JP2001149983A - バイオガス発生装置 - Google Patents

バイオガス発生装置

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JP2001149983A JP33581899A JP33581899A JP2001149983A JP 2001149983 A JP2001149983 A JP 2001149983A JP 33581899 A JP33581899 A JP 33581899A JP 33581899 A JP33581899 A JP 33581899A JP 2001149983 A JP2001149983 A JP 2001149983A
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hydrogen
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fermentation
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Naomichi Nishio
尚道 西尾
Tetsuo Hiraga
哲男 平賀
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58Reaction vessels connected in series or in parallel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 有機性廃液のBODを低減するとともに、水
素及びメタンを発生させる。 【解決手段】 水素生成菌の1種類の菌である通性嫌気
性細菌が内部に収容されたバイオリアクタ1に配管5を
介して有機性廃液を導入し、水素生成菌の作用により水
素を発生させるとともにメタンの基質となる有機酸を生
成する。その有機酸を含む液を、配管9を介して、メタ
ン菌が内部に収容されたバイオリアクタ3に導入し、メ
タン菌の作用により有機酸を分解してメタンを発生させ
るとともにBODを低減し、その後配管15から排出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機物を含有する
有機性廃液のBOD(生物化学的酸素要求量)又はCO
D(化学的酸素要求量)を低減させるとともに、メタン
や水素などのバイオガスを生成するバイオガス発生装置
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1は、従来の好気的廃水処理法として
の活性汚泥法の構成を示すブロック図である。活性汚泥
法では、活性汚泥(微生物の塊)を収容した曝気槽2に
有機性廃液を導入した後、酸素(O2)を必要とするの
で多量の空気を曝気層2に導入する。分解の対象となる
有機物をグルコース(C6126)とすると、グルコー
スは活性汚泥の作用により、以下に示す化学反応式
(1)に基づいて二酸化炭素(CO 2)と水(H2O)に
分解される。 C6126+6O2 → 6CO2+6H2O …(1)
【0003】式(1)に示すように、活性汚泥法ではグ
ルコース1モル当たりにつき6モルの二酸化炭素が発生
する。また、活性汚泥は有機物を食べて新しい活性汚泥
を生成し、徐々にその量が増加するので、曝気槽2から
余剰汚泥(残渣)を除去する必要がある。
【0004】図2は、従来の廃水処理法の他の方法とし
てのUASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket、上
向流嫌気性汚泥床)法の構成を示すブロック図である。
UASB法では、メタン発酵槽6に有機性廃液を導入し
て、微生物の加水分解などにより有機性廃液中の有機物
から酢酸やプロピオン酸などの有機酸を生成し、その有
機酸を基質(栄養源)としてメタン生成菌によってメタ
ンを発生させるとともに、BODを低減させる。UAS
B法は嫌気的発酵であるので、メタン発酵槽6における
残渣の発生量が活性汚泥法に比較して少ないという長所
がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のUASB法で
は、有機性廃液のBOD又はCODの低減が課題であ
り、メタンの発生量はあまり気にしていなかった。しか
