(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化処理で得られた消化汚泥にアンモニアを亜硝酸化する処理を伴う好気的生物処理を行った後、リン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収工程を経た汚泥を固液分離工程へ導き、分離された液をアンモニア脱窒処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化処理で得られた消化汚泥について脱炭酸処理を行い、脱炭酸後の汚泥をリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収工程へ導き、リン酸マグネシウムアンモニウム分離後の汚泥に対しては生物学的亜硝酸化処理を行い、固液分離工程に導き、分離した液をアンモニア脱窒工程へ導くとともに、脱炭酸後の汚泥から分離・回収したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子の一部又は全部を脱炭酸処理工程へ返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
【請求項３】
有機性廃棄物を嫌気性消化する嫌気性消化槽、該嫌気性消化槽からの消化汚泥中のアンモニアを亜硝酸化する処理を含む硝化槽、該硝化槽からの汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離／回収するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／または回収装置、固液分離装置及びアンモニア態窒素を分子状窒素に変換する脱窒槽を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
【請求項４】
有機性廃棄物を嫌気性消化する嫌気性消化槽と、該嫌気性消化槽からの消化汚泥を脱炭酸する脱炭酸槽と、該脱炭酸槽からの汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離/回収するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収装置と、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離回収装置を経た汚泥を処理する亜硝酸化槽と、該亜硝酸化槽からの汚泥を固液分離する固体分離槽とを設け、さらにリン酸マグネシウムアンモニウム粒子及び／又は分離回収装置により分離・回収したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子の一部又は全部を該脱炭酸槽へ返送する返送管を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理場を含む各種廃水処理場や有機性廃棄物処理施設などにおいて有機性廃棄物を処理するシステムに係り、更に詳しくは簡単な単位プロセスから構成され、曝気のコストや水素供与体、ｐＨ調整剤、凝集剤、ポリマーなどの薬品コストを大幅に削減することができる上に、高濃度の有機物、リン及び窒素を含有する有機性廃棄物から、リン及びアンモニアを粒子の形で回収することができる効率の良い処理手段を提供する方法、及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家庭での残飯・野菜くずなどの厨芥生ごみ、刈芝、草木くず、古紙、これらは全て有機性廃棄物である。家庭外に目を向ければ、食品加工場や魚介類加工場での加工残渣、酒かす、廃乳、おからなどの食品廃棄物、パルプ工場の黒液、あるいはし尿汚泥、家畜糞尿、有機汚泥など、有機性廃棄物は枚挙に暇がない。
有機性廃棄物は、嫌気性微生物の存在下でメタン発酵させることによって処理されることが多い。このような嫌気性処理は嫌気性消化とも呼ばれ、古くから行われている方法である。好気性生物処理と違って希釈、曝気が不要なため省エネルギー・省コストである点に加え、嫌気性消化で発生するガスにはメタンガスが高濃度に含まれる。このメタンガスを回収してエネルギー利用できる点も嫌気性消化のメリットであり、エネルギーを回収できる方法として各種有機性廃棄物について実用化が進んでいる。
【０００３】
