Anammox ブ口セスに適したリアクターの検討

水環境学会誌 1 a n r u o J J f o a p a n y t e i c o S 1 1 0 Water n t m e n r o v i E n Vo . 1 8 2 ， No ， 3 .

pp.185~

0 9 1 ) 5 0 0 2 (

〈 論 文 一 Original Paper >

Anammox ブ口セスに適したリアクターの検討

今 城 麗 * 徳 富 孝 明 * 古 川 憲 治

Evaluation ofVarIous Reactor Types for the Anammox Process

Urara IMAJO*'* Takaaki . * TOKUTOMI*and Kenji FURUKA W A * * *

* K a t i r u r e t a W s e i r I

1

t

l

s u d t L . d 1 ， - 7 y a i m k a a W o t a s o n ， i r o M i g u ， s t A y t i c a w ， a g a n a K 4 2 1 0 - 3 4 2 n ， a p a J

* * D p e . t v i C f o 1 i d 1 n a a t n e m n o r i v n E i g n E n

1

i

l

r e e ， e g t a u d a r G 1 o o h c S e c n e i c S f o d n a y g o l o n h c e T ， o o t a m u m K y t i s r e v i n U 1 - 9 ， 3 - 2 i m a k o r u K ， K

u m a m o t

o y t i c ， t o m o m a K u 5 5 5 8 - 0 6 8 n ， a p a J

持

者 *

申

p e D . l i v t i C f o g n i r e e n i g n E e d r n u a t c e t i h c r A ， o o t m m a u K y t i s r e v i n U 1 - 9 ， 3 - 2 i m a k o r u K ， a r m u K o t 】， 0 1 y t i c ， o o t a m m K u 5 5 5 8 - 0 6 8 n a ， p a J A

b s t r a c t

To e e t a u l a v e h t i f f e s s e n 巴 e v i t c v f o s u o i r a r o t c a e r 匂 s e p ' r o f c i b o r e a n a ammonium n o i t a d i x o ( a n a m m o x ) ， r u o f s e p y t f o r

e a c t o

r ， a s g n i c n e u e q h

^聞

c t a b r o t c a e r ， a f d e b - d e x i r o t c a e r h t i w nonwoven i r r a c

巴

s r ， d e b - d a f e z i d i u l r o t c a e r h t i w d e p a h s - e b u t a

t t a c h m e r i

t s r e i r r a c ， d a n d e z a f i d i u l ゐ 巴 d r r o t c a e h t i w c i n g e o a n h e t m s e l u n a r g c s s a r e i r r a ， e r e w . d e i n m a e x i l e W h y t i v i t c a n i t

h

e g n i c n e u q e s ゐ h c t a r o t c a e r y l l a n o i s a c c o d e s a e r c e d y d l e r k a m ， e a s l b a t n e g o r t i n a l o v m r e was d e n i a t n a i m r o f 2 0 0 s y a d n i t

h

e d e b - d e x i f d a n d e b - d e z i d i u l f . s r o t c a e r t I d e r e a p p a t a h t e h t m l i f o i b mode w a s t o n t c e t i b i h n i b y o n y g e x u e d o t e h t h g i h b

i o m a s

s y t i s n e d d n a e h t e c n e t s i x e o f o g m i n s u o n - c e n x y g s m s n i a g r o o r c m i o n t e h m l i f o i b . e c a f r u s However h ， t w r o g r e o v n o t

h

e nonwoven n d a s r e i r r a c d e p a h s - e b u t s m e t i m e s o d e t l u s e r n i s a g t n e m p a t r n e n d a e h t n o i t a t a o l f . c f s o r e i r r a r e t f A 3 7 1 d

a y

s o f o n o i t a r e p ， e h t maximum n e g o r t i n l a o v m r e e t a r t o f e h d e z i d i u l f 七 d r e r o t c a e g n i s u i c n g e n o a t h m e s e 1 u n a r g s a c

a r r i e r

s was 2.87kg N'm

・

3・ ¥ - d c h w h i was e h t h g i h 巴 t among s e s e h t r u o f : s r o t c a e r g n i r e d s i n o C s s m a i o b t n e m h c a t t a d n a h

y d r o d y n a m i

c n g x i i m t c a r a h c s c i t 巴 s i r n i n o i t i d d a t o t t n e m t a e r y c n e i c i f f e ， e h t e s u m f o c n i g e n o h a e t s e l u n a r g a s a t n e m h c a t t c

a n i e r

s a f n i d e z i d i u l ゐ d r e r o t c a e e d r a e p a p b o t t e e h s t m o e v i t c e f f e r o f e h t o x m r n a n a . s s e c o r p Key words : anammox c i ， b o r e a n a o n i u m o x i d a t i a m m o n ， i u m a m r n o n e t i r ， t i n n o i t a c i f i r ， t i n e d

1 8 5

1.はじめに

近年，水環境の富栄養化防止の観点から窒素規制が強 化され，窒素除去のニーズは高まっている

o

窒素除去方 法には対象排水に応じて物理化学的方法，生物学的方法 のいくつかの選択肢があるが，種々雑多な成分の排出が 予想される下水処理場や工場排水の処理には生物学的 方法が使用されることが多い。生物学的方法は，アンモ ニア酸化細菌および亜硝酸酸化細菌を用いて好気条件

