(57)【要約】  【課題】長期間運転してもメタン発酵効率が低下しにくい嫌気性バイオリアクターを提供する。  【解決手段】下向き凸の錐面又は半球面状底壁３とその上方に連なる筒状周壁５と頂壁６とで囲まれた発酵槽２の内側に有機物含有液Ｓを装填し、発酵槽２内の底壁３と頂壁６との中間部位の周壁５の断面全体に嫌気性微生物群の固定床10を設ける。ポンプ17付き還流路16により発酵槽２内の有機物含有液Ｓを固定床上方から引き抜き発酵槽２の外側を介して固定床下方の発酵槽２内に戻し、還流路16から固定床下方への有機物含有液Ｓの戻り流を案内部材18により底壁３の突端3aに案内して下向きに噴き付けることにより、底壁３の内面に沿って広がり固定床10を均等に貫く有機物含有液Ｓの上昇流Ｕを発酵槽２内に形成する。好ましくは、底壁３の突端3aに開閉弁V1、V2付き排出口20を設ける。  【選択図】        図１
2007209905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下向き凸の錐面状又は半球面状底壁と筒状周壁と頂壁とで囲まれた内側に有機物含有液を装填する発酵槽、前記発酵槽内の底壁と頂壁との中間部位の周壁断面に設けた嫌気性微生物群の固定床、前記発酵槽内の有機物含有液を固定床上方から引き抜き発酵槽の外側を介して固定床下方の発酵槽内に戻すポンプ付き還流路、及び前記還流路から固定床下方への有機物含有液の戻り流を前記底壁の突端に案内して下向きに噴き付ける案内部材を備え、前記底壁内面に沿って広がり固定床を均等に貫く有機物含有液の上昇流を発酵槽内に形成してなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項２】
請求項１のバイオリアクターにおいて、前記案内部材を、前記発酵槽内の固定床下方に延在して一端が還流路の戻り端に接続され且つ他端が底壁の突端上方に下向きに開口する案内管路としてなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項３】
請求項１又は２のバイオリアクターにおいて、前記発酵槽の底壁を頂角６０度以上の錐面状底壁としてなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項４】
請求項１から３の何れかのバイオリアクターにおいて、前記底壁の突端に開閉弁付き排出口を設け、前記有機物含有液中の沈澱物を前記開閉弁の開放により排出口から回収可能としてなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項５】
請求項４のバイオリアクターにおいて、前記排出口にＴ字管路の枝管を接続すると共に前記開閉弁をそのＴ字管路の主管に設け、前記Ｔ字管路の主管に洗浄液流を吹き込む洗浄液装置を接続し、前記有機物含有液中の沈澱物を前記開閉弁の開放と前記洗浄液流の吹き込みとにより回収してなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項６】
請求項１から５の何れかのバイオリアクターにおいて、前記還流路に有機物含有液の供給口を設け、前記発酵槽の還流路の引き抜き端より上方に有機物含有液を溢流させる流出口を設けてなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項７】
請求項６のバイオリアクターにおいて、前記発酵槽の流出口より上方に有機物含有液と嫌気性微生物群との接触により生じるバイオガスの回収口を設けてなる嫌気性バイオリアクター。
【請求項８】
請求項１から７の何れかのバイオリアクターにおいて、前記固定床を、炭素繊維又はガラス繊維製の中空筒状の微生物担体の集合体としてなる嫌気性バイオリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は嫌気性バイオリアクターに関し、とくに有機物含有液を嫌気性微生物により分解してバイオガスを生成する嫌気性バイオリアクターに関する。本発明は、有機性廃棄物を分解してバイオガスをエネルギーとして回収する再資源化型のメタン発酵施設等に有効に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般家庭やホテル・レストラン等から排出される生ごみ、食品工場等から排出される食品製造残さ、農業・林業・水産・畜産施設等から排出される動植物性残さ等の有機性廃棄物は、ほとんど焼却・埋立て処分されてきた。