Loading article…
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、廃棄物の処理や燃料の生産のために、産業用または家庭用に利用されています。食品や飲料製品の製造に工業的に利用される発酵の多く、および家庭での発酵は、嫌気性消化を利用しています。
嫌気性消化は、汚泥量と病原菌含有量を削減すると同時に、再生可能エネルギー生産に利用できるメタンを豊富に含むバイオガスを生成します。[ 3 ]残りの液体である消化液は、さらに処理することができ、場合によっては有益に再利用できます。[ 4 ]
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」と呼ばれています。[ 5 ] [ 6 ]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であるメタンの発生源です。 [ 7 ] [ 8 ]
嫌気性消化は、加水分解、酸生成、酢酸生成、メタン生成の4つの段階から構成される。
消化プロセスは、投入材料の細菌による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。次に、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、細菌はこれらの生成された有機酸を酢酸、さらにアンモニア、水素、二酸化炭素などの化合物に変換します。最後に、メタン生成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。[ 9 ]メタン生成古細菌群は、嫌気性廃水処理において不可欠な役割を果たします。[ 10 ]
嫌気性消化は、生分解性廃棄物や下水汚泥を処理するプロセスの一部として使用されます。統合廃棄物管理システムの一部として、嫌気性消化は埋立地ガスの大気への放出を削減します。嫌気性消化槽には、トウモロコシなどの専用に栽培されたエネルギー作物を投入することもできます。[ 11 ]
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、および微量のその他の「汚染」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、燃料として直接、コジェネレーションプラント[ 12 ]で使用したり、天然ガス品質のバイオメタンにアップグレードしたりできます。また、生成される栄養豊富な消化液は肥料として使用できます。
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、多くの微生物が嫌気性消化に影響を与えます。これらの微生物は、バイオマスをバイオガスに変換する多くの化学プロセスを促進します。[ 13 ]
気体酸素は物理的に隔離することで反応から排除されます。嫌気性生物は酸素ガス以外の供給源から電子受容体を利用します。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ります。嫌気性システムにおける酸素源が有機物自体から得られる場合、「中間」最終生成物は主にアルコール、アルデヒド、有機酸、および二酸化炭素です。特殊なメタン生成菌が存在する場合、中間体はメタン、二酸化炭素、および微量の硫化水素という「最終」最終生成物に変換されます。[ 14 ]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ます。[ 15 ]
嫌気性微生物の個体群が十分に効果を発揮するまでには、通常かなりの時間がかかります。そのため、既存の個体群を含む材料から嫌気性微生物を導入するのが一般的な方法であり、これは消化槽への「種まき」として知られるプロセスで、通常は下水汚泥や牛糞尿の添加によって行われます。[ 16 ]
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、およびメタン生成です。[ 17 ]全体的なプロセスは、グルコースなどの有機物が嫌気性微生物によって二酸化炭素（CO2）とメタン（CH4 ）に生化学的に分解される化学反応によって説明できます。
C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4
プロセスの性能は、温度（約35～37 ℃の中温条件または50～55℃の高温条件）、有機物負荷率（OLR）、pH（通常6.8～7.2に維持）、固形物滞留時間（SRT）など、いくつかの運転パラメータに依存します。これらのパラメータを適切に制御することは、プロセスの不安定性や揮発性脂肪酸の蓄積を防ぐために不可欠です。[ 24 ]
嫌気性消化槽は、さまざまな構成で運転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、バッチ式と連続式のプロセスモード、中温性または高温性の温度条件、固形分の割合が高いか低いか、単段式と多段式のプロセスに分類できます。連続式プロセスはより複雑な設計が必要ですが、バッチ式プロセスよりも経済的である可能性があります。これは、バッチ式プロセスでは、連続式プロセスと同じ量の廃棄物を処理するために、より多くの初期建設費用とより大きな消化槽の容積（複数のバッチに分散）が必要になるためです。[ 25 ]高温システムでは、中温システムと比較してより多くの熱エネルギーが必要ですが、高温システムははるかに短い時間で済み、ガス出力容量が大きく、メタンガス含有量も高くなります。[ 26 ]固形分については、固形分含有量が15%以下は低いとみなされます。このレベルを超えると固形分含有量が高いとみなされ、乾式消化とも呼ばれます。[ 27 ]単段式プロセスでは、1つの反応器に4つの嫌気性消化ステップが収容されます。多段階プロセスでは、メタン生成と加水分解の段階を分離するために、2つ以上の反応器を使用して消化を行います。[ 28 ]
