嫌気性消化

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]このプロセスは、産業目的または家庭用に廃棄物の管理や燃料の生産に使用されます。食品や飲料製品を生産するために産業的に使用される発酵の多く、および家庭での発酵では、嫌気性消化が使用されています。

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、通常は「嫌気性活動」と呼ばれます。^{[2] [3]}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沼地ガスメタンの発生源です。^{[4] [5]}

消化プロセスは、投入物質の細菌による 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、細菌がこれらの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。^[6]メタン生成古細菌は嫌気性廃水処理に不可欠な役割を果たします。^[7]

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目的栽培のエネルギー作物を供給することもできます。^[8]

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る。このプロセスでは、メタン、二酸化炭素、および微量の他の「汚染」ガスからなるバイオガスが生成される。 ^[1]このバイオガスは、熱電併給ガスエンジンの燃料として直接使用することも、 ^[9]天然ガス品質のバイオメタンにアップグレードすることもできます。生成される栄養豊富な消化液は、肥料としても使用できます。

廃棄物を資源として再利用し、資本コストを削減した新しい技術的アプローチにより、嫌気性消化は近年、英国（2011年）^[10] 、ドイツ^{[要出典]、}デンマーク（2011年）^{[11] 、米国[12]}など多くの国の政府の間で注目を集めています。

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る。これらの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する。^[13]

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源から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。嫌気性システムの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、および二酸化炭素である。特殊なメタン生成菌の存在下では、中間体はメタン、二酸化炭素、および微量の硫化水素の「最終」最終生成物に変換される。^[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る。^[15]

嫌気性微生物の集団が十分に効果を発揮するには、通常、かなりの時間を要する。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あり、これは消化槽への「播種」と呼ばれるプロセスであり、通常は下水汚泥または牛のスラリーを追加することで達成される。^[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、メタン生成です。^[17] 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（CO ₂）とメタン（CH ₄）に分解されます。

• 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。嫌気性消化槽内のバクテリアが物質のエネルギーポテンシャルにアクセスするには、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、他のバクテリアが容易に利用できます。これらの鎖を破壊し、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、嫌気性消化に必要な最初のステップです。^[18]加水分解により、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る。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に分解されなければならない。 ^[19]

• 酸生成

酸生成の生物学的プロセスにより、酸生成（発酵）細菌によって残りの成分がさらに分解されます。ここで、VFA、アンモニア、二酸化炭素、硫化水素、およびその他の副産物が生成されます。^{[20]酸生成のプロセスは、}牛乳が酸っぱくなる仕組みに似ています。

• 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消化され、主に酢酸、二酸化炭素、水素が生成されます。^[21]

• 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使用して、それらをメタン、二酸化炭素、水に変換します。これらの成分は、システムから排出されるバイオガスの大部分を構成します。メタン生成は、高pHと低pHの両方に敏感で、pH 6.5からpH 8の間で発生します。^[22]微生物が使用できない残りの消化できない物質と死んだ細菌の残骸が消化物となります。

^[23]

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、中温温度条件と高温温度条件、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、消化槽の容量が大きい（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。^[24]高温システムでは中温システムよりも高い熱エネルギーが必要ですが、高温システムでは時間がかかりにくく、ガス出力容量が大きく、メタンガス含有量が多いため、そのトレードオフを慎重に検討する必要があります。^[25]固形物含有量については、低固形物含有量は最大15％の固形物含有量を処理します。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。 [ ^26]単段プロセスでは、1つのリアクターに4つの嫌気性消化ステップが含まれます。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使用します。^[27]

