(57)【要約】【課題】セルロース分解槽における微生物の活性阻害を防止して、セルロース系高分子有機物からバイオガスへの変換効率を高めることができるセルロース系有機性廃棄物処理システムおよびセルロース系有機性廃棄物処理方法を提供する。【解決手段】実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムは、セルロース分解槽と、メタン発酵槽と、返送手段と、制御手段とを持つ。セルロース分解槽は、嫌気性微生物によりセルロース系有機性廃棄物を分解して分解物を得る。メタン発酵槽は、セルロース分解槽から排出された分解物を含む処理液をメタン発酵させる。返送手段は、メタン発酵後の処理液の一部を、メタン発酵槽からセルロース分解槽に返送する。制御手段は、セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、セルロース分解槽中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、返送手段による発酵後の処理液の返送量を調整する。【選択図】図１
2018144001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気性微生物によりセルロース系有機性廃棄物を分解して分解物を得るセルロース分解槽と、
前記セルロース分解槽から排出された前記分解物を含む処理液をメタン発酵させるメタン発酵槽と、
前記メタン発酵後の処理液の一部を、前記メタン発酵槽から前記セルロース分解槽に返送する返送手段と、
前記セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、前記セルロース分解槽中での前記嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲となるように、前記返送手段による前記発酵後の処理液の返送量を調整する制御手段と、
を備えたセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項２】
前記セルロース分解槽に前記セルロース系有機性廃棄物を供給するとともに供給量を調整する廃棄物供給手段を更に備え、
前記制御手段は、前記セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、前記セルロース分解槽中での前記嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲となるように、前記廃棄物供給手段による前記セルロース系有機性廃棄物の供給量を調整する、請求項１に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記返送手段による前記発酵後の処理液の返送量または前記廃棄物供給手段による前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項２に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度を計測する計測装置と、
前記計測装置の計測結果に基づき、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する制御装置と、
を備える、請求項３に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記セルロース分解槽内のプロピオン酸濃度が１５００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項３または請求項４に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記セルロース分解槽内の酢酸濃度が５００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項３または請求項４に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記セルロース分解槽内のイソ−吉草酸濃度が４００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項３または請求項４に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記セルロース分解槽内のｎ−酪酸濃度が３００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項３または請求項４に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項９】
前記セルロース分解槽の収容物を２０〜４０℃の範囲に保持する加熱手段を更に備える、請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項１０】
前記セルロース分解槽の収容物のｐＨを５〜８の範囲に保持するｐＨ制御手段を更に備える、請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項１１】
前記セルロース分解槽に対する前記セルロース系有機性廃棄物の容積負荷が１５ｋｇ／ｍ３・日以下である請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理システム。
