JP2006297205A - 有機性廃棄物の処理方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 有機性廃棄物20をメタン発酵するメタン発酵槽12と、メタン発酵液21から窒素除去する窒素除去設備とを備え、該窒素除去設備が、少なくとも第1脱窒槽13と硝化槽14とが順に直列接続され、該硝化槽14からの硝化液22の少なくとも一部を第1脱窒槽13に循環させる第1硝化液循環ライン23を備えた有機性廃棄物の処理装置において、前記硝化槽14からの硝化液の他の一部をメタン発酵槽12より上流側に循環させる第2硝化液循環ライン24を備えるとともに、前記第1脱窒槽からの脱窒液若しくは前記硝化槽からの硝化液中の酸化態窒素濃度を検出する手段32、33と、検出した酸化態窒素濃度に基づき第1脱窒槽13への循環硝化液量とメタン発酵槽12への循環硝化液量を夫々独立制御する制御手段34とを備える。
【選択図】 図3
Description
生物処理を用いた従来の一般的な有機性廃棄物の処理プロセスを図7に示す(特許文献1等参照)。この処理プロセスでは、前処理装置40にて前処理を施した有機性廃棄物を混合槽41に投入して水量調整や濃度調整、各種有機性廃棄物の混合、或いは酸発酵等を行った後に、該廃棄物をメタン発酵槽42にてメタン発酵菌の作用によりメタン発酵し、メタンガスとメタン発酵液を得る。メタン発酵槽42では廃棄物中に含まれるタンパク質等の窒素源がアンモニア態窒素に転換されるため、メタン発酵槽42の後段にはこの窒素を除去する窒素除去設備が設けられる。
しかし、メタン発酵原料である有機性廃棄物の性状変動によって発酵液中の残留有機物濃度が低下した場合や、生ごみなどの窒素濃度の高い有機性廃棄物が処理対象である場合などには系内の有機炭素源が大幅に不足し、外部より添加する有機炭素源量を増加せざるを得ず、結果として処理装置のランニングコストが嵩むことが問題となっていた。
一般的な硝化液循環法を用いた処理装置において、硝化液の循環液量は、脱窒槽、硝化槽における窒素除去率と、脱窒槽におけるBOD除去率とを支配するので目的に応じた循環液量を設定する必要がある。
まず、硝化液の循環液量の基本原理につき説明すると、図6(a)に示すように、流量Qの原水は第1脱窒槽に流入した後、硝化槽に流入し、硝化液の少なくとも一部が分岐されて循環液量nQとして前記第1脱窒槽に循環される。このとき、nは循環比である。硝化槽より排出される液流量はQ(1+n)となる。
原水中のアンモニア態窒素は、第1脱窒槽では除去されずに硝化槽にて酸化態窒素に酸化される。このとき、アンモニア態窒素の全部が酸化態窒素に変換されるものとする。
この酸化態窒素は、循環によって第1脱窒槽に持ち込まれ、第1脱窒槽で原水中の有機物(BOD)を有機炭素源として窒素ガス(N2)に還元される。
ここで、特許文献2に記載したように、酸発酵槽を介してメタン発酵槽へ循環させる場合、メタン発酵槽では廃棄物中の有機性炭素濃度が高いため、窒素除去率を良好に保つためには硝化液の循環液量を多くしなければならない。しかし、メタン発酵槽に大量の循環硝化液を流入すると、酸化態窒素がメタン発酵菌の阻害となるという問題があり、またメタン発酵槽では十分な滞留時間を確保する必要があるため、その循環液量に上限があり、これらを考慮した循環液量の上限は2Q程度で、90%の窒素除去率を得るための9Qの循環液量を確保することは不可能である。すると、この装置による窒素除去率ηNは、n=2のときηN=(2/1+2)=0.67となり、廃棄物中のBODを利用した窒素除去率は67%で、残り33%の窒素を除去するために外部より有機炭素源を添加しなければならない。これは、上記した一般的な硝化液循環法を用いた装置で必要とされる量に比べて、約3倍の量となる。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、メタン発酵を伴う有機性廃棄物の窒素除去処理にて、高い窒素除去率を維持しつつ外部より添加する有機炭素源量を低減できる有機性廃棄物の処理方法及び装置を提供することを目的とする。
