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高メタン回収率・高負荷処理を達成する生ごみメタン発酵処理技術

創価大学工学部環境共生工学科

教授戸田龍樹

マレーシアプトラ大学

バイオサイエンス研究所

主任研究員長尾宣夫

平成２４年８月２１日広域多摩地域の大学発新技術説明会資料

横浜市北部汚泥資源化センター

2

0 10 20 30 40 50 60 70

United statesKorea

CanadaBelgium

JapanLuxemburg

SpainDenmark

GreeceAustralia

MexicoNew Zealand

TurkeyIndonesia

生ごみ42.8%

日本の一般廃棄物の組成

紙ごみ28.1%

プラ11.9%

金属ガラス 9.4%

他8.1%

廃棄物に占める生ごみの割合廃棄物に占める生ごみの割合

生ごみをはじめとする有機性廃棄物の再資源化処理技術の確立

≒廃棄物処理における循環社会の確立

社会背景: 生ごみとその処理の問題

途上国や土地のある国：直接埋立→メタンガスの放出・地球温暖化先進国で土地のない国：焼却処理→高コスト・エネルギー・有害物質

3

1. 堆肥化のようにエアレーションに関わるエネルギーや臭気対策の必要がない。

2. メタンを主成分とするバイオガスをエネルギー源として回収できる。

3. 残渣は堆肥として利用できる。

→ヨーロッパを中心に生ごみ処理の主流になりつつある（技術の熟成期にある）。

食品製造業

食品卸売業

食品小売業

外食産業

生ごみの再資源化技術の問題点とメタン発酵処理再

資源

化率

(%)

年

メタン発酵による生ごみ処理

生ごみの質

良い（川上）

悪い（川下）

農林水産省ホームページ（平成23年8月10日公表）

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単槽湿式メタン発酵の従来技術の利点と欠点

１．生ごみを分解することができる割合：有機物除去率（％）既に従来技術においても90％程度の高分解率を達成している。

２．生ごみから得られるメタン量：メタン生成率（ml-CH4 /g-VS）既に従来技術においても400-450ml-CH4 /g-VS程度（理論値の

8-9割）の高分解率を達成している。

３．メタン発酵槽の処理速度：有機物負荷量（kg-COD/m3/day）１～５kg-COD/m3/day程度の低負荷運転しか達成できていない

（乾式メタン発酵法：10kg-COD/m3/day・ＵＡＳＢ法：100 kg- COD/m3/day）

○

○

×

5

メタン発酵槽内のメタン生成プロセス

生ごみが溶ける生ごみが溶けるｐＨが低下ｐＨが低下ｐＨが上昇ｐＨが上昇

このバランスが重要。最適pHは８前後参考：DOBOKU技士会機関紙第34号（2006/4/1）

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本技術のねらいと効果

メタン発酵槽の嫌気消化汚泥にメタン菌を中心とする微生物を集積させる。

微生物が集積された汚泥内では、高い有機物負荷の運転においても、生成された酸をメタン菌が十分な速度で消費することが可能で、酸敗がおこらない。

結果として高い有機物負荷速度での安定した生ごみ処理が可能となり、リアクターサイズの縮小・高いバイオガス回収の双方が可能となる。

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有機性廃棄物（例えば生ごみ）

ポイント①5kg－COD/m3/日以上の高負荷運転メタン発酵槽

固形物の返送２．分解に関与する菌体（固形物）３．未分解有機物

液分の排水（処理液）１．処理液（液分）

本発明によるメタン発酵処理の微生物集積法

固液分離

バイオガス（CH4 ,CO2 ）

ポイント②スタートアップ期間の休息期間

ポイント③SRT60日以上で維持

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バイオガス生成速度とＶＳ除去率メ

タン

生成

速度

(L L

-1

day-

1)

