JP3724990B2

JP3724990B2 - 有機性廃棄物の処理方法と装置

Info

Publication number: JP3724990B2
Application number: JP22759499A
Authority: JP
Inventors: ひとみ鈴木; 乃大矢出; 豊米山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP2001047003A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物の処理に係り、特に、各家庭から排出される生ごみ、各種厨房から排出される生ごみ、食品加工工場や食品製造工場から排出される残渣及び活性汚泥処理設備等から排出される余剰汚泥等、有機物を含有する有機性廃棄物をメタン発酵処理する有機性廃棄物の処理方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から窒素化合物を含有している有機性廃棄物を嫌気性処理すると、もとの廃棄物にアンモニア性窒素を含有していなくても、有機物の分解過程でアンモニア性窒素が生成され、遊離アンモニアの毒性によりメタン生成菌は阻害を受け、メタンガス発生量が低下するという問題がある。
即ち、有機性廃棄物を嫌気性処理（メタン発酵処理とも言う）すると、酸生成菌により酸発酵され、高分子の固形有機物が低分子化されて有機酸が生成される。その後、メタン生成菌により有機酸はメタンガスと炭酸ガスに分解される。有機性廃棄物に含まれる有機性窒素化合物は、酸生成の段階で有機物が低分子化し、有機酸が生成し、その際同時にアンモニア性窒素が生成する。この時、アンモニア性窒素が高濃度に存在するとアンモニア毒性のためにメタン生成菌は阻害を受け、メタンガス発生量が低下する。嫌気性処理、特にメタン発酵におけるアンモニア性窒素の毒性は、遊離アンモニアに由来するために、ｐＨ、水温等に依存し、高ｐＨ、高水温ほど毒性が強い。
【０００３】
そのため、従来は、遊離アンモニアの阻害をなくすため、有機性低窒素廃棄物の混合による希釈、水による希釈、嫌気性処理でｐＨを下げる等の対策がとられていた。しかし、この方法では大量の有機性低窒素廃棄物や水が必要となり、処理量が増大し過大な設備となり、新たに加えた希釈水分も加温しなくてはならず、外部から大量のエネルギーが必要となる。しかも、希釈用の有機性低窒素廃棄物や水が入手できない場合には適用できない。
最近では、含有窒素成分の形態がアンモニア性窒素である有機性排液及び余剰汚泥の液状化物については、メタン発酵を阻害するアンモニア性窒素をメタン発酵の前段で不溶性のリン酸マグネシウムアンモニウム（以下ＭＡＰと略す）を生成させ、除去する方法が検討されている（特開平９−２２０５９３号公報）。
【０００４】
しかしながら、嫌気性処理で生成するアンモニアの除去に関しては未だ検討されておらず、嫌気性処理で生成したアンモニアによりメタン発酵が阻害されるという問題がある。
また、メタン発酵の前段でリン酸塩、マグネシウム化合物を添加し、メタン発酵内でｐＨ調整を行い、生成したアンモニア性窒素をＭＡＰで除去する方法が検討されている（特開平７−５１６９３号公報）。しかし、ＭＡＰを生成させるためにはメタン発酵のｐＨを８〜９とする必要があるが、このｐＨはメタン発酵の至適ｐＨ６〜８より高く、メタン菌に悪影響を与え、メタン発酵に重大な問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来問題点を解決し、外部からの希釈水を用いることなく、メタン発酵処理で生成するアンモニアを除去でき、しかもメタン発酵を好適に行うことができる有機性廃棄物の処理方法と装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法において、該メタン発酵処理後の汚泥を、その一部又は全量にリン酸塩及び／又はマグネシウム化合物を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させた後、その一部又は全量を固液分離し、その分離液を前記メタン発酵処理に返送する有機性廃棄物の処理方法としたものである。
