(57)【要約】【課題】アンモニアによるメタン生成の阻害を実質上問題のない程度に抑え、特に低水分含量の有機性廃棄物を効率的に処理することができる有機性廃棄物の処理方法を提供すること。【解決手段】有機性廃棄物を嫌気消化する有機性廃棄物の処理方法であって、（１）種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程、並びに（２）工程（１）を経た有機性廃棄物をメタン生成処理する工程を含む有機性廃棄物の処理方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を嫌気消化する有機性廃棄物の処理方法であって、
（１）種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程、並びに
（２）工程（１）を経た有機性廃棄物をメタン生成処理する工程
を含む有機性廃棄物の処理方法。
【請求項２】
有機性廃棄物の水分含量が７０〜９５重量％である請求項１記載の方法。
【請求項３】
有機性廃棄物のＶＳ濃度が４．５〜２７重量％である請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
４５〜６５℃の温度条件下で有機性廃棄物を分解・酸生成処理する請求項１〜３いずれか記載の方法。
【請求項５】
種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する第１発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段と、アンモニア除去後の有機性廃棄物をメタン生成処理する第２発酵槽と、第１発酵槽から第２発酵槽へ有機性廃棄物を移送する手段とを有する有機性廃棄物の処理装置。
【請求項６】
種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程を含む有機性廃棄物中の窒素の除去方法。
【請求項７】
４５〜６５℃の温度条件下で有機性廃棄物を分解・酸生成処理する請求項６記載の方法。
【請求項８】
種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段とを有する有機性廃棄物中の窒素の除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糞尿、余剰汚泥等の有機性廃棄物の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家畜や人の糞尿や食物残渣、並びに下水処理場からの余剰汚泥等の有機性廃棄物は一般に嫌気消化処理され、それにより、その減容化と同時に有価資源であるメタンガスの回収が行われている。しかし、処理すべき有機性廃棄物の水分含量が低くＶＳ〔有機性廃棄物中の有機物濃度（重量％）〕が２重量％を越えるとメタン生成が低下、乃至は停止する。このため、通常、予め有機性廃棄物を粉砕し、水で薄め、そのＶＳを１〜０．５重量％まで低くして嫌気消化が行われている。それゆえ、有機性廃棄物の乾燥重量換算で、その重量の少なくとも５０〜２００倍の容積の処理槽が必要となる。
【０００３】
ＶＳを高めることにより、より小さな処理槽での嫌気消化が可能となる。しかし、並行的に生成されるアンモニアによるメタン生成の阻害により、有効な、乃至は全くメタン回収が行えない問題が生じる。
【０００４】
アンモニアによるメタン生成の阻害を回避する技術としては、例えば、元々遊離アンモニア濃度の高い家畜糞尿を予めアルカリ下で脱アンモニア処理した後、固体成分と液体成分とに分離し、得られた固体成分に対しメタン発酵を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この方法は遊離アンモニアが除かれるだけで、固体成分中の含窒有機物が取り除かれるわけではないので、アンモニアによるメタン生成の阻害を全過程を通じて実質上問題とならない程度に抑えることは出来ない。
【０００５】
また、前段処理槽である酸発酵槽の内容物の一部をアルカリ槽に移して脱アンモニアした後にメタン発酵に回し、再度、それを酸発酵槽に戻し、処理物を循環させながらアンモニアの阻害を除去する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかし、処理物をアルカリ性→中和→アルカリ性→中和というサイクルで処理する必要から常に処理物の一部を循環させなければならないところ、通常、ＶＳが５重量％を越えると処理物に流動性がなくなるので、その循環が難しくなるだけでなく定常的なｐＨ調整も難しくなり、実現性を欠く。
【０００６】
処理物を高温度でアルカリ処理することにより含窒性廃棄物中のアンモニアを遊離させたり、また、遊離したアンモニアをガス状にして除去することによりアンモニアによるメタン生成の阻害を除去して嫌気消化する方法が提案されている。例えば、熱アルカリ処理で有機性廃棄物の可溶化を行いアンモニアを遊離させ、固液分離した液体成分に、メタン発酵の際の生成ガスを通して遊離アンモニアを除去する方法（特許文献３参照）、有機性廃棄物のｐＨを８〜１０に調整しアルカリ状態にして１５０〜３５０℃の高温度で可溶化を行い、アンモニアを遊離させ、これを除去する方法（特許文献４及び５参照）、ｐＨを１０以上とし、温度を３５〜１００℃として有機性廃棄物を可溶化し、アンモニアの遊離とガス化を行ってアンモニアを除去する方法（特許文献６参照）等が挙げられる。
