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

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1 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。

廃水のメタン生成可能性を決定する主な要因は、廃水中の分解性有機物質の量です。飲料廃水処理プラントから生成される汚泥を適切に管理すれば、バイオガスの形で相当なエネルギーを生み出す可能性があり、廃水処理プラントを消費者ではなく純エネルギーメーカーに変える可能性があります。エネルギー生産を最大化することに加えて、嫌気性消化装置により、廃水処理プラントの総コストを最小限に抑えることができました。さまざまな持続可能な原料から生成されるバイオガスエネルギーは、電気や車両燃料を生産するための化石燃料の代替品として使用できます。これには、下水処理場のプロセスからの温室効果ガス (GHG) 排出を軽減できるという利点があります21。ラブトンら。 (2012)22 および Thyo および Wenzel (2007)23 は、生成されたバイオガスをバイオメタンにアップグレードせずに CHP 用途にその場で利用することを提案しました。それにもかかわらず、CHP ユニットは環境への直接的な GHG 排出を引き起こし、地球温暖化、スモッグの形成、酸性化、富栄養化といったカテゴリーに関連する影響を引き起こします。排出率はエンジンの種類によって影響を受ける可能性があります。たとえば、触媒コンバータを備えたガスエンジンは排出率が最も低いことがわかります。一方、パイロット噴射エンジンでのオイルの発火は、劣化ガス中の汚染物質の量を増加させます24。一般に、バイオガスからの発電は、化石燃料ベースのエネルギーシステムから生成される電力と比較して、環境への影響が低くなります24、25、26、27。この研究では、実験的アプローチと計算的アプローチを組み合わせて、飲料廃水スラッジからのバイオガス生成と発電の可能性を推定します。

硫酸 (H2SO4)、硫酸マンガン (MnSO4)、アジ化アルカリ、デンプン指示薬、0.02 N Na2S2O3、COD 試薬、脱イオン水、NaOH、安息香酸(C6H5COOH)、メチルオレンジ、炭酸ナトリウム (Na2CO3)、蒸留水、KHP (フタル酸水素カリウム、HOOCC6COOK）、重クロム酸カリウム（K2Cr2O3）、第一鉄指示薬、硫酸水銀、FAS（硫酸第一鉄アンモニウム、Fe(NH4)2・H2O、COD酸、アンモニウム溶液、または水酸化ナトリウム、および活性炭シリカゲル。研究に使用された実験器具断熱またはボブ熱量計、デジタル重量天秤、スターラー、温度計、電極、酸素ボンベまたは容器器具、酸素ホース、抵抗器、カプセル、綿糸、またはヒューズワイヤー、バケツ、漏斗、メスフラスコ、EA1112フラッシュ CHNS/O 分析装置と BOD インキュベーター。

近似分析では、総固形分、揮発性固形分、水分含有量、固定炭素、硫黄、灰分を測定します。乾燥固体は、基板を 105℃で 1 時間加熱した後に残る材料の質量として定義され、出発時の湿った材料の質量の百分率で表されます。マーフィーらによると、 201528 揮発性固体含有量は、乾燥固体のパーセンテージとして表される、蓋付きるつぼ内で 950 ℃ で 7 分間の強熱中に失われる固体の質量として定義できます。 BOD は標準的な HACH 法を使用して測定されました。 CODは、ドイツの標準測定法で製造されたSN 11/4005を備えたAL 450 AQUALYTIC光度計を使用して測定されました。廃水汚泥のエネルギー含有量の測定は、ボンベ熱量計を使用して測定されました。リン酸塩は、APHA 4500-PC モリブデン酸比色法を使用して測定できます。

最終的な分析では、基材の乾燥固体サンプル中の炭素、水素、硫黄、窒素の割合を評価します。そこで本研究では、ガス流量120ml/min、基準流量100ml/min、酸素流量250ml/min、炉温900℃の条件で最終分析を行った。 ℃、オーブン温度75℃。すべてのコンポーネントとサンプルの 6 つのキャリブレーションポイントを重複して実行しました。

