JP4600921B2

JP4600921B2 - 有機性廃棄物の処理方法及び装置

Info

Publication number: JP4600921B2
Application number: JP2004333466A
Authority: JP
Inventors: 直明片岡; ロベルト正浩芹川; 晶子宮; 仲道山崎
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: JP2006142165A

Description

本発明は、下水汚泥、し尿、家畜糞尿、生ごみ、食品加工廃棄物、屠畜場廃棄物、アルコール蒸留廃棄物、廃木材や草本類などの有機性固形物を含む廃棄物や廃水の処理方法に係わり、特に、有機性廃棄物から水素及び／又はメタンを回収する有価物生産プロセスを有することを特徴とした有機性廃棄物の処理方法及び装置に関するものである。

近年、生ごみや食品加工残渣、下水汚泥などの有機性廃棄物や廃水の資源回収型処理技術として、これらをガス燃料や液体燃料に変換するメタン発酵や水素発酵、乳酸発酵、エタノール発酵などが注目されるようになってきた。
有機性廃棄物を原料としたメタン発酵や水素発酵、エタノール発酵においては、余剰菌体及び原料の未分解物を含む残渣が必ず排出される。従来はこれら残渣を含む廃液や汚泥は産業廃棄物として処分されるか、さらに好気性生物処理のような後処理をしてから、固液分離した液体は放流、固形物は脱水汚泥や余剰残渣として産業廃棄物として処分されていた。

さらに近年では、産業廃棄物処分場の処分地が逼迫し、廃棄物処分量の大幅削減が必須となってきたため、残渣の一部をオゾン処理、超音波処理、熱アルカリ処理、湿式酸化処理あるいは水熱処理のような物理化学処理法による可溶化工程を経た後、メタン発酵槽あるいはエタノール発酵槽へ戻して再発酵することにより、メタンやエタノール回収量を増加させると共に余剰汚泥発生量を減少させる処理プロセスが提案されている。
しかしながら、メタン発酵やエタノール発酵を中核とするこれらの処理プロセスにおいては、有機物中の炭素分の多くがメタンガスやエタノールとして回収されるが、窒素やリンは菌体に転換する以外に除去することができず、発酵残渣として残留する。特に、前述のように物理化学処理による可溶化工程を経た後にメタン発酵槽やエタノール発酵へ戻す方法の場合、炭素分についてはメタンやエタノール転換が促進されるものの、発酵汚泥中の溶解性の窒素やリンの濃度が可溶化しない場合に比べて相対的に高くなる。このような窒素やリンの濃度の高い発酵残渣の処理として、リンについてはリン酸マグネシウムアンモニウムとして沈殿除去するＭＡＰ法などの化学的処理方法が開発されつつあるが、窒素については効率的な処理プロセスが構築されていないのが現状である。
特開平9-294969号公報特開2001-262162号公報

以上に述べたように、従来有機性廃棄物から微生物反応を用いて有価物、特に水素やメタンなどの気体燃料を生産する工程から排出される発酵残渣は、有機物濃度が高い、生物分解性が低い、有機物と窒素やリンの濃度バランスが悪いなど、極めて処理困難な廃液または汚泥であった。そうした発酵汚泥は、環境負荷の低い処理方法が確立されていないため、主として産業廃棄物として埋立や焼却により処分されることが多かったが、廃棄物処分量の大幅な削減が急務となってきている。
すなわち、本発明は有機性廃棄物から有価物を生産する工程から排出される発酵残渣の量を低減し、環境負荷の低い有機性廃棄物の処理方法及び装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、有機性廃棄物の有価物回収後の残渣に焦点を当て、その効率的な処理方法と処理装置について鋭意検討を行った。先ず、発酵残渣の物理化学的処理方法や生物学的処理方法の研究事例を基に、そこでの有機物分解反応特性や生成物性状を解析・考察した。そして、発酵残渣の物理化学的処理法によって生成された物質を微生物反応によって効率よく処理するプロセスを考案して本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は下記の構成により上記の目的を達成するものである。
（１）有機性廃棄物から嫌気性生物学的方法で水素及び／又はメタンを生産する工程を含む有機性廃棄物の処理方法において、該生産工程から排出された残渣を水熱酸化処理工程で該残渣中に存在するアンモニア態窒素を２００〜３５０℃、酸素分圧１．５〜４ＭＰａの水熱酸化処理で酸素存在下、酸性ゼオライトを含む酸化触媒とを接触させて硝酸態窒素に転換する処理をし、該水熱酸化処理工程後にその処理物に含有される硝酸態窒素を窒素ガスに転換する嫌気性生物脱窒素工程で処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（２）前記嫌気性生物脱窒素工程が、水素発酵、酸発酵、メタン発酵、嫌気性生物脱窒素反応のいずれかの嫌気的生物反応下で行うことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。

