メタン発酵実験（メタン発酵～展望）

前回の続きです。

③メタン発酵
　メタン発酵は図1のようになっています。

図1　メタン発酵の流れ

酢酸または水素と二酸化炭素を基質としてメタンと二酸化炭素を発生させる過程がメタン生成相と呼ばれ、偏性嫌気性細菌のメタン生成菌の働きによって行われます。メタン発酵を行うメタン生成菌は、

・偏性嫌気性細菌

・菌の活動至適温度は35℃～45℃の中温、または55℃～65℃の高温

・至適pHは中性付近

という特徴を持ちます。

　この特徴を踏まえて、実験装置を製作しました。

図2　メタン発酵実験装置概要

●実験装置の作成　

　三角フラスコの口はチューブを2本取り付けたゴム栓で密閉し、一方のチューブは気体捕集袋に接続させ発生気体の捕集に用い、他方のチューブは内容物のpHを確認するためのサンプル採取に用いました。これを必要数製作しました。

●実験試料、実験条件の設定

また、メタン発酵を行うにはメタン生成菌が必要であるので、実験試料として発酵基質である蓄積物の他にメタン生成菌を含む汚泥(横浜市北部汚泥資源化センターからの提供)を三角フラスコ内に入れ、メタン生成菌と酸素の接触を防ぐために水を加えました。ここに擬似糞を一定の割合で加えメタン発酵を行いました。このときの汚泥：擬似糞の割合は、0ml：400ml、50ml：350ml、350ml：50ml、400ml：0mlの4つであり、この全量400mlに水100mlを混ぜました。（汚泥と擬似糞の割合を変えたのはどの割合でならうまく発酵するのか、発酵にうまく作用しているのが汚泥か擬似糞かを明らかにするためです）

さらに、発酵を行っていた間の2週間は、35℃に保温したインキュベーター内に静置しました。下の写真はインキュベーター内でのメタン発酵実験の様子です。

インキュベーター内のメタン発酵実験の様子

④気体の分析

発酵の際に発生したガスは気体採取の2週間の間に3回に分けて気体捕集袋に採取し、VARIAN社のCP-4900 Micro-GCを使用してガスクロマトグラフィーを行って気体の定性分析を行い、また、水上置換法によって容量の測定を行いました。

ここまでが実験内容になります。この実験手順に従いながら、実験の条件を変えていきました。

○実験結果

・メタン発酵を行う汚泥：擬似糞の比率について

灰を入れた擬似糞を汚泥と4種類の割合でまぜ、メタン発酵を行ったところ、水素・二酸化炭素・メタンが図3のように得られました。ただし、単位はmlであり、棒グラフの色は発酵時に発生した気体を捕集した時期に対応しています。（青10/20～23、橙10/23～28、灰色10/28～11/4)　ちなみに発生している気体でも気体の組成では窒素や酸素も含んでおり、分析した気体の組成（％）と発生した気体の容量をもとに、算出しています。

図3　メタン発酵の汚泥：擬似糞比率による比較

・炭による比較実験
先の実験より、汚泥：擬似糞=350ml：50mlに水100mlを加えたものはメタン発酵を良く行うことが明らかになりました。追加で実験したものは、この割合にて、灰入りの擬似糞と炭入りの擬似糞、あるいはなにもまぶさない擬似糞に変え、同様に発酵実験を行いました。
炭を使う理由は、灰よりも脱臭効果や塩基性の部分で効果が高いと考えられたことに加えて、灰同様炭も途上国では比較的簡単に手に入りやすいからです。細かなクズの炭は製品として使われることがなさそう（あくまで推測の域を出ません）なので、それを想定した炭の粒子を擬似糞の堆積実験の際にまぶし、炭入りの擬似糞を得ることにしました。
この時メタン発酵実験で発生した水素・二酸化炭素・メタンは図4のようになりました。

図4　灰、炭及び添加物なしでのメタン発酵における気体の比較

○考察

・メタン発酵を行う汚泥：擬似糞の比率について

図3をみると、汚泥：擬似糞＝350ml:50mlに水100mlを加えた試料が一番メタン発酵をよく行っていることがわかりました。この割合の試料に着目すると、今回の実験と同様の規模のメタン発酵については、全体で行った2週間の期間のうちおおよそ最初の1週間程度で終了するということがわかりました。また、汚泥を含む試料についてはわずかながらメタンの生成はみられます（図3ではものすごく見づらいですが、出ています）が、汚泥を入れない試料には全くメタンは発生していません。

