WO2021059553A1 - バイオガス生成装置 - Google Patents

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WO2021059553A1
WO2021059553A1 PCT/JP2020/008838 JP2020008838W WO2021059553A1 WO 2021059553 A1 WO2021059553 A1 WO 2021059553A1 JP 2020008838 W JP2020008838 W JP 2020008838W WO 2021059553 A1 WO2021059553 A1 WO 2021059553A1
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WO
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water
treated
biogas
treatment
tubular member
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PCT/JP2020/008838
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English (en)
French (fr)
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弘憲 角吉
浩成 飯野
Original Assignee
株式会社フジタ
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a biogas generator.
  • biogas for example, methane gas
  • UASB upward flow anaerobic sludge bed method
  • the UASB method is a method in which anaerobic microorganisms are atomized and held at a high density, a biological sludge bed is formed below the biological reaction tank, and organic waste is treated. Organic waste is decomposed into methane, carbon dioxide, etc. by the action of anaerobic microorganisms.
  • a granule formed by self-granulation of anaerobic microorganisms is provided as a biological sludge bed, and organic waste or the like is passed from the bottom of the biological reaction tank in an upward flow for treatment. Since the UASB method can retain microorganisms at a high density, it is possible to efficiently treat high-concentration organic waste. Therefore, the UASB method can obtain advantages such as reduction of the installation area of the device and effective utilization of the generated biogas.
  • the UASB method has a slow growth rate of methanogens at the beginning of operation, so it may take a period of one month or more until it functions in earnest. Therefore, the initial stage of operation of the UASB method is considered to be the acclimatization period of the biological sludge bed (the period during which the methanogen does not function), and how to shorten the acclimatization period has been an issue.
  • One of the problems of the embodiment of the present invention is to provide a biogas generator capable of shortening the acclimatization period of the biological sludge bed with a simple structure.
  • the biogas generator according to the embodiment of the present invention is separated from the treatment tank, the biological sludge bed provided below the inside of the treatment tank, and the inner wall of the treatment tank below the inside of the treatment tank.
  • a tubular member provided and having an opening end in the vertical direction, a return device for returning the water to be treated inside the treatment layer to the lower end side of the tubular member, and raw water provided below the inside of the treatment tank. It is equipped with a supply pipe.
  • the raw water supply port of the raw water supply pipe may be located below the tubular member.
  • the biogas generator may include a sludge settling body having an inclined surface facing the biological sludge bed above the biological sludge bed.
  • the sludge settling body may have a main body portion having the inclined surface and a rectifying portion including a plurality of tubular structures provided on the upper surface of the main body portion. Further, the sludge settling body may be able to move the inside of the treatment tank in the vertical direction.
  • the return device may include a heater for heating the water to be treated.
  • the above-mentioned biogas generation is supplied with an acid generator that generates an acid from water to be treated containing an organic substance and the primary treated water treated by the acid generator. It is equipped with a device.
  • the biogas generation system may further include a heating tank for heating the water to be treated containing the organic substance, and the water to be treated heated by the heating tank may be supplied to the acid generator.
  • the water to be treated containing the granules constituting the biological sludge bed may be returned to the tubular member as the water to be treated above the tubular member.
  • the treatment includes the first treatment in the first state in which the sludge settling body provided above the biological sludge bed is arranged at the first position and the reaction area is relatively reduced.
  • the sludge settling body is arranged at a second position above the first position to include a second treatment in a second state in which the reaction area is relatively expanded, and the sludge settling body is said to be described for a predetermined period from the start of operation.
  • the first process may be performed, and after the predetermined period, the first process may be switched to the second process.
  • the predetermined period may be the acclimatization period of the biological sludge bed.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the biogas generation system 100 of the first embodiment.
  • the biogas generation system 100 of the present embodiment includes at least an acid generation device 110 and a biogas generation device 120.
  • the biogas generation system 100 of the present embodiment includes a heating tank 105, an alkaline solution tank 115, a water-sealed trap 125, and a cleaning trap 130.
  • the biogas produced by the biogas generation system 100 is stored in the gas buffer 135.
  • the biogas stored in the gas buffer 135 is used as fuel for hot water boilers, micro gas turbines, gas engines, and the like.
  • the example shown in FIG. 1 is only an example and is not limited to this example.
  • the heating tank 105 is a treatment tank that heats water to be treated containing organic waste such as sewage, human waste, kitchen waste, and factory waste liquid.
  • the water to be treated is heated by using a heater 106 or the like, but a heat exchanger or the like may also be used.
  • the water to be treated is heated to a temperature exceeding 60 degrees (for example, 65 to 70 degrees) in the heating tank 105.
  • the heat treatment of the water to be treated by the heating tank 105 has the purpose of maintaining the temperature inside the tank of the acid generator 110 that follows. Further, the heat treatment of the water to be treated by the heating tank 105 also has the purpose of decomposing proteins among the organic substances contained in the water to be treated.
  • the acid generator 110 is a treatment tank that performs a treatment of denaturing a high molecular weight organic substance contained in water to be treated into a low molecular weight organic substance by a microorganism.
  • the water to be treated heated in the heating tank 105 is supplied to the acid generator 110.
  • the high molecular weight organic substance is treated by a microorganism and denatured into a lower organic acid such as acetic acid. Therefore, the acid generating device 110 is also called a solubilizing device.
  • the water to be treated by the acid generator 110 is maintained at 50 to 60 degrees inside the treatment tank.
  • the water to be treated is heated in the heating tank 105 at a temperature exceeding 60 degrees and then supplied to the acid generator 110, the water to be treated in the acid generator 110 is maintained at 50 to 60 degrees. can do.
  • the protein in the water to be treated is decomposed by the heat treatment in the heating tank 105, the efficiency of the molecular weight reduction treatment in the acid generator 110 can be improved.
  • effects such as reduction of residues when the protein is reduced in molecular weight can be obtained.
  • the acid generator 110 of the present embodiment includes a circulation pump 111 for circulating the water to be treated in the tank and a pH meter 112 for measuring the PH value of the water to be treated. That is, the acid generator 110 can confirm the change with time of the PH value while circulating the water to be treated in the tank by using the circulation pump 111.
  • the alkaline solution tank 115 is a tank for storing the alkaline solution for adjusting the pH of the acid generator 110.
  • the alkaline solution for example, sodium hydroxide can be used, but the alkaline solution is not limited to this.
  • the acid generator 110 periodically measures the PH value. When it is determined that the inside of the acid generator 110 is biased toward acidity based on the measured PH value, an appropriate amount of alkaline solution is supplied from the alkaline solution tank 115 to the acid generator 110. The supply amount of the alkaline solution is adjusted by using the flow rate adjusting pump 116.
  • the biogas generator 120 is a treatment tank that decomposes organic substances using anaerobic microorganisms.
  • the water to be treated which has been subjected to the low molecular weight treatment of the organic substance by the acid generator 110, is supplied to the biogas generator 120.
  • organic substances such as lower organic acids are treated by anaerobic microorganisms and decomposed into methane gas, carbon dioxide, hydrogen and the like.
  • a UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) type anaerobic treatment device is used as the biogas generator 120.
  • the UASB-type anaerobic treatment apparatus is characterized in that it uses a biological sludge bed in which anaerobic microorganisms capable of fermenting methane are atomized and held at a high density.
  • the anaerobic microorganisms that have become particles form black granules called granules and exist in the treatment tank, and the aggregates of granules function as a biological sludge bed.
  • anaerobic microorganisms will be described as an example, but aerobic microorganisms can also be used.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment includes a sludge settling body 26 that can move in the vertical direction inside the treatment tank 22.
  • the region below the sludge sediment 26 is referred to as a "reaction zone”
  • the region above the sludge sediment 26 is referred to as a "separation zone”. That is, the biogas generator 120 can freely expand or contract the reaction region and the separation region even during operation (during processing).
