JP7025197B2 - メタン発酵システム - Google Patents

Description

この発明は、メタン発酵システムに関し、特に、有機性廃棄物を発酵させてメタンガスを生成するためのメタン発酵システムに関する。

従来より、メタン発酵施設等において、一般的には家畜排除物や食品残渣、下水汚泥等のバイオマス原料から、種々の発酵技術によって、メタンガス等のバイオガスを生成させることが広く行われている。

たとえば、メタン発酵施設において、バイオマス原料からメタンガスを生成させる場合、嫌気性雰囲気下にてバイオマス原料を液化、加水分解等によって低分子化、酸生成させることで、低級脂肪酸及びアルコールを生成させる。そして、水素生成、酢酸生成によって生成した、水素＋二酸化炭素、または酢酸を、細菌（メタン菌）を用いて発酵させることで、メタンガスが生成される。このようにして生成されたメタンガスを回収し、発電機、ボイラー、熱電供給システム等によって電力や熱を回収するようになっている。

ところで、メタン発酵の処理方式は、処理対象物の固形物濃度によって乾式メタン発酵法と湿式メタン発酵法に分類される。たとえば、特開２００７－３８０５７号公報（特許文献１）には、乾式メタン発酵法を行う乾式メタン発酵槽と乾式メタン発酵法を行う乾式メタン発酵槽を併用して用いたシステムが開示されている。

特開２００７－３８０５７号公報

一般的な湿式メタン発酵法は、水分量が多いため、生成されたメタンガスを取り出した後の残渣中の水分含有率が高い。一方で、一般的な乾式メタン発酵法は、水分量が少ないため、残渣中の水分含有率が低いものの、発酵槽内のｐＨ変動が大きく、アンモニア濃度が高くなる場合があり、発酵不良または発酵阻害が発生してしまう可能性がある。

また、上述のように、特許文献１に記載のメタン発酵システムは、乾式メタン発酵法と湿式メタン発酵法を併用しているが、乾式メタン発酵槽と湿式メタン発酵槽の配置など、具体的な構造については、全く考慮されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構成で効率よくメタンガスを生成することが可能なメタン発酵システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るメタン発酵システムは、有機性廃棄物を発酵させてメタンガスを生成するためのメタン発酵システムであって、湿式メタン発酵法で処理される湿式メタン発酵槽と、湿式メタン発酵法よりも水分の割合が少ない乾式メタン発酵法で処理される乾式メタン発酵槽と、湿式メタン発酵槽におけるメタンガス回収後の残渣を、液分と固形分に分離し、固形分を乾式メタン発酵槽内へ導く固液分離機とを備え、湿式メタン発酵槽は、乾式メタン発酵槽の上方に積層されている。

好ましくは、湿式メタン発酵槽は、地上に設置され、乾式メタン発酵槽は、地下に設置される。

好ましくは、湿式メタン発酵槽におけるメタンガス回収後の固形分を乾式メタン発酵槽内へ導く通路は、鉛直方向に延在している。

好ましくは、固液分離機は、固液分離後の液分を湿式メタン発酵槽に導く第１液路と、固液分離後の液分を乾式メタン発酵槽に導く第２液路とを含む。

好ましくは、湿式メタン発酵槽および乾式メタン発酵槽で発生されたメタンガスによって発電を行う熱電供給システムと、湿式メタン発酵槽に熱電供給システムの廃熱を供給する第１廃熱路と、乾式メタン発酵槽に熱電供給システムの廃熱を供給する第２廃熱路とをさらに備える。

好ましくは、乾式メタン発酵槽は、湿式メタン発酵槽を跨いで延びる長さを有しており、乾式メタン発酵槽の有機性廃棄物および固形分の投入口は、湿式メタン発酵槽の一方側に突出して設けられ、乾式メタン発酵槽の発酵後の廃棄物および固形分の残渣排出口は、湿式メタン発酵槽の他方側に突出して設けられている。

