(57)【要約】      （修正有）【課題】バイオマスを充填した外部循環式のメタン発酵反応設備において、効率的かつ外部環境に対して負荷の少ない方法でメタン発酵を行う方法の提供。【解決手段】内部に原料となるバイオマスの粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を１１、１２用いてメタンガスと発酵堆肥を製造する回分式のメタン発酵設備において、同じ形状で同一容積の一対のメタン発酵槽を用いるとともに、一方のメタン発酵槽１１が反応水のスプレーを開始してメタン発酵反応を開始した時点で、他方のメタン発酵槽１２でメタン発酵反応が終了して反応停止のための不活性ガスの注入を開始し、かつ、発酵槽１２の不活性ガスの注入量を発酵槽１１のメタンガスを含むバイオガスの発生量とほぼ同一となるように調節する、メタンガスと堆肥の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を用いてメタンガスと発酵堆肥を製造する回分式のメタン発酵設備において、同じ形状で同一容積の一対のメタン発酵槽を用いるとともに、一方のメタン発酵槽（発酵槽Ａ）が反応水のスプレーを開始してメタン発酵反応を開始した時点で、他方のメタン発酵槽（発酵槽Ｂ）では同じ時点でメタン発酵反応が終了して反応停止のための不活性ガスの注入を開始し、かつ、発酵槽Ｂの不活性ガスの注入量（流量速度）を発酵槽Ａのメタンガスを含むバイオガスの発生量（流量速度）とほぼ同一となるように調節する操作をすることを特徴とする、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【請求項２】
一方のメタン発酵槽（発酵槽Ａ）の反応開始から定常発酵反応の段階に入る前までの間に発生したバイオガスと他方のメタン発酵槽（発酵槽Ｂ）の不活性ガスの注入開始から終了操作完了までの間に発生したバイオガスとを、同一のメタンガス貯槽に捕集することを特徴とする、請求項１に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【請求項３】
不活性ガスとして、バイオガスを空気過剰係数１．０８〜１．１０で完全燃焼させて得られる燃焼排ガスを用いることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【請求項４】
不活性ガスの注入を、発酵槽底部に設けた穴あきパイプを通して発酵槽の底面全体にほぼ均一になるように行うことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、稲わらや麦わらなどの未利用のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法に関する。さらに詳しくは、外部循環型のバイオマス資源を充填したメタン発酵設備を用いて、発酵設備の操作方法・運転方法を工夫することによって、より環境負荷の少なく、かつより効率的にメタンガスとともに、同時に発酵堆肥を生産することのできる、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
農業においては、稲わらや麦わら、とうもろこし茎、野菜類の茎や葉などさまざまな未利用の農産有機物質が大量に発生している。また、林業においても落葉や下草刈り作業等により未利用の林産有機物質が大量に発生している。これらのさまざまな未利用資源は、従来はそのまま放置したり、焼却や埋設するなどの方法によって処理されてきた。さらに食品工業や畜産業などにおいては、その加工廃水や畜産廃水、或いは家畜類の糞便などの粘性排泄物などさまざまな有機性の廃棄物が発生するので、これらの廃棄物を化学処理や活性汚泥処理などによって処理して、有機性廃棄物を除去する必要があった。
【０００３】
一方、近年さまざまな環境問題がクローズアップされるに伴い、できるだけ環境に対して負荷の少ない産業活動が強く要請されるようになり、特に、地球の温暖化防止のために、炭酸ガス等の温室効果ガスの削減が強く求められるようになっている。このような状況においては、上述したような農林業等において発生する種々の廃棄物を単に焼却処理や自然分解により炭酸ガスにすることは好ましくない。これらの廃棄物をバイオマス資源として有効に再利用し、活用することができれば、資源の有効利用とともに地球の温暖化防止の目的にも合致し、一挙両得である。また、畜産粘性排泄物などの有機性廃棄物も、従来以上の有効活用と合理的・経済的な利用が望まれている。
【０００４】
このような主として自然界のさまざまなバイオマス資源に由来する炭酸ガスの発生量は、種々の産業活動によって発生する温室効果ガスの約２．８倍に達するとの推定値がある。従って、このようなバイオマス資源である種々の未利用有機物質を自然分解や焼却処理することなく有効利用することができれば、温室効果ガスの削減にもきわめて有意義である。
【０００５】
従来から、このような問題に対処するために、まだ利用されていないさまざまなバイオマス資源を有効に活用することも検討されてきており、特に、メタン発酵の現象を利用してメタンガスや堆肥に変換することが注目されている。例えば、家畜等の動物の排泄物や食品工場等から排出される高濃度有機排水を対象としたものがあるが、いずれも液体やスラリー状態としたものをメタン発酵処理するものが主体であり、固形の有機物質を処理する方法は大規模な鋼鉄製やコンクリート製の発酵槽を用いる方式が提案されている程度であった（特許文献１参照）。
【０００６】
このような現状において、本発明者は、このメタン発酵の技術を利用して、より簡単でかつ低いコストでこのような固形のバイオマス資源のメタン発酵反応を行わせる方法を提案した。即ち、メタン発酵槽として、鉄材や木材などで骨組を構成し、この骨組を柔軟なガス不透過性シート材料で覆って内部に気密性の空間を形成したものを用い、この中にバイオマス資源を充填して反応水を外部循環させて発酵反応を行わせるメタン発酵反応設備を提案し、すでに特許を取得している（特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９０３４０号公報
【特許文献２】特許４６１５０５２号公報
【特許文献３】特許５５５５３９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】李玉友  ：ＪＥＦＭＡ  Ｎｏ．５３［２００５．８］、特別寄稿、メタン発酵技術の概要とその応用展望
【非特許文献２】独立行政法人土木研究所、国立大学法人東北大学、株式会社タクマ：下水汚泥の高効率発酵システム開発に関する共同研究報告書（平成２２年１０月）
【非特許文献３】季玉友、水野修、舩石圭介、山下耕司：生ごみの高速メタン発酵システム、ＥＣＯ  ＩＮＤＵＳＴＲＹ、８（６） ＰＰ．５〜１９（２００３）
【非特許文献４】長井富雄；日本エネルギー学会  第５回  バイオマス科学会議発表論文及び発表ポスター、（２０１０．０１．２０．〜２１．）
【非特許文献５】長井富雄；第２６回エネルギー・資源学会  研究発表会講演論文集、コンファレンス発表論文及び口頭発表資料、（２０１０．０１．２６．〜２７．）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、バイオマス資源を充填した外部循環式のメタン発酵反応設備において、かかる設備を利用して、より効率的に、かつより外部環境に対してより負荷の少ない方法によって、メタン発酵を行ってメタンガスと発酵堆肥を生産する方法を提供することをその目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、大量に未利用のまま放置され又は焼却処分されているさまざまな固形のバイオマス資源を利用する方法について検討し、かかる固形のバイオマス資源を充填した外部循環式のメタン発酵反応設備において、その設備の運転操作方法を工夫することによって、より効率的にかつ外部に排水を出すことなく環境に対してより負荷の少ない方法でメタン発酵を行わせる方法を見出し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明は、以下の内容をその要旨とする発明である。
（１） 内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を用いたメタンガスと発酵堆肥とを製造する回分式のメタン発酵設備において、得られる発酵堆肥に含まれる水分量を、バイオマス資源粗砕物が含有する水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量以上とし、かつ発酵堆肥の含水率を最大で７５重量％までとすることを特徴とする、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１２】
