| 研究課題/領域番号 |
20H04386
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分64050:循環型社会システム関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
日高 平 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30346093)
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| 研究分担者 |
戸苅 丈仁 公立鳥取環境大学, 環境学部, 准教授 (60803830)
中村 真人 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農村工学研究部門, 上級研究員 (60414463)
山岡 賢 琉球大学, 農学部, 教授 (70373222)
吉田 弦 神戸大学, 農学研究科, 助教 (60729789)
佐野 修司 摂南大学, 農学部, 准教授 (00443523)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
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| キーワード | メタン発酵 / バイオマス / 浄化槽 / 液肥 / 太陽光 / 浄化槽汚泥 / 模擬生ごみ / 光照射培養 / 栽培試験 / バイオガス / 下水汚泥 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
地方の小規模施設を対象に生活排水および廃棄物（生ごみなど）の個別処理の仕組みを抜本的に見直し、「集約メタン発酵を核としたバイオガス回収・直接肥料利用などを組み合わせた地域内の資源・エネルギー循環システム」の実現を目指す。新たな微生物活用手法として、乳酸発酵による浄化槽汚泥と生ごみの回収一体化、および光合成微生物によるメタン発酵汚泥の肥料価値向上に取り組み、導入効果を評価する。
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| 研究実績の概要 |
1）乳酸発酵による浄化槽汚泥および生ごみ収集の一体化
生ごみの乳酸発酵による浄化槽内貯留および前処理手法の開発に関連して、引抜頻度が数ヶ月の場合の浄化槽汚泥にはトイレットペーパー由来の成分が含まれていた。そこで浄化槽内に貯蔵される廃棄物系バイオマスとして、トイレットペーパーに着目して、同様の貯留実験を実験室規模の反応器を用いて行った。その結果、初期pHが4付近の場合、トイレットペーパーが分解されなかったと考えられた。また、乳酸濃度の増加も観察された。初期pHが6付近の場合、トイレットペーパーはメタン、酪酸などに分解された。乳酸発酵状況を制御することで、生活排水中のトイレットペーパーからのエネルギー回収が期待できることが示された。
2）光合成微生物によるメタン発酵汚泥の肥料価値向上
肥料高品質化技術の開発として、下水汚泥由来の光合成微生物を人工基質を用いて人工気象器内で長期的に培養した結果、Rhodospirillum属近縁種が優占している集積培養液が得られている。光合成微生物の増殖状況を把握する方法として、カロテノイドや遺伝子解析の適用性が確認されている。そこで、人工培地や実際の下水由来試料を用いる培養実験を人工気象器内で行いながら、特に対数増殖相に着目して、実下水試料の性状や混在物質が比増殖速度に及ぼす影響を考察した。定期的に基質を交換する連続培養実験では、異なる基質濃度条件を設定した。そして、連続培養時の基質濃度および水理学的滞留時間の影響を考察するために、モデル式を構築した。
基質である酢酸濃度と比増殖速度の関係を解析したところ、酢酸濃度に関する半飽和定数は1,100 mg/Lであった。求めた値を当てはめたモデル計算により、光合成微生物の増殖に関する実験結果を概ね再現でき、安定した増殖には水理学的滞留時間4.7日以上が必要であることが示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
浄化槽での貯蔵実験では、トイレットペーパーに着目して、適切な植種を行うことで、生活排水由来の微生物混在下でも乳酸発酵が安定しバイオガス発生率を確保できることが示された。光合成微生物の増殖特性については、モデル化を行うことで、一般化することができた。これらより、提案システムの特性を評価する基礎的知見がが示され、おおむね順調に進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
生ごみの乳酸発酵による浄化槽内貯留および前処理手法の開発に関連して、浄化槽内の微生物反応を管理する指標としての酸化還元電位の意義について調査する。メタン発酵が進行する環境下では酸化還元電位が低くなるのに対して、好気条件下では酸化還元電位が高まる。本研究においては、浄化槽内でのメタン生成を抑制することを想定しており、そのための酸化還元電位の指標としての意義を確認する。また提案システム導入効果として、浄化槽汚泥や生ごみのメタン発酵施設への運搬、メタン発酵施設でのエネルギー回収効率などをふまえたエネルギー収支を算出して、生ごみ収集頻度を変化させる場合の影響などを含めて、従来技術と比較する。
光合成微生物によるメタン発酵汚泥の肥料価値向上として、下水汚泥由来の光合成微生物を人工基質を用いて人工気象器内で長期的に培養した結果、Rhodospirillum属近縁種が優占している集積培養液が得られている。人工培地や実際の下水由来試料を用いる培養実験を人工気象器内で行いながら、カロテノイドや遺伝子数の測定により、増殖状況を表現しうる数理モデルとして整理する。特に嫌気性消化汚泥に含まれるアンモニア性窒素が増殖に及ぼす影響について、重点的に調査する。
肥料の評価および管理手法の検討として、実下水試料で培養した光合成微生物を含む汚泥を対象に、栽培試験により肥料性能を確認する。農地に施用された汚泥の有機物形態の評価のため、土壌からのリン酸緩衝液抽出や加温抽出などの方法論の検討を引き続き行う。また処理施設が位置する地域の状況を考慮しながら、消化汚泥の肥料利用の適用性を試算する。
これらの成果をふまえて、提案システムの導入効果を評価する。
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