【請求項１２】
セルロース分解槽において嫌気性微生物によりセルロース系有機性廃棄物を分解させて分解物とし、メタン発酵槽において前記分解物を含む処理液をメタン発酵し、メタン発酵後の前記処理液の一部を前記セルロース分解槽に返送するセルロース系有機性廃棄物処理方法であって、
前記セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、前記セルロース分解槽中での前記嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、セルロース分解槽への前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース分解槽への前記セルロース系有機性廃棄物の供給量のいずれか一方または両方を調整する、セルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１３】
前記セルロース分解槽内のプロピオン酸濃度が１５００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項１２に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１４】
前記セルロース分解槽内の酢酸濃度が５００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項１２に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１５】
前記セルロース分解槽内のイソ−吉草酸濃度が４００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項１２に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１６】
前記セルロース分解槽内のｎ−酪酸濃度が３００ｍｇ／Ｌ以下となるように、前記発酵後の処理液の返送量または前記セルロース系有機性廃棄物の前記供給量の何れか一方又は両方を調整する、請求項１２に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１７】
前記セルロース分解槽の収容物を２０〜４０℃の範囲に保持する、請求項１２乃至請求項１６の何れか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１８】
前記セルロース分解槽の収容物のｐＨを５〜８の範囲に保持する、請求項１２乃至請求項１７の何れか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項１９】
前記セルロース分解槽に対する前記セルロース系有機性廃棄物の容積負荷を１５ｋｇ／ｍ３・日以下とする、請求項１２乃至請求項１８のいずれか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【請求項２０】
前記セルロース系有機性廃棄物は、紙類を含む廃棄物である、請求項１２乃至請求項１９のいずれか一項に記載のセルロース系有機性廃棄物処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、セルロース系有機性廃棄物処理システムおよびセルロース系有機性廃棄物処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化ガス排出削減・循環型社会形成という観点から、再生可能エネルギー資源であるセルロース系有機性廃棄物から効率よくエネルギーを取り出す技術が求められている。一般的な有機性廃棄物を微生物によりバイオガス化するシステムでは、主として、嫌気性微生物による嫌気性消化が行われる。しかし、セルロース系有機性廃棄物は、嫌気性微生物にとって比較的分解性が低いセルロース系高分子有機物を含んでいるため、まず、セルロース分解槽にて、セルロース分解能を有する微生物によってセルロース系高分子有機物を分解（低分子化）させ、次いで、低分子化された分解物をメタン発酵槽にて嫌気性微生物により消化処理することで、バイオガスが生成される。このように、セルロース系有機性廃棄物を処理するための処理システムでは、セルロース分解槽とメタン発酵槽とを用いた二段階の処理が行われている。従って、セルロース系有機性廃棄物処理システムでは、セルロース分解槽とメタン発酵槽の両方を安定的に維持する必要がある。
【０００３】
しかし、セルロース分解槽において、継続的に、セルロース系高分子有機物が微生物によって消化されると、生成物（代謝物）である有機酸の濃度が増加する。有機酸の増加によって、セルロース分解槽内におけるセルロース系高分子有機物を含む処理液のｐＨが低下する場合もある。有機酸濃度が増加すると、微生物の活性が阻害されて、セルロース系高分子有機物からバイオガスへの変換効率が低下するおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１２１１１１号公報
【特許文献２】特許第４８４４９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、セルロース分解槽における微生物の活性阻害を防止して、セルロース系有機性廃棄物からバイオガスへの変換効率を高めることができるセルロース系有機性廃棄物処理システムおよびセルロース系有機性廃棄物処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムは、セルロース分解槽と、メタン発酵槽と、返送手段と、制御手段とを持つ。
