JP5072638B2 - バイオガスの生物脱硫装置 - Google Patents

Description

本発明はバイオガスの生物脱硫装置に関し、特に下水や産業排水等の有機性排水の嫌気性消化処理で発生するバイオガスの生物脱硫装置に関する。

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、メタン発酵処理法が多く適用されてきている。メタン発酵処理法は、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法である。しかしながら、排水中にたんぱく質由来など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、バイオガス中に硫化水素ガスが含まれる。

ところで、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、バイオガスに含まれる硫化水素ガスを除去する必要が生じる。この理由は、バイオガスを燃焼させる際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し、機器を腐食させる可能性があるためである。

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、酸化鉄を主成分とする吸着剤を用いて吸着除去する乾式脱硫方法、あるいは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方式であった。

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、反応槽に硫化水素を酸化分解する微生物が付着した担体を充填し、バイオガス中の硫化水素を除去する技術（特許文献１）が提案されている。
この脱硫技術においては、充填層下部や充填層の支持部に増殖した微生物や除去された硫化水素が酸化して生成する単体硫黄により充填層が閉塞しやすいといった問題点が指摘されている。それを解決する手段として、バイオガスを下降流に流すと共に、水より軽い担体を用い、充填層の高さ以上に水を張り、下部から空気を吹き込んで担体を水中で流動させ、洗浄する方法（特許文献２）が提案されている。
特開平２−２６６１５号公報 特許第３７５０６４８号公報

バイオガス中に含まれる硫化水素ガスを硫黄酸化細菌により除去するためには、充填層の担体に十分な量の微生物を保持する必要がある。しかし、充填層に堆積した単体硫黄を除去するために水洗浄を行うと、単体硫黄と共に微生物も洗浄されてしまう恐れがある。即ち、洗浄時間が短い場合には、単体硫黄を十分に除去できず、閉塞が起こりやすくなる。逆に、洗浄時間を長くした場合には、硫化水素の除去に必要な微生物量が十分量確保できなくなるため、洗浄後の硫化水素除去性能が低下するといった問題が発生する。洗浄に際しても、担体は水中で流動するため、洗浄効率は高くなるものの、担体支持板は固定されているため洗浄によって付着物の剥離が十分になされず、担体支持板の閉塞により処理効率が低下するといった問題が発生する。

また、生物充填層高さが高くなった際には、充填層下部にて混入された空気中の酸素が消費されてしまう。そのため、空気混入量が少ない場合には、充填層上部の微生物が十分に活躍できなくなるケースが発生する。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、担体充填層での閉塞を防止できると共に、担体に付着した微生物を保持でき、充填層に必要な酸素を供給でき、もって安定した処理が可能なバイオガスの生物脱硫装置を提供することを目的とする。

本発明にバイオガスの生物脱硫装置は、有機性廃棄物を嫌気性発酵させ発生したバイオガスが導入される生物反応槽と、この生物反応槽内に２段以上の複数段配置された，微生物が付着された担体を備えた担体充填層と、前記生物反応槽の下部に空気を混入させる空気供給手段と、前記生物反応槽の上部に水を散水する散水機構と、複数の担体充填層毎に配置され，各担体充填層を洗浄する洗浄用空気配管とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、担体充填層での閉塞を防止できると共に、担体に付着した微生物を保持でき、もって安定した処理が可能なバイオガスの生物脱硫装置を提供できる。

以下、本発明に係るバイオガスの生物脱硫装置について更に詳しく説明する。
上述したように、本発明のバイオガスの生物脱硫装置は、生物反応槽と、２段以上の担体充填層と、空気供給手段と、散水機構とを備えている。
充填層の閉塞要因である、増殖した微生物や生成した単体硫黄の量は、硫化水素の除去量に比例するため、バイオガスの硫化水素濃度が高いバイオガスの流入側にある充填層の下部や、充填層内のバイオガス流量が多い部位に多くなる。その部位が閉塞すると、次にそれに隣接する部位のバイオガス流量が増加して閉塞する。即ち、充填層がひとつづきであると、閉塞部位が伝播する。従って、充填層を分割、即ち充填層を複数備えることで、充填層間がガスバッファとなり、バイオガスの流量の偏りを緩和する。これにより充填層の閉塞が抑制され、硫化水素除去性能が安定する。

