JP7202074B2 - How to start up methane fermentation - Google Patents
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Description
この発明は、メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させるメタン発酵の立ち上げ方法に関する。 The present invention relates to a method for starting up methane fermentation in which methanogenic bacteria are cultured to generate methane gas.
一般的に、メタン発酵のプラントを立ち上げて稼働させる場合、メタン生成菌は既に稼働しているプラントから消化液(種汚泥)を入手する必要がある。 In general, when starting up and operating a methane fermentation plant, methanogens need to obtain digestive fluid (seed sludge) from the already operating plant.
たとえば、特開2005-46788号公報(特許文献1)には、メタン発酵の開始時、再起動時などに、種汚泥または発酵液中の菌体を濃縮した菌濃縮液を、被処理物に添加することが開示されている。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-46788 (Patent Document 1), at the start of methane fermentation, at the time of restart, etc., a fungal concentrate obtained by concentrating fungal cells in seed sludge or fermentation liquid is applied to the object to be treated. It is disclosed to add
メタン発酵プロセスを効率よく立ち立ち上げるには、既設のプラントから種汚泥を入手することが望ましい。しかし、立ち上げるプラントと同条件のメタン発酵施設を見つけることが困難な場合がある。また、特許文献1のメタン発酵処理方法は、プラント立ち上げの際に既設のプラントから種汚泥を入手する必要がある。
In order to efficiently start up the methane fermentation process, it is desirable to obtain seed sludge from existing plants. However, it may be difficult to find a methane fermentation facility with the same conditions as the plant to be launched. Further, in the methane fermentation treatment method of
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は種汚泥などを用いずにメタンガスを発生することが可能なメタン発酵の立ち上げ方法を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above problems, and its object is to provide a method for starting up methane fermentation capable of generating methane gas without using seed sludge or the like. aim.
本発明の一態様に係るメタン発酵の立ち上げ方法は、メタン生成菌を培養してメタンガスを発生させるメタン発酵の立ち上げ方法であって、メタン生成菌を含有する牛糞と、飼料とを準備する工程と、牛糞と飼料とを所定の比率にして牛糞および飼料を発酵槽に投入する工程と、発酵槽内でメタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる工程とを備える。 A method for starting up methane fermentation according to an aspect of the present invention is a method for starting up methane fermentation in which methanogens are cultured to generate methane gas, and cattle dung containing methanogens and feed are prepared. a step of charging cow dung and feed into a fermenter in a predetermined ratio of cow dung and feed; and a step of culturing methanogenic bacteria in the fermenter to generate methane gas.
好ましくは、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.1~20%である。 Preferably, the feed input on a dry matter basis is 0.1-20% of the cow dung input.
好ましくは、発酵槽内の温度が36℃の場合、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.5~10%である。 Preferably, when the temperature in the fermenter is 36° C., the feed input on a dry matter basis is 0.5-10% of the cow dung input.
好ましくは、発酵槽内の温度が42℃の場合、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.1~2.5%である。 Preferably, when the temperature in the fermenter is 42° C., the feed input on a dry matter basis is 0.1-2.5% of the cow dung input.
好ましくは、牛糞と飼料とを発酵槽内に投入後、発酵槽内の温度を36℃から42℃まで徐々に昇温する。 Preferably, the temperature in the fermenter is gradually raised from 36°C to 42°C after the cow dung and feed are put into the fermenter.
好ましくは、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.5~10%である。 Preferably, the feed input on a dry matter basis is 0.5-10% of the cow dung input.
好ましくは、発酵槽内に投入する全重量に対する牛糞および飼料の固形分の合計重量は、10%~15%である。 Preferably, the combined weight of cow dung and feed solids relative to the total weight charged into the fermenter is between 10% and 15%.
好ましくは、発酵槽内での牛糞のメタン生成菌の培養が安定した後に、牛糞に加えて、牛糞とは異なるバイオマス原料を発酵槽内に投入する。 Preferably, a biomass raw material different from cow dung is introduced into the fermenter in addition to the cow dung after the methanogen culture in the cow dung is stabilized in the fermenter.
本発明によれば、種汚泥などを用いずにメタンガスを発生することが可能なメタン発酵の立ち上げ方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the start-up method of methane fermentation which can generate methane gas without using seed sludge etc. can be provided.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図1,図2を参照して、本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法の全体的な流れについて説明する。図1は、メタン発酵方法の全体的な流れを示すフローチャートである。図2は、メタン発酵方法によって発生するバイオガス量の推移のイメージを示す線グラフであり、縦軸はバイオガス量を示し、横軸は処理日数を示す。 The overall flow of the methane fermentation method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. FIG. 1 is a flow chart showing the overall flow of the methane fermentation method. FIG. 2 is a line graph showing an image of changes in the amount of biogas generated by the methane fermentation method, in which the vertical axis indicates the amount of biogas and the horizontal axis indicates the number of processing days.
本実施の形態に係るメタン発酵方法の全体的な流れは、メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)後に、複数種類のバイオマス原料を段階的に発酵槽内に投入する工程(STEP2)を行い、その後に複数種類のバイオマス原料を連続的に発酵槽内に投入する工程(STEP3)を行う。 In the overall flow of the methane fermentation method according to the present embodiment, after the methane fermentation start-up step (STEP 1), a step of stepwise introducing a plurality of types of biomass raw materials into the fermenter (STEP 2) is performed, and then A step (STEP 3) of continuously charging a plurality of types of biomass raw materials into the fermenter is performed.
STEP1のメタン発酵の立ち上げ工程では、発酵槽内でメタン生成菌を培養させてメタン生成菌を増殖させる。STEP2のバイオマス原料を段階的に投入する工程では、投入するバイオマス原料の種類を1種類ずつ増やして発酵槽に投入する。STEP3の複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程では、STEP2で投入した複数種類のバイオマス原料をすべて混ぜ合わせて発酵槽に投入する。また、STEP1でメタンガスが正常に発生しなかった場合、または、STEP3の最中にバイオガス生成量が減少した場合などにリカバリ工程(STEP4)を行う。
In
図2に示すように、STEP1、STEP2、STEP3に移行するにつれ、発酵槽内のバイオガス量が増加する。バイオガスとは、発酵槽内でバイオマス原料が分解されることなどによって発生する気体であり、たとえばメタン、二酸化炭素および微量の硫化水素などを含む気体である。STEP1からSTEP2、STEP2からSTEP3へ切替える条件については、後述する。
As shown in FIG. 2, the amount of biogas in the fermenter increases as
以下、それぞれのSTEPについて詳細に説明する。 Each STEP will be described in detail below.
<メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)>
図3は、メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)を示すフローチャートである。図3を参照して、メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)について説明する。メタン発酵の立ち上げ工程は、メタン生成菌を用いてメタンガスを発生させる工程である。メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)は、牛糞と飼料を準備する工程S11と、第1原料投入工程S12と、第1メタン生成菌培養工程S13とを備える。
<Methane fermentation start-up process (STEP 1)>
FIG. 3 is a flow chart showing the start-up process (STEP 1) of methane fermentation. The start-up step (STEP 1) of methane fermentation will be described with reference to FIG. The start-up process of methane fermentation is a process of generating methane gas using methanogenic bacteria. The methane fermentation start-up step (STEP 1) includes a step S11 of preparing cow dung and feed, a first raw material input step S12, and a first methanogen culture step S13.
