JP5160847B2 - バイオガスシステム - Google Patents
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Description
本発明はバイオガスシステムに関し、詳しくはメタン発酵消化液からのアンモニアストリッピングを効率的に行うことができ、かつアンモニアストリッピング装置の容量も抑えることができるバイオガスシステムに関する。
畜産し尿などの有機性廃棄物をメタン発酵処理し、メタンガスを得て電気や熱を回収するバイオガスシステムはバイオエネルギー技術として注目されているが、欧米ほど普及が進んでいない。
その理由として、日本は小規模な施設が多いこともあり、メタン発酵により発生するメタンガスから電力を回収する場合、発電量はせいぜい数百ｋＷ程度と、得られるエネルギー量が少なく、経済的な利点が少ないことが挙げられる。
また、メタン発酵後の消化液の処理が難しいことも一因として挙げられる。
メタン発酵後の消化液は、肥料の三要素であるカリや窒素成分（アンモニア）が多量に含まれているため、農地に肥料として還元することができるが、一般に、消化液をそのまま農地還元するには窒素が過剰となり、地下水の硝酸汚染等を引き起こすため規制されるようになった。
このような消化液をそのまま農地に肥料として還元すると、地下水の汚染の他に、窒素過多な牧草を食した家畜に健康被害が起こるおそれもあるので、過剰分を除去する必要がある。
消化液の窒素除去手段としては、膜分離（特許文献１）や、アンモニアストリッピング（特許文献２）が知られているが、次の工程に共脱窒を行う場合は、得られるアンモニア液の質の点からアンモニアストリッピング法が優れた方法である。
アンモニアは温度が上昇すると分離しやすくなるので、特許文献２では、アンモニアストリッピング工程の前に加温手段を設け、アンモニアストリッピングの効率を上げようとしている。
特開２００７−４４５７９号公報 膜分離で除去
特開２００６−２１８４２９号公報 アンモニアストリッピングで除去
しかしながら、特許文献２では、消化液に含まれる二酸化炭素について何等処理がされていない。消化液に含まれる二酸化炭素は、比較的容易に放散し、放散によって例えば５〜１０ｍ３／ｍ３−消化液ほどの量が発生する。アンモニアの放散量は１ｍ３／ｍ３−消化液程度なので、アンモニアストリッピング工程において発生する気体のほとんどが二酸化炭素となってしまう。
その上、発生する気体量が大きくなるため、アンモニアストリッピングを行うアンモニアストリッピング装置の容量を、予想されるアンモニア放散量よりも５〜１０倍大きく設定しなければならず、また、アンモニアストリッピング装置に吹き込む空気も大量になるため、コストがかかってしまう。
本発明者らは、メタン発酵消化液からのアンモニアストリッピングを効率的に行うことができ、かつアンモニアストリッピング装置の容量も抑えることができるバイオガスシステムを構築することが不可欠であると考え、鋭意研究を継続した結果、本発明に至った。
そこで、本発明の課題は、メタン発酵消化液からのアンモニアストリッピングを効率的に行うことができ、かつアンモニアストリッピング装置の容量も抑えることができるバイオガスシステムを提供することにある。
本発明の他の課題は以下の記載によって明らかとなる。
上記課題は以下の各発明によって解決される。
（請求項１）
バイオマスをメタン発酵槽に導入して５０℃を超える高温でメタン発酵するメタン発酵工程と、
前記メタン発酵槽から抜き出された消化液を、７０℃を超える環境下に３０分以上置いて、該消化液から二酸化炭素を除去する調整工程と、
前記調整工程で二酸化炭素が除去された消化液をアンモニアストリッピング装置に導入してアンモニアを放散させるアンモニアストリッピング工程と、
前記アンモニアストリッピング工程でストリッピングしたアンモニアを水に溶解してアンモニア水として回収するアンモニア回収工程と、
前記アンモニア回収工程で回収されたアンモニア水を導入して亜硝酸化及び脱窒を行う共脱窒工程を有することを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法であって、
前記共脱窒工程は、アンモニア酸化細菌及びアナモックス菌を担持した電極に、アンモニア性窒素から亜硝酸性窒素を生成する反応は生起し進行するが、硝酸性窒素を生成する反応は生起しない電位であり、且つ窒素が安定して存在する電位を印加することによって、前記亜硝酸化及び前記脱窒を同時に行うことを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法。
