JP7222625B2

JP7222625B2 - メタン発酵装置およびメタン発酵方法

Info

Publication number: JP7222625B2
Application number: JP2018139002A
Authority: JP
Inventors: 貴裕鈴木; 和利野村
Original assignee: KUBOTA ENVIRONMENTAL ENGINEERING CORPORATION
Current assignee: KUBOTA ENVIRONMENTAL ENGINEERING CORPORATION
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2023-02-15
Anticipated expiration: 2038-07-25
Also published as: JP2020014993A

Description

本発明は、例えば紙ごみのような有機物を含む固形廃棄物をメタン発酵槽に導入するメタン発酵装置およびメタン発酵方法に関する。

湿式のメタン発酵システムでは、例えば分別された生ごみが可溶化槽に貯留される。可溶化槽では、生ごみの加水分解と酸発酵（すなわち可溶化）が進行し、有機酸を含むスラリーが得られる。その後、スラリーはメタン発酵槽に送られ、メタン発酵槽内で嫌気性微生物により分解される。このとき生成するバイオガスは、一般に約６０ｖｏｌ％のメタンと約４０ｖｏｌ％の二酸化炭素とを含み、エネルギー源として有用である。

廃棄物を減容化するとともにバイオガスの生成量を増加させる観点から、生ごみだけでなく、紙ごみのような有機物を含む固形廃棄物をスラリー原料に用いることが望ましい。例えば、特許文献１は、有機性固形廃棄物を槽内で発酵液に浸漬させつつ可溶化し、バイオガスにまで分解することを提案している。

一方、特許文献２は、原汚泥を嫌気性消化する消化槽に循環管とポンプを設けた汚泥処理システムにおいて、消化槽内の汚泥を効率的に撹拌する観点から、循環管を、消化槽内の上部で開口している上側循環配管、消化槽内の下部で開口している下側循環配管、および先端に吐出口を有し、汚泥に水平流を発生させる吐出配管から構成し、ポンプを消化槽外に配設することを提案している。特許文献２は、消化槽内の汚泥の混合を促進し、汚泥の温度を均一化し、汚泥中から消化ガスを放散させ、汚泥面のスカムを破砕し、汚泥中の土砂、し渣などが堆積することを防止することを意図している。

特開２０１２－８６１５７号公報特開２００７－２２９６００号公報

固形廃棄物から分別される発酵適物を用いるメタン発酵システムでは、バイオガスの生成量を顕著に増加させることができる。

しかし、有機物を含む固形廃棄物から分別される発酵適物は、比重の異なる多様な物質を含み、発酵液の液面に浮上物、発酵液中に浮遊物、発酵槽底部に沈降物として滞留する。そこで、浮上物および浮遊物を攪拌して、発酵適物の発酵を促進することが望まれる。しかし、発酵槽の内容物を全体的に攪拌することは、技術的にもエネルギー消費量の観点からも困難である。

本発明の一側面は、バイオガスを発生させる発酵液を収容するとともに、発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させる発酵槽と、前記発酵槽の下方より前記発酵液を循環液として引き抜いてから前記発酵槽に戻す循環ルートと、前記発酵槽内の前記発酵液の液面よりも上方から前記循環液を放出して、前記発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる上部吹出口と、前記発酵槽内の前記発酵液の液面よりも下方から前記循環液を放出して、前記発酵液の前記上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる液中吹出口と、を具備する、メタン発酵装置に関する。

本発明の別の側面は、（i）発酵液を収容する発酵槽内で発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させてバイオガスを発生させる工程と、（ii）前記発酵槽の下方より前記発酵液を循環液として引き抜く工程と、（iii）前記発酵液の液面よりも上方に位置する上部吹出口から前記循環液を放出して前記発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる工程と、（iv）前記発酵液の液面よりも下方に位置する液中吹出口から前記循環液を放出して前記発酵液の前記上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる工程と、を具備する、メタン発酵方法に関する。

本発明に係るメタン発酵装置およびメタン発酵方法によれば、固形廃棄物を原料に用いてバイオガスを発生させる場合に、発酵槽の内容物の攪拌効率を向上させ得る。

本発明の実施形態に係るメタン発酵システムの一例の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るメタン発酵装置の一例の構成を示す模式図である。上方から見た同メタン発酵装置の上部吹出口の配置例を示す模式図である。上方から見た同メタン発酵装置の液中吹出口の配置例を示す模式図である。発酵液中を浮遊する発酵不適物を除去する分離装置の一例の模式図である。原料廃棄物を分別する前処理装置の一例の構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態に係るメタン発酵装置には、固形廃棄物が原料として発酵槽内に導入される。発酵槽内では、固形廃棄物中の発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵が進行し、バイオガスが生成される。すなわち、メタン発酵装置は、バイオガスを発生させる発酵液を収容するとともに、発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させる発酵槽を具備する。