実験日数（日）

VS 除

去率

(%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

2

4

6

8

10

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

VS除去率

メタン生成

6kg-COD/m3/day

9kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

15kg-COD/m3/day

21kg-COD/m3/day

9

6kg-COD/m3/day

9kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

15kg-COD/m3/day

21kg-COD/m3/day


0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

VFAs

（mg

/L） pHVFAs と pHの変化

pH

VFAs

10

細胞密度と固形物濃度の変化細

胞密

度（×

1010

cells

mL-

1 ）固

形物

濃度

（g L-1）


0

20

40

60

80

100

120

0

2

4

6

8

10

12

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

Cell density (HRT16)

TSS(HRT16)

6kg-COD/m3/day

9kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

15kg-COD/m3/day

21kg-COD/m3/day

11

6kg-COD/m3/day

9kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

15kg-COD/m3/day

21kg-COD/m3/day

SCOD

（mg

/L）NH

4 +(mg/L)SCODcr と NH4+

NH4+

SCOD


12

単位

固形

物あ

たり

の微

生物

細胞

数（×

1010

cells

g-S

S-1）


単位固形物あたりの細胞密度

0123456789

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

6kg-COD/m3/day

9kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

12kg-COD/m3/day

15kg-COD/m3/day

21kg-COD/m3/day

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• 既存技術の10倍以上の密度で嫌気性の微生物を消化汚泥内に集積が可能で高負荷運転でも安定的な処理が可能である。

• 既存技術の2倍～10倍に相当する15kg-COD/m3/ dayの超高負荷運転が可能である。

• 生ごみのメタン発酵処理において、500ml-CH4 /g-VS 程度の高いメタン回収効率を得ることができる。

新技術の特徴・従来技術との比較

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メタン発酵による有機性廃棄物の処理の歴史

第一次ブーム１９５０年代戦後のエネルギー不足

第二次ブーム１９７０年代中東戦争による石油危機

第三次ブーム１９９０年代環境・エネルギー問題

１．湿式メタン発酵固形物濃度５％以下

２. ＵＡＳＢ法ＳＳを含まない汚水処理

３. 乾式メタン発酵法固形物濃度10-20%

新たな２つの技術革新

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汚水

処理水

バイオガス

ＵＡＳＢ槽

UASB法による汚水処理

特徴・グラニュールと呼ばれる微生物の集積体を形成・沈降性が高く固液分離不要・分解性の高い汚水処理では100kg-COD/m3/日

の超高負荷でも処理が可能・広く普及している（ビール工場・醸造施設等）

生ごみ処理に適応する場合の問題・可溶化のための希釈水が大量に必要で

２次汚水を排出する必要がある。・別途可溶化のためのリアクターが必要

Sekiguchi et al 1999. Appl. Environ. Microbiol. vol. 65 no. 3 1280-1288

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乾式メタン発酵法による有機物処理

高い固形物濃度でのメタン発酵（固形物濃度１０％以上）。高い有機物負荷による運転でも酸敗がない。近年普及している。

Assistant Professor Yebo Li (left) shows the solid state anaerobic digestion tests to Clemens Halene, vice president of engineering of quasar energy group, in Li’s lab at Ohio State’s Ohio Agricultural Research and Development Center.http://engineering.osu.edu/news/2010/06/professor%E2%80%99s-research-enhances-biogas-production

http://engineering.osu.edu/news/2010/06/professor%E2%80%99s-research-enhances-biogas-production

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OLRg-VS L-1 d-1

(g-COD m-3 day-1)

Temp.oC OperationReactor type CH4 yield

ml g-VS-1VS reduction

%TS (TSS) ofSludge %

表. 生ごみを対象とした各種メタン発酵法による過去の文献と本研究のよる処理パフォーマンス

-35 Continuous2 stage 330 780.46 Wang et al. 200511.150 Continuous3 stage 395 -- Kim et al. 20061.0437 Continuous2 stage 373 90- Cho et al. 1995

9.250 ContinuousSingle semi-dry 230 -20.1 Bolzonella et al. 200313.5- 300 -- ContinuousSingle semi-dry Vallini et al. 19937.6- 220 -- ContinuousSingle semi-dry Scherer et al. 2000

1.68-2.835 ContinuousSingle wet CSTR 478 90-910.7-1.1 Mata-Alvarez et al. 19924.435 Continuous371 87-Single wet CSTR Verrier et al. 1987

