(57)【要約】【課題】Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養（増殖）することができるようにしたメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法を提供する。【解決手段】有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機１４と、粉砕機１４によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する反応槽１６と、反応槽１６で生成された溶液から硫黄を除去するフィルタ１８と、フィルタ１８によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させる発酵槽２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機と、前記粉砕機によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する反応槽と、前記反応槽で生成された溶液から硫黄を除去するフィルタと、前記フィルタによって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させる発酵槽とを備えたことを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項２】
前記有機性廃棄物は、全体に占めるたんぱく質の割合が所定値以上の草木類であることを特徴とする請求項１記載のメタン発酵処理装置。
【請求項３】
前記所定値は、１５％であることを特徴とする請求項２記載のメタン発酵処理装置。
【請求項４】
前記フィルタは、金属製のメッシュフィルタからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項５】
前記所定温度は、１５０℃から１８０℃の範囲内の温度であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項６】
前記所定温度は、１６０℃またはその付近の温度であることを特徴とする請求項５記載のメタン発酵処理装置。
【請求項７】
有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕加熱処理工程と、前記粉砕加熱処理工程によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する溶液生成工程と、前記溶液生成工程で生成された溶液から硫黄を除去する硫黄除去工程と、前記硫黄除去工程によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させるメタン発酵工程とを備えたことを特徴とするメタン発酵処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法に関し、より詳しくは通常の有機物を用いて脱窒素菌群（Ａｎａｍｍｏｘ菌）を培養するようにしたメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン発酵後の消化液にはアンモニア態窒素や硝酸態窒素が多く含まれる。このため、消化液を河川や海洋に排水する場合には脱窒素処理を行う必要がある。アンモニアの処理方法としては、例えばアンモニア酸化細菌によってアンモニアを亜硝酸窒素に酸化（部分硝化）した後、嫌気性アンモニア酸化細菌（以下「Ａｎａｍｍｏｘ菌」という）によって亜硝酸を脱窒するものが提案されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１２６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の技術は薬剤添加などの費用がかからず、稼動コストなども抑えることできるが、Ａｎａｍｍｏｘ菌による脱窒素反応（Ａｎａｍｍｏｘ反応）は有機物を消費しないため、高濃度の有機物を含む廃水の処理には適さない。また、Ａｎａｍｍｏｘ菌を培養するためには無機培地を用いる必要があると共に、増殖速度もきわめて遅く、高度な技術を必要とする。
