JP4758932B2

JP4758932B2 - Biogas system

Info

Publication number: JP4758932B2
Application number: JP2007095732A
Authority: JP
Inventors: 政宏斉藤; 俊祐山崎; 修浜本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008253875A

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で得られるバイオガスを高カロリー化し、消化液の処理または利用もすることができるバイオガスシステムに関する。 The present invention relates to a biogas system, and more particularly to a biogas system capable of increasing the calorie of biogas obtained by methane fermentation and treating or using digestive juice.

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。 Biogas systems that produce livestock and urine from organic waste such as urine to obtain methane gas and recover electricity and heat are attracting attention as bioenergy technologies, but are not as widespread as in the West.

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。 The reason for this is that there are many small-scale facilities in Japan, and when recovering power from methane gas generated by methane fermentation, the amount of power generated is at most several hundred kW, resulting in a small amount of energy and economical advantages. There are few.

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。 Another reason is that it is difficult to treat digestive juice after methane fermentation.

メタン発酵後の消化液は、農地に肥料として還元することができるが、従来はメタン発酵温度を３７℃または５５℃で行う方法が主流であり（特許文献３）、消化液中に含まれる雑菌が死滅していないため衛生的に問題があった。それを解消するためには加温して消化液中の雑菌を死滅させる必要があり、加温のためにエネルギーを必要とするのでコスト高となってしまっていた。 Digested liquid after methane fermentation can be reduced to farmland as fertilizer, but conventionally, the method of performing methane fermentation temperature at 37 ° C or 55 ° C is the mainstream (Patent Document 3), and various bacteria contained in the digested liquid There was a problem with hygiene because it was not killed. In order to solve this problem, it is necessary to heat and kill germs in the digestive fluid, and energy is required for heating, which increases costs.

更にメタン発酵の消化液は窒素成分が多量に含まれており、そのまま農地に肥料として還元すると地下水の汚染や、牧草の窒素過多による家畜への健康被害が引き起こされることもあるので、水で希釈したり、添加物を加える必要があった。
２００６−２２４０９０号公報（メタン発酵温度５５℃）２００４−３５８４００号公報（メタン発酵温度５０〜６０℃）平１１−２９０８２７号公報（メタン発酵温度３７℃、５５℃） Furthermore, the digestive fluid of methane fermentation contains a large amount of nitrogen components. If it is directly returned to farmland as fertilizer, it may cause groundwater contamination or health damage to livestock due to excessive nitrogen in the grass. Or need to add additives.
No. 2006-224090 (Methane fermentation temperature 55 ° C.) 2004-358400 gazette (methane fermentation temperature 50-60 ° C.) Hei 11-290828 Publication (Methane fermentation temperature 37 ° C, 55 ° C)

本発明者らは、メタン発酵の普及には、バイオガスから得られるエネルギー量を増加させることと、消化液を低コストで処理または利用できる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。 The present inventors consider that it is indispensable to increase the amount of energy obtained from biogas and to construct a system that can treat or use digestive juice at a low cost for the spread of methane fermentation. As a result, the present invention was reached.

そこで、本発明の課題は、メタン発酵で得られるバイオガスを高カロリー化し、消化液の処理または利用もす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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a biogas system capable of increasing the calorie of biogas obtained by methane fermentation and treating or using digestive juice.

本発明の他の課題は以下の記載によって明らかとなる。 The other subject of this invention becomes clear by the following description.

上記課題は以下の各発明によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions.

（請求項１）
バイオマスをメタン発酵槽に導入して６０℃以上の高温で、且つ発酵によって生じる自然発酵圧により０．２〜５ＭＰａに加圧された状態でメタン発酵するメタン発酵手段と、
前記メタン発酵槽から抜き出される消化液を減圧して二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段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アンモニアを放散させるアンモニアストリッピング手段とを有することを特徴とするバイオガスシステム。 (Claim 1)
Methane fermentation means for introducing methane into a methane fermentation tank and performing methane fermentation at a high temperature of 60 ° C. or higher and under a pressure of 0.2 to 5 MPa by natural fermentation pressure generated by fermentation;
Carbon dioxide removal means for removing the carbon dioxide by depressurizing the digested liquid extracted from the methane fermentation tank;
A biogas system comprising ammonia stripping means for introducing the digested liquid from which carbon dioxide has been removed by the carbon dioxide removing means into an ammonia stripping apparatus to dissipate ammonia.

（請求項２）
前記メタン発酵槽内に投与するバイオマスが、６０℃〜７０℃の環境下に１時間以上、あるいは７０℃を超える環境下に１０分以上置かれ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。 (Claim 2)
The biogas system according to claim 1, wherein the biomass to be administered into the methane fermenter is placed in an environment of 60 ° C to 70 ° C for 1 hour or longer, or in an environment exceeding 70 ° C for 10 minutes or longer. .

