JP2008132412A - 水熱ガス化処理排水の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機性廃棄の水熱ガス化処理工程から排出される排水を、多くのコストを要することなく浄化できる水熱ガス化処理排水の処理方法を提供する。
【解決手段】有機性廃棄物にＭｇ(ＯＨ)_２等のＭｇ成分を添加して水熱ガス化処理を行う。この工程からアンモニウムイオン、リン酸イオンを多量に含む排水が発生するが、その排水に空気バブリングを行うことにより排水中の二酸化炭素を空気中に移行させ、排水のｐＨを上昇させてリン酸マグネシウムアンモニウムを析出させる。これにより排水は浄化されるとともに、有価物であるリン酸マグネシウムアンモニウムを回収できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機性廃棄物の水熱ガス化処理工程から排出される排水の処理方法に関するものである。

下水脱水汚泥、生ゴミ、畜産廃棄物などの有機性廃棄物の処理は、従来は焼却処理が一般的であった。しかし最近では焼却に伴う二酸化炭素排出量の削減のために、有機性廃棄物を高温高圧で水熱ガス化処理することにより、有機性廃棄物中の有機分を可燃性ガスとして回収する技術が開発されている。この技術は、例えば特許文献１に記載のように有機性廃棄物を超臨界水または亜臨界水中でガスと液体と固体とに分解し、可燃性ガスを回収するものである。

ところが有機性廃棄を水熱ガス化処理すると、有機性廃棄中の窒素の一部及びリンの一部（１０〜５０％程度）が排水中に移行し、アンモニウムイオン及びリン酸イオンを多量に含有する排水が発生する。これまでのところ、有機性廃棄物の水熱ガス化処理工程から排出される排水の処理技術についてはほとんど検討されておらず、通常の生物処理を行えばよいと考えられているのが現状である。発明者の調査によれば、水熱ガス化処理排水の処理方法に関する文献は見当たらない。

なお、下水のような有機性排水中にもアンモニウムイオン及びリン酸イオンは含有されている。そこで特許文献２に示されるように、このようなアンモニウムイオン及びリン酸イオンを含有する有機性排水にマグネシウム化合物を添加して、有価物であるリン酸マグネシウムアンモニウムを析出させることにより、排水中からアンモニウムイオン及びリン酸イオンを除去する方法がある。このリン酸マグネシウムアンモニウムを析出させるためには、水酸化ナトリウムなどのｐＨ調整剤によって排水のｐＨを９以上に調整しなければならない。

そこで本発明者はこの方法を水熱ガス化処理排水に適用することを試みた。しかし、水熱ガス化処理排水は多量のアルカリを加えてもｐＨがなかなか上昇せず、ｐＨ調整に多くのコストがかかるため、工業的な実施は困難であることが判明した。
特許第３６９７３９１号公報 特許第２５７８１３６号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、ｐＨ調整に多くのコストを要することなく、有機性廃棄の水熱ガス化処理工程から排出される排水に含まれるアンモニウムイオン及びリン酸イオンを有価物であるリン酸マグネシウムアンモニウムとして回収するとともに、排水の浄化を図ることができる水熱ガス化処理排水の処理方法を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、有機性廃棄物にＭｇ成分を添加して水熱ガス化処理を行い、発生した排水に空気バブリングを行うことにより排水中の二酸化炭素を空気中に移行させ、排水のｐＨを好ましくは９以上に上昇させ、リン酸マグネシウムアンモニウムを析出させることを特徴とするものである。

なお、高温高圧の水熱ガス化処理により生じたガスの圧力によりタービンを回し、空気バブリング用の動力を得るようにすればエネルギーの有効利用が可能である。Ｍｇ成分としてはＭｇ(ＯＨ)_２を使用することが好ましく、析出したリン酸マグネシウムアンモニウムを固液分離して回収し、リン酸肥料として利用することができる。