本実施形態に係るメタン発酵装置は、発酵適物の酸発酵を促すための可溶化槽を具備しないメタン発酵システムの構築を可能にし得る。湿式のメタン発酵システムでは、分別された生ごみを貯留し、生ごみの加水分解と酸発酵を進行させる可溶化槽が通常設置される。一方、本実施形態に係るメタン発酵装置では、固形廃棄物が原料として発酵槽内に導入される。固形廃棄物は、事前に発酵不適物の一部が除去された原料廃棄物として供給される。原料廃棄物は、発酵槽から部分的に取り出された発酵液と混合される。こうして得られる原料廃棄物を含む流動物がメタン発酵槽に導入される。

固形廃棄物は、発酵適物を含み、多少の発酵不適物を含み得る。固形廃棄物は、例えば、家庭から出される一般ごみであってもよい。一般ごみに含まれる発酵不適物は予め十分に分別される。
以下、メタン発酵の原料として用いる固形廃棄物を、原料廃棄物と称する。

発酵液とは、発酵適物の加水分解と酸発酵を経た後、メタン発酵を促進する菌体による消化分解を経て得られた液状物である。

発酵適物とは、加水分解および酸発酵（すなわち可溶化）を経てメタン発酵により分解され得る有機物をいう。発酵適物としては、例えば、生ごみ、紙ごみ、生分解性プラスチックなどが挙げられるが、特に限定されない。

発酵不適物とは、可溶化に適さない材料であり、例えば、金属、プラスチック、鉱物、貝殻類などが挙げられる。発酵不適物は、予め十分に分別される場合でも、原料廃棄物に混在し得る。このような発酵不適物は、適宜、装置系内から分別により除去される。

本発明に係るメタン発酵装置は、バイオガスを発生させる発酵液を収容するとともに、発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させる発酵槽と、発酵槽の下方より発酵液を循環液として引き抜いてから発酵槽に戻す循環ルートと、発酵槽内の発酵液の液面よりも上方から循環液を放出して、発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる上部吹出口と、発酵槽内の発酵液の液面よりも下方から循環液を放出して、発酵液の上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる液中吹出口とを具備する。

また、本発明に係るメタン発酵方法は、（i）発酵液を収容する発酵槽内で発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させてバイオガスを発生させる工程と、（ii）発酵槽の下方より発酵液を循環液として引き抜く工程と、（iii）発酵液の液面よりも上方に位置する上部吹出口から循環液を放出して発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる工程と、（iv）発酵液の液面よりも下方に位置する液中吹出口から循環液を放出して発酵液の上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる工程とを具備する。

発酵液の上層とは、発酵槽の底面から発酵液の液面までの距離をＨとするとき、液面から例えば１／５Ｈ～１／３Ｈの深さまでの領域と定義される。中間層は、上層より深く、かつ発酵槽の下方より発酵液を循環液として引き抜く循環ルートの最上流（すなわち発酵槽からの循環液の出口）より上方と定義される。

固形廃棄物は、発酵適物と発酵不適物とを含み、発酵適物および発酵不適物の両方がそれぞれ発酵液の液面に浮上しやすい原料、液中を浮遊物しやすい原料および発酵槽の底部に沈降しやすい原料を含んでいる。発酵液の液面に浮上しやすい原料は、液面にスカム（ＳＣＵＭ）として滞留する。スカムには、軽比重の発酵不適物の他に、発酵適物も含まれている。滞留するスカムを放置すると、発酵適物の発酵量が少なくなるだけでなく、スカムが固化して液面を覆ってしまい、バイオガスの放出を妨げる。また、液中浮遊物の多くは発酵適物であるが、高比重の発酵不適物と絡まり合って浮遊している。発酵液の攪拌が不十分になると、高比重の発酵不適物（貝殻、砂利等）とともに発酵適物が発酵槽の底部に沈降し、発酵適物の発酵量が少なくなる。しかし、これらの材料を均一に攪拌するためには、大きなエネルギーが必要であり、発酵槽内に多くの配管と機器類を設置する必要もあり、コストとメンテナンスの面で困難が伴う。

これに対し、上部吹出口から放出される循環液を液面に叩きつけることにより、液面に滞留するスカムが破砕されるとともに、発酵液の上層に旋回流が発生する。破砕されたスカムは、叩きつけ効果によって液中の旋回流に巻き込まれて発酵液で湿潤化し、発酵適物の可溶化と発酵が促進される。

液中吹出口から放出される循環液は、発酵液の中間層に強い旋回流を発生させる。これにより中間層に存在する液中浮遊物が効率的に攪拌され、発酵適物と発酵不適物との絡まり合いが解消され、高比重の発酵不適物の分離と選択的な沈降が促進される。

なお、発酵槽の下方から引き抜いた循環液を発酵液の上層に放出すれば、発酵液が全体的に攪拌されるため、一般的には攪拌効率が高められると考えられている。しかし、実際には、高い攪拌効率を得ることは困難であり、発酵適物と発酵不適物との分離が不十分になりやすい。その場合、高比重の発酵不適物とともに発酵適物が沈降しやすくなり、引き抜かれ、廃棄処理される沈降汚泥に発酵適物が多く含まれ、メタンガス発生量が少なくなる。

