JP2006110540A - Efficient biogas recovery system using microorganism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオマスから、効率的にバイオガスを回収するシステムに関する。 The present invention relates to a system for efficiently recovering biogas from biomass.
生物由来の有機資源であるバイオマスには、有機性廃棄物、資源作物あるいはその廃棄物などが含まれる。これらのバイオマスの中でも、生ごみ、家畜糞尿、食品残渣・魚介残渣などの有機性廃棄物、または、資源作物あるいはその廃棄物は、一般に、下水汚泥などと比べると、水分が少ないため、比較的容易に乾燥され、焼却処分にされる場合が多い(特許文献1)。一方、資源の有効利用、環境の保全という観点から、バイオマスを単に焼却処理するだけではなく、有効利用するための検討が種々なされている。例えば、微生物を利用してバイオマスから、メタンガス、水素ガスなどのバイオガスをエネルギーとして回収する研究がなされている(特許文献2あるいは特許文献3参照)。これらのバイオガスのうち、水素は燃料電池などの用途に利用され、メタンはガスエンジン、発電などの用途に利用されている。しかし、バイオマスからバイオガスを回収して生じる発酵残渣は、一部がコンポスト化される他は、ほとんど、従来と同様、焼却処理されている。この発酵残渣、特に、下水汚泥、食品工業廃水、製紙工業廃水などの水を多量に含む有機性廃棄物に対して嫌気発酵を行い、バイオガスを回収した発酵残渣は、水分含量が非常に高く、焼却処分する前に、燃焼に耐え得る水分量まで乾燥する必要がある。この発酵残渣の乾燥に、回収したエネルギーであるバイオガスを利用したり、乾燥した発酵残渣の燃焼を補助する(助燃する)ために回収したバイオガスを利用すると、せっかく回収したバイオガスが本来の目的に使用されず、結果として、バイオガスの回収効率が低下する。
Biomass, which is a biological organic resource, includes organic waste, resource crops, or waste thereof. Among these biomass, organic waste such as food waste, livestock manure, food residues and seafood residues, or resource crops or their wastes are generally relatively low in water compared to sewage sludge. It is often dried easily and incinerated (Patent Document 1). On the other hand, from the viewpoint of effective use of resources and environmental preservation, various studies have been made for effective use of biomass, not just incineration. For example, studies have been made to recover biogas such as methane gas and hydrogen gas from biomass using microorganisms as energy (see
そこで、バイオマスから嫌気発酵によってバイオガスを回収し、回収したバイオガスを助燃に使用することなく発酵残渣を乾燥・焼却する、バイオガス回収システムが望まれている。特に、水分含量が高いバイオマスの場合には、その要望が高い。
本発明は、バイオマスから嫌気発酵によってバイオガスを回収し、嫌気発酵残渣の乾燥および/または焼却のための燃料として、あるいは発酵残渣燃焼のための補助燃料として、バイオガスまたは外部からの補助燃料を利用する必要がないシステムであって、全体としてバイオガスの回収率を高め、かつ補助燃料を使用しないシステムを提供することを目的とする。 The present invention recovers biogas from biomass by anaerobic fermentation and uses biogas or external auxiliary fuel as a fuel for drying and / or incineration of the anaerobic fermentation residue or as an auxiliary fuel for combustion of the fermentation residue. It is an object of the present invention to provide a system that does not need to be used, increases the biogas recovery rate as a whole, and does not use auxiliary fuel.
本発明は、バイオマスを嫌気発酵させる嫌気発酵槽;該嫌気発酵槽と連結し、生成するバイオガスを回収するバイオガス回収装置;該嫌気発酵の残渣を微生物によって減量・乾燥するバイオ乾燥装置;および、得られた乾燥残渣を焼却する焼却装置;を含むバイオガス回収システムを提供する。 The present invention relates to an anaerobic fermenter for anaerobically fermenting biomass; a biogas recovery device connected to the anaerobic fermenter to recover biogas produced; a biodrying device for reducing and drying the anaerobic fermentation residue by microorganisms; and And a biogas recovery system including an incinerator for incinerating the obtained dry residue.
本発明はまた、バイオマスをメタン発酵させるメタン発酵槽;該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置;該メタン発酵の残渣を微生物によって減量・乾燥するバイオ乾燥装置;および、得られた乾燥残渣を焼却する焼却装置;を含むバイオガス回収システムを提供する。 The present invention also provides a methane fermentation tank for methane fermentation of biomass; a methane fermentation gas recovery apparatus for recovering methane fermentation gas generated by being connected to the methane fermentation tank; and biodrying for reducing and drying the residue of the methane fermentation by microorganisms. There is provided a biogas recovery system including an apparatus; and an incinerator for incinerating the obtained dry residue.
