(57)【要約】  【課題】メタン発酵微生物群による有機物の分解反応を促進できる有機物含有液の嫌気性分解方法及び装置を提供する。   【解決手段】メタン発酵微生物群３の付着する微生物担体２が固定された嫌気性消化槽１内に有機物含有液Ｓを連続流入させ、消化槽１内の有機物含有液Ｓの水理学的滞留時間をメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度が担体２上における増殖速度より大きくなるように調整する。好ましくは、有機物含有液Ｓの連続流入を充分長い初期水理学的滞留時間で開始して微生物担体２上にメタン発酵微生物群３を付着させたのち、水理学的滞留時間を短縮調整してメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度を大きくする。有機物含有液Ｓには、脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素、含塩素化合物その他のメタン発酵微生物群３による難分解性有機物Ｄを含めることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン発酵微生物群の付着する微生物担体が固定された嫌気性消化槽内に有機物含有液を連続流入させ、前記消化槽内の有機物含有液の水理学的滞留時間を前記微生物群の液相中における増殖速度が担体上における増殖速度より大きくなるように調整してなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項２】
請求項１の嫌気性分解方法において、前記有機物含有液の水理学的滞留時間を0.01〜3.0日に調整してなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項３】
請求項１又は２の嫌気性分解方法において、前記有機物含有液の連続流入を充分長い初期水理学的滞留時間で開始して前記担体上にメタン発酵微生物群を付着させたのち、前記水理学的滞留時間を短縮調整して前記微生物群の液相中における増殖速度を大きくしてなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項４】
請求項３の嫌気性分解方法において、前記有機物含有液に脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素、含塩素化合物その他のメタン発酵微生物群による難分解性有機物を含めてなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項５】
請求項４の嫌気性分解方法において、前記有機物含有液の初期水理学的滞留時間での流入時又は水理学的滞留時間の短縮調整時に、前記有機物含有液中の難分解性有機物の濃度を徐々に増大させてなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れかの嫌気性分解方法において、前記有機物含有液にメタン発酵微生物群の増殖に必要な栄養塩類を添加してなる有機物含有液の嫌気性分解方法。
【請求項７】
メタン発酵微生物群の付着する微生物担体が固定された嫌気性消化槽、及び前記消化槽内に有機物含有液を前記微生物群の液相中における増殖速度が担体上における増殖速度より大きくなる水理学的滞留時間で連続流入させる供給装置を備えてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【請求項８】
請求項７の嫌気性分解装置において、前記供給装置に、前記消化槽内の有機物含有液の水理学的滞留時間を調整する調整手段を含めてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【請求項９】
請求項７又は８の嫌気性分解装置において、前記有機物含有液に、脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素、含塩素化合物その他のメタン発酵微生物群による難分解性有機物を含めてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【請求項１０】
請求項９の嫌気性分解装置において、前記供給装置に、前記有機物含有液中の難分解性有機物の濃度を調節する濃度調節手段を含めてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【請求項１１】
請求項７から１０の何れかの嫌気性分解装置において、前記供給装置に、メタン発酵微生物群の増殖に必要な栄養塩類を前記有機物含有液に添加する添加手段を含めてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【請求項１２】
