JP2935540B2 - メタン醗酵装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は濃厚は有機廃棄物、特に家畜の屎尿などの畜
産廃棄物の処理に用いられるメタン醗酵装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、家畜の屎尿などの畜産廃棄物は生物学的酸素要
求量すなわちBODが極めて高いために、活性汚泥法など
の通常の汚水処理法によって処理しようとすると処理設
備が大規模となって経済的でないから、メタン醗酵法を
利用するのが適当であると考えられている。

かかるメタン醗酵法に用いられる醗酵装置としては、
メタン細菌の活動に適した温度が比較的に高いために保
温性を良好にする必要があって、例えば径が高さより大
きい円筒形あるいは卵形などで体積に比べて表面積が小
さい大型の醗酵槽を保温材で覆い、また内部を嫌気性雰
囲気に保つために密閉して加圧状態で運転するものが普
通であった。

そしてこのような装置では、内容物の濃度が高いこと
から浮上や沈殿などの分離現象が起こりやすく、機械的
撹拌のみではかかる分離現象を抑制して内容物を均質化
し、円滑な醗酵反応を進めることは困難であるから、発
生するメタンガスを再び醗酵槽の底部から吹き込み、内
容物の上下対流を促進する方法を併用することも行われ
ている。

また、このような従来のメタン醗酵装置においては、
ほぼ定常的に発生する畜産廃棄物等を大きな醗酵槽に高
濃度のまま次々に装入して滞留時間を長くとることによ
って醗酵速度の遅さを補うという考え方が採用されてい
たので、例えば醗酵槽の容積は畜産廃棄物発生量の30日
分以上となるように設計され、毎日の装入量に見合った
消化汚泥液をその度に抜き出すような運転方法を採るこ
とが普通であった。しかし抜き出された消化汚泥液はま
だBOD濃度が高く、例えば3300ppmにも達することが普通
であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

かかる従来の醗酵装置では、内容物の完全な均質化を
達成することは困難であって、脂肪分の多いスカムが浮
上して効率的な醗酵消化を妨げ、あるいは醗酵槽の運転
の障害となるなどの種々の問題を引き起こし易いという
問題がある。

そしてまた、消化汚泥液のBOD濃度が高いから、排水
の水質基準に合わせるためには更に二次処理が必要であ
るものの、活性汚泥処理装置での廃水処理を行おうとす
ると極めて大規模な装置が必要となるという不利があ
る。そしてまた、かかるメタン醗酵消化汚泥液を更に二
次のメタン醗酵槽で処理しようとすると、これまた醗酵
効率が極めて悪く、水質基準に適合した廃水処理は極め
て困難であった。

従って、メタン醗酵法はエネルギー回収の面では有利
であるものの消化汚泥液を廃棄可能な程度まで浄化しよ
うとすることは経済的でなく、消化汚泥液の肥料その他
へ有利に利用することができないかぎりメタン醗酵法は
経済的に成立しないものとされていた。

そこで本発明は、醗酵効率が高くて、二次の浄化処理
が容易な程度まで消化汚泥液の醗酵を進めることができ
る、改良されたメタン醗酵装置を提供することを目的と
したものである。

〔課題を解決するための手段〕

かかる本発明の目的は、断面積の平方根の３倍以上の
高さを有する縦型筒状容器からなる醗酵槽であって、そ
の側壁部に加熱手段を設けるとともにその底部に内容物
を側壁に沿って上方に送出することができる対流促進手
段を設けたものを備えてなるメタン醗酵装置によって達
成することができる。

本発明のメタン醗酵装置における醗酵槽は、その高さ
が断面積の平方根の３倍以上である縦型筒状容器であっ
て、発生するメタンの圧力に耐える密閉構造を有してお
り、更に耐食性であることが望ましい。このように断面
積が比較的に小さいことは、後述のようなスカム破砕手
段と内容物循環手段の働きと相まってスカムが分離浮上
するために生ずる種々の問題を解決し、迅速かつ高度な
醗酵反応を達成するのに有効である。

またかかる醗酵槽の側壁部に設けられる加熱手段は、
例えば温水などを流通させることができるジャケットや
コイルなどであってよい。更に醗酵槽の底部に設けられ
る対流促進手段は、底部に滞留しやすい内容物を撹拌し
つつ側壁方向に移動させるとともに側壁に沿って上方に
送出する機能を持つものであればよく、例えばジェット
ノズル式の対流促進装置などが好ましいが、スパイラル
スクリュー形の撹拌機などであっても構わない。これら
の加熱手段と対流促進手段とは、内容物が醗酵槽内で効
果的な対流を起こすのに協同作用してその均一混合を達
成するのに有効である。

更に本発明における醗酵槽には、その制限液面の上方
の所定位置にスカム破砕手段を設けることが好ましい。
かかるスカム破砕手段は、ガスを含んで浮上するスカム
が固化することを防いで、内容物と分離することなく均
一に分散混合したまま対流し、あるいは後述のように系
内を循環できるようにするためのもので、例えば多数の
スリットなどを有する翼を設けた機械的な撹拌手段など
が好ましく用いられ、また密閉型のモーターに直結した
環状の破砕翼を備えたものが特に好ましい。

