超音波による廃棄物・汚泥処理

バイオガスは、都市の有機廃棄物、下水汚泥、汚物、家畜ふんなどを原料として生成されます。超音波処理は、こうした有機物の消化性を改善し、バイオガスの生成量を増やすとともに残留汚泥を減らします。

バイオガスは、嫌気性または好気性細菌による有機物の分解で生じる副産物です。主にメタン、二酸化炭素、硫化水素から構成されます。そのため、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ります。

エネルギー価格、薬品費および汚泥処分費、環境法規、さらに臭気排出の削減などの課題により、廃棄物処理施設には処理効率の改善が求められています。消化前に有機物を超音波で破砕すると、バイオガスの生成量が大幅に向上します。同時に、超音波処理は汚泥の脱水性を改善し、処分が必要な残留汚泥の量を減らします。

バイオガス製造の原料は、さまざまな凝集・フロック化した物質、繊維、ウイルスおよび細菌、セルロース、その他の無機物の混合物です。食品廃棄物や、油脂またはビナスなどの産業・商業由来の有機廃棄物は、中温および高温消化槽の補助原料となります。超音波キャビテーションは、凝集体と細胞構造を破壊します。構成物質の構造に作用するため、汚泥をより容易に脱水できます。さらに、凝集体と細胞壁を破壊することで、細胞内物質の生物学的利用能が向上し、細菌による分解を受けやすくなります。

超音波処理によるバイオガス収量の増加

最近の研究では、「Geek」都市汚泥処理施設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ました。（左の写真はパイロット規模の設備を示しています。）Hielscher UIP1000hdT（20 kHz, 1000 W）を用いて汚泥を15 min超音波処理する前処理により、嫌気性消化の性能が大幅に向上し、その効果は主にバイオガス生成量の増加に表れました。未処理の汚泥と比較して、バイオガス収量は約16 ± 2 NL·d⁻¹から26 ± 2 NL·d⁻¹へと増加し、約63%の向上に相当しました。この向上は、汚泥フロックおよび細胞構造の超音波破砕によるものとされています。これにより、溶解性化学的酸素要求量（COD）および揮発性脂肪酸濃度が大幅に増加し、メタン生成微生物にとっての基質の生物学的利用能が改善しました。その結果、メタン含有率を変えることなく、より高い比メタン収量が得られ、メタン含有率は約62%で安定していました。これらの結果は、低周波・高出力の超音波処理が、加水分解を促進し、容易に生分解される有機物の割合を増やす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を裏付けています。（Gkalipidou et al., 2026を参照）

 
Hielscherは1999年以降、世界各地の都市および産業廃棄物処理施設を含むさまざまな排水処理施設に、個々の出力が最大48kWの超音波破砕システムを供給しています。これらのシステムの一部は、バイオガス収量を最大25%向上させました。

嫌気性消化前に家畜ふんを超音波で破砕すると、バイオガス収量が向上します。

下表は、さまざまな体積流量に対する一般的な所要出力を示しています。超音波システムは通常、消化槽への供給前のラインに組み込まれます。あるいは、有機物を消化槽から超音波システムに通し、消化槽へ戻す循環処理も可能です。そのため、既存の施設にも超音波処理工程を容易に追加できます。

• バイオガス収量の増加
• 嫌気性分解の改善
• 脱気およびフロック破砕による沈降特性の改善
• 脱窒に向けたC/N比の改善
• 余剰汚泥の濃縮の改善
• 消化および脱水性の改善
• 凝集剤の使用量の削減
• 消化後の残留汚泥の削減による処分費の低減
• 必要なポリマー量の削減
• 糸状性細菌の破壊

例えば1–4kWのシステムを用いたパイロット規模の試験をお勧めします。これにより、お客様の具体的な処理流に対する一般的な効果と改善を確認できます。お客様のプロセスについてご相談を承り、次のステップをご提案いたします。