JP4349655B2

JP4349655B2 - 有機性廃液の処理装置及び処理方法

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Publication number: JP4349655B2
Application number: JP2005030951A
Authority: JP
Inventors: 石川　　浩; 正和坂野; 能成新美; 健志小島; 和保河合
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP2006212606A

Description

本発明は、畜舎から排出される蓄糞尿などの有機性廃液や、その有機性廃液を嫌気発酵させてバイオガスを取り出した後のいわゆる消化液を減容化し、貯留や運搬などの取り扱いが容易な肥料を生産する有機性廃液の処理装置及び処理方法に関する。

例えば、バイオガスプラントでは、嫌気発酵により蓄糞尿からバイオガスの採取処理が行われるが、処理後の消化液には多量の窒素分やＳＳ分が残存しているので、この液を一般の河川や水環境へ直接放流することはできない。そのため、消化液を液体肥料として有効に利用することが望まれる。ただし、消化液はバイオガスを採取する前の状態からほとんど重量や容積の変化がないため、大量の消化液の貯留や運搬などが問題であった。例えば、牛２００頭を有する畜舎では、およそ一日１６トンの蓄糞尿が排出されるが、肥料として散布する時期は春と秋の年２回であるため、半年分の約３０００トンの消化液を貯留しておく極めて大型のタンクが必要になる。また、液体肥料として消化液をタンクの周辺に散布できる環境が整っていればよいが、離れた土地に散布する場合には運搬の手間やコストがかかってしまう。更に、圃場が狭くて散布できないような場所では、そもそも消化液を液体肥料として利用できないため、多大な手間とコストをかけて排水処理を行うこととなる。

そうした問題を解決するため、特開２００３−１１７５９３号公報には有機性廃液の処理装置及び処理方法が提案されている。これは、アンモニア及び水分を含む有機性廃棄物の原液、有機性廃棄物に前処理（固形分の一部除去等）を施した液、有機性廃棄物をメタン発酵処理した後の消化脱離液、又は消化脱離液から固形分を一部除去した液などを処理するものであって、加熱濃縮して濃縮液と凝縮水とに分けることにより、廃水処理設備を必要とせず、濃縮工程で得られた凝縮水は簡便な方法で放流可能であり、濃縮液を液体肥料として有効利用する場合には利用性、輸送性を向上する処理装置及び処理方法として記載されている。

図６は、同公報に記載された有機性廃液処理装置について、その概略構成を示した図である。これには、畜糞尿等の有機性廃棄物をメタン発酵した後の消化液を処理する場合が示されている。消化液貯槽１００内の消化液は、ポンプ１０１により第１蒸発装置１１０における吸収塔１１１に導かれるが、その間に熱交換器１０２，１０３，１０４で加温される。吸収塔１１１に噴霧された消化液は、蒸発したアンモニアがポンプ１１２を経由して第１蒸発装置１１０の熱交換器１１３に導入される。熱交換器１１３にはアンモニアを除去した消化液が循環しており、導入されたアンモニアが循環消化液と熱交換して冷却・凝縮される。

凝縮したアンモニア水は、熱交換器１０４で冷却され、気液分離装置１０５にて気体側の濃縮アンモニアと残りの液体とに分離される。分離された液体は吸収塔１１１に噴霧され、気体側の濃縮アンモニアは熱交換器１０２で冷却・凝縮されてアンモニアタンク２００に貯留される。この濃縮アンモニア水は液体肥料として利用可能である。一方、アンモニアを除去した消化液は、ポンプ１１４により抜き出されて加熱器１１５で加熱され、熱交換器１１３でさらに加熱されて循環し、その一部が抜き出されて第２蒸発装置１２０に導入される。

第２蒸発装置１２０では、アンモニアを除去した消化液がポンプ１２１に送り出されて加熱器１２２、さらに熱交換器１２３でも加熱されて循環している。消化液は、加熱器１２２や熱交換器１２３によって加熱濃縮され、蒸発した水分が蒸気取出し口１２４から取り出される。取り出された蒸気はポンプ１２５を経由してスクラバー等の湿式ガス洗浄装置１２６に導入され、ここでガス洗浄が行われる。湿式ガス洗浄装置１２６からの洗浄後の液は第２蒸発装置１２０の循環消化液に混合される。湿式ガス洗浄装置１２６には、薬品タンク１３０，１４０からそれぞれ水酸化ナトリウム水溶液、硝酸水溶液をガス洗浄用の薬品が供給されている。

湿式ガス洗浄装置１２６で洗浄された蒸気は、前述の熱交換器１２３で循環消化液と熱交換して冷却・凝縮され、凝縮水（蒸留水）として取り出される。凝縮水は凝縮水受槽１２７及びポンプ１２８を経由して熱交換器１０３で冷却され、凝縮水（蒸留水）貯槽３００に貯留される。凝縮水はそのまま、あるいは簡単な処理を施して一般の河川などに放流できる。一方、加熱器１２２及び熱交換器１２３で加熱濃縮された消化液は、第２蒸発装置１２０から抜き出され、濃縮液貯槽４００に貯留される。この濃縮消化液は液体肥料として利用可能であり、濃縮により利用性、輸送性が高まっている。
特開２００３−１１７５９３号公報（第４−５頁、図１）

こうした従来の有機性廃液の処理装置および処理方法では、排水基準を満たした浄水を得るために、湿式ガス洗浄装置１２６に薬品タンク１３０，１４０から水酸化ナトリウム水溶液や酸水溶液といったガス洗浄用の薬品が使用されるため、消化液を処理するためのコストが上がってしまい、薬品供給のための手間もかかるものであった。
また、従来の有機性廃液の処理装置および処理方法では、有機性廃棄物に前処理（固形分の一部除去等）を施した液を用いる場合、例えば濃硫酸を使用することが考えられ、濃硫酸を使用すれば濃縮液が酸性になるので中和する必要がある。そのため、薬品使用の安全性やコストがかかることになり、好ましいものではない。