嫌気性消化は、バッチ式または連続式で行うことができます。バッチ式システムでは、プロセスの開始時にバイオマスを反応器に投入します。その後、反応器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、バイオガスの生成は時間とともに正規分布パターンで形成されます。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することができます。プロセスが十分に完了する前にバッチ式反応器を開けて空にすると、深刻な臭気問題が発生する可能性があります。より高度な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問題を軽減しています。このアプローチでは、脱気処理された浸透液を再循環させることで接種が行われます。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、その後、開封される前に容器内堆肥化に使用されます[ 29 ]。バッチ消化はシンプルで、必要な機器が少なく、設計作業のレベルも低いため、一般的に安価な消化方法です。[ 30 ]プラントで複数のバッチ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、有機物が反応器に連続的に添加される（連続完全混合）か、段階的に添加される（連続プラグフロー、先入れ先出し）。ここでは、最終生成物が連続的または周期的に除去され、バイオガスが継続的に生成される。単一の消化槽または複数の消化槽を直列に接続して使用できる。この形態の嫌気性消化の例としては、連続攪拌槽型反応器、上向流嫌気性スラッジブランケット、膨張粒状スラッジベッド、内部循環型反応器などがある。[ 31 ] [ 32 ]
嫌気性消化槽の2つの従来の運転温度レベルによって、消化槽内のメタン生成菌の種類が決まります。[ 33 ]
ボリビアでは、10 °C 未満の温度条件下での嫌気性消化で限界ケースに達しました 。嫌気性プロセスは非常に遅く、通常の中温性プロセスの 3 倍以上の時間がかかります。[ 34 ]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」から採取した低温菌を使用した 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、これは温暖な気候の消化槽の出力の約 20 ～ 30% です。[ 35 ]中温菌は好熱菌より多く、また好熱菌よりも環境条件の変化に対する耐性があります。したがって、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ます。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ますが、エネルギー投入量が多く、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ます。温度の上昇は反応速度を速め、ガス収率を速める。高温での運転は消化液中の病原菌の減少を促進する。欧州連合の動物副産物規制などの法律で消化液が一定レベルの病原菌減少を満たすことが求められている国では、中温ではなく高温を使用する方が有利な場合がある。[ 36 ]
バイオガス生成に必要な滞留時間を短縮するために、追加の前処理を用いることができる。例えば、基質を細かく粉砕して表面積を増やしたり、熱処理（低温殺菌など）を施してバイオガス生成量を大幅に増加させる方法がある。低温殺菌処理は、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利用できる。低温殺菌は、固形物の粉砕と熱処理を組み合わせることで実現できる。
一般的なシナリオでは、消化槽への原料の固形分含有量に関連して、3つの異なる運転パラメータが存在します。
高固形分（乾式）消化槽は、固形分含有量が25～40%の材料を処理するように設計されています。ポンプで送液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、水を加えることなく固形基質を処理するように設計されています。乾式消化槽の主な種類は、連続垂直プラグフロー式とバッチトンネル水平式消化槽です。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から連続的に供給され、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、原料は気密扉のあるトンネル状のチャンバーに投入されます。どちらの方式も、消化槽内部での混合は行いません。汚染物質の除去などの前処理の量は、処理される廃棄物の性質と、消化液の望ましい品質の両方によって異なります。連続垂直システムでは、サイズ縮小（粉砕）は消化を促進するため有益ですが、バッチシステムでは粉砕は行わず、代わりに積み重ねられた堆積物の圧縮を軽減するために構造物（庭の廃棄物など）が必要です。連続垂直乾式消化槽は、有効滞留時間が短く垂直設計であるため、設置面積が小さくなります。湿式消化槽は、全懸濁物質（TSS）濃度が約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のいずれかで運転するように設計できます。[ 37 ] [ 38 ]