し今日、メタン発酵により発生するメタンをエネルギー
源として利用することが多くなってきた。また、従来は
有機物からのバイオガスとしてはメタンが主流であっ
た。そこで本発明は、有機性廃液を処理するとともに、
バイオガスとして水素及びメタンを発生させることがで
きるバイオガス発生装置を提供することを目的とするも
のである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、水素生成菌を
用いて有機性廃液を嫌気性発酵して水素とメタン原料有
機物を生成する水素発酵部と、メタン生成菌を用いてメ
タン原料有機物を嫌気性発酵してメタンを生成するメタ
ン発酵部とを備えたバイオガス発生装置である。
【0007】図3は、本発明の構成を示すブロック図で
ある。水素発酵部1で、例えば水素生成菌(Enterobact
or aerogenes)の1種の菌である通性嫌気性細菌を用い
て有機性廃液に含有される有機物を分解して、水素とメ
タン原料有機物となる有機酸やアルコールを生成する。
分解対象となる有機物をグルコース(C6126)とす
ると、グルコースは水素生成菌の作用により、以下に示
す化学反応式(2)に基づいて主として酢酸(CH3
OOH)と二酸化炭素(CO2)と水素(H2)に分解さ
れる。 C6126+2H2O → 2CH3COOH+2CO2+4H2 …(2)
【0008】水素発酵部1で生成したメタン原料有機物
をメタン発酵部3に導入し、メタン生成菌を用いてメタ
ン原料有機物を分解してメタンと二酸化炭素を生成す
る。メタン原料有機物を式(2)で生成した2モルの酢
酸とすると、酢酸はメタン生成菌の作用により、以下に
示す化学反応式(3)に基づいてメタン(CH4)と二
酸化炭素(CO2)に分解される。 2CH3COOH → 2CH4+2CO2 …(3)
【0009】このように、水素発酵部1で水素を発生さ
せるとともにメタン原料有機物を生成し、メタン発酵部
3でメタン原料有機物を分解してメタンを発生させると
ともにBODを低減させる。
【0010】
【実施例】図4は、一実施例を示す概略構成図である。
ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内
で種々の変更を行なうことができる。容積が500m3
のバイオリアクタ(水素発酵部)1が設けられている。
バイオリアクタ1には、内部に水素生成菌の1種類の菌
である通性嫌気性細菌が収容されており、有機性廃液を
導入するための原水配管5と、バイオリアクタ1内で液
を循環させる循環配管7と、処理後の液を排出する排出
配管9が接続されている。バイオリアクタ1では水素生
成菌の働きにより、有機性廃液がメタン原料有機物に変
換され、水素と二酸化炭素が発生する。発生した水素と
二酸化炭素の混合ガスは、混合状態でも燃料電池などに
利用することができるが、水素の純度を上げるためにバ
イオリアクタ1の上部に水素捕集部(図示略)を配置し
てもよい。水素捕集部では、水素を透過させ二酸化炭素
を透過させないパラジウム膜などを用いた膜分離器を使
用することにより、又は混合ガスをアルカリ溶液に透過
させることにより二酸化炭素を吸収させて回収したりす
ることにより、水素濃度を高めることができる。
【0011】バイオリアクタ1は、配管9を介して、容
積が2000m3のバイオリアクタ(メタン発酵部)3
に接続されている。配管9には希釈水を供給する希釈水
配管11が合流している。バイオリアクタ3には、内部
にメタン生成菌が収容されており、バイオリアクタ3内
で液を循環させる循環配管13と、処理後の液を排出す
る排出配管15が接続されている。バイオリアクタ3で
はメタン生成菌の働きにより、メタン原料有機物が分解
されてメタンと二酸化炭素が生成する。発生したメタン
と二酸化炭素の混合ガスは、混合状態でも利用すること
ができるが、メタンの純度を上げるためにバイオリアク
タ3の上部にメタン捕集部(図示略)を配置してもよ
い。メタン捕集部では、メタンを透過させ二酸化炭素を
透過させない膜分離器を使用することにより、ゼオライ
ト吸着器を用いてメタンと二酸化炭素の吸着の強さの差
を利用したり、又は混合ガスをアルカリ溶液に透過させ
ることにより二酸化炭素を吸収させて回収したりするこ
とにより、メタン濃度を高めることができる。
【0012】本発明者らにより、グルコース濃度が1.
