(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生ごみを基質とし、
固形物に起因する化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の割合が、全ＣＯＤに対して７０％以下の有機性物質を基質としてメタン発酵するに際して、
汚泥を濾過してメタン反応器に返送する汚泥循環返送型のメタン発酵処理法で、汚泥の増殖を十分にする５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ以上の容積負荷で運転し、
細菌と前記基質との接触速度を保持するため、反応器内の固形物濃度を１０％以下（００ｇ／ｌ以下）にした運転状態で、 
５日以上３０日以下の前記反応器への前記基質を連続供給する期間と、微生物濃度の増加が促進される４日以上２０日以下の基質の供給を停止する期間とを設け、両期間の合計を周期的に連続運転するときの１単位とし、
前記反応器内の汚泥滞留時間（ＳＲＴ）を１６日の基質滞留時間（ＨＲＴ）より長い状態で、周期的に連続運転する、
ことを特徴とする、微生物の集積に基づく有機性物質のメタン発酵方法。
【請求項２】
前記反応器内の前記汚泥滞留時間（ＳＲＴ）は３０日以上である、
ことを特徴とする、
請求項１に記載の、微生物の集積に基づく有機性物質のメタン発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基質として、たとえば、生ゴミなど食品系廃棄物に含まれる有機性物質からメタンを発酵させる技術に関する。
本発明は特に、高負荷で運転している状態で安定にメタン発酵処理を可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン発酵処理は、たとえば、生ごみからメタンガスとしてエネルギーを回収可能であり、有機性廃棄物の創エネルギー・省エネルギー処理として期待されている。
【０００３】
メタン発酵プロセスは、たとえば、図１に図解したように、（１）高分子有機物を各種バクテリアにより単分子化、加水分解反応などにより可溶化する過程、（２）酸生成過程、（３）酢酸生成過程、および、（４）揮発性脂肪酸（Volatile Fatty Acid ：ＶＦＡ）中の酢酸やメタンからメタン生成菌によりメタン（ＣＨ4 ）と二酸化炭素（ＣＯ2 ）に分解するメタン生成過程からなる（たとえば、非特許文献１、図２．３）。
【０００４】
有機性の溶解性（Soluble ) 物質（Total Suspended Solid ：ＴＳＳ）が酢酸や水素を経て最終的なガス物質であるメタンや二酸化炭素に変化する速度は、有機性固形物質（ＴＳＳ）が可溶化する速度より速い。
【０００５】
したがって、１日１回、メタン発酵槽（反応器）へ供給される生ごみなどの基質中に含有される溶解性（Soluble ）物質に起因する化学的酸素要求量（Chemical Oxygen Demand：ＣＯＤ）Ｓ−ＣＯＤ1 と、固形物が可溶化することに起因する化学的酸素要求量Ｓ−ＣＯＤ2 との総和Ｓ−ＣＯＤT は、メタン発酵反応が良好に行われている間は、たとえば、図２に図解した特性となる。
図２は、毎日１回、反応器から汚泥を引き抜き、その後、メタン発酵槽（反応器）へ基質（廃棄物）を投入する運転を連続した場合、生成されるガスの変化を図解した図である。
図２において、最大値を示す反応器への基質の供給点から次の基質の供給点までの間は下に凸状の「ノコギリ波」状に変化する。なお、反応器からの抜液は基質供給前に１日１回実施し、メタン発酵槽のオーバーフローは起きない。
【０００６】
汚泥を濾過してメタン発酵槽（反応器）へ返送する汚泥循環返送方式の場合、固形物可溶化がガス化反応によって消費される溶解性・化学的酸素要求量Ｓ−ＣＯＤに間に合わないと、固形物（ＴＳＳ）が徐々に反応器内に蓄積し、徐々に固形物の濃度が上昇する。
