(57)【要約】有機廃棄物を乾式状態でメタン発酵させ、発生したメタンガスを外部に排出する乾式メタン発酵槽において、有機廃棄物を収容する収容部において発生したメタンガスを収容部内から収容部外の空間に導くための多孔パイプを有機廃棄物内に埋設し、さらに温水を利用して有機廃棄を加温する加温装置をコンクリート壁内に設ける。このようにして、有機廃棄物から、安定してメタンを生成し、生成したメタンを安定して排出することにより、メタン収集の効率を高められる乾式メタン発酵槽を提供することができる。
2004004937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を収容する収容部において前記有機物を乾式状態でメタン発酵させ、前記メタン発酵により発生したメタンガスを外部に排出する乾式メタン発酵槽であって、
前記収容部内から前記収容部外に、前記メタンガスを導くためのガス通路を備えることを特徴とする乾式メタン発酵槽。
【請求項２】
前記ガス通路が、前記有機物内に埋設される多孔パイプによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項３】
前記ガス通路が、多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項４】
前記ガス通路が、前記有機物内に埋設された１枚の前記多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とで囲まれた空間によって構成されることを特徴とする請求項３に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項５】
前記ガス通路が、前記有機物内に埋設された平行な２枚の前記多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とで囲まれた空間によって構成されることを特徴とする請求項３に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項６】
前記多孔パネルの上端から所定の長さの部分において、小孔が設けられていないことを特徴とする請求項４または５に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項７】
前記槽内の前記有機物を一定の温度に加温することができる加温装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項８】
前記加温装置が、温水を利用して前記有機物を加温することを特徴とする請求項７に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項９】
前記小孔が設けられていない多孔パネルの上端から所定の長さの部分に、前記槽内の前記有機物を一定の温度に加温することができる加温装置の少なくとも一部が配設されていることを特徴とする請求項６に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項１０】
発酵槽内から発酵槽外に前記メタンガスを排出するための捕集管を備えることを特徴とする請求項１から９に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項１１】
前記捕集管が、前記収容部の壁側面に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の乾式メタン発酵槽。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の乾式メタン発酵槽を複数備え、
前記有機物の投入口を上方に向けた状態で、前記複数の乾式メタン発酵槽を水平方向に並べて配置することを特徴とする有機物処理システム。
【請求項１３】
前記複数の乾式メタン発酵槽のうちの少なくとも二つの隣接する発酵槽が、収容部の壁を共有することを特徴とする請求項１２に記載の有機物処理システム。
【請求項１４】
有機物の投入部と、この投入部から投入された有機物を収容して発酵するための収容部と、この収容部内で発酵した該有機物を排出するための排出部と、を備え、
前記収容部内において該有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、発酵後の前記有機物が前記排出部から押し出されるように構成されていることを特徴とする乾式発酵槽。
【請求項１５】
前記収容部内の前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって前記乾式発酵槽内の圧力が高まるように構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の乾式発酵槽。
【請求項１６】
開放された前記排出部が前記有機物で栓をされ、前記投入部が密閉された状態で、該有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって発酵後の該有機物が前記排出部から押し出されるように構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の乾式発酵槽。
【請求項１７】
前記収容部に設けられ該収容部内において生成したガスを前記投入部側に導くためのガス通路と、前記投入部側に設けられ前記ガス通路によって導かれたガスが捕集されて前記収容部内の有機物を排出部側に押し出す圧力が生じる捕集部とを備えていることを特徴とする請求項１６に記載の乾式発酵槽。
【請求項１８】
