富士市東部浄化センターにおける高濃度消化・省エネ型
バイオガス精製による効率的エネルギー利活用技術実証研究（B-DASH プロジェクト）
Demonstration of Eﬃcient Energy Utilization Technology using High-Solids
Anaerobic Digestion and Energy-Saving Biogas Puriﬁcation at the Tobu
Wastewater Treatment Plant in Fuji City（B-DASH Project）

小野田草介＊
Sosuke Onoda

佐藤朋弘＊
Tomohiro Sato

博士（工学）

渡邉航介＊
Kosuke Watanabe

宮本博司＊＊
Hiroshi Miyamoto

B-DASH プロジェクト（Breakthrough by Dynamic Approach in Sewage High Technology Project）とは，国土交通省が実施する下水道革新的技術実証事業で，下水道事業における大幅なコスト縮減や省エネルギ・創エネルギ効果を実現し，併せて，本邦企業による水ビジネスの海外展開を支援するものである１）。
当社，日本下水道事業団および富士市からなる共同研究体は，平成30年度 B-DASH プロジェク
トに採択され，平成30年度～令和元年度の２カ年にわたり国土交通省国土技術政策総合研究所の委託研究として，高濃度消化および省エネ型バイオガス精製に関する革新的技術の実証を行い，目標値を満足する結果が得られた２，３）。
The B-DASH Project is a MLIT program created speciﬁcally to promote research into innovative wastewatertechnologies. Its objectives are to signiﬁcantly reduce costs and create energy-saving and energy-generating
effects in wastewater service, and support Japanese enterprises in their efforts to expand the water businessoverseas. Joint research into high-solids anaerobic digestion and energy-saving biogas puriﬁcation conductedby Kobelco Eco-Solutions Co., Ltd., the Japan Sewage Works Agency, and Fuji City was selected for theB-DASH Project in 2018, which led to two years of corroborative testing（2018-2019）under NILIM contractand yielded good results.

Key Words：
嫌気性

消化Anaerobic digestion

メタン

発酵Methane fermentation

バイオ

ガス

Biogas精製

Puriﬁcation

水素Hydrogen

神鋼環境ソリューション技報

2＊

技術開発センター 水・汚泥技術開発部 水環境グループ＊＊

環境エンジニアリング事業本部 水環境技術本部 アセットマネジメント部

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

【セールスポイント】
・投入汚泥を高濃度に濃縮することで消化槽の容量を大幅に削減可能
・シンプルな機器構成で不純物を一括除去できるバイオガス精製技術
・燃料電池自動車の初期需要を考慮した小規模設備とすることで，維持管理費の低減が可能な水素製造・供給設備・余剰水素の有効利用を可能にする高濃度メタン生成技術

まえがき

規

エネルギ化率は，2020年度に約30 ％とする目標が排除方式：分流式設定されているが，2018年度末時点で約23 ％にと処理方式：

どまっている４）。代表的なエネルギ化技術である消［水 処 理］標準活性汚泥法

化技術は，導入にあたって大容量の槽を建設する必［汚泥処理］濃縮→脱水→外部処分

模：日最大55 800 m3/d

第４次社会資本整備重点計画において，下水汚泥（処理人口約100千人）要があるため初期投資（建設費）が大きい。また，（焼却・再生利用）

2. 革新的技術の概要

バイオガス利活用技術のひとつとして，これまでに2. 1

研究実績のある水素製造・供給技術は，機器点数の構成多さから維持管理が煩雑化するほか，有資格者の選革新的技術の構成を図１，実証施設全景を写真１

任や法定点検が必要であり，維持管理費の負担が重に示す。高濃度消化技術（高濃度濃縮装置，高濃度い。そのため，人員・財政に余裕がない中小規模自消化槽），省エネ型バイオガス精製技術（バイオガ治体が有する処理場での採用が進んでいない。
以上の背景を踏まえ，本研究は，槽容量の大幅削減によって初期投資の削減が可能な高濃度消化技術，および従来技術よりシンプルな機器構成とすること等により維持管理を容易にした省エネ型バイオガス精製技術を実証し，国内下水処理場での汚泥消化・バイオガス利活用設備の普及を促進し，下水汚泥のエネルギ利用促進に貢献することを目的として実施した。

