(57)【要約】【課題】温度ストレス、酸化ストレス及びアンモニアストレス等の発酵阻害性を軽減してメタン発酵槽内のメタン生成効率を上げることができ、条件によっては高温発酵が困難とされる生ごみなどを効率的に発酵処理できる共発酵方法を提供すること。【解決手段】食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽３に導入して該メタン発酵槽３内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法、及び、有機性汚泥及び食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽３に導入して該メタン発酵槽３内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽に導入して該メタン発酵槽内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法。
【請求項２】
有機性汚泥及び食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽に導入して該メタン発酵槽内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法。
【請求項３】
前記食品系廃棄物は、食品加工残渣又は厨芥残渣であることを特徴とする請求項１又は２記載の共発酵方法。
【請求項４】
前記厨芥残渣は、コーヒー滓又は茶殻を含むことを特徴とする請求項３記載の共発酵方法。
【請求項５】
前記有機性汚泥が、有機性排水を好気的に処理する水処理プロセスから発生する汚泥を含むことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の共発酵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は共発酵方法に関し、詳しくは温度ストレスを防止してメタン発酵槽内の昇温効果を上げることができ、生ごみなどを効果的に発酵処理できる共発酵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理汚泥（下水汚泥）、し尿処理汚泥（し尿汚泥）、生ごみなどの有機性廃棄物をバイオマス原料としてメタン発酵する手法は、生成されたメタンガスがバイオガス発電などに利用でき、付加価値に優れるために、注目されている。
【０００３】
従来、メタン発酵法としては、中温発酵（約３７℃程度）が主流であったが、最近の研究では、より高温（５５℃程度）における発酵も非常に良い（大きな）ＶＳ利用率を出している（特許文献１）。
【０００４】
例えば下水処理場の汚泥消化タンクでは、中温発酵（３７℃程度）から高温発酵に移行するところも出てきている。
【０００５】
しかし、メタン発酵の高温化で問題となるのは、発酵阻害を受けやすくなる場合があることで、例えば次のようなストレスによる発酵阻害が挙げられる。
【０００６】
（１）温度ストレス：投入前のバイオマス温度とメタン発酵槽内の発酵液温度との差が大きくなりやすく、このためバイオマス投入時にメタン発酵槽内の温度が低下する。温度が低下すると、ストレスとなって発酵能力が低下する。特に高温発酵では温度の影響を受けやすくストレスが生じやすい。温度変化に対しては十分な馴養時間（例えば１０日以上）をおく必要がある。
【０００７】
（２）酸化ストレス：バイオマス投入時に投入バイオマス中に溶存酸素があればメタン生成菌は酸化ストレスを受ける。かかる酸化ストレスの影響により、バイオガス生成量は著しく減少する。
【０００８】
（３）アンモニアストレス：バイオマス原料に含まれるかあるいは生成したアンモニアは発酵阻害物質であり、その蒸気圧が大きくなる高温側ほど影響が大きい。  
【０００９】
更に、本発明者らの研究によると、ホテル、旅館、マンション、飲食店、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、食品製造業、食品販売、食品流通業、一般家庭等から排出する生ごみのようなバイオマスは、上記の温度ストレスを受けやすく、高温発酵が難しいことがわかった。これは生ごみでは負荷変動が比較的大きいことや、ストレスに対してメタン生成菌が十分な耐性をもっていない可能性が考えられる。メタン発酵槽内で温度ストレスに対応できるメタン生成菌を馴養して高温メタン発酵環境を作るためには長い時間がかかる問題がある。