【０００５】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養（増殖）することができるようにしたメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、請求項１に係るメタン発酵処理装置にあっては、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機と、前記粉砕機によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する反応槽と、前記反応槽で生成された溶液から硫黄を除去するフィルタと、前記フィルタによって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させる発酵槽とを備える如く構成した。
【０００７】
請求項２に係るメタン発酵処理装置にあっては、前記有機性廃棄物は、全体に占めるたんぱく質の割合が所定値以上の草木類である如く構成した。
【０００８】
請求項３に係るメタン発酵処理装置にあっては、前記所定値は、１５％である如く構成した。
【０００９】
請求項４に係るメタン発酵処理装置にあっては、前記フィルタは、金属製のメッシュフィルタからなる如く構成した。
【００１０】
請求項５に係るメタン発酵処理装置にあっては、前記所定温度は、１５０℃から１８０℃の範囲内の温度である如く構成した。
【００１１】
請求項６に係るメタン発酵処理装置にあっては、前記所定温度は、１６０℃またはその付近の温度である如く構成した。
【００１２】
請求項７に係るメタン発酵処理方法にあっては、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕加熱処理工程と、前記粉砕加熱処理工程によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する溶液生成工程と、前記溶液生成工程で生成された溶液から硫黄を除去する硫黄除去工程と、前記硫黄除去工程によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させるメタン発酵工程とを備える如く構成した。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係るメタン発酵処理装置にあっては、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機と、粉砕機によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する反応槽と、反応槽で生成された溶液から硫黄を除去するフィルタと、フィルタによって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させる発酵槽とを備える如く構成、即ち、有機性廃棄物を粉砕加工する際に加熱処理して有機性廃棄物中の硫黄分を減少させ、硫黄分を減少させた有機性廃棄物を反応槽で水熱処理すると共に、フィルタによってさらに硫黄を除去した溶液を発酵槽に投入するように構成したので、有機物からなる基質をベースとした通常の培養方法では得られなかった脱窒素反応（Ａｎａｍｍｏｘ反応）が可能となる。即ち、メタン発酵と脱窒素反応を同時に進行させることができるため、Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養することができる。従って、脱窒素反応が支配的な菌群構成を有する生物化学的廃水処理リアクタを簡易に実現することができる。
【００１４】
請求項２に係るメタン発酵処理装置にあっては、有機性廃棄物は、全体に占めるたんぱく質の割合が所定値以上の草木類である如く構成したので、上記した効果に加え、より安定的にＡｎａｍｍｏｘ菌を培養することができる。
【００１５】
請求項３に係るメタン発酵処理装置にあっては、所定値は、１５％である如く構成したので、上記した効果に加え、より一層安定的にＡｎａｍｍｏｘ菌を培養することができる。
【００１６】
請求項４に係るメタン発酵処理装置にあっては、フィルタは、金属製のメッシュフィルタからなる如く構成したので、上記した効果に加え、溶液中の硫黄の量を減らすことができるため、メタン菌の活性を抑えてＡｎａｍｍｏｘ菌の活性を促すことができる。
【００１７】
請求項５に係るメタン発酵処理装置にあっては、所定温度は、１５０℃から１８０℃の範囲内の温度である如く構成したので、上記した効果に加え、メタン発酵と脱窒素反応を両立させることができる。
