補 助 事 業 名 環 境 研 究 総 合 推 進 費 補 助 金 研 究 事 業 ( 平 成 22 年 度 ~ 平 成 24 年 度 ) 所 管 環 境 省 国 庫 補 助 金 57,752,000 円 研 究 課 題 名 バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 とした 地 域 循 環 圏 のモデル

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1 平 成 24 年 度 環 境 研 究 総 合 推 進 費 補 助 金 研 究 事 業 総 合 研 究 報 告 書 バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 とした 地 域 循 環 圏 のモデル 化 と 普 及 方 策 に 関 する 研 究 (K2410,)K2333,K22002 平 成 25 年 3 月 北 海 道 大 学 古 市 徹

2 補 助 事 業 名 環 境 研 究 総 合 推 進 費 補 助 金 研 究 事 業 ( 平 成 22 年 度 ~ 平 成 24 年 度 ) 所 管 環 境 省 国 庫 補 助 金 57,752,000 円 研 究 課 題 名 バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 とした 地 域 循 環 圏 のモデル 化 と 普 及 方 策 に 関 する 研 究 研 究 期 間 平 成 22 年 4 月 1 日 ~ 平 成 25 年 3 月 31 日 研 究 代 表 者 名 古 市 徹 ( 北 海 道 大 学 ) 研 究 分 担 者 名 西 則 雄 ( 北 海 道 大 学 ) 石 井 一 英 ( 北 海 道 大 学 ) 金 相 烈 ( 北 海 道 大 学 ) 翁 御 棋 ( 北 海 道 大 学 ) 谷 川 昇 ( 財 団 法 人 日 本 産 業 廃 棄 物 処 理 振 興 センター) 齊 藤 修 ( 国 連 大 学 ) 山 本 佳 世 子 ( 電 気 通 信 大 学 ) 福 士 明 ( 北 海 学 園 大 学 ) 日 向 貴 久 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 農 業 研 究 本 部 中 央 農 業 試 験 場 ) 三 津 橋 浩 行 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 工 業 試 験 場 ) 阿 賀 裕 英 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 環 境 地 質 研 究 本 部 環 境 科 学 研 究 センター)

3 バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 とした 地 域 循 環 圏 のモデル 化 と 普 及 方 策 に 関 する 研 究 プロジェクトメンバー 主 任 研 究 者 研 究 分 担 者 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 循 環 計 画 システム 研 究 室 教 授 古 市 徹 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 バイオウェイストマネジメント 工 学 講 座 教 授 西 則 雄 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 循 環 計 画 システム 研 究 室 准 教 授 石 井 一 英 助 教 翁 御 棋 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 バイオウェイストマネジメント 工 学 講 座 助 教 金 相 烈 ( 財 ) 日 本 産 業 廃 棄 物 処 理 振 興 センター 事 業 推 進 部 部 長 代 理 谷 川 昇 国 連 大 学 サステイナビリティと 平 和 研 究 所 学 術 研 究 官 齋 藤 修 電 気 通 信 大 学 准 教 授 山 本 佳 世 子 北 海 学 園 大 学 法 学 部 教 授 福 士 明 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 農 業 研 究 本 部 中 央 農 業 試 験 場 生 産 研 究 部 長 竹 中 秀 行 (H22) 主 査 木 村 義 彰 (H23) 主 査 日 向 貴 久 (H24) 産 業 技 術 研 究 本 部 工 業 試 験 場 環 境 エネルギー 部 生 物 資 源 分 析 応 用 グループ 主 査 三 津 橋 浩 行 環 境 地 質 研 究 本 部 環 境 科 学 研 究 センター 環 境 保 全 部 情 報 水 環 境 グループ 研 究 主 任 阿 賀 裕 英 研 究 協 力 者 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 農 業 研 究 本 部 中 央 農 業 試 験 場 生 産 研 究 部 主 査 工 業 試 験 場 環 境 エネルギー 部 エネルギー 環 境 グループ 主 査 鈴 木 剛 上 出 光 志

4 目 次 最 初 のページ プロジェクトメンバー 総 合 研 究 報 告 書 概 要 1 Ⅰ 部 序 論 研 究 目 的 11 Ⅱ 部 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 のシステム 解 析 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム - 宗 谷 地 域 におけるバイオガス 化 とごみ 燃 料 化 による 地 域 循 環 圏 シナリオのシステム 解 析 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 バイオガス 化 システム バイオガスプラントへの 有 機 物 性 廃 棄 物 の 安 定 的 投 入 に 向 けた 条 件 の 解 明 地 域 特 性 と 事 業 採 算 性 を 考 慮 した 集 中 型 家 畜 ふん 尿 バイオガス 化 施 設 のシステム 化 の 検 討 牛 ふん 尿 バイオガス 化 プラントへの 食 品 廃 棄 物 投 入 による 混 合 発 酵 の 安 定 条 件 の 実 験 的 検 討 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 バイオガス 化 システム 石 狩 湾 新 港 地 域 から 排 出 されるバイオマス 原 料 の 性 状 調 査 と 混 合 発 酵 特 性 の 評 価 食 品 廃 棄 物 の 混 合 発 酵 特 性 に 関 する 実 験 的 考 察 石 狩 湾 新 港 地 域 バイオガス 化 システムの 事 業 化 に 向 けた 検 討 2 項 ロジットモデル を 用 いた 食 品 廃 棄 物 収 集 量 推 定 手 法 の 提 案 石 狩 湾 新 港 地 域 における 採 算 性 を 考 慮 した 食 品 廃 棄 物 バイオガス 化 施 設 規 模 に 関 する 研 究 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS 26 - 生 ごみと 下 水 汚 泥 との 混 合 バイオガス 化 システムにおけるシステム 的 評 価 未 利 用 廃 棄 物 の 利 活 用 システム 稲 わらペレットの 製 造 条 件 の 明 確 化 農 作 物 残 渣 燃 料 の 燃 焼 試 験 未 利 用 廃 棄 物 ( 木 質 系, 農 業 残 渣 )の 利 活 用 システムと 生 態 系 サービス 評 価 廃 CCA 処 理 木 材 の 分 別 処 理 とリサイクルシステムの 研 究 36 Ⅲ 部 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 のモデルの 普 及 方 策 の 検 討 国 内 外 のバイオマス 事 業 化 の 成 功 要 因 の 分 析 バイオマス 利 活 用 の 推 進 戦 略 のための GIS を 用 いた 土 地 利 用 解 析 バイオマスの 再 生 可 能 エネルギー 源 としての 利 活 用 のための 制 度 設 計 と 運 用 - 北 海 道 におけるバイオマスの 利 活 用 を 中 心 に 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 提 案 43 Ⅳ 部 結 論 45 論 文 発 表 学 会 発 表 46 ポンチ 絵 48 英 文 概 要 49

5 環 境 研 究 総 合 推 進 費 補 助 金 研 究 事 業 総 合 研 究 報 告 書 概 要 研 究 課 題 名 =バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 とした 地 域 循 環 圏 のモデル 化 と 普 及 方 策 に 関 する 研 究 研 究 番 号 = K2410,K2333,K22002 国 庫 補 助 金 精 算 所 要 額 ( 円 )= 57,752,000( 平 成 22 年 度 ~24 年 度 の 総 計 ) 研 究 期 間 ( 西 暦 )= 代 表 研 究 者 名 = 古 市 徹 ( 北 海 道 大 学 ) 共 同 研 究 者 名 = 西 則 雄 ( 北 海 道 大 学 ) 石 井 一 英 ( 北 海 道 大 学 ) 金 相 烈 ( 北 海 道 大 学 ) 翁 御 棋 ( 北 海 道 大 学 ) 谷 川 昇 ( 財 団 法 人 日 本 産 業 廃 棄 物 処 理 振 興 センター) 齊 藤 修 ( 国 連 大 学 ) 山 本 佳 世 子 ( 電 気 通 信 大 学 ) 福 士 明 ( 北 海 学 園 大 学 ) 日 向 貴 久 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 農 業 研 究 本 部 中 央 農 業 試 験 場 ) 三 津 橋 浩 行 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 工 業 試 験 場 ) 阿 賀 裕 英 ( 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 環 境 地 質 研 究 本 部 環 境 科 学 研 究 センター) 1. 研 究 目 的 ほとんど 実 施 事 例 がない 地 域 循 環 圏 のモデルを バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 として 道 内 の 地 域 特 性 とバイオマスの 種 類 に 応 じてシステム 解 析 することにより 全 国 ベースで 普 及 するための 方 策 を 検 討 す る 1) 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 の 5 つのモデル{1) 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システ ム(BGS) 2) 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 BGS 3) 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 BGS 4) 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS 5) 未 利 用 廃 棄 物 の 利 活 用 システム}を 受 入 れバイオマスの 質 と 量 供 給 先 の 需 要 変 換 装 置 ( 施 設 ) 事 業 主 体 地 域 特 性 の 各 要 因 について 技 術 的 社 会 的 側 面 から 統 合 的 に 検 討 し 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 的 観 点 から 各 モデルが 成 立 するための 共 通 条 件 や 課 題 を 抽 出 する 2) 上 記 システム 解 析 から 得 られた 共 通 条 件 や 課 題 の 検 討 を 踏 まえて 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 モ デルの 普 及 方 策 を 検 討 する 図 1-1 本 研 究 の 全 体 構 成 1

6 2. 研 究 方 法 2.1 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 のシステム 解 析 次 の 5 つの 地 域 循 環 圏 モデルのシステム 解 析 により 各 モデルが 成 立 する 共 通 条 件 と 課 題 を 抽 出 する 1) 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム(BGS) 離 島 を 含 む 北 海 道 宗 谷 地 域 を 対 象 に 生 ごみのバイオガス 化 と 新 たに 分 別 区 分 した 燃 料 ごみ( 紙 プ ラ 布 木 )のごみ 燃 料 (RDF) 化 による 地 域 循 環 圏 シナリオ( 図 2-1)について ごみ 組 成 調 査 等 の 現 地 調 査 および 自 治 体 提 供 資 料 に 基 づき コストおよび 最 終 処 分 量 リサイクル 率 を 評 価 し 経 済 的 に 成 立 する 実 行 可 能 な 地 域 循 環 圏 の 具 体 例 を 提 示 する 2) 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 BGS 酪 農 地 域 での 牛 ふん 集 中 型 BG 施 設 の 事 例 調 査 に 基 づく 事 業 採 算 性 解 析 により 事 業 成 立 条 件 を 明 ら かにする そして 事 業 採 算 性 に 大 きな 影 響 を 及 ぼす 有 機 性 廃 棄 物 ( 産 業 廃 棄 物 ) 受 入 を 唯 一 行 っている 施 設 での 産 業 廃 棄 物 受 入 実 績 データと BG 発 生 量 を 解 析 した そして 特 に 一 時 大 量 投 入 されていたた め 発 酵 阻 害 の 懸 念 があった 液 状 ホエイ(チーズ 製 造 時 の 副 産 物 )による 発 酵 阻 害 機 構 をバッチ 試 験 によ り 明 らかにし さらに 連 続 試 験 ( 図 2-2)により 発 酵 阻 害 が 生 じない 安 定 発 酵 条 件 を 検 討 した 3) 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 BGS 1 都 市 地 域 圏 である 石 狩 湾 新 港 で 排 出 される 食 品 廃 棄 物 ( 産 廃 ) 石 狩 市 札 幌 市 ( 一 部 の 区 )で 排 出 される 食 品 廃 棄 物 ( 事 業 系 一 廃 )と 生 ごみ( 家 庭 系 )の 収 集 量 を 住 民 の 分 別 協 力 度 に 基 づき 推 定 し 図 2-3 に 示 す 民 間 企 業 が 運 営 する BG 施 設 を 想 定 し 各 種 廃 棄 物 の 受 入 量 と 処 理 料 金 の 関 係 図 を 用 いた 施 設 規 模 決 定 手 法 の 検 討 を 行 った(FIT 制 度 適 用 ( 売 電 価 格 39 円 /kwh) 事 業 期 間 20 年 間 ) また 熱 精 製 ガス 利 用 の 場 合 の 工 業 団 地 内 でのエネルギー 連 携 方 法 を 検 討 した 2 炭 水 化 物 たんぱく 質 脂 質 の 割 合 がバイオガス 発 生 量 に 及 ぼす 影 響 をバッチ 試 験 にて 評 価 した そ の 上 で 飼 料 堆 肥 に 向 かない 高 脂 質 含 有 有 機 性 廃 棄 物 の BG 施 設 受 入 を 想 定 し 連 続 試 験 ( 図 2-2) により 脂 質 含 有 割 合 および 脂 質 投 入 負 荷 量 が BG 発 生 量 に 及 ぼす 影 響 を 明 らかした 4) 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS 焼 却 施 設 を 持 たない 北 海 道 北 広 島 市 における 生 ごみを 既 設 消 化 槽 で 混 合 発 酵 する 地 域 循 環 圏 を 対 象 に 生 ごみ 紙 類 プラスチックの 分 別 協 力 率 を 表 2-1 のように 向 上 させた 場 合 の 最 終 処 分 場 延 命 化 と 温 室 効 果 ガス 削 減 効 果 を 評 価 した 5) 未 利 用 廃 棄 物 の 利 活 用 システム 1 図 2-4 に 示 す 稲 わらの 地 域 循 環 圏 を 日 本 で 初 めて 実 践 した 南 幌 町 の 実 機 にて 稲 わらペレットの 歩 留 まり 率 と 燃 料 特 性 ( 発 熱 量 機 械 的 耐 久 性 )に 及 ぼす 初 期 含 水 率 および 破 砕 粒 度 成 形 温 度 の 影 響 を 解 析 し 高 品 質 稲 わらペレット 製 造 条 件 を 明 らかにする そして これまで 実 例 が 無 い 稲 わらペレッ トの 燃 焼 実 験 および 発 熱 量 ベースの 価 格 解 析 により 稲 わらペレットの 化 石 燃 料 代 替 性 を 明 らかにす る 2 未 利 用 バイオマスの 利 活 用 向 上 に 伴 う 土 地 改 変 による 炭 素 蓄 積 損 失 など 生 態 系 サービスへの 影 響 を 明 示 的 かつ 定 量 的 に 評 価 するプロトタイプを 新 たに 提 示 し ケーススタディにより 生 態 系 サービスを 考 慮 した 事 業 評 価 を 試 みる 2.2 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 検 討 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 の 普 及 のための 必 要 条 件 1)GIS データベースを 利 用 した 土 地 利 用 解 析 により 土 地 利 用 とバイオマスとの 関 連 性 を 把 握 するため に GIS データベース 構 築 に 必 要 な 各 種 データ 収 集 可 視 化 システムの 構 築 土 地 利 用 環 境 情 報 の 2

