(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温泉源泉、海底熱水鉱床、又は火山の環境である高温雰囲気から採取された土壌、
温泉源泉、海底熱水鉱床、又は火山の環境である高温雰囲気から採取された汚泥または
温泉源泉、海底熱水鉱床、又は火山の環境である高温雰囲気から採取された水に、嫌気条件かつ７０〜９０℃で有機物を添加して維持し、メタン発酵能力を有する汚泥を取得する工程を含むことを特徴とする、７５℃以上でメタン発酵能力を有する汚泥を作製する方法。
【請求項２】
土壌、汚泥または水が６０℃以上の高温雰囲気から採取されたものである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法により作製された汚泥を種としてメタン発酵装置にて汚泥を作製する方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の方法により作製された汚泥。
【請求項５】
請求項４に記載の汚泥を含むメタン発酵装置に嫌気条件下、７５℃以上の温度下に有機性廃棄物を供給し、汚泥のメタン発酵能力を維持する方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法により作製された汚泥を含むメタン発酵装置に嫌気条件下、７５℃以上の温度下に０．１重量％以上の有機物濃度を有する有機性廃棄物を供給することを特徴とする高濃度の有機物を用いたメタン発酵方法。
【請求項７】
請求項４に記載の汚泥を発酵槽に含むメタン発酵装置。
【請求項８】
請求項４に記載の汚泥をメタン発酵運転する反応容器に接種することを特徴とするメタン発酵の急速立ち上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温、特に７５℃以上でメタン発酵能力を有する汚泥の作成方法及び該汚泥を用いるメタン発酵システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のメタン発酵処理、いわゆる中温メタン発酵処理（３５℃）に用いられる汚泥は、嫌気発酵槽に有機物を投入し、１ヶ月〜数ヶ月間維持することにより作成されてきた。近年、普及しつつある高温処理（５５℃）のメタン発酵用汚泥は、中温処理用の汚泥を出発汚泥として、通例では、下水処理場の消化汚泥を出発原料として、温度を３５℃から５５℃に徐々に上昇させることにより作製することができる。しかし、より高温温度域の処理、例えば５５℃を超える温度でのメタン発酵能力を有する汚泥は、この方法では作成することができない。
【０００３】
また、高濃度有機物、例えば厨芥成分が１０％以上のスラリーを処理するためには、下水処理場の消化汚泥を種汚泥として投入し、２ヶ月程度の時間をかけて有機物濃度を上昇させる必要があり、下水処理場の消化汚泥を高濃度有機物に投入してもメタン発酵は起きない。
【０００４】
さらに、下水処理場の消化汚泥を種汚泥とした場合、酸発酵の進行により酢酸などの有機酸の蓄積が起きるため、メタン発酵が阻害されて、メタン発酵が停止するトラブルが多く、再度メタン発酵を立ち上げるのに１ヶ月程度の期間を要することがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温、特に７０℃以上でメタン発酵能力を有する汚泥及びメタン発酵方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、高濃度の有機物を含む有機性廃棄物を処理できるメタン発酵汚泥を作製し、効率よくメタン発酵を行えるシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
さらに、本発明は、メタン発酵システムがダウンしたときに、急速にメタン発酵を立ち上げる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の項１〜項９に関する。
項１．  ７５℃以上の温度で嫌気条件下にメタン発酵能力を有する汚泥。
項２．  ８０℃で嫌気条件下にメタン発酵能力を有する項１に記載の汚泥。
項３．  高温雰囲気にある土壌、汚泥または水に、嫌気条件かつ約７０〜９０℃で有機物を添加し、維持することを特徴とする高温下にメタン発酵能力を有する汚泥を作成する方法。
項４．  汚泥が８０℃でメタン発酵能力を有する項３に記載の方法。
項５．  項１または２に記載の汚泥、或いは項３または４に記載の方法により製造された汚泥を種としてメタン発酵装置にて汚泥を作成する方法。
項６．  項１または２に記載の汚泥、或いは項３〜５のいずれかに記載の方法により製造された汚泥を含むメタン発酵装置に嫌気条件下、７５℃以上の温度下に有機性廃棄物を供給し、汚泥のメタン発酵能力を維持する方法。