牛糞は、牛の糞であり、メタン生成菌を含有する。飼料は、典型的には牛の飼料であるが、豚、鶏、馬など家畜の飼料であってもよい。牛の飼料としては、典型的にはサイレージであるが、配合飼料、青刈りの飼料作物(乳酸発酵していないもの)などであってもよい。サイレージは、たとえばイネ科主体の牧草サイレージ、トウモロコシのコーンサイレージなどである。配合飼料は、麦やトウモロコシなど種々の原料を配合して、栄養素が調整された飼料である。配合飼料は、たとえばサイレージを含んだ配合飼料などであってもよい。 Cow dung is cow dung and contains methanogens. The feed is typically cattle feed, but may be feed for livestock such as pigs, chickens, and horses. Feed for cattle is typically silage, but compound feed, green cut feed crops (not lactic acid fermented), and the like may also be used. Examples of silage include pasture silage mainly composed of grasses and corn silage of maize. A compound feed is a feed in which various raw materials such as wheat and corn are blended to adjust nutrients. The compound feed may be, for example, a compound feed containing silage.
第1原料投入工程S12は、牛糞と飼料とを所定の比率にして、牛糞と飼料を発酵槽に投入する工程である。乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.1~20であり、好ましくは0.1~10%であり、さらに好ましくは0.5~10%である。また、発酵槽内に投入する合計重量に対する牛糞および飼料の固形分の合計重量は、たとえば5%~20%、好ましくは10%~15%である。なお、発酵槽内には、牛糞および飼料の他に、たとえば固形分、水分などが投入されている。 The first raw material charging step S12 is a step of charging the cow dung and the feed into the fermenter with a predetermined ratio of the cow dung and the feed. The input amount of feed in dry matter weight ratio is 0.1 to 20%, preferably 0.1 to 10%, more preferably 0.5 to 10% of the input amount of cow dung. In addition, the total weight of cow dung and feed solids relative to the total weight put into the fermenter is, for example, 5% to 20%, preferably 10% to 15%. In addition to the cow dung and feed, the fermenter contains, for example, solids and water.
第1メタン生成菌培養工程S13は、発酵槽内でメタン生成菌を培養しながらメタンガスを発生させる工程である。牛糞と飼料とを発酵槽内に投入後、発酵槽内の発酵温度を36℃から42℃まで徐々に昇温する。昇温は、たとえば1日1℃のペースで行うことが好ましい。最終的な発酵槽内の発酵温度は42℃であり、発酵槽内の温度を42℃に維持することが好ましい。発酵温度を42℃に維持することにより、36℃のメタン発酵と比較して、処理時間を短縮することができ、発酵槽の容量を小さくすることができる。 The first methanogen culturing step S13 is a step of generating methane gas while culturing methanogens in the fermenter. After the cow dung and feed are put into the fermenter, the fermentation temperature inside the fermenter is gradually raised from 36°C to 42°C. It is preferable to raise the temperature, for example, at a pace of 1° C. per day. The final fermentation temperature in the fermenter is 42°C and it is preferred to maintain the temperature in the fermenter at 42°C. By maintaining the fermentation temperature at 42°C, the processing time can be shortened and the volume of the fermenter can be reduced compared to methane fermentation at 36°C.
一般的に、メタン発酵のプロセスを新たに立ち上げる場合は、そのプロセスと同条件(同温度)の稼働プラントから消化液(種汚泥)を入手することが望ましい。しかし、新たに立ち上げるプロセスと同条件の稼働プラントを見つけることができず、種汚泥を入手できない場合がある。現在国内では、発酵温度が42℃の稼働プラントが存在しないため、発酵温度42℃の種汚泥を入手することは困難である。しかし、本実施の形態の工程を用いることにより、他の稼働プラントの種汚泥を入手する必要はなく、一からメタン発酵の立ち上げを行うことができる。さらに、乾物重量比における飼料の投入量を牛糞の投入量の0.1~20%とすることにより、短時間でメタン生成菌を培養することが可能となり、メタン発酵を早期に立ち上げることができる。また、発酵温度を36℃から42℃まで徐々に昇温する場合は、乾物重量比における飼料の投入量を牛糞の投入量の0.5~10%とすることにより、短時間でメタン生成菌を培養することが可能となる。 Generally, when starting up a new methane fermentation process, it is desirable to obtain digestive fluid (seed sludge) from an operating plant under the same conditions (same temperature) as the process. However, in some cases, seed sludge cannot be obtained because an operating plant with the same conditions as the new process cannot be found. At present, there is no operating plant with a fermentation temperature of 42°C in Japan, so it is difficult to obtain seed sludge with a fermentation temperature of 42°C. However, by using the process of the present embodiment, it is not necessary to obtain seed sludge from other operating plants, and methane fermentation can be started up from scratch. Furthermore, by setting the feed input amount to 0.1 to 20% of the cow dung input amount in terms of dry matter weight ratio, it is possible to culture methanogenic bacteria in a short time and start methane fermentation early. can. In addition, when the fermentation temperature is gradually raised from 36 ° C. to 42 ° C., the amount of feed input in terms of dry matter weight ratio is 0.5 to 10% of the input amount of cow dung. can be cultured.
STEP1からSTEP2に切替えるタイミングは、牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定した場合である。すなわち、発酵槽内のpH、ORP(酸化還元電位)およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のpHが6.5以上、好ましくは6.5以上8以下であり、ORPが-350mV以下であり、メタン濃度が50%以上、好ましくは50%~60%であるという条件を満たす場合であってもよい。
The timing for switching from
図4は、上から温度、pH、ORP、メタン濃度の推移を示すグラフである。縦軸はそれぞれ温度(℃)、pH、ORP(mV)、メタン濃度(%)を示し、横軸は処理日数を示す。図4に示すように、STEP1とSTEP2との境界では、温度が約42℃であり、pHが約6.8であり、ORPが約-350mVであり、メタン濃度が約50%であるため、ほぼ上記条件を満たす。このように、発酵槽内の牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定することが、STEP1からSTEP2に切替えるタイミングである。
FIG. 4 is a graph showing changes in temperature, pH, ORP, and methane concentration from the top. The vertical axis indicates temperature (°C), pH, ORP (mV), and methane concentration (%), respectively, and the horizontal axis indicates the number of treatment days. As shown in FIG. 4, at the boundary between
上述のように、乾物重量比における飼料の投入量は、牛糞の投入量の0.1~20であり、好ましくは0.1~10%であり、さらに好ましくは0.5~10%である。この投入量は、本発明者が鋭意研究した結果、見出したものである。下記の表1~4を参照して、その研究内容について述べる。 As described above, the input amount of feed in terms of dry matter weight ratio is 0.1 to 20%, preferably 0.1 to 10%, more preferably 0.5 to 10% of the input amount of cow dung. . This input amount was found as a result of the inventor's earnest research. The contents of the research will be described with reference to Tables 1 to 4 below.