有機性廃棄物をメタン発酵してメタンガスとメタン発酵液を得るメタン発酵工程と、該メタン発酵液から窒素除去する窒素除去工程と、を備え、該窒素除去工程にて、少なくとも脱窒工程と硝化工程を順に行い、該硝化工程にて得られた硝化液の少なくとも一部を前記脱窒工程に循環させるようにした有機性廃棄物の処理方法において、
前記硝化工程からの硝化液の他の一部を分岐させ、該分岐した硝化液を前記メタン発酵工程より上流側に返送して循環させることを特徴とする。
従来の窒素除去設備では、脱窒工程を省略して循環硝化液を全量メタン発酵工程に循環する方法があるが、この方法ではメタン発酵工程に脱窒機能を完全に負わせることになり、絶対嫌気性状態を維持すべきメタン発酵工程でこの両方の機能を高い効率で安定維持することは極めて困難であり、本発明の方法が最も合理的である。
尚、循環硝化液の返送位置はメタン発酵工程より上流側であれば何れでもよく、メタン発酵工程より前段に廃棄物の酸発酵、調整、混合工程等を行う他の工程があればここに戻しても良いが、特にメタン発酵工程に循環硝化液が直接流入する位置に戻すことが好ましい。これは、メタン発酵工程が最も嫌気度が高いため、脱窒反応が効率良く行われるためである。
また、前記脱窒工程にて得られた脱窒液、若しくは前記硝化工程にて得られた硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出し、前記脱窒工程へ返送する循環硝化液量及び前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液量を夫々独立制御するようにしても良い。
これらの発明によれば、原料である有機性廃棄物の何らかの性状変動によってメタン発酵液の有機性廃棄物濃度が低下した場合でも好適に適用できる。
即ち、メタン発酵液の有機物濃度が低下すると、脱窒工程における反応効率が低下し、脱窒液中に酸化態窒素が残留してしまうため、脱窒液或いは硝化液の酸化態窒素濃度の上昇として現れる。そこで、検出された酸化態窒素濃度に基づきメタン発酵への循環実施の可否、或いは循環液量の制御を行うことにより、効率の良い脱窒を行うことができ、有機炭素源の外部添加量の増加を防ぐことができる。尚、本発明において、前記した2系統の制御機構を連動させ、硝化液循環量の配分制御を行うようにしても良い。
前記硝化液中には、硝化工程から流出した硝化菌等の微生物が含まれるため、この微生物が硝化液とともにメタン発酵工程に流入すると、メタン発酵菌の活性阻害の要因となる。従って、本発明のように循環硝化液を固液分離し、微生物を含む固形物と、酸化態窒素を含む分離液とに分離し、該分離液のみをメタン発酵工程に循環させることにより、メタン発酵効率の低下を防止することができる。
さらにまた、前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液を可溶化処理する可溶化工程を設け、可溶化処理液を前記メタン発酵工程より上流側へ返送することを特徴とする。
このように、循環硝化液を可溶化した後にメタン発酵工程より上流側に循環させることによって、メタン発酵効率が良好となりメタンガスの回収率が向上し、また窒素除去工程における有機炭素源の外部添加量を低減することが可能となる。
前記硝化槽からの硝化液の他の一部を前記メタン発酵槽より上流側へ循環させる第2硝化液循環ラインを備えたことを特徴とする。
また、前記脱窒槽から流出する脱窒液、若しくは前記硝化槽から流出する硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出する酸化態窒素濃度検出手段と、該検出した酸化態窒素濃度に基づき、前記脱窒槽へ循環させる循環硝化液量及び前記メタン発酵槽より上流側へ循環させる循環硝化液量を夫々独立制御することを特徴とする。
さらに、前記第2硝化液循環ライン上に、循環硝化液を固液分離する固液分離装置を設け、該固液分離した分離液のみを前記メタン発酵槽より上流側へ循環させることを特徴とする。
さらにまた、前記第2硝化液循環ライン上に、循環硝化液を可溶化処理する可溶化装置を設け、該可溶化装置からの可溶化処理液を前記メタン発酵槽より上流側へ循環させることを特徴とする。
