(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
家畜糞尿、食品残渣、及び／又は下水道汚泥を含む発酵液を下部の空間に貯留し嫌気条件下で発酵させて燃料ガスを生成する発酵槽の上部の空間である反応空間に、硫黄酸化細菌を有する処理材を配設し、
酸素濃度が０．５体積％〜２．０体積％になるように前記反応空間に酸素又は酸素含有ガスを導入して調節した前記燃料ガスを含む被処理ガスが前記処理材に接触して前記被処理ガスの硫化水素を硫黄単体として脱硫する燃料ガスの脱硫方法であって、
前記硫黄酸化細菌はハロチオバチルス・ネオポリタヌス（Halothiobacillus neapolitanus）及びチオアルカリミクロビウム・シビリクム（Thioalkalimicrobium sibiricum）から選択される１種以上の細菌であり、
前記処理材は前記発酵液の上であって飛沫が付着可能な位置に配設されていることを特徴とする燃料ガスの脱硫方法。
【請求項２】
前記被処理ガスは酸素濃度が０．８体積％〜１．６体積％である請求項１に記載の燃料ガスの脱硫方法。
【請求項３】
前記被処理ガス中の酸素濃度を２体積％以下の範囲で調節して、前記処理材のｐＨがアルカリ領域に収まるように調節されする請求項１又は２に記載の燃料ガスの脱硫方法。
【請求項４】
前記処理材は担体と前記担体上に形成された前記硫黄酸化細菌の生物膜とをもつ請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料ガスの脱硫方法。
【請求項５】
家畜糞尿、食品残渣、及び／又は下水道汚泥を含む発酵液を下部の空間に貯留し嫌気条件下で発酵させて前記燃料ガスを生成する発酵槽と、
前記発酵槽の上部の空間である反応空間の内部であって、前記発酵液の飛沫が付着可能な位置に配設されている硫黄酸化細菌を有する処理材と、
前記反応空間に酸素又は酸素含有ガスを導入する手段であり、酸素濃度が０．５体積％〜２．０体積％に調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを調製する被処理ガス調製手段と、を有し、
前記被処理ガスが前記処理材に接触・反応して被処理ガスの硫化水素を硫黄単体となる燃料ガスの脱硫装置であって、
前記硫黄酸化細菌はハロチオバチルス・ネオポリタヌス（Halothiobacillus neapolitanus）及びチオアルカリミクロビウム・シビリクム（Thioalkalimicrobium sibiricum）から選択される１種以上の細菌であることを特徴とする燃料ガスの脱硫装置。
【請求項６】
前記被処理ガスは酸素濃度が０．８体積％〜１．６体積％である請求項５に記載の燃料ガスの脱硫装置。
【請求項７】
前記被処理ガス調製手段は、前記被処理ガス中の酸素濃度を２体積％以下の範囲で調節して、前記処理材のｐＨがアルカリ領域に収まるようにする請求項５又は６に記載の燃料ガスの脱硫装置。
【請求項８】
前記処理材に必要な栄養及び水分を補給する補給手段を有する請求項５〜７の何れか１項に記載の燃料ガスの脱硫装置。
【請求項９】
前記処理材は担体と前記担体上に形成された前記硫黄酸化細菌の生物膜とをもつ請求項５〜８の何れか１項に記載の燃料ガスの脱硫装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス中に含まれる硫化水素などの含硫黄化合物を好適に除去することが可能な燃料ガスの脱硫方法及び脱硫装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
家畜糞尿、食品残渣、下水道汚泥等を原料として嫌気性発酵によりメタンガスを主とするバイオガスを生産することは、京都議定書に規定されている地球温暖化対策のためには極めて有効な方法である。すなわち、家畜排泄物などは嫌気性発酵に伴い、燃料として使用することが可能なメタンなどが発生するため、家畜排泄物などの処理に加え、燃料ガスを製造する方法としても有効な方法である。
【０００３】
しかしながら、嫌気性発酵に伴い、燃料ガスとして利用できるメタンの他、二酸化炭素、硫化水素なども生成する。これらのうち、硫化水素は毒性があり、何らかの方法にて除去する必要がある。
【０００４】
従来、硫化水素を除去する方法としては外部に設置した生物又は化学処理脱硫槽により行う方法が一般的である（特許文献１〜４など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３６９６１号公報
【特許文献２】特開平５−２３４３２２号公報
【特許文献３】特開２００３−７３６８０号公報
【特許文献４】特開２００４−２５０９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Sievert, S.M., Wieringa, E.B., Wirsen, C.O., and Taylor, C.D. : Growth and mechanism of filamentous-sulfur formation by Candidatus Arcobacter sulfidicus in opposing oxygen-sulfide gradients, Environ. Microbiol., Vol. 9(1), pp. 271-276, 2007.
【非特許文献２】Alcantara, S., Velasco, A., Munoz, A., Cid, J., Revah, S., and Razo-Flores,E. : Hydrogen sulfide oxidation by a microbial consortium in a recirculation reactor system: sulfur formation under oxygen limitation and removal of phenols, Environ. Sci. Technol., Vol. 38(3), pp. 918-923, 2004.
【非特許文献３】日本下水道協会：「下水試験方法上巻」、８１２ｐｐ、日本下水道協会、東京、１９９７
【非特許文献４】Schieder, D., Quicker, P., Schneider, R., Winter, H., Prechtl, S., and Faulstich, M.: Microbiological removal of hydrogen sulfide from biogas by means of a separate biofilter system: experience with technical operation, Water Sci Technol, Vol.48 (4), pp. 209-212, 2003.
【非特許文献５】Visser, J.M., Stefess, G.C., Robertson, L.A., and Kuenen, J.G. :Thiobacillus sp. W5, the dominant autotroph oxidizing sulfide to sulfur in a reactor for aerobic treatment of sulfidic wastes, Antonie Van Leeuwenhoek,Vol. 72 (2), pp. 127-134, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
生物学的な方法にて硫化水素などの含硫黄化合物を除去する場合、硫化水素などは順次、酸化されていき、最終的には硫酸にまで酸化される。硫酸は非常に酸化力が強く、そのまま放置すると、脱硫装置自体にも損傷を与えかねないため、脱硫装置としては耐酸性が高い材料から構成する必要があり、コストが高くなっていた。また、脱硫に用いる微生物自身も自身が生成する硫酸により死滅するといった問題点が指摘されている。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、嫌気性発酵などにより生成した燃料ガスに含まれる含硫黄化合物を生物学的な方法にて除去を行うに際し、硫酸の生成を抑制してその取り扱いが容易となる燃料ガスの脱硫方法及び脱硫装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を解決する目的で嫌気性発酵を行う発酵槽について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、嫌気性発酵槽内に僅かな空気の吹き込みを行いながら嫌気性発酵を行った結果、嫌気性発酵が従来通り継続されると共に、嫌気性発酵に伴い生成される硫化水素が効果的に除去されることが明らかになった。
【００１０】
詳細を調べると、除去された硫化水素は硫酸には至らず、単体の硫黄として析出していることが明らかになった。つまり、硫化水素は硫黄にまで酸化されるが、更なる酸化反応は進行しないことが分かった。この原因を調べると、硫化水素を微生物（硫黄酸化細菌）にて処理させるときに、本来、好適な処理条件と考えられていた好気条件ではなく酸素分圧が低い条件を採用したことによる効果であることが判明した。更に、家畜排泄物などの処理を嫌気性発酵にて行う際の発酵槽内に余剰の空間を設け、外部からその空間内に僅かな空気を導入することにより、硫化水素を酸化して単体の硫黄にできると共に、嫌気性発酵への影響は殆どないことが確認された。
【００１１】
以上、まとめると、硫黄酸化細菌は、硫化水素を硫酸にまで酸化できない酸素濃度範囲が存在し、その範囲に酸素濃度を制御することにより、硫化水素から単体の硫黄を生成することが可能になった。また、嫌気性発酵には影響せずに嫌気性発酵槽内にて硫化水素を除去することができることが明らかになった。以上の知見に基づき、以下の一連の発明を完成した。
【００１２】
以下、各請求項に係る発明における構成上の特徴を説明するが、これらの請求項番号及び発明の内容は補正により変動するものがある。ただし、この補正による変動は、本願当初明細書の範囲内であることはいうまでもない。上記課題を解決する請求項１に係る発明における構成上の特徴は、硫黄酸化細菌を有する処理材に対して、酸素濃度が０．５体積％〜２．０体積％に調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを接触させて脱硫することにある。
【００１３】
ここで、本明細書中における「燃料ガス」とは、消化ガス、バイオガス、発酵ガスなど有機物を微生物により分解することで発生するガスを言う。消化ガスとしては下水などから除去される汚泥が発酵する際に発生するガスである。バイオガスは生ごみなどの有機性廃棄物や家畜の糞尿などを発酵させて得られるガスである。発酵ガスは、その他、有機物を発酵することで生成するガスである。これらのガスはメタンなどの炭化水素を含み、二酸化炭素、水蒸気、窒素、酸素、硫化水素などを含みうる。
