JP6162375B2

JP6162375B2 - 廃棄物からのリン酸の回収方法

Info

Publication number: JP6162375B2
Application number: JP2012163160A
Authority: JP
Inventors: 剛彦高野; 裕聡野崎
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: JP2014018783A

Description

本発明は、廃棄物、とくに、し尿または浄化槽汚泥からリン酸塩をリン酸マグネシウムアンモニウム（以下、「ＭＡＰ」と略記する。）として回収する方法の改良に関する。本発明によれば、し尿および浄化槽汚泥からＭＡＰを回収するに当たり、従来技術によるよりも水分含有量を低減した脱水汚泥を得ることが可能になり、脱水汚泥の処理が容易になる。

し尿および浄化槽汚泥には大量のリン成分が含有されており、リンを含む排水が放流されれば、河川や湖沼、海洋の富栄養化の原因となって赤潮の発生などの好ましくない現象を招くので、その除去が必要である。一方、リンは枯渇が懸念される資源であり、回収して再利用したい。その目的のために開発された技術としては、「ＭＡＰ法」と呼ばれる、リン成分をＭＡＰとして回収する技術がある（非特許文献１）。この技術は、多数の企業の協力の下に実証試験が行なわれ、（財）日本環境衛生センターの廃棄物処理技術検証事業による検証結果書を取得している（非特許文献２）。回収したＭＡＰは、化成肥料として肥料登録が認められる、有用なものであることが確認されている。

ＭＡＰ法の工程は、し尿または浄化槽汚泥を前処理（破砕および夾雑物のスクリーン除去）したのち固液分離して脱水汚泥と固液分離液とを得、この固液分離液にマグネシウム塩を加えて、つぎの反応によりＭＡＰの六水塩を生成させ、
ＰＯ₄ ^3-＋ＮＨ₄ ⁺＋Ｍｇ²⁺ → ＭｇＮＨ₄ＰＯ₄
成長した結晶を分離取得することからなる。ＭＡＰ反応塔は二重筒構造であって、原水すなわち上記の固液分離液を内筒に供給し、下部から空気を吹き込んで上昇流をつくり、上部において塩化マグネシウムを添加し、ｐＨを８．５〜９．０に調整して反応させることによって、ＭＡＰ六水塩を形成させる（特許文献１）。ＭＡＰの結晶は循環流にのって流動する間に成長し、反応塔の底部に沈殿するので、定期的に引き抜いて水切りし、一方、処理水は反応塔の上部からオーバーフローする。この反応塔は可動部分がなく、ＭＡＰ結晶の装置壁への付着などのトラブルも生じないという利点がある。

生成したＭＡＰ結晶は、径０．１〜０．８ｍｍ程度の粒子であって、水切りしただけで含水率３０％以下にすることができる。一方、処理水のＰＯ₄−Ｐ濃度は５〜１０ｍｇ／Ｌであって、これは固液分離液に含有されるリン成分の回収率にして、７０〜９０％に相当する。これに対し、固液分離工程から発生する脱水汚泥は８０％程度の水分を含有しており、この水分含有量を低減することが、従来のＭＡＰ法にとって課題となっていた。

出願人は、し尿および浄化槽汚泥の処理に関して、従来技術によるよりも脱水汚泥の含水量を低減できる脱水処理の技術を開発し、「ＥＺシステム」（登録商標）と名付けて、すでに開示した（特許文献１）。その技術は、受け入れたし尿および浄化槽汚泥を粗破砕ポンプで破砕し、その中の繊維率が２０％以上に保たれる滞留時間だけ貯留槽に滞留させたのち、さらに微破砕ボンプで微細に砕き、凝集沈殿槽において、まず無機凝集剤、つぎに有機凝集剤（凝集助剤）を添加し、撹拌して凝集沈殿させ、続いて加圧型脱水機、たとえばスクリュープレス型脱水機を使用して脱水する工程からなる。このとき、し尿や浄化槽汚泥に含まれていた繊維分が「水みち」の役割を果たし、高度の脱水が実現する。その結果、脱水汚泥の含水率を７０％以下、好適な場合は６０％程度まで低下させることができる。
ＪＥＦＭＡ（環境衛生施設工業会）Ｎｏ．５２（２００５年１月）「ＭＡＰ方によるリン回収資源化システム」（財）日本環境衛生センター「廃棄物処理技術検証第５号」（平成１６年２月）特許第４９２５０７２号