ところで、上記有機性廃棄物の嫌気性消化液・嫌気性消化汚泥には高濃度のＳＳ成分が含有され、半減されるとはいえ依然比較的高濃度のＢＯＤ成分、ＣＯＤ成分といった有機物も残されている。さらに、嫌気性処理の過程で生成・溶出するアンモニアやリンが高濃度に含まれる。そのため、有機性廃棄物の嫌気性消化液・嫌気性消化汚泥を河川や下水道への放流や、液肥使用などその後の行き先に適した水質にするためには、まず脱水を行い、脱水後の消化脱離液に対して有機物や窒素、リンの除去を行うことが多い。近年はＣＯＤ総量規制や窒素、リンなどの富栄養化物質の規制が強化されつつあり、嫌気性消化と従来通りの二次処理（ＢＯＤ除去）だけでは対応が難しくなっている。
【０００４】
下水処理における汚泥処理システムなど、水処理工程に付随した処理施設においては、脱水工程で消化汚泥のＳＳ成分を低減又は除去し、消化脱離液を水処理工程に戻すことが多いが、この方法には水処理工程で除去したリンを水処理工程へ戻すという堂堂巡りの側面がある。このため水処理系へのリン負荷が高く、効率的な方法とはいえない。もともと水処理工程がなく消化脱離液を個別に処理する場合も同様で、まず脱水工程で消化汚泥のＳＳ成分を除去し、消化脱離液に対しＢＯＤ除去、リン除去、窒素除去などを行うことが多い。
【０００５】
ところで、脱水にかかるコストが嫌気性消化汚泥の処理における問題の一つである。脱水のために添加する凝集剤、ポリマーの薬剤コストが非常に大きな負担になっているのである。
汚泥にポリマーを添加して凝集させるには、汚泥の荷電のプラス／マイナス（アニオン／カチオン）と逆に荷電しているポリマーを添加して汚泥を荷電ゼロに近づければ良い。一般的な有機性汚泥はアニオン（マイナス側）に荷電しているので、カチオンポリマーを添加すれば良い。
【０００６】
一般的な好気性余剰汚泥のコロイド荷電量が概ね−０．１〜−０．３ｍｅｑ／Ｌの範囲にあるのに対し、嫌気性消化汚泥は−０．２〜−１．５ｍｅｑ／Ｌと荷電量が大きいことが多く、その分脱水に必要なポリマー添加率が高くなる。その上、嫌気性消化汚泥には塩分濃度やＭ−アルカリ度が高く、コロイダルな粒子が多く含まれることがさらに難脱水性を高めており、より多量のポリマー添加が必要となる。このため消化汚泥の脱水には鉄塩と両性ポリマーを用いて脱水機にかけることもある。脱水機には真空式脱水機、加圧式脱水機（フィルタープレス）、遠心式脱水機、ベルト式脱水機（ベルトプレス）、スクリュー式脱水機など各種があるが、最も一般的に使用されているのはベルトプレスである。鉄塩を添加すると脱水性が向上する一方でｐＨが低下する。鉄塩の添加率は脱水機を傷めない範囲、ｐＨ４ないし５以上に止まるよう制限される。鉄塩はリン酸に対する凝集効果を有しているので、汚泥中の溶解性リン除去の観点からは一石二鳥である反面、除去したリンを回収するという目的には不向きである。
【０００７】
リンの除去法は、先述の鉄塩やＰＡＣなどによる薬品凝集沈殿法が開発・実用化され実績も得てきたが、薬品コストや大量の汚泥発生のために、実設備での導入は敬遠される傾向にある。１９７０年代に入って、生物学的なリン除去法として、活性汚泥におけるリン過剰摂取に着目した嫌気−好気法や、窒素との同時除去を目指した方法が開発され、実用化されている。その中で嫌気無酸素好気法は、微生物の代謝作用を巧みに利用し、増殖する微生物の細胞内にリンを多量に蓄積させることができるので、日本国内においても広く普及している。しかし、嫌気無酸素好気法は、水質の変化や季節変動に伴う外部環境の変化により、処理性能が安定しないなどの問題があり、このような場合には凝集沈殿法等を組み合わせた処理方法が必要になることもある。その結果、処理工程が煩雑なことと薬品代などのランニングコストが高いことが問題になっている。
【０００８】
一方、廃水からリンを回収する試みとして、１９７０年代にリンをリン酸アパタイトとして析出させる接触脱リン法や晶析法が開発された。近年になって、ＭＡＰ晶析法という化学的リン除去方法が注目されている。ＭＡＰ晶析法とは、水中でリン酸イオン、アンモニウムイオン、マグネシウムイオンが等モルずつ反応してリン酸マグネシウムアンモニウムの６水塩結晶（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ：頭文字をとって「ＭＡＰ」とも呼ばれる：化学式はＭｇＮＨ４ＰＯ４・６Ｈ２Ｏ）（ＭＡＰ結晶）を生成する現象を利用したリンの除去／回収方法である。ＭＡＰ結晶の生成反応を下式１に示す。