適宜のタイミングで、上部吹出口１１１からの循環液の放出と、液中吹出口１１２からの循環液の放出とを適宜切り替えて、どちらか一方から循環液を放出させてもよい。このような切り替えが可能となるようにメタン発酵装置を構成することで、循環液を循環させるための駆動ポンプが１台であっても両方の吹出口から循環液を放出できるようになり、メタン発酵装置の稼働コストを低減できる。また、上部吹出口１１１から循環液を放出して発酵適物を含む浮遊物を液中に沈めた後、液中吹出口１１２から循環液を放出することで、発酵不適物の浮上と沈降を促進することができる。また、適宜のタイミングで、上部吹出口１１１および液中吹出口１１２の両方から循環液を放出させてもよい。これにより、発酵槽内の発酵適物の発酵が促進されるとともに、発酵不適物の分別と回収が更に容易になる。

上部吹出口は、１つだけ設けてもよく、複数設けてもよい。中でも上部吹出口が第１吹出口Ａと第２吹出口Ｂとを有し、第１吹出口Ａから放出される循環液により発生する旋回流と、第２吹出口Ｂから放出される循環液により発生する旋回流とが、上方から見たときに逆方向である態様が好ましい。第１吹出口Ａおよび第２吹出口Ｂは、それぞれ１つだけ設けてもよく、複数設けてもよい。第１吹出口Ａおよび第２吹出口Ｂをそれぞれ複数設ける場合、液面から各吹出口までの高さを異ならせてもよい。これにより、様々な旋回流を生じさせ得るようになる。

同様に、液中吹出口は、１つだけ設けてもよく、複数設けてもよい。中でも液中吹出口が第１吹出口Ｃと第２吹出口Ｄとを有し、第１吹出口Ｃから放出される循環液により発生する旋回流と、第２吹出口Ｄから放出される循環液により発生する旋回流とが、上方から見たときに逆方向である態様が好ましい。第１吹出口Ｃおよび第２吹出口Ｄは、それぞれ１つだけ設けてもよく、複数設けてもよい。第１吹出口Ｃおよび第２吹出口Ｄをそれぞれ複数設ける場合、液面から各吹出口までの高さを異ならせてもよい。これにより、様々な旋回流を生じさせ得るようになる。

発酵槽の内壁を上方から見たとき、循環液は、上部吹出口および液中吹出口から内壁の接線方向と所定角度を成す方向に放出される。また、上部吹出口および液中吹出口を、発酵槽内の発酵液の液面と平行な方向から見たとき、循環液は、上部吹出口および液中吹出口から液面と所定角度を成す方向に放出される。

ここで、内壁の接線方向とは、発酵槽の内壁を上方から見たとき、上部吹出口または液中吹出口と発酵槽の中心とを結ぶ径方向の線分と発酵槽の内壁との交点における、当該内壁の接線方向を意味する。発酵槽の内壁を上方から見たときの形状は、円形もしくは略円形であることが好ましいが、特に限定されない。発酵槽の内壁を上方から見たときの形状は、楕円形、多角形（五角形、六角形、七角形、八角形等）などでもよい。多角形の頂点における接線方向は、当該頂点を形成する２本の線分のいずれの接線方向でもよい。略円形とは、概ね円形と見なせる形状であり、例えば円形度が０．９以上の形状である。通常、このような筒状の発酵槽を縦型発酵槽とも称する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら更に説明する。ただし、以下の実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１に、本発明に係るメタン発酵装置１００を含むメタン発酵システム１０の一例の構成を示す。メタン発酵システム１０は、発酵液Ｌを収容する発酵槽１１０を具備するメタン発酵装置１００と、発酵槽１１０から引き抜かれた発酵液Ｌと原料廃棄物Ｃとを混合して流動物Ｓを得る混合部１２０と、発酵槽１１０から取り出された発酵液Ｌを混合部１２０に送る第１引き抜きルートＲ１１と、流動物Ｓを混合部１２０から発酵槽１１０に送る投入ルートＲ２とを具備する。

メタン発酵装置１００は、発酵液Ｌを発酵槽１１０の下方より引き抜いてから上方に戻す循環ルートＲ３を有する。発酵槽１１０の下方には、発酵液Ｌを抜き取る第一吐出口１１４が設けられている。発酵液Ｌは、循環ルートＲ３に設けられた第１ポンプ（ヒドロスタル）Ｐ１の駆動力によって第一吐出口１１４から引き抜かれて上方に送られる。発酵液Ｌを循環させることで、発酵槽１１０内の発酵適物の発酵が促進されるとともに、発酵不適物の分別と回収が容易になる。

循環ルートＲ３の下流端部は二股に分岐しており、２つの分岐路は、それぞれ循環ルートＲ３を通過した発酵液Ｌを発酵槽１１０に放出する上部吹出口１１１および液中吹出口１１２を有する。上部吹出口１１１の上流側および液中吹出口１１２の上流側には、それぞれバルブＶ１およびＶ２が設けられている。

発酵槽１１０は、縦型の円筒状容器であり、内部が嫌気性雰囲気に維持されるように密閉性を有する。発酵槽１１０は、発酵不適物を沈降させるデッドスペースを有してもよい。デッドスペースに沈降する高比重物は、第一底部出口１１３から適宜に外部に排出して除去される。第一底部出口１１３は、例えば掻き寄せ排出機構を有することが好ましい。