【特許文献１】特開２０００−３４３１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の課題は、温度ストレス、酸化ストレス及びアンモニアストレス等の発酵阻害性を軽減してメタン発酵槽内のメタン生成効率を上げることができ、条件によっては高温発酵が困難とされる生ごみなどを効率的に発酵処理できる共発酵方法を提供することにある。
【００１１】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１３】
（請求項１）
食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽に導入して該メタン発酵槽内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法。
【００１４】
（請求項２）
有機性汚泥及び食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下混合した発酵原料を、メタン発酵槽に導入して該メタン発酵槽内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵することを特徴とする共発酵方法。
【００１５】
（請求項３）
前記食品系廃棄物は、食品加工残渣又は厨芥残渣であることを特徴とする請求項１又は２記載の共発酵方法。
【００１６】
（請求項４）
前記厨芥残渣は、コーヒー滓又は茶殻を含むことを特徴とする請求項３記載の共発酵方法。
【００１７】
（請求項５）
前記有機性汚泥が、有機性排水を好気的に処理する水処理プロセスから発生する汚泥を含むことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の共発酵方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、温度ストレス、酸化ストレス及びアンモニアストレス等の発酵阻害性を軽減してメタン発酵槽内のメタン生成効率を上げることができ、条件によっては高温発酵が困難とされる生ごみなどを効率的に発酵処理できる共発酵方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明において、バイオマス原料の１種となる食品系廃棄物としては、例えば生ごみが挙げられ、生ごみには農水産業廃棄物、食品加工廃棄物等など食品加工残渣；コーヒー滓又は茶殻などの厨芥残渣などを含む。本発明では、前記厨芥残渣がコーヒー滓又は茶殻である場合に良好な効果を発揮する。
【００２１】
また本発明において、バイオマス原料の他の１種は、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿である。ここで反芻動物とは、食物を口で咀嚼し、胃に送って部分的に消化した後、再び口に戻し咀嚼するという過程を繰り返して食物を消化する器官をもつ動物であり、ウシ、ヤギ、ヒツジ、シカなどの反芻亜目、ラクダ、ラマなどの核脚亜目に属するものを指す。
【００２２】
更に本発明では、食品系廃棄物に有機性汚泥を配合してもよい。有機性汚泥は有機性排水を好気的に処理する水処理プロセスから発生する汚泥であり、例えば下水処理汚泥やし尿処理汚泥などがある。
【００２３】
食品系廃棄物（有機性汚泥を配合してもよい）と、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿の配合比は、食品系廃棄物に、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、体積比で１０％以上３０％以下、好ましくは１０％以上２０％以下である。配合比が１０％未満では、ストレスを緩和する効果が小さいためバイオガス発生量が少なく、また３０％を越えても強熱減量ＶＳ（ｗｔ％）が低下するのでバイオガス発生量が増加しにくくなる。
【００２４】
バイオマス原料における食品系廃棄物に対する有機性汚泥の配合比は、本発明において本質的に問われない。
【００２５】
食品加工残渣や厨芥残渣などの食品系廃棄物、水処理プロセスから発生する有機性汚泥は、特に完全混合方式の発酵槽でメタン発酵を行う場合、速やかに以前からある発酵残渣と混合されることが全体の発酵速度を維持する上で重要である。
