JP7190133B2

JP7190133B2 - 堆肥化装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP7190133B2
Application number: JP2018209979A
Authority: JP
Inventors: 亮中久保; 三佳石田; 達宏吉田; 友子荒川
Original assignee: National Agriculture and Food Research Organization; Chubu Ecotec Co Ltd
Current assignee: National Agriculture and Food Research Organization; Chubu Ecotec Co Ltd
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: JP2020075832A

Description

本発明は、家畜排泄物や食品残渣などの有機性廃棄物を処理するための堆肥化装置（密閉型堆肥化装置）および該装置を用いた廃棄物処理方法に関する。

畜産経営体から排出される家畜排泄物や食品産業事業所から排出される食品残渣などの有機性廃棄物は、その種類および排出量が近年増大して、その処理が大きな社会的課題となっている。これらの有機性廃棄物は、焼却処理や埋め立て処理する他、循環資源としてリサイクルすることが行なわれている。堆肥化する際、食品残渣などの有機性廃棄物は含水量が多いことから、乾燥や発酵が十分でないと、減量化が進まず腐敗のおそれなどがある。このような堆肥化を行なう装置として、微生物の発酵作用を利用した密閉縦型堆肥化装置（「コンポ」とも呼ぶ）が知られている。このコンポは、円筒縦型のタンク形状であり、密閉容器内に投入された有機性廃棄物に強制通気しつつ乾燥と発酵を行なっている。また、逐次的に堆肥原料の投入と堆肥の排出を行ない、堆肥化処理を連続的に実施している。

他の堆肥化を行なう装置として、特許文献１には、発酵槽、この発酵槽に設けられた堆肥材料への通気手段、堆肥材料の温度を計測する温度計、その計測温度に基づいて通気手段の風量を制御する手段などを備えた装置が提案されている（特許文献１参照）。また、特許文献２には、効率的な堆肥化を行なう装置として、通気配管と温度センサを有する熟成槽に堆肥原料を堆積して発酵を行なう装置において、毎日１回堆肥原料の温度を温度センサで測定し、得られた堆肥原料の現在の温度および熟成段階を考慮して通気量を増減させる手段を有する装置が提案されている。

また、特許文献３では、小型かつ消費エネルギーで十分な脱臭が可能であり、好気発酵を維持した状態での堆肥化処理を継続させて排気熱を有効利用する装置として、バッチ式の吸引通気型の堆肥化装置において所定のアンモニア成分回収部を備えた装置が提案されている。

上記の各発酵装置は、微生物の発酵作用を利用して好気発酵により有機性廃棄物を分解している。発酵状態を判断する既存の発酵指標としては、堆肥温度、排気に含まれる二酸化炭素や酸素の濃度などが一般的に知られている。これらの指標に基づき、通気制御や切り返し（撹拌）の判断、発酵終了の判断などを行なっている。特許文献１や２では、堆肥温度を指標とするため、熱電対、測温抵抗体、赤外線放射温度計などの温度計が利用されている。

特開２０１２－２２９１３６号公報特開２００３－１４６７８３号公報特開２００７－２６９５１７号公報

しかし、特許文献１や２の装置のように、堆肥温度や二酸化炭素濃度などを発酵指標として運転条件を決定する場合には以下のような問題がある。堆肥温度は、熱収支により決定するものであり、不確定要素が多い。堆肥温度は、任意の試験条件下によるものであり、実際の設定値には条件合わせ、経験的な補正などが多く必要となる。また、排気熱量の大部分が水蒸気であり、排気熱量は温度や通気量により大きく異なる。また、特許文献３では、熱収支を考慮して、吸気手段の出力を調整することが記載されているが、バッチ式の堆肥化装置に関するものであり、コンポのような連続式の堆肥化装置における調整方法は考慮されていない。

また、堆肥化装置において、入気量が大きくなると、ブロワ負荷が大きくなり、消費電力量が上昇する。一般に、風量あたりの消費電力量は、二次関数的に増加する傾向がある。このため、堆肥化装置の省エネルギー化を図るには、この入気量の制御が重要となる。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、密閉型の堆肥化装置において連続して堆肥化を行なう構成において、発酵状態を正確に把握でき、省エネルギー化を図りつつ、堆肥を安定生産可能とするための堆肥化装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の堆肥化装置は、容器内に設けられた回転軸およびこれに付設された複数の撹拌翼と、該容器内に外気を取り入れるための送気手段と、該容器内に蓄積する内気を容器外部に排出するための排気手段とを備えてなり、上記送気手段により上記容器内に外気を導入し、かつ、上記排気手段により上記容器内から内気を排気しつつ、上記容器内に投入口から投入される有機性廃棄物を上記撹拌翼で撹拌しながら発酵および乾燥させて堆肥とし取出口から排出する堆肥化処理を行なう密閉型の堆肥化装置であって、該堆肥化装置は、上記容器内に導入される外気の温度（入気温度）と量（入気量）、上記容器内から排気される内気の温度（排気温度）と量（排気量）に基づき、発酵指標となる所定時間当たりの発酵熱量を算出して出力できる発酵指標出力手段と、上記発酵熱量に基づいて、上記送気手段により容器内に導入される外気の量（入気量）を制御する入気量制御手段とを有し、
上記入気量制御手段は、（１）所定時間間隔で上記発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には上記容器内に導入される外気の量（入気量）を増加させ、減少した場合には上記容器内に導入される外気の量（入気量）を減少させるように上記送気手段を制御する機能と、（２）上記増加した場合における外気の量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量（目標発酵熱量）に応じた上記容器内に導入すべき外気の量をこえないように上記送気手段を制御する機能と、を有することを特徴とする。