好ましくは、乾式メタン発酵槽は、複数の羽部と、複数の羽部の中心に取り付けられる回転可能な回転軸とを有し、複数の羽部は、回転軸を支点に回転し、湿式メタン発酵槽の廃棄物および固形分の投入口は、回転軸近傍に設けられ、湿式メタン発酵槽の発酵後の廃棄物および固形分の残渣排出口は、回転軸より外方に離れて設けられている。

本発明によれば、簡易な構成で効率よくメタンガスを生成することが可能なメタン発酵システムを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システムの概要構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システムの工程を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システムを模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システムを模式的に示す平面図である。

本発明の実施の形態２に係るメタン発酵システムを模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係るメタン発酵システムを模式的に示す平面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一また
は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

（メタン発酵システムの概要）
本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムの概要について、図１を参照して説明する。

本実施の形態に係るメタン発酵システム１は、有機性廃棄物を発酵させてメタンガスを生成するためのものである。メタン発酵システム１は、湿式メタン発酵槽２と、乾式メタン発酵槽３と、固液分離機４とを備える。

湿式メタン発酵槽２は、地上１００に設置される。湿式メタン発酵槽２は、有機性廃棄物としての第１原料１２を湿式メタン発酵法で処理する。湿式メタン発酵法については、後述する。

湿式メタン発酵槽２の下方には、固液分離機４が設けられている。固液分離機４は、たとえば、地下１０１に設置される。固液分離機４は、湿式メタン発酵槽２におけるメタンガス回収後の残渣を、液分と固形分に分離し、固形分を乾式メタン発酵槽内へ導く。

湿式メタン発酵槽２の下方には、乾式メタン発酵槽３が積層されている。乾式メタン発酵槽３は、地下１０１に設置される。乾式メタン発酵槽３は、固液分離機４で分離された固形分および有機性廃棄物としての第２原料１３を乾式メタン発酵法で処理する。乾式メタン発酵法は、湿式メタン発酵法よりも水分の割合が少ない。乾式メタン発酵法については、後述する。

湿式メタン発酵槽２で生成されたメタンガスおよび乾式メタン発酵槽３で生成されたメタンガスが熱電供給システム（ＣＨＰ）５に供給されることで、電気と熱が発生する。

図２をさらに参照して、本実施の形態に係るメタン発酵システム１の工程について説明する。

まず、湿式メタン発酵槽２に有機性廃棄物としての第１原料１２を投入して、湿式メタン発酵法で処理する。湿式メタン発酵法に用いられる第１原料１２は、メタン発酵が可能な有機成分を含んでおり、湿式メタン発酵槽２に投入する際の含有水分率がたとえば８０～９０％に調整されているものである。第１原料１２は、たとえば、畜産系バイオマス、食品系バイオマス、汚泥などである。ここで、湿式メタン発酵法とは、第１原料１２をメタン発酵させてメタンガスを発生させる方法である。湿式メタン発酵槽２の発酵温度は、たとえば、約４０度である。

湿式メタン発酵槽２で発生したメタンガスを熱電供給システム５に供給し、メタンガスを原料として電気を発生させる。また、熱電供給システム５と湿式メタン発酵槽２とは、第１廃熱路６により連結されており、熱電供給システム５の廃熱は、第１廃熱路６で湿式メタン発酵槽２に供給される。これにより、熱電供給システム５の廃熱を有効活用することができる。

湿式メタン発酵槽２でメタンガスを回収した後の残渣は、第１通路４４により固液分離機４に投入される。固液分離機４は、公知のものであり、湿式メタン発酵槽２から供給される残渣を液分１５と固形分１４とに分離する。

液分１５は、湿式メタン発酵槽２および乾式メタン発酵槽３の水分調整に用いられる。具体的には、液分１５は、排水処理部１６で窒素分（Ｎ）およびリン分（Ｐ）が除去されて水分調整がされた後、第１液路４１により湿式メタン発酵槽２に導かれ（返送され）、第２液路４２により乾式メタン発酵槽３に導かれる（返送される）。湿式メタン発酵法では、排水量が多くなり、処理コストが高くなるという問題があった。本実施の形態では、液分１５を湿式メタン発酵槽２および乾式メタン発酵槽３で再利用することができるため、排水量を減らすことができ、処理コストを安くすることができる。

