JPS5864200A - セルロ−ス含有廃棄物の嫌気性消化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セルロース含有廃棄物の嫌気性消化方法に係
り、特に廃棄物中のセルロースを効率的に揮発性脂肪酸
に転換することによって液化発酵させること、および液
化発酵後、効率よくメタンガスを回収するのに好適なセ
ルロース含有廃棄物の嫌気性消化方法に関する。

食品加工工業、パルプ製紙工業、木材工業などから排出
される廃棄物、農蓄産廃棄物、都市とみ等、毎年膨大な
量のセルロースを含む廃棄物が排出される。これらの廃
棄物は一部がコンポスト材料として用いら゛れる他は、
焼却、埋立てなどの方法により最終処分されている。し
かし、これらの方法は二次公害の発生原因となったり、
法的規制の強化、処理コスト上昇など、大きな問題をか
かえている。

一方、最近、日本やアメリカを中心として゛、都市ごみ
の厨芥を処理対象とした嫌気性消化法の研究が進められ
つつある。

この嫌気性消化は糖、たん白質、脂肪といった高分子の
有機性物質を嫌気性菌の発酵作用によってメタンガスと
炭酸ガスに転換するもの゛であり、主として二つの反応
から成り立っていることが知られている。すなわち、糖
、ｆｃん白質、脂肪等の有機物が通性嫌気性菌（以下「
液化鑑」と称する）の作用により低分子化して酢酸、プ
ロピオン酸。

酪酸等の揮発性脂肪酸となる液化反応と、上記により生
成した揮発性脂肪酸が絶対嫌気性菌（以下「メタン菌」
と称する）によりメタンに転換するガス化反応である。

このような嫌気性消化を一段階処理法によって行なう場
合、嫌気性消化槽中にセルロース資化性菌であるセルロ
モナス属、クロストリジウム属の菌がわずかながら存在
するため、セルロースの一部も分解されるが、糖、たん
白質等の易分解勢化 接物に比べ分解速度が非常に遅く、メタうξ１濁１前に
系外に排出される。

また本発明者らは先に、上記液化、ガス化両仮応を分離
し、それぞれ単独で反応を行なわせる二段階処理方法を
提案した。この方法は、液化及びガス化両反応のそれぞ
れの最適生育条件下で反応を行なわせることができるた
め、処理日数を短縮でき、厨芥などのようにたん白質や
でん粉質を主成分きするものを処理する際、大きな効果
を発揮する。

しかし、二段階処理法による糖、たん白質、脂肪などの
易分解性成分を液化するのに好適な条件ではセルロース
はほとんど薄化されない。

さらに一般に有機物の嫌気性消化処理装置の運転は過去
の経験にたよることが多く、投入した有機物当りのガス
発生量及びメタン濃度、消化スラリーのｐＨ，アルカリ
度、有機酪濃度、及び酸化還元電位差などを測定して、
消化状態を判断している。

これらの測定項目のうち、特に酸化還元電位差について
は、−５００ｍＶよりも高電位側では消化状態は悪化す
るとの経験的な観点から一５００ｍＶ以下とするような
運転がなされていた。しかし、このような運転条件では
セルロース含有廃棄物の液化は不十分である。

一方、液化菌（通性嫌気性菌）は酸素存在下でも生育が
可能な細菌の集まりであり、メタン菌（絶対嫌気性菌）
は酸素存在下では死滅する細菌の集まりである。したが
って、液化菌とガス化菌の酸素に対する耐性には大きな
差があると考えられている。

このため一部で酸素と接触させてガス化菌の生育を抑制
し、液化菌の生育を優先させる試みがなされているが、
実際には安定した液化反応は得られない。

本発明の第１の目的は、セルロース含有廃棄物？効率的
に液化発酵させ、廃棄物中のセルロースを揮発性脂肪酸
に転換できるセルロース含有廃棄物の嫌気性消化方法を
提供することにある。

本発明の第２の目的は、セルロース含有廃棄物を効率的
に液化発酵させ、次いでガス化反応によって効率的にメ
タンガスを回収することができるセルロース廃棄物の嫌
気性消化方法を提供することにある。

