(57)【要約】【課題】固形物濃度の高い有機性廃棄物を安定してメタン発酵を行なうことができ、システム全体をコンパクトにすることができる処理能力の高い有機性廃棄物のメタン発酵処理装置を提供する。【解決手段】メタン発酵槽３４内に充填する固定化微生物４３を、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体、合成樹脂からなる最大径又は１辺の長さが５〜２０ｍｍの多面体又は粒状体の担体、又は生分解性プラスチックからなる担体にメタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたもので構成する。前記担体は酸化剤で親水化処理したものであることが好ましく、前記酸化剤はオゾンガスであることが好ましい。更に、有機性廃棄物をメタン発酵槽３４内に循環させ、メタン発酵槽３４内の有機性廃棄物の中にメタン発酵により生成したガスを吹き込み、更に有機性廃棄物を例えば撹拌羽根５１で機械的に撹拌しながらメタン発酵を行なうことが好ましい。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項２】
前記担体は、合成樹脂からなる線材で形成された中心紐体と、この中心紐体から放射状に伸びる多数のループ状の線材又は紐体とで構成されている、請求項１に記載のメタン発酵処理装置。
【請求項３】
有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、合成樹脂からなる最大径又は１辺の長さが５〜２０ｍｍの多面体又は粒状体の担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項４】
有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、生分解性プラスチックからなる担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵処理装置。
【請求項５】
前記担体は、不織布、紐体、多面体又は粒状体である、請求項４に記載のメタン発酵処理装置。
【請求項６】
前記担体は、多孔質状のものである、請求項３〜５のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項７】
前記担体は、酸化剤で親水化処理されたものである、請求項１〜６のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項８】
前記酸化剤は、オゾンガスである、請求項７に記載のメタン発酵処理装置。
【請求項９】
前記メタン発酵槽内の有機性廃棄物を循環させて撹拌する手段と、前記有機性廃棄物の中にメタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌する手段と、前記メタン発酵槽内で有機性廃棄物を機械的に撹拌する手段とを備えている、請求項１〜８のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１０】
前記担体は、内部に磁性体となりうる金属及び／又は合金が埋設された多面体、粒状体、多孔質の多面体又は粒状体であって、外部から磁力によって前記担体を流動させる手段を備えている、請求項３〜９のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
【請求項１１】
前記メタン菌は高温メタン菌である、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のメタン発酵処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物の固定床式メタン発酵処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。
【０００３】
メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕・スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができると共に、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。
【０００４】
メタン発酵処理は、投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法が提案されており、例えば、特開平１０−１３７７３０号公報や特開２００１−４６９９７号公報などには、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌を用いて効率的に処理するシステムが開示されている。高温菌は、３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べて２〜３倍の活性を有しており、高温菌でメタン発酵を行なうことで分解速度の向上と消化率の向上を図ることができるとされている。