  • the specific structure of the biogas generator 120 of the present embodiment will be described later with reference to FIG.
  • the treated water discharged from the biogas generator 120 is sent to the water seal trap 125.
  • the water-sealed trap 125 removes the gas mixed in the treated water.
  • the gas generated by the biogas generator 120 is sent to the cleaning trap 130.
  • the cleaning trap 130 a process of converting carbon dioxide into calcium carbonate is performed using slaked lime.
  • the cleaning trap 130 is also called a reformer.
  • the methane gas produced by the biogas generation system 100 of the present embodiment has a concentration equivalent to that of city gas. Therefore, when using the methane gas generated by the biogas generation system 100, it is not necessary to use equipment dedicated to biogas, and general equipment compatible with city gas can be used.
  • the biogas generation system 100 for generating methane gas from organic waste has been illustrated, but this is just an example. That is, the configuration of the biogas generation system 100 may be appropriately changed according to the type of biogas extracted from the organic waste, as long as the basic structure of the biogas generation device 120 described later does not change. For example, in recent years, attempts have been made to generate hydrogen using residues such as pineapple peel.
  • the biogas generation system 100 of the present embodiment can also be used as a system for extracting hydrogen as biogas from organic waste.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the biogas generator 120 of the first embodiment.
  • the biogas generator 120 includes at least a treatment tank 22, a biological sludge bed 24, and a sludge settling body 26. Further, the biogas generator 120 of the present embodiment includes a raw water supply pipe 28, a tubular member (draft tube) 30, a return device 32, a scum blocking member 34, a treated water discharge trough 36, a treated water discharge port 38, and an ascending / descending device.
  • the device 40 is provided.
  • the example shown in FIG. 2 is only an example and is not limited to this example.
  • the processing tank 22 is a cylindrical housing formed of a steel plate or a synthetic resin.
  • the treatment tank 22 corresponds to the outer frame of the biogas generator 120 of the present embodiment.
  • a hollow member having a long axis in the vertical direction is used as the treatment tank 22 because the fermentation treatment is performed by the upward flow in the UASB method.
  • a guide rail 22a (see FIGS. 5 and 6) for moving the sludge settling body 26, which will be described later, in the vertical direction along the inner wall is provided on a part of the inner wall of the treatment tank 22.
  • an example in which the shape of the processing tank 22 is cylindrical is shown, but it may be a rectangular parallelepiped shape. It is also possible to have a structure in which a plurality of rectangular parallelepiped housings are connected. Further, the structure is not limited to the steel plate or the synthetic resin, and may be a reinforced concrete structure (RC structure).
  • the biological sludge bed 24 is provided below the inside of the treatment tank 22.
  • the biological sludge bed 24 is also called a sludge bed.
  • the biological sludge bed 24 is an aggregate of granules formed by self-granulation of anaerobic microorganisms.
  • Granule is a black granular substance having excellent sedimentation property utilizing the self-granulation function of anaerobic microorganisms.
  • Granules can retain high density and highly active methanogens without the use of carriers for microbial immobilization.
  • the sludge settling body 26 is a member for settling the granules raised by the upward flow toward the biological sludge bed 24.
  • the sludge sedimentation body 26 is provided above the biological sludge bed 24.
  • the sludge settling body 26 includes a cap-shaped main body portion 26a and a rectifying portion 26b provided on the upper surface of the main body portion 26a.
  • the main body 26a of the sludge sedimentation body 26 has an inclined surface facing the biological sludge bed 24.
  • the main body portion 26a of the sludge settling body 26 is a truncated cone whose bottom surface is downward in shape in a lateral view.
  • the rectifying unit 26b is a member including a plurality of tubular structures formed by laminating a plurality of inclined plates.
  • the cross-sectional shape of the tubular structure is arbitrary and may be, for example, triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, rhombic, or circular.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the sludge settling body 26 in the biogas generator 120 of the first embodiment.
  • the main body portion 26a of the present embodiment is configured by combining a plurality of fan-shaped members 26a-1.
  • the main body portion 26a may be integrally molded by processing one plate-shaped member.
  • the main body portion 26a is preferably a cap-shaped member having an inclined surface toward the biological sludge bed 24.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a rectifying unit 26b in the biogas generator 120 of the first embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram showing the configuration of a plurality of inclined plates 26b-2.
  • FIG. 4B is a diagram showing a rectifying unit 26b configured by combining a plurality of inclined plates 26b-2. Note that FIG. 4B shows an example in which the tubular structure 26b-1 has a hexagonal cross-sectional shape as the rectifying unit 26b.
  • the plurality of inclined plates 26b-2 are each composed of a plate-shaped member having a plurality of bent portions.
  • plastic, metal or the like can be used as the material of each inclined plate 26b-2.
  • a rectifying unit 26b having a plurality of tubular structures 26b-1 can be formed.
  • a plurality of inclined plates 26b-2 may be bonded together with an adhesive or the like to form a rectifying portion 26b, or the plurality of inclined plates 26b-2 overlapped with the above-mentioned net cover or the like to cover the rectifying portion 26b. May be formed.
  • it is sufficient that the structure shown in FIG. 4B can be arranged on the upper surface of the main body portion 26a of the sludge settling body 26.
  • the rising speed of the water to be treated (water area load) is a value obtained by dividing the flow rate of the water to be treated by the cross-sectional area (separation area) of the treatment tank. Therefore, it is important to increase the separation area of the treatment tank in order to reduce the ascending rate of the water to be treated.
  • the sludge settling body 26 is arranged inside the treatment tank 22 to increase the effective separation area of the treatment tank 22 and increase the water to be treated. I'm slowing down.
  • the surface area inside the hollow structure can be added as a separation area, so that the granules settle efficiently.
  • the granule separated from the water to be treated descends inside the treatment tank 22 again, and finally returns to the biological sludge bed 24 again.
  • the sludge settling body 26 also greatly contributes to the separation of granules.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment covers a region below the sludge sediment 26, that is, a reaction region for a predetermined period (specifically, a habituation period of the biological sludge bed 24) from the start of operation.
  • a predetermined period specifically, a habituation period of the biological sludge bed 24
  • the sludge settling body 26 can move in the vertical direction along the inner wall of the treatment tank 22. That is, by moving the sludge settling body 26 in the vertical direction, the reaction area can be narrowed or the reaction area can be widened according to the operating condition of the biogas generator 120. This control will be described later with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the raw water supply pipe 28 supplies raw water (primary treated water supplied from the acid generator 110 shown in FIG. 1) into the treatment tank 22. Although only one supply pipe is shown in FIG. 2, the present invention is not limited to this example, and a plurality of supply pipes may be arranged in parallel. Although details will be described later, the open end of the raw water supply pipe 28 of the present embodiment is located below the tubular member 30, and the supplied raw water is sent to the inside of the tubular member 30.
  • the tubular member 30 is an elongated hollow pipe and is provided in the reaction area of the treatment tank 22 (that is, below the sludge settling body 26). Specifically, the tubular member 30 is arranged so as to be separated from the inner wall of the processing tank 22 so that the opening end faces in the vertical direction. A biological sludge bed 24 is formed in the reaction area of the treatment tank 22. Therefore, the tubular member 30 during operation of the biogas generator 120 is located inside the biological sludge bed 24.
  • the return device 32 has a role of returning the water to be treated from the upper side to the lower side of the treatment tank 22. Specifically, the return device 32 uses the water to be treated above the sludge settling body 26 (that is, the water to be treated that does not contain granules) and / or the water to be treated below the sludge settling body 26 (that is, that is). It has a function of returning the water to be treated containing the granule to the lower end side of the above-mentioned tubular member 30. That is, the return device 32 has a role of returning the water to be treated in the separation region to the reaction region again and circulating the water to be treated in the reaction region.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment has a structure for increasing the flow velocity inside the tubular member 30 so that good convection occurs in the reaction region.