ＰＯ４−Ｐ３−＋ＮＨ４＋＋Ｍｇ２＋＋６Ｈ２Ｏ  →  ＭｇＮＨ４ＰＯ４・６Ｈ２Ｏ  …（１）
【０００９】
この反応に従って生成したＭＡＰ結晶粒子を反応系から引き抜くことで、廃水中からリンを除去するとともに、アンモニウムイオンの一部も除去することができる。ＭＡＰ晶析法は、運転操作の煩雑さが少なく、特にリンの回収を安定的に行える。回収されるＭＡＰは重量にして１３％のリンを含み、優れた肥料であるという付加価値がある。ＭＡＰ晶析法は資源の有効利用の点から、優れたリン及び窒素の除去・回収技術と言える。
【００１０】
嫌気性消化処理が進むにつれ汚泥中ではリン酸イオンとアンモニウムイオンの濃度が上昇しており、通常マグネシウムイオンを律速因子として、自然にＭＡＰ晶析法と同じ現象が起こっている。このため往々にして消化汚泥中には相当量のＭＡＰ粒子が含まれている。多くの場合、ＭＡＰ粒子を含んだ粒子が分離回収されないまま脱水工程に導かれ、脱水ケーキに混入する。その過程で脱水機やコンベアにダメージを与え機械寿命を縮める、焼却時にリン飛灰トラブルを引き起こすといった事例が問題となっている。
本発明者らは、先に、微生物の代謝を利用した有機性廃水処理工程で発生する余剰汚泥に対して嫌気性消化処理を行い、かつその処理工程でマグネシウム源を添加して前記汚泥中に含まれるリン又はリンと窒素からリン酸マグネシウムアンモニウムを生成せしめ、生成したリン酸マグネシウムアンモニウムを消化汚泥から分離し回収する工程と、リン酸マグネシウムアンモニウム除去後の消化汚泥の濃縮分離水または消化汚泥の脱水ろ液の内少なくとも１つにマグネシウム源及びｐＨ調整剤を添加、混合することにより、対象液中よりリン酸マグネシウムアンモニウムを生成し回収することを提案した（特許文献１）。
アンモニアとリンを含有する汚水に対して、亜硝酸菌の存在する好気槽内２Ａでアンモニアの一部を亜硝酸に酸化しながら、同時にＭｇイオン源添加によりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を析出させることは可能である（特許文献２）。
【００１１】
一方、アンモニアの処理法としては、生物学的硝化脱窒法の他に、アンモニアストリッピング法、不連続点塩素注入法、イオン交換法などの物理化学的処理法も考案されているが、物理化学的処理法はどれも一長一短である。そこで生物学的硝化脱窒法によって除去するのが一般的に取られる方法である。この方法は処理対象となる各種廃水のアンモニア濃度、及び廃水自身のｐＨ緩衝能力によっては、自栄養性硝化菌によるアンモニアの硝化により混合培養液のｐＨが低下し、プロセス内での硝化、脱窒素能力がともに阻害されるため、ｐＨ調整が必要となり当然コストアップにつながる。また、消化脱離液中のＢＯＤは、含まれる窒素を全量脱窒させるには不足することが普通で、脱窒工程では水素供与体を補うために多量の有機物を投入する必要がある。たいていは、この脱窒用有機物は薬剤として購入しなければならないので、処理コストを増加させる原因となっている。このため有機物が不足する排水中の窒素を、有機物の添加なしに除去する技術の開発が必要とされている。
【００１２】
以上に述べた従来技術の問題点を列挙すると、脱水工程においてＭＡＰ粒子が混入した汚泥をそのまま脱水することにより脱水機やコンベアなどの後段設備が磨耗する問題、脱水性の悪い消化汚泥を脱水するための凝集剤などの薬品コストの問題、高濃度にリンを含んだ汚泥を焼却する際のリン飛灰トラブル、硝化脱窒工程における曝気コストの問題およびｐＨ調整剤や水素供与体などの薬品コストの問題、などがある。
【特許文献１】特開２００３−４５８８９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、簡単なプロセスの組み合わせで構成され、曝気のコストや水素供与体・ｐＨ調整用の薬品コストを大幅に削減することができる上に、リン及びアンモニアを粒子状の化成肥料の形で回収することができる低コストで効率の良い有機性廃棄物の処理方法及びその装置を提供するものであります。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、下記の手段により上記の課題を解決した。
