JP7213484B2 - Methane fermentation tank, methane fermentation system and methane fermentation treatment method - Google Patents
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Description
本発明は、メタン発酵槽、メタン発酵システム及びメタン発酵処理方法に関する。 The present invention relates to a methane fermentation tank, a methane fermentation system, and a methane fermentation treatment method.
嫌気性下で嫌気性微生物の生物処理によって、有機性廃棄物をメタンガスに転換するメタン発酵処理方法が知られている。例えば、特許文献1には、有機物を嫌気性微生物で分解しメタン発酵させてメタンガスを生成するメタン発酵システムの一例が記載されている。
A methane fermentation treatment method is known in which organic waste is converted into methane gas by biological treatment of anaerobic microorganisms under anaerobic conditions. For example,
また、特許文献2及び3には、メタン発酵処理の後に残った有機残渣を可溶化するために、マイクロバブルを有機残渣に接触させる廃棄物処理システムの一例が記載されている。
Further,
ところで、従来では、メタン発酵槽の温度を高めて嫌気性微生物を活性化させる、発酵槽の滞留時間を長くする、及び、予め有機性廃棄物に粉砕、酸発酵、加水分解及び亜臨界処理等の前処理を施すことによって、有機性廃棄物の分解を促進させていた。しかしながら、上記の方法では、有機性廃棄物分解の促進に限界があった。 By the way, conventionally, the temperature of the methane fermentation tank is raised to activate anaerobic microorganisms, the retention time of the fermentation tank is lengthened, and the organic waste is pulverized in advance, acid fermentation, hydrolysis, subcritical treatment, etc. By applying this pretreatment, the decomposition of organic waste was accelerated. However, the above methods have limitations in promoting the decomposition of organic waste.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、有機性廃棄物の分解を促進させることのできるメタン発酵槽、メタン発酵システム及びメタン発酵処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a methane fermentation tank, a methane fermentation system, and a methane fermentation treatment method that can promote the decomposition of organic waste.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の一態様は、嫌気性微生物を含む培養液により有機性廃棄物をメタン発酵させる発酵部と、直径1μm以下の気泡を含む水を発酵部に供給する水供給部と、を備えるメタン発酵槽である。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, one aspect of the present disclosure provides a fermentation unit that performs methane fermentation of organic waste with a culture solution containing anaerobic microorganisms, and water containing bubbles with a diameter of 1 μm or less. and a water supply unit for supplying the fermentation unit.
なお、本開示の上記のメタン発酵槽の態様において、有機性廃棄物は、難分解性有機物を含むことが好ましい。 In addition, in the aspect of the above-described methane fermentation tank of the present disclosure, the organic waste preferably contains persistent organic matter.
なお、本開示の上記のメタン発酵槽の態様において、直径1μm以下の気泡は、空気、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつを含むことが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation tank of the present disclosure, the bubbles having a diameter of 1 μm or less preferably contain at least one of air, carbon dioxide, hydrogen, oxygen and nitrogen.
なお、本開示の上記のメタン発酵槽の態様において、直径1μm以下の気泡を含む水の気泡の濃度は、6×107particles/ml以上5×109particles/ml以下であることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation tank of the present disclosure, the concentration of water bubbles containing bubbles with a diameter of 1 μm or less is preferably 6×10 7 particles/ml or more and 5×10 9 particles/ml or less.
本開示の他の一様態は、上記のメタン発酵槽と、発酵部に供給する直径1μm以下の気泡を含む水を作製する水作製装置と、を有するメタン発酵システムである。 Another aspect of the present disclosure is a methane fermentation system that includes the methane fermentation tank described above and a water preparation device that prepares water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less to be supplied to the fermentation section.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、水供給部による直径1μm以下の気泡を含む水の供給量を調節する制御装置を有することが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, it is preferable to have a control device that adjusts the amount of water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less supplied by the water supply unit.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、メタン発酵槽の硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを検出する第1検出装置、及び、pHを検出する第2検出装置の少なくともひとつを備え、水供給部は、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつの直径1μm以下の気泡を含む水を供給する第1供給部と、空気の直径1μm以下の気泡を含む水を供給する第2供給部と、を有し、制御装置は、第1検出装置が検出する硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつ、及び、第2検出装置が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、第1供給部による直径1μm以下の気泡を含む水の供給量と、第2供給部による直径1μm以下の気泡を含む水の供給量と、を調節することが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the first detection device that detects at least one of the hydrogen sulfide concentration, the carbon dioxide concentration, and the methane concentration in the methane fermentation tank, and the second detection device that detects the pH The water supply unit includes a first supply unit that supplies water containing bubbles of at least one of carbon dioxide, hydrogen, oxygen, and nitrogen with a diameter of 1 μm or less, and water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less. and a second supply unit for supplying, wherein the control device includes at least one of hydrogen sulfide concentration, carbon dioxide concentration, and methane concentration detected by the first detection device, and at least one of pH detected by the second detection device. It is preferable to adjust the supply amount of water containing air bubbles having a diameter of 1 μm or less from the first supply unit and the supply amount of water containing air bubbles having a diameter of 1 μm or less from the second supply unit.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、制御装置は、発酵部の培養液の直径1μm以下の気泡の濃度を推定する推定部と、推定部が推定した濃度に基づいて直径1μm以下の気泡を含む水の供給量を調節する制御部と、を備えることが好ましい。 In the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the control device includes an estimation unit that estimates the concentration of bubbles having a diameter of 1 μm or less in the culture solution of the fermentation unit, and a bubble diameter of 1 μm or less based on the concentration estimated by the estimation unit. and a controller that adjusts the supply amount of water containing air bubbles.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、制御部は、発酵部の培養液の直径1μm以下の気泡の濃度が2×107particles/ml以上2×108particles/ml以下となるように、直径1μm以下の気泡を含む水の供給量を調節することが好ましい。 In the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the control unit controls the concentration of air bubbles having a diameter of 1 μm or less in the culture solution of the fermentation unit to be 2×10 7 particles/ml or more and 2×10 8 particles/ml or less. It is preferable to adjust the supply amount of water containing air bubbles having a diameter of 1 μm or less.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、メタン発酵槽から発生したバイオガスから硫黄酸化物を除去して精製後バイオガスとする脱硫装置を備えることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, it is preferable to include a desulfurization device that removes sulfur oxides from the biogas generated from the methane fermentation tank to obtain purified biogas.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、直径1μm以下の気泡は、精製後バイオガスの燃焼により排出される二酸化炭素を含むことが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the bubbles having a diameter of 1 μm or less preferably contain carbon dioxide discharged by combustion of the purified biogas.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、直径1μm以下の気泡を含む水が供給され、かつ、メタン発酵槽に投入される前の有機性廃棄物をスラリー化するスラリータンクを備えることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less is supplied, and a slurry tank is provided for slurrying the organic waste before being put into the methane fermentation tank. is preferred.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、メタン発酵槽から発生した消化液を固液分離し、かつ、消化液の固液分離によって得られた液体をスラリータンクに供給する消化液処理装置を備えることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, digestive juice treatment is performed by solid-liquid separating the digestive juice generated from the methane fermentation tank and supplying the liquid obtained by the solid-liquid separation of the digestive juice to the slurry tank. A device is preferably provided.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、直径1μm以下の気泡を含む水が供給され、かつ、メタン発酵槽に投入される前の有機性廃棄物を加水分解する前発酵槽を備えることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, water containing bubbles with a diameter of 1 μm or less is supplied, and a pre-fermentation tank is provided for hydrolyzing organic waste before being put into the methane fermentation tank. is preferred.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、メタン発酵槽から発生した消化液を固液分離し、かつ、消化液の固液分離によって得られた液体を前発酵槽に供給する消化液処理装置を備えることが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the digestive juice generated from the methane fermentation tank is subjected to solid-liquid separation, and the liquid obtained by the solid-liquid separation of the digestive juice is supplied to the pre-fermentation tank. A processor is preferably provided.
なお、本開示の上記のメタン発酵システムの態様において、直径1μm以下の気泡を含む水は、消化液の固液分離により得られた液体を含むことが好ましい。 In addition, in the above aspect of the methane fermentation system of the present disclosure, the water containing bubbles with a diameter of 1 μm or less preferably contains liquid obtained by solid-liquid separation of digestive fluid.
