JP2021175562A - 有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体、該担体の製造方法、及び有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、簡便に得られる、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体を提供することである。【解決手段】本発明は、樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上堆積されている、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体を提供する。前記樹脂製の枠体が、１００ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下の隙間を有するメッシュ状に構成されていてもよい。本発明は該高温メタン発酵用担体の製造方法等も提供する。【選択図】図５
Description
本発明は、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体、該担体の製造方法、及び有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法に関する。
生ゴミや食品廃棄物等の有機性廃棄物の有効利用という観点から、様々な技術が開発されている。このような技術として、有機性廃棄物からバイオガスを回収する「メタン発酵」が知られる。
メタン発酵を用いたシステムのうち、固定床式高温メタン発酵システムでは、発酵槽内部に、微生物を保持させるための担体が設置され、高温下でメタン発酵が行われる。
例えば、特許文献１には、固定床式高温メタン発酵システムにおいて用いることができる担体が提案されている。この担体は、一対の重ね合わせた所定長さの耐酸性樹脂製矩形布、該一対の矩形布の間に所定間隔で並列に配置された該矩形布と実質上同じ長さの複数本の中空筒状枠体、及び該複数本の中空筒状枠体と一対の矩形布とを結合させる結合部材を備える。
しかし、特許文献１に示された担体は、耐酸性樹脂製矩形布と、中空筒状枠体とを結合する煩雑な工程、結合工程のための作業場所、結合工程前後の各部材の保管場所の確保等を要し、簡便さや、コストの観点から課題があり得る。
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、簡便に得られる、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体を提供することを目的とする。
本発明者らは、カルシウムを含有するスケールを表面に形成させた支持担体によれば上記課題を解決できる点を見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のものを提供する。
（１） 樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上堆積されている、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体。
（２） 前記樹脂製の枠体が、１００ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下の隙間を有するメッシュ状に構成されている、（１）に記載の高温メタン発酵用担体。
（３） 有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用い、
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
（１）又は（２）に記載の高温メタン発酵用担体の製造方法。
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
（１）又は（２）に記載の高温メタン発酵用担体の製造方法。
（４） 前記スケール形成工程の前に、前記原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程と、
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
（３）に記載の製造方法。
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
（３）に記載の製造方法。
（５） 前記原料槽中の有機性廃棄物のｐＨは３．５以上４．５以下である、（３）又は（４）に記載の製造方法。
（６） 前記反応槽中の有機性廃棄物のｐＨは７．０以上８．０以下である、（３）から（５）のいずれかに記載の製造方法。
（７） 前記反応槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が３００ｍｇ／Ｌ以下である、（３）から（６）のいずれかに記載の製造方法。
（８） 有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用いた、有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法であって、
運転初期の立ち上げ工程を含み、
前記立ち上げ工程は、
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
高温メタン発酵処理方法。
運転初期の立ち上げ工程を含み、
前記立ち上げ工程は、
