JP4902471B2 - アンモニア除去装置およびこれを用いた有機性廃棄物の処理装置ならび処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、家畜糞尿、食品廃棄物、または、高濃度のアンモニア性窒素含有の有機性排水などからアンモニアを除去するアンモニア除去装置と、このアンモニア除去装置から排出された処理液をメタン発酵処理する処理装置および処理方法に関する。
なお、前記有機物を高濃度に含有する家畜糞尿などの廃棄物や排水を包含して有機性廃棄物というが、各々の用語で記載する場合もある。

従来から、アンモニア性窒素を高濃度に含有する有機性廃棄物においては、河川や海域の富栄養化を防止するため、各種の方法で脱窒処理されている。しかしながら、豚糞、鶏糞、牛糞、馬糞や羊糞などの家畜糞尿などにおいては、その対策が遅れているのが現状であり、地下水や河川の汚染が深刻となっており、その対策が急務となっている。

従来、家畜糞尿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高濃度のメタンを含有する消化ガスを回収する方法が知られている。具体的には、メタン発酵させる前段階において、メタン発酵における阻害因子となるアンモニア性窒素を水蒸気によるストリッピング法（スチームストリッピング法）などにより除去する方法が知られている。
基本的なスチームストリッピング法は、蒸留塔の底部に水蒸気を直接吹き込む方法である。この方式では、多量の水蒸気が必要となるが、例えばメタン発酵用設備で得られるバイオガスの発熱量だけでは必要なスチーム量を得ることが難しい。また、この方式では、投入されたエネルギー（水蒸気）とほぼ同量のアンモニア含有の水蒸気が発生する。そこで、これを蒸留塔の頭頂部への環流液および回収アンモニア液とするには、塔頂部に設置された熱交換器により冷却する必要があり、エネルギーは使い捨てとなる。
これを解消するため、蒸留塔の頭頂部から排出された蒸気を蒸気圧縮機などにより圧縮し、リボイラにより熱回収を行って水蒸気量を低減するものが実用化されている（特許文献１）。

その他、家畜糞尿を処理する他の従来方法として、メタン発酵させる前段階において、メタン発酵における阻害因子となるアンモニア性窒素を空気によるストリッピング法などにより除去する方法が開発されている（特許文献２）。

また、アンモニア性窒素含量の高い有機性排水・汚泥からアンモニアをアンモニアストリッピング工程で除去し、処理した有機性排水・汚泥をメタン発酵工程でメタン発酵させる方法において、熱交換器を通して７０〜９９℃に温度調整した有機性排水・汚泥に、ｐＨ調整剤として電気分解装置で生成した電解水からなる強アルカリ液を添加することによりｐＨ９〜１３にｐＨ調整してアンモニアストリッピングする方法も開発されている（特許文献３）。

さらに、有機性廃棄物、有機性排水、もしくはこれらの混合物からなる被処理物からアンモニアをアンモニア除去工程で除去し、アンモニアが除去された被処理物をメタン発酵工程でメタン発酵させる方法において、アンモニア除去工程の前段にて被処理物に生物処理を施すアンモニア生成工程を設け、被処理物中に含有される窒素分からアンモニアを生成し、アンモニアを高除去率で除いた後にメタン発酵を行うメタン発酵方法が知られている（特許文献４）。

さらに、有機性廃棄物をメタン発酵処理したのちの消化液を固液分離し、分離した脱離液と消化ガスから硫黄成分を吸収して脱硫した硫黄吸収液とを硝化循環液として生物硝化脱窒手段で脱窒処理し、脱窒処理液を沈殿槽で固液分離して清澄処理水を得るメタン発酵物処理装置が開発されている（特許文献５）。

特開２００２−２８６３７号公報 特開２０００−２６３０９７号公報 特開２００１−１１３２６５号公報 特開２００４−０２４９２９号公報 特開２００６−１６７５１２号公報

しかしながら、特許文献１において、ストリッピングした蒸気を圧縮する場合、蒸気圧縮機を利用すると必要なスチーム量はおよそ１０％に削減できるが、電力消費量が増加し運転もメカニカル的な注意を払う必要が生じていた。しかも、蒸気圧縮機は高価であるので、イニシャルコストが増加してしまう。また、リボイラで熱回収する場合には、排水中のスケール成分により伝熱面が汚れ熱回収効率が低下し、洗浄頻度を増加するおそれがあった。

一方、特許文献１〜特許文献４に記載された処理方法では、有機性廃棄物中のアンモニアをメタン発酵の前段で、ストリッピング法などにより除去するため、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、前記の文献に記載された処理方法では、ストリッピング工程などによりアンモニア性窒素の殆どを除去する操作がおこなわれていた。このように、アンモニア性窒素の殆どを除去すれば、メタン発酵における炭酸ガスの発生量が多くなり、生成消化ガス中の炭酸ガスの割合が高くなるとともに、メタン発酵槽におけるＰＨが低くなって、アルカリによるＰＨ調整が必要となる問題が生じることになる。

