JP5330436B2

JP5330436B2 - バイオガスの生物脱硫装置及びその洗浄方法

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Publication number: JP5330436B2
Application number: JP2011057240A
Authority: JP
Inventors: 泰彦永森; 伸行足利; 芳夫中山
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Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
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Description

本発明の実施形態は硫化水素などを含む消化ガスのようなバイオガスを脱硫処理するためのバイオガスの生物脱硫装置及びその洗浄方法に関する。

下水汚泥や生ごみといった有機性廃棄物や食品工場排水などの有機性排水の処理法としてメタン発酵処理が多く適用されてきている。メタン発酵処理では、有機性排水を生物反応槽に投入し、反応槽内に充填したメタン発酵細菌群により有機物を分解し、メタンガスを主成分とするバイオガスを生成すると共に、排水中の有機物を分解除去する処理方法である。

しかしながら、排水中にたんぱく質由来の硫黄成分が含まれている場合、硫酸還元菌の作用により硫黄成分が還元されて硫化水素ガスが発生し、バイオガス中に硫化水素ガスが含まれる。この硫化水素ガスは、バイオガスを利用する際に種々の問題を引き起こすため、バイオガスから除去する必要がある。例えばバイオガス中に含まれるメタンガスをボイラーなどの燃料として使用する場合には、バイオガスを燃焼させたときにバイオガス中の硫化水素ガスが酸化されて硫黄酸化物が生成され、さらに硫黄酸化物から硫酸が生成され、機器を腐食させるおそれがあるため、硫化水素をバイオガスから除去する必要がある。

バイオガス中に含まれる硫化水素ガスを除去する方法としては、酸化鉄などの吸着剤を用いて硫化水素を吸着除去する乾式脱硫方法や、アルカリなどを用いた水溶液に吸収除去する湿式脱硫方法が利用されている。しかし、これらの方法は、吸着のために吸着剤などの薬品が必要であることと、吸着後の吸着剤が廃棄物になることから、ランニングコストが高騰する。

そこで、低ランニングコストで脱硫を行うシステムとして例えば特許文献１が提案されている。しかし、この脱硫技術においては、充填材層下部や充填材層の支持部に増殖した生物膜や除去された硫化水素が酸化して生成する単体硫黄などの生成物により充填材層中の流路（間隙）が閉塞しやすいといった問題がある。それを解決する手段として例えば特許文献２や特許文献３が提案されている。

特開平２−２６６１５号公報特許第３７５０６４８号公報特開２００２−７９０３７号公報

析出した硫黄や増殖した硫黄酸化細菌により充填材層が閉塞した際には、充填材層の洗浄が行われる。その手順としては、反応塔に流入するバイオガスラインと処理ガスが排出されるガスラインを閉め、反応塔上部に設置された排気弁を開けて充填材層の高さ以上まで水を張り、空気にて充填材層に曝気することで充填材を流動させて洗浄を行った後、内部の水の排出を行い、反応塔に流入するバイオガスラインを開けてバイオガスにて反応塔内のガス置換を行った後に排気弁を閉め、処理ガスが排出されるガスラインを開けることにより洗浄操作が終了する。この洗浄期間中はバイオガスの脱硫処理を行うことができないため、乾式脱硫などのバックアップ設備が必要となる。

また、反応塔内を置換するためには、脱硫されていない未処理のバイオガスを系外に排出することになり、周辺環境に臭気などの問題が発生するとともに、バイオガス中に含まれるメタンによる引火などの危険性がある。

また、反応塔内のバイオガスによる置換が不十分な場合には、後段に設置された乾式脱硫に酸素が混入するため、乾式脱硫において酸化鉄と硫化水素との反応により発熱を生じるという問題も生じる。

本発明は上記の課題を解決するものであり、生成した硫黄などにより充填材層が閉塞した際にも、バイオガスを通気しながら、かつ空気の混入が無い充填材層の洗浄を行なうバイオガスの生物脱硫装置及びその洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明に係るバイオガスの生物脱硫装置は、有機物のメタン発酵処理で発生するバイオガスを供給するバイオガス供給源5と、前記バイオガスに含まれる硫黄分を微生物反応により分解する微生物を保持する充填材層3を含む液相部22を有し、前記液相部の上方に気相部21を有する反応塔2と、少なくとも前記充填材層3の一部が浸漬状態となるように前記反応塔2内に水を供給する給水手段4,L4,6,11と、前記バイオガス供給源から前記反応塔の気相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記気相部に導入する上部バイオガス導入ラインL2と、前記バイオガス供給源から前記充填材層よりも下方の前記液相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記液相部の水中に吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層の洗浄を行わせる下部バイオガス導入ラインL3と、を有することを特徴とする。