その結果、（１）可溶化速度の低下、（２）各種中間反応速度の低下、（３）酢酸経由および水素経由のメタン生成反応の低下、（４）各種反応に寄与する細菌への基質同化反応の低下により、これらのバランスが崩れ、各種揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）、たとえば、プロピオン酸の蓄積による、いわゆる、”酸敗”や、水素分圧の上昇による、メタン発酵の系が破綻することになる。
上述した理由により、湿式メタン発酵の固形物濃度の限界は、経験的に１０％程度である。
【０００７】
通常、生ごみの連続メタン発酵処理には、嫌気性条件下で運転される完全混合型発酵槽（Continous Stirred Tank Reactor：ＣＳＴＲ）が用いられている。
嫌気性処理は、好気性処理に比較して、固形物の濃度が２〜３％程度以上の高濃度廃液や、有機性固形廃棄物がメタン発酵の処理対象とされており、一般に、汚泥返送を行わない、一過性のＣＳＴＲが用いられてきた。
嫌気性処理において、寄与する主な細菌群のうち、最も増殖速度が遅いのは、一連のメタン生成菌であり、基質の、たとえば、３％程度しか菌体に転換しない。
そのことが、これまで、ＣＳＴＲ方式における基質滞留時間（Hydrauric Retention Time：ＨＲＴ）を約３０日（３３日）にしている理由である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２５４２０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＣＳＴＲ方式においては、図２に図解のごとく、１日１回、基質、たとえば、生ごみを反応器に投入した容量分だけ、反応器から反応混合液（消化液（汚泥も均一に混合されている）を引き抜くので、ＳＲＴ＝ＨＲＴとなる。
なお、ＨＲＴは基質滞留時間を示し、ＳＲＴはメタン発酵槽（反応器）内の汚泥の反応器内（平均）滞留時間を示す。
したがって、反応器内で菌体変換率の低い細菌群を一定以上に増殖させることは難しく、基質分解率、メタンのガス化率には限界がある。
特に、ＣＳＴＲ方式においては、高負荷で運転した場合、安定性に問題がある。
以下、その理由を述べる。
【００１０】
メタン発酵槽（反応器）は、運転を誤ると、”酸敗”によってメタンの生成が中断し、処理系として破綻する。
酸敗は、基質の種類によって、中間生成物である酪酸や、プロピオン酸、場合によっては、酢酸やその他の揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）、あるいは、その複合化したＶＦＡ群の蓄積によって起こる。
ＶＦＡが蓄積すると、（１）ｐＨが低下する、（２）ｐＨ低下に伴う非解離のＶＦＡ、たとえば、プロピオン酸の濃度が増すことにより、可溶化もメタン発酵も同時に阻害される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明は下記の構想に基づく。
（１）汚泥循環返送型のメタン発酵処理法で行う。
（２）汚泥の増殖が十分な高い容積負荷、たとえば、基質が生ごみの場合、５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／日以上の容積負荷で運転する。
（３）細菌と基質との接触速度を保持し、反応器内の固形物濃度を一定量以下にした運転状態で、汚泥中の菌体濃度（生菌濃度）を極大（最大）にする。
（４）反応器への基質を連続供給する期間と、基質の供給を停止する期間との合計を１単位とし、たとえば、１単位を基質滞留時間（ＨＲＴ）とする。
（５）微生物および未分解起因固形物質の和に基づく反応器（反応槽またはメタン発酵槽）内の汚泥滞留時間（ＳＲＴ）を基質滞留時間（ＨＲＴ）より長い状態で反応器を運転する。
【００１２】
なお、有機性物質をメタン発酵には、固形物に起因する化学的酸素要求量（ｐ−ＣＯＤ）の割合が全ＣＯＤに対して所定の割合、たとえば、７０％以下の有機性物質をメタン発酵する場合を想定している。
