バイオガス精製とは？ 脱硫・CO₂除去の方式と原理を解説

バイオガスプラントで生成されたバイオガスには、メタン（CH₄）のほかに硫化水素（H₂S）、二酸化炭素（CO₂）、水分、シロキサンなどの不純物が含まれています。

バイオガス精製とは、これらの不純物を取り除き、利用目的に応じたガス品質まで高める工程です。

除去する対象によって、H₂S・水分・シロキサンなどを取り除く「ガスクリーニング」と、CO₂を除去してメタン濃度を高める「アップグレーディング」に分けられます。

どこまで精製するかは用途によって決まり、発電利用であれば脱硫が中心ですが、都市ガス導管への注入やバイオメタン製造ではCO₂除去まで必要になります。

この記事では、不純物の影響と用途別の要件を整理し、そのうえで脱硫の3方式と、脱炭酸（CO₂除去）の4方式について解説します。

装置の仕様や導入コスト、メーカー選定については「バイオガス精製装置の種類と選び方　脱硫・CO₂除去装置」をご参照ください。

バイオガスの不純物と用途別の精製レベル

メタン発酵で生成されるバイオガスの組成は、一般的にメタン50〜70%、二酸化炭素30〜50%で、そのほかに硫化水素、水蒸気、窒素、酸素、アンモニア、シロキサンなどの微量成分を含みます。

これらの不純物は、設備の腐食、発熱量の低下、堆積物によるエンジン故障といった形でプラント運用に直接影響します。そのため、精製工程は不純物ごとに異なる技術を組み合わせて構成されます。

窒素はメタンと分子径が近いため、CO₂除去とは別工程での分離が必要で、埋立地ガスのようにガス井から空気を引き込む原料で問題となります。

主流はPSA（分子ふるい型吸着剤を用いて窒素を選択的に吸着させる方式）で、窒素濃度が高い埋立地ガスでは、深冷分離（低温蒸留）も採用されています。

このように原料組成によって精製設計は大きく変わるため、計画段階でのガス分析が出発点になります。

参考記事：バイオガスの主成分とエネルギー特性

参考記事：埋立地ガス（LFG）とは？ 組成・回収方法と3つの用途

用途別の必要メタン濃度・H₂S上限

※ 参考：国土交通省「下水汚泥エネルギー化技術ガイドライン（平成29年度版）」表-4.14

なお、都市ガス導管注入の1.0mg/m³は、ガス事業者がバイオガスを受け入れる際の購入条件の例です。

これとは別に、ガス事業法関係法令が都市ガス全般の法定上限として、標準状態の乾燥ガス1m³あたり硫黄全量0.5g、硫化水素0.02g（＝20mg）、アンモニア0.2gを定めています。

導管注入を目指す場合は、法定上限を満たすだけでは足りず、受入先事業者の条件まで確認する必要があります。

発電・燃料電池のH₂S許容値

H₂S濃度が高い状態でガスエンジンを運転すると、燃焼生成物が潤滑油を酸性化させ、オイル交換頻度とメンテナンスコストが増大します。

同じエンジンでも、入口H₂S濃度によって維持管理費が変動するため、脱硫レベルは機器の「保護基準」ではなく「収支項目」として設計すべきです。

マイクロガスタービンは燃焼・潤滑方式の違いから、H₂S耐性が比較的高いものの、許容値はメーカー仕様によって大きく異なります。

また、環境規制への対応や排熱回収機器の保護を考えると、仕様上の許容値よりも低いH₂S濃度が望ましい場合もあります。

要求水準が最も厳しいのは燃料電池です。硫黄は改質触媒とセルスタックの両方を被毒させるため、微量でも運転寿命に直結します。

参考記事：バイオガスプラントの発電機・コージェネレーションシステム(CHP)