本発明者らは、セルロース含有廃棄物の嫌気性消化につ
いて検討した結果、糖、たん白質、脂肪などの易化分解
性成分を液化する条件下ではセルロースはほとんど液化
されず、セルロース特有ノ好適条件があることを見い出
した。さらに、本発明者らはセルロースの嫌気性消化で
は液化反応とガス化反応との二段階処理は厨芥の場合の
ようにそれらの反応の最適ｐＨ値の差のみでは困難であ
ることを見い出ｔた。

本発明はこのような知見に基づいて得られたものであっ
て、第１の発明はスラリー−状態のセルロース含有廃棄
物をｌ）　Ｈ６，’　５〜８．０に調整し、かつ酵素供
給下に酸化還元電位差を−５０〜−３００ｍＶに制御し
、通気性嫌気性菌と接触させ、液化発酵することを特徴
とし、第２の発明はこの液化発酵工程後、得られたスラ
リーを絶対嫌気性菌−と接触させメタンガスと炭酸ガス
に転換し、次いで得られた消化スラリーを脱離水と消化
汚泥とに固液分離することを特徴とする。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

第１図はセルロースの液化反応によって生成する揮発性
脂肪酸の量（８）及びメタンガスの発生量囚のＩ）Ｈに
対する依存性を示す。第１図からセルロースの液化反応
の場合、揮発性脂肪酸の量及びメタンガスの発生量のそ
れぞれのｐＨに対する依存性がほぼ一致するのがわかる
。、・シたがって、セルロースの液化反応において、耐
昇の場合のように液化反応とガス化反応とをそれぞれの
最適１）Ｈ値の差のみで効率的に行うことができない。

本発明において、セルロースの液化発酵ｆｄｐＨ６，５
〜８．０の範囲で行なわれる。このＩ）Ｈ範囲外ではい
ずれも発酵開始の遅れが認められ、揮発性脂肪酸の生成
が著しく低くなる。またセルロースの液化発酵時、酸化
還元電位差は−５０〜−３００ｍＶに制御される。セル
ロースの液化発酵は一５０ｍＶ以下の弱い還元状態で効
率よく進行し、−２５０ｍＶ以下、特に−３００ｍＶ以
下では揮発性脂肪酸濃度が減少する。これはガス化反応
によって揮発性脂肪酸がメタンに転換されるためである
。

次に本発明の実施例を添付のフローシートに基づいて説
明する。

第２図において、セルロース含有廃棄物としては、乾物
基準にしてセルロースが１００％以下、プラスチックス
が１９％以下、ガラス、陶器片、礫が合わせて１０％以
下、金属片が０．５％以下のものが好ましい。上記セル
ロース含有廃棄物１５及び水１６をスラリー調製槽２１
に加え、スラリーとする。セルロース含有廃棄物中に粗
大な固形、物が混入している場合には、スラリー化に先
立って破砕した方が装置の故障防止や処理効率向上の点
で有効である。同様の理由から、スラリー調製槽２１の
底部に沈積するガラス、陶器片、礫、金属片等の無機物
を除去することが望ましい。スラリー化に用いる水とし
ては特に限定するものではなく、上水、下水の他、下水
汚泥、活性汚泥二次処理水、嫌気性消化脱離水等をも用
いることができる。なお、セルロース含有廃棄物がすで
に十分な水を含み、流動性に゛富む性状である場合には
、改めて水を加える必要がない。

また、スラリー性状が嫌気性消化に関与する細菌の生育
範囲よシはずれている場合には、スラリー調製槽２１に
て調整することが望ましい。更に、良好な嫌気性消化を
行なわせるには、Ｃ／Ｎ比、栄養成分の調整を行うこと
が望ましい。スラリー化されたセルロース含有廃棄物は
移送管２４を経て液化槽１に投入される。ここで、液化
菌と接触させ、攪拌しながら一定温度で数日間保持され
る。