好ましい実施態様においては、メタン発酵残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置をさらに含み、該脱水残渣をバイオ乾燥装置で乾燥させる。 In a preferred embodiment, it further comprises a solid-liquid separation device for solid-liquid separation of the methane fermentation residue and recovering the dehydrated residue, and the dehydrated residue is dried in a biodrying device.
さらに、本発明は、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽;該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置;該水素発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置;該脱水残渣を微生物によって減量・乾燥するバイオ乾燥装置;および、得られた乾燥残渣を焼却する焼却装置;を含むバイオガス回収システムを提供する。 Furthermore, the present invention provides a hydrogen fermentation tank for hydrogen fermentation of biomass; a hydrogen fermentation gas recovery apparatus for recovering the hydrogen fermentation gas generated by being connected to the hydrogen fermentation tank; A biogas recovery system comprising: a solid-liquid separation apparatus for recovering the wastewater; a biodrying apparatus for reducing and drying the dehydrated residue with microorganisms; and an incinerator for incinerating the obtained dry residue.
また、別の本発明は、バイオマスを水素発酵させる水素発酵槽;該水素発酵槽と連結し、生成する水素発酵ガスを回収する水素発酵ガス回収装置;該水素発酵の残渣を受け入れメタン発酵させるメタン発酵槽;該メタン発酵槽と連結し、生成するメタン発酵ガスを回収するメタン発酵ガス回収装置;該メタン発酵の残渣を固液分離し、脱水残渣を回収するための固液分離装置;該脱水残渣を微生物によって減量・乾燥するバイオ乾燥装置;および、得られた乾燥残渣を焼却する焼却装置;を含むバイオガス回収システムを提供する。 Another aspect of the present invention is a hydrogen fermenter for hydrogen fermentation of biomass; a hydrogen fermentation gas recovery device for recovering a hydrogen fermentation gas generated by being connected to the hydrogen fermenter; a methane for accepting a residue of the hydrogen fermentation and for methane fermentation A fermenter; a methane fermentation gas recovery device connected to the methane fermenter and recovering the generated methane fermentation gas; a solid-liquid separator for recovering the dehydrated residue by solid-liquid separation of the residue of the methane fermentation; There is provided a biogas recovery system including a biodrying device for reducing and drying the residue by microorganisms; and an incinerator for incinerating the obtained dry residue.
本発明のバイオガス回収システムは、バイオ乾燥装置を備えているので、嫌気発酵後の水分含量の高い嫌気発酵残渣を微生物によって減量し、かつ燃焼に適切な程度まで乾燥することができる。従って、嫌気発酵により回収したバイオガスを、嫌気発酵残渣の燃焼エネルギーとして、あるいは発酵残渣燃焼のための補助燃料として利用する必要がない。そのため、効率的にバイオガスが回収できる。さらに、嫌気発酵残渣の焼却または助燃のために利用していた外部燃料が不要となるため、ランニングコスト削減が可能となる。また、嫌気発酵を行うことにより発酵残渣中の有機物量が減少し、さらにバイオ乾燥装置における微生物の作用により有機物量が大きく減少するので、乾燥装置および焼却装置が小型化でき、さらに、燃焼により発生するCO2量が減少する。 Since the biogas recovery system of the present invention includes a biodrying apparatus, the anaerobic fermentation residue having a high water content after anaerobic fermentation can be reduced by microorganisms and dried to an appropriate level for combustion. Therefore, it is not necessary to use biogas recovered by anaerobic fermentation as combustion energy for anaerobic fermentation residues or as auxiliary fuel for fermentation residue combustion. Therefore, biogas can be recovered efficiently. Furthermore, since the external fuel used for incineration or auxiliary combustion of the anaerobic fermentation residue becomes unnecessary, the running cost can be reduced. In addition, anaerobic fermentation reduces the amount of organic matter in the fermentation residue, and further reduces the amount of organic matter due to the action of microorganisms in the biodrying device. The amount of CO 2 to be reduced is reduced.
本発明のバイオガス回収システムを、添付の図面を参照しつつ、説明する。なお、本明細書で、バイオマスとは、生物由来の有機資源を意味する。好ましくは、有機性廃棄物、資源作物あるいはその廃棄物などの有機性物質が用いられる。有機性廃棄物としては、例えば、食品工業、製紙工業、畜産業などにおける有機性廃水、有機廃棄物、あるいは糞尿、または都市下水の汚泥などが例示されるが、有機物を含む廃棄物であれば、これらに制限されない。資源作物としては、例えば、とうもろこし、さとうきびなどが挙げられ、さらにこれらの処理工程で発生する廃棄物なども、本発明に使用される。 The biogas recovery system of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the present specification, the biomass means an organic resource derived from a living organism. Preferably, organic substances such as organic waste, resource crops or waste thereof are used. Examples of organic waste include organic waste water, organic waste, manure, sludge, etc. in the food industry, paper industry, livestock industry, etc. Not limited to these. Examples of resource crops include corn and sugar cane, and waste generated in these treatment steps is also used in the present invention.
