JP2009066499A - メタン発酵消化液の廃液処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リンの回収再利用を可能にすると共に、運転コストを低減させることができるメタン発酵消化液の廃液処理方法と装置を提供する。
【解決手段】 有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液１を、順次固形物分離工程６、リン回収工程９及び窒素制御工程１２を経て廃液処理する際に、前記固形物分離工程６の前に、前記メタン発酵消化液１に酸又は酸及び繊維質、或いは、有機性残留物又は有機性残留物の有機酸発酵物２を添加する廃液処理方法したものであり、前記有機性残留物としては家畜排泄物、汚泥、食品加工残渣、生ゴミ等が含まれる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、家畜排泄物、し尿、生ゴミ、下水汚泥、食品加工残渣等の有機性残留物（以下、「バイオマス」と記す。）をメタン発酵処理施設で処理した残留物であるメタン発酵消化液（以下、「消化液」と記す。）の廃液処理において、枯渇資源であるリンを回収すると共に、有機物及び窒素などの水質規制成分を低コストで処理する方法と装置に関するものである。

地球温暖化対策及び資源有効活用等は人類にとって最重要課題であり、その対策としてのバイオマス・ニッポン総合戦略の閣議決定を受けて、有機性廃棄物の有効活用が求められている。メタン発酵法では、バイオマスをバイオガス及び消化液に変換する方法であるが、消化液は肥料成分（窒素、リン酸、カリ）を含み、農地還元することが可能である。しかし、農地が受け入れられる肥料成分量には限界があり、地域によっては、その地域で発生する家畜排泄物全量を農地に還元することができない場合がある。また、現時点では、発酵液の農地還元が普及していないこともあり、発酵液が農家に受け入れられず、多くの発酵液が廃水処理されている。廃水処理プロセスには、多大なコストがかかるためメタン発酵施設普及の妨げになっている。さらに、メタン発酵消化液に含まれている有価物、特に、枯渇資源のリンは、従来の水処理では汚泥となり、有効活用されていない。

従来の消化液の廃水処理は、通常、固液分離、活性汚泥処理、固液分離及び凝集沈殿で行なっている。
固液分離工程では、メタン発酵消化液に高分子凝集剤を添加して浮遊物質を凝集した後、遠心分離、フィルタープレス、スクリュープレス等の方法によって脱水して、脱水ケーキと脱水ろ液に分離する。一般に、メタン発酵消化液は、繊維質などの有機物が分解されて低分子化しているため凝集性が悪く、さらに、メタン発酵槽の投入バイオマスから、あらかじめ、主な固形分が除去されている場合があり、さらに凝集性が悪化する。このような場合、大量の高分子凝集剤が必要となる。

この方法では、リンは、活性汚泥処理工程で発生する余剰汚泥、或いは凝集沈殿工程において発生する凝集汚泥として廃棄処分されている。また、リン回収技術として、リン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）法（特開昭６３−２００８８８号公報、特開昭６３−２１４３９６号公報等）があり、下水の嫌気性消化液の脱水ろ液や工場廃水等で実用化されている。この方法は、廃水中のＰＯ_４−ＰをＭＡＰ顆粒として回収する方法であり、回収されたＭＡＰ顆粒は緩行性肥料としての効果をもっており、商品価値がある。メタン発酵消化液に適用する場合、夾雑物を固液分離した脱水ろ液に対してこの技術を適用して、ＭＡＰ顆粒を回収する。従って、廃棄物から枯渇資源のリンを回収することができ、条件によってはＭＡＰ販売収益が廃水処理施設運営費の低減に寄与する。ただし、本技術を適用する場合、廃水中のＰＯ₄−Ｐ濃度がある程度以上（目安として最低５０ｍｇ−Ｐ／Ｌ程度）であることが必要である。ところが、ＭＡＰは、ＰＯ_４ ^３−に対して等モルのＭｇ^２＋及び過剰量のＮＨ^＋ _４が共存し、ｐＨが弱アルカリ（８付近）になると大半が結晶化するため、バイオマスの組成によっては、メタン発酵消化液中において上記の条件が整い、ＭＡＰ結晶が生成した結果として、固液分離後の脱水ろ液のＰＯ_４−Ｐ濃度が５０ｍｇ／Ｌを下回る場合がある。

