JPS60179199A - メタン発酵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は下水汚泥等のバイオマスをメタ／発酵きぜて
メタンガスを得るメタン琴酵装置道に関し、特に酸生成
菌１す１収機構を備えた酸生成槽とメタン生成菌障１収
機構を備えたメタン生成槽との分離およびこわらの槽の
ＰＨ副制御よび菌体条度制御に関するものである。

〔従来技術〕

従来、この神のメタン発酵装置として発酵対象原料を下
水汚泥の場合を例としたメタン発酵装置としては、第１
図に示す如きものがある。第１図において、（１）は発
酵槽、（２）は原料投入管、４３１１′ｉ発生ガス回収
管、（４）はスカム引抜管、（５）け脱離液引抜管、（
６）は消化汚泥引抜管である。

次に第１図のメタン発酵装Ｗの動作について説明する。

前段の下水処理プロセスから原料投入管（２）を介し、
発酵槽１１）に供給された原料は、発酵槽内（１）にお
いて、酸生成相、メタン生成相をへて、消化され、二酸
化炭素やメタンガス等を発生する。

・これらの発生ガスは発生ガス回収％・（３）により回
収され、消化後の原料は消化汚泥抽出管（６）より抽出
され、後段の処理プロセスへと移送される。また消化に
ともなって形成されるスカムや脱離液は、スカム引出管
（４）および脱離液引出管（５）より引出される。

従来の上記メタン発酵装置は以上のように１１・１成さ
れ、１側方式であり、菌体回収機構も備えていない。発
酵槽（１）内においては、原料を酸生成菌によシ、酸発
酵させて、有機酸等を得る酸生成用と、メタン生成菌に
よシ治機酸をメタン発酵させメタンガス等を得るメタン
生成相の２つの異なったプロセスが混在しているが、酸
生成菌およびメタン生成菌の活性が最大となる各相のｐ
Ｈシどの最適条件は異なるのである。即ち、酸生成菌４
−ｉＰＨが６程度・　メタン生成菌けＰＨ８程度で、そ
れぞれの活性が最大となるのに対し、１側方式でメタン
発酵を行なう場合、酸生成用とメタン生成相が同一発酵
槽内で混在しているので、例えば下水汚泥を原料とする
場合、Ｐ１１７〜Ｚ５程度で運転するのが一般的であっ
た°。−このようＫ　（ｔｌ来のメタン発酵装置に、菌
体の活性が最大となるｐＨかそ−れぞれ異なる酸生成菌
とメタン生成菌を同一発酵槽（１）内で初雑培養するこ
とを基本としており、各相における菌の活性が最大とな
る環境か作られていないという欠点を有していた。

さらに、メタン発酵終了後の原料は、消化汚泥抽出管１
６１により抜出され、そのまま後段の処理プロセスへと
移送されており、その際に、酸生成菌およびメタン生成
菌吃−緒に移送される。このように従来のメタン発酵装
置では、原料が後段の処理プロセスへと移送される際に
発酵に′利用されている菌体も同時に流出してしまい、
発酵槽（１１内の酸生成菌およびメタン生成菌砲度が高
濃度に維持コントロールできないという欠点があった。

〔発明の概要〕

本発明は上記のような従来のメタン発酵装置の欠点を除
去するためになされたもので、発酵槽を酸生成菌を培養
し利用する酸生成槽と、メタン生成菌を培養し利用する
メタン生成槽とに分離し、さらに酸生成・槽には酸生成
菌回収機構を、メタン生成槽にはメタン生成菌回収機構
をそれぞれ１６Ｎえるこ吉により、原料が後段のプロセ
スへ移送される際の菌体の流出を防ぐと同時に、名僧内
の菌体濃度を高濃度に維持コントロールすることを目的
としている。また、酸生成槽に流入する原料のＰＨ２流
預、原料濃度および菌体濃度を検知する第１ｑ）センサ
ーおよび酸生成槽内のＰＨ１貯留量、原料濃度および菌
体濃度を検知する第２のセンサー、メタン生成（曹に加
入する酸生成プロセス排出液のＩ、；Ｈ，流量１、基質
濃度および菌体濃度を検知する第６のセンサー、メタン
生成槽内のｐＨ２貯留量、基質濃度および菌体濃度を検
知する第４のセンサー並びに上記第１〜第４センサーの
検出信号に基いて、上記各側に備えた菌体回収機構およ
び各槽内の１し菌体濃度を設定値に制御する手段を備え
ることにより、上記各槽内のｐＨを各菌体の活性が最大
となるＰＨ５に制御するとともに１菌体濃度を所望の高
濃度に制御して、メタンガスを高効吊がっ安定して発生
させることを目的としている。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。第２
図はこの発明の一実施例による菌体回収型メタン発酵装
置の工程を示し、第２図において、（１ａ）　ｌ−を酸
生成槽、（１ｂ）はメタン生成槽である。