前記乾式発酵槽の内壁が、平滑仕上げを施されていることを特徴とする請求項１６に記載の乾式発酵槽。
【請求項１９】
前記乾式発酵槽の壁面の抵抗が、前記投入部側より前記排出部側の方が大きいことを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の乾式発酵槽。
【請求項２０】
前記乾式発酵槽の断面積が、前記投入部側より前記排出部側の方が小さいことを特徴とする請求項１６に記載の乾式発酵槽。
【請求項２１】
一体に連続した垂直部と水平部とを備え、前記投入部が前記垂直部に、前記排出部が前記水平部に設けられていることを特徴とする請求項１３から１６のいずれかに記載の乾式発酵槽。
【請求項２２】
前記収容部内の前記有機物を一定の温度に加温するための加温装置を備えることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の乾式発酵槽。
【請求項２３】
有機物の投入部と、
前記有機物を収容する収容部と、
前記有機物の排出部と、を備えた乾式発酵槽において、前記有機物を乾式状態で発酵させる乾式発酵法であって、
前記収容部内の前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、発酵後の前記有機物を前記排出部から押し出させることを特徴とする乾式発酵法。
【請求項２４】
前記発酵槽に前記有機物を投入し、開放した前記排出部に前記有機物で栓をし、前記投入部を密閉した状態で、
前記発酵槽内で前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力のみによって、発酵後の前記有機物を前記排出部から押し出させることを特徴とする請求項２３に記載の乾式発酵法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、固形物濃度が高い有機廃棄物等の有機物をメタン発酵によって分解するための乾式メタン発酵槽及び乾式メタン発酵法に関する。
【背景技術】  有機廃棄物から資源を回収する有効な方法として、メタン発酵を利用するものがある。メタン発酵は、固形の有機物の割合が例えば１０％以下であるような、工場排水、有機性排水、家畜糞尿などの、液状廃棄物に対して行われることが多く、このタイプの方法は湿式メタン発酵と呼ばれる。しかし、湿式メタン発酵の際に多量に排出される発酵後の廃水の処理には、初期費用や運用費用などを含め、多大な経費を要する。また、発酵の際、ゆっくり攪拌する必要があり、その際の攪拌エネルギーも必要となる。
固形物の割合が高い場合、このような湿式メタン発酵を利用するためには、水などの液体を加えることによって希釈し、スラリー状にする。しかし、発酵前に加水し、処理容積が増加するため、処理効率が悪くなり、さらに、加えた液体は結局廃水として処理しなければならなくなる。
一方、固形物が例えば１０％以上、より典型的には２０％以上という高い割合を占める廃棄物に対して、加水せずに非浸水状態でメタン発酵を行う方法があり、これは乾式メタン発酵と呼ばれている。乾式メタン発酵では、発酵槽内の固形物を希釈せずに処理することができるため、処理容積が増加することはなく、発酵残渣の含水率が低く、発酵後の廃水処理が不要である。また、メタン発酵を乾式状態で行うため、システム全体を、扱いやすく、シンプルなものにすることができる。
乾式メタン発酵槽内での発酵方式としては、一度に発酵させる量だけ有機廃棄物を投入し、発酵が終わると全ての発酵残渣を除去し、また新しく有機廃棄物を投入するバッチ方式や、連続的に処理前の有機廃棄物を投入するが、全てを混合させつつ発酵させる完全混合方式や、発酵槽を細長くし、長軸方向の両端に、それぞれ処理前の有機廃棄物投入口と発酵残渣排出口とを設け、投入口から毎日一定量の有機廃棄物を加えることにより、毎日一定量の発酵残渣が排出口から押し出されるようにするＰｌｕｇ−ｆｌｏｗ方式等がある。
Ｐｌｕｇ−ｆｌｏｗ方式は、バッチ方式より設置スペースが節約できる。また、Ｐｌｕｇ−ｆｌｏｗ方式においては、完全混合方式とは違い、発酵時間の異なる有機廃棄物は別々に処理され、各発酵段階で作用する異なる菌相を独立に存在させることができるので、発酵効率がより良くなる。Ｐｌｕｇ−ｆｌｏｗ方式を行う発酵槽は、高さに比べて横方向に長い横型発酵槽と、横方向に比べ高さが高い縦型発酵槽がある。
横型発酵槽を用いたＰｌｕｇ−ｆｌｏｗ方式では、長軸方向に、処理前の有機廃棄物投入口と、その反対側に発酵残渣の排出口が設けられる。廃棄物処理過程では、まず処理前の有機廃棄物に高温の蒸気を吹き込むことにより５５℃に加温した後、発酵槽に投入する。槽内では、投入した有機廃棄物を、ピストンポンプなどの動力を使って投入口から排出口方向に押し出すことにより、廃棄物の流れを生じさせ、連続的に廃棄物を処理する。発酵槽中を発酵しながら通過して排出された発酵残渣は、その後、堆肥として利用されたり、乾留して炭化物として処理されたりする。しかし、このような横型発酵槽では、槽内で廃棄物を押し出すための動力エネルギーが必要となる、等の問題点があった。
一方、縦型発酵槽では、発酵槽上部に廃棄物投入口を設け、下部に排出口を設けることにより、投入された有機廃棄物は重力によって排出口に押し出されるため、廃棄物の流れを生じさせるための動力源は必要ない。しかし、メタンを集気するのは発酵槽上部からであり、発酵槽の高さが高くなると、下部で生じるメタンが安定して上部に排出されないという問題点があり、そのため槽の深さにも限界が生じる。
