JP6664801B1

JP6664801B1 - メタン発酵装置

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Publication number: JP6664801B1
Application number: JP2019183167A
Authority: JP
Inventors: 増尾　一; 一増尾; 穂柄吾妻; 雄一大竹
Original assignee: SAISEI
Current assignee: SAISEI
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: JP2021058822A

Abstract

【課題】より消費電力が少ないメタン発酵装置を提供する。【解決手段】メタン発酵装置は、供給口１０から供給されるバイオマスをメタン発酵させるための発酵槽５と、発酵槽５内に設けられた回転軸２６に複数枚の板状部材２７の各端縁を固定して構成される攪拌板２８とを備える。供給口１０及び攪拌板２８は、供給口１０から供給されるバイオマスが攪拌板２８の板状部材２７に当たる位置となるように配置される。攪拌板２８は、バイオマスが板状部材２７に当たることにより回転又は搖動し、発酵槽５内に供給されたバイオマスを攪拌するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、加水分解されたバイオマスをメタン発酵させるメタン発酵装置に関する。

従来、バイオマスを加水分解する加水分解槽と、加水分解されたバイオマスを発酵させるメタン発酵槽と、メタン発酵槽におけるバイオマスの発酵後の残渣である消化液を貯留する消化液タンクとを備えるバイオマス処理システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のシステムでは、メタン発酵槽には、ＰＨセンサと、温度センサと、側壁に取り付けられたヒータとが設けられる。これらのセンサやヒータによりメタン発酵槽がメタン発酵に適したＰＨ、温度となるように管理される。また、メタン発酵槽には、電動モータで駆動する攪拌機が設けられており、攪拌機によりＰＨ及び温度が均一となるようにメタン発酵槽内のバイオマスが攪拌される。

特開２０１４−２４０５０号公報

しかしながら、上記特許文献１のシステムによれば、電動モータで駆動する攪拌機により発酵槽を攪拌するので、その分より多くの電力が消費され、運転費用が高額なものとなる。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、より消費電力が少ないメタン発酵装置を提供することにある。

本発明のメタン発酵装置は、
加水分解されたバイオマスをメタン発酵させるための発酵槽と、
前記バイオマスを前記発酵槽の周縁部の一部に上方から供給するための供給口と、
前記バイオマスを前記供給口まで送出するポンプと、
前記発酵槽内に供給されたバイオマスを攪拌する攪拌板と、
前記発酵槽の底部に配置されたメタン菌滞留材とを備え、
前記攪拌板は、
前記メタン菌滞留材の上方において略水平に設けられた回転軸と、
前記回転軸を中心として回転する板状部材とを備え、
前記供給口から吐出される前記バイオマスが該板状部材に当たることのみにより該板状部材が前記回転軸の周りで回転して前記バイオマスの攪拌を行うように構成され、
前記板状部材は、前記回転に際してその径方向外側の端部が前記メタン菌滞留材の内部を通過する寸法を有することを特徴とする。

本発明によれば、発酵槽に供給されるバイオマスが攪拌板の板状部材に当たることによって、供給されたバイオマスを攪拌板で攪拌するので、攪拌板は、電力を消費することなく、バイオマスを攪拌することができる。
また、攪拌板は、その回転時に、各板状部材の先端部がメタン菌滞留材の内部を通過するので、メタン菌滞留材のメタン菌が良好に発酵槽内のバイオマス内に拡散し、メタン発酵を良好に促進することができる。

本発明において、前記攪拌板は、３枚以上の前記板状部材を備え、前記供給口から供給されるバイオマスが各板状部材に順次当たって該板状部材が回転することにより前記バイオマスの攪拌を行うものであるのが好ましい。

これによれば、３枚以上の攪拌板が回転することにより攪拌を行うので、バイオマスの攪拌を良好に行うことができる。

本発明において、
前記加水分解されたバイオマスを生成するための加水槽と、
前記発酵槽における前記供給口下方の底部に設けられ、前記メタン発酵による分解速度の遅い固形物を分離するための分離室とを備え、
前記分離室は、該分離室により分離された固形物を前記加水槽に戻すために該加水槽に接続されてもよい。