固形分１４は、第２通路４５により乾式メタン発酵槽３に導かれる。また、熱電供給システム５と固液分離機４の固形分１４とは、第３廃熱路８により連結されており、熱電供給システム５の廃熱を第３廃熱路８で固形分１４に供給し、過剰な水分を蒸散させる。これにより、熱電供給システム５の廃熱を有効活用することができる。

乾式メタン発酵槽３には、第２通路４５により固形分１４が投入される。さらに、乾式メタン発酵槽３には、有機性廃棄物としての第２原料１３が投入されて、乾式メタン発酵法で処理される。乾式メタン発酵法に用いられる第２原料１３は、メタン発酵が可能な有機成分を含んでおり、投入の際の水分含有率が、たとえば、５０～６０％である。第２原料１３は、たとえば、草本系バイオマス、紙ごみなどである。ここで、乾式メタン発酵法とは、第２原料１３をメタン発酵させてメタンガスを発生させる方法である。乾式メタン発酵槽３の発酵温度は、たとえば、約６０度である。

乾式メタン発酵槽３で発生したメタンガスを熱電供給システム５に供給し、メタンガスを原料として電気を発生させる。また、熱電供給システム５と乾式メタン発酵槽３とは、第２廃熱路７により連結されており、熱電供給システム５の廃熱は、第２廃熱路７で乾式メタン発酵槽３に供給される。これにより、熱電供給システム５の廃熱を有効活用することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システム１の具体的な構造について、図３，４を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係るメタン発酵システムを模式的に示す縦断面図であり、図４は、その平面図である。図３，図４において、矢印Ａ１で示す方向を左右方向といい、図３において、矢印Ａ２で示す高さ方向を上下方向という。

本実施の形態に係るメタン発酵システム１は、上述のように、湿式メタン発酵槽２と、乾式メタン発酵槽３と、固液分離機４とを備える。これらの構成について、具体的に説明する。

本実施の形態の湿式メタン発酵槽２は、第１槽本体２０と、第１原料投入口２１と、第１残渣排出口２２とを含む。第１槽本体２０は、たとえば、円柱形状であり、地上１００に設置される。第１槽本体２０の上壁には、第１原料１２を撹拌するために用いるプロペラ２４が取り付けられている。第１槽本体２０の内部には、第１原料１２が投入され、第１槽本体２０の容量の約３分の２程度充填されていてもよい。第１原料１２は、少なくともプロペラ２４の高さ位置まで充填されることが望ましい。第１原料１２は、図４で図示する第１原料投入口２１から投入される。第１原料投入口２１は、第１槽本体２０の側壁に設けられていてもよい。

第１槽本体２０の側壁には、湿式メタン発酵槽２の残渣を固液分離機４に導く第１残渣排出口２２が設けられている。第１残渣排出口２２から排出された残渣を固液分離機４に導く第１通路４４は、鉛直方向に延在している。これにより、湿式メタン発酵槽２の残渣を重力で固液分離機４に導くことができる。

第１槽本体２０の側壁にはＵ字状に延びる計測管２５の両端が接続する。計測管２５には計測機２６が設置される。計測機２６は、たとえば、メタン発酵液のｐＨ、ＯＲＰ（酸化還元電位）、単位体積に含まれるメタン生成菌の菌数、アンモニウムイオンＮＨ_４ ^＋等を計測する。計測機２６は、計測管２５を流れるメタン発酵液の状態を検出する。なお図示しない変形例として、計測機を第１槽本体２０の内壁面に設けてもよい。

第１槽本体２０の上壁には、湿式メタン発酵槽２で発生したメタンガスを熱電供給システム５に供給するために第１ガス経路２７が設けられている。これにより、メタンガスは、自動的に上方に移動するため、何ら機器を用いずとも熱電供給システム５に供給される。