  • the water to be treated returned to the reaction region by the return device 32 is returned to the inside of the tubular member 30 from the opening on the lower end side of the tubular member 30, which contributes to an increase in the flow velocity inside the tubular member 30. ..
  • the return device 32 forms a flow path for returning the water to be treated to the reaction zone again by using the circulation pump 121 and the return pipe 122.
  • a heater 123 and a water temperature sensor 124 are provided in the flow path.
  • the heater 123 heats the water to be treated flowing through the return pipe 122.
  • the water temperature sensor 124 measures the temperature of the water to be treated flowing through the return pipe 122.
  • the heater 123 various heaters such as a coil heater, a specific heat contact tank, a multi-tube heat exchanger, and a plate heat exchanger can be used.
  • a thermistor can be used as the water temperature sensor 124.
  • the heater 123 is controlled based on the output signal of the water temperature sensor 124, and the temperature of the water to be treated in the treatment tank 22 is controlled.
  • a contact type heater such as a coil heater is used as the heater 123.
  • the scum blocking member 34 is provided above the sludge settling body 26.
  • a scum is a surface of excess sludge or the like caused by gas.
  • the scum blocking member 34 is a truncated cone member whose bottom surface is upward in side view, and is provided with an opening for passing water to be treated near the center.
  • the treated water discharge trough 36 is provided above the scum blocking member 34.
  • the treated water discharge trough 36 has a structure centered on an opening through which the raised treated water passes through the inside of the treatment tank 22, and has a groove around the opening for receiving the overflowing treated water. The treated water collected in this groove is discharged from the treated water discharge port 38.
  • the elevating device 40 is a driving device for moving the sludge settling body 26 in the vertical direction.
  • the elevating device 40 includes a support member 40a whose one end is connected to the sludge settling body 26, a lifter 40b connected to the other end of the support member 40a, and a support frame 40c that supports the support member 40a and the lifter 40b.
  • the sludge settling body 26 may be moved by the elevating device 40 manually or by automatic control.
  • the support frame 40c is provided with a scale 40d. For example, when the sludge settling body 26 is moved by manually moving the lifter (for example, an elevating cylinder), the sludge settling body 26 can be arranged at an arbitrary position if the moving distance is known by the scale 40d.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a first state in the biogas generator 120 of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a second state in the biogas generator 120 of the first embodiment.
  • the biogas generator 120 shown in FIGS. 5 and 6 omits a part of the configuration shown in FIG. 2 for convenience of explanation.
  • the treatment tank 22 has a guide rail 22a for moving the sludge settling body 26 in the vertical direction along the inner wall.
  • the guide rail 22a is not an indispensable configuration. For example, when the processing tank 22 is small, it can be omitted.
  • the sludge settling body 26 In the first state shown in FIG. 5, the sludge settling body 26 is arranged below the treatment tank 22 (first position), and the reaction area 50 is relatively reduced (that is, the separation area 60 is expanded). Is.
  • the lower end of the sludge settling body 26 is shown as the upper limit of the reaction area 50 in FIG. 5, but in reality, if it is below the sludge settling body 26, it can function as the reaction area 50. The same applies to FIG. 6 in this regard.
  • the "first position" is a position where the sludge settling body 26 is placed in a predetermined period (specifically, the acclimatization period of the biological sludge bed 24) from the start of operation.
  • the first position may be appropriately determined in consideration of the depth of the processing tank 22 and the like.
  • the reaction area 50 is narrowed to suppress load fluctuations. As a result, it is possible to suppress a decrease in the bonding force of the granule, and to suppress a problem that the granule is lifted by the internal gas. Further, by narrowing the reaction region 50, the concentration of organic substances in the reaction region 50 is increased, so that the growth of granules is promoted.
  • the treatment in the first state (first treatment) shown in FIG. 5 is performed, and emphasis is placed on promoting the growth of the granule.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment can shorten the acclimatization period of the biological sludge bed 24.
  • the biological sludge bed 24 does not function sufficiently due to insufficient growth of the granule. Further, since there are many granules having a very small particle size, it is desirable to improve the solid-liquid separation performance in the separation region 60.
  • the separation area 60 is expanded as the reaction area 50 is reduced, so that the growth of granules in the reaction area 50 is promoted and the solid-liquid separation performance in the separation area 60 is achieved. It is possible to achieve both improvement and improvement.
  • the sludge settling body 26 is arranged above the treatment tank 22 (second position), and the reaction area 50 is relatively expanded (that is, the separation area 60 is reduced).
  • the second state is a state in which the sludge settling body 26 is arranged at the second position above the above-mentioned first position, and the reaction area 50 is relatively expanded. If it is determined that the granules have grown sufficiently and the acclimatization period has passed, the next step is to increase the processing capacity of the reaction zone 50. That is, by expanding the reaction area 50, the contact time between the water to be treated and the granule is increased, and the treatment efficiency is improved. Therefore, in the present embodiment, the sludge settling body 26 is moved upward from the first position to the second position, so that the treatment (second treatment) is performed in a state where the reaction area 50 is expanded.
  • Whether or not the granule has grown sufficiently that is, whether or not the acclimatization period of the biological sludge bed 24 has passed, can be visually checked by the operator through a viewing window 22b (see FIG. 2) provided in the treatment tank 22 or the like. You can check and judge with.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment can expand or contract the reaction region 50 according to an increase or decrease in the supply amount of water to be treated during operation. For example, when the supply amount of water to be treated (that is, the supply amount of organic matter passing through the biological sludge bed 24) increases, the sludge sediment 26 is moved upward to expand the reaction area 50, and the reaction area 50 is expanded. It is desirable to improve the processing efficiency of. For example, when the supply amount of water to be treated exceeds a predetermined amount, it is possible to switch from the second treatment to the first treatment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the state of the reaction region 50 in the first state.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment includes a return device 32 that forms a flow path for returning the intermediate water in the separation region 60 to the reaction region 50 by using the circulation pump 121.
  • the water to be treated returned to the lower end side of the tubular member 30 by the return device 32 rises again through the inside of the tubular member 30.
  • the circulation pump 121 since the water to be treated whose flow velocity is increased by the circulation pump 121 is supplied to the inside of the tubular member 30, the flow velocity inside the tubular member 30 is locally increased.
  • the sludge settling body 26 moves to the first position and the reaction area 50 is narrowed, the fine granules are entangled with each other and become large. As a result, the growth of granules is significantly promoted. Further, the granules flowing upward from the tubular member 30 collide with other granules when the progress is blocked by the sludge settling body 26 located directly above, and form a granule having a larger particle size. ..
  • the growth of the granule can be promoted by lowering the sludge settling body 26 to the first position and narrowing the reaction area 50. Further, by using the tubular member 30 to generate strong convection in the reaction region 50, the growth of granules can be promoted.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment includes a sludge settling body 26 that can move up and down inside the treatment tank 22. As a result, the range of the reaction region and the separation region can be freely expanded or contracted according to the operating conditions. Then, during the acclimatization period of the biological sludge bed 24 at the initial stage of operation, the reaction area 50 can be narrowed and the growth of the granule can be promoted by moving the sludge sediment 26 downward.
  • the biogas generator 120 of the present embodiment includes a tubular member 30 provided apart from the inner wall of the treatment tank and a return device 32 for returning the water to be treated to the lower end side of the tubular member 30.
  • Modification example 1 In the first embodiment, an example is shown in which both the sludge settling body 26 that can move in the vertical direction and the convection generation mechanism by the tubular member 30 and the return device 32 are provided inside the treatment tank 22, but the tubular shape.
  • the convection generation mechanism by the member 30 and the return device 32 may be omitted.
