紙ごみ処理方法
【課題】被処理物を紙ごみのみとして、効率よく生物化学的処理を行うことができる紙ごみの処理方法を提供する。
【解決手段】メタン発酵液４の入った密閉構造の処理槽７に、作用電極９、対電極１０及び参照電極１１を備えた定電位設定装置１２を設け、メタン発酵液に紙ごみを添加し、参照電極を用いて、作用電極の電位を水の電気分解が生じることなく還元反応が生じ得る電位に制御することにより、微生物の増殖を促進し、紙ごみのみで効率的に分解処理するようにした。
【解決手段】メタン発酵液４の入った密閉構造の処理槽７に、作用電極９、対電極１０及び参照電極１１を備えた定電位設定装置１２を設け、メタン発酵液に紙ごみを添加し、参照電極を用いて、作用電極の電位を水の電気分解が生じることなく還元反応が生じ得る電位に制御することにより、微生物の増殖を促進し、紙ごみのみで効率的に分解処理するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙ごみ処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、紙ごみを生物学的に分解するのに好適な紙ごみ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙ごみは、分別・破砕等の物理的手段と脱インク処理等を含む化学的手段とにより再生処理される一方で、廃棄されて焼却処理されているものも大量に存在している。また、最近では、紙ごみを生物学的に分解（消化）処理する手法も提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、紙ごみを生ごみとともに被処理物として嫌気性消化処理する方法が提案されている。具体的には、可溶性水素発酵処理とメタン発酵処理の組み合わせで嫌気性消化処理を行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５５５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、紙ごみを処理しているとは言え、生ごみ１００質量部（含水率約８０％）に対して、紙ごみを３０質量部以下、好ましくは２０質量部以下とする必要があり、紙ごみが多すぎると発酵原料が固形状となって消化処理があまり進まないことが記載されている（特許文献１の段落[００１３]参照）。したがって、特許文献１に記載の方法では、十分な量の紙ごみを処理できるとは言えず、紙ごみの生物学的な分解処理方法としては現実的なものとは言えなかった。
【０００６】
また、特許文献１に記載された方法では、紙ごみを処理するために生ごみが必要となることから、紙ごみの処理を行う現場に生ごみを運搬したり保管したりするためのコスト等が発生し、紙ごみ処理の総コストを増大させてしまうことが懸念されていた。また、現場に生ごみがあると、その悪臭が漂うことから、その対策を講じる必要もあった。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載された方法では、二つの異なる生物処理槽が必要となることから、装置構成が複雑化すると共に、それぞれの槽を好適な条件に管理するためのコストや手間がかかるという問題があった。また、二つの異なる生物処理槽を設置するためのコストや設置スペースの確保を必要とすることも問題であった。
【０００８】
本発明は、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、二つの異なる生物処理槽を必要とすることなく、一つの生物処理槽のみで紙ごみを分解処理することのできる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため、本願発明者等が鋭意研究を行った結果、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、この電極の電位をある一定の範囲に制御することによって、紙ごみを極めて効率よく分解できることを知見し、本願発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、請求項１に記載の紙ごみ処理方法は、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、電極の電位を水の電気分解が生じることなく前記電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、紙ごみを分解処理するようにしている。
【００１２】
ここで、請求項２に記載したように、請求項１に記載の紙ごみ処理方法において、メタン発酵液に接触させた電極を作用電極とし、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することが好ましい。
【００１３】
また、請求項３に記載したように、請求項１に記載の紙ごみ処理方法において、メタン発酵液に接触させた電極を作用電極とし、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することが好ましい。
【００１４】
ここで、請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法においては、請求項４に記載したように、作用電極の電位は、銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．９Ｖに制御することが好ましく、請求項５に記載したように−０．６Ｖ〜−０．８Ｖに制御することがより好ましい。
【００１５】
次に、本発明のメタンガス回収方法は、請求項１〜５のいずれか１つに記載の紙ごみ処理方法の実施に伴って生成されるメタンガスを回収するようにしている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の紙ごみ処理方法によれば、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる。したがって、従来のように紙ごみを生ごみと共に処理せずとも紙ごみのみで効率よく生物学的分解処理を行うことができるので、生ごみの運搬や保管に関する手間やコストの問題、悪臭対策に関する問題を解消することができる。
【００１７】
また、本発明の紙ごみ処理方法によれば、メタン発酵液に電極を接触させ、電極の電位を一定範囲に制御すれば、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる。したがって、従来のように二つの異なる生物処理槽を必要とすることなく、一つの生物処理槽のみで紙ごみを分解処理することができ、紙ごみを分解処理するための装置構成を複雑化することがない。また、二つの異なる生物処理槽を好適な条件に管理するためのコストや手間を省くことができる。さらには、二つの異なる生物処理槽を設置するためのコストや設置スペースも必要としないという利点もある。
【００１８】
本発明のメタンガス回収方法によれば、本発明の紙ごみ処理方法により紙ごみが有機性基質として利用された結果として生じるメタンガスを回収することができる。したがって、紙ごみの分解処理を行いながらも、それにより生じるメタンガスの有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】各種設定電位におけるＳＳ除去効率を示す図である。
【図２】各種設定電位におけるメタンガス生成量（累積）の経時変化を示す図である。
【図３】各種設定電位における発酵液の揮発性脂肪酸濃度の経時変化を示す図である。
【図４】各種設定電位における発酵液中の菌数の経時変化を示す図である。
【図５】Ｔ−ＲＦＬＰ法により各種設定電位における発酵液中の細菌叢を解析した結果を示す図である。
【図６】Ｔ−ＲＦＬＰ法により各種設定電位における発酵液中の古細菌叢を解析した結果を示す図である。
【図７】第一の実施形態Ａにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｂにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図９】第一の実施形態Ｃにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１０】第一の実施形態Ｄにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１１】第二の実施形態にかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１２】実施例において使用した処理装置を示す図である。
【図１３】本発明の処理方法を実施するための処理装置の他の構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
本発明の紙ごみ処理方法は、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、電極の電位を水の電気分解が生じることなく電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、紙ごみを分解処理するようにしている。
【００２２】
本発明の紙ごみ処理方法は、例えば図７〜図１１に示す処理装置により実施される。以下、本発明の第一の実施形態を図７〜図１０に基づいて説明し、本発明の第二の実施形態を図１１に基づいて説明する。
【００２３】
＜第一の実施形態＞
第一の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。
【００２４】
第一の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、例えば図７〜図１０に示す処理装置１により実施される。即ち、図７〜図１０に示す処理装置１は、イオン交換膜６によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を処理槽７とし、他方の槽を対電極槽８とし、処理槽７にはメタン発酵液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が浸され、作用電極９と対電極１０は定電位設定装置１２に結線され、作用電極９の電位を３電極方式で制御するようにしている。
【００２５】
このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。
【００２６】
また、図７〜図１０に示す処理装置１では、処理槽７内のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するメタンガスを含むバイオガスを処理槽７の外（処理装置１の外）へ導くガス排出管１５ａを備え、このガス排出管１５ａをバルブ１５ｂにより開閉可能としたガス回収手段１５により、処理槽７内のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法に限定されない。例えば、ガス回収手段１５を備えることなく、処理槽７の上部に開口部を設けて合成ゴム等（例えばシリコーンゴム）の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、処理槽７からバイオガスが漏れ出すことがない。
【００２７】
さらに、図７〜図１０に示す処理装置１では、処理槽７内のメタン発酵液４の液面よりも下部に、処理槽７内のメタン発酵液４を処理槽７の外に導くメタン発酵液排出管１６ａを備え、このメタン発酵液排出管１６ａをバルブ１６ｂにより開閉可能としたメタン発酵液採取手段１６により、処理槽７内からメタン発酵液４を採取するようにしている。但し、メタン発酵液４の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、メタン発酵液採取手段１６を備えることなく、処理槽７に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺してメタン発酵液４を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端をメタン発酵液４に浸けて、管を介してメタン発酵液４を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、処理槽７からバイオガスが漏れ出すことはない。
【００２８】
また、ガス回収手段１５やメタン発酵液採取手段１６とは別に、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、処理槽７の外部からメタン発酵液４に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、メタン発酵液に栄養源、中和剤、メタン発酵汚泥等の物質を必要に応じて添加することができる。勿論、紙ごみをこの導入管から供給することもできる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできる。但し、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段１５やメタン発酵液採取手段１６をメタン発酵液４に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んでメタン発酵液４に物質を添加・供給するようにしてもよい。
【００２９】
以下、図７に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ａとして説明し、図８に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｂとして説明し、図９に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｃとして説明し、図１０に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｄとして説明する。
【００３０】
（第一の実施形態Ａ）
図７に示す処理装置１は、密閉構造の容器２０を処理槽７とし、容器２０に収容可能な密閉構造の小容器２１を対電極槽８とし、小容器２１は少なくとも一部にイオン交換膜６を備えると共にガス（対電極１０から発生するガス）を容器２０の外に排出するガス排出管２２を備えるものとしている。尚、図７に示す処理装置１では、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、ガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしてもよい。
【００３１】
したがって、図７に示す処理装置１によれば、処理槽７からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極槽８から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極槽８から発生したガスがメタン発酵液４に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、処理槽７を密閉構造としているので、処理槽７を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００３２】
また、容器２０に小容器２１を収容することで、容器２０に収容されているメタン発酵液４に小容器２１が浸され、小容器２１の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜６はメタン発酵液４と接触する。換言すれば、メタン発酵液４はイオン交換膜６を介して電解液４ａと接触する。
【００３３】
処理槽７としての密閉構造の容器２０は、対電極槽８としての密閉構造の小容器２１を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を処理槽７として用いるようにしてもよい。