この間に、セルロース等の有機物は低分子化され、さら
に揮発性脂肪酸に転換される。この液化工程では、液化
反応のみを行わせ、ガス化反応の進行を抑制するため、
ｐＨ６，５〜８．０に調節下で酸素を吹込む操作を行な
う。すなわち、液化発酵スラリー中に浸漬した酸化還元
電位差測定電極５と接続している酸化還元電位差制御器
６により、酸素供給ポンプ３を駆動し酸素供給管７を介
して液化発酵スラリー中に酸素を吹込み、酸化還元電位
差を−５０〜−３００ｍＶに保持する。本操作を施こす
ことにより、ガス化反応が抑制されるため、液化発酵ガ
ス１９中にメタンの存在は認められない。なお、本液化
工程では液化発酵により揮発性脂肪酸がスラリー中に蓄
積されるため、スラリーｐＨが低下し、液化反応の停止
を招く。これを防ぐため、ｐＨを一定に保つ操作が不可
欠である。

このため、液化発酵スラリー内にＩ）Ｈ測定電極２８を
セットしたｐＨ調節装置２９によシ中和剤供給ポンプ３
０を駆動し、ｐＨ低下時に中和剤３１を中和剤供給管３
２を介してスラリー内に注入してｐＨを６．５〜＆０に
保持する。

液化菌としては、クロストリジウム属、バシリス属、ス
タフィロコッカス属、プレクトリディウム属、フロテラ
ス属、バクテリウム属、セルロモナス属、シロバクテリ
ウム属、ルミノコッヵス属、バクテロイデス属、ブチリ
ビブリオ属などを用いることができる。通常はこれらの
１種もしくは２種以上を混合した状態で使用する。

酸化還元電位差を制御するため液化発酵スラリー中に供
給する酸素としては特に限定するものでハナく、空気の
他、純酸素を用いてもよい。また、ｐＨの制御に使用す
る中和剤としては、ＮａＯＨ。

ＫＯＨ，Ｎａ２ＣＯｓ、Ｃａ（ＯＨ）　２．Ｃａｃｔ、
（Ｄいずれかが用いられる。なお、液化工程中、スラリ
−を３０，６０ｔ：’の範囲で一定に保つことが望まし
い。液化槽１を攪拌する方法としては、従来がら用いら
れてきたガス攪拌法、機械式攪拌法、スラリー圧入法な
どを用いることができる。また、スラリー保温方法とし
ては、蒸気吹込法、温水ジャケット法、熱交換器を用い
る方法等、従来公知の方法を用いることができる。

液化工程で発生する液化発酵ガス１９は、原料の質によ
って変動するが、一般的にはＣＯ２５０〜８０％、Ｈ２
２０〜５０％を主成分とし、他に少量のＨ，Ｓを含んで
いる。なお、酸化還元電位差制御用酸素源として空気を
用いた場合にはＮ２及び未利用の０２で、また純酸素を
用いた場合には未利用０２によって上記組成のガスが稀
釈されることはいうまでもない。

なお、液化発酵スラリー中に酸素を供給する手段は特に
限定するもので力＜、従来公知の液化槽内攪拌手段に対
応した方法を用いることができる。

液化発酵を終了した液化発酵スラリーは、移送配管２５
を経てガス化槽２２に投入され、メタンに転換される。

このガス化を効率よく行わせるには、嫌気的雰囲気下で
十分攪拌しながら３０〜６０Ｃに加温し、ｐＨを７〜８
に調整することが必要である。加温及び攪拌は、前述の
液化工程で用いた方法と同一でよい。Ｉ）Ｈの調整は塩
酸や有機酸の添加によって行う、メタン菌としては、メ
タノサルシナ属、メタノコツカス属、メタノバクテリウ
ム属等の従来使用されてきたメタン菌を用いることがで
きる。本発酵により生成するガス化発酵ガス２０は、５
５〜”’）’　Ｏ％（７）　ＣＨ４ト１０〜４０％のＣ
ｏ、を主成分とし、Ｈ２８，Ｎ２．Ｈ２を微量含んでい
る。このガス化発酵ガスは、装置の保温熱源及び攪拌用
動力源などに用いる。

ガス化発酵を終了したスラリー（消化スラリー）は、移
送配管２６を経て固液分離槽２３に導びかれ、脱離水１
７及び消化汚泥１８に固液分離される。脱離水１７は、
活性汚泥処理等の二次処理によりＢＯＤを除去したのち
放流する。消化汚泥１８は、その一部がガス化槽中の汚
泥濃度を上げるため移送配管２７を経てガス化槽２２に
返送され、余剰消化汚・汎は脱水、乾燥を行い、有機質
肥料としての利用が図られる。