セルロース分解槽は、嫌気性微生物によりセルロース系有機性廃棄物を分解して分解物を得る。
メタン発酵槽は、前記セルロース分解槽から排出された前記分解物を含む処理液をメタン発酵させる。
返送手段は、前記メタン発酵後の処理液の一部を、前記メタン発酵槽から前記セルロース分解槽に返送する。
制御手段は、前記セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、前記セルロース分解槽中での前記嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、前記返送手段による前記発酵後の処理液の返送量を調整する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムを示す模式図。
【図２】実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムの変形例を示す模式図。
【図３】実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムの別の変形例を示す模式図。
【図４】実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムの更に別の変形例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムおよびセルロース系有機性廃棄物処理方法を、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１に、実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システムの一例を示す。図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００は、廃棄物供給手段１と、廃棄物供給手段１から供給されたセルロース系有機性廃棄物を嫌気性微生物により分解して分解物を得るセルロース分解槽３と、セルロース分解槽３において生成した分解物を含む処理液をメタン発酵させるメタン発酵槽６と、セルロース分解槽３において生成した、分解物を含む処理液を、セルロース分解槽３からメタン発酵槽６に送る第２ポンプ５と、メタン発酵槽６においてメタン発酵された後の分解物を含む処理液の一部をセルロース分解槽３に返送する返送手段８と、メタン発酵槽６においてメタン発酵された後の分解物を含む処理液の残部を系外に排出する第４ポンプ９と、を備えている。
【００１０】
廃棄物供給手段１は、セルロース系有機性廃棄物を貯留する廃棄物貯留槽１ａと、廃棄物貯留槽１ａ中のセルロース系有機性廃棄物を含む処理液を送り出す第１ポンプ１ｂとからなる。第１ポンプ１ｂは、後述する制御装置からの制御信号によって、セルロース系有機性廃棄物の供給量を調整できるようになっている。
【００１１】
返送手段８は、メタン発酵槽６とセルロース分解槽３とを結ぶ返送流路８ａと、返送流路８ａの途中に備えられた第３ポンプ８ｂとからなる。第３ポンプ８ｂは、後述する制御装置からの制御信号によって、メタン発酵後の処理液の返送量を調整できるようになっている。
【００１２】
また、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００には、セルロース分解槽３内の処理液のｐＨを５〜８の範囲に保持するｐＨ制御手段４が備えられている。ｐＨ制御手段４は、セルロース分解槽３内の収容物のｐＨを計測するｐＨ計４ａと、セルロース分解槽３にアルカリ剤を供給するアルカリ剤供給手段４ｂと、後述する制御装置とから構成されている。ｐＨ計４ａの計測結果は制御装置に送られ、その計測結果に基づき、アルカリ剤供給手段４ｂによってセルロース分解槽３内の収容物のｐＨを５〜８に制御できるようになっている。アルカリ剤供給手段４ｂは、例えば、アルカリ剤を貯留するアルカリ剤タンクと、制御装置からの制御信号を受けてアルカリ剤タンクを開閉する制御弁とからなるものを例示できる。なお、セルロース分解槽３の収容物には、セルロース系有機性廃棄物、その分解物、処理液等が含まれる。ｐＨはそのうち、主に処理液のｐＨを計測する。処理液のｐＨが微生物の成育環境に影響を与えるためである。
【００１３】
更に、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００には、セルロース分解槽３内の収容物の温度を２０〜４０℃に保持する加熱手段７が備えられている。加熱手段７としては例えば、セルロース分解槽３の外表面に設置された加熱ヒータ７ａを例示できる。
【００１４】
また、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００には、返送手段８による発酵後の処理液の返送量または廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量の何れか一方又は両方を調整する制御手段１０が備えられている。制御手段１０は、セルロース分解槽３中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、発酵後の処理液の返送量またはセルロース系有機性廃棄物の供給量の何れか一方又は両方を調整する。
