JPH0516320B2

JPH0516320B2 -

Info

Publication number: JPH0516320B2
Application number: JP683688A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yushina; Jun Hasegawa; Hiroshi Sato
Original assignee: Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1993-03-04
Also published as: JPH01184099A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明はメタン発酵方法に関し、詳しくは特定
の不織布を微生物担体としたメタン発酵方法に関
する。［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］現在、我国における都市、工場等から排出され
る有機性排水については、主として好気性の生物
による処理が行なわれている。しかしながら、近
年は嫌気性メタン発酵処理が注目され、産業排水
の嫌気性処理装置等が実用化されるに至つてい
る。その理由として、好気性処理に比べて処理
に必要な電力量が少ないこと、ガス化による有
効エネルギーの回収が可能であること、余剰汚
泥量が少なく汚泥処理コストが低減できることな
どが挙げられ、省エネルギー型の排水処理が可能
となるためである。メタン発酵は通常、「加水分解→酸発酵→メタ
ン発酵」の三要素の生化学反応から成つており、
高分子のタンパク質や炭水化物等の基質が低分子
化して高級脂肪酸となり、さらに低級脂肪酸化さ
れてメタン、炭酸ガス等が生成される。この生化
学反応プロセスでメタン発酵菌の増殖速度は極め
て低いため、菌体の系外流出を避けなければなら
ない。このような状況下、高速メタン発酵を可能
にするには、高濃度のメタン発酵菌をバイオリア
クター内に保持することが必要となる。高速メタ
ン発酵を実現するためには、バイオリアクター中
に微生物担体を充填し、菌体を付着せしめて菌体
の洗い出し（Wash out）現象を阻止することに
より、バイオリアクター中の菌体濃度を増加させ
て効率的なメタン発酵を行わせることが必要であ
る。現在、微生物担体としてはポーラスセラミツ
ク、砂、活性炭、ケイソウ土等の無機担体やプラ
スチツクの板あるいは粒子、ラシヒリング等の有
機担体があるが、いずれも菌体を十分に付着する
ことができないため、満足できる結果が得られて
いない。［課題を解決するための手段］そこで、本発明者らは上記問題点を解消した高
性能メタン発酵用バイオリアクターの実現を目指
し鋭意研究を行なつたところ、バイオリアクター
を酸発酵部とメタン発酵部の２相に分割し、各部
に特定の不織布を微生物担体として充填し、該担
体にメタン発酵菌を担持せしめてメタン発酵を行
なえばよいことを見出し、本発明を完成した。すなわち本発明は、酸発酵部とメタン発酵部を
有するメタン発酵装置であつて、酸発酵部には比
重が水よりも大きく、立体格子の間〓が２〜９mm
の範囲にある不織布立体担体に担持された微生物
が充填されており、メタン発酵部には比重が水よ
りも大きく、立体格子の間〓が0.6〜３mmの範囲
にある不織布立体担体に担持された微生物が充填
されているメタン発酵装置に、有機物含有廃水を
導入してメタン発酵を行うことを特徴とするメタ
ン発酵方法を提供するものである。本発明で用いる微生物担体は、無数の複雑な空
間を有する不織布を剛体化したもので、固定床用
として水より比重の大きい合成樹脂繊維を素材と
する。また、酸発酵とメタン発酵の反応は、それぞれ
の反応を司る菌相が異なるため、菌相に合つた素
材を選ばなければならない。具体例を示すと、ポ
リ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ナイロンな
どを挙げることができ、中でもポリ塩化ビニリデ
ンは酸発酵に関与する微生物とメタン発酵に関与
する微生物のいずれもが付着しやすいので好まし
い。不織布立体担体の特徴を要約すると、１）不織
布が織りなす複雑な空間内に高濃度に微生物を固
定することができる；２）空間の大きさを糸の太
さ、圧縮度合い等により自由に調整でき、種々の
菌体の固定化に適用できる；３）担体の占める実
容積が少なく、水のホールドアツプ量が極めて大
きい；４）過効果がある；５）加工が容易であ
る；６）様々な合成樹脂素材から菌体付着に適し
たものを選択できる；７）剛体化可能であり、ハ
ンドリングが容易である；８）軽量で経済性に優
れる等を挙げることができる。以上の理由から、
不織布製の微生物担体は極めて菌体の固定化に適
している。このような不織布を微生物担体としてメタン発
酵を行なうにあたり、菌体を高濃度に付着せしめ
るためには不織布立体担体の目開き、すなわち立
体格子の間〓が重要である。不織布はその素材の
糸が作り出す無数の複雑な空間を有しているが、
本発明者らは不織布は、それを構成する糸が立方
格子を形成し、無数の空間により構成されるもの
と仮定し、第１図に示したような立方格子モデル
概念図を考えた。この立方格子モデルを使用し
て、本発明では１辺cmの正立方体不織布がｎ個
に分割された立方格子を形成しているとして下記
の式により、立体格子の間〓（目開き）を計算し
た。その結果、酸発酵用バイオリアクターに充填
する不織布立体担体の立体格子の間〓（目開き）
は２〜９mm、メタン発酵用バイオリアクターに充
填する不織布立体担体の立体格子の間〓（目開
き）は0.6〜３mmとすべきであることを究明した。
なお、立体格子の間〓（目開き）を計算するにあ
たつて、ｄ：糸の太さ（cm）、Ｌ：糸の総延長
（cm）、：不織布立体担体の１辺の長さ（cm）、
ｎ：分割数（一辺cmの立方格子中に、一辺／
ｎcmの小立方格子が存在すると仮定したときの
数）、γ：素材の真比重（ｇ／cm³）、γa：不織布
のカサ比重（ｇ／cm³）、Ｗ：正立方体不織布の重
量（ｇ）、α：立体格子の間〓（目開き）（cm）、
β：糸径中心間距離（cm）と定義した。まず、糸の総延長は単位立方格子の辺長とその
辺の数の積で表わすことができる。Ｌ＝β×3n（ｎ＋１）² …(1) β＝／ｎ …(2) 式(1)，(2)よりｎ＝√３−１ …(3) また、正立方体不織布の重量は下記の(4)式で表わ
すことができる。Ｗ＝Ｌ×１／４πd²×γ …(4) 不織布のカサ比重は下記の(5)式で表わすことがで
きる。 γa＝Ｗ／³ …(5) 上記式(4)，(5)よりＬ＝−Ｋ³ …(6) ここでｋ＝（γa／γ）／１／４πd² …(7) である。式(7)，(3)より従つて、立体格子の間〓（目開き）αは下記の(9)
式で表わすことができる。本発明において、不織布立体担体の形状は特に
制限はないが、連続生産が可能で安価に生産され
るものが好ましい。酸発酵とメタン発酵の２段発
酵法のブロツクダイアグラムを第２図に示すが、
各々のバイオリアクターに異なる形状の不織布立
体担体を充填することも可能である。一般に使用
される不織布立体担体の形状は円柱状、角型状、
球型状、中空円筒状などがあり、その他合成樹脂
等の平板と不織布と組合わせたものを用いて立方
体としたモジユールや長い円柱状、中空円筒状の
ものを束ねたモジユールを発酵槽内に充填するこ
ともできる。これらの例を第３図に示す。［実施例］次に、実施例により本発明を詳しく説明する。実験例（不織布立体担体用素材の選択）不織布に使用される代表的な繊維の特色を第１
表に示す。

