JP3747923B2 - メタン発酵処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、嫌気性微生物を用いて、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理方法に関する。

生ゴミ等の有機性廃棄物のほとんどは、焼却や埋立処分されているが、焼却に伴うダイオキシンの発生や埋立処分地の逼迫、悪臭などの問題から、環境負荷の少ない処理方法が求められている。これらの問題を解決するために有機性廃棄物をメタン発酵処理し、発生したメタンガスを燃料電池やガスエンジンを用いて発電するシステムが研究、開発されている。

メタン発酵処理は、有機性廃棄物を粉砕、スラリー化した後、このスラリーを発酵槽に投入し、嫌気性下でメタン菌により発酵処理して有機性廃棄物をバイオガスと水とに分解する方法であり、有機性廃棄物を大幅に減量することができると共に、副産物として生成するメタンガスをエネルギーとして回収できるメリットがある。また、嫌気性のため曝気動力が不要であるため省エネルギーな処理法である。

上記のメタン発酵処理を効率的に行なう方法として、投入原料の性状や運転条件などにより様々な処理方法、発酵槽が提案されている。例えば、下記の特許文献１や特許文献２には、有機性廃棄物をペースト状に粉砕して、５０〜６０℃で大きな活性を示す高温メタン菌で処理するシステムが開示されている。高温菌は３６〜３８℃の中温で活性が大きくなる中温菌に比べ２〜３倍の活性を持っており、高温菌でメタン発酵を行なうことで分解速度の向上と消化率の向上を図ることができるとしている。

上記のメタン発酵が安定なときは、生ゴミ等の有機性廃棄物が一定量投入されてバイオガスも一定量生成するが、処理装置にトラブルが起きたときや、生ゴミの供給がないとき、あるいは通常のメンテナンスなどの理由により、処理を中断することがある。この際、生ゴミの供給が停止すると菌の増殖は停止し、菌は自己分解を起こして次第に菌数が減少する。したがって、このような処理の中断の際には、メタン発酵槽内の菌数の減少を最小限に押さえ、速やかな再起動を行なうことができる状態に維持することが重要である。

例えば、下記の特許文献３には、高温嫌気性菌を常温より高い温度で保持することにより、高温嫌気性処理を２４時間以上中断しても、処理を再開した直後から中断前とほぼ同等の有機物負荷で処理が可能な高温嫌気性処理方法が開示されており、具体的には、処理を２４時間以上中断する際、中断期間中は高温嫌気性菌を２５〜３５℃の温度に保持することが開示されている。
特開平１０−１３７７３０号公報 特開２００１−４６９９７号公報 特開平６−２４６２８７号公報

しかし、上記の特開平６−２４６２８７号公報の方法においては、処理中断時における菌の死滅速度とその保持温度との関係については検討されていないため、再起動時における最適な負荷設定ができないという問題があった。

また、上記の特開平６−２４６２８７号公報の方法においては、菌の相対活性に対する温度の影響を、酢酸資化性メタン菌、ギ酸資化性メタン菌、プロピオン酸資化性メタン菌の３種類で検討しているが、有機物を対象とするメタン発酵は、酸生成とメタン生成が同時にひとつの発酵槽で行われる。これらの分解過程に関わる菌には、加水分解菌、酸生成菌、メタン生成菌などが関係しており、これらがバランスよく存在しないと発酵が成立しない。

よって、上記の３種類の菌の活性から求めた最適保存温度は、必ずしも実際のメタン発酵槽内の最適保持温度ではない。また、好ましくは２７〜３５℃という範囲の保持温度は、温度範囲が８℃と狭いために制御が困難であり、実用的でないという問題もある。

したがって、本発明の目的は、上記の問題を解決して、メタン発酵槽の処理を中断した際の最適な保持温度を求め、更に、処理中断時の菌数の減少を正確に把握して、再起動時における最適な投入負荷量を決定でき、これによって、メタン発酵槽の再起動を迅速に行なうことができるメタン発酵処理方法を提供することにある。