固形物に起因する化学的酸素要求量の割合は、基質（廃棄物）の性状によっても異なるが、固形物基質のＣＯＤが狭すぎると速くＴＳＳ（固形物）の濃度が上がり、基質供給期間に比べて必要とする休止期間の割合が１：１程度となり、好ましくない。基質の性状としては、たとえば、（１）固形物の可溶化速度と可溶化物質（Ｓ−ＣＯＤ）の分解性、（２）固形物の粒径分布、（３）有機性物質の組成などが対象となる。
以上から、有機性物質をメタン発酵の場合、固形物に起因する化学的酸素要求量の割合が全ＣＯＤに対して所定の割合として、経験的事項をも考慮して、上記のように、たとえば、７０％以下の有機性物質をメタン発酵する場合を想定している。
【００１３】
反応器内の汚泥の反応器内（平均）滞留時間（ＳＲＴ）は毎日行う反応液引き抜きと、反応液から汚泥分を分離して循環するに際して、全量を循環返送するのではなく、一部抜去処分する量を調整することにより、容易に制御可能である。ただし、一定以上の高負荷、適正な負荷をかけて運転する必要がある。
【００１４】
反応器内の固形物濃度を一定以上に保持しながら、汚泥中の基質の連続供給と基質供給休止期間の合体した期間を１つの単位期間として、その期間中の平均総菌体濃度を、なるべく、活性の高い状態で極大（または最大）に保つ運転を行う。
【００１５】
より特定的には、基質を、たとえば、生ごみとした場合、本発明のメタン発酵処理法は、固形物に起因する化学的酸素要求量（ｐ−ＣＯＤ）の割合が全ＣＯＤに対して、たとえば、７０％以下の有機性物質を基質としてメタン発酵するに際して、たとえば、５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／日以上の容積負荷で、５日以上３０日以下（１日１回ないしは複数回を含めて）の連続供給と、４日以上２０日以下の基質供給停止期間を設け、（消化）汚泥（循環）返送を伴い、微生物、未分解のいずれかを含む固形物の反応槽内の滞留時間（ＳＲＴ）を基質滞留時間（ＨＲＴ）より長い３０日以上で運転する、ことを特徴とする。
なお、上述した数値は、基質としての有機性廃棄物の種類、性状によって変化する。たとえば、上述した、容積負荷が５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／日以上という意味は、基質として生ごみを用いた場合、汚泥の増殖が、５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／日未満では不十分となることから設定しているが、基質が異なれば、容積負荷も変化する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、効率的かつ安定的に処理する、汚泥循環返送型のメタン発酵処理法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１はメタン発酵プロセスの基本を図解した図である。
【図２】図２は、毎日１回、反応器から汚泥を引き抜き、その後、メタン発酵槽（反応器）へ基質（廃棄物）を投入する運転を連続した場合、生成されるガス量の変化を図解した図である。
【図３】図３は本発明のメタン発酵処理法を実施する１例としてのメタン発酵システムの概要を示す図である。
【図４】図４は、基質として生ごみを対象とした場合の、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）容積負荷（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）と、反応器内の汚泥生成量、たとえば、固形物ＴＳＳの蓄積速度（ｍｇ−ｓｓ／ｌ（リットル）／ｄａｙ）との関係を示した図である。
【図５】図５は、容積負荷を、６．０、９．０、１２．０、１２．０、１５．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）の６フェーズについて段階的に変化させたときの、運転日数と、単位ＴＳＳに含まれる微生物の数の経時変化を示した図である。
【図６】図６は、負荷速度と定常状態のＴＳＳ濃度を示した特性図である。
