(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動物性蛋白質を含む固形廃棄物を生物処理するにあたり、固形廃棄物の破砕品にサポニン含有物を添加して、固形廃棄物の可溶化を促進することを特徴とする動物性固形廃棄物の可溶化方法。
【請求項２】
動物性蛋白質を含む固形廃棄物の破砕品を、サポニン含有物とともに消化汚泥中に投入することを特徴とする固形廃棄物の消化方法。
【請求項３】
請求項１の可溶化方法で可溶化した動物性蛋白質を含む固形廃棄物を、活性汚泥法その他の生物処理方法で処理するものである動物性固形廃棄物の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家畜の内蔵や魚のあらなどの動物性固形廃棄物の処理と資源化に関わり、これら固形廃棄物の消化によりメタン発酵を図るものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家畜の内蔵や魚のあらなどの動物性固形廃棄物は、その殆どが埋め立てや焼却処分されている。しかし、埋め立て場所確保の困難性や、焼却による大気汚染などの問題から、これらの固形廃棄物についても、廃棄処理ではなく資源化の方向が模索されつつある。
【０００３】
有機性廃棄物の資源化の一つの方向として、嫌気消化によるメタン発酵がある。しかし、動物性固形廃棄物は固形物濃度が高く、有機物や油分も高いことから、嫌気性消化によるメタン発酵を順調に行なうには、その前提とし、これら固形廃棄物の可溶化が必要になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、有機物の可溶化には、強力な機械的微粉砕、加熱、加圧などの物理的方法のほか、微生物処理などがあるが、前者はコストがかかり後者は時間がかかり、実際の大量処理の場合にはいずれも実際的ではない。
【０００５】
そこで、本発明者らは、動物性固形廃棄物の可溶化について種々研究した結果、サポニン含有物を添加することで、動物性固形廃棄物が極めて容易に可溶化することを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００６】
また本発明は、これら可溶化した動物性固形廃棄物を消化汚泥と混合して消化し、メタン発酵させる技術を提供する。本発明は、更に、動物性固形廃棄物の消化汚泥を含めて消化汚泥一般について、汚泥のより一層の低減化が図れる技術を提供する。尚、可溶化した動物性固形廃棄物は、活性汚泥法など、他の生物処理方法でも処理することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した３つの課題を解決すべくなされたもので、そのキーワードは、サポニンまたはサポニン含有物である。このサポニン含有物に関しては、本発明らはすでに、下水汚泥などの嫌気性消化に関し幾つかの技術を開発している（特開平９−２９５０００、特開平１１−１９２５００等）。本発明は、これらを更に発展させたものである。
【０００８】
嫌気性消化とは、汚泥や生屎尿などに含まれる有機物を嫌気性細菌や微生物の働きによって、酵素を触媒として、▲１▼酸性発酵期、▲２▼酸性減退期、▲３▼アルカリ性発酵期の３段階を経て分解することを言う。本発明では、消化汚泥中に投入した動物性固形廃棄物を嫌気処理することを言う。但し、本発明では、家畜の内蔵や魚のあらなど固形廃棄物を、嫌気性菌が資化できるように可溶化する必要がある。ここで、可溶化とは液状化程度の意味で、固形廃棄物の破砕物（ＳＳ）である動物の蛋白質などが分解して、濾過した場合に濾液中に存在するようになることを言う。ＳＳは、１〜１．２μｍ程度以上の固形物を言う。
【０００９】
サポニンとは、植物体に含まれる配糖体の一群で、石鹸のように著しく泡立つコロイド水溶液をつくるものの総称であり、種々な生理活性を示す。サポニンには、その構造の違いからステロイドサポニンとトルペノイドサポニンがある。本発明で使用したものはトルペノイドサポニンの一種で、シャボンの木に含まれるキラヤサポニンである。これは、シャボンの木をアルコールで抽出したものに約２％（天然サポニンとして約４％）含まれている。この抽出液には、２０％程度の糖類と１％強の粗蛋白が含まれている。キラヤサポニンは、その生理活性により、微生物の反応促進作用やストレス緩和作用を示すとともに、油脂分解作用や酸素溶解効率の向上効果をもたらす。本発明では、この抽出液（天然サポニンとして約４％含有）を使用したが、何故、動物性固形廃棄物の可溶化が行われるかは現在のところ不明である。消化については、キラヤサポニンの生理活性作用が重要な働きをしているものと思われる。尚、サポニン含有物は精製したキラヤサポニンでもよいし、他のサポニン、例えばユッカサポニンや大豆サポニン及びこれを含むものでもよい。ただ、大量入手の可能性や価格の面から、キラヤサポニンやシャボンの木の抽出物が好ましい。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例  １）動物性固形廃棄物の可溶化