参考記事：下水処理場のバイオガス発電　下水汚泥のエネルギー化

都市ガス導管注入の要件　熱量調整と付臭

バイオメタンを都市ガス導管に注入する場合は、天然ガスと同等の品質基準を満たす必要があります。

日本特有の要件となるのが熱量調整です。国内の都市ガス13Aは、標準熱量が約45MJ/m³に設定されているのに対し、CO₂を除去したバイオメタンの熱量は約40MJ/m³にとどまります。

そのため、導管注入にあたっては、LPG（プロパン・ブタン）を添加して、熱量とウォッベ指数を合わせる工程が必要になります。

熱量調整設備とLPG調達コストは、海外のバイオメタン事業には存在しない国内固有の負担であり、事業性評価では見落とせない項目です。

あわせて、ガス漏れ検知のための付臭（メルカプタン類の添加）も必須となります。

国内では、鹿追町・エア・ウォーター・帯広ガスの3者が、バイオメタンを都市ガス導管へ混入する国内初の取り組みについて共同検討を進めており、2026年度内の利用開始を目標としています。

初年度は帯広ガスの供給量の0.1%、2030年度には1%をバイオメタンに置き換える計画です。

参考記事：国内初のバイオメタン都市ガス利用へ　北海道鹿追町・エア・ウォーター・帯広ガスが連携

脱硫の3方式と発生源対策　生物脱硫・乾式脱硫・湿式脱硫

脱硫はバイオガス精製の最も基本的な工程で、除去方法は「生物脱硫」「乾式脱硫」「湿式脱硫」の3つに分類されます。

生物脱硫

硫黄酸化細菌（Thiobacillus属やAcidithiobacillus属など）の代謝作用を利用して、硫化水素を単体硫黄（S⁰）や硫酸（SO₄²⁻）に酸化分解する方式です。

吸着剤や薬品を必要としないためランニングコストが低く、中〜大規模プラントの一次脱硫として広く採用されています。

方式は2種類あります。インサイチュ（In-situ）方式は、メタン発酵槽の気相部へ少量の空気（酸素量0.5〜2%程度）を導入し、槽内に生息する硫黄酸化細菌でH₂Sを分解します。

追加設備が不要な反面、バイオガス中に窒素が混入してメタン濃度がわずかに低下します。外部方式は専用の生物脱硫塔（バイオスクラバー）を設置する方式で、除去効率と制御性に優れます。

ただし、いずれも微生物の活動が前提となるため、温度（25〜40℃）やpH、空気注入量の精密な管理が欠かせず、H₂S濃度の急激な変動への追従性には限界があります。

乾式脱硫（化学吸着方式）

酸化鉄（Fe₂O₃）を含浸させたペレットや、活性炭を充填した吸着塔にバイオガスを通過させ、H₂Sを化学吸着で除去する方式です。

酸化鉄法では、以下の反応によりH₂Sが硫化鉄（Fe₂S₃）として固定されます。

Fe₂O₃ + 3H₂S → Fe₂S₃ + 3H₂O

使用済みの酸化鉄ペレットは、空気中の酸素で再生（2Fe₂S₃ + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + 6S）できますが、再生回数には限界があり、最終的には産業廃棄物として処理する必要があります。