表1,2は、発酵温度を36℃にした場合におけるメタン濃度の推移を示す表であり、表1は、飼料としてサイレージを用いた場合を示し、表2は、飼料として配合飼料を用いた場合を示す。表3,4は、発酵温度を42℃にした場合におけるメタン濃度の推移を示す表であり、表3は、飼料としてサイレージを用いた場合を示し、表4は、飼料として配合飼料を用いた場合を示す。なお、縦列は牛糞に対するサイレージまたは配合飼料の割合を示し、横列は処理日数および到達日数を示す。ここで、到達日数とは、それぞれの配合割合において、メタン濃度が50%以上となるまでに必要とする日数を示す。なお、メタン濃度が50%以上ということは、メタン生成菌の培養が安定したという状態であるため、STEP1からSTEP2に切り替えるタイミングであるということを意味する。また、以下の表において、牛糞にサイレージまたは配合飼料を配合していないもの、すなわち牛糞だけを発酵槽内に投入したものは、配合割合0%と示している。表1~4の網掛け部分は、牛糞だけを発酵槽内に投入したもの(飼料の配合割合0%)と比較してメタン濃度が高くなっているもの、または、メタン濃度が50%を超えるまでに必要とする日数が短いものである。 Tables 1 and 2 are tables showing changes in methane concentration when the fermentation temperature is set to 36 ° C., Table 1 shows the case where silage is used as feed, and Table 2 shows the case where mixed feed is used as feed. indicate the case. Tables 3 and 4 are tables showing changes in methane concentration when the fermentation temperature is set to 42 ° C., Table 3 shows the case where silage is used as feed, and Table 4 shows the case where mixed feed is used as feed. indicate the case. The vertical column indicates the ratio of silage or compound feed to cow dung, and the horizontal column indicates the number of days treated and the number of days reached. Here, the number of days to reach indicates the number of days required for the methane concentration to reach 50% or more at each compounding ratio. A methane concentration of 50% or more means that the culture of methanogens has stabilized, so it means that it is time to switch from STEP1 to STEP2. In the following table, the mixing ratio of cow dung without silage or mixed feed, that is, with only cow dung in the fermenter, is indicated as 0%. The shaded parts in Tables 1 to 4 have a higher methane concentration than the one in which only cow dung was put into the fermenter (0% feed mixture ratio), or the methane concentration exceeds 50%. It requires a short number of days.
表1~4の説明に先立ち、これらの試験方法について説明する。まず、牛糞と飼料(サイレージ、配合飼料)を準備し、それらを混合する。混合した牛糞と飼料5mlを10mlのバイアル瓶に入れ、ブチルゴム栓とアルミキャップで密封し、36℃または42℃に設定した孵卵器(インキュベーター)内で保温する。さらに、バイアル瓶を定期的に振盪してメタン生成菌を培養する。開始日から3,5,7,10,14,21日目に、バイアル瓶からバイオガス100μlを引き抜いて、ガスクロマトグラフ分析(GC分析)により、メタン濃度を測定する。 Before explaining Tables 1 to 4, these test methods will be explained. First, cow dung and feed (silage, compound feed) are prepared and mixed. 5 ml of the mixed cow dung and feed is placed in a 10 ml vial, sealed with a butyl rubber stopper and an aluminum cap, and kept warm in an incubator set at 36°C or 42°C. Additionally, the vials are shaken periodically to culture the methanogens. On the 3rd, 5th, 7th, 10th, 14th and 21st days from the start date, 100 μl of biogas is withdrawn from the vial and the methane concentration is measured by gas chromatography analysis (GC analysis).
まず、発酵温度を36℃にした場合について説明する。表1に示すように、サイレージの配合割合が0.5~10%の範囲内である場合は、サイレージの配合割合が0%の場合と比較して、メタン濃度が高いことがわかる。メタン濃度が高いということは、メタン発酵が効率よく行えている、つまりメタン生成菌の培養が効率よく行えているということと読み替えることができる。すなわち、サイレージの配合割合が0.5~10%である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であることがわかる。 First, the case where the fermentation temperature is set to 36° C. will be described. As shown in Table 1, when the blending ratio of silage is in the range of 0.5 to 10%, the methane concentration is higher than when the blending ratio of silage is 0%. A high methane concentration can be read as efficient methane fermentation, that is, efficient cultivation of methanogenic bacteria. That is, when the blending ratio of silage is 0.5 to 10%, methane fermentation starts up better than when only cow dung is added.
また、サイレージの配合割合が0.5~20%の範囲である場合は、サイレージの配合割合が0%の場合と比較して、メタン濃度が50%以上になるまでの日数が短いことがわかる。メタン濃度が50%以上になるまでの日数が短いということは、メタン濃度が50%に到達するまでの期間が短く、STEP2に早期に移行できるということである。なお、サイレージの配合割合が20%である場合は、14日以内においてサイレージを配合しない場合と比較してメタン濃度が低いものの、メタン濃度が50%以上になる日数が、牛糞だけを投入する場合と比較して短いため、STEP2に早期に移行できるという点で良好である。 In addition, when the silage blending ratio is in the range of 0.5 to 20%, the number of days until the methane concentration reaches 50% or more is shorter than when the silage blending ratio is 0%. . A short number of days until the methane concentration reaches 50% or more means that the period until the methane concentration reaches 50% is short, and STEP 2 can be started early. When the silage blending ratio is 20%, the methane concentration is lower than when silage is not blended within 14 days, but the number of days when the methane concentration is 50% or more is the same as when only cow dung is fed. Since it is shorter than , it is favorable in that it is possible to shift to STEP 2 at an early stage.
表2に示すように、配合飼料の配合割合が0.1~2.5%の範囲内である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であることがわかる。また、配合飼料の配合割合が0.1~1.0%の範囲である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、STEP2に早期に移行できる。 As shown in Table 2, when the compounding ratio of compounded feed is in the range of 0.1 to 2.5%, methane fermentation starts up better than when only cow dung is added. I understand. Further, when the mixing ratio of the mixed feed is in the range of 0.1 to 1.0%, STEP 2 can be started earlier than when only cow dung is added.
次に、発酵温度を42℃にした場合について説明する。表3に示すように、サイレージの配合割合が0.1~2.5%である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であり、牛糞だけを投入する場合と比較して、STEP2に早期に移行できる。 Next, the case where the fermentation temperature is set to 42° C. will be described. As shown in Table 3, when the blending ratio of silage is 0.1 to 2.5%, methane fermentation starts up better than when only cow dung is added, and only cow dung is added. Compared to the case where the
表4に示すように、配合飼料の配合割合が0.1~1.0%である場合は、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン発酵の立ち上げが良好であり、牛糞だけを投入する場合と比較して、STEP2に早期に移行できる。 As shown in Table 4, when the blending ratio of the compound feed is 0.1 to 1.0%, compared to the case where only cow dung is added, the start-up of methane fermentation is better, and only cow dung is added. Compared to the case of throwing in, it is possible to shift to STEP2 earlier.
