JP3775398B2

JP3775398B2 - メタン発酵処理方法

Info

Publication number: JP3775398B2
Application number: JP2003150473A
Authority: JP
Inventors: 美也子人見
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004351290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、特開平１０−１３７７３０号公報や特開２００１−４６９９７号公報には、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。
【０００５】
また、特開平８−１５４６６２号公報には、蛍光物質Ｆ₄₂₀の蛍光強度を測定することによってメタン菌の活性を測定し、原料の投入時期及び／又は投入量を調節することが開示されており、メタン菌の活性を測定し、得られた測定値に基づいて負荷の促進を行い、もってメタン発酵槽のスタートアップ期間を短縮することが開示されている。
【０００６】
更に、特開２００２−２８２８９７号公報には、有機性廃棄物を嫌気性微生物群により分解処理するメタン発酵方法において、メタン発酵のスタートアップ時に、メタン生成菌の菌数をモニタリングし、前記モニタリング結果を指標としてスタートアップ時の運転制御を行なうことが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１３７７３０号公報
【特許文献２】
特開２００１−４６９９７号公報
【特許文献３】
特開平８−１５４６６２号公報
【特許文献４】
特開２００２−２８２８９７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
高温メタン発酵は上述のように高速処理が可能である一方、温度変化や、起動停止時等の投入負荷変動などの外的要因に影響されやすく、これによってガス発生量が低下するなどのトラブルが起こりやすい。したがって、安定な発酵を維持するためには、特に投入負荷上昇率が、消化汚泥中の菌数に対して過負荷にならないようにしなければならない。
【０００９】
上記の特開平１０−１３７７３０号公報や特開２００１−４６９９７号公報における高温メタン発酵においては、運転制御時に有機酸、ｐＨ、ガス発生量などをモニタリングしていた。投入負荷量が常に一定であれば、これらの項目の監視のみでも運転はできるが、起動および停止時を含む投入負荷変動があった場合にはこれらのモニタリングだけでは不十分である。
【００１０】
したがって、上記公報の方法では、投入負荷上昇時の変動幅がどの程度許容できるかが不明であるため、投入負荷の増加割合が大き過ぎて過負荷となり、有機酸が蓄積して酸敗が発生するという問題や、逆に投入負荷変動が小さすぎて立ち上げに時間を要し、迅速な起動ができないという問題があった。
【００１１】
また、特開平８−１５４６６２号公報や、特開２００２−２８２８９７号公報の方法においては、菌数をモニタリングして運転制御を行なっているのものの、菌数と投入負荷上昇率との関係に基づいた制御は行っておらず、最適な投入負荷上昇率は設定できていない。更に、上記公報における方法においては、所定の時間間隔で連続して菌数のモニタリングを行なう必要があることから監視工程が煩雑であり、装置構成も複雑になるという問題点もあった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、上記の問題を解決して、有機性廃棄物の投入負荷変動時における最適な投入負荷上昇率を簡便な方法で決定でき、これによって、発酵状態を良好に維持したまま、メタン発酵槽の起動や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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
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において、前記メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する際に、前記停止後の前記メタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の死滅速度ｋｄを、以下の（Ｉ）式によってあらかじめ求めておき、この死滅速度ｋｄと前記停止時から前記再起動時までの時間とによっ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し、その後、前記有機性廃棄物の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調節しながら、目標とする投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させることを特徴とする。
【数２】
（ここで、ｋｄは死滅速度、Ｙは菌数、Ｙ _０は初期菌数、ｔは日数を表す）
【００１４】
投入負荷の増加時（投入負荷上昇時）に、どの程度の増加割合（投入負荷上昇率）ならば高温メタン発酵が破綻せずに安定運転できるかは、メタン発酵槽内の菌体量に関係する。投入負荷変動に応じて菌体量が増加する状態であれば、発酵は破綻せず正常な発酵を維持できる。一方、投入負荷上昇率が過剰であると、発酵が追いつかないため有機酸の蓄積等によってｐＨが低下し、菌が増加できない環境となってメタン発酵が破綻してしまう。
【００１５】