そこで、本発明は、かかる課題を解決べく、薬品を使用することなく有機性廃液から多くの放流可能な蒸留液を取り出して肥料成分を減容化する有機性廃液の処理装置および処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係る有機性廃液の処理装置は、アンモニア及びアンモニウム塩及び水分を含む有機性廃液又は、その有機性廃液に対して一定の処理を行った消化液について、水分を凝縮して得た蒸留水を浄水とし、残る成分を液体肥料として得るようにしたものであって、前記消化液などの固液分離によって濾過して得た原液を所定量蓄えるバッチ用タンクと、原液を蒸発させる蒸発機と、前記バッチ用タンクと蒸発機との間で原液を循環させるポンプと、前記蒸発機で発生した蒸気を凝縮させる高温側の第１凝縮機と、第１凝縮機の二次側にあって前記原液の低沸分を凝縮させる低温側の第２凝縮機と、前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液を前記バッチ用タンクと蒸留水を貯留するための浄水タンクとで切り換える切換弁とを有するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記蒸発機が、蒸発缶内部に過熱蒸気を通す伝熱管を備えたものであり、その蒸発缶と伝熱管とが、蒸発缶内で発生した蒸気を圧縮機によって断熱圧縮して過熱蒸気にし、その過熱蒸気を伝熱管に送り込むようにした蒸気管で接続され、前記第１凝縮機及び第２凝縮機は、蒸気管から送られた過熱蒸気が蒸発缶内に噴霧された原液が伝熱管に触れて蒸発するときに潜熱が奪われて凝縮するようにしたものであって、こうした蒸発機と第１凝縮機及び第２凝縮機とが一体になって濃縮機が構成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記第１凝縮機及び第２凝縮機が、複数本の前記伝熱管が上下方向に分けられたブロックによって構成され、前記第１凝縮機が、前記圧縮機で加圧された蒸気が送り込まれる下側のブロックによって構成され、前記第２凝縮機が、第１凝縮機の二次側にあって噴霧された原液が先に触れる上側のブロックによって構成されたものであることが好ましい。

また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記濃縮機が、接続された真空ポンプによって内部が所定圧力に減圧されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記第１凝縮機及び第２凝縮機が、それぞれ蒸留液を貯留しておく補助タンクを有し、前記第１凝縮機の補助タンクは、前記バッチ用タンクと浄水タンクとに三方弁を介して接続され、前記第２凝縮機の補助タンクは、前記浄水と蒸留液タンクとに三方弁を介して接続されたものであることが好ましい。

また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記蒸発機が、蒸発缶内に配置された伝熱管にボイラからの蒸気が送り込まれるようにしたものであり、前記第１凝縮機および第２凝縮機が、前記蒸発缶に接続された蒸気管に対して直列に設けられ、前記第１凝縮機より前記第２凝縮機の方に温度の高い冷水を送り込むように冷水機が接続されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記第１凝縮機および第２凝縮機が、一台の冷水機から冷水が供給されるように接続され、前記第１凝縮機側の流路には流量調節バルブが設けられ、流量を制限して前記第１凝縮機より前記第２凝縮機の方に温度の高い冷水を送り込むようにしたものであることが好ましい。
更に、本発明に係る有機性廃液の処理装置は、前記消化液から固形分を分離して濾過した原液を前記バッチ用タンクへ供給するための固液分離機を有することが好ましい。

一方、本発明に係る有機性廃液の処理方法は、アンモニア及びアンモニウム塩及び水分を含む有機性廃液又は、その有機性廃液に対して一定の処理を行った消化液について、水分を凝縮して得た蒸留水を浄水とし、残る成分を液体肥料として得るようにしたものであり、前記消化液などの固液分離によって濾過して得た原液を所定量だけバッチ用タンクに蓄え、その原液をバッチ用タンクと蒸発機との間で循環させながら蒸発させ、その蒸発した原液の蒸気を高温側の第１凝縮機で第１凝縮させ、その第１凝縮機で凝縮しなかった低沸分を低温側の第２凝縮機で第２凝縮させる際、当初は、前記第２凝縮機で凝縮した蒸留液のみを採取し、前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液は前記バッチ用タンクへと戻して還流させ、所定の条件で還流を停止させ前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液を採取するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る有機性廃液の処理方法は、前記蒸発機の蒸発缶内に噴霧した原液を加熱された伝熱管によって蒸発させ、その蒸発した蒸気を圧縮機によって断熱圧縮して加圧し過熱蒸気として前記伝熱管に送り込み、その伝熱管に原液が触れて蒸発するときに潜熱を奪うことにより当該過熱蒸気を凝縮させるようにしたことが好ましい。
また、本発明に係る有機性廃液の処理方法は、前記過熱蒸気が複数本の前記伝熱管を上方に流れる際、下方ブロック部分で前記過熱蒸気が第１の凝縮を行い、上方ブロック部分では、第１の凝縮で凝縮されなかった原液の低沸分が凝縮されるようにしたことが好ましい。
また、本発明に係る有機性廃液の処理方法は、前記原液が蒸発し、また凝縮する空間を減圧して沸点を下げるようにしたことが好ましい。
更に、本発明に係る有機性廃液の処理方法は、前記第１凝縮によって得られた蒸留液を、そのアンモニア濃度が排水基準を下回った場合に還流を止めて採取するようにしたことが好ましい。

よって、本発明に係る有機性廃液の処理装置及び処理方法によれば、例えばバイオガスプラントで蓄糞尿などを嫌気発酵させてバイオガスを取り出した後の消化液について、バッチ用タンクに供給された１バッチ分の原液の留出率が低い段階で、排水基準を満たすアンモニア濃度の低い蒸留液（浄水）を得るようにしたので、原液（消化液）の多く（例えば４分の３程度）を放流することができ、アンモニアの蒸留液と濃縮液とを加えた消化液中の肥料成分を大幅に減容化することができる。しかも薬品を使用する二次処理を行うことなく、消化液から多くの割合を浄水として放流できるようにしたので、ランニングコスト、手間および安全の面で優れている。そして、残る僅かな割合の肥料成分を蓄えておくタンクも従来に比べて大幅に小さくすることで設備コストを抑えることができる。