（２）原料のバイオマス資源粗砕物として、十分に乾燥した含水率が３５重量％以下のものを用いることを特徴とする、前記（１）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１３】
（３）得られる発酵堆肥の含水率を５０〜７５重量％とすることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１４】
（４）メタン発酵槽に充填する原料として、バイオマス資源の粗砕物とともに家畜類の粘性排泄物を棒状に押出成形し乾燥したものを混合することを特徴とする、前記（１）ないし（３）のいずれかに記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１５】
（５）家畜類の粘性排泄物がスクリューフィーダーとスネークポンプにより直径１０〜２０ｍｍの棒状に押出成形されたものである、前記（４）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１６】
（６）家畜類の粘性排泄物が、平坦に広げたバイオマス資源の粗砕物の上に、家畜類の粘性排泄物の押出成形品をならべて、その含水率が３５重量％以下となるように天日通風乾燥したものである、前記（４）又は（５）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１７】
（７）内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部循環して充填物の上部からスプレーして流し、これを繰り返し実施してメタン発酵反応を行わせる気密性のメタン発酵槽を用いてメタンガスと発酵堆肥を製造する回分式のメタン発酵設備において、同じ形状で同一容積の一対のメタン発酵槽を用いるとともに、一方のメタン発酵槽（発酵槽Ａ）が反応水のスプレーを開始してメタン発酵反応を開始した時点で、他方のメタン発酵槽（発酵槽Ｂ）では同じ時点でメタン発酵反応が終了して反応停止のための不活性ガスの注入を開始し、かつ、発酵槽Ｂの不活性ガスの注入量（流量速度）を発酵槽Ａのメタンガスを含むバイオガスの発生量（流量速度）とほぼ同一となるように調節する操作をすることを特徴とする、バイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１８】
（８）一方のメタン発酵槽（発酵槽Ａ）の反応開始から定常発酵反応の段階に入る前までの間に発生したバイオガスと他方のメタン発酵槽（発酵槽Ｂ）の不活性ガスの注入開始から終了操作完了までの間に発生したバイオガスとを、同一のメタンガス貯槽に捕集することを特徴とする、前記（７）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００１９】
（９）不活性ガスとして、バイオガスを空気過剰係数１．０８〜１．１０で完全燃焼させて得られる燃焼排ガスを用いることを特徴とする、前記（７）又は（８）に記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【００２０】
（１０）不活性ガスの注入を、発酵槽底部に設けた穴あきパイプを通して発酵槽の底面全体にほぼ均一になるように行うことを特徴とする、前記（７）ないし（９）のいずれかに記載のバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に従って使用するバイオマス資源としては十分に乾燥したものを使用し、得られる発酵堆肥に含まれる水分量をバイオマス資源の含水量から発酵反応で消費される水分量を差し引いた量以上とすることによって、発酵設備内に貯留している反応水のみを使用して長時間のメタン発酵反応を行うことができ、余分の水分を外部に排出することがなく、プロセス排水がゼロの状態でメタン発酵を進行させることができる。従って、長期間にわたるメタン発酵によるバイオマス資源を利用したメタンガスと堆肥の製造において、製造設備の系外にまったくプロセス排水を出すことがなく、周囲の環境に対して負荷の非常に少ない、環境にやさしい製造方法である。
【００２２】
また、本発明の方法においては、原料として従来液状にしないと使用が困難であった家畜類の粘性排泄物を棒状に押出成形し乾燥したものを、バイオマス資源の粗砕物とともに混合して使用することができ、さらにその含水率を上記のように調節することによって、製造設備の系外にまったくプロセス排水をだすことがなくメタンガスと堆肥の製造することができる。従って、家畜類の粘性排泄物のような、メタン発酵が行いにくく、かつ排出すると環境に対して負荷の大きいものも本発明の方法によってメタン発酵に利用することができる。
【００２３】
さらに、２個以上の一対の回分式のメタン発酵槽を用いて互いのメタン発酵の反応開始期とメタン発酵の反応終了期のタイミングをそろえるとともに、メタン発酵反応終了期の不活性ガスの注入速度をコントロールする本発明の方法によって、定常発酵反応期に約５６容積％という高濃度のメタンガスが得られるだけでなく、メタン発酵反応開始期やメタン発酵反応終了期という非定常な運転状態のときでも、約２８容積％という低濃度のかつ一定の濃度のメタンガスが得られるという利点がある。この場合、反応終了時でも対をなす二つの発酵槽から出る異なる濃度のメタンガスを混合することにより、約２８容積％という一定濃度のメタンガスが得られる。これはメタンガスの爆発限界よりもはるかに高い濃度であって、ガス爆発の心配なしに装置の運転操作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】発酵槽が１基の場合の本発明のメタン発酵設備全体の一例を示す説明図である。
【図２】発酵槽を２基使用した場合の本発明のメタン発酵設備全体の一例を示す説明図である。
【図３】発酵槽を２基使用した場合の、本発明の方法によるそれぞれのメタン発酵槽の運転サイクルと発生するバイオガス中のメタンガス濃度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
稲わら、麦わら等のバイオマス資源を対象にメタン発酵反応を行う反応設備でメタン発酵を行った場合に、約２ケ月間の期間にわたって２０〜６０℃程度の中温から高温の範囲でメタン発酵を進めた場合、使用されたバイオマス資源の７０％程度の分解率が達成される。
これは、李玉友らの「生ごみの高速メタン発酵に関する報告」によれば、一般的に生ごみの分解率は約８０％とあること（非特許文献１、非特許文献３参照）や、下水汚泥の多段消化槽による連続実験で反応率７３％が得られている例（非特許文献２参照）、発酵の条件は異なるが夏場の水田の土中に鋤きこまれた稲わらや麦わらが一夏の間にほぼ１００％分解されている現象からも推定される。
【００２６】
又、非食用農産バイオマス原料の場合では、原料中にたんぱく質などのアンモニア原因物質も少なく、反応水を外部循環スプレー方式で接触流下しているので、アンモニアなどの揮発性反応阻害物質が存在しても発散除去され易いので反応阻害物質の影響も少なくなると考えられる。尚、メタン発酵の結果、バイオマス原料に含まれる生分解性高分子有機物ＣＯＤの約８０〜９０％がバイオガスに転換され、残りの１０〜２０％程度が増殖菌体となって非分解性固形物とともに消化残渣（堆肥）となると言われる。
【００２７】
本発明は、内部に原料となるバイオマス資源の粗砕物を充填し、メタン菌を含有する反応水を外部の循環ポンプによって循環させて、充填されたバイオマス資源の粗砕物の上部からスプレーして流すことにより、原料のバイオマス資源粗砕物の表面が十分に濡れた状態でメタン発酵反応を行わせる、いわゆる固定層型固液接触反応槽を使用する回分式のメタン発酵設備を用いて、特定の運転操作条件のもとにこのメタン発酵設備を運転してメタン発酵反応を行わせる、バイオマス原料を利用したメタンガスと堆肥の製造方法である。
【００２８】
まず、このような本発明のうちの第１の特徴的技術である発明について説明する。
本発明は、上記のようなバイオマス原料を充填した固定層型固液接触反応槽である外部循環式のメタン発酵槽を用いてメタン発酵反応を行いメタンガスと堆肥を製造するに際して、得られる発酵堆肥に含まれる水分量を、バイオマス資源粗砕物に含まれる水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量以上とし、かつ発酵堆肥の含水率を最大で７５重量％まで、好ましくは最大で６０重量％までとするという条件でメタン発酵反応を行わせるものである。
