JP6994244B2

JP6994244B2 - バイオメタン発酵設備

Info

Publication number: JP6994244B2
Application number: JP2018032745A
Authority: JP
Inventors: 廣人田村; 達也平野; 宏達村野; 義明林
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019147089A

Description

本発明はバイオメタン発酵設備に関するものである。

特許文献１は従来のバイオメタン発酵設備を開示している。このバイオメタン発酵設備は、長径が９ｍｍ以下での稲わらを湛水状態の水田土壌中に混入し、水田土壌中の微生物によってメタン発酵を行うものである。そして、こうして生じたバイオメタンを回収した後、このバイオメタンを再び水田土壌中に噴出させる。これにより、このバイオメタン発酵設備は、水田土壌中に滞留しているバイオメタンを効率よく回収することができる。

特許第５８５１７９０号公報

しかし、このバイオメタン発酵設備は、回収したバイオメタンを再び水田土壌中に噴出させるための配管やポンプ等の設備が必要になるため、設備の構造が複雑になってしまうおそれがある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、容易にメタン発酵をすることができるバイオメタン発酵設備を提供することを解決すべき課題としている。

本発明のバイオメタン発酵設備は、
所定の割合でバイオマスが混合され、土壌の上に所定の高さに盛られた盛土と、
前記盛土を覆い、外周縁部が前記盛土の周囲に固定され、前記盛土を覆った状態で上部に位置する箇所に貫通孔が形成された遮水シートと、
前記遮水シートに覆われた状態の前記盛土の周囲に湛えられた水と、
を備え、
前記水の水位は、前記盛土の高さの１／３以上であり、
前記遮水シートの外縁より外側に位置する前記土壌は、前記水に接していることを特徴とする。

このバイオメタン発酵設備は、周囲に湛えられた水によって周囲から押圧される。これにより、初期に盛土の中の空気が押出され、盛土内を早期に嫌気状態にすることができる。このため、盛土内で嫌気発酵（メタン発酵）が早期に活発化する。さらに、盛土の周囲に湛えられた水から盛土に水分を補うことができる。このため、盛土内が長期に嫌気状態を維持することができる。よって、このメタン発酵設備は、良好（早期かつ長期間）にメタン発酵することができる。

したがって、本発明のバイオメタン発酵設備は良好にメタン発酵することができる。

実施例１のバイオメタン発酵設備を示す概略図である。実施例１のバイオメタン発酵設備を上方から見た平面図である。実施例１のバイオメタン発酵設備を用いて、所定の期間、バイオメタンの生成量、生成されたバイオメタンにおけるメタン濃度、及びバイオメタン発酵設備の盛土の温度を測定した結果を示すグラフであって、比較例１は草本系バイオマスを盛土に混合していないバイオメタン発酵設備における実験結果であり、実施例２は実験当初に１回のみ草本系バイオマスを盛土に混合したバイオメタン発酵設備における実験結果であり、実施例３は実験当初、及び実験当初からの経過日数９０日に草本系バイオマスを盛土に混合したバイオメタン発酵設備における実験結果である。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

本発明のバイオメタン発酵設備の少なくとも盛土の一部は、水の水位以上に位置し得る。この場合、盛土にかかる湛水の水圧によって、盛土内の空気を排出したり、盛土内のバイオメタンを収取したりすることを効率良く行うことができる。

本発明のバイオメタン発酵設備は、上方からの平面視において、盛土は一方向に延びた畝状であり得る。この場合、盛土が畝状に延びる方向に直交する方向において、盛土の中央部まで水圧が伝わり易くすることができ、盛土の周囲に湛えられた水から盛土の全体に水分を補い易い。

次に、本発明のバイオメタン発酵設備を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１＞
図１、２に示す実施例１のバイオメタン発酵設備１０は、例えば、収穫後であり使用されていない田んぼ等に複数が設置される。バイオメタン発酵設備１０はバイオメタンを発生することができる。バイオメタン発酵設備１０から発生したバイオメタンはガスタンク（図示せず）に貯蔵され、ガスタンクに貯蔵されたバイオメタンは発電用エンジンや暖房用ガスバーナー等の各種機器（図示せず）に供給することができる。
ここで、バイオメタンとは、バイオマスである稲わらや雑草等の草本系バイオマスＢ（以降、草本系バイオマスＢともいう）を混合した土を盛って畝状の盛土１０Ａにし、盛土１０Ａ中の微生物によって草本系バイオマスＢの還元的分解（メタン発酵）により生成される。つまり、稲わらや雑草等の草本系バイオマスＢを混合し畝状にした盛土１０Ａがバイオメタンの発生源である。生成されるバイオメタンは、メタン１０～８０％を含み、残りのほとんどは窒素や二酸化炭素の無毒かつ不燃性の気体成分である。バイオメタンは１気圧よりも僅かに高い圧力の低圧ガスである。また、盛土１０Ａ中の微生物は嫌気性であるため、メタン発酵を行うには盛土１０Ａの大部分が嫌気状態である必要がある。