嫌気性消化は、バッチプロセスまたは連続プロセスとして実行できます。バッチシステムでは、プロセスの開始時にバイオマスがリアクターに追加されます。その後、リアクターはプロセスの期間中密閉されます。最も単純な形式のバッチ処理では、嫌気性消化を開始するために、すでに処理された材料を接種する必要があります。一般的なシナリオでは、バイオガス生成は、時間の経過とともに通常の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使用して、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リアクターを開いて空にすると、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、臭気の問題を制限しています。このアプローチでは、再循環された脱ガスされた浸透液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管され、開封される前に容器内堆肥化に使用されます。 ^[28]バッチ消化はシンプルで、必要な設備が少なく、設計作業のレベルも低いため、通常はより安価な消化形式です。^[29]工場で複数のバッチリアクターを使用すると、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、有機物は絶えず追加されるか（連続完全混合）、段階的にリアクターに追加されます（連続プラグフロー、先入れ先出し）。ここでは、最終生成物が常にまたは定期的に除去され、バイオガスが一定に生成されます。単一の消化槽または複数の消化槽を連続して使用できます。この形式の嫌気性消化の例には、連続撹拌タンクリアクター、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あります。^{[30] [31]}

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します。^[32]

• 中温消化は、中温菌が主な微生物である約 30 ～ 38 °C、または 20 ～ 45 °C の周囲温度で最適に行われます。
• 好熱性消化は、約 49 ～ 57 °C、または 70 °C までの高温で最適に行われ、その際、好熱菌が主な微生物として存在します。

ボリビアでは、嫌気性消化の温度が10℃未満の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倍以上かかる。 ^[33]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使用した1,000リットルの消化装置で、1日あたり200～300リットルのメタンが生成された。これは、より温暖な気候の消化装置の出力の約20～30%に相当します。^[34]中温菌の数は好熱菌を上回り、環境条件の変化に対する耐性も好熱菌よりも高い。そのため、中温菌システムは好熱菌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、好熱菌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除去されるバイオガスが多い。温度が上昇すると反応速度が速くなり、ガス収量も速くなります。高温で操作すると消化液中の病原菌の減少がより促進されます。欧州連合の動物副産物規制などの法律で消化液に一定レベルの病原菌減少が求められる国では、中温ではなく高温の温度を使用することでメリットが得られる可能性があります。^[35]

追加の前処理により、バイオガスを生成するために必要な保持時間を短縮できます。たとえば、特定のプロセスでは、基質を細断して表面積を増やしたり、熱前処理段階 (低温殺菌など) を使用してバイオガス出力を大幅に向上させたりします。低温殺菌プロセスは、嫌気性消化槽から出る消化物中の病原体濃度を下げるためにも使用できます。低温殺菌は、熱処理と固形物の 軟化を組み合わせることで実現できます。

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（湿潤ポンプ可能基質）
• 低固形物（湿潤ポンプ可能基質）

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。ポンプで送れる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、水を追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消化槽とバッチトンネル水平消化槽です。連続垂直プラグフロー消化槽は、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。バッチトンネル消化槽では、原料は気密ドア付きのトンネル状のチャンバーに堆積されます。どちらの方法でも、消化槽内での混合はありません。汚染物質の除去などの前処理の量は、処理される廃棄物ストリームの性質と消化物の望ましい品質の両方によって異なります。サイズ縮小（粉砕）は、消化を加速するため、連続垂直システムでは有益ですが、バッチシステムでは粉砕を避け、代わりに積み重ねられた山の圧縮を減らすための構造（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のため、設置面積が小さくなります。湿式消化槽は、総懸濁物質（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で動作するように設計できます。^{[36] [37]}

高固形分（湿式）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濃厚なスラリーを処理します。材料の厚さは、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、水分に関連する容積が少ないため、通常、土地要件が低くなります。^[38]高固形分消化槽では、原料質量の大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コンセプトに基づいた従来の性能計算（ガス生成、保持時間、速度論など）の修正も必要です。^[39]

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じて物質を輸送することができ、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率の増加に伴う容積の増加により、高固形分消化槽よりも広い土地を必要とします。液体環境での作業には、物質の循環とバクテリアと餌の接触をより完全に行うことができ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るようになり、ガス生成率が高まります。^[40]

消化システムは、さまざまなレベルの複雑さで構成できます。^[36]単段消化システム（1 段階）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 範囲で機能します。^[41]そのため、単段リアクター内のさまざまな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。 別の 1 段階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。^[42]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に含まれています。