しかし、焼却処分には化石燃料の消費や二酸化炭素等の発生、埋め立て処分には地盤沈下や悪臭の発生という問題点があるため、最近は有機性廃棄物から有価資源を回収して再利用する再資源化処理が進められている。とくに有機性廃棄物を微生物分解してエネルギー源として利用可能なバイオガス（約70％のメタンガス、約30％の二酸化炭素ガス、少量の硫化水素等を含む）を生成するメタン発酵処理は、有機性廃棄物からエネルギーを回収できる技術として普及が期待されている（特許文献１及び２参照）。
【０００３】
図４は、従来の有機性廃棄物のメタン発酵処理システムの一例を示す。図示例の処理システムは、有機性廃棄物Ａからメタン発酵によりバイオガスＧを生成する嫌気性バイオリアクター41と、そのバイオガスＧをエネルギーに変換するエネルギー変換装置40と、バイオガス生成後に残る分解処理済液Ｗ中の残留有機物を更に分解して浄化する二次処理施設35とを有する。先ず有機性廃棄物Ａを、異物分別装置31においてプラスチックや金属片、木片等の混入異物Ｂを分別し、分別後の固形有機物を粉砕機32によりメタン発酵に適する粒度及び濃度に粉砕してスラリー状の有機物含有液Ｓとする。貯留タンク33に一旦貯えた有機物含有液Ｓを、ポンプ34により適当な流量でバイオリアクター41の供給口8a（図５参照）に投入する。
【０００４】
図５は、従来の嫌気性バイオリアクター41の一例を示す。図示例のバイオリアクター41は、有機物含有液Ｓを嫌気状態に貯える気密性の発酵槽46と、発酵槽46の内部に設けた微生物の固定床10と、発酵槽46の下部の抜出口44aから上部の吐出口44bまで外付けした循環路44とを有する。固定床10には、炭水化物・タンパク質・脂肪等の高分子有機物を低分子有機物に分解する加水分解菌、その低分子有機物を酢酸等の有機酸に分解する酸発酵菌、更に有機酸をバイオガスに分解するメタン生成菌等を含むメタン発酵の複合微生物群（以下、嫌気性微生物群ということがある）を付着させる。外付け循環路44上のポンプ45により、発酵槽46内の有機物含有液Ｓを抜出口44aから抜き出して液面上方の吐出口44bへ戻すことにより発酵槽46内に有機物含有液Ｓの下降流Ｄを形成し、発酵槽46内の有機物含有液Ｓを適当に攪拌する。また循環路44上の保温装置25により、発酵槽46内の有機物含有液Ｓを嫌気性微生物群の活性温度（例えば50〜60℃程度）に維持する。図示例のバイオリアクター41は、有機物含有液Ｓの供給口8aを循環路44上に設け、貯留タンク30からの有機物含有液Ｓを循環路44上の有機物含有液Ｓの循環流と混合しながら発酵槽46に投入する。
【０００５】
図５のバイオリアクター41に投入された有機物含有液Ｓは、発酵槽46内において下降流Ｄにより攪拌されながら所要時間滞留し、固定床10の嫌気性微生物群と接触してバイオガスＧと分解処理済液Ｗとに分解される。分解により生成したバイオガスＧは、発酵槽46の頂部のガス回収口7aから回収してエネルギー変換装置40（図４参照）に送る。必要に応じて発酵槽46とエネルギー変換装置40との間に、バイオガスＧから二酸化炭素・硫化水素等を除去してメタンガスを精製するメタン精製装置36、精製したメタンガスを一時貯えるバッファータンク37等を設けることができる（図４参照）。他方、分解後に残る処理済液Ｗ（残留有機物を含む）は、循環路44上に設けた流出口9aから流出させて二次処理施設35（図４参照）に送り、残留有機物を更に分解浄化したのち下水道や河川等に放流する。発酵槽46内における有機物含有液Ｓの滞留時間は、有機物含有液Ｓの供給口8aへの供給流量と流出口9aからの排出流量とにより調節することができる。
【０００６】
バイオリアクター41において生成されたバイオガスＧは、図４のエネルギー変換装置40において電力エネルギーＥ及び／又は熱エネルギーＨに変換される。変換装置40の一例は、バイオガスＧを燃料として発電するガスエンジン（例えばレシプロ式）、又はバイオガスＧ中のメタンガスを水素源として電気化学的に発電する燃料電池である。変換装置40において生産された電力エネルギーＥや熱エネルギーＨは、同図に示すようにシステム内の他の装置、例えばバイオリアクター41の保温装置25等に供給して利用することができる。図示例のメタン発酵処理システムは、エネルギー変換装置40の変換効率にも依るが、バイオリアクター41のメタン発酵効率（バイオガスＧの発生効率）を上げることによりエネルギー自給率を高め、外部からのエネルギー供給を必要としないエネルギー自足的なシステムとすることができる。