【００３４】
対電極槽８としての密閉構造の小容器２１は、処理槽７としての容器２０に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜６を備えるものとしている。ここで、小容器２１はその全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器２１からのガス（対電極槽８から発生するガス）が容器２０の内部に漏洩しないようにしてもよい。
【００３５】
処理槽７に収容されるメタン発酵液４は、メタン発酵処理が行われている一般的なメタン発酵槽中のメタン発酵液や、メタン発酵槽から採取した汚泥を水で希釈して調製したもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３６】
紙ごみは、処理槽７に添加される。本発明において処理の対象となる紙ごみは、例えば、オフィスや印刷工場、家庭等から排出される廃棄紙がシュレッダーにより裁断された紙ごみ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、紙ごみは、裁断・粉砕してから、例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度に裁断・粉砕してから添加することが好適である。この場合には、紙ごみとメタン発酵液との接触面積が増加して紙ごみを分解させ易くなる。尚、本発明では、紙ごみがメタン発酵の有機性基質となるので、他の有機性基質をメタン発酵液４に添加せずとも、紙ごみの分解処理が起こる。但し、このことは、紙ごみ以外の他の有機性基質の添加を否定するものではない。つまり、本発明では、紙ごみを主成分とする範囲で紙ごみ以外も被処理物として分解処理を行うようにしても構わない。
【００３７】
対電極槽８に収容される電解液４ａは、例えば、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むものとすればよい。尚、通常、メタン発酵液４にもナトリウムイオンやカリウムイオン等が含まれていることから、電解液４ａとしてメタン発酵液４を用いることも可能である。
【００３８】
作用電極９及び対電極１０としては、例えば炭素板等の導電性材料を適宜使用することができる。対電極１０では、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応が進行する。
【００３９】
処理槽７の温度（メタン発酵液４の温度）は、４℃〜１００℃未満とすればよいが、好適には４０℃〜７０℃、より好適には５０℃〜６０℃、さらに好適には５５℃である。
【００４０】
本実施形態では、作用電極９の電位を水の電気分解が生じることなく作用電極９にて還元反応が生じ得る電位に制御しながら紙ごみ分解処理を行う。具体的には、作用電極９において還元反応を生じさせるために、作用電極９の電位を、作用電極９への電位無印加時のメタン発酵液４の溶液電位（酸化還元電位）よりもマイナス側に大きな電位で且つ水の電気分解が生じる電位よりも絶対値基準で小さい電位に制御する。即ち、電位無印加時の作用電極９と参照電極１１の間の電位差が、作用電極９への電位無印加時のメタン発酵液４の溶液電位に相当するので、その値よりもマイナス側に大きな電位を作用電極９に印加することで、作用電極９において還元反応を進行させることができる。そして、この条件を満たす電位で且つ水の電気分解が生じる電位よりも絶対値基準で小さい電位に制御することで、水の電気分解により消費されるプロトンによってｐＨの変動が生じることなく、本発明の効果が確実に奏される。より具体的には、銀・塩化銀電極電位基準では、作用電極９への電位無印加時は、メタン発酵液４の溶液電位は−０．５Ｖ程度であり、水の電気分解は作用電極９の電位が−０．９Ｖよりもマイナス側に大きくなると生じ易くなるので、−０．５Ｖ超（−０．５Ｖよりもマイナス側に大きな電位）〜−０．９Ｖ、好ましくは−０．６Ｖ〜−０．９Ｖ、より好ましくは−０．６Ｖ〜−０．８Ｖ、さらに好ましくは−０．８Ｖである。
【００４１】
作用電極９の電位を上記範囲に設定すると、作用電極９から電子が放出されてこの電子がメタン発酵液４中の微生物群に直接的あるいは間接的に供給され、水素資化性メタン菌であるメタノサーモバクター（Methanothermobactor）属の微生物の増殖が促進される。そして、水素資化性メタン菌の増殖が促進されると、紙ごみの分解により生じる最終生成物たる水素の消費が促進されることになり、その結果として紙ごみの分解反応が促進されることとなる。また、水素資化性メタン菌の増殖が促進されれば、当然に水素を原料とするメタン生成反応が促進される。したがって、紙ごみの分解速度さらにはメタンガス生成速度を、電位制御を行うことなく単にメタン発酵液に紙ごみを添加した場合よりも大幅に向上させることができる。
【００４２】
また、本願発明者等の実験によれば、作用電極９の電位を上記範囲に設定することで、メタン発酵液中の細菌群集を多様化させながら増殖させることができることが確かめられたことから、このことが紙ごみの分解速度の向上さらにはメタンガス生成速度の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。
【００４３】
さらには、作用電極９の電位を上記範囲に設定することで、メタン発酵液４中の微生物コミュニティーの安定化が起こり、このことが紙ごみの分解速度の向上さらにはメタンガス生成速度の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。
【００４４】
本発明の効果は、イオン交換膜６を備えることで得られ易くなる。即ち、イオン交換膜６を備えることで、メタン発酵液４に存在する微生物を対電極槽８に移動（拡散）させることなく、処理槽７側に留めることができる。したがって、対電極１０の酸化反応に伴う微生物からの電子の引き抜きを防ぎながら、作用電極９から微生物へ電子を供給することができるので、本発明の効果をより得られ易くなる。
【００４５】
また、イオン交換膜６を備えることで、作用電極９の電位を制御したときに、メタン発酵液４と電解液４ａとの間でのイオン電流の流れが許容されるので、メタン発酵液４の電荷バランスを維持しながら、作用電極９の電位を制御し続けることができる。
【００４６】
さらに、酸化還元物質３をメタン発酵液４に添加することで、メタン発酵液４の溶液電位の制御性を高めて、メタン発酵液４の溶液電位を作用電極９の電位に近づけ易くなる。そして、イオン交換膜６を備えることで、メタン発酵液４に含まれている酸化還元物質３の電解液４ａへの透過を防ぐことができる。例えば、イオン交換膜６として、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、酸化還元物質３が鉄イオンである場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンはイオン交換膜６を透過しないことから、酸化還元物質を電解液４ａに透過させることなく、メタン発酵液４中に留まらせることができる。したがって、作用電極９の電位を制御すると、それに応じてメタン発酵液４中の酸化還元物質３の酸化体と還元体の濃度比が変化し、作用電極９の電位によるメタン発酵液４の溶液電位の追随性が向上する。
【００４７】
酸化還元物質３としては、メタン発酵液４に浸されている作用電極９と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つメタン発酵液４に生息している微生物に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンをメタン発酵液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させてメタン発酵液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＴＰＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、テトラエチレントリアミン（ＴＥＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものをメタン発酵液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質３によりメタン発酵液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質３は上記した物質に限定されるものではない。
【００４８】
尚、メタン発酵液４には、通常、酸化還元物質が含まれていることから、上記の酸化還元物質を随意に添加せずともよい。特に、本発明では、少なくとも作用電極９の近傍のメタン発酵液４の溶液電位を制御できれば、作用電極９から微生物への電子の供給が生じて本発明の効果が得られるので、酸化還元物質３の添加は必須ではない。
【００４９】
（第一の実施形態Ｂ）
【００５０】
図８に示す処理装置１は、上方が開放されている容器２３をイオン交換膜６で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、処理槽７としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材２４により塞がれているものとしている。つまり、図８に示す処理装置１は、対電極槽８から発生するガスを処理槽７に漏れ出さないようにする構成以外は、図７と同一の構成としている。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５１】
ガス不透過膜またはガス不透過部材２４としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜６を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００５２】
尚、対電極槽８については、開放したままでもよいが、処理槽７と同様に密閉構造とし、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００５３】
（第一の実施形態Ｃ）
図９に示す処理装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２５ａと２５ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＵ字型の容器２５が形成され、一方の容器２５ａを密閉構造として処理槽７とし、他方の容器２５ｂを開放して対電極槽８としている。この場合、メタン発酵液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、処理槽７のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２５自体のＵ字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器２５ａが密閉構造とされていることから、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に侵入するのを防ぎながら、処理槽７から発生するバイオガスが処理槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５４】
尚、図９に示す処理装置１における他方の容器２５ｂの開放とは、例えば他方の容器２５ｂの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２５ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００５５】
（第一の実施形態Ｄ）
図１０に示す処理装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２６ａと２６ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＨ字型の容器２６が形成され、一方の容器２６ａを密閉構造として処理槽７とし、他方の容器２６ｂを開放して対電極槽８としている。この場合にも、メタン発酵液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、処理槽７のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２６自体のＨ字型構造によって隔てて配置される。そして、Ｈ字型容器２６の一方の容器２６ａが密閉構造とされていることから、処理槽７は密閉構造となる。したがって、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に侵入するのを防ぎながら、処理槽７から発生するバイオガスが処理槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５６】
尚、本実施形態における他方の容器２６ｂの開放とは、容器２６を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２６ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００５７】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における紙ごみ処理方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
【００５８】
しかしながら、第一の実施形態のように電解液４ａを用いずとも、作用電極９と対電極１０との間でイオン交換膜６を介してイオン電流は流れる。また、メタン発酵液４中の微生物を対電極１０側に移動（拡散）させることなく、処理槽７に留める効果も得られる。さらには、メタン発酵液４中の酸化還元物質３を対電極１０側に透過させない効果も得られる。したがって、第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法によれば、第一の実施形態と同様の電位制御条件で、同様の効果を得ることが可能である。
【００５９】
第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、例えば図１１に示す処理装置により実施される。図１１に示す処理装置１は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器５内に作用電極９と参照電極１１が配置され、容器５の外側に対電極１０が配置され、容器５にメタン発酵液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１がメタン発酵液４に浸され、容器４のイオン交換膜６は容器５にメタン発酵液４が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜６と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜６のメタン発酵液４の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。図１１に示す処理装置１では、容器５のメタン発酵液４の液面よりも下部に開口部５ａが設けられ、開口部５ａがイオン交換膜６で塞がれ、容器５の外側のイオン交換膜６の表面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。つまり、図１１に示す処理装置１では、容器５全体が処理槽７として機能することとなる。
【００６０】