（請求項３）
前記６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境が、メタン発酵槽内に形成されることを特徴とする請求項２記載のバイオガスシステム。 (Claim 3)
The biogas system according to claim 2, wherein the environment of 60 ° C to 70 ° C or the environment exceeding 70 ° C is formed in a methane fermentation tank.

（請求項４）
前記６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境が、バイオマスがメタン発酵槽内に投入される以前に形成されることを特徴とする請求項２記載のバイオガスシステム。 (Claim 4)
The biogas system according to claim 2, wherein the environment of 60 ° C. to 70 ° C. or the environment exceeding 70 ° C. is formed before biomass is introduced into the methane fermentation tank.

（請求項５）
前記アンモニアストリッピング手段でストリッピングしたアンモニアを回収するアンモニア回収手段を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のバイオガスシステム。 (Claim 5)
The biogas system according to any one of claims 1 to 4, further comprising ammonia recovery means for recovering the ammonia stripped by the ammonia stripping means.

（請求項６）
前記アンモニア回収手段で回収されたアンモニアを導入して亜硝酸化及び脱窒を行う処理手段を有することを特徴とする請求項５記載のバイオガスシステム。 (Claim 6)
6. The biogas system according to claim 5, further comprising a processing unit that introduces ammonia recovered by the ammonia recovery unit to perform nitritation and denitrification.

（請求項７）
前記亜硝酸化及び脱窒を行う処理手段が、前記アンモニア回収手段で回収されたアンモニアを導入し、亜硝酸とアンモニアとの反応によって共脱窒することを特徴とする請求項６記載のバイオガスシステム。 (Claim 7)
The biogas according to claim 6, wherein the treatment means for performing nitritation and denitrification introduces ammonia recovered by the ammonia recovery means and co-denitrifies by reaction of nitrous acid and ammonia. system.

（請求項８）
前記アンモニア回収手段で回収したアンモニアを、外気から遮断された植物栽培施設内に投与する投入手段を有することを特徴とする請求項７に記載のバイオガスシステム (Claim 8)
The biogas system according to claim 7, further comprising an input unit that administers the ammonia recovered by the ammonia recovery unit into a plant cultivation facility that is blocked from outside air.

（請求項９）
前記二酸化炭素除去手段で放散除去された二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を、外気から遮断された植物栽培施設内に投与する投入手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のバイオガスシステム。 (Claim 9)
The carbon dioxide removed and diffused by the carbon dioxide removing means is collected, and the collected carbon dioxide is fed into a plant cultivation facility that is shielded from the outside air. The biogas system according to crab.

本発明によれば、メタン発酵で得られるバイオガスを高カロリー化し、消化液の処理または利用もす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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the biogas system which can make the biogas obtained by methane fermentation high calorie, and can also process or utilize a digestive liquid can be provided.

以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.

本発明のメタン発酵システムに導入するバイオマス（有機性廃棄物）としては、例えば畜産廃棄物（例えば牛、羊、山羊、ニワトリなどの家畜糞尿）や緑農廃棄物（例えば生ごみ、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等など）、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。 Examples of biomass (organic waste) to be introduced into the methane fermentation system of the present invention include livestock waste (eg, livestock manure such as cattle, sheep, goats and chickens) and green agricultural waste (eg, garbage, agriculture and fisheries industry waste). Wastewater treatment sludge (such as sewage treatment sludge and human waste treatment sludge), etc., and co-fermentation using two or more types of these biomass as a raw material for methane fermentation You can also.

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。 FIG. 1 is a flow diagram illustrating a preferred embodiment for implementing the biogas system of the present invention.

図１において、１はメタン発酵手段である。メタン発酵手段１はスクリューポンプ１０１と、熱交換器１０２と、輸送管１０３と、メタン発酵槽１０４と、１又は２以上の攪拌機１０５と、消化液排出管１０６と、バイオガスホルダー１０７を備えている。 In FIG. 1, 1 is a methane fermentation means. The methane fermentation means 1 includes a screw pump 101, a heat exchanger 102, a transport pipe 103, a methane fermentation tank 104, one or more agitators 105, a digestive juice discharge pipe 106, and a biogas holder 107. Yes.

バイオマスはスクリューポンプ１０１により輸送管１０３に定量的に搬送され、メタン発酵槽１０４に送られる。また、メタン発酵槽１０４に至る過程で、熱交換器１０２によって加温される。メタン発酵槽１０４には攪拌機１０５以外に、図示しないが、加温ヒーター、圧力センサ、温度センサ、圧力調整弁（例えば５ＭＰａ以上に加圧された場合に圧力を放出する）などが設けられていることが好ましい。 The biomass is quantitatively conveyed to the transport pipe 103 by the screw pump 101 and sent to the methane fermentation tank 104. Further, in the process of reaching the methane fermentation tank 104, it is heated by the heat exchanger 102. In addition to the stirrer 105, the methane fermentation tank 104 is provided with a heating heater, a pressure sensor, a temperature sensor, a pressure regulating valve (for example, releasing pressure when pressurized to 5 MPa or more), and the like. It is preferable.

