JP6465910B2 - 生物処理用微生物担体及び固定床の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は生物処理用微生物担体及び固定床の製造方法に関し，とくに有機性廃水や有機性廃棄物等を微生物により分解処理するバイオリアクタ内で用いる生物処理用微生物担体及びその微生物担体を用いた生物処理用固定床の製造方法に関する。

有機性廃水や有機性廃棄物スラリー等の有機性処理液を削減し又は有効利用するため，固定床が設けられたバイオリアクタ（生物処理槽）に有機性処理液を投入し，固定床に付着した微生物と接触させながら消化・発酵させ，微生物の消化・発酵作用によりバイオガス（メタンガス等）にまで分解する湿式の生物処理（メタン発酵処理）が開発されている（非特許文献１参照）。生物処理の効率化の観点からバイオリアクタ内の固定床は，微生物を高濃度に付着させることができ，発酵液との接触効率を低下させる変形や発酵液中の残渣・余剰微生物等の固形物による閉塞が生じにくい等の条件を満たすことが要求される。これらの条件を満たす固定床の一例として，図６に示すように，ガラス繊維製又は炭素繊維製の織布又は不織布により形成した多孔性の中空筒状体３１を，合成樹脂製の周方向及び軸方向部材からなる枠体３２で支持した微生物担体素子３０が開発されている（特許文献１及び２参照）。

図６に示す微生物担体素子３０は，微生物付着表面積を勘案しつつ中空筒状体３１の中空部（内径）の大きさを調整することにより発酵液中の固形物に対する抵抗を小さくして閉塞を防止することができる。また，バイオリアクタ内に担体素子３０を多数積み上げた場合でも，枠体３２の形状保持能により下方の担体素子３０の変形を生じにくい。更に，ガラス繊維製又は炭素繊維製の織布又は不織布により形成した中空筒状体３１は多孔性であり，その細孔に微生物が効率よく補足されるので，単位面積当たりの付着微生物量（微生物濃度）もが多く，しかも付着した微生物が剥離しにくい利点を有している。

図７（Ａ）に示すように，図６の微生物担体素子３０を１本ずつ又は図７（Ｂ）に示すように複数本を束にしてバイオリアクタ１の内部にマンホール２を介して搬入し，複数の中空筒状体３１を長さ方向に芯合わしながら（長さ方向軸線を揃えながら）積層して規則的に装填することにより生物処理用の固定床７とする。微生物担体素子３０を構成する中空筒状体３１の中空部（内径）が小さ過ぎると閉塞のおそれがあり，大き過ぎると微生物付着表面積が不足するが，例えば内径３０〜３００ｍｍ（好ましくは５０〜２００ｍｍ）程度の微生物担体素子３０をバイオリアクタ１内に規則的に装填することにより微生物の付着濃度が十分高く且つ閉塞が生じにくいメタン発酵処理用の固定床７とすることができる。図中の符号５は微生物担体素子３０を載置する孔あき受け台を示し，符号６は微生物担体素子３０の浮き上がり防止用の孔あき押え蓋を示す。また図７（Ｂ）は，複数本の微生物担体素子３０を自立可能な剛性保持枠３４内に装填したユニット型の微生物担体を示す（特許文献３参照）。

財団法人新エネルギー財団編「バイオマス技術ハンドブック〜導入と事業化のためのノウハウ〜 第３章メタン発酵」株式会社オーム社，平成２０年１０月２５日，ｐｐ．２０６〜４４７

実公平７−０２１２８０号公報 特開平１１−２０７３７９号公報 特開２００７−２０９２６３号公報

しかし，図６に示す微生物担体素子３０の１本の長さは２〜３ｍ程度であり，例えば１０ｍ程度の背の高い大型バイオリアクタ１の固定床７とする場合は，図７（Ａ）のように多数の微生物担体素子３０を長さ方向に芯合わしながら複数段（図示例では５段）積み上げる必要がある。このように多数の微生物担体素子３０を積み上げる作業は，非常に手間がかかると共に，上下の軸線が部分的にずれて内径が狭くなる部分（中空部の狭窄部）を生じやすい問題点がある。微生物担体３０に狭窄部が生じると，発酵液中の固形物が堆積しやすくなり，固定床７の閉塞の原因となる。また，多数の微生物担体素子３０を積み上げた固定床７は，たとえ部分的に閉塞が生じたとしても閉塞部分だけを修復することが難しく，微生物担体素子３０の全体をバイオリアクタ１から一旦搬出して新たに積み直さなければならない問題点もある。

