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(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】P2023025963
(43)【公開日】2023-02-24
(54)【発明の名称】有機物処理装置
(51)【国際特許分類】
C10L 3/08 20060101AFI20230216BHJP
B09B 3/65 20220101ALI20230216BHJP
B09B 3/60 20220101ALI20230216BHJP
C02F 11/04 20060101ALI20230216BHJP
【ＦＩ】
C10L3/08
B09B3/00 C
B09B3/00 D
C02F11/04 A ZAB
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021131435
(22)【出願日】2021-08-11
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】坪田 潤
(72)【発明者】
【氏名】勝矢 祥平
【テーマコード（参考）】
4D004
4D059
【Ｆターム（参考）】
4D004AA03
4D004BA03
4D004CA18
4D004CA22
4D004CA40
4D004CB01
4D004CB04
4D004CC01
4D004CC08
4D004DA03
4D004DA10
4D059AA07
4D059BA17
4D059BA27
4D059BA50
4D059DA70
(57)【要約】
【課題】二槽式を採用することなく、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、バイオガス中の二酸化炭素をメタン化できる有機物処理装置を提供する。
【解決手段】有機物が供給されるメタン発酵槽１０を備えた有機物処理装置であって、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部がメタン発酵液の液面よりも上方の空間１２に位置した状態、又は、液面よりも上方の空間１２に位置した状態で、メタン発酵槽１０内に配設され、メタン発酵液が含浸した担体Ｔと、上方の空間１２に水素を供給する水素供給手段２０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】有機物が供給されるメタン発酵槽１０を備えた有機物処理装置であって、メタン発酵槽１０内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部がメタン発酵液の液面よりも上方の空間１２に位置した状態、又は、液面よりも上方の空間１２に位置した状態で、メタン発酵槽１０内に配設され、メタン発酵液が含浸した担体Ｔと、上方の空間１２に水素を供給する水素供給手段２０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
有機物が供給されるメタン発酵槽を備えた有機物処理装置であって、
前記メタン発酵槽内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部が前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態、又は、前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態で、前記メタン発酵槽内に配設され、前記メタン発酵液が含浸した担体と、
前記上方の空間に水素を供給する水素供給手段と、を備える有機物処理装置。
前記メタン発酵槽内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部が前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態、又は、前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態で、前記メタン発酵槽内に配設され、前記メタン発酵液が含浸した担体と、
前記上方の空間に水素を供給する水素供給手段と、を備える有機物処理装置。
【請求項2】
前記担体に前記メタン発酵槽内の前記メタン発酵液を常時又は断続的に供給する発酵液供給手段を備える請求項１に記載の有機物処理装置。
【請求項3】
前記担体を洗浄する洗浄手段を備える請求項１又は２に記載の有機物処理装置。
【請求項4】
前記メタン発酵槽では、有機物負荷が３ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上となるメタン発酵処理が行われる請求項１～３のいずれか一項に記載の有機物処理装置。
【請求項5】
前記有機物は、生ごみである請求項１～４のいずれか一項に記載の有機物処理装置。
【請求項6】
前記メタン発酵槽における前記上方の空間から気体を回収する回収手段と、
前記回収手段で回収した気体を前記水素供給手段で供給する水素とともに、前記上方の空間に供給する請求項１～５のいずれか一項に記載の有機物処理装置。