（３）有機性廃棄物から嫌気性生物学的方法で水素及び／又はメタンを生産する生産装置部を備える有機性廃棄物処理装置であって；水素及び／又はメタンを生産する発酵槽と、該発酵槽に有機性廃棄物を供給する有機性廃棄物供給部と、水素及び／又はメタン回収部と、発酵残渣を含む処理物を排出する排出部とを備える前記生産装置部と；該生産装置部から排出される発酵残渣を含む処理物を供給する配管系を含む処理物供給部と、酸性ゼオライトを含む酸化触媒を有し供給される前記処理物について２００〜３５０℃の温度及び１．５〜４ＭＰａの圧力に耐えられる水熱酸化反応容器と、該反応容器内に酸素を供給する酸素供給部と、処理後の残渣を排出する残渣排出部とを備える水熱酸化処理装置部と；該水熱酸化処理装置部の後段に嫌気性生物脱窒槽とを有することを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
（４）前記水熱酸化処理装置部から排出される残渣の少なくとも一部を、水素及び／又はメタンを生産する発酵槽に返送する機構及び配管を備えることを特徴とする請求項３に記載の有機性廃棄物の処理装置。

本発明の有機性廃棄物の処理方法及び装置によれば、有機性廃棄物からの有価物生産工程で排出された残渣を水熱条件下での酸素酸化処理（水熱酸化処理）によって該残渣中のアンモニアを硝酸に容易に転換することができる。さらに、その硝酸態窒素は生物学的脱窒素工程によって窒素ガスにも転換でき、併せて、水素及び／又はメタンなどの有価物生産量を向上できるようにしたので、残渣量を大幅に低減でき、環境負荷の低い有機性廃棄物の処理方法を提供することが可能となった。また、有機性廃棄物からの残渣を極く短時間で液肥化することもできる。

以下に、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以降、便宜的にメタン発酵残渣を対象とした処理方法について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（１）有価物生産装置
有機性廃棄物からの有価物生産の１例である水素及び／又はメタンを生産する方法としては、熱的方法、物理化学的方法、生物的方法などがあるが、生物学的方法を用いる有価物生産装置の好ましい態様としては、酸発酵法や水素発酵法、可溶化・水素発酵法、メタン発酵法などが挙げられる。これらはいずれもが嫌気性処理法と称される発酵法であり、温度30〜70℃、pH5〜8.5、酸化還元電位−100〜−600mVでの嫌気性雰囲気下で有価物である水素及び／又はメタンを生産する。これらの嫌気性発酵に伴い、微生物菌体（余剰汚泥）、アンモニア態窒素が生成される。さらには難分解性の固形物が未分解残渣として残存する。

ここで可溶化・水素発酵法とは、有機性廃棄物の固形物が加水分解反応や酸発酵、エタノール発酵、乳酸発酵などの嫌気性発酵がほぼ同時に進んでいくことにより可溶化される過程で、水素発酵も行わせるプロセスのことである。可溶化・水素発酵法では、反応温度30〜70℃、pH4.5〜7より好ましくはpH5〜6、水理学的滞留時間（HRT）1〜5日とすることが好ましい。特に、有機性廃棄物の種類によっては可溶化段階が反応律速となりやすいことから、温度45〜70℃の高温反応をHRT 2〜5日で行うことが好ましい。酸発酵、乳酸発酵、エタノール発酵、水素発酵、可溶化・水素発酵などの工程では、水素、二酸化炭素、硫化水素の他に、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸などの有機酸、エタノール、プロパノール、2、3-ブタンジオール、アセトン、ブタノールなどのアルコール類が主に生成される。

