(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形若しくは正多角形に形成された底板と、この底板上の中央部に立設された第１の筒状体と、この第１の筒状体を取り囲むように前記底板上の周縁部に立設された第２の筒状体と、これら第１及び第２の筒状体の上端開口部を閉塞する天板と、この天板の中央部に形成された投入口から有機性廃棄物を前記第１の筒状体の内側に形成された加水分解及び酸発酵室に投入する有機性廃棄物投入手段と、前記加水分解及び酸発酵室に投入された有機性廃棄物を前記第１の筒状体と第２の筒状体との間に形成されたメタン発酵室に案内導入する有機性廃棄物導入手段とを具備してなるメタン発酵槽で有機性廃棄物を発酵させるメタン発酵方法であって、有機性廃棄物はバッチ方式で投入され、投入された有機性廃棄物はさらに押出し流れとなり、バッチ方式は、一度に投入する有機性廃棄物の量が有機性廃棄物案内管の上側開口部下端を上回る量であるメタン発酵方法において、
有機性廃棄物の加水分解及び酸発酵工程は有機性廃棄物が加水分解及び酸発酵室に投入口から導入されて、反応が進行した有機性廃棄物が底部に位置するプラグフロー法であることを特徴とするメタン発酵方法。
【請求項２】
メタン発酵室での押出し流れは、有機性廃棄物の発酵反応がメタン発酵室の底部から開始され、メタン発酵室の上層に上昇するにつれて発酵が進行することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵方法。
【請求項３】
押出し流れは、予め有機性廃棄物中の固形分を十分に破砕してから行なうことを特徴とする請求項１または２記載のメタン発酵方法。
【請求項４】
押出し流れは、予め有機性廃棄物を加温してから加水分解および酸発酵室に投入することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のメタン発酵方法。
【請求項５】
円形若しくは正多角形に形成された底板と、この底板上の中央部に立設された第１の筒状体と、この第１の筒状体を取り囲むように前記底板上の周縁部に立設された第２の筒状体と、これら第１及び第２の筒状体の上端開口部を閉塞する天板と、この天板の中央部に形成された投入口から有機性廃棄物を前記第１の筒状体の内側に形成された加水分解及び酸発酵室に投入する有機性廃棄物投入手段と、前記加水分解及び酸発酵室に投入された有機性廃棄物を前記第１の筒状体と第２の筒状体との間に形成されたメタン発酵室に案内導入する有機性廃棄物導入手段とを具備し、前記天板は、前記有機性廃棄物を前記メタン発酵室から取り出すと共に前記メタン発酵室からメタンを取り出す廃棄物及びメタン取出し手段を有し、前記廃棄物及びメタン取出し手段は、前記天板に穿設された貫通孔を通じて前記メタン発酵室と連通する連通室を前記天板上に形成し、この連通室の上部に接続されたメタン捕集管と、前記連通室に設けられた廃液管とを含んで構成されることを特徴とするメタン発酵槽であって、前記メタン取出し手段は、その内部に前記廃液管と接続されて天板以下に突設される連通室形成管部を備えるメタン発酵槽において、連通室形成管部は、その管下部がＪ字形状からなることを特徴とするメタン発酵槽。
【請求項６】
連通室形成管部は、その柱頭が上方向に開口されることを特徴とする請求項５に記載のメタン発酵槽。
【請求項７】
連通室形成管部は、その開口部の高さがメタン捕集管底部より低いことを特徴とする請求項５または６記載のメタン発酵槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、糞尿、おから、焼酎製造残渣、生ゴミ等の有機性廃棄物を嫌気性微生物により発酵処理するためのメタン発酵方法並びにメタン発酵槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