【００２９】
ここで得られる発酵堆肥の含水率は最大で７５重量％まで、好ましくは最大で６０重量％までとする。メタン発酵の反応後に得られる残滓である堆肥はそのままでは含水率が７０〜８５％程度となるが、これを圧搾脱水してその含水率を最大で７５重量％まで、好ましくは最大で６０重量％までとする。発酵堆肥は、その含水率が高くなると、堆肥袋を段積みする場合などに下部の段では上部の圧力で液が滲み出る恐れがある。また、種々の水系有機物濾過ケークや水系活性炭濾過ケークの例などでも含水率は最高で６０〜７５％程度とされていることも参考にすれば、圧搾脱水堆肥の実用的な含水率は７５％以下、好ましくは６０％以下にする必要がある。
【００３０】
また、ここで使用する原料となるバイオマス資源の粗砕物は、稲わら、麦わら等の農産バイオマス資源や、樹木の落葉や剪定枝、下草刈り作業等により発生する林産バイオマス資源を大まかに粉砕して乾燥したものであり、これを発酵反応槽に充填して使用する。
【００３１】
本発明では、このような原料となるバイオマス資源の粗砕物として含水率が３５重量％以下のものを使用することが好ましいが、この程度の含水率のものは、圃場などの天日通風乾燥で充分実現可能な値である。稲わらのような農産バイオマスの乾燥品で含水率が３５重量％以下のものは天日通風乾燥で普通に広げて放置すれば容易に得ることができるし、放置による品質劣化は問題とならない。又、含水率５０重量％のものは少し湿気を持つ柔らかい感触の物で慣れれば手で触ることにより大略判断できるようになる。含水率５０重量％程度のバイオマス原料は、これを網袋等に入れて防水シートを被せて放置することにより、含水率３５重量％以下にすることも容易に実現できる。
【００３２】
このような原料のバイオマス資源の粗砕物では、バイオマス原料の表面はほぼ乾燥状態であるので、そのままの状態では発酵を進めることは困難である。メタン発酵菌類が活動するには充分な流動混合や原料のバイオマス資源と菌体との間で十分に水との接触が行われることが望ましい。そこで、反応を容易にするために原料の表面に反応水を流下混合させて菌体と原料との物質移動による反応を促進させている。その循環反応水は原料を濡らして循環させるに足りる必要充分な最小量を確保して発酵反応を開始することが望ましい。
【００３３】
発酵堆肥に含まれる水分量が、原料のバイオマス資源粗砕物に含まれる水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量よりも多くなるように反応後の堆肥を圧搾脱水することによって、発酵系内の水分量は減少していく。このような方法でメタン発酵を進めると発酵バッチ毎に系内に残る水量は減少し続けるので、その減少量を補充する必要がある。発酵開始前と終了後の系内水量を計測・確認して毎回ほぼ一定になるように補充すればよい。その時、外部から調達する発酵菌体を含有する余剰消化汚泥水などで補充すれば好都合であり、経済的に有利となる。そのような運転を続けることにより、プロセス排水を発酵プラントの系外に出すことなく生産を続けることができる。
【００３４】
このことは、以下に示すように単純化した反応式で近似して解析することができる。即ち、他の物質の出入りのない系を前提として、メタン発酵全体を次の式（Ｉ）に示すように近似して物質収支計算を行い、その近似的解析から確認することができる。
農産又は林産バイオマスは、（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）の重合によるセルロースを主成分とする高分子であり、自然界では数多くの微生物類とメタン発酵菌により、次のように近似される分解反応が行われていると考えられる。
【００３５】
【化１】
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【００３６】
１つのセルロース単位（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）から３分子のメタンガスと３分子の炭酸ガスが分解によって発生する。理論的には、固形セルロースが１００％分解された場合には、セルロース１６２ｋｇと水１８ｋｇからメタンガス４８ｋｇと炭酸ガス１３２ｋｇが発生することになる。この場合は化学量論的には、原料のバイオマス資源の含水率は、｛１８／（１６２＋１８）｝×１００、即ち１０重量％である。
【００３７】
現実的なメタン発酵反応においては、農産バイオマス原料の平均の分解率は２／３（６６．７％）程度であると考えられるので、農産バイオマス原料の分解率を２／３とし、圧搾脱水した後の発酵堆肥の含水率を６０重量％とした場合には、メタン発酵反応の前後のバイオマス原料と発酵堆肥以外の他の物質の出入りのない系を前提とした場合には、以下に示す物質収支計算からバイオマス原料の含水率を求めると、その含水率は３６．５重量％となる。
【００３８】
これは「反応で消費される水分量と発酵堆肥の含水量の合計量（水のOUTPUT量）」を「バイオマス原料の含水率（水のINPUT量）」だけで賄うとすると、バイオマス原料の含水率は３６．５重量％のものが必要であることを意味する。バイオマス原料の含水率が３６．５重量％に満たない水分量の少ないものを使用する場合は、その差引量だけ反応系の水量が減少していくので、減少量を補充して系内の循環に必要な水量をほぼ一定になるように保つことが必要で、メタン発酵をスムーズに進めるにはバイオマス粗砕原料の表面を濡らし、反応に関与する菌体類と良好に接触混合させることが重要である。そのために系内に貯留する反応水を外部循環スプレイ方式により原料の表面に乱流状に流下させて固液混合を進める。そのようにして必要な水量を系内に確保して反応を進める。
【００３９】
具体的には、上記の式（Ｉ）に準拠して、バイオマス原料の絶対乾燥品１６２ｋｇを基準にする収支計算すると、圧搾堆肥中の残存バイオマス（セルロース不完全分解物と増殖菌体の合計量である乾燥品）は当初の量（１６２ｋｇ）の１／３の５４ｋｇであるから、堆肥中の水分量をＭｋｇとすれば、{Ｍ／（５４＋Ｍ）}×１００＝６０の関係が成り立つから、この関係式から堆肥中の水分量（Ｍ）は８１ｋｇとなる。圧搾堆肥は、バイオマス不完全分解物と菌体の合計の乾燥品５４ｋｇと水分８１ｋｇであるので、合計で１３５ｋｇとなる。
【００４０】
一方、メタン発酵の反応前後でその他の物質の出入りが無い系で、分解率２／３で堆肥中の含水率がちょうど６０重量％になるバイオマス原料の含水量をＮｋｇとすれば、「メタン発酵の反応前のバイオマス原料の重量＋含有水分量＝反応後のバイオマスの分解量＋堆肥乾燥品残存バイオマスの重量＋堆肥中の水分量」の関係が成り立つ。これを式（Ｉ）に準拠して数式で表すと次のようになる。
【００４１】
【数１】
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【００４２】
この関係式から、バイオマス原料の含水量（Ｎ）は９３ｋｇとなる。従って、圧搾脱水堆肥中の含水率を６０重量％にするためのバイオマス原料の含水率は、９３／（１６２＋９３）×１００＝３６．５となり、バイオマス原料の含水率は３６．５重量％となる。
【００４３】
同様にして、メタン発酵におけるバイオマス原料の分解率を平均２／３（６６．７％）として、発酵堆肥を圧搾脱水した後の堆肥の含水率を５５重量％とした場合には、バイオマス原料の含水率が３２重量％のものが必要となり、圧搾脱水した後の堆肥の含水率を５０重量％とした場合には、同様の条件下での物質収支計算からバイオマス原料の含水率が２９重量％のものが必要となる。
【００４４】
具体例として、含水率３０重量％のバイオマス原料１，０００ｋｇを使用してメタン発酵した場合について、その物質収支を計算すると以下のようになる。
バイオマス原料の分解率２／３（６６．７％）、堆肥の含水率を６０重量％にした場合には、原料中の絶対乾燥バイオマス量は７００ｋｇ、原料中の含水量は３００ｋｇであり、原料中のバイオマス分解量は７００ｋｇの２／３で４６７ｋｇとなり、発酵堆肥の乾燥品重量は７００ｋｇの１／３で２３３ｋｇとなる。
上記の式（Ｉ）に準拠すると、
メタンガス発生量＝（４６７／１６２）×４８＝１３８ｋｇ、
メタンガスと炭酸ガスが等量とした場合、
総バイオガス発生量＝２２．４×（１３８／１６）×２＝３８７ｍ３
発酵堆肥中の水分量＝２３３×（６０／４０）＝３５０ｋｇ
メタン発酵反応で消費される水分量＝４６７×（１８／１６２）＝５２ｋｇ
バイオマス原料中の水分量―反応で消費される水分量＝３００−５２＝２４８ｋｇ
発酵系から持ち出される水分量
