JP2012176355A - メタン発酵槽 - Google Patents

Abstract

【課題】発酵部内に貯留された有機性廃棄物からスカムを分離して外部へ容易に除去することができるメタン発酵槽を提供する。
【解決手段】廃棄物Ａからなる発酵液Ｂをメタン発酵させてメタンガスを発生させる発酵部１７と、その発酵部１７の中央部に設けられ、発酵部１７で生成された処理液Ｄをスカムと分離した状態で貯留するための上部室１８とを備える。発酵部１７の高液位部に、スカムを収集するための受け止め壁２７と、スカムを外部に排出するための排出路２８を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、家庭から廃棄される生ごみ等の有機性廃棄物や、農業、畜産業、水産業等で廃棄される残渣、糞尿等の有機性廃棄物を発酵処理するための発酵処理システムに関するものであって、その処理システムに使用されるメタン発酵槽に関するものである。

一般に、家庭から廃棄される生ごみ等の有機性廃棄物には、プラスチック類や布、紙類のスカム発生原因物質である異物が混入されていることが多い。このような有機性廃棄物がメタン発酵槽に投入されてしまうと、異物がスカムとなって発酵槽内で浮上して、発酵効率の低下を招く。すなわち、生物分解による発酵処理が行われても、プラスチック類は生物分解されず、また、布、紙類は生物分解に時間がかかるため、有機性廃棄物全体の発酵処理が円滑に行われなくなる。このため、バイオガスであるメタンガスの発生量が減少する。従って、従来ではメタン発酵槽への有機性廃棄物の投入に先立って、その有機性廃棄物からプラスチック類や布、紙類の異物を分別して除去していた。

しかしながら、このように異物の分別除去の前処理を行った場合でも、その異物を適切に除去することは困難であった。そして、発酵槽内においてスカムの層が厚くなると、発酵槽内の有機性廃棄物が流動しにくくなり、場合によってはメタン発酵槽の運転に障害となるおそれもあった。

このような問題に対応するため、例えば特許文献１に開示されるような構成のメタン発酵槽も従来から提案されている。この従来構成においては、有機性廃棄物を貯留してメタンガスを発生させる発酵部の頂壁に、発酵部内で生成された生成ガス、処理液及びスカムを噴出するための噴出管が貫設されている。発酵部の上部には、噴出管から噴出された生成ガス、処理液及びスカムを分離するための分離部が設けられている。

そして、発酵部内の有機性廃棄物の生物分解による発酵にともない、生成されたメタンガスが発酵部内の上部に貯留される。この発酵部内の生成ガスの圧力が高くなると、間欠泉現象により生成ガス、処理液及びスカムが一体となって、噴出管から分離部内に噴出される。そして、分離部内において、生成ガス、処理液及びスカムが比重差によって分離され、上部の生成ガスは比重が小さいためにガス収集管を介して分離部外に排出されるとともに、比重の高い下部の処理液は還流管を介して発酵部に還送される。また、スカムは分離部内で処理液の液面に浮上状態で堆積され、分離部の上面に設けられた取出口の開閉蓋を開放した状態で、その取出口を介して外部に取り出される。

特開平１１−１９７６９６号公報

ところが、この従来構成においては、スカム、処理液及び生成ガスが噴出される噴出管の開口径を小さく設定しないと、固体状のスカムを生成ガスの圧力によって、処理液及び生成ガスとともに噴出管から効果的に噴出させることができない。ところが、噴出管の開口径を小さく設定した場合には、噴出管からのスカムや処理液の噴出量が減少して、処理能力の低下を招くだけではなく、スカムが噴出管内に詰まってしまうという問題があった。

また、この従来構成においては、分離部の上面にスカムを取り出すための開放可能な取出口が設けられている。従って、取出口を気密状態に保持することが困難で、分離部内に大気が混入しやすくなり、このため、発酵部内の嫌気性環境が悪化して、発酵に悪影響が与えられるという問題もあった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、発酵部内に貯留された廃棄物からスカムを分離して外部へ容易に排出除去することができるメタン発酵槽を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は、廃棄物からなる発酵液を貯留してメタンガスを発生させる発酵部と、その発酵部の中央部に設けられ、前記発酵部で生成された処理液をスカムと分離した状態で貯留するための上部室とを備えたメタン発酵槽において、前記発酵部の高液位部に、スカムを外部に排出するためのスカム排出手段を設けたことを特徴としている。