次に、本発明に係る有機性廃液の処理装置及び処理方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。バイオガスプラントでは、前述したように畜舎から排出される蓄糞尿においてＣＨ₄ ，ＣＯ₂ ，Ｈ₂Ｓ，Ｈ₂ などのバイオガスを採取し、本実施形態の有機性廃液処理装置では、そのバイオガスプラントから得られる消化液を固液分離機にかけて固形分と、濾液に分離する。ここで得られる固形分は、バイオガスプラントにおいてメタン菌によって有機物が無機化されているので、そのまま発酵済み堆肥として利用することができる。そして、本実施形態では、特に固形分が除かれた消化液の濾液（以下、このようにして得られた濾液を「原液」という）について肥料成分を減容化し、多くを一般河川へ放流できるようにしたものである。特に、原液の４分の３を放流することにより、４分の１に減容化した液体肥料を得るようにしたものである。

図１は、有機性廃液処理装置の第１実施形態を概念的に示した図である。そこで先ず、この有機性廃液処理装置１の構造について説明する。
有機性廃液処理装置１は、バイオガスプラントから送られた消化液を一時的に蓄える消化液タンク１１を有し、それには所定量の消化液を二次側に送るための定量ポンプ１２が接続されている。そして、この定量ポンプ１２を介して固液分離機１３が接続されている。固液分離機１３としては、例えばフィルタープレス、スクリュープレスまたは遠心分離式のデカンタが用いられる。

そして、その固液分離機１３には、消化液から分離して排出された固形分を蓄えておくための堆肥タンク１４が接続され、更に、消化液から固形分が除かれた原液を予熱するための加熱容器１５が接続されている。固液分離機１３を用いて固形分を除去した原液を送り出すのは、例えば蓄糞尿を扱うバイオガスプラントからの消化液には、わらくずなどの夾雑物が発酵されずに残っているので、それが二次側の濃縮機１０などにおいて悪影響を及ぼさないようにするためである。

本実施形態の有機性廃液処理装置１は、バッチ処理によって所定量ずつの原液を分離するようにしたものである。そのため、原液を蓄えておくバッチ用タンク１７が設けられ、加熱容器１５との間にポンプ１６を介して接続されている。バッチ用タンク１７には、１バッチ分の原液を貯留するように、上限値を検出する不図示の液面センサが設けられ、その上限値Ｈを検出した信号に基づいてポンプ１６の駆動が止められるようになっている。そして、バッチ用タンク１７に対して濃縮機１０が設けられ、ポンプ１８を介してその蒸発缶２０とバッチ用タンク１７との間を原液が循環するように構成されている。ただし、三方弁１９が設けられ、バッチ用タンク１７に対して濃縮機１０と液肥タンク３３との接続が切り換えられるようにもなっている。

濃縮機１０は、蒸発缶２０内に原液が噴霧され、落ちていく原液が伝熱管２１によって加熱されるようになっているが、その伝熱管２１には、蒸発缶２０内で発生した蒸気が送り込まれるよう構成されている。すなわち、蒸発缶２０には蒸気管２２が接続され、そこには発生した蒸気を断熱圧縮するための圧縮機２３が設けられている。従って、濃縮機１０では、この圧縮機２３の断熱圧縮によって加圧された蒸気が伝熱管２１に送り込まれ、その伝熱管２１に噴霧された原液が触れることにより新たな蒸気を発生させる一方、伝熱管２１内の過熱蒸気は潜熱が奪われて凝縮するように構成されている。そして、濃縮機１０は、蒸発せずに伝熱管２１を通り過ぎた原液がそのままバッチ用タンク１７に戻って循環するようにバッチ用タンク１７に接続されている。

また、本実施形態の濃縮機１０は、沸点を下げるように内部を真空引きする構成がとられている。すなわち、濃縮機１０には真空ポンプ２４が接続され、内部が２５kPa abs.の圧力に保たれ、原液の蒸発および凝縮が同圧における水の沸点である６５℃近傍で行われるようになっている。従って、特に系外に設けられた不図示の、原液を蒸発させるために伝熱管２３を常に加熱する加熱装置や、逆に過熱蒸気を凝縮するための冷却装置に対する負担が軽減される構造になっている。更に、濃縮機１０では、内部に数百本の単位で伝熱管２１が設置され、上下方向に所定の本数に分けた３つのブロックが形成されている。そして、圧縮機２３を通って加圧された過熱蒸気が最下段のブロックに送り込まれるように蒸気管２２が接続されている。伝熱管２１は前述したように蒸気を凝縮させるところであり、凝縮機としても構成されている。

ところで、原液には水の他にリンやカリ、アンモニアなどが多量に含まれている。従って、蒸発缶２０内で蒸発した蒸気が凝縮してできた蒸留液は、そのままではアンモニアを多く含むことになる。凝縮してできたこの蒸留液を河川などに放流するには、放流可能な排水基準として定められている全窒素の含有量１２０ｍｇ／Ｌを超えないようにする必要がある。この点、従来の有機性廃液処理装置では薬品を使用して浄化を行っていたが、本実施形態では２段階のサイクルによる凝縮を経ることによって、薬品を使用することなくアンモニアの含有量を基準値以下とした蒸留液を取り出すようにした。

図４に示されたグラフＭは、原液を回分単蒸留操作（蒸発分を全て単一の凝縮機で凝縮させる蒸留方法）したときに得られた結果が示されている。横軸には、原液からの留出率、そして縦軸には凝縮機で採取される蒸留液中のアンモニア濃度が示されている。これから分かるように単蒸留操作を行っただけでは、排水基準となる１２０ｍｇ／Ｌを下回るのに、約３５％もの蒸留液が採取されることになる。即ち、原液を濃縮することはできても、放流できない３５％の蒸留液は、原液と混合して肥料分とする必要があり、濃縮度（濃縮液量／原液量）は０．５にも満たないことが分かった。