＝発酵堆肥中の水分量―（原料中の水―反応消費水）
＝３５０−（３００−５２）＝１０２ｋｇ
従って、この場合にはメタン発酵を１回行う毎にバイオマス原料１，０００ｋｇあたり１０２ｋｇの水が反応系から持出されるので、反応循環系の反応水が減少してくることとなる。これは次の発酵反応の開始の前などにこの水分を補充すればよい。
【００４５】
以上の検討結果は次のことを意味する。即ち、これはメタン発酵反応の前後の他の物質の出入りのない系を前提とした反応系で導かれたものであって、例えば、得られる圧搾脱水堆肥中の含水率が６０重量％のものの場合には、バイオマス原料の含水率を３６．５重量％とすれば、バイオマス原料に含まれる水分量と得られる堆肥によって持ち出される水分量とがバランスし、不足する水分を追加したり、余った水分を排出することなくメタン発酵を継続して実行させることができることを示している。同様に、圧搾脱水堆肥中の含水率が５５重量％の場合にはバイオマス原料の含水率を３２重量％とし、堆肥中の含水率が５０重量％の場合にはバイオマス原料の含水率を２９重量％とすればこの関係が成り立つ。
【００４６】
メタン発酵反応においては、その反応に消費される水分量は、上記式（Ｉ）に示すように、乾燥したバイオマス原料の約１０重量％である。このような場合に、含水率が６０重量％の圧搾脱水堆肥とするためには、バイオマス原料としてその含水率が３６．５重量％よりも少ないものを使用すれば、外部に余分の水分を排出することなくメタン発酵を進行させることができる。バイオマス原料として含水率が３５重量％以下のより水分の少ない乾燥したものを使用する場合には、反応系内の水分量が徐々に減少してゆくので、不足する水分を適宜補給すればよい。その場合の補給水として、他の工場で発生した菌体を含む発酵消化汚泥水や家畜の低濃度排水などを利用すれば、経済的にも有利となる。
【００４７】
なお、農産バイオマスの乾燥原料は、成長段階における細胞組織の含水率が大きく、乾燥状態では細胞膜で仕切られた多数の微細な空間を持つものが多い。例えれば、スポンジに似たような組織の状態と考えられる。そのため、乾燥品の比重は小さく、水と接すると徐々に含水率を上げて、７５〜８０重量％程の含水率を持つものも多い。これは乾燥原料の３〜４倍程の重量の水分を含むこととなり、乾燥品と充分に濡れたものとでは含水量に非常に大きな差が生じる。パイロット実験によれば発酵初期の原料含水率増大に伴う循環水の補充量は大きくなり、発酵中期は補充することなく安定し、発酵終期ではその放出により、中継槽の水量が増加する傾向が見られた。コマーシャルプラントでのバイオマス原料や堆肥の含水率の変化は、設備や運転方法によっても数値が変わるので、大型実用化実験プラントで確認することが望ましい。
【００４８】
次に、以上のような本発明の方法によるメタンガスと発酵堆肥の製造方法について、図１によって説明する。
メタン発酵槽１に原料のバイオマス資源の粗砕物２を充填する。メタン発酵菌を含む反応水は中継槽６に貯留されており、この反応水が配管９と外部循環配管４を通って供給され、メタン発酵槽１内に充填されたバイオマス資源の粗砕物２の上部に設けられたスプレーノズル３から充填物の上に散布される。一定量の反応水が導入されたら、その後は外部循環配管４からスプレーノズル３を通してこの反応水を繰り返して循環して散布し、これを長時間継続することによってメタン発酵反応を行わせる。このとき散布する反応水の量は、メタン発酵槽１内に充填されたバイオマス資源の粗砕物３の表面に反応水が流れて、その表面が十分に濡れる状態となるような量で循環させる。
【００４９】
メタン発酵槽１を密閉状態にして、内部に充填されたバイオマス資源の粗砕物２に反応水の散布が開始されると、メタン発酵槽１の内部の空気中に存在する酸素が発熱を伴う好気発酵菌の発酵反応により徐々に消費されてゆき、最終的に内部の空間は窒素ガスと炭酸ガスの混合ガス（不活性ガス）だけで満たされた状態となる。この好気発酵反応による酸素を消費する過程を本明細書では「好気発酵期」という。好気発酵中は発熱反応であるため原料の温度上昇がみられるが、ガス発生による容積変化は殆ど認められない。
【００５０】
メタン発酵槽１の内部の酸素が完全に消費された状態になり、更に反応水の散布を継続すると嫌気性のメタン発酵菌によるメタン発酵反応へと進んでゆき、メタンガスを含むバイオガスが発生し始める。この嫌気性のメタン発酵菌による反応が開始してバイオガスが発生し始めてその発生量が増加してゆく過程を本明細書では「メタン発酵反応開始期」という。メタン発酵へ移行したことは系内圧力上昇とガス容積の増大で確認できるが、発酵にともなう熱の発生は殆ど認められない。発生したバイオガスとメタン発酵槽１の内部に存在していた窒素ガス等の混合ガスはガスホルダー７に送られる。
【００５１】
更に反応水の散布を継続すると、バイオガスの発生量が安定的となり、一定期間の間は安定した状態でメタン発酵反応が進行し、一定の発生量（流量速度）でバイオガスが発生する。この状態を本明細書では「定常発酵反応期」という。発生したメタンガスを含むバイオガスはガスホルダー７に貯留される。
【００５２】
バイオマス資源の粗砕物２のおよそ２／３程度が分解したところで反応を終了する。メタン発酵の停止は、メタン発酵槽１の底部の不活性ガス注入管１０から少量の酸素ガスを含む窒素ガス等の不活性ガスを注入することによって行う。不活性ガスの注入を開始するとメタン発酵反応が低下してゆき、メタンガスの発生量が低下し、最終的にゼロとなってメタン発酵が停止する。この不活性ガスの注入開始から不活性ガスの注入停止までを、本明細書では「メタン発酵反応終了期」という。不活性ガスの注入によってメタン発酵槽１から追い出されるメタンガスと不活性ガスを含むバイオガスはガスホルダー７に送られる。
【００５３】
なお、このような不活性ガスの注入は、その中に含まれる微量の酸素が毒素の存在のようにメタン発酵菌に作用し、発酵速度が急激に低下してメタンガスの発生が停止する。酸素ガスの拡散混合に伴い急激かつ短時間のうちにメタンガスの発生量がゼロとなってメタン発酵が停止する。発酵槽内部は充填層底部からの不活性ガスの注入による上昇気流と上部からの反応水の液滴流下による充填層内部の乱流混合と発酵槽上部空間での反応水のスプレー液滴による強制混合により良好なガスの混合状態となっている。
【００５４】
また、このメタン発酵設備においては、メタンガスとともにほぼ同量の炭酸ガスも発生し、少量の窒素ガスも含んだものが発生する。本明細書においては、上述のように、これらのメタンガスや炭酸ガスなどを含む混合ガスを「バイオガス」と称し、このバイオガスの中のメタンガス成分のみを指す場合にそれを「メタンガス」と称することとする。
【００５５】
反応終了後は、最初に導入した反応水を中継槽６に戻し、さらに得られたメタン発酵槽１の中から発酵堆肥を取り出して、これを圧搾機にて水分を７５重量％以下、好ましくは６０重量％まで圧搾脱水する。更に、高性能の圧搾脱水機を使用すれば５０重量％程度まで脱水することが可能である。脱水により出てきた反応水も中継槽６にもどす。得られた発酵堆肥の処理が終了した後、次のバッチとして、再び原料のバイオマス資源の粗砕物２をメタン発酵槽１に充填して、同様の運転操作でバイオガスと含水率７５重量％以下の発酵堆肥を得ることができる。
【００５６】
この一連の発酵工程において、例えば、含水率が６０重量％の圧搾脱水堆肥を得る場合に、バイオマス資源の粗砕物２の含水率が３６．５％であれば特に反応水としての水分を補給することなく、長時間連続した発酵反応を行うことができる。又、バイオマス資源の粗砕物２として、例えば、その含水率が３５％以下のより乾燥したものを用いた場合には、系内に貯留されていた循環反応水が減少するので、その水量が基準値以下にならないように中継槽６から補充する。
【００５７】
次に、メタン発酵反応設備の運転操作に関して、本発明のもう一つの特徴的技術である発生するバイオガス切り換えの発明について説明する。
図２に示すように、本発明は、メタン発酵槽Ａとメタン発酵槽Ｂのような一対をなす同一容量のメタン発酵槽から発生するバイオガスの取り扱いに関する。一般的に、このようなメタン発酵槽では、それぞれのメタン発酵槽において次のような運転サイクルで回分式の発酵反応を行う。まず、原料のバイオマス資源の粗砕物を充填した後、密閉状態で充填層の上から反応水を循環してスプレーしてこれを継続することによってメタン発酵に向けての操作を開始する。
【００５８】
