TW201733917A

TW201733917A - 甲烷醱酵系統

Info

Publication number: TW201733917A
Application number: TW106109152A
Authority: TW
Inventors: Hez-He Ji; Yasuhiro Ishibashi; Takahiro Nakamichi; Shigeki Kawakami
Original assignee: Price Management Of Japan Co Ltd
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2017-10-01
Also published as: WO2017163602A1; EP3434651A1; EP3434651A4; KR20180123534A; JP2017170367A; CN108602706A; JP6026689B1

Abstract

甲烷醱酵系統(1)包含一連串之處理列(5)，該一連串之處理列(5)含有：可溶化槽(12)，其收容於集裝箱(2)中，對有機性之處理物進行可溶化處理；甲烷醱酵槽(13)，其收容於集裝箱(3)中，使於可溶化槽(12)中經可溶化處理之處理物醱酵而產生甲烷。將有機性廢棄物送至附帶破碎機之莫諾泵(10)→混合槽(11)→可溶化槽(12)→甲烷醱酵槽(13)，藉由可溶化處理→甲烷醱酵來生成甲烷氣體而輸出。甲烷醱酵槽(13)設有使用於可溶化槽(12)中產生之熱等而進行加熱之機構。

Description

甲烷醱酵系統

【優先權聲明】

本申請係基於2016年3月24日提出申請之日本專利申請第2016-60637號。將日本專利申請第2016-60637號之說明書、專利申請範圍、圖式全體作為參照而併入至本說明書中。

本發明係關於一種甲烷醱酵系統。

近年來，開始盛行生質發電，亦即，對下水污泥、畜產糞尿及廚房垃圾類等有機性廢棄物進行甲烷醱酵處理而產生甲烷氣體，使用所產生之甲烷氣體而進行發電(例如參照專利文獻1)。

為了效率良好地進行甲烷醱酵，需要一種於甲烷醱酵之前進行可溶化處理之設備，可溶化處理係對有機性廢棄物進行可溶化，以使有機性廢棄物中所含之難分解性固形有機物成為可作為微生物之基質而使用之程度。進而，為了效率良好地進行可溶化處理，需要一種儘可能將有機性廢棄物粉碎得很細之設備、或一種進行預處理之設備，預處理係將經粉碎之有機性廢棄物變成進行可溶化處理之微生物容易活動之環境。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開第2015-165019號公報

如上所述，為了進行甲烷醱酵而需要各種設備，因此生成甲烷氣體之系統多成為大規模者。因此，建造需要花費時間，難以適材適所地建設設備。此現象成為延遲生質發電普及之主要原因之一。

本發明係鑒於上述事實而成者，其目的在於提供移動簡單、可適材適所地放置設備之甲烷醱酵系統。

為了達成上述目的，本發明的甲烷醱酵系統包含一連串之處理列，一連串之處理列含有：可溶化槽，其收容於集裝箱中，對有機性之處理物進行可溶化處理；以及甲烷醱酵槽，其收容於集裝箱中，使於所述可溶化槽中經可溶化處理之處理物醱酵而產生甲烷；所述可溶化槽具有：內容器，其收容處理物；外容器，其設於所述內容器之外側，在與所述內容器之間收容熱介質，該熱介質係利用由收容於所述內容器中之處理物之可溶化處理所產生之熱而加熱至特定溫度，且甲烷醱酵系統包含：處理物循環部，其將所述甲烷醱酵槽中所收容之處理物之一部分自所述甲烷醱酵槽取出至外部而返回至內部，藉此使處理物循環；熱介質循環部，其將所述熱介質之一部分自所述可溶化槽取出至外部而返回至內部，藉此使所述熱介質循環；以及熱交換部，其於在所述熱介質循環部循環之熱介質與在所述處理物循環部循環之處理物之間進行熱交換。

又，亦可使所述一連串之處理列包含：粉碎部，其收容於集裝箱中，對所投入之複數種不同之有機性廢棄物進行粉碎；以及混合槽，其收容於集裝箱中，收容經粉碎之有機性廢棄物而將其混合成送至所述可溶化槽之所述處理物。