2段階消化システム（多段階）では、消化槽内に生息する細菌群を最大限に制御するために、異なる消化容器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成長し、繁殖します。メタン生成古細菌は、そのパフォーマンスを最適化するために安定したpHと温度を必要とします。^[43]

通常、加水分解、酢酸生成、酸生成は最初の反応容器内で起こる。その後、有機物は必要な動作温度（中温または好熱性）まで加熱され、その後メタン生成リアクターに送り込まれる。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、原料が追加される速度に対する緩衝剤となることができる。一部のヨーロッパ諸国では​​、投入廃棄物中の有害な細菌を殺すために、ある程度の高温処理が義務付けられている。^[44]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ある可能性がある。特に、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。

消化槽内の滞留時間は、供給物質の量と種類、消化システムの構成によって異なります。典型的な2段階の中温消化では、滞留時間は15日から40日です。^[45]一方、1段階の高温消化では、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。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。^[46]

上向流嫌気性汚泥ブランケット消化（UASB）の場合、水力滞留時間は1時間から1日と短く、固形物の滞留時間は最大90日です。このように、UASBシステムは、汚泥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。^[47]連続消化槽には、物質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的または油圧式装置があり、細菌と食品が接触できるようにします。また、消化タンク内の容積を適度に一定に保つために、余分な物質を連続的に抽出することもできます。^[48]

嫌気性リアクター設計における最近の開発は、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。したがって、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ました。^[49]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、海面よりもはるかに圧力が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。

嫌気性消化プロセスは、いくつかの化合物によって阻害される可能性があり、さまざまな有機物分解段階を担う1つまたは複数の細菌群に影響を与えます。阻害の程度は、他の要因の中でも、消化槽内の阻害剤の濃度によって異なります。潜在的な阻害剤には、アンモニア、^[50]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、N置換芳香族、長鎖脂肪酸）などがあります。^[51]

総アンモニア性窒素（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調整が必要になります。^[52] 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変わり、阻害のドミノ効果につながります。^[52]総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）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。^[53]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。^[54]

嫌気性消化システムの適用を検討する際の最も重要な最初の問題は、プロセスへの原料です。^[55]ほぼすべての有機物は嫌気性消化で処理できます。^[56]しかし、バイオガス生産が目的の場合、腐敗性のレベルがその適用を成功させる鍵となります。^[57]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る。^[1] 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、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て、専用のバイオガス生産を行うこともできる。ドイツや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つ以上の入力材料を同時に消化す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、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を多く含む無傷のリグノセルロース物質は、分解にかなり長い時間がかかります。^[59]嫌気性微生物は、バイオマスの扱いにくい芳香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堆肥を使って運転するために設計された。しかし、下水や堆肥は嫌気性消化に最も適した物質ではない。生分解性物質は、それを生産した動物によってすでにエネルギーの大部分が消費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、酪農堆肥を主な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）などの第2の原料、または屠殺場廃棄物、レストランからの脂肪、油、グリース、有機家庭廃棄物などのさまざまな有機副産物（典型的なオフサイト原料）を追加することで、ガス生成量が大幅に増加する可能性がある。^[62]

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ます。^{[37] [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に比べてエネルギー生成量ははるかに少なくなります。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倍に増やすことができます。^[65]

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 スタイルのシステムでは、通常、廃水の排出もほぼゼロであるため、このスタイルのシステムは、消化液の排出が負担となる場合に利点があります。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、標準的なポンプで処理するのに適しています。また、材料が湿っているほど、生成されるガスのレベルに比べて、材料が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装置を使用する場合は、堆肥などの増量剤を使用して、投入材料の固形分含有量を増やす必要があります。^[66]もう一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る。^[63]