  • the reaction area 50 and the separation area 60 can be expanded or reduced as long as the sludge settling body 26 that can move in the vertical direction is provided. It can be carried out. That is, by providing the sludge settling body 26 that can move in the vertical direction, the biogas generator 120 of this modified example can shorten the acclimatization period of the biological sludge bed 24 with a simple structure. Further, the biogas generator 120 of the present modification can improve the efficiency of the fermentation treatment of the organic matter by appropriately expanding the reaction region 50 even when the supply amount of the organic matter increases.
  • Modification 2 In the first embodiment, an example is shown in which both the sludge settling body 26 that can move in the vertical direction and the convection generation mechanism by the tubular member 30 and the return device 32 are provided inside the treatment tank 22, but in the vertical direction.
  • the sludge settling body 26 which can be moved to the above can be omitted.
  • the sludge settling body 26 that can move in the vertical direction is not provided, as long as the tubular member 30 and the return device 32 are provided with a convection generation mechanism, strong convection is generated in the reaction region 50 and the acclimatization period is long. It is possible to promote the growth of granules in Japan. That is, by providing the convection generation mechanism by the tubular member 30 and the return device 32, the biogas generation device 120 of this modified example can shorten the acclimatization period of the biological sludge bed 24 with a simple structure.
  • Modification example 3 In the first embodiment, an example is shown in which an operator visually confirms whether or not the granule has grown sufficiently through the viewing window 22b and determines whether or not the granule has grown sufficiently. However, not limited to this example, it is also possible to confirm the growth of granules by using a detector such as a sensor. For example, it is possible to analyze the surface reflection of the granule with a laser sensor and confirm the size of the granule. Further, for example, it is possible to install an image pickup device inside the processing tank 22 to periodically take an image of the granule, analyze the image, and confirm the size of the granule.
  • the sludge settling body 26 is automatically increased. It may be configured.
  • 22 processing tank, 22a ... guide rail, 22b ... viewing window, 24 ... biological sludge bed, 26 ... sludge settling body, 26a ... main body part, 26b ... rectifying part, 26b-1 ... tubular structure, 26b-2 ... inclined plate , 26c ... through hole, 28 ... raw water supply pipe, 30 ... tubular member (draft tube), 32 ... return device, 34 ... scum blocking member, 36 ... treated water discharge trough, 38 ... treated water discharge port, 40 ... elevating Equipment, 40a ... Support member, 40b ... Lifter, 40c ... Support frame, 50 ... Reaction area, 60 ... Separation area, 100 ... Biogas generation system, 105 ...

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Abstract

バイオガス生成装置は、処理槽と、前記処理槽の内部の下方に設けられた生物汚泥床と、前記処理槽の内部の下方に前記処理槽の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、前記処理槽の内部の被処理水を前記筒状部材の下端側に戻す返送装置と、前記処理槽の内部の下方に設けられた原水供給管と、を備える。前記原水供給管の原水供給口が、前記筒状部材の下方に位置してもよい。前記生物汚泥床の上方に、当該生物汚泥床に向かい合う傾斜面を有する汚泥沈降体を備えてもよい。

Description

バイオガス生成装置
　本発明の一実施形態は、バイオガス生成装置に関する。特に、本発明の一実施形態は、下水または工場廃水処理場等で発生する有機廃棄物を処理して減容化すると共に、有機廃棄物からバイオガス（例えばメタンガス）を発生させるためのバイオガス生成装置に関する。
　近年、メタン生成菌は、バイオリアクターで用いられる生体触媒としての活用が盛んである。バイオリアクターの構造は、大別して、嫌気性固定法（ＵＡＦＰ：ｕｐｆｌｏｗ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｆｉｌｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ）、嫌気性流動床法（ＡＦＢＲ：ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ　ｂｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ）及び上向流嫌気性汚泥床法（ＵＡＳＢ：ｕｐｆｌｏｗ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｓｌｕｄｇｅ　ｂｌａｎｋｅｔ　ｒｅａｃｔｏｒ）に分けられる。特に、ＵＡＳＢ法は、処理効率が高いことから注目されている（特許文献１）。