表1に示すようにサイレージの配合割合が30%以上、表2に示すように配合飼料の配合割合が1.5%以上、表3に示すようにサイレージの配合割合が5.0%以上、表4に示すように配合飼料の配合割合が1.5%以上であると、牛糞だけを投入する場合と比較して、メタン濃度が低いことがわかる。すなわち、メタン発酵を早期に立ち上げるためには、牛糞と飼料を発酵槽に投入することに加えて、牛糞と飼料の配合割合も重要であることがわかる。以上の説明において、飼料としてサイレージおよび配合飼料を用いたが、飼料の種類としてこれらに限定されることはない。 As shown in Table 1, the mixing ratio of silage is 30% or more. As shown in Table 2, the mixing ratio of mixed feed is 1.5% or more. As shown in Table 3, the mixing ratio of silage is 5.0% or more. As shown in Table 4, when the mixing ratio of the mixed feed is 1.5% or more, the methane concentration is lower than when only cow dung is added. In other words, in order to start up methane fermentation early, in addition to putting cow dung and feed into the fermenter, the ratio of cow dung and feed is also important. In the above description, silage and mixed feed were used as feed, but the type of feed is not limited to these.
以上、表1~4に示すように、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の0.1~20%である場合に、メタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、STEP2に早期に移行することができる。好ましくは、発酵温度が36℃である場合は、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の0.5~10%である場合に、メタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、STEP2に早期に移行することができる。また、発酵温度が42℃である場合は、乾物重量比における飼料の投入量が牛糞の投入量の0.1~2.5%である場合にメタン発酵の立ち上げを早期に行うことができ、STEP2に早期に移行することができる。 As described above, as shown in Tables 1 to 4, when the input amount of feed in terms of dry matter weight ratio is 0.1 to 20% of the input amount of cow dung, methane fermentation can be started up early, STEP 2. early transition to Preferably, when the fermentation temperature is 36° C., the methane fermentation can be started up early when the input amount of feed in dry matter weight ratio is 0.5 to 10% of the input amount of cow dung. , STEP 2 can be started early. Further, when the fermentation temperature is 42° C., methane fermentation can be started up early when the input amount of feed in dry matter weight ratio is 0.1 to 2.5% of the input amount of cow dung. , STEP 2 can be started early.
STEP2では、牛糞に加えて、牛糞とは異なるバイオマス原料を発酵槽内に投入する。牛糞とは異なるバイオマス原料は、たとえば豚糞、鶏糞、いわゆる生ごみとしての食品残渣、グリストラップ汚泥などである。次に、STEP2について詳細に説明する。 In STEP 2, in addition to cow dung, a biomass raw material different from cow dung is put into the fermenter. Biomass raw materials different from cow dung include, for example, pig manure, chicken manure, food residue as so-called garbage, and grease trap sludge. Next, STEP2 will be described in detail.
<バイオマス原料を段階的に投入する工程(STEP2)>
図2,図4~図7を参照して、本発明の実施の形態に係るメタン発酵方法における、バイオマス原料を段階的に投入する工程(STEP2)について説明する。STEP2は、複数種類のバイオマス原料を一括で混合投入するのではなく、バイオマス原料を1種類ずつ増やしながら段階的に投入する工程である。
<Process of stepwise introduction of biomass raw material (STEP 2)>
With reference to FIGS. 2 and 4 to 7, the step (STEP 2) of stepwise introduction of biomass raw material in the methane fermentation method according to the embodiment of the present invention will be described. STEP 2 is a process in which a plurality of types of biomass raw materials are not mixed and fed all at once, but are stepwise fed while increasing the types of biomass raw materials one by one.
図5に示すように、バイオマス原料を段階的に投入する工程(STEP2)は、第1混合原料投入工程S21と、第2混合原料投入工程S22とを備える。第1混合原料投入工程S21は、STEP1の牛糞および飼料のメタン生成菌の培養が安定した後に行う工程である。 As shown in FIG. 5, the step (STEP2) of introducing biomass raw materials in stages includes a first mixed raw material introduction step S21 and a second mixed raw material introduction step S22. The first mixed raw material input step S21 is a step performed after the culture of methanogenic bacteria in cow dung and feed in STEP1 is stabilized.
図6は、バイオマス原料を投入する手順を示す模式的なグラフである。縦軸は発酵槽内のバイオマス原料の湿重量を示し、横軸は処理日数を示す。第1混合原料投入工程S21は、第1バイオマス原料と、第1バイオマス原料とは異なる第2バイオマス原料とを含む第1混合原料を発酵槽へ投入する工程である。図6に示すように、本実施の形態では、第1バイオマス原料は牛糞であり、第2バイオマス原料は豚糞である。第1混合原料投入工程S21では、牛糞と豚糞を含む第1混合原料を発酵槽へ投入する。 FIG. 6 is a schematic graph showing a procedure for charging biomass raw material. The vertical axis indicates the wet weight of the biomass raw material in the fermenter, and the horizontal axis indicates the number of processing days. The first mixed raw material input step S21 is a step of charging a first mixed raw material containing a first biomass raw material and a second biomass raw material different from the first biomass raw material into a fermenter. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the first biomass material is cow dung, and the second biomass material is pig dung. In the first mixed raw material introduction step S21, a first mixed raw material containing cow manure and pig manure is introduced into the fermenter.
第2混合原料投入工程S22は、第1混合原料投入工程S21後に、発酵槽内での第1混合原料のメタン生成菌の培養が安定した後に、第1バイオマス原料と、第2バイオマス原料と、第1バイオマス原料および第2バイオマス原料とは異なる第3バイオマス原料とを含む第2混合原料を発酵槽へ投入する工程である。図6に示すように本実施の形態では、第2混合原料投入工程S22は3つの工程があり、牛糞と豚糞と鶏糞を混合した3種原料を発酵槽に投入する3種混合原料投入工程S22aと、牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とを混合した4種原料を投入する4種混合原料投入工程S22bと、牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥とを混合した5種原料を投入する5種混合原料投入工程S22cとを含む。このように、第2混合原料投入工程S22は、複数の混合原料を段階的に投入する工程を複数含んでもよい。 The second mixed raw material input step S22 is performed after the first mixed raw material input step S21 and after the culture of the methanogenic bacteria of the first mixed raw material in the fermenter is stabilized, the first biomass raw material, the second biomass raw material, It is a step of charging a second mixed raw material containing a first biomass raw material and a third biomass raw material different from the second biomass raw material into a fermenter. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the second mixed raw material introduction step S22 includes three steps. S22a, a 4-type mixed raw material input step S22b in which 4 types of raw materials mixed with cow dung, pig dung, chicken dung, and food residue are added, and 5 types mixed with cow dung, pig dung, chicken dung, food residue, and grease trap sludge. It also includes a step S22c of feeding a five-kind mixed raw material for feeding raw materials. In this way, the second mixed raw material charging step S22 may include a plurality of steps of stepwise charging a plurality of mixed raw materials.