したがって、図１１に示す処理装置１によれば、容器５からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極１０から発生するガスが容器５内に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極１０から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極１０から発生したガスがメタン発酵液４に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、容器５を密閉構造としているので、容器５内を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００６１】
尚、図１１に示す処理装置１では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段１５、メタン発酵液採取手段１６を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、メタン発酵液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。
【００６２】
以下、図１１に示す処理装置１の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。
【００６３】
容器５は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器５の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図１１では、密閉構造の容器５のメタン発酵液４の液面よりも下部に設けられた開口部５ａをイオン交換膜６により塞ぐようにしているが、容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば容器５全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばメタン発酵液４とメタン発酵液４中の成分（微生物を含む）の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器５に収容されるメタン発酵液４が容器５の少なくとも一部を構成するイオン交換膜６と接触しうる構造の容器とすればよい。
【００６４】
対電極１０は、イオン交換膜６のメタン発酵液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極１０は板状の炭素電極としているが、対電極１０の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜６との接触が可能な形状であり、且つ作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させることが可能な材質、つまり、作用電極９において還元反応が生じる際に酸化反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。また、本実施形態では、対電極１０の面積をイオン交換膜６の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにし、イオン交換膜６と対電極１０とを接触させるようにしているが、イオン交換膜６のメタン発酵液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０を接触させれば、イオン交換膜６を介してメタン発酵液４から対電極１０にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにしてイオン交換膜６と対電極１０とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うことで、対電極１０をイオン交換膜６の保護材としても機能させることができると共に、メタン発酵液４からのイオンの伝達面が増大する結果として、メタン発酵液４の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆う方法としては、例えば、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０を接着することにより、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよいし、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜６を接着することにより、開口部５ａをイオン交換膜６で塞ぎつつ、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜６を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極１０の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜６を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜６の対電極１０の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。
【００６５】
ここで、対電極１０は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜６と対電極１０との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極１０を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜６を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜６と対電極１０との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。
【００６６】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００６７】
例えば、上述の実施形態では、作用電極９を一つしか配置していなかったが、これを複数本配置するようにしてもよい。この場合、作用電極９とメタン発酵液４との接触面積が増加するので、メタン発酵液４中の微生物に電子がより多く供給されやすくなり、紙ごみの分解速度を向上させ、さらにはメタン生成速度を向上させることができる。
【００６８】
また、上述の実施形態では、イオン交換膜６を備えた処理装置により本発明の紙ごみ処理方法を実施するようにしていたが、イオン交換膜６を備えていない処理装置により本発明の紙ごみ処理方法を実施できる場合もある。即ち、メタン発酵液４に作用電極９と対電極１０の双方を接触させると共に、作用電極９と対電極１０との間隔を十分にとることで、対電極１０による電子の引き抜きを防ぎながら紙ごみの処理を行うことができる場合もある。
【００６９】
また、本発明の紙ごみ処理方法を実施するための処理装置は、例えば図１３に示すように、メタン発酵液４と電解質４ａをイオン交換膜６ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材４０で隔て、あるいは処理槽７と対電極槽８を別の容器で形成し、塩橋４１（寒天等にＫＣｌ等の飽和電解質溶液を入れたもの）を介してメタン発酵液４と電解質４ａを接触（液絡）させるようにしてもよい。この場合にも、メタン発酵液４中の微生物の対電極槽８への移動を防ぐことができるので、対電極１０からの電子の引き抜きを防ぐことができ、しかも、塩橋によってイオン電流の流れが許容される。また、メタン発酵液４に含まれる酸化還元物質３についても対電極槽８に透過しないので、メタン発酵液４の溶液電位の制御性も確保される。
【実施例】
【００７０】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。尚、以降の説明における設定電位は、銀・塩化銀電極電位を基準とする値である。
【００７１】
（実施例１）
１．実験装置及び実験方法
本実施例において使用した実験装置の断面図を図１２に示す。２５０ｍＬ容の２つのガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）のうちの一方を処理槽２６ａとし、他方を対電極槽２６ｂとし、下部開口部において陽イオン交換膜（ナフィオン１１７、デュポン製）６を介して２つのバイアル瓶を接続し、Ｈ字型の容器２６とした。また、処理槽２６ａには排出部１６と供給部１５を設けた。処理槽２６ａには蓋をし、蓋の上面にシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を処理槽２６ａの外から内に貫通させた際の密閉性を確保した。また、蓋の上面のシリコーンゴム栓に管３３を通し、処理槽２６ａの発酵液４の液面の上部の空間（ヘッドスペース）のガスを管３３の一端から排出して、管３３の他端に接続された袋３４にメタンガスを含むバイオガスを回収するようにした。
【００７２】
対電極槽２６ｂには、電解液４ａを収容すると共に対電極１０（２．５ｃｍ×７．５ｃｍ×０．３ｃｍの板状炭素電極）を収容して電解液４ａに浸した。対電極槽２６ｂも蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、シリコーンゴム栓にガス排出管２２を貫通させた。そして、対電極１０と定電位設定装置１２を結線するための配線３１をガス排出管２２に通した。ガス排出管２２は両端が開口されており、一端を対電極槽２６ｂの内部に、他端を対電極槽２６ｂの外側に配置するようにして、対電極槽２６ｂで発生するガスが対電極槽２６ｂの外側に排出されるようにした。
【００７３】
処理槽２６ａには、メタン発酵液４を収容すると共に作用電極９（２．５ｃｍ×７．５ｃｍ×０．３ｃｍの板状炭素電極）を収容してメタン発酵液４に浸した。作用電極９から定電位設定装置１２への配線はシリコーンゴム栓を通して処理槽２６ａの外側に引き出した。参照電極１１（銀・塩化銀電極、ＨＳ−２０５Ｃ、東亜ディーケーケー社製）は処理槽２６ａの外側からシリコーンゴム栓に差し込んで、発酵液４と接触させた。作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の定電位設定装置（ポテンシオスタット、ＰＳ−０８Ｐ、東方技研製）１２に結線して、作用電極９の電位を制御した。
【００７４】
メタン発酵液４は、以下の組成の溶液２５０ｍＬに対し、一般的なメタン発酵槽から採取したメタン発酵汚泥を２ｍＬ添加して調製した。但し、メタン発酵汚泥は、実験開始直前に処理槽２６ａを窒素ガスで満たして嫌気雰囲気としてから添加した。濾紙はアドバンテック製、Type 5Aを使用した。酵母エキスは和光純薬工業株式会社製のものを使用し、ＤＳＭＺミディアム１３１微量元素溶液（以下、微量元素溶液と呼ぶ）及びＤＳＭＺミディアム１４１ビタミン溶液（以下、ビタミン溶液と呼ぶ）はＤＳＭＺ（Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen）製のものを使用した。
［溶液の組成］
濾紙 ：１０ｇ／Ｌ
ＫＨ２ＰＯ４ ：０．８ｇ／Ｌ
Ｋ２ＨＰＯ４ ：１．６ｇ／Ｌ
ＮＨ４Ｃｌ ：１ｇ／Ｌ
ＮａＨＣＯ３ ：２ｇ／Ｌ
ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ： ０．１ｇ／Ｌ
ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ： ０．２ｇ／Ｌ
ＮａＣｌ： ０．８ｇ／Ｌ
酵母エキス： １ｇ／Ｌ
微量元素溶液： １０ｍＬ／Ｌ
ビタミン溶液： １０ｍＬ／Ｌ
【００７５】
また、メタン発酵液４には、２，６−アントラキノンジスルホン酸（2,6-anthraquinone disulfonate ：AQDS）を０．２ｍＭとなるように添加した。
【００７６】
さらに、メタン発酵液４には、１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨを７．２に調整した。
【００７７】
電解液４ａは、１００ｍＭのＮａＣｌ水溶液とし、これを対電極槽２６ｂに２５０ｍＬ収容した。
【００７８】
処理槽２６ａの運転方式はバッチ培養式とした。即ち、実験中に有機性基質として新たに濾紙を添加することなく、メタン発酵液４をそのまま１週間培養し続けた。運転温度（メタン発酵液温度）は５５℃に維持した。
【００７９】
作用電極９の設定電位は、＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした。尚、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）の場合には、参照電極１１と作用電極９の間の電位差は、−０．５Ｖ程度であり、電位制御を行っていないときのメタン発酵液４の溶液電位（酸化還元電位）は−０．５Ｖ程度であることが確認された。そして、作用電極９の設定電位を、＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖとした場合には、作用電極９で酸化反応が生じていることが確認された。これに対し、作用電極９の設定電位を−０．６Ｖ、−０．８Ｖとした場合には、作用電極９で還元反応が生じていることが確認された。
【００８０】
２．分析方法
（１）化学成分分析
ＳＳ（浮遊固形分量）の分析は、ＪＩＳ Ｋ ０１０２−１４．１（ヤマト製、装置名ＤＮ６３）により実施した。尚、メタン発酵液４の初期ＳＳは添加した濾紙の量に該当する１０ｇ／Ｌである。
【００８１】
Ｓ−ＴＯＣ（可溶性全有機炭素）の分析は、ＴＯＣアナライザー（東レ製、ＴＮＣ−６０００）により実施した。
【００８２】
ＶＦＡ（揮発性脂肪酸）の分析は、液体クロマトグラフィー（GＬサイエンス製、GL-7400）により実施した。
【００８３】
バイオガス生成量を水上置換法により測定し、ガスクロマトグラフィー（GＬサイエンス製、ＧＣ３９０Ｂ）によりバイオガスの組成分析（メタンガスと二酸化炭素）を行った。
【００８４】
濾紙の炭素含有率は、ＣＨＮＳ／Ｏアナライザー（パーキンエルマー製、２４００II）により測定した。
【００８５】
（２）生物学的分析
実験開始から７２時間、定期的にメタン発酵液４を処理槽２６ａから抜き取り、発酵液４の細胞数を光学顕微鏡によりカウントした。
【００８６】
また、メタン発酵液４に含まれる微生物群の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数をリアルタイムＰＣＲを用いて定量分析した。具体的には、メタン発酵液４を遠心分離処理して微生物群を沈降させ、トリス−ＥＤＴＡ緩衝液 （ｐＨ８．０、１００ｍＭ トリスＨＣｌ、４０ｍＭ ＥＤＴＡ）に懸濁した。ＤＮＡはドデシル硫酸ナトリウム及びフェノール−クロロホルム−イソアミルアルコール溶液（２５：２４：１ ｖ／ｖ）の存在下、微生物群から繰り返しビーズを衝突させて抽出し、次いで、抽出ＤＮＡをＱＩＡａｍｐ ＤＮＡミクロキット（キアゲン社製）で精製した。これを、ＴａｑＭａｎ リアルタイムＰＣＲに供して微生物群の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数を定量分析した。プライマー／プローブセットは以下の通りとした。そして、原核生物に関する定量分析結果にメタン菌に関する定量分析結果を加算して、メタン発酵液４に存在していた微生物群全体の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数を求めた。尚、実験に使用したプライマー／プローブセットは、以下の論文に記載されているものである（Takai, K., K. Horikoshi (2000). "Rapid detection and quatification of members of archaeal community by quantitative PCR using fluorogenic probes." Appl. Environ. Microbiol. 66(11): 5066-5072.、Sawayama, S., Tsukahara K, Yagishita T (2006). "Phylogenetic description of immobilized methanogenic community using real-time PCR in a fixed-bed anaerobic digester." Bioresour. Technol. 97(1): 69-76.）。
