(57)【要約】【課題】下水処理施設においてエネルギー源として利用可能なアンモニアを供給する下水処理システム及び下水処理方法。【解決手段】有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解装置３０と、前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離装置３２と、分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給装置４０と、を備える、下水処理システム１００。有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解工程と、前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離工程と、分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給工程と、を備える、下水処理方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解装置と、
前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離装置と、
分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給装置と、
を備える、下水処理システム。
【請求項２】
有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解工程と、
前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離工程と、
分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給工程と、
を備える、下水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理システム及び下水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水に含まれる有機汚泥を処理する方法としては、焼却処理や微生物を用いた生物的処理により減容後に焼却処理する方法等が知られている。
近年では、水の臨界点（３７４℃、２２ＭＰａ）以上の高温高圧の条件（超臨界条件）下で有機汚泥を処理する技術が検討されている。超臨界条件下で有機汚泥を処理すると、有機汚泥に含まれる含窒素有機物を完全に分解し、無害化することが可能となる。
【０００３】
しかし、超臨界条件下での処理は、腐食の激しい高温高圧条件下で行われるため、装置の耐久性が問題となる。そこで、超臨界条件よりも低温又は低圧である亜臨界条件下で有機汚泥を処理する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１では、まず、最初の工程で有機汚泥中の比較的酸化されやすい炭素成分及び水素成分等を二酸化炭素と水に酸化し、窒素成分をアンモニアや低分子量の含窒素有機物に変換する。その後、第二の工程でアンモニアと残存窒素有機物を無害な窒素、二酸化炭素、水に分解している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８３８０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、アンモニアが、水素エネルギーの貯蔵、輸送媒体（エネルギーキャリア）として注目されている。
特許文献１の発明では、アンモニアのエネルギー利用について考慮されていない。
そこで、本発明は、下水処理施設においてエネルギー源として利用可能なアンモニアを供給する下水処理システム及び下水処理方法を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を有する。
［１］有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解装置と、前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離装置と、分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給装置と、を備える、下水処理システム。
【０００８】
