(57)【要約】【課題】有機性廃棄物を発酵槽内で効率的に減容化できると共に、メタンガス等から成るバイオガスを安定的に得ることができるメタン発酵システムを提供する。【解決手段】２槽式のメタン発酵システムにおいて、第１発酵槽７と第２発酵槽８とから生成されるガス流量の計測値ＭＡ，ＭＢに基づいて、第１発酵槽７に供給するスラリー量、スラリー供給時間、生成ガスによるバブリング時間及び処理液循環ポンプによる返送流量の少なくともいずれかを制御する制御器２０を備える。【選択図】図１
2008136985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１発酵槽の処理液を第２発酵槽に流入するように構成する２槽式のメタン発酵システムにおいて、前記第１発酵槽と前記第２発酵槽とから生成されるガス流量の計測値に基づいて、前記第１発酵槽に供給するスラリー量、スラリー供給時間、生成ガスによるバブリング時間及び処理液循環ポンプによる返送流量の少なくともいずれかを制御することを特徴とするメタン発酵システム。
【請求項２】
前記第１発酵槽の中心部にドラフトチューブが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵システム。
【請求項３】
前記第２発酵槽の底部側壁に設けられた処理液循環口と前記第１発酵槽の上部とを連結する配管の途中に、前記処理液循環ポンプが設けられてい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システム。
【請求項４】
前記第１発酵槽及び前記第２発酵槽の上端部に接続された生成ガス排出管を有し、
前記ガス流量計が前記生成ガス排出管に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメタン発酵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓などの有機性廃棄物をメタン発酵処理するメタン発酵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来において、有機性廃棄物を処理するメタン発酵システムは、１槽型のものが多く、その処理技術は、工業的に確立されている。生成したメタンガスはガスホルダーに貯えられて、必要に応じて発生ガスをガスエンジン、燃料電池に供給してエネルギーの回収が行なわれる。
メタン発酵システムは、３７℃程度の中温発酵と、５５℃程度の高温発酵に分類され、中温発酵では分解速度が遅いため、滞留日数が１５〜３０日程度であり、高温発酵では滞留日数が１０日前後で運用が行なわれている。
【０００３】
特許文献１，２は、２槽式メタン発酵装置を開示している。また、特許文献３は、酸発酵槽とメタン発酵槽とを用いて有機性廃棄物を分解処理する技術を開示している。
特許文献４は、有機性廃棄物を投入するタンクと、発酵槽と、中央に縦型のスクリュー式攪拌機を内蔵するドラフトチューブと、発酵槽の側壁を貫通してドラフトチューブの側部に連結される投入管と、圧送ポンプとを備え、好適な態様として、発酵槽の側壁から発酵槽の底部までのバイパス回路を付設し、発酵槽の底部から内容物の一部を槽内に吹き出させて発酵槽の底部に蓄積される汚泥を吹き飛ばして攪拌する技術を開示している。また、発酵槽の上端にスカム生成防止溢出機構を設けることを開示している。
【特許文献１】特開昭６０−７８６９８号公報
【特許文献２】特開昭６０−７８６９９号公報
【特許文献３】特開平１１−７７００５号公報
【特許文献４】特開２００２−１８３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１〜特許文献３に開示された技術では、第1の発酵槽の底部に比重の大きい有機性廃棄物や汚泥を沈殿させ、酸発酵菌と有機性廃棄物の接触頻度が減少するため可溶化速度が減少する、あるいは、メタン発酵菌と有機酸の接触頻度が減少して有機酸の分解速度が低下する欠点があった。また、スカムの生成を防止するために回転式の掻き取り機能を設けていた。
特許文献４に開示された技術では、ドラフトチューブの内部に攪拌機を設けているため、大型の装置では対応できるが、有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理装置が、小型容量の装置になればなるほど槽容積の制約から製作が困難になる。また、発酵槽底部の未分解で比較的粒度の大きい汚泥を強制的に頂部に移送する場合、ドラフトチューブの外周部に固定床担体を設けて高密度菌体を保持した発酵装置では、固定床担体の上部が閉塞し易くなり、酸敗する可能性がある。
