JP7730357B2 - 独立電源小型メタン発酵処理システム - Google Patents

Description

本発明はメタン発酵処理システムに関する。より詳細には、小型であり、独立電源で稼働可能なメタン発酵処理システムに関する。

従来、家庭等から出る生ごみを含む有機性廃棄物は、焼却・埋め立て処分されている。焼却には、多くのエネルギーが必要であり、焼却時には二酸化炭素が発生する。環境問題の観点から、焼却以外の有効利用の方法が求められている。

有機性廃棄物の有効利用の方法の１つにメタン発酵処理がある。メタン発酵処理は、メタン菌を含む多種の微生物によって有機物を分解し、バイオガスおよびメタン発酵消化液を生成する。バイオガスはメタンガスを高濃度に含有しており、非枯渇性の再生可能エネルギーとして注目されている。また、メタン発酵消化液は、肥料成分を多く含有する特徴を有しているため、肥料代替として有効利用が期待されている。

一般的に普及しているメタン発酵処理装置は大型のメタン発酵処理設備である。大型メタン発酵処理設備は、大量の有機性廃棄物を処理できるが、広範囲から収集するため、収集時に発生するＣＯ₂が課題である。また、大量の消化液の利用先の確保も課題であり、農地利用等ができない場合は、排水処理をする必要がある。そうすると、コストもかかり、環境負荷も大きい。

近年、地域で発生した有機性廃棄物を地域で処理し、生成したエネルギーや消化液を地域で有効活用する需要が高まっており、小型のメタン発酵処理設備の開発検討が進んでいる。小型のメタン発酵処理設備は大型装置と比較すると、処理量当たりの建設コストや運転コストが高くなる傾向にある。また、メタン発酵処理設備は破砕機、ポンプ、撹拌機や加温装置等を具備しているため、運転にはエネルギーが必要である。このため、小型のメタン発酵処理設備の普及が進むためには、更なる省エネルギーのメタン発酵処理システムが求められており、研究・開発が進んでいる。

例えば特許文献１には、発酵槽内で発生するガスをサイフォンの原理により液中に吹き出させることにより、発酵槽内を攪拌する方法が記載されている。特許文献２には、上流発酵槽と下流発酵槽において、生物ガスの圧力を利用して液面レベル差を発生させ連通管を通じて発酵液を攪拌、移送する方法が記載されている。特許文献３には、太陽光発電装置の発電効率を向上させ、太陽光発電装置の冷却に用いた温排水をメタン発酵槽の加熱源として用い、太陽光発電装置の地下で栽培したバイオマスを嫌気性発酵させメタンを生成することで、再生可能エネルギーを複合利用するシステムが記載されている。

特開２００１－２７６８９７号公報 特開２０１０－２４７１００号公報 特開２０１２－６５６２０号公報

しかしながら、特許文献１は、発酵槽内で発生したガスを利用して攪拌を行っているが、発酵液に複数の液吸管を備える構造であり、発酵液の攪拌には固形物を含有している発酵液の底部から発酵液を無動力で吸い上げる必要があるため、液吸管を細くする必要があり、攪拌効率が悪く小型のメタン発酵処理に適するものではなかった。特許文献２も発生したガスを利用して攪拌を行っているが、水位差を出すためには発酵槽の高さが必要となり装置の大型化が必要である。また、大きな圧力がかかるため、その圧力に耐えられる構造にする必要があり、建設コストが高くなるという課題もある。特許文献３は再生可能エネルギーの複合利用システムであるが、設置場所に制限が生じたり、バイオマスの栽培に適した広大な土地が必要となり小型のシステムとは言えない。このように、無動力、例えば発生するバイオガスを利用して発酵液を攪拌させる方法はあるが、小型のメタン発酵処理に適したシステムがないのが現状である。

また、外部電源を必要とせず、攪拌動力をはじめ、運転時のエネルギーを最小限にすることができれば、外部電源を確保しにくい場所でも設置でき、小型メタン発酵処理装置の普及が進むことが見込まれる。

従って、本発明の目的は、運転時のエネルギーを低減しつつ、効率よくメタン発酵処理を行うことができ、小型化が可能であるメタン発酵処理システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、運転時のエネルギーを低減しつつ、小型化に有用な撹拌手段を備えるメタン発酵処理システムを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため随意検討した結果、ガス溶解による攪拌や水流攪拌、ヒーターを使用しない給湯設備を具備するメタン発酵処理設備により、運転にかかるエネルギーの省力化を実現し、メタン発酵処理で発生するメタンガスと自然エネルギーを利用して、外部からのエネルギーがなくてもメタン発酵処理を行うことができることを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて完成させたものである。

本発明の一実施形態は、発酵槽において有機性廃棄物を発酵するメタン発酵処理システムであり、
有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを用いて水を加温するバイオガス給湯装置と、水流により発酵液を撹拌する水流攪拌手段と、自然エネルギー発電装置と、上記自然エネルギー発電装置により生成した電力エネルギーを蓄電する蓄電池とを備え、
メタン発酵処理に要するすべてのエネルギーを自然エネルギーと上記バイオガスとによる内部エネルギーから供給することが可能な独立電源制御ユニットを備える、メタン発酵処理システムを提供する。

発酵槽の加温等には温水が使用される。上記一実施形態では、有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを用いて水を加温するバイオガス給湯装置を備え、当該バイオガス給湯装置により上記温水を作製することができる。また、上記一実施形態では、自然エネルギー発電装置と、上記自然エネルギー発電装置により生成した電力エネルギーを蓄電する蓄電池とを備える。これにより、発酵液の送液等に使用されるポンプの動力として自然エネルギー発電装置により生成または蓄電池に蓄電された電力エネルギーを使用することができる。また、水流撹拌手段を備えることで、発酵液の攪拌を無動力または最小限の動力で行うことができる。そして、メタン発酵処理に要するすべてのエネルギーを自然エネルギーと上記バイオガスとによる内部エネルギーから供給することが可能な独立電源制御ユニットを備えることで、外部電力を使用せずに上記メタン発酵処理システムを運転することができる。このような本発明の一実施形態によれば、運転時のエネルギーを低減しつつ、効率よくメタン発酵処理を行うことができ、小型化が可能であるメタン発酵処理システムを提供することができる。

また、本発明の他の一実施形態は、発酵槽において有機性廃棄物を発酵するメタン発酵処理システムであり、
有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを上記発酵槽内の内圧を高めて発酵液に溶解させ、任意の圧力以上になると圧力を開放し、上記発酵液中に溶存した上記バイオガスを気化させ、気化した上記バイオガスが上記発酵液中を拡散および／または浮上することで上記発酵液の流動性を高めるガス溶解攪拌手段を備える、メタン発酵処理システムを提供する。

上記ガス溶解攪拌手段では、有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを上記発酵槽内の内圧を高めて発酵液に溶解させ、任意の圧力以上になると圧力を開放させる。そしてこれにより、上記発酵液中に溶存した上記バイオガスを気化させ、気化した上記バイオガスが上記発酵液中を拡散および／または浮上することで、上記発酵液を撹拌することができる。このようなガス溶解攪拌手段によれば、発酵液の攪拌を無動力または最小限の動力で行うことができ、運転時のエネルギーを低減しつつ、小型化に有用な撹拌手段を備えるメタン発酵処理システムを提供することができる。

また、本発明のさらに他の一実施形態は、有機性廃棄物を投入槽から発酵槽に投入し、上記発酵槽において上記有機性廃棄物を発酵するメタン発酵処理システムであり、
下記（ｉ）および／または（ii）の、水流により発酵液を撹拌する水流攪拌手段を備える、メタン発酵処理システムを提供する。また、本実施形態以外の実施形態においても上記水流撹拌手段を備えることが好ましい。
（ｉ）発酵槽から上記投入槽へ発酵液を返送して発酵液を水流撹拌する手段
（ii）連通管で接続した複数の発酵槽を備え、上記複数の発酵槽の水位差によって少なくとも１つの発酵槽内の発酵液を水流攪拌する手段