　ＵＡＳＢ法は、嫌気性の微生物を粒子化して高密度に保持し、生物反応槽の下方に生物汚泥床を形成し、有機廃棄物を処理する方式である。有機廃棄物は、嫌気性微生物の作用により、メタン、二酸化炭素等に分解される。ＵＡＳＢ法では、嫌気性微生物が自己造粒して形成されたグラニュールを生物汚泥床として備え、生物反応槽の底部から上向流で有機廃棄物等を通過させて処理する。ＵＡＳＢ法は、微生物を高密度で保持できるため、高濃度の有機廃棄物を効率的に処理することができる。したがって、ＵＡＳＢ法は、装置の設置面積の縮小化及び発生するバイオガスの有効利用といった利点を得ることができる。
特開２０１８－８３１３９号公報
　ＵＡＳＢ法は、運転開始初期のメタン生成菌の生育速度が遅いため、本格的に機能するまで１ヶ月以上の期間を要する場合があった。そのため、ＵＡＳＢ法の運転開始初期は、生物汚泥床の馴養期間（メタン生成菌が機能しない期間）と考えられており、馴養期間をいかに短縮させるかが課題となっていた。
　本発明の一実施形態の課題の一つは、簡易な構造で生物汚泥床の馴養期間を短縮することができるバイオガス生成装置を提供することにある。
　本発明の一実施形態におけるバイオガス生成装置は、処理槽と、前記処理槽の内部の下方に設けられた生物汚泥床と、前記処理槽の内部の下方に前記処理槽の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、前記処理層の内部の被処理水を前記筒状部材の下端側に戻す返送装置と、前記処理槽の内部の下方に設けられた原水供給管と、を備える。
　前記原水供給管の原水供給口は、前記筒状部材の下方に位置していてもよい。
　上記バイオガス生成装置は、前記生物汚泥床の上方に、当該生物汚泥床に向かい合う傾斜面を有する汚泥沈降体を備えていてもよい。前記汚泥沈降体は、前記傾斜面を有する本体部と、当該本体部の上面に設けられた複数の管状構造を含む整流部を有していてもよい。また、前記汚泥沈降体は、前記処理槽の内側を上下方向に移動させることができてもよい。
　前記返送装置は、前記被処理水を加熱するヒーターを含んでいてもよい。
　本発明の一実施形態におけるバイオガス生成システムは、有機物を含む被処理水から酸を生成する酸生成装置と、前記酸生成装置により処理された一次処理水が供給される、上述のバイオガス生成装置と、を備える。
　上記バイオガス生成システムは、前記有機物を含む被処理水を加熱する加熱槽をさらに備え、前記加熱槽により加熱された被処理水が前記酸生成装置に供給されてもよい。
　本発明の一実施形態におけるバイオガス生成方法は、有機物を含む被処理水を上向流で生物汚泥床に通して処理を行うことによりバイオガスを生成する方法であって、前記生物汚泥床の内部に設けられた筒状部材に前記筒状部材よりも上方の被処理水を戻して前記筒状部材の内側の流速を速めることにより、反応域に対流を生じさせる。
　上記バイオガス生成方法は、前記筒状部材よりも上方の被処理水として、前記生物汚泥床を構成するグラニュールを含む被処理水を前記筒状部材に戻してもよい。
　上記バイオガス生成方法において、前記処理は、前記生物汚泥床の上方に設けられた汚泥沈降体を第１位置に配置して相対的に反応域を縮小した第１状態における第１処理と、前記汚泥沈降体を前記第１位置よりも上方の第２位置に配置して相対的に前記反応域を拡大した第２状態における第２処理と、を含み、運転開始時から所定の期間は、前記第１処理を行い、前記所定の期間の後、前記第１処理から前記第２処理に切り換えてもよい。前記所定の期間は、前記生物汚泥床の馴養期間であってもよい。
第１実施形態のバイオガス生成システムの構成を示す図である。 第１実施形態のバイオガス生成装置の構成を示す図である。 第１実施形態のバイオガス生成装置における汚泥沈降体の構成を示す図である。 第１実施形態のバイオガス生成装置における整流部の構成を示す図である。 第１実施形態のバイオガス生成装置における第１状態の構成を示す図である。 第１実施形態のバイオガス生成装置における第２状態の構成を示す図である。 第１状態における反応域の様子を説明するための図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面等を参照しつつ説明する。但し、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
　本明細書において、「バイオガス」とは、微生物を利用して有機物を分解することにより得られるガスを指す。バイオガスとしては、例えば、メタンガス、水素などエネルギー利用が可能なガスが挙げられる。
（第１実施形態）
［バイオガス生成システムの構成］
　図１は、第１実施形態のバイオガス生成システム１００の構成を示す図である。本実施形態のバイオガス生成システム１００は、少なくとも酸生成装置１１０及びバイオガス生成装置１２０を含む。そのほか、本実施形態のバイオガス生成システム１００は、加熱槽１０５、アルカリ溶液槽１１５、水封トラップ１２５及び洗浄トラップ１３０を含む。バイオガス生成システム１００で生成されたバイオガスは、ガスバッファ１３５に蓄積される。ガスバッファ１３５に蓄積されたバイオガスは、温水ボイラ、マイクロガスタービン、ガスエンジン等の燃料として利用される。ただし、図１に示す例は一例に過ぎず、この例に限られるものではない
　加熱槽１０５は、下水、屎尿、生ごみ、工場廃液等の有機廃棄物を含む被処理水を加熱する処理を行う処理槽である。被処理水の加熱は、ヒーター１０６等を用いて行われるが、熱交換器などを用いてもよい。本実施形態では、加熱槽１０５において被処理水を、６０度を超える温度（例えば、６５～７０度）まで加熱する。加熱槽１０５による被処理水の加熱処理は、次に続く酸生成装置１１０の槽内温度を維持する目的を有する。さらに、加熱槽１０５による被処理水の加熱処理は、被処理水に含まれる有機物のうち、タンパク質を分解する目的も有している。
　酸生成装置１１０は、被処理水に含まれる高分子の有機物を、微生物により低分子の有機物に変性させる処理を行う処理槽である。加熱槽１０５で加熱された被処理水は、酸生成装置１１０に供給される。酸生成装置１１０では、高分子の有機物が微生物により処理されて、酢酸などの低級の有機酸に変性される。そのため、酸生成装置１１０は、可溶化装置とも呼ばれる。
　酸生成装置１１０で処理される被処理水は、処理槽の内部で５０度から６０度に維持される。本実施形態では、加熱槽１０５において６０度を超える温度で被処理水を加熱してから酸生成装置１１０に供給するため、酸生成装置１１０の中の被処理水を５０度から６０度に維持することができる。また、その際、加熱槽１０５における加熱処理により被処理水中のタンパク質が分解されるため、酸生成装置１１０における低分子化処理の効率を上げることができる。さらに、あらかじめタンパク質を分解しておくことにより、タンパク質を低分子化した際の残渣物が減るなどの効果も得られる。
　本実施形態の酸生成装置１１０は、槽内の被処理水を循環させるための循環ポンプ１１１及び被処理水のＰＨ値を測定するためのＰＨ計１１２を備える。すなわち、酸生成装置１１０は、循環ポンプ１１１を用いて槽内の被処理水を循環させつつ、ＰＨ値の経時変化を確認することができる。
　アルカリ溶液槽１１５は、酸生成装置１１０のＰＨ調整を行うためのアルカリ溶液を保存する槽である。アルカリ溶液としては、例えば水酸化ナトリウムを用いることができるが、これに限られるものではない。上述のように、酸生成装置１１０では、ＰＨ値が定期的に測定される。測定されたＰＨ値に基づいて酸生成装置１１０の内部が酸性に偏ったと判断された場合、アルカリ溶液槽１１５から適切な量のアルカリ溶液が酸生成装置１１０に供給される。アルカリ溶液の供給量は、流量調整ポンプ１１６を用いて調整される。
　バイオガス生成装置１２０は、嫌気性微生物を用いて有機物の分解処理を行う処理槽である。酸生成装置１１０で有機物の低分子化処理がなされた被処理水は、バイオガス生成装置１２０に供給される。バイオガス生成装置１２０では、低級有機酸等の有機物が嫌気性微生物により処理されて、メタンガス、二酸化炭素、水素等に分解される。本実施形態では、バイオガス生成装置１２０として、ＵＡＳＢ（Ｕｐｆｌｏｗ　Ａｎａｅｒｏｂｉｃ　Ｓｌｕｄｇｅ　Ｂｅｄ）方式の嫌気性処理装置を用いる。ＵＡＳＢ方式の嫌気性処理装置は、メタン発酵能を有する嫌気性微生物を粒子化して高密度に保持した生物汚泥床を用いる点に特徴がある。粒子化した嫌気性微生物は、グラニュールと呼ばれる黒い粒状体となって処理槽内に存在し、グラニュールの集合体が生物汚泥床として機能する。なお、本実施形態では、嫌気性微生物を例示して説明するが、好気性微生物を用いることも可能である。
　本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、処理槽２２の内側に、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６を備えている。本実施形態では、汚泥沈降体２６よりも下方の領域を「反応域」と呼び、汚泥沈降体２６よりも上方の領域を「分離域」と呼ぶ。つまり、バイオガス生成装置１２０は、運転中（処理中）においても、自由に反応域と分離域の拡大又は縮小を行うことができる。本実施形態のバイオガス生成装置１２０の具体的な構造については、図２を用いて後述する。