前記回収手段で回収した気体を前記水素供給手段で供給する水素とともに、前記上方の空間に供給する請求項１～５のいずれか一項に記載の有機物処理装置。
【請求項7】
前記担体は、繊維担体である請求項１～６のいずれか一項に記載の有機物処理装置。
【請求項8】
前記繊維担体は、炭素繊維担体である請求項７に記載の有機物処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、メタン発酵を利用して有機物を処理する有機物処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
有機物のメタン発酵により得られるバイオガスには、メタンの他に二酸化炭素や種々の成分が含まれている。近年、バイオガスを都市ガスとして利用することを目的に、バイオガス中の二酸化炭素を微生物によってメタンに変換する、所謂バイオメタネーション技術の開発が進められている。例えば、非特許文献１には、メタン細菌を含む液に水素を吹き込むことにより、バイオガス中の二酸化炭素をメタン細菌によってメタン化する手法が提案されている。
【0003】
ところで、メタン発酵プロセスでは、有機物から複数の物質を経由してプロピオン酸等の有機酸が生成され、この有機酸から酢酸が生成され、最終的に、酢酸からメタンが生成される。ここで、有機物負荷の高い（有機酸の生成速度が速い）状態でメタン発酵処理を行う場合、メタン発酵液に水素を吹き込むことで、有機酸からの酢酸の生成が阻害されて、メタン発酵液中の有機酸が増加して溶液のｐＨが低下する。これにより、酢酸からのメタン生成に関与する菌の活動が低下し、最終的にメタン発酵が停止する虞がある。
【0004】
そこで、上記非特許文献１では、メタン発酵の停止を回避するために、二槽式を採用し、第１の槽においてメタン発酵によりバイオガスを発生させ、第２の槽において水素を吹き込んで二酸化炭素をメタン化することを提案している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Ilaria Bassani et al, “Biogas Upgrading via Hydrogenotrophic Methanogenesis in Two-Stage Continuous Stirred Tank Reactors at Mesophilic and Thermophilic Conditions”, Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 12585-12593
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記非特許文献１記載の技術のように、二槽式を採用する場合、装置の大型化が避けられず、また、第１の槽から第２の槽へとメタン発酵液及びバイオガスを安定して供給するための設備が必要となるため、装置の複雑化も避けられない。
【0007】
本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、二槽式を採用することなく、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、有機物のメタン発酵とバイオガス中の二酸化炭素のメタン化とを両立できる有機物処理装置の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するための本発明に係る有機物処理装置の特徴構成は、
有機物が供給されるメタン発酵槽を備えた有機物処理装置であって、
前記メタン発酵槽内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部が前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態、又は、前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態で、前記メタン発酵槽内に配設され、前記メタン発酵液が含浸した担体と、
前記上方の空間に水素を供給する水素供給手段と、を備える点にある。
有機物が供給されるメタン発酵槽を備えた有機物処理装置であって、
前記メタン発酵槽内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部が前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態、又は、前記メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態で、前記メタン発酵槽内に配設され、前記メタン発酵液が含浸した担体と、
前記上方の空間に水素を供給する水素供給手段と、を備える点にある。
【0009】
上記特徴構成によれば、メタン発酵槽内におけるメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部がメタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態、又は、メタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置した状態で担体が配置され、この担体に含浸されたメタン発酵液中のメタン細菌によって液面よりも上方の空間に存在するバイオガス中の二酸化炭素をメタン化できる。即ち、上記特徴構成によれば、メタン発酵槽内において、メタン発酵液中に水素を吹き込むことなく、メタン発酵液中でメタン発酵を行いつつ、当該メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素を、担体に保持されたメタン細菌によってメタン化できる。