第３図は液化槽１における酸素供給方法の一例を模式的
に示す。第３図において、液化溌酵スラリーの酸化還元
電位差は、スラリー中に浸漬された酸化還元電位差測定
電極５によって測定され、直もに酸化還元電位差制御器
６によシ、設定値との比較がなされる。測定値が設定値
より小さい場合には酸素供給ポンプ３を駆動し、酸素供
給管７、酸素吹込管２を経て酸素をスラリー中に供給す
る。

酸素のスラリーへの放出は攪拌翼直下で行うとと１が好
ましい。回転する攪拌翼によって生じるせん断力により
気泡が微細化され、酸素とスラリーとの気液接触効率が
向上するため、応答速度の向上、吹込み酸素量の節約な
どの効果が得られる。なお、酸素源８にすでにスラリー
中への吹込みに十分な圧力が加えられている場合には自
動開閉弁を用いることにより、酸素供給ポンプ３を省略
することができる。

第４図は液化槽１における酸素供給方式の他の例を模式
的に示す。第４図において、第３図の機械攪拌法の場合
と同様、スラリーの酸化還元電位差の測定値が設定値よ
り小さい場合、酸素供給ポンプ３を駆動し、酸素供給管
７、攪拌用ガス供給ポンプ１２、攪拌用ガス供給管１３
を経てスラリー中に酸素を供給する。スラリー中に供給
された後、スラリー中を上昇した酸素は余剰ガス排出管
４の一部を経て攪拌用ガス供給ポンプ１２及び攪拌用ガ
ス供給管１３を順次循環し、繰り返し利用される。した
がって酸素の利用効率が高い。なお、酸素源８が、すで
にスラリーへの吹込みに十分な圧力に加圧されている場
合には酸素供給ポンプに変えて自動開閉弁を用いること
ができる。

実施例　１ 混合収集都市ごみを３０ｗ粒度に破砕後、゛ふるい分け
して得た紙高含有フラクション０．０７　Ｋｇ（含水率
６０％、乾物基準紙５７％、厨芥１９％、木片８％、プ
ラスチックス１０％、金属３％、ガラス、陶器片、礫類
３％）及び水０．３３　Ｋｆを混合してスラリーとした
。次いで、上記スラリーを種母１．６　Ｋ９と共に、攪
拌機、ｐＨ調節装置、酸化還元電位差制御装置及び温水
ジャケットを有する内容積２．６を発酵槽に投入した。

そして、空気吹込により、＋１００〜−６００ｍＶに設
定した酸化還元電位差制御下、５０ｒｐｍ、　ｐＨ７，
０，６０Ｃで回分嫌気性消化実験を実施した。添加した
液化種母としては、クロストリジウム属、パシリス属、
スタフィロコッカス属、プレクトデイウム属、プロテウ
ス属、バクテリウム属、セルロモナス属、シロバクテリ
ウム属、ルミノコツカス属、バタテロイデス属、ブチリ
ビブリオ属、ニーバクテリウム属に属する液化菌及び、
メタノサルンナ属、メタノコツカス属、メタノバクテリ
ウム属に属するメタン菌を含む混合種母を用いた。種母
のｇｌ：養は上記と同一バッチの紙高含有フラクション
を原料に上記と同一の条件で回分発酵を２週間繰返して
行った。なお、発酵中のスラＩＪ−ｐＨの調節には消石
灰スラリーを用いた。

本嫌気性消化実験開始５日後の消化成績を第５図に示し
た。第５図において、Ａはメタン発生量、Ｂは揮発性脂
肪酸濃度を示している。

第５図から明らかなように、ガス化反応は、酸化還元電
位差が約−３００ｍＶ以下でのみ進行し、−５００ｍＶ
以下に最適域が存在することがメタン発生量Ａから確認
される。一方、液化反応は、−５０ｍＶ以下の弱い還元
状態で効率よく反応が進み、スラリー中に揮発性脂肪酸
が蓄積されることが確認された。なお、酸化還元電位差
−２５０ｍＶ以下で揮発性脂肪酸濃度が減少しているの
は、ガス化反応によってメタンに転換されているためで
ある。