【０００７】
以上掲げた一連の先行例では何れも、有機性廃棄物中の含窒有機物からアンモニアを遊離させるのにアルカリ処理乃至は熱アルカリ処理を共通に行っている。
【０００８】
ところで、含窒有機物の代表であるタンパク質の構成はアミノ酸のペプタイド結合によりなっていることは良く知られており、嫌気消化におけるメタン生成の阻害を引き起こすアンモニアの主たる由来はアミノ酸中のアミンに由来する。
【０００９】
よって、アンモニアによるメタン生成の阻害を回避する観点からは、タンパク質中のアミノ酸のアミン由来のアンモニアをいかに効率的に除去するかが重要であると考えられるが、前記のアルカリ処理乃至は熱アルカリ処理によりタンパク質から分離されるアンモニアはペプタイド結合由来のアミンではなく、タンパク質分子中の酸性アミノ酸の遊離カルボキシル基と結合したアミンに由来し、よって、そのような処理で遊離するアンモニアはタンパク質中の全窒素中１０〜１５モル％に過ぎず、ほとんどの窒素はペプタイド結合として残存している（非特許文献１参照）。
【００１０】
この点に着目したアンモニアによるメタン生成の阻害を回避する方法としては、有機性廃棄物の嫌気消化を行う前に３０〜４５℃の生物学的な処理を行い、含窒有機物よりアンモニアを生成させ、生成アンモニアを除去する方法が挙げられるが、ＴＳ濃度〔有機性廃棄物中の固形分濃度（重量％）〕が５％を越える場合は検討されていない（特許文献７参照）。
【００１１】
従って、これらの先行技術はいずれも、含窒有機物からを窒素をアンモニアとして脱離させて除去し、アンモニアによるメタン生成の阻害を回避して有機性廃棄物を嫌気消化する方法としては充分なものであるとは言えない。
【特許文献１】特願平１１−７１１３７号公報
【特許文献２】特願２００２−２５３３２号公報
【特許文献３】特願２００１−２０４９２１号公報
【特許文献４】特願２００１−２６６３４６号公報
【特許文献５】特願２００１−２２７３５９号公報
【特許文献６】特願２０００−３７５７２２号公報
【特許文献７】特願２００２−１８０９４４号公報
【非特許文献１】赤堀四郎編「タンパク質化学Ｉ」共立出版、昭和２９年４月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、アンモニアによるメタン生成の阻害を実質上問題のない程度に抑え、特に低水分含量の有機性廃棄物を効率的に処理することができる有機性廃棄物の処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、本発明は、
[１]  有機性廃棄物を嫌気消化する有機性廃棄物の処理方法であって、
（１）種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程、並びに
（２）工程（１）を経た有機性廃棄物をメタン生成処理する工程
を含む有機性廃棄物の処理方法、
[２]  有機性廃棄物の水分含量が７０〜９５重量％である前記[１]記載の方法、
[３]  有機性廃棄物のＶＳ濃度が４．５〜２７重量％である前記[１]または[２]記載の方法、
[４]  ４５〜６５℃の温度条件下で有機性廃棄物を分解・酸生成処理する前記[１]〜[３]いずれか記載の方法、
[５]  種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する第１発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段と、アンモニア除去後の有機性廃棄物をメタン生成処理する第２発酵槽と、第１発酵槽から第２発酵槽へ有機性廃棄物を移送する手段とを有する有機性廃棄物の処理装置、
[６]  種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程を含む有機性廃棄物中の窒素の除去方法、
[７]  ４５〜６５℃の温度条件下で有機性廃棄物を分解・酸生成処理する前記[６]記載の方法、
[８]  種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段とを有する有機性廃棄物中の窒素の除去装置
に関する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、（１）低水分含量の有機性廃棄物より高効率にメタン回収が行え、（２）該廃棄物は低水分含量であるので、その処理容積を従来法よりも飛躍的に小さくでき、従って、処理装置の設置面積やランニングのコストを大幅に低減でき、また、（３）非遊離状態の窒素を含む有機性廃棄物だけでなく、遊離アンモニア濃度の高い家畜や人糞尿の如き有機性廃棄物も同様に効率的に処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、有機性廃棄物の嫌気消化過程でのアンモニア消長に関してこれまでに知られていなかった新規な事実を見いだしたことに基づいてなされたものである。
【００１６】
一般に、低ＶＳでメタン発酵が可能となるのは、生成するアンモニアが含有水で希釈されて阻害濃度に達しないためと解釈できる。また従来大鋸屑や生ゴミなどを処理対象物に添加することにより比較的高いＶＳでのメタン発酵が、経験的ではあるが実現されている。こうした添加物は低ＶＳ時の水と同様に阻害物質であるアンモニアを希釈する役割を実質的に果たしていると発明者達は考えた。
