メタン発酵装置及びメタン発酵装置の運転方法
【課題】脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化、ランニングコストの低減、メンテナンスの容易化を図る。
【解決手段】有機物をメタン発酵槽１でメタン発酵し、このメタン発酵した発酵汚泥を含む発酵液を、当該発酵液に夾雑物と共に浸漬する多孔金属体６により固液分離し、この固液分離による濾過によって透過液を得る一方で、濃縮した余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出ラインＬ７により排出し、このように、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体６を用いることにより、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離を可能とし、余剰汚泥濃度の高濃度化を一層図る。また、このように有機膜に代えて多孔金属体６を用いることで、長期間の使用を可能とすると共に、洗浄による損傷を起こり難くし洗浄を容易とする。
【解決手段】有機物をメタン発酵槽１でメタン発酵し、このメタン発酵した発酵汚泥を含む発酵液を、当該発酵液に夾雑物と共に浸漬する多孔金属体６により固液分離し、この固液分離による濾過によって透過液を得る一方で、濃縮した余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出ラインＬ７により排出し、このように、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体６を用いることにより、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離を可能とし、余剰汚泥濃度の高濃度化を一層図る。また、このように有機膜に代えて多孔金属体６を用いることで、長期間の使用を可能とすると共に、洗浄による損傷を起こり難くし洗浄を容易とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物をメタン発酵するメタン発酵装置及びメタン発酵装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタン発酵装置として、有機性廃棄物をメタン発酵槽でメタン発酵しメタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスを得る一方で、このメタン発酵槽の発酵汚泥を膜分離槽に導入し、当該膜分離槽に浸漬する濾過膜により固液分離して透過液を得ると共に、分離濃縮された発酵汚泥をメタン発酵槽に返送し、これにより、メタン発酵槽の汚泥濃度を高濃度に維持し、メタン発酵槽の小型化を図るメタン発酵装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の装置にあっては、濾過膜として例えばポリエチレン等の樹脂から成る有機膜（孔径０．１〜０．５μｍ）が用いられる。また、メタン発酵槽の底部に堆積する余剰汚泥は当該底部に堆積する異物と共に引き抜かれ系外に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上記特許文献１に記載の装置にあっては、余剰汚泥濃度をより一層高め、脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化を図ることが望まれている。
【０００５】
また、有機膜は経時的に劣化したり、メタン発酵汚泥に含まれる夾雑物が有機膜に接触することにより破損するため、２〜３年に一度交換する必要があり、ランニングコストが高いという問題がある。
【０００６】
また、有機膜はガスや汚泥の上昇流による表面洗浄を行いながら使用されるのが一般的であるが、それでも使用を続けていくと経時的に目詰まりしてしまい、そのため、目詰まりを除去すべく有機膜の内側から外側に向かって洗浄水を通す所謂逆洗が効果的に行われるが、次亜塩素酸ナトリウムやシュウ酸ナトリウム等の薬品を用いて洗浄しなければならず、メンテナンスが面倒であり、膜の寿命にも悪影響を与える。
【０００７】
また、有機膜はフラックス（透過流速束；単位面積単位時間あたりに膜を透過する液量）の温度依存性が大きく、温度が高い方が高いフラックスを得ることができるため、発酵温度は高温であることが、経済性を悪化させないための必須条件となるが、高温発酵（メタン発酵温度が５５°Ｃ前後）は中温発酵（メタン発酵温度が３８°Ｃ前後）に比較してアンモニアによる発酵阻害を受けやすく、従って、アンモニア濃度を低く維持するために高い希釈率とする必要があり、このように希釈率を高めると、膜を透過する透過量が増加し排水処理設備の負荷が大きくなり過ぎるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、ランニングコストが低減され、且つ、メンテナンスが容易となるメタン発酵装置を提供することを目的とする。また、高温発酵以外にアンモニアによる発酵阻害を受け難い中温発酵も可能とされるメタン発酵装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるメタン発酵装置は、有機物をメタン発酵するメタン発酵槽を具備したメタン発酵装置において、メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬し固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体と、多孔金属体により濃縮された余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出するための排出ラインと、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
このようなメタン発酵装置によれば、有機物はメタン発酵槽によりメタン発酵され、このメタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液は、当該発酵液に夾雑物と共に浸漬する多孔金属体により固液分離され、この固液分離による濾過によって透過液が得られる一方で、濃縮された余剰な発酵汚泥及び夾雑物は、排出ラインにより排出される。このように、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体が用いられるため、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離が可能とされ、その結果、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られる。また、このように有機膜に代えて多孔金属体が用いられるため、長期間の使用が可能とされ、ランニングコストが低減されると共に、洗浄による損傷が起こり難く、洗浄が容易となりメンテナンスが容易となる。
【００１１】
また、このように、経時劣化や夾雑物により破損しやすい有機膜に代えて多孔金属体を用いているため、メタン発酵槽内に多孔金属体を浸漬させて設置することも可能であり、このようにメタン発酵槽内に多孔金属体を設置することによって、排出ラインを、メタン発酵槽に接続されて当該メタン発酵槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出する構成とすることができる。
【００１２】
また、上記作用を好適に奏する構成として、多孔金属体は、メタン発酵槽の発酵汚泥を固液分離するための分離槽内に浸漬し、メタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び夾雑物を供給ラインを通して分離槽に供給する一方で、分離槽の多孔金属体による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通してメタン発酵槽に返送し、発酵汚泥をメタン発酵槽と分離槽との間で循環させるための汚泥循環ラインを備え、排出ラインは、分離槽に接続されて当該分離槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出する構成も採用できる。
【００１３】
このようなメタン発酵装置によれば、有機物はメタン発酵槽によりメタン発酵され、このメタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び夾雑物は供給ラインを通して分離槽に導入され、当該分離槽内に浸漬する多孔金属体により固液分離され、この固液分離による濾過によって透過液が得られる一方で、分離濃縮された発酵汚泥は返送ラインを通してメタン発酵槽に返送され、分離槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物は排出ラインを通して排出される。このような構成を採用しても、上記と同様な効果、すなわち、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、多孔金属体により、長期間の使用が可能とされランニングコストが低減され、且つ、洗浄による損傷が起こり難く洗浄が容易となってメンテナンスが容易となるという効果が得られる。
