前回はバイオマスのエネルギー利用について概説し、日本における課題と解決策を整理しました。その結果、日本では廃棄物系バイオマスをプラスチックと混合したまま焼却することによる二酸化炭素の排出が多いことは認識しながら、発電などのエネルギー利用で相殺されるとみなしている問題を指摘しました。
また、焼却量が少ないと（80t/日未満）、発電効率が悪いため発電設備を設置することが難しく、焼却施設の全てがエネルギー利用できていないことを示しました。そのため、ごみ（一般家庭等からの一般廃棄物のうちし尿を除いたもの）の処理量が少ない自治体では、ごみのうちバイオマスを分別してメタン化するエネルギー利用が有効な対策となることを指摘しました。詳細は以下を確認ください。
「再生可能エネルギー：バイオマス発電(1)-これでよいのか、日本のバイオマスのエネルギー利用」
前回の報告で示したように、ごみのメタン化は日本では非常に少ないのが実情です（全国のごみの処理量で1%未満）。日本でのメタン化の導入が少ない理由は、焼却施設を提供するメーカの営業努力もさることながら、住民の反対が大きいことも一因です。
これまで、メタン化を検討していた自治体が住民の意向で焼却施設を選択したという事例は少なくありません。その理由の多くはメタン化の導入実績が少ないということと、メタン化に適した生ごみ（厨芥）などを分別することが負担になることです。
さらに、メタンガスを扱う安全性と悪臭や大気汚染などの環境面への心配もあげられます。ごみ処理施設の建て替えは住民の関心が高く、現行の焼却施設からメタン化に変更する計画案に対しては、現状のままの処理方式を維持することが望まれる場合が多いのです。
本サイトでは、ごみのメタン化についてその技術的な特徴やエネルギー収支、温室効果ガス排出量などを整理して、日本における導入の可能性を検討していきます。その検討では、メタン化導入における大きな障害となる上記の事項についても分析していきます。
具体的には、ごみの分別（住民側）及び選別（ごみ処理事業側）の問題への対応、メタン化を実施している事業の事例を整理します。また、多くの方が知りたいと思われている焼却施設との比較について、安全性や環境面の問題なども加えて整理していきたいと思います。
まず、今回はメタン化の技術について少し専門的な解説をしていきます。メタン化の基本であるメタン発酵を行う嫌気性菌（嫌気性とは酸素がない状態をいいます）の働きや分解過程、メタン発酵の種類、メタン化システムの施設構成などを説明します。
さらに、メタン化の導入の障害となっている排出者による分別、ごみ処理事業者による収集、選別についての可能性について説明します。そして、導入実績が少ないとされているメタン化事業の導入事例を紹介します。
最後に焼却施設とメタン化施設の比較として、エネルギー収支と二酸化炭素排出量及び環境汚染対策の比較を行います。ここでは、ごみの焼却による環境汚染対策の重要性と困難性を指摘し、焼却発電等のエネルギー利用で二酸化炭素排出量を軽減できるという考えが通用しないことを説明します。
| ＜本報告のコンテンツ＞ ■ごみのメタン化の技術 （１）メタン発酵の原理 （２）メタン発酵技術の種類と特徴 （ａ）湿式メタン発酵 （ｂ）乾式メタン発酵 （ｃ）メタン発酵種別の比較 （３）メタン発酵技術の開発動向 （４）メタン化システムの構成 ■メタン化導入の障害となる要因の実情 （１）排出者による分別と収集 （２）選別機の性能 （３）メタン化事業の事例 ■メタン化と焼却施設との比較 （１）焼却施設の概要 （２）焼却施設とメタン化施設の比較 （ａ）エネルギー収支、二酸化炭素排出量 （ｂ）環境汚染対策 |
ごみのメタン化の技術
（１）メタン発酵の原理
メタン発酵とは、嫌気性菌の働きにより有機物（バイオマス）が分解されてメタンガスが発生する現象を言います。メタン発酵は生物化学的な反応であり、エネルギーを必要としない省エネな反応であること、発生したメタンガスは電力に変換でき、ガス燃料としても使用できるため、カーボンニュートラルの特性を有しています。
発酵とは細菌（微生物）が有機物を分解することを言います。また嫌気性とは酸素のない状態のことを言い、嫌気性菌は酸素のない状態で発酵できる細菌です。逆に酸素のある状態は好気性と言い、その状態で発酵する細菌は好気性菌です。
酸素のない状態で発酵できるということは、反応槽に酸素を供給する（曝気や通風）エネルギーを要しないため、エネルギー消費が少ない利点を有します。好気性菌も嫌気性菌も自然界に存在し、環境中の酸素の状態によってどちらの細菌が増殖していくかが決まります。
メタン発酵の反応の進行状況を図-1に示します1)2)。分解の対象となるバイオマスは炭水化物、タンパク質、脂肪等の生物分解性の高分子有機物です。これがまず可溶化、加水分解されて低分子有機物（単糖、アミノ酸等）になり、酸発酵により中間体（プロピオン酸、酪酸）になります。