また、脱窒工程より後流側にて検出した酸化態窒素濃度に基づき、循環硝化液量を制御することにより、原料である有機性廃棄物の何らかの性状変動によってメタン発酵液の有機性廃棄物濃度が低下した場合でも安定した窒素除去効率を維持することができ、また有機炭素源の外部添加量の増加を防ぐことができる。
さらに、循環硝化液を固液分離し、分離液のみをメタン発酵より上流側へ循環させることにより、メタン発酵効率の低下を防止することができる。
さらにまた、循環硝化液を可溶化処理し、可溶化処理液をメタン発酵より上流側へ循環させることにより、メタン発酵効率が良好となりメタンガスの回収率が向上し、また窒素除去における有機炭素源の外部添加量を低減することが可能となる。
本実施例の処理対象は、例えば、生ごみ、食品加工残渣、畜産廃棄物などのように、窒素を含有する有機性廃棄物である。
図1は本発明の実施例1に係る処理装置の概略を示す全体構成図、図2は本発明の実施例2に係る処理装置の概略を示す全体構成図、図3は図2に示した処理装置の別の態様を示す全体構成図、図4は本発明の実施例3に係る処理装置の概略を示す全体構成図、図5は本発明の実施例4に係る処理装置の概略を示す全体構成図である。
前記混合槽11は、廃棄物の水量調整や濃度調整、各種有機性廃棄物の混合、或いはメタン発酵プロセスのうち加水分解反応、酸発酵反応等を行う装置であり、これは前記メタン発酵槽12と統合させてこれを設けない構成とすることもできる。また、前記混合槽11では、有機性廃棄物20をメタン発酵に適した性状とするために可溶化処理を行うようにしても良い。
前記メタン発酵槽12は、槽内にメタン発酵菌等の嫌気性微生物が繁殖しており、嫌気性微生物が卓越して繁殖できる環境に温度、pH等の条件が維持されており、槽内で有機性廃棄物20中の有機物を主にガス化反応によって分解処理することによりメタンガスを生成させるようになっている。
前記硝化槽14は、槽内の処理液中に空気30を曝気し、好気性条件下にて主に硝酸菌の作用により処理液中のアンモニア態窒素を酸化態窒素まで酸化する装置である。
前記第2脱窒槽15は、槽内が嫌気性状態に維持され、メタノール等の有機炭素源31の添加により、処理液中に残存する酸化態窒素を窒素ガスまで還元する装置である。
前記再曝気槽16は、空気32の曝気により好気性条件に保たれ、主に処理液中に残留するアンモニア態窒素を酸化態窒素に酸化する装置であり、これは適宜必要に応じて設置する。
前記固液分離装置17は、生物学的脱窒素処理後の処理液を余剰汚泥26と処理水25とに分離する装置であり、例えば、重力沈降方式、遠心分離方式、、膜分離方式、凝集分離方式、浮上分離方式等が用いられる。ここで分離された余剰汚泥26の一部を分岐し、返送汚泥27として前記第1脱窒槽13に循環させても良い。
さらに本実施例の特徴的な構成として、前記硝化液22の他の一部を分岐させ、前記メタン発酵槽12より上流側に循環させる第2硝化液循環ライン24を設けている。循環硝化液は前記メタン発酵槽12に直接導入することが好ましく、さらに前記混合槽11にもその一部を導入するようにしても良い。
まず、前処理装置10にて前処理を行なった有機性廃棄物20を前記混合槽11に流入させ、該混合槽11にて廃棄物のpH、温度、水量、濃度等をメタン発酵に適した条件に調整し、主として廃棄物中の有機物が加水分解及び酸発酵される酸生成段階を行なう。調整後の有機性廃棄物20はメタン発酵槽12に導入し、該メタン発酵槽12にて嫌気性微生物によりメタン発酵する。
メタン発酵に伴って発生するアンモニア態窒素を含むメタン発酵液21は、後段の第1脱窒槽13ではアンモニア態窒素は除去されずにそのまま通過し、さらに後段の硝化槽14に流入し、該硝化槽14にて硝化反応により前記アンモニア態窒素が硝酸性窒素、亜硝酸性窒素からなる酸化態窒素まで酸化される。
前記硝化槽14から流出する硝化液22は酸化態窒素を含み、該硝化液22は少なくともその一部が分岐されて前記第1硝化液循環ライン23を介して前記第1脱窒槽13に返送される。該第1脱窒槽13にて、循環硝化液中に含有される酸化態窒素はメタン発酵液中に含有される有機物を炭素源として利用し、窒素ガスまで還元される。