(システム1)
図1は、本発明のバイオガス回収システムの一実施態様(システム1)を示す系統図である。本発明のバイオガス回収システムは、嫌気性発酵(水素発酵、メタン発酵、ブタン発酵など)に広く利用される。図1(A)は、比較的水分が少ないバイオマス(例えば、生ゴミ、家畜糞尿、屎尿、食品残渣、魚介残渣、資源作物など)に適したシステムである。図1(A)は、バイオマス1を嫌気発酵させる嫌気発酵槽20、嫌気発酵槽20で生成するバイオガス21を回収するバイオガス回収装置22、バイオガス発酵後の嫌気発酵残渣23を、微生物を用いて減量・乾燥させるバイオ乾燥装置11、および、得られた乾燥残渣12を焼却する焼却装置13を含むように構成されている。
(System 1)
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment (system 1) of the biogas recovery system of the present invention. The biogas recovery system of the present invention is widely used for anaerobic fermentation (hydrogen fermentation, methane fermentation, butane fermentation, etc.). FIG. 1A shows a system suitable for biomass with relatively little water (for example, raw garbage, livestock manure, manure, food residue, seafood residue, and resource crops). FIG. 1A shows an
図1(B)のシステムは、水分が多いバイオマス(例えば、下水汚泥、食品工業廃水、製紙工業廃水など)に適したシステムである。図1(B)は、図1(A)のシステムにおいて、嫌気発酵槽20と乾燥装置11との間に固液分離装置8を備えている場合である。水分量が高い嫌気発酵残渣23は、固液分離装置8で脱水残渣9と分離水10に分離される。脱水残渣9はバイオ乾燥装置11に移送され、バイオ乾燥された乾燥残渣12が焼却装置13で焼却される。
The system shown in FIG. 1B is a system suitable for biomass having a high water content (for example, sewage sludge, food industry wastewater, paper industry wastewater, etc.). FIG. 1B shows a case where the solid-
なお、図1(A)および(B)には示していないが、バイオマス1を前処理する前処理槽30を設け、前処理後バイオマス31を嫌気発酵槽20に導入するように構成してもよい。前処理については、後述する。
Although not shown in FIGS. 1 (A) and (B), a
図1(A)および(B)で示されるシステム1においては、バイオマス1は、必要に応じて前処理されて、嫌気発酵槽20に送られる。嫌気発酵槽20では嫌気発酵(例えば、メタン発酵、水素発酵、ブタン発酵など)が行われ、バイオガス21が発生し、バイオガス回収装置22に回収される。メタン発酵の場合、バイオガス22は、メタンと二酸化炭素を主成分とするメタン発酵ガスである。水素発酵の場合、バイオガス22は、水素と二酸化炭素を主成分とする水素発酵ガスである。
In the system 1 shown in FIGS. 1 (A) and (B), the biomass 1 is pretreated as necessary and sent to the
嫌気発酵の残渣23は、図1(A)の場合には、乾燥装置11に移送され、バイオ乾燥される。図1(B)の場合には、固液分離装置8で脱水残渣9と分離水10に分離される。脱水残渣9はバイオ乾燥装置11に移送されて、バイオ乾燥される。
In the case of FIG. 1A, the
固液分離装置8としては、通常、汚泥などの分離に用いる脱水機で、十分な固液分離能を有するものであれば、特に制限はなく用いられる。このような固液分離機としては、例えば、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ロータリープレス脱水機などが挙げられる。この固液分離装置8により嫌気発酵残渣23が固液分離され、脱水残渣(固形分)9と分離水10とに分離される。一般に、固液分離装置8による脱水残渣(固形分)9中の水分含量は、85質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であることがより好ましい。