【００１４】
また、分離槽は、当該分離槽と供給ラインとの接続口近傍に遮蔽板を備えていると、夾雑物が直接多孔金属体に接触することを防止できるため、好ましい。
【００１５】
また、多孔金属体下部に散気管を備え、供給ラインと分離槽との接続口は、散気管よりも下方に位置していると、夾雑物が散気による流れに乗って多孔金属体に接触することを防止できるため、好ましい。
【００１６】
また、供給ラインと分離槽との接続口と、分離槽と返送ラインとの接続口とは、対角線上に位置していると、分離槽内での汚泥濃度勾配が発生しないため、好ましい。
【００１７】
また、本発明によるメタン発酵装置の運転方法は、上記メタン発酵装置の運転方法であって、先ず、多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過を行い、次いで、水頭差濾過を止め、多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過を行うことを特徴としている。
【００１８】
このようなメタン発酵装置の運転方法によれば、先ず、多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われるため、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体に対して発酵汚泥が付着し始める。次いで、水頭差濾過が止められ、多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われるため、発酵汚泥が付着し始めた多孔金属体に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。このように、短時間で多孔金属体に発酵汚泥が付着し始めるため、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共に、この透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施できる。また、このように、有機膜ではなく多孔金属体を用いることで、温度に関係なく、適度なフラックスの安定した濾過を実施できるため、発酵温度を高くする必要がなく、従って、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵とすることができる。
【００１９】
なお、最初からポンプ吸引濾過を行うと、ケーキ層を形成するために必要なフラックスを得にくいため、多孔金属体に対してケーキ層形成に時間がかかるという問題がある。また、水頭差濾過のみを続けた場合には、ケーキ層の形成に従って濾過抵抗が大きくなるため、フラックスが極端に小さくなってしまうという問題がある。
【００２０】
ここで、上記作用を効果的に奏する方法として、具体的には、槽内の気相部又はメタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインと、多孔金属体ユニット内とを連通し、この状態で、水頭差濾過を行う方法が挙げられる。
【００２１】
これによれば、上記水頭差濾過が支障無く行われると共に、発酵汚泥が酸素と接触しないため好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明によるメタン発酵装置によれば、（１）余剰汚泥濃度の高濃度化を一層図り脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化を図ることができ、（２）ランニングコストを低減でき、（３）メンテナンスを容易にできるメタン発酵装置を提供できる。また、本発明によるメタン発酵装置の運転方法によれば、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共にこの透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施でき、加えて、フラックスの低下無しに、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵の採用も可能となるメタン発酵装置の運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すメタン発酵装置の運転方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【図４】実施例におけるフラックスの経時変化を示す図である。
【図５】実施例におけるポンプ吸引圧の経時変化を示す図である。
【図６】実施例における透過液ＳＳの経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明によるメタン発酵装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【００２５】
図１に示すように、メタン発酵装置１００は、処理対象物をメタン発酵するメタン発酵槽１と、このメタン発酵槽１の底部に堆積する発酵汚泥（消化汚泥）及び重量異物を含む夾雑物を導入し固液分離する分離槽２と、を具備している。
【００２６】
メタン発酵槽１は、導入される有機物、具体的には、生ごみ、食品廃棄物、農業系及び水産系廃棄物、脱水汚泥等の固形性有機物及び下水濃縮汚泥、屎尿汚泥、畜産廃棄物、パームオイル工場排水、グリーストラップ排水、焼酎粕、醤油粕等の高濃度有機性排水等で、土砂、卵殻、貝殻等の重量異物、プラスチック片、ビニール片、布片等の軽量異物、食物繊維等のメタン発酵難分解性有機物等の夾雑物を含んだ有機物等を、嫌気性微生物によりメタン発酵するものであり、メタンと二酸化炭素を主成分としたバイオガスを生成する。なお、メタン発酵槽１の前段に、メタン発酵を速やかに行うべく、処理対象物を可溶化する可溶化槽を設けても良い。
【００２７】
分離槽２は、槽内に、固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体６を浸漬するように備えている。
【００２８】
この多孔金属体６は、例えば、多数の金属ワイヤによって格子状の多孔を有する金属メッシュや、ステンレス等の金属薄板に機械による加工を施したパンチングメタル等の金属板や、金属布等であり、夾雑物（異物）と接触しても損傷する虞がないものである。そして、複数枚の多孔金属体６により多孔金属体ユニット３が構成されている。
【００２９】
この多孔金属体ユニット３は、ここでは、中空の箱形を成し、対向する両端面（図１の紙面手前側と奥側の面）の部分が多孔金属体６とされ、この多孔金属体６によりユニット内外が連通する構成とされている。なお、多孔金属体６、多孔金属体ユニット３の形状は上記形状に限定されるものではなく、また、多孔金属体６、多孔金属体ユニット３は、長期間の使用の観点から耐腐食性のものにより構成されるのがより好ましい。
【００３０】
ここで、多孔金属体６の孔径は、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度、好ましくは、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。これは、０．０５ｍｍより小さい孔径とすると加工が難しくなると共に濾過面の開口率が低くなり、０．５ｍｍを越える孔径とすると発酵汚泥の付着によるケーキ層の形成が難しくなるからである。
【００３１】
また、このメタン発酵装置１００は、メタン発酵により生成したバイオガスを一旦貯留するためのガスホルダ４と、分離槽２内で上記多孔金属体ユニット３より下方に配設され多孔金属体６に対して曝気による洗浄を行うための散気管５と、をさらに備えている。
【００３２】
そして、このメタン発酵装置１００にあっては、液状物ラインとして、メタン発酵槽１にポンプＰ３を介して接続され当該ポンプＰ３の駆動により夾雑物を含む有機物をメタン発酵槽１に導入するラインＬ１、メタン発酵槽１の底部と分離槽２の下部にポンプＰ１を介して接続され当該ポンプＰ１の駆動によりメタン発酵槽１の底部の発酵汚泥及び夾雑物を供給ラインを通して分離槽２に供給する一方で、分離槽２の上部とメタン発酵槽１の上部に接続され分離槽２の多孔金属体６による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通してメタン発酵槽１に返送し、発酵汚泥をメタン発酵槽１と分離槽２との間で循環させるための汚泥循環ラインＬ３、分離槽２の底部にポンプＰ４を介して接続され当該ポンプＰ４の駆動により分離槽２の底部の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を系外に排出するための排出ラインＬ７、多孔金属体ユニット３の下部に接続されて当該ユニット３内に連通し、バルブＶ２、ポンプ吸引濾過を行うためのポンプＰ２、バルブＶ３、バルブＶ６をこの順に介して透過液を後段に排出するためのラインＬ４、ラインＬ４にバルブＶ４を介して接続されバルブＶ２、ポンプＰ２、バルブＶ３をバイパスするラインＬ５、ラインＬ４のラインＬ５に対する合流点とバルブＶ６との間から分岐しバルブＶ５を介してメタン発酵槽１に接続されたラインＬ６が、それぞれ設けられている。なお、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より低い場合には、ラインＬ６上にポンプ（図示せず）を設ける必要がある。