図７（Ｂ）に示すユニット型の微生物担体を用いることにより，バイオリアクタ１内に微生物担体素子３０を装填する作業の容易化と装填後の修復作業の容易化を図ることができる。すなわち，図示例のユニット型微生物担体は，４本の柱枠部材３５ａ〜３５ｄと矩形（正方形）の頂端枠部材３７及び底端枠部材３８と梁枠部材３６とで囲まれた剛性保持枠３４内に複数の微生物担体素子３０を保持させたものであり，頂端及び底端の矩形断面の各辺を微生物担体素子３０の外径の整数倍とし，微生物担体素子３０を相互に密着させて保持枠３４内に規則的に並べることにより，微生物担体素子３０の各々の軸線を保持枠３４に対して位置決めすることができる。従って，剛性保持枠３４の底端及び頂端を四隅部で位置合わせしながら上下に積み重ねることにより，剛性保持枠３４内の複数の微生物担体素子３０の長さ方向軸線を同時に位置合わせすることが可能であり，狭窄部のない固定床７を比較的容易に構築できる。また，自立可能なユニットを積層して固定床７とするので，固定床７の一部分に閉塞が生じた場合も，閉塞したユニットのみをバイオリアクタ１から取り出して交換することが可能であり，固定床７の一部分の修復も比較的容易である。

しかし，図７のようなユニット型微生物担体を用いる方法は，剛性保持枠３４を用いることでバイオリアクタ１の有効内容積が小さくなり，バイオリアクタ１の発酵能力を低下させるおそれがある。固定床式の生物処理（メタン発酵処理等）では，微生物担体の表面積とバイオリアクタの発酵能力とに正の相関があることが知られており，剛性保持枠３４によるバイオリアクタ１の有効内容積の低下は微生物担体の表面積の減少につながり，ひいては発酵能力の低下につながるリスクを伴う。バイオリアクタ内に狭窄部が生じないように装填できると共に，バイオリアクタの発酵能力（微生物担体の表面積）を低下させるリスクの少ない生物処理用微生物担体の開発が求められている。

そこで本発明の目的は，バイオリアクタへの装填時に狭窄部が生じにくく且つ微生物担体の広い表面積が確保できる生物処理用微生物担体及び固定床の製造方法を提供することにある。

図１の実施例を参照するに，本発明による生物処理用微生物担体は，一対の重ね合わせた所定長さＬ０の耐酸性樹脂製矩形布１１，１２（図１（Ａ）参照），その一対の矩形布１１，１２の間に所定間隔Ｇ１で並列に配置された矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０の複数本の中空筒状枠体１４（図１（Ｂ），（Ｃ）参照），及び複数本の中空筒状枠体１４と一対の矩形布１１，１２とを結合させる結合部材１６（図１（Ｂ），（Ｅ）参照）を備えてなるものである。

好ましくは，図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように，結合部材１６に一対の矩形布１１，１２を所定間隔Ｇ０の長さ方向に延びる３本以上の縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って接合する接合部材１７を含め，一対の矩形布１１，１２の縫合線Ｊ１〜Ｊ６の間に形成された複数の筒状空隙１３にそれぞれ中空筒状枠体１４を嵌め込む。更に好ましくは，図１（Ｅ）に示すように，結合部材１６に，複数本の中空筒状枠体１４を一対の矩形布１１，１２と共にひと束にまとめる結束部材１８を含める。図１（Ｂ）に示すように，一対の矩形布１１，１２の間には７本又は１９本の中空筒状枠体１４を配置することが望ましい。更に望ましくは，耐酸性樹脂製矩形布１１，１２をポリエステル繊維製の織布又は不織布とする。

本発明による生物処理用固定床の製造方法は，一対の重ね合わせた所定長さＬ０の耐酸性樹脂製矩形布１１，１２の間にその矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０の複数本の中空筒状枠体１４を所定間隔Ｇ０で並列に配置し，一対の矩形布１１，１２と複数本の中空筒状枠体１４とを結合部材１６によって結合して生物処理用微生物担体１０とし，その微生物担体１０をバイオリアクタ１内に発酵液Ｓの循環方向と中空筒状枠体１４の長さ方向とが揃うように装填して固定床７（図３参照）としてなるものである。
また，図１及び図３の実施例を参照するに，本発明による生物処理用固定床の製造方法の好ましい実施例では，一対の所定長さＬ０の耐酸性樹脂製矩形布１１，１２を重ね合わせて所定間隔Ｇ０の長さ方向に延びる３本以上の縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って接合し（図１（Ａ），（Ｂ）参照），一対の矩形布１１，１２の縫合線Ｊ１〜Ｊ６の間に形成された複数の筒状空隙１３にそれぞれ矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０の中空筒状枠体１４を嵌め込み（図１（Ｂ），（Ｃ）参照），複数本の中空筒状枠体１４を一対の矩形布１１，１２と共に結束部材１８によりひと束にまとめて生物処理用微生物担体１０とし（図１（Ｅ）参照），その微生物担体１０をバイオリアクタ１内に発酵液Ｓの循環方向と中空筒状枠体１４の長さ方向とが揃うように装填して固定床７（図３参照）とする。

望ましい実施例では，図１（Ｅ）に示すように，複数本の中空筒状枠体１４を，矩形布１１，１２の長さ方向と交差する幅方向一端の中空筒状枠体１４を軸芯として隣接する中空筒体１４を順次巻き付けることによりひと束にまとめて生物処理用微生物担体１０とする。一対の矩形布１１，１２の長さＬ０は，図３に示すように，バイオリアクタ１内の固定床７の高さＬ０と一致させることができる。或いは図４に示すように，一対の矩形布１１，１２の長さＬ１，Ｌ２をバイオリアクタ１内の固定床７の高さＬ０より小さくし，生物処理用微生物担体１０をバイオリアクタ１内に各々の中空筒状担体１４を長さ方向に芯合わしながら複数段積層して固定床７とすることもできる。

