JP5221841B2 - バイオガス生成システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオマスすなわち有機性廃棄物を発酵槽で発酵させてバイオガスを生成し、該バイオガスを生物脱硫塔に通して脱硫処理を行って精製バイオガスを生成するバイオガス生成システムおよび方法に関するものである。

畜産廃棄物や生ゴミ等の有機性廃棄物を発酵槽で発酵させてバイオガスを生成する際に、発酵槽の発酵液中にアンモニア成分が蓄積する。その蓄積速度は有機性廃棄物の性状によって変わるが、次第にアンモニア濃度が高くなっていく。特許文献１には、発酵液からアンモニアを脱離回収して肥料や飼料に有効利用する技術が記載されている。

また、発酵槽で生成されるバイオガス中には硫化水素が通常含まれる。例えば、メタン発酵のバイオガス中には、標準的にメタンガスが約６０体積％、二酸化炭素が約４０体積％、硫化水素が０．２体積％程度含まれている。

生物脱硫塔は、バイオガス中の前記硫化水素を硫酸にまで酸化して除いて精製バイオガスを生成するために設けられている。生物脱硫塔内の硫黄酸化細菌が硫化水素を硫酸にまで酸化するのであるが、硫黄酸化細菌を活性化するために水と接触させる必要がある。通常、この水は循環ラインを介して塔内の硫黄酸化細菌と循環接触するようになっている。

生物脱硫塔で硫酸が生成されるため、循環される水は次第に酸性度が増していく。この循環水はｐＨが５〜９の範囲、望ましくは５．５〜８．５の範囲、すなわち中性付近に維持する必要がある。そのため、循環水のアルカリ度を向上させる手段のないときは循環水にアルカリを別途注入して中和することが行われる。

特開２００５−１３９０９号公報

従来、循環水をアルカリで中和するために水酸化カルシウム等の中性剤を用意して循環水を中和していた。そのため、中和のための中和剤を別途用意しなければならず、コストがかかるという問題があった。

本発明の目的は、中和剤を別途用意することなく循環水を中和することのできるバイオガス生成システムおよび方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、有機性廃棄物を発酵させてバイオガスを生成する発酵槽と、該発酵槽から前記バイオガスが送られ、該バイオガスに対して脱硫処理を行う生物脱硫塔と、を備えたバイオガス生成システムであって、発酵槽より一部取り出した発酵液からアンモニアを脱離して生物脱硫塔に導入するアンモニア脱離手段を更に備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、発酵液からアンモニアを脱離してアンモニア含有空気を生成し、前記生物脱硫塔に供給するので、中和剤を別途用いることなく生物脱硫塔の循環水を中和し、該循環水を所望のｐＨ範囲に維持することができる。すなわち、発酵の際に生成される発酵液中のアンモニアを、前記循環水の中和に利用するので、自前のアンモニアで循環水を中和することになり、コストダウンを図ることができる。
また、脱離アンモニア含有空気を生成するに際し、発酵槽より一部取り出した発酵液からアンモニアを脱離するので、必要なアンモニアの量を無駄なく効率的に得ることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記脱離アンモニアは、生物脱硫塔内の硫黄酸化細菌と接触する循環水の循環ライン中に供給するように構成したことを特徴とするバイオガス生成システムである。
本発明によれば、生物脱硫塔内の硫黄酸化細菌を活性化する循環水の循環ライン中に、脱離アンモニアを供給するので、該循環水を効果的に中和することができる。

本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記脱離アンモニアを、生物脱硫塔に直接導入するように構成したことを特徴とするものである。
本発明によれば、生物脱硫塔において、循環水を効果的に中和することができる。

本発明の第４の態様は、有機性廃棄物を発酵槽で発酵させてバイオガスを生成し、該バイオガスを生物脱硫塔に通して脱硫処理を行って精製バイオガスを生成するバイオガス生成方法であって、発酵槽より発酵液の一部取り出し、その取り出した発酵液からアンモニアを脱離して、その脱離アンモニアを前記生物脱硫塔に供給することを特徴とするものである。
本発明によれば、第１の態様と同様の作用効果が得られる。