The solid-
分離水10は、一部を処理システムに還流するように構成してもよく、廃棄するように構成してもよい。
A part of the separated
図1(A)における嫌気発酵残渣23、図1(B)における脱水残渣9は、バイオ乾燥装置11でバイオ乾燥される。以下、嫌気発酵残渣23および脱水残渣9をまとめて、発酵残渣という。この発酵残渣のバイオ乾燥装置11によるバイオ乾燥、すなわち、微生物による発酵、好ましくは好気的発酵によって、発酵残渣量を減少させる点に、本発明の特徴がある。また、バイオ乾燥時の発酵による発酵熱を、バイオ乾燥に利用することができるという利点もある。
The
バイオ乾燥装置11は、発酵残渣を好気的に発酵させるための種々の手段を備えている。例えば、バイオ乾燥装置11は、空気を送り込む通気手段と発酵残渣を撹拌する撹拌手段を備えている。このバイオ乾燥装置11に投入された発酵残渣と、この発酵残渣を発酵することができる微生物(発酵微生物)とを混合し、通気撹拌することにより、好気的発酵が行われ、発酵残渣を消費して発酵を行い、発熱する。発酵熱は、さらなる発酵残渣の乾燥に使用される。すなわち、発酵中に発酵残渣中の有機物が消費され、そして水分が蒸発して、発酵残渣が乾燥される。なお、発酵微生物は、バイオマス1に付着したものをそのまま利用してもよいが、いったん発酵残渣を好気的に発酵させたもの(すなわち、乾燥残渣12)を種菌として使用する方が、発酵効率すなわち乾燥効率がよい。余剰の発酵熱は、発酵残渣の予備加熱、予備乾燥などに用いられる。特に、図1(B)に示すような下水汚泥などの嫌気発酵で生じる脱水残渣9の水分含量は、一般に75〜85%となる。従って、余剰の発酵熱を発酵残渣の予備乾燥に用いてもよい。このようなバイオ乾燥装置11により、発酵残渣の水分濃度は、30〜40%程度とされ、乾燥残渣12が得られる。同時に、このバイオ乾燥中に、微生物の増殖などの代謝に有機物が利用されることにより、発酵残渣中の有機物が消費され、乾燥残渣12の量が大きく減少する。なお、嫌気発酵中に悪臭が発生する場合は、悪臭防止のために脱臭装置を設けてもよい。
The
バイオ乾燥装置11としては、回転ドラム式通気乾燥装置などが用いられる。この装置は、連続的に発酵残渣を乾燥することができ、得られる乾燥残渣12は、乾燥後、そのまま焼却装置13に導入されて、焼却される。
As the
焼却装置13に特に制限はなく、例えば、循環流動型燃焼装置などが用いられる。炉内での熱、空気、燃料の混合攪拌が効率よく行われ、しかも、1000℃以下の均一な温度で焼却できる装置が、低NOx、低硫黄、ダイオキシンの低減といったクリーンな排ガス特性が得られる点から、好ましく用いられる。
There is no restriction | limiting in particular in the
このように構成されたシステム1は、嫌気発酵によりバイオマスからエネルギーが回収され、バイオ乾燥装置11におけるバイオ乾燥により、従来、発酵残渣の乾燥、あるいは焼却のための助燃に使用されていたエネルギーが、本来の用途である燃料電池、ガスエンジンなどに利用される。そのため、エネルギー回収率が向上する。嫌気発酵により有機物量が減少し、嫌気発酵残渣が改質され、脱水残渣9の含水率が低下する。このように、嫌気発酵により有機物含有量が減少し、その上、バイオ乾燥中に有機物量が大きく減少することから、バイオ乾燥装置11および焼却装置13を小型化することができる。
In the system 1 configured in this manner, energy is recovered from biomass by anaerobic fermentation, and energy that has been conventionally used for drying of fermentation residues or auxiliary combustion for incineration by biodrying in the
(システム2)
図2は、本発明のバイオガス回収システムの一実施態様(システム2)を示す系統図であり、嫌気発酵がメタン発酵である場合の図である。
(System 2)
FIG. 2 is a system diagram showing an embodiment (system 2) of the biogas recovery system of the present invention, and is a diagram when anaerobic fermentation is methane fermentation.