本発明のメタン醗酵装置には、第１図に示すように、
醗酵槽ａに並べて従反応塔ｂを設け、これらそれぞれの
上部を連絡管ｃで連通して醗酵槽から内容物が流入でき
るようにし、従反応塔ｂ内で醗酵した内容物からメタン
ガスが分離するとともに液状の内容物を該塔の下部から
醗酵槽の下部へ循環移送する手段ｄを設けて構成するこ
とが好ましい。このような内容物循環手段ｄとしては例
えばスラリーポンプなどを用いることができるが、瞬間
的な空転状態に耐える構造を有するものであることが必
要である。更に醗酵槽への戻りラインを前記のジェット
ノズル式の対流促進装置ｅなどに結合し、ポンプの吐出
力を利用して醗酵槽内に対流を発生させることが更に好
ましい。

本発明のメタン醗酵装置は、上記のように構成された
醗酵槽ないしそのシステムを複数セット直列多段に結合
して装置を構成することができる。このように多段構成
とすることにより、メタン醗酵における各反応段階、す
なわち有機物の加水分解による低分子化、低分子有機物
の酢酸、メタノール、二酸化炭素、水素などへの分解、
更にこれらの低分子物質からのメタンへの転化のそれぞ
れの段階に対応して、効率的な醗酵反応を進めることが
できる。

〔作 用〕

本発明のメタン醗酵装置を運転するにあたっては、例
えば牛や豚の屎尿のような畜産廃棄物等をあらかじめ径
が所定の大きさ以上の固形分とより細かい固形分を含む
液状分とに分離し、固形分は例えばコンポスト化装置な
どで処理するとともに液状分のみをメタン醗酵装置に供
給するのが適当である。

本発明における醗酵槽では、例えば醗酵槽に装入され
た原液が対流促進手段によって側壁に沿って上昇し、更
に加熱手段によって加熱されて上昇対流をおこして醗酵
槽内を対流循環する。その一方で、醗酵槽の上部に設け
たスカム破砕手段および併設した従反応塔を経由する内
容物の循環によって、醗酵液の均質化はさらに良好とな
る。こうして効率的な醗酵反応が進められるが、例えば
一昼夜運転されたのちに、一日分の新たな原液が例えば
醗酵槽下部から装入され、これに見合った量の醗酵液が
例えば醗酵槽上部から次段の醗酵槽へ移送される。

次段の醗酵槽では上記と同様にして醗酵が進められ、
更に必要に応じて三段目の醗酵槽に移送される。このよ
うにして得られた消化汚泥液から例えば沈殿分離、濾過
などの適宜の手段によって固形分を分離すると、BOD濃
度が格段に低い脱離液が得られるから、以後は従来から
知られているような適宜の排水処理手段を用いて効率的
に排水処理を行なうことできる。

本発明における醗酵槽は上記のように運転されるが、
醗酵効率が極めて良好であるので、その内容積は要処理
原液の一日当たり発生量の、例えば10倍以下とすること
ができる。そして醗酵槽を多段構成とするときは、更に
内容積を小さなものとすることができ、例えば合計の内
容積を一日当たりの要処理原液の７倍さらには５倍程度
までとしても充分な処理効率を維持することができる。

〔実施例〕

径2.1m、高さ10.6mの鋼板製で内面を防食処理した円
筒状の第１醗酵槽a₁に、温水を流通できる加熱コイルf₁
をその側壁内面に沿って設け、また上方に向かう噴き出
しノズルを周囲に備えた環状の対流促進装置e₁をその底
部内に取付け、更に格子状板で形成された回転翼を備え
たスカム破砕機g₁を上部空間内に取付けた。

次に、この第１醗酵槽a₁と、径1.0m、高さ10.4mの鋼
板製で防食処理した第１従反応塔b₁とを、間隔約1mを隔
てて併設し、第１醗酵槽の高さ9.0mの側面位置と第１従
反応塔b₁の同高側面位置とを水平管路c₁で結合した。ま
た第１従反応塔b₁の底からスラリーポンプd₁を経て第１
醗酵槽a₁の底部の対流促進装置e₁まで醗酵液循環ライン
h₁を設けた。そして更に、第１醗酵槽a₁の底部には原液
供給ラインを、液面直下位置には醗酵液抜き出しライン
を、また頂部にはメタン抜き出しラインをそれぞれ接続
して、第１段反応器系を構成した。

この第１醗酵槽a₁の水平管路c₁から下の実稼働容積は
35.9m³であり、第１従反応塔b₁の水平管路c₁から下の実
稼働容積は6.6m³で、合計42.5m³である。

一方、径が3.2mで高さが14.6m³である他は第１醗酵槽
a₁と同様な構造を有する第２醗酵槽a₂と、第１従反応塔
b₁と同様な構造を有する第２従反応塔b₂とを、第１段反
応器系と同様に水平管路c₂と醗酵液循環ラインh₂とで結
合して第２段反応器系を構成するとともに、第１醗酵槽
a₁の醗酵液抜き出しラインを第２醗酵槽a₂の原液供給口
に接続した。

