JP2016507352A - 有機物残渣から高度にリンを回収する方法 - Google Patents
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Abstract
有機物残渣の固体成分から有機リン化合物及び無機リン化合物を回収する方法。有機物残渣を第1の固相と第1の液相とに分離する工程;第1の固相を処理水と混合して溶液にする工程;前記溶液中に含まれる二価イオンを難溶性化合物又は錯生成された化合物に変換する工程;有機リン化合物の酵素反応により無機リン酸塩にする工程;前記溶液を第2の固相と第2の液相とに分離する工程;前記無機リン酸塩を第2の液相から回収又は分離する工程;アンモニウム塩を第2の液相から回収又は分離する工程;第1の液相中に含まれる二価イオンを塩の形で分離する工程;第2の固相を乾燥する工程;第2の固相を、前記の分離プロセスで得られたリン酸塩、アンモニウム塩及び二価イオンの塩と混合し、ペレット化する工程が提案される。
Description
本発明は、有機物残渣の固形成分から有機リン化合物及び無機リン化合物を回収する方法に関する。
動物性の厩肥、嫌気性発酵からの発酵残滓又は有機物由来の他の残滓を有する有機物残渣は、大量にリン酸塩、窒素及びカリウムを含有するため、農業で肥料として使用される。よって、鉱物性肥料を部分的に節約できるため、経済的及び環境的な利点が生じる。
この有機物残渣を、耕地に散布する前に、例えば遠心分離のような機械的方法によって、液相と固相とに分離することは公知である。この場合、リンの大部分、約70%が固相中に残留してしまう。それに対して、残留物質中に含まれる窒素及びカリウムの約70〜80%は液相中に存在する。
従って、固相を散布する際に、窒素必要量によって散布する量が決定されるため、著しく過剰量のリンが土壌に到達してしまう。土壌のリンによる過飽和は、環境に不利な影響を及ぼす。例えば、このリンは雨によって洗い流され、河川海洋に達し、そこで富栄養化、つまり栄養素が過剰なために植物生長、例えば海藻成長の増加を引き起こしてしまう。
この液相を栄養素が不足している地域に輸送することが考えられる。ただし、大量の液体を輸送することは多大にエネルギーを必要とし、かつコストもかかる。
別の解決策として、この液相中に含まれるリンを、難溶性のリン酸塩の形で晶析させることにより沈殿させることが公知である。
液相の、30%未満の僅かなリン含有率のため、リン酸マグネシウムアンモニウム(ストルバイトとしても知られている)又はリン酸カルシウムのようなリン酸塩の収率は極めて低く、従って不経済である。
固相内で、この高いリン含有率は、有機リン化合物及び不溶性の無機リン酸塩、特にリン酸カルシウム及びリン酸マグネシウムの存在に基づいている。しかしながら、植物は、無機の、PO4 3―として結合しているリンだけを使うことができる。
主にリンモノエステル、リン酸イノシトール、リン脂質及び核酸を含む有機リン化合物からのリンは、無機リン酸塩に変換後に初めて植物生長のために利用可能である。
更に、繊維状のマトリックス、例えばセルロースに物理的に結合している無機リン化合物が存在する。この無機リン化合物も同様に、繊維状マトリックスを分解する土壌中での生物学的分解プロセスによって初めて放出され、次いで植物のために利用可能となる。土壌中での生物学的分解プロセスは、予測可能でもなく、制御可能でもない、それというのもこの分解プロセスは土壌の地域的に特異的な条件、例えばpH値、湿度、温度、降水及び微生物の活性及び類似するパラメータに依存するためである。
有機物残渣中の無機リン化合物の溶解度は、無機リン化合物と、主に二価のイオン、例えばカルシウムイオン又はマグネシウムイオンとの結合に依存する。例えば、高いカルシウム濃度を有する、例えばブタの糞、鶏糞又は発酵残滓のような残留物質中では、溶液のpH値及び組成に依存して、他のリン酸塩に対してリン酸カルシウムの形成が熱力学的に優先される。リン酸カルシウムは残留物質中で固体として存在するので、固相から分離することができない。