【００２６】
また、追出し方式のリアクタ（プラグフロー型）はリアクタ投入前に抜出した発酵液をバイオマスと十分に混合する必要がある。
【００２７】
本発明では、２種又はそれ以上の種類のバイオマス原料を配合したものを発酵させるので、これを共発酵と称している。
【００２８】
本発明の共発酵方法では、混合した発酵原料を、メタン発酵槽に導入して該メタン発酵槽内の温度を６０℃以上９０℃以下の範囲に調整してメタン発酵する。
【００２９】
従って、本発明において、高温発酵という場合は、６０℃以上９０℃以下の範囲で発酵を行うことである。
【００３０】
高温発酵では、上述したように、温度ストレス、酸化ストレス及びアンモニアストレスのようなストレスに対して敏感であるが、第１胃（ルーメン）由来の反芻動物糞尿を、食品系廃棄物のようなバイオマス原料に一定範囲の量で配合すると、上記各ストレスを緩和する効果が発現し、結果として見かけ上バイオガス発生量が増加し、発酵阻害によるガス発生量の低減が緩和されることがわかった。
【００３１】
中温発酵（３７℃）や従来の一般的な高温発酵（５５℃）では、この効果（ルーメン由来反芻動物糞尿混合効果）は発現しにくいというよりは、むしろストレスに対して発酵阻害を受けにくいため、効果が現れにくい。これに対して、本発明は、上記の６０℃以上９０℃以下の範囲の高温発酵においてＶＳ利用率の高い、本来バイオガス発生量の多い高温でのメタン発酵において効果が発揮される。
【００３２】
一般的な生ごみ系バイオマスと家畜糞尿系バイオマスとの混合物では、家畜糞尿系バイオマスの割合が多くなると、メタン発酵に有効な有機物量（ＶＳ値）が減って、ガス発生量が低下する。しかし、家畜糞尿がルーメンを有する反芻動物糞尿であれば、各発酵阻害要因の効果を緩和するため、見かけ上発酵を促進する効果があるようになる。
【００３３】
これはルーメン由来の反芻動物糞尿が各種ストレスに対して耐久性のある菌叢と菌の代謝を維持しやすい環境をつくっているためである。ルーメン由来の反芻動物糞尿混合の効果はＶＳ利用率の高い、本来バイオガス発生量の多い高温でのメタン発酵において発揮される。この理由は前述のように高温での発酵は特にストレスに対して敏感であるためである。
【００３４】
下水処理の汚泥や生ごみは、温度、負荷量、酸素など厳格な管理を行わないといけないが、そこにルーメン由来の反芻動物糞尿を１０％以上３０％以下混合することで、良好に発酵が行われる。ルーメン由来の反芻動物糞尿には、第１胃に由来するメタン生成菌が含まれており、これにより、厳格な管理が必要なくなる。
【００３５】
従来でも糞尿と生ごみを混ぜた例はあり、当然のように行われてきたことだが、糞尿が９０％に生ごみ１０％を混ぜるなどであり、生ごみの投入量が少ない場合であった。
【００３６】
バイオマス原料が生ごみ主体で、これに少ない量（所定量）のルーメン由来の反芻動物糞尿を混合し、しかも高温発酵（６０〜９０℃）したものではない。
【００３７】
本発明では、メタン発酵槽内の圧力が、０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲であることが好ましい。この発酵圧力は、強制的に加圧することなく、発酵によって生じる自然発酵圧であることが好ましい。
【００３８】
ここで、「強制的に加圧することなく」というのは、コンプレッサなどの加圧装置を用いて人為的に発酵槽内の圧力を上げる手法を採用していないことを意味している。
【００３９】
また「発酵によって生じる自然発酵圧」というのは、密閉された発酵槽内で、メタン発酵など生物的な反応によってメタンなどの気体成分が生じることによってメタン発酵槽内の圧力が高い状態になることを意味する。
【００４０】
かかる圧力範囲であれば、ＶＳ利用効率が向上し、バイオガスの精製効果やバイオガス収集効率が上昇する。圧力の上限はメタン発酵槽の耐圧構造コストと揮発性有機物の利用効率、バイオガスの精製効果やバイオガス収集効率との関係で決まり、５ＭＰａを越えると耐圧構造コストの影響が大きくなる。
【００４１】
本発明において好ましい態様は、発酵によって生じる自然発酵圧によって０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲まで発酵槽内の圧力を上昇させることである。
【００４２】