また、前記の文献に記載された処理方法においては、有機性廃棄物中の炭酸化合物や蛋白質について何ら注目されていない。しかしながら、炭酸化合物や蛋白質の含有量が多くなるほど、ストリッピング操作でアンモニア性窒素を排出除去するストリッピング工程において発泡が激しく惹起されるため、通常は消泡剤が添加されてストリッピング工程が行われる。従って、有機性廃棄物中の炭酸化合物や蛋白質について何ら注目していない前記の文献におけるストリッピング工程では、高価な消泡剤の使用量が極めて多くなる問題がある。

さらに、特許文献５に記載されたメタン発酵処理したのちの消化液について生物脱窒処理する方法では、脱窒装置における汚泥濃度を高く維持することが困難であり、また、沈殿槽を配設するため、装置全体の設置面積が過大となる問題がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、低コストの設備によりエネルギーコストの節減が可能で、特に固形物などのスケーリングの原因となる成分が混入する系での長期安定運転を行うことができるアンモニア除去装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、有機性廃棄物のメタン発酵処理において、アンモニア性窒素のストリッピング工程による除去処理における発泡の抑制やメタン発酵工程で生成する消化ガス中の炭酸ガス濃度を抑制し、高濃度メタンガスを得ることができ、また、全体の設備の設置面積の削減や設備費、運転経費の低廉化を図ることができる有機性廃棄物の処理装置と処理方法を提供する目的でなされたものである。
さらに、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。

前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項１に記載の本発明は、アンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離して処理液を得る蒸留塔と、該蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを熱交換する第１熱交換器と、前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して該系外水を系内蒸気とする第２熱交換器と、蒸留塔へ凝縮液を還流するドラムと、系外蒸気が前記蒸留塔の底部へ導入される前に、前記系内蒸気を前記系外蒸気に吸引して混合するスチームエゼクタとを備えたことを特徴とするアンモニア除去装置である。

また、請求項２に記載の本発明は、アンモニア性窒素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装置において、前記有機性廃棄物を加熱して前記有機性廃棄物中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理する加熱処理装置と、該加熱処理装置で加熱処理された加熱有機性廃棄物からストリッピング操作でアンモニア性窒素の一部を排出除去するアンモニア除去装置と、該アンモニア除去装置でアンモニア性窒素の一部が除去された有機性廃棄物を、メタン発酵して有機物の除去と消化ガスを回収するメタン発酵槽とを備え、アンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離して処理液を得る蒸留塔と、該蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを熱交換する第１熱交換器と、前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して該系外水を系内蒸気とする第２熱交換器と、蒸留塔へ凝縮液を還流するドラムと、系外蒸気が前記蒸留塔の底部へ導入される前に、前記系内蒸気を前記系外蒸気に吸引して混合するスチームエゼクタとを備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置である。

請求項３に記載の本発明は、前記メタン発酵槽内で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離するスカム分離槽と、該スカム分離槽で最上層に浮上分離したスカム相を前記メタン発酵槽に循環するスカム循環経路および最下層に沈降分離した沈降汚泥を前記メタン発酵槽に循環する沈降汚泥循環経路とを、さらに備えた請求項２記載の有機性廃棄物の処理装置である。

請求項４に記載の本発明は、前記スカム分離槽で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る膜分離脱窒装置、をさらに備えた請求項３記載の有機性廃棄物の処理装置である。

請求項５に記載の本発明は、アンモニア性窒素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において、前記有機性廃棄物を加熱処理槽で加熱して前記有機性廃棄物中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理し、発生した炭酸ガスを排出除去する加熱処理工程と、該加熱処理工程で加熱処理された加熱有機性廃棄物をアンモニア除去装置でのストリッピング操作によりアンモニア性窒素の一部を排出除去するストリッピング工程と、該ストリッピング工程でアンモニア性窒素の一部が除去された有機性廃棄物を、メタン発酵して有機物の除去と消化ガスを回収するメタン発酵工程、とを備え、前記アンモニア除去装置では、蒸留塔内でアンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離することで、前記有機性廃棄物を処理液として前記蒸留塔から排出し、前記蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを第１熱交換器により熱交換し、前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを第２熱交換器により熱交換して前記系外水を系内蒸気とし、前記第２熱交換器で凝縮した液分の一部をドラムを介して前記蒸留塔へ還流し系外蒸気をスチームエゼクタに導入し、前記系外蒸気の通過で生じた負圧力により前記系内蒸気をスチームエゼクタに吸引して両蒸気を混合圧縮し、これを前記蒸留塔の底部へ導入することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法である。

請求項６に記載の本発明は、前記メタン発酵工程で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離するスカム分離工程と、該スカム分離工程で最上層に分離したスカム相を前記メタン発酵槽に循環するスカム循環工程および最下層に沈降分離した沈降汚泥を前記メタン発酵槽に循環する沈降汚泥循環工程と、該スカム分離工程で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る膜分離脱窒工程、とを、さらに備えた請求項５記載の有機性廃棄物の処理方法である。