このＥＺシステムを前記ＭＡＰ法の前段に使用することができれば、し尿および浄化槽汚泥からリン酸を回収するとともに、含水率の低い脱水汚泥を得ることができて、廃棄物処理技術に有用な前進をみることができる。ところが、上記の凝集沈殿を行なう工程で、無機凝集剤として通常は硫酸第二鉄などを使用するので、これがリン酸と不溶性の塩を形成してしまい、加圧脱水した固液分離液にリン酸分が移行しないため、ＭＡＰ法の実施に差し支えるという問題がある。

本発明の目的は、ＭＡＰ法へのＥＺシステム適用に伴う問題を解決して、ＥＺシステムの凝集沈殿工程においてリン酸成分が固液分離液中に溶存したまま、後続のＭＡＰ法の工程に進めるような汚泥の脱水技術を確立し、それによって、リン酸成分をリン酸マグネシウムアンモニウムとして回収することと、水分含有量が有意に低減した脱水汚泥を得ることのできる、廃棄物からのリン酸の回収方法を提供することにある。

この目的を達成する本発明の廃棄物からのリン酸の回収方法は、下記の諸工程からなる：
Ａ）し尿および／または浄化槽汚泥である原液を、粗破砕および微破砕し、
Ｂ）微破砕を経た原液を、少なくとも３個の槽を使用する凝集沈殿工程に回し、第一の槽においてｐＨ調整を行ない、
Ｃ）第二の槽において有機凝集剤を添加して撹拌することによって凝集処理を開始し、
Ｄ）第三の槽において凝集処理を完結させたのち、
Ｅ）濃縮機にかけて前段の固液分離を行なって、液体分をＭＡＰ反応塔に送り、
Ｆ）固体分を加圧脱水機にかけて脱水することにより水分含有量が７０％以下の脱水汚泥を得、
Ｇ）ＭＡＰ反応塔において、液体分にｐＨ調節剤およびマグネシウム塩を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）の生成反応を起こさせ、反応塔内に反応液を循環させる間に生成したＭＡＰの結晶を成長させ、
Ｈ）反応塔の底部からはＭＡＰの結晶を濃縮した形で含有する濃縮液を抜き出し、反応塔の頂部からはＭＡＰの結晶を含有しない分離液をオーバーフローさせて分離し、
Ｉ）濃縮液からＭＡＰを回収して有効利用に向け、
Ｊ）分離液に必要な水処理を施して放流するか、または希釈して下水道に放流すること。

本発明のリン酸の回収方法によれば、し尿および／または浄化槽汚泥を処理して、その中のリン酸分をＭＡＰとして回収し、有効利用に向けることができるとともに、脱水汚泥の水分含有量を従来技術の８０％程度に対し少なくとも７０％以下、好適な実施形態では６０％程度に低減することができ、廃棄物処理にとって大きな利益を与える。このような利益は、原液の処理に当たって、粗破砕だけでなく微破砕をも行なうこと、凝集沈殿剤として有機凝集剤を選択し、ｐＨ調整−凝集−再凝集の３段階にわたる処理を行なうこと、そして濃縮液をさらに加圧脱水機にかけて脱水汚泥とすることによって実現したものである。

第一の槽で行なうｐＨ調節は、原液のｐＨが４〜７の範囲、好ましくは４．５〜５．５の範囲になるように行なう。したがって、通常は酸を添加する。アルカリ分を減少させることは、後続の凝集工程において、凝集剤による凝集反応性を高め、添加した凝集剤が有効に凝集に利用されるのに役立つ。