【0010】
したがって、上記特徴構成によれば、二槽式を採用することなく、一つのメタン発酵槽内で、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、有機物のメタン発酵とバイオガス中の二酸化炭素のメタン化を両立でき、装置の大型化や装置の複雑化も避けられる。
【0011】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記担体に前記メタン発酵槽内の前記メタン発酵液を常時又は断続的に供給する発酵液供給手段を備える点にある。
前記担体に前記メタン発酵槽内の前記メタン発酵液を常時又は断続的に供給する発酵液供給手段を備える点にある。
【0012】
有機物処理装置を連続して運転する場合、担体に含浸させたメタン発酵液が脱落したり、なんらかの要因でメタン発酵液中のメタン細菌の活動が低下したりした場合に、担体へのメタン発酵液の供給が必要になる場合がある。上記特徴構成によれば、担体に含浸させたメタン発酵液中のメタン細菌の活動が低下した場合や処理開始から一定時間経過する度に、担体に対してメタン発酵液を供給できる。したがって、担体をメタン発酵槽内から取り出してメタン発酵液を含浸させるといった作業を要することなく、有機物処理装置の連続運転が可能となる。
【0013】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記担体を洗浄する洗浄手段を備える点にある。
前記担体を洗浄する洗浄手段を備える点にある。
【0014】
担体へのメタン発酵液の含浸や、上記発酵液供給手段によるメタン発酵液の供給を繰り返し行った場合、担体表面に汚れが蓄積し、担体内部への気体（水素及び二酸化炭素）の流通が妨げられ、担体に含浸されたメタン発酵液中のメタン細菌による二酸化炭素のメタン化が起こり難くなる場合がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、担体を洗浄できるため、担体表面への汚れの蓄積を抑制でき、メタン細菌による二酸化炭素のメタン化が起こり難くなる事態の発生を抑えられる。よって、有機物処理装置の安定した連続運転が可能となる。
【0015】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記メタン発酵槽では、有機物負荷が３ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上となるメタン発酵処理が行われる点にある。
前記メタン発酵槽では、有機物負荷が３ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上となるメタン発酵処理が行われる点にある。
【0016】
メタン発酵が停止するという事態は、メタン発酵処理がとりわけ有機物負荷が高い（メタン発生量が多い）処理である場合に、メタン発酵液に水素を吹き込むことで発生し易い。上記特徴構成によれば、上記のような有機物負荷が高いメタン発酵処理を行う場合に、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しつつ、バイオガス中の二酸化炭素をメタン化できる。
【0017】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記有機物は、生ごみである点にある。
前記有機物は、生ごみである点にある。
【0018】
上記特徴構成によれば、有機物負荷が比較的高くなり易い生ごみを処理する際に、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しつつ、バイオガス中の二酸化炭素をメタン化できる。
【0019】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記メタン発酵槽における前記上方の空間から気体を回収する回収手段と、
前記回収手段で回収した気体を前記水素供給手段で供給する水素とともに、前記上方の空間に供給する点にある。
前記メタン発酵槽における前記上方の空間から気体を回収する回収手段と、
前記回収手段で回収した気体を前記水素供給手段で供給する水素とともに、前記上方の空間に供給する点にある。
【0020】
上記特徴構成によれば、メタン発酵槽内に供給した水素のうちメタン化に使用されなかった分をバイオガスとともに上方の空間から回収し、再度上方の空間に供給できるため、未使用水素の有効利用が可能となる。
【0021】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記担体は、繊維担体である点にある。
前記担体は、繊維担体である点にある。
【0022】