項７．  項１または２に記載の汚泥、或いは項３〜６のいずれかに記載の方法により得られた汚泥を含むメタン発酵装置に嫌気条件下、７５℃以上の温度下に０．１重量％以上の有機物濃度を有する有機性廃棄物を供給することを特徴とする高濃度の有機物を用いたメタン発酵方法。
項８．  項１または２に記載の汚泥、或いは項３〜６のいずれかに記載の方法により得られた汚泥を発酵槽に含むメタン発酵装置。
項９．  ７５℃以上、特に８０℃の温度で嫌気条件下にメタン発酵能力を有する汚泥をメタン発酵運転する反応容器に接種することを特徴とするメタン発酵の急速立ち上げ方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明において、高温雰囲気とは温泉源泉、海底熱水鉱床または火山などの環境が挙げられ、土壌等の採取場所の温度としては、６０℃以上、好ましくは７５℃以上、より好ましくは８０℃以上である。高温雰囲気の土壌等とは、土壌を採取するときに高温雰囲気である土壌等だけでなく、過去に高温雰囲気にあった土壌等も含まれる。
【００１０】
高温雰囲気にある土壌、汚泥または水は、それ自体を用いてもよく、高温雰囲気にある土壌、汚泥または水に対し他の土壌、汚泥または水を混合したものを用いてもよい。
【００１１】
高温雰囲気にある土壌、汚泥または水は、嫌気的に採取することが望ましいが、好気的に採取した土壌、汚泥または水であっても、有機物の存在下に嫌気的条件下で維持することにより高温でメタン発酵能力を有する汚泥を作製できる。汚泥作製の際のｐＨは好ましくは５〜９、より好ましくは６．５〜８である。
【００１２】
高温雰囲気にある土壌、汚泥または水に添加する有機物は、好ましくはでんぷん、セルロース、蛋白質を主たる構成成分とする厨芥、生ゴミ、食品工場廃棄物などが例示されるが、高温でメタン発酵能力を有する汚泥を作製できる限りにおいて、どのような有機物を使用してもよい。
【００１３】
有機物としては、厨芥、生ゴミ、食品工場廃棄物などをそのまま使用してもよく、湿式酸化処理やオートクレーブ処理をした試料を用いてもよい。また、メタン発酵代謝経路の有機物（糖、有機酸またはそれらの混合物）を用いて作製してもよい。
【００１４】
上記で作製した汚泥をメタン発酵処理装置の発酵槽に種汚泥として接種し、有機物を投入処理して、メタン発酵装置の発酵槽中に汚泥を作製してもよい。
【００１５】
もちろん、上記方法にて作成した汚泥を実験施設等において、継代作業を行い、メタン発酵能力を有する汚泥として維持した後に、メタン発酵処理装置の発酵槽に接種してメタン発酵処理装置の発酵槽中に汚泥を作製してもよい。
【００１６】
本発明のメタン発酵能力を有する汚泥は、７５℃以上、好ましくは８０℃でメタン発酵能力を有する汚泥である。
【００１７】
上記の汚泥作製方法により作製或いは維持した汚泥を用いて、メタン発酵する。すなわち、厨芥、生ゴミ、食品工場廃棄物等の有機物、或いはこれらについて湿式酸化処理やオートクレーブ処理などの前処理を行ったものに、汚泥を接種して、好ましくは７５℃〜９０℃、より好ましくは８０℃〜９０℃の高温に維持して、嫌気状態を維持しつつ、ｐＨを好ましくは５〜９、より好ましくは６．５〜８に制御する。
【００１８】
嫌気状態の維持は、二酸化炭素、窒素、アルゴン、水素などを用いて行うことができる。また、必要に応じて、硫化ナトリウムなどの酸素除去剤を加えてもよい。
【００１９】
本発明のメタン発酵で処理される有機性廃棄物としては、厨芥、生ゴミ、食品工場廃棄物が例示され、その有機物濃度としては、固形成分の乾燥重量含有率として０．１重量％以上、好ましくは１重量％以上、より好ましくは５重量％以上、特に１０重量％以上である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の方法では実現できない７５℃以上の高温雰囲気でのメタン発酵処理プロセスが可能となる。
【００２１】
また、メタン発酵槽の運転立ち上げが著しく短期間で可能となる。すなわち、本発明の方法により作製した汚泥を用いれば、高濃度の有機物に対して接種することにより有機物温度を徐々に上げる（通常２ヶ月）必要はなく、メタン発酵が可能である。従って、運転機能低下や停止の原因となるメタン発酵の負荷変動が許容され、より効率よくメタン発酵を行うことができる。
【００２２】
さらに、酸発酵により蓄積する酢酸などの有機酸が存在しても、或いは有機酸が蓄積しても、本発明の汚泥を用いれば、メタン発酵を維持できる。
【００２３】
さらに、発酵バランスが崩れ、ｐＨ低下を招き停止したメタン発酵槽に対してｐＨを中性に調製した上で本発明の汚泥を投入することにより、メタン発酵機能を速やかに回復することが可能となる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
