JP5105500B2

JP5105500B2 - 家畜尿からのアンモニア回収方法

Info

Publication number: JP5105500B2
Application number: JP2005261462A
Authority: JP
Inventors: 隆夫増田; 輝興多湖; 哲也柳瀬; 淳一廣田
Original assignee: Hokkaido University NUC; Metawater Co Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Metawater Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP2007070193A

Description

本発明は、家畜尿から不純物の少ないアンモニアを回収することができる家畜尿からのアンモニア回収方法に関するものである。

畜舎から排出される家畜尿には高濃度の有機物、アンモニア及び尿素が含有されている。一方、アンモニアなどの窒素成分は、湖沼・海域等の閉鎖性水域に流入すると富栄養化を引き起こす事から、濃度規制及び総量規制(濃度×排水量)が既に実施されている。
窒素分を処理する方法としては、従来から硝化・脱窒処理と呼ばれる生物処理が利用されている。これは、排水中のアンモニアを好気条件下で硝酸へと酸化し(硝化反応)、嫌気条件下で硝酸を窒素へと還元する(脱窒反応)方法である。しかし、硝化処理は、排水中の有機物濃度が高いと進行しにくい為、家畜糞尿やメタン発酵消化液等の窒素分だけでなく高濃度の有機物も同時に含む廃液にそのまま適用すると、窒素を処理する前に、有機物の処理も必要となり多大なエネルギーとコストが必要となる。

また、特許文献１には、家畜糞尿などの処理方法として先ず強酸性物質を添加して酸性としたうえ、強アルカリ性物質を添加してアルカリ性とし、含有される有機分及び無機分を沈殿分離させ、肥料などとして利用する方法が開示されている。しかし強酸や強アルカリを使用するうえ、大規模な設備を必要とするので、設備コストが高くなるという問題がある。

このほか特許文献２には、家畜糞尿などを発酵槽内で強力に撹拌曝気し、高温発酵を促進させる処理方法が開示されている。しかしこの方法はやはり大規模な設備を必要とするので、設備コストが高くなるという問題がある。なお何れの特許文献にも、家畜糞尿から有用物質であるアンモニアを回収することについては記載されていない。
特開２００３−２５１４００号公報特開平２−２０７８９６号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決して、家畜尿を強酸や強アルカリを使用せず、有用物質であるアンモニアを不純物の少ない状態で回収することができる家畜尿からのアンモニア回収方法を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、家畜尿を水熱処理したうえ、加熱ＭＡＰと接触させてアンモニアを吸収させ、アンモニアを吸収させたＭＡＰを固液分離し、分離されたＭＡＰを洗浄して付着しているＣ分とＳ分を除去し、その後に加熱してアンモニアを回収することを特徴とするものである。ここでＭＡＰとは、MgNH₄PO₄・６H₂O（リン酸マグネシウムアンモニウム）を意味する。水熱処理を２６０〜３００℃の温度で、１５〜６０分間行うことが好ましく、加熱によりアンモニアを回収したＭＡＰを循環使用することが好ましい。

本発明によれば、強酸や強アルカリを使用することなく、家畜尿から不純物の少ないアンモニアを回収することができ、河川の富栄養化を防止することができる。またＭＡＰは加熱すればアンモニアを放出してMHP（リン酸マグネシウム：Mg₄PO₄・3H₂O）となるので、何度も繰り返して使用することができ、経済性にも優れる。しかも本発明では、Ｃ分とＳ分を除去した状態でＭＡＰを加熱するので、有害なＣＯやＳＯ_２ガスなどが加熱時に発生してアンモニアガス中に混入することを防止することができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明のフローを示すもので、先ず畜舎などから回収された家畜尿を水熱処理する。水熱処理は家畜尿中の尿素をアンモニアに変換するために行われる操作であり、２６０〜３００℃の温度で１５分以上行うことが好ましい。しかし後述するように、この水熱処理は不純物を除去するうえでも大きな効果がある。温度が２６０℃未満であると効果が不十分であり、３００℃を越えても効果の向上は少ない。水熱処理は少なくとも１５分間行うが長時間行っても効果の向上は少なく、３時間以上行う意味はない。