【００１４】
上記課題を解決する請求項２に係る発明における構成上の特徴は、請求項１において、前記被処理ガス中の酸素濃度が０．８体積％〜１．６体積％であることにある。
【００１５】
上記課題を解決する請求項３に係る発明における構成上の特徴は、硫黄酸化細菌を有する処理材に、酸素濃度が２体積％以下であって前記処理材のｐＨがアルカリ領域に収まるように調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを接触させて脱硫することにある。
【００１６】
上記課題を解決する請求項４に係る発明における構成上の特徴は、請求項１〜３の何れかであって、前記処理材が担体と前記担体上に形成された前記硫黄酸化細菌の生物膜とをもつことにある。
【００１７】
上記課題を解決する請求項５に係る発明における構成上の特徴は、請求項１〜４の何れかであって、前記硫黄酸化細菌がハロチオバチルス・ネオポリタヌス（Halothiobacillus neapolitanus）及びチオアルカリミクロビウム・シビリクム（Thioalkalimicrobium sibiricum）から選択されることにある。
【００１８】
上記課題を解決する請求項６に係る発明における構成上の特徴は、硫黄酸化細菌を有する処理材と、
酸素濃度が０．５体積％〜２．０体積％に調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを調製する被処理ガス調製手段と、
前記被処理ガスを前記処理材に接触・反応させる処理手段と、
を有することにある。
【００１９】
上記課題を解決する請求項７に係る発明における構成上の特徴は、請求項６において、前記被処理ガスが酸素濃度が０．８体積％〜１．６体積％であることにある。
【００２０】
上記課題を解決する請求項８に係る発明における構成上の特徴は、硫黄酸化細菌を有する処理材と、
酸素濃度が２体積％以下であって前記処理材のｐＨがアルカリ領域に収まるように調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを調製する被処理ガス調製手段と、
前記被処理ガスを前記処理材に接触・反応させる処理手段と、
を有することにある。
【００２１】
上記課題を解決する請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項６〜８の何れかにおいて、前記処理手段が前記処理材が配設された反応空間をもつ槽体であることにある。
【００２２】
上記課題を解決する請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項９において、家畜糞尿、食品残渣、及び／又は下水道汚泥を含む発酵液を下部の空間に貯留し嫌気条件下で発酵させて前記燃料ガスを生成する発酵槽を有し、
前記反応空間は前記発酵槽の上部の空間であり、
前記被処理ガス調製手段は前記反応空間に酸素又は酸素含有ガスを導入する手段であることにある。
【００２３】
上記課題を解決する請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０において、前記処理材が前記発酵液の飛沫が付着可能な位置に配設されていることにある。
【００２４】
上記課題を解決する請求項１２に係る発明における構成上の特徴は、前記処理材に必要な栄養及び水分を補給する補給手段を有することにある。
【００２５】
上記課題を解決する請求項１３に係る発明の構成上の特徴は、前記処理材が担体と前記担体上に形成された前記硫黄酸化細菌の生物膜とをもつことにある。
【００２６】
上記課題を解決する請求項１４に係る発明の構成上の特徴は、前記硫黄酸化細菌がハロチオバチルス・ネオポリタヌス及びチオアルカリミクロビウム・シビリクムから選択される１種以上の細菌であることにある。
【発明の効果】
【００２７】
以下、各請求項に係る発明の効果について説明するが、これらの請求項番号及び発明の内容は補正により変動するものがある。ただし、この補正による変動は、本願当初明細書の範囲内であることはいうまでもない。請求項１に係る発明においては、酸素濃度を上述の範囲に調節することにより、従来、単体の硫黄を経て硫酸にまで酸化されていた硫化水素が硫酸まで酸化されず単体の硫黄が生成することとなった。単体の硫黄は硫酸に比べて腐食性がないなど取り扱いが容易であり、その回収も容易である。更に、単体の硫黄を生成する硫黄酸化細菌も生成した硫黄によっては死滅せず、長期間にわたって硫化水素の除去が継続できるものである。特に請求項２に係る発明において規定する酸素濃度範囲に設定することによりこの傾向は顕著である。
【００２８】
請求項３に係る発明においては、酸素濃度の上限を２体積％として上で、処理材のｐＨがアルカリ領域（ｐＨ７以上）になるように酸素濃度を制御することにより、硫黄酸化細菌の挙動をより精密に制御することが可能になり、硫化水素から硫酸が生成することを防止することができる。
【００２９】
請求項４に係る発明においては、処理材中における硫黄酸化細菌の存在形態として生物膜を採用するものである。硫黄酸化細菌は生物膜中において安定的に生存することが可能であり、安定的に硫化水素の除去を継続することができる。
【００３０】
請求項５に係る発明においては、硫黄酸化細菌として上述の種類のうちの１種以上を採用することにより、より効果的に硫化水素を除去することができる。
【００３１】
請求項６に係る発明においては、酸素濃度を上述の範囲に調節することにより、従来、単体の硫黄を経て硫酸にまで酸化されていた硫化水素が硫酸まで酸化されず単体の硫黄が生成することが可能になった。単体の硫黄は硫酸に比べて腐食性がないなど取り扱いが容易であり、その回収も容易である。更に、単体の硫黄を生成する硫黄酸化細菌も生成した硫黄によっては死滅せず、長期間にわたって硫化水素の除去が継続できるものである。特に請求項７に係る発明において規定する酸素濃度範囲に設定することによりこの傾向は顕著である。
【００３２】
請求項８に係る発明においては、酸素濃度の上限を２体積％として上で、処理材のｐＨがアルカリ領域（ｐＨ７以上）になるように酸素濃度を制御することにより、硫黄酸化細菌の挙動をより精密に制御することが可能になり、硫化水素から硫酸が生成することを防止することができる。
【００３３】
請求項９に係る発明においては、処理材を内部に配設する反応空間を備える槽体を採用することにより、硫化水素を外部に漏出することなく、確実に除去することができる。
【００３４】
特に、請求項１０に係る発明のように、燃料ガスを微生物発酵により生成する発酵槽の上部に空間を設け、その上部空間を反応空間として利用することにより、発生した発酵ガス（燃料ガス）中の硫化水素の除去を確実に行うことができる。この場合に、上部空間の雰囲気として酸素を僅かに含有させた雰囲気を形成するため、上部空間に僅かな量の酸素を導入することになるが、導入した酸素によっては微生物発酵（一般的には絶対嫌気性発酵である）を阻害するおそれは殆どないことが確認されている。これは、導入する酸素の絶対量が少なく、発酵槽内の発酵液中から生成する燃料ガスにより、発酵液中に酸素が溶解することが阻害されるためと推定される。このような構成を採用する場合には請求項１１に係る発明におけるように、発酵液の飛沫が付着可能な位置に処理材を配設することにより、処理材中に存在する硫黄酸化細菌の生存に必要な水分や栄養などを供給することが可能になる。
【００３５】
請求項１２に係る発明においては、処理材に対して、硫黄酸化細菌の生存に必要な栄養及び水分を供給する補給手段を備えていることから、長期間にわたって硫黄酸化細菌を生存させることが可能になって、長期間にわたり硫化水素の除去を確実に行うことができる。
【００３６】
請求項１３に係る発明においては、処理材中における硫黄酸化細菌の存在形態として生物膜を採用するものである。硫黄酸化細菌は生物膜中において安定的に生存することが可能であり、安定的に硫化水素の除去を継続することができる。
【００３７】
請求項１４に係る発明においては、硫黄酸化細菌として上述の種類のうちの１種以上を採用することにより、より効果的に硫化水素を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例において用いた試験装置（燃料ガスの脱硫装置）の概略図である。
【図２】実施例においてバイオフィルム上部を用いてＳ2-の分解させた場合の全硫化物濃度の経時変化を示したものである。
【図３】実施例においてバイオフィルム中部を用いてＳ2-の分解させた場合の全硫化物濃度の経時変化を示したものである。
【図４】実施例においてバイオフィルム下部を用いてＳ2-の分解させた場合の全硫化物濃度の経時変化を示したものである。
【図５】実施例においてバイオフィルム用いずにＳ2-の分解させた場合の全硫化物濃度の経時変化を示したものである。
【図６】バイオフィルの外観写真である。
【図７】図６にて示したものとは異なるバイオフィルの外観写真である。
【図８】バイオフィルムを位相差顕微鏡にて観察した顕微鏡写真である。
【図９】バイオフィルムを位相差顕微鏡にて観察した顕微鏡写真（Ａ）、それをＤＡＰＩにて染色した顕微鏡写真（Ｂ）、（Ａ）及び（Ｂ）の合成写真（Ｃ）である。
【図１０】バイオフィルムのＳＥＭ写真である。
【図１１】Ｘ線マイクロアナライザによる元素分析の結果を示す図である。
【図１２】バイオフィルムをＦＩＳＨ法にて分析した結果を示す写真である。
【図１３】バイオフィルムをＦＩＳＨ法にて分析した結果を示す写真である。
【図１４】被処理ガスの経時変化を示すグラフである。
【図１５】発酵槽内のバイオフィルムの外観を示す。
【図１６】発酵槽内のバイオフィルムの外観を示す。（ａ）は天井付近、（ｂ）は菌床付近。
【図１７】発酵槽内のバイオフィルム（黒い層）の外観を示す。
【図１８】発酵槽内のバイオフィルム（白い層）の断面のＳＥＭ写真。
【図１９】発酵槽内のバイオフィルム（黒い層）の断面のＳＥＭ写真。
【図２０】発酵槽内のバイオフィルム（白い層及び黒い層）の脱硫活性を示すグラフ。
【図２１】硫黄酸化細菌に近縁なＯＴＵに関する系統解析を示す。
【図２２】硫黄の蓄積機構モデルを示す。
【図２３】バイオフィルムの発達の図解を示す。