本開示の他の一様態は、嫌気性微生物を含む培養液により有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵処理方法であって、メタン発酵中に直径1μm以下の気泡を含む水を有機性廃棄物に供給するメタン発酵処理方法である。 Another aspect of the present disclosure is a methane fermentation treatment method for methane fermentation of organic waste using a culture solution containing anaerobic microorganisms, wherein water containing bubbles with a diameter of 1 μm or less is treated as organic waste during methane fermentation. It is a methane fermentation treatment method that supplies to.
本発明によれば、有機性廃棄物の分解を促進させることができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in the ability to promote decomposition|disassembly of organic waste.
以下に、本発明に係るメタン発酵槽及びメタン発酵システムの実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態の記載に限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能且つ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of the methane fermentation tank which concerns on this invention, and a methane fermentation system is described in detail based on drawing. It should be noted that the present invention is not limited to the description of the following embodiments. In addition, components in the following embodiments include components that can be easily replaced by those skilled in the art, or components that are substantially the same. Furthermore, the components described below can be combined as appropriate.
(実施形態)
図1は、本実施形態のメタン発酵槽及びメタン発酵システムを示す模式図である。本実施形態のメタン発酵システム1は、嫌気性条件下で活動する嫌気性微生物により、有機性廃棄物を分解し、メタン(CH4)及び二酸化炭素(CO2)を含むバイオガスを発生させるメタン発酵を行うシステムである。この有機性廃棄物は、例えば、有機汚泥、廃油、廃酸、廃アルカリ、又は動植物性残渣等である。メタン発酵システム1によって発生したバイオガスは、精製された後、エネルギーとして利用される。
(embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a methane fermentation tank and a methane fermentation system of this embodiment. The
図1に示すメタン発酵システム1は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。なお、図1では、「ウルトラファインバブル」を「UFB」と省略して記載している(以降の図面も同様である)。
The
分別粉砕機10は、メタン発酵を円滑に行うための前処理設備である。分別粉砕機10は、投入された廃棄物を、有機性廃棄物と発酵不適物とに分別して、発酵不適物を除外する。発酵不適物は、例えば、金属、鉱物、プラスチック、紙類、環境を汚染する物質を含む電池等である。分別粉砕機10は、有機性廃棄物を粗粉砕し、ペースト化する。分別粉砕機10は、配管11によりスラリータンク20に接続する。粗破砕された有機性廃棄物は、配管11を通じてスラリータンク20に供給される。
The
スラリータンク20は、メタン発酵を円滑に行うための前処理設備である。スラリータンク20は、分別粉砕機10から供給された有機性廃棄物を微粉砕してスラリー化する。ここで、スラリータンク20は、スラリー化された有機性廃棄物が、所定の濃度になるまで、希釈水を加えて攪拌し、適宜濃度調節を行う。所定の濃度に調整された有機性廃棄物は、配管21を通じてメタン発酵槽100に供給される。スラリータンク20からメタン発酵槽100への有機性廃棄物の供給は、所定量ずつであることが好ましい。
The
メタン発酵槽100は、スラリータンク20から供給された有機性廃棄物を分解してバイオガスを生成するメタン発酵を行う。メタン発酵槽100は、例えば箱形又は円筒形等である。メタン発酵槽100は、密封された密閉構造である。メタン発酵槽100の内部は、無酸素状態(嫌気条件下)に保たれる。メタン発酵槽100は、発酵部110と、ウルトラファインバブル水供給部120と、を有する。
The
発酵部110は、微生物群を含む培養液を含む。微生物群は、嫌気性条件下で活動する嫌気性微生物を含む。嫌気性微生物は、メタン菌を含む。メタン菌は、嫌気下条件でメタンを合成する古細菌であり、後述のメタンガス形成工程(図2の第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16)を担う。発酵部110は、嫌気性微生物により、スラリータンク20から供給された有機性廃棄物を分解し、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを発生させる。メタン発酵槽100の内部は、メタン菌が好適に繁殖できる環境に温度、pH等の条件が維持されることが好ましい。
本実施形態において、メタン発酵槽100は、第1検出装置160と、第2検出装置170とを有する。第1検出装置160は、発酵部110の上方の気相部に設けられる。第1検出装置160は、メタン発酵により生じた硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを検出する。第2検出装置170は、発酵部110に設けられる。第2検出装置170は、pHを検出する。さらに、メタン発酵槽100は、温度計が設けられてもよい。第1検出装置160により、硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを測定することで、発酵部110におけるメタン発酵の反応の様子を検出することが可能である。第2検出装置170により、pHを測定することで、発酵部110におけるメタン発酵の反応の様子を検出することが可能である。さらに、温度計により、発酵部110の温度を測定することで、発酵部110におけるメタン発酵の反応の様子を検出することが可能である。これらの検出結果は、後述の制御装置150に送られる。なお、本実施形態においては、第1検出装置160及び第2検出装置170を設けたが、いずれか一方のみを設けてもよい。第1検出装置160及び第2検出装置170の配置は、本実施形態に限定されない。
In this embodiment, the
発酵部110の上方の気相部は、脱硫装置50に接続する配管51が連通する。発酵部110にてメタン発酵によって発生したバイオガスは、配管51を通じて脱硫装置50に供給される。発酵部110の下方には、消化液処理装置40に連通する配管41が接続している。発酵部110にてメタン発酵を行った後の発酵残渣である消化液は、配管41を通じて消化液処理装置40に供給される。
A gas phase part above the
図2において、メタン発酵の原理について説明する。図2は、メタン発酵の過程を示すフローチャートである。メタン発酵において、有機性廃棄物の分解からメタンを含むバイオガスの発生までの工程は、主に、加水分解工程S10と、酸生成工程S12と、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16と、に大別される。加水分解工程S10は、水溶液中の溶質が水分子と反応しておこす分解反応が生じる。酸生成工程S12、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16は、メタン菌等の嫌気性微生物が作用して反応が生じる。ここで、有機性廃棄物は、タンパク質、炭水化物(多糖)、脂質、繊維、繊維質等の高分子有機物である。 The principle of methane fermentation will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flow chart showing the process of methane fermentation. In methane fermentation, the steps from decomposition of organic waste to generation of biogas containing methane mainly include a hydrolysis step S10, an acid generation step S12, a first methane gas formation step S14, and a second methane gas formation step. It is roughly divided into S16 and S16. In the hydrolysis step S10, a decomposition reaction occurs in which the solute in the aqueous solution reacts with water molecules. In the acid generation step S12, the first methane gas formation step S14, and the second methane gas formation step S16, anaerobic microorganisms such as methane bacteria act to cause reactions. Here, the organic waste is macromolecular organic matter such as proteins, carbohydrates (polysaccharides), lipids, fibers, and fibrous substances.
まず、加水分解工程S10で、高分子有機物は低分子有機物に分解される。分解された低分子有機物は、アミノ酸、糖類(単糖)及び長鎖脂肪酸等である。タンパク質は、アミノ酸に分解される。炭水化物は、糖類に分解される。脂質は、糖類及び長鎖脂肪酸に分解される。繊維、繊維質等は、糖類に分解される。 First, in the hydrolysis step S10, high-molecular-weight organic substances are decomposed into low-molecular-weight organic substances. The decomposed low-molecular-weight organic substances are amino acids, sugars (monosaccharides), long-chain fatty acids, and the like. Proteins are broken down into amino acids. Carbohydrates are broken down into sugars. Lipids are broken down into sugars and long-chain fatty acids. Fibers, fibrous substances, etc. are decomposed into sugars.