このシステム2において、図2(A)は、バイオマス1をメタン発酵するメタン発酵槽5(嫌気発酵槽)、メタン発酵ガス6(バイオガス)を回収するメタンガス回収装置16、メタン発酵残渣7(嫌気性発酵残渣)をバイオ乾燥するバイオ乾燥装置11、得られる乾燥残渣12を焼却する焼却装置13を備えている。図2(A)のシステムは、比較的水分が少ないバイオマス(例えば、生ゴミ、家畜糞尿、屎尿、食品残渣、魚介残渣、資源作物など)からのメタン発酵に適したシステムである。
In this
図2(B)のシステムは、水分が多いバイオマス(例えば、下水汚泥、食品工業廃水、製紙工業廃水など)に適したシステムである。そのため、図2(A)において、メタン発酵残渣7を固液分離するための固液分離装置8を備えている。
The system of FIG. 2 (B) is a system suitable for biomass with high water content (for example, sewage sludge, food industry wastewater, paper industry wastewater, etc.). Therefore, in FIG. 2 (A), the solid-
なお、図2のシステム2も、システム1と同様、バイオマス1の前処理を行うシステムを備えていてもよい。
In addition, the
このシステム2では、バイオマス1は、必要に応じて前処理されて、メタン発酵槽5へ移送され、嫌気的にメタン発酵される。メタン発酵細菌は、活性汚泥や消化汚泥を嫌気条件下で馴養することにより、集積される。メタン発酵は、一般的に25〜65℃、好ましくは30〜40℃、高温菌の場合は50〜60℃で行われる。メタン発酵は、一般的にpH5〜10、好ましくは7〜9のアルカリ側で行われる。メタンガスの発生量(有機物の分解率)は、一般に、高温発酵の方が中温発酵よりも高い。
In this
メタン発酵で生じたメタン発酵ガス6は、通常、メタンガスと二酸化炭素との混合ガスである。このメタン発酵ガス6は、そのまま、あるいは二酸化炭素除去を行った後、メタン発酵ガス回収装置16に貯留してもよい。
The
生成したメタン発酵ガス6は、メタン発酵ガス回収装置22に回収された後、適宜精製(炭酸ガスなどの除去)され、メタンガスとしてガス発電に供され得る。あるいは、メタンガスは、さらに水素へ改質され、水素として別途使用され得る。
The produced | generated
メタン発酵残渣7は、システム1と同様、そのまま乾燥装置11に導入されるか(図2(A)参照)、あるいはいったん固液分離装置8で固形分(脱水残渣9)として回収されて(図2(B)参照)、バイオ乾燥装置11に導入され、微生物による好気的発酵処理(バイオ乾燥)を行って、減量され、乾燥残渣12とされた後、焼却装置13で焼却される。このバイオ乾燥以降のシステムについては、上記システム1での説明が適用される。
The methane fermentation residue 7 is introduced into the drying
このように構成されたシステム2は、メタン発酵によりバイオマスからメタンをエネルギーとして回収する。このシステムでは発酵残渣7(図2(A)または脱水残渣9(図2(B))の乾燥あるいは焼却のための助燃にメタンが使用されないため、メタンが本来の用途であるガスエンジンなどに利用される。そのため、エネルギー回収率が向上する。さらに、メタン発酵により有機物含有量が減少し、そして、バイオ乾燥中に有機物量が微生物の代謝により大きく減少するため、バイオ乾燥装置11および焼却装置13も小型化できる。
The
(システム3)
図3は、本発明のバイオガス回収システムの一実施態様(システム3)を示す系統図であり、嫌気発酵が水素発酵である場合の図である。このシステム3は、バイオマス1を前処理する前処理槽30、前処理後バイオマス31を水素発酵する水素発酵槽2(嫌気発酵槽)、水素発酵ガス3(バイオガス)を回収する水素ガス回収装置15、水素発酵残渣4を固液分離する固液分離装置8、得られる脱水残渣(固形分)9、脱水残渣9をバイオ乾燥するバイオ乾燥装置11、得られる乾燥残渣12を焼却する焼却装置13を備えている。
(System 3)
FIG. 3 is a system diagram showing one embodiment (system 3) of the biogas recovery system of the present invention, and is a diagram when anaerobic fermentation is hydrogen fermentation. This
バイオマス1の前処理方法に特に制限はなく、例えば、加熱処理、超音波処理、破砕処理、酸処理、アルカリ処理などの物理化学的処理が挙げられる。これらの処理は、単独で、あるいは組み合わせて行われる。これらの前処理によって、バイオマス1を発酵されやすい形態に変化させる。 There is no restriction | limiting in particular in the pre-processing method of biomass 1, For example, physicochemical processes, such as heat processing, an ultrasonic treatment, a crushing process, an acid process, an alkali process, are mentioned. These processes are performed alone or in combination. By these pretreatments, the biomass 1 is changed to a form that is easily fermented.