メタン発酵槽１０４では６０℃以上の高温、好ましくは６５℃〜７５℃で、強制的に加圧することなく発酵によって生じる自然発酵圧によって槽内の圧力を０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲、好ましくは０．３〜２ＭＰａ、さらに好ましくは０．５〜１ＭＰａまで上昇させてメタン発酵が行われる。 In the methane fermentation tank 104, the pressure in the tank is in the range of 0.2 MPa to 5 MPa, preferably 0 by the natural fermentation pressure generated by fermentation without forced pressurization at a high temperature of 60 ° C. or higher, preferably 65 ° C. to 75 ° C. The methane fermentation is carried out by raising the pressure to 3 to 2 MPa, more preferably 0.5 to 1 MPa.

なお、「強制的に加圧することなく」というのは、コンプレッサなどの加圧装置を用いて人為的に発酵槽内の圧力を上げる手法を採用していないことを意味している。 Note that “without forcibly pressurizing” means that a technique for artificially increasing the pressure in the fermentor using a pressurizing device such as a compressor is not adopted.

また、「発酵によって生じる自然発酵圧」というのは、密閉された発酵槽内でメタン発酵など生物的な反応によってメタンなどの気体成分が生じることによってメタン発酵槽内の圧力が高い状態になることを意味する。 In addition, “natural fermentation pressure generated by fermentation” means that the pressure in the methane fermentation tank becomes high due to the formation of gaseous components such as methane by biological reactions such as methane fermentation in a closed fermentation tank. Means.

本発明では、メタン発酵槽１０４内に投与するバイオマスは、６０℃〜７０℃の環境下に１時間以上１日以下置かれ、あるいは７０℃を超える環境下に１０分以上３０分以下置かれることを特徴としており、その６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境は、メタン発酵槽内に形成されていてもよいし、あるいは６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境は、バイオマスがメタン発酵槽内に投入される以前に形成されていてもよい。 In the present invention, the biomass to be administered into the methane fermentation tank 104 is placed in an environment of 60 ° C. to 70 ° C. for 1 hour or more and 1 day or less, or in an environment exceeding 70 ° C. for 10 minutes or more and 30 minutes or less. The environment of 60 ° C. to 70 ° C. or the environment of over 70 ° C. may be formed in the methane fermenter, or the environment of 60 ° C. to 70 ° C. or the environment of over 70 ° C. It may be formed before biomass is introduced into the methane fermenter.

バイオマスがメタン発酵槽内に投入される以前に上記環境を形成するためには、原料のバイオマスを、排出管１０６から排出される消化液と熱交換器１０２で熱交換し、バイオマスを加温する。消化液は発酵槽内の発酵温度が６０℃以上と高いので、その温度（熱含量）を利用できる。 In order to form the environment before the biomass is introduced into the methane fermenter, the raw material biomass is heat-exchanged with the digested liquid discharged from the discharge pipe 106 in the heat exchanger 102, and the biomass is heated. . Since the digestion liquid has a high fermentation temperature of 60 ° C. or higher in the fermenter, the temperature (heat content) can be used.

本発明では、熱交換によるメタン発酵槽へ導入するバイオマスの加温が十分でない場合には、図示しないが熱交換器を含む加温ヒーターを別に設けて加温し、６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境を、バイオマスがメタン発酵槽内に投入される以前に形成する。 In the present invention, when the biomass to be introduced into the methane fermentation tank by heat exchange is not sufficiently heated, a heating heater including a heat exchanger (not shown) is separately provided for heating, and an environment of 60 ° C. to 70 ° C. Alternatively, an environment above 70 ° C. is formed before biomass is introduced into the methane fermenter.

６０℃〜７０℃の環境下に１時間以上１日以下、あるいは７０℃を超える環境下に１０分以上３０分以下という、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、衛生上の問題を解決することができる。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。 Pathogens in biomass are sterilized by being placed in a high temperature environment of 1 hour or more and 1 day or less in an environment of 60 ° C to 70 ° C, or 10 minutes or more and 30 minutes or less in an environment exceeding 70 ° C, Can solve hygiene problems. Note that there is no upper limit necessary for the effect of this temperature holding time.

これによって、消化液の殺菌や雑草の種子の不活性化を行う工程を省略することができる。 Thereby, the process of disinfecting digestive juice and inactivating seeds of weeds can be omitted.

常圧の中温発酵においてはバイオガス中のメタン濃度は４０％程度で、ほかに二酸化炭素や硫化水素が含まれているが、６０℃以上の高温発酵で、かつ加圧された状態でメタン発酵することにより、生成ガス中の、水に可溶な性質をもつ二酸化炭素や硫化水素は消化液に吸収されるため、バイオガス中のメタン濃度を７０％以上にすることができる。また、バイオガス中に硫化水素がほとんどなくなるため、脱硫装置を設ける必要がなくなる。 In normal pressure medium temperature fermentation, the methane concentration in the biogas is about 40%, and in addition, carbon dioxide and hydrogen sulfide are contained. By doing so, since carbon dioxide and hydrogen sulfide having water-soluble properties in the product gas are absorbed by the digestive fluid, the methane concentration in the biogas can be increased to 70% or more. Further, since there is almost no hydrogen sulfide in the biogas, it is not necessary to provide a desulfurization apparatus.

