JP6101740B2 - バイオガスの生物学的脱硫方法 - Google Patents

Description

本願発明は、バイオガスの生物学的脱硫方法に係わり、詳しくはメタン発酵処理の工程で発生するバイオガスに含まれる硫化水素を硫酸に転換して効率的に処理する技術に関する。

有機性廃棄物または有機性廃水は水処理分野においてメタン発酵により処理され、メタンガスを主成分とするバイオガスが発生する。バイオガスはメタン発酵の方法によって濃度は異なるものの、主成分としてメタンを６５〜８５％、二酸化炭素を１５〜３５％、硫化水素を１０００〜６０００ｐｐｍ程度含んでいる。発生したバイオガス中のメタンをボイラーの燃料として利用が可能であり、ボイラーから発生した蒸気は加温設備にて有効利用できる。また、バイオガスはガスエンジンの燃料となり、発電も可能である。

バイオガス中に含まれる硫化水素は、燃焼の際に亜硫酸ガス（ＳＯ_２）に酸化され、発生する亜硫酸ガスは水分に溶解すると硫酸となり、大気中に放出されると酸性雨の原因となるだけでなく、燃焼ガスが施設内で冷却されると凝縮した水分によって硫酸となり、腐食などの問題を生じさせる。
そのため、バイオガスを利用するためには、硫化水素を除去することが重要な課題となっている。

バイオガス中の硫化水素除去方法には、乾式脱硫方法があり、酸化鉄を主成分としたペレット状の脱硫剤を用いて硫化水素を除去する。乾式脱硫方法においては、硫化水素は、酸化鉄と化学的に反応するため、脱硫剤の硫化水素の除去量は、酸化鉄の存在量に概ね比例する。脱硫剤の硫化水素除去反応に関与する酸化鉄がなくなると除去性能は低下し、新規剤に交換する必要がある。

他の脱硫方法には、本願発明のように微生物を利用した生物学的脱硫方法がある。生物学的脱硫方法は、バイオガスに微量の空気又は酸素を供給して、硫化水素を微生物により、以下の（式１）（式２）に示す反応経路で硫黄（Ｓ）または硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を生成させて除去する方法である。（式１）（式２）に関与する微生物は、充填材表面に付着したり浮遊することが可能であり、硫黄酸化細菌である好気性菌が自然界に多く存在する。微生物が関与するために、温度や水分は微生物の生存環境として必須である。

Ｈ_２Ｓ ＋ 1/2Ｏ_２ → Ｓ ＋ Ｈ_２Ｏ （式１）
Ｓ ＋ 3/2Ｏ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ＳＯ_４ （式２）

（式１）は硫化水素が硫黄酸化細菌により、単体硫黄（Ｓ）を生成する反応である。酸素が硫化水素の１／２ｍｏｌ以下の場合の主反応である。酸素が硫化水素の１／２ｍｏｌを超える場合には、硫黄酸化細菌によってさらに（式２）の反応を行い、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が生成する。硫化水素がすべて硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）に転換するには、硫黄酸化細菌の存在下で、理論的には酸素が硫化水素の２ｍｏｌ以上必要となる。

生物学的脱硫技術の一例として、特許文献１がある。
本方式では、処理が悪くなると、除去した硫化水素の一部は硫黄として析出し充填材に付着し、一部は硫酸に転換されている。析出した硫黄に対し、生物学的脱硫塔に水を張って曝気により剥離して処理性能を回復させる技術が記載されている。
担体に硫黄の析出がある場合、硫黄酸化菌が生成硫黄の付着により、生物反応が阻害されるため、当初の硫化水素除去能が加速度的に低下する欠点がある。

別な技術である特許文献２には、脱硫塔による処理ガスを循環させており、循環量の制御は脱硫塔後段に設置した圧力調整タンクの圧力値によって制御されており、圧力調整タンク後段でのガス利用設備で処理済のバイオガスの利用がない場合は圧力調整タンクにガスは貯留され、圧力調整タンク内のガスを脱硫塔への循環ガスとしている。

本方式において高濃度の硫化水素を含むバイオガスが流入した場合、圧力調整タンクの後段のガス利用設備で処理されたバイオガスが利用されていればバイオガスは循環されず、硫化水素の負荷が高い状態で処理されるため、硫黄が析出して脱硫性能が低下する原因を回避できないという欠点がある。

また、酸素含有気体の供給は、脱硫塔からの処理ガス流量に合わせて調整されており、脱硫塔後段の処理ガス流出ラインに設置した酸素濃度計で管理している。
本方式で酸素含有気体の供給量を制御した場合、硫黄が析出すると酸素を消費されなくなり、処理ガス中の酸素濃度が高くなり、酸素含有気体の供給量を低下させるように制御する。このため、本来は硫酸に転換するのに必要な酸素が不足して、硫黄の析出が促進され、処理性能がより低下する欠点がある。

特開２００３−３０５３２８号公報 特開２００６‐１４３７８０号公報

本願発明が解決しようとする課題は、上述した諸問題に鑑み、高負荷での硫化水素を効率的に処理し、且つ処理する硫化水素を硫酸に転換することで装置内の閉塞をなくし、洗浄などの工程をなくして低コストで処理が可能なバイオガスの生物学的脱硫方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明の生物学的脱硫装置及び生物学的脱硫方法は、以下の技術的特徴を備えている。