このことから、灰を入れた擬似糞そのものにはメタン生成を行えるだけのメタン生成菌がいない、もしくは全くメタン生成菌がいない、ということが考えられます。水素や二酸化炭素については、いずれの試料からも微量しか得られなかったため、このことから糞のみを原料としたメタン発酵において水素・二酸化炭素をメタンに変えるような代謝経路があまり有効でないことが考えられます。

なぜ、汚泥：擬似糞＝350ml:50mlの割合の試料だけがメタン発酵を活発に行っていたかについてはよくわかりませんが、水素・二酸化炭素由来のメタン生成が微量であることを踏まえると、有機酸由来のメタン生成を行うような菌体が関係している可能性が十分にあると我々は考えました。

・炭と灰の比較実験について

図4をみると、メタンの生成量は「灰入り＞炭入り＞無し」の順に少なくなっています。灰や炭を入れない試料に関しては灰・炭による中和作用を受けないため、発酵試料のpHが弱酸性になっており、メタン発酵における至適pHから外れてしまったことがメタンの生成が少ない原因であると考えられます。（実際にｐHを測定していると弱酸性に偏っていることが確認できました）

以下で炭と灰で違いが生じた理由を考察します。

一つ目に考えられるのは、使用した炭が灰に比べて粒が大きいことがあげられます。図8のように擬似糞の堆積物に炭と灰を加えていったが図のように粒の大きさが違うため炭では灰に比べ粒が大きく、うまく全体になじまなかったことによりpHにばらつきが出てしまいメタン生成菌がうまく反応できなかったということが考えられます。

二つ目に、炭では塩基性成分が流出してしまっていた可能性が挙げられます。この炭は東工大すずかけ台キャンパスでバーベキューをしたときに残ったものをもらってで使用したのですが、回収する前日に雨ざらしになってしまったため炭の中の塩基性成分が流出してしまったと考えられます。そのため灰と比べてメタン生成の原料となる酢酸などの有機酸をとどめることができなかったことが原因と考えられます。また、糞の中のにおいの元である有機酸をとどめることができなくなる分、脱臭効果も灰に比べて低く灰を加えたものに比べてにおいが強かったという印象がありました。

炭入りの擬似糞におけるメタン発酵のメタン生成量は劣りましたが、それでも反応が進んだことから、これら2点をを改善すれば炭でも灰と同様に期待できるとわかりました。

○展望

今回の実験において目的で述べた、灰+便，炭+便の混合物からのメタンの生成は可能であるかについての結論としては，両者ともメタン発酵は可能であることが分かりました。しかし、考察にあげたとおり今回の実験では灰を入れたものより炭を入れたものは劣っていることが分かりました。ただし改善点が多くあげられ、同様にメタン発酵をした際の代替できる可能性は期待できると考えられます。

今回の実験を通じて、メタン発酵の原理とその実際の環境を自分たちで作り上げることができたというのは非常に大きな収穫になったと思います。しかし、実際には発生したガスをどのように貯蔵し、利用するのかといった点や、実際に使えるレベルのガスの容量が確保できるのかといった点についてはまだ不明なところが多いのが実情です。

今後、もし時間があれば、炭による実験をもう一度行うとともに、汚泥と擬似糞の比率をより効率的なものを求めること、そして、最終的には実際の糞を用いる実験を行っていきたいと思います。

メタン発酵実験(擬似糞作成、堆積)

実験内容の説明を行う前の想定している屎尿活用システムの流れをもう一度確認しておきます。

〇想定している屎尿活用システム

図1　想定している屎尿活用システム

①トイレの特徴と使用法

・尿と便を分離するタイプの便器を用いており、尿は尿タンク、便は便槽に堆積される。

・大きい方の使用の度には、便に灰を振り掛ける。（条件によってはなにも振り掛けない、灰の代わりに炭、または、戻し堆肥を振りかけることも実験した）

・悪臭を放たない。

・想定するエコサントイレは従来のように建設の際にある程度の土地を必要とするような形ではなく敷地が十分になく、密集地にも適するように、小型化され、移動・設置が容易なタイプが用いられる。

