JP5203164B2 - メタン発酵槽 - Google Patents

Description

本発明は、槽内に担体が固定配置されたメタン発酵槽に関する。

メタン発酵処理は、有機性廃棄物を嫌気性下でメタン菌などの嫌気性微生物による作用により処理してメタンガスに転換する処理方法であり、有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解して大幅に減量することができ、嫌気性のため曝気動力が不要であることから省エネルギーな有機性廃棄物の処理方法である。しかも、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。

メタン発酵処理では、メタン発酵に関わる微生物の密度を上げることで、処理効率が向上するので、メタン発酵槽内に担体を配置し、該担体に微生物を付着保持させて密度を上げて発酵処理を行うことが行われている。

例えば、下記特許文献１には、メタン発酵槽内に、支持体に吊り下げられた複数本の担体を配置し、該支持体を、回転及び／又は上下方向に駆動させて槽内の発酵液を攪拌してメタン発酵処理を行うことが開示されている。
特開２００６−２８１１１２号公報

メタン発酵が正常に運転している場合（定常運転時）は、担体を支持体で吊り下げ固定してメタン発酵槽内に配置していても、槽内の発酵液は担体の上端部まで満ちているため、担体には浮力が働いており、下方に引っ張られる力が弱く切断されにくい。

しかしながら、槽内洗浄などのメンテナンス時に発酵液を流去するなどして、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下した場合は、担体自体の重さに加え、担体が吸水した重さがかかる。このため、担体を支持体で吊り下げて支持していると、担体が下方に引っ張られて切断され易かった。担体が切断されると、担体の切断片が発酵槽内を浮遊して、発酵液の排出口や、有機性破棄物の投入口などの配管を閉塞する等の不具合が生じ、更には、担体の交換・取り付けに手間を要し、メンテナンスに手間や費用が嵩む問題があった。

上記特許文献１では、担体を吊り下げた支持体を回転及び／又は上下方向に駆動させているが、その目的は、担体に付着したバイオガス及び発酵汚泥を除去すると共に、発酵液を攪拌して温度分布などを均一化することにある。このため、この支持体の前記駆動操作は、メタン発酵槽内に発酵液が充分な水位で充填されている際に行うことを前提にしており、上記特許文献１には、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下した際の処置については何ら開示されていない。また、上記特許文献１では、下部支持体を固定することなく、上部支持体を回転及び／又は上下方向に駆動しているので、上部支持体と下部支持体との間隔は、上部支持体を上下方向に駆動させてもほぼ一定間隔を保つこととなり、メタン発酵槽内の水位が低下した際の上記問題点は解決できなかった。

したがって、本発明の目的は、槽内に配置された担体が切断されにくく、担体の交換頻度を低減できるメタン発酵槽を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のメタン発酵槽は、嫌気性微生物を担持する担体が配置されたメタン発酵槽であって、前記担体の上端を保持する上部支持体と、前記担体の下端を保持する下部支持体と、メタン発酵槽の上下方向に伸び、前記メタン発酵槽の内周に沿って所定間隔で配置された複数の支持架台とを備え、前記上部支持体及び前記下部支持体のいずれか一方が前記支持架台に固定され、他方が前記支持架台に沿って上下方向に移動可能に配置されて、前記上部支持体及び前記下部支持体の少なくとも一方が、他方に対して近接離反できるように昇降可能とされていることを特徴とする。

本発明のメタン発酵槽によれば、上部支持体及び下部支持体の少なくとも一方が、他方に対して近接離反できるように昇降可能とされているので、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下した場合には、上部支持体及び下部支持体の少なくとも一方を昇降させて両者を近接させることにより、担体が上下方向に縮んで下部支持体上に載り、その重さの大部分が下部支持体によって受けられ、上下方向に引っ張られる荷重が減少するので、担体が切断されにくくなり、担体の交換頻度を低減できる。