一方、窒素は、活性汚泥工程で硝化・脱窒法で窒素ガスとして大気中に放出されている。その際、メタン発酵工程を経た廃水は、ＢＯＤが不足するため、薬品としてメタノールを、ＢＯＤ源として添加するのが一般的である。
従来の消化液の廃水処理においては、次のような問題点がある。
（１）脱水工程における繊維質の不足により、高分子凝集剤が大量消費される。
（２）メタン発酵槽又はメタン発酵消化液貯留槽等でＭＡＰが生成し、脱水ろ液中のＰＯ_４−Ｐが低下し、ＭＡＰ法が適用できなくなる。
（３）活性汚泥処理工程において、窒素のためのＢＯＤ源が不足するため、メタノールなどの薬品を消費している。
特開昭６３−２００８８８号公報 特開昭６３−２１４３９６号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、メタン発酵消化液の廃液処理において、リンの回収再利用を可能にすると共に、運転コストを低減させることができる廃液処理方法と装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を、順次固形物分離工程、リン回収工程及び窒素制御工程を経て廃液処理する際に、前記固形物分離工程の前に、前記メタン発酵消化液に酸又は酸及び繊維質を添加することを特徴とする廃液処理方法、及び、有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を処理する固形物分離装置、リン回収装置及び窒素制御装置を順次備えた廃液処理装置において、前記固形物分離装置の前に、前記メタン発酵消化液に酸又は酸及び繊維質を添加する処理装置を備えたことを特徴とする廃液処理装置としたものである。

また、本発明では、有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を、順次固形物分離工程、リン回収工程及び窒素制御工程を経て廃液処理する際に、前記固形物分離工程の前に、前記メタン発酵消化液に有機性残留物又は該有機性残留物の有機酸発酵物を添加することを特徴とする廃液処理方法、及び、有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を処理する固形物分離装置、リン回収装置及び窒素制御装置を順次備えた廃液処理装置において、前記固形物分離装置の前に、前記メタン発酵消化液に有機性残留物又は該有機性残留物の有機酸発酵物を添加する処理装置を備えたことを特徴とする廃液処理装置としたものである。
本発明において、有機性残留物（バイオマス）としては、家畜排泄物、し尿、生ゴミ、下水汚泥、食品加工残渣等の有機性の残留物を含むものをすべていう。

本発明によれば、家畜排泄物、し尿、生ゴミ、下水汚泥、食品加工残渣等の有機性残留物をメタン発酵処理施設で処理した残留液のメタン発酵消化液の廃液処理において、枯渇資源であるリンを回収すると共に、有機物及び窒素などの水質規制成分を低コストで処理することが可能となった。

本発明では、脱水工程における繊維質不足を解決するために、メタン発酵消化液に繊維質を含むバイオマスを添加する。
また、メタン発酵槽又はメタン発酵消化液貯留槽等でのＭＡＰ生成は、メタン発酵消化液に酸を添加してｐＨを下げることによって防止できる。添加する酸としては、硫酸、塩酸及び硝酸などの無機酸及び酢酸、乳酸、蟻酸及びクエン酸等の有機酸のいずれでも可能であり、これらの混合物でもよい。酸の添加方法としては、薬品として無機酸又は有機酸を添加する方法、廃ヨーグルト、有機酸発酵した廃漬物、サイロ中の餌等の有機酸を含んだバイオマスを単独又は混合して添加する方法、生ごみ、農作物非食部、廃牛乳、でんぷん製造カス、製糖工場カス（黒液）等のバイオマスを単独或いは混合して有機酸発酵させた後、添加する方法がある。ここで、有機酸発酵した廃漬物、サイロ中の餌、農産物非食部及びでんぷん製造カスを酸発酵させたもの等の繊維質を含むのを添加する場合、脱水工程での繊維不足対策を兼ねることができる。
さらに、有機酸及び有機酸を含むバイオマスを添加した場合、後段の脱水工程において、溶解性有機物が脱水ろ液中に残留し、後段の活性汚泥処理工程において、脱窒のためのＢＯＤ源として役立つ。逆に、過剰のＢＯＤは、活性汚泥工程の負荷となるので、過剰にならない程度に抑制することが望ましい。

次に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１に試験に用いた装置のフロー構成図を示す。メタン発酵消化液１に対して、添加バイオマス２及び高分子凝集剤３を添加して、撹拌槽４にて撹拌混合した後、凝集槽５で凝集させ、脱水機６で脱水し、脱水ケーキ７及び脱水ろ液８に固液分離する。この脱水ろ液８からＭＡＰ反応槽９にてリンを回収し、ＭＡＰ顆粒１０及びＭＡＰ処理水１１を得る。続いて、ＭＡＰ処理水１１を活性汚泥処理装置１２にて処理し、活性汚泥処理水１３を得る。なお、酸発酵槽１４は、種汚泥として生ごみのメタン発酵槽の前処理施設として使用されている酸発酵槽内液や有機酸発酵食品などに用いられえる微生物（乳酸菌、酢酸菌、クエン酸菌等）を添加し、常温にて、数時間から２日程度撹拌することで、多くの場合、目的が達せられるが、必要に応じて、加温などの処理を行うこともできる。

