JP2013529123A - 嫌気性反応器 - Google Patents

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Abstract

上下に配置された2以上の個別反応チャンバーを備える嫌気性反応器を開示する。該反応器は、固体部材によって個別チャンバーに分割されるタンクの形でもあり得るし、該反応器は、別々のかつ積み重ね可能なチャンバーの形でもあり得る。さらに、該反応器は、充填床反応器、又は流動床反応器、又は少なくとも1つの充填床反応チャンバーと少なくとも1つの流動床反応チャンバーとを備える複合型反応器であり得る。本発明による嫌気性反応器の使用によって、嫌気性反応器によって占められる土地の単位面積あたりの、生成することができるバイオガスの収量の増大が可能になる。バイオガスを生成する方法であって、本発明による嫌気性反応器を提供すること、投入バイオマスを提供すること、該反応器中で該バイオマスの嫌気性消化を実施すること、及び、生成されたバイオガスを収集することを含む、前記方法も開示する。
【選択図】なし

Description

本発明は、バイオガスの嫌気的生成のための反応器、詳細には、2種以上の充填された又は流動化された床又は層を含む嫌気性反応器に関する。
嫌気性消化は、微生物が酸素の非存在下で生分解性材料を分解する一連のプロセスである。嫌気性消化の3つの主な生成物:バイオガス、消化残渣、及び水が存在する。嫌気性消化又は生分解性材料の発酵によって生成されたバイオガスは、主としてメタン及び二酸化炭素で構成される。バイオガス中のメタンを燃焼させて、熱及び電気を生じることができる。消化残渣は、微生物が使用することができない、消化装置に対する最初の投入材料の固形状残遺物を含有する。消化残渣はまた、消化装置内からの、死んだ細菌の鉱化された残留物も含む。嫌気性消化システムによって生じた水は、投入バイオマスの水分、並びに消化プロセス中に生じた水由来である。
紙くず、刈り取った草、残飯、汚水、動物の排泄物、及び液体廃棄物などの生分解性廃棄物材料を含めた、ほとんどすべての有機材料は、嫌気性消化で処理することができる。嫌気性消化装置には、バイオガス生成専用のためのサイレージなどの、特別に栽培したエネルギー作物を供給することもできる。嫌気性消化は、特に、湿った有機材料に適しており、通常、排水及び汚水処理のために使用される。嫌気性消化は、投入材料の体積及び質量を低下させることになるので、廃水汚泥及び有機性廃棄物を処理するために広く使用される(そうでなければ埋め立てられる又は焼却炉で燃焼させられることになるかもしれない有機物の量を大いに低下することができるプロセスである)。さらに、嫌気性消化は、そのプロセスによって、エネルギー生成に適した、メタン及び二酸化炭素が豊富なバイオガスが生じるので、再生可能エネルギーの生成に使用される。嫌気性消化設備内で生じるメタン及び電力を利用して、化石燃料から得られるエネルギーを置き換えることができるので、結果として、温室効果ガスの放出を低下させることができる。これは、生分解性材料中の炭素は炭素循環の一部である、という事実によるものである。バイオガスの燃焼から大気中に放出された炭素は、最近において、植物が生長するために、植物により大気から取り除かれてきた。このことは、過去10年の間にも行われてきたことであるが、もっと一般的に言えば、最後の成長期に生じてきたことである。植物が再び成長した場合、炭素は再び大気から取り込まれるので、このシステムは、カーボンニュートラルとなるであろう。これは、何百万年もの間、地中に隔離されてきた化石燃料中の炭素(化石燃料中の炭素の燃焼は、大気中の二酸化炭素の全体水準を増大させる)とは対照的である。嫌気性消化後に残る栄養豊富な固形物(消化残渣)は、肥料として価値がある。
嫌気性消化のプロセスには、いくつかの異なる細菌が関与している。これらには、加水分解細菌、有機酸形成細菌(酸生成菌(acidogen));酢酸形成細菌(酢酸生成菌(acetogen));及びメタン形成古細菌(メタン生成菌)が含まれる。これらの生物は、最初の供給材料を餌にしており、最初の供給材料は、いくつかの異なるプロセスを受けて、糖、水素、及び酢酸を含めた中間体分子に転換され、最終的には、バイオガスに転換される(図1)。
一般に、投入材料又はバイオマスは、大きな有機高分子で構成される。多くの細菌は、これらの大きな有機高分子を利用することができないので、材料の潜在的エネルギーは、大部分は取り出すのが難しい。嫌気性消化プロセスは、これらの大きな有機分子、すなわちタンパク質、脂質、及び炭水化物などの、細菌による加水分解から始まり、これらの大きな有機分子は、アミノ酸、グリセロール、長鎖脂肪酸、及び糖などの、より小さな分子に分解される。したがって、細菌による加水分解によって、投入材料は、他の細菌に利用できるようになる。次いで、酸生成細菌が、加水分解の生成物(糖、アミノ酸など)を、揮発性脂肪酸などの有機酸に転換する。この段階で、水素及び二酸化炭素も形成される。続いて、酢酸生成細菌が、得られた有機酸を、酢酸と、さらなるアンモニア、水素、及び二酸化炭素に転換する。最後に、酢酸分解性メタン生成菌が、酢酸をメタン及び二酸化炭素に転換する。同時に、別のクラスのメタン生成菌(水素を利用するメタン生成菌)が、二酸化炭素と水素を、メタンと水に再結合させる(図1参照)。