【００１７】
後述の参考例において、嫌気消化に関わる菌の供給源として発明者等が用いた低ＶＳで嫌気消化を行った脱水汚泥はその消化過程ですでに十分にアンモニアが生成しており、さらなるアンモニアが生成しない。かかる背景より該参考例に於いて用いた当該嫌気消化汚泥は、嫌気消化においては阻害物質を希釈する役割は水と等価であるとの着眼をなし、処理対象汚泥のみをＶＳの実態として扱うことにより、本明細書で述べる新知見を得た。
【００１８】
なお、一般に有機性廃棄物の水分含量の高低は、該廃棄物のＶＳの低高と相関するため、本明細書において水分含量の高低とＶＳの低高とは同意義を有するものとして扱う。よって、例えば、低水分含量とは高ＶＳと同意義を有する。
【００１９】
一般に嫌気消化過程では、酢酸生成菌や酪酸生成菌等により含窒有機物から酸生成とアンモニアの遊離が行なわれ（分解・酸生成）、そして、メタン生成菌により、生成した有機酸のメタンへの変換が行われる（メタン生成）。しかし、実際はこれら一連の分解反応は混然と進行するので、酸・アンモニア生成とメタン生成の各過程を分けることは難しいと考えられていた。
【００２０】
しかしながら、有機性廃棄物として余剰汚泥を用い、その嫌気消化過程でのアンモニアの消長を詳細に検討したところ、意外にも、酸・アンモニア生成の過程とメタン生成の過程とは分離できること、および発酵汚泥の一部を種汚泥として用いると高効率なアンモニア生成を行うことができることを新たに見いだした。検討の詳細については、後述の参考例および実施例に示す。
ここで、「分離できる」とは、有機性廃棄物の嫌気消化過程において分解・酸生成が優先的に行われる過程とメタン生成が優先的に行われる過程とを分け得ることをいうが、嫌気消化の全過程としてみれば両過程が重複する場合があってもよい。
【００２１】
すなわち、余剰汚泥におけるタンパク質等の含窒有機物中の窒素のアンモニア転換率は、図１に示されるように、余剰汚泥のＶＳとは無関係に、嫌気消化の最初の３〜５日の内に、驚くべきことに全窒素の６５〜７０モル％に至った。酢酸生成菌やメタン生成菌等の生菌由来のタンパク質が共存することを考慮すると、アンモニアに転換可能な窒素の８０〜９０モル％が遊離したことになり、この割合は、熱アルカリ処理下での一般的なアンモニア転換率１５〜２０モル％と比較すると、驚異的に高い数値である。
【００２２】
一方、酢酸等の有機酸やメタンの生成はＶＳが高値になるほど進行が遅れ、特にメタン生成は、図２に示すように、余剰汚泥のＶＳが１０重量％以上の場合、実質的に全く進行しなかった。メタン生成速度がアンモニアにより阻害を受ける程度を、アンモニア濃度を変えて検討したところ、図３に示すように2,000ppmのとき５０％の生成阻害が認められた。更に濃度が5,000ppmを越えるとメタン生成は１０％以下となった。
【００２３】
また、余剰汚泥の嫌気消化の過程（培養日数：２５日間）で汚泥中のアンモニア濃度の消長を調べた結果では、ＶＳが２０重量％ではアンモニア濃度が8,500ppmとなり、図４に示すように、ＶＳが１０重量％では4,000ppm、ＶＳが５重量％では2,500ppm、ＶＳが４重量％ではその濃度は終始2,000ppm以下であった。図２と図４とを対比観察すると、メタン生成が起きなかった高ＶＳの領域ではアンモニア濃度が3,000ppm以上に達していることが分かる。
【００２４】
さらに、低アンモニア含量の馴養汚泥に酢酸を添加し、ＶＳを変えた（水分含量を減じて）モデル汚泥を用いた９日間の嫌気消化実験の結果では、図５に示すようにＶＳが２０重量％であってもメタン生成が認められた。
【００２５】
以上の結果を総合的に評価した結果、嫌気消化の初期段階において有機性廃棄物の分解・酸生成処理を優先的に行い、生じたアンモニアを除去し、次の段階においてメタン発酵によるメタン生成処理を行うことにより、処理対象の有機性廃棄物のＶＳが高い状態にあっても、効率的に処理できると予測された。そこで、そのような２段階の嫌気消化を高ＶＳの有機性廃棄物に対して行ったところ、驚くべきことに、従来、実質的に不可能であった該廃棄物の処理を非常に効率的に実施しうることが明らかとなった。
【００２６】
なお、本明細書において、「高ＶＳ」とはＶＳが２重量％を越えること、また、「低水分含量」とは水分含量が９８重量％未満であることをいう。
【００２７】
本発明の処理方法における処理対象としての有機性廃棄物としては、特に限定されるものではないが、本発明の処理方法は、低水分含量の有機性廃棄物の処理に好適に用いられる。処理効率を高める観点から、有機性廃棄物の水分含量としては、好ましくは７０重量％以上９８重量％未満、より好ましくは７０〜９５重量％、さらに好ましくは８０〜９５重量％である。該廃棄物のＶＳとしては、同じく処理効率を高める観点から、好ましくは２重量％を越え３０重量％以下、より好ましくは４．５〜２７重量％、さらに好ましくは５〜２０重量％、さらにより好ましくは５〜１５重量％である。
【００２８】