（１）有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化処理で得られた消化汚泥にアンモニアを亜硝酸化する処理を伴う好気的生物処理を行った後、リン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収工程を経た汚泥を固液分離工程へ導き、分離された液をアンモニア脱窒処理することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（２）有機性廃棄物を嫌気性消化処理し、該嫌気性消化処理で得られた消化汚泥について脱炭酸処理を行い、脱炭酸後の汚泥をリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収工程へ導き、リン酸マグネシウムアンモニウム分離後の汚泥に対しては生物学的亜硝酸化処理を行い、固液分離工程に導き、分離した液をアンモニア脱窒工程へ導くとともに、脱炭酸後の汚泥から分離・回収したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子の一部又は全部を脱炭酸処理工程へ返送することを特徴とする有機性廃棄物の処理方法。
（３）有機性廃棄物を嫌気性消化する嫌気性消化槽、該嫌気性消化槽からの消化汚泥中のアンモニアを亜硝酸化する処理を含む硝化槽、該硝化槽からの汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離／回収するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／または回収装置、固液分離装置及びアンモニア態窒素を分子状窒素に変換する脱窒槽を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
（４）有機性廃棄物を嫌気性消化する嫌気性消化槽と、該嫌気性消化槽からの消化汚泥を脱炭酸する脱炭酸槽と、該脱炭酸槽からの汚泥からリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を分離/回収するリン酸マグネシウムアンモニウム粒子分離及び／又は回収装置と、該リン酸マグネシウムアンモニウム分離回収装置を経た汚泥を処理する亜硝酸化槽と、該亜硝酸化槽からの汚泥を固液分離する固体分離槽とを設け、さらにリン酸マグネシウムアンモニウム粒子及び／又は分離回収装置により分離・回収したリン酸マグネシウムアンモニウム粒子の一部又は全部を該脱炭酸槽へ返送する返送管を備えたことを特徴とする有機性廃棄物の処理装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、次のような効果が得られる。
（ａ）ＭＡＰ粒子を固液分離の前に分離／回収することにより、脱水機やコンベアなどの後段設備が磨耗する問題がなくなる。
（ｂ）脱水性の悪い消化汚泥に好気的生物処理を行った上で脱水することにより凝集剤やポリマーなどの薬品コストを削減できる。
（ｃ）さらに好気的生物処理における曝気による脱炭酸の影響で汚泥中のｐＨをＭＡＰ粒子生成に適した範囲に維持することにより、汚泥中のリン酸イオンを効果的に除去／回収することを可能とし、高濃度にリンを含んだ汚泥を焼却する際のリン飛灰トラブルがなくなる。
（ｄ）好気的生物処理を亜硝酸型硝化としてアンモニア脱窒と組み合わせることにより、硝化脱窒工程における曝気コストの問題およびｐＨ調整剤や水素供与体などの薬品コストを削減できる。
本発明は、簡単なプロセスの組み合わせから成る低コストで効率の良い有機性廃棄物の処理方法及び装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施の形態および実施例を説明する全図において、同一機能を有する構成要素は同一の符号を付けて説明する。
本発明では、まず、図１のフローに示すように、処理対象となる有機性廃棄物１０を嫌気性消化槽１に導入する。消化汚泥中ではＭＡＰの成分であるＭｇ、ＰＯ４−Ｐ、ＮＨ４−Ｎ、およびｐＨの間で平衡が成り立っている。Ｍｇ、ＰＯ４−Ｐ、ＮＨ４−Ｎのうちどれかの濃度を上げたり、ｐＨを上げて中性付近からアルカリ性付近とすることにより、ＭＡＰの結晶を生成させることができることはよく知られている。ＭＡＰ生成においてｐＨは重要な条件であり、アルカリ性の方がＭＡＰ生成には好ましいのであるが、ｐＨが高すぎると過飽和度が上昇し、結晶化を促進する力があまりにも強く作用するあまり、微細ＭＡＰの生成につながる恐れがある。微細ＭＡＰは分離／回収することができない。回収を目的としたＭＡＰ生成の際には、生成時のｐＨが６．８〜８．０の範囲にあることが好ましく、更には７．１〜７．６の間であればより好ましい。