バイオメタン発酵設備１０は、稲わらや雑草等の草本系バイオマスＢが混合されて、所定の高さに盛られた盛土１０Ａ、この盛土を覆う合成樹脂製の遮水シート１０Ｂ、及び遮水シート１０Ｂに覆われた状態の盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃを備えている。

実施例１における盛土１０Ａの外形、遮水シート１０Ｂ、及び草本系バイオマスＢの割合は以下の構成としているが、本発明は盛土の外形や盛土を覆う遮水シートの種類は実施例１の構成によって制限されない。また、混合される草本系バイオマスＢの割合も実施例１の構成によって制限されない。
盛土１０Ａには草本系バイオマスＢが所定の割合（およそ１４ｋｇ／ｍ²）で混合されている。草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに混合する場合、鍬や耕耘機等を用いて混合する。また、ミキサ等を用いて草本系バイオマスＢと盛土１０Ａとを混合してもよい。盛土１０Ａの高さＨは所定の高さ（およそ２０ｃｍ～５０ｃｍであり、好ましくは２０ｃｍ～３０ｃｍ）に盛られている（図１参照。）。
盛土１０Ａにおける草本系バイオマスＢの単位体積あたりの割合は、盛土１０Ａの高さＨが２０ｃｍの場合にはおよそ７０ｋｇ／ｍ³であり、盛土１０Ａの高さＨが３０ｃｍの場合にはおよそ４７ｋｇ／ｍ³であり、盛土１０Ａの高さＨが５０ｃｍの場合にはおよそ２８ｋｇ／ｍ³である。
また、上方から見た平面視において、盛土１０Ａは一方向に延びた畝状に形成されている。盛土１０Ａの一方向に延びる寸法（畝長Ｌ）は少なくとも４００ｃｍである（図２参照。）。また、盛土１０Ａが延びる一方向に直交する方向の盛土１０Ａの寸法（畝幅Ｗ）はおよそ５０ｃｍ～２００ｃｍであり、好ましくは、８０ｃｍ～１００ｃｍである（図２参照。）。

遮水シート１０Ｂは、シート状であり所定の幅を有し、一方向に長く形成されている。遮水シート１０Ｂの幅の寸法はおよそ２００ｃｍである。遮水シート１０Ｂは盛土１０Ａの表面全体を覆うように配置される。遮水シート１０Ｂの外周縁部は盛土１０Ａの周囲の土壌Ｓを覆うように配置される。また、盛土１０Ａと遮水シート１０Ｂとの間には、複数の通気孔が全体に満遍なく形成されて箱状をなした通気部材１０Ｄが配置されている。通気部材１０Ｄは上方からの平面視において、盛土１０Ａの中央部に配置されている。
また、遮水シート１０Ｂには貫通孔１０Ｅが形成されている。貫通孔１０Ｅは、遮水シート１０Ｂが盛土１０Ａを覆った状態で、盛土１０Ａの上部に位置する箇所であり、通気部材１０Ｄの上側に位置するように配置されている。
また、貫通孔１０Ｅには筒状をなした通気管１０Ｆの一端が連通し、貫通孔１０Ｅと通気管１０Ｆとが気密に連結されている。通気管１０Ｆの他端は、例えば、バイオメタン発酵設備１０が設置された現場の近傍に設置されたガスタンク等に気密に連結される。また、通気管１０Ｆには通気管１０Ｆの一端と他端とを連通する連通状態、及び連通しない非連通状態とに切り替え自在な開閉弁が設けられている（図示せず。）。

遮水シート１０Ｂの外周縁部には、一方向に棒状に延びる押さえ部材１０Ｇが配置されている。押さえ部材１０Ｇは、例えば、金属製のパイプ等である。押さえ部材１０Ｇは、盛土１０Ａの周囲近傍の土壌Ｓを覆う遮水シート１０Ｂの外周縁部の上側に、盛土１０Ａの基端部の側面に沿うように配置される。
また、押さえ部材１０Ｇが配置された遮水シート１０Ｂの外周縁部には、Ｕ字状をなした固定部材１０Ｈが取り付けられている。固定部材１０Ｈは、例えば棒状の金属の中央部を湾曲させてＵ字状に形成したものである。固定部材１０Ｈは、湾曲した部分の内側が押さえ部材１０Ｇの外周面に沿って、湾曲した部分の両側に位置する直線状に形成された部分が遮水シート１０Ｂを貫通して盛土１０Ａの周囲近傍の土壌Ｓに差し込まれている。こうして、遮水シート１０Ｂは盛土１０Ａを覆った状態で、外周縁部が盛土１０Ａの周囲近傍の土壌Ｓに固定される。