本発明による生物処理用微生物担体１０は，一対の耐酸性樹脂製矩形布１１，１２を重ね合わせ，その一対の矩形布１１，１２の間に矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０の複数本の中空筒状枠体１４を所定間隔Ｇ１で並列に配置し，複数本の中空筒状枠体１４と一対の矩形布１１，１２とを結合部材１６（例えば接合部材１７，結束部材１８等）により結合させるので，次の有利な効果を奏する。

（イ）一対の耐酸性樹脂製矩形１１，１２と複数本の中空筒状枠体１４とを結合することで複数の筒状中空部を有する微生物担体１０とすることができ，単独の筒状中空部を有する微生物担体３０を用いた従来のバイオリアクタ固定床７の製造・設置方法に比して（図７（Ａ）参照），固定床７の製造作業・設置作業を簡単化することができ，ひいては固定床の製造コスト，設置コストの削減を図ることができる。
（ロ）また，微生物を付着させる耐酸性樹脂製矩形１１，１２に複数の中空筒状枠体１４を結合して微生物担体１０とすることにより，バイオリアクタ１の有効内容積を小さくする保持枠３４等を用いる必要がなく，バイオリアクタ１の有効内容積を減少させずに固定床７の製造作業・設置作業を簡単化することができる。
（ハ）バイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０と一致するような比較的長い矩形布１１，１２及び中空筒状枠体１４を用いれば，固定床７の高さと同程度の微生物担体１０を製造することも可能であり，従来の比較的短い微生物担体素子を積み上げて固定床７を構築する方法に比して，積み上げ作業の省略による固定床７の製造作業・設置作業の簡単化を図ることもできる。

（ニ）また，比較的短い複数の微生物担体素子を長さ方向に芯合わしながら積み上げる従来の固定床７の構築方法に比して，比較的長い微生物担体１０を用いて固定床７を構築することにより，微生物担体１０の上下の軸線が部分的にずれて狭窄部を生じるリスクを低減することもできる。
（ホ）もっとも，固定床７の一部分に閉塞が生じた場合に閉塞部分の微生物担体１０のみを部分的に交換できるように，固定床７の高さＬ０より比較的短い矩形布１１，１２及び中空筒状枠体１４を用いることにより，複数段を長さ方向に芯合わしながら積層して固定床７とするような比較的短い微生物担体１０を形成することも可能である。
（ヘ）従来のガラス繊維製又は炭素繊維製の微生物担体素子は，酸性となりうる発酵液に例えば５年程度の長期間浸漬して使用すると強度が低下し，変形や閉塞を生じるリスクを伴うものであったが，ポリエステル繊維製の織布又は不織布は酸性下に長期間浸漬しても強度劣化が生じにくいので，耐酸性樹脂製矩形布１１，１２としてポリエステル繊維製の織布又は不織布を用いることにより，例えば１０年程度の長期間にわたり高い発酵能力を安定的に維持できる微生物担体とすることが期待できる。

以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
本発明による生物処理用微生物担体の一実施例である。 本発明による生物処理用微生物担体の他の実施例である。 本発明による生物処理用微生物担体の製造方法の一実施例である。 本発明による生物処理用微生物担体の製造方法の他の実施例である。 本発明による生物処理用微生物担体の効果を確認する実験結果の説明図である。 従来の生物処理用微生物担体の一例の説明図である。 従来のユニット型の微生物担体の一例及びそれを用いた固定床の説明図である。

図１は，本発明の生物処理用微生物担体１０の実施例を示す。図１（Ｅ）に示すように本発明の微生物担体１０は，一対の耐酸性樹脂製の矩形布１１，１２と，その一対の矩形布１１，１２の間に所定間隔Ｇ１で並列に配置する複数本の中空筒状枠体１４と，一対の矩形布１１，１２及び複数本の中空筒状枠体１４を結合する結合部材１６とにより構成されている。図１（Ｅ）の微生物担体１０は，図３に示すように，例えばメタン発酵処理用のバイオリアクタ１の固定床７として用いることができる。

図１（Ａ）〜（Ｄ）は，図１（Ｅ）の微生物担体１０を製造する手順を示している。図１（Ａ）に示すように一対の矩形布１１，１２はそれぞれ所定長さＬ０，所定幅Ｗの同形のものであり，図１（Ｃ）に示すように中空筒状枠体１４は矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０のものである。周縁を揃えて重ね合わせた一対の矩形布１１，１２の間に複数本の中空筒状枠体１４を，長さ方向の両端を揃えながら所定間隔Ｇ１で幅方向に並べ，例えば矩形布１１，１２によって中空筒状枠体１４の各々を覆いながら結合部材１６によって両者を結合することにより，図１（Ｅ）に示すような複数の筒状中空部を有する所定長さＬ０の微生物担体１０を製造する。