　バイオガス生成装置１２０から放出された処理水は、水封トラップ１２５に送られる。水封トラップ１２５では、処理水中に混入したガスが除去される。
　バイオガス生成装置１２０によって生成されたガスは、洗浄トラップ１３０に送られる。洗浄トラップ１３０では、消石灰を用いて二酸化炭素を炭酸カルシウムに変える処理が行われる。二酸化炭素の濃度の比率が低まると、相対的にメタンガスの濃度が高まるため、都市ガスレベルの高濃度のメタンガスを得ることができる。そのため、洗浄トラップ１３０は、改質装置とも呼ばれる。
　最後に、洗浄トラップ１３０で生成された高濃度のメタンガスは、ガスバッファ１３５に蓄積される。本実施形態のバイオガス生成システム１００によって生成されたメタンガスは、都市ガスと同等の濃度を有する。そのため、バイオガス生成システム１００によって生成されたメタンガスの利用にあたってはバイオガス専用の設備を用いる必要がなく、一般的な都市ガス対応の設備を用いることができる。
　本実施形態では、有機廃棄物からメタンガスを生成するためのバイオガス生成システム１００について例示したが、これはあくまで一例である。つまり、バイオガス生成システム１００は、後述するバイオガス生成装置１２０の基本的な構造さえ変わらなければ、有機廃棄物から取り出すバイオガスの種類に応じて適宜構成を変更してもよい。例えば、近年では、パイナップルの皮などの残渣物を用いて水素発電を行う試みがなされている。本実施形態のバイオガス生成システム１００は、有機廃棄物からバイオガスとして水素を取り出すシステムとしても利用することができる。
［バイオガス生成装置の構成］
　図２は、第１実施形態のバイオガス生成装置１２０の構成を示す図である。バイオガス生成装置１２０は、少なくとも処理槽２２、生物汚泥床２４、及び汚泥沈降体２６を備える。さらに、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、原水供給管２８、筒状部材（ドラフトチューブ）３０、返送装置３２、スカム阻止部材３４、処理水排出トラフ３６、処理水放出口３８、及び昇降装置４０を備える。ただし、図２に示す例は一例に過ぎず、この例に限られるものではない
　処理槽２２は、鋼板または合成樹脂により形成された円筒状の筐体である。処理槽２２は、本実施形態のバイオガス生成装置１２０の外枠に相当する。本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、ＵＡＳＢ方式で上向流により発酵処理を行うため、処理槽２２として鉛直方向に長軸を有する中空部材を用いる。なお、処理槽２２の一部の内壁には、後述する汚泥沈降体２６を内壁に沿って上下方向に移動させるためのガイドレール２２ａ（図５及び図６参照）が設けられている。なお、本実施形態では、処理槽２２の形状を円筒状とした例を示したが、直方体状であってもよい。また、直方体状の筐体が複数連なった構造とすることも可能である。さらに、鋼板または合成樹脂に限らず、鉄筋コンクリート構造（ＲＣ構造）としてもよい。
　生物汚泥床２４は、処理槽２２の内部の下方に設けられている。生物汚泥床２４は、スラッジベッドとも呼ばれる。生物汚泥床２４は、嫌気性微生物が自己造粒して形成されたグラニュールの集合体である。グラニュールは、嫌気性微生物の自己造粒機能を利用した沈降性に優れる黒色粒状の物質である。グラニュールは、微生物固定化用の担体を用いることなく、高密度かつ高活性のメタン生成菌を保持することができる。
　汚泥沈降体２６は、上向流によって上昇したグラニュールを生物汚泥床２４に向かって沈降させるための部材である。汚泥沈降体２６は、生物汚泥床２４の上方に設けられている。汚泥沈降体２６は、笠状の本体部２６ａと、本体部２６ａの上面に設けられた整流部２６ｂとを含む。汚泥沈降体２６の本体部２６ａは、生物汚泥床２４に向かい合う傾斜面を有する。換言すれば、汚泥沈降体２６の本体部２６ａは、側面視における形状が下方を底面とする円錐台となる。整流部２６ｂは、複数の傾斜板を積層することにより構成された複数の管状構造を含む部材である。管状構造の断面形状は任意であり、例えば三角形、四角形、五角形、六角形、ひし形、又は円形であってもよい。
　図３は、第１実施形態のバイオガス生成装置１２０における汚泥沈降体２６の構成を示す図である。図３に示されるように、本実施形態の本体部２６ａは、複数の扇状部材２６ａ－１を組み合わせて構成されている。しかしながら、本体部２６ａは、１枚の板状部材を加工して一体成形されていてもよい。いずれにしても、本体部２６ａは、生物汚泥床２４に向かう傾斜面を有する笠状の部材であることが好ましい。
　また、図３に示されるように、本実施形態の整流部２６ｂは、上下方向に管状構造２６ｂ－１の開口端を向けて配置される。なお、整流部２６ｂの上に、浮き上がり防止用のネットカバーを設けてもよい。ここで、本体部２６ａの上面には、複数の貫通孔２６ｃが設けられている。整流部２６ｂの内部の管状構造２６ｂ－１は、本体部２６ａの上面に設けられた複数の貫通孔２６ｃにそれぞれ連通している。本体部２６ａを通過した被処理水は、複数の管状構造２６ｂ－１を通って上方に流れる。
　図４は、第１実施形態のバイオガス生成装置１２０における整流部２６ｂの構成を示す図である。具体的には、図４（Ａ）は、複数の傾斜板２６ｂ－２の構成を示す図である。図４（Ｂ）は、複数の傾斜板２６ｂ－２を組み合わせて構成された整流部２６ｂを示す図である。なお、図４（Ｂ）では、整流部２６ｂとして、管状構造２６ｂ－１の断面形状が六角形である例を示している。
　図４（Ａ）に示されるように、複数の傾斜板２６ｂ－２は、それぞれが複数の屈曲部を有する板状部材で構成されている。各傾斜板２６ｂ－２の材料としては、プラスチック、金属等を用いることができる。図４（Ａ）に示す複数の傾斜板２６ｂ－２を重ね合わせると、図４（Ｂ）に示されるように、複数の管状構造２６ｂ－１を有する整流部２６ｂを形成することができる。なお、複数の傾斜板２６ｂ－２を接着剤等で貼り合せて整流部２６ｂを形成してもよいし、重ね合わせた複数の傾斜板２６ｂ－２に前述のネットカバー等を被せて整流部２６ｂを形成してもよい。いずれにしても、図４（Ｂ）に示される構造を、汚泥沈降体２６の本体部２６ａの上面に配置できればよい。
　一般的に、ＵＡＳＢ方式の嫌気性処理装置では、装置の運転中、生物汚泥床を構成するグラニュールが上向流に乗って処理槽の外に流出（フラッシュアウト）しないように留意する必要がある。そのためには、被処理水の上昇速度よりもグラニュールの沈降速度が速くなるように調整することが重要である。グラニュールの沈降速度は、ストークスの式から求めることができる。ストークスの式によれば、グラニュールの沈降速度は、グラニュールの粒子密度及び粒径が大きいほど速くなる。また、被処理水の上昇速度（水面積負荷）は、処理槽の断面積（分離面積）で、被処理水の流量を除した値である。したがって、処理槽の分離面積を大きくすることが、被処理水の上昇速度を小さくする上で重要である。
　以上のことを考慮し、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、汚泥沈降体２６を処理槽２２の内部に配置することにより、処理槽２２の有効分離面積を増加させ、被処理水の上昇速度を落としている。特に、整流部２６ｂでは、中空構造の内部の表面積を分離面積として加えることができるため、グラニュールが効率よく沈降する。被処理水から分離されたグラニュールは、再び処理槽２２の内部を下降して、最終的に、再び生物汚泥床２４に戻る。このように、汚泥沈降体２６は、グラニュールの分離にも大きく寄与する。
　さらに、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、運転開始時から所定の期間（具体的には、生物汚泥床２４の馴養期間）は、汚泥沈降体２６よりも下方の領域、すなわち反応域を狭くすることにより、グラニュールの成長を促進させ、グラニュールの粒子密度を向上させている。この事は、前述のとおり、グラニュールの沈降速度を早くすることに寄与する。
　上述の効果を得るために、本実施形態では、汚泥沈降体２６が、処理槽２２の内壁に沿って上下方向に移動可能となっている。つまり、汚泥沈降体２６を上下方向に移動させることにより、バイオガス生成装置１２０の運転状況に応じて、反応域を狭くしたり、反応域を広くしたりすることができる。この制御については、図５及び図６を用いて後述する。
　図２に戻ってバイオガス生成装置１２０の説明を続ける。原水供給管２８は、原水（図１に示す酸生成装置１１０から供給される一次処理水）を処理槽２２の内部に供給する。図２では、１本の供給管のみ示されているが、この例に限らず、複数本の供給管を並列させてもよい。なお、詳細は後述するが、本実施形態の原水供給管２８の開口端は、筒状部材３０の下方に位置しており、供給された原水が筒状部材３０の内部に送られる。
　筒状部材３０は、細長い中空のパイプであり、処理槽２２の反応域（すなわち、汚泥沈降体２６の下方）に設けられる。具体的には、筒状部材３０は、処理槽２２の内壁から離隔して、上下方向に開口端が向くように配置される。処理槽２２の反応域には、生物汚泥床２４が形成される。したがって、バイオガス生成装置１２０の運転中における筒状部材３０は、生物汚泥床２４の内部に位置する。