混合原料を投入するタイミング、具体的には第1混合原料投入工程S21から3種混合原料投入工程S22aに移行するタイミング、3種混合原料投入工程S22aから4種混合原料投入工程S22bに移行するタイミング、4種混合原料投入工程S22bから5種混合原料投入工程S22cに移行するタイミングは、発酵槽内での混合原料のメタン生成菌の培養が安定した状態になった場合である。すなわち、発酵槽内のpH、ORP(酸化還元電位)およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のpHが6.5以上、好ましくは6.5以上8以下であり、ORPが-350mV以下であり、メタン濃度が50%以上、好ましくは50%~60%であるという条件を満たす場合であってもよい。なお、混合原料を発酵槽内に投入するタイミングは、たとえば数時間毎であってもよいが、数日毎であることが好ましい。 The timing of introducing the mixed raw material, specifically, the timing of transitioning from the first mixed raw material introduction step S21 to the three mixed raw material introduction step S22a, the timing of shifting from the three mixed raw material introduction step S22a to the four mixed raw material introduction step S22b. The timing of shifting from the 4-mixed raw material input step S22b to the 5-mixed raw material input step S22c is when the culture of the methanogenic bacteria of the mixed raw material in the fermenter becomes stable. That is, when the pH, ORP (oxidation-reduction potential) and methane concentration in the fermenter are within the preferred range. Further, when the above measurement results in the fermenter are within the suitable range, specifically, the pH in the fermenter is 6.5 or more, preferably 6.5 or more and 8 or less, and the ORP is -350 mV. or less, and the methane concentration is 50% or more, preferably 50% to 60%. The timing of charging the mixed raw material into the fermenter may be, for example, every few hours, but preferably every few days.
図4に示すように、混合原料を投入するタイミングでは、pH、ORP,メタン濃度のいずれも数値が変動しているものの、温度は約42℃であり、pHが約6.8からpH7の間であり、ORPが約-350mVから-500mVの間であり、メタン濃度が約50%から60%の間であるため、ほぼ上記条件を満たす。 As shown in FIG. 4, the pH, ORP, and methane concentration fluctuate at the timing of charging the mixed raw material, but the temperature is about 42° C., and the pH is between about 6.8 and pH 7. , and the ORP is between about −350 mV and −500 mV, and the methane concentration is between about 50% and 60%, which substantially satisfies the above conditions.
第2バイオマス原料は、第1バイオマス原料よりも発酵負荷が高く、第3バイオマス原料は、第2バイオマス原料よりも発酵負荷が高いことが好ましい。つまり、本実施の形態では、牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣、グリストラップ汚泥の順に発酵負荷が高くなり、牛糞の発酵負荷が最も低く、グリストラップ汚泥の発酵負荷が最も高い。ここで、発酵負荷とは、メタン発酵に要する負荷のことをいい、具体的には、油分、アンモニア濃度などの含有率が高いものが発酵負荷が高く、それらの含有率が低いものが発酵負荷が低い。つまり、発酵負荷が高いと発酵しにくく、過剰投入すると発酵阻害が起きやすいのに対し、発酵負荷が低いと発酵しやすいことを意味する。したがって、本実施の形態では、発酵負荷の低い牛糞から投入し、発酵負荷の高いグリストラップ汚泥を最後に追加する。 Preferably, the second biomass material has a higher fermentation load than the first biomass material, and the third biomass material has a higher fermentation load than the second biomass material. That is, in the present embodiment, the fermentation load increases in the order of cow manure, pig manure, chicken manure, food residue, and grease trap sludge, with cow manure having the lowest fermentation load and grease trap sludge having the highest fermentation load. Here, the fermentation load refers to the load required for methane fermentation. is low. In other words, when the fermentation load is high, the fermentation is difficult, and when the fermentation load is excessive, the fermentation tends to be inhibited, whereas when the fermentation load is low, the fermentation is easy. Therefore, in the present embodiment, cow dung with a low fermentation load is first introduced, and grease trap sludge with a high fermentation load is added last.
図7は、バイオマス原料を段階的に投入する工程(STEP2)における発酵槽内の分解菌の状態を示す模式図である。バイオマス原料の種類によって、分解菌(加水分解菌・酸生成菌)は異なる。図7に示すように、メタン発酵を牛糞と飼料で立ち上げた場合、発酵槽内には牛糞の分解菌が増殖する。牛糞の分解菌が増殖した発酵槽内に、牛糞とは異なるバイオマス原料(図7においては豚糞)を加えた場合、その豚糞に対応する分解菌だけが増殖し、牛糞の分解菌が減少してしまう可能性がある。そのため、発酵槽内において、牛糞の分解菌および豚糞の分解菌をバランスよく増殖させるために、追加する豚糞だけを投入するのではなく、牛糞をベースに豚糞の追加投入を行う。これにより、発酵槽内において豚糞に対応する分解菌、および、牛糞に対応する分解菌がバランスよく生育する。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the state of decomposing bacteria in the fermenter in the step (STEP 2) of stepwise introduction of the biomass raw material. Degrading bacteria (hydrolyzing bacteria, acid-producing bacteria) differ depending on the type of biomass raw material. As shown in FIG. 7, when methane fermentation is started with cow dung and feed, bacteria that decompose cow dung grow in the fermenter. When a biomass raw material different from cow dung (pig dung in FIG. 7) is added to the fermenter in which cow dung degrading bacteria have grown, only the degrading bacteria corresponding to the pig dung grow and the cow dung degrading bacteria decrease. There is a possibility of doing so. Therefore, in order to grow cow dung-degrading bacteria and pig dung-degrading bacteria in a well-balanced manner in the fermenter, pig manure is not added alone, but pig manure is added based on cow dung. As a result, degrading bacteria for pig manure and degrading bacteria for cow manure grow in a well-balanced manner in the fermenter.
このような原則を考慮すると、以下のように牛糞をベースに投入することが好ましい。すなわち、図6に示すように、仮に第1混合原料投入工程S21の牛糞と豚糞の湿重量比をa:bとした場合、第2混合原料投入工程S22の3種混合原料投入工程S22aの牛糞と豚糞と鶏糞の湿重量比はa:b:cであり、4種混合原料投入工程S22bの牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣の湿重量比はa:b:c:dであり、5種混合原料投入工程S22cの牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥の湿重量比はa:b:c:d:eである。 Considering these principles, it is preferable to put cow dung into the base as follows. That is, as shown in FIG. 6, if the wet weight ratio of cow manure and pig manure in the first mixed raw material introduction step S21 is set to a:b, the three kinds of mixed raw material introduction step S22a in the second mixed raw material introduction step S22 The wet weight ratio of cow dung, pig dung, and chicken dung is a:b:c, and the wet weight ratio of the cow dung, pig dung, chicken dung, and food residue in the step S22b of adding four mixed raw materials is a:b:c:d. The wet weight ratio of cow dung, pig dung, chicken dung, food residue, and grease trap sludge in the five-kind mixed raw material input step S22c is a:b:c:d:e.
