飲料廃水汚泥からの発電用バイオガス生成の実験・シミュレーション解析

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9107 (2022) この記事を引用

5637 アクセス

7 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、飲料産業から発生する廃水汚泥のバイオガスとメタン生成の可能性を評価しました。 単一の流加式嫌気性消化装置のバイオガス生産能力の最適化を、さまざまな温度 (25、35、および 45 ℃)、pH (5.5、6.5、7.5、8.5、および 9.5)、有機供給比 (1 :3、1:4、1:5、および 1:6)、水圧保持時間は 30 日間です。 飲料廃水スラッジのメタンとバイオガスの生産性を、揮発性固体 (VS) と体積の観点から測定しました。 バイオガスの最大生産量（15.4 m3/g VS、9.3 m3）とメタン含有量（6.3 m3/g VS、3.8 m3）は、8.5、35℃、1:3の最適pH、温度でVSと体積に関して得られました。 、有機負荷率、それぞれ。 さらに、室温で 1 日当たりの最大メタン含有量 (7.4 m3/g VS、4.4 m3) およびバイオガス生成可能性 (17.9 m3/g VS、10.8 m3) が達成されました。 35 ℃ (30 日) での総バイオガスとメタンはそれぞれ 44.3 と 10.8 m3/g VS ですが、25 ℃ (48 日) ではそれぞれ 67.3 と 16.1 m3/g VS に増加しました。 さらに、室温（24 日間で 22.1 kWh）および最適温度（40 日間）（18.9 kWh）で生成されたバイオガスの発電能力を推定しました。 最適温度でのバイオガスとメタン生成に関して最適な HRT (25 日間) をシミュレートしたモデルは、実験結果とよく一致しました。 したがって、飲料産業廃水汚泥にはバイオガス生産と電化の大きな可能性があると結論付けることができます。

現在では、さまざまな廃棄物が持続可能な方法でエネルギー効率の高いレンガ 1、梱包材 2、農業用 3 などの有用な製品にリサイクルされ、バイオエタノール 5,6、バイオディーゼル 7,8、バイオガス 9、練炭生産 10 などのさまざまなバイオエネルギー システム 4,5 が作られています。 エネルギー供給の持続可能な開発を可能にし、温室効果ガスの排出を軽減するには、作物、残渣、廃棄物（産業廃棄物、農業廃棄物、都市廃棄物）などのさまざまな原料からの嫌気性消化によるバイオガスの生産が重要な役割を果たします11。 産業汚泥からのバイオガス生産にはいくつかの利点があります。 持続可能なバイオガスエネルギー生成に加えて、有機廃棄物を処理できるという利点もあります。 さらに、改良されたバイオガス技術の開発により、調理や輸送分野を含む多様な用途でのバイオガスの利用がさらに促進されるでしょう12。 嫌気性消化は、酸素の不在下で微生物が有機物をバイオガスに変換する一連の生物学的プロセスです。 バイオガスは、約 60 パーセントのメタン (CH4)、40 パーセントの二酸化炭素 (CO2)、および微量のその他のガス (水蒸気 (H2O) や硫化水素 (H2S) など) で構成されています。 したがって、嫌気性消化は、低開発国および発展途上国を悩ませている前述のすべての懸念（エネルギーと廃棄物管理）に対処すると同時に、農業の生産性を向上させる上で重要な役割を果たすことができます。

Ngoc と Schnitzler (2009)13 および Goňo らによる以前の研究では、 (2013)14 は、発酵から生成されたバイオガスを燃焼させて、生産プロセス中に熱と電力の組み合わせ (CHP) と照明を生成できることを報告しました。 高品質のバイオガスを含むバイオガスシステムは電源として使用でき、環境保護と開発に非常に有益です。 食品および飲料産業からの廃水は有毒金属で汚染されており、急性または慢性疾患として人間の健康に悪影響を与える可能性があります15、16。 毎日処理施設を通過する数百万ガロンの廃水には、数百トンの生物固形物が含まれています。 USEPA (1979) の報告によれば、バイオソリッドは嫌気性消化を通じてバイオガスを生成し、55 ～ 70 パーセントのメタンと 25 ～ 30 パーセントの二酸化炭素を生成することができます17。 それにもかかわらず、代謝経路やメタン含有量に影響を与える有機廃棄物の複雑な物理的および化学的特性により、バイオマス廃棄物からのバイオガスの生成とエネルギー用途への利用は依然として困難です。 その結果、バイオガスの収量と品質をさらに改善する機会に注目が集まっています18。 したがって、下水汚泥は、科学界、特に食品および飲料業界における主要な研究対象領域です。 Sreekrishnanらによると、 (2004) は、嫌気性消化プロセスにおいてメタン収量を増加させるために原料には前処理が必要な場合があると報告しています16。 前処理により、複雑な有機構造がより単純な分子に分解され、微生物による分解を受けやすくなります。 さらに、前処理プロセス中に化学薬品（CaO2 など）を利用することで、バイオガス中のメタンの収率と含有量を高めることができ、スラッジ材料のさらなる分解と分解が可能になります 19,20。