②、③回収、運搬、保管

・1週間おきに便槽の便、尿回収のタンクが回収人によって回収される。

・回収人は回収する便、尿の重さに応じたお金をトイレ使用者に支払う。(貧困層の収入、トイレ使用のインセンティブ）

・回収された尿と便は、加工までの期間、約1～2週間保管される。(念のためのブランク)

④尿の加工、液肥の農地への還元

・回収した尿は薄めて、液肥として農地に還元される。

・加工した液肥は販売され、その中で得られた利益の一部を回収人を通じてトイレ使用者へ還元する。

⑤→⑥または⑧便の加工

・回収した便が堆肥に用いられる場合、病原菌を持たない安全な堆肥として用いるまでに半年間発酵させる。

・回収した便がバイオガス生成のための原料として用いられる場合、ガスプラントの発酵槽に投入される。

⑦堆肥の農地への還元

・生産した堆肥を農地に還元する。

・生産した堆肥は販売され、その中で得られた利益の一部を回収人を通じてトイレ使用者へ還元する。

⑨消化液の農地への還元

・バイオガスプラントの発酵槽で生じる、消化液を加工し農地に還元する。

⑩メタン発酵、メタンガスの利用

・便は1度の投入につきおよそ2週間の期間、メタン発酵され、メタンガスを生じる。

・得られたメタンガスは調理時のガスとして用いられたり、発電の燃料として用いられる。

・ここで得られた利益の一部を回収人を通じてトイレ使用者へ還元する。

〇実験内容の決定までに…

　対象としている地域は、農村部、または都市のスラム街です。農村部では比較的トイレを建設する用地に余裕があるかとは思われるので、そちらでは従来のエコサニテーショントイレでの建設は可能かもしれません。（その場合は便槽も大きくなるので、②、③における1週間おきの回収は必要なく半年間便槽で発酵させることが可能です）

しかし、都市部の河川の水質汚染等を防ぐには、密集し、土地に余裕がないような都市部に適したトイレを検討する必要があります。ですので、①の中のコンパクトなエコサントイレを想定しています。今回実験に用いた、仮のトイレの便槽の大きさも写真１の通り、そこまで大きいものを用いてはいません。

今回の実験では尿は扱っておりません。尿は薄めるだけで、そのほかに特別な処理が必要ないと考えたからです。

一方、便のほうでは、堆肥として用いるのか、メタンガス生成のための原料として用いるのかで、行うべき実験が異なります。いくつかのケーススタディや2014年9月に行ったフィールドワークの結果から、農地に人糞由来の堆肥を用いることに抵抗があることが確認されたので、今回の実験では堆肥ではなく、メタンガスを生産しようという結論に至りました。

屎尿分離型のトイレで、尿は液肥として用い、便はメタンガスの原料として用いるという試みは今のところ、自分たちだけではないかと思います。

したがって今回行った実験は、図1の⑤、⑧、⑩を扱った、エコサントイレから得られる便を用いたメタン発酵実験になります。初めはどのぐらいのメタンガスが出るのか、そもそも、こうした一連の流れを想定した上で、メタンガスがうまく出るのか、というところからわかりませんでした。やってみてのお楽しみでした。

〇実験内容について

＜大まかな手順＞
①    擬似糞つくり
②    1週間の擬似糞の堆積とさらに1週間の保管
③    2週間のメタン発酵
④    発生した気体の分析

①疑似糞つくり

　我々が実験を行うに当たって便の使用が必須ですが、便の出所や実験場所、処理方法等の多くの問題点が浮上したため本物の便を使用することは避け、その代替品として疑似糞を作成することで実験を行いました。

　この疑似糞とは市販のドッグフード120gを水400mlに30分程度浸漬後、そこに市販の堆肥120gを加えよく攪拌したものです。この方法は実際に疑似糞を用いた研究をしている東工大の国際開発工学専攻の中崎先生からご指導いただき、この比率は便の含水率等の情報を基に設定しました。