図１では、第１引き抜きルートＲ１１および第２引き抜きルートＲ１２の上流側と循環ルートＲ３の上流側とが共通の配管により構成されている。発酵液Ｌは、循環ルートＲ３に設けられた第１ポンプＰ１の駆動力により発酵槽１１０の下方から引き抜かれる。第１引き抜きルートＲ１１および第２引き抜きルートＲ１２は、第一分岐点Ｔ１で循環ルートＲ３から分岐している。第一分岐点Ｔ１の下流に設けられたバルブＶ３と第１引き抜きルートＲ１１に設けられたバルブ１０とを開き、第２引き抜きルートＲ１２に設けられたバルブ１１を閉じることにより、発酵液Ｌが第１引き抜きルートＲ１１を通って混合部１２０に送られる。バルブＶ３およびＶ１０を開いたままで、発酵液Ｌの発酵槽１１０内での循環と発酵液Ｌの混合部１２０への供給とを並行して行ってもよい。このような並行動作は一定期間にわたり連続的に行い得る。

混合部は、原料廃棄物Ｃと発酵液Ｌとを混合して、原料廃棄物Ｃに流動性を持たせ、発酵槽１１０内での原料廃棄物Ｃの分散性を向上させるとともに流動物Ｓから空気を脱気するという意義を有する。混合部における流動物の滞留時間は、０．５日より短くてもよく、例えば３時間以下もしくは２時間以下であり、０．５時間以下であってもよい。原料廃棄物Ｃは、混合部１２０で発酵液Ｌと混合攪拌され、液状もしくはスラリー状に分散させた後、気密性が保たれた発酵槽１１０に導入もしくは移送される。混合部から発酵槽に送られる流動物は、酸発酵は多少進み得るが、少なくとも大きくは進んでいない。流動物中の発酵適物の加水分解および酸発酵は、メタン発酵が行われる発酵槽内で進行する。

混合部１２０内の流動物Ｓは、第２ポンプＰ２（破砕ポンプ）の駆動力により引き抜かれる。流動物Ｓは、投入ルートＲ２を通過し、バルブＶ４を介して発酵槽１１０に戻される。投入ルートＲ２をバルブＶ４の上流側で分岐させ、分岐路を循環ルートＲ３と第二分岐部Ｔ２で合流させてもよい。第二分岐部Ｔ２の上流側のバルブＶ６を開くことで、流動物Ｓは循環ルートＲ３に合流し、上部吹出口１１１および／または液中吹出口１１２から発酵槽１１０に放出される。このとき、発酵液Ｌの発酵槽１１０内での循環と、流動物Ｓの発酵槽１１０への供給とが並行して行われてもよい。このような並行動作は一定期間にわたり連続的に行い得る。第二分岐部Ｔ２は第一分岐部Ｔ１よりも循環ルートＲ３の下流側に設ければよい。これにより、混合部１２０で得られた流動物Ｓの第２引き抜きルートＲ１２への逆流を防止できる。よって、後述するような分離装置３００を設ける場合でも、流動物Ｓ中の発酵適物が除かれることが防止される。

バッチ方式でメタン発酵を行う場合、流動物Ｓを発酵槽１１０に導入した後、発酵が完了するまではバルブＶ３を閉じてもよい。

メタン発酵システム１００は、水蒸気を発酵槽１１０に導入する蒸気入口を有してもよい。水蒸気は、発酵槽１１０の内部を、例えば５０～６０℃の適正温度範囲内に維持するための熱源として発酵槽１１０に導入される。水蒸気は、発酵液Ｌのアンモニア濃度もしくは有機酸濃度を制御する希釈水としても機能する。紙ごみのような固形廃棄物を用いる場合、発酵液のアンモニア濃度が上昇しにくい。よって、外部から希釈水を追加する必要はなく、発酵槽内の発酵液量は、比較的長期にわたり適正範囲内に維持される。なお、発酵槽１１０の内部を適正温度範囲内に維持する方法として、蒸気による加温以外の方法を用いてもよい。

発酵槽１１０に送られた発酵適物は、発酵槽１１０内の制限されたスペースで、順次、加水分解される。発酵槽１１０とは別に、発酵適物の加水分解および酸発酵を進行させるための可溶化槽を設置する必要はない。上記メタン発酵装置１００では、発酵適物の可溶化に必要なスペースが大幅に削減される。これに伴い、必要機器点数およびエネルギー消費量も削減される。以上により、メタン発酵システム１０の構築と運営に必要なコストが削減される。

発酵槽１１０内に導入される発酵適物量は、発酵槽１１０内の有機酸量に影響を与える。発酵槽１１０内の発酵適物量は、混合部１２０から発酵槽１１０に送る流動物Ｓの量を制御することで調整可能である。発酵槽１１０内の発酵液Ｌの有機酸濃度は、混合部１２０から発酵槽１１０に送る流動物Ｓの量を適正に制御することで適正範囲内に維持される。