まず、反応水の散布を開始した段階ではメタン発酵槽の内部に酸素が残留するため、好気性発酵菌による発熱を伴う発酵反応が起こる。この段階では、好気発酵による発熱が見られるが、メタンガス等のガスの発生は見られない（好気発酵期）。反応水の散布を継続すると、系内の酸素が消費されつくして嫌気性のメタン発酵反応が開始し、メタンガスの発生が始まり、その発生量が徐々に増加してゆく（メタン発酵反応開始期）。この発生するバイオガスの発生量（流量速度）が徐々に増加してゆく段階を過ぎると、バイオガスの発生量が安定的となり、一定期間の間は安定した状態でメタン発酵反応が進行し、一定の発生量（流量速度）でバイオガスが発生する（定常発酵反応期）。メタン発酵が進行して内部のバイオマス原料が減少して発酵に関与する原料が減ることによりバイオガスの発生量（流量速度）が次第に減少してゆき、発生量は減少し続ける（メタン発酵反応終了期）。この時期に合わせて、メタン発酵槽の底部から微量の酸素ガスを含む不活性ガスを注入し、残存するバイオガスの追い出しとメタン発酵の完全停止を行う。
【００５９】
定常発酵反応期では、温度などの物理的条件とＰＨ、菌体濃度、原料組成などの化学的条件の変化によりガス発生量は変化するが、それらの条件が安定してほぼ一定であれば、ほぼ一定の発生量（流量速度）でバイオガスが発生する。
【００６０】
本発明においては、一対をなす同一形状で同一容量のメタン発酵槽を有するメタン発酵設備において、一方のメタン発酵槽１１（メタン発酵槽Ａ）がメタン発酵の反応を開始してバイオガスの発生が開始したメタン発酵反応開始期のタイミングに合わせて、他方の発酵槽１２（メタン発酵槽Ｂ）ではすでに進行してきたメタン発酵の反応終了期となるように運転開始の時期を調整しておく。そして、このタイミングに合わせて、他方の発酵槽１２（メタン発酵槽Ｂ）では不活性ガスの注入を開始し、その中に残留しているバイオガスを追出し置換する。さらに、この不活性ガスによる追い出しに際しては、注入する不活性ガスの注入量（流量速度）が、メタン発酵槽１１（メタン発酵槽Ａ）で発生するバイオガスの発生量（流量速度）と等しくなるように調節しながら供給することが必要である。
【００６１】
メタン発酵槽Ａとメタン発酵槽Ｂでそれぞれ発生するバイオガスは、両者を一つにまとめてバイオガスホルダーに導入する。図２に示すように、定常発酵反応期に発生する高濃度バイオガスはバイオガスホルダー２６に、メタン発酵反応開始期およびメタン発酵反応終了期に発生する低濃度バイオガスはバイオガスホルダー２７にそれぞれ捕集する。
【００６２】
メタン発酵反応終了期に注入する不活性ガスは、メタン発酵を完全に停止させて発酵槽内に充満しているバイオガスを置換するためのものであり、一般的には窒素ガスや炭酸ガスであり、微量の酸素を含んでいるのが望ましい。酸素はメタン発酵を停止させる作用があるので、不活性ガス中に微量の酸素を含んでいると好都合である。実用的には、農産バイオマスのメタン発酵工場で使用している加温用ユーティリティーボイラーや付帯する植物工場加温ボイラーなどのバイオガス燃焼排出ガスを用いると都合がよい。この燃焼排ガスをジェットスクラバーによって吸引・冷却・洗浄したものを使用すれば良い。そのためのボイラーの燃焼条件としては空気過剰係数が１．１０、好ましくは１．０８〜１．１０での完全燃焼であることが望ましい。
【００６３】
メタンガス５６容積％の高濃度バイオガスを上記の燃焼条件で完全燃焼させて得られる燃焼排ガスを不活性ガスとしてメタン発酵反応終了期の発酵槽内のバイオガス追い出しに使用する。この時、発酵初期の低濃度バイオガスと同じ容積流量で発酵槽底部から供給し発酵槽上部から流出する二つの低濃度バイオガスを合流して得られる低濃度のメタンガス２８容積％（濃度一定）のガスはＯ２ガスの残存容積％が１．０容積％未満に維持されるので、Ｏ２ガス濃度とＣＨ４ガス濃度と共にＣＨ４ガスの爆発限界値から大きく離れているので、燃料ガスとしては安全に扱えると判断している。尚、発酵反応終了期のバイオマス残渣（堆肥）の中にも好気発酵菌類が存在しているので、それらの菌類の働きにより微量に存在するＯ２ガスは更に消費されて、残存Ｏ２ガスは更に減少すると考えられる。
【００６４】
又、設備・操作に関する安全対策として、ガス漏洩検知器の設置、静電気除去、日々のガス濃度分析による確認、及びバイオガスが通過する配管のフランジに４０メッシュ金網をパッキングに挟んで取り付けることによる火災防止対策の実施を行うことが好ましい。
【００６５】
上述したような本発明の方法によってメタン発酵設備の運転操作を行うことにより、上記した式（Ｉ）基づく理論計算上では、定常発酵反応期にはバイオガスホルダー２６にメタンガス濃度が約５６容積％の高濃度のバイオガスが得られる。また、メタン発酵反応開始期とメタン発酵反応終了期には、一対のメタン発酵槽の切り換えのタイミングを一緒にそろえることと、メタン発酵槽Ａのメタン発酵反応開始期にそろえて開始したメタン発酵槽Ｂでの不活性ガスの注入の流量速度をコントロールすることによって、バイオガスホルダー２７にはメタンガス濃度が約２８容積％でほぼ一定の濃度の低濃度のバイオガスが得られる。
【００６６】
この一対の同一容量のメタン発酵槽による上述のメタン発酵反応プロセスの時間経過による発生するメタンガスの濃度の変化を図３に示す。実線のグラフがメタン発酵槽Ａでのメタンガスの濃度変化であり、一点鎖線のグラフがメタン発酵槽Ｂでのメタンガスの濃度変化である。また、メタン発酵槽Ａの場合で言えば、IとVがメタン発酵反応開始期であり、IIが定常発酵反応期であり、IIIがメタン発酵反応終了期である。メタン発酵槽Ｂの場合には、IとVがメタン発酵反応終了期である。IVが定常発酵反応期であり、IIIがメタン発酵反応開始期である。  二つの発酵槽は、それぞれの運転サイクルをこの図３に示すように一方の発酵槽がメタン発酵反応開始期のときに他方の発酵槽がメタン発酵反応終了期となるように運転のタイミングを調整する。
【００６７】
例えば、図３の第Iサイクルのスタート時点では、メタン発酵槽Ａのメタン発酵の反応が開始しバイオガスの発生が始まる。この同じタイミングでメタン発酵槽Ｂでは、メタン発酵の定常反応が終了し、反応終了のための不活性ガスの注入を開始する。第Iサイクルの最後になると、メタン発酵槽Ａではメタン発酵の反応がほぼ１００％の状態となり、メタン発酵槽Ｂでは内部のバイオガスの追い出し・置換が完了して、槽内がほぼ不活性ガス１００％の状態となる。第IIサイクルでは、メタン発酵槽Ａではメタン発酵反応が進行し約５６％の高濃度のバイオガスが得られる。一方、メタン発酵槽Ｂでは、内部にできた発酵生産品であるバイオマス資源の発酵残滓の取り出し、後処理と次の運転のためのバイオマス原料の粗砕物の仕込みを行い、その後メタン発酵槽Ａの進行状況を見ながら反応水の散布を開始し、好気性発酵の反応を進める（好気発酵反応期）。第IIIサイクルでは、メタン発酵槽Ａとメタン発酵槽Ｂが入れ替わって、同様の操作が行われる。
【００６８】
上述した一つのメタン発酵槽（メタン発酵槽Ａ）では、図３の第Ｉサイクルの前段階として、所定の期間前倒しして反応水の散布を開始し、好気性発酵菌による反応を進めておきメタン発酵槽の内部に存在した酸素を完全に消費させる（好気発酵反応期）。この状態で更に反応水の散布を継続することによって嫌気性のメタン発酵菌によるメタン発酵反応が開始し、メタンガスを含むバイオガスガスが発生しはじめる（メタン発酵反応開始期）。
【００６９】
一方、他のメタン発酵槽（メタン発酵槽Ｂ）はこの時がちょうどメタン発酵反応終了期になるようにしており、そのスタートの段階では、メタン発酵槽の内部の空間はバイオガスで１００％満たされている。定常発酵反応の終了するこのタイミングで不活性ガス（窒素ガスと炭酸ガスが主成分で微量の酸素を含む）を発酵槽底部の不活性ガス注入管１８から供給を開始してメタン発酵反応を完全に停止させる。このときに重要なのは、メタン発酵槽Ｂでの不活性ガスの注入速度（流量速度）が、メタン発酵槽Ａでのメタンガスの発生量（流量速度）と同じになるようにその注入速度を調整することである。
【００７０】
本発明の方法による一対の同一容量のメタン発酵槽からなるメタン発酵設備による上述のメタン発酵反応開始期とメタン発酵反応終了期の運転操作によって、さらに二つのメタン発酵槽ＡとＢから発生するバイオガスを一緒にして混合することによって、メタン発酵反応開始期とメタン発酵反応終了期の期間中のすべてにおいて、メタンガス濃度が約２８容積％となるほぼ一定の濃度の低濃度のバイオガスが得られる。
【００７１】