【００１５】
より具体的に、制御手段１０は、セルロース分解槽３中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度を計測する計測装置１０ａと、計測装置１０ａの計測結果に基づき、発酵後の処理液の返送量またはセルロース系有機性廃棄物の供給量の何れか一方又は両方を調整する制御装置１０ｂを有する。制御装置１０ｂは、ｐＨ制御手段４としても機能する。
【００１６】
計測装置１０ａは、セルロース分解槽３から処理液を採取してその成分をオンラインで定量するオンライン定量装置でもよく、セルロース分解槽３から処理液を採取してその成分をオフラインで定量するオフライン定量装置でもよい。計測装置１０ａは、より具体的には、炭素量４以下の脂肪酸を定量できるものがよく、更に具体的には、プロピオン酸、酢酸、イソ−吉草酸、ｎ−酪酸の濃度を定量できるものがよい。このような計測装置１０ａとしては、例えば、液体クロマトグラフィ装置を例示できる。計測装置１０ａによる計測結果は、通信回線等により制御装置１０ｂに送られるようになっている。
【００１７】
制御装置１０ｂは、計測装置１０ａの計測結果が入力される図示略の入力部と、計測装置１０ａの計測結果に基づき発酵後の処理液の返送量またはセルロース系有機性廃棄物の供給量の何れか一方又は両方を決定する図示略の決定部と、決定部の決定結果に基づき返送手段８の第３ポンプ８ｂまたは廃棄物供給手段１の第１ポンプ１ｂに制御信号を出力する図示略の出力部とが備えられている。このような制御装置１０ｂは、例えば、中央演算装置を有するコンピュータからなり、入力部、決定部及び出力部は中央演算装置の機能として実現される。
【００１８】
次に、セルロース系有機性廃棄物処理方法を説明する。本実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理方法は、セルロース分解槽３において嫌気性微生物によりセルロース系有機性廃棄物を分解させて分解物とし、メタン発酵槽６において分解物を含む処理液をメタン発酵し、メタン発酵後の処理液の一部をセルロース分解槽３に返送する方法において、セルロース分解槽３中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、セルロース分解槽３への発酵後の処理液の返送量またはセルロース分解槽３へのセルロース系有機性廃棄物の供給量のいずれか一方または両方を調整する。
【００１９】
セルロース分解槽３における嫌気性微生物によるセルロース系有機性廃棄物の分解物には、微生物の代謝によって低分子化されたセルロース系有機性廃棄物が含まれる。低分子化されたセルロース系有機性廃棄物には、低級の脂肪酸が含まれ、より具体的には、炭素量４以下の脂肪酸が含まれる。以下の説明では、炭素量４以下の脂肪酸を低級脂肪酸という。これら低級脂肪酸は、水を含む処理液に可溶であり、処理液のｐＨに影響を及ぼす。低級脂肪酸の濃度が高まると、セルロース分解槽３中の嫌気性微生物のセルロース分解の活性が阻害されるおそれがあるため、セルロース分解槽３中の処理液の低級脂肪酸の濃度は低く抑制しなければならない。
【００２０】
セルロース分解槽３において生成した低級脂肪酸は、他の低分子化されたセルロース系有機性廃棄物とともにメタン発酵槽６に送られ、別の嫌気性微生物によってメタン発酵槽６においてメタン発酵され、メタンや二酸化炭素等のバイオガスと、バイオガス以外の残渣とに分解される。バイオガスは、メタン発酵槽６の系外に排気されて発電や燃焼に再利用される。一方、バイオガス以外の残渣は、メタン発酵槽６に貯留された嫌気性微生物では分解しきれなかった有機物の残渣である。こうした残渣を含むメタン発酵後の処理液には、低級有機酸が含有されないか、含有されていたとしても少量である。メタン発酵後の処理液は、返送手段８によってセルロース分解槽３に返送されるが、セルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度が高まった場合に、低級脂肪酸の濃度が低減された処理液の返送量を増大させることで、セルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度を低減させることが可能になる。返送量を増大させる方法として例えば、定常の循環量に対して循環量を増加させる、単位期間当たり（例えば１日当たり）の循環回数を増加させる、等により増加させるとよい。循環量は、例えばセルロース分解槽の容積Ｖに対する割合によって管理すればよい。
【００２１】
また、セルロース分解槽３において低級脂肪酸の濃度が増大した場合に、メタン発酵後の処理液の返送に代えて、セルロース分解槽３に対するセルロース系有機性廃棄物の供給量を減少させてもよい。これにより、セルロース分解槽３における微生物反応の基質濃度が低下することになり、低級脂肪酸の生成量が抑制される。
【００２２】
ここで、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲とは、単位量当たりのセルロース系有機性廃棄物が微生物によって分解及び消化された際に生じるバイオガスの発生量を目安にして決めると良い。例えば、バイオガスの発生量が、セルロース系有機性廃棄物１ｋｇあたり０．２ｍ３以下になる場合は、嫌気性微生物の活性阻害が生じていると判断し、セルロース分解槽３への発酵後の処理液の返送量またはセルロース分解槽３へのセルロース系有機性廃棄物の供給量のいずれか一方または両方を調整するとよい。０．２ｍ３以下はあくまで例示であり、セルロース系有機性廃棄物処理システム１００の規模等に応じて適宜設定すればよい。なお、バイオガスの発生量は、メタン発酵槽６から発生するガス発生量に限らず、セルロース分解槽３から発生するガス発生量を含めてもよい。