かかる加圧されたメタン発酵を行うメタン発酵槽には耐圧構造を持つ球形またはローリー型のメタン発酵槽を用いることが好ましい。 It is preferable to use a spherical or lorry-type methane fermentation tank having a pressure-resistant structure for the methane fermentation tank for performing such pressurized methane fermentation.

メタン発酵により得られたメタンガスはバイオガスホルダー１０７で貯留する。得られたバイオガスは例えば液状のブタンまたはプロパンにメタンを溶解させるガスホルダーによって大容量のメタンを貯留することができる。 Methane gas obtained by methane fermentation is stored in the biogas holder 107. The obtained biogas can store a large volume of methane, for example, in a gas holder that dissolves methane in liquid butane or propane.

２は二酸化炭素除去手段である。二酸化炭素除去手段２は脱気装置２０１を備えている。 2 is a carbon dioxide removing means. The carbon dioxide removing means 2 includes a deaeration device 201.

熱交換後の消化液から放出された二酸化炭素を回収する容器などを設ければ、二酸化炭素を回収できる。 Carbon dioxide can be recovered by providing a container or the like for recovering carbon dioxide released from the digested liquid after heat exchange.

消化液中には加圧された状態で二酸化炭素が溶解しているので脱気装置２０１内で減圧して常圧に戻すだけで５０％以上の溶解していた二酸化炭素が放出される。 Since carbon dioxide is dissolved in the digested liquid in a pressurized state, 50% or more of the dissolved carbon dioxide is released simply by reducing the pressure in the deaerator 201 and returning to normal pressure.

脱気装置２０１は、単に消化液を減圧することのできる弁をもつタンク状としてもよいし、棚段等を設けた気液接触塔とし、気液接触塔下部から空気を導入して、消化液を気液接触塔の上部に設けられた散布部から散布してさらに二酸化炭素を回収することもできるし、消化液をためたタンク内にエアレーション管を設けて外部の空気を取り込んで消化液をエアレーションし、二酸化炭素を回収することもできる。 The deaeration device 201 may be simply a tank having a valve capable of depressurizing the digestion liquid, or a gas-liquid contact tower provided with a shelf, etc., and introducing digestion from the lower part of the gas-liquid contact tower The liquid can be sprayed from the spraying section provided in the upper part of the gas-liquid contact tower, and carbon dioxide can be further recovered, or an aeration pipe is provided in the tank for storing the digestive liquid, and external air is taken in. The carbon dioxide can be recovered by aeration.

３はアンモニアストリッピング手段である。アンモニアストリッピング手段３には送液ポンプ３０１と、アンモニアストリッピング装置３０２を備えている。 3 is an ammonia stripping means. The ammonia stripping means 3 includes a liquid feed pump 301 and an ammonia stripping device 302.

アンモニアストリッピング装置３０２の構成例を図２に示す。 A configuration example of the ammonia stripping apparatus 302 is shown in FIG.

３０３は二酸化炭素を除去した消化液を導入する循環タンクであり、架台３０４の上に設置し、該循環タンク３０３の上方にアンモニア放散塔３０５が設けられ、タワー形式に構成できる。また、充填材３０７の目詰まりを防止するため、循環タンクに消化液を導入する前にスクリーンを設け、粗大な固形物を取り除くことが好ましい。 Reference numeral 303 denotes a circulation tank for introducing a digested liquid from which carbon dioxide has been removed. The circulation tank 303 is installed on a gantry 304, and an ammonia-dispersing tower 305 is provided above the circulation tank 303 so that it can be configured in a tower form. In order to prevent clogging of the filler 307, it is preferable to provide a screen before introducing the digested liquid into the circulation tank to remove coarse solids.

アンモニア放散塔３０５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。スプレーノズル３０８は配管３０９を介して循環ポンプ３１０に接続されている。充填材３０７に散布された消化液は、図２においては接続管３１１を介して循環タンク３０３に貯留され、循環ポンプ３１０でスプレーノズル３０８に送られ、循環するように構成されているが、循環タンクを経ずに排出される場合もある。３１２は、アンモニア放散塔に空気を導入するコンプレッサまたはブロワである。 As an example of the ammonia diffusion tower 305, a porous plate 306 is provided inside, and the porous plate 306 is filled with various fillers 307 formed of resin, metal, and ceramic. A spray nozzle 308 is provided above the filler 307 so that the digestive juice can be sprayed onto the filler 307. The spray nozzle 308 is connected to the circulation pump 310 via a pipe 309. In FIG. 2, the digestive fluid sprayed on the filler 307 is stored in the circulation tank 303 via the connection pipe 311 and is sent to the spray nozzle 308 by the circulation pump 310 to circulate. In some cases, it is discharged without going through the tank. Reference numeral 312 denotes a compressor or blower for introducing air into the ammonia diffusion tower.