請求項７に記載の本発明は、前記有機性廃棄物が家畜糞尿である請求項５または請求項６に記載の有機性廃棄物の処理方法である。

請求項８に記載の本発明は、前記ストリッピング工程でアンモニア性窒素の一部が除去された有機性廃棄物中のアンモニア性窒素濃度を１,０００〜２,０００ｍｇ／Ｌに調整する請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法である。
なお、アンモニア性窒素濃度が１,０００ｍｇ／Ｌ未満では、メタン発酵により生成した炭酸ガスが、消化液中のアンモニア性窒素と反応して炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウムとして固定される量が少なくなり、従って、消化ガス中のメタン濃度が低くなる。一方、２,０００ｍｇ／Ｌを超えると、アンモニアによる発酵阻害の影響が出てくる。

請求項９に記載の本発明は、前記加熱処理工程では、温度６０〜８５℃、滞留時間３〜２０時間で加熱処理する請求項５〜請求項８のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法である。
なお、加熱温度が６０℃未満では、脱炭酸および蛋白変性が不十分で、消泡剤の使用量の低減効果が低く、一方、温度が８５℃を超えると、発泡が惹起されるとともにアンモニア性窒素の揮散が多くなる。また、滞留時間が３時間未満では、脱炭酸および蛋白変性が不十分で、消泡剤の使用量の低減効果が低く、一方、滞留時間２０時間を超えると、熱量を消費する割には、消泡剤の使用量の低減効果の向上が望めない。

ここで、アンモニア除去装置とは、下部から加熱水蒸気を吹き込んで、処理する有機性廃棄物中のアンモニア性窒素をアンモニアとして分解し、水蒸気に同伴して上部の複数の棚段により分留することによりアンモニア純度を上げ、塔頂から回収する装置である。
前記アンモニア除去装置の運転条件としては、圧力が１０ｋＰａ〜２０ｋＰａ、温度１００℃〜１０５℃の水蒸気によりストリッピング処理される。また、処理する有機性廃棄物の滞留時間は１０〜３０ｍｉｎ、ＰＨは７．０〜８．０に調整される。
また、前記加熱処理装置としては、間接蒸気または直接蒸気による加熱、電気加熱など適宜な加熱装置により、温度６０〜８５℃、好ましくは、７０〜８０℃に加熱し、発生したガスは主に炭酸ガスであるため、大気に放出されるが、臭気を発生するものにあっては生物脱臭装置などの適宜な脱臭設備を経て放出するのが好ましい。温度が６０℃未満では、蛋白質の変性や脱炭酸量などが不十分となり、発泡性が大きくアンモニア除去装置に供給するにあたっての消泡剤使用量の低減効果が少なく、一方、温度が８５℃よりも高いと、本装置内での発泡が惹起されるとともにアンモニア性窒素の揮散が多くなることから冷却器を配置する必要がある。なお、加熱滞留時間は３〜２０時間で行われる。３時間未満では蛋白質の変性や脱炭酸量などが不十分となり、一方、２０時間よりも長いと加熱熱量に比較して蛋白質の変性や脱炭酸量に与える効果の上昇が少ない。

前記メタン発酵槽としては、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る。なお、メタン発酵槽におけるメタン発酵の処理温度は限定されないが、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、２日〜２週間として処理するのが好ましい。

前記脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る膜分離脱窒装置は、嫌気性の脱窒槽および好気性の硝化槽を設け、硝化槽の硝化液を脱窒槽に循環して処理する循環脱窒装置と硝化液を濾過膜で分離する膜分離装置とを組み合わせた装置が用いられるが、膜分離装置は、循環脱窒装置とは別置されてもよく、また、硝化槽内に内設されていてもよい。なお、脱窒装置としては、循環脱窒装置には限定されず、独立栄養性脱窒微生物を含むグラニュール汚泥を保持する脱窒反応槽（アナモックス反応槽）であってもよい。

請求項１に記載の本発明においては、従来のスチーム直接吹込法に比べ水蒸気量を半分程度に減少させることが可能である。残りの水蒸気は熱交換により処理液の温度を昇温することによってメタン発酵槽での加温熱量が削減される。そのため、メタン発酵の系全体では熱損失は発生しない。また、ストリッピングした蒸気を圧縮する際、高価な蒸気圧縮機を使用しないため、イニシャルコストを低減でき、複雑な運転操作を必要としない。さらに、スケーリングし易い処理液との熱交換器（リボイラ）による加熱は不要となる。また、蒸発缶（第２熱交換器）における系内蒸気発生の熱源は蒸留されたストリッピング蒸気のため伝熱面の汚れは極めて少なく、熱回収効率の低下や清掃頻度を抑えることができる。なお、請求項２および請求項５に記載の本発明においても同様な効果を奏する。

