| Project/Area Number |
23K04084
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
羽深 昭 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30735353)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | バイオガスアップグレーディング / 嫌気性消化 / Power to Gas / 水素 / 嫌気性膜分離 / 水素資化性メタン生成菌 / 膜分離 / 創エネルギー |
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| Outline of Research at the Start |
近年，申請者はメタン発酵槽を小さくできる嫌気性膜分離リアクター（嫌気性MBR）を用い，水素ガスを供給することでバイオガス中の二酸化炭素をメタンへ転換し，メタン濃度を90%以上まで高めることに成功した．これはバイオメタネーション反応（CO2+4H2→CH4+2H2O）と呼ばれる．本研究では水素ガスだけでなく二酸化炭素も併せて外部から供給し，メタン生成量増加を図る．本研究の目的は嫌気性MBRの下水汚泥メタン発酵性能とバイオメタネーション性能を明らかにすることである．このようなリアクターが開発できれば，バイオガス中メタン濃度を高めると同時に，各種事業所から発生する二酸化炭素をメタンへと転換できる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
下水汚泥のメタン発酵で得られるバイオガスの組成は約60％がCH4であり，残りの約40%がCO2である．バイオガスアップグレーディングはバイオガス中のCH4濃度を90%以上まで上昇させ，バイオメタンとする技術である．バイオガスをバイオメタンとすることで利用用途が拡大する．生物学的バイオガスアップグレーディングは物理化学的手法と比較して，穏やかな条件下でバイオガス中のCO2をCH4へと変換できることから，近年注目を集めている．これはバイオリアクター内に外部からH2を供給し，水素資化性メタン生成菌の働きを利用してバイオガス中CH4濃度を高めるものである．生物学的バイオガスアップグレーディングの中でもEx-situ方式はバイオガスが生成するメタン発酵槽とバイオガスアップグレーディングがなされるリアクターが別々であるため，既存のメタン発酵槽の運転条件等を大きく変更せずにすむ．本研究では嫌気性微生物を高濃度に保持することのできる嫌気性膜分離リアクター（AnMBR）を研究に用いた．
2023年度は高温AnMBRを用いてEx-situバイオガスアップグレーディングを行った．CH4濃度90%以上を達成することを目的とし，その際の最大ガス負荷速度と供給するH2/CO2比を検討した．まず，余剰活性汚泥を基質とし，完全混合型リアクターで高温メタン発酵を行った．これにより得られたバイオガスとH2をAnMBRに供給した．ガス負荷速度と供給するH2/CO2比を変更してAnMBRの連続運転を行った結果，平均CH4濃度97.9%のバイオメタンを得ることに成功した．このときのH2/CO2比は 5.3/1 であり，Ex-situ CH4生成速度は0.21 L/L/dであった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
CH4濃度に関してはバイオガスアップグレーディングの目標である90%以上を達成した．また，Ex-situ方式に関しては当初研究目標であった最大ガス負荷速度とCH4生成速度を明らかにした．また，菌叢解析も実施済みであり，膜分離とH2添加の影響によりAnMBR内では水素資化性メタン生成菌（特にMethanobacterium）が徐々に支配的となることが明らかとなった．膜分離技術の課題は膜の目詰まりによる膜ろ過性能の低下だが，膜ろ過性能を回復させるための膜洗浄方法に関しても既に検討を進めている．2023年度は分離膜を交換することなくAnMBRを200日以上連続運転でき，運転終了後の分離膜を物理的および化学的に洗浄することで，新膜と同水準の膜ろ過性能まで回復できることが分かった．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はH2溶解を促進するようにAnMBRを改良する．リアクターの形状，H2の供給方法等を検討し，H2溶解を促進させる．これによりガス負荷速度とCH4生成速度を向上させ，AnMBR装置の性能向上に取り組む．
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