7 解 析 を 行 った 2) 米 国 および 独 国 における 再 生 可 能 エネルギー 特 にバイオエネルギー 普 及 のための 制 度 設 計 や 運 用 に ついてレビューを 行 い 国 内 の 現 状 との 比 較 を 通 じて 北 海 道 におけるバイオエネルギー 進 展 のため の 制 度 設 計 とその 運 用 について 考 察 した 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 提 案 1) 全 国 の 先 進 的 バイオマス 利 活 用 事 例 の 解 析 を 行 い 事 業 主 体 別 に 事 業 化 のための 条 件 設 定 と 課 題 の 抽 出 を 行 った 2) 海 外 の 先 端 事 例 も 踏 まえ 北 海 道 で 構 築 した 5 つの 地 域 循 環 圏 モデルを 全 国 ベースで 普 及 させるた めの 普 及 方 策 を 検 討 した 3. 結 果 と 考 察 3.1 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 のシステム 解 析 1) 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム(BGS) 離 島 からの 生 ごみフェリー 輸 送 による 生 ごみバイオガス 化 による 地 域 循 環 圏 の 可 能 性 を 示 した そし て 生 ごみバイオガス 化 に 加 えて 新 たに 分 別 区 分 する 燃 料 ごみ( 紙 プラ 布 木 )の RDF 化 の 両 方 を 考 慮 した 場 合 宗 谷 地 域 全 体 の 年 間 の 廃 棄 物 管 理 にかかるコストは 現 状 と 比 べて 削 減 できることを 示 した( 図 3-1) また 図 には 示 していないが 発 酵 汚 泥 の 堆 肥 化 と RDF 化 によりリサイクル 率 は 現 状 の 29.6%から 50.6%に 最 終 処 分 量 は 現 状 と 比 べて 83.3% 削 減 することを 示 した すなわち これまで 具 体 的 検 討 がされてこなかった 地 域 循 環 圏 について 北 海 道 宗 谷 地 域 の 生 ごみと 燃 料 ごみの 複 数 の 資 源 に 着 眼 し 各 資 源 の 物 質 特 性 と 地 域 特 性 に 基 づいた 経 済 的 に 実 現 可 能 な かつリサイクル 率 と 最 終 処 分 場 量 を 大 幅 に 改 善 する 地 域 循 環 圏 モデルを 提 示 することができた 2) 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 BGS 牛 ふん 集 中 型 BG 施 設 の 事 例 および 事 業 採 算 性 解 析 により 売 エネルギーのみならず 液 肥 販 売 や 産 業 廃 棄 物 受 入 による 収 入 の 有 無 が 事 業 成 立 の 条 件 であることを 明 らかにした そこで 事 業 成 立 条 件 の 一 つである 産 業 廃 棄 物 ( 乳 製 品 工 場 からの 食 品 廃 棄 物 )を 受 け 入 れている 牛 ふん 混 合 BG 施 設 の 実 績 調 査 より 1 回 当 たりの 最 大 搬 入 量 と 年 間 総 投 入 量 に 占 める 割 合 ( 集 中 度 )を 算 出 したところ( 表 3-1) 1 回 の 投 入 が 年 間 総 投 入 量 の 50%を 超 える 場 合 が 多 く 見 られること さらに 貯 蔵 可 能 な 固 形 物 である 廃 バ ター 廃 チーズのバイオガス 発 生 量 増 大 割 合 に 比 べて 貯 留 槽 が 無 いため 保 管 が 困 難 である 液 状 ホエイ による BG 発 生 量 増 加 割 合 が 著 しく 低 く 発 酵 阻 害 が 生 じている 可 能 性 を 指 摘 した( 表 3-2) すなわち 発 酵 阻 害 を 防 ぐために 貯 留 槽 を 整 備 し 発 酵 槽 への 投 入 量 を 調 整 する 必 要 性 を 示 した そこで 貯 留 槽 設 置 によりホエイを 定 常 投 入 できると 想 定 した 場 合 バター2%の 定 常 投 入 を 前 提 とすると アンモニア 蓄 積 の 観 点 から ホエイの 毎 日 の 投 入 割 合 を 8% 程 度 に 制 御 することが 安 定 発 酵 のための 投 入 条 件 であ ること( 表 3-3)を 実 験 的 に 明 らかにした 以 上 より 国 内 ではまだ 実 施 事 例 は 少 ない 牛 ふんと 産 廃 の 混 合 バイオガス 化 による 実 行 可 能 な 地 域 循 環 圏 モデルを 提 示 した 3) 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 BGS 1BG プラント 事 業 採 算 性 解 析 による 事 業 採 算 を 満 足 する 施 設 規 模 決 定 例 の 一 つとして 都 市 近 郊 の 食 品 廃 棄 物 ( 事 業 系 一 廃 ) 家 庭 系 生 ごみの 各 受 入 量 と 内 部 利 益 率 (IRR)の 解 析 結 果 を 表 3-4 に 示 し た( 受 入 料 金 は 固 定 ) これより 地 域 特 性 に 応 じて 事 業 採 算 性 を 満 足 する 施 設 規 模 を 決 定 できる 手 法 を 開 発 することができた また 図 には 示 していないが 工 業 団 地 内 でのエネルギー 連 携 の 一 つの 形 態 として LNG プラントへの BG 注 入 がエネルギー 効 率 面 で 有 効 であり 売 ガス 価 格 次 第 では 事 業 3

8 性 は 向 上 することを 示 した すなわち 工 業 団 地 内 でのエネルギー 連 携 による 都 市 域 生 ごみ 等 の BG による 実 行 可 能 な 地 域 循 環 圏 モデルを 提 示 した 2バッチ 試 験 により BG 発 酵 槽 の 滞 留 時 間 である 18 日 間 を 想 定 したメタンガス 発 生 量 は 炭 水 化 物 たんぱく 質 脂 質 の 割 合 によっておおよそ 推 測 できることが 明 らかとなった( 図 3-2) そして 今 後 受 入 量 確 保 のために 重 要 となる 飼 料 堆 肥 に 向 かない 高 脂 質 含 有 有 機 性 廃 棄 物 の 混 合 発 酵 特 性 を 把 握 するための 連 続 試 験 により 図 3-3 に 示 すように 投 入 割 合 が 増 加 する 程 BG 発 生 量 は 低 下 し 脂 質 割 合 が 40%になると 発 酵 が 停 止 してしまうことが 分 かった また 脂 質 割 合 40%の 条 件 で 0.05~0.15 kg-vs/m 3 /day のごく 低 い 投 入 負 荷 量 でも 発 酵 阻 害 が 生 じてしまうことを 明 らかにした 4) 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS 生 ごみおよびプラ 紙 類 の 分 別 協 力 率 向 上 による 最 終 処 分 量 および 地 球 温 暖 化 ガスの 削 減 量 をそれぞ れ 図 3-4 と 図 3-5 に 示 した 既 設 消 化 槽 容 量 の 余 裕 分 に 生 ごみや 食 品 廃 棄 物 を 投 入 しバイオガス 化 する と 同 時 に 紙 類 やプラスチックの 資 源 化 を 総 合 的 に 推 進 すること(シナリオ C)で 家 庭 ごみ 埋 立 量 は 4737 t/ 年 ( 約 BAU の 55.9%) 地 球 温 暖 化 ガス 排 出 量 は t-co2/ 年 (2009 年 北 広 島 市 全 体 の 排 出 量 の 31.2%に 相 当 ) 削 減 可 能 であることを 示 した 5) 未 利 用 廃 棄 物 の 利 活 用 システム 1 図 3-6 に 稲 わらペレットの 含 水 率 と 発 熱 量 および 歩 留 まり 率 (= 稲 わらペレット 製 造 量 / 稲 わら 量 ) の 関 係 を 示 す 低 含 水 率 の 方 が 発 熱 量 は 高 いが 歩 留 まり 率 が 低 くなる( 成 形 がうまくいかない) すなわち 含 水 率 が 重 要 な 製 造 パラメータであり 製 造 後 の 稲 わらペレット 含 水 率 が 12~15% 程 度 になるように 調 整 する 必 要 がある そこで 含 水 率 を 事 前 に 15%に 調 整 し 製 造 ( 製 造 後 の 含 水 率 約 12%)した 時 の 破 砕 粒 径 と 成 形 温 度 が 歩 留 まり 率 に 及 ぼす 影 響 を 図 3-7 に 示 した 破 砕 粒 径 に よらず 含 水 率 15% 成 形 温 度 60~80 であれば 十 分 に 良 質 な 稲 わらペレットの 製 造 が 可 能 であり このとき 木 質 ペレット 品 質 規 格 である 機 械 的 耐 久 性 とほぼ 同 等 の 品 質 を 有 することが 分 かった ま た 稲 わらペレットの 発 熱 量 はおおよそ 13MJ/kg( 木 質 ペレットは 16.5MJ/kg)であり 発 熱 量 ベ ースの 価 格 解 析 により 重 油 および 灯 油 共 に 20 円 高 騰 した 将 来 には 十 分 に 代 替 燃 料 として 使 用 可 能 であることを 示 した さらに 稲 わらペレットの 実 ボイラ 燃 焼 試 験 の 結 果 木 質 ペレットと 混 合 燃 焼 することでクリンカ 生 成 による 燃 焼 障 害 を 改 善 できることから 木 質 ペレットボイラで 十 分 に 稲 わら ペレットの 燃 焼 が 可 能 であることを 示 した 2 未 利 用 バイオマスの 利 活 用 向 上 に 伴 う 生 態 系 サービスへの 影 響 を 評 価 する 枠 組 みを 新 たに 提 案 し そ の 解 析 の 一 例 として 北 海 道 南 幌 町 および 下 川 町 にて 炭 素 蓄 積 損 失 量 の 定 量 的 評 価 を 試 みた 結 果 単 にエネルギー 収 支 や 経 済 性 だけではなく 炭 素 蓄 積 損 失 などの 生 態 系 サービスを 考 慮 し 未 利 用 バイ オマス 利 活 用 の 事 業 評 価 をすることが 重 要 であること 示 した 以 上 5 つの 地 域 循 環 圏 のシステム 解 析 により 具 体 的 実 施 モデルを 図 3-8~3-12 に 提 案 し 各 モデ ルが 成 立 するための 共 通 条 件 を 抽 出 し 同 図 に 示 した 3.2 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 検 討 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 の 普 及 のための 必 要 条 件 1) GIS データベースを 利 用 した 土 地 利 用 解 析 により 土 地 利 用 とバイオマスとの 関 連 性 が 把 握 でき バ イオマスの 利 活 用 の 可 能 性 を 詳 細 な 地 区 単 位 で 示 唆 することができた 林 地 残 材 や 稲 わら 等 の 未 利 用 バイオマスの 利 活 用 は 土 地 利 用 政 策 と 密 接 な 関 連 を 有 することから GIS を 用 いた 土 地 解 析 と 土 地 利 用 管 理 が 重 要 であることを 示 した 2) 再 生 可 能 エネルギーおよびバイオエネルギー 普 及 が 進 んでいる 米 国 と 独 国 では 制 度 設 計 上 法 律 で 4

9 目 標 を 設 定 し さらに 詳 細 な 実 施 計 画 ( 行 程 表 )を 策 定 し 各 地 方 と 連 携 しながら 実 施 している 点 が 成 功 要 因 の 一 つであることを 示 した 日 本 においても 目 標 値 を 強 制 力 のある 実 質 的 なものと 位 置 づけ 国 と 地 方 が 連 携 し 詳 細 な 実 施 計 画 ( 行 程 表 )を 策 定 し 運 用 していくことが 必 要 であることを 示 した 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 提 案 1) 全 国 のバイオマス 利 活 用 事 例 のシステム 解 析 により 事 業 化 成 功 のためのポイントを 表 3-5 のように 事 業 者 別 に 整 理 し その 違 いを 明 確 にした 2)バイオエネルギーの 普 及 が 進 んでいる 先 進 国 (ドイツ フィンランド スウェーデン オーストリア) での 技 術 的 社 会 的 側 面 からの 調 査 結 果 ( 表 3-6)を 踏 まえて 図 3-8 から 図 3-12 に 本 研 究 で 提 案 した 5 つの 地 域 循 環 圏 の 実 施 モデルを 全 国 ベースで 普 及 させるための 方 策 について 示 した 離 島 の 生 ごみ のみ 未 リサイクル 焼 却 利 尻 礼 文 現 状 稚 内 バイオガス 化 宗 谷 地 域 バイオガス 化 離 島 の 生 ごみの バイオガ ス 化 生 ごみと 燃 料 ごみの 地 域 循 環 圏 シナリオ フェリー 輸 送 バイオガス 化 3つの 生 ごみ の 地 域 循 環 圏 を 形 成 バイオガス 化 焼 却 西 天 北 埋 立 バイオガス 化 紙 プラ 布 木 は 焼 却 or 埋 立 のため リサイクル 未 実 施 焼 却 埋 立 南 宗 谷 燃 料 ごみ ( 紙 プラ 布 木 )の RDF 化 フェリー 輸 送 RDF 化 バイオガス 化 コンテナ 輸 送 図 2-1 地 域 循 環 圏 シナリオの 構 築 1つの 燃 料 ごみの 地 域 循 環 圏 を 形 成 図 2-2 メタン 発 酵 連 続 試 験 装 置 石 石 狩 湾 新 港 狩 湾 食 品 廃 棄 物 ( 産 廃 ) 新 港 石 狩 市 地 札 幌 市 ( 一 部 の 区 ) 域 事 業 系 一 般 廃 棄 物 家 庭 系 生 ごみ 発 酵 不 適 物 加 水 事 業 主 体 : 民 間 事 業 者 ( 受 入 単 価 : 産 廃 8,000 円 /t 事 業 系 一 廃 11,000 円 /t 家 庭 系 生 ごみ17,600 円 /t) 補 助 金 :0 金 利 2% 固 定 資 産 税 率 1.4% 減 価 償 却 期 間 20 年 間 プラント 主 要 設 備 前 処 理 バイオガス 発 酵 槽 排 水 施 設 下 水 道 放 流 脱 水 脱 水 汚 泥 処 分 表 2-1 分 別 回 収 率 の 設 定 シナリオ 分 別 回 収 率 生 ごみ 紙 類 プラスチック BAU ( 現 状 ) A B C ガスボイラー ガス 精 製 CHP (Combined heat & power) 熱 廃 熱 熱 1)60 円 /m 3 施 設 内 利 用 売 ガス 電 力 2)100 円 /m 3 施 設 内 利 用 LNG 受 入 基 地 売 電 39 円 /kwh シナリオ1: 熱 精 製 ガス 利 用 シナリオ2: 発 電 余 剰 熱 利 用 図 2-3 バイオガス 化 施 設 規 模 決 定 のための 計 算 条 件 金 額 ( 百 万 円 / 年 ) 支 出 収 入 RDF 売 却 益 維 持 管 理 費 用 施 設 整 備 費 用 運 搬 費 用 収 集 費 用 図 2-4 南 幌 町 の 稲 わらペレット 事 業 の 概 要 5 1 施 設 : 稚 内 市 にRDF 化 施 設 建 設 3 施 設 : 稚 内 市 利 尻 島 礼 文 島 にそれぞれRDF 化 施 設 建 設 旭 川 :RDFを 旭 川 市 内 既 存 製 紙 工 場 で 利 用 稚 内 :RDFを 稚 内 市 新 規 熱 利 用 施 設 で 利 用 図 3-1 宗 谷 地 域 全 体 での 年 間 費 用 の 比 較