前述したように、動物性の固形廃棄物は固形物濃度が高く、有機物や油分も高いことから嫌気性消化によるメタン発酵を順調に行なうには、まず固形物の可溶化が重要になる。ここで、動物性固形廃棄物として、豚の内臓の内肺を使用した。これは、豚の内臓は殆どが食料になるが、肺は雑菌が多いことから廃棄処分されていることによる。
【００１１】
この豚の内臓を卓上ミキサーで細かく破砕したもの（破砕食肉）１Ｌに、サポニン含有物（前記キラヤサポニン抽出液）を濃度を変えて添加し、容量２Ｌの密閉性ポリ容器内に入れて恒温室（２０℃）内に置き、１日２回程度容器を振動させて内容物を攪拌した。サポニン含有物の添加割合は、試料１Ｌ当たり１００ｍｇ（１００ppm ）、２００ｍｇ（２００ppm ）、４００ｍｇ（４００ppm ）及び１０００ｍｇ（１０００ppm ）である。比較例として無添加のものも準備した。そして、容器から１日当たり２〜３回混合液をとり、その液についてｐＨ、ＤＯＣ（溶解性有機炭素）、ＳＳ（浮遊物質）、ＶＳＳ（強熱減量）を測定した。その平均の測定結果を、図１（ｐＨ）、図２（ＤＯＣ）、図３（ＳＳ）及び図４（ＶＳＳ）に示す。尚、供試した破砕食肉の性状を、表１に示す
【表１】
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【００１２】
図１に示すように、混合液のｐＨは試験開始後直ちに酸性方向に急激に低下した。しかし、この低下も試験開始後２日で止まり、再び上昇しだした。サポニン含有物の添加によるｐＨへの影響は小さいと見られる。この中で、一番挙動の大きいのは、最も多く添加した１０００ｐｐｍのものであった。
【００１３】
ＤＯＣは、この試験で最も重要な可溶化の指標となる。サポニン含有物を添加したものは、試験開始後すぐに上昇し、２日後には、約２００〜３００％の上昇を示した。このように、極めて短時間でＤＯＣが増加したと言うことは、動物性固形廃棄物の可溶化に対するサポニン含有物の効果が極めて大きいことを示すものである。
【００１４】
図３は、ＳＳの経日変化を示す。可溶化が促進されると、ＳＳは急激な減少を示す。図３から明らかなように、サポニン含有物無添加の場合、ＳＳの減少は見られなかった。また、実験の範囲内で、サポニン含有物の添加割合が多いほどＳＳの低減率も高くなっている。特に、１０００ppm 添加では、実験開始後２日で５０％の低減を示した。尚、１０００ppm の場合でも、希釈率は僅かであり、希釈による低減は考えられない。
【００１５】
図４は、サポニン含有物の添加割合毎の実験開始後２日後における、ＶＳＳの初期性状に対する低減率を示す。ＶＳＳでは、１０００ｐｐｍ添加したものは５５％の低減率を示した。供試された破砕食肉は有機物がかなり高くＶＳＳの低減は困難であると思われたが、結果は満足すべきものであった。
【００１６】
（実施例  ２）破砕食肉の消化（小型実験装置）
予備的な実験として、なるべく実施設に近い形をとるため、図５（ａ）に示すような小型の実験装置１を用いて半連続式で破砕食肉の消化試験を行なった。図５（ｂ）に示す符号２は、ガスタンクである。実験装置１の消化槽（反応槽）３は５Ｌの容量である。発生ガスは、ガスタンク２に置換され測定されるようになっている。反応槽３内部の温度は、温度設定装置により中温消化状態に設定されている。また、攪拌装置で常時攪拌した（１００ｒｐｍ）。
【００１７】
実験方法は、３つの消化槽３にそれぞれ４Ｌの消化汚泥中を投入しておき、これに、サポニン含有物を１００ｐｐｍ混合した破砕食肉１００ｍｌ、２００ｍｌ、３００ｍｌを毎日投入した。尚、比較例として、同じくもう１つの消化槽３にはサポニン含有物を混合しない破砕食肉１００ｍｌを毎日投入した。その結果、有機物負荷は、４．５〜９（ｋｇ／ｍ３・日）となる。そして、破砕食肉投入前に、毎日、投入試料と同じ量だけ汚泥を引き抜き、その液を分析した。
【００１８】
測定項目は、ｐＨ、ＤＯＣ、ＳＳ、ＶＳＳ、ガス発生量、ガス組成成分及び低級脂肪酸である。この実験に供した破砕食肉と消化汚泥の性状を、表２及び表３に示す。また、破砕食肉と消化汚泥を混合させた実験開始前の消化槽中の混合液の初期性状を表４に示す。
【表２】
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【表３】
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【表４】
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【００１９】