（２ａ）　ｌｄ原料投入管、（２ｈ）は菌体回収後の酸
生成プロセス胡出液投入？　、’　（３ａ）、（３ｂ）
は発生ガス回収管、（２６ａ）　、（２６ｂ）はそれぞ
れ１次および２次ガスホルダである。（２７ａ）、（２
７ｈ）は酸生成プロセス排液およびメタン生成プロセス
排液排出管、（２８ａ）、（２８ｈ）、（２９ａ　）、
（２９ｂ）は回収菌体移送管、０υは後段プロセスへの
移送管、（１８ａ）　、（１８ｂ）はそれぞれ酸生成菌
回収器、メタン生成菌回収器、（１９ａ）　、（１９ｂ
）はそれぞれ酸生成菌ホルダ、メタン生成菌ホルダであ
る。（４ａ）、（４ｂ）は酸注入タンク、（５ａ）、（
５ｂ）はアルカリ注入タンクであシ、酸注入タンク（４
ａ）、（／１ｌｂ）、及びアルカリ注入タンク（５ａ）
、（５ｂ）はそれぞれハルツ（６ａ）、（６ｂ）、（７
ａ）、（７ｂ）を介して、酸生成槽（１ａ）、メタン生
底槽（ｉｈ）に接続されている。また酸生成菌回収器（
１８ａ）は酸生成プロセス排液排出管（２７ａ）とバル
ブ（１５ａ）を介して接続され、さらにノ（ルブ（１６
＆）を介し菌体回収後の酸生成グロセス排液投入管（２
ｂ　）へ接続され、また回収菌体移送管（２８ａ）を介
し、酸生成菌ホルダ（１９ａ）に接続きれている。

酸生成菌ホルダ（１９ａ）は、バルブ（１７ａ）と回収
菌体移送管（２９ａ）を介し、原料投入管（２ａ）に接
続されている。メタン生成菌回収器（１８ｂ）はメタン
生成フロセス排液排出！　（２７ｈ）とバルブ（１５ｈ
）を介して接続され、さらにバＡ・ブ（１６ｈ）を介し
後段プロセスへの移送管Ｇ心へ接続され、１だ回１１ｇ
菌体移送管（２８ｂ）を介し、メタン生成菌ホルダ（１
９ｈＥに接続されている。メタン生成菌ホルダ（１９ｈ
）はバルブ（１７ｂ）と回収菌体移送管（２９ｈ）を介
し、菌体回収後の酸生成プロセス排出液投入管（２ｈ）
に接続されている。（８ａ）〜（１０＆）は原料投入管
（２ａ）にＪｆｌ’付けられた原料のそれぞれＰＨ１流
量および原料濃度を検知する第１のセンサー　（１１ａ
）〜（１４ａ）は酸生成槽（１ａ）内に取付けられた酸
生成槽内のそれぞれＰＨ１貯留緒、１Ｑ料濃度、菌体濃
度を検知する第２のセンサー、（２４ａ）は酸生成槽内
のＰＨを酸生成菌の活性が最大となるｐＨ（で制御する
手段すなわちｐＨ制御回路であり、上記各センサ（８ａ
）　〜（１３ａ）　７７・らの出力信号は１）Ｈｉｌ制
御制御路１路４ａ）の入力信号として取込まれる。制御
回路（２４ａ）　ｆｉ、ｅ注入バルブ（６ａ）およびア
ルカリ注入バルブ（７ａ）に接続されており、各センサ
（８ａ）〜（１３ａ）からの出力信号をもとに酸生成槽
（１ａ）内の原料のＰＨを最適価にコントロールするた
めに各バルブ（６ａ）、（７ａ）の開閉のタイミングを
制量【」１する。同様に（８ｂ）〜（１０ｂ）は菌体回
収後の原料投入管（２ｈ）に取付けられたメタン生成槽
に流入する酸生成プロセス排出液のそれぞれＰＨ、流量
、原料濃度を検知する第６のセンサー、（１’ｌｂ）〜
（１４ｂ）はメタン生成槽（１ｈ）内に取付けられたメ
タン生成槽内のそれぞれＰＨ１貯留量、原料濃度および
微生物＆＞度を検知する第４のセンサー、（２４ｂ）は
メタン生成槽内のＰＨをメタン生成菌の活性が最大とな
る′ＰＨに制御する手段すなわちｐＨ制御回路であり、
このｐＨ制御１ｍｌ路（２４ｂ）は酸生成槽のｐＨ制御
回路（２４ａ）と１ｉｉ１様に各センサー（８ｈ　）〜
（１５ｈ）　、並びに酸およびアルカ１ノ注入パルプ（
６ｈ）、（７ｈ）に接続され、メタン生成槽（１ｂ）の
ＰＨｔ［適値にコントロールする。

