JP5183551B2

JP5183551B2 - メタン発酵処理装置

Info

Publication number: JP5183551B2
Application number: JP2009083844A
Authority: JP
Inventors: 英郎山下; 慎一郎若原; 雄二福山; 一博山崎
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010234226A

Description

本発明は、メタン発酵処理装置に関し、メタン発酵槽を攪拌する技術に係るものである。

この種のメタン発酵処理装置には、例えば特許文献１に記載するものがある。これは図８に示すように、メタン発酵槽１の側部に外部循環流路２を設け、メタン発酵槽１と外部循環流路２とで密閉した閉鎖領域を形成している。メタン発酵槽１の上部に原料汚泥供給系３を接続し、底部に発酵汚泥を取り出す汚泥排出系４を接続し、天井部に槽内の気相に連通する作動気体供給系５を接続している。作動気体供給系５はブロア５ａを有し、先端側が外部循環流路２に配置した散気装置６に接続している。

外部循環流路２は、散気装置６を配置した鉛直方向に延びる本体部２ａと、本体部２ａを槽内の上部領域に連通する上部連絡部２ｂと、下部領域とに連通する下部連絡部２ｃからなる。膜分離装置７は、複数枚の平板状膜カートリッジを平行に、かつ鉛直方向に配置し、各平板状膜カートリッジの相互間に流路を形成したものである。メタン発酵槽１の気相部と外部循環流路２の頂部とを連通してガス戻し配管８を設けている。

この構成により、槽内で発生するバイオガスをブロア５ａの駆動により作動気体供給系５を通して散気装置６へ作動気体として供給する。作動気体はエアリフト作用によって気液混相の駆動流を外部循環流路２に生起し、この駆動流が外部循環流路２の本体部２ａから上部連絡部２ｂを通ってメタン発酵槽１に流れ、駆動流によってメタン発酵槽１の発酵汚泥を攪拌する。一方で、メタン発酵槽１の下部領域の槽内液を下部連絡部２ｃから本体部２ａに吸い込み、メタン発酵槽１と外部循環流路２とにわたって発酵汚泥を循環させる。この循環によって外部循環流路２に流入する発酵汚泥は、その全量を膜分離装置７の膜間の流路にクロスフローで供給するとともに、駆動流を掃流として膜分離装置７の膜面に作用させて洗浄する。

特許文献２に記載するものでは、メタン発酵槽２１および膜分離槽２２により密閉した閉鎖領域を形成しており、膜分離槽２２に浸漬して膜分離装置２３を配置している。メタン発酵槽２１には原料である高濃度有機性廃棄物を導入するための原料供給系２４と、汚泥ポンプ２５ａを有する汚泥引抜系２５とが接続している。メタン発酵槽２１と膜分離槽２２の間には、メタン発酵槽２１の発酵汚泥を循環するために、循環ポンプ２６ａを有する汚泥循環系２６と、膜分離槽２２の発酵汚泥をメタン発酵槽２１に戻す汚泥返送系２７と、メタン発酵槽２１の槽内ガスを散気装置２３ｂに供給するためにブロア２８ａを有する曝気ガス供給系２８と、膜分離槽２２の槽内ガスをメタン発酵槽２１に戻すガス返送系２９とを設けている。

特開２００１−１７０６３１号公報特許第３５２４００４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、散気装置６を配置した鉛直方向に延びる外部循環流路の本体部２ａの側部に、槽内の上部領域に連通する上部連絡部２ｂが連通しており、膜分離装置７を通過した上昇流が上部連絡部２ｂに流入する際に流れが乱れるためにエネルギーのロスが大きく、散気のエネルギーをメタン発酵槽１における攪拌作用に効率良く利用することができない。また、攪拌力を上げようと散気量を増やすと、膜カートリッジ上部での振動が激しくなり、破損の恐れがある。外部循環流路の本体部２ａで流れが乱れるために膜面の洗浄を効果的に行うことができず、膜の洗浄頻度が増える要因となる。特許文献２においても同様の問題がある。