つまり、豚糞の初回投入工程(S21)における牛糞と豚糞との湿重量比は、その後の混合原料投入工程(S22a,S22b,S22c,STEP3)においても一定である。鶏糞の初回投入工程(S22a)、食品残渣の初回投入工程(S22b)、グリストラップ汚泥の初回投入工程(S22c)における他のバイオマス原料との湿重量比についても同様である。すなわち、第1,2混合原料投入工程S21,S22a,S22b,S22cにおいて投入するバイオマス原料の湿重量比は、その後の投入工程においても常に同一である。これにより、前回投入したバイオマス原料をベースに新たなバイオマス原料を追加投入するため、発酵槽内でそれぞれのバイオマス原料に対応する分解菌をバランスよく生育させることができる。 That is, the wet weight ratio of cow manure and pig manure in the initial pig manure charging step (S21) is constant even in the subsequent mixed raw material charging steps (S22a, S22b, S22c, STEP3). The same applies to the wet weight ratio with other biomass raw materials in the chicken manure initial input step (S22a), food residue initial input step (S22b), and grease trap sludge initial input step (S22c). That is, the wet weight ratio of the biomass raw materials to be fed in the first and second mixed raw material feeding steps S21, S22a, S22b, and S22c is always the same in the subsequent feeding steps. As a result, new biomass raw materials are added to the previous biomass raw materials, so that the decomposing bacteria corresponding to each biomass raw material can be grown in a well-balanced manner in the fermenter.
STEP2において最終的に投入する原料である5種原料(牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣、グリストラップ汚泥)を投入する5種混合原料投入工程S22cの後、次のSTEP3に切替える。 After step S22c of introducing five kinds of raw materials (cow manure, pig manure, poultry manure, food residue, grease trap sludge), which are the raw materials finally introduced in STEP2, the process is switched to the next STEP3.
STEP2からSTEP3に切替えるタイミングは、5種原料のメタン生成菌の培養が安定した場合である。すなわち、発酵槽内のpH、ORP(酸化還元電位)およびメタン濃度の測定結果が好適範囲になった場合である。また、発酵槽内の上記の測定結果が好適範囲になった場合は、具体的には、発酵槽内のpHが6.5以上、好ましくは6.5以上8以下であり、ORPが-350mV以下であり、メタン濃度が50%以上、好ましくは50%~60%であるという条件を満たす場合であってもよい。 The timing of switching from STEP 2 to STEP 3 is when the culture of the methanogenic bacteria of the five raw materials is stabilized. That is, when the pH, ORP (oxidation-reduction potential) and methane concentration in the fermenter are within the preferred range. Further, when the above measurement results in the fermenter are within the suitable range, specifically, the pH in the fermenter is 6.5 or more, preferably 6.5 or more and 8 or less, and the ORP is -350 mV. or less, and the methane concentration is 50% or more, preferably 50% to 60%.
図4に示すように、STEP2とSTEP3との境界では、温度が約42℃であり、pHが約7.4であり、ORPが約-450mVであり、メタン濃度が約60%であり、ほぼ上記条件を満たす。このように、発酵槽内のバイオマス原料のメタン生成菌の培養が安定すると、STEP2からSTEP3に切替える。このSTEP2からSTEP3に切替えるタイミングは、上述した、STEP1からSTEP2に切替えるタイミングと同じ条件である。 As shown in FIG. 4, at the boundary between STEP 2 and STEP 3, the temperature is about 42° C., the pH is about 7.4, the ORP is about −450 mV, and the methane concentration is about 60%. Satisfy the above conditions. In this way, when the culture of the methanogenic bacteria as the biomass raw material in the fermenter is stabilized, the process is switched from STEP2 to STEP3. The timing for switching from STEP2 to STEP3 is the same condition as the timing for switching from STEP1 to STEP2 described above.
STEP3は、複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程である。次に、STEP3について詳細に説明する。 STEP 3 is a step of continuously charging a plurality of types of biomass raw materials. Next, STEP3 will be described in detail.
<複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程(STEP3)>
図2,5,6を参照して、複数種類のバイオマス原料を連続的に投入する工程(STEP3)について説明する。
<Step of continuously inputting multiple types of biomass raw materials (STEP 3)>
2, 5 and 6, the step (STEP 3) of continuously charging a plurality of types of biomass raw materials will be described.
STEP3は、発酵槽内での第2混合原料のメタン生成菌の培養が安定した後に第2混合原料の投入を行う連続混合原料投入工程(S30)である。図6に示すように、本実施の形態では、たとえば、計画原料が5種類ある場合、5種混合原料投入工程S22cで投入した牛糞、豚糞、鶏糞、食品残渣とグリストラップ汚泥の5種の混合原料を発酵槽へ投入する。その後、発酵槽内の発酵液量が規定量に戻るまで発酵槽内の消化液(発酵液)を引き抜く。発酵槽内のバイオマス原料が多い場合は、発酵槽内の消化液を引き抜いた後に5種の混合原料を発酵槽へ投入する。発酵槽へ投入する牛糞と豚糞と鶏糞と食品残渣とグリストラップ汚泥の湿重量比はa:b:c:d:eであり、前工程(5種混合原料投入工程S22c)の湿重量比と同一である。また、これらの5種の混合原料を連続的に投入するタイミングは、たとえば数日毎であってもよいが、数時間毎であることが好ましい。 STEP 3 is a continuous raw material mixture input step (S30) in which the second raw material mixture is added after the culture of the methanogenic bacteria of the second raw material mixture is stabilized in the fermenter. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, for example, when there are five types of planned raw materials, five types of cow manure, pig manure, chicken manure, food residue and grease trap sludge introduced in the five types of mixed raw material introduction step S22c A mixed raw material is put into a fermenter. After that, the digestive liquid (fermented liquid) in the fermenter is withdrawn until the amount of fermented liquid in the fermenter returns to the specified amount. When the biomass raw material in the fermenter is large, the five kinds of mixed raw materials are put into the fermenter after extracting the digestive juice from the fermenter. The wet weight ratio of cow dung, pig dung, chicken dung, food residue, and grease trap sludge to be fed into the fermentation tank is a:b:c:d:e, which is the wet weight ratio of the previous step (five mixed raw material feeding step S22c). is identical to Further, the timing of continuously adding these five kinds of mixed raw materials may be, for example, every few days, but it is preferably every several hours.
STEP2のような段階的なステップを踏むことにより、それぞれのバイオマス原料に対応した分解菌がバランスよく生育するため、STEP3において複数種類のバイオマス原料を混合して一括投入しても、安定したメタン発酵を行うことができる。また、STEP3おけるバイオマス原料の乾物量比をSTEP2におけるバイオマス原料の乾物量比と同一にすることで、それぞれのバイオマス原料に対応した分解菌のバランスを保つことができる。さらに、複数種類のバイオマス原料を用いてメタン発酵を行うことができるため、従来の単一のバイオマス原料を用いる場合と比較して、より多くのメタンガス量を見込むことができる。 By taking step-by-step steps such as STEP 2, the degrading bacteria corresponding to each biomass raw material grow in a well-balanced manner, so even if multiple types of biomass raw materials are mixed and put in at once in STEP 3, stable methane fermentation can be achieved. It can be performed. Also, by making the dry matter ratio of the biomass raw material in STEP 3 the same as the dry matter ratio of the biomass raw material in STEP 2, it is possible to maintain a balance of decomposing bacteria corresponding to each biomass raw material. Furthermore, since methane fermentation can be performed using a plurality of types of biomass raw materials, a larger amount of methane gas can be expected compared to the conventional case of using a single biomass raw material.