（２０ａ）、（２ＬＪｌ））は、それぞれ菌体回収器に
より巨１収された酸生成菌の菌体濃度、菌体回収器を検
知するセンサー、（２２ａ）　、（２３ａ）は酸生成菌
ホルダ内の菌体濃度、貯留量を検知するセンサーであり
、これらは酸生成槽内の菌体濃度を設定値に制御−４る
手段すなわち菌体濃度制御回路（２５ａ）に接続されて
いる。上記各センサー（２０ａ）〜（２３ａ）の出力信
号は酸生成槽内の菌体濃度を検知するセンサー（１４ａ
）の出力信号とともに、菌体濃度制御層１路（２５ａ）
の人力信号として取込寸れる。制御１ｍ路（２５ａ）は
酸生成菌１１シＩ収器（１８ａ）　、菌体回収用酸生成
プロセス排液投入バルブ（１５ａ）、回収菌体投入バル
ブ（１７ａ）および酸生成槽への原料投入管・（ルブ（
５０ａ）に接続されており各センサ（１４ａ）、（２０
ａ）〜（２３ａ）からの出力信号をもとに酸生成槽（１
ａ）内の菌体濃度を設定飴にコントロールするために酸
生成菌回収器の運転設定値を演親し、指示するとともに
、それに対応する流量を演シーシ、各バルブ　（１５ａ
）、（１７ａ）、（３０ａ）の開閉のタイミングを制御
する。（２０ｈ）、（２１ｂ）は、それぞれ菌体回収器
より回収されたメタン生成菌の菌体濃度、菌体回収量を
検知するセンサー、（２２ｈ）、（２３ｈ）はメタン生
成菌ホルダ内の菌体濃度、貯留量を検知するセンサーで
あり、こねらはメタン生成槽内の硝体ｍ？；　ｉｆｆを
設定値に制御する手段すなわち菌体濃度制御回路（７５
ｈ）に接続されている。この菌体娘り輿゛制御回路（２
５ｈ）は、酸生成槽の菌体濃度制御回路と同様に、各セ
ンサ（１４ｂ）、（２０ｈ〜２３ｈ）、メタン生成菌回
収器、および各ノ（ルプ（１５ｈ）、（１７ｈ）（３０
ｂ）に接続されメタン生成槽内のｍ体濃度を設定値にコ
ントロールスル。

次に本発明装的の動作について簡明する。原料投入管（
２ａ）より酸生成槽（１ａ）に供給された原料は、酸生
成相をへて有機酸と二酸化炭素等のガスを生成する。発
生ガスは発生ガス回収管（６ａ）によ９１次ガスホルダ
（２６ａ）に導かれ貯留される。