ホスファターゼを含む酵素を、厩肥及び土壌中の有機リン化合物の分析的測定のために使用することは公知である。(He et al.著、J.Environ. Qual.,2001.30:第1685−1692頁及びTurner et al.著、Soil Biology and Biochemisty,2002.34(1):第27−35頁参照)。ただし、上述の文献箇所に記載された方法は、分析的な目的のためだけに利用可能である。
米国特許(US−B1)第6,776,816号明細書及び国際公開(WO−A1)第2006/081825号パンフレットは、有機リンから無機リン酸塩への変換を促進する方法を記載している。更に、例えば、動物性の厩肥からのリン酸マグネシウムアンモニウムを、マグネシウム塩とウレアーゼ、ウリカーゼ、アラントイナーゼ及びホスファターゼのような選択された酵素との添加により分離できることが記載されている。
この方法の欠点は、これらの酵素が、液状の溶液として厩肥に添加されるため、回収又は再使用することができないことにある。その結果、この方法は、極めて高価である。更に、マグネシウム塩の添加は厩肥の塩含有率を向上させることになる。この公知の方法の更なる欠点は、固−液分離が行われないことである。それにより、リン酸マグネシウムアンモニウムは厩肥中に残留し、リンは液相から分離されるだけである。販売される最終生成物として固体リン酸塩を獲得することは記載されていない。
米国特許公開(US−A)第5993503号明細書は、ブタの厩肥から脱リン酸塩化する方法を記載している。このために、ブタの厩肥は少なくとも1ヶ月の期間、0〜15℃の温度で貯蔵するか又は少なくとも1週間の期間、15℃で連続的に運動される。厩肥のpH値を8に調節しかつ二価イオンと結合させるために錯生成剤を添加することにより、この場合にリン酸塩の沈殿は抑制される。更に、この文献は、フィチン酸中に結合されたリン酸塩を遊離させ、それによりこのリン酸塩を液体中に溶かして存在させるために、ウレアーゼ及びホスファターゼを含む酵素を厩肥中に添加することによるフィチン酸の分解を記載している。
引き続き、この厩肥は固形分と液体分とに分けられる。この液体分からリン酸塩を、スツルバイト(リン酸マグネシウムアンモニウム)の形で分離する。この液体分は、例えば膜分離、電気透析又は蒸発のような多大なエネルギー使用を必要とする手段によって濃縮される。この公知の方法の他の欠点は、低温で長期の貯蔵時間、場合による厩肥の冷却が必要であり、従って高いエネルギー需要が伴うことである。これらの酵素は、液体として厩肥に添加されるため、回収又は再利用ができない。マグネシウム塩の添加は、厩肥の塩含有率を高める。
米国特許公開(US−A)第3705084号明細書には、酵素、例えばアルカリホスファターゼを固定化する、つまりゲル粒子、カプセル又は限られた反応室中に空間的に固定できることが記載されている。
国際公開(WO−A1)第94/22770号パンフレットは、重金属、例えばアクチノイドを、不溶性のリン酸塩の形で除去する方法を記載している。このために、固定化されたホスファターゼを生産する微生物を含むバイオリアクターが使用される。この文献は、重金属の濃縮のために、リン酸塩供与体として細菌培養をどのように利用できるのかを記載している。しかしながら、この場合に生じるリン酸塩は、高い重金属含有率のために肥料としては利用できない。
更に、ドイツ国特許公開(DE−A1)第102005030896号明細書は、生物学的材料を含む分散液の固体分と液体分とを分離するための遠心分離を記載している。
欧州特許公開(EP−A2)第0265027号明細書は、水肥を嫌気性浄化に供して、この水肥を一方で固体の成分として、他方で液体成分として加工する方法を記載している。
欧州特許公開(EP−A2)第1829829号明細書は、バイオマスを、固体分と、バイオガスの製造下で発酵する液相とに分離する装置を記載している。
米国特許公開(US−A)第4,213,857号明細書は、有機廃棄物、特に多くの固体を含む廃棄物の急速処理のための嫌気性発酵プロセスを記載している。
米国特許公開(US−A)第4,765,900号明細書は、液状成分及び固体成分を有する有機廃棄物の促進された処理方法を記載している。
米国特許(US−B1)第6,776,816号明細書は、例えば水肥を所定の量のマグネシウム含有化合物と混合することにより製造される、長期肥料として適しているリン酸マグネシウムアンモニウムの製造方法を記載している。