メタン発酵槽は、絶対嫌気性であるメタン生成菌による活動を妨げることがない構成のものが好ましく、例えば空気を完全に遮断したタンクにより構成される。タンクは０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲の圧力に耐えられる耐圧容器で構成される必要があり、タンク外壁の材質や厚みは、耐圧容器であれば特に限定されない。
【００４３】
メタン発酵槽には、０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲の圧力であるか否かを検出するために圧力センサを設けることができ、また５ＭＰａ以上に圧力が上昇した場合に圧力を開放できる圧力開放弁を設けることができる。
【００４４】
メタン発酵槽内を高温にする手法は、特に限定されないが、好ましい態様としては、発酵槽内部又は外部に、温水又は電気ヒーターなどの加温手段を設置することができる。本発明では高温発酵を効率的に行うために温度測定センサを設けることも好ましい。
【００４５】
本発明において、かかるバイオマスは発酵槽に導入される前に熱交換などを用いて加温されていることも好ましい。温度ストレス要因を軽減できるからである。
【００４６】
図１に本発明のメタン発酵方法を実施する好ましいシステム例を説明する。図１において、２種類以上のバイオマスを混合して貯蔵する貯蔵タンク１からスクリューポンプ２により輸送管２０へ定量的に搬送され、メタン発酵槽３に送られる。メタン発酵槽３に至る過程で、熱交換器４によって加温される。メタン発酵槽３には加温ヒーター３０と、１又は２以上の攪拌機３１を備え、図示しない圧力センサ、温度センサ、圧力調整弁（例えば５ＭＰａ以上に加圧された場合に圧力を放出する）などが設けられている。
【００４７】
メタン発酵槽３は、温度６０℃以上９０℃以下の範囲に調整され、発酵によって生じる自然発酵圧０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲でメタン発酵が行われる。生成するバイオガスは、メタンガス濃度は高いがＣＯ２やＨ２Ｓ濃度は低い。
【００４８】
消化液は排出管３２から排出され、熱交換器４でバイオマスと熱交換し、バイオマスを加温する。消化液は発酵温度が６０℃以上と高いのでその温度(熱含量)を利用できる。熱交換後ＣＯ２は脱気装置５へ送られ、ＣＯ２が脱気される。その後、アンモニアストリッピング装置６に至り、アンモニアが回収される。アンモニアストリッピング装置６には、充填材６０を有し、該充填材６０の上方から下方に向かって消化液を散布し、下方から空気を送り込み、アンモニアストリッピングを行う。
【００４９】
本発明では、メタン発酵槽３からアンモニアストリッピング装置６に至るまで、消化液を移送するのにポンプなどの移送手段を必要としない。メタン発酵槽３内が自然発酵圧０．２ＭＰａ〜５ＭＰａの範囲で加圧されているからである。従って、大幅な設備コストと動力コストの削減効果がある。
【００５０】
メタン生成菌は多種微生物と共存し、他の生物からメタン生成菌生育のための基質の提供を受けている。
【００５１】
メタン発酵槽に導入されるバイオマスは、ルーメン由来の反芻動物糞尿と生ごみの混合物、更に有機性汚泥を混合したものであり、これらのバイオマスには、タンパク質、デンプン、脂肪、繊維質（セルロース）などを含むが、これらの基質は加水分解菌、酸発酵菌などにより低分子化され、メタン生成菌の基質となり、メタン発酵反応を生起させる。
【００５２】
本発明において、メタン発酵汚泥は、ルーメン由来のメタン生成菌を含む汚泥であり、かかる汚泥は、メタン発酵槽内の生物由来の汚泥である。かかる汚泥は１０６〜１０９ｃｅｌｌｓ／ｃｍ３の範囲でメタン生成菌を含んでいる。
【実施例】
【００５３】
以下、実施例により本発明の効果を例証する。
【００５４】
実施例１
１０Ｌの完全混合型メタン発酵用リアクタに、厨芥残渣をホモジナイザでスラリー化したものと排水処理施設で発生する汚泥（濃縮汚泥）を体積比１：１で混合し、さらに、ルーメン由来の搾乳牛糞尿を体積比で１０％、１５％、２０％、２５％混合し、発酵温度を６０℃に設定してバッチ式で最長３０日間メタン発酵試験を行った。
【００５５】
発生したガスは、発酵完了後、ガスホルダーに受け、総量を発酵日数で除して１日あたりのガス発生量を求めた。
【００５６】
比較例１