（１） 生物学的脱硫塔内に循環液を散水して生物学的に硫化水素を除去する生物学的脱硫方法において、
該生物学的脱硫塔内に微生物が付着する充填材からなる充填層を設け、
該生物学的脱硫塔内の該充填層の上流側に硫化水素を含むバイオガスを流入するバイオガス流入工程と、
該生物学的脱硫塔内の該充填層の下流側に処理ガスを排出する処理ガス流出工程と、
該処理ガスの一部を該生物学的脱硫塔内の該充填層の上流側に循環する循環ガス工程と、
該生物学的脱硫装塔内へ該バイオガスと前記処理ガスの一部を導入する際には、両者を混合して該生物学的脱硫塔内に導入する混合ガス工程とを有し、
混合ガスの硫化水素濃度が１００〜１０００ｐｐｍとなるように、該循環ガス工程の循環ガス量を調節することを特徴とする生物学的脱硫方法である。

（２） 前記混合ガス中の硫化水素濃度が、１５０〜５００ｐｐｍであることを特徴とする上記（１）に記載の生物学的脱硫方法である。

本願発明の生物学的脱硫方法を用いてバイオガスを処理することで、除去した硫化水素を硫酸に転換して硫黄の析出による閉塞の問題を解消し、高効率の生物学的な脱硫処理が維持される。

特に、混合ガスラインに硫化水素濃度計を設け、生物学的脱硫方法に適した混合ガス硫化水素濃度とするために循環ガス流量を制御することで、高負荷でも効率的に硫化水素を除去し、硫酸に転換することが可能となる。

また、循環ガス量を調整して混合ガス硫化水素濃度を１００〜１０００ｐｐｍとすることで硫酸転換率１００％として脱硫処理でき、１５０〜５００ｐｐｍとすることで硫化水素除去率９５％、硫酸転換率１００％で脱硫処理できることを確認している。

本願発明の生物学的脱硫装置の概略を示す図である。 本願発明の生物学的脱硫装置の概略を示す図であり、酸素含有気体流入ラインを混合ガスラインに直結した例を示す図である。 本願発明の生物学的脱硫装置の概略を示す図であり、バイオガスを上向流で処理する例を示す図である。 循環ガス量調節機構の制御フローチャートを示す図である。 酸素含有気体量供給調節機構の制御フローチャートを示す図である。 本願発明の生物学的脱硫装置を用いて処理を行った結果を示すグラフである。 従来方式の生物学的脱硫装置を用いて処理を行った結果を示すグラフである。 混合ガスの硫化水素濃度（設定値）と硫化水素除去率の関係を示すグラフである。

従来の生物学的脱硫方法では、本願発明の特徴である硫化水素濃度とガス流量の積で算出される硫化水素負荷量に対する概念がない。このため、低負荷での処理においても一定量の酸素含有気体を供給するため、バイオガス中に酸素含有気体成分が多くなり、バイオガスのメタン濃度が低下し燃料としての価値が低下する。硫化水素濃度が高濃度の場合、硫黄の析出を防止する操作条件がないために、反応等に流入したバイオガス中の硫化水素が硫黄酸化細菌の酸化反応が析出硫黄で阻害され、たとえ酸素含有気体量が十分にあったとしても、酸化細菌量の不足で硫酸までの反応が十分にできずに硫黄が析出する。生物学的脱硫塔の担体が３割程度硫黄に覆われると硫化水素が処理されずに排出されるといった処理不十分が起こる。

析出した硫黄は疎水性であるため、充填材に付着すると充填材表面に付着した微生物の表面を覆い活性を低下させる。硫黄は充填材の深部方向に向かって析出し続け、最終的には生物学的脱硫塔内の充填材を閉塞させる。硫黄は、一度析出すると充填材からの剥離が困難であり、何らかの手段で剥離処理を施しても当初の処理性能には戻らないため、生物学的脱硫の処理性能を維持するためには硫黄を析出させないで処理する工夫が肝要である。

本願発明者らは、硫黄を析出させずに生物学的脱硫の処理性能を維持する条件についてバイオガスプラントに装置を設置して検討した。

ここで、後述するガスの名称について、次のように定義する。
・バイオガス：メタン発酵によって発生したガスのことであり、酸素は含有していない。
・酸素含有気体：酸素を含む気体のことである。
・循環ガス：処理ガスの一部が循環ガス量調節機構によって再び生物学的脱硫塔に流入するガスのことである。
・混合ガス：バイオガスと、処理ガスが混合したガスのことである。このガスの硫化水素濃度が計測される。
・処理ガス：生物学的脱硫塔から排出したガスのことである。

単位充填材あたりの硫化水素負荷量の算出量を（式３）に示す。以降、単位充填材当たりの硫化水素負荷量は、硫化水素負荷量とよぶこととする。
硫化水素負荷量［ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）］＝
（（混合ガス硫化水素濃度）［ｐｐｍ］×（バイオガス量［ｍ^３／ｄａｙ］＋循環ガス量［ｍ^３／ｄａｙ］））／充填容量［ｍ^３］×Ｋ （式３）