【表】第１表より、木綿、レーヨンは長期間使用する
と菌に資化されるため、不織布の素材としては適
当ではない。また、ポリエチレン、ポリプロピレ
ンは比重が各々水よりも小さいため、担体として
用いたとき、浮上してしまい、本発明の固定床微
生物担体としては適さないものである。これに対
し、ポリ塩化ビニル（以下、「塩ビ」と略す。）、
ポリ塩化ビニリデン、ナイロンおよびビニロンの
４種類の繊維を素材とした不織布は本発明に用い
る微生物担体として好適なものである。そこで、
以下の実施例では、これら４種類の素材について
酸発酵およびメタン発酵の各々に適する素材の選
定、立体格子の間〓（目開き）の選定等について
長期連続実験によりテストした。実施例１（酸発酵用素材の選定） (1) 酸発酵バイオリアクター第４図に示したように、内径400mm、容積40
の塩ビ性槽の中心にドラフトチユーブを設け、窒
素ガスを供給して槽内を撹拌できるように構成せ
しめた。このバイオリアクター内に、テストサン
プルを第４図に示したように設置した。 (2) テストサンプル第５図に示したように、塩ビ、ポリ塩化ビニリ
デン、ナイロンおよびビニロンの４種類の長さ
100mmの糸を１セツトとして、合計10セツトを液
中に浸漬させた。糸の太さは塩ビ0.26mm、ポリ塩
化ビニリデン0.20mm、ナイロン0.29mm、ビニロン
0.19mmとした。 (3) 原水組成第２表に示したように、ペプトン、角肉エキス
主体の人工廃水である。

【表】 (4) 方法酸発酵バイオリアクターを第３表に示す条件で
19週間（133日間）連続運転し、この間定期的に
テストサンプルを取り出し、各素材への菌体付着
状況を走査型電子顕微鏡（SEM）で比較観察し
た。