［２］有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解工程と、前記第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離工程と、分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給工程と、を備える、下水処理方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の下水処理システム及び下水処理方法によれば、下水処理施設においてエネルギー源として利用可能なアンモニアを供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る下水処理システムの模式図である。
【図２】水処理装置の一例を示す模式図である。
【図３】アンモニア分離装置の一例を示す模式図である。
【図４】アンモニア分離装置の他の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る下水処理システムの模式図である。
【図６】水処理装置の他の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書において、水の亜臨界条件は、水の臨界温度（３７４℃）未満かつ水の臨界圧力（２２ＭＰａ）未満、水の臨界温度以上かつ水の臨界圧力未満、又は水の臨界温度未満かつ水の臨界圧力以上のいずれをも含む。
本明細書では、上記の水の亜臨界条件での有機汚泥の酸化分解を亜臨界水酸化処理という。
【００１２】
［第一実施形態］
＜下水処理システム＞
本発明の下水処理システムは、酸化分解装置と、アンモニア分離装置と、アンモニア供給装置とを備える。
以下に、本発明の下水処理システムの第一実施形態について、図１に基づき詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の下水処理システム１００は、下水供給源１０と、水処理装置２０と、酸化分解装置３０と、アンモニア分離装置３２と、アンモニア供給装置４０と、アンモニア利用装置４２と、第一ヒーター５０と、第一測定部６０と、高圧ポンプＰ１と、排出ポンプＰ２と、圧力調整バルブＢ２〜Ｂ６と、配管Ｌ０〜Ｌ９とを備える。
【００１４】
下水供給源１０と水処理装置２０とは、配管Ｌ０によって接続されている。水処理装置２０と酸化分解装置３０とは、配管Ｌ１によって接続されている。酸化分解装置３０とアンモニア分離装置３２とは、配管Ｌ２によって接続されている。アンモニア分離装置３２とアンモニア供給装置４０とは、配管Ｌ３によって接続されている。アンモニア供給装置４０とアンモニア利用装置４２とは、配管Ｌ４によって接続されている。水処理装置２０には、配管Ｌ７が接続されている。水処理装置２０には、配管Ｌ８が接続されている。酸化分解装置３０には、配管Ｌ９が接続されている。アンモニア分離装置３２には、配管Ｌ５が接続されている。アンモニア分離装置３２と水処理装置２０とは、配管Ｌ６によって接続されている。
【００１５】
酸化分解装置３０は、第一ヒーター５０を備える。酸化分解装置３０には、第一測定部６０が接続されている。
【００１６】
高圧ポンプＰ１は、配管Ｌ１に設けられている。排出ポンプＰ２は、配管Ｌ９に設けられている。圧力調整バルブＢ２は、配管Ｌ２に設けられている。圧力調整バルブＢ３は、配管Ｌ３に設けられている。圧力調整バルブＢ４は、配管Ｌ４に設けられている。圧力調整バルブＢ５は、配管Ｌ５に設けられている。圧力調整バルブＢ６は、配管Ｌ６に設けられている。
【００１７】
下水供給源１０は、下水を水処理装置２０に供給する。下水供給源１０としては、下水を供給できればよく、家庭からの排水や工場からの廃水等が挙げられる。
【００１８】
水処理装置２０としては、従来公知の下水処理装置が挙げられる。
水処理装置２０の一例を図２に示す。
【００１９】
図２に示すように、水処理装置２０は、最初沈殿池２１と、反応槽２２と、最終沈殿池２３と、消毒槽２４と、汚泥濃縮槽２５と、汚泥消化槽２６と、配管Ｌ２０１と、配管Ｌ２０２と、配管Ｌ２０３と、配管Ｌ２０４と、配管Ｌ２０５と、配管Ｌ２０６とを備える。
【００２０】
最初沈殿池２１と反応槽２２とは、配管Ｌ２０１で接続されている。反応槽２２と最終沈殿池２３とは、配管Ｌ２０２で接続されている。最終沈殿池２３と消毒槽２４とは、配管Ｌ２０３で接続されている。最初沈殿池２１と汚泥濃縮槽２５とは、配管Ｌ２０４で接続されている。汚泥濃縮槽２５と汚泥消化槽２６とは、配管Ｌ２０５で接続されている。最終沈殿池２３と汚泥濃縮槽２５とは、配管Ｌ２０６で接続されている。最初沈殿池２１には、配管Ｌ０が接続されている。反応槽２２には、配管Ｌ６が接続されている。消毒槽２４には、配管Ｌ７が接続されている。汚泥消化槽２６には、配管Ｌ１が接続されている。汚泥消化槽２６には、配管Ｌ８が接続されている。
【００２１】
最初沈殿池２１としては、従来公知の沈殿槽が挙げられる。
反応槽２２としては、従来公知の反応槽が挙げられる。
最終沈殿池２３としては、従来公知の沈殿槽が挙げられる。
消毒槽２４としては、従来公知の消毒槽が挙げられる。
