特許 7213484 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-19

(45)【発行日】2023-01-27

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   C02F 11/04 20060101AFI20230120BHJP

   B09B 3/00 20220101ALI20230120BHJP

【ＦＩ】

C02F11/04 A

B09B3/00

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2018212263

(22)【出願日】2018-11-12

(65)【公開番号】P2020078769

(43)【公開日】2020-05-28

【審査請求日】2021-10-07

(73)【特許権者】

【識別番号】302060926

【氏名又は名称】株式会社フジタ

(73)【特許権者】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 紀子

(72)【発明者】

【氏名】張 振亜

(72)【発明者】

【氏名】楊 暁静

(72)【発明者】

【氏名】王 迪

【審査官】目代 博茂

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－０９０２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５７９５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４４１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８５４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００５５８８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０３４９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９３８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２４８０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０４６７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ １１／００－１１／２０

Ｂ０９Ｂ １／００－５／００

Ｂ０９Ｃ １／００－１／１０

Ｃ０２Ｆ ３／２８－３／３４

Ｂ０１Ｆ ２１／００－２５／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

前記有機性廃棄物は、難分解性有機物を含む請求項１に記載のメタン発酵槽。

【請求項3】

前記第１の水及び前記第２の水の気泡の濃度は、６×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上５×１０^９ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以下である請求項１又は２に記載のメタン発酵槽。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載のメタン発酵槽と、
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。

【請求項5】

前記第１供給部による前記第１の水の供給量を調節するとともに、前記第２供給部による前記第２の水の供給量を調節する制御装置を有する請求項４に記載のメタン発酵システム。

【請求項6】

前記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、
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。

【請求項7】

前記制御装置は、前記発酵部の前記培養液の直径１μｍ以下の気泡の濃度を推定する推定部と、前記推定部が推定した濃度に基づいて前記第１の水及び前記第２の水の供給量を調節する制御部と、を備える請求項５又は６に記載のメタン発酵システム。

【請求項8】

前記制御部は、前記発酵部の前記培養液の直径１μｍ以下の気泡の濃度が２×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上２×１０^８ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以下となるように、前記第１の水及び前記第２の水の供給量を調節する請求項７に記載のメタン発酵システム。

【請求項9】

前記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請求項４から８のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。

【請求項10】

前記第１供給部が供給する前記第１の水の気泡は、前記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請求項９に記載のメタン発酵システム。

【請求項11】

前記第１供給部及び前記第２供給部の少なくとも一方から前記第１の水及び前記第２の水の少なくともいずれかが供給され、かつ、前記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請求項４から１０のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。

【請求項12】

前記メタン発酵槽から発生した消化液を固液分離し、かつ、前記消化液の固液分離によって得られた液体を前記スラリータンクに供給する消化液処理装置を備える請求項１１に記載のメタン発酵システム。

【請求項13】

前記第１供給部及び前記第２供給部の少なくとも一方から前記第１の水及び前記第２の水の少なくともいずれかが供給され、かつ、前記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請求項４から１２のいずれか一項に記載のメタン発酵システム。

【請求項14】

前記メタン発酵槽から発生した消化液を固液分離し、かつ、前記消化液の固液分離によって得られた液体を前記前発酵槽に供給する消化液処理装置を備える請求項１３に記載のメタン発酵システム。

【請求項15】

前記第１供給部及び前記第２供給部の少なくとも一方が供給する前記第１の水及び前記第２の水の少なくともいずれかは、前記消化液の固液分離によって得られた前記液体を含む請求項１２又は１４に記載のメタン発酵システム。

【請求項16】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５８７０３４３号公報

【文献】特開２０１７－１２１６０３号公報

【文献】特開２０１８－１３０６５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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、６×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上５×１０^９ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以下であることが好ましい。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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２×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上２×１０^８ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【発明の効果】

【0024】

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。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】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。

【図2】図２は、メタン発酵の過程を示すフローチャートである。

【図3】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。

【図4】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】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】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。

【図7】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8】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9】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10】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11】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12】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。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。

【0027】

（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（ＣＨ_４）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。

【0028】

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）。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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（ＣＯ_３ＣＯＯＨ）、二酸化炭素及び水素（Ｈ_２）等に分解される。アミノ酸は、アンモニア（ＮＨ_３）及び酢酸、酪酸（ＣＨ_３（ＣＨ_２）_２ＣＯＯＨ）、プロピオン酸（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＯＯＨ）等の短鎖脂肪酸等に分解される。糖類は、ピルビン酸（ＣＨ_３ＣＯＣＯＯＨ）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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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、２×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上２×１０^８ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／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２×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌであることは、１ｍｌのウルトラファインバブル水に２×１０^７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。

【0047】

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。

【0048】

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（Ｎ_２）等である。

【0049】

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。

【0050】

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、６×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上５×１０^９ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／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。

【0051】

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。

【0052】

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（ＳＯ_ｘ）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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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）。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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「ＣＯ_２－ＵＦＢＷ」と記載し、水素を含むウルトラファインバブル水を「Ｈ_２－ＵＦＢＷ」と記載し、窒素を含むウルトラファインバブル水を「Ｎ_２－ＵＦＢＷ」と記載している。

【0062】

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。

【0063】

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「Ｎ_２－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。

【0064】

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。

【0065】

【表1】

【0066】

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「ＣＯ_２－ＵＦＢＷ」と記載し、窒素を含むウルトラファインバブル水を「Ｎ_２－ＵＦＢＷ」と記載している。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

メタン発酵槽１００は、ウルトラファインバブルの濃度が、６×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上５×１０^９ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以下であることが好ましい。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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２×１０^７ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／ｍｌ以上２×１０^８ｐａｒｔｉｃｌｅｓ／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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

（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。

【0093】

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、ＣＯ_２－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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

（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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

（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。

【0103】

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。

【0104】

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（Ｈ_２Ｏ）に生成する。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

（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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

（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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

（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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【符号の説明】

【0121】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】