【００２３】
嫌気性微生物の活性阻害が生じるかどうかは、上述のようにバイオガスの発生量に基づき判断してもよいが、より簡易的には、セルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度に基づき判断してもよい。すなわち、セルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度が所定の上限を超えた場合に、嫌気性微生物の活性阻害が生じると判断しても良い。この場合の基準値としては、例えば、プロピオン酸の場合は１５００ｍｇ／Ｌ以下、酢酸の場合は５００ｍｇ／Ｌ以下、イソ−吉草酸の場合は４００ｍｇ／Ｌ以下、ｎ−酪酸の場合は３００ｍｇ／Ｌ以下とすることができる。これら低級脂肪酸のいずれかの濃度が基準値を超えた場合に、発酵後の処理液の返送量またはセルロース系有機性廃棄物の供給量を調整するとよい。
【００２４】
なお、セルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度が特に上昇する場合は、例えば、セルロース分解槽３にセルロース系有機性廃棄物を投入した場合、セルロース分解槽３における微生物の生育環境が改善されて微生物が活発になって分解反応が進んだ結果、低級脂肪酸が蓄積された場合、メタン発酵後の処理液の返送量が低下してセルロース分解槽３における処理液量が低減した場合などが想定される。
【００２５】
セルロース分解槽３においてセルロース系有機性廃棄物を分解する嫌気性微生物は、セルロースを分解できる能力を持てば良く、特に限定しない。例としてClostridium thermocellum、Trichoderma reesei、Bacteroides cellulosolvens、Bacillus subtilis、Ruminococcus albus等が挙げられる。
【００２６】
より好ましくは、Clostridium属（クロストリジム属）の嫌気性微生物がよい。クロストリジム属の微生物は土中に存在する微生物で、そのうち高いセルロース分解能力を持つ種がある。代表的な例としてClostridium thermocellum、Clostridium cellulovoransがある。これらの微生物は数十種類のセルラーゼを生産することが可能で、非常に高いセルロース分解能力を有する。また絶対嫌気性のため、本実施形態のシステムで増殖することが可能であり、継続的にセルロース系有機性廃棄物の分解に寄与する。
【００２７】
さらに好ましくは、Clostridium cellulovoransを添加するとよい。Clostridium cellulovoransを用いることにより、セルロース系有機性廃棄物が素早く分解できる。Clostridium cellulovoransは中温環境（３７℃前後）で最も活性が高く、同属であるClostridium thermocellumのように５５℃で活性になる微生物と比較すると、加温によるエネルギー消費が少ない。またＯＡ紙を被分解物とした試験では、Clostridium cellulovoransを用いた場合、紙の可溶化率がClostridium thermocellumを用いた場合より５％高くなることが判明しており、Clostridium cellulovoransは本実施形態のシステムにおいて、より適したセルロース分解菌といえる。
【００２８】
次に、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００を用いた、セルロース系有機性廃棄物処理方法をより具体的に説明する。まず、第１ポンプ１ｂを作動させて、廃棄物貯留槽１ａに貯留されたセルロース系有機性廃棄物をセルロース分解槽３に供給する。セルロース分解槽３には、セルロース分解能を有する嫌気性微生物が貯留されており、この嫌気性微生物に働きにより、セルロース系有機性廃棄物を分解させて分解物とする。このとき、低級脂肪酸が同時に生成する。低級脂肪酸の濃度は、計測装置１０ａによって連続的または間欠的に計測される。計測値は、随時、制御装置１０ｂに送られる。なお、セルロース分解槽３においてメタン生成を行う微生物が混在している場合は、一部の有機物がメタンや二酸化炭素への転換まで行われる場合もある。
【００２９】
セルロース分解槽３において分解された分解物は、第２ポンプ５によって分解物を含む処理液としてメタン発酵槽６に送られる。分解物を含む処理液は、メタン発酵槽６に貯留されている別の嫌気性微生物（例えば、メタン生成菌）によってメタン発酵され、メタンや二酸化炭素を含むバイオガスに転換される。このとき、低級脂肪酸も分解される。メタン発酵後の処理液の一部は、返送流路８ａ及び第３ポンプ８ｂにより、セルロース分解槽３に返送される。
【００３０】