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
高温メタン発酵処理方法。
（９） 前記スケール形成工程の前に、前記原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程と、
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
（８）に記載の高温メタン発酵処理方法。
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
（８）に記載の高温メタン発酵処理方法。
（１０） 樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上となるまで前記立ち上げ工程を行う、（８）又は（９）に記載の高温メタン発酵処理方法。
本発明によれば、簡便に得られる、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体が提供される。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
＜高温メタン発酵用担体＞
本発明の担体は、樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上堆積されている、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体である。以下、「カルシウムを含有するスケール」を「Ｃａスケール」ともいう。
本発明の担体は、樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上堆積されている、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体である。以下、「カルシウムを含有するスケール」を「Ｃａスケール」ともいう。
本発明者らが検討した結果、特開２０１８−１４３９０２号公報に示される担体において、所定の耐酸性樹脂製矩形布や結合部材を備えていない中空筒状枠体（支持担体）であっても、該枠体表面にＣａスケールを形成させることで、固定床式高温メタン発酵システムにおいて好適に用いることができる担体が簡便に得られることを見出した。
さらには、本発明によれば、特開２０１８−１４３９０２号公報に示される担体において要した、所定の耐酸性樹脂製矩形布や結合部材の保存場所や、これらを中空筒状枠体と結合させる作業やコスト等を省くことができる。
さらには、本発明によれば、特開２０１８−１４３９０２号公報に示される担体において要した、所定の耐酸性樹脂製矩形布や結合部材の保存場所や、これらを中空筒状枠体と結合させる作業やコスト等を省くことができる。
（Ｃａスケールの形成）
支持担体の表面に堆積されるＣａスケールは、有機性廃棄物中のカルシウムイオンに由来する。なお、有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が少ないか、ほぼゼロである場合、有機性廃棄物を高温メタン発酵に供する前に、有機性廃棄物中にカルシウム源を充分量添加する。
支持担体の表面に堆積されるＣａスケールは、有機性廃棄物中のカルシウムイオンに由来する。なお、有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が少ないか、ほぼゼロである場合、有機性廃棄物を高温メタン発酵に供する前に、有機性廃棄物中にカルシウム源を充分量添加する。
高温メタン発酵槽内は、高温であるうえ、酸素量が少なく還元状態である。そのため、金属イオンが反応し、有機性廃棄物から、ＭＡＰ（ＭｇＮＨ４ＰＯ４）、リン酸カルシウム（Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）等が析出し、支持担体の表面に堆積する。Ｃａスケールの主成分は、これらのうち、リン酸カルシウム、及び炭酸カルシウムである。
以下に、Ｃａスケールが形成される反応式を示す。
１０Ｃａ２＋ ＋ ２ＯＨ− ＋ ６ＰＯ４ ３− → Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６（構成重量比Ｃａ：Ｐ＝１．００：０．４７）
Ｃａ２＋ ＋ ＣＯ３ ２− → ＣａＣＯ３
以下に、Ｃａスケールが形成される反応式を示す。
１０Ｃａ２＋ ＋ ２ＯＨ− ＋ ６ＰＯ４ ３− → Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６（構成重量比Ｃａ：Ｐ＝１．００：０．４７）
Ｃａ２＋ ＋ ＣＯ３ ２− → ＣａＣＯ３
支持担体の表面に堆積されるＣａスケールの平均厚さは１ｍｍ以上であり、好ましくは２ｍｍ以上である。通常、高温メタン発酵槽の運転時間の長さにともない、Ｃａスケールの平均厚さは厚くなる。高温メタン発酵槽における諸条件に応じて変動し得るが、例えば、約２００日、約４００日、約５年の運転時間で、それぞれ、平均厚さが１〜３ｍｍ、３〜５ｍｍ、１９〜２２ｍｍのスケールが形成され得る。
なお、本発明において「平均厚さ」は、支持担体の表面上において、互いに等間隔である５〜１０個の測定部位を任意に選択し、それらの部位におけるＣａスケールの厚さを任意の測定器（ノギス等）を用いて測定し、その平均値を算出することで特定される。また、「平均厚さ」は、公知の画像解析ソフト等によっても特定される。
なお、本発明において「平均厚さ」は、支持担体の表面上において、互いに等間隔である５〜１０個の測定部位を任意に選択し、それらの部位におけるＣａスケールの厚さを任意の測定器（ノギス等）を用いて測定し、その平均値を算出することで特定される。また、「平均厚さ」は、公知の画像解析ソフト等によっても特定される。
