JP5345572B2 - 紙ごみ処理方法 - Google Patents
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また、本発明の紙ごみ処理方法は、電極を接触させたメタノサーモバクター属の古細菌を含む50℃〜60℃のメタン発酵液に紙ごみを添加し、この電極を作用電極とし、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と参照電極とを接触させ、作用電極の電位を3電極方式で制御して銀・塩化銀電極電位基準で−0.6V〜−0.8Vとすることにより、メタン発酵液中の原核生物数を増加させると共に古細菌のうちメタノサーモバクター属の古細菌を優占的に増殖させて、紙ごみを分解処理するようにしている。
第一の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を3電極方式で制御するようにしている。
図7に示す処理装置1は、密閉構造の容器20を処理槽7とし、容器20に収容可能な密閉構造の小容器21を対電極槽8とし、小容器21は少なくとも一部にイオン交換膜6を備えると共にガス(対電極10から発生するガス)を容器20の外に排出するガス排出管22を備えるものとしている。尚、図7に示す処理装置1では、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管22を通さずに定電位設定装置12と結線するようにしてもよい。
図9に示す処理装置1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器25aと25bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてU字型の容器25が形成され、一方の容器25aを密閉構造として処理槽7とし、他方の容器25bを開放して対電極槽8としている。この場合、メタン発酵液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、処理槽7のメタン発酵液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器25自体のU字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器25aが密閉構造とされていることから、対電極槽8から発生するガスが処理槽7に侵入するのを防ぎながら、処理槽7から発生するバイオガスが処理槽7から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図7に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
図10に示す処理装置1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器26aと26bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてH字型の容器26が形成され、一方の容器26aを密閉構造として処理槽7とし、他方の容器26bを開放して対電極槽8としている。この場合にも、メタン発酵液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、処理槽7のメタン発酵液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器26自体のH字型構造によって隔てて配置される。そして、H字型容器26の一方の容器26aが密閉構造とされていることから、処理槽7は密閉構造となる。したがって、対電極槽8から発生するガスが処理槽7に侵入するのを防ぎながら、処理槽7から発生するバイオガスが処理槽7から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図7に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、作用電極の電位を3電極方式で制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における紙ごみ処理方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
1.実験装置及び実験方法
本実施例において使用した実験装置の断面図を図12に示す。250mL容の2つのガラスバイアル瓶(Duran製)のうちの一方を処理槽26aとし、他方を対電極槽26bとし、下部開口部において陽イオン交換膜(ナフィオン117、デュポン製)6を介して2つのバイアル瓶を接続し、H字型の容器26とした。また、処理槽26aには排出部16と供給部15を設けた。処理槽26aには蓋をし、蓋の上面にシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を処理槽26aの外から内に貫通させた際の密閉性を確保した。また、蓋の上面のシリコーンゴム栓に管33を通し、処理槽26aの発酵液4の液面の上部の空間(ヘッドスペース)のガスを管33の一端から排出して、管33の他端に接続された袋34にメタンガスを含むバイオガスを回収するようにした。
[溶液の組成]
濾紙 :10g/L
KH2PO4 :0.8g/L
K2HPO4 :1.6g/L
NH4Cl :1g/L
NaHCO3 :2g/L
MgCl2・6H2O: 0.1g/L
CaCl2・2H2O: 0.2g/L
NaCl: 0.8g/L
酵母エキス: 1g/L
微量元素溶液: 10mL/L
ビタミン溶液: 10mL/L
(1)化学成分分析
SS(浮遊固形分量)の分析は、JIS K 0102−14.1(ヤマト製、装置名DN63)により実施した。尚、メタン発酵液4の初期SSは添加した濾紙の量に該当する10g/Lである。
実験開始から72時間、定期的にメタン発酵液4を処理槽26aから抜き取り、発酵液4の細胞数を光学顕微鏡によりカウントした。
・原核生物用プライマー/プローブセット:
Uni340F/Uni806R/Uni516F
・メタン菌用プライマー/プローブセットセット:
S-P-MArch-0348-S-a-17/S-D-Arch-0786-A-a-20/S-P-MArch-0515-S-a-25
(1)各種設定電位におけるSS除去効率
設定電位を+0.3V、0.0V、−0.3V、−0.6V、−0.8V、Control(電位制御無し)とした場合におけるSS除去効率(実験開始から一週間経過後)を図1に示す。設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、電位制御を行っていないcontrolに比べて、SS除去効率を向上できることが明らかとなった。一方、設定電位を+0.3V及び−0.3Vとした場合には、電位制御を行っていないcontrolと同程度のSS除去効率となり、設定電位を+0.0Vとした場合には、電位制御を行っていないcontrolよりもSS除去効率が低下した。この結果から、設定電位を−0.6及び−0.8Vとすることで、SS除去効率を向上できることが明らかとなった。即ち、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、紙ごみの分解効率を向上できることが明らかとなった。
