JP4727220B2 - 低動力撹拌による発酵方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、し尿、生ごみ、畜産廃棄物、汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵処理するために用いる低動力攪拌による発酵方法および装置に関する。

近年、し尿、生ごみ、畜産廃棄物、汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法が多く利用されている。このメタン発酵処理は汚泥の減容化やエネルギー源としてのメタンガスが回収できるなどの利点を有している。

メタン発酵を効果的に促進するためには、発酵槽内のメタン菌などの嫌気性菌（生物汚泥）と処理すべき有機物を撹拌して混合する必要がある。メタン発酵槽の撹拌方法としては、撹拌翼などを使用する機械撹拌、発生したガスをブロアなどを用いて発酵槽内に吹き込むガス吹込みによる攪拌、発酵槽内の液（発酵液）をポンプを用いて循環させる液循環による攪拌、あるいは、ガス吹込みによる攪拌と液循環による攪拌を併用する方法などがある。

機械攪拌では、一般に大型の攪拌機を必要とする。また、ガス吹込みによる攪拌と液循環による攪拌は、共に十分な攪拌効果が得られないことから、ガス吹込みと液循環を併用する攪拌方法が主に採用されている。しかし、ガス吹込みによる攪拌と液循環による攪拌を併用する攪拌方式では、ガス攪拌用のブロアと、液循環用のポンプを必要とし、動力が大きいという問題がある。

そして、この方法において動力のユーティリティコストを低減するために、ガス吹込みによる攪拌と液循環による攪拌のいずれかを中止すると、発酵槽内の汚泥濃度が上昇した場合に十分な攪拌ができず、安定した運転ができないという問題がある。
攪拌の動力費を低減するために、ブロアやポンプなどを必要としない装置としてＢＩＭＡ発酵槽（消化槽）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この発酵槽は、攪拌機やブロワを使用しない無動力型のメタン発酵槽で、センターチューブ、主発酵部、上部室の三つの区画された水槽から構成されており、発酵ガスが発生する主発酵部のガス相と、発生ガスを外部のガスホルダに排出する上部室とのガス圧の差で生ずる主発酵部の水面と上部室の水面の水頭差を利用して、発酵液を流下させ攪拌が行われる。

また、発酵槽内で発生するガスを発酵槽内に設けたガス室に溜め、その溜めたガスをサイフォンの原理により液中に吹き出させることによって、外部動力を必要とすることなく発酵槽内を撹拌する方法が提案されている（特許文献２参照）。

この方法では、発酵槽内で発生したガスを該発酵槽内に鉛直方向または略鉛直方向に設けられた筒体底部の、略Ｕ字管または略Ｖ字管を備えたガス室に回収し、該ガス室に所定量を充満させた後、この発生ガスを筒体内部へ一度に吹き出させて筒体内を上昇させると共に、ガス室の上側の筒体に上端が接続され、発酵槽内に下端が位置する複数の吸液管から液を吸い上げ、発酵槽内に対流を発生させて撹拌しつつ発酵させるものである。

しかし、上記の二つの方法は、いずれも発生したガスのみを利用して撹拌を行うため、発生ガス量の変動により安定した運転が難しいという問題がある。また、攪拌が間欠的に行われるため、発酵槽の発酵液中の汚泥濃度が高くなった場合には十分な撹拌効果が得られないおそれがある。更に、発酵槽内の構造が複雑であり、製作費やメンテナンスの点でも問題がある。

特開平１０−１２８３８２号公報 特開２００１−２７６８９７号公報

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、し尿、生ごみ、畜産廃棄物、汚泥などの有機性廃棄物を処理するメタン発酵槽内の攪拌を簡単な構成で、少ない動力で、かつ、大きな攪拌効果が得られる低動力攪拌による発酵方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を達成するためになされたもので、以下の手段で解決された。
低動力攪拌による発酵方法であって、発生ガスをガスホルダに蓄えるメタン発酵槽と、該メタン発酵槽の発酵液を貯留する密閉型の発酵液貯留槽のそれぞれの上部の気相部どうし、および、下部の液相部どうしを連結し、前記発酵液貯留槽の発酵液をポンプによって引き抜き、引き抜いた発酵液を前記メタン発酵槽内へ返送することによる攪拌と、この発酵液の引抜きにより前記発酵液貯留槽を減圧させ、該発酵液貯留槽上部の気相部に、前記メタン発酵槽の発生ガスを誘引して溜め、この溜めた発生ガスを、前記メタン発酵槽の発酵液を水頭差によって前記発酵液貯留槽に移動させることにより押し出して前記メタン発酵槽の発酵液中に吹き込むことによる攪拌とを組合せて行い発酵させるようにした。