アンモニアは水よりも沸点が低いため蒸発し易く凝縮し難い。この点に着目し、凝縮機を直列２段に分けることとした。即ち第１及び第２凝縮機として高温側凝縮機２５と低温側凝縮機２６とを構成することとした。具体的には、３つのブロックに分けられた伝熱管２１の下段部分及び中段部分が高温側凝縮機２５となり、伝熱管２１の上段部分が低温側凝縮機２６となるように構成されている。これは、蒸発缶２０内に噴霧される原液によって伝熱管２１内の蒸気が潜熱を奪われて凝縮するが、中段から下段にかけては原液の温度が上がっているため高温の凝縮機として機能し、上段では先に温度の低い状態の原液が伝熱管２１に触れるため低温の凝縮機として機能するからである。そして、それぞれの凝縮機２５，２６でできた蒸留液を貯留する補助タンク２７と２８が設けられている。

従って、本実施形態では、蒸気の凝縮を高温側凝縮機２５と低温側凝縮機２６との２箇所で行うことにより、アンモニアの凝縮が低温側凝縮機２６で行われるようになる。一方、高温側凝縮機２５ではアンモニアが凝縮し難いため、アンモニア濃度の低い蒸留水ができるはずである。しかしながら、高温側凝縮機２５で凝縮した補助タンク２７内の蒸留液を測定したところあまり好ましい結果が得られなかった。

そこで、こうした問題を解決すべく検討を重ねたところ、高温側凝縮機２５で得られた蒸留液を再びバッチ用タンク１７内へ戻すようにした、いわゆる還流操作を行う第１サイクルと、その後、還流操作を行わない第２サイクルとの２段階で行うことが有効であるとの結論が得られた。
図４に示されたグラフＮは、そうした還流操作を行った場合の結果であるが、蒸留液をバッチ用タンク１７内へ戻して再循環させてやることにより、留出率が約７％と低い状態で、低温側凝縮機２６から得られる蒸留液のアンモニア濃度が排出基準である１２０ｍｇ／Ｌを切るようになった。従って、これにより低温側凝縮機２６によってバッチ用タンク１７の原液から効率良くアンモニア成分を蒸留液として搾り取ることができるようになった。なお、低温側が基準を満たしているので、高温側もそれ以下であることはいうまでもない。

よって、本実施形態の有機性廃液処理装置１では還流操作を行うため、補助タンク２７に対してバッチ用タンク１７と浄水タンク３１とが三方弁２９を介して接続されている。そして、もう一方の低温側凝縮機２６の補助タンク２８にはアンモニアタンク３２が接続されている。ところで、補助タンク２８には当初は高濃度のアンモニアが蒸留液として採取されるが、いずれは図４に示すようにアンモニア濃度が低下して、この低温側凝縮機２６でも排水基準を下回る蒸留液が採取されるようになる。そこで、補助タンク２８には三方弁３０を介して浄水タンク３１にも接続されている。

有機性廃液処理装置１では、補助タンク２７，２８に採取される蒸留液のアンモニア濃度を計測する不図示の濃度センサが設けられ、その検出値に基づいて三方弁２９，３０が切り換えられるようになっている。一方、バッチ用タンク１７は、バッチ用タンク１７には原液の上限値Ｈと下限値Ｌとを検出する不図示の液面センサが設けられ、検知信号に基づいて三方弁１９が切り換えられるようになっている。従って、有機性廃液処理装置１に設けられた三方弁１９，２９，３０は、いずれもソレノイドを備え、自動切り換えが可能な電磁式三方弁である。

続いて、有機性廃液の処理方法について説明する。ここで、図３は、本実施形態の有機性廃液処理装置１が実行する有機性廃液の処理方法を原液の流れに従って概念的に示した図である。ここで、原液が送られる各構成要素については図１に示した有機性廃液処理装置１と対応するように符号を一致させている。

この有機性廃液の処理方法では先ず、第１サイクルが実行される。１バッチ分の原液がタンク１７に蓄えられ、そこからポンプ１８によって蒸発缶２０に送られてその一部が蒸発する。蒸発しなかった原液はタンク１７へと戻って循環する。蒸発缶２０で発生した蒸気は、第１凝縮機２５において沸点より僅かに低い温度で、その１５パーセントほどを残して凝縮する。この第１サイクルでは、第１凝縮機２５でできた蒸留液（留分）はタンク１７へと戻す還流が行われる。そして、第１凝縮機２５で凝縮しなかった蒸気は第２凝縮機２６に送られ、ここで完全に凝縮される。第２凝縮機２６で凝縮した蒸留液はタンク３２に送られ貯留される。第１サイクルでは、このように第１凝縮機２５での蒸留液をタンク１７に戻しながら、第２凝縮機２６で得られる低沸分（アンモニア）の蒸留液のみを搾り取ってタンク３２に貯留する。

低沸分の除去が完了すると、次に第１サイクルを終了して第２サイクルへと切り換えられる。第２サイクルでは、第１サイクルと同様にタンク１７内の原液がポンプ１８によって蒸発缶２０へ送られ、タンク１７との間で循環が行われる。そのため、蒸発缶２０では原液の一部が蒸発し、その蒸気が凝縮機２５に送られて凝縮され、低沸分（アンモニア）を含まない蒸留液（浄水）が取り出されてタンク３１に貯留される。こうして原液は、蒸発缶２０とタンク１７との間を循環しながら水分が徐々に除去されて濃縮が行われる。そして、水分の多くが除去された濃縮液はタンク３２から液肥タンク３３へと送られる。