上記送気手段は、回転数をインバータ周波数で制御できるブロワであり、上記入気量制御手段は、上記インバータ周波数を増減して上記容器内に導入される外気の量を増減する手段であることを特徴とする。

本発明の堆肥化制御方法は、上記本発明の堆肥化装置を用いた堆肥化制御方法であって、上記堆肥化装置において、上記送気手段により上記容器内に外気を導入し、かつ、上記排気手段により上記容器内から内気を排気しつつ、上記容器内に投入口から投入される有機性廃棄物を上記撹拌翼で撹拌しながら発酵および乾燥させて堆肥とし取出口から排出する堆肥化処理を連続的に行なう工程において、該工程中の任意のタイミングで、上記発酵指標出力手段から得られた発酵熱量に基づいて、上記入気量制御手段により上記容器内に導入される外気の量（入気量）を調整して堆肥化を制御する制御工程を有し、
上記制御工程は、（１）所定時間間隔で上記発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には上記容器内に導入される外気の量（入気量）を増加させ、減少した場合には上記容器内に導入される外気の量（入気量）を減少させ、かつ、（２）上記増加した場合における外気の量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量（目標発酵熱量）に応じた上記容器内に導入すべき外気の量をこえないように調整する工程であることを特徴とする。

上記予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた上記容器内に導入すべき外気の量は、所定期間毎に算出され、算出直前の１日または連続した所定日数分における発酵熱量の平均値Ａと、上記目標となる所定の発酵熱量Ｂとを対比して、Ａ＞Ｂの場合には減少させ、Ａ＜Ｂの場合には増加させて得られることを特徴とする。

本発明の堆肥化装置は、堆肥化処理を連続的に行なう密閉型堆肥化装置であり、入気温度と入気量、排気温度と排気量に基づき、発酵指標となる所定時間当たりの発酵熱量を算出して出力できる発酵指標出力手段を有するので、発酵状態を温度や排気成分濃度のみで判断する場合よりも不確定要素がなく、正確に把握できる。加えて、この発酵熱量に基づいて、送気手段により容器内に導入される外気の量（入気量）を制御する入気量制御手段を有するので、省エネルギー化を図りつつ、良質の堆肥を効率的に安定生産可能することが可能となる。

本発明の堆肥化装置の一例を示す縦断面図である。水蒸気全熱比エンタルピー関係式を示す図である。ブロワのインバータ周波数と入気量との関係を示す図である。ブロワ発熱と発酵発熱による熱量変化を示す図である。入気量制御の間隔とインバータ周波数との関係を示す図である。入気量制御の間隔とインバータ周波数との関係を示す図である。入気量制御を伴う場合の周波数の経時変化を示す図である。周波数とブロワの風量あたり消費電力量との関係を示す図である。図６の結果にピークカット機能を併用した場合の概念図である。ピークカットによる発酵挙動の変化の実例を示す図である。

本発明の堆肥化装置の概要を図１に基づいて説明する。図１は堆肥化装置の構成の一例を示す縦断面図である。図１に示すように、堆肥化装置１は、円筒縦型の容器２と、容器２内に縦方向に設けられた回転軸３と、回転軸３周りに多段に付設された複数枚の撹拌翼４と、容器２内に外気を取り入れるための送気手段６と、容器２内に蓄積する内気を容器外部に排出するための排気手段９とを備えてなる密閉縦型堆肥化装置（コンポ）である。本発明における該装置は、容器２の内容積が１０ｍ^３以上である業務用の大型の装置を主な対象としている。撹拌翼４の形状は、特に制限なく、例えば、回転軸３から容器２の内壁側に向けて直線的に延設されたピッチドパドル形状とし、その回転方向前側に傾斜面を有する形状などとできる。