【０００７】
【特許文献１】特許第２７０８０８７号公報
【特許文献２】特許第３０６４２７２号公報
【特許文献３】特許第３４７０９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示すバイオリアクター41のメタン発酵効率を上げるためには、発酵槽46内の有機物含有液Ｓの微生物反応を均一に進行させることが重要である。一般にメタン発酵処理の反応工程は三段階に分けることができ、第一段階において高分子有機物が加水分解菌によって低分子有機物に加水分解され（加水分解反応）、第二段階において低分子有機物が酸発酵菌により酢酸等の有機酸に分解され（酸発酵反応）、最終段階において有機酸がメタン生成菌によりメタンと二酸化炭素とに分解される（メタン生成反応）。これらの反応のうち加水分解反応・酸発酵反応は比較的容易に進行するが、メタン生成反応はメタン生成菌の利用する有機酸濃度が高くなり過ぎると阻害を受ける。発酵槽46内の微生物反応が不均一になると、発酵槽46内に局部的な有機酸濃度の上昇やpHの低下を生じるため、円滑な反応が阻害されると共に微生物が死滅してメタン発酵効率の低下を招く。図示例のバイオリアクター41では、循環路44の吐出口44b側にスプレー等の分散吐出器42を接続し、有機物含有液Ｓを分散吐出器42の複数の出口８から液面全体に均等に供給し、発酵槽46内の有機物含有液Ｓの下降流Ｄを均一な流速とすることにより、発酵槽46内の微生物反応が不均一になるのを防いでいる。
【０００９】
しかし、図５のバイオリアクター41の運転を長期間継続すると、分散吐出器42の出口８の一部に目詰まりが発生し、メタン発酵効率の低下を招くことが経験された。目詰まりの一原因は、極少量であるが有機物含有液Ｓ中に混入しているビニールやプラスチック、分解の難しい貝殻や骨等の細かい異物Ｂである。分散吐出器42の一部に目詰まりが発生すると、液面に供給される有機物含有液Ｓが不均等になる結果、発酵槽46内の下降流Ｄの流速が不均一になって発酵効率が大きく低下してしまう。目詰まりを防止又は除去するには分散吐出器42の清掃を必要とするが、バイオリアクター41は嫌気状態に保たなければならず、またバイオリアクター41内には有機物含有液Ｓの発酵臭が充満しているので、メンテナンスを含む清掃作業は極めて困難である。従って従来のバイオリアクター41では、ある程度の目詰まりを前提としたメタン発酵効率しか期待できないのが現実である。
【００１０】
また、図５のバイオリアクター４では、たとえ分散吐出器42の目詰まりが解決できたとしても、有機物含有液Ｓ中の細かい異物Ｂが固定床10に付着し、固定床10上に微生物反応の不均一な部位が発生するおそれがある。固定床10上における微生物反応の不均一も、局部的な有機酸濃度の上昇やpHの低下を生じるのでメタン発酵効率の低下の原因となりうる。有機物含有液Ｓ中に細かい異物Ｂが混入するのを避けることは難しく、たとえ細かい異物Ｂが混入していても有機物含有液Ｓのメタン発酵効率が低下しにくいバイオリアクターの開発が望まれている。
【００１１】
そこで本発明の目的は、長期間運転してもメタン発酵効率が低下しにくい嫌気性バイオリアクターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
図１の実施例を参照するに、本発明の嫌気性バイオリアクターは、下向き凸の錐面状又は半球面状底壁３と筒状周壁５と頂壁６とで囲まれた内側に有機物含有液Ｓを装填する発酵槽２、発酵槽２内の底壁３と頂壁６との中間部位の周壁５の断面に設けた嫌気性微生物群の固定床10、発酵槽２内の有機物含有液Ｓを固定床10の上方から引き抜き発酵槽２の外側を介して固定床10の下方の発酵槽２内に戻すポンプ17付き還流路16、及び還流路16から固定床10の下方への有機物含有液Ｓの戻り流を底壁３の突端3aに案内して下向きに噴き付ける案内部材18を備え、底壁３の内面に沿って広がり固定床10を均等に貫く有機物含有液Ｓの上昇流Ｕを発酵槽２内に形成してなるものである。
【００１３】
