JP4959984B2

JP4959984B2 - 発酵ガス生成装置

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Publication number: JP4959984B2
Application number: JP2006000776A
Authority: JP
Inventors: 俊一松橋; 富夫羽川; 利洋帆秋
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2007181760A

Description

本発明は有機物の再資源化技術に関し、特に有機物のメタン発酵によりメタンガスを主成分とする発酵ガスを生成する技術に関する。

おから、紙、生ごみ、糞尿等の有機物、有機性廃棄物（以下、総称して単に有機物という。）を再資源化すべく、そのような有機物をメタン発酵させてメタンガスを主成分とする発酵ガスを生成・回収する技術が提案されている（特許文献１乃至５）。回収されたメタンガスを主成分とする発酵ガスは例えば発電等に用いられる。一方、有機物を発酵させる発酵槽として有機物の導入口と発酵した有機物の残渣の排出口とを共通にしたコンテナ形式のものがある。しかし、この形式では発酵した有機物は悪臭を放つため、新たな有機物と発酵後の残渣との入れ替えの際に周囲に悪臭が漂うことになり、設備周辺に民家が存在する環境下では採用することが困難である。また、新たな有機物と発酵後の残渣との入れ替えが必要となり、新たな有機物の連続導入ができず、作業効率が劣る。

これに対して、発酵槽の上部等を有機物の導入口とし、下部等を残渣の排出口としたタンク形式のものがあり、バッチタイプと連続タイプとがある。このタンク形式で連続タイプのものは新たな有機物と発酵後の残渣との入れ替えは不要であり、悪臭の問題を解消できる他、新たな有機物の連続導入が可能である。なお、タンク内において発生したメタンガスを主成分とする発酵ガスはタンクの上部から回収されることになる。

また、メタン発酵の含水状態による方式として、乾式メタン発酵と湿式メタン発酵とが提案されている。乾式メタン発酵と称されている有機物に事実上加水しないで発酵させる方式では、発酵槽内の有機物は比較的高い粘性を有するため、メタン発酵により発生したメタンガスを主成分とする発酵ガスは発酵中の有機物の中に細かい気泡として分散された状態のままとなり易く、分離しにくく、発酵中の有機物が見かけ上膨張し、有機物の上面がタンクの上方へ上昇し続け、オーバーフロー状態となってメタンガスを主成分とする発酵ガスを回収するパイプ等を詰まらせることがある。さらに、このオーバーフローを防止する観点から、強く撹拌しようとすると動力費が嵩むことになる。また、後述する発酵阻害物質を発酵中の有機物から取り除くことが困難であることから、紙などタンパク質を含まない有機物を多く配合して発酵させる必要性が指摘されている。

上記乾式メタン発酵の欠点の解決が困難であることから、通常は有機物を粉砕、加水して使用する湿式メタン発酵と称される方式が多く採用されている。しかし、湿式メタン発酵方式では、発酵阻害物質の除去を含め、運転管理しやすいが、有機物の含有量が少なくなるために、同一のメタンガスを主成分とする発酵ガスを生成させるためには、大きな容量のタンクと多量の排水が発生するという短所がある。一方、乾式メタン発酵では、湿式メタン発酵より、小さな容量のタンクと少ない量の排水ですむという長所を有する。

特開平１１−３０９４９３号公報特開２００３−２４９９８号公報特開２００１−２７６８８０号公報特開２００５−７４３２３号公報特開昭６３−１８５４９９号公報

ここで、メタン発酵ではメタンガス以外にも様々な物質が発生し、アンモニア、硫化水素等のメタン発酵を阻害する物質も発生する。メタン発酵に伴ってアンモニア等が発生し、ある一定の濃度に達すると、メタン発酵が抑制され始め、さらに濃度が高まるとメタン発酵が継続できなくなる。メタン発酵を阻害する物質の発生量は、発酵させる有機物中のタンパク質の量が多いほど多く発生するのでは、タンパク質を多く含む生ゴミは、乾式メタン発酵を継続させることは困難であるとされている。

このメタン発酵阻害物質対策として、湿式メタン発酵では、発酵槽内で発生したメタンガスを主成分とする発酵ガスの一部からアンモニア或いは硫化水素等を除去した精製ガスで発酵槽から分離した消化液を曝気した後に発酵槽に戻すことや、前記精製ガスで直接発酵槽内の底部から単に曝気することが提案されている（特許文献３乃至５）。なお、特許文献３乃至５のものは、いずれも湿式メタン発酵の設備に関する開示である。