本願発明者は、担体として繊維担体を使用することで、当該担体にメタン発酵液を含浸させた状態で水素及び二酸化炭素の存在下で二酸化炭素のメタン化が起こることを実験的に確認している。
【0023】
本発明に係る有機物処理装置の更なる特徴構成は、
前記繊維担体は、炭素繊維担体である点にある。
前記繊維担体は、炭素繊維担体である点にある。
【0024】
本願発明者は、繊維担体として炭素繊維担体を使用することで、上記二酸化炭素のメタン化が十分に起こることを実験的に確認している。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】一実施形態に係る有機物処理装置の概略構成を示す図である。
【図2】実験結果を示すグラフである。
【図3】実験結果を示すグラフである。
【図4】他の実施形態に係る有機物処理装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る有機物処理装置について説明する。尚、以下においては、処理対象である有機物が生ごみである場合を例にとって説明する。
【0027】
図１は、一実施形態に係る有機物処理装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、有機物処理装置は、生ごみが供給されるメタン発酵槽１０と、メタン発酵槽１０内に水素を供給する水素供給部２０（水素供給手段）と、メタン発酵槽１０内からバイオガスを回収するバイオガス回収部３０（回収手段）とを備えている。
【0028】
〔メタン発酵槽〕
図１に示すように、メタン発酵槽１０は、筐体で構成され、当該筐体の外部から供給される生ごみをメタン細菌によるメタン発酵により生物分解するメタン発酵空間１１を形成して構成してある。このメタン発酵空間１１には、当該メタン発酵空間１１内のメタン発酵液を、メタン発酵を良好に行う上で良好な温度（例えば、３０～３７℃、又は５０～６５℃）に保持するための熱交換器（図示せず）を設けてある。尚、本実施形態では、メタン発酵空間１１において、筐体の対向する２つの内壁のうちの一方に、生ごみを供給するための生ごみ供給口１５がメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。また、上記２つの内壁のうちの他方に、処理水を外部に排出するための処理水排出口１６が同じくメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。
図１に示すように、メタン発酵槽１０は、筐体で構成され、当該筐体の外部から供給される生ごみをメタン細菌によるメタン発酵により生物分解するメタン発酵空間１１を形成して構成してある。このメタン発酵空間１１には、当該メタン発酵空間１１内のメタン発酵液を、メタン発酵を良好に行う上で良好な温度（例えば、３０～３７℃、又は５０～６５℃）に保持するための熱交換器（図示せず）を設けてある。尚、本実施形態では、メタン発酵空間１１において、筐体の対向する２つの内壁のうちの一方に、生ごみを供給するための生ごみ供給口１５がメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。また、上記２つの内壁のうちの他方に、処理水を外部に排出するための処理水排出口１６が同じくメタン発酵空間１１に臨ませて設けてある。
【0029】
メタン発酵空間１１の上方空間（メタン発酵槽１０内のメタン発酵液の液面よりも上方の空間）は、このメタン発酵空間１１で生成したメタンや二酸化炭素などのバイオガスを収集するバイオガス収集空間１２を構成している。
【0030】
バイオガス収集空間１２内において、筐体の対向する２つの内壁間には、網状の支持部材Ｓが架け渡してある。この支持部材Ｓ上には、メタン発酵液が含浸された担体Ｔを載置しており、当該担体Ｔは、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液の液面と接触しない状態になっているが、接触しても問題はない。本実施形態において、担体Ｔは炭素繊維からなる繊維担体であるが、メタン発酵液を保持できるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ポリエステルやＰＶＡ、アクリル樹脂を採用できる。尚、担体Ｔは、嵩密度が大きいほど、二酸化炭素のメタン化速度が増加する（言い換えれば、二酸化炭素を効率よくメタンに変換できる）ため、メタン発酵液が含浸できる範囲において、嵩密度が大きいものを使用することが好ましい。
【0031】
また、メタン発酵槽１０を構成する筐体の天井（バイオガス収集空間１２の上方）には、メタン発酵空間１１内から汲み上げたメタン発酵液を担体Ｔに噴射する第１シャワー４０（発酵液供給手段）と、担体Ｔを洗浄するための洗浄液（例えば、水）を担体Ｔに噴射する第２シャワー４５（洗浄手段）とを設置している。
【0032】