次に、酸生成工程S12で、加水分解により低分子となった物質は、酢酸(CO3COOH)、二酸化炭素及び水素(H2)等に分解される。アミノ酸は、アンモニア(NH3)及び酢酸、酪酸(CH3(CH2)2COOH)、プロピオン酸(CH3CH2COOH)等の短鎖脂肪酸等に分解される。糖類は、ピルビン酸(CH3COCOOH)等に分解され、水素、二酸化炭素、酢酸及びその他の中間生成物等が生成される。この中間生成物は、酢酸及び水素等に分解される。長鎖脂肪酸は、酢酸等に分解される。 Next, in the acid generation step S12, the hydrolyzed low-molecular substance is decomposed into acetic acid (CO 3 COOH), carbon dioxide, hydrogen (H 2 ), and the like. Amino acids are decomposed into ammonia (NH 3 ) and short-chain fatty acids such as acetic acid, butyric acid (CH 3 (CH 2 ) 2 COOH) and propionic acid (CH 3 CH 2 COOH). Sugars are decomposed into pyruvic acid (CH 3 COCOOH) and the like to produce hydrogen, carbon dioxide, acetic acid and other intermediate products. This intermediate product is decomposed into acetic acid, hydrogen, and the like. Long-chain fatty acids are decomposed into acetic acid and the like.
最後に、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16で、メタン菌が、メタン、二酸化炭素、水等を生成する。第1メタンガス形成工程S14では、酢酸が、メタン及び二酸化炭素に分解される。第2メタンガス形成工程S16では、水素及び二酸化炭素から、メタンが生成される。 Finally, in the first methane gas formation step S14 and the second methane gas formation step S16, methane bacteria produce methane, carbon dioxide, water, and the like. In the first methane gas formation step S14, acetic acid is decomposed into methane and carbon dioxide. In the second methane gas formation step S16, methane is produced from hydrogen and carbon dioxide.
なお、上記では、メタン発酵がメタン発酵槽100の内部のみで行われるものとして説明した。ここで、メタン発酵槽100に供給された有機性廃棄物は、図1に示すスラリータンク20にてスラリー化している。つまり、メタン発酵槽100に供給される有機性廃棄物は加水された状態の高分子有機物である。有機性廃棄物に、加水分解工程S10の触媒となりうる好気性微生物群又は酵素が予め含まれている場合、加水分解工程S10の一部は、スラリータンク20の内部でも行われる。さらに、有機性廃棄物に、酸生成工程S12の触媒となりうる嫌気性微生物群又は酵素が予め含まれている場合、酸生成工程S12の一部は、スラリータンク20の内部でも行われる。
In the above description, it is assumed that the methane fermentation is performed only inside the
図1に示すウルトラファインバブル水供給部120は、ウルトラファインバブル水作製装置200(UFB水作製装置)からメタン発酵槽100の発酵部110にウルトラファインバブル水(UFB水)を供給する。ウルトラファインバブル水供給部120は、メタン発酵槽100とウルトラファインバブル水作製装置200とを接続する配管121と、配管121を開閉するバルブ122とを有する。ウルトラファインバブル水は、直径1μm以下の気泡を含む水溶液、いわゆるウルトラファインバブルを含む水溶液である。ウルトラファインバブルは、直径1μm以下、好ましくは1nm以上1μm以下、さらに好ましくは30nm以上400nm以下の気泡である。
The ultra-fine bubbled
ウルトラファインバブル水がメタン発酵槽100に添加されることによって、メタン発酵槽100の内部の物質の移動性が向上する。ウルトラファインバブルが有機性廃棄物に付着することによって、メタン発酵槽100の発酵部110に存在する微生物群は、ウルトラファインバブルと接触しやすくなる。ウルトラファインバブルには酸素が含まれるため、嫌気性微生物にとってウルトラファインバブルとの接触はストレスとなる。また、ウルトラファインバブルにより液中の活性酸素種(ROS:reactive oxygen species)の濃度が増加する。活性酸素種としては、ヒドロキシルラジカル、スーパーオキシドアニオンラジカル、ヒドロペルオキシルラジカル、過酸化水素、一重項酸素等がある。微生物周辺及び微生物中における活性酸素種の濃度がその微生物にとって致命傷にならない程度まで増加すると、微生物の一次代謝及び二次代謝が活性化すると共に二次代謝による生成物が増加する。また、当該生成物には難分解性物質の分解に寄与する酵素も含まれる場合がある。また、ウルトラファインバブルが微生物と接触することにより、メタン発酵槽100中に含まれるカリウム、亜鉛、鉄及びマンガンの少なくともひとつの元素が微生物に吸収されやすくなり、微生物に含まれる元素濃度が上昇し、微生物が活性化する。これらにより、有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解が促進されると共に、メタンの発生量が増加する。
Addition of the ultra-fine bubble water to the
なお、メタン発酵に用いる培養液として、直径が数μm以上数100μm以下の気泡(マイクロバブル)を含む水を用いることは難しい。これは、マイクロバブルを含む水は酸素溶解度が高く、メタン発酵槽内の培養液が嫌気性微生物の生育しにくい環境になるためである。これに対し、ウルトラファインバブルは体積がきわめて小さく、酸素含有量が少ないため、ウルトラファインバブル水において、嫌気性微生物の生育が可能である。また、ウルトラファインバブルは、マイクロバブルと比較して寿命が長い。このため、本実施形態のメタン発酵システム1では、ウルトラファインバブル水を必要量のみ生成し、メタン発酵槽100へ添加することで消費エネルギーを低減することができる。
It is difficult to use water containing bubbles (microbubbles) with a diameter of several micrometers or more and several hundred micrometers or less as the culture solution used for methane fermentation. This is because water containing microbubbles has a high oxygen solubility, and the culture solution in the methane fermentation tank becomes an environment in which anaerobic microorganisms cannot easily grow. On the other hand, since ultra-fine bubble water has a very small volume and a low oxygen content, anaerobic microorganisms can grow in ultra-fine bubble water. Also, ultra-fine bubbles have a longer lifetime than microbubbles. Therefore, in the
また、有機性廃棄物に難分解性物質が含まれる場合、メタン発酵反応が進まなかった残渣物が残存しやすい。このため、従来は、反応系の圧力を高める、温度を上昇させる等により、難分解性物質のメタン発酵反応を促進させていた。しかしながら、本実施形態のように、ウルトラファインバブル水を用いることで、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の初期発酵速度を向上させ、分解を促進させると共に、メタンの発生量を増加させ、残差物の量を減少させることが可能である。 In addition, when the organic waste contains a persistent substance, the residue from which the methane fermentation reaction did not proceed tends to remain. For this reason, conventionally, the methane fermentation reaction of the persistent substances has been promoted by increasing the pressure of the reaction system, raising the temperature, or the like. However, by using ultra-fine bubble water as in this embodiment, the initial fermentation rate of organic waste containing persistent organic matter is improved, the decomposition is promoted, and the amount of methane generated is increased. It is possible to reduce the amount of residuals.