すなわち、本発明のメタン発酵処理方法は、有機性廃棄物をメタン発酵槽内に投入し、嫌気性微生物によりメタン発酵させる高温メタン発酵処理方法であって、前記メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する場合において、
前記停止後に前記メタン発酵槽内の発酵液の温度を低下させ、前記再起動時には前記発酵液を加熱してから前記再起動を行い、
前記停止後の前記発酵液の温度Ｔにおける、前記発酵液中の菌体数の死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）と、前記停止後の経過日数ｔとに基いて、前記再起動時における生菌数の残存率を以下の（Ｉ）式によって求め、この残存率に前記停止時直前の投入負荷量を乗じて、前記再起動時の前記有機性廃棄物の初期投入負荷量を決定することを特徴とする。

Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
（ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）

本発明の処理方法によれば、処理の停止後にメタン発酵槽内の発酵液の温度を低下させたので、生菌数の減少速度を低下させることができる。これにより、再起動時にも充分な菌数を確保でき、速やかな再起動が可能となる。なお、本発明において発酵液とは、菌体および有機性廃棄物などのスラリー状の固形分を含む液を意味する。

また、停止後の発酵液の温度Ｔにおける死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）に基いて、再起動時に存在する生菌数をあらかじめ計算で求め、この生菌数の残存率に応じて、再起動の際の初期負荷量を設定できるので、生菌数に応じた最適な初期負荷量が設定でき、再起動時の立ち上げ時間をより短縮することができる。

上記の処理方法においては、前記発酵液の温度を０〜３５℃に低下させて維持することが好ましい。これによれば、菌の凍結を防ぎつつ、生菌数の減少を最低限に抑えることができるので、再起動時にも充分な菌数を確保でき、更に速やかな再起動が可能となる。

また、上記の処理方法においては、上記の（Ｉ）式により求められる前記再起動時の前記生菌数の残存率が５０％以上となるように、前記停止後の前記発酵液の温度Ｔを制御することが好ましい。これによれば、再起動時に充分な菌数を確保でき、更に速やかな再起動が可能となる。

一方、本発明のメタン発酵処理装置は、嫌気性微生物によって有機性廃棄物を高温メタン発酵させるメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽内に前記有機性廃棄物を投入する有機性廃棄物投入手段と、前記メタン発酵槽内の発酵液の温度を検出する温度検出手段と、前記メタン発酵槽の運転が一旦停止した場合に前記メタン発酵槽の冷却を行い、再起動時には前記メタン発酵槽の加熱を行う温度調節手段とを備え、
更に、停止後の前記発酵液の温度Ｔに基いて、前記発酵液中の菌数の死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）と、前記停止後の経過日数ｔとに基いて、前記再起動時における生菌数の残存率を以下の（Ｉ）式によって求め、この残存率に前記停止時直前の投入負荷量を乗じて、前記再起動時の前記有機性廃棄物の初期投入負荷量を算出する演算手段を備えていることを特徴とする。

Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
（ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）

本発明の処理装置によれば、温度調節手段によって、処理の停止後にメタン発酵槽を冷却して保持できるので、停止中の生菌数の減少速度を低下させることができる。

また、温度検出手段と演算手段とによって、停止後の発酵液の温度Ｔにおける、死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）に基いて、再起動時に存在する生菌数をあらかじめ計算で求め、この生菌数の残存率に応じて、再起動の際の初期負荷量を設定できるので、生菌数に応じた最適な初期負荷量が設定でき、再起動時の立ち上げ時間をより短縮することができる。

また、この演算手段を設けることによって、停止時に実際の菌数のモニタリングを行なわなくても菌数の減少を正確に見積もれる。したがって、簡便な装置構成で、正確に再起動時の負荷を設定できる。

上記の処理装置においては、前記温度調節手段が、前記停止後の発酵液を０〜３５℃に低下させて維持するように構成されていることが好ましい。これによれば、菌の凍結を防ぎつつ、生菌数の減少を最低限に抑えることができるので、再起動時にも充分な菌数を確保でき、更に速やかな再起動が可能となる。

