(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を含む被処理物を嫌気性条件下でメタン発酵処理し、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガスを生成させるメタン発酵処理方法であって、
前記被処理物は、乾燥質量として生ごみ１００質量部に対して紙ごみ５０〜５００質量部を含むものであり、
１日当たりメタン発酵消化液１Ｌに対して、生ごみと紙ごみに基づく有機物負荷量としての強熱減量（ＶＳ）を５〜１５ｇ添加する投入を含み、
同じ有機物負荷量の前記被処理物を、複数日、連続して投入と、前記有機物負荷量を増加させた前記被処理物の投入とを繰り返し、
前記有機物負荷量を増加させた後は、増加させた有機物負荷量の被処理物を、複数日、連続して投入することを特徴とするメタン発酵処理方法。
【請求項２】
前記メタン発酵処理時に形成される消化液中における固形分濃度は１０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項３】
前記メタン発酵処理時に形成される消化液のｐＨは６．５〜８．５であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項４】
前記メタン発酵処理時に形成される消化液中のアンモニア性窒素濃度は、７０００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のメタン発酵処理方法。
【請求項５】
前記メタン発酵処理時に形成される消化液中の有機酸の濃度は、８０００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のメタン発酵処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭や食品工場などから排出される生ごみと、オフィスなどから排出される紙ごみとを含む有機被処理物をメタン発酵処理し、メタン及び炭酸ガスを含むバイオガスを取得するためのメタン発酵処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止対策の推進、バイオマスの積極的利用が環境保全のための課題となっている現在、廃棄物系バイオマスを対象とした嫌気発酵技術によるエネルギー回収が種々提案されている。これらの中でもメタン発酵技術は、生ごみ、下水汚泥、食品廃棄物等の多種類の廃棄物系バイオマスをメタンガスに変換し、エネルギーとして利用できることから、実用化が進んでいる。しかし、生ごみ等の廃棄物は窒素含有量が高いため、メタン発酵の途中でアンモニアが発生し、そのアンモニアが発酵阻害を引き起こすという問題があった。
【０００３】
そこで、生ごみに窒素含有量の少ない紙ごみを配合した被処理物をメタン発酵処理する方法が提案されている（特許文献１を参照）。すなわち、この生ごみと紙ごみの処理方法は、可溶化水素発酵槽とメタン発酵槽を具備し、可溶化水素発酵処理とメタン発酵処理を組合せて消化を行うものである。この処理方法は、具体的には加水分解微生物群と水素発酵微生物群を含有する可溶化水素発酵槽で可溶化と水素発酵を行う第１工程と、該第１工程で得られた発酵液をメタン発酵微生物の存在下でメタン発酵槽においてメタン生成を行う第２工程と、この第２工程で得られた消化液を前記第１工程に返送する第３の工程とより構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５５５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献１に記載されている生ごみと紙ごみの処理方法では、生ごみに対する紙ごみの割合が具体的には生ごみ１００質量部に対して紙ごみが３０質量部以下であることから、生ごみの割合が相対的に高い。このため、メタン発酵時において生ごみ中に含まれる蛋白質の分解に基づくアンモニアの発生を十分に抑えることができない。その結果、メタン発酵反応がアンモニアによって阻害される傾向が強く、所望とするバイオガス量を得ることはできなかった。
【０００６】
そこで本発明の目的とするところは、メタン発酵における発酵阻害を抑え、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガス量を増大させることができる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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明のメタン発酵処理方法は、有機物を含む被処理物を嫌気性条件下でメタン発酵処理し、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガスを生成させるメタン発酵処理方法であって、前記被処理物は、乾燥質量として生ごみ１００質量部に対して紙ごみ５０〜５００質量部