JP6740498B1 - バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を用いたメタンガスと発酵堆肥とを製造する回分式のメタン発酵設備において、得られる発酵堆肥に含まれる水分量を、バイオマス資源粗砕物が含有する水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量以上とし、かつ発酵堆肥の含水率を最大で75重量%までとすることを特徴とする、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
これは、李玉友らの「生ごみの高速メタン発酵に関する報告」によれば、一般的に生ごみの分解率は約80%とあること(非特許文献1、非特許文献3参照)や、下水汚泥の多段消化槽による連続実験で反応率73%が得られている例(非特許文献2参照)、発酵の条件は異なるが夏場の水田の土中に鋤きこまれた稲わらや麦わらが一夏の間にほぼ100%分解されている現象からも推定される。
本発明は、上記のようなバイオマス原料を充填した固定層型固液接触反応槽である外部循環式のメタン発酵槽を用いてメタン発酵反応を行いメタンガスと堆肥を製造するに際して、得られる発酵堆肥に含まれる水分量を、バイオマス資源粗砕物に含まれる水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量以上とし、かつ発酵堆肥の含水率を最大で75重量%まで、好ましくは最大で60重量%までとするという条件でメタン発酵反応を行わせるものである。
農産又は林産バイオマスは、(C6H10O5)の重合によるセルロースを主成分とする高分子であり、自然界では数多くの微生物類とメタン発酵菌により、次のように近似される分解反応が行われていると考えられる。
バイオマス原料の分解率2/3(66.7%)、堆肥の含水率を60重量%にした場合には、原料中の絶対乾燥バイオマス量は700kg、原料中の含水量は300kgであり、原料中のバイオマス分解量は700kgの2/3で467kgとなり、発酵堆肥の乾燥品重量は700kgの1/3で233kgとなる。
上記の式(I)に準拠すると、
メタンガス発生量=(467/162)×48=138kg、
メタンガスと炭酸ガスが等量とした場合、
総バイオガス発生量=22.4×(138/16)×2=387m3
発酵堆肥中の水分量=233×(60/40)=350kg
メタン発酵反応で消費される水分量=467×(18/162)=52kg
バイオマス原料中の水分量―反応で消費される水分量=300−52=248kg
発酵系から持ち出される水分量
=発酵堆肥中の水分量―(原料中の水―反応消費水)
=350−(300−52)=102kg
従って、この場合にはメタン発酵を1回行う毎にバイオマス原料1,000kgあたり102kgの水が反応系から持出されるので、反応循環系の反応水が減少してくることとなる。これは次の発酵反応の開始の前などにこの水分を補充すればよい。
メタン発酵槽1に原料のバイオマス資源の粗砕物2を充填する。メタン発酵菌を含む反応水は中継槽6に貯留されており、この反応水が配管9と外部循環配管4を通って供給され、メタン発酵槽1内に充填されたバイオマス資源の粗砕物2の上部に設けられたスプレーノズル3から充填物の上に散布される。一定量の反応水が導入されたら、その後は外部循環配管4からスプレーノズル3を通してこの反応水を繰り返して循環して散布し、これを長時間継続することによってメタン発酵反応を行わせる。このとき散布する反応水の量は、メタン発酵槽1内に充填されたバイオマス資源の粗砕物3の表面に反応水が流れて、その表面が十分に濡れる状態となるような量で循環させる。
図2に示すように、本発明は、メタン発酵槽Aとメタン発酵槽Bのような一対をなす同一容量のメタン発酵槽から発生するバイオガスの取り扱いに関する。一般的に、このようなメタン発酵槽では、それぞれのメタン発酵槽において次のような運転サイクルで回分式の発酵反応を行う。まず、原料のバイオマス資源の粗砕物を充填した後、密閉状態で充填層の上から反応水を循環してスプレーしてこれを継続することによってメタン発酵に向けての操作を開始する。
ここで、発酵槽内容積をV0(m3)、発酵槽内のバイオガス濃度をC1(容積%)、発生バイオガス流量速度をv1(m3/hr)、系外へ流出するバイオガス流量速度をv1(m3/hr)、発生するバイオガス濃度をC0(容積%)とする。発生するバイオガス濃度C0は、常に100(容積%)で一定である。
メタン発酵槽内外の物質収支から、以下の関係式が導かれる。
メタン発酵が開始するメタン発酵反応開始期では、発酵槽内の空間が不活性ガス(主成分は窒素ガス)に充満され、メタン発酵開始と共に系内は完全混合の状態で発生するバイオガスに置換されていく現象であったが、メタン発酵反応終了期では不活性ガスの代わりにバイオガスとなり、メタンガスの代わりに不活性ガスとなっているだけである。両ケースともガスの名称が入れ代わっているが、それぞれのガス流量速度v1とv2を全く同じ条件にして運転するので、どの時間においても式(9)と次の式(16)の数値は同一となる。
この場合も、メタン発酵槽内外の物質収支から、以下の関係式が導かれる。
即ち、この式(9)と式(16)の左辺は全く同一値であるから、(100−C1)=C2が成立するので、C1+C2=100となる。この式の意味は、メタン発酵においてメタン発酵反応開始期のバイオガス発生流量速度に合わせてメタン発酵反応終了期の注入する不活性ガスの流量速度を同じにして吹込み、系内にあるバイオガスの置換追出しを行うことにより、それぞれの発酵槽から系外へ流出する希釈混合ガス濃度C1の値とC2の値を合計したものは、発生する100容積%のバイオガスの濃度の値に等しい値となることを示している。
