(57)【要約】【課題】消化液中のアンモニア成分を無触媒で酸化処理し、低コストで処理できるバイオガスシステムを提供すること。【解決手段】バイオマスを５０℃以上の温度でメタン発酵するメタン発酵槽１と、該メタン発酵槽１から排出される消化液を導入して含有するアンモニアを放散するアンモニア放散塔４と、該アンモニア放散塔４から放散されるアンモニアを助燃剤を用いて酸化処理するアンモニア処理装置５とを有することを特徴とするバイオガスシステム。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを５０℃以上の温度でメタン発酵するメタン発酵槽と、該メタン発酵槽から排出される消化液を導入して含有するアンモニアを放散するアンモニア放散塔と、該アンモニア放散塔から放散されるアンモニアを助燃剤を用いて酸化処理するアンモニア処理装置とを有することを特徴とするバイオガスシステム。
【請求項２】
助燃剤が、バイオガスであ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。
【請求項３】
メタン発酵槽内の温度が、６０℃以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオガスシステム。
【請求項４】
アンモニア処理装置の生成物が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１、２又は３記載のバイオガスシステム。
【請求項５】
アンモニア処理装置が、装置本体と、該装置本体内に充填された充填材と、該装置本体下部からアンモニアガスを供給するアンモニア供給管と、助燃材を供給する助燃材供給管と、助燃材を燃焼する点火装置とを備え、
該装置本体内で、アンモニアガスを１５０℃以上８００℃以下の温度で酸化処理することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバイオガスシステム。
【請求項６】
装置本体内に充填された充填材が、２段に構成され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。
【請求項７】
装置本体内に充填された充填材が、金属製の金網、粒状物、磁性の粒状物から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項５又は６記載のバイオガスシステム。
【請求項８】
メタン発酵槽とアンモニア放散塔との間に、該メタン発酵槽から排出される消化液を脱炭酸処理する脱炭酸処理槽を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバイオガスシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオガスシステムに関し、詳しくは、メタン発酵槽から排出される消化液をアンモニア放散処理した後、酸化処理して消化液のアンモニアを有効に処理するバイオガスシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスなどの有機性廃棄物をメタン発酵して得られるバイオガスは、燃焼熱を利用して発電やボイラなどに用いられ、リサイクルバイオエネルギー資源として注目されている。
【０００３】
バイオマスには、タンパク質などが含まれているので、それらの分解に伴って多量のアンモニアが生成される。従って、メタン発酵に伴って発生する消化液には多量のアンモニアが含まれ、これらの消化液を農地還元する場合には窒素過多となる。植物の場合は、窒素過多になると、作物は軟弱になり、病気や徒長といった弊害が頻発するようになる問題がある。このメカニズムは、窒素が吸収され、アミノ酸になり、蛋白質がたくさん生産され、それらは菌や虫（害）が好むので、つきやすくなること、植物体が摂取した炭水化物がアンモニアとの反応に使われて、細胞壁（主にセルロースなどの多糖類）が薄くなり、外部からの刺激に弱くなるためと推定される。また海洋や河川に放流すると、富栄養化の問題を引き起こす。
【０００４】
このため消化液中のアンモニアを除去するための何らかの処理が必要となる。従来、消化液中のアンモニアの除去法として、生物的な硝化脱窒法が一般的に知られている。この方法は、有機物を分解すると共に窒素成分を窒素ガスとして除去しようとするプロセスで、優れた手法である。しかし、有機物はメタン発酵槽で必要な栄養源であるので、再利用したい成分であるので、アンモニアだけを処理したいという要請を満足できない欠点がある。
【０００５】