また、本発明では、有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法において、該メタン発酵処理後の汚泥を固液分離して、その分離液の一部又は全量にリン酸塩及び／又はマグネシウム化合物を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させた後、その一部又は全量を固液分離し、その分離液を前記メタン発酵処理に返送する有機性廃棄物の処理方法としたものである。
前記処理方法において、メタン発酵処理後の汚泥を固液分離した汚泥は、その一部又は全量をメタン発酵処理に返送することができる。
さらに、本発明では、有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置において、メタン発酵槽と、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させるＭＡＰ槽と、固液分離装置とを順次配備し、これらを経路で接続すると共に、該ＭＡＰ槽には、リン酸塩及び／又はマグネシウム化合物の添加手段を有し、前記固液分離装置には、分離液を前記メタン発酵槽に返送する経路を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置としたものである。
前記処理装置において、メタン発酵槽とＭＡＰ槽との間に固液分離装置を配備し、固液分離した分離液をＭＡＰ槽に供給し、分離汚泥をメタン発酵槽に返送するのがよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明においては、第１工程で有機性廃棄物をメタン発酵処理（以下、嫌気性処理と記す）し、もしくは嫌気性処理後に固液分離し、この嫌気性処理汚泥もしくは嫌気性処理汚泥を固液分離した分離水の一部又は全量を対象に、第２工程で第１工程で生成したアンモニア性窒素を、リン酸塩及びマグネシウム化合物の存在下で、ｐＨ調整剤によりｐＨ８〜１０、好ましくは８．５〜９．５にし、不溶性のＭＡＰとした後、固液分離し、アンモニアが除去された分離液を第１工程へ送り、この分離液による希釈で嫌気性処理のアンモニア性窒素濃度を下げ、遊離アンモニアによるメタン菌の阻害を抑制することにより、処理の安定性を向上させたものである。
【０００８】
第１工程では、有機性廃棄物は、可溶化された後有機酸を経由し、最終的にメタンガスと炭酸ガスに分解される。この時、有機性廃棄物に含有される窒素成分は、アンモニア性窒素に分解される。
第２工程では、アンモニア性窒素を含む嫌気性処理汚泥、もしくは嫌気性処理汚泥を固液分離した分離液の一部又は全量に、リン酸塩とマグネシウム化合物、もしくはいずれかを添加して、ｐＨ調整剤によりｐＨを８〜１０、好ましくは８．５〜９．５に調整し、不溶性のＭＡＰを生成する。これを固液分離し、アンモニアが除去された分離液を第１工程の嫌気性処理に返送し、この分離液による希釈で嫌気性処理のアンモニア性窒素濃度を下げ、遊離アンモニアによるメタン菌の阻害を抑制する。
【０００９】
次に本発明を詳細に説明する。
本発明の一つの方法は、嫌気性処理及びＭＡＰ生成と固液分離処理をする各工程により構成される。
嫌気性処理工程では、投入された有機性廃棄物は、可溶化され、有機酸を経由して最終的にメタンガスと炭酸ガスに分解される。有機性廃棄物に含まれる有機性窒素化合物は、この段階で低分子化してアンモニア性窒素となる。
ＭＡＰ生成工程では、嫌気性処理工程で処理されたアンモニア性窒素を含む嫌気性処理汚泥の一部又は全量を導入し、リン酸塩及び／又はマグネシウム化合物をアンモニアイオンとリン酸イオン、マグネシウムイオンが等モルになるように添加し、必要に応じて、ｐＨ調整剤を添加してｐＨを８〜１０、好ましくは８．５〜９．５とし、滞留時間１５分〜１２０分、好ましくは３０分〜６０分で攪拌して、嫌気性処理汚泥中のアンモニア性窒素を不溶性のＭＡＰにする。
【００１０】
本発明で使用できるリン酸塩としては、リン酸、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素カリウム、リン酸マグネシウム等であり、マグネシウム化合物としては、水酸化マグネシウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム等のであり、さらに、ｐＨ調整剤としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等である。