又，亦可使所述一連串之處理列包含：紫外線照射部，其對所述混合槽中所收容之處理物照射紫外線。

亦可使所述一連串之處理列包含：可溶化菌供給部，其將可溶化菌供給至所述可溶化槽中所收容之處理物中。

亦可將所述可溶化槽收容於第一集裝箱中，且將所述甲烷醱酵槽收容於第二集裝箱中。

亦可使所述一連串之處理列包含：發電機，其收容於集裝箱中，使用所述甲烷醱酵槽中所產生之甲烷氣體而進行發電。

亦可包含複數個所述一連串之處理列，於所述各處理列中對種類不同之有機性之處理物進行處理，並包含發電部，其收集於所述各處理列中生成之甲烷氣體而進行發電。

根據本發明，將如可溶化槽或甲烷醱酵槽般用以由有機性廢棄物而生成甲烷氣體之設備收容至集裝箱中。因此，可將用以生成甲烷氣體之設備搬送至各種場所，因此移動簡單、可使設備場所之自由度變大。

1‧‧‧甲烷醱酵系統

2、3、4‧‧‧集裝箱

4'‧‧‧發電設備

5A、5B、5C、5D‧‧‧處理列

10‧‧‧附帶破碎機之莫諾泵

11‧‧‧混合槽

12‧‧‧可溶化槽

12A‧‧‧內容器

12B‧‧‧外容器

13‧‧‧甲烷醱酵槽

14‧‧‧脫硫裝置

20、21、22、23、24、25、26‧‧‧配管

30‧‧‧紫外線照射部

31‧‧‧培養槽

32‧‧‧氨吸附槽

33‧‧‧加熱器

40、43、63‧‧‧泵

41、42‧‧‧三通電磁閥

50‧‧‧儲氣器

51‧‧‧燃氣引擎

60‧‧‧處理物循環部

61‧‧‧熱介質循環部

62‧‧‧熱交換器

第1圖係表示本發明一實施態樣之甲烷醱酵系統之構成之示意圖。

第2圖係表示連結有收容有發電機之集裝箱的甲烷醱酵系統之構成之示意圖。

第3圖係表示連結有複數個不同處理列的甲烷醱酵系統之構成之示意圖。

以下，參照圖式而對於本發明的一實施態樣加以詳細說明。

本實施態樣之甲烷醱酵系統係藉由對有機廢棄物進行甲烷醱酵而生成甲烷氣體，將所生成之甲烷氣體作為生質能量而利用。此處，所謂有機性廢棄物係主要為蛋白質、碳水化合物、脂肪、纖維素等高分子有機化合物或源自其之化合物等物質，實質上不含固體狀無機化合物。但若為可簡單地可溶化，且不對微生物之增殖造成不良影響之固體狀無機化合物，則稍微含有一些也可。

作為該有機性廢棄物，例如可列舉畜產污泥、下水污泥、廚餘等廚房垃圾類等有機性廢棄物。該等亦可作為於可溶化處理前固形物濃度有濃縮處理之原料而使用。又，亦可添加糖或有機酸或混合有該等的甲烷醱酵處理中之代謝路徑之有機物。

將上述有機性廢棄物作為處理物之甲烷醱酵系統1係如第1圖所示，以殼體之形式構成集裝箱2、3(第一、第二集裝箱)。集裝箱2係20呎(ft)之集裝箱，集裝箱3係40呎之集裝箱。藉由收容於集裝箱2、3中之構成元件而構成一連串之處理列。

於集裝箱2中收容有附帶破碎機之莫諾泵(mohno pump)10、混合槽11及可溶化槽12而作為主要之收容物。又，於集裝箱3中收容有甲烷醱酵槽13與脫硫裝置14作為主要之收容物。

於附帶破碎機之莫諾泵10與混合槽11之間形成有配管20。於混合槽11與可溶化槽12之間形成有配管21。又，於可溶化槽12與甲烷醱酵槽13之間形成有配管22。配管22係分為集裝箱2側之配管與集裝箱3側之配管，二個配管係例如藉由接頭而連結，由此而構成配管22。於甲烷醱酵槽13上形成有配管23。

將有機性廢棄物投入至集裝箱2之附帶破碎機之莫諾泵10，通過配管20→混合槽11→配管21→可溶化槽12→配管22→甲烷醱酵槽13→配管23，而自集裝箱3排出。所排出之處理物可作為堆肥而加以利用。