本発明において、下段側の担体充填層の担体の径は上段側の担体充填層の担体の径が大きいことが好ましい。この理由は、こうした構成にすることにより、下段側の担体充填層の空隙を多くすることで、閉塞までの期間を延長することができ、もって洗浄回数を少なくすることにより下段側の担体充填層に付着する微生物量を増加でき、処理効率を向上することが可能となるからである。

本発明において、複数の担体充填層毎に洗浄用空気配管が配置され、各担体充填層ごとに洗浄可能な構成にすることが好ましい。この理由は、固形物が堆積しやすい下部のみ、あるいは上部のみの洗浄を行うことができるので、反応塔の閉塞を防止することが可能となること、及び閉塞した担体充填層のみを洗浄することにより、洗浄後微生物が不足して処理性能が悪化することを防止できることによる。

本発明において、複数の担体充填層毎にあるいは複数おきに散水機構が配置されていることが好ましい。即ち、反応塔の上部にのみ散水機構を配置すると、下段側の担体充填層に固形物の蓄積を防止するために散水機構からの流量を増加させると、上段側の担体充填層表面に付着した微生物をも流してしまうために、反応塔内部の微生物量を減少させる原因となり、生物脱硫の性能低下を起こす恐れがある。しかし、上段側の散水機構とは別に上記構成の散水機構を配置することにより、下段側の担体充填層にて堆積した固形物を洗浄除去することが可能となる。なお、上記散水機構は、複数の担体充填層，例えば２つの担体充填層が配置された場合には上下の担体充填層の中間に、また例えば６つの担体充填層が配置された場合には例えば２つおきに配置することができるが、配置の例はこれらに限定されない。

本発明において、最上段以外の散水機構例えば散水ノズルが上向きであることが好ましい。上段側の散水機構以外に例えば上下の担体充填層間に別な散水機構を配置し、これを上向きに配置することにより、上段側の担体充填層に直接シャワーすることにより、この担体充填層の支持板を常時洗浄し、支持板への単体硫黄の付着を防止することで、その担体充填層の閉塞を防止することが可能である。

本発明において、上部の散水機構よりも中間散水機構の散水量を多くすることが好ましい。前述の通り、充填層の閉塞はバイオガスの流入側に近いほど起りやすいため、バイオガスの流入側に近い散水機構の散水量を多くすることで、充填層の閉塞が防止できると共に、不必要な微生物の剥離が発生せず、生物脱硫装置の硫化水素除去性能の低下が防止できる。

本発明において、複数の担体充填層の中間部にも空気を投入する中間空気供給手段を更に具備することが好ましい。こうした構成にすることにより、流入するバイオガスに含まれる硫化水素濃度が変動した場合や、上段側の担体充填層に付着した微生物量が増加した場合においても、下段側の担体充填層表面に付着した微生物に酸素を供給することが可能となる。そのため、微生物の活性を維持することが可能となり、流入バイオガス中の硫化水素濃度が変動した場合においても処理効率を安定化させることが可能である。