これによれば、分離室により分離した固形物を加水槽に戻して再利用を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るバイオマス処理システムを示すブロック図である。本発明の別の実施形態に係るバイオマス処理システムを示すブロック図である。図２のバイオマス処理システムにおける攪拌板を示す斜視図である。本発明のさらに別の実施形態に係るバイオマス処理システムを示すブロック図である。図５Ａ〜図５Ｃは、それぞれ、図４のバイオマス処理システムに適用できる中央型分離室、傾斜型分離室及び屋根型分離室を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本実施形態のバイオマス処理システムは、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含むバイオガスを発生させるメタン発酵装置を備える。図１に示すように、このメタン発酵装置としてのバイオマス処理システム１は、有機物原料を生成する破砕機２及び有機物調整タンク３と、この有機物原料を加水分解して加水分解されたバイオマスを生成する加水槽４と、加水槽４からのバイオマスを発酵させる発酵槽５と、発酵槽５に接続された脱硫装置６及び消化液タンク７とを備える。

破砕機２及び有機物調整タンク３は、例えば、残飯や生ごみなどの食品残渣を破砕機２で破砕し、この破砕物に対し、有機物調整タンク３において水と消化液を１対１の割合で加えることにより、有機物原料を生成する機能を有する。この有機物原料は、循環ポンプ８により加水槽４に供給される。

加水槽４は、この有機物原料を加水分解することにより、加水分解処理されたバイオマスを生成するためのものである。このバイオマスは、循環ポンプ９により供給口１０を経て発酵槽５に供給される。発酵槽５は、上述のメタン発酵装置を構成しており、このバイオマスをメタン発酵させ、バイオガスと消化液を生成する機能を有する。

脱硫装置６は、生成されたバイオガスから硫化水素を除去する。消化液タンク７は、生成された消化液を一時的に貯留するためのものである。

また、バイオマス処理システム１は、地下水を貯留するための雨水タンク１１と、加水槽４及び発酵槽５を保温する熱調整保温装置１２とを備える。熱調整保温装置１２は、雨水タンク１１内の水を温調しつつ、加水槽４及び発酵槽５内に配置された保温用パイプ１３に流通させることにより、加水槽４及び発酵槽５内の温度を３６〜４０℃に保持する。

熱調整保温装置１２には、太陽光温水機や石油給湯器が含まれる。熱調整保温装置１２は、発酵槽５内で生じるバイオガス熱なども考慮して温調を行う。

また、加水槽４及び発酵槽５は、供給口１０に設けられた重量計１４、槽内に配置されたＰＨセンサや温度センサ１５、及び発酵槽５の側壁に取り付けられたヒータなどを備える。これらのセンサやヒータ、さらには後述する流量計１６を用いて、加水槽４及び発酵槽５内の環境がメタン発酵に適したＰＨや温度となるように管理される。

発酵槽５と脱硫装置６との間には、発酵槽５で生じたバイオガスについての脱水装置１７及びドレーンフィルタ１８が設けられる。脱硫装置６により硫化水素が除去されたバイオガスは、除湿部１９を経て、流量計１６により流量が計測されつつ、再生資源としての利用に供される。

一方、発酵槽５で生じた消化液は、消化液タンク７に貯留された後、肥料などとしての再利用に供される。また、発酵槽５には、槽内の消化液の一部を吸い上げる循環ポンプ２０及び三方弁バルブ２１が接続される。消化液タンク７内の消化液の一部と循環ポンプ２０で吸い上げられる消化液とが、三方弁バルブ２１において合流され、循環ポンプ２２により還流される。この還流は、必要に応じて、有機物調整タンク３、加水槽４、及び発酵槽５に対して行われる。加水槽４及び発酵槽５に対する還流は、それぞれ三方弁バルブ２３及び三方弁バルブ２４を介して行われる。

発酵槽５と消化液タンク７、発酵槽５と循環ポンプ２０、循環ポンプ２２と三方弁バルブ２４、三方弁バルブ２４と三方弁バルブ２３、三方弁バルブ２３と有機物調整タンク３のそれぞれの間には、それぞれの間の消化液の流通を、必要に応じて開閉するための開閉バルブ２５が設けられる。

発酵槽５は、加水槽４から供給されるバイオマスを発酵槽５の周縁部の一部に上方から供給するための供給口１０と、発酵槽５内に回転自在に設けられた回転軸２６に複数枚、例えば４枚の板状部材２７の各端縁を固定して構成される攪拌板２８と、発酵槽５の底部に配置されたメタン菌滞留材２９とを備える。

攪拌板２８は、供給口１０から供給されるバイオマスが攪拌板２８の板状部材２７に当たる位置に配置され、攪拌板２８は、バイオマスが板状部材２７に当たることにより、発酵槽５内に供給されるバイオマスを攪拌するように構成される。

具体的には、攪拌板２８は、３枚以上の板状部材２７を備え、供給口１０から供給されるバイオマスが各板状部材２７に順次当たって板状部材２７が回転することによりバイオマスの攪拌を行うように構成される。