好ましくは、案内部材18を、発酵槽２内の固定床10の下方に延在して一端が還流路16の戻り端16bに接続され且つ他端が底壁３の突端3aの上方に下向きに開口する案内管路18とする。発酵槽２の底壁３を錐面状とする場合は、その頂角を６０度以上とすることが望ましい。
【００１４】
更に好ましくは、底壁３の突端3aに開閉弁Ｖ付き排出口20を設け、有機物含有液Ｓ中の沈澱物Ｑを開閉弁Ｖの開放により排出口20から回収可能とする。例えば、排出口20にＴ字管路21の枝管21bを接続すると共に開閉弁V1、V2をそのＴ字管路21の主管21aに設け、Ｔ字管路21の主管21aに洗浄液流Ｎを吹き込む洗浄液装置22を接続し、有機物含有液Ｓ中の沈澱物Ｑを開閉弁V1、V2の開放と洗浄液流Ｎの吹き込みとにより回収する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の嫌気性バイオリアクターは、下向き凸の錐面状又は半球面状底壁３と筒状周壁５と頂壁６と有し且つ底壁３と頂壁６との中間部位の周壁５の断面に嫌気性微生物群の固定床10を設けた発酵槽２内に有機物含有液Ｓを装填し、ポンプ17付き還流路16により発酵槽２内の有機物含有液Ｓを固定床10の上方から引き抜き発酵槽２の外側を介して固定床10の下方に戻すと共に、還流路16からの有機物含有液Ｓの戻り流を案内部材18により底壁３の突端3aに案内して下向きに噴き付けることにより発酵槽２内に底壁３の内面に沿って広がり固定床10を均等に貫く有機物含有液Ｓの上昇流Ｕを形成するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１６】
（イ）有機物含有液Ｓの適正な還流によって発酵槽２内に均一な上昇流Ｕを形成することができ、発酵槽２内に均一な流れを形成するために目詰まりのおそれのあるような吐出器等を用いる必要がなくなる。
（ロ）有機物含有液Ｓ中に細かい異物が混入している場合でも上昇流Ｕの流速を均一に保つことができ、発酵槽２内の微生物反応を長時間安定的に維持してメタン発酵効率を高めることができる。
（ハ）有機物含有液Ｓ中の比較的高比重の沈澱物Ｑを底壁３上に沈澱させて選別することができ、沈澱物Ｑが固定床10上に付着するのを防止できる。
【００１７】
（ニ）底壁３の突端3aに弁付き排出口20を設けることにより、発酵槽２の嫌気状態を破壊することなく底壁３上の沈澱物Ｑを比較的容易に回収することができる。
（ホ）含有液Ｓ中の大粒径の有機物の滞留時間を小粒径の有機物に比して長くすることができ、有機物含有液Ｓの全体的なメタン発酵効率を高めることができる。
（ヘ）また、発酵槽２内に有機物含有液Ｓの下降流Ｄを形成する従来方法に比し、有機物含有液Ｓの循環に要するポンプ動力を小さく抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、有機性廃棄物Ａの粉砕スラリーである有機物含有液Ｓを分解微生物との接触により分解してバイオガスＧを回収する本発明の嫌気性バイオリアクター１の実施例を示す。ただし、本発明のバイオリアクター１の適用対象は有機性廃棄物Ａの粉砕スラリーに限定されるものではなく、下水処理場やし尿処理場等で発生する有機性廃水等の有機物含有液Ｓに適用することもできる。図示例のバイオリアクター１は、有機物含有液Ｓを気密に滞留させる発酵槽２と、発酵槽２の内部に設けた嫌気性微生物群の固定床10と、発酵槽２内の有機物含有液Ｓを固定床上方から引き抜き固定床下方に戻して循環させる外付けのポンプ17付き還流路16と、後述する案内部材18とを有する。
【００１９】
図示例の発酵槽２は、筒状周壁５の上端及び下端を頂壁６及び下向き凸の錐面状又は半球面状底壁３で塞ぎ、その内部空間の頂壁６と底壁３との中間部位に周壁５の断面全体にわたり固定床10を設置したものである（図２（Ａ）参照）。例えば、発酵槽２内の周壁５の底部断面の内側に孔空き受け台（グレーチング等）14を固定し、その受け台14上の全域に適当な微生物担体を敷き詰めて固定床10を形成する。発酵槽２内に微生物担体を搬入するため、頂壁６を開放可能とするか又は頂壁６にマンホール等（図示せず）を設けることができる。発酵槽２には固定床10が沈む量の有機物含有液Ｓを装填するが、有機物含有液Ｓ内で固定床10が浮き上がらないように、必要に応じて固定床10の上部に浮き上がり防止用の孔あき蓋（グレーチング）15を設けてもよい。
【００２０】