添加バイオマス２としては、牛ふん尿及び豚ふん尿等の家畜排泄物、生ごみ、稲わら、甘藷つる、規格外タマネギ、トマト茎などの農産物非食部、でんぷん製造残渣、廃牛乳、廃ヨーグルト等を用いることができるが、牛ふん尿や廃ヨーグルトなど、既に酸発酵が進行しており、それ以上酸発酵させる必要がない場合もある。また、添加バイオマス２に対して、破砕処理、加熱処理、アルカリ処理、超音波処理等の前処理を行うことで、添加バイオマス２を有効活用することができる場合がある。
脱水工程の前に添加するメタン発酵消化液１に対する添加バイオマ２の添加率は、任意であるが、後段の活性汚泥処理において、脱窒素のために必要なＢＯＤ量を超えない範囲に留めることが望ましい。
また、本発明では、添加バイオマス２には有機酸が含まれており、メタン発酵消化液１中で沈殿したＭＡＰ及びヒドロキシアパタイトなどの難溶性リン酸化合物を、溶解させる効果があること、また、添加バイオマス２は、消化液貯留槽１５等において添加混合し、１時間程度放置することでリン酸濃度の増加を促す効果が期待できることを、以下の実験によって明らかにした。

以下の実験では、メタン発酵消化液に各種の酸を添加することによって、ｐＨ低減効果を確認した。スクリュープレスで乳牛糞尿を固液分離したものを原料バイオマスとするメタン発酵消化液に、硫酸、酢酸、乳酸及びクエン酸のいずれかを１Ｎの濃度で添加した。その結果、２００ｍｌのメタン発酵消化液に対して、それぞれ５ｍｌ、６ｍｌ、７ｍｌ及び８ｍｌ添加することによって、ｐＨを７．２未満に下げることができた。なお、初期のｐＨは、それぞれ７．８２、７．８４、７．８６及び７．９６だった。また、ＰＯ_４−Ｐ濃度は、未添加のとき約４９ｍｇ／Ｌだったものが、３０分後に８０ｍｇ／Ｌとなり、一時間後に９０ｍｇ／Ｌに上昇した後、ほぼ一定となった。従って、無機酸及び有機酸は、共に、メタン発酵液のｐＨを低下させる効果があり、ＰＯ_４−Ｐ濃度を上昇させる効果があることが確認された。

脱水工程での高分子凝集剤３は、通常カチオン系のものが用いられる。添加量は、メタン発酵消化液１中のＳＳに対して、１〜８％程度で、脱水ケーキの回収率、脱水ケーキの含水率及び脱水ろ過液の水質等によって決定する。メタン発酵消化液中の有機物は、低分子化が進行しており、凝集し難いため、脱水工程において多量の凝集剤を必要とする。添加バイオマス２中には、繊維質が含まれている場合があり、凝集剤の添加率を低減できる可能性があることを以下の実験によって確認した。
脱水工程におけるメタン発酵液に繊維質を添加するために、スクリュープレスで乳牛糞尿を固液分離したものを原料バイオマスとするメタン発酵消化液２００ｍｌに対して、繊維供給源として破砕した稲わら又は甘藷でんぷん製造かすを、乾燥重量でそれぞれ１ｇずつ添加・混合した後、高分子ポリマーで浮遊物質を凝集させてポリマー消費量を測定した。その結果、繊維供給源を加えなかった場合、メタン発酵消化液中の蒸発残留物に対してポリマー消費量が６．５％であったものが、稲わらでは３．４％、甘藷でんぷん製造かすでは３．８％に低減し、繊維質供給源となるバイオマスを添加することによって、高分子ポリマーの添加率を低減できることが確認できた。

ＭＡＰ反応槽９での反応には、Ｍｇの不足分を補給するためにＭｇ(ＯＨ)_２１６と共に、ｐH制御装置１７を用いて、ＮａＯＨ液などのアルカリ剤１８によってｐＨを８．５程度に調整することが望ましい。
活性汚泥処理装置１２では、脱窒素のためのＢＯＤ源が不足するため、メタノールなどの有機物１９を添加する。このとき、ＭＡＰ処理水１１中のアンモニア性窒素濃度に対するＢＯＤ濃度の割合が、約２．５となることを目安として、不足分を添加することによって、過不足無くＢＯＤ源を添加することができる。本発明では、脱水工程の前に添加バイオマス２を加えることによって、ＢＯＤ濃度が高まり、活性汚泥処理装置１２でのメタノール添加量が低減できる。

実施例１
牛ふん尿を主なバイオマスとするメタン発酵消化液を対象として、本発明による廃液処理法の試験を行った。
メタン発酵消化液の性状を表１に示す。

試験は、図１の装置フロー構成図に従って行った。メタン発酵消化液、牛ふん尿又は生ごみ等の添加バイオマス及び高分子凝集剤を撹拌槽にて、撹拌混合した後、凝集槽で凝集させ、脱水機で脱水し、脱水ケーキ及び脱水ろ液を得た。この脱水ろ液からＭＡＰ反応槽にてリンを回収し、ＭＡＰ顆粒及びＭＡＰ処理水を得た。続いて、ＭＡＰ処理水を活性汚泥処理装置にて処理し、活性汚泥処理水を得た。