また、反応温度は、用いるメタン菌種によって、３７℃前後または５５℃前後で行われるが、５５℃前後で反応を行う方が、メタン細菌以外の菌の増殖が抑えられるため、メタン発生の効率がよい。しかし、廃棄物処理過程で、まず処理前の廃棄物に高温の蒸気を吹き込むことにより５５℃に加温した後、発酵槽に投入すると、処理中に廃棄物の温度が低下し、メタン生成が安定に行われないという問題点があった。
なお、これらの問題点は、大型の横型発酵槽でも生じるものである。
そこで、本発明は、メタン生成のエネルギーを省力化できると共に、安定してメタンを生成し、生成したメタンを安定して排出することにより、メタン生成の効率を高められる乾式メタン発酵槽を提供することを目的としてなされた。
【発明の開示】
本発明の乾式メタン発酵槽は、有機物を収容する収容部において前記有機物を乾式状態でメタン発酵させ、前記メタン発酵により発生したメタンガスを外部に排出する乾式メタン発酵槽であって、前記収容部内から前記収容部外に、前記メタンガスを導くためのガス通路を備えることを特徴とする。
また、前記ガス通路が、前記有機物内に埋設される多孔パイプによって構成されることを特徴としてもよい。
また、前記ガス通路が、多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とによって構成されることを特徴としてもよい。
また、前記ガス通路が、前記有機物内に埋設された１枚の前記多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とで囲まれた空間によって構成されることを特徴としてもよい。
また、前記ガス通路が、前記有機物内に埋設された平行な２枚の前記多孔パネルと前記発酵槽の内壁面とで囲まれた空間によって構成されることを特徴としてもよい。
また、前記多孔パネルの上端から所定の長さにおいて、小孔が設けられていないことを特徴としてもよい。
また、前記槽内の前記有機物を一定の温度に加温することができる加温装置をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、前記小孔が設けられていない多孔パネルの上端から所定の長さの部分に、前記槽内の前記有機物を一定の温度に加温することができる加温装置の少なくとも一部が配設されていることを特徴としてもよい。
また、前記加温装置が、温水を利用して前記有機物を加温することを特徴としてもよい。
また、発酵槽内から発酵槽外にメタンガスを排出するための捕集管を備えることを特徴としてもよい。
また、前記捕集管が、前記収容部の壁側面に設けられていることを特徴としてもよい。
さらに、大量の有機物を処理する場合、前記の乾式メタン発酵槽を複数備え、前記有機物の投入口を上方に向けた状態で、前記複数の乾式メタン発酵槽を水平方向に並べて配置してもよい。
さらに、別の実施態様として、本発明にかかる発酵槽は、有機物の投入部と、この投入部から投入された有機物を収容して発酵するための収容部と、この収容部内で発酵した該有機物を排出するための排出部と、を備え、前記収容部内において該有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、発酵後の前記有機物が前記排出部から押し出されるように構成されていることを特徴とする。
また、前記乾式発酵槽が、前記収容部内の前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、前記乾式発酵槽内の圧力が高まるように構成されていることを特徴としてもよい。
また、前記乾式発酵槽は、開放された前記排出部が前記有機物で栓をされ、前記投入部が密閉された状態で、該有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、発酵後の該有機物が前記排出部から押し出されるように構成されていることを特徴としてもよい。例えば、開放された前記排出部において、前記有機物が押し固められると、前記排出部が前記有機物で栓をされた状態となるが、完全に気体の流通を遮断する必要はなく、一時的に、あるいは常時ガスが漏れていても、ガス圧で前記有機物が動かされる状態であればよい。
また、前記乾式発酵槽は、前記収容部に設けられ該収容部内において生成したガスを前記投入部側に導くためのガス通路と、前記投入部側に設けられ前記ガス通路によって導かれたガスが捕集されて前記収容部内の有機物を排出部側に押し出す圧力が生じる捕集部とを備えていることを特徴としてもよい。
また、前記乾式発酵槽の内壁が、平滑仕上げを施されていることを特徴としてもよい。
また、前記乾式発酵槽の壁面の抵抗が、前記投入部側より前記排出部側の方が大きいことを特徴としてもよい。ここで、壁面の抵抗を生じさせるのに、前記排出部方向に向かうほど抵抗の大きさが徐々に大きくなるだけではなく、例えば、前記排出部付近に、壁面から突出した障害物を設けたり、前期排出部付近の壁面を粗面にしたりすることによって、局部的に抵抗を大きくしてもよい。
また、前記乾式発酵槽の断面積が、前記投入部側より前記排出部側の方が小さいことを特徴としてもよい。ここでも、断面積が徐々に小さくなる必要はなく、排出部の開口径が収容部の直径に比べて極端に小さくなっているような構成でもよい。
また、前記乾式発酵槽は、一体に連続した垂直部と水平部とを備え、前記投入部が前記垂直部に、前記排出部が前記水平部に設けられていることを特徴としてもよい。例えば、前記発酵槽がＬ字型をしており、垂直部の上面に前記投入部があり、水平部の先端部に前記排出部があるような構成でもよい。また、垂直部や水平部は、それぞれ完全な垂直や水平でなくても良く、特に水平部は、前記排出部の方向に向かって、下降していても良い。
また、前記乾式発酵槽が、前記収容部内の前記有機物を一定の温度に加温するための加温装置を備えることを特徴としてもよい。