また、請求項２に記載の本発明においては、加熱処理装置で発泡の原因となる有機性廃棄物中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理してアンモニアのアンモニア除去装置に供給するため、発泡を抑制する消泡剤の使用量を削減することができる。また、アンモニア除去装置でメタン発酵における阻害因子となるアンモニア性窒素をメタン発酵に影響しない濃度まで低減してメタン発酵槽に供給するため、効率的な発酵処理が可能となるとともに、一部のアンモニア性窒素を残留させていることにより、メタン発酵における炭酸ガスの発生量を抑制し、生成消化ガス中の炭酸ガスの割合を低くおさえることができ、メタン発酵槽におけるＰＨも好適な値に維持することができる。なお、請求項５に記載の本発明においても同様な効果を奏する。

さらに、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、メタン発酵槽内で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離し、最上層に分離したスカム相および最下層に沈降分離した沈降汚泥をメタン発酵槽に循環するため、メタン発酵槽内での汚泥の浮上による汚泥の処理水への流出を危惧する必要もなく、また、メタン発酵槽内の汚泥濃度を高く維持することができる。

そして、請求項４に記載の本発明においては、請求項３に記載の本発明の効果に加えて、スカム分離槽で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得ることにより、清澄処理水を直接河川などに放流することができ、また、固液分離に分離膜を用いることにより、装置の設置面積を極めて縮小化することができる。
なお、請求項６に記載の本発明においても同様な効果を奏する。

また、請求項７〜請求項９に記載の本発明においても、前記請求項５または請求項６のいずれかに記載の本発明の効果を奏することができる。
さらに、請求項８に記載の本発明においては、消化ガス中のメタン濃度を高くすることができるとともにアンモニアによる発酵阻害を防止することができ、請求項９に記載の本発明においては、装置内での発泡やアンモニアの揮散を抑制し、脱炭酸および蛋白変性を十分行うことができ、アンモニアストリッピング工程における消泡剤の使用量を大幅に削減することができる。

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有機性廃棄物の処理装置の系統図である。

図１は、有機性廃棄物として家畜糞尿を対象とした処理装置であり、主な装置構成としては、有機性廃棄物の供給量を調整する調整槽１、脱炭酸および蛋白変性処理する加熱処理槽２、アンモニア性窒素の一部を排出除去するアンモニア除去装置３、メタン発酵するメタン発酵槽４、メタン発酵槽内で浮上した浮上固形物を三相分離するスカム分離槽５、スカム分離槽５で分離した水相を脱窒処理する脱窒装置６および分離膜で固液分離して清澄処理水を得る分離膜装置７からなる膜分離脱窒装置１０とを備えている。

以下、これらの構成を詳細に説明する。
調整槽１は、スクリーン１１で家畜糞尿から夾雑物を除去した液状の有機性廃棄物（以下「分離液」という）を後段の処理工程に供給するにあたり、分離液の供給量を調整するために貯留する貯留槽であり、必要によりＰＨ調整が行われる。なお、スクリーン１１に換えて他の固液分離装置としてもよく、また、調整槽１の後段に、分離液からリンを除去する脱リン装置を配置してもよい。なお、脱リン装置としては、家畜糞尿中のマグネシウム、カルシウム、リンと結晶種とを接触させ、リン酸カルシウム化合物などを析出させて脱リンする晶析脱リン装置を用いるのが好ましい。

加熱処理槽２は、分離液を、攪拌機２ｂにより攪拌しながらスチーム加熱器２ａにより所定の温度および滞留時間で加熱処理することにより、分離液中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理する処理槽であり、加熱処理された液（以下「脱炭酸液」という）は熱交換器１２を経て後段のアンモニア除去装置３に供給される構成となっている。

アンモニア除去装置３は、脱炭酸液中のアンモニア性窒素の一部を排出除去する棚段式蒸留塔３Ａを有しており、塔中段から加熱処理された脱炭酸液が供給され、塔底にスチームがスチームエゼクタＥを介して吹き込まれ、有機性廃棄物中のアンモニア分が上昇水蒸気に同伴されて上昇し、棚段により分留濃縮され、塔頂からアンモニア含有水蒸気として排出され、蒸発缶（第２熱交換器）１３、塔頂への還流用のドラムＤを経てアンモニア貯留槽１４に導入され、濃縮アンモニア水として貯留される。蒸発缶１３は、蒸留塔３Ａから排出されたアンモニア含有蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して系外水を系内蒸気とする。ドラムＤは、蒸発缶１３により熱交換され、凝縮したアンモニア水を蒸留塔３Ａの塔頂へ還流する液とアンモニア貯留槽１４に導入する液とに分配する。また、系外蒸気をスチームエゼクタＥに導入し、系外蒸気の通過で生じた負圧力により系内蒸気をスチームエゼクタＥに吸引して両蒸気を混合し、これを蒸留塔３Ａの底部へ導入する。また、塔底からは脱アンモニアされた液（以下「脱アンモニア液」という）が抜き出され、第１熱交換器１２でアンモニア除去装置３に供給される脱炭酸液と熱交換して適宜温度に調整されて後段のメタン発酵槽４に供給される構成となっている。