図１（Ａ）に示す耐酸性樹脂製の矩形布１１，１２の一例は，ポリエステル繊維，ポリプロピレン繊維，又はポリエチレン繊維を主原料とする織布又は不織布である。図６を参照して上述した従来のガラス繊維製又は炭素繊維製の微生物担体は，微生物を効率よく補足できるが，メタン発酵過程で発生する有機酸により酸性化しやすいバイオリアクタ１内で長期間使用すると強度が劣化（脆弱化）するリスクがある。例えば，１０５℃の０．１％酢酸液に長時間浸漬する試験により炭素繊維製不織布の耐酸性性能を確認したところ，１３６９時間経過（約５年相当）により炭素繊維製不織布の引張強度が初期強度の８％程度にまで低下することが分かっている。メタン発酵処理が安定的に維持されて有機酸濃度が低い限り大きな問題とはならないが，微生物担体の強度低下は固定床７の閉塞の原因となりうる。

ポリエステル繊維の耐酸性性能を確認するため，バインダーとして変性スチレン・ブタジエン共重合ラテックスにメラミン系の架橋剤を併用したポリエステル繊維製の不織布の試験片（５片）を作成し，各試験片を５５℃でメタン発酵処理が安定的に維持されたバイオリアクタ内に６月間浸漬する試験を行った。各試験片の浸漬前の引張強度及び浸漬後の引張強度の平均値を表１に示す。表１は，メタン発酵槽に６月間浸漬後のポリエステル繊維製不織布の引張強度は浸漬前と比較して約５．６％（＝（３．５３−３．３４）／３．３４）増加し，延び率は約５２％（＝（２８.３−５９．４）／５９．４）低下することを示している。

表１の実験結果からポリエステル繊維は，メタン発酵液中に６月間浸漬した場合でも，試験片に残留した付着物と思われる影響によって伸び率は小さくなっているものの，引張強度の低下がまったくみられないことから，バイオリアクタの固定床として用いる生物処理用微生物担体１０として十分な耐酸性性能を有していることが確認できる。不織布ではなくポリエステル繊維製の織布についても，またポリプロピレン繊維，又はポリエチレン繊維製の織布又は不織布についても，同様の耐酸性性能が期待できる。このような耐酸性樹脂製の矩形布１１，１２を用いることにより，有機酸により酸性化しやすいバイオリアクタ１に５年〜１０年以上の長期間にわたり浸漬し続けるような微生物担体１０とすることが期待できる。

図１（Ｃ）に示す中空筒状枠体１４は，バイオリアクタ１内において発酵液が流れる筒状中空部と，その発酵液を周囲の筒状周壁に支持した耐酸性樹脂布１１，１２と接触させるための多数の開口を有するものであり，例えば図６に示す従来の微生物担体３０の枠体３２と同様に，合成樹脂製（例えばポリエステル製）の軸方向部材１４ａ及び周方向部材１４ｂを組み合わせたものとすることができる。ただし，中空筒状枠体１４の形状は図示例に限定されるものではなく，軸方向部材１４ａ及び周方向部材１４ｂに代えて，網目状の筒状周壁部材により中空筒状枠体１４を構成することも可能である。

また，中空筒状枠体１４の断面形状は図示例のような円筒形に限らず，例えば断面三角形，断面方形，断面多角形，又は周方向に凹凸のある花弁状断面とすることも可能である。中空筒状枠体１４の中空部の径は小さ過ぎると閉塞のおそれがあり，大き過ぎると微生物付着表面積が不足するので，耐酸性樹脂製の矩形布の性質を勘案して適当に選択することができる。なお，中空筒状枠体１４は矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０のものであるが，図１（Ｄ）に示すように，矩形布１１，１２の長さより短い複数の中空筒状枠体１４ａ，１４ｂを用い，それらを適当な接続用枠体１５によって矩形布１１，１２と実質上同じ長さＬ０となるように接続して用いることも可能である。

一対の矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４とを結合する結合部材１６の一例は，図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように，重ね合わせた一対の矩形布１１，１２を長さ方向に延びる所定間隔Ｇ０の３本以上の縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って接合する接合部材１７である。一対の矩形布１１，１２を縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って接合することにより，各縫合線Ｊ１〜Ｊ６の間に一対の矩形布１１，１２で囲まれた複数の筒状空隙１３を形成することができ，その筒状空隙１３にそれぞれ中空筒状枠体１４を嵌め込むことにより，矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４とを結合することができる。必要に応じて，筒状空隙１３に嵌め込んだ中空筒状枠体１４を一対の矩形布１１，１２と結合する接合部材１７を設けてもよい。縫合線Ｊ１〜Ｊ６の相互間隔Ｇ０は，筒状空隙１３に中空筒状枠体１４が挿入できるように，中空筒状枠体１４の口径φ１に応じて設計することができる。