【０００５】
図１０には、従来のメタン発酵処理装置の一例が示されている。有機性廃棄物は、粉砕機１１で粗砕された後、更に分解速度及び消化率の向上を図るために、微粉砕機１２で微粉砕・ペースト化されてスラリー調整槽１３に投入される。スラリー調整槽１３において、ペースト化された有機性廃棄物は、希釈水により適当な固形物濃度に調整されてスラリー化され、ポンプ１５によりメタン発酵槽１４に送られる。このメタン発酵槽１４には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床２１が設置されており、スラリー状の有機性廃棄物は、ポンプ１５により、メタン発酵槽１４内を循環しながら該嫌気性微生物により分解される。そして、発酵により生成したガスは、ガスホルダー１６に回収され、エネルギーとして利用される。
【０００６】
図１１には、上記固定化微生物の一例が示されている。この固定化微生物２２は、中空円筒状のガラス繊維や炭素繊維等からなる担体２３の外周壁を合成樹脂製の枠体２４で補強したものであり、該担体２３には、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持されている。
【０００７】
上記のようなメタン発酵処理装置を用いて、有機性廃棄物をメタン発酵処理する際の一般的な発酵条件を表１にまとめた。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
表１に示すように、メタン発酵を安定して行なうために、通常、ＴＳ（固形物）濃度１０質量％程度、ＣＯＤ負荷５〜２０ｋｇ−ＣＯＤＣｒ／ｍ３・ｄ、発酵槽内滞留時間１０〜２５日といった発酵条件で行なわれることが多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のメタン発酵処理装置では、有機性廃棄物をメタン発酵させる際にＴＳ濃度をあまり高くすることができないため、充分な処理能力を確保するためには大型の発酵槽が必要であること、更に、発酵残渣の量が多いため、大型の活性汚泥処理槽が必要となることなどから、処理システム全体が大型化してしまうという問題が生じていた。そのため、よりコンパクトで処理能力の高いメタン発酵処理装置が求められていた。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、固形物濃度の高い有機性廃棄物を安定してメタン発酵を行なうことができ、システム全体をコンパクトにすることができる処理能力の高い有機性廃棄物のメタン発酵処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１は、有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵装置を提供するものである。
【００１３】
上記第１の発明によれば、固定化微生物の担体を、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成しているので、該担体の表面積が増加し、担持される嫌気性微生物の数を増やすことができる。そして、この固定化微生物を用いてメタン発酵処理を行なうことにより、有機性廃棄物の処理能力を向上させることができ、発酵残渣の量も低減することができる。その結果、メタン発酵槽を小型化することが可能となり、処理装置全体をコンパクトにすることができる。
【００１４】
本発明の第２は、前記第１の発明において、前記担体は、合成樹脂からなる線材で形成された中心紐体と、この中心紐体から放射状に伸びる多数のループ状の線材又は紐体とで構成されているメタン発酵装置を提供するものである。
【００１５】
上記第２の発明によれば、担体の表面積が更に増加して、担持される嫌気性微生物の数を更に増やした固定化微生物を得ることができ、有機性廃棄物の処理能力を更に向上させることができる。
【００１６】
本発明の第３は、有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、合成樹脂からなる最大径又は１辺の長さが５〜２０ｍｍの多面体又は粒状体の担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００１７】
上記第３の発明によれば、固定化微生物の担体を、合成樹脂からなる特定の大きさの多面体又は粒状体とすることにより、該担体の表面積を増加することができ、担持される嫌気性微生物の数を増やすことができる。また、この固定化微生物は、メタン発酵槽内で流動可能であるため、有機性廃棄物と一緒に撹拌することにより固定化微生物に有機性廃棄物を安定して供給することができる。その結果、効率よくメタン発酵を行なうことができ、メタン発酵槽を小型化することが可能となり、処理装置全体をコンパクトにすることができる。