【００１８】
請求項６に係るメタン発酵処理装置にあっては、所定温度は、１６０℃またはその付近の温度である如く構成したので、上記した効果に加え、メタン発酵と脱窒素反応を一層良く両立させることができる。
【００１９】
請求項７に係るメタン発酵処理方法にあっては、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕加熱処理工程と、粉砕加熱処理工程によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する溶液生成工程と、溶液生成工程で生成された溶液から硫黄を除去する硫黄除去工程と、硫黄除去工程によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させるメタン発酵工程とを備える如く構成、即ち、粉砕加熱処理工程において有機性廃棄物中の硫黄分を減少させ、溶液生成工程において硫黄分を減少させた有機性廃棄物を水熱処理すると共に、硫黄除去工程によってさらに硫黄を除去した溶液をメタン発酵工程でメタン発酵処理するように構成したので、有機物からなる基質をベースとした通常の培養方法では得られなかった脱窒素反応が可能となる。即ち、メタン発酵と脱窒素反応を同時に進行させることができるため、Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養することができる。従って、脱窒素反応が支配的な菌群構成を有する生物化学的廃水処理リアクタを簡易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施例に係るメタン発酵処理装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１に示す粉砕機の概略図である。
【図３】図１に示す反応槽の概略図である。
【図４】図１に示すフィルタの概略図である。
【図５】図１に示す反応槽で生成された溶液中の糖の分析結果を示すクロマトグラムである。
【図６】図１に示す反応槽において溶媒として水道水を用いて生成された溶液中の有機成分分析結果を示すクロマトグラムである。
【図７】図１に示す発酵槽内の菌による生化学反応を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に即してこの発明に係るメタン発酵処理装置およびメタン発酵処理方法を実施するための形態について説明する。
【実施例】
【００２２】
図１はこの発明の実施例に係るメタン発酵処理装置を全体的に示す概略図、図２は図１に示す粉砕機の概略図、図３は同じく図１に示す反応槽の概略図、図４は図１に示すフィルタの概略図である。
【００２３】
図１において符号１０はメタン発酵処理装置を示す。メタン発酵処理装置１０は主として、メタン発酵の前処理に使用される酸性電解水（以下、単に「電解水」という）を生成する電解水生成器１２と、刈芝や剪定枝などの草木類で構成された有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機１４と、電解水生成器１２で生成された電解水と粉砕機１４で粉砕および加熱処理された有機性廃棄物との混合液（混合物）を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液（処理溶液または反応生成物）を生成する反応槽１６と、反応槽１６で生成された溶液から硫黄を除去（吸着）するフィルタ１８と、フィルタ１８によって硫黄が除去された溶液を３５℃程度でメタン発酵（中温メタン発酵）する発酵槽２０とを備える。
【００２４】
電解水生成器１２はイオン透過性隔膜を介して対向配置された１対の電解室を備え、一方の電解室に電解質を含有する電解質水溶液を循環させ、他方の電解室に原水を供給すると共に、各電解室に電圧を印加することによって電解水を生成するものである。電解水生成器１２によって生成された電解水は一旦貯留タンク２２に蓄えられた後、圧送ポンプ２４によって投入槽２６に投入される。
【００２５】
粉砕機１４は図２に示すように、有機性廃棄物が投入される粉砕ポット１４ａと、粉砕ポット１４ａ内に設置され、投入された有機性廃棄物を粉砕するブレード１４ｂと、粉砕ポット１４ａ内の有機性廃棄物を加熱するヒータ１４ｃとを備える。
【００２６】