一方、活性炭吸着法は、H₂Sを1ppm未満まで低減する精密脱硫（仕上げ処理）に適しています。

設備がコンパクトで操作も容易なため、小〜中規模プラントや、生物脱硫の後段に設置する多段構成で広く用いられています。

湿式脱硫（化学吸収法・水洗法）

NaOH水溶液、キレート鉄溶液、アミン系溶液などの液体吸収剤を循環させる洗浄塔（スクラバー）にバイオガスを通し、H₂Sを化学的に吸収・除去する方式です。

数千ppm以上の高濃度H₂Sでも安定した除去性能を発揮するため、大規模プラントや産業排水処理施設に適しています。

ただし、薬品コストと廃液処理が発生し、スクラバー本体には耐腐食設計（SUS316L、FRP等）が求められます。

脱硫方式の比較

実務では、一次脱硫に生物脱硫を据え、仕上げに乾式脱硫（活性炭塔）を組み合わせる多段方式がよく採用されます。

発酵槽側でのH₂S抑制　鉄塩添加

脱硫コストを下げるもう一つの有効な手段が、そもそもバイオガス中にH₂Sを発生させない前段対策です。

代表的な方法が鉄塩添加で、発酵槽に塩化第二鉄（FeCl₃）や硫酸第一鉄（FeSO₄）を投入し、硫化物イオンを硫化鉄として消化液側に沈殿固定します。

気相へ移行するH₂Sを大幅に削減できるため、後段の吸着剤消費量と交換頻度を直接低減できます。

薬剤費が発生するため、H₂S濃度が高い原料ほど投入量も増え、単独での経済性は必ずしも有利になりません。

IEA Bioenergy Task 37も、鉄塩添加は高硫黄原料における一次的な措置、またはH₂S濃度がある程度高くても許容される用途向けの手法として位置づけています。

ただし、過剰添加は微生物活性や消化液の性状に影響するため、H₂S濃度をモニタリングしながら投入量を調整することが前提となります。

参考記事：バイオガスプラント　メタン発酵プロセスのモニタリングとトラブル対策

脱炭酸（CO₂除去）の4方式と性能比較

バイオガスをバイオメタン（メタン濃度95%以上）へアップグレーディングするには、CO₂の効率的な除去が不可欠です。主要な技術は次の4つです。

• 膜分離法（ガス分離膜）
• PSA法（圧力スイング吸着法 Pressure Swing Adsorption）
• 化学吸収法（アミンスクラビング）
• 加圧水吸収法（水スクラビング、PWS）

膜分離法（ガス分離膜）

高分子膜（ポリイミド膜やセルロースアセテート膜など）におけるガス透過速度の差を利用して、CO₂とメタンを分離する技術です。

バイオガスを加圧（通常6〜10 bar）して膜モジュールに通すと、CO₂は膜を透過してパーミエート側へ排出され、透過しにくいメタンはリテンテート側に濃縮されます。

モジュールを多段化することで純度とメタン回収率を高められ、スケールアップも容易です。可動部が少なくメンテナンス性に優れ、コンパクトに設計できる点も特徴といえます。

初期の設計は最大30 barの高圧で運転され、メタン損失が最大25%に達していましたが、現行の設計は約8 barで運転し損失を大幅に低減しています。この改良が近年の普及を後押ししました。

PSA法（圧力スイング吸着法　Pressure Swing Adsorption）

カーボンモレキュラーシーブ（CMS）や、ゼオライトなどの吸着剤を充填した吸着塔に加圧バイオガスを通し、CO₂を選択的に吸着させてメタンを回収する技術です。

吸着が飽和したら減圧（スイング）して吸着剤を再生し、複数の塔（通常4基・6基・9基）を並列運転することで連続処理を実現します。薬品も水も使用しないドライプロセスである点が特徴です。

ただし原料ガス中のH₂Sは吸着剤に不可逆的に吸着され、水分は吸着剤の構造そのものを破壊します。PSAでは前段の脱硫と除湿が必須条件であり、この点が方式選定時に見落とされやすい制約です。

国内では旭化成が、独自のPVSA（Pressure Vacuum Swing Adsorption）方式を開発し、岡山県倉敷市の下水処理場での実証試験で、メタン純度97%以上・回収率99.5%以上を達成しています。

参考記事：旭化成が高純度バイオメタン精製の実証試験に成功

化学吸収法（アミンスクラビング）

アミン系吸収液（モノエタノールアミン：MEA、メチルジエタノールアミン：MDEAなど）にCO₂を化学反応で吸収させ、加熱再生塔でCO₂を放散させて、吸収液を繰り返し利用する方式です。