さらに、本発明にかかる発酵法は、有機物の投入部と、前記有機物を収容する収容部と、前記有機物の排出部と、を備えた乾式発酵槽において、前記有機物を乾式状態で発酵させる乾式発酵法であって、前記収容部内の前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力によって、発酵後の前記有機物を前記排出部から押し出させることを特徴とする乾式発酵法としてもよい。
また、前記発酵槽に前記有機物を投入し、開放した前記排出部に前記有機物で栓をし、前記投入部を密閉した状態で、前記発酵槽内で前記有機物が発酵することにより生成したガスの圧力のみによって、発酵後の前記有機物を前記排出部から押し出させることを特徴としてもよい。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽の全体構成図である。
図２は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽のコンクリート壁の断面図である。
図３は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽胴体部の水平方向の断面図である。
図４は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽に投入された有機廃棄物の流れを示す概念図である。
図５は、本発明の実施例２によるメタン発酵槽の全体構成図である。
図６は、本発明の実施例２によるメタン発酵槽のコンクリート壁の断面図である。
図７は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽胴体部の水平方向の断面図である。
図８は、本発明の実施例１によるメタン発酵槽胴体部のガス捕集ヘッダー管を横切る水平方向の断面図である。
図９は、本発明の実施例２によるメタン発酵槽に投入された有機廃棄物の流れを示す概念図である。
図１０は、本発明の実施例３によるメタン発酵槽の全体構成図である。
図１１は、本発明の実施例３によるメタン発酵槽胴体部の水平方向の断面図である。
図１２は、本発明の実施例３によるメタン発酵槽のコンクリート壁の断面図である。
図１３は、本発明の実施例３によるメタン発酵槽に投入された有機廃棄物の流れを示す概念図である。
図１４は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽の全体構成図である。
図１５は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽の側面からみた矢視図である。
図１６は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽上部空間を上面からみた図であり、図１４におけるＢ−Ｂ矢視図である。
図１７は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽の内部（左側）及び外部（右側）の壁面の断面図であり、それぞれ図１６におけるＤ−Ｄ及びＥ−Ｅ矢視図である。
図１８は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽のガス排出口部分（図１４Ｃ図１４におけるＣ−Ｃ矢視図である。
図１９は、本発明の実施例４によるメタン発酵槽の多孔パネル（左側）と内部の壁面（右側）の、それぞれ図１８におけるＦ−Ｆ及びＧ−Ｇ矢視図である。
図２０は、本発明の実施例４による加熱システム概念図である。
図２１は、本発明の実施例５によるメタン発酵装置の全体構成図である。
図２２は、本発明の実施例５によるメタン発酵装置の上方から見た全体構成図である。
図２３は、本発明の実施例５によるメタン発酵装置の断面図である。
図２４は、本発明の実施例による乾式メタン発酵システムの全体構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の目的、特徴、利点及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであろう。以下に記載される発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい態様を示すものであり、例示または説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書に記した記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者には明らかである。
例えば、乾式メタン発酵槽の構造、形状、寸法、材質、装置等は、下記実施例に記載の物に限られず、本発明の趣旨を満たす全ての変形例を含む。例えば、実施例では縦型発酵槽を例に挙げたが、横型発酵槽でも構わない。また、乾式発酵槽内で行われるメタン発酵方法、発酵槽加温方法・加温温度等も同様に、本発明の趣旨を満たす全ての変形例を含む。
また、上記各実施例の構成要素を組み合わせてできる実施形態でもよい。
以下、図を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【実施例１】  図１は、本発明による乾式メタン発酵槽の実施例１の全体構成図である。
本実施例の乾式メタン発酵槽１００はコンクリート製であり、下部が絞られた円柱状の形状を持ち、高さは１５．４５ｍ、上部円柱部分の断面の直径は２．２５ｍである。