本発明の方法によれば、メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する際の生菌数を、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し、その後、前記有機性廃棄物の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調節しながら、目標とする投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させるようにしたので、発酵状態を正常に維持しつつ投入負荷上昇を短時間で行なうことができ、再起動時の立ち上げ時間を大幅に短縮することができる。
また、投入負荷の最大増加割合を、後述するメタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の増殖速度μが最大となる点である１．３倍／日に設定したので、投入負荷変動に応じて菌体量が増加する状態を維持でき、メタン発酵槽の破綻を防ぐことができる。
なお、起動時には、前記有機性廃棄物の投入負荷の増加割合が、起動が完了するまでの間、常に１．３倍／日となるように行うことが好ましい。
【００１６】
また、投入負荷上昇率を、増殖速度μからあらかじめ求めたので、従来のように、装置稼動中の一定時間間隔の菌数のモニタリングを行なう必要がなく作業工程も簡便であり、また、装置構成も簡単にすることができる。
【００１７】
本発明のメタン発酵処理方法において、前記有機性廃棄物の投入負荷量が目標とする投入負荷量に達した後は、前記有機性廃棄物の投入負荷の増加割合が１．３倍／日以下となるように調節することが好ましい。
【００１８】
これによれば、投入負荷の最大増加割合を、後述するメタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の増殖速度μが最大となる点である１．３倍／日に設定したので、投入負荷変動に応じて菌体量が増加する状態を維持でき、定常運転時のメタン発酵槽の破綻を防ぐことができる。
【００１９】
本発明のメタン発酵処理方法において、前記発酵処理物中の菌数の死滅速度を求めるための生菌数の測定は、測定すべき試料に、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って行うことが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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方法に用いることができるメタン発酵処理装置の概略構成図が示されている。
【００２３】
まず、図１の処理装置について説明すると、この処理装置は、有機性廃棄物を粉砕する粉砕機１１、微粉砕機１２と、これをスラリー化するスラリー調整槽１３と、メタン発酵槽１４と、生成したバイオガスを貯留するためのガスタンクホルダー１６とで主に構成されている。
【００２４】
有機性廃棄物を投入、粉砕するための粉砕機１１は、供給配管によって微粉砕機１２に連結され、更に、有機性廃棄物をスラリー化するスラリー調整槽１３に連結されるように構成されている。そして、スラリー調整槽１３からの供給配管が、メタン発酵槽１４に接続され、スラリー調整槽１３とメタン発酵槽１４とが連結されている。
【００２５】
メタン発酵槽１４には、鉄化合物を添加するための鉄供給タンク１８、及び、ニッケル化合物及び／又はコバルト化合物を供給するためのニッケル・コバルト供給タンク１９が接続されている。また、メタン発酵槽１４内には、スラリー化された有機性廃棄物を攪拌するための攪拌羽根１５が配置されている。
【００２６】
メタン発酵槽１４の上部空間からは、ガスホルダー１６に連結される配管が接続されており、メタン発酵槽１４において発生したバイオガスが、ガスホルダー１６に貯蔵されるように構成されている。これによって、このガスホルダー１６に貯蔵されたバイオガスが、燃料電池発電装置、ガスエンジン等の発電機やボイラーの燃料として、ガス利用システム１７で有効利用されるようになっている。
【００２７】
更に、メタン発酵槽１４の底部からは、発酵後のスラリーを消化液として取り出すための配管が接続されており、この消化液は、処理後の残渣として、図示しない固液分離槽等の後処理装置に送られるように構成されている。
【００２８】
次に、こ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。
【００２９】
図１において、有機性廃棄物は、粉砕機１１で粗砕された後、更に分解速度及び消化率の向上を図るために、微粉砕機１２で微粉砕・ペースト化されてスラリー調整槽１３に投入される。スラリー化は、固形物濃度が１０〜２０質量％となるように調整することが好ましい。その後、スラリー調整槽１３においてペースト化された有機性廃棄物は、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、図示しないポンプによりメタン発酵槽１４に送られる。
【００３０】
このメタン発酵槽１４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。
【００３１】
なお、メタン発酵槽１４内では、攪拌羽根１５によって、スラリーの攪拌が行なわれる。なお、スラリーの攪拌方法としては、他にポンプにより有機性廃棄物を循環させてもよく、また、バイオガスの一部をポンプによりメタン発酵槽１４の下部に吹き込んでバブリングして攪拌してもよい。
【００３２】
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１４から引き抜かれ、メタン発酵槽１４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、ガスホルダー１６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１７でエネルギーとして利用される。