メタン発酵ではメタン、二酸化炭素、硫化水素、アンモニアなどのバイオガスが主に生産される。メタン発酵では、有機物1kgあたり0.35m³（標準状態）のメタンが生産される。メタン発酵は、発酵温度30〜70℃、好ましくは35〜40℃の中温性メタン発酵領域又は50〜65℃の高温性メタン発酵領域で行う。これは、多くの中温性又は高温性メタン生成細菌群やその他の嫌気性細菌群の生育最適温度がこれらの範囲内にあるためである。pH条件はpH6〜9より好ましくはpH7〜8、HRTは5〜30日より好ましくは10〜25日の条件で運転することが好ましい。

本発明に係る有機性廃棄物処理向けのメタン発酵工程では、反応器形式として、浮遊床型、固定床型、流動床型、ＵＡＳＢ（上向流式嫌気性スラッジブランケット）型のいずれもが適用可能である。この選択に際しては、特にSS（Suspended Solids）濃度、油脂濃度に注意を払う必要がある。具体的には、SS濃度2,000mg/Ｌ以上の場合には浮遊床型を適用することが好ましい。また、油脂濃度が、1,000mg/Ｌ以上の場合には浮遊床型を適用することが好ましい。メタン発酵槽内においては中性脂肪や高級脂肪酸は温度の高いほうが分散性が増すため、油脂成分の多く含まれる廃棄物原料に適用する場合には、50〜65℃の高温メタン発酵方法を選択することが好ましい。

固定床型、流動床型といった微生物保持担体を充填したメタン発酵では、微生物を担体に保持する方法として結合法や包括法を適用できるが、本発明でのメタン発酵工程における微生物反応においては、砂、珪砂、活性炭、セラミックス、合成樹脂、炭素繊維、プラスチックビーズ、ガラスビーズ、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、ポリプロピレン、汚泥焼却灰、木炭粉末、石炭灰フライアッシュのような粒子表面に微生物群を付着させて生物膜を形成させることが有利である。これらの保持担体の嫌気性処理槽内での存在形態、流動状態によって固定床と流動床に大別されるが、本発明ではどちらのタイプも適用が可能である。ただし、固定床タイプでは油脂分の過剰付着による固定化担体の閉塞や汚泥の浮上が、また流動タイプでは担体同士のぶつかり合いによる汚泥の剥離が問題となりやすいため、発酵原料中の油脂分濃度や固形物濃度などの性状、発酵槽運転時の廃水供給方法や有機物負荷、汚泥濃度や汚泥性状などに注意が必要である。これらの操作条件を決めるに際しては、廃水性状、水量変動、目標処理水質を加味した上で決定されるものである。

物理化学的方法を用いる有価物生産の好ましい態様としては、100℃以上臨界温度未満の温度において、その溶液が液相を維持する圧力（臨界圧力未満）の条件下、直流電流を供給することで水熱電気分解させて水素ガスを回収する方法がある。この方法によれば、水熱電解槽を用いて難分解性の有機物からの水素ガス回収が可能である。以下に、水熱電気分解について説明する。ハロゲン化物イオン及び還元性物質を含む有機性廃棄物の水媒体（水溶液）に、100℃以上前記水媒体の臨界温度未満の温度、好ましくは、100〜350℃の温度条件において、前記水媒体が液相を維持する圧力において、直流電流を供給する。すなわち、水熱条件下で電気分解を行うので、水熱電気分解という。電気分解の条件として、陽極の電流密度は0.1mA/dm²〜500A/dm²であることが好ましい。電流密度が500A/dm²より高い場合には、陽極表面が剥離したり、溶出し易くなる。一方、電流密度が0.1mA/dm²より低い場合には、陽極の面積を大きくする必要があり、装置が大型化するという欠点がある。電流密度は10mA/dm²〜100A/dm²であることが更に好ましく、100mA/dm²〜50A/dm²であることが一層好ましい。圧力は1MPa〜22MPaの範囲であり、温度と圧力の組み合わせとしては、150℃〜250℃と1MPa〜6MPaの組合せが好ましい。なお、温度と圧力がともに低いと、有機性固形物の可溶化があまり進行ぜず、一方、温度と圧力がともに高すぎると、有機性固形物や可溶化成分が無機化されてしまうので適宜調整することが望ましい。
なお、有価物生産工程から回収された水素及び／又はメタンは、気体燃料としてボイラ、ガス発電、マイクロガスタービン、燃料電池などに供給することにより熱や電気として利用できることは言うまでもない。

