JP4793829B2 - 家畜糞尿の処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、家畜糞尿の処理装置に関し、さらに詳しくは、家畜糞尿からのエネルギー資源の効果的な回収と、家畜糞尿を各種の肥料や飼料などとして有効利用可能な家畜糞尿の処理装置に関する。

従来、豚糞、鶏糞、牛糞、馬糞や羊糞などの家畜糞尿などを処理する方法として、家畜糞尿を固液分離し、分離した液をメタン発酵させてメタンガスを回収する方法として、特許文献１が知られている。上記特許文献１には、メタン発酵させる前段階において、ストラバイト法（晶析法）や空気によるストリッピング法などによりアンモニアを除去する方法も開示されている。

また、下水汚泥、屎尿、家畜糞尿などの有機性廃棄物を処理する工程（メタン発酵工程）において、廃水中に発生するアンモニウムイオンをアンモニアストリッピング法により回収し、得られたアンモニアガスをアンモニア分解触媒により分解して水素を回収し、水素をエネルギーとして利用する方法が特許文献２に開示されている。

さらに、食品廃棄物の再資源化システムとして、食品廃棄物を可溶化したのち、可溶化液をメタン発酵させ、発生したガスの一部と消化液を藻類培養装置に供給して藻類を培養し、バイオマスを生産する方法が特許文献３に開示されている。

そして、アンモニア態窒素を栄養源として家畜飼料用微生物の一種であるユーグレナを培養する方法として、特許文献４が知られている。また、アンモニア態窒素を栄養源として家畜飼料用微生物の一種であるクロレラを培養する方法として、特許文献５が知られている。
特開２０００−２６３０９７号公報 特開２００４−１９５４５４号公報 特開２００３−８８８３８号公報 特開平６−１１３８１９号公報 特開平５−２９２８４８号公報

しかしながら、家畜糞尿中には、食品廃棄物や下水などと比較してアンモニアが多量に含有されている。そのため、家畜糞尿をエネルギーなどとして資源化するに際して、例えばメタン発酵によってメタンガスを回収する場合には、アンモニアが阻害因子となり、効率的にメタン発酵処理が行えないという問題点があった。
従来の家畜糞尿の処理方法において、特許文献２では有機性廃棄物のガス化処理工程などで発生するアンモニアの回収について注目している。しかしながら、ガス化処理工程でアンモニアが阻害因子となる点については何ら注目されていない。すなわち、特許文献２に記載された処理方法においては、メタン発酵後の処理液からアンモニアを除去して回収していたので、前述した問題が生じていた。

また、特許文献１に記載された処理方法では、メタン発酵の前段で、ストリッピング法や晶析法などによりアンモニアを除去していた。そのため、アンモニアがメタン発酵の阻害因子となるという問題は発生しにくい。しかしながら、アンモニアを常温のストリッピング用空気でストリッピングする場合にはアンモニアの除去率が低くなり、ストリッピング用空気に加熱空気を採用した場合には、必要な熱量が高くて燃料費などが嵩むという問題が発生していた。

そして、特許文献３に記載された食品廃棄物の処理方法では、食品廃棄物中のアンモニア濃度が比較的低いため、前述したアンモニアがメタン発酵の阻害因子となる問題が生じる可能性は低い。しかしながら、特許文献３に記載された処理方法を家畜糞尿に適用した際には、特許文献２に記載された方法と同様に、メタン発酵後の処理液からアンモニアを除去するので、アンモニアが上記阻害因子となる問題を生じて好ましくない。

さらに、特許文献１〜特許文献３に記載された処理方法では、いずれも家畜糞尿中の塩濃度が高いことには何ら言及していない。しかしながら、家畜糞尿中には、カルシウム、マグネシウムおよびリンなどの化合物塩が多量に含まれている。そのため、化合物塩を低減化しておかなければ、アンモニアストリッピング工程やメタン発酵工程などにおいてそれらの塩が析出し、配管の閉塞などを惹起する恐れがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、家畜糞尿のメタン発酵を効率的に行うことができ、設備費や運転経費も低廉化することができる家畜糞尿の処理装置を提供する目的でなされたものである。
また、本発明は、処理工程において排出される各種の処理物を、肥料や家畜飼料あるいは燃料ガスなどとして有効利用できる形態の処理物として回収することを目的としてなされたものである。

