バイアル実験による有機性固形廃棄物のメタン発酵への適用性の評価
水圏土壌環境制御研究室
指導教官
1. 緒言

下保木伸悟

大橋晶良、原田秀樹

生分解性試験により対象となる有機性固形廃棄

有 機 性 固 形 廃 棄 物 の 処理 法 と し て 嫌 気 性 消化・メタン発酵に着目した。本研究では佐賀県

物のメタン発酵への適用性の評価を目的とし嫌気性生分解性試験を行った。

鳥栖市から排出される混合廃棄物および新潟県佐渡島から排出されるイカ加工残滓を未利用廃

2.2 実験

棄物系バイオマスとし、ラボスケールでの嫌気2.2.1 嫌気性生分解性試験性消化を試みた。対象とした有機性固形廃棄物

122ml セ ラ ム バ イ ア ル ( 気 相 75 ml, 液 相の生分解性、メタン発酵への適用性を評価する47ml)を用いて 37℃の温浴中で振とう培養を行ことを目的としバイアル実験を行った。

った。以下の操作は全て完全に酸素を除いた窒素器気流下で行った。バイアルにはあらかじめ1. 鳥栖市から排出される有機性固形廃棄物煮沸、脱酸素操作を行い試験温度に設定したリ

2.1 背景ン酸緩衝液 (バイアル内最終濃度 25mM)と重炭

佐賀県鳥栖市では廃棄物系バイオマスの有効酸ナトリウム (バイアル内最終濃度 1000mg/L) 、活用を目的としたメタン発酵プラントの設立計分散処理を施した植種汚泥、基質を注入した。

画が進められている。同市では廃棄物系バイオ窒素ガスで気相部をパージした後ブチルゴムでマスとして牛糞、グリセリン、給食残査、食品キャップしアルミシールで密栓し還元剤加工残査の 4 種 (Fig.2.1.1) が多く排出されてお(Na2S・9H2O)を加えた。バイアル内の pH が全り、それらをメタン発酵に用いることが計画さて 7.0 になるように 1N の塩酸、または水酸化ナれている。本研究ではプラントの運転に先立ち、トリウムを加えて調整した。約 1 時間程度 37℃a)b)のウォーターバスの中で振とうし、バイアル内の温度を安定させた。その後、窒素パージにより加圧状態になっているバイアル内の圧を大気圧に戻し実験を行った。試験中にバイアル内のc)d)

気相部に蓄積するメタン量を経時的にサンプリ
ング (0.5ml)し、TCD-GC にて発生バイオガスの組成を測定し発生バイオガス中のメタン量を求めた。投入基質の分解性はメタンガス発生量でFig. 2.2.1 a)食品廃棄物, b)グリセリンc)牛糞, d) 給食残査評価した。

a)2.2.1 実験条件

160140食品廃棄物 : グリセリン : 給食残査 : 牛糞=120

混合物に対し 1:1 (重量比) で蒸留水を加えてガーゼで絞り固液分離し液分を基質として生分解

CH4 production (ml)1 : 1 : 30 : 21.1 の配合比 (重量基準)で混和した。

COD8000①

COD8000②

Control①60

CODcr-t/L)であった。消化汚泥( CODcr: 1478.320mg/gVS, MLVSS:8487mg/L)を植種汚泥として使005101520b)

253035time(h)600

度を 1000, 2000, 4000, 8000 (mgCOD/vial L)の 4系および Control (植種汚泥のみ) とした。また 4500

種の基質の各々の分解性を把握するため基質を400

食4000①

食4000②

G4000①

G4000②牛4000①牛4000②給4000①給4000②Control

MIX4000①

MIX4000②
CH4 production (ml)物の基質濃度 4000、8000 を「食 4000、食 8000」、

COD2000②

COD40008040

混合せず、単独で分解試験を行った。食品廃棄COD1000②

COD2000①

Control②100

性試験に用いた。基質の有機物量は 75200 (mg用した。分解挙動を比較するため、投入基質濃COD1000①300200

グリセリンを「G4000、G8000」、牛糞を「牛 4000、100

牛 8000」、給食残査を「給 4000、給 8000」、混0合廃棄物を「Mix4000、Mix8000」とそれぞれ略02468101214time(d)称した。

c)
12002.3 実験結果

1.0 の混合比において高い分解性を示し、0.56(ml CH4/g substrate VS) が得られた (Fig.2.3.1)。

CH4 production (ml)メタンガス発生量の経時変化を示す。牛糞：
生ゴミ：グリセリン：あおこ=21：30.0：1.0：

食8000①
G8000①
牛8000①給8000①
MIX8000①
Control

1000

800

600400また単独基質の生分解性試験において給食残200査と食品廃棄物が高い分解性を示し COD400000

では一週間で基質分解が終了した。グリセリン

食8000②
G8000②
牛8000②給8000①
MIX8000②

510152025time(d)は他の基質に比較して発生メタン量が最も多く

Fig. 2.3.1 a)混合基質 COD1000,2000,4000,8000 から

投入基質 VS あたり 2.69 (g CH4 COD/g substrateの CH4 発 生 量 経 時 変 化 , b) 各 基 質 COD4000,VS) が 得 ら れ た 。 最 小 は 牛 糞 の 0.38 (g CH4c)COD8000 からの CH4 発生量経時変化

COD/g substrate VS) であった。牛糞の分解性が低くおよそ 40％程度しかメタンに転換されなかった。基質に含まれる固形分の多さが原因として挙げられる。牛糞は TS が 19.9%と非常に高く、難分解である粗繊維分が多量に混和されていた。

