JP5761922B2

JP5761922B2 - メタン発酵システム

Info

Publication number: JP5761922B2
Application number: JP2010081220A
Authority: JP
Inventors: 修濱本; 佐藤　雄一; 雄一佐藤; 政宏斉藤
Original assignee: Mitsui Zosen Environment Engineering Corp
Current assignee: Mitsui Zosen Environment Engineering Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011212536A

Description

本発明は、被発酵材をメタン発酵処理して得られるメタン発酵液中のカルシウムの析出を抑制し、効率よくメタン発酵が行えるためのメタン発酵システムに関するものである。

従来より、生ごみ、家畜糞尿、下水処理汚泥等の廃棄物を原料としてメタン発酵処理（嫌気性処理）し、その発酵液（消化液）を肥料として農地へ散布する技術が知られている。

しかし、発酵液をそのまま農地へ散布するため、発酵液中に存在する大腸菌等の菌類によって土壌が汚染されるという欠点があった。

そこで、現在では、図４に示したように、被発酵材Ｍをメタン発酵処理したメタン発酵槽１から出るメタン発酵液を、処理槽６において約７０℃で一定時間加熱して滅菌処理を行ってから、その後、熱交換器４で他の媒体との熱交換により冷却してから農地へ散布することとしている。このように滅菌処理を行ってから農地へ散布することにより、菌類による土壌の汚染は解消することができたが、新たな欠点が生じることとなった。

図４のシステムでは、処理槽６においてメタン発酵液の温度が上昇すると、処理槽６のメタン発酵液中に溶けている二酸化炭素が放散して、メタン発酵液のｐＨが上昇する。

しかし、被発酵材Ｍの中には、カルシウムを被発酵材Ｍ中に多く含むものもあり（例えば家庭用生ごみ）、カルシウムを多く含む被発酵材Ｍをメタン発酵処理して得られるメタン発酵液を、上述したように処理槽６で高温において処理すると、メタン発酵液中に炭酸水素カルシウムＣａ（ＨＣＯ_３）_２の状態で溶解していた被発酵材Ｍ由来のカルシウムが、二酸化炭素の放散によって（ｐＨの上昇によって）液中に存在する炭酸イオンと結合し炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の状態で処理槽６内に析出する現象が生じる。この析出した炭酸カルシウムＣａＣＯ_３は、処理槽６から出るメタン発酵液とともに熱交換器４に送られ熱交換器４の管内に付着する。

この結果、熱交換器４の管が詰まりメタン発酵液が流れにくくなる閉塞トラブルが発生するようになった。このため、熱交換器４の管を交換したり、洗浄することによりメタン発酵システムの効率が落ちてしまうという新たな欠点が生じるようになった。

特許文献１においても、段落０００６において、「・・・。昇温方法としては、熱交換器は高温では尿中のカルシウム等によって短時間でスケールが付着し、好ましくないので、・・・」と熱交換器を使用するとスケールが付着するので使用するのが好ましくない旨が記載されている。しかし、特許文献１に記載された発明では、炭酸カルシウムによるスケールの付着を防止する解決策については何ら検討されていない。

特開平１０−２３５３１７号公報

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、上述したように、被発酵材をメタン発酵して得られたメタン発酵液を、該メタン発酵液の温度以上に昇温して処理（滅菌処理）したことに起因する炭酸カルシウムの析出を抑制し、熱交換器の管内への付着を防止することにより、効率よくメタン発酵処理を行うことができるメタン発酵システムを提供するものである。

上記目的を達成するために本発明に係るメタン発酵システムの第１の態様は、被発酵材をメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽から出るメタン発酵液を密閉状態で加熱（但し、２５０℃超えの温度で加熱するものは除く）する加熱処理槽と、を備え、
前記加熱処理槽は、該槽内の前記メタン発酵液を加熱すると、該槽内が加圧状態になり二酸化炭素の放散を防止できるように該槽内の密閉状態を維持し、
前記加熱処理槽の下流側に該加熱処理槽から出るメタン発酵液と他の媒体との間で熱交換するための熱交換器を設け、
該加熱処理槽から出るメタン発酵液を密閉状態で前記熱交換器に送ることを特徴とするものである。

本態様によれば、メタン発酵液を密閉状態で加熱する加熱処理槽を備えているので、メタン発酵液中の菌類を加熱滅菌することが出来るとともに、以下のような効果がある。
すなわち、加熱処理槽においてメタン発酵液中に含まれる二酸化炭素が加熱によってメタン発酵液中から放散しても、槽内は密閉状態でありかつ加熱によって加圧状態にあるので、二酸化炭素は再び発酵液中に溶け込むことになる。そして、その結果、ｐＨの上昇が抑えられ、発酵液中に存在する被発酵材Ｍ中に含まれていたカルシウムは炭酸カルシウムとして析出することなく、液中に炭酸水素カルシウムとして存在することとなる。よって、加熱処理槽の後段に装置（例えば熱交換器）を設けた際に、装置内に炭酸カルシウムが析出するようなことがなく装置の閉塞トラブルを引き起こすようなことがない。