【００１８】
本発明の第４は、有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置であって、有機性廃棄物が供給されるメタン発酵槽と、このメタン発酵槽内に充填された固定化微生物とを備え、前記固定化微生物は、生分解性プラスチックからなる担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたものからなることを特徴とするメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００１９】
上記第４の発明によれば、固定化微生物の担体として、生分解性プラスチックを用いることにより、該担体に担持される嫌気性微生物の数を増やすことができる。そして、この固定化微生物を用いてメタン発酵処理を行なうことにより、有機性廃棄物の処理能力を向上させることができ、発酵残渣の量も低減することができる。その結果、メタン発酵槽を小型化することが可能となり、処理装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２０】
本発明の第５は、前記第４の発明において、前記担体は、不織布、紐体、多面体又は粒状体である、メタン発酵処理装置を提供するものである。
【００２１】
上記第５の発明によれば、担体の表面積が増加して、担持される嫌気性微生物の数を更に増やした固定化微生物を得ることができ、有機性廃棄物の処理能力を更に向上させることができる。
【００２２】
本発明の第６は、前記第３〜５の発明のいずれかにおいて、前記担体は、多孔質状のものであるメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００２３】
上記第６の発明によれば、嫌気性微生物が担体中の微細な孔に入り込んでより強く付着するので、担体により多くの嫌気性微生物を担持させることができる。また、撹拌等によって、担体から嫌気性微生物が剥がれ落ちることを防止でき、メタン発酵槽内の嫌気性微生物濃度を高く維持することができる。
【００２４】
本発明の第７は、前記第１〜６の発明のいずれかにおいて、前記担体は、酸化剤で親水化処理されたものであるメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００２５】
上記第７の発明によれば、担体を酸化剤で親水化処理することにより、嫌気性微生物をより付着・担持させやすくでき、該担体の単位面積当たりに担持される嫌気性微生物の数を大幅に増やすことができる。
【００２６】
本発明の第８は、前記第７の発明において、前記酸化剤は、オゾンガスであるメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００２７】
上記第８の発明によれば、担体を簡単に親水化処理でき、該担体に嫌気性微生物をより付着・担持させやすくできる。
【００２８】
本発明の第９は、前記第１〜８の発明において、前記メタン発酵槽内の有機性廃棄物を循環させて撹拌する手段と、前記有機性廃棄物の中にメタン発酵により生成したガスを吹き込んで撹拌する手段と、前記メタン発酵槽内で有機性廃棄物を機械的に撹拌する手段とを備えているメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００２９】
上記第９の発明によれば、有機性廃棄物の固形物濃度を高くしても固形物の分離が起こることがなく、固定化微生物に有機性廃棄物を安定して供給することができるので、メタン発酵を安定して行なうことができる。その結果、処理能力を更に向上することができ、発酵残渣の量も低減することができる。
【００３０】
本発明の第１０は、前記第３〜９の発明において、前記担体は、内部に磁性体となりうる金属及び／又は合金が埋設された多面体、粒状体、多孔質の多面体又は粒状体であって、外部から磁力によって前記担体を流動させる手段を備えているメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００３１】
上記第１０の発明によれば、固定化微生物を容易に撹拌することが可能となり、同時に有機性廃棄物も撹拌することができるので、非常に効率よく、かつ安定してメタン発酵を行なうことができる。
【００３２】
本発明の第１１は、前記第１〜１０の発明において、前記メタン菌は高温メタン菌であるメタン発酵処理装置を提供するものである。
【００３３】
上記第１１の発明によれば、活性の高い高温メタン菌を用いることにより、更に効率よく有機性廃棄物をメタン発酵処理することができる。
【００３４】
【発明の実施形態】
以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。
【００３５】