本発明に係る生物脱硫装置の洗浄方法は、有機物のメタン発酵処理で発生するバイオガスを反応塔内に導入し、前記反応塔内に設けられた充填材層にバイオガスを通過させ、該バイオガスに含まれる硫黄分を充填材に吸着させ、前記充填材に保持された微生物の微生物反応により硫黄分を分離した後に、脱硫処理前のバイオガスを前記反応塔内の液相部に導入し、バイオガスの曝気流動によって前記充填材層の洗浄を行うことを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係るバイオガスの生物脱硫装置を示す構成ブロック図。第２の実施形態に係るバイオガスの生物脱硫装置を示す構成ブロック図。第３の実施形態に係るバイオガスの生物脱硫装置を示す構成ブロック図。

以下に本発明の種々の好ましい実施の形態を説明する。

（１）本実施形態のバイオガスの生物脱硫装置は、有機物のメタン発酵処理で発生するバイオガスを供給するバイオガス供給源と、前記バイオガスに含まれる硫化水素を微生物反応により分解する微生物を保持する充填材層を含む液相部を有し、前記液相部の上方に気相部を有する反応塔と、少なくとも前記充填材層の一部が浸漬状態となるように前記反応塔内に水を供給する給水手段と、前記バイオガス供給源から前記反応塔の気相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記気相部に導入する上部バイオガス導入ラインと、前記バイオガス供給源から前記充填材層よりも下方の前記液相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記液相部の水中に吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層の洗浄を行わせる下部バイオガス導入ラインと、を有することを特徴とする。

バイオガスに含まれる硫黄分は、環境中において以下に示すようにその状態が様々に変遷して種々の形態をとる。これらのうち特に固体状態の硫黄（Ｓ）が系内で発生すると、種々の不都合を生じる。具体的には充填材の表面に固体の硫黄（Ｓ）が析出し、析出硫黄により充填材層に目詰まりを生じ、水の流動が阻害されて脱硫の処理効率が低下する。

H₂S（気体）→ HS（液体）→ S^2-（液体）→ S（固体）→ SO（液体）→ SO₄（液体）
そこで、本実施形態の装置では、充填材層よりも下方の液相部に下部バイオガス導入ラインのガス噴出部を設置し、脱硫処理前の未処理のバイオガスを液相部の水中に吹き込み、その直上の充填材層に対して未処理バイオガスによるガスバブリングを行う。この吹き込みバイオガスの曝気流動により、充填材の表面に析出・付着した固体硫黄が充填材から離脱する。離脱した固体硫黄は、水中を浮遊する浮遊物質（SS）となり、水とともに系外に排出される。

一方、洗浄処理に用いたバイオガスは、気相部に存在するバイオガスと合流し、非定常的な洗浄プロセスから定常的な脱硫プロセスに運転を切り替えた後に、一括して脱硫処理される。

このようにして本実施形態によれば、気相部に元から存在するバイオガスをエア等の他のガス種に置換することなく、脱硫処理プロセス中において脱硫処理装置より後段側の操作を停止することなく、洗浄処理プロセスを脱硫処理プロセスと同時並行して進行させることができるため、脱硫処理の効率を大きく低下させることなく、充填材層の目詰まりを効率よく解消することができる。

（２）上記（１）の生物脱硫装置において、前記気相部から前記液相部までの間に設けられた洗浄ラインと、前記洗浄ラインに設けられたガス送給手段と、前記充填材層よりも下方の液相部に位置するように前記洗浄ラインの端部に取り付けられた多孔管と、をさらに有し、前記給水手段の給水により前記充填材層の最上部まで水中に浸漬した状態で、かつ、前記バイオガス供給源から前記上部バイオガス導入ラインを介して前記気相部にバイオガスを導入した状態で、前記ガス送給手段により前記気相部から前記洗浄ラインを通って前記多孔管から前記液相部の水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層を洗浄することができる（図１）。

本実施形態では、給水手段からの水の供給により充填材層の最上部まで水中に浸漬する液相部を形成する一方で、上部バイオガス導入ラインを介するバイオガス供給源からの無酸素状態のバイオガスの導入によりバイオガスで満たされた気相部を形成する。次いで、この状態でガス送給手段（ブロワ）を起動させ、気相部の未処理バイオガスを洗浄ラインを介して液相部の水中に吹き込む。この吹き込みバイオガスの曝気流動により、充填材の表面に析出・付着した固体硫黄が充填材から離脱し、離脱した固体硫黄が水中を浮遊する浮遊物質（SS）となり、水とともに系外に排出される。

本実施形態によれば、上記（１）の下部バイオガス導入ラインからのガス吹き込みに加えてさらに洗浄ラインの多孔管からガスを吹き込むため、２つのガスバブリングの相乗効果によって充填材層中の曝気流動がさらに活発化し、さらに短時間の洗浄処理操作で充填材層の目詰まりが解消される。

