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農業廃棄物を効率的に利用してバイオガスを発酵させることは、今日の農業が直面する大きな課題である。国内外の科学研究機関や大学がこの分野で多くの研究を行ってきました。劉徳江の研究によると、単一の発酵原料を用いてバイオガスを生成する場合と比べて、家畜の糞便を混合したり、家畜の糞便と稲わらを混合することで、バイオガスの生産量を効果的に高めることができる。発酵原料に含まれる牛糞の割合を増やすと、ガス中のCH4濃度が明らかに上昇する。一方、豚糞は嫌気性発酵の過程で容易に酸化してしまい、その結果、バイオガスの生成量が減少したり、生成が止まってしまったりする。しかし、羊糞や牛糞は酸化しにくく、基本的にはバイオガスの生成量に影響を与えない。李文哲の研究によると、温度や溶液の濃度が高く、水の滞留時間が長い場合、発酵液中のプロピオン酸の含有量も増加し、その後のメタン生成期に悪影響を及ぼすことがわかっている。 微生物によるバイオガス生産の原料として最適な炭素窒素比は25：1であり、単一の発酵原料ではこの要件を満たすことが難しい。したがって、混合原料を異なる比率で発酵させることの研究は重要な意義を持つ。本実験では、同じ温度条件下において、豚糞や羊糞といった単一の原料を用いた発酵、および異なる比率で混合して発酵させた場合のバイオガスの生産量とCH4含有量への影響を調べ、バイオガスの生産量と品質を向上させるための理論的根拠を得ることを目的としている。 1 材料と方法 1.1 材料 試験用原料は、沈陽農業大学の裏山にある養殖場で得られた新鮮な牛糞および羊糞を使用した；試験接種物は、沈陽市東陵区の農家が自家で使用しているメタン発酵槽の底泥から採取したものである。発酵原料の炭素・窒素含有量は表1を参照。 1.2 方法 1.2.1 発酵試験 独自に設計した定温嫌気性発酵装置で、この装置は発酵フラスコ、ガス集積フラスコ、水集積フラスコの3つの部分から構成されている。発酵フラスコおよび集気フラスコとして1500mLのアクリル製ボトルを使用し、発酵フラスコと集気フラスコにそれぞれサンプリング用の穴と排水用の穴を開け、サンプリング用の穴はウォータープルグで塞いだ。発酵フラスコと集気フラスコは、10mm×8mmのシリコンチューブで接続されている。 集水瓶には100mLのメスシリンダーを使用し、下方へ排水してガスを集める方法を採用しており、すべての接続部は密閉処理が施されている。構造図は図1に示す。 今回の試験では、接種量を20％、総固形分を8％とする発酵濃度を用いた。発酵液の配合は以下の4つのグループに分かれる：グループI：純粋な豚糞発酵；グループII：純粋な羊糞発酵；グループⅢ：豚糞：羊糞（乾物比）=1：1の混合発酵；グループIV：豚糞：羊糞（乾物比）=1：2で発酵。各配合の発酵液について、2回の並行実験を行った。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳの4つの実験群をそれぞれ1500mLの発酵フラスコに入れ、開放状態で9日間前処理した後、それぞれ密閉し導気管と集気瓶を接続し、発酵装置を恒温室に設置して、(28±1)℃の一定温度下で30日間嫌気発酵を行った。 1.2.2 分析測定方法 日産ガス量および累積産ガス量は下向き排水法により計量し、発酵液のpH値はインテリジェントpH計（PHS225型）を用いて測定する。ガス中のCH4含有量はZS22型バイオガス分析装置を用いて測定する。 2 結果と分析 2.1 予備処理における各発酵群のpH値の動的変化 配合に従って調製した発酵液混合物を均一に撹拌した後、1500mLの発酵フラスコ内で室温（20℃）下で9日間好気的に発酵させた。発酵過程において、毎日系統のpH値を測定し、発酵液のpH値の変化は図2に示されている。図2からわかるように、グループⅠは全処理過程を通じてpH値が常に低い水準を維持し、酸性であった。群IIのpH値は、前処理が終了するまで常にアルカリ性の範囲内で変動し続けた；混合原料発酵実験群において：群Ⅲは堆積開始時のpH値が7.50で、3日目にはpH値が6.95まで下がり酸性となったが、その後再び上昇しアルカリ性を維持した。前処理終了時の群ⅢのpH値は7.50であった；グループIVでは、全処理過程においてpH値の変化傾向はグループIIIと類似しており、まず低下し次に上昇し、その後安定するという過程を経た。しかしグループIIIと比べて、グループIVのpH値の変動幅は小さく、処理過程全体を通じて常にアルカリ性の範囲内に留まっていた。http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg 2.2 好気性発酵過程における各発酵群のpH値の動的変化 好気性発酵実験では、3日ごとに発酵液のpH値を測定した。バイオガス発酵試験中の発酵液のpH値の変化は図3に示されている。図3からわかるように、グループIでは発酵9日目にpH値が6.20まで低下したが、アルカリを人工的に添加することでpH7.00に調整された。その後の発酵過程においてもpH値は常に6.50以上を維持し、発酵終了時のpH値は7.10であった；グループIIのpH値は発酵全体を通じて高い水準を維持し、発酵15日目に6.70まで低下し、発酵終了時のpH値は7.20であった。混合原料発酵群において：群Ⅲは発酵開始時にpH値が急速に低下し、12日目には6.45まで下がったが、その後再び上昇し6.50以上を維持し、発酵終了時には群ⅢのpH値は7.30となった；グループIVのpH値の変動幅は最も小く、発酵6日目にpH値は6.90まで低下した後上昇を始め、15日目には7.31まで上昇し、発酵終了時のpH値は7.20であった。