本発明のメタン発酵槽において、前記支持架台には、前記上部支持体の下降位置又は前記下部支持体の上昇位置を規制するストッパーが設けられていることが好ましい。
本発明のメタン発酵槽は、前記下部支持体が、メタン発酵槽の底部に固定配置され、前記上部支持体が、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下するに伴い、降下するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、下部支持体をメタン発酵槽の底部に固定配置し、上部支持体を昇降可能にしたことで、昇降させる部材の重量をできるだけ軽くし、駆動機構を簡略化させると共に、駆動力を低減することができる。

本発明のメタン発酵槽は、前記上部支持体が、浮輪、合成樹脂発泡体、金属発泡体及び樹脂製中空構造体から選ばれる比重が１以下の浮き部材であって、前記メタン発酵槽内の発酵液の水位の変化に追従して昇降動作することが好ましい。この態様によれば、常時は、上部支持体が、発酵槽内の発酵液中で浮力を受けて、担体を上方に引っ張ることにより、担体を上下に伸ばして保持することができる。また、発酵液の水位が低下した場合には、上部支持体も水位の変化に追従して下降するので、担体が上下方向に縮んで下部支持体上に載り、上下方向に引っ張られる荷重が減少するので、担体が切断されることを防ぐことができる。したがって、特に駆動機構を設けずに、上部支持体を昇降動作させることが可能となる。

本発明のメタン発酵槽は、前記上部支持体及び／又は前記下部支持体が、枠体と桟とで構成されていることが好ましい。
本発明のメタン発酵槽は、前記上部支持体、前記下部支持体及び前記担体は、かご状のフレームに収容されて、前記メタン発酵槽内に設置されていることが好ましい。この態様によれば、かご状のフレームをメタン発酵槽内へ挿入し、あるいは引き上げるだけで、上部支持体、下部支持体及び担体をメタン発酵槽内に設置し、あるいは取り出しできると共に、かご状のフレームが挿入や引き上げの際のガイドとなるので、設置や取出し作業が容易になる。

本発明のメタン発酵槽の前記担体は、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリスチレン繊維、ビニロン繊維、塩化ビニリデン繊維、及び炭素繊維から選ばれる繊維素材を不織布に成形したものであることが好ましい。

本発明によれば、上部支持体及び下部支持体の少なくとも一方が、他方に対して近接離反できるように昇降可能とされているので、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下した場合には、上部支持体及び下部支持体の少なくとも一方を昇降させて両者を近接させることにより、担体が上下方向に縮んで下部支持体上に載り、その重さの大部分が下部支持体によって受けられ、上下方向に引っ張られる荷重が減少するので、担体が切断されにくくなり、担体の交換頻度を低減できる。

以下、図１〜３を参照して本発明のメタン発酵槽の第１の実施形態を説明する。
図１に示すように、このメタン発酵槽１は、円筒状の槽１０内に、担体１１が複数本配置されている。

担体１１としては、特に限定はなく、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリスチレン繊維、ビニロン繊維、塩化ビニリデン繊維、及び炭素繊維から選ばれる繊維素材を不織布状に成形したものが、微生物の付着効率が良好であるとの理由から好ましく使用できる。

図２を併せて参照すると、担体１１は、断面が放射状をなす柱状の形状をなしている。そして、その上下端のそれぞれは、治具１２を介して上部支持体２１、下部支持体２２と連結して、上部支持体２１と下部支持体２２との間で、担体１１の上下端が保持されて配置されている。
なお、担体１１の形状は図２に示す形状に限定されず、いずれの形状のものでも使用でき、特に表面積を大きくできる形状が好ましく使用できる。

上部支持体２１、下部支持体２２（以下、上部支持体２１と下部支持体２２とをまとめて「支持体３０ａ」という）は、図３（ａ）に示すように、環状の枠体３１ａに桟３２ａが平行に複数本（この実施形態では４本）配設された形状をなしている。担体１１は、取付け部３３ａにて連結される。
なお、支持体は、上記図３（ａ）の形態に限定されず、いずれの形状のものであっても使用できる。なかでも、発酵液が通過でき、担体１１の充填率を高くできるような形状をなすものが好ましく使用でき、図３（ｂ）、（ｃ）に示す構造の支持体などが他の好ましい一例として挙げられる。図３（ｂ）の支持体３０ｂは、環状の枠体３１ｂに格子状の桟３２ｂが配設されており、担体１１の上端部又は下端部は、桟３２ｂに設けられた複数の取付け部３３ｂで連結して保持される。図３（ｃ）の支持体３０ｃは、環状の枠体３１ｃに、該枠体３１ｃと同心状の桟３２ｃと、該枠体３１ｃの中心から放射状に伸びた桟３２ｄとが配設されており、担体１１の上端部又は下端部が、桟３２ｃ及び３２ｄに設けられた複数の取付け部３３ｃで連結して保持される。