・原核生物用プライマー／プローブセット：
Uni340F/Uni806R/Uni516F
・メタン菌用プライマー／プローブセットセット：
S-P-MArch-0348-S-a-17/S-D-Arch-0786-A-a-20/S-P-MArch-0515-S-a-25
【００８７】
また、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち古細菌を除く細菌の群集構造と、全菌のうち細菌を除く古細菌の群集構造とを解析した。具体的には、細菌のフォーワードプライマーとして５’末端で6-FAMでラベルされたBa27fを用い、リバースプライマーとしてBa907を用い、古細菌のフォーワードプライマーとしてAr109fを用い、リバースプライマーとして５’末端で6-FAMでラベルされたAr912rtを用いて、50μＬの反応混合物中でＰＣＲを行い、ＰＣＲ単位複製配列物を得た。ＰＣＲ単位複製配列物はWizard SV Gel and PCR Clean-Up System (プロメガ社製)で精製した後、細菌の制限酵素としてMｓｐI(New England BioLabs社製)を用い、古細菌の制限酵素としてTaqI(New England BioLabs社製)を用いて消化した。この精製消化物の内部サイズ標準としてＤＮＡサイズ標準GeneScan-500 ROX Size Standard (Applied Biosystems社製)を用いた。3130xl Genetic Analyzer(Applied Biosystems社製)により、末端断片長多型解析を実行した。尚2％未満の成分については、データから取り除いた。
【００８８】
さらに、細菌を除く古細菌について、クローン解析を行った。具体的には、Ｔ−ＲＦＬＰと同様の条件でＰＣＲを行い、ＰＣＲ産物を精製してｐＧＥＭ−Ｔ Ｅａｓｙ ベクター（プロメガ社製）にライゲートさせた。プラスミドはEscherichia coli JM109細胞に組み込み、そのクローンをランダムに選択して、BigDye Terminator cycle sequencing chemistryを用いたABI 3130xl sequencer（アプライドバイオシステムズ）によりシーケンシングを行った。
【００８９】
３．実験結果
（１）各種設定電位におけるＳＳ除去効率
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるＳＳ除去効率（実験開始から一週間経過後）を図１に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、ＳＳ除去効率を向上できることが明らかとなった。一方、設定電位を＋０．３Ｖ及び−０．３Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌと同程度のＳＳ除去効率となり、設定電位を＋０．０Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌよりもＳＳ除去効率が低下した。この結果から、設定電位を−０．６及び−０．８Ｖとすることで、ＳＳ除去効率を向上できることが明らかとなった。即ち、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、紙ごみの分解効率を向上できることが明らかとなった。
【００９０】
（２）各種設定電位におけるメタンガス生成量の経時変化
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるメタンガス生成量（累積メタンガス生成量）の経時変化を図２に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、メタンガス生成量が増加した。これに対し、設定電位を＋０．３Ｖ、＋０．０Ｖ及び−０．３Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、メタンガス生成量が低下した。この結果から、設定電位を−０．６及び−０．８Ｖとすることで、紙ごみからのメタンガス生成速度を向上できることが明らかとなった。
【００９１】
（３）各種設定電位におけるＶＦＡ濃度の経時変化
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるＶＦＡ（揮発性脂肪酸：酢酸、プロピオン酸及び酪酸等）の濃度の経時変化を図３に示す。設定電位を０．０Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌよりもＶＦＡ濃度が低下したが、それ以外の電位条件ではＶＦＡ濃度が高まる傾向が見られ、−０．６Ｖと−０．８Ｖの場合にＶＦＡ濃度が最も高まった。このことから、−０．６Ｖと−０．８Ｖとすることで、紙ごみを分解してＶＦＡに変換し易くできることが明らかとなった。
【００９２】
（４）実験開始３日目の化学成分分析結果
これまでの結果をより詳細に検討するために実験開始３日目におけるＳＳ除去率とＳ−ＴＯＣを詳細に分析した。結果を表１に示す。
【００９３】
【表１】
【００９４】
尚、表１における炭素回収率（％）は以下の式により計算した。初期炭素は４５７１ｍｇ／Ｌであった。また、式中の「０．４２」は、濾紙中の炭素含有率である。
炭素回収率（％）＝（メタン＋二酸化炭素＋Ｓ−ＴＯＣ＋０．４２ＳＳ）／（初期炭素）
【００９５】
この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、大幅にＳＳ除去率が向上すると共に、Ｓ−ＴＯＣも大幅に向上することが明らかとなった。このことから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、紙ごみの分解速度を大幅に向上することができていることが明らかとなった。
【００９６】
（５）化学分析結果のまとめ
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、紙ごみの分解速度を向上させることができ、さらにはメタンガス生成速度を大幅に向上できることが明らかとなった。そして、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとする条件は、作用電極において、還元反応を生じさせることができる電位であることから、作用電極の設定電位を、作用電極において還元反応が生じる電位に制御することで、本発明の効果を得られることが明らかとなった。
【００９７】
（６）各種設定電位における微生物数の経時変化
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合の微生物数（原核生物の細胞数およびコピー数）の経時変化を図４に示す。図４中、左縦軸は光学顕微鏡観察によりカウントした原核生物の細胞数を示し、右縦軸は定量ＰＣＲにより評価した１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子の１ｍＬ当たりの原核生物のコピー数を示している。実験開始から２４時間経過した後は、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合と、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合とで、徐々に差が出始め、実験開始から２日後（４８時間後）には、設定電位を−０．６Ｖとした場合には電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合の１．５倍程度、設定電位を−０．８Ｖとした場合には電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合の２倍程度の微生物数となることが確認された。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合よりも微生物数を増加させることができ、微生物数の増加量を高める上では、設定電位を−０．８Ｖとすることがより好適であることが明らかとなった。
【００９８】
さらに、実験開始から２日目のメタン発酵液について、メタン菌のコピー数を定量ＰＣＲにより評価した結果を表２に示す。
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２に示される結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には電位制御を行わない場合の５倍程度のメタン菌を検出できたことから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン菌を増殖させる効果が得られることが明らかとなった。また、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には電位制御を行わない場合に比べてメタン菌の割合が増加した。
【０１０１】
（７）Ｔ−ＲＦＬＰ解析結果
実験開始から２日目のメタン発酵液について、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち、古細菌を除く細菌の群集構造を比較した。結果を図５に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には、電位を制御しない場合と比較して、ほぼ同様の傾向で細菌群集が多様化することが明らかとなった。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン発酵液中の細菌群集を多様化させると共に、その数を増加させて、紙ごみの分解速度及びメタンガス生成速度の向上に何らかの影響を及ぼしていることが推定された。
【０１０２】
次に、実験開始から２日目のメタン発酵液について、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち、細菌を除く古細菌の群集構造を比較した。結果を図６に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には、電位を制御しない場合と比較して、９２ｂｐの占有割合が大幅に増加することが確認された。
【０１０３】
そこで、９２ｂｐに該当する古細菌について、クローン解析を行った結果、９２ｂｐに該当する微生物が、Methanothermobactor thermautotrophicusあるいはその近縁種であることが明らかとなった。Methanothermobactor属の微生物は、水素資化性メタン生成菌であることから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン生成菌のうち、水素資化性メタン生成菌をメタン発酵液中において優占的に増殖できることが明らかとなった。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、水素資化性メタン生成菌を優占的に増殖させて、紙ごみの分解速度及びメタンガス生成速度を向上できることが明らかとなった。
【０１０４】
（８）生物分析結果のまとめ
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、メタン発酵液中の菌数を大幅に増殖させることができると共に、水素資化性メタン生成菌であるMethanothermobactor属の微生物の増殖を促進できることが明らかとなった。したがって、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合に得られた紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果は、水素資化性メタン生成菌の増殖に起因するものであることが示唆された。また、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、細菌を増殖できると共に多様化できることが明らかとなったことから、このことも紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果に何らかの形で寄与している可能性が示唆された。
【０１０５】
（９）まとめ
以上の結果から、作用電極の設定電位を作用電極において還元反応が生じる電位、換言すれば、作用電極がカソードとして機能する電位に制御することで、紙ごみの分解速度とメタンガス生成速度を、電位を制御せずに単にメタン発酵液に紙ごみを添加した場合と比較して大幅に向上できることが明らかとなった。具体的には、作用電極の電位を制御していないとき（電位無印加時）のメタン発酵液の電位よりもマイナス側に大きくすれば、作用電極で還元反応を生じさせてカソードとして機能させることができる。そして、水の電気分解は、一般に作用電極に−０．９Ｖよりもマイナス側に大きな電位を印加すると生じ易くなることから、絶対値基準で−０．９Ｖよりも小さい電位とすることが好ましい。
【０１０６】
したがって、具体的には、作用電極の電位を制御していないとき（電位無印加時）のメタン発酵液の電位は、一般的には−０．５Ｖ程度であることから、作用電極の電位を、−０．５Ｖ超（−０．５Ｖよりもマイナス側に大きな電位）〜−０．９Ｖとすればよく、−０．６Ｖ〜−０．９Ｖとすることが好ましく、−０．６Ｖ〜−０．８Ｖとすることがより好ましく、−０．８Ｖとすることがさらに好ましいことが明らかとなった。
【符号の説明】
【０１０７】
４ メタン発酵液
４ａ 電解液
６ イオン交換膜
９ 作用電極
１０ 対電極
１１ 参照電極
１２ 定電位設定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紙ごみ処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、紙ごみを生物学的に分解するのに好適な紙ごみ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙ごみは、分別・破砕等の物理的手段と脱インク処理等を含む化学的手段とにより再生処理される一方で、廃棄されて焼却処理されているものも大量に存在している。また、最近では、紙ごみを生物学的に分解（消化）処理する手法も提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、紙ごみを生ごみとともに被処理物として嫌気性消化処理する方法が提案されている。具体的には、可溶性水素発酵処理とメタン発酵処理の組み合わせで嫌気性消化処理を行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５５５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、紙ごみを処理しているとは言え、生ごみ１００質量部（含水率約８０％）に対して、紙ごみを３０質量部以下、好ましくは２０質量部以下とする必要があり、紙ごみが多すぎると発酵原料が固形状となって消化処理があまり進まないことが記載されている（特許文献１の段落[００１３]参照）。したがって、特許文献１に記載の方法では、十分な量の紙ごみを処理できるとは言えず、紙ごみの生物学的な分解処理方法としては現実的なものとは言えなかった。
【０００６】