このようにしてセルロース系有機性廃棄物の処理を続けると、次第にセルロース分解槽３に低級脂肪酸が蓄積されて、低級脂肪酸の濃度が上昇する。プロピオン酸が１５００ｍｇ／Ｌ超、酢酸が５００ｍｇ／Ｌ超、イソ−吉草酸が４００ｍｇ／Ｌ超、またはｎ−酪酸が３００ｍｇ／Ｌ超になると、制御装置１０ｂは、これらいずれかの脂肪酸が、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせていると判断する。そして、制御装置１０ｂは、第３ポンプ８ｂまたは第１ポンプ１ｂの一方又は両方に指令を出し、これら低級脂肪酸の濃度が全て基準値以下になるまで、メタン発酵後の処理液の返送量を増大させるか、セルロース系有機性廃棄物の供給量を低減させるか、あるいはこれらの両方を行う。
【００３１】
より具体的には、第３ポンプ８ｂによる循環運転のみにより、セルロース分解槽３における低級脂肪酸濃度をセルロース分解菌等の嫌気性微生物の活性阻害が起きるレベル以下まで下げることを目指す。しかし、第３ポンプ８ｂによる循環運転のみで低級脂肪酸濃度を低下させることが困難な場合は、第１ポンプ１ｂを制御して、セルロース分解槽３に投入されるセルロース系有機性廃棄物の添加量を少なくすることにより、セルロース分解槽３で生成される低級脂肪酸を減少させる。
【００３２】
なお、セルロース分解槽３における処理液のｐＨは、ｐＨ制御手段４によって５〜８の範囲に制御することが好ましい。処理液のｐＨが５未満になると、多くの微生物に活性阻害が起きるため、ｐＨ値を５以上となるようコントロールすることが望ましい。コントロール方法として、アルカリ溶液を投入することが一般的であるが、ｐＨが８超の環境においても微生物に活性障害が起きるため、ｐＨ値を５〜８の間に制御するとよい。
【００３３】
また、セルロース分解槽３における処理液の温度は、加熱手段７によって２０〜４０℃に保持することが好ましい。処理液の温度が２０℃未満または４０℃超になると、多くの微生物に活性阻害が起きるため、２０〜４０℃に保持するとよい。特に、微生物のうちのClostridium cellulovoransは、中温環境（２０〜４０℃、特に３７℃前後）で最も活性が高くなり、増殖が進むことから、２０〜４０℃に保持することが好適である。
【００３４】
更に、セルロース分解槽３に投入するセルロース系有機性廃棄物の１日当たりの投入量が過剰になると、セルロース分解槽でセルロースが大量に分解され、低脂肪酸の蓄積が起こり、これによりセルロース分解菌等の嫌気性微生物の活性阻害が起こり、セルロースの分解が進まなくなる。さらには、未分解のセルロース系有機性廃棄物が槽内に蓄積され、セルロース分解槽３の処理性能が急激に低下するおそれがある。セルロース分解槽３の処理性能が低下すると、処理性能の回復が長期間要するか、回復不能の場合も起こりうる。従って、セルロース分解槽３へのセルロース系有機性廃棄物の添加量は１５ｋｇ／ｍ３・日以下に制限することが好ましい。これにより、セルロース分解槽の低級脂肪酸の蓄積が起きることなく、継続的に高効率でセルロース系有機性廃棄物を分解することが可能になる。
【００３５】
なお、本実施形態において処理対象となるセルロース系有機性廃棄物は、植物由来の廃棄物や紙類を例示できる。
植物由来の廃棄物としては、刈草、廃木材、茶かす、木質廃材、大型藻類、農作物残渣（トウモロコシ、稲わら、バガス、葉物野菜類などの作物類）などを例示できる。
紙類としては、シュレッダーで粉砕したＯＡ紙、紙コップ、硫酸紙、豆乳パック、カーボン紙、感熱紙、アイロンプリント紙、新聞紙、チラシ、段ボール、トイレットペーパー、ビニールコーティングカタログ紙、洗剤箱等、ほぼすべての紙関連廃棄物を例示できる。
【００３６】
紙類には、紙の材質や混入物が原因で再生困難の物が多くある、例えばプラスチック入りカタログ紙、シールなどがある。また、小量混入するだけで再生工程に重大なトラブルを起こす紙ごみとして、例えばアイロンプリント紙、感熱紙などがある。本実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システム１００によれば、通常の紙類、また再生困難や再生工程に影響する紙類の処理が可能である。具体的に豆乳パック、硫酸紙、シール（プラスチック入り）、紙コップ、感熱紙、カーボン紙、ビニールコーティングカタログ紙、洗剤箱、チラシ、段ボール、シュレッダーで粉砕したＯＡ紙、アイロンプリント紙にClostridium cellulovoransを含む液を添加した結果、紙類の紙成分が可溶化された結果が得られている。可溶化された紙成分が低級脂肪酸に変換され、後段のメタン発酵槽６でバイオガスに変化される。紙以外のプラスチック、金属成分は微生物に分解されないため、最終的に残渣としてメタン発酵槽６から排出させることができる。このように、本実施形態では、通常は処理が困難な紙類であっても処理可能である。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理システム１００には、セルロース分解槽３中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度がセルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、返送手段８による発酵後の処理液の返送量または廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量の何れか一方又は両方を調整する制御手段１０が備えられており、セルロース分解槽３中での低級脂肪酸濃度が上昇すると、制御手段１０の計測装置１０ａ及び制御装置１０ｂがこれを検知して、返送手段８の第３ポンプ８ｂまたは廃棄物供給手段１の第１ポンプ１ｂを制御して、メタン発酵後の処理液の返送量を増加させるか、または、セルロース系有機性廃棄物の供給量を減少させるか、これらの両方を行う。