上記目的を達成するための本発明の要旨は、家畜糞尿を固液分離する固液分離装置と、該固液分離装置で分離された分離液からアンモニアと水分をアンモニア蒸気として分離する減圧フラッシュエバポレータと、減圧フラッシュエバポレータで有機物が濃縮された濃縮液の一部を抜き出し、メタン発酵して消化ガスを回収するメタン発酵装置と、減圧フラッシュエバポレータでアンモニア蒸気が分離され有機物が濃縮された濃縮液を上記減圧フラッシュエバポレータに戻して循環する循環手段と、上記分離されたアンモニア蒸気からミストを除去するノックアウトドラムと、ノックアウトドラムで分離されたアンモニア蒸気を加圧するコンプレッサと、コンプレッサで加圧されたアンモニア蒸気にスチームを混合してスチーム混合アンモニア蒸気とし、該スチーム混合アンモニア蒸気と上記濃縮液を熱交換して濃縮液を加熱する熱交換装置と、熱交換装置での熱交換で上記スチーム混合アンモニア蒸気が液化した回収アンモニア液を資源化するアンモニア処理装置とを備えたことを特徴とする家畜糞尿の処理装置である。

請求項２に記載の本発明は、固液分離装置で分離された分離液から溶解塩を除去する溶解塩除去装置を減圧フラッシュエバポレータの前段に付設した請求項１に記載の家畜糞尿の処理装置である。

請求項３に記載の本発明は、溶解塩除去装置が晶析脱リン装置である請求項２に記載の家畜糞尿の処理装置である。

請求項４に記載の本発明は、減圧フラッシュエバポレータにおいて、圧力を１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ、温度５０℃〜１００℃にして運転される請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の家畜糞尿の処理装置である。

請求項５に記載の本発明は、アンモニア処理装置が、アンモニアを栄養源の一部として増殖する家畜飼料用微生物の培養装置である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の家畜糞尿の処理装置である。

上記固液分離装置としては、ベルト型ろ過脱水装置、デカンタ型遠心分離機、スクリュープレス脱水機、多重円板型脱水機または各種フィルタなどを用いることができる。このうち、スクリュープレス脱水機を採用した方が脱水効率が高くて好ましい。また、分離された固形物は、乾燥して固形肥料として有効利用することができる。

減圧フラッシュエバポレータ（減圧蒸発器）は、各種の構造を有したものを採用することができる。例えば、濃縮液取出口が下部に設けられ、ガス取出口が上部に設けられた筒状容器を有するものを採用することができる。濃縮液取出口からは固液分離装置で分離された分離液の濃縮液が取り出され、ガス取出口からはアンモニア蒸気が取り出される。
減圧フラッシュエバポレータの運転条件としては、圧力を１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ、温度５０℃〜１００℃にして運転されるのが好ましい。しかも、圧力を２０ｋＰａ〜８０ｋＰａ、温度６０℃〜９０℃にして運転した方が、運転経費の低廉化を図る上で好ましい。より好ましくは、圧力を３０ｋＰａ〜６０ｋＰａ、温度６０℃〜８０℃である。

循環手段としては、減圧フラッシュエバポレータの濃縮液取出口に一端部が連通され、他端部が減圧フラッシュエバポレータの上部に連通された循環管と、循環管の途中に設けられた圧送ポンプとを有したものなどを採用することができる。
ノックアウトドラム（気液分離タンク）とは、飽和蒸気（アンモニア蒸気）などの飽和流体を気体と液体に分離するドラムである。例えば、円筒形タンクの円筒壁内面の円周接線方向に飽和流体を流入し、旋回流を発生させてこれを気体と液体とに分離する。
コンプレッサの種類としては、例えばレシプロ型コンプレッサ、ツインスクリュー型コンプレッサ、スクロール型コンプレッサ、ダブルツース型コンプレッサなどを採用することができる。
熱交換装置としては、エロフィン式熱交換装置、ブレートフィン式熱交換装置、水冷ブレートフィン式熱交換装置などを採用することができる。