で NH 4-N を酸化する硝化工程と，脱窒細菌を用いて嫌気

条件で N0 2 ・ N' N0 3

^副

N を窒素ガスに還元する脱窒工程と を組み合わせた硝化/脱窒法が最もよく知られており 実施例も多い。しかし，硝化工程においては排水中の

NH 4-N を完全に硝化するための曝気動力とアルカリ添加，

また脱窒工程においては脱蜜反応の電子供与体となる 有機物としてのメタノール添加のコストが高いことが 指摘されている。

オランダ・デルフト工科大学の研究グ、ループにより発 表された Anammox (嫌気的アンモニア酸化: i c e r o b A N a AMMonium n ) o t i d a i O X は，無酸素条件下で、 N0 2 ・ N を電子 受容体として NH 4-N を酸化し，ヒドラジンを中間生成物 として窒素ガスへ変換する，既知の生物の窒素代謝経路 とは全く異なる，微生物による酸化還元反応であり，代 謝経路および蔚体の増殖を加味した反応式は以下のよ

うに表されているい 。

9

)

1NH/ + 3 . 1 2NO 正+ 0.066HC0 3- + + 3 H . 1 0

→1. 02N 2+O.26N0 3-+ s o . l s N 0 o C H 2 6 6 0 . 0 + . 0 3 H 2 20

N

₂

H

₄ ^ノ

- > ; f N

₂

( 1 )

F i g

. 1 T h e c i l o b a t e m y a w h t a p ANAMMOX f o s s e c o r p

牢

莱悶工業(株)技術開発センター 〒 3 4 2 4

・

2 1 0 神奈川県厚木市森の里若宮 1 - 7

** 熊本大学大学院自然科学研究科環境共生科学専攻 〒 0 6 8 5 ・ 5 5 8 熊本市黒髪 2 丁目 1 - 9 3

*** 熊本大学工学部環境システム工学科 〒 0 6 8 5 ・ 5 5 8 熊本市黒髪 2 丁目 9 3 ・ 1

Vo . ) 5 l 0 8 0 2 2 ( ) : . o N 3 9 -

流入する NH

4

-N の約半量をN0

2^同

N へ酸化する部分亜硝 酸化プロセスと Anammox プロセスの組合せによって窒 素除去を行うことにより，従来の硝化/脱窒プロセスと 比較して，理論必要酸素量は約 6寄1，硝酸除去のための有 機物添加量は約9害

JI

の低減が可能である。また硝化反応，

Anammox 反応ともに独立栄養性微生物による反応であ

るため，発生汚泥量も約 8 苦 手 j の低減が見込める1.

0)

我々は，運転コストの大幅な低下が期待できる有望な 窒素除去法としてAnammox に着目し，活性汚泥からの

Anammox 微生物の集積培養を試み，工業排水処理プラン

トの脱窒汚泥および養豚排水と下水の混合処理プラント の硝化脱蜜汚泥から，それぞれ種類の異なるAn ammox 微 生物を培養することに成功した

1 0)

。

Anammox 反応を実際の窒素処理プロセスに適用する

ためには， Anammox 汚泥の窒素除去速度，運転条件など 多くの事項を明らかにする必要があるが，まず最も適し たリアクター形状を選定することが必要である。生物リ アクターの形状 l こは浮遊増殖型，固定床型，流動床型，

自己造粒型等がある。浮遊増殖型は生物担{本が不要であ り，最も簡単な設備で笑施可能で、ある。しかし，沈殿槽 あるいは単一槽の場合は沈殺時間が必要であり，流入SS 量が多いと処理に必要な微生物の SRT が確保されず系内 に保持できなくなるという欠点を有する。国定床・流動 床は微生物を担体表面に固定化するため増殖速度の遅い 微生物を利用する場合に適しており，流入 SS にも対処可 能である

o

また沈殿槽が不要であるどいう利点を持つ。

負荷は担体表面積に比例するため，一般的に固定床より 流動沫の方が高い負荷を期待できる。しかし，設備面で は装置形状が複雑になり，また拐体のコストが必要とな るという欠点がある。自己造粒型は流動床型よりもさら に高い負荷が期待でき，また担体の必要もないという利 点を有するが，処理を担う微生物が自己造粒能を有して いなければならず，造粒には長い時間が必要と考えられ る。造粒促進のための手段として，カノレシウム，マグネ シウム，重金属といった無機成分の添加や

s

タンパク質 加水分解物，ポリマーの添加，また核となる微小な物質 を 用 い る 方 法 が 提 案 さ れ て い る

1 1 - 1 6)

。 し か し

Anammox 微生物に適用した場合に要する期間は不明で

あるため，本研究では，メタン菌グラニュールの表面に

Anammox 微生物を付着させて擬似 Anammox グ、ラニュー

ルとした。

本研究の目的は，集積培養によって得られた Anammox 微生物を用い， Anammox プロセスの実用化へ向けて最適 なリアクター形状についての検討を行うことである。浮 遊増殖型，固定床型，担体の異なる 2 種類の流動床型の培 養装置を用いて長期連続培養を行い，容積負荷，処理の 安定性について比較を行った。

2

. 実験方法

2 .