図１〜３には、本発明の有機性廃棄物のメタン発酵処理装置の一実施形態が示されている。図１はメタン発酵処理装置の概略構成図、図２はメタン発酵に用いられる固定化微生物の説明図、図３は前記固定化微生物を充填したメタン発酵槽の一部切欠き図を示す。
【００３６】
図１に示すように、この有機性廃棄物のメタン発酵処理装置は、有機性廃棄物を粗砕する粉砕機３１と、粗砕した有機性廃棄物を更に微粉砕する微粉砕機３２と、微粉砕した有機性廃棄物を貯留するための貯留槽３３と、有機性廃棄物のメタン発酵を行なうメタン発酵槽３４と、発酵により生成したガスを貯留するためのガスホルダー３５とから構成されている。
【００３７】
メタン発酵槽３４内には、メタン菌を主体とした嫌気性微生物（以下、単にメタン菌等という。）が付着・担持された固定化微生物の固定ろ床４０が設置されており、この固定化微生物により有機性廃棄物はメタンガス等のバイオガスと水に分解される。
【００３８】
本実施形態において、固定ろ床４０に配置される固定化微生物は、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体にメタン菌等を付着・担持したものからなり、例えば、図２（ａ）に示すように、紐状の担体４１の両端を枠体４２に固定して、板状とし、これにメタン菌等を付着・担持させて固定化微生物４３を構成している。上記線材を紐状に編み込む方法は、特に制限されないが、本発明においては、図２（ｂ）に示すように、合成樹脂からなる線材で形成された中心紐体４１ａと、この中心紐体４１ａから放射状に伸びる多数のループ状の線材（又は紐体）４１ｂとで構成されていることが好ましい。紐状に編み込んだ担体を用いることにより、担体の表面積が大きくなり、付着・担持できるメタン菌等の数を増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止でき、メタン発酵槽内の嫌気性微生物濃度を高く維持することができる。
【００３９】
そして、固定ろ床４０は、上記固定化微生物を互いに平行になるように規則的に配置して構成することが好ましい。例えば、図３に示すように、複数枚の板状の固定化微生物４３を垂直方向に並列させて配置・充填することができる。これにより、限られた容積内に固定化微生物をより多く充填することができると共に、固定化微生物同士の接触部分を最小限にして、有機性廃棄物と固定化微生物との接触面積を大きくすることができる。
【００４０】
なお、有機性廃棄物を循環させる場合には、上記固定化微生物４３の配列方向を、循環経路に沿った方向とすることが好ましく、それによって循環抵抗を少なくすると共に、固定化微生物表面に有機性廃棄物が均一に接触するようにすることができる。
【００４１】
担体４１を構成する合成樹脂としては、ポリプロピレン、ポリスチレン、ビニロン、塩化ビニリデン、ピリジウムポリマー等が好ましく例示できる。また、上記のような合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んだ紐体は市販されており、例えば、商品名「バイオコード」（ＴＢＲ株式会社製）等を用いることができる。
【００４２】
メタン発酵槽３４は、安定したメタン発酵を行なうために、該発酵槽内の有機性廃棄物を混合・撹拌する手段を備えていることが好ましい。具体的には、図３に示されるように、以下の三つの手段が例示できる。
【００４３】
一つ目は、メタン発酵槽３４の下部に設けられた抜出し口３４ｂから該発酵槽内の有機性廃棄物の一部を抜出し、該発酵槽上部に設けられた投入口３４ａから再び発酵槽内に投入することにより、発酵槽内の有機性廃棄物を循環させながら混合・撹拌する方法である。なお、本実施形態においては、有機性廃棄物の循環は、貯留槽３３から有機性廃棄物をメタン発酵槽３４に送るためのポンプ３６を用いて行なっているが、別途循環用のポンプを用いてもよい。
【００４４】
二つ目は、メタン発酵槽３４の上部に設けられたガス回収口３４ｃから発酵によって生成したガスを回収するとともに、そのガスの一部をガスポンプ３７により該発酵槽３４の下部に設けられたガス吹出し口３４ｄから発酵槽内の有機性廃棄物の中に吹き込んでバブリングする方法である。
【００４５】
三つ目は、メタン発酵槽３４に、モーターによって回転する撹拌羽根６１を取り付けて、該発酵槽内の有機性廃棄物を機械的に混合・撹拌する方法である。
【００４６】
本発明においては、上記三つの混合・撹拌手段を全て備えていることが好ましい。また、メタン発酵槽３４には、該発酵槽内を一定温度に保ち、発酵を促進するためにヒーター等の加熱手段を備えていることが好ましい。
【００４７】
そして、メタン発酵槽３４内で発酵処理された有機性廃棄物の消化液は、該発酵槽３４の底部に設けられた排出口から排出されて、必要に応じて更に活性汚泥処理等の後処理が行なわれる。
【００４８】