混合部１２０には、空気を内包する有機物を含む固形廃棄物が導入されるため、混合部１２０の内部を良好な嫌気性雰囲気に維持することは困難である。ただし、混合部１２０の容積を発酵槽１１０の容積よりも大幅に小さくすれば、混合部１２０に送られて空気と接触する発酵液量は制限される。混合部１２０の容積を発酵槽１１０の容積の２０％以下とすれば、発酵槽１１０から過剰の発酵液Ｌが抜き取られることもなく、発酵液量の増減変化が小さくなる。混合部１２０の容積は、例えば、発酵槽１１０の容積の２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。

混合部１２０で流動物Ｓを得る場合、発酵液１００質量部に対して混合される原料廃棄物Ｃの量は、１０～５０質量部が好ましく、１０～３０質量部がより好ましい。原料廃棄物Ｃの性状、物性、含水率によっては流動性を増す目的で外部から水を追加する必要はない。十分な流動性を有する流動物Ｓを得ることで、配管の詰まりなどの様々な不具合の発生率が低減される。配管の詰まりを更に抑制するには、流速を大きくする対策を講じる他、横方向の配管勾配、－４５°～＋４５°の勾配とすることが好ましい。加えて、配管内堆積物を保留させる任意配管（トラップ配管部）を併設することが好ましい。

発酵槽１１０は、基本的にその内部が大気との接触を遮断する構造である。発酵液Ｌへの日光照射も抑制する必要がある。一方、発酵槽１１０の内部状況、すなわち発酵槽１１０内における浮上性ごみ（スカム（ＳＣＵＭ））発生状況、発酵液Ｌ中の夾雑物濃度、発酵液ＬのｐＨ値などを把握する必要もある。混合部１２０は、このような状況把握のための発酵液Ｌのモニタリング部としての機能も果たす。この場合、後述するような分離装置３００を設ける場合でも、発酵液Ｌは第一分岐部Ｔ１から分離装置３００をバイパスして混合部１２０に送られる。

図２と図３に、発酵槽１１０が備える上部吹出口１１１および液中吹出口１１２の配置例を示す。図２は発酵槽１１０の内部を正面から、図３Ａは上部吹出口１１１を上方から、図３Ｂは液中吹出口１１２を上方から見た図である。

発酵槽１１０内の発酵液Ｌの液面から１／５Ｈ～１／３Ｈの深さまでの領域は上層ＬＵＰである。中間層ＬＭは、上層ＬＵＰより深い領域であり、循環ルートＲ３のスタート地点（発酵槽１１０からの循環液の出口：第一吐出口）より上方である。より深い領域は下層ＬＵＤであり、高比重の発酵不適物（ＳＥＤ）を沈降させるデッドスペースを有する。沈降した発酵不適物ＳＥＤは、スクレイパ（掻き寄せ排出機構）１１７により発酵槽１１０の底部でかき集められ、第一底部出口１１３から適宜に外部に排出して除去される。第一底部出口１１３は、例えば二重ダンパ構造とすることが好ましい。

発酵槽１１０は、原料廃棄物Ｃを含む流動物Ｓを発酵槽１１０内に導入する原料入口１１６と、水蒸気Ｈ_２Ｏを発酵槽１１０内に導入する蒸気入口１１５とを有する。水蒸気Ｈ_２Ｏは、発酵槽１１０の内部を、例えば５０～６０℃の温度範囲内に維持するための熱源として発酵槽１１０に導入される。水蒸気Ｈ_２Ｏは、発酵液Ｌの希釈水としても機能する。

図２と図３Ａが示すように、上部吹出口１１１は、循環液を水平方向と－α１°からα１°の角度を成す方向に、また、内壁の接線方向と－θ１°からθ１°の角度を成す方向に放出する。ここで、α１およびθ１は、それぞれ９０°未満であればよいが、６０°以下が好ましく、３０°以下がより好ましく、１０°以下が最も好ましい。α１およびθ１が小さいほど、発酵槽１１０内の発酵液Ｌに強い旋回流を発生させやすくなる。

発酵液Ｌの液面から上部吹出口１１１の下端までの距離Ｄ１は、例えば０～３ｍであればよく、１０ｃｍ～１００ｃｍが好ましい。これにより、効果的にスカムを破砕でき、かつ強力な旋回流を生じやすくなる。上部吹出口１１１を上方から見たとき、発酵槽１１０の中心から上部吹出口１１１までの距離ｒ１は、強い旋回流を発生させやすくする観点から、発酵槽１１０の中心から発酵槽１１０の内壁までの距離ｒの例えば８０％以上とすればよい。

上部吹出口１１１から放出される循環液は、広範囲のスカムに叩きつけられ、スカムを破砕するため、スカムの湿潤化と、スカムによるガス滞留の抑制に非常に効果的である。これにより、発酵適物の発酵が促進されるとともに、発酵槽１０で発生するバイオガスの回収が容易になる。

