(57)【要約】【課題】本発明の目的は、食品廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法を提供することである。【解決手段】メタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法であって、メタン発酵消化液は、食品廃棄物をメタン発酵法によって処理して得られるものであって、メタン発酵消化液を固液分離法によって固液分離し、固液分離液を生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素し、脱窒素液を凝集法によって処理して窒素化合物を除去する方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法であって、
前記メタン発酵消化液は、食品廃棄物をメタン発酵法によって処理して得られるものであって、
前記メタン発酵消化液を、固液分離法によって固液分離し、
固液分離液を、生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素し、
脱窒素液を、凝集法によって処理して窒素化合物を除去する方法。
【請求項２】
前記メタン発酵消化液は、２００００ｍｇ／Ｌ以上６００００ｍｇ／Ｌ以下の懸濁物質を含有していることを特徴とする、請求項１に記載の窒素化合物を除去する方法。
【請求項３】
前記凝集法は、無機系凝集剤のみ、又は無機系凝集剤と高分子系凝集剤の両方の凝集剤を使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒素化合物を除去する方法。
【請求項４】
前記食品廃棄物は、事業系又は家庭系の一般廃棄物における固形廃棄物であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒素化合物を除去する方法。
【請求項５】
前記メタン発酵法は、湿式メタン発酵法である、請求項１から４のいずれかに記載の窒素化合物を除去する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品循環資源の再生利用等の促進に関する法律（食品リサイクル法）が、平成１３年に施行された。食品リサイクル法は、食品の製造、流通・小売等を業として行う食品関連事業者による食品循環資源（食品廃棄物であって、飼料・肥料等の原料となる等有用なもの）の再生利用を促進するための措置を講ずることにより、食品に係る資源の有効な利用の確保及び食品に係る廃棄物の排出の抑制等を図ることを目的としている。一方で、食品関連事業者から廃棄される食品廃棄物等の発生量は増えており、再生利用事業者により処理される食品循環資源は増えている。
【０００３】
ところで、食品廃棄物の再生利用事業では、再生エネルギーの固定価格買取制度（ＦＩＴ）の開始を契機に、メタン発酵設備とガス発電設備を組み合わせて食品廃棄物をリサイクルする方法が採用される傾向にある。メタン発酵法によって食品廃棄物をバイオガスとメタン発酵消化液に分解することで、バイオガスをガスエンジン発電等に、そしてメタン発酵消化液等を植物の液肥にリサイクルすることを可能にする。
【０００４】
食品加工製造業において食品廃棄物となる食品等の組成の一例を表１に示す。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
表１から、食品廃棄物には、水分、炭水化物に次いでタンパク質が多く含有されていることがわかる。タンパク質は、アミノ酸の化合物であり、窒素含有量が高い物質であることから、食品廃棄物には、多量の窒素化合物が含有されているといえる。そのためにメタン発酵法によって食品廃棄物から得られるメタン発酵消化液は、植物の成長に必要な窒素化合物を多量に含有する優れた液肥となる。ところが、液肥として用いられないメタン発酵消化液は公共下水道に排水される場合が多く、豊富に含有される窒素化合物は湖沼や海洋における植物プランクトンの栄養源となり、赤潮やアオコの原因となる。
【０００７】
