JP6995543B2 - アンモニア分離方法、水処理方法、アンモニア分離装置、及び、水処理装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、アンモニア分離方法、水処理方法、アンモニア分離装置、及び、水処理装置に関する。

下水処理場の水処理や汚泥処理、産業用の排水処理などにおいては、受け入れた被処理水に生物還元処理を施し、水中の懸濁物や溶解物をガス化したり汚泥化したりすることで、被処理水を浄化する。汚泥は、一般的には、沈殿槽で分離された後、汚泥処理を施される。

近年、このような下水処理場などからのエネルギー回収が技術的に注目されており、水処理で生成される汚泥を消化槽にて消化してメタン発酵させ、精製した後のメタンをガスエンジンで燃焼させて、発電機で電力としてエネルギー回収するプロセスの普及が進められている。ガスエンジンからは、温水による排熱回収もできるため、熱効率が６０％以上と高いことが特徴である。

消化槽を設置することで、汚泥からのエネルギー回収が可能となったが、一方で消化は嫌気反応であるため、消化汚泥は液相にアンモニア成分やリン酸などを多く含んでいる。これらのうちリン酸は、汚泥を脱水する前に添加される鉄・アルミ分を含む凝集剤により固形物化され脱水工程を経て除去される。しかしアンモニア成分は、脱水分離液に残留し、返流水に混合されて、水処理工程に戻される。戻されたアンモニア成分を含有する脱水分離液は、水処理装置における生物還元処理で、再度、曝気されて、硝化脱窒してガス化される。

このように下水処理場などではエネルギー回収が促進され、使用動力の一部を賄うことでエネルギーの自立化が進められているが、消化槽を設置することで発生するアンモニア成分を含有する脱水分離液が再び水処理装置で処理されるため、必要な曝気動力が上昇するという問題が生まれている。このため、特に、設備能力に余裕のない下水処理場などでは、消化槽を導入したくてもできないなどの制約となっている。

特許第５５２１５９２号公報

アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離可能にすることにより、エネルギーの効率化を図る。

本実施形態に係るアンモニア分離方法は、アンモニア含有水からアンモニアを分離するアンモニア分離方法であって、水と気体とを分離する気体分離膜を有する膜分離装置を用いて、前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離するステップと、ポンプを用いて、前記アンモニア含有水から分離した気体を移送するステップと、を備える。

本実施形態に係るアンモニア分離装置は、アンモニア含有水からアンモニアを分離するアンモニア分離装置であって、水と気体とを分離する気体分離膜を備える膜分離装置であって、前記気体分離膜を用いて、前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離する、膜分離装置と、前記膜分離装置で前記アンモニア含有水から分離した気体を移送するポンプと、を備える。

一実施形態に係る水処理装置の構成を説明するブロック図。 アンモニア含有水を空気に接触させた際のｐＨと導電率の時間変化を示すグラフ。 アンモニア含有水を空気に接触させた際の無機体炭素の除去率とアンモニア態窒素の除去率の時間変化を示すグラフ。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係るアンモニア分離方法を説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行うこととする。

（アンモニア分離方法の基本概念）
まず、本実施形態におけるアンモニア分離方法の基本的概念について説明する。生物還元処理を行う消化槽にて発生するアンモニア成分は、消化汚泥を脱水した際に得られる脱水分離液に含まれており、この脱水分離液を返流水として水処理工程に戻して混合するとアンモニア成分の濃度が低下してしまう。このため、本実施形態においては、アンモニア成分の濃度が高い脱水分離液から、アンモニアを分離する。ここで、アンモニア成分という文言は、純粋なアンモニア（ＮＨ_３）のみならず、ＮＨ_４ ^＋のアンモニアイオン、アンモニア態窒素（ＮＨ_３－Ｎ）などの種々のアンモニウム化合物を含む意味で用いている。

脱水分離液には、アンモニア成分として、アンモニア態窒素が数百ｍｇ／Ｌ～千数百ｍｇ／Ｌ程度含まれている。また、消化後であるので、ｐＨは弱アルカリ性である。水中のアンモニア態窒素は、ＮＨ_４ ^＋のイオン状の形態とＮＨ_３のアンモニア分子の形態とで解離平衡の関係にあり、更に液中のＮＨ_３と気相中のＮＨ_３との気液平衡の関係にある。解離平衡をＮＨ_３の方向へ進ませるためには、ｐＨを高くする、水温を上昇させる、ＮＨ_３を液中から除去する、といった手段を用いることができる。気液平衡を液相のＮＨ_３から気相のＮＨ_３に移動するように動かすためには、液相中のＮＨ_３濃度を上昇させる、水温を上昇させる、気相のガスを入れ替える、といった手段を用いることができる。