バイオマスをメタン発酵槽に導入して５０℃を超える高温でメタン発酵するメタン発酵工程と、
前記メタン発酵槽から抜き出された消化液を、７０℃を超える環境下に３０分以上置いて、該消化液から二酸化炭素を除去する調整工程と、
前記調整工程で二酸化炭素が除去された消化液をアンモニアストリッピング装置に導入してアンモニアを放散させるアンモニアストリッピング工程と、
前記アンモニアストリッピング工程でストリッピングしたアンモニアを水に溶解してアンモニア水として回収するアンモニア回収工程と、
前記アンモニア回収工程で回収されたアンモニア水を導入して亜硝酸化及び脱窒を行う共脱窒工程を有することを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法であって、
前記共脱窒工程は、アンモニア酸化細菌及びアナモックス菌を担持した電極に、アンモニア性窒素から亜硝酸性窒素を生成する反応は生起し進行するが、硝酸性窒素を生成する反応は生起しない電位であり、且つ窒素が安定して存在する電位を印加することによって、前記亜硝酸化及び前記脱窒を同時に行うことを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法。
（請求項２）
前記メタン発酵の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする請求項１記載のバイオガスシステムにおける処理方法。
前記メタン発酵の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする請求項１記載のバイオガスシステムにおける処理方法。
本発明によれば、メタン発酵消化液からのアンモニアストリッピングを効率的に行うことができ、かつアンモニアストリッピング装置の容量も抑えることができるバイオガスシステムを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のメタン発酵方法に用いられるバイオマス（有機性廃棄物）としては、例えば畜産廃棄物（例えば牛、豚、羊、山羊、ニワトリなどの家畜糞尿や飼料残渣、敷稈）、緑農廃棄物、生ごみ、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物、廃水処理汚泥（例えば下水処理汚泥やし尿処理汚泥など）などを挙げることができ、これらバイオマスの２以上の種類を組み合わせてメタン発酵原料とする共発酵を行うこともできる。
図１は本発明のバイオガスシステムを実施する好ましい態様を示すフロー図である。
図１において、１はメタン発酵工程であり、２は調整工程であり、３はアンモニアストリッピング工程であり、４はアンモニア回収工程、５は共脱窒工程である。
メタン発酵工程１では、メタン発酵槽１０において、５５℃を超える高温、好ましくは６０℃〜８０℃で、メタン発酵が行われる。メタン発酵によって得られたバイオガスは、バイオガス輸送管１１により、次の精製工程に送られる。バイオガスの精製工程としては、例えば生物脱硫法が挙げられる。
消化液は、消化液排出管１２を通して、調整工程２に送られる。
調整工程２では、貯留槽２１内において、消化液中の二酸化炭素の除去と、消化液の滅菌が行われる。図２は、本発明における調整工程２を示す図である。
消化液には、大過剰の二酸化炭素が溶解しているので、メタン発酵槽内の分圧と、メタン発酵槽外の分圧の差から、大気に開放するだけでもある程度の二酸化炭素が放散される。
そのため、図２においては、タンク状の貯留槽２１の上部に、二酸化炭素排出口２２を設け、二酸化炭素排出口２２から放散された二酸化炭素を外部に排出している。貯留槽２１の構造は、放散された二酸化炭素を排出することができれば限定されない。また、貯留槽２１に隣接して消化液から放出された二酸化炭素を回収する設備（図示せず）などを設ければ、二酸化炭素を回収し、利用することもできる。
この二酸化炭素の放散によって、消化液中の重炭酸イオンが減少し、消化液のｐＨを１程度上昇させることができ、アンモニアストリッピングに適した状態に調整することができる。
さらに、貯留槽２１は、消化液を、７０℃を超える環境下におくための加温装置２３を備えていることが好ましい。加温装置２３により、貯留槽２１内の消化液は７０℃を超えるように加温され、３０分以上その状態を維持する。
加温装置２３としては、コージェネレーションからの熱水を用いる温水コイルなどが好ましく、熱源としては、本発明により得られるバイオガスを燃焼させて生成する熱エネルギーを用いることが低コスト化を図る上で好ましい。
