嫌気性消化

嫌気性消化システム
ドイツの嫌気性消化システム

嫌気性消化は、微生物が酸素のない状態で生分解性物質を分解する一連のプロセスです。[ 1 ] [ 2 ]このプロセスは、産業用途または家庭用の廃棄物処理や燃料生産に利用されています。食品や飲料製品を生産するために産業的に利用されている発酵の多く、そして家庭での発酵は、嫌気性消化を利用しています。

嫌気性消化は、一部の土壌や湖沼、海洋盆地の堆積物で自然に発生し、通常「嫌気性活動」と呼ばれます。[ 3 ] [ 4 ]これは、 1776年にアレッサンドロ・ボルタによって発見された湿地ガスメタンの発生源です。[ 5 ] [ 6 ]

嫌気性消化は 4 つの段階から構成されます。

消化プロセスは、細菌による 投入物質の加水分解から始まります。炭水化物などの不溶性有機ポリマーは、他の細菌が利用できる可溶性誘導体に分解されます。その後、酸生成細菌が糖とアミノ酸を二酸化炭素、水素、アンモニア、有機酸に変換します。酢酸生成では、細菌は生成された有機酸を酢酸に変換し、さらにアンモニア、水素、二酸化炭素などの化合物も生成します。最終的に、メタン生成細菌がこれらの生成物をメタンと二酸化炭素に変換します。[ 7 ]メタン生成古細菌は、嫌気性廃水処理において不可欠な役割を果たしています。[ 8 ]

嫌気性消化は、生分解性廃棄物や下水汚泥の処理プロセスの一部として利用されています。統合廃棄物管理システムの一環として、嫌気性消化は埋立地ガスの大気中への排出を削減します。嫌気性消化槽には、トウモロコシなどの特定用途で栽培されたエネルギー作物を投入することもできます。[ 9 ]

嫌気性消化は再生可能エネルギー源として広く利用されています。このプロセスでは、メタン、二酸化炭素、そして微量のその他の「汚染物質」ガスからなるバイオガスが生成されます。 [ 2 ]このバイオガスは、熱電併給ガスエンジン[ 10 ]の燃料として直接使用することも、天然ガス品質のバイオメタンに精製することもできます。また、生成される栄養豊富な消化液は肥料としても利用できます。

プロセス

嫌気性消化には、酢酸生成細菌（アセトゲン）やメタン生成古細菌（メタン生成菌）など、多くの微生物が関与しています。これらの微生物は、バイオマスをバイオガスに変換する様々な化学プロセスを促進します。[ 11 ]

気体酸素は物理的封じ込めによって反応から排除される。嫌気性菌は酸素ガス以外の電子受容体を利用する。これらの受容体は有機物自体である場合もあれば、投入物質内の無機酸化物によって供給される場合もある。嫌気性システムにおける酸素源が有機物自体に由来する場合、「中間」最終生成物は主にアルコール、アルデヒド、有機酸、そして二酸化炭素である。特殊なメタン生成菌の存在下では、これらの中間体はメタン、二酸化炭素、そして微量の硫化水素という「最終」最終生成物に変換される。[ 12 ]嫌気性システムでは、出発物質に含まれる化学エネルギーの大部分は、メタン生成古細菌によってメタンとして放出される。[ 13 ]

嫌気性微生物の集団が十分に効果を発揮するまでには、通常、かなりの期間を要します。そのため、既存の集団が存在する材料から嫌気性微生物を導入することが一般的です。このプロセスは「播種」と呼ばれ、通常は下水汚泥や畜牛の汚泥を投入することで行われます。[ 14 ]

プロセス段階

嫌気性消化の4つの主要な段階は、加水分解、酸生成、酢酸生成、メタン生成です。[ 15 ] 全体的なプロセスは化学反応で説明でき、グルコースなどの有機物は嫌気性微生物によって生化学的に二酸化炭素（CO2）とメタン（CH4）に分解されます。

C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4

嫌気性消化プロセスフロー: すべてのプロセスフローは、タンパク質、炭水化物、脂肪のバランスに依存します。
  • 加水分解

ほとんどの場合、バイオマスは大きな有機ポリマーで構成されています。嫌気性消化槽内の細菌が物質のエネルギーポテンシャルを利用するには、まずこれらの鎖をより小さな構成要素に分解する必要があります。これらの構成要素、つまり糖などのモノマーは、他の細菌が容易に利用できます。これらの鎖を分解し、より小さな分子を溶液に溶解するプロセスは加水分解と呼ばれます。したがって、これらの高分子量ポリマー成分の加水分解は、嫌気性消化の必要な最初のステップです。[ 16 ]加水分解によって、複雑な有機分子は単純な糖、アミノ酸、脂肪酸に分解されます。

第一段階で生成される酢酸と水素は、メタン生成菌によって直接利用されます。酢酸よりも鎖長の長い揮発性脂肪酸（VFA）などの他の分子は、まずメタン生成菌が直接利用できる化合物へと分解される必要があります。 [ 17 ]

  • 酸生成

酸生成という生物学的プロセスにより、残りの成分は酸生成（発酵）細菌によってさらに分解されます。ここで、VFAに加え、アンモニア、二酸化炭素、硫化水素などの副産物が生成されます。[ 18 ]酸生成のプロセスは、牛乳が酸っぱくなる過程に似ています。

  • 酢酸生成

嫌気性消化の第三段階は酢酸生成です。ここでは、酸生成段階で生成された単純な分子が酢酸生成菌によってさらに分解され、主に酢酸、二酸化炭素、水素が生成されます。[ 19 ]

  • メタン生成

嫌気性消化の最終段階は、メタン生成という生物学的プロセスです。ここでは、メタン生成菌が前段階の中間生成物をメタン、二酸化炭素、水に変換します。これらの成分が、システムから排出されるバイオガスの大部分を占めます。メタン生成はpHの高低に敏感で、pH 6.5からpH 8の間で起こります。[ 20 ]微生物が利用できない残りの消化できない物質と、細菌の死骸が消化残渣となります。