1 種汚泥

種汚泥には，硝酸排液を処理する工業排水処理プラン 卜の脱窒汚泥を回分培養し， Anammox 微生物を約 1年間 集積培養したものを用いた

10)

。この汚泥のアンモニア 除去速度は， 0 . 2 6 0 g NH

₄

- N ' g P - n i t e o r

¹

・ l - y a d であった。

2 .

2 実験装置

浮遊増殖型リアクターとして沈殿槽含有しないシ}ケ

4 0

ー

ンシヤルパッチ方式の浮遊型リアクター，閏定床型リア クターとして不織布を充填した上向流リアクターを用い た。流動床型リアクターとじては，プラスチック筒状担 体を付着担体とする上向流リアクターと， UASB リアク ターから採取したメタン菌グラニュールを付着担体とす る上向流リアクターを選択した。 Anammox 微生物は酸素 への暴露により阻害を受けるという性質が報告されてい るため，全ての実験において酸素の混入を避けるため，

気相部に常時窒素パージを行った

^{1 7)}

。それぞれのリア クターの運転条件を Table 1fこ，図を . 2 f F i g こ示す。

シーケンシヤルパッチリアクターには容量3 1 のジャー ブァーメンター用いた。レパルセンサーを設置して，基 質流入・反応，沈殿，上澄み排出のサイクルを 13~40時 間 ， 20 分 ， 5 1 分に設定した。

固定床リアクターの担体に用いた不織布(日本パイリ }ン)は，多孔性のポリエステル製で厚さ 7mm ，径6cm の8枚花弁の菊花状に成型されており，リアクターの運転 に先立ちAn ammox 活性を有する汚泥の懸濁液に浸潰し た状態で窒素曝気を行って汚泥を付着させた。基質はリ アクター下部から添加した。処理水の一部を循環させ，

上向流速を確保するとともに高濃度亜硝酸による阻害を 防いだ。

筒状担体リアクターの担体には比重1. 3，径4mm x 高さ 4mm ，比表面積 1500m

²

- ' m

³

の筒状プラスチック(筒中シ ート防水)を用いた。運転前に担体と汚泥懸濁液を混合 した状態で7 日間四分培養した。リアクターには不織布リ アクターと同じものを用い，基質の添加方法，処理水の 循環方法も同様にした。

メタン菌グラニューノレをと担体とする流動床リアクター には，上部に気液分離部を有する内径 100mm ，高さ 760mm ， 容積6 4 . 1 の上向流リアクターを用いた。担体としてピール 工場排水を処理している実装置から採取したメタン菌グ ラニュールを 1 0 . 2 投入した。メタン菌グラニュールからの 有機物溶出とそれに伴う従属栄養脱窒反応が懸念された ため，実験開始前に，無酸素条件下で1O~300mg N r .

¹

の NaN0 2 および0~100 Qjng N ' 1 '

1

のNaN0

3

を含む無機合成培 地を NOx の消費がほぼなくなるまで、通水した。リアクタ }の前段には Anammox 汚泥を 6ヶ月間培養していた容 量 5 . 1 1 の不織布リアクターを設置し，この処理水に含まれ る 2~ 1O mg SS r .

¹

のAnammox 微生物を上向流リアクター の糠種源として用いた。この植種は運転開始から 1 1 1 日目 まで行った。基質は別途底部から添加した。処理水の一 部を循環させ，上向流速を確保するとともに高濃度亜硝 酸による阻害を防いだ。

全ての実験において，基質にはTable 1 2 こ示す合成培地 を用いた。各リアクターの前に設置した前処理槽におい て，濃縮合成培地を窒素爆気により DO を下げた水道水で 希釈し，その後炭酸ガスにより pH を7 5 . に調整した。

2 .

3 分析方法

アンモニアは下水試験方法(1 ) 9 9 7 に従い比色法で、測定し

た

1 8) 0

il!i.硝酸および硝酸はイオンクロマトグラフ

(ICS-A23 ， Yokogawa) により測定

t

した。タンパク濃度は F

o l i

n s '

司

e u t a l c i o C 試薬を用いたLowry 法により測定した。

3

. 実験結果

3 .

1 培養結果

水環境学会誌 l a n r u o J J f o n p a a y t e I c o S W n o e r a t t e n m o n I r n v E

Anammox プロセスに適したりアクターの検討 7 8 1 T

a b l

e 1 T h e s n o i t i d n o c r f o s r o t c a e S

e q u e n c i n g - b a t c

h r o t c a e r d e b - d e x i F r o t c a e r h t i w d e b - d e z i d i u l F r o t c a e r h t i w d e z i d i u l F ・ d e b r o t c a e r h t i w n 口 n w o v e n a c