アンモニアストリッピング装置でアンモニア成分を除いた消化液は脱窒消化液として排出される。 The digested liquid from which the ammonia component has been removed by the ammonia stripping apparatus is discharged as a denitrifying digested liquid.

図２においては循環タンク３０３に設けられたドレンバルブ３１３から排出される。 In FIG. 2, the water is discharged from a drain valve 313 provided in the circulation tank 303.

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、そのまま液肥として農地還元することも容易に行える。 Since the nitrogen component is removed from the denitrification digestion liquid, it is in a state that it can be easily treated as organic wastewater, and can be treated in an organic wastewater treatment facility. In addition, it can be easily returned to farmland as liquid fertilizer.

また、メタン発酵槽１０４において６０〜７０℃で１時間以上１日以下、または７０℃以上で１０分以上３０分以下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に還元することもできる。 Moreover, since the pathogen etc. are sterilized in the methane fermenter 104 under the high temperature conditions of 60 to 70 ° C. for 1 hour or more and 1 day or less, or 70 ° C. or more and 10 minutes or more and 30 minutes or less, sanitary fertilizer Can also be returned to farmland.

消化液中のアンモニアはガス状あるいはミスト状で排出管３１４を介してアンモニア放散塔３０５の上方から排出される。 Ammonia in the digested liquid is discharged from above the ammonia diffusion tower 305 through the discharge pipe 314 in the form of gas or mist.

図１にはアンモニアストリッピングをした後のアンモニア処理手段の例として共脱窒を行う例が示されている。 FIG. 1 shows an example of co-denitrification as an example of an ammonia treatment means after ammonia stripping.

共脱窒は、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ものである。 Co-denitrification uses an autotrophic ammonia-oxidizing bacterium that oxidizes ammonia nitrogen to nitrite nitrogen and a fiber treatment material carrying anammox bacteria that produces nitrogen by the reaction of nitrite nitrogen and ammonia. At the same time, denitrification is performed.

凝縮器４は水を導入し、アンモニアストリッピング装置３０２において、ガス状あるいはミスト状となったアンモニアを水に吸収させアンモニア水とする。 The condenser 4 introduces water, and the ammonia stripping device 302 absorbs the ammonia that has become gaseous or mist into the water to form ammonia water.

アンモニアは充填塔やぬれ壁型の気液接触装置などによって比較的容易にアンモニア水として回収できる。 Ammonia can be recovered as ammonia water relatively easily by a packed tower or a wet wall type gas-liquid contact device.

アンモニア水は、凝集器４から共脱窒リアクタ５に導入し、共脱窒を行う。リアクタ５で脱窒処理されて窒素分を除いた水の一部は凝集器４へ返送され再びアンモニアを吸収する。 Ammonia water is introduced into the co-denitrification reactor 5 from the aggregator 4 to perform co-denitrification. A part of the water denitrified in the reactor 5 to remove the nitrogen content is returned to the aggregator 4 and absorbs ammonia again.

図３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５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。 FIG. 3 is a diagram showing an example of a co-denitrification reactor. In the figure, the co-denitrification reactor 5 includes an autotrophic ammonia-oxidizing bacterium and a microbial carrier 501 carrying anammox bacteria, and the microbial carrier 501. Are supported by support rods 502 and 503 at the top and bottom. The microbial carrier 501 may be an embodiment in which a plurality of plate-shaped ones are arranged side by side, or one formed in a cylindrical shape may be arranged in an annular shape. Moreover, although not shown, the microorganism carrier 501 may be formed in a spiral shape.

５０４は凝集器４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。反応槽５の上部には図示しない窒素ガス排出部を有している。 Reference numeral 504 denotes a liquid to be processed introduction section for introducing ammonia water (hereinafter referred to as a liquid to be processed) from the aggregator 4, and reference numeral 505 denotes a processing liquid discharge section. Reference numeral 506 denotes an air introduction unit, and 507 denotes an air transfer pipe. A nitrogen gas discharge unit (not shown) is provided in the upper part of the reaction tank 5.

また、５０８はｐＨ制御部、５０９は温度制御部である。 Reference numeral 508 denotes a pH control unit, and 509 denotes a temperature control unit.

共脱窒リアクタ５では、共脱窒リアクタ５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。 In the co-denitrification reactor 5, nitrite is generated from ammoniacal nitrogen by adjusting at least one of the temperature in the co-denitrification reactor 5, the pH of the liquid to be treated, DO, and the oxidation-reduction potential (ORP). Then, reaction kinetic control is performed so that nitrogen is generated by the reaction of the generated nitrous acid and ammonia to perform co-denitrification.