最下段の撹拌翼の下部に通気孔４ａを有し、送気手段６から送られる外気（入気）を回転軸内に設けられた配管６ａを介して該通気孔より容器内に導入している。発酵槽である容器２は、金属製外層と断熱層とを有する断熱容器であり、かつ、通気孔から導入される以外の外気とは接触しにくい気密性容器である。また、容器２の上部に投入原料である有機性廃棄物の投入口２ａと、排気口２ｃとを有し、底部に堆肥（処理後の有機性廃棄物）の取出口２ｂを有する。排気口２ｃは排気手段９に連結されている。投入口２ａおよび取出口２ｂには、容器の気密性を確保するための開閉可能な蓋などが設けられている。

図１に示す形態では、容器２の下方に機械室５が設けられ、この機械室内に回転軸３の駆動手段８と、上述の送気手段６が設けられている。回転軸３は、機械室５内に貫通しており、駆動手段８により所定回転数で回転させられる。また、必要に応じて、送気手段６から送られる外気を加温するためのヒータ７が設けられている。送気手段６には、ブロワが使用される。ブロワとしては、入気量を調整可能とするため、ブロワ回転数をインバータ周波数で制御できるものを用いることが好ましい。なお、排気手段９は、排気口２ｃに連結された単なる通気口であってもよい。図１に示す形態では、排気手段９は単なる通気口であり、排気量は入気量の調整により従属的に調整されている。

堆肥化装置１は、容器２外周の少なくとも一部を空間を介して覆うように設置された外部断熱パネルを有する態様としてもよい。外部断熱パネルを設け、容器との二重断熱構造とすることで、屋外に設置する該装置においてより安定した処理が可能になる。外部断熱パネルの形状としては、例えば、該パネルで構成される装置外壁が上記容器の円筒外周に略外接する四角筒状などが挙げられる。

本発明の堆肥化装置１は、発酵指標出力手段１０と入気量制御手段１１とを有することを特徴とする。
発酵指標出力手段１０は、容器２内に導入される外気の温度（入気温度）、容器２内に導入される外気の量（入気量）、容器２内から排気される内気の温度（排気温度）、容器２内から排気される内気の量（排気量）に基づき、発酵指標として、少なくとも、所定時間当たりの発酵熱量を算出して出力できる手段である。このため、当該手段には、算出に必要な入気温度と排気温度をそれぞれ測定できる温度センサ、入気量を取得できる手段、排気量を取得できる手段、これらに基づき演算を行なう手段などを有する。なお、排気量が入気量などから従属的に決定できる場合には、排気量の取得手段は不要である。

容器２内に導入される外気の湿度（入気湿度）を取得するため、必要に応じて、湿度センサを設けてもよい。ただし、湿度センサは劣化が激しいこと、排気熱量と比較して入気熱量は非常に小さいこと、入気温度の温度レンジでは相対湿度が熱量に与える影響は限定的であることから、入気湿度は固定値（例えば、７０％ＲＨ）としてもよい。また、密閉型堆肥化装置である容器２内から排気される内気の湿度（排気湿度）は、ほぼ１００％ＲＨであるため、排気湿度測定のための湿度センサは不要である。

また、発酵指標出力手段１０は、容器２内に導入される外気の温度（入気温度）、容器２内に導入される外気の量（入気量）、容器２内から排気される内気の温度（排気温度）、容器２内から排気される内気の量（排気量）に基づき、発酵指標として、所定時間当たりの蒸発水分量を算出して出力できることが好ましい。また、図中では、発酵指標出力手段１０は、機械室５内に配置しているが、これに限定されず、該装置の任意の部位、または外部機器として設けてもよい。

発酵指標出力手段１０において「出力」とは、少なくとも、算出した発酵熱量のデータを入気量制御手段１１に対して与えることであり、必要に応じて、作業者が発酵指標を把握するために、所定時間当たりの発酵熱量および蒸発水分量を、装置に付設した表示装置に直接に表示すること、装置に無線または有線で電子的に接続された端末の表示装置に表示することなどを含む。発酵指標の具体的な算出方法、算出例については後述する。

入気量制御手段１１は、発酵熱量に基づいて、送気手段６により容器内に導入される外気の量（入気量）を制御する手段である。ここで、入気量制御手段１１は、以下の（１）入気量調整機能と（２）ピークカット機能の２つの機能を有することを特徴とする。

入気量調整機能は、（１）所定時間間隔で発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には容器２内に導入される外気の量（入気量）を増加させ、減少した場合には入気量を減少させるように送気手段６を制御する機能である。発酵熱量から予測できる理論的な必要入気量は、時間単位に刻々と変化するところ、（１）の入気量調整を行なうことで、実際の供給入気量を上記理論的な必要入気量に追従させることができ、無駄な入気量をカットできる。この追従性を向上させることで、消費電力量あたりの発酵熱量（堆肥化効率）の向上が図れる。