また、図４、５には、本発明の別の実施形態が示されている。この実施形態においては、固定化微生物を構成する担体の形状が上記の実施形態と異なっている。図４はメタン発酵に用いられる固定化微生物の説明図、図５は前記固定化微生物を充填したメタン発酵槽の一部切欠き図を示す。なお、以下の実施形態の説明において、前記実施形態と実質的に同一の部分には同符号を付し、その説明を簡略又は省略するものとする。
【００４９】
本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、合成樹脂をサイコロ状（立方体）に形成した担体４４にメタン菌等を担持・付着させて固定化微生物４５を構成している。この場合、担体の形状は各種形状とすることができ、例えば、直方体、八面体、球体、卵型等の多面体又は粒状体に形成することができる。更に、この担体４４は、同図（ｂ）に示すように内部に磁性体となり得る金属又は合金からなる核４４ａが埋設されていることが好ましい。これにより、担体、すなわち固定化微生物の浮き上り等を防止することができる共に外部から磁力によって固定化微生物を流動させることができる。前記磁性体となり得る金属又は合金としては特に制限はなく、具体的には、鉄、ニッケル、コバルト及びそれらの合金等が例示できる。
【００５０】
本発明においては、上記担体４４は発泡体等の多孔質状であることが好ましく、また、その大きさは、最大径又は１辺の長さが５〜２０ｍｍであることが好ましい。このような担体を用いることにより、担体の表面積が大きくなり、付着・担持できるメタン菌等の数を増やすことができると共に担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止でき、メタン発酵槽内の嫌気性微生物濃度を高く維持することができる。また、メタン発酵槽内において、固定化微生物と有機性廃棄物を一緒に撹拌することが可能となり、固定化微生物に有機性廃棄物を安定して供給することができ、非常に効率よく、かつ安定してメタン発酵を行なうことができる。
【００５１】
本実施形態においては、図５に示すように、複数個の上記固定化微生物４５をメタン発酵槽３４内に投入して、上記と同様の手段により、メタン発酵槽内の有機性廃棄物を循環、バブリング及び機械的に混合・撹拌しながらメタン発酵を行なうことが好ましい。また、担体内部に磁性体となり得る金属又は合金が埋設されている場合は、メタン発酵槽外部から、例えば、電磁石等を用いて該担体（固定化微生物）を撹拌することもできる。なお、図５において、メタン発酵槽３４内の上端部及び下端部に設置された金網３５ａ、３５ｂは、固定化微生物４５の浮き上り及び沈降を防止するためのものである。
【００５２】
本実施形態において、上記固定化微生物４５のメタン発酵槽への投入量は、適宜設定できるが、通常、固定化微生物のかさ容積でメタン発酵槽の容積の６〜８割が好ましい。固定化微生物の投入量が多過ぎると、有機性廃棄物及び固定化微生物の撹拌が困難になり、安定してメタン発酵を行なうことができない場合がある。一方、固定化微生物の投入量が少な過ぎると、処理能力が低下して、効率よくメタン発酵を行なうことができない場合がある。
【００５３】
担体４４を構成する合成樹脂は、上記の実施形態の場合と同様のものが好ましく例示できる。また、上記のような合成樹脂を多面体に形成したものとして、例えば、商品名「バイオキューブ」（日本バイリーン株式会社製）等を用いることができる。
【００５４】
また、図６、７には、本発明の更に別の実施形態が示されている。この実施形態においては、固定化微生物を構成する担体の材質が上記の実施形態と異なっている。図６はメタン発酵に用いられる固定化微生物の説明図、図７は前記固定化微生物を充填したメタン発酵槽の一部切欠き図を示す。
【００５５】
本実施形態において用いられる固定化微生物は、図６に示すように生分解性プラスチックからなる担体４６にメタン菌等を付着・担持したものからなる。この場合、担体４６は各種形態とすることができ、例えば、同図（ａ）の例では、担体４６の外周を固定枠４７ａ〜４７ｄで補強して板状とし、これにメタン菌等を付着・担持させて固定化微生物４８を構成している。また、同図（ｂ）の例では、担体４６を円筒形の枠体４９の外周に巻き付けて中空円筒状に成形し、これにメタン菌等を付着・担持させて固定化微生物５０を構成している。また、上記の他の実施形態のように、生分解性プラスチックを紐体に形成した担体を用いることもでき、多面体又は粒状体に形成した担体を用いることもできる。更に、前記多面体又は粒状体に形成した担体の内部には、上記の磁性体となり得る金属又は合金が埋設されていてもよい。
【００５６】
そして、固定ろ床４０は、上記固定化微生物を互いに平行になるように規則的に配置して構成することが好ましい。例えば、図７に示すように、メタン発酵槽３４内に、複数本の中空円筒状の固定化微生物５０を垂直方向に並列に配置・充填したものでもよく、図３と同様にして、複数枚の板状の固定化微生物４８を垂直方向に並列させて配置・充填したものでもよい。これにより、限られた容積内に固定化微生物をより多く充填することができると共に、固定化微生物同士の接触部分を最小限にして、有機性廃棄物と固定化微生物との接触面積を大きくすることができる。また、多面体又は粒状体に形成した担体の場合、その投入量は、上記の実施形態の場合と同様に固定化微生物のかさ容積でメタン発酵槽の容積の６〜８割が好ましい。