又，於甲烷醱酵槽13與脫硫裝置14之間形成有配管24。又，於脫硫裝置14上安裝有配管25。

自集裝箱2之外部將有機性廢棄物投入至附帶破碎機之莫諾泵(粉碎部)10。附帶破碎機之莫諾泵10係將所投入之有機性廢棄物粉碎為適當大小，經由配管20而送至混合槽11。

於混合槽11之內部設有攪拌機，藉由攪拌機對所投入之有機性廢棄物進行攪拌。藉此使混合槽11中所收容之有機性廢棄物混合而成均一狀態。又，於混合槽11安裝有紫外線照射部30。於紫外線照射部30上，係例如將射出紫外線之發光二極體(LED)照射至混合槽11內。紫外線照射部30係對混合槽11中所投入之處理物照射紫外線，進行處理物之殺菌。

於配管21上安裝有泵40及三通電磁閥41。藉由此等動作，混合槽11之有機性廢棄物可經由配管21而送至可溶化槽12。

可溶化槽12係對所投入之處理物進行可溶化處理。於可溶化槽12中，例如進行使用蛋白酶生成菌等可溶化菌之高溫可溶化處理。於可溶化槽12上安裝有培養槽(可溶化菌供給部)31。於培養槽31中培養可溶化菌，將可溶化菌自培養槽31供給至可溶化槽12。

於可溶化槽12上設有用以使槽內成為高溫之投入式加熱器33。藉此使可溶化槽12之槽內之溫度保持為高溫。於可溶化槽12之槽內安裝有用以攪拌有機性廢棄物之攪拌機與馬達。進而，於可溶化槽12上亦設有用以對有機性廢棄物供給空氣之空氣插入口。如上所述，藉由於可溶化槽12中進行攪拌或通氣(aeration)而促進可溶化。所謂高溫好氣性係表示將溫度設為50℃至100℃，較佳為未施加壓力而於標準狀態(空氣環境下)對有機性廢棄物進行可溶化之狀態。

所謂可溶化處理係指將固體狀或水懸浮狀之通常高分子狀的有機化合物分解至可溶解於水中之低分子狀態的處理。於本實施態樣中，使用蛋白酶生成菌而實施超高溫可溶化。所謂蛋白酶生成菌係指可生成蛋白質分解酶(蛋白酶)而將其分泌至菌體外之菌。

作為蛋白酶生成菌，例如可列舉桿菌(Bacillus)種，特別是可列舉Bacillus sp.MU3(微生物專利寄存中心第NITE AP-156號)。該耐熱性之蛋白酶生成菌即使於80℃下亦具有可充分活動之超高溫好氣性。該菌所產生之酶之分子量約57,000，顯示出優異之耐熱性，於較廣之pH範圍中具有較高之蛋白質分解能力。

所謂超高溫係指50℃至100℃，較佳為60℃至90℃，特別佳為70℃至80℃。超高溫可溶化係於水溶液介質中，好氣性或厭氣性條件下、較佳為好氣性條件下，以有機性廢棄物濃度為50重量%以下、較佳為5至40重量%、特別佳為10至30重量%之量，使有機性廢棄物與蛋白酶生成菌接觸而進行。於該實施態樣中，於特別佳之條件下可將原料之固形物濃度(DS)提高至有機性廢棄物濃度10至30重量%，理想的是DS為20%以上，pH為5至8、理想的是6附近，可溶化槽環境為好氣性，此為最適合之條件。

藉由蛋白酶生成菌使其消化所需之時間為12至72小時、較佳為24至48小時。於好氣性或厭氣性條件下實施之情形時，可於攪拌、通氣(aeration)條件下實施。若於該條件下實施，如後所述，則可就地除去氨，且可同時進行原料之可溶化與除氨，因此可促進甲烷醱酵。於使用Bacillus sp.MU3作為蛋白酶生成菌之情形時，該菌係好氣性耐熱性菌，因此可一面藉由空氣進行通氣，一面於攪拌下進行可溶化，自可溶化、除氨之二個方面而言最合適。

該實施態樣之可溶化步驟除了蛋白酶生成菌以外，亦可單獨或組合添加脂肪酶產生菌、醣苷酶生成菌及/或纖維素酶生成菌等生成各種分解酶之菌體。該等若為生長、增殖條件相似者，可於同一反應槽中使用，而若於條件不同之情形時，則可設置複數個可溶化槽12，於不同之條件下使用各可溶化槽12。於此情形時，較佳為於使用脂肪酶產生菌、醣苷酶生成菌及/或纖維素酶生成菌之可溶化槽中進行可溶化，然後於利用蛋白酶生成菌之高溫可溶化槽中進行可溶化。