アンモニア処理装置としては、アンモニアを資源として有効利用することができる装置が好ましい。具体的には、ユーグレナ類（ミドリムシ藻綱）に属する単細胞、または緑藻類に属する単細胞などの家畜の飼育に必要な栄養素を豊富に含有する微生物などを培養する家畜飼料用微生物の培養装置や、アンモニア分解触媒により分解して水素を回収する装置などが好ましい。そのほか、前述した特許文献１〜特許文献３に開示された方法に用いられる装置であってもよい。

メタン発酵装置としては、メタン発酵槽、酸発酵槽とメタン発酵槽との組み合わせ装置、または上向流嫌気性処理装置（ＵＡＳＢ装置）などを採用することができる。また、回収した消化ガスは燃料などとして利用することができ、消化液は液体肥料として有効利用することができる。メタン発酵工程におけるメタン発酵の処理温度は限定されない。例えば、中温発酵処理方法では３５〜３８℃、高温発酵処理方法では５４〜５６℃程度である。なお、滞留時間は、１〜２週間として処理するのが好ましい。

また、溶解塩除去装置は、分離液中に溶解しているカルシウム、マグネシウムおよびリンなどの化合物塩を除去できる装置であれば、特に限定されない。ただし、晶析脱リン装置を付設すれば、リン酸マグネシウムアンモニウムやヒドロキシアパタイトなどとして晶析生成させることができ、肥料や建材として有効利用することができる。

請求項１に記載の本発明においては、減圧フラッシュエバポレータを用いてアンモニアを揮散除去するので、効率的にアンモニアを除去することができ、また、熱交換器で熱量を回収するため、運転経費の低廉化を図ることができる。
しかも、家畜糞尿中に含有されている多量のアンモニアをメタン発酵処理の前段で除去するので、メタン発酵によりメタンガスを回収する場合に、アンモニアが阻害因子になり、十分なメタン発酵処理は行えない問題を解決し、メタン発酵を効率的に行うことができる。

また、請求項２に記載の本発明においては、請求項１に記載の本発明の効果に加えて、分離液から溶解塩を除去するので、後段において、それらの塩類が析出することにより、配管などが閉塞をきたす恐れを防止することができる。

また、請求項３に記載の本発明においては、請求項２に記載の本発明の効果に加えて、リン酸マグネシウムアンモニウムやヒドロキシアパタイトなどとして晶析生成させることにより、肥料や建材として有効利用することができる。

また、請求項４に記載の本発明においては、請求項１〜請求項３に記載の本発明の効果に加えて、減圧フラッシュエバポレータの運転条件を所定の範囲にすることにより、少ない熱量で効率的にアンモニアを揮散除去することができる。

また、請求項５に記載の本発明においては、請求項１〜請求項４に記載の本発明の効果に加えて、アンモニアを栄養源の一部として増殖する微生物を培養し、増殖した微生物を家畜飼料として有効利用できる形態の処理物として回収することができる。

以下、この発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の家畜糞尿の処理装置の系統図である。

図１において、１０は本発明の家畜糞尿の処理装置で、この家畜糞尿の処理装置１０は、固液分離装置１と、晶析脱リン装置２と、減圧フラッシュエバポレータ３と、循環ポンプ（循環手段）４と、熱交換器（熱交換装置）５と、ノックアウトドラム６と、コンプレッサ７と、微生物培養装置（アンモニア処理装置）８と、メタン発酵装置９とを備えている。

以下、これらの構成を詳細に説明する。
固液分離装置１は、家畜糞尿を固形分と液分とに分離する装置で、固液分離装置であればいかなるものでもよいが、具体的にはスクリュープレス脱水機（図示せず）が挙げられる。これは、先細りのスクリーンよりなる外筒と、外筒内に軸線を一致させて収納された先細りのスクリューと、スクリューの回転モータとを有している。家畜糞尿を外筒の大径な元部に形成された家畜糞尿の入口から投入し、回転モータによりスクリューを回転させることで、スクリューの内部に投入された家畜糞尿をスクリューにより出口側に移送しながら圧縮し、分離液を外筒スクリーンでろ過して分離除去する装置である。分離された固形分は出口から排出される。