【図２４】バイオフィルムの厚み方向における分析結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の燃料ガスの脱硫方法及び脱硫装置について、以下、実施形態に基づき詳細に説明を行う。本発明の方法及び装置にて脱硫を行う燃料ガスについては特に限定しないが、メタン菌などによる嫌気性発酵により生成したメタンガスなどを主成分とするガスを燃料ガスとして採用することが望ましい。発酵させて燃料ガスを生成する原料としては、家畜糞尿（家畜の糞尿ではないがパーラー排水を含む）、食品残渣、下水道汚泥などが挙げられる。これらの原料を水中に投じるなどすることにより発酵液を調製できる。発酵液は発酵に利用できる微生物を有している。発酵に用いる微生物としては特に限定しない。例えば、嫌気性雰囲気下で発酵可能な微生物やその他一般的な微生物が採用できる。これら微生物は外部から補給しても良いし、それら原料が最初から有している細菌を利用しても良い。また、本方法及び装置に加えて、他の脱硫方法や脱硫装置を組み合わせることも可能である。
【００４０】
（燃料ガスの脱硫方法）
本実施形態の燃料ガスの脱硫方法は硫黄酸化細菌を用いて燃料ガスを含む被処理ガス中に含まれる硫化水素などの含硫黄化合物を単体の硫黄にまで酸化して析出させることにより除去する方法である。硫化水素などの含硫黄化合物は燃料ガス由来である。
【００４１】
硫黄酸化細菌としては特に限定しないが、ハロチオバチルス・ネオポリタヌス及びチオアルカリミクロビウム・シビリクムから選択される１種以上の細菌である。特に複数の細菌を混合して用いることが望ましい。更に、硫黄酸化細菌の他の細菌（例えばサルフリモナス・デニトリフィアカンス（Sulfurimonas denitrifiacans））を共存させることも可能である。これらの硫黄酸化細菌は外部から添加したものでも良いことはもちろん、原料中に存在する硫黄酸化細菌を利用しても良い。本発明者らは原料として利用可能なもののうち、牛糞中から本発明に利用可能な硫黄酸化細菌を確認している。
【００４２】
この硫黄酸化細菌は処理材を菌床として生育された状態で使用される。処理材における硫黄酸化細菌の生育の様子としては特に限定しないが、何らかの担体上にて生育（例えば生物膜として生育できる。その場合、硫黄酸化細菌はその担体上で単体の硫黄を生成しながら生物膜を形成することになる。）したり、何らかの溶液中にて生育したりすることができる。硫黄酸化細菌を溶液内にて生育させる場合にはその溶液が処理材として作用することになり、その溶液内に被処理ガスを通過させることにより含硫黄化合物を除去することができる。
【００４３】
その時の処理雰囲気は酸素濃度が大気中の濃度（２０％）よりも低い条件を採用している。具体的には被処理ガスにおける酸素濃度は０．５体積％（以下、本明細書において「％」を使用する場合には特に断らない限り全体の体積を基準として算出する「体積％」を用いる）〜２．０体積％にしており、望ましくは０．８体積％〜１．６体積％、更に望ましくは１．０体積％〜１．５体積％にする。また、処理材として水分を含有する部材を採用する場合には、被処理ガス中に含まれる硫化水素の濃度を測定乃至推測し、被処理ガス中の硫化水素濃度（及び／又は被処理ガス中の硫化水素濃度として想定される最大値、上限値）を基準として、その硫化水素濃度以上の酸素濃度になるように添加することもできる。処理材に水分が含まれることにより、硫化水素の処理材への溶解度（処理材が水であると仮定して１．６６ｍｇ：４０℃、１ａｔｍ）が酸素の溶解度（処理材が水であると仮定して０．０２３ｍｇ：４０℃、１ａｔｍ）よりも大きいため、処理材内での濃度比を化学量論比（酸素／硫化水素＝０．５）に近づけるために燃料ガス中の濃度比として酸素濃度を硫化水素濃度以上又はそれより高くすることが有効であると推測される。例えば、酸素濃度の値としては、硫化水素の濃度に対して、１．６倍、２倍、２．５倍、３倍、４倍などの値を採用することができる。被処理ガス中に含まれる硫化水素濃度の上限値として５０００ｐｐｍを採用した場合、被処理ガス中の酸素濃度としては０．５体積％以上とすることができ、具体的には０．５体積％、０．８体積％、１．０体積％、１．５体積％、２．０体積％などの濃度が選択できる。空気として添加する場合にはこれらの濃度の５倍の濃度にして添加する。
【００４４】
また、酸素濃度を予め決定した濃度又は濃度範囲に設定する替わり（又は設定に加えて）、処理材上のｐＨを測定しながら、そのｐＨがアルカリ領域に留まるように酸素濃度を調節する方法を採用することもできる。ｐＨが低下するようであれば酸素濃度を低下させる。この場合に、酸素濃度の範囲としては２体積％以下とする。その時に、含硫黄化合物の除去率を測定し、除去率が低下する場合には酸素濃度を上昇させることができる。なお、ｐＨが低下しすぎた場合にはアルカリ性物質（水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウムなど）をそのまま又は水溶液として処理材に添加して処理材のｐＨをアルカリ領域に保つことができる。
【００４５】
また、燃料ガスとして発酵ガスを利用する場合には、酸素濃度の値として燃料ガス中に含まれるメタン、二酸化炭素などのガス量に応じて変化させることができる。脱硫後の被処理ガスに含まれる酸素の量は、その被処理ガスを燃料などに用いることを考えると、所定の範囲内であることが望ましい。ここで、燃焼に影響を与える酸素濃度としては燃焼に供されるメタンなどとの間における比が問題になるものと考えられる。つまり、燃料ガス（被処理ガス）中に含まれるメタンの濃度に応じて酸素を導入すれば、最終的なメタンと酸素との比は概ね一定にすることができ、燃料ガスとしての一定の性能を保つことができるものと考えられる。ここで、含硫黄化合物の含有量はメタンなどと比較して微量であるため、含硫黄化合物を酸化する際に消費される酸素の量は殆ど無視できるものと考えられる。
【００４６】
酸素濃度の調節は燃料ガスに酸素を導入することにより行う。酸素ガスの導入は純粋な酸素ガスを導入する方法のほか、空気（酸素濃度２０％）を導入する方法を採用しても良い。導入する空気については特に前処理を行うことは必須ではない。例えば、燃料ガス中の酸素濃度が０％である場合に、被処理ガスの酸素濃度を１体積％にするときには、燃料ガス９５体積部と空気５体積部とを混合して被処理ガスとすることにより、酸素濃度１％の被処理ガスを得ることができる。反対に、燃料ガス中に空気よりも大量の酸素を含有する場合には窒素などの不活性ガスを導入することにより酸素濃度を低下させる。
【００４７】
被処理ガスは処理材に接触させるときに処理材の乾燥を防止するために湿度を高くすることが望ましい（例えば相対湿度８０〜１００％程度、９０〜１００％程度、１００％）。特に、被処理ガス中に含まれる水分により処理材を湿潤状態にできる程度の湿度であることが更に望ましい。水分の存在により硫化水素を高濃度で処理材中に取り込むことができると共に硫黄酸化細菌の活性も上昇する。
【００４８】
被処理ガスを処理材に接触させることにより、被処理ガス中の硫化水素などの含硫黄化合物を除去することができる。処理材には硫黄酸化細菌が生育されており、その硫黄酸化細菌の作用により含硫黄化合物を酸化して単体の硫黄にする。生成した単体の硫黄はそのまま処理材上（又は処理材中）に析出させることが可能なほか、何らかの流体を用いて洗浄を行うことにより処理材から取り除くことができる。例えば、採用した硫黄酸化細菌が要求する所定の生育条件（ｐＨ、温度など）を満たすように調節された水溶液を処理材に循環させることにより単体の硫黄を回収することができる。被処理ガスを処理材に接触させる際の温度としては特に限定しないが、採用する硫黄酸化細菌に応じて適正な範囲に設定する。例えば、硫黄酸化細菌としてハロチオバチルス・ネオポリタヌス及びチオアルカリミクロビウム・シビリクムから選択される１種以上の細菌を採用する場合には中温帯域の発酵温度（特に３５℃〜３８℃程度）を採用することが望ましい。
【００４９】
（燃料ガスの脱硫装置）
本実施形態の燃料ガスの脱硫装置は処理材と被処理ガス調製手段と処理手段とを有する。処理材は前述の方法の欄にて説明した部材と同様なので更なる説明を省略する。なお、処理材として硫黄酸化細菌の生物膜を形成する部材として後述する発酵槽の上部空間を区画する内壁をそのまま利用することも可能である。内壁を利用することによりコスト削減効果が高くなる。内壁には生物膜が付着しやすいように凹凸を設けることができる。
【００５０】
被処理ガス調製手段は酸素濃度が０．５体積％〜２．０体積％に調節され且つ燃料ガスを含む被処理ガスを調製する手段である。また、処理材のｐＨがアルカリ領域に保持できるように酸素濃度を制御する方法を採用することも可能である。酸素濃度の望ましい範囲、酸素濃度を調節する方法、燃料ガスを得る方法については上述の脱硫方法において説明したものと同様であるため更なる説明は省略する。
【００５１】
処理手段は被処理ガスを処理材に接触させる手段である。例えば、処理材を内部に配設する反応空間を有する槽体からなる部材が例示できる。その反応空間内に被処理ガスを導入することにより、被処理ガス中に含まれる含硫黄化合物が酸化除去される。この反応空間としては燃料ガスを生成する発酵槽である槽体と兼ねることもできる。例えば、原料を発酵させる発酵槽の上部に空間を設け、その空間を反応空間として利用することができる。つまり、発酵槽の上部の空間である反応空間内に処理材を配設し、その上部の空間内の酸素濃度を前述した濃度範囲に制御することにより含硫黄化合物の酸化除去を行うことができる。例えば発酵液から上方に向けて離れた位置に処理材を配設したり、発酵液の液面上に処理材を浮かべたりすることができる。生成する単体の硫黄は処理材から脱落して反応空間下部に貯まることになる。ある程度、単体の硫黄が蓄積された後、除去することで簡単に生成した硫黄を除去することが可能になる。特に、処理材を発酵液の液面上に配設する場合には生成した単体の硫黄は簡単に発酵液内に落下していき、最終的には発酵液が発酵した後に生成する消化液と共に廃棄物として外部に取り出すことができる。もちろん、発酵槽の上部空間の発酵液の液面よりも高い位置に処理材を配設する場合であっても処理材に析出する単体の硫黄は、漸次、発酵液内に落下するような条件を設定することもできる。
【００５２】
発酵槽の発酵液内の条件は嫌気性条件に保つことにより発酵には影響を与えないまま上部の反応空間内における雰囲気は酸素を僅かに含む雰囲気にすることができる。この場合に被処理ガス調製手段はその上部空間内に酸素を導入する手段である。酸素の導入は脱硫方法の欄にて説明したように純粋な酸素ガスの他空気などの酸素を含有する気体を採用することも可能である。更に処理材が配設される位置としては発酵液の飛沫が付着可能な位置とすることが望ましい。発酵液は発酵ガスの生成や撹拌などにより上部の空間に向けて発酵液の飛沫の飛散が考えられるが、その飛沫が処理材に付着するような配置を採用することにより処理材が有する硫黄酸化細菌の生存に利する場合があるためである。また、発酵液内に撹拌翼などを設けて機械的に飛沫を生じさせても良い。また、発酵液をポンプなどにて処理材に供給しても良い。