上記水流攪拌手段では、投入槽および発酵槽、または、複数の発酵槽同士で液体を移送することで生じる水流を利用して発酵液を撹拌することができる。このような水流攪拌手段によれば、発酵液の攪拌を無動力または最小限の動力で行うことができ、運転時のエネルギーを低減しつつ、小型化に有用な撹拌手段を備えるメタン発酵処理システムを提供することができる。

上記メタン発酵処理システムは、上記（ｉ）の水流攪拌手段を備え、上記投入槽および上記発酵槽を投入ラインと返送弁を介した返送ラインとで接続し、
上記有機性廃棄物を上記投入槽に投入することと、上記返送弁が開いて上記発酵槽内の発酵液が上記返送ラインを通じて上記投入槽に返送することとにより上記水流を発生させて上記水流攪拌を実施することが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、上記（ii）の水流撹拌手段とを備えていてもよく、この場合、上記複数の発酵槽は、上記投入槽と投入ラインで接続した第一発酵槽と、上記第一発酵槽よりも下流に位置する第二発酵槽とを有し、
上記投入槽および上記第二発酵槽を、返送弁を介した返送ラインで接続し、
上記返送弁が開いて上記第二発酵槽内の発酵液が上記返送ラインを通じて上記投入槽に返送され、上記返送により上記投入槽内の発酵液の容積が任意の値になると上記投入ラインを経て上記投入槽から上記第一発酵槽へ上記有機性廃棄物を投入することで、上記投入槽、上記第一発酵槽、および上記第二発酵槽の間で上記水位差を発生させて上記水流攪拌を実施することが好ましい。

上記投入ラインを介して上記投入槽と接続した発酵槽内における上記投入ラインの吐出口は上記発酵槽内の発酵液の中に設置されていることが好ましい。

上記投入ラインはサイフォン現象を防止するためのサイフォンブレイク機能を備え、上記サイフォンブレイク機能は上記有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを使用することが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、上記有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを保管するガスホルダーと、上記発酵槽の上記バイオガスを上記ガスホルダーに移送するためのガスラインとを備え、
上記ガスライン上に自動開閉弁を備えることが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、上記発酵槽内の圧力が１０ｋＰａ未満では上記自動開閉弁は閉じ、圧力が１０ｋＰａ以上になると上記自動開閉弁が開く、自動制御手段を備えることが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、上記発酵槽内の気相部分に、上記ガスホルダーに貯留しているバイオガスを移送させ、上記発酵槽の内圧を高める内圧上昇期を備えることが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、太陽熱により水を加温して温水を作製する太陽熱温水装置を備え、上記温水を温水配管に供給して上記発酵槽を加温することが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは、難分解性固形物の除去を行う異物除去装置を備えることが好ましい。

上記バイオガス給湯装置により加温した温水を温水配管に供給して上記発酵槽を加温することが好ましい。

上記メタン発酵処理システムは連通管で接続した複数の発酵槽を備え、上記水流攪拌手段は、上記複数の発酵槽の水位差によって少なくとも１つの発酵槽内の発酵液を水流攪拌することが好ましい。

上記蓄電池に蓄電した上記電力エネルギーを、上記メタン発酵処理システムのポンプ、粉砕機、および電子制御システムからなる群より選択される１以上のシステムのエネルギーとして使用することが好ましい。

本発明のメタン発酵処理システムによれば、運転時のエネルギーを低減しつつ、効率よくメタン発酵処理を行うことができ、小型化が可能である。また、本発明の他のメタン発酵処理システムによれば、運転時のエネルギーが低減され、小型化に有用である。

本発明の一実施形態に係る、ガス溶解攪拌手段を実施しない場合のメタン発酵処理システムのフロー図である。 本発明の一実施形態に係る、ガス溶解攪拌手段を実施する場合のメタン発酵処理システムのフロー図である。 有機性廃棄物投入期におけるガスラインの一実施形態を示すフロー図である。 ガス溶解攪拌手段の一実施形態を示す実施フロー図である。 実施例１のメタン発酵処理システムのフロー図である。 実施例２のメタン発酵処理システムのフロー図である。

［メタン発酵処理システム］
図１は、本発明の一実施形態に係るメタン発酵処理システムの基本的構成を模式的に示した図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係るメタン発酵処理システムは、水槽１、投入槽２、第一発酵槽３、第二発酵槽４、液肥タンク５、第一ガスホルダー６、第二ガスホルダー７、太陽熱温水装置８、バイオガス給湯装置９、温水槽１０、および粉砕機１１を備える。その他、異物除去装置、ガス精製装置、自然エネルギー発電装置、バイオガス発電装置、および蓄電池を備えていてもよい。

従来であれば小型の装置でメタン発酵処理を行うのに多くのエネルギーが必要であったが、本発明のメタン発酵処理システムによれば、給湯装置を用いてバイオガスから作った温水、または太陽熱温水装置で製造した温水を発酵槽の加温に使用することでヒーターが不要、バイオガスによるガス溶解攪拌や水流攪拌によって撹拌機が不要、等、省エネルギーでメタン発酵処理を行うことが可能となる。また、その他にかかる電力は自然エネルギーから供給するシステムを構築しており、外部電源を必要としないため、ランニングコストの低下や設置場所の制限を最小限にすることができる。このため、本発明のメタン発酵処理システムは、小型であることが好ましい。なお、本明細書において、小型のメタン発酵処理システムとは、発酵槽の総容積が５ｍ³以下のものをいう。

まず、有機性廃棄物１２を粉砕機１１に投入する。ここで、有機性廃棄物とは、家庭から出る生ごみ、学校・事業所からの食品残渣、食品工場廃棄物、し尿廃棄物、下水汚泥、生分解性プラスチック等、微生物によって容易に分解されるものをいう。投入された有機性廃棄物は、粉砕機１１を経て投入槽２に投入される。粉砕された有機性廃棄物の大きさは、特に限定されないが１０ｍｍ以下が好ましい。発酵槽で分解されやすいという観点では、より好ましくは５ｍｍ以下である。粉砕機１１は、ハンマー式が好ましい。ハンマー式であれば、繊維物が詰まる危険性が低く噛みこみにくい利点がある。

粉砕された有機性廃棄物は、水槽１からポンプ（給水ポンプ）Ｐ１により送液される水と混合して配管１３を通じて投入槽２に送られ、貯留される。粉砕機１１で粉砕される時に、移送性を上げるために水槽１からの水も粉砕機１１に投入される。有機性廃棄物と水の体積割合は特に限定されないが、１：１程度が好ましい。給水は、粉砕機１１の粉砕室に直接投入してもよいし、投入口から給水してもよい。自動投入でもいいし、手動投入でもよい。粉砕と同時に給水することで、粉砕機１１への負荷を低減することができる。粉砕後、投入槽２に送るときの配管１３の内径は、特に限定されないが、５０ｍｍ以上であることが好ましい。５０ｍｍより小さいと粉砕後の有機性廃棄物が詰まる可能性がある。配管長は、短い方がよい。長いと、有機性廃棄物を移送するのに多量の水が必要になる。粉砕機の振動を吸収するために、配管の素材は、振動を吸収しやすい素材がよい。移送性を上げるために配管１３の内側には突起がないことが好ましい。