本発明によれば、メタン発酵処理を中断した後の再起動時においても、再起動時の有機性廃棄物の最適な投入負荷を決定でき、充分な菌数を確保できるので、短期間で再起動を行なうことができる。したがって、本発明の方法は、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物をメタン発酵処理するために好適に用いられる。

以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１には、本発明のメタン発酵処理装置の一実施形態を示す概略構成図が示されている。

この処理装置は、メタン発酵槽１と、このメタン発酵槽１に有機性廃棄物をスラリー化して供給するスラリー供給ポンプ２と、メタン発酵槽１から発酵液を引き抜くためのスラリー引き抜きポンプ３と、メタン発酵槽１内の発酵液の温度を検出する温度検出器４と、メタン発酵槽１内の発酵液の温度調節を行うための熱交換器５と、再起動時の初期の投入負荷量を演算するためのＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）９とから主に構成されている。

メタン発酵槽１の上部には、生ゴミなどの有機性廃棄物をスラリー化して供給する配管２１が、供給ポンプ２を介して接続されており、本発明の処理装置における有機性廃棄物供給手段を構成している。

また、メタン発酵槽１の底部からは、メタン発酵処理後のスラリーを引き抜くための配管２２が、スラリー引き抜きポンプ３を介して接続されている。更に、メタン発酵槽１の上部には、発生したバイオガスを取り出すための配管２３が接続されており、このバイオガスは、図示しないガスホルダーで回収される。

メタン発酵槽１内の発酵液は、配管２４によってメタン発酵槽１の下部から取り出されて、発酵液循環ポンプ６を介して再度メタン発酵槽１の上部へ返送されて循環し、この配管２４の途中には熱交換器５が設けられている。一方、熱交換器５には、冷温水器７によって温度調節された冷温水が、循環ポンプ８を介して循環するように配管２５が接続されており、この熱交換器５、発酵液循環ポンプ６、冷温水器７、循環ポンプ８が、本発明における温度調節手段を構成している。

メタン発酵槽１の上部には、温度検出器４が接続されており、発酵液の検出温度Ｔが、リアルタイムの測定値としてＰＬＣ９に送られるように構成されている。

ＰＬＣ９には、タッチパネル１０が接続されており、タッチパネル１０からは、例えば、停止中の発酵液の目標保持温度Ｔａの設定値や、運転停止日数等をあらかじめ入力できるように構成されている。なお、本発明においては、運転停止日数は、タッチパネル１０等から直接入力してもよく、タイマー等の測定手段によって自動的にＰＬＣ９に送られるようになっていてもよい。

ＰＬＣ９からの出力信号の１つは冷温水器７に送られる。これにより、タッチパネル１０から入力された上記の目標保持温度Ｔａに基づいて、熱交換器５によってメタン発酵槽１内の発酵液の温度制御が可能になっている。

ＰＬＣ９からの出力信号の他の１つはスラリー循環ポンプ２に送られる。これによって、後述するようなＰＬＣ９における演算結果が、スラリー循環ポンプ２を制御して、メタン発酵槽１の再起動時の初期投入負荷量が制御可能なように構成されている。

次に、上記の処理装置を用いた、本発明のメタン発酵処理方法について説明する。
図１において、有機性廃棄物は、分解速度及び消化率の向上を図るために、図示しない粉砕機、微粉砕機で粗砕された後、希釈水により適当な固形物濃度に調整されてスラリー化され、スラリー供給ポンプ２によってメタン発酵槽１に送られる。

このメタン発酵槽１には、例えば、メタン菌等の嫌気性微生物が付着・担持された固定化微生物を充填した固定ろ床等が設置されており、ここでスラリー状の有機性廃棄物のメタン発酵が行なわれ、嫌気性微生物による有機性廃棄物の分解が行われる。メタン発酵における温度は５０〜６０℃で行なうことが好ましい。これによれば、より活性の高い、高温メタン菌での発酵が行なえるので、有機性廃棄物の分解速度を更に向上することができる。

また、一定時間毎に供給されるスラリーと同量の消化液が、メタン発酵槽１からスラリー引き抜きポンプ３によって引き抜かれ、メタン発酵槽１内は、常に一定量のスラリーで満たされている。なお、発酵により生成したバイオガスは、図示しないガスホルダーに回収され、ガスタービンや燃料電池などのガス利用システムでエネルギーとして利用される。

