JPH11197696A - メタン発酵槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 嫌気性メタン発酵浄化法により糞等を含んだ
ままの有機廃棄物の浄化処理を低運用コストで実用可能
とするメタン発酵浄化槽の提供。 【解決手段】 メタン発酵槽１を密閉構造とし、内部で
のメタン発酵により発生するガスをその上部に貯留する
ガス貯留部と、該ガス貯留部の天井を貫通して下方に突
設されてさらに該ガス貯留部の内部に位置する端部の切
り口平面が水平にあり他の端部が前記メタン発酵槽１の
外部まで配設している噴出管２とを備えるよう構成され
る。この構成により、前記ガス貯留部に貯留されるガス
圧と処理液３の表面張力との相互作用によって、処理液
３・スカム４・生成ガス８が一体となって間欠泉のよう
に衝撃を伴う噴出が定期的に繰り返される現象が発生す
る。そしてこの衝撃的な噴出エネルギーにより発酵槽１
内部に発生するスカム４の定期的な除去が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、畜産業等からの有
機性廃棄物を処理する嫌気性発酵浄化システムに係り、
該嫌気性発酵システムで使用されるメタン発酵槽に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年畜産業における糞尿等の有機性廃棄
物処理が深刻な問題となっている。浄化槽設備等を使用
しない排出により、悪臭の発生、河川、地下水、海洋汚
染等の畜産公害を起こし周辺環境に悪影響を与えてい
る。

【０００３】そこで、畜産農家が負担可能な安価で維持
管理の簡単な糞尿処理設備が待望されており、その適切
な処理システムの一つとして嫌気式メタン発酵浄化槽を
用いた嫌気性メタン発酵浄化システムが提案されてい
る。

【０００４】このメタン発酵処理の基本的プロセスは図
４に示すようにメタン発酵槽を中心として、これに対す
る投入廃棄物の前処理、発酵槽運転条件の維持、および
生成物の利用と後処理に関連する諸設備によって構成さ
れる。前処理では、投入廃棄物に混入する土砂や夾雑物
の除去、温度・ｐＨ・濃度・流量などの調節制御、また
必要に応じて栄養源の添加、阻害物質の除去などの操作
が行われる。発酵槽には、温度管理、攪拌、消化スラッ
ジ濃度の調節に必要な設備が付設される。後処理には生
成ガス、処理液およびスカムの気・液・固３系統につい
て、それぞれ処理、利用設備が設置される。

【０００５】メタン発酵は水分量の高い液状または泥状
の有機性廃棄物から簡単な工程で可燃ガスとして熱エネ
ルギーを抽出できることが最大の特徴といえる。また、
有機性廃棄物の処理法として活性汚泥による好気処理と
嫌気性メタン発酵処理を同一の基準で比較することはで
きないが、活性汚泥法では曝気を行うため電力を消費す
るが、メタン発酵法では通気動力を要しないため消費電
力は約１０分の１となり、さらに生成ガスが燃料ガスと
して回収されるので省エネルギープロセスであるといえ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】また一方、家畜の糞等
が混入した有機性廃棄物を上記のメタン発酵槽で処理し
た場合、分解しない飼料中の木質分や毛等が槽内の液面
に浮上して不純物の被膜であるスカム層が形成される。
スカム層は除去しないとだんだん厚くなって固形化し、
その結果処理液の循環を妨げてメタン発酵槽を故障させ
る原因となっていた。

【０００７】しかし、嫌気性メタン発酵浄化システムの
構成上、発酵槽内部で利用される嫌気性メタン細菌が外
気に触れることを防ぐためにメタン発酵槽本体は密閉構
造となっており、スカムのみを除去することは困難とさ
れていた。その対策として、外部動力によるメタン発酵
槽内部の攪拌を行いスカム層の形成を防ぐ方法等も提案
されているが、この場合常時この攪拌動力を作動させな
ければならないため運用コストが高くつき実用的ではな
いといった問題があった。したがって、従来においてメ
タン発酵槽を使用する際は、スカムの発生要因である糞
を除去して、尿と洗い水だけの処理にのみ使用されてい
るのが現状であった。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑み、外部動力によ
る攪拌を行わずに低い運用コストでスカム層の形成を防
止可能とする、具体的にはメタン発酵法により糞等を含
んだままの廃棄物処理を実用可能とするメタン発酵浄化
槽の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するものであり、具体的には以下のように構成される。