メタン発酵槽４は、アンモニア除去装置３から供給された脱アンモニア液を、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４は、被メタン処理液である脱アンモニア液を収容する発酵槽４ａ、発酵槽内の中央において垂直方向に配設されたドラフトチューブ４ｂ、ドラフトチューブ４ｂに連通して上部に配設されたヘッドタンク４ｃから主になり、発酵槽４ａはヘッドタンク４ｃにより覆蓋された密閉構造となる。

スカム分離槽５は、メタン発酵槽内で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離する沈降分離槽であり、沈降分離した汚泥の一部はメタン発酵槽４に循環されてメタン発酵槽４内の汚泥濃度の維持に供され、残部は脱水機９に供給されて処理される。

膜分離脱窒装置１０は、硝化槽６ｂの硝化液を脱窒槽６ａに循環して処理する循環脱窒装置６および硝化液を濾過膜で分離する膜分離装置７を組み合わせた装置が用いられ、スカム分離槽５で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る。

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、家畜糞尿をスクリーン１１に供給して家畜糞尿から夾雑物を除去する。分離した夾雑物は後記の脱水機９による脱水汚泥とともに、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。

スクリーン１１で分離された分離液は、調整槽１に供給されて貯留され、適宜供給量に調整されて加熱処理槽２に供給される。加熱処理槽２に供給された分離液は、攪拌機２ｂにより攪拌しながらスチーム加熱器２ａにより温度６０〜８５℃、好ましくは、７０〜８０℃に加熱し、滞留時間が３〜２０時間で処理される。発生したガスは主に炭酸ガスであるため、大気に放出され、臭気を発生するものにあっては生物脱臭装置などの適宜な脱臭設備を経て放出される。また、アンモニアの揮散が惹起される恐れがある場合には、冷却器を配置して凝縮させ還流する。

前記所定の時間加熱処理された脱炭酸液は、熱交換器１２を経て後段のアンモニア除去装置３に供給されるが、図示しない消泡剤供給装置により消泡剤が添加される。脱炭酸液は、炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理されているため、従来よりも極めて少ない消泡剤量の添加ですむことができる。

アンモニア除去装置３の蒸留塔３Ａに供給された脱炭酸液は、塔中段から加熱処理された脱炭酸液が供給され、塔底にスチームが吹き込まれることにより、有機性廃棄物中のアンモニア分が上昇スチームに同伴されて上昇し、棚段により分留濃縮され、塔頂からアンモニア含有蒸気として排出され、蒸発缶１３、塔頂への還流用のドラムＤを経てアンモニア貯留槽１４に導入され、濃縮アンモニア水として貯留される。蒸発缶１３は、蒸留塔３Ａから排出されたアンモニア含有蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して系外水を系内蒸気とする。ドラムＤは、蒸発缶１３により熱交換され、凝縮したアンモニア水を蒸留塔３Ａの塔頂へ還流する液とアンモニア貯留槽１４に導入する液とに分配する。

また、高圧の系外蒸気（駆動蒸気）は、スチームエゼクタＥを通して蒸留塔３Ａの底部へ導入される。具体的には、系外蒸気がスチームエゼクタＥに導入され、系外蒸気の通過で生じた負圧力により系内蒸気（吸込蒸気）をスチームエゼクタＥに吸引して両蒸気を混合して吐出蒸気とし、これが蒸留塔３Ａの底部へ導入される。駆動蒸気量は吸込蒸気と駆動蒸気、吐出蒸気と駆動蒸気の圧力比で決定される。このとき、駆動蒸気量が最小となるように、蒸留塔３Ａの操作温度、圧力等を設定する。蒸発缶１３で発生した蒸気は、蒸留塔３Ａの塔底に吹込み蒸留操作の熱源として利用する。従来の直接吹込み方式と異なり、蒸留塔３Ａの塔頂から発生した蒸気の熱量を利用するので半分程度の蒸気供給量で十分である。
なお、本発明では、スチームエゼクタＥに用いられる系外蒸気として、メタン発酵槽で生成されたメタンを熱源として用いて発生した水蒸気を用いているので、熱源が大幅に削減されている。

なお、ストリッピング処理は、圧力が１０ｋＰａ〜２０ｋＰａ、温度１００℃〜１０５℃の水蒸気によりストリッピング処理される。また、処理する脱炭酸液の滞留時間は１０〜３０ｍｉｎに調整される。また、ストリッピング後のアンモニア性窒素濃度は１,０００〜２,０００ｍｇ／Ｌに調整される。ここで、アンモニア性窒素濃度が１,０００ｍｇ／Ｌ未満では、メタン発酵により生成した炭酸ガスが、消化液中のアンモニア性窒素と反応して炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウムとして固定される量が少なくなり、従って、消化ガス中のメタン濃度が低くなる。一方、２,０００ｍｇ／Ｌを超えると、アンモニアによる発酵阻害の影響が出てくる。さらに、ＰＨは７．５〜８．５に維持される。前記ＰＨ範囲外ではメタン発酵におけるＰＨ阻害の影響が出てくる。

