JP6184041B1 - メタン発酵処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機性廃棄物からメタンガスを発生する装置の提供。【解決手段】 廃棄物を投入する廃棄物投入槽２、メタンガスが発生する発酵槽１、該メタンガスを使って稼働する発電機３、該発電機３が稼働する際の廃熱を使って加熱された温水１５を循環して循環路１１を流れる有機性廃棄液９を所定の温度に加熱する加熱器４を有し、該発酵槽１の下端部に設けた流出口１０から流れて発酵槽内の有機性廃棄液９の液面１２より上方に流入口１７を有す循環路１１を設けている。【選択図】 図１

Description

本発明は小規模な構造にて構成して家畜の糞尿や生ごみなどの有機性廃棄物をメタン発酵処理することが出来るメタン発酵処理方法及びその装置に関するものである。

生ゴミ、家畜の***物、食品加工残渣、汚泥などの有機性廃棄物を原料としてメタンを発酵させることが出来、このメタンガスは化石燃料に代わるものとして環境に優しい再生可能なエネルギーである。
メタンガスは有機物の腐敗や発酵などに伴って発生し、色も臭いもない可燃性のガスであり、メタン発酵技術を活用して大量に発生する廃棄物の処理が注目されている。
メタン発酵技術は化石燃料をほとんど使用せず、カーボンニュートラルな有機性廃棄物をエネルギー原料として利用する点で、地球温暖化防止の観点からの温室効果ガス抑制に寄与するシステムである。

ところで、従来においても、生ゴミ、家畜の***物、食品加工残渣などの有機性廃棄物を原料としてメタンを発酵させる装置は知られているが、大規模な設備と成ってしまうのが実状である。
例えば、特開２０１１−３１１６７号に係る「汚泥消化装置」は、該装置の循環経路は、槽の内部から外部に渡って槽壁を貫通して延びる第１の横管および第２の横管２３，２６を有し、これらの横管の槽の外部に配置された部分の外側に外管を配置して、第１の横管および第２の横管と外管との間に外側流路を形成している。各外管の槽壁側の端部を配管で接続して、両外側流路を連通している。第２の横管の外管に熱媒体導入管を接続し、第１の横管の外管に熱媒体導出管を接続し、外管が配置された部分で、第１の横管および第２の横管内に汚泥が通り、外側流路に熱媒体が通る。これにより、循環経路内の汚泥が加熱される。

特許第４２１８５０４号に係る「メタン発酵処理方法」は、メタン発酵槽内の菌数を減らすことなしにメタン発酵槽の温度を高温に保持することができるメタン発酵処理方法である。
すなわち、有機性廃棄物を原料スラリー化してメタン発酵槽内に供給し、嫌気性微生物によりメタン発酵させ、発酵廃液として取り出すメタン発酵処理方法において、メタン発酵槽の外部に接続された循環経路によって発酵液の一部を循環させ、この循環経路の途中に熱交換器を設け、メタン発酵槽内の温度が５３〜５７℃となるように発酵液の循環流量を循環ポンプで制御している。

特開平１１−２９０８２７号に係る「発酵槽内の有機性廃棄物の加温方法」は、高濃度の有機性廃棄物を発酵させるに際し、均等に加温できるようにしている。
そこで、メタン菌等を含んだ発酵槽内のＴＳ濃度１．５〜７％の汚泥を、この発酵槽に連通して槽外に設けた汚泥循環管にわたって循環ポンプ装置で循環させることにより攪拌混合し、攪拌混合に伴って発生する摩擦熱で加温する。

これらの他にも、特開２００４−８３７号に係る「有機性廃棄物の嫌気性処理方法及び処理システム」、特開昭５９−１８６７００号に係る「水・汚泥処理システム」、特開昭５８−２０５５９２号に係る「下水処理装置」、特開２００７−２２９６５７号に係る「有機物含有液の発酵槽投入方法及び処理装置」、特開２０００−１５７２５５号に係る「バイオガス製造方法及び装置」等がある。

特開２０１１−３１１６７号に係る「汚泥消化装置」 特許第４２１８５０４号に係る「メタン発酵処理方法」 特開平１１−２９０８２７号に係る「発酵槽内の有機性廃棄物の加温方法」 特開２００４−８３７号に係る「有機性廃棄物の嫌気性処理方法及び処理システム」 特開昭５９−１８６７００号に係る「水・汚泥処理システム」 特開昭５８−２０５５９２号に係る「下水処理装置」 特開２００７−２２９６５７号に係る「有機物含有液の発酵槽投入方法及び処理装置」 特開２０００−１５７２５５号に係る「バイオガス製造方法及び装置」