本実施例の結果から、セルロース含有廃棄物の嫌気性消
化に際し、酸化還元電位差を−５０〜−３００ｍＶに保
つことにより、液化反応のみを行なわせ、ガス化反応を
抑制できることがわかった。

実施例　２ 実施例１において、空気吹込みにより酸化還元電位差を
一２００ｍＶ一定とし、ｐＨを６．０〜８．５の範囲で
一定に制御した回分液化実験を実施した。その５日後の
成績を第６図に示した。第６図から明らかなように、液
化発酵に最適なｐＨ域は６．５〜８．０の範囲である。

本範囲外では、酸性側、アルカリ側共に発酵開始の遅延
が認められ、脂肪酸生成も著しく低い。

実施例　３ 実施例１と同一の紙高含有フラクションｌ　Ｋ９に対し
、水９Ｋｇの割合で混合してスラリー化し、容器底に沈
積した金属、ガラス、陶器片、礫などの固形物を除去し
た。次いで、酸化還元電位差自動調節装置、タービン翼
攪拌機、保温用ジャケット、１）Ｈ自動調節装置を附し
た有効容積１２Ａの円筒型発酵槽に上記スラリー　２　
Ｋｇ／　ｄを１日１回投入し、酸化還元電位差−２００
ｍＶ、攪拌速度１５０ｒｐｍ、温度６０　’Ｃ，ｐＨ７
，０（Ｃａ　（０１−１）２スラリー使用）、滞留時間
４ｄの条件下で連続的に液化処理を行った。酸化還元電
位差は、酸化還元電位差制御器と連動して作動する酸素
供給ポンプを用いて、空気を発酵槽内に圧送し、攪拌用
タービン翼直下でスラリー中に放出することにより調節
した。本方法による空気吹込みは、タービン翼によるせ
ん断力によって空気泡が微細化し、酸素とスラリーの接
触面積が犬となるため効率的な酸素供給を行える。液化
用種菌としては、実施例１で用いた種母を約２週間上記
条件下で液化処理して得た液化処理汚泥を用いた。液化
処理したスラＩＪ−は発酵槽より、２　Ｋｙ／　ｄの割
合で抜きだした。

本実験の結果、０．０４１　Ｋｇ　／　ｄの揮発性脂肪
酸が生成した。（収率０．４　［９／に９Ｖ　Ｓ　）ま
た、発酵槽より放散されるガス中からはメタンは検出さ
れなかった。

実施例　４ 実施例１と同じ紙含有フラクションｌ　Ｋ９に対し水１
１Ｋｇの割合で混合してスラリー化し、容器底に沈積し
た金属、ガラス、陶器片、礫などの固形物を除去した。

次いで、酸化還元電位差自動調節装置、ガスリフト式攪
拌装置、保温用ジャケット、ｐＨ自動調節装置を附した
有効容積１２ｔの円筒型発酵槽に、上記スラリー１．７
　ｓ　Ｋｆ／　ｄを１日１回投入し、酸化還元電位差−
２００ｍＶ、温度６　（１，ｐＨ７，０（Ｃａ（ＯＨ）
２スラリー使用）、滞留時間４ｄの条件下で連続的に液
化処理を行った。酸化還元電位差は、酸化還元電位差制
御器と連動して作動する酸素供給ポンプを用いて、発酵
槽攪拌用ガス中に空気を供給して行った。攪拌用のガス
は繰返しスラリー中に吹込まれることから、本方法によ
り吹きこまれた空気中の酸素はほぼ完全に利用される。

液化用種菌としては実施例１で用いた種母を約２週間、
上記と同一条件下で液化処理して得た液化処理汚泥を用
いた。液化処理したスラリーは、発酵槽より１．７５に
９／ｄの割合で抜き出した。

本実験の結果、０．０３Ｋｑ／ｄの揮発性脂肪酸が生成
シタ（収率Ｑ、　４　Ｋｇ／　ＫｇＶ　Ｓ　）　、　”
？　ｆｃ、発酵槽より放散されるガス中からはメタンは
検出されなかった。

実施例パ怜 実施例３に於て、スラリー投入量２．５　Ｋｆ／　ｄｓ
滞留時間３ｄの条件下で連続的に液化を行い、液化処理
スラ１７−２．５Ｋｆ／ｄを得た。本液化スラリ対有機
物＜ＶＳ）あたりの揮発性脂肪酸収量は、０、４　Ｋｑ
／　ＫｇＶ　Ｓであった。また、発酵槽外に排出される
ガス中にはメタンは検出されなかった。