糞尿、おから、焼酎製造残渣、生ゴミ等の有機性廃棄物を嫌気性微生物により発酵処理するための設備として、各種のメタン発酵槽が提案されている。しかし、従来のメタン発酵槽では密閉性が十分でないため臭気、衛生害虫の発生や土壌・地下水汚染（例えば病原性大腸菌Ｏ−１５７の繁殖や、寄生性原虫のクリプトスポリジウムや、発ガン性物質の亜硝酸塩の原因物質である硝酸性窒素等による汚染）の原因となっている。また、自己加温以外に利用できるエネルギーが少なく、発酵効率が低いという課題があった。さらに、安定運転ができず、過小設計や過剰発酵等による発泡現象や、固形分の沈殿、特に粗大固形分の堆積、ｐＨの異常や硫化物によるバクテリアの死滅等により、メタンの発生が一定しないという課題もあった。その上、発酵槽を機械的に撹拌する方法が提案されているが、発酵菌を高濃度維持することができない上に、エネルギ消費の増大とメンテナンスの必要性という課題もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、メタン発酵槽の環境を保護しつつ、発酵効率が高く安定運転が連続して可能であり、発酵菌を高濃度に維持するメタン発酵槽とが必要とされてきている。
また、メタンガスと有機性廃棄物とを完全に分離させることも従来からの課題であった。メタンガスが有機性廃棄物に混合した状態で排出され収率が低下している。
【０００４】
本発明は前記した課題に鑑みてなされたもので、有機性廃棄物のメタン発酵処理と移送処理とを効率的に行い、安定運転ができるメタン発酵方法を提供するものである。
また、メタンガスと有機性廃棄物とを完全に分離させるメタン発酵槽の提供をするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係るメタン発酵方法は、円形若しくは正多角形に形成された底板と、この底板上の中央部に立設された第１の筒状体と、この第１の筒状体を取り囲むように前記底板上の周縁部に立設された第２の筒状体と、これら第１及び第２の筒状体の上端開口部を閉塞する天板と、この天板の中央部に形成された投入口から有機性廃棄物を前記第１の筒状体の内側に形成された加水分解及び酸発酵室に投入する有機性廃棄物投入手段と、前記加水分解及び酸発酵室に投入された有機性廃棄物を前記第１の筒状体と第２の筒状体との間に形成されたメタン発酵室に案内導入する有機性廃棄物導入手段とを具備してなるメタン発酵槽で有機性廃棄物を発酵させるメタン発酵方法であって、有機性廃棄物はバッチ方式で投入され、投入された有機性廃棄物はさらに押出し流れとなり、バッチ方式は、一度に投入する有機性廃棄物の量が有機性廃棄物案内管の上側開口部下端を上回る量であるメタン発酵方法において、有機性廃棄物の加水分解及び酸発酵工程は有機性廃棄物が加水分解及び酸発酵室に投入口から導入されて、反応が進行した有機性廃棄物が底部に位置するプラグフロー法である。メタン発酵室での押出し流れは、有機性廃棄物の発酵反応がメタン発酵室の底部から開始され、メタン発酵室の上層に上昇するにつれて発酵が進行するが好ましく、押出し流れは、予め有機性廃棄物中の固形分を十分に破砕してから行なうことが好ましく、押出し流れは、予め有機性廃棄物を加温してから加水分解および酸発酵室に投入することが好ましい。
【０００６】