ここで、排水中の窒素化合物は、分析上、アンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）、亜硝酸性窒素（ＮＯ２−Ｎ）、及び硝酸性窒素（ＮＯ３−Ｎ）からなる無機態窒素（Ｉｎｏｒｇ−Ｎ）、並びに有機態窒素（Ｏｒｇ−Ｎ）に分類できる。公共下水道にメタン発酵消化液を排水する場合、排水中に含有される無機態窒素及び有機態窒素を含む窒素総量（Ｔ−Ｎ）は、水質汚濁防止法上定められた１２０ｍｇ／Ｌまで低減させる必要がある。
【０００８】
そこで、窒素化合物を含有する排水に関係する事業、例えば、鉄鋼業、食品加工製造業、メッキ業、液晶・半導体・電気部品製造業、化学工場等の製造業では、一般に、表２に示す処理方法やそれらの組み合わせによって、排水中の窒素化合物の処理を行っている。
【０００９】
【表２】
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【００１０】
食品廃棄物を再生利用するメタン発酵施設では、メタン発酵消化液を公共下水道に排水する場合には、メタン発酵消化液中の窒素化合物について、アンモニアストリッピング法（例えば、特許文献１参照）等の物理化学処理法ではなく、生物学的硝化脱窒素法が採用されていることが多い（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１０５８５５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、タンパク質を多量に含有する固形状の食品廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵消化液は、複雑な形態をとる有機態窒素等の窒素化合物を高濃度で含有する。生物学的硝化脱窒素法は、アンモニア性窒素等の無機態窒素を脱窒素することには優れているが、多量の有機態窒素を全て脱窒素することはできず、窒素化合物を安定して除去することは困難である。そのため、脱窒素液中の窒素含有量が排水基準を満たさない場合には、他の水を用いて希釈する方法により、排水基準以下の水質にして排水することが多く、液肥として利用されないメタン発酵消化液中の窒素化合物の処理が問題となっていた。
【００１３】
したがって、本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、食品廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明の発明者は、上記課題に鑑み、鋭意研究を行った。その結果、メタン発酵消化液を固液分離し、固液分離液を生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素し、脱窒素液を凝集法によって処理して窒素化合物を除去する方法により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（１）  本発明の第１の態様は、メタン発酵消化液に含有される窒素化合物を除去する方法であって、前記メタン発酵消化液は、食品廃棄物をメタン発酵法によって処理して得られるものであって、前記メタン発酵消化液を固液分離法によって固液分離し、固液分離液を生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素し、脱窒素液を凝集法によって処理して窒素化合物を除去する方法である。
【００１６】
（２）  本発明の第２の態様は、（１）に記載の窒素化合物を除去する方法であって、前記メタン発酵消化液は、２００００ｍｇ／Ｌ以上６００００ｍｇ／Ｌ以下の懸濁物質を含有していることを特徴とする。
【００１７】
（３）  本発明の第３の態様は、（１）又は（２）に記載の窒素化合物を除去する方法であって、前記凝集法は無機系凝集剤のみ、又は無機系凝集剤と高分子系凝集剤の両方の凝集剤を使用することを特徴とする。
【００１８】
（４）  本発明の第４の態様は、（１）から（３）のいずれかに記載の窒素化合物を除去する方法であって、前記食品廃棄物は事業系又は家庭系の一般廃棄物における固形廃棄物であることを特徴とする。