【００３３】
また、このメタン発酵装置１００にあっては、気体ラインとして、メタン発酵槽１の気相部１ａとガスホルダ４に接続され当該メタン発酵槽１で生成したバイオガスをガスホルダ４に導くガスラインＬ２、分離槽２の気相部２ａとラインＬ２に接続され気相部２ａのバイオガスをラインＬ２に導くラインＬ８、ラインＬ８から分岐しブロワＢ１の駆動により散気管５に曝気のためのバイオガスを供給するラインＬ９、多孔金属体ユニット３の上部と分離槽２の気相部２ａにバルブＶ１を介して接続され水頭差による透過推進力を与え水頭差濾過を行うためのラインＬ１０が、それぞれ設けられている。
【００３４】
そして、このメタン発酵装置１００にあっては、分離槽２は、当該分離槽２と供給ラインとの接続口２ｂ近傍に遮蔽板２ｄを備えており、これにより下向きの流れが発生し、夾雑物が直接多孔金属体６に接触することを防止できる構成とされている。
【００３５】
また、分離槽２と供給ラインとの接続口２ｂは、散気管５よりも下方に位置しており、夾雑物が散気による流れに乗って多孔金属体６に接触することを防止できる構成とされている。
【００３６】
また、供給ラインと分離槽２との接続口２ｂと、分離槽２と返送ラインとの接続口２ｃとは、対角線上に位置しており、分離槽２内での汚泥濃度勾配が発生しない構成とされている。
【００３７】
次に、このような構成を有するメタン発酵装置１００の作用について説明する。
【００３８】
メタン発酵槽１にラインＬ１を通して導入された夾雑物を含む有機物は、当該メタン発酵槽１において、例えば、機械撹拌機Ｍ１による撹拌や、ポンプによる液撹拌や、ガスブロワ又はガスコンプレッサによるガス撹拌や、これらを併用した撹拌等に供せられることで、メタン発酵してバイオガスが生成され、このバイオガスは、気相部１ａからガスラインＬ２を通してガスホルダ４に送られ一旦貯留され、ガスエンジンや燃料電池といった発電機やボイラの燃料として用いられたり、バイオガス中のメタン濃度を気体分離膜方式やＰＳＡ方式や液吸収方式等により濃縮することで自動車燃料等として用いられる。また、メタン濃度を濃縮したバイオガスを発電やボイラ燃料とする場合もある。
【００３９】
メタン発酵槽１では、槽内底部に発酵汚泥及び例えば貝殻等の夾雑物が堆積し、この発酵汚泥及び夾雑物は底部から引き抜かれ汚泥循環ラインＬ３を構成する往路である供給ラインを通して分離槽２に供給される。この分離槽２では、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した多孔金属体ユニット３の多孔金属体６により固液分離が行われ、多孔金属体６により濾過された透過液はラインＬ４を通して後段に排出され、一方、多孔金属体６を透過せずに分離濃縮された発酵汚泥は、オーバーフローにより汚泥循環ラインＬ３を構成する復路である返送ラインを通してメタン発酵槽１に返送される。また、分離槽２では、槽内底部に余剰な発酵汚泥及び夾雑物が堆積し、この余剰な発酵汚泥及び夾雑物は底部から引き抜かれラインＬ７を通して系外に排出される。
【００４０】
このように、本実施形態においては、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離が可能とされ、その結果、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られている。因みに、メタン発酵槽１内の汚泥濃度が５０ｇ／Ｌであり、分離槽２での濃縮率が１．２とすると、メタン発酵槽１に返送される汚泥濃度は６０ｇ／Ｌとなる。
【００４１】
また、本実施形態においては、経時劣化が激しい有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、長期間の使用が可能とされ、ランニングコストが低減されている。
【００４２】
また、損傷しやすい有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、洗浄による損傷が起こり難く、洗浄が容易とされメンテナンスが容易とされている。
【００４３】
このように、第１実施形態では、メタン発酵槽１と分離槽２を別々に設けているが、図３に示す第２実施形態のように、メタン発酵槽１内に多孔金属体６を浸漬させても良い。具体的には、メタン発酵槽１内において、多孔金属体６を、メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬させても良い。このように構成しても、上記第１実施形態と同様な効果、すなわち、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、多孔金属体６により、長期間の使用が可能とされランニングコストが低減され、且つ、洗浄による損傷が起こり難く洗浄が容易となってメンテナンスが容易となるという効果が得られる。
【００４４】
加えて、この第２実施形態によれば、メタン発酵槽２の汚泥濃度を分離槽２と同程度まで高めることができる。具体的には、第１実施形態では、メタン発酵槽１内の汚泥濃度は５０ｇ／Ｌであり、分離槽２内の汚泥濃度は６０ｇ／Ｌであったが、メタン発酵槽１と分離槽２とを一体化することにより、メタン発酵槽１内の汚泥濃度を６０ｇ／Ｌまで高めることできる。また、このようにメタン発酵槽１と分離槽２とを一体化することにより、槽の数を少なくできると共に、分離槽２からメタン発酵槽１への返送ラインや返送ポンプが不要となる。
【００４５】
次に、第１実施形態におけるメタン発酵装置１００の特に効果的な運転方法について説明する。ここでは、図２に示すタイミングチャートに従って運転を行う。なお、図２中の黒太線は、バルブＶ１〜Ｖ６にあっては開を、ポンプＰ１，Ｐ２及びブロワＢ１にあってはオンの状態を示し、黒太線が無いところは、バルブＶ１〜Ｖ６にあっては閉を、ポンプＰ１，Ｐ２及びブロワＢ１にあってはオフの状態を示す。
【００４６】
図２に示すように、先ず、ポンプＰ１をオンすると共に、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５を開とする。このポンプＰ１のオンにより、メタン発酵槽１と分離槽２との間で発酵汚泥が循環し、このとき、バルブＶ１の開により、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとが連通し、多孔金属体ユニット３内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われる。なお、ポンプＰ１は、運転中は常時オンとなる。
【００４７】
この水頭差濾過にあっては、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体６に対して発酵汚泥が付着し始める。この水頭差濾過では、多孔金属体６を通過するＳＳ量が多く透過液ＳＳが高いため、透過液はラインＬ４を通して後段に排出されるのではなく、ラインＬ５，Ｌ６を通してメタン発酵槽１に返送される。
【００４８】
そして、水頭差濾過を行う水頭差濾過時間Ｔ１が経過したら（多孔金属体６に対して発酵汚泥が付着し始めたら）、バルブＶ１，Ｖ４を閉とすると共にバルブＶ２，Ｖ３を開とし、ポンプＰ２をオンする。また、ポンプＰ１のオン、バルブＶ５の開は継続する。このバルブＶ１の閉により、水頭差濾過が止められると共に、ポンプＰ２のオン、バルブＶ２，Ｖ３の開、バルブＶ４の閉により、多孔金属体６に対して、ポンプＰ２による吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われる。
【００４９】
このポンプ吸引濾過では、多孔金属体６に対して付着し始めた発酵汚泥がケーキ層となっていく。このケーキ層を透過した透過液ＳＳは未だ高いため、透過液はラインＬ５，Ｌ６を通してメタン発酵槽１に返送される。その際、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より高い位置にある場合には、分離槽２とメタン発酵槽１の水頭差によって返送が可能であるが、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より低い位置にある場合には、ラインＬ６上にポンプ（図示せず）を設ける必要がある。
【００５０】
そして、吸引圧が所定圧になるポンプ吸引濾過時間Ｔ２が経過したら（吸引圧が所定圧になったら）、バルブＶ５を閉とすると共にバルブＶ６を開とし、ブロワＢ１をオンする。また、ポンプＰ１，Ｐ２のオン、バルブＶ２，Ｖ３の開は継続する。このブロワＢ１のオンにより、ポンプ吸引濾過が行われると同時に多孔金属体６に対して曝気洗浄が行われる。但し、処理の過程で処理対象物貯留量が低下し、ポンプＰ３がオフすることで分離槽２の水位が低下してしまう場合には、分離槽２に設置した液位計（図示せず）によってポンプＰ２がオフする。ここで、ポンプＰ２がオフした状態でブロワＢ１のオンが維持されると、多孔金属体６に付着したケーキ層が過剰に剥離されてしまうため、このような場合には、工程中であってもブロワＢ１は停止することになる。