【００３３】
ここで、本発明においては、メタン発酵槽の定常運転時における、前記有機性廃棄物の投入負荷の増加割合が１．３倍／日以下となるように調節する。また、目標とする前記有機性廃棄物の投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させる場合における、目標とする前記有機性廃棄物の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調節する。
【００３４】
なお、本発明において、メタン発酵槽の定常運転時における、前記有機性廃棄物の投入負荷の増加とは、通常の定常運転時における一時的な投入負荷の増加時を意味し、有機性廃棄物の投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させる場合とは、起動時又は再起動時の投入負荷の増加時を意味する。投入負荷の単位としては、例えばＣＯＤｃｒ（化学的酸素要求量）を用いることができる。
【００３５】
上記の投入負荷上昇率の値は、投入負荷上昇率と、メタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の増殖速度μとの関係をあらかじめ求めておき、増殖速度μが最大となるような場合の投入負荷上昇率を求めることによって決定される。
【００３６】
すなわち、メタン発酵槽では、投入負荷上昇率を増加させても、菌がこれ以上は増殖しない最大増殖速度μ_ｍａｘが存在する。この最大増殖速度μ_ｍａｘに達したときの投入負荷上昇率より投入負荷量が過剰になると、菌の増殖に必要以上の投入負荷が与えられてしまうため、メタン発酵が追いつかずに有機酸の蓄積等によってｐＨが低下し、菌が増殖できない環境となって、メタン発酵が破綻することになる。すなわち、増殖速度が最大値になった時点での投入負荷上昇率が、メタン発酵槽を安定に運転できる最大投入負荷上昇率となる。
【００３７】
最大投入負荷上昇率は、以下のようにして求めることができる。まず、投入負荷を上昇させたとき、投入負荷変更前後における菌の増加を測定する。このとき、対数増殖期には、菌は下記の（II）式のように指数関数的に増加することが知られている（例えば、合葉修一，永井史郎著，「生物化学工学−反応速度論−」，第６刷，科学技術社，１９９５年１１月１０日，ｐ１５７−１６０）。
【００３８】
【数３】
【００３９】
（ここで、μは増殖速度、Ｘは菌数、Ｘ_０は初期菌数、ｔは日数を表す）
したがって、上記の（II）式より、所定の投入負荷の増加割合における、増殖速度μを求めることができる。ここで、増殖速度μは１日あたりの菌数の増殖割合を表し、増殖速度μが０．３とは１日あたりの菌数が３０％増殖する状態を意味する。なお、菌数の測定は、所定時間経過後に少なくとも２回以上行い、例えば最小２乗法等によって上記の（II）式に近似することにより増殖速度μを求めることができる。
【００４０】
具体的には、図１に示すようなメタン発酵処理装置を用い、菌の増殖速度μを算出した。すなわち、生ゴミの投入負荷上昇率を変化させて、それぞれの投入負荷上昇率について、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、上記の（II）式から増殖速度μを求めた。メタン発酵槽として容量２リットルの発酵槽を使用し、発酵温度５５℃での結果を表２、図２に示す。
【００４１】
なお、有機性廃棄物としては表１に示す組成の生ゴミ原料を使用している。表１におけるＴＳは固形分濃度、ＶＳは有機物濃度、Ｔ−ＣＯＤは全化学的酸素要求量、Ｔ−Ｎは全窒素である。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
表２及び図２より、投入負荷上昇率が１．２〜１．５倍／日の場合には、菌数が増加しており、投入負荷上昇率１．３倍／日において増殖速度μが最大となる。以上より、最大増殖速度μ_ｍａｘとして０．３１が得られ、このときの投入負荷上昇率である１．３倍／日が最大負荷上昇率と決定できる。
【００４５】
したがって、通常運転時においては投入負荷上昇率１．３倍／日以下となるように運転すれば、メタン発酵槽の破綻を生じない。
【００４６】
投入負荷上昇率が１．３倍／日を超えると、表３の投入負荷上昇率が１．５倍／日の場合のように、増殖速度μは０．３０で菌数は増えず、メタン発酵槽内の有機酸濃度も上昇し、過負荷となる。すなわち、投入負荷上昇率が過剰であって発酵が追いつかないため有機酸の蓄積等によってｐＨが低下し、菌が増加できない環境となってメタン発酵が破綻する。更に、図２からわかるように、投入負荷上昇率が２倍の場合には菌が減少しており過負荷となる。
【００４７】
なお、この増殖速度μはメタン発酵槽の容量には依存しない値である。また、増殖速度μは本来温度に依存する値であるが、本発明に用いる５０〜６０℃の高温メタン発酵においては、増殖速度μを一定として扱うことができる。
【００４８】
一方、メタン発酵槽の起動時においては、更に投入負荷上昇率の下限を設けて、投入負荷上昇率が１．１倍／日以上で１．３倍／日以下となるようにすることが好ましい。特に最短時間でメタン発酵槽を起動するためには、１．３倍／日の投入負荷で行なうことがより好ましい。
【００４９】
これにより、メタン発酵の破綻を防止しつつ、短時間でメタン発酵槽を立ち上げることが可能となる。投入負荷上昇率が１．１倍／日未満の場合には、表２における増殖速度μが０．２未満となり、投入負荷上昇率が少な過ぎて投入負荷上昇に長時間を要する状態であるので起動時には好ましくない。
【００５０】