制御装置150は、ウルトラファインバブル水供給部120によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節する。制御装置150は、推定部151と、制御部152とを有する。推定部151は、発酵部110の培養液のウルトラファインバブルの濃度を推定する。例えば、推定部151は、メタン発酵槽100へ供給したウルトラファインバブル水の量と、発酵部110の培養液量と、ウルトラファインバブル水をメタン発酵槽100に供給して経過した時間に基づいて、培養液のウルトラファインバブルの濃度を推定する。制御部152は、推定部151が推定した濃度に基づいてウルトラファインバブル水の供給量を調節することができる。制御部152は、バルブ122の開閉を操作して、ウルトラファインバブル水供給部120によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節できる。
The
制御装置150は、第1検出装置160及び第2検出装置170に電気的に接続する。制御装置150は、第1検出装置160に、メタン発酵により生じた硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを測定させ、測定結果を取得する。制御装置150は、制御装置150は、第2の検出装置に、pHを測定させ、測定結果を取得する。さらに、メタン発酵槽100が、温度計を有する場合、制御装置150は、温度計に電気的に接続し、発酵部110の温度を取得する。制御装置150は、第1検出装置160、第2検出装置170及び温度計の測定結果に基づいて、メタン発酵の反応の様子を検出する。制御装置150は、ウルトラファインバブル水作製装置200からメタン発酵槽100に供給するウルトラファインバブル水の量を、メタン発酵の反応の様子に合わせて制御することができる。
The
メタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の添加は、スラリータンク20からメタン発酵槽100に有機性廃棄物が供給された時、又はスラリータンク20からメタン発酵槽100に有機性廃棄物が供給された後に行うことが好ましい。これにより、ウルトラファインバブルの濃度が低下する前にウルトラファインバブルが有機性廃棄物に付着する。メタン発酵槽100に添加されるウルトラファインバブル水は、メタン発酵槽100の発酵部110の培養液の容量に対して10vol%以上であることが好ましい。発酵部110の培養液のウルトラファインバブルの濃度は、2×107particles/ml以上2×108particles/ml以下であることが好ましい。ウルトラファインバブルの濃度とは、単位体積あたりの水に存在するウルトラファインバブルの数である。ウルトラファインバブルの濃度が2×107particles/mlであることは、1mlのウルトラファインバブル水に2×107個のウルトラファインバブルが存在することを意味する。ウルトラファインバブルの濃度は、Malvern Panalytical社製のナノ粒子解析システム“NanoSight”、株式会社島津製作所製のナノ粒子径分布測定装置“SALD-7500nano”等で測定することができる。
The ultra-fine bubble water is added to the
ウルトラファインバブル水作製装置200は、ウルトラファインバブル水供給部120がメタン発酵槽100の発酵部110に供給するウルトラファインバブル水を作製する。ウルトラファインバブル水作製装置200は、ウルトラファインバブル発生装置201(UFB水発生装置)と、ウルトラファインバブル水タンク202(UFB水タンク)と、気体源Gと、水源Wと、を有する。
The ultra-fine bubbled
気体源Gは、ウルトラファインバブルを形成する気体をウルトラファインバブル発生装置201に供給する。この気体は、特に限定されない。気体は、例えば、空気、二酸化炭素、水素、酸素、窒素(N2)等である。
The gas source G supplies gas for forming ultra-fine bubbles to the
水源Wは、ウルトラファインバブル水を形成する液体をウルトラファインバブル水タンク202に供給する。この液体は、例えば、水道水、井水、雨水、河川水、消化液、排水処理水等である。 The water source W supplies the ultra-fine bubbled water tank 202 with a liquid that forms ultra-fine bubbled water. This liquid is, for example, tap water, well water, rain water, river water, digestive fluid, treated waste water, or the like.
ウルトラファインバブル水のウルトラファインバブルの濃度は、6×107particles/ml以上5×109particles/ml以下であることが好ましい。例えば、1.5Lの液体に対して、ウルトラファインバブル水作製装置200を30分間稼働させることによって、好適な濃度のウルトラファインバブル水を作製する。ウルトラファインバブル水の生成方法は、特に限定されない。例えば、ウルトラファインバブル水の生成方法としては、ポンプ又は攪拌機等を用いて流体の流れを作り、その中にガスを取り込み、スタティックミキサー、エジェクター、ベンチュリー等の各装置・器具の中を、ガスを含む流体を高速で通過させることで、内部のガスを微粒子化してファインバブルを発生させる方法がある。また、容器内に流体を入れ、スタティックミキサー、エジェクター、ベンチュリー等の各種装置を通過させたガスを流体中に放出する方法等がある。前者は、旋回流方式、スタティックミキサー方式、エジェクター方式、ベンチュリー方式、加圧溶解方式、キャビテーション方式があり、後者は細孔方式、超細孔方式、攪拌機等の回転体を入れてバブルを発生させる回転方式、超音波方式、パルス磁場印加方式等がある。ウルトラファインバブル水作製装置200によって生成されたウルトラファインバブル水は、ウルトラファインバブル水タンク202に貯蔵され、配管121を通ってメタン発酵槽100の発酵部110に供給される。なお、本実施形態では、ウルトラファインバブル水をメタン発酵槽100のみに供給しているが、さらにスラリータンク20に供給してもよい。
The ultra-fine bubble concentration of the ultra-fine bubble water is preferably 6×10 7 particles/ml or more and 5×10 9 particles/ml or less. For example, ultra-fine bubbled water having a suitable concentration is produced by operating the ultra-fine bubbled
図1に示す消化液処理装置40は、メタン発酵槽100の発酵部110にてメタン発酵を行った後の発酵残渣である消化液を処理する装置である。消化液処理装置40は、例えば、生物処理槽、固液分離機、排水処理装置、脱水装置及び乾燥装置等を有する。消化液処理装置40は、消化液を固体と液体とに分離する固液分離を行う。分離された固体は、例えば、堆肥化して農地等に還元することができる。分離された液体は、そのまま、又は排水処理を行った後、スラリータンク20に戻される。なお、スラリータンク20に戻す液体に、本実施形態のウルトラファインバブル水を添加してもよい。
A digestive juice processing apparatus 40 shown in FIG. 1 is an apparatus for processing digestive juice, which is a fermentation residue after methane fermentation is performed in the
脱硫装置50は、メタン発酵槽100の発酵部110にてメタン発酵によって発生したバイオガスを、配管51を通じて導入する。脱硫装置50は、バイオガスから硫黄酸化物(SOx)を除去して精製後バイオガスとする。精製後バイオガスは、配管61を通じてガスホルダ60に供給される。
The
ガスホルダ60は、精製後バイオガスを一時貯留する。精製後バイオガスは、発電設備70に送出される。発電設備70は、例えば、ボイラー又は発電機等である。発電設備70は、精製後バイオガスを燃焼させて電力等のエネルギーを発生させ、二酸化炭素を排出する。なお、精製後バイオガスをそのまま燃料として使用することも可能である。また、ガスホルダ60及び発電設備70の間に、ガス流量計を設けることで、発電設備70に供給するガスの流量を制御することができる。
The
図3において、メタン発酵システム1によるメタン発酵方法について説明する。図3は、図1に示すメタン発酵システムによるメタン発酵方法のフローチャートである。
A methane fermentation method by the
まず、廃棄物が分別粉砕機10に投入されると、分別粉砕機10は、廃棄物を有機性廃棄物と発酵不適物とに分別する(ステップS20)。除外された発酵不適物は、任意の方法で適切に処分される。分別粉砕機10は、ステップS20で分別された有機性廃棄物を粗粉砕し、ペースト化する(ステップS22)。
First, when waste is put into the sorting
ペースト化した有機性廃棄物は、スラリータンク20に供給される。スラリータンク20は、有機性廃棄物を微粉砕してスラリー化する(ステップS24)。ここで、スラリータンク20は、スラリー化された有機性廃棄物が、所定の濃度になるまで、希釈水を加えて攪拌し、適宜濃度調節を行う。
The pasted organic waste is supplied to the
所定の濃度に調整された有機性廃棄物がメタン発酵槽100の発酵部110に供給されると、ウルトラファインバブル水供給部120は、発酵部110にウルトラファインバブル水を添加する(ステップS26)。添加するウルトラファインバブル水の供給量は、制御装置150がバルブ122を開閉することによって調整する。ウルトラファインバブル水のウルトラファインバブルは、有機性廃棄物及び微生物に付着して、発酵部110に存在する微生物群を活性化させる。また、加水分解酵素に付着することで、加水分解酵素の活性を高める。
When the organic waste adjusted to a predetermined concentration is supplied to the
発酵部110の有機性廃棄物は、メタン発酵により分解し、バイオガスを生成する(ステップS28)。上述したように、発酵部110に供給された有機性廃棄物は、加水分解工程S10と、酸生成工程S12と、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16と、により分解されてバイオガスを生成する。
Organic waste in the
ステップS28で生成されたバイオガスは、発酵部110上方の気相部から脱硫装置50に導入される。脱硫装置50は、バイオガスから硫黄酸化物を除去して精製後バイオガスとする(ステップS30)。精製後バイオガスは、ガスホルダ60に一時貯留された後、発電設備70に送出される。
The biogas produced in step S28 is introduced into the
図4から図6において、ウルトラファインバブル水の添加によるメタン発酵の促進効果について説明する。図4は、バッチ試験におけるメタン生成量を示すグラフである。図5は、バッチ試験における難分解性有機物の最終的な分解率を示すグラフである。図6は、バッチ試験における難分解性有機物を含む有機性廃棄物からのメタン生成量を示すグラフである。 4 to 6, the effect of promoting methane fermentation by adding ultra-fine bubble water will be described. FIG. 4 is a graph showing the amount of methane produced in a batch test. FIG. 5 is a graph showing the final decomposition rate of persistent organic matter in a batch test. FIG. 6 is a graph showing the amount of methane produced from organic waste containing persistent organic matter in a batch test.