【００５１】
この曝気洗浄を伴う通常濾過により、多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され（適度な厚さが概ね維持され）、これにより、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。この通常濾過では、透過液ＳＳが十分に低いため、透過液はラインＬ４を通して後段に排出され所定の処理に供される。
【００５２】
なお、最初からポンプ吸引濾過を行うと、ケーキ層を形成するために必要なフラックスを得にくいため、多孔金属体６に対してケーキ層形成に時間がかかるという問題がある。また、水頭差濾過のみを続けた場合には、ケーキ層の形成に従って濾過抵抗が大きくなるため、フラックスが極端に小さくなってしまうという問題がある。
【００５３】
そして、ポンプ吸引濾過が行われている多孔金属体６に対して曝気洗浄を行う通常濾過時間Ｔ３が経過したら、バルブＶ１を開とすると共にバルブＶ２，Ｖ３，Ｖ６を閉とし、ポンプＰ２をオフする。また、ポンプＰ１のオン、ブロワＢ１のオンは継続する。このブロワＢ１のオンの継続及びポンプＰ２のオフにより、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄のみが行われる。この曝気洗浄のみにより、多孔金属体６に付着したケーキ層の剥離が行われる。
【００５４】
このとき、バルブＶ１の開及びバルブＶ２，Ｖ４の閉により、多孔金属体ユニット３内の圧力が開放されるため、ケーキ層が多孔金属体６から剥がれやすくされ、ケーキ層の剥離時間の短縮化が図られている。
【００５５】
そして、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を行う洗浄時間Ｔ４が経過したら、最初に戻り、これらのＴ１〜Ｔ４を１サイクルとする運転を繰り返し行う。
【００５６】
このように、本実施形態のメタン発酵装置の運転方法によれば、先ず、多孔金属体６を有する多孔金属体ユニット３のその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われるため、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体に対して発酵汚泥が付着し始め、次いで、水頭差濾過が止められ、多孔金属体６に対して、ポンプＰ２による吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われるため、発酵汚泥が付着し始めた多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。このように、短時間で多孔金属体６に発酵汚泥が付着し始めるため、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共に、この透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施できる。
【００５７】
また、このように、有機膜ではなく多孔金属体６を用いることで、温度に関係なく、適度なフラックスの安定した濾過を実施できるため、発酵温度を高くする必要がなく、従って、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵とすることもできる。
【００５８】
また、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとを連通し、この状態で、水頭差濾過を行うようにしているため、当該水頭差濾過が支障無く行われると共に、発酵汚泥が酸素と接触しないため好ましい。
【００５９】
なお、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を行っても、十分にケーキ層が剥離しない場合には、多孔金属体６に対して逆洗を行うようにしても良い。このように逆洗しても、多孔金属体６は、有機膜に比して損傷し難く高圧力での逆洗ができるため、十分にケーキ層を剥離することができる。
【００６０】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとを連通した状態で水頭差濾過を行うようにしているが、メタン発酵槽１の気相部１ａや、メタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインＬ２と連通した状態で水頭差濾過を行うようにしても良い。因みに、多孔金属体ユニット３内を大気と連通した場合には、発酵汚泥が酸素と接触するため、好ましくない。また、曝気洗浄は、多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成されることを目的として行われるものであるが、多孔金属体６表面を発酵汚泥が適度な速度を持って移動することでも適度な厚さのケーキ層を形成することが可能であり、そのためには、ブロワを設けずにポンプによる汚泥循環とすることもできる。
【実施例】
【００６１】
以下、上記効果を確認すべく本発明者が実施した実施例について述べる。
【００６２】
図１に示したメタン発酵装置１００を用い、図２に示したタイミングチャートにより運転を行った。運転時の発酵汚泥濃度はＳＳ約５％とした。図４〜図６にその結果を示す。
【００６３】
図４は、フラックスの経時変化を示す図、図５は、ポンプ吸引圧の経時変化を示す図、図６は、透過液ＳＳの経時変化を示す図である。
【００６４】
多孔金属体６に対して汚泥が付着し始める水頭差濾過時間Ｔ１は２分間と短い時間であった。また、透過液ＳＳが１０００ｍｇ／Ｌ以下になる迄の時間（Ｔ１＋Ｔ２）は１０分間であった。そして、１０分後からのポンプ吸引濾過の際に多孔金属体６に対する曝気洗浄を実施することによって、ケーキ付着の増加を抑制でき、図５に示すように、ポンプ吸引圧が上昇することなくポンプ吸引圧一定の濾過ができた。また、図６に示すように、水頭差濾過時間Ｔ１中（開始から２分迄）の透過液ＳＳは高いが、ケーキ厚が所定厚に形成されてからは（開始から１０分後からは）、透過液ＳＳは１０００ｍｇ／Ｌ以下と低く安定していた。また、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を実施する洗浄時間（ケーキ剥離時間）Ｔ４は、今回の実施例では、図５に示すように、ポンプ吸引圧の上昇が見られなかったため、不要であった。
【符号の説明】
【００６５】
１…メタン発酵槽、１ａ，２ａ…気相部、２…分離槽、２ｂ…分離槽と供給ラインとの接続口、２ｃ…分離槽と返送ラインとの接続口、３…多孔金属体ユニット、５…散気管、６…多孔金属体、１００…メタン発酵装置、Ｌ２…ガスライン、Ｌ３…汚泥循環ライン、Ｌ７…排出ライン、Ｐ２…ポンプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物をメタン発酵するメタン発酵装置及びメタン発酵装置の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタン発酵装置として、有機性廃棄物をメタン発酵槽でメタン発酵しメタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスを得る一方で、このメタン発酵槽の発酵汚泥を膜分離槽に導入し、当該膜分離槽に浸漬する濾過膜により固液分離して透過液を得ると共に、分離濃縮された発酵汚泥をメタン発酵槽に返送し、これにより、メタン発酵槽の汚泥濃度を高濃度に維持し、メタン発酵槽の小型化を図るメタン発酵装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の装置にあっては、濾過膜として例えばポリエチレン等の樹脂から成る有機膜（孔径０．１〜０．５μｍ）が用いられる。また、メタン発酵槽の底部に堆積する余剰汚泥は当該底部に堆積する異物と共に引き抜かれ系外に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上記特許文献１に記載の装置にあっては、余剰汚泥濃度をより一層高め、脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化を図ることが望まれている。
【０００５】
また、有機膜は経時的に劣化したり、メタン発酵汚泥に含まれる夾雑物が有機膜に接触することにより破損するため、２〜３年に一度交換する必要があり、ランニングコストが高いという問題がある。
【０００６】
また、有機膜はガスや汚泥の上昇流による表面洗浄を行いながら使用されるのが一般的であるが、それでも使用を続けていくと経時的に目詰まりしてしまい、そのため、目詰まりを除去すべく有機膜の内側から外側に向かって洗浄水を通す所謂逆洗が効果的に行われるが、次亜塩素酸ナトリウムやシュウ酸ナトリウム等の薬品を用いて洗浄しなければならず、メンテナンスが面倒であり、膜の寿命にも悪影響を与える。
