特開 2023-128566 メタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128566

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】メタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/28 20230101AFI20230907BHJP

【ＦＩ】

C02F3/28 A

C02F3/28 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032979

(22)【出願日】2022-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002826

【氏名又は名称】弁理士法人雄渾

(72)【発明者】

【氏名】橋本 庸平

【テーマコード（参考）】

4D040

【Ｆターム（参考）】

4D040AA12

4D040AA22

4D040AA31

(57)【要約】

【課題】本発明の課題は、メタン発酵処理において、水素濃度の上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制するメタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のメタン発酵処理システムは、メタン発酵槽と、メタン発酵槽に水素を供給する水素供給部と、を備え、メタン発酵槽は、導電性物質を含むことを特徴とする。本発明によれば、導電性物質を含むメタン発酵槽に水素を供給することから、導電性物質が、ＤＩＥＴ（Direct Interspecies Electron Transfer）と呼ばれる、水素を介しない電子を直接授受する反応を促進させることで、水素濃度上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制できる効果がある。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

メタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽に水素を供給する水素供給部と、を備え、
前記メタン発酵槽は、導電性物質を含むことを特徴とするメタン発酵処理システム。

【請求項2】

前記導電性物質は、粒状であることを特徴とする、請求項１に記載のメタン発酵処理システム。

【請求項3】

前記水素は、導電性物質に吸着させて供給されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のメタン発酵処理システム。

【請求項4】

前記導電性物質を回収する回収部を備えることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のメタン発酵処理システム。

【請求項5】

導電性物質を含むメタン発酵槽に、水素を供給するステップを備えることを特徴とする、メタン発酵の処理方法。

【請求項6】

水素が供給されたメタン発酵槽に投入し、水素と二酸化炭素からメタンを生成する反応を促進することを特徴とする、導電性物質の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、嫌気処理を行うメタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

排水など被処理水を処理する方法の一つとして、種々の微生物を含む汚泥を用い、嫌気的な環境下での生物処理（以下、「嫌気処理」と呼ぶ）を行うことが知られている。この嫌気処理は、曝気動力が不要で、余剰汚泥がほとんど発生しないことなど、導入に係るメリットが高いことが挙げられる。また、二酸化炭素と水素から微生物にメタンを発生させることで、二酸化炭素を消費させて、脱炭素化に貢献することが期待されている。

【0003】

通常、メタン発酵反応では、有機酸の分解に伴い、メタンが生成されると共に二酸化炭素も発生する。嫌気処理槽では、水素と二酸化炭素からメタンが生成される反応であるバイオメタネーションと呼ばれる反応が起こることが知られており、嫌気処理槽内に水素を添加することで、さらにメタンを生成しようとすることが試みられている。
例えば、特許文献１には、メタン生成菌によるメタネーション反応装置に電気分解で発生させた水素と、各種産業分野から排出・回収された二酸化炭素を供給し、メタン生成を行うことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－３３２８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のように、単純に嫌気処理槽へ水素を添加し、水素の添加量が多くなりすぎると、プロピオン酸や酪酸等の酸化が進みにくくなり、有機酸が蓄積しやすく、メタン発酵全体の活性が低下し、反応の阻害が生じてしまう問題がある。

【0006】

そこで、本発明の課題は、メタン発酵処理において、水素濃度の上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制するメタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、導電性物質を含むメタン発酵槽に水素を供給することにより、水素濃度の上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制できることを見出して、本発明を完成した。

【0008】

上記課題を解決するための本発明のメタン発酵処理システムは、メタン発酵槽と、メタン発酵槽に水素を供給する水素供給部と、を備え、メタン発酵槽は、導電性物質を含むことを特徴とする。
本発明のメタン発酵処理システムによれば、導電性物質を含むメタン発酵槽に水素を供給することから、導電性物質が、ＤＩＥＴ（Direct Interspecies Electron Transfer）と呼ばれる、水素を介しない電子を直接授受する反応を促進させることで、水素濃度上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制できる効果がある。