本発明によれば、中和剤を別途用いることなく生物脱硫塔内の硫黄酸化細菌を活性化する循環水を中和することができる。

本発明に係るバイオガス生成システムの一実施形態を図１に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係るバイオガス生成システムの一態様を示す概略構成図である。バイオガスには、メタン発酵によるもの、水素発酵によるもの等があるが、本発明はこれらの各発酵に同様に適用することができる。以下の説明ではメタン発酵によるバイオガス生成システムについて説明するが、水素発酵によるバイオガス生成システムの場合も、ほぼ同様のプロセス又はシステムとなる。

図１のバイオガス生成システムは、主要な構成要素として、バイオマスすなわち有機性廃棄物が送られて該有機性廃棄物を発酵させてバイオガス１と発酵液９を生成する発酵槽３と、該発酵槽３からバイオガスライン５を介して前記バイオガス１が送られ、該バイオガス１を硫黄酸化細菌と接触させて脱硫処理を行う生物脱硫塔７とを備えている。

更に、発酵槽３より取り出しライン１０を介して一部取り出した発酵液９０からアンモニアを脱離してアンモニア含有空気１３を生成するアンモニア脱離塔１１を備えている。符号１４はブロワを示す。アンモニア脱離塔１１は該ブロワ１４から供給される空気によって、発酵液９０中からアンモニアを脱離するもので、気液接触機能を有しており、棚段塔や充填塔が好適に用いられる。

該アンモニア脱離塔１１で生成された脱離アンモニア含有空気１３は、供給ライン１２を介して生物脱硫塔７に供給される。具体的には、脱離アンモニア含有空気１３は、生物脱硫塔７内の担持部８に担持されている硫黄酸化細菌６と接触する循環水の循環ライン１７に接続され、該ライン１７中の循環水１５に供給するように構成されている。

符号１９は循環液タンクを示し、循環水１５は、ポンプ２１によって循環ライン１７を循環して硫黄酸化細菌６と連続的に接触し、該硫黄酸化細菌６を活性化するように構成されている。ここで、脱離アンモニア含有空気１３中の酸素は、生化学反応で硫化水素を酸化する駆動源となる。

符号２３はスラリータンクを示し、発酵液９中の発酵汚泥は、送給ラインＡ、Ｄを介してスラリータンク２３に送られて数ヶ月間貯留されるようになっている。本実施の形態では、発酵汚泥は発酵槽３底部からから送給ラインＡを通って循環液タンク１９に送られ、該循環液タンク１９から送給ラインＤを通ってスラリータンク２３に送られるようになっている。アンモニア脱離塔１１内の発酵液９０中の発酵汚泥も、送給ラインＢから循環液タンク１９を経てスラリータンク２３に送られるようになっている。このように、発酵液９，９０中の発酵汚泥を循環液タンク１９を経てスラリータンク２３に送る構成としたことにより、生物脱硫塔７に循環する液のアルカリ度を十分に上げるという作用効果が得られる。

また、循環液タンク１９にはブロワ２５から空気が供給される。該空気の供給により生物脱硫塔に循環する液中の好気性化が維持できるという作用効果が得られる。

発酵槽３は、有機性廃棄物が供給部２７から槽内に供給される。有機性廃棄物は、発酵槽３内にて嫌気性雰囲気下でメタン発酵菌によってメタン発酵され、バイオガス１と発酵液９を生成する。発酵槽３内の温度は５５℃に設定され、高温メタン発酵を行うようになっている。有機性廃棄物の発酵槽３での滞留時間は例えば１５日間（槽容積／投入抜出量＝１５日）に設定される。