【０００５】
本発明は、従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高温メタン発酵を行なう高密度菌体を保持させた固定床担体を備えた２槽式のメタン発酵システムにおいて、有機性廃棄物を発酵槽内で効率的に減容化できると共に、メタンガス等から成るバイオガスを安定的に得ることができるメタン発酵システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るメタン発酵システムは、第１発酵槽の処理液を第２発酵槽に流入するように構成する２槽式のメタン発酵システムにおいて、前記第１発酵槽と前記第２発酵槽とから生成されるガス流量の計測値に基づいて、前記第１発酵槽に供給するスラリー量、スラリー供給時間、生成ガスによるバブリング時間及び処理液循環ポンプによる返送流量の少なくともいずれかを制御することを特徴としている。
この構成によれば、スラリーが供給される第１発酵槽において過負荷運転を抑制しつつ安定的にメタン発酵を行わせることができる。
【０００７】
上記構成において、第１発酵槽の中心部にドラフトチューブが設けられている、構成を採用できる。
【０００８】
上記構成において、第２発酵槽の底部側壁に設けられた処理液循環口と第１発酵槽の上部とを連結する配管の途中に、処理液循環ポンプが設けられている、構成を採用できる。
【０００９】
上記構成において、第１発酵槽及び第２発酵槽の上端部に接続された生成ガス排出管を有し、ガス流量計が生成ガス排出管に接続されている、構成を採用できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、有機性廃棄物を発酵槽内で効率的に減容化できると共に、メタンガス等から成るバイオガスを安定的に得られる２槽式のメタン発酵システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムの概略構成図である。
尚、本実施形態では、高密度担体を充填した２槽式メタン発酵システムを例に説明する。本実施形態に係る２槽式メタン発酵システムは高密度担体を充填し、滞留日数４日程度で運転が行なわれる。
【００１２】
この槽式メタン発酵システムは、図１に示すように、粉砕ポンプ１、ペースト移送ポンプ２、調整槽３、スラリー移送ポンプ４、ドラフトチューブ５、バブリングブロワ６、第１発酵槽７、第２発酵槽８、処理液循環ポンプとしての汚泥循環ポンプ９、汚泥循環ポンプ１０、ドレンセパレータ１１Ａ，１１Ｂ、ドレンタンク１２Ａ，１２Ｂ、脱硫器１３Ａ，１３Ｂ、活性炭１４Ａ，１４Ｂ、ガスメータ１５Ａ，１５Ｂ、水封器１６、曝気ブロア１７、間欠曝気槽１８、廃液タンク１９、制御器２０等から構成されている。
【００１３】
粉砕ポンプ１は、例えば食堂ごみなどの厨芥等の有機性廃棄物を原燃料として希釈水を混合してスラリー化する。厨芥と希釈水の割合は、例えば、厨芥１の割合に対して希釈水を１〜２とした。
【００１４】
ペースト移送ポンプ２は、粉砕ポンプ１でスラリー化されたスラリーを調整槽３へ送出する。
【００１５】
調整槽３は、攪拌機能を有しており、スラリーに含まれる粒子の浮遊を均一化させて貯留する。
【００１６】
スラリー移送ポンプ４は、調整槽３内より第1発酵槽７にスラリーを供給する。尚、このスラリー移送ポンプ４は、制御器２０からの制御指令に応じて送出するスラリー量がコントロールされる。
【００１７】
第１発酵槽７は、その内部にスラリーが貯留されるとともに、ドラフトチューブ５、固定床担体７ａ等が設置されている。
ドラフトチューブ５は、中空の円筒状に形成されており、第１発酵槽７の内部の中心部に配置されている。このドラフトチューブ５の内部には、スラリー移送ポンプ４に接続されたスラリー供給管４ａと、生成ガスをバブリング（通気）するための配管６ａとがドラフトチューブ５の上部より挿入されている。
スラリー供給管４ａと生成ガスをバブリングする配管６ａの挿入方法としては、スラリー供給管４ａを配管６ａより長く挿入することが望ましい。
ドラフトチューブ５は、発酵液面より沈めて設置し、ドラフトチューブ５の外側にあたる環状路には固定床担体７ａがドラフトチューブ５の上端部よりも、さらに低い位置に沈めて充填されている。
固定床担体７ａの充填率は任意に選択することが可能であるが、本実施形態では発酵有効容積に対して３０％〜４５％の固定床担体７ａを充填した。
【００１８】
バブリングブロワ６は、第１発酵槽７の上部の気相部における生成ガスを配管６ｂから吸引し、配管６ａを通じてドラフトチューブ５内部に通気（バブリング）する。
【００１９】