晶析脱リン装置２は、固液分離装置１で分離された分離液からマグネシウム、カルシウム、リンなどの溶解塩類を結晶化させて除去する溶解塩除去装置である。具体的には、分離液にマグネシウム化合物またはカルシウム化合物を添加するとともにアルカリを添加してｐＨを８以上に調整して通気撹拌し、リン酸マグネシウムアンモニウムまたはリン酸カルシウムの微細結晶を生成させ、さらに通気撹拌しながら連続的に分離液を供給し、上記リン酸マグネシウムアンモニウムなどの微細結晶を核としてリン酸マグネシウムアンモニウムまたはヒドロキシアパタイトなどの結晶を成長させて固体粒子を形成させ、分離除去することにより、分離液中のマグネシウム、カルシウム、およびリンを固体粒子として回収する装置である。

減圧フラッシュエバポレータ３は、晶析脱リン装置２でリンなどの溶解塩が除去された脱塩分離液からアンモニア分を除去する装置で、加熱された脱塩分離液を減圧状態でフラッシュさせることにより、アンモニア分が揮散除去される。具体的には、濃縮液取出口が下部に設けられ、ガス取出口が上部に設けられた筒状容器を有している。濃縮液取出口からは晶析脱リン装置２で分離された脱塩分離液の濃縮液の一部が取り出され、ガス取出口からはアンモニア蒸気が取り出される。

循環ポンプ４は、減圧フラッシュエバポレータ３中の有機物が濃縮された濃縮液を加熱し、フラッシュさせるために循環する循環手段としてのポンプで、減圧フラッシュエバポレータの濃縮液取出口に一端部が連通され、他端部が減圧フラッシュエバポレータの上部に連通された循環管の途中に設けられている。
熱交換器５は、減圧フラッシュエバポレータ３で分離されたアンモニア蒸気を加圧し、その蒸気にスチームを混合したスチーム混合アンモニア蒸気と循環濃縮液を熱交換して濃縮液を加熱する。

ノックアウトドラム６は、減圧フラッシュエバポレータ３で分離されたアンモニア蒸気からミストを除去する。
コンプレッサ７は、ノックアウトドラム６で分離されたアンモニア蒸気を所定の圧力に加圧するものである。
微生物培養装置８は、回収アンモニア液を資源化するためのアンモニア処理装置であり、ユウグレナ類（ミドリムシ藻綱）に属する単細胞、または緑藻類に属する単細胞などの家畜の飼育に必要な栄養素を豊富に含有する微生物などを培養する家畜飼料用微生物の培養装置である。ここでは、ユーグレナ細胞を光照射下の培養 槽で回分培養する装置が採用されている。ユーグレナ 細胞に含有されるタンパク質は、光照射によって増加する。

微生物培養装置８における炭素源としては、グルコース、澱粉水解物、糖蜜、グルタミン酸、酢酸、エタノールなどを使用することができる。
また、窒素源としては、上記熱交換後の回収アンモニア液が採用されている。ユーグレナの培養温度は２０〜３５℃で、初期ｐＨは２．０〜７．５が適当であるが、細胞の増殖には３．０〜５．０の範囲が好ましい。また、培養時には、適度の機械攪拌および／または通気攪拌を行なう。

メタン発酵装置９は、減圧フラッシュエバポレータ３で有機物が濃縮された濃縮液の一部を抜き出し、これをメタン生成菌を入れたメタン発酵槽へ投入し、メタン生成菌の働きによりメタン発酵して燃料などとして使用されるメタンを含む消化ガスを回収する装置である。具体的には、メタン発酵装置９は、濃縮液を収容する発酵槽、発酵槽内において垂直方向に配設されたドラフトチューブ、ドラフトチューブのほぼ中央に配設され、ドラフトチューブ内にドラフトガスを噴射する噴射口、噴射口からドラフトガスを噴射させるブロアを有している。発酵槽内の濃縮液にメタン菌を加え、メタン菌によって濃縮液を処理し、メタンガスおよび炭酸ガスを発生させる。メタンガスおよび炭酸ガスは、発生ガスとして排出管から排出される。そして、排出管はブロアと連通させられ、排出管の発生ガスの一部がブロアによって吸引され、ドラフトチューブ内に噴射口からドラフトガスとして噴射される。ドラフトガスは、ドラフトチューブ内に噴射されると上昇し、このときドラフトチューブ内の原水も上昇させられる。このようにして、ドラフトチューブ内を上昇するドラフトガスによって発酵槽内の濃縮液が攪拌される。発酵槽内の濃縮液にメタン菌を加え、メタン菌によって濃縮液を処理し、メタンガスおよび炭酸ガスを発生させる。メタンガスおよび炭酸ガスは、発生ガスとして排出管から排出される。