上に示した通り、嫌気性バイオマスを構成する4つのクラスの細菌が存在する。嫌気性消化プロセスを実施するために、反応器内に、4種類の細菌を含む嫌気性バイオマスを保持する必要がある。反応器内に嫌気性細菌を保持することによって、より高速の有機物装填で反応器を作動させることが可能になる。高速の嫌気性反応器は、供給原料又は有機材料の水理学的滞留時間が、日単位ではなく時間単位で測定される。
嫌気性反応器内に嫌気性細菌を含有させることは、長い間、問題を有してきた。この問題を克服するために、いくつかの反応器の設計が編み出されてきた。具体的には、通常1000mg/l以下に満たない、比較的固形分が少ない廃棄物を消化させる場合、反応器内に嫌気性細菌を保持するために、充填床が使用される(図2)。充填床反応器は、充填材料の層又は床(これは、ランダムな向きでも規則的でもよい)を用いる。通常、充填床反応器は、充填材の床を含み、ここでは、投入バイオマス又は供給材料は、充填床の基部で供給され、床の最上部から取り出される消化の生成物(被処理液及びバイオガス)と共に、充填床を通って上に流れる。
充填の主目的は、嫌気性細菌、特にメタン生成菌を保持することであるが、これは嫌気性細菌における4つのクラスの細菌のうち、メタン生成菌(metanogen)が、最も増殖が遅いからである。メタン生成菌は、表面と関わることを好むので、体積に対する表面積の比が高い充填材は、理想的環境を提供する。充填床によって、反応器内の嫌気性細菌の保持ができるようになり、したがって、細菌が成長するのを待つのに費やす遅延が避けられ、反応器を、より高い装填率かつより短い水理学的滞留時間で作動させることが可能になる。しかし、充填床反応器には、いくつかの欠点がある。
充填床設計の主要な制限は、充填床を通過する合計の上昇流速度(すなわち、液体の流れの速度と細菌によって産生される気体の流れとの速度の単純計算の合計)が、充填材からのメタン生成菌の剥がれを避けるのに十分に低く保たれる必要があることである。理想的には、合計の上昇流速度は、約80から90m/日未満に保たれる。このことにより、完全に装填された反応器では、充填床の深さは、反応器に供給される有機物の供給原料の濃度及び体積に応じて、多くとも2メートルから3メートルに制限される。床の深さのこの制限によって、処理することができる投入材料又は有機物の量が厳しく制限され、したがって、所与の反応器の底面積から生成することができるバイオガスの体積が制限される。したがって、反応器の底面積の単位面積あたりのバイオガス生成の潜在能力のこの制限によって、生成される気体の単位あたりの嫌気性反応器の資本コストを削減する可能性が厳しく制限される。
反応器を縦断するように気体収集装置を配置して、反応器の最上部から発散される気体の体積を低下させることによって、所与の反応器の底面積から得られるバイオガスの収量を増大させることが試みられてきた。しかし、バイオマス中の酸生成細菌によって生成される高濃度の揮発性の酸が、pHを低下させることによって、他の嫌気性細菌に対する有毒環境を作り出すので、これでは、問題に対する満足な解決策は提供されない。したがって、反応器の下方部分に適用することができる装填は限定され、その結果として、所与の反応器の底面積(すなわち、反応器によって占められる土地の面積)から生成することができるバイオガスの体積も依然として制限されたままである。
したがって、本発明者らが認識したところでは、所与の反応器の底面積から、より高い収量のバイオガスを生成することができる嫌気性反応器の必要性が存在する。
本発明によれば、その最も広義の態様では、上下に配置された2以上の個別反応チャンバーを含む嫌気性反応器が提供される。
反応チャンバーは、チャンバー間の圧力均一化に必要な制限された相互連絡を除いて、互いに隔てられている。圧力均一化装置を使用して、少量の被処理液をチャンバー間を通過させて、あるチャンバーの最上部と、そのすぐ上のチャンバーの底部との圧力を均一化することができる。チャンバーは、液体を処理する目的では連絡されないので、反応チャンバーは、個別チャンバーであると考えることができる。「個別チャンバー」については、チャンバーは、圧力均一化に必要な範囲を超えて相互連絡されないものする。具体的には、細菌、バイオマス、又は嫌気性消化の生成物の、チャンバー間の流れは存在しない。各チャンバーは、他のチャンバー(1又は複数)とは独立して作動し、バイオガスを生成する。
嫌気性反応器は、その内側に2以上の個別反応チャンバーが上下に配置された外部ハウジングを備えることができる。こうした実施態様では、これらのチャンバーは、固体部材、例えば固体板によって互いに隔てることができ、各固体部材は、あるチャンバーの処理と、隣接するチャンバーの処理を隔てる。外部ハウジングが、個別反応チャンバーに構造的支持体を提供することができるので、固体部材(1又は複数)は、構造的である必要はない。したがって、固体板は、それ自体を支持する、かつ混合目的で固体板に向けられる供給原料の流れをはじき返す、かつ隣接するチャンバー間の圧力の少しの変化に耐えるのに十分な強度を有するべきであるが、嫌気性反応器を支持するのに十分な強度をを有しなくともよい。したがって、特に好ましい実施態様では、反応器の構造は、標準のタンク、好ましくは、１以上の固体部材によって個別チャンバーに分けられた、直立した円筒形のタンクと考えることができる。個別チャンバーに分けられた標準のタンクの使用は、コストを最小限に抑える助けとなる。
個別チャンバーの配置の結果として、下方のチャンバー内の圧力は、上のチャンバーによって課せられる全「上部圧力」と等しくなる。したがって、液体と気体の遷移を大気圧に制御するために、各チャンバーからの排出部に位置する、少なくとも1つの圧力調節又は圧力維持装置を備えることが、一般に好ましい。圧力調節装置(1又は複数)は、弁の形であり得る。