10 業 者 農 家 表 3-1 有 機 系 廃 棄 物 の 受 入 状 況 形 態 資 材 名 最 大 日 搬 入 量 集 中 度 (t) 廃 用 牛 乳 % 液 状 物 廃 チーズホエイ % 廃 シロップ バターミルク % 合 併 洗 浄 化 槽 汚 泥 % 半 固 形 物 廃 生 クリーム 練 乳 % 廃 脱 脂 粉 乳 % 廃 バター % 固 形 物 廃 チーズ % 水 産 加 工 残 滓 6.7 5% 屎 尿 処 理 汚 泥 % 残 飯 類 0.3 4% スラリー % 藁 混 合 ふん 尿 % 小 計 形 態 資 材 名 平 均 ガス 発 生 量 貯 蔵 日 数 増 加 割 合 (day) (%/t-dm) 廃 用 牛 乳 液 状 物 廃 チーズホエイ 廃 シロップ バターミルク 半 固 形 物 廃 生 クリーム 練 乳 廃 脱 脂 粉 乳 固 形 物 廃 バター 廃 チーズ 表 3-3 ホエイ 定 常 投 入 条 件 下 における 安 定 BG 発 生 時 期 の BG 発 生 量 と 汚 泥 分 析 の 結 果 実 験 区 名 対 照 区 run2(ホエー8%) run3(ホエー13%) run4(ホエー18%) 安 定 期 から20 日 間 のメタンガス 合 計 発 生 量 (L) メタンガス ホエーVSあたりメタンガス 発 生 量 (L/gVS) VFA 濃 度 (mg/l) NH + 4 -N 濃 度 (mg/l) 汚 泥 ph 全 窒 素 (mg/l) 表 3-4 各 廃 棄 物 の 受 入 量 と IRR の 関 係 業 者 表 3-2 有 機 系 廃 棄 物 の 平 均 貯 留 日 数 とガス 発 生 増 加 割 合 食 品 廃 棄 物 ( 事 業 系 一 廃 ) 受 入 量 (t/d) (11,000 円 /t) IRR (%) (-11.69) (-6.55) 家 庭 系 生 ごみ 受 入 量 (t/d) (17,600 円 /t) (-10.04) (-5.44) (-2.92) 1.11 (-1.28) 0.83 (-1.47) 1.77 (-0.33) 2.56 (0.59) 3.26 (1.32) 3.37 (1.54) 3.88 (2.00) 4.40 (2.45) 4.90 (2.89) 上 部 : 施 設 利 用 分 を 差 し 引 いた 電 力 を 売 電 した 場 合 (39 円 /kwh) () 内 :LNGプラントに 精 製 ガスを 売 却 した 場 合 (100 円 /m 3 ) 図 3-2 VS1g 当 たりのメタン ガス 発 生 量 ガス 発 生 量 m 3 /kg-vs 脂 質 40% 脂 質 35% 0.2 脂 質 30% 脂 質 25% 経 過 日 数 d 最 終 処 分 量 (t/ 年 ) 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 生 ごみ 紙 類 プラスチック BAU A B C 図 3-4 最 終 処 分 量 の 変 化 図 3-3 脂 質 含 有 割 合 と BG 発 生 量 の 関 係 温 室 効 果 ガス 排 出 量 の 削 減 量 (t-co 2 / 年 ) 8,000 6,000 4,000 2,000 0 生 ごみ 紙 類 A B C 6 図 3-5 温 室 効 果 ガス 削 減 量

11 稲 わらペレットの 低 位 発 熱 量 (MJ/kg) 稲 わらペレットの 歩 留 まり 率 (%) 歩 留 まり 率 (%) φ20 mm φ10 mm φ5 5 mm 成 形 温 度 ( ) 図 3-7 成 形 温 度 と 歩 留 まり 率 の 関 係 ( 破 砕 粒 径 をパラメータ) 稲 わらペレットの 含 水 率 (%) 図 3-6 含 水 率 と 発 熱 量 および 歩 留 まり 率 の 関 係 1) 広 域 的 ごみ 処 理 におけるバイオガス 化 システム(BGS)による 地 域 循 環 圏 モデル ( 生 ごみは 各 地 域 で 循 環 紙 プラ 布 木 は 全 体 で 循 環 ) 紙 プラ 布 木 は 燃 料 として 全 体 で 循 環 生 ごみ バイオガス 化 生 ごみは 各 地 域 で 循 環 生 ごみ バイオガス 化 生 ごみ バイオガス 化 本 研 究 の 成 果 高 リサイクル 率 を 達 成 する 経 済 的 に 実 施 可 能 なバイオガス 化 とRDF 化 による 地 域 循 環 圏 の 具 体 例 の 提 示 モデル 成 立 のための 共 通 条 件 中 小 自 治 体 の 組 み 合 わせ 生 ごみの 循 環 とそれ 以 外 の 可 燃 ごみ ( 紙 プラ 布 木 )の 循 環 を 同 時 に 考 慮 普 及 方 策 焼 却 施 設 のみに 頼 らないさらなる 広 域 連 携 の 推 進 と 施 設 補 助 の 多 様 化 RDFを 利 用 する 地 域 エネルギー 供 給 プラントなどのインフラ 整 備 と 既 存 民 間 施 設 との 積 極 的 連 携 事 務 組 合 などの 運 営 方 式 の 再 考 (ごみ 種 によって 管 轄 する 自 治 体 の 組 み 合 わせが 異 なる 場 合 がある) 図 3-8 広 域 的 ごみ 処 理 における BGS 地 域 循 環 圏 図 3-9 家 畜 ふん 尿 中 心 混 合 BGS 地 域 循 環 圏 7

12 図 3-10 工 業 団 地 エネルギー 連 携 混 合 BGS 地 域 循 環 圏 図 3-11 下 水 処 理 施 設 混 合 BGS 地 域 循 環 圏 図 3-12 稲 わらペレット 熱 利 用 による 地 域 循 環 圏 8

13 表 3-5 バイオマス 利 活 用 事 例 システム 分 析 による 事 業 化 成 功 のポイント 成 功 要 因 排 出 事 業 者 処 理 事 業 者 自 治 体 目 的 設 定 関 連 法 律 への 対 応 遵 守 コスト 削 減 ( 廃 棄 物 処 理 費 購 入 電 力 燃 料 費 ) 企 業 イメージ CSR ビジネスの 契 機 循 環 型 社 会 構 築 への 貢 献 廃 棄 物 管 理 の 広 域 化 対 応 地 域 特 有 の 問 題 対 応 インプット 事 業 主 体 = 排 出 事 業 者 なので インプット の 量 と 質 の 管 理 が 容 易 大 都 市 や 工 業 地 域 での 立 地 によりイン プットの 確 保 が 可 能 住 民 への 分 別 指 導 の 徹 底 複 数 の 種 類 のバイオマスの 受 入 アウトプット 変 換 技 術 比 較 的 閉 じた 系 での 流 通 (グループ 内 利 用 ) エネルギー 利 用 ( 自 家 利 用 ) 既 存 施 設 既 存 販 路 の 利 用 販 売 計 画 への 反 映 ブランド 化 インプットの 量 と 質 の 管 理 がなされている ので 前 処 理 の 手 間 が 軽 減 既 存 施 設 の 利 用 によるコスト 削 減 需 要 先 のニーズを 満 たす 製 品 の 製 造 技 術 アウトプットの 需 要 確 保 拡 大 の 努 力 を 継 続 的 に 行 っている 低 コスト 低 環 境 負 荷 型 の 施 設 副 産 物 の 二 次 利 用 による 維 持 管 理 費 低 減 化 を 実 現 自 施 設 のみならず 関 連 施 設 へのエネル ギー 供 給 が 可 能 堆 肥 の 非 農 業 利 用 も 考 慮 ( 公 園 などの 公 共 利 用 ) 住 民 への 協 力 徹 底 による 前 処 理 手 間 の 軽 減 副 産 物 の 二 次 利 用 も 含 めた 低 コスト 化 再 生 品 の 需 要 を 考 慮 した 運 転 管 理 地 域 特 性 インプットとアウトプット 対 象 が 比 較 的 近 大 都 市 や 工 業 地 域 での 立 地 隣 に 存 在 ( 需 要 と 供 給 のバランスがとれて いる) 地 域 特 有 の 問 題 対 応 表 3-6 海 外 先 進 事 例 の 技 術 的 社 会 的 調 査 結 果 国 参 考 事 例 成 功 要 因 ドイツ フィンランド スウェーデン オーストリア ユンデ 村 (Bioenergy village) 生 ごみバイオガスプラント 牛 ふんバイオガスプラント ( 資 源 作 物 有 機 廃 棄 物 混 合 ) バイオマスCHPプラント( 地 域 エネ ルギー 供 給 プラント) 牛 ふんバイオガスプラント ( 有 機 廃 棄 物 混 合 ) 木 質 ペレット 工 場 バイオガススタンド 生 ごみバイオガスプラント FIT 制 度 による 全 量 買 取 ( 発 電 量 全 量 ) 生 ごみの 分 別 (Biowasteとして 分 別 ) バイオガスの 非 精 製 利 用 ( 低 コスト)と ガス 管 導 入 の 促 進 (ガス 質 は 日 本 ほど 厳 しくない) 重 油 ボイラからバイオマスボイラへの 転 換 促 進 地 域 熱 供 給 インフラの 存 在 バイオガスの 自 動 車 燃 料 利 用 促 進 下 水 消 化 槽 のバイオガスの 自 動 車 燃 料 の 利 用 促 進 炭 素 税 導 入 によるインセンティブ 自 治 体 からの 民 間 処 理 委 託 FIT 制 度 4. 環 境 政 策 への 貢 献 全 国 ベースで 本 研 究 での 成 果 を 展 開 するにあたり 以 下 の 環 境 政 策 への 貢 献 が 期 待 できる 1) 高 リサイクル 率 高 エネルギー 利 用 効 率 を 実 現 するために 生 ごみを 含 む 可 燃 ごみの 焼 却 処 理 に 代 わる バイオガス 化 +RDF 化 システム によるさらなる 広 域 化 を 推 進 すべきである 本 研 究 で はこのようなシステムがコストを 考 慮 しても 優 位 であることをケーススタディとして 示 した 2) 酪 農 家 のふん 尿 処 理 に 対 する 金 銭 的 負 担 の 限 界 を 考 慮 すると 現 状 の 牛 ふん 尿 の 集 中 型 BG 施 設 の 運 営 は 難 しい よって エネルギー 面 だけではなく 牛 ふん 尿 の 悪 臭 等 の 環 境 面 を 考 慮 した 適 正 処 理 の 側 面 と 良 質 肥 料 の 生 産 の 資 源 の 側 面 の 両 側 面 を 考 慮 した 補 助 制 度 に 転 換 を 図 るべきである また 事 業 性 向 上 のための 有 機 性 廃 棄 物 受 入 を 促 進 するために 産 廃 処 理 業 の 許 可 等 の 規 制 の 緩 和 および 液 肥 の 耕 種 農 家 での 利 用 促 進 策 が 必 要 である 3) 都 市 域 での 民 間 事 業 を 想 定 した 場 合 のバイオガス 化 施 設 の 事 業 成 立 のための 施 設 規 模 決 定 手 法 を 構 築 し そのケーススタディにより 一 定 規 模 の 家 庭 系 生 ごみや 食 品 廃 棄 物 ( 事 業 系 一 廃 )の 受 け 入 れ が 可 能 であれば 十 分 にビジネスとして 成 立 することを 示 した そのためには リサイクル 率 目 標 値 の 引 き 上 げや 義 務 化 が 必 要 であり 結 果 として 都 市 域 での 生 ごみのリサイクル 率 および 食 品 廃 棄 物 の 再 生 利 用 率 の 向 上 に 大 きく 貢 献 する その 際 中 小 規 模 の 飲 食 店 から 排 出 される 堆 肥 や 飼 料 に 向 かない 食 品 廃 棄 物 のリサイクルの 受 け 皿 としてのバイオガス 化 プラント 導 入 促 進 を 図 るべきである また 民 間 による 処 理 事 業 を 推 進 するために 一 般 廃 棄 物 の 民 間 処 理 委 託 の 推 進 が 必 要 である 4) 既 存 インフラとしての 消 化 槽 を 有 効 利 用 することで 地 域 の 生 ごみ 等 の 有 機 性 廃 棄 物 からの 資 源 回 収 が 可 能 であり 地 球 温 暖 化 ガス 発 生 抑 制 や 最 終 処 分 量 削 減 に 貢 献 することを 示 した このような 既 存 消 化 槽 の 余 裕 分 を 生 ごみやし 尿 汚 泥 ( 浄 化 槽 汚 泥 も 含 む)との 混 合 発 酵 のために 有 効 利 用 するこ とを 積 極 的 に 推 進 すべきである 5) 野 焼 き 禁 止 以 降 鋤 込 み 処 理 されていた 稲 わらの 適 正 処 理 と 資 源 化 のために 本 研 究 では 稲 わらペレ 9