しかし、上述した通り、乾式メタン発酵では、基本的には加水しないので、発酵原料の粘度が高い。このため、発酵槽内の下部において脱アンモニアガスを曝気しただけでは、単に泡が同じ部位を上昇するだけで脱アンモニアガスが発酵槽内全体に行き渡らず、発酵槽内全体のアンモニア濃度を低減できない。また、消化液を分離して脱アンモニア処理しようとしても、消化液を分離することは事実上不可能な状態にある。

上記問題を鑑み、本発明の目的は、乾式メタン発酵と称されるような事実上有機物に加水しないでメタン発酵させる場合でも、有機物のタンパク質含有量に左右されず、メタン発酵を良好な状態に維持させることにある。

第１の本発明によれば、上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、前記噴出部が、各段の前記撹拌部材にそれぞれ設けられ、前記噴出部の噴出圧が、当該噴出部の上下方向の配設位置に応じて異なり、前記回転軸と前記撹拌部材とは、その内部に前記噴出部から噴出する前記脱アンモニアガスの気道が形成され、前記噴出部は、前記撹拌部材の一部に形成された開口部であり、前記回転軸内部の気道と前記撹拌部材内部の気道との間に、前記噴出部から噴出される前記脱アンモニアガスの噴出圧を調整するバルブが設けられたことを特徴とする発酵ガス生成装置が提供される。
第２の本発明によれば、上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、各段の前記撹拌部材の上下方向の配設間隔が、前記有機物の１回の導入により増加する前記メタン発酵槽内の前記有機物の高さに基づき設定され、各々の前記撹拌部材の上下方向の幅が、前記配設間隔の２／３以下であることを特徴とする発酵ガス生成装置が提供される。
第３の本発明によれば、上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、前記撹拌部材は、各段に１又は複数設けられ、前記回転軸の回転数が、１日に１／（１段の前記撹拌部材の最低数）以上１時間に１／（１段の前記撹拌部材の最低数）以下であることを特徴とする発酵ガス生成装置が提供される。

本発明の発酵ガス生成装置では、前記噴出部を前記撹拌部材に設けたことにより、前記有機物を撹拌しながら脱アンモニアガスを供給できる。このため、前記メタン発酵槽内において、より広範囲に脱アンモニアガスが行き渡り、乾式メタン発酵と称されるような事実上有機物に加水しないでメタン発酵させる場合でかつ、生ゴミのようにタンパク質を多く含む有機物を発酵原料とした場合でも、メタン発酵を良好な状態で継続させることができる。また、前記撹拌部材による撹拌により、前記有機物の混合を促進すると共に、前記有機物に分散して発生したメタンガスを主成分とする発酵ガス（以下、単に発酵ガスと称する）が前記有機物から脱泡・脱気されることが促進される。更に、前記撹拌部材が上下方向に離間して多段に設けられることで、前記有機物の導入・排出により、上方から下方へ移動する前記有機物を満遍なく発酵することができる。

また、上記第１の本発明によれば、深さが異なる部位に存在する前記有機物の圧に応じた噴出圧にて脱アンモニアガスを噴出でき、前記有機物に対して脱アンモニアガスを効果的に供給できる。

更に、前記回転軸を脱アンモニアガスの気道とすることで、前記メタン発酵槽内の各部位に効果的に脱アンモニアガスを供給できると共に、前記バルブにより前記脱アンモニアガスの噴出圧を個別に調整できる。

また、上記第２の本発明によれば、前記メタン発酵槽内において前記有機物が導入単位の層を形成し、かつ、層単位で前記撹拌部材による撹拌及び脱アンモニアガスの供給ができる。また、各層間における前記撹拌部材の撹拌による混合を低減し、各層毎により均一化されたメタン発酵を促進できる。

また、上記第３の本発明によれば、前記回転軸の回転動力のエネルギー消費を節約すると共に前記メタン発酵を継続できる。

以上述べた通り、本発明によれば、乾式メタン発酵と称されるような事実上有機物に加水しないでメタン発酵させる場合でも、生ゴミのように高タンパクの有機物を用いてもメタン発酵を良好な状態に継続させることができる。