投入槽２には液面センサーを設けるとよい。液面センサーは、超音波式、電極式、圧力式等が挙げられる。夾雑物の影響を受けないという点で、超音波式が望ましい。

投入槽２に貯留された、有機性廃棄物および水の混合物は、ポンプＰ２により投入ライン１４を通じて第一発酵槽３に投入される。また、上記混合物は、ポンプＰ２により投入ライン１４を通じて、第一発酵槽３よりも下流に位置する第二発酵槽４に投入されてもよい。例えば、上記混合物を、基本的には投入槽２からポンプＰ２によって第一発酵槽３に投入し、定期的に第二発酵槽４に投入してもよい。このようにすることで、第二発酵槽４の上層部にスカムが発生している場合に、有機性廃棄物の投入の衝撃によってそのスカムを破壊することができる。第二発酵槽４の上層部にスカムが発生してしまうと、液肥タンク５の配管の詰まりが生じてしまうことがある。例えば、タイムスイッチ等で定期的に経路変更弁３０を切り替え、上記混合物の移送先を第一発酵槽または第二発酵槽に切り替えることが可能な仕様にしてもよい。上記混合物を第二発酵槽４へ投入するタイミングや回数は特に限定されず、状況に応じて適宜設定することができる。

ポンプＰ２は固形分濃度の高い液体を送るのに適したポンプが好ましい。吸い込み口が底面に接していると、沈降した有機性廃棄物が詰まりやすいため、吸い込み口が底面より５ｃｍ以上高いことが好ましい。ポンプＰ２により、投入槽２内の有機性廃棄物を発酵槽へ投入する際、投入槽２の液面の高さは、ポンプＰ２が大気を吸い込まない程度の任意の値に設定するとよい。投入槽２は粉砕機１１を介して有機性廃棄物と一緒にガスが流入する仕様になっているが、ポンプＰ２が大気を吸い込まない仕様にすることで、投入ライン１４以降の発酵槽等を全て嫌気性に保持することができ、効率的なメタン発酵を行うことができる。投入ライン１４を経て移送された有機性廃棄物は第一発酵槽３に投入される。

投入ライン１４の吐出口は、移送される発酵槽（例えば第一発酵槽３）内の発酵液（発酵液相内）の中に設置されている。上記吐出口が発酵液の液面より上であると、ポンプＰ２で移送された有機性廃棄物が液面にたたきつけられ、流速が弱まり、発酵液を水流によって攪拌する効果が低減する。一方、上記吐出口が発酵液相内に設置されることで水流攪拌の効果をより高めることができる。さらに水流攪拌の効果を高めるために、上記吐出口は、発酵液を攪拌するという点で発酵槽内の中央付近にあることが好ましい。

投入ライン１４は、サイフォン現象を防止するためのサイフォンブレイク機能（サイフォンブレイク構造）を備える。上記サイフォンブレイク構造は、例えば投入ライン１４と脱硫後のガスヘッダー２０とを逆止弁を介して接続したものである。上記サイフォンブレイク機能は上記有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを使用することができる。サイフォンブレイク機能により、ポンプＰ２での送液が完了した際、配管内が正圧から負圧になりバイオガスが引き込まれてサイフォンブレイクする。サイフォンブレイクにバイオガスを使用することで、メタン発酵処理システムの嫌気性を保持することができる。

発酵槽は、１つのみ備えていてもよいし、複数を備えていてもよい（多槽式発酵槽）。図１では、発酵槽は第一発酵槽３および第二発酵槽４から構成される。発酵槽は、このように、粗大有機物の分解を行う１槽目（例えば第一発酵槽３）と、上記１槽目で分解された微細有機物の分解を行う２槽目以上（例えば第二発酵槽４）とを備える多槽式であることが好ましい。多槽式発酵槽の場合、複数の発酵槽は、直列配置（例えば、上記混合物を投入槽２から第一発酵槽３へ投入可能であり、第一発酵槽３から第二発酵槽４へ移送可能である配置）されていてもよいし、並列配置（例えば、上記混合物を投入槽２から第一発酵槽３および第二発酵槽４の両方へ投入可能である配置）されていてもよいし、これらの組み合わせであってもよい。

多槽式発酵槽の場合、連続する発酵槽同士、例えば１槽目の発酵槽と２槽目の発酵槽とは、連通管で接続されている。具体的には例えば、第一発酵槽３と第二発酵槽４とは連通管１６，１７で接続されている。投入ライン１４を経て投入された有機性廃棄物は連通管１６，１７を経て第一発酵槽３から第二発酵槽４へ移送される。水位差による水流攪拌効果をより発揮するためには、上記連通管は１つであることが好ましいが、２つ以上でもよく、特に限定されない。

第一発酵槽３および第二発酵槽４では、有機性廃棄物が分解され、バイオガスが生成する。第一発酵槽３および第二発酵槽４等の発酵槽で発生したバイオガスは、ガスライン１８，１９を通じてガスヘッダー２０に送られ、第一ガスホルダー６および第二ガスホルダー７に貯留される。バイオガスは、ガスライン１８，１９からガスヘッダー２０の間を通る際、結露塔および脱硫剤を通過することで水および硫黄成分を除去されてもよい。ガスホルダーは、１つのみ備えていてもよいし、複数を備えていてもよく、貯留されるバイオガスの量に応じて適宜設定できる。

投入槽と発酵槽とは、発酵槽から投入槽へ発酵液を返送する返送ラインを備えることが好ましい。例えば、粉砕機を稼働させると、投入槽と発酵槽とを接続している返送ラインの返送弁が開き、発酵槽内の発酵液が投入槽に返送される。粉砕機の運転が完了し、投入槽内の容積が任意の値になると、投入槽内に設置されたポンプが稼働し、投入ラインを経て投入槽から発酵槽へ有機性廃棄物を投入する。この例では、粉砕機１１と返送弁３１とを連動させて返送弁３１を自動開閉させる例を挙げたが、このような態様には限定されず、例えば、投入槽の重量を検知して返送弁と連動させてもよいし、投入槽の水位を検知して返送弁と連動させてもよく、その他のセンシングと返送弁とを連動させてもよい。このように発酵槽から投入槽への返送と、投入槽から発酵槽へ投入されることで水流攪拌を実施し、発酵槽内の攪拌機を不要とすることができる。

また、例えば発酵液の容量が多い場合、あるいはさらに水流攪拌効果を高める必要がある場合は、発酵槽を２つ以上の多槽式にし、複数の発酵槽を連通管で接続するとよい。例えば、図１のように発酵槽が２つの場合、投入槽２と第二発酵槽４とは、第二発酵槽４から投入槽２へ発酵液を返送する返送ライン１５を備える。有機性廃棄物の投入時、粉砕機１１を稼働させると、投入槽２と第二発酵槽４とを接続している返送ライン１５の返送弁３１が開き、第二発酵槽４内の発酵液が投入槽２に返送される。粉砕機１１の運転が完了したら、返送弁３１が閉じて、返送が終わる。返送時、第二発酵槽４内の発酵液が減少することで、第一発酵槽３と第二発酵槽４との水位差が発生する。第二発酵槽４からの返送で投入槽２内の容積が任意の値になると、投入槽２内のポンプＰ２が稼働し、投入ライン１４を経て投入槽２から第一発酵槽３へ有機性廃棄物を投入する。第一発酵槽３へ有機性廃棄物が投入されることで、第一発酵槽３と第二発酵槽４との水位差がさらに発生する。水位差によって、第一発酵槽３の発酵液が連通管１６，１７を通じて第二発酵槽４へ勢いよく移送され、発酵液が攪拌される。少なくとも一つの連通管（例えば連通管１６）の接続位置は、第一発酵槽３および第二発酵槽４の下部が好ましい。発酵槽下部に接続することで、第一発酵槽３から第二発酵槽４へ移送される発酵液の流量が上がり、攪拌効果を高めることができる。またこの場合も、粉砕機１１と返送弁３１とを連動させて返送弁３１を自動開閉させる例には限定されず、各種センシングと返送弁とを連動させてもよい。