粉砕ポット１４ａは有機性廃棄物を収容可能なタンクであり、上部に有機性廃棄物を投入するための開口部と、開口部を閉じるための蓋１４ｄが設けられる。
【００２７】
ブレード１４ｂは回転刃からなり、モータ１４ｅによって駆動される。ヒータ１４ｃは粉砕ポット１４ａの外壁に設置、具体的には粉砕ポット１４ａの外壁の周囲を囲むように巻回され、粉砕ポット１４ａの内部を外壁を介して加熱する。ヒータ１４ｃは温度コントローラ１４ｆによって制御される。即ち、温度コントローラ１４ｆによってヒータ１４ｃを介して粉砕ポット１４ａ内の温度が制御される。粉砕ポット１４ａ内の温度は粉砕ポット１４ａ内底部に取り付けられた温度センサ１４ｇによって検出される。
【００２８】
図１の説明に戻ると、粉砕機１４によって粉砕および加熱処理された有機性廃棄物は投入槽２６に投入され、そこで電解水と混合される。投入槽２６には撹拌装置２６ａが設けられ、投入された有機性廃棄物と電解水の混合液は撹拌装置２６ａによって撹拌される。
【００２９】
投入槽２６で撹拌された混合液は予熱槽２８に送られる。予熱槽２８はヒータなどを用いて例えば１００℃程度の温度環境に設定されており、混合液は予熱槽２８を通過することで加熱される。混合液を予熱槽２８で加熱することによって次工程の反応槽１６ですばやく所定温度にすることができる。
【００３０】
反応槽１６は図３に示すように、蓋部１６aによって密閉可能な筒状のタンク（圧力容器）１６ｂを備える。タンク１６ｂには内部の混合液を撹拌する撹拌装置１６ｃと、混合液をタンク１６ｂ内に供給する供給管１６ｄと、タンク１６ｂ内の温度を検出する温度センサ１６ｅが設置される。
【００３１】
タンク１６ｂを囲うジャケット１６ｆにはヒータ１６ｇが設けられ、ヒータ１６ｇによってタンク１６ｂ内の混合液が加熱される。
【００３２】
以上のように構成された反応槽１６では有機性廃棄物と電解水を混合させた混合液を所定温度（例えば１６０℃）で所定時間（例えば３０分）滞留させてメタン発酵の基質となる溶液（沈殿物を含む）を生成する。反応槽１６内で混合液を所定温度で所定時間滞留させる水熱処理を施すことにより、有機性廃棄物が例えば刈芝の場合にはセルロース、ヘミセルロース、リグニンなどの芝の成分が加水分解され、糖やアルコール、有機酸などのメタン発酵に有利な物質が生成される。
【００３３】
図１に示す如く、反応槽１６により生成された溶液は冷却器（熱交換器）３０によって例えば５０℃程度に冷却された後、フィルタ１８によって硫黄が除去される。
【００３４】
フィルタ１８は図４に示すように、円筒形を呈し、ステンレス製で直径３０ｍｍ程度の格子状枠１８ａの側面と底部を金属製のメッシュ１８ｂで囲まれた、いわゆるメッシュフィルタからなり、冷却器３０と貯留タンク３２を結ぶ配管内に挿入される。メッシュ１８ｂのサイズ（目開き）を例えば１ｍｍ程度とすることで、溶液中の粒の粗い残渣と共に、硫黄分を除去（吸着）することができる。
【００３５】
図１の説明に戻ると、フィルタ１８を通過した溶液は貯留タンク３２に蓄えられた後、発酵槽２０に供給される。
【００３６】
発酵槽２０はメタン菌が繁殖できるように温度、ｐＨ等の条件が維持されており、槽内で有機物を主にガス化反応によって分解処理することによりバイオガスを生成する。発酵槽２０の温度はヒータなどの加熱手段（図示せず）により３５℃程度に維持されると共に、混合液は撹拌手段により撹拌されながら所定の時間滞留される。
【００３７】
発酵槽２０で生成されたバイオガス（メタンの他、二酸化炭素や硫化水素などを含むガス状物質）はガスホルダー（図示せず）に貯蔵される一方、分離採取された液体成分（消化液）は液肥などに利用される。
【００３８】
尚、投入槽２６、予熱槽２８、反応槽１６、冷却器３０の間には混合液の逆流を防止するための逆止弁がそれぞれ設置される。また、フィルタ１８と貯留タンク３２の間には開閉弁が設置される。
【００３９】
尚、図１を参照してこの実施例に係るメタン発酵処理方法について説明すると、メタン発酵処理方法は有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕加熱処理工程（粉砕機１４による処理）と、粉砕加熱処理工程によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する溶液生成工程（反応槽１６による処理）と、溶液生成工程で生成された溶液から硫黄を除去する硫黄除去工程（フィルタ１８による処理）と、硫黄除去工程によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させるメタン発酵工程（発酵槽２０による処理）とを備える如く構成、即ち、粉砕加熱処理工程において有機性廃棄物中の硫黄分を減少させ、溶液生成工程において硫黄分が減少された有機性廃棄物を水熱処理すると共に、硫黄除去工程によってさらに硫黄を除去した溶液をメタン発酵工程でメタン発酵処理するように構成した。