http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg 2.3 異なる発酵原料の配合によるガス生成量の変化 異なる発酵原料の配合における発酵液の1日あたりのガス生成量の変化は図4に示されている。図4からわかるように、グループIは最も早くガスが発生し始め、嫌気性発酵が開始してから1日目にすでに少量のガスが生成された。その日々のガス発生量は4日目に100mLに達し、その後急速に減少した。発酵8日目にはグループIのガス発生は完全に止まったが、人工的にアルカリを加えて系のpH値を調整すると再びガス発生が始まり、11日目には日々のガス発生量が246mL/日というピークに達した；グループIIのガス生成開始はグループIより遅く、発酵9日目にガス生成が始まり、16日目には1日あたり325mL/dという最大値に達した後、徐々に減少し始めたが、その1日あたりのガス生成量は常にグループIを上回っていた。混合原料発酵群において、グループⅢは6日目からガスを生成し、その日産ガス量は10日目に375mL/dというピークに達した。その後徐々に減少し、24日目には175mL/dにまで低下した。発酵が30日目になると、グループⅢの日産ガス量は47mL/dになった；グループIVは発酵4日目にガス生成を開始し、その後発酵が進むにつれて1日あたりのガス生成量が上昇し、発酵9日目には1日あたり350mL/dというピークに達した。http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg 異なる発酵原料の配合による発酵液のCH4含有量の変化は図5を参照。グループIのCH4含有量は常に低く、発酵11日目に60％に達した後、急速に減少し始め、発酵25日目以降の生成ガス中にはCH4は含まれなかった。グループⅡでは、発酵開始から9日目にガス生成が始まり、その時のCH4濃度は21％であった。発酵15日目に79％というピークに達した後、徐々に減少し、発酵終了時のCH4濃度は30％となった。グループⅢでは、発酵5日目にガス生成が始まるとすぐにCH4濃度は35％に達し、その後も上昇を続け、発酵9日目には82％というピークに達した。その高水準は発酵14日目まで維持された後、ゆっくりと低下し始め、発酵終了時でもCH4濃度は30％のままだった；グループIVは発酵8日目にCH4濃度が70％のピークに達した後、徐々に低下し始め、発酵終了時にはそのCH4濃度はわずか10％であった。混合原料発酵群において、群Ⅲは群Ⅳに比べてより高いCH4含有量のピーク値とより長い持続時間を示した。 異なる発酵原料の配合における発酵液の累積発生ガス量および乾物あたりの発生ガス率を表2に示す。表2からわかるように、28℃で30日間の恒温室条件で行った嫌気性発酵試験において、異なる発酵原料の累積発生ガス量は、高い順にグループⅢ＞グループⅣ＞グループⅡ＞グループⅠとなった。 群Iの累計発生ガス量は最も低く（2749mL）、群III（累計発生ガス量6258mL）の半分に過ぎなかった。混合原料の累計発生ガス量はいずれも単一原料より高く、グループⅢの累計発生ガス量はグループⅣより高かった。累積発生ガス量だけを見ると、グループⅢはグループⅣよりも明らかに優れており、922mL高い値を示した。乾物からのガス生成率は、高い順に以下の通りである：グループⅢ＞グループⅣ＞グループⅡ＞グループⅠ。http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg 3討論 嫌気発酵を行う前に、発酵原料と接種物の混合物を9日間好気的に前処理することで、発酵原料中の複雑な有機物が分解されて酸が生成されやすくなる。豚糞では酸の生成速度が最も速く、羊糞では最も遅い。4つの異なる原料から得られた発酵液のpH値は、いずれもまず低下し、その後上昇するという変化を示した。これは、産酸菌が原料中の複雑な有機物を分解して揮発性脂肪酸（VFA）や有機酸を生成することで系内のpH値が下がり、その後、酸が産気菌によって分解されることでpH値が上昇し、安定するためである。豚糞は嫌気性発酵の過程で容易に酸性化し、その結果ガス生成量が減少したり完全に止まったりするため、ガス生成を維持するには系のpH値を人為的に調整する必要がある；一方、羊糞および混合原料の発酵群では酸化現象は起こらない。豚糞には粗脂肪や粗タンパク質の含有量が高いため、嫌気性発酵の初期段階で微生物によって分解されて酸が生成され、系内のpH値が急速に低下し、メタン生成菌の活性が阻害される。羊糞発酵群のガス生成開始は比較的遅れる。これは、微生物によるセルロースやヘミセルロースの分解速度が遅く、メタン生成菌が十分な代謝基質を得られないためである。混合原料発酵群において、豚糞の酸化によって生成される酸は、木質繊維原料の化学構造を破壊する作用を持ち、これによりセルロースの加水分解が促進され、その生物分解率が向上する。さらに、高セルロース原料の分解による酸の生成が加速され、結果としてガス生成量やCH4含有量が増加し、より良い発酵効果が得られる。本研究によると、同じ乾物濃度および温度条件の下で、累積発生ガス量および乾物あたりの発生ガス率は、高い順にグループⅢ＞グループⅣ＞グループⅡ＞グループⅠとなり、グループⅢの豚糞：羊糞（乾物比）＝1：1が最適な発酵原料の混合比率であることがわかった。 （李木子、孫軍徳 沈陽農業大学 土地・環境学部）