支持担体の表面にＣａスケールが堆積されたかどうかは、支持担体の表面に付着した固形物について成分分析することで特定される。Ｃａスケールは、固形物全体に対して、リン酸カルシウム及び炭酸カルシウムを、通常、合計５０質量％以上含む。
（支持担体）
本発明における支持担体は、樹脂製の枠体からなるものであれば特に限定されない。
本発明における支持担体は、樹脂製の枠体からなるものであれば特に限定されない。
本発明において「枠体」とは、長尺部材で囲まれた空間（すなわち、枠体の隙間）を単数、又は複数備える部材を意味する。なお、枠体の隙間を複数備える部材は、通常、「メッシュ」と称される。
枠体の隙間の形状、大きさは特に限定されないが、Ｃａスケールが堆積されやすく、さらには堆積されたＣａスケールが剥がれ落ちにくくなるという観点から、好ましくは１００ｍｍ２（１０ｍｍ□）以上２５００ｍｍ２（５０ｍｍ□）以下、より好ましくは４００ｍｍ２（２０ｍｍ□）以上９００ｍｍ２（３０ｍｍ□）以下の隙間を有するメッシュ状（網目状）となるように構成する。
なお、本発明において「ｍｍ□」とは方形の１辺の長さの単位を意味し、例えば「１０ｍｍ□」とは、方形の１辺の長さが１０ｍｍであることを意味する。
なお、本発明において「ｍｍ□」とは方形の１辺の長さの単位を意味し、例えば「１０ｍｍ□」とは、方形の１辺の長さが１０ｍｍであることを意味する。
枠体の隙間の数は特に限定されず、枠体の全体の大きさと、枠体の隙間の大きさとの関係で適宜設定される。例えば、枠体の隙間の数は、１００個以上、１０００個以上、５０００個以上であり得る。
枠体の隙間が複数ある場合、それらの形状や大きさは同一であってもよく、異なっていてもよい。
枠体を構成する長尺部材の断面形状は特に限定されないが、通常は円形、半円形、多角形（三角形、四角形等）等である。
枠体を構成する長尺部材の断面の大きさは特に限定されないが、担体の表面積を適度に大きくするという観点から、断面の径は、好ましくは５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、より好ましくは１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。
担体の表面積が適度に大きいと、高温メタン発酵を良好に進行させるほどに充分量の微生物を保持できるＣａスケールが得られやすい。ただし、担体の表面積が大きすぎるとＣａスケールが担体から剥がれやすくなる可能性があり、担体の表面積が小さすぎるとＣａスケールの堆積量が過度となり、枠体の隙間が目詰まりしやすくなる可能性がある。
担体の表面積が適度に大きいと、高温メタン発酵を良好に進行させるほどに充分量の微生物を保持できるＣａスケールが得られやすい。ただし、担体の表面積が大きすぎるとＣａスケールが担体から剥がれやすくなる可能性があり、担体の表面積が小さすぎるとＣａスケールの堆積量が過度となり、枠体の隙間が目詰まりしやすくなる可能性がある。
枠体は、別個の長尺部材を複数用いて枠状やメッシュ状等に組んだものでもよく、長尺部材によって囲まれた空間が形成されるように一体成形されたものでもよい。
枠体の全体の形状は特に限定されないが、全体として平坦な形状であってもよく、平坦な形状の枠体を丸めた筒状であってもよい。
枠体の材料である樹脂としては特に限定されず、成形や加工がしやすく、高温メタン発酵槽内での長期使用に耐え得るものを使用できる。例えば、好ましい樹脂として、熱可塑性樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン等）が挙げられる。
枠体としては、市販のものを用いることができる。このような枠体として、「トリカルパイプ」（ダイプラ株式会社製）等を挙げることができる。
支持担体は、単数の枠体からなるものであってもよく、複数の枠体を組み合わせたものであってもよい。複数の枠体を組み合わせる場合、結合部材（紐、布、接着剤等）を用いて枠体を束ねてもよい。
上記のとおり、本発明の担体は、特開２０１８−１４３９０２号公報に示されるような所定の耐酸性樹脂製矩形布や結合部材を備えていなくともよい。ただし、本発明の担体において、このような耐酸性樹脂製矩形布や結合部材を備える態様は排除されない。
（有機性廃棄物）
本発明における有機性廃棄物は、高温メタン発酵に供され、バイオガスを発生させるための処理対象である。
本発明における有機性廃棄物は、高温メタン発酵に供され、バイオガスを発生させるための処理対象である。
有機性廃棄物の種類や組成は特に限定されず、通常高温メタン発酵に供される任意の廃棄物（工場、農場、家庭等から排出された廃棄物等）であってもよい。高温メタン発酵に供しやすくするため、有機性廃棄物は、通常、溶液やスラリーに調製される。
本発明における有機性廃棄物は、高温メタン発酵に供された際にＣａスケールを形成できるよう、後述するとおり、高温メタン発酵に供される前の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が調整される。
（高温メタン発酵）
本発明における高温メタン発酵は、本発明の担体を用いる点以外は、任意の高温メタン発酵システムにおいて用いられる装置や条件を採用できる。
本発明における高温メタン発酵は、本発明の担体を用いる点以外は、任意の高温メタン発酵システムにおいて用いられる装置や条件を採用できる。