また、攪拌板２８は、その回転時に、各板状部材２７の先端部が、発酵槽５の底部に配置されたメタン菌滞留材２９の内部を通過するように構成される。なお、加水槽４及び発酵槽５にはメンテナンス用の出入口４ａ及び５ａがそれぞれ設けられる。また、発酵槽５には、バイオガス抜き５ｂが設けられる。

この構成において、食品残渣が破砕機２で破砕され、これに有機物調整タンク３で水と消化液が１対１の割合で加えられて有機物原料とされる。この有機物原料は、加水槽４で加水分解されて、加水分解処理されたバイオマスとされ、発酵槽５に供給口１０から供給される。このとき、供給口１０から供給されるバイオマスは、攪拌板２８の板状部材２７に当たり、攪拌板２８を回転させる。

これにより、供給されたバイオマスが攪拌されるので、バイオマスのメタン発酵が適切に促進される。また、このとき、各板状部材２７の先端部は、メタン菌滞留材２９の内部を通過するので、メタン菌滞留材２９に滞留しているメタン菌が良好にバイオマス内に拡散される。これにより、さらに良好にメタン発酵が促進される。

さらに、このとき、発酵槽５は熱調整保温装置１２によって３６〜４０℃に保温されるとともに、供給口１０の重量計１４や、槽内のＰＨセンサや温度センサ１５の出力に基づき、側壁に取り付けられたヒータを制御して、発酵槽５内の環境がメタン発酵に適したＰＨ及び温度となるように管理されている。このため、発酵槽５内でのメタン発酵は効率的に行われる。

これに伴って効率的に発生するバイオガスが、脱硫装置６を経て、再生資源としての利用に供される。

一方、発酵槽５で効率的に生じる消化液は、消化液タンク７を経て、肥料などの再利用に供される。その際、発酵槽５内の消化液の一部は、消化液タンク７の消化液の一部と合流され、必要に応じて、開閉バルブ２５の操作に応じて、有機物調整タンク３、加水槽４、又は発酵槽５に還流される。

以上のように、本実施形態によれば、発酵槽５に供給されるバイオマスが攪拌板２８の板状部材２７に当たることによって、攪拌板２８により、発酵槽５内に供給されたバイオマスを攪拌する。したがって、攪拌板２８は、電力を消費することなくバイオマスを攪拌することができる。

また、攪拌板２８の回転が、メタン菌滞留材２９のメタン菌を良好に発酵槽５内のバイオマス及び消化液の混合物内に拡散するので、メタン発酵を良好に促進することができる。

図２は、別の実施形態に係るバイオマス処理システム１ａを示す。このバイオマス処理システム１ａは、攪拌板の構成が上記図１の実施形態とは異なる。他の構成は、上記図１の実施形態の場合と同様である。

すなわち、本実施形態の攪拌板２８ｂは、回転軸２６を中心とする平板状となるように配置された２枚の板状部材２７を備え、そのうちの一方には、図３のように、多数の貫通孔（メッシュ）３０が設けられる。２枚の板状部材２７のうちの他方には、供給口１０から供給されるバイオマスが当たることにより、該２枚の板状部材２７が搖動して、供給されたバイオマスの攪拌が行われるように構成される。

この場合、供給口１０から供給されるバイオマスは、他方の板状部材２７上に落下する。この落下してくるバイオマスの重みにより、他方の板状部材２７は下方に押されるが、このとき一方の板状部材２７は多数の貫通孔３０を有するので、攪拌板２８ｂは、比較的少ない抵抗でシーソーのように搖動する。この搖動により、発酵槽５の底部に溜まっているバイオマスが攪拌され、バイオマスの発酵が促進される。

本実施形態の場合も、電力を消費することなくバイオマスを良好に攪拌することができる。

図４は、本発明のさらに別の実施形態に係るバイオマス処理システム１ｂを示す。このバイオマス処理システム１ｂは、発酵槽５における供給口１０下方の底部に、メタン発酵による分解速度の遅い固形物を分離するための分離室３１を備える。分離室３１は、分離室３１により分離された固形物を加水槽４に戻すために、未消化物の移送経路を介して加水槽４に接続される。

また、分離室３１は、該固型物を肥料化するための濾過装置３２に接続される。他の構成は、図１のバイオマス処理システム１の場合と同様であり、図４における図１と同じ符号は、同じ要素を示している。