水１０Ｃは、遮水シート１０Ｂに覆われた状態の盛土１０Ａの周囲に湛えられる。水１０Ｃの水位Ｄはおよそ１５ｃｍ～２０ｃｍであり、盛土１０Ａの高さＨの１／３以上である。こうしてバイオメタン発酵設備１０が形成されている。また、盛土１０Ａは湛水し、少なくとも盛土１０Ａの一部は、盛土１０Ａの湛水の水１０Ｃの水位Ｄ以上に位置している。

バイオメタン発酵設備１０は盛土１０Ａの周囲に湛えられる水１０Ｃによって盛土１０Ａが押圧される。これにより、バイオメタン発酵設備１０が設置された初期に盛土１０Ａの中の空気を押出すことができ、盛土１０Ａ内を早期に嫌気状態にすることができる。このため、盛土１０Ａ内でメタン発酵が早期に活発化することができる。さらに、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃから盛土１０Ａに水分を補うことができる。このため、盛土１０Ａ内が長期に嫌気状態を維持することができる。これにより、このバイオメタン発酵設備１０は、良好（早期かつ長期間）にメタン発酵することができる。
また、バイオメタン発酵設備１０は、盛土１０Ａの温度がおよそ１５℃以上の場合、盛土１０Ａ内でメタン発酵が活発に行われる。バイオメタン発酵設備１０で生成されたバイオメタンは遮水シート１０Ｂに捕捉される。そして、バイオメタンは、遮水シート１０Ｂに形成された貫通孔１０Ｅ、及び貫通孔１０Ｅに連結された通気管１０Ｆを介してガスタンク等に流入し、ガスタンク等で貯蔵することができる。

このように、バイオメタン発酵設備１０は、周囲に湛えられた水１０Ｃによって周囲から押圧される。これにより、初期に盛土１０Ａの中の空気が押出され、盛土１０Ａ内を早期に嫌気状態にすることができる。このため、盛土１０Ａ内で嫌気発酵（メタン発酵）が早期に活発化する。さらに、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃから盛土１０Ａに水分を補うことができる。このため、盛土１０Ａ内が長期に嫌気状態を維持することができる。よって、バイオメタン発酵設備１０は、良好（早期かつ長期間）にメタン発酵することができる。

したがって、実施例１のバイオメタン発酵設備１０は容易にメタン発酵することができる。

また、バイオメタン発酵設備１０の盛土１０Ａの一部は、水１０Ｃの水位Ｄ以上に位置する。このため、盛土１０Ａにかかる湛水の水１０Ｃ水圧によって、盛土１０Ａ内の空気を排出したり、盛土１０Ａ内のバイオメタンを収取したりすることを効率良く行うことができる。

また、バイオメタン発酵設備１０は、上方からの平面視において、盛土１０Ａは一方向に延びた畝状である。このため、盛土１０Ａが畝状に延びる方向に直交する方向において、盛土１０Ａの中央部まで水１０Ｃの水圧が伝わり易くすることができ、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃから盛土１０Ａの全体に水分を補い易い。

＜実施例２、３＞
次に、実施例１のバイオメタン発酵設備１０を用いて行った実施例２、３及び比較例１の実験結果について図面を参照しつつ説明する。
実施例２、３、及び比較例１の実験は、平成２８年６月１５日～平成２８年１２月１３日の期間で実施されたものである。
比較例１は、実験を実施した期間にわたって草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに混合していない。
実施例２は、平成２８年６月１５日に、１４ｋｇ／ｍ²の割合で草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに混合している。
実施例３は、平成２８年６月１５日に、１４ｋｇ／ｍ²の割合で草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに混合し、平成２８年９月１３日（実験当初からの経過日数９０日）に、１４ｋｇ／ｍ²の割合で草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに追加して混合している。

図３に示すように、比較例１は、実験を実施した期間にわたってバイオメタンがほとんど生成されていない。比較例１のバイオメタン生成量の最も高い値は、経過日数５０日において３Ｌ（リットル）／日であった。また、比較例１で生成されたバイオメタンにおけるメタン濃度（以降、メタン濃度ともいう）の最も高い値は、経過日数７２日～７９日において３２％であった。

