平成 23 年度 環境システム工学専攻 修士論文要旨集

下水汚泥と稲わらの一括バイオガス化技術の実用化に向けた混合嫌気性消化に関する研究
資源エネルギー循環研究室

10503388 高松 量

指導教員 小松 俊哉 姫野 修司
１．研究背景新潟県では例年 65 万トンの稲わらが発生し、２．回分実験について２．１ 実験方法そのほとんどが鋤き込まれている。排水不良田

回分実験の方法は次の通りである。5mm 程度にでの稲わらの鋤きこみにより根腐れによる生育破砕した稲わらと酵素溶液または蒸留水を固液比阻害や土中にて稲わらが嫌気分解されることに1:10 でガラスバイアルに投入し 10 日間~20 日間のより大気中にメタンが放出し、地球温暖化を促浸漬を行った。その後、混合液量が 300mL となる進させることが懸念されている。近年、稲わらように稲わらと種汚泥である中温消化汚泥をはバイオマスとして注目されており、他バイオ720mL のバイアルに投入密閉し、中温 37℃の条件マスと比べ食糧と競合しないことや秋口に一括で 1 日 1 回攪拌し、最大 40 日間反応させ、発生ガ回収できるため収集運搬が容易である。

ス、余剰汚泥の性状から消化成績を評価した。

本研究では嫌気性消化法によるバイオガス化

２．２ 実験結果に注目した。嫌気性消化は創エネルギー分野で以下の検討実験を行ない、得られた知見を示す。

あると同時に消化槽の加温や攪拌などエネルギ

1) 酵素添加量の検討

ーを大きく消費するシステムであるため、バイ

2) 可溶化日数の検討

オガス生産量の増大が求められている。昨今、

3) 酵素の種類の検討

バイオマスを利用した混合嫌気性消化法によっ

4) 稲わらの粒径が及ぼす影響の検討て、バイオガス発生量を増大させる試みがある。

5) 連続式可溶化槽による稲わらへの影響の検討

本研究グループでは、稲わらが混合消化に適

6) 下水汚泥と稲わらの混合消化の検討したバイオマスであり、組織が強固である稲わ

7) 稲わらの保存方法が及ぼす影響の検討

らの前処理法として酵素溶液に浸漬させる酵素8) 稲わらの保存期間が及ぼす影響の検討処理法が有効であることを基礎実験で明らかにこれらの検討から得られた知見により、実証実験した 1) 2) 3)。本研究では稲作地域において、稲わでは条件を次のように設定した。3 種の酵素のうちらを下水汚泥とともに嫌気性消化を行ないバイ最もメタン活性の高い酵素を使用することとし添加オガス化し、地産地消の再生可能エネルギーと量を 0.025g/g-稲わら、可溶化浸漬日数は 20 日とすして回収を行なうシステムの実装を目的としてる。

おり、学内にて実機を想定した混合嫌気性消化また、粒径が 1mm 程度になる実証破砕機でも Labの回分実験を行い、実機での運用に適した嫌気の破砕機と同程度のメタン生成を得ることができ、性消化法の条件を設定し、それを踏まえて下水実証実験の可溶化槽でも回分浸漬を行った稲わらと処理場にてパイロットスケールでの連続式の実同等であった。下水汚泥と稲わらを混合することに証実験から、消化特性を把握し稲わらが混合嫌より、C/N 比が調整され、消化が有利になることを気性消化に適したバイオマスであることの実証確認した。実証施設で稲わらを保存する際、稲わらを行ない、混合嫌気性消化技術の確立を目指しの屋内保存とラッピングした屋外保存では、屋内保た。