調整槽２１内で、７０℃を超える環境下に３０分以上という、高温の環境下に置かれることによってバイオマス中の病原菌などが殺菌され、脱窒後消化液の衛生上の問題（消化液の殺菌や雑草の種子の不活性化を行わなければならない）を解決することができる。３０分未満であると、上記の問題を解決できない。なお、この温度保持時間には効果の上で必要な上限はない。
また、加温されて消化液の温度が上がることにより、アンモニアが放散しやすい状態になる。
この調整工程２では、二酸化炭素の放散をすることで消化液のｐＨを上昇させることができ、殺菌のために加温することで、アンモニアが更に放散しやすい状態とすることができるので、消化液輸送管２４を通して、次のアンモニアストリッピング手段で効率的にアンモニアストリッピングを行うことができる。
３はアンモニアストリッピング工程である。アンモニアストリッピング工程３はアンモニアストリッピング装置３０を備える。アンモニアストリッピング装置３０の構成例を図３に示す。
アンモニアストリッピング装置３０は、アンモニア放散塔３０１と、アンモニアを除去した消化液を一時的に貯蔵する貯蔵タンク３０２からなり、架台３０３の上に貯蔵タンク３０２を設置し、該貯蔵タンク３０２の上方にアンモニア放散塔３０１が設けられ、タワー形式に構成できる。消化液は、消化液輸送管２４、送液ポンプ３０４を通してアンモニア放散塔３０１に導入される。
アンモニア放散塔３０１の例としては、内部に多孔板３０６が設けられ、多孔板３０６上に樹脂、金属、セラミックで形成される各種の充填材３０７が充填される。充填材３０７の上方には消化液輸送管２４と接続されたスプレーノズル３０８が設けられ、消化液を充填材３０７に散布可能に構成されている。
アンモニア放散塔３０１の下部には空気導入口３０５があり、コンプレッサ又はブロワ３０９により空気を導入する。コンプレッサ又はブロワ３０９から導入する空気もあらかじめ加温されていることが好ましい。
消化液輸送管２４から送られてくる消化液は、二酸化炭素が除かれているため、アンモニア放散塔にて発生する気体はほとんどがアンモニアのみであり、アンモニア放散塔の容量を小さくすることができ、またコンプレッサ又はブロワ３０９により導入しなければならない空気量も少なくすることができる。更に７０℃を超える高温に加温されているので効率よくアンモニア放散が行われる。
アンモニアストリッピング装置３０でアンモニア成分を除いた消化液（脱窒消化液）は、アンモニア放散塔３０１下部の接続管３１０を通して貯蔵タンク３０２へ移され、循環タンク３０２に設けられたドレンバルブ３１１から脱窒消化液として排出される。
脱窒消化液は窒素成分が除去されているので有機性排水として処理しやすい状態になっており、有機性排水処理施設において処理することができる。また、調整手段２において７０℃以上で３０分以上という高温条件におかれ、病原体等が殺菌されているので、衛生的な肥料として農地還元することも容易に行える。
アンモニア放散塔３０１において、放散されたアンモニアは、ガス状あるいはミスト状でアンモニア放散塔３０１の上方に設けたアンモニア排出口３１２から排出され、アンモニア回収工程４に送られる。
アンモニア回収工程４は凝縮器４１を備えている。凝縮器４１は水を蓄えており、アンモニア排出口３１２から排出されたガス状あるいはミスト状となったアンモニアを凝集器４１内部に蓄えた水に吸収させアンモニア水とする。アンモニアは水に溶解しやすいので比較的容易にアンモニア水として回収できる。
回収したアンモニア水は、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化する独立栄養型のアンモニア酸化細菌と、前記亜硝酸性窒素とアンモニアの反応により窒素を生成するアナモックス菌を担持した繊維性処理材を用いて同時に脱窒を行う共脱窒工程５に送られる。
アンモニアストリッピング工程３、アンモニア回収工程４によってアンモニアを凝縮して得た溶液は、通常ＣＯＤやＳＳが１０ｐｐｍ以下などと小さく、共脱窒には非常に適した溶液（被処理液）となる。膜処理においてここまでＣＯＤやＳＳを低下させた被処理液を得るのは困難である。
なお、脱窒処理されて窒素分を除いた水の一部は凝集器４１へ返送され再びアンモニアを吸収する。
共脱窒工程５は、共脱窒リアクタ５Ａからなる。
図４は共脱窒リアクタの一例を示す図であり、同図において、共脱窒リアクタ５Ａは独立栄養性アンモニア酸化細菌と、アナモックス菌を担持した微生物担体５０１を備えており、該微生物担体５０１は、上下を支持杆５０２、５０３によって支持されている。微生物担体５０１は、平板状のものが複数枚並設される態様であっても、円筒状に形成されたものが環状に配置される態様であってもよい。また微生物担体５０１は、図示しないが、渦巻状に形成されていてもよい。