このように、従来からメタン発酵処理装置は色々と知られている。本発明が解決しようとする課題は、特に上記特許第４２１８５０４号に係る「メタン発酵処理方法」の問題点を改良したものであり、より簡素化した工程で効率良くメタンガスを生成することが出来るメタン発酵処理方法及びコンパクト化した処理装置を提供する。

本発明はメタン発酵技術を利用した小型で必要な場所へ搬送・設置することが可能なメタン発酵処理装置であり、発生したメタンガスを利用して発電し、発電に際して発生する廃熱を加熱用として利用し、また廃棄物を処理してメタンガスを取り出した後の消化液を農作物の肥料として利用することが出来るシステムである。

ところで、本発明に係るメタン発酵処理装置は、メタンガスを発生する為の発酵槽、生ごみなどの廃棄物を投入する為の廃棄物投入槽、そしてガスエンジン発電機を有している。廃棄物投入槽には攪拌機を取付け、そして廃棄物投入槽に投入した廃棄物（有機性資源）を発酵槽へ送るために、廃棄物投入槽と発酵槽の間に搬送管を接続し、間には廃棄物を送り出す為のポンプを設けている。ここで、有機性廃棄物は攪拌機で攪拌されることで液状化されて有機性廃棄液となる。

発酵槽に送られた有機性廃棄液は発酵してメタンガスが生成されるが、該発酵槽内の有機性廃棄液を循環させる為に循環路を設け、その為に発酵槽の下端部に流出口を、有機性廃棄液の液面上方に流入口を有している。
したがって、発酵槽内の有機性廃棄液は循環路を循環し、上方から流れ落ちるように、流入口を液面下に設けていない。発酵槽の上部空間には発生したメタンガスが充満し、該メタンガスは外部へ導かれて発電機を稼働するエネルギー源として消費される。

有機性廃棄液が循環路を介して流れ落ちることで発酵槽内部は攪拌され、また発酵槽内部には攪拌機を取付けて攪拌している。そして、循環路の途中には加熱器を取付けて、該循環路を流れる有機性廃棄液を所定の温度に加熱するようにしている。
ここで、加熱手段として温水が使用され、この温水は発酵槽にて生成されるメタンガスを使用して稼動する発電機の廃熱が用いられる。上記加熱器の具体的な構造は限定しないことにするが、一般的には２重管構造として、温水が循環して流れる外径の大きな管の中心軸部を上記循環路が貫通する構造とすることが出来る。
ただし、電気を必要としない場合であれば、上記発電機に代わってボイラーや温水発生装置（ガス給湯器）を取付けることも出来る。

本発明に係るメタンガス処理方法は、廃棄物投入槽に投入された有機性廃棄物を液状化して発酵槽へ送り、この発酵槽ではその下端部に設けた流出口から流出して循環路を循環し、発酵槽の上部である液面上方から流れ落している。したがって、有機性廃棄液は発酵槽内部の上下層間で循環し、しかも循環路の途中に設けている加熱器によって適度な温度に加熱されることで、有機性廃棄液から効率良くメタンガスを発生させることが出来る。

そして、発生したメタンガスは循環して上方から流れ落ちる有機性廃棄液によって液面上に多量の泡が発生することなく潰されて、効率よくメタンガスを発生することが出来る。すなわち、液面上に大量の泡が発生して発酵槽の上部空間が泡で満たされるならば、メタンガスを抜くことが出来ず、また上部空間に配置している各種計測器が誤作動する虞があるが、本発明ではこれらの現象を防止する為に泡の発生を抑制している。

発酵槽内には攪拌機が取付けられていて、有機性廃棄液が水平面内で循環するようにしており、循環路の流入口が１箇所であっても液面が循環することで発生する泡は順次消滅する。
一方、循環路を流れる有機性廃棄液の加熱は、生成されるメタンガスを利用して稼働する発電機の廃熱にて温められる温水が用いられ、別途加熱源となるエネルギーを必要とせず、また、攪拌機を回す電気エネルギーは発電機から直接供給される。

本発明に係るメタン発酵処理装置の概略図を示している。 有機性廃棄液が流れる循環路を加熱する為の加熱器。 メタン発酵処理装置を構成する発酵槽をコンテナに収容した場合。 メタン発酵処理装置を構成する廃棄物投入槽、発電機、温水ユニット、及びメタンガスタンクをコンテナに収容した場合。

図１は本発明に係るメタン発酵処理装置の概略図であり、同図の１は発酵槽、２は廃棄物投入槽、３は発電機、４は加熱器をそれぞれ表わしている。
上記廃棄物投入槽２には、メタンガスを発生する原料となる生ゴミ、家畜の***物、食品加工残渣、汚泥などの有機性廃棄物６が投入され、一緒に混ざり合っている固形物は破砕機能を備えたポンプ５にて細かく砕かれて送り出される。