第２発酵槽８は、第１発酵槽７の底部側壁より上方向に立ち上がるオーバーフロー管８ｂにより第１発酵槽７と接続されている。このオーバーフロー管８ｂを通じて、第２発酵槽８の上部より処理液が流入する。
第２発酵槽８は、その内部に固定床担体８ａが設置されている。
また、第２発酵槽８は、その底部側壁に設けた処理液循環口より処理液を第１発酵槽７の上部へ返送する供給管９ａが接続されている。この供給管９ａの途中には、汚泥循環ポンプ９が設けられている。
さらに、第２発酵槽８は、その底部側壁に、処理液を間欠曝気槽１８へ供給する供給管８ｃが接続されている。
また、第２発酵槽８は、その底部側壁の処理液循環口に、第２発酵槽８の上部に処理水を返送する配管１０ａが接続されており、この汚泥循環配管１０ａの途中に汚泥循環ポンプ１０が設けられている。
【００２０】
汚泥循環ポンプ９は、第２発酵槽８の処理水を供給管９ａを通じて第１発酵槽７の上部へ返送する。この汚泥循環ポンプ９により第１発酵槽７の上部に散水する方式で処理水を循環させることにより、第１発酵槽７で生成するいわゆるスカムの蓄積を抑制できる。
尚、汚泥循環ポンプ９は、制御器２０からの制御指令に応じて処理液の返送流量がコントロールされる。
【００２１】
汚泥循環ポンプ１０は、第２発酵槽８の底部の処理水を配管１０ａを通じて第２発酵槽８の上部へ返送して、処理水（汚泥）を第２発酵槽８内で循環させる。このように、第２発酵槽８の単独でも第２発酵槽８の底部側壁より処理液の一部を汚泥循環ポンプ１０により引き抜いて、第２発酵槽８の上部に散水させることにより、いわゆるスカムの蓄積を抑制できる。
【００２２】
ドレンセパレータ１１Ａ，１１Ｂは、第１発酵槽７，第２発酵槽８の上部の気相部に配管により接続されており、気相部からの生成ガスに含まれる水分とガス成分を分離し、水分をドレン水として水封器１６へ送出し、生成ガスをドレンタンク１２Ａ，１２Ｂを介して乾式の脱硫器１３Ａ，１３Ｂへ送出する。
【００２３】
脱硫器１３Ａ，１３Ｂは、生成ガスに含まれる硫化化合物成分を除去したのち、活性炭１４Ａ，１４Ｂを介してガスメータ１５Ａ，１５Ｂへ送る。
【００２４】
ガスメータ１５Ａ，１５Ｂは、第１発酵槽７，第２発酵槽８で生成されるガス流量を計測し、その流量計測信号ＭＡ，ＭＢを制御器２０へ出力する。
【００２５】
間欠曝気槽１８は、第２発酵槽８から供給される処理水に対していわゆる間欠曝気処理を行い、その廃液を廃液タンク１９へ排出する。
【００２６】
制御器２０は、ガスメータ１５Ａ，１５Ｂの計測値ＭＡ，ＭＢがフィードバックされ、これらの計測値ＭＡ，ＭＢに基づいて、第１発酵槽７に供給するスラリー量、スラリー供給時間、生成ガスによるバブリングブロワ６のバブリング時間及び汚泥循環ポンプ９による返送流量を制御する。
【００２７】
上記メタン発酵システムにおいて、スラリーの供給方法は、1日に処理する容量を１２分割で供給する。従って、２時間サイクル毎に１２分割されたスラリーを供給する方法を採用した。
スラリーの供給方法は、所定の時間になると、最初に第１発酵槽７の上部の気相部より生成ガスをバブリングブロワ６にて吸引し、ドラフトチューブ５の内部への通気を開始する。これにより、ドラフトチューブ５内ではエアリフト流により上向きの流れが形成される。
バブリングブロワ６が始動し、予め、ドラフトチューブ５内部にエアリフト流が形成された状態において、スラリー移送ポンプ４によりスラリーがドラフトチューブ５内部に供給される。
供給されたスラリーに含まれる比重の大きい固形分、夾雑物は、エアリフト流に逆らって静かに重力沈降する。
【００２８】
一方、比重の軽い細かい固形分は、エアリフト流によりドラフトチューブ５の上端部より溢れ出し、第１発酵槽７の固定床担体７ａが充填された環状路に供給される。環状路に供給された粒度の細かいスラリーは、ダウンフローにより担体充填層内で分解が促進される。
【００２９】
第１発酵槽７と第２発酵槽８の各々から生成するガスは、各発酵槽７，８の上部より排出して、ガスに含まれる水分をドレンセパレータ１１Ａ、１１Ｂ、及びドレンタンク１２Ａ，１２Ｂにて除去した後、乾式の脱硫器１３Ａ，１３Ｂにて脱硫処理される。脱硫処理されたガスは、その流量がガスメータ１５Ａ，１５Ｂにより計測される。
【００３０】
第１発酵槽７と第２発酵槽８で生成したガスの流量を計測し、流量計測信号ＭＡ，ＭＢを制御器２０に取り込んでスラリー移送ポンプ４の稼動時間、及び汚泥循環ポンプ９の流量を制御することで、ガス発生量が均一になるように運転制御を実施した。
【００３１】
ここで、図２にスラリー移送ポンプ４の稼動時間を１４０秒で所定供給量のスラリーを供給し、汚泥循環ポンプ９を一定流量で稼動させた際の第１発酵槽７と第２発酵槽８におけるガス発生量の推移を示す。
