JP2012012421A - バイオガスの生成システム、及びバイオガスの生物脱硫方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオガスの脱硫コストの低減化と生成効率を高める。
【解決手段】有機廃棄物を発酵させてバイオガスを生成する発酵槽２と、発酵槽から送られてくるバイオガスに含まれる硫化水素を生物反応により脱硫する生物脱硫塔３と、を備える。発酵槽２の前段に発酵槽へ投入する前の有機廃棄物を貯留する有機廃棄物貯留槽１を設け、この有機廃棄物貯留槽で発生するアンモニアガスを生物脱硫塔３の循環液系統に供給して、循環液１１の酸化を中和する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機性廃棄物を発酵させてメタンガス等のバイオガスを生成するシステム、及びそのバイオガス中に含まれる硫化水素を生物反応にて酸化させて脱硫する生物脱硫方法に関する。

有機性廃棄物、例えば鶏糞など家畜の排泄物、生ごみ等を発酵槽で発酵させてメタンガス，水素ガス等のような有用ガスを生成するバイオガス生成システムは、例えば特許文献１に示すように広く知られている。

この種のバイオガス生成システムでは、発酵槽内に投入された有機性廃棄物を、例えばメタン発酵菌により且つ適度な温度管理の下で発酵させてバイオガス（メタンガス）を生成し、生成されたバイオガスを、硫黄酸化細菌を担持した生物脱硫塔に通すことでバイオガス中に含まれる硫化水素を除去し（いわゆる脱硫処理）、脱硫処理により精製されたバイオガスを取り出すようにしている。

生物脱硫塔には、担持された硫黄酸化細菌を活性化させるための循環液（例えば水）がシャワー形式で供給される。また、循環液は、硫化水素の脱硫（硫黄酸化）処理により生成された硫酸が含まれ、何らの対処が無い場合には、次第に酸性濃度が増していく。循環液は、硫黄酸化細菌を働かせるためには、中性付近にあることが好ましいため、従来、ＮａＯＨ，ＣａＯＨなどのアルカリ性の中和剤を投入して中性付近（好ましい範囲ｐＨ５．５〜８．５）に維持することが行われている。

特許文献１では、発酵槽から有機廃棄物の発酵液の一部を取り出し発酵液よりアンモニアを脱離するアンモニア脱離塔を設け、このアンモニア脱離塔で生成されたアンモニア含有空気（アンモニアガス）を循環液の中和剤として利用する技術が提案されている。

特開２００６−２８２８２６号公報

上記したようなアンモニア脱離塔を用いる場合には、発酵液の供給元となる発酵槽として、槽内温度が５５℃程度に設定される高温発酵槽を使用している。

メタン発酵槽として、５０℃を超える高温発酵槽を使用すると、発酵液の温度を高めて、アンモニア脱離塔でのアンモニアのガス化を促進できるが、高温発酵槽であるが故にアンモニアが槽内でのメタン発酵を阻害することも予想される（高温により、アンモニアによりメタン菌の死滅を増長させる）。したがって、有機廃棄物を希釈してメタン発酵槽に供給しなければならず、例えば、希釈によりアンモニア濃度を低くした（例えば2500ppm）有機廃棄物をメタン発酵槽に投入するなどの対処法が必要とされることが予想される。

本発明は、上記のようなアンモニア脱離塔といった特別な装置を必要とすることなく、有機廃棄物から発生するアンモニアを、生物脱硫塔への循環液の中和剤として利用でき、設備コストの低減化を図りつつ、バイオガス生成効率の高いバイオガス生成システム及びバイオガスの生物脱硫方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、基本的には、有機廃棄物を発酵させてバイオガスを生成する発酵槽と、発酵槽から送られてくるバイオガスに含まれる硫化水素を生物反応により脱硫する生物脱硫塔と、を備えたバイオガス生成システムにおいて、発酵槽の前段に発酵槽へ投入する前の有機廃棄物を貯留する有機廃棄物貯留槽を設け、この有機廃棄物貯留槽で発生するアンモニアガスを生物脱硫塔の循環液系統に供給して、循環液の酸化を中和するシステムを提案する。

本発明によれば、アンモニア脱離塔といった特別な装置を必要とすることなく、有機廃棄物から発生するアンモニアを、生物脱硫塔への循環液の中和剤として利用でき、しかも、発酵槽としては、高温発酵槽に限ることなく、中温発酵槽の使用も可能にし、さらに、有機廃棄物を希釈しなくても或いは希釈するとしても希釈程度を小さく抑えて、有機廃棄物をバイオガス発酵槽に供給できる。したがって、バイオガス生成システムのコスト低減とバイオガス生成効率を高めることができる。

本発明の一実施例に係るバイオガス生成システムの構成図。 上記実施例に用いるブロワと調節弁の一連の制御を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図１の実施例に基づき説明する。

