(57)【要約】    【課題】  発酵処理されにくい多糖類を含むバイオマスを利用して、発酵処理を効率よく行うことができるバイオマス処理方法などを提供することを課題としている。    【解決手段】  多糖類を含むバイオマスと、反すう動物由来のルーメン微生物と、メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方とを混合した被処理物において、多糖類から発酵成分を生成させる前処理工程と、発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を備える、バイオマス処理方法などを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多糖類を含むバイオマスと、反すう動物由来のルーメン微生物と、メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方とを混合した被処理物において、前記多糖類から発酵成分を生成させる前処理工程と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を備える、バイオマス処理方法。
【請求項２】
前記メタン発酵工程においてメタン発酵処理が施された後のメタン発酵残渣から固液分離によってメタン発酵分離液を得る固液分離工程をさらに備え、
前記前処理工程の前記被処理物に混合させる前記メタン発酵分離液は、前記固液分離工程で得られた前記メタン発酵分離液を含む、請求項１に記載のバイオマス処理方法。
【請求項３】
前記前処理工程を経た被処理物の一部に対して前記メタン発酵処理を施し、且つ、被処理物の残部の少なくとも一部に、前記メタン発酵分離液及び前記エタノール発酵分離液の少なくとも一方と、前記バイオマスとをさらに供給して、発酵成分をさらに生成させる、請求項１又は２に記載のバイオマス処理方法。
【請求項４】
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理工程と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理工程と、を備え、
前記第２処理工程は、
前記多糖類を含むバイオマスと、前記ルーメン微生物と、前記メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方と、を混合した被処理物において、前記発酵成分を生成させる前処理工程と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対して前記メタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を有し、
前記第１処理工程の前記生物処理に伴って生じた余剰汚泥の一部に対して、前記第２処理工程の前記メタン発酵処理を施す、排水処理方法。
【請求項５】
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理部と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理部と、を備え、
前記第２処理部は、
前記多糖類を含むバイオマスと、前記ルーメン微生物と、前記メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方と、を混合した被処理物において、前記発酵成分を生成させる前処理部と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対して前記メタン発酵処理を施すメタン発酵部と、を有し、
前記第１処理部の前記生物処理に伴って生じた余剰汚泥の一部を前記メタン発酵部に供給して、供給された前記余剰汚泥に対して前記メタン発酵部において前記メタン発酵処理を施すように構成されている、排水処理設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、セルロースなどの多糖類を含むバイオマスを利用して、メタン発酵処理によってメタンガスを得るバイオマス処理方法に関する。また、上記バイオマス処理方法によって、排水処理に伴って生じる余剰汚泥を効率的に処分できる排水処理方法、及び、排水処理設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマスは、天然界における生物によって作り出されたセルロースなどの多糖類を含む。多糖類のうちでも特にセルロースは、分解されにくいため、メタン発酵などの発酵処理において、そのままでは発酵原料として利用されにくい。
【０００３】
従来、バイオマスに含まれるセルロース等の多糖類から、メタン発酵処理されやすい発酵成分を生成させて、斯かる発酵成分に対してメタン発酵処理を施すバイオマス処理方法が知られている。この種のバイオマス処理方法としては、例えば、反すう動物の第１胃（ルーメン）から取り出されたルーメン液と、セルロース含有廃棄物を含むバイオマスと、還元作用を有するシステインなどの化合物とを混合して発酵成分を生成させ、さらにメタン発酵処理によって、発酵成分などからメタンガスを作り出すバイオマス処理方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１記載のバイオマス処理方法では、システインなどの化合物の還元作用によって嫌気性条件を保ちつつ、ルーメン液に含まれていた栄養源によって、ルーメン微生物が活発に代謝及び増殖できる。これに伴い、ルーメン微生物は、セルロースを分解する酵素を生成して、セルロースを揮発性脂肪酸などの発酵成分へ変換する。即ち、ルーメン微生物は、メタン発酵処理に関わる微生物にとって栄養源となる上記発酵成分を作り出すことができる。そして、特許文献１記載のバイオマス処理方法では、バイオマスから生成した発酵成分を含む被処理物に対して、メタン発酵処理を施す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１２／０５３６３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載のバイオマス処理方法では、例えばバイオマス量が比較的多くなると、栄養源を含むルーメン液を追加供給すること等によって、ルーメン微生物にとって有用な栄養源（特に窒素分、リン分など）も増加させる必要が生じる。このため、特許文献１記載のバイオマス処理方法は、例えばバイオマス量が比較的多い場合にルーメン液を追加供給すること等をしなければ、メタン発酵などの発酵処理を必ずしも効率よく行うことができないという問題がある。
