JP4558231B2 - 液状有機性廃棄物の処理方法およびそのシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、し尿，浄化槽汚泥，下水汚泥，および家畜糞尿などを広く含む液状有機性廃棄物の処理方法に関し、さらに詳しくは、廃水を効果的に処理することで、種々の化合物を有効に資源として回収できる液状有機性廃棄物の処理方法およびそのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種廃棄物処理においてもリサイクルが行われてきており、液状有機性廃棄物の処理においても、単に無害化して廃棄するのではなく、エネルギー源として回収すること、あるいは、再生物として回収して循環使用すること、などが推進されてきている。炭素化合物に関しても、例えばメタン発酵やコンポスト処理によって、エネルギー回収や再生物の循環利用が可能となっている。
【０００３】
高濃度に含まれる窒素分に関しては生物学的処理により無害な窒素ガスとして除去されるものの、資源としての回収は未だ十分に実施されているとは言えない状況である。例えば、硝化脱窒素処理を用いた有機性廃水処理においては、有機性廃水の流れに対して、前段に脱窒素槽を設け、後段に硝化槽を設けた装置を用い、微生物の作用によって廃水中の汚濁成分を分解する。処理対象である液状有機性廃棄物には、炭素源であるＢＯＤ成分、アンモニアや有機性窒素を含む窒素成分（Ｔ−Ｎ）などが含まれている。このような硝化脱窒処理を用いる従来の有機性廃水処理では、窒素分を窒素ガス（Ｎ₂）として大気中に放出しており、よって、この方法では窒素の再利用は考慮されていなかった。
【０００４】
そのような状況下、最近では、例えば廃水中に高濃度に含まれる窒素化合物を資源（窒素肥料等）として回収できる処理システムとして、通常の生物処理の前段にアンモニアストリッピングを行い、高濃度に含まれる窒素分をアンモニアとして回収する方法等が考えられている。
液状有機性物質を処理する方法においては、通常のメタン発酵を行った際にはアンモニアが残留しているので、その回収としてアンモニアストリッピング法を用いることができる。これによって、メタン発酵の阻害物質である窒素成分について、アンモニアとして回収できる。
しかしながら、アンモニアストリッピングによって回収したアンモニアを含む溶液の利用価値は高くないので、有効な廃棄物処理システムとは言えない。
【０００５】
一方、メタン発酵については、液状有機性物質を処理する方法として、炭素源の資源循環回収には有効な技術である。ところが、メタン発酵した場合、得られるガス中の成分にはメタンガス(CH₄)５０〜７０％とともに、通常は二酸化炭素(CO₂)が３０〜５０％程度含まれている。このことから、メタン発酵によって得られるガスについては、都市ガス等に比べて用途が限定されており、発電機等において都市ガス等と同様に用いることができないという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、有機性廃水の処理において、得られるメタンガスの濃度を高めることができるとともに、回収した窒素分であるアンモニアを付加価値の高い有用な物質として固定化できる廃水の処理方法を開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、アンモニアストリッピング処理およびメタン発酵によって得られた回収物である、バイオガスとアンモニア水とを反応させ、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウムとして回収することによって、かかる問題点が解決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、有機性廃水に含まれる炭素分を回収除去するメタン発酵工程、および、該廃棄物に含まれるアンモニア成分を回収除去するアンモニアストリッピング工程、を含む有機性廃水の処理方法であって、回収したアンモニア成分を含むアンモニア水と、該メタン発酵工程で発生する二酸化炭素とを反応させて、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウム又はそれらの両方として回収することを特徴とする有機性廃水の処理方法を提供するものである。本発明において、アンモニアストリッピング工程とメタン発酵工程とはどのような順序で行われる場合にも実施することが可能であり、何ら限定されるものではないが、アンモニアストリッピング工程の前段で、メタン発酵工程を行う態様が好適に挙げられる。また、前記メタン発酵工程を経て得られた消化液については、直接、前記アンモニアストリッピング工程を行うことができる他、固液分離した後に該ストリッピング工程を行うこともできる。
【０００８】