あるチャンバーの処理と隣接するチャンバーの処理とを隔てるために固体部材(1又は複数)が使用される実施態様では、隣接するチャンバー間に圧力均一化装置を備えることが、隣接するチャンバーを隔てる固体部材の崩壊を予防する助けとなる。
或いは、チャンバーは、別々のかつ積み重ね可能である各チャンバーによって隔てることができる。この配置では、反応器の基部が、チャンバーの荷重プラス消化装置内の液体の荷重を担うのに適した強度のものである必要がある。
チャンバーは、あるチャンバーの上に別のチャンバーを、任意の適切な立体配置又は配列で配置することができる。反応チャンバーの立体配置は、反応器によって占められる土地の面積を減少させる、好ましくは実質的に減少させる、より好ましくは最小限にするようなものである。したがって、反応チャンバーの配列又は立体配置によって、反応器の底面積の減少がもたらされる。特に好ましい実施態様では、反応チャンバーは、あるチャンバーの上に他のチャンバーが実質的に垂直に配置される(すなわち、反応チャンバーは、実質的に垂直な積み重ねで配置される)。反応チャンバーが、実質的に垂直な積み重ねで配置される場合、反応器は、１以上のこうした積み重ねを含むことができる。しかし、反応器の底面積の減少をもたらす任意の適切な配置も使用することができる。
一実施態様では、反応器は、充填床反応器であることが好ましく、したがって、それぞれの反応チャンバーは、充填床を含むことが好ましい。充填又は媒体は、例えば、上方及び/又は下方グリッド又は他の束縛手段によって、各チャンバー内の適所に保持される。したがって、反応器は、多床反応器と考えることができる。各チャンバーが、供給原料分配システム、充填床、並びにバイオガス及び液体排出のための手段を含むことが好ましい。
別の実施態様では、反応器は、流動床反応器である。上で述べた充填床システムとは対照的に、流動床反応器では、充填又は支持媒体は流動方式で、各チャンバー内の指定された空間を動き回ることができる。通常、流動床反応器は、水よりも密度が高い媒体、例えば、砂、ガラスビーズ、炭素(フェルトブロックなどの様々な形で)などを用いる。これらの材料は、供給原料液の流れによって、通常、供給原料液の上昇流速によって流動化される。懸濁液中に媒体を効率的に保つために、十分な上昇流速度が必要とされる。
従来の流動床媒体に代わるものとして、好気的廃水処理設備用の媒体を、本発明の反応器に使用できることが判明している。こうした媒体は、バイオフィルム坦体の務めを果たし、それによって、嫌気性細菌は、変動する媒体設計によって提供されるマトリックスの多様な表面に沈殿又は付着する。(本発明の文脈では、「バイオフィルム」は、細菌培養物の層であると理解される。)規則的かランダムかにかかわらず、作り出されたマトリックスは、体積に対する表面積の、高い比(通常、300〜900m2/m3、ただし例外的な場合では最高で3,000m2/m3)を提供する。この媒体が一斉に揺さぶられた場合に、全表面積のうち、かなりの割合(通常70%)は保護される、すなわち、バイオフィルムの侵食を受けないと示される。
これらの媒体が使用される場合、流動床の充填割合は、処理のパラメータ及び処理される材料の物理的特性に応じて67%以下である。媒体は、媒体が自由に循環するのに十分な空間が存在するように、利用可能な全空間の約55から67%を占めることが好ましい。
適切な媒体は、水性環境中の場合に中立、又は、ほぼ中立の浮力を有する材料から作製することができる。これは、媒体が投入バイオマスと良好に接触することを確実にする助けとなる。通常、こうした媒体は、柔らかいプラスチック(再生ポリエチレンなど)から作製され、かつ、内部の分離壁と外側のフィンを伴う1片のチューブの形状であり得る。こうした形状は、表面積を最大限にし、同時に、液体バイオマスを、媒体を通して及び媒体の周囲に自由に流動させる助けとなる。例えば、Veolia Mass Transfer社は、好気性設備のためのこうした媒体を供給しており、この媒体は、体積に対する表面積の比が、流動床用の従来の媒体よりもかなり高い。このVeolia社の媒体は、最大で800〜1,400m2/m3総面積及び500〜1200m2/m3保護された面積という、体積に対する表面積の比を提供する。これらの媒体は、商品名Kaldness K1(登録商標)、Kaldness K2(登録商標)、BiofilmChip M(登録商標)、及びBiofilmChip P(登録商標)で、市販品として入手できる。これらの材料は、流動化方式での使用のために特別に設計される。
本発明における使用に適した媒体の代替形態は、多孔性表面を有する、曲面板及び/又は双曲放物面の形の様々な塑性体を含む。孔の内部は、反応環境から保護して、バイオフィルムの侵食を予防する助けとなる、広い表面積を提供する。塑性体の密度及び多孔性表面の平均孔径は、最終用途に合うように製造中に調整することができる。
Multi Umwelttechnologie AG社は、好気性、嫌気性、及び無酸素性プロセス用の、Mutag BioChip(登録商標)を含めたこうした媒体を供給している。Mutag BioChip(登録商標)は、約3000m2/m3の保護された表面積を提供する。Mutag BioChip(登録商標)の曲面形状は、液体バイオマスが、媒体の周囲を自由に流れることを確実にする、また、反応器内での使用の場合、これが液体バイオマス内を継続的に移動することを確実にする助けとなる。これらの材料はまた、流動化方式での使用のために特別に設計される。