高固形分（湿潤）消化槽は、原料の移動と処理に多くのエネルギー入力を必要とする高濃度スラリーを処理します。材料の厚みは、摩耗に関連する問題を引き起こす可能性もあります。高固形分消化槽は、水分に関連する体積が少ないため、一般的に土地の必要面積が少なくなります。[ 39 ]また、高固形分消化槽では、原料質量のより大きな部分がバイオガスに変換される可能性があるため、もともと非常に希薄な下水消化の概念に基づいていた従来の性能計算（ガス生成、滞留時間、反応速度など）を修正する必要があります。[ 40 ]
低固形分（湿式）消化槽は、標準的なポンプを使用してシステムを通して物質を輸送することができ、必要なエネルギー入力が大幅に少なくて済みます。低固形分消化槽は、消化槽の液体対原料比の増加に伴う容積の増加のため、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利点があり、物質のより徹底的な循環と細菌と餌との接触が可能になります。これにより、細菌は餌となる物質に容易にアクセスでき、ガス生成速度が増加します。[ 41 ]
消化システムは、さまざまな複雑さのレベルで構成できます。[ 37 ]単段消化システム（一段式）では、すべての生物学的反応が単一の密閉された反応器または貯蔵タンク内で発生します。単段式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難しくなります。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。[ 42 ]したがって、単段反応器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つの単段反応システムは、嫌気性ラグーンです。これらのラグーンは、糞尿の処理と長期貯蔵に使用される池のような土の水槽です。[ 43 ]ここでは、嫌気性反応は、プール内の天然の嫌気性汚泥内に閉じ込められています。
2段階消化システム（多段階）では、消化槽内の細菌群集を最大限に制御するために、さまざまな消化槽が最適化されています。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、その性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。[ 44 ]
一般的な状況では、加水分解、酢酸生成、および酸生成は最初の反応容器内で起こります。有機物は、メタン生成反応器に送り込まれる前に、必要な運転温度（中温または高温）まで加熱されます。メタン生成反応器の前にある最初の加水分解または酸生成タンクは、原料の添加速度の緩衝材として機能します。ヨーロッパの一部の国では、投入廃棄物中の有害な細菌を死滅させるために、ある程度の高温処理が要求されます。[ 45 ]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の段階がある場合があります。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、多くの場合、加水分解または酸生成タンクでバイオガスが生成されます。
消化槽内の滞留時間は、原料の量と種類、および消化システムの構成によって異なります。一般的な2段階中温消化では、滞留時間は15～40 日ですが[ 46 ] 、 1段階高温消化では、滞留時間は通常より短く、約14 日かかります。これらのシステムの中にはプラグフロー式のものがあるため、この時間スケールでは材料の完全な分解が実現されていない可能性があります。この場合、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[ 47 ] 。
上向流嫌気性スラッジブランケット消化槽（UASB）の場合、水力滞留時間は最短で1 時間から1 日、固形物滞留時間は最長で90 日になることがあります。このように、UASBシステムはスラッジブランケットを使用して固形物と水力滞留時間を分離することができます。[ 48 ]連続式消化槽には、材料中の固形物のレベルに応じて、内容物を混合するための機械式または油圧式の装置があり、細菌と餌が接触できるようになっています。また、消化槽内の容積を比較的一定に保つために、余剰物質を連続的に抽出することもできます。[ 49 ]
嫌気性リアクター設計の最近の進歩は、高圧嫌気性消化（HPAD）、別名自己生成高圧消化（AHPD）です。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。バイオガス中の二酸化炭素は、メタンよりも圧力下で水相に多く溶解するため、生成されるバイオガスはメタンに富みます。フローニンゲン大学の研究では、圧力の影響下で細菌群集の構成が変化することが実証されました。[ 50 ]個々の細菌種には、最も速く成長および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、海面よりもはるかに高い圧力の深海での生活に適応しています。これは、温度、滞留時間、pHに加えて、嫌気性消化プロセスに影響を与えるもう1つのパラメータとなります。
嫌気性消化プロセスは、さまざまな有機物分解段階に関与する細菌群の 1 つまたは複数に影響を与えるいくつかの化合物によって阻害される可能性があります。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します。潜在的な阻害物質としては、アンモニア[ 51 ]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) などがあります[ 52 ]。