汀

s r e l d e p a h s - e b u t t n e m h c a t t a c n i e o g n h a t m e s e l u n a r g s a

c a r n e r

s s r e n r a c

W o r k i n

g e u m v o l

2.4 ~2.71

201 ( ゆ 200mm) 201 ( 申 200mm) 6. 4 1 ( ゆ IOOmm) B

i o m a s

s r e i r r a c - w o v e n N o n d e p h a s - e u b T s r e i r r a c c n i e o g a n h e t M s e l u n a r g m o r f Ar o a e n f v e n w o o n - 2 4 . m 2 _(申 4mm ， h t g i e H 4mm ， e l a c s a f - l l u EGSB r o t c a e r t a h t

d e n

s y t i ) 3 . I d e t a e r t y r w e e r b r e t a w e t s a w V

o l u m

e f c o r e i r r a 81 t r ( 9 . 0 - . 1 2 mm) V

O I U l l

l

巴

f c o r e i r r a 2 1 I

n f l u e n

t . c n o c NH

4

: N - 300~750 . t l l g N l l， NH ， : N -

90~840

mgN.t

¹

， NH ， : N -

90~920

g l l l N. t

¹

，

NH

4

・N目 65~510mgN.tl ，

N0 2- : N _270~710 N . t l l g l

¹

2 - N : N 0

90~980

g l l l N' t

¹

N0 2- : N

90~

0 1 2 1 g l l l N' t

¹

N0 2- : N _68~700 g l l l N' t

¹

HRT 1 . 5

~

5 1 2 . d a y

16.2~37.9

h

16.9~44.0

h

7.7 ~34.7

h

A g i t a t i o

n 4 5 中

III

4βm l ・ ' h p ( U ) ・ w o l f

9‘ 0~9.5

m' h " ) w o l f - p U (

1.7~

. 1 ' 8 l l l " h ) w o l f - p U ( T

e l l l p e r a t u r

e 3 2 C o 3 0 c " 3 0 c ' 3 0

⁰

C

I n f l u e n t p

H 5 . 7 5 . 7 5 . 7 5 . 7

( a )

i n f l u e n t

( c )

N

2

Non-woven

E f f l u e n t

) し 口

(

l n f l u e n t

N

₂

E f f l u e n t

( d )

e f f l u e n t

I n f l u e n

t pump

F i g . 2

I n f l u e n

t pump

E x p e r i l l l e n t a

l e c i v e d r o f s u o u n i t n o c ; n o i t a v i t l u c ) a h ( c t a b - g n i c n e u q e s

印 刷

r o ， ) b ( d e x i f

^司

h e d r o t c a e r h t i w w o v e n n o n s r e i r r a c ， ) d c e b ( - d e z i d i u l f r

e a c t o

r h t i w d e p a h s - e b u t t n e m h c a t t a s r e i r r a c ， ) d . ( d e z i d i u l f

‘

e d b r o t c a e r h t i w c n i e o g n h a t e m s e J u n a r g

IlS巴

d a s s r e i r r a c

(N H ， J ， SO ， 1 g 1 1 9 6 0 - 3 4 2 4

N沿~02

4 4 4 - 4 g 1 1 1 0 3 8

KHC0

3

500mg

KH 2PO. 2 7 . 2 m g CaCh' 2H 20 g l l l O & l MgSO. ・ 7H 20 g 1 1 1 0 2 1 T

r a c

e t n e m e J e 1 I m l T

r a c

e t n e m e l e I I l I m T

a

p r e t a w I 1

T a b l

e n 2 C o i t i s o p l l l O l l l u i d e m f o r o n f o i t a v i t l u c T ' r a c

e t n e l l l e l e 1 ( ' g ) ' t

l EDTA I 5

1FeSO. • 7H 20 I 4 1 . 9 T

r a

c t n e l l

巴

l e l e l I - g ( t

1)

I EDTA ZnSO ， ' 7H 2 ρ CoCh ・ 6H 2 ο MnCh

掴

4H 20 CuSO ， '5H 20

V

0

. 1 8 2 ) 5 0 0 2 ( 3 . o N

NaMoO ・ ， 2H 20 NiC ， 園 l 6H 20 NaSeO.

^首

H 2 O I 0 H

3

BO ，

-

4

1

い微生物が付着した。生物膜の厚さは徐々に増加し， 0 1 5 日以降には不織布と不織布の間の一部に目詰まりが生じ，

不織布全体が浮上する現象が見られた。 Fig.4 は不織布 l こ 赤い汚泥が付着した状態の写真である。

筒状担体リアクタ一体積当たりの窒素除去速度は 1 0 0 日 目まで対数滑殖に近い上昇傾向を示したが，その後は緩や かな上昇傾向を示した。運転期間226 日間の最大処理速度 は2 8 3 . kg N'm-

³

・ - d

¹

であり，試験期間中窒素除去能力が極 端に低下することはなかった。運転期間が長くなるにつれ，

筒状担体の浮上が観察された。浮上担体には筒の内部に気 泡が見られたことから ， Anammox 反応により発生した窒素 ガスの気泡が筒内部に貯め込まれたために浮上したと考 えられる。浮上担体と沈降担体の微生物付着量を比較する と，浮上担体の方が沈降担体より 2倍以上多かった . g i F ( 針。

付着量が多くなると窒素ガスの発生量も多くなるため，担 体の浮上につながると考えられる。

メタン菌グラニュールを担体とした上向流リアクタ一 体積当たりの窒素除去速度は運転期間中安定した上昇傾 向を示し，不織布リアクターからの槌種を停止した 1 1 1 日 目以降も継続して上昇した臼運転期間中の最大処理速度は 2

. 8

7 kg N ・ m-

³

- d '