第１通路４４から固液分離機４に湿式メタン発酵槽２の残渣が投入される。本実施の形態の固液分離機４は、上下方向において、乾式メタン発酵槽３と湿式メタン発酵槽２との間に設けられ、地下１０１に設置される地下埋設型である。上述のように、固液分離機４は、公知のものであり、湿式メタン発酵槽２の残渣を液分１５と固形分１４とに分離する。具体的には、固液分離機４では、たとえば、脱水および乾燥により、液分１５と固形分１４との分離が行われる。脱水は、たとえば、公知の機器を用いて行われる。乾燥は、たとえば、温風を通気することにより行われる。地下１０１は、保温効果が高いため、固液分離機４を地下１０１に設置することで、乾燥効率が向上する。

固液分離機４により分離された液分１５は、第１液路４１（図３，４では図示せず、図２を参照のこと）で湿式メタン発酵槽２へ導かれる。この場合、液分１５は、排水処理部１６（図２）で窒素分（Ｎ）およびリン分（Ｐ）が除去されて水分調整がされた後、湿式メタン発酵槽２に返送される。

固液分離機４により分離された固形分１４は、第２通路４５で乾式メタン発酵槽３へ導かれる。固液分離機４の固形分１４を乾式メタン発酵槽３へ導く第２通路４５もまた、第１通路４４と同様に、鉛直方向に延在している。これにより、固形分１４を重力で乾式メタン発酵槽３へ導くことができる。

本実施の形態の乾式メタン発酵槽３は、第２槽本体３０と、第２原料投入口３１と、残渣排出口３２とを含む。乾式メタン発酵槽３は、上下方向において、湿式メタン発酵槽２および固液分離機４の下方に設けられ、地下１０１に設置される地下埋設型である。

乾式メタン発酵槽３は、湿式メタン発酵槽２を跨いで延びる長さを有している。具体的には、乾式メタン発酵槽３の第２槽本体３０は、湿式メタン発酵槽２の下方において左右方向に延び、湿式メタン発酵槽２を横切るように設けられる。第２槽本体３０は、たとえば、湿式メタン発酵槽２の下端に沿って水平方向に延在している。

乾式メタン発酵槽３の第２原料１３および固形分１４の第２原料投入口３１は、湿式メタン発酵槽の一方側に突出して設けられ、乾式メタン発酵槽３の発酵後の第２原料１３および固形分１４の残渣排出口３２は、湿式メタン発酵槽２の他方側に突出して設けられている。なお、図４において、一方側を右側、他方側を左側とする。第２原料投入口３１は、湿式メタン発酵槽２の右方から突出しており、残渣排出口３２は湿式メタン発酵槽２に左方から突出している。第２原料投入口３１は、固液分離機４の固形分１４を乾式メタン発酵槽３へ導く第２通路４５の上方に設けられている。すなわち、第２原料１３と固形分１４の乾式メタン発酵槽３への投入口は、上下方向において、重なっている。

第２槽本体３０には、左右方向に延びるスクリュープロペラ３３が設けられている。このスクリュープロペラ３３の回転により、第２原料１３および固形分１４は、撹拌されながら左側に導かれ、ベルトコンベア３５で地上に設けられる残渣排出口３２まで導かれる。また、変形例として、第２槽本体３０は、地上１００に設けられる残渣排出口３２に向かって上方に傾斜していてもよい。

第２槽本体３０の残渣排出口３２の近傍には、乾式メタン発酵槽３で発生したメタンガスを熱電供給システム５に供給するために第２ガス経路３７が設けられている。これにより、メタンガスは、自動的に上方に移動するため、何ら機器を用いずとも熱電供給システム５に供給される。

熱電供給システム５の廃熱は、湿式メタン発酵槽２、乾式メタン発酵槽３および固液分離機４により分離された固形分１４に供給される（図３，４では図示せず、図２を参照のこと）。廃熱の供給は、温水（約９０度）を内部に有する管状部材（図示せず）により行われる。廃熱は、高い温度が必要となる乾式メタン発酵槽３に送られた後、固液分離機４の固形分１４を経由して、低い温度を有する湿式メタン発酵槽２に送られて、発酵槽２，３および固液分離機４内の固形分１４の加温および保温を行う。これにより、熱電供給システム５の廃熱を効率的に利用することができる。