また、特許文献１に記載された方法では、紙ごみを処理するために生ごみが必要となることから、紙ごみの処理を行う現場に生ごみを運搬したり保管したりするためのコスト等が発生し、紙ごみ処理の総コストを増大させてしまうことが懸念されていた。また、現場に生ごみがあると、その悪臭が漂うことから、その対策を講じる必要もあった。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載された方法では、二つの異なる生物処理槽が必要となることから、装置構成が複雑化すると共に、それぞれの槽を好適な条件に管理するためのコストや手間がかかるという問題があった。また、二つの異なる生物処理槽を設置するためのコストや設置スペースの確保を必要とすることも問題であった。
【０００８】
本発明は、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、二つの異なる生物処理槽を必要とすることなく、一つの生物処理槽のみで紙ごみを分解処理することのできる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため、本願発明者等が鋭意研究を行った結果、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、この電極の電位をある一定の範囲に制御することによって、紙ごみを極めて効率よく分解できることを知見し、本願発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、請求項１に記載の紙ごみ処理方法は、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、電極の電位を水の電気分解が生じることなく前記電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、紙ごみを分解処理するようにしている。
【００１２】
ここで、請求項２に記載したように、請求項１に記載の紙ごみ処理方法において、メタン発酵液に接触させた電極を作用電極とし、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することが好ましい。
【００１３】
また、請求項３に記載したように、請求項１に記載の紙ごみ処理方法において、メタン発酵液に接触させた電極を作用電極とし、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することが好ましい。
【００１４】
ここで、請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法においては、請求項４に記載したように、作用電極の電位は、銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．９Ｖに制御することが好ましく、請求項５に記載したように−０．６Ｖ〜−０．８Ｖに制御することがより好ましい。
【００１５】
次に、本発明のメタンガス回収方法は、請求項１〜５のいずれか１つに記載の紙ごみ処理方法の実施に伴って生成されるメタンガスを回収するようにしている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の紙ごみ処理方法によれば、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる。したがって、従来のように紙ごみを生ごみと共に処理せずとも紙ごみのみで効率よく生物学的分解処理を行うことができるので、生ごみの運搬や保管に関する手間やコストの問題、悪臭対策に関する問題を解消することができる。
【００１７】
また、本発明の紙ごみ処理方法によれば、メタン発酵液に電極を接触させ、電極の電位を一定範囲に制御すれば、被処理物を紙ごみのみとしても生物学的分解処理を十分に進行させることができる。したがって、従来のように二つの異なる生物処理槽を必要とすることなく、一つの生物処理槽のみで紙ごみを分解処理することができ、紙ごみを分解処理するための装置構成を複雑化することがない。また、二つの異なる生物処理槽を好適な条件に管理するためのコストや手間を省くことができる。さらには、二つの異なる生物処理槽を設置するためのコストや設置スペースも必要としないという利点もある。
【００１８】
本発明のメタンガス回収方法によれば、本発明の紙ごみ処理方法により紙ごみが有機性基質として利用された結果として生じるメタンガスを回収することができる。したがって、紙ごみの分解処理を行いながらも、それにより生じるメタンガスの有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】各種設定電位におけるＳＳ除去効率を示す図である。
【図２】各種設定電位におけるメタンガス生成量（累積）の経時変化を示す図である。
【図３】各種設定電位における発酵液の揮発性脂肪酸濃度の経時変化を示す図である。
【図４】各種設定電位における発酵液中の菌数の経時変化を示す図である。
【図５】Ｔ−ＲＦＬＰ法により各種設定電位における発酵液中の細菌叢を解析した結果を示す図である。
【図６】Ｔ−ＲＦＬＰ法により各種設定電位における発酵液中の古細菌叢を解析した結果を示す図である。
【図７】第一の実施形態Ａにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｂにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図９】第一の実施形態Ｃにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１０】第一の実施形態Ｄにかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１１】第二の実施形態にかかる処理装置の一例を示す断面図である。
【図１２】実施例において使用した処理装置を示す図である。
【図１３】本発明の処理方法を実施するための処理装置の他の構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
本発明の紙ごみ処理方法は、電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、電極の電位を水の電気分解が生じることなく電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、紙ごみを分解処理するようにしている。
【００２２】
本発明の紙ごみ処理方法は、例えば図７〜図１１に示す処理装置により実施される。以下、本発明の第一の実施形態を図７〜図１０に基づいて説明し、本発明の第二の実施形態を図１１に基づいて説明する。
【００２３】
＜第一の実施形態＞
第一の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。
【００２４】
第一の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、例えば図７〜図１０に示す処理装置１により実施される。即ち、図７〜図１０に示す処理装置１は、イオン交換膜６によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を処理槽７とし、他方の槽を対電極槽８とし、処理槽７にはメタン発酵液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が浸され、作用電極９と対電極１０は定電位設定装置１２に結線され、作用電極９の電位を３電極方式で制御するようにしている。
【００２５】
このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。
【００２６】
また、図７〜図１０に示す処理装置１では、処理槽７内のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するメタンガスを含むバイオガスを処理槽７の外（処理装置１の外）へ導くガス排出管１５ａを備え、このガス排出管１５ａをバルブ１５ｂにより開閉可能としたガス回収手段１５により、処理槽７内のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法に限定されない。例えば、ガス回収手段１５を備えることなく、処理槽７の上部に開口部を設けて合成ゴム等（例えばシリコーンゴム）の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、処理槽７からバイオガスが漏れ出すことがない。
【００２７】
さらに、図７〜図１０に示す処理装置１では、処理槽７内のメタン発酵液４の液面よりも下部に、処理槽７内のメタン発酵液４を処理槽７の外に導くメタン発酵液排出管１６ａを備え、このメタン発酵液排出管１６ａをバルブ１６ｂにより開閉可能としたメタン発酵液採取手段１６により、処理槽７内からメタン発酵液４を採取するようにしている。但し、メタン発酵液４の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、メタン発酵液採取手段１６を備えることなく、処理槽７に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺してメタン発酵液４を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端をメタン発酵液４に浸けて、管を介してメタン発酵液４を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、処理槽７からバイオガスが漏れ出すことはない。
【００２８】
また、ガス回収手段１５やメタン発酵液採取手段１６とは別に、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、処理槽７の外部からメタン発酵液４に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、メタン発酵液に栄養源、中和剤、メタン発酵汚泥等の物質を必要に応じて添加することができる。勿論、紙ごみをこの導入管から供給することもできる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできる。但し、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段１５やメタン発酵液採取手段１６をメタン発酵液４に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んでメタン発酵液４に物質を添加・供給するようにしてもよい。
【００２９】
以下、図７に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ａとして説明し、図８に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｂとして説明し、図９に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｃとして説明し、図１０に示す処理装置を用いた場合を第一の実施形態Ｄとして説明する。
【００３０】
（第一の実施形態Ａ）
図７に示す処理装置１は、密閉構造の容器２０を処理槽７とし、容器２０に収容可能な密閉構造の小容器２１を対電極槽８とし、小容器２１は少なくとも一部にイオン交換膜６を備えると共にガス（対電極１０から発生するガス）を容器２０の外に排出するガス排出管２２を備えるものとしている。尚、図７に示す処理装置１では、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、ガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしてもよい。
【００３１】
したがって、図７に示す処理装置１によれば、処理槽７からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極槽８から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極槽８から発生したガスがメタン発酵液４に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、処理槽７を密閉構造としているので、処理槽７を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００３２】
また、容器２０に小容器２１を収容することで、容器２０に収容されているメタン発酵液４に小容器２１が浸され、小容器２１の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜６はメタン発酵液４と接触する。換言すれば、メタン発酵液４はイオン交換膜６を介して電解液４ａと接触する。
【００３３】
処理槽７としての密閉構造の容器２０は、対電極槽８としての密閉構造の小容器２１を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を処理槽７として用いるようにしてもよい。
【００３４】
対電極槽８としての密閉構造の小容器２１は、処理槽７としての容器２０に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜６を備えるものとしている。ここで、小容器２１はその全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器２１からのガス（対電極槽８から発生するガス）が容器２０の内部に漏洩しないようにしてもよい。
【００３５】
処理槽７に収容されるメタン発酵液４は、メタン発酵処理が行われている一般的なメタン発酵槽中のメタン発酵液や、メタン発酵槽から採取した汚泥を水で希釈して調製したもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３６】
紙ごみは、処理槽７に添加される。本発明において処理の対象となる紙ごみは、例えば、オフィスや印刷工場、家庭等から排出される廃棄紙がシュレッダーにより裁断された紙ごみ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、紙ごみは、裁断・粉砕してから、例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度に裁断・粉砕してから添加することが好適である。この場合には、紙ごみとメタン発酵液との接触面積が増加して紙ごみを分解させ易くなる。尚、本発明では、紙ごみがメタン発酵の有機性基質となるので、他の有機性基質をメタン発酵液４に添加せずとも、紙ごみの分解処理が起こる。但し、このことは、紙ごみ以外の他の有機性基質の添加を否定するものではない。つまり、本発明では、紙ごみを主成分とする範囲で紙ごみ以外も被処理物として分解処理を行うようにしても構わない。
【００３７】
対電極槽８に収容される電解液４ａは、例えば、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むものとすればよい。尚、通常、メタン発酵液４にもナトリウムイオンやカリウムイオン等が含まれていることから、電解液４ａとしてメタン発酵液４を用いることも可能である。
【００３８】
作用電極９及び対電極１０としては、例えば炭素板等の導電性材料を適宜使用することができる。対電極１０では、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応が進行する。
【００３９】
処理槽７の温度（メタン発酵液４の温度）は、４℃〜１００℃未満とすればよいが、好適には４０℃〜７０℃、より好適には５０℃〜６０℃、さらに好適には５５℃である。
【００４０】