私たちの知る限り、清涼飲料水産業廃棄物汚泥からバイオガスを生成する研究はまだ報告されていません。これに沿って、総容量 20 L の水瓶を備えた、水と廃水汚泥の比が 1:1 の単一流加式嫌気性消化槽での予備調査では、バイオガス組成の収率が高いことが示されました (CH4 61.11%)。この動機により、この研究は、下水汚泥の物理化学分析の特性評価、さまざまな変数 (温度、pH、有機負荷率、および水力滞留時間) の最適化、およびバイオガス生産用のソフトウェアシミュレーションによるさまざまな変数の最適化に焦点を当てました。

嫌気性消化によるバイオガスの生成は、エネルギー生産を最大化し、下水処理場における全体的な処理コストを削減するために重要です。天然ガスとは対照的に、バイオガスを電力および燃料として使用すると、二酸化炭素排出量の削減など、環境面で多くの利点があります。同様に、温室効果ガスの軽減を最大限に高めるには、バイオメタンにアップグレードするのではなく、バイオガスをオンサイトの CHP に使用する必要があります。一般に、バイオガスで生成された電力は、化石燃料で生成された電力よりも環境への影響が低くなります21、22、23、25。この研究は、飲料廃水汚泥から生成されるバイオガスと電力の量を推定するための研究でした。バイオガスから発電する最も簡単な方法は内燃エンジンを使用することであり、バイオガスから生成される電力量は以下の式を使用して計算できます24、25、26、27、29。

ここで: \({E}_{elect}\) は有機残留物 (tres) 1 トンあたりに生成される電気エネルギー (KW/tres 単位)、\({Q}_{biogas}\) は有機残留物から得られるバイオガスの量です。バイオダイジェスターの有機残留物 (m3 単位)、\({F}_{{CH}_{4}}\) はバイオガスに含まれるメタンのパーセンテージです、\({CP}_{{CH}_{ 4}}\) はメタンの比熱 (KWh/m3)、\({\eta }_{elect}\) はパーセンテージで表した電気効率です。

嫌気性消化プロセスと有機廃棄物の正確な化学組成は廃棄物収集場所によって異なり、\({Q}_{biogas}\) と \({F}_{{CH}_{ 4}}\)。バイオガス中の CH4 と CO2 の正確な比率は、嫌気性および発酵プロセス中に活動する微生物の原料となる有機投入物の種類と濃度によって決まります。嫌気性消化は、確立された廃棄物および廃水処理技術です27。

高発熱量（総発熱量または総エネルギー値）は、製品が燃焼し、製品が 25 °C の温度に戻った後に所定の量によって放出される熱量として定義されます。低発熱量 (LHV、正味発熱量) は、燃焼生成物の最終温度が水の沸点 (100 °C) より高い場合に、指定量の燃焼によって放出される熱量として定義されます。 LHV は燃料中の水の蒸発潜熱を利用し、反応生成物を回収しません。高い発熱量は、燃焼生成物における水の蒸発の潜熱を説明します。一般に、発熱量を表すために、発熱量の 2 つの用語、高発熱量と低発熱量が使用されていました。廃棄物の高発熱量と低発熱量は、以下に示す Dulong 式を使用して計算されます。 HHV から燃料の LHV を決定するには、またはその逆に、燃料 1 モルが燃焼したときに生成される水のモルを決定する必要があります29。