処理対象の有機性廃棄物が低水分含量でない場合は、例えば、遠心濃縮機、汚泥脱水機等の公知の脱水処理方法により脱水して処理前に予め低水分含量としておくのが好ましい。なお、水分含量は、有機性廃棄物の初期重量と水分蒸発後の残留物の重量とを測定し、その重量差（初期重量−残留物重量）を初期重量で除して１００を乗ずることにより求めることができる。蒸発条件としては、１０５〜１１０℃で２時間が挙げられる。また、有機性廃棄物のＶＳが高ＶＳでない場合、予め高ＶＳとしておくのが好ましい。該廃棄物の水分含量を低下させることによりＶＳは高まるので、前記のようにして有機性廃棄物の水分含量を低下させ、所望の値に調整すればよい。なお、ＶＳ濃度は、試料を１０５〜１１０℃で２時間加熱乾燥したときに残留する被加熱処理試料の重量をＴＳとし、さらにこの被加熱処理試料を６００℃±２５℃で１時間強熱灰化したときに残留する被強熱灰化試料の重量をＩＲとして、「ＴＳ−ＩＲ」を処理前の試料の重量に対する「％」で表すことにより求めることができる。
【００２９】
また、本発明の処理方法は、特に含窒有機物を高含有する有機性廃棄物の処理に非常に好適である。有機性廃棄物中の含窒有機物の含量としては、特に限定されるものではないが、例えば、３〜１０重量％程度である。
【００３０】
処理対象としての有機性廃棄物の具体例としては、非遊離状態の窒素を多く含む、余剰汚泥、下水汚泥、と殺場廃棄物等や、遊離アンモニア濃度の高い、家畜や人の糞尿等が挙げられる。
【００３１】
本発明の処理方法は、有機性廃棄物を嫌気消化する有機性廃棄物の処理方法であって、
（１）種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程、並びに
（２）工程（１）を経た有機性廃棄物をメタン生成処理する工程
を含む有機性廃棄物の処理方法である。工程（１）において、嫌気消化過程における分解・酸生成処理を優先的に行い、次の工程（２）において、メタン発酵によるメタン生成処理を優先的に行う。工程（１）及び（２）は同一の系内（例えば、１つの発酵槽内）で行われても、異なる系内（例えば、別個の２つの発酵槽内）で行われてもよいが、処理効率を高める観点からは、異なる系内で行うのが好ましい。以下、説明を簡略化する観点より、異なる系内で有機性廃棄物を処理する態様について説明する。
【００３２】
工程（ａ）における有機性廃棄物の分解・酸生成処理は分解・酸生成菌を用いて行う。該処理は、使用する分解・酸生成菌に応じて温度、ｐＨ、処理時間等の条件を最適化し、分解・酸生成菌を有機性廃棄物に作用させることにより行うことができる。該処理により、有機性廃棄物は酢酸等の有機酸に変換されると共に、それに含まれる含窒有機物の窒素はアンモニアに変換される。なお、該処理の際には、処理効率を高める観点から、該廃棄物を適宜撹拌するのが好ましい。該処理は、通常、有機性廃棄物中の含窒有機物由来の窒素の５０〜７０モル％が遊離アンモニアに変換された時点で終了すればよい。有機性廃棄物中の窒素含量は公知の方法により測定することができる。
【００３３】
前記分解・酸生成菌としては、特に限定されるものではないが、例えば、Clostridium属、Bacteroides属、Butyrivibrio属、Fusobacterium属、Enterobacter属、Streptococcus属、Peptococcus属細菌等が好適に使用される。これらの細菌は、より小さな処理面積で高効率な処理を可能にする観点から、分解・酸生成処理を行う系内で、任意の担体に担持されているのが好ましい。分解・酸生成処理は、好気的に行っても嫌気的に行ってもよいが、嫌気的に行うのが好ましい。
【００３４】
有機性廃棄物の分解・酸生成処理を行う際には、処理効率を高める観点から、種汚泥を用いる。種汚泥の使用方法としては、有機性廃棄物と種汚泥とを混合して分解・酸生成処理に供すればよい。種汚泥の使用量としては、任意の量を使用することができるが、効率的な分解・酸生成処理の観点から、例えば、有機性廃棄物１００重量部に対し種汚泥を１０〜５０重量部程度混合することが好ましい。種汚泥の使用により、分解・酸生成処理の処理時間を短縮することができる。種汚泥としては、高温嫌気消化法に従って、通常、３０〜６５℃程度、好ましくは４５〜６５℃、より好ましくは５０〜６０℃、さらに好ましくは５５℃程度で１５〜５０日間程度に渡り、余剰汚泥などの有機性廃棄物を嫌気培養に供して得られた汚泥や、嫌気消化に関わる菌で十分嫌気消化を行った後の脱水汚泥を使用することができるが、これに限定されない。高温嫌気消化法については、例えば、廃水の生物学的処理（WW.ECKENFELDER. Jr、D.J. O'CONNOR共著、岩井重久訳、コロナ社、１９６５年）参照のこと。
【００３５】
また、バッチ方式で継続的に有機性廃棄物の分解・酸生成処理を行う場合には、前バッチで処理した有機性廃棄物の任意の量を該処理が行われた系内に残し、これを種汚泥として新しい有機性廃棄物を導入して処理することで、より安定した分解・酸生成処理が可能となる。前バッチから残す種汚泥の量としては、任意の量を残すことができるが、効率的な分解・酸生成処理の観点から、例えば１〜５割、好ましくは１〜３割程度を残すことが好ましい。
【００３６】
さらに、同じく処理効率を高める観点から、有機性廃棄物の分解・酸生成処理を行う際に有機性廃棄物にビタミン等の栄養分を添加したり、該廃棄物のＣ／Ｎ（炭素含量／窒素含量比）比の調整等を行ってもよい。
【００３７】
さらに、分解・酸生成処理を促進する観点から、有機性廃棄物を、予め乾式の嫌気性又は好気性の条件下で可溶化しておくのも好ましい。かかる可溶化は、公知の方法、例えば、高温加熱、オゾン処理、超音波処理、機械的方法等により行うことができる。
【００３８】