図１において、発酵層２は、例えば有機廃棄物を、メタン発酵菌を用いて発酵させてメタンガス（バイオガス）を生成するメタン発酵槽であり、槽内温度が３５〜４０℃の間の任意の設定温度で管理されている中温発酵槽よりなる。槽内には、有機廃棄物が分解されて発酵液９として滞留する。

メタン発酵槽２の後段には、バイオガス搬送管１７を介して生物脱硫塔３が接続されている。生物脱硫塔３の内部には、硫黄酸化細菌を担持する充填材（菌床）１３が装備されている。また、生物脱硫塔３の内部には、担持された硫黄酸化細菌を活性化するための循環液（例えば水）１１を充填材１３に浴びせる循環液スプレー１２が配置されている。

循環液１１の系統は、循環液中和槽を兼ねる循環液タンク４と、循環液タンク４内の循環液１１を生物脱硫塔３に供給するための循環ポンプ５、循環送液配管１８及び循環液スプレー１２と、生物脱硫塔３内のシャワーに供された循環液を循環タンク４に戻す循環液戻し配管１９とからなる。

メタン発酵槽２で生成されたメタンガスは、バイオガス搬送管１７を介して、硫黄酸化細菌を担持した生物脱硫塔３の充填材１３に通されて脱硫処理される。脱硫処理により精製されたメタンガスは、ガス送出配管２２を介して外部に取り出され、例えば、ガスエンジンやボイラーの燃料として供される。

メタン発酵槽２の前段には、発酵槽２へ投入する前の有機廃棄物７を貯留する有機廃棄物貯留槽１が設けられている。

有機廃棄物貯留槽１は、例えば、２５〜３５℃程度に温度管理され、有機廃棄物をアンモニアガスと有機酸に分解する好気性菌が生息している。有機廃棄物貯留槽１に貯留されている有機廃棄物７は、搬送機構（例えば搬送配管など）２４を介してメタン発酵槽２に供給される。本実施例では、搬送機構２４に搬送制御機構２３が設けられており、搬送制御機構２３は、有機廃棄物貯留槽１内のアンモニア濃度を監視して、アンモニア濃度が任意の設定値以下（例えば3500ppm）になると搬送機構２４を介してメタン発酵槽２に有機廃棄物を投入する。アンモニア濃度の監視は、例えば吸光度測定計（例えばインドフェノール吸光光度法）により行われる。

さらに、本実施例では、有機廃棄物貯留槽１で発生するアンモニアガス８を、ガス搬送配管２１及びブロワ６を介して生物脱硫塔３の循環液系統、例えば循環液タンク（循環液中和槽））４に供給して、循環液１１の酸化を中和するよう構成している。

循環液１１には、メタンガスに含まれる硫化水素の脱硫（硫黄酸化）処理により生成された硫酸が含まれる。既述したように、何らの対処が無い場合には、循環液１１は、次第に酸性濃度が増していくが、硫黄酸化細菌を働かせるためには、中性付近（好ましい範囲ｐＨ５．５〜８．５）にあることが好ましいため、本実施例では、アンモニアガス８を循環液タンク４に供給する。このアンモニアガス供給は、タンク４に代わって循環液配管に供給してもよい。

ブロワ６を、手動或いは自動により必要に応じて駆動することにより、有機廃棄物貯留槽１に滞留するアンモニアガス８は、ガス搬送配管２１を介して循環液タンク４に供給される。本実施例では、循環液１１の濃度をｐＨ計１４で監視し、この監視データは、制御装置２０に送られる。

本実施例では、有機廃棄物貯留槽１で発生したアンモニアガス８を循環液中和剤として循環液タンク４に供給するが、そのほかに、既述したように、予備の中和剤タンク１５を備える。この予備の中和剤タンク１５は、調節弁１６を介して循環液タンク４と接続される。アンモニアガス搬送配管２１に設けたブロワ６及び予備中和剤タンク１５用の調節弁１６は、制御装置により制御される。

以下、その制御を図２のフローチャートにより説明する。

循環液１１の濃度をｐＨ計１４で監視し（図２のステップＳ１）、
（イ）酸性度が所定値以上に強まると（例えばｐＨ６以下）、制御装置２０がブロワ６を駆動して有機廃棄物貯留槽１内のアンモニアガス８を循環液タンク４に供給し(ステップＳ２，Ｓ３)、循環液１１を中和し、
（ロ）上記（イ）のアンモニアガスにより循環液１１の酸性度が所定値以上に弱まり中和されると（例えばｐＨ８以上）、制御装置２０がブロワ６の運転を停止させ（ステップＳ４，Ｓ６，Ｓ７）、
（ハ）また、ブロワ６を所定時間運転しても、万一、循環液１１の酸性度が思うように低下しない場合（例えばｐＨ６以下を所定時間以上、継続している場合）には、制御装置２０がブロワ６の運転を停止させ、予備の中和剤タンク１５から、中和剤（アルカリ性液体：例えばＮａＯＨ，ＣａＯＨ等）を、調節弁１６をオンにして循環液タンク４に供給する（ステップＳ４，Ｓ５）。これら一連のブロワ６及び調節弁１６のフロー制御は、制御装置２０により実行される。