【００１７】
次に、この槽に連通されている好気的生物処理槽２にて好気条件下で生物処理を行う。好気的生物処理には標準活性汚泥法、回分式活性汚泥法、固定床／移動床式生物膜法等の各種がある。そのいずれでも適用できるし、ＢＯＤ除去に限らず回分式／循環式硝化脱窒の硝化部分、嫌気好気無酸素法の好気部分としてもよい。あらゆる好気性生物処理法が適用可能である。
ところで嫌気性消化の過程で生成するガスの内訳は二酸化炭素とメタンが３：７〜４：６程度である。嫌気性消化槽１は密閉式であるので消化汚泥中には炭酸ガスＣＯ２が溶け込んでほぼ飽和状態となっており、解離平衡が成り立っている。
ＣＯ２↑＋Ｈ２Ｏ  ←→  Ｈ２ＣＯ３  ←→  Ｈ＋＋ＨＣＯ３−  ←→２Ｈ＋＋ＣＯ３２−…（２）
【００１８】
通常、好気的生物処理は曝気を伴う。曝気により消化汚泥を強制的に大気と接触させることにより、消化汚泥中の酸成分である遊離炭酸（Ｈ２ＣＯ３）が放出され、ｐＨが８近くにまで上昇する。その結果ＭＡＰを構成する各イオンの平衡が移動し、汚泥中にＭＡＰの結晶が生成するのである。脱炭酸だけでｐＨが８から大幅に上がることは容易には起こらない。このことは微細ＭＡＰ生成防止に有効である。
【００１９】
ＭＡＰの結晶を含有する汚泥を後段の公知（萩野：特開２００２−０４５８８９）のＭＡＰ回収／分離装置３へ導入することによって、有機性廃棄物１０中のリン及びアンモニアをＭＡＰ粒子４の形で分離・回収することができる。この方法により、消化汚泥のＢＯＤを除去すると同時にＰＯ４−ＰとＮＨ４−ＮをＭＡＰ粒子４の形にいわば固定することができ、容易に分離・回収が可能となり、この回収物は化成肥料として有効利用できる。
【００２０】
生成するＭＡＰ粒子４の量をより増やすためには曝気後のアルカリ薬剤添加も選択肢の一つであるが、この方法は消化汚泥のような緩衝能の高いものに対して必ずしも効率的ではないし、微調整が上手くいかずｐＨが上がりすぎた時、高すぎるｐＨ値がＭＡＰ生成には適していても、回収目的には適しないということはすでに述べた通りである。ｐＨが微生物に影響を与えるまでに上昇すると肝心の生物処理が立ち行かず、本末転倒でもあるので慎重を要する。本発明においては、ＮＨ４−Ｎ、ＰＯ４−Ｐに対して含有濃度の低いＭｇを補う方法が適当である。あたりまえのことだが、有機性廃棄物１０の中には、例えば、おから等豆腐製造にかかわる廃液・廃棄物のように、Ｍｇを高濃度で含むものもあるので、消化汚泥中のＭｇイオン、ＰＯ４−Ｐ、ＮＨ４−Ｎの濃度バランスが整っているのならば、あえてＭｇ源を添加しないでも曝気による脱炭酸でｐＨを調節するだけで十分なＭＡＰ生成、リン除去を果たすことができる。Ｍｇ源としてＭｇＣ１２は水への溶解度が高く便利である。Ｍｇ（ＯＨ）２はＭｇＣ１２よりも安価である。特に工業用のスラリ状のＭｇ（ＯＨ）２は格段に安価である。Ｍｇ（ＯＨ）２ならアルカリとしてのｐＨ維持効果も期待できる。海水を利用しても良い。Ｍｇを高濃度に含む廃液をＭｇ源として利用できれば、コストの面では優れている。
【００２１】
投入する先は好気的生物処理槽２であるから、廃液にＢＯＤ成分が含まれていても問題なく利用できる。嫌気性消化槽１に投入するか生物処理槽２に投入するかの適性はＳＳ濃度やＢＯＤ濃度など廃液の性状に依存する。生物処理槽２にＭｇ源を加える時には、直接槽へ投入する方法もあるし、槽に入る消化汚泥のラインから投入する方法もある。ＭＡＰ生成即ちリン濃度の低減という観点から考えると、ＭＡＰ生成量すなわちリン濃度低減量はリン、アンモニア、マグネシウム濃度とｐＨで決定されるので、どちらの注入方法をとっても同じ効果が得られる。
【００２２】
上記はＭＡＰの生成量を上げる工夫であるが、一方、ＭＡＰの回収率を上げるためには微細ＭＡＰの生成を防ぐ必要がある。リン、アンモニア濃度が最も高いのは生物処理槽２に入る前の消化汚泥の注入ラインである。この部分では通常ｐＨがＭＡＰ生成の目安となる６．８よりは高くなっているので、ここにＭｇを注入すると微細ＭＡＰが大量に発生し、回収できなくなる恐れがある。また、配管部分のスケーリングを助長することも懸念される。一方、生物処理槽２内ではｐＨが８程度にまで上がっているが、すでに、リン、アンモニア濃度がある程度下がっているので、ここに直接Ｍｇを注入しても微細ＭＡＰが生成する可能性は小さい。Ｍｇを添加する場合は消化汚泥に混ぜず、別途生物処理槽２へ投入する方が好ましい。また、Ｍｇ添加の有無にかかわらず、一旦回収したＭＡＰを種晶として再度生物処理槽２に戻し、ＭＡＰが析出する種晶の表面積を増やすと微細ＭＡＰの生成防止に大きな効果がある。種晶としてＭＡＰ生成槽に戻すＭＡＰ粒子は、径がφ１５０μｍ以上のものが好ましく、更にはφ２５０〜８００μｍの範囲のものが最適である。