ピークカット機能は、（２）（１）で増加した場合における入気量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量（Ｑ_target）に応じた容器２内に導入すべき外気の量（設定入気量）をこえないように送気手段６を制御する機能である。入気量は、ブロワのインバータ周波数で調整でき、上記の設定入気量はインバータ周波数の上限周波数に対応した入気量となる。すなわち、当該機能は、（１）の入気量調整機能により、ブロワのインバータ周波数が経時変動するところ、その上限値を設定し、発酵熱量から算出されるインバータ周波数がそれ以上となる場合にはカットして強制的に上限値とする機能である。この上限周波数は、少なくとも（１）の入気量調整機能によって通常変動する周波数の上限値よりも低い値とする。当該機能は、（１）の入気量調整機能によって通常変動する周波数（変動周波数）の高い部分を一部カットして省エネ化を図るものであるため、設定する上限周波数は、当然に上記変動周波数の下限値よりも高い値とする。（２）のピークカットを行なうことで、ブロワの省エネ化が可能であり、かつ、カットした分、発酵速度は低下するものの発酵が長期化して、発酵阻害に陥ることを抑制できる。

本発明の堆肥化装置において、処理対象物であり、堆肥原料となる有機性廃棄物としては、有機質成分を多く含む、家畜排泄物、食品廃棄物、浄化槽汚泥、またはこれらの混合物が挙げられる。具体的には、家畜排泄物として、鶏糞、豚糞、牛糞、馬糞などが挙げられ、食品廃棄物として生ごみ、食品製造副産物などが挙げられ、浄化槽汚泥として、家庭用浄化槽、食品工場の余剰汚泥浄化槽などから抜き取られる汚泥が挙げられる。また、廃棄物の堆肥化は、容器内において、好気性発酵菌の存在下で通気しながら好気発酵させて行なう。好気性発酵菌としては、３０～９０℃程度で活性化する発酵菌が好ましく、例えば、ジオバチスル属やバチルス属などが挙げられる。

この装置において、投入口２ａから堆肥原料を容器２の内部に投入し、該処理物を容器内で堆肥化後に容器下部の取出口２ｂより取り出す。発酵および堆肥化は、送気手段６により最下段の撹拌翼の通気孔４ａから所定の入気量で外気を導入し、かつ、排気口２ｃと排気手段９（通気口）から内気を排気しつつ、各撹拌翼４を低速で回転させて、堆肥原料を通気撹拌し、好気発酵させることで行なう。また、通気により同時に乾燥もされる。排気口２ｃから排気される空気は、通気孔から容器内に導入されて処理物中を通過しながら上方へ流れてきた空気に、堆肥原料より生じたガスや水蒸気を含むものである。

運転手順としては、まず、堆肥化装置に、該装置の内容積に対して１０～２０％の空間（ヘッドスペース）を残して、堆肥原料を投入する。１０～２０％の空間を残して堆肥原料を投入することにより、堆肥原料の撹拌が十分になされるため、発酵および乾燥が効率よくなされる。投入は毎日行ない、所定の滞留期間（３日～２０日程度）発酵および乾燥して、一定期間（例えば毎日）毎に所定量（例えば２０質量％程度）の堆肥を取り出す。上記投入は、堆肥を取り出した後に行なう。このように、一定時間サイクルで堆肥原料の一部投入と堆肥の一部取り出しを繰り返して、連続的に堆肥化処理を行なう。得られる堆肥は、固形物、液状物、および半液状物などを含む複雑な混合物であり、部分的には塊状物となっている。なお、堆肥化装置を最初に使用するときは、発酵されてこの装置から取り出された前回の堆肥を処理物全体の３０質量％程度予め投入しておくことが好ましい。順養化された発酵菌を使用するためである。

本発明の堆肥化制御方法は、以上のような所定の密閉型堆肥化装置で連続して堆肥化を行なう構成において、発酵指標として、通気量（入気量、排気量）、入気温度、排気温度に基づき算出される、発酵指標となる所定時間当たりの発酵熱量に着目して堆肥化を制御するものである。発酵熱は、堆肥化過程における好気微生物による有機物分解過程において発生するため、発酵熱量は酸素や二酸化炭素濃度と同様に、微生物活性を直接的に評価可能である。本発明では、この発酵熱量に基づき、入気量を制御している点に特徴を有する。また、必要に応じて、作業者は、得られた発酵指標に基づき、堆肥原料となる有機性廃棄物の投入量や廃白土の投入量などについて、発酵熱量が最大化できるように調整できる。