【００４０】
以上がこの実施例に係るメタン発酵処理装置１０の構成およびメタン発酵処理方法であるが、次にメタン発酵処理装置１０を利用した実験例について説明する。
（実験例１）
【００４１】
先ず、メタン発酵の前処理について説明する。電解水生成器１２で生成される電解水はｐＨ３程度、有効塩素濃度３０ｐｐｍ以上の塩酸酸性の水溶液である。また、実験で使用した有機性廃棄物として収集する過程で僅かに混入する雑草や木の葉などを除いてほぼ１００％同一種の刈芝を使用した。刈芝は自然乾燥（含水率１０％程度）した後に粉砕機１４に投入した。
【００４２】
有機性廃棄物としては刈芝の他、剪定枝や雑草などを含む草木類全般を対象とするが、使用する草木類は全成分のうち、たんぱく質が所定割合（具体的には１５％以上）含有したものが適している。Ａｎａｍｍｏｘ菌の培養には硫黄分があまり含まれていないことが望ましいが、たんぱく質が所定割合含まれた草木類は硫黄分の含有量が少ない。
【００４３】
刈芝は図２に示す粉砕機１４によって粉砕されるが、このとき粉砕ポット１４ａ内を硫黄の融点（結晶型により異なるが１１０℃前後）近傍まで加熱し、刈芝を加熱処理（時間的または部分的に約１２０℃以上で加熱）した（粉砕加熱処理工程）。刈芝にこのような処理を施すことで刈芝中の硫黄分を減らすことができる。この実験では刈芝中に含まれていた硫黄分が約２５％減少した。
【００４４】
次に、粉砕機１４で粉砕および加熱処理した刈芝を電解水と混合した後、反応槽１６で以下の条件のもとで水熱処理を行った。
処理温度：１８０℃
処理圧力：飽和蒸気圧
処理時間（滞留時間）：３０分
【００４５】
溶媒として電解水を用いると、水道水を用いた場合と比べて反応生成物（糖類、アルコール類、有機酸類、窒素化合物）の量を増やすことができる。電解水を溶媒として用いた水熱処理において温度ごとの生成物の分析結果（糖類を除く）を表１に示す。また、糖の分析の一例として、ＨＰＬＣ（液体クロマトグラフィー）によるクロマトグラムを図５に示す。尚、表１に示す濃度はトルエン検量線法による概算値である（後述する表２，３も同様）。
【００４６】
【表１】
2015024388.tif 000003
【００４７】
図５に示すように、キシロース、フルクトース、グルコース、マルトースなど、草木類の主成分であるセルロースの分解生成物として多くの糖が検出されているのが分かる。さらに表１の結果からも明らかなように、培養阻害物質が少なく刈芝の分解が進んでいる１５０℃から１８０℃の範囲のうち、１６０℃での処理が最も良好な結果を示している。尚、図５において保持（滞留）時間５〜９ｍｉｎにおけるピークは未同定の糖である。
【００４８】
表２は溶媒を電解水として水熱処理を行ったときの生成成分の分析結果であり、表３は溶媒を水道水として水熱処理を行ったときの生成成分の分析結果である。表２，３は共に処理後１週間程度経過したものを分析した結果である。また、有機成分分析のクロマトグラム（表３の分析）を図６に示す。これらの結果から、溶媒として電解水を使用した場合と水道水を使用した場合とでは成分濃度が大きく異なることが分かる。尚、表２，３の結果においてエタノールが検出されていないのは時間経過により酸化されて酢酸になったものと推測される（クロマトグラムにはエタノールのピーク痕跡が観られるが、同定には至らなかった）。
【００４９】
【表２】
2015024388.tif 000004
【００５０】
【表３】
2015024388.tif 000005
【００５１】
反応槽１６で水熱処理された溶液は冷却器３０を通過して冷却された後、フィルタ１８を通過する（硫黄除去工程）が、フィルタ１８をメッシュサイズ（目開き）が約１ｍｍの金属製メッシュフィルタとすることで、溶液中の残渣と共に、硫黄成分を吸着することができた。フィルタ１８によって溶液中の硫黄を吸着した結果、最終的な溶液（微視粉末を含む水溶液）中の硫黄分は４３ｐｐｍとなった。この数値は乾燥重量換算で刈芝に含まれていた硫黄の１／５程度である。