本発明において「メタン発酵」とは、有機性廃棄物中の有機物が嫌気状態で微生物（主にメタン生成菌）の作用によって分解され、メタンを主成分とするバイオガスを発生するプロセスを意味する。本発明において「高温メタン発酵」とは、発酵が約５５℃の高温で行われるメタン発酵である。
高温メタン発酵システムにおいて用いられる装置は、通常、有機性廃棄物を貯蔵するための原料槽と、高温メタン発酵を行うための反応槽と、をこの順で備える。該装置は、通常の廃水処理装置等に設けられる任意の構成をさらに含んでいてもよい。
本発明の担体は、高温メタン発酵槽内に設置される。本発明の担体は、固定床担体等として好ましく用いられる。本発明の担体の設置方法、設置位置や向きは特に限定されない。例えば、担体の長手方向が、有機性廃棄物の流れ方向と略平行になるように（換言すれば、担体の短手方向が有機性廃棄物の流れ方向と略垂直となるように）固定することが好ましい。
本発明の担体は、メタン生成菌を保持し、高温メタン発酵を安定的に進行させる。
＜本発明の担体の製造方法＞
本発明の担体は、有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用い、該反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含む。該原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度は、１０００ｍｇ／Ｌ以上である。
本発明の担体は、有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用い、該反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含む。該原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度は、１０００ｍｇ／Ｌ以上である。
（原料槽）
原料槽は、有機性廃棄物を貯蔵するための槽である。原料槽に貯蔵される有機性廃棄物の形態は、通常、溶液やスラリーである。
原料槽は、有機性廃棄物を貯蔵するための槽である。原料槽に貯蔵される有機性廃棄物の形態は、通常、溶液やスラリーである。
原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度は１０００ｍｇ／Ｌ以上であり、好ましくは２０００ｍｇ／Ｌであり、より好ましくは３０００ｍｇ／Ｌ以上である。カルシウムイオン濃度が上記範囲であれば、反応槽に流入させた有機性廃棄物から枠体表面にＣａスケールを形成させることができる。
原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度の上限は特に限定されないが、通常は５０００ｍｇ／Ｌ以下である。
原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度の上限は特に限定されないが、通常は５０００ｍｇ／Ｌ以下である。
原料槽の諸条件は、有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上を維持できれば特に限定されない。
原料槽内の温度は特に限定されず、カルシウムイオンが析出して有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ未満とならないように必要に応じて調整される。原料槽内の温度は、通常２０〜３０℃である。
原料槽内の有機性廃棄物のｐＨは特に限定されず、有機性廃棄物中の有機物の腐敗により、通常、３．５以上４．５以下となる。
原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上であるかを確認するために、本発明の担体の製造方法は、原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程をスケール形成工程の前に備えていてもよい。
濃度判定工程の結果に応じて、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を有機性廃棄物に添加してもよい。
具体的には、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ未満であれば、１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を有機性廃棄物に添加する。添加後、有機性廃棄物は反応槽における高温メタン発酵に供される。
他方、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上であれば、有機性廃棄物は、そのまま反応槽における高温メタン発酵に供される。
具体的には、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ未満であれば、１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を有機性廃棄物に添加する。添加後、有機性廃棄物は反応槽における高温メタン発酵に供される。
他方、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上であれば、有機性廃棄物は、そのまま反応槽における高温メタン発酵に供される。
濃度判定工程におけるカルシウムイオン濃度の判定手段は特に限定されず、カルシウムイオン濃度を特定できる任意の手段を採用できる。例えば、イオンクロマトグラフ等の方法が挙げられる。