本発明のメタン発酵工程では、メタン発酵により上記廃棄物からバイオガス（主成分はメタン、二酸化炭素）が得られる。ここで、メタン発酵工程の直後で得られるバイオガスには、メタン(CH₄)約５０〜７０％、および二酸化炭素(CO₂)約３０〜５０％程度が含まれている。
【０００９】
本発明のアンモニアストリッピング工程では、アンモニアがアンモニア水として回収される。よって、上記両工程で得られたアンモニア水とバイオガスを、反応容器あるいは反応塔で接触させて、下式（１）又は（２）の化学反応によって、有価物であり用途も広い炭酸アンモニウム溶液を生成する。
2NH₄OH + H₂CO₃ → (NH₄)₂CO₃ + 2H₂O ・・・（１）
NH₄OH + H₂CO₃ → (NH₄)HCO₃ + H₂O ・・・（２）
そして、このバイオガス中の二酸化炭素の上記反応によって、ガス中から二酸化炭素成分が減少し、一方のメタン成分の濃度が上昇して、高濃度メタンを有するガスに変換される。
【００１０】
また、本発明は、液状有機性廃棄物に含まれる炭素分を回収除去するメタン発酵手段と、有機性廃水に含まれるアンモニア成分を回収除去するアンモニアストリッピング手段と、回収したアンモニア成分を含むアンモニア水を該メタン発酵手段で得られた二酸化炭素と反応させる反応塔と、を備えていることを特徴とする液状有機性廃棄物の処理システムを提供するものである。ここで反応塔としては、アンモニウムを含む溶液中に、二酸化炭素を含むバイオガスを曝気することにより炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムを生成する反応容器が好適に挙げられる。
【００１１】
本発明の適用対象としては、し尿及び浄化槽汚泥、家畜糞尿等の高濃度窒素を含んだ液状有機性廃棄物が挙げられる。
本発明によれば、バイオガス回収とともに発生した二酸化炭素の大気への放出量を低減し、有用な化学物質として固定化でき、資源の有効利用を図ることができる。また、バイオガス中の二酸化炭素濃度が低減し、メタン濃度が高くなるため、得られるガスの単位容積当たりの発熱量が増加し、発電熱回収等の効率が向上する。さらに、炭酸アンモニウム溶液は冷却等を実施することにより、粒子として得ることもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る液状有機性廃棄物の処理方法について、添付図面を参照しながら、その具体的な実施形態を詳細に説明する。実施の形態（その１）は廃棄物の処理システム全体に関するものであり、実施の形態（その２）（その３）（その４）は処理システム中の反応塔に好適に用いられる装置に関するものである。
【００１３】
実施の形態（その１）
図１を用いて本発明を好適に実施できる処理システム・処理方法の一例について、説明する。本実施の形態では、最初に廃水をバイオガスと消化液にするために、メタン発酵（炭素分回収）の後、得られる液についてアンモニアストリッピング（窒素分回収）処理を行う。
このように本処理方法では、先ず、液状有機性廃棄物をメタン発酵工程に送る。メタン発酵１では、廃水中に含まれる炭素分を処理する。得られるバイオガス（発酵ガス）は、主成分のメタン(CH₄)が約５０〜７０％、二酸化炭素(CO₂)が約３０〜５０％程度である。このメタン発酵１で得られたバイオガスは、そのまま発電設備等５のエネルギー利用設備に供給されてもよいが、本実施の形態ではその一部あるいは全部が反応容器・反応塔４に送られる。
【００１４】
一方、メタン発酵１で排出される消化液は、固液分離２工程に送られて、アンモニアを含む溶液と脱水汚泥とに分離される。メタン発酵後段の消化液処理として、アンモニアを含む溶液は、アンモニア成分を回収除去するアンモニアストリッピング３工程に送られる。
アンモニアストリッピングにおいては、窒素化合物をアンモニアの形態のままで回収する。アンモニア回収は、通常１０〜２０％のアンモニア水として回収される。ここで、アンモニアストリッピング処理は例えば蒸留塔によって実施可能であり、この蒸留塔（アンモニアストリッパ）では、複数段に亘る棚状の段に高温の水蒸気を下部から通し、上部から導入される固液分離後の消化液と接触させる。この接触により、塔の下部からは排液が回収され、上部からはアンモニアを含む水蒸気が回収できる。この水蒸気を凝縮させることによって、アンモニア水が得られる。
【００１５】
上記アンモニアストリッピング工程で回収したアンモニア成分を含むアンモニア水は、反応容器・反応塔４に送られて、上記メタン発酵工程で発生したバイオガスを混合される。バイオガス中には二酸化炭素が含まれているので、下記（１）又は（２）式に従い、炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムが生成する。
2NH₄OH + H₂CO₃ → (NH₄)₂CO₃ + 2H₂O ・・・（１）
NH₄OH + H₂CO₃ → (NH₄)HCO₃ + H₂O ・・・（２）
このバイオガス中の二酸化炭素の反応によって、二酸化炭素成分は減少する。