＜装置の構成＞
図１は本発明の一実施形態に係る発酵ガス生成装置Ａの構成図、図２は図１の線ＸＸに沿う断面図である。発酵ガス生成装置Ａは乾式メタン発酵によって有機物をメタン発酵させ、メタンガスを主成分とする発酵ガスを生成する装置であって、メタン発酵槽１０を備える。メタン発酵槽１０はその上部に有機物の投入部１１を有し、また、その下部に発酵後の有機物の残渣が排出される排出部１２を有する。メタン発酵槽１０は本体部１０ａと天板１０ｂとを有する。本体部１０ａはその内部空間の断面が円形である略円筒状をなし、また、その下部はテーパ状に先細りとなって排出部１２に続いている。

排出部１２内には不図示の駆動手段により回転駆動可能なスクリューコンベア１２ａが配設されており、スクリューコンベア１２ａによりメタン発酵槽１０内に堆積した発酵後の有機物の残渣がメタン発酵槽１０外へ排出される。なお、排出部１２の周囲は通常時には不図示の密閉手段により密閉されて悪臭が漂わないようにされる。

天板１０ｂにはメタン発酵槽１０の内部空間に連通した配管１３が設けられており、メタン発酵槽１０内で発生した発酵ガスは配管１３を通してチャンバ１内に貯留される。チャンバ１には発酵ガスが収容される袋体等が設けられる。配管１３の途中には配管１３内の発酵ガスの通過を遮断・許容するバルブ１３ａが配設されている。

天板１０ｂには、また、配管１３とは別に、メタン発酵槽１０の内部空間に連通した配管１４が設けられている。メタン発酵槽１０内で発生した発酵ガスは配管１４を通過してチャンバ１内に貯留することもできる。配管１４の途中には配管１４内の発酵ガスの通過を遮断・許容するバルブ１４ａ、減圧タンク１４ｂ、及び、メタン発酵槽１０内を減圧する減圧手段であるポンプ１４ｃが配設されている。配管１３からの発酵ガスの回収は発酵ガスの発酵圧による自然回収であるが、配管１４からの発酵ガスの回収はポンプ１４ｃの吸引によるいわば強制的な回収となる。

配管１３からチャンバ１内へ流れる発酵ガスの一部は配管１５を通って、ガス精製器１５ａ、１５ｂへ供給される。ガス精製器１５ａはメタン発酵槽１０内で発生した発酵ガスの脱アンモニア処理を行なう装置である。脱アンモニア処理は既存の方法が適用でき、例えば、希硫酸を用いたガス精製が挙げられる。ガス精製器１５ｂは硫化水素等、アンモニア以外のメタン発酵阻害物質を除去するためのガス精製器であり、必要に応じて設置される。脱硫化水素処理も既存の方法が適用でき、例えば、酸化鉄及びおがくず等の通気性を確保する材料を充填したカラムを用いることが挙げられる。ガス精製器１５ａ及び１５ｂを通過した精製ガス（脱アンモニア・脱硫化水素）はポンプ１５ｃによりメタン発酵槽１０へ還流される。詳細は後述する。

メタン発酵槽１０は、その深さに応じて、酸生成発酵ゾーンＳ１と、本発酵ゾーンＳ２と、排出ゾーンＳ３と、に仮想的に区別されている。本実施形態ではメタン発酵槽１０内で有機物の酸生成発酵を行なう場合を想定するが、メタン発酵槽１０の外部で酸生成発酵させた有機物をメタン発酵槽１０内へ投入する方式も採用可能である。この場合、酸生成発酵ゾーンＳ１は有機物を酸発酵状態からメタン発酵状態へ切り換えるゾーンとなる。本体部１０ａの外側には、ジャケットヒータを配設することが望ましい。ジャケットヒータを設けることでメタン発酵槽１０内の有機物を摂氏３５度〜３８度に保持するよう必要に応じて加温し、メタン発酵を促進することができる。

メタン発酵槽１０内にはその中心に上下方向に延びる回転軸２０が設けられている。回転軸２０は、その上部が天板１０ｂに設けられた軸受２１ａに、下端部が本体部１０ａ内部に設けられた軸受２１ｂに、回転自在に支持されている。回転軸２０は中空の円筒状をなしており、その上端部は開放され、下端部は閉鎖されている。