このように、本実施形態の処理方法では、原液をタンクと濃縮機との間を循環させながら、タンク１７に供給された一定量の原液から、低沸分（アンモニア）を高濃度に含んだ蒸留液と、その低沸分を含まない蒸留液（浄水）と、それらを取り除いた濃縮液とを分離採取するバッチ処理が行われる。そして、特に第１サイクルと第２サイクルとに別れ、第１サイクルでは第１及び第２凝縮機によって蒸気を２箇所で凝縮し、原液中の低沸分（アンモニア）高濃度に含まれた蒸留液を採取する一方で、低濃度の蒸留液をタンク１７に還流させる。こうして、第１サイクルで低沸分を含む蒸留液が得られ、第２サイクルでは低沸分をほとんど含まない蒸留液（浄水）が得られ、この第１及び第２サイクルを経て濃縮液が得られる。

次に、こうした有機性廃液の処理方法の具体例を、図１に示した有機性廃液処理装置１の運転によって行われる処理の流れに従って説明する。なお、本実施形態の有機性廃液処理装置１には、以下に説明する消化液の処理を自動運転すべく、その制御プログラムをもった不図示のコントローラが備えられている。

バイオガスプラントから送られた消化液は消化液タンク１１に一時的に蓄えられ、定量ポンプ１２によって所定量の消化液が固液分離機１３に送り込まれる。固液分離機１３では、遠心分離によって固形分が取り除かれた原液が加熱容器１５へ送られ、わらくずなどの固形分は堆肥タンク１４に入れられる。こうして堆肥タンク１４に送られた固形分は、無機態の窒素、リン、カリを含んだ発酵済みの堆肥として利用される。加熱容器１５では、原液が撹拌されながらヒータによって暖められて予熱処理が施される。

原液はポンプ１６によってバッチ用タンク１７へと供給されるが、このとき不図示の液面センサによって原液の液面が検出され、１バッチ分の原液がバッチ用タンク１７に蓄えられるようにポンプ１６の駆動が制御される。そして、バッチ用タンク１７内に１バッチ分の原液が満たされるとポンプ１６が停止する。このとき、有機性廃液処理装置１は、先に図３をもって説明した流れの第１サイクルを実行する状態にセットされ、三方弁１９，２９，３０がそれぞれ濃縮機１０側、バッチ用タンク１７側、そしてアンモニアタンク３２側に連通するように切り換えられている。

次に、ポンプ１８が駆動され、バッチ用タンク１７内の原液が濃縮機１０へと送り込まれて原液の循環が繰り返される。濃縮機１０へ送られた原液は、蒸発缶２０内の伝熱管２１に噴霧され、その表面に触れて一部が蒸発する。噴霧された原液は、上下方向に配置された伝熱管２１に触れながら落下していき、蒸発しなかったものは再びバッチ用タンク１７へと流れて戻る。濃縮機１０内部は真空引きされて２５kPa abs.まで減圧されているため原液は６５℃程度で蒸発する。そして、伝熱管２１に触れて蒸発した蒸気は、蒸気管２２の途中で圧縮機２３による断熱圧縮が行われるため、加圧された状態で伝熱管２１へと送り込まれる。なお、運転開始時には伝熱管２１に対して系外から一時的に過熱蒸気が送り込まれ、それによって加熱された伝熱管２１に触れた原液の蒸発が引き起こされるようにする。

従って、伝熱管２１内の過熱蒸気は、蒸発缶２０内に噴霧された原液が伝熱管２１に触れることによって潜熱が奪われて凝縮する。その際、第１凝縮機である高温側凝縮機２５では、中段及び下段の伝熱管２１に触れる原液の温度が上がっているため、沸点より僅かに低い温度でその１５パーセントほど残して過熱蒸気が凝縮し、その蒸留液は補助タンク２７に入る。そして、高温側凝縮機２５で凝縮しなかった過熱蒸気は低温側凝縮機２６に送られ、そこで完全に凝縮されて蒸留液が補助タンク２８に蓄えられる。アンモニアが凝縮しにくい高温側凝縮機２５でも、当初は補助タンク２７に入った蒸留液のアンモニア濃度が高いためバッチ用タンク１７へと戻されて還流する。このように、補助タンク２７に入った蒸留液のアンモニア濃度が高い段階では、原液は、還流分も含めて濃縮機１０とバッチ用タンク１７との間を循環する。

第１サイクルでは、原液の循環が繰り返される中、蒸気の低沸分であるアンモニアが低温側凝縮機２６で凝縮されて高濃度の蒸留液となって補助タンク２８に蓄えられる。こうして、バッチ用タンク１７に供給された１バッチ分の原液から、アンモニアが徐々に搾り取られていく。そして、バッチ用タンク１７内の原液が留出率が約７％程度の段階、すなわちその分のアンモニア高濃度の蒸留液が補助タンク２８に蓄えられた段階で、図４に示すように、高温側凝縮機２５で凝縮してできる蒸留液が排出基準である１２０ｍｇ／Ｌを切ることになる。そこで、有機性廃液処理装置１は、濃度変化をセンサが検出することにより、図３を示して説明した第２サイクルへの運転に切り換えられる。すなわち、三方弁２９，３０がいずれも浄水タンク３１側に連通するように切り換えられる。

第２サイクルでは、バッチ用タンク１７から濃縮機１０へ原液が送られるが、補助タンク２７からの還流はない。そこで、濃縮機１０へ送られた原液は、第１サイクルと同様に蒸発缶２０内の伝熱管２１に噴霧され、表面に触れて一部が蒸発し、蒸発しなかったものは再びバッチ用タンク１７へと流れて戻る。蒸気は蒸気管２２の途中で圧縮機２３による断熱圧縮により加圧されて伝熱管２１へと送り込まれ、その過熱蒸気は、伝熱管２１に触れた原液に潜熱が奪われて凝縮する。ここでは、アンモニアが凝縮し難い高温側凝縮機２５ではもちろん、低温側凝縮機２６でもアンモニア濃度が排水基準を下回った蒸留液が採取される。従って、蒸留液は補助タンク２７，２８から浄水タンク３１へと送り込まれる。