本発明によれば、水熱ガス化処理排水に空気バブリングを行うことにより排水中のアンモニウムイオン空気中に移行させるとともに、排水中に溶解している二酸化炭素をも空気中に移行させる。水熱ガス化処理排水にアルカリを加えてもそのｐＨを上げることができなかった理由は、高圧の水熱ガス化処理で発生する二酸化炭素が排水中に多量に溶解しており、ｐＨ緩衝効果を発揮するためであり、空気バブリングで二酸化炭素を排水中から追い出せば、ｐＨを上昇させることができる。また本発明では有機性廃棄物にＭｇ成分を添加して水熱ガス化処理を行うので、排水中にＭｇ成分が存在する。このため、排水中に存在するリン酸イオン及びアンモニウムイオンとともにリン酸マグネシウムアンモニウム結晶を析出し、これを固液分離すれば排水中からリン酸イオン及びアンモニウムイオンを除去することができる。

なお、高温高圧の水熱ガス化処理から排出されるガスの圧力を利用して空気バブリングは低コストで行うことができる。また空気バブリングはアンモニウムイオンの一部を排水中から追い出す効果もあり、これによっても排水中のアンモニウムイオン濃度を低下させることができる。このように、本発明によれば、多くのコストを要することなく、有機性廃棄の水熱ガス化処理工程から排出される排水に含まれるアンモニウムイオン及びリン酸イオンを有価物であるリン酸マグネシウムアンモニウムとして回収することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明の工程を示すブロック図であり、有機性廃棄物の水熱ガス化処理を行う際に、Ｍｇ成分を添加して行う。有機性廃棄物は例えば下水脱水汚泥であるが、そのほか、生ゴミ、畜産廃棄物などの窒素分を含有するバイオマスの処理にも適している。木質系のバイオマスは窒素分をほとんど含有していないので、水熱ガス化処理を行ってもアンモニウムイオンの発生が少なく、本発明による処理を行うには適しない。

水熱ガス化処理は、高温高圧の反応器の内部で水を超臨界水または亜臨界水とし、その酸化分解力で有機性廃棄物をガスと液体と固体とに分解し、可燃性ガスを回収する処理である。例えば、図２に示すように圧力が３〜１０ＭＰａ、温度が５００〜６００℃に維持された反応器１の前段に、これと同一圧力で温度が２００〜３００℃の可溶化装置２を接続し、供給用ポンプ３によって可溶化装置２に有機性廃棄物を供給し、搬送機構４，５によってそれらの内部を移動させながら水熱反応を進行させる装置を用いることができる。

反応器１からメタン、水素、二酸化炭素を含んだガスが回収されるが、有機性廃棄中の窒素の一部及びリンの一部（１０〜５０％程度）が排水中に移行し、アンモニウムイオン及びリン酸イオンを多量に含有する排水が発生することは前述の通りである。

Ｍｇ成分は排水にマグネシウムイオンを供給するために添加されるものであり、金属マグネシウム、マグネシウム酸化物、マグネシウム塩などを用いることもできる。しかし最も好ましいのはＭｇ(ＯＨ)_２であり、水酸基が有機性廃棄物の可溶化を促進し、ガス化率を高めることができる効果がある。

上記のようにＭｇ成分を添加して有機性廃棄物の水熱ガス化処理を行うことにより、高温高圧の可燃性ガスと、アンモニウムイオン、リン酸イオン、マグネシウムイオンを含んだ排水が発生する。本発明は排水中のこれらの成分をリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶として回収しようとするものであるが、リン酸マグネシウムアンモニウムを析出させるためには排水のｐＨを９以上のアルカリ性とする必要がある。

そこで本発明では、この排水に対して空気バブリングを行う。空気バブリングは、水熱ガス化処理工程から発生した高温高圧の可燃性ガスにより排圧タービンを回転させ、送風用のブロワを駆動する方法により行うことができるので、空気バブリングのための動力の無駄を省くことができる。