本発明は上記した課題を解決するものであり、散気のエネルギーをメタン発酵槽内での攪拌作用に効率良く利用することができ、膜面上での流速を増して膜面洗浄を効果的に行ってメンテナンス頻度を低減することができるメタン発酵処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のメタン発酵処理装置は、メタン発酵槽と、内部に膜分離手段および膜分離手段の下方に配置する散気手段を浸漬した膜分離槽と、一方の開口でメタン発酵槽内の液面下に連通するとともに他方の開口で散気手段より下方の膜分離槽内に連通する導入経路と、一方の開口で膜分離手段より上方の膜分離槽内に連通するとともに他方の開口でメタン発酵槽に連通する返送経路を備え、膜分離槽が膜分離手段内に設ける上向流路部と膜分離手段の側方に設ける下向流路部を有し、返送経路が膜分離手段の水平断面より小さい流路断面を有して膜分離手段の鉛直上方領域内で膜分離槽の天井壁に開口することを特徴とする。

また、本発明のメタン発酵処理装置において、膜分離槽は、下向流路部の水平断面積が上向流路部の水平断面積の０．３５から３．５倍の範囲内であることを特徴とする。
また、本発明のメタン発酵処理装置において、膜分離槽は、天井壁が返送経路の開口に向けて上り勾配で傾斜するテーパー状をなすことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、散気手段から散気する気体のエアリフト作用により膜分離槽内に上向流が生起し、上向流が膜分離手段内の上向流路部を通過する間に膜分離手段で膜分離する。膜分離手段内の上向流路部を通過した槽内液は上向流により返送経路を通ってメタン発酵槽へ返送され、導入経路を通してメタン発酵槽内の槽内液が膜分離槽へ導入される。

膜分離槽では返送経路が膜分離槽の天井壁に開口し、膜分離手段内に設ける上向流路部と膜分離手段の側方に設ける下向流路部を有することで、膜分離槽全体の流れが整えられ、膜分離槽内で循環流が生じる。つまり、散気手段により与えたエネルギーの内でメタン発酵槽への循環流に寄与しなかったエネルギーが膜分離槽内の循環流の発生に利用され、膜分離槽内で流れの滞りや乱れを抑制できるので、膜分離手段における異常振動が抑えられるとともに、上向流の膜面上での流速が増して膜面に対する洗浄効果が高まる。また、膜分離槽を通過する流量が増加することでメタン発酵槽と膜分離槽との間の循環流量が増加し、結果としてメタン発酵槽における攪拌が促進され、メタン発酵処理を促進できる。このため、洗浄効果の高まりによりメンテナンス頻度を低減し、動力の削減によりコストを低減することができる。

本発明の実施の形態におけるメタン発酵処理装置を示す模式図下向流路の幅と循環流量との関係を示すグラフ図下向流路断面積／全膜間流路断面積と循環流量比との関係を示すグラフ図本発明の他の実施の形態におけるメタン発酵処理装置を示す模式図本発明の他の実施の形態におけるメタン発酵処理装置を示す模式図本発明の他の実施の形態におけるメタン発酵処理装置を示す模式図本発明の他の実施の形態におけるメタン発酵処理装置を示す模式図従来のメタン発酵処理装置を示す模式図従来のメタン発酵処理装置を示す模式図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、メタン発酵槽５１の側部には膜分離槽５２を設けており、メタン発酵槽５１の上部に原料汚泥供給系５３を接続し、底部に発酵汚泥を取り出す汚泥排出系５４を接続している。メタン発酵槽５１の天井部には槽内の気相に連通する作動気体供給系５５を接続しており、作動気体供給系５５はブロア５５ａを有して先端側が膜分離槽５２に配置した散気手段の散気装置５６に接続している。

膜分離槽５２は散気装置５６の上方に膜分離手段の膜分離装置５７を浸漬しており、膜分離装置５７は複数枚の平板状膜エレメント５７ａを平行に、かつ鉛直方向に配置し、各平板状膜カートリッジの相互間の流路により上向流路部５７ｂを形成したものであり、膜分離装置５７の側方に下向流路部５８を有している。

膜分離装置５７には、浸漬型平膜、中空糸膜等を外圧式の形態において適用できるが、本実施の形態において各平板状膜エレメント５７ａは濾板の両表面に濾過膜を配置したものである。