¹

であった。この結果により，加ammox 微 生物はメタン菌グラニューノレ表面に回定化され増殖して いることが示された。

T a b l e

. 1 3 こ各リアクタ}におけるアンモニア除去量に対 する亜硝酸除去量および硝酸生成量の比率の実験期間中 の平均値を示す。メタン菌グラニュールを担体とした上向 流リアクターにおいては，メタン菌グラニュールの自己消 化によると推察されるアンモニアの増加と亜硝酸の消費 がなくなった5 4 日目以降の平均値を示す。全てのリアクタ ーにおいて，報告されているAnammox 反応の比率に近い値 が確認され，リアクター内で、山lammox 反応が起こっている ことが示唆された。 f 3 g . i F こ 4種類のリアクターの容積当た り窒素除去速度の経時変化を示寸。シーケンシヤノレパッチ リアクターの試験期間中の最大窒素除去速度は0 5 2 . kg N

・ !

m-

³

・ - d

¹

であった。開始後3 3 日間は除去速度の上昇が見られ たが， 3 5 日目に活性が急激に低下し構内に基質が残留した。

檎内を希釈して再度運転を開始したところ再び上昇傾向 が見られたが， 5 1 . 0 kg N'm-

³

- d '

¹

付近で上昇傾向が見られ なくなった。そこで新たにAn ammo li:微生物を含む汚泥を添 加して運転を継続したが，その後も上昇傾向は見られず，

一時期的な活性低下も見られるなど処理は不安定であっ た。この間 ss濃度は 1~8mg.tJ で、あり汚泥の急激な流出は なかった。 7 0 日目には汚泥の活性が失われ，その後も数日 間低い活性が続いたため，実験を終了した。

不織布リアクターの体積当たり窒素除去速度は200 日間 ほぽ安定した上昇傾向を示した。運転期間中の最大窒素除 去速度は1.5 5 kgN'm-

³

・ - d

¹

であった。不織布には全体に赤

T e s

t ( d o i r e p ) s y a d 1

- 7 4 1 - 1 9 6 1 - 2 2 6 5 4 - 1 8 6 T

a b l e 3 S

e q u e n c i n

g h c

司

t a b r o t c a e r F

i x e d - b e

d t c a c r 口 tw h t i n w o v n o

官

s r e n c i r r a F

l u i d i z e d - b e

d r o t c a e r h t i w d e p a h s - e b u t t n e m h c a t t a s r e i r r a c F

l u i d i z e d - b e

d r o t c a e r h t i w i c n e g o a n h t e m a r g

日

s e l u c s s r a e i r r a

品

&

A A品A

4 1 . 色

必気

.J ' f A 金 色

「 目

ぷ担且£島 d

酷

2 . 0

~ ' f . 1 5

」 可コ

iTE10

2Z

₄

_{ニ : : < .} ⁰⁵

0 . 0

O

)

LU

(

0 . 3 0 . 2 5 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 . 0 5

0 O ( T

司・

? ε B Z

同

V4)

ω#

日』一帽〉OEU」

Z

ト

( a )

240 200 80 1 2 0 6 0 1

T i m e ( d a y s ) 80 40

A

70 6 0 50 40 30 2 1 0 0

T i m e ( d a y s )

A h A

AH

A d A E

A

組組出~

( d )

3 . 0 . g l : :

， 5 . 2

回 t

ミ:'

_{出 円}

2

‘

O

三> I

会 E 5 . 1

E 杢1. 0 E805

0 . 0

主体 i

4込

学 必 品

A

営 企

戸止

2 . 5

~

~

i c - 0 . 2 安?ー1. 5 o

E

5 土 0 . 1

. . . _{O . b}

~ O 5 . 0 (

c )

J____~J

240 200 8

0 1 2 0 1 6 0 T

i m e ( d a y s ) 4 0 0

. 0

0 200

F i g .

3 e T h e g n a h c n e g o r t i n f o l a v o m e r e t a r n o i t a b u c n i f o n i e h t r u o f ; s r o t c a e r ) a h c t ( a b - g n i c n e u q e s r o t c a e r ， ) b ( d e x i f 七 d r e r o t c a e h t i w n o v e n o n w

C日目

s r e i ) ， d c e b ( - d e z i d i u l f r o t c a e r h t i w d e p a h s - e b u t t n e m h c a t t a s r e i r r a c ， ) d d e ( b - d e z i d i u l f r o t c a e r h t i w c i n e g o n h a t e m s e l l l n a r g d e s u

日

s c π s a r e i 150 1

0 0 T i m e ( d a y s ) O 50

J O l l r n a

l J f o n a p a y t e i c o S v n o r e t a V t n m e n r o i n v E

水環境学会誌 4

2

ー

Anammox プロセスに適したりアクターの検討 9 8 1

F i g _

4 Red m l i f o i b d e h c a t t a o n t e h nonwoven 4

. 考察

試験期間中の各リアクターの最大窒素除去速度は，シー ケンシヤノレパッチリアクターが0 5 2 . kg N' m-

³

・ 6l ，不織布

リアクタ」カ~1.