ここで、本発明においては、上記のメタン発酵処理を一旦停止後に再起動する場合において、まず、停止後のメタン発酵槽１内の発酵液の温度を、上記の熱交換器５によって低下させて維持する。このようにメタン発酵処理時の５０〜６０℃から、発酵液の温度を低下させて維持することにより、生菌数の減少速度を低下させることができる。

低下させる発酵液の温度は、０〜３５℃に維持することが好ましい。温度が０℃未満の場合、菌の凍結によって細胞膜が壊れ、菌が死滅する恐れがある。また、３５℃を超えると菌の死滅による減少が早く、再起動時に充分な菌数を確保できない。

なお、上記の温度維持は、必ずしも熱交換器５によって冷却する場合に限られず、例えば、冬場は、発酵処理停止時には冷却ではなく、むしろ０℃以下にならないように加温する温度制御が必要である。また、例えば、春と秋では、外気による自然冷却で３５℃以下に維持してもよく、この場合には温度制御を行なうためのエネルギー消費は必要ない。夏場においては、３５℃以下になるような冷却が必要である。

なお、後述するように、維持する温度が低いほど菌の死滅速度が減少するが、３５℃以下であれば、1日当たりの菌減少率を６％以下に押えられるため、外気温との関係で、外気温が３５℃以上の場合には、３５℃付近に冷却し、外気温が０℃以下の場合には、発酵槽を通常運転している時に使用している加温装置を用いて、０℃以下にならないように加温する制御を行なうことが、最も装置のシステム上経済的である。

次に、前記停止後の前記発酵液の温度Ｔにおける、前記発酵液中の菌体数の死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）と、前記停止後の経過日数ｔとに基いて、前記再起動時における生菌数の残存率を求め、この残存率に前記停止時直前の投入負荷量を乗じて、前記再起動時の前記有機性廃棄物の初期投入負荷量を決定する。

ここで、投入負荷量とは有機性廃棄物の単位時間あたりの投入量を表し、この投入負荷量の単位としては、例えばＣＯＤｃｒ（化学的酸素要求量）を用いることができる。また、再起動時の初期投入負荷量とは、再起動時における投入負荷量を表し、この初期投入負荷量からスタートして徐々に投入負荷量を増加して目標とする投入負荷量に到達させる。

負荷供給の停止時に、菌の減少を最小限に抑え、かつ、再起動時に発酵を破綻させることなく再起動するためには、停止中の発酵液の温度Ｔにおける菌体の減少量を測定し、減少速度をあらかじめ算出しておく必要がある。菌の「減少速度」は生物化学では「死滅速度」と呼ばれ、この値から、負荷停止時の菌の減少量が計算でき、再起動の際の負荷量を設定することができる。

菌の死滅速度は、一定温度下においては以下のように算出できる。すなわち、安定発酵している槽の負荷を停止し、停止前後の菌数減少から、以下のような指数関数によって死滅速度ｋｄを求めることができる。

Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋｄ×ｔ）
（ここで、ｋｄは死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは日数を表す）

しかし、この死滅速度ｋｄは温度によって異なる変数であり、実際にはｋ（Ｔ）として以下の（Ｉ）式で与えられる。したがって、発酵液の温度Ｔによって死滅速度は異なることになる。

Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
（ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）

この死滅速度と温度Ｔとの関係は、以下の(II)式で表されることが知られている（例えば、井出哲夫編，「水処理工学−理論と応用−」，第１版第５刷，技報堂，１９８６年７月１５日発行，ｐ２２８）。したがって、温度Ｔと死滅速度ｋｄの対数との間には直線関係があることになる。