一方、消化液中のアンモニアだけを選択的に除去する手法として、電気透析膜を利用した膜処理（特許文献１）や、アンモニアストリッピング（特許文献２）などが知られている。
【０００６】
アンモニアは通常、触媒のもとで１５０℃以上で接触酸化を受け、また気相中では６００℃程度で分解する。したがって接触酸化法はプロセス的に運転が容易である。特許文献３には、アンモニア分解用触媒を用いて、比較的低温で窒素と水に選択的且つ効率良く分解する手法が開示され、また特許文献４には、アンモニア分解槽で、アンモニア発散槽から送られたアンモニアガスを加熱し、第一段階として３００〜４５０℃で触媒により窒素酸化物にして、第二段階として６００〜７００℃でチタン系触媒により窒素ガスまで還元させて大気に放出する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−４４５７９号公報
【特許文献２】特開２００３−０８８８３３号公報
【特許文献３】特開２００１−９２８１号公報
【特許文献４】特開２００４−１６０４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３、４のような触媒を用いたアンモニア分解法では、分解が優れている反面、コスト高となる問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、消化液中のアンモニア成分を無触媒で酸化処理し、低コストで処理できるバイオガスシステムを提供することを課題とする。
【０００９】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１１】
（請求項１）
バイオマスを５０℃以上の温度でメタン発酵するメタン発酵槽と、該メタン発酵槽から排出される消化液を導入して含有するアンモニアを放散するアンモニア放散塔と、該アンモニア放散塔から放散されるアンモニアを助燃剤を用いて酸化処理するアンモニア処理装置とを有することを特徴とするバイオガスシステム。
【００１２】
（請求項２）
助燃剤が、バイオガスであ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。
【００１３】
（請求項３）
メタン発酵槽内の温度が、６０℃以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオガスシステム。
【００１４】
（請求項４）
アンモニア処理装置の生成物が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１、２又は３記載のバイオガスシステム。
【００１５】
（請求項５）
アンモニア処理装置が、装置本体と、該装置本体内に充填された充填材と、該装置本体下部からアンモニアガスを供給するアンモニア供給管と、助燃材を供給する助燃材供給管と、助燃材を燃焼する点火装置とを備え、
該装置本体内で、アンモニアガスを１５０℃以上８００℃以下の温度で酸化処理することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバイオガスシステム。
【００１６】
（請求項６）
装置本体内に充填された充填材が、２段に構成され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。
【００１７】
（請求項７）
装置本体内に充填された充填材が、金属製の金網、粒状物、磁性の粒状物から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項５又は６記載のバイオガスシステム。アンモニア処理装置が、装置本体と、該装置本体内に充填された充填材と、該装置本体下部からアンモニアガスを供給するアンモニア供給管と、助燃材を供給する助燃材供給管と、助燃材を燃焼する点火装置とを備え、
【００１８】
（請求項８）
メタン発酵槽とアンモニア放散塔との間に、該メタン発酵槽から排出される消化液を脱炭酸処理する脱炭酸処理槽を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバイオガスシステム。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、消化液中のアンモニア成分を無触媒で酸化処理し、低コストで処理できるバイオガスシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明のバイオガスシステムの一例を示すフロー図である。図１において、１はバイオマスを５０℃以上の温度でメタン発酵するメタン発酵槽である。
【００２２】