これに対して、ルーメン液を供給しなくても、メタン発酵などの発酵処理を効率よく行うことができるバイオマス処理方法が要望されている。そこで、本発明者らは、メタン発酵処理又はエタノール発酵処理を経た発酵残渣の液分が、ルーメン微生物にとって有用な栄養源を含む点に着目した。
【０００７】
本発明は、上記の問題点等に鑑み、発酵処理されにくい多糖類を含むバイオマスを利用して、発酵処理を効率よく行うことができるバイオマス処理方法を提供することを課題とする。
本発明は、排水処理に伴って生じる余剰汚泥を、上記バイオマス処理方法によって効率的に処分できる排水処理方法及び排水処理設備を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく、本発明に係るバイオマス処理方法は、
多糖類を含むバイオマスと、
反すう動物由来のルーメン微生物と、
メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方と、を混合した被処理物において、前記多糖類から発酵成分を生成させる前処理工程と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を備える。
【０００９】
上記のバイオマス処理方法において、メタン発酵分離液は、メタン発酵処理に伴って生成されたアンモニア態窒素やリン酸態リンなどの無機栄養分を比較的多く含む。また、エタノール発酵分離液は、エタノール発酵処理に伴って生成された窒素分やリン分を比較的多く含む。前処理工程の被処理物が、メタン発酵分離液やエタノール発酵分離液を含むことによって、ルーメン微生物は、上記のアンモニア態窒素やリン酸態リン、又は、窒素分やリン分を利用して、活発に代謝して増殖できる。これにより、ルーメン微生物は、単糖類、オリゴ糖（少糖類）や揮発性脂肪酸などの発酵成分を、前処理工程において十分に生成することができる。
そして、発酵成分を含む被処理物に対して発酵処理を行うことによって、発酵成分が、メタン発酵に関わる微生物の栄養源となって、メタン発酵処理が効率よく進行する。
【００１０】
上記のバイオマス処理方法は、前記メタン発酵工程においてメタン発酵処理が施された後のメタン発酵残渣から固液分離によってメタン発酵分離液を得る固液分離工程をさらに備え、
前記前処理工程の前記被処理物に混合させる前記メタン発酵分離液は、前記固液分離工程で得られた前記メタン発酵分離液を含んでもよい。
固液分離工程によって得たメタン発酵分離液を前処理工程の被処理物に混合することによって、メタン発酵分離液を前処理工程で使用する分、排水処理を施すメタン発酵分離液が減る。排水処理を施すメタン発酵分離液を減らしつつ、メタン発酵分離液を有効に利用できる。換言すると、メタン発酵分離液のアンモニア態窒素やリン酸態リン等の栄養塩をルーメン微生物の代謝や増殖のために有効に利用できる。
【００１１】
上記のバイオマス処理方法において、前記前処理工程を経た被処理物の一部に対して前記メタン発酵処理を施し、且つ、被処理物の残部の少なくとも一部に、前記メタン発酵分離液及び前記エタノール発酵分離液の少なくとも一方と、前記バイオマスとをさらに供給して、発酵成分をさらに生成させてもよい。
これにより、被処理物におけるルーメン微生物が、メタン発酵分離液やエタノール発酵分離液と、バイオマスの多糖類とを利用して代謝を行って増殖する。よって、さらに発酵成分を生成させることができる。従って、反すう動物から取り出したルーメン液（第１胃液）を新たに追加しなくても、多糖類を分解する微生物を増殖させて、多糖類が単糖類や少糖類へ分解することを促進でき、これにより、揮発性脂肪酸などの発酵成分を生成させることができる。
【００１２】
本発明の排水処理方法は、
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理工程と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理工程と、を備え、
前記第２処理工程は、
前記多糖類を含むバイオマスと、前記ルーメン微生物と、前記メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方と、を混合した被処理物において、前記発酵成分を生成させる前処理工程と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対して前記メタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を有し、
前記第１処理工程の前記生物処理に伴って生じた余剰汚泥の一部に対して、前記第２処理工程の前記メタン発酵処理を施す。
【００１３】
本発明の排水処理設備は、
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理部と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理部と、を備え、
前記第２処理部は、
前記多糖類を含むバイオマスと、前記ルーメン微生物と、前記メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液、及び、エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたエタノール発酵分離液の少なくとも一方と、を混合した被処理物において、前記発酵成分を生成させる前処理部と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対して前記メタン発酵処理を施すメタン発酵部と、を有し、