14 ットが 固 形 燃 料 として 製 造 可 能 であり また 木 質 ペレットボイラ 等 で 燃 焼 可 能 であることを 示 した しかし 現 状 では 化 石 燃 料 との 発 熱 量 ベースでの 価 格 差 から 普 及 が 困 難 である 稲 わらペレットの 利 用 拡 大 のために 灯 油 重 油 との 価 格 の 差 額 に 対 して 補 助 ( 熱 版 FIT) 政 策 を 検 討 すべきである 6) 本 研 究 で 行 った 混 合 バイオガス 化 実 験 において 従 来 の COD 等 の 総 合 指 標 よりも 炭 水 化 物 たん ぱく 質 脂 質 の 3 成 分 の 割 合 を 考 慮 することがバイオガス 発 生 予 測 にとっては 重 要 であり 特 に 発 酵 阻 害 等 の 未 然 防 止 のためには 重 要 であることを 示 した そして 異 種 の 食 品 廃 棄 物 の 混 合 発 酵 時 およ び 牛 ふん 尿 と 廃 乳 製 品 との 混 合 発 酵 時 において 発 酵 阻 害 の 生 じる 条 件 を 実 験 的 に 明 らかにした これ らの 知 見 は これまで 国 内 で 例 の 無 かった 混 合 発 酵 を 行 う 際 の 一 つの 指 針 となり 得 るものである 7) バイオマス 利 活 用 に 伴 う 生 態 系 サービス( 生 態 系 から 人 間 が 得 ている 恵 みの 総 称 )を 評 価 する 枠 組 みを 新 たに 提 案 し ケーススタディにより 生 態 系 サービスを 考 慮 したバイオマス 事 業 のあり 方 につい て 提 案 した すなわち 循 環 型 社 会 低 炭 素 社 会 自 然 共 生 社 会 の 3 つの 社 会 を 統 合 する 評 価 モデ ルのプロトタイプを 提 案 した 8) バイオマス 利 用 に 関 する 土 地 利 用 や 関 連 情 報 を 対 象 とした GIS を 利 用 した 可 視 化 システムの 構 築 土 地 利 用 環 境 情 報 の 解 析 により 特 に 森 林 保 全 の 観 点 から 木 質 バイオマスの 積 極 的 利 活 用 を 考 え ていく 必 要 があることを 示 した すなわち バイオマスと 土 地 利 用 という 観 点 から GIS データべー スを 整 備 していく 必 要 がある 9) バイオエネルギー 利 用 も 含 めた 再 生 可 能 エネルギー 利 用 について 強 制 力 を 持 った 目 標 値 を 設 定 す べきであり また 国 と 各 地 域 は その 目 標 値 を 達 成 するために 詳 細 な 実 施 計 画 を 策 定 し 連 携 し て 施 策 を 実 施 できる 仕 組 みを 検 討 すべきである 5. 研 究 成 果 の 実 現 可 能 性 生 ごみや 食 品 廃 棄 物 の 利 活 用 のためには 従 来 の 慣 習 的 な 収 集 運 搬 処 理 処 分 方 法 に 大 きな 変 更 が 伴 うため 自 治 体 をはじめ 関 連 業 者 住 民 のコンセンサスが 必 要 である よって そのような 大 きな 変 更 には 国 などからの 強 制 力 をもった 制 度 転 換 ( 例 えば 生 ごみ 分 別 義 務 化 など)も 必 要 である 韓 国 や 台 湾 では 生 ごみ 分 別 の 義 務 化 など 強 制 力 をもった 資 源 化 政 策 を 進 めており 国 内 においてもその ような 強 制 力 をもった 制 度 が 地 域 循 環 圏 構 築 のドライビングフォースとなり 得 る 6. 結 論 本 研 究 では バイオマス 利 活 用 を 基 軸 とした 以 下 の 5 つの 地 域 循 環 圏 の 具 体 的 実 施 モデルを 北 海 道 の 地 域 特 性 とバイオマスの 種 類 に 応 じたシステム 解 析 により 提 案 し 各 モデルの 事 業 成 立 ための 共 通 条 件 および 課 題 を 明 らかにした 1 広 域 的 ごみ 処 理 におけるバイオガス 化 システム(BGS)による 地 域 循 環 圏 モデル 2 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 BGS による 地 域 循 環 圏 モデル 3 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 BGS による 地 域 循 環 圏 モデル 4 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS による 地 域 循 環 圏 モデル 5 未 利 用 バイオマスである 稲 わらペレットの 利 活 用 による 地 域 循 環 圏 モデル そして 明 確 化 された 共 通 条 件 や 課 題 および 海 外 の 先 進 事 例 を 踏 まえて これら 地 域 循 環 圏 実 施 モ デルを 全 国 ベースでの 普 及 方 策 を 提 示 した これらより 本 研 究 が 提 示 する 5 つのバイオマス 利 活 用 を 基 軸 とする 地 域 循 環 圏 モデルは 実 行 可 能 であり 日 本 が 目 指 す 3 つの 社 会 の 統 合 による 持 続 可 能 な 社 会 形 成 に 大 きく 貢 献 しうることを 示 した 10

15 Ⅰ 部 序 論 1. 研 究 目 的 ほとんど 実 施 事 例 がない 地 域 循 環 圏 のモデルを バイオマスの 利 活 用 を 基 軸 として 道 内 の 地 域 特 性 とバ イオマスの 種 類 に 応 じてモデル 解 析 することにより 全 国 ベースで 普 及 するための 方 策 を 検 討 する 1) 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 の 5 つのモデル{1) 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム (BGS) 2) 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 BGS 3) 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 BGS 4) 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 BGS 5) 未 利 用 廃 棄 物 の 利 活 用 システム}を 受 入 れバイオマスの 質 と 量 供 給 先 の 需 要 変 換 装 置 ( 施 設 ) 事 業 主 体 地 域 特 性 の 各 要 因 について 技 術 的 社 会 的 側 面 から 統 合 的 に 検 討 し 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 的 観 点 から 各 モデルが 成 立 するための 共 通 条 件 や 課 題 を 抽 出 する 2) 上 記 モデル 解 析 から 得 られた 共 通 条 件 や 課 題 の 検 討 を 踏 まえて 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 モデルの 普 及 方 策 を 検 討 する 図 1-1 本 研 究 の 全 体 構 成 表 1-1 研 究 計 画 と 役 割 分 担 分 類 想 定 地 域 担 当 項 目 22 年 度 23 年 度 24 年 度 1) 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム 稚 内 礼 文 利 尻 中 北 空 知 北 大 離 島 における 生 ごみ( 家 庭 系 事 業 系 )の 発 生 形 態 と 排 出 者 1)-1 の 意 向 調 査 1)-2 生 ごみ 海 上 輸 送 システムの 構 築 1)-3 生 ごみ 以 外 の 一 般 廃 棄 物 のリサイクルシステムの 検 討 1)-4 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 評 価 1. 2)-1 混 合 対 象 物 の 発 生 特 性 および 排 出 者 意 向 調 査 北 海 道 に 2) 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 バイオス 化 システム 鹿 追 別 海 北 大 道 中 央 農 試 2)-2 混 合 発 酵 特 性 と 発 生 バイオガス 量 の 評 価 2)-3 農 村 地 域 におけるバイオガス 直 接 利 用 システムの 検 討 2)-4 発 酵 残 渣 の 液 肥 堆 肥 特 性 の 評 価 お け 2)-5 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 評 価 る 3)-1 バイオガス 化 可 能 バイオマスの 発 生 形 態 と 排 出 者 意 向 調 査 地 域 循 環 圏 3) 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 バイオガス 化 システム 石 狩 湾 新 港 北 大 道 工 試 3)-2 混 合 発 酵 特 性 と 発 生 バイオガス 量 の 評 価 3)-3 バイオガス 精 製 条 件 の 検 討 の パ 3)-4 発 酵 残 渣 のリサイクルの 検 討 ター 3)-5 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 評 価 ン 4)-1 バイオガス 化 可 能 バイオマスの 発 生 形 態 と 排 出 者 意 向 調 査 化 と シ ス テ ム 4) 下 水 処 理 施 設 と 連 携 した 混 合 バイオガス 化 システム 北 広 島 北 大 道 工 試 4)-2 混 合 発 酵 特 性 と 発 生 バイオガス 量 の 評 価 4)-3 発 酵 残 渣 の 汚 泥 処 理 特 性 の 評 価 4)-4 発 酵 残 渣 のリサイクル( 堆 肥 固 形 燃 料 )の 検 討 4)-5 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 評 価 解 析 5)-1 稲 わら 木 材 チップの 収 集 保 管 システムの 構 築 5) 未 利 用 廃 棄 物 ( 木 質 系 農 業 残 渣 水 産 系 )の 利 活 用 システム 南 幌 道 央 地 域 北 大 早 大 道 工 試 5)-2 ペレット 燃 料 特 性 と 燃 焼 条 件 の 把 握 5)-3 ペレット 燃 焼 灰 のリサイクルの 検 討 道 環 セ 5)-4 事 業 採 算 性 と 技 術 環 境 社 会 の 総 合 評 価 5)-5 水 産 廃 棄 物 の 高 付 加 価 値 産 物 への 変 換 技 術 の 開 発 - 2. 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 の 普 及 方 策 の 検 討 北 大 電 通 大 北 海 学 園 大 パシコン 北 海 道 の 地 域 循 環 圏 のモデル 解 析 に 基 づいた 全 国 ベースで 2-1 のモデル 化 のための 条 件 設 定 と 課 題 の 検 討 2-2 全 国 ベースでの 地 域 循 環 圏 モデルのパターン 化 2-3 地 域 に 適 合 した 地 域 循 環 圏 モデルの 普 及 方 策 の 検 討 11

16 Ⅱ 部 北 海 道 における 地 域 循 環 圏 のシステム 解 析 1. 広 域 的 ごみ 処 理 における 混 合 バイオガス 化 システム - 宗 谷 地 域 におけるバイオガス 化 とごみ 燃 料 化 による 地 域 循 環 圏 シナリオのシステム 解 析 - 主 任 研 究 者 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 教 授 古 市 徹 分 担 研 究 者 准 教 授 石 井 一 英 ( 財 ) 日 本 産 業 廃 棄 物 処 理 振 興 センター 部 長 代 理 谷 川 昇 1.1 研 究 背 景 と 目 的 本 研 究 で 対 象 とする 宗 谷 地 域 では 稚 内 市 西 天 北 南 宗 谷 利 尻 礼 文 の 5 つの 自 治 体 がそれぞれ 一 般 廃 棄 物 の 管 理 を 行 ってきた 特 に 離 島 である 利 尻 と 礼 文 では 観 光 客 によるごみ 発 生 量 が 多 い 上 焼 却 炉 の 老 朽 化 に 伴 い 新 たな 廃 棄 物 管 理 システムへの 転 換 が 求 め られている 一 方 他 の 稚 内 西 天 北 南 宗 谷 の 3 地 域 では 既 にバイオガス 化 により 生 ごみ 資 源 化 に 取 り 組 んでいるが 各 地 域 で 問 題 を 抱 えている 焼 却 炉 を 持 たない 稚 内 市 と 西 天 北 では 紙 プラスチック( 以 下 プラ) 布 木 を 含 むごみを 一 般 ごみとして 直 接 埋 立 を 行 っており 最 終 処 分 量 削 減 を 今 後 推 進 して 行 かなく てはならない また 稚 内 市 で 稼 働 中 のバイオガス 化 施 設 は 人 口 減 に 伴 う 廃 棄 物 量 の 減 少 により 処 理 容 量 に 余 裕 が 生 じるようになり バイオガス 発 生 量 の 観 点 から 他 の 地 域 の 生 ごみ 等 の 受 入 も 検 討 する 必 要 が ある また 南 宗 谷 では 可 燃 ごみの 焼 却 を 行 っており 最 終 処 分 量 も 削 減 されてきているが 今 後 の 焼 却 炉 の 更 新 といった 問 題 を 抱 えている そこで 本 研 究 では 宗 谷 地 域 を 対 象 に 離 島 の 生 ごみをフェリー 輸 送 しバイオガス 化 し そして 宗 谷 地 域 全 体 の 可 燃 ごみ 中 の 資 源 物 である 紙 プラ 布 木 を 燃 料 ごみとしてごみ 燃 料 (RDF) 化 する この 両 方 の 循 環 を 考 慮 した 地 域 循 環 圏 を 構 築 し コスト リサイクル 率 最 終 処 分 量 の 評 価 軸 で 解 析 することによ って 宗 谷 地 域 における 実 行 可 能 な 具 体 的 地 域 循 環 圏 を 提 示 する 1.2 バイオガス 化 とごみ 燃 料 化 による 地 域 循 環 圏 シナリオの 構 築 図 Ⅱ1.2-1 に 示 すように 生 ごみと 燃 料 ごみ( 紙 プラ 布 表 Ⅱ1.2-1 RDF 施 設 に 関 するシナリオ 木 )の 両 方 の 廃 棄 物 に 着 目 しシナリオを 構 築 する 生 ごみにつ いては 利 尻 礼 文 以 外 の 地 域 では 既 にバイオガス 化 により 資 源 化 が 実 施 されているので 利 尻 礼 文 の 生 ごみをフェリー 輸 送 にて 稚 内 市 のバイオガス 化 施 設 の 余 裕 容 量 分 で 資 源 化 を 行 う 一 方 燃 料 ごみについては 直 接 埋 め 立 てしている 稚 内 と 西 天 北 焼 却 している 利 尻 礼 文 南 宗 谷 の 全 ての 地 域 の 燃 料 ごみを RDF 化 するシナリオを 構 築 した また RDF 化 施 設 に 関 しては RDF 施 設 数 と 設 置 場 所 およ び 製 造 された RDF の 利 用 先 について 表 Ⅱ1.2-1 に 示 す 4 通 りのシナリオの 試 算 を 行 った 1.3 地 域 循 環 圏 シナリオのシステム 解 析 と 提 案 地 域 循 環 圏 シナリオの 評 価 軸 シナリオ 解 析 の 評 価 軸 としては,コストの 他, 循 環 型 社 会 形 成 に 関 わる 指 標 であるリサイクル 率 と 最 終 処 分 量 も 含 めた 計 3 つの 評 価 軸 で 解 析 を 行 うこととする コスト リサイクル 率 最 終 処 分 量 の 計 算 方 法 表 Ⅱ1.2-2 と 表 Ⅱ1.2-3 に 計 算 項 目 を 整 理 した( 表 -8 と 表 -9).さらに 維 持 管 理 費 用 の 項 目 を 収 集 運 搬 費 用,とそれ 以 外 の 維 持 管 理 費 用 に 分 類 し, 最 終 的 に 収 集 運 搬 費 用, 施 設 設 備 整 備 費 用, 維 持 管 理 費 用, 収 入 の 4 分 類 とした.それから 表 Ⅱ1.2-4 と 表 Ⅱ1.2-5 に 示 す 計 算 式 に 基 づ きコスト 計 算 した リサイクル 率 は 再 生 利 12 離 島 の 生 ごみ のみ 未 リサイクル 焼 却 利 尻 礼 文 焼 却 西 天 北 現 状 埋 立 稚 内 バイオガス 化 埋 立 バイオガス 化 紙 プラ 布 木 は 焼 却 or 埋 立 のため リサイクル 未 実 施 バイオガス 化 焼 却 宗 谷 地 域 南 宗 谷 離 島 の 生 ごみの バイオガ ス 化 燃 料 ごみ ( 紙 プラ 布 木 )の RDF 化 生 ごみと 燃 料 ごみの 地 域 循 環 圏 シナリオ フェリー 輸 送 フェリー 輸 送 バイオガス 化 RDF 化 バイオガス 化 コンテナ 輸 送 図 Ⅱ1.2-1 地 域 循 環 圏 シナリオの 構 築 表 Ⅱ1.2-2 地 域 循 環 圏 シナリオ 費 用 項 目 インプット リサイクル 施 設 アウトプット 初 期 費 用 車 両 購 入 費 RDF 製 造 施 設 建 設 費 積 み 替 え 施 設 建 設 費 収 集 費 RDF 輸 送 費 RDF 燃 焼 維 持 管 理 費 維 持 管 理 費 用 運 搬 費 フェリー 費 RDF 製 造 維 持 管 理 費 埋 立 施 設 維 持 管 理 費 バイオガス 化 処 理 費 収 入 RDF 売 却 益 3つの 生 ごみ の 地 域 循 環 圏 を 形 成 バイオガス 化 1つの 燃 料 ごみの 地 域 循 環 圏 を 形 成 表 Ⅱ1.2-3 現 状 シナリオ 費 用 項 目 インプット 中 間 処 理 施 設 アウトプット 初 期 費 用 焼 却 施 設 建 設 費 埋 立 施 設 建 設 費 維 持 管 理 費 用 収 集 費 焼 却 施 設 維 持 管 理 費 埋 立 施 設 維 持 管 理 費 収 入

