発生させる。ガスホルダー６,６′の内圧が低下し所定の設定値の下限に達したときは、エンジンを手動又は自動で停止し、酸発酵槽１,１′内の液をメタン発酵槽２,２′へ導入し、沈降槽３からオーバーフローにより排出する。
【００１９】
沈降槽３内の水位の上限と下限を設定し、沈降槽３内に設けた排出ポンプにより、沈降槽３からのオーバーフロー液を排出させることも可能であり、このようにして酸発酵槽１,１′内の液をメタン発酵槽２,２′へ円滑に移送することができる。
【００２０】
必要に応じて、本発明反応装置の酸発酵槽１、メタン発酵槽２及び沈降槽３の少なくとも１個に、処理中の液体の温度を調節するために温度調節手段、特には加熱手段を備えるのは任意である。例えば、それぞれの槽の外表面又は底部に、岩綿のような断熱材を用いて断熱した加熱媒体すなわち温水又は温風用のパイプ又はダクトが設けられる。加熱媒体となる温風を生産するには、コンポスト発酵によって生じた廃熱を利用することができる。加熱媒体となる温水を生産するには、メタン発酵によって発生したメタンガスの燃焼熱を利用することができる。
【００２１】
このプラグフロー型完全２相メタン発酵反応装置を寒冷地で使用する場合には、ガスホルダー６の天蓋の高さを、その地の冬季の凍結深と同等又は若干低い高さになるような深さの地下に反応装置を埋設することができる。冬季の夜間の気温が−２０〜−３０℃に低下しても、１ｍ以下の深さの地温は１０℃より下がることはめったにないので、本発明反応装置は１５〜２０℃の温度で低温メタン発酵を行うことができる。加熱媒体としての温風又は温水を利用しなくても、酸発酵槽１への導入前の廃液の温度は、廃液受液槽におけるエアレーションによって調節されるので、その中の温度は２５〜２７℃に上昇し、メタン発酵槽２内の液温を２０〜２２℃に保持することができる。
【００２２】
【実施例】
次に、実施例により本発明反応装置をさらに詳細に説明する。
【００２３】
実施例１
ここで用いたプラグフロー型完全２相メタン発酵反応装置は、図２に示された構造を有する２３リットル容量のベンチスケール装置であった。２０℃の一定温度に調節した恒温槽内で、平均滞留時間を２０日間、有機物負荷を３ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日に設定して、供給廃物として豚糞尿を用いて反応装置の試験運転を行ったところ、１日当たり２５〜２６リットルＮＴＰのメタンガスを順調に得た。しかしながら、設定値を変更して平均滞留日数を１０日間に半減し、有機物負荷を６ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日と２倍にした場合には、メタンガスの日収量は、１２〜１４リットル／日、すなわち、先の運転における収量の約１／２量であった。
【００２４】
消化液中の酢酸とプロピオン酸の濃度は、平均滞留日数を２０日間とした運転では、それぞれ、５５００ｍｇ／ｌ及び２３５７ｍｇ／ｌであり、平均滞留日数を１０日間とした運転では、それぞれ、２５００ｍｇ／ｌ及び１９６５ｍｇ／ｌであって、顕著な酢酸の資化及びプロピオン酸の蓄積並びに有機物負荷が高い場合は有機酸の分解不良を示した。
【００２５】
本反応装置の３番目の試験運転を、最小液容積の２０％に相当する体積の岩綿板を用いて、２段階で行った。第１段階は、平均滞留時間を２０日間、有機物負荷を３ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日として２０日間行い、一方、第２段階は、平均滞留時間を１０日間、有機物負荷を６ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日として３０日間行ったところ、１日当たり２３〜２８リットルのメタンガスを得た。
【００２６】
実施例２
図３に示した全容積５０リットル容量の反応装置を用いて、液温２０〜２２℃、平均滞留時間１０日間で、有機物負荷３ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日の運転条件下で豚糞尿処理の試験運転を行った。メタンガスの日収量は、５０〜６５リットル／日であった。
【００２７】
実施例３
図４のブロック図表によって示されたシステムにおいて、有機物負荷４ｋｇ−ｖｓ／ｍ³／日、平均滞留時間１０日間で豚糞尿処理の試験運転を行った。メタン発酵槽には、槽容積の１０％に相当する容積の岩綿の円筒型担体が詰め込まれた。
【００２８】
試験運転方法の概要は次のとおりである。
豚舎１０１の床に設置したスノコを通って落ちた豚の尿は、下の尿溜１０２に集められた。尿はそこから供給槽１０５へ１日当り８トンの割合で移送された。一方、固体の糞は分離オーガ１０３によって運搬車１０４に載せられ、１日当り１.５トンの割合で供給槽１０５へ導入された。したがって、容量２１トンの供給槽は、液体及び固体の排泄物を毎日９.５トンの割合で受け入れた。供給槽１０５には撹拌ポンプ（図示せず）が設置され、それによって排泄物を均等に撹拌した。
【００２９】
そのように混合された排泄物はポンプ１０５Ａによりスクリュープレス１０６へ移送され、液体と固体に分離された。排泄液体は、曝気槽１０８に移送され、そこで、液体の温度が２０〜２５℃に達するまで、調製された速度で液体に空気を吹き込む曝気ブロワー１０９を作動することにより、曝気処理された。
【００３０】
スクリュープレス１０６で分離された排泄固体は、コンポスト発酵槽１０７に移送されてブロワー１１０による送風下５日間そこに留められ、固体の温度が６０〜７５℃まで上がった後、コンポスト化槽１１５に移送され、そこで、コンポストケーキは、無送風で２〜３ヶ月後熟発酵させられて、一般的には農場への有機質肥料として有用な熟成コンポストとなった。
【００３１】
曝気槽１０８内に収容された排泄液体は温度２０〜２５℃で酸発酵区画１１１へ、次に仕切り弁１１１Ａを通って有効容積１３０トンのメタン発酵槽１１２に移送され、そこで液体は、供給槽１０５に定期的に導入される希釈水の量によって異なるが、約１０〜１３日間嫌気発酵させられた。メタン発酵槽１１２の上部空間は、排泄液体の嫌気発酵によって発生したいわゆるバイオガスのガスホルダーとなった。ガスホルダー内に集められたバイオガスは、メタン６５〜７０容積％、二酸化炭素３０〜３５容積％、硫化水素０.２〜０.４容積％を含有していた。
メタンガス収量は１日当り８０〜１３０ｍ³に達し、例えば室内暖房用の燃料ガスとして利用できた。メタン発酵槽から仕切り弁１１２Ａを通って排出された液体は、調整槽１１３に設置されたポンプ１１３Ａによって調整槽１１３及び沈降槽１１４を通過させることにより、農地の液肥として利用できる。
【００３２】
２月と３月に行った２回の試験運転で得られた結果を以下の表に示す。
【表１】