回転軸２０の上端には回転軸２０の内部空間と配管１５とを連通させる接続部３０が設けられている。接続部３０は筒状をなし、回転軸２０の上端がその内部に回転自在に差し込まれている。接続部３０内において回転軸２０の周囲にはガスケット３１が配設されており、配管１５からの精製ガスは接続部３０において漏れることなく回転軸２０内へ導入される。天板１０ｂ上には回転軸２０を回転駆動する駆動ユニット４０が設けられている。駆動ユニット４０は、例えば、モータとチェーン伝動機構、或いは、モータと歯車機構等の駆動機構を内蔵し、回転軸２０を回転させる。

回転軸２０には、その径方向に延び、上下方向に離間して多段に設けられた撹拌部材２２、２３が配設されている。撹拌部材２２は回転軸２０の回転によりメタン発酵槽１０内の本発酵ゾーンＳ２において有機物Ｂを撹拌するための部材である。撹拌部材２３は排出ゾーン２３を撹拌するための部材である。以下、特に撹拌部材２２について説明する。

本実施形態では１段につき、３つの撹拌部材２２が配設されている。なお、「段」とは回転軸２０に対する配設部位（上下方向の位置）を意味し、１段につき、３つの撹拌部材２２が配設されているとは、回転軸２０の上下方向の同じ位置に３つの撹拌部材２２が配設されていることを意味する。

本実施形態では１段につき３つの撹拌部材２２を設けたがこれに限られず、１つでもよいし複数でもよい。本実施形態では、各撹拌部材２２が、回転軸２０からメタン発酵槽１０の内部空間の周縁（本体部１０ａの内壁面近傍）まで延びており、撹拌部材２２による撹拌領域を広領域化している。また、図２に示すように、本実施形態では、１段につき、複数（３つ）の撹拌部材２２が、周回りに等ピッチで設けられ、かつ、隣接する各段の撹拌部材２２は、平面視で重ならないように配設されている。図２において符号２２’は符号２２の撹拌部材のすぐ下の段の撹拌部材を示している。

図３（ａ）は図２の線Ｙ−Ｙに沿う断面図、（ｂ）は図３（ａ）の線Ｚ−Ｚに沿う断面図である。本実施形態では、配管１５から回転軸２０内へ導入された精製ガスを噴出する噴出口（噴出部）２２ａが各撹拌部材２２に設けられている。本実施形態の場合、撹拌部材２２は中空体をなし、その内部空間はバルブ２２ｂを介して回転軸２０の内部空間と連通している。噴出口２２ａは撹拌部材２２の壁体に形成された開口部（孔）である。配管１５から回転軸２０内へ導入された精製ガスはバルブ２２ｂで圧力が調整されて撹拌部材２２の内部空間へ導入され、噴出口２２ａからメタン発酵槽１０内へ噴出する。回転軸２０の内部空間及び撹拌部材２２の内部空間は精製ガスの気道を構成することになる。バルブ２２ｂは噴出口２２ａから噴出される精製ガスの噴出圧を調整するために設けられており、撹拌部材２２を回転部材２０へ固定する際に噴出圧が設定される。

図２において矢印ｄ１は噴出口２２ａから噴出される精製ガスの噴出方向を示しており、また、矢印ｄ２は回転軸２０及び撹拌部材２２の回転方向を示している。噴出口２２ａは撹拌部材２２の回転方向後方側の面に形成されており、精製ガスは撹拌部材２２の回転方向後方へ噴出される。なお、本実施形態では全ての撹拌部材２２に噴出口２２ａを設けたが、必ずしもその必要はなく、各段毎の１つの撹拌部材２２に設けたり、或いは、１又は複数段飛ばして設ける等、メタン発酵槽１０内の略全域に渡って精製ガスが行き渡る範囲で設ければよい。また、本実施形態では精製ガスの噴出部を噴出口２２ａにより形成したが、撹拌部材２２から精製ガスが噴出できれば、他の構成でもよい。

また、精製ガスを微細な泡として、閉塞せずに長期間噴出できればより好ましい。さらに、噴出口２２ａの目詰まりを防ぐ目的で、ポンプ１５ｃと噴出口２２ａとの経路にフィルターを設置することが好ましい。