17 用 量 を 一 般 廃 棄 物 排 出 量 で 除 した 値 で, 表 Ⅱ1.2-5 の 式 21 により 求 めた. 最 終 処 分 量 は 稚 内 市 と 西 天 北 につい ては 現 状 の 最 終 処 分 量 から 燃 料 ごみ 分 を 差 し 引 いた 値 利 尻 礼 文 南 宗 谷 について は 可 燃 ごみから 燃 料 ごみを 差 し 引 いた 量 が 新 たに 埋 立 式 No. 式 1 式 2 式 3 式 4 式 5 式 6 表 Ⅱ1.2-5 費 用 等 の 算 出 式 1) 表 Ⅱ1.2-4 運 搬 費 用 算 出 式 1) 計 算 式 人 件 費 ( 円 ) = 運 転 人 員 数 ( 人 ) 一 人 当 たり 人 件 費 ( 円 / 人 ) 運 搬 車 台 数 ( 台 ) = 運 搬 回 数 ( 回 / 年 ) 1 台 の 年 間 運 搬 可 能 回 数 ( 回 / 台 年 ) 運 搬 回 数 (1/ 年 ) = ( 月 間 変 動 を 考 慮 した 年 間 排 出 量 (t/ 年 ) 運 搬 物 のかさ 密 度 (t/m 3 ) ) ( 車 両 内 の 圧 縮 率 (-) 荷 箱 容 積 (m 3 ) ) 燃 料 費 ( 円 ) = 燃 料 単 価 ( 円 /L) 運 搬 車 の 燃 料 消 費 量 (L/km) 年 間 走 行 距 離 (km/ 年 ) 年 間 走 行 距 離 (km/ 年 ) = 2 処 理 施 設 までの 距 離 (km) 運 搬 回 数 ( 回 / 年 ) フェリー 代 ( 円 ) = フェリー 運 搬 の 回 数 ( 回 / 年 ) 1 往 復 のフェリー 代 ( 円 年 ) 式 No. 式 7 式 8 式 9 式 10 式 11 式 12 式 13 式 14 式 15 式 16 式 17 式 18 式 19 式 20 式 21 計 算 式 収 集 費 ( 円 ) = 現 在 の 収 集 費 ( 円 ) ( シナリオの 収 集 回 数 ( 回 / 年 ) 現 在 の 収 集 回 数 ( 回 / 年 ) ) 車 両 購 入 費 ( 円 ) = 車 両 価 格 ( 円 ) 購 入 台 数 (-) 耐 用 年 数 ( 年 ) 使 用 年 数 ( 年 ) 建 設 費 ( 円 ) = 基 準 建 設 費 ( 円 ) ( 施 設 規 模 (t/ 日 ) 基 準 施 設 規 模 (t/ 日 ) ) ^ 0.7 耐 用 年 数 ( 年 ) 使 用 年 数 ( 年 ) 建 設 費 ( 円 ) = { 1 + 設 備 形 式 の 付 加 係 数 (-) + ( 1 + ガス 処 理 形 式 の 付 加 係 数 (-) ) ( 湿 りガス 発 生 量 (m 3 N/kg) 基 準 湿 りガス 発 生 量 (m 3 N/kg-ごみ) ) 建 設 費 中 のガス 設 備 率 (-) } 基 準 建 設 費 ( 円 ) ( 施 設 規 模 (t/ 日 ) 基 準 施 設 規 模 (t/ 日 ) ) ^ 0.7 耐 用 年 数 ( 年 ) 使 用 年 数 ( 年 ) 建 設 費 ( 円 ) = 現 在 の 施 設 の 単 位 容 量 当 たり 建 設 費 ( 円 /m3) シナリオの 埋 立 量 (m3) 維 持 管 理 費 ( 円 ) = 人 件 費 ( 円 ) + 電 力 費 ( 円 ) + 燃 料 費 ( 円 ) + 薬 品 費 ( 円 ) + 整 備 補 修 費 ( 円 ) 人 件 費 ( 円 ) = 一 人 当 たり 人 件 費 ( 円 / 人 ) ( 基 準 人 員 ( 人 ) + 施 設 規 模 当 たり 追 加 人 員 ( 人 /(t/ 日 )) 施 設 規 模 (t/ 日 ) ) 電 力 費 ( 円 ) = 電 力 単 価 ( 円 /kwh) RDF 成 形 量 当 たり 電 気 消 費 量 (kwh/t) RDF 製 造 量 (t) 燃 料 費 ( 円 ) = 燃 料 単 価 ( 円 /L) [ { 0.33 ( 1 - ごみ 含 水 率 (-) ) + ごみ 含 水 率 (-) } ( ) 選 別 後 ごみ 量 (t) { 選 別 後 のごみ 量 (t) ( ごみ 含 水 率 (-) - RDFの 含 水 率 (-) ) ( 1 - RDFの 含 水 率 (-) ) } ] 乾 燥 効 率 (-) 燃 料 エネルギー 消 費 (Mcal/L) 薬 品 費 ( 円 ) = 消 石 灰 単 価 ( 円 /t) 消 石 灰 添 加 率 (-) RDF 製 造 量 (t) 整 備 補 修 費 ( 円 ) = 建 設 費 に 対 する 整 備 補 修 費 の 割 合 (-) 建 設 費 ( 円 ) 電 力 費 ( 円 ) = 電 力 単 価 ( 円 /kwh) 処 理 量 当 たり 電 力 使 用 量 (kwh/t) ごみ 排 出 量 (t) 薬 品 費 ( 円 ) = 苛 性 ソーダ 単 価 ( 円 /t) 処 理 量 当 たり 苛 性 ソーダ 使 用 量 (t/t- 原 料 ) ごみ 排 出 量 (t) + 塩 化 鉄 単 価 ( 円 /t) 処 理 量 当 たり 塩 化 鉄 使 用 量 (t/t- 原 料 ) ごみ 排 出 量 (t) RDF 単 価 ( 円 /t) = -RDF 低 位 発 熱 量 (Mcal/t) 単 位 熱 量 あたり 重 油 価 格 ( 千 円 /Mcal) リサイクル 率 (%) = 現 在 のリサイクル 率 (%) + ( RDF 製 造 量 (t) + 液 肥 製 造 量 (t) ) ( 現 在 の 一 廃 排 出 量 (t) シナリオの 人 口 ( 人 ) 現 在 の 人 口 ( 人 ) ) 100 されると 考 え 最 終 処 分 量 を 算 出 し 現 状 シナリオと 比 較 した 場 合 の 最 終 処 分 量 の 削 減 率 で 評 価 することとし た.つまり, 利 尻 礼 文 島 と 南 宗 谷 地 域 の 不 燃 物 埋 立 量 については,シナリオ 間 で 差 が 無 いので 考 慮 してい ない( 全 廃 棄 物 を 対 象 とした 最 終 処 分 量 の 削 減 率 とは 異 なる) 解 析 結 果 と 考 察 図 Ⅱ1.3-1 に 示 すように 生 ごみのバイオガス 化 と 燃 料 ごみ( 紙 プラ 布 木 )の RDF 化 による 地 域 循 環 圏 シナリオにおける 宗 谷 地 域 全 体 の 年 間 平 均 費 用 は 稚 内 市 に RDF 化 施 設 を 1 つ 建 設 した 場 合 (1 施 設 )の 方 が 稚 内 市 および 利 尻 島 礼 文 島 にそれぞれ 1 つずつ 建 設 (3 施 設 )するよりも フェリー 輸 送 による 運 搬 費 を 考 慮 しても 低 くなり かつ 現 状 よりもコストが 削 減 することを 示 した また 図 には 示 していないが 発 酵 汚 泥 の 堆 肥 化 と RDF 化 によりリサイクル 率 は 現 状 の 29.6%から 50.6%に 最 終 処 分 量 は 現 状 と 比 べて 83.3% 削 減 す ることを 示 した 金 額 ( 百 万 円 / 年 ) 支 出 収 入 1.4 結 論 これまで 具 体 的 検 討 がされてこなかった 地 域 循 環 圏 について 北 海 道 宗 谷 地 域 の 生 ごみと 燃 料 ごみの 複 数 の 資 源 に 着 眼 し 各 資 源 の 物 質 特 性 と 地 域 特 性 に 基 づいた 経 済 的 に 実 現 可 能 な かつリサイクル 率 と 最 終 処 分 場 量 を 大 幅 に 改 善 する 地 域 循 環 圏 モデルを 提 示 することができた 参 考 文 献 1) 松 藤 敏 彦 : 都 市 ごみ 処 理 システムの 分 析 計 画 評 価 マテリアルフロー LCA 評 価 プログラム, 技 報 堂 出 版, RDF 売 却 益 維 持 管 理 費 用 施 設 整 備 費 用 運 搬 費 用 収 集 費 用 1 施 設 : 稚 内 市 にRDF 化 施 設 建 設 3 施 設 : 稚 内 市 利 尻 島 礼 文 島 にそれぞれRDF 化 施 設 建 設 旭 川 :RDFを 旭 川 市 内 既 存 製 紙 工 場 で 利 用 稚 内 :RDFを 稚 内 市 新 規 熱 利 用 施 設 で 利 用 図 Ⅱ1.3-1 宗 谷 地 域 全 体 での 年 間 費 用 の 比 較 13

18 2. 家 畜 ふん 尿 を 中 心 とした 混 合 バイオガス 化 システム 2.1 バイオガスプラントへの 有 機 物 性 廃 棄 物 の 安 定 的 投 入 に 向 けた 条 件 の 解 明 分 担 研 究 者 地 方 独 立 行 政 法 人 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 農 業 研 究 本 部 中 央 農 業 試 験 場 主 査 日 向 貴 久 研 究 背 景 と 目 的 農 業 系 バイオガスプラント( 以 下 バイオガスプラント)の 内 有 機 性 廃 棄 物 ( 地 域 の 食 品 加 工 場 や 一 次 産 業 から 排 出 される 廃 棄 物 等 )と 家 畜 ふん 尿 を 混 合 処 理 することが 可 能 な 大 型 バイオガスプラントを 有 する 町 村 を 対 象 に 発 酵 原 料 としての 性 状 等 を 調 査 し バイオガス 生 成 量 増 加 程 度 を 予 測 し プラントの 安 定 的 な 利 用 のための 条 件 を 提 示 する さらに 副 資 材 である 有 機 性 廃 棄 物 の 収 集 システム 構 築 にあたり ステーク ホルダーとなる 排 出 者 プラント 運 営 者 の 位 置 付 け 排 出 者 の 意 向 および 相 互 関 係 を 整 理 解 析 し 受 け 入 れ における 条 件 を 明 らかにする その 上 で プラントによる 有 機 性 廃 棄 物 の 有 効 活 用 による CO2 削 減 効 果 を 明 らかにする 研 究 方 法 (1) 調 査 対 象 のバイオガスプラントの 運 営 体 制 概 要 と 現 状 処 理 の 実 態 有 機 性 廃 棄 物 の 種 類 投 入 状 況 (2) 各 副 資 材 の 投 入 がバイオガス 発 生 量 に 与 える 影 響 対 象 :A 町 共 同 利 用 型 バイオガスプラント( 成 牛 換 算 処 理 頭 数 1,000 頭 ) 方 法 : 以 下 の 2 点 を 検 討 した 1)バイオガスプラントに 搬 入 される 資 材 の 種 類 と 年 間 変 動 月 間 変 動 の 把 握 2006~2009 年 度 の4 年 間 にプラントへ 搬 入 された 乳 牛 ふん 尿 (スラリー 藁 混 合 ふん 尿 )および 副 資 材 の 量 をプラント 搬 入 日 報 より 収 集 し 年 間 変 動 月 間 変 動 を 見 ることで 安 定 性 を 検 証 した 2)プラントでの 副 資 材 投 入 量 とガス 発 生 量 との 関 係 把 握 同 プラントへの 日 別 副 資 材 別 投 入 量 とバイオガス 発 生 量 データから ガス 発 生 量 の 重 回 帰 分 析 を 行 ない 副 資 材 投 入 の 投 入 安 定 性 や 投 入 の 特 徴 がバイオガス 発 生 に 与 える 影 響 を 検 証 した (3) 有 機 性 廃 棄 物 排 出 者 における 処 理 方 法 選 択 要 因 対 象 : 有 機 性 廃 棄 物 排 出 者 のうち 排 出 規 模 の 大 きい 乳 業 メーカー2 社 受 入 側 であるプラント 運 営 者 方 法 : 排 出 側 には AHP によって 処 理 方 法 選 択 要 因 を 定 量 化 する 受 入 側 には 排 出 側 の 処 理 方 法 の 選 択 要 因 を 予 想 してもらい 同 様 に 定 量 化 する 評 価 基 準 -4 属 性 ( 処 理 費 用 委 託 処 理 量 の 柔 軟 性 環 境 負 荷 取 扱 廃 棄 物 ) 代 替 案 -2 案 ( 産 業 廃 棄 物 処 理 場 への 処 理 委 託 BGP への 処 理 委 託 ) (4)バイオガスプラントによる 副 資 材 受 け 入 れに 係 る SWOT 分 析 対 象 :プラントを 所 有 する A 町 担 当 者 およびプラント 職 員 方 法 : 廃 棄 物 処 理 として 副 資 材 を 受 け 入 れることに 対 する プラントが 持 つ 強 み(Strength) 弱 み (Weakness) プラスに 働 く 外 部 環 境 ( 機 会 Opportunity) マイナスに 働 く 外 部 環 境 ( 脅 威 Threat) について 調 査 対 象 の 両 者 より 聞 き 取 り 項 目 を 発 話 にて 聴 取 し 共 通 する 項 目 を SWOT 図 にて 整 理 した (5)バイオガスプラントへの 副 資 材 投 入 による 環 境 負 荷 削 減 効 果 対 象 :A 町 共 同 利 用 型 バイオガスプラントおよび 排 出 者 である 乳 業 メーカー 方 法 :LCA によって 既 存 のふん 尿 処 理 バイオガスプラントによる 処 理 普 及 のための 更 なる 手 段 として 余 剰 バイオガスを 利 用 した 際 の 温 室 効 果 ガス 排 出 量 を 定 量 化 する 結 果 と 考 察 (1) 調 査 対 象 のバイオガスプラントの 運 営 体 制 A 町 を 対 象 に 排 出 者 および 消 化 液 利 用 者 の 意 向 および 発 酵 原 料 としての 性 状 調 査 有 機 性 廃 棄 物 の 収 集 システムに 係 る 調 査 の 結 果 以 下 の 点 が 明 らかとなった 1 有 機 性 廃 棄 物 を 副 資 材 とした 農 業 系 バイオガスプラントに 係 わるプレーヤーの 内 核 となるステークホ ルダーは 廃 棄 物 処 理 業 者 であった 2 恒 常 的 に 搬 入 され さらに 高 カロリー すなわち メタン 菌 の 基 質 となる 有 機 酸 を 多 く 含 有 する 副 資 材 は 残 飯 類 シロップであった 3 調 査 対 象 のプラントへの 副 資 材 の 投 入 量 は 投 入 原 料 量 の 10%であった しかし 副 資 材 投 入 時 における 投 入 量 や 資 材 選 択 のガイドラインの 再 構 築 と 精 査 が 必 要 である 14