【００５３】
更に本脱硫装置には補給手段を有することができる。補給手段は処理材に水分や栄養を補給する手段である。栄養の補給は水分と共に行うことができる。例えば、栄養を溶解した水溶液を処理材に噴霧することにより処理材（硫黄酸化細菌）に対して水分や栄養分を補給することが可能である。補給手段は栄養や水分の補給を行うばかりではなく、水分の補給と共に、生成した単体の硫黄を回収するために使用することができる。つまり、水分を処理材に付着させた後、その水分を回収することにより、処理材にて生成した単体の硫黄を水分と共に回収することができる。
【実施例】
【００５４】
（燃料ガスの脱硫装置）
図１に示すように、本実施例に用いた処理手段としての発酵槽１は、上部空間（反応空間）１１と発酵液が貯留される下部空間１２とからなる内部空間をもつ槽体である。槽体には下部空間１２内に貯留される発酵液を撹拌する撹拌装置３（３１、３２、３３）、被処理ガス調製手段としての空気導入装置１３と、外部に被処理ガスを導出する導出手段１４とが配設される。発酵槽１は外部から内部に酸素が侵入することを防ぐことができるものであり、絶対的嫌気発酵を維持可能な槽体である。
【００５５】
撹拌装置３の構成要素のうち、撹拌翼３１は下部空間１２内に挿入されている。その撹拌翼３１には撹拌軸３２が端部にて接続されている。撹拌軸３２は駆動手段３３にて回転駆動される。空気導入装置１３は発酵槽１の内外を連通する管状の部材であり、発酵槽１の外部側から内部に向けて空気を導入する。空気の導入は図示しない空気ポンプにより行う。空気の導入量は発生する発酵ガスの量に応じて決定する。導出手段１４は発酵槽１の内外を連通する管状の部材であり、発酵槽１の内部のガス（被処理ガス）を内部から外部に向けて取り出す手段である。ガスの取り出しはポンプなどの動力を用いても良いし、発酵槽１内外に発生する圧力差により取り出すものであっても良い。上部空間１内の下方には硫黄酸化細菌の菌床としての処理材２が配設される。処理材２は発酵液の液面から僅かに離れた位置（又は液面上に浮遊させた位置）に配設されている。
【００５６】
今回の試験では発酵槽１の容量としては３３８ｍ3とした。そして、その発酵槽１内に日量１２ｔの乳牛糞尿及び１．５ｔのパーラー排水を投入し、滞留日数２５日間嫌気性発酵を行った。温度は中温帯域（３５℃〜３８℃）に設定した。硫化水素濃度は最高３５００ｐｐｍとなった。５％〜７．５％の量の空気を空気導入装置１３から上部空間１１内に常時吹き込んだ。上部空間１１の大きさは直径８ｍ高さ１ｍであり、発酵液の液面には処理材２が浮く形態を採用した。硫黄酸化細菌はこの処理材又は上部空間１１内の壁面上に生存、増殖していた。２５日間の試験終了後、処理材２の表面及び上部空間１１内の壁面上に単体の硫黄が層（硫黄層）をなして析出していた。それらのｐＨはアルカリ領域であった。
【００５７】
（硫黄層の分析：硫化水素分解能力）
バイオフィルムの厚み方向の上部、中部、下部のそれぞれからサンプルを採取した。ここで、上中下とはバイオフィルムが壁に付着しているときの壁側を下、壁から離れた側を上、上下の中間部分を中とした。
【００５８】
まず、バイオフィルムの各部（上中下）における硫黄についてＳＳ濃度とＶＳＳ濃度とを測定した。その結果、ＳＳは、上部が０．５０±０．０３［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、中部が０．４１±０．０４［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、そして下部が０．３０±０．０４［ｇ／ｇ（湿潤状態）］であった。ＶＳＳは上部が０．４９±０．０３［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、中部が０．３８±０．０２［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、そして下部が０．２８±０．０４［ｇ／ｇ（湿潤状態）］であった。ＶＳＳはＳＳの強熱残分であり、含有するＳが酸化されて揮散したものと考えられる。更にタンパク質の量を測定した。タンパク質の量は全体に含まれるタンパク量から０．４５μｍのフィルターを通過させた液中に含まれるタンパク質の量を減じた値を含まれる微生物の量の基準として算出した。全体に含まれるタンパク質の量は、上部が０．１７±０．０１［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、中部が０．１６±０．０３［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、そして下部が０．１０±０．０２［ｇ／ｇ（湿潤状態）］であった。フィルターを通過させた分画に含まれるタンパク質の量は、上部が０．００１±０．０００［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、中部が０．００２±０．０００［ｇ／ｇ（湿潤状態）］、そして下部が０．００２±０．０００［ｇ／ｇ（湿潤状態）］であった。
【００５９】
次に、それぞれのバイオフィルムを用いてＳ2-の分解能力を検討した。培地としてチオバチルス（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ）の培地を採用した。具体的には、ＮａＨＣＯ3：２．０ｇ、ＫＨ2ＰＯ4：１．０ｇ、Ｋ2ＨＰＯ4：１．０ｇ、ＮＨ4Ｃｌ：１．０ｇ、ＣａＣＯ3：０．１ｇ、ＭｇＳＯ4：０．２ｇ、Ｔｒａｃｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ：１ｍＬを用いた。Ｓ源としては１．０ｇ／Ｌの濃度でＮａ2Ｓを添加した。酸素の供給は撹拌（２００ｒｐｍ）にて行った。Ｓ2-の減少を経時的に測定することにより脱硫活性を測定した。Ｓ2-の測定に替えて全硫化物（下水試験方法）にて測定した。
【００６０】
結果を図２（バイオフィルム上部）、図３（中部）、図４（下部）、図５（バイオフィルムを用いない対照試験）に示す。上部が一番活性が高いことが分かった。脱硫活性を順に挙げると、上部が３４７［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］、中部が２６７［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］、下部が２１１［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］であり、化学反応によるＳ2-の消費を補正した値としては上部が３３３．３［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］、中部が２５３．３［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］、下部が１９７．３［ｍｇ（硫黄）／ｈ・ｇ（タンパク質）］であった。つまり、上部の脱硫活性は中部や下部と比較して１．３〜１．６倍程度であることが分かった。しかしながら、黒色部分が多い下部においても十分に高い活性が観測されており、バイオフィルム全体としてＳ2-分解活性をもつことが明らかになった。
【００６１】
（硫黄層の分析：ＤＮＡ解析）
バイオフィルムから抽出したＤＮＡを用いてクローン解析を行った。サンプル１として、ホモジナイズして混合したバイオフィルムからＤＮＡを抽出して分析した。サンプル２として、バイオフィルムの白い部分だけからＤＮＡを抽出して分析した。
【００６２】
サンプル１を分析した結果、硫黄酸化細菌に高い相同性を持つクローンは、全５４クローンのうち９クローンであり、全体の１６．７％で検出された。３クローン検出されたチオアルカリミクロビウムは好アルカリ性の硫黄酸化細菌であり（Ｓｏｒｏｋｉｎ  Ｄ．Ｙ．，２００１）、Ｓｏｄａ  ｌａｋｅで検出されている。バイオフィルムからの検出は報告されていない。５クローン検出されたハロチオバチルス・ネオポリタヌスは広い生育ｐＨ域を持つ中性硫黄酸化細菌である（Ｗｏｏｄ  Ａ．Ｐ．，２００５）。比較的多様な場所から検出され、排水処理バイオフィルムからも検出されている。この両細菌は貧酸素下の環境でＳ0を生成することが知られている。
【００６３】
サンプル２を分析した結果、硫黄酸化細菌に高い相同性を持つクローンは、全５２クローンのうち４０クローン、即ち全体の７６．９％の割合で検出された。従って、バイオフィルムの白い部分には、硫黄酸化細菌がより多く集積されていると考えられる。最も多い２５クローン検出された菌はサンプルｌと同じハロチオバチルス・ネオポリタヌスに９７％の相同性を示した。次に多い９クローン検出された菌は、Ｓ0を生成することで知られる（Ｇｅｖｅｒｔｚ  Ｄ．、２０００）Ａｒｃｏｂａｃｔｅｒ  ｓｐ．ＦＷＫＯ  Ｂに９３％の相同性を示した。同じＡｒｃｏｂａｃｔｅｒ属のＡ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓはＦｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ  Ｓｕｌｆｕｒを高速で生成することが知られている（Ｗｉｒｓｅｎ  Ｃ．０．、２００２）。
【００６４】
（硫黄層の分析：顕微鏡観察）
（ａ）生サンプルの観察
採取した硫黄層（バイオフィルム）のサンプルをカッターで切断して断面の観察を行った。図６には観察例を示す。気相に接すると思われる表層部分は白い硫黄で覆われていることがわかる。断面を見てみると、図６（Ｄ）のように、白い硫黄の層と黒い層が交互に積み重なっている。この断面の状況はほかのサンプルでも同様である（図７）。
【００６５】
（ｂ−１）位相差顕微鏡での観察
バイオフィルムサンプルを滅菌水に溶かし、位相差顕微鏡で観察を行った。観察例を図８に示す。図からもわかるように、顕微鏡下で、白く光るフィラメント状の物質（１０μｍ〜１００μｍ）が密集して非常に多く見られた。
【００６６】
（ｂ−２）ＤＡＰＩでの観察
上記の位相差顕微鏡に用いたサンプルを、ＤＡＰＩにより核酸染色を行い観察した（図９）。位相差顕微鏡下で多く見られた白いフィラメント状の物質はＤＡＰＩ染色では蛍光を発しないため非生物由来であることがわかった。
【００６７】
（ｃ）電子顕微鏡（ＳＥＭ）での観察
