(57)【要約】【課題】地球温暖化の進行抑制と下水汚泥の有効活用の両立を図り、有用なエネルギーを得ることが可能な下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法を提供する。【解決手段】メタン菌を有する下水汚泥に、海水と水素ガスを供給してメタンガスを得るので、地球温暖化の進行抑制と下水汚泥の有効活用の両立が図れ、有用なエネルギーであるメタンガスを得ることが可能になる。この下水汚泥は、予め培養されてメタン菌が集積されていることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン菌を有する下水汚泥に、海水と水素ガスを供給してメタンガスを得ることを特徴とする下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法において、前記下水汚泥は、予め培養されてメタン菌が集積されていることを特徴とする下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業革命以降、上昇傾向にある二酸化炭素濃度は、地球温暖化の要因の一つとされている。今後、化石燃料由来の二酸化炭素を排出しない技術の開発や、排出された二酸化炭素を資源として利用し有用物質に変換する技術の開発が、急務な状況となっている。
一方、下水汚泥は、活性汚泥法による下水処理過程で、日々大量に発生している産業廃棄物の一つである。このため、廃棄処理に莫大な費用がかかる下水汚泥の有効活用の手法も、解決しなければならない課題となっている。
【０００３】
上記した下水汚泥中には、優れた機能を持つ多種多様の微生物群が存在しており、これらの微生物群を活用していくことは、下水汚泥の高度活用法の一つといえる。
例えば、特許文献１には、下水汚泥（活性汚泥）を超臨界水及び／又は亜臨界水により低分子化処理した後、メタン発酵させてメタンガスを製造する技術が開示されている。
また、特許文献２には、下水汚泥（有機性廃棄物）が供給された処理装置内において、脱窒素する微生物とメタン菌（メタン発酵菌）とを共存させた状態で、脱窒素反応とメタン発酵反応とを同時に進行させることで、メタンガスが得られる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００４／０３７７３１号
【特許文献２】特開２００３−９４０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術は、超臨界水や亜臨界水を用いるため、これらを別途準備する必要があり、メタンガスの製造に手間やコストがかかる。
また、特許文献２の技術は、メタンガスの製造を目的とする方法ではなく、下水汚泥の処理を目的としているため、亜硝酸や硝酸を用いる必要があり、コストがかかる。
更に、上記した技術はいずれも、大気中の二酸化炭素の濃度上昇を考慮したものではないため、地球温暖化の進行抑制には寄与できない。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、地球温暖化の進行抑制と下水汚泥の有効活用の両立を図り、有用なエネルギーを得ることが可能な下水汚泥を用いたメタンガスの製造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】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係る下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法は、メタン菌を有する下水汚泥に、海水と水素ガスを供給してメタンガスを得る。
【０００８】
本発明に係る下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法において、前記下水汚泥は、予め培養されてメタン菌が集積されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法は、下水汚泥に海水と水素ガスを供給するので、下水汚泥中のメタン菌を用いて、大気中の二酸化炭素に起因する海水中の炭酸水素イオンと水素ガスから、メタンガスを生成できる。これにより、地球温暖化の進行抑制と下水汚泥の有効活用の両立を図り、有用なエネルギーであるメタンガスを得ることが可能になる。
【００１０】
特に、下水汚泥に、予め培養されてメタン菌が集積されたものを使用する場合、メタンガスの生成効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）はＮａＨＣＯ３含有水のｐＨがメタンガスの生成に及ぼす影響を示すグラフ、（Ｂ）はＮａＨ１３ＣＯ３を含有する模擬海水と真水がＣ１３由来のメタンガスの生成に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】メタン菌の集積過程を示すグラフである。
【図３】種々の海水を用いて生成させたメタンガス量の推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