設定電位を+0.3V、0.0V、−0.3V、−0.6V、−0.8V、Control(電位制御無し)とした場合におけるメタンガス生成量(累積メタンガス生成量)の経時変化を図2に示す。設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、電位制御を行っていないcontrolに比べて、メタンガス生成量が増加した。これに対し、設定電位を+0.3V、+0.0V及び−0.3Vとすることで、電位制御を行っていないcontrolに比べて、メタンガス生成量が低下した。この結果から、設定電位を−0.6及び−0.8Vとすることで、紙ごみからのメタンガス生成速度を向上できることが明らかとなった。
設定電位を+0.3V、0.0V、−0.3V、−0.6V、−0.8V、Control(電位制御無し)とした場合におけるVFA(揮発性脂肪酸:酢酸、プロピオン酸及び酪酸等)の濃度の経時変化を図3に示す。設定電位を0.0Vとした場合には、電位制御を行っていないcontrolよりもVFA濃度が低下したが、それ以外の電位条件ではVFA濃度が高まる傾向が見られ、−0.6Vと−0.8Vの場合にVFA濃度が最も高まった。このことから、−0.6Vと−0.8Vとすることで、紙ごみを分解してVFAに変換し易くできることが明らかとなった。
これまでの結果をより詳細に検討するために実験開始3日目におけるSS除去率とS−TOCを詳細に分析した。結果を表1に示す。
炭素回収率(%)=(メタン+二酸化炭素+S−TOC+0.42SS)/(初期炭素)
設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、紙ごみの分解速度を向上させることができ、さらにはメタンガス生成速度を大幅に向上できることが明らかとなった。そして、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとする条件は、作用電極において、還元反応を生じさせることができる電位であることから、作用電極の設定電位を、作用電極において還元反応が生じる電位に制御することで、本発明の効果を得られることが明らかとなった。
設定電位を−0.6V及び−0.8Vとした場合の微生物数(原核生物の細胞数およびコピー数)の経時変化を図4に示す。図4中、左縦軸は光学顕微鏡観察によりカウントした原核生物の細胞数を示し、右縦軸は定量PCRにより評価した16S rRNA遺伝子の1mL当たりの原核生物のコピー数を示している。実験開始から24時間経過した後は、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとした場合と、電位制御を行っていないcontrolの場合とで、徐々に差が出始め、実験開始から2日後(48時間後)には、設定電位を−0.6Vとした場合には電位制御を行っていないcontrolの場合の1.5倍程度、設定電位を−0.8Vとした場合には電位制御を行っていないcontrolの場合の2倍程度の微生物数となることが確認された。この結果から、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、電位制御を行っていないcontrolの場合よりも微生物数を増加させることができ、微生物数の増加量を高める上では、設定電位を−0.8Vとすることがより好適であることが明らかとなった。
実験開始から2日目のメタン発酵液について、末端断片長多型解析(T−RFLP)により、全菌のうち、古細菌を除く細菌の群集構造を比較した。結果を図5に示す。設定電位を−0.6V及び−0.8Vとした場合には、電位を制御しない場合と比較して、ほぼ同様の傾向で細菌群集が多様化することが明らかとなった。この結果から、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、メタン発酵液中の細菌群集を多様化させると共に、その数を増加させて、紙ごみの分解速度及びメタンガス生成速度の向上に何らかの影響を及ぼしていることが推定された。
設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、メタン発酵液中の菌数を大幅に増殖させることができると共に、水素資化性メタン生成菌であるMethanothermobactor属の微生物の増殖を促進できることが明らかとなった。したがって、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとした場合に得られた紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果は、水素資化性メタン生成菌の増殖に起因するものであることが示唆された。また、設定電位を−0.6V及び−0.8Vとすることで、細菌を増殖できると共に多様化できることが明らかとなったことから、このことも紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果に何らかの形で寄与している可能性が示唆された。
以上の結果から、作用電極の設定電位を作用電極において還元反応が生じる電位、換言すれば、作用電極がカソードとして機能する電位に制御することで、紙ごみの分解速度とメタンガス生成速度を、電位を制御せずに単にメタン発酵液に紙ごみを添加した場合と比較して大幅に向上できることが明らかとなった。具体的には、作用電極の電位を制御していないとき(電位無印加時)のメタン発酵液の電位よりもマイナス側に大きくすれば、作用電極で還元反応を生じさせてカソードとして機能させることができる。そして、水の電気分解は、一般に作用電極に−0.9Vよりもマイナス側に大きな電位を印加すると生じ易くなることから、絶対値基準で−0.9Vよりも小さい電位とすることが好ましい。
4a 電解液
6 イオン交換膜
9 作用電極
10 対電極
11 参照電極
12 定電位設定装置
Claims (3)
- 電極を接触させたメタノサーモバクター属の古細菌を含む50℃〜60℃のメタン発酵液に紙ごみを添加し、
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記電解液に前記対電極を接触させ、
前記作用電極の電位を3電極方式で制御して銀・塩化銀電極電位基準で−0.6V〜−0.8Vとすることにより、前記メタン発酵液中の原核生物数を増加させると共に古細菌のうち前記メタノサーモバクター属の古細菌を優占的に増殖させて、前記紙ごみを分解処理することを特徴とする紙ごみ処理方法。 - 電極を接触させたメタノサーモバクター属の古細菌を含む50℃〜60℃のメタン発酵液に紙ごみを添加し、
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と前記対電極をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記作用電極の電位を3電極方式で制御して銀・塩化銀電極電位基準で−0.6V〜−0.8Vとすることにより、前記メタン発酵液中の原核生物数を増加させると共に古細菌のうち前記メタノサーモバクター属の古細菌を優占的に増殖させて、前記紙ごみを分解処理することを特徴とする紙ごみ処理方法。 - 請求項1または2に記載の紙ごみ処理方法の実施に伴って生成されるメタンガスを回収することを特徴とするメタンガス回収方法。
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