湿式メタン発酵槽２は、乾式メタン発酵槽３の上方に積層されている。これにより、湿式メタン発酵槽２の固形分１４は、重力で下方に位置する乾式メタン発酵槽３へ送られるため、余分な設備やエネルギーが必要とならない。また、湿式メタン発酵槽２が乾式メタン発酵槽３の上方に積層され、乾式メタン発酵槽３が地下に位置することで、メタン発酵システム１の設備をコンパクトにすることができる。

さらに、乾式メタン発酵槽３が地下１０１に設置されることで、乾式メタン発酵槽３の高さの分だけメタン発酵システム１の高さを低くすることができる。また、乾式メタン発酵槽３が地下１０１に設置されることで、乾式メタン発酵槽３の保温効果が向上するため、乾式メタン発酵槽３の温度を一定に保つことができ、別途乾式メタン発酵槽３を保温するための設備が不要である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係るメタン発酵システムの構造について、図５，６を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係るメタン発酵システムを模式的に示す縦断面図であり、図６はその平面図である。図５，６に示すように、実施の形態２におけるメタン発酵システム１Ａは、基本的には、図３，図４に示す実施の形態１と同様の構成を備えているが、乾式メタン発酵槽３Ａにおいて異なる。以下に実施の形態１に示したメタン発酵システム１との相違点のみ詳細に説明する。

本実施の形態における乾式メタン発酵槽３Ａは、たとえば、略円柱形状であり、乾式メタン発酵槽３Ａの直径は、湿式メタン発酵槽２の直径よりも大きく形成されている。また、乾式メタン発酵槽３Ａは、湿式メタン発酵槽２に対して左右方向にずれている。

乾式メタン発酵槽３は、第２槽本体３０Ａと、複数の羽部３７Ａと、複数の羽部の中心に取り付けられる回転可能な回転軸３６Ａとを有する。回転軸３６Ａは、第２槽本体３０Ａに固定されている。複数の羽部３７Ａは、回転軸３６Ａを支点に回転する。乾式メタン発酵槽３の第２原料１３および固形分１４の投入口３１Ａは、回転軸３６Ａ近傍に設けられ、乾式メタン発酵槽３の発酵後の第２原料１３および固形分１４の残渣排出口３２Ａは、回転軸３６Ａより外方に離れて設けられている。これにより、複数の羽部３７Ａが回転軸３６Ａを中心に回転するにつれて、第２原料１３および固形分１４は、撹拌されながら外方に移動する。排出口３４Ａに設けられるベルトコンベア３５は、実施の形態１と同様の構成である。

このような構成により、本実施の形態のメタン発酵システム１を用いることで、簡易な構成で効率よくメタンガスを発生させることができる。

なお、実施の形態１，２において、湿式メタン発酵槽２は、地上に設置され、乾式メタン発酵槽３，３Ａは、地下に設置されるとしたが、限定的ではない。たとえば、湿式メタン発酵槽２および湿式メタン発酵槽２，２Ａは、いずれも地上に設置されていてもよいし、地下に設置されていてもよい。この場合、湿式メタン発酵槽２は、乾式メタン発酵槽３，３Ａの上方に積層されていればよい。

また、実施の形態１，２において、第２原料１３を乾式メタン発酵槽３に投入したが、必ずしも第２原料１３を投入する必要はなく、固液分離機４で分離した固形分１４のみ投入してもよい。

また、本実施の形態１，２において、固液分離機４は、地下埋設型としたが、地上１００に設置してもよい。

以上、本実施の形態１、２において、メタン発酵システム１の具体的な構成を示したが、これらの構成に限定されるものではない。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施
の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内に
おいて、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１，１Ａ メタン発酵システム、２ 湿式メタン発酵槽、３，３Ａ 乾式メタン発酵槽、４ 固液分離機、５ 熱電供給システム（ＣＨＰ）、６ 第１廃熱路、７ 第２廃熱路、８ 第３廃熱路、１２ 第１原料、１３ 第２原料、１４ 固形分、１５ 液分、１６ 排水処理部、２０ 第１槽本体、２１ 第１原料投入口、２２ 第１残渣排出口、２４ プロペラ、２５ 計測管、２６ 計測機、２７ 第１ガス経路、３０，３０Ａ 第２槽本体、３１ 第２原料投入口、３１Ａ 投入口、３２，３２Ａ 残渣排出口、３３ スクリュー、３４Ａ 排出口、３５ ベルトコンベア、３６Ａ 回転軸、３７Ａ 羽部、４０ 本体、４１ 第１液路、４２ 第２液路、４４ 第１通路、４５ 第２通路、１００ 地上、１０１ 地下。