次に、本実施形態において、撹拌部材２２は、回転軸２０の回転による撹拌部材２２の回転に伴ってメタン発酵槽１０内の有機物Ｂを上方へ移動させるよう、図３（ｂ）に示すように回転方向から見て斜め上方へ傾斜する形状とされている。有機物Ｂを上方へ移動させるための撹拌部材２２の形状はこれに限られず、種々の形状が採用できる。

＜装置の動作＞
本実施形態の発酵ガス生成装置Ａでは、メタン発酵槽１０内の有機物Ｂがメタン発酵により発酵し、メタンガスを主成分とした発酵ガスが発生する。発酵期間は例えば３０日である。発生した発酵ガスは配管１３からチャンバ１へと導かれ貯留される。配管１３から発酵ガスを回収する場合、バルブ１３ａは開け、バルブ１４ａは閉じられる。

ここで、発酵期間の経過に伴ってメタン発酵槽１０内にはアンモニア等発酵を阻害する物質が発生し、蓄積し始める。この発酵阻害物質を除去しないと、次第にメタン発酵が抑制され始め、最終的にはメタン発酵が事実上継続できなくなる。発酵ガス生成装置Ａでは、噴出口２２ａを撹拌部材２２に設けたことにより、有機物Ｂを撹拌しながら精製ガスを供給できる。このため、メタン発酵槽１０内において、より広範囲に精製ガスが行き渡り、事実上有機物に加水しないでメタン発酵させる乾式メタン発酵場合でも、メタン発酵を良好な状態で継続させることができる。また、撹拌部材２２による撹拌により、有機物Ｂの混合を促進すると共に、有機物Ｂ中に細かく分散して発生した発酵ガスが有機物Ｂから脱泡・脱気されることが促進される。

本実施形態では撹拌部材２２を上下方向に多段に配設し、各撹拌部材２２から精製ガスを噴出するので、様々な位置で発酵ガスの泡が上昇し、固定的な気道が形成されないため、槽全体から発酵ガスの脱気・脱泡が促進される。また、また、特定の箇所に上下方向の対流を生じることなく、全体を均一に曝気することができるので、発酵に有害なアンモニア等を効率よく除去することができ、メタン発酵を良好な状態で継続的に行うことができる。

また、撹拌部材２２が上下に離間して多段に形成されているので、撹拌部材２２が通過する範囲は層状には比較的よく撹拌されるが、層間の撹拌は抑制される。このため、排出部１２から残渣が排出される毎に、大部分の有機物Ｂは層を形成したまま下方に移動することができ、排出される残渣の中に未発酵の有機物が混入される割合を少なくすることができる。つまり、有機物Ｂの導入・排出により、上方から下方へ移動する有機物Ｂを満遍なく発酵することができる。

メタン発酵が阻害されるアンモニアの濃度は、発酵温度が摂氏３６度で６０００ｍｇ／Ｌ程度と一応の目安はあるもものの、様々な条件で変化する。メタン発酵が持続可能なようにする精製ガスの噴出量は、発酵させる有機物のタンパク質含有量にほぼ依存することから、時間当たり有機物の総量と同一体積から、その体積の１００倍程度まで適宜変化させられることが好ましい。

精製ガスの噴出量の指標は、有機物Ｂ中のアンモニア濃度の測定値とすることもできるが、回収される発酵ガスの発生速度、及び当該発酵ガス中のアンモニア性窒素濃度とすることの方がより簡便である。

本実施形態では、メタン発酵槽１０の内部空間の断面が円形であり、回転軸２０がこの内部空間の中心に配設され、撹拌部材２２は回転軸２０から内部空間の周縁まで延びている。このため、より広範囲に渡って前記有機物の撹拌・精製ガスの供給が行なえる。

また、バルブ２２ｂを設けたことにより、各段の撹拌部材２２の噴出口２２ａの噴出圧を、噴出部２２ａの上下方向の配設位置（メタン発酵槽１０内の深さ）に応じて異なるようにすることができる。つまり、メタン発酵槽１０内の有機物Ｂは深さに応じて圧が異なる。バルブ２２ｂの開度を調整して、各撹拌部材２２単位で噴出口２２ａの噴出圧を個別に調整することで、深さが異なる部位に存在する有機物Ｂの圧に応じた噴出圧にて精製ガスを噴出でき、有機物Ｂに対して精製ガスを効果的に供給できる。