また、第１シャワー４０は、発酵液供給路４１を介してメタン発酵空間１１内からメタン発酵液が汲み上げられる構成となっており、当該発酵液供給路４１には、図示しない開閉弁や流量調整弁等を設けている。そして、本実施形態においては、これら開閉弁及び流量調整弁の作動を制御装置（図示せず）によって制御可能に構成し、第１シャワー４０からのメタン発酵液の噴射量や噴射のタイミングを調整可能な構成にしている。したがって、第１シャワー４０によって、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液を常時又は断続的に担体Ｔに供給可能になっている。尚、第１シャワー４０による担体Ｔへのメタン発酵液の供給は、有機物処理装置の運転開始から所定時間経過するごとに行ってもよいし、運転の間中行うようにしてもよい。
【0033】
第２シャワー４５は、洗浄液供給路４６を介して洗浄液供給部４７から洗浄液が供給される構成となっている。洗浄液供給路４６には、図示しない開閉弁や流量調整弁を設けている。そして、本実施形態においては、これら開閉弁や流量調整弁の作動を制御装置（図示せず）によって制御可能に構成し、第２シャワー４５からの洗浄液の噴射量や噴射のタイミングを調整可能な構成にしている。尚、第２シャワー４５による担体Ｔの洗浄は、有機物処理装置の運転を停止しているタイミングで行うことが好ましく、洗浄頻度は、担体Ｔの汚れ易さ等によるが、例えば、１週間に一度程度であることが好ましい。
【0034】
尚、担体Ｔ上の微生物が活性の維持に微量元素を必要とする場合には、第１シャワー４０でメタン発酵液を微量元素として供給するか、もしくは、洗浄液中に鉄、ニッケル、コバルトなどの微量元素をいれたものを第２シャワー４５で供給してもよい。
【0035】
本実施形態では、バイオガス収集空間１２において、筐体の対向する２つの内壁のうちの一方に、水素供給部２０から水素を供給するための水素供給口２３がバイオガス収集空間１２に臨ませて設けてある。また、上記２つの内壁のうちの他方に、バイオガス回収部３０にバイオガスを取り出すためのバイオガス取出口３３が同じくバイオガス収集空間１２に臨ませて設けてある。
【0036】
本実施形態では、水素が貯蔵された水素ボンベ２１や水素供給路２２、水素供給口２３などで水素供給部２０を構成しており、水素ボンベ２１内の水素を水素供給路２２及び水素供給口２３を介してバイオガス収集空間１２内に供給する。本実施形態では、水素ボンベ２１に設けられる開閉弁の作動を制御装置（図示せず）によって制御可能な構成にしている。したがって、水素供給部２０によれば、任意の供給量や任意のタイミングでバイオガス収集空間１２内へ水素を供給できる。尚、水素供給部２０は、バイオガス収集空間１２内への水素の供給が可能な構成であれば、特に限定されるものではなく、例えば、水素ボンベ２１に代えて水素製造装置を採用してもよい。
【0037】
本実施形態では、ポンプ（図示せず）が接続したタンク３１やバイオガス取出路３２、バイオガス取出口３３、循環用供給路３４などでバイオガス回収部３０を構成しており、バイオガス収集空間１２内からバイオガス取出口３３及びバイオガス取出路３２を介してバイオガスを吸引してタンク３１にバイオガスを貯留する。また、バイオガス回収部３０は、タンク３１と水素供給路２２とを接続する循環用供給路３４を介して、タンク３１内に回収したバイオガスをバイオガス収集空間１２内に水素とともに供給する構成にしている。本実施形態では、バイオガス取出路３２及び循環用供給路３４それぞれに、制御装置（図示せず）によって作動制御可能な開閉弁や流量調整弁を設けている。したがって、バイオガス回収部３０によれば、バイオガス収集空間１２内から任意の取出量や任意のタイミングでバイオガスを回収でき、また、任意の供給量や任意のタイミングで循環用供給路３４を介してバイオガスをバイオガス収集空間１２内に供給できる。尚、バイオガス回収部３０は、バイオガス収集空間１２からバイオガスを回収可能な構成であれば、特に限定されるものではない。
【0038】
以上の構成を備えたメタン発酵槽１０においては、メタン発酵空間１１内でメタン発酵を行うことで、バイオガスが発生し、この発生したバイオガスがバイオガス収集空間１２内に集められる。そして、バイオガス収集空間１２内に供給された水素を利用して、バイオガス収集空間１２内（メタン発酵液の液面よりも上方の空間の）バイオガス中の二酸化炭素が、担体Ｔに含浸させたメタン発酵液中のメタン細菌によってメタン化される。つまり、本実施形態では、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液内に水素を吹き込むことなく、当該メタン発酵空間１１内のメタン発酵液中でメタン発酵を行いつつ、当該メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素を、担体Ｔに保持されたメタン細菌によってメタン化でき、一つのメタン発酵槽１０内で、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、バイオガス中の二酸化炭素をメタン化でき、装置の大型化や装置の複雑化も避けられる。
【0039】
