大小を問わず下水処理施設は燃料源となる可能性があります。嫌気性消化による人糞処理は、極めて倫理的な衛生技術です。嫌気性消化はバイオ消化槽で行われ、燃料（バイオガス）を生成し、下水から生化学的酸素要求量（BOD）を取り除き、栄養素（特に窒素化合物）を保存し、最も重要なこととして病原体を減らします。人糞はBOD、栄養素、人獣共通感染症を多く含んでいるため、濃度が高すぎると環境にダメージを与えます。これにより、多くの生物が住めない水域になるなど、生態系の崩壊につながる多くの環境問題が発生する可能性があります。未処理の下水は、藻類の大量発生、赤潮、いわゆるデッドゾーンを引き起こします。人間も未処理の下水（黒水とも呼ばれる）に悩まされています。人糞を介して伝染する水系感染症は、特にいわゆる発展途上国において、世界中で主な死亡原因となっています。未処理の人間の下水によって引き起こされる病気には、コレラ、腸チフス、パラチフス、サルモネラ菌、赤痢、胃腸炎、レプトスピラ症、髄膜炎、肝炎、さまざまな寄生虫病などがあります。
人間の排泄物から得られるバイオガスの量は、家畜の糞尿やその他の原料に比べると限られています。私たちの胃は効率が良すぎるのです。デイビッド・ハウスは彼の素晴らしい著書の中で、1000 ポンドの人間の排泄物から約 0.6 立方メートルのバイオガス (1 人から 2 人分の調理燃料に相当) が生成されると述べています。しかし、その量はすぐに膨れ上がります。特にルワンダ、インド、タイでのプロジェクト例については、インターネットを参照してください。
未処理の下水は病気の蔓延を引き起こすだけでなく、発展途上国では肥料が利用できない場所に貴重な栄養素を廃棄しています。バイオ消化器は廃棄物をバイオ肥料に変えます。また、下水の曝気と処理に膨大な量のエネルギーが使用されている先進国の下水処理システムには大きな欠陥があります。嫌気性消化は下水を処理すると同時に、エネルギーを消費するのではなく生成します。この記事では、人間の排泄物処理に関する考慮事項について説明し、さまざまなオプションを概説します。
重要な考慮事項
人間の排泄物を処理するには、いくつかの考慮事項が必要です。重要な病気関連の問題と、一般的な身体的考慮事項があります。最大の問題は、人間の排泄物の取り扱いです。予防措置を講じずに人間の排泄物を扱う作業者は、必然的に病気になります。廃棄物処理プロセスでは、作業者を考慮する必要があります。理想的には、廃棄物処理システムによって、人間による直接的な取り扱いが排除されます。
一般的なバイオ消化槽の排水は無菌ではありません。嫌気性消化は、病原菌が非感染性微生物に負ける競争環境を作り出し、その結果、個体数で優位に立つことになります。つまり、病原菌は減少しますが、完全に除去されるわけではありません。ただし、好熱性バイオ消化槽(45 ～ 55 度) の研究では、常温および低温バイオ消化槽よりも大幅に病原菌が減少することが示されています (病原菌を制御できるバイオ消化槽のセクションを参照)。廃棄物処理システムでは、処理中に前処理または後処理によって病気の問題に対処するか、排水を適切に処分する必要があります。
既存のシステムに適合するバイオ消化槽を設計する際に共通して考慮すべき点は、通常、人間の排泄物は移動を容易にするために大幅に希釈されるということです。トイレの水洗には大量の水が消費されます (1.3 ～ 2.5 ガロンですが、米国では約 2 ガロン)。そのため、たとえば、水洗された廃棄物を処理するために 30 日間の水圧保持時間 (HRT) を備えたバイオ消化槽を設計するには、1 回の洗浄で 2 ガロン希釈する非常に大容量のバイオ消化槽が必要です。ただし、HRT、つまりバイオ消化槽が廃棄物を保持する時間がわずか数時間でも処理できるバイオ消化槽の設計があります。これらの設計は、上向流嫌気性汚泥ブランケット (UASB)などの汚泥保持リアクターや、さらに性能の優れた固定膜リアクターです。最後に考慮すべき重要な要素は、人間の排泄物はC:N 比が低いことが報告されているため、アンモニアの毒性です。この問題は、糖蜜などの炭素を豊富に含む原料を希釈して共消化することで解決できます。動物の排泄物は人間の病原菌が少ない傾向があるため、人間の排泄物よりも本質的に安全に処理できますが、一部の糞尿由来の病原菌についても考慮する必要があります。
治療方法
熱処理前処理
このプロセスでは、人間の排泄物はバイオ消化槽に入る前に 70 度 C に低温殺菌されます。エネルギー コストを削減するには、希釈前に低温殺菌するのが最適で、廃蒸気、受動的な太陽熱加熱、またはバイオガスやその他の燃料源の直接燃焼を使用して行うことができます。このプロセスにより、嫌気性消化に利用できる人間の排泄物が増え、実際にバイオガスの生産量が増える可能性があります。加熱前処理により HRT も低下します。事前に殺菌することで、将来的に発生する病原体関連の排水問題に対処し、食用 (人間の消費に適した) 作物用のバイオ肥料を生産できます。
保持による治療
下水の滞留時間を長くすると、病原菌を事実上破壊することができます。人間の排泄物を滞留させる期間はさまざまです。非常に温暖な気候では、排泄物を 60 ～ 90 日間滞留させたいかもしれませんが、寒冷な気候 (20 度以下) では、150 日以上の滞留が推奨されます。滞留時間は、バイオ消化器 HRT を介して、または排水をさらに一定期間滞留させることによって制御できます。最も経済的なオプションは、貯蔵タンクへのアクセスなどの安全要因や、人間や動物への潜在的な曝露を伴うその他の問題とともに検討する必要があります。