[ 21 ]

構成

一般的なバイオガス技術の比較
一般的なバイオガス技術の比較

嫌気性消化槽は、さまざまな構成で動作するように設計およびエンジニアリングすることができ、バッチ処理モードと連続処理モード、中温と高温の温度条件、固形物の割合が高いか低いか、および単段処理と多段処理に分類できます。連続処理ではより複雑な設計が必要ですが、バッチ処理では連続処理の消化槽と同じ量の廃棄物を処理するために、初期の建設費が高く、消化槽の容量も大きい (複数のバッチに分散) ため、バッチ処理よりも経済的である可能性があります。[ 22 ]中温システムと比較して、好熱システムではより高い熱エネルギーが必要ですが、好熱システムは時間がかかりません。また、ガス出力容量が大きく、メタンガス含有量が高いため、そのトレードオフを慎重に検討する必要があります。[ 23 ]固形物含有量の場合、低固形物含有量は最大 15% の固形物含有量を処理できます。このレベルを超えると高固形物含有量と見なされ、乾式消化とも呼ばれます。[ 24 ]単段プロセスでは、1つのリアクターに4つの嫌気性消化工程が組み込まれます。多段プロセスでは、メタン生成段階と加水分解段階を分離するために、2つ以上のリアクターを用いて消化を行います。[ 25 ]

バッチまたは連続

嫌気性消化は、バッチ式または連続式で実行できます。バッチ式システムでは、プロセス開始時にバイオマスをリアクターに加えます。その後、リアクターはプロセス中は密閉されます。最も単純なバッチ式処理では、嫌気性消化を開始するために、すでに処理済みの材料を接種する必要があります。一般的なシナリオでは、バイオガスは時間の経過とともに正規分布パターンで生成されます。オペレーターはこの事実を利用して、有機物の消化プロセスが完了したと判断できます。プロセスが十分に完了する前にバッチ式リアクターを開けて空にすると、深刻な臭気の問題が発生する可能性があります。より高度なタイプのバッチ式アプローチでは、嫌気性消化と容器内堆肥化を統合することで、臭気の問題を抑制しています。このアプローチでは、再循環された脱ガスされた濾過物を使用して接種が行われます。嫌気性消化が完了した後、バイオマスはリアクター内に保持され、開封前に容器内堆肥化に使用されます。 [ 26 ]バッチ式消化はシンプルで、必要な設備や設計作業が少ないため、通常はより安価な消化方式です。[ 27 ]工場で複数のバッチ式リアクターを使用することで、バイオガスの安定した生産を確保できます。

連続消化プロセスでは、有機物はリアクターに連続的に投入される（連続完全混合）か、段階的に投入される（連続プラグフロー、先入れ先出し）。この場合、最終生成物は連続的または定期的に除去され、結果としてバイオガスが一定量生成される。単一または複数の消化槽を連続して使用することができる。この嫌気性消化方式の例としては、連続撹拌槽リアクター、上向流嫌気性汚泥ブランケット、膨張顆粒汚泥床、内部循環リアクターなどが挙げられる。[ 28 ] [ 29 ]

温度

嫌気性消化槽の従来の2つの運転温度レベルは、消化槽内のメタン生成菌の種類を決定する。[ 30 ]

  • 中温消化は、中温菌が主な微生物である 30 ～ 38 °C 付近、または周囲温度 20 ～ 45 °C で最適に行われます。
  • 好熱性消化は、49 ～ 57 °C 付近、または好熱菌が主な微生物である 70 °C までの高温で最適に行われます。

ボリビアでは、嫌気性消化が10℃未満の温度条件で限界に達している。嫌気性プロセスは非常に遅く、通常の中温プロセスの3倍以上の時間を要している。 [ 31 ]アラスカ大学フェアバンクス校での実験では、「アラスカの凍った湖の泥」から採取した好冷菌を用いた1,000リットルの消化槽で、1日あたり200～300リットルのメタンが生成された。これは、温暖な気候の消化槽の出力の約20～30%に相当する。[ 32 ]中温菌は好熱菌よりも数が多く、環境条件の変化に対する耐性も高温菌よりも高い。そのため、中温システムは好熱性消化システムよりも安定していると考えられている。対照的に、好熱性消化システムは安定性が低いと考えられているが、エネルギー入力が高く、同じ時間で有機物からより多くのバイオガスが除去される。温度上昇により反応速度が速くなり、ガス収量も増加します。高温での運転は、消化液中の病原菌の減少を促進します。欧州連合の動物副産物規制など、消化液に一定レベルの病原菌減少が求められる法律がある国では、中温ではなく好熱温度を使用する方が有利な場合があります。[ 33 ]

バイオガス生成に必要な滞留時間を短縮するために、追加の前処理を施すことができます。例えば、基質を細断して表面積を増やす方法や、加熱前処理（低温殺菌など）を施す方法などがあり、バイオガスの生産量を大幅に向上させることができます。低温殺菌プロセスは、嫌気性消化槽から排出される消化液中の病原菌濃度を低減するためにも使用できます。低温殺菌は、加熱処理と固形物の 浸軟処理を組み合わせることで実現できます。

固形分含有量

典型的なシナリオでは、消化槽への原料の固形分含有量には 3 つの異なる操作パラメータが関連しています。

  • 高固形分（乾燥・積み重ね可能な基質）
  • 高固形分（湿式ポンプ可能基質）
  • 低固形分（湿式ポンプ可能基質）
乾式/固体嫌気性消化（AD）バイオガスプラントの設計
乾式/固体嫌気性消化（AD）バイオガスプラントの設計