また、前記ポンプを、前記発酵液貯留槽に発酵液が貯留された段階で稼動し、前記発酵液貯留槽上部の気相部に発生ガスが溜められた段階で稼動を停止するように間欠稼動させ、前記発酵液貯留槽の発酵液を前記メタン発酵槽に返送することによる攪拌と、前記発酵液貯留槽に溜めた発生ガスを前記メタン発酵槽の発酵液中に吹き込むことによる攪拌とを交互に行って発酵させるようにした。

さらに、前記発酵液貯留槽上部の気相部の発生ガスが、ガス吹込み開始時に一気に流れるのを防止するために、流量調節弁で流量調節するようにしたこと、前記メタン発酵槽下部の液相部から前記発酵液貯留槽下部の液相部に発酵液を移動させるときや、前記メタン発酵槽上部の気相部のガスを前記発酵液貯留槽上部の気相部に誘引して溜めるときに、前記ガスホルダに蓄えたガスが逆流するのを防止するようにしたことも特徴とする。

本発明の発酵方法は、発酵液貯留槽を密閉型とし、該発酵液貯留槽上部の気相部に蓄えたガスを利用することにより、液移送用のポンプのみを使用するだけで、ガス吹込みによる攪拌と、液供給による攪拌を行うことができ、少ない動力でメタン発酵槽の大きな攪拌効果が得られ、安定した運転が可能である。

また、ガス吹込み用のブロアや液循環用のポンプなどを使用しない無動力型の攪拌においては、発生ガス量の変動により安定した運転が難しいが、本発明の方式では、発生ガス量が変動しても、ポンプを利用した液供給による攪拌も行われるので、安定した運転が可能である。

本発明の発酵装置は、無動力型の発酵装置が発酵槽内にガス室などのガス貯留部を設けるために構造が複雑であるのに対して、密閉型の発酵液貯留槽にガスを蓄えるようにしており、構造が簡単で、装置の製作やメンテナンスが容易である。

以下、本発明の最良の実施形態を添付図面に従って説明するが、本発明はこの実施の形態になんら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
図１は本発明によるし尿、生ごみ、畜産廃棄物、汚泥などの有機性廃棄物をメタン発酵処理する低動力攪拌による発酵装置の構成例を示す概略図である。

１は有機性廃棄物などをメタンなどに変換するメタン発酵槽（以下、単に発酵槽と記す）で、内部に発酵液を攪拌するためのドラフトチューブ２が設けられている。ドラフトチューブ２の内部にはガス吹込管３が備えられている。４は発酵槽１の発酵液の一部を貯留する密閉型の発酵液貯留槽（以下、単に貯留槽と記す）である。

発酵槽１と貯留槽４は送液管１１および１２で連結され、また、ガス供給管１３および吹込ガス供給管１４で連結されている。
すなわち、送液管１１は発酵槽１と貯留槽４の下部の液相部どうしを連結し、貯留槽４に発酵槽１から引き抜いた発酵液を貯留する。送液管１２は貯留槽４下部の液相部を発酵槽１に連結し、貯留槽４の発酵液を発酵槽１に返送する。ガス供給管１３は発酵槽１と貯留槽４の上部の気相部どうしを連結し、発酵槽１から発生ガスを貯留槽４へ供給して貯留する。吹込ガス供給管１４は貯留槽４上部の気相部を発酵槽１に連結し、貯留槽４の発生ガスを発酵槽１内に設けられたガス吹込管３に供給する。

５は送液管１２に挿設されたポンプであり、貯留槽４の発酵液を発酵槽１へ返送する。このポンプ５は、密閉型である貯留槽４内の発酵液を発酵槽１に戻すことにより、貯留槽４内を減圧し、貯留槽４上部の気相部に発酵槽１上部の気相部の発生ガスをガス供給管１３を介して誘引する働きを有する。６は発酵槽１内で発生するガス（メタン含有ガス）を回収して貯留するガスホルダである。

以下、図１に従って本発明の処理方法を説明する。
し尿、生ごみ、畜産廃棄物、汚泥などの有機性廃棄物が廃棄物供給管１０を介して発酵槽１内に供給される。廃棄物が固形物の場合は、通常、水を加えて適した濃度のスラリ状態にした後、発酵槽１内に供給される。

発酵槽１内は、投入された廃棄物とメタン菌などの嫌気性菌との接触を良くさせて発酵が促進されるように攪拌が行われる。攪拌は後述するように、貯留槽４上部の気相部のガスを発酵槽１の発酵液中へ吹き込んで液を流動化させる方法と、ポンプ５によって貯留槽４の発酵液を送液管１２を介して発酵槽１に返送し、発酵槽１の発酵液を流動化させる方法で行われる。

発酵槽１内で発生したガスはガス排出管１６を介して取り出され、ガス洗浄装置（図示していない）で洗浄処理された後、ガスホルダ６に貯留される。
なお、１５は処理液を系外に排出する処理液排出管であって、図示していないが流量調節弁や流量計などを備えている。

