JPS5939518Y2 - メタン発酵装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、活性汚泥法や散水濾床法等好気性の下水廃水
等の生物学的処理設備から排出される余剰汚泥、家庭厨
芥や残飯等都市ゴミ中の生ゴミ、紙パルプや古紙再生業
界から排出される木屑や紙パルプ繊維等の廃棄物、林・
水産や農・畜産業等−次産業から排出される有機廃棄物
、人間や動物等の糞尿、食品工業界等から排出される有
機廃棄物等各種の有機系廃棄物を嫌気性条件下でメタン
発酵させる装置に関し、特に加温および攪拌エネルギー
を必要としない上記メタン発酵装置に関する。

従来、有機系廃棄物をメタン発酵させるには、該廃棄物
を水系においで該廃棄物濃度が約３０００〜３００００
ｐｐｍ （！ｌ：なるように調整してメタン菌群と混合
させ、３０〜３８℃または５０〜６０℃に加温し、かつ
充分に攪拌してメタン発酵させ、発生したメタンガスを
気相中で回収し、メタン菌群を含む液中の固形物をメタ
ン発酵槽の内部または外部で液中から分離し、液分は水
質放流規制により再度何等かの処理をした後系外へ放流
し、メタン菌群を含む固形物は一旦回収し、再度上記廃
棄物を含む水系へ戻してメタン発酵に使用すると共に、
余剰に発生した固形物は余剰分に見合った分だけ系外へ
取り出し、脱水の後、焼却等の別途手段で処分するとい
う工程をつなぎ合わせ、メタンガスを連続的または間歇
的に発生させることにより行なわれていた。

しかしながら、上記従来のメタン発酵技術では、（１）
加温エネルギーが多大であり、燃焼ガスとしてのメタン
ガス回収の意義が稀薄であること、（２）メタン菌群を
含む固形物分離後の液分の再処理設備が多大であること
、 （３）メタン菌群を含む固形物の余剰分の後処理工程が
煩雑であること、 （４）メタン発酵を水槽で行うため、液の攪拌に多大の
エネルギーを要すること、 等の欠点があった。

本考案は、上記の欠点を解決するためになされたもので
、実質上密閉に保持され嫌気性を維持された容器内部の
鉛直方向の中心より下一部に振動あるいは可動スクリー
ン又はネット状物を設けて前記容器内部を水平面全体で
区切り、該区切りの−Ｌ部に原料有機系廃棄物投入手段
とガス排出口を設置し、該区切りの下部にメタン発酵後
の有機系廃棄物の排出手段と、前記ガス排出Ｆ−１から
取出されるガスの一部を流入させるガス流入口を設置し
てなる、有機系廃棄物の含水状固形物を固形状を維持し
つつ中空中でメタン発酵させうるようにしたメタン発酵
装置に関するものである。

以下、添付図面を参照して本考案装置を詳細に説明する
。

第１図は、本考案装置の一具体例を示す概念図である。

以下、本考案装置を操作態様に沿って説明する。

第１図において、各種の有機廃棄物は、ライン１から混
合器２に投入され、必要にＩＩｉじてライン３から供給
される水により含水率９０〜９２％程度に調整され、カ
ッター付の混練機４にでカニ状になる迄練り混ぜられる
。

カニ状となった上記廃棄物は、ガイドパイプ５で覆われ
たスクリューポンプ６にで本考案に係るメタン発酵槽本
体７に投入される。

該メタン発酵槽本体７は、外気と完全に遮断され、充分
な１斬熱材（図示せず）にて囲まれ、該本体７の鉛直方
向の中心より下部に振動あるいは可動スクリーン又はネ
ツＩ・状物（ここではネツ１−状物を示す）１０１が設
けられ、該本体７内部が水平面全体で区切られている。

上記カニ状廃棄物は、上記のネット状物１０１トに後述
する■〜■の層から構成されたベッド８トに落下し、該
ベッド８にて、腐敗、低分子化、メタン発酵、肥料化の
全ての段階を経て処理される。

該ベッド８には熱供給手段９が設置されても・す、必要
に応じてメタン発酵に要する加温エネルギーが供給され
るが、このベッド８の場合、運転起動待以外は、上記廃
棄物による発酵熱にて該エネルギーの大部分は充分維持
される。

なお、上記熱供給手段９どしては、例えば伝熱性お・よ
び耐蝕性の良い材質で構成されたパイプの内部に５０〜
６０℃程度の温水を流したり、絶縁材で被覆されたニク
ロム線等を挿入して電流を通じる等の方法が採用される
。