請求項７から１１の何れかの嫌気性分解装置において、前記消化槽に有機物含有液の循環手段を設けてなる有機物含有液の嫌気性分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機物含有液の嫌気的分解方法及び装置に関し、とくに有機性廃棄物その他の有機物含有液をメタン発酵微生物群との接触により分解する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機性廃水、農畜産廃棄物、生ごみ等の有機性廃棄物は、活性汚泥法等の好気的微生物処理により比較的容易に分解することができ、固形状であれば焼却処分することができる。しかし、好気的微生物処理は爆気のために膨大なエネルギーを必要とし、焼却処分は助燃剤を必要とすると共に大量の二酸化炭素を発生するため、環境負荷低減等の観点から何れも見直しが求められている。他方、嫌気的微生物処理であるメタン発酵法は、爆気を必要としない省エネルギー過程であり、処理に伴い発生するメタンガスをエネルギー物質として回収できるので、環境に対する負荷が小さい有機性廃棄物の処理方法として実用化が進められている。
【０００３】
メタン発酵法の一例は、例えば特許文献１及び２が開示するように、固形状の有機性廃棄物をスラリー状（又は液状）に粉砕又は微破砕し、粉砕した有機性スラリー又は有機性廃水をメタン発酵微生物群の付着した微生物固定床が設けられた嫌気性バイオリアクター（以下、消化槽という）に投入し、微生物が活性を示す温度（例えば37℃又は55℃）で有機物をメタン発酵微生物群と接触させて分解するものである。特許文献１及び２のメタン発酵法は、メタンガスの回収効率が高く、しかも廃棄物を高度に分解できるため残渣が少ない利点がある。
【０００４】
メタン発酵は自然の複合微生物反応であり、メタン生成菌を含む複数の異なる微生物のミクロフローラ（以下、メタン発酵微生物群という）の共同作業により炭水化物、たんぱく質、脂質等の様々な有機物を基質とすることができる。メタン発酵微生物群はとくに培養し用意されたものではなく、自然の微生物を馴養することで比較的簡単に生起する。メタン発酵は数段階の反応に分けられ、先ずメタン発酵微生物群中の非メタン生成菌により様々な有機物が嫌気的に低分子化されて有機酸、水素、二酸化炭素等に分解され、次にメタン発酵微生物群中のメタン生成菌によりメタンガスに変換される（非特許文献１参照）。
【０００５】
ただし、脂肪酸（例えば低級脂肪酸）、油脂、芳香族炭化水素、ダイオキシンや農薬等に代表される含塩素化合物など（以下、これらを纏めて難分解性有機物ということがある）は、メタン発酵微生物群が活性を示す嫌気的条件下では容易に分解せず、メタン発酵に非常に時間がかかる。このため従来は、これら難分解性有機物はメタン発酵に不適であるとされ、分離回収して別途処分又は処理することが多い。例えば油脂等は、浮上分離装置により分離して焼却処分されている。また、脂肪酸等の有機酸を含む廃水は活性汚泥法により分解処理し、毒性物質であるダイオキシン等は閉鎖空間において物理的な吸着、薬剤による強制分解又は中和により処理されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７０８０８７号公報
【特許文献２】特許第３０６４２７２号公報
【特許文献３】特開２００１−０１７９８９号公報
【特許文献４】特開２００２−２７２４９１号公報
【非特許文献１】生化学辞典第３版、東京化学同人、1998年11月20日第２刷発行、1395頁「メタン発酵」の項
【非特許文献２】七字三郎著「微生物工学の応用第２版」共立出版株式会社、昭和56年11月1日発行、87〜91頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、難分解性有機物を分離回収して別途処分又は処理する方法は、コストが嵩むと共に、難分解性有機物を完全に分離することが難しいため分離後の有機性廃棄物のメタン発酵にも時間がかかる問題点がある。また、難分解性有機物を焼却し又は活性汚泥法等で処理する方法は、上述したように環境負荷が大きく、見直しが求められている。難分解性有機物を含む有機性廃棄物を小さな環境負荷で経済的に処理するため、難分解性有機物を分離せずに通常の有機物と共に効率的にメタン発酵することができる技術の開発が求められている。
【０００８】