したがって、本発明はまた、本明細書に記述する通りの多層又は多床の流動床嫌気性反応器中での、好気的廃水処理設備を目的とする媒体の使用も提供する。好気的廃水処理所における好気性細菌のための支持媒体としての使用のために設計されている、又は該使用に適している、いかなる媒体も、本発明のこの態様で使用することができる。Veolia Mass Transfer社及びMulti Umwelttechnologie AG社によって市販品として供給される、上で述べた媒体が特に適しているが、いかなる媒体も使用することができる。
充填床ではなく流動床が使用される場合、反応器は、多層流動床反応器として作動させることができる。多層流動床反応器は、流動床における表面積が、より大きいことによって、より大きな数の細菌を受け入れることが可能となるので、充填型の反応器よりも最高で2、3、又は4倍多いバイオガス気体収量をもたらす可能性があることが予測される。これは、流動床反応器の重大な利点である。流動床型反応器のさらなる利点は、充填床ではなく流動床を用いると、各床がブロックする（block）可能性が低いので、反応器が、より高いレベル、すなわち1,000mg/l超の連続した装填を受け入れることが可能であることである。
別の実施態様では、本発明の反応器は、少なくとも1つの充填床反応チャンバーと少なくとも1つの流動床反応チャンバーとを備える複合型反応器であり得る。こうした反応器では、それぞれの反応チャンバーは、充填床又は流動床のいずれか、供給原料分配システム、並びにバイオガス及び液体排出のための手段を含むことができる。複合型反応器は、処理の前に投入バイオマスを評価する、また、投入バイオマスを、投入バイオマスの性質に応じて充填床反応チャンバー又は流動床反応チャンバーのいずれかに流すための手段を含むことができる。例えば、500から1,000mg/lの懸濁した固形分を含む液体は、充填床反応器に流すことができ、また一方で、1,000mg/l超の懸濁した固形分を含む液体は、流動床反応器に流すことができる。
好ましい態様では、上下に配置された2以上の個別反応チャンバー(ここでは、各反応チャンバーは、供給原料分配システム、充填床、並びにバイオガス及び液体排出のための手段を含む)を備える嫌気性反応器が提供される。
好ましくは、各チャンバーは、例えば、固体板などの固体部材によって、隣接するチャンバー(1つ又は複数)から隔てられる。各反応チャンバーは、任意の適切な立体配置で、上下に配置することができ、例えば、反応チャンバーは、１以上の実質的に垂直な積み重ねを形成するように、実質的に垂直な立体配置で配置することができる。
さらなる態様では、本発明は、上下に配置された１以上の個別反応チャンバー(ここでは、各反応チャンバーは、供給原料分配システム、流動床、並びにバイオガス及び液体取り出しのための手段を含む)を備える嫌気性反応器を提供する。好ましくは、各チャンバーは、上で述べた通りに、互いに隔てられる。反応チャンバーは、任意の適切な立体配置で、上下に配置することができ、例えば、反応チャンバーは、１以上の実質的に垂直な積み重ねを形成するように、実質的に垂直な立体配置で配置することができる。流動床は、上で述べた通りの従来の流動床媒体を含むことができる。或いは、流動床は、Veolia Mass Transfer社の媒体Kaldness K1(登録商標)、Kaldness K2(登録商標)、BiofilmChip M(登録商標)、及びBiofilmChip P(登録商標)、又はMulti Umwelttechnologie AG社から入手できるMutag BioChip(登録商標)などの、好気性流動床設備における使用を目的とする(つまり、好気的廃水処理設備を目的とする)媒体を含むことができる。
好ましくはバイオガスの生成における、本発明による反応器の使用も提供される。
別の態様では、バイオガスを生成する方法であって、本発明による嫌気性反応器を提供すること;投入バイオマスを提供すること;反応器におけるバイオマスの嫌気性消化を実施すること;及び生成されたバイオガスを収集することを含む、前記方法が提供される。所望される場合、このようにして生じた消化残渣を、例えば肥料として、又は他の適切な用途において、又は液体廃棄物の消化の場合には排出のために好気性仕上げをして、収集及び使用することもできる。
充填床反応器を使用する方法では、投入バイオマスは、500から1,000mg/lの懸濁した固形分を含む液体を含むことが好ましいのに対し、流動床反応器を使用する方法では、投入バイオマスは、1,000mg/l超の懸濁した固形分を含む液体を含むことが好ましい。複合型反応器を使用する方法では、500から1,000mg/lの懸濁した固形分を含む液体を含む投入バイオマスが、充填床反応チャンバーによって処理され、1,000mg/l超の懸濁した固形分を含む液体を含む投入バイオマスが、流動床反応チャンバーによって処理される。
上で述べたバイオガスを生成する方法は、嫌気性反応器によって占められる土地の単位面積あたりの、生成することができるバイオガスの収量を増大させる方法を可能にする。
本発明の反応器における上下の反応チャンバーの配置は、処理することができる材料の体積を増大させ、したがって、1セットの反応器の底面積から生成することができるバイオガスの体積を増大させる。生成することができるバイオガスの体積は、用いられる反応チャンバー又は層の数という要素によって増大する。生成されるバイオガスの単位あたりの資本コストも、より少ない要素によるにもかかわらず、同様に下げられる。本発明は、空間が割高である、又は土地のコストが高い場合に、特別な妥当性を有する。