本発明に係るメタン発酵システムの第２の態様は、第１の態様のメタン発酵システムにおいて、前記加熱処理槽は、前記メタン発酵槽から出たメタン発酵液を７０℃以上で加熱処理するように構成されていることを特徴とするものである。

本態様によれば、第１の態様の効果に加え、７０℃以上で加熱処理することから、より確実にメタン発酵液中の菌類を滅菌することが可能となる。したがって、菌類による土壌の汚染を心配することなく当該メタン発酵液を農地に散布することができる。

本発明に係るメタン発酵システムの第３の態様は、第１または第２の態様のメタン発酵システムにおいて、前記加熱処理槽の下流側に該加熱処理槽から出るメタン発酵液と他の媒体との間で熱交換するための熱交換器が設けられていることを特徴とするものである。

本態様によれば、加熱処理槽で処理されたメタン発酵液が高温である場合には、該メタン発酵液が持つ熱と他の媒体との間で熱交換を行い、交換した熱を有効利用することが出来る。また、熱交換して、温度が下がった滅菌されたメタン発酵液を大気圧に戻せば、二酸化炭素の放散が抑制され炭酸カルシウムの析出も防止できる。

本発明に係るメタン発酵システムの第４の態様は、第３の態様のメタン発酵システムにおいて、前記熱交換器によって前記加熱処理槽から出るメタン発酵液と熱交換した前記他の媒体を前記メタン発酵槽内の温度を昇温または維持するための昇温維持手段として利用することを特徴とするものである。

本態様によれば、加熱処理槽で処理されたメタン発酵液から熱を回収した他の媒体は、その熱をメタン発酵槽の温度を昇温または維持するための昇温維持手段として利用することができる。これにより、メタン発酵槽の温度を昇温または維持したりするための手段をわざわざ設ける必要がなく、システム全体の設計コストを低減することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るメタン発酵システムの概略構成図。本発明の第２の実施形態に係るメタン発酵システムの概略構成図。本発明の第３の実施形態に係るメタン発酵システムの概略構成図。従来のメタン発酵システムの概略構成図。

以下、図を参照しながら、本発明に係るメタン発酵システムの実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１には、本発明に係るメタン発酵システムの第１の実施形態の概略構成図が示されている。
本発明に係るメタン発酵システムは、被発酵材Ｍ（例えば生ゴミや家畜糞尿等）をメタン発酵処理（嫌気性処理）するメタン発酵槽１、メタン発酵槽１内の温度を昇温または維持するための昇温維持手段２、メタン発酵槽１から出るメタン発酵液中の菌類を滅菌しつつ、メタン発酵液中に含まれるカルシウムが炭酸カルシウムとして析出することを防止するための加熱処理槽３、加熱処理槽３で滅菌処理が行われたメタン発酵液が有する熱を他の熱媒体と熱交換するための熱交換器４とから構成されている。

また、被発酵材Ｍがメタン発酵処理された際に発生するバイオガスＧを収集するためのバイオガス収集管１０、収集したバイオガスを脱硫するための脱硫装置１１および脱硫して精製したバイオガスを利用するためのコジェネレーション１２（例えばガスエンジンシステム）が設けられている。

本態様で使用される被発酵材Ｍとしては、例えば畜産廃棄物、有機性汚泥、緑農廃棄物などが挙げられる。畜産廃棄物としては、家畜（例えば、豚、牛、ニワトリ等）の糞尿や、屠体および／またはその加工品が挙げられる。また、緑農廃棄物には家庭の生ゴミの他、産業廃棄物生ごみとして、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。

メタン発酵は、いわゆる中温型、高温型、超高温型、またはスラリー（湿式）型のいずれのタイプでも適用可能である。

メタン発酵槽１は、絶対嫌気性のメタン発酵菌による活動を維持するために、空気を遮断したタンクにより構成される。発酵槽１は固形物濃度（通常３〜４０重量％の範囲）と発酵温度（通常、中温発酵では約３２〜３７℃、高温発酵では約５２〜５５℃）によって、形状や運転条件が異なってくる。例えば、洗浄廃水が混合したりして高含水率になった原料（固形物濃度１０重量％まで）の場合は湿式型の完全混合方式の発酵槽が用いられる。