【０００７】
また、有機膜はフラックス（透過流速束；単位面積単位時間あたりに膜を透過する液量）の温度依存性が大きく、温度が高い方が高いフラックスを得ることができるため、発酵温度は高温であることが、経済性を悪化させないための必須条件となるが、高温発酵（メタン発酵温度が５５°Ｃ前後）は中温発酵（メタン発酵温度が３８°Ｃ前後）に比較してアンモニアによる発酵阻害を受けやすく、従って、アンモニア濃度を低く維持するために高い希釈率とする必要があり、このように希釈率を高めると、膜を透過する透過量が増加し排水処理設備の負荷が大きくなり過ぎるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、ランニングコストが低減され、且つ、メンテナンスが容易となるメタン発酵装置を提供することを目的とする。また、高温発酵以外にアンモニアによる発酵阻害を受け難い中温発酵も可能とされるメタン発酵装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるメタン発酵装置は、有機物をメタン発酵するメタン発酵槽を具備したメタン発酵装置において、メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬し固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体と、多孔金属体により濃縮された余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出するための排出ラインと、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
このようなメタン発酵装置によれば、有機物はメタン発酵槽によりメタン発酵され、このメタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液は、当該発酵液に夾雑物と共に浸漬する多孔金属体により固液分離され、この固液分離による濾過によって透過液が得られる一方で、濃縮された余剰な発酵汚泥及び夾雑物は、排出ラインにより排出される。このように、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体が用いられるため、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離が可能とされ、その結果、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られる。また、このように有機膜に代えて多孔金属体が用いられるため、長期間の使用が可能とされ、ランニングコストが低減されると共に、洗浄による損傷が起こり難く、洗浄が容易となりメンテナンスが容易となる。
【００１１】
また、このように、経時劣化や夾雑物により破損しやすい有機膜に代えて多孔金属体を用いているため、メタン発酵槽内に多孔金属体を浸漬させて設置することも可能であり、このようにメタン発酵槽内に多孔金属体を設置することによって、排出ラインを、メタン発酵槽に接続されて当該メタン発酵槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出する構成とすることができる。
【００１２】
また、上記作用を好適に奏する構成として、多孔金属体は、メタン発酵槽の発酵汚泥を固液分離するための分離槽内に浸漬し、メタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び夾雑物を供給ラインを通して分離槽に供給する一方で、分離槽の多孔金属体による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通してメタン発酵槽に返送し、発酵汚泥をメタン発酵槽と分離槽との間で循環させるための汚泥循環ラインを備え、排出ラインは、分離槽に接続されて当該分離槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を排出する構成も採用できる。
【００１３】
このようなメタン発酵装置によれば、有機物はメタン発酵槽によりメタン発酵され、このメタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び夾雑物は供給ラインを通して分離槽に導入され、当該分離槽内に浸漬する多孔金属体により固液分離され、この固液分離による濾過によって透過液が得られる一方で、分離濃縮された発酵汚泥は返送ラインを通してメタン発酵槽に返送され、分離槽の余剰な発酵汚泥及び夾雑物は排出ラインを通して排出される。このような構成を採用しても、上記と同様な効果、すなわち、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、多孔金属体により、長期間の使用が可能とされランニングコストが低減され、且つ、洗浄による損傷が起こり難く洗浄が容易となってメンテナンスが容易となるという効果が得られる。
【００１４】
また、分離槽は、当該分離槽と供給ラインとの接続口近傍に遮蔽板を備えていると、夾雑物が直接多孔金属体に接触することを防止できるため、好ましい。
【００１５】
また、多孔金属体下部に散気管を備え、供給ラインと分離槽との接続口は、散気管よりも下方に位置していると、夾雑物が散気による流れに乗って多孔金属体に接触することを防止できるため、好ましい。
【００１６】
また、供給ラインと分離槽との接続口と、分離槽と返送ラインとの接続口とは、対角線上に位置していると、分離槽内での汚泥濃度勾配が発生しないため、好ましい。
【００１７】
また、本発明によるメタン発酵装置の運転方法は、上記メタン発酵装置の運転方法であって、先ず、多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過を行い、次いで、水頭差濾過を止め、多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過を行うことを特徴としている。
【００１８】
このようなメタン発酵装置の運転方法によれば、先ず、多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われるため、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体に対して発酵汚泥が付着し始める。次いで、水頭差濾過が止められ、多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われるため、発酵汚泥が付着し始めた多孔金属体に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。このように、短時間で多孔金属体に発酵汚泥が付着し始めるため、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共に、この透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施できる。また、このように、有機膜ではなく多孔金属体を用いることで、温度に関係なく、適度なフラックスの安定した濾過を実施できるため、発酵温度を高くする必要がなく、従って、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵とすることができる。
【００１９】
なお、最初からポンプ吸引濾過を行うと、ケーキ層を形成するために必要なフラックスを得にくいため、多孔金属体に対してケーキ層形成に時間がかかるという問題がある。また、水頭差濾過のみを続けた場合には、ケーキ層の形成に従って濾過抵抗が大きくなるため、フラックスが極端に小さくなってしまうという問題がある。
【００２０】
ここで、上記作用を効果的に奏する方法として、具体的には、槽内の気相部又はメタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインと、多孔金属体ユニット内とを連通し、この状態で、水頭差濾過を行う方法が挙げられる。
【００２１】
これによれば、上記水頭差濾過が支障無く行われると共に、発酵汚泥が酸素と接触しないため好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明によるメタン発酵装置によれば、（１）余剰汚泥濃度の高濃度化を一層図り脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化を図ることができ、（２）ランニングコストを低減でき、（３）メンテナンスを容易にできるメタン発酵装置を提供できる。また、本発明によるメタン発酵装置の運転方法によれば、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共にこの透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施でき、加えて、フラックスの低下無しに、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵の採用も可能となるメタン発酵装置の運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すメタン発酵装置の運転方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【図４】実施例におけるフラックスの経時変化を示す図である。