【００５２】
以上がメタン発酵の前処理であるが、次に発酵槽２０における処理について説明する。
【００５３】
発酵槽２０（ステンレス製、有効容積９Ｌ）に種菌（下水処理場の発酵槽から採取した汚泥）を入れ、中温（３６℃）でＨＲＴ（水理学的平均滞留時間）１５日に設定して嫌気性下で培養を行った（メタン発酵工程）。尚、ＨＲＴ１５日としたのは、この日数が発酵槽２０内の桿菌群と球菌群の増殖バランスが釣り合うポイントと考えたためである。
【００５４】
嫌気状態は発酵槽２０内のＯＲＰ（酸化還元電位）をモニターし、維持した。有機物（水熱処理をした刈芝）の負荷量は０．５ｇ／ｌ を基準とし、ＨＲＴ１５日に合わせて発酵槽２０内の汚泥の引き抜きと有機物を含む溶液の供給を毎日実施した（各６００ｍｌ）。
【００５５】
発酵槽２０内の撹拌は１日１回５分間行った。２サイクル(３０日)の間、ガス発生量の経時変化を観察し、２サイクル目(培養開始１８日目)に発生ガスの成分分析を実施した。２サイクルの間の平均ガス発生量は４９６ｍｌ／日であり、そのときのガス組成は表４に示すとおりであった。窒素が７０％以上を占めているが、メタン、二酸化炭素の発生も１０％を超えていた。このとき、既に脱窒素反応（Ａｎａｍｍｏｘ反応）が支配的になっていたことが窺われる。
【００５６】
【表４】
2015024388.tif 000006
【００５７】
同様な操作をさらに２サイクル繰り返し、発生ガスの組成を測定したところ、表５の結果を得た。このときの平均ガス発生量は３８１ｍｌ／日であった。さらに同一の方法で長期培養（１０サイクル）した結果、１０サイクル目の平均ガス発生量は６４４ｍｌ／日となり、生成ガスの組成は表６のようになった。長期間培養を続けることでメタンの発生は殆どなくなり、窒素生成が完全に支配的となった。時間経過と共に硫化水素の発生量は減少し、1ｐｐｍ以下まで低下した。また、このときの消化液中の硝酸イオン（０．６ｐｐｍ以下)、亜硝酸イオン（０．１ｐｐｍ以下）は検出限界以下を示し、アンモニウムイオン（４０ｐｐｍ）も低濃度であった。
【００５８】
【表５】
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【００５９】
【表６】
2015024388.tif 000008
【００６０】
培養の全期間を通して培養液（反応槽１６内の液）のｐＨは中性域（６．５から７．５）に保たれていた。このことはメタン菌群の活性が殆どなくなり、脱窒素反応が支配的になって脱窒素菌群（Ａｎａｍｍｏｘ菌群）が反応系を支配したといえる。
【００６１】
このように、培養を継続することにより、メタンの生成量が減り、窒素の生成量が増えた。さらに長期間培養を継続するとメタンの生成量が僅かになり、二酸化炭素の量も減少し、硫化水素量は１ｐｐｍ以下の値となって脱窒素反応が完全に支配的となった。
（実験例２）
【００６２】
実験例２は再現性を確認するため、実験例１と同一条件で再度試験を行ったものである。実験例２では２サイクルのとき、系の平均ガス発生量は６８９ｍｌ／日であり、発生ガスの組成は表７に示すとおりであった。実験例１と同様な結果である。１０サイクル目のガス組成の分析結果も表８に示したとおり、実験例１の結果と同様な傾向を示した。
【００６３】
【表７】
2015024388.tif 000009
【００６４】
【表８】
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（比較例１）
【００６５】
比較例１は刈芝の処理条件を代えて培養を行ったものである（その他の条件は実験例１と同じ）。具体的には１６０℃で水熱処理する際の溶媒を電解水から水道水に代えて４サイクル６０日間、２つの培養槽（サンプル１、サンプル２）を用いて培養を実施した。
【００６６】
それぞれ２サイクル目と４サイクル目の発生ガスの成分組成を表９に示す。このときの平均ガス発生量はサンプル１の２サイクル目が５０５ｍｌ／日、４サイクル目が４７９ｍｌ／日、サンプル２の２サイクル目が３５５ｍｌ／日、４サイクル目が３５１ｍｌ／日であった。どちらの場合も培養日数に伴いメタンの発生が減少し、窒素の発生が増大すると共に、その他のガスの変化も含め現象的には実験例1の結果と同じ傾向を示した。この結果、徐々にではあるが脱窒素反応が優勢となり、最終的に脱窒素反応が支配的になることが推測される。但し、実験例１と比べると、反応の進みがかなり遅いことが分かる。また、比較例１の場合、窒素の生成比率が低い（７０％以下）ことが確かめられた。尚、実験例１との時間的差異は水熱処理により生成される窒素化合物や有機酸の量に関係するものといえる。