アンモニア除去装置３により脱アンモニア処理された脱アンモニア液は、塔底から抜き出され、熱交換器１２でアンモニア除去装置３に供給される脱炭酸液と熱交換して適宜温度に調整されて後段のメタン発酵槽４に供給される。

メタン発酵槽４に供給された脱アンモニア液は、発酵槽４ａ内で、３５〜３８℃の中温発酵処理方法で行われるが、５４〜５６℃程度の高温発酵処理方法であってもよい。また、メタン発酵処理におけるＰＨは８．０〜８．５に維持し、容積負荷量ＣＯＤｃｒ（二クロム酸カリウムを用いて測定される化学的酸素要求量）２０〜２５ｋｇ／ｍ^３／ｄで運転される。発生した消化ガスは発酵槽４ａの上部に形成されるガス溜りに滞留して内圧を高め、ドラフトチューブ４ｂに連通して上部に配設されたヘッドタンク４ｃへ消化液を押し上げることになる。

発酵槽４ａの上部に形成されるガス溜りに滞留した消化ガスは、その圧力で消化ガス排出管から排出され、シールポット１５を経て脱硫塔８に供給され、脱硫塔８により消化ガス中に混在する硫化水素を除去されて、ガスホルダ１６に貯留される。ガスホルダ１６に貯留された消化ガスは、加熱燃料などとして適宜利用される。なお、発生した消化ガスは、分離液中の炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウムなどの炭酸塩が、加熱処理槽２において分解されて炭酸ガスとして除去され、また、メタン発酵に伴って発生する炭酸ガスが残留アンモニア性窒素と反応して炭酸塩として固定されるため、メタン濃度を高く維持することができ、燃料電池などの燃料としての価値も高くなる。

ヘッドタンク４ｃへ上昇して滞留する消化液は、液表面に固形物が浮上してスカム層を形成するが、浮上した浮上固形物は抜き出し管から抜き出されてスカム分離槽５に供給され、沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離される。スカム分離槽５の最上層に分離したスカム相および最下層に沈降分離した沈降汚泥の一部はそれぞれメタン発酵槽４に循環され、メタン発酵槽の汚泥濃度維持に供される。従って、従来のようにメタン発酵槽４内での汚泥の浮上による汚泥の処理水への流出を危惧する必要もなく、また、メタン発酵槽内の汚泥濃度を高く維持することができる。なお、メタン発酵槽４内の固形分濃度は、４ｗｔ％〜１５ｗｔ％となるように調整される。

スカム分離槽５で中段に分離した水相は、膜分離脱窒装置１０における脱窒装置６の脱窒槽６ａに供給され嫌気性に維持されるとともに、後段に配置された好気性の硝化槽６ｂの間で循環されることにより、生物学的脱窒処理が行われる。脱窒装置６で脱窒処理された硝化液の一部は膜分離装置７に供給され、分離膜により固液分離され、分離膜を透過した分離液は清澄処理水として系外に排出される。また、分離膜の非透過側に得られる濃縮液は脱窒槽６ａに循環され、生物学的脱窒反応の炭素源として利用される。

また、脱窒槽６ａから一部の脱窒汚泥が抜き出され、前記スカム分離槽５の沈降汚泥の一部とともに脱水機９に供給されて、脱水処理されコンポスト化装置などにより堆肥化されて有効利用することができる。また、脱水機９により分離された液は、脱窒槽６ａに循環されて再度処理される。

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
以下に豚糞尿を処理した試験例について述べる。なお、処理した豚糞尿のスクリーン出口液性（以下「原液」という）は、以下のとおりである。
ＣＯＤｃｒ（二クロム酸カリウムを用いて測定された化学的酸素要求量）＝４１，０００ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ（全窒素）＝４，１００ｍｇ／Ｌ、ＮＨ_４−Ｎ（アンモニア性窒素）＝２，９００ｍｇ／Ｌ、ＳＳ（浮遊物質）＝１８，０００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ＝８．２

１．加熱処理槽での処理による消泡剤添加量の変化（効果が認められる消泡剤添加量）
なお、消泡剤としては、シリコーン系消泡剤（信越化学工業社製、ＫＭ−７３）を使用
＜温度の影響＞
原液における消泡剤添加量：４００〜４５０ｍｇ／Ｌ
温度６０℃、２０時間、加熱処理：１００〜１５０ｍｇ／Ｌ
温度７０℃、２０時間、加熱処理：１００〜１５０ｍｇ／Ｌ
温度８０℃、２０時間、加熱処理：４０〜５０ｍｇ／Ｌ
＜加熱時間の影響＞
原液における消泡剤添加量：３,０００ｍｇ／Ｌ
温度８０℃、１時間、加熱処理：６００ｍｇ／Ｌ
温度８０℃、５時間、加熱処理：４００ｍｇ／Ｌ
温度８０℃、２０時間、加熱処理：２００ｍｇ／Ｌ
前記結果から、加熱処理により消泡剤の使用量を大幅に削減できることが判明した。