図示例では，３本以上の縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って接合部材１７を設けると共に，一対の矩形布１１，１２の幅方向両端にも接合部材１７を設けている。幅方向両端を接合することにより，図示例のように６本の縫合線Ｊ１〜Ｊ６の接合によって，一対の矩形布１１，１２の間に７個の筒状空隙１３を形成し，７個の中空筒状枠体１４を結合することができる。また，幅方向両端を接合することにより，微生物担体１０の幅方向両端の余り部分をなくし，バイオリアクタ１内に装填する微生物担体１０の本数，すなわち微生物担体１０の表面積を増やすことができる。ただし，幅方向両端の接合は省略してもよい。また，一対の矩形布１１，１２の間に結合する中空筒状枠体１４の数も，矩形布１１，１２の幅Ｗと縫合線Ｊ１〜Ｊ６の数とに応じて任意に調整可能である。

接合部材１７は，例えばポリエステル繊維のように矩形布１１，１２と同じ材質の耐酸性樹脂製糸とすることができる。すなわち，所定間隔Ｇ０の縫合線Ｊ１〜Ｊ６に沿って（必要に応じて幅方向両端にも沿って），一対の矩形布１１，１２を耐酸性樹脂製糸で縫い合わせる。接合部材１７を耐酸性樹脂製糸とすることにより，バイオリアクタ１内に長期間浸漬した場合にも，接合部材１７の強度が低下して矩形布１１，１２から中空筒状枠体１４が剥離することを防止できる。ただし，接合部材１７は耐酸性樹脂製糸に限定されるものではなく，バイオリアクタ１内において矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４との結合強度が長期間劣化しない接着剤等を用いることも考えられる。

図２は，矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４とを結合する接合部材１７の他の実施例を示す。図１の実施例では所定間隔Ｇ０でそれぞれ１本の縫合線Ｊ１〜Ｊ６を設けているのに対し，図２の実施例では所定間隔Ｇ０でそれぞれ２本組の縫合線（Ｊ１１，Ｊ１２）〜（Ｊ６１，Ｊ６２）を設けている。２本組縫合線はそれぞれ所定間隙ｄだけ幅方向に離れた縫合線Ｊの組み合わせであり，その２本組縫合線の相互間に所定幅方向間隔Ｇ０を設ける。接合部材１７で一対の矩形布１１，１２を２本組縫合線（Ｊ１１，Ｊ１２）〜（Ｊ６１，Ｊ６２）に沿ってそれぞれ接合することにより，一対の矩形布１１，１２の間に複数の筒状空隙１３を形成すると共に，その複数の筒状空隙１３の間を２本組縫合線で仕切ることができる。更に図示例では，接合部材１７により一対の矩形布１１，１２を幅方向両端に沿っても接合している。

図２（Ｂ）に示すように，一対の矩形布１１，１２の間に２本組縫合線（Ｊ１１，Ｊ１２）〜（Ｊ６１，Ｊ６２）で仕切られた複数の筒状空隙１３を形成することにより，その筒状空隙１３の各々に嵌め込んだ中空筒状枠体１４の相互間に所定間隙ｄに応じた遊び部分を形成することができる。この遊び部分は，一対の矩形布１１，１２に結合された複数の中空筒状枠体１４の相互位置調整を容易にし，例えば図１（Ｅ）に示すように複数の中空筒状枠体１４をひと束にまとめやすくする。ただし，このような所定間隙ｄの遊び部分は，バイオリアクタ１内に装填する微生物担体１０の本数，すなわち微生物担体１０の表面積を減らす原因ともなるので，できるだけ小さくすることが望ましい。

望ましくは，図１（Ｅ）に示すように，矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４とを結合する結合部材１６に，複数本の中空筒状枠体１４を一対の矩形布１１，１２と共にひと束にまとめる結束部材１８を含める。上述したように一対の矩形布１１，１２の間に結合する中空筒状枠体１４は任意に調整可能であるが，結合する中空筒状枠体１４の数が増えると微生物担体１０としての取り扱いが難しくなる。複数本の中空筒状枠体１４を束ねて微生物担体１０とすることにより，微生物担体１０を用いたバイオリアクタ１の固定床７の製造作業・設置作業・修復作業を簡単化することができ，ひいては固定床７の製造コスト，設置コスト・修復コストの削減を図ることができる。

結束部材１８も，例えばポリエステル繊維のように矩形布１１，１２と同じ材質の耐酸性樹脂製バンドとすることができる。すなわち，複数本の中空筒状枠体１４を一対の矩形布１１，１２と共に耐酸性樹脂製バンドで束ねる。結束部材１８を耐酸性樹脂製糸とすることにより，バイオリアクタ１内に長期間浸漬した場合にも，結束部材１８が低下して中空筒状枠体１４と矩形布１１，１２とがバラけることを防止することができる。ただし，結束部材１８は耐酸性樹脂製バンドに限定されず，バイオリアクタ１内において矩形布１１，１２と中空筒状枠体１４との結束強度が長期間劣化しない接着剤等を用いることも考えられる。また，結束部材１８を用いる場合は接合部材１７を省略し，複数本の中空筒状枠体１４と一対の矩形布１１，１２とを結束部材１８のみによってひと束に結合して微生物担体１０とすることも可能である。