次いで固液分離では、ＭＡＰ生成工程からのＭＡＰを含んだ汚泥が導入されて、重力分離、遠心分離、膜分離等の固液分離によりＭＡＰ汚泥と分離液に分離される。アンモニアが除去された分離液の一部又は全量は、嫌気性処理工程に返送され、嫌気性処理でのアンモニアの希釈に使用されるとともに、アルカリ剤の補給に利用される。このため、嫌気性処理工程でのアンモニア性窒素濃度が低下し、遊離アンモニアによる阻害が抑制されると共に、メタン発酵の至適ｐＨとするためのアルカリ剤を削減できる。
【００１１】
本処理において、有機性廃棄物の全窒素濃度が単位重量当たり３〜５ｇ／ｋｇの場合、アンモニア性窒素の生成量が、単位重量当たり２．４〜４．５ｇ／ｋｇとなるため、嫌気性処理工程でのアンモニア性窒素濃度が２．０ｇ／ｋｇ以下となるように、分離液の返送率は、有機性廃棄物投入量１部当たり０．５から１．５部に調整する。
ＭＡＰを含んだ嫌気性汚泥は、脱水性も良好で、さらに肥効成分が豊富なため、コンポスト等に利用可能である。
【００１２】
次に、本発明のもう一つの方法は、嫌気性処理と第１固液分離とＭＡＰ生成と第２固液分離の各工程により構成される。
嫌気性処理工程は、前記した処理工程と同じであり、投入された有機性廃棄物は、最終的にメタンガスと炭酸ガスに分解され、含まれる有機性窒素化合物は、この段階で低分子化してアンモニア性窒素となる。
第１固液分離工程では、嫌気性処理工程から汚泥が導入され、汚泥とアンモニア性窒素を含む分離液とに分離される。アンモニア性窒素を含む分離液の一部又は全量をＭＡＰ生成工程に導入する。
ＭＡＰ生成工程では、リン酸塩及び／又はマグネシウム化合物をアンモニアイオンとリン酸イオン、マグネシウムイオンが等モルになるように添加し、必要に応じてｐＨ調整剤を添加してｐＨを８〜１０、好ましくは８．５〜９．５とし、滞留時間を１０分〜６０分、好ましくは１５分〜３０分で攪拌して、ＭＡＰを生成させる。ＭＡＰ生成時において、嫌気性処理汚泥の分離液を使用することにより、直接嫌気性処理汚泥を使用する場合と比べ、ＭＡＰ生成反応が速やかに進行し、短時間で効率的にＭＡＰの生成が可能となり、省スペース化が可能となる。
【００１３】
次いで第２固液分離工程では、ＭＡＰを含んだ汚泥が導入されて、ＭＡＰ汚泥と分離液に分離される。アンモニアが除去された分離液は、嫌気性処理工程に返送され、嫌気性処理でのアンモニアの希釈、アルカリ剤の補給に利用される。このため、嫌気性処理工程でのアンモニア性窒素濃度が低下し、遊離アンモニアによる阻害が抑制されるとともに、メタン発酵の至適ｐＨとするためのアルカリ剤を削減できる。
また、分離液の返送率は、前記した方法と同一であり、有機性廃棄物投入量１部当たり０．５から１．５部に調整する。
この時、アンモニアを除去した分離液と共に、第１固液分離工程の分離汚泥の一部又は全量を嫌気性処理工程に返送し、処理を安定化させるため、槽内の汚泥濃度を高くしても良い。ＴＳ１００ｇ／ｋｇの分離汚泥を、有機性廃棄物の投入量１部当たり、０．０５〜０．２部返送することにより、槽内の汚泥濃度は、ＴＳとして５〜２０ｇ／ｋｇ分増加させることが可能となる。槽内の汚泥濃度を高くできると、投入有機物負荷の変動に強く、処理の安定性が向上する。
【００１４】
次に、本発明を図面を用いて説明する。図１〜３は、本発明の処理方法を示すフロー工程図の一例である。
図１において、有機性廃棄物４は、まず嫌気性処理工程１にて可溶化され有機酸を経由してメタンガスと炭酸ガスに分解される。この際、有機性廃棄物４に混入していたアンモニア性窒素あるいは有機性廃棄物の分解過程で生成するアンモニア性窒素が、メタン発酵を阻害する。これらのアンモニア性窒素を、次のＭＡＰ生成工程２でリン酸水素ナトリウム８、塩化マグネシウム９を添加し、水酸化ナトリウム１０でｐＨ８．５〜９．５に調整し、滞留時間３０分〜６０分間攪拌して、不溶性のＭＡＰとしてアンモニアを固定する。
【００１５】
次の固液分離工程３で、不溶性のＭＡＰは、嫌気性処理工程で生成した汚泥と共に系外に除去される。アンモニアが除去された分離液５は、嫌気性処理工程１のアンモニア濃度を下げるための希釈として、また嫌気性処理工程１へのアルカリの補給として、嫌気性処理工程１へ返送される。ここで、分離液５の分配量の目安は、有機性廃棄物の全窒素濃度が単位重量当たり３〜５ｇ／ｋｇの場合、前記したように分離液の返送率は有機性廃棄物投入量１部当たり０．５から１．５部となる。固液分離で分離された汚泥７は、肥効成分を含み、脱水性も良好であるため、コンポスト等に利用可能である。
【００１６】