メタン発酵消化液の脱水機での固液分離条件を表２に示した。試験区は、対照区、試験区１及び試験区２の３種類設けた。メタン発酵消化液の処理水量は、いずれも１００Ｌ／ｄとした。対照区は、添加バイオマスを添加しなかった。試験区１は、乳牛ふん尿を１０Ｌ／ｄ添加した。乳牛ふん尿中には、ＰＯ_４−Ｐが３００ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤが２５０００ｍｇ／Ｌ、そして有機酸として乳酸が８０００ｍｇ／Ｌが含まれていた。試験区２は、独自に調整した生ごみを破砕した後、３５℃、２日間、有機酸発酵した後、１０Ｌ／ｄ添加した。また、高分子凝集剤の添加量は、対照区ではメタン発酵消化液中のＳＳに対して６．０％必要であった。一方、試験区１及び試験区２の添加量は４．５％となり、高分子凝集剤添加率を低減できた。その効果により、試験区１及び試験区２では、添加バイオマスによってＳＳ負荷が増加したにもかかわらず、高分子凝集剤使用量は対照区とほぼ同等であった。

脱水ろ液の性状を表3に示す。対照区のＰＯ_４−Ｐ濃度は、２９ｍｇ／Ｌで、メタン発酵消化液の４０ｍｇ／Ｌと比べて低くなった。これは、高分子凝集剤溶液を添加することによる希釈によるものである。一方、試験区及び試験区２では、６９ｍｇ／Ｌ及び８６ｍｇ／Ｌに増加した。
また、試験区１及び試験区２のＢＯＤが対照区と比べて高いことが確認できた。

ＭＡＰ反応は表４示す条件で行い、ｐＨ調整にはＮａＯＨ溶液を用いた。

ＭＡＰ反応処理水の性状を表５に示す。ＰＯ_４−Ｐはいずれも８ｍｇ／Ｌを下回り、ほぼ同等の値となった。その結果、ＭＡＰ回収量は、表６に示すように、対照区が１０ｇ／ｄであったのに対して、対照区１及び対照区２は、いずれも対照区の約３倍量のＭＡＰ顆粒を回収することができた。

活性汚泥処理水の性状を表7に示した。対照区及び試験区のいずれもほぼ同等の水質となった。この処理においては、脱窒のためのＢＯＤ源の不足分をメタノールで補ったが、その添加量は表８の通りとなり、試験区１及び試験区２では対照区に対して大幅に低減した。

本発明のメタン発酵消化液の廃液処理に用いた装置フロー構成図。

符号の説明

１：メタン発酵消化液、２：バイオマス（牛ふん尿、生ごみ等）、３：高分子凝集剤、４：撹拌槽、５：凝集槽、６：脱水機、７：脱水ケーキ、８：脱水ろ液、９：ＭＡＰ反応槽、１０：ＭＡＰ顆粒、１１：ＭＡＰ処理水、１２：活性汚泥処理装置、１３：活性汚泥処理水、１４：酸発酵槽、１５：消化液貯留槽、１６：Ｍｇ（ＯＨ)_２、１７：ｐＨ制御装置、１８：ＮａＯＨ、１９：脱窒素のためのＢＯＤ源（メタノール等）

Claims (4)

1. 有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を、順次固形物分離工程、リン回収工程及び窒素制御工程を経て廃液処理する際に、前記固形物分離工程の前に、前記メタン発酵消化液に酸又は酸及び繊維質を添加することを特徴とする廃液処理方法。
2. 有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を処理する固形物分離装置、リン回収装置及び窒素制御装置を順次備えた廃液処理装置において、前記固形物分離装置の前に、前記メタン発酵消化液に酸又は酸及び繊維質を添加する処理装置を備えたことを特徴とする廃液処理装置。
3. 有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を、順次固形物分離工程、リン回収工程及び窒素制御工程を経て廃液処理する際に、前記固形物分離工程の前に、前記メタン発酵消化液に有機性残留物又は該有機性残留物の有機酸発酵物を添加することを特徴とする廃液処理方法。
4. 有機性残留物をメタン発酵処理した後に残留するメタン発酵消化液を処理する固形物分離装置、リン回収装置及び窒素制御装置を順次備えた廃液処理装置において、前記固形物分離装置の前に、前記メタン発酵消化液に有機性残留物又は該有機性残留物の有機酸発酵物を添加する処理装置を備えたことを特徴とする廃液処理装置。

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