図１（Ｅ）に示すように，複数本の中空筒状枠体１４をひと束にまとめる場合は，できるだけ隙間が生じないように相互に密着させて束ねることが好ましい。束ねた中空筒状枠体１４の相互間に隙間が存在すると，バイオリアクタ１の発酵液Ｓ中に長期間浸漬して使用する場合に，隙間に発酵液Ｓ中の固形物が堆積しやすくなり，発酵液Ｓの生物処理（メタン発酵処理）が不安定化する原因となりうる（後述の実験例１を参照）。図示例では，矩形布１１，１２の幅方向一端の中空筒状枠体１４を軸芯として，隣接する中空筒体１４を順次巻き付けることによりひと束にまとめて微生物担体１０としている。このように複数本の中空筒状枠体１４を相互に密着させて束ねた微生物担体１０を用いることにより，バイオリアクタ１の発酵液Ｓの生物処理（メタン発酵処理）を長期間安定的に維持することが期待できる。

また，図示例のように矩形布１１，１２の幅方向一端の中空筒状枠体１４を軸芯とし，他の中空筒体１４を順次巻き付けて束ねた微生物担体１０とする場合は，巻き付け後の微生物担体１０の断面積ができるだけ円形に近付くように，微生物担体１０に７本又は１９本の中空筒状枠体１４を含めることが望ましい。微生物担体１０の断面積を円形に近付けことにより，多数の微生物担体１０を用いてバイオリアクタ１の固定床７を製造する場合に，できるだけ隙間が生じないように微生物担体１０を相互に密着させて装填することができる（図３（Ｂ）を参照）。

図３（Ａ）は，図１の微生物担体１０を用いて製造したメタン発酵処理用のバイオリアクタ１の固定床７の実施例の側面図を示す。また図３（Ｂ）は，そのバイオリアクタ１の固定床７の断面図を示す。図示例のバイオリアクタ１は，有機性廃水や有機性廃棄物スラリー等の有機性処理液を取り入れる処理液ライン２１と，バイオリアクタ内部の発酵液Ｓを底部から抜き出して上部へ戻して循環させる循環ポンプ２３付き循環ライン２２と，バイオリアクタ内部で発生したバイオガスを取り出すガスライン２５とを有している。また，循環ライン２２上には，バイオリアクタ内部の発酵液Ｓを生物処理（メタン発酵処理）に適する温度に保つ保温装置２４が設けられている。更にバイオリアクタ１の内部には，図７の場合と同様に，固定床７を載置する孔あき受け台５と，載置した固定床７の浮き上がりを防止する孔あき押え蓋６が設けられている。

図３の実施例は，バイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０（例えば１０ｍ程度）と同程度の長さＬ０の微生物担体１０を用いることにより，図７のように比較的短い複数の微生物担体３０を長さ方向に芯合わしながら積層する従来の固定床７に比して，固定床７の製造作業・設置作業の簡単化，低コスト化を図ることができる。すなわち，図１の手順において，バイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０と一致するような比較的長い矩形布１１，１２と，その矩形布１１，１２と同じ長さＬ０の複数の中空筒状枠体１４とを用い，予め工場などにおいてそれらを結合手段１７，１８でひと束にまとめて微生物担体１０を作成する。作成した微生物担体１０をマンホール２からバイオリアクタ１の内部に搬入し，バイオリアクタ１内に発酵液Ｓの循環方向と中空筒状枠体１４の長さ方向とが揃うように装填すれば固定床７を製造することができ，複数の微生物担体１０を積み上げる作業を必要としないので，製造作業の効率化を図ることができる。また，固定床７の高さＬ０と同程度の長さＬ０の微生物担体１０を用いることにより，微生物担体１０の上下の軸線が部分的にずれて狭窄部を生じるリスクもなくすことができる。

更に図３の実施例は，図７（Ｂ）に示す従来のユニット型微生物担体と同様に複数の筒状中空部を有する微生物担体１０を用いているが，バイオリアクタ１の有効内容積を減少させるような保持枠３４を用いていないので，内容積の減少によるバイオリアクタ１の発酵能力の低下を避けることができる。すなわち，本発明の生物処理微生物担体１０は，複数本の中空筒状枠体１４が結合されており，図７（Ｂ）のユニット型微生物担体と同様に複数の筒状中空部を内部に有している。しかし，複数の中空筒状枠体１４は微生物を付着させる耐酸性樹脂製矩形１１，１２によって結合されており，図７（Ｂ）のような保持枠３４を必要としない。従って，図３（Ｂ）に示すように，固定床７内の微生物担体１０を相互に密着させることが可能であり，保持枠３４を用いた場合のように固定床７内に隙間を生じさせないので，発酵液Ｓと接触する微生物担体の大きな表面積を確保することができる。