これに対し例えば特許文献３は、油脂を含む排水や汚泥を高温で酵素処理（例えば50〜70℃でリパーゼ等の脂肪分解酵素により処理）したのち、弱酸性条件下の高温（例えばpH5.0〜6.3で50℃以上）で嫌気性処理する方法を提案している。この方法によれば、難分解性有機物である油脂を嫌気性処理の対象とし、そのエネルギーをメタンガスとして回収することができる。しかし、酵素処理だけでは油脂を迅速に分解することが難しく、そのメタン発酵には依然として時間がかかる。難分解性有機物のメタン発酵効率の向上を図るためには、難分解性有機物に対するメタン発酵微生物群の分解反応を促進することが必要である。
【０００９】
そこで本発明の目的は、メタン発酵微生物群による有機物の分解反応を促進できる有機物含有液の嫌気性分解方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
難分解性有機物がメタン発酵微生物群により分解されにくい原因の１つは、これらの有機物を嫌気的に低分子化する分解反応がエネルギー的に進行しにくい吸エルゴン反応だからである。例えば、上述した非メタン生成菌による脂肪酸（酪酸、プロオピオン酸、酢酸）及び芳香族炭化水素（安息香酸）を低分子化する分解反応は(1)〜(4)式のように吸エルゴン反応であり、これらの反応を単独で進行させるためには外部からのエネルギー供給が必要である。ところが実際の自然界におけるメタン発酵では、(5)式の反応を行う水素資化性のメタン生成菌が非メタン生成菌と共生し、(1)〜(4)式の過程で発生する分子状水素を除去してメタンガスを生成することにより(1)〜(4)式の反応が継続的に進行している。
【００１１】
［化１］
CH3(CH2)2COO-＋2H20＝2CH3COO-＋2H+＋2H2（＋48.1kJ/mol）……………(1)
CH3CH2COO-＋H+＋2H2O＝CH3COO-＋CO2＋3H2（＋76.0kJ/mol）……………(2)
CH3COO-＋H+＋2H2O＝2CO2＋4H2（＋94.9kJ/mol） …………………………(3)
C6H5COO-＋6H2O＝3CH3COO-＋2H2＋CO2＋3H2（＋49.5kJ/mol）……………(4)
CO2＋4H2→CH4＋2H2O  …………………………………………………………(5)
【００１２】
本発明者は、消化槽内において水素資化性のメタン生成菌の活性を高めることに注目した。(5)式の反応を行うメタン生成菌の活性を高めることができれば、(1)〜(4)式の生成物である水素の分圧を下げて分解反応の平衡を生成物側に傾け、難分解性有機物の分解反応を促進できる。また本発明者は、メタン発酵微生物群が付着した固定床を設けた消化槽において、担体に付着して存在する微生物群と消化槽内の液相部に浮遊して存在する微生物群とでは種類及び増殖速度（単位時間当たりの菌体数の増加量）が異なっており、液相部の微生物群の種類及び増殖速度は消化槽内の有機物の水理学的滞留時間（以下、ＨＲＴということがある）によって調整できることを実験的に見出した（特許文献４参照）。消化槽内の液相部に浮遊するメタン生成菌の増殖速度を大きくして活性を高めてやれば、液相と担体との間の界面に微生物活性の差に起因する人工的な水素分圧差を生じさせ、担体における難分解性有機物の分解反応を促進することが期待できる。本発明はこの知見に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。
【００１３】
図１の実施例を参照するに、本発明による有機物含有液の嫌気性分解方法は、メタン発酵微生物群３の付着する微生物担体２が固定された嫌気性消化槽１内に有機物含有液Ｓを連続流入させ、消化槽１内の有機物含有液Ｓの水理学的滞留時間をメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度が担体２上における増殖速度より大きくなるように調整してなるものである。好ましくは、有機物含有液Ｓの水理学的滞留時間を0.01〜3.0日に調整する。
【００１４】
更に好ましくは、有機物含有液Ｓの連続流入を充分長い初期水理学的滞留時間で開始して微生物担体２上にメタン発酵微生物群３を付着させたのち、水理学的滞留時間を短縮調整してメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度を大きくする。有機物含有液Ｓには、脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素、含塩素化合物その他のメタン発酵微生物群３による難分解性有機物Ｄを含めることができる。
【００１５】
また図１のブロック図を参照するに、本発明による有機物含有液の嫌気性分解装置は、メタン発酵微生物群３の付着する微生物担体２が固定された嫌気性消化槽１、及び消化槽１内に有機物含有液Ｓをメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度が担体２上における増殖速度より大きくなる水理学的滞留時間で連続流入させる供給装置10を備えてなるものである。