メタン発酵されるバイオマス（有機性廃棄物）としては、例えば畜産廃棄物（例えば牛、豚、羊、山羊、ニワトリなどの家畜糞尿）、緑農廃棄物、生ごみ、農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等、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る。
【００２３】
本発明のメタン発酵は、湿式処理であり、具体的にはメタン発酵槽１内の固形分濃度が好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下の条件下で処理する。
【００２４】
メタン発酵槽１内は、５５℃以上８５℃以下の高温環境下で発酵することが好ましく、より好ましくは６０℃以上８０℃以下、さらに好ましくは６５℃以上８０℃以下の高温発酵が好ましい。発酵槽１内を上記のように高温にすると好熱性メタン発酵汚泥による微生物学的な分解の他に、化学的な加水分解も起こりやすくなることも期待できる。
【００２５】
メタン発酵槽１におけるメタン生成菌は多種生物と共存し、他の生物からメタン生成菌生育のための基質の提供を受けている。バイオマスは、タンパク質、デンプン、脂肪、繊維質（セルロース）などを含むが、これらの基質は加水分解菌、酸発酵菌などにより低分子化され、メタン生成菌の基質となり、メタン発酵反応を生起させる。
【００２６】
メタン発酵槽１内を加温する手段は特に限定されないが、精製バイオガスの燃焼エネルギーによって得られる電気、温水、スチームなどを利用することができる。またバイオマスがメタン発酵槽１に導入する過程で加温されることも好ましいことである。図示の例では、熱交換器２によって予熱している。
【００２７】
メタン発酵槽１から排出される消化液は、ｐＨが７〜９の範囲であり、窒素成分や炭酸ガスを含む。全窒素濃度は、例えば、１５００〜１５０００ｍｇ／Ｌ、アンモニア性窒素濃度が１０００〜１００００ｍｇ／Ｌの範囲であり、またＮＯ３−Ｎは０．５〜１００ｍｇ／Ｌの範囲であり、ＮＯ２−Ｎは２〜５ｍｇ／Ｌの範囲である（分析方法：ケルダール法、イオンガスクロマトグラフ法）。また炭酸ガス濃度は通常、全炭酸として５〜１０Ｌ／Ｌ−消化液の範囲である（分析方法：酸性放散による容量法）。
【００２８】
消化液は、配管１０を介して脱炭酸処理槽３に送られ、脱炭酸処理される。脱炭酸処理槽３は、消化液が空気と接触する場を提供するだけでよく、それだけの環境があれば、少なくとも空気中の炭酸ガス（ＣＯ２）濃度と平衡になるまで放散する。消化液は炭酸ガスの放散によってｐＨが次第に上昇する。炭酸ガス放散後の消化液のｐＨは、１程度上昇する。脱炭酸処理槽３内で炭酸ガスの分離を促進するために、槽を塔状に構成して内部に充填材を設け、その充填材の上方から消化液を散水するようにしてもよい。この場合、炭酸ガスは分子量が空気より大きいので脱炭酸処理槽３の上方から自然には放散できないので、図示しない吸引手段や、脱炭酸処理槽３の下方から空気を送って上部に放散させるようにすることもできる。
【００２９】
次に、脱炭酸された消化液は、アンモニア放散塔４に送られ、含有するアンモニアが放散される。アンモニア放散塔４は、アンモニアストリッピング装置を用いることができる。アンモニアストリッピング装置は、塔方式を採用し、下方から空気を導入し、上部から消化液を散水して向流させてアンモニアを分離放散せることができる。更に塔内部に充填材を設けて気液接触効率を上昇させるようにしてもよい。さらにアルカリを消化液に混合すれば更にアンモニアガスの放散効率が上昇する。なお、本発明者の実験によると、電気透析膜によるアンモニアの選択的な分離よりアンモニアストリッピング装置の方がアンモニアの分離効率が優れることがわかっている。
【００３０】
アンモニアが分離された消化液は、熱交換器２でバイオマスを加温する。例えばメタン発酵槽１内の発酵温度が５５℃以上８５℃以下であれば、外気をそのまま用いた場合、アンモニアストリッピング後の消化液の温度は４５℃以上７５℃以下となり、余熱が十分に存在するので、バイオマスの加熱に利用できる。従って、バイオガスシステム内でのコストパフォーマンスに優れる。
【００３１】
放散されたアンモニアガスは、アンモニア処理装置５に送られ、助燃剤を用いて酸化処理される。アンモニア放散塔４では、空気を導入してアンモニアストリッピングを行っているので、アンモニア処理装置５に導入されるアンモニアガスは、１〜１０重量％程度の空気を含んでいる。
【００３２】