従って、この発明のメタン発酵槽においては、発酵部内に貯留された廃棄物よりなる発酵液が生物分解によって発酵されると、メタンガス及び処理液が生成される。このとき、発酵部内の発酵液にプラスチック類や布、紙類のスカム発生原因物質である異物が混入している場合には、その異物がスカムとなって発酵液の液面に浮上する。そして、発酵液の発酵によりメタンガス及び処理液の生成が進行すると、処理液が発酵部の中央部の上部室内に送り込まれて貯留される。その後、廃棄物の投入により、上部室の処理液が槽外へ排出される。その後開閉弁を開放して、発酵部内の発酵液の液面が高液位部まで上昇したとき、発酵液の液面に浮上しているスカムが排出手段により少量の発酵液とともに外部に排出される。よって、発酵液内の廃棄物からスカムを効果的に分離して外部へ容易に排出除去することができる。

前記の構成において、前記発酵部内の発酵液を水平面内で旋回させる旋回手段を設け、発酵部の高液位部には旋回されるスカムを受け止める受け止め手段を設け、その受け止め手段の上流部に前記スカム排出手段を設けるとよい。

前記の構成において、前記受け止め手段を受け止め壁によって構成するとよい。
前記の構成において、前記スカム排出手段には、スカムと発酵液とを分離するための分離手段を接続するとよい。

前記の構成において、前記分離手段には、分離された発酵液を前記発酵部に戻すための戻し管路を接続するとよい。
前記の構成において、前記戻し管路には発酵液を加温するための加温手段を設けるとよい。

以上のように、この発明によれば、発酵部内に貯留された廃棄物よりなる発酵液からスカムを分離して外部へ容易に排出することができるという効果を発揮する。

第１実施形態のメタン発酵槽を備えた発酵処理システムを示す構成図。 図１の２−２線における拡大断面図。 図１の３−３線における部分拡大断面図。 図１のメタン発酵槽の動作状態を示す断面図。 図４に続くメタン発酵槽の動作状態を示す断面図。 図５に続くメタン発酵槽の動作状態を示す断面図。 第２実施形態のメタン発酵槽を示す部分断面図。 図７の８−８線における部分拡大断面図。 第３実施形態のメタン発酵槽を示す構成図。

（第１実施形態）
以下に、この発明を具体化した第１実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１及び図２に示すように、この実施形態のメタン発酵槽１１は、上下両端を密閉した円筒状の槽本体１２を備えている。槽本体１２の内部の上端寄り部分には、漏斗状の区画壁１３が固定されている。区画壁１３の下面中央部には、下部センタチューブ１４が下方へ向かって突設されている。区画壁１３の上面中央部には、側壁に複数の透孔１５ａを形成した上部センタチューブ１５が上方へ向かって突設されている。区画壁１３の上面外周部には、槽本体１２の内周面及び上部センタチューブ１５からそれぞれ間隔を隔てて低い円筒状の堤壁１６が突設されている。そして、区画壁１３によって槽本体１２の内部が、有機性の廃棄物Ａを原料とした発酵液Ｂを貯留してメタンガスを発生させる下側の発酵部１７と、その発酵部１７で生成された処理液Ｄを下部センタチューブ１４から導入することにより、スカムＳと分離して貯留するための上側の上部室１８とに区画されている。

前記槽本体１２の上部において、発酵部１７と上部室１８との間にはガス流路１９が設けられ、そのガス流路１９中には開閉弁２０が接続されている。堤壁１６の外側において区画壁１３には、発酵部１７と上部室１８とを連通するための複数のミキシングシャフト２１が等間隔おきに配置され、下方へ向かって突設されている。各ミキシングシャフト２１の下端開口部２１ａは、槽本体１２の円周方向の同一方向へ向かって開口されている。

前記下部センタチューブ１４の下端部には、出入口２３が形成されている。この出入口２３は、発酵部１７の放射方向に対して傾斜し、かつミキシングシャフト２１の下端開口部２１ａと同方向を指向している。この出入口２３は、発酵部１７内の発酵液Ｂを水平面内及び鉛直面内で旋回させるための旋回手段としての旋回装置２２を構成している。

前記槽本体１２及び下部センタチューブ１４の周壁には、その下部センタチューブ１４の出入口２３を介して槽本体１２の発酵部１７内に廃棄物Ａを供給するための廃棄物供給パイプ２４が貫設されている。槽本体１２の頂壁には、上部室１８内から生成ガスを例えば図示しないガス貯留ホルダーに向かって排出するためのガス排出パイプ２５が貫設されている。堤壁１６の外側における区画壁１３及び槽本体１２の周壁には、上部室１８内において堤壁１６からオーバーフローする処理液Ｄを外部に排出するための処理液排出パイプ２６が貫設されている。