5%の原水を水素生成菌の1種の菌である通性嫌気性細
菌を用いて水素発酵処理した場合、水素の収率は0.5
〜1mol/mol glucose、すなわち(2)式に対し
て12.5〜25%であり、水素生成速度は30〜60
mmol/L/時間(1リットル容器で1時間に水素が
30〜60mmol発生する)であることが確認されて
いる。この実施例を用いて、水素生成速度が30mmo
l/L/時間の場合、グルコース濃度が1.5%、すな
わちBODが16000ppmの原水を、8020m 3
/日、すなわち120ton・glucose/日の流量で、空間
速度(SV)を0.67/時間として処理したとき、バ
イオリアクタ1内で8064m3/日の水素が発生す
る。
【0013】バイオリアクタ1内で、上記の式(2)に
基づいて生成した酢酸を含む液を配管9を介してバイオ
リアクタ3内に導入し、メタン収率を1.8mol/m
olglucoseとし、配管11からの希釈水の添加で空間
速度を0.16/時間として処理した場合、バイオリア
クタ3内で27000m3/日のメタンが発生し、配管
15から排出される処理水のBODは11000ppm
になる。また、バイオリアクタ3への流入BODが高い
ときは、配管11からの希釈水の添加によりBOD濃度
を下げればよい。そのとき、メタン発生速度及び空間速
度を一定に保つには、バイオリアクタ3の容積を上げれ
ばよい。このようにして、原水配管5から導入される有
機性廃液のBODを低減させて排出流路15から排出す
ることができる。
【0014】バイオリアクタ1で発生した水素を精製す
れば例えば燃料電池などのエネルギー源として利用する
ことができる。水素を燃焼させても温室効果ガスである
二酸化炭素は発生しない。さらに、バイオリアクタ3で
発生したメタンを精製すればエネルギー源として利用す
ることができる。バイオリアクタ1の容積が20m
3(2×2×5m、20000L)、水素生成速度が3
0mmol/L/時間とすると、1日間の水素発生重量
は、 2(g/mol)×30/1000(mol/L/時間)×24(時間)×20000(L)
=28800(g)=28.8(kg) となる。
【0015】これを1日間の水素発生量に換算すると、 28.8×1000(g)×22.4/1000(m3/mol)÷2(g/mol)=323
(Nm3) となる。Nはノーマルの意味で、1気圧の状態を表して
いる。発生した水素をエネルギー変換効率が55%の燃
料電池に用いたとき、−ΔG=237.3kJ・mol
より、電気エネルギーは、 30/1000(mol/L/時間)×24(時間)×20000(L)÷237.3(kJ・
mol)×0.55=1897(MJ)=521(kW・h) となる。
【0016】ある会社の微細藻類及び光を用いた水素発
酵では、同じ条件で1日間に400L(0.4m3)の
水素を発生する。その水素を上記の燃料電池に用いたと
きの電気エネルギーは、 22(kW)×0.4(m3)÷323(m3)=0.64(kW・h) である。
【0017】図4の実施例において、循環配管7,13
はなくてもよい。また、バイオリアクタ3に導入するメ
タン原料有機物を希釈する必要のないときは、希釈水配
管11を設けなくてもよい。このように本発明によれ
ば、有機性廃液から水素を従来よりも効率よく得ること
ができる。
【0018】
【発明の効果】本発明のバイオガス発生装置では、水素
発酵部で水素生成菌を用いて有機性廃液を嫌気性発酵し
て水素とメタン原料有機物を生成し、メタン発酵部でメ
タン生成菌を用いて水素発酵部からのメタン原料有機物
を嫌気性発酵してメタンを生成するようにしたので、有
機性廃液のBODを低減させるとともに、バイオガスと
して水素及びメタンを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の廃水処理法としての活性汚泥法の構成
を示すブロック図である。
【図2】 従来の廃水処理法の他の方法としてのUAS
B法の構成を示すブロック図である。
【図3】 本発明の構成を示すブロック図である。
【図4】 一実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 バイオリアクタ(水素発酵部) 3 バイオリアクタ(メタン発酵部) 5 原水配管 7,13 循環配管 9,15 排出配管 11 希釈水配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4B029 AA02 BB02 CC01 DA04 DF05 DG06 DG08 4D040 AA32 AA61 DD03 DD11

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素生成菌を用いて有機性廃液を嫌気性
    発酵して水素とメタン原料有機物を生成する水素発酵部
    と、 メタン生成菌を用いて前記メタン原料有機物を嫌気性発
    酵してメタンを生成するメタン発酵部と、を備えたバイ
    オガス発生装置。
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