図５Ａは、分離室３１の一例として、中央型の分離室３１ａを示す。中央型分離室３１ａは、室内の中央に向かって傾斜した傾斜面３３ａと、傾斜面３３ａにより中央型分離室３１ａの底部に送られた固形物を加水槽４等に移送するための排出口３４とを備える。排出口３４には開閉バルブ３５が設けられる。

この構成において、供給口１０から供給されるバイオマスには、分解速度が遅い固形物も含まれている。このような固形物は、攪拌板２８と連動して、少しずつ中央型分離室３１ａに送られる。中央型分離室３１ａに送られた固形物は、未消化物として加水槽４に戻され、再分解が図られて再利用される。

また、中央型分離室３１ａに送られた固形物は、窒素（Ｎ）、リン酸（Ｐ_２Ｏ_５）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）を豊富に含むので、濾過装置３２に移送し、肥料として再利用することもできる。

本実施形態によれば、分離室３１により分離した固形物を加水槽４に戻すことができるので、分解速度の遅い、例えば分解に数十日を要するような固形物について、再利用を図り、バイオガス化して、分解効率を向上させることができる。また、このような固形物を濾過装置３２に移送して肥料化することもできる。

なお、分離室３１として、図５Ｂ及び図５Ｃにそれぞれ示すような、傾斜型分離室３１ｂ及び屋根型分離室３１ｃのような形態のものも考えられる。図５Ｂの傾斜型分離室３１ｂは、一方の端に向かって傾斜した傾斜面３３ｂを備える。図５Ｃの屋根型分離室３１ｃは、両方の端に向かって傾斜した屋根状の傾斜面３３ｃを備える。

傾斜型分離室３１ｂ及び屋根型分離室３１ｃの場合も、中央型分離室３１ａの場合と同様にして、固形物を分離することができる。分離した固形物は、排出口３４から開閉バルブ３５を介して加水槽４や濾過装置３２に移送することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、攪拌板における板状部材の枚数は５枚以上であってもよい。また、図２のバイオマス処理システム１ａにおいて、図４のバイオマス処理システム１ｂの場合と同様に、分離室３１等を設け、固形物の再利用や肥料化を図るようにしてもよい。

１、１ａ、１ｂ…バイオマス処理システム、２…破砕機、３…有機物調整タンク、４…加水槽、４ａ…出入口、５…発酵槽、５ａ…出入口、５ｂ…バイオガス抜き、６…脱硫装置、７…消化液タンク、８…循環ポンプ、９…循環ポンプ、１０…供給口、１１…雨水タンク、１２…熱調整保温装置、１３…保温用パイプ、１４…重量計、１５…ＰＨセンサや温度センサ、１６…流量計、１７…脱水装置、１８…ドレーンフィルタ、１９…除湿部、２０…循環ポンプ、２１…三方弁バルブ、２２…循環ポンプ、２３…三方弁バルブ、２４…三方弁バルブ、２５…開閉バルブ、２６…回転軸、２７…板状部材、２８、２８ｂ…攪拌板、２９…メタン菌滞留材、３０…貫通孔、３１…分離室、３１ａ…中央型分離室、３１ｂ…傾斜型分離室、３１ｃ…屋根型分離室、３２…濾過装置、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ…傾斜面、３４…排出口、３５…開閉バルブ。

Claims

加水分解されたバイオマスをメタン発酵させるための発酵槽と、
前記バイオマスを前記発酵槽の周縁部の一部に上方から供給するための供給口と、
前記バイオマスを前記供給口まで送出するポンプと、
前記発酵槽内に供給されたバイオマスを攪拌する攪拌板と、
前記発酵槽の底部に配置されたメタン菌滞留材とを備え、
前記攪拌板は、
前記メタン菌滞留材の上方において略水平に設けられた回転軸と、
前記回転軸を中心として回転する板状部材とを備え、
前記供給口から吐出される前記バイオマスが該板状部材に当たることのみにより該板状部材が前記回転軸の周りで回転して前記バイオマスの攪拌を行うように構成され、
前記板状部材は、前記回転に際してその径方向外側の端部が前記メタン菌滞留材の内部を通過する寸法を有することを特徴とするメタン発酵装置。
前記攪拌板は、３枚以上の前記板状部材を備え、前記供給口から供給されるバイオマスが各板状部材に順次当たって該板状部材が回転することにより前記バイオマスの攪拌を行うものであることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵装置。
前記加水分解されたバイオマスを生成するための加水槽と、
前記発酵槽における前記供給口下方の底部に設けられ、前記メタン発酵による分解速度の遅い固形物を分離するための分離室とを備え、
前記分離室は、該分離室により分離された固形物を前記加水槽に戻すために該加水槽に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のメタン発酵装置。