1. 実証フィールドの概要

実証施設設置場所：富士市東部浄化センター（静岡県富士市富士岡南260番地―１）

余剰汚泥

生汚泥（初沈汚泥）
重力濃縮（調整池として利用）必須の設備ではな
いが調整池として活用可能なため，継続利用

砂ろ過池

高濃度
濃縮

塩素混和池

必須の設備ではないが導入処理場で耐用年数経過まで継続利用するケースが考えられる
ため，濃縮あり／なしの各条件でデータ取得

機械濃縮
高濃度濃縮汚泥省エネ型
バイオガス
精製

高濃度消化槽

水素混合槽
水素
小規模水素製造・供給

水素吹込み効果の検証を目的とした小型消化槽
水素燃料
電池車

消化汚泥

既設ベルトプレスを２液薬注に改造し，継続利用脱水機

図１Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

最終沈殿池

反応槽

実証施設全景
放流

流入

最初沈殿池

沈砂池

写真１

脱水汚泥

搬出

B-DASH 施設

革新的技術の構成

神鋼環境ソリューション技報

3

表１
設

備名

１）高濃度濃縮設備
２）高濃度消化設備
３）バイオガス精製設備
４）水素製造・供給設備
５）高濃度メタン生成設備（水素混合槽）設備の主仕様

容量・能力

主350 kg-DS/h ×２基
有効容積 1 000 m3
バイオガス処理量 100 m3N/h
圧縮機能力 29.75 m3N/d
有効容積 3.9 m3

ス精製装置，中圧ガスホルダ），小規模水素製造・スクリュー式
鋼板製，インペラ式撹拌機
高圧水吸収法
水蒸気改質，充填圧力：35 MPa
水素吹込み用消化槽

バイオガス（高濃度メタン）

水素メタン生成技術により構成されている。
特分解徴

酢酸

各設備の主な仕様を表１に示す。設備の処理汚泥

酢酸資化性
メタン生成菌消化槽

量は日最大5.3 t-DS/d であり，これは実証処理場における発生汚泥を全量処理可能な規模である。
2. 2. 1CH3COOH→CH4＋CO2

高濃度消化技術

高濃度化と消化日数の短縮により，消化槽容量を従来の約1/3に削減できる技術である。消化汚泥を

H2

水素資化性
メタン生成菌CO2＋4H2→CH4＋2H2O

返送し原料汚泥と混合して濃縮することにより，アンモニア性窒素（NH4-N）を濃縮分離液に溶解させ，消化阻害が生じないレベルに調整できるため，従来省エネ型バイオガス精製技術

図２

CO2 CH4CH4 H2Oと同等の消化性能，脱水性を維持することができる。
2. 2. 2様原料汚泥供給技術（水素製造装置，水素供給装置），高濃度
2. 2

仕消化槽への水素吹込みによるメタン生成反応

不純物の成分ごとに除去装置を設けることなくシ能力を向上させることで，水素製造装置で求められるメタン濃度，ならびに，シロキサンおよび硫化水素の除去性能を維持しつつ，消費電力を低減することができる。
2. 2. 3

小規模水素製造・供給技術

燃料電池自動車の初期需要を考慮した小規模設備とすることで，有資格者の確保および法定点検が不要となり，従来より少ない負担で水素製造・供給設

薬注率（対 TS％）も運転圧力を低下させるとともに，除湿器での吸着SS 回収率（％）

る高圧水吸収法を原理とした技術である。従来より

汚泥 TS（％）

ンプルな機器構成で効率的に不純物を一括除去でき

2. 2. 4

高濃度濃縮汚泥
供給汚泥

108％

6％
500.8
0.60.40.20100

濃縮装置運転調整（背圧，薬注等）

95904/23

図３備の導入を可能とする技術である。

着色した期間は
未濃縮余剰を受入れ

消化汚泥返送停止
目標濃度８ ％に変更

155/216/18

7/16

8/13

9/10

10/8

11/5

12/3

12/31

1/282/25

高濃度濃縮装置での汚泥 TS，薬注率，SS 回収率（定格時）

高濃度メタン生成技術

余剰水素を有効活用するため消化槽に返送し，メタンを再生成する技術である。消化槽に水素を吹き込むと，消化槽内に存在する水素資化性メタン生成

3. 実証試験結果

高濃度消化技術

3. 1

3. 1. 1

高濃度濃縮の安定性菌の働きにより，消化槽内 CO2 からメタンが生成

2019年４月より定格負荷での濃縮運転を開始し，され，バイオガス中のメタン濃度を上昇させること

初沈汚泥，余剰汚泥，返送消化汚泥の混合汚泥をができる（図２）。

TS（Total Solids；全蒸発残留物濃度）＝６ ％以上

本実証においては，短期間の委託研究期間内に高（原料汚泥 TS＝８ ％相当）に濃縮可能であること

濃度消化技術の検証と並行して実証を行うため，水を確認した（図３）。消化槽内の NH4-N が管理値以素吹込み用の消化槽（水素混合槽）を併設した。

下であったため，7/3より消化汚泥の返送を停止し，

4

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

目標濃度を８ ％としたが問題なく濃縮することが減じたためである。７月以降は４ ％台前半で安定できた。薬注率は，返送消化汚泥の混合割合によりした。

0.3～0.6 ％対 TS 程度，SS 回収率は概ね95 ％以上

図６，７に，定格時の消化汚泥 pH，NH4-N を示を維持した。余剰汚泥については，既設機械濃縮にす。pH は７～８を維持した。NH4-N は消化汚泥をよる濃縮汚泥を受入れた条件と，革新的技術の基本