（２）発酵残渣中のアンモニア分解条件
発酵残渣中に含まれるアンモニア態窒素（アンモニア態窒素濃度として300〜8,000mg/Ｌ程度）を硝酸態窒素に転換するための方法として、水熱条件下での酸素酸化反応（水熱酸化）が効果的である。その際の温度、酸素分圧及びpH条件として、温度は100℃以上、臨界温度未満、好ましく150〜400℃、最も好ましくは200〜350℃、酸素分圧は0.7〜4MPa以上とすることが好ましく、最も好ましくは1.5〜7MPa以上である。pH条件としてはpH5〜9の範囲が好ましく、最も好ましくはpH6〜8の中性領域であり、その条件においてアンモニア分解が効率的に進行する。処理時間としては、反応容器内滞留時間0.5〜5h、より好ましくは0.5〜2hで行う。上記のような水熱酸化条件下、pH6〜8の中性領域、酸素圧0.7〜4MPa以上での熱化学反応によって発酵残渣中のアンモニア成分を硝酸へ転換することが可能となる。なお、従来の生物学的硝化法では微生物への反応阻害を回避するためアンモニア濃度2,000〜3,000mg/L以下となるよう対象物の希釈等の操作が必要であったが、前述のような水熱酸化反応を用いれば高濃度領域のアンモニアに対して反応効率、転換効率が高い点が有利となる。

（３）アンモニア分解における触媒条件
上記のような水熱条件下、pH6〜8の中性領域、酸素分圧0.7〜4MPa以上での水熱酸化反応において発酵残渣中のアンモニア態窒素を硝酸態窒素へと転換する場合、触媒を用いることが非常に効果的である。例えば、ゼオライト、斜プチロ石、モルデナイト、セピオライト等の添加によってアンモニアの分解反応を促進することができる。中でも、酸性ゼオライト系のセピオライトを用いることは極めて効果的であり、アンモニア態窒素から硝酸態窒素へ転換する反応時間を短縮でき、さらには、同じ反応時間で変換割合も大きくすることができる。なお、酸性ゼオライトであるセピオライトは、成分としてはスメクタイト、あるいはアスベストなどと同類であるが、長方形のチャンネル構造を有していることによりアンモニアの吸着能が高く、内部に強いブレンステッドの酸を含有していることから、吸着したアンモニア成分を活性化することがアンモニア分解反応にとって有利である。

上記のような触媒反応を反応容器内で進める方法として、触媒を添加して混合攪拌する方法の他、触媒を充填する方法、流動化する方法、ハニカム状などに固定化する方法のいずれでも可能である。なお、反応効率と触媒寿命を考慮すると、充填法、流動化法、又は固定化方法において触媒反応効率が高く、取扱いが容易で、寿命も長い。触媒の添加率、充填率、固定化率などの運転操作条件を決める場合には、有価物生産工程から排出される有機物性状、窒素量、水分量、目標水質を加味した上で決めることが必要である。

（４）生物学的脱窒素処理
上述のような水熱酸化処理工程において発酵残渣中のアンモニア態窒素が硝酸態窒素、例えば硝酸へと転換された場合、生成された硝酸は工業原料、液体肥料として用いることができるほか、生物学的脱窒素反応によって硝酸態窒素を窒素ガスへと容易に生物転換することが可能である。生物学的脱窒素反応は、下水処理やし尿処理、工場排水処理などの分野では循環式硝化脱窒法、回分式脱窒法、間欠曝気式脱窒法、オキシデーションディッチ式脱窒法などと称される種々の生物プロセスで既に実用化されており、十分な性能も立証されている。