バイオフィルムの白い部分の断面について、電子顕微鏡によって観察を行った（図１０）。写真の左側がバイオフィルムの底側である。この写真からわかるのは、フィラメント状の物質がバイオフィルムの底部から表面にかけて、一様に鉛直方向に伸びており、繊維状の形態をなしている点である。フィラメントの周囲を微生物と思われる形状のものが取り巻いている様子も観察された。この状況は、Ｓｉｅｖｅｒ  Ｓ．Ｍ．（２００７）らが報告したＡ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓによるＦｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ  Ｓｕｌｆｕｒの形成モデルと似通っている。しかし．本サンプルからはＡ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓは検出されておらず、フィラメントの形状も異なることから、別の細菌による特徴的な硫黄形成であると考えられる。
【００６８】
（ｄ）Ｘ線解析の結果
ＳＥＭにおいて観察されたフィラメント状の物質と微生物状の物質とについてＸ線よる組成分析をしたところ、フィラメント状の物質は極めて純度の高いＳ元素から構成されていることがわかった（図１１右上のスペクトル）。微生物状の物質はＣ元素及びＳ元素を主に含むことが分かった（図１１右下のスペクトル）。なお、分解能の影響からか周囲のＳ元素をカウントしてしまった可能性があるため、微生物状の物質は微生物由来であることが推測できた（図１１）。
【００６９】
（ｅ）ＦＩＳＨ法による分析
バイオフィルムサンプルに対して、ＦＩＳＨ法を適用して分析を試みた結果を図１２（蛍光色素：Ｃｙ３）と図１３（蛍光色素：ＦＩＴＣ）に示す。どちらも細菌の１６Ｓ  ｒＲＮＡを標的とするＥＵＢ３３８プローブを用いて行った。サンプルはバイオフィルムをホモジナイズして混合したものを分析した。図１２、図１３のように、細菌の存在が検出され、バイオフィルムの形成が裏付けられた。
【００７０】
（結果）
以上の結果から、バイオフィルムは白色部分と黒色部分とが存在するが、主に白色部分に微生物が集中していることが分かった。また、白色部分が多い部分（上部）におけるＳ2-分解能が高いことから白色部分部おけるＳ2-分解能が高いことが分かり、その理由としては微生物による分解であるものと推測できる。そして、存在が推定される微生物としては硫黄酸化細菌が挙げられれ、特にハロチオバチルス・ネオポリタヌス及びチオアルカリミクロビウム・シビリクムの存在が推測された。
【００７１】
バイオフィルム中には繊維状の形態をもつ単体の硫黄が存在することが明らかになり、それら単体の硫黄を取り囲むように前述の硫黄酸化細菌が存在していることが分かった。
【００７２】
従って、本実施例において、発酵ガス中に含まれる硫化水素を単体の硫黄として除去できたのは硫黄酸化細菌の存在下、酸素濃度を低下させた条件下で発酵ガスを接触させたためであることが分かった。
・以下に継続的な実験により得られた結果を追記する。
【００７３】
（生成ガスの分析）
導出管１４に乾式脱硫装置（図略）を接続し、その乾式脱硫装置の上流側及び下流側からガスをサンプリングした。ガスは、ガスバックに捕集した後、ガスクロマトグラフ（島津製作所：ＧＣ−８Ａ）により分析を行った。ガス採取の前には２回の共洗いを行った。メタン、窒素、二酸化炭素、酸素の測定には全長３ｍと２ｍのステンレスカラム２本を並列に用い、充填剤として３ｍのカラムにはモレキュラーシーブ５Ａを、２ｍのカラムにはポラパックＱを使用した。硫化水素の測定には全長３ｍのステンレスカラムを使用し充填剤としてサンパックＳ（８０／１００メッシュ）を用いた。
【００７４】
（バイオフィルムの採取及び分析）
バイオフィルム（ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ）を、生物脱硫開始後９２１日にも採取した。採取場所としては処理材２と発酵槽１の天井部分とを選択した。処理剤２は発酵液の液面のすぐ上にも配置されていた。
【００７５】
ＴＳ、ＶＳ、ＴＳＳ、ＶＳＳの分析を下水試験方法に基づいて行った（非特許文献３）。タンパク質の分析はＬｏｗｒｙ法に準じて行った。硫化物濃度は下水試験方法のヨウ素滴定法により測定した。ＳＯ42-は、ＡＳ１４  カラム（ＤＩＯＮＥＸ）を用いてイオンクロマトグラフにより測定した。Ｓ0はＮｕｃｌｅｏｓｉｌ  １００−５  Ｃ１８  ＰＡＨカラム（Ｍａｃｈｅｒｅｙ−Ｎａｇｅｌ）を用いて非特許文献４の方法）で測定した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は日本電子ＪＳＭ−５８００ＬＶを、エネルギー分散型Ｘ  線分析（ＥＤＸ）は堀場製作所  ＥＭＡＸ−５７７０Ｗを用いた。
【００７６】
（脱硫活性の測定）
脱硫活性は、バッチ実験を行ってＳ2-の初期消費速度から算出した。植種量は非生物反応由来の脱硫速度と比較して有意な速度が得られるようにタンパク質基準で０．５  ｇ／Ｌ−培地の投入量とした。発酵槽天井付近から採取したｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ（Ｓ１）と発酵槽内菌床上部の発酵液の飛沫が付着する部位から採取したｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ（Ｓ２）とを植種菌として使用した。Ｓ１は全体が一様に白く、Ｓ２は表面の白い層の下に黒い層が存在する２層で構成された。Ｓ２は、Ｓ２：白い層、Ｓ２：黒い層として別々に扱った。培地組成はＮａ2Ｓ・９Ｈ2Ｏが１．０ｇ／Ｌ、ＫＨ2ＰＯ4が１．０ｇ／Ｌ、Ｋ2ＨＰＯ4が１．０ｇ／Ｌ、ＮＨ4Ｃｌが１．０ｇ／Ｌ、ＣａＣＯ3が０．１ｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ4が０．２ｇ／Ｌ、Ｔｒａｃｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｓｏｌｕｔｉｏｎが１ｍＬ／Ｌとした。培養方法は培地を３００ｍＬ入れ、温度を３５℃に保持した三角フラスコ内で液攪拌により酸素供給を行いながら培養した。また、生物以外の反応に由来する脱硫速度を把握するため、培地だけのブランク系を並列して実験した。
【００７７】
（１６Ｓ  ｒＲＮＡ  遺伝子クローン解析）
サンプルは、生物脱硫開始９２１日目において菌床から回収したｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ  の表面付近の白い層と黒い層の一対を直方体状に切り出し、さらに白い層と黒い層に切り分けたものを用いた。２つの層からそれぞれＵｌｔｒａ  Ｃｌｅａｎ  Ｓｏｉｌ  ＤＮＡ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  Ｋｉｔ（ＭＯ−ＢＩＯ）によりＤＮＡを抽出した。ＰＣＲは真正細菌の１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子を標的として、ＥＵＢ３３８−Ｉ〜IIIｍｉｘＦとＵＮＩ
Ｖ１５００Ｒのプライマーペアを用いた。ＰＣＲ条件は、９４℃で５分間、（９４℃で３０秒、５０℃で４０秒、７２℃で２分間）×２８サイクル、７２℃で７分間とした。ＰＣＲ産物はＴＯＰＯ  ＴＡ  ｃｌｏｎｉｎｇ  ｋｉｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）によりクローン化した。形成されたコロニーから無作為に釣菌し、プラスミドを回収した。プラスミドのシークエンシングは、タカラバイオドラゴンジェノミクスセンターの塩基配列解析受託で行った。Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  Ｔａｘｏｎｏｍｉｃ  Ｕｎｉｔ（ＯＴＵ）分類は制限酵素Ｈａｅ  ＩＩＩ  とＴａｑ  Ｉを同時に用いたＲｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  Ｆｒａｇｍｅｎｔ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ（ＲＦＬＰ）解析により行った。系統解析は分子系統解析パッケージＡＲＢを使用し、近隣結合法により系統樹作成を行った。系統樹枝分かれの確からしさは、１０００回のブートストラップ解析により検討した。
【００７８】
（実験結果）
（ａ１）メタン発酵槽における生物脱硫の効果
図１４にバイオガス中の硫化水素及び酸素濃度の経時変化を示す。定常状態における生物脱硫開始前の硫化水素濃度は２０００ｐｐｍから４０００ｐｐｍの高水準で推移した。空気投入後１６日目において硫化水素濃度は１８００ｐｐｍ程度まで低下し、その後は平均値１１２０±６７０ｐｐｍでばらつきの大きい推移をした。一方酸素濃度は、生物脱硫前と比較して生物脱硫後は明らかに高い水準で推移していた。
【００７９】
表１にガス測定データを基に分析を行った結果を示す。
【００８０】
【表１】
0005571323.tif 000002
【００８１】
生物脱硫開始後は発酵槽で発生する硫化水素濃度が測定不可能であるため、表１の除去率及び速度は生物脱硫開始前の平均値と比較して算出している。
【００８２】
バイオガス中のメタン及び二酸化炭素濃度は生物脱硫前と比較して生物脱硫後では低下が見られるが、これは空気投入による希釈の影響であると考えられる。硫化水素濃度の平均値は、生物脱硫前には約３５００ｐｐｍであったのに対し、生物脱硫後は１１００ｐｐｍ程度まで低下した。硫化水素の平均除去率は６８．２％、平均除去速度は１．１４ｍ3／日であり生物脱硫の効果は明らかであった。除去率９５％以上を記録した日が測定７９回のうち５回あり、硫化水素の除去能力が十分認められる。一方、表１から、生物脱硫後の平均酸素濃度は生物脱硫前のそれの約１．３倍であり、投入した空気を脱硫に利用しきれなかったことを示している。以上のことから、生物脱硫により平均約７０％程度の硫化水素が除去可能であり、乾式脱硫の負荷軽減に実用可能であると考えられる。
（ａ２）ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの形態及び化学組成