【００６７】
【表９】
2015024388.tif 000011
（比較例２）
【００６８】
水熱処理をしない基質（刈芝粉末）を用いて実験例１と同様な条件で培養を行った。２サイクル目、４サイクル目、１０サイクル目の発生ガスの成分組成を表１０に示す。このときの平均ガス発生量は２サイクル目で４９３ｍｌ／日、４サイクル目で８３９ｍｌ／日、１０サイクル目では８４４ｍｌ／日であった。ここでは脱窒素反応は進行せずにメタン発酵反応が安定的に進行した。４サイクル以降安定した状態でメタン発酵が進んだ。このように、脱窒素反応は水熱処理に起因することが確かめられた。
【００６９】
【表１０】
2015024388.tif 000012
【００７０】
上記したように、発酵槽汚泥を嫌気性下で水熱処理をした基質（植物性バイオマス（刈芝等の草木類））で培養することにより短時間（１か月程度）で脱窒素反応を主体とする菌群構成の汚泥が形成できることが示された。比較例２で示したように、水熱処理をしない基質（刈芝を粉末にしたもの）を用いて同一条件のもとで培養を行うと、通常のメタン発酵しか観察されなかった。このように、基質を水熱処理し、下水処理場の汚泥を種菌として培養することで脱窒素反応が支配的な汚泥系を形成することが容易にできることが明らかとなった。
【００７１】
以上のように、通常の嫌気性培養の手法で基質となる植物性バイオマス(芝等の草本類)を水熱処理することで脱窒素反応を主体とする菌群構成の系を短時間で作り出すことができ、排水中の窒素化合物除去に有効なリアクタとして作用させられることが明らかになった。さらに、有機性廃棄物を反応槽１６に投入する前に、粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理すること、およびフィルタ１８を用いて水熱処理後の溶液から硫黄を吸着することで有機物中の硫黄分を大幅に減らすことができるため、より安定的にＡｎａｍｍｏｘ菌を培養できることも明らかになった。
【００７２】
この系で生じた消化液は窒素化合物、有機炭素が消費され、系の中に適当量の有機炭素が残っていて水性微生物である藻類の繁殖に有効に作用することが分かっている。消化液の分析結果の一例を表１１に示す。尚、表１１の結果は培養開始後２サイクル（３０日）のものである。
【００７３】
【表１１】
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【００７４】
また、水熱処理での生成物（有機酸や窒素化合物）の量を調整することでメタン発酵反応と脱窒素反応が共存する汚泥系をつくることが可能であることが示唆された。即ち、Ａｎａｍｍｏｘ菌群とメタン菌群の共生が可能であることを示唆したといえる。
【００７５】
ここで、発酵槽２０の汚泥が脱窒素反応を主体とする反応へ進むメカニズムは次のように考えられる。図７は発酵槽２０内の菌による生化学反応を説明するための説明図であるが、同図に示すように、通常のメタン発酵では基質は通性嫌気性菌群により有機酸まで分解され、メタン菌によりメタンと二酸化炭素を生成するが、本発明では基質の水熱処理により、有機酸や糖などを含んだ基質が投与されることで通性嫌気性菌群の活性が徐々に失われ、さらに投入される硫黄の量が少ないため、硫酸還元菌の活性も低下し、メタン菌の活性が低下してメタン発生が抑制される。
【００７６】
同時に、Ａｎａｍｍｏｘ菌群は水熱処理によって基質中に形成されたアンモニア態窒素と窒素酸化物（硝酸窒素、亜硝酸窒素）およびメタン発酵により生成された炭酸イオンにより活性化され、脱窒素反応が進む。このとき、酸素が生成され、溶存酸素となり、メタン菌に作用することでメタン菌はさらに活性を失うことになる（Ａｎａｍｍｏｘ菌はグラニュールが形成されてしまえば溶存酸素に殆ど影響されないといわれている）。
【００７７】
また、この系では水熱反応の度合い（有機酸や糖、窒素化合物の量）を変えることでメタン発酵と脱窒素反応の共存する系を維持することが可能となることが示唆されている。
【００７８】
