JP7278535B2 - メタン発酵槽内における堆積物の堆積状態の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、メタン発酵槽内における堆積物の堆積状態の推定方法に関する。

下水汚泥のような有機物を含有する廃水を処理してメタンガスを回収することを目的として、有機物を含有する廃水をメタン発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理するメタン発酵法が行われている。

メタン発酵槽内には、砂、小石、ビニール片、木くずなどが流入し、それらが槽内で堆積物となる。これらの堆積物はメタン発酵槽のデッドスペースとなり、発酵槽の有効体積を減少させ、処理効率が悪化する。メタン発酵槽がこれらの堆積物を除去するための引き抜き管等の設備を有していても、除去できない場合がある。このような場合は、メタン発酵槽の運転を停止し、メタン発酵槽を開放して清掃する必要がある。
しかしながら、このような清掃作業には多大な労力が必要であり高いコストを要するため、その清掃時期を見極めるために堆積物の状態を把握する必要がある

特許文献１には、発酵槽内に堆積物検知用の温度計を設置し、その温度の指示値と別途設置してある液温温度計の指示値とを比較して堆積物の有無を検知する方法が記載されている。この方法では、発酵槽内に堆積物検知用の温度計を設置しているが、この温度計が堆積物の堆積を助長する可能性がある。また、この方法を既設の発酵槽に適用するためには、タンク本体の改造が必要になる。
特許文献２には、圧力式の深度計を用いて、メタン発酵槽内の堆積物の液面までの深さを推定するものである。この方法は槽内に深度計を入れ、さらにそれを深さ方向に移動させる必要があるため、槽内にセンサを落下させてしまうリスクがある。また、メタン発酵槽に開口部を設ける必要があり。そこからメタンガスが漏洩するというリスクもある。
非特許文献１には、超音波センサを用いて、超音波センサの送波器により超音波をメタン発酵槽側面に向け発信し、その反射波を受波器で受信することにより、メタン発酵槽内の堆積物の堆積状態を測定する方法が記載されている。しかしながら、この方法は、超音波センサの取り扱い（タンク面への当て方）や反射波形の解釈についての熟練した技術を必要とする。

特開２０１４－１５９００５号公報 特開２０１５－８５３０９号公報

「月刊下水道」 Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．６、ｐ７９～８３

本発明は、メタン発酵槽のタンク内部の改造やタンク内にセンサを入れる必要がなく、また、熟練した技術を必要としない、メタン発酵槽内における堆積物の堆積状態の推定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は以下に記載するとおりのものである。
（１）保温材によって保温されたメタン発酵槽の側面の保温材を部分的に除去して、メタン発酵槽の側面を露出させて露出面を形成し、
前記露出面が視野に入る位置に赤外線カメラを配置し、
前記露出面を加熱又は冷却して、露出面に温度変化を生じさせ、
前記温度変化によって生じた前記露出面の温度分布の経時的変化を赤外線カメラで測定し、
前記温度分布の経時的変化のデータに基づいて、前記メタン発酵槽の前記露出させた側面の内側における被処理液が存在する領域と堆積物が存在する領域との境界の位置を判断することにより、
メタン発酵槽内の堆積物の堆積状態を推定する方法。
（２）前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面を加熱手段によって加熱する方法である、上記（１）に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
（３）前記加熱手段が赤外線ヒータである、上記（２）に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
（４）前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面を冷却手段によって冷却する方法である、上記（１）に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
（５）前記冷却手段が送風機である、上記（４）に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
（６）前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面の自然放冷である、上記（１）に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。

本発明によれば、メタン発酵槽のタンク内部の改造やタンク内にセンサを入れる必要がなく、また、熟練した技術を必要とすることなく、メタン発酵槽内における堆積物の堆積状態を推定することができる。

図１は、本発明を実施するためのメタン発酵槽の一例を示す図である。 図２は、本発明の実施形態の一つを示す図である。 図３Ａ～Ｃは、赤外線カメラで観測したメタン発酵槽の側面の温度部分布の変化を示す図である。堆積物が最下部に設置された側面温度計の位置まで堆積した状態のメタン発酵槽を示す。 図４は、本発明の実施形態の一つを示す図である。 図５は、本発明の実施形態の一つを示す図である。