嫌気性消化プロセスの概略図である。 従来の上昇流充填床反応器の一般的構造を示す。 本発明による充填床反応器の構造を示す。該反応器は、多層充填床反応器又は多床反応器である。 本発明による充填床反応器のさらなる実施態様を示す。該反応器は、図3に示した反応器に、チャンバーからの液体及び気体の排出のための別の配列を備えた多層充填床反応器である。
本発明の反応器は、上下に配置された2以上の反応チャンバーを含む。これらのチャンバーは、実質的に垂直な(好ましくは垂直な)立体配置で配置されることが好ましい。したがって、一実施態様では、本発明の反応器は、反応チャンバーの、１以上の積み重ね、又は１以上の実質的に垂直な積み重ねを含む。
該反応器の反応チャンバーは、互いに隔てられる。特に、チャンバー間には、細菌、バイオマス、又は嫌気性消化の生成物の流れが存在するべきではない。各チャンバーは、独立して作動し、バイオマスの嫌気性消化によってバイオガスを生成する。各チャンバーは、隣のチャンバーから、例えば固体板によって隔てられる。上に概説した通り、これらのチャンバーは、独立して作動する個別チャンバーであると考えることができるが、一般に、各チャンバーと、反応器内のその上又は下にあるチャンバーとの間に圧力均一化装置が存在する。圧力均一化装置は、チャンバーを隔てる固体部材の上と下との圧力を均一化するために、各チャンバーから隣接するチャンバーへの被処理液の流れを非常に制限することを可能にする。
一般に、各チャンバーが、１以上の次の特徴を備えることが好ましい:
(a)供給原料を、チャンバーの基部にわたって実質的に均一に分配するように作動可能であり、また、嫌気性汚泥を攪拌し、入ってきた供給原料と混合するために、供給原料(つまり、反応器に供給された有機材料)の流れを分離部材又は板に誘導する、供給原料分配システム;
(b)過剰な汚泥を必要に応じて除去するための排出設備;
(c)チャンバーの内容物のサンプルを必要であれば抽出するための手段;
(d)混合を改善するために、又は任意の他の適切な目的のために、バイオガス又は他の不活性な気体の使用を可能にするための、１以上の気体分散装置;
(e)一般にチャンバーの最上部及び底部に好ましくは位置付けられる、１以上の圧力検知装置;
(f)すぐ隣のチャンバーとの制限された相互連絡を提供する圧力均一化装置;
(g)１以上の圧力逃し弁;
(h)温度センサー;
(i)pHセンサー;
(j)１以上の気体及び液体排出ポイント(又は取り出し口);
(k)１以上の受入検査ポイント;並びに
(l)１以上の二重安全排出ポイント。
最上部及び最下部のチャンバーを除く各チャンバーが、上の特徴のすべてを有することが特に好ましい。消化装置の充填床実施態様では、各チャンバーが、充填材料の正しい位置を維持するために、１以上の充填床含有装置又はグリッドを含むことがまた、非常に好ましい。
最下部のチャンバーは一般に、単一の圧力検知装置が、通常、好ましくはチャンバーの最上部に備えられる以外は、上に述べた通りである。
最上部のチャンバーも一般に、上に述べた通りとなるであろう。さらに、最上部のチャンバーは、処理中に生じる可能性があるいかなる泡も消散させるための１以上の手段、例えば１以上の噴霧バーを備えることが好ましい。さらに、最上部のチャンバーは、一般にチャンバーの底部又は基部に面して位置付けられるただ1つの圧力検知装置を有することが好ましい。さらに、最上部のチャンバーは、気体/液体併用の排出装置ではなく、別々の液体取り出し口と気体取り出し口又は排出ポイントと、円錐形の屋根とを有することが好ましい。液体排出ポイントは、最大液面に位置付けられることが好ましい。気体排出ポイントは、反応器の最上部に、すなわち円錐の先端に位置付けられることが好ましい。とはいえ、反応器が3以上の反応チャンバーを含む実施態様では、最上部のチャンバーが、気体及び液体併用の排出ポイントと平らな屋根とを備えていてもよい。
反応器内に存在する反応チャンバー又は層の数は、個々の要件及び処理条件に合うように変動し得る。任意の適切な数の反応チャンバーが存在することができる。しかし、反応器が、2以上の反応チャンバー、より好ましくは3から5個の上下に配置された反応チャンバーを含むことが好ましい。上下に配置された反応チャンバーの数が増えると、反応器の底面積の単位面積あたりのバイオガスの収量が増える。チャンバーの最適な数は、適用される供給材料又は有機材料の特性、必要とされる処理パラメータ、及び様々な技術的及び商業的考慮事項に依存する。例えば、反応器の場所に応じて、地上荷重要素、例えば、ある一定の数を超えるチャンバーを含む反応器のための杭打ち基礎を提供する何らかの必要性が存在するかどうか、を考慮する必要があり得る。技術的製作及びコスト制限を考慮する必要もあり得る。他の関連する要素は、当業者には明らかであろう。
本発明の充填床実施態様について、図3に模式的に示す通り、それぞれの積み重ねられた反応チャンバーは、供給原料ライン又は供給原料分配システム(8)を含有する又は含有することが適切である混合空間(1)を含むことが好ましい。供給原料分配システム(8)は、供給原料をチャンバーの基部に送達及び分配し、供給原料を嫌気性細菌と混合するように作動可能である。通常、供給原料分配システム(8)は、供給原料がそれを通して送達される、ホール又はノズルを備える一連の管を含む。この図は、各チャンバーに対して1つの排出ポイントしか示していないが、排出ポイントの数は、変動する可能性があり、チャンバーの基部の面積に従って選択されるべきである。混合空間(1)は、供給原料と、嫌気性細菌を含めた消化装置内容物との混合を可能にする。この混合空間(1)の上には、通常、上方充填グリッド(25)及び下方充填グリッド(26)を備える充填床(2)が提供される。充填床(2)は、充填材及び嫌気性細菌を含有する。