高固形分（乾式）消化槽は、固形分含有量が25～40%の物質を処理するように設計されています。ポンプで汲み上げ可能なスラリーを処理する湿式消化槽とは異なり、高固形分（乾式 - 積み重ね可能な基質）消化槽は、水を添加せずに固形基質を処理するように設計されています。乾式消化槽の主な形式は、連続垂直プラグフロー式とバッチトンネル式水平消化槽です。連続垂直プラグフロー式消化槽は、直立した円筒形のタンクで、原料は消化槽の上部に連続的に供給され、消化中に重力によって下方に流れます。バッチトンネル式消化槽では、原料は気密扉を備えたトンネル状のチャンバーに堆積されます。どちらの方式でも、消化槽内での混合は行われません。汚染物質の除去などの前処理の量は、処理対象の廃棄物の性質と、消化液に求められる品質の両方に依存します。粒度の縮小（粉砕）は、連続垂直式システムでは消化を促進するため有益ですが、バッチ式システムでは粉砕は不要で、代わりに積み重ねられた堆積物の圧縮を軽減するための構造物（庭の廃棄物など）が必要となります。連続式垂直乾式消化槽は、有効滞留時間が短く垂直設計のため、設置面積が小さくなります。湿式消化槽は、総浮遊物質濃度（TSS）が約20%を超える高固形分濃度、または約15%未満の低固形分濃度で運転するように設計できます。[ 34 ] [ 35 ]

高固形分（湿式）消化槽は、濃厚なスラリーを処理するため、原料の移動と処理に多くのエネルギー投入が必要となる。また、原料の厚みは摩耗などの関連問題を引き起こす可能性がある。高固形分消化槽は、水分量が少ないため、一般的に必要な土地面積は少なくなる。[ 36 ]また、高固形分消化槽では、原料の大部分がバイオガスに変換可能であるため、元々は非常に希薄な下水消化コンセプトに基づいていた従来の性能計算（ガス生成量、滞留時間、反応速度など）を修正する必要がある。[ 37 ]

低固形分（湿式）消化槽は、標準的なポンプを用いてシステム内を物質を輸送することができ、エネルギー投入量が大幅に削減されます。低固形分消化槽は、消化槽内の液体と原料の比率が高くなるため、容積が増加するため、高固形分消化槽よりも広い土地を必要とします。液体環境での運転には、物質の循環とバクテリアと餌との接触がより徹底的になるという利点があります。これにより、バクテリアは餌となる物質に容易にアクセスでき、ガス生成率が向上します。[ 38 ]

複雑

消化システムは、様々なレベルの複雑さで構成できます。[ 34 ]単段消化システム(1 ステージ)では、すべての生物学的反応が単一の密閉されたリアクターまたは保持タンク内で発生します。 1 段階を使用すると建設コストは削減されますが、システム内で発生する反応の制御が低下します。 酸生成細菌は、酸を生成することでタンクの pH を低下させます。 メタン生成古細菌は、前述のように、厳密に定義された pH 範囲で動作します。[ 39 ]そのため、単段リアクター内の異なる種の生物学的反応は、互いに直接競合する可能性があります。 もう 1 つの 1 ステージ反応システムは嫌気性ラグーンです。 これらのラグーンは、肥料の処理と長期貯蔵のために使用される池のような土製の盆地です。[ 40 ]ここでは、嫌気性反応はプールに含まれる天然の嫌気性汚泥内で行われます。

二段式消化システム（多段式）では、異なる消化容器を最適化し、消化槽内に生息する細菌群集を最大限に制御します。酸生成細菌は有機酸を生成し、メタン生成古細菌よりも速く増殖します。メタン生成古細菌は、その機能を最適化するために安定したpHと温度を必要とします。[ 41 ]

通常、最初の反応容器内では加水分解、酢酸生成、酸生成が起こります。その後、有機物は必要な操作温度（中温または好熱性）まで加熱され、メタン生成リアクターに送り込まれます。メタン生成リアクターの前の最初の加水分解タンクまたは酸生成タンクは、原料の投入速度に対する緩衝材として機能します。一部のヨーロッパ諸国では​​、投入廃棄物中の有害細菌を殺すために、ある程度の高温処理が義務付けられています。[ 42 ]この場合、消化の前、または2つの消化タンクの間に低温殺菌または滅菌段階が設けられることがあります。注目すべきは、異なる反応段階を完全に分離することは不可能であり、加水分解タンクまたは酸生成タンクでバイオガスが生成されることが多いことです。

滞在時間

消化槽内の滞留時間は、供給物質の量と種類、そして消化システムの構成によって異なります。典型的な2段階中温消化では、滞留時間は15日から40日です[ 43 ]。一方、1段階高温消化では、滞留時間は通常より短く、約14日です。これらのシステムの一部はプラグフロー型であるため、この時間スケールでは物質が完全に分解されない可能性があります。その場合、システムから排出される消化液は色が濃くなり、通常は臭いが強くなります[ 44 ] 。

上向流式嫌気性汚泥ブランケット消化（UASB）の場合、水力滞留時間は最短1時間から1日、固形物滞留時間は最長90日です。このように、UASBシステムは、汚泥ブランケットを用いることで固形物と水力滞留時間を分離することができます。[ 45 ]連続式消化槽は、内容物中の固形物濃度に応じて、機械式または油圧式の装置を備えており、内容物を混合することで、バクテリアと餌となる物質を接触させます。また、消化槽内の容積を一定に保つために、余剰物質を連続的に抜き出すこともできます。[ 46 ]

プレッシャー

嫌気性リアクターの設計における最近の進歩は、高圧嫌気性消化（HPAD）であり、自己生成高圧消化（AHPD）とも呼ばれています。この技術は、メタン含有量の高いバイオガスを生成します。バイオガス中に生成された二酸化炭素は、圧力下ではメタンよりも多く水相に溶解します。そのため、生成されたバイオガスはメタンに富んでいます。フローニンゲン大学の研究では、細菌群集は圧力の影響下で組成が変化することが実証されています。[ 47 ]個々の細菌種には、最も速く成長し、複製する最適な環境があります。一般的に知られているのはpH、温度、塩分などですが、圧力もその1つです。一部の種は、海面よりも圧力がはるかに高い深海での生活に適応しています。これにより、温度、保持時間、pHなどの他のプロセスパラメータと同様に、嫌気性消化プロセスに影響を与えることが可能になります。