【００３３】
産業上の利用可能性
本発明は、豚糞尿及び台所ごみのような種々の有機廃棄物を利用して効率のよいメタン発酵用反応装置を提供する。本装置は、連続して連結された、酸発酵槽、メタン発酵槽及び沈降槽を包含してなり、処理中の液体の逆流による不都合が完全に防止できるので、長期間にわたり安定した状態でメタン発酵工程を続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 代表的な１例としての本発明反応装置の断面略解図である。
【図２】 浮子の浮力を利用して仕切り弁を作動する機構を示す略解図である。
【図３】 酸発酵槽２個とメタン発酵槽２個を備えた本発明反応装置の断面略解図である。
【図４】 本発明のメタン発酵反応装置が組み込まれた豚糞尿分解システムのブロック図表である。

Claims (3)

1. （ａ）発酵処理用の供給液を収容する酸発酵槽、
   （ｂ）酸発酵槽に添接して配置され、その上部空間がメタンガスホルダーとなるガスホルダー型メタン発酵槽、
   （ｃ）酸発酵槽とメタン発酵槽とを仕切る第一の垂直な隔壁、
   （ｄ）メタン発酵槽に添接して配置され、消化液が排出される沈降槽、
   （ｅ）メタン発酵槽と沈降槽とを仕切る第二の垂直な隔壁、
   （ｆ）酸発酵槽とメタン発酵槽との間の液体の流れ方向を調節するための、第一の隔壁に設けられた第一の仕切り弁、
   （ｇ）メタン発酵槽と沈降槽との間の液体の流れ方向を調節するための、第二の隔壁に設けられた第二の仕切り弁、及び
   （ｈ）メタンガスホルダーに連結した閉止弁を有するメタンガス出口導管を包含してなる有機廃棄物の２相メタン発酵用反応装置。
2. 酸発酵槽、メタン発酵槽及び沈降槽の少なくとも一つに槽内の温度調節のための手段を設けた請求項１記載の有機廃棄物の２相メタン発酵用反応装置。
3. 酸発酵槽とメタン発酵槽の容積比が１：５ないし１：１０の範囲にある請求項１記載の有機廃棄物の２相メタン発酵用反応装置。

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