（３）上記（１）又は（２）の装置において、前記気相部に導入されたバイオガスに水を噴霧する散水機構と、前記散水機構に水を供給するポンプを有する散水ラインと、前記反応塔の底部から前記散水ラインまでの間に設けられ、前記液相部にある水を前記散水ラインに送り、前記散水ラインと前記反応塔との間で循環させる第１の循環ラインと、をさらに有することができる（図２）。

本実施形態によれば、水は散水ライン→散水機構→反応塔上部の気相部→充填材層→反応塔底部の液相部→第１の循環ライン→ポンプ→散水ラインからなるループ回路を通って循環する間に、水／バイオガス間の接触率が増大し、充填材への硫化水素の吸着率（捕捉率）が増加して最終的には脱硫効率が向上する。

（４）上記（３）の装置において、前記ポンプの下流側で前記散水ラインから分岐し、前記充填材層よりも下方の前記液相部に連通する第２の循環ラインと、前記第２の循環ラインに空気を導入して循環水に酸素を溶解させる給気装置と、をさらに有することができる（図２）。

本実施形態によれば、水は、上記（３）の第１のループ回路に加えてさらに散水ライン→第２の循環ライン→充填材層直下の液相部→第１の循環ライン→ポンプ→散水ライン→からなる第２のループ回路を通って循環する間に、水／バイオガス間の接触率がさらに大きくなり、充填材への硫化水素の吸着率（捕捉率）が増加する。

（５）上記（１）の装置において、前記充填材層として前記反応塔内に互いに離間して多段に配置された複数の充填材層と、前記複数の充填材層の相互間スペースに連通し、前記気相部の一部を成す前記相互間スペースにバイオガスを導入する中間バイオガス導入ラインと、前記相互間スペースを含む前記気相部と最下段の充填材層を含む前記液相部とにそれぞれ連通する洗浄ラインと、前記洗浄ラインに設けられたガス供給手段と、をさらに有し、前記給水手段の給水により前記充填材層の最上部まで水中に浸漬した状態で、かつ、前記バイオガス供給源から前記中間バイオガス導入ラインを介して前記相互間スペースにバイオガスを導入した状態で、前記ガス送給手段により前記気相部から前記洗浄ラインを通って前記相互間スペースの水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層を洗浄することができる（図３）。

本実施形態では、上記（１）の下部バイオガス導入ラインからのガス吹き込みと、上記（２）の洗浄ラインの多孔管からのガス吹き込みとに加えて、さらに中間バイオガス導入ラインを介して相互間スペースにもガスを吹き込むため、上段の充填材層中の曝気流動がさらに活発化し、最下段の充填材層と同様に短時間の洗浄処理操作で上段の充填材層の目詰まりを解消することができる。

（６）本実施形態の生物脱硫装置の洗浄方法は、（ａ）バイオガスに含まれる硫黄分を微生物反応により分解する微生物を保持した充填材層を反応塔の内部に設け、前記充填材層の少なくとも一部が水中に浸漬されるように前記反応塔の内部に水を供給し、水中に没する液相部と水中に没しない気相部とを前記反応塔内に形成した状態で、有機物のメタン発酵処理で発生するバイオガスを前記気相部に導入し、（ｂ）前記充填材層にバイオガスを通過させ、該バイオガスに含まれる硫黄分を前記充填材層の充填材に吸着させ、前記充填材に保持された微生物の微生物反応により硫黄分を分離し、（ｃ）脱硫処理前のバイオガスを前記液相部に導入し、バイオガスの曝気流動によって前記充填材層の洗浄を行うことを特徴とする。

本実施形態の方法では、脱硫処理前のバイオガス（未処理バイオガス）を充填材層よりも下方の液相部の水中に吹き込み、その直上の充填材層に対して未処理バイオガスによるガスバブリングを行う。この吹き込みバイオガスの曝気流動により、充填材の表面に析出・付着した固体硫黄が充填材から離脱する。離脱した固体硫黄は、水中を浮遊する浮遊物質（SS）となり、水とともに系外に排出される。

（７）上記（６）の方法において、前記工程（ａ）では、前記充填材層の下方に前記気相部に連通する多孔管を設置し、前記充填材層の最上部が水中に没するように前記反応塔内に給水し、前記充填材層が浸漬した状態とし、前記工程（ｃ）では、前記気相部から前記液相部の水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層を洗浄することができる。

本実施形態によれば、上記（６）の下部バイオガス導入ラインからのガス吹き込みに加えてさらに洗浄ラインの多孔管からガスを吹き込むため、２つのガスバブリングの相乗効果によって充填材層中の曝気流動がさらに活発化し、さらに短時間の洗浄処理操作で充填材層の目詰まりを解消することができる。