この背景から、本発明の課題は、十分に連続的プロセスで有機物残渣から栄養素を取り出し、かつ肥料塩の形でその利用を可能にする方法を提供することである。
更に、固形分を酵素によるプロセスに引き続き乾燥させ、得られた肥料塩と一緒にペレット化することで、本発明による方法は、無機肥料及び土壌改良剤として商業的に利用できる固体生成物を提供することが好ましい。
前記課題は、有機物残渣、例えば厩肥又は嫌気性発酵からの発酵残滓を、まず機械的に固−液分離に供する本発明による方法によって解決される。それにより、好ましくは、主に第1の液相中に含まれている二価イオンの一部が、第1の固相から分離される。
こうして得られた第1の固相を処理水で希釈して、好ましくは5%、特に好ましくは1%の乾燥物質含有率を有する溶液を生じさせる。この溶液中の、例えばカルシウム又はマグネシウムのような二価イオンの濃度が、この溶液の更なる使用のためにまだ高すぎる場合には、この溶液をもう一度機械的な固−液分離に供し、もう一度処理水で希釈してもよい。
このようにして、有機物残渣を、溶液中の二価イオンの濃度が、更なる方法工程を実施できる程度に低下するまで数回洗浄してもよい。
この溶液は、第3の工程において難溶性の化合物に変換される二価イオンをまだ含んでいる。この二価のマグネシウムイオン又はカルシウムイオンを完全に分離又は阻害することが必要である、というのもこれらの二価イオンは、難溶性リン酸塩化合物の形成によって、引き続く方法工程のために必要なリンの溶解度に不利な影響を及ぼすためである。
こうして前処理された溶液を第4の工程で酵素によって分解することで、有機結合したリンが、無機化合物、好ましくは容易に溶解するリン酸塩に変換される。このために、酵素、好ましくはホスファターゼが使用される。
引き続く、固−液分離を含む第5の工程は、この溶液を第2の固相と第2の液相とに分離し、この場合、リン、窒素、カルシウム及びマグネシウムを含む栄養素は主に液相中に含まれることを実現する。
続いて、更なる分離プロセスが行われ、この分離プロセスにおいてこれらの栄養素は徐々に互いに別々に第2の液相から塩の形で分離される。こうして精製された液相は、処理水として再び第2の工程に供給され、第1の固相の希釈又は洗浄のために使用される。
この第2の固相は、乾燥されかつペレット化される。ペレット化プロセスでは分離プロセス中で得られた栄養素が添加される。従って、本発明による方法は、要求に応じて栄養素組成及び栄養素量を調節できる固体の有機肥料の形で経済的に利用可能な生成物を製造するために用いられる。
特に有益であるのは、この処理水が第2の液相から得られることである。それにより、固体の有機物残渣の希釈及び/又は洗浄のために必要とされる水は、このプロセス自体から生じるので、貴重な資源は節約される。
二価イオンの、難溶性の化合物への変換を、炭酸塩(炭酸の塩)の添加により行う場合が好ましい。例えば炭酸水素ナトリウムの添加により、二価イオンを炭酸マグネシウム又は炭酸カルシウムとして沈殿させる。この炭酸塩化合物は難溶性であり、この二価イオンは、溶解したリン酸塩と化学結合することはできなくなる。
二価イオンを結合する好ましい別の方法は、錯生成剤の添加である。この錯生成剤は、好ましくは、フミン酸、クエン酸、ニトリロ三酢酸、アラニン二酢酸、クエン酸塩、グルコン酸塩及びメチルグリシン二酢酸を含む。これらの物質は二価イオンに付加し、この二価イオンが溶解したリンと結合しない程度にこの二価イオンの反応性を阻害又は低下させるために適している。
更に、酵素による反応を連続的流通型反応器中で行うことが好ましい。このリンの連続的な酵素による無機化は、先行技術と比較して、この反応が比較的短時間で、少なくとも6時間で行われるという利点を有する。それにより、第1に、この溶液を長時間にわたり処理しなければならない、つまり撹拌、加熱又は冷却しなければならない大きな容器は必要なくなる。従って、本発明による方法により、エネルギー必要量及びコストの軽減が生じる。
好ましい実施態様は、この反応器が、溶液が貫流する担体材料、ビーズ、キャリア及び/又は充填体を有し、この担体材料、ビーズ、キャリア及び/又は充填体に酵素が固定化されていることを予定する。以後、担体材料についてだけ述べるが、この場合、この概念は、ビーズ、キャリア及び/又は充填体を含んでいてもよい。この利点は、固定化された酵素が、担体材料又は充填体に強固に結合されていて、溶液中に移行することができないことにある。