本発明のこの運転方法によれば、二つの発酵槽から出るバイオガスを混合して得られる低濃度バイオガスは常に一定のメタンガス濃度を保っており、その濃度は高濃度メタンガスの半分の約２８容積％となる。このガスには１．０容積％未満のＯ２ガスを含むが、メタンガスの爆発限界（５．３〜１４容積％）の範囲外の濃度であって、安定・安全な取扱ができる。又、メタン発酵反応終了期のメタン発酵槽内バイオガスの追出し置換を理論的に精度良く予測できると共に置換度を上げることにより発酵槽内のメタンガス濃度を下げて、大気への放出ロスをゼロに近づけることも可能となる。その場合も２槽からの混合低濃度バイオガスはメタンガス２８容積％で一定値である。この方法によれば、メタンガスの回収率を上げると共に、フレアースタックなどの燃焼設備を設置する必要をなくせる。
【００７２】
以上のような本発明の方法によるメタン発酵反応開始期とメタン発酵反応終了期に発生するバイオガスの濃度変化については、以下のような解析によっても確認することができる。
【００７３】
まず、メタン発酵槽のメタン発酵反応開始期のメタン発酵槽内のバイオガス濃度の変化について検討する。
ここで、発酵槽内容積をＶ０（ｍ３）、発酵槽内のバイオガス濃度をＣ１（容積％）、発生バイオガス流量速度をｖ1（ｍ３／ｈｒ）、系外へ流出するバイオガス流量速度をｖ1（ｍ３／ｈｒ）、発生するバイオガス濃度をＣ０（容積％）とする。発生するバイオガス濃度Ｃ０は、常に１００（容積％）で一定である。
メタン発酵槽内外の物質収支から、以下の関係式が導かれる。
【００７４】
【数２】
2020125236.tif 000005
【００７５】
この式（９）は、メタン発酵槽内の不活性ガス濃度（１００−Ｃ１）の減少変化とバイオガス発生量の槽容積倍率の関係を示している。
【００７６】
次に、メタン発酵槽のメタン発酵反応終了期の不活性ガスの注入による槽内のバイオガス濃度の変化について検討する。
メタン発酵が開始するメタン発酵反応開始期では、発酵槽内の空間が不活性ガス（主成分は窒素ガス）に充満され、メタン発酵開始と共に系内は完全混合の状態で発生するバイオガスに置換されていく現象であったが、メタン発酵反応終了期では不活性ガスの代わりにバイオガスとなり、メタンガスの代わりに不活性ガスとなっているだけである。両ケースともガスの名称が入れ代わっているが、それぞれのガス流量速度ｖ１とｖ２を全く同じ条件にして運転するので、どの時間においても式（９）と次の式（１６）の数値は同一となる。
【００７７】
ここでも、発酵槽内容積をＶ０（ｍ３）、発酵槽内のバイオガス濃度をＣ２（容積％）、系外へ流出する低濃度バイオガス流量速度をｖ2（ｍ３／ｈｒ）、流出する低濃度バイオガスの濃度をＣ２（容積％）、注入する不活性ガスの流量速度をｖ2（ｍ３／ｈｒ）、不活性ガス注入開始時のバイオガス濃度をＣ０（容積％）とする。Ｃ０は、１００（容積％）である。
この場合も、メタン発酵槽内外の物質収支から、以下の関係式が導かれる。
【００７８】
【数３】
2020125236.tif 000006
【００７９】
式（１６）は発酵槽内のバイオガス濃度Ｃ２の減少変化と不活性ガス供給量の発酵槽容積倍率の関係を示すものであり、式（９）と式（１６）においてｖ１＝ｖ２の条件で運転していることと、同一時間（t）と同一系内容積Ｖ０で運転する場合には、全く同じ値を示すことになる。
即ち、この式（９）と式（１６）の左辺は全く同一値であるから、（１００−Ｃ１）＝Ｃ２が成立するので、Ｃ１＋Ｃ２＝１００となる。この式の意味は、メタン発酵においてメタン発酵反応開始期のバイオガス発生流量速度に合わせてメタン発酵反応終了期の注入する不活性ガスの流量速度を同じにして吹込み、系内にあるバイオガスの置換追出しを行うことにより、それぞれの発酵槽から系外へ流出する希釈混合ガス濃度Ｃ１の値とＣ２の値を合計したものは、発生する１００容積％のバイオガスの濃度の値に等しい値となることを示している。
【００８０】
つまり、メタン発酵槽Ａとメタン発酵槽Ｂのどちらの発酵槽の内部もマクロ的に完全混合状態とみなせるので、上述した本発明の方法による条件でメタン発酵槽の運転を行う場合には、バイオガス濃度Ｃ１値とＣ２値の合計値は常に１００容積％のバイオガス濃度（ほぼ５６容積％のメタンガスと残りは窒素ガス・炭酸ガスその他の不活性ガス類である）と同じ値になる。
この濃度Ｃ１のバイオガスと濃度Ｃ２のバイオガスを同一容量ずつ混合するので、容量が２倍になり、その混合ガスの濃度（Ｃ１＋Ｃ２）／２は１００／２であるので、バイオガス発生濃度の１／２となる。これはメタンガス濃度としては、５６／２＝２８容積％の一定値となり、その他は窒素ガス・炭酸ガスなどの不活性ガスである。
【００８１】
このメタン発酵反応開始期とメタン発酵反応終了期は、新たに発生するバイオガスや注入される不活性ガスのガス置換により発酵槽内メタンガス濃度変化が大きく変動する。発酵槽内はメタン発酵のメタン発酵反応開始期からメタン発酵反応終了期のバイオガス追出しに至るまでの期間は充填層の上部空間と充填層内部ともガス相は完全混合状態と判断され、両空間を合わせた全体ともマクロ的には完全混合状態と見なせるので、上述した数式で示す関係式が当てはまる。従って、式（９）はメタン発酵反応開始期、式（１６）はメタン発酵反応終了期における発生ガス容量（又は注入ガス容量）の発酵槽容積に対する倍率ｖ１ｔ／Ｖ０、ｖ２ｔ／Ｖ０に対する残存ガスの割合を示す関係式である。この式を使って注入ガス量から発酵槽内の残存ガスの残存率（容積％）を計算で求めることができる。逆に発酵槽内の残存ガスの残存率から必要とする注入ガス量を計算することもできる。また、その計算値を片対数のグラフ用紙に記載しておけば、現場で運転管理する時には便利に利用できる。
【００８２】
更に、メタン発酵反応設備の運転操作に関して、本発明のもう一つの特徴的技術として、メタン発酵反応の原料として使用する農産或いは林産のさまざまなバイオマス資源とともに家畜類の粘性排泄物を併用できることである。
従来から農業においては稲わら、麦わら、トウモロコシ茎、大豆の豆幹、野菜類の茎や葉などさまざまな未利用の農産バイオマスが大量に発生している。同様に林業においても樹木の枝打ちや落ち葉、あるいは下草刈り作業等により未利用の林産バイオマスが大量に発生している。又、畜産業においても大量の牛や豚等の家畜類の粘性排泄物が発生している。
【００８３】
このような家畜類の粘性排泄物は、一般的には固体状態のままでのメタン発酵反応は難しく、水溶液系での撹拌混合でないとメタン発酵を進めることはできないと考えられている。本発明では、このような家畜類の粘性排泄物をヌードル状に押し出して乾燥させた棒状の固形物としてバイオマス資源の粗砕物とともに本発明のメタン発酵設備に充填することにより、メタン発酵反応による処理を可能とした。
【００８４】
具体的には、家畜類の粘性排泄物を直径が約１５ｍｍ程度のヌードル状に成型して、バイオマス資源の原料に対して乾燥重量基準で１０〜３０重量％の範囲の量でバイオマス資源の粗砕物原料に加え、これを天日通風自然乾燥などにより、ヌードル成形物の平均含水率を３５重量％以下まで乾燥させる。その他のバイオマス原料を含む全体の混合原料としても平均含水率を３５重量％以下にまで乾燥させる。このようにして得られたバイオマス資源の粗砕物と粘性排泄物の成形乾燥物の混合したものを本発明のメタン発酵設備に充填して使用することにより、同様にメタン発酵反応によりメタンガスと発酵堆肥の製造を行うことができる。
【００８５】
特に、原料として使用する含水率が３５重量％以下の農産バイオマス資源の粗砕物と同様に、平均含水率を３５重量％以下まで乾燥させた家畜の粘性排泄物のヌードル成形物と農産バイオマス資源の粗砕物との混合物を原料として用いてメタン発酵反応を行った場合も、得られる発酵堆肥に含まれる水分量を混合バイオマス原料が含有する水分量と発酵反応で消費される水分量との差引量以上とし、かつ発酵堆肥の含水量を最大で７５重量％まで、好ましくは最大で６０重量％までとする運転をすれば、バイオマス原料粗砕物単独の場合と同様に、プロセス排水を全く流出すことなくメタンガスと堆肥を製造することができる。
【００８６】
家畜粘性排泄物を農産バイオマス原料と合わせてメタン発酵させる場合は、その牧場の近くに発酵に関わる設備を設置することが望ましい。原料としては、家畜排泄物の他に、棒状原料、稲わら、麦わら、家畜の敷きわらなどを使用する。家畜排泄物と農産バイオマス原料と混ぜてメタン発酵する場合は、家畜粘性排泄物の棒状乾燥品の物理的強度を保持して効率良く乾燥させるために、パドル羽根式攪拌機付きホッパー、スクリュウフィーダー、モーノポンプなどによって十分に混錬して、これを押出ノズルから押し出してヌードル状に成形する。
【００８７】
このような成形物の製造設備としては、例えば兵神装備（株）社製のＮＥＳ型フィーダー（パドル羽根式攪拌機付きホッパー、スクリュウフィーダーとヘイシンモーノポンプの連結装置)が挙げられる。また、その先にパイプ底部に斜め下向きに穴をあけ、口径が約１５ｍｍのノズルを約１０ｃｍの等間隔に取付けた粘性物棒状押し出し装置を設ける。