前記第１処理部の前記生物処理に伴って生じた余剰汚泥の一部を前記メタン発酵部に供給して、供給された前記余剰汚泥に対して前記メタン発酵部において前記メタン発酵処理を施すように構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のバイオマス処理方法は、発酵処理されにくい多糖類を含むバイオマスを利用して、発酵処理を効率よく行うことができるという効果を奏する。
本発明の排水処理設備及び排水処理方法は、上記バイオマス処理方法によって、排水処理に伴って生じる余剰汚泥を効率的に処分できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態のバイオマス処理方法を実施するためのバイオマス処理装置の一例を表した概略図。
【図２】本実施形態の排水処理設備の一例を表した概略図。
【図３】メタン発酵によって発生した累積バイオガス量を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るバイオマス処理方法の一実施形態について、斯かる方法を実施するために用いるバイオマス処理装置２０の例を示した図面を参照しつつ、詳しく説明する。
【００１７】
本実施形態のバイオマス処理方法は、多糖類を含むバイオマスＢと、反すう動物由来のルーメン微生物と、メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液Ｃとを混合した被処理物において、ルーメン微生物によって多糖類から発酵成分を生成させる前処理工程と、
発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を備える。
また、本実施形態のバイオマス処理方法は、メタン発酵工程においてメタン発酵処理が施された後のメタン発酵残渣から固液分離によってメタン発酵分離液を得る固液分離工程をさらに備える。
本実施形態では、前処理工程を行いつつメタン発酵工程を行うことが好ましい。
【００１８】
本実施形態のバイオマス処理方法は、多糖類を含むバイオマスＢと、反すう動物の第１胃から取り出したルーメン液Ａ（ルーメン微生物を含有）とを混合し、メタン発酵分離液Ｃを混合せずに調製した被処理物において、ルーメン微生物によって多糖類から発酵成分を生成させる予備処理工程を備える。本実施形態のバイオマス処理方法では、予備処理工程を行った後に、前処理工程を実施する。
【００１９】
バイオマスＢは、セルロースなどの多糖類を含む。バイオマスＢは、通常、難分解性のセルロースを少なくとも含む。セルロースは、植物を構成する成分の１つである。セルロースは、例えば、草本植物、木本植物に含まれる。
本実施形態で用いるバイオマスＢとしては、例えば、廃棄処分され得るバイオマスが挙げられる。廃棄処分され得るバイオマスとしては、例えば、古紙、刈ったあとの草本類、コーヒー滓、茶滓（茶殻）、野菜ゴミ、製紙工場から排出される製紙スラッジ、製紙工場の生物学的廃水処理設備から発生する余剰汚泥などが挙げられる。
バイオマスＢは、例えば、リグノセルロースを含んでもよい。
【００２０】
上記ルーメン微生物を体内に有する反すう動物としては、例えば、牛、羊、山羊などが挙げられる。
【００２１】
ルーメン微生物は、自然界では、反すう動物の第１胃（ルーメン）内に存在する。ルーメン微生物には、多数種の細菌類（セルロース分解菌、蛋白質分解菌等）や原生動物などが包含される。これらの微生物の代謝や増殖に伴って、セルロースなどの多糖類は、グルコース、又は、酢酸、プロピオン酸、酪酸などの揮発性脂肪酸に変換され得る。
【００２２】
反すう動物由来のルーメン微生物は、反すう動物の第１胃（ルーメン）から取り出したもの、又は、斯かる微生物が第１胃（ルーメン）の外部で増殖した後のものである。ルーメン微生物は、第１胃（ルーメン）内のルーメン液Ａに含まれている。ルーメン液Ａは、生きた反すう動物又は屠殺後の反すう動物から取り出すことができる。ルーメン液Ａを用いて予備処理工程を行うことによって、ルーメン微生物によって多糖類から発酵成分を生成させることができる。一方、後述するように、予備処理工程で増殖させた後のルーメン微生物（即ち、上記第１胃の外部で増殖した後の微生物）によって前処理工程において発酵成分を生成させることもできる。前処理工程では、上記第１胃の外部で増殖した後のルーメン微生物を用いる。
【００２３】
メタン発酵分離液Ｃは、メタン発酵処理によってメタンガスを生じさせた後のメタン発酵残渣を固液分離によって分離した、固形分及び液体分のうちの液体分である。メタン発酵分離液Ｃは、メタン発酵に関わる加水分解菌や酸生成菌の代謝によって生じたアンモニア態窒素及びリン酸態リンを比較的多く含む。アンモニア態窒素は、硝酸態窒素や有機態窒素よりも、上記ルーメン微生物にとって栄養源として利用しやすい窒素分である。リン酸態リンも、上記ルーメン微生物にとって栄養源として利用しやすいリン分である。
メタン発酵分離液Ｃは、前処理工程において、そのまま用いられてもよく、例えば加熱による滅菌処理などを経た後に用いられてもよい。
メタン発酵分離液Ｃは、アンモニア態窒素及びリン酸態リンの各濃度が所定濃度となるように希釈又は濃縮等されてから、前処理工程において用いられてもよい。
メタン発酵分離液Ｃは、ルーメン微生物が増殖しやすいｐＨ（例えば中性付近のｐＨ）に調整されてから、前処理工程において用いられてもよい。
【００２４】
上記のバイオマス処理方法を実施するために用いるバイオマス処理装置２０は、例えば図１に示すように、上記の予備処理工程及び前処理工程を行う前処理部２１と、上記のメタン発酵工程を行うメタン発酵部２２とを有する。上記のバイオマス処理装置２０は、メタン発酵部２２のメタン発酵処理によって生じたメタン発酵残渣を固液分離する固液分離部２３をさらに備える。なお、本実施形態のバイオマス処理装置２０は、図１に示すように、前処理部２１の上流側に、バイオマスＢを粉砕する粉砕部２４を有し、粉砕部２４で粉砕されたバイオマスＢを前処理部２１に供給するように構成されてもよい。