汚泥濃縮槽２５としては、従来公知の濃縮槽が挙げられる。
汚泥消化槽２６としては、従来公知の消化槽が挙げられる。
【００２２】
配管Ｌ２０１としては、ステンレス等の金属製の配管等が挙げられる。
配管Ｌ２０２としては、配管Ｌ２０１と同様の配管が挙げられる。配管Ｌ２０２と配管Ｌ２０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
配管Ｌ２０３〜Ｌ２０５としては、配管Ｌ２０１と同様の配管が挙げられる。配管Ｌ２０３〜Ｌ２０５と配管Ｌ２０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、配管Ｌ２０３〜Ｌ２０５は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００２３】
酸化分解装置３０としては、例えば、ステンレスやニッケル合金等の金属製の耐圧容器が挙げられる。
【００２４】
第一ヒーター５０としては、酸化分解装置３０の内部を加熱可能なヒーターであればよく、高温の水蒸気を通流させるスチームヒーターや、ガスボイラー等が挙げられる。
【００２５】
第一測定部６０としては、酸化分解装置３０の内部の温度、圧力、アンモニア濃度等を測定できればよく、公知の温度計、圧力計、濃度測定計等を例示できる。
【００２６】
アンモニア分離装置３２としては、第一の流体からアンモニアを分離できる装置が挙げられる。
アンモニア分離装置３２の一例を図３に示す。
【００２７】
図３に示すように、アンモニア分離装置３２Ａは、吸着塔３０１と、吸着塔３０２と、気液分離器３０３と、第二ヒーター３５１と、第三ヒーター３５２と、第二測定部３６１と、第三測定部３６２と、開閉バルブＢ３２１、Ｂ３２２と、圧力調整バルブＢ３２３、Ｂ３２４、Ｂ３２５、Ｂ３２６と、配管Ｌ３２１、Ｌ３２２、Ｌ３２３、Ｌ３２４、Ｌ３２５、Ｌ３２６とを備える。
【００２８】
配管Ｌ２は、分岐３３０で配管Ｌ３２１と配管Ｌ３２２とに接続されている。配管Ｌ３２１は、吸着塔３０１に接続されている。配管Ｌ３２２は、吸着塔３０２に接続されている。吸着塔３０１には、第二測定部３６１が接続されている。吸着塔３０２には、第三測定部３６２が接続されている。吸着塔３０１と気液分離器３０３とは、配管Ｌ３２５によって接続されている。吸着塔３０１には、配管Ｌ３２３が接続されている。吸着塔３０２には、配管Ｌ３２４が接続されている。配管Ｌ３２３は、分岐３３２で配管Ｌ３と接続されている。配管Ｌ３２４は、分岐３３２で配管Ｌ３と接続されている。気液分離器３０３には、配管Ｌ５が接続されている。気液分離器３０３には、配管Ｌ６が接続されている。吸着塔３０２には、配管Ｌ３２６が接続されている。配管Ｌ３２６は、分岐３３４で配管Ｌ３２５と接続されている。
【００２９】
開閉バルブＢ３２１は、配管Ｌ３２１に設けられている。開閉バルブＢ３２２は、配管Ｌ３２２に設けられている。圧力調整バルブＢ３２３は、配管Ｌ３２３に設けられている。圧力調整バルブＢ３２４は、配管Ｌ３２４に設けられている。圧力調整バルブＢ３２５は、配管Ｌ３２５に設けられている。圧力調整バルブＢ３２６は、配管Ｌ３２６に設けられている。
【００３０】
吸着塔３０１としては、例えば、第一の流体中のアンモニアを吸着する吸着剤が充填された耐圧容器が挙げられる。耐圧容器は、例えば、ステンレスやニッケル合金等の金属製の容器が挙げられる。
吸着塔３０１の内部には、アンモニアを選択的に吸着する吸着剤（不図示）が充填されている。
吸着剤としては、例えば、ゼオライト等、公知の吸着剤が挙げられる。また、アンモニアと反応してリン酸マグネシウムアンモニアを生成するリン酸マグネシウムを適用してもよい。
【００３１】
吸着塔３０２としては、吸着塔３０１と同様の耐圧容器が挙げられる。吸着塔３０２と吸着塔３０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
吸着塔３０２の内部には、アンモニアを選択的に吸着する吸着剤（不図示）が充填されている。
吸着塔３０２の内部の吸着剤としては、吸着塔３０１の内部の吸着剤と同様の吸着剤が挙げられる。吸着塔３０２の内部の吸着剤と吸着塔３０１の内部の吸着剤とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３２】
気液分離器３０３としては、熱交換器を備える凝縮器など従来公知の機器が挙げられる。
【００３３】
第二ヒーター３５１としては、第一ヒーター５０と同様のヒーターが挙げられる。第二ヒーター３５１と第一ヒーター５０とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