（８）上記（６）の方法において、前記工程（ｃ）では、前記気相部に導入されたバイオガスに対して散水機構により水を噴霧する一方で、前記液相部にある水を前記散水機構に送り、前記散水機構と前記反応塔との間で水を循環させることができる。

（９）上記（６）の方法において、前記工程（ａ）では、前記散水機構の散水ラインから分岐する循環ラインを設けるとともに、前記循環ラインに空気を導入する空気供給装置を設け、前記工程（ｃ）では、前記循環ラインを介して前記充填材層よりも下方の前記液相部に水を送り、該液相部と前記散水機構との間で水を循環させ、前記空気供給装置により前記循環ライン内に空気を導入して循環水に酸素を溶解させることができる。

本実施形態によれば、水は、上記（８）の第１のループ回路に加えてさらに散水ライン→第２の循環ライン→充填材層直下の液相部→第１の循環ライン→ポンプ→散水ライン→からなる第２のループ回路を通って循環する間に、水／バイオガス間の接触率がさらに大きくなり、充填材への硫化水素の吸着率（捕捉率）が増加する。

（10）上記（６）の方法において、前記工程（ａ）では、前記充填材層として前記反応塔内に互いに離間して多段に配置された複数の充填材層と、前記複数の充填材層の相互間スペースに連通し、前記気相部の一部を成す前記相互間スペースにバイオガスを導入する中間バイオガス導入ラインと、前記相互間スペースを含む前記気相部と最下段の充填材層を含む前記液相部とにそれぞれ連通する洗浄ラインと、前記洗浄ラインに設けられたガス供給手段と、前記充填材層の下方に前記気相部に連通する多孔管と、をそれぞれ設け、前記充填材層の最上部が水中に没するように前記反応塔内に給水し、前記充填材層が浸漬した状態とし、前記工程（ｃ）では、前記ガス送給手段により前記気相部から前記洗浄ラインを通って前記相互間スペースの水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層を洗浄することができる。

本実施形態では、上記（６）のバイオガス吹き込みと、上記（７）の洗浄ラインの多孔管からのガス吹き込みとに加えて、さらに中間バイオガス導入ラインを介して相互間スペースにもガスを吹き込むため、上段の充填材層中の曝気流動がさらに活発化し、最下段の充填材層と同様に短時間の洗浄処理操作で上段の充填材層の目詰まりを解消することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の種々の実施の形態をそれぞれ説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して第１の実施形態の装置を説明する。

本実施形態に係るバイオガスの生物脱硫装置１は、円筒状または角筒状の反応塔２と、微生物を担持する充填材が充填された充填材層３と、この充填材層３の微生物に水分を供給するための散水機構４，６，１１と、反応塔２内の適所にバイオガスを供給するための複数のガス導入ラインＬ２，Ｌ３に接続されたバイオガス供給源５と、充填材層３を洗浄処理するための洗浄機構８，９，Ｌ２，Ｖ１とを備えている。

充填材層３は、反応塔２内のほぼ中央位置に配置されている。反応塔２の内部には水が貯留され、上部の気相部２１と下部の液相部２２とに分かれている。水は、充填材層３の最上部が冠水するところまで、すなわち充填材層３の全部が浸漬するところまで貯留されている。

充填材層３には微生物を担持する担体となる充填材が層状に充填されている。充填材層３において、充填材は、水およびガスが容易に通流できる十分な間隙が形成されるように充填されている。また、充填材は、反応塔２から流出しないように、比重が１よりも大きく、サポート部材により支持・固定されている。サポート部材として多孔板、スクリーンあるいはネットを用いることができる。充填材は、表面に微生物が付着しやすく、微生物を担持するのに適した材質、形状、大きさに形成されている。充填材の材料として、ポリプロピレンやポリエチレンのようなプラスチック材料、あるいはセラミック材料や耐食性金属材料を用いることができる。また、充填材の形状は、球状、円筒状、ひも状、ハニカム状など種々の形状とすることができる。また、充填材の大きさは、反応塔から容易に流出しないような大きさ、例えば直径１ｃｍから５ｃｍ程度とすることができる。

充填材に担持される微生物は、バイオガスに含まれる硫化水素との間で反応を生じて硫化水素を分解し、分解した硫黄分を吸着して捕捉する活性を有している。このような微生物として硫黄酸化菌を用いることができる。

反応塔２には、複数のガス導入ラインＬ２，Ｌ３と単一のガス排出ラインＬ５がそれぞれ接続されている。これら複数のガス導入ラインＬ２，Ｌ３は切替バルブＶ１を介してバイオガス供給源５のガス供給ラインＬ１にそれぞれ連通している。一方のガス導入ラインＬ２は、充填材層３の下方スペース（液相部２２）にバイオガスが導入されるように反応塔２の下部に連通している。他方のガス導入ラインＬ３は、充填材層３の上方スペース（気相部２１）にバイオガスが導入されるように反応塔２の上部に連通している。