化学反応が強く選択的に働くため、メタンスリップ（精製排ガスへのメタン漏出）を0.1%程度まで抑えられ、4方式で最小です。

一方で吸収液の再生に160℃級の熱を必要とするため、CHPの排熱を利用できる環境が事実上の前提条件になります。逆に言えば、排熱の有無がこの方式を選べるかどうかを決めます。

加圧水吸収法（水スクラビング、PWS）

加圧下ではCO₂がメタンより水に溶けやすい性質を応用し、吸収塔でバイオガスと水を向流接触させてCO₂を除去する方式です。CO₂を溶かした水はフラッシュタンクと脱離塔で再生し、循環利用します。

原理がシンプルで薬品を使用しないため運転は安定しますが、大量の水と循環動力が必要になります。スウェーデンやドイツなど欧州で長く使われてきた技術で、中〜大規模プラントでの採用実績が豊富です。

脱炭酸技術の性能比較

なお、メタンロスを下げることは技術的にはしばしば可能ですが、その代償としてエネルギー消費が増大します。カタログ上の最良値だけで方式を比較すると、運転時の電力費を見誤ることになります。

メタンスリップが事業収支に与える影響

方式選定でエネルギー消費と並んで重要なのが、精製排ガス（オフガス）に同伴して失われるメタンの量です。メタンスリップは環境負荷であると同時に、そのまま販売収入の逸失を意味します。

たとえば処理量500 Nm³/h、年間8,000時間稼働、メタン濃度60%のプラントでは、原料ガス中のメタンは年間およそ240万Nm³になります。

メタンスリップが3%の方式と0.5%の方式では、年間の逸失メタンに約6万Nm³の差が生じます。装置価格の差が数千万円あったとしても、稼働年数を通じて見れば回収可能な水準になり得ます。

さらに欧州では、メタンスリップが制度上のコストに直結します。

EUメタン規制（2024/1787）はバイオメタンの精製設備そのものを直接の対象としていませんが、RED（再生可能エネルギー指令）のGHG削減基準では、精製工程で漏出したメタンがバイオメタンの炭素強度に上乗せされます。

つまりメタンスリップの大きい方式は、販売収入を失うだけでなく、環境価値の評価まで下げることになります。

メタンスリップの大きい方式を選ぶ場合は、オフガスを処理するRTO（蓄熱式燃焼装置）や触媒酸化装置、あるいはオフガスをプラント内で再利用する構成が併せて必要になるため、その分の設備費と電力消費も比較対象に含めるべきです。

脱炭酸技術の採用シェア

欧州バイオガス協会（EBA）の「EBA Statistical Report 2025」によると、欧州のバイオメタンプラントのおよそ半数が膜分離法を採用しています。