第三ヒーター３５２としては、第一ヒーター５０と同様のヒーターが挙げられる。第三ヒーター３５２と第一ヒーター５０とは、異なっていてもよく、同じでもよい。第三ヒーター３５２と第二ヒーター３５１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３４】
第二測定部３６１としては、第一測定部６０と同様の計器が挙げられる。第二測定部３６１と第一測定部６０とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
第三測定部３６２としては、第一測定部６０と同様の計器が挙げられる。第三測定部３６２と第一測定部６０とは、異なっていてもよく、同じでもよい。第三測定部３６２と第二測定部３６１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３５】
開閉バルブＢ３２１としては、公知のバルブや開閉弁等を例示できる。
開閉バルブＢ３２２としては、開閉バルブＢ３２１と同様のバルブが挙げられる。開閉バルブＢ３２２と開閉バルブＢ３２１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３６】
圧力調整バルブＢ３２３としては、公知のバルブや圧力調整弁等を例示できる。圧力調整バルブＢ３２３は、開閉バルブとしての機能を有していてもよい。
圧力調整バルブＢ３２４〜Ｂ３２６としては、圧力調整バルブＢ３２３と同様のバルブが挙げられる。圧力調整バルブＢ３２４〜Ｂ３２６と圧力調整バルブＢ３２３とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、圧力調整バルブＢ３２４〜Ｂ３２６は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３７】
配管Ｌ３２１〜Ｌ３２６としては、配管Ｌ２０１と同様の配管が挙げられる。
配管Ｌ３２１〜Ｌ３２６と配管Ｌ２０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、配管Ｌ３２１〜Ｌ３２６は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００３８】
アンモニア分離装置３２の他の一例を図４に示す。
図４に示すように、アンモニア分離装置３２Ｂは、気液分離器３０４と、蒸留塔３０５と、分縮器３０６と、第四測定部３６３と、配管Ｌ３２７、Ｌ３２８、Ｌ３２９とを備える。
【００３９】
気液分離器３０４と蒸留塔３０５とは、配管Ｌ３２７によって接続されている。蒸留塔３０５と分縮器３０６とは、配管Ｌ３２８によって接続されている。分縮器３０６と蒸留塔３０５とは、配管Ｌ３２９によって接続されている。気液分離器３０４には、配管Ｌ２が接続されている。気液分離器３０４には、配管Ｌ５が接続されている。蒸留塔３０５には、第四測定部３６３が接続されている。蒸留塔３０５には、配管Ｌ６が接続されている。分縮器３０６には、配管Ｌ３が接続されている。
【００４０】
気液分離器３０４としては、気液分離器３０３と同様の機器が挙げられる。気液分離器３０４と気液分離器３０３とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００４１】
蒸留塔３０５としては、アンモニアの製造に用いられる公知の蒸留塔が挙げられる。
分縮器３０６としては、従来公知の凝縮器が挙げられる。
【００４２】
第四測定部３６３としては、第一測定部６０と同様の計器が挙げられる。第四測定部３６３と第一測定部６０とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
【００４３】
配管Ｌ３２７〜Ｌ３２９としては、配管Ｌ２０１と同様の配管が挙げられる。
配管Ｌ３２７〜Ｌ３２９と配管Ｌ２０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、配管Ｌ３２７〜Ｌ３２９は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００４４】
アンモニア供給装置４０は、分離されたアンモニアをアンモニア利用装置４２へと供給できる装置であればよい。アンモニア供給装置４０としては、例えば、高圧ポンプやコンプレッサー、配管や貯留槽等が挙げられる。
【００４５】
アンモニア利用装置４２としては、例えば、アンモニアボイラーや燃料電池等、アンモニアをエネルギー源として利用できる装置が挙げられる。
【００４６】
高圧ポンプＰ１としては、酸化分解装置３０を加圧できればよく、従来公知のコンプレッサーが挙げられる。
【００４７】
排出ポンプＰ２としては、酸化分解装置３０から有機汚泥の固形分を外部へと圧送できればよく、吸引ポンプや真空ポンプ等が挙げられる。
【００４８】