なお、本実施の形態において、複数種類のバイオマス原料として、牛糞、豚糞、鶏糞などの家畜の排泄物、食品残渣、グリストラップ汚泥などの食品廃棄物を用いたが、その他の原料、たとえば藻、草本などの資源作物などを用いてもよい。 In the present embodiment, livestock manure such as cow manure, pig manure, and chicken manure, food residue, and food waste such as grease trap sludge were used as a plurality of types of biomass raw materials. , resource crops such as herbs may be used.
また、本実施の形態において、バイオマス原料を段階的に投入する工程(STEP2)は、第1混合原料投入工程S21と、第2混合原料投入工程S22とを備えるとしたが、少なくとも第1混合原料投入工程S21だけを備えていればよい。すなわち、投入するバイオマス原料が牛糞と鶏糞である場合、メタン発酵方法としては、牛糞と鶏糞を混合した第1混合原料を投入する工程だけを備えていればよく、本実施の形態のように計画原料が5種類用いられる必要はない。 Further, in the present embodiment, the step (STEP 2) of stepwise introduction of the biomass raw material includes the first mixed raw material introduction step S21 and the second mixed raw material introduction step S22, but at least the first mixed raw material It suffices if only the input step S21 is provided. That is, when the biomass raw materials to be input are cow dung and chicken dung, the methane fermentation method only needs to include a step of inputting the first mixed raw material, which is a mixture of cow dung and chicken dung. It is not necessary that five raw materials be used.
また、発酵槽内に最終的に投入すべきすべての種類の原料が5種類以上である場合であっても、発酵槽内へ投入する原料の種類を順次増加していき、最終的に投入すべきすべての種類の原料を投入し、発酵槽内でのメタン生成菌の培養が安定した後に、最終的に投入すべきすべての種類の原料を発酵槽へ投入すればよい。 In addition, even if the number of types of raw materials to be finally put into the fermenter is five or more, the types of raw materials to be put into the fermenter are gradually increased so that the number of types of raw materials to be finally put into the fermenter is increased. After all the types of raw materials to be put in and the culture of methanogenic bacteria in the fermenter are stabilized, all the types of raw materials to be finally put into the fermenter may be put into the fermenter.
上述したSTEP3により、複数種類のバイオマス原料を用いたメタン発酵の安定した稼働が可能である。しかし、メタン発酵は、微生物が行う反応であるため、内的要因、外的要因など様々な原因で発酵阻害が生じることがあり、結果としてバイオガス量が減少したり、メタン発酵が停止する場合がある。そのような場合に、以下の工程を行う。 Through STEP 3 described above, stable operation of methane fermentation using multiple types of biomass raw materials is possible. However, since methane fermentation is a reaction performed by microorganisms, fermentation inhibition may occur due to various factors such as internal and external factors, resulting in a decrease in the amount of biogas or cessation of methane fermentation. There is In such cases, the following steps are performed.
<リカバリ工程(STEP4)>
図8,9を参照して、リカバリ工程(STEP4)について説明する。リカバリ工程(STEP4)は、たとえば発酵阻害などメタン発酵が不調の場合に行って、バイオガス発生量を正常な状態に戻すための工程である。
<Recovery process (STEP4)>
The recovery step (STEP4) will be described with reference to FIGS. The recovery step (STEP 4) is a step to restore the biogas generation amount to a normal state, for example, when the methane fermentation is in a bad condition such as fermentation inhibition.
図8は、リカバリ工程(STEP4)に切替えるかどうかを決定するフローチャートである。図8に示すように、まず発酵槽内のメタン濃度を測定する(S31)。発酵槽内のメタン濃度が50%未満でない場合、すなわちメタン濃度が50%以上である場合、引き続きSTEP3の連続混合原料投入工程を行う(S30)。具体的には、5種の混合原料を投入し、たとえば数時間から数日待機してメタン生成菌を培養した後、再度発酵槽内のメタン濃度を測定する(S31)。この工程は、メタン発酵が正常に行われている場合の工程である。 FIG. 8 is a flowchart for determining whether to switch to the recovery step (STEP4). As shown in FIG. 8, first, the methane concentration in the fermenter is measured (S31). If the methane concentration in the fermenter is not less than 50%, that is, if the methane concentration is 50% or more, STEP 3, the step of continuously supplying mixed raw materials, is continued (S30). Specifically, five kinds of mixed raw materials are put in, for example, after waiting for several hours to several days to culture methanogenic bacteria, the methane concentration in the fermenter is measured again (S31). This process is a process when methane fermentation is performed normally.
これに対し、発酵槽内のメタン濃度が50%未満の場合、モードをリカバリ工程に切替える(S34)。メタン濃度が50%未満であるということは、メタン発酵が効率よく行われていないということだからである。発酵槽内のメタン濃度を測定する際に、発酵槽のpH、ORPおよびバイオガス量を測定することが好ましい。これらの数値の好適範囲は、発酵槽のpHが6.5~8、ORPが-350mV以下である。バイオガス量は、投入するバイオガス原料によって決定される任意の値である。 On the other hand, if the methane concentration in the fermenter is less than 50%, the mode is switched to the recovery process (S34). This is because a methane concentration of less than 50% means that methane fermentation is not efficiently performed. When measuring the methane concentration in the fermenter, it is preferable to measure the pH, ORP and biogas amount of the fermenter. Preferred ranges for these values are a fermentor pH of 6.5 to 8 and an ORP of -350 mV or less. The amount of biogas is an arbitrary value determined by the biogas raw material to be fed.
図9は、リカバリ工程(STEP4)を示すフローチャートである。図9に示すように、発酵槽内のアンモニア濃度および有機酸濃度を測定し(S41)、アンモニア濃度および有機酸濃度の測定結果に応じて、発酵槽内の発酵液の希釈倍率を調整する。具体的には、発酵槽内のアンモニア濃度および有機酸濃度のうちの少なくともいずれか一方が所定の閾値を超えた場合、所望の希釈倍率になるように希釈倍率を算出し(S43)、希釈液を発酵槽に投入して希釈する(S44)。アンモニアおよび有機酸は、メタン生成菌の生育を阻害する物質であるため、所定の閾値を超えるとメタン生成菌の培養が阻害され、メタン発酵が正常に行われないからである。なお、希釈液を投入する前に、発酵槽内の消化液を引く抜くことが好ましい。 FIG. 9 is a flow chart showing the recovery process (STEP4). As shown in FIG. 9, the ammonia concentration and organic acid concentration in the fermenter are measured (S41), and the dilution ratio of the fermentation liquid in the fermenter is adjusted according to the measurement results of the ammonia concentration and organic acid concentration. Specifically, when at least one of the ammonia concentration and the organic acid concentration in the fermenter exceeds a predetermined threshold value, the dilution ratio is calculated so as to obtain a desired dilution ratio (S43), and the diluent is put into the fermentation tank and diluted (S44). This is because ammonia and organic acids are substances that inhibit the growth of methanogens, and therefore if they exceed a predetermined threshold, the culture of methanogens is inhibited and methane fermentation is not performed normally. It is preferable to withdraw the digestive fluid from the fermenter before adding the diluent.