例えば、メタン発酵槽１０内の有機物Ｂの上面から深さが５０ｃｍに噴出口２２ａがあるとし、有機物Ｂの見掛け比重が０．９、大気圧が１．０００ｋｇｆ／ｃｍ²とすると、噴出口２２ａでの圧力は1．０４５ｋｇｆ／ｃｍ²となり、バルブ２２ｂの設定を1．１４５ｋｇｆ／ｃｍ²に設定すれば、実際の噴出口２２ａの差圧は０．１０ｋｇｆ／ｃｍ²となる。

有機物Ｂの上面から５ｍの深さにある噴出口２２ａでの圧力は、１．４５ｋｇｆ／ｃｍ²となり、バルブ２２ｂの設定を１．５５ｋｇｆ／ｃｍ²に設定すれば、実際の噴出口２２ａの差圧は０．１０ｋｇｆ／ｃｍ²となるので、各深さで同一体積の精製ガスが噴出され易くなる。仮に同一体積の精製ガスが噴出された場合には、大気圧に戻ると深い方からより膨張し、深いほど精製ガスの噴出量が多くなる。そこで、深い部分の差圧を若干小さくし、各深さにある撹拌部材２２から噴出する精製ガスの量を大気圧に戻した場合に全て略同一とすることもできる。また、メタン発酵槽１０内において深さに応じてアンモニアの発生量が異なるようであれば、発生量の多い領域に存在する撹拌部材２２からより多くの精製ガスを噴出させるようバルブ２２ｂの開度を設定することもできる。このようにすることにより、メタン発酵槽１０内をより効率的にアンモニアを一定レベル以下に止めることができる。

また、本実施形態では回転軸２０を精製ガスの気道として用いたので、メタン発酵槽１０内の各部位に効果的に精製ガスを供給できる。

また、本実施形態では撹拌部材２２は、回転軸２０の回転による撹拌部材２０の回転に伴ってメタン発酵槽１０内の有機物Ｂを上方へ移動させる形状を有するので、有機物Ｂが撹拌部材２２の回転により上方に持ち上げられる一方、撹拌部材２２の下方が負圧になるので、この部分に存在した発酵ガスの細かな気泡が膨張し互いに接合して大きな気泡に成長しやすく、発酵ガスが前記有機物から脱泡・脱気されることが促進され、オーバーフローも防止される。

また、発酵ガスの比較的大きな気泡の上昇が様々な位置で起こることから、各撹拌部材２２の直接的な影響を受けない、撹拌部材２２の回転範囲外に存在する有機物Ｂも弱いながらも撹拌される。

仮に、撹拌部材２２の回転方向の幅を１０ｃｍ、厚みを２ｃｍとし、傾斜を３０度とし、各段の離間距離（図１のｄ）を５０ｃｍとすると、撹拌部材２２の上下方向の見掛け上の高さは６ｃｍ程度となる。この撹拌部材を回転させることにより、撹拌部材の上下２ｃｍ程度を含め、１０ｃｍ程度はよく撹拌される。撹拌部材による撹拌の直接的な影響が到達しない範囲は、各撹拌部材の離間部分に４０ｃｍ存在することになるが、この部分は発酵ガスの気泡のランダムな位置からの上昇によって全ての方向に対し弱く撹拌されることになる。

このことにより、発酵ガスの脱泡効果を発揮すると共に、メタン発酵槽１０内を水平な層状に確実に撹拌すると同時に各層間もわずかながら上下方向に混じり合うように撹拌されるので、発酵しながら大部分の有機物Ｂは下方に移動し、一部が隣り合う上側の層に移動し混合されるので、十分にメタン発酵している有機物Ｂを種菌として別のルートでメタン発酵開始段階の層に戻す必要がない。

撹拌部材２２の回転は定速回転でも間欠回転でもよく、また、ラチェット機構とクランク機構を組合せること等により脈動回転させてももよい。この場合の方が、撹拌部材２２の下側に発生する負圧が大きくなりより、発酵ガスからなる気泡がより大きな気泡に成長しやすくなる。なお、残渣を排出する場合には、回転軸２０を逆方向に回転させ、残渣の排出を促すこともできる。