前記したように、この排水中には水熱ガス化処理工程において発生した多量の二酸化炭素が溶解してｐＨを低下させており、アルカリを添加してもｐＨを９以上とすることは容易でない。しかし本発明のように空気バブリングを行えば、二酸化炭素が容易に液中より追い出され、その結果として排水のｐＨを上昇させることができる。特に水熱ガス化処理工程において予めＭｇ(ＯＨ)_２を添加しておけば、排水に新たにアルカリを添加しなくても空気バブリングのみによって排水のｐＨを容易に９以上に高めることができ、
PO₄ ^3-＋NH₄ ⁺＋Mg²⁺＋6H₂O →MgNH₄PO₄・6H₂0
の反応式により、リン酸マグネシウムアンモニウムを析出させることができる。その他の非アルカリ性のＭｇ成分を用いた場合には、空気バブリングを行うとともに、アルカリを添加する。

このリン酸マグネシウムアンモニウムの結晶は固液分離して排水中から取り出すことができ、この操作によって排水中からアンモニウムイオン及びリン酸イオンを分離除去することができる。リン酸マグネシウムアンモニウムはリン酸肥料の原料として使用できる有価物である。また空気バブリングは排水中のアンモニウムイオンをアンモニアガスとして空中に追い出す効果もあり、これによっても排水中からアンモニウムイオンが除去される。リン酸マグネシウムアンモニウムを分離・除去した排水は通常の生物処理を用いた水処理工程により浄化することができる。
以下に本発明の実施例を示す。

含水率が８０％の下水脱水汚泥に、その５重量％のＭｇ(ＯＨ)_２を添加し、図２に示した装置を用いて水熱ガス化処理を行った。その圧力は１０ＭＰａであり可溶化装置の出口温度は３００℃、反応器の温度は６００℃である。この水熱ガス化処理によるガス化率（下水脱水汚泥中のＣがガス中へ移行した比率）は９５％であった。またこの水熱ガス化処理により、アンモニウムイオン濃度が４１００ｍｇ/Ｌ、リン酸イオン濃度が２５５０ｍｇ/Ｌ、ｐＨが８．２の排水が生じた。

そこでこの排水に対してエアーポンプを用い、空気バブリングを行った。実験では排水量は１Ｌ、温度は２５℃である。図３のグラフに示すように、空気バブリングの開始とともに二酸化炭素が排水中から追い出されてｐＨは上昇し始め、ｐＨが９に近づいたところからリン酸イオン濃度が急激に減少し始めた。これは析出に適したｐＨに達し、排水中からリン酸マグネシウムアンモニウムが析出し始めたことによる。また空気バブリングの開始とともに、アンモニウムイオン濃度も低下することが確認された。

この実施例により確認されたように、本発明によれば、有機性廃棄の水熱ガス化処理工程から排出される排水に空気バブリングを行うことにより、排水中に含まれるアンモニウムイオン及びリン酸イオンを有価物であるリン酸マグネシウムアンモニウムとして回収するとともに、排水の浄化を図ることができる。また本発明では大量のアルカリを添加して排水のｐＨを高める必要がなく、経済的に排水処理を行うことができる。

本発明の工程を示すブロック図である。 水熱ガス化処理装置の一例を示す断面図である。 実施例におけるｐＨ、リン酸イオン濃度、アンモニウムイオン濃度の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 反応器
２ 可溶化装置
３ 供給用ポンプ
４ 搬送機構
５ 搬送機構

Claims (4)

1. 有機性廃棄物にＭｇ成分を添加して水熱ガス化処理を行い、発生した排水に空気バブリングを行うことにより排水中の二酸化炭素を空気中に移行させ、排水のｐＨを上昇させてリン酸マグネシウムアンモニウムを析出させることを特徴とする水熱ガス化処理排水の処理方法。
2. 水熱ガス化処理により生じたガスの圧力によりタービンを回し、空気バブリング用の動力を得ることを特徴とする請求項１記載の水熱ガス化処理排水の処理方法。
3. Ｍｇ成分としてＭｇ(ＯＨ)_２を使用することを特徴とする請求項１記載の水熱ガス化処理排水の処理方法。
4. 空気バブリングにより、排水のｐＨを９以上に上昇させることを特徴とする請求項１記載の水熱ガス化処理排水の処理方法。

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