分解・酸生成処理を行う際の温度としては、通常、約３０〜約６５℃程度であるが、処理効率を高める観点から、４５〜６５℃以下が好ましく、５０〜６０℃がより好ましく、５５℃前後がさらに好ましい。有機性廃棄物と種汚泥との混合物のｐＨとしては、通常、５〜９程度である。また、有機性廃棄物の分解・酸生成処理時間としては、通常、２〜７日間程度である。
【００３９】
有機性廃棄物の分解・酸生成処理により生じたアンモニアの除去方法としては、アンモニアを除去できれば特に限定されるものではないが、有機性廃棄物のｐＨをアルカリ側に調整し、加熱することで系外にアンモニアを取り出す、熱アルカリ処理方法が好ましい。かかる方法では、例えば、ｐＨを８．５〜１０程度、好ましくは９．５前後に調整し、電気ヒータや温水ジャケットで系内の有機性廃棄物を加熱し、又は低圧蒸気を有機性廃棄物中に吹き込むなどして、有機性廃棄物を６０〜１００℃程度に加熱し、該廃棄物からアンモニアを遊離させて系外に取り出す。
【００４０】
系外に取り出されたアンモニアは、例えば、外部装置にて希塩酸乃至は希硫酸液中を通すか、あるいはガスチャンバーに導き、酸液を噴霧するなどして、それらの酸液中に吸収して除去することができる。また、アンモニアを吸収した酸液からアンモニアを回収し、再生された酸液を有機性廃棄物中に再度戻して使用することで、脱アンモニアの効果を高めることが出来る。
【００４１】
なお、有機性廃棄物のｐＨを１０．５以上のアルカリ性にするとか、高圧蒸気によりその操作温度を１２０℃以上にするとかの方法により、急激にアンモニアを除去することができるが、そうした方法はエネルギー消費が多くなるとか、処理後の中和に多くの酸が必要になるだけでなく、生じる多量の塩化物が次工程におけるメタン発酵を阻害するため、そのような方法よりも、前記熱アルカリ処理方法の方が、全体としての処理効率が高い。
【００４２】
このように、本発明の処理方法における工程（１）は、低水分含量の有機性廃棄物中の含窒有機物に由来する、アンモニアへと変換され得る窒素の除去を行って、該廃棄物の次工程でのメタン生成処理の効率を飛躍的に高めるものであり、該廃棄物を嫌気消化する際の前処理として独自の意義を有する。よって、本発明の別の一態様として、種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理し、生じたアンモニアを除去する工程を含む有機性廃棄物中の窒素の除去方法を提供する。
【００４３】
かかる有機性廃棄物中の窒素の除去方法において、処理効率を高める観点から、好ましくは４５〜６５℃、より好ましくは５０〜６０℃、さらに好ましくは５５℃前後の温度条件下で分解・酸生成処理を行うことが好ましい。
【００４４】
工程（２）では、工程（１）を経て含窒有機物由来の窒素がアンモニアとして除去された有機性廃棄物をメタン発酵に供し、メタン生成処理を行う。メタン発酵の条件は特に限定されるものではなく、使用するメタン生成菌に応じて温度、ｐＨ、処理時間等の条件を適宜最適化して行えばよい。該処理により有機性廃棄物の有機成分はメタンガスとなり、該廃棄物は最終的に該ガスと、リン、カルシウム等の無機物となる。それらの生成物はいずれも資源として有効利用することができる。なお、該処理の際には、処理効率を高める観点から、該廃棄物を適宜撹拌するのが好ましい。
【００４５】
本態様においては、工程（２）を実施する際、工程（１）を経た有機性廃棄物は、分解・酸生成処理を行った系から、メタン生成処理を行う別の系に移送される。その際、特に限定するものではないが、有機性廃棄物を、例えば、３０〜６０℃程度に冷却すると共に、そのｐＨを７〜８．５程度に調整（中和処理）しておくのが好ましい。
【００４６】
前記メタン生成菌としては、特に限定されるものではないが、例えば、Methanobacterium属、Methanococcus属、Methanosarcina属、Methanosaeta属、Methanogenium属、Methanospirillum属細菌等が好適に使用される。これらのメタン生成菌は、より小さな処理面積で高効率な処理を可能にする観点から、メタン生成処理を行う系内で、任意の担体に担持されているのが好ましい。メタン生成処理を行う際の温度としては、通常、３０〜６０℃程度であるが、好ましくは５５℃程度である。ｐＨとしては、通常、６〜８程度である。有機性廃棄物の処理時間としては、通常、１０〜３０日間程度とすればよい。メタン生成処理は、以上のような条件の下、嫌気的に行われる。
【００４７】
本発明の処理方法は、少なくとも以上の通りの構成を有するが、その他、有機性廃棄物処理分野において公知の該廃棄物の処理手段・処理方法を適宜組み合わせて、より効率的な有機性廃棄物の処理を達成することができる。以下において説明する本発明の処理装置についても同様である。
【００４８】
本発明の処理方法によれば、アンモニアによるメタン生成の阻害を実質上問題のない程度に抑え、低水分含量の有機性廃棄物を効率的に処理することができる。従って、前記の通りの効果が奏される。また、本発明を別の観点からみれば、本発明は、有機性廃棄物の効率的な再生資源化方法を提供するものであり、資源回収の観点からも非常に優れた方法である。
【００４９】