全アンモニア態窒素（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、TANは微生物群集を不安定化させ、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、反応を安定させるためにpH調整が必要になります。[ 53 ] TAN濃度が1700～1800 mg/Lを超えるとメタン生成が阻害され、TAN濃度が高くなると収率が低下します。TAN濃度が高いと反応が酸性になり、阻害のドミノ効果につながります。[ 53 ]全アンモニア態窒素は、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）を分解することによって生成され、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原料に依存します。一般的な廃水処理方法では、硝化によってTANが削減されます。硝化は好気性プロセスであり、TANは好気性従属栄養細菌によって消費されます。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。[ 54 ]加水分解と酸生成もTAN濃度によって影響を受ける可能性があります。中温条件下では、加水分解の阻害は5500 mg/L TANで発生し 、酸生成の阻害は6500 mg/L TANで発生することがわかりました。[ 55 ]
嫌気性消化システムの適用を検討する際に最も重要な初期課題は、プロセスへの原料です。[ 56 ]ほとんどすべての有機物は嫌気性消化で処理できますが、バイオガス生産が目的の場合は、腐敗性のレベルがその適用成功の鍵となります。[ 57 ]材料の腐敗性（消化性）が高いほど、システムから得られるガス収量も高くなります。
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る。[ 2 ]木質廃棄物は例外で、ほとんどの嫌気性菌は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ない。木質食性嫌気性菌（リグニン消費者）または熱分解などの高温前処理を使用してリグニンを分解することができる。嫌気性消化槽には、専用のバイオガス生産のために、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することもできる。ヨーロッパ大陸では、これらの施設はバイオガスプラントと呼ばれている。共消化または共発酵プラントは、通常、2つ以上の投入材料を同時に消化するために受け入れる農業用嫌気性消化槽である。[ 58 ]
嫌気性消化に必要な時間は、材料の化学的複雑さによって決まります。消化しやすい糖類が豊富な材料はすぐに分解されますが、セルロースやヘミセルロースポリマーが豊富な無傷のリグノセルロース材料は分解に非常に時間がかかる場合があります。[ 59 ]嫌気性微生物は一般的に、バイオマスの難分解性芳香族成分であるリグニンを分解することができません。[ 60 ]
嫌気性消化槽はもともと下水汚泥や家畜糞尿を使用するように設計されていました。しかし、下水や家畜糞尿は、生分解性物質のエネルギーの大部分がすでにそれを生成した動物によって取り出されているため、嫌気性消化に最も適した物質ではありません。そのため、多くの消化槽では、2種類以上の原料を混合して消化しています。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、[ 61 ]牧草やトウモロコシ（典型的な農場内原料）などの2番目の原料、または食肉処理場廃棄物、レストランからの脂肪、油、グリース、家庭の有機廃棄物など（典型的な外部原料）などのさまざまな有機副産物を追加することで、ガス生成量を大幅に増やすことができます。[ 62 ]
専用のエネルギー作物を処理する消化槽は、高いレベルの分解とバイオガス生産を達成できます。[ 38 ] [ 63 ] [ 64 ]スラリーのみのシステムは一般的に安価ですが、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よりもエネルギー生成量がはるかに少なくなります。少量の作物材料（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、資本コストをわずか3倍にするだけでエネルギー出力を10倍に増やすことができます。[ 65 ]
原料に関連する 2 番目の考慮事項は水分含有量です。食品廃棄物や庭の廃棄物などの乾燥した積み重ね可能な基質は、トンネル状のチャンバーでの消化に適しています。トンネル式システムは通常、廃水排出量が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になります。材料が湿っているほど、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、標準ポンプで取り扱うのに適しています。また、材料が湿っているほど、生成されるガスのレベルに対して、占める体積と面積が大きくなります。対象となる原料の水分含有量は、その処理に適用されるシステムの種類にも影響します。希薄な原料に高固形分嫌気性消化槽を使用する場合は、投入材料の固形分含有量を増やすために、堆肥などの嵩増し剤を適用する必要があります。[ 66 ]もう 1 つの重要な考慮事項は、投入材料の炭素:窒素比です。この比率は、微生物が成長するために必要な食物のバランスです。最適なC:N比は20～30:1である。[ 67 ]過剰な窒素はアンモニアによる消化阻害を引き起こす可能性がある。[ 63 ]
湿式消化法またはプラグフロー消化法を用いる場合、原料の汚染レベルは重要な考慮事項となる。