上部支持体２１は、ワイヤ６１によって吊り下げられており、メタン発酵槽１の外部に固定配置されたウインチ６２を駆動させてワイヤ６１の巻き取り量を調整することで、メタン発酵槽１内を昇降可能となっている。

上部支持体２１及び下部支持体２２の外周には、支持架台２３が複数本（この実施形態では４本）配置されている。支持架台２３の下端部は、槽１０内の底壁１０ａに当接している。そして、下部支持体２２は、支持架台２３と溶接などされて固定されており、これによって、下部支持体２２がメタン発酵槽内の底部に固定配置されている。

また、支持架台２３には、ストッパー４０が設けられており、上部支持体２１がメタン発酵槽内でストッパー４０よりも下方まで降下しないようにされている。

次に、上記第１の実施形態のメタン発酵槽を用いたメタン発酵処理方法について、図４，５を用いて説明する。

メタン発酵槽１内に、図示しない有機性廃棄物導入管などから有機性廃棄物を供給し、槽内に供給された有機性廃棄物を、担体１１に担持された嫌気性微生物によりメタン発酵する。なお、槽内の発酵液は、供給された有機性廃棄物と同量の発酵液が図示しない発酵廃液引き抜き管等から引き抜かれ、槽内には常時一定量の発酵液が満ちている。そして、有機性廃棄物をメタン発酵して得られたバイオガスは、図示しないバイオガス取出し管等から取り出される。

定常運転時は、図４に示すように、メタン発酵槽１内の発酵液の液面Ｌ１は、ほぼ担体１１の上端部まで満ちている。このため、担体１１のほぼ全体に浮力が働いており、重力による下方へ引っ張られる力が弱く、担体１１は切断されにくい。

しかしながら、槽内洗浄などのメンテナンス時に槽内から発酵液を流去するなどして、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下すると、担体１１にかかる浮力が低下するばかりか、担体１１が発酵液を吸水してその重量が増加しているので、担体１１が下方に引っ張られる力が強くなり、担体が切断され易くなる。メタン発酵槽内の発酵液は、高温、高アルカリ性の溶液であることから、メタン発酵処理を長期間実施すると担体が腐食劣化して耐久性が低下し易いので、切断され易くなっている。

そこで、このメタン発酵槽１を用いたメタン発酵処理では、メタン発酵槽１内の発酵液の水位が低下したら、ウインチ６２を駆動させて巻き取られたワイヤをウインチから引き出して上部支持体２１を降下させる。下部支持体２２は、メタン発酵槽１の底部１０ａに固定配置されているので、上部支持体２１を降下させると、図５に示すように、上部支持体２１が下部支持体２２に対して近接し、上部支持体２１と下部支持体２２との間隔が狭まる。その結果、担体１１は上下方向に縮んで下部支持体２２上に載り、その重さの大部分が下部支持体２２によって受けられ、上下方向に引っ張られる荷重が減少するので、担体１１が切断されにくくなり、担体１１の交換頻度を低減できる。また、この実施形態では、上部支持体２１の外周に支持架台２３が配置されているので、支持架台２３が、上部支持体２１を昇降移動させる際のガイドになり、上部支持体２１が目的の場所に、スムーズかつ正確に昇降する。

上部支持体２１の位置制御は、例えば、槽内に水位計を設置し、水位計による測定値に応じて、段階的又は連続的にウインチ６２を駆動させて巻き取り量を調整するなどの措置により行える。