ここで、炭素、水素、酸素、および硫黄は、C、H、O、および S 含有量 (乾燥ベース) です。

25℃における水の気化熱は次のようになります。

Wongらによって記載された方法によると、 (2011)30 嫌気性バッチ消化 pH、有機負荷率、温度、および水力滞留時間の最適化テストを 3 回実施し、35 ℃の水浴中でインキュベートしました。バイオガス潜在能力の最適な HRT を決定するために必要なバイオガス生成の開始を説明するために、実験が 30 日間実施されました。バッチ蒸解釜はバイオガスの漏れを防ぐために内側から密閉されており、温度を維持するためにウォーターバスが完全に挿入されています13。内容物をハンドシェイクを使用して撹拌した。この研究では、エアタイシリンジを使用してバイオガス生成を毎月測定し、ガス分析装置を使用してバイオガス組成を照合しました。 Sreekrishnan et al.16 によれば、基質の pH を調整するために 1% NaOH と H2SO4 が使用されました。バイオガス生産の最適化は、廃水汚泥とさまざまな実験装置を収集することによって実行されます。次の実験室装置を使用しました: ウォーターバス、リアクターボトル、ガス調整弁、プラスチックホース、エアタイガスシリンジ、ガス分析器、およびガスコレクターバッグ。小規模嫌気性消化および実験室規模でのバイオガス生成最適化の実験設定をそれぞれ図1a、bに示します。

HYPERLINK "sps:id::fig1||locator::gr1||MediaObject::0" (a) 小規模嫌気性消化の実験装置の概略図。 (b) 実験室規模でのバイオガス生産のための実験装置。

この研究では、好気性消化の動力学モデルを使用して、生成されたバイオガスからのメタンの量を推定しました。 1936 年、バスウェルとハットフィールドは、1936 年に生成されたバイオガスからのメタン含有量の予測を可能にする化学量論式を開発しました31,32。 1952 年後半に、ボイルはバスウェルとミュラーの化学反応を修正して、生成されるバイオガス中に NH3 と H2S の画分を得るために窒素と硫黄を含めることができるようにしました 32,33,34,35。 MATLAB ソフトウェアは、下水汚泥からのバイオガス生成のシミュレーション解析に使用されました。産業廃棄物は非常に複雑な混合物であり、その組成を説明するためにさまざまなアプローチが使用されます。元素の組成は、下水スラッジの非水成分を説明するための最も有用な基本的な方法です。このモデルの目標は、シンプルさと効果的なバイオガス生成予測のバランスをとることです。すべての要素を考慮し、非常に高い精度でバイオガス排出量を予測するモデルを作成することが目的ではありません。したがって、理論上のバイオガスの可能性を推定するために、この単純なモデル研究が使用されます。このモデルを特定の原料に適用するには、原料の化学成分を知る必要があります。このモデルでは、入力材料が炭素、水素、酸素、窒素、硫黄元素のみで構成されているという仮定が考慮されています。これらの元素の相対比は、廃棄物の最終分析、一定の温度、一定の蒸解釜容積、完全な混合、理想的な細菌状態、および CH4、CO2、NH3、および H2S のみを含む反応生成物から得ることができます。灰の蓄積はなく、反応は完了します34。

バイオガスの主成分は炭素、酸素、水素、硫黄です。エネルギー変換プロセスへの廃棄物から得られる製品の量と品質。基質の最終分析を使用して、廃棄物の元素組成に基づいて化学量論方程式を決定し、C、H、O、および N36 を考慮して理論的なメタン組成を計算しました。この研究から、乾燥下水汚泥は、下水汚泥の乾燥重量基準で約４５．１９０質量％の炭素と約４２．９９２質量％の酸素を含んでいた。下水汚泥の最終的な特性を表１に示します。

近似結果によれば、乾燥した廃汚泥の含水率は約 6.26% でした。質量含有量の残りの部分は、廃水汚泥中に存在する総固形分含有量です。この固体塊は主に揮発性固体を含み、少量の部分がミネラル分（灰分）として含まれます。どのようなエネルギー変換プロセスにおいても、揮発性固体質量の一部のみが変換されます。下水汚泥のおおよその特性を表 2 にまとめます。