野池達也編著：メタン発酵、技法堂出版、2009年
図-1 メタン化の反応過程
その後、さらに分解されて酢酸とギ酸になり、最後にメタンと二酸化炭素に分解されます。それぞれの過程で異なる細菌が分解に寄与しています。また、各過程で分解されなかった発酵残渣や菌体（細菌の死がい）が発酵汚泥として生成します。
（２）メタン発酵技術の種類と特徴
メタン発酵を工業的に利用する技術は、1900年代初頭に下水汚泥の嫌気性消化の実用化から始まりました。生ごみを対象としたメタン化技術は1960年代後半に米国の大学で始まり、米国エネルギー省で1978〜1985年の生ごみのメタン転換の実証試験が行われました1)。
ヨーロッパでは1978年にEC委員会が代替エネルギー源の研究開発への支援を決定し、1979〜1983年までメタン発酵のプロジェクトを推進しました。その後、西ヨーロッパでは多くの実用化技術が開発されました。その技術の一例を表-1に示します2)3)。
表-1では、メタン発酵技術を反応槽の固形分濃度と処理温度により分類しています。固形分濃度が10%未満が湿式、25～40％が乾式に分類されます。また、処理温度は嫌気性細菌の生息温度域による分類で、中温発酵（30～35℃）と高温発酵（50～55℃）に分類されます。
表-1 メタン発酵技術の一例
| 固形分濃度 | 処理温度 | ヨーロッパで開発されたシステム | 日本での導入システム |
|---|---|---|---|
| 湿式（～10％） | 中温 30～35℃ | Waasa（フィンランド） | メビウス |
| BIMA（オーストリア） | REM | ||
| BTA（ドイツ） | |||
| 高温 50～55℃ | Schwarting-Uhde（ドイツ） | リネッサ | |
| H.K.V（デンマーク） | |||
| 乾式（25～40％） | 中温 30～35℃ | Valorga（フランス） | |
| 高温 50～65℃ | KOMPOGAS（スイス） | ||
| DRANCO（ベルギー） |
出所）IEA：Biogas from Municipal Solid Waste, Anaerobic digestion of MSW, 1994
日本における都市ごみのメタン発酵技術の開発は、1980年代に通産省のスターダスト研究プロジェクトで実証試験が行われましたが、エネルギー回収の経済性が低く、焼却や埋め立ての既存技術に競合できなかったとされています1)。
その後、環境省は1997年にし尿処理施設として、し尿汚泥と生ごみの共同処理を行う「汚泥再生処理センター」を補助対象とし、メタン発酵技術の導入をうながしました。この時、日本の複数メーカーが共同で開発したのが、メビウス、REM、リネッサなどです。
これらのメタン発酵技術の多くはヨーロッパで開発された技術を導入して改良を加えたものでした。メビウスはWaasa（フィンランド）、リネッサはSchwarting-Uhde（ドイツ）、REMはBIMA（オーストリア）の技術を導入して開発したシステムでした4)5)6)。
これらのシステムはもともとし尿処理を中心に行うことを目的に導入されたものであったため、日本の排水基準の強化（窒素）によって生ごみを混合させて処理するには排水処理の面で不利となり、し尿処理と生ごみのメタン発酵による共同処理は次第に行われなくなりました。
その後、都市ごみのうち生ごみに加えて紙や一部の木質も対象とした乾式メタン発酵の研究が進み、日本でも導入されました。その基礎技術はヨーロッパで開発されたKOMPOGAS（スイス）とDRANCO（ベルギー）です。排出者に分別を求めず、可燃ごみを機械選別することから、発酵残渣を焼却する焼却施設との併設を基本としています。
(a)湿式メタン発酵
湿式メタン発酵は、発酵槽内で固形分濃度が10％未満になるまで水分を加えて反応させます。1990年代に日本のし尿汚泥と生ごみを処理する汚泥再生処理センターが導入されましたが、その処理方法の多くが湿式メタン発酵でした。含水率の多いバイオマスであるし尿汚泥を処理するために、有効な手法でした。
湿式メタン発酵の事例を図-2に示します2)。これは発酵槽を2段にして1段目を加水分解、2段目をメタン発酵とする方式です。図-1に示したメタン発酵の過程を2つの槽に分離して、維持管理を容易にしたものと考えられます。表-1に示したように、メタンガスの発生速度や発生量を増加させるために、各種の発酵槽の方式が開発されています。
図-2 二層式湿式メタン発酵方式
(b)乾式メタン発酵
乾式メタン発酵とは固形分濃度が25～40％で発酵させるもので、水の希釈を行わないか、微量の水分補給を行います。生ごみや紙を中心とした含水率の低いバイオマスを処理するときに採用されます。図-3に示すように、バイオマスを押し出し流れで処理するもので、縦方向に移動させるDRANCOや横方向に移動させるKOMPOGASなどがあります2)。