ここで、（式３）のＫは温度をパラメータとした補正係数であり、（式４）で表される。
補正係数Ｋ［ｋｇ／ｍ^３］＝（２７３＋３５）／２７３／２２．４×３４ （式４）

硫酸転換率の算出は、１日当たりの硫酸転換量と１日当たりの除去硫化水素量から求められる。１日当たりの硫酸転換量の算出方法を（式５）に示し、１日当たりの除去硫化水素量を（式６）に示し、硫酸転換率を（式７）に示す。
硫酸転換量［ｋｇ−Ｈ_２ＳＯ_４／ｄａｙ］＝（当日の硫酸濃度− 前日の硫酸濃度）［ｋｇ−Ｈ_２ＳＯ_４／Ｌ］×循環液量［Ｌ／ｄａｙ］ （式５）

除去硫化水素量［ｋｇ−Ｈ_２Ｓ／ｄａｙ］＝単位充填材当たりの硫化水素除去量［ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）］×充填容量［ｍ^３］ （式６）

硫酸転換率［％］＝
（硫酸転換量×（３２／９６）［ｋｇ−Ｓ／ｄａｙ］）／（除去硫化水素量［ｋｇ−Ｈ_２Ｓ／ｄａｙ］×（３２／３４）［ｋｇ−Ｓ／ｋｇ−Ｈ_２Ｓ］）×１００ （式７）

次に、生物学的脱硫方式で必要な酸素量について説明する。
生物学的脱硫方式で消費される酸素には、微生物による硫酸化での必要酸素量（Ｏ_Ｏ）と、微生物の呼吸に必要な酸素量（Ｏ_Ｒ）がある。本願発明の生物学的脱硫塔に供給する酸素含有気体供給量［ｋｇ−Ｏ_２／ｄａｙ］は、Ｏ_Ｏ＋Ｏ_Ｒとなる。

硫酸化での必要酸素量（Ｏ_Ｏ）は、（式８）で表される。
Ｏ_Ｏ［ｋｇ−Ｏ_２／ｄａｙ］＝除去硫化水素量 ［ｋｇ−Ｈ_２Ｓ／ｄａｙ］×３２／３４ ［ｋｇ−Ｏ_２／ｋｇ／Ｈ_２Ｓ］×２ （式８）

１ｍ^３の充填材を用いて２ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）の硫化水素負荷量で硫化水素を硫酸に酸化するときのＯ_Ｏは、（式８）より３．８ｋｇ−Ｏ_２／ｄａｙである。

生物学的脱硫において必要な酸素は、ガス体で供給される。
酸素含有気体として純酸素ガスを２５℃で供給する場合には、純酸素ガス量は（式９）で表される。
純酸素ガス量［ｍ^３−Ｏ_２／ｄａｙ］ ＝Ｏ_Ｏ ［ｋｇ−Ｏ_２／ｄａｙ］／３２×２２．４×（２７３＋２５）／２７３／１０００ （式９）

酸素含有気体として空気（酸素濃度；２１ｖ／ｖ％、２５℃）を用いる場合、Ｏ_Ｏを含む空気量は（式１０）で表される。
空気量［ｍ^３−ａｉｒ／ｄａｙ］ ＝ 純酸素ガス量［ｍ^３−Ｏ_２／ｄａｙ］×（１００／２１） （式１０）

微生物量について、充填材１ｍ^３当たりの付着量は１ｋｇ−ＳＳ／ｍ^３で、呼吸速度は５〜１０ｍｇ−Ｏ_２／（ｇ−ＳＳ・ｈｒ）であることが実験によりわかった。
充填材１ｍ^３あたりに付着している微生物は１ｋｇ−ＳＳであり、Ｏ_Ｒは０．１２〜０．２４ｋｇ−Ｏ_２／ｄａｙである。

このように、Ｏ_Ｒは、Ｏ_Ｏに比べて十分に小さいものの、微生物の活動を阻害しないようにするためにも、発明者らの実験によりＯ_Ｏの１．５〜３倍量の酸素含有気体供給量が好ましいことがわかった。

供給する酸素量がＯ_Ｏの１．５倍未満の場合は、微生物の硫酸化が遅れ、Ｏ_Ｏの３倍以上となると、処理ガス中に未反応の酸素含有気体が多く含まれ、処理ガス中のメタンガス濃度が下がり、燃料の価値が下がる。

以下、本願発明の実施の形態を説明する。
発明者は、本願発明の生物学的脱硫装置を用いて、長期間の連続実験を行ない、バイオガス中の硫化水素の濃度変動やバイオガスの流量変動のある条件でも効率よく、かつ安定して処理が行なえる方法について検討した。

本願発明の微生物が付着する充填材を充填した生物学的脱硫装置の一例を図１に示す。実施は本実施態様に限定されない。
微生物が付着する充填材は、生物学的脱硫塔１の充填層１ａに充填した。
バイオガス流入ライン２にはガス流量計３を設けてある。
バイオガス流入ライン２と循環ガスライン９が合流し、バイオガスと循環ガスが混合される。
混合ガスライン５に硫化水素濃度計４が設けてある。
酸素含有気体流入ライン６は、バイオガス流入ライン２に直結する。
酸素含有気体０ｂの供給量は、酸素含有気体量供給調節機構７によって調節する。
混合ガスライン５は、生物学的脱硫塔１に直結する。

微生物が付着する充填材はポリエチレン製であり、形状がφ１５ｍｍ×ｈ１５ｍｍの円筒状のもので比表面積が１０００ｍ^２／ｍ^３であり、処理ガス流出ライン８は、生物学的脱硫塔１に直結しており、処理ガス０ｃが処理ガス流出ライン８を通って系外へ排出する。