発酵熱量および蒸発水分量について、外気温度（入気温度）５℃、排気温度７０℃、入気相対湿度（７０％ＲＨ固定）、排気相対湿度（１００％ＲＨ固定）、入気手段のブロワのインバータ周波数４０Ｈｚとした場合の具体的な算出例を以下の表１に示す。

上記表において発酵熱量は、発酵熱量（ｋＪ／ｍｉｎ）＝排気熱量（ｋＪ／ｍｉｎ）－入気熱量（ｋＪ／ｍｉｎ）で求められる。排気熱量と入気熱量は概ね以下のように算出される。

［排気熱量］
排気熱量は、（１）排気における比エンタルピーと（２）排気量と（３）比体積から算出される。
（１）この比エンタルピーは、絶対湿度と排気温度と所定の近似式から算出される。排気温度帯における所定の近似式は図２下部に示すとおりである。この近似式は、温度と水蒸気全熱の蒸気表のデータセットをプロットして、その近似式として作成される。
（２）排気量は、入気量に従属して求められ、湿り空気ｍｏｌ数と乾き空気ｍｏｌ分率、排気温度から算出される。
（３）比体積は、湿り空気単位体積と湿り空気分子量から算出される。
絶対湿度は、湿り空気中の水蒸気圧を用いて算出される。湿り空気ｍｏｌ数は、排気量と湿り空気単位体積から算出される。乾き空気ｍｏｌ分率は、絶対湿度を用いて算出される。湿り空気単位体積は、排気温度を用いて算出される。湿り空気分子量は、乾き空気ｍｏｌ分率と水蒸気ｍｏｌ分率から算出される。湿り空気中の水蒸気圧は、相対湿度と乾球温度の飽和水蒸気圧を用いて算出される。
なお、排気熱量算出時の相対湿度（％ＲＨ）は、上述のとおり１００％ＲＨに固定している。

［入気熱量］
入気熱量は、（１）入気における比エンタルピーと（２）入気量と（３）比体積から算出される。
（１）この比エンタルピーは、絶対湿度と入気温度と所定の近似式から算出される。入気温度帯における所定の近似式は図２上部に示すとおりである。この近似式は、排気熱量と同様に、温度と水蒸気全熱の蒸気表のデータセットをプロットして、その近似式として作成される。
（２）入気量は、例えば、ブロワのインバータ周波数を用いて図３の関係式から計算される。この方法は、ブロワ回転数を制御するためのインバータ周波数と通気量とに線形の関係がある場合に採用できる。その他、入気量の計算方法としては、入気配管の風速から演算する方法、排気配管の風速から演算する方法などを採用してもよい。
（３）比体積は、湿り空気単位体積と湿り空気分子量から算出される。
絶対湿度は、湿り空気中の水蒸気圧を用いて算出される。湿り空気単位体積は、外気温度を用いて算出される。湿り空気分子量は、乾き空気ｍｏｌ分率と水蒸気ｍｏｌ分率から算出される。湿り空気中の水蒸気圧は、相対湿度と飽和水蒸気圧を用いて算出される。
なお、入気熱量算出時の相対湿度（％ＲＨ）は、上述のとおり７０％ＲＨに固定している。

上記表において蒸発水分量は、蒸発水分量（ｋｇ／ｍｉｎ）＝排気の水蒸気量（ｋｇ／ｍｉｎ）－入気の水蒸気量（ｋｇ／ｍｉｎ）で求められる。
排気水蒸気量は、排気における湿り空気ｍｏｌ数と水蒸気ｍｏｌ分率から算出される。また、入気水蒸気量は、入気における湿り空気ｍｏｌ数と水蒸気ｍｏｌ分率から算出される。なお、相対湿度１００％の排気が排出される密閉縦型の堆肥化装置においては、発酵熱量と蒸発水分量とに線形順相関が成り立つ。

ブロワ発熱と発酵発熱の違いによる熱量と水蒸気量の変化を図４に示す。図４に示すように、発酵熱がなければ、蒸発水分量は僅かしかない。排気温度５０℃の発酵と同等の蒸発水分量を得るには通気量を７倍程度にする必要があり、極めて不効率であるため、発酵熱は密閉縦型堆肥化装置において必要不可欠である。

発酵熱量に基づいた入気量制御の実例を説明する。
上述のとおり、入気量制御手段１１は、発酵熱量に基づいて、送気手段６により容器内に導入される外気の量（入気量）を制御する手段であり、入気量制御手段１１は、（１）入気量調整機能と（２）ピークカット機能の２つの機能を有する。