次いで、本液化スラリーを、攪拌機、保温用ジャケット
、ｐＨ自動調節装置を附した有効容積２６１の円筒形ガ
ス化発酵槽に投入した。ガス化発酵は、攪拌速度ｔ５ｏ
ｒｐｍ、温度６０Ｃ，１）Ｈ７，４（ＨＣ１溶液使用）
、滞留時間９日の条件下で行った。ガス化用種菌として
は、メタノサルシナ属、メタノコツカス属、メタノバク
テリウム属に属する絶対嫌気性メタン菌の混合菌群を用
いて、上記と同一の条件下で約４週間ガス化処理を繰返
して得たガス化汚泥（消化汚泥）を用いた。ガス化発酵
を終えたン鱈ヒスラリ−は、発酵槽より２，７Ｋｇ／ｄ
の割合で１日１回引き抜き、有効容積３Ｌの沈降分離槽
で１旧間滞留し、メタン菌を含むガス化処理汚泥（消化
汚泥）と上澄液（脱離水）とに分離した。ガス化汚泥の
１０％は種菌としてガス化発酵槽に返送し、残りは消化
汚泥として系外に抜き出した。また、発酵により生成、
したガスはガス貯留槽に貯わえた。本実験の結果、投入
有機物量から消化汚泥と脱離水中に残存する有機物を減
じて求めた消化率は６８％であった。ｉ！、り、ガス化
発酵におけるガス発生量は３５．５Ｎ４でありその組成
はメタン７６％、炭酸ガス２４％であった。投入有機物
Ｉ　Ｋｇあたりのガス収量は２８２Ｎｔであった。

以上、本発明により次の効果が得られる。

１）セルロース含有廃棄物の嫌気性消化に際し、ガス化
反応を抑制し、効率的に液化反応が進行するので難分解
性のセルロースを短時間で分解できる。

２）効率的な液化反応とこれに続くガス化反応によって
セルロース含有廃棄物の処理日数を大巾に短縮すること
ができる。

３）二段階消化方式の採用によって、単位面積当シの処
理量が大巾に増大するため、セルロース含有廃棄物の消
化プラントを小型化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はセルロースの嫌気性消化におけるメタン発生量
及び揮発性脂肪酸生成量とＩ）　Ｈとの関係を示す図、
第２図は本発明の一例を示すフロー図、第３図および第
４図はそれぞれ本発明の液化槽の他の例を示す概略構成
図、第５図は実施例におけるメタン発生量及び揮発性脂
肪酸生成量と酸化還元電位差との関係を示す図、第６図
は実施例における揮発性脂肪酸とｆ）Ｈとの関係を示す
図である。 １・・・液化槽、２・・・酸化還元電位差電極、３・・
・酸化還元電位差制御器、８・・・酸素源、２１・・・
スラリー調整槽、２２・・・ガス化槽、２３・・・固液
分離槽、２８・・・Ｉ）　Ｈ測定電極、２９・・・ｐＨ
調整装置。 特許出願人　工業技術院長　石板誠−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スラリー状態のセルロース含有廃棄物をｐＨ６，５
   〜８．０に調整し、かつ酸素供給下に酸化還元電位差を
   −５０〜−３００ｍＶに制御し、通性嫌気性菌と接触さ
   せて液化発酵することを特徴とするセルロース含有廃棄
   物の嫌気性消化方法。 ２　、　（１）　　スラリー状態のセルロース含有廃棄
   物を１）　Ｈ６，５〜８．０に調整し、かつ酵素供給下
   に酸化還元電位差を−５０〜−３００ｍＶに制御し、通
   性嫌気性菌と接触させて液化発酵する第１工程と、 （２）第１工程で得られたスラリーを絶対嫌気性菌と接
   触させ、メタンガスと炭酸ガスに転換する第２工程と、 （３）第２工程で得られる消化スラリーを脱離水と、消
   化汚泥とに固液分離する第３工程と、を有するセルロー
   ス含有廃棄物の嫌気性消化方法。