図示例の固定床10は、例えば発酵槽２の円筒状周壁５の内側に、図２（Ｂ）に示すような炭素繊維又はガラス繊維製の中空筒状の微生物担体11を、各担体11の中心軸線を上下方向に揃えて規則的に並べて形成したものである。中空筒状の微生物担体11の一例は、図３に示すように炭素繊維又はガラス繊維製の多孔質周壁12を例えばエポキシ樹脂製の枠体13に保持して中空筒状に成形したものである。炭素繊維又はガラス繊維の織布又は不織布で形成した多孔質周壁12は、内部に数μｍ〜数百μｍ径の無数の小空隙を有し、その空隙に微生物が付着して高濃度に増殖するので、嫌気性微生物群を効率よく担持できる。
【００２１】
固定床10は、発酵槽２の有機物含有液Ｓ中に長期間浸漬して放置するため、メタン発酵過程で発生する有機酸等によっても強度が劣化せず、変形や閉塞を生じ難い材質製とすることが望ましい。炭素繊維は酸に対する強度劣化が少なく、酸性化し易い発酵槽２内で長期間使用しても変形や閉塞を生じにくい利点がある（特許文献３参照）。例えば径１〜30μmの炭素繊維からなる厚さ0.3〜6.0mm、単位重量20〜300g/m2の炭素繊維製不織布を用いて図２（Ｂ）の微生物担体11を形成する。ただし、本発明に適用できる固定床10の種類及び形状は図示例に限定されるものではなく、嫌気性微生物群が高濃度に付着可能な他の適当な微生物担体を用いることができる。
【００２２】
図示例のポンプ17付き還流路16は、発酵槽２内の固定床10の上方空間P1と下方空間P2とを発酵槽２の外側を介して接続し、発酵槽２内に装填された有機物含有液Ｓをポンプ17により上方空間P1から引き抜き下方空間P2へ戻すことにより循環させる。この循環により、発酵槽２内に有機物含有液Ｓの上昇流Ｕが形成される。上方空間P1から引き抜いた有機物含有液Ｓは重力によって還流路16中を流下するので、図５のポンプ45のように有機物含有液Ｓを液面から持ち上げる必要はなく、還流路16のポンプ17は発酵槽２及び還流路16内の流れ抵抗に抗する駆動力を有機物含有液Ｓに与えれば足りる。従って、図５のポンプ45に比し、還流路16のポンプ17は比較的動力の小さいもので足りる。
【００２３】
図示例の案内部材18は、発酵槽２内の固定床10の下方空間P2に設けられ、還流路16からの有機物含有液Ｓの戻り流を底壁３の突端3aに案内して下向きに噴き付けるものである。底壁３を下向き凸の錐面状又は半球面状としているので、底壁３の突端3aに噴き付けられた有機物含有液Ｓは底壁３の内面に沿って反射されて均一に広がり、固定床10へ向かう有機物含有液Ｓの上昇流Ｕの流速を下部空間P2の内側断面において均等化することができる。図示例では、一端が還流路16の戻り端16bに接続され他端が錐面状又は半球面状底壁３の突端3aの上方に下向きに開口する案内管路を案内部材18としているが、案内部材18は図示例に限定されるものではなく、例えば有機物含有液Ｓの戻り流を底壁３の突端3aに向ける適当な板材等を下方空間P2に設けて案内部材18とすることも考えられる。
【００２４】
図示例のように発酵槽２の周壁５を円筒状とした場合は、底壁３を下向き凸の円錐面状とし、その円錐面状底壁３の突端3aに有機物含有液Ｓを下向きに噴き付ける。本発明者は、図示例のバイオリアクター１の模型を作成し、発酵槽２内に装填した有機物含有液Ｓをポンプ17付き還流路16で撹拌しながら還流路16の供給口８に着色液を供給し、案内部材18によって形成される上昇流Ｕを観察する実験を行った。その結果、円錐面状底壁３の頂角を６０度以上とすれば、案内部材18によって底壁３の突端3aに噴き付けた有機物含有液Ｓが底壁３の内面に沿って均等に広がり、発酵槽２内にほぼ一定の流速（本実験では４ｍ／ｈ程度）の上昇流Ｕが均等に形成されることを確認することができた。この実験における発酵槽２内のフルード数（＝慣性力／重力）を計算したところ１以下であり、均等な上昇流Ｕを形成できた一原因は、発酵槽２内の有機物含有液Ｓが慣性力よりも重力が支配している場となっているからと考えられる。
【００２５】
図示例において、底壁３を円錐面状に代えて半球面状とし、その半球面状底壁３の突端3aに有機物含有液Ｓを噴き付けて均一な上昇流Ｕを形成することも可能である。また、発酵槽２の周壁５の断面が矩形又は多角形である場合は、底壁３を四角錐面状又は多角錐面状とすることができる。本発明者は、底壁３を半球面状又は多角錐面状とした場合にも、案内部材18によって有機物含有液Ｓを底壁３の突端3aに噴き付けることにより、発酵槽２内にほぼ均等な流速の上昇流Ｕが形成できることを実験により確認できた。錐面状底壁３の頂角は６０度以上とすることが望ましいが、６０度未満であっても、還流路16のポンプ17による有機物含有液Ｓの流動速度を小さく抑えることで発酵槽２内に均等な上昇流Ｕを形成することが可能である。