【００１６】
好ましくは、供給装置10に消化槽１内の有機物含有液Ｓの水理学的滞留時間を調整する調整手段16aを含める。更に好ましくは、供給装置10にメタン発酵微生物群３の増殖に必要な栄養塩類Ｎを有機物含有液Ｓに添加する添加手段15を含める。有機物含有液Ｓには脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素、含塩素化合物その他のメタン発酵微生物群による難分解性有機物Ｄを含めることができ、その場合は供給装置10に、有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度を調節する濃度調節手段14を含めることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による有機物含有液の嫌気性分解方法及び装置は、メタン発酵微生物群３の微生物担体２が固定された嫌気性消化槽１内に有機物含有液Ｓを連続流入させ、消化槽１内の有機物含有液Ｓの水理学的滞留時間をメタン発酵微生物群３の増殖速度が液相Ｓ中において担体２上より大きくなるように調整するので、次の顕著な効果を奏する。
【００１８】
（イ）水素資化性メタン生成菌の液相中における増殖速度を担体上における増殖速度より大きくして活性を高めることにより、液相と担体との界面に人工的な水素分圧差を作り出し、担体上において水素の生成を伴う非メタン生成菌の分解反応を促進することができる。
（ロ）有機物含有液が脂肪酸、油脂、芳香族炭化水素等の難分解性有機物を含む場合でも、担体上において非メタン生成菌による難分解性有機物の分解反応を促進することにより、迅速で効率的なメタン発酵が可能である。
（ハ）ダイオキシン等の含塩素化合物に対するメタン発酵微生物群の分解機構は未だ十分解明されていないが、液相と担体との界面に人工的な水素分圧差を作り出すことにより、非メタン生成菌による含塩素化合物の脱塩素反応等を促進することも期待できる。
（ニ）従来のように難分解性有機物を分離回収して別途処理する必要がなくなり、他の有機物と共に効率的にメタンガス化することができるので、難分解性有機物を含む有機性廃棄物その他の様々な有機物含有液を経済的にメタン発酵処理することが可能となる。
（ホ）従来のメタン発酵用の嫌気性消化槽をそのまま利用して、簡単な運転条件の変更により有機物の分解効率を改善することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の嫌気性分解装置の実施例を示す。図示例の分解装置は、微生物担体２の固定床が設置された嫌気性消化槽１と、消化槽１内に有機物含有液Ｓを連続的に供給する供給装置10とを有する。微生物担体２にはメタン発酵微生物群３を付着させる。微生物担体２は、メタン発酵微生物群３が付着しやすく表面に生物膜（以下、バイオフィルムという）を生成しやすい材料製とすることが望ましく、例えば炭素繊維不織布製、ポリウレタン製、多孔質プラスチック製又は多孔質無機物製とすることができる。また微生物担体２は、微生物群３と有機物含有液Ｓとの接触面積ができるだけ大きくなるように消化槽１内に充填することが望ましい。図示例の消化槽１は、内側下部に透水性床板2aを水平に設け、炭素繊維不織布を円筒状に成形した複数の微生物担体２を透水性床板2a上に鉛直向きに密に充填配置すると共に、浮き上がり防止用の透水性抑え蓋2bを載置して固定床としたものである。
【００２０】
消化槽１には、内部の有機物含有液Ｓをメタン発酵微生物群３の活性温度（例えば、37℃又は55℃）に保持する保温手段５を設けることが望ましい。図示例の保温手段５は、消化槽１の一端から有機物含有液Ｓを抜き出して他端へ戻す循環ライン６と、消化槽１内の有機物含有液Ｓを循環ライン６へ送り出す循環ポンプ７と、循環ライン６上に設けた熱交換器８とを有する。消化槽１内の有機物含有液Ｓを、循環ライン６を介して循環させつつ、熱交換器８において熱源からの高温水又は蒸気との熱交換により加熱して保温する。ただし、本発明では従来の固定床が設けられたメタン発酵用の嫌気性消化槽を利用することができ、保温手段５は図示例に限定されるものではない。有機物含有液Ｓとメタン発酵微生物群３との接触により発生するメタンガスＧは、消化槽１の頂部の気相部に接続したガス回収装置20により回収する。
【００２１】