【００２５】
前処理部２１は、例えばリグノセルロースを含むバイオマスＢと、ルーメン微生物とを含む被処理物を収容する前処理槽を有する。前処理槽は、上記のメタン発酵分離液Ｃも収容できる。前処理部２１は、前処理槽内において、メタン発酵分離液Ｃに含まれるアンモニア態窒素などによってルーメン微生物の代謝や増殖を活性化させ、また、ルーメン微生物によって、セルロースを単糖類（グルコース等）、オリゴ糖（少糖類）、又は揮発性脂肪酸などへ変換させて、発酵成分を生成させるように構成されている。そして、発酵成分を含むこととなった被処理物を前処理槽に収容するように構成されている。前処理槽は、槽内の内容物を撹拌できるように構成されている。
【００２６】
上記のバイオマス処理装置２０は、前処理部２１の被処理物の一部をメタン発酵部２２へ供給するように構成されている。上記のバイオマス処理装置２０は、該被処理物の一部を断続的に供給する半連続式であってもよく、被処理物の一部を連続的に供給する連続式であってもよい。
【００２７】
上記のバイオマス処理装置２０は、前処理部２１（前処理槽）にバイオマスＢを連続的又は断続的に供給するように構成され、固液分離部２３から返送されるメタン発酵分離液Ｃを前処理部２１（前処理槽）に連続的又は断続的に供給するように構成され、前処理部２１からメタン発酵部２２へ被処理物の一部を連続的又は断続的に供給するように構成されることが好ましい。
【００２８】
また、本実施形態のバイオマス処理装置２０は、メタン発酵部２２から固液分離部２３へメタン発酵残渣の一部を連続的又は断続的に供給するように構成されることが好ましい。
【００２９】
上記のバイオマス処理装置２０は、上記の通り、固液分離部２３で得られるメタン発酵分離液Ｃを前処理部２１に返送するように構成されていることが好ましい。斯かる構成によって、ルーメン微生物が利用しやすくなったアンモニア態窒素やリン酸態リンを含むメタン発酵分離液Ｃが、前処理槽に供給されて、前処理槽においてルーメン微生物が増殖する。よって、前処理槽に供給されるバイオマスＢの多糖類が、ルーメン微生物によって発酵成分へと十分に変換される。
【００３０】
予備処理工程では、バイオマスＢを前処理槽に供給する。予備処理工程では、前処理工程と異なり、ルーメン液Ａを前処理槽に供給することによって被処理物にルーメン微生物を含ませる。また、メタン発酵分離液Ｃを前処理槽に供給しない。これにより、ルーメン液Ａ（ルーメン微生物）とバイオマスＢとを含み、メタン発酵分離液Ｃを含まない被処理物を調製する。
予備処理工程では、ルーメン微生物の栄養源となる窒素分やリン分などをルーメン液Ａが含むため、被処理物がメタン発酵分離液Ｃを含まなくても、被処理物においてルーメン微生物が代謝や増殖可能である。よって、多糖類から発酵成分を生成させることができる。なお、予備処理工程と前処理工程とは、同様の条件で行うことができる。
【００３１】
上記のバイオマス処理方法においては、予備処理工程や前処理工程を経た被処理物の一部を前処理槽から取り出すことができる。取り出された被処理物の一部に対して、メタン発酵工程のメタン発酵処理を施すことができる。例えば、予備処理工程や前処理工程を経た後の被処理物の一部を取り出して、該一部をそのままメタン発酵部２２に供給して、供給された被処理物に対してメタン発酵処理を施すことができる。一方、被処理物中のルーメン微生物を分離する操作をした後の液（揮発性脂肪酸などの発酵成分を含む）をメタン発酵部２２に供給して、メタン発酵処理の原料として用いることもできる。
なお、上記のバイオマス処理方法においては、予備処理工程を経た被処理物の残部の少なくとも一部を収容した前処理槽に、バイオマスＢとメタン発酵分離液Ｃとを新たに供給して、前処理工程を行う。なお、予備処理工程及び前処理工程を同じ前処理槽において行うことができる。
【００３２】
前処理工程では、新たに供給したバイオマスＢと、新たに供給したメタン発酵分離液Ｃと、予備処理工程を経た被処理物の残部（予備処理工程を経て増殖した後のルーメン微生物を含有）とを前処理槽において混合し、被処理物を調製する。本実施形態のバイオマス処理方法では、被処理物に含ませるメタン発酵分離液Ｃは、上記のメタン発酵工程及び固液分離工程を経て得られたものである。なお、前処理工程で被処理物に混合させるメタン発酵分離液Ｃは、本実施形態のメタン発酵工程以外のメタン発酵処理において得られたものであってもよい。
【００３３】
具体的には、前処理工程では、上記の予備処理工程を経た被処理物（増殖したルーメン微生物を含む）の残部を収容した前処理槽に、本実施形態のメタン発酵処理及び固液分離によって上記のごとく得られたメタン発酵分離液Ｃと、必要に応じて粉砕されたバイオマスＢとを新たに供給して被処理物を調製できる。そして、嫌気性条件下で、所定時間経過させることによって、ルーメン微生物を増殖させることができる。これにより、揮発性脂肪酸などの発酵成分を生成させることができる。
【００３４】
前処理工程では、被処理物の撹拌を連続的に行ってもよく、撹拌を断続的に行ってもよく、撹拌を止めてもよい。前処理工程は、反すう動物の第１胃内と同様に、嫌気性条件下で行う。前処理槽の内部を嫌気条件に設定することによって、前処理工程を嫌気性条件下で行うことができる。前処理工程は、反すう動物の第１胃における温度に近い温度で行うことが好ましい。前処理工程では、被処理物の初期ｐＨは、ルーメン微生物が増殖しやすいｐＨ（例えば中性付近のｐＨ）であることが好ましい。例えば、セルロースが変換されて揮発性脂肪酸などが所定量生じるまで、１〜４８時間、前処理工程を続ける。なお、後述するように、前処理工程を複数回行うことができる。
【００３５】
前処理工程によれば、ルーメン微生物は、主にセルロースを炭素源として代謝を行いつつ、増殖できる。また、ルーメン微生物は、上記のメタン発酵分離液Ｃに含まれるアンモニア態窒素を窒素分として利用して、また、リン酸態リンをリン分として利用して、活発に増殖できる。ルーメン微生物の代謝や増殖に伴って、セルロースは、メタン発酵工程の発酵処理における発酵細菌が栄養源として利用しやすい単糖類（グルコース等）、オリゴ糖（少糖類）や揮発性脂肪酸などの発酵成分へと変換される。そして、生成した発酵成分を含む被処理物を得ることができる。よって、メタン発酵工程におけるメタン発酵処理のための発酵成分を十分に含む被処理物を得ることができる。