また、循環されずに前記硝化槽14から第2脱窒槽15に流入した硝化液22は、外部よりメタノール等の有機炭素源31を添加され、脱窒反応により硝化液22に残留する酸化態窒素が窒素ガスまで分解された後、さらに再曝気槽16に送給され、ここで残留するアンモニア態窒素を除去された後に固液分離装置17に導入される。該固液分離装置17では、処理液は窒素分を殆ど含まない処理水25と、余剰汚泥26とに分離され、該余剰汚泥26の一部は返送汚泥27として前記第1脱窒槽13に返送される。
本実施例2に係る処理装置は、前記実施例1の構成に加えて、前記第2硝化液循環ライン24の循環硝化液量を制御する装置を備えた構成となっている。該処理装置は、前記第1脱窒槽13から流出する脱窒液の酸化態窒素濃度を検出するNOX−N検出端32、若しくは前記硝化槽14から流出する硝化液の酸化態窒素濃度を検出するNOX−N検出端33の少なくとも何れか一方を備えるとともに、前記第1硝化液循環ライン24上に設けた流量調整弁35を備え、前記NOX−N検出端32、33により検出された酸化態窒素濃度に基づき、制御装置34により前記流量調整弁35を開閉制御し、循環硝化液量を調整する構成としている。
尚、前記流量調整弁35は、ポンプなどのように循環硝化液量を制御する手段であれば何れでも代替可能である。
メタン発酵液21の有機物濃度が低下すると、第1脱窒槽13にて脱窒反応効率が低下し、脱窒液中に酸化態窒素が残留してしまうため、前記NOX−N検出端32、33により酸化態窒素濃度の上昇として現れる。そこで、検出された酸化態窒素濃度に基づき循環硝化液量の流量制御(流量0を含む)を行うことにより、効率の良い脱窒を行うことができ、有機炭素源の外部添加量の増加を防ぐことができ、ランニングコストの増大を防止できる。
尚、本実施例において、酸化態窒素濃度の検出はセンサのような方法でもよいし、試料を採取して手分析してもよい。また、酸化態窒素濃度がどのレベルに達したら行うかは原料によって異なるため、適宜設定すると良い。
図3に示した処理装置の応用として、前記した2系統の制御機構を連動させ、硝化液循環量の配分制御を行うようにしても良い。
本実施例によれば、原料である有機性廃棄物の何らかの性状変動によってメタン発酵液の有機性廃棄物濃度が低下した場合でも好適に適用できる。
前記固液分離装置18には、硝化槽14から流出する硝化液22を一部分岐させた循環硝化液が導入され、該固液分離装置18にて硝化液を固形物28と分離液29とに固液分離する。固液分離装置としては、例えば、重力沈降方式、遠心分離方式、、膜分離方式、凝集分離方式、浮上分離方式等が用いられる。
前記循環硝化液中には硝化槽14から流出した硝化菌等の微生物が含まれるため、この微生物が硝化液とともにメタン発酵槽12に流入するとメタン発酵菌の活性阻害となるが、本実施例のように前記固液分離装置18にて微生物を含む固形物28と、酸化態窒素を含む分離液29とに分離し、該分離液のみをメタン発酵槽12に循環させることにより、メタン発酵効率の低下を防止することができる。
前記可溶化設備13は、物理化学的可溶化、生物学的可溶化、機械的可溶化等の何れの方法でも良く、例えばオゾン酸化手段、超音波手段、水熱を含む加熱手段、溶菌酵素供給手段、キャビテーション発生手段、酸化剤添加手段、電気分解手段、アルカリ剤添加手段、機械的せん断・摩擦手段等が挙げられ、これらの少なくとも1若しくは2以上を組み合わた手段を有する。好適には前記可溶化装置19はオゾン酸化手段を有する。
本実施例によれば、可溶化により硝化液22がメタン発酵に適した性状となるため、メタン発酵効率が良好となり、メタンガスの回収率が向上し、さらに有機炭素源の外部添加量を低減することが可能となる。
11 混合槽
12 メタン発酵槽
13 第1脱窒槽
14 硝化槽
15 第2脱窒槽
16 再曝気槽
18 固液分離装置
19 可溶化装置
20 有機性廃棄物
22 硝化液
23 循環硝化液
23 第1硝化液循環ライン
24 第2硝化液循環ライン
28 固形物
29 分離液
32、33 NOX−N検出端
34 循環液量制御装置
35 流量調整手段
36、37 ポンプ
Claims (10)