図３Ａに示すように、２つの上部吹出口１１１を、第１吹出口１１１Ａおよび第２吹出口１１１Ｂとして設けてもよく、３つ以上の上部吹出口を設けてもよい。上部吹出口１１１を２つ以上設ける場合、発酵槽１１０の内壁に沿って概ね等間隔で２つ以上の上部吹出口を設置することが好ましい。この場合、循環ルートＲ３の上部吹出口への導入部分を分岐させ、任意の１つの上部吹出口から選択的に、または複数の上部吹出口から同時に循環液を放出させてもよい。第１吹出口１１１Ａおよび第２吹出口１１１Ｂを設ける場合、第１吹出口１１１Ａからの循環液の放出方向と、第２吹出口１１１Ｂからの循環液の放出方向とを、逆方向にしてもよい。これにより、発酵槽１１０内の発酵液Ｌに任意の方向の旋回流を生じさせることが可能となり、攪拌効率を向上させることができる。なお、上部吹出口を発酵槽の高さ方向に沿って複数設け、任意の高さから液面に向かって循環液を放出できるようにしてもよい。

図２と図３Ｂが示すように、液中吹出口１１２は、発酵液Ｌの中間層に対して、循環液を水平方向と－α２°からα２°の角度を成す方向に、また、内壁の接線方向と－θ２°からθ２°の角度を成す方向に放出する。ここで、α２°およびθ２°は、それぞれ９０°未満であればよいが、６０°以下が好ましく、３０°以下がより好ましく、１０°以下が最も好ましい。α２°およびθ２°が小さいほど、発酵槽１１０内の発酵液Ｌに強い旋回流を発生させやすくなる。

発酵液Ｌの液面から液中吹出口１１２の上端までの距離Ｄ２は、例えば３／１０Ｈ～８／１０Ｈであればよく、４／１０Ｈ～６／１０Ｈが好ましい。これにより、効果的に液中浮遊物を攪拌でき、高比重の発酵不適物を発酵槽の底部からより回収しやすくなる。発酵槽の底部に沈降した発酵不適物は、発酵槽の底部の所定箇所から排出される。液中吹出口１１２を上方から見たとき、発酵槽１１０の中心から液中吹出口１１２までの距離ｒ２は、強い旋回流を発生させやすくする観点から、発酵槽１１０の中心から発酵槽１１０の内壁までの距離ｒの例えば８０％以上とすればよい。

図３Ｂに示すように、２つの液中吹出口１１２を、第１吹出口１１２Ｃおよび第２吹出口１１２Ｄとして設けてもよく、３つ以上の液中吹出口を設けてもよい。液中吹出口１１２を２つ以上設ける場合、発酵槽１１０の内壁に沿って概ね等間隔で２つ以上の液中吹出口を設置することが好ましい。この場合、循環ルートＲ３の液中吹出口への導入部分を分岐させ、任意の１つの液中吹出口から選択的に、または複数の液中吹出口から同時に循環液を放出させてもよい。第１吹出口１１２Ｃおよび第２吹出口１１２Ｄを設ける場合、第１吹出口１１２Ｃからの循環液の放出方向と、第２吹出口１１２Ｄからの循環液の放出方向とを、逆方向にしてもよい。これにより、発酵槽１１０内の発酵液Ｌに任意の方向の旋回流を生じさせることが可能となり、攪拌効率を向上させることができる。なお、液中吹出口を発酵槽の高さ方向に沿って複数設け、中間層の任意の深さに循環液を放出できるようにしてもよい。

液中吹出口１１２から放出される循環液は、発酵液Ｌの中間層に選択的に強い旋回流を生じさせることができる。これにより、高比重物と軽比重物との絡まり合いが解消され、軽比重物の浮上、軽比重の発酵適物の発酵が促進され、高比重物の沈殿が促進される。所定の旋回流によって発酵槽１１０の底部に滞留した発酵不適物ＳＥＤは、その反対方向の旋回流を発生させると、底部で集積され、回収がより容易になる。

発酵槽１１０内には、沈殿する高比重物、液面に浮遊する軽比重物の他に、発酵液Ｌ中を浮遊する発酵不適物（以下、液中浮遊物と称する。）が存在する。発酵槽１１０において液中浮遊物を分離することは困難である一方、有機固形物を含む原料廃棄物を用いると、発酵液における液中浮遊物量は増加する傾向にある。液中浮遊物は、配管の閉塞などの不具合の原因になる。

浮遊性不適物は、発酵槽１１０から部分的または間欠的に取り出された発酵液Ｌを分離装置３００により濾過して除去すればよい。図１のメタン発酵システムでは、第２引き抜きルートＲ１２が分離装置３００を通過するように構成されており、分離装置３００で液中浮遊物が分離された後の発酵液（分離液ＦＬ）が混合部１２０に送られる。なお、浮遊性不適物を除去することが目的の場合、分離装置に送られる発酵液には原則として凝集剤等は添加しない。
以下、第２引き抜きルートＲ１２のうち、分離装置３００から混合部１２０までのルートを濾液ルートＲ４と称する。

図４に、分離装置３００の一例である回転円板式濃縮機の構成を示す。図４（ａ）には、分離装置３００が具備する濾過部３１０と隙間自浄部３２０との関係を鳥瞰図として模式的に示す。隙間自浄部３２０は、複数の回転軸３２３と、回転軸３２３にそれぞれ固定され、その軸方向に沿って間隔を空けて配置された複数のディスク状回転体３２１とを具備する。図４（ｂ）には、濾過部３１０と隙間自浄部３２０との関係を回転軸３２３に沿った断面図として模式的に示す。