【００８８】
使用する家畜の粘性排泄物は、日光通風自然乾燥方式で平均含水率３５重量％以下になるように乾燥する。効率よく乾燥させるための設備としては、地面を硬く固めて水が流れるほどの傾斜をつけた舗装面に光透過性の防雨屋根を設置して通風天日自然乾燥が良好な空間を準備する。その床面に最初に棒状原料（大豆の豆がら、剪定した小枝、葦など）を全体の２０重量％程分散する。その上に稲わら、麦わら、敷きわらなどを乾燥品基準で全体の６０重量％程度の量で分散する。次いで、最上面に上述のようにして製造した外径約１５ｍｍヌードル状成形物を分散する。これらをそのまま放置して通風自然乾燥によって乾燥させる。３〜５日後に粘性排泄物の含水率が５０重量％程度になったことと硬さを確認する。その後は、大型の網袋などに投入して、農地の一部などを利用して上部を防水シートで覆って約１〜２ケ月間放置し、第２段階の自然乾燥を行い、平均含水率２５重量％以下程度とする。このようにして得られた家畜の粘性排泄物を混合したバイオマス資源を本発明のメタン発酵設備の原料として使用する。
【００８９】
家畜の粘性排泄物を稲わら、麦わらなどの農産バイオマスや棒状固形物と混合すれば、家畜の粘性排泄物中の未消化セルロースは互いに絡み合ったりしており、外部循環による発酵を行っている期間中はほぼ静止状態に近いので、形が崩れることは問題とならないと考えられる。バラバラに分散・溶解した場合でも農産バイオマスに交わり、交差して捕捉状態になる。尚、家畜の粘性排泄物と農産バイオマス原料を混合して乾燥すると、排泄物の臭気が農産バイオマスの表面に相当量吸着されるようでその臭気は殆ど気にならなくなるので好ましい。又、家畜排泄物の性状によっては、その中に天然の木綿の屑綿や糸屑や紙パルプの廃材などを少量混合してヌードル排泄物の補強と溶解防止の効果を持たせることも可能である。
以下に、さらに実施例によって本発明を説明する。
【実施例】
【００９０】
実施例１  プロセス排水がゼロとなるメタンガスと発酵堆肥の製造。
実験装置として、図１に示すような小型パイロット試験用のメタン発酵設備を用いて、以下のような条件の下でメタン発酵反応を行った。
メタン発酵槽１として、直径６００ｍｍ、高さ２３００ｍｍ、内容積が６５０リットルの円筒形の発酵槽を用いた。その上部にスプレーノズル３が備えられており、これは循環ポンプ５、外部循環配管４に接続し、メタン発酵槽１の底部に溜まった反応水を循環してスプレーノズル３から広角度全面型スプレーを行う。原料となるバイオマス資源として、圃場から収集した稲わらと麦わらを１：１の割合で混ぜて、１０ｃｍ程度の長さに裁断した平均含水率が約１０重量％のバイオマス資源の粗砕物を用いた。このバイオマス原料の粗砕物をメタン発酵槽１の上部から投入し、メタン発酵槽１の中に４５０リットル充填し、バイオマス資源粗砕物の充填層２を形成した。中継槽６に反応水として（株）明電舎の実用化プラントから入手した養豚排泄物の中温メタン発酵の消化汚泥水を入れておき、この中継槽６からの反応水５０リットルを外部循環配管４からスプレーノズル３を通して、充填層２の上部にスプレーしてメタン発酵槽１の中に供給した。
【００９１】
次いで、メタン発酵槽１を密閉し、メタン発酵槽１の中に導入された反応水を循環ポンプ５と外部循環配管４、スプレーノズル３を通して循環させ、充填層の上部から散布した。反応水の循環量は、充填されたバイオマス原料の表面が濡れるように、毎分１．６リットルとし、この反応水の循環とスプレーを連続して行った。反応水のスプレーを継続していると、好気性発酵反応が起こり、メタン発酵槽１内の温度が室温から４８℃へと上昇した（好気発酵期）。時間経過に伴い中継槽６の消化汚泥水が原料バイオマスに吸収されて減少したので、水道水を中継槽６の中間レベルにほぼ一定に保つように時々補充しながらメタン発酵の開始を待った。
【００９２】
反応水の循環開始後約６日経過してメタン発酵反応が始まり、バイオガスが発生していることを浮き屋根式ガスホルダー７のレベルから確認できた。その間に水道水の補充量は消化汚泥水の約２倍であった。反応水の循環開始後７日目にメタンガスを含むバイオガスの発生が確認されたので、このバイオガスはガスホルダー７に導入した。この状態で反応水の循環とスプレーをそのまま連続して繰り返し行ったところ、バイオマス原料のメタン発酵によるメタンガスの生成が見られた。これは発生したガスの燃焼実験でも確認した。
【００９３】
この充填層への反応水の循環とスプレーする状態を継続したところ、時間経過に伴い中継槽の液量が徐々に減少したので、初期は毎日、その後は２，３日おきに適宜水道水の補給を行った。反応を開始して実質約６０日間経過したところでバイオガスの発生量が減少してきた。それは９月末になり平均温度が２２℃を下回りメタン発酵菌の活動が低下し、生産活動が停止したものと判断した。そこで反応水の循環を停止し、発酵反応の終了操作をおこなった。反応終了後、メタン発酵槽１の頂部を開いて、得られた発酵残渣である堆肥を取り出したところ、その重量は約６３ｋｇで、含水率は約８５重量％であった。この発酵残渣に木製板を乗せて足踏み圧搾して脱水し、圧搾脱水堆肥を得た。その重量は約４０ｋｇグラムで、含水率は約６０重量％であった。また、圧搾処理によって反応水２３リットルが得られ、これは中継槽６へもどした。
【００９４】
この図１に示すパイロット実験装置を用いた１サイクルのメタン発酵反応によって、含水率が約６０重量％の良好な発酵堆肥が得られた。このメタン発酵の反応の途中で、中継槽の水量が減少したので小刻みに水道水を補充したが、反応系外に余分な水分を排出することなく、メタン発酵の反応を完結することができ、プロセス排水をゼロにしてメタンガスと堆肥を製造することができた。
【００９５】
実施例２  一対の発酵槽を用いた運転サイクルの切り換えによるメタンガスと発酵堆肥の製造。
発酵槽１基による原料仕込みから堆肥の取出しまでの一連の発酵運転は小型パイロット実験で経験していたが、一対の発酵槽を用いて運転サイクルの中間部での切り換え運転は未経験であったので、この部分に着目した実験を行った。この部分以外は発酵槽Ａ，Ｂとも全く同じに再現するので運転サイクル切換え時のメタンガス濃度の変化を確認するために行った。
【００９６】
実験装置として、図２に示すようなメタン発酵槽１１（メタン発酵槽Ａ）及びメタン発酵槽１２（メタン発酵槽Ｂ）の２基のメタン発酵槽で構成される小型パイロット試験用のメタン発酵設備を用いて、夏季の外気温度とほぼ同じ室内温度にて、以下のような条件の下でメタン発酵反応を行った。
メタン発酵槽１１（メタン発酵槽Ａ）及びメタン発酵槽１２（メタン発酵槽Ｂ）は、それぞれ同一の大きさと構造のものであり、そのサイズは実施例１で用いたメタン発酵槽と同一である。メタン発酵槽ＡおよびＢは、それぞれその上部にスプレーノズル１５及び１６を備えるとともに、その底部の充填層の下側に不活性ガス注入管１７及び１８が備えられている。また、原料となるバイオマス資源の粗砕物は実施例１で用いたものと同一のものを用いた。
【００９７】
このバイオマス原料の粗砕物をメタン発酵槽１１（メタン発酵槽Ａ）及びメタン発酵槽１２（メタン発酵槽Ｂ）のそれぞれについて上部から投入し、メタン発酵槽の中にそれぞれ４５０リットル充填し、バイオマス資源粗砕物の充填層１３及び１４を形成した。その後、両発酵槽とも開口部を密閉にして反応水循環による反応開始を待った。中継槽２８に反応水として（株）明電舎の実用化プラントから入手した養豚排泄物の中温メタン発酵の消化汚泥水を入れておいた。
【００９８】
まず、中継槽２８からメタン発酵槽Ａに反応水５０リットルを外部循環配管２１からスプレーノズル１５を通して、充填層１３の上部にスプレーしてメタン発酵槽Ａの中に供給した。メタン発酵槽Ａのなかに導入された反応水を循環ポンプ１９と外部循環配管２１、スプレーノズル１５を通して循環させた。反応水の循環量は、充填されたバイオマス原料の表面が濡れるように毎分１．６リットルとし、この反応水の循環しスプレーする操作を連続して行った。
【００９９】
時間の経過とともに原料中に存在する好気発酵菌による発熱を伴う好気発酵反応とそれに続く通性嫌気性菌類による好気と嫌気の両条件下での反応が起こり、メタン発酵槽Ａ内部に存在する空気中の酸素ガスが完全に消費された。この好気発酵反応によりメタン発酵槽Ａ内の温度が室温から４８℃へと上昇した。この期間が好気発酵期である。
【０１００】