返送している期間は1 500 mg/L 以下で，管理値を大フローに合わせ未濃縮汚泥（TS＝0.8～1.0 ％）を受きく下回ったため，7/3以降消化汚泥の返送を停止入れた条件（図３の着色期間）の両方で運転を行し，その後は1 500～2 000 mg/L で推移した。
図８にバイオガス量の推移を示す。定格負荷とない，いずれも濃縮可能であることを確認した。
3. 1. 2

高濃度消化の安定性ってから滞留時間の３倍が経過した７月以降は消化槽投入 TS 量は，ほぼ全期間にわたり設計の2 400 m3N/d 程度まで上昇し，設計日最大負荷であ日最大値を上回り，とくに５～６月および11月以降

る4.4 kg/m3/d 以下の VS（Volatile Solids；強熱減量。に高い状況となった（図４）。これは実証開始後，主に有機物を示す。）負荷においては，投入 VS 当

重力濃縮槽からの汚泥引抜を速やかに行うよう運用

りバイオガス量は目標値である500 m3N/t-VS 以上を変更した結果，重力濃縮槽における回収率が上昇満足した。

し，汚泥量が増加したためである。消化汚泥 TS は

3. 2

省エネ型バイオガス精製技術

５～６月は５ ％前後まで上昇した（図５）。これは図９にバイオガス処理量当りの電力原単位（バイ投入負荷が高い状況で，既設脱水機を消化汚泥対応

オガス精製装置に供給したバイオガス量当りの消費とするための運転調整の期間中，消化汚泥引抜量を電力量）を示す。電力原単位はバイオガス量が少な

消化槽投入 TS（t/d）

いほど上昇する傾向があり，バイオガス量2 4008765432
10m3N/d（100 m3N/h）における四季平均の電力原単位
は0.43 kWh/m3N-バイオガスであった。一方，同じ日最大（100 ％負荷）

く高圧水吸収法を原理とし平成23年度 B-DASH で日平均（80 ％負荷）実証された大規模処理場向け精製技術では，電力原
4/23

5/216/18

図４7/16

8/13

9/10

10/8

11/5

12/312/31

1/28

2/25

単位はバイオガス量2 400 m3N/d（100 m3N/h）において0.6～0.7 kWh/m3N-バイオガス程度である５）。し

消化槽投入 TS 量（定格時）

6

現場測定

公定分析

脱水機
運転調整

434/235/216/18

図５7/168/139/1010/811/512/312/31

1/282/25

消化汚泥 TS（定格時）

3 000

1 500

2 500
2 000

1 000

1 500
1 000

500

500

バイオガス量04/23

5/216/18

7/168/139/1010/811/5

投入 VS 当りバイオガス量12/312/31

1/282/250

投入 VS 当りバイオガス量（週平均）（m3N/t-VS）

5バイオガス量（m3N）

消化汚泥 TS（％）

たがって，今回実証した精製技術は約30 ％の電力低減が可能であることが示された。

図８ バイオガス量，投入 VS 当りバイオガス量（定格時）7.5バイオガス量（m3N/h）

76.5
64/23

現場測定
5/216/18

消化汚泥 NH4-N（mg/L）

図６0.8

公定分析
7/168/13

9/10

10/8

11/5

12/3

12/31

1/28

2/25

消化汚泥 pH（定格時）

2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
4/23

NH4-N 公定分析
5/216/18

図７7/16

8/13

9/10

10/8

11/5

12/3

12/31

1/28

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1 200

NH4-N 現場測定

消化汚泥 NH4-N（定格時）Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）バイオガス量当り消費電力量（kWh/m3N-バイオガス）