本発明で使用する有機性廃棄物（バイオマス）としては、例えば、生ごみ、排水処理汚泥、畜産廃棄物や緑農廃棄物などを挙げることができる。ここで、畜産廃棄物としては、家畜の糞尿や、屠体、その加工品が挙げられ、より具体的にはブタ、牛、羊、山羊、ニワトリなどの家畜の糞尿やこれらの屠体、そこから分離された骨、肉、脂肪、内臓、血液、脳、眼球、皮、蹄、角などのほか、例えば肉骨粉、肉粉、骨粉、血粉などに代表される家畜屠体の骨、肉等を破砕した破砕物や、血液などを乾燥した乾燥物も含まれる。その他の廃棄物としては、家庭の生ごみのほか、産業廃棄物生ごみとして農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等が含まれる。なお、有機性廃棄物の状態により、必要に応じて前処理として破砕・分別工程を実施することができる。

生物脱硫塔７の手前位置のバイオガスライン５には空気供給部３１が設けられている。この空気供給部３１からバイオガス１中に空気を供給し、その状態でバイオガス１が生物脱硫塔７内に送り込まれる。そして、該生物脱硫塔７の上部から上記の如く循環水１５を散水することで、担持部８に担持されている硫黄酸化細菌６が活性化されて脱硫、すなわち硫化水素を硫酸にまで酸化する。これによりバイオガス１中の硫化水素が除去された精製バイオガスが生物脱硫塔７の上部の取り出しライン４から得られる。

前記脱硫により生成した硫酸は、循環水１５に含まれて生物脱硫塔７の底部から循環液タンク１９内に排出される。循環液タンク１９内の活性化水は、循環水１５となって循環ライン１７中を循環される。この循環により循環液タンク１９内の水は次第に硫酸濃度が高くなっていく。本実施の形態は、この硫酸が脱離アンモニア含有空気１３によって中和されるようになっている。

次に、上記実施の形態の作用を説明する。
本実施の形態によれば、発酵液９からアンモニアを脱離して脱離アンモニア含有空気１３を生成し、該脱離アンモニア含有空気１３を生物脱硫塔７に供給するので、中和剤を別途用いることなく生物脱硫塔７の循環水１５を中和し、該循環水１５を所望のｐＨ範囲であるｐＨ５〜９の範囲、望ましくは５．５〜８．５の範囲、すなわち中性付近に維持することができる。すなわち、発酵の際に生成される発酵液９中のアンモニアを、前記循環水１５の中和に利用するので、自前のアンモニアで循環水１５を中和することになり、コストダウンを図ることができる。

また、脱離アンモニア含有空気１３を生成するに際し、発酵槽９より一部取り出した発酵液９０からアンモニアを脱離するので、必要なアンモニアの量を無駄なく効率的に得ることができる。更に、本実施の形態では、生物脱硫塔７内の硫黄酸化細菌６を活性化する、好気性に維持した循環液の循環ライン１７中に脱離アンモニア含有空気１３を注入するので、循環水１５を効果的に中和および好気化することができる。

アンモニア脱離塔１１内への発酵液９０の送液量、ブロワ１４による送風量、生物脱硫塔７の循環水１５の循環液量は、ｐＨ電極によるｐＨ値によって増減制御することが好ましい。
例えば、送給ラインＢにｐＨ電極（図示せず）を設置し、そこのｐＨをモニターしてｐＨ値が７．５以上を保つように発酵液９０の送液量を調整することによって、効率の良いアンモニア脱離が可能になる。

また、循環ライン１７にｐＨ電極（図示せず）を設置し、そこのｐＨをモニターしてｐＨ値が７〜８のレベルを保つように、ブロワ１４による送風量および／又は生物脱硫塔７の循環水１５の循環液量を増減制御することによって、効率の良い脱硫が可能になる。

［他の実施例］
図２は、本発明に係るバイオガス生成システムの他の態様を示す概略構成図である。本態様では、前記脱離アンモニア含有空気１３を供給ライン１２を介して生物脱硫塔７に直接導入するように構成されている。その他の構成は、図１に示した態様と同様なので同一部分に同一符合を付してその説明は省略する。本態様においても図１の態様と同様の作用効果が得られる。