図4は、培養液を充填した瓶をメタン発酵槽100に見立て、有機性廃棄物として汚泥20gをメタン発酵させた場合の、汚泥に含まれる有機物量(g)(VS:Volatole Solids)あたりのメタン生成量(ml)を示している。汚泥1gの成分は、全固形物量(TS:Total Solids)が0.378gであり、有機物量が0.15gである。汚泥には、水又はウルトラファインバブル水を添加している。比較例として、汚泥にウルトラファインバブル水ではない水を添加する場合、添加する水は、蒸留水(DW:Distiled Water)又は水道水(TW:Tap Water)である。添加するウルトラファインバブル水を形成する気体は、空気、二酸化炭素、水素又は窒素である。なお、図4では、空気を含むウルトラファインバブル水を「Air-UFBW」と記載し、二酸化炭素を含むウルトラファインバブル水を「CO2-UFBW」と記載し、水素を含むウルトラファインバブル水を「H2-UFBW」と記載し、窒素を含むウルトラファインバブル水を「N2-UFBW」と記載している。
FIG. 4 shows the amount of organic matter (g) (VS: Volatole Solids) contained in the sludge when methane fermentation is performed on 20 g of sludge as organic waste by assuming the bottle filled with the culture solution as the
図4に示すように、ウルトラファインバブル水を添加しない場合に比べて、ウルトラファインバブル水を添加した場合、メタン生成量は増加する。つまり、ウルトラファインバブル水を添加した場合、有機性廃棄物の分解速度及び分解量が向上する。 As shown in FIG. 4, the amount of methane produced increases when ultra-fine bubbled water is added compared to when ultra-fine bubbled water is not added. In other words, when ultra-fine bubble water is added, the decomposition speed and amount of organic waste are improved.
表1に、汚泥をメタン発酵させた場合の、汚泥に含まれる有機物量(VS)1gあたりの酵素活性ユニット(EU:Enzyme Unit)を示す。測定した酵素は、アルカリフォスターゼ(Alkaline phosphatase)、酸性フォスターゼ(Acid phosphatase)、グルコシダーゼ(α-glycosidase)、及びプロテアーゼ(Protease)の4つの加水分解酵素である。汚泥には、蒸留水又は20vol%の窒素を含むウルトラファインバブル水を添加している。なお、表1では、窒素を含むウルトラファインバブル水を「N2-UFBW」と記載している。また、表1における全てのデータは、3回の試験の平均値±標準偏差として示される。 Table 1 shows enzyme activity units (EU: Enzyme Units) per gram of organic matter (VS) contained in sludge when sludge is subjected to methane fermentation. The enzymes measured were four hydrolases: Alkaline phosphatase, Acid phosphatase, α-glycosidase, and Protease. Distilled water or ultra-fine bubble water containing 20 vol % nitrogen is added to the sludge. In Table 1, ultra-fine bubble water containing nitrogen is described as "N 2 -UFBW". All data in Table 1 are also presented as the mean±standard deviation of triplicate tests.
表1に示すように、汚泥のメタン発酵に、蒸留水を添加する場合に比べて、20vol%の窒素を含むウルトラファインバブル水を添加した場合、4つの加水分解酵素の活性が約14~17%向上する。つまり、窒素を含むウルトラファインバブル水を添加することにより、メタン発酵槽100又は前発酵槽30(後述の第3変形例を参照)において行われる加水分解工程S10の速度及び処理量が増加する。
As shown in Table 1, when ultra-fine bubble water containing 20 vol% nitrogen is added to the methane fermentation of sludge, the activities of the four hydrolases are about 14 to 17 compared to when distilled water is added. %improves. In other words, the addition of the nitrogen-containing ultra-fine bubble water increases the speed and throughput of the hydrolysis step S10 performed in the
図5は、培養液を充填した瓶をメタン発酵槽100に見立て、有機性廃棄物としてリグニンを含む難分解性有機物をメタン発酵させた場合の、分解前のリグニンの量に対する平衡状態における分解されたリグニンの量の百分率(%)を示している。図6は、培養液を充填した瓶をメタン発酵槽100に見立て、有機性廃棄物としてリグニンを含む難分解性有機物をメタン発酵させた場合の、単位重量(g)の全有機炭素(TOC:Total Oganic Carbon)あたりのメタン生成量(ml)を示している。図5及び図6において、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の成分は、酢酸が90%であり、リグニンが10%である。難分解性有機物を含む有機性廃棄物には、水又はウルトラファインバブル水を添加している。比較例として、難分解性有機物を含む有機性廃棄物にウルトラファインバブル水ではない水を添加する場合、添加する水は、蒸留水である。添加するウルトラファインバブル水を形成する気体は、二酸化炭素又は窒素である。なお、図5及び図6では、二酸化炭素を含むウルトラファインバブル水を「CO2-UFBW」と記載し、窒素を含むウルトラファインバブル水を「N2-UFBW」と記載している。
FIG. 5 shows a bottle filled with a culture solution as a
図5に示すように、蒸留水を添加した場合に比べて、ウルトラファインバブル水を添加した場合、難分解性有機物の最終的な分解量は増加する。図6に示すように、蒸留水を添加した場合に比べて、ウルトラファインバブル水を添加した場合、平衡状態における総メタン生成量は増加する。また、初期のメタン生成速度及び生成量が向上する。つまり、難分解性有機物の初期発酵速度が向上し、初期分解速度、初期分解量及び総分解量が促進する。 As shown in FIG. 5, when ultra-fine bubble water is added, the final decomposition amount of persistent organic matter increases compared to when distilled water is added. As shown in FIG. 6, the addition of ultra-fine bubble water increases the total methane production at equilibrium compared to the addition of distilled water. It also improves the initial methane production rate and production. That is, the initial fermentation rate of the persistent organic matter is improved, and the initial decomposition rate, the initial decomposition amount and the total decomposition amount are promoted.