濃度判定工程の結果に応じて有機性廃棄物に添加されるカルシウム源の種類は、有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を高めることができるものであれば特に限定されない。例えば、カルシウム成分を含む廃棄物（卵の殻、生ゴミ等）、カルシウム成分を含む薬品（炭酸カルシウム、消石灰）等のカルシウム源が挙げられる。
原料槽は、原料槽内の有機性廃棄物を反応槽内に流入させることができるように、反応槽と連結等される。
（反応槽）
反応槽は、原料槽から流入した有機性廃棄物を高温メタン発酵させるための高温メタン発酵槽である。
反応槽は、原料槽から流入した有機性廃棄物を高温メタン発酵させるための高温メタン発酵槽である。
反応槽には、樹脂製の枠体からなる支持担体が設置される。樹脂製の枠体からなる支持担体の設置方法、設置位置や向きは特に限定されない。例えば、担体の長手方向が、有機性廃棄物の流れ方向と略平行になるように（換言すれば、担体の短手方向が有機性廃棄物の流れ方向と略垂直となるように）固定することが好ましい。
反応槽には、高温メタン発酵のためにメタン生成菌（例えば、Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ、Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａ等）を含む種汚泥が投入される。
反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うことで、支持担体の表面にＣａスケールが形成される。
高温メタン発酵の温度条件は、好ましくは５３℃以上５７℃以下である。
高温メタン発酵による有機性廃棄物の処理時間は、より厚いＣａスケールが形成しやすくなるという観点から、好ましくは６０日以上、より好ましくは９０日以上である。処理時間の条件は特に限定されないが、通常３００日以下である。
なお、上記の処理時間は、充分な厚さのＣａスケールを形成する観点からの好ましい処理時間であり、有機性廃棄物自体の発酵のための処理時間（水理学的滞留時間）は、通常３〜２０日程度である。
なお、上記の処理時間は、充分な厚さのＣａスケールを形成する観点からの好ましい処理時間であり、有機性廃棄物自体の発酵のための処理時間（水理学的滞留時間）は、通常３〜２０日程度である。
反応槽内の有機性廃棄物のｐＨは、有機性廃棄物からカルシウムが析出しやすいように、好ましくは７．０以上８．０以下、より好ましくは７．５以上８．０以下に調整される。反応槽内のｐＨは、ｐＨ調整剤等を用いて適宜調整できる。ただし、メタン発酵の進行等により、ｐＨが上記範囲内にある場合は、ｐＨを調整する操作は不要である。
樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させる方法は特に限定されず、原料槽から反応槽内に流入した有機性廃棄物の少なくとも一部（好ましくは全体）が反応槽内の支持担体に接触できればよい。支持担体と有機性廃棄物との接触は、高温メタン発酵の処理時間全体にわたって連続的に行われてもよく、断続的に行われてもよい。
反応槽内の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度は、通常、原料槽内の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度よりも顕著に低い。これは、高温メタン発酵システムにおける反応槽（すなわち高温メタン発酵槽）内は、原料槽内と比較してｐＨが高く、高温であるうえ、顕著に酸素量が少なく還元状態であるため、有機性廃棄物中のカルシウムイオンが主にリン酸カルシウム、及び炭酸カルシウムとして析出するからである。
換言すれば、本発明におけるＣａスケールは、原料槽及び反応槽のそれぞれにおけるカルシウムイオンの溶解度の違いを利用し、反応槽においてカルシウムイオンを支持担体の表面に析出させることで形成される。
換言すれば、本発明におけるＣａスケールは、原料槽及び反応槽のそれぞれにおけるカルシウムイオンの溶解度の違いを利用し、反応槽においてカルシウムイオンを支持担体の表面に析出させることで形成される。
反応槽内の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度は特に限定されないが、好ましくは３００ｍｇ／Ｌ以下、より好ましくは２００ｍｇ／Ｌ以下である。
＜高温メタン発酵処理方法＞
本発明の高温メタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用いた、有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法であって、運転初期の立ち上げ工程を含む。
該立ち上げ工程は、該反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含む。
該原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度は１０００ｍｇ／Ｌ以上である。
本発明の高温メタン発酵処理方法は、有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用いた、有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法であって、運転初期の立ち上げ工程を含む。
該立ち上げ工程は、該反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含む。