バイオマス1が、有機汚泥などの難分解性物質を含む場合には、これらの難分解性物質を可溶化するために、アルカリ処理をすることが好ましい。アルカリ前処理を行うことにより、前処理後バイオマス31が水素発酵微生物によって利用され易くなり、水素発生効率が向上する。さらに、水素発酵工程中にpHが低下することから、アルカリ性の前処理後バイオマス31を水素発酵槽2に投入することが好ましい。すなわち、アルカリ処理した前処理後バイオマス31が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤の代わりに、水素発酵槽2に投入される。
When the biomass 1 contains a hardly decomposable substance such as organic sludge, it is preferable to perform an alkali treatment in order to solubilize these hardly decomposable substances. By performing the alkali pretreatment, the pretreated
アルカリ処理に特に制限はなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ剤を用いて、バイオマス1のpHは10以上、好ましくはpH10〜12に調整される。アルカリ処理は、通常0.5〜24時間、好ましくは2〜12時間攪拌することにより行われる。連続的にアルカリ前処理を行う場合、滞留時間が0.5〜24時間、好ましくは2〜12時間となるように処理を行う。このような処理により、バイオマス1中に含まれる水素消費型細菌、あるいは水素発酵に悪影響を与える微生物(例えば、乳酸菌、メタン生成菌など)の活動を低下させ、あるいはこれらの微生物を死滅させることができる。 There is no restriction | limiting in particular in alkali treatment, For example, the pH of biomass 1 is adjusted to 10 or more, Preferably pH 10-12 using alkaline agents, such as sodium hydroxide and potassium hydroxide. The alkali treatment is usually performed by stirring for 0.5 to 24 hours, preferably 2 to 12 hours. When the alkali pretreatment is continuously performed, the treatment is performed so that the residence time is 0.5 to 24 hours, preferably 2 to 12 hours. By such treatment, the activity of hydrogen-consuming bacteria contained in the biomass 1 or microorganisms (for example, lactic acid bacteria, methanogens, etc.) that adversely affect hydrogen fermentation can be reduced, or these microorganisms can be killed. it can.
アルカリ前処理は、加熱下で行ってもよい。加熱温度に特に制限はないが、30℃〜90℃で、あるいは35〜80℃で行われる。さらに、アルカリ処理の効率を高めるために超音波処理、破砕処理などを組合せてもよい。超音波処理の条件に特に制限はなく、処理温度、処理量を考慮して、周波数、処理時間を適宜決定すればよい。 The alkali pretreatment may be performed under heating. Although there is no restriction | limiting in particular in heating temperature, It carries out at 30 to 90 degreeC or 35 to 80 degreeC. Furthermore, ultrasonic treatment, crushing treatment, and the like may be combined to increase the efficiency of alkali treatment. There are no particular limitations on the conditions of the ultrasonic treatment, and the frequency and the treatment time may be appropriately determined in consideration of the treatment temperature and the treatment amount.
バイオマス1が酸処理に適したものである場合は、酸処理を行った後、そのまま前処理後バイオマス31として用いてもよい。しかし、次の水素発酵工程においてアルカリ性に調整しておくことが有利である場合は、酸処理後のバイオマスをさらにアルカリ側にpH調整し、アルカリ性の前処理後バイオマス31としてもよい。この場合も、pHは、好ましくは10以上、より好ましくはpH10〜12に調整され得る。
When the biomass 1 is suitable for acid treatment, it may be used as the
なお、上記前処理の説明は、システム2のメタン発酵においても適用されることは言うまでもない。
In addition, it cannot be overemphasized that the description of the said pre-processing is applied also in the methane fermentation of the
上記バイオマス1あるいは前処理後バイオマス31は、水素発酵槽2に導入され、水素発酵が行われる。水素発酵槽2内は、嫌気性雰囲気に保たれている。この水素発酵槽2内で、バイオマス1を水素発酵させることにより、水素および二酸化炭素を主成分とする水素発酵ガス3が生成する。
The biomass 1 or the pretreated
水素発酵に使用される微生物は、嫌気性非光合成微生物群あるいは純粋菌であり、水素生成能を有する微生物群または純粋菌であれば、どのような由来のものでもよい。好適には、水素生成能を有する微生物群が用いられ、例えば、下水汚泥や生ごみのメタン発酵後の汚泥、あるいはその培養物が用いられる。水素発酵は、一般的には20〜60℃、好ましくは30〜37℃で行われる。 The microorganism used for the hydrogen fermentation is an anaerobic non-photosynthetic microorganism group or a pure bacterium, and may be of any origin as long as it is a microorganism group or a pure bacterium having hydrogen-producing ability. Preferably, a microorganism group having hydrogen-producing ability is used, for example, sewage sludge, sludge after methane fermentation of garbage, or a culture thereof. Hydrogen fermentation is generally performed at 20 to 60 ° C, preferably 30 to 37 ° C.