本実施形態においては、解離平衡を動かすために水温を上昇させ、必要に応じてアルカリ剤を用いてｐＨをアルカリ側へ調整し、気液接触によりアンモニアを気相へ抽出する。 抽出したアンモニアは、腐食性のある物質であり、何らかの手段を用いて無害化する必要があるが、燃焼器を用いて燃焼させることで無害化する。燃焼器の前段に必要に応じてガスを精製する精製装置を設けてもよく、アンモニアに随伴する水、炭酸ガス、硫化水素等の不純物を除去する。ここで、燃焼器には発電装置を接続してもよく、その場合はアンモニアを燃料としたエネルギー回収を行うことができるので、水処理系の曝気動力削減だけではなく、エネルギー創出によってエネルギー自立化を促進することができる。

（一実施形態）
次に図面に基づいて、本実施形態の水処理装置の具体的構成の一例を説明する。図１は、本実施形態に係る水処理装置１の全体構成を説明するブロック図である。この図１に示すように、本実施形態に係る水処理装置１は、前処理装置１０と、加温装置１２と、余剰熱源１４と、膜分離装置１６と、曝気装置１８と、ポンプ２０と、精製装置２２と、燃焼器２４と、エネルギー回収装置２６とを備えて構成されている。

前処理装置１０には、原水として、アンモニア成分を含有するアンモニア含有水が供給される。特に、本実施形態においては、消化汚泥を脱水した、脱水分離液が原水として供給される。脱水分離液は、脱水の状態に応じて固形物を多く含む場合がある。このため、この原水をそのまま後段で処理すると、水処理装置１における各所配管に固形物が付着して、配管閉塞を引き起こす恐れがある。そこで、前処理装置１０を付加的に設けて、アンモニア含有水である原水から固形物を除去する。前処理装置１０には、必要に応じて、例えば、傾斜板を備えた滞留沈殿槽の他、砂ろ過装置や膜処理装置を用いることができる。

加温装置１２には、前処理装置１０で前処理されて固形物が除去されたアンモニア含有水が供給される。この加温装置１２により、固形物を除去したアンモニア含有水を加温する。本実施形態においては、加温するための熱源としては、余剰熱源１４を利用する。余剰熱源１４としては、ガスエンジンの容量調整などの都合で燃焼して廃棄されていたメタンガスをバイオガスボイラで燃焼させた熱を用いたり、ガスエンジンから排熱回収された温水を用いたりすることができる。これらは元々、水処理装置１が設置された処理場内で発生したものであり、更に余剰が発生して一部廃棄されることもあるエネルギーであるので、本実施形態に係る水処理装置１でアンモニア分離に使用することで、有効活用することができる。

原水である脱水分離液は、３０℃程度であることが多いが、加温装置１２による加温で概ね６０℃以上とすることが望ましい。余剰熱源１４の熱量は、この水処理装置１が設置された処理場の設計思想により異なるが、調査検討の結果によれば、ある処理場においては脱水分離液の全量を３０℃～４０℃温度分上昇させるだけの余剰エネルギーが存在している。また、脱水分離液の全量を６０℃以上に温度上昇させることができない場合は、脱水分離液の一部だけを、前処理装置１０に供給して、一部の脱水分離液からアンモニアを分離するようにしてもよい。その場合でも、返流水のアンモニアの量が減少しているので、曝気動力の削減効果や、アンモニアを燃料とした発電からのエネルギー回収効果を得ることができる。加温装置１２における熱交換には、シェル＆チューブや、プレート型の熱交換器を用いることができる。

ここで、加温装置１２においては、必要に応じてアルカリ剤を添加してｐＨ調整をすることが望ましい。この加温装置１２の後段でアンモニアをアンモニア含有水から除去すると、アンモニア含有水のｐＨが低下する。ｐＨが低下するとアンモニアの気相への移動が遅くなり、時間がかかったり、所期の除去率を達成できなくなったりする。そのため、予めアルカリ剤を用いて所定のｐＨへ調整しておくことで、アンモニア抽出の反応時間と抽出・除去率をコントロールすることができる。例えば、アンモニア含有水からのアンモニアの除去率８０％程度とするにあたっては、概ねｐＨ８以上とすることが必要であり、望ましくはｐＨ９以上とすることで時間を短縮することができる。また、消化汚泥の脱水に用いた凝集剤の量が、計測や設定値などで予めわかっている場合には、凝集剤に含まれる酸の量からアルカリ剤の量を設定してもよい。

