成果報告書詳細
管理番号20100000001314
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 新エネルギー技術フィールドテスト事業 地域バイオマス熱利用フィールドテスト事業 高タンパク質含有漁業系廃棄物等を対象とした無加水メタン発酵システムの実証試験事業
公開日2010/9/9
報告書年度2007 - 2009
委託先名大成建設株式会社
プロジェクト番号P07018
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約漁業系廃棄物は、年間400万t発生していると推定されているが、海洋投棄が規制され新たな処理技術が要求されている。一方、食品由来の廃棄物は年間2,200万t発生していると推定されているが、他のバイオマス資源と比較して大幅にリサイクルが遅れている。そこで本事業は、漁業系廃棄物と生ごみを対象として、これらウェットバイオマスを加水することなく固形のままメタン発酵するためのシステムを構築した実証試験を行い、無加水メタン発酵技術の具現化を目指した。 無加水メタン発酵法は水を全く加えずにメタン発酵を行うため、発酵済残渣の発生量を大幅に削減できる事が利点として挙げられる。その反面、メタン発酵微生物群と原料との接触が悪くなることによる発酵効率の低下や、アンモニアによるメタン発酵阻害の問題があった。特にアンモニアは、タンパク質成分の分解に伴って産出されるもので、肉や魚などタンパク質成分を多く含む食品廃棄物を対象にした無加水メタン発酵では避けて通れない課題であった。 この課題に対し我々は、特殊な微生物群によって対象原料から強制的にアンモニウムイオンを生成させる生物反応プロセス(アンモニア生成槽)と、生成されたアンモニウムイオンを物理化学的なアンモニアストリッピング法で除去する物理化学反応プロセス(脱アンモニア槽)の二段階のプロセスから成る低エネルギーな前処理方法を開発した。 実証試験は、2007年度より3ヶ年計画で実施し、1日当り500kgの処理能力を有したプラントを釜石清掃工場の敷地内に設置した。2008年5月中旬より原料の受入れを開始して約2年間にわたる連続運転を実施した。なお、従来の課題であった廃棄物原料の収集運搬と発酵残渣の処理を容易にするため、釜石市清掃工場敷地内にメタン発酵プラントを設置して、本技術の入り口と出口の技術的検証も併せて行った。 その結果、アンモニア生成槽ではタンパク質に含まれる窒素からのアンモニア転換率が約80%、脱アンモニア槽ではアンモニア除去率が約95%を達成し、これによりメタン発酵槽内のアンモニウムイオン濃度を2,000-3,500 mg-N/kg-湿重に抑制する事が出来た。その結果、原料投入量当りのバイオガス発生量は、計画投入量500kg/日に対しての目標バイオガス発生量100m3/日をほぼ満足した。なお、投入CODcr当たりのメタン発生量は0.31 m3-CH4 / kg-CODcrであり、メタン転換率は89%に相当した。本実証試験では、発酵済み残渣の全量を溶融炉にて焼却処分したが、残渣発生量は、原料投入量の86% (14%減容)であり、その含水率は約90%であった。 計測データを基にエネルギー収支を解析したところ、発電機を導入して自己完結型システムとした場合でも約35%が余剰エネルギーとして外部利用できることが判明した。なお、対象原料1t当りのCO2排出量削減効果は108 kg-CO2と試算された。 以上の実証結果より、無加水メタン発酵システムは、商用化が可能であると判断された。なお、建設コストに関しては従来の湿式システムとほぼ同等であるが、原料成分によってはシステムが軽減でき大幅なコストダウンが可能であると試算された。また、維持管理費は湿式システムと比較して35%削減出来ると試算された。無加水メタン発酵システムは、現存のごみ焼却施設とのコンバインド方式として導入することがエネルギー効率から判断して有効であると考えられた。
英文要約Title : Pilot-scale test of non-dilution methane fermentation system for the fishery and food wastes which include high content of protein (FY 2007 - FY 2009) FY 2009 Final Report
We have been developed the high-performance methane fermentation system without dilution water for fishery and food wastes. In case of methane fermentation without additional dilution water by conventional technology, the ammonium ion is produced from degradation of proteins and accumulates it in the fermentation tank. And then methane production is inhibited by high concentration of ammonium. Our newly developed system has two additional processes, namely microbial ammonium production system and chemical ammonium removal system before the methane fermentation, which resulted in low nitrogen loading rate. It is the first test plant to verify such methane fermentation system for the practical use. As a basic specification for the FT plant, processing amount is 500kg/day and biogas production amount is 100Nm3/day. The plant is built in the Kamaishi incineration facilities. The main equipment of the plant system is composed of a ripper, the above mentioned 3 tanks, the ammonia recovery equipment, a desulphurization tower, a gas holder, and a co-generation system. At the last year of this project, the outline of execution is described as follows. "1) Research on process performance of non-dilution methane fermentation system" We have started to supply food waste to the plant for this study from 15 May. The food waste which contains fish and meat wastes was collected from 10 sites in Kamaishi city, which include a supermarket and so on. Supply amount of the food waste was gradually increased according to methane production activity in the start-up period. We have achieved a steady operation of the plant after 3 months. We have conducted improvement construction everywhere in the plant and we evaluated efficiency of each process in the plant under various operation conditions. Ammonium was produced approx. 80% from the proteins such as fish and meat waste in ammonium production process. Over 95% of the total nitrogen was also removed during the ammonium removal process. And thus, ammonium concentration was kept between 2,000 to 3,500 mg-N/L in the methane fermentation tank and methane fermentation was stable without ammonium inhibition by introducing the pre-treatment processes. We confirmed approx. 100m3/day biogas production, which was a targeted value in this project. On the other hand, Methane production derived from supply amount of CODcr was estimated 0.31 m3-CH4 / kg-CODcr, and methane conversion rate was corresponding to 89%. The whole quantity of the residue that had fermented did the incineration disposal in the fusion furnace. The amount of the residue was 86% against the raw material (14% reduction), and the water content was approx. 90%. "2) Research on energy efficiency of the system" To promote this system, it's necessary to maximize the energy efficiency, the ratio of the biogas output towards primary energy consumption of the system. In this study, in order to clarify the issues for improving energy efficiency, we conducted the actual measurement of the energy usage on the current system, heat and power consumption of the process and output and primary energy consumption of the generator as co-generation system and steam boiler as sub-boiler. When the energy balance had been analyzed based on the measurement data, it turned out that about 35% was able to use the external as surplus energy even when the dynamo was introduced. The effect of the reduction amount of CO2 exhaust is estimated 108kg-CO2/t by introducing our developed system.
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