図２に示すように、短時間で所定のスラリーを供給し、汚泥循環ポンプ９を低流量で循環させた場合、第１発酵槽７と第２発酵槽８から発生するガス流量には顕著な差が認められた。ここで低流量と記載した流量は、第１発酵槽７と第２発酵槽８の全容積に対して、汚泥循環ポンプ９の循環流量が、希釈率１．０（１／Ｈ）以下の場合を示す。
【００３２】
スラリー供給開始後、４０分間は第１発酵槽７からのガス発生量が多くなるのが分かる。これは第１発酵槽７に供給されたスラリーが十分に第２発酵槽８にオーバーフロー管８ｂを介して供給されていないためである。
この期間は、第１発酵槽７の方が過負荷で運転されていることになる。積算ガス発生量の比から、第１発酵槽７と第２発酵槽８の各々の滞留日数は第１発酵槽７では３．５日、第２発酵槽８では４．５日に相当する。これはスラリー供給サイクル１２０分に対して１／３の時間に相当する。
【００３３】
本実施形態に係る高密度担体を充填した２槽式発酵システムでは、計画滞留日数は各槽共に４．０日で計画していたことから、第１発酵槽７は計画負荷に対しては過負荷運転されていることになる。
この運転経過を踏まえて第１発酵槽７と第２発酵槽８の運転負荷を調整するために、汚泥循環ポンプ９を、スラリーの供給時からガス発生量と比較することにより流量制御をする。
【００３４】
ここで、図３にスラリー移送ポンプの稼動時間を１４０秒のままで所定供給量のスラリーを供給し、汚泥循環ポンプ９の流量を第１発酵槽７及び第２発酵槽８のガス発生量をもとに流量制御した場合におけるガス発生量の推移を示す。
【００３５】
第１発酵槽７からのガス発生量が第２発酵槽８からの発生量に比較して著しく多いと検知された場合、制御器２０により汚泥循環ポンプ９の回転数制御を大きくして、流量が多く流れるように指令を与え、第１発酵槽７と第２発酵槽８の均一化を図る。
尚、汚泥循環ポンプ９の流量は、第１発酵槽７と第２発酵槽８の全容積に対しての循環流量が、希釈率１．０〜３．０（１／Ｈ）の範囲が望ましい。
【００３６】
第１発酵槽７と第２発酵槽８のガス発生量をもとに、汚泥循環ポンプ９の流量制御を実施することにより、図３から分かるように、第１発酵槽７と第２発酵槽８のガス発生量の差を小さくすることができ、スラリー供給後、約２０分でガス発生量は均一にすることができた。
この結果、運転計画滞留日数に対して、第１発酵槽７の運転を過負荷にさせることがなく安定した運転が可能となった。
【００３７】
さらに、ガス発生量をもと汚泥循環ポンプ９の流量を制御することのみならず、スラリー移送ポンプ４の供給時間を長くして、単位時間あたりに供給されるスラリー流量を少なくすることでも、第１発酵槽７と第２発酵槽８のガス発生量を均一化させるのには有効である。
【００３８】
第１発酵槽７と第２発酵槽８のガス発生量から、汚泥循環ポンプ９とスラリー移送ポンプ４とを制御することで、第1発酵槽７を過負荷運転から回避させることが可能となり、２槽式メタン発酵システムの安定運用を実施することが可能となる。
【００３９】
尚、上記実施形態では、汚泥循環ポンプ９とスラリー移送ポンプ４とを制御して、第１発酵槽７に供給するスラリー量、スラリー供給時間、汚泥循環ポンプ９による返送流量を調整する場合について説明したが、例えば、第１発酵槽７における生成ガスによるバブリング時間を制御することも有効である。
また、制御器２０により制御するパラメータは、スラリーが供給される第１発酵槽７の過負荷運転を抑制できるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムにおけるガス発生量の推移の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係るメタン発酵システムにおけるガス発生量の推移の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１…粉砕ポンプ
２…ペースト移送ポンプ
３…調整槽
４…スラリー移送ポンプ
５…ドラフトチューブ
６…バブリングブロア
７…第１発酵槽
８…第２発酵槽
９…汚泥循環ポンプ（処理液循環ポンプ）
１０…汚泥循環ポンプ
１１Ａ，１１Ｂ…ドレンセパレータ
１２Ａ，１２Ｂ…ドレンタンク
１３Ａ，１３Ｂ…脱硫器
１５Ａ，１５Ｂ…ガスメータ
１６…水封器
１７…曝気ブロア
１８…間欠曝気槽
１９…廃液タンク
２０…制御器
【図１】
2008136985.tif 000003
【図２】
2008136985.tif 000004
【図３】
2008136985.tif 000005