メタン発酵槽５１と膜分離槽５２との間には導入経路５９と返送経路６０を設けており、メタン発酵槽５１と膜分離槽５２と導入経路５９と返送経路６０とで循環路をなす。導入経路５９は一方の開口でメタン発酵槽５１の液面下に連通するとともに他方の開口で散気装置５６より下方の膜分離槽５２の内部に連通している。返送経路６０は膜分離装置５７の水平断面より小さい流路断面を有して一方の開口６０ａが膜分離装置５７の鉛直上方領域内で膜分離槽５２の天井壁５２ａに開口して膜分離装置５７より上方で膜分離槽５２の内部の液相部に連通するとともに、他方の開口６０ｂがメタン発酵槽５１の液面を含む位置に開口し、メタン発酵槽５１の気相部と液相部とに連通している。このため、膜分離装置５７から返送経路６０に流入するガスは返送経路６０において速やかに液面上に排出することができ、ガスに阻害されることなく槽内液が循環する。さらにメタン発酵槽５１の気相部と返送経路６０の頂部の気相部とを連通してガス戻し配管６１を設けており、ガスはガス戻し配管６１を通して速やかにメタン発酵槽５１の気相部に排出される。

この構成において、メタン発酵槽５１の槽内で発生するバイオガスをブロア５５ａの駆動により作動気体供給系５５を通して散気装置５６へ作動気体として供給する。作動気体はエアリフト作用によって気液混相の上向流を膜分離槽５２に生起し、上向流が膜分離装置５７の上向流路部５７ｂを通過する間に、膜分離装置５７は槽内での水頭を駆動圧として平板状膜エレメント５７ａにより重力濾過し，あるいは吸引ポンプよる吸引濾過を行って平板状膜エレメント５７ａの膜面を透過した透過液を処理水として槽外へ導出する。上向流は掃流として膜分離装置５７の膜面に作用し、膜面を洗浄する。

膜分離装置５７の上向流路部５７ｂを通過した槽内液は上向流により返送経路６０を通ってメタン発酵槽５１へ返送され、メタン発酵槽５１の槽内液を攪拌する。一方で、メタン発酵槽５１の下部領域の槽内液が導入経路５９を通して膜分離槽５２へ導入され、メタン発酵槽５１と膜分離槽５２とにわたって槽内液が循環される。

上述した作用において、膜分離槽５２では返送経路６０が膜分離槽５２の天井壁５２ａに開口し、膜分離装置５７の上向流路部５７ｂと膜分離装置５７の側方に設ける下向流路部５８を有することで、膜分離槽全体の流れが整えられ、膜分離槽５２の内部で循環流が生じる。

つまり、散気装置５６により与えたエネルギーの内でメタン発酵槽５１への循環流に寄与しなかったエネルギーが膜分離槽５２の内部における循環流の発生に利用され、膜分離槽５２の内部における流れの滞りや乱れを抑制できるので、膜分離装置５７の膜面上における異常振動が抑えられるとともに、膜面上での上向流の流速が増して膜面に対する洗浄効果が高まる。また、膜分離槽５２を通過する流量が増加することでメタン発酵槽５１と膜分離槽５２との間の循環流量が増加し、結果としてメタン発酵槽５１における攪拌が促進され、メタン発酵処理を促進できる。このため、洗浄効果の高まりによりメンテナンス頻度を低減し、動力の削減によりコストを低減することができる。

図２および図３は解析により求めた本発明の作用効果を示すグラフ図であり、図２は下向流路の幅と循環流量との関係を示すグラフ図であり、図３は下向流路断面積／全膜間流路断面積と循環流量比との関係を示すグラフ図である。この解析における諸元は以下のものである。膜エレメントの高さ１０００ｍｍ、膜エレメントの幅５００ｍｍ、膜エレメントの厚み６ｍｍ、膜エレメント間隔８ｍｍ、膜間流路断面積０．５ｍ^２（膜エレメント１２５枚のユニット）、膜分離装置における膜間流路の割合８／１４、上部配管および下部配管の口径φ３００ｍｍ、曝気空気量１２５０Ｌ／ｍｉｎ、槽内液の粘性１０ｍＰａ・ｓ、下向流路部は膜エレメントの幅方向における膜分離装置５７の片側にのみ設けた。