（５）  本発明の第５の態様は、（１）から（４）のいずれかに記載の窒素化合物を除去する方法であって、前記メタン発酵法は湿式メタン発酵法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の窒素化合物を除去する方法においては、メタン発酵消化液中の溶解性の低い有機態窒素を固液分離法によって分離し、固液分離液中の無機態窒素や溶解性の高い有機態窒素を生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素し、脱窒素液中の微細な有機態窒素を凝集法によって処理する。これにより、メタン発酵消化液中に、固形物状の食品廃棄物のタンパク質に由来する複雑な形態の窒素化合物が高濃度に含有されていても、窒素化合物が除去された、排水基準を満たす処理水を得ることができる。そのためにメタン発酵法によって、タンパク質由来の窒素化合物を多量に含有する一般廃棄物から、バイオガスとメタン発酵消化液を得ることができ、液肥として利用されないメタン発酵消化液を排水する場合でも、窒素含有量の排水基準を満たす処理水として排水することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】メタン発酵施設における本発明の、窒素化合物を除去する方法の概略を示す図面である。
【図２】従来の食品加工工場における排水処理設備の概略を示す図面である。
【図３】本発明の一実施例である窒素化合物を除去する方法の概略を示す図面である。
【図４】本発明の一実施例である窒素化合物を除去する方法の概略の一部と、比較例の概略一部を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の窒素化合物を除去する方法の概略を示す図面である。前処理設備１において、食品廃棄物を破砕・選別してから、メタン発酵設備２において、酸発酵及びメタン発酵する。固液分離装置３において、メタン発酵消化液を、固液分離液と汚泥処理設備６において処理される汚泥とに固液分離する。生物学的硝化脱窒素設備４において、固液分離液を脱窒素し、凝集設備５において脱窒素液を処理した後、処理水を公共下水道に排水する。
【００２３】
図２は、従来の一般的な食品加工工場における排水処理設備の概略を示す図面である。前処理設備１において、食品廃棄物をふるいにかけて選別してから、生物処理設備１１において、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）除去槽と生物学的硝化脱窒素槽を設けて処理をした後、処理水を公共下水道に排水し、汚泥処理設備６において、脱水装置を設けて汚泥を処理する。
【００２４】
表３は、公共下水道放流基準値のうち、東京都２３区内の下水排除基準の一部を示すものである。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
食品の製造加工段階においては、排出される食品廃棄物は、大部分は固形物状であるため、窒素化合物が排水中に溶出することは少ない。そして、従来の一般的な食品加工工場においては、公共下水道放流基準値における放流水の浮遊物質量（ＳＳ）が６００ｍｇ／Ｌ未満であり、窒素総量が１２０ｍｇ／Ｌ未満（日間平均６０ｍｇ／Ｌ）であることから、特別な場合を除き、生物処理設備１１の処理水について凝集処理を行うことはなかった。そのため、食品の製造加工段階においては、排水中のＳＳや窒素総量が問題となることは少なかった。
【００２７】
ところが、食品廃棄物の再生利用段階においては、湿式メタン発酵法を採用する場合、排出されるメタン発酵消化液は、食品廃棄物に含有されるタンパク質由来の窒素化合物が多量に溶存しており、液肥として利用しない場合には、窒素化合物を除去して排出する必要がある。特に、ＦＩＴの利用拡大に伴い、湿式メタン発酵施設において、液状だけでなく固形物状の食品廃棄物を大量に処理する場合が増加している。そのために従来の食品加工製造業等における工場排水とは大きく異なり、メタン発酵消化液は、タンパク質・アミノ酸化合物等に由来する、複雑な形態をとる有機態窒素等の窒素化合物を高濃度で含有し、排水中のＳＳや窒素量が問題となっていた。
【００２８】
［メタン発酵法］
メタン発酵設備２において、食品廃棄物のような多種多様な有機物をメタン発酵させる場合には、酸発酵工程とメタン発酵工程とから構成される２相発酵プロセスが採用される。２相発酵プロセスにおいては、まず、酸発酵槽において、酸発酵菌により有機物（炭水化物・食物繊維等の糖質、脂質、タンパク質）を可溶化・加水分解し、有機酸に転換する。そして、メタン発酵槽において、有機酸を酢酸・水素に転換して、更にメタン生成細菌群により、メタンガスとメタン発酵消化液とを生成する。食品廃棄物におけるメタン発酵法は湿式メタン発酵法であることが好ましい。