存の稲わらのメタン転換率が 20%程高かった。また
1 年間の保存によりメタン活性は約 15％減少させる

平成 23 年度 環境システム工学専攻 修士論文要旨集
知見を得た。

較した稲わら投入の影響および酵素処理の効果を中心にプロセス評価を行った。なお、条件 1、３．パイロットスケールにおける実証実験

条件 2 ともに期間を 2 つずつに分けて評価を行っ３．１ 実験概要た。

本研究では信濃川下流流域下水道長岡浄化セ破砕機

稲わらンターにて実証実験を行った。図-1 に本実験のプロセスを示す。

処理水

各0.6kg

各6L

酵素0.025g/g-稲わら

120L

120L

可溶化槽は 120L であり、全 2 系列で運転した。
稲わら系では破砕した稲わらと処理水を 1:10 で可溶化槽
機械濃縮機

各20L

1.8L

1.8L

稲わら

500L

500L

500L

汚泥投入、攪拌している。酵素稲わら系では 0.025g/g稲わら での酵素量で、セルラーゼ系酵素”JB-001”

水、酵素消化槽を使用した酵素溶液に稲わらを混合した。週 6 回、消化ガス

2 つの可溶化槽から投入稲わらと処理水と同量の可溶化稲わらを引き抜き、それぞれ消化槽へ投入している。

21.8L

20L

21.8L

脱水機

図-1 実証実験プロセス

消化槽は 500L であり、全 3 系列で運転した。
コントロールとして下水汚泥（初沈汚泥:余剰汚泥=2:1）のみを投入した汚泥単独系、下水汚泥と可溶化稲わらを投入した稲わら系、下水汚泥と酵素

３．２ 条件１における実験結果
条件 1 における消化槽の条件と投入基質の性状を表-1 に示す。

処理を行った可溶化稲わらを投入した系を酵素稲わら系とした。本実験では消化槽の 2 つの運転条件を設定した。実験条件 1（以下、条件 1）は滞留日数約 30 日、稲わら系と酵素稲わら系において投入す る下水汚泥と稲わら の TS 比率を1:0.25 として、それぞれ下水汚泥を 20L、可溶化槽から引き抜いた可溶化稲わらをそれぞれ 1.8L投入する。実験条件 2（以下、条件 2）では滞留

表-1 実験条件 1 の消化槽条件と投入基質の性状
日
滞留日数%
投入TS
%
期間1 投入VS
g/L
投入COD
VS負荷 kg-VS/日･m3
日
滞留日数%
投入TS
%
期間2 投入VS
g/L
投入COD
VS負荷 kg-VS/日･m3

汚泥単独系
29.2
4.92±0.68
4.33±0.64
58.4
1.48
29.2
4.55±0.85
3.97±0.74
53.6
1.36

稲わら系
26.8
5.34
4.60
58.9
1.72
26.8
5.004.2854.51.60

酵素稲わら系
26.85.344.6059.1
1.72
26.85.00
4.2854.6
1.60

日数は条件 1 とほぼ等しく、稲わら系と酵素稲わら系において下水汚泥と稲わらの TS 比率を 1:0.5として、それぞれ下水汚泥を 20L、可溶化稲わら3.6L を投入する。運転温度は条件 1、条件 2 とも滞留日数は稲わらの投入により稲わら系が若干短くなっている。また運転中の下水汚泥は全量機械濃縮されていたため高濃度であった。
条件 1 での週別の発生バイオガス量の推移を図に可溶化槽、消化槽は 37℃であり、週 6 日（日曜-2 に示す。連続実験開始後、稲わら系が汚泥単独日以外）運転している。運転期間について条件 1系より発生バイオガス量が低い傾向が見られた。

は 9 週間、条件 2 は 6 週間である。

これは、初期の投入した種汚泥である消化汚泥の消化汚泥の固形物量 TS・有機物量 VS は週 3 回、活性が劣っていたためと考えられる。その後、稲消化汚泥の pH・発生ガス量は週 6 回、発生ガスわら系、酵素稲わら系の稲わら投入を停止し、発のメタン濃度・消化汚泥の溶解性 COD、アンモニア性窒素は週 1 回測定している。汚泥単独系と比生バイオガス量が安定を確認し、一週間後再開した。その後の経過から安定した発生バイオガス量

平成 23 年度 環境システム工学専攻 修士論文要旨集が得られたため、実験開始から 4~6 週間を期間 1、ら系では最大 85.7％となった。また、稲わら投7~9 週間を期間 2 として評価を行なう。