阻害

左：ドイツのノイミュンスター近郊にある農場に設置されたトウモロコシサイレージ消化槽（2007年）。緑色の膨張式バイオガスホルダーが消化槽の上部に設置されている。右：テルアビブ近郊の機械的生物処理システムにおける、低固形分二段式UASB消化装置。バランスタンクとシーケンシングバッチリアクターに処理水が流れている様子（2005年）。

嫌気性消化プロセスは、様々な化合物によって阻害される可能性があり、様々な有機物分解段階を担う細菌群の1つまたは複数に影響を及ぼす。阻害の程度は、他の要因の中でも、消化槽内の阻害物質の濃度に依存する。阻害物質となり得るものとしては、アンモニア[ 48 ] 、硫化物、軽金属イオン（Na、K、Mg、Ca、Al）、重金属、一部の有機物（クロロフェノール、ハロゲン化脂肪族化合物、N置換芳香族化合物、長鎖脂肪酸）などが挙げられる[ 49 ]。

全アンモニア性窒素（TAN）は、メタンの生成を阻害することが示されています。さらに、微生物群集を不安定化し、酢酸の合成に影響を与えます。酢酸はメタン生成の原動力の1つです。TANが5000 mg/Lを超えると、反応を安定に保つためにpH調整が必要です。[ 50 ] TAN濃度が1700～1800 mg/Lを超えるとメタン生成が阻害され、TAN濃度が高いほど収量が低下します。TAN濃度が高いと反応が酸性に傾き、阻害がドミノ効果で起こります。[ 50 ]全アンモニア性窒素は、遊離アンモニアとイオン化アンモニアの組み合わせです。TANは、窒素を多く含む物質（通常はタンパク質）の分解によって生成され、嫌気性消化で自然に蓄積されます。これは、システムに供給される有機供給原料に依存します。一般的な廃水処理方法では、TANの削減は硝化によって行われます。硝化は好気性プロセスであり、好気性従属栄養細菌によってTANが消費されます。これらの細菌は硝酸塩と亜硝酸塩を放出し、これらは後に脱窒プロセスによって窒素ガスに変換されます。[ 51 ]加水分解と酸生成もTAN濃度の影響を受ける可能性があります。中温条件下では、加水分解は5500 mg/LのTANで阻害され、酸生成は6500 mg/LのTANで阻害されることが分かりました。[ 52 ]

原料

カリフォルニア州立工科大学乳製品工場の嫌気性ラグーンと発電機（米国）

嫌気性消化システムの適用を検討する際に最も重要な最初の問題は、プロセスへの原料です。[ 53 ]ほとんどすべての有機物は嫌気性消化で処理できます。[ 54 ]しかし、バイオガス生産が目的である場合、腐敗性のレベルがその適用を成功させる鍵となる要素です。[ 55 ]物質の腐敗性（消化性）が高いほど、システムから得られるガス収量は高くなります。

原料には、古紙、刈り草、食べ残し、下水、動物の排泄物などの生分解性廃棄物が含まれます。[ 2 ]木質廃棄物は例外で、ほとんどの嫌気性菌がリグニンを分解できないため、消化の影響をほとんど受けません。リグニンを分解するには、木質食性嫌気性菌（リグニンの消費者）や熱分解などの高温前処理が用いられます。嫌気性消化槽には、サイレージなどの特別に栽培されたエネルギー作物を投入し、専用のバイオガス生産を行うこともできます。ドイツおよび欧州大陸では、これらの施設は「バイオガス」プラントと呼ばれています。共消化プラントまたは共発酵プラントは、通常、2つ以上の投入物質を同時に消化する農業用嫌気性消化槽です。[ 56 ]

嫌気性消化に必要な時間は、物質の化学的複雑さによって異なります。消化しやすい糖分を多く含む物質は速やかに分解されますが、セルロースやヘミセルロースポリマーを多く含むリグノセルロース系物質は、分解に非常に長い時間がかかります。[ 57 ]嫌気性微生物は、バイオマスに含まれる難分解性の芳香族成分であるリグニンを分解することが一般的にできません。[ 58 ]

嫌気性消化槽は、もともと下水汚泥と家畜糞尿を用いて運転するために設計された。しかし、下水と家畜糞尿は、嫌気性消化に最も適した物質ではない。なぜなら、生分解性物質は、それを生産した動物によって既に多くのエネルギーを吸収されているからである。そのため、多くの消化槽は2種類以上の原料を混合して運転している。例えば、酪農糞尿を主原料とする農場ベースの消化槽では、[ 59 ]牧草やトウモロコシ（典型的な農場内原料）や、屠殺場廃棄物、レストランからの油脂、グリース、家庭からの有機廃棄物など、様々な有機副産物（典型的なオフサイト原料）などの第2の原料を添加することで、ガス生成量を大幅に増加させることができる。[ 60 ]

専用のエネルギー作物を処理する消化装置は、高いレベルの分解とバイオガス生産を達成することができる。[ 35 ] [ 61 ] [ 62 ]スラリーのみのシステムは一般的に安価であるが、トウモロコシや牧草サイレージなどの作物を使用するシステムに比べてエネルギー生成量ははるかに少ない。適度な量の作物材料（30％）を使用することで、嫌気性消化プラントは、スラリーのみのシステムと比較して、資本コストのわずか3倍でエネルギー出力を10倍に増加させることができる。[ 63 ]