本発明の一実施の形態に係る下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法は、下水汚泥に海水と水素ガス（Ｈ２）を供給してメタンガス（ＣＨ４、以下単にメタンともいう）を得る方法である。以下、詳しく説明する。
【００１３】
まず、下水汚泥と海水を容器に装入して混合する。
この容器は、密閉可能なタンク等であり、例えば、下水汚泥の使用量等を考慮して、その容積を設定すればよい。
【００１４】
下水汚泥は、メタン菌（メタン細菌ともいう）を有するものであり、排水処理や下水処理の各過程で、沈殿又はろ過等により取り除かれる泥状の物質で、有機物と無機物で構成されている。このメタン菌とは、嫌気条件でメタンを合成する古細菌の総称であり、様々な種類があるが、どの菌も「１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子」という共通の遺伝子を持つものである。
【００１５】
上記した下水汚泥には、未処理のもの（下水処理過程で生じたもの）を使用できるが、予め培養されてメタン菌が集積されたものを使用することが好ましい。
このメタン菌を集積させた下水汚泥は、例えば、上記した泥状の下水汚泥を、水と共に容器に装入して密閉した後、容器内を窒素ガスで置換して温度Ｔ１でＤ１期間培養（振とう培養）し、更に容器内を水素ガスで置換して温度Ｔ２でＤ２期間培養（振とう培養）することで得られる。なお、容器内への水素ガスの供給は、断続的又は連続的に行う。
【００１６】
上記した温度Ｔ１と温度Ｔ２は、例えば、３５〜４５℃の範囲で調整できる。
また、Ｄ１期間は、例えば、２０〜５０日間であり、また、Ｄ２期間は、例えば、５〜１５日間であり、Ｄ１期間とＤ２期間の合計は、例えば、２５〜６５日間である。
なお、下水汚泥は、メタン菌を集積できれば、上記した方法（温度Ｔ１でＤ１期間培養、温度Ｔ２でＤ２期間培養）に限定されるものではなく、下水汚泥の構成（例えば、メタン菌の量）等により種々変更できる。
【００１７】
海水は、メタンガスを生成するための源となるＨＣＯ３−（炭酸水素イオン又は重炭酸イオン）を溶存したものであり、海から回収したものであればよい。
海水には、大気中の二酸化炭素（ＣＯ２）が溶解し、以下の平衡状態を維持している。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  ⇔  ＨＣＯ３−＋Ｈ＋  ⇔  ＣＯ３２−＋２Ｈ＋
この海水中のＣＯ２とＨＣＯ３−とＣＯ３２−（炭酸イオン）の合計濃度（即ち、全炭酸濃度）中のＨＣＯ３−の濃度は、例えば、８５〜９０％程度である。
【００１８】
海水の回収場所としては、海であればどこでもよいが、例えば、全炭酸濃度（ＨＣＯ３−濃度）が高い領域から回収したものが、地球温暖化の進行抑制の観点から好ましい。
具体的には、全炭酸濃度は、海面付近で低く、中深層（例えば、水深２００〜１０００ｍ程度）で高くなっていることから、中深層の領域から回収するのがよい。また、全炭酸濃度は、例えば、太平洋や大西洋、インド洋の間でも異なることから、これらも考慮に入れて回収するのがよい。
【００１９】
次に、下水汚泥と海水が装入された容器内に、水素ガスを供給した後、温度Ｔ３で培養（振とう培養）する。この容器内への水素ガスの供給は、断続的又は連続的に行う。
上記した温度Ｔ３は、例えば、３５〜４５℃の範囲で調整する。
これにより、メタンガスが得られる。
なお、容器内に供給する水素ガスは、任意の方法で得られたものを使用できるが、例えば、上記した方法で得られたメタンガスの一部を用いて製造することもできる。
【００２０】
以下、メタンガスの製造に海水を用いた理由について説明する。
まず、メタンガス生成へのｐＨの影響について、図１（Ａ）を参照しながら説明する。
ここでは、ｐＨを６．０、７．０、８．０、９．０にそれぞれ調整したＮａＨＣＯ３濃度が４ｇ／Ｌ（グラム／リットル）の水を、下水汚泥に供給し、水素ガスの雰囲気下で１５日間培養した。この下水汚泥には、上記したメタン菌を集積させたものを使用した。
【００２１】
このとき、下記の反応によってメタンガスが生成する。
ＨＣＯ３−＋４Ｈ２＋Ｈ＋  →  ＣＨ４＋３Ｈ２Ｏ（ΔＧ○＝−１３６ｋＪ／ｍｏｌ）
そこで、測定した１５日間のメタンガスの生成量から、ＨＣＯ３−がＣＨ４に変換した割合（ｍｏｌ  ＣＨ４／ｍｏｌ  ＨＣＯ３−）を求めた。
【００２２】
図１（Ａ）に示すように、ＣＨ４への変換割合（ｍｏｌ  ＣＨ４／ｍｏｌ  ＨＣＯ３−）は、ｐＨ７．０が最も高く（０．９３±０．０６）、ｐＨ８．０（０．７２±０．０２）、ｐＨ６．０（０．７０±０．０１）、ｐＨ９．０の順であった。
以上の結果から、メタンガスの製造には、ｐＨ７〜８程度の水を使用するのがよいことがわかった。
【００２３】
次に、メタンガスが、海水中のＨＣＯ３−から生成しているのか否かについて、図１（Ｂ）を参照しながら説明する。