上記実施例２によるガス発生量の経日変化を図６に、ＴＶＦＡ（総低級脂肪酸）の経日変化を図７に示す。図６から明らかなように、有機物負荷の高いものほどガス発生量は増加している。試料投入３００ｍｌのものは、経日変化に比例してガスが発生した。毎日３００ｍｌの投入で有機酸負荷が高くなるにもかかわらず、その有機酸を可溶化、分解そしてガス発生までいく速度が速いと言うことが判る。分解速度が遅いと、低級脂肪酸の蓄積にもつながり、消化槽内全体のＳＳも増加し、微生物の働きを阻害していく。
【００２０】
一方、図７に示すＴＶＦＡは、液化からガス化への進行状態も左右し、ガス発生量に対しても重要な指標である。サポニン含有物無添加の低級脂肪酸の主成分は、初期性状では酢酸であったが、実験開始１８日後には酢酸は２〜３％しかなく、全体の７割り程度をｎ−酪酸が占めていた。この状態ではメタン発酵はできず、資源化へのメタンガス回収は不可能である。メタン回収においては、低級脂肪酸のなかでも、酢酸の影響を強く受ける。サポニン含有物を添加したものの混合液中の酢酸の含有率は、約５０％であった。
【００２１】
図８は、有機物負荷とガス発生量との関係を示すグラフである。サポニン含有物を添加したものの有機物負荷に対するガス発生量は右の縦軸の単位、無添加のものは左の縦軸の単位で示した。右と左の縦軸の単位は、１０倍のガス発生量の差がある。但し、両者とも有機物負荷の増加とともにガス発生量は減少している。
【００２２】
（実施例  ３）破砕食肉の消化（大型実験装置）
実施例２での実験を踏まえ、図９に示すようにより実施設に近い大型の実験装置４を用い、回分式実験を行なった。嫌気性消化槽５は、ＦＲＰ製、外面保温張りであり、ミキサー６による間欠攪拌、連続攪拌ができる。最大容量は７５０Ｌである。保温は、循環式温水装置により行い、またｐＨと温度は指示記録、ガス発生量は指示記録積算方式とし、設定範囲を逸脱しないように、常時監視を行なった。実験条件を、表５に示す。
【表５】
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【００２３】
実施例２の場合と同様、消化汚泥と破砕食肉の混合比率を４：１で行なったが、全量が異なるため破砕食肉の投入量も異なり、実験開始後初期段階での有機酸負荷は１7.８（ｋｇ／ｍ3 ・日）とかなり高いものになった。そして、７５０Ｌの嫌気性消化槽５に、破砕食肉１５０Ｌと消化汚泥６００Ｌを投入し、その反応液中にサポニン含有物を１００ppm 投入し回分椎実験を行なった。反応槽温度は３７〜３８℃の中温消化で、攪拌は実験開始２０日後までは間欠攪拌、それ以降は連続攪拌した。この実験での試料と消化汚泥の性状を表６及び表７に示す。
【表６】
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【表７】
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【００２４】
測定項目は、ｐＨ、ＤＯＣ、ＳＳ、ＶＳＳ、ＴＳ、ＶＴＳ、ガス発生量、ガス組成成分及びｎ−ヘキサン抽出物質である。実験開始後の混合液の初期性状を表８に示す。
【表８】
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【００２５】
ガス発生量とそのガス組成成分についての経日変化を、図１０及び図１１に示す。（破砕食肉＋消化汚泥）のガス発生量は、（下水汚泥＋消化汚泥）のガス発生量よりも多いが、有機物負荷などを考慮して、２０日経過のちに間欠攪拌を連続攪拌に変更した。それにより、大幅なガス発生量が見られた。図１１に示すように（破砕食肉＋消化汚泥）のガス組成成分の内メタンの含有量が増加していることが判る。経過日数２０日までのガス発生量とそれ以降のガス発生量の差は、約４倍である。そして、ガス発生量の増加とともに、メタンガスの含有量も増加している。連続攪拌によって、微生物の働きを促進させたことよりも、固形廃棄物である破砕食肉の可溶化が促進されたことがメタン発酵の促進に繋がったものと推察される。
【００２６】
ｎ−ヘキサン抽出物質の経日変化を、図１２に示す。試料である破砕食肉の成分中に脂質を多く含んでいるため、ｎ−ヘキサン抽出物質がメタン発酵の阻害物質となっている可能性があることによる。ｎ−ヘキサン抽出物質は、初期性状では１２００ｍｇ／Ｌを示していたが、サポニン含有物添加のものでは、２０日経過後には約４０％の減少率を示した。これに対し、サポニン含有物無添加では殆ど変化が無かった。その結果、破砕食肉のように脂質の多い固形廃棄物の消化処理では、サポニン含有物が極めて有効であることが判った。
【００２７】
（実施例  ４）消化汚泥のオゾン処理
破砕食肉を消化汚泥と混合して消化実験を行なった際に発生する消化汚泥を、オゾン処理によって低分子化させて汚泥の低減化を図る実験を行なった。オゾン装置７のフロー図を図１３に示す。また、                                  オゾン処理前とオゾン処理後の消化汚泥の性状を表９に示す
【表９】