それにより、この酵素は再び使用することが可能である。この酵素は、少なくとも3ヶ月間充填体に結合されている。その後に、新たな酵素を担体材料に固定化することができる。このようにして、担体材料に100回まで新たに酵素を負荷することができるため、この担体材料について生じるコストは3年未満で元が取れる。
更に好ましい実施態様は、この反応器が生体触媒膜型反応器として構成され、酵素が膜繊維に固定化されていることを予定する。この膜型反応器の使用は、有機結合されたリンから無機結合されたリンへの変換及び固−液分離を唯一の工程で行うという利点を有する。それにより、特に装置及び装備についてのコストが節約される。
固定化された酵素がホスファターゼであることも好ましい。ホスファターゼは、有機物残渣中に含まれるリン化合物を分解する一群の酵素である。
補足的に、反応器中で、有機材料を分解するために適した遊離した及び/又は固定化された酵素を適用することが提案される。この場合、この固定化された又は遊離された酵素は、セルラーゼ、キシラナーゼ及び/又はグルカナーゼを含むことが好ましい。これらの酵素は、有機支持骨格を分解し、それにより例えば細胞のような有機構造中に封入されているリンを放出させるために適している。
技術的に簡単な解決策は、無機リン酸塩を、リン酸マグネシウムアンモニウム又はリン酸カルシウムマグネシウムとして分離することである。これらのリン酸塩化合物は、ドイツ国特許(DE−B3)第102010050691号明細書から公知の方法により、ドイツ国特許(DE−B3)第102010050692号明細書から公知の反応器中で第2の液相から分離され、この場合、このために必要なイオンをプロセスの外部から添加する必要はない。このようにして第2の液相に過度な塩の添加を避けることができる。
本発明の他の特徴、適用の可能性及び利点は、図面で示されている本発明の実施例の次の記載から明らかとなる。この場合、記載された又は示された全ての特徴は、特許請求の範囲又はその引用形式中のその要約とは無関係に、並びに明細書又は図面中の記載又は表示とは無関係に、単独で又は任意の組み合わせについて本発明の主題を形成する。
異なる実施態様の場合であっても、機能上等しい部材及び寸法については全ての図において同じ符号が使用されている。
図1は、本発明による方法の図式的なフローチャートを示す。第1の工程10では、有機物残渣12を機械的分離法に供する。この場合、第1の液相14が第1の固相16から分離される。この第1の液相14は、僅かなリン濃度と、例えばカルシウム又はマグネシウムのような他のイオンの高い濃度を有する。カルシウム及びマグネシウムを含む二価イオンの分離が好ましい、というのもこれらの二価イオンは後続する工程に不利な影響を及ぼすためである。
この第1の固相16を、第2の工程18で処理水20と混合する。この処理水20は、後で更に説明する工程から返送される。5%以下の、好ましくは1%の乾燥物質含有率を有する溶液22が生じる。
工程10において第1の液相14と共に分離された、この溶液22の成分の濃度が高すぎる場合には、この溶液22をもう1回第1の工程10に返送することも考えられる。
引き続き、この溶液22を、第3の工程24に供給する。この第3の工程24中で、溶液22中に含まれる二価イオンを、難溶性の化合物に変換する。
この第3の工程24は、容器中に存在する溶液22を撹拌しながら炭酸の塩、例えば炭酸水素ナトリウムを供給することを含むのが好ましい。それにより、この二価イオンは好ましくは炭酸塩として分離される。添加される炭酸水素塩の量は、主に溶液22中の二価イオンの濃度及び炭酸の塩の濃度に依存する。
これとは別に、この溶液22に第3の工程24で、例えばフミン酸又はクエン酸のような錯生成剤を添加することも考えられる。
炭酸の塩を添加するか又は錯生成剤を添加する2つの選択肢により、カルシウムイオン又はマグネシウムイオンのような二価イオンは結合され、それによりリンの溶解度に不利な影響を及ぼさないことが生じる。従って、2つの選択肢は、溶液22中のリン濃度の上昇を引き起こす。