メタン発酵槽の全体の構成を図１に基づいて説明する。
メタン発酵槽１には、下水処理場で発生する汚泥又は食品廃棄物、畜産由来の糞尿等のバイオマスを含む被処理液４が投入される。
メタン発酵槽１内に投入された被処理液４はメタン発酵槽１内で撹拌装置５によって撹拌される。メタン発酵槽１内の被処理液４はメタン発酵槽１の側面２の下部から配管８を通ってポンプにより取り出され、加温装置７により、発酵に適した温度に加温される。加温された被処理液４は配管９を経てメタン発酵槽１に返送される。撹拌装置５によって被処理液４が撹拌され、メタン発酵槽１内の被処理液４ の温度が均一に保たれている。

このようなメタン発酵槽１の缶体高さは１０ｍ以上３０ｍ以下で、直径（水平方向の断面が多角形の場合は、内接円の直径）は１０ｍ以上３０ｍ以下であることが一般的である。
メタン発酵槽は、低温発酵においては温度２０℃付近で滞留時間３０～６０日、中温発酵においては温度３７℃付近で滞留時間２０～３０日、高温発酵においては温度５５℃付近で滞留時間７～２０日程度で運転される。

メタン発酵槽１の運転を継続すると、図１に示されるように、底面３に堆積物１０が堆積する。堆積物１０がある一定量以上に堆積すると、堆積物１０を除去する必要がある。
堆積物１０を除去する方法としては、メタン発酵槽１の下部に設けられた引き抜き配管６からポンプＰによって抜き出す方法や、メタン発酵槽１を開放して清掃する方法等がある。

本発明は、メタン発酵槽１の側面２の温度変化の様子からその面の内側に被処理液が存在するのか、堆積物１０が存在するのかを判断するものである。
メタン発酵槽１内では被処理液は撹拌されているため流れが生じる。一方、堆積物１０は固体であり、流動性がない。
このため、メタン発酵槽１の側面に熱的変化すなわち温度変化を与えた場合、流動性のある被処理液４に接している部分と流動性がない固体部分の堆積物１０に接している部分とでは、熱の伝達量に差が生じる。すなわち、液体である被処理液４に接している部分の方がより多くの熱の受け渡しが生じることから、被処理液４に接している部分の方が熱的変化を与える前の状態に戻るのが早い。逆に、固体である堆積物１０に接している箇所は熱的変化を与える前の状態に戻るのが遅くなる。したがって、槽外面の温度変化の様子からその内部が堆積物１０であるか否かを判断することが可能となる。さらに、温度変化を赤外線カメラ２０を用いて画像で観察すれば、温度変化の様子が画像としてとらえられるため、熟練を要することなく判断ができ、堆積物１０の状態が推定可能となる。

本発明は、堆積物１０を除去する時期を、メタン発酵槽１の側面２から赤外線カメラで温度変化を観察し、堆積物１０の最大高さを推定することによって決定する点に特徴を有する。
本発明の実施形態を以下で説明する。
いずれの実施例においてもメタン発酵槽１を稼働させた状態で赤外線カメラ２０でメタン発酵槽１の側面２を観察する。

［実施形態１］
実施形態１を図２に基づいて説明する。
メタン発酵槽１の側面２には保温材１１が設けられている。
まず、この保温材１１の一部を除去して側面２の一部を露出させ、この露出面２ａが視野に入る位置に赤外線カメラ２０を配置する。
赤外線ヒータ１２などの加熱手段で露出面２ａの赤外線カメラ２０の視野領域を加熱した後、赤外線カメラ２０で赤外線カメラの視野内における温度分布を観察する。

図３Ａ～Ｃは赤外線カメラ２０で測定した視野領域内の温度分布を経時的に示したものである。
図３Ａは視野領域を均一に加熱した直後の温度分布を示す図であり、温度分布は均一となっている。
図３Ｂは一定時間経過後の温度分布を示す図である。

メタン発酵槽１内の被処理液４は撹拌機５によって撹拌されており、被処理液４は流動しているが、堆積物１０は流動しない。このため、露出面２ａへの熱伝達量は被処理液４の方が堆積物１０よりも多いため、被処理液４に接する部分から加熱前の状態に戻る、すなわち、温度が低下し始める。一方、堆積物１０に接する部分は加熱前の状態に戻るのが遅い、すなわち、温度の高い状態が、被処理液４に接している部分より長くなる。このため、図３Ｂに示すように、被処理液４は温度が低く（色が薄く）なり、堆積物１０は温度が高く（色が濃く）なる。
図３Ｃは更に時間が経過した時の温度分布を示す図である。
被処理液４と堆積物１０の境界付近Ｂでは一時的に平衡状態となるため温度変化が停滞する。この時の温度分布の境目の位置を堆積物１０の高さと推定することができる。