この脱窒素反応は、脱窒菌の働きによって亜硝酸態窒素や硝酸態窒素が窒素ガスに還元される生物反応である。脱窒菌は従属栄養性細菌であり、脱窒素反応は嫌気性環境で行う菌の呼吸作用であるので、エネルギー源としての水素供与体（有機物）が必要である。脱窒素の反応条件は、温度15〜45℃、pH6〜8で行うことが好ましい。脱窒素反応による水素供与体としては、メタノールやエタノールなどが用いられることが多い。また、有機性廃棄物からの生物的エネルギー回収プロセスからの水素発酵液、酸発酵液、可溶化・水素発酵液、乳酸発酵液、エタノール発酵液、アセトン-ブタノール発酵液、メタン発酵液などを用いることもできる。

水熱酸化処理工程でアンモニア態窒素から硝酸態窒素へと転換された後に一部を有価物生産工程に返送して生物学的脱窒素反応を行う方法には、水熱酸化処理工程から排出された溶液又は汚泥をそのまま返送する方法、排出された汚泥を重力沈降濃縮あるいは機械濃縮によって汚泥部分を排除し、その分離水（上澄液又は脱水ろ液）を有価物生産工程に返送する方法が用いられる。水熱酸化処理によって汚泥の沈降分離性、脱水性が向上するために固液分離は極めて容易となるが、汚泥濃縮工程において汚泥のSSあたり0.1〜1.0％の高分子凝集剤等や鉄系などの無機凝集薬剤を用いて1液法または2液法によって汚泥濃縮・凝集を促進する手法も有効である。また、機械濃縮の手法としては、濃縮スクリーンの他、遠心脱水機、スクリュープレス式脱水機、ベルトプレス脱水機などの汚泥用脱水機として通常使用されるものを適用できる。脱水汚泥を有価物生産工程に返送する場合、これらの脱水機で脱水された汚泥を戻しても何ら問題はない。

さらには、有価物生産工程に返送する際に余剰活性汚泥などの好気性汚泥を外部から導入することも可能である。これは、余剰活性汚泥などの微生物体が主体の汚泥は、嫌気性処理工程において嫌気性発酵の栄養源にもなることから、有機物分解反応の促進にも効果的となる。この場合、汚泥の導入の際に超音波破砕、湿式ミル破砕、ボールミル破砕、ホモジナイズ破砕、熱処理、高温高圧処理、水熱処理、超臨界もしくは亜臨界域での水熱処理、酸やアルカリ処理、オゾン酸化などに代表される物理的、化学的細胞破砕処理を施した後に有価物生産工程に導入することが一層効果的である。

水熱酸化処理工程でアンモニア態から硝酸態へと転換された窒素を含む溶液の一部を有価物生産工程に返送する方法では、脱窒素に加え、水素やメタンなど有価物回収量の増大にも繋がる。なお、水熱酸化処理工程から排出された溶液の一部を有価物生産工程に返送して脱窒素反応を行わせる場合、嫌気性反応と脱窒素反応を同時に安定的に起こさせるために、有価物生産工程でのＣＯＤと硝酸態窒素の比率（ＣＯＤ/ＮＯ_３-Ｎ比）は6以上とすることが好ましく、最も好ましくは9以上に制御することが好ましい。