【００５７】
なお、有機性廃棄物を循環させる場合には、上記固定化微生物５０（又は固定化微生物４８）の配列方向を、循環経路に沿った方向とすることが好ましく、それによって循環抵抗を少なくすると共に、固定化微生物表面に有機性廃棄物が均一に接触するようにすることができる。
【００５８】
担体４６を構成する生分解性プラスチックとしては、ポリ（β−ヒドロキシ酪酸）、ポリεカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリ乳酸等が好ましく例示できる。生分解性プラスチックは、他の合成樹脂に比べて、メタン菌等が付着しやすいので担体の単位面積当たりに付着・担持できるメタン菌等の数を増やすことができる。また、本実施形態においては、上記生分解性プラスチックを多孔質状に成形したものが好ましく用いられ、例えば、不織布や発泡体などが好ましく用いられる。このような多孔質状の担体を用いることにより、担体の表面積を増大することができるので、該担体に付着・担持できるメタン菌等の数を更に増やすことができる。また、担体内部にまでメタン菌等を付着・担持できるので、撹拌等によって担体に付着したメタン菌等が剥がれ落ちるのを防止でき、メタン発酵槽内の嫌気性微生物濃度を高く維持することができる。
【００５９】
そして、メタン発酵槽３４は、安定したメタン発酵を行なうために、上記の他の実施形態と同様に該発酵槽内の有機性廃棄物を混合・撹拌する手段を備えていることが好ましい。
【００６０】
本発明のメタン発酵処理装置に用いられる担体（４１、４４、４６）は、酸化剤で親水化処理されていることが好ましい。酸化剤としては、オゾン、酸素プラズマ、過酸化水素等が例示できるが、簡便性の点からオゾンガスを用いることが好ましい。これにより、担体表面に酸素を含む親水性の官能基、例えば、水酸基（−ＯＨ）やカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等が形成されるので、該担体表面へのメタン菌等の付着性を大幅に向上することができる。オゾンガスによる担体の親水化処理は、担体を所定濃度のオゾンガスに所定時間暴露することにより行なうことができる。オゾンガスの濃度や暴露時間は、担体の大きさや樹脂の種類等によって適宜設定すればよく、例えば、ポリスチレン樹脂からなる担体の場合、常温下で、１，０００〜１００，０００ｐｐｍのオゾンガスに０．５〜２時間暴露すればよい。
【００６１】
図８には、ポリスチレン基材を１，０００ｐｐｍのオゾンガスで一定時間暴露処理した際の、該基材と水との接触角の関係が示されている。図８から、オゾン処理時間が長くなるにしたがって接触角が小さくなり、ポリスチレン基材の表面の親水性が高くなっていることが分かる。
【００６２】
また、図９には、オゾン処理したポリスチレン基材とヒト歯根膜細胞との接着率が示されている。図９から、オゾン処理したポリスチレン基材は、未処理のものに比べて細胞の接着率が約２倍ほど高く、更に、オゾン処理時間に比例して細胞の付着率が高くなっており、ポリスチレン基材をオゾン処理することにより、該基材への細胞の付着性が大幅に改善されていることが分かる。したがって、このような親水化処理した担体を用いることにより、該担体へのメタン菌等の付着性を大幅に改善できることが分かる。
【００６３】
また、担体にメタン菌等を付着・担持させる方法は、特に制限はなく、例えば、担体を、メタン菌等の培養液、メタン発酵槽内の消化汚泥、メタン菌等を含む下水消化汚泥等に浸漬して、そのまま１〜２時間、より好ましくは２４時間以上培養することにより、該担体にメタン菌等を付着・担持させることができる。
【００６４】
本発明においては、高温メタン菌を主体とする嫌気性微生物が好ましく用いられる。高温メタン菌とは、最大活性を示す温度域が５０〜５７℃であるメタン菌を意味し、具体的には特開平１０−１３７７３０号公報等に記載された高温メタン菌等が例示できるがこれらに限定されるものではない。例えば、メタン発酵槽内の消化汚泥や下水消化汚泥中には、高温メタン菌等の高温域で高い活性を示す嫌気性微生物以外に、低温メタン菌（最大活性を示す温度域：１５〜２０℃）、中温メタン菌（最大活性を示す温度域：３０〜３７℃）等が含まれており、このような消化汚泥を嫌気性条件下、５０〜６０℃で７〜２１日間発酵させることにより、高温メタン菌を主体とする嫌気性微生物を含む消化汚泥を得ることができるので、これに担体を浸漬することにより、高温メタン菌等を付着・担持させることができる。
【００６５】