水熱処理された家畜尿は、加熱ＭＡＰと接触させる。前記したようにＭＡＰはMgNH₄PO₄・６H₂O（リン酸マグネシウムアンモニウム）を意味するが、加熱によりアンモニア吸収能を持つMHP（リン酸マグネシウム：Mg₄PO₄・3H₂O）となる。このMHPは粒状体であり、常温において家畜尿中のアンモニアを分子構造中に取り込み、ＭＡＰとなる。このアンモニアの吸収は、図２のグラフに示すようにアンモニア濃度に関係なく、理論値とほぼ同量が吸収される。

図３のグラフに示すように、ｐＨが弱アルカリのときアンモニア吸着量が最大となるので、アンモニアを吸着させる際にはｐＨを８.５〜１２程度にコントロールしておくことが望ましい。

アンモニアを吸収したＭＡＰは固液分離され回収される。固液分離は重力沈降法やろ過法など、任意の手段により行えばよい。アンモニアが除去され窒素負荷が軽減された排液は、通常の活性汚泥処理でＢＯＤを除去したうえ、河川等に放流される。

一方、アンモニアを吸収したＭＡＰは５０〜１２０℃程度に加熱して吸着したアンモニアを放出させるが、そのまま加熱するとＭＡＰの表面に付着しているＣ分やＳ分が有害なＣＯガスやＳＯ_２ガスとなってアンモニア中に混入する。この問題を解決するために本発明では回収されたＭＡＰを水で洗浄するのであるが、図４のグラフに示すように予め水熱処理を行わない場合には、洗浄を行ってもＣＯの発生を十分に防止できない。

これに対して水熱処理を行った場合には、１回の洗浄を行うだけでＣＯの発生を十分に抑制することができる。しかし水熱処理を行っても、洗浄を行わない場合には洗浄回数０として示すように、少量のＣＯが発生する。このように、水熱処理とＭＡＰ洗浄との組み合せによってＣＯガスやＳＯ_２ガスの生成を効果的に抑制し、不純物の少ないアンモニアを回収することが初めて可能となる。このアンモニアは例えば水素転換触媒により水素に転換し、燃料電池などに利用することができるが、燃料電池の触媒活性を阻害するＣＯガスやＳＯ_２ガスの発生は本方法により抑制することができる。

加熱によりアンモニアを放出したＭＡＰはMHPに戻るので、これを循環させて再びアンモニア吸収に用いることができる。
次に本発明の実施例を示す。

厩舎から回収された家畜尿１Ｌ（アンモニアと尿素を合わせた窒素分を７８００ｐｐｍ含有）を反応容器に入れ、３００℃で１時間の水熱処理を行った。次にｐＨを９．８に調整し、加熱ＭＡＰ（ＭＨＰ）９．８グラムを投入して常温で撹拌し、アンモニアを吸着させた。ＭＡＰを取り出した液中のアンモニアと尿素を合わせた窒素分は３５００ｐｐｍまで減少した。取り出したＭＡＰを２回にわたり水で洗浄して付着している不純物を取り除いたうえ、１０５℃に加熱してアンモニアを回収した。回収されたアンモニアガス中にＣＯは検出されなかった。

次に反応容器に投入する加熱ＭＡＰをおよそ１０倍の１０１グラムに増加し、同様の処理を行った。図５は窒素収率を示すグラフであり、何れの場合にも水熱処理された家畜尿中の窒素（アンモニア）が加熱ＭＡＰにより効率よく吸収されたことが確認できた。

これに対して、その他の条件を一定としたまま水熱処理を省略した場合には、回収されたアンモニアガス中のＣＯ濃度が９５００ｐｐｍに達し、水素転換触媒によるアンモニアから水素への転換には不適当であった。

本発明の実施形態を示すブロック図である。アンモニア濃度とアンモニア吸着量との関係を示すグラフである。 pHとアンモニア吸着量との関係を示すグラフである。洗浄回数とアンモニアガス中のＣ濃度との関係を示すグラフである。加熱ＭＡＰの量と窒素収率との関係を示すグラフである。

Claims

家畜尿を水熱処理したうえ、加熱ＭＡＰと接触させてアンモニアを吸収させ、アンモニアを吸収させたＭＡＰを固液分離し、分離されたＭＡＰを洗浄して付着しているＣ分とＳ分を除去し、その後に加熱してアンモニアを回収することを特徴とする家畜尿からのアンモニア回収方法。
水熱処理を２６０〜３００℃の温度で、１５分以上行うことを特徴とする請求項１記載の家畜尿からのアンモニア回収方法。
加熱によりアンモニアが回収されたＭＡＰを循環使用することを特徴とする請求項１記載の家畜尿からのアンモニア回収方法。