以上で説明したように、本実施形態のメタン発酵槽100は、嫌気性微生物を含む培養液により有機性廃棄物をメタン発酵させる発酵部110と、直径1μm以下の気泡であるウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を発酵部110に供給するウルトラファインバブル水供給部120と、を備える。
As described above, the
これにより、ウルトラファインバブル水がメタン発酵槽100に添加されるので、メタン発酵槽100の内部の物質の移動性が向上する。ウルトラファインバブルが有機性廃棄物に付着することによって、メタン発酵槽100の発酵部110に存在する微生物群は、微生物の二次代謝が活性化する。このようなメタン発酵槽100によれば、微生物群及び加水分解酵素の活性化により、有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解を促進させることができる。有機性廃棄物の分解の促進により、バイオガスの生成速度及び生成量を向上させることができる。また、発酵部110に存在する微生物群が早期に安定化する。
As a result, the ultra-fine bubble water is added to the
メタン発酵槽100は、有機性廃棄物が、難分解性有機物を含む。
In the
このようなメタン発酵槽100によれば、微生物群及び加水分解酵素の活性化により、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解を促進させることができる。難分解性有機物を含む有機性廃棄物の分解の促進により、バイオガスの生成速度及び生成量を向上させることができる。また、発酵部110に存在する微生物群が早期に安定化する。
According to such a
メタン発酵槽100は、ウルトラファインバブルが、空気、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつを含むことが好ましい。
Ultra-fine bubbles in the
このようなメタン発酵槽100によれば、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができる。これにより、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
メタン発酵槽100は、ウルトラファインバブルの濃度が、6×107particles/ml以上5×109particles/ml以下であることが好ましい。
The concentration of ultra-fine bubbles in the
このようなメタン発酵槽100によれば、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができる。これにより、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
また、本実施形態のメタン発酵システム1は、メタン発酵槽100と、発酵部110に供給するウルトラファインバブル水を作製するウルトラファインバブル水作製装置200と、を有する。
The
このようなメタン発酵システム1によれば、ウルトラファインバブル水がメタン発酵槽100に添加されるので、メタン発酵槽100の内部の物質の移動性が向上する。ウルトラファインバブルが有機性廃棄物に付着することによって、メタン発酵槽100の発酵部110に存在する微生物群は、微生物の一次代謝及び二次代謝が活性化する。メタン発酵システム1は、微生物群及び加水分解酵素の活性化により、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解を促進させることができる。メタン発酵システム1は、有機性廃棄物の分解の促進により、バイオガスの生成速度及び生成量を向上させることができる。また、発酵部110に存在する微生物群が早期及び長期的に安定化する。
According to such a
メタン発酵システム1は、ウルトラファインバブル水供給部120によるウルトラファインバブル水の供給量を調節する制御装置150を有することが好ましい。
The
このようなメタン発酵システム1によれば、メタン発酵槽100の発酵部110のウルトラファインバブルの濃度を調整することができる。これにより、メタン発酵システム1は、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができ、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
メタン発酵システム1は、制御装置150が、発酵部110の培養液のウルトラファインバブルの濃度を推定する推定部151と、推定部151が推定した濃度に基づいてウルトラファインバブル水の供給量を調節する制御部152と、を備えることが好ましい。
In the
このようなメタン発酵システム1によれば、メタン発酵槽100の発酵部110のウルトラファインバブルの濃度を好適に調整することができる。これにより、メタン発酵システム1は、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができ、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
メタン発酵システム1は、制御部152が、発酵部110の培養液のウルトラファインバブルの濃度が2×107particles/ml以上2×108particles/ml以下となるようにウルトラファインバブル水の供給量を調節することが好ましい。
In the
このようなメタン発酵システム1によれば、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができる。これにより、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
メタン発酵システム1は、メタン発酵槽100から発生したバイオガスから硫黄酸化物を除去して精製後バイオガスとする脱硫装置50を備えることが好ましい。
The
このようなメタン発酵システム1によれば、大気汚染及び異臭等の原因となる硫黄酸化物を除去することによって、バイオガスを好適にエネルギーとして使用することができる。
According to such a
メタン発酵システム1は、ウルトラファインバブル水が供給され、かつ、メタン発酵槽100に投入される前の有機性廃棄物をスラリー化するスラリータンク20を備えることが好ましい。
The
このようなメタン発酵システム1によれば、有機性廃棄物をメタン発酵に適した濃度に希釈することができる。これにより、メタン発酵槽100の発酵部110におけるメタン発酵を円滑に行うことが可能である。
According to such a
メタン発酵システム1は、メタン発酵槽100から発生した消化液を固液分離し、かつ、消化液の固液分離によって得られた液体をスラリータンク20に供給する消化液処理装置40を備えることが好ましい。
The
このようなメタン発酵システム1によれば、スラリータンク20において有機性廃棄物を希釈する希釈水に、消化液の固液分離により得られた液体を利用できる。これにより、メタン発酵システム1で使用される水の量を節約できる。
According to such a
また、本実施形態のメタン発酵処理方法は、嫌気性微生物を含む培養液により有機性廃棄物をメタン発酵させるメタン発酵処理方法であって、メタン発酵中に直径1μm以下の気泡であるウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を有機性廃棄物に供給する。 Further, the methane fermentation treatment method of the present embodiment is a methane fermentation treatment method for methane fermentation of organic waste with a culture solution containing anaerobic microorganisms, and ultra-fine bubbles, which are bubbles with a diameter of 1 μm or less during methane fermentation, are produced. to supply the organic waste with ultra-fine bubble water containing
このようなメタン発酵処理方法によれば、ウルトラファインバブル水が有機性廃棄物に添加されるので、培養液中の物質の移動性が向上する。ウルトラファインバブルが有機性廃棄物及び加水分解酵素に付着することによって、培養液中の微生物群は、微生物の一次代謝及び二次代謝が活性化する。微生物群の活性化により、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解を促進させることができる。さらに、ウルトラファインバブル水が加水分解酵素に付着することにより加水分解酵素が活性化され、難分解性有機物を含む有機性廃棄物の初期発酵速度が向上し、分解を促進させることができる。有機性廃棄物の分解の促進により、バイオガスの生成速度及び生成量を向上させることができる。また、培養液中の微生物群が早期及び長期的に安定化する。 According to such a methane fermentation treatment method, the ultra-fine bubble water is added to the organic waste, so the mobility of substances in the culture solution is improved. The adherence of the ultra-fine bubbles to the organic waste and the hydrolytic enzyme activates the primary and secondary metabolism of the microorganisms in the culture solution. By activating the microorganisms, the initial fermentation rate of the organic waste containing the persistent organic matter can be improved, and the decomposition can be accelerated. Furthermore, the adhesion of the ultra-fine bubble water to the hydrolase activates the hydrolase, thereby increasing the initial fermentation rate of the organic waste containing the persistent organic matter and accelerating the decomposition. Accelerating the decomposition of organic waste can improve the rate and amount of biogas production. In addition, the microbial community in the culture is stabilized early and for a long period of time.
(第1変形例)
図7は、第1変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図7に示すメタン発酵システム2は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、第1ウルトラファインバブル水作製装置210と、第2ウルトラファインバブル水作製装置220と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。メタン発酵システム2は、メタン発酵システム1の構成に対して、ウルトラファインバブル水作製装置200の代わりに、第1ウルトラファインバブル水作製装置210と、第2ウルトラファインバブル水作製装置220と、を有する点で相違する。
(First modification)
FIG. 7 is a schematic diagram showing the methane fermentation system of the first modified example. The
第1ウルトラファインバブル水作製装置210は、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつのウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を作製する。ここでは、ウルトラファインバブルとして二酸化炭素を含む例を用いて説明する。このため、CO2-UFB水と示す。第1ウルトラファインバブル水作製装置210は、第1ウルトラファインバブル発生装置211と、第1ウルトラファインバブル水タンク212と、気体源G1と、水源W1と、を有する。気体源G1は、ウルトラファインバブルを形成する二酸化炭素を第1ウルトラファインバブル発生装置211に供給する。水源W1は、ウルトラファインバブル水を形成する液体を第1ウルトラファインバブル水タンク212に供給する。この液体は、例えば、水道水、井水、雨水、河川水、消化液、排水処理水等である。また、液体は、カリウム、カルシウム及びマグネシウムの少なくともひとつを含んでよい。液体がカリウム又はカルシウムを含むことで、発酵部110に含まれるナトリウム濃度を低減することができる。