このように、第二発酵槽４から投入槽２への返送と、投入槽２から第一発酵槽３への投入とで、第一発酵槽３から第二発酵槽４へ連通管１６，１７を通じて発酵液の移送が起こり、第一発酵槽３および第二発酵槽４ともに、発酵槽内部の発酵液を水流攪拌させることができる。また、上述の水位差による水流攪拌を行うことで、さらに攪拌効果を高めることができ、発酵槽内に撹拌機を設置することなく、発酵液の攪拌を行うことができる。このため、撹拌機不要の省電力システムを実現することができる。

本発明の一実施形態に係るメタン処理発酵システムは、水流により発酵液を撹拌する水流攪拌手段を備える。上記水流撹拌手段としては、例えば、上述のように、（ｉ）発酵槽から投入槽へ発酵液を返送して発酵液を水流撹拌する手段、（ii）連通管で接続した複数の発酵槽を備え、上記複数の発酵槽の水位差によって少なくとも１つの発酵槽内の発酵液を水流攪拌する手段が挙げられる。

上記発酵槽が単槽である場合、上記（ｉ）の水流攪拌手段を備えることが好ましい。上記（ｉ）において、投入槽および発酵槽は、投入ラインと返送弁を介した返送ラインとで接続していることが好ましい。このような構造を有することで、上記有機性廃棄物を上記投入槽に返送することで上記返送弁が開いて上記発酵槽内の発酵液が上記返送ラインを通じて上記投入槽に返送される。そして上記発酵液の返送および上記有機性廃棄物の投入により水流を発生させて水流攪拌を実施することができる。

上記発酵槽が複数の発酵槽を備える多槽式である場合、上記（ii）の水流攪拌手段を備えることが好ましく、上記（ｉ）および（ii）の両方の水流攪拌手段を備えることがより好ましい。図１を参照して説明すると、上記（ii）において、上記複数の発酵槽は、投入槽２と、投入ライン１４で接続した第一発酵槽３と、第一発酵槽３よりも下流に位置する発酵槽である第二発酵槽４とを有する。投入槽２および第二発酵槽４は、返送弁３１を介した返送ライン１５で接続している。そして、粉砕機１１を稼働させる等のセンシングにより返送弁３１が開いて第二発酵槽４内の発酵液が返送ライン１５を通じて投入槽２に返送され、この返送により投入槽２内の発酵液の容積が任意の値になると投入ライン１４を経て投入槽２から第一発酵槽３へ上記有機性廃棄物が投入される。これにより、投入槽２、第一発酵槽３、および第二発酵槽４の間で水位差を発生させて水流攪拌を実施することができる。

発酵槽とガスホルダーとの接続態様は、特に限定されず、図１に示す態様であってもよいし、図２に示す態様であってもよい。図１は、ガス溶解攪拌手段を実施しない場合の発酵槽とガスホルダーとの接続形態を含むメタン発酵処理システムのフロー図であり、図２は、ガス溶解攪拌手段を実施する場合の発酵槽とガスホルダーとの接続形態を含むメタン発酵処理システムのフロー図である。

図２に示す実施形態では、第一発酵槽３および第二発酵槽４は、ガスラインＧ１を介して第一ガスホルダー６に接続している。ガスラインＧ１上には、圧力計、自動開閉弁２２を有する。また、第一発酵槽３および第二発酵槽４は、ガスラインＧ２を介して第二ガスホルダー７に接続している。ガスラインＧ２上には自動開閉弁２１を有する。また、第一発酵槽３および第二発酵槽４は、ガスラインＧ２上の自動開閉弁２１よりも手前の分岐からガスラインＧ３を介して第二ガスホルダー７に接続している。ガスラインＧ３上には、自動開閉弁２４およびポンプＰ４を有する。また、ガスラインＧ１とガスラインＧ２とはガスラインＧ４を介して接続している。ガスラインＧ４は、ガスラインＧ１上の自動開閉弁２２およびガスヘッダー２０の間に位置する分岐点と、ガスラインＧ２上の自動開閉弁２１およびガスラインＧ３に分岐する点の間に位置する分岐点とを接続している。ガスラインＧ４上には圧力調整弁２３および自動開閉弁２９を有する。

ガスラインＧ１は第一発酵槽３および第二発酵槽４から第一ガスホルダー６にガスを充填する際（例えば後述の有機性廃棄物投入期）に使用するガスラインである。ガスラインＧ３は第二ガスホルダー７から第一発酵槽３および第二発酵槽４の気相部にガスを移送する際（例えば後述のガス溶解攪拌手段）に使用するガスラインである。ガスラインＧ４は第二ガスホルダー７から第一発酵槽３および第二発酵槽４の気相部にガスを移送する際に気相部に移送されなかった余剰ガスを第一ガスホルダー６に移送するガスラインである。ガスラインＧ２は第一発酵槽３および第二発酵槽４の気相部のガスや発酵液に溶存しているガスを第二ガスホルダー７に充填する際に使用するガスラインである。

有機性廃棄物投入期におけるガスラインのフロー図を図３に示す。図３に示すように、有機性廃棄物投入期では、自動開閉弁２１および自動開閉弁２４は閉、自動開閉弁２２および自動開閉弁２８は開である。なお、有機性廃棄物投入期とは必要に応じて有機性廃棄物を粉砕して、投入槽２から発酵槽に投入する時期のことをいう。有機性廃棄物投入期は、例えば、９時～１８時等、メタン発酵処理システムの設置されている管理条件によって適宜選択できる。有機性廃棄物投入期は、ガス溶解攪拌手段を実施しない。このときに生成したバイオガスは、第一発酵槽３および第二発酵槽４から、ガスラインＧ１を経て第一ガスホルダー６に充填される。また、第一ガスホルダー６に充填される前に、脱硫装置および結露塔を経て、脱硫および水分除去されたバイオガスを第一ガスホルダー６に充填する。

本発明の一実施形態に係るメタン処理発酵システムは、有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを上記発酵槽内の内圧を高めて発酵液に溶解させ、任意の圧力以上になると圧力を開放し、上記発酵液中に溶存した上記バイオガスを気化させ、気化した上記バイオガスが上記発酵液中を拡散および／または浮上することで上記発酵液の流動性を高めるガス溶解攪拌手段を備える。

ガス溶解攪拌手段は、有機性廃棄物投入期以外の時間帯、例えば夜間に行うことが好ましいが、メタン発酵処理システムの設置されている管理条件によって適宜選択できる。有機性廃棄物の投入があると発酵槽の内圧を高め、バイオガスを発酵液に溶存させることが難しいためである。

ガス溶解攪拌手段は、発酵槽内の気相部分に、ガスホルダーに貯留しているバイオガスを移送させ、発酵槽の内圧を高める「内圧上昇期」、バイオガスを発生させ発生したバイオガスを発酵液に溶存させる「ガス溶存期」、発酵槽の圧力を開放し溶存したバイオガスを一気にガス化させ発酵液を攪拌させる「ガス開放攪拌期」から構成される。ガス溶解攪拌手段は、例えば、ガスラインＧ２、ガスラインＧ３、ガスラインＧ４、圧力計、自動開閉弁２１、自動開閉弁２４、自動開閉弁２９、圧力調整弁２３、ポンプＰ４、および第二ガスホルダー７からなる構成により実施することができる。なお、上記内圧上昇期は、発酵槽内の内圧を高めてガスが溶存しやすい状態にしてガス溶解を行って、より効率的なガス溶解攪拌を実施するために設けることができるものであり、上記ガス溶解撹拌手段において備えなくてもよい。