散水機構は、ラインＬ１１，Ｌ４，Ｌ４１によって直列に接続された給水源１１、三方切替弁Ｖ３、ポンプ６および散水管４を備えている。ラインＬ１１とラインＬ４とが連通するように切替弁Ｖ３の流路を切り替えてポンプ６を起動すると、給水源１１→給水ラインＬ１１→切替弁Ｖ３→送水ラインＬ４→ポンプ６→散水ラインＬ４１→散水管４の順に水が供給されるようになっている。散水管４は気相部２１の上部に配置された多孔管からなり、多数の孔から水を散布して気相部２１内のバイオガスと水とが気液接触し、バイオガス中に含まれる硫化水素が水滴とともに液相部２２に移行し、充填材層３において充填材に担持された微生物に硫化水素が接触して脱硫反応を生じるようになっている。なお、給水源１１は図示しないポンプを内蔵しており、この内蔵ポンプの駆動により反応塔２内への最初の水張りを行うことができるようになっている。

排出ラインＬ５が反応塔２の最上部に接続され、脱硫処理後のバイオガスが気相部２１から排出ラインＬ５を通って処理ガス貯蔵装置７に排出されるようになっている。処理ガス貯蔵装置７は、図示しないガス供給ラインにより図示しないガスボイラに接続され、脱硫処理されたバイオガスを燃料としてガスボイラに送るようになっている。

洗浄機構は、洗浄ラインＬ６、昇圧ブロワ８およびガス吹込み管９を備えている。洗浄ラインＬ６は気相部２１から液相部２２までの間に設けられ、液相部側の端部がガス吹込み管９に接続されている。ガス吹込み管９は、多数の孔を有する多孔管からなり、充填材層３の直下にほぼ水平に配置されている。昇圧ブロワ８は、洗浄ラインＬ６の適所に取り付けられ、気相部２１からのバイオガスを昇圧してガス吹込み管９に送り、ガス吹込み管９から液相部２２の水中にバイオガスを吹き込ませるようになっている。

バイオガス供給源５は、有機性廃棄物や有機性排水をメタン発酵処理して得たバイオガスを無酸素状態で一時的に貯蔵しておく圧力容器を備え、バルブＶ１の開閉に応じて反応塔２にバイオガスを供給するための設備である。メタン発酵処理は嫌気性のクローズドプロセスであるため、バイオガス供給源５の圧力容器のなかは陽圧に保たれており、バルブＶ１を開くだけの操作でバイオガスが供給源５から反応塔２に向けて送り出されるようになっている。

バルブＶ１は３つのラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に接続された三方切替弁である。三方切替弁Ｖ１の上流側の流路はバイオガス供給ラインＬ１に接続されている。三方切替弁の下流側の流路は２つに分岐し、一方の分岐流路が上部バイオガス導入ラインＬ２に接続され、他方の分岐流路が下部バイオガス導入ラインＬ３に接続されている。定常運転時にはバイオガスの脱硫処理のために一方の分岐流路のほうを開けて上部バイオガス導入ラインＬ２を介して気相部２１に無酸素状態のバイオガスが導入されるようになっている。一方、洗浄運転時には充填材層３の洗浄処理のために他方の分岐流路のほうを開けて下部バイオガス導入ラインＬ３を介して液相部２２に無酸素状態のバイオガスが導入されるようになっている。

循環ラインＬ４３が反応塔の液相部２２の下部から三方切替弁Ｖ３までの間に設けられている。これにより反応塔２（液相部２２）→ラインＬ４３→切替弁Ｖ３→ラインＬ４→ポンプ６→ラインＬ４１→散水管４→反応塔２（気相部２１）→充填材層３→反応塔２（液相部２２）からなる循環回路が形成されている。三方切替弁Ｖ３の流路を給水ラインＬ１１から循環ラインＬ４３に切り替えてポンプ６を起動すると、水が液相部２２から上述の循環回路を経由して液相部２２に返戻されるようになっている。

本実施形態の作用を説明する。

切替弁Ｖ３の流路を切り替えて給水ラインＬ１１を循環ラインＬ４３に連通させた後に、給水源１１の内蔵ポンプを起動し、給水源１１→給水ラインＬ１１→切替弁Ｖ３→ラインＬ４４の順に水を通流させて反応塔２の内部に水を供給し、充填材層３が完全に浸漬される水位まで給水し、所望の液相部２２を形成する。

次いで、切替弁Ｖ１を切り替えてガス供給ラインＬ１を上部バイオガス導入ラインＬ２に連通させ、バイオガス供給源５から無酸素状態のバイオガスを気相部２１に導入し、気相部２１の内部雰囲気をバイオガスに置換し、所望の気相部２１を形成する。

