超音波廃棄物・汚泥処理
バイオガスは、地方自治体の有機性廃棄物、下水汚泥、泥、糞尿などから発生する。超音波処理は、このような有機物の消化率を向上させ、バイオガスの増加と残留汚泥の減少につながる。
バイオガスは、嫌気性または好気性バクテリアによる有機物の分解の副産物である。主にメタン、二酸化炭素、硫化水素から成る。このため、バイオガスは天然ガスなどの化石燃料に代わる再生可能な燃料となる。
エネルギー価格、化学薬品や汚泥の処理コスト、環境法、悪臭排出の削減など、廃棄物処理プラントには処理効率の向上が求められている。消化前に有機物を超音波で分解すると、バイオガスの生産量が大幅に向上する。また、超音波処理によって汚泥の脱水性が改善され、処分すべき残留汚泥の量が減少します。
バイオガス生産用の原料は、様々な凝集・凝集物質、繊維、ウイルス、バクテリア、セルロース、その他の無機物質の混合物である。食品廃棄物、脂肪やビナスのような有機産業廃棄物や商業廃棄物は、中好気性および好熱性消化槽の補助原料である。超音波キャビテーションは凝集体や細胞構造を破壊する。構成材料構造への影響により、汚泥はより容易に脱水されます。さらに、凝集体と細胞壁の破壊により、細菌による分解に対する細胞内物質の生物学的利用可能性が向上します。
4x 4kWパワー超音波 汚泥分解用
超音波処理によるバイオガス収率の向上
最近の研究で、ギーク市の汚泥処理プラントにおける超音波処理による汚泥前処理の効果が調査された。(Hielscher UIP1000hdT (20 kHz、1000 W)を用いて15分間超音波処理することにより、嫌気性消化性能が大幅に向上し、主にバイオガス生産量が増加した。未処理の汚泥と比較して、バイオガスの収量は約16±2NL-d-¹から26±2NL-d-¹に増加し、約63%の改善に相当した。この向上は、超音波による汚泥のフロックと細胞構造の崩壊によるもので、これにより可溶性化学的酸素要求量（COD）と揮発性脂肪酸濃度が大幅に増加し、メタン生成微生物の基質生物学的利用能が向上した。その結果、メタン含有量を変化させることなく、より高い比メタン収率が達成され、メタン収率は約62％で安定したままであった。これらの結果から、低周波・高出力超音波処理は、加水分解を促進し易生分解性有機物の割合を増加させることで、嫌気性消化を強化する効果的な前処理戦略であることが確認された。(Gkalipidouら、2026参照）。
1999年以来、Hielscher社は、世界中の自治体や産業廃棄物処理施設を含む様々な廃水処理施設に、最大48kWの個別出力の超音波分解システムを供給している。これらのシステムの中には、バイオガスの収率を最大25％向上させたものもある。
嫌気性消化の前に家畜ふん尿を超音波分解すると、バイオガスの収率が向上する。
下表は、様々な流量に対する典型的な必要電力を示している。超音波システムは通常、消化槽に供給する前にインラインで組み込まれる。あるいは、有機物を消化槽から超音波システムを通して消化槽に再循環させることもできる。そのため、超音波処理工程は既存の設備に簡単に組み込むことができる。
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48kWの強力な汚泥分解用超音波処理機
- バイオガス収量の増加
- 嫌気性分解の改善
- 脱ガスおよびフレーク崩壊による沈降挙動の改善
- 脱窒のためのC/N比の改善
- 余剰汚泥濃縮の改善
- 消化性と脱水性の向上
- 凝集剤の削減
- 消化後の残留汚泥の減少による処分コストの削減
- 必要ポリマーの削減
- 糸状菌の破壊
例えば、1～4kWのシステムを使用したパイロット・スケールの試験を実施することをお勧めします。これにより、お客様の特定のプロセスストリームに対する一般的な効果と改善が示されます。お客様のプロセスについてご相談させていただき、さらなるステップをご提案させていただきます。
6000ワットのパワフルなソニケーター、UIP6000hdT、 超音波フローセルリアクターを使用。
文献・参考文献
- Evdokia Gkalipidou, Asimina Koukoura, Ioanna Savvanidou, Marios G. Kostakis, Dimitrios Triantafyllos Gerokonstantis, Petros Mastoras, Georgia Gatidou, Michail S. Fountoulakis, Stergios Vakalis, Olga S. Arvaniti, Nikolaos S. Thomaidis, Olga-Ioanna Kalantzi, Athanasios S. Stasinakis (2026): Evaluation of a pilot system coupling thermal and ultrasound pretreatment, anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for sewage sludge treatment and per- and polyfluoroalkyl substances removal. Chemical Engineering Journal, Volume 532, 2026.
- Antonio-Abdu Sami M. Magomnang and Sergio C. Capareda (2018): Effects of Sequential Sodium Hydroxide Ultrasonication and Hot Water Treatment of Rice Straw and Coconut Shell on Biogas Production. Indian Journal of Science and Technology Vol. 11 (18), 2018. 1-12.
- Yasuo Tanaka (2002): A dual purpose packed-bed reactor for biogas scrubbing and methane-dependent water quality improvement applying to a wastewater treatment system consisting of UASB reactor and trickling filter. Bioresource Technology, Volume 84, Issue 1, 2002. 21-28.
- Pérez-Elvira S, Fdz-Polanco M, Plaza FI, Garralón G, Fdz-Polanco F. (2009): Ultrasound pre-treatment for anaerobic digestion improvement. Water Science Technology 60(6), 2009. 525-32.
- Lisa A. Davies, Andrew Dargue, John R. Dean, Michael E. Deary (2015): Use of 24kHz ultrasound to improve sulfate precipitation from wastewater. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 23, 2015.
よくある質問
バイオガス製造のための廃棄物・汚泥処理とは？
バイオガス生産のための廃棄物・汚泥処理では、農業廃棄物、下水汚泥、食品廃棄物などの有機物を、管理された環境で嫌気性消化する。この過程で、微生物は酸素のない状態で有機物を分解し、メタンと二酸化炭素を主成分とする混合物であるバイオガスを生成する。このバイオガスは再生可能エネルギー源として利用できる。また、この処理過程では、肥料として利用できる栄養豊富な副産物（消化液）も生成されるため、廃棄物処理の持続可能性が高まる。
汚泥からのリン資源化とは？
汚泥からのリン回収は、下水処理場で多く処理される下水汚泥から必須栄養素であるリンを回収するものである。このプロセスでは、汚泥に高周波の音波を当てることで微生物の細胞壁を破壊し、有機物からのリンの放出を促進するソニケーションが用いられる。これにより、リンの回収効率が向上し、その後の抽出や精製に利用しやすくなり、最終的には農業におけるリンの持続可能な再利用に貢献する。 超音波処理で汚泥からのリン回収が増加の続きを読む