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【００２８】
オゾン処理後の消化実験は、嫌気性消化汚泥テスト装置を用いて行なった。消化実験では、サポニン含有物添加の効果を確認するため、消化汚泥とサポニン含有物を混合させ、回分式消化実験を行なった。即ち、オゾン処理後の消化汚泥を再び消化実験に供し、消化ガスの回収を図った。消化実験でのガス発生量の経日変化を図１４に示す。
【００２９】
オゾン処理前は消化ガスの発生は確認できなかったが、オゾンを注入することで、消化ガスを発生させることができた。これは、消化汚泥中の残存有機物が、オゾンの酸化作用で低分子化し、この低分子化した有機物が嫌気性消化菌により資化されたことを示す。これは、従来公知である。しかし本発明では、この低分子化された有機物を含む消化汚泥に、サポニン含有物を添加混合して更に資源化の促進を図ったところに特徴がある。
【００３０】
即ち、図１４に示すように、オゾン処理後の消化汚泥にサポニン含有物を添加した場合、累積ガス発生量は約３倍になった。尚、この実験に用いる消化汚泥は、本発明の動物性固形廃棄物を処理した消化汚泥に限らず、全ての消化汚泥に適用できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、動物性蛋白質を含む固形廃棄物を生物処理するにあたり、固形廃棄物の破砕品にサポニン含有物を添加して、固形廃棄物の可溶化を促進することものである。従って、従来埋め立てや焼却処理が殆どであった家畜の内臓や魚のあらなどの固形廃棄物が、簡単な処理でバクテリアにより資化・資源化される状態にでき、資源保護の観点から極めて有用なものであると言うことができる。
【００３２】
また本発明は、動物性蛋白質を含む固形廃棄物の破砕品を、サポニン含有物とともに消化汚泥中に投入するものである。これにより、固形廃棄物の可溶化と微生物（嫌気性菌）による有機物分解が一連に起こり、消化によるメタン発酵が順調に行なえる利点がある。
【００３３】
また本発明は、上記した本発明により得られる消化汚泥に限らず、消化汚泥をオゾン処理によって低分子化したのち、更にサポニン含有物を添加するものである。これにより、消化汚泥量のより確実な低減かが図られ、メタン発酵によるエネルギーの獲得と、消化汚泥残滓の埋め立てや焼却と言う無駄なエネルギーの損失が低減すると言う、両面から見て大幅なエネルギーの省略が図れるものである。
【００３４】
しかも、添加するサポニン含有物は精々数１００ｐｐｍ程度であり、単に混合攪拌するなどのため処理費用もあまりかからず、従来困難視されていた固形廃棄物の簡単な操作による可溶化や資源化が確実に行なえるなど、省エネ社会に向けて大きな朗報をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】破砕食肉にサポニン含有物添加した混合液における、ｐＨの経日変化を示すグラフである。
【図２】破砕食肉にサポニン含有物添加した混合液における、ＤＯＣの経日変化を示すグラフである。
【図３】破砕食肉にサポニン含有物添加した混合液における、ＳＳの経日変化を示すグラフである。
【図４】破砕食肉にサポニン含有物添加した混合液における、ＶＳＳの経日変化を示すグラフである。
【図５】図５ａは、小型の消化実験装置の正面図、図５ｂは、ガスタンクの正面図である。
【図６】小型実験装置による破砕食肉の消化実験におけるガス発生量の経日変化を示すグラフである。
【図７】小型実験装置による破砕食肉の消化実験におけるＴＶＦＡ量の経日変化を示すグラフである。
【図８】小型実験装置による破砕食肉の消化実験における、有機物負荷とガス発生量との関係を示すグラフである。
【図９】大型の実験装置の概略断面図である。
【図１０】大型実験装置によるガス発生量の経日変化を示すグラフである。
【図１１】大型実験装置によるガス組成成分の経日変化を示すグラフである。
【図１２】大型実験装置によるｎ−ヘキサン抽出物質の経日変化を示すグラフである。
【図１３】オゾン装置のフロー図である。
【図１４】オゾン処理後の消化ガスのガス発生量の経日変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１    小型の実験装置
２    ガスタンク
３    反応槽
４    大型の実験装置
５    嫌気性消化槽
６    ミキサー
７    オゾン装置
【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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【図１０】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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