図示例の供給装置10は、有機物含有液Ｓを貯える貯留槽11と、貯留槽11の有機物含有液Ｓを供給ライン17経由で消化槽１の一端へ連続的に流入させる供給ポンプ16と、供給ポンプ16の送入量を調節する調整手段16aと、消化槽１の他端に接続されたオーバーフローライン18及び処理済液槽19とを有する。供給ライン17から消化槽１の一端に流入した有機物含有液Ｓは、消化槽１内に滞留しつつ後続の有機物含有液Ｓによって押し流され、処理済液Ｅとして消化槽１の他端からオーバーフローライン18へ溢れ出る。図示例のオーバーフローライン18は、溢れ出た処理済液Ｅを処理済液槽19に導くと共に、安全のため消化槽１の一端にも接続されている。処理済液槽19に溜まった処理済液Ｅは、適宜に二次処理施設等（図示せず）へ送られる。消化槽１内の有機物含有液ＳのＨＲＴは、調整手段16aによる供給ポンプ16の流入量の調節によって調整することができる。
【００２２】
また図示例の供給装置10は、メタン発酵微生物群３の増殖に必要な栄養塩類Ｎを貯える貯留槽13と、栄養塩類Ｎを有機物含有液Ｓに添加する添加手段15とを有する。本発明の嫌気性分解装置は、有機性廃棄物その他の様々な有機物含有液Ｓを処理対象とすることができるが、とくに有機性廃棄物の場合は成分にバラツキがあり、安定した嫌気性分解を継続することが難しい場合がある。貯留槽11において様々な有機性廃棄物を適宜に希釈、混合、粉砕して成分を均一化すると共に、添加手段15において微生物群３の増殖に最低限必要な栄養塩類Ｎを添加することにより、消化槽１における有機物含有液Ｓの処理がスムーズに行われるよう適宜調整する。
【００２３】
更に図示例の供給装置10は、難分解性有機物Ｄ（難分解性有機物Ｄが含まれる有機物含有液Ｓを含む。以下同じ）を処理する場合に、その難分解性有機物Ｄを貯える貯留槽12と、消化槽１へ流入させる有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度を調節する濃度調節手段14とを設けている。後述するように本発明では、消化槽１の微生物担体２にメタン発酵微生物群３のバイオフィルムが生成されたのちは比較的高濃度の難分解性有機物Ｄを流入させても分解可能であるが、バイオフィルムの生成過程では難分解性有機物Ｄの濃度を段階的に低濃度から分解処理可能なレベルに高めていくことが望ましい。難分解性有機物Ｄの貯留槽12を有機物含有液Ｓの貯留槽11と分離し、濃度調節手段14によって難分解性有機物Ｄと有機物含有液Ｓとを適宜混合することにより、有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度を調節しながら消化槽１に流入させる。ただし、有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度調節方法は図示例に限定されない。
【００２４】
図１の嫌気性分解装置を用いて有機物含有液Ｓを分解する方法の一例は、先ず消化槽１内の微生物担体２にメタン発酵微生物群３をシード（植菌）し、供給装置10により有機物含有液Ｓを充分長い初期ＨＲＴ（例えば20日）で連続流入させながら、微生物担体２にメタン発酵微生物群３を付着させてバイオフィルムを馴養する。微生物担体２の形状や物性によって馴養時間は異なるが、時間の経過と共に有機物含有液Ｓとの相互作用によって微生物担体２の表面にバイオフィルムが成長する。ただし、微生物担体２上のメタン発酵微生物群３の馴養は本発明に必須のものではなく、予めメタン発酵微生物群３のバイオフィルムが形成された微生物担体２を消化槽１内に配置してもよい。
【００２５】
難分解性有機物Ｄを処理対象とする場合は、可能であれば当初から又はバイオフィルムがある程度成長したのち、バイオフィルムの馴養基質にその難分解性有機物Ｄを含め、難分解性有機物Ｄの分解に適したバイオフィルムを馴養することが望ましい。また、当初から難分解性有機物Ｄの濃度が高い有機物含有液Ｓを流入させるのではなく、初期ＨＲＴにおいて馴養中のバイオフィルムにより難分解性有機物Ｄが分解可能であることを確認しながら、濃度調節手段14により有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度を徐々に高めていくことが望ましい。
【００２６】
微生物担体２にバイオフィルムが成長した後又はバイオフィルムが形成された微生物担体２を消化槽１内に配置した後、調整手段16aで供給ポンプ16の流入量を調節し、消化槽１内の有機物含有液ＳのＨＲＴを短縮調整する。難分解性有機物Ｄを処理対象とする場合は、この有機物含有液ＳのＨＲＴの短縮調整時に、有機物含有液Ｓ中の難分解性有機物Ｄの濃度を徐々に増大させて分解処理可能なレベルとしてもよい。
【００２７】