水分含有量

原料に関する2つ目の考慮事項は水分含有量です。食品や庭の廃棄物など、乾燥していて積み重ね可能な基質は、トンネルのようなチャンバーでの消化に適しています。トンネル型システムは通常、廃水排出量もほぼゼロであるため、消化液の排出が問題となる場合にこのタイプのシステムが有利です。材料の水分量が多いほど、エネルギー集約型のコンクリートポンプや物理的な移動手段ではなく、標準的なポンプで処理するのに適しています。また、材料の水分量が多いほど、生成されるガスのレベルに比べて占める体積と面積が大きくなります。対象原料の水分含有量も、処理に適用されるシステムの種類に影響します。希薄な原料に高固形分嫌気性消化槽を使用する場合は、堆肥などの増量剤を使用して投入原料の固形分含有量を増やす必要があります。[ 64 ]もう1つの重要な考慮事項は、投入原料の炭素：窒素比です。この比は微生物が成長するために必要な栄養のバランスです。最適なC:N比は20～30:1です。[ 65 ]過剰なNはアンモニアによる消化阻害を引き起こす可能性があります。[ 61 ]

汚染

湿式消化またはプラグフロー消化を使用する場合、原料の汚染レベルは重要な考慮事項です。

消化槽への原料にプラスチック、ガラス、金属などの物理的汚染物質が著しく含まれている場合、その原料を使用するには、汚染物質を除去する処理が必要になります。[ 66 ]汚染物質が除去されない場合、消化槽が詰まり、効率的に機能しなくなります。この汚染問題は、乾式消化や固体嫌気性消化（SSAD）プラントでは発生しません。SSADは、発酵槽と呼ばれる気密容器で、固形分含有率の高い（40～60%）乾燥した積み重ね可能なバイオマスを処理するためです。[ 67 ]このような理解に基づいて、機械式生物処理プラントが設計されています。原料に必要な前処理のレベルが高ければ高いほど、より多くの処理機械が必要になり、その結果、プロジェクトの資本コストが高くなります。国立非食用作物センター。[ 68 ]

原料から物理的汚染物質を除去するための選別またはふるい分けの後、原料は細断、ミンチ化、機械パルプ化または水圧パルプ化されることが多く、これにより消化槽内の微生物が利用できる表面積が増加し、消化速度が向上します。固形物の軟化は、チョッパーポンプを用いて原料を密閉式消化槽に送り込み、嫌気性処理を行うことで達成されます。

基質組成

基質組成は、バイオマスの消化によるメタン収量とメタン生成速度を決定する主要な要因です。原料の組成特性を決定する技術は利用可能ですが、固形物、元素、有機物の分析などのパラメータは、消化槽の設計と操作に重要です。[ 69 ]メタン収量は、基質の元素組成とその分解性（反応器内でバイオガスに変換される基質の割合）の推定値から推定できます。[ 70 ]バイオガスの組成（メタンと二酸化炭素の相対的な割合）を予測するには、水相とガス相の間の二酸化炭素の分配を推定する必要があり、そのためには追加情報（反応器温度、 pH、基質組成）と化学種分化モデルが必要です。[ 71 ]バイオメタン化ポテンシャルの直接測定は、ガス発生法や最近の重量分析法を用いても行われます。[ 72 ]

アプリケーション

衛生システムの一部としての嫌気性消化槽の概略図。肥料として利用可能な消化スラリー（消化液）と、エネルギーとして利用可能なバイオガスを生成します。 [ 73 ]

嫌気性消化技術を使用すると、いくつかの重要な方法で温室効果ガスの排出を削減できます。

  • 化石燃料の代替
  • 廃棄物処理施設のエネルギーフットプリントの削減または排除
  • 埋立地からのメタン排出の削減
  • 工業的に生産された化学肥料の置き換え
  • 車両の動きを減らす
  • 電力網の輸送損失の削減
  • 調理用LPガス使用量の削減
  • ゼロ・ウェイスト・イニシアチブの重要な要素である。[ 74 ]

廃棄物および廃水処理

下水処理場の嫌気性消化槽。メタンガスはガスフレアで燃焼させることで処理されます。

嫌気性消化は特に有機物に適しており、産業廃水、廃水、下水汚泥の処理によく使用されています。[ 75 ]嫌気性消化は簡単なプロセスですが、海洋投棄[ 76 ] 、埋立地への投棄、または焼却炉での焼却処分となる可能性のある有機物の量を大幅に削減することができます。[ 77 ]

先進国では、固形廃棄物処理方法に関する環境関連法規制の圧力により、廃棄物量を削減し、有用な副産物を生成するプロセスとして嫌気性消化の適用が増加しています。嫌気性消化は、発生源で分別された都市廃棄物の一部を処理するために使用される場合もあれば、機械選別システムと組み合わせて残留混合都市廃棄物を処理する場合もあります。これらの施設は、機械式生物処理施設と呼ばれています。[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]

嫌気性消化槽で処理された腐敗性廃棄物が埋め立て処分された場合、自然分解され、多くの場合嫌気性分解されます。この場合、最終的にガスが大気中に放出されます。メタンは温室効果ガスとして二酸化炭素の約20倍の威力を持つため、環境に重大な悪影響を及ぼします。[ 81 ]

家庭ごみを収集している国では、地域的な嫌気性消化施設を利用することで、集中埋立地や焼却施設への輸送を必要とする廃棄物の量を削減することができます。輸送負荷の軽減は、収集車両からの二酸化炭素排出量の削減にもつながります。地域的な嫌気性消化施設を電力配電網に組み込むことで、全国規模の送電網を介した電力輸送に伴う電力損失の削減にも役立ちます。[ 82 ]

嫌気性消化は、 PFASに汚染された汚泥の浄化に用いることができる。2024年の研究では、嫌気性消化と活性炭による吸着、そして電圧印加を組み合わせることで、下水汚泥から最大61%のPFASを除去できることが示された。[ 83 ]

発電

発展途上国では、家庭用や農場で簡単に利用できる嫌気性消化システムが、調理や照明用の低コストのエネルギー源として期待されています。[ 31 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] 1975年以降、中国とインドは、家庭での調理や照明用に小型バイオガスプラントを改造するための大規模な政府支援計画を実施してきました。現在、発展途上国における嫌気性消化プロジェクトは、炭素排出量の削減効果を実証できれば、国連クリーン開発メカニズム（CDM）を通じて資金援助を受けることができます。 [ 87 ]