The first ultra-fine bubbled
第2ウルトラファインバブル水作製装置220は、空気のウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水(Air-UFB水)を作製する。第2ウルトラファインバブル水作製装置220は、第2ウルトラファインバブル発生装置221と、第2ウルトラファインバブル水タンク222と、気体源G2と、水源W2と、を有する。気体源G2は、ウルトラファインバブルを形成する空気を第2ウルトラファインバブル発生装置221に供給する。水源W2は、ウルトラファインバブル水を形成する液体を第2ウルトラファインバブル水タンク222に供給する。この液体は、例えば、水道水、井水、雨水、河川水、消化液、排水処理水等である。また、液体は、カリウム、カルシウム及びマグネシウムの少なくともひとつを含んでよい。液体がカリウム又はカルシウムを含むことで、発酵部110に含まれるナトリウム濃度を低減することができる。なお、水源W2は、水源W1と異なる金属を含んでもよい。例えば、水源W1はカリウムを含み、水源W2はマグネシウムを含んでもよい。
The second ultra-fine bubble
メタン発酵槽100のウルトラファインバブル水供給部120は、第1供給部130と、第2供給部140と、を有する。第1供給部130は、第1ウルトラファインバブル水作製装置210から、メタン発酵槽100の発酵部110に、二酸化炭素のウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を供給する。第1供給部130は、メタン発酵槽100と第1ウルトラファインバブル水作製装置210とを接続する配管131と、配管131を開閉するバルブ132とを有する。第2供給部140は、第2ウルトラファインバブル水作製装置220から、メタン発酵槽100の発酵部110に、空気(Air)のウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を供給する。第2供給部140は、メタン発酵槽100と第2ウルトラファインバブル水作製装置220とを接続する配管141と、配管141を開閉するバルブ142とを有する。
The ultra-fine bubble
メタン発酵システム2のメタン発酵槽100は、図1に示すメタン発酵システム1のメタン発酵槽100と同様に、第1検出装置160及び第2検出装置170を有する。制御装置150は、第1検出装置160に、メタン発酵槽100の硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを測定させ、測定結果を取得する。制御装置150は、第2検出装置170に、pHを測定させ、測定結果を取得する。制御装置150の制御部152は、第1検出装置160が検出する硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつ、及び、第2検出装置170が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、第1供給部130によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節する。制御部152は、バルブ132の開閉を操作して、第1供給部130によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節できる。制御装置150の制御部152は、第1検出装置160が検出する硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつ、及び、第2検出装置170が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、第2供給部140によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節する。制御部152は、バルブ142の開閉を操作して、第2供給部140によるメタン発酵槽100へのウルトラファインバブル水の供給量を調節できる。このように、制御装置150は、第1検出装置160が検出する硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつ、及び、第2検出装置170が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、第1供給部130及び第2供給部140からのウルトラファインバブル水の供給量を調節する。
The
以上で説明したように、第1変形例のメタン発酵システム2は、メタン発酵槽100の硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつを検出する第1検出装置160、及び、pHを検出する第2検出装置170の少なくとも一つを備え、ウルトラファインバブル水供給部120が、二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつのウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を供給する第1供給部130と、空気のウルトラファインバブルを含むウルトラファインバブル水を供給する第2供給部140と、を有し、制御装置150が、第1検出装置160が検出する硫化水素濃度、メタン濃度及び二酸化炭素濃度の少なくともひとつ、及び、第2検出装置170が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、第1供給部130によるウルトラファインバブル水の供給量と、第2供給部140によるウルトラファインバブル水の供給量と、を調節する。
As described above, the
このようなメタン発酵システム2によれば、ウルトラファインバブルを形成する気体の比率及びメタン発酵槽100のウルトラファインバブルの濃度を調整することができる。これにより、メタン発酵システム1は、好適に有機性廃棄物の分解を促進することができ、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
(第2変形例)
図8は、第2変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図8に示すメタン発酵システム3は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、触媒貯蔵装置230と、触媒供給部180と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。メタン発酵システム3は、メタン発酵システム1の構成に対して、触媒貯蔵装置230を有する点で相違する。
(Second modification)
FIG. 8 is a schematic diagram showing a methane fermentation system of a second modified example. The methane fermentation system 3 shown in FIG. 8 includes a
触媒貯蔵装置230は、メタン発酵の触媒となる短鎖脂肪酸を貯蔵する。触媒貯蔵装置230は、触媒タンク232と、触媒源Cと、を有する。触媒源Cは、メタン発酵の触媒となる短鎖脂肪酸を触媒タンク232に供給する。この短鎖脂肪酸は、例えば、酢酸、酪酸、プロピオン酸等である。触媒供給部180は、メタン発酵槽100と触媒貯蔵装置230とを接続する配管181と、配管181を開閉するバルブ182とを有する。
The catalyst storage device 230 stores short-chain fatty acids that act as catalysts for methane fermentation. The catalyst storage device 230 has a
制御装置150は、触媒供給部180によるメタン発酵槽100への短鎖脂肪酸の供給量を調節する。制御部152は、バルブ182の開閉を操作して、触媒供給部180によるメタン発酵槽100への短鎖脂肪酸の供給量を調節できる。制御装置150は、ウルトラファインバブル水と共に、短鎖脂肪酸を、メタン発酵槽100の発酵部110に添加してもよい。制御装置150は、短鎖脂肪酸の供給量を、メタン発酵が行われる時間によって制御してもよい。制御装置150は、短鎖脂肪酸の供給量を、メタン発酵槽100に設けられた第1検出装置160及び第2検出装置170で検出された硫化水素濃度、メタン濃度、二酸化炭素濃度及びpHに基づいて制御してもよい。短鎖脂肪酸は、発酵部110における微生物を活性化させることができる。このため、有機性廃棄物に難分解性有機物を含む場合、難分解性有機物の分解反応を促進させることが可能であり好ましい。
(第3変形例)
図9は、第3変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図9に示すメタン発酵システム4は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、前発酵槽30と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。メタン発酵システム4は、メタン発酵システム1の構成に対して、スラリータンク20とメタン発酵槽100との間に前発酵槽30を有する点で相違する。前発酵槽30は、配管21によりスラリータンク20に接続する。前発酵槽30は、配管31によりメタン発酵槽100に接続する。
(Third modification)
FIG. 9 is a schematic diagram showing a methane fermentation system of a third modified example. The
前発酵槽30は、メタン発酵を円滑に行うための前処理設備である。前発酵槽30は、メタン発酵の工程のうち、図2に示す加水分解工程S10をメタン発酵槽100の代わりに行う。前発酵槽30は、配管21を通じてスラリータンク20から供給された有機性廃棄物を加水分解する。前発酵槽30では、高分子有機物が低分子有機物に分解される。アミノ酸、糖類(単糖)及び長鎖脂肪酸等の分解された低分子有機物は、配管31を通じてメタン発酵槽100に供給される。スラリータンク20から前発酵槽30への有機性廃棄物の供給は、所定量ずつであることが好ましい。前発酵槽30からメタン発酵槽100への有機性廃棄物の供給は、所定量ずつであることが好ましい。
The
メタン発酵槽100では、図2に示す酸生成工程S12と、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16と、が行われる。メタン発酵槽100の発酵部110は、前発酵槽30から供給された低分子有機物を、酢酸、水素及び二酸化炭素に分解する。発酵部110は、酢酸を、メタン及び二酸化炭素に分解し、水素及び二酸化炭素をメタン及び水(H2O)に生成する。
In the
発酵部110にてメタン発酵によって発生したバイオガスは、配管51を通じて脱硫装置50に供給される。脱硫装置50は、バイオガスから硫黄酸化物を除去して精製後バイオガスとする。精製後バイオガスは、ガスホルダ60で一時貯留された後、発電設備70に送出される。
Biogas generated by methane fermentation in
発酵部110にてメタン発酵を行った後の発酵残渣である消化液は、配管41を通じて消化液処理装置40に供給される。消化液処理装置40は、消化液を固体と液体とに分離する固液分離を行う。分離された液体は、そのまま、又は排水処理を行った後、スラリータンク20及び前発酵槽30に戻される。なお、スラリータンク20及び前発酵槽30に戻す液体に、本実施形態のウルトラファインバブル水を添加してもよい。
Digestive juice, which is a fermentation residue after methane fermentation in
なお、上記では、酸生成工程S12がメタン発酵槽100の内部のみで行われるものとして説明したが、有機性廃棄物に、酸生成工程S12の触媒となりうる嫌気性微生物群又は酵素が予め含まれている場合、酸生成工程S12の一部は、前発酵槽30の内部でも行われる。
In the above description, the acid-producing step S12 is performed only inside the
以上で説明したように、第3変形例のメタン発酵システム4は、ウルトラファインバブル水が供給され、かつ、メタン発酵槽100に投入される前の有機性廃棄物を加水分解する前発酵槽30を備える。
As described above, in the
このようなメタン発酵システム4によれば、前発酵槽30の内部を加水分解工程S10に最適な環境に維持すると共に、メタン発酵槽100の内部を酸生成工程S12及びメタンガス形成工程(第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16)に最適な環境に維持することができる。ここで、加水分解工程S10は好気性反応であり、酸生成工程S12、第1メタンガス形成工程S14及び第2メタンガス形成工程S16は嫌気性反応である。すなわち、メタン発酵システム4は、例えば、前発酵槽30の内部を酸素雰囲気とし、メタン発酵槽100の内部を二酸化炭素雰囲気、水素雰囲気、酸素雰囲気又は窒素雰囲気とすることができる。それぞれの工程における最適な環境が異なるため、前発酵槽30を設けることで、それぞれの工程における最適な環境を維持することが可能であり、好適に有機性廃棄物の分解を促進し、バイオガスの生成を促進することができる。
According to such a
メタン発酵システム4は、メタン発酵槽100から発生した消化液を固液分離し、かつ、消化液の固液分離によって得られた液体を前発酵槽30に供給する消化液処理装置40を備えることが好ましい。