そして、メンテナンスなどが終了し、メタン発酵槽内に発酵液を再導入して、発酵液が正常状態の水位レベルまで達したら、ウインチ６２を駆動させてワイヤ６１を所定量巻き取って上部支持体２１を定常運転時の位置まで上昇させ、担体１１を、上部支持体２１と下部支持体２２との間で上下方向に伸びた状態で保持し、槽内に供給された有機性破棄物を、担体１１に担持された嫌気性微生物によりメタン発酵する。

このようにしてメタン発酵処理を行うことで、担体の交換頻度を低減でき、長期にわたって安定して効率の良いメタン発酵処理を実施することができる。

なお、この実施形態では、ウインチ６２によりワイヤ６１の巻き取り量を調整することで、上部支持体２１を昇降させるようにしたが、上部支持体２１を昇降させる構成としては、上記ウインチとワイヤを使用した構成に限定されず、メタン発酵槽内の発酵液の水位に応じて上部支持体２１を昇降できる構造であればよい。

例えば、図６に示すような昇降装置７０にて上部支持体２１を昇降させてもよい。図６の昇降装置７０は、上部支持体２１が、モータ７１により回転する支軸７２の下端に枢着され、モータ７１の回転によって上下移動する機構を備えている。すなわち、支軸７２は、フレーム７３の上下面に設けられた軸受け７４ａ，７４ｂの間でネジ加工されたネジ軸７２ａとなっており、ネジ軸７２ａが通るフレーム７３内部の一部分が、フレーム７３に固定された雌ネジ部７３ａに螺装されている。この昇降装置７０は、モータ７１を駆動させると、その回転動力が駆動ギア７５と従動ギア７６により支軸７２に伝達してネジ軸７２ａが回転し、雌ネジ部７３ａによるネジ移動により支軸７２が上下に移動する。これにより、上部支持体２１を昇降するようになっている。

図７を用いて、本発明のメタン発酵槽の第２の実施形態を説明する。上記第１の実施形態のメタン発酵槽と実質的に同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。

この実施形態のメタン発酵槽１ａは、上部支持体２１ａが、水中に浸漬された担体１１を上方に引っ張ることができる程度の浮力を有する部材（以下、「浮き部材」という）で形成されている。

上記浮き部材としては、特に限定はなく、比重が１以下のものであればよく、例えば、浮輪、合成樹脂発泡体、金属発泡体、樹脂製中空構造体などが挙げられる。

第２の実施形態のメタン発酵槽によれば、定常運転時は、浮き部材からなる上部支持体２１ａがメタン発酵槽１内の発酵液の水面に浮遊して担体１１を上方に引っ張り、下部支持体２２ａは底部に固定配置されていることから、上部支持体２１ａと下部支持体２２ａとの間で、担体１１が上下に延びた状態で保持される。

そして、発酵液の水位が低下すると、上部支持体２１ａは水位の変化に追従し、ストッパー４０の位置まで下降するので、担体１１が縮んで下部支持体２２ａ上に載り、上下方向に引っ張られる荷重が減少する。このため、上記第１の実施形態と同様に、担体１１が切断されることを防ぐことができる。また、この実施形態では、上部支持体２１ａを昇降する際に特に動力を必要としないので運転コストを低減でき、更には、昇降装置や、発酵液の水位を計測する水位計などの設備を別途用意する必要もないので装置コストも低減できる。

図８に、本発明のメタン発酵槽の第２の実施形態の変形例を示す。図７に示す実施形態では、一つの上部支持体２１ａに、複数の担体１１を保持する構成としたが、図８に示す実施形態では、一つの浮き部材からなる上部支持体２１ｂで、一つの担体１１が支持されて、メタン発酵槽内に担体１１が複数配置されている。すなわち、担体１１と同数個の上部支持体２１ｂがメタン発酵槽内に配置されている。そして、上部支持体２１ｂと担体１１の上端部との間には、上部支持体２１ｂよりも小径の開口部を有する上部固定架台４１が固定配置されている。