膜分離装置１６には、加温装置１２で加温され、必要に応じてｐＨ調整されたアンモニア含有水が供給される。膜分離装置１６においては、膜分離装置１６に備えられた気体分離膜を用いて、気液平衡によりアンモニア含有水のアンモニアが気相へ移動する。また、膜分離装置１６においては、ポンプと散気板により空気を吹き込んでバブリングしたり、脱気用のガス分離膜を用いて一次側に脱水分離液を流し二次側に空気を流したりして、アンモニアの液相から気相への移行を促進するなどしてもよい。膜分離装置１６に吹き込む空気は、例えば余剰熱源１４或いは図示しない熱源を用いて、予め、供給されるアンモニア含有水と同等の温度まで加熱しておくことが望ましい。

図２は、脱水分離液を模擬したアンモニア含有水を６０℃として空気と接触させた際のｐＨと導電率の時間変化を示すグラフである。この図２においては、横軸に時間Ｔをとっており、左縦軸にｐＨを、右縦軸に導電率（ｍＳ／ｃｍ）をとっている。また、図３は、図２と同様の条件における、無機体炭素の除去率挙動とアンモニア態窒素の除去率挙動の時間変化を示すグラフである。この図３においては、横軸に時間Ｔをとっており、縦軸に無機体炭素とアンモニア態窒素の除去率（％）をとっている。

これら図２及び図３のグラフにより、無機体炭素は炭酸成分であり、まず炭酸が気相中に放出されることで水のｐＨが上昇し、これによりアンモニアが放出されやすい環境となるので、それに応じてアンモニアの除去率が上昇することがわかる。導電率は、イオン成分である炭酸とアンモニウムイオンの減少により低下している。このようにして、膜分離装置１６では、アンモニア含有水である脱水分離液から、アンモニアを分離することができる。

再び図１に示すように、膜分離装置１６にて、アンモニア含有水からアンモニアを分離された液体は、返流水として、水処理装置１の上流工程に戻される。本実施形態においては、返流水は曝気装置１８に戻されて、曝気される。このとき、図３のグラフに示すように、アンモニア態窒素が削減されていることにより、曝気装置１８の曝気動力が、数％～１０％程度削減される。なお、本実施形態においては、上述した前処理装置１０において固液分離された固形物も、返流水として上流工程に戻される。そして、本実施形態においては、前処理装置１０からの返流水も曝気装置１８にて曝気される。

膜分離装置１６にて分離されたアンモニアを含む気体は、ポンプ２０により吸引され、精製装置２２に移送される。ここで、ポンプ２０とは、アンモニアを含む気体を膜分離装置１６から移送するための機械装置の総称であり、一方から他方へ気体を運ぶ能力を有する種々の機械装置が含まれる。

ポンプ２０により移送される気体には、アンモニア（ＮＨ_３）の他に、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）などの不純物が含まれていることもある。燃焼器２４によっては不純物による反応阻害を受ける場合があるため、必要に応じて前処理としての精製装置２２を設置する。例えば、燃焼器２４が燃料電池や触媒燃焼装置である場合には、硫化水素の除去が必要であるので、鉄成分などを含む脱硫剤を用いて除去する。燃焼器２４がガスタービンやガスエンジンである場合には、水の除去のためにガス分離膜によるエアドライヤを設置する。

また、本実施形態においては、精製装置２２に、二酸化炭素吸収液を供給し、この二酸化炭素吸収液に、ポンプ２０により移送された気体に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸収させる。二酸化炭素が吸収された溶液は、精製装置２２から二酸化炭素吸収溶液の回収槽に送出される。

なお、膜分離装置１６で分離されたアンモニアを含む気体に、不純物が含まれていない場合、不純物が含まれていても問題の無いレベルである場合、或いは、後段の燃焼器２４の燃焼に問題が生じない場合には、この精製装置２２は省略することもできる。

燃焼器２４には、精製装置２２で不純物が除去された、アンモニアを含む気体が供給される。燃焼器２４には、燃料電池、ガスタービン、ガスエンジン、及び、触媒燃焼装置などを用いることができる。このうち、燃料電池、ガスタービン、及び、ガスエンジンにおいては、燃焼エネルギーを回収するエネルギー回収装置２６として、発電機を用いることができ、発電機の発電機能により、エネルギーの回収量を増大させることができる。触媒燃焼装置については、用いる触媒により異なるが、数百℃で燃焼させる、発熱反応であることから、エネルギー回収装置２６として、熱回収装置を用いることができる。熱回収装置で回収した熱は、例えば、上述した加温装置１２の余剰熱源１４として用いることができるので、本実施形態に係る水処理装置１におけるアンモニア分離プロセス自体のエネルギー効率を上昇させることができる。