一方、メタン発酵槽１から発生するバイオガスは生物脱硫槽６に送られ、硫黄酸化細菌によって硫化水素が酸化処理され、精製バイオガスが得られる。生物脱硫槽６に用いる洗浄水（循環水）は、外部水であってもよいが、メタン発酵槽１から発生する消化液の一部又は全部を用いることができる。
【００３３】
次に、アンモニア処理装置５は、図２に示すように、装置本体５００と、該装置本体５００内に充填された充填材５０１と、該装置本体５００下部からアンモニアガスを供給するアンモニア供給管５０２と、助燃材を供給する助燃材供給管５０３と、助燃材を燃焼する点火装置（図示せず）とを備えている。
【００３４】
装置本体５００は、塔状に構成されることが好ましく、図示の例では、２段の充填材５０１Ａと５０１Ｂが配置される。充填材としては、金属製の金網だけもよく、またパンチングメタルを用いることもできる。さらに金属製の金網やパンチングメタルの上にラシヒリングなどを載置したものでもよい。金属製の金網やパンチングメタルとしては、ステンレス製金網やパンチングメタルが好ましい。
【００３５】
助燃剤としては、バイオガス、特に精製バイオガス、中でも精製メタンガスを用いることが、本発明のバイオガスシステムのエネルギー効率（コストパフォーマンス）を向上させる上で好ましい。
【００３６】
装置本体５００内でアンモニアガスを酸化処理する際には、１５０℃以上８００℃以下の温度で無触媒酸化処理することが好ましい。
【００３７】
１５０℃未満では、アンモニアの酸化反応が十分に起こらず、８００℃を超えると、ＮＯｘの生成量が著しく増加する。最も好ましい温度の範囲は２００〜３５０℃である。
【００３８】
装置本体５００内で助燃材を燃焼し、燃焼温度を上記範囲に設定し、
４ＮＨ３＋３Ｏ２＝２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
の反応によって、窒素ガス（Ｎ２）が得られる。この反応において、ＮＯｘの生成は実験的には確認されていない。
【００３９】
この反応では、温度管理が重要であり、図２の例では、第１段充填材５０１Ａの部位で温度センサ５０４、第２段充填材５０１Ｂの部位で温度センサ５０５を各々設け、各センサから制御部５０６、５０７に温度データが送られ、その測定温度に応じて、助燃材供給管５０３に設けられた制御弁５０９と、放散ＣＯ２あるいは空気を導入する配管５１０に設けられた制御弁５１１の開閉を制御する。かかる制御において、制御弁５０９と制御弁５１１は検出温度による比例制御によって開閉するように設定することが一例として挙げられる。
【００４０】
図２の例は、充填材が２段の例であるが、図３のように１段であってもよい。図３の例において、温度センサは塔内上部の温度を計測する温度センサ５１２と、下部の温度を計測する温度センサ５１３を配置する。各温度センサは温度データ送受信部５１４、５１５に接続されている。温度データ送受信部５１４、５１５は制御部５１６に接続され、上部と下部の温度データから、バイオガスの供給量を調節する制御弁５１７の開閉を調整する。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により、本発明の効果を例証する。
【００４２】
実施例１
図３に示すアンモニア処理装置を用いて、消化液から放散されたアンモニアガスを酸化処理した。充填材としてステンレス金網を用いた。助燃材としてバイオガスを用いた。
【００４３】
アンモニアガスを供給して、上部と下部の平均温度が２５０℃となるように、酸化処理したところ、９０％のアンモニア成分が除去できた。
【００４４】
また排ガスを分析したところ（ＮＯｘ：検知管、Ｎ２Ｏ：電子捕獲型検出器を有するガスクロマトグラフ）、ＮＯｘ、Ｎ２Ｏの検出は無く、ほぼ完全に窒素ガスにすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のバイオガスシステムの一例を示すフロー図
【図２】アンモニア処理装置の一例を示す図
【図３】アンモニア処理装置の別の一例を示す図
【符号の説明】
【００４６】
１：メタン発酵槽
２：熱交換器
３：脱炭酸処理
４：アンモニア放散塔
５：アンモニア処理装置
５００：該装置本体
５０１：充填材
５０２：アンモニア供給管
５０３：助燃材供給管
５０４、５０５：温度センサ
５０６、５０７：制御部
５０９：制御弁
５１０：配管
５１１：制御弁
５１２、５１３：温度センサ
５１４、５１５：温度データ送受信部
５１６：制御部
５１７：制御弁
６：生物脱硫槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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