本発明において、水熱酸化処理後の廃液に有機物、窒素及びリンが残留している場合、当該処理液を嫌気好気活性汚泥変法などのような有機物・窒素・リン同時除去が可能な生物処理によって浄化することができる。また、水熱酸化処理液に有機物及び窒素が放流基準以下で残留し、且つリンが高濃度に残留する場合、当該処理液を凝集沈殿や晶析等のような化学的リン除去方法で処理することができる。化学的リン除去の中でもヒドロキシアパタイトを晶析させる方法（HAP法）においては、対象とする溶液中に高濃度の炭酸が存在すると晶析反応を阻害することが知られており、特に脱炭酸工程は煩雑で高コストであるためHAP法の普及に障害となっているのが実情である。しかしながら、水熱酸化処理では炭酸ガスが十分に気化されるので特別な脱炭酸工程を設ける必要性がなく、化学的リン除去の中でもHAP法が特に好ましい。すなわち、水熱酸化反応器からの処理水は熱交換器等で熱回収を行った後に減圧段階でのフラッシングにより炭酸は気相へ移動され、処理ガスとして分離される。

次に、本発明の実施の形態を図面で説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用いて示す。
図１から図４は、飲料製造工場から排出される食品加工廃棄物20t/日の処理例についての実施形態の図面である。

図４は、従来の有機性廃棄物をメタン発酵で処理するブロック図である。すなわち、食品加工廃棄物20t/日（セルロース性物質30〜40％、タンパク質5〜20％、脂質10〜20％、その他有機性成分20〜45％）の有機性廃棄物を高温メタン発酵処理（55℃、浮遊床型、HRT 17〜20日）する事例を示す。有機性廃棄物１を有機物濃度8〜15％、粘度15〜20mPa.sのスラリーに調整後（有機物濃度調整として主に場内プロセス処理水を使用）、高温メタン発酵槽２で高温メタン発酵処理し、その発酵残渣５が排出される。この場合、高温メタン発酵処理によってメタンガスを主成分とするバイオガスが2,000〜3,500m³(メタンガス含有率55〜68％) 得られる。また、発酵残渣５にはアンモニア態窒素が2,000〜3,500mg/L含まれた。

図１は、本発明により、前述の図４の処理フローで発生する発酵残渣５を、酸性ゼオライトのセピオライト触媒を添加した水熱酸化用反応容器３で水熱酸化処理した事例を示す（温度250℃、pH7の中性領域、酸素分圧1.5Mpa、処理時間1hでの水熱酸化）。水熱酸化用容器３から排出される残渣６は、有機質やアンモニア態窒素をほとんど含まず、代わって、硝酸態窒素を主成分とするものである。この残渣６は液体肥料としての利用価値がある。

図２は、前述の図１から排出された残渣６について、生物学的脱窒素槽４によって硝酸態窒素を窒素ガスに変換する事例を示す。脱窒素槽４では、20〜25℃の温度条件下にて脱窒素反応のための有機物８（例えばメタノール）の添加を行う。脱窒素槽４からは、生物脱窒素反応で生成される窒素ガスが排出され、残渣７は窒素分をほとんど含まなくなる。

図３は、前述の図１から排出された残渣６について、これを汚泥返送ライン９によって高温メタン発酵槽２に返送することによって、脱窒素反応をメタン発酵槽２で行うものである。この方法によって、硝酸態窒素を窒素ガスに変換する際に必要とされる有機物（メタノールなど）を削減することが可能であり、またメタンガス回収量も図１〜２，４の場合と比較して向上させることが可能である。このプロセスからの排出残渣７には窒素分がほとんど含まれない。図３で示される処理プロセスについて、有機性廃棄物全体での具体的なプロセスフローを図５に示す。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何等制限されるものではない。

実施例１
食品製造廃棄物を原料として試験を行った。Ａ工場施設から排出された果実抽出残渣（以下、果物滓と称す）及びお茶殻（以下、茶殻）、排水処理設備から排出された脱水汚泥（以下、汚泥と称す）を混合し、固形物濃度（TS濃度）10％となるように水道水で濃度調整後、石臼式の湿式粉砕機（高速摩砕機セレンディピター（登録商標）MKCA6-3型（増幸産業株式会社製））で粉砕処理した。このように調整した被処理水を以下「原水」と称す。この原水の水質を第１表に示す。原水のpH調整のために粉砕処理した原水１リットルに対してNaHCO₃10ｇを添加して連続実験に供した。また、メタン生成活性を安定に保持するために、必要に応じてFe/Ni/Co混合液〔FeCl₃(29ｇ/L)、NiCl₂・6H₂O（4.4ｇ/L）、CoSO₄・7H₂O（4.7ｇ/L）〕1.0mLを原水１Lに対して添加した。