循環ガスライン９は、処理ガス流出ライン８から分岐し、バイオガス流入ライン２に接続させる。処理ガス０ｃの一部は、循環ブロワによって循環ガスライン９を通ってバイオガスと混合する。循環ガス量は、循環ガス量調節機構１０によって調節する。

循環液貯留液槽１ｂからの循環液０ｄは、生物学的脱硫塔１の上部から散水した。循環液貯留液槽１ｂから循環液０ｄ中の硫酸濃度を調整するために間欠的に循環液の一部をブロー水０ｅとして排出し、補給水０ｆを補給して循環液貯留液槽１ｂの水量を一定に保った。

演算器１２にはバイオガス流量値と混合ガス硫化水素濃度値が入力され、（式３）に基づいて硫化水素負荷量が算出される。

さらに、演算器１２は、バイオガス流量値と混合ガス硫化水素濃度値が入力され、予め設定された混合ガス硫化水素濃度値に基づいて循環ガス量を算出し、循環ガス量調節機構を調節する。

循環ガスライン９は、処理ガス流出ライン８から分岐してもよく、生物学的脱硫塔１に直結してもよい。

循環ガス供給手段は、ブロワを用いてもよく、ポンプなどを用いてもよい。

循環ガス量調整機構１０の制御は、循環ガス制御機構１３によって行なわれる。循環ガス制御機構１３は、物理的な制御でも電気的な信号による制御でもよい。具体的に、物理的な制御方法は、手動でブロワのインバータやバルブやダンパの開度を調整してもよく、電気的な制御方法は、インバータを電気制御したり、バルブやダンパの開度を電気的に制御してもよい。

酸素含有気体流入ライン６は、バイオガス流入ライン２に直結してもよく、混合ガスライン５に直結してもよい。
ここで、酸素含有気体流入ライン６が混合ガスライン５に直結した装置図を図２に示す。

酸素含有気体供給手段は、ブロワを用いてもよく、ポンプなどを用いてもよい。

酸素含有気体供給調整機構７は、酸素含有気体御信号伝達機構１４によって制御される。酸素含有気体信号伝達機構１４は、物理的な制御でも電気的な信号による制御でもよい。具体的に、物理的な制御方法は、手動でブロワのインバータやバルブやダンパの開度を調整してもよく、電気的な制御方法は、インバータを電気制御したり、バルブやダンパの開度を電気的に制御してもよい。

ガス流量計は、オリフィス流量計や、容積流量計や、渦流量計や、流速式流量計等を用いることができ、容積式流量計は、実測乾式ガスメーターや、実測湿式を用いることができ、さらに、実測乾式ガスメーターは、膜式あるいは回転子式等を用いてもよい。

硫化水素濃度計は、定電位電解式による測定方法、硝酸銀電位差滴定法、イオン電極法、メチレンブルー吸光光度法、ガスクロマトグラフ法等を用いてもよい。また、検知管による硫化水素を測定してもよい。

酸素含有気体は、酸素を含んでいる気体のことであり、空気または、純酸素または、酸素発生器により酸素濃度を調整したガスを用いてもよい。

微生物が付着する充填材は、ｐＨ１以下の強酸性下で使用できるような耐薬品性を有する素材のものであればよく、例えば材質がポリエチレンやポリプロピレン、塩化ビニル、ポリウレタンなどの有機性物質が好ましい。
充填材の形状は、筒状や、網状骨格パイプやボール状やウニ状が好ましい。比表面積は５０〜１０００ｍ^２／ｍ^３の範囲が好ましい。空隙率は、８０〜９６％の範囲が好ましい。

演算器は、硫化水素濃度とガス流量をもとに硫化水素負荷量が算出される機能が具備されていればよい。
また、硫化水素濃度とガス流量と硫化水素負荷量が記録されるような機能が具備されていればよい。
演算器による測定値や演算結果の記録方法は、デジタルデータロガーやチャート紙による記録計でもよい。

混合ガス硫化水素濃度は、実施例２で詳細が記載されているとおり、処理ガスを循環させて１００〜１０００ｐｐｍの範囲になるように調整されることが好ましい。

また、混合ガス硫化水素濃度は、処理ガスを循環させて１５０〜５００ｐｐｍの範囲になるように調整されることがより好ましい。

図１は、バイオガスを下向流で処理するように配管を設置した装置図であり、バイオガスを上向流で処理してもよい。本願発明を用い、上向流でバイオガスを処理するように配管を設置した装置図を図３に示す。

本願発明の循環ガス量調節機構を制御するフローチャートを図４に示す。
本願発明は、バイオガス流量Ｑ_Ｂを計測し、混合ガス硫化水素濃度Ｃを計測する。予め設定した混合ガス硫化水素濃度Ｃ’とするため、循環ガス量Ｑ_Ｒを演算器で算出し、循環ガス量調節機構を作動させて循環ガス量Ｑ_Ｒを調整する。

次に、酸素含有気体量供給調節機構の制御フローチャートを図５に示す。
本願発明は、バイオガス流量Ｑ_Ｂを計測し、混合ガス硫化水素濃度Ｃを計測する。予め設定した混合ガス硫化水素濃度Ｃ’とするため、循環ガス量Ｑ_Ｒを演算器で算出する。
硫化水素負荷量は、（式１１）にて演算器で算出する。
硫化水素負荷量 ＝ Ｃ×（Ｑ_Ｂ＋Ｑ_Ｒ） （式１１）