混合空間(1)内の供給原料は、チャンバー内に含有される嫌気性細菌によって、主に揮発性脂肪酸、水素、及び二酸化炭素に転換される。より長い鎖の揮発性脂肪酸は、酢酸生成細菌によって、さらに酢酸に転換される。形成された酢酸、水素、及び二酸化炭素は、部分的に処理された供給原料として知られる。部分的に処理された供給原料は、充填床(2)を通過し、充填床(2)内に含有される酢酸分解性メタン生成菌及び水素を利用するメタン生成菌によって、バイオガスに転換される。(いくらかのメタン生成菌は、混合空間(1)内に残ることとなる、さらに、メタン生成菌に加えて、他の細菌も、充填床(2)に住み着くこととなる可能性がある。)
充填床(2)には、任意の適切な充填材を使用することができる。メタン生成細菌に適した環境を提供するために、充填材は、体積に対する表面積の比が高いことが好ましい。好都合には、充填材の体積に対する表面積の比は、100m2/m3超、より好ましくは200m2/m3以上である。適切な充填材は、例えば、Veolia Mass Transfer社から市販品として入手できるCascade Filterpack(登録商標)である。充填床(2)は、任意の適切な深さのものであり得るが、約2から3メートルの充填床の深さが、特に好ましい。
充填床(2)の上には、充填床中で行われる嫌気性消化によって生成された被処理液及びバイオガスを受け入れるための、さらなる空間(3)が存在することが好ましい。各チャンバーには、通常、チャンバーのまさに最上部に、被処理液及びバイオガスのための少なくとも1つの取り出し口(9、10、11)がさらに提供される。「被処理液及びバイオガスのための取り出し口」とは、出口、排出部、又はチャンバーからバイオガス及び被処理液を除去するための他の手段を意味する。
バイオリアクターの最上部のチャンバーは、供給原料分配システムを含有する、又は含有することを目的とする、空間(1)も含むことが好ましい。この空間(1)の上には、上に述べた下方チャンバーと同じ配置で、充填床(2)が提供されることが好ましい。最上部のチャンバーは、液体及び気体のための分離空間(4、5)、並びに被処理液及びバイオガスのための取り出し口(10、11)を、それぞれ、さらに備えることが好ましい。2つの取り出し口によって、好都合なことに、最上部のチャンバー内で生成された被処理液とバイオガスが別々に取り出されることが可能になる。最上部のチャンバー内で処理された供給原料は、充填(packing)(2)の上の液体通過空間(4)に移動する。気体は、液体から分離し、気体空間(5)(この気体空間(5)は、最上部のチャンバー上の円錐形の天井内に設置することができる)に移動する。気体は、バイオガス出口(11)を経由して、さらなる気体ライン(20)に脱出する。液体は、多孔管(13)を通過し、被処理液収集管(10)へと進み、水封じ(19)を通してガス抜き容器(18)に排出される。
各チャンバーの最上部での圧力が、そのすぐ上のチャンバーの底部での圧力と等しいことが非常に好ましい。したがって、各チャンバーは、板の崩壊を避けるために各板のすぐ上と下の圧力を等しく保つことができるように、各チャンバーを隔てる板(6)の上と下に適切に位置する圧力センサー(12)を備えることが好ましい。バイオリアクターは、あるチャンバーの最上部での圧力を、そのすぐ上のチャンバーの底部での圧力と、確実に等しくするために、各チャンバー間に、圧力均一化装置(7)をさらに備えることが好ましい。いかなる適切な圧力均一化装置も使用することができる。通常、圧力均一化装置は、チャンバー間の制限された相互連絡を提供する、分離部材又は板(6)を貫通する小口径のチューブを含む。好都合には、チューブの末端は、未処理液がチャンバー間を行き来することができないように、また、チャンバー間の気体通過を予防するために、隣接するチャンバー内に位置する。具体的には、チューブの下方末端(つまり、下方チャンバー内の末端)は、下方チャンバーから上のチャンバーへのいかなる気体通過も予防するために、分離板(6)の下から十分に離して適切に位置され、さらに、上のチャンバーに被処理液のみが通過し、未処理液は通過しないように十分に高く位置される。チューブの上方末端(つまり、上のチャンバー内の末端)は、チューブが常に浸されていることを確実にするために、そのチャンバーの最上部から十分に離れつつも被処理液が下行するように、上のチャンバーの最上部の十分に近くに適切に位置される。
適切には、各チャンバーは、反応器の作動中に蓄積するあらゆる余剰汚泥のための除去ポイント(22)を備える。適切には、除去ポイント(22)は、各チャンバーの基部又は基部の近くに設置される。
反応器は、緊急時液体出/入ポイント(23)及び作動弁(24)を備える二重安全装置を備えることが好ましい。制御システムの不具合の場合には、又は停電の場合には、弁が開放位置に「ならず」、それによって、チャンバー間の圧力を適切に維持することができる。
使用の際には、反応器は、以下の通りに作動するのが好ましい。