圧力調整バルブＢ２としては、圧力調整バルブＢ３２３と同様のバルブが挙げられる。圧力調整バルブＢ２と圧力調整バルブＢ３２３とは、異なっていてもよく、同じでもよい。
圧力調整バルブＢ３〜Ｂ６としては、圧力調整バルブＢ３２３と同様のバルブが挙げられる。圧力調整バルブＢ３〜Ｂ６と圧力調整バルブＢ３２３とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、圧力調整バルブＢ３〜Ｂ６は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００４９】
第一ヒーター５０、第二ヒーター３５１、第三ヒーター３５２、第一測定部６０、第二測定部３６１、第三測定部３６２、第四測定部３６３、高圧ポンプＰ１、排出ポンプＰ２、開閉バルブＢ３２１、Ｂ３２２、圧力調整バルブＢ２〜Ｂ６、Ｂ３２３〜Ｂ３２６は、外部に設けられた制御装置（不図示）によって、ＯＮ、ＯＦＦ、開閉等を一括して制御することが好ましい。
【００５０】
配管Ｌ０〜Ｌ９としては、配管Ｌ２０１と同様の配管が挙げられる。配管Ｌ０〜Ｌ９と配管Ｌ２０１とは、異なっていてもよく、同じでもよい。また、配管Ｌ０〜Ｌ９は、それぞれが異なっていてもよく、同じでもよい。
【００５１】
＜下水処理方法＞
本発明の下水処理方法は、有機汚泥を水の亜臨界条件とし、アンモニアを含む第一の流体を生成する酸化分解工程と、第一の流体からアンモニアを分離するアンモニア分離工程と、分離したアンモニアをエネルギー源として供給するアンモニア供給工程と、を備える。
下水処理システム１００を用いた下水処理方法について、図１〜図４に基づいて説明する。
【００５２】
まず、下水を下水供給源１０から配管Ｌ０を介して、水処理装置２０に供給する。以下、図２に基づいて説明する。
【００５３】
（水処理工程）
水処理装置２０に供給された下水は、水処理装置２０の最初沈殿池２１に貯留される。最初沈殿池２１からは、生汚泥が採取され、配管Ｌ２０４を介して汚泥濃縮槽２５へと供給されるとともに、下水は、配管Ｌ２０１を介して生物学的な処理が施される反応槽２２へと流入する。
反応槽２２で生物学的な処理が施された下水は、配管Ｌ２０２を介して最終沈殿池２３へと流入する。
生物学的な処理としては、活性汚泥法や硝化脱窒法等が挙げられる。
【００５４】
最終沈殿池２３では、余剰汚泥が採取される。採取された余剰汚泥は、配管Ｌ２０６を介して汚泥濃縮槽２５へと供給される。余剰汚泥が採取された後の下水は、配管Ｌ２０３を介して消毒槽２４へと流入する。
【００５５】
消毒槽２４へと流入した下水は、塩素消毒等を施され、処理済水となる。処理済水は、配管Ｌ７を介して外部へと供給される。
【００５６】
汚泥濃縮槽２５に供給された生汚泥と余剰汚泥は、汚泥濃縮処理が施され、濃縮汚泥として配管Ｌ２０５を介して汚泥消化槽２６へと供給される。
【００５７】
汚泥消化槽２６へと供給された濃縮汚泥は、生物的な処理が施され、濃縮汚泥に含まれる有機物が分解される。生物的な処理としては、有機物がメタンにまで分解され、エネルギーとして利用可能なメタン発酵等の嫌気性処理が挙げられる。
分解されたメタンは、配管Ｌ８を介して、外部へと供給され、ガス発電や燃料電池、都市ガスの原料としてエネルギー利用される。
【００５８】
生物的な処理が施された後の濃縮汚泥は、配管Ｌ１を介して、消化汚泥として酸化分解装置３０へと供給される。
【００５９】
以上の水処理工程により、下水から有機汚泥が得られる。有機汚泥は、有機物を含む汚泥の総称であり、有機汚泥としては、生汚泥、余剰汚泥、濃縮汚泥、消化汚泥の他、下水汚泥や活性汚泥、畜産汚泥等が挙げられる。
【００６０】
（酸化分解工程）
消化汚泥を酸化分解装置３０に供給した後、第一ヒーター５０を加熱し、かつ、高圧ポンプＰ１を加圧し、消化汚泥を水の亜臨界条件とする。
消化汚泥を水の亜臨界条件とすることで、消化汚泥は、二酸化炭素、水、アンモニア、窒素等に酸化分解され、第一の流体が生成する。
【００６１】
酸化分解工程における酸化分解装置３０の内部温度（以下、第一処理温度ともいう。）は、第一測定部６０により測定できる。
第一処理温度は、水の臨界温度（３７４℃）以上であり、３７４℃以上５００℃以下が好ましく、４００℃以上４５０℃以下がより好ましい。第一処理温度が上記下限値以上であると、消化汚泥を十分に酸化分解することができる。第一処理温度が上記上限値以下であると、消化汚泥中の窒素分からアンモニアへの転化率を向上しやすく、第一ヒーター５０を加熱する際のエネルギーを節約しやすい。
【００６２】
酸化分解工程における酸化分解装置３０の内部圧力（以下、第一処理圧力ともいう。）は、第一測定部６０により測定できる。