【0009】

さらに、本発明のメタン発酵処理システムの一実施態様としては、導電性物質は、粒状であることを特徴とする。
このメタン発酵処理システムによれば、導電性物質が粒状であることから、導電性物質が担体として働きメタン生成菌が定着する。よって、メタン生成菌を安定した状態で維持しやすくなり、導電性物質とメタン生成菌が接触した状態を維持できることからＤＩＥＴをより促進することができる効果がある。

【0010】

さらに、本発明のメタン発酵処理システムの一実施態様としては、水素は、導電性物質に吸着させて供給されることを特徴とする。
このメタン発酵処理システムによれば、水素が導電性物質に吸着されて供給されることで、メタン発酵槽の溶液中に効率よく水素を供給することができる効果がある。

【0011】

さらに、本発明のメタン発酵処理システムの一実施態様としては、導電性物質を回収する回収部を備えることを特徴とする。
このメタン発酵処理システムによれば、回収部により導電性物質を回収することができることから、導電性物質に付着した有用菌を回収することができる。よって、微生物反応の維持につながる効果がある。

【0012】

上記課題を解決するための本発明のメタン発酵の処理方法は、導電性物質を含むメタン発酵槽に、水素を供給するステップを備えることを特徴とする。
本発明のメタン発酵の処理方法によれば、導電性物質を含むメタン発酵槽に水素を供給することから、導電性物質が、ＤＩＥＴと呼ばれる、水素を介しない電子を直接授受する反応を促進させることで、水素濃度上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制できる効果がある。

【0013】

上記課題を解決するための本発明の導電性物質の使用方法は、水素が供給されたメタン発酵槽に投入し、水素と二酸化炭素からメタンを生成する反応を促進することを特徴とする。
本発明の導電性物質の使用方法によれば、メタン発酵槽の導電性物質が、ＤＩＥＴと呼ばれる、水素を介しない電子を直接授受する反応を促進させることで、水素濃度上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制できる効果がある。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、導電性物質を含むメタン発酵槽に水素を供給することにより、水素濃度の上昇によるメタン発酵の反応阻害を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１の実施態様に係るメタン発酵処理システムを示す概略説明図である。

【図2】本発明の第２の実施態様に係るメタン発酵処理システムを示す概略説明図である。

【図3】本発明の第３の実施態様に係るメタン発酵処理システムを示す概略断面図である。

【図4】（Ａ）図は、本発明の第１の実施態様に係るメタン発酵処理の際のエネルギー状態を示す図である。（Ｂ）図は、従来のメタン発酵の際のエネルギー状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の被処理水Ｗ０は、下水処理場や食品工場等から発生する有機性廃棄物を含む排水や、スラリー等が該当する。なお、被処理水Ｗ０はこれに限定されるものではなく、嫌気処理が可能な有機物質を含むものであれば、本発明の処理対象となる。

【0017】

嫌気処理としては、有機酸からメタンを生成するメタン生成菌によるメタン発酵のほか、水素と二酸化炭素からメタン生成反応を行う水素資化性のメタン菌も含む。
本発明は、水素と二酸化炭素からメタンを生成することで、二酸化炭素を消費し、メタン生成（バイオメタネーション）を促進させるものである。

【0018】

以下、図面を参照しつつ本発明に係るメタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法の実施態様を詳細に説明する。
なお、実施態様に記載するメタン発酵処理システムについては、本発明に係るメタン発酵処理システムを説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。また、本実施態様のメタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法は、以下のメタン発酵処理システムの構成及び作動の説明に置き換えるものとする。

【0019】

［第１の実施態様］
図１には、本発明の第１の実施態様のメタン発酵処理システムの概略説明図が図示されている。

【0020】

［メタン発酵処理システム］
図１を参照し、本実施態様におけるメタン発酵処理システム１Ａについて説明する。メタン発酵処理システム１Ａは、被処理水Ｗ０に水素を供給する水素供給部２と、被処理水Ｗ０をメタン発酵処理するメタン発酵槽３を備える。