一方、有機酸および菌体宿を含む岐生成僧からの排液は
バルブ（１５ａ）および移送管（１７ａ）を介してｔｙ
生ＪｊＭ菌回収器（１Ｂ峠へと送られる。ｈう体１〔０
収器（１８ａ）は後述する菌体濃度１ｉｌｉ御心１路力
・ら指示される１ボ転設定＋’ｉＥｆ　Ｋより運転され
、回収きれた酸生成菌は移送Ｗ（２８ａ）を介し酸生成
菌ホルタ（１９ａ）Ｋ貯留きれる。ま７′こ酸体１戊菌
ホルダ（１９ａ、）に貯留された菌体は、菌体濃度側側
１回路（２５ａ）　ｙｉ・らの１１号により、バルブ（
１７ａ）か開き、イセ、送置（２９ａ）を弁し、原料投
入管（２ａ）にｌ’Ｊび導入きれる。このとき原料投入
管（２ａ）のバルブ（３０ａ　）の開閉ｌ−１菌体濃度
制御回路（２５ａ）からの信号による。また菌体回収器
（１８ａ）で回収されだ１ｌ（ａ体以外の原）′・ｌは
、バルブ（１６ａ）およびａＪ体ＩＩＪ］収後の酸生成
プロセス排出７１？−投入管（２ｈ）、尽らにバルブ（
、’５Ｌ）ｂ）を介しメタン生成槽（１ｈ）へと投入さ
れる。このときバルブ（１６ａ）の開閉は菌体濃度制御
回路（２５ａ　）からの信号（でよる。

酸生成プロセス排出４り投入管（２ｂ）よジメタン生成
槽に供給された原料はメタン生成相をへてメタンガス等
を生成する。発生ガスはガス回収管（６ｈ）により２次
ガスホルダ（２６ｂ）に導かれ貯留される。一方、メタ
ン生成プロセス排液は、バルブ（１５ｂ）および移送５
（２７ｈ）　ｋ介してメタン生成菌［９１収−器（ｉａ
ｂ）へと送られる。菌体回収器（１８ｂ）は後述する菌
体濃度ｆｔ１ｌＪ御回路から指示される運転設定値によ
り運転され回収されたメタン生成菌は、移送？　（２８
ｈ）を介し、メタン生成菌ホルダ（１９ｂ、１に貯留さ
れる。′またメタン生成菌ホルダ（１９ｂ）に貯留され
た菌体は菌体濃度側ｆ１１１　ｔｉｌｌ路（２５ｈ）か
らの信号によりバルブ（１７ｂ）がドｉ−１き、移送管
（２９ｂ）を介し酸生成プロセス排液投入管（２ｈ）に
再び導入される。このとき酸生成プロセス排液投入管（
２ｂ）のバルブ（３０ｂ）は菌体濃度制御臣１路（２５
ｂ）からの信号による。また菌体回収器（１８ｂ）で回
収された菌体以外のダ、渣はバルブ（１６ｂ）および移
送管０ηを介し後段のプロセスへと移送される。このと
きバルブ（１６ｂ）の開閉は菌体濃度制御回路（２５ｈ
）からの信号による。

次に各酸生成槽（１ａ）、及びメタン生成！（Ｉｂ）内
ノＰＨの自動制御について説明する。酸生成槽（１ａ）
のｐｌ（制御回路（２４ａ）に取込まれるＰＨセンザー
（１１ａ）の出力信号から酸生成槽（１ａ）内のＰＩ（
が検知されるか、検知されたＰＨが酸生成菌の活性が最
大となるＰＨよｐ低い時はアルカリ注入バルブ（７ａ）
ｉｆ開く信号がＰＨｆｌｊ１４ｔ１４ノ回路（２４ａ）
　から送られ、アルカリが槽内に注入される。酸生成槽
（１ａ）内のＰＨが最適ＰＨを維持できる状態になれば
ｌ）Ｈ制御回路（２４ａ）からの信号によりアルカリの
Ｙ十人がストップする。これらアルカリ注入バルブ（７
ａ）の開閉のタイムシーケンスは各センサー　（８ａ）
〜（１３ａ）の出力信号をもとにＰＨ制御回路（２４ａ
）がコントロールする。同様にｐＨセンサ（１１ａ）か
ら検知される槽内ｐＨが最適用よシも高いときけ１酸注
入バルブ（６ａ）を開く信号がｐＩ（ｔｆＪＵ　ｍｌ　
ｌ−０ｌ路（２４ａ）から送られ、酸が槽内に注入され
る。