ガス溶解攪拌手段の実施フロー図を図４に示す。まず、「内圧上昇期」について説明する。有機性廃棄物投入期は、自動開閉弁２１および自動開閉弁２４は閉、自動開閉弁２２および自動開閉弁２８は開であるが、ガス溶解攪拌手段の稼働が開始されると、図４に示すように、自動開閉弁２２は閉、自動開閉弁２９は開、自動開閉弁２８は閉、経路変更弁３０は閉、自動開閉弁２４が開、ポンプＰ４がオンになり、第二ガスホルダー７に充填されていたバイオガスがガスラインＧ３を経て第一発酵槽３および第二発酵槽４の気相部に充填される。ガスラインＧ４に接続している圧力調整弁２３の設定圧力は、特に限定されないが、例えば自動開閉弁２１が開く圧力より低い値に設定することが好ましい。この場合、バイオガスが第一発酵槽３および第二発酵槽４に移送され第一発酵槽３および第二発酵槽４の内圧が高まり圧力が上記設定圧力以上になったら圧力調整弁２３が開き、第一ガスホルダー６に余剰ガスを移送する。第二ガスホルダー７のガスの移送が完了したらポンプＰ４を停止させる。第二ガスホルダー７のガス量とポンプＰ４の流量とから移送時間を試算し、ポンプＰ４を停止する。第一発酵槽３および第二発酵槽４内の圧力が上記設定圧力未満では圧力調整弁２３は閉じ、圧力が上記設定圧力以上になると自動開閉弁２３が開く自動制御手段を備えることが好ましい。このような構成であると、上記内圧上昇期を自動で完了させることができる。なお、圧力調整弁２３の設定圧力は、自動開閉弁２１が開く設定圧力、発酵液・発酵槽の容量、ガス溶解攪拌の実施回数等によって適時設定するとよい。

次に、「ガス溶存期」について説明する。第一発酵槽３および第二発酵槽４の内圧を高め、第二ガスホルダー７のガスの移送完了後、自動開閉弁２９および自動開閉弁２４を閉にする。これにより、第一発酵槽３および第二発酵槽４に接続される弁は全て閉じ、発酵液から新たに発生するバイオガスは内圧の高まりと同時に発酵液中に溶解していく。

次に、「ガス開放攪拌期」について説明する。ガス溶存期でバイオガスの発生により更に発酵槽の圧力が高まり、ガスラインＧ１に接続している圧力計の数値が１０ｋＰａ以上になったら、自動開閉弁２１を開にする。自動開閉弁２１の開と同時にガスラインＧ２を経て発酵槽内ガスが一気に第二ガスホルダー７に移送され第一発酵槽３および第二発酵槽４内の圧力が低下し、発酵液中に溶存していたバイオガスが、発酵液全体からガス化する。ガス化の衝撃とガス化したガスが発酵液内を浮上することで、発酵液全体の流動性が高まり攪拌が起こる。また、ガス開放攪拌期にて発生したバイオガスは発酵槽下部に沈殿した未分解有機物に付着し、これにより未分解有機物の比重が軽くなって発酵液内を浮上する。浮上後、ガスが気相部に移行するとガスが離れた未分解有機物は再度発酵槽下部に沈殿する。このようにガス開放により溶存ガスが気化することで、発酵液の沈殿物の上下攪拌が発生し、より攪拌効果が高まる。

自動開閉弁２１を開く際の圧力は１０～１００ｋＰａに設定する。上記圧力は、好ましくは２０～１００ｋＰａ、より好ましくは３０～６０ｋＰａである。１０ｋＰａ以上であれば、発酵液をより充分に攪拌することができる。３０ｋＰａ以上であれば、発酵液全体をよりいっそう充分に攪拌することができる。また、１００ｋＰａ超のように圧力を高めすぎると発酵槽への負荷が大きくなる、また、ガス開放時にガスと発酵液が一緒に噴出してしまう危険性もある。よって、１０～１００ｋＰａが好ましい。発酵槽はこの圧力に耐えることのできるタンクを選定するとよい。

なお、ガス開放攪拌期では、ガスラインＧ２を通じて第二ガスホルダー７にバイオガスを移送する例を示したが、これと共に、あるいはこれに代えて、ガスラインＧ４およびガスラインＧ１を通じて第一ガスホルダー６にバイオガスを移送してもよい。ガスラインＧ４およびガスラインＧ１を使用する場合、自動開閉弁２９を開にしてもよい。しかし、第一ガスホルダー６と発酵槽とを接続するガスラインＧ１上には脱硫装置などが存在するため、例えばガス開放攪拌期にガスラインＧ１を使用してバイオガスを移送したときに、脱硫装置などの抵抗によってガスが一気に第一ガスホルダー６に抜けず、ガス開放による攪拌能力の低下につながる。このため、ガス開放攪拌期において第一ガスホルダー６を使用する場合、第二ガスホルダー７とともに使用することが好ましい。自動開閉弁２９が開く際の圧力は、自動開閉弁２１を開く際の圧力と同じであってもよいし、高くてもよい。第二ガスホルダー７とともに第一ガスホルダー６を使用することで、ガスホルダー７に入りきらなかった余剰ガスを第一ガスホルダー６に貯留することができる。

自動開閉弁２１を開にしてバイオガスのガス化、浮上、拡散攪拌が完了したら、自動開閉弁２１を閉にする。バイオガスのガス化、浮上、拡散攪拌が完了による自動開閉弁２１の閉は時間制御によって行うとよい。バイオガスのガス化、浮上、拡散攪拌が完了に要する時間は、発酵槽の大きさ、発酵液の量等によるので、事前に確認して任意の値に設定するとよい。

自動開閉弁２１を閉にし、自動開閉弁２４を開にして、再び「内圧上昇期」に移行し、「内圧上昇期」、「ガス溶存期」、「ガス開放攪拌期」の一連のフローを繰り返す。図２に示すように、ガス溶解攪拌手段において、第一発酵槽３および第二発酵槽４と第二ガスホルダー７とを接続するガスラインは、ガス開放期に使用するガスラインＧ２と、内圧上昇期に使用するガスラインＧ３とを設ける。ガス開放期では発酵槽内のガスを一気にガスホルダーに移送、圧力を低下させることが重要である。そうすることで、勢いよく発酵液中の溶存ガスが気化し攪拌力が高まる。ガスラインＧ２とガスラインＧ３とを１つのガスラインに集約してしまうと、ガスライン中のポンプの抵抗によりガス化の勢いが弱くなり攪拌能力の低下につながる。そのため、ガスラインＧ２、ガスラインＧ３は別々に設置するとよい。

ガス溶解攪拌手段の稼働期から有機性廃棄物投入期に切り替える際は、ガス開放撹拌期を経て、自動開閉弁２１を閉、自動開閉弁２４を閉、自動開閉弁２２を開、自動開閉弁２８を開、経路変更弁３０を開にする。この時、第二ガスホルダー７にはガスが貯留されたままであるが、このガスは再びガス溶解攪拌手段で発酵槽の内圧を高めるときに使用する。また、一連のガス溶解攪拌手段を稼働させる際は、発酵槽と液肥タンク５とを接続するオーバーフロー管２５の自動開閉弁２８を閉にしておく。オーバーフロー管２５の開閉弁２８を開の状態でガス溶解攪拌手段を稼働させると、発酵槽内の圧力の上昇とともに発酵液がオーバーフロー管２５から流出してしまうためである。また一連のガス溶解攪拌手段を稼働させる際は、投入ライン１４の経路変更弁（四方弁）３０を閉にする。投入ライン１４の経路変更弁３０を開の状態でガス溶解攪拌手段を稼働させると、発酵槽内の圧力の上昇とともに発酵液が投入ライン１４を通じて投入槽２に逆流してしまうためである。