第一処理圧力は、水の臨界圧力（２２ＭＰａ）未満であり、５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下が好ましく、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下がより好ましく、１０ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下がさらに好ましい。第一処理圧力が上記下限値以上であると、消化汚泥を十分に酸化分解することができる。第一処理圧力が上記上限値以下であると、酸化分解装置３０にかかる負荷を低減しやすい。
【００６３】
消化汚泥は水分を含んでおり、通常、脱水してから焼却等が行われる。
本実施形態の下水処理システム１００では、酸化分解装置３０を高温高圧にして消化汚泥を酸化分解するため、脱水工程及び焼却工程が不要である。
なお、酸化分解工程で生成する消化汚泥の固形分は、排出ポンプＰ２を用いて、配管Ｌ９を介して酸化分解装置３０の外部へと排出できる。
【００６４】
消化汚泥の含水率は、９０質量％以上が好ましい。消化汚泥の含水率が上記下限値以上であると、水処理装置２０から酸化分解装置３０への流動性に優れ、下水処理システム１００を連続して運転できるため、下水の処理効率を向上しやすい。
【００６５】
酸化分解工程では、酸化剤として空気、空気中の酸素、過酸化水素水等が利用可能である。酸化剤は、消化汚泥の酸化分解反応に必要な酸素量よりも過剰に供給し、消化汚泥を完全に酸化分解することが好ましい。このため、酸化分解工程で酸化分解装置３０に供給する酸化剤は、例えば、酸化分解装置３０の内部の酸素比を目安に設定できる。酸化分解装置３０の酸素比は、１．０以上２．５以下が好ましく、１．２以上２．０以下がより好ましく、１．２以上１．５以下がさらに好ましい。酸化分解装置３０の酸素比が上記下限値以上であると、第一の流体に含まれるアンモニアへの転化率を向上しやすい。酸化分解装置３０の酸素比が上記上限値以下であると、酸化剤の余剰な供給を抑制できる。
【００６６】
酸化分解工程における加熱加圧時間（以下、第一処理時間ともいう。）は、１分以上３０分以下が好ましく、１分以上２０分以下がより好ましく、１分以上１５分以下がさらに好ましい。第一処理時間が上記下限値以上であると、消化汚泥を十分に酸化分解することができる。第一処理時間が上記上限値以下であると、第一の流体に含まれるアンモニアへの転化率を向上しやすく、第一ヒーター５０を加熱する際のエネルギーを節約しやすい。
【００６７】
酸化分解工程で生成された第一の流体は、配管Ｌ２を介してアンモニア分離装置３２へと流入する。
【００６８】
（アンモニア分離工程）
アンモニア分離工程は、第一の流体に含まれるアンモニアを分離する工程である。
アンモニア分離工程について、以下、図３〜図４に基づいて説明する。
【００６９】
図３に示すアンモニア分離装置３２Ａの場合、まず、開閉バルブＢ３２１及び圧力調整バルブＢ３２５を開とし、開閉バルブＢ３２２及び圧力調整バルブＢ３２３、Ｂ３２４、Ｂ３２６を閉とする。
アンモニア分離装置３２Ａへと流入した第一の流体は、配管Ｌ３２１を介して吸着塔３０１へと流入する。
第一の流体に含まれるアンモニアは、吸着塔３０１の内部に充填された吸着剤によって選択的に吸着され、分離される。
【００７０】
アンモニアが吸着された後の第一の流体は、配管Ｌ３２５を介して気液分離器３０３へと流入する。
【００７１】
次に、開閉バルブＢ３２１及び圧力調整バルブＢ３２５を閉とし、開閉バルブＢ３２２及び圧力調整バルブＢ３２３、Ｂ３２６を開とする。
アンモニア分離装置３２Ａへと流入した第一の流体は、配管Ｌ３２２を介して吸着塔３０２へと流入する。
第一の流体に含まれるアンモニアは、吸着塔３０２の内部に充填された吸着剤によって選択的に吸着され、分離される。
【００７２】
アンモニアが吸着された後の第一の流体は、配管Ｌ３２６、分岐３３４、配管Ｌ３２５を介して気液分離器３０３へと流入する。
【００７３】
吸着塔３０２でアンモニアを吸着している間に、第二ヒーター３５１で吸着塔３０１を加熱する。
吸着塔３０１を加熱することで、吸着塔３０１の内部の吸着剤に吸着されたアンモニアが脱着される。
【００７４】
吸着剤から脱着されたアンモニアは、配管Ｌ３２３、分岐３３２、配管Ｌ３を介してアンモニア供給装置４０へと流入する。
この際、アンモニアは、気体であってもよく、液体であってもよい。アンモニア供給装置４０へと流入するアンモニアは、エネルギー源としての利用において取り扱いが容易となる観点から、液体であることが好ましい。例えば、吸着塔３０１の内部の圧力を０．８ＭＰａ以上となるように圧力調整バルブＢ３２３を調整することにより、液体としてアンモニアを供給できる。
【００７５】
次に、開閉バルブＢ３２２及び圧力調整バルブＢ３２６、Ｂ３２３を閉とし、開閉バルブＢ３２１及び圧力調整バルブＢ３２５、Ｂ３２４を開とする。
吸着塔３０１でアンモニアを吸着している間に、第三ヒーター３５２で吸着塔３０２を加熱する。