図２に、コンクリート製の壁１０１の断面図を示す。コンクリート壁１０１の中には、発酵槽の加温装置として温水管１０２，１０４が配管されている。この温水管１０２，１０４内に、適切な温度の水を、例えば下から上に流すことにより、発酵槽１００を加温し、一定の温度に保持することができる。水は比熱が大きいため、加温のために温水を用いることによって、非常に安定に発酵槽１００の温度を一定に保つことができる。また、温水を用いる際には、太陽熱や廃熱などを利用することもできるため、温水利用はコスト面で有利である。
ここで、温水管をいくつかの部分に分け、例えば図１のように、槽上部の温水管を独立に設計し、槽中央部〜下部の温水管より高い水温の水を流すか、またはより多量の水を流すことにより、投入したばかりの常温に近い有機廃棄物をより急速に加温することができ、槽全体の温度を高温にする場合、より容易に、そして安定に温度を一定にできる。本実施例では、温水管を２つの部分１０２、１０４に分け、発酵槽全体が５５℃となるように、下部温水管１０２より、上部温水管１０４には、より高温の水を流し、有機物の投入初期に急速に加温する。下部温水管１０２においても、発酵槽全体を５５℃にすることを考慮に入れると、５５℃以上の温水を流してもよい。また、後述するように、発酵全体は多種の細菌による多段階の反応過程からなるため、各部分の温水管を別の温度に設定することにより、各細菌あるいは各反応過程に適した温度に水温を調節できる。例えば、発酵槽１００の下部温水管１０２は５５℃、上部温水管１０４は３７℃となるように、温水管１０８にはそれ以上の温度の温水を流してもよい。
また、発酵槽本体の壁の外側には、周囲への放熱を防ぐため、断熱材１０６を装着する。
発酵槽１００上部には、発酵槽１００内でメタン発酵によって生成されたメタンガスを発酵槽１００外部に排出する排出口１０８を設ける。そして、発酵システムとして、複数の発酵槽１００の排出口１０８から排出されたメタンガスを、まとめて集気し、処理するメタンガス処理装置（図示せず）を設ける。発酵槽１００下部には、槽内で発酵処理を終えた発酵残渣を排出する残渣排出口１１０と、排出量を調節する排出装置１１２を設ける。
発酵槽１００内部において、有機廃棄物１１４内を収容する収容部１１６の上部に、空間１１８を確保する。有機廃棄物１１４内でメタン発酵により発生したメタンガスが、より安定に上部の空間１１８に排出されるように、メタンガスを導くためのガス通路として、直径２０ｃｍの多孔パイプ１２０を有機廃棄物１１４内に埋設する。有機廃棄物１１４は固形物の割合が高く、隙間があまりないので、液体中とは異なり、多量に生じた気体が滞りなく収容部１１６から外部に流出するのは容易ではない。しかし、多孔パイプ１２０を設けることによって、多量のメタンガスが容易に有機廃棄物１１４中から流出できるようになる。
多孔パイプ１２０は、発酵槽１００の長軸方向に平行に設置し、例えば図３に示すように、円周上に８本と円の中心に１本というように配列する。多孔パイプ１２０は、例えばステンレス製で、１００−２００μｍの小孔が無数に空いているようなものにする。この小孔が詰まった場合は、多孔パイプ中にガスを逆流することなどによって、容易に除去することができる。
以上の構成を持つメタン発酵槽１００を用いて、図４に示すようにメタン発酵を行う。メタン発酵槽１００には、有機廃棄物１１４を７．５ｍ３／日投入する。発酵槽１００内の有機廃棄物１１４が２５日分滞留し、投入量と排出量が平衡に達した後は、毎日、７．５ｍ３投入し、投入した分に相当する有機廃棄物１１４を排出する、というようにして、発酵槽１００内には一定の量の有機廃棄物１１４が保たれる。
未処理の有機廃棄物１１４を発酵槽１００に投入するとき、麦藁、おがくず、米糠、剪定枝、古紙などの含水率調整材や、嫌気性細菌の種菌としての発酵残渣と混合し、発酵槽１００に投入する。投入された有機廃棄物１１４は、最初の数日間は、酸生成に供される。即ち、様々な通性嫌気性菌によって、有機廃棄物内の糖などの炭水化物はアルコールや低分子の有機酸に、脂肪は脂肪酸に、タンパク質はアミノ酸等に分解される。その後、分解産物であるアルコールや有機酸から、メタン細菌によってメタンが生成される。
有機廃棄物１１４内で生成されたメタンは、多孔パイプ１２０を通じて、有機廃棄物収容部１１６の上部の空間１１８に流入し、生成されたメタンそれ自体の圧力によって、排出口１０８を通じて、発酵槽１００の外部に運ばれ、集気される。
有機廃棄物１１４が大量にある場合、以上のようなメタン発酵槽１００を平地に複数個配置し、各々から集気されたメタンを処理する共通の処理場等を設けることによって、効率のよい有機物処理システムを構築することができる。
【実施例２】  図５は、本発明による乾式メタン発酵槽の実施例２の全体構成図である。実施例２では、ガス通路が直接ガス排出口に繋がっており、ガス通路を通ったメタンガスは、ガス排出口を通じて発酵槽外部に直接排出されるように設計されている。
本実施例の乾式メタン発酵槽２００はコンクリート製であり、上部と下部が絞られた円柱状の形状を持ち、高さは１５．４５ｍ、上部円柱部分の断面の直径は２．２５ｍである。
図６に示すように、コンクリート壁２０１は、実施例１と同様、温水管２０２及び断熱材２０６を有する。本実施例では、温水管を３つの部分２０２，２０３，２０４に分け、温水管が上部になるほど温水管に流す温水を５５℃より高温にして、早く均一に全体の温度が５５℃になるように加温できるようにする。下部温水管２０２においても、発酵槽全体を５５℃にすることを考慮に入れると、５５℃以上の温水を流してもよい。また、各部分の温水管を別の温度に設定することにより、各細菌あるいは各反応過程に適した温度に水温を調節してもよい。
発酵槽２００には、実施例１と同様、排出口２０８、残渣排出口２１０、排出量を調節する排出装置２１２を設ける。