なお、第一ガスホルダー６に充填されたバイオガスは、図１および図２に示すように、ガスヘッダー２０から、ガスライン２６を経由し、ガス精製装置を経て、バイオガス給湯装置９、バイオガス発電装置等、公知乃至慣用の利用方法で利用することができるし、ガスライン２７を経て投入ライン１４内のサイフォンブレイク装置に送ることもできる。また、第二ガスホルダー７等の第一ガスホルダー６以外のガスホルダーや、複数のガスホルダーに充填されたバイオガスを脱硫装置、結露塔を経て上述のようにして利用してもよい。

上記ガス溶解攪拌手段および上記水流撹拌手段の両方を備える場合、発酵槽内に撹拌機を設置しなくても、発酵液をより充分に攪拌することができ、メタン発酵処理システムの省電力化を実現することができる。

粉砕機１１、投入槽２、第一発酵槽３、および第二発酵槽４の設置高さは特に限定されないが、漏洩防止のため、粉砕機１１の投入口と投入槽２とは第一発酵槽３および第二発酵槽４の液面以上の高さが好ましい。小型のメタン発酵処理システムは、プラントのように特定の管理者が常駐してない場合も多く、漏洩リスクはできだけ少ない構造であることが望ましい。

発酵槽内の発酵液は最適なメタン発酵を行うために加温されることが望ましい。例えば中温発酵では、３２～３７℃になることが望ましい。加温は、太陽熱温水装置８やバイオガス給湯装置９により加温された循環水（温水）を用いて行うことができる。太陽熱温水装置８は、太陽熱により水を加温して温水を作製する。太陽熱温水装置８やバイオガス給湯装置９により加温された循環水（温水）は、温水槽１０に貯留され、温水槽１０から発酵槽内にめぐらされた温水配管（図１および図２中、点線で示される線）を経て、熱交換が行われる。熱交換後の循環水は、再び太陽熱温水装置８やバイオガス給湯装置９に戻り、加温される。バイオガス給湯装置９は、メタン発酵により発生したバイオガスを燃焼させて、循環水を加温する。

バイオガスは、一般的にメタン濃度約６０％、二酸化炭素約４０％で構成されている。メタンガスは燃焼するが、二酸化炭素は燃焼しない。バイオガスはメタン濃度が６０％程度であるため、現在普及している都市ガス用コンロでは燃焼しにくい。バイオガス中の二酸化炭素を除去し、メタン濃度を上げると、より燃焼効率の良いガスが得られることになる。例えば、メタン濃度９０％程度まで精製すると都市ガス用コンロでも燃焼することができる。

バイオガス中の二酸化炭素を除去する方法としては、公知乃至慣用のバイオガス精製方法が挙げられる。バイオガス精製方法としては、例えば、アルカリ溶液にガスを通液させ、アルカリ溶液に二酸化炭素を溶解させて、溶解しなかったメタンガスだけを回収する方法が挙げられる。アルカリ溶液は、特に限定されないが、取り扱いが容易という観点から、石灰水でもよい。石灰水と二酸化炭素とを反応させると、炭酸カルシウムが生成する。この炭酸カルシウムを含有した石灰水は、液肥と合わせて農地利用されることが好ましい。他にも、アルカリ溶液として、例えば、水酸化カリウム溶液が挙げられる。水酸化カリウム溶液と二酸化炭素とを反応させると、炭酸カリウムが生成する。これも肥料として、農地利用されることが好ましい。メタン濃度を何％まで精製するかは、濃縮ガスの用途、例えば、都市ガス用コンロで燃焼、バイオガス発電など、ガスの使用機器によって適時選択することができる。

第二発酵槽４および液肥タンク５はオーバーフロー管２５で接続される。メタン発酵後の発酵液はオーバーフロー管２５を経て液肥タンク５に貯留される。本液肥は、肥料としての有用成分を含有しているため、農地に施肥されるのが好ましい。近年、肥料成分の価格高騰も問題になっており、これら有機性廃棄物由来の肥料を使用することは、環境問題や資源循環だけでなく経済的にも大きなメリットがある。

第二発酵槽４と投入槽２とを接続している返送ライン１５に、異物除去装置を設けていてもよい。ここでいう異物とは、生分解性でないプラ片やシール、発酵に適していない（発酵に時間を要する）種や繊維物等の難分解性固形物のことをいう。特に繊維物は、発酵液に含有していると、スカム層の発生の原因になるので、定期的に除去するとよい。

異物除去装置は、特に限定されないが、返送ライン１５を分岐させ、一方にストレーナーを設置してもよい。通常の運用時は、ストレーナーの設置していない返送ライン１５を発酵液が循環し、メンテナンス時は切り替えて、ストレーナーの設置した配管を通るようにし発酵液中の異物を除去するとよい。

また、スカム層の発生抑制に、発酵液に消泡剤を添加してもよい。本明細書では、スカムとは未分解有機物がバイオガスと一緒に浮上し、厚い膜状になったものをいう。消泡剤を添加することで、スカム中の気泡を破壊し、未分解有機物の浮上を防ぎ未分解有機物の発酵を促進する。

上記メタン発酵処理システムは、自然エネルギー発電装置を備えていてもよい。自然エネルギー発電装置により生成した電力エネルギーを上記メタン発酵処理システムにおける各種装置や手段の動力として使用することができる。上記メタン発酵処理システムにおいて電力エネルギーを消費するものは、有機性廃棄物を粉砕する粉砕機１１、水槽１内に設置される給水用のポンプＰ１、投入槽２内に設置され投入槽２から第一発酵槽３へ混合物を移送するポンプＰ２、太陽熱温水装置８やバイオガス給湯装置９から温水配管へ温水を移送するポンプＰ３、図２に示すようなガス溶解攪拌手段中のポンプＰ４、電子制御システムである。

上記自然エネルギー発電装置としては、太陽光発電装置、風力発電装置、地熱発電装置など公知乃至慣用のものが挙げられる。中でも、小型で充分な電力エネルギーを生成できる観点から、太陽光発電装置が好ましい。太陽光発電装置は、例えば、メタン発酵処理システムの上部、または壁面に設置するとよい。太陽光発電装置の大きさや容量は、メタン発酵処理システムの大きさや消費電力量等を試算して、適時選択するとよい。メタン発酵処理システムの消費電力量が大きいと、メタン発酵処理システムに設置できないほどの大きな太陽光発電装置が必要になるが、本メタン発酵処理システムでは、消費電力量が従来よりも少ないため、小型のメタン発酵処理システムに設置できるスペースの太陽光発電装置による発電で電力需給バランスを成立させることができる。また、太陽光発電は、天候によって発電量が左右されるため、メタン発酵処理システムに電力を安定供給するために蓄電池も備えることが好ましい。上記蓄電池に蓄電した上記電力エネルギーを、上記メタン発酵処理システムのポンプ、粉砕機、および電子制御システムからなる群より選択される１以上のシステムのエネルギーとして使用することができる。

上述のように、本メタン発酵処理システムでは、太陽熱温水装置８による温水用の熱エネルギー、バイオガス給湯装置９による温水用の熱エネルギー、自然エネルギー発電装置による電力エネルギー、バイオガス発電装置による電力エネルギー、およびメタン発酵時に生成するバイオガスが、供給エネルギーとして生成される。これらの供給エネルギーでメタン発酵処理に要するエネルギーを全てまかなうことができる。このように、本メタン発酵処理システムは、メタン発酵処理に要するすべてのエネルギーを自然エネルギーと上記バイオガスとによる内部エネルギーから供給することが可能な独立電源制御ユニットを備える独立電源制御ユニットを備える。