ｋ(Ｔ_２)＝ｋ（Ｔ_１）・θ^(T2-T1) ・・・（II）
（ここで、ｋ(Ｔ_２)、ｋ（Ｔ_１）は、温度Ｔ_１、Ｔ_２における死滅速度、θは温度係数を表す）

上記の（II）式より、実験によって温度と死滅速度ｋｄの対数との間の直線関係を求め、この傾きαから、以下の（III）式によってθを求めることができる。

θ＝１０^α ・・・（III）
この死滅速度ｋ（Ｔ）の算出は、具体的には、例えば以下のように行なうことができる。図１に示すようなメタン発酵処理装置を用い、運転温度５５℃で安定に発酵している容量２Ｌの高温メタン発酵槽の負荷を停止させる。そして、保持温度を変えて菌数の減少から死滅速度を求める。なお、菌数の測定は、後述するエステラーゼ酵素を利用した菌数測定法により菌数変化を測定した。この結果を表1と図２に示す。

表１、図２より、菌の死滅速度は保持温度が低い程遅く、５５℃では１日で１６％、３５℃では６％、１０℃では２％の菌が減少することがわかる。

次に、保持温度と死滅速度ｋｄの対数との関係を求めると、図３に示すように、温度と死滅速度の対数との間に、傾きα＝０．０２の直線関係が得られる。

これにより、上記の（III）式にα＝０．０２を代入して、温度係数θ＝１．０４７が得られる。

以上より、例えば、(II)式のＴ_１を３５℃基準とすると、ある温度Ｔ（℃）における死滅速度ｋ（Ｔ）は以下の（IV）式で与えられることになる。ここで０．０６は表１より求めた３５℃における死滅速度である。

ｋ（Ｔ）＝０．０６×１．０４７^(T-35) ・・・（IV）
なお、Ｔは温度検出器４によって測定される値をリアルタイムで入力すればよい。これによって、発酵液の温度Ｔが、冷却時や加熱時で変動する場合も含めて死滅速度ｋ（Ｔ）を求めることができる。

更に、上記の（IV）式で求められた死滅速度ｋ（Ｔ）と、停止後の経過日数ｔ（日）から、下記の（Ｉ）式によって、再起動時の生菌数の残存率（％）を見積もることができ、この残存率を停止直前の投入負荷量に乗じることにより、再起動時の初期投入負荷量（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）を決定できる。

Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
（ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）

なお、再起動時の生菌数の残存率ｂ（％）は、上記の（Ｉ）式から、ｂ＝（Ｘ×１００）／Ｘ_０によって求められる。

以上より、再起動時の初期投入負荷量ｃ（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）は、停止直前の投入負荷量をａ（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）として、以下の（VI）式で決定することができる。

ｃ＝（ａ＊ｂ）／１００・・・（V）
以上の手順をまとめると、イ）（IV）式を用いて温度検出器４からの測定値である温度Ｔから死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、ロ）（Ｉ）式を用いて死滅速度ｋ（Ｔ）と停止後の経過日数ｔ（日）から再起動時の生菌数の残存率ｂ（％）を算出し、ハ）（V）式を用いて残存率ｂ（％）と停止直前の投入負荷量をａとから再起動時の初期投入負荷量ｃ（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）を算出すればよい。

上記の演算内容をＰＬＣ９にプログラムすることによって、再起動時の初期投入負荷量ｃが得られ、これによってスラリー供給ポンプ２を制御して再起動時の供給量を最適に設定することができる。

なお、本発明においては、上記の（Ｉ）式により求められる前記再起動時の前記生菌数の残存率が５０％以上となるように、前記停止後の前記発酵液の温度Ｔを制御してもよい。

例えば、配管の詰まりや、発酵槽内の充填材の詰まり等の通常のメンテナンスでは、メタン発酵槽は１〜３日程度停止する。このように停止期間が短い場合には、温度Ｔを高めに維持することにより、外気温による自然冷却を利用して冷却に要するコストを低減することができる。なお、この場合においても、運転時の発酵槽温度である５０〜６０℃から、発酵停止後に常温まで下げる間は強制冷却とすることが望ましい。

また、例えば、学校給食など特殊なゴミを扱う場合には、夏休み等の長期の停止が考えられ、最大３０日程度の停止がある。この場合には、０〜１０℃付近の凍結しない状態に維持することで、生菌数の残存率を５０％以上に維持できる期間を３０日以上得ることができる。