濾過部３１０は、発酵不適物の搬送方向に沿って延出配置された複数の帯状部３１５により形成され、隣接する帯状部３１５間にはスリット状隙間３１２Ｇが形成されている。複数の帯状部３１５の上端面がスリット状隙間３１２Ｇとともに濾過面３１１Ｓを形成している。図４（ｂ）に、濾過面３１１Ｓのレベルを破線で示す。複数の回転軸３２３は、複数の帯状部３１５の下方に、それぞれ帯状部３１５の長手方向と交わるように軸支されている。複数のディスク状回転体３２１は、それぞれがスリット状隙間３１２Ｇ内で３２３回転軸の回転に伴って上下動する。

ディスク状回転体３２１は、その偏心位置で回転軸３２３に固定されている。軸心方向で互いに隣接するディスク状回転体３２１は、回転軸３２３の回転に伴う上下動位相が一つのディスク３２１毎に１８０度異なっている。隣接する回転軸３２３間では、隣接するディスク状回転体３２１の上下動位相は同じである。回転軸３２３が、すべて同一方向に同速度で同期して回転するため、回転軸３２３が半回転する毎に、模式図内の左右に示した状態が交互に実現される。

浮遊性不適物と分解途中の発酵適物とを分別することは一般的には困難であるが、分離装置３００によれば、溶解せずに比較的大きいサイズを維持している不適物を選択的に除去することが可能である。発酵液Ｌは、分離装置３００の濾過部３１０の上方から濾過面３１１Ｓの入口側端部に向けて流し込まれる。入口側端部は、隙間自浄部３２０の回転方向の後方端部である。比較的大きいサイズを有する浮遊性不適物は、濾過部３１０と隙間自浄部３２０との隙間を通過せず、濾過面３１１Ｓにトラップされる。トラップされた不適物は、隙間自浄部３２０の回転によって濾過面３１１Ｓを回転方向の前方に移動し、所定の出口に向けて搬送される。分離された不適物は残渣汚泥ＲＣとして回収される。

分離装置３００では、隙間自浄部３２０が常時上下動しているため、濾過部３１０と隙間自浄部３２０との隙間が閉塞しにくい。一方、例えばメッシュタイプのスクリーンを用いると、メッシュが容易に目詰まりを起こす。

分解途中のサイズの小さい発酵適物を含む発酵液Ｌは、隙間自浄部３２０と濾過部３１０との隙間を通過し、貯留槽１７０または混合物１２０に分離液ＦＬとして回収される。

分離液ＦＬは、濾液ルートＲ４へ送らずに貯留槽１７０に回収してもよい。このとき分離装置３００と混合部１２０との間の濾液ルートＲ４に設けられたバルブＶ５は閉じられ、貯留槽１７０と分離装置３００との間に設けられたバルブＶ７が開かれる。貯留槽１７０に回収された分離液ＦＬは、第３ポンプＰ３の駆動力により回収ルートＲ５とバルブＶ８を通過させて原料入口１１６などから発酵槽１１０に戻すか、発酵槽１１０の状態を適正に維持するために廃棄してもよい。分離液ＦＬには、アンモニアなどの発酵阻害物質が蓄積されるため、逐次、部分的にメタン発酵システム外に排出することが望ましい。

分離液ＦＬを廃棄する際には、貯留槽１７０内の分離液ＦＬに凝集剤を混合し、凝集剤を含む発酵液Ｌを、脱水ルートＲ６とバルブＶ９を通過させて脱水装置１８０に送り、残渣汚泥と脱水濾液に分離してから廃棄すればよい。

分離装置３００は、液中浮遊物の除去だけでなく、発酵槽１１０内の発酵適物の分解状態を確認する際にも利用できる。発酵の立ち上げ時、定常運転時などには、発酵槽１１０の内部を目視で確認することは困難であるが、分離装置３００によれば発酵液中の適物の消化分解状態を濾過面３１１Ｓに残る浮遊性不適物を目視して明確に把握することができるため、原料廃棄物Ｃの供給量の制御が容易になる。

図５に、原料廃棄物Ｃを分別するための前処理装置の一例の構成を示す。前処理装置２００は、外部から導入される廃棄物Ｃ１を移送する第１搬送装置２１０と、第１搬送装置２１０から供給される廃棄物Ｃ１を破砕する破砕機２２０と、破砕機２２０で破砕された破砕廃棄物Ｃ２を移送する第２搬送装置２３０と、分別機２４０とを具備する。

第１搬送装置２１０は、例えば、ベルトコンベアであり、連続的に装置系内に導入される廃棄物Ｃ１の一定期間内の供給量を均等化して破砕機２２０に供給する。破砕機２２０は、例えば、二軸破砕機であり、加水分解に適さない大型の有機物を含む固形廃棄物を細かく破砕し、分別機２４０での処理に適した大きさになるように破砕前処理をする。第２搬送装置２３０は、例えば、ベルトコンベアであり、破砕された固形廃棄物を含む破砕廃棄物Ｃ２の一定期間内の供給量を均等化して分別機２４０に供給する。