本願発明に係るメタン発酵槽は、円形若しくは正多角形に形成された底板と、この底板上の中央部に立設された第１の筒状体と、この第１の筒状体を取り囲むように前記底板上の周縁部に立設された第２の筒状体と、これら第１及び第２の筒状体の上端開口部を閉塞する天板と、この天板の中央部に形成された投入口から有機性廃棄物を前記第１の筒状体の内側に形成された加水分解及び酸発酵室に投入する有機性廃棄物投入手段と、前記加水分解及び酸発酵室に投入された有機性廃棄物を前記第１の筒状体と第２の筒状体との間に形成されたメタン発酵室に案内導入する有機性廃棄物導入手段とを具備し、前記天板は、前記有機性廃棄物を前記メタン発酵室から取り出すと共に前記メタン発酵室からメタンを取り出す廃棄物及びメタン取出し手段を有し、前記廃棄物及びメタン取出し手段は、前記天板に穿設された貫通孔を通じて前記メタン発酵室と連通する連通室を前記天板上に形成し、この連通室の上部に接続されたメタン捕集管と、前記連通室に設けられた廃液管とを含んで構成されることを特徴とするメタン発酵槽であって、前記メタン取出し手段は、その内部に前記廃液管と接続されて天板以下に突設される連通室形成管部を備えるメタン発酵槽において、連通室形成管部は、その管下部がＪ字形状からなる。連通室形成管部は、その柱頭が上方向に開口されることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は本発明の一実施形態のメタン発酵方法に係るメタン発酵槽の平面図で、図２は図１の線II−IIに沿う断面図である。図１及び図２において、符号１０は本発明の一実施形態のメタン発酵方法に係るメタン発酵槽を示し、このメタン発酵槽１０は、円形状の鋼製底板１２と、この底板１２上の中央部に立設された第１の筒状体１４と、この第１の筒状体１４を取り囲むように底板１２上の周縁部に立設された第２の筒状体１６と、これら筒状体１４，１６の上端開口部を気密に閉塞する鋼製の天板１８とを備えて構成されている。
【０００９】
第１の筒状体１４及び第２の筒状体１６は、底板１２及び天板１８と同様に鉄鋼材料で形成されている。また、これらの筒状体１４，１６は円筒形状をなしており、その下端部は底板１２の上面に、また上端部は天板１８の下面にそれぞれ全周にわたってシール溶接されている。
【００１０】
天板１８は底板１２と同様に円形状に形成されており、この天板１８の上面には、天板１８の中央部に形成された投入口２０から有機性廃棄物を第１の筒状体１４の内側に形成された加水分解及び酸発酵室２２に投入する有機性廃棄物投入構造体２４と、加水分解及び酸発酵室２２に投入された有機性廃棄物を第１の筒状体１４と第２の筒状体１６との間に形成されたメタン発酵室２６に案内導入する有機性廃棄物導入構造体２８と、有機性廃棄物をメタン発酵室２６から取り出すと共にメタン発酵室２６からメタンを取り出す廃棄物及びメタン取出し構造体３０とが設けられている。
【００１１】
図３は、有機性廃棄物投入構造体２４および有機性廃棄物導入構造体２８の構造を示す断面図である。同図に示されるように、有機性廃棄物投入手段としての有機性廃棄物投入構造体２４は、投入口２０の周縁部を取り囲むように天板１８上に立設された天板付き筒体２４ａを備えており、この天板付き筒体２４ａの上面には、天板付き筒体２４ａ内に有機性廃棄物を供給する有機性廃棄物供給管２４ｂが接続されていると共に排ガス管２４ｃ（図１参照）が接続されている。
【００１２】
一方、有機性廃棄物導入手段としての有機性廃棄物導入構造体２８は、天板１８上に密閉チャンバ２８ａを形成するチャンバ部材２８ｂを備えており、密閉チャンバ２８ａは天板付き筒体２４ａの周囲に形成されている。また、有機性廃棄物導入構造体２８は加水分解及び酸発酵室２２内の有機性廃棄物を密閉チャンバ２８ａ内に案内する第１の有機性廃棄物案内管２８ｃを備えており、この案内管２８ｃの入口端は加水分解及び酸発酵室２２内の下部付近に設けられている（図２参照）。さらに、有機性廃棄物導入構造体２８は密閉チャンバ２８ａ内の有機性廃棄物をメタン発酵室２６内に案内する第２の有機性廃棄物案内管２８ｄを備えており、この案内管２８ｄの出口端はメタン発酵室２６内の下部付近に設けられている（図２参照）。
【００１３】