図-3 各種の乾式メタン発酵方式
(c)メタン発酵方式の特徴の比較
メタン発酵方式の特徴を比較したものを表-2に示します7)。表-2では、処理される発酵対象物、長所、短所について整理しています。湿式高温、乾式（高温）ともに発酵槽の加温のエネルギーが必要であり、利用できるエネルギーが少なくなります。一方、高温の発酵は増殖速度も速いため、ガス発生量は多いという特徴があります。
表-2 メタン発酵方式の特徴
| 項 目 | 湿式メタン発酵 | 乾式メタン発酵 | |
|---|---|---|---|
| 中温（約35℃） | 高温（約55℃） | 高温（約55℃） | |
| 固形分濃度 | 6～10％ | 6～10％ | 25％～40％ |
| 発酵対象物 | ・家畜糞および尿 ・下水汚泥、し尿処理汚泥 ・生ごみ | ・家畜糞および尿 ・下水汚泥、し尿処理汚泥 ・生ごみ ・紙 | ・家畜糞 ・下水汚泥、し尿処理汚泥 ・生ごみ ・紙、植物（剪定枝類） |
| 長 所 | ・メタン発酵菌の種類が多く、維持管理が比較的容易に行える。（原料の変動に強い） ・アンモニア阻害に対する安定性が高い。 | ・メタン発酵日数が中温に比べて少ない。 ・微生物の増殖速度が大きいため高い容積負荷をとることができ、中温に比べてガス発生量が多い。 | ・紙類もメタン発酵可能である。 ・微生物の増殖速度が大きいため高い容積負荷をとることができ、ガス発生量が多い。 ・排水が少ない。 |
| 短 所 | ・メタン発酵日数が高温に比べて多い。 ・メタン発酵槽が大きくなる。 | ・ メタン発酵菌の種類が少ないため、維持管理に細心の注意が必要となる。 ・ 加温に必要な熱量が大きい。 | ・ 施設の必要面積が大きい。 |
（３）メタン発酵技術の開発動向
最近、メタン発酵に関する研究報告が急増しており、この10年間に約2,000件（2010年）から3.4倍の約6,800件（2020年）になったとされています8)。地球温暖化対策のためにバイオマスのエネルギー利用に世界中が注目しているということがうかがわれます。
この研究の中心は廃棄物系バイオマスからのメタンの回収効率と安定性の向上です。そのための対策は、①前処理、②添加剤、③混合処理の3点にまとめられます8)。前処理は図-2の2槽処理のようにメタン発酵の前の加水分解等を促進するものです。
添加剤には促進剤と栄養剤があり、促進剤とは活性炭のように微生物の付着量を増加させて反応速度を向上させるものであり、栄養剤は窒素、リン、微量元素（ニッケル、コバルト等）などの微生物の増殖を促進させるものです。
混合処理とは、廃棄物系バイオマスを生ごみだけでなく、下水汚泥や家畜排せつ物などを混合させることにより嫌気性発酵の相乗効果を期待するものとされています。これらの研究開発により、さらに効率的で安定なメタン発酵技術が実用化されていくものと考えられます。
（４）メタン化システムの構成
バイオマスをメタン化してエネルギー利用を行うためのシステムを構成する施設は以下のものがあります。
A．廃棄物処理設備：①受入・前処理設備、②メタン発酵設備、③環境保全設備
B．資源化物利用設備：④エネルギー利用設備、⑤マテリアル利用設備
①受入・前処理設備には、持ち込まれた廃棄物系バイオマスから資源化に不要なものを除去する選別設備や破袋・破砕設備、混合層や可溶化槽が含まれます。さらに、②メタン発酵設備はメタン発酵槽、ガスホルダー、脱硫設備、余剰ガス燃焼設備があります。③の環境保全設備は、処理施設からの悪臭により周辺環境への影響を防止する脱臭設備や排水処理設備などです。
④エネルギー利用設備は、バイオガスを電気に変換する発電設備やボイラなどの熱利用設備、さらに純度の高いメタンガスとして供給するための精製設備があります。⑤マテリアル利用設備は発酵残渣（消化液）を液肥として利用するための設備（貯留設備を含む）、発酵残渣を堆肥化する堆肥化設備などです。
システムの一例を図-4に示します。メビウスはメタン発酵後に水処理設備で排水処理を行いますが、コンポガスシステムは排水量が少ないため、水処理システムがないか小規模のシステムになります。
前述した２つのメタン発酵方式がシステム全体にどのような影響を与えるかを整理すると表-3の通りです9)。分別、選別については、湿式メタン発酵の場合は異物の混入条件が厳しく機械選別ではなく分別収集が原則です。これに対して乾式メタン発酵の場合は異物の混入条件が緩いため機械選別のみの選択でも可能となります。
一方、残渣処理、利用については、湿式メタン発酵では液肥や堆肥の利用が可能であるのに対して、乾式メタン発酵で機械選別のみを選択した場合にはバイオマス以外の物質が混入するため肥料の利用は難しくなります。発酵残渣については脱水して助燃材として利用するか、焼却してエネルギー回収を行うことになります。
表-3 メタン発酵方式の違いによるメタン化システムへの影響