【表】

【表】 (5) テスト結果 10セツトのサンプルを１，２，３，４，５，
７，９，11，15，19週目に取り出してSEM写真
で観察した。その結果、各素材で時間のズレがあ
るが、まず薄く表面全体に菌体が付着し、その後
菌体が幾重にも重なることが観察された。菌体の
薄い付着を単層付着、幾重にも重なる付着を積層
付着と定義すると、各素材における付着状況は次
の様であつた。塩ビは４週目に単層付着し、７週
目より積層付着となつた。ポリ塩化ビニリデンは
１週目に単層付着し、３週目より積層付着となつ
た。ナイロンは２週目に単層付着し、４週目より
積層付着となつた。またビニロンは９週目に単層
付着し、11週目より積層付着となつた。付着菌体
の形態学的特徴は４種類の素材とも共通してお
り、糸状菌40〜50％、桿菌30〜40％、球菌20％程
度であつた。以上のテスト結果より、酸発酵用素材としては
ポリ塩化ビニリデン、ナイロン、塩ビの順序で菌
体付着性に優れ、ビニロンは付着速度が極めて遅
いことが判明した。したがつて、実用性の面から
ポリ塩化ビニリデン、ナイロンおよび塩ビが酸発
酵用素材として適当であることが判つた。実施例２（メタン発酵用素材の選択） (1) メタン発酵バイオリアクター第６図に示したように、容積2.6、内管内径
58mmのガラス製二重管で形成されており、オーバ
ーフロー管を通して処理水を排出する。 (2) テストサンプル実施例１で用いたものと同様の４種類の糸を長
さ50mmとして９セツト、第７図に示したようにし
て液中に浸漬させた。 (3) 原水組成第４表に示したように、酢酸ソーダを主体とし
た人工廃水である。

【表】

【表】 (4) 方法メタン発酵バイオリアクターを第５表に示す条
件で22週間（154日間）連続運転し、この間定期
的にテストサンプルを取り出し、各素材への菌体
付着状況をSEMにより比較観察した。

【表】 (5) テスト結果９セツトのサンプルを１，２，３，４，６，
10，14，18，22週目に取り出してSEM写真で観
察した。この結果を実施例１の(5)の定義と同様に
して述べると次のようになる。塩ビは４週目に単
層付着し、14週目より積層付着となつた。ポリ塩
化ビニリデンは２週目に単層付着し、14週目より
積層付着となつた。ナイロンは６週目に単層付着
し、14週目より積層付着となつた。ビニロンは10
週目に単層付着し、積層付着になつたのは22週目
であつた。付着菌体の形態学的特徴は４種類の素
材とも共通しており、糸状菌80〜90％、球菌10〜
20％程度であつた。以上のテスト結果より、メタン発酵用素材とし
てはポリ塩化ビニリデン、塩ビ、ナイロンの順で
菌体付着性に優れ、酸発酵用素材のテストと同様
にビニロンの付着性は劣ることが判明した。した
がつて、実用性の面からポリ塩化ビニリデン、ナ
イロンおよび塩ビがメタン発酵用素材として適当
であることが判つた。実施例１の結果と合わせ、酸発酵菌群およびメ
タン発酵菌群の付着性が良好な素材はポリ塩化ビ
ニリデン、塩ビおよびナイロンと共通しており、
両方の菌体が最も付着しやすい素材はポリ塩ビニ
リデンであることが判明した。実施例３（酸発酵用不織布の立体格子の間〓
（目開き）と菌体濃度の関係） (1) 酸発酵用実験装置実施例１で用いたもの（第４図参照）と同じも
のを使用した。 (2) 不織布立体担体第６表に示した性状のポリ塩化ビニリデン不織
布を２インチネツトリング（φ52mm×長さ52mm）
に充填した。また、前記式(9)において立体格子の
間〓（目開き）αを異なる値にするために、使用
する不織布のネツトリングへの充填率を５種類に
変えて充填した。ネツトリングへの充填率とこれ
に伴う立体格子の間〓（目開き）を第７表に示
す。

【表】

【表】〓不織布体積〓
＊充填率＝

Claims

【特許請求の範囲】１酸発酵部とメタン発酵部を有するメタン発酵
装置であつて、酸発酵部には比重が水よりも大き
く、立体格子の間〓が２〜９mmの範囲にある不織
布立体担体に担持された微生物が充填されてお
り、メタン発酵部には比重が水よりも大きく、立
体格子の間〓が0.6〜３mmの範囲にある不織布立
体担体に担持された微生物が充填されているメタ
ン発酵装置に、有機物含有廃水を導入してメタン
発酵を行うことを特徴とするメタン発酵方法。２不織布立体担体が、塩化ビニリデン樹脂、ナ
イロン樹脂および塩化ビニル樹脂のいずれかを素
材としたものである請求項第１項記載のメタン発
酵方法。