【００２６】
発酵槽２内の有機物含有液Ｓは、下方空間P2に形成された上昇流Ｕによって撹拌されながら固定床10を貫通して上方空間P1に送られ、再び還流路16に引き抜かれて下方空間P2に戻されて循環する。この循環により含有液Ｓ中の有機物は、固定床10を貫いて上昇する間に嫌気性微生物群と接触して徐々に分解される。他方、有機物含有液Ｓ中の貝殻・骨等の比較的高比重の沈澱物Ｑは、重力の影響で上昇流Ｕに乗ることができず、底壁３上に沈澱して有機物含有液Ｓの循環流から選別される。含有液Ｓ中の有機物及び沈澱物Ｑを球状粒子（粒径Ds（ｍ）、粒子密度Ps（kg/m3））と仮定した場合、各粒子が上昇流Ｕから受ける上向き力は(1)式、各粒子の重力と液体による浮力の差は(2)式で表すことができ、粒径Dsを一定とすれば(1)式が(2)式より小さくなるような粒子密度Psの沈澱物Ｑは上昇流Ｕに乗れなくなる。実際の有機物及び沈澱物Ｑは表面にゲル状物質等が付着して球状粒子といえない場合もあるが、理論的には同様に考えることができる。なお(1)式及び(2)式において、Ｃは抵抗係数（レイノルズ数で決まる）、Pfは有機物含有液Ｓの密度（kg/m3、測定結果では約1030 kg/m3）、Upは上昇流Ｕと粒子との相対速度差（m/sec）である。
【００２７】
［数１］
粒子が上昇流から受ける上向き力＝C（3.14／4）Ds2・Pf（Up2／2）  ………(1)
粒子の重力と液体による浮力の差＝（3.14／6）Ds2（Ps−Pf） ………………(2)
【００２８】
すなわち、本発明のように発酵槽２内に上昇流Ｕを形成した場合は、高比重の沈澱物Ｑを有機物含有液Ｓから選別することができるので、沈澱物Ｑが固定床10に詰まって閉塞させるおそれがなくなる。図５のように発酵槽46内に下降流Ｄを形成した場合は、比較的高比重の沈澱物Ｑも有機物含有液Ｓと共に循環するので、沈澱物Ｑが固定床10の不織布等に詰まってメタン発酵効率を低下させる原因となっていた。高比重の沈澱物Ｑを有機物含有液Ｓから選別できる本発明は、そのような沈澱物Ｑによるメタン発酵効率の低下の問題が避けられる。なお、後述するように底壁３の突端3aに弁付き排出口20を設けることにより、底壁３上の沈んだ高比重の沈澱物Ｑを比較的容易に発酵槽２から取り除くことも可能である。
【００２９】
また、本発明では有機物含有液Ｓの戻り流を底壁３の突端3aに下向きに噴き付けるので、有機物含有液Ｓから選別されて底壁３上の沈んだ沈澱物Ｑを洗浄する効果も期待できる。図５のように下降流Ｄを形成した場合も高比重の沈澱物Ｑは底壁上に沈むが、沈澱物Ｑの表面に付着した有機物が分解されないまま残ってしまう。本発明では、有機物含有液Ｓの戻り流の噴き付けにより、底壁３上の沈んだ沈澱物Ｑを摩擦して表面に付着した有機物を剥がし、剥がした有機物を上昇流Ｕに戻して分解することができる。有機物含有液Ｓの戻り流の流速は通常１m/sec以上であるからレイノル数も10,000を超えており、しかも部分的に強い乱流となっているので、沈澱物Ｑの洗浄に十分な摩擦力が得られる。
【００３０】
本発明は、有機物含有液Ｓの適正な還流と底壁３への噴き付けとによって発酵槽２内に有機物含有液Ｓの均一な上昇流Ｕを形成し、図５のように目詰まりの可能性のある吐出器等を用いないので、有機物含有液Ｓ中に細かい沈澱物Ｑが混入している場合でも上昇流Ｕを均一な流速に保つことができる。また、高比重の沈澱物Ｑを有機物含有液Ｓから選別できるので、そのような沈澱物Ｑが固定床10に詰まって閉塞させるおそれもない。従って、発酵槽２内の有機物含有液Ｓの均一な微生物反応を長期間にわたり安定的に維持することができ、図５のように発酵槽内に下降流Ｄを形成する場合に比しメタン発酵効率を高めることができる。また、有機物含有液Ｓの流れの向きを発酵槽２内で発生するバイオガスＧの気泡の流れと一致させることにより、発酵槽２内の有機物含有液Ｓの流れの乱れを少なく抑え、微生物反応をスムーズに進める効果も期待できる。
【００３１】