第二の槽では、強い撹拌を行なって原液中の汚泥分と凝集剤とを反応させ、凝集体をつくる。凝集体は強撹拌により粒径の小さいものになるが、強度が高いものを得ることが肝要である。この工程で添加する有機凝集剤としては、両性または架橋型カチオン系のものが使用できるが、とくに架橋型カチオン系のものが好適である。同じ架橋型カチオン系のなかでも、直鎖型よりも分岐鎖型のものが好ましい。強い撹拌や脱水機による圧搾に耐える、丈夫な凝集体を与えるからである。有機凝集剤の使用量は、固形分濃度（ＳＳ）に対して、２〜６％（重量比）となるような量が適切である。

第三の槽では、凝集剤のそれ以上の添加は行なわず、撹拌の強さを落として、第二の槽でできた凝集体を再凝集させ、より大きな凝集体を形成させる。このような過程を経て、加圧脱水機にかけたときに高い脱水率、換言すれば低い汚泥含水率が実現する。有機凝集剤は、無機凝集剤にくらべて原液中の溶解性有機物、コロイド状有機物などの難脱水性有機物を凝集させる力が弱く、繊維分など本来固形の有機物を優先的に凝集沈殿させる。このようにして凝集沈殿した繊維分などの有機物は、前記のように汚泥の脱水を有利に行なわせることに寄与する。

これまでは、し尿・浄化槽汚泥の脱水処理に当たって、高い脱水率を達成することは有機凝集剤では困難であって、無機凝集剤を使用することが必要と考えられてきた。脱水率の高さを誇る前記の「ＥＺシステム」においても、凝集剤としては、「塩化第二鉄、硫酸第二鉄、ポリ硫酸第二鉄、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第一鉄のうちのいずれか一つ、あるいは複数」の使用を推奨している。しかし、無機凝集剤は一般に酸性が強いため、脱水機の材質の腐食やスケールの生成を引き起こすし、それ以前の問題として、リン酸成分の回収というＭＡＰ法本来の目的が達成できない。そこで有機凝集剤を選択せざるを得ないわけであるが、有機凝集剤を用いながら高い脱水率を実現するための方策が、上述した本発明の工程なのである。

図１に示すフローシートの装置において、し尿と浄化槽汚泥とを粗破砕−微破砕して、つぎの原液を用意した。処理量は、０．８ｍ³／時である。
微破砕し尿１．１ｍ³
微破砕浄化槽汚泥１．９ｍ³

原液を第１槽（ｐＨ調整槽）に入れ、硫酸を加えてｐＨを５．２に調節した。第１槽における滞留時間は、３．５分間である。ｐＨを調整した原液を第２槽（混和槽）に移し、分岐カチオン型の有機凝集剤「８４０（ＡＭＣ社製）」を、固形分（ＳＳ）に対して重量で４．５％に相当する量添加し、撹拌混和した。第２槽における撹拌速度は１２０ｒｐｍ、滞留時間は、３．５分間である。有機凝集剤を添加して撹拌した液を第３槽（凝集槽）に移し、さらに撹拌を続けて凝集沈殿を完結させた。第３槽における撹拌速度は７０ｒｐｍ、滞留時間は第二槽と同じ３．５分間である。

凝集した沈殿を含む液をウェジワイア型の濃縮機（有効面積０．１２５ｍ²）により濃縮した。濃縮により得られた汚泥を、スクリュープレス型の加圧脱水機（有効バレル径２００ｍｍ）によりさらに脱水し（処理速度７．６kgds-dry/hr）、水分含有量６５．１％の脱水汚泥を得た。濃縮機からの分離液の水質を原液と対比して示すと、つぎのとおりである。