またこの量は4人家族の1家庭から1日に生じる便のおおまかな量であり、これを1日分として1回の実験につき7袋用意しました。(計7日分、定期的な回収までの日数)

②1週間の擬似糞の堆積とさらに1週間の保管

　今回の実験内容を実際に運用した際を想定すると、メタン発酵を行うためにはある拠点へと便を集積する必要があります。しかしその運搬コスト等を考慮すると、毎日運搬することは非常に困難であると考えられました。従って我々は実際の使用を想定し、とりあえず1週間の間、疑似糞を堆積するという作業を行いました。

　この操作では、1日分の疑似糞をプラスチックの容器(20L)に投入し、さらに条件によっては灰または炭をその疑似糞の表面を覆うように投入するというものを1日の作業とし、これを1つの実験の開始以降は1週間毎日行いました。翌日以降はさらにその上から疑似糞及び灰または炭を投入し、疑似糞と灰または炭が層を成すように投入作業を行いました。またこの操作は東工大すずかけ台キャンパスの図書館裏にある畑の一画で実施しました。

写真1　堆積時の様子

写真2　堆積させた擬似糞が見えなくなるまで灰で薄く覆う

写真3　同様に炭で覆う

次回はメタン発酵、気体の分析、結果の考察を報告します。

メタン発酵実験(序論)

久しぶりの更新です。4か月ぶりですね。ちなみにCompost Projectリーダーの私、幸寺は学校の交換留学制度を利用し、再びフィリピンにいます。4月末までの滞在を予定しています。

さて、9月のフィリピンでのフィールドワークを終えた後、日本で屎尿を模した「擬似糞」によって「メタン発酵」の実験を行っていました。つたない実験ですが、行った内容と実験の流れ、そしてその結果をここに記録しておきたいと思います。ですが、いきなり実験の話に入る前に、おさらいとして活動の背景についてもう一度説明しようと思います。

私たち活動では、現状のところ「エコロジカルサニテーショントイレ（エコサントイレ、ecological sanitation）」の仕組みを利用しようと考えています。

改めてこれまでの私たちの活動の目的と目標を述べますと、

<活動目的>

途上国における水環境汚染の防止と衛生環境の改善を目指すと同時に、生産した液肥と堆肥の販売によるエコサントイレ使用者の所得向上

<活動目標>

①    エコサントイレの途上国のニーズに合わせて開発する（小型化、屎尿分離型、移動可能など)

②    屎尿由来の堆肥・液肥を農村で生産・消費する

③    屎尿の輸送システムを確立して、都市(スラム)の屎尿を輸送し、農村で販売・消費する

④    トイレ使用に影響する周辺環境の評価

エコサントイレを利用する場合、屎尿から生産される「尿由来の液肥」と「便由来の堆肥」の継続的な利用、農地への還元が前提となっています。屎尿を使うのは危なくないのか？という疑問も初めのころはありましたが、グリーントイレワークショップというWSで京大の原田英典先生の講演で解消されました。（以下その講演を参考にさせてもらった事柄です）

「尿には病原菌がほとんど含まれておらず、かつその組成が化学肥料の成分に近いため、薄めれば農地に利用できますし、利用しなくても川へ流していても問題はありません。しかし、便に関しては違います。多くの病原菌を含んでおり、そのまま川に流してしまうと水環境の汚染につながり、さらにその水が伝染病の蔓延へとつながってしまいます。ただし、エコサントイレでも行われる「発酵」という作用によって、6か月間容器や便槽に放置しておけばほとんどの病原菌は死滅しているようです。」

このため、エコサントイレでは「便の無害化」にもつながっているので衛生的にも良く、その後堆肥として土壌環境を良くする効果があります。(昔、日本でも江戸から昭和中期にかけて屎尿を使っていた時代がありました。石油化学工業の発展により、徐々に「屎尿利用」から「屎尿処理」という時代になっていきました。）

しかし、問題としては農業従事者が本当に屎尿由来の堆肥や液肥を使うのかということです。一例として、マラウィで衛生面改善のプロジェクトの一つとしてエコサントイレを広めている活動があります。そのプロジェクトを主導しているNICCOという日本のNPOにその点に関してうかがうことが出来ました。