於可溶化槽12上設有氨吸附槽32。氨吸附槽32係為了吸附在可溶化槽12之可溶化處理中所產生之氨並將其除去而設置。

於配管22上亦設置泵40及三通電磁閥42，藉由該等動作而將於可溶化槽12中經可溶化之處理物藉由配管22送至甲烷醱酵槽13。甲烷醱酵槽13係對所收容之處理物進行甲烷醱酵處理。

甲烷醱酵處理係通常使用於厭氣性環境下活動之甲烷菌，利用其消化作用。甲烷菌之活性溫度區域常見為0至70℃，雖然於其以上之高溫區域中亦存在有倖存至90℃左右之菌種，但大部分都會滅絕。於低溫區域中，以3℃至4℃為極限。甲烷氣體生成速度係受該活性溫度非常大的影響。

醱酵槽溫度越高則氣體生成速度進行地越快，氣體產生量增大。經確認，實際上適合甲烷菌生存之溫度區域為如下三個。存在有：(1)20℃以下之低溫區域、(2)25至35℃之中溫區域、(3)45℃以上之高溫區域。關於本發明的甲烷醱酵之溫度，低溫、中溫、高溫之甲烷醱酵之任意者皆可適用，但較佳於40℃至70℃下進行高溫甲烷醱酵，更佳於50℃至55℃下進行甲烷醱酵。

於對經高溫可溶化之有機性廢棄物進行甲烷醱酵處理之情形，可藉由採用乾式(投入固形物濃度為10%以上之乾式)之處理方式而效率良好地進行甲烷醱酵處理，於本實施態樣中亦可適用乾式之處理方式。

於本實施態樣中，可於高溫好氣性條件下實施可溶化處理，且可於厭氣性條件下實施甲烷醱酵處理，因此在溫度方面，可利用可溶化處理之較高溫度從而使甲烷醱酵之溫度變高，並且作為菌増殖條件而具有如下優點：可溶化處理(好氣性條件)之菌於甲烷醱酵步驟(厭氣性條件)中去活性化，因此並不妨礙甲烷醱酵。

於本實施態樣中，上述高溫好氣性係表示以下狀態：將溫度設為50至100℃，較佳為不施加壓力且於標準狀態(空氣環境下)使有機性廢棄物可溶化。

於甲烷醱酵槽13中處理完畢之處理物可使用泵43而自配管23排出。所排出之處理物可作為堆肥而使用。

在甲烷醱酵槽13中所生成之氣體係經由配管24而輸出至脫硫裝置14。脫硫裝置14係對所輸入之氣體進行脫硫處理，將所取出之甲烷氣體經由配管25而輸出至集裝箱3之外部。

輸出至集裝箱3之外部的甲烷氣體係用於發電。例如，如第2圖所示，亦可將甲烷氣體送至收容於集裝箱4中之發電設備(發電部)而進行發電。集裝箱4係20呎之集裝箱，其中收容有儲氣器50與燃氣引擎51。儲氣器50係蓄積自集裝箱3經由配管25而運送之甲烷氣體。燃氣引擎51係藉由自儲氣器50送出之甲烷氣體使燃氣渦輪機旋轉而進行發電。藉由燃氣引擎51而發電之電力係被送至密閉配電盤(cubicle)(受電設備)。

又例如，如第3圖所示，亦可具有複數個集裝箱2及集裝箱3之處理列，將自各處理列之集裝箱3輸出之甲烷氣體收集至一個發電設備4'中，儲存甲烷氣體而進行發電。發電設備4'之構成係與第2圖之集裝箱4大致相同，相較於用以收集大量甲烷氣體之集裝箱4，可使所發電之電力變大。

於此種系統中，例如可對投入之有機性廢棄物進行分類而投入至各處理列。例如，如第3圖所示，亦可將出自農場A之有機性廢棄物投入至處理列5A，將出自食品工廠B之有機性廢棄物投入至處理列5B，將出自牧場C之有機性廢棄物投入至處理列5C，將出自住宅區D之有機性廢棄物投入至處理列5D，如上所述地固定廢棄物之出處。如此一來，則可使所投入之有機性廢棄物中所含之蛋白質、碳水化合物、脂肪、纖維素等高分子有機化合物或源自其之化合物之比例於各處理列中儘可能為不變的。