なお、前処理工程では、バイオマスの量が比較的多い場合であっても、被処理物に混合するメタン発酵分離液Ｃの量を比較的多くすることで、上記の発酵成分を十分に生成させることができる。従って、上記のバイオマス処理方法は、被処理物に混合するバイオマスの量が比較的多い場合に、特に、発酵処理を効率よく行うことができる。
【００３６】
また、前処理工程によれば、予備処理工程で増殖したルーメン微生物の一部を基にして、さらにルーメン微生物を増殖させて、揮発性脂肪酸などの発酵成分を生成させることができる。従って、反すう動物から直接取り出したルーメン液Ａ（ルーメン微生物を含む）を新たに供給しなくても、揮発性脂肪酸などの発酵成分を生成させることができる。
【００３７】
上記の発酵成分は、オリゴ糖（少糖類）、単糖類、又は、揮発性脂肪酸のいずれかを少なくとも含む。
【００３８】
上記のバイオマス処理方法においては、前処理工程を経た被処理物の一部を前処理槽から取り出すことができる。なお、前処理工程を経た被処理物の全部を前処理槽からメタン発酵部２２へ供給した場合、前処理槽において上記の予備処理工程を行い、さらに、上述したように前処理工程を行うことができる。
【００３９】
前処理工程は、繰り返して複数回行ってもよい。例えば、前処理工程を行うごとに、被処理物の一部を前処理槽から取り出し、取り出した一部に対してメタン発酵処理を施す一方で、取り出し後に残った被処理物の少なくとも一部を用いて、さらに前処理工程を行うことができる。このようにして、増殖後のルーメン微生物を含む被処理物の一部を用いて、ルーメン微生物を増殖させることを繰り返すことで、揮発性脂肪酸などの発酵成分を繰り返して生成させることができる。従って、前処理工程を行うごとに、揮発性脂肪酸などの発酵成分を生成させることができる。
【００４０】
メタン発酵部２２は、メタン発酵処理を行うメタン発酵槽を有する。メタン発酵部２２は、メタン発酵に関わる微生物（以下、単に「メタン生成菌等」と記載することもある）と、前処理部２１（前処理槽）から供給された被処理物とを、メタン発酵槽の内部に収容し、メタン発酵槽内でメタン発酵処理を行うように構成されている。
【００４１】
本実施形態において、メタン発酵工程では、予備処理工程又は前処理工程を経た被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施す。例えば、予備処理工程又は前処理工程を経た前処理槽内の被処理物の一部を取り出し、取り出した被処理物を、そのままメタン発酵槽に供給することができる。メタン発酵工程では、メタン発酵槽の内部を嫌気性条件に設定し、嫌気性条件下でメタン発酵処理を行う。
【００４２】
メタン発酵工程において、発酵成分を含む被処理物に対してメタン発酵処理を施すことによって、揮発性脂肪酸などの発酵成分がメタン生成菌等の栄養源となる。詳しくは、難分解性バイオマス（リグノセルロース）からルーメン微生物によって生成された単糖やオリゴ糖は、酸生成細菌によって、酢酸やプロピオン酸などの揮発性脂肪酸、乳酸およびエタノール等に分解される。ルーメン微生物によって分解されて生じた揮発性脂肪酸のうち、酢酸は、さらに、メタン生成菌（メタン生成古細菌群）によって、メタンや二酸化炭素に変換される。また、酢酸以外の揮発性脂肪酸、乳酸およびエタノールは、水素生成細菌によって水素と酢酸となり、最後にメタン生成菌（メタン生成古細菌群）等によってメタン、二酸化炭素等に分解される。このように、発酵成分によって発酵処理が効率よく進行し、メタンガスを効率よく得ることができる。
なお、メタン発酵工程では、新たに加えた炭素源（例えば、セルロースなどの多糖類）の共存下において、メタン発酵処理を行ってもよい。
【００４３】
メタン発酵工程においては、メタン発酵処理を嫌気性条件下で行う。メタン発酵工程のメタン発酵処理によって、メタン発酵残渣が生成される。メタン発酵残渣は、メタン発酵処理が施された後の処理物である。メタン発酵処理は、いわゆる中温メタン発酵処理（２０℃を超えて４０℃以下、好ましくは３０℃から３７℃）であってもよく、高温メタン発酵処理（４０℃を超えて６５℃以下、好ましくは５０℃から５５℃）であってもよいが、メタン発酵槽を加温するエネルギーが少なくできるという点で、中温メタン発酵処理が好ましい。
【００４４】
固液分離部２３は、メタン発酵部２２から供給されたメタン発酵処理後のメタン発酵残渣を固液分離するように構成されている。例えば、固液分離部２３は、固液分離機を有し、メタン発酵処理後のメタン発酵残渣を固液分離機によって液体分（メタン発酵分離液Ｃ）と固形分とに分離するように構成されている。具体的には、固液分離機としては、例えば、ベルト濃縮機等の濃縮機、あるいは、遠心脱水機、スクリュープレス脱水機、ベルトプレス脱水機等の脱水機が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４５】
固液分離工程では、固液分離部２３によって、メタン発酵残渣を固液分離する。固液分離工程で得られたメタン発酵分離液Ｃは、メタン発酵残渣を固液分離することによって得られた液分である。一方、固液分離工程で得られたメタン発酵分離固形分は、メタン発酵残渣を固液分離することによって得られた固形分である。メタン発酵分離固形分は、例えば、バイオマス処理装置２０の外部へ送られてさらに処理され得る。固液分離工程において、メタン発酵残渣から分離されたメタン発酵分離液Ｃは、メタン発酵に関わる加水分解菌や酸生成菌がメタン発酵処理に伴って生成した代謝物を、比較的多く含む。斯かる代謝物は、例えばアンモニア態窒素やリン酸態リンなどの無機栄養分を含む。斯かる無機栄養分を含むメタン発酵分離液Ｃを上記の前処理工程で用いることによって、ルーメン微生物は、メタン発酵分離液Ｃのアンモニア態窒素を窒素分として利用して、また、リン酸態リンをリン分として利用して、活発に代謝して増殖できる。アンモニア態窒素やリン酸態リンなどの無機栄養分は、水に溶解した状態であるため、ルーメン微生物が栄養源として直接的に利用しやすいものである。このような栄養源を利用できるため、ルーメン微生物は、前処理工程において活発に代謝して増殖できる。