19 (2) 各 副 資 材 の 投 入 がバイオガス 発 生 量 に 与 える 影 響 発 酵 槽 への 各 投 入 資 材 の1 回 あたり 最 大 搬 入 量 と 年 間 総 投 入 量 に 占 める 割 合 より 廃 チーズホエイのよ うに 水 分 率 の 高 い 資 材 や 合 併 洗 浄 化 漕 汚 泥 廃 チーズ し 尿 処 理 汚 泥 で1 回 の 搬 入 量 が 年 間 の 50%を 超 え ていた このことより 副 資 材 の 搬 入 は 廃 棄 物 処 理 としての 性 格 上 搬 入 の 計 画 が 立 てづらいと 考 えられる ( 表 Ⅱ2.1-1) また 副 資 材 の 搬 入 から 発 酵 槽 投 入 までの 平 均 貯 蔵 日 数 では 液 状 資 材 は 搬 入 から 発 酵 槽 への 投 入 が 即 座 に 行 われていた( 表 Ⅱ2.1-2) プラントでは 副 資 材 の 投 入 に 際 して 全 投 入 量 の 10% 以 下 にすることが 指 示 される 一 方 実 際 の 投 入 量 や 副 資 材 の 選 択 についてはスタッフに 任 されている これにより 発 酵 槽 内 の 成 分 組 成 が 日 によって 大 きく 異 なっている 可 能 性 があり 良 好 な 発 酵 条 件 を 維 持 していく 上 でネックとなっていると 考 えられる また 液 状 物 や 半 固 形 物 の 発 酵 槽 内 への 投 入 によるガス 発 生 量 の 増 加 割 合 を 見 ると 廃 用 牛 乳 や 廃 シロップ バター ミルクでは 廃 バター 廃 チーズのようにガス 発 生 量 が 増 加 しなかった このことより 高 カロリー 資 材 の 大 量 投 入 による 発 酵 阻 害 が 示 唆 された 即 ち 高 カロリー 資 材 のうち 液 状 物 は 現 状 で 投 入 量 をコントロール できておらず 発 酵 阻 害 の 一 因 となっていると 判 断 される これを 回 避 するためには ストックヤード 等 の 一 時 保 管 施 設 の 設 置 等 による 投 入 量 のコントロールが 必 要 であると 考 えられる 同 時 に 副 資 材 搬 出 業 者 との 連 携 によって プラントへの 搬 入 をできるだけ 分 散 させ るといった 計 画 的 な 搬 入 のための 検 討 が 必 要 であると 考 えられる 表 Ⅱ2.1-1 最 大 日 搬 入 量 と 年 間 総 量 における 集 中 度 表 Ⅱ2.1-2 副 資 材 の 貯 蔵 日 数 とガス 発 生 量 増 加 業 者 農 家 最 大 日 搬 入 量 集 中 度 (t) 廃 用 牛 乳 % 廃 チーズホエイ % 廃 シロップ バターミルク % 合 併 洗 浄 化 槽 汚 泥 % 形 態 資 材 名 液 状 物 半 固 形 物 廃 生 クリーム 練 乳 % 廃 脱 脂 粉 乳 % 固 形 物 廃 バター % 廃 チーズ % 水 産 加 工 残 滓 6.7 5% 屎 尿 処 理 汚 泥 % 残 飯 類 0.3 4% スラリー % 藁 混 合 ふん 尿 % 小 計 資 料 )プラント 日 報 から 作 成 業 者 形 態 資 材 名 平 均 ガス 発 生 量 貯 蔵 日 数 増 加 割 合 (day) (%/t-dm) 廃 用 牛 乳 液 状 物 廃 チーズホエイ 廃 シロップ バターミルク 半 固 形 物 廃 生 クリーム 練 乳 廃 脱 脂 粉 乳 固 形 物 廃 バター 廃 チーズ (3) 有 機 性 廃 棄 物 排 出 者 における 処 理 方 法 選 択 要 因 産 業 廃 棄 物 の 処 理 を 委 託 する 際 に 重 要 視 する 属 性 において AHP を 行 なうと( 表 Ⅱ2.1-3) 排 出 側 の 考 えと 受 入 側 の 想 定 との 間 に 齟 齬 が 生 じていた 排 出 側 は 処 理 が 適 切 に 行 われ 環 境 への 配 慮 がされていることを 重 要 視 していることから 受 入 側 はこれらへの 対 応 をとることで 乳 業 廃 棄 物 の 受 入 可 能 性 が 増 加 すると 判 断 される 表 Ⅱ2.1-3 廃 棄 物 処 理 に 求 める 属 性 の 重 要 度 と 受 入 側 の 想 定 排 出 側 受 入 側 乳 業 メーカー バイオガスプラント 処 理 費 用 受 入 量 の 日 間 変 動 への 対 応 受 入 可 能 な 廃 棄 物 の 種 類 処 理 による 環 境 負 荷 註 ) 一 対 比 較 法 による 聞 き 取 り 結 果 を AHP により 重 みづけした 整 合 度 指 数 : 排 出 側 0.11 受 入 側 0.08 (4)バイオガスプラントによる 副 資 材 受 け 入 れに 係 る SWOT 分 析 プラントを 所 有 する A 町 担 当 者 およびプラント 職 員 から 廃 棄 物 処 理 として 副 資 材 を 受 け 入 れることに 対 する プラントの 持 つ 強 み(Strength) 弱 み(Weakness) プラスに 働 く 外 部 環 境 ( 機 会 Opportunity) マイナスに 働 く 外 部 環 境 ( 脅 威 Threat)を 聴 取 し 共 通 する 項 目 を SWOT 図 にて 整 理 した( 図 Ⅱ2.1-1) 図 Ⅱ2.1-1 より 第 1に 他 の 産 廃 業 者 より 処 理 価 格 が 低 廉 であることは プラントが 大 いにアピールすべ 15

20 き 強 みである 今 後 はこの 強 みを 活 かし 更 に CO2 排 出 に 対 する 国 際 世 論 も 背 景 に GHG など 環 境 に 与 え る 影 響 も 定 量 化 しつつ 顧 客 を 取 り 込 むことが 重 要 である 第 2に 発 酵 槽 への1 日 当 たりの 投 入 量 が 制 限 されることはプラントの 弱 みであるが 本 質 的 には 発 酵 阻 害 よりも 処 理 が 的 確 に 行 われなかった 場 合 に 今 後 の 取 引 を 停 止 されることにある 廃 棄 物 供 給 者 へ 計 画 的 な 搬 入 を 求 めるのと 同 時 に ストックヤード 等 の 一 次 貯 留 施 設 を 構 築 することにより 不 測 の 事 態 の 対 応 を し 廃 棄 物 供 給 者 との 信 頼 関 係 醸 成 に 努 めることが 重 要 である 第 3に 乳 業 メーカーは リスクヘッジの 観 点 から 廃 棄 物 処 理 を1 社 のみに 絞 ることは 避 ける 傾 向 にある 既 存 の 産 廃 業 者 はプラントよりも 搬 入 の 実 績 があり 競 合 する 事 態 は 今 後 も 継 続 する また 現 在 廃 棄 され ている 乳 業 系 廃 棄 物 が 家 畜 飼 料 等 として 再 利 用 されることも 十 分 に 考 えられる これらは プラントへの 搬 入 量 が 減 少 する 脅 威 であるため 関 係 機 関 の 動 向 を 常 に 注 目 することが 重 要 である S 内 的 要 因 図 Ⅱ2.1-1 バイオガスプラント SWOT 分 析 結 果 (5)バイオガスプラントへの 副 資 材 投 入 による 環 境 負 荷 削 減 効 果 バイオガスプラントによるふん 尿 処 理 によって GHG の 発 生 は 従 来 のスラリー 処 理 より 抑 制 される 乳 業 廃 棄 物 処 理 をバイオガスプラントで 行 なうことで 従 来 の 処 理 による GHG 発 生 がなくなることと プラン トでのバイオガスが 増 産 されることにより 温 暖 化 負 荷 はさらに 60t-CO2eq 程 度 抑 制 されると 考 えられた( 表 Ⅱ2.1-4) 表 Ⅱ2.1-4 モデルケースによる GHG 発 生 量 の 変 化 O 外 的 要 因 Strength( 強 み) Opportunity( 機 会 ) 目 標 達 成 廃 棄 物 価 値 の 内 部 化 産 廃 処 理 料 金 の 高 価 格 化 へ 貢 献 低 廉 な 処 理 価 格 長 距 離 輸 送 の 必 要 性 CO2 排 出 に 関 する 国 際 世 論 W Weakness( 弱 み) Threat( 脅 威 ) 目 標 達 成 発 酵 阻 害 による 発 酵 槽 の 停 止 既 存 の 産 廃 業 者 による 処 理 の 実 績 の 障 害 発 酵 槽 への 投 入 量 の 調 整 乳 業 廃 棄 物 の 転 用 廃 棄 物 供 給 者 との 信 頼 関 係 の 未 成 熟 条 件 G H G 排 出 量 ケース1 ケース2 ケース3 バイオガス プラント 設 置 プラントへの 副 資 材 投 入 ふん 尿 処 理 (t-co2eq) 乳 業 廃 棄 物 (t-co2eq) 合 計 (t-co2eq) T 結 論 プラントで 処 理 できる 産 業 廃 棄 物 のうち 最 大 の 排 出 者 となりうるのは 乳 業 メーカーである プラントで 地 域 の 産 業 廃 棄 物 を 処 理 する 場 合 は 液 状 の 投 入 物 の 発 酵 槽 への 投 入 量 のコントロールが 必 要 となる 廃 棄 物 の 排 出 側 と 受 入 側 では 取 引 の 際 に 重 要 になると 考 える 属 性 の 認 識 に 齟 齬 がある 排 出 側 は 処 理 委 託 した 廃 棄 物 が 適 切 に 処 理 されると 同 時 に 処 理 による 環 境 への 影 響 を 重 要 視 していることから 受 入 側 もそのニ ーズに 応 じることや 環 境 情 報 を 外 部 公 開 する 環 境 会 計 の 実 施 などで 対 外 的 にも 自 らの 技 術 をアピールする ことが 重 要 である 乳 業 廃 棄 物 処 理 をプラントで 行 なうことで 温 暖 化 負 荷 は 60t-CO2eq 程 度 抑 制 される 16