| 項 目 | 湿式メタン発酵 | 乾式メタン発酵 |
|---|---|---|
| 分別収集、機械選別 | 異物の混入の条件が厳しいため、可燃物の機械選別の採用が難しく、分別収集が原則となる。 | 異物の混入の条件がゆるいため、可燃物を機械選別により選別しても発酵施設への影響がない。 |
| 残渣処理、残渣利用 | ・発酵対象を生ごみ（食品廃棄物）、汚泥等に限定し、分別収集するため液肥としての利用が可能となる。液肥として全量利用できれば排水処理、固形物処理設備を軽減できる。 ・発酵残渣の脱水後の堆肥としての利用も可能である。 ・液肥利用できない場合は排水処理が必要となる。 | ・分別収集によれば残渣を液肥、堆肥利用することも可能。 ・可燃物を収集し選別する場合は、発酵残渣を脱水し、脱水固形物を焼却施設で助燃材として利用する。ただし排水処理後の脱水ろ液を液肥として利用することは可能。 ・希釈水の投入量が少なく、排水処理コストが少ない。 |
メタン化導入の障害となる要因の実情
冒頭で述べたメタン化の導入の障害となる要因として、メタン発酵の対象となるバイオマス（生ごみ等）の分別、選別の困難性と実施事例が少ないことについて、実際の状況を整理していきます。
（１）排出者による分別と収集
現在、どこの自治体でもごみの分別収集を行っていますが、その分別方法は自治体ごとに異なります。メタン化を行う場合は、対象バイオマスは生ごみ、紙ごみ、木質（剪定枝等）です。湿式メタン発酵の場合は、これらを排出者において分別して排出し、ごみ収集車で分別収集することが必要になります。
生ごみ等を分別収集することは、住民にとってどれくらい難しいのでしょうか。図-5に日本の自治体の分別収集区分数を集計したものを示します10)。この図より分別収集区分数が「13区分」の自治体数が146と最も多く、「26区分以上」の市町村も30自治体以上あることが分かります。日本での分別区分数の多さに驚かれる方も多いでしょう。
図-5 分別収集区分数別の自治体数
また、資源ごみを分別収集している自治体数をみると図-6の通りです10)。ペットボトル、紙パックは80%以上の自治体が分別収集を行っています。生ごみは227、剪定枝は183の自治体で分別収集を行っています。これらのバイオマスはエネルギー利用よりもマテリアル利用（堆肥化、飼料化）が多いと思われますが、200以上の自治体が生ごみの分別収集を行っており、生ごみの分別が特に難しいとは思われません。
図-6 資源ごみとして分別収集している自治体の割合
生ごみを排出者において分別させる場合は、その容器が問題になることがあります。ビニール袋以外に、バケツや紙袋、バイオプラスチックの袋など、化石燃料由来のプラスチックが混じらない方法を選択している自治体もあります。
また、可燃ごみを生ごみとそれ以外に分けて収集する場合、収集車の燃料費が2倍になるという心配もあります。これについては、収集回数を工夫して全体の輸送費を増加させないという対策があります。具体的には可燃ごみを週3回収集しているところを、生ごみの収集を2回/週、その他の可燃ごみを1回/週にする方法などです。
また、収集車を２槽に分けて分別収集ができる収集車も開発されています。写真に示すようにパッカー車のボックスを2室に分け、積み込みプレートも独立して作動します。2室は独立した構造のため、積載物や汚水が混じることはありません。
（２）選別機の性能
一方、乾式メタン発酵の場合は選別機によるバイオマスの選別も可能となります。分別収集と選別機の両方でも問題はありません。選別機は様々な機種が開発されていますが、その一例を図-7に示します。このハンマーブレード式破砕選別機は国産の製品であり、NEDOの実証事業で使用され（写真参照）、多くのメタン化事業でも採用されています。
図-7 ハンマーブレード式破砕選別機の構造
写真-2 ハンマーブレード式破砕機の概観（左）破砕選別機、（右）ドーザー
表-4に機械選別によりどの程度発酵対象物を選別できたか調査した結果を示します11)。選別する機械は破砕機、ハンマーブレード式破砕選別機の組合せです。生ごみは100％選別できましたが、紙ごみは35％が除外されました。逆にビニール類は20％、布類は15％が発酵対象に含まれたとされています。この結果より、この選別機は乾式メタン発酵で使うには十分な性能を有していると言えます。
表-4 ごみの品目別の機械選別率の一例
| 発酵対象物へ移行分（％） | 発酵不適物へ移行分（％） | |
|---|---|---|
| 厨芥類（生ごみ） | 100 | 0 |
| 紙ごみ | 65 | 35 |
| ビニール類 | 20 | 80 |
| 布類 | 15 | 85 |
| 選別設備の構成 | 破砕機、ハンマーブレード式破砕選別機 | |
（３）メタン化事業の事例