図１及び図２に示すように、前記槽本体１２の発酵部１７内における発酵液Ｂの最高液位部Ｌ１を含む高液位部には、スカムＳを受け止める受け止め手段としての受け止め壁２７が下部センタチューブ１４の外周面と槽本体１２の内周面との間において立設状態で半径方向に延長されている。なお、最高液位部Ｌ１の区画壁１３の下面上端によって規定される。そして、図６に示すように、前記上部室１８内の処理液Ｄが下部センタチューブ１４を介して、旋回装置２２の旋回流出入口２３から発酵部１７内に流れ込むことにより、発酵部１７内の発酵液Ｂが水平方向及び鉛直方向に旋回される。その旋回により、発酵液Ｂが攪拌されるとともに、その発酵液Ｂの液面上に浮上しているスカムＳが発酵液Ｂとともに旋回されて、受け止め壁２７により受け止められて収集される。

図２及び図３に示すように、前記発酵部１７内の発酵液Ｂの高液位部において受け止め壁２７よりも水平旋回流の上流部には、スカムＳを外部に排出するためのスカム排出手段を構成する排出パイプよりなる排出路２８が設けられている。この排出路２８は、受け止め壁２７と平行に延長されている。また、この排出路２８の先端の入口部２８ａは、発酵部１７内の発酵液Ｂの最高液位部Ｌ１と受け止め壁２７の下端との間の前記高液位部において、発酵部１７の中心側に向かって開口されている。そして、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面が高液位部まで上昇したときにおいて、水平方向の旋回流により、受け止め壁２７によって収集されたスカムＳが発酵液Ｂとともに、入口部２８ａから排出路２８内に進入して外部に排出される。

図１に示すように、前記メタン発酵槽１１の外側において排出路２８の外端には、スカム処理管路２９が接続されている。スカム処理管路２９には、メタンガスが槽外に漏出しないようにトラップした水封部２９ａが形成されるとともに、排出路２８から排出されるスカムＳ及び発酵液ＢからスカムＳを分離して捕捉するための分離手段としてのフィルタ３０が接続されている。スカム処理管路２９におけるフィルタ３０の下流側には、前記発酵部１７に至る戻り管路３６が接続されている。その戻り管路３６には、スカムＳの除去後の発酵液Ｂを温水等により加温するための加温手段としての熱交換器３１が接続されている。熱交換器３１の下流側には、ポンプ３２及び切換バルブ３３が接続されている。

そして、切換バルブ３３が一方側に切り換えられた場合には、ポンプ３２によって圧送される発酵液Ｂが分岐管路３６ａを介して槽本体１２の発酵部１７内に戻され、切換バルブ３３が他方側に切り換えられた場合には、発酵液Ｂが戻り管路３６の途中の供給槽３４内に送られる。供給槽３４内には家庭から廃棄される生ごみ等の廃棄物Ａが投入され、その廃棄物Ａとスカム処理管路２９からの発酵液Ｂとが混合されて、供給ポンプ３５の作動により前記廃棄物供給パイプ２４を介して発酵部１７内に供給される。

次に、前記のように構成されたメタン発酵槽の作用を説明する。
さて、このメタン発酵槽１１の運転時には、図１に示すように、槽本体１２の発酵部１７内に所定量の発酵液Ｂが貯留され、発酵部１７内の発酵液Ｂが生物分解によって発酵されて、メタンガス及び処理液Ｄが生成される。このとき、ガス流路１９の開閉弁２０が開放されると、発酵部１７及び上部室１８の内部圧力が等しくなって、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面と上部室１８内の処理液Ｄの液面とが均等になる。

そして、開閉弁２０が閉じられると、図４に示すように、発酵液Ｂの発酵にともなう生成メタンガスにより、発酵部１７内の圧力が高くなって、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面が押し下げられる。このため、発酵部１７内の発酵液Ｂが発酵部１７の中央下部の出入口２３から下部センタチューブ１４を通るとともに、発酵部１７の内部周縁から各ミキシングシャフト２１を通って、上部室１８内に送り込まれて貯留される。このとき、発酵部１７から上部室１８内への発酵液Ｂの移動にともない、上部室１８内の上部に滞留している生成ガスがガス排出パイプ２５を介して外部に排出されて、図示しないガス貯留ホルダーに貯留される。一方、発酵部１７内の発酵液Ｂにスカム発生原因物質であるプラスチック類や布、紙類の異物が混入している場合には、その異物がスカムとなって発酵液Ｂの液面に浮上する。