消化汚泥 pH（−）

8春季

y = 607.79x-0.944

夏季

y = 59.756x-0.625

秋季

y = 459.55x-0.887

冬季

y = 7.7382x-0.379

1 440

1 680

1 920

バイオガス量 2 400 m3N/d における四季平均は0.43 kWh/m 3N-バイオガス

2 160

2 400

2 640

2 880

3 120

バイオガス量（m3N/d）

2/25

図９

省エネ型バイオガス精製装置の消費電力原単位

神鋼環境ソリューション技報5

表２

バイオガス組成2019／８／27

2020／１／31

槽

高濃度消化槽1 000 m3

水素混合槽
3.9 m3

高濃度消化槽1 000 m3

水素混合槽
3.9 m3

吹込み条件

水素吹込みなし

昼間のみ
1.6 NL/min 吹込

水素吹込みなし

常時
2.0 NL/min 吹込

CH456

5956

51

CO241354027

N20.5

2.22.61.6＜0.10.6

0.80.6

H2＜0.05

2.5＜0.0521

メタン濃度（CH4＋ CO2を100 ％とする）

5863

5865

消化％

O2

図10

高濃度消化槽および水素混合槽における古細菌存在比率

なお，精製バイオガス中の不純物濃度（硫化水素月までは昼間のみ1.6 NL/min，2020年１月より常時濃度，シロキサン濃度）については，四季を通じて

２ NL/min 吹込んだ（それぞれ0.4，0.5 NL/min/m3-

目標値（硫化水素濃度：0.1 ppm 以下，シロキサン発酵容積）。この吹込み量は，事前に実施したラボ

3

濃度：１ mg/m N 以下）を満足した。
3. 3

試験にて求めた，メタン濃度を５ポイント上昇させ小規模水素製造・供給技術るための吹込み量に基づき設定した。

精製ガスを原料として製造した水素ガスの品質

表２に高濃度消化槽と水素混合槽のバイオガス組（純度および不純物濃度）は，四季を通じて燃料電成をガスクロマトグラフにて分析した結果を示す。

池車燃料品質規格（ISO14 687-2）を満足した。

水素混合槽におけるメタンと二酸化炭素の合計に対また，製造した水素ガスは水素供給装置を用いてするメタンの割合が，水素を吹込んでいない高濃度実際に市販の燃料電池自動車に充填し，燃料として消化槽に対して５～７ポイント程度上昇しているこ活用した。とが確認された。

高濃度メタン生成技術

3. 4
3. 4. 1

3. 4. 2

水素吹込みによるメタン濃度上昇

微生物叢解析

水素吹込みによる微生物叢の変化を確認するた5/23に水素混合槽（有効容積５ m3／発酵容積3.9め，次世代シークエンス解析（NGS 解析）による3m ）に種汚泥として高濃度消化槽の消化汚泥を投高濃度消化槽および水素混合槽の消化汚泥中の古細入し，高濃度濃縮汚泥の投入を開始した。さらに菌の微生物叢解析を行った。図10に古細菌の存在比

7/14より水素混合槽への水素吹込みを開始した。12率を示す。水素混合槽への水素吹込みを開始した７6神鋼環境ソリューション技報

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

月以降，両槽の微生物叢に違いが認められた。水素混合槽では Methanobacterium 等の水素資化性古細・余剰水素ガスの有効利用として実施した高濃度メ菌 の 存 在 比 率 が 高 く， 高 濃 度 消 化 槽 で はCandidatus_Methanofastidisum 等 の 酢 酸 資 化 性 古 細むことによりバイオガス中のメタン濃度が５～７菌の存在比率が高いことがわかった。本結果から，なお，本成果は，当社，日本下水道事業団およびタン生成技術では，小型の消化槽内に水素を吹込ポイント程度上昇することが確認された。

水素吹込みによるメタン濃度の上昇が，水素資化性富士市からなる共同研究体が受託した平成30年度・古細菌の増加による可能性が示唆された。

令和元年度国土技術政策総合研究所委託研究「高濃む度消化・省エネ型バイオガス精製による効率的エネすび

高濃度消化技術，省エネ型バイオガス精製技術，小規模水素製造・供給技術，高濃度メタン生成技術により構成される革新的技術の実証試験を行い，以下の結果を得た。
・原料汚泥 TS 濃度８ ％の高濃度消化において，設計日最大負荷である4.4 kg/m3/d 以下の VS 負荷においては，投入 VS 当りのバイオガス発生量500m3N/t-VS 以上を満足することができた。
・省エネ型バイオガス精製技術において，大規模処理場向け従来技術に比べ電力原単位を約30 ％削減することができた。
・精製ガスを原料とした小規模水素製造において，燃料電池自動車燃料品質規格を満足する水素ガスが得られた。

Vol. 17 No. 1（2020 ／ 9）

ルギー利活用技術実証研究」によるものである。
［参考文献］
１）国土交通省国土技術政策総合研究所下水道研究部下
水 処 理 研 究 室：http://www.nilim.go.jp/lab/ecg/bdash/bdash.htm
２）小倉ら：高濃度消化・省エネ型バイオガス精製による効率的エネルギー利活用技術実証研究，第56回下水道研究発表会講演集（2019）３）小倉ら：高濃度消化・省エネ型バイオガス精製による効率的エネルギー利活用技術実証結果，第57回下水道研究発表会講演集（2020）
４）国土交通省：都道府県別下水汚泥エネルギー化率（平成30年度末），https://www.mlit.go.jp/mizukokudo/
sewerage/content/001320628.pdf
５）国土交通省国土技術政策総合研究所：B-DASH プロ
ジェクト No.2 バイオガスを活用した効果的な再生可能エネルギー生産システム導入ガイドライン（案）（2013），p.135

神鋼環境ソリューション技報7