若所投入之有機性廢棄物中之化合物之比例有所變化，則存在甲烷醱酵槽13中之醱酵菌的數量係明顯減少，甲烷氣體之生成量恐會下降。因此，藉由將有機性廢棄物中之化合物之比例保持為不變的，可將於甲烷醱酵槽13中醱酵甲烷氣體之菌之狀態保持為甲烷氣體容易醱酵之狀態。其結果可使甲烷氣體之產生效率於各處理列5A至5D中穩定化，而將甲烷氣體穩定地供給至發電設備4'之發電機。

再者，由集裝箱2、3所構成之各處理列5A至5D亦可不相互接近，亦可不藉由配管與發電設備4'連接。亦可遠距離地設置處理列5A至5D，藉由氣體搬送車將各處理列5A至5D中所產生之甲烷氣體搬送至發電設備4'。

進而，根據本實施態樣，如第1圖所示，於可溶化槽12設有收容處理物之內容器12A、以及以包圍內容器12A之方式設置的外容器12B。將進行可溶化處理之處理物收容於內容器12A內。於外容器12B與內容器12A之間收容有熱介質。於本實施態樣中，係使用冷水或熱水而作為熱介質。

又，於甲烷醱酵系統1設有處理物循環部60，其係藉由將處理物自甲烷醱酵槽13取出至外部而返回至內部，藉由泵63而使處理物循環。又，於甲烷醱酵系統1設有熱介質循環部61，其係將熱介質(水)自可溶化槽12取出至外部而返回至內部，藉此使熱介質循環。

處理物循環部60係與熱介質循環部61有一部分相接。於該相接之部分設有熱交換器(熱交換部)62。熱交換器62係於在熱介質循環部61循環之熱介質與在處理物循環部60循環之處理物之間進行熱交換。

於熱交換器62設置有作為處理物循環部60之一部分之處理物配管，於其周圍覆蓋有作為熱介質循環部61之一部分之熱介質配管。各配管係藉由導熱性高之材質而形成、例如藉由銅而形成。熱交換係於該處理物配管與熱介質配管之間進行。藉由熱介質加溫之處理物係返回至甲烷醱酵槽13，於醱酵效率高之溫度下進一步進行甲烷醱酵。藉由此種熱交換器62而均一地保持在甲烷醱酵槽13中醱酵之處理物之溫度，使醱酵菌之甲烷醱酵效率被維持而不降低。

如以上所詳細說明般，根據本實施態樣，係將如可溶化槽12或甲烷醱酵槽13等用以由有機性廢棄物生成甲烷氣體之設備收容於集裝箱2、3中。因此，可將用以生成甲烷氣體之設備搬送至各種場所，移動簡單，可使設備場所之自由度變大。

又，於本實施態樣中，藉由可溶化槽12中之可溶化處理所產生之熱，將甲烷醱酵槽13中所收容之處理物之溫度保持為不變的。藉此不需要包含熱水儲存箱，因此可使系統整體小型化，上述熱水儲存箱預先儲存有用以使甲烷醱酵槽13之溫度保持為不變之熱水。藉由此種努力，可使系統之移動變得更容易。

再者，於本實施態樣中，將經可溶化槽12加熱之溫水作為熱介質，而使甲烷醱酵槽13中所收容之處理物保持為適當之溫度，但除此以外，亦可使用在集裝箱4、發電設備4'中進行發電之燃氣引擎51所產生之熱，而使甲烷醱酵槽13中所收容之處理物保持為適當之溫度。

本發明只要不偏離該發明的廣義之精神與範圍，則可進行各種實施態樣及變形。又，上述實施態樣係用以說明本發明者，並非用於限定本發明之範圍。亦即，本發明之範圍並不藉由實施態樣而是藉由申請專利範圍而表示。而且，於申請專利範圍內及與其同等之發明意義的範圍內所實施之各種變形係被視為在本發明之範圍內。

[產業上的可利用性]

本發明可利用於生質發電等之甲烷氣體之生成中。