- 有機性廃棄物をメタン発酵してメタンガスとメタン発酵液を得るメタン発酵工程と、該メタン発酵液から窒素除去する窒素除去工程と、を備え、該窒素除去工程にて、少なくとも脱窒工程と硝化工程を順に行い、該硝化工程にて得られた硝化液の少なくとも一部を前記脱窒工程に循環させるようにした有機性廃棄物の処理方法において、
前記硝化工程からの硝化液の他の一部を分岐させ、該分岐した硝化液を前記メタン発酵工程より上流側に返送して循環させることを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。 - 前記脱窒工程にて得られた脱窒液、若しくは前記硝化工程にて得られた硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出し、該検出した酸化態窒素濃度に基づき、前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液量を制御することを特徴とする請求項1記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 前記脱窒工程にて得られた脱窒液、若しくは前記硝化工程にて得られた硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出し、前記脱窒工程へ返送する循環硝化液量及び前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液量を夫々独立制御することを特徴とする請求項1記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液を固液分離する固液分離工程を設け、該固液分離した分離液のみを前記メタン発酵工程より上流側へ返送することを特徴とする請求項1記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 前記メタン発酵工程より上流側へ返送する循環硝化液を可溶化処理する可溶化工程を設け、可溶化処理液を前記メタン発酵工程より上流側へ返送することを特徴とする請求項1記載の有機性廃棄物の処理方法。
- 有機性廃棄物をメタン発酵するメタン発酵槽と、該メタン発酵槽より流出するメタン発酵液から窒素除去する窒素除去設備と、を備え、該窒素除去設備が、少なくとも脱窒槽と硝化槽とが順に直列接続され、該硝化槽からの硝化液の少なくとも一部を前記脱窒槽に循環させる第1硝化液循環ラインを備えた有機性廃棄物の処理装置において、
前記硝化槽からの硝化液の他の一部を前記メタン発酵槽より上流側へ循環させる第2硝化液循環ラインを備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。 - 前記脱窒槽から流出する脱窒液、若しくは前記硝化槽から流出する硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出する酸化態窒素濃度検出手段と、該検出した酸化態窒素濃度に基づき、前記メタン発酵槽より上流側へ循環させる循環硝化液量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項6記載の有機性廃棄物の処理装置。
- 前記脱窒槽から流出する脱窒液、若しくは前記硝化槽から流出する硝化液中に含有される酸化態窒素濃度を検出する酸化態窒素濃度検出手段と、該検出した酸化態窒素濃度に基づき、前記脱窒槽へ循環させる循環硝化液量及び前記メタン発酵槽より上流側へ循環させる循環硝化液量を夫々独立制御することを特徴とする請求項6記載の有機性廃棄物の処理装置。
- 前記第2硝化液循環ライン上に、循環硝化液を固液分離する固液分離装置を設け、該固液分離した分離液のみを前記メタン発酵槽より上流側へ循環させることを特徴とする請求項6記載の有機性廃棄物の処理装置。
- 前記第2硝化液循環ライン上に、循環硝化液を可溶化処理する可溶化装置を設け、該可溶化装置からの可溶化処理液を前記メタン発酵槽より上流側へ循環させることを特徴とする請求項6記載の有機性廃棄物の処理装置。
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