実施例１：モデル生ゴミを用いた８０℃でのメタン発酵
泉温が９０℃以上の兵庫県下の温泉において、源泉に堆積している土壌または温泉水を採取し、ブチルゴム栓により密閉できるガラス製血清瓶（容積７０ｍｌ）中で嫌気条件下、８０℃程度の温度、ｐＨ６．５〜８に維持しながらモデル生ゴミ（セルロース０．３％、でんぷん２％）を供給しつつ７日程度維持した。ガラス製血清瓶底には土壌由来の汚泥が得られた。この汚泥は、８０℃でのメタン発酵が可能であった。
【００２５】
実施の具体例としては、モデル生ゴミ（セルロース０．３％、でんぷん２％）をブチルゴム栓により密閉できるガラス製血清瓶（容積７０ｍｌ）にいれ、水素−二酸化炭素混合ガスを吹き込んだ。オートクレーブ後、脱酸素処理を行い、嫌気状態にした。そこに、温泉源泉付近（約９０℃）の土壌を接種し、８０℃程度の温度、ｐＨ６．５〜８に維持したところ、土壌由来の汚泥が得られ、２日後にはメタンの産生が確認された。メタン産生量の変化を図１（◆）に示した。同じ組成のモデル生ゴミを用い、下水処理場の消化汚泥を種汚泥とし、３５℃で維持した場合についても図１（黒四角）に示した。このモデル生ゴミの有機物濃度では、３５℃消化汚泥でのメタン産生は確認できなかった。
実施例２：実ゴミを用いた８０℃でのメタン発酵
泉温が９０℃以上の兵庫県下の温泉において、源泉に堆積している土壌または温泉水を採取し、ガラス製血清瓶（容積７０ｍｌ）中で嫌気条件下、８０℃程度の温度、ｐＨ６．５〜８に維持しながら実ゴミ（市販幕の内弁当）を供給しつつ７日程度維持したところ、８０℃でメタンの発生が確認された。
【００２６】
実施の具体例としては、市販の幕の内弁当を成分に分類して、それぞれ破砕して重量（湿重量）を測定した。
【００２７】
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上記の成分のそれぞれ半量（合計２００ｇ）に水１３０ｍｌを加え水分を調整し、水酸化ナトリウム水溶液を用いてｐＨを５．６から７．５に調整した。実ゴミをブチルゴム栓により密閉できるガラス製血清瓶（容積７０ｍｌ）にいれ、水素−二酸化炭素混合ガスを吹き込んだ。そこに、温泉源泉付近（約９０℃）から採取した土壌を接種し、８０℃で維持した。コントロールとして、消化汚泥（３５℃）についても同様に実施した。温泉源泉付近（約９０℃）から採取した土壌については、維持後、２日でメタンが産生された。そのメタン産生量の変化を図２に示した。
実施例３：模擬ゴミ培地での発酵能力の比較
（１）培養条件
発酵実験で用いたでんぷん−セルロース添加培地（模擬ゴミ培地）は、小麦でんぷん、バレイショでんぷんおよび粉末セルロース（重量比率3.5:3.5:1の割合で混合したもの)を各種塩類を含む培地に添加し作製した。以後、便宜上、この組成の培地を模擬ゴミ培地と称する。培地液量に対するでんぷんおよびセルロースの合計重量の割合、すなわち、有機物濃度を0.23%から12%と調製して使用した。
【００２８】
上記の培地を培養容器（血清瓶）に添加し、容器内の気体を水素８０％＋二酸化炭素２０％の混合ガスに完全に置換した後、オートクレーブ滅菌処理を行った。メタン発酵サンプルの接種前に、酸素除去剤として硫化ナトリウム溶液を適量添加して脱酸素処理を行った。
（２）培養容器
メタン発酵実験には、ブチルゴム栓により密閉できるガラス製血清瓶（容積７０ml）を用いた。
（３）発生メタンの分析
発酵により生成したメタンの分析は、培養容器の上部空間からタイトシリンジを用いてガス試料を採取し、ガスクロマトグラフィー(GC-320 GLサイエンス社製）での分析を行った。分析装置の検量は、メタンガス標準品(GLサイエンス社製）を用いた。ガスクロマトグラフィーの分析条件を以下に示す。
ガスクロマトグラフィーの分析条件
・キャリアガス  窒素
・カラム        モレキュラーシーブ5A60/80(JK)
・カラム温度    ５０℃
・検出器        ＴＣＤ
（４）実験条件
温泉サンプル由来の高温メタン発酵汚泥および消化汚泥を種として0.23%、2.3%、5%および12%の４条件の有機物濃度（ＤＭ）の模擬ゴミ培地を用いてメタン発酵能を評価した。
【００２９】
接種後から１日、３日、５日、７日、１５日および１ヶ月経過後のメタンの生成の有無を確認するとともに、確認できた発酵試料を種として、その発酵試料の有機物濃度条件よりも高濃度の条件にて継代培養を検討した。
【００３０】
また、５５℃培養の実験では、消化汚泥（発酵温度３５℃）を種として培養温度条件を５５℃に設定して実験を行った。結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