嫌気性消化施設で生成されるメタンと電力は、化石燃料由来のエネルギーの代替として使用でき、温室効果ガスの排出量を削減できます。これは、生分解性物質に含まれる炭素が炭素循環の一部であるためです。バイオガスの燃焼によって大気中に放出される炭素は、最近、通常は過去10年以内、より一般的には直近の生育期に植物が成長するために吸収したものです。植物が再び成長し、大気中の炭素を再び吸収すれば、システムはカーボンニュートラルになります。[ 88 ] [ 89 ]対照的に、化石燃料に含まれる炭素は何百万年もの間地中に固定されており、その燃焼は大気中の二酸化炭素濃度を全体的に上昇させます。嫌気性消化装置による発電は、小規模農場よりも大規模事業に最適です。大規模事業では、システムを経済的に実行可能にするのに十分な量の肥料を生産できるからです。[ 90 ]

下水汚泥処理から得られるバイオガスは、ガスエンジンを動かして電力を生成するために使用されることがあり、その一部または全部を下水処理場の稼働に使用することができる。[ 91 ]エンジンからの廃熱の一部は、消化槽の加熱に利用される。廃熱は通常、消化槽を必要な温度まで加熱するのに十分である。下水処理場からの電力の潜在的可能性は限られており、英国では合計約 80 MW の発電があり、150 MW まで増加する可能性があるが、これは英国の平均電力需要約 35,000 MW と比較すると微々たるものである。下水廃棄物以外の生物由来物質（エネルギー作物、食品廃棄物、屠殺場廃棄物など）からのバイオガス生成の余地ははるかに大きく、約 3,000 MW の能力があると推定されている。[ 92 ]動物の排泄物とエネルギー作物を使用する農場バイオガスプラントは、 CO2排出量の削減と電力網の強化に貢献するとともに、英国の農家に追加の収入をもたらすと期待されている。[ 93 ]

一部の国では、グリーンエネルギーの生産を補助するために、例えば電力網に電気を供給するための固定価格買い取り制度などの形でインセンティブを提供しています。 [ 2 ] [ 94 ]

カリフォルニア州オークランドにあるイーストベイ市営公益事業地区（EBMUD）の主要下水処理場（EBMUD）では、現在、生ごみを一次・二次都市下水固形物やその他の高強度廃棄物と共消化しています。都市下水固形物のみの消化と比較して、生ごみ共消化には多くの利点があります。EBMUDの生ごみ処理プロセスから得られる生ごみパルプの嫌気性消化は、都市下水固形物と比較して、より高い標準化エネルギー効果をもたらします。適用された生ごみ1乾燥トンあたり730～1,300kWhであるのに対し、適用された都市下水固形物1乾燥トンあたり560～940kWhです。[ 95 ] [ 96 ]

グリッド注入

バイオガスのメタン成分は、バイオメタンへのアップグレードによって濃縮することができます。バイオメタン（再生可能天然ガスとも呼ばれる）は、天然ガス供給網に注入することができます。[ 97 ]アップグレードプロセスでは、硫化水素やシロキサンなどの汚染物質、および主に二酸化炭素などのメタン以外のガス成分が除去されます。この目的にはいくつかの技術が利用可能であり、最も広く実施されているのは、圧力スイング吸着（PSA）、水またはアミンスクラビング（吸収プロセス）、および膜分離です。[ 98 ] [ 99 ]

車両燃料

上記の技術を導入することで、バイオメタンを圧縮天然ガス（CNG）に圧縮し、天然ガス自動車で利用できるようになります。スウェーデンでは天然ガス自動車の利用が非常に広く、38,600台以上のガス自動車が稼働しています。また、CNG供給量の60%は嫌気性消化プラントで生成されるバイオメタンです。[ 100 ]

肥料と土壌改良剤

消化物の固形繊維成分は土壌改良剤として土壌の有機物含有量を高めるために利用することができます。消化液は、製造と輸送に大量のエネルギーを必要とする化学肥料の代わりに、土壌に不可欠な栄養素を供給する肥料として利用できます。したがって、製造された肥料の使用は、嫌気性消化液肥料の使用よりも炭素集約度が高いです。スペインのように多くの土壌で有機物が枯渇している国では、消化固形物の市場はバイオガスと同様に重要になる可能性があります。[ 101 ]

調理用ガス

嫌気性消化は小規模で調理用ガスを生成するために利用することができます。落ち葉、厨房廃棄物、生ゴミなどの有機廃棄物は粉砕機に投入され、少量の水と混合されます。その後、混合物は嫌気性消化槽に投入され、そこで古細菌によって分解され調理用ガスが生成されます。このガスは配管で調理コンロに送られます。2立方メートルの嫌気性消化槽は2立方メートルの調理用ガスを生成できます。これは1kgのLPGに相当します。[ 102 ]

製品

嫌気性消化の3つの主な生成物はバイオガス、消化物、水である。[ 34 ] [ 103 ] [ 104 ]

バイオガス

バイオガスの典型的な構成
化合物式%
メタンCH450～75歳
二酸化炭素二酸化炭素225～50歳
窒素北20～10
水素H20対1
硫化水素H2S0～3
酸素お20対0
出典: www.kolumbus.fi, 2007 [ 105 ]
避雷針と予備ガスフレアを備えたバイオガスホルダー
バイオガス輸送パイプ

バイオガスは、投入された生分解性原料を餌とするバクテリアの最終的な廃棄物であり[ 106 ]（嫌気性消化のメタン生成段階は、系統樹上でバクテリアとは明らかに異なる枝にいる微生物である古細菌によって行われます）であり、主にメタンと二酸化炭素で、[ 107 ] [ 108 ]少量の水素と痕跡量の硫化水素が含まれています。（生成されたバイオガスには水蒸気も含まれており、水蒸気分率はバイオガスの温度の関数です）。[ 37 ]バイオガスの大部分は、バクテリアの個体数が増殖した後の消化の途中で生成され、腐敗性物質が枯渇するにつれて減少します。[ 109 ]ガスは通常、膨張可能なガスバブルで消化槽の上に貯蔵されるか、抽出されて施設の隣にあるガスホルダーに貯蔵されます。