この実施形態によれば、定常運転時は、メタン発酵時に発生したバイオガスによる曝気や、発酵物の沈降防止を目的とした攪拌などにより、発酵液中の担体は攪拌流を受けるが、上部固定架台４１を設けたことによって、攪拌流を受けても発酵液中での担体の揺れ動きを低減でき、隣接する担体１１との接触を防止できる。そして、発酵液の水位が低下した場合にあっては、上部支持体２１ｂは水位の変化に追従して、上部固定架台４１の位置まで下降するので、上記の実施形態と同様の効果が得られる。

図９，１０を用いて、本発明のメタン発酵槽の第３の実施形態を説明する。図９では、便宜上担体を図示しないが、上記実施形態と同様、上部支持体２１ｃと下部支持体２２ｃとの間には、その上下端が保持されて担体が保持されている。

この実施形態のメタン発酵槽１ｃは、上部支持体２１ｃが支持架台２３ｃと溶接などにより固定されて、槽１０内の上部に固定配置されている。

図９を併せて参照すると、支持架台２３ｃは中空構造をなしており、下部支持体２２ｃの外周には可動車輪２５が配置され、この可動車輪２５が、ワイヤ８１によって支持されて支持架台２３ｃの下部に設けられたスライド溝２６に挿入配置されている。この下部支持体２２ｃは、メタン発酵槽１ｃの外部に固定配置されたウインチ８２を駆動させてワイヤ８１の巻き取り量を調整することで、下部支持体２２ｃがスライド溝２６の上下方向に移動してメタン発酵槽１ｃ内を昇降移動する。

第３の実施形態のメタン発酵槽によれば、定常運転時は、上部支持体２１ｃと下部支持体２２ｃとの間で、担体が上下に延びた状態で保持される。

そして、発酵液の水位が低下すると、ウインチ８２を駆動させてワイヤ８１を巻き取って下部支持体２２ｃを上昇させる。上部支持体２１ｃは槽１０の上部に固定配置されているので、下部支持体２２ｃを上昇させることで、担体が縮んで下部支持体２２ｃ上に載り、上下方向に引っ張られる荷重が減少する。これにより、上記第１，２の実施形態と同様に、担体が切断されることを防ぐことができる。

メタン発酵槽内における下部支持体２２ｃの設置高さの位置制御は、例えば、第１の実施形態と同様の方法により、槽内に発酵液の水位を測定する水位計を設置し、水位計による測定値に応じて、段階的又は連続的にウインチ８２を駆動して、ワイヤ８１の巻き取り量を調整するなどの措置により行える。

図１１，１２を用いて、本発明のメタン発酵槽の第４の実施形態を説明する。なお、図１１では、便宜上担体を図示しないが、上記第１，２の実施形態と同様、上部支持体２１ｄと下部支持体２２ｄとの間には、その上下端が保持されて担体が保持されている。

この実施形態のメタン発酵槽１ｄは、上部支持体２１ｄが支持架台２３ｄと溶接などにより固定されて、槽１０内の上部に固定配置されている。また、槽１０の内壁底面には、エアジャッキ８３が複数個（この実施形態では４個）配置されている。このエアジャッキ８３は、下部支持体２２ｄの裏面側に形成された棚部３５と、槽１０の内壁底面との間でエアジャッキ８３が挟持されている。

図１２を併せて参照すると、下部支持体２２ｄの外周には可動車輪２５が配置され、この可動車輪２５が、支持架台２３ｄの下部に設けられたスライド溝２６に挿入配置されている。そして、エアジャッキ８３からは、エアチューブ８４が延出して、図示しないメタン発酵槽１ｄの外部に設けられたエアポンプと連結している。

第４の実施形態のメタン発酵槽によれば、定常運転時は、上部支持体２１ｄと下部支持体２２ｄとの間で、担体が上下に延びた状態で保持される。

そして、発酵液の水位が低下すると、エアジャッキ８３に空気を導入して図１２の想像線で示すように下部支持体２２ｄを上昇させる。上部支持体２１ｄは槽１０の上部に固定配置されているので、下部支持体２２ｄを上昇させることで、担体が縮んで下部支持体２２ｄ上に載り、上下方向に引っ張られる荷重が減少するので、上記第１〜３の実施形態と同様に、担体が切断されることを防ぐことができる。