Fytili と Zabaniotou (2008)37 および Sitorus らによると、 (2013)38 は、数種類の下水汚泥の発熱量が 11 ～ 25.5 MJ/Kg (2627 ～ 6000 cal/g) の範囲であると報告しました。さらに、Oladejo ら。 (2019)39 は、乾燥下水汚泥の揮発性有機含有量が 21 ～ 48% の範囲であると報告しており、その結果、エネルギー含有量は 2600 ～ 5200 cal/g の間で変動します。この研究では、飲料廃水処理プラントからの汚泥の発熱量は約 5042.2 cal/g で、これは上記文献のより高い発熱量とよく一致しています。究極的な分析で行われた以前の関連研究によると、炭素含有量 (W%) は発熱量に正比例します 40,41,42。つまり、汚泥に炭素が多く含まれていれば、カロリーも多く含まれることになります。最終的な分析によると、当社の基材には高い炭素含有量 (45.19%) が含まれています。これは、砂糖が清涼飲料業界において最も重要な基礎原料の 1 つであるためです。結果として、当社の基材の高カロリー含有量は、清涼飲料業界で使用される原材料によるものと考えられます。さらに、リン酸塩、TS、COD、および BOD の量は、それぞれ 4.02 mg/l、27.4%、2200 mg/l、および 30 mg/l です。リン濃度は、良好な着色係数 (R2 = 0.999) を備えた外部検量線に基づいて決定されました。

この研究では、総容積 20 L の水瓶を備えた単一の流加式嫌気性消化槽をバイオガスの生産に使用しました。原料には廃水基質が 50%、水が 50% 含まれています。供給原料の総重量は 20 kg で、供給中に手動で混合されました。パラメータ制御なしの環境条件で動作していました。ガス収集バッグはバイオガスを収集するために提供されました。バイオガスの生成量は、水置換法を定期的に使用し、ガス分析装置を使用してバイオガス組成を分析することによって決定されました。この一次分析実験研究から、23 の水力滞留時間後にバイオガス生成が開始されました。図 2 に、本研究によるバイオガス生産量とメタン含有量の結果を示します。

(a) 日数の関数としてのバイオガス生成 (mL)、(b) 日数の関数としてのメタン含有量 (%)、(c) 予備研究のための実験室規模での日数の関数としてのメタン含有量 (mL)。

すべての実験設定において、pHの最適化は一定の基質比で行い、温度はそれぞれ1:4と35℃に維持しました。最適化は 3 回の分析で実行されました。各反応器は５００ｍＬの容量を有し、廃水汚泥基質を含む総液体４００ｍＬを含んでいた。 pH の最適化は、次のようにさまざまなバッチ反応装置の設定で行われました。セットアップ A: 反応器 1、2、および 3 は pH 5.5 で実行されました。セットアップ B: 反応器 4、5、および 6 は pH 6.5 で実行されました。セットアップ C: リアクター 7、8、および 9 は pH 7.5 で行われ、セットアップ D: リアクター 10、11、および 12 は pH 8.5 に調整され、最後のセットアップ E: リアクター 13、14、および 15 は pH 8.5 に調整されました。 pH9.5。さまざまな研究者が、嫌気性廃水汚泥の消化に適した pH の範囲を報告しています。産業有機廃棄物の最適 pH は 6.5 ～ 7.543 の間で得られました。 Rosenberg と Kornelius (2017) による以前のレポートによると、バイオガス生成に最適な pH 値は 6.7 ～ 7.5 であることがわかりました。 Ngoc と Schnitzer (2009) によって報告された研究 13 では、バイオガス生成のための嫌気性消化の最適 pH 値が 6.0 ～ 8.0 であることも特定されました。この研究では、バイオガスとメタンの最大収率は初期 pH 8.5 で達成され、反応器温度 33 ℃、pH 7.3 でガス生成が終了しました。さらに、最大バイオガス収量 (1404.3 mL) とメタン含有量 (654.4 mL) が図 3 に示されており、pH 8.5 以降のメタン含有量の急激な減少が示されています。