本実施例によれば、
（１）生物脱硫塔３の循環液を中和するための中和剤として、メタン発酵槽（バイオガス発酵槽）２の前段に設けた有機廃棄物貯留槽１で発生したアンモニアガスを利用するので、従来のような特別なアンモニア脱離塔をメタン発酵槽の後段に設ける必要がない。それにより、バイオガス生成システムの設備コストの低減化を図ることができる。
（２）また、アンモニア脱離塔を不要とするが故にメタン発酵槽は、高温発酵槽に代えて中温発酵槽を用いることができる。高温になるほど、アンモニアによるメタン菌の死滅を増長させるが、中温発酵槽を使用する結果、メタン菌の死滅増長を防止できる。
（３）その結果、メタンガス生成率を高めることができる。また、有機廃棄物を希釈してメタン発酵槽に供給することなく、或いは希釈するとしても希釈程度を小さく抑えて、有機廃棄物をメタン発酵槽に供給することができる。例えば、本実施例では、中温発酵槽を使用するが故にアンモニア濃度が例えば３５００ppmを目安に、メタン発酵槽２に有機廃棄物を投入することができ、大量の水を必要とする有機廃棄物希釈処理をなくして、有機廃棄物の処理効率を高めることができる。ちなみに、従来のようなアンモニア脱離塔を前提とした高温発酵槽に有機廃棄物を投入する場合には、アンモニア濃度を２５００ppm以下にして投入することが予想される。

ちなみち、メタン発酵におけるアンモニアの安全濃度については、中温消化では4500〜5000ppm以下、高温消化では2500ppm以下とする成果が知られている（文献「メタン発酵」、2009年5月15日発行、野池達也編著、技報堂出版）。

本実施例では、10000ppmのアンモニア濃度の有機廃棄物をメタン発酵槽に供給することも可能である。
（４）メタン発酵槽として中温発酵槽を使用すれば、熱エネルギーの省エネ化を図ることができる。

なお、本発明では、中温発酵槽のみならず、高温発酵槽に適用することも可能である。

１…有機廃棄物貯留槽、２…バイオガス発酵槽（メタン発酵槽）、３…生物脱硫塔、４…循環液タンク（循環液中和槽））、６…ブロワ、８…アンモニアガス、１１…循環液、２０、２３…制御装置。

Claims (5)

1. 有機廃棄物を発酵させてバイオガスを生成する発酵槽と、前記発酵槽から送られてくるバイオガスに含まれる硫化水素を生物反応により脱硫する生物脱硫塔と、を備えたバイオガス生成システムにおいて、
   前記発酵槽の前段に発酵槽へ投入する前の有機廃棄物を貯留する有機廃棄物貯留槽が設けられ、この有機廃棄物貯留槽で発生するアンモニアガスを前記生物脱硫塔の循環液系統に供給して、循環液の酸化を中和するよう構成したことを特徴とするバイオガス生成システム。
2. 前記発酵槽が３５〜４０℃の中温発酵槽である請求項１記載のバイオガス生成システム。
3. 前記生物脱硫塔の前記循環液系統に中和剤を供給するための予備のアルカリ性液体を備えた予備中和剤タンクと、前記循環液の酸性度を監視して酸性度が所定値以下にならないときには、前記予備中和剤タンクから前記循環液系統に予備のアルカリ性液体を供給する制御装置とを備えた請求項１又は２記載のバイオガス生成システム。
4. 前記有機廃棄物貯留槽に貯留される有機廃棄物のアンモニア濃度を検出して、アンモニア濃度が所定値以下になったときに前記有機廃棄物を前記発酵槽に投入する制御装置を備えた請求項１ないし３のいずれか１項記載のバイオガス生成システム。
5. 有機廃棄物を発酵させてバイオガスを生成する発酵槽から送られてくるバイオガスに含まれる硫化水素を生物脱硫塔の生物反応により脱硫させるバイオガスの生物脱硫方法において、
   前記発酵槽の前段に発酵槽へ投入する前の有機廃棄物を貯留する有機廃棄物貯留槽が備えられ、この有機廃棄物貯留槽で発生するアンモニアガスを前記生物脱硫塔の循環液系統に供給して、脱硫用の循環液の酸化を中和することを特徴とするバイオガスの生物脱硫方法。

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