JP7057965B2 - コンポスト化処理促進材及びコンポストの製造方法 - Google Patents
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Description
有機性廃棄物を効率よく処理するには、できるだけ大量の有機物を微生物を用いて迅速に分解することが求められるが、限られたスペースでは、有機性廃棄物の、いわゆる積み山が高くなる。この状態で有機物の分解速度が高まれば、発熱によって必然的に積み山の内部が高温となる。有機性廃棄物のコンポスト化は微生物の有機物分解機能に依存していることから、高温になりすぎると微生物の活性が極端に低下することが知られている。このため、高温でも有機物の分解活性が高い微生物が求められている。
本開示の目的は、大量の有機性廃棄物を効率よくコンポスト化可能なコンポスト化処理促進材と、高い効率で大量にコンポストを製造することができるコンポストの製造方法を提供することである。
[1] サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)及びゲオバチルス属細菌を含むコンポスト化処理促進材と、コンポスト化処理の対象である有機物とを含有するコンポスト化処理用混合物を用意すること、コンポスト化処理用混合物に対して、70℃以上の温度条件による一次発酵処理を行うこと、を含むコンポストの製造方法。
[2] 一次発酵処理中に、0.02L/分/kg~0.7L/分/kgコンポスト化処理用混合物の通気量で、コンポスト化処理用混合物に対して通気を行う[1]に記載のコンポストの製造方法。
[3] コンポスト化処理用混合物の含水率が40重量%~75重量%である[1]又は[2]に記載のコンポストの製造方法。
[4] 前記コンポスト化処理用混合物が、前記コンポスト化処理促進材と前記有機物とを、0.1:99.9~1:2の重量比で含有する[1]~[3]のいずれか1に記載のコンポストの製造方法。
[5] 一次発酵処理後に、二次発酵処理を行うことを含む[1]~[4]のいずれか1に記載のコンポストの製造方法。
[6] サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)とゲオバチルス属細菌とを、全菌数に対して合計で25%以上の存在比で含むコンポスト化処理促進材。
[7] サーマス・サーモフィラスとゲオバチルス属細菌とを、存在比基準で、1:10~10:1の比率で含む[6]に記載のコンポスト化処理促進材。
[8] サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)及びゲオバチルス属細菌を、全菌数に対してそれぞれ3%以上の存在比で含む、[6]又は[7]に記載のコンポスト化処理促進材。
[9] 70℃~80℃の温度条件によるコンポスト化処理用である[6]~[8]のいずれか1に記載のコンポスト化処理促進材。
[10] サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)及びゲオバチルス属細菌を、全菌数に対してそれぞれ少なくとも10%以上の存在比で含む、コンポスト。
本開示によるコンポスト化処理促進材は、サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)とゲオバチルス属細菌とを、全菌数に対して合計で25%以上の存在比で含むコンポスト化処理促進材である。
本開示によれば、大量の有機性廃棄物を効率よくコンポスト化可能なコンポスト促進材を用いて、高い効率で大量にコンポストを製造することができる。
本開示は、有機物分解活性がそれほど高くないゲオバチルス属細菌が、サーマス・サーモフィラスと併存することによって、サーマス・サーモフィラスの高温での有機物分解活性を高める能力を有するという知見に基づく。すなわち、サーマス・サーモフィラスに、ゲオバチルス属細菌を組み合わせることによって、サーマス・サーモフィラスの有機物分解能力を格段に高めることができる。この結果、サーマス・サーモフィラス単独では充分とは言えないコンポスト化処理効率を飛躍的に高めて、大量の有機性廃棄物をよりいっそう効率よくコンポスト化することができる。
本明細書において、混合物中の各成分の量又は含有率は、混合物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、混合物中に存在する当該複数の物質の合計の量又は含有率を意味する。本明細書において、パーセントに関して「以下」又は「未満」との用語は、下限値を特に記載しない限り0%、即ち「含有しない」場合を含み、又は、現状の手段では検出不可の値を含む範囲を意味する。