吸着塔３０２を加熱することで、吸着塔３０２の内部の吸着剤に吸着されたアンモニアが脱着される。
【００７６】
吸着剤から脱着されたアンモニアは、配管Ｌ３２４、分岐３３２、配管Ｌ３を介してアンモニア供給装置４０へと流入する。
例えば、吸着塔３０２の内部の圧力を０．８ＭＰａ以上となるように圧力調整バルブＢ３２４を調整することにより、液体としてアンモニアを供給できる。
【００７７】
アンモニア分離工程で、二つの吸着塔３０１と３０２とを交互に用いることで、一方の吸着塔でアンモニアを吸着している間に、他方の吸着塔を加熱し、アンモニアを吸着剤から脱着させることができる。
このように、二つの吸着塔３０１と３０２とを交互に用いることで、効率よくアンモニアを分離し、供給できる。
なお、本実施形態では、二つの吸着塔を用いているが、吸着塔の数は二つに限られず、三つ以上でもよい。
【００７８】
吸着塔３０１の内部の温度及び圧力は、第二測定部３６１によって測定できる。吸着塔３０２の内部の温度及び圧力は、第三測定部３６２によって測定できる。
アンモニアの状態は、吸着塔３０１又は３０２の内部の温度及び圧力によって制御できる。
吸着塔３０１の内部の温度は、第二ヒーター３５１によって制御できる。吸着塔３０２の内部の温度は、第三ヒーター３５２によって制御できる。吸着塔３０１の内部の圧力は、圧力調整バルブＢ３２３、Ｂ３２５によって制御できる。吸着塔３０２の内部の圧力は、圧力調整バルブＢ３２４、Ｂ３２６によって制御できる。
【００７９】
第二ヒーター３５１の熱源としては、酸化分解工程における亜臨界水酸化処理による反応熱を利用できる。前記反応熱を利用することにより、第二ヒーター３５１の消費エネルギーを節約できる。
第三ヒーター３５２の熱源としては、酸化分解工程における亜臨界水酸化処理による反応熱を利用できる。前記反応熱を利用することにより、第三ヒーター３５２の消費エネルギーを節約できる。
【００８０】
気液分離器３０３へと流入した第一の流体は、気体と液体とに分離される。
第一の流体から分離された気体は、配管Ｌ５を介して下水処理システム１００の外部へと排出される。
第一の流体から分離された液体は、配管Ｌ６を介して水処理装置２０の反応槽２２へと流入する。反応槽２２へと流入した第一の流体から分離された液体は、水処理装置２０内で再処理される。
【００８１】
図４に示すアンモニア分離装置３２Ｂの場合、気液分離器３０４へと流入した第一の流体は、気体とアンモニアを含む液体とに分離される。アンモニアを含む液体としては、液体アンモニア、アンモニア水が挙げられる。
第一の流体から分離された気体は、配管Ｌ５を介して下水処理システム１００の外部へと排出される。
第一の流体から分離された液体は、配管Ｌ３２７を介して蒸留塔３０５へと流入する。
【００８２】
蒸留塔３０５へと流入した液体は、蒸留塔３０５の内部でアンモニア濃度が高い気相と、アンモニア濃度が低い液相とに分離される。気相は、配管Ｌ３２８を介して分縮器３０６へと流入する。分縮器３０６へと流入した気相中のアンモニアは、濃縮され、液体又は気体の状態で配管Ｌ３を介してアンモニア供給装置４０へと流入する。
例えば、分縮器３０６の内部の圧力を０．８ＭＰａ以上とすることにより、液体としてアンモニアを供給できる。
【００８３】
分縮器３０６で冷却された留出液は、配管Ｌ３２９を介して蒸留塔３０５へと還流する。
【００８４】
蒸留塔３０５の内部で分離された液相は、配管Ｌ６を介して水処理装置２０の反応槽２２へと流入する。反応槽２２へと流入した前記液相は、水処理装置２０内で再処理される。
【００８５】
蒸留塔３０５の内部の温度及び圧力は、第四測定部３６３によって測定できる。
アンモニアの状態は、分縮器３０６の内部の温度及び圧力によって制御できる。
分縮器３０６の内部の温度は、分縮器３０６の外部の冷却水の温度や流量によって制御できる。分縮器３０６の内部の圧力は、配管中の任意の箇所に設けられた高圧ポンプ等（不図示）によって制御できる。
【００８６】
蒸留塔３０５は、再沸器等（不図示）により加熱できる。再沸器等の熱源としては、酸化分解工程における亜臨界水酸化処理による反応熱を利用できる。前記反応熱を利用することにより、蒸留塔３０５を加熱する際の消費エネルギーを節約できる。
【００８７】
（アンモニア供給工程）
アンモニア供給工程は、分離したアンモニアをエネルギー源として供給する工程である。
アンモニア供給装置４０へと流入したアンモニアは、圧力調整バルブＢ４を開とすることにより、配管Ｌ４を介してアンモニア利用装置４２へと供給される。アンモニア利用装置４２へと供給されるアンモニアは、アンモニアボイラーや燃料電池等のアンモニア利用装置４２でエネルギー源として利用される。