発酵槽２００内部に、ガス通路としての多孔パイプ２２０を有機廃棄物２１４内に埋設するが、本実施例では、多孔パイプ２２０はガス捕集ヘッダー管２２２に接続されており、多孔パイプ２２０により集気されたメタンガスはヘッダー管２２２を通じて、直接発酵槽２００外部に排出される。多孔パイプ２２０は、実施例１と同じ構造を持ち、例えば図７のように配置される。またヘッダー管２２２は、例えば図８のような構造であり、多孔パイプ２２０によって集気されたメタンガスを発酵槽２００外に排出し、メタンガス処理装置（図示せず）に運ぶ。
以上の構成を持つメタン発酵槽を用いて、図９に示すようにメタン発酵を行うが、その方法は実施例１と同じなので、ここでは説明は省略する。
生成されたメタンは、多孔パイプ２２０とヘッダー管２２２とを通じて、発酵槽の外部に運ばれ、集気される。また、多孔パイプ２２０によって集気されず、有機廃棄物中を上方に通り抜けたメタンは発酵槽２００上部に設けられたメタン排出口２０８より排出、集気される。
【実施例３】  図１０は、本発明による乾式メタン発酵槽の実施例３の全体構成図である。実施例３では、ガス通路が発酵槽の壁に沿って構築されるように設計されている。
本実施例の乾式メタン発酵槽３００はコンクリート製であり、下部が絞られた角柱状の形状を持つ。高さは１５．４５ｍ、胴部角柱部分の一辺の長さは４．４ｍで、下部の絞られた部分の一辺の長さは１．５ｍである（図１１参照）。
図１２に示すように、コンクリート壁３０１は、実施例１と同様、温水管３０２及び断熱材３０６を有する。本実施例では、温水管を２つの部分３０２、３０４に分け、上部温水管３０４には、下部温水管３０２より、高温の水を流すことによって、早く均一に全体を５５℃に加温できるようにする。下部温水管３０２においても、発酵槽全体を５５℃にすることを考慮に入れると、５５℃以上の温水を流してもよい。また、各部分の温水管を別の温度に設定することにより、各細菌あるいは各反応過程に適した温度に水温を調節してもよい。
本実施例では、さらに、コンクリート壁３０１の内側に、壁３０１と平行に２０ｃｍの間隔をおいて、多孔パネル３２０を設ける。多孔パネル３２０は、例えばステンレス製で、１００−２００μｍの小孔が無数に空いているものにする。多孔パネル３２０とコンクリート壁３０１の間の空間は有機廃棄物３１４内でメタン発酵により発生したメタンガスのガス通路となり、メタンガスが、より安定に上部の空間３１８に排出されるように機能する。排出されたメタンガスは発酵槽３００外部に運ばれ、その後メタンガス処理装置（図示せず）に運ばれる。
発酵槽３００には、実施例１と同様、排出口３０８、残渣排出口３１０、排出量を調節する排出装置３１２を設ける。
以上の構成を持つメタン発酵槽を用いて、図１３に示すようにメタン発酵を行うが、その方法は実施例１と同じなので、ここでは説明は省略する。
生成されたメタンは、多孔パネル３２０とコンクリート壁３０１の間の空間を通って、有機廃棄物収容部３１６の上部の空間３１８に流入し、生成されたメタンそれ自体の圧力によって、排出口３０８を通じて、発酵槽の外部に運ばれ、集気される。
なお、本実施例では、発酵槽は角柱状であるため、一枚の長方形の多孔パネルを、内壁に平行に沿わせるように設置し、三方の内壁とともに、ガス通路を構成したが、多孔パネルを角に設置し、二方の内壁とともに、断面が直角三角形である三角柱状の空間によってガス通路を構成してもよい。また、発酵槽が円柱状であっても、一枚の長方形の多孔パネルの両端を、湾曲した内壁面に接着させることにより、一枚の多孔パネルと槽内壁によって、ガス通路を構成することができる。
【実施例４】  図１４は、本発明による乾式メタン発酵槽の実施例４の全体構成図である。
本実施例の乾式メタン発酵槽４００は、例えばコンクリート製であり、下部が絞られた角柱状の形状を持つ。ここでは、例として３つの槽が連続した構造としたが、単独でも良く、複数の場合、その数は限定されない。図１４及び図１５に示すように、一つの発酵槽の高さは１４．４８ｍ、胴部角柱部分の断面は４ｍｘ２ｍの長方形で、下部の絞られた部分（排出口４１０）の一辺の長さは１．５ｍである。
図１７に示すように、コンクリート壁４０１は、実施例１と同様、温水管４０２を有し、最も外側の壁は断熱材４０６を有する。隣接する発酵槽同士が共有するコンクリート壁には断熱材は設けない。図２０には、発酵槽全体における温水管０２の配管を示す。このように、温水管を配置した壁を、隣接した発酵槽が共有するような構造にすることにより、複数の発酵槽を効率よく加温することができる。
本実施例では、図１４、図１６、及び図１９に示すように、収容部４１６に、両側の長辺の壁４０１から９０ｃｍ離して、２０ｃｍの間隔をもつ２枚の多孔パネル４２０を長辺の壁４０１と平行に設けるが、完全な平行でなくてもよい。多孔パネル４２０は、例えばステンレス製で、１００−２００μｍの小孔が無数に空いているものにする。多孔パネル４２０間の空間は有機廃棄物４１４内でメタン発酵により発生したメタンガスのガス通路となり、メタンガスが、より安定に排出されるように機能する。