以下、実施例により、本発明の作用効果を説明する。

図１に示すメタン発酵装置を用いて、メタン発酵を行った。担体１１として、厚さ１０ｍｍ、開孔径２００μｍ、空隙率９７%程度のポリエステル製の不織布を、幅１０ｃｍ、長さ２ｍに裁断して１０枚束ねたものを用いた。担体１１の上下端を、ＳＵＳ板（厚さ１ｍｍ、長さ１０ｃｍ）の治具でリベット接続し、ＳＵＳ板の反対の方を、それぞれ上部支持体２１、下部支持体２２に接続して、メタン発酵槽１内に収容した。
メタン発酵槽１内に発酵液を充填した後、排水するという操作を１０回行った。
排水操作中、メタン発酵槽１内の発酵液の水位が下がるに伴って上部支持体２１を降下させたところ、担体１１は切断されることなく、またその破断強度も初期値と変わらない値であった。

一方、排水操作中、上部支持体２１の設置位置を固定させていたところ、排水操作時に担体１１が吸水した水の重さで伸びた後に切断した。

本発明のメタン発酵槽の第１の実施形態の概略図である。 担体の概略図である。 支持枠の概略図である。 本発明のメタン発酵槽の第１の実施形態の定常運転時の状態図である。 同メタン発酵槽の槽内から発酵液を引き抜いた際の状態図である。 本発明のメタン発酵槽の第１の実施形態の変形例の要部拡大概略図である。 本発明のメタン発酵槽の第２の実施形態の概略図である。 本発明のメタン発酵槽の第２の実施形態の変形例の概略図である。 本発明のメタン発酵槽の第３の実施形態の概略図である。 同メタン発酵槽の部分Ａの拡大断面図である。 本発明のメタン発酵槽の第４の実施形態の概略図である。 同メタン発酵槽の部分Ｂの拡大断面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ：メタン発酵槽
１０：槽
１１：担体
１２：治具
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ：上部支持体
２２，２２ｃ，２２ｄ：下部支持体
２３，２３ｃ，２３ｄ：支持架台
２５：可動車輪
２６：スライド溝
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ：枠体
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ：桟
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ：取付け部
３５：棚部
４０：ストッパー
４１：上部固定架台
６１：ワイヤ
６２：ウインチ
７０：昇降装置
８１：ワイヤ
８２：ウインチ
８３：エアジャッキ
８４：エアチューブ

Claims (6)

1. 嫌気性微生物を担持する担体が配置されたメタン発酵槽であって、
   前記担体の上端を保持する上部支持体と、
   前記担体の下端を保持する下部支持体と、
   メタン発酵槽の上下方向に伸び、前記メタン発酵槽の内周に沿って所定間隔で配置された複数の支持架台とを備え、
   前記上部支持体及び前記下部支持体のいずれか一方が前記支持架台に固定され、他方が前記支持架台に沿って上下方向に移動可能に配置されて、前記上部支持体及び前記下部支持体の少なくとも一方が、他方に対して近接離反できるように昇降可能とされていることを特徴とするメタン発酵槽。
2. 前記支持架台には、前記上部支持体の下降位置又は前記下部支持体の上昇位置を規制するストッパーが設けられている、請求項１に記載のメタン発酵槽。
3. 前記下部支持体が、メタン発酵槽の底部に固定配置され、前記上部支持体が、メタン発酵槽内の発酵液の水位が低下するに伴い、降下するように構成されている、請求項１又は２に記載のメタン発酵槽。
4. 前記上部支持体が、浮輪、合成樹脂発泡体、金属発泡体及び樹脂製中空構造体から選ばれる比重が１以下の浮き部材であって、前記メタン発酵槽内の発酵液の水位の変化に追従して昇降動作する、請求項３に記載のメタン発酵槽。
5. 前記上部支持体及び／又は前記下部支持体が、枠体と桟とで構成されている、請求項１又は２に記載のメタン発酵槽。
6. 前記担体は、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリスチレン繊維、ビニロン繊維、塩化ビニリデン繊維、及び炭素繊維から選ばれる繊維素材を不織布に成形したものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のメタン発酵槽。