希釈液の希釈倍率は、発酵槽内のアンモニア濃度と、発酵槽内の有機物濃度とを考慮して決定される数値であり、かつ、希釈倍率は10倍以下である。ここで、発酵槽内のアンモニア濃度(CNH4+)の閾値となる範囲は、4000mg/l未満である。発酵槽内の有機酸濃度(CVFA)の閾値となる範囲は、3000mg/l未満である。有機酸濃度は、発酵槽内の全有機炭素濃度(TOC)としての有機物濃度(CTOC)から算出された潜在的な有機酸濃度(CVFA2)と、発酵槽内の有機酸濃度(CVFA1)とを合わせた数値CVFA1+CVFA2である。なお、潜在的な有機酸濃度とは、発酵槽内の未消化の有機物から生成される可能性のある有機酸濃度である。希釈液の希釈倍率は、アンモニア濃度(CNH4+)が4000mg/l未満で、有機酸濃度(CVFA1+CVFA2)が3000mg/l未満、かつ、希釈倍率が10未満となるように決定する。発酵槽内のアンモニア濃度と、発酵槽内の有機物濃度を測定する際に、発酵槽内のメタン菌濃度を測定してもよい。メタン菌濃度が107cells/ml未満である場合、種汚泥およびメタン生成菌を含有する牛糞などのバイオマス原料を発酵槽に投入する。メタン菌濃度が107cells/ml未満でメタン濃度が低い(50%未満)ということは、メタン生成菌が少なくてメタン発酵が低下しているということを意味するからである。 The dilution rate of the diluent is a numerical value determined in consideration of the ammonia concentration in the fermenter and the organic substance concentration in the fermenter, and the dilution rate is 10 times or less. Here, the threshold range of ammonia concentration (C NH4+ ) in the fermenter is less than 4000 mg/l. The threshold range for organic acid concentration (C VFA ) in the fermenter is less than 3000 mg/l. The organic acid concentration is the potential organic acid concentration (C VFA2 ) calculated from the organic matter concentration (C TOC ) as the total organic carbon concentration (TOC) in the fermenter, and the organic acid concentration in the fermenter (C VFA1 ) is C VFA1 +C VFA2 . Note that the potential organic acid concentration is the organic acid concentration that may be generated from undigested organic matter in the fermenter. The dilution rate of the diluent is determined so that the ammonia concentration (C NH4+ ) is less than 4000 mg/l, the organic acid concentration (C VFA1 +C VFA2 ) is less than 3000 mg/l, and the dilution rate is less than 10. When measuring the concentration of ammonia in the fermenter and the concentration of organic matter in the fermenter, the concentration of methane bacteria in the fermenter may be measured. When the methanogen concentration is less than 10 7 cells/ml, seed sludge and a biomass feedstock such as cow dung containing methanogens are introduced into the fermenter. This is because a methanogen concentration of less than 10 7 cells/ml and a low methane concentration (less than 50%) means that the number of methanogens is small and methane fermentation is reduced.
その後、メタン生成菌を生育させるために、たとえば数分から数時間待機し(S45)、発酵槽のメタン濃度を測定する(S46)。発酵槽内のメタン濃度を測定する際に、発酵槽のpH、ORPおよびバイオガス量を測定することが好ましい。これらの数値の好適範囲は、発酵槽のpHが6.5~8、ORPが-350mV以下である。バイオガス量は、投入するバイオガス原料によって決定される任意の値である。メタン濃度が50%以上である場合(S46)、STEP3の通常のモードに切替える(S47)。メタン濃度が50%未満である場合、再度上述のステップS42~S46を検討する。 After that, in order to allow the methanogenic bacteria to grow, for example, it waits for several minutes to several hours (S45), and measures the methane concentration in the fermenter (S46). When measuring the methane concentration in the fermenter, it is preferable to measure the pH, ORP and biogas amount of the fermenter. Preferred ranges for these values are a fermentor pH of 6.5 to 8 and an ORP of -350 mV or less. The amount of biogas is an arbitrary value determined by the biogas raw material to be fed. If the methane concentration is 50% or more (S46), the mode is switched to the normal mode of STEP 3 (S47). If the methane concentration is less than 50%, then again consider steps S42-S46 above.
従来、発酵槽のバイオガス量が減少したり発酵が停止した場合、オペレーターの経験に頼るか、メタン発酵の立ち上げ工程を一から行う必要があった。本実施の形態に係るリカバリ工程(STEP4)により、メタン発酵が正常に行われない場合の管理項目と操作方法を明確にすることができるため、オペレーターの経験に頼らないメタン発酵のリカバリ手段を提供することができる。 Conventionally, when the amount of biogas in the fermenter decreased or fermentation stopped, it was necessary to rely on the experience of the operator or to start the methane fermentation start-up process from scratch. The recovery process (STEP 4) according to the present embodiment makes it possible to clarify the management items and operation methods when methane fermentation is not performed normally, providing a recovery means for methane fermentation that does not rely on the experience of the operator. can do.
なお、リカバリ工程は、メタン発酵の立ち上げ工程(STEP1)を失敗した場合、つまり発酵槽内のメタン濃度が50%以上にならなかった場合に行うことも可能である。 The recovery process can also be performed when the methane fermentation start-up process (STEP 1) fails, that is, when the methane concentration in the fermenter does not reach 50% or more.
以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the illustrated embodiments. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same scope as the present invention or within an equivalent scope.
本発明のメタン発酵方法は、バイオマス原料を用いてメタン発酵を行うメタン発酵方法において有効に活用される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The methane fermentation method of the present invention is effectively utilized in a methane fermentation method for performing methane fermentation using a biomass raw material.
Claims (4)
メタン生成菌を含有する牛糞と、サイレージまたは配合飼料としての飼料とを準備する工程と、
前記牛糞と前記飼料とを所定の比率にして前記牛糞および前記飼料を発酵槽に投入する工程と、
前記発酵槽内でメタン生成菌を培養してメタンガスを発生させる工程とを備え、
乾物重量比における前記サイレージの投入量は、前記牛糞の投入量の0.5~2.5%であり、または、乾物重量比における前記配合飼料の投入量は、前記牛糞の投入量の0.1~1.0%である、メタン発酵の立ち上げ方法。 A method for starting up methane fermentation in which methanogenic bacteria are cultured to generate methane gas without using seed sludge,
preparing cattle dung containing methanogens and feed as silage or compound feed ;
A step of charging the cow dung and the feed into a fermenter at a predetermined ratio of the cow dung and the feed;
Culturing methanogenic bacteria in the fermenter to generate methane gas ,
The silage input in dry matter weight ratio is 0.5-2.5% of the cow dung input, or the compound feed input in dry matter weight ratio is 0.5% of the cow dung input. 1 to 1.0%, a method for starting up methane fermentation.
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