【００２９】
＜食品廃棄物＞
メタン発酵法において処理される食品廃棄物は、事業系又は家庭系の一般廃棄物における固形廃棄物であることが好ましく、事業系の一般廃棄物における固形廃棄物であることが更に好ましい。事業系の一般廃棄物である食品廃棄物は、多分野の排出事業者から排出される食品廃棄物で構成される。そうすると、食品廃棄物中に含有される有機物（糖質、脂質、タンパク質）の構成比率は日々変動し、多種多様な食品廃棄物がメタン発酵処理されることになる。多種多様な食品廃棄物であっても、本発明の窒素化合物を除去する方法によれば、排水基準以下の窒素量の排水に処理することができる。
【００３０】
＜メタン発酵消化液＞
メタン発酵法によって食品廃棄物から得られるメタン発酵消化液は、２００００ｍｇ／Ｌ以上６００００ｍｇ／Ｌ以下の懸濁物質（ＳＳ）を含有し、２０００ｍｇ／Ｌ以上４０００ｍｇ／Ｌ以下の窒素総量（Ｔ−Ｎ）を含有している。メタン発酵処理によって、多種多様な食品廃棄物に含有される多量のタンパク質を全て分解することは難しい。そうすると、メタン発酵消化液には、様々な有機物やメタン発酵菌に加え、未分解のタンパク質等やアミノ酸等の窒素化合物をＳＳとして含有し、複雑な構成をとる窒素化合物を高濃度に含有する。そのために従来の食品加工製造業等における排水処理では対応しきれない複雑な構成をとる窒素化合物を高濃度で含有するメタン発酵消化液であっても、本発明の窒素化合物を除去する方法によれば、排水基準以下の窒素量の排水として処理することができる。
【００３１】
［固液分離法］
メタン発酵消化液は、固液分離法によって固液分離される。メタン発酵法は、食品廃棄物に多量に含有されるタンパク質を、タンパク質分解酵素によりアンモニア性窒素等の無機態窒素に分解することは可能であるが、全てのタンパク質を無機態窒素に分解することは難しい。そのためにメタン発酵消化液は、複雑な構成をとる窒素化合物を高濃度で含有しており、メタン発酵菌や固形状の有機物や未分解のタンパク質等の溶解性の低い有機態窒素等のＳＳも含有する。固液分離法によれば、メタン発酵消化液中のメタン発酵菌や固形状の有機物や溶解性の低い有機態窒素等のＳＳを効果的に除去することができる。
【００３２】
＜固液分離装置＞
固液分離装置３は機械式固液分離装置が好ましく、遠心分離装置やスクリュープレス装置や回転円盤装置等のろ布を使用しない装置が更に好ましい。機械式ではなく、重力によって固液分離する重力沈降分離等では、メタン発酵消化液中のＳＳの沈降性が悪いため、固液分離することが困難である。また、ベルトスクリーン装置等のろ布を使用する固液分離装置では、メタン発酵消化液中の未分解のタンパク質等のＳＳが、ろ布に付着しやすく、かつ剥離しにくいため、分離性能に問題がある。そのためにろ布を使用しない機械式固液分離装置によると、メタン発酵消化液中に大量に浮遊する沈降性が悪いＳＳを効果的に除去することができる。なお、固液分離後の汚泥については、汚泥処理設備６において処理する。
【００３３】
固液分離法において、高分子凝集剤を用いることが好ましい。高分子凝集剤を用いることによって、固液分離性を向上させることができる。
【００３４】
［生物学的硝化脱窒素法］
固液分離液は、生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素される。ここで、固液分離液中には、イオンとなって溶解している無機態窒素や、溶解性の高い有機態窒素が含有されている。メタン発酵消化液中のアンモニア性窒素（ＮＨ４−Ｎ）であるアンモニウムイオンや溶解性の高い有機態窒素を、亜硝酸菌により亜硝酸イオンに生物分解し、硝化菌により硝酸イオンに生物分解する。最後に、亜硝酸イオンや硝酸イオンを脱窒素菌により窒素ガスに生物分解する。これにより、固液分離液中におけるアンモニア性窒素等の無機態窒素や溶解性の高い有機態窒素を効果的に除去することができる。
【００３５】
＜生物学的硝化脱窒素設備＞
生物学的硝化脱窒素設備４における硝化反応槽構造は特に制限はなく、生物膜法や浮遊法であってもよい。また、硝化反応のための酸素供給法は特に制限はなく、機械曝気式や散気曝気式であってもよい。