マラウィの人たちは屎尿を使うという文化はありません。なので、はじめのころはその場所の農地を貸してもらい、エコサントイレで得られた液肥と堆肥を用いた農作物が、用いていない農作物よりもいかに収量が多くなるかということをその光景で訴えたそうです。そうしてエコサントイレとその液肥、堆肥の効果を知った人たちから次々にエコサントイレを建設してくれという要望が増えたようです。エコサントイレの半分の費用を住民が出資し、残り半分をNICCOが出資するという形で、一つ家庭に一つ建設されたようです。驚くことに、マラウィの人たちは自分たちで赤レンガを作れるので、それを資材にトイレを作るので、1基作るのに1万円もかからないということでした。(もっと安かったかもしれませんがうろ覚えです。今後追記として載せます)　

つまり、その効果を直接見せ、実感させることによって普及につながったということでした。それに加えて、その他のエコサントイレでうまくいっているケースでは、農業からのアプローチを行っていました。つまり、このトイレから得られる液肥や堆肥が自分たちの収量や収入に良い影響を及ぼすということを訴え、普及させているケースです。これもやはり、目で見て効果が分かればどんどん普及するという印象でした。

一方で、屎尿から作られた農作物ということもあって敬遠する人たちも少なくありません。マラウィのケースでもある村でエコサントイレから得られる堆肥と液肥で作った農作物を得られたとしても、その農作物を村から離れたマーケットで売り出すと、口コミで「あれはうんこからできた野菜だ。食べるな。」ということが言われてしまうのが問題だとNICCOの方は言っていました。そこには、収量が増えて、収入が増えていることに関しての嫉妬も含まれているそうです。（どこの地域の国際協力でも同じような話(支援格差)はありますよね）また、エコサントイレの普及も現地のプロモーターの力に依るところがあるそうで、そうした嫉妬を抱いている地域までトイレが届けられていないというのも一つ問題なのかなと思いました。

つまり、屎尿由来の堆肥や液肥を継続的に使用するというケースでは、まず農業従事者のニーズや堆肥・液肥の使用頻度等を聞き、且つ、屎尿由来の堆肥や液肥の農地利用についての印象を聞いてみないことには、構想のままで終わってしまうような形がします。

それはさておき、屎尿を堆肥や液肥で用いる以外の方法についても考えることにしました。（おそらく乗り越えなくてはならない障壁はあるものの、堆肥・液肥として使うケースは存在しています。有機性廃棄物由来の堆肥を家畜の飼料に使えばいいというアプローチも前回のフィリピンのFWで発見できました。このアプローチも屎尿由来の液肥・堆肥でも使えそうです。）

堆肥・液肥より抵抗が低く、ニーズもあるという形で辿り着いたのが、「メタンガス」でした。メタンガスはメタン発酵から生産できるため、原料が屎尿であってもできる可能性は高いと考えました。エコサントイレでも、便を堆肥として使うまでに「6か月以上の放置」が必要であるということがあり、今後、エコサントイレを小型化し、経済性を出していくにはこれがボトムネックだと考えました。

そのため、「エコサントイレで得られる「便」を堆肥にせず、メタン発酵してメタンガスを出す」という実験を行うことにしました。（ちなみにここまで至ったのも、このプロジェクトが大学の授業の一環で、オリジナリティを求められていたからという理由もあります(笑)）

さて、実験の内容に移りたいと思います。

＜目的＞

・自らの手で「メタン発酵」を扱い、それに関して必要なことを包括的に理解するため

・屎尿の活用が液肥・堆肥として使えなかった場合、「便」を「ガス」として利用できるかを確認するため

・途上国での利用を見据えた素材で効率的に「メタンガス」を出すための比率を求めるため

＜大まかな手順＞

①    擬似糞つくり

②    1週間の擬似糞の堆積とさらに1週間の保管

③    2週間のメタン発酵

④    発生した気体の分析

＊条件を変えたところとしては、「②の堆積時の灰の有無、炭の有無」、「③のメタン発酵時の汚泥の有無と汚泥の比率」です。

<実験期間>

2014年10月20日から11月25日（計3回の堆積・メタン発酵実験を行いました）

次の投稿から大まかな手順に分けて、実験の内容を説明していきます。