【００２３】
嫌気性汚泥の固液分離を行う際には多量の凝集剤や高分子ポリマーを用いる必要があった。好気的生物処理を行い、ＭＡＰを分離した後の汚泥は、元の嫌気性消化汚泥に比べて沈降分離性が向上する。必要な薬剤の量を大幅に削減することができ、コスト削減につながる。
好気的生物処理、固液分離を経た処理液は窒素除去を行う。
【００２４】
本発明では、図１に示す好気的生物処理槽２に浮遊の、または担体に固定化された亜硝酸化菌を存在させ、好気的処理を部分的又は全体的に亜硝酸型硝化とすることにより硝化脱窒にかかるコストをほぼ半減させることもできる。これを図２に示す。
アンモニアとリンを含有する汚水に対して、亜硝酸菌の存在する好気槽内２Ａでアンモニアの一部を亜硝酸に酸化しながら、同時にＭｇイオン源添加によりリン酸マグネシウムアンモニウム粒子を析出させることは可能である（特開２００３−１２６８８７）。公知の文献（生物学的脱窒素法に関する研究（Ｉ）−硝化作用の支配因子に関する検討−下水道協会誌，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．４）によれば亜硝酸化菌の最適ｐＨは７．０〜８．５で、硝酸化菌の最適ｐＨは６．０〜７．５であり、ｐＨ８前後の条件では硝酸菌が活性を落とすのに対し、亜硝酸菌は活性を保つ。消化汚泥を曝気により脱炭酸することでｐＨが８付近に保たれることは、亜硝酸型硝化に好ましい状態である。このｐＨ条件で硝酸型硝化を行おうとすると、ＮＯ３はＮＯ２に比べて１．５倍の酸素を必要とすることに加え、硝酸化菌の活性が落ちるので、曝気コストが増大し合理的ではない。消化汚泥を硝化する際には亜硝酸型硝化を目指すのが効率的で合理的な処理法と言える。
【００２５】
硝化反応の第１段階は亜硝酸化菌（アンモニア酸化菌とも呼ばれる）によるＮＨ４−ＮをＮＯ２−Ｎに酸化する反応（式３）で、第２設階は硝酸化菌（亜硝酸酸化菌とも呼ばれる）によるＮＯ２−ＮをＮＯ３−Ｎに酸化する反応（式４）である。
ＮＨ４＋＋１．５Ｏ２→２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ＋ＮＯ２−＋５８〜８４ｋｃａ１  …（３）
ＮＯ２−＋０．５Ｏ２→ＮＯ３−＋１５．４〜２０．９ｋｃａ１        …（４）
水処理において硝化を行う時には後段に脱窒工程を設けて窒素を除去することが多い。亜硝酸が蓄積した状態での脱窒ではしばしば窒素ガスとともに相当量の亜酸化窒素Ｎ２Ｏという気体が発生する。亜酸化窒素は温暖化ガスの一つで、その温暖化効果は同一重量の二酸化炭素の３１０倍とされており、温暖化が問題となり国を挙げての排出削減努力が展開される今日、軽視することの許されないガスである。
【００２６】
硝化を亜硝酸化にとどめることの硝化脱窒プロセスでのエネルギー消費と温暖化ガスという環境負荷のジレンマに対する有効な技術としてアンモニア脱窒法（嫌気性アンモニア酸化法）が最近注目を集めている（遠矢：特許第３４６０７４５号、デルフト大：Ｈ０３−５０１０９９号）。この方法は、アンモニアと亜硝酸を独立栄養細菌の働きにより脱窒させるものであり、反応はアンモニアを水素供与体、亜硝酸を水素受容体とした独立栄養反応である（式５）。
１．０ＮＨ４＋＋１．３２ＮＯ２−＋０．０６６ＨＣＯ３−＋０．１３Ｈ＋    →
１．０２Ｎ２＋０．２６ＮＯ３−＋０．０６６ＣＨ２Ｏ０．５Ｎ０．１５＋２．０３Ｈ２Ｏ
…（５）        
【００２７】
本発明者らは、アンモニウム塩、亜硝酸塩を主成分とする人工廃水に対するアンモニア脱窒の過程で亜酸化窒素が発生するかを検討した。その結果、亜酸化窒素の発生は確認されなかった。
亜硝酸化処理を受けた汚泥は、ＭＡＰ回収／分離装置３を経た後、固液分離工程にてＳＳ成分を１００〜３００ｍｇ／Ｌ程度にまで除去した後、上記のアンモニア脱窒工程にて窒素を除去する。このとき、アンモニア脱窒においては式５に示すように亜硝酸性窒素とほぼ同量のアンモニア性窒素を要するので、亜硝酸化を半分程度で止める処理条件を取ると効率が良い。また、アンモニア脱窒では窒素の除去率が８０％程度であるので、処理水の用途に不足な場合には後段に別途硝化脱窒工程を組み合わせることで対応できる。