【図７】図７は、有機物負荷速度を６．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）、９．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）、１２．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）と３段階に変化させた場合の、基質としての生ごみの嫌気性連続実験における微生物サンプル引き抜きを補正しないでもとで入れる濃度を図解した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を述べる。
図３は、本発明のメタン発酵処理法を実施するメタン発酵システムの概要を示す図である。
本発明の実施の形態のメタン発酵システムは、メタン発酵槽（反応器）１０と、攪拌器１１と、反応器１０に基質を投入する投入口１２と、反応器１０から消化汚泥を抜き取る抜取口１３と、抜き取った汚泥の一部を遠心分離して細菌を分離するための遠心分離器１４と、遠心分離した細菌を含む汚泥を反応器１０に戻す返送系１５と、メタン発酵されて生成したメタンガスを排出するガス排出部１６とを有する。
本実施の形態のメタン発酵システムは、完全混合型発酵槽（ＣＳＴＲ）方式ではなく、汚泥の一部を反応器１０に返送する、「汚泥循環返送型のメタン発酵処理システム」である。
【００１９】
図４は、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）容積負荷（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）と、反応器内の汚泥生成量、たとえば、固形物ＴＳＳの蓄積速度（ｍｇ−ｓｓ／ｌ（リットル）／ｄａｙ）との関係を示した図である。横軸は有機物負荷比率（ＯＬＲ）を示し、縦軸は固形物（ＴＳＳ）蓄積比率を示す。
図４の図解から、高い容積負荷をかけるほど汚泥の生成量が増加することが理解できる。
【００２０】
汚泥の増加速度について述べる。
総菌体Ｓの増殖速度ｄＳ／ｄｔは、ｄＳ／ｄｔ＝Σ（ｄＳi ／ｄｔ）として表すことができる。下記式１、２は、嫌気発酵に寄与する菌体ｉの増加速度を示す。
【００２１】
ｄＳi ／ｄｔ＝ｋSiＣi Ｓi −ｋdiＳi 
…（１）
ただし、ｉは細菌ｉであり、
Ｓi は細菌ｉの濃度であり、
ｋSiは細菌ｉの基質との接触速度に起因する係数であり、
Ｃi は細菌ｉが作用する対象とする基質の濃度であり、
ｋdiは細菌ｉの自己消化係数である。
【００２２】
細菌ｉは、たとえば、図１に図解した過程における、加水分解細菌、酢酸形成細菌などである。
細菌ｉの自己消化係数ｋdiは、基質の種類、特性状態（性状）、反応器の形式、攪拌方法と反応器とのマッチングに依存する。
式１において、右辺第１項：ｋSiＣi Ｓi は増殖項であり、第２辺：ｋdiＳi は分解項である。
【００２３】
ｄＣi ／ｄｔ＝−ｋci（ｋmax Ｃi ／（ｋhi＋Ｃi ）×Ｓi 
…（２）
ただし、ｋciは細菌ｉと基質との接触速度に起因する係数であり（ｋci≦１）、
ｋmax は最大比基質利用速度（ｇＣＯＤ／ｇｖｓｓ／月）であり、
Ｃi は細菌ｉが作用する対象とする基質の濃度であり、
ｋhiは半飽和定数（ｍｇ／ｌ）である。
【００２４】
一般に、反応器内において、溶解性の基質成分Ｓ−ＣＯＤは比較的速やかに分解するため、固体物質の可溶化が可溶化した物質の消費に間に合わない。したがって、消化汚泥循環（返送）運転（以下、汚泥循環法）を続けた場合、ある程度の容積負荷以上では反応器内の固体成分は徐々に増加していく。
【００２５】
式１を参照すると、反応器内の固形物濃度（ＴＳＳ濃度）が増加すると、細菌と基質との接触速度に起因する係数ｋsiは低下するが、細菌ｉの自己消化係数ｋdiは余り変化しないため、左辺の菌体増殖速度ｄＳi ／ｄｔは減少する。
【００２６】
図５は、容積負荷を、６．０、９．０、１２．０、１２．０、１５．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）の６フェーズについて段階的に変化させたときの、運転日数と、単位ＴＳＳに含まれる微生物の数の経時変化を示した図である。