図１５に生物脱硫開始９２１日目に発酵槽内菌床から採取したｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの断面写真を示す。図１５のような厚さ２〜３ｃｍほどの膜が、脱硫菌床および発酵槽の壁面に一様に付着していた。断面構造を見ると表面は白く、内部は白い層と黒い層が交互に積み重なった構造をしていた。図１６に示すように、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔは採取場所によって形態に違いがあった。図１６（ａ）は天井付近から採取したｍａｔ（Ｓ１）、図１６（ｂ）は菌床から採取したｍａｔ（Ｓ２）である。観察の結果、明らかにＳ１はＳ２より乾燥しており硬かった。また、Ｓ１はＳ２と比較して黒い層がほとんど観察されなかった。菌床から得たｍａｔの方が湿っていた理由として、図１に示す菌床の下部には発酵液の泡が時々上昇してきており、泡の飛沫が菌床に付着する環境にあることが考えられる。図１７に黒い層の写真を示す。図からわかるように、多量の動物の毛と植物性繊維質が含まれている。白い層と同じ白い物質もところどころに含まれているが、主に発酵液に似た黒い物質で構成されている。黒い層は菌床付近でより多く見られることから、泡の上昇によって運ばれた発酵液由来の物質である可能性が高い。表２にｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの化学分析結果を示す。
【００８３】
【表２】
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【００８４】
観察結果と同様に天井から採取したＳ１は菌床から採取したＳ２よりもＴｏｔａｌ  Ｓｏｌｉｄｓ（ＴＳ）及びＶｏｌａｔｉｌｅ  ｓｏｌｉｄｓ（ＶＳ）濃度が高く、水分の含有が小さいと考えられる。ＶＳ／ＴＳ、ＶＳＳ／ＳＳ比が高いのは、硫黄が強熱時にＳＯ2へ酸化されたためであると考えられる。タンパク質濃度は湿質重量に対し９〜１７％を占めており、微生物の存在が推測された。Ｓ成分の分析は興味深い結果となった。表２よりｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの白い層からは、ＴＳ濃度と比較して９割以上に相当する高濃度のＳ0が検出された。一方で、いずれのサンプルからもＳＯ42-は検出されなかった。Ｓ２：黒い層は白い層と比較してＳ0濃度が小さく、ばらつきが大きかった。このばらつきは、黒い層にところどころ含まれる白い物質が混入する場合とそうでない場合の違いであると推察される。以上のことから、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの白く見える部分はＳ0であり、硫化水素をＳ0へと変換して蓄積していった結果、発達したものであると考えられる。
（ａ３）ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの微小構造
ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの内部構造を理解するため、ＳＥＭおよびＥＤＸによる分析を行った。図１８にＳＥＭにより観察したＳ２：白い層断面の様子を示す。この図において上が表面方向である。図から明らかなように白い層は、規則正しく鉛直方向に向かって伸びている多数の密集したフィラメントで構成されている。これらのフィラメントは長いもので数百μｍに達する（図１８（ａ））。また、図１８（ｂ）からわかるようにフィラメントの表面には球状の微生物らしき物体が多数付着していた。これらのフィラメントを標的としてＥＤＸ分析を行ったところ、Ｓ元素のピークのみが観測され、フィラメントはほとんどＳ元素のみから構成されていることが明らかとなった。以上のことから、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの白い層はフィラメント状のＳ0が上方へ伸びていくことで発達していったことが示唆された。図１９にはＳ２：黒い層における黒い部分の断面をＳＥＭにより観察した結果を示す。図の上方が表面方向である。その様子は白い層とは明らかに異なっていた。まず、白い層で全体に渡って観察されたフィラメントは、黒い層の黒い部分では全く見られなかった。図１９（ａ）に示すような有機物らしき塊状の物質と、図１９（ｂ）に示す動物の毛が一様に観察された。また、白い層でフィラメント周囲に多数付着して観察された微生物状の物体もほとんど観察されなかった。以上のことから黒い層の黒い部分は、観察において推測したように発酵液由来の毛髪と有機物を含む塊が付着して形成されたものであり、脱硫・硫黄形成に関与して発達したものではないことが推察された。
（ａ４）ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの生物脱硫活性
硫化水素は生物学的あるいは化学的に硫黄、硫酸等へと変換される。上記の実験結果からｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ内には微生物の存在が示唆された。そこで、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔにおける微生物由来の脱硫能力について評価するとともに、ｍａｔの採取場所および白い層と黒い層での活性の差異について理解するため、バッチ実験による脱硫活性試験を行った。その結果を図２０に示す。図のデータは、バッチ実験において各ｍａｔを植種した系の硫化物除去速度から植種なしのブランクの系の硫化物除去速度を減算し、投入タンパク質１ｇあたりの反応速度に換算して算出したものである。非生物由来と考えられるブランクの反応速度は生物由来の反応速度と比較して１／３〜１／６であった。この結果から、まずＳ２における白い層と黒い層の脱硫活性を比較すると、前者の脱硫活性が後者のそれの約１．７倍であった。このことから黒い層よりも白い層の方が、微生物由来の脱硫活性が高いことが示された。この結果は、化学分析及びＳＥＭ観察結果から硫黄蓄積が多くみられる白い層が、より脱硫に関する寄与が大きいことを示唆している。Ｓ１とＳ２：白い層の脱硫活性の比較では、Ｓ２：白い層の脱硫活性はＳ１のそれの約２倍であり、Ｓ２：黒い層の脱硫活性もＳ１よりも大きかった。この結果は、菌床から採取したｍａｔの方が天井付近から採取したものよりも高い脱硫活性を有していることを示す。化学分析結果から、Ｓ１はＳ２と比較して水分含量が小さく、乾燥している。またＳ１の採取場所は、Ｓ２と比較して微生物にとって栄養源となり得る発酵液の泡の飛沫が付着しない。故に微生物の生息場所として厳しい環境であると思われる。以上のことから、より効率的な生物脱硫を行うためには、微生物の脱硫能力を最大限に発揮できるように、微生物に適した生息環境を与える脱硫スペースのデザインが必要であると考えられる。
（ａ５）ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの微生物群集構造解析
活性試験の結果、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔは微生物由来の脱硫を行っていることが示された。ａ２〜ａ４の結果から、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの内部には硫化水素を硫酸ではなくＳ0フィラメントへと優先的に変換している微生物が存在していることが伺える。そこで、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ内の微生物群集構造を明らかにするため、Ｓ２サンプルについて真正細菌の１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子を標的としたクローン解析を行った。表３に白い層の真正細菌クローンライブラリを示す。
【００８５】
【表３】
0005571323.tif 000004
【００８６】
１０１クローンを解析したところ１７のＯＴＵに分類され、多様性の小さい構成であった。全クローンの約７０％がＰｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ門、約２０％がＦｉｒｍｉｃｕｔｅｓ門、約１０％がＢａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ門に分類される。主要なＯＴＵとして、４２クローンがＧａｍｍａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａの硫黄酸化細菌であるＨａｌｏｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓに９９％の高い相同性を示した。この細菌は、高い塩濃度に対する耐性を持つが、生育にＮａＣｌが必須ではない。また、ＮａＣｌ濃度が高くないと考えられる下水管渠内に由来するサンプルのクローン解析においても、高い頻度でこの細菌が検出された報告がある。高い硫化物負荷で微好気条件でのＣＳＴＲ連続運転を行ったＶｉｓｓｅｒらは、Ｓ0が生成される状況下でＨ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓ近縁種が優勢になったことを報告している（非特許文献５）。一方２２のクローンがＥｐｓｉｌｏｎｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａの硫黄酸化細菌Ｓｕｒｆｕｒｉｍｏｎａｓ  ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓに９４％の相同性を示した。Ｓ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓは、嫌気性硫黄脱窒を行うことで知られており、嫌気性条件か非常に低濃度の酸素条件下でのみ生息する。以上の結果から全体の６４％ものクローンが硫黄酸化細菌に近縁な細菌に占められており、ｍａｔ内では硫黄酸化細菌が大部分を占めていることが推測された。上に述べた特徴から、検出された２種類の硫黄酸化細菌は微好気条件での生育に有利である可能性がある。他に１２のクローンが、Ｄｙｓｇｏｎｏｍｏｎａｓ  ｍｏｓｓｉに９９％の高い相同性を示した。この細菌は人体から分離され、増殖に血液を要求する。６のクローンがたい肥貯蔵庫から分離されたＡｔｏｐｏｓｔｉｐｅｓ  ｓｕｉｃｌｏａｃａｌｅに９９％の高い相同性であった。この両者はその特徴から、牛ふん由来である可能性が高いと推察された。表４に黒い層の真正細菌クローンライブラリを示す。
【００８７】
【表４】
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【００８８】