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となります。

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かなり含まれている場合、その材料を使用するには、汚染物質を除去する処理が必要になります。^[68]汚染物質が除去されないと、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、発酵槽ボックスと呼ばれる気密チャンバーで、高固形分（40～60%）の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]この理解に基づいて、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いほど、より多くの処理機械が必要になり、したがって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。^[70]

原料から物理的汚染物質を除去するために選別またはふるい分けを行った後、原料は細断、ミンチ、機械的または油圧パルプ化されることが多く、消化槽内の微生物が利用できる表面積を増やして消化速度を上げます。固形物の軟化は、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、嫌気性処理が行われることで実現できます。

基質の組成は、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。^[71]メタン収量は、基質の元素組成とその分解性（リアクター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、水相とガス相の間の二酸化炭素の 分配を推定する必要があり、これには追加情報（リアクター温度、 pH、基質の組成）と化学種モデルが必要です。 ^[73]バイオメタン化の可能性の直接測定は、ガス発生またはより最近の重量分析を使用しても行われます。^[74]

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代替
• 車両移動の削減
• 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す。^[76]

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ます。^{[77]嫌気性消化は単純なプロセスですが、本来は海洋投棄されるか、 [78]}埋立地に投棄されるか、焼却炉で焼却される運命にあった有機物の量を大幅に減らすことができます。^[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の圧力により、廃棄物量を減らし、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。嫌気性消化は、都市廃棄物の発生源分別部分を処理するために使用することも、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を処理するために使用することもできる。これらの施設は、機械式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め立て地に廃棄された場合、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、これは環境に重大な悪影響を及ぼします。^[83]

家庭ごみを収集している国では、地域の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減らすことができます。輸送の負担が軽減され、収集車両からの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れば、全国的な送電網で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]

PFASに汚染された汚泥の浄化には嫌気性消化を使用することができる。2024年の研究では、嫌気性消化と活性炭による吸着、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。^[85]

発展途上国では、家庭や農場で簡単に利用できる嫌気性消化システムにより、調理や照明用の低コストのエネルギーを得られる可能性がある。^{[33] [86] [87] [88]} 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証できれば、国連 クリーン開発メカニズムを通じて資金援助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することができ、したがって温室効果ガスの排出を削減することができる。なぜなら、生分解性物質中の炭素は炭素循環の一部だからである。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、より典型的には直近の生育期に植物が成長するために取り除いたものである。植物が再び成長し、大気から炭素を再び取り除けば、システムはカーボンニュートラルになる。^{[90] [91]}対照的に、化石燃料中の炭素は何百万年もの間地中に隔離されており、その燃焼により大気中の二酸化炭素の全体的なレベルが上昇する。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も適している。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ある。^[92]

下水汚泥処理からのバイオガスは、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。廃熱は、一般的に、消化槽を必要な温度まで加熱するのに十分です。下水処理場からの電力の潜在的可能性は限られています。英国では、そのような発電は合計で約80MWで、150MWまで増加する可能性がありますが、これは英国の平均電力需要約35,000MWと比較するとわずかなものです。下水廃棄物以外の生物物質（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範囲ははるかに広く、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排出量の削減とグリッドの強化に貢献し、英国の農家に追加の収入をもたらすことが期待されています。 ^[95]

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。 ^{[1] [96]}

カリフォルニア州オークランドのイーストベイ市営ユーティリティ地区の主要下水処理場（EBMUD）では、現在、食品廃棄物が一次および二次都市下水固形物およびその他の高強度廃棄物と共消化されている。都市下水固形物の消化のみと比較すると、食品廃棄物の共消化には多くの利点がある。EBMUD食品廃棄物処理からの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、より高い標準化エネルギー利点を提供する。適用される食品廃棄物1乾燥トンあたり730〜1,300kWhに対して、適用される都市下水固形物1乾燥トンあたり560〜940kWhである。^{[97] [98]}