メタン生成ｍｃ１ｂ）内のＰＨコントロールについても
同様である。

次に酸生成槽（１ａ）、及びメタン生り″ｉ、槽（１ｂ
）内の菌体濃度制御１について説明する。酸生成槽（１
ａ）の菌体濃度制御回路（２５’ａ）にとりこまれる菌
体濃度センサー（１４ａＪの出力４１月から槽内の菌体
濃度が検知されるが、検知された菌体濃度が設定値を維
持できない状態であれは、菌体回収器（１８ａ）の運転
設定値を変更する信号および回収菌体の返送流おを変更
する信号が、菌体濃度制御回路（２５ａ）から菌体回収
器（１８ａ）およびバルブ（１５ａ入　（１７ａ）、（
３０ａ）に送られる。菌体濃度制御回路（２５ａ）は酸
生成槽（１ａ）内の菌体濃度を高濃度の設定値にコント
ロールするために各センサ（１４ａ）　、（２０ａ）〜
　（２３ａ）からの出力信号をもとに、酸生成菌回収器
（’１８ａ）の運転値設定値を演舞し、それを指示する
とともに、それに対応する流量を演算し、各ハ／ｌ／ブ
（１５ａ）、（１７ａ　）、（３０ａ　）の開閉のタイ
ム・シーケンスをコントロールすル。

メタン生成槽（１ｂ）内の菌体濃度コントロールも同様
である。

なお、上記実施例では原料となるバイオマスが下水汚泥
の場合を例１にとって王に駈、明したが、生ゴミ、蓄産
廃莱物、農林産物などであってもよく、固形バイオマス
の」ハ合には適当な前処理を行ない可溶化すれば一ト記
実施例と同様の効果を奏する。

また菌体の活性が最大となるｐＨについてｄ酸生成菌の
場合ＰＨ６、メタン生成菌の場合８程度が一般的な最適
ＰＨであるが、利用する菌の種類によりこの値は若干異
なる。

以上のように本発明によれば発酵装置本体を酸生成菌を
培養し、利用する酸生成槽と、メタン生成菌を培養し、
利１（４するメタン生成槽とに分離し、さらにこｔｌら
各種において菌体１ｉｊｌ収機構を設け、各槽内の菌体
濃度を高む世にコントロールするとともに、各種を菌体
の活性が最大となるＰＨでコントロールすることにより
次のよう々効果がある。

第６図は、発酵の対象原料が下水汚泥の場合のメタンガ
ス発生速度について菌体回収をしない場合に比べての倍
Ｘ　（＊　１１＋　）と各菌体回収率との関係を示した
ものである。ここで回収率Ｒけ、菌体回収器によって回
収する菌体濃度を各槽内の菌体濃度のｒＬ（倍９とし、
菌体回収器から各種へ戻す流預を各種への投入量のｍ（
倍）とすると、Ｒ＝ｍ（ｎ−１）　Ｏ≦Ｒ≦１ である。

なお第６図においてＲ１：酸生成菌の回収寒Ｒ２：メタ
ン生成菌の１同収不 本第６図から、酸生成菌およびメタン生成菌ともに良女
子な回収率で菌体回収がなされれば、メタンガス発生速
度で、菌体回収をしない２相２側方式メタン発酵装置の
運用効果に比べ本発明は２〜６倍であることがわかる。