該原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度は１０００ｍｇ／Ｌ以上である。
本発明の高温メタン発酵処理方法は、上記の運転初期の立ち上げ工程を含む点以外は、任意の高温メタン発酵システムにおいて用いられる装置や条件を採用できる。
なお、本発明において「運転初期」とは、廃水処理装置の運転開始後、安定的な高温メタン発酵の進行が確認されるまでの期間を意味し、その期間の長さはスケール形成工程の期間の長さと同様である。
なお、本発明において「運転初期」とは、廃水処理装置の運転開始後、安定的な高温メタン発酵の進行が確認されるまでの期間を意味し、その期間の長さはスケール形成工程の期間の長さと同様である。
立ち上げ工程におけるスケール形成工程は、より厚いＣａスケールが形成しやすくなるという観点から、好ましくは６０日以上、より好ましくは９０日以上である。処理時間の条件は特に限定されないが、通常３００日以下である。
スケール形成工程の前には、原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程、及び、濃度判定工程の結果に応じて、原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を有機性廃棄物に添加する添加工程を設けてもよい。
濃度判定工程及び添加工程の諸構成は、上記「（原料槽）」の項で説明したものを採用できる。
濃度判定工程及び添加工程の諸構成は、上記「（原料槽）」の項で説明したものを採用できる。
立ち上げ工程は、樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールの平均厚さが、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上となるまで行ってもよい。
本発明の高温メタン発酵処理方法のその他の条件は、上記「＜本発明の担体の製造方法＞」の項で説明したものを採用できる。
以下に、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
＜実施例１＞
以下の方法に基づき、廃水処理装置を用いて有機性廃棄物を高温メタン発酵させ、高温メタン発酵用担体を作製した。
以下の方法に基づき、廃水処理装置を用いて有機性廃棄物を高温メタン発酵させ、高温メタン発酵用担体を作製した。
（１）廃水処理装置の準備
図１に示す構成を有する、高温メタン発酵槽を含む廃水処理装置（固定床式高温メタン発酵システム）を準備した。この廃水処理装置は、上流側から、原料槽、反応槽（高温メタン発酵槽）をこの順で備える。図１における矢印は、有機性廃棄物やガスの流れを意味する。以下に各槽の詳細を説明する。
図１に示す構成を有する、高温メタン発酵槽を含む廃水処理装置（固定床式高温メタン発酵システム）を準備した。この廃水処理装置は、上流側から、原料槽、反応槽（高温メタン発酵槽）をこの順で備える。図１における矢印は、有機性廃棄物やガスの流れを意味する。以下に各槽の詳細を説明する。
（原料槽）
原料槽は、有機性廃棄物を貯蔵する槽である。本例では、有機性廃棄物として生ゴミを水で希釈したスラリーを用いた。該スラリー中には、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）濃度が１５７０〜４１７０ｍｇ／Ｌ（平均３１６０ｍｇ／Ｌ）含まれていた。
原料槽中の有機性廃棄物は、内部液温度が２５℃、ｐＨ４．０だった。
原料槽中の有機性廃棄物は、原料供給ポンプの作用により、反応槽に流入する。
原料槽は、有機性廃棄物を貯蔵する槽である。本例では、有機性廃棄物として生ゴミを水で希釈したスラリーを用いた。該スラリー中には、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）濃度が１５７０〜４１７０ｍｇ／Ｌ（平均３１６０ｍｇ／Ｌ）含まれていた。
原料槽中の有機性廃棄物は、内部液温度が２５℃、ｐＨ４．０だった。
原料槽中の有機性廃棄物は、原料供給ポンプの作用により、反応槽に流入する。
（反応槽）
本例の反応槽（高温メタン発酵槽）は、高温固定床発酵槽に相当する。
反応槽内に、樹脂（ポリエチレン）製の筒状の枠体（計６個）からなる支持担体を、反応槽の中央部に、有機性廃棄物（スラリー）の流れに対して平行となるように設置した。該枠体は、４００ｍｍ２（２０ｍｍ□相当）の隙間を複数有するメッシュ状である。本例で用いた支持担体の写真を図２に示す。
反応槽には、高温メタン生成菌（生ゴミ処理用の別の反応槽から採取したもの）を含む種汚泥を投入した。
反応槽は、内部液温度が５５℃となるように、コントロール機能付き温度センサー（ＴＩＣ）によって制御した。反応槽内のｐＨは７．８であった。
原料槽から流入した有機性廃棄物は、反応槽で処理され、反応槽の底部から抜き出され、循環ポンプの作用で反応槽の上部へ戻して循環させるか、オーバーフローラインを介して回収した。
反応槽で処理された有機性廃棄物から発生したバイオガスは、バイオガスラインを介して回収した。
本例の反応槽（高温メタン発酵槽）は、高温固定床発酵槽に相当する。
反応槽内に、樹脂（ポリエチレン）製の筒状の枠体（計６個）からなる支持担体を、反応槽の中央部に、有機性廃棄物（スラリー）の流れに対して平行となるように設置した。該枠体は、４００ｍｍ２（２０ｍｍ□相当）の隙間を複数有するメッシュ状である。本例で用いた支持担体の写真を図２に示す。
反応槽には、高温メタン生成菌（生ゴミ処理用の別の反応槽から採取したもの）を含む種汚泥を投入した。