次に、図２において、有機性廃棄物４は、まず嫌気性処理工程１にて可溶化され有機酸を経由してメタンガスと炭酸ガスに分解される。この際、有機性廃棄物４に混入していたアンモニア性窒素あるいは有機性廃棄物の分解過程で生成するアンモニア性窒素がメタン発酵を阻害する。嫌気性処理汚泥の全量は、第１固液分離工程１１で汚泥１４とアンモニア性窒素を含有した分離液１３とに分離される。これらのアンモニア性窒素を含んだ分離液１３は、次のＭＡＰ生成工程２でリン酸水素ナトリウム８、塩化マグネシウム９を添加し、水酸化ナトリウム１０でｐＨ８．５〜９．５に調整され、滞留時間１５分〜３０分間攪拌される。ＭＡＰ生成工程２では、溶解していたアンモニア性窒素が不溶性のＭＡＰとして固定される。次の第２固液分離工程１２で、不溶性のＭＡＰを含む汚泥７’は分離され、アンモニアが除去された分離液５は、嫌気性処理工程１のアンモニア濃度を下げるための希釈として、また嫌気性処理工程１へのアルカリの補給として嫌気性処理工程１へ返送される。
図３は、図２の改良法であり、第１固液分離工程１１で分離された汚泥１４を嫌気性処理工程１に返送している。これにより処理の安定性が向上する。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例１
図１に示した本発明のフロー工程図に従って実験を行った。実験に用いた嫌気性処理工程とＭＡＰ生成工程の仕様を表１に示す。ここでは、固液分離工程として遠心分離を使用した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表２に示す合成生ごみを供試試料とした。
【表２】

【００２０】
メタン生成槽に合成生ごみ５ｋｇと、種汚泥としてメタン発酵処理装置から採取した汚泥（ＴＳ５０ｇ／ｋｇ）５ｋｇを入れ、５５℃にて約２０日間嫌気性処理した。この嫌気性処理汚泥の性状は、ＴＳ５２ｇ／ｋｇ、ＳＳ３８ｇ／ｋｇ、アンモニア性窒素濃度３．３ｇ／ｋｇであった。その後、合成生ごみを０．３３ｋｇ／ｄで嫌気性処理槽に供給し、滞留時間３０日で処理した。嫌気性処理槽から流出する嫌気性処理汚泥に、リン酸水素ナトリウム３５ｇ／ｋｇ、塩化マグネシウム２５ｇ／ｋｇを添加し、水酸化ナトリウムでｐＨ８．５〜９．５に調整した後、約６０分間攪拌させてＭＡＰを生成させた。これを遠心分離機で遠心分離させ、その分離液を０．３３Ｌ／ｄの比率で嫌気性処理槽に返送した。
【００２１】
この処理による定常運転を約１ヶ月間継続させたところ、アンモニアによる阻害もなく、残留酢酸濃度も低く、処理が良好に行われていた。さらに、滞留時間を２０日にしたところ、３０日の時と同様、処理が良好に行われたため、約１ヶ月後に滞留時間を１５日とした。滞留時間１５日の処理汚泥のアンモニア性窒素濃度は１．９ｇ／ｋｇと低く抑えられたため、ＣＯＤ_Cr除去率は８２％と高く、残留酢酸濃度は２０ｍｇ／ｋｇ、残留プロピオン酸濃度は８００ｍｇ／ｋｇと残留有機酸濃度を低く保つことができた。
滞留時間１５日の処理汚泥性状を表３に示す。
【００２２】
実施例２
図２に示した本発明のフロー工程図を用いて実験を行った。実験に用いた嫌気性処理工程とＭＡＰ生成工程の仕様は実施例１と同じである。ここでは、第１固液分離工程、第２固液分離工程として遠心分離を使用した。
実施例１と同じく表２に示す合成生ごみを供試試料とした。実施例１の実験終了後、引き続き実施例２の実験を行った。嫌気性処理槽の滞留時間２０日から運転を開始した。嫌気性処理汚泥の全量を遠心分離し、その分離液をＭＡＰ生成工程に導入し、リン酸水素ナトリウム３５ｇ／ｋｇ、塩化マグネシウム２５ｇ／ｋｇ添加し、水酸化ナトリウムでｐＨ８．５〜９．５に調整した後、約３０分間攪拌させてＭＡＰを生成させた。次いで、これを遠心分離機で遠心分離し、アンモニアが除去された分離液を嫌気性処理工程に返送した。
この処理による定常運転を約１ヶ月継続させたところ、残留有機酸濃度も低く、アンモニアによる阻害も認められず、処理は良好に行われていた。さらに滞留時間を１５日としたところ、処理汚泥のアンモニア性窒素濃度は１．７ｇ／ｋｇ、ＣＯＤ_Cr除去率は８５％、残留酢酸濃度は２１ｍｇ／ｋｇ、残留プロピオン酸濃度は７７０ｍｇ／ｋｇであり、良好な処理が行われていた。
滞留時間１５日の処理汚泥性状を表３に示す。
【００２３】
比較例１