バイオガス中のメタンは、通常は往復エンジンまたはマイクロタービン[ 110 ]を用いて燃焼させることで、熱と電力の両方を生成することができます。多くの場合、生成された電力と廃熱は消化槽の加温や建物の暖房に利用されるコジェネレーション設備で使用されます。余剰電力は供給業者に販売するか、地域の電力網に供給することができます。嫌気性消化槽で生産される電力は再生可能エネルギーとみなされており、補助金の対象となる場合があります。[ 111 ]バイオガスは大気中に直接放出されず、二酸化炭素は炭素循環の短い有機源に由来するため、大気中の二酸化炭素濃度の上昇には寄与しません。

バイオガスは、燃料として使用するために精製するために、処理または「洗浄」が必要な場合があります。[ 112 ]原料中の硫酸塩から生成される有毒物質である硫化水素が、バイオガスの微量成分として放出されます。米国環境保護庁やイングランド・ウェールズ環境庁などの国の環境執行機関は、硫化水素を含むガスのレベルに厳しい制限を設けており、ガス中の硫化水素のレベルが高い場合は、バイオガスを地域の許容レベル内に処理するために、ガス洗浄および浄化装置（アミンガス処理など）が必要になります。[ 113 ]あるいは、消化タンクに塩化第一鉄（FeCl 2）を添加することで、硫化水素の生成を抑制できます。[ 114 ]

揮発性シロキサンもバイオガスを汚染する可能性があり、このような化合物は家庭ごみや廃水によく含まれています。これらの物質を原料として受け入れる消化施設では、低分子量シロキサンがバイオガス中に揮発します。このガスがガスエンジン、タービン、またはボイラーで燃焼されると、シロキサンは二酸化ケイ素（SiO 2）に変換され、機械内部に堆積して摩耗を増大させます。[ 115 ] [ 116 ]現在、シロキサンやその他のバイオガス汚染物質を除去するための実用的かつ費用対効果の高い技術が利用可能です。[ 117 ]特定の用途では、原位置処理を用いてオフガス中の二酸化炭素含有量を減らし、その大部分を二次反応器で除去することで、メタン純度を高めることができます。[ 118 ]

スイス、ドイツ、スウェーデンなどの国では、バイオガス中のメタンを圧縮して車両輸送燃料として使用したり、ガス本管に直接投入したりすることがあります。[ 119 ]嫌気性消化の利用を推進する要因が再生可能電力の補助金である国では、この処理段階でエネルギーが必要となり、販売可能な総量が減少するため、この処理方法は採用されにくいです。[ 120 ]

消化液

消化液は、消化槽に投入された原料のうち、微生物が利用できない固形残渣です。また、消化槽内で死んだ細菌の残骸がミネラル化したものも消化液に含まれます。消化液は、繊維状、液体、またはこれら2つの成分を混合した汚泥状の3つの形態をとります。2段階システムでは、異なる形態の消化液がそれぞれ異なる消化槽から供給されます。1段階消化システムでは、これら2つの成分を混合し、必要に応じてさらに処理して分離します。[ 121 ] [ 122 ]

酸生成嫌気性消化物

2つ目の副産物（酸性消化物）は、主にリグニンとセルロースからなる安定した有機物ですが、死んだ細菌細胞のマトリックス中に様々なミネラル成分も含まれています。プラスチックも含まれる場合があります。この物質は家庭用堆肥に似ており、そのまま使用することも、ファイバーボードなどの低品質の建築材料の製造にも使用できます。[ 123 ] [ 124 ] 固形消化物は、エタノール生産の原料としても使用できます。[ 125 ]

3つ目の副産物は、栄養分に富んだ液体（メタン生成消化液）で、消化される物質の品質によっては肥料として使用することができます。[ 122 ]潜在的毒性元素（PTE）のレベルは化学的に評価する必要があります。これは、元の原料の品質に依存します。ほとんどのクリーンで発生源分別された生分解性廃棄物の場合、PTEのレベルは低くなります。産業廃棄物の場合、PTEのレベルは高くなる可能性があり、物質の適切な最終用途を決定する際に考慮する必要があります。

消化残渣には通常、嫌気性微生物が分解できないリグニンなどの要素が含まれています。また、消化残渣には植物毒性のあるアンモニアが含まれている場合があり、土壌改良材として使用すると植物の成長を妨げる可能性があります。これらの2つの理由から、消化後に熟成または堆肥化の段階が採用される場合があります。リグニンやその他の物質は、菌類などの好気性微生物によって分解されます。熟成中に、アンモニアは硝酸塩に酸化され、土壌改良剤としての物質の肥沃度が向上します。さらに、堆肥化により（主に蒸発によって）かなりの質量損失が発生するため、トラックで敷地外に運び出す必要がある物質の量が減ります。[ 126 ]堆肥化は乾式消化槽でよく使用されます。これは、湿式消化槽では堆肥化できるように木製品やその他の物質を増量する必要があるためです。[ 127 ] [ 128 ]ほとんどの消化槽は堆肥化可能な包装を分解することができないため、この種の包装を嫌気性消化槽で処理するには二次堆肥化が必要である。[ 129 ]

廃水

嫌気性消化システムから最終的に排出されるのは水です。これは、処理された元の廃棄物の水分と、消化システム内の微生物反応によって生成された水の両方から生じます。この水は、消化液の脱水時に放出される場合もあれば、消化液とは暗黙的に分離されている場合もあります。