第２サイクルでは、バッチ用タンク１７内の原液から蒸留液（浄水）が採取されて水分が徐々に除去され、その液面が下限値Ｌに達するまでの濃縮が行われる。そして、８０％を超え水分が除去されて第２サイクルが終了し、バッチ用タンク１７に残った濃縮液が三方弁１９の切り換えによって液肥タンク３３へと送られる。この濃縮液は濃液肥として液肥タンク３３に貯留され、これによって１バッチ分の消化液処理の運転が終了する。
このように、有機性廃液処理装置１による消化液の処理では、図５に示すように、アンモニアを高濃度に含んだ蒸留液Ａ、リンやカリを含む濃縮液Ｂ、そして排水基準を満たす浄水Ｃとが分離採取されるが、その割合は、蒸留液Ａが約７％、濃縮液Ｂが約１８％、そして浄水Ｃが約７５％であった。

よって、本実施形態の有機性廃液処理装置１及び処理方法によれば、バッチ用タンク１７に供給された１バッチ分の原液の留出率が低い段階で、排水基準を満たすアンモニア濃度の低い蒸留液（浄水）を得るようにしたので、原液（消化液）の４分３を放流することができ、アンモニアの蒸留液と濃縮液とを加えた消化液中の肥料成分を４分の１に減容化することができた。しかも薬品を使用することなく、消化液から４分の３もの量を浄水として放流できるようにしたので、ランニングコスト、手間および安全の面で優れたものとなった。そして、残る４分の１の肥料成分を蓄えておくタンクも従来に比べて大幅に小さくすることで設備コストを抑えることができるようになった。

ところで、図５に示すように、原液から分離して得られるアンモニアの蒸留液（ＮＨ₃ ａｑ）Ａとリン（Ｐ）やカリ（Ｋ）を多く含む濃縮液Ｂとを、本実施形態では異なるタンク３２，３３に分けて貯留するようにしたが、これを一つのタンクに入れて貯留するようにしてもよい。これによりタンクにかかるコストを抑えることができるからである。更にはアンモニアの蒸留液Ａは、肥料の素になる窒素分をアンモニアの態様で豊富に含んでいるため、濃縮液Ｂと混合すれば肥料の主成分となる３要素、窒素、リン酸、カリを含む優れた液体肥料を得ることができる。ただし、蒸留液Ａと濃縮液Ｂとを異なるタンク３２，３３に分けたままでも、そこから両者を任意の割合で混合するようにすれば、適切な量の窒素分を含む液体肥料を得ることができる。

なお、浄水タンク３１の貯留されている蒸留液は低沸分であるアンモニアをほとんど含まないため、１２０ｍｇ／Ｌの排水基準を満たしており、薬品を使用することなくそのまま河川などに放流することが可能であるが、非常に厳しい放流基準をもつ地域にあっては、例えば、本実施形態で得られる浄水はアンモニア濃度が極めて低いため、イオン交換法や逆浸透膜法を用いることにより簡単に基準を満たすことができる。

次に、有機性廃液処理装置の第２実施形態について説明する。図２は、有機性廃液処理装置の第２実施形態を概念的に示した図である。この有機性廃液処理装置２も、図１に示した第１実施形態と同様に図３に示す処理方法を実行するものである。そこで先ず、有機性廃液処理装置２の構造について説明するが、第１実施形態の装置と同様の構成要素については同符号を付し、詳細は省略して説明する。有機性廃液処理装置２では、消化液を一時的に蓄える消化液タンク１１には定量ポンプ１２を介して固液分離機１３が接続され、その固液分離機１３には、堆肥タンク１４と加熱容器１５が接続され、更に加熱容器１５にはポンプ１６を介してバッチ用タンク１７が接続されている。本実施形態でも、こうした構成によりバッチ用タンク１７に１バッチ分の原液が供給されるようになっている。

そして、バッチ用タンク１７にはポンプ１８を介して蒸発機４０が接続され、両者を原液が循環するように構成されている。また。バッチ用タンク１７には、三方弁１９を介して蒸発機４０と液肥タンク３３とが切り換え可能に接続されている。本実施形態の蒸発機４０は、蒸発缶２０に伝熱管２１が設けられ、噴霧されて落ちていく原液が伝熱管２１に触れて蒸発するよう構成されているているが、特にこの伝熱管２１にはボイラ４１で発生した蒸気が送り込まれるように構成されている。そして、蒸発缶２０には蒸気管４２が接続され、そこには第１凝縮機の高温側凝縮機４３と第２凝縮機の低温側凝縮機４４とが接続されている。本実施形態でも、水とアンモニアとの沸点の違いを利用して２箇所で蒸気の凝縮を行うように構成されている。

高温側凝縮機４３と低温側凝縮機４４の冷却源にはクーリングタワー４５が設置され、そこで生成された冷水が両者を循環するように流路が接続されている。高温側凝縮機４３の二次側流路には流量調節バルブ４６が設けられ、流量を制限することによって高温側凝縮機４３の出口において冷水の温度が蒸気温度の１〜２℃低くなるように調節されている。また、高温側凝縮機４３および低温側凝縮機４４には、凝縮された蒸留液を貯留する補助タンク４７，４８が設けられている。そして、本実施形態の有機性廃液処理装置２でも２段階のサイクルで凝縮を行うように、補助タンク４７内の蒸留液をバッチ用タンク１７に還流させる構成がとられている。すなわち、補助タンク４７には、三方弁２９を介してバッチ用タンク１７と浄水タンク３１が接続されている。一方、補助タンク４８にはアンモニアタンク３２が接続されている。

次に、本実施形態の有機性廃液処理装置２では、次のようにして有機性廃液の処理が行われる。消化液タンク１１からは定量ポンプ１２によって所定量の消化液が固液分離機１３に送り込まれ、遠心分離によって固形分が取り除かれた原液が加熱容器１５へ送られる。わらくずなどの固形分は堆肥タンク１４に入れられる。加熱容器１５からはポンプ１６によって１バッチ分の原液がバッチ用タンク１７に供給され、図３をもって説明した流れの第１サイクルが実行される。ポンプ１８が駆動してバッチ用タンク１７内の原液が蒸発機４０へと送り込まれて原液の循環が繰り返される。