また、該ベッド８に振動又は可動バー１０を設訳し、例
えば１目１［ｉうｌｌＯ分程度激しく振動させるか、動
かして該ベッド８内の固形物を均一化させたり、上記の
各段階を経た固形物を該ベッド８から落下させる等の作
用を施こす。

上記のベッド８で生成したメタンガスは、炭酸ガス、水
蒸気等と共にガス排出口１１から取り出され、別途設置
された凝縮器（図示せず）にて水蒸気等の凝縮器が除去
された後回収され、該同収ガスの一部はガス流入ｒ−１
１２から再びメタン発酵槽本体７内に導入され、該槽内
部の水蒸気等の除去に使用される。

なお、上記凝縮器にで除去された凝縮器は良質な水であ
り、一部をライン３へ盾環使用することもできるし、そ
のまま放流しても問題はない。

一方、上記のベッド８でメタン発酵を終え、堆肥化した
固形物は、上記の振動又は可動バー１０の作用によりベ
ッド８から中空を落下し、メタン発酵槽本体７の底部に
堆積し、スクリューポンプ１３により搬出され、通路１
４、電磁弁１５を経て、貯留用ホッパ゛−１６へ送られ
る。

このスクリューポンプ１３は、第１図のＸ−Ｘ線断面図
である第２図に示すように、メタン発酵槽本体７の底部
に設けられた複数のミゾ状部に複数個設置される。

第２図中矢印は該スクリューポンプ１３の回転方向を示
す。

また、上記の貯留用ホッパー１６は、メタン発酵槽本体
７の外気流入を防ぐために、外気と遮断する必要があり
、しかも、上記の固形物に伴なって流入しで来る爆発生
のメタンガスを除去するためにライン１７から窒素また
は炭酸ガスを流し、該ガスの流れに乗せて」−記メタン
ガスをラインガスをライン１８から排気させ、前記の回
収ガスに混合させる。

該貯留ホッパー１６内の固形物を外部へ取り出すには、
１−記の電磁弁１５およびライン１７．１８を閉じ、該
ホッパー１６の下部に設けられた電磁弁１９を開けて行
なわれる。

このような操作を行なうことにより、メタンガスが爆発
する危惧も・よびメタン発酵槽本体７へ外気が流入する
危惧を防ぐことができる。

以上のメタン発酵槽本体７底部の堆積固形物をスクリュ
ーポンプ１３により搬出することから、貯留用ホッパー
１６内の固形物を電磁弁１９により取り出ず迄の操作は
、１目１同必要時間だけ行なえばよい。

なお、第１図中２０はスクリューポンプ６．１３をメタ
ン発酵槽本体７に取り付けるための軸受でメタン発酵槽
本体７内へ外気が入るのを防ぐために、メカニカルシー
ルが施こされており、また２１は減速機、２２はモータ
ーである。

次に、■〜■の層から構成されるベッド８について詳細
を説明する。

■の層には腐敗菌が繁殖してお・す、該腐敗菌は、スク
リューポンプ６にて導入され該層の上部に中空を落下さ
れる廃棄物中に移り住み、次式で表わされる腐敗作用す
なわち酸発酵または低分子化反応と呼ばれる生化学反応
を生起する。

上記の腐敗作用で生じる生化学反応熱により、上記廃棄
物は、例えば含水率が９０〜９２％程度なら５〜８℃の
温度上昇があり、しかも熱供給手段９により加温され、
更にガス流入し１１２から導入され上テア化で来るガス
により、水分が水蒸気としで奪われて含水率を低下させ
る。

この水蒸気は前記したようにベッド８で発生ずるメタン
ガス排出「１１１から取り出される。

上記の■の層は、後述する機構により少しづつ下降し、
該■の層そのものがＨの層となる。

Ｈの層にはメタノザルシナ（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｌｃｉ
ｎａ）属、メタノコツカス（Ｍｅｔｈａｎｏｃｏｃｃｕ
ｓ）属、メタノバクテリウム（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔ
ｅｒｉｕｍ）属等に所属する各種メタン菌が単独または
複数種繁殖しても・す、該メタン菌群は上記の■の層か
ら新しくＨの層へ移行した廃棄物中へ移り住み、熱供給
手段９による加温わよび上記■の層からの生化学反廐熱
により、上記メタン菌群の快適な環境が与えられ次の式
で表わされるメタン発酵を生起する。