次に、各段の撹拌部材２２の上下方向の配設間隔（図１のｄ）は、有機物Ｂの１回の導入により増加するメタン発酵槽１０内の有機物Ｂの高さに基づき設定することが望ましい。例えば、メタン発酵槽２０の内部空間の断面積をＳとすると、（配設間隔：図１のｄ）＝（１回の導入量）／Ｓである。また、各々の撹拌部材２２の上下方向の幅（図３（ｂ）のＤ）が、前記配設間隔（図１のｄ）の２／３以下であることが望ましい。こうすることで、メタン発酵槽１０内において有機物Ｂが導入単位（例えば日単位）の層を形成し、かつ、層単位で撹拌部材２２による撹拌及び精製ガスの供給ができる。また、各層間における撹拌部材２２の撹拌による混合を低減し、各層毎に、より均一化されたメタン発酵を促進できる。

次に、本実施形態では各段の撹拌部材２２の数を一律に３つとしたが、特定の段の撹拌部材２２の数を多くすることもできる。この構成によれば、メタン発酵槽１０内の特定の領域での有機物Ｂの混合を促進できる。特定の段とは、例えば、酸生成発酵ゾーンＳ１又は本発酵ゾーンＳ２の上部に位置する段である。酸生成発酵をほぼ終了させ、ｐＨ調整した有機物をメタン発酵槽１０に投入する場合には、既にメタン発酵している有機物Ｂと比較的速やかに混合した方が全体を速やかにメタン発酵へ移行させることができる。このためには、酸生成発酵ゾーンＳ１又は本発酵ゾーンＳ２の上部に位置する撹拌部材２２の数を増やして、混合効率を高めることが望ましい。

また、有機物に炭酸カルシウムを添加して酸生成発酵させる場合には、酸生成発酵によってｐＨが余り低下しないので、酸生成発酵が終了する次の段での混合効率を高める必要がある。一方、ｐＨ調整や炭酸カルシウム等を添加せずに酸生成発酵させた場合には、発酵がほぼ終了した段階に達すると弱酸性となり、そのままメタン発酵している有機物Ｂと急速に混ぜるとメタン菌が活発に活動するｐＨ領域から外れてしまう可能性がある。このような場合には酸生成発酵済み有機物とメタン発酵中の有機物を互いが鍬込まれるようにゆっくり混合させることが望ましい。したがって、撹拌部材２２をクシ状の形状にする等、撹拌部材２２の形状等を変えることも効果的である。

回転軸２０の回転数は、１日に１／（１段の撹拌部材２２の最低数）以上１時間に１／（１段の前記撹拌部材２２の最低数）以下であることが望ましい。例えば、本実施形態のように１段の撹拌部材２２を３つとした場合、１日に１／３回転以上、１時間に１／３回転以下である。仮に、一部の段の撹拌部材２２が１つの場合は、他に３つ以上設けた段があっても、１日に１回転以上、１時間に１回転以下である。つまり、各層が撹拌される回数は最低１日１回で足り、また、１日に２４回以下である。こうすることで、回転軸の回転動力のエネルギー消費（電力）を節約すると共にメタン発酵を継続できる。また、撹拌部材２２のアスペクト比（長さ／幅）は１０以上の方が、広範囲を低トルクで回転させられることから、より好ましい。

図４（ａ）の試験結果が示すようにメタン発酵は無撹拌でも初期は継続されるが、数日間経過すると発酵する速度が著しく低下する。図４（ａ）の試験は、円筒形の発酵槽(直径：１５ｃｍ、高さ５０ｃｍ)に、牛糞をメタン発酵させている既存の施設より採取し、この発酵中の発酵原料を遠心分離機にかけ、含水率８５％になるようにたものを上記発酵槽内に投入して、撹拌（１日１回３分間槽内全体を十分に撹拌することで発酵ガスを発酵中の有機物から脱気した）した場合と、しない場合とで発酵ガスの生成量を測定したものである。

発酵ガスの発生量が増加する４日目以降は撹拌の有無による発酵ガスの発生量の差は大きくなり、無撹拌のものは、６日を経過した時点で発酵速度がピークに達し、7日目には発生量が大幅に低下している。この試験結果から、１日１回十分な撹拌が行われれば、良好なメタン発酵条件が維持されることが分かる。なお、撹拌の程度は、撹拌部材２２の形状、撹拌部材の取付間隔、有機物の性質等に依存するので、回転軸２０の回転数は、上述したように適宜選択される。