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。 As the microorganism carrier 501, a carrier in which ammonia-oxidizing bacteria and anammox bacteria (ammonia-nitrite co-denitrifying bacteria) are supported on a nonwoven fabric (polyacrylonitrile fiber or the like) having a thickness of 5 mm or more is used.

この態様において、共脱窒リアクタ５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。 In this embodiment, the microbial carrier 501 in the co-denitrification reactor 5 may have a structure in which the liquid to be processed flows along the surface, or a structure in which the liquid to be processed flows in the microbial carrier 501. Alternatively, a structure in which both are combined may be used.

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。 Next, another example of the co-denitrification reactor employed in the present invention will be described.

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。 In this embodiment, a conductive microorganism-carrying electrode carrying bacteria is provided, a counter electrode using a carbon plate or the like is installed on the conductive microorganism-carrying electrode, and the ammonia-containing water is adjusted by adjusting the potential of the microbial electrode. Co-denitrification can be performed.

図４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５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。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a potential control type co-denitrification reactor, and the co-denitrification reactor 5 basically includes a reaction tank 50C composed of a main body 50A and a lid 50B.

該反応槽５０Ｃはアンモニア性窒素を含有する液体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。 The reaction tank 50 </ b> C includes a processing liquid introducing unit 50 for introducing a liquid containing ammonia nitrogen, a processing liquid discharging unit 51, a nitrogen gas discharging unit 52, and an air introducing unit 53.

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。 The reaction tank 50C is provided with a pair of electrodes including a conductive microorganism-carrying electrode 54 that performs ammonia oxidation and denitrification, and a counter electrode 55 through a diaphragm (ion exchange membrane). Reference numeral 56 denotes a lead wire.

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。 For example, the conductive microorganism-carrying electrode 54 is formed in a cylindrical shape by winding a conductive carbon fiber felt or cloth, for example, in a spiral shape.

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。 As the conductive microorganism-carrying electrode 54, for example, other than the conductive carbon fiber felt (nonwoven fabric) or cloth (cloth), it is preferably fired at 1200 ° C. or higher, more preferably 1500 ° C. or higher, and the air is cut off and fired. And various carbides, and those having sufficient conductivity are preferable. Further, a material in which the hydrogen overvoltage is improved with almost no loss of surface conductivity by surface treatment can be preferably used.

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。 The conductive microorganism-carrying electrode 54 carries ammonia-oxidizing bacteria that generate nitrite nitrogen from ammonia nitrogen and co-denitrifying bacteria (anammox bacteria) that generate nitrogen from nitrite nitrogen and ammonia nitrogen.

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。 Ammonia-oxidizing bacteria and co-denitrifying bacteria are directly supported on the surface of the conductive fiber constituting the conductive microorganism-supporting electrode 54, so that their metabolic activity is regulated by the electrode potential.

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。 In the conductive carbon fiber felt or cloth, it is preferable that a region where ammonia-oxidizing bacteria are inhabited and a region where co-denitrifying bacteria are inhabited are divided into zones.

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。 For example, when carrying ammonia-oxidizing bacteria or co-denitrifying bacteria on a conductive microorganism-carrying electrode 54 formed in a cylindrical shape by winding a conductive carbon fiber felt or cloth in a spiral shape, When the tip of the air supply pipe is arranged on the center side, it is supported so that ammonia-oxidizing bacteria inhabit the vicinity, and co-denitrifying bacteria inhabit in the cylindrical outer peripheral area where air is not supplied. It is preferable to be supported on the surface.

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。 The reason why the ammonia-oxidizing bacteria-carrying part and the co-denitrifying bacteria-carrying part are in contact with the conductive microorganism-carrying electrode is because the equilibrium potential for nitrous acid production and the equilibrium potential region where nitrogen stably exists are common. is there.

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。 A diaphragm or partition wall 57 is provided between the conductive microorganism-carrying electrode 54 and the counter electrode 55 to prevent an electrical short circuit therebetween. Reference numeral 58 denotes a reference electrode. As the reference electrode 58, a silver-silver chloride (Ag / AgCl) electrode can be used.

この共脱窒リアクタ５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。 In this co-denitrification reactor 5, a reaction for generating nitrite nitrogen from ammonia nitrogen occurs and proceeds on a pair of electrodes composed of a microorganism-carrying electrode 54 and a counter electrode 55, but a reaction for generating nitrate nitrogen is performed. Apply a potential that does not occur.

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。 In controlling the applied potential, it is necessary to consider the influence of pH. Therefore, in order to more reliably control the applied potential, the pH value of the liquid to be treated is measured and the value is used to control the applied potential. Reflecting is a preferred mode.

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、４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→２ＨＮＯ_２＋２ＮＨ_３＋２Ｈ_２Ｏの反応によって亜硝酸を生成し、次いで、ＨＮＯ_２＋ＮＨ_３→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ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。 59 is a pH measurement unit for measuring the pH of the digestive juice, and the measurement data is input to the potential control unit 510. The potential control unit 510 outputs a pH adjustment signal and a potential application signal to the potential application unit 511 based on the data from the pH measurement unit 59, and outputs nitrous acid by a reaction of 4NH ₃ + 3O ₂ → 2HNO ₂ + 2NH ₃ + 2H ₂ O. Then, co-denitrification is performed by controlling to generate nitrogen gas by a reaction of HNO ₂ + NH ₃ → N ₂ + 2H ₂ O.