再起動時には、メタン発酵槽を停止前の運転温度である５０〜６０℃まで加温してから再起動開始（負荷投入開始）をする。また、再起動後の投入量の増加割合は、投入負荷の増加割合が１．１倍／日以上で１．３倍／日以下となるように行なうことが好ましく、好ましくは１．３倍／日とすることによって、目標とする投入負荷量まで上げていくことが好ましい。これによって、メタン発酵を破綻させずに、最短で投入負荷を増加させることができる。なお、上記の投入負荷の増加方法は、本出願人による特願２００３−１５０４７３号に詳細に記載されている。

また、上記の本発明のメタン発酵処理方法における、菌数の測定方法としては特に限定されないが、測定すべき試料に、前記菌体内に存在するエステラーゼ酵素によって蛍光物質を生成する試薬を混合し、前記蛍光物質の蛍光を測定することにより行なうことが好ましい。

これによれば、メタン菌のみならず、有機酸を生成する酸生成菌を含んだ全ての活性菌数が把握できるので、より正確にメタン発酵槽内の菌数を把握できる。また、測定サンプルは少量の消化液をメタン発酵槽から抜き取れば足り、測定も短時間で行なうことができる。

上記の菌数測定方法は、図４に示すように、測定試料であるメタン発酵槽内から取り出した消化液を前処理する前処理工程Ｓ１と、前処理工程Ｓ１後の消化液に蛍光試薬を混合する蛍光試薬混合工程Ｓ２と、蛍光法によって蛍光を呈する菌数を測定する菌数測定工程Ｓ３とで行なうことができる。

まず、測定試料となる消化液を、メタン発酵槽内から取出す。測定試料として必要な消化液の量としては１〜１０ｍｌあれば充分である。次に、前処理工程Ｓ１の希釈工程Ｓ１１により、上記の測定試料から更に一部をサンプリングして水で希釈する。この希釈工程Ｓ１１におけるサンプリング量としては１〜５ｍｌであることが好ましい。また、希釈量としてはサンプリングした消化液に対して、体積で５〜２０倍、好ましくは１０〜１５倍に希釈することが好ましい。

次に、ろ過工程Ｓ１２によって固形分を除去する。ろ過方法は従来公知のフィルターろ過等が使用でき、特に孔径２０〜３０μｍのフィルターを用いることが好ましい。ろ過工程Ｓ１２後、超音波分散工程Ｓ３を行なう。この工程によって菌をばらばらにし数え易くする。超音波装置としては従来公知のものが使用できる。また、分散時間としては５〜１５分行なうことが好ましい。

次に、ｐＨが酸性となっている場合には、必要に応じてｐＨ調整工程Ｓ１４を行なう。このように測定試料のｐＨをアルカリ性に調整することにより菌の活動領域にｐＨを維持できる。なお、ｐＨとしては７．５〜８となるように調整することが好ましい。ｐＨ調整手段としては、ｐＨ緩衝液を加えることが好ましく、具体的には、ＮａＯＨやＫＯＨにＫＨ_２ＰＯ_４を加えてアルカリ性に調整することができる。また、このｐＨ調整工程Ｓ１４は、あらかじめｐＨが上記の７．５〜８の範囲となっていれば行なわなくてもよい。

次に、蛍光試薬混合工程Ｓ２で、前処理工程Ｓ１後の消化液に、活性菌内に存在する加水分解酵素であるエステラーゼ酵素によって加水分解することにより蛍光物質を生成する蛍光試薬を加える。これらの蛍光試薬は、元来蛍光性を有していないが、拡散によって生細胞内に取込まれると、すべての細胞が共通に持っている酵素のエステラーゼによってエステル結合が加水分解され、蛍光物質として細胞内に蓄積される。一方、死菌はエステラーゼ活性が失われており染色されないため、活性菌だけの検出が可能となる。このような、エステラーゼ酵素によって加水分解され、蛍光を呈する蛍光物質となる試薬としては、５−(６−)カルボキシフルオレセインジアセテート、５−カルボキシフルオレセインジアセテートアセトキシメチルエステートなどからなる群が好ましく例示できる。