以上の如く、この発明の実施例にあっては、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕機１４と、前記粉砕機によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する反応槽１６と、前記反応槽で生成された溶液から硫黄を除去するフィルタ１８と、前記フィルタによって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させる発酵槽２０とを備える如く構成、即ち、有機性廃棄物を粉砕加工する際に加熱処理して有機性廃棄物中の硫黄分を減少させ、硫黄分を減少させた有機性廃棄物を反応槽１６で水熱処理すると共に、フィルタ１８によってさらに硫黄を除去した溶液を発酵槽２０に投入するように構成したので、有機物からなる基質をベースとした通常の培養方法では得られなかった脱窒素反応が可能となる。即ち、メタン発酵と脱窒素反応を同時に進行させることができるため、Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養することができる。従って、脱窒素反応が支配的な菌群構成を有する生物化学的廃水処理リアクタを簡易に実現することができる。
【００７９】
また、不要な植物系バイオマスを処理しながら、水質汚濁防止法や下水道法で規制されている窒素化合物の処理ができ、新たな処理をすることなく、河川や海洋への排水の放流が可能となる。また、この系を通常の下水処理（アンモニア性窒素の処理プロセスを持たない）システムの下段に組み入れることで（反応槽を１つ増やすだけで）簡単に窒素化合物の処理が可能となり、海洋などへの放流も可能となる。
【００８０】
また、前記有機性廃棄物は、全体に占めるたんぱく質の割合が所定値以上の草木類である如く構成したので、有機性廃棄物中の硫黄の量が少なく、より安定的にＡｎａｍｍｏｘ菌を培養することができる。
【００８１】
また、前記所定値は、１５％である如く構成したので、より一層安定的にＡｎａｍｍｏｘ菌を培養することができる。
【００８２】
また、前記フィルタは、金属製のメッシュフィルタからなる如く構成したので、溶液中の硫黄の量を減らすことができるため、メタン菌の活性を抑えてＡｎａｍｍｏｘ菌の活性を促すことができる。
【００８３】
また、前記所定温度は、１５０℃から１８０℃の範囲内の温度である如く構成したので、メタン発酵と脱窒素反応を両立させることができる。
【００８４】
また、前記所定温度は、１６０℃またはその付近の温度である如く構成したので、メタン発酵と脱窒素反応を一層良く両立させることができる。
【００８５】
また、有機性廃棄物を粉砕加工すると共に、硫黄融点近傍まで加熱処理する粉砕加熱処理工程（粉砕機１４による処理）と、前記粉砕加熱処理工程によって粉砕加工および加熱処理された有機性廃棄物と酸性電解水との混合液を所定温度で所定時間滞留させてメタン発酵の基質となる溶液を生成する溶液生成工程（反応槽１６による処理）と、前記溶液生成工程で生成された溶液から硫黄を除去する硫黄除去工程（フィルタ１８による処理）と、前記硫黄除去工程によって硫黄が除去された溶液をメタン発酵させるメタン発酵工程（発酵槽２０による処理）とを備える如く構成、即ち、粉砕加熱処理工程において有機性廃棄物中の硫黄分を減少させ、溶液生成工程において溶液を水熱処理すると共に、硫黄除去工程によってさらに硫黄を除去した溶液をメタン発酵工程でメタン発酵処理するように構成したので、有機物からなる基質をベースとした通常の培養方法では得られなかった脱窒素反応が可能となる。即ち、メタン発酵と脱窒素反応を同時に進行させることができるため、Ａｎａｍｍｏｘ菌を簡易かつ安定的に培養することができる。従って、脱窒素反応が支配的な菌群構成を有する生物化学的廃水処理リアクタを簡易に実現することができる。
【００８６】
尚、実験例では各種実験条件等を具体的な数値で示したが、それらは例示であって、必ずしも限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８７】
１０  メタン発酵処理装置、１４  粉砕機（粉砕加熱処理工程）、１６  反応槽（溶液生成工程）、１８  フィルタ（硫黄除去工程）、２０  発酵槽（メタン発酵工程）
【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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