【００１０】先ず、本発明は畜産業等からの有機性廃棄
物を処理する嫌気性発酵浄化システムに使用されるメタ
ン発酵槽に適用される。そして請求項１記載の発明は、
前記メタン発酵槽を密閉構造とし、内部でのメタン発酵
により発生するガスをその上部に貯留するガス貯留部
と、該ガス貯留部の天井を貫通して下方に突設されてさ
らに該ガス貯留部の内部に位置する端部の切り口平面が
水平にあり他の端部が前記メタン発酵槽の外部まで配設
している噴出管とを備えるよう構成される。このように
構成することにより、前記ガス貯留部に貯留されるガス
圧と処理液の表面張力との相互作用によって、処理液・
スカム・生成ガスが一体となって間欠泉のように衝撃を
伴う噴出が定期的に繰り返される現象が発生する（以下
この現象を間欠泉現象という）。そしてこの衝撃的な噴
出エネルギーにより発酵槽内部に発生するスカムの定期
的な除去が可能となる。

【００１１】次に請求項２記載の発明は、前記請求項１
記載のメタン発酵槽の外部に密閉構造の分離槽を設置
し、そして該分離槽の比較的上部にガス収集管を接続
し、また該分離槽の比較的下部にメタン発酵槽の内部に
通じている還流管を接続し、また該分離槽の任意位置に
前記噴出管の外端を接続するよう構成される。

【００１２】このように構成することにより、前記間欠
泉現象によって一体となって噴出されるスカム・処理液
・生成ガスが該分離槽内でそれぞれの比重差により分離
され、その後生成ガスが前記ガス収集管に吸収され、ま
た処理液が前記還流管を通じてメタン発酵槽内部に還送
され、そしてスカムが分離槽内に容易に除去可能に堆積
される。

【００１３】次に請求項３記載の発明は、前記請求項１
記載のメタン発酵槽において、前記噴出管の外端を内包
することで噴出物を受けてそこから発生・浮上する生成
ガスを吸収し、残留物となる処理液とスカムを自重で外
部に排出するスカム・処理液排出口を備えるガス収集管
と、該スカム・処理液排出口が位置する該ガス収集管の
下部を内包することで前記残留物である処理液とスカム
を受けて下方に沈殿する処理液を前記メタン発酵槽内部
に吸入・還送する還流管を備えるスカム静置槽とを備え
るよう構成される。

【００１４】このように構成することにより、前記噴出
物からの生成ガスの分離、および処理液の分離をそれぞ
れ別に行うことになり、効率的な分離が可能となる。次
に請求項４記載の発明は、前記請求項１ないし３のいず
れか記載のメタン発酵槽において、前記噴出管の接続部
周辺が最も高い位置となるよう前記ガス貯留部の天井が
傾斜している構成となる。このように構成することによ
り、間欠泉現象をより頻繁に発生させて発酵槽内のスカ
ムを効率的に除去することが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図を参
照して説明する。図１は請求項１記載の発明の構成によ
り発生する間欠泉現象の原理を説明する図である。

【００１６】この図においてメタン発酵槽１本体内部に
備えるガス貯留部はメタン発酵槽１本体の天井と一体に
あり、噴出管２が該メタン発酵槽１の天井を貫通してい
る構成となる。そして最初に図１（ａ）に示すように、
メタン発酵槽１内部に不図示の投入口から浄化対象であ
る廃棄物処理液３をほぼメタン発酵槽１一杯に充填す
る。

【００１７】そしてその後処理液３内でメタン発酵が行
われることにより、メタンガス等の生成ガスが発生・浮
上し、図１（ｂ）に示す通りメタン発酵槽１内上部にガ
ス層が形成される。このときガス層の圧力（図中Ｐ）が
処理液３の液面を押し下げた体積分だけ、噴出管２中に
処理液３が移動して押し上げられることになる。またこ
の時点で同時に処理液３面上には分解しないスカム層４
が形成される。