消化槽１中には、微生物担体２にバイオフィルムとして付着して増殖する微生物群と有機物含有液Ｓの液相中に浮遊して増殖する微生物群とが存在するが、その各々の微生物群の増殖過程は一般に図４のようなＳ型曲線を示すことが知られている（非特許文献２参照）。図４のＳ型曲線は、増殖過程に応じて表１のような複数の位相に分類できる。有機物含有液ＳのＨＲＴを短縮していくと、液相Ｓ中に浮遊する微生物群は増殖頂位期（定常期）に達する前に消化槽１の外に流出し、表１の増殖最盛期（増殖速度が最も大きい対数期）の微生物群が残るため、液相Ｓ中の微生物群の増殖速度が大きくなる。これに対し微生物担体２に付着した微生物群は、ＨＲＴを短縮しても流出しないため、液相Ｓ中の微生物群に比し増殖速度は相対的に小さくなる。すなわち、消化槽１内のメタン発酵微生物群３の液相Ｓ中における増殖速度を、担体２上における増殖速度より大きくすることができる。
【００２８】
一般に酵素活性を含む微生物群の活性は、その増殖速度に比例して高まることが知られている（非特許文献２参照）。メタン発酵微生物群３中のメタン生成菌3bは水素吸収酵素であるヒドロゲナーゼ（(5)式の反応を進める酵素）を有しており、液相Ｓ中の微生物群の増殖速度が大きくなると、液相Ｓ中のメタン生成菌3bのヒドロゲナーゼ活性も高まる。それに対し微生物担体２上のメタン生成菌3bのヒドロゲナーゼ活性は、液相Ｓ中のヒドロゲナーゼ活性に比して相対的に低いままで留まる。この結果、バイオフィルムと液相Ｓとの界面にヒドロゲナーゼ活性（水素吸収活性）の異なる場が形成され、バイオフィルムから液相Ｓ中に水素（電子）が引き抜かれる状況、すなわち人工的な水素分圧差が作り出せる。
【００２９】
【表１】
2007203150.tif 000003
【００３０】
上述したように微生物担体２上における有機物のメタン発酵はメタン発酵微生物群３中の非メタン生成菌3aとメタン生成菌3bとの複合微生物反応であるが、微生物担体２上のバイオフィルムと液相Ｓとの界面に人工的な水素分圧差を作り出すことにより、微生物担体２上の非メタン生成菌3aの分解生成物である水素の分圧を下げ、非メタン生成菌3aによる有機物の分解反応を促進することができる。とくに難分解性有機物Ｄの分解反応は定常状態では進行しない吸エルゴン反応であるが（(1)〜(4)式参照）、微生物担体２と液相Ｓとの界面に水素分圧差を作り出すことにより、本来嫌気性条件下では進行しない難分解性物質Ｄの分解反応を促進し、難分解性有機物Ｄの効率的なメタン発酵が実現できる。ただし、本発明は難分解性有機物Ｄの嫌気性分解に限定されるものではなく、難分解性有機物Ｄを含まない有機物含有液Ｓのメタン発酵の効率化にも有効である。
【００３１】
液相Ｓ中のメタン生成菌3bのヒドロゲナーゼ活性は、メタン生成菌3bの増殖速度が速いほど大きくなるので、消化槽１中の有機物含有液ＳのＨＲＴは液相Ｓ中のメタン生成菌3bの増殖速度が最大となるように調整することが望ましい。ＨＲＴをあまり短縮すると、増殖最盛期のメタン生成菌3bも流出してしまうため、液相Ｓ中の微生物群の増殖速度は逆に小さくなる。本発明者は、有機物含有液Ｓの種類により異なるものの、消化槽１中の有機物含有液ＳのＨＲＴを0.01〜3.0日（0.24〜72時間）に調整すれば、微生物担体２と液相Ｓとの界面に水素分圧差を作り出すことができ、有機物含有液Ｓの効率的なメタン発酵が実現できることを実験的に確認することができた。
【００３２】
［実験例１］
本発明の嫌気性分解方法によるメタン発酵効率を確認するため、容量３リットルのチューブラーリアクター（内径6cm×長さ120cm）を嫌気性消化槽１として用い、図１の嫌気性分解装置を試作して実験を行った。消化槽１内に炭素繊維不織布を円筒状に成形した微生物担体２を充填して固定床とし、その固定床に嫌気性消化汚泥を３リットル仕込み、有機物含有液Ｓとして酢酸18g／リットル、酪酸48g／リットルを含む表２の合成培地をＨＲＴ＝20日（COD容積負荷＝0.2kg-CODcr／m3-reactor／day）で流入出させてバイオフィルムを馴養した。また、消化槽１内の有機物含有液Ｓを循環ポンプ７及び循環ライン６により循環させつつ熱交換器８により加熱し、運転温度を55℃に保持した。
【００３３】
微生物担体２にバイオフィルムが成長した後、有機物含有液ＳのＨＲＴを徐々に短縮してCOD容積負荷を上げながら、経時的にメタンガスＧの発生量を計測した。本実験によるＨＲＴとCOD容積負荷とガス発生量との関係を図２のグラフに示す。図２のグラフから分かるように、ＨＲＴの短縮に応じてメタンガスＧの発生量が増加し、ＨＲＴ＝約２時間、COD容積負荷＝100kg-CODcr／m3-reactor／dayの条件下で、ガス発生量から算出したCOD分解率＝約70％を達成することができた。またこの条件下で、微生物担体２上には単位重量当たり８ｇ程度のバイオフィルムが形成されていることを確認できた。この実験結果から、本発明の嫌気性分解方法により、難分解性有機物である酢酸及び酪酸を含む有機物含有液Ｓを２時間程度の短時間で効率的にメタンガスＧに分解することができることを確認できた。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