【0021】

［水素供給部］
水素供給部２は、メタン発酵槽３の水素資化性のメタン菌による発酵に使用される水素を被処理水Ｗ０に供給するものである。
水素供給部２は、被処理水Ｗ０に水素を供給することができる機能及び構造を備えているものであれば、特に限定されない。また、水素は、メタン発酵槽３に供給される前のラインＬ０の被処理水Ｗ０に添加されても、メタン発酵槽３の内部の液体に水素を供給する場合のどちらであってもよい。本実施の態様では、ラインＬ０上で添加される場合を例示した。
また、水素供給部２により、被処理水Ｗ０に供給される水素は、どのような水素であってもよく、微生物反応により発生された水素でも、水を電気分解して生成された水素でも、水素を含む工場排気であってもよい。

【0022】

［メタン発酵槽］
メタン発酵槽３は、嫌気処理を行うことができ、メタン生成菌によるメタン発酵が行われる。メタン発酵槽３は、内部に導電性物質４を含む被処理水Ｗ２が貯留され、水素供給部２で供給された水素と、二酸化炭素からメタン生成を行うことができれば、特に限定されない。

【0023】

導電性物質４を含む被処理水Ｗ２の導電性物質４は、予め被処理水Ｗ０に含まれる場合を例示するが、その他に、水素供給部２の前段、水素供給部２とメタン発酵槽３のラインＬ０の間、メタン発酵槽３で導電性物質４が添加される場合のいずれかの時期に添加されるものであってもよい。

【0024】

＜導電性物質＞
導電性物質４は、微生物同士が水素を介することなく直接電子をやり取りしてメタン発酵を促進するという、ＤＩＥＴ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｔｅｒｓｐｅｃｉｅｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）と呼ばれる現象を促進させる目的で添加される。
ＤＩＥＴは、メタン発酵の反応プロセスにおいて共生反応と呼ばれる有機酸からのメタン生成反応を促進する効果がある。原理としては、微生物が導電性物質４に付着することで微生物間の電子伝達を少ないエネルギーギャップで進行することができ、メタン発酵反応が促進されると考えられている。
従来では、図４の（Ｂ）図に示すように、導電性物質を含有しない状態で、水素を供給してメタン発酵反応を行う場合、水素濃度が上昇し、有機物の酸化反応が起こりにくくなるためメタン発酵が進まない。
そこで、本発明では、図４（Ａ）図に示すように、導電性物質４が添加されることにより、水素を介しないメタン発酵反応が促進される。よって、メタン発酵槽内の被処理水Ｗ２に水素を添加し、水素分圧が上昇しても有機物の酸化が起こり、メタン発酵が行われることから、水素分圧が上昇することによる反応阻害を抑制することができる。

【0025】

導電性物質４としては、磁性物質や多孔質が使用でき、具体的には、活性炭、石炭コークス、グラファイト、マグネタイト、硫化鉄鉱物、還元鉄、マンガンフェライト、ニッケルフェライトやコバルトフェライト等が例示できる。
また、導電性物質４の形状、大きさは特に限定されない。導電性物質４の形状としては、例えば、粉末、粒状、板状、海綿状等が挙げられる。嫌気性菌（メタン生成菌等）との接触効率を考慮すると、表面積が大きくなる粉末又は粒状が好ましい。

【0026】

導電性物質４が粉末の場合、被処理水Ｗ２中での分散効率がより高まり、嫌気性菌（メタン生成菌等）との接触効率が向上する観点から好ましい。

【0027】

また、導電性物質４が粒状の場合、担体として使用することができ、導電性物質４の表面にメタン生成菌を定着させることができることから、メタン生成菌を安定した状態で維持しやすくなる。さらに、導電性物質４とメタン生成菌が接触した状態を維持できることからＤＩＥＴをより促進することができる。担体として使用する粒状の導電性物質４としては、多孔質であり入手しやすいことから活性炭であることが好ましい。