【００４６】
本実施形態のように、固液分離工程によって得たメタン発酵分離液Ｃを前処理工程で用いることによって、メタン発酵分離液Ｃを排水処理するための負荷が軽減される。例えば、活性汚泥処理するための曝気槽の散気風量を抑えたり、排水処理の設備を小規模に抑えたりすることができる。
【００４７】
本実施形態では、いわゆる半連続式でバイオマス処理方法を実施することができる。
例えば、前処理部２１の被処理物のｐＨが、生成した揮発性脂肪酸によって規定値よりも低くなるまで前処理部２１において前処理工程を行った後、被処理物の一部をメタン発酵部２２に供給する。一方、前処理槽において、被処理物の残部と、新たに供給したバイオマスＢと、固液分離部２３から新たに供給したメタン発酵分離液Ｃとを混合して、被処理物を新たに調製する。そして、同様にして前処理工程を行う。
また、被処理物の一部を前処理部２１からメタン発酵部２２に供給した後、メタンガスの発生量が所望の量になるまでメタン発酵処理を行う。その後、メタン発酵槽の内容物の一部を固液分離部２３に供給する。
同様にして、前処理工程とメタン発酵工程とをそれぞれ繰り返し、半連続式でバイオマス処理方法を実施することができる。
【００４８】
一方、本実施形態では、いわゆる連続式でバイオマス処理方法を実施することもできる。
例えば、前処理部２１において前処理工程を行いつつ被処理物の一部をメタン発酵部２２に供給する一方で、前処理部２１における被処理物に、所定の時間間隔で、バイオマスＢと、固液分離部２３からのメタン発酵分離液Ｃとを供給する。そして、前処理工程によってバイオマスＢの多糖類から発酵成分を生成させつつ、発酵成分を含む被処理物をメタン発酵部２２に供給する。
また、メタン発酵部２２のメタン発酵槽に前処理部２１から被処理物を供給しつつメタン発酵処理を行う。しかも、メタン発酵処理を行いつつ、メタン発酵槽の発酵残渣の一部を固液分離部２３に供給する。
上記のごとく、連続式で実施するバイオマス処理方法においては、例えばメタン発酵部２２で生じる単位時間あたりのメタンガス発生量が所望量になるように、単位時間あたり所定量の被処理物を前処理部２１からメタン発酵部２２へ供給し、単位時間あたり所定量のメタン発酵槽の発酵残渣をメタン発酵槽から取り出すことができる。
このようにして、連続式でバイオマス処理方法を実施することができる。
【００４９】
次に、本発明に係る排水処理設備の一実施形態について、図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００５０】
本実施形態の排水処理設備１は、図２に示すように、
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理部１０と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理部２０と、を備える。
第２処理部２０は、多糖類を含むバイオマスと、ルーメン微生物と、メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液とを混合した被処理物において、発酵成分を生成させる前処理部２１と、
発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対してメタン発酵処理を施すメタン発酵部２２と、を有する。
本実施形態の排水処理設備１は、第１処理部１０の生物処理に伴って生じた余剰汚泥Ｄの一部をメタン発酵部２２に供給して、供給された余剰汚泥Ｄに対してメタン発酵部２２においてメタン発酵処理を施すように構成されている。
【００５１】
第１処理部１０は、生物処理される前の上記の有機性排水から初沈汚泥を沈殿によって分離する前段分離部１１と、前段分離部１１から供給された排水を活性汚泥によって生物処理する生物処理部１２と、生物処理が施された処理水と活性汚泥とを分離する後段分離部１３と、を備える。なお、本発明において、第１処理部１０は、必ずしも前段分離部１１を有しなくてもよい。
第２処理部２０は、上述したバイオマス処理方法を実施するための装置と同様に構成されている。
【００５２】
有機性排水は、有機物を含有する粒子等を含む。有機物は、有機態窒素などの窒素分、有機態リンなどのリン分を含有する。有機性排水は、例えば、食品・飲料水工場排水、酒造工場排水、製紙工場排水、下水などである。
【００５３】
前段分離部１１は、有機性排水を内部に収容する沈殿槽である最初沈殿槽を有する。前段分離部１１は、最初沈殿槽に供給された有機性排水の流速を下げて滞留させることによって、生物処理される前の有機性排水から、沈殿によって、初沈汚泥（粒子等を含む）を最初沈殿槽の下部に貯めるように構成されている。前段分離部１１は、貯まった初沈汚泥を最初沈殿槽の底部から最初沈殿槽の外部へ抜き出せるように構成されている。
【００５４】
生物処理部１２は、活性汚泥を内部に含み、内部に空気を供給することによって曝気を行い、曝気に伴う撹拌力によって活性汚泥を流動させる曝気槽を有する。生物処理部１２は、前段分離部１１から供給された有機性排水を活性汚泥によって曝気槽内で生物処理するように構成されている。活性汚泥に含まれる微生物によって、有機性排水の有機物を、好気的条件下で無機物にまで分解することができる。
【００５５】
後段分離部１３は、生物処理が施された処理水を収容する最終沈殿槽を有する。後段分離部１３は、最終沈殿槽に供給された処理水の流速を下げて滞留させることによって、沈殿によって、活性汚泥を最終沈殿槽の下部に貯めるように構成されている。後段分離部１３は、貯まった活性汚泥を最終沈殿槽の底部から最終沈殿槽の外部へ抜き出せるように構成されている。活性汚泥は、有機物を分解できる微生物を含有する。従って、活性汚泥は、有機物を比較的多く含み、有機態窒素などの窒素分やリン分も含む。