その為に、該ポンプ５は投入槽２の流出口に配置され、発酵槽１へ送り出される有機性廃棄物６は破砕機能を備えたポンプ５を通過することになる。また、投入槽２には攪拌機７を取付けていて、投入された色々な物が混ざり合って、有機性廃棄物６が均等になるように攪拌され、有機性廃棄物６は有機性廃棄液９となる。有機性廃棄液９は上記ポンプ５にて押し出されることで搬送管８を流れて発酵槽１へ送られる。

発酵槽１では上記廃棄物投入槽２から送られた有機性廃棄液９は発酵してメタンガスが効率よく発生するように、所定の温度に加熱されると共に攪拌される。
そこで、発酵槽１は大きなタンクで構成され、発酵槽内の有機性廃棄液９を循環する。すなわち、発酵槽１の底部に流出口１０を設けて破砕機能を備えたポンプ５にて吸い込み、有機物廃棄液９は循環路１１を流れて循環し、発酵槽１の上部に設けられ流入口から流れ落ちることが出来る。ここで、上記流入口１７は液面１２より上方に配置され、その為に有機物廃棄液９は液面１２に流れ落ちるようにしている。

循環路１１の一部には加熱器４を設置し、この加熱器４によって循環路１１を流れる液状の有機性廃棄液９を温めることが出来る。
そして、発酵槽１の内部には攪拌機１３ａ，１３ｂを両側で対角線上に取付けていて、内部に収容されている有機性廃棄液９を攪拌することが出来る。
本発明では、発酵槽１の底部から流出して液面上方から流れ落ちることで、その落流荷重を利用して発酵槽内では上下方向に循環する流れが形成される。しかも攪拌機１３ａ，１３ｂを発酵槽の両側で対角線上の位置に取付けて攪拌することで、水平面内で循環する流れが形成されて均等に混ざり合うことが出来る。

ところで、発酵槽１の上部空間１４には有機性廃棄液９が発酵することで発生したメタンガスが充満し、このメタンガスは発酵槽１とは別に設けた容器（タンク）へ導いて収容し、該メタンガスを別途使用することが出来る。また、該メタンガスを用いて上記発電機３を稼働し、ガスエンジンにて稼働する発電機３によって発生する電気を各用途に用いることが出来る。
一方、発電機３から生じる廃熱を利用して加熱された温水が温水加熱器４を流れるようにしている。

上記廃棄物投入槽２及び発酵槽１に取付けている攪拌機７、１３ａ，１３ｂの動力として、またポンプ５を駆動する動力としての電力も上記発電機３から供給する。すなわち、本発明のメタン発酵処理装置は外部からのエネルギーの供給を必要としないで、独立して稼動するように構成している。その為に、本発明の装置を必要な場所へ搬送・設置することで、発電機３から生じる電気エネルギーを、又は発電機３の廃熱を手軽に利用できる。

該温水加熱器４は図２に具体例を示すように、中心軸部を上記循環路１１が貫通し、温水１５が加熱器４を流れることで循環路１１が加熱され、ひいては循環路１１を流れる有機性廃棄液９が加熱される。
上記発電機３が稼働することで発生する廃熱が利用されて温水ユニット１６内の温水１５が温められ、この温水１５は上記加熱器４を循環するように成っている。

そして、加熱された有機性廃棄液９は循環路１１を流れて発酵槽１の液面上方から流れ落ち、発酵槽内部の有機性廃棄液９の温度を約３０℃〜４０℃、又は５０℃〜６０℃に上昇して発酵することが出来る。この温度は、有機性廃棄液９が発酵し易い温度であり、この２つの温度帯を切り替えることが出来るように制御している。また、液面上方から流れ落すことで上下方向に循環する流れが形成されると共に、有機性廃棄液９の液面１２に発生する多数の泡は潰れて消滅することになる。

図３は本発明に係るメタン発酵処理装置の発酵槽１を示す実施例であり、（ａ）平面図、（ｂ）は正面図をそれぞれ表している。同図に示す発酵槽１は概略直方体を形成したタンクであり、この発酵層１に上記廃棄物投入槽２からから送られる有機性廃棄液９が収容され、メタンガスを発生する。
該発酵層１の上端部には循環路１１が配置されてその流入口１７が先端に設けられている。

そして、発酵層１の両側には攪拌機１３ａ，１３ｂが取付けられ、両攪拌機１３ａ，１３ｂの高さは同じであるが対角線上に位置している。したがって、両攪拌機１３ａ，１３ｂが回転するならば、有機性廃棄液９は水平面内で反時計方向に循環して流れる。
一方、循環路１１を流れて上記流入口１７から流れ落ちる有機性廃棄液９は上下方向に循環する流れが形成され、発酵槽内の有機性廃棄液９は均一に混ざり合い、しかも水平面内の循環流れにて液面上に発生する泡は上方の流入口１７から流れ落ちる有機性廃棄液９にて順次潰される。