そして、バイオガス中のメタン成分の濃度が上昇して、高濃度メタンを有するガス（高メタンガス）が得られる。
【００１６】
反応容器・反応塔４で生成した炭酸アンモニウムは、通常、溶液の形態で取り出すことができるが、反応塔の種類によっては沈殿後の粒子として取り出すこともできる。このような炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムは有価物であり、用途も広いので極めて付加価値が高く、有用である。
【００１７】
本実施の形態によれば、バイオガスに含まれる二酸化炭素を除去することで、メタン濃度を高めた高濃度メタンガスを得ることができる。また、アンモニア水についても炭酸アンモニウムにすることで、利用価値を高めることができる。
なお、本実施の形態では、メタン発酵の後段でアンモニアストリッピング処理を行ったが、これ以外に、アンモニアストリッピングの後段でメタン発酵を行う態様もあり得る。メタン発酵においては、アンモニアがメタン発生の阻害物質となり得ることから、アンモニアストリッピング後にメタン発酵処理することによって、メタンの回収効率が向上を図れる。
【００１８】
実施の形態（その２）
図２には、本発明において回収されるアンモニア成分と、二酸化炭素を含むバイオガスとを反応させるのに好適な反応容器である、水槽吹き込み式反応塔４の一例を示す。
本実施の形態では、先ず、アンモニアストリッピング工程によって得られたアンモニアと水蒸気を含む回収分を、冷却装置６を経て冷却することによって、アンモニア水にする。ここで、冷却装置６内における冷却管には、例えば処理対象液等を循環させることが効率的である。このアンモニア水は、反応塔４に供給される。
【００１９】
一方、メタン発酵工程によって得られたバイオガスについては、反応塔４下部に設けられたガス導入管７に導かれて、管に設けられた穴からバブリングガス（メタンガスと二酸化炭素）として溶液中に放出される。本実施の形態では、ガスの供給は、原則として連続的に行われる。ガス中にはメタンと二酸化炭素とが存在するが、メタンは水に不溶解であるのに対して、二酸化炭素は水に溶解するという特性から、回収したアンモニア水を入れたタンクにバブリングさせることによって、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムを生成させる。
上記反応塔４内には溶液が満たされており、この溶液内でアンモニア成分と二酸化炭素が反応して、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムを生成する。炭酸アンモニウムは水中に溶解するので、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム溶液として、反応塔から連続的あるいは不連続的に排出される。また、バイオガス中のメタンガスについては、溶液中で反応しないため、反応塔４内上部の空間に貯まり、塔上部に設けられた排出管から高濃度メタンガスとして系外に放出される。ここで、高濃度メタンガスの濃度は、通常８０vol％以上である。
このような本実施の形態の装置によれば、発電等の原料として有用な高濃度メタンガスが得られるとともに、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムを水溶液として得ることができる。
【００２０】
実施の形態（その３）
図３には、本発明において回収されるアンモニア成分と、二酸化炭素を含むバイオガスとを反応させるのに好適な反応容器である、気液接触式反応塔４の一例を示す。
本実施の形態では、上記本実施の形態（その２）と同様に、冷却装置６を経てアンモニア成分をアンモニア水にする。このアンモニア水を、反応塔４内上部に設けられた液導入部８より、下部に向けて噴出する。
【００２１】
反応塔４内には、下部に溜められた溶液上部の空間に、バイオガスの導入口が備えられており、さらに上部には必要に応じて、ラヒシリング等の充填材１８を設けることができる。液導入部８より噴出したアンモニア水は、塔下部から導入されて塔上部の排出口に至るバイオガスの流れと反対に、充填材１８を経て下部に流れ、塔４最下部の溶液に溜まる。この間、充填材層等においては、バイオガス中の二酸化炭素とアンモニアとが反応して、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムを生成する。
生成した炭酸アンモニウム等は、塔４下部の溶液内に溶解するので、ポンプなどを用いて系外に炭酸アンモニウム溶液として、放出される。
また、バイオガスについては、二酸化炭素が炭酸アンモニウムを生成して減少するため、反応しないメタンガスが反応塔４内上部の空間に貯まり、塔上部に設けられた排出管から高濃度メタンガスとして系外に放出される。ここで、高濃度メタンガスの濃度は、通常８０vol％である。
【００２２】
実施の形態（その４）