入によって溶解性 COD は若干上昇、アンモニア性窒素は若干低下する結果が得られた。これは発生バイオガス量（NL/day）

汚泥単独系

稲わら系

酵素稲わら系

過去の実験でも同様の傾向が得られている 3)。

800
800

稲わらのメタン転換率は、Lab の連続実験で稲600

わら系 87.2％、酵素稲わら系 91.4％であった結果 1)には及ばないが、パイロットスケールにおい400200

期間１期間 １期間２46
経過週数8ても酵素処理によって下水汚泥以上のメタン転換率が得られることを実証できた。
３．２．２ 条件２における実験結果

00210

図-2 条件 1 での週別発生バイオガス量
条件 1 の発生ガス量、消化汚泥の性状、メタン生成能を表-2 に示す。
表-2 実験条件 1 の結果
系列
期間pHTS
VS
VS/TS

汚泥単独系
12稲わら系
12

酵素稲わら系
12

7.63 7.59 7.58 7.64 7.62 7.63
2.27 2.31 2.37 2.47 2.37 2.48
1.68 1.72 1.73 1.80 1.77 1.80
0.74 0.74 0.73 0.73 0.75 0.73
TS54.1 49.2 55.9 50.5 56.1 50.4
分解率VS61.2 56.3 62.7 57.8 62.1 57.9
溶解性COD
1.06 1.32 1.23 1.37 1.06 1.92
アンモニア性窒素1.42 1.40 1.39 1.23 1.40 1.26
発生バイオガス量
504432520487541504
メタン含有率55.2 54.4 54.1 53.5 54.7 53.7
メタン転換率67.9 62.7 62.3 62.7 65.7 64.9
投入VSあたりのガス量 Nm3/kg-VS 0.581 0.545 0.516 0.523 0.539 0.541
除去VSあたりのガス量 Nm3/kg-VS 0.949 1.003 0.823 0.906 0.921 0.935
稲わらのメタン転換率%
7.0
62.8 44.3 85.7%%%%
g/Lg/L
NL/day%%条件 2 における消化槽の条件と投入基質の性状を表-3 に示す。
表-3 実験条件 2 の消化槽条件と投入基質の性状
日滞留日数
%投入TS
%
投入VS
期間3投入VS/TSg/L
投入COD
VS負荷 kg-VS/日･m3
日
滞留日数
%
投入TS
%
投入VS
期間4投入VS/TSg/L
投入COD
VS負荷 kg-VS/日･m3

汚泥単独系
29.2
3.64±0.17
3.34±0.13
0.92
45.1
1.15
29.2
3.43±0.23
3.13±0.18
0.91
42.3
1.07

稲わら系
24.7
4.17
3.70
0.89
48.2
1.76
24.7
3.98
3.51
0.88
45.8
1.68

酵素稲わら系
24.7
4.17
3.70
0.89
48.4
1.76
24.7
3.98
3.51
0.88
46.0
1.68

滞留日数は稲わらの投入により稲わら系が若干短くなっている。
条件 2 での週別の発生バイオガス量の推移を図-3 に示す。投入開始後、連続実験開始後、1~3 週pH は 7.6 程度であった。VS 分解率が処理場での消化率約 60％と同等程度であるため、消化は間を期間 3、開始 4~6 週間を期間 4 として評価を行なう。

順調であると考えられる。TS 分解率は稲わら系、汚泥単独系

ス量は，稲わら酵素系が最も高く、次いで稲わら系、汚泥単独系であり、有意差(p<0.05)もあったことから、酵素の効果が稲わらのガス量増大に繋がることを示している。メタン含有率は稲わらを投入することにより減少しているが、これはセルロース系バイオマスの稲わらを投入し発生バイオガス量（NL/day）