また、リアクターパフォーマンスの最も高かったＨＲＴ＝２時問の条件下で、微生物担体２に付着したバイオフィルムの微生物群と液相Ｓ中に浮遊する微生物群とをそれぞれ採取し、各々の微生物群の細胞中のＡＴＰ量を計測した。その結果、液相Ｓ中の微生物群中のＡＴＰ量はバイオフィルム中の微生物群中のＡＴＰ量に比して約15倍であり、微生物群の活性がバイオフィルム中に比し液相Ｓ中において極めて高いことを確認できた。この実験結果から、本発明によるＨＲＴの調整が、液相Ｓ中の微生物群の活性向上に有効であることを確認できた。
【００３６】
更に、図３の計測装置30を用い、ＨＲＴ＝２時問の条件下で採取したバイオフィルムの微生物群と液相Ｓ中の微生物群とのヒドロゲナーゼ活性（水素吸収活性）をそれぞれ計測した。本実験では、還元により青く染まるメチルビオロゲン（Methyl Viologen）を人工的電子伝達体として用い、各微生物群のヒドロゲナーゼ活性を分光光学的に計測した。先ず図３のガラスセル31内に採取した微生物群（サンプル液）をバッファーと共に封入し、安全のため気相中の水素ガスを逃がす針34を設けたうえで、恒温槽で暖めながらサンプル液内に水素ガス送入針33から水素ガスを吹き込んだ。水素ガスを２〜３分吹き込んで飽和させたのち、ガラスセル31からサンプル液を取り出してメチルビオロゲンを加え、分光光度計によりサンプル液の水素吸収量（還元されたメチルビオロゲンの量）を測定した。その結果、バイオフィルムの微生物群の水素吸収活性は低すぎて検出できなかったのに対し、液相Ｓ中の微生物群の水素吸収活性は約7.22×106mol-H2／min／mg-cellであり、バイオフィルムと液相Ｓとの界面にヒドロゲナーゼ活性（水素吸収活性）の異なる場が形成されていることを確認できた。すなわち、微生物担体２と液相Ｓとの界面に水素分圧差が作り出されており、この水素分圧差により２時間という高速での有機酸分解が達成できたものと推察できる。
【００３７】
こうして本発明の目的である「メタン発酵微生物群による有機物の分解反応を促進できる有機物含有液の嫌気性分解方法及び装置」の提供を達成できた。
【実施例１】
【００３８】
本発明の処理対象の有機物含有液Ｓとして、農産物加工工場・ジュース工場・食品工場等の各種製造工場から排出される有機性廃液、下水・屎尿等の各種有機性廃水、スラリー化した農畜産廃棄物や生ごみ等の有機性廃棄物を使用することができる。とくに本発明は、難分解性有機物Ｄを含む有機性廃棄物を効率的にメタン発酵することが可能であり、従来のように難分解性有機物Ｄを分離回収して別途処理する必要がないので、有機性廃棄物の経済的な分解処理への活用が期待できる。
【００３９】
［実験例２］
実験例１と同様に、容量３リットルの嫌気性消化槽１に炭素繊維不織布製の円筒状微生物担体２を充填して固定床とし、難分解性有機物Ｄとしてベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素及び油脂を高濃度に含む工場廃水（表３の反応前の欄参照）をＨＲＴ＝20日（COD容積負荷＝2.0kg-CODcr／m3-reactor／day）で流入出させてバイオフィルムを馴養した。消化槽１内の工場廃水は、循環ライン６で循環させつつ運転温度を55℃に保温した。馴養が完了したのち、ＨＲＴを徐々に短くしていくことでCOD容積負荷を上げた結果、ＨＲＴ＝約12時間、COD容積負荷＝80kg-CODcr／m3-reactor／dayの条件で、表３の反応後の欄に示すようにCOD分解率約80％（＝(76,000-15,400)／76,000）を達成することができた。この実験結果から、本発明の嫌気性分解方法は、芳香族炭化水素及び油脂のような難分解性有機物Ｄを含む有機性廃水のメタン発酵の効率向上にも有効であることを確認できた。
【００４０】
【表３】
2007203150.tif 000005
【００４１】
［実験例３］
実験例１と同様の容量３リットルの消化槽１内に棒状に成形した多孔質石を微生物担体２として充填して固定床とし、難分解性有機物Ｄとしてプロピオン酸10000mg／リットルを含む有機性廃水をＨＲＴ＝10日で連続流入させて固定床上にバイオフィルムを馴養した。消化槽１内の有機性廃水は、循環ライン６で循環させつつ運転温度を55℃に保温した。流入開始当初のプロピオン酸の分解率は20％程度であったが、馴養を２カ月程度行ったところプロピオン酸の分解率が70％まで上昇した。この間に、微生物担体２である多孔質石の上には約２mm程度のバイオフィルムの形成が確認できた。その後、ＨＲＴを3.0日まで短縮したところ、プロピオン酸の分解率が80〜90％に上昇して安定することを確認できた。この実験結果から、本発明の嫌気性分解方法は、プロピオン酸のような難分解性有機物Ｄを含む有機性廃水のメタン発酵の効率向上にも有効であることを確認できた。