［実施形態２］
実施形態２を図４に基づいて説明する。
実施形態２では保温材１１の一部を除去して側面２を露出させ、露出面２ａに送風機１３により空気を送風して空気の流れ１４により露出面２ａを冷却する。露出面２ａの温度が所定の温度にまで低下した後、送風機１３による送風を停止する。冷却した露出面２ａは被処理液４によって加熱されて徐々に温度が上昇していく。赤外線カメラ２０を用いて、この露出面２ａの赤外線カメラの視野内における温度分布を観察する。

被処理液４は撹拌機５によって流動しているが、堆積物１０は流動しないため、熱伝達量は被処理液４の方が堆積物１０よりも多いため、被処理液４に接する部分から冷却前の状態に戻る、すなわち、温度が上昇し始める。このため、被処理液４に接する部分は温度が高く、堆積物１０に接する部分は温度が低い状態が生じる。
そして、被処理液４と堆積物１０の境界付近Ｂでは、一時的に平衡状態となるため温度変化が停滞する。この時の温度分布の境目の位置を堆積物１０の高さと推定することができる。

［実施形態３］
実施形態３を図５に基づいて説明する。
実施形態３では保温材１１の一部を除去して側面２を露出させる。
実施形態１、２では露出面２ａを強制冷却するか加熱してその温度変化を観察したが、実施形態３では露出面２ａを自然冷却させる。
メタン発酵は中温発酵法では３７℃～４０℃で、また、高温発酵法は５５℃付近で運転されており、保温材１１を除去して露出させた直後の露出面２ａは室温より高い温度となっている。
このため、露出面２ａは自然冷却により温度が低下していく。この温度変化を赤外線カメラ２０で観察する。

被処理液４は撹拌機５によって流動しているが、堆積物１０は流動しないため、熱伝達量は被処理液４が堆積物１０よりも多い。このため、被処理液４に接する部分はメタン発酵槽１内部から熱が供給されるため、被処理液４に接する部分は温度低下が小さく、堆積物１０に接する部分は内部からの熱の供給が被処理液４に接する部分より少ないため温度低下が大きくなる。そして、被処理液４と堆積物１０の境界付近Ｂでは平衡状態となり、温度分布に境界が生じる。この時の温度分布の境目を堆積物１０の高さと推定することができる。

１：メタン発酵槽
２：メタン発酵槽の側面
２ａ：メタン発酵槽の側面の保温材１１を除去した露出面
３：メタン発酵槽の底面
４：被処理液
５：撹拌装置
６：引き抜き配管
７：加温装置
８，９：配管
１０：堆積物
１１：保温材
１２：赤外線ヒータ
１３：送風機
１４：空気の流れ
２０：赤外線カメラ
Ｂ：被処理液と堆積物との境界
Ｍ：モータ
Ｐ：ポンプ

Claims (6)

1. 保温材によって保温されたメタン発酵槽の側面の保温材を部分的に除去して、メタン発酵槽の側面を露出させて露出面を形成し、
   前記露出面が視野に入る位置に赤外線カメラを配置し、
   前記露出面を加熱又は冷却して、露出面に温度変化を生じさせ、
   前記温度変化によって生じた前記露出面の温度分布の経時的変化を赤外線カメラで測定し、
   前記温度分布の経時的変化のデータに基づいて、前記メタン発酵槽の前記露出させた側面の内側における被処理液が存在する領域と堆積物が存在する領域との境界の位置を判断することにより、
   メタン発酵槽内の堆積物の堆積状態を推定する方法。
2. 前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面を加熱手段によって加熱する方法である、請求項１に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
3. 前記加熱手段が赤外線ヒータである、請求項２に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
4. 前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面を冷却手段によって冷却する方法である、請求項１に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
5. 前記冷却手段が送風機である、請求項４に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
6. 前記露出面に温度変化を生じさせる方法が、前記露出面の自然放冷である、請求項１に記載の堆積物の堆積状態を推定する方法。
   
   

Images