【図５】実施例におけるポンプ吸引圧の経時変化を示す図である。
【図６】実施例における透過液ＳＳの経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明によるメタン発酵装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るメタン発酵装置を示す構成図である。
【００２５】
図１に示すように、メタン発酵装置１００は、処理対象物をメタン発酵するメタン発酵槽１と、このメタン発酵槽１の底部に堆積する発酵汚泥（消化汚泥）及び重量異物を含む夾雑物を導入し固液分離する分離槽２と、を具備している。
【００２６】
メタン発酵槽１は、導入される有機物、具体的には、生ごみ、食品廃棄物、農業系及び水産系廃棄物、脱水汚泥等の固形性有機物及び下水濃縮汚泥、屎尿汚泥、畜産廃棄物、パームオイル工場排水、グリーストラップ排水、焼酎粕、醤油粕等の高濃度有機性排水等で、土砂、卵殻、貝殻等の重量異物、プラスチック片、ビニール片、布片等の軽量異物、食物繊維等のメタン発酵難分解性有機物等の夾雑物を含んだ有機物等を、嫌気性微生物によりメタン発酵するものであり、メタンと二酸化炭素を主成分としたバイオガスを生成する。なお、メタン発酵槽１の前段に、メタン発酵を速やかに行うべく、処理対象物を可溶化する可溶化槽を設けても良い。
【００２７】
分離槽２は、槽内に、固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体６を浸漬するように備えている。
【００２８】
この多孔金属体６は、例えば、多数の金属ワイヤによって格子状の多孔を有する金属メッシュや、ステンレス等の金属薄板に機械による加工を施したパンチングメタル等の金属板や、金属布等であり、夾雑物（異物）と接触しても損傷する虞がないものである。そして、複数枚の多孔金属体６により多孔金属体ユニット３が構成されている。
【００２９】
この多孔金属体ユニット３は、ここでは、中空の箱形を成し、対向する両端面（図１の紙面手前側と奥側の面）の部分が多孔金属体６とされ、この多孔金属体６によりユニット内外が連通する構成とされている。なお、多孔金属体６、多孔金属体ユニット３の形状は上記形状に限定されるものではなく、また、多孔金属体６、多孔金属体ユニット３は、長期間の使用の観点から耐腐食性のものにより構成されるのがより好ましい。
【００３０】
ここで、多孔金属体６の孔径は、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度、好ましくは、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。これは、０．０５ｍｍより小さい孔径とすると加工が難しくなると共に濾過面の開口率が低くなり、０．５ｍｍを越える孔径とすると発酵汚泥の付着によるケーキ層の形成が難しくなるからである。
【００３１】
また、このメタン発酵装置１００は、メタン発酵により生成したバイオガスを一旦貯留するためのガスホルダ４と、分離槽２内で上記多孔金属体ユニット３より下方に配設され多孔金属体６に対して曝気による洗浄を行うための散気管５と、をさらに備えている。
【００３２】
そして、このメタン発酵装置１００にあっては、液状物ラインとして、メタン発酵槽１にポンプＰ３を介して接続され当該ポンプＰ３の駆動により夾雑物を含む有機物をメタン発酵槽１に導入するラインＬ１、メタン発酵槽１の底部と分離槽２の下部にポンプＰ１を介して接続され当該ポンプＰ１の駆動によりメタン発酵槽１の底部の発酵汚泥及び夾雑物を供給ラインを通して分離槽２に供給する一方で、分離槽２の上部とメタン発酵槽１の上部に接続され分離槽２の多孔金属体６による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通してメタン発酵槽１に返送し、発酵汚泥をメタン発酵槽１と分離槽２との間で循環させるための汚泥循環ラインＬ３、分離槽２の底部にポンプＰ４を介して接続され当該ポンプＰ４の駆動により分離槽２の底部の余剰な発酵汚泥及び夾雑物を系外に排出するための排出ラインＬ７、多孔金属体ユニット３の下部に接続されて当該ユニット３内に連通し、バルブＶ２、ポンプ吸引濾過を行うためのポンプＰ２、バルブＶ３、バルブＶ６をこの順に介して透過液を後段に排出するためのラインＬ４、ラインＬ４にバルブＶ４を介して接続されバルブＶ２、ポンプＰ２、バルブＶ３をバイパスするラインＬ５、ラインＬ４のラインＬ５に対する合流点とバルブＶ６との間から分岐しバルブＶ５を介してメタン発酵槽１に接続されたラインＬ６が、それぞれ設けられている。なお、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より低い場合には、ラインＬ６上にポンプ（図示せず）を設ける必要がある。
【００３３】
また、このメタン発酵装置１００にあっては、気体ラインとして、メタン発酵槽１の気相部１ａとガスホルダ４に接続され当該メタン発酵槽１で生成したバイオガスをガスホルダ４に導くガスラインＬ２、分離槽２の気相部２ａとラインＬ２に接続され気相部２ａのバイオガスをラインＬ２に導くラインＬ８、ラインＬ８から分岐しブロワＢ１の駆動により散気管５に曝気のためのバイオガスを供給するラインＬ９、多孔金属体ユニット３の上部と分離槽２の気相部２ａにバルブＶ１を介して接続され水頭差による透過推進力を与え水頭差濾過を行うためのラインＬ１０が、それぞれ設けられている。
【００３４】
そして、このメタン発酵装置１００にあっては、分離槽２は、当該分離槽２と供給ラインとの接続口２ｂ近傍に遮蔽板２ｄを備えており、これにより下向きの流れが発生し、夾雑物が直接多孔金属体６に接触することを防止できる構成とされている。
【００３５】
また、分離槽２と供給ラインとの接続口２ｂは、散気管５よりも下方に位置しており、夾雑物が散気による流れに乗って多孔金属体６に接触することを防止できる構成とされている。
【００３６】
また、供給ラインと分離槽２との接続口２ｂと、分離槽２と返送ラインとの接続口２ｃとは、対角線上に位置しており、分離槽２内での汚泥濃度勾配が発生しない構成とされている。
【００３７】
次に、このような構成を有するメタン発酵装置１００の作用について説明する。
【００３８】
メタン発酵槽１にラインＬ１を通して導入された夾雑物を含む有機物は、当該メタン発酵槽１において、例えば、機械撹拌機Ｍ１による撹拌や、ポンプによる液撹拌や、ガスブロワ又はガスコンプレッサによるガス撹拌や、これらを併用した撹拌等に供せられることで、メタン発酵してバイオガスが生成され、このバイオガスは、気相部１ａからガスラインＬ２を通してガスホルダ４に送られ一旦貯留され、ガスエンジンや燃料電池といった発電機やボイラの燃料として用いられたり、バイオガス中のメタン濃度を気体分離膜方式やＰＳＡ方式や液吸収方式等により濃縮することで自動車燃料等として用いられる。また、メタン濃度を濃縮したバイオガスを発電やボイラ燃料とする場合もある。
【００３９】
メタン発酵槽１では、槽内底部に発酵汚泥及び例えば貝殻等の夾雑物が堆積し、この発酵汚泥及び夾雑物は底部から引き抜かれ汚泥循環ラインＬ３を構成する往路である供給ラインを通して分離槽２に供給される。この分離槽２では、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した多孔金属体ユニット３の多孔金属体６により固液分離が行われ、多孔金属体６により濾過された透過液はラインＬ４を通して後段に排出され、一方、多孔金属体６を透過せずに分離濃縮された発酵汚泥は、オーバーフローにより汚泥循環ラインＬ３を構成する復路である返送ラインを通してメタン発酵槽１に返送される。また、分離槽２では、槽内底部に余剰な発酵汚泥及び夾雑物が堆積し、この余剰な発酵汚泥及び夾雑物は底部から引き抜かれラインＬ７を通して系外に排出される。
【００４０】
このように、本実施形態においては、夾雑物により損傷してしまう有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬した状態での固液分離が可能とされ、その結果、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られている。因みに、メタン発酵槽１内の汚泥濃度が５０ｇ／Ｌであり、分離槽２での濃縮率が１．２とすると、メタン発酵槽１に返送される汚泥濃度は６０ｇ／Ｌとなる。
【００４１】