次に発酵槽１内での攪拌について説明する。
発酵液引抜弁Ｖ２および流量調節弁Ｖ３を閉にした状態で、ガス供給弁Ｖ１を開き、発酵槽１上部の気相部のガスをガス供給管１３を介して、ポンプ５によって発酵液が引き抜かれる貯留槽４上部の気相部へ誘引する。貯留槽４上部の気相部にガスが溜まった時、ガス供給弁Ｖ１を閉じ、発酵液引抜弁Ｖ２および流量調節弁Ｖ３を開くことにより、水頭差によって発酵槽１の発酵液が貯留槽４に流入する。

この貯留槽４に流入した発酵液により、貯留槽４上部の気相部に溜まっていたガスは押し出され、吹込ガス供給管１４を介してガス吹込管３に送られて、ドラフトチューブ２内に吹き込まれる。
このガスの吹込みによりドラフトチューブ２内に液の上昇流が発生し、発酵槽１内の液が攪拌されて混合される。

発酵槽１内および／または貯留槽４内に設置した液面を計測するレベルセンサ（図示していない）が所定の値になった時、発酵液引抜弁Ｖ２を閉じ、発酵槽１から貯留槽４への発酵液の流入を停止し、流量調節弁Ｖ３を閉じ、ガス供給弁Ｖ１を開く。

一方、連続稼動のポンプ５によって、貯留槽４の発酵液が送液管１２を介して発酵槽１に返送され、発酵槽１内の発酵液が流動化されて撹拌されると共に、貯留槽４の液面の低下に伴なって貯留槽４は減圧されるので、発酵槽１上部の気相部のガスは、ガス供給管１３を介して貯留槽４上部の気相部に誘引されて蓄えられる。

弁の操作はシーケンスを組んでレベル計の信号により、自動的に作動するようにすることが可能である。また、レベルセンサを使用する代わりに、貯留槽４の大きさ、設置位置によっては、発酵槽１と貯留槽４の発酵液のレベルが同じになった時、吹込みガスの供給を終了とするように設定することができる。

この貯留槽４上部の気相部に蓄えられたガスは前述したように、発酵槽１内の発酵液の攪拌に使用される。
すなわち、本発明で使用するポンプ５は、単に液を移送するという機能の他に、貯留槽４に発酵槽１の気相部の発生ガスを誘引するという機能も有している。

以上のように、本発明の方法では、発酵槽１で発生したガスを貯留槽４に貯留し、次いで、発酵槽１の発酵液を水頭差によって貯留槽４に供給し、この発酵液の供給により、貯留槽４に貯留されたガスを押出して発酵槽１の発酵液中へ吹き込んで上昇流を発生させ、発酵液を攪拌することが可能である。また、ポンプ５により、貯留槽４内の発酵液を発酵槽１に返送しており、発酵槽１内の発酵液を流動化して攪拌することが可能である。

上記のガス吹込みによる攪拌操作と発酵液の返送による攪拌操作の二つの攪拌操作を組み合わせて行うことにより、少ない動力で発酵槽１の大きな攪拌効果が得られ、安定した運転が可能である。

なお、ポンプ５は連続稼動させ、常時、貯留槽４から発酵液を発酵槽１に返送するようにしてもよいし、また、発酵槽１から貯留槽４に発酵液を流入させ、貯留槽４の発生ガスを押し出す工程において、貯留槽４に発酵液が貯留された段階で稼動し、発酵槽１の発生ガスを貯留槽４に誘引する工程において、貯留槽４上部の気相部に発生ガスが貯留された段階で、稼動を停止するように間欠稼動させるようにしてもよい。

ポンプ５を連続稼動させる場合、発酵槽１は発酵液の返送による攪拌が継続して行われながら、さらに一定間隔で、ガス吹込みによる攪拌が重ねて行われる。また、ポンプ５を間欠稼動させる場合は、発酵槽１は発酵液の返送による攪拌とガス吹込みによる攪拌とが交互に行われる。

発酵槽１内の汚泥の比重や濃度が低いときは、発酵液の返送による攪拌と、ガス吹込みによる攪拌を交互に行っても十分な攪拌効果が得られる。
このようにポンプ５を間欠稼動し、発酵液の返送による攪拌と、ガス吹込みによる攪拌を交互に行う攪拌方法では、より動力費の削減が可能である。

なお、発酵槽１に吹き込まれる貯留槽４上部の気相部のガスが、吹込み開始時に一気に流れるのを防止するために、流量調節弁Ｖ３により流量調節される。
また、発酵槽１から貯留槽４に発酵液を流入させる時や、発酵槽１上部の気相部のガスを貯留槽４上部の気相部に供給して溜める時に、ガスホルダ６からガスが逆流するのを逆止弁あるいは開閉弁などの弁Ｖ４により防止するようにする。