(a) pH の関数としてのバイオガス生成 (mL)、(b) pH の関数としてのメタン含有量 (%)、(c) pH の関数としてのメタン含有量 (mL)。

有機充填率の最適化は、すべての実験設定で基質の一定の pH (8.5) および温度 (35 ℃) で実施されました。各反応器は５００ｍＬの容量を有し、廃水汚泥基質を含む総液体４００ｍＬを含んでいた。異なるバッチ反応器設定における基質と水の比率は次のように行われました。セットアップ A: 反応器 1、2、および 3 は、基質の比率 1:3 で実行されました。セットアップ B: 反応器 4、5、および 6 は、基質の比率 1:5 で実行されました。セットアップ C では、反応器 7、8、および 9 を基質の比率 1:6 で実行しました。有機負荷の最適化では、この研究で考慮した有機負荷ごとに 3 つの反応器を使用して測定を 3 回実行しました。図 4 は、最適なバイオガス生成とメタン収率の結果を 1:3 の比率で測定したものを示しています。この結果は、Syaichurrozi と Sumardiono (2013) の研究と一致しています。

(a) 有機負荷率の関数としてのバイオガス生成量 (mL)、(b) 有機負荷率の関数としてのメタン含有量 (%)、(c) 有機負荷率の関数としてのメタン含有量 (mL)。

温度の最適化は一定の負荷比で実行され、原料の pH はすべての実験設定でそれぞれ 1:3 と 8.5 の比率に維持されました。反応器は、異なる温度の水浴中で保護された。異なる温度での実験設定が使用されました: 水浴 A: 25 ℃、水浴 B: 35 ℃、水浴 C: 45 ℃。各温度について、実験は 3 回繰り返して行われました。さらに、ウォーターバス温度（35 ℃）と反応器温度（32 ℃）におけるメタンガス含有量の最大収率とバイオガス生成量の結果を図 5 に示します。この結果は、文献に報告されている文献値とよく一致しています。以下の作品46,47,48,49。

(a) 温度の関数としてのバイオガス生成量 (mL)、(b) 温度の関数としてのメタン含有量 (%)、(c) 温度の関数としてのメタン含有量 (mL)。

最適な水圧保持時間は、原料の最適な温度、pH、負荷率で最適化されました。すべての実験設定において、原料の最適温度、pH、および負荷率は、それぞれ35℃、8.5、および1:3であった。以前のレポートと同様に、HRT 値は 7 日間隔で 30 日間定期的に測定されました。 Rosenberg と Kornelius 44、Bouallagui et al.50、および Ngoc と Schnitzer 13 によれば、中温条件下での有機物の有効 AD は 20、25、および 28 ～ 35 日で得られました。さらに、Atelge et al.51 は、最適な HRT 範囲がそれぞれ 20 ～ 30 日であると報告しました。同様に、私たちの研究では、24 日目に得られた最大バイオガスおよびメタン含有量 (図 6) は、上記の文献値とよく一致しています。

(a) 水圧滞留時間の関数としての最適なバイオガス生成 (mL)、(b) 水圧滞留時間の関数としての最適なメタン含有量 (%)、(c) 水圧滞留時間の関数としてのメタン含有量 (mL) 35℃。

最適な水力滞留時間は,好冷性細菌温度ゾーン(25℃)および最適pHおよび有機負荷比それぞれ8.5および1:3で最適化された。バイオガス生産については、中温菌温度帯と低温菌温度帯のHRTを比較すると、低温菌の最適HRTは中温菌の温度帯よりも長かった。すべての実験は 3 回繰り返して実行されました。最大バイオガス量とメタン含有量は、温度 25℃、最適 HRT 45 日間で測定されます。最適な HRT における最大バイオガス量とメタン含有量の結果を図 7 に示します。

(a) 水圧滞留時間の関数としての最適なバイオガス生成 (mL)、(b) 水圧滞留時間の関数としての最適なメタン含有量 (%)、(c) 水圧滞留時間の関数としてのメタン含有量 (mL) 25℃。