上記の蛍光試薬の添加量としては、ｐＨ調整工程Ｓ１４後の希釈サンプル液２００μｌに対して２０〜３０μｌ添加することが好ましい。蛍光試薬の添加量が２０μｌ以下であると蛍光試料の発光強度が不足し、微弱な蛍光しか得られないので好ましくなく、３０μｌを超えると、水分等による、菌以外のバックグラウンドが強くなるので好ましくない。

蛍光試薬混合工程Ｓ２の後、菌数測定工程Ｓ３において、活性菌の菌数を測定する。測定方法には、従来公知の蛍光顕微鏡による測定が使用できる。具体的には、蛍光試薬混合工程Ｓ２後の測定試料をバクテリア計測盤などの、一定の深さを持つプレパラート上に垂らした後、蛍光顕微鏡により、上記の蛍光物質が蛍光を発することを利用して、蛍光画像を観察して菌数をカウントする。蛍光を発生させる励起波長としては３８０〜４２０ｎｍの青色が好ましい。菌数のカウントについては、従来公知の画像解析ソフト等が利用できる。

以上の本発明の菌数測定方法により、メタン菌、酸生成菌等のメタン発酵槽内のすべての活性菌数の合計を測定することができる。なお、上記の菌数測定に要する時間は３０〜６０分で行うことができるので簡便で、短時間に測定を行なうことができる。なお、上記の菌数測定方法は、本出願人による特願２００２−１６５７１４号に詳細に記載されている。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
図１に示すようなメタン発酵処理装置を用いメタン発酵処理を行なった。メタン発酵槽１としては容量１０リットルの発酵槽を使用し、発酵温度は５５℃とした。また、定常状態時のＣＯＤｃｒ負荷は２０ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄで安定発酵していた。

この状態で、発酵処理を一旦停止し、タッチパネル１０より、上記の目標保持温度Ｔａ＝１０℃、停止期間ｔ（日）として２０日間を入力した。

その結果、上記の（IV）式、（Ｉ）式、（V）式を用いて上記のＰＬＣ９によって演算された出力として、２０日後の再起動時の初期投入負荷量ｃとして、１２ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄを得た。

この出力結果によって、スラリー投入ポンプ２を制御して、初期負荷量１２ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄで、その後の投入負荷上昇率は、１．３倍／日となるように負荷上昇させ、２日間で元の投入負荷量に戻し、目標投入負荷２０ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄまで上昇させて、その後、定常運転とした。このときの運転中のバイオガスの発生量を測定した結果を図５に示す。

図５に示すように、再起動時にもガス発生量は順調に増加しており、発酵状態に特に問題なく、２日間という短期間で安定にメタン発酵槽を立ち上げることが可能であることがわかる。

実施例２
図１に示すようなメタン発酵処理装置を用いメタン発酵処理を行なった。メタン発酵槽１としては容量１０リットルの発酵槽を使用し、発酵温度は５５℃とした。また、定常状態時のＣＯＤｃｒ負荷は２０ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄで安定発酵していた。

この状態で、発酵処理を一旦停止し、発酵槽の停止日数（日）及び保持温度（℃）を変化させた場合における、再起動時の生菌数の残存率ｂ（％）を上記の（Ｉ）式により求めた結果を表２に示す。

表２より、生菌数の残存率ｂ（％）を５０％以上にできる停止後の保持期間は、保持温度が３５℃の場合には１０日間であり、１℃に冷却して維持した場合には５５日間まで可能であることがわかる。

例えば、配管の詰まりや、発酵槽内の充填材の詰まり等の通常のメンテナンスでは、メタン発酵槽は１〜３日程度停止する。この場合、表２より、例えば、停止後の保持温度が３５℃であっても、生菌数の減少率は１６％程度と少ないことがわかる。したがって、この場合、特に強制冷却の必要は不要である。また、通常時期であれば自然冷却でも３０℃以下となり、この場合には、更に生菌数の減少率は１３％以下と少ないことがわかる。そのため、再起動に負荷を大幅に下げなくてもよく、1日で通常負荷に戻すことが可能であった。