この状態で、図５に示すように、廃棄物供給パイプ２４から下部センタチューブ１４内に廃棄物Ａが供給されると、その廃棄物Ａが旋回装置２２の出入口２３から発酵部１７内に流出される。このとき、下部センタチューブ１４内への廃棄物Ａの供給により、上部室１８における堤壁１６内の処理液Ｄの液面が上昇し、その堤壁１６をオーバーフローした処理液Ｄが処理液排出パイプ２６を介して外部に排出される。

さらに、図６に示すように、ガス流路１９の開閉弁２０が開放されると、発酵部１７内の生成ガスがガス流路１９を介して上部室１８内に流入し、上部室１８内の低い状態の圧力が高くなるとともに、発酵部１７内の高い状態の圧力が低くなる。このため、上部室１８内の処理液Ｄが下部センタチューブ１４を介して、旋回装置２２の旋回流出入口２３から発酵部１７内へ流れ込み、発酵部１７内の発酵液Ｂが水平方向及び鉛直方向に旋回されながら撹拌される。このとき、図２に示すように、発酵液Ｂの液面上に浮上しているスカムＳが発酵液Ｂとともに水平方向に旋回されながら、受け止め壁２７により受け止められて収集される。

その後、前記上部室１８から発酵部１７への処理液Ｄの流れ込みにともなって、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面が最高液位部Ｌ１まで上昇すると、発酵液Ｂの液面に浮上しているスカムＳが発酵液Ｂとともに、排出路２８の入口部２８ａから排出路２８内に進入して外部に排出される。そして、排出されたスカムＳ及び発酵液Ｂがスカム処理管路２９に流される途中で、フィルタ３０によりスカムＳが捕捉されるとともに、残りの発酵液Ｂが熱交換器３１で加温されて槽本体１２の発酵部１７内に戻され、または供給槽３４に投入されて廃棄物供給パイプ２４から発酵部１７内に再供給される。

以上のように、図１及び図４〜図６に示す動作を繰り返すことにより、発酵部１７内の発酵液Ｂの旋回撹拌が無動力によって行われて、生成ガス及び処理液の生成が連続的に行われる。

従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） このメタン発酵槽においては、発酵部１７内において発酵液Ｂの発酵にともない、メタンガス及び処理液Ｄの生成が進行すると、発酵部１７内の発酵液ＢがスカムＳと分離されて、発酵部１７の中央部の上部室１８内に送り込まれて貯留されるとともに、処理液排出パイプ２６から外部に排出される。そして、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面が最高液位部Ｌ１まで上昇したとき、発酵液Ｂの液面に浮上しているスカムＳが排出路２８を通して外部に排出される。よって、発酵部１７内の発酵液ＢからスカムＳを効果的に分離して外部に排出除去することができて、発酵部１７内の発酵液Ｂ中に多量のスカムＳが残留することを防止できて、発酵効率の低下を招くおそれを抑制することができる。

また、このメタン発酵槽においては、発酵液Ｂの液面に浮上しているスカムＳが排出路２８を通して外部に排出されるため、従来構成とは異なり、槽の壁面にスカムの取出口を設けて、開閉蓋により覆う必要がない。よって、取出口から、槽内の生成ガスにエアが混入するおそれを抑制することができる。従って、このメタン発酵槽内においては、良好な嫌気性雰囲気を維持できる。

（２） このメタン発酵槽においては、発酵部１７の高液位部に、発酵液Ｂとともに旋回されるスカムＳを受け止めるための受け止め壁２７が設けられている。そして、前記排出路２８の入口部２８ａが受け止め壁２７の上流部の近傍に開口されている。このため、発酵部１７内の発酵液Ｂが液面上昇されながら、水平面内で旋回されるとき、発酵液Ｂの液面に浮上しているスカムＳが発酵液Ｂとともに旋回されて、受け止め壁２７により受け止められる。従って、スカムＳを排出路２８の入口部２８ａ付近に効率よく収集することができて、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面が最高液位部Ｌ１上昇したときに、そのスカムＳを排出路２８から外部へスムーズに排出することができる。

（３） このメタン発酵槽においては、発酵部１７内において収集されたスカムが発酵液Ｂとともに排出路２８を介して排出される。従って、発酵液Ｂが搬送流となってスカムを流出させる作用を果たすため、スカムの排出が円滑に実行される。そして、スカムが分離された発酵液Ｂは熱交換器３１によって加温されて直接発酵部１７に、あるいは供給槽３４を経て発酵部１７内に再度供給される。従って、発酵部１７内を適温に維持することができて、発酵部１７内の適切な発酵状態を得ることができる。従って、メタンガスを効率よく採取できる。