図１の実施形態では、ガス供給管１３と吹込ガス供給管１４を別々に設けたが、貯留槽４に連結する部分を一本にして、途中で分岐させて発酵槽１に連結してもよい。
また、貯留槽４に蓄えたガスをドラフトチューブを利用して発酵槽１の発酵液中に吹き込むようにしたが、発酵槽１の底部に散気ノズルなどの散気装置を設けて吹き込むことも可能である。

また、貯留槽４は発酵槽１に付帯して従来から備えられている発酵液貯留槽（発酵済み汚泥などを含むので発酵汚泥貯留槽とも言われる）を密閉型として利用することも可能である。

図１に示すような発酵槽（有効容積１０ｍ^３）と貯留槽（有効容積３ｍ^３）を有する発酵装置を用い、汚泥濃度約１０％の生ごみのスラリを発酵槽に０．６７ｍ^３／ｄの割合で供給してメタン発酵処理を行った。
なお、ポンプは連続稼動とし、液の移送量は０．３、０．５、１ｍ^３／ｈと段階的に変化させた。また、発酵槽へのガス吹込量は流量調整弁を用いて、１または３ｍ^３／ｈとなるように調整した。
その結果、いずれの条件においても発酵槽内の攪拌を良好に行うことができ、安定した発酵処理を行うことが可能であった。

以上のように、従来の方法ではガス吹込みによる攪拌と、液循環による攪拌を併用して発酵槽内を攪拌するために、ガス攪拌用のブロアと、液循環用のポンプを必要としたが、本発明の方法では、貯留槽４を密閉型とすることによって、貯留槽４内に発酵槽１内に吹き込む撹拌用のガスを貯留できるようにしたので、液移送用のポンプのみを使用して、ガス吹込みによる攪拌と、液移送（液循環）による攪拌の２通りの攪拌効果を得ることができる。

すなわち、ポンプ一台で、ガス吹込みによる攪拌と、液移送による撹拌が可能であり、少ない動力で発酵槽１内の大きな攪拌効果を得ることができる。
また、ポンプを使用することにより液供給による攪拌も行われるので、発生ガス量によらず安定した攪拌が可能である。

さらに、本発明の発酵装置は、発酵槽１内にガス室などを設けるのではなく、密閉型の貯留槽４内にガスを蓄えるようにしているので、構造が簡単である。

本発明の低動力攪拌による発酵装置の一実施形態の模式的構成図である。

符号の説明

１ 発酵槽
２ ドラフトチューブ
３ ガス吹込管
４ 貯留槽
５ ポンプ
６ ガスホルダ

Claims (4)

1. 発生ガスをガスホルダに蓄えるメタン発酵槽と、該メタン発酵槽の発酵液を貯留する密閉型の発酵液貯留槽のそれぞれの上部の気相部どうし、および、下部の液相部どうしを連結し、前記発酵液貯留槽の発酵液をポンプによって引き抜き、引き抜いた発酵液を前記メタン発酵槽内へ返送することによる攪拌と、この発酵液の引抜きにより前記発酵液貯留槽を減圧させ、該発酵液貯留槽上部の気相部に、前記メタン発酵槽の発生ガスを誘引して溜め、この溜めた発生ガスを、前記メタン発酵槽の発酵液を水頭差によって前記発酵液貯留槽に移動させることにより押し出して前記メタン発酵槽の発酵液中に吹き込むことによる攪拌とを組合せて行い発酵させることを特徴とする低動力攪拌による発酵方法。
2. 前記ポンプを、前記発酵液貯留槽に発酵液が貯留された段階で稼動し、前記発酵液貯留槽上部の気相部に発生ガスが溜められた段階で稼動を停止するように間欠稼動させ、前記発酵液貯留槽の発酵液を前記メタン発酵槽に返送することによる攪拌と、前記発酵液貯留槽に溜めた発生ガスを前記メタン発酵槽の発酵液中に吹き込むことによる攪拌とを交互に行って発酵させることを特徴とする請求項１記載の低動力攪拌による発酵方法。
3. 前記発酵液貯留槽上部の気相部の発生ガスが、吹込み開始時に一気に流れるのを防止するために、流量調節弁で流量調節することを特徴とする請求項１または請求項２記載の低動力攪拌による発酵方法。
4. 前記メタン発酵槽下部の液相部から前記発酵液貯留槽下部の液相部に発酵液を移動させるとき、及び／又は前記メタン発酵槽上部の気相部のガスを前記発酵液貯留槽上部の気相部に誘引して溜めるときに、前記ガスホルダに蓄えたガスが逆流するのを防止するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の低動力攪拌による発酵方法。

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