を含むものであり、１日当たりメタン発酵消化液１Ｌに対して、生ごみと紙ごみに基づく有機物負荷量としての強熱減量（ＶＳ）を５〜１５ｇ添加する投入を含み、同じ有機物負荷量の前記被処理物を、複数日、連続して投入と、前記有機物負荷量を増加させた前記被処理物の投入とを繰り返し、前記有機物負荷量を増加させた後は、増加させた有機物負荷量の被処理物を、複数日、連続して投入することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明のメタン発酵処理方法は、請求項１に係る発明において、前記メタン発酵処理時に形成される消化液中における固形分濃度は１０質量％以下であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明のメタン発酵処理方法は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記メタン発酵処理時に形成される消化液のｐＨは６．５〜８．５であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明のメタン発酵処理方法は、請求項１から請求項３のいずれか１項に係る発明において、前記メタン発酵処理時に形成される消化液中のアンモニア性窒素濃度は、７０００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明のメタン発酵処理方法は、請求項１から請求項４のいずれか１項に係る発明において、前記メタン発酵処理時に形成される消化液中の有機酸の濃度は、８０００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載のメタン発酵処理方法では、有機物を含む被処理物を嫌気性条件下でメタン発酵処理し、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガスを生成させる。この場合、被処理物が乾燥質量として生ごみ１００質量部に対して紙ごみを５０〜５００質量部含むように設定される。更に、１日当たりメタン発酵消化液１Ｌに対して、生ごみと紙ごみに基づく有機物負荷量としての強熱減量（ＶＳ）を５〜１５ｇ添加する投入を含み、同じ有機物負荷量の前記被処理物を、複数日、連続して投入と、前記有機物負荷量を増加させた前記被処理物の投入とを繰り返し、前記有機物負荷量を増加させた後は、増加させた有機物負荷量の被処理物を、複数日、連続して投入する。このように、生ごみ量に対する紙ごみ量が適切に設定されていることから、メタン発酵処理時においてメタン発酵の阻害が抑えられ、メタン発酵が円滑に進行し、バイオガスが定量的に発生する。
【００１４】
従って、本発明のメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵における発酵阻害を抑え、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガス量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１及び２における経過日数とバイオガス発生率及び有機物負荷量との関係を示すグラフ。
【図２】実施例１及び２における経過日数とメタンガス濃度との関係を示すグラフ。
【図３】実施例１及び２における経過日数とｐＨとの関係を示すグラフ。
【図４】実施例１及び２における経過日数と窒素濃度との関係を示すグラフ。
【図５】乾燥質量として、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合における経過日数と有機酸濃度との関係を示すグラフ。
【図６】乾燥質量として、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合における経過日数と有機酸濃度との関係を示すグラフ。
【図７】実施例１及び２における経過日数と固形分濃度との関係を示すグラフ。
【図８】生ごみと紙ごみとの質量比率と有機物負荷量との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明におけるメタン発酵処理方法の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態におけるメタン発酵処理方法は、有機物を含む被処理物（基質）を嫌気性条件下でメタン発酵処理（嫌気性消化処理）し、メタンガス（ＣＨ４ガス）及び炭酸ガス（ＣＯ２ガス）を含むバイオガスを生成させるものである。このバイオガスは通常メタンガス６０vol％と炭酸ガス４０vol％の混合物であり、その発熱量は５０００〜６０００kcal／kgに達する。
【００１７】