55 kgN'm-

3

・ - d I，筒状担体リアクターが 2 3 . 8

kg N'm -

^・

d ' 3

¹

，メタン菌グラニューノレを担体とした上向流

リアクタ}が 8 7 2 . kg N' m-

³

・ - d

1

であった。筒状担体リアク ターの処理速度が不織布リアクターよりも大きかったの は担体表面積が大きいためと考えられるが，表面積の差と 比較すると処理速度の差は小さかった。これは，不織布の 内部まで汚泥が入りこみ汚泥保持最が予想より多かった ことと同時に，筒状担体の表面が有効に使われていないと とが考えられる。 . g i F 5 からも担体への汚泥付着量にばら つきがあることがわかり，添加した担体全てが有効に使わ れていないことが示唆されたロまた，筒状担体の内側に

An ammox 反応により発生したガスが貯まることにより，

担体が浮上する現象が見られたことから，担体の流出防止 のためのスクリーンの設置や，発生したガスを担体から放 出させるため撹枠方法を検討するといった対策が必要で あると考えられる。不織布リアクターでは汚泥の付着量が 経時的に増加し一部自詰まりが生じたことから，実装置へ の適用の際には定期的な付着汚泥の剥離

^a

洗浄が必要で、あ ると考えられる。

一方，メタン菌グヲニュールを担体とした上向流リアク ターは，グラニュール表簡が Ananimox 汚泥の固定化表面 として有効に働き，試験期間中トラブルは見られなかった。

試験後に取り出したメタン菌グラニューノレは黒色から茶 色に変化し，表面に赤い加 ammox 微生物の生物膜が付着 しており， An ammox 微生物のグラニューノレとして扱い得 る状態になっていた。自己造粒させるのではなく，嫌気グ ラニューノレを担体として用いることにより，約5 ヶ月の立 ち上げ期間で自己造粒型のリアクターを作ることが可能 であることがわかった。本実験では底部に流動性の低い空 聞があることが確認されたため，リアクター内部の流動性 を良好に保ち，またリアクター容積に対するグラニュール の添加割合を増やすことによって， 5 kgN'm-

³

・ - d

1

以上とい った高負荷を実現することも可能であると推測される。

実験から推測された各リアクターの汚泥保持可能量は，

シーケンシャルパッチリアクターが約 5g'( 1，不織布リア クターが約 r . g 0 1 ^l ，筒状担体リアクターが約lO I ( . g ，メタ ン菌グラニューノレを担体とした上向流リアクターが約5 0 g

. (

1

で、あった。長期運転により，グラニューノレがAn ammox

Vo . l 8 2 ) 5 N 0 0 0 2 ( 3 .

0 . 5

基

^f

話 0. 4

ω

ト

口

i

言 奇 3 . 0

υ

帥 ， 】 M

由

ω0.2 2

₎₍₃

E φ o > :

活苦 ^{1 . 0}

0 . 0

口口

。 。 。

1

1 一 一 一 一 一-1

1

1 + S t l e d e t r e r i r a c

r

|

い ^{n g t i o a F l c a r} 巾 ぺ

0 100 200 300

Time(days) F

i g .

5 B i o m a s s h t i g w e d e h c a t t a n t o e h t t e s i 1 l ng t e d p a s h - b e u c

a r r i e

r n d a e h t g n i t a o l f e d p a s h - e u b t r e i r r a c

微生物を

^l

主体とするものに変化するとすれば，メタン菌グ ラニュールを担体とした上向流リアクターが最も高負荷 を達成する可能性を有している。

処理の安定性については，浮遊増殖型のシーケンシャル パッチリアクターの必 lammox 活

⁴

性が非常に不安定だった のに対し，固定床型の不織布リアクター，流動床型の街状 担体リアクター，メタン菌グラニューノレを担体とした上向 流リアクターの除去速度は安定した上昇傾向を示し，運転

期間約 20013 の聞に極端な活性の低下は見られなかった。

温度， pH といった運転条件は 4 つのリアクターに違いがな いため，安定性の違いの原因は，不定期に行ったリアクタ ーのメンテナンス時に，リアクターの上部を開放した際に 汚泥がわずかながら空気に暴露されたことによると推察 された。本実験においては，浮遊裂リアクターではリアク タ}の関口部が数分間空気に暴露された後には大きく活 性が低下した一方で，不織布，筒状担体およびグラニュー ルをリアクターから取り出し 約 1時間空気中に暴露させ た後リアクターに戻した場合には活性低下がみられなか った。

必 1

削

mox 微生物の酸素による阻害は可逆性であるが

3

空気中酸素分圧 0 ム1. 0 ， 2.0% で飽和した培地においては

N 出羽， _{N 0 2} ・ N ともに減少せず，完全な無酸素状態とする

ことが必要であるという報告がある

^{1 7)}

。生物膜が酸素に 暴露された場合の酸素の透過厚さは以下の式で表される

o

0=

D 0

2 = x l 0 - 2 . 5

³

(mm

²

^・

^S-1 )

a :酸素浸透厚さ (mm)

D

02 :

酸素の拡散係数 (mm

2

・

I)-S

C

O2

:水溶液中酸素濃度 g O (

2

・

(1)

Cx: 生物膜密度 g VSS.(l) (

Q02 :酸素消費速度 (g02 ・ g VSS-

^{1• S)-I}

( 2 )

生物膜が Anammox 微生物のみから成るならば Q 0 2 の値は

O であり，酸素は生物膜最奥部まで完全に浸透する。しか し，生物膜表面に酸素ーを消費する硝化菌あるいは従属栄養 細菌が存在していれば，生物膜の内部は嫌気性に保たれ，