嫌気性消化施設から排出される廃水は、通常、生化学的酸素要求量（BOD）と化学的酸素要求量（COD）の値が高くなります。これらの反応性を示す指標は、排水の汚染能力を示しています。これらの物質の一部は「ハードCOD」と呼ばれ、嫌気性細菌がバイオガスに変換するために利用できないことを意味します。この廃水を直接水路に流すと、富栄養化を引き起こし、水路に悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、廃水の更なる処理が必要となることがよくあります。この処理は通常、バッチ式反応器または逆浸透装置を用いて空気を水に通す酸化段階です。[ 130 ] [ 131 ] [ 132 ]

歴史

ガス街灯

有機物の自然分解によって生成されるガスの製造に対する科学的関心は、17世紀に遡り、ロバート・ボイル（1627–1691）とスティーブン・ヘイルズ（1677–1761）が、川や湖の堆積物をかき混ぜると可燃性ガスが放出されることに気づいたことから始まりました。[ 13 ] 1778年、電気化学の父と呼ばれるイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタ（1745–1827）は[ 133 ]、そのガスがメタンであることを科学的に特定しました。[ 134 ]

1808年、ハンフリー・デービー卿は牛の糞尿から発生するガス中にメタンが存在することを証明した。[ 15 ]嫌気性消化槽として初めて知られる施設は、1859年にインドのボンベイにあるハンセン病療養所に建設された。 [ 135 ] 1895年にはイギリスのエクセターでこの技術が開発され、浄化槽からガス灯の一種である下水ガス分解ランプ用のガスが生成された。またイギリスでは、1904年にロンドンのハンプトンに、沈殿処理と汚泥処理の両方に使用できる最初の二重目的タンクが設置された。

イムホフ戦車

20世紀初頭までに、嫌気性消化システムは今日の技術に近づき始めました。[ 136 ] 1906年、カール・インホフはイムホフタンクを開発しました。[ 137 ] これは20世紀初頭を通じて嫌気性消化槽の初期形態であり、模範的な廃水処理システムでした。[ 138 ] [ 139 ] 1920年以降、それまで一般的だった嫌気性ラグーン（揮発性固形物を処理するために使用される覆われた土槽）に代わって、密閉タンクシステムが使用されるようになりました。嫌気性消化の研究は1930年代に本格的に始まりました。[ 140 ]

第一次世界大戦の頃、石油生産が増加しその用途が特定されるにつれて、バイオ燃料の生産は鈍化した。[ 141 ]第二次世界大戦中の燃料不足により嫌気性消化が再び普及したが、戦争が終わるとこの技術への関心は再び低下した。[ 136 ] [ 142 ]同様に、1970年代のエネルギー危機が嫌気性消化への関心を呼び起こした。[ 136 ]エネルギー価格の高騰に加えて、嫌気性消化システムの採用に影響を与える要因には、技術革新への受容性、汚染に対する罰金、政策的インセンティブ、補助金や資金調達の機会の利用可能性などがある。[ 143 ] [ 144 ]

現代の地理的分布

今日では、嫌気性消化槽は、肥料からの窒素流出を減らすため、農場や、汚泥処分のコストを減らすため、廃水処理施設によく見られます。[ 136 ]エネルギー生産のための農業用嫌気性消化はドイツで最も普及しており、2014年には8,625の消化槽がありました。 [ 145 ]英国では、2014年までに259の施設があり、2019年までに500のプロジェクトが稼働する予定でした。[ 146 ]米国では、2012年に34州で191の稼働中のプラントがありました。[ 144 ]これらの国で導入率が大きく異なる理由は、政策によるものかもしれません。

ドイツでは1991年に固定価格買い取り制度（FIT）が導入され、再生可能エネルギー発電への投資を補償する長期契約が締結されました。その結果、1991年から1998年の間に、ドイツの嫌気性消化プラントの数は20基から517基に増加しました。1990年代後半、ドイツのエネルギー価格は変動し、投資家は市場の潜在性に不安を抱くようになりました。ドイツ政府はこれに対応し、2000年から2011年の間にFITを4回改正し、料金を引き上げ、嫌気性消化の収益性を向上させました。その結果、バイオガス生産の確実な収益が確保され、全国で高い導入率が維持されました。[ 144 ] [ 145 ]

消化槽に関する事故

嫌気性消化槽は魚の大量死（例：デボン州モール川、[ 147 ]テイフィ川、[ 148 ]リンフィ川、[ 149 ] ）や人命損失（例：エイボンマウス爆発） を引き起こした。

米国では嫌気性消化槽の爆発事故がこれまでに発生している[ 150 ]（メイン州ジェイのピクセル・スペシャルティ・ソリューションズのアンドロスコギン工場、[ 151 ]ペンサコーラ（カントンメント）2017年1月22日（カミール消化槽の爆発）、[ 152 ] 2013年3月オレゴン州オームズビルのEPDMの故障、[ 153 ] 1987年2月6日、ペンシルバニア州廃水処理場の2人の作業員が下水消化槽の再排水中に爆発が起こり、30トンの浮き蓋が持ち上がり、2人の作業員が即死した、[ 154 ]ミズーリ州スプリングフィールドのサウスウェスト廃水処理場）、[ 155 ]英国（例えば、エイボンマウスやシュロップシャー州ニューポートのハーパー・アダムス大学[ 156 ] [ 157 ]）およびヨーロッパでは、 2005年から2015年の間に、フランス（サン＝ファルジョー）などのバイオガスプラントで、複数の事故が発生しました。 [ 158 ] [ 159 ]（ただし、そのうち人間に直接的な影響を及ぼすような「深刻な」事故はほとんどありませんでした。[ 160 ] [ 161 ]幸いなことに、ある情報源によると、「人間に影響を与えた事故は12件未満」であり、例えばドイツのラーデライステットでの事故（死者4人）が挙げられます。[ 158 ] [ 162 ]

安全性分析には[ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]が含まれており、2016年の研究ではADが関与する169件の事故のデータベースをまとめています。[ 160 ]

参照

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