また、本発明において、メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する際には、停止後のメタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の死滅速度ｋｄを、以下の（Ｉ）式によってあらかじめ求めておき、この死滅速度ｋｄと前記停止時から前記再起動時までの時間とによっ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し、その後、前記方法で投入負荷の増加割合を調節することが好ましい。
【００５１】
【数４】
【００５２】
（ここで、ｋｄは死滅速度、Ｙは菌数、Ｙ_０は初期菌数、ｔは日数を表す）
これによれば、メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する際の生菌数を、あらかじめ計算で求められるので、この生菌数に応じて、再起動の際の初期負荷量を設定でき、再起動時の立ち上げ時間を更に短縮することができる。
【００５３】
上記の（Ｉ）式による死滅速度ｋｄを求める際にも、増殖速度μと同様に菌数の測定を所定時間経過後に少なくとも２回以上行い、例えば最小２乗法等によって近似することにより死滅速度ｋｄを求めることができる。
【００５４】
その後、停止期間（日数）ｔ、初期菌数Ｙ_０を代入することによって、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。
【００５５】
すなわち、停止直前の投入負荷量をａ（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）、停止直前の投入負荷量に対する再起動時の生菌数の残存率をｂ（％）とすれば、再起動時の初期投入負荷量ｃ（ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄ）は、ｃ＝（ａ＊ｂ）／１００で決定することができる。
【００５６】
なお、再起動後の投入量の増加割合は、上記のように、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えばよい。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
上記の菌数測定方法は、図３に示すように、測定試料であるメタン発酵槽内から取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。
【００６０】
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。
【００６１】
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Ｓ１３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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
本発明においては、メタン発酵槽処理中に、ニッケル・コバルト供給タンク１９から、必要量のニッケル化合物及び／又はコバルト化合物を供給してもよい。ニッケル、コバルトは、メタン菌の代謝に必要な金属として菌体内に存在する補酵素に含有されており、酢酸や水素、二酸化炭素の基質からメタンを生成する際の代謝経路を速やかに進行させる働きがある。
【００６８】
ニッケル化合物としては、塩化ニッケル、塩化ニッケル・四水和物、塩化ニッケル・六水和物等が挙げられる。また、コバルト化合物としては、塩化コバルト、塩化コバルト・四水和物、塩化コバルト・六水和物等が挙げられる。これらは水溶性化合物であることが好ましい。上記の化合物はそれぞれ単独で添加してもよいが、ニッケル化合物とコバルト化合物を併用して添加することが好ましい。この場合、両者の配合割合としてはニッケルイオン及びコバルトイオンとして、１：１〜２：１とすることが好ましい。なお、上記のニッケル化合物及び／又はコバルト化合物は、水溶液として添加することが好ましい。
【００６９】
また、本発明においては、上記のニッケル化合物及び／又はコバルト化合物の添加の前に、メタン発酵槽１４内の硫化水素濃度を、図示しない硫化水素濃度分析計によってモニタリングし、この測定値が所定値以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下となるようにメタン発酵槽１４内の硫化水素濃度を調整してもよい。このような、硫化水素濃度の調整方法としては、例えば、メタン発酵槽１４内に鉄供給タンク１８によって鉄化合物を添加することが好ましく行なわれる。
【００７０】
これによって、ニッケルイオン、コバルトイオンの阻害物質となる硫化水素が鉄化合物と反応して硫化鉄となるので、硫化水素濃度の低下を迅速、確実に行なうことができる。そして、あらかじめ硫化水素濃度が低下されているので、ニッケル、コバルトをイオンの状態でメタン菌内へ有効に取り込むことができる。したがって、メタン菌の活性を充分に向上して、安定した発酵状態を長期間にわたって維持することができる。鉄化合物としては、例えば、塩化第一鉄、塩化第一鉄・四水和物、塩化第一鉄・六水和物等が挙げられ、水溶性の鉄化合物を用いることが好ましい。
【００７１】
【実施例】
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。
【００７２】
実施例１
図１に示すようなメタン発酵処理装置を用いて、図４、５に示すような条件で、定常運転時から１．３倍／日の投入負荷上昇を適宜行い、バイオガスの発生量及びｐＨを測定した。生ゴミ原料は実施例１と同じものを用い、メタン発酵槽１５としては容量は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。その結果を図４、５に示す。
【００７３】