低級有機酸−→炭酸ガスとメタンガス 低級アルコール（グリセリンを含む） −→炭酸ガスとメタンガス 惧し、上記の反応に４５・いて水も生成される。

この■の層にお・いて、廃棄物は、上記■の層で例えば
含水率が９０〜９２％であったものが８６〜８７％に低
下され、また上記■の層で多量に含有していた繊維質等
の高分子化合物が殆んど消失されて、縮小し、ミイ・ラ
ル分を中心とする果粒化を生起し始める。

該果粒化が更に進んで２〜５ｍｍ程度の粒子となり、該
粒子中に上記の式で生成されるアンモニアが吸収される
。

また、上記の式で生成されろ水および上記廃棄物中の水
分は、ガス流入「１１２から導入され上昇して来るガス
（乾燥状態）に水蒸気としで奪われ、上記したようにガ
ス排出口１１から取り出される。

そして廃棄物の含水率は７５・へ−８０％に低下する。

上記のＨの層も、後述する機構により下降して該Ｈの層
そのものが■の層となる。

■の層には、上記の含水率が７５〜８０％でアンモニア
を充分に１汲収したミネラル分を中心とする粒子すなわ
ち良好な堆肥化物のみが存在し、ここで該堆肥化物は更
に低含水率化が進み、振動又は可動バー１０を作動させ
れば、直ちにメタン発酵槽本体７の底部へ中空を落Ｆで
きる状態になる。

この堆肥化物が■の層から落下すると、■、■の層はそ
の分だけ下部へず゛れることになる。

この機構により、これ迄の１の層がＨの層へ、Ｈの層が
■の層へとそれぞれ転換することになる。

そして、■の層は、スクリューポンプ６により導入され
る未処理の廃棄物にて新しく構成される。

なわ・、メタン菌群は■の層へはその環境上あまり多く
進出することができず、また腐敗菌はＨの層ではもはや
自から好みとする原料がないため進出することがなく、
従って、Ｉ、 ＩＩの層の間に明確な区分はないにし
ても、おれ・よその区分は自然発生的に生じる。

更に、腐敗菌お・よびメタン菌群は、それぞれの原料と
なるものが豊富に存在する部分を追って上方へ上方へと
繁稙して行く。

以卜の説明から明らかなように、本考案装置にも・いで
は、ベッド８の上部はメタン発酵で生成する蒸気を含む
メタンガスと炭酸ガス等で充満し、ネット状物１０１の
下部はガス導入管１２から導入される乾燥メタンガスで
充満し、装置全体は水槽ではなく気相（二保持され、該
装置の中空中で有機系廃棄物の含水状固形物が固形状を
維持しつつメタン発酵されるのである。

次に、実施例を挙げて本考案装置の効果を具体的に説明
する。

〔実施例〕

装置は第３図に示すように構成した。

第３図にも・いて、１，１′は軟質ゴｌ、製の管で、１
は有機系廃棄物（以下、原料と記す）導入管、１′はメ
タン発酵後の固形物排出管、２，２′はピンチコック、
３，３′はガラス製の管で、３は原料導入管、３′はメ
タン発酵後の固形物排出管、４は温水流入管、５は温水
排出管、６はゴム栓（該ゴム栓６と出入する管類との間
は合成樹脂系接着剤で固定密着させる）、７は発泡ウレ
タンの断熱材、８は先端が蛇管となっている発生ガス取
出し管、９は凝縮質、１０は冷却水流入管、１１は冷却
水排出管１２は凝結水受器、１３は凝結水抜出しコック
、１４はガス［す１収ライン、１５は飽和食塩水が人っ
ている回収ガス貯槽、１６は飽和食塩水流出管（同収ガ
ス量に応じて飽和食塩水を流出させる）、１７はメスシ
リンダー製の飽和食塩水貯槽、１８は回収ガスの店屋ラ
イン、１９はギアヘッドにより流量調節可能の容積式ブ
ロワ、２０は回収ガスの導入管、２１は５ＵＳ３１６製
の温水循環薄肉管（温水流入管４および温水流出管５と
連結している）、２２および２２′は５ＵＳ３１６製の
極細針金網（該網２２および２２′間の距離は大体３
ｍｍ） 、２３は手動またはパイフルーターによる振動
バー（矢印方向に振動可能）、２４はガラス管、２５は
軟質ゴム管またはベローズ（ガラス管２４と振動バー２
３とを密接させる）、２６は含水状の固形物ベッド（詳
細は後述する）、２７はメタン発酵槽本体のＬ部、２８
はメタン発酵槽本体の下部、２９は網２２と２２′に取
付けられた金具（網２２．２２’と振動バー２３とを、
または網２２．２２’とメタン発酵槽本体のＬ部２７モ
・よび下部２８とをそれぞれ固定する）、３０はマノメ
ーター（循環ライン１８から導入されるガスのベッド２
６による作力損失を計測する）、３１はガラス管３２は
ゴム管、３３は温度センサー（ベッド内部の温度を計測
する）、３９はリード線（センサー３３からの電気信号
を伝える）、３４はジョウゴ（飽和食塩水貯槽１７内の
食塩水を同収ガス貯槽１５へ戻ず際に使用する）、３５
はコック、３６はガラス管、３７はコック、３８は同収
ガスの採取ライン（ガスバーナ等の利用系へ連結してい
る）である。