また、本実施形態においては、経時劣化が激しい有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、長期間の使用が可能とされ、ランニングコストが低減されている。
【００４２】
また、損傷しやすい有機膜に代えて多孔金属体６が用いられているため、洗浄による損傷が起こり難く、洗浄が容易とされメンテナンスが容易とされている。
【００４３】
このように、第１実施形態では、メタン発酵槽１と分離槽２を別々に設けているが、図３に示す第２実施形態のように、メタン発酵槽１内に多孔金属体６を浸漬させても良い。具体的には、メタン発酵槽１内において、多孔金属体６を、メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬させても良い。このように構成しても、上記第１実施形態と同様な効果、すなわち、余剰汚泥濃度の高濃度化が一層図られ脱水等の余剰汚泥処理設備の小型化が図られると共に、多孔金属体６により、長期間の使用が可能とされランニングコストが低減され、且つ、洗浄による損傷が起こり難く洗浄が容易となってメンテナンスが容易となるという効果が得られる。
【００４４】
加えて、この第２実施形態によれば、メタン発酵槽２の汚泥濃度を分離槽２と同程度まで高めることができる。具体的には、第１実施形態では、メタン発酵槽１内の汚泥濃度は５０ｇ／Ｌであり、分離槽２内の汚泥濃度は６０ｇ／Ｌであったが、メタン発酵槽１と分離槽２とを一体化することにより、メタン発酵槽１内の汚泥濃度を６０ｇ／Ｌまで高めることできる。また、このようにメタン発酵槽１と分離槽２とを一体化することにより、槽の数を少なくできると共に、分離槽２からメタン発酵槽１への返送ラインや返送ポンプが不要となる。
【００４５】
次に、第１実施形態におけるメタン発酵装置１００の特に効果的な運転方法について説明する。ここでは、図２に示すタイミングチャートに従って運転を行う。なお、図２中の黒太線は、バルブＶ１〜Ｖ６にあっては開を、ポンプＰ１，Ｐ２及びブロワＢ１にあってはオンの状態を示し、黒太線が無いところは、バルブＶ１〜Ｖ６にあっては閉を、ポンプＰ１，Ｐ２及びブロワＢ１にあってはオフの状態を示す。
【００４６】
図２に示すように、先ず、ポンプＰ１をオンすると共に、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５を開とする。このポンプＰ１のオンにより、メタン発酵槽１と分離槽２との間で発酵汚泥が循環し、このとき、バルブＶ１の開により、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとが連通し、多孔金属体ユニット３内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われる。なお、ポンプＰ１は、運転中は常時オンとなる。
【００４７】
この水頭差濾過にあっては、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体６に対して発酵汚泥が付着し始める。この水頭差濾過では、多孔金属体６を通過するＳＳ量が多く透過液ＳＳが高いため、透過液はラインＬ４を通して後段に排出されるのではなく、ラインＬ５，Ｌ６を通してメタン発酵槽１に返送される。
【００４８】
そして、水頭差濾過を行う水頭差濾過時間Ｔ１が経過したら（多孔金属体６に対して発酵汚泥が付着し始めたら）、バルブＶ１，Ｖ４を閉とすると共にバルブＶ２，Ｖ３を開とし、ポンプＰ２をオンする。また、ポンプＰ１のオン、バルブＶ５の開は継続する。このバルブＶ１の閉により、水頭差濾過が止められると共に、ポンプＰ２のオン、バルブＶ２，Ｖ３の開、バルブＶ４の閉により、多孔金属体６に対して、ポンプＰ２による吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われる。
【００４９】
このポンプ吸引濾過では、多孔金属体６に対して付着し始めた発酵汚泥がケーキ層となっていく。このケーキ層を透過した透過液ＳＳは未だ高いため、透過液はラインＬ５，Ｌ６を通してメタン発酵槽１に返送される。その際、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より高い位置にある場合には、分離槽２とメタン発酵槽１の水頭差によって返送が可能であるが、分離槽２の水位がメタン発酵槽１の水位より低い位置にある場合には、ラインＬ６上にポンプ（図示せず）を設ける必要がある。
【００５０】
そして、吸引圧が所定圧になるポンプ吸引濾過時間Ｔ２が経過したら（吸引圧が所定圧になったら）、バルブＶ５を閉とすると共にバルブＶ６を開とし、ブロワＢ１をオンする。また、ポンプＰ１，Ｐ２のオン、バルブＶ２，Ｖ３の開は継続する。このブロワＢ１のオンにより、ポンプ吸引濾過が行われると同時に多孔金属体６に対して曝気洗浄が行われる。但し、処理の過程で処理対象物貯留量が低下し、ポンプＰ３がオフすることで分離槽２の水位が低下してしまう場合には、分離槽２に設置した液位計（図示せず）によってポンプＰ２がオフする。ここで、ポンプＰ２がオフした状態でブロワＢ１のオンが維持されると、多孔金属体６に付着したケーキ層が過剰に剥離されてしまうため、このような場合には、工程中であってもブロワＢ１は停止することになる。
【００５１】
この曝気洗浄を伴う通常濾過により、多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され（適度な厚さが概ね維持され）、これにより、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。この通常濾過では、透過液ＳＳが十分に低いため、透過液はラインＬ４を通して後段に排出され所定の処理に供される。
【００５２】
なお、最初からポンプ吸引濾過を行うと、ケーキ層を形成するために必要なフラックスを得にくいため、多孔金属体６に対してケーキ層形成に時間がかかるという問題がある。また、水頭差濾過のみを続けた場合には、ケーキ層の形成に従って濾過抵抗が大きくなるため、フラックスが極端に小さくなってしまうという問題がある。
【００５３】
そして、ポンプ吸引濾過が行われている多孔金属体６に対して曝気洗浄を行う通常濾過時間Ｔ３が経過したら、バルブＶ１を開とすると共にバルブＶ２，Ｖ３，Ｖ６を閉とし、ポンプＰ２をオフする。また、ポンプＰ１のオン、ブロワＢ１のオンは継続する。このブロワＢ１のオンの継続及びポンプＰ２のオフにより、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄のみが行われる。この曝気洗浄のみにより、多孔金属体６に付着したケーキ層の剥離が行われる。
【００５４】
このとき、バルブＶ１の開及びバルブＶ２，Ｖ４の閉により、多孔金属体ユニット３内の圧力が開放されるため、ケーキ層が多孔金属体６から剥がれやすくされ、ケーキ層の剥離時間の短縮化が図られている。
【００５５】
そして、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を行う洗浄時間Ｔ４が経過したら、最初に戻り、これらのＴ１〜Ｔ４を１サイクルとする運転を繰り返し行う。
【００５６】
このように、本実施形態のメタン発酵装置の運転方法によれば、先ず、多孔金属体６を有する多孔金属体ユニット３のその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過が行われるため、適度なフラックスにより、短時間で多孔金属体に対して発酵汚泥が付着し始め、次いで、水頭差濾過が止められ、多孔金属体６に対して、ポンプＰ２による吸引を利用したポンプ吸引濾過が行われるため、発酵汚泥が付着し始めた多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成され、適度なフラックスの安定した濾過が実施される。このように、短時間で多孔金属体６に発酵汚泥が付着し始めるため、短時間で透過液ＳＳを少なくできると共に、この透過液ＳＳの少ない状態を維持した適度なフラックスの安定した濾過を続けて実施できる。
【００５７】
また、このように、有機膜ではなく多孔金属体６を用いることで、温度に関係なく、適度なフラックスの安定した濾過を実施できるため、発酵温度を高くする必要がなく、従って、アンモニアによる発酵阻害の影響を受け難い中温発酵とすることもできる。
【００５８】
また、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとを連通し、この状態で、水頭差濾過を行うようにしているため、当該水頭差濾過が支障無く行われると共に、発酵汚泥が酸素と接触しないため好ましい。
【００５９】
なお、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を行っても、十分にケーキ層が剥離しない場合には、多孔金属体６に対して逆洗を行うようにしても良い。このように逆洗しても、多孔金属体６は、有機膜に比して損傷し難く高圧力での逆洗ができるため、十分にケーキ層を剥離することができる。