この濃度C1のバイオガスと濃度C2のバイオガスを同一容量ずつ混合するので、容量が2倍になり、その混合ガスの濃度(C1+C2)/2は100/2であるので、バイオガス発生濃度の1/2となる。これはメタンガス濃度としては、56/2=28容積%の一定値となり、その他は窒素ガス・炭酸ガスなどの不活性ガスである。
従来から農業においては稲わら、麦わら、トウモロコシ茎、大豆の豆幹、野菜類の茎や葉などさまざまな未利用の農産バイオマスが大量に発生している。同様に林業においても樹木の枝打ちや落ち葉、あるいは下草刈り作業等により未利用の林産バイオマスが大量に発生している。又、畜産業においても大量の牛や豚等の家畜類の粘性排泄物が発生している。
以下に、さらに実施例によって本発明を説明する。
実験装置として、図1に示すような小型パイロット試験用のメタン発酵設備を用いて、以下のような条件の下でメタン発酵反応を行った。
メタン発酵槽1として、直径600mm、高さ2300mm、内容積が650リットルの円筒形の発酵槽を用いた。その上部にスプレーノズル3が備えられており、これは循環ポンプ5、外部循環配管4に接続し、メタン発酵槽1の底部に溜まった反応水を循環してスプレーノズル3から広角度全面型スプレーを行う。原料となるバイオマス資源として、圃場から収集した稲わらと麦わらを1:1の割合で混ぜて、10cm程度の長さに裁断した平均含水率が約10重量%のバイオマス資源の粗砕物を用いた。このバイオマス原料の粗砕物をメタン発酵槽1の上部から投入し、メタン発酵槽1の中に450リットル充填し、バイオマス資源粗砕物の充填層2を形成した。中継槽6に反応水として(株)明電舎の実用化プラントから入手した養豚排泄物の中温メタン発酵の消化汚泥水を入れておき、この中継槽6からの反応水50リットルを外部循環配管4からスプレーノズル3を通して、充填層2の上部にスプレーしてメタン発酵槽1の中に供給した。
発酵槽1基による原料仕込みから堆肥の取出しまでの一連の発酵運転は小型パイロット実験で経験していたが、一対の発酵槽を用いて運転サイクルの中間部での切り換え運転は未経験であったので、この部分に着目した実験を行った。この部分以外は発酵槽A,Bとも全く同じに再現するので運転サイクル切換え時のメタンガス濃度の変化を確認するために行った。
メタン発酵槽11(メタン発酵槽A)及びメタン発酵槽12(メタン発酵槽B)は、それぞれ同一の大きさと構造のものであり、そのサイズは実施例1で用いたメタン発酵槽と同一である。メタン発酵槽AおよびBは、それぞれその上部にスプレーノズル15及び16を備えるとともに、その底部の充填層の下側に不活性ガス注入管17及び18が備えられている。また、原料となるバイオマス資源の粗砕物は実施例1で用いたものと同一のものを用いた。
メタン発酵槽Bで反応水の循環・スプレーを開始して6日後に発酵槽Bに少量のバイオガスの発生がみられたので、メタン発酵槽Aの底部の不活性ガス注入管17から2%酸素入りの窒素ガスを供給して定常発酵反応を続けていたメタン発酵槽Aの発酵を停止させると共に、メタン発酵槽Bのガス発生流量速度と同量の不活性ガスをメタン発酵槽Aの底部のガス注入管17より調整しながら注入し続けた。
2.バイオマス原料粗砕物の充填層
3.スプレーノズル
4.外部循環配管
5.循環ポンプ
6.反応水中継槽
7.バイオガスホルダー
8.バイオガス配管
9.反応水供給配管
10.不活性ガス注入管
11.メタン発酵槽A
12.メタン発酵槽B
13.バイオマス原料粗砕物の充填層
14.バイオマス原料粗砕物の充填層
15.スプレーノズル
16.スプレーノズル
17.不活性ガス注入管
18.不活性ガス注入管
19.循環ポンプ
20.循環ポンプ
21.外部循環配管
22.外部循環配管
23.高濃度バイオガス配管
24.低濃度バイオガス配管
25.反応水戻し配管
26.高濃度バイオガスホルダー
27.低濃度バイオガスホルダー
28.反応水中継槽
Claims (4)
- 内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を用いてメタンガスと発酵堆肥を製造する回分式のメタン発酵設備において、同じ形状で同一容積の一対のメタン発酵槽を用いるとともに、一方のメタン発酵槽(発酵槽A)が反応水のスプレーを開始してメタン発酵反応を開始した時点で、他方のメタン発酵槽(発酵槽B)では同じ時点でメタン発酵反応が終了して反応停止のための不活性ガスの注入を開始し、かつ、発酵槽Bの不活性ガスの注入量(流量速度)を発酵槽Aのメタンガスを含むバイオガスの発生量(流量速度)とほぼ同一となるように調節する操作をすることを特徴とする、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
- 一方のメタン発酵槽(発酵槽A)の反応開始から定常発酵反応の段階に入る前までの間に発生したバイオガスと他方のメタン発酵槽(発酵槽B)の不活性ガスの注入開始から終了操作完了までの間に発生したバイオガスとを、同一のメタンガス貯槽に捕集することを特徴とする、請求項1に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
- 不活性ガスとして、バイオガスを空気過剰係数1.08〜1.10で完全燃焼させて得られる燃焼排ガスを用いることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
- 不活性ガスの注入を、発酵槽底部に設けた穴あきパイプを通して発酵槽の底面全体にほぼ均一になるように行うことを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
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