ゲオバチルス属細菌は、バチルス属から再分類されたグラム陽性桿菌である。ゲオバチルス属細菌であれば、特に制限はなく、サーマス・サーモフィラスと組み合わせることができる。ゲオバチルス属細菌としては、例えば、ゲオバチルス・アナトリカス(Geobacillus anatolicus)、ゲオバチルス・カウエ(Geobacillus kaue)、ゲオバチルス・カルドプロテオリティカス(Geobacillus caldoproteolyticus)、ゲオバチルス・カルドキシロシリティカス(Geobacillus caldoxylosilyticus)、ゲオバチルス・デビリス(Geobacillus debilis )、ゲオバチルス・ガーゲンシス(Geobacillus gargensis)、ゲオバチルス・コーストフィラス(Geobacillus kaustophilus)、ゲオバチルス・ステアロサーモフィラス(Geobacillus stearothermophilus)、ゲオバチルス・サーモカテニュロータス(Geobacillus thermocatenulatus )、ゲオバチルス・サーモデニトリフィカンス(Geobacillus thermodenitrificans)、ゲオバチルス・サーモグルコシダシウス(Geobacillus thermoglucosidasius )、ゲオバチルス・サーモレオボランス(Geobacillus thermoleovorans)、ゲオバチルス・ウラリカス(Geobacillus uralicus)、ゲオバチルス・ウゼネンシス(Geobacillus uzenensis )、ゲオバチルス・バルカニ(Geobacillus vulcani)などを挙げることができる。
高温コンポスト化処理促進材を用いてコンポスト化処理を行う場合、一次発酵処理工程における温度は、70℃未満であってもよく、例えば、65℃以上、又は68℃以上であってもよい。高温コンポスト化処理促進材は、70℃以上の温度条件による一次発酵処理用のものであることが好ましく、70℃~85℃、又は70℃~80℃の温度条件によるコンポスト化処理用であることが更に好ましい。
(1)サーマス・サーモフィラスとゲオバチルス属細菌とを、それぞれ独立して3%以上の存在比であり、また、全菌数に対して合計で25%以上の存在比で含む;
(2)サーマス・サーモフィラスとゲオバチルス属細菌とを、存在比基準で1:10~10:1で、かつ、全菌数に対して合計で25%以上の存在比で含む;又は、
(3)サーマス・サーモフィラスとゲオバチルス属細菌とを、それぞれ独立して3%以上の存在比であって存在比基準で1:10~10:1であり、かつ、全菌数に対して合計で25%以上の存在比で含む。
上記(1)~(3)の高温コンポスト化処理促進材において、存在比基準による比率は、1:5~5:1、又は1:2~2:1とすることができる。
上記(1)~(3)の高温コンポスト化処理促進材において、全菌数に対して合計の存在比は、28%以上、30%以上、32%以上、33%以上、又は34%以上とすることができる。
以下、特に断らない限り「コンポスト化処理促進材」について説明する事項は、「高温コンポスト化処理促進材」についても適用される。
このような高温コンポスト化処理に寄与することが期待できない微生物としては、高温で増殖活性を有し且つ有機物分解活性を有しない微生物、例えば60℃以上、65℃以上又は70℃以上で有機物分解活性を有しない微生物を挙げることができる。本明細書では、高温で増殖活性を有し且つ有機物分解活性を有しない微生物を「高温非活性菌」と称する場合がある。コンポスト化処理促進材に含まれない菌としては、例えば、ウレイバチルス(Ureibacillus)属JD5株、ウレイバチルス属YWX5株;ロドサーマス・マリナス(Rhodothermus marinus)、サーモデルフォバクテリウム・コムネ(Thermodesulfobacterium commune)、サーモトガ・マリチマ(Thermotoga maritima)、アキフェクス・ピロフィラス(Aquifex pyrophilus)、サーモコッカス・バロフィラス(Thermococcus barophilus)、及びピロコッカス・ホリコシイ(Pyrococcus horikoshii)が挙げられる。
コンポスト化処理用混合物に含まれ得る他の成分としては、水分調整用副資材、pH調整剤、通気性改良材、C/N調整材を挙げることができる。
pH調整剤としては、硫酸、塩酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等を挙げることができる。
通気性改良材としては、おがくず、木材チップ、バーミキュライト、生分解ポリマープラスチック片、剪定枝等を挙げることができる。なお通気性改良材は水分調整用副資材としても存在することができる。
ただし発酵の状況に応じて、上述した期間以外も適用可能であり、例えば一次発酵工程が20日未満であってもよい。
二次発酵処理については、特に制限はなく、コンポスト化処理において通常行われる条件をそのまま適用することができる。例えば、温度50℃~室温(20~25℃)、pH6~8、処理物の含水率40重量%~10重量%とすることができる。
本開示の一態様によるコンポストは、腐熟度が高く良質の堆肥として使用することができる。