尚、上記実施例では原料などの投入をバッチ式で行う例
を説明したが、本発明は連続式運転法にも勿論適用可能
である。

〔発明の効果〕

成上の如く本発明によるメタン発酵装置は、高菌体濃度
でメタンガス発生速１−ｕ］も大きく、かつ、センサー
によりＰＩ■、流側、原料濃度、貯留量、菌　゛体濃度
を検知し、この出力信号によシＰＨ制御及び菌体濃度制
御装置を用い、メタン発酵を高効車に行わしめ得る不用
なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は初来のメタン発酵装置のＨ９明図、第２図は本
発明装置の実施例正明図、第６図は酸生成槽とメタン生
成槽のｉ′１体回収藁とメタンガス発生速度の最大値の
関係を示すグラフである。 （１ａ　）、、酸生成槽、　（Ｉｂ）、−メタン生成槽
、　（２ａ）原料投入管、、（２ｂ＞・・菌体回収後の
原石抽出管、（３ａ）、（３ｂ）　、、、発生がス回収
青、　（４ａ）　、（４ｂ）−酸注入タンク、（ｓａ）
、（５ｈ）・・・アルカリ注入タンク、（１８ａ）、（
１１３ｂ）・・・菌体−１収器、　（１９ａ）、（１９
１す３，６菌体貯留ホルダ、（２６ａ）、（２６ｂ）・
・・ガスホルダ、（６ａバ（６ｈ　）、（７ａ）、（７
ｂバ（１５ａ）、（１５ｈ）、（１６ａ）、（１６ｈ）
、（１７ａ）、（１７ｈ）、（３０ａ　）、（Ｓ（ｌｂ
）・、パルプ、　（８ａ）、（８ｂ）、（９ａ）、（９
ｈ）、（１０ａ）、（ｉｏｂ）、（Ｉｌａ）、（１１ｈ
）、（１２＆）、（１２ｈ）、（１６ａ入（１３ｂ）、
（１４ａ）、（１４ｂ）、（２０ａ）、（２０ｂ）、（
２１ａ）、（２１ｂ）、（２２ａ）、（２２ｈ　）、（
２３ａ）、（２３ｈ）　・・・センサー、（２４ａ）、
（２４ｂ）−ｐＨ制御回路、（２５ａ）、（２５ｈ）・
・・菌体制御回路、　（２７ａ）、（２７ｂ　）、（２
８ａ）、（２８ｂ）、（２９ａ）、（ン９ｈ）、　＜１
　−’Ｊｅ　ｉ　’ｆｊ。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 第３図 ００．１　０．５ 自竣生へ奮ねのろ５４不一■梠又ｍ苫プヘ蕩　Ｒ＋（−
）丁　続　１山　＋ｌ（１ｌｊ（自発） 昭和５９イ１７月　３１１ ’１１１’Ｉ・’Ｒｉ’Ｊ〈’ｌ“を殿１　、　’Ｂ　
ｆ’ｌの表小　ｆ＝’Ｉ−１＜□！Ｉ昭　５９−３２２
９７号２　北門のンＩ称 メタン発酵装置 ’　、　ｋ１１’＋　＋ｌをする一乙 １代」中入 ５、慣、　↑山　１１　のよ・１　象 ６、補正の内容 （１）明細ν）第８０第１８行の１微生物濃度］を「菌
体、・１５度−１と補正する。 （２）明細書第１７頁第９行の「発生がス回収管」を「
発生ガス回収管」と補正する。 （３）図面の第３図を別紙補正図面のとおり抽正丁机 以上 第３図 酸ＩＬ良鉤。兎体回取奪Ｒ１叶）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）下水汚泥等のバイオマスをメタン発酵させて、メタ
   ンガスを得るメタン発酵装置において、発酵槽を王に酸
   生成菌を利用する酸生ｌｊｙ槽と王にメタン生成菌を利
   用するメタン生成槽とに分離し、これら各生成槽にそれ
   ぞれ菌体回収機構を備え、各生成槽内の菌体濃度を高濃
   度化することにより、高効率にメタンガスを同収するこ
   とを特徴とするメタン発酵ＩＬ ２）前記酸生成槽および、メタン生成槽の各槽に流入す
   る原料のｐＨ，流量、原料か度および菌体濃度を検知す
   るセンサーおよび各生成槽内のＰＨ１貯留預、原料濃度
   および菌体＃川を検知するセンサーの検出信号に基いて
   、前記各生成槽内ｐＨを発酵に最適なｐＨに制御すると
   ともに、菌体濃度を所望の高濃度に制御する手段を備え
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のメタン
   発酵装置。