図４は、廃棄物及びメタン取出し構造体３０の構造を示す断面図である。同図に示されるように、廃棄物及びメタン取出し構造体３０が、天板１８に穿設された貫通孔１８ａを通じてメタン発酵室２６と連通する連通室３０ａを天板上１８に形成され、連通室３０ａに接続されるメタン捕集管３０ｃと、廃液管３０ｂとを含んで構成されている。メタン捕集管３０ｃは、廃棄物及びメタン取出し構造体３０から外部へ突設される。さらに、廃液管３０ｂは、天板以下に突設される連通室形成管部３４と接続され、連通室３０ａに組込まれてシールされる。この連通室形成管部３４は、その管下部がＪ字形状４０からなり、その柱頭部３６が上方向に開口される。さらに連通室形成管部３４は、柱頭部３６と天板１８との中間となる特定の高さ３０ｅで廃液管３０ｂと溶接により接続される。廃液管３０ｂは、廃棄物及びメタン取出し構造体３０を貫通してシール部４２へ突設される。シール部４２は、廃液管３０ｂと接続される特定の深さを有して廃液を滞留させる容器から構成され、その天上部から容器内を二分する遮蔽板４４が下向きに設けられる。この遮蔽板４４は、シール部４２の底面までは遮蔽しないが、その底部が高さ３０ｅよりも十分低い高さまで遮蔽するとともに、一定の開口部を有するように構成される。さらに、シール部４２において遮蔽板４４によって二分された空間の内、連通室３０ａ側のシール部４２上面と、連通室３０ａ側壁とはメタン連通管４６によって連通される。ここで連通室形成管部３４下部は、その管下部開口部３８が、管下部の最下点３９より高い位置で開口する。このように構成することで、廃液の液面が廃液管３０ｂ上部より高い場合は、廃棄物より軽い気体、例えばメタンガス等は一切、開口部３８から入ったとしても柱頭部３６側へは到達せず、当然、廃液管３０ｂへも到達しない。また、図４において、最下点３９より左側の連通室形成管内部でメタンガス等が発生しても、そのガスは柱頭部３６へ到達して、廃液管３０ｂには到達しない。廃液の液面が廃液管３０ｂ上部より低い場合は、廃液面が高さ３０ｅより低下しても、シール部４２に廃液が滞留しているので、メタンガスは遮蔽板４４によって遮蔽されてシール部４２より図面右側に侵入できない。このとき、廃液面が上昇した場合に、シール部４２内のメタンガスはメタン連通管４６より連通室３０ａに逃すことができる。このように構成することで、メタンガスはシール部４２より右側へは侵入せずに必ずメタン捕集管３０ｃに捕集される。または、廃液管３０ｂの径が十分太く廃液面上にシール部４２まで気相を常に保つことができる場合も、メタンガスはシール部４２より右側へは侵入せずに必ずメタン捕集管３０ｃに捕集される。さらに、廃液管３０ｂの径が十分太く廃液面上にシール部４２まで気相を常に保つことができる場合には、メタン連通管４６を連通しなくとも良い。一方、廃液管の底部の高さ３０ｅは、有機性廃棄物案内管２８ｄの上側開口部の底面を２８ｅとすると２８ｅより低い位置とされる。このように構成することで、バッチ処理時に、有機性廃棄物投入時に投入量が２８ｅを超える量であれば、当然に開口部３８より入った廃液は廃液管３０ｂを通過して排出される。
【００１４】
メタン発酵室２６内には、網状のメタン菌保持体３２が第１の筒状体１４を中心軸として放射状に複数設けられている（図１及び図２参照）。これらのメタン菌保持体３２は有機性廃棄物中のメタン菌を保持してメタン発酵室２６内のメタン菌濃度を高濃度に保つためのものであり、底板１２に対し斜めに設けられている。
【００１５】
上記の構成において、本発明によるメタン発酵方法の第一の工程は、有機性廃棄物を有機性廃棄物導入構造体２８から導入する工程である。導入工程は、一定量の有機性廃棄物を一度に流しこむ工程であり、その量は、加水分解及び酸発酵室２２内部の有機性廃棄物が第一の有機性廃棄物案内管２８ｃより更に噴出して密閉チャンバ２８ａ内の第２の有機性廃棄物案内管２８ｄの開口部を上回る量を加える必要がある。この導入に先立ち有機性廃棄物の固形分は十分に破砕する必要がある。すなわち、プラグフロー法で反応を順調に実施するためには有機性廃棄物の固形分を細粒化させて反応を促進する必要があるからである。また、導入時に有機性廃棄物は加温する必要がある。好適には３７度が望ましい。加水分解及び酸発酵室２２内部での反応温度は３７度程度であり、導入する有機性廃棄物が低温であると温度が上昇するまで反応が進行せず、タイムロスとなるからである。