また、燃焼器２４における燃焼にあたっては、抽出できるアンモニア量は熱量ベースでメタンに対して数～２０％程度と少ないこと、また、アンモニア専焼よりも燃焼技術の面で容易であることから、消化ガスと混合して混焼させてもよい。

上述したところから分かるように、図１に示した本実施形態に係る水処理装置１においては、前処理装置１０と、加温装置１２と、膜分離装置１６と、ポンプ２０と、精製装置２２とにより、本実施形態におけるアンモニア分離装置が構成されている。すなわち、このアンモニア分離装置で分離されたアンモニアを含む気体が、燃焼器２４で燃焼され、その燃焼エネルギーがエネルギー回収装置２６にて回収される。また、アンモニア分離装置で、アンモニア含有水からアンモニアを含む気体が分離された液体が、返流水として曝気装置１８に送られる。

以上のように、本実施形態に係る水処理装置１によれば、アンモニア含有水が供給された膜分離装置１６において、気体分離膜により、アンモニア含有水からアンモニアが分離され、この分離された気体をポンプ２０で移送することとしたので、膜分離装置１６からの返流水に含まれるアンモニア成分を減少させることができる。このため、返流水の曝気を行う曝気装置１８の負荷を低減して、曝気装置１８の風量を抑制し、エネルギー消費の削減を図ることができる。また、このように、曝気装置１８の負荷を軽減できることから、設備能力の十分でない下水処理場などにおいても、消化槽を新たに導入することが可能になる。

また、ポンプ２０により移送されたアンモニアを含む気体は、精製装置２２を介して、或いは、直接、燃焼器２４で燃焼され、燃焼エネルギーをエネルギー回収装置２６で回収することができる。このため、この水処理装置１のエネルギー効率も向上させることができる。さらに、エネルギー回収装置２６で回収した燃焼エネルギーを、加温装置１２の熱源として利用すれば、この水処理装置１のエネルギーサイクルを自立させることができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：水処理装置、１０：前処理装置、１２：加温装置、１４：余剰熱源、１６：膜分離装置、１８：曝気装置、２０：ポンプ、２２：精製装置、２４：燃焼器、２６：エネルギー回収装置

Claims (10)

1. 水と気体とを分離する気体分離膜を有する膜分離装置を用いて、アンモニアと炭酸を含有するアンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離するステップと、
   前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離された後の液体を、返流水として水処理工程に戻して、空気を供給する曝気装置で曝気を行うステップと、
   前記分離されたアンモニアを含む気体を、燃焼器を用いて燃焼させるステップと、
   前記燃焼器により生成された燃焼エネルギーを、エネルギー回収装置を用いて回収するステップと、
   を備える水処理方法。
2. 前記アンモニア含有水は、生物還元処理で生成された消化汚泥を脱水した際に得られる脱水分離液である、請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記分離されたアンモニアを含む気体を、精製装置を用いて精製して、不純物を除去した後、前記燃焼器に移送するステップを、さらに備える請求項１又は請求項２に記載の水処理方法。
4. 前記膜分離装置を用いて前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離する前に、前記アンモニア含有水を、加温装置を用いて加温するステップをさらに備える、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水処理方法。
5. 当該水処理方法が実行される水処理装置が設置された処理場内で発生した余剰熱源を利用して、前記加温装置は前記アンモニア含有水を加温する、請求項４に記載の水処理方法。
6. 水と気体とを分離する気体分離膜を備える膜分離装置であって、前記気体分離膜を用いて、アンモニアと炭酸を含有するアンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離する、膜分離装置と、
   前記膜分離装置を用いて、前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離された後の液体を、返流水として水処理工程に戻して、空気を供給する曝気を行う曝気装置と、
   前記膜分離装置を用いて、前記アンモニア含有水から分離されたアンモニアを含む気体を燃焼させる、燃焼器と、
   前記燃焼器により生成された燃焼エネルギーを回収する、エネルギー回収装置と、
   を備える水処理装置。
7. 前記アンモニア含有水は、生物還元処理で生成された消化汚泥を脱水した際に得られる脱水分離液である、請求項６に記載の水処理装置。
8. 前記分離されたアンモニアを含む気体を精製して、不純物を除去する、精製装置をさらに備える請求項６又は請求項７に記載の水処理装置。
9. 前記膜分離装置を用いて前記アンモニア含有水からアンモニアを含む気体を分離する前に、前記アンモニア含有水を加温する、加温装置をさらに備える、請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の水処理装置。
10. 当該水処理装置が設置された処理場内で発生した余剰熱源を利用して、前記加温装置は前記アンモニア含有水を加温する、請求項９に記載の水処理装置。

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