　返送装置３２は、処理槽２２の上方から下方へと被処理水を戻す役割を有している。具体的には、返送装置３２は、汚泥沈降体２６よりも上方の被処理水（すなわち、グラニュールを含まない被処理水）及び／又は汚泥沈降体２６よりも下方の被処理水（すなわち、グラニュールを含む被処理水）を、前述の筒状部材３０の下端側に戻す機能を有する。つまり、返送装置３２は、分離域の被処理水を再び反応域に戻したり、被処理水を反応域内で循環させたりする役割を有している。後述するように、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、反応域で良好な対流が生じるように、筒状部材３０の内部の流速を速める構造を有する。返送装置３２によって再び反応域に戻された被処理水は、筒状部材３０の下端側の開口から筒状部材３０の内側に戻されるため、筒状部材３０の内部における流速の増加に寄与する。
　返送装置３２は、循環ポンプ１２１及び返送管１２２を用いて被処理水を再び反応域に戻す流路を形成する。流路には、循環ポンプのほか、ヒーター１２３及び水温センサ１２４が設けられている。ヒーター１２３は、返送管１２２を流れる被処理水を加熱する。水温センサ１２４は、返送管１２２を流れる被処理水の温度を計測する。
　ヒーター１２３は、コイルヒーター、比熱接触槽、多重管式熱交換器、プレート式熱交換器など、様々なヒーターを用いることができる。水温センサ１２４としては、例えばサーミスタを用いることができる。本実施形態では、水温センサ１２４の出力信号に基づいてヒーター１２３を制御し、処理槽２２内の被処理水の温度制御を行っている。また、本実施形態では、ヒーター１２３としてコイルヒーター等の接触式ヒーターを用いる。ヒーター１２３として接触式ヒーターを用いることにより、ヒーター１２３に接触した被処理水の温度は６０度を超える。そのため、ヒーター１２３は、槽内温度を維持するだけでなく、増えすぎたグラニュール及び被処理水中のタンパク質を分解することもできる。
　スカム阻止部材３４は、汚泥沈降体２６の上方に設けられる。スカムとは、余剰汚泥等がガスによって浮上したものである。スカム阻止部材３４は、汚泥沈降体２６とは反対に、側面視における形状が、上方を底面とする円錐台の部材であり、中心付近に被処理水を通す開口が設けられている。
　処理水排出トラフ３６は、スカム阻止部材３４の上方に設けられる。処理水排出トラフ３６は、処理槽２２の内部を上昇した処理水を通過させる開口を中心に有し、開口の周囲に溢れた処理水を受ける溝を有した構造を有する。この溝に溜まった処理水が、処理水放出口３８から放出される。
　昇降装置４０は、汚泥沈降体２６を上下方向に移動させるための駆動装置である。昇降装置４０は、一端が汚泥沈降体２６に連結された支持部材４０ａ、支持部材４０ａの他端に連結されたリフター４０ｂ、及び支持部材４０ａとリフター４０ｂとを支持する支持枠４０ｃを含む。昇降装置４０による汚泥沈降体２６の移動は、手動で行われてもよいし、自動制御で行われてもよい。また、本実施形態では、支持枠４０ｃに目盛り４０ｄが付されている。例えば、手動でリフター（例えば昇降シリンダー）を動かして汚泥沈降体２６を移動させる場合、目盛り４０ｄによって移動距離が分かるようにしておけば、任意の位置に汚泥沈降体２６を配置することができる。
　以上説明した本実施形態のバイオガス生成装置１２０の動作について、図５～図７を用いて説明する。
［バイオガス生成装置の動作］
　図５は、第１実施形態のバイオガス生成装置１２０における第１状態の構成を示す図である。図６は、第１実施形態のバイオガス生成装置１２０における第２状態の構成を示す図である。なお、図５及び図６に示すバイオガス生成装置１２０は、説明の便宜上、図２に示した一部の構成を省略している。また、図２では図示を省略したが、図５及び図６に示されるように、処理槽２２は、汚泥沈降体２６を内壁に沿って上下方向に移動させるためのガイドレール２２ａを有する。ただし、ガイドレール２２ａは必須の構成ではない。例えば、処理槽２２が小型である場合は、省略することも可能である。
　図５に示す第１状態は、汚泥沈降体２６を処理槽２２の下方（第１位置）に配置して、相対的に反応域５０を縮小した状態（すなわち、分離域６０を拡大した状態）である。なお、説明の便宜上、図５において、汚泥沈降体２６の下端を反応域５０の上限として図示したが、実際には、汚泥沈降体２６よりも下方であれば反応域５０として機能し得る。この点については、図６も同様である。
　本実施形態において、「第１位置」は、運転開始時から所定の期間（具体的には、生物汚泥床２４の馴養期間）に汚泥沈降体２６を配置する位置である。第１位置は、処理槽２２の深さ等を考慮して適宜決定すればよい。運転開始時は、グラニュールが負荷変動に対して非常に弱いため、反応域５０を狭くして負荷変動を抑える。これにより、グラニュールの結合力の低下が抑制され、グラニュールが内部ガスにより浮き上がってしまうという不具合を抑制することができる。また、反応域５０を狭くすることにより、反応域５０の有機物濃度が高まるため、グラニュールの成長が促される。
　このように、本実施形態では、生物汚泥床２４の馴養期間は、図５に示す第１状態における処理（第１処理）を行い、グラニュールの成長促進に重きを置く。これにより、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、生物汚泥床２４の馴養期間の短縮を図ることができる。
　さらに、運転開始時は、グラニュールの成長が不足しているため、生物汚泥床２４が十分に機能しない。また、非常に粒径の小さいグラニュールが多く存在するため、分離域６０における固液分離性能を高めることが望ましい。本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、運転開始時には、反応域５０の縮小に伴って分離域６０が拡大されるため、反応域５０におけるグラニュールの成長促進と分離域６０における固液分離性能の向上との両立が可能である。
　次に、図６に示す第２状態は、汚泥沈降体２６を処理槽２２の上方（第２位置）に配置して、相対的に反応域５０を拡大した状態（すなわち、分離域６０を縮小した状態）である。換言すれば、第２状態は、汚泥沈降体２６を前述の第１位置よりも上方の第２位置に配置して、相対的に反応域５０を拡大した状態である。グラニュールが十分に成長して馴養期間を経過したと判断された場合、次は、反応域５０の処理能力を上げることに重きを置く。つまり、反応域５０を拡大することにより、被処理水とグラニュールの接触時間を増加させ、処理の効率を上げる。そのために、本実施形態では、第１位置から第２位置へと汚泥沈降体２６を上方向に移動させることにより、反応域５０を拡大した状態で処理（第２処理）を行う。
　なお、グラニュールが十分に成長したか否か、すなわち生物汚泥床２４の馴養期間が経過したか否かは、作業者が処理槽２２に設けられた覗き窓２２ｂ（図２参照）などから目視で確認して判断すればよい。
　また、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、運転中に、被処理水の供給量の増減に応じて反応域５０の拡大又は縮小を行うこともできる。例えば、被処理水の供給量（すなわち、生物汚泥床２４を通過する有機物の供給量）が増加した場合は、汚泥沈降体２６を上方向に移動させて反応域５０を拡大し、反応域５０の処理の効率を向上させることが望ましい。例えば、被処理水の供給量が所定量を超えたとき、第２処理から第１処理に切り換えることが可能である。
　さらに、本実施形態では、図５に示す第１状態において、反応域５０に対流を生じさせることにより、グラニュールの成長を促進させる構成となっている。この点について、図７を用いて説明する。
　図７は、第１状態における反応域５０の様子を説明するための図である。前述のように、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、循環ポンプ１２１を用いて分離域６０の中間水を反応域５０に戻す流路を形成する返送装置３２を備えている。返送装置３２によって筒状部材３０の下端側に戻された被処理水は、再び筒状部材３０の内側を通って上昇する。その際、循環ポンプ１２１によって流速が速められた被処理水が筒状部材３０の内側に供給されるため、筒状部材３０の内側の流速が局所的に上がる。
　したがって、筒状部材３０の上方の開口端では、大きな流速でグラニュールと被処理水が流出することによる上昇流が生じる。また、筒状部材３０の下方の開口端では、筒状部材３０に流入する被処理水の流れによって開口端近傍に負圧が生じる。その負圧によって、筒状部材３０の下方の開口端では、グラニュールと被処理水が筒状部材３０の内部に引き込まれる。その結果、図７に示すように、反応域５０には、被処理水の強い対流が生じる。このとき、汚泥沈降体２６が第１位置まで移動して反応域５０が狭められているため、微細なグラニュールは互いに絡み合って大きくなる。その結果、グラニュールの成長が著しく促進される。さらに、筒状部材３０から上方に向かって流出したグラニュールは、直上に位置する汚泥沈降体２６によって進行が遮られると、他のグラニュールと衝突し、さらに大きな粒径のグラニュールを形成する。