有価物生産装置として、実験装置は可溶化・水素発酵槽（ポリ塩化ビニル製、総容積5.5L、有効容積5.0Ｌ、ジャケット式温水循環）及び完全混合型の高温メタン発酵槽（円筒型、ポリ塩化ビニル製、総容積30L、有効容積25L、ジャケット温水循環式）を用いた。実験装置の運転条件は、可溶化・水素発酵槽及びメタン発酵槽共に55℃、攪拌速度50/minで行った。可溶化・水素発酵槽の攪拌についてはチューブポンプRP-60型（東京理化器械社製）を使った液循環による攪拌方式とし、発酵槽下部液1.2Lを引抜いて槽上部から注入する操作を1日3回、タイマー運転で行った。原水投入量は1.2〜1.5L/日、HRTは可溶化・水素発酵槽は3日、メタン発酵槽は約20日で行った。可溶化・水素発酵槽への原水投入はチューブポンプRP-60型で発酵槽側面の下部から注入し、可溶化・水素発酵槽からのオーバーフロー液をメタン発酵槽に流入する送液フローとした。また、メタン発酵槽からのオーバーフロー液の一部0.6-0.8L/日を可溶化・水素発酵槽に返送ながら連続運転した。返送操作にはローラーポンプ（東京理化器械社製RP-1000型）を用い、１日４回に分割してタイマー運転で可溶化・水素発酵槽に発酵槽底部から上向流式に注入した。

水質及びバイオガスの分析方法は下記の方法で行った。
・ TS（Total Solids、全蒸発残留物)；105℃蒸発残留物重量（JIS K 0102）
・ VS（Volatile Solids、強熱減量）；600℃強熱減量（JIS K 0102）
・ COD_Cr（化学的酸素消費量）；重クロム酸カリウム法（JIS K 0102）
・ BOD（生物化学的酸素消費量）；ウインクラー・アジ化ナトリウム変法（JIS K 0102）
・タンパク質；（ケルダール窒素−アンモニア性窒素）×6.25
・全還元糖類；フェノール-硫酸法（吸光度488nm）
・脂質；ヘキサン：イソプロパノール（5:3）混合溶媒抽出法
・揮発性有機酸（VFA）；高速液体クロマトグラフ（エルマ光学ERC-8710、検出器 RI、カラムShodex Ionpack KC-811、カラム温度60℃、移動相0.1％リン酸）
・アンモニア態窒素、硝酸態窒素:全自動分析計（Bran+Luebbe TRAACS880型）
・メタンガス・炭酸ガス；ガスクロマトグラフ（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値120mA、分離カラム Active Carbon 30/60、カラム温度 95℃、キャリアガスヘリウム）
・水素（GLサイエンスGC-322、検出器TCD、TCD電流値50mA、分離カラム Unibeads C 60/80、カラム温度 140℃、キャリアガスアルゴン）
・溶解性区分；GF/B （1μｍ）でのろ液

食品加工廃棄物の性状を第１表に示す。

果実滓、茶殻、汚泥を混合後、水分調整して粉砕処理した食品廃棄物粉砕液の性状を第２表に示す。

前述の図１に示す処理プロセスによって、食品廃棄物粉砕液を実験原料に可溶化・水素発酵及びメタン発酵した実験結果を第３表に示す。可溶化・水素発酵及びメタン発酵の運転条件は前述のとおりである。