【００１６】
通常は、第２の有機性廃棄物案内管２８ｄの開口部下端と同水位の有機性廃棄物が満たされ、そこに第２の有機性廃棄物案内管２８ｄの上側の開口部下端を投入時に上回る量を導入することで第一の有機性廃棄物案内管２８ｃの底部の有機性廃棄物から、メタン発酵室へ導入可能となる。この導入回数は、１日に複数回の割合とすることで一時的に案内管の流れを速めて管内の閉塞を防止できる。この導入方式がバッチ方式である。
【００１７】
次の工程は、有機性廃棄物の加水分解及び酸発酵工程である。ここで、加水分解及び酸発酵室２２には投入口から有機性廃棄物が導入されるため時間的に先に導入したものが底部に存在し、時間的に後から導入した有機性廃棄物が上部に積層される。このため、反応が進行した有機性廃棄物ほど底部に位置する。この方式の導入方法が押出し式導入法すなわちプラグフロー法である。プラグフロー法することで発酵率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、次の工程は、密閉チャンバ２８ａへの移送工程である。第一の有機性廃棄物案内管２８ｃが加水分解及び酸発酵室２２の底部から、密閉チャンバ２８ａへ設けられているため、底部にある有機性廃棄物のみが密閉チャンバ２８ａに移送される。すなわち、反応が最も進行した有機性廃棄物が移送されることとなり効率が良い。本願発明は、撹拌器がある槽と異なり後から導入される未反応の有機性廃棄物と反応済みの有機性廃棄物とが撹拌されて混合物が取出されることがなく、反応済みの有機性廃棄物が密閉チャンバーへ移動する。このため、反応性が高くなったもののみを移送する。また、第一の有機性廃棄物案内管２８ｃ開口部が加水分解及び酸発酵室２２の底部にあるため、硫化水素等のガスが第一の有機性廃棄物案内管を通過することは困難であり、従って、硫化水素等が加水分解及び酸発酵室２２から密閉チャンバ２８ａまたはメタン発酵室２６へ移送されることは難しい。これによりメタンガス中の硫化水素濃度が低く抑えられるために比較的容易にメタンガスから硫化水素除去が行なえる。
【００１９】
その次の工程は、メタン発酵室２６への移送工程である。有機性廃棄物は、バッチ処理により第一の有機性廃棄物案内管２８ｃを通過して密閉チャンバ２８ａへ移送される。有機性廃棄物は、その水面が上昇し、やがて第２の有機性廃棄物案内管２８ｄの開口部底部を上回った場合に有機性廃棄物がメタン発酵室２６へ導入される。ここで、バッチ処理であるため、大量に有機性廃棄物が導入されその結果、有機性廃棄物案内管の内部が固形物により詰まった場合でもその有機性廃棄物の水流により押出されて除去される。
【００２０】
続く工程は、メタン発酵工程である。第２の有機性廃棄物案内管２８ｄが底部にその開口部を有するため、底部に最新の有機性廃棄物が蓄積される。ここでは、網状のメタン菌保持体３２があるため、メタン菌が有機性廃棄物と共に排出されることが無く高濃度にメタン菌を保持できる。また、その導入および反応についてもプラグフロー方法となる。
【００２１】
最後の工程が、メタン及び廃棄物取出し工程である。メタン及び廃棄物は、廃棄物及びメタン取出し構造体３０から取出される。これらの工程は総て密閉された構造であるため、外部に廃棄ガスを放出しない。
【００２２】