【００２８】
ところで、処理対象となる有機性廃棄物１０のＢＯＤが非常に高い場合、好気性生物処理槽２の滞留時間が数日間に及ぶ。生物処理槽２が完全混合に近い状態であると、流入する消化汚泥中の高濃度のＮＨ４−ＮやＰＯ４−Ｐの存在、脱炭酸によるｐＨ上昇は、全体の中で効果が薄れる。このような場合には好気性生物処理槽２を仕切り、前の部分でＭＡＰを生成し分離回収、場合によっては種晶の循環を行うようにすれば、一槽でＭＡＰ生成と、生物処理を行うことが可能である。
【００２９】
さらに本発明において、図３に示すように消化汚泥を脱炭酸槽７に導き、脱炭酸によるｐＨ上昇に伴いＭＡＰを生成させ、生成したＭＡＰを続く工程のＭＡＰ分離回収工程にて回収することとしても良い。ＭＡＰ分離回収後の汚泥に対し、続く好気的生物処理槽２で亜硝酸型硝化を行い、固液を分離する。このフローは、消化槽を出たばかりの、ＮＨ４−ＮとＰＯ４−Ｐを高濃度に含む汚泥に対し脱炭酸処理をしてＭＡＰを生成させるので、ＭＡＰの生成量が増える。短い滞留時間しか要しない化学反応であるＭＡＰ生成と、比較的長時間を要する好気的生物処理を別々に行うことで、スケーリングなどのトラブルの原因となりうるＭＡＰの系内滞留時間、滞留空間を小さくする。好気的生物処理槽２の前に予めＭＡＰが除去されているので、スケーリングなどのトラブルの可能性が減る。
後段に、処理水性状の必要に応じてアンモニア脱窒や硝化脱窒工程を組み合わせることで目的に応じた処理水質を満足することができる。
【００３０】
あるいは図４、図５において嫌気性消化槽１の直後にＭＡＰ分離回収装置３を設けても良い。図４においては有機性廃棄物に対し嫌気性消化を行った後、ＭＡＰ分離回収装置３を設け、続く好気的生物処理槽２の後にＭＡＰ分離回収工程３を設け、ＭＡＰ回収後の汚泥について固液分離装置５とアンモニア脱窒槽６を設ける。同様に図５において、有機性廃棄物１０に対し嫌気性消化を行った後、ＭＡＰ分離回収工程を設け、改めて脱炭酸槽７でＭＡＰを生成させＭＡＰ分離回収装置３を経て、亜硝酸化槽２Ａでの好気的生物処理、続いて固液分離と処理を進める。この場合亜硝酸化槽２Ａで生成するＭＡＰの量は少ないので、ＭＡＰ分離回収装置３から回収ＭＡＰを返送し種晶として循環利用することが望ましい。
【実施例】
【００３１】
以下において、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例により制限されるものではない。
【００３２】
実施例１
図６に示す本発明のベンチスケールの一実施形態の方式で試験を行った。家庭から出される生ごみ１０Ａを処理するにあたって、メタン醗酵槽（嫌気性消化槽１）にて嫌気性消化処理を行った後、汚泥を循環式硝化脱窒処理工程へ導くこととした。
（処理条件）
本実施例における嫌気性消化槽は、容量が２０リットル、温度３５℃、滞留時間ＨＲＴ２０日、脱窒槽は、容量が６リットル、温度２０℃、滞留時間ＨＲＴ６日、硝化槽は、容量が１８リットル、温度２５℃、滞留時間ＨＲＴ１８日の各条件として処理を行った。
（処理結果）
メタン醗酵槽（嫌気性消化槽１）、脱窒槽８、硝化槽９の汚泥性状は、それぞれ第１表、第２表に示す通りであった。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
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【００３５】
このとき、硝化槽９にて汚泥中に生成したＭＡＰ粒子４をサイクロン（図示せず）で分離し、硝化槽９へ１〜１．５ｇ−ＭＡＰ／Ｌ−槽程度返送し、種晶として循環させたところ、粒径１２０〜６００μｍ程度のＭＡＰ粒子が回収できるようになった。ＭＡＰの生成／回収量は２．５ｇ／Ｌ−汚泥に達した。
【００３６】
実施例２
図７に示す本発明のラボスケールの実施形態の一方式によって試験を行った。農業廃棄物１２のメタン醗酵汚泥に対して流動担体投入法により原汚泥中のＮＨ４−Ｎのおよそ半量が亜硝酸となり、処理汚泥中のＮＨ４−ＮとＮＯ２−Ｎがほぼ同量となるよう条件を調整して亜硝酸型硝化処理を行う。その後汚泥をＭＡＰ分離／回収装置３へ導き、その後の汚泥に対して固液分離を行い、脱離液に対してアンモニア脱窒処理を行うというフローである。