5.955.0 ContinuousSingle semi-dry 262 4814.16 Cecchi et al. 19916.954.8 254 439.35 ContinuousSingle semi-dry Cecchi et al. 19919.254.9 165 3419.47 ContinuousSingle semi-dry Cecchi et al. 199110.754.0 140 3119.09 ContinuousSingle semi-dry Cecchi et al. 199113.554.6 160 3717.33 ContinuousSingle semi-dry Cecchi et al. 1991

Batch425 --50 -Single wet CSTR Zhang et al. 2007Batch445 --50 -Single wet CSTR Zhang et al. 2007Batch472 --37 -Single wet CSTR Cho et al. 1995

3.3937 360 89.8- Continuous2 stage Cho et al. 19951.7537 367 89.2- Continuous2 stage Cho et al. 1995

Batch489 --35 -Single wet CSTR Heo et al. 2004

Batch273 -16.030 -Single semi-dry Dong et al. 2010Batch283 -13.530 -Single semi-dry Dong et al. 2010Batch314 -11.030 -Single semi-dry Dong et al. 2010Batch220 -20.555 -Single semi-dry Forster-Carneiro et al. 2008

Reference

3.7 (6)37 This studySingle wet CSTR 417 84.43.4 (3.3) Continuous5.5 (9)37 This study421 89.04.2 (4.1)Single wet CSTR Continuous7.4 (12)37 This study444 90.06.7 (6.5)Single wet CSTR Continuous9.2 (1537 This study455 92.27.2 (7.1)Single wet CSTR Continuous12.9 (21)37 This study432 92.58.3 (8.1)Single wet CSTR Continuous

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定常

状態

にお

ける

消化

汚泥

の固

形物

濃度

（g

L-1 ）

有機物負荷速度(kg-COD m-3 day-1)

17 kg-COD m-3 day-1

生ごみの中温メタン発酵における最大有機物負荷量

Semi-dry condition

Wet condition

19

1990 1995 2000 2005 2010

87,000 トン/年2 plants

281,000 12 plants

112 plants

58 plants

197 plants

1,400,000

3,475,000

6,000,000

トン/年

トン/年

トン/年

トン/年

ヨーロッパにおけるメタン発酵施設数と処理量の推移

Baere, L.D., Mattheeuws, B., 2011, State of the art of anaerobic digestion of municipal solid waste in Europe. Proccedings of the International Conference on Solid Waste 2011 Hong Kong SAR, 416.

20

処理

量の

積算

値（1000ト

ン/年

）単槽式と２槽式施設によるそれぞれの処理量と納入割合

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

単槽式による処理量

単槽式納入比率（％）

２槽式による処理量

２槽式納入比率（％）


21

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

湿式

乾式湿式納入率（％）

乾式納入率（％）

湿式と乾式施設によるそれぞれの処理量と納入割合処

理量

の積

算値

（1000ト

ン/年

）


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• 安定的で効率的な生ごみメタン発酵処理の実施（有機物負荷の増加・メタン回収率の増加）

• 安定的な処理が実施できていない既存設備にも利用が可能（大幅なパフォーマンスの向上）

• 生ごみ以外のメタン発酵処理においても、利用できる可能性

• 消化汚泥を低コスト・低エネルギーで固液分離できる技術が社会実装化に向けた課題

想定される用途と実用化に向けた課題想定される用途と実用化に向けた課題

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発明の名称：有機性物質のメタン発酵方法

出願番号：特願2011-217807

出願日：平成23年9月30日

出願人：学校法人創価大学

発明者：田島伸明、長尾宣夫、丹羽千明、戸田龍樹

本技術に関する知的財産権

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創価大学

リエゾンオフィス富岡清英

Tel : 042-691-5031Fax ： 042-691-9311E-mail ： [email protected]

タマティーエルオー株式会社

産学連携事業部田島伸明

Tel : 042-570-7240

Fax ： 042-570-7241

E-mail ： [email protected]

お問い合わせ先

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