尚、本実施形態において、メタン発酵槽１０では、生ごみを処理するメタン発酵処理が行われ、このようなメタン発酵処理は、有機物負荷の高い（メタン発生量が多い）処理である。有機物負荷の高いメタン発酵処理では、メタン発酵液に水素を吹き込むことで、メタン発酵が停止するという事態が発生し易い。つまり、本実施形態に係る有機物処理装置は、有機物負荷が高いメタン発酵処理（より具体的には、有機物負荷が３ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上、好ましくは５ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上、より好ましくは１０ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／日以上のメタン発酵処理）をメタン発酵槽１０内で行う場合に、特に好適に用いることができる。
【0040】
〔処理フロー〕
以下、上記構成を備えた有機物処理装置によって、生ごみを処理する過程について説明する。
以下、上記構成を備えた有機物処理装置によって、生ごみを処理する過程について説明する。
【0041】
まず、生ごみをメタン発酵槽１０に供給し、メタン発酵槽１０に供給した生ごみがメタン発酵槽１０にてメタン発酵され、バイオガスが発生し、発生したバイオガスは、バイオガス収集空間１２に集められる。
【0042】
ここで、バイオガス収集空間１２内には、水素供給部２０から水素が供給されている。したがって、このバイオガス収集空間１２内に供給されている水素を利用して、担体Ｔに含浸させたメタン発酵液中のメタン細菌が、バイオガス収集空間１２内のバイオガス中の二酸化炭素をメタン化する。
【0043】
一方、メタン発酵により生成した処理水は、処理水排出口１６から外部に排出される。
【0044】
以上のように、本実施形態に係る有機物処理装置によれば、メタン発酵空間内のメタン発酵液内に水素を吹き込むことなく、メタン発酵液中でのメタン発酵と、メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素のメタン化とを行うことができる。したがって、二槽式を採用することなく、一つのメタン発酵槽内で、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、有機物のメタン発酵とバイオガス中の二酸化炭素のメタン化を両立でき、装置の大型化や装置の複雑化も避けられる。
【0045】
以下、実施例及び比較例を示す。
【0046】
〔実施例１〕
メタン発酵槽におけるメタン発酵液の液面よりも上方の空間（以下、気相空間ともいう）を模した１２０ｍｌのバイアル瓶中にメタン発酵液を２４時間含浸させた３ｃｍ３の炭素繊維担体（大阪ガスケミカル株式会社製の「ドナカーボフェルト」）を設置した。ついで、バイアル瓶中の気体を別途生ごみのメタン発酵試験装置から発生したバイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、水素が１３．５ｍｌ消費されていた。これは、二酸化炭素３．４ｍｌをメタン化するのに要する量に相当する。
このことから、メタン発酵液を含浸させた担体を気相空間に配置することで、気相空間での二酸化炭素のメタン化が生じることが確認できた。
また、担体体積当たりの二酸化炭素の消費速度を計算すると、０．０４７ｍｌ／ｃｍ３／時となる。生ごみを処理する装置の一般的なバイオガス発生速度は２ｍｌ／ｍｌ／日であり、バイオガス中の４０％が二酸化炭素であることから、二酸化炭素の発生速度は、０．０３３ｍｌ／ｍｌ／時となる。つまり、メタン発酵槽内のメタン発酵液と同程度の体積の担体を設置し、当該担体にメタン発酵液を含浸させることで、メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素の大部分をメタン化できることもわかった。
メタン発酵槽におけるメタン発酵液の液面よりも上方の空間（以下、気相空間ともいう）を模した１２０ｍｌのバイアル瓶中にメタン発酵液を２４時間含浸させた３ｃｍ３の炭素繊維担体（大阪ガスケミカル株式会社製の「ドナカーボフェルト」）を設置した。ついで、バイアル瓶中の気体を別途生ごみのメタン発酵試験装置から発生したバイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、水素が１３．５ｍｌ消費されていた。これは、二酸化炭素３．４ｍｌをメタン化するのに要する量に相当する。
このことから、メタン発酵液を含浸させた担体を気相空間に配置することで、気相空間での二酸化炭素のメタン化が生じることが確認できた。
また、担体体積当たりの二酸化炭素の消費速度を計算すると、０．０４７ｍｌ／ｃｍ３／時となる。生ごみを処理する装置の一般的なバイオガス発生速度は２ｍｌ／ｍｌ／日であり、バイオガス中の４０％が二酸化炭素であることから、二酸化炭素の発生速度は、０．０３３ｍｌ／ｍｌ／時となる。つまり、メタン発酵槽内のメタン発酵液と同程度の体積の担体を設置し、当該担体にメタン発酵液を含浸させることで、メタン発酵によって発生したバイオガス中の二酸化炭素の大部分をメタン化できることもわかった。
【0047】
〔実施例２〕
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中にメタン発酵液を２４時間含浸させた２４ｃｍ３の炭素繊維担体を設置した。ついで、バイアル瓶中の気体を上記バイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。加温開始から１８時間後から２４時間後までの６時間の間で増加したバイアル瓶中のメタンの１時間当たりの生成速度は１．８ｍｌ／時であった。