比較実験として、合成生ごみを嫌気性処理工程のみで処理を行った。実験装置仕様は実施例と同じである。実施例と同じく表２に示す合成生ごみを供試試料とした。メタン生成槽に合成生ごみ５ｋｇと種汚泥としてメタン発酵処理装置から採取した汚泥（ＴＳ５０ｇ／ｋｇ）５ｋｇを入れ、５５℃にて約２０日間嫌気性処理した。この嫌気性処理汚泥の性状は、ＴＳ５３ｇ／ｋｇ、ＳＳ３７ｇ／ｋｇ、アンモニア性窒素濃度３．３ｇ／ｋｇであった。その後、合成生ごみを０．３３ｋｇ／ｄで嫌気性処理槽に供給し、滞留時間３０日で処理した。約２週間後、滞留時間を２０日にしたところ、処理汚泥のアンモニア性窒素は３．５ｇ／ｋｇまで増加し、ＣＯＤ_Crは除去率が７１％と低下し、残留酢酸濃度が５１０ｍｇ／ｋｇ、残留プロピオン酸濃度が３２００ｍｇ／ｋｇまで増加した。
滞留時間２０日の処理汚泥の性状を表３に示す。
滞留時間を１５日としたところ、さらに残留有機酸濃度が増加し、処理汚泥のｐＨが５まで低下し、処理が継続できなかった。
【００２４】
【表３】

【００２５】
【発明の効果】
本発明は、有機性廃棄物を嫌気性処理する方法において、嫌気性処理汚泥又は処理汚泥の分離液を、リン酸塩及びマグネシウム化合物の存在下でｐＨ８〜１０、好ましくは８．５〜９．５の状態にすることにより、嫌気性処理で生成されたアンモニア性窒素を不溶性のＭＡＰとして分離し、アンモニア性窒素を除去した分離液を嫌気性処理へ返送することにより、以下のような効果がある。
（１）嫌気性処理のアンモニア性窒素濃度を低減できることから、遊離アンモニアによる阻害をなくし、安定したメタン発酵が可能。
（２）肥効成分であるＭＡＰが汚泥に含まれ、汚泥のコンポストヘの適用が図れる。
（３）分離液の返送量を変えることにより、アンモニア性窒素の変動にも対応可能。
（４）アンモニア性窒素の除去及びメタン発酵が効率的に行えることにより、省スペース化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理方法を実施するための一例を示すフロー工程図。
【図２】本発明の処理方法を実施するための他の例を示すフロー工程図。
【図３】本発明の処理方法を実施するための別の例を示すフロー工程図。
【符号の説明】
１：嫌気処理工程、２：ＭＡＰ生成工程、３：固液分離工程、４：有機性廃棄物、５：分離液、６：嫌気性処理汚泥、７、７’：ＭＡＰ汚泥、８：リン酸塩、９：Ｍｇ化合物、１０：ｐＨ調整剤、１１：第１固液分離工程、１２：第２固液分離工程、１３：第１固液分離水、１４：第１固液分離汚泥

Claims

有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法において、該メタン発酵処理後の汚泥を、その一部又は全量にリン酸塩及び／又はマグネシウム化合物を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させた後、その一部又は全量を固液分離し、その分離液を前記メタン発酵処理に返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
有機性廃棄物をメタン発酵処理する方法において、該メタン発酵処理後の汚泥を固液分離して、その分離液の一部又は全量にリン酸塩及び／又はマグネシウム化合物を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させた後、その一部又は全量を固液分離し、その分離液を前記メタン発酵処理に返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
前記メタン発酵処理後の汚泥を固液分離した汚泥は、その一部又は全量をメタン発酵処理に返送することを特徴とする請求項２に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処理する装置において、メタン発酵槽と、リン酸マグネシウムアンモニウムを生成させるＭＡＰ槽と、固液分離装置とを順次配備し、これらを経路で接続すると共に、該ＭＡＰ槽には、リン酸塩及び／又はマグネシウム化合物の添加手段を有し、前記固液分離装置には、分離液を前記メタン発酵槽に返送する経路を設けたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
前記メタン発酵槽とＭＡＰ槽との間に、固液分離装置を配備し、固液分離した分離液をＭＡＰ槽に供給し、分離汚泥をメタン発酵槽に返送する経路を設けたことを特徴とする請求項４記載の有機性廃棄物の処理装置。