膜分離のシェアは10年前の約20%から着実に上昇しており、モジュール式で拡張しやすいことから新規プラントでの採用が拡大しています。

一方で、加圧水吸収法はドイツやスウェーデンの既設プラントに、化学吸収法（アミン）はデンマークの大規模案件に多いなど、方式の分布は国ごとに大きく異なります。

国内では、東京ガスが膜分離法をベースとした独自のバイオガス精製システムを開発し、2025年度の日本ガス協会技術賞を受賞しました。

鹿児島市南部清掃工場で2022年から商用運転を行っており、メタン濃度98%時にメタン回収率90%以上を達成しています。

参考記事：東京ガスのバイオガス精製技術が日本ガス協会技術賞を受賞

除湿・脱シロキサンなど補助的な精製工程

脱硫・脱炭酸と並び、除湿と脱シロキサンも精製ラインに欠かせない工程です。

メタン発酵槽から排出されるバイオガスは飽和水蒸気を含むため、ガス冷却器（チラー等）でガス温度を5〜10℃まで下げて凝縮水を分離します。

後段に膜分離装置やPSA装置を置く場合は、装置保護のため吸着乾燥器（シリカゲル、モレキュラーシーブ）で露点をさらに下げる必要があります。

シロキサンは下水汚泥や埋立地ガスに含まれるケイ素化合物で、含有量は原料によって大きく異なり、家畜ふん尿主体のプラントではあまり問題になりません。

除去には活性炭吸着が用いられ、燃料電池利用など高い精製度が求められる用途では、0.1 mg/m³未満までの精密除去が必要になります。

なお埋立地ガス（LFG）は、シロキサンに加えて塩素・フッ素化合物を含むため、改質用途では触媒被毒を防ぐ高度な前処理が求められます。

参考記事：埋立地ガス（LFG）とは？ 組成・回収方法と3つの用途

精製CO₂の有効活用（CCU）

脱炭酸工程で分離・回収されるCO₂は、CCU（Carbon Capture and Utilization）の原料として注目されています。

バイオガス由来のCO₂は生物起源（バイオジェニック）であり、化石燃料由来より炭素勘定の面で有利とされるためです。

活用先としては、農業用温室への供給、食品・飲料向けの液化CO₂、ドライアイス製造がすでに商用化しています。

欧州バイオガス協会（EBA）によると、2024年時点で70基のバイオメタンプラントが年間61万トンの生物起源CO₂を回収しており、そのうち75%がCCUに仕向けられています。

用途別では温室が32%と最大で、食品・飲料が21%、e-fuelが10%と続きます。

一方、グリーン水素と組み合わせたメタネーションによるe-メタン製造や、微生物にCO₂を取り込ませるガス発酵は、まだ実証段階にあります。

なお、回収されるCO₂の純度は脱炭酸方式によって異なります。食品グレードでの販売まで視野に入れる場合は、精製方式の選定段階でCO₂の出口を含めて設計する必要があります。

関連記事：「CO2利用・カーボンリサイクル」の関連記事一覧

まとめ　精製方式選定の考え方

バイオガス精製は、用途から逆算して必要な品質を決め、その水準を最も低いコストで満たす組み合わせを選ぶ工程です。

CHP利用が主目的であれば、生物脱硫と活性炭による多段脱硫と、除湿・脱シロキサンを組み合わせた構成で要求水準を満たせます。

一方、バイオメタン化や都市ガス導管注入を目指す場合は、脱炭酸技術の選定に加えて、熱量調整・付臭・品質記録といった制度対応まで含めた設計が必要になります。

脱炭酸方式については、処理規模と排熱の有無が実質的な絞り込み条件となり、そこにメタンロス（メタン回収率の差）を加味して比較するのが実務的な進め方です。

具体的な装置仕様や導入コスト、メーカーの選定基準については、下記の関連記事で解説しています。

関連記事：バイオガス精製装置の種類と選び方　脱硫・CO₂除去装置

バイオガス精製　参照データ・出典・関連記事

IEA Bioenergy：Biogas upgrading technologies – developments and innovations

国土交通省：下水汚泥エネルギー化技術ガイドライン

環境省：メタンガス化施設整備マニュアル

EBA：EBA Statistical Report 2025（ウェビナー資料）

関連記事：バイオガスプラントの仕組み　基礎知識やメリット・建設コストを解説

関連記事：バイオガス精製装置の種類と選び方　脱硫・CO₂除去装置

関連記事：バイオガスの主成分とエネルギー特性

関連記事：バイオガスプラントの発電機・コージェネレーションシステム(CHP)

用語集：バイオガス・バイオメタン用語集

バイオガスプラントのご相談はお気軽に

プロジェクトの事前調査

事業実現性を検証するため、事業性評価(FS)や各種規制、FIT・FIP、補助金の調査を行います。

バイオガスプラントの設計施工

バイオガスプラントの設計から施工まで、プラント工事に関する関連業務を支援します。

設備・CHP 保守メンテナンス

バイオガスプラントを安定的に運転するため、設備機器やCHPの保守メンテナンスを行います。

プラント再稼働・再生

ガスが発生しない、設備が稼働しない、収支見直しなどプラント運営の問題点を解決します。