また、本発明は、その一態様として、本発明の前記処理方法の実施に好適に使用され得る有機性廃棄物の処理装置を提供する。かかる装置は、種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する第１発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段と、アンモニア除去後の有機性廃棄物をメタン生成処理する第２発酵槽と、第１発酵槽から第２発酵槽へ有機性廃棄物を移送する手段とを有してなる。
【００５０】
第１発酵槽としては、例えば、スチール製の筐体等からなる発酵槽を用いればよい。また、例えば、分解・酸生成処理に使用される前記微生物を公知の方法（Young, J.C. et al., The anaerobic filter for waste treatment. J. Water Pollution Control Fed., 41, 161(1969)等）に従ってプラスチック製のろ材等の任意の担体に担持させ、それを、前記発酵槽内に保持させてもよい。第１発酵槽としては、発酵槽内の有機性廃棄物を攪拌可能な攪拌機構、内容物の加熱手段、容器内温度調節機構、容器内温度計測機構、容器内ｐＨ計測機構等を備えたものであってもよい。
【００５１】
第１発酵槽への種汚泥の供給手段としては、例えば、第１発酵槽が撹拌機能を有する場合、有機性廃棄物を投入する前もしくは投入した後に一定量の種汚泥を投入する手段、第１発酵槽の撹拌機能の有無に関わらず、別途混合槽を設けて有機性廃棄物と種汚泥とを混合した後に第１発酵槽に投入する手段、または有機性廃棄物をポンプ等を用いて投入する場合に、その移送経路の途中に種汚泥を投入するパイプを接合させ、連続的に一定量の種汚泥と有機性廃棄物とを混合させて投入する手段等が挙げられるが、これらに限定されない。また、種汚泥は、それ以前に分解・酸生成処理した有機性廃棄物の一部を、前記供給手段により有機性廃棄物が投入される際に当該廃棄物と混合すること、または第１発酵槽内に残すことにより供給されてもよい。
【００５２】
アンモニア除去手段は、有機性廃棄物の処理効率を高める観点から、第１発酵槽とは別個独立した部分として存在させるよりも、該発酵槽に併存させるのが好ましい。
【００５３】
該発酵槽に併存させる場合、アンモニア除去手段は、該発酵槽に設けられた、例えば、有機性廃棄物のｐＨ調整手段（例えば、水酸化ナトリウム等のアルカリ性物質の導入口と前記容器内ｐＨ計測機構）、前記加熱手段（例えば、電気ヒータ、温水ジャケット等）又は低圧蒸気導入手段（例えば、ボイラーと蒸気を送風するポンプ等）、及びアンモニアの吸収除去手段（例えば、系内からのアンモニアを通過させるための希塩酸又は希硫酸液の貯留容器、それらの酸液を噴霧するためガスチャンバー等）からなる。また、吸収されたアンモニアを回収して酸液を再生する手段、再生された酸液を第１発酵槽内に戻す手段をさらに備えていてもよい。アンモニア除去手段は、公知の部品、容器、装置等を用いて適宜構成することができる。
【００５４】
また、前記の通り、本発明の処理工程における工程（１）は独自の意義を有することから、同様に、本発明の別の一態様として、種汚泥を用いて有機性廃棄物を分解・酸生成処理する発酵槽と、前記処理により生じたアンモニアを除去するアンモニア除去手段とを有する有機性廃棄物中の窒素の除去装置を提供する。かかる装置としては、例えば、前記した、アンモニア除去手段を備えてなる第１発酵槽を有する装置が挙げられる。例えば、本装置により有機性廃棄物を予め処理した後、従来のメタン発酵に供することで、本発明の所望の効果が得られるが、そのようにして有機性廃棄物を処理する態様も、本発明の前記処理方法に包含される。
【００５５】
第２発酵槽は、例えば、メタン生成処理に使用される前記微生物を用いて、前記第１発酵槽と同様にして構成することができる。
【００５６】
第１発酵槽から第２発酵槽へ有機性廃棄物を移送する手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、ドレンパイプによる自然重力流れ、スクリューポンプ等からなる公知の任意の配管、並びに第１発酵槽から第２発酵槽への有機性廃棄物の移送を可能にする公知の任意のポンプを用いて構成することができる。本発明の装置において、該手段は、第１発酵槽と第２発酵槽とを連結する。
【００５７】
本発明の装置は以上の構成を有するが、該装置を用いて低水分含量の有機性廃棄物を処理することにより、本発明の処理方法と同様の効果が得られる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００５９】
参考例１、２及び４
嫌気消化に関わる菌の供給源として十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥（含有細菌：Clostridium属、Bacteroides属、Butyrivibrio属、Methanobacterium属、Methanosarcina属、Methanosaeta属細菌等；アンモニア濃度：1000ppm；以下、同様）を種汚泥として使用し、余剰汚泥とすり鉢でよく混合した（pH7.5、水分含量80重量％に調製）。その際に余剰汚泥のＶＳが４、５、７、10、13、15、16重量％になるように脱水汚泥と余剰汚泥との混合比を変化させた。125 mlバイアル瓶に混合した汚泥を20 g投入し気相部を窒素ガスで換気した後、速やかにブチルゴム栓とアルミ製締金具で密栓した。静地条件で55 ℃の恒温器にて30日間培養を行った。メタンはガスタイトシリンジを用いてバイアル瓶から気相0.5 mlを抜き取り、ガスクロマトグラフィーで分析した。メタン生成量は水上置換法により求め、余剰汚泥の固形分湿重量1kgあたりのメタン生成量（mmol/kg）として表した。汚泥中のアンモニア濃度（ppm）は汚泥サンプルを引き抜き蒸留水で希釈し遠心分離した上清についてアンモニアテストワコー（和光純薬（株）製）により測定した。アンモニア転換率は、培養前の余剰汚泥中の窒素含量（Ａ mmol）をケルダール法で、培養途中の各時点でのアンモニア含量（Ｂ mmol）をアンモニアテストワコーで測定し、以下の式：