多孔パネル４２０の上部（上端より所定の長さの部分）４２２は、小孔が設けられておらず、加熱パネル４２２として、多孔パネル４２０周辺の有機廃棄物４１４より高い温度に維持できるようになっている。メタン発酵反応の初期には、酸生成がおき、炭酸ガスが産生される。この初期過程では、後に起きる主メタン発酵過程と異なる細菌群が機能するため、異なる反応条件が適している。また、槽全体の温度を一定にする場合、投入した有機廃棄物は、通常の槽設定温度（５５℃）より低いため、槽全体を一定の温度にするためには、初期過程で、より多くの熱エネルギーを与える必要がある。従って、多孔パネル４２０の上部に設けられた加熱パネル４２２によって、初期過程に適した温度に調節できるのが好ましい。そこで、上部温水管と共に加熱パネル４２２における温水管は壁内を走る温水管とは別系統とし、独立に温度設定や流量設定ができるように構成する。これにより、初期過程で多くの熱エネルギーを与える場合、高温の水を流すか、多量の温水を流せばよいことになる。また、上部４２２には小孔がないため、発酵槽４００のふたを閉めた場合、空間部４１８が密閉状態になり、初期反応で生じた炭酸ガスは、気体の圧力で下部に移動しやすくなる。しかも、有機廃棄物が下部に移動するにつれ、発酵が進み、生じる気体中にメタンガスの割合が増えていくので、上部４２２から気体を回収しないことで、初期過程で生じた炭酸ガスの多く含まれるガスを回収しなくて済み、よりメタンガスの割合の高いガスを回収できるようになる。また、加熱パネル４２２の上端は刃状に鋭く尖っており、投入された有機廃棄物は、加熱パネル４２２の上端に当たって、両側に落下する。
また、図１５に示すように、メタンガスを発酵槽４００外部に排出するためのメタン排出口４０８を収容部４１６の側面壁に設ける。収容部上部においては、初期反応で生じた炭酸ガスの濃度が高く、メタン排出口４０８を収容部４１６の側面壁に設けることにより、上部で回収する場合に比べ、よりメタンガスの濃度の高いガスを回収できる。このメタン排出口４０８は、図１８に示すように、多孔パネル４２０内の空間と直接繋がっており、多孔パネル４２０内に集気されたガスの排出を容易にしている。メタン排出口４０８より排出されたメタンガスはメタンガス処理装置（図示せず）に運ばれる。
以上の構成を持つメタン発酵槽を用いてメタン発酵を行うが、その方法は実施例１と同じなので、ここでは説明は省略する。メタン発酵によって、有機廃棄物の収容部４１６内で生成されたメタンは、効率よく、多孔パネル４２０と中の空間に集気され、排出口４０８を通り、発酵槽の外部に運ばれる。
【実施例５】  図２１は、本発明による乾式メタン発酵装置の実施例５の全体構成図である。
本実施例の乾式メタン発酵槽５００はコンクリート製であり、投入部である投入口５０２側から垂直に２ｍ延び、それからゆるやかに湾曲した後、排出部である排出口５０４まで、まっすぐ水平に９ｍ延びるようなＬ字型をしている。発酵槽５００の内壁面５１１（図２３参照）は、有機廃棄物が槽内部で移動しやすいように、鏡面仕上げなどの平滑仕上げにする。同様の効果を得るため、発酵槽５００の水平部分は、排出口５０４に向かってなだらかに下っていてもよい。
断面は長方形であり、水平部分の断面において、高さ１．２ｍ、幅１．８ｍであって、図２２に示すように、排出口５０４側では１．５ｍにまで幅が絞られている。このように、排出口５０４付近で断面積を小さくしたり、あるいは、排出口５０４付近に壁面から突出した障害物を設けたり、排出口５０４付近の壁面を粗面にしたりして、排出口５０４付近で槽内の有機廃棄物にかかる抵抗を上昇させることにより、有機物が排出口５０４に近づく程押し固められ、排出口５０４が有機物によって栓をされやすくする。
図２３に、発酵槽５００水平部の断面図を示す。コンクリート壁５０６の中には、発酵槽５００の加温装置として温水管５０８が配管されている。この温水管５０８内に、適切な温度の水を流すことにより、発酵槽５００を加温し、一定の温度に保持することができる。水は比熱が大きいため、加温のために温水を用いることによって、非常に安定に発酵槽５００の温度を一定に保つことができる。また、水を加温する際などには、太陽熱や廃熱などを利用することもできるため、温水利用はコスト面で有利である。
発酵槽５００垂直部の上部投入口５０２側には、ガスチャンバー５１２としての空間を設ける（図２１）。さらに、発酵槽５００内全体に渡って、水平部分における上部コンクリート壁５０６と、その上部コンクリート壁５０６にひきつづく垂直部の壁にそって、多孔パネル５１４で仕切られ、排出口５０４端部が閉止されたガス捕集部５１６としての空間を設ける（図２１および図２３）。多孔パネル５１４は、例えばステンレス製で、１００−２００μｍの小孔が無数に空いている。このガス捕集部５１６はメタン発酵により発生したメタンガスのガス通路となるが、排出口５０４側は壁が設けられ外界と遮断されているため、発酵槽５００内で生成したメタンガスは、ガス捕集部５１６を通ってガスチャンバー５１２の方に流出する。このように、ガス捕集部５１６を設けることによって、メタンガスが発酵槽５００の中で流れやすくなり、ガス収集量が安定する。
後述するように、発酵全体は多種の細菌による多段階の反応過程からなるため、各細菌あるいは各反応過程に適した温度に水温を調節できるように、温水管５０８をいくつかの部分に分け、それぞれ、別の温度に設定できるようにする。本実施例では、温水管５０８を２つの部分に分け、発酵槽５００の水平部は５５℃、垂直部は３７℃となるように、温水管５０８にはそれ以上の温度の温水を流す。例えば、水平部温水管と垂直部温水管に、それぞれ６０℃と４２℃の温水を流すようにする。発酵槽５００本体の壁５０６の外側には、周囲への放熱を防ぐため、断熱材５１０を装着する。
ガスチャンバー５１２の壁には、メタンガスを排出するガス排出管５１８と、それに付属して、ガスチャンバー５１２内のガス圧を調節することができるように、開閉弁５２０が設けられている。
以上のように構成されたメタン発酵槽５００は、例えば、その水平部分を地中に埋設し、垂直部分を地中から外に出すように設置する。これにより、発酵槽５００からの放熱が少なくなり、熱の損失を防ぐことができる。また、メタン発酵槽５００を地上に設置しなくて済むため、その分の土地を有効利用できる。さらに、メタン発酵槽５００の投入口５０２の高さが低くなるため、有機廃棄物の投入が容易になる。