図５において、各々の黒丸は、反応器への基質を連続供給する期間と、基質の供給を停止する期間との合計を１単位とし、たとえば、１単位を基質滞留時間（ＨＲＴ）としたことを示している。
各フェーズの間に休止期間が設けられている。
【００２７】
図５において、各フェーズの容積負荷の設定条件での一定期間の運転後、基質供給休止期間後に、矢印で示したように、固形物ＴＳＳ中に占める菌体濃度が増加していることが理解される。
各フェーズ間に基質供給の休止期間を設けることにより、すなわち、ＳＲＴ＞ＨＲＴとすることにより、反応器内の固体物質の可溶化が進み、攪拌効果が改善されて、式１における可溶化した基質濃度Ｃi の増加とともに、接触速度に起因する係数ｋsiが増大する。その結果、式１の右辺第１項ｋSiＣi Ｓi は増殖項の値が増大して、菌体増殖速度ｄＳi
／ｄｔが増大する。
【００２８】
最終的には、高い容積負荷のもとで、安定した運転を達成するということは、各素反応に寄与する菌体ｉの濃度Ｓi が高い濃度で反応器内に保持され、式２において、分解に寄与する細菌ｉと基質との接触速度に起因する係数ｋciがなるべく１に近い値に保持されることである。
【００２９】
たとえば、基質としての生ごみについて考察すると、種々の生ごみを収集混合するとほぼ同じになるように、基質がそれほど変化しなければ、関与する菌体ｉが反応に関与する基質Ｃi （中間生成物を含む）の組成は大きく変化しない。したがって、反応器に投入する基質（廃棄物）の性状に合わせて、反応器から引き抜く汚泥量を制御すること、および、微生物および未分解基質のいずれかを含む固形物の反応器内の滞留時間（ＳＲＴ）を適切な値に制御することができる。
【００３０】
実施例
有機性物質として、図３に例示した装置を用いて、破砕生ごみを対象としたメタン発酵の実施例を述べる。
また、図５〜図７の実験値を考察する。
【００３１】
本実施例において、固形物に起因する割合が生ＣＯＤに対して一定の割合、たとえば、、７０％以下の有機性物質をメタン発酵する場合を例にとる。
なお、上述したとおり、固形物に起因する化学的酸素要求量の割合は、基質（廃棄物）の性状によっても異なるが、固形物基質のＣＯＤが狭すぎると速くＴＳＳ（固形物）の濃度が上がり、基質供給期間に比べて必要とする休止期間の割合が１：１程度となり、好ましくない。基質の性状としては、たとえば、（１）固形物の可溶化速度と可溶化物質（Ｓ−ＣＯＤ）の分解性、（２）固形物の粒径分布、（３）有機性物質の組成などが対象となる。
以上から、有機性物質をメタン発酵の場合、固形物に起因する化学的酸素要求量の割合が全ＣＯＤに対して所定の割合として、経験的事項をも考慮して、上記のように、たとえば、７０％以下の有機性物質をメタン発酵する場合を想定している。
【００３２】
固形物が難分解性であり、固形物の占める割合ｒP が比較的小さい場合、たとえば、ｒP ＜０．６の場合、メタン生成の関連が取り扱い易い重クロム酸カリウム（ＣＯＤcr）の指標をもって示す。
本実施例では、重クロム酸カリウム（ＣＯＤcr）の指標を持って示す。
【００３３】
Ｔ−ＣＯＤ＝ｐ−ＣＯＤ＋Ｓ−ＣＯＤ
ただし、Ｔ−ＣＯＤは、全基質のＣＯＤであり、
ｐ−ＣＯＤは、固形物起因のＣＯＤであり、
ｓ−ＣＯＤは、溶解しているＣＯＤである。
【００３４】
とすると、固形物の占める割合ｒP は下記となる。
【００３５】
ｒP ＝ｐ−ＣＯＤ／Ｔ−ＣＯＤ
【００３６】
また、溶解物の占める割合ｒS は下記になる。
【００３７】
ｒS ＝ｓ−ＣＯＤ／Ｔ−ＣＯＤ＝１−ｒP
【００３８】
図５に図解したように、微生物および未分解固形物質を含む固形物の反応器内の汚泥滞留時間（ＳＲＴ）をＨＲＴより長い６０日とし、他方、ＨＲＴ＝１６日として、容積負荷を５段階に上昇させた運転の結果、各運転中で、各段階において、終期において、固形物（ＴＳＳ）濃度はほぼ一定値となった。