<高温活性微生物によるコンポスト化>
(1)有機性廃棄物原料の調製
業種の異なる複数の食品加工工場で発生する食品加工残渣と排水処理汚泥の混合物を原料とし、伐採木から製造した木材チップを水分調整用の副資材としてコンポスト原料に混合した。木材チップはコンポスト化の過程で完全には分解しないので、製品から篩い分けして、次のコンポスト原料に混ぜ合わせる副資材として用いた。混合割合は、原料に対して体積比で1:1から1:1.5とし、混合後の目標水分が65重量%となるようにした。原料の混合はホイールローダーで実施した。
発酵装置は自走式攪拌装置を備えた横型で、大きさ3m×50m×2mのものを用いた。上述したコンポスト原料をホイールローダーで発酵装置内に投入した。発酵装置内のコンポスト化処理物は一日に一度、自走式切り返し装置により入口から出口まで攪拌及び移送する。一回の切り返しは、二時間半を要する。コンポスト化処理物の過乾燥及び高温を解消するなど、必要に応じて散水も行った。切り返しに伴って、発酵装置入口部にスペースができるので新しいコンポスト原料を投入した。
発酵装置においてコンポスト原料は、入口から出口まで25日かけて移動する。コンポストサンプルは、装置長さ方向5箇所で採取した。それぞれのサンプルが採取されるまでの装置内での経過日数は、原料が投入されてからのそれぞれ、5日目、9日目、13日目、17日目、21日目に対応し、それぞれのサンプルをG-1~G-5とした。サンプルは堆積物表面から70cmの深さのところから採取した。
通気のためのパイプは直径10cmであり、発酵層長さ方向約2.5m間隔で発酵層底面に埋設した。ブロアには(株)アントレット製のルーツブロワを用い、通気速度は0.044L/分/kgコンポスト化処理物で一定とした。
採取したコンポストサンプルに蒸留水を重量比で1:10(コンポストサンプル:蒸留水)となるように添加し、十分に攪拌して均一な懸濁液にした。懸濁液を静置し上澄みのpHをpHメータで測定した。また、同時に電気伝導度を、電気伝導度計(HORIBA COND METER ES-71)で測定した。
コンポストの質的な変化は発芽インデックス(GI)により定量した。発芽インデックスの測定はZucconiらの方法に準拠した(Zucconi, F., Forte, M., Monoaco, A., deBertoldi, M., Biological evaluation of compost maturity, BioCycle, July/August, 27-29 (1981))。コンポストサンプル10gに100mlの蒸留水を加え、攪拌の後、ろ紙にてろ過し、ろ液2.5mlをシャーレに入れて、12粒の小松菜の種子を播種した。実験は3連で行った。27℃、暗条件で5日間栽培した後に、発芽個体数を計数し、発芽根の長さを計測した。比較のために蒸留水を用いた実験を行い、Zucconiらの提案による数式で発芽インデックス(GI)を計算した。
上記で得られた大型実用規模のコンポスト化における、層内温度、酸素濃度、pH、水分、EC(電気伝導度)、及びGIの経時変化を表1に示す。
pHについては、コンポスト化13日を除いて弱酸性から中性付近のコンポスト微生物の活性に適した値に維持されていた。水分については、コンポスト化初期に含水率70%以上とやや高めになっているが、その後低下して65%程度の値に収束しており、微生物の活性を高く保つのに適した水分値であったことがわかる。ECは、2から一旦増加し3.5付近の値となるが、コンポスト化進行とともに再び低下して、1.5付近の値となった。
以上の結果は、70℃以上のコンポスト化処理物に高温活性微生物群が存在しており、これらの微生物群によって、大型実用規模のコンポスト化においても良好なコンポスト化が実施できることを裏付けている。
<高温活性微生物の確認>
(1)コンポストサンプル中の微生物のNGS解析
コンポスト化開始から、5日目、9日目、13日目、17日目及び21日目の処理物をそれぞれG-1~G-5として採取し、コンポストサンプルとした(表1参照)。
採取されたコンポストサンプル0.2gからDNA抽出キット「Isoil for Beads Beating」((株)ニッポンジーン)を用いてDNAを抽出した。抽出されたバクテリアのDNAについて、その16S rRNAの一部(V3、V4領域)を含む領域を用いてPCRで増幅した。PCR増幅に用いた試薬は2.5μLの10×EX Taq buffer(Takara Bio Inc., Otsu, Japan)、2μLの2.5mM dNTPs(Takara Bio Inc., Otsu, Japan)、0.625UのTakaRa EX TaqTM HS (RR006A,Takara Bio Inc., Otsu, Japan)、0.2μMとなるプライマーF(配列番号1)及びプライマーR(配列番号2)と、1μLのテンプレートとを、全量が25μLとなるように超純水中で混合した。プライマーF及びRの配列と増幅条件をそれぞれ表2にて示す。PCR増幅にはTaKaRa PCR Thermal Cycler Dice(登録商標)Standard(TP600,タカラバイオ(株))を用いた。PCRにより目的配列が増幅されたことを確認するために、PCR増幅物を1.0×Tris-borate-EDTA(TBE)アガロースゲル(寒天濃度2重量%)を用いて電気泳動した。