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相当量含まれている場合は、汚染物質を除去するための処理が必要になります。[ 68 ]除去しないと、消化槽が詰まり、効率的に機能しなくなります。この汚染の問題は、乾式消化または固体嫌気性消化（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チャンバーで、固形分の割合が高い（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。[ 69 ]機械式生物処理プラントは、このような理解に基づいて設計されています。原料に必要な前処理のレベルが高いほど、必要な処理機械が増え、したがって、プロジェクトの資本コストが高くなります。[ 70 ]
原料から物理的な異物を除去するために選別またはふるい分けを行った後、原料はしばしば細かく粉砕、細断され、機械的または油圧的にパルプ化される。これは、消化槽内の微生物が利用できる表面積を増やし、消化速度を向上させるためである。固形物の粉砕は、チョッパーポンプを使用して原料を密閉された消化槽に移送し、そこで嫌気性処理を行うことによって実現できる。
基質の組成は、バイオマスの消化によるメタン収率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あり、固形分、元素分析、有機分析などのパラメータは、消化槽の設計と運転にとって重要です。[ 71 ]メタン収率は、基質の元素組成と分解性（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。[ 72 ]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、水相と気相間の二酸化炭素の分配を推定する必要があり、これには追加の情報（反応器の温度、 pH、基質の組成）と化学種モデルが必要です。[ 73 ]バイオメタン化ポテンシャルの直接測定は、ガス発生またはより最近の重量分析法を使用して行われます。[ 74 ]
嫌気性消化技術を利用することで、温室効果ガスの排出量をいくつかの重要な方法で削減することができます。
嫌気性消化は有機物に特に適しており、工業廃水、廃水、下水汚泥の処理によく用いられます。[ 77 ]嫌気性消化は単純なプロセスであり、そうでなければ海に投棄されたり、 [ 78 ]埋立地に投棄されたり、焼却炉で焼却されたりする可能性のある有機物の量を大幅に削減できます。[ 79 ]
先進国における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る。これは、分別収集された都市廃棄物の処理に使用したり、機械選別システムと組み合わせて、残りの混合都市廃棄物の処理に使用したりすることができる。これらの施設は、機械生物処理プラントと呼ばれている。[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]
嫌気性消化槽で処理された腐敗性廃棄物が埋立地に処分された場合、自然に、そして多くの場合嫌気的に分解されます。この場合、ガスは最終的に大気中に放出されます。メタンは二酸化炭素よりも約20倍強力な温室効果ガスであるため、これは重大な環境への悪影響をもたらします。[ 83 ]
家庭ごみを収集する国では、地域の嫌気性消化施設を利用することで、中央の埋立地や焼却施設への輸送が必要な廃棄物の量を減らすことができます。輸送の負担が軽減されることで、収集車両からの二酸化炭素排出量も削減されます。地域の嫌気性消化施設が配電網に組み込まれている場合は、全国的な送電網を介して電力を輸送する際に発生する電力損失を減らすことができます。[ 84 ]
嫌気性消化は、 PFASで汚染された汚泥の浄化に利用できます。2024年の研究では、嫌気性消化と活性炭への吸着および電圧印加を組み合わせることで、下水汚泥からPFASを最大61%除去できることが示されています。[ 85 ]
発展途上国では、家庭や農場を拠点とするシンプルな嫌気性消化システムが、調理や照明用の低コストエネルギーの可能性を秘めている。[ 34 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] 1975年以来、中国とインドはともに、家庭での調理や照明に小型バイオガスプラントを使用するための大規模な政府支援計画を実施してきた。現在、発展途上国における嫌気性消化プロジェクトは、炭素排出量の削減を実現できることを証明できれば、国連クリーン開発メカニズムを通じて財政支援を受けることができる。 [ 89 ]
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利用でき、生分解性物質中の炭素が炭素循環の一部であるため、温室効果ガスの排出量を削減できます。バイオガスの燃焼によって大気中に放出された炭素は、近年、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によって吸収され、植物の成長に利用されています。植物が再び成長し、大気から炭素を再び取り込むと、システムはカーボンニュートラルになります。[ 90 ] [ 91 ]対照的に、化石燃料中の炭素は何百万年も地球内に隔離されており、その燃焼は大気中の二酸化炭素の総量を増加させます。嫌気性消化槽による発電は、小規模農場よりも大規模農場に最適です。大規模農場では、システムを経済的に実現可能にする量の糞尿を処理できるためです。[ 92 ]