メタン発酵後の処理液の低級脂肪酸濃度はメタン発酵により低減しているため、このような処理液をセルロース分解槽３に返送することで、セルロース分解槽３における脂肪酸濃度を、嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲に低減できる。また、セルロース系有機性廃棄物の供給量を減少させることで、微生物反応における基質濃度が低減され、嫌気性微生物による低級脂肪酸の生成量が減少し、セルロース分解槽３における脂肪酸濃度を、嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲に低減できる。これにより、セルロース分解槽３における微生物反応を活性化させて、十分な量のバイオガスを取り出すことができる。
【００３８】
更に、セルロース分解槽３を２０〜４０℃の範囲に保持する加熱手段７が備えられているので、セルロース分解槽３において微生物にとって良好な生育環境を維持することができ、これにより、セルロース分解槽３における微生物反応を活性化させて、十分な量のバイオガスを取り出すことができる。
更にまた、セルロース分解槽３におけるｐＨを５〜８の範囲に保持するｐＨ制御手段４が備えられているので、セルロース分解槽３において微生物にとって良好な生育環境を維持することができ、セルロース分解槽３における微生物反応を活性化させて、十分な量のバイオガスを取り出すことができる。
【００３９】
次に、本実施形態のセルロース系有機性廃棄物処理方法によれば、セルロース分解槽３中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、セルロース分解槽３への発酵後の処理液の返送量またはセルロース分解槽３へのセルロース系有機性廃棄物の供給量のいずれか一方または両方を調整するので、セルロース分解槽３における脂肪酸濃度を、嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲に低減できる。これにより、セルロース分解槽３における微生物反応を活性化させて、十分な量のバイオガスを取り出すことができる。
【００４０】
上記実施形態では、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００を例示したが、本実施形態はこれに限らず、図２〜図４に示すセルロース系有機性廃棄物処理システムであってもよい。以下の説明では、図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００との相違点を中心に説明する。
【００４１】
図２に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム２００では、制御装置１０ｂからの制御信号が、返送手段８の第３ポンプ８ｂに伝達されるように構成され、廃棄物供給手段１の第１ポンプ１ｂには伝達されないように構成されている。すなわち、図２に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム２００では、制御手段１０は、返送手段８による発酵後の処理液の返送量のみを調整するようになっている。この点において、制御手段１０が、返送手段８による処理液の返送量及び廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量の一方又は両方を制御可能なセルロース系有機性廃棄物処理システム１００とは異なっている。
【００４２】
図２に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム２００では、制御手段１０が、返送手段８による発酵後の処理液の返送量のみを調整するようになっているものの、この構成でもセルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度を、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように制御することは十分可能である。
【００４３】
次に、図３に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム３００では、制御装置１０ｂからの制御信号が、廃棄物供給手段１の第１ポンプ１ｂに伝達されるように構成され、返送手段８の第３ポンプ８ｂには伝達されないように構成されている。すなわち、図３に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム３００では、制御手段１０は、廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量のみを調整するようになっている。この点において、制御手段１０が、返送手段８による処理液の返送量及び廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量の一方又は両方を制御可能なセルロース系有機性廃棄物処理システム１００とは異なっている。
【００４４】