更に反応水の循環とスプレーを続けて、好気発酵期として循環開始後約６日経過し，絶対嫌気の条件が整ったときに絶対嫌気性メタン発酵反応へと連鎖的に発酵が移行し、メタンガスを含むバイオガスの発生が認められた。時間の経過とともにメタン発酵が進行し、バイオガスの発生量が増加していった。メタン発酵槽Ａのガス出口で槽内のガスをサンプリングし、その中のメタンガス濃度を測定した。反応開始時にはメタンガスの濃度がゼロであったが、時間の経過とともにメタンガス濃度が増加した。メタン発酵反応を開始して８日経過してその濃度が約５６％となった。発生したバイオガスは配管２４を通って低濃度バイオガスホルダー２７に導入した。この期間が図３に示すメタン発酵槽Ａの運転サイクルのなかのサイクルＩのメタン発酵反応開始期に相当する。
【０１０１】
この時期を過ぎると、メタン発酵槽Ａでは発生するバイオガスの量は安定し、ほぼ一定の量で発生したが、槽内温度の影響を最も大きくうけ、反応循環水のＰＨの変化の影響も受けるので温度とＰＨを急激に変化させないように注意して運転を行った。この時期に発生したメタンガス濃度はほぼ５６％で一定していた。発生したバイオガスは配管２３を通して高濃度バイオガスホルダー２６に導入した。この期間が図３に示すメタン発酵槽Ａの運転サイクルのなかのサイクルIIの定常発酵反応期に相当する。
【０１０２】
メタン発酵槽Ａのメタン発酵反応開始後８日経過したところでメタンガス濃度が５６容積％あり、定常発酵反応期になったことを確認したが、発酵槽Ｂからのバイオガス発生を確認するまで、メタン発酵槽Ａの運転をそのまま継続した。
メタン発酵槽Ｂで反応水の循環・スプレーを開始して６日後に発酵槽Ｂに少量のバイオガスの発生がみられたので、メタン発酵槽Ａの底部の不活性ガス注入管１７から２％酸素入りの窒素ガスを供給して定常発酵反応を続けていたメタン発酵槽Ａの発酵を停止させると共に、メタン発酵槽Ｂのガス発生流量速度と同量の不活性ガスをメタン発酵槽Ａの底部のガス注入管１７より調整しながら注入し続けた。
【０１０３】
この時不活性ガス中の酸素ガスの存在は微量でも劇的にメタン菌に作用してメタンガスの生産を止める働きがあった。この不活性ガスの注入操作によって、メタン発酵槽Ａの中に残留しているバイオガスは追い出されるので、このガスを配管２４経由で低濃度バイオガスホルダー２７へ導入した。
【０１０４】
この期間にメタン発酵槽Ａから出てくるガスのサンプリングによってメタンガス濃度を測定した。終了操作開始直前のメタンガス濃度が約５６％であったものが、次第に減少してゼロになった。そのメタンガスの濃度変化は図３に示すようになった。この期間が図３に記載のメタン発酵槽Ａの運転サイクルのなかのサイクルIIIのメタン発酵反応終了期に相当する。
【０１０５】
メタン発酵槽Ａが定常発酵反応期に入り、高濃度バイオガスが定常的な発生状態に達していることを確認した後であれば、微量酸素入りの不活性ガスを注入することによりメタン発酵反応はいつでも停止でき、しばらく時間が経過しないとメタンガスの発生は回復しない状態となる。従って、工程が定常発酵反応期になれば実験としてはいつでも発酵終了期に移行できる。ここでは、運転サイクルを通常とは異なるこのような運転を行なうことにより、実施例２の確認実験を正規の運転に比べて大幅に短縮して行った。
【０１０６】
一方、メタン発酵槽Ａで好気発酵期（好気発酵と通性嫌気発酵の期間）として６日間を要したので、メタン発酵槽Ｂはこの期間を見込んで反応水の循環・スプレーを開始した。即ち、メタン発酵槽Ｂはバイオマス原料を充填して密閉状態で待機していたが、メタン発酵槽Ａのメタン発酵反応を開始して１３日経過したタイミングに合わせて好気発酵反応開始の操作を行った。即ち、中継槽２８からメタン発酵槽Ｂに反応水５０リットルを外部循環配管２２からスプレーノズル１６を通して、充填層１４の上部にスプレーしてメタン発酵槽Ｂの中に供給した。メタン発酵槽Ｂのなかに導入された反応水を循環ポンプ２０と外部循環配管２２、スプレーノズル１６を通して循環させ、充填層１４の上部に継続してスプレーした。反応水の循環量等の操作条件は、すべてメタン発酵槽Ａと同一とした。反応水の循環量は毎分１．６リットルとし、この反応水の循環とスプレーを連続して行った。
【０１０７】
反応水の循環とスプレーを続けることにより、まず発熱を伴う好気発酵反応から反応が起こった。この好気発酵反応の進行とともにメタン発酵槽Ｂの中に残留していた酸素が完全に消費された。更に反応水の循環とスプレーを続けることによりメタン発酵反応に移行し、メタンガスを含むバイオガスの発生が見られた。時間の経過とともにメタン発酵が進行し、メタンガスを含むバイオガスの発生量が増加していった。メタン発酵槽Ａと同様に、メタン発酵槽Ｂのガス出口で槽内のガスをサンプリングし、その中のメタンガス濃度を測定した。反応開始時にはメタンガスの濃度がゼロであったが、時間の経過とともにメタンガス濃度が増加した。メタン発酵反応を開始して８日経過してその濃度がほぼ５６容積％となった。発生したバイオガスは配管２４を通って低濃度バイオガスホルダー２７に導入した。この期間が図３に示すメタン発酵槽Ｂの運転サイクルのなかのサイクルIIIのメタン発酵反応開始期に相当する。
【０１０８】
前述したように、メタン発酵槽Ｂの反応開始をメタン発酵槽Ａの発酵反応終了の時期に計画的に一致させたので、このメタン発酵槽Ｂのメタン発酵反応開始期であるサイクルIIIはメタン発酵槽Ａのメタン発酵反応終了期と同一時期になる。このサイクルIIIでは、メタン発酵槽Ａから追い出されて出てくるガス中のメタンガス濃度は図３に示すように急速に低下し最後はゼロになった。一方、メタン発酵槽Ｂで発生するバイオガス中のメタンガス濃度は図３に示すように急速に増加し、最後は約５６容積％になった。このメタン発酵槽Ａからのバイオガスとメタン発酵槽Ｂからのバイオガスは配管２４で一つになって低濃度バイオガスホルダー２７に導入される。この配管２４の中のガスをサンプリングしてサイクルIIIの期間中のメタンガス濃度を調べたところ、サイクルIIIの全期間にわたって２８容積％前後でほぼ一定であった。
【０１０９】
上記の実施例に示したように、同一のサイズと構造の１対のメタン発酵槽を使用し、同一の操作条件や反応条件で、バイオマス原料のメタン発酵反応を行うと、一つのメタン発酵槽（メタン発酵槽Ａ）と他方のメタン発酵槽（メタン発酵槽Ｂ）の反応サイクルを半周分ずらせることによって、定常発酵反応期の約５６容積％の高濃度のメタンガスとその半分の約２８容積％の低濃度のメタンガスとが得られることが分かった。しかも、高濃度のメタンガスも低濃度のメタンガスも途切れることなく常時一定濃度で得ることができ、効率的にメタンガスを製造することが可能となった。
【０１１０】
また、低濃度のメタンガスでもその濃度は常に２８容積％前後で一定しており、これはメタンガスの爆発限界である５．３〜１４容積％よりもかなり大きな値であって、ガス爆発の心配なく取り扱うことができるというメリットも有する。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の方法を利用することにより、これまで好気発酵法でなされていた堆肥の製造法がここに記載のメタン発酵法により切り替わる可能性がある。従来未利用で農地に鋤きこまれていた稲わら、麦わらなどの農産バイオマス資源の有効活用の可能性が大きく、更には、果樹の剪定枝葉及び家庭等の植栽剪定枝葉、耕作放棄地の雑草や河川敷及び堤防の法面・道路や鉄道沿線の雑草などをバイオマス資源として有効活用する可能性が開けるという点で、またこれらを原料として発酵堆肥とメタンガスが生産されるという点で、産業上の利用可能性が大きい。又、バイオガス中のメタンを改質器で水素に変換後燃料電池に供給して電気や温水にエネルギー変換して利用することが実現し、産業や家庭での利用の可能性がある。又、地球上の各地で利用展開されることにより、地球温暖化防止に役立つ産業へ発展する可能性がある。
【符号の説明】
【０１１２】
１．メタン発酵槽
２．バイオマス原料粗砕物の充填層
３．スプレーノズル
４．外部循環配管
５．循環ポンプ
６．反応水中継槽
７．バイオガスホルダー
８．バイオガス配管
９．反応水供給配管
１０．不活性ガス注入管
１１．メタン発酵槽Ａ
１２．メタン発酵槽Ｂ
１３．バイオマス原料粗砕物の充填層
１４．バイオマス原料粗砕物の充填層
１５．スプレーノズル
１６．スプレーノズル
１７．不活性ガス注入管
１８．不活性ガス注入管
１９．循環ポンプ
２０．循環ポンプ
２１．外部循環配管
２２．外部循環配管
２３．高濃度バイオガス配管
２４．低濃度バイオガス配管
２５．反応水戻し配管
２６．高濃度バイオガスホルダー
２７．低濃度バイオガスホルダー
２８．反応水中継槽
【図１】
2020125236.tif 000007
【図２】
2020125236.tif 000008
【図３】
2020125236.tif 000009