酵素稲わら系が汚泥単独系よりも高かった。ガ稲わら系

酵素稲わら系

500500400300200
期間3期間100002

期間4期間

468たことによる特徴である。COD 基準のメタン転経過週数

換率は 60％以上であり、稲わらの正味のメタン図-3 条件 2 での週別発生バイオガス量

転換率(COD 基準、酵素 COD も考慮)は酵素稲わ平成 23 年度 環境システム工学専攻 修士論文要旨集
表-2 実験条件 2 の結果
系列
期間pHTS
VSVS/TS

汚泥単独系
34稲わら系34

酵素稲わら系
34

7.44 7.37 7.41 7.32 7.40 7.30
1.97 1.80 2.10 2.12 2.08 2.12
1.45 1.49 1.50 1.49 1.49 1.52
0.74 0.83 0.71 0.70 0.72 0.72
TS45.9 47.5 49.5 46.6 49.8 46.5
分解率VS56.6 59.0 59.4 57.5 59.6 56.6
溶解性COD
0.88 0.93 1.17 1.20 1.19 1.54
アンモニア性窒素
1.14 0.46 1.01 0.84 0.98 0.78
発生バイオガス量395376376416329398
メタン含有率
53.0 56.2 53.1 56.0 52.3 55.7
メタン転換率
64.0 73.0 46.7 60.5 35.4 54.0
投入VSあたりのガス量 Nm3/kg-VS 0.591 0.600 0.432 0.502 0.380 0.480
除去VSあたりのガス量 Nm3/kg-VS 1.045 1.067 0.728 0.873 0.638 0.849
稲わらのメタン転換率%
N.A 26.3 N.A 10.4%%%%
g/Lg/L
NL/day%%の実験でも稲わらは混合消化に適したバイオマスであることと、酵素による可溶化前処理により稲わらのメタン転換率を向上させることを確認した。一方、条件 2 では定常状態には達していないが、徐々に酵素稲わら系の発生バイオガス量が増加している傾向がみられている。
参考文献
1) 小松俊哉、工藤恭平、姫野修司：「酵素可溶化pH は 7.4 前後で条件 1 と比べてやや低い。TS

処理を施した稲わらの下水汚泥との混合嫌気性分解率、VS 分解率については消化が順調に行わ消化に関する研究」下水道協会誌 2007 年 vol.44

れているといえるが、発生バイオガス量が期間 3

No.531 pp.139-150においては汚泥単独系が稲わら系、酵素稲わら系

2) 小松俊哉、井上義康、姫野修司：「下水汚泥とよりも高く、稲わら投入の効果が見られなかった。

稲わらの中温および高温混合消化の処理特性比

開始後 1 滞留日数以上経過した期間 4 においては較とエネルギー評価」下水道協会誌 2010 年

汚泥単独系よりも稲わら系、酵素稲わら系が高か

vol.47 No.567 pp.130-139

ったが、酵素の効果は確認できず、稲わら系より

3) 小松俊哉、江口淳、姫野修司：「高効率エネル

稲わらのメタン転換率が低かった。条件 1 と同様

ギー回収を目的とした高濃度下水汚泥と稲わらにアンモニア性窒素は若干減少し、溶解性 CODの混合嫌気性消化に関する研究」下水道協会誌は若干上昇している。なお、開始 6 週目では酵素2011 年 vol.48 No.588 pp.127-135

稲わら系が稲わら系より発生ガス量が増加し、メタン転換率が稲わら系が 26%、酵素稲わら系が32%であった。その後の経過でも酵素稲わら系の発生バイオガス量が増加している傾向を示しており、条件 2 では条件 1 よりも長い日数がかかるが、酵素の効果が期待できる。
４．まとめ
1) 回分実験より得た知見より実証実験の条件を設定した。さらに、下水汚泥と稲わらの混合がメタン活性上昇に繋がること、実証に際して稲わらの保管は屋内が有効なこと、1 年の保管により稲わらのメタン活性が減少することなどがわかった。
2) 信濃川下流流域下水道長岡浄化センターにてパイロットスケールの実証実験を行った。結果、
条件 1 では pH も至適範囲内であり、酵素稲わら系が高いメタン転換率だったことから、実規模