図４には、本発明において回収されるアンモニア成分と、二酸化炭素を含むバイオガスとを反応させるのに好適な反応容器である、粒子製造単一槽型反応塔４の一例を示す。
本実施の形態では、上記本実施の形態（その２）と同様に、冷却装置６を経てアンモニア成分をアンモニア水にする。このアンモニア水を、反応塔４内上部から供給される。バイオガスについては、反応塔４下部に設けられたガス導入管７に導かれて、管に設けられた穴からバブリングガスとして溶液中に放出される。
ここでのバイオガスの供給は、間欠的に行われ、曝気（バブリング）の際には溶液中で反応が行われて炭酸アンモニウムが生成する。曝気停止の際には溶液中で炭酸アンモニウムが粒子状となり、沈殿が行われる。
【００２３】
反応塔４内には溶液が満たされており、この溶液内でアンモニア成分と二酸化炭素が反応して、炭酸アンモニウムを生成する。本実施の形態では、反応塔４下部の構造が円錐状になっており、炭酸アンモニウム粒子９からなる沈殿物を貯めやすいようになっている。このような粒子状の炭酸アンモニウムは、反応塔から固形物として抜出すことができる。
一方、バイオガス中のメタンガスについては、溶液中で反応しないため、反応塔４内上部の空間に貯まり、塔上部に設けられた排出管から高濃度メタンガスとして系外に放出される。ここで、高濃度メタンガスの濃度は、通常８０vol％以上である。
このような本実施の形態の装置によれば、発電等の原料として有用な高濃度メタンガスが得られるとともに、炭酸アンモニウムを純度の高い粒子として得られるので有用である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る処理方法およびシステムによれば、バイオガス回収とともに発生した二酸化炭素を大気中に放出することなく、有用な化学物質として固定化できる。また、バイオガス中の二酸化炭素濃度が低減し、メタン濃度が高くなるため、ガスの単位容積当たりの発熱量が増加し、発電熱回収等の効率が向上する。さらに、炭酸アンモニウム溶液は冷却等を実施することにより、高純度の粒子として得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理システムの一例を模式的に示す工程図である。
【図２】本発明に用いられる反応塔の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明に用いられる反応塔の他の一例を模式的に示す図である。
【図４】本発明に用いられる反応塔の他の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ メタン発酵
２ 固液分離
３ アンモニアストリッピング
４ 反応塔
５ 発電設備
６ 冷却装置
７ ガス導入管
８ 液導入部
９ 炭酸アンモニウム粒子
１８ 充填剤

Claims (6)

1. 液状有機性廃棄物に含まれる炭素分を回収除去するメタン発酵工程、および、該廃棄物に含まれるアンモニア成分を回収除去するアンモニアストリッピング工程、を含む処理方法であって、
   回収したアンモニア成分を含むアンモニア水と、該メタン発酵工程で発生する二酸化炭素とを反応させて、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウム又はそれらの両方として回収することを特徴とする液状有機性廃棄物の処理方法。
2. 前記アンモニアストリッピング工程の前段で、前記メタン発酵工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の液状有機性廃棄物の処理方法。
3. 前記アンモニアストリッピング工程の後段で、前記メタン発酵工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の液状有機性廃棄物の処理方法。
4. 前記メタン発酵工程を経て得られた消化液について、固液分離した後に、前記アンモニアストリッピング工程を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の液状有機性廃棄物の処理方法。
5. 液状有機性廃棄物に含まれる炭素分を回収除去するメタン発酵手段と、有機性廃水に含まれるアンモニア成分を回収除去するアンモニアストリッピング手段と、回収したアンモニア成分を含むアンモニア水を該メタン発酵手段で得られた二酸化炭素と反応させる反応塔と、を備えていることを特徴とする液状有機性廃棄物の処理システム。
6. 前記反応塔が、アンモニウムを含む溶液中に、二酸化炭素を含むバイオガスを曝気することにより炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムを生成するものであることを特徴とする請求項４記載の液状有機性廃棄物の処理システム。

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