多くの自治体がごみ処理は焼却が基本として認識しているため、メタン化の事例は現状では多くありません。しかし、表-5に示す事業で実際にメタン化が導入され、継続的に処理されています。近年の傾向は乾式メタン発酵と焼却施設の組み合わせです。
表-5に示した湿式メタン発酵の事例のうち、北空知衛生センター、「リサイクリーン」（滝川市）、「クリーンプラザくるくる」（砂川市）は日本で初めて生ごみだけをメタン発酵で処理した事例です。
表-5 メタン化事業の事例
| 湿式メタン発酵 | 乾式メタン発酵 | |
|---|---|---|
| 国内実績の例 | ・北空知衛生センター（北海道深川市） ・リサイクリーン（北海道滝川市） ・クリーンプラザくるくる（北海道砂川市） ・ジャパンリサイクル㈱（千葉県千葉市） ・富山グリーンフードリサイクル㈱（富山県富山市） ・日田市バイオマス資源化センター（大分県日田市） ・生ごみバイオガス発電センター（新潟県長岡市） | ・カンポリサイクルプラザ㈱（京都府南丹市） ・南但クリーンセンター（兵庫県朝来市） ・防府市クリーンセンター（山口県防府市） ・開成㈱（新潟県村上市） ・南部クリーンセンター第二工場（京都府京都市） ・宮津与謝環境組合広域ごみ処理施設（京都府宮津市） ・町田市バイオエネルギーセンター（東京都町田市） ・（株）富士クリーン（香川県綾歌郡綾川町） ・南部清掃工場（バイオガス化施設・高効率発電施設）（鹿児島県鹿児島市） |
湿式メタン発酵を採用している長岡市の「生ごみバイオガス発電センター」は生ごみと下水汚泥、し尿汚泥を対象としており、費用が掛かるメタン発酵後の排水を下水処理場で処理しているため、発電した電力の多くを売電しているということです8)。
乾式メタン発酵のうち、カンポリサイクルプラザ㈱（南丹市）、南但クリーンセンター（朝来市）、防府市クリーンセンターはKOMPOGASの技術を、また、（株）富士クリーンはDRANCOの技術を導入しています（表-1を参照ください）。
多くの事業が複数の廃棄物系バイオマスを安定して処理しており、発電によるエネルギー回収を行っています。また、発酵残渣は脱水・乾燥や炭化によって、燃料としてエネルギー利用することでバイオマスのエネルギーを最大限活用しています。
このように、近年では比較的多くの事業で廃棄物系バイオマスのメタン化を導入しており、20年以上稼働している施設もあるため、建設から維持管理までのデータも蓄積され、事例が少ないことによる懸念も解消しつつあるように思われます。
なお、近年導入事例が多い乾式メタン発酵は焼却施設との併設が一般的ですが（プラスチックは焼却処理される）、乾式メタン発酵は生ごみだけでなく紙なども発酵して発電電力量が大きいという特徴を生かしたより脱炭素型の利用も検討すべきです。メタン化の導入事例を基にした地域特性に応じた導入手法については、今後さらに詳しく整理していく予定です。
メタン化と焼却施設との比較
（１）焼却施設の概要
メタン化と焼却施設の特徴を比較する前に、焼却施設についても概説します12)。焼却施設とは「熱分解、燃焼、溶融等の単位反応を単独または組み合わせて適用することによりごみを高温酸化して容積を減じ、残渣または溶融固化物に変換する施設をいう」とされています13)。
焼却施設にはストーカ式燃焼装置、流動床式燃焼装置、回転炉式燃焼装置等を有するごみ焼却施設のほか、ガス化溶融施設があります。ガス化溶融施設とは、「ごみを熱分解した後、発生ガスを燃焼または回収するとともに、灰、不燃物等を溶融する施設をいう。熱分解と溶融を一体で行う方式と分離して行う方式がある」とあります13)。
一般的に焼却施設はごみを燃やして灰にするものですが、溶融施設とは灰を高温で溶かしてさらに減容化する施設です。図-8に示すようにストーカ式は耐熱鋳物で製作した火格子というブロックを組み合わせてストーカという燃焼床を作り、その上でごみを焼却するものです。
図-8 ごみ焼却施設のイメージ
流動床式は焼却炉内部に砂を入れ、炉の下部から送られた空気により砂の流動する空間（流動床）でごみを燃焼するものです。ストーカ式や流動床式燃焼施設は燃焼ガス温度は900℃前後ですが、溶融施設のそれは1,300～1,450℃の高温で灰を溶融します。
これらのごみ焼却の大きな利点はごみを大幅に減容できることです。焼却後に発生する焼却灰と飛灰の割合は、それぞれ7.5～12.5％，2～4％程度です。すなわち、ごみを10％～17％まで減容化できることが分かります14)。これは、埋め立て地を確保できない大都市部では非常に大きなメリットとなります。
一方、ごみ焼却施設はこのような高温で燃焼させるために化石燃料を使います。溶融の場合はコークスなどを使って高温にしています。また、溶融をしない場合でも、焼却施設の立ち上げ（メンテナンス後の立ち上げ、年4回程度）には重油や灯油を利用します15)。温室効果ガスの排出という観点からは、化石燃料を燃焼・溶融のために使用することに課題があります。