下水汚泥処理からのバイオガスは、ガスエンジンを稼働させて発電するために使われることがあり、その一部または全部を下水処理場の運転に利用できます。[ 93 ]エンジンからの廃熱の一部は、消化槽の加熱に使用されます。一般的に、廃熱は消化槽を必要な温度まで加熱するのに十分です。下水処理場からの発電ポテンシャルは限られており、英国では そのような発電の総量は約80MWで、150MWまで増加する可能性がありますが 、英国の平均電力需要約35,000MWに比べると取るに足らないものです 。エネルギー作物、食品廃棄物、食肉処理場廃棄物など、下水以外の廃棄物生物物質からのバイオガス生成の可能性ははるかに高く、約3,000MWの能力があると推定されています 。[ 94 ]動物の廃棄物や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排出量の削減と送電網の強化に貢献し、英国の農家に追加収入をもたらすと期待されています。[ 95 ]
一部の国では、例えば電力網に電力を供給することに対する固定価格買取制度などの形でインセンティブを提供し、グリーンエネルギー生産を補助している。 [ 2 ] [ 96 ]
カリフォルニア州オークランドのイーストベイ都市水道局（EBMUD）の主要下水処理場では、食品廃棄物は現在、一次および二次都市下水固形物やその他の高濃度廃棄物と共消化されています。都市下水固形物のみの消化と比較すると、食品廃棄物の共消化には多くの利点があります。EBMUDの食品廃棄物処理から得られる食品廃棄物パルプの嫌気性消化は、都市下水固形物と比較して、より高い正規化エネルギーの利点をもたらします。食品廃棄物1乾燥トンあたり730～1,300 kWhであるのに対し、都市下水固形物1乾燥トンあたり560～940 kWhです。[ 97 ] [ 98 ]
バイオガスのメタン成分は、アップグレードによってバイオメタンに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、天然ガス網に注入することができます。[ 99 ]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非メタンガス成分が除去されます。この目的のために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、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。[ 100 ] [ 101 ]
上記の技術でアップグレードすると、バイオメタンは圧縮天然ガスに圧縮され、天然ガス自動車で使用できるようになります。天然ガス自動車の使用はスウェーデンでは非常に広範で、38,600台以上のガス自動車が存在し、CNG供給量の60%は嫌気性消化プラントで生成されたバイオメタンです。[ 102 ]
消化された物質の固形繊維成分は、土壌改良剤として土壌の有機物含有量を増やすために使用できます。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、土壌に重要な栄養素を供給する肥料として使用できます。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的です。スペインのように多くの土壌が有機物で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じくらい重要になる可能性があります。[ 103 ]
嫌気性消化は、小規模で調理用ガスを生成するために使用できます。落ち葉、生ごみ、食品廃棄物などの有機廃棄物は、破砕装置に投入され、少量の水と混合されます。この混合物は嫌気性消化槽に投入され、そこで古細菌が分解して調理用ガスを生成します。このガスはキッチンのコンロにパイプで送られます。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。[ 104 ]
嫌気性消化の主な生成物は、バイオガス、消化液、水である。[ 37 ] [ 105 ] [ 106 ]
バイオガスは、投入された生分解性原料を栄養源とする微生物の最終的な廃棄物であり[ 108 ]、主にメタンと二酸化炭素[ 109 ] [ 110 ] 、少量の水素（H2）、水蒸気（H2O 、量は温度によって異なる）、微量の硫化水素（H2S ） [ 40 ]から構成されています。バイオガスの大部分は、細菌群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[ 111 ] 。ガスは通常、消化槽の上部に膨張式のガスバブルに貯蔵されるか、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、通常は往復動エンジンまたはマイクロタービンを使用して、熱と電気の両方を生成するために燃焼できます。[ 112 ]多くの場合、生成された電気と廃熱が消化槽の加熱または建物の暖房に使用されるコジェネレーション方式で行われます。余剰の電気は供給業者に販売したり、地域の送電網に送ったりすることができます。嫌気性消化槽で生成される電気は再生可能エネルギーとみなされ、補助金の対象となる場合があります。 [ 113 ]バイオガスは、ガスが直接大気中に放出されず、二酸化炭素が炭素循環の短い有機物源から発生するため、大気中の二酸化炭素濃度の増加には寄与しません。
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「スクラビング」が必要になる場合があります。[ 114 ] 原料中の硫酸塩から生成される有毒な生成物である硫化水素は、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および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います。ガス中の硫化水素のレベルが高い場合は、バイオガスを地域で許容されるレベル内に処理するために、ガススクラビングおよび洗浄装置（アミンガス処理など）が必要になります。[ 115 ]あるいは、消化タンクに塩化第一鉄（FeCl2 ）を加えると、硫化水素の生成が抑制されます。[ 116 ]