アンモニア転換率（モル％）＝〔１−（Ｂ／Ａ）〕×１００
により求めた。結果を図１、２及び４にそれぞれ示す。
【００６０】
参考例３
嫌気消化に関わる菌の供給源として十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥を使用し、余剰汚泥とすり鉢でよく混合した（pH7.5、水分含量80重量％、余剰汚泥ＶＳは5重量％に調製）。その際に初発アンモニア濃度が1000〜5000ppmとなるように塩化アンモニウムを添加した。125 mlバイアル瓶に混合した汚泥を20 g投入し気相部を窒素ガスで換気した後、速やかにブチルゴム栓とアルミ製締金具で密栓した。静地条件で55 ℃の恒温器にて18日間培養を行った。メタンはガスタイトシリンジを用いてバイアル瓶から気相0.5 mlを抜き取り、ガスクロマトグラフィーで分析した。メタン生成量を前記と同様にして水上置換法により求め、１日あたり余剰汚泥の固形分湿重量1kgあたりのメタン生成量、すなわち、メタン生成速度（mmol/kg/day）として表した。汚泥中のアンモニア濃度を前記と同様にして測定した。結果を図３に示す。
【００６１】
参考例５
前記参考例１〜４においては、使用した脱水汚泥は有機物を含むもののアンモニアを生成しないことから、アンモニア発生の観点からは水と等価なものとして扱い、そのＶＳについては考慮しなかった。一方、本参考例においては、アンモニアの発生によるメタン発酵の阻害がない場合におけるＶＳと嫌気消化との関係を明らかにする観点から、脱水汚泥のＶＳを変化させ、該汚泥のメタン生成について検討した。
【００６２】
嫌気消化に関わる菌の供給源として十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥を種汚泥として使用した。種汚泥を脱気水で洗浄後、遠心分離し、55℃で乾燥させて、そのＶＳを50重量％程度にした。その汚泥に蒸留水を加えることにより、ＶＳを５〜20重量％に調製し、基質として酢酸ナトリウムを汚泥乾燥重量１kgあたり750mmol添加した。125 mlバイアル瓶に混合した汚泥を20 g投入し気相部を窒素ガスで換気した後、速やかにブチルゴム栓とアルミ製締金具で密栓した。静地条件でpH8にて55 ℃の恒温器で９日間培養を行った。メタンはガスタイトシリンジを用いてバイアル瓶から気相0.5 mlを抜き取り、ガスクロマトグラフィーで分析した。メタン生成量を前記と同様にして水上置換法により求めた。結果を図５に示す。
【００６３】
実施例１
嫌気消化に関わる菌の供給源として十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥を種汚泥として使用した。種汚泥１kgと余剰汚泥４kgとを混合し（水分含量80重量％、余剰汚泥ＶＳは18重量％）、pH７に調製して、55℃で６日間培養しアンモニア生成を行った。生じたアンモニアを80℃、pH９の条件下でガスとして放散させて回収し、脱アンモニア汚泥（水分含量80重量％、アンモニア濃度：300ppm）を調製した。種汚泥15gと脱アンモニア汚泥5gとを混合しバイアル瓶に入れて、pH8にて55℃で培養を行った。メタンと二酸化炭素とはガスタイトシリンジを用いて気相0.5 mlを抜き取り、ガスクロマトグラフィーで分析した。それぞれのガス生成量を前記と同様にして水上置換法により求めた。また、汚泥中のアンモニア濃度を前記と同様にして測定した。結果を図６に示す。
【００６４】
比較例１
嫌気消化に関わる菌の供給源として十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥を種汚泥として使用した。種汚泥15gと余剰汚泥5gとを混合し（pH8、水分含量80重量％、余剰汚泥ＶＳは18重量％）バイアル瓶にいれて、55℃で培養を行った。メタンと二酸化炭素とをガスタイトシリンジを用いて気相0.5 mlを抜き取り、ガスクロマトグラフィーで分析した。それぞれのガス生成量を前記と同様にして水上置換法により求めた。また、汚泥中のアンモニア濃度を前記と同様にして測定した。結果を図７に示す。
【００６５】
実施例１では、脱アンモニア汚泥を使用した実験ではメタン生成は１０日でほぼ終了した。この時点でのTOC（Total Organic Carbon；全有機体炭素）の除去率は60％であり、またアンモニア濃度の上昇は認められなかった。脱アンモニア処理しない余剰汚泥を使用した比較例１の場合にはアンモニア濃度が2000〜3000ppmに達し、メタン出現は7〜10日を要し、TOC除去率が60％に達するには20日前後以上を要した。実施例１の結果を比較例１の結果と比較すると驚異的な処理効率であったと言える。
【００６６】