The
このようなメタン発酵システム4によれば、前発酵槽30において有機性廃棄物を加水分解させる水に、消化液の固液分離によって得られた液体を利用できる。これにより、メタン発酵システム1で使用される水の量を節約できる。
According to the
(第4変形例)
図10は、第4変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図10に示すメタン発酵システム5は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。メタン発酵システム5は、メタン発酵システム1の構成に対して、ウルトラファインバブル水作製装置200の気体源Gが、ウルトラファインバブルを形成する気体を発電設備70から導入する点で相違する。気体源Gは、発電設備70において精製後バイオガスの燃焼により排出される二酸化炭素を導入する。
(Fourth modification)
FIG. 10 is a schematic diagram showing a methane fermentation system of a fourth modified example. The
以上で説明したように、第4変形例のメタン発酵システム5は、ウルトラファインバブルが、精製後バイオガスの燃焼により排出される二酸化炭素を含む。
As explained above, in the
このようなメタン発酵システム5によれば、精製後バイオガスの燃焼により排出される二酸化炭素が大気に排出される前に回収して再利用することができる。これにより、地球温暖化対策に寄与することができる。
According to such a
(第5変形例)
図11は、第5変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図11に示すメタン発酵システム6は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、を備える。メタン発酵システム6は、メタン発酵システム1の構成に対して、ウルトラファインバブル水作製装置200の水源Wが、ウルトラファインバブル水を形成する液体を消化液処理装置40から導入する点で相違する。水源Wは、消化液処理装置40において消化液から固液分離した液体、又は排水処理後の液体を導入する。
(Fifth modification)
FIG. 11 is a schematic diagram showing a methane fermentation system of the fifth modified example. The
以上で説明したように、第5変形例のメタン発酵システム6は、ウルトラファインバブル水が、消化液の固液分離によって得られた液体を含む。
As explained above, in the
このようなメタン発酵システム6によれば、メタン発酵槽100の発酵部110にてメタン発酵を行った後の発酵残渣である消化液を再利用することができる。
According to such a
(第6変形例)
図12は、第6変形例のメタン発酵システムを示す模式図である。図12に示すメタン発酵システム7は、分別粉砕機10と、スラリータンク20と、メタン発酵槽100と、制御装置150と、ウルトラファインバブル水作製装置200と、消化液処理装置40と、脱硫装置50と、ガスホルダ60と、加熱装置80を備える。メタン発酵システム7は、メタン発酵システム1の構成に対して、発電設備70の発電で生じる廃熱で加熱された温水が循環する加熱装置80が、メタン発酵槽100の外周に設けられている点で相違する。
(Sixth modification)
FIG. 12 is a schematic diagram showing a methane fermentation system of the sixth modification. The
このようなメタン発酵システム7によれば、メタン発酵槽100の発酵部110を適宜加熱することが可能である。加熱装置80を用いて、発酵部110の温度を、発酵反応を促進可能な温度とすることで、発酵反応を促進させることができる。発酵反応を促進可能な温度は、例えば30℃以上70℃以下、好ましくは40℃以上60℃以下である。また、システム全体のエネルギー量を増加させることなく、発酵部110の発酵反応を促進させることができる。
According to such a
なお、実施形態において説明した各構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態内の他の構成と組み合わせてもよい。また、これらの各構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態とは異なる他の実施形態内の構成と組み合わせてもよい。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の改変を行ってもよい。 Each configuration described in the embodiment may be combined with other configurations in each embodiment without departing from the scope of the invention. Moreover, each of these configurations may be combined with configurations in other embodiments that are different from each embodiment within the scope of the invention. Also, various modifications may be made without departing from the scope of the invention.
1、2、3、4、5、6、7 メタン発酵システム
10 分別粉砕機
11 配管
20 スラリータンク
21 配管
30 前発酵槽
31 配管
40 消化液処理装置
41 配管
50 脱硫装置
51 配管
60 ガスホルダ
61 配管
70 発電設備
80 加熱装置
100 メタン発酵槽
110 発酵部
120 ウルトラファインバブル水供給部
121 配管
122 バルブ
130 第1供給部
131 配管
132 バルブ
140 第2供給部
141 配管
142 バルブ
150 制御装置
151 推定部
152 制御部
160 第1検出装置
170 第2検出装置
180 触媒供給部
181 配管
182 バルブ
200 ウルトラファインバブル水作製装置
201 ウルトラファインバブル発生装置
202 ウルトラファインバブル水タンク
210 第1ウルトラファインバブル水作製装置
211 第1ウルトラファインバブル発生装置
212 第1ウルトラファインバブル水タンク
220 第2ウルトラファインバブル水作製装置
221 第2ウルトラファインバブル発生装置
222 第2ウルトラファインバブル水タンク
230 触媒貯蔵装置
232 触媒タンク
G、G1、G2 気体源
W、W1、W2 水源
C 触媒源
S10 加水分解工程
S12 酸生成工程
S14 第1メタンガス形成工程
S16 第2メタンガス形成工程
S20、S22、S24、S26、S28、S30 ステップ
Claims (16)
直径1μm以下の二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつの気泡を含む第1の水を前記発酵部に供給する第1供給部と、
直径1μm以下の空気の気泡を含む第2の水を前記発酵部に供給する第2供給部と、
を備え、
前記第1供給部では、前記第1の水の供給量が調整可能であり、
前記第2供給部では、前記第2の水の供給量が調整可能である、
メタン発酵槽。 a fermentation unit that performs methane fermentation of organic waste using a culture solution containing anaerobic microorganisms;
a first supply unit that supplies first water containing at least one bubble of carbon dioxide, hydrogen, oxygen and nitrogen with a diameter of 1 μm or less to the fermentation unit;
a second supply unit that supplies second water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less to the fermentation unit;
with
In the first supply unit, the supply amount of the first water can be adjusted,
In the second supply unit, the supply amount of the second water is adjustable,
methane fermenter.
前記第1供給部を介して前記発酵部に供給する前記第1の水を作製する第1水作製装置と、
前記第2供給部を介して前記発酵部に供給する前記第2の水を作製する第2水作製装置と、
を有するメタン発酵システム。 A methane fermenter according to any one of claims 1 to 3;
a first water preparation device for preparing the first water to be supplied to the fermentation section via the first supply section;
a second water preparation device that prepares the second water to be supplied to the fermentation section via the second supply section;
A methane fermentation system with
前記制御装置は、前記第1検出装置が検出する硫化水素濃度、二酸化炭素濃度及びメタン濃度の少なくともひとつ、並びに、前記第2検出装置が検出するpHの少なくともひとつに基づいて、前記第1供給部による前記第1の水の供給量と、前記第2供給部による前記第2の水の供給量と、を調節する請求項5に記載のメタン発酵システム。 At least one of a first detection device that detects at least one of hydrogen sulfide concentration, carbon dioxide concentration, and methane concentration in the methane fermentation tank, and a second detection device that detects pH,
The control device detects, based on at least one of hydrogen sulfide concentration, carbon dioxide concentration and methane concentration detected by the first detection device, and at least one of pH detected by the second detection device, the first supply unit 6. The methane fermentation system according to claim 5, wherein the amount of supply of the first water by and the amount of supply of the second water by the second supply unit are adjusted.
メタン発酵中に、直径1μm以下の二酸化炭素、水素、酸素及び窒素の少なくともひとつの気泡を含む第1の水と、直径1μm以下の空気の気泡を含む第2の水と、を前記有機性廃棄物に供給し、
前記第1の水の供給量は、調整可能であり、
前記第2の水の供給量は、調整可能である、
メタン発酵処理方法。 A methane fermentation treatment method for methane fermentation of organic waste with a culture solution containing anaerobic microorganisms,
During the methane fermentation, a first water containing at least one gas bubble of carbon dioxide, hydrogen, oxygen and nitrogen with a diameter of 1 μm or less and a second water containing air bubbles with a diameter of 1 μm or less to the organic waste. supply things ,
The supply amount of the first water is adjustable,
the amount of supply of the second water is adjustable;
Methane fermentation treatment method.
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