入気量調整機能は、まず、所定時間間隔で発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量と、その前回に算出された発酵熱量とを対比する。すなわち、数分間隔で発酵熱量を測定する場合には、数分前の発酵熱量Ｘと現在の発酵熱量Ｙとを対比する。次に、これが増加している場合（Ｙ＞Ｘ）には入気量を増加させ、これが減少している場合（Ｙ＜Ｘ）には入気量を減少させる。入気量の増減は、ブロワのインバータ周波数の増減により調整できる。発酵熱量の測定間隔が、インバータ周波数変更のインターバルとなる。この間隔は適宜設定でき、例えば、１分～１０分程度の短い間隔から、１日程度の長い間隔としてもよい。本機能の目的を考慮すれば、インターバルは１分～１０分程度の間隔とすることが好ましい。また、インバータ周波数の変更幅は、適宜設定でき、例えば、０．１Ｈｚ～１Ｈｚ程度とできる。インバータ周波数の変更幅を小さくし過ぎると、発酵温度上昇の際（原料投入後、６時間経過程度）に必要な入気量を供給できなくなる可能性があるため、０．１～０．３Ｈｚ程度の刻みが好ましい。

この入気量調整は、入気量制御手段１１により、作業者の設定した所定時間間隔、および入気量の調整幅（インバータ周波数の変更幅）で、自動で実施することができる。

インバータ周波数変更のインターバルと、インバータ周波数の変更幅の相違による影響を図５、図６に基づいて説明する。図５は、インバータ周波数変更のインターバルを３分、インバータ周波数の変更幅を１Ｈｚ（０．２５ｍ^３に相当）とした場合の結果である。図６は、インバータ周波数変更のインターバルを２分、インバータ周波数の変更幅を０．１Ｈｚ（０．０２５ｍ^３に相当）とした場合の結果である。なお、各図において、縦軸はブロワのインバータ周波数を、横軸は時刻を、それぞれ示す。

図５と図６で比較するように、特にインバータ周波数の変更幅を小さくする（例えば、０．３Ｈｚ以下）ことで、ブロワのインバータ周波数の設定値と、その１時間移動平均との関係が高い追従性を有することが分かる。この追従性は、供給入気量と、理論的な必要通気量との追従性といえ、この追従性を高めることにより、消費電力量あたりの発酵熱量（堆肥化効率）の向上が図れる。

長期間にわたり、図６の条件で入気量調整を自動で実施した場合のインバータ周波数の設定値の変動の様子を図７に示す。図７において、縦軸はブロワのインバータ周波数を、横軸は試験日時を、それぞれ示す。入気量制御することで、原料未投入時は最低入気量で通気させ、必要なときに必要な入気量が確保できることが分かる。この結果、消費電力量あたりの発酵熱量（堆肥化効率）の向上が図れていることが分かる。当該制御を行わず、インバータ周波数３８Ｈｚ一定とした場合と比較して、堆肥化効率（発酵熱量／消費電力量）で８％の改善効果が認められた。

このように入気量調整機能は、発酵熱量を指標として入気量を増減する機能である。しかし、入気量の多い状態（発酵の盛んな数時間）はブロワ負荷が大きいため消費電力量が上昇する。図８に示すように、一般に、風量あたりの消費電力量は、二次関数的に増加する傾向がある。これは、コンポ内の圧力損失が一定だとすると、静圧は風速の２乗に比例することなどに起因する。

本発明では、入気量調整機能にピークカット機能を併用することで、ブロワの省エネ化が可能である。図９に、図６の結果にピークカット機能を併用した場合の概念図を示す。図９は、入気量調整機能により、ブロワのインバータ周波数の上限周波数を３８Ｈｚに設定した場合の図であり、発酵熱量から算出されるインバータ周波数が３８Ｈｚ以上となる場合にはカットして強制的に上限値３８Ｈｚとしている。発酵熱量から算出されるインバータ周波数が３８Ｈｚ未満の場合は、その算出された周波数に設定する。

図９に示すように、ピークカットにより発酵速度は低下するものの、発酵が長期化する。ピーク時などの短い時間単位でみれば、単位時間当たりの発酵熱量が低下する。しかし、その低下分は、発酵速度が遅れた分、後に回収できるため、１日単位などの比較的長い時間単位でみれば、発酵熱量は大きく変動しない。寧ろ、上記のとおりピーク時におけるブロワの消費電力が非常に大きくなることを考慮すれば、比較的長い時間単位において、ピークカットにより消費電力量当たりの発酵熱量（堆肥化効率）を向上させることができる。すなわち、入気量調整機能のメリット（発酵安定性、ミクロ的省エネ化）を活かしつつ、上限周波数の低減により送風コストをマクロ的に省エネ化できる。また、通気不足・水分蓄積の回避、過通気・過乾燥の回避も図れる。