表１は、図１に示した実施の形態において、バイオマスを４ｔ／日処理した時点おける送給ラインＡ内の発酵液９、送給ラインＢ内の発酵液９０、及び循環ライン１７中の送給ラインＣ部分における循環水１５について、全窒素濃度（Ｔ−Ｎ）、アンモニア態窒素濃度（ＮＨ_４ ^＋−Ｎ）、ｐＨ値の測定結果を示す。表２は比較例で、アンモニア脱離塔１１を設けないで同量のバイオマスを処理した時点におけるラインＣ部分における循環水の同測定値を示す。比較例では循環水のｐＨが硫酸によって大きく低下しているが、本発明の実施の形態では循環水１５のｐＨが中性付近に維持されていることが解る。

一方、生物脱硫塔７を通す前のバイオガスライン５中のバイオガスの組成は、メタンガスが５３体積％、二酸化炭素が４７体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が１５００ｐｐｍであったところ、前記比較例においては、精製バイオガスの組成はメタンガスが６０体積％、二酸化炭素が４０体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が３０ｐｐｍであるのに対し、本実施の形態では、精製バイオガスの組成はメタンガスが６０体積％、二酸化炭素が４０体積％、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）が０ｐｐｍであった。

本発明は、バイオマスすなわち有機性廃棄物を発酵槽で発酵させてバイオガスを生成し、該バイオガスを生物脱硫塔に通して脱硫処理を行って精製バイオガスを生成するバイオガス生成システムおよび方法に利用可能である。

本発明に係るバイオガス生成システムの一実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係るバイオガス生成システムの他の実施の形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ バイオガス
３ 発酵槽
５ バイオガスライン
６ 硫黄酸化細菌
７ 生物脱硫塔
８ 担持部
９ 発酵液
１１ アンモニア脱離塔
１３ 脱離アンモニア含有空気
１４ ブロア
１５ 循環水
１７ 循環ライン
１９ 循環液タンク
２１ ポンプ
２３ スラリータンク
９０ 発酵液

Claims (1)

1. 有機性廃棄物を発酵させてメタンガスと硫化水素を含むバイオガス（１）を生成する発酵槽（３）と、
   該発酵槽（３）から送られた前記バイオガス（１）と空気供給部（３１）から供給される空気を、下方より導入し、上向流する過程で、該バイオガス中の硫化水素を坦持部（８）に坦持された硫黄酸化細菌により酸化して生物脱硫処理を行う生物脱硫塔（７）と、を備え、
   前記生物脱硫塔（７）内の坦持部（８）の上部から散水される循環水（１５）は、前記坦持部（８）に坦持された硫黄酸化細菌と接触し、硫化水素が酸化されて生成された硫酸を含みながら前記生物脱硫塔（７）の底部から外部の循環液タンク（１９）に排出され、
   該循環液タンク（１９）内には、空気が供給され、当該空気に含まれる酸素を溶解した循環水（１５）は、循環ライン（１７）を介して前記坦持部（８）から散水可能なように循環され、
   前記発酵槽（３）より一部取り出した発酵液を導入して、該発酵液に空気を供給してアンモニアを脱離するアンモニア脱離塔（１１）を備え、
   該アンモニア脱離塔（１１）で脱離された脱離アンモニア含有空気（１３）を前記循環ライン（１７）を介して前記生物脱硫塔（７）の上方から坦持部（８）に導入して前記硫酸を中和すると共に、
   該循環液タンク（１９）から循環ライン（１７）を介して前記坦持部（８）から散水される循環水（１５）に、前記循環液タンク（１９）内に供給される酸素と、前記脱離アンモニア含有空気（１３）から供給される酸素の両方から、酸素を供給するように構成したことを特徴とするバイオガス生成システム。

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