【００３７】
図８は、比較対照のために実験したフローである。実施例２と同じ農業廃棄物１２のメタン醗酵汚泥を処理するにあたり、まずＭＡＰ粒子の分離／回収を行い、次に分離後の汚泥に対して固液分離を行う。続いて脱離液を循環式硝化脱窒工程に導くというフローである。
【００３８】
（処理結果）
使用した農業廃棄物１２には豆腐製造廃棄物であるおからが含まれるためＭｇ濃度が高く、このためメタン醗酵液は非常にＭＡＰが生成しやすい性状であった。
比較対照実験におけるＭＡＰ粒子の回収率は汚泥あたり０．９ｇ／Ｌであった。消化汚泥は非常に脱水性が悪く、固液分離のためには強カチオンポリマーを使用する必要があった。ポリマーの注入率は３．５％−ＤＳであった。
本実施例におけるメタン醗酵槽（嫌気性消化槽１）、亜硝酸化槽２Ａの汚泥とアンモニア脱窒処理液の性状を第３表に示す。表中、ｐＨ値以外の数値の単位は「ｍｇ／Ｌ」である。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
本実施例において、ＭＡＰ分離回収槽３にて回収されたＭＡＰ粒子を０．８〜１．２ｇ−ＭＡＰ／Ｌ−槽程度の割合となるように返送し、種晶として循環させた。その結果、粒径１００〜５５０μｍのＭＡＰ粒子を回収することができた。ＭＡＰ粒子の回収率は、汚泥あたり約２．８ｇ／Ｌとなった。またこのとき、嫌気性消化汚泥ではなく好気的処理を行って脱水性を改善した汚泥に対して固液分離を行うフローとしたことにより、ポリマーの注入率は１．８％−ＤＳとなり、ポリマーの使用量を約５０％削減することができた。また、ポリマーの種類を強カチオンポリマーから比較的安価な中カチオンポリマーに切り替えることができ、薬品にかかるコストとしては約６０％の削減となった。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明により、有機性廃棄物を処理する工程で使用される脱水機やコンベアなどの設備の耐久性が向上し、凝集剤やポリマーなどの薬品コストが削減され、更にリンを含んだ汚泥を焼却する際のリン飛灰が著しく減少するので、本発明の有機性廃棄物の処理方法及びその装置は下水処理場等の有機性廃棄物処理施設等への導入が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】有機性廃棄物を嫌気性消化槽に導入し、好気的生物処理槽で処理を行い、ＭＡＰ分離回収装置でＭＡＰを回収する本発明の一実施態様の処理フローを示す図である。
【図２】好気的生物処理槽として亜硝酸化槽を用い、固液分離槽の後にアンモニア脱窒槽を使用する本発明の一実施態様の処理フローを示す図である。
【図３】消化汚泥を脱炭酸槽に導き、生成したＭＡＰをＭＡＰ分離回収工程にて回収する本発明の一実施態様の処理フローを示す図である。
【図４】嫌気性消化槽と好気的生物処理槽との間、及び好気的生物処理槽と固液分離槽との間にＭＡＰ分離回収工程を設け、固液分離槽の後にアンモニア脱窒槽を使用する本発明の一実施態様の処理フローを示す図である。
【図５】嫌気性消化槽の後にＭＡＰ分離回収工程を設け、更に脱炭酸槽でＭＡＰを生成させＭＡＰ分離回収装置を経て、亜硝酸槽、固液分離処理を含む本発明の一実施態様の処理フローを示す図である。
【図６】実施例１の処理フローを示す図である。
【図７】実施例２の処理フローを示す図である。
【図８】比較例の処理方法のフローを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    嫌気性消化槽
２    好気的生物処理槽
２Ａ  亜硝酸化槽
３    ＭＡＰ分離回収装置
４    ＭＡＰ
５    固液分離槽
６    アンモニア脱窒槽
７    脱炭酸処理槽
８    脱窒槽
９    硝化槽
１０    有機性廃棄物
１０Ａ  生ごみ
１２    農業廃棄物
１３    処理水
１４    循環液
【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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【図７】
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【図８】
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