消化汚泥を種とし、温度条件３５℃にて0.23%有機物濃度の模擬ゴミ培地で培養した場合、培養開始15日経過時点でメタン生成が確認できた。
【００３３】
2.3%有機物濃度の模擬ゴミ培地で培養した場合には、１ヶ月を経過してもメタン発生が確認できなかった。
【００３４】
消化汚泥で0.23%有機物濃度の模擬ゴミ培地にてメタン生成した試料を種として、2.3%有機物濃度の模擬ゴミ培地で培養したが、水素生成が促進されたものの、メタン生成は観察されなかった。
【００３５】
培養温度条件３５℃で、0.23%有機物濃度の模擬ゴミ培地でメタン生成が確認された試料を種として、0.23%有機物濃度の模擬ゴミ培地に培養温度条件５５℃にて継代培養した結果、培養開始１５日にてメタン生成が確認できた。
【００３６】
その発酵試料を種として有機物濃度2.3%の模擬ゴミ培地に継代培養（５５℃）した結果、２０日の培養期間にてメタン生成が確認できた。さらに、その発酵試料を種として、5%有機物濃度の模擬ゴミ試料での発酵実験を行ったが、１ヶ月経過後もメタンは生成しなかった。
【００３７】
温泉試料では、培養温度条件８０℃にて、0.23%から5%までの有機物濃度の模擬ゴミ培地で３日程度でメタン生成が確認できた。また、12%の有機物濃度では、７日間程度でメタン生成が確認できた。温泉試料は消化汚泥のように有機物濃度を徐々に上昇させる必要はない。
実施例４：１Ｌスケールでのメタン発酵能の評価
（１）培養容器および培地
ブチルゴム栓により密閉できるガラス製血清瓶（容積1.2L）を培養容器として使用した。培養（発酵）試料のｐＨのモニタリングは、随時培地を少量（１ml程度）抜き取り、pH測定することにより行った。培地のpH調整が必要な場合は、水酸化ナトリウム溶液を適量添加した。
【００３８】
培地は、有機物濃度2.3%の模擬ゴミ（培地組成は、実施例３にて用いた組成と同様）および生ゴミ（実施例２で用いた市販幕の内弁当破砕物）を使用した。
（２）実験条件
評価菌は、温泉試料由来の８０℃メタン発酵汚泥とし、コントロールとして３５℃メタン発酵汚泥（消化汚泥）とした。菌の接種濃度は、培養開始時に１ml当たり１０5細胞とした。培養開始後、経時的に生成メタン量を測定した。結果を図３〜５に示す。
【００３９】
図３〜５に示すように、８０℃でメタン発酵可能な温泉試料由来の汚泥は模擬ゴミおよび生ゴミともに１日にて発酵が立ち上がっているのに対し、３５℃の消化汚泥は、模擬ゴミについて培養開始から早くとも１５日後に立ち上がりを示した。
実施例５：メタン発酵速度の評価
実施例３および４にて示した培地組成および培養条件メタン発酵実験を行い、高温メタン発酵汚泥と３５℃消化汚泥および３５℃消化汚泥を種として馴化作製された５５℃汚泥を用いて発酵速度を測定した。結果を表２に示す。なお、メタン生成速度は1kgDM有機物を処理した場合の１日当たりのメタン発生量（Ｌ）を示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
有機物濃度12%の生ゴミを用いた場合のメタン生成速度は、５５℃メタン発酵汚泥（消化汚泥）で2.3L/KgDM・日、８０℃メタン発酵汚泥で33.3L/KgDM・日であった。８０℃メタン発酵汚泥のメタン生成速度は、５５℃メタン発酵汚泥の１４倍であった。
【００４２】
このように、５５℃メタン発酵汚泥を用いると、DM 10.3%の生ゴミを処理できるが、５５℃メタン発酵汚泥は馴化に時間がかかるだけでなく、メタン発生速度が８０℃メタン発酵汚泥と比較して非常に遅く、本発明のメタン発酵汚泥は馴化速度及びメタン発酵速度の両面で、従来のメタン発酵汚泥よりも優れていることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】モデル生ゴミを用いた場合のメタン産生量を示すグラフである。図１中、「◆」は温泉由来土壌（８０℃）を示し、「黒四角」は消化汚泥（３５℃）を示す。
【図２】実ゴミを用いた場合のメタン産生量を示すグラフである。図２中、「◆」は温泉由来土壌（８０℃）を示し、「黒四角」は消化汚泥（３５℃）を示す。
【図３】温泉試料由来（８０℃）発酵（2.3%模擬ゴミ）の結果を示す。なお、３５℃メタン菌は2.3%模擬ゴミで発酵しなかった。
【図４】消化汚泥由来の３５℃メタン発酵の結果を示す。
【図５】生ゴミについて、温泉試料由来（８０℃）発酵汚泥の結果を示す。なお、３５℃の消化汚泥は生ゴミで発酵しなかった。
【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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