こうして本発明の目的である「長時間運転してもメタン発酵効率が低下しにくい嫌気性バイオリアクター」の提供を達成することができる。
【実施例１】
【００３２】
図１に示すバイオリアクター１は、還流路16に有機物含有液Ｓの供給口８を設け、発酵槽２の還流路16の引き抜き端16aより上方に分解処理済液Ｗを溢流させる流出口９を設け、有機物含有液Ｓを連続的に分解処理している。供給口８から供給された有機物含有液Ｓは、還流路16の循環流と混合されて戻り端16bから発酵槽２の下部空間P2に導入され、案内部材18によって底壁３の突端3aに噴き付けられて固定床10を貫く均一な上昇流Ｕとなる。反応論的には発酵槽２は完全混合槽となっており、供給直後の発酵の進んでいない有機物も発酵の進んだ有機物と共に嫌気性微生物群により分解される。図５のように発酵槽46内に下降流Ｄを形成した場合は、流出口9aから流出される分解処理済液Ｗ中に発酵の進んだ有機物だけでなく発酵の進んでいない有機物も含まれるため、バイオリアクター41のメタン発酵効率をある程度以上高めることが難しい原因となっていた。発酵の進んでいない有機物の流出を抑えることができれば、メタン発酵効率を大きく向上させることができる。
【００３３】
図１のバイオリアクター１では、発酵槽２内に有機物含有液Ｓの上昇流Ｕを形成すると共に、分解処理済液Ｗの流出口を還流路16の引き抜き端16aより上方に設けているので、発酵の進んでいない有機物の流出を抑えることが期待できる。すなわち、一般に発酵の進んでいない有機物は粒径Ds及び粒子密度Psが共に大きいので上昇流Ｕに乗って移動しやすく、固定床10の上方空間P1において還流路16の引き抜き端16aに向かう大きな力（循環流の力）を受ける。これに対し発酵の進んだ有機物は一般に粒径Ds及び粒子密度Psが共に小さいので、上昇流Ｕから受ける力（循環流の力）が小さく、固定床10の上方空間P1において循環流から外れて上方に浮上しやすい。このため、図示例のように循環流の上方から分解処理済液Ｗを溢流させることにより、発酵の進んだ有機物のみを選択的に流出させ、発酵の進んでいない有機物を発酵槽２内に留めて更に分解することが可能となる。図１のバイオリアクター１では、図５のバイオリアクター41に比し、メタン発酵効率の向上が期待できる。
【００３４】
また、発酵槽２内に上昇流Ｕを形成した場合は、含有液Ｓ中の大粒径の有機物の滞留時間を小粒径の有機物に比して長くすることができ、有機物含有液Ｓの全体的なメタン発酵効率を高める効果も期待できる。表１は、発酵槽２内の含有液Ｓ中の有機物の粒径とその滞留時間とを測定した結果を示す。この測定結果から、小粒径の有機物に比して大粒径の有機物は発酵槽２内の滞留時間が長く、発酵槽２内に長時間滞留して分解されることが分かる。図５のように発酵槽46内に下降流Ｄを形成した場合は、大粒径の有機物も小粒径の有機物も同じように循環させるので、大粒径の有機物のみを選択的に分解することは難しい。これに対し本発明では、粒径（発酵の程度）に応じて有機物の滞留時間が調節されるので、大粒径の有機物の滞留時間を長くしていわば集中的に分解することができ、その結果として全体的なメタン発酵効率の向上を図ることができる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
更に、図示例のように分解処理済液Ｗの流出口９を還流路16の引き抜き端16aより上方に設けた場合は、有機物含有液Ｓ中に含まれる比較的低比重の浮遊物Ｒ（スカム等）を発酵槽２から除去することも可能となる。図５のバイオリアクター41では、発酵槽46の液面に浮かぶスカム層等の浮遊物Ｒを分散吐出器42から液面に供給する有機物含有液Ｓによって破壊し、その浮遊物Ｒを分解処理済液Ｗと共に流出口9aから排出しているが、有機物含有液Ｓ中の浮遊物Ｒが固定床10に付着して均一な微生物反応を阻害する可能性があった。本発明では、低比重の浮遊物Ｒを分解処理済液Ｗの流出口９から随時排出できるので、そのような浮遊物Ｒが固定床10に詰まってメタン発酵効率を低下させる問題が避けられる。
【実施例２】
【００３７】