前述の図２に示す処理プロセスによって、食品廃棄物粉砕液をメタン発酵後、その発酵残渣液を水熱酸化処理した実験結果を第４表の（Ａ）カラムに示す。なお、水熱酸化処理の条件は、有効容積300mLのミニオートクレーブを用い、メタン発酵残渣液150mLとセピオライト1.0gを添加後振り混ぜながら30分間の水熱酸化処理を行った（温度250℃、pH7、酸素分圧1.5MPaでの水熱酸化）。
さらに、前述の図２に示す廃棄物処理プロセスによって、上記の水熱処理で得られた溶液を生物学的脱窒素処理した実験結果を第４表の（Ｂ）カラムに示す。生物学的脱窒素実験は有効容積5.0Lのポリ塩化ビニル製円筒型容器を用い、25℃、攪拌速度10/minで行った。脱窒素処理では、膜分離高負荷脱窒素処理方式のし尿処理場の生物反応槽汚泥を種菌として用い、汚泥濃度3,600mg/L、無酸素滞留時間1〜1.5日、メタノールを連続注入しながら行った。

前述の図３に示す廃棄物処理プロセスによって、上記の水熱酸化処理によって得られた溶液をメタン発酵槽に返送した場合の実験結果を第５表に示す。水熱酸化処理液のメタン発酵槽への循環比は1〜1.5で行った。

本発明は、下水汚泥、し尿、家畜糞尿、生ごみ、食品加工廃棄物、屠畜場廃棄物、アルコール蒸留廃棄物、廃木材や草本類などの有機性固形物を含む廃棄物や廃水の処理方法に適用し、特に、有機性廃棄物から水素及び／又はメタンを回収する有価物生産プロセスを有する有機性廃棄物の処理方法及び装置において有効に適用することができる。

本発明の有機性廃棄物メタン発酵を示すブロック図である。図１から排出された残渣について生物学的脱窒素槽によって硝酸態窒素を窒素ガスに変換するブロック図である。図２から排出された残渣をメタン発酵槽で脱窒素反応を行うブロック図である。従来の有機性廃棄物メタン発酵を示すブロック図である。図３で示される処理プロセスを有機性廃棄物全体で具体化したプロセスフローを示す。

符号の説明

１有機性廃棄物
２高温メタン発酵処理
３水熱酸化用反応容器
４生物学的脱窒素槽
５発酵残渣
６残渣Ａ
７残渣Ｂ
８有機物
９汚泥返送ライン

Claims

有機性廃棄物から嫌気性生物学的方法で水素及び／又はメタンを生産する工程を含む有機性廃棄物の処理方法において、該生産工程から排出された残渣を水熱酸化処理工程で該残渣中に存在するアンモニア態窒素を２００〜３５０℃、酸素分圧１．５〜４ＭＰａの水熱酸化処理で酸素存在下、酸性ゼオライトを含む酸化触媒とを接触させて硝酸態窒素に転換する処理をし、該水熱酸化処理工程後にその処理物に含有される硝酸態窒素を窒素ガスに転換する嫌気性生物脱窒素工程で処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
前記嫌気性生物脱窒素工程が、水素発酵、酸発酵、メタン発酵、嫌気性生物脱窒素反応のいずれかの嫌気的生物反応下で行うことを特徴とする請求項１に記載の有機性廃棄物の処理方法。
有機性廃棄物から嫌気性生物学的方法で水素及び／又はメタンを生産する生産装置部を備える有機性廃棄物処理装置であって；水素及び／又はメタンを生産する発酵槽と、該発酵槽に有機性廃棄物を供給する有機性廃棄物供給部と、水素及び／又はメタン回収部と、発酵残渣を含む処理物を排出する排出部とを備える前記生産装置部と；該生産装置部から排出される発酵残渣を含む処理物を供給する配管系を含む処理物供給部と、酸性ゼオライトを含む酸化触媒を有し供給される前記処理物について２００〜３５０℃の温度及び１．５〜４ＭＰａの圧力に耐えられる水熱酸化反応容器と、該反応容器内に酸素を供給する酸素供給部と、処理後の残渣を排出する残渣排出部とを備える水熱酸化処理装置部と；該水熱酸化処理装置部の後段に嫌気性生物脱窒槽とを有することを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
前記水熱酸化処理装置部から排出される残渣の少なくとも一部を、水素及び／又はメタンを生産する発酵槽に返送する機構及び配管を備えることを特徴とする請求項３に記載の有機性廃棄物の処理装置。