投入バイオマス又は供給材料が供給される。いかなる適切な投入バイオマス又は供給材料も使用することができる。特に、本発明の反応器を使用して、廃水中の有機材料をバイオガスに転換することができる。或いは、該反応器を使用して、有機材料で特別に作製した溶液をバイオガスに転換することができる。
通常、供給原料又は投入バイオマスは、一般的にチャンバー内の供給原料分配システムを経由して、各チャンバーの底部に入る。供給原料は通常、チャンバーの基部の混合空間(1)で、消化装置内容物と混合され、部分的に処理された供給原料に転換される。部分的に処理された供給原料は、充填床(2)を通過し、処理された供給原料とバイオガスに転換され、これらは、各チャンバー(3)の最上部の空間で収集され、次いで、圧力調節装置又は管(9)を経由して反応器から相分離容器(14)に排出される。
相分離容器(14)では、気相と液相を分離し、図3に示す通り、圧力維持用作動弁(15、16)を通して別々に排出させることができる。作動弁(15、16)は、好都合には、チャンバーを隔てる固体部材(6)の上下の等しい圧力を維持するように制御される。相分離容器(14)は、いかなる泡立ちも減じるための噴霧バー(図示せず)と適合することが好ましい。気体は、気体ライン(17)を経由してさらなる気体ライン(20)に移動する。液相は、ガス抜き容器(18)に移動し、そこでは、例えば、連続する板上で液体をカスケード処理することによって、いかなる残留気体も除去される。次いで、ガス抜きされた液体は、水封じ(19)を経由して脱出する(21)。ガス抜き容器からの気体は、さらなる気体ライン(20)を経由して排出される。
或いは、気相と液相は、図4に示す通りに排出することができる。この実施態様では、液相の圧力は、相分離容器からの液相を、最上部のチャンバーの最大液面の水平面に対して垂直又は実質的に垂直に伸びる管(27)に通過させることによって維持される。任意に、管(27)は、最上部のチャンバーからの液体排出部(10)と、交差する又は一体化する。次いで、管(27)は、適切には水封じ(19)を通過し、管(28)を経由して、ガス抜き容器(18)に連絡される。好ましくは、管(28)及び/又は管(27)には、サイフォンブレーク(siphon break)(29)が提供される。
液相と気相の排出に関するさらなる適切な設備は、当業者には明らかであろう。
最上部のチャンバーは、充填床の上の、チャンバーの最上部に移動する際に、被処理液と気体が通常、別々に排出される(10、11)ことを除いて、他のチャンバー(1又は複数)と同じ様式で作動することが好ましい。被処理液と気体は通常、最上部のチャンバーから別々に排出されるので、最上部のチャンバーで生成された被処理液と気体は普通、相分離容器(14)を通過しない。しかし、最上部のチャンバーが気体と液体併用の排出ポイントを備える実施態様では、最上部のチャンバーで生じた被処理液と気体が、相分離容器(14)を通過することとなる。
図3及び4に関して上で述べた実施態様は、充填床反応器だけでなく、流動床反応器及び複合型反応器にも同様に適用可能である。
本発明の反応器を用いる方法によって又は本発明の方法によって生成されたバイオガスは、例えば、ボイラーに、又は再生可能エネルギーを産生するための熱電併給(combined heat and power)(CHP)システムに使用することができる。CHPシステムからの余剰熱又はボイラーからの熱の一部は、反応器チャンバー内の最適な処理温度を維持するために使用することができる。バイオガスは、電力を産生するためのガスタービンのための燃料として;自動車燃料としての圧縮ガス又は液体形で;調理用に;及び、(メタンの精製後に)天然のガス供給を補充する又は天然のガス供給とブレンドするために;を含めた数々の他の用途にも使用することができる。

Claims (37)

  1. 上下に配置された2以上の個別反応チャンバーを備える、嫌気性反応器。
  2. 前記反応器が外部ハウジングを備える、請求項1記載の嫌気性反応器。
  3. 前記外部ハウジング内に設置される固体部材が、隣接するチャンバーを互いに隔てる、請求項2記載の嫌気性反応器。
  4. 各チャンバーからの排出部に位置する圧力調節装置をさらに備える、請求項1から3のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  5. 隣接するチャンバー間に設置される圧力均一化装置をさらに備える、請求項1から4のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  6. 前記反応器が、タンクの形であり、前記タンクが固体部材によって個別チャンバーに分割される、請求項2から5のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  7. 前記反応器が、別々のかつ積み重ね可能なチャンバーの形である、請求項1記載の嫌気性反応器。
  8. 前記反応器が、充填床反応器、任意に多床反応器である、請求項1から7のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  9. 各チャンバーが、供給原料分配システム、充填床、並びにバイオガス及び液体排出のための手段を備える、請求項8記載の嫌気性反応器。
  10. 前記反応器が、流動床反応器である、請求項1から7のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  11. 各チャンバーが、供給原料分配システム、流動床、並びにバイオガス及び液体排出のための手段を備える、請求項10記載の嫌気性反応器。