ピークカット機能では、目標発酵熱量Ｑ_targetに応じた設定入気量をこえないようにブロワを制御すべく、ブロワのインバータ周波数の上限周波数を制御する。上限周波数を設定するタイミングは、ミクロ的な省エネ改善手段である入気量調整機能でのインバータ周波数変更のインターバルよりも長くし、例えば、１日毎など適宜設定できる。上限周波数の設定は、例えば、下記式のように実行できる。下記式の場合、任意の日の初めに、昨日の原料投入後２４時間の積算の発酵熱量Ｑ（ｔ）と、目標発酵熱量Ｑ_targetとを比較し、Ｑ（ｔ）＞Ｑ_targetの場合は、マクロ的にみて十分な発酵ができていると判断し、次の上限周波数を下げて、入気量を減少させる。一方、Ｑ（ｔ）＜Ｑ_targetの場合は、マクロ的にみて十分な発酵ができていないと判断し、次の上限周波数を上げて、入気量を増加させる。

図１０にピークカットによる発酵挙動の変化の実例を示す。図中において、１０／１１は、入気量調整機能をＯＮ、ピークカット機能をＯＦＦにしており、１０／１２は、入気量調整機能とピークカット機能の両方をＯＮにしている。いずれの日においても、インバータ周波数変更のインターバルは２分、インバータ周波数の変更幅は０．１Ｈｚとしている。図１０のインバータ周波数のグラフから、１０／１２はピークカット（上限周波数３２Ｈｚ）が機能していることが分かる。図１０において、３１Ｈｚ以上３２Ｈｚ未満での稼働時間は、ピークカットなしの場合：３６９分、ピークカットありの場合：１１２２分であり、３２Ｈｚ以上での稼働時間は、ピークカットなしの場合：４３２分、ピークカットありの場合：０分である。１０／１１と１０／１２との同様時刻における対比から、ピークカットをしない場合には、発酵速度は早くなるが、ピーク後は発酵がある程度終了しているため、発酵熱量の低下が早くなる。また、ピークカットをすることで、発酵速度が低下し、発酵が長期化していることが確認できる。詳細には、３２Ｈｚでのピークカットにより発酵速度が低下したため、３１～３２Ｈｚ近辺での稼働時間が増加し、発酵が長期化している。結果として、日単位でみれば、ピークカットした場合の方が、消費電力量当たりの発酵熱量が向上していることが分かる。

目標発酵熱量Ｑ_targetの設定方法について説明する。
堆肥原料の初期水分および完成堆肥の目標水分から、蒸発水分量が決定され、水分蒸発に必要な発酵熱量も算出可能である。しかし、実際のオペレーションにおいては、堆肥原料の初期水分のばらつきや堆肥原料のカロリー変動に起因して、完成堆肥の水分を目標水分に調整できないことも多い。そのため、目標発酵熱量Ｑ_targetは、発酵が安定している期間において、例えばコンポの滞留日数程度の期間における平均的な発酵熱量を基準とすることが望ましい。目標発酵熱量Ｑ_targetの設定においては、投入量にばらつきがある場合は投入量あたり目標発酵熱量を、原料投入後の発酵時間にばらつきがある場合は１バッチあたり目標発酵熱量を採用することにより、安定的に省エネ化が可能である。豚の出荷などの経済活動に基づく堆肥原料投入量の増減、外気温変化による原料温度の増減、発酵槽下部からの完成堆肥の取り出しの有無、などを要因とする発酵槽内部の微生物活性の変動により、堆肥の発酵状態は日々変動している。そのため、目標発酵熱量Ｑ_targetは、例えば、季節毎にオペレータの判断により調整するなどの対応をとることにより、安定的に省エネ化が可能である。

また、同様の理由から、目標発酵熱量Ｑ_targetと比較する発酵熱量Ｑ（ｔ）としては、上記式の示した算出方法以外に、堆肥の発酵状態の変動を考慮し、例えば、３日間移動平均の発酵熱量として設定することもできる。

強制通気のバッチ式堆肥化装置（例えば、特許文献３のようなもの）と、本発明の強制通気の連続式堆肥化装置では、原料の水分調整の方法、処理中の堆肥水分の変動、堆肥原料のカロリー調整の有無など、その調整に大きな差があり、堆肥化を制御する指標としては同様に考えることはできない。本発明では、発酵熱量を発酵指標とし、これに応じた入気量制御がなされるので、所定の連続式堆肥化装置において、良質の堆肥を効率的に生産することが可能となる。

本発明の堆肥化装置は、密閉型の堆肥化装置において連続して堆肥化を行なう構成において、発酵状態を正確に把握して堆肥を効率的に安定生産可能であるので、畜産経営体から排出される家畜排泄物や食品産業事業所などから排出される食品残渣などの有機性廃棄物を堆肥化するための装置として好適に利用できる。

１堆肥化装置
２容器
２ａ投入口
２ｂ取出口
２ｃ排気口
３回転軸
４撹拌翼
４ａ通気孔
５機械室
６送気手段
７ヒータ
８駆動手段
９排気手段
１０発酵指標出力手段
１１入気量制御手段