この際、アンモニアは、気体であってもよく、液体であってもよい。アンモニア利用装置４２へと供給されるアンモニアは、取り扱いが容易となる観点から、液体であることが好ましい。アンモニアの状態は、アンモニア供給装置４０の内部の温度及び圧力によって制御できる。
【００８８】
本実施形態の下水処理システム１００によれば、有機汚泥中の窒素成分をアンモニアとして分離し、エネルギー源として利用できる。このため、有機汚泥中の未利用エネルギーを有効活用できる。
【００８９】
［第二実施形態］
＜下水処理システム＞
図５に、本発明の第二実施形態に係る下水処理システムの模式図を示す。第一実施形態と同じ構成には、同じ符号を付して、その説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態の下水処理システム２００は、水処理装置２０に代えて、水処理装置２０’を備える。
【００９０】
水処理装置２０’の一例を図６に示す。
図６に示すように、水処理装置２０’は、最初沈殿池２１と、反応槽２２と、最終沈殿池２３と、消毒槽２４と、汚泥濃縮槽２５と、配管Ｌ２０１〜Ｌ２０４と、配管Ｌ２０６とを備える。
【００９１】
本実施形態は、汚泥消化槽２６が備えられていない点で第一実施形態と異なる。このため、汚泥濃縮槽２５と酸化分解装置３０とが、配管Ｌ１で接続されている。
【００９２】
＜下水処理方法＞
本実施形態では、汚泥消化槽２６が備えられていないため、濃縮汚泥に生物的な処理を施す工程（汚泥消化工程）が存在しない。このため、汚泥濃縮槽２５で得られた濃縮汚泥が、配管Ｌ１を介して、酸化分解装置３０へと供給される。
【００９３】
酸化分解工程では、第一実施形態と同様の条件で濃縮汚泥を酸化分解することができる。
【００９４】
アンモニア分離工程では、第一実施形態と同様の条件で第一の流体からアンモニアを分離することができる。
【００９５】
以上、本発明の下水処理システム及び下水処理方法について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、水処理装置は、上述した水処理装置２０や２０’以外の態様であってもよい。
例えば、水処理装置を備えず、未処理の有機汚泥を酸化分解してもよい。
例えば、アンモニア分離装置３２は、上述したアンモニア分離装置３２Ａや３２Ｂ以外の態様であってもよい。
例えば、酸化分解装置とアンモニア分離装置とは、同一の容器が兼ねる態様であってもよい。
【００９６】
上述の実施形態では、高圧ポンプＰ１は配管Ｌ１に設けられているが、他の配管中の任意の箇所に設けられてもよい。
高圧ポンプは、一つに限られず、二つ以上設けられてもよい。
装置間の流体の移動には、高圧ポンプの代わりに真空ポンプを用いてもよい。
開閉バルブは、他の配管中の任意の箇所に設けられてもよい。
圧力調整バルブは、他の配管中の任意の箇所に設けられてもよい。
【００９７】
本実施形態の酸化分解工程では、第一処理温度は水の臨界温度以上で、かつ、第一処理圧力は水の臨界圧力未満であるが、水の亜臨界条件を満たす第一処理温度、かつ、第一処理圧力であってもよい。水の亜臨界条件を満たす温度と圧力の組合せとしては、第一処理温度が水の臨界温度未満で、かつ、第一処理圧力が水の臨界圧力以上、第一処理温度が水の臨界温度未満で、かつ、第一処理圧力が水の臨界圧力未満の組合せが挙げられる。
【００９８】
以上説明してきたように、本発明の下水処理システム及び下水処理方法は、アンモニアを分離できるため、アンモニアをエネルギー源として利用できる。
本発明の下水処理システムは、有機汚泥の脱水工程及び焼却工程が不要であるため、エネルギー効率に優れる。
本発明の下水処理システムは、亜臨界条件下での酸化分解工程で発生する熱エネルギーを循環利用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１０…下水供給源、２０，２０’…水処理装置、２１…最初沈殿池、２２…反応槽、２３…最終沈殿池、２４…消毒槽、２５…汚泥濃縮槽、２６…汚泥消化槽、３０…酸化分解装置、３２，３２Ａ，３２Ｂ…アンモニア分離装置、４０…アンモニア供給装置、４２…アンモニア利用装置、５０…第一ヒーター、６０…第一測定部、１００，２００…下水処理システム、３０１，３０２…吸着塔、３０３，３０４…気液分離器、３０５…蒸留塔、３０６…分縮器、３５１…第二ヒーター、３５２…第三ヒーター、３６１…第二測定部、３６２…第三測定部、３６３…第四測定部、Ｐ１…高圧ポンプ、Ｐ２…排出ポンプ、Ｂ３２１，Ｂ３２２…開閉バルブ、Ｂ２〜Ｂ６，Ｂ３２３〜Ｂ３２６…圧力調整バルブ、Ｌ０〜Ｌ９，Ｌ２０１〜Ｌ２０６，Ｌ３２１〜Ｌ３２９…配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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