21 2.2 地 域 特 性 と 事 業 採 算 性 を 考 慮 した 集 中 型 家 畜 ふん 尿 バイオガス 化 施 設 のシステム 化 の 検 討 主 任 研 究 者 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 教 授 古 市 徹 分 担 研 究 者 准 教 授 石 井 一 英 研 究 目 的 現 在 継 続 して 事 業 を 運 営 している 家 畜 糞 尿 バイオガス 化 事 業 者 へのヒアリング 調 査 を 基 に 事 業 採 算 性 に 大 きく 影 響 を 及 ぼす 因 子 について 感 度 解 析 を 行 うことで 地 域 特 性 と 事 業 採 算 性 を 考 慮 したシステム 化 の 考 え 方 を 示 す 事 業 採 算 性 に 及 ぼす 各 システム 要 素 の 感 度 解 析 方 法 図 Ⅱ2.2-1 に 示 すようなシステムを 構 築 し 家 畜 糞 尿 受 入 規 模 および 単 位 面 積 当 たりの 飼 養 頭 数 を 与 条 件 として 与 え,ふん 尿 および 有 機 廃 棄 物 をバイオガス 化 する. 液 肥 は 契 約 酪 農 家 が 有 する 草 地 に 必 要 量 散 布 し, 残 りは 非 契 約 農 家 の 畑 地 草 地 に 散 布 する. 散 布 できなかった 液 肥 は, 水 処 理 設 備 を 設 置 し 処 理 してから 放 流 することにした. 一 方, 図 Ⅱ2.2-2 に 示 すように, 発 生 したバイオガスはコージェネレーションにより 電 気 と 熱 に 変 換 される. 電 気 の 半 分 は 施 設 利 用 し, 残 りの 半 分 を 売 電 す ることにした. 一 方, 熱 については 施 設 利 用 した 残 りは 廃 熱 す ることにした( 今 回 は,コストの 計 算 を 目 的 にしているので, 廃 熱 量 は 計 算 していない).また, 売 電 以 外 のシナリオとして 前 述 したように,バイオメタンにまで 精 製 後,ボンベ 輸 送, 低 圧 容 器 輸 送 により 需 要 施 設 にまで 配 送 するシナリオ,およびプ ロパンガスを 混 入 し,12A 相 当 の 熱 量 まで 調 整 した 後,CNG 車 の 燃 料 とするシナリオも 考 慮 した. 本 研 究 では, 自 治 体 による サポートを 考 慮 した 組 合 運 営 方 式 を 想 定 した. 施 設 のイニシャル コストを 半 額 補 助 となる 国 や 自 治 体 を 含 めた 事 業 主 体 として 固 定 して 考 える. 事 業 の 成 立 条 件 を 事 業 開 始 から 15 年 後 の 初 期 投 資 回 収 率 ( 以 下,B/C とする)として B/C 1 の 時, 事 業 の 成 立 条 件 を 満 たすものと 考 える 感 度 解 析 に 基 づく 集 中 型 バイオガス 化 システム 構 築 の 考 え 方 システムの 構 築 手 順 は, 事 業 採 算 性 に 対 して 影 響 の 大 きいもの から 考 慮 していく 必 要 がある. 図 Ⅱ2.2-3~ 図 Ⅱ2.2-5 の 結 果 を 踏 まえて,システムを 構 成 する 事 業 採 算 性 に 対 する 影 響 因 子 の 影 響 の 大 きさは 次 のように 分 かった. 1 家 畜 糞 尿 受 入 規 模 (100 頭 から 2000 頭 へ 規 模 拡 大 すること により 1.11 の 改 善 ) 2 液 肥 処 理 の 有 無 (0.91 の 差 ) 3 液 肥 販 売 価 格 ( 窒 素 ベースで 決 定 される 最 大 価 格 での 販 売 によ り 1.11 の 改 善 ) 4 有 機 性 廃 棄 物 受 入 ( 最 大 15%の 受 入 により 1.23 の 改 善 ) 5バイオガス 利 用 方 法 (パイプラインにより 近 隣 移 設 でそのまま バイオガスが 利 用 になった 時 0.48 の 改 善 ) すなわち 今 回 の 感 度 解 析 の 範 囲 内 では,バイオガスの 利 用 法 に ついては, 相 対 的 に 感 度 は 小 さく,システム 構 築 する 際 の 優 先 順 位 は 低 いことが 分 かった 結 論 事 業 採 算 性 を 考 慮 した 牛 ふん 尿 の 集 中 型 バイオガス 化 システ ムを 構 築 するためには まず 糞 尿 の 受 入 規 模 を 決 定 した 上 で, 液 肥 全 量 散 布 を 検 討 し,その 際 有 料 で 販 売 をすることが 重 要 である. さらに, 液 肥 の 散 布 や 販 売 が 無 理 な 場 合 は 水 処 理 費 用 が 必 要 で あるが その 代 わりに 産 廃 受 入 により, 事 業 採 算 性 を 改 善 できる ことが 明 らかになった すなわち 酪 農 家 の 負 担 のみでは 集 中 型 バイオガス 化 プラントの 運 営 は 困 難 であり 売 エネルギー 収 入 以 外 の 液 肥 販 売 や 産 廃 受 入 による 収 入 が 不 可 欠 であることを 明 らかにした 17 入 力 条 件 家 畜 糞 尿 受 入 規 模 ( 頭 数 ) 有 機 性 廃 棄 物 ふん 尿 バイオガス プラント バイオガス 単 位 草 地 面 積 液 肥 当 たりの 飼 養 頭 数 ( 契 約 酪 農 家 ) ( 非 契 約 農 家 ) 草 地 散 布 畑 地 草 地 散 布 バイオガス コージェネレーション 処 理 図 Ⅱ2.2-1 バイオガスシステム 電 気 熱 売 電 施 設 利 用 施 設 利 用 ( 廃 熱 ) ボンベ 輸 送 精 製 バイオメタン 需 要 施 設 熱 量 調 整 低 圧 容 器 輸 送 天 然 ガスステーション 需 要 施 設 CNG 車 利 用 図 Ⅱ2.2-2 バイオガスの 利 用 方 法 液 肥 全 量 散 布 液 肥 処 理 有 100 頭 / 年 500 頭 / 年 1000 頭 / 年 1500 年 / 頭 2000 頭 / 年 図 Ⅱ2.2-3 家 畜 糞 尿 受 入 規 模 と 液 肥 処 理 の 有 無 の 感 度 解 析 支 出 収 入 ( 千 円 / 年 ) 図 Ⅱ2.2-4 液 肥 販 売 価 格 と 有 機 性 廃 棄 物 受 入 の 感 度 解 析 B/C 8 円 /kwh 20 円 /kwh 45 円 /m3 60 円 /m3 60 円 /m3 70 円 /m3 売 電 ランニングコスト イニシャルコスト 売 ガス 図 Ⅱ2.2-5 バイオガス 利 用 方 法 の 感 度 解 析 それ 以 外 の 収 入 (ふん 尿 受 入 液 肥 販 売 など)

22 2.3 牛 ふん 尿 バイオガス 化 プラントへの 食 品 廃 棄 物 投 入 による 混 合 発 酵 の 安 定 条 件 の 実 験 的 検 討 主 任 研 究 者 北 海 道 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 教 授 古 市 徹 分 担 研 究 者 准 教 授 石 井 一 英 研 究 背 景 と 目 的 集 中 型 バイオガス 化 の 事 業 採 算 性 向 上 のために 牛 ふん 尿 以 外 の 食 品 廃 棄 物 を 有 料 受 入 し 混 合 発 酵 する 方 策 が 考 えられる しかし 食 品 廃 棄 物 の 過 剰 投 入 により 発 酵 が 阻 害 され メタンガス 回 収 量 の 減 少 更 には 発 酵 停 止 の 危 険 性 がある また 食 品 廃 棄 物 が 投 入 されることで 液 肥 である 消 化 液 中 の 窒 素 量 が 増 加 し 過 剰 な 窒 素 散 布 による 環 境 汚 染 の 可 能 性 が 考 えられる 2.1 節 で 示 したように A 町 プラントでは 不 定 期 に 食 品 廃 棄 物 が 搬 入 され 固 形 物 (バターなど)は 一 時 保 管 して 投 入 量 を 調 節 できるものの 液 状 物 (ホエイなど) は 保 管 タンクがないため 一 度 に 大 量 投 入 している こうした 現 場 での 投 入 条 件 を 踏 まえて 混 合 発 酵 の 安 定 条 件 を 明 らかにする 必 要 がある そこで 本 研 究 では 以 下 3 点 を 明 らかにする 1 一 時 的 に 食 品 廃 棄 物 を 大 量 投 入 した 場 合 の 発 酵 特 性 2 定 常 的 に 食 品 廃 棄 物 を 投 入 した 場 合 の 発 酵 特 性 3 投 入 条 件 の 異 なる 混 合 発 酵 における 消 化 液 中 の 窒 素 量 への 影 響 回 分 実 験 による 発 酵 阻 害 機 構 解 明 (1) 実 験 方 法 と 条 件 表 Ⅱ2.3-1 にホエイの 性 状 を 示 す 種 汚 泥 は 札 幌 近 郊 で 乳 牛 のみ 飼 育 しているごく 一 般 的 な B 牧 場 のバイオ ガスプラントから 採 取 した また ホエイも 一 般 的 な 製 造 工 程 から 排 出 されるものとして B 牧 場 のものを 使 用 した 量 約 200 ml のバイアル 瓶 に 種 汚 泥 100 ml とホ エイ( 種 汚 泥 に 対 して 3,20,40%)を 入 れた 後,ヘッ ドスペースを 窒 素 で 置 換 後, 密 栓 して 37 の 恒 温 槽 で 静 置 した.また, 対 照 区 として 種 汚 泥 のみの 試 料 も 作 成 した.なお, 同 じ 試 料 を 3 つずつ 作 成 した. (2) 実 験 結 果 と 考 察 図 Ⅱ2.3-1 にホエイ 投 入 区 と 対 照 区 のメタンガス 発 生 量 の 経 日 変 化 を 示 す. 表 Ⅱ2.3-2 に 各 条 件 の 実 験 開 始 後 24 日 目 における 汚 泥 中 の ph,vfa(volatile Fatty Acid) 濃 度 およびアンモニア 性 窒 素 濃 度 の 分 析 結 果 を 示 す. 既 存 研 究 1, 2) より,バイオガスプロセスに 発 酵 阻 害 が 発 生 すると,まず 投 入 VS あたりメタンガス 発 生 量 やメ タンガス 濃 度 などの 発 酵 性 能 の 低 下 がみられ, 最 終 的 に は 発 酵 プロセスが 完 全 に 停 止 することもあることが 報 告 されている. 図 Ⅱ2.3-1 よりホエイ 20%は 経 過 日 数 10 表 Ⅱ2.3-1 ホエイの 成 分 TS(%) VS(%) 脂 質 (%) たんぱく 質 (%) 炭 水 化 物 (%) ホエー TS: total solid. VS: volitile solid 図 Ⅱ2.3-1 メタンガス 発 生 量 経 日 変 化 表 Ⅱ2.3-2 汚 泥 の 分 析 結 果 (24 日 目 ) 種 汚 泥 のみ ホエー3% ホエー20% ホエー40% ph VFA 濃 度 (mg/l) NH 4 + -N 濃 度 (mg/l) 日 までホエイ 3%と 同 程 度 のメタンガス 発 生 量 に 留 まっており,VS あたりのメタンガス 発 生 量 は 低 下 してい ることが 分 かる.さらに,ホエイ 40%は 実 験 開 始 直 後 から 経 過 日 数 20 日 までほぼメタンガスが 発 生 しなか った.その 後, 急 激 にメタンガス 発 生 量 が 向 上 した. 表 Ⅱ2.3-2 より,ホエイ 40%の 場 合, 他 実 験 区 と 比 較 して VFA 濃 度 が 7540mg/L と 高 濃 度 であり( 主 たる VFA はプロピオン 酸, 以 降 同 じ),pH が 6.6 と 低 い 値 であった. 一 般 に,pH6.5 以 下 になるとメタン 発 酵 プロセスにおいて 阻 害 が 著 しく 発 生 すると 言 われている 2).メタンガス 発 生 が 見 られる 直 前 の 24 日 時 点 で ph は 6.6 であったため, 実 験 開 始 後 の 初 期 段 階 では,さ らに ph 低 下 していたものと 考 えられ,メタン 発 酵 が 阻 害 されていたと 推 測 される. 一 方,アンモニア 態 窒 素 濃 度 は 2103mg/L であり, 既 存 研 究 2) で 発 酵 阻 害 が 生 じると 報 告 されている 4500 ~5000mg/L 以 下 で, 問 題 が 生 じる 濃 度 ではないことがわかった.このことから, ホエイ 40% 区 ではホエイが 過 剰 に 投 入 されたために, 酸 発 酵 菌 群 のよる VFA 生 成 量 が, 増 殖 速 度 が 比 較 的 遅 いメタン 生 成 菌 群 の 分 解 能 力 を 超 えて 増 加 したため に,VFA が 蓄 積 し, 結 果 として ph が 低 下 したために 発 酵 阻 害 が 生 じたと 考 え られる 連 続 実 験 による 安 定 発 行 条 件 の 検 討 (1) 連 続 試 験 装 置 図 Ⅱ2.3-2 に 実 験 装 置 の 概 略 図 を 示 す. 発 酵 槽 は 容 積 10L のガラス 円 筒 製 の 広 口 瓶 を 用 いた. 広 口 瓶 の 上 部 を 塞 ぐゴム 栓 に, 発 酵 原 料 投 入 汚 泥 引 抜 口 とバイ オガス 捕 集 口 を 設 け,プロペラ 式 攪 拌 機 シャフトが 通 る 様 に 加 工 した. 発 酵 槽 内 スラリーはプロペラ 式 攪 拌 機 により, 攪 拌 回 転 数 120 rpm として 連 続 攪 拌 を 行 18 図 Ⅱ2.3-2 メタン 発 酵 連 続 試 験 装 置

23 なった. 温 度 調 節 器 により 調 節 された 温 水 で 発 酵 液 温 度 を ホエー 50% ホエー 50% ホエー 75% 中 温 発 酵 に 適 した 37 に 保 った. 発 酵 資 材 の 投 入 汚 泥 4 日 目 27 日 目 35 日 目 7 の 引 抜 量 は 200 g/ 日 として,A 町 プラントの 滞 留 時 間 30 対 照 区 メタンガス 9 日 と 同 様 の 条 件 とした. (2) ホエイの 一 時 大 量 投 入 実 験 表 Ⅱ2.3-3 のように 牛 ふん 尿 とバターが 定 常 的 に 投 入 されている 状 態 の 発 酵 槽 に, 一 時 的 にホエイの 割 合 が 高 い 対 照 区 ph 条 件 で 発 酵 槽 に 投 入 した 図 Ⅱ2.3-3 に 対 照 区 と run1 のメ run1 ph タンガス 発 生 量 と ph の 経 日 変 化 を 示 す.ホエイの 大 量 投 1 6 入 により, 一 時 的 にプロピオン 産 の 蓄 積 による ph 低 下 に run1 メタンガス より 発 酵 阻 害 は 生 じるものの, 阻 害 の 程 度 は 軽 度 になる 傾 向 にあることが 観 察 された.これは,ホエイ 発 酵 特 性 の 把 握 で 行 った 回 分 実 験 においても,メタン 生 成 細 菌 の 馴 養 により,メタン 発 酵 プロセスの 回 復 が 観 察 されていること 経 過 時 間 (day) 図 Ⅱ2.3-3 メタンガス 発 生 量 と ph の 経 日 変 化 から,ホエイを 大 量 投 入 することで, 一 時 的 にメタン 生 成 細 菌 の 活 動 が 弱 まるものの, 環 境 の 変 化 に 対 応 す るメタン 生 成 細 菌 が 馴 養 され, 阻 害 の 程 度 が 軽 度 になったと 考 えられる. しかし, 実 プラントでは, 極 めて 不 定 期 に,しかも 大 量 のホエイが 受 け 入 れされることから,いつもメタ ン 生 成 菌 の 馴 養 が 期 待 される 訳 ではない.よって,ホエイの 大 量 投 入 はできるだけ 避 ける 方 が 望 ましく, 貯 留 タンクで 一 時 貯 留 し, 定 常 条 件 で 投 入 すべきであることが 示 唆 された. 表 Ⅱ2.3-3 ホエイの 一 時 大 量 投 入 実 験 の 投 入 条 件 対 照 区 run1 混 合 実 験 定 常 投 入 条 件 定 常 投 入 条 件 ホエー50% 投 入 ホエー75% 投 入 牛 ふん 尿 バター 牛 ふん 尿 バター 牛 ふん 尿 バター ホエー 牛 ふん 尿 バター ホエー 質 重 量 混 合 割 合 (%) 投 入 VS 負 荷 (gvs/day) 総 VS 負 荷 (gvs/day) 表 Ⅱ2.3-4 ホエイの 定 常 投 入 条 件 下 における 安 定 BG 発 生 時 期 の BG 発 生 量 と 汚 泥 分 析 の 結 果 実 験 区 名 対 照 区 run2(ホエー8%) run3(ホエー13%) run4(ホエー18%) 安 定 期 から20 日 間 のメタンガス 合 計 発 生 量 (L) メタンガス ホエーVSあたりメタンガス 発 生 量 (L/gVS) VFA 濃 度 (mg/l) NH + 4 -N 濃 度 (mg/l) 汚 泥 ph 全 窒 素 (mg/l) (3) ホエイの 定 常 投 入 実 験 次 に 液 状 物 の 貯 留 タンクが 設 置 されたと 想 定 し,ホエイを 定 常 的 に 発 酵 槽 に 投 入 するホエイ 定 常 投 入 実 験 にて, 発 酵 特 性 を 把 握 する. 表 Ⅱ2.3-4 のように バターが 定 常 的 に 2% 投 入 されたと 想 定 し ホエイの 投 入 量 に 変 化 を 与 えて 実 験 を 行 った メタン 発 酵 が 比 較 的 安 定 している 20 日 目 以 降 を 発 酵 安 定 期 とみなして, 20 日 ~39 日 の 間 の 各 実 験 区 のメタンガス 合 計 発 生 量 と 39 日 目 の VFA 濃 度 と NH4+-N 濃 度,pH,および T-N の 分 析 結 果 を 表 Ⅱ2.3-4 に 示 す.これより 安 定 期 のメタンガス 合 計 発 生 量 が 対 照 区 <run2<run3<run4 であり,ホエイの 投 入 割 合 増 加 に 伴 ってメタンガス 発 生 量 は 増 加 する 傾 向 が 分 かった.ホエイは 11%のたん ぱく 質 を 含 むため,ホエイの 投 入 割 合 増 加 に 伴 い,NH4 + -N も 増 加 した.よって, 長 期 の 連 続 投 入 の 場 合 は, VFA よりもアンモニア 蓄 積 に 注 意 を 払 う 必 要 があると 考 えられる. そのような 観 点 から run2 のホエイ 8% (バター2% 投 入 条 件 下 )が, 安 定 発 酵 を 維 持 するための 投 入 量 と 言 える.また ホエイの 投 入 量 増 加 にとも ない 肥 効 成 分 である 窒 素 量 が 増 加 することが 分 かった 結 論 1ホエイの 一 時 大 量 投 入 は VFA が 一 時 大 量 に 蓄 積 され ph が 低 下 するためメタンガス 発 生 量 が 低 減 し, 発 酵 が 不 安 定 になることから,ホエイの 大 量 投 入 は 避 け, 貯 留 タンクを 設 置 し, 定 常 投 入 すべきである. 2 本 研 究 の 範 囲 では,ホエイの 定 常 投 入 の 際 は 総 投 入 量 に 対 してバター2%,ホエイ 8%であれば, 長 期 的 に 安 定 的 なメタン 発 酵 を 運 転 できることが 分 かった. 3 汚 泥 中 の 肥 効 成 分 である 窒 素 量 は,ホエイの 投 入 量 に 比 例 して 増 加 することが 分 かった. 参 考 文 献 1) 中 久 保 亮 石 田 哲 也 松 田 從 三 近 江 谷 和 彦 : 牛 ふん 尿 のメタン 発 酵 における 食 品 廃 棄 物 投 入 の 効 果, 廃 棄 物 資 源 循 環 学 会 論 文 誌,Vol. 19, No. 6, pp , ) 野 池 達 也 :メタン 発 酵, 技 報 堂 出 版, 2009 メタンガス 発 生 量 (L/day) ph 19