このことから、常法では言われている湿式運転の限界濃度１０％値における容積負荷を、図５において、内挿すると、容積負荷が約１７ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙとなった。この値は、一般の生ごみを対象としたＣＳＴＲ方式に比べると、かなり高い値であり、本実施例は、高い効率で運転できたことを示している。
【００３９】
その理由を考察する。
図５は、上述したように、各有機物負荷速度における単位ＴＳＳに含まれる微生物数の経時変化を図解した図である。
微生物濃度は、反応器に有機物（基質）を投入していない休止期間に、上向きの矢印を示したように、増加する。
図５において、たとえば、フェーズ１〜３の休止時間は、微生物濃度を段階的に増加させたが、フェーズ相互間のＴＳＳ濃度には余り変化がない。このことは、汚泥内に存在する固形量は増減せず、微生物だけが休止期間に増加したことを意味する。
他方、フェーズ３〜６におけるフェーズ間の休止期間には固形物濃度の急激な減少が起きているにも関わらず、微生物濃度には大きな変化が認められない。このことは、フェーズ間の微生物濃度の変化に関わらず、単位ＴＳＳに含まれる微生物濃度が休止期間において増加していることを示している。
このように、本願発明者は、基質を投入しない休止期間に、単位ＴＳＳに含まれる微生物濃度が増加していることを見いだし、基質供給期間と休止期間を設けることにより、効果的な微生物量を保持することができる有機性物質のメタン発酵法を発明するに至った。
【００４０】
各有機物負荷での定常状態でのＴＳＳ濃度は、反応器に投入する有機物の分解性と、固形物の滞留時間、および有機物の負荷速度によって決定されている。有機物負荷速度を上昇させ続けると、定常状態におけるＴＳＳ濃度は上昇する。
このまま有機物負荷速度を上昇させると、半乾式メタン発酵あるいは乾式メタン発酵で使用されるような高濃度ＴＳＳ濃度領域へと増加し、分解率は低下すると予想される。
【００４１】
図６は、横軸に負荷速度をとり、縦軸に定常状態のＴＳＳ濃度を示した特性図である。  図６を参照すると、本発明法（湿式メタン発酵法）における半乾式状態や乾式状態でのメタン発酵法との境界の有機物容積負荷率は、約１７（ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）である。
この図から、基質として生ごみを用いた場合、容積負荷は５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ以上が好ましい。すなわち、５ｋｇＣＯＤ／ｍ3 ／日以上であると、汚泥の増殖が十分となる。もちろん、上述した数値は、基質としての有機性廃棄物の種類、性状によって変化する。
【００４２】
図７は、有機物負荷速度（容積負荷）を６．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）、９．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）、１２．０（ｋｇ−ＣＯＤ／ｍ3 ／ｄａｙ）と３段階に変化させた場合の、生ごみの嫌気性連続実験における修正した微生物濃度を図解した図である。
基質供給期間と休止期間を設けることにより、微生物の濃度が増加していることが理解される。
【００４３】
なお、基質（廃棄物）供給時の有機物容積負荷を小さくとれば、廃棄物供給期間を長くし、休止期間を短くすることができる。もちろん、その逆も言える。
【００４４】
本発明の実施に際しては、上述した例示した数値に限らず、上述した技術思想を敷衍した変形例をとることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…メタン発酵槽（反応器）、１１…攪拌器、１２…基質投入口、１３…抜取口、１４…遠心分離器、１５…返送系、１６…ガス排出部。
【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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