水素発酵は、酸性条件下あるいはアルカリ条件下で行われる。酸性条件下で行われる場合、pHは、好ましくは4〜7.5であり、より好ましくはpH5.5〜7である。水素発酵中に有機酸が生成して水素発酵液のpHが低下するので、アルカリ前処理した前処理後バイオマス14をpH調整のために水素発酵槽2に添加しても良い。アルカリ条件下で行われる場合、pHは10〜12で行うことが好ましい。
Hydrogen fermentation is performed under acidic conditions or alkaline conditions. When carried out under acidic conditions, the pH is preferably 4 to 7.5, and more preferably pH 5.5 to 7. Since an organic acid is generated during hydrogen fermentation and the pH of the hydrogen fermentation liquor is lowered, the pretreated biomass 14 subjected to alkali pretreatment may be added to the
生成した水素発酵ガス3は、水素発酵ガス回収装置15に回収された後、適宜精製(炭酸ガスなどの除去)され、燃料電池用燃料として使用されたり、あるいは水素ガスステーションへ供給され得る。
The produced
水素発酵残渣4は、固液分離装置8で固形分(脱水残渣9)として回収され、バイオ乾燥装置11に導入され、微生物による好気的発酵処理を行って、減量され、乾燥残渣12とされた後、焼却装置13で焼却される。このバイオ乾燥以降のシステムについては、上記システム1での説明が適用される。
The
このように構成されたシステム3は、水素発酵によりバイオマスから水素をエネルギーとして回収する。さらに、水素発酵により有機物含有量が減少し、そして、バイオ乾燥中に有機物量が微生物の代謝により大きく減少するため、バイオ乾燥装置11および焼却装置13も小型化できる。
The
(システム4)
図4は、本発明のバイオガス回収システムのなかで、最も好ましい態様(システム4)を示す系統図である。このシステム4は、バイオマス1を前処理する前処理槽30、水素発酵槽2およびメタン発酵槽5を備えている。水素発酵槽2には、発生した水素発酵ガス3を回収する水素発酵ガス回収装置15が連結されている。また、メタン発酵槽5には、発生したメタン発酵ガス6を回収するメタン発酵ガス回収装置16が連結されている。さらに、メタン発酵残渣7を固液分離するための固液分離装置8、得られる脱水残渣(固形分)9をバイオ乾燥するバイオ乾燥装置11、得られる乾燥残渣12を焼却する焼却装置13を備えている。
(System 4)
FIG. 4 is a system diagram showing the most preferable mode (system 4) in the biogas recovery system of the present invention. The
システム4は、バイオマス1を必要に応じて前処理し、水素発酵槽2に導入して嫌気発酵を行い、発生する水素発酵ガス3を水素発酵ガス回収装置15に回収するように構成している。水素発酵残渣4は、水素発酵槽2で生成した有機酸、分解されなかった有機物などを含んでおり、これをメタン発酵槽5へ移送する。メタン発酵により生じるメタンおよび二酸化炭素を主成分とするメタン発酵ガス6はメタン発酵ガス回収装置16に回収される。水素発酵、メタン発酵については、上記システム2および3の説明が適用される。
The
メタン発酵残渣7は固液分離装置8を用いて固液分離され、脱水残渣9は、前記システム1〜3と同様、バイオ乾燥装置11(例えば回転ドラム式通気乾燥装置)に導入され、微生物による好気的発酵処理を行って、減量され、乾燥される。得られた乾燥残渣12は、焼却装置13に導入されて、焼却される。
The methane fermentation residue 7 is solid-liquid separated using a solid-
従って、水素発酵ガス回収装置15およびメタン発酵ガス回収装置16に回収された水素およびメタンを脱水残渣9の乾燥あるいは焼却のための助燃に使用する必要がない。水素およびメタンは適宜精製(炭酸ガスなどの除去)され、燃料電池、ガスエンジンなどに使用される。
Therefore, it is not necessary to use the hydrogen and methane recovered by the hydrogen fermentation
システム4においては、水素発酵およびメタン発酵を行うことにより、バイオマスからのエネルギー回収量が増加する。さらに、メタン発酵残渣7は、それぞれ単独の発酵を行った場合に比べて、有機物含量が減少するうえ、固液分離されやすくなっている。そのため、脱水残渣9の固形分量および含水率が減少する。さらに、水素発酵およびメタン発酵により有機物含有量が減少し、また、バイオ乾燥中に有機物量が微生物の代謝により大きく減少する。従って、乾燥装置11および焼却装置12が小型化でき、焼却に必要な外部燃料の使用量も減少または不要となり、ランニングコスト削減が可能となる。
In the
以下に実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
下水汚泥を水素発酵およびメタン発酵に供した。汚泥を80℃まで加熱して前処理をした後、水素発酵を温度35℃、水理学的滞留時間(HRT)1日で行い、水素発酵残渣をメタン発酵に供した。メタン発酵は高温(温度55℃)、水理学的滞留時間(HRT)10日で行った。メタン発酵残渣をスクリュープレスで脱水し、脱水残渣の固形分量および水分量を測定した。脱水残渣を回転ドラム式通気乾燥装置(乾燥装置11)に投入して、バイオ乾燥を行った。比較として、外部燃料を用いて乾燥した。これらの方法で脱水残渣を100t/日処理した場合の乾燥残渣について、比較検討した。結果を表1に示す。 Sewage sludge was subjected to hydrogen fermentation and methane fermentation. After the sludge was heated to 80 ° C. and pretreated, hydrogen fermentation was performed at a temperature of 35 ° C. and a hydraulic residence time (HRT) of 1 day, and the hydrogen fermentation residue was subjected to methane fermentation. Methane fermentation was carried out at a high temperature (temperature of 55 ° C.) and a hydraulic residence time (HRT) of 10 days. The methane fermentation residue was dehydrated with a screw press, and the solid content and moisture content of the dehydrated residue were measured. The dehydrated residue was put into a rotary drum type aeration drying apparatus (drying apparatus 11) and bio-dried. For comparison, drying was performed using external fuel. A comparative study was conducted on the dry residue when the dehydrated residue was treated at 100 t / day by these methods. The results are shown in Table 1.