これらの結果から混合基質の分解特性は粗繊維分を除いた牛糞を含めた各基質が易分解性であったことに由来していたと考えることができる。

3 イカ加工残滓の嫌気性消化実験
3.1

3.4背景実験条件

嫌気性消化におけるイカ加工残滓の生分解性循環型社会の構築を目指し新潟県佐渡島ではおよび基質と植種汚泥の FM 比が及ぼす分解挙

現在『エコアイランド佐渡島の未利用バイオマ動への影響を評価した。消化汚泥を植種し 37℃

スと下水汚泥の混合消化方式によるガス化・コの温浴中で振とう培養を行った。FM 比を 0.05,ジェネレーション事業調査』が推進されている。

0.1, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, Control とした。

これまで島外での処理に依存していたイカ加工
残滓、焼却処分していたホテルの厨芥ゴミ（生ゴミ）を下水汚泥との混合消化により現地で処3.4.5

実験結果a)
120

理することを目的としている。イカ加工残滓の混合消化による前例はなく実現可能性の評価が90

メタン発生量 (ml)求められている。

F/M=0.1

F/M=0.5

F/M=1.0

F/M=1.5

F/M=2.0

Control60

3.2

F/M=0.05

目的30

イカ加工残滓の組成分析、生分解性の評価、カドミウムの溶出挙動の把握、生ゴミ・下水汚00

泥との混合消化の評価を目的とした。

5101520253035F/M=1.5F/M=240時間(日)

100b)

903.3

組成分析

8070

転換質 (%)

三検体以上の分析を行い測定値とした。分析に先立ちフードプロセッサーでペースト状に加工し均質化した。

60504030

Table 3.3.1 イカ加工残滓の組成単位

固形分
強熱残留物
t-CODcrs-CODcr
炭素 C
窒素 N
C/N
脂質
タンパク質

(%)
(%)
(mg COD/ g VS)(mg COD/ g VS)(mg C/ g VS)(mg N/ g VS)% (mg lipid/mg VS)(mg Protein/ g VS)

分析値
383621001060
15701481154324

標準偏差100.30.3
19.5
16.8
34.3
3.40.01.015.30

銅 Cu(mg Cu/ g TS)

0.170.00

カドミウム Cd

(mg Cd/ g TS)

0.160.00c)

F/M=0.054500

F/M=0.1

F/M=0.5

F/M=1i-Caproicn-Valerate

4000

i-Valerate3500

蓄積濃度(mg/L)

分析項目

20

n-Butyrate
i-Butyrate

3000

Propionate
2500

Acetate

2000
1500
1000
500
0

F/M=0.05

F/M=0.1

F/M=0.5

F/M=1.0

F/M=1.5

F/M=2.0

Control

Fig. 3.4.1 a)CH4 発生量経時変化, b) CH4 への転換率、c) VFA 蓄積濃度
Fig. 3.3.1 a) イカ加工残滓, b)ペースト加工後の基質

120
y = 1.0299x
R2 = 0.9358

100

F/M0.05, 0.1, 0.5 では投入基質有機物量のほぼ全80

カドミウム溶出率(%)

量がメタンガスに転換された。一方、F/M1.0, 1.5,2.0 では基質分解が進まず消化残査には VFA が6040

蓄積しており阻害の影響が示唆された。イカ加

20

工残滓を基質とし、阻害なく分解が進行した場

00

合 0.5 (ml/mg substrate VS) のメタンガスが発生することが分かった。

2060

80

100120

基質溶解率(%)

Fig. 3.5.1 基質溶解率と Cd 溶出率の関係a)180
イカ：生ゴミ=1:0
1:1
1:2
1:3
1:4
1:50:1
Control

1503.540

カドミウム溶出試験

120

塩酸で強制的にイカ加工残滓を溶解し嫌気性

90

消化における基質分解を再現した。イカの溶解60率とカドミウムの溶出率を分析した結果、両者30は比例関係にあることが分かった。
00b)

3.6

1020304035

イカと生ゴミ、下水汚泥の混合消化試験

80%

50%

1:50:130

混合消化基質として生ゴミを添加した。イカ:25

生ゴミ=1:0, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 0:1 (COD 比)
日数(日)20で混合し分解挙動を比較した。混合系は 30 日で15

投入基質の全量がメタンガスに転換された。イ10

カ単独系のメタンガスへの転換率は 54％であっ5た。投入基質の 80%をメタンガスに転換するま

0での日数を算出した結果、混合系では単独系よ1400

さらにイカ加工残滓、生ゴミ、下水汚泥混合消化実験を行った。三者の混合比をイカ:生ゴミ:下水汚泥=1:1:1, 5:1:1, 1:5:1, 1:1:5, 1:0:0, 0:1:0,0:0:1 (COD 比) とし 30 日間のモニタリングを行

1:1

1:2

1:3

1:4

Squid:garbage:sludge=1:1:1c)

5:1:1

1200

1:5:1
1:1:5
1:0:0

1000

0:1:0

メタンガス発生量 (ml)

りも 15 日以上早く分解が進むことが分かった。

1:0

0:0:1

800

Control

600

400200った。下水汚泥を多く混合した 1:1:5 からのメタ
0

ンガス発生量が最も多く 0.47 (ml/mg substrateVS)が得られ、下水汚泥を多く混合すること基質分解が促進されることが分かった。

051015時間(日)202530Fig. 3.7.2 a) 生ゴミとの混合消化の CH4 発生量,b) 分解日数, c)三種混合消化の CH4 発生量

下水汚泥との混合消化は有効であるが、基質の分解性を向上し、分解日数を短縮するためには3.7まとめ

イカ加工残滓の嫌気性消化により 0.5 (ml/mgsubstrate VS) のメタンガスが得られた。生ゴミ、投入するイカ加工残滓の重量に対し二倍以上の添加が不可欠である。