バイオガスグリッド注入とは、バイオガスを天然ガスグリッドに注入することです。^[99]生のバイオガスは、事前にバイオメタンにアップグレードする必要があります。このアップグレードには、硫化水素やシロキサンなどの汚染物質や二酸化炭素の除去が含まれます。この目的にはいくつかの技術が利用可能であり、最も広く実装されているのは、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）、および近年では膜分離です。^[100]代替として、電気と熱をオンサイト発電に使用することができ、^[101]エネルギー輸送の損失が削減されます。天然ガス輸送システムでの一般的なエネルギー損失は1〜2％ですが、大規模な電気システムでの現在のエネルギー損失は5〜8％です。^[102]

2010年10月、ディドコット下水処理場は英国で初めてバイオメタンガスを生産し、オックスフォードシャー州の最大200世帯で使用できるように全国送電網に供給しました。^[103] 2017年までに、英国の電力会社エコトリシティは、地元産の草を消化槽に供給し^[104]、 6000世帯に燃料を供給する計画を立てています^[105]

上記の技術でアップグレードすると、バイオガス（バイオメタンに変換）は改造された車両の車両燃料として使用することができます。この用途はスウェーデンで非常に広く普及しており、38,600台以上のガス自動車が存在し、車両ガスの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。^[106]

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増やすのに使用できる。消化液は肥料として利用でき、生産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ことができる。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ある。多くの土壌で有機物が枯渇しているスペインなどの国では、消化固形物の市場はバイオガスと同じくらい重要になり得る。^[107]

分解に必要なバクテリアを生成するバイオ消化器を使用することで、調理用ガスが生成されます。落ち葉、台所廃棄物、食品廃棄物などの有機廃棄物は粉砕ユニットに投入され、少量の水と混合されます。次に、混合物はバイオ消化器に投入され、そこで古細菌がそれを分解して調理用ガスを生成します。このガスはキッチンコンロに配管されます。2立方メートルのバイオ消化器は、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。バイオ消化器を使用する顕著な利点は、豊富な有機肥料であるスラッジです。^[108]

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。^{[36] [109] [110]}

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^[112]（嫌気性消化のメタン生成段階は、バクテリアとは系統樹上で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る）、主にメタンと二酸化炭素であり、^{[113] [114]}少量の水素と痕跡量の硫化水素を含む。（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ある）。^[39]バイオガスのほとんどは、バクテリアの個体数が増え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する。^[115]ガスは通常、膨張式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る。

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^{[116] [信頼できない情報源? ]}で燃焼させて熱と電気の両方を生成することができ、多くの場合、生成された電気と廃熱が消化槽や建物の暖房に使用されるコジェネレーション方式で使用されます。余剰電力はサプライヤーに販売するか、地域の電力網に供給できます。嫌気性消化槽で生成される電力は再生可能エネルギーとみなされ、補助金の対象になる場合があります。 ^[117]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。^[118] 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クリーニング装置（アミンガス処理など）が必要になります。^{[119]あるいは、消化タンクに}塩化鉄（ FeCl _2）を添加すると、硫化水素の生成が抑制されます。^[120]

揮発性 シロキサンもバイオガスを汚染する可能性がある。このような化合物は家庭ごみや廃水によく見られる。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する。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すると、シロキサンは二酸化ケイ素（SiO ₂）に変換され、機械の内部に堆積して摩耗が進む。^{[121] [122]}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ある。^[123]特定の用途では、オフガス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、メタンの純度を高めるために現場処理を使用することができる。 ^[124]

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。^[125]嫌気性消化の使用を推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、販売可能な全体的なレベルが減少するため、この処理方法は採用されにくいです。^[126]

消化液は、微生物が利用できない消化槽への最初の投入物質の固形残渣です。消化槽内の死んだ細菌のミネラル化した残渣も含まれています。消化液には、繊維状、液体、または2つの部分を合わせたスラッジベースの3つの形態があります。2段階システムでは、異なる形態の消化液が別々の消化タンクから来ます。1段階消化システムでは、2つの部分を組み合わせ、必要に応じてさらに処理して分離します。^{[127] [128]}