次に、本発明の実施形態に係るバイオガスの生物脱硫装置の具体的な例について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
（実施例１）：請求項１〜３に対応
実施例１に係るバイオガスの生物脱硫装置について図１を参照する。図中の符番１は、有機性廃棄物を嫌気性発酵させ発生したバイオガスガ導入される生物反応槽（反応塔）である。この反応塔内には、微生物が付着された担体を備えた第１の担体充填層２ａ，第２の担体充填層２ｂが夫々上下に配置されている。ここで、第２の担体充填層２ｂを構成する担体の径は、第１の担体充填層２ａを構成する担体の径より大きく設定されている。第２の担体充填層２ｂの下部の反応塔１には、反応塔１内に空気を供給する空気供給配管（空気供給手段）３，反応塔１内にバイオガスを供給するバイオガス供給配管４，反応塔１内に供給された水分を排出するためのドレン管５が夫々設けられている。第１の担体充填層２ａ，第２の担体充填層２ｂの夫々の下部の反応塔１には、夫々洗浄用空気配管６ａ，６ｂが設けられている。反応塔１の上部には、反応塔１内の微生物に水分を供給するための散水機構（散水ノズル）７が配置されている。なお、図中の符番８は生物脱硫後の処理ガスの出口配管（処理ガス配管）を示す。

このような構成のバイオガスの生物脱硫装置において、反応塔１の下部から供給されたバイオガスに含まれる硫化水素ガスは、反応塔１内に充填された第１の担体充填層２ａ及び第２の担体充填層２ｂに付着した微生物により酸化処理される。

即ち、反応塔１に２段の第１の担体充填層２ａ，第２の担体充填層２ｂを配置し、それぞれに対して洗浄を行うことを可能とするため洗浄用空気配管６ａ，６ｂを配置することにより、固形物が堆積しやすい下部のみ、あるいは上部のみの洗浄を行うことができるので、反応塔１内の担体充填層２ａ，２ｂの閉塞を防止することが可能となる。また、閉塞した担体充填層のみを洗浄することにより、洗浄後微生物が不足して処理性能が悪化することを防止することが可能となる。

更に、固形物の蓄積が大きい第２の担体充填層２ｂの担体を第１の担体充填層２ａの担体より大きくすることにより、第２の担体充填層２ｂでの閉塞までの期間を延ばすことができる。従って、洗浄回数を少なくすることにより第２の担体充填層２ｂに付着する微生物量を増加でき、処理効率を向上することが可能となる。

上述したように、実施例１によれば、担体充填層閉塞時の洗浄において、付着した微生物を保持できるため、安定した処理をすることができる。

（実施例２）：請求項４，５に対応
実施例２に係るバイオガスの生物脱硫装置について図２を参照する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
図中の符番１１は、第１の担体充填層２ａと第２の担体充填層２ｂの間の反応塔１に上向きに配置された中間散水機構（散水ノズル）である。

図２のバイオガスの生物脱硫装置において、反応塔１の上部に設置された散水機構７からの水分供給と共に中間散水機構１１からも水分供給を行うことができる。上記実施例１に記載のように、反応塔１の下部のバイオガス供給配管４から流入したバイオガスに含まれる硫化水素ガスは、第１の担体充填層２ａと第２の担体充填層２ｂの表面に付着した微生物により酸化され、単体硫黄として析出する。第１の担体充填層２ａの表面にて生成した単体硫黄は、散水の流下にともない第２の単体充填層２ｂに落下する。

第２の担体充填層２ｂの表面にて生成する単体硫黄と、第１の担体充填層２ａから落下してきた単体硫黄が共に第２の担体充填層２ｂに堆積するために、第２の担体充填層２ｂでの固形物体積量が増加する。この際、第２の担体充填層２ｂに固形物の蓄積を防止するために散水機構７からの流量を増加させると、第１の担体充填層２ｂ表面に付着した微生物をも流してしまうために、反応塔内部の微生物量を減少させる原因となり、生物脱硫の性能低下を起こす恐れがある。

しかしながら、実施例２では、第１の担体充填層２ａと第２の担体充填層２ｂの間に設置された中間散水機構１１から散水を追加投入することにより、第２の担体充填層２ｂにて堆積した固形物を洗浄除去することが可能となる。この際に、第２の担体充填層２ｂに表面に付着した微生物も流れ出ることが予想されるが、第１の担体充填層２ａから落下してくる微生物が補充されるため、急激な性能低下を防止することができる。