図４、５に示すように、１．３倍／日の投入負荷変動においても、ガス発生量およびｐＨに特に問題なく、安定に連続運転が可能であった。
【００７４】
実施例２
実施例１と同様な装置を用い、起動時における運転制御を行った。メタン発酵槽１５としては容量は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５ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄからスタートさせ、投入負荷上昇率を１．３倍／日で６日間上昇させ、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。運転中のバイオガスの発生量及びｐＨを測定した結果を図６、７に示す。
【００７５】
図６、７に示すように、投入負荷を１．３倍／日づつ上昇させた場合においても順調にガス発生量が増加し、ｐＨも菌の活動に必要な７以上を保持し、安定に目標投入負荷までの起動が可能であった。
【００７６】
実施例３
まず、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停止させて、菌の死滅速度ｋｄを算出した。メタン発酵槽１５及び発酵条件は実施例１と同様である。その結果を図８に示す。図８の測定結果より及び上記の（II）式より、最小２乗法による近似によって死滅速度ｋｄ＝０．１６（ｄ^−１）を算出した。
【００７７】
次に、実施例２と同様な装置を用い、１０日間停止後の再起動時における運転制御を行った。まず、上記の（II）式に、ｋｄ＝０．１６、ｔ＝１０、Ｙ_０＝１００を代入してＹ＝２０．１を得た。すなわち、１０日間停止後の生菌数の残存率は２０．１％と見積もられた。
【００７８】
この残存率約２０％を、停止直前の投入負荷量２０ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄに乗じて４ｇＣＯＤｃｒ／Ｌ／ｄを得て、これを再起動時の投入負荷量と決定した。
【００７９】
その後の投入負荷上昇率は、実施例３と同様に１．３倍／日として上昇させ、６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。運転中のバイオガスの発生量及びｐＨを測定した結果を図９、１０に示す。
【００８０】
図９、１０に示すように、投入負荷を１．３倍／日で上昇させた場合においても順調にガス発生量が増加し、ｐＨも菌の活動に必要な７以上を保持し、安定に目標投入負荷までの起動が可能であった。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メタン発酵処理における有機性廃棄物の最適な投入負荷上昇率を決定でき、良好な発酵状態を維持したまま、起動時や再起動時等の投入負荷変動を迅速に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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタン発酵処理方法に用いることができるメタン発酵処理装置の概略構成図である。
【図２】投入負荷の増加割合を変えた場合の菌数の変化を測定した図表である。
【図３】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。
【図４】実施例１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。
【図５】実施例１におけるメタン発酵槽内のｐＨの経時変化を示す図表である。
【図６】実施例２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。
【図７】実施例２におけるメタン発酵槽内のｐＨの経時変化を示す図表である。
【図８】メタン発酵処理を一旦停止後の経過時間と菌数との関係を測定した図表である。
【図９】実施例３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。
【図１０】実施例３におけるメタン発酵槽内のｐＨの経時変化を示す図表である。
【符号の説明】
１１粉砕機
１２微粉砕機
１３スラリー調整槽
１４メタン発酵槽ンプ
１５攪拌羽根
１６ガスホルダー
１７ガス利用システム
１８鉄供給タンク
１９コバルト・ニッケル供給タンク
Ｓ１前処理工程
Ｓ１１希釈工程
Ｓ１２ろ過工程
Ｓ１３超音波分離工程
Ｓ１４ｐＨ調整工程
Ｓ２蛍光試薬混合工程
Ｓ３菌数測定工程

Claims

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において、
前記メタン発酵処理を一旦停止後に再起動する際に、前記停止後の前記メタン発酵槽内の発酵処理物中の菌数の死滅速度ｋｄを、以下の（Ｉ）式によってあらかじめ求めておき、この死滅速度ｋｄと前記停止時から前記再起動時までの時間とによっ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し、その後、前記有機性廃棄物の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調節しながら、目標とする投入負荷量に達するまで投入負荷を増加させることを特徴とするメタン発酵処理方法。
（ここで、ｋｄは死滅速度、Ｙは菌数、Ｙ _０は初期菌数、ｔは日数を表す）
前記有機性廃棄物の投入負荷量が目標とする投入負荷量に達した後は、前記有機性廃棄物の投入負荷の増加割合が１．３倍／日以下となるように調節する請求項１記載のメタン発酵処理方法。
前記発酵処理物中の菌数の死滅速度を求めるための生菌数の測定を、測定すべき試料に、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って行う請求項 1 又は２記載のメタン発酵処理方法。