本実施例の投入口５０２から、未処理の有機廃棄物を発酵槽５００に投入するとき、発酵槽５００から排出された発酵残渣を、メタン菌やその他発酵に寄与する菌の菌種として一緒に投入する。投入された有機廃棄物は、最初の数日間は、酸生成に供される。即ち、様々な通性嫌気性菌によって、有機廃棄物内の糖などの炭水化物はアルコールや低分子の有機酸に、脂肪は脂肪酸に、タンパク質はアミノ酸等に分解される。その後、分解産物であるアルコールや有機酸から、メタン細菌によってメタンが生成される。
最初のうちは、発酵残渣排出口５０４を閉鎖し、ガス排出管５１８の開閉弁５２０は開けたままにしておくので、有機物内で生成されたメタンガスは、有機物内からガス捕集部５１６に抜け出し、ガスチャンバー５１２に流れ込んでガス排出管５１８を通って集気される。投入する有機物を一日当たり１ｍ３にすると、約２５日でメタン発酵槽５００の収容部は有機廃棄物で満たされることになる。
このメタン発酵槽５００は、発酵残渣排出口５０４近辺で幅が狭くなっているため、排出口５０４に近くなるにつれて、有機廃棄物は押し固められ、有機廃棄物が排出口５０４に栓をしたようになり、排出口５０４を開放してもガスは排出口５０４を通って逃げなくなる。有機廃棄物内の隙間が広く、２５日経ってもメタンガスが開放した排出口５０４から多量に漏れるような場合、投入する有機廃棄物の量を増やし、より密に押し固められるようにすることで、有機廃棄物内の隙間をなくすことができる。
有機廃棄物が排出口５０４に栓をするようになった段階で、ガス排出管５１８の開閉弁５２０を閉じ、一日分の有機廃棄物を投入し、有機物投入口５０２を密閉する。この状態で、有機廃棄物内から発生したメタンガスは、有機物内からガス捕集部５１６に抜け出し、ガスチャンバー５１２に流れ込むが、そこで行き場が無くなり、ガスチャンバー５１２内のガス圧が上がる。圧力の上がったガスは、槽内部の有機廃棄物を、排出口５０４に向かって押すため、有機廃棄物は全体に排出口５０４側に移動し、もっとも排出口５０４に近い発酵残渣は排出口５０４から押し出される。有機廃棄物約一日分の投入量に対する発酵残渣が排出されたところで、ガス排出管５１８の開閉弁５２０を開けると、ガスチャンバー５１２内のメタンガスが排出され、発酵槽５００内のガスの圧力が下がると共に、メタンガスがガス排出管５１８を通って集気される。
あるいは、メタン発酵槽５００の構造として、閉止側に付勢され外向きに開くバネ式の扉を、排出口５０４に設けても良い。発酵残渣が排出口５０４から押し出されると落下できるように、排出口のすぐ外側は、穴などを掘って、発酵槽５００の底面より低くしておく。発酵槽内に圧力が生じ、押し固められた有機廃棄物が内側から扉を押した場合、扉が開き、発酵残渣が排出される。この場合、バネを適度の強度にしておくことにより、排出口５０４近くで有機廃棄物が押し固められやすくなる。
このように、この方法では、横型のＰｌｕｇ−Ｆｌｏｗ方式であっても、発酵槽５００内の有機廃棄物を移動させるのに動力は必要なく、槽内部のガス圧だけで有機廃棄物が移動するため、多大なエネルギーの節約になる。
以上のようなメタン発酵槽５００を平地に複数個配置し、各々から集気されたメタンを処理する共通の処理場等を設けることによって、効率よい有機物処理システムを構築することができる。
＜本発明による乾式メタン発酵システムなどの構成例＞
次に、本発明に係る実施形態の一例である乾式メタン発酵システムの一構成例について、図２４を参照しながら説明する。
本発明による乾式メタン発酵システムは、異物分別装置６０２、破砕装置６０４、混合装置６０６、乾式メタン発酵槽６０８、脱硫装置６１０、メタンガス貯蔵装置６１２、残渣処理装置６１４、コ・ジェネレーションシステム６１６からなる。
まず、異物分別装置６０２によって、収集された生ゴミなどから、メタン発酵で処理できないプラスチックなどの異物を除去し、ほとんど有機物だけから成る廃棄物にする。この有機廃棄物を、破砕装置６０４によって、後の処理に適当な大きさに破砕する。次に、混合装置６０６を用いて、粉砕された有機廃棄物を、麦藁、おがくず、米糠、剪定枝、古紙などの含水率調整材や、嫌気性細菌の種菌としての発酵残渣と混合し、メタン発酵槽６０８に投入する。
メタン発酵６０８槽内で、上記実施例に記載した方法によって、有機廃棄物を発酵させる。発生したメタンガスを集気し、ブロア等で増圧して脱硫装置６１０を用いて硫化水素を除去し、メタンガス貯蔵装置６１２に貯蔵する。あるいは、集気したメタンガスを、脱硫せずにメタンガス貯蔵装置６１２に貯蔵してもよいが、その場合でも、メタンガスを利用する前に、ブロア等による増圧及び脱硫装置６１０による硫化水素除去を行う。一方、メタン発酵槽６０８から排出される発酵残渣は、廃棄物処理装置６１４に送られ、堆肥化され再利用されたり、乾留され炭化物として処理されたりする。
このようにして得られたメタンガスは、コ・ジェネレーションシステム６１６に供給され、電力エネルギーや熱エネルギーとして利用される。この熱エネルギーの一部は、メタン発酵槽６０８の加温に利用することもできる。
【産業上の利用の可能性】
本発明により、有機廃棄物質から安定してメタンを生成し、生成したメタンを安定して排出することにより、メタン収集の効率を高められる乾式メタン発酵槽を提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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