さらに、ごみ焼却炉の年間稼働日数は280日程度です。これは、高温にさらされる焼却炉の炉材や電気、機械設備の維持管理を行うためです。280日しか稼働しないため、ごみの焼却炉は2炉以上設置することが原則です。稼働していない期間にごみが蓄積していき、ストックヤードを大きく取る必要があるからです。
2炉の焼却炉の稼働状況を模式的に示したものが図-9です。1炉当たりの稼働日数は280日/年、150日間は1炉のみの運転、205日間は2炉運転、10日間は全炉停止します15)。その結果、1炉の稼働の場合は発電量が少なく、電気を購入する必要がある場合があります。
図-9 ごみ焼却施設の稼働パターン
（２）焼却施設とメタン化施設の比較
（ａ）エネルギー収支、二酸化炭素排出量
ここでは、焼却施設とメタン化施設のエネルギー収支、二酸化炭素排出を比較します。両者は処理の内容が異なるため、ごみ処理量が異なっていることに留意してください。可燃ごみ量84,000t/年を想定し、焼却施設は300t/日の能力（280日稼働）です。可燃ごみの25%（21,000t/年）を発酵対象物とし、メタン化施設は60t/日（350日稼働）の能力です。
メタン化の残りのごみ（63,000t/年）はプラスチック、紙、布類や木質類です。これらは分別して資源化し、資源化できないものは埋立するものとします。資源化と埋立にもエネルギーを要しますが、ここでは考慮しません。メタン化のケースをプラスチック等を究極的に分別収集して資源化する（焼却しない）、あるいはバイオプラスチックに転換するというカーボンニュートラルな理想のケースととらえます。
表-6に、焼却とメタン化の消費エネルギー量、発電量、二酸化炭素排出量の試算結果を示します。焼却は、①ガス化溶融炉（シャフト炉式）、②焼却炉（ストーカ式）＋電気式灰溶融炉、③焼却炉（ストーカ式）の3種です。①と②は溶融処理まで行い、③は焼却のみのケースです。メタン化は湿式中温の処理方式を想定しています。
表-6 焼却施設とメタン化施設のエネルギー収支、二酸化炭素排出量
| 施設名 | 単位 | ガス化溶融炉 | ｽﾄｰｶ式焼却炉 | ｽﾄｰｶ式焼却炉 | メタン化 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 処理方式 | シャフト炉式 | 電気式灰溶融炉 | 溶融炉なし | 湿式中温 | ||
| ごみ処理量 | 年間ごみ処理量 | t/年 | 84,000 | 84,000 | 84,000 | 21,000 |
| 稼働日数 | 日 | 280 | 280 | 280 | 350 | |
| 1日ごみ処理量 | t/日 | 300 | 300 | 300 | 60 | |
| 燃料使用量 | コークス原単位 | kg/t | 35 | － | － | － |
| コークス使用量 | kg | 2,940,000 | － | － | － | |
| 灯油原単位 | L/回 | － | 7,500 | 7,500 | － | |
| 1炉当り立上回数 | 回/炉 | － | 4 | 4 | － | |
| 灯油使用量 | L | － | 60,000 | 60,000 | － | |
| 電力エネルギー | 発電電力量 | kWh/年 | 24,589,915 | 21,531,267 | 23,472,526 | 4,886,700 |
| 消費電力量 | kWh/年 | 17,640,000 | 21,840,000 | 13,440,000 | 5,460,000 | |
| 購買電力量 | kWh/年 | 0 | 974,996 | 0 | 573,300 | |
| 売電電力量 | kWh/年 | 6,949,915 | 666,263 | 8,091,267 | 0 | |
| エネルギー起源 二酸化炭素排出量 | コークス | t-CO2/年 | 9,526 | － | － | － |
| 灯油 | t-CO2/年 | － | 149 | 149 | － | |
| 電力 | t-CO2/年 | 0 | 541 | 0 | 318 | |
| 合計 | t-CO2/年 | 9,526 | 691 | 149 | 318 | |
| 売電による二酸化炭素排出削減量 | t-CO2/年 | 3,857 | 370 | 4,491 | 0 | |
| プラスチックの 焼却による 二酸化炭素排出量 | ごみ含水率 | ％ | 40 | 40 | 40 | － |
| 廃プラ率(乾重量比) | ％ | 20 | 20 | 20 | － | |
| 廃プラスチック量 | t/年 | 10,080 | 10,080 | 10,080 | － | |
| プラCO2排出係数 | kg-CO2/t | 2,730 | 2,730 | 2,730 | － | |
| 廃プラ由来CO2 | t/年 | 27,518 | 27,518 | 27,518 | 0 | |