【００１８】そして図１（ｃ）で示すように、ガス圧の
液面の押し下げが進んで液面が噴出管２の内端より下の
位置まで下がった時点においても、その直後には該内端
周囲に処理液３の表面張力が生じ、生成ガス８の噴出管
２への流入・噴出はしばらく行われないことになる。ま
たこのとき、ガス圧により噴出管２中で高さＨ分押し上
げられた処理液３の重量と噴出管２内端周囲の処理液３
の表面張力の合力が、前記ガス層の液面を押圧するガス
圧と均衡状態にあることになる。また上記処理液３の表
面張力の発生には噴出管２の内端がほぼ水平であること
が好ましい。

【００１９】またさらに処理液３中のガスの発生が進ん
で上部ガス層中のガス圧がこの均衡状態を越えた瞬間に
大量の高圧ガスが一度に噴出管２に流れ込み、それまで
噴出管２中にあったスカム４と処理液３とが一体になっ
て衝撃を伴う噴出が行われることになる（図１
（ｄ））。このとき噴出管２内端周囲の高圧ガスの流入
に伴って該内端周囲の処理液３液面上のスカム４および
処理液３も共に噴出され、その結果メタン発酵槽１内の
気密を維持したままのスカム４の除去が図られることに
なる。

【００２０】そして一定量の噴出が行われた後、後述す
る処理液３の還送または処理液３の補充により図１
（ｂ）の状態に戻り、また上述の間欠泉現象が繰り返し
行われることになる。この現象は一定の時間間隔で繰り
返されることになり、メタン発酵のためにメタン発酵槽
１に加温を行う以外は特別に動力およびエネルギーを必
要としないため省エネルギー化されたプロセスであると
いえる。

【００２１】また噴出管２の上端の周囲を外気と隔離す
ることにより、発酵槽１内の処理液３は嫌気性メタン発
酵を可能とする状態を維持できることになる。また発酵
層１本体内部における噴出管２の内端突出部の長さに比
例して、図１（ｃ）の噴出直前状態における液面差Ｈが
大きくなるために噴出圧が高くなり、また噴出管２の径
については径の大きさに比例して一回の噴出量が多くな
る一方間欠泉現象の発生時間間隔が長くなる。そしてこ
れらのことを利用して間欠泉現象の諸調整が可能とな
る。

【００２２】また噴出管２の水平断面形状としては円形
が最も望ましいが、機能的には内端周囲に表面張力の作
用が十分に得られればよく、例えば楕円形や角の丸い略
四角形のような水平断面形状を用いても可能である。

【００２３】そして図２は上記原理を利用した請求項２
記載の発明に基づくメタン発酵槽の一実施の形態を説明
する側断面図である。この図において、図１に示す本発
明の基本構成にあるメタン発酵槽１と比較して特徴とす
る点は、メタン発酵槽１の上部に密閉構造の分離槽５が
載置してあり、その下面に噴出管２の外端が接続され、
また該分離槽５の比較的上方にガス収集管６が、そして
比較的下方に処理液還流管７が接続されており、さらに
処理液還流管７の他端はメタン発酵槽１の比較的下方の
内部に通じるよう接続されていることである。そしてこ
の図２は上記構成にあるメタン発酵槽１に処理液３を充
填した後に上述した間欠泉現象が数回起こったあとの状
態を示している。

【００２４】前述したように間欠泉現象によってメタン
発酵槽１本体内部から多量のスカム４・処理液３・生成
ガス８が一体となって分離槽５へ噴出され、次の間欠泉
現象が起きるまでの一定時間の間に分離槽５内で静置さ
れる。そしてその間にそれぞれ固・液・気相であるスカ
ム４・処理液３・生成ガス８がそれら比重差により分離
が行われ、具体的には最も比重の軽い（メタンガスが主
成分の）生成ガス８が分離槽５の上方に浮上してガス収
集管６に吸入され、また最も比重の重い処理液３は分離
槽５内下方に沈殿して処理液還流管７を通じてメタン発
酵槽１内に還送される。そしてこの結果、分離槽５内に
は噴出によりメタン発酵槽１本体内から除去されたスカ
ム４のみが分離槽５内の処理液３液面上に浮上堆積（蓄
積）されることになり、分離槽５上面に備える不図示の
開閉蓋からなる取り出し口からスカム４の除去が可能と
なる。