一方、２４時間後に、上記バイアル瓶中のガスを新たなバイオガスに完全に置換し、水素を１００ｍｌ添加して同様の試験を行ったところ、１時間当たりのメタン生成速度は、４．６ｍｌとなった。このことから、一度担体に固定されたメタン細菌は繰り返し利用することができ、また担体上でメタン化反応を起こしながら自己増殖することで担体上のメタン細菌の能力が向上したことが推察される。
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中にメタン発酵液を２４時間含浸させた２４ｃｍ３の炭素繊維担体を設置した。ついで、バイアル瓶中の気体を上記バイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。加温開始から１８時間後から２４時間後までの６時間の間で増加したバイアル瓶中のメタンの１時間当たりの生成速度は１．８ｍｌ／時であった。
一方、２４時間後に、上記バイアル瓶中のガスを新たなバイオガスに完全に置換し、水素を１００ｍｌ添加して同様の試験を行ったところ、１時間当たりのメタン生成速度は、４．６ｍｌとなった。このことから、一度担体に固定されたメタン細菌は繰り返し利用することができ、また担体上でメタン化反応を起こしながら自己増殖することで担体上のメタン細菌の能力が向上したことが推察される。
【0048】
〔実施例３〕
メタン発酵液の含浸時間を１０分及び２時間に変更した炭素繊維担体を用いて、実施例２と同様の手順で試験を行ったところ、含浸時間が１０分のものと２時間のものとでメタンの発生量は増加しなかった。担体に付着するメタン発酵液の量は、含浸時間が２４時間である場合と比較して、１０分では０．５倍、２時間では０．６倍であり、いずれの場合も一定量のメタン発酵液が付着しているにもかかわらず、メタン発生量が低下したことから、二酸化炭素のメタン化には、担体にメタン細菌が定着することが重要であると考えられる。尚、実施例２から分かるように、一度メタン細菌が担体に定着すれば、その後はメタン細菌の活性を維持、拡大できるため、担体に対してメタン発酵液を常時供給する必要はない。
メタン発酵液の含浸時間を１０分及び２時間に変更した炭素繊維担体を用いて、実施例２と同様の手順で試験を行ったところ、含浸時間が１０分のものと２時間のものとでメタンの発生量は増加しなかった。担体に付着するメタン発酵液の量は、含浸時間が２４時間である場合と比較して、１０分では０．５倍、２時間では０．６倍であり、いずれの場合も一定量のメタン発酵液が付着しているにもかかわらず、メタン発生量が低下したことから、二酸化炭素のメタン化には、担体にメタン細菌が定着することが重要であると考えられる。尚、実施例２から分かるように、一度メタン細菌が担体に定着すれば、その後はメタン細菌の活性を維持、拡大できるため、担体に対してメタン発酵液を常時供給する必要はない。
【0049】
〔実施例４〕
４種類の炭素繊維担体（嵩密度：９．５、６３、１００ｋｇ／ｍ３）を用いて実施例２と同様の手順で試験を行って得られた、担体保持液量とメタン増加速度との関係を図２に示す。
図２から分かるように、いずれの担体もメタンの発生は確認できたが、担体保持液量とメタン増加速度との間に相関は見られなかった。
また、嵩密度とメタン増加速度との関係を図３に示す。
図３から分かるように、嵩密度が高い担体ほどメタン増加速度が速くなっていることから、二酸化炭素のメタン化を効果的に起こすためには、体積当たりの重量が重要であることが確認できた。
４種類の炭素繊維担体（嵩密度：９．５、６３、１００ｋｇ／ｍ３）を用いて実施例２と同様の手順で試験を行って得られた、担体保持液量とメタン増加速度との関係を図２に示す。
図２から分かるように、いずれの担体もメタンの発生は確認できたが、担体保持液量とメタン増加速度との間に相関は見られなかった。
また、嵩密度とメタン増加速度との関係を図３に示す。
図３から分かるように、嵩密度が高い担体ほどメタン増加速度が速くなっていることから、二酸化炭素のメタン化を効果的に起こすためには、体積当たりの重量が重要であることが確認できた。
【0050】
〔比較例１〕
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中の気体を上記バイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、水素の消費は確認できなかった。このことから、メタン発酵液を含浸させた担体が存在しない場合、気相空間での二酸化炭素のメタン化が起こらないことが確認できた。
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中の気体を上記バイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、水素の消費は確認できなかった。このことから、メタン発酵液を含浸させた担体が存在しない場合、気相空間での二酸化炭素のメタン化が起こらないことが確認できた。
【0051】
〔比較例２〕