また、中間散水機構１１を上向きに設置し、第１の担体充填層２ａに直接シャワーすることにより、第１の担体充填層２ａの支持板を常時洗浄し、第１の担体充填層２ａの閉塞を防止することも可能である。
上述したように、実施例２によれば、散水により第１の担体充填層２ａの閉塞を防止すると共に、付着した微生物を保持できるため、安定した処理をすることができる。

（実施例３）：請求項６に対応
実施例３に係るバイオガスの生物脱硫装置について図３を参照する。但し、図１，図２と同部材は同符番を付して説明を省略し、要部のみを説明する。
図中の符番１２は、第１の担体充填層２ａと第２の担体充填層２ｂの間に配置された空気を供給するための中間空気供給配管（中空空気供給手段）である。

図３のバイオガスの生物脱硫装置において、反応塔１の下部に設置された空気供給配管３からの空気供給と共に中間空気供給配管１２からも空気を供給することができる。単体充填層２ａ，２ｂの担体表面に付着した微生物は、チオバチルス族の硫黄酸化細菌が好気性細菌であるため、増殖のためには酸素が必要となる。空気供給配管３がバイオガスの流入部と同じ箇所にしかない場合にはバイオガス中の硫化水素濃度が変動した場合、あるいはガスの流入における上流側の担体充填層２ａの担体表面に付着した微生物量が増加しすぎた場合、空気供給配管３にて供給した酸素が微生物により消費され、下流側の第２の担体充填層２ｂの担体表面に付着した微生物の生息のために必要な酸素が供給できなくなる恐れが生じる。

しかしながら、複数に分割した担体充填層２ａ，２ｂの中間に中間空気供給配管１２により空気を供給することにより、流入するバイオガスに含まれる硫化水素濃度が変動した場合や、第１の担体充填層２ａの担体表面に付着した微生物量が増加した場合においても、下流側の第２の担体充填層２ｂの担体表面に付着した微生物に酸素を供給することが可能となる。そのため、微生物の活性を維持することが可能となり、流入バイオガス中の硫化水素濃度が変動した場合においても処理効率を安定化させることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、上記実施例では、例えば２本の洗浄用空気配管から洗浄用空気を夫々反応塔内に導入する場合について述べたが、これに限らず、両洗浄用空気配管をマニホールドで連結して洗浄用空気を同時に反応塔内に導入してもよい。

本発明の実施例１に係るバイオガスの生物脱硫装置の概略構成図。 本発明の実施例２に係るバイオガスの生物脱硫装置の概略構成図。 本発明の実施例３に係るバイオガスの生物脱硫装置の概略構成図。

符号の説明

１…反応塔、２ａ…第１の担体充填層、２ｂ…第２の担体充填層、３…空気供給配管、４…バイオガス供給配管、５…ドレン管、６ａ，６ｂ…洗浄用空気配管、７，１１…散水機構（散水ノズル）、８…処理ガス配管、１０…中間空気供給配管。

Claims (3)

1. 有機性廃棄物を嫌気性発酵させ発生したバイオガスが導入される生物反応槽と、
   この生物反応槽内に２段以上の複数段配置された，微生物が付着された担体を備えた担体充填層と、
   前記生物反応槽の下部に空気を混入させる空気供給手段と、
   前記生物反応槽の上部に水を散水する散水機構と、
   複数の担体充填層毎に配置され，各担体充填層を洗浄する洗浄用空気配管とを具備することを特徴とするバイオガスの生物脱硫装置。
2. 複数の担体充填層毎に散水機構が配置され、最上段以外の散水機構が上向きであることを特徴とする請求項１記載のバイオガスの生物脱硫装置。
3. 複数の担体充填層の中間部にも空気を投入する中間空気供給手段を更に具備することを特徴とする請求項１記載のバイオガスの生物脱硫装置。

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