５０４は凝集器４１からのアンモニア水（以下、被処理液とする）を導入する被処理液導入部であり、５０５は処理液排出部である。５０６は空気導入部であり、５０７は空気移送管である。共脱窒リアクタ５Ａの上部には図示しない窒素ガス排出部を有している。
また、５０８はｐＨ制御部、５０９は温度制御部である。
また、５０８はｐＨ制御部、５０９は温度制御部である。
共脱窒リアクタ５Ａでは、共脱窒リアクタ５Ａ内の温度、被処理液のｐＨ、ＤＯ、酸化還元電位（ＯＲＰ）の少なくともいずれか一つ以上を調整して、アンモニア性窒素から亜硝酸を生成し、該生成した亜硝酸とアンモニアの反応により窒素を生成して共脱窒を行うように反応速度論的な制御を行う。
微生物担体５０１としては、厚さ５ｍｍ以上の不織布（ポリアクリロニトリル繊維など）にアンモニア酸化細菌とアナモックス菌（アンモニア−亜硝酸共脱窒菌）を担持した担体が用いられる。
この態様において、共脱窒リアクタ５Ａ内の微生物担体５０１は、表面に沿って被処理液が流通する構造であってもよいし、あるいは微生物担体５０１内を被処理液が流通する構造であってもよく、更に両者を組み合わせた構造であってもよい。
次に、本発明において採用される共脱窒リアクタの他の例について説明する。
この態様は、菌を担持した導電性微生物担持電極を備え、導電性微生物担持電極に対してカーボンプレートなどを用いた対極を設置しており、微生物電極の電位を調節することによってアンモニア含有水の共脱窒を行うことができる。
図５は、電位制御方式の共脱窒リアクタを示す概略断面図であり、共脱窒リアクタ５Ａは、基本的に本体５０Ａと蓋体５０Ｂとからなる反応槽５０Ｃを備えている。
該反応槽５０Ｃは凝集器４１からのアンモニア水を導入する被処理液導入部５０と、処理液排出部５１と、窒素ガス排出部５２と、空気導入部５３とを備えている。
また反応槽５０Ｃは、アンモニア酸化と脱窒を行う導電性微生物担持電極５４と隔膜（イオン交換膜）を介して対極５５からなる一対の電極を備えている。５６はリード線である。
導電性微生物担持電極５４は、一例として、導電性の炭素繊維製フェルトあるいはクロスを例えば渦巻状に巻設して筒状に形成したものが用いられる。
導電性微生物担持電極５４としては、たとえば、導電性炭素繊維のフェルト（不織布）あるいはクロス（布）以外に、好ましくは１２００℃以上、より好ましくは１５００℃以上で焼成し、空気を遮断して焼成した各種炭化物などが挙げられ、導電性を十分に付与したものが好ましい。更に表面処理によって表面の導電性をほとんど損なうことなく水素過電圧を向上せしめたものも好ましく使用できる。
導電性微生物担持電極５４には、アンモニア性窒素から亜硝酸性窒素を生成するアンモニア酸化細菌と、亜硝酸性窒素とアンモニア性窒素から窒素を生成する共脱窒菌（アナモックス菌）が担持される。
アンモニア酸化細菌および共脱窒菌は、導電性微生物担持電極５４を構成する導電性繊維表面に直接担持されることによってその代謝活性が電極電位の規制を受けることになる。
導電性の炭素繊維製フェルトあるいはクロスには、アンモニア酸化細菌が生息するように担持される領域と、共脱窒菌が生息するように担持される領域がゾーン分割されていることが好ましい。
例えば、導電性の炭素繊維製フェルトあるいはクロスが渦巻状に巻設して筒状に形成された導電性微生物担持電極５４上にアンモニア酸化細菌や共脱窒菌を担持する際には、筒状の中心部側に、空気供給管の先端が配置される場合には、その近傍にアンモニア酸化細菌群が生息するように担持され、また空気供給されない筒状外周側領域では共脱窒菌が生息するように担持されることが好ましい。
導電性微生物担持電極におけるアンモニア酸化細菌担持部分と共脱窒菌担持分を接触させているのは、亜硝酸生成の平衡電位と窒素が安定して存在する平衡電位の領域が共通しているためである。
導電性微生物担持電極５４と対極５５との間には隔膜あるいは隔壁５７が設けられ、両者の電気的短絡を防止している。５８は参照極である。参照極５８としては、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を使用できる。
この共脱窒リアクタ５Ａにおいては、微生物担持電極５４と対極５５からなる一対の電極に、アンモニア性窒素から亜硝酸性窒素を生成する反応は生起し進行するが、硝酸性窒素を生成する反応は生起しない電位を印加する。