(４) このメタン発酵槽においては、発酵部１７を経た発酵液Ｂがスカム処理管路２９を経て供給槽３４に供給されるため、その供給槽３４内において予備発酵させることができる。そのため、発酵部１７内に供給された廃棄物は発酵部１７内の発酵にスムーズに移行できる。しかも、外部から供給槽３４内に新たに供給された発酵液Ｂ内のスカム発生原因となるプラスチック類等のスカム発生原因物質の比率が高い場合、処理管路２９を経た発酵液Ｂを供給槽３４内に供給することによって、スカム発生原因物質の比率を下げることができる。このため、スカム発生原因物質が供給ポンプ３５や廃棄物供給パイプ２４内で詰まったりすることを防止できる。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この第２実施形態では、図７及び図８に示すように、槽本体１２の発酵部１７内において、排出パイプよりなる排出路２８の途中に可撓パイプ３８が設けられ、排出路２８の先端部分が可撓パイプ３８を介して上下に傾動可能なように構成されている。排出路２８の入口部２８ａには、発酵部１７内の発酵液Ｂの液面に浮上するフロート３９が設けられている。このため、排出路２８の入口部２８ａが発酵液Ｂの液面位置に保持される。そして、図８に示すように、発酵液Ｂの液面が例えば、最高液位部Ｌ１、中間液位部Ｌ２及び最低液位部Ｌ３と変位する過程において、発酵液Ｂの液面に浮上しているスカムＳが発酵液Ｂとともに、排出路２８の入口部２８ａから排出路２８内に進入して外部に排出される。

従って、この第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（４）に記載の効果とほぼ同様の効果を得ることができるとともに、以下の効果を得ることができる。

（５） このメタン発酵槽においては、排出路２８の入口部２８ａが発酵部１７内の液面の上下に従って上下するため、より多くのスカムを捕捉して排出させることができる。
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

この第３実施形態では、図９に示すように、メタン発酵槽１１における槽本体１２の排出路２８から排出されるスカムＳ及び発酵液Ｂが、スカム処理管路２９を介して処理装置４０内に投入されるようになっている。この処理装置４０は、スクリーンまたはスクリュープレスや遠心分離等の脱水機能を有し、スカムＳ及び発酵液Ｂの水分を分離して、スカムＳ及び発酵液Ｂの混合物をケーキ状に固めて処理する。

従って、この第３実施形態においては、前記第１実施形態における（１）及び（２）に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（６） スカムＳ及び発酵液Ｂのケーキが生成されるため、そのスカムＳ及び発酵液Ｂの運搬や廃棄が容易になる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 受け止め壁２７及び排出路２８を相互間隔をおいて、同一水平面内に複数設けること。

・ 受け止め壁２７をネット状のものによって構成すること。

１１…メタン発酵槽、１２…槽本体、１３…区画壁、１４…下部センタチューブ、１６…堤壁、１７…発酵部、１８…上部室、２１…ミキシングシャフト、２２…旋回手段としての旋回装置、２３…旋回流出入口、２４…廃棄物供給パイプ、２７…受け止め手段としての受け止め壁、２８…スカム排出手段としての排出路、３０…分離手段を構成するフィルタ、３６…管路、Ａ…廃棄物、Ｂ…発酵液、Ｄ…処理液、Ｓ…スカム。

Claims (6)

1. 廃棄物からなる発酵液を貯留してメタンガスを発生させる発酵部と、
   その発酵部の中央部に設けられ、前記発酵部で生成された処理液をスカムと分離した状態で貯留するための上部室とを備えたメタン発酵槽において、
   前記発酵部の高液位部に、スカムを外部に排出するためのスカム排出手段を設けたことを特徴とするメタン発酵槽。
2. 前記発酵部内の発酵液を水平面内で旋回させる旋回手段を設け、発酵部の高液位部には旋回されるスカムを受け止める受け止め手段を設け、その受け止め手段の上流部に前記スカム排出手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵槽。
3. 前記受け止め手段を受け止め壁によって構成したことを特徴とする請求項２に記載のメタン発酵槽。
4. 前記スカム排出手段には、スカムと発酵液とを分離するための分離手段を接続したことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のメタン発酵槽。
5. 前記分離手段には、分離された発酵液を前記発酵部に戻すための戻し管路を接続したことを特徴とする請求項４に記載のメタン発酵槽。
6. 前記戻し管路には発酵液を加温するための加温手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載のメタン発酵槽。

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