なお、第３図に示ず装置は実装置の約５０分の１で、１
：、要部の寸法は次の通りとした。

メタン発酵槽本体（土部２７と下部２８とを結合した状
態）・・・・・・内径３００ｍｍφ×高さ３００ｍｍの
１１１筒状固形物ベツド２６（Ｅつの層の全体）・・・
・・・３００ ｍｍφ×高さ８０ｍｍの川筋状 温水循環薄肉管２１・・・・・・伝熱面積約３００ｃｍ
２凝縮器９・・・・・・外形寸法５０ｍｍφ×長さ４０
０ｍｍ伝熱面積約５００ｃｍ２ 凝結水受器１２・・・・・・目盛部分の容積１１回収ガ
ス貯槽１５・・・・・・飽和食塩水が人っている部分の
平均値は６０ｎ （最小値 ２０Ａ、最大値１００ Ａ ） 空間部分すなわち回収ガス 貯留部分の平均値は６０１（最 小値２０ｐ、最大値１００ 、ｆｆ ） 飽和食塩水貯槽１７・・・・・・５ｐのメスシリンダー
または３０ｐのバケツ ブロワ１９・・・・・・１５１／分と３０１／分の２種
、タイマーで作動時間を制御。

先ず、網２２．２２’上へ、下水消化汚泥を約１ｃｍ程
度に砕１斬した水苔に混合して網２２．２２’から下部
へ落ちない程度の含水率となるように該水苔を増減させ
たものを用い約４ ｃｍのベッドを作る。

この上へ、砕断した残飯と砕１新した水苔と消化汚泥と
を混合して手で握って水かにじみ出ない程度の含水率と
したものを約４ｃｍ乗せる。

金網２２．２２’の下とベッド２６の−Ｌは中空に維持
できる。

次いで、装置内部を炭酸ガスで充満させ、空気を追い出
す。

約１０［１間、導入管１から針のない注射器等で水分の
みをメタン発酵槽本体内に注入しながら、装置が完全に
動くように調整し、上記のベッドが弾性のあるものに変
化するのを待つ。

この間、メタン発酵槽の底部に落下する物を排ＬＰ１管
３’、 １’から積極的に除去する。

上記ベッドは１０１１間で約５ｃｍ迄低下した。

その後、必要にＩ芯じて温水流入管４より５０℃の温水
を流入させ、上記ベッドの平均温度を３５℃に維持させ
ながら、原料として破砕残飯と下水消化汚泥の二種類を
それぞれ別々に用い、表１の負荷（定星）条件にて、上
記の装置を４つ併設して併行実験を約２ケ１１問それぞ
れ同じ運転条件で行なった。

なわ・、原料の投入方法は、原料を別の客語に客語にて
ミキサーで充分破砕したものを針のない大型の注射器で
ゴム製の原料導入管１、ピンチコック２わ・よびガラス
製の原料導入管３を操作して注入する方法で行った。

＊ １週間の平均値 ＊＊ 投入水分量に兄合う凝結水受器１２内の凝結水が
、１週間の平均値として得られるように間欠運転のタイ
マーを七ノトシた。

なお・、水蒸気が不足気味、過剰気味の時はタイマーセ
ット値を緊急変更した。

なお・、Ｌ記ベッドの合本率状況は、経験的マノメータ
ー３０にて知ることができた。

以上の結果を表２〜表４に示す。

また、 上記のベッドの部分を本考案装置にお・けるメタン発酵
槽の正味量 （Ｎｅｔ） としで、 従来の メタン発酵槽の正味量（Ｎｅｔ）と比較した場合の負荷
条件を表５に示す。