反応槽は、内部液温度が５５℃となるように、コントロール機能付き温度センサー（ＴＩＣ）によって制御した。反応槽内のｐＨは７．８であった。
原料槽から流入した有機性廃棄物は、反応槽で処理され、反応槽の底部から抜き出され、循環ポンプの作用で反応槽の上部へ戻して循環させるか、オーバーフローラインを介して回収した。
反応槽で処理された有機性廃棄物から発生したバイオガスは、バイオガスラインを介して回収した。
（２）有機性廃棄物の処理
上記の廃水処理装置を用いて、反応槽で有機性廃棄物の処理を開始した。
廃水処理装置の運転初期の立ち上げとして、反応槽中で、５５℃で、支持担体と有機性廃棄物とを、まず３０日間（この期間は立ち上げ期間に相当する。）接触させた。立ち上げ中、反応槽からのバイオガス発生量、並びに、反応槽内の揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）濃度及びアルカリ度（ＴＡＫ）を監視しながら、有機性廃棄物の反応槽への流入量を徐々に増加させ、支持担体と有機性廃棄物との接触をさらに継続した。
上記の廃水処理装置を用いて、反応槽で有機性廃棄物の処理を開始した。
廃水処理装置の運転初期の立ち上げとして、反応槽中で、５５℃で、支持担体と有機性廃棄物とを、まず３０日間（この期間は立ち上げ期間に相当する。）接触させた。立ち上げ中、反応槽からのバイオガス発生量、並びに、反応槽内の揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）濃度及びアルカリ度（ＴＡＫ）を監視しながら、有機性廃棄物の反応槽への流入量を徐々に増加させ、支持担体と有機性廃棄物との接触をさらに継続した。
その結果、ＣＯＤｃｒ容積負荷（反応槽内への有機性廃棄物の流入量に相当する。）の増加にともない、バイオガス発生量が増加することが確認された（図３）。このことは、反応槽内において、順調にメタン生成菌が増殖したことを意味する。
また、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）濃度、アルカリ度（ＴＡＫ）の値の変動が少なく、安定していた（図４）。これらの値は、いずれも、メタン発酵の安定性の目安である。そのため、これらの値が安定していることは反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していることを意味する。
また、揮発性脂肪酸（ＶＦＡ）濃度、アルカリ度（ＴＡＫ）の値の変動が少なく、安定していた（図４）。これらの値は、いずれも、メタン発酵の安定性の目安である。そのため、これらの値が安定していることは反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していることを意味する。
立ち上げ期間経過後も５年（立ち上げ期間を含む。）にわたって高温メタン発酵を継続した。
反応槽中又は反応槽で処理された有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度は、５０〜２１６ｍｇ／Ｌ（平均１３７ｍｇ／Ｌ）だった。この値は、原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度と比較して平均３０２３ｍ／Ｌ低かった。
反応槽中又は反応槽で処理された有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度は、５０〜２１６ｍｇ／Ｌ（平均１３７ｍｇ／Ｌ）だった。この値は、原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度と比較して平均３０２３ｍ／Ｌ低かった。
（３）Ｃａスケールの形成
上記「（２）有機性廃棄物の処理」の進行にともない、支持担体表面の全体にスケールが形成された（図５及び６）。該スケールの厚さは、有機性廃棄物の処理開始から３０日後において平均厚さ１ｍｍ以上であり、その後、有機性廃棄物の処理開始から２００日後、４００日後、５年後において、平均厚さが、それぞれ２ｍｍ以上、４ｍｍ以上、２０ｍｍ以上となった。
上記「（２）有機性廃棄物の処理」の進行にともない、支持担体表面の全体にスケールが形成された（図５及び６）。該スケールの厚さは、有機性廃棄物の処理開始から３０日後において平均厚さ１ｍｍ以上であり、その後、有機性廃棄物の処理開始から２００日後、４００日後、５年後において、平均厚さが、それぞれ２ｍｍ以上、４ｍｍ以上、２０ｍｍ以上となった。
蛍光Ｘ線分析によってスケールの成分分析を行ったところ、その主成分はカルシウム（リン酸カルシウム、及び炭酸カルシウム）だった。
上記のとおり、原料槽中のカルシウムイオン濃度と比較して、反応槽中のカルシウムイオン濃度は顕著に低かった。このことから、有機性廃棄物に含まれるカルシウムが反応槽において析出し、Ｃａスケールを形成していることが確認された。
また、上記のとおり、反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していたことから、該スケールは、微生物（メタン生成菌）の保持担体として良好に機能していることも確認された。
上記のとおり、原料槽中のカルシウムイオン濃度と比較して、反応槽中のカルシウムイオン濃度は顕著に低かった。このことから、有機性廃棄物に含まれるカルシウムが反応槽において析出し、Ｃａスケールを形成していることが確認された。
また、上記のとおり、反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していたことから、該スケールは、微生物（メタン生成菌）の保持担体として良好に機能していることも確認された。