酸素による阻害を防止できる。実際に，不織布に付着した 生物膜中の微生物を解析した結果， An ammox 微生物とと もにZ a l o e o o g e r a i g r a m 類縁菌が存在したという事例が藤

-43

井らによって示されており

2

生物膜として存在することで

An ammox 微生物が安定化していることが示唆されている

生物膜密度もまた浸透厚さに大きく影響する。フロック 状汚泥と担体に付着した生物膜では，生物膜の密度には大 きな差があると考えられ，フロック状汚泥では僅かな酸素 の混入でも影響を受けるが，汚泥密度の高い生物膜の状態 では多少の酸素の混入は活性低下を引き起こすことはな いと推察される。

酸素の限害を受け活性が低下すると， An ammox 微生物 の窒素除去速度が低下し

B

処理しきれないアンモニアと E

硝酸が系内に残存する。原水を処理水によって希釈するプ ロセスを組んでいる場合，希釈効果がなくなり，原水注入 部は高濃度の亜硝酸に暴露され， An ammox 微生物はilR硝 酸の濃度限害によりさらに活性が低下する。したがって，

安定した処理を行うには酸素による阻害の防止は必須条 件である。浮遊増殖型の場合には酸素の混入を厳密に防ぐ 設備が必要となり，処理設備の簡易さという利点が失われ ることから，実際の処理への適用は難しいと考えられる。

5

. まとめ

4 種類のリアクターを用いた実験により，An嗣 mox 微 生 物を用いた連続培養には，浮遊増殖型，回定床型，流動床 型いずれのリアクターも用いることが可能であるが，酸素 混入による活性低下を防ぎ，安定した処理を行うには生物 膜型である固定床型，流動床型の方が良いことが示された。

リアクター容積負荷は担体表面積が大きい流動床型が最 も大きく，特にメタン菌グラニュールを担体どしたリアク ターでは最大 2.87 kg N' m-

³

・ - d

^I

を達成した。リアクタ}内 の流動状態と担体添加量を検討することにより，より高い 負荷が期待できると考えられる。メタン菌グラニュールは

An ammox 微生物がその表面に固定化されることにより

Anammox 微生物のグラニューノレとして扱い得る可能性が

示唆され，自己造粒させるよりも短期間で立ち上げ可能で あることが示された。今後は実際の排水処理への適用のた め，メタン菌グラニューノレを担体とした上向流リアクター の最適運転条件の検討を行う予定である。

(原稿受付 2004 年 8 月 20 日) (原稿受理 2004 年 1 1 月 27 日) 参 考 文 献

1

) Van d e a a O r ， . f ， . A A . Mulder ， A" S s i u h k j i l ， " H n s o r t b e R o ， L . A . a n d Kuenen ， . J O

，

1 ( 0 ) 9 9 c i x o l l A ammonium n o i a t d i x o ， 5 . o c P r

^hl

European C

o n g r e s

s

01/

g y l o m o c l t e B i o ， 1 ， - 3 9 3 8 8 . 1 2

) Van d e O f r a a ， A . A " d e r M u l ， . A ， De B j n i u r ， " p e J

仕

n e ， M ， . . M S ， s o n r t o b e R ， L

. . A a n d Kuenen ， . O . J ) 9 5 9 ( 1 c b i e r o n a A n o i t a d x i o of ammo

四

ium s i a b

i o l o g i c

a J l y m d a t e d i e s s e o c r p ， . l p p A E .

/1

n o r i v Micro . 占 l o i ， ) 4 ( 1 6 ， 1

2 4 6 ・ 2 5 1 . 1 3

)

M r d e l l l ， . ， A Van Ora e d

品

f ， ， . A A . n s o r t b e R o ， . L . and A Ku

田

n e 1 ， J ， . O 1 ( ) 9 9 5 A

n a e r o b i

c ammonium n o i t a d i x o d e e r v c o s i d l l i i a d r t i n e 今 日1 9 f d e z i d i u l b e d r

e a c t o

r ， FEMS g y o l o o b i i c r M Ec y o g o l ， 1 6 ， 1 8 4 1 7 7 -

4 4

←

4

) S

廿

s u o ， M. ， t s r e u F ， . A J ， Kramer ， . E . H . M ， Logemann ， " S Muyzer ， " G Van de s a P

帽

o n e n S c h o ， . K . T ， Webb ， ， . R Kuenen ， . O . J n d a n e t t e J ， M ， S.M (

1 9 9 9

) n g s i i s M h p o r t o h t i l d e i f i t n e d i new s a t e c e m y t o n c l a p ， u r e a t N ， 0 0 4 ， 4

4 6 . 4 4 9 . 5

) s u o r t S ， M. ， n n e e i j H ， " J. 1 Kuenen ， J ， O . a n d n e t t e J ， M ， M . S . 1 ( 8 ) 9 9 The s

e q u e n c i n

g h c a t b r o t c a e r s a a p l f u e r o w 1 0 0 1 r o f e h t y d u s t f s o y l o w l g

r o w i n

g c b i o r a e n a i u m - o x i d i z i n g a m m o n m s i s a n o r g r o m i c ， . l p p A M

i c r o b i

o . l . l n o h c e o l i B ， 50 ， . 5 9 6 9 - 5 8 6

) Van de G r a a ， f ， . A A . De B n j u i r ， " p s o n r t b e R o ， . L . A n ， e t t e J ， . M . S . M n d a Kuenen ， J