なお、表4において、微生物量は、対象菌の全菌数に対する割合×100(%)として示した。
表1に示されるように、G-2~G-5のコンポストサンプルは、いずれも70℃以上の環境にあり、また、良質なコンポストが得られていることから、ゲオバチルス属細菌とサーマス・サーモフィラスが、良好なコンポスト化に寄与していることが示唆された。
なお、G-1~G-5のいずれにも、好塩菌は検出されなかった。
生ごみを模擬する原料としてラビットフードを使用した。ラビットフードに通気性改良材であるおがくずを混合し、種菌を添加して、コンポスト化処理用混合物とした。混合割合は、ラビットフード:おがくず:種菌として、乾燥重量比で10:9:1とした。
これらの種菌を用いて、11種類のコンポスト化処理用混合物、試料A~Kを得た。各試料の組成を表5及び表6に示す。表5では、「/」の左右の微生物を双方とも使用したことを意味する。
ミニリアクターは、次のような構成とした。リアクター本体は、パイレックス(登録商標)ガラス製の円筒(直径45mm×深さ100mm)とし、円筒の上部と下部には、通気のためのガラス管を挿入したシリコンゴム栓を取り付けた。試料A~Kをリアクターに入れ、リアクター本体を温度制御のためにインキュベータ中に設置した。通気する空気は、最初にNaOH水溶液を含んだ炭酸ガストラップに導き、炭酸ガスを取り除いた後、バブラーを通過させて水蒸気で飽和させ、リアクターに導いた。通気速度は試料1kgあたり0.458L/分を維持した。この通気速度は、リアクター内部を好気条件に維持するために十分であることが確かめられている。
-:2.0×10-3mol/d以下
±:5.0×10-3mol/d以下
+:8.0×10-3mol/d以下
++:10.0×1-03mol/d以下
+++:10.0×10-3mol/d超
表4~表7のこれらの結果から、サーマス・サーモフィラスが有機物分解の促進に有効な微生物であり、サーマス・サーモフィラスに加えてゲオバチルス属細菌が充分に存在すると、分解促進効果が飛躍的に大きくなることがわかる。このことは、試料I~Kからも確認できる。
例えば、G-3~G-5それぞれと有機性廃棄物とを1:19の重量比で混合して、それぞれの高温コンポスト化処理混合物を得る。得られた高温コンポスト化処理混合物に対して、70℃以上の温度を例えば4日以上維持する一次発酵処理を行う。得られた一次発酵処理物を、種菌として再利用することができ、あるいは、二次発酵処理に供することができる。本二次発酵処理後に、コンポストが得られる。得られたコンポストに対して発芽インデックスによる評価を行うと、良好なコンポストであることが確認できる。
Claims (7)
- サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)及びゲオバチルス属細菌を含むコンポスト化処理促進材と、コンポスト化処理の対象である有機物とを含有するコンポスト化処理用混合物を用意すること、
コンポスト化処理用混合物に対して、70℃以上の温度条件による一次発酵処理を行うこと、
を含み、
前記コンポスト化処理促進材が、サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)を、全菌数に対して16.4%~28.4%の存在比で含み、ゲオバチルス属細菌を、全菌数に対して6.4%~17.7%の存在比で含む、コンポストの製造方法。 - 一次発酵処理中に、0.02L/分/kg~0.7L/分/kgコンポスト化処理用混合物の通気量で、コンポスト化処理用混合物に対して通気を行う請求項1記載のコンポストの製造方法。
- コンポスト化処理用混合物の含水率が40重量%~75重量%である請求項1又は請求項2記載のコンポストの製造方法。
- 前記コンポスト化処理用混合物が、前記コンポスト化処理促進材と前記有機物とを、0.1:99.9~1:2の重量比で含有する請求項1~請求項3のいずれか1項記載のコンポストの製造方法。
- 一次発酵処理後に、二次発酵処理を行うことを含む請求項1~請求項4のいずれか1項記載のコンポストの製造方法。
- サーマス・サーモフィラス(Thermus thermophilus)を、全菌数に対して16.4%~28.4%の存在比で含み、ゲオバチルス属細菌を、全菌数に対して6.4%~17.7%の存在比で含むコンポスト化処理促進材。
- 70℃~80℃の温度条件によるコンポスト化処理用である請求項6記載のコンポスト化処理促進材。
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