実施例２、３は、経過日数０日から２２日までの期間において、バイオメタン生成量が急激に増加している。これは、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃによって盛土１０Ａが周囲から押圧されることにより、初期に盛土１０Ａの中の空気が押出され、盛土１０Ａ内を早期に嫌気状態にすることができるため、盛土１０Ａ内で嫌気発酵（メタン発酵）が早期に活発化したためと考えられる。そして、経過日数２２日を過ぎると、徐々にバイオメタン生成量が減少している。

実施例２は、経過日数１４５日を過ぎるとバイオメタンをほとんど生成しなくなり、経過日数１７６日におけるバイオメタン生成量は１Ｌであった。

実施例３は経過日数９０日（平成２８年９月１３日）に草本系バイオマスＢを盛土１０Ａに追加して混合している。実施例３は経過日数９３日から経過日数１０６日の期間において、バイオメタンの生成量が徐々に増え、経過日数１０６日過ぎると徐々にバイオメタン生成量が減少している。

実施例２、３のメタン濃度は経過日数０日から２６日までの期間において急激に増加している。
実施例２のメタン濃度は経過日数２６日から１３４日の期間おいて、概ね６０％以上であった。これは、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃから盛土１０Ａに水分を補うことができるため、盛土１０Ａ内が長期にわたり嫌気状態を維持することができるためであると考えられる。また、実施例２のメタン濃度は経過日数１４５日で急激に減少し、その後、再び増加している。
実施例３のメタン濃度は経過日数２６日から９３日の期間において６０％以上であった。これは、実施例２と同様に、盛土１０Ａの周囲に湛えられた水１０Ｃから盛土１０Ａに水分を補うことができるため、盛土１０Ａ内が長期にわたり嫌気状態を維持することができるためであると考えられる。また、実施例３のメタン濃度は経過日数９７日で急激に減少し、その後、再び増加している。

したがって、実施例２、３のバイオメタン発酵設備１０も良好にメタン発酵することができる。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１～３に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、草本系バイオマスを盛土に混合しているが、草本系バイオマスの種類や大きさに制限はない。また、長径が１ｃｍ以下に粉砕、裁断された木質系バイオマスや、この木質系バイオマスを原料とした農林畜産業由来廃棄物（例えば、キノコ栽培後の廃菌床等）であってもよい。この場合でもメタン発酵を行うことができる。
（２）実施例１では、遮水シートの外周縁部を押さえ部材で押さえ、固定部材で固定しているが、遮水シートの外周縁部を盛土の周囲の土壌に埋設してもよい。
（３）実施例１では、盛土の高さが２０～５０ｃｍであるが、２０ｃｍより低くてもよく、５０ｃｍより高くてもよい。また、盛土の畝幅が５０～２００ｃｍであるが、５０ｃｍより狭くてもよく、２００ｃｍより広くてもよい。また、畝長が少なくとも４００ｃｍであるが、４００ｃｍ未満でもよい。
（４）実施例１では、盛土が一方向に延びた畝状に形成されているが、正方形や円形等、他の形状であってもよい。
（５）実施例１では、土壌の上側に盛土を形成しているが、土壌に設けた溝に、草本系バイオマスと土を混合したものを配置して盛土を形成してもよい。
（６）実施例１では、収穫後の使用されていない田んぼに設置されるが、空き地などで漏水しない環境を整備することができれば、実施場所は制限されない。また、盛土が配置される場所は土壌の上でなくてもよく、地面を掘り下げて、漏水防止措置を施した上に盛土を配置してもよい。
（７）実施例１では、盛土に草本系バイオマスがおよそ１４ｋｇ／ｍ²で混合されているが、１４ｋｇ／ｍ²より多くてもよく、１４ｋｇ／ｍ²より少なくてもよい。
（８）実施例１では、遮水シートの幅が２００ｃｍであったが、２００ｃｍより大きくてもよく、２００ｃｍより小さくてもよい。

１０…バイオメタン発酵設備
１０Ａ…盛土
１０Ｂ…遮水シート
１０Ｃ…水
Ｂ…草本系バイオマス（バイオマス）

Claims

所定の割合でバイオマスが混合され、土壌の上に所定の高さに盛られた盛土と、
前記盛土を覆い、外周縁部が前記盛土の周囲に固定され、前記盛土を覆った状態で上部に位置する箇所に貫通孔が形成された遮水シートと、
前記遮水シートに覆われた状態の前記盛土の周囲に湛えられた水と、
を備え、
前記水の水位は、前記盛土の高さの１／３以上であり、
前記遮水シートの外縁より外側に位置する前記土壌は、前記水に接していることを特徴とするバイオメタン発酵設備。
少なくとも前記盛土の一部は、前記水の水位以上に位置することを特徴とする請求項１に記載のバイオメタン発酵設備。
上方からの平面視において、前記盛土は一方向に延びた畝状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオメタン発酵設備。