第4の工程26は、溶液22の酵素による処理を含む。この第4の工程26では、有機リン化合物を無機リン酸塩に変換する。この第4の工程26は、連続流通型反応器中で行われる。この反応器は、担体材料、例えばプラスチックビーズを有する。この担体材料には、公知のように、酵素、好ましくはホスファターゼが固定化されている。この溶液22は、反応器中で充填体に固定化された酵素と混合される。この酵素は、溶液22中の有機リン化合物を無機リン化合物に変換することに寄与する。その溶解度に基づいて、無機リン化合物は溶液22の第2の液相中に移行する。
第4の工程26のための反応時間は、少なくとも6時間である。6時間後に、リンの無機化が完全に完了する。プロセス温度は、好ましくは20〜50℃であり、5〜10のpH値が好ましい。
例えばセルラーゼ又はキシラナーゼのような有機物質を分解する酵素を使用することも考えられる。それにより、有機物質内に封入されているリンも放出される。
第4の工程26中で行われるリンの無機化に引き続き、第5の工程28中では、第2の固−液分離が行われる。機械的分離法によって、第4の工程26の反応器から出た溶液22は、第2の固相30と第2の液相32とに分けられる。
この第2の固相30は、第6の工程34で、好ましくは熱により乾燥され、引き続き第7の工程36でペレット化される。
この第2の液相32は、第3の工程24での二価のイオンの分離及び第4の工程25でのリンの酵素による無機化をまだ経ていない溶液22の液相よりも著しく高いリン酸塩濃度を有する。
この第2の液相32は、第1の分離プロセス38のための出発溶液である。この第2の液相32中の高いリン濃度に基づき、第1の分離プロセス38のために、この第2の液相32を予め濃縮する必要はない。リンは第2の液相32から、スツルバイト(リン酸マグネシウムアンモニウム、MAP)、K−スツルバイト(リン酸マグネシウムカリウム、KMP)又はリン酸カルシウムを含むリン酸塩40の形で分離される。
上述のリン酸塩40を分離するための好ましい方法は、ドイツ国特許(DE−B3)第102010050691号明細書に記載されているような電気化学的方法である。この好ましい方法は、好ましくは、ドイツ国特許(DE−B3)第102010050692号明細書から公知の反応器中で行う。
この方法は、付加的に、マグネシウム塩又は苛性ソーダのような塩基を添加する必要はない。リン酸塩40の分離のために必要な全てのイオンは、反応器自体の中で生産される。それにより、第2の液相32の塩の添加は行われない。
例えば発酵残滓のような高いアンモニウム濃度を有する有機物残渣12の場合、この第2の液相32は第1の分離プロセス38の後でもまだかなりの量のアンモニウムを含む。この場合、第2の液相32は、第2の分離プロセス42に供される。ここで、第2の液相32中に含まれるアンモニウムは、アンモニウム塩44、例えば硫酸アンモニウムの形で生じる。
この第2の液相32は、この第2の分離プロセス42の後に、ほとんど栄養素を含まず、処理水20として第2の工程18に返送される。
第1の工程10で分離された第1の液相14は、リンを僅かに含むだけであるが、カルシウム又はマグネシウムのような他のイオンの濃度は高い。第3の分離プロセス46中でこの他のイオンは塩48の形で第1の液相14から分離される。
第3の分離プロセス46の後で、第1の液相14は、第2の分離プロセス42に供給され、かつ上述のように第1の液相14中にまだ含まれるアンモニウムを沈殿させる。こうして精製された第1の液相14は、処理水20として第2の工程18に再び返送される。
分離プロセス38、42及び46で得られたリン酸塩40、アンモニウム塩44及びカルシウム塩及び/又はマグネシウム塩48は、第7の工程36で、ペレット化されるべき第2の固相30に添加される。それにより、有機肥料である生成物50が得られ、この有機肥料の栄養素含有率は、リン酸塩40、アンモニウム塩44並びにカルシウム塩及びマグネシウム塩48の添加により要求に応じて所望に調節することができる。
本発明による方法の第2の実施態様は、図2に図式的に示されている。この第2の実施態様は、図1に示された上述の第1の実施態様とは、酵素によるリンの無機化を有する第4の工程26と固−液分離を有する第5の工程28とが唯一の工程52に統合されているという点で異なっている。