【００３６】
［凝集法］
脱窒素液は凝集法によって処理される。これにより固液分離法や生物学的硝化脱窒素法によって除去しきれなかったＳＳや溶解性の低い有機態窒素に加え、脱窒素液に含有される微細な有機態窒素を除去することができ、さらにリン化合物も除去することができる。
【００３７】
＜凝集設備＞
凝集設備５としては、固液分離できる構造であればよく、凝集沈殿装置・凝集加圧浮上装置・凝集ろ過装置等であってもよい。
【００３８】
凝集法においては、無機系凝集剤を用いることが好ましく、無機系凝集剤と高分子系凝集剤の両方の凝集剤を用いることが更に好ましい。金属塩の無機系凝集剤を単独で用いても、脱窒素液に含有される微細な有機態窒素を除去することができるが、高分子凝集剤を併用すると、微細な有機態窒素の沈降性をより改善することができる。無機系凝集剤としては、鉄系又はアルミニウム系の金属塩が好ましい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明について、実施例を挙げて詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
【００４０】
＜実施例１＞
図３に示すように、２０１５年における任意の１ヵ月間において、本発明の窒素化合物を除去する方法によってメタン発酵消化液を処理し、排水中の窒素化合物をモニターした。メタン発酵槽からメタン発酵消化液を脱水機において高分子凝集剤を用いて固液分離した。固液分離液を水処理設備において生物学的硝化脱窒素法によって脱窒素した。脱窒素液を凝集加圧浮上設備において硫酸バンド及び高分子凝集剤を用いて凝集法によって処理して公共下水道に排水した。図３の概略図において、メタン発酵消化液、固液分離液、脱窒素液、排水中のそれぞれにおける窒素総量（Ｔ−Ｎ）の平均値を示した。
【００４１】
メタン発酵消化液は、Ｔ−Ｎを２７００ｍｇ／Ｌ以上３７００ｍｇ／Ｌ以下、アンモニア性窒素（ＮＨ３―Ｎ）を２１００ｍｇ／Ｌ以上２９００ｍｇ／Ｌ以下含有していた。固液分離液は、Ｔ−Ｎを２６００ｍｇ／Ｌ以上３６００ｍｇ／Ｌ以下、ＮＨ３―Ｎを２０００ｍｇ／Ｌ以上２８００ｍｇ／Ｌ以下含有していた。脱窒素液は、Ｔ−Ｎを１３０ｍｇ／Ｌ以上２８０ｍｇ／Ｌ以下、有機態窒素（Ｏｒｇ―Ｎ）を１００ｍｇ／Ｌ以上２５０ｍｇ／Ｌ以下含有していた。ＮＨ３―Ｎ等の無機態窒素を窒素ガスとして脱窒素できたが、複雑な構成をとる窒素化合物を高濃度に含有するメタン発酵消化液中における微細な有機態窒素が少なからず残留していた。凝集処理後の排水は、Ｔ−Ｎを１００ｍｇ／Ｌ以下、Ｏｒｇ―Ｎを４０ｍｇ／Ｌ以上８０ｍｇ／Ｌ以下含有していた。これにより、排水基準である窒素総量１２０ｍｇ／Ｌ以下を満たす処理水を得ることができた。
【００４２】
＜実施例２＞
図４に示すように、２０１６年４月における任意の３日間において、本発明の窒素化合物を除去する方法によってメタン発酵消化液を処理し、排水中の窒素化合物をモニターした。実施例１と同様の設備で実施した結果のうち、脱窒素液と凝集処理後の排水における窒素総量の平均値を表４に示す。
【００４３】
＜比較例２＞
図４に示すように、２０１６年４月における任意の３日間において、窒素化合物を除去する方法によってメタン発酵消化液を処理し、排水中の窒素化合物をモニターした。凝集処理を行う代わりにろ過処理を行った以外は、実施例１と同様の設備で実施した。ろ過処理後の排水における窒素総量の平均値を表４に示す。
【００４４】
【表４】
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【００４５】
表１から、凝集剤を用いた凝集処理によって、脱窒素液中の微細な有機態窒素を除去することができた。ろ過処理単独では、脱窒素液中のＴ−Ｎを低減させることは困難なことが明らかになった。
【符号の説明】
【００４６】
１    前処理設備
２    メタン発酵設備
３    固液分離装置
４    生物学的硝化脱窒素設備
５    凝集設備
６    汚泥処理設備
１１  生物処理設備
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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