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中にメタン発酵液を一定量いれて、気体をバイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、気相空間内の水素の消費は確認できなかった。このことから、気相空間で二酸化炭素のメタン化を起こさせるためには、メタン発酵液を含浸させた担体が必要であることが確認できた。
実施例１で使用したものと同型のバイアル瓶中にメタン発酵液を一定量いれて、気体をバイオガスに置換した後、更に水素ガス１００ｍｌを添加し、５５℃で加温した。２４時間後のバイアル瓶中のガス量を測定したところ、気相空間内の水素の消費は確認できなかった。このことから、気相空間で二酸化炭素のメタン化を起こさせるためには、メタン発酵液を含浸させた担体が必要であることが確認できた。
【0052】
〔別実施形態〕
〔１〕上記実施形態では、支持部材Ｓ上に担体Ｔを配置し、メタン発酵空間１１上のバイオガス収集空間１２に担体Ｔを位置させた態様としたが、これに限られるものではない。例えば、図４に示すように、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部がメタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置するように担体Ｔを配置してもよい。この場合でも、担体Ｔの一部がメタン発酵液の液面上に位置しているため、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液内に水素を吹き込むことなく、当該メタン発酵空間１１内のメタン発酵液中でメタン発酵を行いつつ、当該メタン発酵によって発生したバイオガス収集空間１２内のバイオガス中の二酸化炭素を、担体Ｔに保持されたメタン細菌によってメタン化できる。したがって、二槽式を採用することなく、一つのメタン発酵槽内で、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、有機物のメタン発酵とバイオガス中の二酸化炭素のメタン化を両立でき、装置の大型化や装置の複雑化も避けられる。
〔１〕上記実施形態では、支持部材Ｓ上に担体Ｔを配置し、メタン発酵空間１１上のバイオガス収集空間１２に担体Ｔを位置させた態様としたが、これに限られるものではない。例えば、図４に示すように、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液に一部が浸漬し且つ残部がメタン発酵液の液面よりも上方の空間に位置するように担体Ｔを配置してもよい。この場合でも、担体Ｔの一部がメタン発酵液の液面上に位置しているため、メタン発酵空間１１内のメタン発酵液内に水素を吹き込むことなく、当該メタン発酵空間１１内のメタン発酵液中でメタン発酵を行いつつ、当該メタン発酵によって発生したバイオガス収集空間１２内のバイオガス中の二酸化炭素を、担体Ｔに保持されたメタン細菌によってメタン化できる。したがって、二槽式を採用することなく、一つのメタン発酵槽内で、メタン発酵が停止するという事態の発生を回避しながら、有機物のメタン発酵とバイオガス中の二酸化炭素のメタン化を両立でき、装置の大型化や装置の複雑化も避けられる。
【0053】
〔２〕上記実施形態では、発酵液供給手段としての第１シャワー４０を備える態様としたが、これに限られるものではなく、発酵液供給手段を備えていない態様であってもよい。
【0054】
〔３〕上記実施形態では、洗浄手段としての第２シャワー４５を備える態様としたが、これに限られるものではなく、洗浄手段を備えていない態様であってもよい。
【0055】
〔４〕上記実施形態では、処理対象である有機物が生ごみである態様としたが、これに限られるものではなく、処理対象は他の有機物であってもよい。また、有機物は、破砕や可溶化などの前処理が施されていてもよい。
【0056】
〔５〕上記実施形態では、回収手段としてのバイオガス回収部３０を備え、バイオガス収集空間１２から回収したバイオガスを再度バイオガス収集空間１２に供給し、バイオガスを循環させる態様としたが、これに限られるものではない。例えば、バイオガス回収部３０で回収したバイオガスを循環させることなく、タンク内に貯留する態様であってもよい。
【0057】
上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0058】
本発明は、メタン発酵を利用して有機物を処理する有機物処理装置に利用できる。
【符号の説明】
【0059】
１ ：有機物処理装置
１０ ：メタン発酵槽
１２ ：バイオガス収集空間（メタン発酵液の液面よりも上方の空間）
２０ ：水素供給部（水素供給手段）
３０ ：バイオガス回収部（回収手段）
４０ ：第１シャワー（発酵液供給手段）
４５ ：第２シャワー（洗浄手段）
Ｔ ：担体
１０ ：メタン発酵槽
１２ ：バイオガス収集空間（メタン発酵液の液面よりも上方の空間）
２０ ：水素供給部（水素供給手段）
３０ ：バイオガス回収部（回収手段）
４０ ：第１シャワー（発酵液供給手段）
４５ ：第２シャワー（洗浄手段）
Ｔ ：担体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】