【0028】

また、粒状の導電性物質４を担体として使用する場合、流動床でも固定床でもよい。流動床の場合、被処理水Ｗ２との接触効率がよく、固定床の場合は、処理水Ｗ１とともに後段の工程に流出しにくくなることから、メタン生成菌をメタン発酵槽３の内部に維持しやすくなるとの観点から好ましい。
以上のことから、固形物（スラリー）を含むメタン発酵処理の場合は、導電性物質４が粉末又は粒状であることが好ましく、有機性廃棄物を含む排水等でメタン発酵処理を行う場合は、導電性物質４が粒状であることが好ましい。

【0029】

［その他の構成］
その他の構成として、メタン発酵処理システム１Ａは、ラインＬ０、Ｌ１、Ｌ２及びＬ３を有する。ラインＬ０は、被処理水Ｗ０をメタン発酵槽３に供給するための管である。ラインＬ１は水素供給部２から水素ガスＧ１を供給するための管である。Ｌ２はメタン発酵槽３で被処理水Ｗ２が処理された処理水Ｗ１を後の工程に送るための管である。Ｌ３は、メタン発酵槽３で生成されたメタンガスＧ２を外部に送るための管である。

【0030】

［メタン発酵処理システムの動作について］
図１を参照し、メタン発酵処理システム１Ａの処理の流れ、動作について説明する。

【0031】

まず、被処理水Ｗ０がラインＬ０を通過してメタン発酵槽３に供給される。被処理水Ｗ０は、導電性物質４を含む被処理水である。
水素供給部２が、ラインＬ０の内部を流れる被処理水Ｗ０に対し、ラインＬ１を経由して水素ガスＧ１を供給することにより、メタン発酵槽３の被処理水Ｗ２に水素を供給したことになる。この工程を、導電性物質を含むメタン発酵槽に、水素を供給するステップとする。

【0032】

次に、メタン発酵槽３に、導電性物質と、水素とを含有する被処理水Ｗ２が供給され、メタン発酵が行われる。このメタン発酵槽３の内部でＤＩＥＴを含めたメタン発酵反応が起こり、有機酸によるメタン発酵及び水素と二酸化炭素によるメタン発酵が生じ、メタンガスが生成されてラインＬ３を通して外部にメタンガスが排出される。また、被処理水Ｗ２は処理されラインＬ２を通過して後の工程に処理水Ｗ１が送られる。この工程をメタン発酵ステップとする。
以上の工程により、本発明のメタン発酵処理システム１Ａの動作が完了する。

【0033】

［第２の実施態様］
図２を参照し、本発明の第２の実施態様のメタン発酵処理システム１Ｂについて説明する。本実施態様のメタン発酵処理システム１Ｂは、メタン発酵処理システム１Ａに導電性物質供給部５を備え、水素供給部２の水素が導電性物質４に吸着されてからメタン発酵槽３に供給される点が異なる。

【0034】

［導電性物質供給部］
導電性物質供給部５は、導電性物質４をメタン発酵槽３に供給するための機能、構造を有するものであれば、特に限定されない。本実施態様では、導電性物質供給部５がラインＬ０上に設置され、被処理水Ｗ０に供給する場合を例示したが、導電性物質供給部５が、メタン発酵槽３に接続され、導電性物質４を供給するようにしてもよい。

【0035】

導電性物質供給部５は、水素供給部２から供給された水素が吸着された導電性物質４を被処理水Ｗ０に供給し、被処理水Ｗ０がラインＬ０を通過してメタン発酵槽３に送られることで被処理水Ｗ２となる。水素ガスが被処理水Ｗ０やＷ２に直接添加されると溶解しきれなかった水素ガスが生じる虞があることから、導電性物質４に水素を吸着させた状態で被処理水Ｗ０又はＷ２に投入することで、メタン発酵槽の溶液中に効率よく水素を供給することができる効果がある。
本実施態様の場合、導電性物質４は、水素を吸着させることから、活性炭であることが好ましい。