実施例１において、搾乳牛糞尿の混合割合を０％、５％として同様に発酵試験を行い、１日あたりのガス発生量を求めた。
【００５７】
比較例２
実施例１と同じく、１０Ｌの完全混合型メタン発酵用リアクタに、厨芥残渣をホモジナイザでスラリー化したものと排水処理施設で発生する汚泥（濃縮汚泥）を体積比１：１で混合し、さらに搾乳牛糞尿を体積比で０％、５％、１０％、１５％、２０％混合し発酵温度を５５℃に設定してバッチ式で最長３０日間メタン発酵試験を行った。
【００５８】
発生したガスは、発酵完了後、ガスホルダーに受け、総量を発酵日数で除して１日あたりのガス発生量を求めた。
【００５９】
比較例３
比較例２において、発酵温度を３７℃として同様に発酵試験を行い、１日あたりのガス発生量を求めた。
【００６０】
（評価結果）  
図２に、上記の実験例１および比較例１〜３でのガス発生量と、各バイオマス（搾乳牛分混合率０％、５％、１０％、１５％、２０％、２５％）のＶＳ量をまとめたグラフを示す。
【００６１】
実施例１の搾乳牛糞尿混合率が１０％、１５％、２０％、２５％では同じ発酵温度でも比較例１の搾乳牛糞尿混合率が０％、５％と比較して急激にガス発生量が多くなっていることがわかる。
【００６２】
実施例１の搾乳牛糞尿混合率２０％と、２５％のガス発生量が変わらないのは、搾乳牛糞尿の割合が増加したことで、メタン発酵に利用できるＶＳの量が減ったため、生産量が頭打ちになったと考えられる。
【００６３】
比較例２（メタン発酵温度５５℃）および比較例３（メタン発酵温度３７℃）では搾乳牛糞尿を混合した効果が弱いことがわかる。
【００６４】
中温発酵（３７℃）や従来の一般的な高温発酵（５５℃）では、この効果（ルーメン由来牛糞尿混合効果）は発現しにくいというよりは、むしろストレスに対して発酵阻害を受けにくいため、効果が現れにくい。これに対して、本発明は、上記の６０℃以上９０℃以下の範囲の高温発酵においてＶＳ利用率の高い、本来バイオガス発生量の多い高温でのメタン発酵において効果が発揮されるということが裏付けられた。
【００６５】
実施例２
１０Ｌの完全混合型メタン発酵用リアクタに、厨芥残渣をホモジナイザでスラリー化したものと排水処理施設で発生する汚泥（濃縮汚泥）を体積比１：１で混合し、さらに搾乳牛糞尿を体積比１０％混合したバイオマスを１日１回５００ｍｌ供給しながら発酵温度を６０℃に設定してメタン発酵試験を行った。
【００６６】
十分にメタン発酵が行われているときに、過酸化水素水に浸して酸化処理（Ｏ２をもたせた）を施した汚泥を５００ｍｌ添加し、その翌日からはもとの酸化処理をしていないバイオマスに戻して運転を続け、その後のガス発生量と酸化還元電位（ＯＲＰ）を測定して酸化ストレスによる影響を調べた。
【００６７】
比較例４
実施例２において搾乳牛糞尿混合率を５％とした以外は同様にして、メタン発酵を行った。
【００６８】
比較例５
実施例２において搾乳牛糞尿混合率を０％とした以外は同様にして、メタン発酵を行った。
【００６９】
（評価結果）
図３に実施例２および比較例４、５の結果を示す。
【００７０】
実施例２、比較例４、５を通して、酸化還元電位はほぼ５６０ｍＶであった。酸化処理汚泥による酸化ストレスは測定上酸化還元電位に影響を及ぼさない程度の、瞬間的な酸素の混入と活性酸素種の生成が原因と考えられる。
【００７１】
比較例４、５では酸化処理汚泥を添加によって酸化ストレスを受け、顕著にガス発生量が低下し、最終的にメタン発酵が停止してガスが発生しなくなってしまったが、実施例２ではバイオガス発生量が一時低下したものの６日後にはガス発生量が回復し、酸化ストレスによる発酵阻害が緩和されたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のメタン発酵方法を実施する好ましいシステム例を示す図
【図２】発酵温度３７℃、５５℃、６０℃における搾乳牛糞尿混合率とガス発生量の関係を示すグラフ
【図３】酸化処理汚泥による酸化ストレスの影響を示すグラフ
【符号の説明】
【００７３】
１：貯蔵タンク
２：スクリューポンプ
２０：輸送管
３：メタン発酵槽
３０：加温ヒーター
３１：攪拌機
３２：排出管
４：熱交換器
５：脱気装置
６：アンモニアストリッピング装置
６０：充填材
【図１】
2008253872.tif 000003
【図２】
2008253872.tif 000004
【図３】
2008253872.tif 000005