このメタン発酵処理は、メタン発酵微生物（メタン生成菌）の作用に基づいて、酸素が遮断された嫌気性条件下で行われる。メタン発酵微生物としては、メタノバクテリウム属、メタノサルシナ属、メタノサエタ属、メタノサーモバクタ属等に属する微生物が挙げられる。メタン発酵処理は通常２０〜７０℃の温度範囲で行われ、高温発酵の場合には４５〜６５℃で行われる。温度が２０℃を下回るときには微生物の活性が低く、十分な発酵処理を行うことができず、７０℃を上回るときには微生物が失活し、発酵作用が低下する。
【００１８】
前記被処理物は、メタン発酵処理を阻害しないように、生ごみとその生ごみに対して適量の紙ごみを含有する。すなわち、生ごみは蛋白質等に基づく窒素含有量が高いためメタン発酵時にアンモニアが発生してメタン発酵処理を阻害する一方、紙ごみは窒素含有量が低いためメタン発酵処理を阻害し難いが、炭素含有量が高いため炭酸ガスの発生量が増えてメタン発酵処理を阻害する傾向がある。従って、生ごみに適量の紙ごみを配合し、全体としてメタン発酵処理の円滑な進行を図る。
【００１９】
具体的には、被処理物は乾燥質量（乾燥重量）として生ごみ１００質量部に対して紙ごみを５０〜５００質量部含有する。乾燥質量として紙ごみの含有量が５０質量部より少ない場合には、相対的に生ごみの含有量が多くなり、メタン発酵処理時に生ごみ中の蛋白質から生ずるアンモニアの生成量が増大してメタン発酵が阻害され、メタンガスの発生量が不足する。その一方、紙ごみの含有量が５００質量部より多い場合には、発酵液の粘度が高くなって均一性が低下し、メタン発酵の進行が妨げられる結果を招く。
【００２０】
また、被処理物は、生ごみと紙ごみに基づく有機物負荷量が乾燥有機物質量（VS）につき５〜１５ｇ・VS／Ｌ／日となるように設定されることが好ましく、５〜１２ｇ・VS／Ｌ／日となるように設定されることがさらに好ましく、５〜１０ｇ・VS／Ｌ／日となるように設定されることが最も好ましい。この有機物負荷量が５ｇ・VS／Ｌ／日より少ない場合には、メタン発酵処理の処理量が少なく、処理効率が悪化する。その一方、有機物負荷量が１５ｇ・VS／Ｌ／日より多い場合には、アンモニア等の窒素量の増大や有機酸の増大などによって発酵阻害が生じる傾向を示す。
【００２１】
前記メタン発酵処理時に形成される液体（消化液）は、その固形分濃度、ｐＨ、窒素濃度、有機酸濃度などが所定範囲に維持された状態で、メタン発酵処理が継続される。
消化液中における固形分濃度は１０質量％以下に保持されることが望ましい。この固形分濃度が１０質量％を超える場合には、消化液を均一に撹拌することが難しくなり、メタン発酵処理が円滑に進行しなくなる。該固形分濃度は、通常２〜１０質量％の範囲に設定される。
【００２２】
前記消化液のｐＨは６．５〜８．５に維持されることが好ましく、６．７〜８．５に維持されることがさらに好ましく、７．０〜８．５に維持されることが特に好ましい。このｐＨが６．５を下回ると、紙ごみ由来の有機物が多くなって炭酸ガスの濃度が高くなり、メタン発酵に支障を来たすおそれがある。一方、ｐＨが８．５を上回ると、消化液中にアンモニア等が増加し、発酵阻害を引き起こす結果を招く。
【００２３】
前記消化液中のアンモニア性窒素濃度は経時的に増大するが、７０００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、６５００ｍｇ／Ｌ以下であることがさらに好ましく、６０００ｍｇ／Ｌ以下であることが一層好ましい。該アンモニア性窒素濃度が７０００ｍｇ／Ｌを超える場合、消化液中にはアンモニアが蓄積し、発酵阻害が顕著に見られるようになって好ましくない。このアンモニア性窒素濃度は、メタン発酵処理時には通常１０００〜６０００ｍｇ／Ｌ程度の範囲で進行する。
【００２４】
前記消化液中の有機酸の濃度は、８０００ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、５０００ｍｇ／Ｌ以下であることがさらに好ましく、３０００ｍｇ／Ｌ以下であることが特に好ましい。有機酸としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸等が挙げられる。有機酸の濃度が８０００ｍｇ／Ｌを超える場合には、消化液のｐＨが低下し、メタン発酵に支障を来たしてガス発生量が減少する。消化液中の有機酸は、メタン発酵が良好に進行している間は蓄積されない。
【００２５】
さて、生ごみと紙ごみとよりなる被処理物をメタン発酵処理する場合には、メタン発酵微生物を含む消化液が収容されたメタン発酵処理槽に生ごみ及び紙ごみを投入する。このとき、乾燥質量として紙ごみは生ごみ１００質量部に対して５０〜５００質量部の範囲で投入される。そのため、消化液の粘性が適正に維持されるとともに、アンモニアの発生も抑制される。従って、メタン発酵が進行途中において阻害されることなく、速やかに進行し、その結果メタンガスが十分に、しかも連続的に発生する。そして、発酵残渣は塩分濃度が低く、有機肥料として使用することができる一方、消化液は発酵が進んだ処理の容易な液体となる。
【００２６】