【００５６】
なお、第１処理部１０は、後段分離部１３で分離した活性汚泥の一部を、生物処理部１２の曝気槽に供給（返送）できるように構成されている。
【００５７】
上記の排水処理設備１は、前段分離部１１において沈殿によって得た初沈汚泥を、前処理部２１に供給できるように構成されている。これにより、排水処理設備１で発生する廃棄物量を削減することができる。初沈汚泥は、窒素分やリン分を比較的多く含有することから、前処理部２１における前処理工程において、ルーメン微生物の代謝や増殖を活性化できる。なお、初沈汚泥は、セルロースを含有する野菜くずや茶滓（茶殻）などを含む場合がある。このような場合、初沈汚泥がセルロースを含むため、初沈汚泥を前処理部２１に供給することによって、前処理部２１にバイオマスＢが供給されることとなる。
【００５８】
上記の排水処理設備１は、後段分離部１３において沈殿によって得た活性汚泥から生物処理部１２の曝気槽に供給（返送）した分を除いた残部（余剰汚泥Ｄ）の一部を、メタン発酵部２２のメタン発酵槽に供給できるように構成されている。これにより、排水処理設備１で発生する廃棄物量を削減することができる。余剰汚泥Ｄは、有機物及び窒素分やリン分を比較的多く含有することから、メタン発酵部２２におけるメタン発酵工程において、メタン生成菌等の代謝や増殖を活性化でき、メタンガスの発生を促進できる。
【００５９】
なお、本実施形態の排水処理設備１は、第１処理部１０の後段分離部１３で分離された活性汚泥（余剰汚泥Ｄ）、及び、第２処理部２０の固液分離部２３で分離された固形分（メタン発酵残渣のうちの固形分）を処理する汚泥処理部３０をさらに備える。具体的には、汚泥処理部３０は、汚泥を乾燥処理する汚泥乾燥装置や汚泥を焼却処理する汚泥焼却装置などを有してもよいが、これに限定されない。
【００６０】
続いて、本発明に係る排水処理方法の一実施形態について説明する。
【００６１】
本実施形態の排水処理方法は、有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理工程と、上記のバイオマス処理方法に相当する第２処理工程とを備える。
【００６２】
詳しくは、本実施形態の排水処理方法は、
有機性排水を活性汚泥によって生物処理する第１処理工程と、
反すう動物由来のルーメン微生物によって多糖類から生成させた発酵成分に対してメタン発酵処理を施す第２処理工程と、を備える。
前記第２処理工程は、前記多糖類を含むバイオマスＢと、前記ルーメン微生物と、前記メタン発酵処理を経たメタン発酵残渣から固液分離によって分離されたメタン発酵分離液Ｃとを混合した被処理物において、前記発酵成分を生成させる前処理工程と、
前記発酵成分を含む被処理物の少なくとも一部に対して前記メタン発酵処理を施すメタン発酵工程と、を有する。
本実施形態の排水処理方法では、前記第１処理工程の前記生物処理に伴って生じた余剰汚泥Ｄの一部に対して、前記第２処理工程の前記メタン発酵処理を施す。
なお、第２処理工程は、上述したバイオマス処理方法と同様にして実施できる。
【００６３】
前段分離工程は、上述した前段分離部１１によって実施できる。前段分離工程では、例えば、前段分離部１１に供給された有機性排水を数時間〜数日間滞留させ、初沈汚泥を沈殿させる。
【００６４】
生物処理工程は、上述した生物処理部１２によって実施できる。生物処理工程では、例えば、曝気槽の内部に空気を供給することによって曝気する。そして、曝気に伴う撹拌力によって活性汚泥を流動させつつ、活性汚泥を構成する微生物によって有機性排水の有機物を分解させる。曝気によって活性汚泥の微生物に酸素を供給できる。
【００６５】
後段分離工程は、上述した後段分離部１３によって実施できる。後段分離工程では、例えば、後段分離部１３に供給された処理水を数時間〜数日間滞留させ、活性汚泥を沈殿させる。
【００６６】
本実施形態の排水処理方法では、前段分離工程において沈殿によって得た初沈汚泥を、前処理部２１に供給してもよい。これにより、排水処理方法で発生する廃棄物量を削減することができる。初沈汚泥は、窒素分やリン分を比較的多く含有することから、前処理部２１における前処理工程において、ルーメン微生物の代謝や増殖を活性化できる。なお、初沈汚泥は、セルロースを含有する野菜くずや茶滓（茶殻）などを含む場合がある。このような場合、初沈汚泥がセルロースを含むため、初沈汚泥を前処理部２１に供給することによって、前処理部２１にバイオマスＢが供給されることとなる。
【００６７】
本実施形態の排水処理方法では、後段分離工程において沈殿によって得た活性汚泥から生物処理部１２の曝気槽に供給（返送）した分を除いた残部（余剰汚泥Ｄ）の一部を、メタン発酵部２２のメタン発酵槽に供給してもよい。余剰汚泥Ｄは、有機物及び窒素分やリン分を比較的多く含有することから、メタン発酵部２２におけるメタン発酵工程において、メタン生成菌等の代謝や増殖を活性化でき、メタンガスの発生を促進できる。
【００６８】
上記実施形態のバイオマス処理方法、排水処理方法、及び、排水処理設備などは、上記例示の通りであるが、本発明は、上記例示の排水処理設備などに限定されるものではない。
また、一般のバイオマス処理方法、排水処理方法、及び、排水処理設備などにおいて用いられる種々の態様を、本発明の効果を損ねない範囲において、採用することができる。
【００６９】
上記実施形態では、メタン発酵分離液Ｃを被処理物に混合しない予備処理工程を備えたバイオマス処理方法について詳しく説明したが、本発明は、このようなバイオマス処理方法に限定されない。例えば、本発明は、予備処理工程を備えず、ルーメン液Ａと、バイオマスＢと、さらにメタン発酵分離液Ｃとを混合して被処理物を調製する前処理工程を予備処理工程の代わりに備えたバイオマス処理方法であってもよい。
【００７０】