| 全二酸化炭素排出量 | 売電分削減を考慮 | t/年 | 33,187 | 27,839 | 23,177 | 318 |
| 売電分削減の考慮せず | t/年 | 37,044 | 28,209 | 27,668 | 318 | |
| ごみ量当り 二酸化炭素排出量 | エネルギー起源 | kg-CO2/ごみｔ | 113 | 8 | 2 | 15 |
| プラスチック起源 | kg-CO2/ごみｔ | 328 | 328 | 328 | 0 | |
| 合計 | kg-CO2/ごみｔ | 441 | 336 | 329 | 15 | |
| 売電分削減を考慮 | kg-CO2/ごみｔ | 395 | 331 | 276 | 15 | |
発電効率：焼却（2炉稼働時）13％、焼却（1炉稼働時）10%、メタン化：26%
二酸化炭素排出係数：電力0.555kg-CO2/kWh、コークス3.24 kg-CO2/kg、灯油2.49 kg-CO2/L
メタン化の消費電力量（260kWh/t）は参考文献9の事例の実績より、バイオガス発生量（150m3/t）は参考文献8の長岡市の事例より設定。
出所）焼却施設の試算値：廃棄物処理部門における温室効果ガス排出抑制等指針マニュアル
焼却の3つのケースは参考文献にある消費エネルギー、発電量、二酸化炭素排出量の試算結果をそのまま使用しています15)。メタン化の例では湿式中温のメタン発酵の事例をもとに、パラメータを設定して計算しています。
まず、プラスチックの焼却による二酸化炭素排出量（非エネルギー起源）は27,518t-CO2/年と焼却施設の3つのケースで共通の値となります。そして、エネルギー起源の二酸化炭素は「ガス化溶融炉（シャフト炉式）」は灰の溶融まで含むため多量のコークスを投入しその分の二酸化炭素排出量は9,526t-CO2/年です。その代わり、投入エネルギーが増えるので発電量が大きくなり、売電量が6,950千kWhとなり、それに伴う二酸化炭素排出量の軽減分は3,857t-CO2/年です。
「ストーカ式焼却炉＋電気式灰溶融方式」は使用される灯油のエネルギー分が少なく、さらに消費電力量が多いため、発電電力分で消費電力量を賄うことができず、電気を購入しています。そして、「ストーカ式焼却炉（灰溶融無し）」では消費電力量が少ないため売電量が多くなるという結果になっています。
その結果、焼却施設では「ガス化溶融炉（シャフト炉式）」のエネルギー起源二酸化炭素排出量が多く、「ストーカ式焼却炉（灰溶融無し）」が最も少なくなっています。焼却のどのケースもエネルギー回収による二酸化炭素排出の軽減を考慮しても、プラスチック焼却による二酸化炭素排出量を相殺できていません。
一方、メタン化は湿式メタン発酵であるため、排水処理に多くの電力を消費し発電量を超えて購入電力量（約573千kWh）を要しますが、二酸化炭素排出量はこの分の318t-CO2/年のみとなり、焼却施設に比べて非常に少ない排出量となっています。
この結果より、ごみ量当りの二酸化炭素排出量を計算して、比較したものを図-10に示します。メタン化と焼却の差は一目瞭然ですが、これがプラスチックの焼却をしないことによるメタン化施設の効果です。焼却施設の二酸化炭素排出量を軽減していくには、プラスチックの流通・消費を減らすか、プラスチックの分別収集による資源化を進めることが重要になります。
なお、図-10では売電を考慮した二酸化炭素排出量を折れ線で示していますが、これは脱炭素社会ではあまり意味を持ちません。脱炭素社会では電気の二酸化炭素排出係数がゼロになり、表-6の「売電による二酸化炭素排出削減量」がゼロとなってしまうからです。
（ｂ）環境汚染対策
続いて焼却施設とメタン化施設の環境汚染に対する規制項目を表-7に示します。焼却施設は様々な物質を燃焼して排気するため、様々な有害物質を排出する可能性があり、大気汚染防止法では多くの規制項目がかかっています。焼却施設の規模によっても、規制項目が変わっています。
一方、メタン化施設はバイオガス（成分はメタン、二酸化炭素、硫化水素等）を燃焼させるだけなので、大気汚染防止の規制項目はガスエンジンの燃料35L/h（重油換算値）以上の能力の場合に、窒素酸化物とばいじんの規制がかかるのみです9)。
表-7 焼却施設とメタン化施設の環境汚染に対する規制項目
| 施設 | 焼却施設 | メタン化施設 | |
|---|---|---|---|
| 規模 | 100t/日 | 200t/日 | ガスエンジン 燃料35L/h注)以上 |
| 大気汚染 | 硫黄酸化物、窒素酸化物、ばいじん ダイオキシン類、塩化水素 一酸化炭素（CO） 有害物質（カドミウム、鉛、水銀、 ヒ素、ニッケル、クロム） | 硫黄酸化物、窒素酸化物、ばいじん ダイオキシン類、塩化水素 有害物質（アニシジン、アンチモン、 N-エチルアニリン、N-メチルアニリン、 塩素、カドミウム、臭素、銅、鉛、 パナジウム、ベリリウム、水銀、ホスゲン、 ホルムアルデヒド、クロロニトロベンゼン、 マンガン） | ＜ガスエンジンを 使用する場合のみ＞ 窒素酸化物 ばいじん |