分別機２４０は、どのような構成でもよいが、例えば複数の孔を有するメッシュ、パンチングメタルなどの多孔シートで構成された円筒型のドラムとドラム内に設けられた回転破砕刃とを有する。破砕廃棄物Ｃ２は、ドラム内に導入される。破砕廃棄物Ｃ２のうち、多孔シートの孔径よりも小さい固形物は、ドラム内を流通する風力と遠心力によりドラム外に放出される。放出された固形物は、適正な含有量の発酵適物を含む原料廃棄物Ｃとして回収される。布、プラスチックシートなどの軽比重物および金属などの高比重物は発酵不適物ＮＣとして、ドラム内から回収される。

上述した実施形態は本発明の一態様であり、その記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成や制御態様は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１０：メタン発酵システム
１００：メタン発酵装置
１１０：発酵槽
１１１：上部吹出口
１１１Ａ：第１吹出口Ａ
１１１Ｂ：第２吹出口Ｂ
１１２：液中吹出口
１１２Ｃ：第１吹出口Ｃ
１１２Ｄ：第２吹出口Ｄ
１１３：第一底部出口
１１４：第一吐出口
１１５：蒸気入口
１１６：原料入口
１１７：スクレイパ（掻き寄せ排出機構）
１２０：混合部
１２１：混合容器
１２２：攪拌羽
１２３：第二底部出口
１２４：第二吐出口
１７０：貯留槽
１８０：脱水装置
２００：前処理装置
２１０：第１搬送装置
２２０：破砕機
２３０：第２搬送装置
２４０：分別機
３００：分離装置
３１０：濾過部
３１１Ｓ：濾過面
３１２Ｇ：スリット状隙間
３１５：帯状部
３２０：隙間自浄部
３２１：ディスク状回転体
Ｃ１：廃棄物
Ｃ２：破砕廃棄物
Ｃ：原料廃棄物
ＮＣ：発酵不適物
Ｌ：発酵液
ＦＬ：発酵液（濾液）
Ｓ：流動物
ＲＣ：残渣汚泥
Ｐ１～Ｐ３：第１～第３ポンプ
Ｒ１１：第１引き抜きルート
Ｒ１２：第２引き抜きルート
Ｒ２：投入ルート
Ｒ３：循環ルート
Ｒ４：濾液ルート
Ｒ５：回収ルート
Ｖ１～Ｖ９：バルブ
Ｔ１：第一分岐部
Ｔ２：第二分岐部

Claims

バイオガスを発生させる発酵液を収容するとともに、発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させる発酵槽と、
前記発酵槽の下方より前記発酵液を循環液として引き抜いてから前記発酵槽に戻す循環ルートと、
前記発酵槽内の前記発酵液の液面よりも上方から前記循環液を放出して、前記発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる上部吹出口と、
前記発酵槽内の前記発酵液の液面よりも下方から前記循環液を放出して、前記発酵液の前記上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる液中吹出口と、を具備し、
前記上部吹出口が、第１吹出口Ａと第２吹出口Ｂとを有し、
前記第１吹出口Ａから放出される前記循環液により発生する水平方向の旋回流と、前記第２吹出口Ｂから放出される前記循環液により発生する水平方向の旋回流とが、上方から見たときに逆方向であり、かつ、前記第１吹出口Ａからの前記循環液の放出と、前記第２吹出口Ｂからの前記循環液の放出と、を切り替え可能に構成され、
前記液中吹出口が、第１吹出口Ｃと第２吹出口Ｄとを有し、
前記第１吹出口Ｃから放出される前記循環液により発生する水平方向の旋回流と、前記第２吹出口Ｄから放出される前記循環液により発生する水平方向の旋回流とが、上方から見たときに逆方向であり、かつ、前記第１吹出口Ｃからの前記循環液の放出と、前記第２吹出口Ｄからの前記循環液の放出と、を切り替え可能に構成されている、メタン発酵装置。
前記上部吹出口からの前記循環液の放出と、前記液中吹出口からの前記循環液の放出と、を切り替え可能に構成されている、請求項１に記載のメタン発酵装置。
（i）発酵液を収容する発酵槽内で発酵適物の加水分解、酸発酵およびメタン発酵を進行させてバイオガスを発生させる工程と、
（ii）前記発酵槽の下方より前記発酵液を循環液として引き抜く工程と、
（iii）前記発酵液の液面よりも上方に位置する上部吹出口から前記循環液を放出して前記発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる工程と、
（iv）前記発酵液の液面よりも下方に位置する液中吹出口から前記循環液を放出して前記発酵液の前記上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる工程と、
（v）前記発酵液の上層に水平方向の旋回流を発生させる工程において発生させる旋回流の向きを変更する工程と、
（vi）前記発酵液の前記上層よりも下方の中間層に水平方向の旋回流を発生させる工程において発生させる旋回流の向きを変更する工程と、
を具備する、メタン発酵方法。
前記上部吹出口から前記循環液を放出する工程（iii）と、前記液中吹出口から前記循環液を放出する工程（iv）と、を切り替える工程を有する、請求項３に記載のメタン発酵方法。
有機物を含む固形廃棄物を前記発酵槽内に導入し、前記固形廃棄物を前記発酵適物として利用する、請求項３または４に記載のメタン発酵方法。