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。 By performing the potential control by the potential control unit 510, it is possible to eliminate the risk of an undesirable side reaction such as the generation of dinitrogen monoxide, for example, and to convert ammonia into nitrogen gas and discharge it.

本発明のバイオガスシステムでは二酸化炭素除去手段２で回収した二酸化炭素およびアンモニアストリッピング手段３で回収したアンモニアを産業に資源として利用する手段を設けることもできる。 In the biogas system of the present invention, means for utilizing carbon dioxide recovered by the carbon dioxide removing means 2 and ammonia recovered by the ammonia stripping means 3 as resources in the industry can be provided.

図５には、二酸化炭素およびアンモニアを資源として利用する例を示している。 FIG. 5 shows an example in which carbon dioxide and ammonia are used as resources.

二酸化炭素回収手段２で消化液から分離された、組成のほとんどが二酸化炭素であるガスはライン２０２を通して外気から遮断された植物栽培施設６へ運ばれる。 Gas separated from the digestive juice by the carbon dioxide recovery means 2 and mostly composed of carbon dioxide is conveyed through the line 202 to the plant cultivation facility 6 that is blocked from the outside air.

外気から遮断された植物栽培施設としてはビニールハウス、ガラス室のほか、植物工場とよばれる植物栽培施設が挙げられる。 Plant cultivation facilities that are blocked from outside air include a plastic house, a glass room, and a plant cultivation facility called a plant factory.

このような植物栽培施設では光合成を促進し、栽培植物の成長と品質の向上を促すために二酸化炭素を供給しており、主に灯油やプロパンガスを燃焼させたガスを供給している。 In such plant cultivation facilities, carbon dioxide is supplied in order to promote photosynthesis and promote growth and quality improvement of cultivated plants, and mainly supplies gas obtained by burning kerosene and propane gas.

二酸化炭素除去手段２で回収した二酸化炭素を施設内に供給することで、メタン発酵で発生した二酸化炭素を有効に利用することができるほか、化石燃料などの消費を削減できるという効果もある。 By supplying the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide removing means 2 into the facility, carbon dioxide generated by methane fermentation can be used effectively, and consumption of fossil fuels can be reduced.

同様に、アンモニアストリッピング手段３で回収されたアンモニアも凝縮器４でアンモニア性窒素含有水とした後、液肥として供給することで、外気から遮断された植物栽培施設６で栽培される植物の窒素源として利用することができる。 Similarly, the ammonia recovered by the ammonia stripping means 3 is also converted to ammonia nitrogen-containing water by the condenser 4 and then supplied as liquid fertilizer, so that the nitrogen of the plants cultivated in the plant cultivation facility 6 that is blocked from the outside air. Can be used as a source.

本発明のメタン発酵システムを実施する好ましい態様を示すフロー図The flowchart which shows the preferable aspect which implements the methane fermentation system of this invention 本発明に用いるアンモニアストリッピング装置の例を示す図The figure which shows the example of the ammonia stripping apparatus used for this invention 本発明に用いる共脱窒リアクタの例を示す図The figure which shows the example of the co-denitrification reactor used for this invention 本発明に用いる共脱窒リアクタの別の例を示す図The figure which shows another example of the co-denitrification reactor used for this invention 回収した二酸化炭素およびアンモニアを利用する態様を示すフロー図Flow diagram showing an aspect of using recovered carbon dioxide and ammonia