本発明のメタン発酵処理装置においては、飲食店や一般家庭等から排出される生ゴミや、食品工場等から排出される食品加工残渣、屎尿、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物は、粉砕機３１により粗砕された後、更に微粉砕機３２により微粉砕されて貯留槽３３に投入される。メタン発酵処理に供する有機性廃棄物を微粉砕することにより、分解速度及び消化率を向上することができる。通常、原料となる有機性廃棄物の含水量は高いので微粉砕することによりペースト状になる。従来のメタン発酵処理装置では、メタン発酵を安定して行なうためにペースト状の有機性廃棄物に加水して固形物濃度の調整を行なう必要があったが、本発明のメタン発酵処理装置は、固形物濃度が高くてもメタン発酵を安定して行なうことができるので、ほとんどの場合において加水しなくてもよいが、必要に応じて加水してもよい。加水する場合は、固形物濃度１０〜２０質量％となるように調整することが好ましい。
【００６６】
貯留槽３３に投入されたペースト状の有機性廃棄物は、ポンプ３６により、メタン発酵槽３４に送られ、該発酵槽内でメタン発酵が行なわれる。そして、発酵により生成したガスはガスホルダー３５に回収されて、エネルギー等として使用される。例えば、回収されたガスの一部を、メタン発酵槽３４内の温度を一定に保つためのヒーターの燃料として用いることにより、システムの省エネルギー化を図ることができる。
【００６７】
メタン発酵槽３４には、上記のようにメタン菌等を非常に多く担持した固定化微生物が充填されているので非常に処理能力が高い。更に、上記のような各種混合・撹拌手段により、固定化微生物に安定して有機性廃棄物を供給できるので、固形物濃度の高い有機性廃棄物であっても安定して効率よくメタン発酵を行なうことができ、発酵残渣も低減することができる。その結果、処理システム全体をコンパクトにすることができる。
【００６８】
本発明のメタン発酵処理装置におけるメタン発酵の条件は、有機性廃棄物の性状等によって適宜設定すればよいが、例えば、固形物濃度２０質量％の有機性廃棄物を処理する場合は、ＣＯＤ負荷１０〜４０ｋｇ−ＣＯＤＣｒ／ｍ３・ｄ、発酵槽温度５０〜６０℃、発酵槽内滞留時間１０日以下で行なうことができる。
【００６９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。なお、以下の例においては、有機性廃棄物として表２に示す性状の模擬生ゴミスラリーを調製して用い、担体のオゾン処理は、１，０００ｐｐｍのオゾンガス中に担体を３０分間以上放置して行なった。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
実施例１
上記の模擬生ゴミスラリーをメタン発酵槽（容積２Ｌ）に投入し、表３に示す合成樹脂製の担体（Ａ〜Ｄ）を浸漬して、５５℃でメタン発酵を行なった。投入負荷はＨＲＴ（水理学的滞留時間）＝４０日（４．５ｇＣＯＤＣｒ／Ｌ／日）で行なった。
【００７２】
【表３】
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【００７３】
そして、１ヶ月後に担体を取り出し、以下の方法により担体に付着・担持されたメタン菌を分離して、その菌数を測定した。すなわち、メタン発酵槽から取り出した担体を、０．３Ｍリン酸緩衝液（ｐＨ８．０）に入れて超音波処理（３０分間）して担体から菌を分離し、菌体を含む処理液を得た。この処理液を１０倍に希釈し、超音波処理（５分間）した後、２０μｍのフィルターで濾過した。得られた濾液２００μＬに、ｐＨ調整液（０．３Ｍリン酸緩衝液、ｐＨ８．０）１００μＬを加え、超音波処理（１５分間）した後、ＤＡＰＩ溶液（ＤＡＰＩ（４’，６−ｄｉａｍｉｄｉｎｏ−２−ｐｈｅｎｙｌｉｎｄｏｌｅ）１ｍｇを純水１ｍＬに溶解したもの）２４μＬを加えた。ＤＡＰＩ溶液を添加してから３分後に、蛍光顕微鏡（型式「Ｎｉｃｏｎ−Ｅ８００」、ニコン株式会社製、励起フィルター：３８０〜４２０ｎｍ、ダイクロイックミラー：４３０ｎｍ、蛍光フィルター：４５０ｎｍ）を用いて観察を行ない、その画像を記録した。記録した画像は、画像解析ソフト「Ｏｐｔｉｍａｓ−ｖｅｒ６．１」（商品名、Ｍｅｄｉａ　Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製）で処理した後、パーティクルカウントにより菌数を測定し、上記処理液１ｍＬ中に含まれる菌数を計算した。
【００７４】
実施例２
上記の模擬生ゴミスラリーを投入したメタン発酵槽（容積２Ｌ）に、表４に示す合成樹脂製の担体（担体Ｅ、Ｆ）をかさ容量で１０００ｍＬ入れ、撹拌羽根で１日３回、１５分間、撹拌（３００ｒｐｍ）した以外は、実施例１と同様の条件でメタン発酵処理を行ない、１ヶ月後に担体に付着・担持された菌数を測定した。
【００７５】
【表４】
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【００７６】
実施例３