次いで、切替弁Ｖ３の流路を切り替えて循環ラインＬ４３を送水ラインＬ４に連通させた後に、ポンプ６を起動し、液相部２２→循環ラインＬ４３→切替弁Ｖ３→送水ラインＬ４→ポンプ６→散水ラインＬ４１→散水管４→気相部２１→充填材層３→液相部２２からなる循環回路に水を循環させる。これにより散水管４の多数の孔から水が散布され、気相部２１内で散布された水とバイオガスとが気液接触し、バイオガス中に含まれる硫化水素が水滴中に溶解し、水滴とともに気相部２１から液相部２２に移行する。そして、充填材層３において、硫化水素を溶解した水が充填材に担持された微生物と接触し、微生物反応により硫化水素が酸化処理され、酸化処理されなかった一部の硫黄分が固体硫黄（Ｓ）となり、これが充填材の表面に付着する。これにより硫黄分が捕捉・除去される。脱硫処理されたバイオガスは、気相部２１から排出ラインＬ５を通って処理ガス貯蔵装置７に送り出され、処理ガス貯蔵装置７で一時貯蔵された後にガスボイラの燃料に使用される。

ところで、酸化処理された硫化水素はすべてが硫酸にまで酸化されるのではなく、その一部が単体硫黄（固体）として充填材表面に析出する。析出した硫黄により充填材の隙間にある空間が閉塞し、硫化水素ガスの除去性能の低下と、反応塔の圧力損失が上昇する。すなわち、脱硫処理を繰り返し行うと、充填材に単体硫黄（固体）が付着し堆積することにより、充填材の相互間隙が狭くなり、充填材層３内において所謂目詰まりを生じるようになる。充填材層３に目詰まりを生じると、循環ポンプ６の負荷が増加するとともに、充填材層３における微生物／硫化水素間の接触効率が低下するので、脱硫処理の効率が大幅に低下する。このような充填材層３の目詰まりを解消することを目的として、以下に述べる洗浄処理を行い、充填材の表面に付着堆積した単体硫黄を除去する。

洗浄処理は次のようにして行う。

給水源１１からの給水により充填材層３の最上部まで水中に浸漬した状態で、かつ、バイオガス供給源５から上部バイオガス導入ラインＬ２を介して気相部２１にバイオガスを導入した状態で、ガス送給手段としてのブロワ８により気相部２１から洗浄ラインＬ６を通ってガス吹込み管９から液相部２２の水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動（ガスバブリング）により充填材層３の充填材を洗浄する。

さらに、切替弁Ｖ１の流路を切り替えてガス供給ラインＬ１を下部バイオガス導入ラインＬ３に連通させ、ガス供給源５からのバイオガスを液相部２２の下部（充填材層３よりも下方のスペース）に導入する。この下部バイオガス導入ラインＬ３から液相部２２に導入されるバイオガス量は、洗浄機構のガス吹込み管９から液相部２２に吹き込まれるバイオガス量よりも大きくすることができる。下部バイオガス導入ラインＬ３からの導入ガスとガス吹込み管９からの吹込みガスとの相乗効果により、充填材層３の洗浄効率が飛躍的に向上する。

本実施形態によれば、吹き込む気体にバイオガスを使用することにより、反応塔２内に過剰な空気や酸素を供給することを防止できるため、後段に設置された乾式脱硫への酸素の流入による発熱や、バイオガスの利用設備のメタンガス濃度の低下による不具合を防止することができる。

また、本実施形態によれば、上部バイオガス導入ラインＬ２を介して反応塔上部の気相部２１にバイオガスを導入し、導入したバイオガスをガスブロワ８を有する洗浄ラインＬ６を介して反応塔下部の液相部２２に吹き込み、反応塔内部のガスを循環使用して洗浄を行うことにより、バイオガス中の硫化水素の一部が反応塔内部に貯留された水に溶解・除去することが可能となる。この作用により、バイオガスに含まれる硫化水素の除去を行いながら、充填材の洗浄を行うことが可能となる。

また、本実施形態によれば、バイオガスにて洗浄を行う際に、循環ポンプ６を介して散水管４から散水を同時に行うことにより、充填材層３内に下降流を生じさせることにより、生成物が剥離しやすくなり洗浄を効率的に行うことが可能となる。

また、本実施形態によれば、単体硫黄などの蓄積により充填材層が閉塞した際に、反応塔２に過剰な酸素を供給することなく、充填材の洗浄を効率的に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上述した実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の生物脱硫装置１Ａは、給気装置１０、第２の循環ラインＬ４２および切替弁Ｖ４をさらに有している。給気装置１０は、ポンプ６から切替弁Ｖ４までの間の送水ラインＬ４に設けられ、送水ラインＬ４を通流する循環水に空気を導入するものである。この給気装置１０からの空気導入により循環水中に酸素が溶解され、硫化水素が硫黄酸化細菌の作用により酸化されて単体硫黄（固体）となり、バイオガスから除去されるようになっている。