なお、本考案装置の負荷条件は上記表１の負荷条件を換
算したものである。

上記表５から明らかなように、本考案装置のテスＩ□
Ｎｏ、 １−２ 、 ２−２では従来のものよりかなり
高い負荷となっているが、上記表２に示すように充分な
回収ガス量が得られ、このことは本考案装置によれば従
来のものに比べて装置を非常に小型化できることを意味
している。

因みに上記表５の欧州ハイレート法に比較しで、本考案
装置では装置を２／３〜１／２に縮小することができる
。

次に、上記表２〜表４についての考察を行なう６（１）
表２の回収ガス量について： 原料中の純有機物当りの回収ガス量は、テストＮｏ、１
−２． ２−２においで従来のものとほぼ同量が得られ
でおり、また回収ガス中のメタン濃度も従来のものと大
差がない。

従って、表５に示すように本考案装置では、従来のもの
に比べてかなり高負荷であっても、従来のものと同量の
ガス発生があり、装置の小型化の面で大きなメリツＩ・
がある。

また、テスｈＮｏ、１−１． ２１のように負荷を従来
のもの並に下げた場合は、かなり大量のガスが回収でき
る。

（２）表３の回収凝結水の水質について：何らの後処理
をすることなく、このまま雑用水として利用可能である
。

また、ＮＨ３戊分が若干含まれでいるので、わずかの塩
素酸化を施こせば、完全に無害となる。

（３）表４の回収堆肥化物の組成について：肥料取締法
の肥料基準に合格し得るものであり、しかも、有機物：
Ｎ：Ｐのバランスが良く、良好な有機肥料である。

なお、上記のベッド（厚さ８０ｍｍ）のｒＩ；力損失は
、１０〜２０ｍｍＡｑであるので、実装置で約５０倍の
５００〜１０００１００Ｏであって、従来の発酵椿でガ
ス攪拌を行なう場合のプロ「ノ圧１〜１．５Ｋｇ／ｃｍ
２Ｇに比べて非常に低圧であり、ブロワ等の機器の選択
が有利である。

以−Ｌ説明した本考案装置による効果をまとめると次の
ようになる。

（１）高負荷で運転できるため生化学反応熱が多量であ
り、しかも原料の含水率が従来の１１５〜１／１０とな
っていることと合わせで、運転起動時を除くと加温エネ
ルギーが少なくて済むか、高カロノー原料の場合は全く
必要としない。

（２）凝結水すなわち最終的な処理水は後処理が不要で
、そのまま再利用することができる。

（３）余剰に発生する固形物すなわち余剰スラッジは低
音水率の良好な堆肥化物であり、沈降分離や脱水工程を
全く必要とせず、そのまま良質の有機肥料として利用で
きる。

（４）攪拌操作が不要であり、この分のエネルギーをも
節約できる。

（５）装置を大幅に小型化することができる。

（６）ヘッド−Ｌ下が共に中空を維持することがらスカ
ムの発生や泡の発生がなく、発生ガスの回収率が大幅に
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案装置の一具体例を示す概念図、第２図は
第１図のＸ−Ｘ線断面図、第３図は実施例で使用した本
考案装置の概略説明図である。 第１図にも・シ）てニ ア・・・・・・本考案装置本体（密閉に保持され嫌気性
を維持された容器）、１０１・・・・・・容器７内部を
区切るネソＩへ状物、５，６・・・・・・原料有機系廃
棄物投入手段、１１・・・・・・ガス排出■、１３・・
・・・・メタン発酵後の有機系廃棄物の排出手段 第３図にわ・いて： ２７．２８・・・・・・密閉に保持され嫌気性を維持さ
れた容器を横取する部材、２２．２２’・・・・・・容
器内を区切るネツＩ・状物、２３・・・・・・ネット状
物２２．２２’を振動させるバー、１，２．３・・・・
・・原料打機系廃棄物投入手段、１’、 ２’、 ３’
・・・・・・メタン発酵後の固形物の排出手段、８・・
・・・・ガス排出管、２０・・・・・・ガス流入管。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 実質上密閉に保持され嫌気性を維持された容器内部の鉛
   直方向の中心より下部に振動あるいは可動スクリーン又
   はネット秋物を設けて前記容器内部を水平面全体で区切
   り、該土切りの上部に原料有機系廃棄物投入手段とガス
   排出［−１を設置し、該区切りの下部にメタン発酵後の
   有機系廃棄物の排出手段と、前記ガス排出［−１から取
   出されるガスの一部を流入させるガス流入［１を設置し
   てなる、有機系廃棄物の含水状固形物を図形状を維持し
   つつ中空中でメタン発酵させうるようにしたメタン発酵
   装置。