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見られます。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や損傷を増加させます。[ 117 ] [ 118 ]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で費用対効果の高い技術が利用可能です。[ 119 ]特定の用途では、現場処理を使用して、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パージすることにより、メタンの純度を高めることができます。[ 120 ]
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燃料として使用したり、ガス本管に直接供給したりすることがあります。[ 121 ]嫌気性消化の利用を促進する要因が再生可能電力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る可能性が低くなります。[ 122 ]
消化液は、消化槽の非ガス状生成物です。これは、微生物が利用できない消化槽への元の投入材料の残渣と、消化槽内の死んだ細菌の鉱物化した残渣から構成されています。酸生成段階とメタン生成段階はそれぞれ消化液生成物を生成し、それぞれ繊維状と液体状です。2段階システムでは、異なる消化槽から異なる形態の消化液が得られます。1段階消化システムでは、2つの画分がスラッジとして混ざり合って現れ、必要に応じて、さらに処理して分離することができます。[ 123 ] [ 124 ]
酸生成消化物は、主にリグニンとセルロースからなる安定した有機繊維状物質であり、死んだ細菌細胞のマトリックス中にさまざまな鉱物成分も含まれています。プラスチックも含まれている場合があります。この物質は家庭用堆肥に似ており、そのように使用できます。また、繊維板などの低品質の建築製品を作るためのリグノセルロース系バイオマスとして[ 125 ] [ 126 ]、またはエタノール生産の原料として使用できます。[ 127 ]
メタン生成消化液は植物栄養素（アンモニウムおよびカリウムとしての窒素）が豊富な液体であり、消化される物質の品質に応じて肥料として使用できます。[ 124 ]潜在的に有毒な元素（PTE）のレベルは化学的に評価する必要があります。これは、元の原料の品質によって異なります。ほとんどのクリーンで分別された生分解性廃棄物ストリームの場合、PTEのレベルは低くなります。産業から発生する廃棄物の場合、PTEのレベルは高くなる可能性があり、その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。
酸性消化物には、通常、嫌気性微生物によって分解されないリグニンなどの生体高分子が含まれています。メタン生成消化物には、植物毒性レベルのアンモニアが含まれている可能性があり、土壌改良材として使用すると植物の成長を阻害す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ことがあります。リグニンやその他の物質は、真菌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、土壌改良材としての材料の肥沃度が向上します。さらに、堆肥化により、質量が大幅に減少します (主に蒸発による)。これにより、トラックで現場外に運搬する必要のある材料の量が減少します。[ 128 ]湿式消化器では堆肥化するために木材製品やその他の材料でかさ増しする必要があるため、堆肥化は乾式消化器でよく使用されます。[ 129 ] [ 130 ]ほとんどの消化槽は堆肥化可能な包装を分解できないため、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す。[ 131 ]
嫌気性消化システムの最終生成物は水であり、これは処理対象となった元の廃棄物の水分含有量と、消化システム内での微生物反応中に生成された水の両方に由来する。この水は、消化液の脱水によって放出される場合もあれば、消化液から分離される場合もある。
嫌気性消化施設から排出される廃水は、通常、生物化学的酸素要求量（BOD）と化学的酸素要求量（COD）のレベルが高くなります。これらの排出物の反応性の測定値は、汚染能力を示しています。この物質の一部は「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。この排出物が直接水路に排出されると、富栄養化を引き起こし、水路に悪影響を及ぼします。そのため、廃水のさらなる処理が必要になることがよくあります。この処理は通常、シーケンスバッチリアクターまたは逆浸透ユニットで空気を水に通す酸化段階です。[ 132 ] [ 133 ] [ 134 ]
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な関心は、17 世紀にロバート・ボイル(1627–1691) とスティーブン・ヘイルズ(1677–1761) が、小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ったと報告されている。[ 15 ] 1778 年、電気化学の父であるイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタ(1745–1827) は、そのガスがメタンであることを科学的に特定した。[ 135 ] [ 136 ]