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１
図５に、実施例１のメタン発酵処理システムのフロー図を示す。図５に示すように、実施例１のメタン発酵処理システムは、水槽１、粉砕機１１、投入槽２、第一発酵槽３，第二発酵槽４、液肥タンク５、第一ガスホルダー６、バイオガス給湯装置９、太陽光発電装置、および蓄電池を備える。実施例１では、家庭から排出される生ごみを、２槽式メタン発酵処理システムで処理した場合について記す。

第一発酵槽３および第二発酵槽４の容量は各１ｍ³、１日の生ごみ投入可能量は３５ｋｇ／日であり、１日３５ｋｇの生ごみを投入したときのバイオガス発生量は３ｍ³／日である。第一発酵槽３、第二発酵槽４、および生ごみを投入するタンクを直列に設置し、第一ガスホルダー６を発酵槽の上部、バイオガス給湯装置９を発酵槽の側面に設置した。この時のメタン発酵処理システムは、水槽１、粉砕機１１、投入槽２、第一発酵槽３、第二発酵槽４、第一ガスホルダー６、バイオガス給湯装置９、液肥タンク５、蓄電池、それらに付随するポンプや配管、および電子制御装置を含み、大きさは横４，５００ｍｍ、高さ２，４００ｍｍ、奥行２，０００ｍｍであり、流通している小型のメタン発酵処理システムの中でもかなり小型のメタン発酵処理システムといえる。この小型のメタン発酵処理システムを電源の整備されていない空き地に設置し、生ごみを投入しメタン発酵させた。発酵槽内部には撹拌機を設置せず、上記（ｉ）および（ii）の水流攪拌手段による、水位差による水流攪拌によって発酵液を分散させた。また、発生したバイオガスを燃焼させて水を加温して温水を作製し、発酵液の加温に使用した。小型メタン発酵処理システムの屋根には太陽光発電装置を設置し、得られた電力エネルギーを粉砕機１１等のエネルギーとして使用した。太陽光発電装置の大きさは小型メタン発酵処理システムの屋根の上に載せることのできる物として、パネルの大きさ３ｍ²程度のものを選定した。水位差による水流攪拌は、生ごみの投入ごとに実行されるプロセスとしているため、生ごみの１回の投入量を約５００ｇとして、１日７０回実施した。上記水流攪拌により、発酵液は充分に分散され、スカムの発生および配管詰まり等はなく、メタン発酵も問題なく行われ２４時間で３ｍ³のバイオガスが製造できた。生成したバイオガスをガス濃度計で測定したところ、メタン濃度５９．５％であった。バイオガスの燃焼により製造した温水は、発酵液の加温に使用し、発酵液の温度を終日３５～３７℃に保持することができた。太陽光発電により発電した電力量は２ｋＷｈであり、メタン発酵処理システムの粉砕機およびポンプ等を稼働させるエネルギーとして使用した。実施例１における１日の電力供給量・消費量を表１に記す。

実施例１のメタン発酵処理システムにおいて、水位差による水流攪拌を導入することで撹拌機が不要となり、バイオガス給湯装置９を導入することで加温ヒーターが不要となり、システムの省電力化を実現し、メタン発酵により生成したバイオガスおよび太陽光発電によって得られた電力のみ（すなわち独立電源）で、小型のメタン発酵処理システムの安定稼働を実現できた。システムの省電力化により、需要電力量を最小化にすることで電力供給源である太陽光発電パネルの規模を小さくできるという利点がある。これにより、イニシャルコストの低減、太陽光パネルは小型のメタン発酵処理システムの屋根の面積に載せて一体化することができ、さらなる装置の小型化に寄与している。

実施例２
図６に、実施例２のメタン発酵処理システムのフロー図を示す。図６に示すように、実施例１のメタン発酵処理システムは、水槽１、粉砕機１１、投入槽２、第一発酵槽３、液肥タンク５、第一ガスホルダー６、第二ガスホルダー７、バイオガス給湯装置９、太陽光発電装置、および蓄電池を備える。実施例２では、家庭から排出される生ごみを、１槽式メタン発酵処理システムで処理した場合について記す。

第一発酵槽３の容量は１ｍ³、１日の生ごみ投入可能量は１７ｋｇ／日であり、１日１７ｋｇの生ごみを投入したときのバイオガス発生量は１．５ｍ³／日である。第一発酵槽３および生ごみを投入するタンクを直列に設置し、第一ガスホルダー６を発酵槽の上部、バイオガス給湯装置９を発酵槽の側面に設置した。この時のメタン発酵処理システムは、液肥タンク以外の、水槽１、粉砕機１１、投入槽２、第一発酵槽３、第一ガスホルダー６、第二ガスホルダー７、バイオガス給湯装置９、液肥タンク５、蓄電池、それらに付随するポンプや配管、および電子制御装置を含み、大きさは横３，５００ｍｍ、高さ２，４００ｍｍ、奥行１，７００ｍｍであり、流通している小型のメタン発酵処理システムの中でもかなり小型のメタン発酵処理システムといえる。この小型のメタン発酵処理システムを電源の整備されていない空き地に設置し、生ごみを投入しメタン発酵させた。発酵槽内部には撹拌機を設置せず、有機性廃棄物投入および第一発酵槽３から投入槽２への返送ラインによる水流攪拌（上記（ｉ）の水流攪拌手段）と、ガス溶解攪拌手段とによって発酵液を分散させた。また、メタン発酵処理システムの屋根には、太陽熱温水装置８を設置し、製造した温水は発酵槽の加温に使用した。また、発生したバイオガスを燃焼させて水を加温して温水を作製し、発酵液の加温に使用した。加温停止状態では発酵液の放熱温度は４℃であったが、太陽熱温水装置８の温水とバイオガス給湯装置９の温水とで発酵液を加温することで、発酵液の温度を３５～３７℃に保つことができた。寒冷地や冬季には発酵液の放熱温度が大きくなるため、バイオガスの燃焼による加温のみでは、発酵液の温度を維持できない場合は、太陽熱温水装置を追加することで、電力を必要としないメタン発酵処理システムを実施することができる。

小型メタン発酵処理システムの壁面には太陽光発電装置を設置し、得られた電力エネルギーを粉砕機１１等のエネルギーとして使用した。太陽光発電装置の大きさは小型メタン発酵処理システムの壁面に設置できる物として、パネルの大きさ１．５ｍ²程度のものを選定した。

ガス溶解攪拌手段は、生ごみの投入のない夜間（午後６時～午前８時）の間に実行した。午後６時になると、自動開閉弁２２，２８、経路変更弁３０を閉じ、自動開閉弁２４，２９を開け、第二ガスホルダー７と第一発酵槽３とを接続するガスラインＧ３を通じて、ポンプＰ４を用い第二ガスホルダー７中のバイオガスを第一発酵槽３に移送した。第一発酵槽３に設置している圧力計の数値が２５ｋＰａになるとポンプを停止させ、自動開閉弁２９が閉じ、第二ガスホルダー７と第一発酵槽３とを接続するガスラインＧ３の自動開閉弁２４が閉じ、バイオガスの移送を停止させた。第一発酵槽３内ではメタン発酵が進みバイオガスが生成するが、第一発酵槽３内の圧力が高いため、ガス化できず、一部発酵液中に溶存状態となった。圧力計の数値が３５ｋＰａになると自動開閉弁２１が開き、第一発酵槽３内の圧力を常圧に戻した。この時、発酵液中に溶存していたバイオガスが一気にガス化し、その衝撃で発酵液が分散され、ガスが発酵液下部から上部、気相部に移動して、発酵液全体を拡散した。ガス化したバイオガスは、ガスラインＧ２を通って第二ガスホルダー７に貯留された。再びポンプで第一発酵槽３にガスを移送し第一発酵槽３内の内圧を高めメタン発酵で生成したガスによる攪拌を行うガス溶解攪拌手段を繰り返し実施した。午後６時～午前８時の間に、ガス溶解システムは１０回実施した。ガス溶解攪拌手段によって、発酵液は攪拌され、スカムの発生、配管詰まり等はなく、メタン発酵も問題なく行われ２４時間で１．５ｍ³のバイオガスが製造できた。生成したバイオガスをガス濃度計で測定したところ、メタン濃度５９．５％であった。実施例２のように、実施例１のメタン発酵処理システムに更にガス溶解攪拌手段を追加することで、より発酵液の攪拌効果を高めることができ、安定的なメタン発酵を促進した。実施例２における１日の電力供給量・消費量を表２に記す。