【００２５】このようにしてメタン発酵槽１内において
常に処理液３のメタン発酵浄化が行われることになり、
さらに不図示の投入口・排出口を通じての浄化処理済液
の排出および新しい処理液３の充填を同量づつ行うこと
で連続した運転が可能となる。またこれは例えば前記不
図示の投入口・排出口に備える自動開閉弁およびポンプ
を一定時間毎に作動させることで上記処理液の循環を自
動的に制御するシステムにより可能となる。

【００２６】また、前記噴出管２の外端が接続される位
置は上記のように分離槽５の下面に限定されるものでは
なく、ガス収集管６および処理液還流管７の吸入口に向
けて直接噴出する位置関係でなければどのような位置に
でも接続可能となる。例えば前記噴出管２を逆Ｊ字型に
曲げて、その外端部（下向きの端部）を分離槽５の天井
壁から内部へ貫通させたような接続構成も可能である。

【００２７】次に図３は請求項３および４記載の発明に
基づくメタン発酵槽１の一実施の形態を説明する側断面
図である。この図において、図２に示す請求項２に基づ
くメタン発酵槽１と比較して特徴とする点は、前記噴出
管２の接続部周辺が最も高い位置となるよう前記ガス貯
留部を兼ねたメタン発酵槽１本体の天井が傾斜している
点と、前記噴出管２の外端を内包して噴出物を受ける分
離槽５がスカム・処理液排出口９を通してのガス収集管
６とスカム静置槽１０の２重構造になっている点であ
る。

【００２８】具体的には、図３中において、メタン発酵
槽１本体の天井が前記ガス貯留部と一体であり、図中左
側の前記噴出管２が接続されている周辺が最も高い位置
となるよう右下がりに傾斜している。そして、該噴出管
２の外端を内包し、またその比較的下方位置に下向きに
開設されたスカム・処理液排出口９を備えたガス収集管
６が前記メタン発酵槽１の上部位置に設置され、さらに
該スカム・処理液排出口９が位置する該ガス収集管６の
下部を内包し、またその比較的下方位置に前記メタン発
酵槽１本体天井の傾斜に沿って下向きに処理液還流管７
を接続したスカム静置槽１０が同じく前記メタン発酵槽
１の上部位置に設置されている。そして、前記処理液還
流管７はメタン発酵槽１本体の天井傾斜部の下方に位置
してメタン発酵槽１本体に貫通設置している廃棄物投入
口１１に接続されている。またこの図３は上記構成にあ
るメタン発酵槽１に処理液３を充填した後に上述した間
欠泉現象が数回起こったあとの状態を示している。

【００２９】ここで上記のように天井に傾斜を設けるこ
とにより、ガス貯留部である前記噴出管２接続位置周辺
に生成ガス８が集中してより早くガス層が形成されるこ
とになり、その結果間欠泉現象の発生頻度が高くなると
いった効果が生じる。

【００３０】次に本実施形態にある２重構造分離槽５の
作動としては、先ず最初に前述の間欠泉現象によってメ
タン発酵槽１本体内部から多量のスカム４・処理液３・
生成ガス８が一体となってガス収集管６中に噴出・貯留
され、噴出管２の長さや径または前記メタン発酵槽１本
体天井の傾斜度等を予め調整することにより、分離槽５
中の処理液３の水位が図で示すようにスカム・処理液排
出口９よりも高い位置に安定する。そして比重の軽いメ
タンガスを多量に含む前記生成ガス８がガス収集管６中
で浮上分離される。このとき処理液３の水位はスカム・
排出口９より上に位置しているためガス収集管６はほぼ
完全な密閉構造となっており外気の混入のない効率的な
ガス収集が行われる。またこの構成においてガス収集管
６の上端に空気ポンプ等による生成ガス吸入手段を備え
ることで積極的に収集する構成も可能である。

【００３１】そして次にスカム４を潜在的に含む処理液
３がスカム・処理液排出口９を通じてスカム静置槽１０
に貯留される。この中では前記間欠泉現象や生成ガス８
の浮上流動の影響を受けることなく静置されるためスカ
ム４の浮上およびスカム層４の適切な形成が行われ、不
図示の取り出し口から効率のよいスカム４の排除が可能
となる。