第２の循環ラインＬ４２は、ポンプ６の下流側の切替弁Ｖ４のところで散水ラインＬ４１から分岐し、充填材層３よりも下方の液相部２２（充填材層３の直下が好ましい）に連通している。この第２の循環ラインＬ４２を通って循環水の一部を反応塔２の下部に導入することができるようになっている。

本実施形態の作用を説明する。

反応塔２内の貯留水をポンプ６の駆動により散水管４から散水させる際に、給気装置１０により循環水に空気を導入し、循環水中に酸素を溶解させる。反応塔上部の気相部２１に導入されたバイオガスは、洗浄ラインとしてのバイオガス循環ラインＬ６を通流する間に昇圧ブロア８により昇圧され、吹込み管９から反応塔下部の液相部２２の水中に吹き込まれる。この吹込みガスにより充填材層３の充填材が曝気流動（ガスバブリング）される。その際、バイオガス中に含まれる硫化水素は、反応塔下部に貯留された洗浄水に吸収される。給気装置１０により酸素を水に溶解させた状態で供給することにより、溶解した硫化水素が溶液内に存在する硫黄酸化細菌の作用により酸化されて単体硫黄（固体）となるためにバイオガスから除去することが可能となる。

本実施形態によれば、単体硫黄が析出して充填材層が閉塞した際にもバイオガスの脱硫処理を行いながら、充填材層の洗浄を行うことが可能となる。

本実施形態の給気装置１０では、酸素を溶解させた状態で反応塔２に供給するため、処理されたバイオガスに酸素が混入することを防止でき、後段に設置した乾式脱硫装置などに悪影響を与えないで、充填材層の洗浄を効率よく行うことが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、図３を参照して第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態が上述した実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の生物脱硫装置１Ｂは、反応塔内に複数の充填材層、すなわち上下２段の充填材層３１，３２を有している。上部充填材層３１と下部充填材層３２とは互いに離間して配置されている。上部充填材層３１と下部充填材層３２との間のスペースには中間バイオガス導入ラインＬ２２が接続され、この中間バイオガス導入ラインＬ２２を介して該中間スペースに脱硫処理前のバイオガス（無酸素状態のバイオガス）が導入されるようになっている。すなわち、中間バイオガス導入ラインＬ２２は、切替弁Ｖ２のところで上部バイオガス導入ラインＬ２から分岐した２つの分岐ラインのうちの１つである。他方の分岐ラインは上部バイオガス導入ラインＬ２１として気相部２１の上部、すなわち上部充填材層３１よりも上方の散水スペースに連通している。

洗浄機構は、バイオガス循環ラインとしての洗浄ラインＬ６、昇圧ブロワ８およびガス吹込み管９を備えている。洗浄ラインＬ６は、上部充填材層３１よりも上方の気相部２１から下部充填材層３２よりも下方の液相部２２までの間に設けられている。洗浄ラインＬ６の液相部側の端部はガス吹込み管９に接続されている。ガス吹込み管９は、多数の孔を有する多孔管からなり、下部充填材層３２の直下にほぼ水平に配置されている。昇圧ブロワ８は、洗浄ラインＬ６の適所に取り付けられ、気相部２１からのバイオガスを昇圧してガス吹込み管９に送り、ガス吹込み管９から液相部２２の水中にバイオガスを吹き込ませるようになっている。

なお、本実施形態では、複数の充填材層として上下２段の充填材層の例を示したが、本発明はこれのみに限られるものではなく反応塔内での圧力損失が許す範囲内で充填材層をさらに３段、４段、５段、６段と増やすことが可能である。

本実施形態の作用を説明する。

切替弁Ｖ３の流路を切り替えて給水ラインＬ１１を循環ラインＬ４３に連通させた後に、給水源１１の内蔵ポンプを起動し、給水源１１→給水ラインＬ１１→切替弁Ｖ３→ラインＬ４４の順に水を通流させて反応塔２の内部に水を供給し、下部充填材層３２が完全に浸漬される水位まで給水し、所望の液相部２２を形成する。このとき上部充填材層３１と下部充填材層３２との間の中間スペースは、水中に没しないオープンスペース（気相部２１の一部）とする。