なお、支持担体として、樹脂製の枠体の表面を不織布で覆った担体を使用したところ、本例と同様に反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行し、スケールの形成が認められた。
＜実施例２＞
用いる有機性廃棄物が異なる点以外は、実施例１と同様に有機性廃棄物を高温メタン発酵させ、高温メタン発酵用担体を作製した。
有機性廃棄物としては、カルシウムイオン濃度がほぼ０ｍｇ／Ｌである廃棄水（醸造廃水）を用い、原料槽中のカルシウムイオン濃度が平均約３０００ｍｇ／Ｌを維持するようにカルシウム源（炭酸カルシウム）を添加し続けた（カルシウム添加区）。
なお、原料槽中へのカルシウム源の添加を行わない比較試験もあわせて行った（カルシウム未添加区）。
本例では立ち上げ期間を３０日に設定し、２００日（立ち上げ期間を含む。）にわたって高温メタン発酵を行った。
用いる有機性廃棄物が異なる点以外は、実施例１と同様に有機性廃棄物を高温メタン発酵させ、高温メタン発酵用担体を作製した。
有機性廃棄物としては、カルシウムイオン濃度がほぼ０ｍｇ／Ｌである廃棄水（醸造廃水）を用い、原料槽中のカルシウムイオン濃度が平均約３０００ｍｇ／Ｌを維持するようにカルシウム源（炭酸カルシウム）を添加し続けた（カルシウム添加区）。
なお、原料槽中へのカルシウム源の添加を行わない比較試験もあわせて行った（カルシウム未添加区）。
本例では立ち上げ期間を３０日に設定し、２００日（立ち上げ期間を含む。）にわたって高温メタン発酵を行った。
その結果、カルシウム添加区では、実施例１と同様に、原料槽中のカルシウムイオン濃度（平均約３０００ｍｇ／Ｌ）と比較して、反応槽中のカルシウムイオン濃度（平均約１３０ｍｇ／Ｌ）は顕著に低く、支持担体表面にスケールが形成された。該スケールの厚さは、有機性廃棄物の処理開始から３０日後において平均厚さ１ｍｍ以上であり、その後、有機性廃棄物の処理開始から２００日後において、平均厚さが２ｍｍ以上となった。
また、反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していたことから、該スケールは、微生物（メタン発酵菌）の保持担体として良好に機能していることも確認された。
また、反応槽内の高温メタン発酵が安定して進行していたことから、該スケールは、微生物（メタン発酵菌）の保持担体として良好に機能していることも確認された。
他方、カルシウム未添加区では、立ち上げ期間中に有機酸濃度（ＶＦＡ）が上昇しすぎ、安定した運転ができなかった。また、支持担体表面にスケールが形成されておらず、微生物の保持担体として機能していないことが確認された。
Claims (10)
- 樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上堆積されている、有機性廃棄物の高温メタン発酵用担体。
- 前記樹脂製の枠体が、１００ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下の隙間を有するメッシュ状に構成されている、請求項１に記載の高温メタン発酵用担体。
- 有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用い、
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
請求項１又は２に記載の高温メタン発酵用担体の製造方法。 - 前記スケール形成工程の前に、前記原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程と、
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
請求項３に記載の製造方法。 - 前記原料槽中の有機性廃棄物のｐＨは３．５以上４．５以下である、請求項３又は４に記載の製造方法。
- 前記反応槽中の有機性廃棄物のｐＨは７．０以上８．０以下である、請求項３から５のいずれかに記載の製造方法。
- 前記反応槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が３００ｍｇ／Ｌ以下である、請求項３から６のいずれかに記載の製造方法。
- 有機性廃棄物を含む原料槽と、反応槽とをこの順で備える廃水処理装置を用いた、有機性廃棄物の高温メタン発酵処理方法であって、
運転初期の立ち上げ工程を含み、
前記立ち上げ工程は、
前記反応槽中で、樹脂製の枠体からなる支持担体と、有機性廃棄物とを接触させ、かつ、５０℃以上６０℃以下で少なくとも３０日間以上高温メタン発酵を行うスケール形成工程を含み、
前記原料槽中の有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上である、
高温メタン発酵処理方法。 - 前記スケール形成工程の前に、前記原料槽中の有機性廃棄物中のカルシウムイオン濃度を判定する濃度判定工程と、
前記濃度判定工程の結果に応じて、前記原料槽中の前記有機性廃棄物のカルシウムイオン濃度が１０００ｍｇ／Ｌ以上となるようにカルシウム源を前記有機性廃棄物に添加する添加工程と、を含む、
請求項８に記載の高温メタン発酵処理方法。 - 樹脂製の枠体からなる支持担体の表面に、カルシウムを含有するスケールが、平均厚さで１ｍｍ以上となるまで前記立ち上げ工程を行う、請求項８又は９に記載の高温メタン発酵処理方法。
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