本実施形態では、作用電極９の電位を水の電気分解が生じることなく作用電極９にて還元反応が生じ得る電位に制御しながら紙ごみ分解処理を行う。具体的には、作用電極９において還元反応を生じさせるために、作用電極９の電位を、作用電極９への電位無印加時のメタン発酵液４の溶液電位（酸化還元電位）よりもマイナス側に大きな電位で且つ水の電気分解が生じる電位よりも絶対値基準で小さい電位に制御する。即ち、電位無印加時の作用電極９と参照電極１１の間の電位差が、作用電極９への電位無印加時のメタン発酵液４の溶液電位に相当するので、その値よりもマイナス側に大きな電位を作用電極９に印加することで、作用電極９において還元反応を進行させることができる。そして、この条件を満たす電位で且つ水の電気分解が生じる電位よりも絶対値基準で小さい電位に制御することで、水の電気分解により消費されるプロトンによってｐＨの変動が生じることなく、本発明の効果が確実に奏される。より具体的には、銀・塩化銀電極電位基準では、作用電極９への電位無印加時は、メタン発酵液４の溶液電位は−０．５Ｖ程度であり、水の電気分解は作用電極９の電位が−０．９Ｖよりもマイナス側に大きくなると生じ易くなるので、−０．５Ｖ超（−０．５Ｖよりもマイナス側に大きな電位）〜−０．９Ｖ、好ましくは−０．６Ｖ〜−０．９Ｖ、より好ましくは−０．６Ｖ〜−０．８Ｖ、さらに好ましくは−０．８Ｖである。
【００４１】
作用電極９の電位を上記範囲に設定すると、作用電極９から電子が放出されてこの電子がメタン発酵液４中の微生物群に直接的あるいは間接的に供給され、水素資化性メタン菌であるメタノサーモバクター（Methanothermobactor）属の微生物の増殖が促進される。そして、水素資化性メタン菌の増殖が促進されると、紙ごみの分解により生じる最終生成物たる水素の消費が促進されることになり、その結果として紙ごみの分解反応が促進されることとなる。また、水素資化性メタン菌の増殖が促進されれば、当然に水素を原料とするメタン生成反応が促進される。したがって、紙ごみの分解速度さらにはメタンガス生成速度を、電位制御を行うことなく単にメタン発酵液に紙ごみを添加した場合よりも大幅に向上させることができる。
【００４２】
また、本願発明者等の実験によれば、作用電極９の電位を上記範囲に設定することで、メタン発酵液中の細菌群集を多様化させながら増殖させることができることが確かめられたことから、このことが紙ごみの分解速度の向上さらにはメタンガス生成速度の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。
【００４３】
さらには、作用電極９の電位を上記範囲に設定することで、メタン発酵液４中の微生物コミュニティーの安定化が起こり、このことが紙ごみの分解速度の向上さらにはメタンガス生成速度の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。
【００４４】
本発明の効果は、イオン交換膜６を備えることで得られ易くなる。即ち、イオン交換膜６を備えることで、メタン発酵液４に存在する微生物を対電極槽８に移動（拡散）させることなく、処理槽７側に留めることができる。したがって、対電極１０の酸化反応に伴う微生物からの電子の引き抜きを防ぎながら、作用電極９から微生物へ電子を供給することができるので、本発明の効果をより得られ易くなる。
【００４５】
また、イオン交換膜６を備えることで、作用電極９の電位を制御したときに、メタン発酵液４と電解液４ａとの間でのイオン電流の流れが許容されるので、メタン発酵液４の電荷バランスを維持しながら、作用電極９の電位を制御し続けることができる。
【００４６】
さらに、酸化還元物質３をメタン発酵液４に添加することで、メタン発酵液４の溶液電位の制御性を高めて、メタン発酵液４の溶液電位を作用電極９の電位に近づけ易くなる。そして、イオン交換膜６を備えることで、メタン発酵液４に含まれている酸化還元物質３の電解液４ａへの透過を防ぐことができる。例えば、イオン交換膜６として、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、酸化還元物質３が鉄イオンである場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンはイオン交換膜６を透過しないことから、酸化還元物質を電解液４ａに透過させることなく、メタン発酵液４中に留まらせることができる。したがって、作用電極９の電位を制御すると、それに応じてメタン発酵液４中の酸化還元物質３の酸化体と還元体の濃度比が変化し、作用電極９の電位によるメタン発酵液４の溶液電位の追随性が向上する。
【００４７】
酸化還元物質３としては、メタン発酵液４に浸されている作用電極９と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つメタン発酵液４に生息している微生物に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンをメタン発酵液中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させてメタン発酵液中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＴＰＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、テトラエチレントリアミン（ＴＥＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものをメタン発酵液に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質３によりメタン発酵液の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質３は上記した物質に限定されるものではない。
【００４８】
尚、メタン発酵液４には、通常、酸化還元物質が含まれていることから、上記の酸化還元物質を随意に添加せずともよい。特に、本発明では、少なくとも作用電極９の近傍のメタン発酵液４の溶液電位を制御できれば、作用電極９から微生物への電子の供給が生じて本発明の効果が得られるので、酸化還元物質３の添加は必須ではない。
【００４９】
（第一の実施形態Ｂ）
【００５０】
図８に示す処理装置１は、上方が開放されている容器２３をイオン交換膜６で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、処理槽７としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材２４により塞がれているものとしている。つまり、図８に示す処理装置１は、対電極槽８から発生するガスを処理槽７に漏れ出さないようにする構成以外は、図７と同一の構成としている。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５１】
ガス不透過膜またはガス不透過部材２４としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜６を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００５２】
尚、対電極槽８については、開放したままでもよいが、処理槽７と同様に密閉構造とし、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００５３】
（第一の実施形態Ｃ）
図９に示す処理装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２５ａと２５ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＵ字型の容器２５が形成され、一方の容器２５ａを密閉構造として処理槽７とし、他方の容器２５ｂを開放して対電極槽８としている。この場合、メタン発酵液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、処理槽７のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２５自体のＵ字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器２５ａが密閉構造とされていることから、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に侵入するのを防ぎながら、処理槽７から発生するバイオガスが処理槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５４】
尚、図９に示す処理装置１における他方の容器２５ｂの開放とは、例えば他方の容器２５ｂの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２５ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００５５】
（第一の実施形態Ｄ）
図１０に示す処理装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２６ａと２６ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＨ字型の容器２６が形成され、一方の容器２６ａを密閉構造として処理槽７とし、他方の容器２６ｂを開放して対電極槽８としている。この場合にも、メタン発酵液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、処理槽７のメタン発酵液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２６自体のＨ字型構造によって隔てて配置される。そして、Ｈ字型容器２６の一方の容器２６ａが密閉構造とされていることから、処理槽７は密閉構造となる。したがって、対電極槽８から発生するガスが処理槽７に侵入するのを防ぎながら、処理槽７から発生するバイオガスが処理槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図７に示す処理装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００５６】
尚、本実施形態における他方の容器２６ｂの開放とは、容器２６を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２６ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００５７】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、作用電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、メタン発酵液と対電極をイオン交換膜を介して接触させ、メタン発酵液に作用電極と共に参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における紙ごみ処理方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
【００５８】
しかしながら、第一の実施形態のように電解液４ａを用いずとも、作用電極９と対電極１０との間でイオン交換膜６を介してイオン電流は流れる。また、メタン発酵液４中の微生物を対電極１０側に移動（拡散）させることなく、処理槽７に留める効果も得られる。さらには、メタン発酵液４中の酸化還元物質３を対電極１０側に透過させない効果も得られる。したがって、第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法によれば、第一の実施形態と同様の電位制御条件で、同様の効果を得ることが可能である。
【００５９】
第二の実施形態にかかる紙ごみ処理方法は、例えば図１１に示す処理装置により実施される。図１１に示す処理装置１は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器５内に作用電極９と参照電極１１が配置され、容器５の外側に対電極１０が配置され、容器５にメタン発酵液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１がメタン発酵液４に浸され、容器４のイオン交換膜６は容器５にメタン発酵液４が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜６と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜６のメタン発酵液４の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。図１１に示す処理装置１では、容器５のメタン発酵液４の液面よりも下部に開口部５ａが設けられ、開口部５ａがイオン交換膜６で塞がれ、容器５の外側のイオン交換膜６の表面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。つまり、図１１に示す処理装置１では、容器５全体が処理槽７として機能することとなる。
【００６０】
したがって、図１１に示す処理装置１によれば、容器５からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極１０から発生するガスが容器５内に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極１０から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極１０から発生したガスがメタン発酵液４に溶け込んでメタン発酵に関与する微生物群の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、容器５を密閉構造としているので、容器５内を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００６１】
尚、図１１に示す処理装置１では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段１５、メタン発酵液採取手段１６を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、メタン発酵液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、メタン発酵液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。
【００６２】
以下、図１１に示す処理装置１の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。
【００６３】
容器５は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器５の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図１１では、密閉構造の容器５のメタン発酵液４の液面よりも下部に設けられた開口部５ａをイオン交換膜６により塞ぐようにしているが、容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば容器５全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばメタン発酵液４とメタン発酵液４中の成分（微生物を含む）の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器５に収容されるメタン発酵液４が容器５の少なくとも一部を構成するイオン交換膜６と接触しうる構造の容器とすればよい。
【００６４】
