JPS5940518B2 - セルロ−ス含有廃棄物の嫌気性消化方法 - Google Patents

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、農蓄査廃棄物、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付として用いられ
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
、法的規則の強化、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、たん白質、脂肪等の有機物が通性嫌気性
菌Ｃ以下「液化鑑」と称する）の作用により低分子化し
て酢酸、フ加ピオン酸、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
白質等の易分解性有機物に比べ分解速度が非常に遅く、
メタン化される前に系外に排出される。

また本発明者らは先に、上記液化、ガス化両反応を分離
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
主成分と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
はほとんど液化されない。

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、投入した有機物轟りのガス
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０ 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Ｃ通性嫌気性菌）は酸素有圧下でも生育が
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を効率的
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、セルロー久特有の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
を見い出した。

本発明はこのような知見に基づいて得られたもノテあっ
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ｐＨ６，５〜８．０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（Ｂ）及びメタンガスの発生量（３）のｐＨ
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。

したがって、セルロースの液化反応において、厨芥の場
合のように液化反応とガス化反応とをそれぞれの最適ｐ
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はｐＨ６，５〜
８．０の範囲で行なわれる。

このｐＨ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−３００ｍ
Ｖ以下では揮発性脂肪酪濃度が減少する。

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１ｏｏ％以下、プラスチックス
が１０係以下、ガラス、陶器片、礫が合わせてｌｏ％以
下、金属片が０５係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
範囲より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
酸素を吹き込む操作を行なう。

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ｐＨ測定電極２８をセ
ットしたｐＨ調節装置２９により中和剤供給ポンプ３０
を駆動し、ｐＨ低下時に中和剤３１を中和剤供給管３２
を介してスラリー内に注入してｐＨを６５〜８．０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、プレクトリデイウム属、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、ルミノコツカス属、バタテロイデス属、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はなく、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
。

ＫＯＨ９Ｎａ２ＣＯ３，Ｃａ（ＯＨ）２．ＣａＣＯ３の
いずれかが用いられる。

なお、液化工程中、スラリーを３０〜６０℃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、従来から用いられて
きたガス攪拌法、機械式攪拌法、スラＩＪ−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係、Ｈ２
２０〜５０係を主成分とし、他に少量のＨ２Ｓ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
限定するものでなく、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、メタン菌の作用により
揮発性脂肪酸がメタンと炭酸ガスに転換される。

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３０〜６０℃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。

ｐＨ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、５５〜９
０係のＣＨ４と１０〜４０係のＣＯ２を主成分とし、Ｈ
２Ｓ、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、余剰消化汚泥は脱水、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、液化発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、直ちに酸化還元電位差制御器６により
、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ことが好ま
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Ｔ、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１１＠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３０關粒度に破砕後、ふるい分けし
て得た紙高含有フラクション０．０７ ＫＰ（含水率６
０係、乾物基準紙５７％、厨芥１９係、木片８係、プラ
スチックス１０（１）、金属３係、ガラス、陶器片、礫
類３％）及び水０．３３ Ｋｔを混合してスラリーとし
た。

次いで、上記スラリーを種母１．６ＫＰ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〜−６００ ｍＶに
設定した酸化還元電位差制御下、５０ ｒｐｍ、 ｐＨ
７，０，６０℃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、バシ
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メタン菌を含む混合種母を用い
た。

種母の馴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！Ｊ −ｐ）Ｉ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、５０ ｍＶ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、酸化遣元電位差−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
−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 Ｋｐに対し
、水９Ｋｐ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、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’Ｊ −２Ｋｐ／
ｄを１日１回投入し、酸化還元電位差−２００ｍＶ、攪
拌速度１５０ｒｐｍ、温度６０°Ｃ，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、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れ。

液化処理したスラリーは発酵槽より２ＫＰ／ｄの割合で
抜きだした。

本実験の結果、０．０４１Ｋｙ／ｄの揮発性脂肪酸が生
成した。

（収率０．４ Ｋｐ／ＫｙＶ 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 Ｋｐに対し水１
１に２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
５ Ｋｐ／ ｄを１日１回投入し、酸化還元電位差−２
００ｍＶ、温度６０℃、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１．７５ＫＰ／ｄ
の割合で抜き出した。

本実験の結果、０．０３ＫＰ／ｄの揮発性脂肪酸が生成
した（収率０．４ Ｋｐ／ＫｆＶ 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 ５ 実施例３に於て、スラリー投入量２．５ ＫＰ／ ｄ
。

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ＩＪ −２，５ＫＰ／ ｄを得た。

本液化スラリー中には揮発性脂肪酸０．０５１Ｋｐが含
まれており、対有機物（ＶＳ ）あたりの揮発性脂肪酸
収量は、０、４ Ｋｙ／ ＫｐＶ 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２６、ｔ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１５０ ｒｐｍ、温度６０℃、
ｐＨ７，４（ＨＣｔ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消化スラリーは、発酵槽より２．７
Ｋｐｄの割合で１日１回引き抜き、有効容積３ｔの沈
降分離槽で１日間滞留し、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係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チであった
。

また、ガス化発酵におけるガス発生量は３５．５ Ｎｔ
であり、その組成はメタン７６％、炭酸ガス２４係であ
った。

投入有機物ＩＫｐあたりのガス収量は２８２ Ｎｔ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、単位面積当りの処
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ｐＨ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ｐＨ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・・・・・・ｐＨ測定電極、２９・・・・・・ｐＨ
調整装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（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、該スラリー中に浸漬した酸化還
   元電位差測定電極と接続する酸化還元電位差制御器によ
   り酸素供給ポンプを駆動して酸素或いは空気を前記スラ
   リー中に供給することにより、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。