２．脱アンモニアのメタン発酵への影響
アンモニア除去装置によりアンモニアを除去し、メタン発酵槽に供給し、温度３５℃の中温発酵にて処理性能を検討した。この結果、アンモニア性窒素が２,０００ｍｇ／Ｌを超えるとＣＯＤｃｒ除去率は４０％以下に低下し、メタン発酵槽内有機酸は１,０００〜２,０００ｍｇ／Ｌが蓄積した。
前記結果から、アンモニア性窒素量が多くなるとアンモニアによる発酵阻害の影響が現れることが判明した。

実施例１
スクリーン出口の豚糞尿を本発明で処理した実施例について述べる。
原液の液性
ＣＯＤｃｒ：４５，０００ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ：２４，０００ｍｇ／Ｌ、ＶＴＳ［強熱減量（蒸発残留物を６００℃で強熱したときの減量割合）］：１８，０００ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ：５，０００ｍｇ／Ｌ、ＮＨ_４−Ｎ：４，２００ｍｇ／Ｌ、ＳＳ：１５，０００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ：８．２
前記原液を加熱処理槽で温度：８０℃、２０時間加熱処理して、ＣＯ_２除去率：５０％、ＰＨ：８．６〜８．９、ＮＨ_４−Ｎ：２，６００〜３,８００ｍｇ／Ｌでアンモニア除去装置に供給し、アンモニア除去装置で脱アンモニア処理して、アンモニア性窒素量：１，３００〜１,８００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ：７．５〜８．０としてメタン発酵槽に供給した。

メタン発酵槽で、温度：３５℃、ＰＨ：８．２〜８．５、容積負荷ＣＯＤｃｒ：２０ｋｇ／ｍ^３／ｄ、ＶＴＳ：７ｋｇ／ｍ^３／ｄで処理した結果、メタン発生量：５００Ｎｍ^３−ＣＨ_４／Ｔ−入口ＶＴＳであった。また、そのガス組成は、ＣＨ_４：８０〜８８ｖｏｌ％、ＣＯ_２：２０〜１２ｖｏｌ％であった。
加熱処理や脱アンモニア処理をしない従来法では、容積負荷ＶＴＳ：２．５〜３ｋｇ／ｍ^３／ｄでの処理となり、メタン発生量は３５０Ｎｍ^３−ＣＨ_４／Ｔ−入口ＶＴＳであった。また、そのガス組成は、ＣＨ_４：６０ｖｏｌ％、ＣＯ_２：４０ｖｏｌ％であった。
前記結果から、アンモニア性窒素量を１，０００〜２，０００ｍｇ／Ｌ程度残留させてメタン発酵処理する本発明では、極めて高い濃度のメタンガスを多量に生成回収できることが判明した。このように、高いメタン濃度となるのは、原液中の炭酸塩が、加熱処理槽において炭酸ガスとして除去され、また、メタン発酵に伴って発生する炭酸ガスが残留アンモニア性窒素と反応して炭酸塩として固定される相乗効果によるものと考えられる。

また、前記メタン発酵処理後の消化液を膜分離脱窒装置に供給して処理した結果、清澄処理水はＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）：１０〜２０ｍｇ／Ｌ、Ｔ−Ｎ：５０〜１２０ｍｇ／Ｌを維持することができた。

ここで、表１を用いて、スチームストリッピング装置の基本的方式（直接蒸気吹込み方式）、特許文献１の方式、実施例１の方式のものに対して、下記項目につき設備比較を行った結果を報告する。

表１から明らかなように、本発明の実施例１の方式のものでは、消費蒸気量が比較的少なく、アンモニア蒸気潜熱回収量は約５０％で、動力消費量が小さく、設備建設費が少なく、運転の安定性も良好で、処理液の希釈も直接吹き込み方式の５０％程度と少なくすることができた。

本発明は、牛、豚、鶏、馬や羊などの家畜糞尿や、食品廃棄物、または高濃度のアンモニア性窒素含有の有機性排水などの有機性廃棄物の処理に有用である。
また、本発明は、アンモニア含有排水中に含まれるアンモニアを蒸留操作によって分離する技術の他、エネルギー回収の必要とされる蒸留操作の全般に適用することができる。

本発明に係る有機性廃棄物（家畜糞尿）の処理装置の系統図である。

符号の説明

１ ：調整槽
２ ：加熱処理槽
３ ：アンモニア除去装置
４ ：メタン発酵槽
５ ：スカム分離槽
６ ：脱窒装置
６ａ：脱窒槽
６ｂ：硝化槽
９ ：膜分離脱窒装置
３Ａ：蒸留塔
１３：蒸発缶（第２熱交換器）
Ｄ：ドラム
Ｅ：スチームエゼクタ

Claims (8)

1. アンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を塔中段に供給して塔底部から供給される水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離してアンモニア性窒素濃度が１，０００〜２，０００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ７．５〜８．５に調整されてなる処理液を得る蒸留塔と、
   該蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを熱交換する第１熱交換器と、
   前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して該アンモニア性窒素を含む水蒸気を凝縮してアンモニア水にするとともに、該系外水を系内蒸気とする第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器で凝縮したアンモニア水を、蒸留塔の塔頂へ還流する液とアンモニア貯槽に導入する液とに分配するドラムと、
   前記第２熱交換器で生成した系内蒸気を系外蒸気に吸引して混合し、蒸留塔の底部に水蒸気として供給するためのスチームエゼクタ
   とを備えたことを特徴とするアンモニア除去装置。
2. アンモニア性窒素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装置において、
   前記有機性廃棄物を加熱して前記有機性廃棄物中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理する加熱処理装置と、
   該加熱処理装置で加熱処理された加熱有機性廃棄物からストリッピング操作でアンモニア性窒素の一部を排出除去するアンモニア除去装置と、
   該アンモニア除去装置でアンモニア性窒素の一部が除去された有機性廃棄物を、メタン発酵して有機物の除去と消化ガスを回収するメタン発酵槽とを備え、
   前記アンモニア除去装置は、
   アンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を塔中段に供給するとともに、塔底部から供給される水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離してアンモニア性窒素濃度が１，０００〜２，０００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ７．５〜８．５に調整されてなる処理液を得る蒸留塔と、
   該蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを熱交換する第１熱交換器と、
   前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを熱交換して該アンモニア性窒素を含む水蒸気を凝縮したアンモニア水にするとともに、該系外水を系内蒸気とする第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器で凝縮したアンモニア水を、蒸留塔の塔頂へ還流する液とアンモニア貯槽に導入する液とに分配するドラムと、
   前記第２熱交換器で生成した系内蒸気を系外蒸気に吸引して混合し、蒸留塔の底部に水蒸気として供給するためのスチームエゼクタ
   とを備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
3. 前記メタン発酵槽内で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離するスカム分離槽と、
   該スカム分離槽で最上層に浮上分離したスカム相を前記メタン発酵槽に循環するスカム循環経路および最下層に沈降分離した沈降汚泥を前記メタン発酵槽に循環する沈降汚泥循環経路、
   とを、さらに備えた請求項２記載の有機性廃棄物の処理装置。
4. 前記スカム分離槽で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る膜分離脱窒装置、
   をさらに備えた請求項３記載の有機性廃棄物の処理装置。
5. アンモニア性窒素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において、
   前記有機性廃棄物を加熱処理槽で加熱して前記有機性廃棄物中の炭酸化合物および蛋白質の少なくとも一部をそれぞれ脱炭酸および蛋白変性処理し、発生した炭酸ガスを排出除去する加熱処理工程と、
   該加熱処理工程で加熱処理された加熱有機性廃棄物をアンモニア除去装置でのストリッピング操作によりアンモニア性窒素の一部を排出除去するストリッピング工程と、
   該ストリッピング工程でアンモニア性窒素の一部が除去された
   有機性廃棄物を、メタン発酵して有機物の除去と消化ガスを回収するメタン発酵工程、
   とを備え、
   前記アンモニア除去装置では、
   蒸留塔内でアンモニア性窒素を含む有機性廃棄物を水蒸気に接触させ、前記有機性廃棄物からアンモニア性窒素を分離することで、前記有機性廃棄物をアンモニア性窒素濃度が１，０００〜２，０００ｍｇ／Ｌ、ＰＨ７．５〜８．５に調整されてなる処理液として前記蒸留塔の底部から排出し、
   前記蒸留塔に供給される前記有機性廃棄物と、前記蒸留塔の底部から排出された前記処理液とを第１熱交換器により熱交換し、
   前記蒸留塔の上部から排出されたアンモニア性窒素を含む水蒸気と、外部から導入された系外水とを第２熱交換器により熱交換して該アンモニア性窒素を含む水蒸気を凝縮したアンモニア水にするとともに、前記系外水を系内蒸気とし、
   前記第２熱交換器で凝縮したアンモニア水を、ドラムを介して、アンモニア貯留槽に導入する一方、残りの液分を前記蒸留塔の塔頂へ還流し、
   系外蒸気をスチームエゼクタに導入し、前記系外蒸気の通過で生じた負圧力により、前記第２熱交換器で生じた前記系内蒸気をスチームエゼクタに吸引して両蒸気を混合し、これを前記蒸留塔の底部へ導入することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
6. 前記メタン発酵工程で浮上した浮上固形物を沈殿相、水相およびスカム相の三相に分離するスカム分離工程と、
   該スカム分離工程で最上層に分離したスカム相を前記メタン発酵槽に循環するスカム循環工程および最下層に沈降分離した沈降汚泥を前記メタン発酵槽に循環する沈降汚泥循環工程と、
   該スカム分離工程で中間層に分離した水相を脱窒処理し分離膜で固液分離して清澄処理水を得る膜分離脱窒工程、
   とを、さらに備えた請求項５記載の有機性廃棄物の処理方法。
7. 前記有機性廃棄物が家畜糞尿である請求項５または請求項６に記載の有機性廃棄物の処理方法。
8. 前記加熱処理工程では、温度６０〜８５℃、滞留時間３〜２０時間で加熱処理する請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の有機性廃棄物の処理方法。
   

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