以上説明したメタン発酵処理方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態のメタン発酵処理方法において、被処理物は乾燥質量として生ごみ１００質量部に対して紙ごみ５０〜５００質量部に設定されている。このように、生ごみ量に対する紙ごみ量が従来よりも多く、適切な範囲に設定されていることから、メタン発酵処理時においてメタン発酵の阻害が抑えられ、メタン発酵が円滑に進行し、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガスが定量的に発生する。
【００２７】
従って、本実施形態のメタン発酵処理方法によれば、メタン発酵における発酵阻害を効果的に抑制することができるとともに、メタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガス量の増大を図ることができる。
（２）被処理物は、生ごみと紙ごみに基づく有機物負荷量が乾燥有機物質量（VS）につき５〜１５ｇ・VS／Ｌ／日に設定されている。このため、被処理物が生ごみのみの場合に比べて有機物の処理量を格段に増大させることができるとともに、バイオガスの発生量を一層増加させることができる。
（３）消化液中における固形分濃度は１０質量％以下に抑えられる。従って、消化液の高粘性化を抑制することができ、消化液を均一に撹拌することができるとともに、発酵阻害を防止することができる。
（４）消化液のｐＨは６．５〜８．５に設定されている。そのため、炭酸ガス濃度の上昇を抑制することができ、メタン発酵処理に支障を来たすことを防止することができる。
（５）消化液中のアンモニア性窒素濃度は７０００ｍｇ／Ｌ以下に設定される。従って、消化液中にアンモニア等の窒素成分の蓄積を抑えることができ、発酵阻害を防止しつつメタン発酵処理を継続することができる。
（６）消化液中における酢酸、プロピオン酸等の有機酸の濃度は８０００ｍｇ／Ｌ以下に抑えられる。このため、消化液中の有機酸の蓄積を抑え、メタン発酵を良好に進行させることができる。
【実施例】
【００２８】
以下に、実施例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１及び２）
有機物を含む被処理物として、下記の表１に示す組成の模擬生ごみと、シュレッダー紙を用いた紙ごみとを用い、消化液（初期）として京都エコエネルギー研究センター（ＫＥＥＰ）より入手したメタノバクテリウム等のメタン発酵微生物を含むものを用意した。実施例１では生ごみと紙ごみとの乾燥質量（ＴＳ）当たりの質量比率を１：４とし、実施例２ではその質量比率を１：１とした。前記模擬生ごみの炭素（Ｃ）／窒素（Ｎ）比は１０．６であった。また、模擬生ごみ、紙ごみ及び消化液（初期値）の性状を表２に示す。
【００２９】
【表１】
0005779849.tif 000002
【００３０】
【表２】
0005779849.tif 000003
次に、２Ｌの消化液が投入されたメタン発酵槽に、実施例１及び２の生ごみ及び紙ごみを含む被処理物を、それぞれ１日に１回の割合で２．９ｇ・VS／Ｌ／日（消化液１日、１Ｌ当たりの乾燥質量、負荷量）加え、嫌気性条件下で５５℃（高温発酵）にてメタン発酵処理を１２日間行った。その後、１３日目〜５３日目までは、生ごみ及び紙ごみの投入量を３．７ｇ・VS／Ｌ／日に変更してメタン発酵処理を行った。さらに、５４日目〜６７日目までは、生ごみ及び紙ごみの投入量を４．７ｇ・VS／Ｌ／日、６８日目〜９５日目までは５．５ｇ・VS／Ｌ／日、９６日目〜１２６日目までは６．６ｇ・VS／Ｌ／日、１２７日目〜１５３日目までは７．５ｇ・VS／Ｌ／日、１５４日目〜２００日目までは８．６ｇ・VS／Ｌ／日に変更した。加えて、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合には、２０１日目〜２１４日目までは９．６ｇ・VS／Ｌ／日に変更した。
【００３１】
そして、バイオガス発生率（Ｌ／g- VS）、メタンガス濃度（vol％）、消化液のｐＨ、窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）、有機酸濃度（ｍｇ／Ｌ）、乾燥質量（ＴＳ、質量％）、乾燥有機物質量（ＶＳ、質量％）及び有機物負荷量（ｇ・VS／Ｌ／日）を測定し、図１〜８に示した。なお、窒素濃度は、全窒素（ＴＮ）及びアンモニア由来の窒素（ＮＨ４−Ｎ）を求めた。図１における△は、実施例１及び２の有機物負荷量を示す。
【００３２】
図１に示すように、バイオガス発生率は、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４及び１：１のいずれの場合にも安定していた。そして、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合にはバイオガス発生率が０．７〜０．８Ｌ／g-VS、１：１の場合にはバイオガス発生率が０．６〜０．７Ｌ／g-VSであり、前者の方が０．１Ｌ／g-VS程度多い結果が得られた。
【００３３】