１０９クローンを解析したところ１６個のＯＴＵに分類され、白い層と同様多様性が乏しかった。全クローンの約５３％がＰｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ門、約２９％がＦｉｒｍｉｃｕｔｅｓ門、約１７％がＢａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ門に分類される。主要なクローンは白い層と同様であり、Ｈ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓ、  Ｓ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ，Ｄ．ｍｏｓｓｉｉ、Ａ．ｓｕｉｃｌｏａｃａｌｅにそれぞれ近縁であった。全体の約５０％のクローンが硫黄酸化細菌に近縁な細菌で占められていた。白い層と異なるのは、牛ふん由来と推測されるＤ．ｍｏｓｓｉｉ、Ａ．ｓｕｉｃｌｏａｃａｌｅに近縁な細菌のクローンの割合が、１８％から２８％へと増大していたことである。以上をまとめると、クローン解析からみたｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ内の真正細菌群構造は、硫黄酸化細菌に近縁なＯＴＵが白い層で全体の６４％、黒い層で全体の５０％の高い割合を占めており、どちらの層も硫黄酸化細菌Ｈ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓとＳ．ｄｉｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓに近縁な細菌のクローンが検出された。
【００８９】
図２０に硫黄酸化細菌に近縁なＯＴＵに関して系統解析を行った結果を示す。Ｈ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓと相同性が９９％と高かったＷＳＭ１とＢＳＭ１は、系統樹においても近傍に位置していた。ＷＳＭ２とＢＳＭ３はＳ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓと相同性が９４−９５％と比較的低かったが、Ｓｕｌｆｕｒｉｍｏｎａｓ属のクラスター内に位置していた。本研究ではＳ0のフィラメントが観察されたが、類似するフィラメントの形成が、ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｖｅｎｔにおいて報告されている。図２１に太字で示したＣａｎｄｉｄａｔｕｓ  Ａｒｃｏｂａｃｔｅｒ  ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓは硫化水素からＳ0フィラメントを生成する細菌として唯一報告されている細菌である。図２１から明らかなようにＣａｎｄｉｄａｔｕｓ  Ａ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓとＳ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓはともにＥｐｓｉｌｏｎｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａであり、両菌の共通点として特有の還元的クエン酸回路を通したＣＯ2固定の代謝経路を持つことが報告されている。
【００９０】
（考察）
（ｂ１）酸素濃度と硫黄蓄積との関係
自然界において、硫化水素からのＳ0蓄積現象はｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ  ｖｅｎｔにおける報告が多い。液体培地を満たした反応器を用いて硫黄酸化細菌の培養を行った生物学的硫化物除去プロセスにおいても、運転条件によってはＳ0の蓄積現象が見られることがある。これらの報告において、環境条件として共通しているのは酸素濃度に対して相対的に硫化水素が高濃度なことである。ＶｉｓｓｅｒらはＴｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．Ｗ５とＨ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓを用いて、一定濃度の酸素供給に対して硫化物の負荷を徐々に上げていく方法でＣＳＴＲによる培養を行った。このとき、どちらの細菌の培養においても硫化物負荷上昇とともにＳ0への変換速度が増大した。同時に両菌のシトクロム還元度の増大および飽和も観察されたことから図２２のような硫黄蓄積機構のモデルを提示した。Ｈ2ＳからＳ0への変換に伴い放出される電子は２ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｈ2Ｓである。一方Ｓ0からＳＯ42-への変換に伴い放出される電子は６ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｓ0である（ＳＯ32-への変換の場合は４ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｓ0）。硫化水素負荷に対して酸素供給が十分にある場合は、Ｓ酸化により生じた電子を電子伝達体がスムーズに酸素へと渡すことができる。しかし、硫化水素負荷に対して酸素供給が十分でない場合、電子伝達体は酸素へ電子を受け渡すことができないため（還元度が飽和）、Ｓ酸化によって生じる電子を受け取りにくくなっている。このような状況下で電子フラックスを維持するため、硫黄酸化細菌は次のような戦略をとる。６ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｓ0の電子受容を要するＳ0からＳＯ42-への反応を伴う、Ｈ2ＳからＳＯ42-への変換経路を、２ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｈ2Ｓの電子受容で済むＨ2ＳからＳ0への変換経路にシフトさせる。その結果、硫黄蓄積が進むとしている。以上のことから硫黄蓄積現象の生じる条件としてＯ2／Ｈ2Ｓ比が小さいことが重要であると考えられる。化学量論的に、１ｍｏｌのＨ2Ｓ酸化に対してＯ2は０．５ｍｏｌ必要である。ＳｉｅｖｅｒｔらはＣａｎｄｉｄａｔｕｓ  Ａ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓはＳ0フィラメント形成環境においてモル反応比［Ｏ2：Ｓｔｏｔ］が０．５付近となることを報告している。そのため、生物脱硫反応を硫黄蓄積経路にコントロールするには、硫黄酸化菌に対する硫化水素と酸素の供給割合を最適化することが必要であると考えられる。ＡｌｃａｎｔａｒａらはＴｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．Ａ１を植種したｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ｒｅａｃｔｏｒを用いて供給ＤＯ／Ｓ2-比を変動させた連続実験を行っている。ＨＲＴ１日の条件で、ＤＯ／Ｓ2-比０．１５〜２までの範囲においてＤＯ／Ｓ2-比０．５のときに最大のＳ0回収率７５％を達成している。この比率はＳｉｅｖｅｒｔらの報告した数値と同じである。本研究は、発酵槽内の気相部におけるＯ2／Ｈ2Ｓの供給比は１％／０．３５％＝２．８５であった。本研究の発酵槽内において、高度な硫黄蓄積が生じた要因として次の２点が考えられる。まず、硫黄形成に適した環境条件に関する上の議論は、液体培養液中におけるＤＯ／Ｓ2-比に基づき行っている。本研究の場合は、硫黄酸化細菌の培養形態が付着生物膜系であるので、気相部から生物膜内への物質移動を考慮し、ｍａｔ内におけるＤＯ／Ｓ2-比を議���しなくてはならない。そこで硫化水素と酸素の水に対する溶解度を比較すると、４０℃、１ａｔｍ下では前者が１．６６ｃｍ3／ｃｍ3なのに対し後者は０．０２３ｃｍ3／ｃｍ3であり、硫化水素の方がはるかに水に溶解しやすい。そのため、ｍａｔ内では硫化水素と酸素の濃度比が逆転している可能性がある。もう一つは、上の報告は純粋培養系であるのに対し、本研究は複合微生物系であるために、酸素の利用者が硫黄酸化細菌に限定されない点である。こうしたことから、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ内の硫黄酸化細菌の生息地点において、より低いＯ2／Ｈ2Ｓ比が実現されているのかもしれない。以上を考慮すると生物脱硫の反応経路制御を実現するためには、複合微生物系のバイオフィルム解析の観点で硫化水素と酸素の利用形態を把握し、制御因子を最適化する必要があると考える。
（ｂ２）ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの発達メカニズムに関する考察
図２３に、本研究で得られた実験結果を基に作成した、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ発達の図解を示す。まず、発酵槽においては平均３５００ｐｐｍという、通常のメタン発酵と比較して非常に高濃度の硫化水素が発生している。これに対してバイオガス生成量の５％に相当する空気が吹き込まれる。つまり発酵槽内には１％の酸素が供給される。ｂ１で述べたように、Ｏ2／Ｈ2Ｓ比が小さい環境において硫化水素は硫黄酸化細菌によりＳ0へと変換される。ここで生成されるＳ0はフィラメント状の形状をしており、鉛直方向に向かって直線的に伸びながら発達していく。その結果、２〜３ｃｍと厚みのあるｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの構造が形成される。クローン解析の結果、主要な硫黄酸化細菌として存在が推定されるのはＨ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓとＳ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ近縁種である。
【００９１】
Ｈ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓは、Ｖｉｓｓｅｒらが硫化物負荷上昇とともにＳ2-のＳ0への変換割合が増大していくことを報告している細菌である。Ｓ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓについては、Ｏ2／Ｈ2Ｓ比が小さい環境においてＳ0フィラメントを生成するとして報告されるＣａｎｄｉｄａｔｕｓ  Ａ．ｓｕｌｆｉｄｉｃｕｓと同じｅｐｓｉｌｏｎｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａであり、他の系統の独立栄養性硫黄酸化細菌とは異なる特殊なＣＯ2固定の代謝経路を持つという共通点がある。また、Ｓ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓに関するゲノム解析結果から、この細菌はＲｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ  ｃａｐｓｕｌａｔｕｓが持つ、硫化水素を硫黄へ変換し、菌体外へ蓄積する機能に関与する遺伝子と同じ遺伝子をコードしていることが報告されている。これらの報告と、本研究で検出されたＳ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ近縁種のＳ0フィラメント形成能力との関連性は興味深い。