1808年、サー・ハンフリー・デービーは牛糞から発生するガスにメタンが存在することを証明した。[ 17 ]最初に知られている嫌気性消化槽は、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。 [ 137 ] 1895年、この技術はイギリスのエクセターで開発され、浄化槽を使用して下水ガス消火灯（ガス灯の一種）用のガスを生成した。また、イギリスでは1904年に、沈殿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ロンドンのハンプトンに設置された。
20世紀初頭までに、嫌気性消化システムは今日見られるような技術に似てきた。[ 138 ] 1906年、カール・イムホフはイムホフタンクを開発した。[ 139 ]これは嫌気性消化槽の初期形態であり、20世紀初頭を通じて廃水処理システムのモデルとなった。[ 140 ] [ 141 ] 1920年以降、密閉タンクシステムが、揮発性固形物を処理するために使用される覆いのある土製の水槽である嫌気性ラグーンの以前の一般的な使用に取って代わり始めた。嫌気性消化の研究は1930年代に本格的に始まった。[ 142 ]
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減速した。[ 143 ]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、戦争終結後にこの技術への関心は再び低下した。[ 138 ] [ 144 ]同様に、1970年代のエネルギー危機は嫌気性消化への関心を呼び起こした。[ 138 ] 1970年代のエネルギー危機の間、小規模および農村部の嫌気性消化システムへの関心は国際的に高まった。インドでは、エンジニアのラム・バックス・シン博士が初期のゴバルガス（バイオガス）プラントを開発および推進し、農村部のエネルギー用途のための嫌気性消化技術の普及に貢献した。彼の研究は、初期のバイオガス実験の取り組み中に、彼を「米国におけるメタン開発の父」と評したマザー・アース・ニュースなどの出版物にも言及されている。エネルギー価格の高騰に加え、嫌気性消化システムの導入に影響を与える要因としては、イノベーションへの受容性、汚染に対する罰則、政策上のインセンティブ、補助金や資金調達の機会の有無などが挙げられる。[ 145 ] [ 146 ]
今日では、嫌気性消化槽は、家畜糞尿からの窒素流出を減らすために農場に併設されたり、汚泥処理のコストを削減するために廃水処理施設に併設されたりすることが一般的です。[ 138 ]エネルギー生産のための農業嫌気性消化はドイツで最も普及しており、2014年には8,625基の消化槽がありました。[ 147 ]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。[ 148 ]米国では、2012年に34州で191のプラントが稼働していました。[ 146 ]これらの国々で導入率がこれほど異なるのは、政策の違いによるものかもしれません。
ドイツでは、再生可能エネルギー発電への投資を補償する長期契約を提供する固定価格買取制度（FIT）が1991年に制定されました。その結果、1991年から1998年の間に、ドイツ国内の嫌気性消化プラントの数は20から517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、投資家は市場の可能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し、2000年から2011年の間にFITを4回改正し、買取価格を引き上げ、嫌気性消化の収益性を向上させ、バイオガス生産の安定した収益と全国的な高い導入率の継続を実現しました。[ 146 ] [ 147 ]
嫌気性消化槽は魚の大量死（例：デボン州モール川[ 149 ] 、テイフィ川[ 150 ] 、アフォン・リンフィ）[ 151 ]や人命の損失（例：エイボンマウス爆発）を引き起こしている。
米国では嫌気性消化槽の爆発事故が発生している[ 152 ] （メイン州ジェイのPixelle Specialty SolutionsのAndroscoggin Mill 、[ 153 ] 2017年1月22日のペンサコーラ（Cantonment ）、 [ 154 ] 2013年3月のオレゴン州Aumsville、[ 155 ] 1987年2月6日のペンシルベニア州、[ 156 ]ミズーリ州スプリングフィールドのSouthwest Wastewater Treatment Plant [ 157 ]）、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Harper Adams College [ 158 ] [ 159 ]）などがある。さらにヨーロッパでは、2005年から2015年の間にバイオガスプラントで約800件の事故が発生しており、例えばフランス（サン・ファルジョー）[ 160 ] [ 161 ]（ただし、そのうちのごく一部は「深刻な」事態で、人間の人口に直接的な影響がある）。[ 162 ] [ 163 ]幸いなことに、ある情報源によると、「人間に影響を及ぼした事態は12件未満」だった。例えば、ドイツのラーデライシュテットでの事件（死者4名）など。[ 160 ] [ 164 ]
安全性分析には、[ 165 ] [ 166 ] [ 167 ] 2016年の研究ではADに関連する169件の事故のデータベースがまとめられています。[ 162 ]