図２に示すように、バイオガス中に含まれるメタンガス濃度は、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合及び１：１の場合とも５０〜６０vol％であり、後者の方が若干多い結果を示した。図３に示すように、消化液のｐＨは、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合にはｐＨが７．２〜７．４であり、生ごみのみの場合のｐＨが７．８であるのに比べて低い値を示した。これは、紙ごみ由来の有機物が多いため、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が高くなったことに基づくものと考えられる。
【００３４】
一方、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合には、初期に７．６であり、その後徐々にｐＨが高くなって７．８〜８．３に到った。特に、４５日目あたりからｐＨが急に上昇した。
【００３５】
図４に示すように、消化液中の窒素濃度は、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４及び１：１のいずれの場合にも経時的に窒素及びアンモニアの濃度が次第に高くなる傾向を示した。また、この窒素濃度は、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合の方が１：４の場合に比較して明らかに高い値を示した。これは、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合の方が１：４の場合よりも生ごみ由来の有機物の含有量が多いためと考えられる。
【００３６】
図５に示すように、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合には、１６０日目までは殆ど有機酸の蓄積は見られず良好にメタン発酵していたが、１６４日目に酢酸濃度が急激に増加し、６０００ｍｇ／Ｌを超えた。一方、図６に示すように、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合には、１９６日目に酢酸及びプロピオン酸が３０００ｍｇ／Ｌを超え、２１０日目には４５００ｍｇ／Ｌを超えるに到った。このように、有機酸の増加時期とｐＨ及びガス発生量の低下時期は一致しており、この時期に発酵阻害の要因があったと考えられる。
【００３７】
図７に示すように、消化液中の乾燥質量（固形分）の濃度は、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：１の場合には１９６日を経過すると固形分が１０質量％を超え、その後急激に固形分が増大した。このため、消化液を均一に撹拌することができなくなり、ｐＨが低下するとともに、ガス発生量が低下した。また、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４の場合には、１５１日目に固形分が１０質量％を超え、その後急激に固形分が増大した。そのため、消化液を均一に撹拌することが困難になり、酸敗し、メタン発酵処理が停止した。これらの結果から、消化液中の固形分濃度は１０質量％以下にすべきであることが判明した。
【００３８】
図８に示すように、前記の実施例１及び２に示した結果より、生ごみと紙ごみとの質量比率が１：４のとき有機物負荷量が７．４ｇ・VS／Ｌ／日に達し、１：１のときには８．６ｇ・VS／Ｌ／日まで達した。これは、本発明者らが既に確認した模擬生ごみの有機物含有量（ＶＳ）当たりの有機物負荷量が２．６ｇ・VS／Ｌ／日であるのに比べて、有機物負荷量を著しく増大させることができ、バイオガス発生量も増加し、メタン発酵処理の効率を向上させることができた。
【００３９】
また、紙ごみの割合を増大させると、アンモニアによるメタン発酵阻害が起こる前に消化液の均一な撹拌が難しくなることにより、メタン発酵阻害が起きる傾向が明らかになった。さらに、消化液中の固形分が１０質量％以上になると、消化液の撹拌が困難になり、メタン発酵阻害が起きることが判明した。
【００４０】
なお、前記実施形態を以下のように変更して実施することも可能である。
・  実施例１、２における生ごみとして、肉類や魚類を増量したり、穀物類を増量したりして、その炭素（Ｃ）／窒素（Ｎ）比を適宜変更することができる。
【００４１】
・  生ごみに対する紙ごみの割合の範囲を、炭素（Ｃ）／窒素（Ｎ）比に基づいて設定することも可能である。
・  実施例１、２における紙ごみとして、和紙、板紙或いは古紙などを使用することも可能である。
【００４２】
・  メタン発酵処理の進行を、ｐＨ値、消化液の撹拌速度、アンモニアガス量などに基づいて監視することもできる。
【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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