次に、本実施形態では、撹拌部材２２が、各段において等ピッチで複数設けられ、かつ、隣接する各段の撹拌部材２２は、平面視で重ならないように配設されている（図２）。この構成によれば、有機物Ｂの撹拌を促進できる。つまり、平面視で、各段の撹拌部材２２が偏在しないので、より均一に精製ガスを行き渡らせることができ、より対流を生じにくくすることができる。

次に、乾式メタン発酵の場合、発酵した有機物Ｂは比較的高い粘性を有するビンガム流体であるため、発酵ガスが発生してもこれが有機物Ｂの内部に細かな気泡として分散された状態となり易く、発酵ガスが脱泡・脱気され難い。特に、メタン発酵槽１０の下部側で発生した発酵ガスは配管１３に至るまでに距離があるので、より脱泡・脱気されにくい。発酵ガスの脱気がうまく行かないと有機物Ｂの全体が上方へ膨張し、配管１３を詰まらせることになる（オーバーフロー）。

このため、本実施形態では、メタン発酵槽１０内を減圧して発酵ガスの脱気をより促進することもできる。メタン発酵槽１０内を減圧すると、発酵によって生成した発酵ガスを含む微細な気泡が膨張し、微細な気泡が互いに集合してしだいに大きくなり、上昇力が増加することから有機物Ｂから、脱泡・脱気し易くなる。この場合、発酵ガスは配管１４から回収される。バルブ１３ａを閉じ、バルブ１４ａは開けると、メタン発酵槽１０内の発酵ガスは、減圧タンク１４ｂに吸引されると同時にポンプ１４ｃが稼働し、チャンバ１へ導かれ始める。減圧タンク１４ｂの作用によりメタン発酵槽１０内が急激に減圧され、有機物Ｂも見かけ上急激に膨張撹拌撹拌することになるが、減圧による有機物Ｂの見かけ上の膨張量は支障のない範囲で制御される。また、減圧を間欠的に行うと、有機物Ｂ膨張、収縮を繰り返すので、微細な気泡が大きくなりやすくなり、よりオーバーフローしにくくなる。

本発明の一実施形態に係る発酵ガス生成装置Ａの構成図である。図１の線Ｘ−Ｘに沿う断面図である。（ａ）は図２の線Ｙ−Ｙに沿う断面図、（ｂ）は図３（ａ）の線Ｚ−Ｚに沿う断面図である。試験結果を示すグラフである。

符号の説明

Ａ発酵ガス生成装置
１０メタン発酵槽
２０回転軸
２２撹拌部材
２２ａ噴出口

Claims

上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、
前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、
前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、
少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、
前記噴出部が、各段の前記撹拌部材にそれぞれ設けられ、
前記噴出部の噴出圧が、当該噴出部の上下方向の配設位置に応じて異なり、
前記回転軸と前記撹拌部材とは、その内部に前記噴出部から噴出する前記脱アンモニアガスの気道が形成され、
前記噴出部は、前記撹拌部材の一部に形成された開口部であり、
前記回転軸内部の気道と前記撹拌部材内部の気道との間に、前記噴出部から噴出される前記脱アンモニアガスの噴出圧を調整するバルブが設けられたことを特徴とする発酵ガス生成装置。
上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、
前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、
前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、
少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、
各段の前記撹拌部材の上下方向の配設間隔が、前記有機物の１回の導入により増加する前記メタン発酵槽内の前記有機物の高さに基づき設定され、
各々の前記撹拌部材の上下方向の幅が、前記配設間隔の２／３以下であることを特徴とする発酵ガス生成装置。
上部から有機物が導入され、下部から発酵後の前記有機物の残渣が排出されるメタン発酵槽を備えた発酵ガス生成装置において、
前記メタン発酵槽内において上下方向に延びる回転軸と、
前記回転軸の径方向に延び、上下方向に離間して前記回転軸に多段に設けられ、前記回転軸の回転により前記メタン発酵槽内の前記有機物を撹拌する撹拌部材と、
少なくとも一つの前記撹拌部材に設けられ、前記メタン発酵槽内で発生したガスの一部であって、脱アンモニア処理が行なわれた脱アンモニアガスを噴出する噴出部と、を備え、
前記撹拌部材は、各段に１又は複数設けられ、
前記回転軸の回転数が、
１日に１／（１段の前記撹拌部材の最低数）以上１時間に１／（１段の前記撹拌部材の最低数）以下であることを特徴とする発酵ガス生成装置。