［実験例１］
本発明の微生物担体１０を用いて製造した図３のバイオリアクタ１の固定床７の有効性を確認するため，図１（Ｅ）と同様に，一対のポリエステル繊維製不織布の矩形布１１，１２と７本の中空筒状枠体１４とを接合部材１７により結合したうえで，結束部材１８により束ねた微生物担体１０を試作して実験を行った（図５（Ａ）参照。以下，この微生物担体を「ポリエステル不織布（芯あり）」ということがある）。実験では，図３のバイオリアクタ１を模擬したメタン発酵槽に微生物担体１０を装填して固定床７とし，既存のバイオリアクタ１と同じ処理液を循環させながら生物処理（メタン発酵処理）を１２５日間継続した。比較のため，従来の炭素繊維製不織布の微生物担体を固定床７とした別のメタン発酵槽を設け（図５（Ｃ）参照。以下，この微生物担体を「炭素繊維不織布（芯あり）」ということがある），同じ処理液を循環させながらメタン発酵処理を１２５日間継続した。

更に，固定床７に装填する微生物担体１０の密着性による生物処理の変化を確認するため，図５（Ｂ）に示すように一対のポリエステル繊維製不織布の矩形布１１，１２と６本の中空筒状枠体１４とを接合部材１７により結合し，図１（Ｃ）に示す不織布のない中空筒状枠体１４のみからなる軸芯の周りに６本の中空筒状枠体１４を巻き付けた微生物担体を試作し，その微生物担体を固定床７とした別のメタン発酵槽を設け（図５（Ｂ）参照。以下，この微生物担体を「ポリエステル不織布（芯なし）」ということがある），同じ処理液を循環させながらメタン発酵処理を１２５日間継続した。

図５（Ｄ）は，各メタン発酵槽におけるＣＯＤ容積負荷とバイオガス発生量との関係を示す実験結果である。この実験結果から，何れのメタン発酵槽においても，ＣＯＤ容積負荷を徐々に増やしながらメタン発酵処理を継続したところ，負荷の増加に伴ってバイオガス発生量も追従しており，順調に有機物分解が行われていることを確認できた。他方，図５（Ｅ）は，各メタン発酵槽におけるＣＯＤ容積負荷とＶＦＡ（有機酸）濃度との関係を示す実験結果である。この実験結果から，本発明のポリエステル不織布（芯あり）の微生物担体を用いたメタン発酵槽において，従来の炭素繊維不織布（芯あり）の微生物担体を用いたメタン発酵槽と同様に，ＣＯＤ容積負荷を増やしてもＶＡＦ濃度の上昇は見られず，安定的に有機物分解が行われていることが分かる。しかし，ポリエステル不織布（芯なし）の微生物担体を用いたメタン発酵槽では，ＣＯＤ容積負荷が増えると徐々にＶＡＦ濃度が上昇し，有機物分解が不安定になったことが分かる。

図５（Ｅ）の実験結果は，一対の耐酸性樹脂製の矩形布１１，１２と複数本の中空筒状枠体１４とを結合した図１に示す本発明の微生物担体１０においても，図６及び図７に示す従来の炭素繊維製の微生物担体３０と同様に微生物を高濃度に付着させることができ，発酵液との接触効率を低下させる変形や閉塞が生じにくく，生物処理（メタン発酵処理）を安定的に維持できることを示している。ただし図５（Ｅ）の実験結果は，本発明の微生物担体１０では，中空筒状枠体１４の相互間に隙間が存在すると，生物処理（メタン発酵処理）が不安定化しうることも示している。このことから本発明の微生物担体１０は，複数本の中空筒状枠体１４をできるだけ隙間が生じないように相互に密着させて用いることが重要であることを確認できた。

こうして本発明の目的である「バイオリアクタへの装填時に狭窄部が生じにくく且つ微生物担体の広い表面積が確保できる生物処理用微生物担体及び固定床の製造方法」の提供を達成することができる。

図４は，図１の微生物担体１０を用いたバイオリアクタ１の固定床７の他の実施例を示す。上述した図３の実施例では，バイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０（例えば１０ｍ程度）と同程度の長さＬ０の微生物担体１０を用い，複数の微生物担体１０を積み上げる作業を省略することにより，固定床７の製造作業の効率化を図っている。ただし，図３のように各微生物担体１０の長さＬ０を固定床７の高さＬ０と揃えた場合は，何れかの微生物担体１０に部分的な閉塞が生じた場合に，微生物担体１０の閉塞部分のみを修復することが難しく，長さＬ０の微生物担体１０を搬出して新たなものに置き換える必要が生じる。図４の実施例では，各微生物担体１０の長さＬ１，Ｌ２をバイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０より小さくし，各微生物担体１０を各々の中空筒状担体１４が長さ方向に芯合わせされるように長さ方向に積層して固定床７としている。

すなわち，図４のバイオリアクタ１の固定床７は，バイオリアクタ１の固定床７の高さＬ０（例えば１０ｍ）より小さい長さＬ１（例えば７〜９ｍ，好ましくは９ｍ）の矩形布１１，１２と，それと同じ長さＬ１の複数の中空筒状枠体１４とを用い，例えば予め工場などにおいてそれらを結合手段１７，１８によりひと束にまとめて微生物担体１０を作成する。同時に，固定床７の高さＬ０より小さい長さＬ２（例えば３〜１ｍ，好ましくは１ｍ）の矩形布１１，１２と，それと同じ長さＬ２の複数の中空筒状枠体１４とを用いて微生物担体１０を作成する。作成した長さＬ１，Ｌ２の微生物担体１０をそれぞれマンホール２からバイオリアクタ１の内部に搬入し，先ず長さＬ１の微生物担体１０を発酵液Ｓの循環方向と中空筒状枠体１４の長さ方向とが揃うように装填し，その上に各々の中空筒状枠体１４を長さ方向に芯合わせしながら長さＬ２の微生物担体１０を積層することにより固定床７を製造する。