この印加電位の制御においては、ｐＨの影響を考慮する必要があるので、印加電位の制御をより確実に行うには、被処理液のｐＨ値を測定して、その値を印加電位の制御に反映させることは好ましい態様である。
５９は消化液のｐＨを測定するｐＨ測定部であり、測定データは電位制御部５１０に入力する。電位制御部５１０はｐＨ測定部５９からのデータに基き、ｐＨ調整信号や電位印加部５１１への電位印加信号を出力し、４ＮＨ３＋３Ｏ２→２ＨＮＯ２＋２ＮＨ３＋２Ｈ２Ｏの反応によって亜硝酸を生成し、次いで、ＨＮＯ２＋ＮＨ３→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏの反応によって窒素ガスを生成するように制御して、共脱窒を行う。
電位制御部５１０による電位制御を行うことによって、例えば一酸化二窒素の生成など好ましくない副反応が生じる危険性を排除し、アンモニアを窒素ガスに変換して排出することができる。
１：メタン発酵工程
１０：メタン発酵槽
１１：バイオガス輸送管
１２：消化液排出管
２：調整工程
２１：貯留槽
２２：二酸化炭素排出口
２３：加温装置
２４：消化液輸送管
３：アンモニアストリッピング工程
３０：アンモニアストリッピング装置
３０１：アンモニア放散塔
３０２：貯蔵タンク
３０３：架台
３０４：送液ポンプ
３０５：空気導入口
３０６：多孔板
３０７：充填材
３０８：スプレーノズル
３０９：コンプレッサ又はブロワ
３１０：接続管
３１１：ドレンバルブ
３１２：アンモニア排出口
４：アンモニア回収工程
４１：凝縮器
５：共脱窒工程
５Ａ：共脱窒リアクタ
５０Ａ：本体
５０Ｂ：蓋体
５０Ｃ：反応槽
５０：被処理液導入部
５１：処理液排出部
５２：窒素ガス排出部
５３：空気導入部
５４：導電性微生物担持電極
５５：対極
５６：リード線
５７：隔膜あるいは隔壁
５８：参照極
５９：ｐＨ測定部
５１０：電位制御部
５０１：微生物担体
５０２、５０３：支持杆
５０４：被処理液導入部
５０５：処理液排出部
５０６：空気導入部
５０７：空気移送管
５０８：ｐＨ制御部
５０９：温度制御部
５１０：電位制御部
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１０：メタン発酵槽
１１：バイオガス輸送管
１２：消化液排出管
２：調整工程
２１：貯留槽
２２：二酸化炭素排出口
２３：加温装置
２４：消化液輸送管
３：アンモニアストリッピング工程
３０：アンモニアストリッピング装置
３０１：アンモニア放散塔
３０２：貯蔵タンク
３０３：架台
３０４：送液ポンプ
３０５：空気導入口
３０６：多孔板
３０７：充填材
３０８：スプレーノズル
３０９：コンプレッサ又はブロワ
３１０：接続管
３１１：ドレンバルブ
３１２：アンモニア排出口
４：アンモニア回収工程
４１：凝縮器
５：共脱窒工程
５Ａ：共脱窒リアクタ
５０Ａ：本体
５０Ｂ：蓋体
５０Ｃ：反応槽
５０：被処理液導入部
５１：処理液排出部
５２：窒素ガス排出部
５３：空気導入部
５４：導電性微生物担持電極
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５１０：電位制御部
５１１：電位印加部
Claims (2)
- バイオマスをメタン発酵槽に導入して５０℃を超える高温でメタン発酵するメタン発酵工程と、
前記メタン発酵槽から抜き出された消化液を、７０℃を超える環境下に３０分以上置いて、該消化液から二酸化炭素を除去する調整工程と、
前記調整工程で二酸化炭素が除去された消化液をアンモニアストリッピング装置に導入してアンモニアを放散させるアンモニアストリッピング工程と、
前記アンモニアストリッピング工程でストリッピングしたアンモニアを水に溶解してアンモニア水として回収するアンモニア回収工程と、
前記アンモニア回収工程で回収されたアンモニア水を導入して亜硝酸化及び脱窒を行う共脱窒工程を有することを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法であって、
前記共脱窒工程は、アンモニア酸化細菌及びアナモックス菌を担持した電極に、アンモニア性窒素から亜硝酸性窒素を生成する反応は生起し進行するが、硝酸性窒素を生成する反応は生起しない電位であり、且つ窒素が安定して存在する電位を印加することによって、前記亜硝酸化及び前記脱窒を同時に行うことを特徴とするバイオガスシステムにおける処理方法。 - 前記メタン発酵の温度が６０〜８０℃であることを特徴とする請求項１記載のバイオガスシステムにおける処理方法。
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