次に、図１に記載した本発明に係る家畜糞尿の処理装置の系統図に基づいて家畜糞尿を処理する処理方法について説明する。
まず、家畜糞尿を固液分離装置１に供給し、固液分離装置１で有機性固形分と液分とに分離する。固形分は有機性固形分処理装置としての図示しないコンポスト化装置により堆肥化されて有効利用することができる。

固液分離装置１で分離された分離液は、晶析脱リン装置２に供給され、従来から周知のＭＡＰ法などの晶析によりマグネシウム、カルシウム、リンなどの溶解塩類を結晶化させて除去する。結晶化された溶解塩類は、リンなどの高濃度の肥料成分を含有するため、固体肥料として有効利用することができる。なお、必要であれば、マグネシウムイオンの添加やｐＨ調整が行われる。この操作により脱塩分離液中のリン濃度は１００ｍｇ／Ｌ以下まで除去される。

晶析脱リン装置２で溶解塩類が除去された脱塩分離液は、循環ポンプ４で循環される濃縮液に混合されて、減圧フラッシュエバポレータ３に供給されるが、供給される前段で熱交換器５を介して、減圧フラッシュエバポレータ３で分離されたアンモニア蒸気にスチームを混合したスチーム混合アンモニア蒸気との熱交換により加熱されたのちに供給される。なお、分離アンモニア蒸気は、ノックアウトドラム６で同伴するミストが除去された後、コンプレッサ７で適宜圧力に加圧されたのちスチームが混合される。

減圧フラッシュエバポレータ３に供給される脱塩分離液と循環濃縮液との混合液はフラッシュされることにより、水蒸気とともにアンモニア分が揮散して除去される。減圧フラッシュエバポレータ３においては、圧力を１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ、温度５０℃〜１００℃にして運転される。このため、少ない熱量で効率的にアンモニアを揮散除去することができる。なお、減圧フラッシュエバポレータ３に供給される脱塩分離液の固形分濃度は１ｗｔ％〜５ｗｔ％、Ｔ−Ｎは４,０００〜６,０００ｍｇ／Ｌの濃度であり、循環する濃縮液の固形分濃度は７ｗｔ％〜１０ｗｔ％程度となる。

減圧フラッシュエバポレータ３で分離されたアンモニア蒸気は、アンモニア分の濃度が約１％程度となり、ノックアウトドラム６に供給され、ノックアウトドラム６で同伴するミストが除去された後コンプレッサ７により加圧される。その後、アンモニア蒸気にスチームが混合され、熱交換器５に供給され、循環する脱塩分離液と循環濃縮液との混合液と熱交換して冷却される。これにより、スチームが混合されたアンモニア蒸気は、液化して回収アンモニア液となる。

回収アンモニア液は、濃度調整水によりアンモニア濃度が調整された後、家畜飼料用の微生物培養装置８に供給される。ここで、アンモニアを栄養源の一部として増殖する微生物などの培養に供せられる。例えば、培養により増殖したユウグレナ類などに属する単細胞などはアミノ酸組成のたんぱく質を含み、動物の消化酵素で容易に消化されやすく、また各種のビタミン類も豊富に含有しているため、液状または乾燥固形物の家畜飼料として有効利用される。なお、上記微生物においては、培養温度は２５℃前後の常温で十分培養することができる。具体的な培養方法としては、前述したユーグレナ細胞を光照射下の培養槽で回分培養する方法が採用されている。また、供給される回収アンモニア液のＮＨ_３濃度は１,５００ｍｇ／Ｌ〜３,０００ｍｇ／Ｌとするのが好ましい。