高含水率の原料（固形物濃度を１０重量％程度まで）の場合は、完全混合方式の発酵槽を用い、中温メタン発酵菌（至適温度３７℃）では滞留時間を２０〜３０日間程度、高温メタン発酵菌（至適温度５５℃）では滞留時間（Retention Time）を１５日間程度、とすることが可能である。

一方、低含水率の原料（固形物濃度約２０〜４０重量％）の場合は、被処理物の固形分濃度を３０〜４０重量％にして押出し式の発酵槽を使用できる程度の固さに調整する。滞留時間については、高含水率の場合と同様に設定することができる。また、Ｃ／Ｎ比（炭素率：原料に含まれる炭素量と窒素量の比）の調整のために、必要に応じて若干の有機成分を導入することもできる。
なお、メタン発酵槽１には昇温維持手段２が設けられており、これは加熱または保温ができる装置であれば公知のものが使用可能である。

発酵槽１には、メタン発酵処理によって生成するバイオガスＧを収集するためのバイオガス収集管１０が設けられており、収集されたバイオガスＧは脱硫装置１１に送り込まれて硫黄分が除去され、さらに脱硫処理され精製されたバイオガスはコジェネレーション１２に送られるように構成されている。
なお、脱硫装置１１については公知のものが使用可能であり、例えば生物脱硫塔が挙げられる。

メタン発酵処理されてメタン発酵槽１より出るメタン発酵液は、密閉された状態で加熱処理槽３へ送られる。
加熱処理槽３は、メタン発酵槽１から出たメタン発酵液中の菌類を滅菌するために加熱するが、滅菌すると共に、加熱処理が密閉状態で行われるため、メタン発酵槽１から出たメタン発酵液中に含まれる被発酵材Ｍ由来のカルシウムが、炭酸カルシウムとして析出することを防止するための槽でもある。

加熱処理槽３は、加熱すると、槽内が加圧状態になり二酸化炭素の放散を防止できるように槽内の密閉状態を維持することができ、加熱手段（図示せず）を有しているものであれば既知の物が使用できる。例えば密閉型の保温容器が用いられる。

ここで、炭酸カルシウムの析出について説明する。
メタン発酵槽１内ではバイオガスＧとして、主にメタン（約５５容量％）、二酸化炭素（約４５容量％）が発生する。その発生した二酸化炭素はその分圧に対応する量がメタン発酵液中に溶け込む。また、メタン発酵液中には、被発酵材Ｍが生ゴミ系などのカルシウム含有量の多いものである場合、カルシウムが炭酸水素カルシウムの形でメタン発酵液中に溶解している。

加熱処理槽３には、二酸化炭素が溶け込んでいるメタン発酵液がメタン発酵槽１から密閉状態で送られてくる。送られてきたメタン発酵液は、加熱処理槽３内で密閉した状態で該メタン発酵液の温度以上で加熱されることにより滅菌される一方、メタン発酵液中に溶け込んでいた二酸化炭素はメタン発酵液の温度が加熱により上昇するため、加熱処理槽３内の空間３’に放散する。

しかし、加熱処理槽３内は、密閉状態であり且つ加熱され温度が上昇しているので加圧状態になっている。よって、空間３’に放散した二酸化炭素は、再度メタン発酵液中に溶け込む。したがって、最終的にはメタン発酵液中に溶けている二酸化炭素の量に変化はなくｐＨの上昇は抑制される。つまり、二酸化炭素が加熱処理槽３から放散しないことから被発酵材Ｍ中に含まれていたカルシウムは炭酸カルシウムとして析出することなく、液中に炭酸水素カルシウムとして存在することとなる。

従って、本態様のように加熱処理槽３の下流側に熱交換器４を設けたとしても、加熱処理槽３から出るメタン発酵液中に炭酸カルシウムは析出していないので、加熱処理槽３から出るメタン発酵液を密閉状態で熱交換器４に送っても熱交換器４の管内に炭酸カルシウムが付着することがなくなり、閉塞トラブルもなく効率よくメタン発酵を行うことが可能となる。そして、熱交換によって温度が下がった滅菌されたメタン発酵液を、大気圧に戻せばメタン発酵液中の二酸化炭素の放散が抑制され炭酸カルシウムの析出も防止できる。

なお、上述したメタン発酵液は、肥料として農地へ散布される。

加熱処理槽３での処理条件は被発酵材料Ｍの種類やメタン発酵処理の条件によって異なる。
被発酵材Ｍが生ごみや家畜糞尿であって、それらを中温メタン発酵処理（約３２〜３７℃）あるいは高温メタン発酵処理（約５２〜５５℃）した場合には、メタン発酵槽１から出るメタン発酵液を加熱処理槽３で６０〜８０℃まで加熱して３０分間〜５時間処理するのが好ましい。より好ましくは７０℃以上で３０分間程度が好ましい。