符号の説明Explanation of symbols

１：メタン発酵手段
１０１：スクリューポンプ
１０２：熱交換器
１０３：輸送管
１０４：メタン発酵槽
１０５：攪拌機
１０６：消化液排出管
１０７：バイオガスホルダー
２：二酸化炭素除去手段
２０１：脱気装置
２０２：ライン
３：アンモニアストリッピング手段
３０１：送液ポンプ
３０２：アンモニアストリッピング装置
３０３：循環タンク
３０４：架台
３０５：アンモニア放散塔
３０６：多孔板
３０７：充填材
３０８：スプレーノズル
３０９：配管
３１０：循環ポンプ
３１１：接続管
３１２：コンプレッサまたはブロワ
３１３：ドレンバルブ
３１４：排出管
４：アンモニア回収凝縮器
５：共脱窒リアクタ
５０：被処理液導入部
５０Ａ：本体
５０Ｂ：蓋体
５０Ｃ：反応槽
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
５４Ａ：領域
５４Ｂ：領域
５５：対極
５６：リード線
５７：隔壁
５８：参照極
５９：ｐＨ測定部
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
５１１：電位印加部
６：植物栽培施設 1: Methane fermentation means 101: Screw pump 102: Heat exchanger 103: Transport pipe 104: Methane fermentation tank 105: Stirrer 106: Digestion liquid discharge pipe 107: Biogas holder 2: Carbon dioxide removal means 201: Deaeration device 202: Line 3: Ammonia stripping means 301: Liquid feed pump 302: Ammonia stripping device 303: Circulation tank 304: Mount 305: Ammonia diffusion tower 306: Perforated plate 307: Filler 308: Spray nozzle 309: Piping 310: Circulation pump 311 : Connection pipe 312: Compressor or blower 313: Drain valve 314: Discharge pipe 4: Ammonia recovery condenser 5: Co-denitrification reactor 50: Liquid to be treated 50A: Main body 50B: Lid 50C: Reaction tank 51: Treatment liquid Discharge part 52: Nitrogen gas discharge part 5 3: Air introduction part 54: Conductive microorganism supporting electrode 54A: Area 54B: Area 55: Counter electrode 56: Lead wire 57: Partition wall 58: Reference electrode 59: pH measuring part 501: Microorganism carrier 502, 503 support rod 504: Processed Liquid introduction part 505: Treatment liquid discharge part 506: Air introduction part 507: Air transfer pipe 508: pH control part 509: Temperature control part 510: Potential control part 511: Potential application part 6: Plant cultivation facility

Claims

バイオマスをメタン発酵槽に導入して６０℃以上の高温で、且つ発酵によって生じる自然発酵圧により０．２〜５ＭＰａに加圧された状態でメタン発酵するメタン発酵手段と、
前記メタン発酵槽から抜き出される消化液を減圧して二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段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アンモニアを放散させるアンモニアストリッピング手段とを有することを特徴とするバイオガスシステム。 Methane fermentation means for introducing methane into a methane fermentation tank and performing methane fermentation at a high temperature of 60 ° C. or higher and under a pressure of 0.2 to 5 MPa by natural fermentation pressure generated by fermentation;
Carbon dioxide removal means for removing the carbon dioxide by depressurizing the digested liquid extracted from the methane fermentation tank;
A biogas system comprising ammonia stripping means for introducing the digested liquid from which carbon dioxide has been removed by the carbon dioxide removing means into an ammonia stripping apparatus to dissipate ammonia.

前記メタン発酵槽内に投与するバイオマスが、６０℃〜７０℃の環境下に１時間以上、あるいは７０℃を超える環境下に１０分以上置かれ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。 The biogas system according to claim 1, wherein the biomass to be administered into the methane fermenter is placed in an environment of 60 ° C to 70 ° C for 1 hour or longer, or in an environment exceeding 70 ° C for 10 minutes or longer. .

前記６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境が、メタン発酵槽内に形成されることを特徴とする請求項２記載のバイオガスシステム。 The biogas system according to claim 2, wherein the environment of 60 ° C to 70 ° C or the environment exceeding 70 ° C is formed in a methane fermentation tank.

前記６０℃〜７０℃の環境又は７０℃を超える環境が、バイオマスがメタン発酵槽内に投入される以前に形成されることを特徴とする請求項２記載のバイオガスシステム。 The biogas system according to claim 2, wherein the environment of 60 ° C. to 70 ° C. or the environment exceeding 70 ° C. is formed before biomass is introduced into the methane fermentation tank.

前記アンモニアストリッピング手段でストリッピングしたアンモニアを回収するアンモニア回収手段を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のバイオガスシステム。 The biogas system according to any one of claims 1 to 4, further comprising ammonia recovery means for recovering the ammonia stripped by the ammonia stripping means.

前記アンモニア回収手段で回収されたアンモニアを導入して亜硝酸化及び脱窒を行う処理手段を有することを特徴とする請求項５記載のバイオガスシステム。 6. The biogas system according to claim 5, further comprising a processing unit that introduces ammonia recovered by the ammonia recovery unit to perform nitritation and denitrification.

前記亜硝酸化及び脱窒を行う処理手段が、前記アンモニア回収手段で回収されたアンモニアを導入し、亜硝酸とアンモニアとの反応によって共脱窒することを特徴とする請求項６記載のバイオガスシステム。 The biogas according to claim 6, wherein the treatment means for performing nitritation and denitrification introduces ammonia recovered by the ammonia recovery means and co-denitrifies by reaction of nitrous acid and ammonia. system.

前記アンモニア回収手段で回収したアンモニアを、外気から遮断された植物栽培施設内に投与する投入手段を有することを特徴とする請求項７に記載のバイオガスシステム The biogas system according to claim 7, further comprising an input unit that administers the ammonia recovered by the ammonia recovery unit into a plant cultivation facility that is blocked from outside air.

前記二酸化炭素除去手段で放散除去された二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を、外気から遮断された植物栽培施設内に投与する投入手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のバイオガスシステム。 The carbon dioxide removed and diffused by the carbon dioxide removing means is collected, and the collected carbon dioxide is fed into a plant cultivation facility that is shielded from the outside air. The biogas system according to crab.