安全警告: 病原体を破壊するための保持方法は、採用する前に検査結果によって確認する必要があります。
後処理と滅菌
バイオ消化装置の排水は、限外濾過、紫外線（UV）、処理湿地、堆肥化、好気性処理などの二次処理段階で処理される場合もあります。限外濾過では、溶解性物質のみを通過させる膜に排水を通します。現時点では、この技術は先進国で使用される可能性が高いですが、マングローブやその他の植物などの材料を使用した適切な解決策が使用される可能性があります。限外濾過は、ほとんどの固形物が沈殿した濃縮廃水に実用的です。UV処理は一般的な水処理技術ですが、濁度が問題にならない希薄廃水にのみ実用的である可能性があります。処理湿地は、追加の処理と野生生物の生息地を提供します。基本的に、移動勾配が作成され、栄養素と病原体の除去を促進する湿地植物が植えられます。これは、雨水流出などの廃水が環境中で自然に処理される方法です。排水処理に堆肥化プロセスを使用することは許可されていますが、空気を通すために最初に乾燥させる必要があり、土地とエネルギーを大量に消費します。このプロセス中は、新鮮な排水からのほこりを吸い込まないように注意する必要があります。排水は、排水を精製するために好気性処理プロセスにかけられることもありますが、これは高価で、集中的であり、生産システムから栄養素を除去します。その他の廃棄物処理オプションには、砂ろ過器や浄化装置などがあります。
病原体を制御できるバイオ消化装置
前述のように、一部のバイオ消化プロセスでは、下水中のほぼすべての病原菌を制御できます。これらは、好熱性バイオ消化装置、段階的バイオ消化装置、および段階的バイオ消化装置です。好熱性バイオ消化装置では、バイオ消化装置内の環境が非常に高温であるため、多くの病原菌は生存できません。また、環境は通常のバイオ消化装置よりもはるかに競争が激しいです。病原菌は通常、体温付近に順応し、最も快適に過ごせます。幸いなことに、嫌気性消化を行うことができる生物の多くは好熱性、つまり熱を好む生物です。ただし、前述のアンモニア毒性については注意が必要です。好熱性バイオ消化装置は、常温および低温のバイオ消化装置よりもこの問題にはるかに敏感だからです。段階的バイオ消化装置は、嫌気性消化プロセス中に物質が経るそれぞれの段階を分離します。有機物は、加水分解、酸生成、酢酸生成、およびメタン生成を受けます。基本的に、容器は有機物を可溶性物質に変換すること (加水分解)、酸を生成すること (酸生成および酢酸生成)、またはメタンを生成すること (メタン生成) を促進できます。嫌気性消化の段階では、段階を分離するために 2 つ以上の容器が使用されます。これは、物理的に (加水分解される有機物を除去)、化学的に (メタン生成を阻害するか、酸をメタン生成が起こり得る pH に緩衝する)、または生物学的に (最初のリアクターを酸性化する) 行うことができます。リアクターを酸性化してメタン生成を阻害すると、低 pH によって一部の病原体が生息できない極端な環境も作成されます。酸性環境の後、病原体はメタン生成環境に導入され、微生物競合によってさらに病原体が除去されます。病原体を除去できる2 段階バイオ消化装置には、酸性化する最初のタンクがあり、それが次に好熱性のメタン生成する 2 番目のタンクに送られます。段階的バイオ消化装置は、段階（リアクター）の競合メカニズムを変更することで同様に機能しますが、段階を完全に分離することはできません。
排水の適用
排水の適用に十分な注意が払われていれば、病原体を完全に除去する必要はありません。病原体を含むバイオ消化器排水は、地下の浸出フィールド（浄化装置付き）に適用したり、非食用作物や場合によっては飼料作物に使用したり、土地に直接適用したりできます。ただし、これらすべての点で安全性を考慮する必要があります。人体への曝露の量を考慮する必要があります。地下水と水域の汚染はすべて、病原体が完全に除去されていない排水を環境に放出することに対する潜在的な脅威です。土地への直接適用では、子供や大人による土地の使用など、直接曝露を考慮する必要があります。非食用作物は別のオプションであり、栄養素の捕捉も可能です。作物には、エネルギー作物、バイオマス生産などが含まれます。ただし、人体への曝露も考慮する必要があるリスクです。排水を処分する最も簡単で安全な方法は、既存の下水システムに単に注入することです。
結論
バイオ消化装置は、人間の排泄物の倫理的処理に関心のある人にとってさまざまな利点があります。最も重要な考慮事項は、必ずしも常に効果的に管理されているわけではない、人間の排泄物に含まれる病原体が健康に及ぼす危険性です。これらのシステムは、家庭、コミュニティ レベルから大規模な産業規模のアプリケーションまで拡張可能です。成功したアプリケーションは、世界中で、また歴史上でも見受けられます。何よりも、嫌気性消化は廃棄物を資源に変えることを可能にします。
参考文献
- ビットン G. 廃水微生物学。第 3 版、Wiley-Liss 2005
- van Haandel, AC, Lettinga, G. 嫌気性下水処理：温暖な気候の地域のための実用ガイド J Whiley 1994
- ハウス、D. バイオガス完全ハンドブック第3版 2007 www.completebiogas.com
- スピーチェ、RE 産業廃水のための嫌気性バイオテクノロジー Archae Press 1996