この第２醗酵槽a₂の水平管路c₂から下の実稼働容積は
82.7m³であり、第２従反応塔b₂の水平管路c₂から下の実
稼働容積は6.6m³で、合計89.3m³である。

また更に、第２段反応器系と全く同じ構造の第３段反
応系器を、第２段反応器系の後ろに同じように接続し
た。

なお、これらの機器はすべて保温材で被覆してある。

このように構成された本発明のメタン醗酵装置の第１
段反応器系に、豚の屎尿１日量10トンと牛の屎尿１日量
１トンと洗浄廃水とを均一に混合した原料を24メッシュ
の金網で濾過して粗大固形分を分離除去した後、PHを7.
0〜7.6の範囲に調整した下記のような性状の処理原液の
約１日分の20トンを装入し、加熱コイルに約35℃の温水
を流通させながらスラリーポンプを運転して、第１醗酵
槽a₁内の液が内部で上下対流しながら一部 が溢流して第１従反応塔b₁へ入り、更に第１従反応塔b₁
下部から抜き出された液を第１醗酵槽a₁の対流促進装置
e₁の噴き出しノズルから噴出すようにして、第１醗酵槽
a₁内の液が側壁に沿った上昇対流を起こすように循環さ
せた。

こうして一昼夜運転したのち、これに調整処理原液の
約１日分20トンを供給するとともに、ほぼ同量の醗酵液
を抜き出して第２段反応器系に移した。

以後、同様にして運転を継続して、４日後には第２段
反応器系が正常な運転を開始できるようになった。そこ
で、第２段反応器系から抜き出された醗酵液は更に第３
段反応器系に移して同様に運転を継続し、更に４日後に
は第３段反応器系も正常な運転が開始できるようになっ
た。

そうして第３段反応器系から抜き出された醗酵液は一
旦貯留槽に貯え、更に沈殿汚泥分と消化脱離液とに分離
した。この沈殿汚泥分は１日分約４トンであり、これは
処理原液と同時に１日に１回第１段反応器系へ戻すよう
にした。従って第１段反応器系から第２段、更に第３段
へと移送される醗酵液は、以後１日当たり24トンとなっ
た。

一方、沈殿汚泥分を分離した消化脱離液は、運転開始
からほぼ１日後には一定した性状を示すに至った。こう
して定常運転に入ったときの調整処理原液供給量は20ト
ン／日、メタン発生量は600m³/日であった。これを装置
の実稼働容積が221m³として容積1m³当たりに換算する
と、それぞれ処理原液量は0.090トン／日・m³、メタン
発生量は2.71m³/日・m³となる。

ちなみに、内容積が300m³の円筒型槽（実稼働容積210
m³）からなる従来のメタン醗酵装置では、１日当たりの
処理原液量は7.0トン／日、メタン発生量は55m³/日であ
ったから、装置の実稼働容積1m³当たりに換算すると、
それぞれ処理原液量は0.033トン／日・m³、メタン発生
量は0.25m³/日・m³程度となり、本発明の装置は従来装
置の約３倍の処理能力を有しているうえ、約11倍のガス
発生効率を有していることがわかる。

本発明のメタン醗酵装置で得た消化脱離液の分析値
を、従来のメタン醗酵装置での消化脱離液の分析値と比
較して次表に示した。

〔発明の効果〕 本発明のメタン醗酵装置は、従来のメタン醗酵装置と
比較して約３倍の廃棄物処理能力を有しているのみなら
ず、排出される消化脱離液のBOD濃度も約３分の１と低
いから、二次処理が極めて容易となって、メタン醗酵処
理が経済的に実施できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のメタン醗酵装置の構成を示すフローシ
ートである。 ａ……醗酵槽、ｂ……従反応塔、ｃ……連絡管、ｄ……
内容物循環手段、ｅ……対流促進装置、ｆ……加熱手
段、ｇ……スカム破砕手段、ｈ……醗酵液循環ライン。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面積の平方根の３倍以上の高さを有する
   縦型筒状容器からなる醗酵槽であって、その側壁部に加
   熱手段を設けるとともにその底部に内容物を側壁に沿っ
   て上方に送出することができる対流促進手段を設けたも
   のを備えてなるメタン醗酵装置。
2. 【請求項２】醗酵槽の上部にスカム破砕手段を設けてな
   る請求項（１）記載のメタン醗酵装置。
3. 【請求項３】醗酵槽の上部からこれに併設した従反応塔
   の上部へ通ずる流入路を設け、該醗酵槽から該従反応塔
   へ流入した内容物を該従反応塔の下部から該醗酵槽の下
   部へ移送するための内容物循環手段を設けてなる請求項
   （１）または請求項（２）記載のメタン醗酵装置。
4. 【請求項４】複数の醗酵槽を直列多段に結合してなる請
   求項（１）ないし請求項（３）のいずれかに記載のメタ
   ン醗酵装置。