硫化水素負荷量に基づき、酸素含有気体量供給調節機構を作動させて酸素含有気体供給量を調整する。

図１の生物学的脱硫装置の中にポリエチレン製で、比表面積が１０００ｍ^２／ｍ^３であり、φ１５ｍｍ×ｈ１５ｍｍの円筒状の充填材を２ｍとなるように充填した。混合ガスは、生物学的脱硫塔内を下向流で流した。酸素含有気体はバイオガス流入ラインにて混合された。
循環液は活性汚泥を用い、生物学的脱硫塔下部の循環液貯留液槽に貯留した。循環液は、ポンプによって生物学的脱硫塔上部へ送られ、ガス方向に並行して２００Ｌ／ｄａｙ散水した。処理温度は３５℃に設定した。酸素含有気体には、空気（酸素濃度；体積比２１％）を用いた。バイオガス中のメタン濃度は体積比８０％、二酸化炭素濃度は体積比２０％であり、実施期間を通してほぼ一定だった。

本願発明の混合ガス硫化水素濃度を一定にするように循環ガス量を制御する場合と、対比例として一定の循環比にするように循環ガス量を制御した場合における処理性能について本願発明および対比例を並行して実験を行ない検討した。ここで、循環比とは、バイオガス流量（Ｑ_Ｂ）に対する循環ガス量（Ｑ_Ｒ）の比（Ｑ_Ｒ ／ Ｑ_Ｂ）をいう。

本願発明と対比例の処理は、測定時間の経過とともにバイオガス硫化水素濃度およびバイオガス量を変更させた。測定時間ごとの処理条件を次に示す。
測定時間：０〜４ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：１５００ｐｐｍ、バイオガス量：４ｍ^３／ｄａｙ
測定時間：４〜８ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：１５００ｐｐｍ、バイオガス量：２ｍ^３／ｄａｙ
測定時間：８〜１２ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：３０００ｐｐｍ、バイオガス量：２ｍ^３／ｄａｙ
測定時間：１２〜１６ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：６０００ｐｐｍ、バイオガス量：１．５ｍ^３／ｄａｙ
測定時間：１６〜２０ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：５００ｐｐｍ、バイオガス量：２ｍ^３／ｄａｙ
測定時間：２０〜２４ｈｒ・・・バイオガス硫化水素濃度：３００ｐｐｍ、バイオガス量：２ｍ^３／ｄａｙ
実験条件は４時間ごとに変更し、処理性能を調査した。

本願発明の実施態様は、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍになるように循環ガス量を制御した。
バイオガス流化水濃度の変動やバイオガス量の変動が生じても追従して処理ができ、処理ガスからは硫化水素は検出されず、１００％除去できた。また、バイオガス中の硫化水素濃度が３００ｐｐｍの場合、循環ガスを停止しても硫化水素は１００％除去された。
本願発明による実験結果を図６に示し、詳細を次で述べる。

測定時間０〜４ｈｒの期間では、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍとするため、バイオガス量４ｍ^３／ｄａｙに対し循環ガス量を１６ｍ^３／ｄａｙで供給した。この時の負荷は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間４〜８ｈｒの期間では、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍとするため、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙに対し循環ガス量を８ ｍ^３／ｄａｙで供給した。この時の負荷は１．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間８〜１２ｈｒの期間では、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍとするため、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙに対し循環ガス量を１８ｍ^３／ｄａｙで供給した。この時の負荷は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間１２〜１６ｈｒの期間では、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍとするため、バイオガス量１．５ｍ^３／ｄａｙに対し循環ガス量を２８．５ｍ^３／ｄａｙで供給した。この時の負荷は３．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間１６〜２０ｈｒの期間では、混合ガス硫化水素濃度を３００ｐｐｍとするため、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙに対し循環ガス量を１．３ｍ^３／ｄａｙで供給した。この時の負荷は０．３ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間２０〜２４ｈｒの期間では、バイオガス硫化水素濃度が３００ｐｐｍであったため、循環ガスは停止した。この時の負荷は０．２ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。
混合ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

対比例による実施態様として、循環比４倍；すなわち、バイオガス量をもとに循環ガス量を４倍量としたところ、バイオガス硫化水素濃度が３０００ｐｐｍ以上になると処理性能が低下した。また、バイオガス硫化水素濃度が５００ｐｐｍ以下などの低濃度においては、処理ガス中に硫化水素は含まれないものの過剰に希釈されるため、バイオガスとしての純度は低くなる。対比例による実験結果を図７に示し、詳細を次で述べる。

測定時間０〜４ｈｒの期間では、バイオガス量４ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量は１６ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間４〜８ｈｒの期間では、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量は８ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は１．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間８〜１２ｈｒの期間では、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量を８ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガス硫化水素濃度は３００ｐｐｍであり、硫化水素除去率は９０％だった。

測定時間１２〜１６ｈｒの期間では、バイオガス量１．５ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量は６ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は３．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガス硫化水素濃度は２０００ｐｐｍであり、硫化水素除去率は６７％だった。

測定時間１６〜２０ｈｒの期間では、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量は８ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は０．３ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

測定時間２０〜２４ｈｒの期間では、バイオガス量２ｍ^３／ｄａｙだったため、循環ガス量は８ｍ^３／ｄａｙとした。この時の負荷は０．２ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。このとき、処理ガスからは硫化水素は検出しなかった。