対電極１０は、イオン交換膜６のメタン発酵液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極１０は板状の炭素電極としているが、対電極１０の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜６との接触が可能な形状であり、且つ作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させることが可能な材質、つまり、作用電極９において還元反応が生じる際に酸化反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。また、本実施形態では、対電極１０の面積をイオン交換膜６の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにし、イオン交換膜６と対電極１０とを接触させるようにしているが、イオン交換膜６のメタン発酵液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０を接触させれば、イオン交換膜６を介してメタン発酵液４から対電極１０にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにしてイオン交換膜６と対電極１０とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うことで、対電極１０をイオン交換膜６の保護材としても機能させることができると共に、メタン発酵液４からのイオンの伝達面が増大する結果として、メタン発酵液４の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆う方法としては、例えば、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０を接着することにより、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよいし、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜６を接着することにより、開口部５ａをイオン交換膜６で塞ぎつつ、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜６を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極１０の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜６を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜６の対電極１０の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。
【００６５】
ここで、対電極１０は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜６と対電極１０との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極１０を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜６を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜６と対電極１０との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。
【００６６】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００６７】
例えば、上述の実施形態では、作用電極９を一つしか配置していなかったが、これを複数本配置するようにしてもよい。この場合、作用電極９とメタン発酵液４との接触面積が増加するので、メタン発酵液４中の微生物に電子がより多く供給されやすくなり、紙ごみの分解速度を向上させ、さらにはメタン生成速度を向上させることができる。
【００６８】
また、上述の実施形態では、イオン交換膜６を備えた処理装置により本発明の紙ごみ処理方法を実施するようにしていたが、イオン交換膜６を備えていない処理装置により本発明の紙ごみ処理方法を実施できる場合もある。即ち、メタン発酵液４に作用電極９と対電極１０の双方を接触させると共に、作用電極９と対電極１０との間隔を十分にとることで、対電極１０による電子の引き抜きを防ぎながら紙ごみの処理を行うことができる場合もある。
【００６９】
また、本発明の紙ごみ処理方法を実施するための処理装置は、例えば図１３に示すように、メタン発酵液４と電解質４ａをイオン交換膜６ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材４０で隔て、あるいは処理槽７と対電極槽８を別の容器で形成し、塩橋４１（寒天等にＫＣｌ等の飽和電解質溶液を入れたもの）を介してメタン発酵液４と電解質４ａを接触（液絡）させるようにしてもよい。この場合にも、メタン発酵液４中の微生物の対電極槽８への移動を防ぐことができるので、対電極１０からの電子の引き抜きを防ぐことができ、しかも、塩橋によってイオン電流の流れが許容される。また、メタン発酵液４に含まれる酸化還元物質３についても対電極槽８に透過しないので、メタン発酵液４の溶液電位の制御性も確保される。
【実施例】
【００７０】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。尚、以降の説明における設定電位は、銀・塩化銀電極電位を基準とする値である。
【００７１】
（実施例１）
１．実験装置及び実験方法
本実施例において使用した実験装置の断面図を図１２に示す。２５０ｍＬ容の２つのガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）のうちの一方を処理槽２６ａとし、他方を対電極槽２６ｂとし、下部開口部において陽イオン交換膜（ナフィオン１１７、デュポン製）６を介して２つのバイアル瓶を接続し、Ｈ字型の容器２６とした。また、処理槽２６ａには排出部１６と供給部１５を設けた。処理槽２６ａには蓋をし、蓋の上面にシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を処理槽２６ａの外から内に貫通させた際の密閉性を確保した。また、蓋の上面のシリコーンゴム栓に管３３を通し、処理槽２６ａの発酵液４の液面の上部の空間（ヘッドスペース）のガスを管３３の一端から排出して、管３３の他端に接続された袋３４にメタンガスを含むバイオガスを回収するようにした。
【００７２】
対電極槽２６ｂには、電解液４ａを収容すると共に対電極１０（２．５ｃｍ×７．５ｃｍ×０．３ｃｍの板状炭素電極）を収容して電解液４ａに浸した。対電極槽２６ｂも蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、シリコーンゴム栓にガス排出管２２を貫通させた。そして、対電極１０と定電位設定装置１２を結線するための配線３１をガス排出管２２に通した。ガス排出管２２は両端が開口されており、一端を対電極槽２６ｂの内部に、他端を対電極槽２６ｂの外側に配置するようにして、対電極槽２６ｂで発生するガスが対電極槽２６ｂの外側に排出されるようにした。
【００７３】
処理槽２６ａには、メタン発酵液４を収容すると共に作用電極９（２．５ｃｍ×７．５ｃｍ×０．３ｃｍの板状炭素電極）を収容してメタン発酵液４に浸した。作用電極９から定電位設定装置１２への配線はシリコーンゴム栓を通して処理槽２６ａの外側に引き出した。参照電極１１（銀・塩化銀電極、ＨＳ−２０５Ｃ、東亜ディーケーケー社製）は処理槽２６ａの外側からシリコーンゴム栓に差し込んで、発酵液４と接触させた。作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の定電位設定装置（ポテンシオスタット、ＰＳ−０８Ｐ、東方技研製）１２に結線して、作用電極９の電位を制御した。
【００７４】
メタン発酵液４は、以下の組成の溶液２５０ｍＬに対し、一般的なメタン発酵槽から採取したメタン発酵汚泥を２ｍＬ添加して調製した。但し、メタン発酵汚泥は、実験開始直前に処理槽２６ａを窒素ガスで満たして嫌気雰囲気としてから添加した。濾紙はアドバンテック製、Type 5Aを使用した。酵母エキスは和光純薬工業株式会社製のものを使用し、ＤＳＭＺミディアム１３１微量元素溶液（以下、微量元素溶液と呼ぶ）及びＤＳＭＺミディアム１４１ビタミン溶液（以下、ビタミン溶液と呼ぶ）はＤＳＭＺ（Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen）製のものを使用した。
［溶液の組成］
濾紙 ：１０ｇ／Ｌ
ＫＨ２ＰＯ４ ：０．８ｇ／Ｌ
Ｋ２ＨＰＯ４ ：１．６ｇ／Ｌ
ＮＨ４Ｃｌ ：１ｇ／Ｌ
ＮａＨＣＯ３ ：２ｇ／Ｌ
ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ： ０．１ｇ／Ｌ
ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ： ０．２ｇ／Ｌ
ＮａＣｌ： ０．８ｇ／Ｌ
酵母エキス： １ｇ／Ｌ
微量元素溶液： １０ｍＬ／Ｌ
ビタミン溶液： １０ｍＬ／Ｌ
【００７５】
また、メタン発酵液４には、２，６−アントラキノンジスルホン酸（2,6-anthraquinone disulfonate ：AQDS）を０．２ｍＭとなるように添加した。
【００７６】
さらに、メタン発酵液４には、１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨを７．２に調整した。
【００７７】
電解液４ａは、１００ｍＭのＮａＣｌ水溶液とし、これを対電極槽２６ｂに２５０ｍＬ収容した。
【００７８】
処理槽２６ａの運転方式はバッチ培養式とした。即ち、実験中に有機性基質として新たに濾紙を添加することなく、メタン発酵液４をそのまま１週間培養し続けた。運転温度（メタン発酵液温度）は５５℃に維持した。
【００７９】
作用電極９の設定電位は、＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした。尚、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）の場合には、参照電極１１と作用電極９の間の電位差は、−０．５Ｖ程度であり、電位制御を行っていないときのメタン発酵液４の溶液電位（酸化還元電位）は−０．５Ｖ程度であることが確認された。そして、作用電極９の設定電位を、＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖとした場合には、作用電極９で酸化反応が生じていることが確認された。これに対し、作用電極９の設定電位を−０．６Ｖ、−０．８Ｖとした場合には、作用電極９で還元反応が生じていることが確認された。
【００８０】
２．分析方法
（１）化学成分分析
ＳＳ（浮遊固形分量）の分析は、ＪＩＳ Ｋ ０１０２−１４．１（ヤマト製、装置名ＤＮ６３）により実施した。尚、メタン発酵液４の初期ＳＳは添加した濾紙の量に該当する１０ｇ／Ｌである。
【００８１】
Ｓ−ＴＯＣ（可溶性全有機炭素）の分析は、ＴＯＣアナライザー（東レ製、ＴＮＣ−６０００）により実施した。
【００８２】
ＶＦＡ（揮発性脂肪酸）の分析は、液体クロマトグラフィー（GＬサイエンス製、GL-7400）により実施した。
【００８３】
バイオガス生成量を水上置換法により測定し、ガスクロマトグラフィー（GＬサイエンス製、ＧＣ３９０Ｂ）によりバイオガスの組成分析（メタンガスと二酸化炭素）を行った。
【００８４】
濾紙の炭素含有率は、ＣＨＮＳ／Ｏアナライザー（パーキンエルマー製、２４００II）により測定した。
【００８５】
（２）生物学的分析
実験開始から７２時間、定期的にメタン発酵液４を処理槽２６ａから抜き取り、発酵液４の細胞数を光学顕微鏡によりカウントした。
【００８６】
また、メタン発酵液４に含まれる微生物群の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数をリアルタイムＰＣＲを用いて定量分析した。具体的には、メタン発酵液４を遠心分離処理して微生物群を沈降させ、トリス−ＥＤＴＡ緩衝液 （ｐＨ８．０、１００ｍＭ トリスＨＣｌ、４０ｍＭ ＥＤＴＡ）に懸濁した。ＤＮＡはドデシル硫酸ナトリウム及びフェノール−クロロホルム−イソアミルアルコール溶液（２５：２４：１ ｖ／ｖ）の存在下、微生物群から繰り返しビーズを衝突させて抽出し、次いで、抽出ＤＮＡをＱＩＡａｍｐ ＤＮＡミクロキット（キアゲン社製）で精製した。これを、ＴａｑＭａｎ リアルタイムＰＣＲに供して微生物群の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数を定量分析した。プライマー／プローブセットは以下の通りとした。そして、原核生物に関する定量分析結果にメタン菌に関する定量分析結果を加算して、メタン発酵液４に存在していた微生物群全体の１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のコピー数を求めた。尚、実験に使用したプライマー／プローブセットは、以下の論文に記載されているものである（Takai, K., K. Horikoshi (2000). "Rapid detection and quatification of members of archaeal community by quantitative PCR using fluorogenic probes." Appl. Environ. Microbiol. 66(11): 5066-5072.、Sawayama, S., Tsukahara K, Yagishita T (2006). "Phylogenetic description of immobilized methanogenic community using real-time PCR in a fixed-bed anaerobic digester." Bioresour. Technol. 97(1): 69-76.）。
・原核生物用プライマー／プローブセット：
Uni340F/Uni806R/Uni516F
・メタン菌用プライマー／プローブセットセット：
S-P-MArch-0348-S-a-17/S-D-Arch-0786-A-a-20/S-P-MArch-0515-S-a-25
【００８７】
また、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち古細菌を除く細菌の群集構造と、全菌のうち細菌を除く古細菌の群集構造とを解析した。具体的には、細菌のフォーワードプライマーとして５’末端で6-FAMでラベルされたBa27fを用い、リバースプライマーとしてBa907を用い、古細菌のフォーワードプライマーとしてAr109fを用い、リバースプライマーとして５’末端で6-FAMでラベルされたAr912rtを用いて、50μＬの反応混合物中でＰＣＲを行い、ＰＣＲ単位複製配列物を得た。ＰＣＲ単位複製配列物はWizard SV Gel and PCR Clean-Up System (プロメガ社製)で精製した後、細菌の制限酵素としてMｓｐI(New England BioLabs社製)を用い、古細菌の制限酵素としてTaqI(New England BioLabs社製)を用いて消化した。この精製消化物の内部サイズ標準としてＤＮＡサイズ標準GeneScan-500 ROX Size Standard (Applied Biosystems社製)を用いた。3130xl Genetic Analyzer(Applied Biosystems社製)により、末端断片長多型解析を実行した。尚2％未満の成分については、データから取り除いた。
【００８８】
さらに、細菌を除く古細菌について、クローン解析を行った。具体的には、Ｔ−ＲＦＬＰと同様の条件でＰＣＲを行い、ＰＣＲ産物を精製してｐＧＥＭ−Ｔ Ｅａｓｙ ベクター（プロメガ社製）にライゲートさせた。プラスミドはEscherichia coli JM109細胞に組み込み、そのクローンをランダムに選択して、BigDye Terminator cycle sequencing chemistryを用いたABI 3130xl sequencer（アプライドバイオシステムズ）によりシーケンシングを行った。