さらに、７０℃以上と高温で処理するので滅菌処理も行うことができる。例えば、豚パルボウィルスは５５℃程度の加熱処理では完全に滅菌することができないが、７０℃以上で加熱処理すれば完全に滅菌することができる。

図２には、本発明に係るメタン発酵システムの第２の実施形態の概略構成図が示されている。なお、第１の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付してその説明は省略する。
本態様は、第１の実施形態で設けられた熱交換器４において、加熱処理槽３から出たメタン発酵液が有している熱を他の熱媒体と熱交換し、他の媒体をメタン発酵槽１の昇温維持手段２として利用するようにした態様である。

例えば、加熱処理槽３でメタン発酵液を７０℃で３０分間加熱処理した後のメタン発酵液の温度は約７０℃である。そして、メタン発酵液を密閉状態で熱交換器４に送ることにより、該メタン発酵液が有している熱を熱交換器を用いて他の媒体と熱交換し、メタン発酵液から熱を回収した他の媒体をメタン発酵槽１内の温度を昇温または維持するための昇温維持手段２として利用することができる。これにより、メタン発酵槽１内の温度を昇温または維持したりするための手段をわざわざ設ける必要がなく、システム全体の設計コストを低減することが可能となる。

なお、熱交換器４については公知のものが使用可能である。例えば、多管円筒形熱交換器、２重管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、渦巻き式熱交換器等が挙げられる。

図３には、本発明に係るメタン発酵システムの第３の実施形態の概略構成図が示されている。なお、第２の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付してその説明は省略する。

本態様は、第２の実施形態において、メタン発酵槽１の下流側であって加熱処理槽３の上流側に熱交換器５を設けた態様である。更に、熱交換器５は、被発酵材Ｍをメタン発酵処理して発生するバイオガスＧを利用したコジェネレーションより供給される水（約８０℃）が有する熱とメタン発酵槽１から密閉状態で熱交換器５へ送られるメタン発酵液が有する熱とを交換するものである。この熱交換により、例えば、中温メタン発酵（約３７℃）処理によってメタン発酵槽１から出るメタン発酵液の温度は、約３７℃から約６０℃まで上昇する。

したがって、加熱処理槽３に送り込まれる時にはメタン発酵液の温度は約６０℃になっており、加熱処理槽３においてメタン発酵液を例えば７０℃で処理する際、メタン発酵液の温度を昇温させる時間が熱交換器を使用しなかった時よりも大幅に短縮することができる。しかも、メタン発酵液と熱交換する熱媒体は、元々、メタン発酵処理によって発生したバイオガスＧを利用することによって得られたものであるため、本態様では効率よくメタン発酵システムを稼動させることができる。

本態様は、第２の実施形態に熱交換器５を設けた態様であるが、第１の態様に本態様の構成と同様の熱交換器５を設ける態様とすることもできる。この場合は上述した第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は、被発酵材をメタン発酵して得られたメタン発酵液を、該メタン発酵液の温度以上に昇温して滅菌処理したことに起因して析出する炭酸カルシウムの熱交換器の管内への付着を防止することにより、効率よくメタン発酵処理を行うことができるものである。

１メタン発酵槽、２昇温維持手段、３加熱処理槽、４、５熱交換器、
１０バイオガス収集管、１１脱硫装置、１２コジェネレ−ション
Ｍ被発酵材

Claims

被発酵材をメタン発酵処理するメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽から出るメタン発酵液を密閉状態で加熱（但し、２５０℃超えの温度で加熱するものは除く）する加熱処理槽と、を備え、
前記加熱処理槽は、該槽内の前記メタン発酵液を加熱すると、該槽内が加圧状態になり二酸化炭素の放散を防止できるように該槽内の密閉状態を維持し、
前記加熱処理槽の下流側に該加熱処理槽から出るメタン発酵液と他の媒体との間で熱交換するための熱交換器を設け、
該加熱処理槽から出るメタン発酵液を密閉状態で前記熱交換器に送ることを特徴とするメタン発酵システム。
請求項１に記載されたメタン発酵システムにおいて、前記加熱処理槽は、前記メタン発酵槽から出たメタン発酵液を７０℃以上で加熱処理するように構成されていることを特徴とするメタン発酵システム。
請求項１又は２に記載されたメタン発酵システムにおいて、前記熱交換器によって前記加熱処理槽から出るメタン発酵液と熱交換した前記他の媒体を前記メタン発酵槽内の温度を昇温または維持するための昇温維持手段として利用することを特徴とするメタン発酵システム。