  12. 前記反応器が、少なくとも1つの充填床反応チャンバーと少なくとも1つの流動床反応チャンバーとを備える複合型反応器である、請求項1から11のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  13. 前記反応器が、処理の前に投入バイオマスを評価するための手段、及び、投入バイオマスを投入バイオマスの性質に応じて充填床反応チャンバー又は流動床反応チャンバーのいずれかに流すための手段をさらに備える、請求項12記載の複合型反応器。
  14. 供給原料分配システムをさらに備え、使用の際には、該供給原料分配システムが、各チャンバーの基部にわたって供給原料を実質的に均一に分配する、請求項1から13のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  15. １以上の前記チャンバー内で形成された過剰な汚泥を除去するための排出設備をさらに備える、請求項1から14のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  16. １以上の前記チャンバーの内容物のサンプルを抽出するための手段をさらに備える、請求項1から15のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  17. １以上の気体分散装置をさらに備える、請求項1から16のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  18. １以上の圧力検知装置をさらに備え、各装置が、前記チャンバーうちの1つの実質的に最上部に又は実質的に底部に好ましくは設置される、請求項1から17のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  19. １以上の圧力逃し弁をさらに備える、請求項1から18のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  20. １以上の温度センサーをさらに備える、請求項1から19のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  21. １以上のpHセンサーをさらに備える、請求項1から20のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  22. １以上の受入検査ポイントをさらに備える、請求項1から21のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  23. １以上の二重安全排出ポイントをさらに備える、請求項1から22のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  24. 少なくとも最上部のチャンバーが、バイオガス排出及び液体排出のための分離手段を備える、請求項1から23のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  25. 最上部のチャンバーにおける泡を消散させるための手段をさらに備える、請求項24記載の嫌気性反応器。
  26. 前記チャンバーの少なくとも1つが、バイオガスと液体排出のための併用手段を備え、かつ、該併用手段が、バイオガス及び液体を相分離容器に移動させる、請求項1から25のいずれか1項記載の嫌気性反応器。
  27. 前記相分離容器が、泡を消散させるための手段を備える、請求項26記載の嫌気性反応器。
  28. 前記相分離容器が、圧力維持装置を備える、請求項26又は27記載の嫌気性反応器。
  29. バイオガスの生成における、請求項1から28のいずれか1項記載の嫌気性反応器の使用。
  30. 前記嫌気性反応器の使用によって、該嫌気性反応器によって占められる土地の単位面積あたりの、生成することができるバイオガスの収量の増大が可能になる、請求項29記載の嫌気性反応器の使用。
  31. バイオガスを生成する方法であって、
    a)請求項1から28のいずれか1項記載の嫌気性反応器を提供すること;
    b)投入バイオマスを提供すること;
    c)該反応器中で該バイオマスの嫌気性消化を実施すること;及び
    d)生成されたバイオガスを収集すること
    を含む、前記方法。
  32. 前記嫌気性反応器が、充填床反応器であり、かつ、前記投入バイオマスが、500から1,000mg/lの懸濁した固形分を含む液体を含む、請求項31記載のバイオガスを生成する方法。
  33. 前記嫌気性反応器が、流動床反応器であり、かつ、前記投入バイオマスが、1,000mg/l超の懸濁した固形分を含む液体を含む、請求項31記載のバイオガスを生成する方法。
  34. 前記嫌気性反応器が、複合型反応器であり、かつ、500から1,000mg/lの懸濁した固形分を含む液体を含む前記投入バイオマスが、充填床反応チャンバーによって処理され、1,000mg/l超の懸濁した固形分を含む液体を含む前記投入バイオマスが、流動床反応チャンバーによって処理される、請求項31記載のバイオガスを生成する方法。
  35. 添付の図面に関して実質的に本明細書で述べた通りの嫌気性反応器。
  36. 実質的に本明細書で述べた通りの嫌気性反応器の使用。
  37. 実質的に本明細書で述べた通りの方法。
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