当然ながら、アンモニア濃度が5000ppmになるような系ではメタンは生成されないのであるが、連続したメタン発酵を行う場合、図７から分かるように発酵の間にアンモニアが蓄積するため、発酵槽内からアンモニアを除去しない限り発酵停止は避けられない。一方、本発明の方法では、図６から分かるようにアンモニアが蓄積せず、メタン発酵も促進されることより、連続処理が可能となる。
【００６７】
実施例２
十分に嫌気消化を行った後の脱水汚泥を種汚泥として、余剰汚泥のＶＳ濃度が５重量％、１０重量％、１５重量％程度となるように種汚泥と余剰汚泥とを混合した種汚泥添加試料、およびＶＳ濃度が５重量％となるように余剰汚泥に水を添加した種汚泥非添加試料をバイアル瓶に１０ｇずつ入れて密栓した後、窒素パージをして複数の温度条件（３５℃、４５℃、５５℃、６５℃）で５日間静置培養した。前記と同様にして試料中の含窒有機物由来の窒素のアンモニアへの転換率を求め、培養温度に対してプロットした。結果を図８に示す。なお、図８において「種無し」とは種汚泥非添加試料を、「種あり」とは種汚泥添加試料をいう。
【００６８】
実施例３
余剰汚泥のＶＳ濃度が１０重量％となるように種汚泥と余剰汚泥とを混合した汚泥２０ｇを嫌気消化し、その半量を種汚泥として再度余剰汚泥のＶＳ濃度が１０重量％となるように新たな余剰汚泥と混合して嫌気消化する工程を、アンモニア生成が定常状態になるまで種々の間隔で繰り返した(処理温度：37℃または55℃)。その時の汚泥中の含窒有機物由来の窒素のアンモニア転換率を前記と同様にして求め、汚泥の入れ替え頻度（回／日）に対してプロットした。結果を図９に示す。
【００６９】
図８に示す通り、ＶＳ濃度が５重量％である種汚泥非添加試料における嫌気消化に好適な温度は３５℃以上４５℃未満であり、その温度範囲内でのアンモニア転換率は平均４１％であった。一方、ＶＳ濃度が５重量％である種汚泥添加試料における嫌気消化は、４５〜６５℃で好適に行われ、その温度範囲内でのアンモニア転換率は平均５４％という高い値であった。また、４５〜５５℃の温度条件下では、ＶＳ濃度が１０または１５重量％である高ＶＳ試料においても、それぞれ平均５１、５７％という高いアンモニア変換率を示した。すなわち、種汚泥の使用により、高ＶＳの有機性廃棄物を高効率で分解・酸生成処理することができることが示された。また、種汚泥を用いた嫌気消化が約４５〜約６５℃でより好適に行われることも見出された。
【００７０】
図９に示すとおり、処理温度が５５℃の場合は、約１．５回／日で汚泥の引き抜き投入を行っても５０％より高いアンモニア転換率が維持されたのに対して、37℃の場合は、約０．２５回／日よりも汚泥の引き抜き投入頻度を上げるとアンモニア転換率が５０％以下に低下した。すなわち、５５℃における嫌気消化処理は、３７℃での嫌気消化処理より６倍以上もの高効率で行われ得ることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、余剰汚泥のＶＳを変化させた時の該汚泥中の含窒有機物由来の窒素のアンモニア転換率の経時変化を示すグラフである。
【図２】図２は、余剰汚泥のＶＳを変化させた時のメタン生成量（固形分湿重量１ｋｇ当たり）の経時変化を示すグラフである。
【図３】図３は、余剰汚泥のメタン発酵によるメタン生成速度に及ぼすアンモニア濃度の影響を示すグラフである。
【図４】図４は、余剰汚泥のＶＳを変化させた時の該汚泥中のアンモニア濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】図５は、アンモニア濃度1000ppmの脱水汚泥のＶＳを変化させた時のメタン発酵によるメタン生成量（固形分湿重量１ｋｇ当たり）の経時変化を示すグラフである。図中、白丸はＶＳが２０重量％の、黒四角は１５重量％の、黒三角は１０重量％の、黒丸は５重量％のデータである。
【図６】図６は、本発明の有機性廃棄物の処理方法に従って行った、水分含量８０重量％の脱アンモニア汚泥のメタン発酵におけるメタン及び二酸化炭素の生成量（固形分湿重量１ｋｇ当たり）、アンモニア濃度の経時変化を示すグラフである。図中、黒丸はメタン生成量、白丸は二酸化炭素生成量、白四角はアンモニア濃度のデータである。
【図７】図７は、水分含量８０重量％の余剰汚泥のメタン発酵におけるメタン及び二酸化炭素の生成量（固形分湿重量１ｋｇ当たり）、アンモニア濃度の経時変化を示すグラフである。図中、黒丸はメタン生成量、白丸は二酸化炭素生成量、白四角はアンモニア濃度のデータである。
【図８】図８は、培養温度に対する試料中の含窒有機物由来の窒素のアンモニアへの転換率を示す図である。黒三角は種汚泥を添加したＶＳ濃度５重量％の試料、黒丸は種汚泥を添加したＶＳ濃度１０重量％の試料、黒四角は種汚泥を添加したＶＳ濃度１５重量％の試料、白丸は水のみを加えたＶＳ濃度５重量％の試料のアンモニア転換率のデータである。
【図９】図９は、37℃または55℃の温度条件下において、アンモニア生成が定常状態になったときの汚泥の入れ替え頻度（回／日）に対するアンモニア転換率を示す図である。図中、黒四角は３７℃、黒丸は５５℃における入れ替え頻度に対する各アンモニア転換率を示す。
【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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