2番目の副産物（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内のさまざまなミネラル成分も含まれています。プラスチックが含まれている場合もあります。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製品の製造に使用することもできます。^{[129] [130]} 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。^[131]

3番目の副産物は、栄養分が豊富な液体（メタン生成消化物）で、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。^[128]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発生源が分離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。産業由来の廃棄物の場合、PTEのレベルは高くなる可能性があり、材料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。

消化物には通常、嫌気性微生物では分解できないリグニンなどの成分が含まれています。また、消化物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。この2つの理由から、消化後に熟成または堆肥化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、輸送する物質の総量を減らすのに役立ちます。この熟成中に、アンモニアは硝酸塩に酸化され、物質の肥沃度が向上し、土壌改良剤としてより適したものになります。大規模な堆肥化段階は、通常、乾式嫌気性消化技術で使用されます。^{[132] [133]}

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。この水は、処理された元の廃棄物の水分含有量と、消化システム内の微生物反応中に生成された水の両方から発生します。この水は、消化物の脱水によって放出される場合もあれば、消化物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) のレベルが高くなります。これらの廃水の反応性を示す指標は、汚染の可能性を示します。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アクセスできないことを意味します。この廃水が水路に直接流されると、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、連続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。^{[134] [135] [136]}

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ときに報告されました。 ^{[15] 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） ^[137]は、そのガスがメタンであることを科学的に特定しました。^[138]

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にメタンが含まれていることを証明した。^[17]最初の嫌気性消化槽は1859年、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。^[139] 1895年、イギリスのエクセターでこの技術が開発され、浄化槽からガス照明の一種である下水ガス破壊ランプ用のガスを生成した。またイギリスでは1904年、ロンドンのハンプトンに沈殿と汚泥処理の両方に使える最初の二重目的タンクが設置された。

20世紀初頭までに、嫌気性消化システムは今日の技術に似たものになり始めました。^[140] 1906年、カール・インホフはイムホフタンクを発明しました。^[141]これは20世紀初頭を通じて嫌気性消化槽とモデル廃水処理システムの初期の形態でした。^{[142] [143]} 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嫌気性ラグーン（覆われた土槽）の以前の一般的な使用に取って代わり始めました。嫌気性消化の研究は1930年代に本格的に始まりました。^[144]

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。^[145]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。^{[140] [146]}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刺激した。^[140]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。^{[147] [148]}

今日、嫌気性消化槽は、肥料からの窒素流出を減らすために農場のそばに設置されているのが一般的で、または汚泥処分のコストを削減するために廃水処理施設に設置されている。^[140]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の消化槽があった。^[149]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ある。^[150]米国では、2012年に34州で191の稼働中のプラントがあった。^[148]これらの国で導入率がこれほど異なる理由は、政策によるものかもしれない。

ドイツでは1991年にFITとしても知られる固定価格買い取り制度が施行され、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提供されるようになった。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から517に増加した。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った。ドイツ政府はこれに対応して、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改善し、バイオガス生産の確実な収益と全国での継続的な高い導入率を実現した。^{[148] [149]}

嫌気性消化槽は魚の死（例：デボン州モール川、^[151] テイフィ川、^[152] スリンフィ川、^[153]）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発生している^[154]（メイン州ジェイ、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、^[155]ペンサコーラ（カントンメント）2017年1月22日（カミール消化槽爆発）、^[156] EPDMの故障、2013年3月、オレゴン州オームズビル、^[157] 1987年2月6日、ペンシルベ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により30トンの浮き蓋が持ち上がり、2人の作業員が即死した、^[158]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）、^[159]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^{[160] [161]}）例えばフランス（サン＝ファルジョー）^{[162] [163]}（ただし、人類に直接影響を及ぼした「深刻な」事故は少数だった）。^{[164] [165]}幸いなことに、ある情報源によると、「人間に影響を与えたのは12件未満」とのこと。例えば、ドイツのラーデライステットでの事故（死者4名）など。^{[162] [166]}

安全性分析には^{[167] [168] [169]}が含まれており、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ました。^{[170] [164]}