図示例のように，処理液を上部から取り入れる共に内部の発酵液Ｓを底部から抜き出して上部へ戻して循環させるバイオリアクタ１では，バイオリアクタ１の固定床７の上方部分において部分的な閉塞が生じやすいことが経験されている。図４のバイオリアクタ１のように，長さＬ１（例えば７〜９ｍ，好ましくは９ｍ）の微生物担体１０と長さＬ２（例えば３〜１ｍ，好ましくは１ｍ）の微生物担体１０とを長さ方向に芯合わせしながら積層して固定床７とすれば，固定床７の上方部分において部分的な閉塞が生じた場合に，その部分の長さＬ２の微生物担体１０のみを新たなものに置き換えることにより，微生物担体１０の部分的な修復が可能となる。

１…バイオリアクタ ２…マンホール
３…底板 ５…孔あき受け台
６…孔あき押え蓋
１０…微生物担体 １１，１２…矩形布
１３…筒状空隙 １４…中空筒状枠体
１４ａ…軸方向部材 １４ｂ…環状部材
１４ｃ，１４ｄ…中空筒状部材 １５…接続用枠体
１６…結合部材
１７…接合部材 １８…結束部材
２１…取入れライン ２２…循環ライン
２３…循環ポンプ ２４…保温装置
２５…ガスライン
３０…微生物担体 ３１…中空筒状体
３２…中空筒状枠体 ３４…剛性保持枠
３５…柱枠部材 ３６…梁枠部材
３７…頂端枠部材 ３８…底端枠部材
Ａ…バイオガス ｄ…間隙
Ｅ…有機性処理液 Ｇ…所定間隔
Ｊ…接合線 Ｌ…長さ
Ｓ…発酵液 Ｗ…幅
φ…中空筒状枠体の口径

Claims (9)

1. 一対の重ね合わせた所定長さの耐酸性樹脂製矩形布，前記一対の矩形布の間に所定間隔で並列に配置された当該矩形布と実質上同じ長さの複数本の中空筒状枠体，及び前記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てなる生物処理用微生物担体。
2. 請求項１の微生物担体において，前記結合部材に前記一対の矩形布を所定間隔の長さ方向に延びる３本以上の縫合線に沿って接合する接合部材を含め，前記一対の矩形布の縫合線の間に形成された複数の筒状空隙にそれぞれ前記中空筒状枠体を嵌め込んでなる生物処理用微生物担体。
3. 請求項１又は２の微生物担体において，前記結合部材に，前記複数本の中空筒状枠体を一対の矩形布と共にひと束にまとめる結束部材を含めてなる生物処理用微生物担体。
4. 請求項１から３の何れかの微生物担体において，前記一対の矩形布の間に７本又は１９本の中空筒状枠体を配置してなる生物処理用微生物担体。
5. 請求項１から４の何れかの微生物担体において，前記耐酸性樹脂製矩形布をポリエステル繊維製の織布又は不織布としてなる生物処理用微生物担体。
6. 一対の重ね合わせた所定長さの耐酸性樹脂製矩形布の間に当該矩形布と実質上同じ長さの複数本の中空筒状枠体を所定間隔で並列に配置し，前記一対の矩形布と前記複数本の中空筒状枠体とを結合部材によって結合して生物処理用微生物担体とし，前記微生物担体をバイオリアクタ内に発酵液の循環方向と中空筒状枠体の長さ方向とが揃うように装填して固定床としてなる生物処理用固定床の製造方法。
7. 一対の所定長さの耐酸性樹脂製矩形布を重ね合わせて所定間隔の長さ方向に延びる３本以上の縫合線に沿って接合し，前記一対の矩形布の縫合線の間に形成された複数の筒状空隙にそれぞれ当該矩形布と実質上同じ長さの中空筒状枠体を嵌め込み，前記複数本の中空筒状枠体を一対の矩形布と共に結束部材によりひと束にまとめて生物処理用微生物担体とし，前記微生物担体をバイオリアクタ内に発酵液の循環方向と中空筒状枠体の長さ方向とが揃うように装填して固定床としてなる生物処理用固定床の製造方法。
8. 請求項６又は７の製造方法において，前記複数本の中空筒状枠体を，前記矩形布の長さ方向と交差する幅方向一端の中空筒状枠体を軸芯として隣接する中空筒体を順次巻き付けることによりひと束にまとめて生物処理用微生物担体としてなる生物処理用固定床の製造方法。
9. 請求項６から８の何れかの製造方法において，前記一対の矩形布の長さをバイオリアクタ内の固定床の高さより小さく，前記生物処理用微生物担体をバイオリアクタ内に各々の中空筒状担体を長さ方向に芯合わしながら複数段積層して固定床としてなる生物処理用固定床の製造方法。