【００６０】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、多孔金属体ユニット３内と分離槽２の気相部２ａとを連通した状態で水頭差濾過を行うようにしているが、メタン発酵槽１の気相部１ａや、メタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインＬ２と連通した状態で水頭差濾過を行うようにしても良い。因みに、多孔金属体ユニット３内を大気と連通した場合には、発酵汚泥が酸素と接触するため、好ましくない。また、曝気洗浄は、多孔金属体６に対してケーキ層が容易且つ適度な厚さに形成されることを目的として行われるものであるが、多孔金属体６表面を発酵汚泥が適度な速度を持って移動することでも適度な厚さのケーキ層を形成することが可能であり、そのためには、ブロワを設けずにポンプによる汚泥循環とすることもできる。
【実施例】
【００６１】
以下、上記効果を確認すべく本発明者が実施した実施例について述べる。
【００６２】
図１に示したメタン発酵装置１００を用い、図２に示したタイミングチャートにより運転を行った。運転時の発酵汚泥濃度はＳＳ約５％とした。図４〜図６にその結果を示す。
【００６３】
図４は、フラックスの経時変化を示す図、図５は、ポンプ吸引圧の経時変化を示す図、図６は、透過液ＳＳの経時変化を示す図である。
【００６４】
多孔金属体６に対して汚泥が付着し始める水頭差濾過時間Ｔ１は２分間と短い時間であった。また、透過液ＳＳが１０００ｍｇ／Ｌ以下になる迄の時間（Ｔ１＋Ｔ２）は１０分間であった。そして、１０分後からのポンプ吸引濾過の際に多孔金属体６に対する曝気洗浄を実施することによって、ケーキ付着の増加を抑制でき、図５に示すように、ポンプ吸引圧が上昇することなくポンプ吸引圧一定の濾過ができた。また、図６に示すように、水頭差濾過時間Ｔ１中（開始から２分迄）の透過液ＳＳは高いが、ケーキ厚が所定厚に形成されてからは（開始から１０分後からは）、透過液ＳＳは１０００ｍｇ／Ｌ以下と低く安定していた。また、ポンプ吸引濾過を止めて多孔金属体６に対する曝気洗浄を実施する洗浄時間（ケーキ剥離時間）Ｔ４は、今回の実施例では、図５に示すように、ポンプ吸引圧の上昇が見られなかったため、不要であった。
【符号の説明】
【００６５】
１…メタン発酵槽、１ａ，２ａ…気相部、２…分離槽、２ｂ…分離槽と供給ラインとの接続口、２ｃ…分離槽と返送ラインとの接続口、３…多孔金属体ユニット、５…散気管、６…多孔金属体、１００…メタン発酵装置、Ｌ２…ガスライン、Ｌ３…汚泥循環ライン、Ｌ７…排出ライン、Ｐ２…ポンプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物をメタン発酵するメタン発酵槽を具備したメタン発酵装置において、
メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬し固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体と、
前記多孔金属体により濃縮された余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出するための排出ラインと、を備えたことを特徴とするメタン発酵装置。
【請求項２】
前記多孔金属体は、前記メタン発酵槽内に浸漬し、
前記排出ラインは、前記メタン発酵槽に接続されて当該メタン発酵槽の余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
【請求項３】
前記多孔金属体は、前記メタン発酵槽の発酵汚泥を固液分離するための分離槽内に浸漬し、
前記メタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び前記夾雑物を供給ラインを通して前記分離槽に供給する一方で、前記分離槽の前記多孔金属体による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通して前記メタン発酵槽に返送し、前記発酵汚泥を前記メタン発酵槽と前記分離槽との間で循環させるための汚泥循環ラインを備え、
前記排出ラインは、前記分離槽に接続されて当該分離槽の余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
【請求項４】
前記分離槽は、当該分離槽と前記供給ラインとの接続口近傍に遮蔽板を備えることを特徴とする請求項３記載のメタン発酵装置。
【請求項５】
前記多孔金属体下部に散気管を備え、
前記供給ラインと前記分離槽との接続口は、前記散気管よりも下方に位置することを特徴とする請求項３又は４記載のメタン発酵装置。
【請求項６】
前記供給ラインと前記分離槽との接続口と、前記分離槽と前記返送ラインとの接続口とは、対角線上に位置することを特徴とする請求項３〜５の何れか一項に記載のメタン発酵装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のメタン発酵装置の運転方法であって、
先ず、前記多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過を行い、
次いで、前記水頭差濾過を止め、前記多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過を行うことを特徴とするメタン発酵装置の運転方法。
【請求項８】
前記槽内の気相部又はメタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインと、前記多孔金属体ユニット内とを連通し、この状態で、前記水頭差濾過を行うことを特徴とする請求項７記載のメタン発酵装置の運転方法。
【請求項１】
有機物をメタン発酵するメタン発酵槽を具備したメタン発酵装置において、
メタン発酵された発酵汚泥を含む発酵液に夾雑物と共に浸漬し固液分離による濾過を行い透過液を得るための多孔金属体と、
前記多孔金属体により濃縮された余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出するための排出ラインと、を備えたことを特徴とするメタン発酵装置。
【請求項２】
前記多孔金属体は、前記メタン発酵槽内に浸漬し、
前記排出ラインは、前記メタン発酵槽に接続されて当該メタン発酵槽の余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
【請求項３】
前記多孔金属体は、前記メタン発酵槽の発酵汚泥を固液分離するための分離槽内に浸漬し、
前記メタン発酵槽の底部の発酵汚泥及び前記夾雑物を供給ラインを通して前記分離槽に供給する一方で、前記分離槽の前記多孔金属体による固液分離により濃縮された発酵汚泥を返送ラインを通して前記メタン発酵槽に返送し、前記発酵汚泥を前記メタン発酵槽と前記分離槽との間で循環させるための汚泥循環ラインを備え、
前記排出ラインは、前記分離槽に接続されて当該分離槽の余剰な発酵汚泥及び前記夾雑物を排出することを特徴とする請求項１記載のメタン発酵装置。
【請求項４】
前記分離槽は、当該分離槽と前記供給ラインとの接続口近傍に遮蔽板を備えることを特徴とする請求項３記載のメタン発酵装置。
【請求項５】
前記多孔金属体下部に散気管を備え、
前記供給ラインと前記分離槽との接続口は、前記散気管よりも下方に位置することを特徴とする請求項３又は４記載のメタン発酵装置。
【請求項６】
前記供給ラインと前記分離槽との接続口と、前記分離槽と前記返送ラインとの接続口とは、対角線上に位置することを特徴とする請求項３〜５の何れか一項に記載のメタン発酵装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のメタン発酵装置の運転方法であって、
先ず、前記多孔金属体を有する多孔金属体ユニットのその内外の水頭差のみを透過推進力とした水頭差濾過を行い、
次いで、前記水頭差濾過を止め、前記多孔金属体に対して、ポンプによる吸引を利用したポンプ吸引濾過を行うことを特徴とするメタン発酵装置の運転方法。
【請求項８】
前記槽内の気相部又はメタン発酵により生じたバイオガスが流れるガスラインと、前記多孔金属体ユニット内とを連通し、この状態で、前記水頭差濾過を行うことを特徴とする請求項７記載のメタン発酵装置の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２６４３６７（Ｐ２０１０−２６４３６７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６８０３（Ｐ２００９−１１６８０３）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（５０７０３６０５０）住友重機械エンバイロメント株式会社 (88)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（５０７０３６０５０）住友重機械エンバイロメント株式会社 (88)
【Ｆターム（参考）】
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