上記実施形態では、メタン発酵分離液Ｃを被処理物に混合して前処理工程をおこなうバイオマス処理方法について詳しく説明したが、本発明は、このようなバイオマス処理方法に限定されない。例えば、本発明は、メタン発酵分離液Ｃに代えて、又は、メタン発酵分離液Ｃに加えて、エタノール発酵分離液（エタノール発酵処理を経たエタノール発酵残渣から固液分離によって分離されたもの）を被処理物に混合して前処理工程をおこなうバイオマス処理方法であってもよい。斯かるバイオマス処理方法においては、エタノール発酵分離液として、上記の排水処理設備の外部から持ち込まれたものを用いてもよい。
【実施例】
【００７１】
次に実験例によって本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７２】
以下のようにして、前処理工程とメタン発酵工程とを行うことによって、バイオマス処理方法を実施した。なお、下記のバイオマス処理方法は、ラボスケール（実験室規模）において実施したものである。
【００７３】
（前処理工程）
［多糖類を含むバイオマス］
・セルロース粉末（アドバンテック東洋社製  濾紙粉末Ｄ、４０〜１００メッシュ）
［反すう動物由来のルーメン微生物を含むルーメン液］
・牛から採取した牛ルーメン液を使用した。１ｍｍ径のふるいを用いて牧草や藁などの残渣を予め除去した。この牛ルーメン液は、ルーメン微生物を含む。
［メタン発酵分離液］
・嫌気性消化汚泥に遠心分離処理（約９，０００×ｇ  １０分間）を施すことによってメタン発酵分離液を得た。さらに、アンモニア性窒素濃度が１００ｍｇ／Ｌ〜２００ｍｇ／Ｌとなるように、水道水で適宜希釈した。その後、ｐＨが６．９から７．１になるように調整した。続いて、１２１℃、２０分間、オートクレーブで滅菌処理して、滅菌済みメタン発酵分離液を得た。なお、メタン発酵分離液に含まれる微生物（メタン生成菌等）の影響を排除した結果を得るために、滅菌処理したメタン発酵分離液を使用した。
【００７４】
（予備処理工程）
上記のルーメン液２５ｍＬと、上記のセルロース粉末２５ｍｇとを、１５０ｍＬ容量のバイアル瓶に入れた。窒素ガスを吹き付けることによって、空気（酸素）を除いた。その後、ゴム栓及びアルミキャップで密封して、嫌気性条件に設定した。密封したバイアル瓶を振とう培養器に入れ、３９℃、１３０ｒｐｍで２４時間、往復振とう培養処理を施した。このようにして、予備処理工程を行った。
【００７５】
（前処理工程）
上記のごとき予備処理工程を経た液のうち２．５ｍＬと、上記のメタン発酵分離液２２．５ｍＬと、上記セルロース粉末２５ｍｇとを、１５０ｍＬ容量のバイアル瓶に入れ、被処理物（培養液）を調製した。同様にして、合計４本のバイアル瓶を準備し、それぞれ窒素ガスを吹き付けることによって、空気（酸素）を除いた。その後、ゴム栓及びアルミキャップで密封して、嫌気性条件に設定した。密封した４本のバイアル瓶を振とう培養器に入れ、３９℃、１３０ｒｐｍで往復振とう培養処理を施し、前処理工程を行った。４本のうち２本を１２時間培養処理し、残り２本を２４時間培養処理した。
所定時間の前処理工程をそれぞれ経た被処理物（培養液）のうち２．５ｍＬと、上記のメタン発酵分離液２２．５ｍＬと、上記セルロース粉末２５ｍｇとを、１５０ｍＬ容量のバイアル瓶に入れ、上記と同様にして、１２時間又は２４時間の培養処理を施した。このような継代培養操作によって、前処理工程（１２時間毎に継代培養、又は、２４時間毎に継代培養）を１０回繰り返した。
続くメタン発酵工程の準備のために、下記の操作を行った。メタン発酵分離液が残存する状態で、１０回の前処理工程（継代培養）を経た被処理物（培養液）に、カットした１．２５ｇのコピー用紙（約１ｃｍ四方）を入れ、窒素ガスを吹き付けることによって、空気（酸素）を除いた。その後、ゴム栓及びアルミキャップで密封して、嫌気性条件に設定した。３９℃で８時間往復振とう培養処理を施した。
【００７６】
（メタン発酵工程）
上記の嫌気性消化汚泥を２５ｍＬ加えて、３７℃、１３０ｒｐｍで往復振とう培養処理することによって、メタン発酵を行った。
メタン発酵過程において、バイオガス発生量を経時的に測定した。
【００７７】
「対照実験系」
対照実験系では、１０回の前処理工程（継代培養）を経た被処理物（培養液）に代えて、上記のメタン発酵分離液をバイアル瓶に入れて使用した。上記のコピー用紙と、２５ｍＬの嫌気性消化汚泥とを加えて、３７℃、１３０ｒｐｍで往復振とう培養処理することによって、メタン発酵を行った。
上記と同様にして、メタン発酵過程において、バイオガス発生量を経時的に測定した。
【００７８】
メタン発酵過程におけるバイオガスの累積発生量を図３に示す。本実施形態のバイオマス処理方法において、７日間のメタン発酵過程によって、１２時間の継代培養を複数回経た場合に約８０ｍＬのバイオガスが発生し、２４時間の継代培養を複数回経た場合に約９０ｍＬのバイオガスが発生した。
一方、対照実験系では、７日間で約３５ｍＬのバイオガスが発生するに留まった。
【００７９】
以上の結果から把握されるように、継代培養処理（複数回の前処理工程）を経たルーメン微生物を含む被処理物（培養液）を用いることで、セルロース（コピー用紙の主成分）の分解が観察され、この分解に伴うバイオガス発生量の増大が観察された。このことから、メタン発酵分離液は、セルロースを分解するルーメン微生物の培養に有効であることが示された。
なお、前処理工程を１２時間継続して得られた被処理物（培養液）を用いても、２４時間継続して得られた被処理物（培養液）を用いても、効率良くメタン発酵処理を行うことができた。
【００８０】
なお、メタン発酵分離液を使用して上記のような結果が得られたため、エタノール発酵分離液を用いても同様の結果が得られることは、十分に推測できる。
【符号の説明】
【００８１】
１：排水処理設備、
１０：第１処理部、
１１：前段分離部、  １２：生物処理部、  １３：後段分離部、
２０：第２処理部（バイオマス処理装置）、
２１：前処理部、  ２２：メタン発酵部、  ２３：固液分離部、２４：粉砕部、
３０：汚泥処理部、
Ａ：ルーメン液、  Ｂ：バイオマス、Ｃ：メタン発酵分離液、
Ｄ：活性汚泥（余剰汚泥）。
【図１】
2019214039.tif 000003
【図２】
2019214039.tif 000004
【図３】
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