本願発明と対比例との比較実験を通して、本願発明のように混合ガス硫化水素濃度を一定にするように混合ガス量を制御する場合、バイオガス硫化水素濃度の影響を受けず、３ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）の硫化水素負荷量でも安定して硫化水素を除去でき、硫酸に転換できた。

対比例のように一定の循環比にするように混合ガス量を制御した場合、バイオガス硫化水素濃度が高い場合には硫化水素除去率は低下し処理性能は低下した。

したがって、生物学的脱硫法に適した混合ガス硫化水素濃度とするためには、硫化水素濃度計の濃度とガス流量計の流量から該循環ガス量調節機構を作動させることが重要であり、処理性能に有意な結果が得られることがわかった。

図１の生物学的脱硫装置の中にポリエチレン製で、比表面積が１０００ｍ^２／ｍ^３であり、φ１５ｍｍ×ｈ１５ｍｍの円筒状の充填材を２ｍとなるように充填した。混合ガスは、生物学的脱硫塔内を下向流で流した。酸素含有気体はバイオガス流入ラインにて混合された。
循環液は活性汚泥を用い、生物学的脱硫塔下部の循環液貯留液槽に貯留した。循環液は、ポンプによって生物学的脱硫塔上部へ送られ、ガス方向に並行して２００Ｌ／ｄａｙ散水した。処理温度は３５℃に設定した。酸素含有気体には、空気（酸素濃度；体積比２１％）を用い、１５Ｌ／ｄａｙ〜１２０Ｌ／ｄａｙの範囲で供給した。バイオガス中のメタン濃度は体積比８０％、二酸化炭素濃度は体積比２０％であり、実施期間を通してほぼ一定だった。

循環ガス流量を混合ガスの硫化水素濃度およびバイオガス流量に基づいて制御したときの除去性能について検討した。本実験は、硫化水素濃度が６０００ｐｐｍのバイオガスを１ｍ^３／ｄａｙで供給し、設定硫化水素負荷量は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）とした。循環ガス量は、バイオガス流量１ｍ^３／ｄａｙに対して３〜１１９ｍ^３／ｄａｙの範囲で適宜調整して処理させた。

本実験は一定のバイオガス量に対し循環ガス量を変更して処理性能を調査し、循環ガス量ごとにＲｕｎ２−１〜Ｒｕｎ２−１０とした。
本実験は、図１の生物学的脱硫装置を３機用いて並行して行なった。実験の評価期間は３０日間とした。
脱硫性能は、硫化水素除去率にて評価した。硫化水素除去率が５０％以上で脱硫処理が行なわれているものとし、硫化水素除去率が９５％以上で脱硫処理が良好に行なわれているものとした。

本実験結果を表１に示す。表中の実験結果の値は、評価３０日目の値を記載した。
Ｒｕｎ２−１での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し３ｍ^３／ｄａｙ供給し、処理ガス中に硫化水素が含まれないときの混合ガス硫化水素濃度（以降、混合ガス硫化水素濃度設定値と呼ぶこととする）が１５００ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は４０％であり、硫酸転換率は７０％だった。

Ｒｕｎ２−２での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し５ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が１０００ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は５０％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−３での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し９ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が６００ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は８０％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−４での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し５ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が５００ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は９５％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−５〜Ｒｕｎ２−７での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対しＲｕｎ２−５では１４ｍ^３／ｄａｙ、Ｒｕｎ２−６では１９ｍ^３／ｄａｙ、Ｒｕｎ２−７では３９ｍ^３／ｄａｙ供給した。混合ガス硫化水素濃度設定値は、Ｒｕｎ２−５では４００ｐｐｍ、Ｒｕｎ２−６では３００ｐｐｍ、Ｒｕｎ２−７では１５０ｐｐｍとなるようにした。
これらの実験期間では、硫化水素除去率は１００％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−８での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し４９ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が１２０ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は７５％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−９での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し５９ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が１００ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は５０％であり、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ２−１０での循環ガス量は、バイオガス量１ｍ^３／ｄａｙに対し１１９ｍ^３／ｄａｙ供給し、混合ガス硫化水素濃度設定値が５０ｐｐｍとなるようにした。このときの硫化水素除去率は４０％であり、硫酸転換率は７０％だった。

Ｒｕｎ２−２〜Ｒｕｎ２−９の期間において、混合ガス硫化水素濃度は１００〜１０００ｐｐｍとなるように循環ガスを調整しており、これらの期間において硫化水素除去率は５０％以上、硫酸転換率１００％で脱硫処理が行なわれた。

とくに、Ｒｕｎ２−４〜Ｒｕｎ２−７では混合ガス硫化水素濃度は１５０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍとなるように循環ガスを調整しており、これらの期間では硫化水素除去率は９５％以上、硫酸転換率１００％で脱硫処理が行なわれた。

したがって、本願発明において混合ガス流化水素濃度は１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲となるように循環ガス量を調整することが好ましく、より好ましくは１５０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲となるように循環ガス量を調整するのがよい。

表１に基づき、混合ガス硫化水素濃度（設定値）と硫化水素除去率の関係を図８に示す。
混合ガス硫化水素濃度が５０ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御した場合、硫化水素除去率は４０％であり、１００ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御した場合、硫化水素除去率は５０％となった。

混合ガス硫化水素濃度が１５０ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は９５％となり、３００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍの範囲となるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は１００％になった。