この工程52は、好ましくは膜型反応器中で行われる。ホスファターゼを含む酵素は、この場合、膜繊維に固定化されている。溶液はこの膜を貫流し、この場合、リン酸塩の無機化を実行する酵素と接触する。リン、アンモニア、カルシウム及びマグネシウムのような可溶性の栄養素を含む溶液22の液状部分は膜を通過し、第2の液相32として、膜にとどめられる第2の固相30とは分離される。
唯一の工程52のための反応時間は、少なくとも6時間である。このプロセス温度は、好ましくは30〜50℃であり、かつ好ましくは、pH値は5〜9の間である。
この唯一の工程52中で、例えばセルラーゼ又はキシラナーゼのような有機物質を分解するために適した酵素が膜繊維に固定化されていることも考えられる。
この唯一の工程52の前の溶液22の製造及びこの唯一の工程52の後の第2の固相30及び第2の液相32の更なる処理は、図1に示された第1の実施態様によって説明されている場合と同様に行う。
Claims (11)
- 機械的分離方法(10)を用いて、有機物残渣(12)を第1の固相(16)と第1の液相(14)とに分離する工程;第1の固相(16)を処理水(20)と混合して溶液(22)にする工程;前記溶液(22)中に含まれる二価イオンを難溶性の化合物に変換する工程;前記溶液(22)中で、有機リン化合物を酵素反応により無機リン酸塩にする工程;前記溶液(22)を第2の固相(30)と第2の液相(32)とに分離する工程;第2の液相(32)から無機リン酸塩(40)を分離する工程;第2の液相(32)からアンモニウム塩(44)を分離する工程;第1の液相(14)中に含まれる二価イオンを塩(48)の形で分離する工程;第2の固相(30)を乾燥する工程;第2の固相(30)を、前記の分離プロセス(38,42,46)で得られたリン酸塩(40)、アンモニウム塩(44)及び二価イオンの塩(48)と混合しかつペレット化する工程、を含む、有機物残渣(12)の固体成分から有機リン化合物及び無機リン化合物を回収する方法。
- 前記処理水20を第2の液相(32)から得ることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記二価イオンの難溶性の化合物への変換は、炭酸塩の添加により起こることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記二価イオンの難溶性の化合物への変換は、錯生成剤の添加により起こることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記錯生成剤が、フミン酸、クエン酸、ニトリロ三酢酸、アラニン二酢酸、クエン酸塩、グルコン酸塩及び/又はメチルグリシン二酢酸を含むことを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 前記酵素反応を連続流通型反応器中で行うことを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記反応器は充填体を有し、前記充填体を前記溶液(22)が貫流し、かつ前記充填体には酵素が固定化されていることを特徴とする、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記反応器は生体触媒膜型反応器として構成されていて、前記酵素は膜繊維に固定化されていることを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記固定化された酵素はホスファターゼを含むことを特徴とする、請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記固定化された酵素は、有機材料を分解するのに適していることを特徴とする、請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記無機リン酸塩(40)は、リン酸マグネシウムアンモニウム(MAP)として又はリン酸マグネシウムカリウム(KMP)として又はリン酸カルシウムとして回収されることを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の方法。
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