，

O

，

) 9 7 1 9 ( i c o l a b e t M w a y p a t h of a i c b o e r a n n o i t a d i x o on t e h b

a s i

s f o 5 N s 1 s e i d u t l l i a 1 f d e z i d i u b e d r o t c a e r ， y o g o l b i r o i c M ， 3 4 1 ， 2

4 1 5 - 2 4 2 1 7

) Van de G a f r a ， A ， A."De j n i u r B ， " p s o n r t b e R o ， . L A . n e ， t t e J ， M ， S ， M. a n d Kuenen ， . G . J ) 9 6 1 9 ( c i p h r o t t o A u h r o w t g o f c i b o e r a n a a

m m o n i u m - o x i d i z i n

g m s s l i l a r g o - r o c i m n i a 1 f d e z i d i u b e d r o t c a e r ， M

i c r o b i o l o g

y ， 1 4 2 ， 9 6 . - 2 1 1 8 7 2 8

) S 甘 s o u ， M. ， l l a V Gerven ， ， . E Z 1 I e n g ， . P ， Kuenen ， . 1 G ， n d a n e t t e J ， M

守

(

1 ) 9 7 9 Ammonium o v a l r e m m r o f d e t r a t n e n c o c t e w a s m s a e t r s h t i w e h t a

n a e r o b i

c ammonium n o i t d a i x o (Anammox) s s c e o r p n i t n e r e f f i d r o t c a e r c

o n f i g u r a t i o n

s ， . f a W . s e R ， ) ( 8 1 3 ， 2 - 1 9 6 1 9 5 5 9

) s o u r t S M. ， Kuenen J

，

. G and n e t t e J M.S

，

M. ( . ) 9 9 9 1 Key y o g l i o s y p h o f a

n a e r o b i

c ammonium n o i a t d i x o

守

. l p p A . n o i r v n E i o r o b i c M ， . l ) 7 ( 5 6 ， 3248

同

3 2 5 0

1 0

) 今城麗，安弁英斉，石田浩昭，藤井隆夫，杉野浩宰，古川憲治 ) 0 4 0 2 ( 活性汚泥からの ANAMMOX 微生物の集積培養，水環境学会誌， ) ( 6 7 2 ， 4

1 3 - 4 1

8

，

11 ) Yu ， . Q . H ， Tay 量J.H. a n d F

司

ng ， H.H.P ， ) 1 0 0 2 ( The s e l o r of c m l l i c l a n i s

l u d g

e r g

叩

n o i t a l u n g r i d u UASB r o t c a e r p u - t r a l s ， . f a W . s e R ， ) 4 5 ( 3 ， 1

0 5 2

・

. 0 6 1 0 1 2

) S h e n ， . C . F ， i c a r o s K ， N " 1 B y k z z c a s ， . R 1 ( 3 ) 9 9 The t c e f f e s f o d e t c e l e h

e a v

y s l a t e m i N ( ， Co a n d ) F e on a c i o b r e n a s e l u n r a g d a n r i e h t r a l u J J e c a r t x e p

o l y m e r i

c e c a n s t b s u ( E P S ) ， . a f W . s e R ， 27 ， 25 ・ . 3 3 1

3

) i t h m S c ， ， . J . E i n g A h r ， . K . B ) 3 9 9 1 ( s t c e f f E ofmagnesium on t c i l h i p o m r e h a

c e t a t e - d e g r a d i n

g s e u l n a g r n i

Il

l o w p f c i o b r e n a a e g u d l s e t k n a l b (UASB) r

e a c t o r

s ， Enzyme a

/1

d M i a l o b i c r g y h n o l o T e c ， 1 5 ， - 3 1 0 3 0 4 1

4

) F

叩

g ， . H H . . P ) 9 4 1 9 ( c e n n a r r f o r P e a n d e l n u a r g s c i t s i r e t c a r a h c ofUASB p

r o c e s

s g n i t a e r t e r w a t t e w a s h i t w e d y z o l d r h y s n i e t o r p ， . l a W . i c S . h c e T ， 3

0 ( 8 ) ， 5 5

“

. 3 6 1

5

) l E

・

Mamouni ， . R ， Leduc ， . R a n d t i o G u ， S . R ， 1 ( ) 9 8 9 n I 1 f c e n u

巴

f o s

y n t h e t i

c d a n l a r u t a n e r s o l y m p on t e h i c b o r a e n a r g n o

副

i t a l u l s s e c o r p ， W a l Sc i

. T e c . h ) 9 8 - ( 8 3 ， 341-347 1

6

) Yoda ， M ， 町 a w a K i t a g ， M. a d n j i a i y M ， y ， 1 ( 9 ) 9 8 r a u l a n G r e g d l l l s f

o r r n a t i o

n n i e h t c b i o e r a a n p a n d e d e x r e i r r a c - o r c i m . s s e c o r p . t a W . i c S T

e c h

. ， 1 2 ， 1 0 9

】

. 2 2 1 1

7

) s u o r t S ， M. ， Van Gerven ， . E ， Kuenen ， . G . J d a n n e t t e J ， M. 1 ( ) 7 9 9 E

水環境学会誌 J o l r n a u ]apan f o e t y o c i S on Water Environm

凹

t