しかし、混合ガス硫化水素濃度が５００ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は９５％となり、６００ｐｐｍ以上となるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は８０％以下となった。

混合ガス硫化水素濃度が１０００ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は５０％となり、１５００ｐｐｍとなるように循環ガス量を制御すると、硫化水素除去率は４０％となった。

図１の生物学的脱硫装置の中にポリエチレン製、比表面積が１０００ｍ^２／ｍ^３であり、φ１５ｍｍ×ｈ１５ｍｍの円筒状の充填材を充填高さ２ｍとなるように充填し、充填材は１ｍ^３とした。混合ガスは、生物学的脱硫塔内を下向流で流した。酸素含有気体は、バイオガス流入ラインにて混合された。
循環液は活性汚泥を用い、生物学的脱硫塔下部の循環液貯留液槽に貯留した。循環液は、ポンプによって生物学的脱硫塔上部へ送られ、ガス方向に並行して１．６ｍ^３／ｄａｙ散水した。処理温度は３５℃に設定した。酸素含有気体には、空気（酸素濃度；体積比２１％）を用いた。バイオガス中のメタン濃度は体積比８０％、二酸化炭素濃度は体積比２０％であり、実施期間を通してほぼ一定だった。

酸素含有気体量の制御方法の違いによる生物学的脱硫処理性能について検討した。本願発明は硫化水素負荷量で酸素含有気体供給量を制御するのに対し、対比例はガス流量との比率を一定にして酸素含有気体供給量を制御して比較した。

本願発明、対比例ともに、バイオガスの硫化水素濃度を１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、６０００ｐｐｍの３段階に調整した。バイオガス流量は８．３ｍ^３／ｈｒで一定とした。混合ガス硫化水素濃度は、循環ガス流量を調整して３００ｐｐｍで一定とした。実験の評価期間はＲｕｎごとに５日間とした。表中の実験結果の値は、評価５日目の値である。

本願発明の実験結果（Ｒｕｎ３−１〜Ｒｕｎ３−３）を表２に示す。本願発明では、空気供給量は硫化水素負荷量に基づいて制御される。具体的には、硫化水素負荷量から硫酸化に必要な酸素量を計算し、得られた計算値の１．５倍量の酸素が供給されるように空気を供給した。
Ｒｕｎ３−１は、硫化水素負荷量は０．３ｋｇ／（ｍ^３／ｄａｙ）であり、空気供給量は０．１４ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ３−１の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ３−２は、硫化水素負荷量は１．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）であり、空気供給量は０．４２ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ３−２の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ３−３は、硫化水素負荷量は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）であり、空気供給量は０．８５ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ３−３の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

次に、対比例の実験結果（Ｒｕｎ３−４〜Ｒｕｎ３−６）を表３に示す。対比例では、空気供給量はバイオガス流量に対して一定の比率となるように制御し、バイオガス流量に対して体積比で５．１％の空気量を供給した。具体的には、本実験ではバイオガス流量は８．３ｍ^３／ｈｒと一定であり、空気供給量は０．４２ｍ^３／ｈｒとした。

Ｒｕｎ３−４は、硫化水素負荷量は０．３ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。Ｒｕｎ３−４の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ３−５は、硫化水素負荷量は１．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。Ｒｕｎ３−５の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ３−６は、硫化水素負荷量は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）だった。Ｒｕｎ３−６では、硫化水素除去率は６０％で、硫酸転換率は６０％だった。

本願発明のＲｕｎ３−１では、硫化水素負荷量０．３ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）で０．１４ｍ^３／ｈｒの空気量で十分な処理ができる。これに対して対比例のＲｕｎ３−４では、処理したバイオガス中に未処理の空気が含まれるため、バイオガスの燃料としての価値が低下する。また、Ｒｕｎ３−６では、硫酸化に必要な酸素量よりも不足し硫化水素除去率が低下するとともに、硫黄が析出して塔内を閉塞させる原因となった。

本願発明のように硫化水素負荷量で酸素含有気体供給量を制御することで、負荷に対して適切な量の酸素が供給され、硫化水素の除去性能および硫酸転換率も１００％で処理でき、安定処理できた。

実施例３と同じ実験装置を用い、酸素濃度の異なる酸素含有気体を調整したときの処理性能について２つのＲｕｎで検証した。混合ガスは、生物学的脱硫塔内を下向流で流した。酸素含有気体は、バイオガス流入ラインにて混合された。
循環液は活性汚泥を用い、生物学的脱硫塔下部の循環液貯留液槽に貯留した。循環液は、ポンプによって生物学的脱硫塔上部へ送られ、ガス方向に並行して１．６ｍ^３／ｄａｙ散水した。処理温度は３５℃に設定したバイオガス中のメタン濃度は体積比８０％、二酸化炭素濃度は体積比２０％であり、実施期間を通してほぼ一定だった。

用いた酸素含有気体は、酸素濃度を体積比３０％、窒素濃度を体積比７０％に調整した気体（Ｒｕｎ４−１）と、酸素濃度を体積比６０％、窒素濃度を体積比４０％に調整した気体（Ｒｕｎ４−２）とした。

バイオガスは硫化水素濃度を６０００ｐｐｍに調整した。バイオガス流量は８．３
ｍ^３／ｈｒで一定とし、硫化水素負荷量は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）とした。混合ガス硫化水素濃度は、循環ガス流量を調整して３００ｐｐｍで一定とした。