ところで、発酵槽１の両側であって対角線上に取付けた攪拌機１３ａ，１３ｂが回転することで有機性廃棄液９は反時計方向に循環して流れるが、攪拌機１３ａ，１３ｂに代わって有機性廃棄液９が噴射するノズルを対角線上に取付けることも可能である。すなわち、循環路１１を途中で分岐して噴射ノズルから噴射させる。勿論、必要ならば別の噴射用ポンプを取付けてもよい。

図４は図３に示す発酵槽１を除いた廃棄物投入槽２、発電機３、温水ユニット１６、メタンガスタンク１８をそれぞれ表している。本発明に係るメタン発酵処理装置はコンテナに収容して構成し、大きなタンクで構成している発酵層１はコンテナ１９に収容され、その他の構成部材である上記廃棄物投入槽２、発電機３、温水ユニット１６、メタンガスタンク１８はコンテナ２０に収容されている。

したがって、これらコンテナ１９，２０をトラックに載せて所定の場所へ運ぶことが出来る。運ばれた両コンテナ１９、２０は互いに接続して、廃棄物投入槽２に有機性廃棄物５を投入することでメタンガスが発生して稼働することが出来る。
このように、コンテナ１９，２０に収容して構成することで、個々の装置を現場へ運んで設置する必要がなく、その為に全体がコンパクト化されると共に据付け作業が省力化される。

１ 発酵槽
２ 廃棄物投入槽
３ 発電機
４ 加熱器
５ 破砕ポンプ
６ 有機性廃棄物
７ 攪拌機
８ 搬送管
９ 有機性廃棄液
10 流出口
11 循環路
12 液面
13 攪拌機
14 上部空間
15 温水
16 温水ユニット
17 流入口
18 メタンガスタンク
19 コンテナ
20 コンテナ

Claims (6)

1. 有機性廃棄物からメタンガスを発生する装置において、廃棄物を投入する廃棄物投入槽、メタンガスが発生する発酵槽、該メタンガスを使って稼働する発電機、該発電機が稼働する際の廃熱を使って加熱する温水ユニットを有し、加熱された温水ユニット内の温水が循環する加熱器を有し、上記廃棄物投入槽と発酵槽を搬送管にて接続すると共に該廃棄物投入槽に入れた有機性廃棄物を発酵槽へ送る為のポンプを取付け、そして該発酵槽内で上下方向に循環する流れを形成する為に発酵槽の下端部に設けた流出口から流れて発酵槽内の有機性廃棄液の液面より上方に流入口を有す循環路を設け、該循環路は内部を流れる有機性廃棄液を加熱する為に上記加熱器内を通過し、上記発酵槽の形状を概略直方体にすると共に、水平面内で循環する流れを形成する為に攪拌機を両側の対角線上に設けたことを特徴とするメタン発酵処理装置。
2. 上記攪拌機に代わって噴射ノズルを取付けた請求項１記載のメタン発酵処理装置。
3. 上記発電機に代わってボイラーを用いた請求項１、又は請求項２記載のメタン発酵処理装置。
4. 上記発電機に代わって温水発生装置を用いた請求項１、又は請
   求項２記載のメタン発酵処理装置。
5. 有機性廃棄物を細かく砕いた有機性廃棄液からメタンガスを発生するメタン発酵処理方法において、廃棄物を投入する廃棄物投入槽、メタンガスが発生する発酵槽、該メタンガスを使って稼働する発電機、該発電機が稼働する際の廃熱を使って加熱する温水ユニット、そして加熱された温水ユニット内の温水が循環する加熱器を有し、上記廃棄物投入槽に入れた有機性廃棄物を細かく砕いて出来る有機性廃棄液をポンプにて発酵槽へ送り、発酵槽にはその下端部に設けた流出口から循環路を延ばし、その流入口を発酵槽内の有機性廃棄液の液面より上方に設け、上記有機性廃棄液は循環路を流れると共に途中に設けた加熱器内を上記循環路が通過することによって所定の温度に加熱され、そして、有機性廃棄液は上記下端部の流出口から流出して上記流入口から液面に向かって流れ落ちることで発酵槽内にて上下方向に循環する流れを形成し、また、上記発酵槽の形状を概略直方体にすると共に、攪拌機を両側の対角線上に設けて攪拌することで有機性廃棄液が水平面内で循環する流れを形成したことを特徴とするメタン発酵処理方法。
6. 上記攪拌機に代わって噴射ノズルを取付けた請求項５記載のメタン発酵処理方法。
   

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