上記の模擬生ゴミスラリーを投入したメタン発酵槽（容積２Ｌ）に、表５に示す生分解性プラスチック製の担体を１個入れて、実施例１と同様の条件でメタン発酵処理を行ない、１ヶ月後に担体に付着・担持された菌数を測定した。
【００７７】
【表５】
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【００７８】
実施例４
上記担体Ａ、Ｅ、又はＧを用い、３５℃でメタン発酵を行なった以外は、実施例１又は２と同様の条件でメタン発酵処理を行ない、１ヶ月後に担体に付着・担持された菌数を測定した。
【００７９】
比較例１
５ｃｍ角のポリエチレン製の担体（以下、担体Ｌという。）を用いた以外は、実施例１と同様の条件でメタン発酵処理を行ない、１ヶ月後に担体に付着した菌数を測定した。
【００８０】
比較例２
メタン発酵槽（容積２Ｌ）に上記の模擬生ゴミスラリーを投入して、担体を用いずにそのまま実施例１と同様の条件でメタン発酵処理を行なった。そして、１ヶ月後に消化汚泥を１０倍に希釈し、超音波処理（５分間）した後、２０μｍのフィルターで濾過した。得られた濾液を用いて実施例１と同様にして菌数を測定した。
【００８１】
上記の各実施例及び比較例において、担体に付着・担持された菌数の測定結果を表６に示す。
【００８２】
【表６】
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【００８３】
表６から、比較例１、２に比べて、実施例１〜４においては、担体に付着・担持された菌数が非常に多く、特に、酸化剤で親水化処理した担体を用いることにより、付着・担持される菌数を更に増やすことができることが分かる。したがって、これらの担体を用いることにより、有機性廃棄物の処理能力を大幅に向上できることが分かる。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、メタン発酵槽内に充填する固定化微生物を、合成樹脂からなる線材を紐状に編み込んで形成した担体、合成樹脂からなる特定の大きさの多面体又は粒状体の担体、又は生分解性プラスチックからなる担体に、メタン菌を主体とする嫌気性微生物を担持させたもので構成したことにより、該担体の単位面積当たりに担持された嫌気性微生物の数を大幅に増やすことができる。また、上記担体を酸化剤で親水化処理することにより、該担体の単位面積当たりに担持される嫌気性微生物の数を更に大幅に増やすことができる。その結果、有機性廃棄物の処理能力を大幅に向上させることができ、また、安定してメタン発酵を行なうことができるので、メタン発酵槽を小型化することが可能となり、処理装置全体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】メタン発酵に用いられる固定化微生物の一例を示す説明図であり、（ａ）は紐状の担体を枠体に固定した固定化微生物の例を示す図、（ｂ）は紐状の担体の断面を模式的に示した図である。
【図３】固定化微生物を充填したメタン発酵槽の一例を示す説明図であり、図２（ａ）に示す固定化微生物を充填した例を示す一部切欠き斜視図である。
【図４】メタン発酵に用いられる固定化微生物の別の一例を示す説明図であり、（ａ）はサイコロ状に形成した担体を用いた固定化微生物の例を示す図、（ｂ）は該担体の断面を模式的に示した図である。
【図５】固定化微生物を充填したメタン発酵槽の別の一例を示す説明図であり、図４に示す固定化微生物を充填した例を示す一部切欠き斜視図である。
【図６】メタン発酵に用いられる固定化微生物の更に別の一例を示す説明図であり、（ａ）は板状の固定化微生物の例を示す図、（ｂ）は中空円筒状の固定化微生物の例を示す図である。
【図７】固定化微生物を充填したメタン発酵槽の一例を示す説明図であり、中空円筒状の固定化微生物を充填した例を示す一部切欠き斜視図である。
【図８】ポリスチレン基材をオゾンガスで一定時間暴露処理した際の、該基材と水との接触角の関係を示す図である。
【図９】オゾン処理したポリスチレン基材とヒト歯根膜細胞との接着率を示す図である。
【図１０】従来のメタン発酵処理装置の一例を示す概略構成図である。
【図１１】従来のメタン発酵処理装置に用いられている固定化微生物の一例を示す説明図であり、（ａ）は固定化微生物の全体斜視図、（ｂ）は固定化微生物の担体の斜視図、（ｃ）は担体を補強する枠体の斜視図である。
【符号の説明】
３１　粉砕機
３２　微粉砕機
３３　貯留槽
３４　メタン発酵槽
３５　ガスホルダー
３６　ポンプ
３７　ガスポンプ
４０　固定ろ床
４１、４４、４６　担体
４２　固定枠
４３、４５、４８、５０　固定化微生物
４４ａ　核
４７ａ〜４７ｄ　固定枠
６１　撹拌羽根
Ｍ　モーター
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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