【００４２】
しかしながら、ＨＲＴを1.0日にしたところプロピオン酸の分解率が低下し、ＨＲＴ＝0.5日では30％程度にまで低下した。この実験結果は、プロピオン酸を含む有機性廃水では、ＨＲＴ＝0.5〜1.0日にすると液相Ｓ中の増殖最盛期のメタン生成菌3bも流出してしまい、液相Ｓ中のメタン生成菌3bの増殖速度及びヒドロゲナーゼ活性が低下し、その結果としてプロピオン酸の分解率が低下することを示唆している。すなわち、難分解性有機物Ｄを本発明の嫌気性分解装置で処理する場合は、難分解性有機物Ｄの種類に応じて液相Ｓ中のメタン生成菌3bの増殖速度が最大となるように、難分解性有機物Ｄを含む有機物含有液ＳのＨＲＴを適切に調整することが必要となる。
【実施例２】
【００４３】
本発明の嫌気的分解装置は、難分解性有機物Ｄを含む有機物含有液Ｓを高効率でメタン発酵することが可能であるが、消化槽１内の有機物含有液ＳのＨＲＴが比較的短いので、消化槽１から流出する処理済液Ｅに未分解の有機物が含まれている。例えば、複数の本発明による嫌気的分解装置を直列接続し、上流側の消化槽１から流出する処理済液Ｅを下流側の消化槽１に有機物含有液Ｓとして流入させることにより、処理済液Ｅ中の有機物を環境中に排出できる程度にまで低減することができる。また、本発明の嫌気的分解装置の下流側に従来のメタン発酵用の嫌気性消化槽を接続し、本発明の分解装置から流出した処理済液Ｅを原料として更にメタンガスＧを回収することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例の説明図である。
【図２】本発明の効果を確認した実験結果を示すグラフである。
【図３】微生物のヒドロゲナーゼ活性（水素吸収活性）を計測する装置の説明図である。
【図４】微生物群の増殖過程を示すＳ型曲線の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…嫌気性バイオリアクター
２…微生物担体              2a…透水性床板
2b…透水性抑え蓋            ３…メタン発酵微生物群
3a…非メタン生成菌          3b…メタン生成菌
５…保温手段                ６…循環ライン
７…循環ポンプ              ８…熱交換器
10…供給装置                11…有機物含有液貯留槽
12…難分解性有機物貯留槽    13…栄養塩類貯留槽
14…濃度調節手段            15…添加手段
16…供給ポンプ              16a…調整手段
17…供給ライン              18…オーバーフローライン
19…処理済液槽              20…ガス回収装置
21…ガスタンク              22…ガスメータ
30…水素吸収活性計測装置    31…ガラスセル
32…サンプル液              33…水素ガス送入針
34…水素ガス逃がし針
Ｄ…難分解性有機物          Ｅ…処理済液
Ｇ…メタンガス              Ｎ…栄養塩類
Ｓ…有機物含有液
【図１】
2007203150.tif 000006
【図２】
2007203150.tif 000007
【図３】
2007203150.tif 000008
【図４】
2007203150.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月14日(2006.2.14)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は有機物含有液の嫌気性分解方法及び装置に関し、とくに有機性廃棄物その他の有機物含有液をメタン発酵微生物群との接触により分解する方法及び装置に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
本発明の嫌気性分解装置は、難分解性有機物Ｄを含む有機物含有液Ｓを高効率でメタン発酵することが可能であるが、消化槽１内の有機物含有液ＳのＨＲＴが比較的短いので、消化槽１から流出する処理済液Ｅに未分解の有機物が含まれている。例えば、複数の本発明による嫌気性分解装置を直列接続し、上流側の消化槽１から流出する処理済液Ｅを下流側の消化槽１に有機物含有液Ｓとして流入させることにより、処理済液Ｅ中の有機物を環境中に排出できる程度にまで低減することができる。また、本発明の嫌気性分解装置の下流側に従来のメタン発酵用の嫌気性消化槽を接続し、本発明の分解装置から流出した処理済液Ｅを原料として更にメタンガスＧを回収することも考えられる。