Davisらによると、 (2016)29 メタンの比熱 (正味発熱量または低位発熱量とも呼ばれる) との関係では、Cp(CH4) を 10 kWh/m3 としているのに対し、スウェーデンガスセンター 52 は Cp(CH4) を 9.97 kWh/m3 としています。 m3。この研究では、Cp (CH4) = 10 kWh/m3 が使用されました。さらに、電気効率 (ηelec) の値は、使用されるテクノロジーによって異なります。効率は 25 ～ 31% の間で変化しますが、特定のテクノロジーでは最大 43% の効率が可能です。上記の記事によると、値の範囲は 25 ～ 40% ですが、紹介されているテクノロジーの大部分では最低効率が 30% です。したがって、この研究では、ηelec = 30% の値が妥当であると考えられます。バイオガス生産を最適化する場合、推定最大電力エネルギーは 24 日で 18.9 kWh でしたが、バイオガス生産の室温では、最大推定電力エネルギーは 40 日で 22.1 kWh でした。同様に、水置換法の場合、メタン含有量は 61.6% まで増加しています。この結果に基づいて、バイオガス生産による発電可能量を線量で示し、推定値は 48 日で 33.1 kWh でした。ただし、最適化および室温でのバイオガス生成から推定される総電力エネルギー潜在力は、それぞれ 54.5 kWh/月および 83 kWh/48 日でした。

バイオガス生産の HRT の最適値を最適化する前に、最適化モデルのコンピュータ循環プログラムを使用して HRT の最適値をシミュレーションしました。このモデルのパラメータは、上記の実験パラメータと同じでした。バイオガス生成に対する HRT の最適値は、それぞれ好冷性 (25 ℃)、中温性 (35 ℃)、および好熱性 (45 ℃) の異なる温度帯で報告されていることが観察されています。モデルシミュレーションでは、温度と HRT を実験的に最適化する前に、バイオガス生成の最適な HRT が予測されました。バイオガス生産に対する温度と HRT の影響は、バイオガス生産のモデルシミュレーションで予測されます。一般に、モデルシミュレーションバイオガス生産の温度とHRTに関しては、25℃や45℃ではなく、35℃が最適温度となります。したがって、モデルシミュレーションにおけるバイオガス生成の最適温度は実験結果とよく一致しています。しかし、モデルのシミュレーションと温度 45 度での実験的なバイオガス生成を比較することは不可能でした。この研究では、45℃の温度ではバイオガスは生成できません。図 8 は、さまざまな温度におけるバイオガス生成の速度論モデルの結果を示しています。

(a) 45 ℃、(b) 35 ℃、(c) 25 ℃のさまざまな温度での保持時間 (日数) の関数としてのバイオガス生成のシミュレーション結果。

実験は、バイオガス生成の最適パラメータを決定するために、さまざまな温度、HRT、pH、および有機負荷濃度の下で実行されました。温度 25 ℃でのモデルシミュレーションのバイオガス生成の最適 HRT 結果は 30 日間示されていますが、この温度では実験的なバイオガス生成の結果は 40 日間示されています。このモデルシミュレーションと温度 25 ℃での実験によるバイオガス生成結果の比較では、モデルシミュレーションのバイオガス生成は HRT 10 日未満でした。モデルシミュレーションと実験的なメタンガス生成の間の最適な HRT は 40 日です。この結果は、シミュレーションと実験的メタンガス生成の間で同様の最適 HRT を示しており、メタンガス生成の実験とモデルシミュレーション間の比較はよく一致しています。また、温度25℃におけるバイオガスとメタンの生成結果の実験とモデルシミュレーションの比較を図9に示します。

(a) 時間 (日) の関数としてのバイオガス生成 (m3)、シミュレーションおよび実験結果、(b) 時間 (日) の関数としてのメタンガス生成 (m3)、シミュレーションおよび 25 ℃での実験結果。