【００３２】そして同時にスカム静置槽１０内で沈殿す
る処理液３が下方斜めに設置された処理液還流管７およ
び廃棄物投入口１１を経由してメタン発酵槽１本体内部
に還送される。ここで廃棄物投入口１１は前記間欠泉現
象の影響を受けないよう前記噴出間の内端よりも深く突
設されている。こうして以上のようなサイクルにより、
メタン発酵槽１内部の気密を維持したままの効率のよい
生成ガス８の収集およびスカム４の除去が可能となる。

【００３３】また以上説明した実施形態例において、収
集される生成ガス８は高燃性のメタンガスを多量に（約
７７％）含有しているので、メタン発酵槽１の加温に使
用する燃料ガスとして再利用することにより効率のよい
省エネルギープロセスが実現できる。

【００３４】また、金属類を使用する必要がないため、
このメタン発酵槽１を全コンクリート製として製作する
ことにより、メンテナンスを必要としない半永久的な利
用が可能となる。

【００３５】また上記説明にある嫌気性メタン発酵浄化
処理によると、処理液３は畜舎洗浄水として再利用可能
な状態まで浄化されることになる。また、本発明による
メタン発酵槽１は密閉構造であり外気と隔離されている
状態にあるため、内部で有機性廃棄物をメタン発酵浄化
処理するに際しても悪臭が外部に発生しないといったメ
リットを有する。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によるメタン発
酵槽によれば、従来においてメタン発酵槽（嫌気性メタ
ン発酵浄化処理）の利用において問題となっていた、ス
カムの発生要因である糞を除去しての尿と洗い水だけの
処理にのみしか利用できなかった点に対して運用コスト
面等での実用的な解決が可能となる。またその結果、糞
と尿を分離する手間が省け、さらに有機物の多い糞も一
緒に処理するのでエネルギー源として利用可能なメタン
ガスがより多量に採取可能となり、また堆肥として利用
可能なスカムの採取が可能となる。

【００３７】総じて本発明によるメタン発酵槽を使用す
ることで有機性廃棄物の嫌気性メタン発酵浄化処理にお
いて、より簡便に省コスト化、省エネルギー、省資源化
を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は請求項１記載の発明の構成により発生す
る間欠泉現象の原理を説明する図である。

【図２】図２は請求項２記載の発明に基づくメタン発酵
槽の一実施の形態を説明する側断面図である。

【図３】図３は請求項３および４記載の発明に基づくメ
タン発酵槽の一実施の形態を説明する側断面図である。

【図４】図４は嫌気性メタン発酵浄化処理の基本的プロ
セスを説明する図である。

【符号の説明】

１ メタン発酵槽 ２ 噴出口 ３ 廃棄物処理液 ４ スカム（スカム層） ５ 分離槽 ６ ガス収集管 ７ 処理液還流管 ８ 生成ガス ９ スカム・処理液排出口 １０ スカム静置槽 １１ 廃棄物投入口 Ｐ ガス層の圧力 Ｈ ガス圧が押し上げた廃棄物処理液の高さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉構造のメタン発酵槽において、 内部でのメタン発酵により発生するガスを上部に貯留す
   るガス貯留部と、 該ガス貯留部の天井を貫通して下方に突設され、内部に
   位置する端部の切り口平面が水平にあり他の端部が前記
   メタン発酵槽の外部まで配設している噴出管と、 を備えていることを特徴とするメタン発酵槽。
2. 【請求項２】 ガス収集管を上部に、前記メタン発酵槽
   内部に通じる処理液還流管を下部に、前記噴出管の外端
   を任意位置に接続して密閉構造となる分離槽、 を備えていることを特徴とする請求項１記載のメタン発
   酵槽。
3. 【請求項３】 前記噴出管の外端を内包することで噴出
   物を受けてそこから発生・浮上する生成ガスを吸収し、
   残留物となる処理液とスカムを自重で外部に排出するス
   カム・処理液排出口を備えるガス収集管と、 該スカム・処理液排出口が位置する該ガス収集管の下部
   を内包することで前記残留物である処理液とスカムを受
   けて下方に沈殿する処理液を前記メタン発酵槽内部に吸
   入・還送する還流管を備えるスカム静置槽と、 を備える事を特徴とする請求項１記載のメタン発酵槽。
4. 【請求項４】 前記噴出管の接続部周辺が最も高い位置
   となるよう前記ガス貯留部の天井に傾斜を設けたことを
   特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載のメタン発
   酵槽。