図３に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム３００では、制御手段１０が、廃棄物供給手段１によるセルロース系有機性廃棄物の供給量のみを調整するようになっているものの、この構成でもセルロース分解槽３における低級脂肪酸の濃度を、セルロース分解槽３中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように制御することは十分可能である。
【００４５】
また、図４に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム４００には、セルロース系有機性廃棄物に栄養塩を添加する栄養塩添加手段１３が備えられている。この点において、図４に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム４００は、栄養塩添加手段が備えられていないセルロース系有機性廃棄物処理システム１００〜３００と異なっている。
栄養塩添加手段１３は、例えば、栄養塩を貯留する栄養塩タンクと、制御装置１０ｂからの制御信号を受けて栄養塩タンクを開閉する制御弁とからなるものを例示できる。栄養塩としては、微生物の栄養となる窒素、リン等を含む栄養塩が例示できる。図４に示す栄養塩添加手段１３は、第１ポンプ２とセルロース分解槽３との間の流路に栄養塩を添加する構成になっているが、これに限らず、セルロース分解槽３に直接栄養塩を添加する構成でもよい。
【００４６】
セルロース系有機性廃棄物処理システムを長期運転するに従って、微生物の栄養不足により、微生物の活性が低下する場合がある。このような微生物の活性低下を回避するために、本実施形態では常時または必要に応じて、セルロース分解槽３に栄養塩を添加することで、微生物の活性の低下を抑制できる。
【実施例】
【００４７】
図１に示すセルロース系有機性廃棄物処理システム１００において、シュレッダーで裁断したＯＡ紙を１５ｋｇ／ｍ３日以下の負荷でセルロース分解槽３に投入し、返送手段８の第３ポンプ８ｂを駆動して、１日セルロース分解槽容積の１／３に相当する量の処理液を循環させて、連続運転を行った。その結果、セルロース分解槽３内でのプロピオン酸濃度が１５００〜２０００ｍｇ／Ｌと高い水準で推移し、システム全体のバイオガス変換率が０．１〜０．２ｍ３／ｋｇ紙と低水準で推移し、時間の経過とともに低下していく傾向が見られた。
【００４８】
そこで、返送手段８の第３ポンプ８ｂによる返送量を、前記の２倍、すなわち、１日セルロース分解槽容積の２／３に相当する量の処理液を循環させるようにした。その結果、セルロース分解槽３内のプロピオン酸濃度が５００ｍｇ／Ｌ以下まで急速に低減し、システム全体のバイオガス変換率が０．５〜０．７ｍ３／ｋｇ紙まで回復した。
【００４９】
メタン発酵後の処理液の循環数を増やす前後で、セルロース分解槽３内の全菌数を評価した結果、循環量を増やした後の全菌数が、増やす前の１０倍となった。循環量を増やすことにより、セルロース分解槽内部に蓄積したプロピオン酸濃度が低減し、セルロース分解菌の活性回復により、システム全体の処理性能が向上した。
【００５０】
なお、メタン発酵後の処理液の返送量の調整する以外に、セルロース系有機性廃棄物の投入量負荷を減らせば、セルロース分解槽３内のプロピオン酸濃度の上昇が抑えられるため、処理液の返送量の調整またはセルロース系有機性廃棄物の投入量の調整のいずれか一方を行ってもよく、両方を同時に行ってもよい。ただし、セルロース系有機性廃棄物の投入量を減らすと、一日あたりシステム全体の処理量が減るデメリットがあり、処理量を落とさずに、プロピオン酸濃度の上昇を抑えるのであれば、循環量を増やす方法がより好ましい。
【００５１】
また、表１には、一例として、セルロース系有機性廃棄物の１日当たりの投入量と、発酵後の処理液の１日当たりの返送量との関係を示す。投入量に応じて、返送量を下記の通り調整することで、セルロース分解槽３における低級脂肪酸濃度を低く抑えることが可能になる。なお、表１における循環量は、セルロース分解槽の容積Ｖに対する１日当たりの循環量であり、例えば１／６と表記した場合は、セルロース分解槽の容積Ｖに対して１日当たりＶの１／６の容量の処理液を返送させることを意味する。
【００５２】
【表１】
2018144001.tif 000003
【００５３】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、セルロース分解槽中の処理液における炭素量４以下の脂肪酸濃度が、セルロース分解槽中での嫌気性微生物の活性阻害を生じさせない範囲になるように、返送手段による発酵後の処理液の返送量を調整する制御手段を持つことにより、セルロース分解槽における微生物の活性阻害を防止して、セルロース系高分子有機物からバイオガスへの変換効率を高めることができる。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５５】
１…廃棄物供給手段、３…セルロース分解槽、４…ｐＨ制御手段、６…メタン発酵槽、７…加熱手段、８…返送手段、１０…制御手段、１０ａ…計測装置、１０ｂ…制御装置、１００、２００、３００、４００…セルロース系有機性廃棄物処理システム。
【図１】
2018144001.tif 000004
【図２】
2018144001.tif 000005
【図３】
2018144001.tif 000006
【図４】
2018144001.tif 000007