【００８９】
３．実験結果
（１）各種設定電位におけるＳＳ除去効率
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるＳＳ除去効率（実験開始から一週間経過後）を図１に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、ＳＳ除去効率を向上できることが明らかとなった。一方、設定電位を＋０．３Ｖ及び−０．３Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌと同程度のＳＳ除去効率となり、設定電位を＋０．０Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌよりもＳＳ除去効率が低下した。この結果から、設定電位を−０．６及び−０．８Ｖとすることで、ＳＳ除去効率を向上できることが明らかとなった。即ち、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、紙ごみの分解効率を向上できることが明らかとなった。
【００９０】
（２）各種設定電位におけるメタンガス生成量の経時変化
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるメタンガス生成量（累積メタンガス生成量）の経時変化を図２に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、メタンガス生成量が増加した。これに対し、設定電位を＋０．３Ｖ、＋０．０Ｖ及び−０．３Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌに比べて、メタンガス生成量が低下した。この結果から、設定電位を−０．６及び−０．８Ｖとすることで、紙ごみからのメタンガス生成速度を向上できることが明らかとなった。
【００９１】
（３）各種設定電位におけるＶＦＡ濃度の経時変化
設定電位を＋０．３Ｖ、０．０Ｖ、−０．３Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、Ｃｏｎｔｒｏｌ（電位制御無し）とした場合におけるＶＦＡ（揮発性脂肪酸：酢酸、プロピオン酸及び酪酸等）の濃度の経時変化を図３に示す。設定電位を０．０Ｖとした場合には、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌよりもＶＦＡ濃度が低下したが、それ以外の電位条件ではＶＦＡ濃度が高まる傾向が見られ、−０．６Ｖと−０．８Ｖの場合にＶＦＡ濃度が最も高まった。このことから、−０．６Ｖと−０．８Ｖとすることで、紙ごみを分解してＶＦＡに変換し易くできることが明らかとなった。
【００９２】
（４）実験開始３日目の化学成分分析結果
これまでの結果をより詳細に検討するために実験開始３日目におけるＳＳ除去率とＳ−ＴＯＣを詳細に分析した。結果を表１に示す。
【００９３】
【表１】
【００９４】
尚、表１における炭素回収率（％）は以下の式により計算した。初期炭素は４５７１ｍｇ／Ｌであった。また、式中の「０．４２」は、濾紙中の炭素含有率である。
炭素回収率（％）＝（メタン＋二酸化炭素＋Ｓ−ＴＯＣ＋０．４２ＳＳ）／（初期炭素）
【００９５】
この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、大幅にＳＳ除去率が向上すると共に、Ｓ−ＴＯＣも大幅に向上することが明らかとなった。このことから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、紙ごみの分解速度を大幅に向上することができていることが明らかとなった。
【００９６】
（５）化学分析結果のまとめ
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、紙ごみの分解速度を向上させることができ、さらにはメタンガス生成速度を大幅に向上できることが明らかとなった。そして、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとする条件は、作用電極において、還元反応を生じさせることができる電位であることから、作用電極の設定電位を、作用電極において還元反応が生じる電位に制御することで、本発明の効果を得られることが明らかとなった。
【００９７】
（６）各種設定電位における微生物数の経時変化
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合の微生物数（原核生物の細胞数およびコピー数）の経時変化を図４に示す。図４中、左縦軸は光学顕微鏡観察によりカウントした原核生物の細胞数を示し、右縦軸は定量ＰＣＲにより評価した１６Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子の１ｍＬ当たりの原核生物のコピー数を示している。実験開始から２４時間経過した後は、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合と、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合とで、徐々に差が出始め、実験開始から２日後（４８時間後）には、設定電位を−０．６Ｖとした場合には電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合の１．５倍程度、設定電位を−０．８Ｖとした場合には電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合の２倍程度の微生物数となることが確認された。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行っていないｃｏｎｔｒｏｌの場合よりも微生物数を増加させることができ、微生物数の増加量を高める上では、設定電位を−０．８Ｖとすることがより好適であることが明らかとなった。
【００９８】
さらに、実験開始から２日目のメタン発酵液について、メタン菌のコピー数を定量ＰＣＲにより評価した結果を表２に示す。
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２に示される結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には電位制御を行わない場合の５倍程度のメタン菌を検出できたことから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン菌を増殖させる効果が得られることが明らかとなった。また、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には電位制御を行わない場合に比べてメタン菌の割合が増加した。
【０１０１】
（７）Ｔ−ＲＦＬＰ解析結果
実験開始から２日目のメタン発酵液について、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち、古細菌を除く細菌の群集構造を比較した。結果を図５に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には、電位を制御しない場合と比較して、ほぼ同様の傾向で細菌群集が多様化することが明らかとなった。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン発酵液中の細菌群集を多様化させると共に、その数を増加させて、紙ごみの分解速度及びメタンガス生成速度の向上に何らかの影響を及ぼしていることが推定された。
【０１０２】
次に、実験開始から２日目のメタン発酵液について、末端断片長多型解析（Ｔ−ＲＦＬＰ）により、全菌のうち、細菌を除く古細菌の群集構造を比較した。結果を図６に示す。設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合には、電位を制御しない場合と比較して、９２ｂｐの占有割合が大幅に増加することが確認された。
【０１０３】
そこで、９２ｂｐに該当する古細菌について、クローン解析を行った結果、９２ｂｐに該当する微生物が、Methanothermobactor thermautotrophicusあるいはその近縁種であることが明らかとなった。Methanothermobactor属の微生物は、水素資化性メタン生成菌であることから、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、メタン生成菌のうち、水素資化性メタン生成菌をメタン発酵液中において優占的に増殖できることが明らかとなった。この結果から、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、水素資化性メタン生成菌を優占的に増殖させて、紙ごみの分解速度及びメタンガス生成速度を向上できることが明らかとなった。
【０１０４】
（８）生物分析結果のまとめ
設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、電位制御を行わない場合と比較して、メタン発酵液中の菌数を大幅に増殖させることができると共に、水素資化性メタン生成菌であるMethanothermobactor属の微生物の増殖を促進できることが明らかとなった。したがって、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとした場合に得られた紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果は、水素資化性メタン生成菌の増殖に起因するものであることが示唆された。また、設定電位を−０．６Ｖ及び−０．８Ｖとすることで、細菌を増殖できると共に多様化できることが明らかとなったことから、このことも紙ごみの分解速度向上効果とメタンガス生成速度の向上効果に何らかの形で寄与している可能性が示唆された。
【０１０５】
（９）まとめ
以上の結果から、作用電極の設定電位を作用電極において還元反応が生じる電位、換言すれば、作用電極がカソードとして機能する電位に制御することで、紙ごみの分解速度とメタンガス生成速度を、電位を制御せずに単にメタン発酵液に紙ごみを添加した場合と比較して大幅に向上できることが明らかとなった。具体的には、作用電極の電位を制御していないとき（電位無印加時）のメタン発酵液の電位よりもマイナス側に大きくすれば、作用電極で還元反応を生じさせてカソードとして機能させることができる。そして、水の電気分解は、一般に作用電極に−０．９Ｖよりもマイナス側に大きな電位を印加すると生じ易くなることから、絶対値基準で−０．９Ｖよりも小さい電位とすることが好ましい。
【０１０６】
したがって、具体的には、作用電極の電位を制御していないとき（電位無印加時）のメタン発酵液の電位は、一般的には−０．５Ｖ程度であることから、作用電極の電位を、−０．５Ｖ超（−０．５Ｖよりもマイナス側に大きな電位）〜−０．９Ｖとすればよく、−０．６Ｖ〜−０．９Ｖとすることが好ましく、−０．６Ｖ〜−０．８Ｖとすることがより好ましく、−０．８Ｖとすることがさらに好ましいことが明らかとなった。
【符号の説明】
【０１０７】
４ メタン発酵液
４ａ 電解液
６ イオン交換膜
９ 作用電極
１０ 対電極
１１ 参照電極
１２ 定電位設定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、前記電極の電位を水の電気分解が生じることなく前記電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、前記紙ごみを分解処理することを特徴とする紙ごみ処理方法。
【請求項２】
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記電解液に前記対電極を接触させ、
前記作用電極の電位を３電極方式で制御する請求項１に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項３】
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と前記対電極をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記作用電極の電位を３電極方式で制御する請求項１に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項４】
前記作用電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．９Ｖに制御する請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項５】
前記作用電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．８Ｖに制御する請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の紙ごみ処理方法の実施に伴って生成されるメタンガスを回収することを特徴とするメタンガス回収方法。
【請求項１】
電極を接触させたメタン発酵液に紙ごみを添加し、前記電極の電位を水の電気分解が生じることなく前記電極にて還元反応が生じ得る電位に制御し、前記紙ごみを分解処理することを特徴とする紙ごみ処理方法。
【請求項２】
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と電解液をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記電解液に前記対電極を接触させ、
前記作用電極の電位を３電極方式で制御する請求項１に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項３】
前記電極を作用電極とし、
前記作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、
前記メタン発酵液と前記対電極をイオン交換膜を介して接触させ、
前記メタン発酵液に前記作用電極と前記参照電極とを接触させ、
前記作用電極の電位を３電極方式で制御する請求項１に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項４】
前記作用電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．９Ｖに制御する請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項５】
前記作用電極の電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．６Ｖ〜−０．８Ｖに制御する請求項２または３に記載の紙ごみ処理方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の紙ごみ処理方法の実施に伴って生成されるメタンガスを回収することを特徴とするメタンガス回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６１３６０（Ｐ２０１１−１６１３６０Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６４０２（Ｐ２０１０−２６４０２）
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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