原液濃縮分離液
ＳＳｍｇ／Ｌ６．９２３２．７
ＢＯＤｍｇ／Ｌ４，１００１，１００
ＣＯＤｍｇ／Ｌ４，４８０３９３
ＰＯ₄ ^3-体Ｐｍｇ／Ｌ６２．３５８．８

濃縮分離液が５８．８ｍｇ／Ｌのリン酸分を含有しているということは、原液に含まれていたリン酸分のうち、９４％が回収の対象となることを意味する。濃縮分離液は、つづいてＭＡＰ工程においてＭＡＰ結晶の析出分離を行ない、化成肥料として有用な製品を得た。ＭＡＰ工程からオーバーフローした液は、常用の水処理工程を経て放流することができた。

比較例

実施例と同様にして、つぎの原液を用意した。処理量は、１．０ｍ³／時である。
微破砕し尿０．８ｍ³
微破砕浄化槽汚泥３．０ｍ³

原液を第１槽（混和槽）に入れ、無機凝集剤としてポリ硫酸第二鉄の水溶液製品である「ポリテツ（日鉄鉱業（株）製）」を、濃度が１１％Ｆｅとなるように添加した。この添加量は、固形分（ＳＳ）に対して、５．０％に相当する。第１槽における撹拌速度は１２０ｒｐｍ、滞留時間は、２．８分間である。ついで、第２槽（ｐＨ調整槽）において、やはり硫酸を加えてｐＨを５．７に調整したのち、第３槽（凝集沈殿槽）において、液体エマルジョン状の有機凝集剤「８４０（ＡＭＣ社製）」を実施例と同じ量添加して撹拌し、凝集沈殿をさせた。第３槽における撹拌速度は７０ｒｐｍ、滞留時間は、２．８分間である。

凝集した沈殿を含む液を、実施例で使用したものと同じ濃縮機により濃縮し、濃縮により得られた汚泥を、やはり加圧脱水機によりさらに脱水し（処理速度７．６kgds-dry/hr）、水分含有量６０．７％の脱水汚泥を得た。この場合の濃縮機からの分離液の水質を原液と対比して示すと、つぎのとおりである。この結果は、無機凝集剤を使用すれば汚泥の水分含有量は顕著に低くすることができるが、リン酸成分の回収は不可能であることを示している。

原液濃縮分離液
ＳＳｍｇ／Ｌ８．６９２７１
ＢＯＤｍｇ／Ｌ４，４００１，６００
ＣＯＤｍｇ／Ｌ４，１９０３８２
ＰＯ₄ ^3-体Ｐｍｇ／Ｌ６７．１＜０．０３

本発明のリン酸の回収方法を実施する装置において、ＭＡＰ法の最終的な水処理工程を除いた工程を示すフローチャート。

Claims

廃棄物からリン酸を回収する方法であって、下記の諸工程からなる方法：
Ａ）し尿および／または浄化槽汚泥である原液を、粗破砕および微破砕し、
Ｂ）微破砕を経た原液を、少なくとも３個の槽を使用する凝集沈殿工程に回し、第一の槽において、前記原液のｐＨが４〜７の範囲になるようにｐＨ調整を行ない、
Ｃ）第二の槽において、架橋型カチオン系の有機凝集剤を添加して撹拌することによって凝集処理を開始し、
Ｄ）第三の槽において凝集処理を完結させたのち、
Ｅ）濃縮機にかけて前段の固液分離を行なって、液体分をＭＡＰ反応塔に送り、
Ｆ）固体分を加圧脱水機にかけて脱水することにより水分含有量が７０％以下の脱水汚泥を得、
Ｇ）ＭＡＰ反応塔において、液体分にｐＨ調節剤およびマグネシウム塩を添加して、リン酸マグネシウムアンモニウム（ＭＡＰ）の生成反応を起こさせ、反応塔内に反応液を循環させる間に生成したＭＡＰの結晶を成長させ、
Ｈ）反応塔の底部からはＭＡＰの結晶を濃縮した形で含有する濃縮液を抜き出し、反応塔の頂部からはＭＡＰの結晶を含有しない分離液をオーバーフローさせて分離し、
Ｉ）濃縮液からＭＡＰを回収して有効利用に向け、
Ｊ）分離液に必要な水処理を施して放流するか、または希釈して下水道に放流すること。