Claims (6)

1. 有機性廃棄物を発酵させてメタンガスを生成するためのメタン発酵システムであって、
   湿式メタン発酵法で処理される湿式メタン発酵槽と、
   前記湿式メタン発酵法よりも水分の割合が少ない乾式メタン発酵法で処理される乾式メタン発酵槽と、
   前記湿式メタン発酵槽におけるメタンガス回収後の残渣を、液分と固形分に分離し、前記固形分を重力で前記乾式メタン発酵槽内へ導く固液分離機とを備え、
   前記湿式メタン発酵槽は、前記乾式メタン発酵槽の上方に積層されており、
   前記固液分離機は、上下方向において、前記湿式メタン発酵槽と前記乾式メタン発酵槽との間に設けられ、
   前記乾式メタン発酵槽は、前記湿式メタン発酵槽とは異なる形状であり、前記湿式メタン発酵槽を跨いで延びる長さを有しており、
   前記乾式メタン発酵槽の前記有機性廃棄物および前記固形分の投入口は、前記湿式メタン発酵槽の一方側に突出して設けられ、前記乾式メタン発酵槽の発酵後の廃棄物および前記固形分の残渣排出口は、前記湿式メタン発酵槽の他方側に突出して設けられている、メタン発酵システム。
2. 有機性廃棄物を発酵させてメタンガスを生成するためのメタン発酵システムであって、
   湿式メタン発酵法で処理される湿式メタン発酵槽と、
   前記湿式メタン発酵法よりも水分の割合が少ない乾式メタン発酵法で処理される乾式メタン発酵槽と、
   前記湿式メタン発酵槽におけるメタンガス回収後の残渣を、液分と固形分に分離し、前記固形分を重力で前記乾式メタン発酵槽内へ導く固液分離機とを備え、
   前記湿式メタン発酵槽は、前記乾式メタン発酵槽の上方に積層されており、
   前記固液分離機は、上下方向において、前記湿式メタン発酵槽と前記乾式メタン発酵槽との間に設けられ、
   前記乾式メタン発酵槽は、前記湿式メタン発酵槽とは異なる形状であり、複数の羽部と、前記複数の羽部の中心に取り付けられる回転可能な回転軸とを有し、前記複数の羽部は、前記回転軸を支点に回転し、
   前記乾式メタン発酵槽の廃棄物および前記固形分の投入口は、前記回転軸近傍に設けられ、前記乾式メタン発酵槽の発酵後の前記廃棄物および前記固形分の残渣排出口は、前記回転軸より外方に離れて設けられている、メタン発酵システム。
3. 前記湿式メタン発酵槽は、地上に設置され、前記乾式メタン発酵槽は、地下に設置される、請求項１または２に記載のメタン発酵システム。
4. 前記湿式メタン発酵槽におけるメタンガス回収後の前記固形分を前記乾式メタン発酵槽内へ導く通路は、鉛直方向に延在している、請求項１～３のいずれかに記載のメタン発酵システム。
5. 前記固液分離機は、固液分離後の前記液分を前記湿式メタン発酵槽に導く第１液路と、固液分離後の前記液分を前記乾式メタン発酵槽に導く第２液路とを含む、請求項１～４のいずれかに記載のメタン発酵システム。
6. 前記湿式メタン発酵槽および前記乾式メタン発酵槽で発生されたメタンガスによって発電を行う熱電供給システムと、
   前記湿式メタン発酵槽に前記熱電供給システムの廃熱を供給する第１廃熱路と、
   前記乾式メタン発酵槽に前記熱電供給システムの廃熱を供給する第２廃熱路とをさらに備える、請求項１～５のいずれかに記載のメタン発酵システム。

Images