また、学校給食など特殊なゴミを扱う場合には、長期の停止として、例えば夏休み等の停止が考えられ最大３０日程度の停止がある。この場合、表２より、０〜１０℃の凍結しない状態に維持すれば、生菌数の残存率を５０％以上に維持できることがわかる。そのため、再起動時に投入量１．３倍/日での再起動運転をすることにより、３日以内に所定の運転負荷まで戻すことが可能であった。

本発明は、嫌気性微生物を用いて、生ゴミ、食品加工残滓、活性汚泥処理等の余剰汚泥等の有機性廃棄物を処理するメタン発酵処理方法に利用できる。

本発明のメタン発酵処理装置の概略構成図である。 保持温度を変えた場合の菌数の変化を測定した図表である。 保持温度と死滅速度との関係を測定した図表である。 本発明のメタン発酵処理方法に用いることができる菌数測定方法の概略工程図である。 実施例におけるメタン発酵槽内のガス発生量の経時変化を示す図表である。

符号の説明

１ メタン発酵槽
２ スラリー供給ポンプ
３ スラリー引き抜きポンプ
４ 温度検出器
５ 熱交換器
６ 発酵液循環ポンプ
７ 冷温水器
８ 循環ポンプ
９ ＰＬＣ
１０ タッチパネル
２１、２２、２３、２４、２５ 配管
Ｓ１ 前処理工程
Ｓ１１ 希釈工程
Ｓ１２ ろ過工程
Ｓ１３ 超音波分離工程
Ｓ１４ ｐＨ調整工程
Ｓ２ 蛍光試薬混合工程
Ｓ３ 菌数測定工程

Claims (5)

1. 有機性廃棄物をメタン発酵槽内に投入し、嫌気性微生物によりメタン発酵させる高温メタン発酵処理方法であって、前記メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する場合において、
   前記停止後に前記メタン発酵槽内の発酵液の温度を低下させ、前記再起動時には前記発酵液を加熱してから前記再起動を行い、
   前記停止後の前記発酵液の温度Ｔにおける、前記発酵液中の菌体数の死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）と、前記停止後の経過日数ｔとに基いて、前記再起動時における生菌数の残存率を以下の（Ｉ）式によって求め、この残存率に前記停止時直前の投入負荷量を乗じて、前記再起動時の前記有機性廃棄物の初期投入負荷量を決定することを特徴とするメタン発酵処理方法。
   Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
   （ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）
2. 前記発酵液の温度を０〜３５℃に低下させて維持する請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
3. 前記（Ｉ）式により求められる前記再起動時の前記生菌数の残存率が５０％以上となるように、前記停止後の前記発酵液の温度Ｔを制御する請求項１に記載のメタン発酵処理方法。
4. 嫌気性微生物によって有機性廃棄物を高温メタン発酵させるメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽内に前記有機性廃棄物を投入する有機性廃棄物投入手段と、前記メタン発酵槽内の発酵液の温度を検出する温度検出手段と、前記メタン発酵槽の運転が一旦停止した場合に前記メタン発酵槽の冷却を行い、再起動時には前記メタン発酵槽の加熱を行う温度調節手段とを備え、
   更に、前記停止後の前記発酵液の温度Ｔに基いて、前記発酵液中の菌数の死滅速度ｋ（Ｔ）を算出し、この死滅速度ｋ（Ｔ）と、前記停止後の経過日数ｔとに基いて、前記再起動時における生菌数の残存率を以下の（Ｉ）式によって求め、この残存率に前記停止時直前の投入負荷量を乗じて、前記再起動時の前記有機性廃棄物の初期投入負荷量を算出する演算手段を備えていることを特徴とするメタン発酵処理装置。
   Ｘ＝Ｘ_０ｅｘｐ（−ｋ（Ｔ）×ｔ） ・・・（Ｉ）
   （ここで、ｋ（Ｔ）は温度Ｔにおける死滅速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは停止後の経過日数を表す）
5. 前記温度調節手段が、前記停止後の発酵液を０〜３５℃に低下させて維持するように構成されている請求項４に記載のメタン発酵処理装置。
   

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