温度 35 ℃ でのバイオガスとメタンガスの生成をシミュレーションしたモデルでは、最適な HRT は 25 日です。 35℃の温度でのバイオガスとメタンガスの生成実験の最適なHRTが24日間示されています。この結果は、モデルシミュレーションによるバイオガス生成とメタンガス生成の比較がほぼ同様であることを示しています。また、温度35℃におけるバイオガスとメタンの生成結果の実験とモデルシミュレーションの比較を図10に示します。

(a) 時間 (日) の関数としてのバイオガス生成 (m3)、シミュレーションおよび実験結果、(b) 時間 (日) の関数としてのメタンガス生成 (m3)、シミュレーションおよび 35 ℃での実験結果。

この論文では、最適な実験条件 (温度、負荷率、pH それぞれ 35、1:3、および 8.5) での飲料廃水スラッジから生成されるバイオガスからの発電を定量的に示しました。実験結果は、検証のためにモデルシミュレーションの出力と比較されました。 VS および体積の観点から見たバイオガスの最大メタン含有量は、24 日でそれぞれ 6.3 m3/g VS および 3.8 m3 です。 VS と体積の観点から見たバイオガス生産の可能性は、24 日でそれぞれ 15.4 m3/g VS と 9.3 m3 のバイオガス体積です。室温（25℃）でも顕著なメタン含有量が生成され、VS と体積の観点から見たバイオガスの最大メタン含有量は、40 日でそれぞれ 7.4 m3/g VS と 4.4 m3 CH4 でした。さらに、室温での VS および体積のバイオガス生産可能性は、40 日でそれぞれ 17.9 m3/g VS および 10.8 m3 のバイオガス体積です。モデルシミュレーションと実験的バイオガス生成の間の最適温度とHRTの予測はよく一致しています。室温での推定電力量とバイオガス生成量は、40 日と 24 日でそれぞれ 22.1 kWh と 18.9 kWh です。また、合計の発電可能量は、それぞれ 48 日あたり 83.0 kWh、1 か月あたり 54.5 kWh であることがわかりました。さらに、水置換法を採用することで、生成されるバイオガスのメタン含有量が 61.6% に向上し、その結果、発電可能量は 48 日で 33.1 kWh に増加しました。一般に、この研究の結果は、飲料廃水スラッジが、嫌気性消化バイオガス生産およびメタン含有量アップグレードによる発電のための非常に有望な原料となり得ることを明らかにした。これは温室効果ガスの排出を軽減する上で重要な役割を果たし、業界の内部消費と周囲のコミュニティにコスト効率が高く持続可能なエネルギーを提供します。

DA ベシャー、ジョージア州ティルイェ、YS メコネンエチオピアにおけるエネルギー効率の高いレンガ生産のための繊維スラッジの特性評価とリサイクル。環境。科学。汚染。解像度 28、16272–16281 (2021)。

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著者らは、実験施設に対するアディスアベバ大学のテーマ研究プロジェクト（助成金番号 TR/036/2020）と下水汚泥の提供に対する東アフリカボトリングシェアカンパニーに感謝の意を表します。

アディスアベバ大学自然計算科学部環境科学センター、私書箱 1176、アディスアベバ、エチオピア

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アディスアベバ大学機械産業工学部、私書箱 1176、アディスアベバ、エチオピア

ウォンドウォッセン・ボガレ

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AA、WB、YSM は主要な原稿テキストを書き、すべての表と図を作成しました。著者全員が原稿をレビューしました。

Wondwossen Bogale または Yedilfana Setarge Mekonnen への対応。

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Admasu, A.、Bogale, W. & Mekonnen, YS 発電用の飲料廃水スラッジからのバイオガス生成の実験およびシミュレーション分析。 Sci Rep 12、9107 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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受信日: 2021 年 12 月 27 日

受理日: 2022 年 5 月 5 日

公開日: 2022 年 6 月 1 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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