蒸発機４０へ送られた原液は、蒸発缶２０内の伝熱管２１に噴霧され、その表面に触れて一部が蒸発し、蒸発しなかったものは再びバッチ用タンク１７へと流れて戻る。蒸気は蒸気管４２を流れて高温側凝縮機４３に送られ、沸点より僅かに（１〜２℃）低い温度でその１５パーセントほど残して凝縮し、その蒸留液は補助タンク４７に入る。そして、高温側凝縮機４３で凝縮しなかった過熱蒸気は低温側凝縮機４４に送られ、そこで完全に凝縮されて蒸留液が補助タンク４８に蓄えられる。アンモニアが凝縮しにくい高温側凝縮機４３でも、当初は補助タンク４７に入った蒸留液のアンモニア濃度が高いためバッチ用タンク１７へと戻されて還流する。このように、補助タンク４７に入った蒸留液のアンモニア濃度が高い段階では、原液は、還流分も含めて蒸発機４０とバッチ用タンク１７との間を循環する。

第１サイクルでは、原液の循環が繰り返される中、蒸気の低沸分であるアンモニアが低温側凝縮機４４で凝縮されて高濃度の蒸留液となって補助タンク４８に蓄えられる。こうして、バッチ用タンク１７に供給された１バッチ分の原液から、アンモニアが徐々に搾り取られていく。そして、バッチ用タンク１７内の原液が留出率が約７％程度減少した段階、すなわちその分のアンモニア高濃度の蒸留液が補助タンク４８に蓄えられた段階で、図４に示すように、高温側凝縮機４３で凝縮してできる蒸留液が排出基準である１２０ｍｇ／Ｌを切ることになる。そこで、有機性廃液処理装置２は、濃度変化をセンサが検出することにより、図３を示して説明した第２サイクルへの運転に切り換えられる。すなわち、三方弁２９が浄水タンク３１側に連通するように切り換えられる。

第２サイクルでは、バッチ用タンク１７から蒸発機４０へ原液が送られるが、補助タンク４７からの還流はない。そこで、蒸発機４０へ送られた原液は、第１サイクルと同様に蒸発缶２０内の伝熱管２１に噴霧され、表面に触れて一部が蒸発し、蒸発しなかったものは再びバッチ用タンク１７へと流れて戻る。蒸気は蒸気管４２を流れ、高温側凝縮機４３でアンモニア濃度が排水基準を下回った蒸留液が採取される。蒸留液は補助タンク４７から浄水タンク３１へと送り込まれる。

第２サイクルでは、バッチ用タンク１７内の原液から蒸留液（浄水）が採取されて水分が徐々に除去され、その液面が下限値に達するまでの濃縮が行われる。そして、８０％を超え水分が除去されて第２サイクルが終了し、バッチ用タンク１７に残った濃縮液が三方弁１９の切り換えによって液肥タンク３３へと送られる。この濃縮液は濃液肥として液肥タンク３３に貯留され、これによって１バッチ分の消化液処理の運転が終了する。
このように、有機性廃液処理装置２による処理でも、前記実施形態と同様に、図５に示すようアンモニアを高濃度に含んだ蒸留液Ａ、濃縮液Ｂ、そして浄水Ｃとが分離採取され、その割合は蒸留液Ａが約７％、リンやカリを含む濃縮液Ｂが約１８％、そして浄水Ｃが約７５％であった。

よって、本実施形態の有機性廃液処理装置２及び処理方法によっても、バッチ用タンク１７に供給された１バッチ分の原液の留出率が低い段階で、排水基準を満たすアンモニア濃度の低い蒸留液（浄水）を得るようにしたので、原液（消化液）の４分の３を放流することができ、アンモニアの蒸留液と濃縮液とを加えた消化液中の肥料成分を４分の１に減容化することができた。しかも薬品を使用する二次処理を行うことなく、消化液から４分の３もの量を浄水として放流できるようにしたので、ランニングコスト、手間および安全の面で優れたものとなった。そして、残る４分の１の肥料成分を蓄えておくタンクも従来に比べて大幅に小さくすることで設備コストを抑えることができるようになった。

また、原液から分離して得られるアンモニアの蒸留液（ＮＨ₃ ａｑ）Ａとリン（Ｐ）やカリ（Ｋ）を多く含む濃縮液Ｂとを、本実施形態では異なるタンク３２，３３に分けて貯留するようにしたが、これを一つのタンクに入れて貯留するようにしてもよい。これによりタンクにかかるコストを抑えることができるからである。更にはアンモニアの蒸留液Ａは、肥料の素になる窒素分をアンモニアの態様で豊富に含んでいるため、濃縮液Ｂと混合すれば肥料の主成分となる３要素、窒素、リン、カリを含む優れた液体肥料を得ることができる。ただし、蒸留液Ａと濃縮液Ｂとを異なるタンク３２，３３に分けたままでも、そこから両者を任意の割合で混合するようにすれば、適切な量の窒素分を含む液体肥料を得ることができる。

以上、本発明に係る有機性廃液の処理装置及び処理方法について第１及び第２実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態ではバイオガスプラントから得られる消化液の処理を行う場合を説明したが、バイオガスプラントなどにおいて行う嫌気発酵を行っていない有機性廃液そのものを処理する場合もある。

有機性廃液処理装置の第１実施形態を概念的に示した図である。有機性廃液処理装置の第２実施形態を概念的に示した図である。実施形態の有機性廃液処理装置が実行する処理方法を原液の流れに従って概念的に示した図である。１バッチ分の処理が行われる間に得られる蒸留液について、そのアンモニア濃度の測定結果をグラフとして示した図である。実施形態の消化液処理方法による消化液の分離状況を示した図である。有機性廃液処理装置の従来例を示した図である。