表1の結果が示すように、バイオ乾燥および燃料乾燥(外部燃料を利用した乾燥)において、同じ水分含量(40%)となるように乾燥した場合、本発明に用いるバイオ乾燥装置を用いた場合、乾燥残渣の重量は28tであったが、燃料乾燥を行った場合は、42tであった。これは、可燃分の1/3がバイオ乾燥中に減少したことを示す。そして、水分の蒸発量もバイオ乾燥の方が大きかった。バイオ乾燥における水の蒸発量をエネルギーに換算すると約820万kJであるが、このエネルギーは微生物によりもたらされるので、外部エネルギー消費量はゼロである。他方、燃料を利用して乾燥した場合、水分の蒸発に用いたエネルギーは約750万kJであった。これをメタンに換算すると209m3Nであった。従って、本発明のバイオガス回収システムでは、助燃あるいは自燃できるまで乾燥するために必要な209m3Nのメタンの消費をすることなく、エネルギーとして回収できた。 As shown in the results of Table 1, when biodrying and fuel drying (drying using external fuel) are performed so as to have the same water content (40%), when the biodrying apparatus used in the present invention is used The weight of the dry residue was 28 t, but it was 42 t when the fuel was dried. This indicates that 1/3 of the combustible content was reduced during biodrying. And the amount of water evaporation was also larger in bio-drying. When the amount of water evaporation in bio-drying is converted into energy, it is about 8.2 million kJ, but since this energy is produced by microorganisms, the external energy consumption is zero. On the other hand, when dried using fuel, the energy used to evaporate the water was about 7.5 million kJ. When this was converted into methane, it was 209 m 3 N. Therefore, the biogas recovery system of the present invention was able to recover energy without consuming 209 m 3 N methane necessary for drying until auxiliary combustion or self-combustion.
このように、本発明のバイオガス回収システムは優れたバイオマスの処理システムであり、エネルギーの回収と有機物の焼却量の減少による二酸化炭素の発生が抑制される、環境にやさしいシステムである。 Thus, the biogas recovery system of the present invention is an excellent biomass processing system, and is an environment-friendly system in which the generation of carbon dioxide due to the recovery of energy and the reduction of the incineration amount of organic matter is suppressed.
本発明のバイオガス回収システムは、バイオガス回収後の発酵残渣をバイオ乾燥することにより、有機物量を大きく減少させるとともに発酵残渣を乾燥できるので、従来、発酵残渣の乾燥あるいは焼却のための助燃に使用していたバイオガスを使用しなくて済み、外部エネルギーも大きく低減されるか不要となる。すなわち、エネルギーの消費を抑制しながら、バイオガスの回収を効率よく行うバイオマスからのエネルギー回収システムであり、バイオマス処理システムでもある。そのため、バイオマスからのエネルギー回収システムおよび処理システムとして、汎用できる。 In the biogas recovery system of the present invention, since the fermentation residue after biogas recovery can be bio-dried, the amount of organic matter can be greatly reduced and the fermentation residue can be dried. It is not necessary to use the biogas that has been used, and external energy is greatly reduced or unnecessary. That is, it is an energy recovery system from biomass that efficiently recovers biogas while suppressing energy consumption, and is also a biomass processing system. Therefore, it can be widely used as an energy recovery system and processing system from biomass.
1 バイオマス
2 水素発酵槽
3 水素発酵ガス
4 水素発酵残渣
5 メタン発酵槽
6 メタンガス
7 メタン発酵残渣
8 固液分離装置
9 脱水残渣
10 分離水
11 バイオ乾燥装置
12 乾燥残渣
13 焼却装置
15 水素ガス回収装置
16 メタンガス回収装置
20 嫌気発酵槽
21 バイオガス
22 バイオガス回収装置
23 嫌気発酵残渣
30 前処理槽
31 前処理後バイオマス
1
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