本発明では有機物含有液Ｓ中の高比重の沈澱物Ｑを上昇流Ｕから分離して底壁３上に沈澱させるが、底壁３上の沈澱物Ｑは均一な上昇流Ｕの形成を阻害しうるので、適宜排出することが望ましい。図１の実施例では、発酵槽２の錐面状又は半球面状底壁３の突端3aに開閉弁Ｖ付きの排出口20を設け、底壁３上の沈澱物Ｑを開閉弁Ｖの開放により排出口20から回収可能としている。ただし、図５に示す従来のバイオリアクター41では、発酵槽46の底壁の沈澱物を排出するために排出弁V3を開くと、沈澱物が凝固して固くなっているため排出されない場合や、有機物含有液Ｓが大量に排出される場合があった。このような場合は有機物含有液Ｓの循環（バイオリアクターの運転）を止めて、排出弁V3から特殊金具を入れて発酵槽46の底壁を清掃せざるを得ず、沈澱物の排出に非常に手間がかかっていた。発酵槽２の底壁３上の沈澱物Ｑは、バイオリアクターの運転を停止することなく簡単に排出できることが望ましい。
【００３８】
図示例では、底壁３の排出口20にＴ字管路21の枝管21bを接続すると共に、そのＴ字管路21の主管21aに枝管21bを挟んで開閉弁V1、V2を設け、Ｔ字管路21の主管21aに洗浄液流Ｎを吹き込む洗浄液装置22を接続している。底壁３上の沈澱物Ｑを排出するときは、開閉弁V1、V2を開放すると共に洗浄液装置22からＴ字管路21の主管21aに例えば30m/sec程度の高流速で洗浄液流Ｎを吹き込む。洗浄液流Ｎの吹き込みにより、たとえ凝固して固くなっている場合でも、沈澱物Ｑを比較的容易に排出できる。また、沈澱物Ｑを排出する際に有機物含有液Ｓの循環を停止させる必要がなく、バイオリアクター１を嫌気状態に保持する常時運転を継続しながら底壁３上の沈澱物Ｑを排出できる。開閉弁V1、V2は、沈澱物Ｑを排出したのち閉鎖する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の嫌気性バイオリアクターの一実施例の説明図である。
【図２】本発明における固定床の説明図である。
【図３】固定床に用いる微生物担体の説明図である。
【図４】嫌気性バイオリアクターを用いた有機性廃棄物のメタン発酵処理方法の説明図である。
【図５】従来の嫌気性バイオリアクターの一例の説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…嫌気性バイオリアクター    ２…発酵槽
３…錐面状又は半球面状底壁    ５…筒状周壁
６…頂壁                      ７…ガス回収口
８…供給口                    ９…流出口
10…固定床                    11…微生物担体
12…多孔質周壁                13…枠体
14…孔空き受け台              15…孔空き蓋
16…還流路                    16a…還流路の引き抜き端
16b…還流路の戻り端           17…ポンプ
18…案内部材（案内管路）
20…排出口                    21…Ｔ字管路
21a…Ｔ字管路の主管           21b…Ｔ字管路の枝管
22…洗浄液装置                25…保温装置
31…異物分別装置              32…粉砕機
33…貯留タンク                34…ポンプ
35…二次処理施設              36…メタン精製装置
37…バッファータンク          38…ｐＨ調整設備
40…エネルギー変換装置（燃料電池等）
41…バイオリアクター          42…分散吐出器
43…吐出口                    44…循環路
44a…抜出口                   44b…吐出口
45…ポンプ                    46…発酵槽
Ａ…有機性廃棄物              Ｂ…異物
Ｄ…下降流                    Ｅ…電力
Ｇ…バイオガス                Ｈ…高温流体
Ｎ…洗浄液                    Ｑ…沈澱物
Ｒ…浮遊物                    P1…上方空間
P2…下方空間                  Ｓ…有機物含有液
Ｕ…上昇流                    V1、V2…開閉弁
V3…排出弁                    Ｗ…分解処理済液
【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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