　以上のように、本実施形態によれば、汚泥沈降体２６を第１位置まで下げて反応域５０を狭くすることにより、グラニュールの成長を促進させることができる。さらに、筒状部材３０を用いて反応域５０に強い対流を生じさせることにより、グラニュールの成長を促進させることができる。
　本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、処理槽２２の内部を上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６を備える。これにより、運転状況に応じて反応域及び分離域の範囲を自由に拡大又は縮小することができる。そして、運転開始初期の生物汚泥床２４の馴養期間には、汚泥沈降体２６を下方に移動させることにより反応域５０を狭くし、グラニュールの成長を促進させることができる。
　また、本実施形態のバイオガス生成装置１２０は、処理槽の内壁から離隔して設けられた筒状部材３０と被処理水を筒状部材３０の下端側に戻す返送装置３２とを備える。これにより、運転開始初期の生物汚泥床２４の馴養期間には、汚泥沈降体２６を下方に移動させつつ筒状部材３０の内側における上昇流の流速を速め、反応域５０の全体に強い対流を生じさせることができる。その結果、反応域５０を狭くする効果に対して対流による効果も加わり、グラニュールの成長を著しく促進させることができる。
（変形例１）
　第１実施形態では、処理槽２２の内部に、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６と、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構の両方を設けた例を示したが、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構は省略することもできる。
　例えば、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構を備えていなくても、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６を備えてさえいれば、反応域５０及び分離域６０の拡大又は縮小を行うことができる。すなわち、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６を備えることにより、本変形例のバイオガス生成装置１２０は、簡易な構造で生物汚泥床２４の馴養期間を短縮することができる。さらに、本変形例のバイオガス生成装置１２０は、有機物の供給量が増加した場合においても、適切に反応域５０を拡大させることにより、有機物の発酵処理の効率を上げることができる。
（変形例２）
　第１実施形態では、処理槽２２の内部に、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６と、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構の両方を設けた例を示したが、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６は省略することもできる。
　例えば、上下方向に移動可能な汚泥沈降体２６を備えていなくても、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構を備えてさえいれば、反応域５０に強い対流を生じさせ、馴養期間におけるグラニュールの成長促進を図ることができる。すなわち、筒状部材３０及び返送装置３２による対流発生機構を備えることにより、本変形例のバイオガス生成装置１２０は、簡易な構造で生物汚泥床２４の馴養期間を短縮することができる。
（変形例３）
　第１実施形態では、グラニュールが十分に成長したか否かを作業者が覗き窓２２ｂから目視で確認して判断する例を示した。しかしながら、この例に限らず、センサ等の検出器を用いてグラニュールの成長を確認することも可能である。例えば、レーザーセンサでグラニュールの表面反射を解析し、グラニュールの大きさを確認することが可能である。また、例えば、処理槽２２の内部に撮像装置を設置して定期的にグラニュールの撮像を行い、画像を解析してグラニュールの大きさを確認することが可能である。さらに、これらのレーザーセンサによる解析結果又は画像の解析結果に基づいてグラニュールの成長が十分か否かを判定し、十分であると判断された場合に、自動的に汚泥沈降体２６が上昇する構成としてもよい。
　本発明の実施形態及びその変形例は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。上述した実施形態のバイオガス生成装置を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
　また、上述した実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。
２２…処理槽、２２ａ…ガイドレール、２２ｂ…覗き窓、２４…生物汚泥床、２６…汚泥沈降体、２６ａ…本体部、２６ｂ…整流部、２６ｂ－１…管状構造、２６ｂ－２…傾斜板、２６ｃ…貫通孔、２８…原水供給管、３０…筒状部材（ドラフトチューブ）、３２…返送装置、３４…スカム阻止部材、３６…処理水排出トラフ、３８…処理水放出口、４０…昇降装置、４０ａ…支持部材、４０ｂ…リフター、４０ｃ…支持枠、５０…反応域、６０…分離域、１００…バイオガス生成システム、１０５…加熱槽、１０６…ヒーター、１１０…酸生成装置、１１１…循環ポンプ、１１２…ＰＨ計、１１５…アルカリ溶液槽、１１６…流量調整ポンプ、１２０…バイオガス生成装置、１２１…循環ポンプ、１２２…返送管、１２３…ヒーター、１２４…水温センサ、１２５…水封トラップ、１３０…洗浄トラップ、１３５…ガスバッファ

Claims (12)

  1. 　処理槽と、
    　前記処理槽の内部の下方に設けられた生物汚泥床と、
    　前記処理槽の内部の下方に前記処理槽の内壁から離隔して設けられ、上下方向に開口端を有する筒状部材と、
    　前記処理槽の内部の被処理水を前記筒状部材の下端側に戻す返送装置と、
    　前記処理槽の内部の下方に設けられた原水供給管と、
    　を備える、バイオガス生成装置。
  2. 　前記原水供給管の原水供給口が、前記筒状部材の下方に位置する、請求項１に記載のバイオガス生成装置。
  3. 　前記生物汚泥床の上方に、当該生物汚泥床に向かい合う傾斜面を有する汚泥沈降体を備える、請求項１又は２に記載のバイオガス生成装置。
  4. 　前記汚泥沈降体は、前記傾斜面を有する本体部と、当該本体部の上面に設けられた複数の管状構造を含む整流部を有する、請求項３に記載のバイオガス生成装置。
  5. 　前記汚泥沈降体は、前記処理槽の内側を上下方向に移動させることができる、請求項３又は４に記載のバイオガス生成装置。
  6. 　前記返送装置は、前記被処理水を加熱するヒーターを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバイオガス生成装置。
  7. 　有機物を含む被処理水から酸を生成する酸生成装置と、
    　前記酸生成装置により処理された一次処理水が供給される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバイオガス生成装置と、
    　を備える、バイオガス生成システム。
  8. 　前記有機物を含む被処理水を加熱する加熱槽をさらに備え、
    　前記加熱槽により加熱された被処理水が前記酸生成装置に供給される、請求項７に記載のバイオガス生成システム。
  9. 　有機物を含む被処理水を上向流で生物汚泥床に通して処理を行うことによりバイオガスを生成するバイオガス生成方法であって、
    　前記生物汚泥床の内部に設けられた筒状部材に前記筒状部材よりも上方の被処理水を戻して前記筒状部材の内側の流速を速めることにより、反応域に対流を生じさせる、バイオガス生成方法。
  10. 　前記筒状部材よりも上方の被処理水として、前記生物汚泥床を構成するグラニュールを含む被処理水を前記筒状部材に戻す、請求項９に記載のバイオガス生成方法。
  11. 　前記処理は、
    　前記生物汚泥床の上方に設けられた汚泥沈降体を第１位置に配置して相対的に反応域を縮小した第１状態における第１処理と、
    　前記汚泥沈降体を前記第１位置よりも上方の第２位置に配置して相対的に前記反応域を拡大した第２状態における第２処理と、
    　を含み、
    　運転開始時から所定の期間は、前記第１処理を行い、前記所定の期間の後、前記第１処理から前記第２処理に切り換える、請求項９又は１０に記載のバイオガス生成方法。
  12. 　前記所定の期間は、前記生物汚泥床の馴養期間である、請求項１１に記載のバイオガス生成方法。
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