24 3. 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 バイオガス 化 システム 3.1 石 狩 湾 新 港 地 域 から 排 出 されるバイオマス 原 料 の 性 状 調 査 と 混 合 発 酵 特 性 の 評 価 分 担 研 究 者 北 海 道 立 総 合 研 究 機 構 工 業 試 験 場 三 津 橋 浩 行 研 究 背 景 と 目 的 食 品 工 業 や 食 品 卸 売 業 が 立 地 する 工 業 団 地 で 発 生 する 多 種 多 様 な 廃 棄 物 系 バイオマス( 加 工 残 渣 や 流 通 不 適 物 食 品 汚 泥 等 )のバイオガス 化 では 定 常 的 に 発 生 する 混 合 原 料 の 組 成 に 対 する 発 酵 特 性 を 把 握 し さら に 組 成 比 等 の 調 整 により 適 正 化 を 図 ることで 効 率 的 なシステムとなる また 計 画 外 のバイオマスを 受 け 入 れた 場 合 組 成 比 の 変 動 による 発 酵 特 性 への 影 響 が 懸 念 される 1) 工 業 団 地 における 混 合 バイオガス 化 システムのモデルとして 石 狩 湾 新 港 地 域 で 排 出 される 廃 棄 物 系 バイオマ スを 用 いて 混 合 メタン 発 酵 試 験 を 行 い 組 成 比 に 対 する 発 酵 特 性 を 評 価 した 研 究 方 法 (1) 廃 棄 物 系 バイオマスの 性 状 調 査 バイオマスは 石 狩 湾 新 港 地 域 内 の 事 業 所 より 入 手 した 畜 肉 魚 類 加 工 残 渣 2 種 果 物 たけのこ 加 工 食 品 を 用 い 一 般 性 状 ( 水 分, 灰 分, 有 機 分 (VS)) 成 分 組 成 ( 炭 水 化 物 脂 質 タンパク 質 )を 分 析 2) した また 発 酵 処 理 液 の 利 用 に 肥 料 化 が 予 想 されることから 肥 料 分 析 法 に 準 拠 して 有 害 元 素 含 有 量 を 分 析 した (2) 混 合 バイオガス 化 発 酵 特 性 混 合 比 により 組 成 比 の 異 なる 混 合 バイオガス 化 原 料 を 調 整 し 10L スケールで 半 回 分 法 による 中 温 (36 ) メタン 発 酵 処 理 試 験 を 行 った 発 生 ガス 量 ガス 組 成 発 酵 液 分 析 を 行 い 発 酵 特 性 を 評 価 した 結 果 と 考 察 (1) 廃 棄 物 系 バイオマスの 性 状 調 査 石 狩 湾 新 港 地 域 で 排 出 された 廃 棄 物 系 バイオマスの 一 般 性 状 および 成 分 組 成 を 表 II に 示 す 廃 棄 物 系 バイオマスは 畜 肉 魚 介 類 残 渣 の 排 出 比 が 高 く 混 合 バイオマス 有 機 分 (VS) 中 のタンパク 質 含 有 率 は 約 60%となる タンパク 質 含 有 率 が 高 い 原 料 をメタン 発 酵 処 理 した 場 合 メタン 発 酵 阻 害 物 質 であるアンモニ アの 濃 度 を 増 加 させる 可 能 性 がある これを 回 避 する 一 方 法 としてタンパク 質 含 有 率 が 低 く 排 出 量 が 高 い 厨 芥 生 ゴミの 混 合 が 挙 げられ これによりタンパク 質 含 有 率 を 低 下 させるとともに バイオガス 化 原 料 の 増 加 によるバイオガス 生 成 量 の 増 加 も 期 待 できる また 廃 棄 物 系 バイオマス 中 の 重 金 属 含 有 量 を 表 II に 示 す 規 制 値 は 肥 料 取 締 法 に 基 づく 汚 泥 肥 料 の 有 害 成 分 最 大 量 および 銅 亜 鉛 にあっては 特 殊 肥 料 における 銅 亜 鉛 の 品 質 表 示 含 有 量 である いずれの 廃 棄 物 系 バイオマスの 重 金 属 含 有 量 は 有 害 成 分 最 大 量 以 下 であり 混 合 バイオマスのメタン 発 酵 処 理 液 を 肥 料 として 用 いても 重 金 属 含 有 量 は 規 制 値 以 下 となる 表 II 石 狩 湾 新 港 地 域 廃 棄 物 系 バイオマス 性 状 ( 湿 重 量 ベース) 廃 棄 物 系 バイオマス 種 類 畜 肉 魚 介 類 残 渣 1 魚 介 類 残 渣 2 廃 棄 果 実 類 排 出 量 kg/ 日 水 分 g/100g 固 形 分 g/100g 有 機 分 炭 水 化 物 脂 質 タンハ ク 質 有 機 分 計 灰 分 固 形 分 計 廃 棄 野 菜 類 廃 棄 加 工 野 菜 廃 棄 物 系 混 合 ( 参 考 ) 厨 芥 生 ゴミ 水 分 : 105 2hr 乾 燥 (JIS-K-0102 工 業 排 水 試 験 法 ) 脂 質 : ソックスレー 抽 出 (ジエチルエーテル) タンパク 質 : ケルダール 窒 素 より 換 算 (6.25) 灰 分 : h 強 熱 灰 化 (JIS-K-0102 工 業 排 水 試 験 法 ) 炭 水 化 物 : 残 分 表 II 石 狩 湾 新 港 地 域 廃 棄 物 系 バイオマスの 有 害 元 素 含 有 量 (mg/kg 乾 重 量 ベース) 畜 肉 魚 介 類 残 渣 1 魚 介 類 残 渣 2 廃 棄 果 実 類 廃 棄 野 菜 類 廃 棄 加 工 野 菜 規 制 値 QL QL: 固 体 中 定 量 下 限 値 Cr Ni Cu Zn As Cd Pb Hg

25 (2) 混 合 バイオガス 化 発 酵 特 性 石 狩 湾 新 港 地 域 の 混 合 バイオマスに 対 し 札 幌 市 で 収 集 された 事 業 系 厨 芥 生 ゴミを 100:0 50:50 30:70 で 混 合 し 図 II に 示 す 成 分 組 成 の 発 酵 原 料 を 調 整 した メタン 発 酵 試 験 は 発 酵 原 料 を 有 機 物 負 荷 0.27~ 1.42kg-VS/ 日 /m 3 まで 段 階 的 に 上 げて 行 った 結 果 バイオガス 発 生 量 は 図 II に 示 すように 成 分 組 成 に 関 わらず 有 機 物 負 荷 が 0.85kg-VS/ 日 /m 3 で 最 も 高 く 1.42kg-VS/ 日 /m 3 では 全 ての 混 合 バイオマスで 発 生 量 が 急 激 に 減 少 した この 時 消 化 液 の CODcr も 著 しく 増 加 しており バイオガス 発 生 量 の 低 下 と 同 時 に 発 酵 有 機 物 分 解 が 停 止 したことを 示 した 消 化 液 の VFA は ppm( 酢 酸 換 算 )に 増 加 しており ph が 7 以 下 に 低 下 するなど VFA 蓄 積 による 阻 害 が 発 生 し 発 酵 停 止 したことを 示 唆 した 3) 成 分 組 成 に 対 する 発 酵 特 性 は 厨 芥 生 ゴミの 混 合 比 を 上 げ 炭 水 化 物 含 量 が 増 加 およびタンパク 質 含 量 が 低 下 するに 従 い バイオガス 発 生 量 が 高 くなる 傾 向 を 示 した 特 に 有 機 物 負 荷 0.85kg-VS/ 日 /m 3 以 下 では 最 も タンパク 質 含 量 が 低 い 混 合 バイオマス(30:70)で 1 m 3 -BG/kg-VS の 高 い 発 生 量 を 得 ている また 図 II に 示 す 脂 質 含 量 を 増 加 させた 発 酵 原 料 を 調 整 して 発 酵 試 験 を 行 った 結 果 図 II に 示 すように 脂 質 含 量 増 加 によりバイオガス 発 生 量 が 低 下 し 40% 以 上 では 試 験 開 始 より 発 酵 停 止 した 脂 質 含 量 の 増 加 が 発 酵 特 性 に 大 きく 影 響 することがあきらかになった タンハ ク 質 60% 100:0 炭 水 化 物 10% 脂 質 31% タンハ ク 質 41% 50:50 炭 水 化 物 33% 脂 質 26% タンハ ク 質 34% 30:70 脂 質 25% 炭 水 化 物 41% 経 過 日 数 d 図 II 厨 芥 生 ゴミ 混 合 バイオマス 成 分 組 成 図 II バイオガス 発 生 量 ( 有 機 物 重 量 基 準 ) ガス 発 生 量 m 3 /kg-vs kgVS/ 日 /m kgVS/ 日 /m 3 100:0 50:50 30: kgVS/ 日 /m kgVS/ 日 /m 3 脂 質 30% タンハ ク 質 34% 脂 質 30% 炭 水 化 物 36% 脂 質 35% タンハ ク 質 35% 炭 水 化 物 29% 脂 質 35% 脂 質 40% タンハ ク 質 34% 炭 水 化 物 26% 脂 質 40% 経 過 日 数 d 図 II 脂 質 加 重 混 合 バイオマス 成 分 組 成 図 II 脂 質 含 量 による 影 響 まとめ 工 業 団 地 とエネルギー 連 携 した 混 合 バイオガス 化 システムの 構 築 と 実 現 可 能 性 について 石 狩 湾 新 港 地 域 をモデルとして 調 査 を 行 った 同 地 域 より 入 手 した 廃 棄 物 系 バイオマスのバイオガス 化 (メタン 発 酵 処 理 ) 原 料 はタンパク 質 含 有 量 が 高 く また 排 出 量 も 少 ないことから 厨 芥 生 ゴミ 等 を 混 合 することが 必 要 である ことが 示 唆 された 混 合 バイオマスのメタン 発 酵 試 験 からタンパク 質 脂 質 成 分 組 成 比 が 高 い 混 合 バイオマス 原 料 では 発 酵 阻 害 物 質 が 蓄 積 し バイオガス 生 成 量 および 有 機 物 分 解 率 が 低 くなることが 認 められた これに 対 し 定 常 的 に 発 生 する 混 合 原 料 に 対 する 効 率 的 なバイオガス 化 に 向 けた 適 正 な 成 分 組 成 や 適 正 有 機 物 負 荷 量 を 明 らかに した また 計 画 外 の 原 料 を 受 け 入 れる 場 合 特 に 脂 質 含 量 が 高 い 成 分 は 投 入 と 同 時 に 発 酵 停 止 となる 危 険 性 が 明 らかになった また 同 地 域 から 発 生 する 廃 棄 物 系 バイオマスを 用 いた 混 合 バイオガス 化 原 料 は 重 金 属 含 有 量 が 規 制 値 よ りも 低 く メタン 発 酵 処 理 液 の 肥 料 利 用 における 規 制 値 をクリアできることが 認 められた 参 考 文 献 1) 生 物 系 廃 棄 物 資 源 化 リサイクル 技 術,エヌ ティー エス,337pp,2000 2) 香 川 芳 子 監 修 : 五 訂 食 品 成 分 表 2003, 女 子 栄 養 大 学 出 版 部,464pp,2003 3) 大 野 真 穂 東 城 清 秀 前 田 悠 貴 渡 辺 兼 五 : 乾 式 メタン 発 酵 における 発 酵 阻 害 とモニタリング 手 法 の 検 討, 第 16 回 廃 棄 物 学 会 研 究 発 表 会 講 演 論 文 集,pp ,2005 ほか ガス 発 生 量 m 3 /kg-vs 脂 質 40% 脂 質 35% 脂 質 30% 脂 質 25% 21