ここでは、同位体元素Ｃ１３で調製されたＨＣＯ３−を添加した模擬海水と真水（ＮａＨＣＯ３濃度：０．１９６ｇ／Ｌ）を、上記と同様の方法で下水汚泥に供給し、水素ガスの雰囲気下で２０日間培養した。そして、発生したメタンガス中にＣ１３由来のメタン（１３ＣＨ４）がどの程度含まれるのかを、同位体比質量分析計（ＩＲＭＳ）を用いて測定した。
【００２４】
炭素原子Ｃの安定同位体にはＣ１２（１２Ｃ）とＣ１３（１３Ｃ）があり、生物が炭素原子を取り込むときには、自然界の平均値と比べてＣ１２とＣ１３の比率が変化する（同位体効果）。
上記したように、同位体元素Ｃ１３を用いてＨＣＯ３−を調整したのは、放出されるメタンの炭素原子におけるＣ１３の割合が低下するほど、メタンの発生源として、水素と二酸化炭素からメタンを作るメタン菌の貢献が大きいと考えられることによる。
【００２５】
図１（Ｂ）に示すように、真水（ＮａＨ１３ＣＯ３含有水）を用いた場合、メタンガス中の１３Ｃ／１２Ｃの原子比は１００％であり、Ｃ１３由来とＣ１２由来の各メタンが同程度存在した。一方、模擬海水（ＮａＨ１３ＣＯ３含有模擬海水）を用いた場合、メタンガス中の１３Ｃ／１２Ｃの原子比は８１％であり、Ｃ１３由来のメタンの割合が低下した。
以上のことから、下水汚泥を用いてメタンガスを製造するには、海水を用いることが有効であることが分かる。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
【００２７】
（メタン菌を高集積させた下水汚泥の作製）
固形分が５質量％の下水汚泥３０ｍＬ（ミリリットル、以下同様）を、内容積６６ｍＬのバイアル（容器）に装入し、ゴム栓で密栓した後、バイアル内の空気を窒素ガスで置換した。そして、この下水汚泥を入れたバイアルを、３７℃、１２０ｒｐｍで振とう培養した。
【００２８】
４日ごとにメタン発生量を測定すると共に、窒素ガスで再置換を行いながら、計４０日間培養した。図２に示すように、この時点では、下水汚泥自体からのメタンガスの発生はほとんどなかった。
次に、バイアルを水素ガスで置換し、同様に１０日間培養した。
最終的に計５０日間かけて培養した下水汚泥（調整汚泥）は、メタン菌が高集積した微生物群集となった。
【００２９】
（メタンガスの生成）
６６ｍＬのバイアル中に、上記した調整汚泥と海水を混合し、ゴム栓で密栓した後、水素ガスを供給し、３７℃、１２０ｒｐｍで培養した。時間の経過と共に発生したメタンガスは、ガスクロマトグラフィーにより測定した。
その結果、メタンガスの生成が確認された。
【００３０】
なお、海水は、塩分濃度が高いため、メタン菌によるメタンガスの生成が抑制される。
そこで、下水汚泥をリサイクルする処理、具体的には、下水汚泥に海水を供給して２０日間培養した後、この下水汚泥に新たな海水を供給して２０日間培養するバッチ処理を繰り返し行い、メタン菌を高い塩分濃度の環境に順応させた。
この結果を図３に示す。
【００３１】
なお、ここでは、海水として、芦屋、響灘、角島、及び、マレーシアの海からそれぞれ採取したものを使用した。また、模擬海水と水（海水ではない）も使用した。
この各海水の塩分濃度（Ｎａ＋濃度）は、芦屋：９６５０±５００（ｍｇ／Ｌ）、響灘：１０３００±１００（ｍｇ／Ｌ）、角島：９２００±８０（ｍｇ／Ｌ）、マレーシア：９９５０±７１（ｍｇ／Ｌ）、模擬海水：１０７００±８００（ｍｇ／Ｌ）、であり、角島で採取した海水の塩分濃度が最も低かった。また、各海水のｐＨは、芦屋：８．４５、響灘：８．０、角島：８．１、マレーシア：８．２、模擬海水：７．８、であった。
【００３２】
図３に示すように、バッチ処理の１回目では、角島から採取した塩分濃度が最も低い海水を用いた場合に、メタン生成量が最も多くなった。しかし、バッチ処理を２回、３回と繰り返し行うことで、他の海水を用いた場合でも、メタン生成量を多くできた。
これは、メタン菌を高い塩分濃度の環境に順応させることができたことによる。
【００３３】
以上のことから、本発明の下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法を用いることで、地球温暖化の進行抑制と下水汚泥の有効活用の両立を図り、有用なエネルギーを得ることができることを確認できた。
【００３４】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の下水汚泥を用いたメタンガスの製造方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
前記実施の形態では、下水汚泥と海水をバッチ処理してメタンガスを製造した場合について説明したが、下水汚泥と海水を容器に連続的に供給して、メタンガスを製造することもできる。なお、下水汚泥と海水の混合比は、特に限定されるものではなく、下水汚泥中のメタン菌の量や海水中のＨＣＯ３−濃度、また、メタンガスの生成量等を考慮して、適宜設定できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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