【0036】

［メタン発酵処理システムの動作について］
図２を参照し、メタン発酵処理システム１Ｂの処理の流れ、動作について説明する。

【0037】

まず、水素供給部２からラインＬ１を通じて供給された水素ガスＧ１が、導電性物質４に吸着させられる。この工程を水素吸着工程とする。

【0038】

次に、被処理水Ｗ０がラインＬ０を通過してメタン発酵槽３に供給される。被処理水Ｗ０は、導電性物質４を含む被処理水でも含まない被処理水でもどちらでもよい。この際、ラインＬ０の内部を流れる被処理水Ｗ０に対し、導電性物質供給部５がラインＬ４を通して水素が吸着された導電性物質４を供給する。この動作により、水素供給部２が導電性物質４を介して水素を被処理水Ｗ０に供給することから、メタン発酵槽３の被処理水Ｗ２に水素を供給したことになる。この工程を、導電性物質を含むメタン発酵槽に、水素を供給するステップとする。

【0039】

次に、メタン発酵処理システム１Ａのメタン発酵ステップが行われ、本発明のメタン発酵処理システム１Ｂの動作が完了する。
［第３の実施態様］
図３を参照し、本発明の第３の実施態様のメタン発酵処理システム１Ｃについて説明する。本実施態様のメタン発酵処理システム１Ｃは、メタン発酵処理システム１Ａに導電性物質回収部６を備え、メタン発酵槽３で処理された処理水Ｗ１に含まれる導電性物質４を回収し、メタン発酵槽３に返送する点が異なる。

【0040】

［導電性物質回収部］
導電性物質回収部６は、メタン発酵槽３で処理された処理水Ｗ１に含まれる導電性物質４を分離し、回収してメタン発酵槽３に返送するための機能、構造を有するものであれば、特に限定されない。なお、本実施態様では、回収された導電性物質４がラインＬ６を通じてメタン発酵槽３に返送される場合を例示したが、ラインＬ６がラインＬ０に接続されてもよい。

【0041】

導電性物質回収部６としては、導電性物質４を分離し、回収する方法や装置であればよく、具体的には、沈降分離が例示でき、導電性物質として、マグネタイト、硫化鉄鉱物、還元鉄、マンガンフェライト、ニッケルフェライトやコバルトフェライト等の磁性物質を使用した場合には、磁気分離装置を使用することが可能である。
回収した導電性物質４は、ラインＬ６を経由してメタン発酵槽３に返送されることで、導電性物質に付着したメタン生成菌が流出してしまうことを抑制でき、より安定したメタン発酵を行うことができる。

【0042】

［メタン発酵処理システムの動作について］
図３を参照し、メタン発酵処理システム１Ｃの処理の流れ、動作について説明する。

【0043】

まず、メタン発酵処理システム１Ａの水素を供給するステップと、メタン発酵ステップとが行われる。

【0044】

次に、メタン発酵槽３で処理された処理水Ｗ１が、ラインＬ２を通じて導電性物質回収部６に送られる。そして、導電性物質回収部６が導電性物質４を分離する作業を行う。この工程を分離ステップとする。

【0045】

次に、分離回収された導電性物質４は、ラインＬ６を通じてメタン発酵槽３に返送される。この工程を返送ステップとする。
導電性物質４に付着したメタン生成菌がメタン発酵槽３の内部に戻されることにより、安定したメタン発酵を継続して行うことが可能となる。
また、導電性物質回収部６により導電性物質４が分離された処理水Ｗ４は、ラインＬ５を通じて後の工程に送られる。

【0046】

本実施態様では、メタン発酵処理システム１Ａに導電性物質回収部６を備える場合を例示したが、メタン発酵処理システム１Ｂに導電性物質回収部６を備える態様であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明のメタン発酵処理システム、メタン発酵の処理方法及び導電性物質の使用方法は、嫌気処理が可能な被処理水に利用される。例えば、下水処理場や食品工場等から発生する有機性廃棄物を含む排水や、メタン発酵可能なスラリー等に好適に使用される。

【符号の説明】

【0048】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ メタン発酵処理システム
２ 水素供給部
３ メタン発酵槽
４ 導電性物質
５ 導電性物質供給部
６ 導電性物質回収部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】