| 水質汚濁 | 水質汚濁防止法の有害物質、環境項目等 下水道法の有害物質、環境項目等 |
||
| 悪臭 | 悪臭防止法及び関連条例で定める規制項目 | ||
| 振動 | 振動規制法、騒音規制法及び関連条例で定める規制項目 | ||
出所）焼却施設：石川禎昭：ごみ焼却炉の選定と導入、オーム社、2004年、
メタン化施設：メタンガス化施設整備マニュアル（改訂版）、2017年3月
特に焼却施設の場合はダイオキシン類の生成が大きな課題です。日本では、焼却施設からの排気や焼却灰に高濃度のダイオキシン類が検出されたことから社会的に大きな問題になりました。その後、種々の対策が取られ現在は問題が顕在化することはありませんが、塩素化合物を焼却することによる有毒物質の排出が地球温暖化以上に重大なリスクとなることを再認識しておくことが必要です。
これらの汚染物質を除去するための施設が必要になります。ごみ焼却施設の排ガスの有害物質を除去する施設を表-8に示します。排ガスには多くの有害物質が含まれるため、除去施設は複数の施設を組み合わせることが必要です12)。
表-8 ごみ焼却施設の排ガスの有害物質を除去する施設
| 除去装置 / 有害物質 | ばいじん | HCL等 | SOx | NOx | 水銀等 | DXN |
|---|---|---|---|---|---|---|
| バグフィルター | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | ◎ | |
| 湿式洗煙装置 | ◎ | ◎ | ◎ | |||
| 無触媒脱硝装置 | ◎ | |||||
| 触媒脱硝装置 | ◎ | ◎ | ||||
| 活性炭塔 | ◎ | ◎ |
出所）石川禎昭：ごみ焼却炉の選定と導入、オーム社、2004年
これらの除去施設を稼働させる際はエネルギーだけでなく薬品を使用します。具体的にはバグフィルターは消石灰を、湿式洗煙装置では液体キレートや苛性ソーダを、触媒脱硝装置では白金、パナジウム、チタン等の触媒を使用します。また活性炭も定期的に洗浄や取替えが必要です。
さらに、ダイオキシン類は排ガスだけでなく焼却灰、飛灰、排水、汚泥にも含まれるため、多くの処理設備でその低減対策が取られます。そこで除去された廃棄物は特別管理廃棄物に指定されているため特定の処分方法で処分する必要があります。ごみの焼却によっていかに多くの有害物質が排出され、その対策がいかに難しいか垣間見ることができたと思います。
メタン化の場合はバイオガスの中にはメタンと硫化水素を含むため、その安全対策が必要です。メタンの爆発・火災対策として、漏洩ガス検知器、貯留設備、燃焼設備に逆火防止装置を設置するなどです。硫化水素対策としてバイオガスの漏洩防止や脱硫装置の設置により、解決することができます9)。
＜参考文献＞
1）野池達也編：メタン発酵、技法堂出版、2009年5月
2）IEA Bioenergy: AD of the organic fraction of MSW, System overview for source and central separated waste, EU
3）IEA：Biogas from Municipal Solid Waste, Anaerobic Digestion of MSW, 1994
4）矢野聡：有機系廃棄物のバイオガス化・資源化、メビウスシステム・REMシステム、環境技術、Vol.29、No.9、2000
5）久芳良則：汚泥再生処理センターの動向、REMシステムについて、環境技術、Vol.27、No.12、1998
6）坂上正美：汚泥再生処理センターの動向、リネッサシステムについて、環境技術、Vol.27、No.12、1998
7）環境省：エネルギー回収型廃棄物処理施設整備マニュアル、2014年
8）李玉友、他：バイオメタン・バイオガス研究の応用と最新技術、廃棄物資源循環学会誌、Vol.32、No.4、2021
9）環境省：メタンガス化施設整備マニュアル（改訂版）、2017年3月
10）環境省：一般廃棄物処理実態調査、処理状況、全体集計結果（ごみ処理体制）、2021年度
11）高岡好和・河村公平・角田芳忠：南但地域における可燃ごみのバイオガス化と焼却のコンバインドシステム、廃棄物資源循環学会、V0l25、No1、2014
12）石川禎昭：ごみ焼却炉の選定と導入、オーム社、2004年
13）環境省：ごみ焼却施設性能指針、厚生省・生衛発第1572号、1998年
14）松藤敏彦：一般廃棄物全連続式焼却施設の物質収支・エネルギー収支、環境研究総合推進費補助金 研究事業、2012年3月
15）環境省：廃棄物処理部門における温室効果ガス排出抑制等指針マニュアル、2012年３月