符号の説明

１有機性廃液処理装置
１０濃縮機
１１消化液タンク
１２定量ポンプ
１３固液分離機
１４堆肥タンク
１５加熱容器
１６，１８ポンプ
１７バッチ用タンク
１９，２９，３０三方弁
２０蒸発缶
２１伝熱管
２２蒸気管
２３圧縮機
２４真空ポンプ
２５高温側凝縮機
２６低温側凝縮機
２７，２８補助タンク
３１浄水タンク
３２アンモニアタンク
３３液肥タンク

Claims

アンモニア及びアンモニウム塩及び水分を含む有機性廃液又は、その有機性廃液に対して一定の処理を行った消化液について、水分を凝縮して得た蒸留水を浄水とし、残る成分を液体肥料として得るようにした有機性廃液の処理装置において、
前記消化液などの固液分離によって濾過して得た原液を所定量蓄えるバッチ用タンクと、
原液を蒸発させる蒸発機と、
前記バッチ用タンクと蒸発機との間で原液を循環させるポンプと、
前記蒸発機で発生した蒸気を凝縮させる高温側の第１凝縮機と、
第１凝縮機の二次側にあって前記原液の低沸分を凝縮させる低温側の第２凝縮機と、
前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液を前記バッチ用タンクと蒸留水を貯留するための浄水タンクとで切り換える切換弁とを有するものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項１に記載する有機性廃液の処理装置において、
前記蒸発機は、蒸発缶内部に過熱蒸気を通す伝熱管を備えたものであり、その蒸発缶と伝熱管とが、蒸発缶内で発生した蒸気を圧縮機によって断熱圧縮して過熱蒸気にし、その過熱蒸気を伝熱管に送り込むようにした蒸気管で接続され、前記第１凝縮機及び第２凝縮機は、蒸気管から送られた過熱蒸気が蒸発缶内に噴霧された原液が伝熱管に触れて蒸発するときに潜熱が奪われて凝縮するようにしたものであって、こうした蒸発機と第１凝縮機及び第２凝縮機とが一体になって濃縮機が構成されたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項２に記載する有機性廃液の処理装置において、
前記第１凝縮機及び第２凝縮機は、複数本の前記伝熱管が上下方向に分けられたブロックによって構成され、前記第１凝縮機が、前記圧縮機で加圧された蒸気が送り込まれる下側のブロックによって構成され、前記第２凝縮機が、第１凝縮機の二次側にあって噴霧された原液が先に触れる上側のブロックによって構成されたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項２又は請求項３に記載する有機性廃液の処理装置において、
前記濃縮機は、接続された真空ポンプによって内部が所定圧力に減圧されたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載する有機性廃液の処理装置において、
前記第１凝縮機及び第２凝縮機は、それぞれ蒸留液を貯留しておく補助タンクを有し、前記第１凝縮機の補助タンクは、前記バッチ用タンクと浄水タンクとに三方弁を介して接続され、前記第２凝縮機の補助タンクは、前記浄水と蒸留液タンクとに三方弁を介して接続されたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項１に記載する有機性廃液の処理装置において、
前記蒸発機は、蒸発缶内に配置された伝熱管にボイラからの蒸気が送り込まれるようにしたものであり、
前記第１凝縮機および第２凝縮機は、前記蒸発缶に接続された蒸気管に対して直列に設けられ、前記第１凝縮機より前記第２凝縮機の方に温度の高い冷水を送り込むように冷水機が接続されたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項６に記載する有機性廃液の処理装置において、
前記第１凝縮機および第２凝縮機は、一台の冷水機から冷水が供給されるように接続され、前記第１凝縮機側の流路には流量調節バルブが設けられ、流量を制限して前記第１凝縮機より前記第２凝縮機の方に温度の高い冷水を送り込むようにしたものであることを特徴とする有機性廃液の処理装置。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載する有機性廃液の処理装置において、
前記消化液から固形分を分離して濾過した原液を前記バッチ用タンクへ供給するための固液分離機を有することを特徴とする有機性廃液の処理装置。
アンモニア及びアンモニウム塩及び水分を含む有機性廃液又は、その有機性廃液に対して一定の処理を行った消化液について、水分を凝縮して得た蒸留水を浄水とし、残る成分を液体肥料として得るようにした有機性廃液の処理方法において、
前記消化液などの固液分離によって濾過して得た原液を所定量だけバッチ用タンクに蓄え、
その原液をバッチ用タンクと蒸発機との間で循環させながら蒸発させ、
その蒸発した原液の蒸気を高温側の第１凝縮機で第１凝縮させ、その第１凝縮機で凝縮しなかった低沸分を低温側の第２凝縮機で第２凝縮させる際、当初は、前記第２凝縮機で凝縮した蒸留液のみを採取し、前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液は前記バッチ用タンクへと戻して還流させ、所定の条件で還流を停止させ前記第１凝縮機で凝縮した蒸留液を採取するようにしたことを特徴とする有機性廃液の処理方法。
請求項９に記載する有機性廃液の処理方法において、
前記蒸発機の蒸発缶内に噴霧した原液を加熱された伝熱管によって蒸発させ、
その蒸発した蒸気を圧縮機によって断熱圧縮して加圧し過熱蒸気として前記伝熱管に送り込み、その伝熱管に原液が触れて蒸発するときに潜熱を奪うことにより当該過熱蒸気を凝縮させるようにしたことを特徴とする有機性廃液の処理方法。
請求項１０に記載する有機性廃液の処理方法において、
前記過熱蒸気が複数本の前記伝熱管を上方に流れる際、下方ブロック部分で前記過熱蒸気が第１の凝縮を行い、上方ブロック部分では、第１の凝縮で凝縮されなかった原液の低沸分が凝縮されるようにしたことを特徴とする有機性廃液の処理方法。
請求項１０又は請求項１１に記載する有機性廃液の処理方法において、
前記原液が蒸発し、また凝縮する空間を減圧して沸点を下げるようにしたことを特徴とする有機性廃液の処理方法。
請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載する有機性廃液の処理方法において、
前記第１凝縮によって得られた蒸留液は、そのアンモニア濃度が排水基準を下回った場合に還流を止めて採取するようにしたことを特徴とする有機性廃液の処理方法。