Claims

容器内に設けられた回転軸およびこれに付設された複数の撹拌翼と、該容器内に外気を取り入れるための送気手段と、該容器内に蓄積する内気を容器外部に排出するための排気手段とを備えてなり、前記送気手段により前記容器内に外気を導入し、かつ、前記排気手段により前記容器内から内気を排気しつつ、前記容器内に投入口から投入される有機性廃棄物を前記撹拌翼で撹拌しながら発酵および乾燥させて堆肥とし取出口から排出する堆肥化処理を行なう密閉型の堆肥化装置であって、
該堆肥化装置は、前記容器内に導入される外気の温度と量、前記容器内から排気される内気の温度と量に基づき、発酵指標となる所定時間当たりの発酵熱量を算出して出力できる発酵指標出力手段と、前記発酵熱量に基づき、前記送気手段により容器内に導入される外気の量を制御する入気量制御手段とを有し、
前記入気量制御手段は、（１）所定時間間隔で前記発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には前記容器内に導入される外気の量を増加させ、減少した場合には前記容器内に導入される外気の量を減少させるように前記送気手段を制御する機能と、（２）前記増加した場合における外気の量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた前記容器内に導入すべき外気の量をこえないように前記送気手段を制御する機能と、を有し、
前記送気手段は、回転数をインバータ周波数で制御できるブロワであり、
前記入気量制御手段は、前記インバータ周波数を増減して前記容器内に導入される外気の量を増減する手段であることを特徴とする堆肥化装置。
容器内に設けられた回転軸およびこれに付設された複数の撹拌翼と、該容器内に外気を取り入れるための送気手段と、該容器内に蓄積する内気を容器外部に排出するための排気手段とを備えてなり、前記送気手段により前記容器内に外気を導入し、かつ、前記排気手段により前記容器内から内気を排気しつつ、前記容器内に投入口から投入される有機性廃棄物を前記撹拌翼で撹拌しながら発酵および乾燥させて堆肥とし取出口から排出する堆肥化処理を行なう密閉型の堆肥化装置であって、
該堆肥化装置は、前記容器内に導入される外気の温度と量、前記容器内から排気される内気の温度と量に基づき、発酵指標となる所定時間当たりの発酵熱量を算出して出力できる発酵指標出力手段と、前記発酵熱量に基づき、前記送気手段により容器内に導入される外気の量を制御する入気量制御手段とを有し、
前記入気量制御手段は、（１）所定時間間隔で前記発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には前記容器内に導入される外気の量を増加させ、減少した場合には前記容器内に導入される外気の量を減少させるように前記送気手段を制御する機能と、（２）前記増加した場合における外気の量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた前記容器内に導入すべき外気の量をこえないように前記送気手段を制御する機能と、を有し、
前記予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた前記容器内に導入すべき外気の量は、所定期間毎に算出され、算出直前の１日または連続した所定日数分における発酵熱量の平均値Ａと、前記目標となる所定の発酵熱量Ｂとを対比して、Ａ＞Ｂの場合には減少させ、Ａ＜Ｂの場合には増加させて得られることを特徴とする堆肥化装置。
請求項１記載の堆肥化装置を用いた堆肥化制御方法であって、
前記堆肥化装置において、前記送気手段により前記容器内に外気を導入し、かつ、前記排気手段により前記容器内から内気を排気しつつ、前記容器内に投入口から投入される有機性廃棄物を前記撹拌翼で撹拌しながら発酵および乾燥させて堆肥とし取出口から排出する堆肥化処理を連続的に行なう工程において、
該工程中の任意のタイミングで、前記発酵指標出力手段から得られた発酵熱量に基づいて、前記入気量制御手段により前記容器内に導入される外気の量を調整して堆肥化を制御する制御工程を有し、
前記制御工程は、（１）所定時間間隔で前記発酵熱量を算出し、任意の算出時の発酵熱量がその前回に算出された発酵熱量に対して、増加した場合には前記容器内に導入される外気の量を増加させ、減少した場合には前記容器内に導入される外気の量を減少させ、かつ、（２）前記増加した場合における外気の量が、予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた前記容器内に導入すべき外気の量をこえないように調整する工程であることを特徴とする堆肥化制御方法。
前記予め設定された、目標となる所定の発酵熱量に応じた前記容器内に導入すべき外気の量は、所定期間毎に算出され、算出直前の１日または連続した所定日数分における発酵熱量の平均値Ａと、前記目標となる所定の発酵熱量Ｂとを対比して、Ａ＞Ｂの場合には減少させ、Ａ＜Ｂの場合には増加させて得られることを特徴とする請求項３記載の堆肥化制御方法。