減圧フラッシュエバポレータ３でアンモニアが除去され、有機物が濃縮された濃縮液の一部は循環途中経路で抜き出され、メタン発酵装置９に供給され、メタン発酵処理される。メタン発酵装置９における運転条件は、３５〜３８℃程度で行われる中温発酵処理方法、５４〜５６℃程度に加熱されて行われる高温発酵処理方法などのいずれであってもよい。発酵処理で生成した消化ガスは回収され、図示しない脱硫装置などにより適宜に処理されて燃料ガスなどとして有効利用される。また、メタン発酵装置９の消化液は適度に窒素分やリン分を残存しているため、液体肥料として有効利用される。なお、メタン発酵装置９内の固形分濃度は、４ｗｔ％〜１５ｗｔ％となるように調製される。

このように家畜糞尿の処理装置を構成し、家畜糞尿を処理運転したことで、家畜糞尿のメタン発酵を効率的に行うことができ、廃棄物である家畜糞尿を、排出元の近傍農家などで利用可能な家畜飼料や肥料および燃料ガスなどの多くの有効な処理物として回収できるとともに、廃棄物としての排出を極力少なくすることができる。

試験例
次に、減圧フラッシュエバポレータ３で脱塩分離液を濃縮し、アンモニア分を揮散分離した試験例について述べる。
ＮＨ_４−Ｎ濃度５,０００ｍｇ／Ｌ、ＳＳ濃度３ｗｔ／ｖｏｌ％の脱塩分離液を、減圧フラッシュエバポレータ３へ１ｍ^３／ｈｒで供給し、減圧フラッシュエバポレータ３における条件を圧力６０ｋＰａで処理した。その結果、分離された濃縮液はＮＨ_４−Ｎ濃度１,６００ｍｇ／Ｌ、ＳＳ濃度８ｗｔ／ｖｏｌ％であった。

本発明に係る家畜糞尿の処理装置の系統図である。

符号の説明

１：固液分離装置
２：晶析脱リン装置
３：減圧フラッシュエバポレータ
４：循環ポンプ
５：熱交換器
６：ノックアウトドラム
７：コンプレッサ
８：微生物培養装置
９：メタン発酵装置

Claims (5)

1. 家畜糞尿を固液分離する固液分離装置と、
   該固液分離装置で分離された分離液からアンモニアと水分をアンモニア蒸気として分離する減圧フラッシュエバポレータと、
   該減圧フラッシュエバポレータで有機物が濃縮された濃縮液の一部を抜き出し、メタン発酵して消化ガスを回収するメタン発酵装置と、
   該減圧フラッシュエバポレータでアンモニア蒸気が分離され有機物が濃縮された濃縮液を上記減圧フラッシュエバポレータに戻して循環する循環手段と、
   上記分離されたアンモニア蒸気からミストを除去するノックアウトドラムと、
   該ノックアウトドラムで分離されたアンモニア蒸気を加圧するコンプレッサと、
   該コンプレッサで加圧されたアンモニア蒸気にスチームを混合してスチーム混合アンモニア蒸気とし、該スチーム混合アンモニア蒸気と上記濃縮液を熱交換して濃縮液を加熱する熱交換装置と、
   該熱交換装置での熱交換で上記スチーム混合アンモニア蒸気が液化した回収アンモニア液を資源化するアンモニア処理装置
   とを備えたことを特徴とする家畜糞尿の処理装置。
2. 固液分離装置で分離された分離液から溶解塩を除去する溶解塩除去装置を減圧フラッシュエバポレータの前段に付設した請求項１に記載の家畜糞尿の処理装置。
3. 溶解塩除去装置が晶析脱リン装置である請求項２に記載の家畜糞尿の処理装置。
4. 減圧フラッシュエバポレータにおいて圧力を１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ、温度５０℃〜１００℃にして運転される請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の家畜糞尿の処理装置。
5. アンモニア処理装置が、アンモニアを栄養源の一部として増殖する家畜飼料用微生物の培養装置である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の家畜糞尿の処理装置。

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