実施例２のメタン発酵処理システムにおいて、返送ラインによる水流攪拌およびガス溶解攪拌手段を導入することで撹拌機が不要となり、太陽熱温水装置８およびバイオガス給湯装置９を導入することで加温ヒーターが不要となり、システムの省電力化を実現し、メタン発酵により生成したバイオガスおよび太陽光発電によって得られた電力のみ（すなわち独立電源）で、小型のメタン発酵処理システムの安定稼働を実現できた。システムの省電力化により、需要電力量を最小化にすることで電力供給源である太陽光発電パネルの規模を小さくできるという利点がある。これにより、イニシャルコストの低減、太陽光パネルは小型のメタン発酵処理システムの屋根の面積に載せて一体化することができ、さらなる装置の小型化に寄与している。

１ 水槽
２ 投入槽
３ 第一発酵槽
４ 第二発酵槽
５ 液肥タンク
６ 第一ガスホルダー
７ 第二ガスホルダー
８ 太陽熱温水装置
９ バイオガス給湯装置
１０ 温水槽
１１ 粉砕機
１２ 有機性廃棄物
１３ 配管
１４ 投入ライン
１５ 返送ライン
１６，１７ 連通管
１８，１９ ガスライン
２０ ガスヘッダー
２１，２２，２４，２８，２９ 自動開閉弁
２３ 圧力調整弁
２５ オーバーフロー管
２６，２７ ガスライン
３０ 経路変更弁
３１ 返送弁
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ ガスライン
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ ポンプ

Claims (16)

1. 有機性廃棄物を投入槽から発酵槽に投入し、前記発酵槽において前記有機性廃棄物を発酵するメタン発酵処理システムであり、
   下記（ｉ）および／または（ii）の、水流により発酵液を撹拌する水流攪拌手段を備える、メタン発酵処理システム。
   （ｉ）発酵槽から前記投入槽へ発酵液を返送して発酵液を水流撹拌する手段
   （ii）連通管で接続した複数の発酵槽を備え、前記複数の発酵槽の水位差によって少なくとも１つの発酵槽内の発酵液を水流攪拌する手段
2. さらに、有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを用いて水を加温するバイオガス給湯装置と、自然エネルギー発電装置と、前記自然エネルギー発電装置により生成した電力エネルギーを蓄電する蓄電池とを備え、
   メタン発酵処理に要するすべてのエネルギーを自然エネルギーと前記バイオガスとによる内部エネルギーから供給することが可能な独立電源制御ユニットを備える、請求項１に記載のメタン発酵処理システム。
3. 有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを前記発酵槽内の内圧を高めて発酵液に溶解させ、任意の圧力以上になると圧力を開放し、前記発酵液中に溶存した前記バイオガスを気化させ、気化した前記バイオガスが前記発酵液中を拡散および／または浮上することで前記発酵液の流動性を高めるガス溶解攪拌手段を備える、請求項１に記載のメタン発酵処理システム。
4. 発酵槽において有機性廃棄物を発酵するメタン発酵処理システムであり、
   有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを前記発酵槽内の内圧を高めて発酵液に溶解させ、任意の圧力以上になると圧力を開放し、前記発酵液中に溶存した前記バイオガスを気化させ、気化した前記バイオガスが前記発酵液中を拡散および／または浮上することで前記発酵液の流動性を高めるガス溶解攪拌手段を備える、メタン発酵処理システム。
5. 前記（ｉ）の水流攪拌手段を備え、前記投入槽および前記発酵槽は、投入ラインと返送弁を介した返送ラインとで接続し、
   前記有機性廃棄物を前記投入槽に投入することと、前記返送弁が開いて前記発酵槽内の発酵液が前記返送ラインを通じて前記投入槽に返送することとにより前記水流を発生させて前記水流攪拌を実施する、請求項１または３に記載のメタン発酵処理システム。
6. 前記（ii）の水流撹拌手段を備え、前記複数の発酵槽は、前記投入槽と投入ラインで接続した第一発酵槽と、前記第一発酵槽よりも下流に位置する第二発酵槽とを有し、
   前記投入槽および前記第二発酵槽を、返送弁を介した返送ラインで接続し、
   前記返送弁が開いて前記第二発酵槽内の発酵液が前記返送ラインを通じて前記投入槽に返送され、前記返送により前記投入槽内の発酵液の容積が任意の値になると前記投入ラインを経て前記投入槽から前記第一発酵槽へ前記有機性廃棄物を投入することで、前記投入槽、前記第一発酵槽、および前記第二発酵槽の間で前記水位差を発生させて前記水流攪拌を実施する、請求項１または２に記載のメタン発酵処理システム。
7. 前記投入ラインを介して前記投入槽と接続した発酵槽内における前記投入ラインの吐出口は前記発酵槽内の発酵液の中に設置されている、請求項５に記載のメタン発酵処理システム。
8. 前記投入ラインはサイフォン現象を防止するためのサイフォンブレイク機能を備え、前記サイフォンブレイク機能は前記有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを使用する、請求項５に記載のメタン発酵処理システム。
9. 前記有機性廃棄物の発酵により発生したバイオガスを保管するガスホルダーと、前記発酵槽の前記バイオガスを前記ガスホルダーに移送するためのガスラインとを備え、
   前記ガスライン上に自動開閉弁を備える、請求項３または４に記載のメタン発酵処理システム。
10. 前記発酵槽内の圧力が１０ｋＰａ未満では前記自動開閉弁は閉じ、圧力が１０ｋＰａ以上になると前記自動開閉弁が開く、自動制御手段を備える、請求項９に記載のメタン発酵処理システム。
11. 前記発酵槽内の気相部分に、前記ガスホルダーに貯留しているバイオガスを移送させ、前記発酵槽の内圧を高める内圧上昇期を備える、請求項１０に記載のメタン発酵処理システム。
12. 太陽熱により水を加温して温水を作製する太陽熱温水装置を備え、前記温水を温水配管に供給して前記発酵槽を加温する、請求項１～４のいずれか１項に記載のメタン発酵処理システム。
13. 難分解性固形物の除去を行う異物除去装置を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載のメタン発酵処理システム。
14. 前記バイオガス給湯装置により加温した温水を温水配管に供給して前記発酵槽を加温する、請求項２に記載のメタン発酵処理システム。
15. 連通管で接続した複数の発酵槽を備え、前記水流攪拌手段は、前記複数の発酵槽の水位差によって少なくとも１つの発酵槽内の発酵液を水流攪拌する、請求項１～３のいずれか１項に記載のメタン発酵処理システム。
16. 前記蓄電池に蓄電した前記電力エネルギーを、前記メタン発酵処理システムのポンプ、粉砕機、および電子制御システムからなる群より選択される１以上のシステムのエネルギーとして使用する、請求項２に記載のメタン発酵処理システム。