酸素濃度の異なる気体を供給したときの実験結果（Ｒｕｎ４−１〜Ｒｕｎ４−２）を表４に示す。
Ｒｕｎ４−１では、気体中の酸素濃度は体積比３０％であり、気体供給量は０．５９
ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ４−１の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は
１００％だった。

Ｒｕｎ４−２では、気体中の酸素濃度は体積比６０％であり、気体供給量は０．３０
ｍ^３／ｄａｙとした。Ｒｕｎ４−２の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率
は１００％だった。

なお、実施例３でのＲｕｎ３−３について、空気での酸素濃度は体積比２１％であり、気体供給量は０．８５ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ３−３の結果は、硫化水素除去率で
１００％、硫酸転換率は１００％だった。

本願発明の処理方式により、酸素濃度が異なる気体を用いても実験期間を通して硫化水素は１００％除去でき、硫酸転換率も１００％で良好に処理できた。

したがって、本願発明で処理することで酸素含有気体中の酸素濃度が異なっていても適切な量の酸素量を供給することができ、良好に処理できた。加えて、酸素濃度が高濃度であれば、供給する酸素含有気体量も少なくなり、バイオガスとしての価値も高くなる。

図２の生物学的脱硫装置の中にポリエチレン製、比表面積が１０００ｍ^２／ｍ^３であり、φ１５ｍｍ×ｈ１５ｍｍの円筒状の充填材を充填高さ２ｍとなるように充填し、充填材は１ｍ^３とした。混合ガスは、生物学的脱硫塔内を下向流で流した。酸素含有気体は混合ガスラインに混合した。
循環液は活性汚泥を用い、生物学的脱硫塔下部の循環液貯留液槽に貯留した。循環液はポンプによって生物学的脱硫塔上部へ送られ、ガス方向に並行して１．６ｍ^３／ｄａｙ散水した。処理温度は３５℃に設定した。酸素含有気体には、空気（酸素濃度；２１体積比％）を用いた。バイオガス中のメタン濃度は体積比８０％、二酸化炭素濃度は体積比２０％であり、実施期間を通してほぼ一定だった。

本実験では、バイオガスの硫化水素濃度を１０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、６０００ｐｐｍの３段階に調整した。バイオガス流量は８．３ｍ^３／ｈｒで一定とした。混合ガス硫化水素濃度は、循環ガス流量を調整して３００ｐｐｍで一定とした。実験の評価期間はＲｕｎごとに５日間とした。表中の実験結果の値は、評価５日目の値である。

実験結果（Ｒｕｎ５−１〜Ｒｕｎ５−３）を表５に示す。
Ｒｕｎ５−１は、硫化水素負荷量は０．３ｋｇ／（ｍ^３／ｄａｙ）であり、空気供給量は０．１４ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ５−１の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ５−２は、硫化水素負荷量は１．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）であり、空気供給量は０．４２ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ５−２の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

Ｒｕｎ５−３は、硫化水素負荷量は２．０ｋｇ／（ｍ^３・ｄａｙ）であり、空気供給量は０．８５ｍ^３／ｈｒとした。Ｒｕｎ５−３の結果は、硫化水素除去率で１００％、硫酸転換率は１００％だった。

したがって、混合ガスラインに酸素含有気体を流入させた場合でも良好に処理できた。

以上説明したように、本願発明によれば、高負荷での硫化水素を効率的に処理し、且つ処理する硫化水素を硫酸に転換することで装置内の閉塞をなくし、洗浄などの工程をなくして低コストで処理が可能なバイオガスの生物学的脱硫装置及び脱硫方法を提供することが可能となる。

０ａ バイオガス
０ｂ 酸素含有気体
０ｃ 処理ガス
０ｄ 循環液
０ｅ ブロー水
０ｆ 補給水
１ 生物学的脱硫塔
１ａ 充填層
１ｂ 循環液貯留液槽
２ バイオガス流入ライン
３ ガス流量計
４ 硫化水素濃度計
５ 混合ガスライン
６ 酸素含有気体流入ライン
７ 酸素含有気体量供給調節機構
８ 処理ガス流出ライン
９ 循環ガスライン
１０ 循環ガス量調節機構
１１ 散水ライン
１２ 演算器
１３ 循環ガス信号伝達機構
１４ 酸素含有気体信号伝達機構
１５ ガス流量信号入力ライン
１６ 流化水素濃度信号入力ライン

Claims (2)

1. 生物学的脱硫塔内に循環液を散水して生物学的に硫化水素を除去する生物学的脱硫方法において、
   該生物学的脱硫塔内に微生物が付着する充填材からなる充填層を設け、
   該生物学的脱硫塔内の該充填層の上流側に硫化水素を含むバイオガスを流入するバイオガス流入工程と、
   該生物学的脱硫塔内の該充填層の下流側に処理ガスを排出する処理ガス流出工程と、
   該処理ガスの一部を該生物学的脱硫塔内の該充填層の上流側に循環する循環ガス工程と、
   該生物学的脱硫装塔内へ該バイオガスと前記処理ガスの一部を導入する際には、両者を混合して該生物学的脱硫塔内に導入する混合ガス工程とを有し、
   混合ガスの硫化水素濃度が１００〜１０００ｐｐｍとなるように、該循環ガス工程の循環ガス量を調節することを特徴とする生物学的脱硫方法。
2. 前記混合ガス中の硫化水素濃度が、１５０〜５００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の生物学的脱硫方法。

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