図２より明らかなように、下向流路部５８における下向流路の幅が大きくなるほどに、膜間流路を流れる上向流の総量を示す膜間全流量と、膜分離槽内部の循環量を示す膜槽内部循環量が増加しており、本発明におけるメタン発酵槽５１と膜分離槽５２との間の循環量を示す発酵槽内循環量（本発明）は下向流路の幅が大きくなるほどに減少する傾向はあるが、従来のメタン発酵槽と膜分離槽との間の循環量を示す発酵槽内循環量（従来）に比べて増加している。

図３は横軸に膜分離装置５７の膜間流路の水平断面積の総和（全膜間流路断面積）に対する下向流路の水平断面積（下向流路断面積）の比率をとり、縦軸には図２における発酵槽内循環量（従来）を基準量としてこの基準量に対する本発明の膜間全流量、発酵槽内循環量の各流量の比率を示したものである。

図３より明らかなように、[下向流路断面積／全膜間流路断面積]の値が０．３５以上に大きくなるほどに、従来の流量に対する膜間全流量の流量比と、従来の流量に対する膜槽内部循環量の流量比が増加しており、従来の流量に対する発酵槽内循環量の流量比は下向流路の幅が大きくなるほどに減少する傾向はあるが、[下向流路断面積／全膜間流路断面積]の値が３．５であってもなお従来に比べて増加している。また、[下向流路断面積／全膜間流路断面積]の値が０．３５以上で膜間全流量が急激に増加し、膜面洗浄効果の観点から好ましい。また、[下向流路断面積／全膜間流路断面積]の値が３．５を超えると効果に比べて膜分離槽５２のサイズが大きくなり過ぎて好ましくない。

図４から図７はそれぞれ本発明の他の実施の形態を示すものであり、先の実施の形態と同様の作用を行なうものには同符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、下向流路部５８は膜分離装置５７の両側もしくは全周に設けることも可能である。図５に示すように、返送経路６０の他方の開口６０ｂはメタン発酵槽５１の液面下に開口させてメタン発酵槽５１の液相部に連通させることも可能である。この場合は、ガス戻し配管を太くするなどして膜分離槽５２で散気装置５６により散気されるガスを速やかにメタン発酵槽５１に戻すようにすることが好ましい。図６に示すように、下向流路部５８を膜分離装置５７の両側もしくは全周に設けるとともに、返送経路６０をメタン発酵槽５１に向けて上り勾配で傾斜配置することも可能であり、返送経路６０において散気のエネルギーを有効利用することができる。図７示すように、膜分離槽５２は天井壁５２ａが返送経路６０の開口６０ａに向けて上り勾配で傾斜するテーパー状をなし、底部５２ｂが導入経路５９の開口５９ａに向けて下り勾配で傾斜するテーパー状をなす構成とすることも可能であり、膜分離槽５２における循環が促進される。

５１メタン発酵槽
５２膜分離槽
５２ａ天井壁
５２ｂ底部
５３原料汚泥供給系
５４汚泥排出系
５５作動気体供給系
５５ａブロア
５６散気装置
５７膜分離装置
５７ａ平板状膜カートリッジ
５７ｂ上向流路部
５８下向流路部
５９導入経路
５９ａ開口
６０返送経路
６０ａ、６０ｂ開口
６１ガス戻し配管

Claims

メタン発酵槽と、内部に膜分離手段および膜分離手段の下方に配置する散気手段を浸漬した膜分離槽と、一方の開口でメタン発酵槽内の液面下に連通するとともに他方の開口で散気手段より下方の膜分離槽内に連通する導入経路と、一方の開口で膜分離手段より上方の膜分離槽内に連通するとともに他方の開口でメタン発酵槽に連通する返送経路を備え、膜分離槽が膜分離手段内に設ける上向流路部と膜分離手段の側方に設ける下向流路部を有し、返送経路が膜分離手段の水平断面より小さい流路断面を有して膜分離手段の鉛直上方領域内で膜分離槽の天井壁に開口することを特徴とするメタン発酵処理装置。
膜分離槽は、下向流路部の水平断面積が上向流路部の水平断面積の０．３５から３．５倍の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵処理装置。
膜分離槽は、天井壁が返送経路の開口に向けて上り勾配で傾斜するテーパー状をなすことを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵処理装置。