次いで、切替弁Ｖ３の流路を切り替えて循環ラインＬ４３を送水ラインＬ４に連通させた後に、ポンプ６を起動し、液相部２２→循環ラインＬ４３→切替弁Ｖ３→送水ラインＬ４→ポンプ６→散水ラインＬ４１→散水管４→気相部２１の散水スペース→上部充填材層３１→中間スペース→下部充填材層３２→液相部２２からなる循環回路に水を循環させる。これにより散水管４の多数の孔から水が散布され、気相部２１内で散布された水とバイオガスとが気液接触し、バイオガス中に含まれる硫化水素が水滴中に溶解し、水滴とともに気相部２１から液相部２２に移行する。そして、上下２段の充填材層３１，３２において、硫化水素を溶解した水が充填材に担持された微生物と接触し、微生物反応により硫化水素が酸化処理され、酸化処理されなかった一部の硫黄分が固体硫黄（Ｓ）となり、これが充填材の表面に付着する。これにより硫黄分が捕捉・除去される。

ところで、本実施形態の装置１Ｂは充填材層の下方からバイオガスを流入させる方式であるため、充填材の下部に蓄積する硫黄量が多くなる。ちなみに、本発明者らが行った上下２段の充填材層３１，３２の実証試験の結果では、単体硫黄（Ｓ）の約８０％が下部充填材層３２のほうに蓄積していた。これは流入する硫化水素が高濃度の状態で下段の充填材層に接触することと、上部充填材層表面に蓄積した単体硫黄が、散水により下部に落下することが原因であると考えられる。

洗浄処理は次のようにして行う。

下部充填材層３２が閉塞した際に、下部充填材層３２の上部まで水を張り、中間バイオガス導入ラインＬ３２を介してバイオガスを反応塔１に流入させる。ポンプ６を介して散水管４から上部充填材層３１に散水を行い、上部充填材層３１にて脱硫処理を行う。一部脱硫が終わったガスをバイオガス循環ラインＬ６と昇圧ブロア８を介して反応塔２の下部に循環し、バブリングすることにより、下部充填材層３２の洗浄を行う。

これら構成により、反応塔２に過剰な空気を投入することなく閉塞した充填材層を洗浄することが可能となり、かつ上部充填材層により脱硫処理を平行して行うことが可能となる。

１，１Ａ，１Ｂ…生物脱硫装置、
２…反応塔、２１…気相部、２２…液相部、
３…充填材層、３１…上段充填材層、３２…下段充填材層、
４…散水管、５…バイオガス供給源、
６…ポンプ、７…処理ガス貯蔵装置、
８…昇圧ブロワ（ガス送給手段）、９…ガス吹込み管（多孔管）、
１０…給気装置、１１…給水源、
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４…切替弁、
Ｌ１…バイオガス供給ライン、Ｌ１１…給水ライン、
Ｌ２，Ｌ２１…上部バイオガス導入ライン、Ｌ２２…中間バイオガス導入ライン、
Ｌ３…下部バイオガス導入ライン、
Ｌ４，Ｌ４１…散水ライン、Ｌ４２…第２の循環ライン、Ｌ４３…第１の循環ライン、
Ｌ５…排出ライン、Ｌ６…洗浄ライン（バイオガス循環ライン）。

Claims

有機物のメタン発酵処理で発生するバイオガスを供給するバイオガス供給源と、
前記バイオガスに含まれる硫黄分を微生物反応により分解する微生物を保持する充填材層を含む液相部を有し、前記液相部の上方に気相部を有する反応塔と、
少なくとも前記充填材層の一部が浸漬状態となるように前記反応塔内に水を供給する給水手段と、
前記バイオガス供給源から前記反応塔の気相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記気相部に導入する上部バイオガス導入ラインと、
前記バイオガス供給源から前記充填材層よりも下方の前記液相部までの間に設けられ、脱硫処理前のバイオガスを前記液相部の水中に吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層の洗浄を行わせる下部バイオガス導入ラインと、
を有することを特徴とするバイオガスの生物脱硫装置。
前記気相部から前記液相部までの間に設けられた洗浄ラインと、前記洗浄ラインに設けられたガス送給手段と、前記充填材層よりも下方の液相部に位置するように前記洗浄ラインの端部に取り付けられた多孔管と、をさらに有し、
前記給水手段の給水により前記充填材層の最上部まで水中に浸漬した状態で、かつ、前記バイオガス供給源から前記上部バイオガス導入ラインを介して前記気相部にバイオガスを導入した状態で、前記ガス送給手段により前記気相部から前記洗浄ラインを通って前記多孔管から前記液相部の水中にバイオガスを吹き込み、吹き込みバイオガスの曝気流動により前記充填材層を洗浄することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記気相部に導入されたバイオガスに水を噴霧する散水機構と、
前記散水機構に水を供給するポンプを有する散水ラインと、
前記反応塔の底部から前記散水ラインまでの間に設けられ、前記液相部にある水を前記散水ラインに送り、前記散水ラインと前記反応塔との間で循環させる第１の循環ラインと、
をさらに有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の装置。