【００９２】
ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔには白い層と黒い層が存在する。しかし表面に露出しているのは必ず白い層であり、黒い層の上に白い層が発達したことを想像させる。観察結果から、黒い層には植物性繊維質や多数の動物の毛が混入していた。クローン解析結果からも、黒い層からは牛ふん由来と考えられる細菌のＯＴＵが比較的多く観察された。また、黒い層が比較的多くみられる菌床の下部には発酵液の泡が上昇し、飛沫が飛んできている。以上のことから、黒い層は泡の過剰な上昇または飛沫によってもたらされる発酵液由来の物質であると推察した。この黒い層の存在は、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの微生物群にとって栄養の供給源となっている可能性がある。なぜなら微生物の増殖には、多様な必要栄養素の全てが揃っている必要があり、微生物に供給されるのがバイオガスのみでは栄養不足になることが必然である。そこで発酵液由来の物質が供給されれば、栄養素の供給が行われる。黒い層が多く含まれる菌床由来のｍａｔの方が、天井由来のｍａｔよりも脱硫活性が大きいのは、それが一要因であるためと考えられる。これらのことを踏まえると、生物脱硫の効果を高めるためには栄養の供給方法を考慮したデザインが必要である。具体的には、発酵液が栄養供給源となっていたことに注目して、硫黄酸化菌培養のための菌床を発酵液の液面付近に設置する。また、菌床におけるガスとの接触面積を増やすために菌床の数を増やすことが望ましいと考えられる。
【００９３】
（結論）
メタン発酵プラントにおいて、生物脱硫実証試験を行うとともに発酵槽内部に形成されたｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの解析を行った結果、次の結論を得た。
（１）滞留日数２５日間の運転期間において平均３５００ｐｐｍの濃度であったバイオガス中の硫化水素は、生物脱硫開始後平均で７０％程度が除去され、生物脱硫の効果が明らかであった。この効果は約７５０日間の連続運転において持続され、生物脱硫が乾式脱硫の負荷低減に実用可能であることが実証された。
（２）生物脱硫開始後、メタン発酵槽内において形成されたｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔの白い層にはＴＳ比９０％程度の高濃度の元素硫黄を蓄積しており、硫化水素から元素硫黄への優先的な反応経路が取られていることがわかった。
（３）脱硫活性試験の結果から、天井付近から採取されるｍａｔよりも菌床から採取される水分含量の多いｍａｔの方が約２倍大きな脱硫活性を持っていた。
（４）クローン解析結果から、ｓｕｌｆｕｒ  ｍａｔ内部では硫黄酸化細菌であるＨ．ｎｅａｐｏｌｉｔａｎｕｓとＳ．ｄｅｎｉｔｒｉｆｉａｃａｎｓに近縁な細菌が優勢であり、これらの細菌が微好気・高硫化水素負荷の環境下で硫化水素を硫黄へと変換していることが示唆された。
【００９４】
（その他）
硫化水素の単位時間あたりの処理量はバイオフィルム（湿潤マット：処理材）の表面積に比例することが推察された。そこで、１年を通じてガス量及び硫化水素濃度が最も大きくなるときの値を基準として必要なバイオフィルムの量を算出することができる。
【００９５】
燃料ガス中に含まれる硫化水素を分解するために必要なバイオフィルムの量は、（バイオフィルムの単位表面積（又は単位質量）・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値）と、（燃料ガスに含まれる硫化水素の濃度）と、（処理すべき燃料ガスの単位時間あたりの量）とから算出できる。すなわち、（必要なバイオフィルムの量（表面積））＝（燃料ガスに含まれる硫化水素の濃度）×（処理すべき燃料ガスの単位時間あたりの量）÷（バイオフィルムの単位表面積・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値）にて算出できる。バイオフィルムの単位表面積・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値は、Ｓ2-分解活性をもつバイオフィルムの表面からの厚みから算出されるＳ2-分解活性をもつ硫黄酸化細菌の量と、その硫黄酸化細菌の単位質量・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値とから算出できる。具体的には（バイオフィルムの単位表面積・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値）＝（Ｓ2-分解活性をもつ硫黄酸化細菌の量）×（硫黄酸化細菌の単位質量・単位時間あたりのＳ2-分解活性の値）により算出できる。
【００９６】
以上の事項を実施例の事例に当てはめて計算する。まず、バイオフィルムにおいて硫化水素を硫黄に酸化する活性（Ｓ2-分解活性）を有する部位としては表面から深さ１．５ｍｍ程度まであることが分かった（後述するバイオフィルムの厚み方向における分析の結果参照）。そして、Ｓ2-分解活性は細菌のタンパク質１ｇあたり１時間で約４８０ｍｇ（硫黄換算）であることが分かった。そして、バイオフィルムの表面積１ｃｍ2あたり深さ１．５ｍｍまでに存在する細菌量（タンパク質換算）は約０．０１７ｇであった。従って、バイオフィルムの表面積１ｃｍ2あたりのＳ2-分解活性は約８．１ｍｇ（硫黄換算）／時間であることが分かった。バイオフィルムのＳ2-分解活性の値が算出されたことにより発酵槽中に必要なバイオフィルムの量（表面積）を算出することができる。
【００９７】
なお、上述した値はバイオフィルムの形態、燃料ガスの組成、温度などにより変化しうるものと考えられる。特に、Ｓ2-分解活性をもつバイオフィルムの表面からの厚みは、バイオフィルの表面形態や表面状態（水分量の分布、空隙率など）、燃料ガスの組成などにより、他の値よりも大きく変化しうるものと考えられる。
【００９８】
次に上述した発酵槽１において年間を通じて発酵を行った結果、最も多いときで１日あたり５４７Ｎｍ3程度（１時間あたりでは３４．２Ｎｍ3）のガスが発生することが分かった。このガス中には多いときで５０００ｐｐｍの硫化水素（硫黄換算で７１４３ｍｇ／Ｎｍ3）を含んでいた。従って、バイオマットが処理すべき硫化水素の量は１時間あたり硫黄換算で２４４１９６ｍｇであるため、硫化水素を９０％以上分解するためにはバイオマットの表面積が少なくとも２．７ｍ2必要であることが算出できた。この場合、必要な酸素濃度（硫化水素を９０％除去するために必要な濃度）は化学量論比から算出すると１時間あたり０．７７Ｎｍ3であり、空気に換算すると０．３７Ｎｍ3である。
【００９９】
これらの値を実際の実験結果に当てはめると、バイオフィルムの表面積の実測値は５．５ｍ2、添加した空気量は全体の量を基準として５％（１．７１Ｎｍ3）であり、硫化水素の除去率は８６．６％（硫化水素濃度を平均値である３５００ｐｐｍとして算出）であった。従って、バイオフィルムの表面積は理論的に算出した値よりもおよそ倍（５．５ｍ2÷２．７ｍ2）、空気量は理論的に算出した値よりもおよそ５倍（１．７１Ｎｍ3÷０．３７Ｎｍ3）であった。これはバイオフィルム中への硫化水素及び空気の取り込み量が理論通りに行かないこと、及び、硫化水素と空気（酸素）とではバイオフィルム中への取り込み量に差があることに起因するものと考えられる。具体的には酸素は硫化水素よりもバイオフィルム中に取り込み難いため、含有する硫化水素の濃度から算出される酸素の適正量よりも過剰に添加することが望ましいことが分かった。この理由としてはバイオフィルムへの硫化水素の取り込みを促進するためにバイオフィルムの表面積を大きくすること、バイオフィルムの形態を表面から脱落しやすい形態にすることで表面の更新が促進されて硫化水素のバイオフィルムへの取り込みが促進されるものと思われる。例えば、孔径が２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度の大きさをもつ網にバイオフィルムを形成することにより、表面積を大きくできると共に、表面からの脱落も促進できるものと考えられる。バイオフィルムの表面積を大きくすることにより細菌とガスとの接触面積も大きくなり硫化水素の酸化反応が円滑に進行できる。また、バイオフィルムは表面からの脱落により新たな表面が露出することにより、活性の向上が期待できる。この網はステンレスなどの金属から形成することができ（いわゆる金網やパンチングメタルなど）、発酵液の上面に水平に設けることが出来る。発酵液は発酵により生じる燃料ガスの気泡が水面にて破裂し、その際に生じる飛沫が付着する程度の距離に配置することが出来る。付着した飛沫により細菌の成長に必要な栄養を供給することができる。
・バイオフィルムの厚み方向における分析
図２４（ａ）にバイオフィルムの白い層表面からの鉛直方向（厚み方向）微小電極測定プロファイルを、図２４（ｂ）にはそれを基に算出した活性値を示す。ｐＨは表面から７００μｍの深さまでは約９．０であったが、その後直線的に減少し、３０００μｍでは約７．５となった。Ｏ2は６００μｍまで２５μＭ程度を維持したがその後急激に減少し１１００μｍでほぼ０μＭになった。Ｈ2Ｓは６００μｍまで緩やかに減少したが、その後減少率が拡大し１３００μｍで検出されなくなった（つまり、バイオフィルム中において表面から１．３ｍｍ〜１．５ｍｍ程度がＳ2-分解活性に寄与していることが推測された）。以上から、Ｏ2が顕著に減少した領域とＨ2Ｓが顕著に減少した領域はほぼ一致する。図２４（ｂ）から，Ｏ2とＨ2Ｓの消費活性領域はほぼ同じ位置で算出される。しかしＨ2Ｓ消費活性はＯ2のそれより下方まで算出されることから，酸素濃度が非常に低い領域においても高い脱硫活性を保持していることが示唆された。
【符号の説明】
【０１００】
１…発酵槽    １１…上部空間（反応空間）    １２…下部空間    １３…空気導入装置（被処理ガス調製手段）    １４…導出手段
２…処理材
３…撹拌装置    ３１…撹拌翼
【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１４】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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