以上のように、酸発酵とメタン発酵とを分けて行ない、メタン発酵菌を網状の担体に充填し、押出し流れで有機性廃棄物スラリーを移送することにより、単位原料当たりのメタンの発生量すなわち有機成分の分解率は８０％以上と大きい。
【００２３】
また、二重円筒状の槽で発酵する為、円筒を別個に設ける従来のメタン発酵方法と比較して省スペースとすることが可能である。さらに、撹拌器を使用せず、連通管でスラリーを酸発酵室からメタン発酵室へ移送するため省エネルギーである。しかも、地下埋め込みの槽を採用したため、保温性が保たれ寒冷地での建設にも適している。
【００２４】
密閉した槽内で発酵させるため、臭気、害虫発生、土壌、水質汚染が無く、温暖化ガスの発生も低い。さらに、発生メタンガスのエネルギーを電気や温水としてコジェネレーションを図ることが可能であり、また、蒸気としても回収が可能であり、外部からのエネルギーを殆ど調達することなく運用可能である。さらに、メタン発酵後の有機性廃棄物は、臭気が無く、窒素、燐、カリウム成分に富む中性の扱いやすい肥料が作成される。
【００２５】
また、無撹拌で動力を使用しないため、運転管理が容易であり、事故発生時も押出し流れ方式であるため入れ替えが容易である。有機性廃棄物としては、蒸留酒残渣、牛豚糞尿、畜殺場廃棄物等に適用可能であり、廃棄容量は大型から小型まで対応可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るメタン発酵方法によれば、有機性廃棄物のメタン発酵処理と移送処理とを効率的に行い、安定運転ができる。また、有機性廃棄物をメタン発酵処理する場合に酸発酵用とメタン発酵用の２基のタンクを設置しなくても良いので、省スペース化を図ることができ、設置スペースに余裕のない場所であっても有機性廃棄物のメタン発酵処理を効率的に行うことができる。また、従来の方法に比べて外気との接触面積が少なくなり、これに伴って放熱量が低減されるので、省エネルギー化を図ることができる。さらに、加水分解及び酸発酵室で発生した硫化水素等のガスが有機性廃棄物と一緒にメタン発酵室へ流入することを防止できる。また、ポンプ等の動力機器を用いることなく有機性廃棄物を加水分解及び酸発酵室からメタン発酵室へ移送することができる。また、メタン菌発酵室に網状のメタン菌保持体を放射状に複数傾斜状に設けてメタン菌を固定保持することにより、メタン発酵室内のメタン菌濃度を高濃度に保つことができ、メタン菌を再成長させるためのエネルギーロスもない。
さらに、連通室形成管部の管下部がＪ字形状となることでメタンガスと有機性廃棄物を完全に分離して回収することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のメタン発酵方法に係るメタン発酵槽の平面図である。
【図２】図１の線II−IIに沿う断面図である。
【図３】有機性廃棄物投入構造体と有機性廃棄物導入構造体の構造を示す断面図である。
【図４】廃棄物及びメタン取出し構造体の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１２  底板
１４  第１の筒状体
１６  第２の筒状体
１８  天板
２０  投入口
２２  加水分解及び酸発酵室
２４  有機性廃棄物投入構造体
２４ａ  天板付き筒体
２４ｂ  有機性廃棄物供給管
２４ｃ  排ガス管
２６  メタン発酵室
２８  有機性廃棄物導入構造体
２８ａ  密閉チャンバ
２８ｂ  チャンバ部材
２８ｃ  第１の有機性廃棄物案内管
２８ｄ  第２の有機性廃棄物案内管
３０  廃棄物及びメタン取出し構造体
３０ａ  連通室
３０ｂ  廃液管
３０ｃ  メタン捕集管
３２  メタン菌保持体
【図１】
0004015413.tif 000002
【図２】
0004015413.tif 000003
【図３】
0004015413.tif 000004
【図４】
0004015413.tif 000005