Effect of Salinity and Sulfate on Hydrogen Fermentation of  Concentrated Degradable Wastewater

長野工業高等専門学校紀要第

3 5

( 2 0 0 1 ) 3 9

高濃度易分解有機性廃水の水素発酵に及ぼす硫酸塩および塩分の影響

浅野憲哉 山浦修一 金田幸太 長谷川大 松本明人 水野修 野池達也

Effect of Salinity and Sulfate on Hydrogen Fermentation of  Concentrated Degradable Wastewater

Kenya ASANO Shyuichi YAMAURA Kouta KANADA

Masaru HASEGAWA Akito MATSUMOTO Osamu MIZUNO and Tatsuya NOIKE

I n t hi ss t ud y ,S al i ni t y and s ul f at e t o l e r anc e o fhydr o gen pr o duc i ng mi c r o bi al ‑ f lo r a wast es t ed t o i nve s t i gat ec har ac t e r i s t i c so fhydr og e nf e r me nt at i o nbas i c a ll y . Re s u lt sf ro m aCSTR( HRT1 0ho ur s ,i nf lue nt s uc r o s eCOD20, 000mg

1 ,35

t e s to fs a li ni t y,hydr oge ni cf e r me nt at i o nwasaf fe c t edbys al m i t yandwas s t o ppe dc o mpl e t e l yat2. 5%o fNaCIc o nc e nt r at i o n. Ass al i ni t yi nc r eas e ,t heCODr e mo vale mc i e nc ywasal s o de c r e as e dandwas ho uto fs uc r os ewasi nc r e as e d.Re s ul t sf rom bat c handCSTR( HRT 1 0ho ur s,i nf lue nt COD 20, 000mg

1 ,20 ℃ and35℃, r e s pe c t i ve l y)t e s t so fs ul f at e ,appa r e nti nhi bi t i o nwasno to bs e r ve dand s u岨dewasnotde t ec t ede ve natS O 4 2 ‑ c ont e nt3, 000mg / 1i nbo t hc as e s .

キー ワー ド :水素発酵,有機性廃水,エネル ギー回収,硫酸塩,塩分

1.序 論

1 ‑1

人 口の増加 ,都 市 の巨大化お よびエネル ギーの大 量消費な ど,人類環境 は大 きな影 響 を受 けて今 日に 至ってい る. これ程 の資源 ･エネル ギー消費量 の増 大は,地球 の歴 史上かつ て例 をみ ない ものであ る.

また,石 油,天然 ガスお よび石炭等 の化石燃料 の可 採年数 には限 りがあ るの に も関わ らず ,既存の化石 燃料 に代替す るエネル ギー源 は現在 の ところほ とん

ど考 え られ ないのが実状 であ る.

微 生物 を利 用 した 有機 性 廃 棄物 か らの水 素生 産 は, これ らの対策 の一つ として期待 され てい る.ま た, メタンな どと比べ,水素 は燃 焼 の際 に二酸化炭 素 を排 出せず,航 空燃料や燃 料電池 な ど,利用価値

★1

9

★2 環境都 市工学科助手

★ 3

★ 4

★5信州大学大学院工学研 究科学生

★6 信州大学工学部助教授

★7

★ 8

原稿受付

20 01

9

28 日

が高い とい う利点が ある.

ト2

水素発酵 は,嫌気性 条件 下で水素生成 細菌群 がニ トロゲナーゼや ヒ ドロゲナーゼ の働 きに よって, グ ル コー スな どの有機物 を水素 と二酸化炭 素 と揮 発性 脂肪酸 とに分解 して微 生物 の生活活動 に必要 なエネ ル ギー を得 ることであ る. この とき,水 素資化性細 菌群が共生 していない場合 には,水 素は ガス と して 放 出 され る.水素発生 の機構 は,基本的 には解糖 系 で生 じた還 元

力 NADH

(2

水素発生能 を有す る細菌 の種類 は多いが,水 素発 生の研 究に使用 されてい るの は主 に嫌気性細菌 であ る

Cl os t r i di um

しか し,光合成細菌 とは異 な り生育 に必 要なエ ネル ギーお よび還元力双方 をすべ て有機 物 に依存す るた め,基質 を完全 に水素 に変換 で きず ,水 素の ほかに 嫌 気性 代謝 の最 終産 物 で あ る有機 酸 も生 成 す る.

cl os t r i di um

4 0

lmo l当た り4mo l

の水素発生が可能である.

C6 H1 2 06 +2H2 0 ‑ → 4H2 +2CH3 COOH+2CO2 2H2 + +2e+4 ATP ‑ H2 +4 ADP+4Pi

ニ トロゲナーゼ による水素発生の場合,グル コー ス

lmo l

5mo l

,a.kl e b s l ' e l l a

ATP生産量は少ないため,基質

高分子有機物 の加水分解で生成 された単糖やア ミ ノ酸な どは嫌気性細菌 によって発酵分解 され る.酸 生成過程 には様 々な代謝機能 を有す る多様な細菌が 関与 してい る. グル コー スの発酵分解 をみて も,最 終発酵産物 は酢酸,酪酸,乳酸, コハ ク酸,エ タノ ール,ブタノール,アセ トンな どと多様 で,細菌の 種類 によって発酵 の様式 は異 なる.また,同 じ細菌 で も生育条件 に よって異 なった発酵産物 を生成 した り,別種の細菌 が異 なった発酵反応 で同 じ発酵産物 を生成 した りす る.発酵産物 は通常その細菌 がそれ 以上分解 で きない物質であ り,上記の物質のほかに

C02

H2

水素発酵 には細菌叢 を用い る方法 と単離 した微生 物 を用い る二つ の方法がある.いずれ も有機 物の嫌 気分解過程 において生ず る余剰電子のはけ口として, 水素が生成す る と考 え られ るが,細菌叢 を用 いた場 合では複雑 な微生物群 によって行われ るメタン発酵 やルー メン発酵 な どの発酵初期産物 または中間体 と して水素 を回収 で きないか とい う考 え方で,単離菌 法においては一種 または数種 の微生物群 によって有 機物 を嫌気分解 して有機酸な どを生産す る際,同時 に生成す る余剰 電子 を水素 として回収す る方法であ

る.

Taguc l

i , F.

AM2

B

,2

AM2

ン トース,及びセ ロビオース とスターチを水素発酵 の基質 として使 えることで,将来‑ ミセル ロースや セル ロースな どか らなる植物性廃棄物 を

AM2

ト3

2 ) ‑ 4 )

有機性廃水 を発酵 ･嫌気性消化等の生物処理す るに 当たって,問題 となるのは塩分や硫酸塩 による生物 活性 の阻害である.

Mc Car t yらの研究によれ ば,ナ

すなわち,浸透圧調節が必要である. このよ うな細 胞内溶質濃度の調節 は,好塩細菌に限 らず増殖に塩 類 を特 に必要 としない非好塩細菌 において も必要で ある.非好塩細菌の中には,高濃度塩類存在 下で も 増殖で きるいわゆる耐塩細菌が多 く存在 し,耐塩性 の上限は浸透圧調節能力 と関係 してい る.通常の培 地 (食塩濃度 として約

150mM)で培養 した場合 の

230mM

600mM

ウムイオンの過度の蓄積 は細胞 内代謝活性 に悪影響 を及ぼす ことになる.

有機性廃水 中に硫酸塩が高濃度 に含 まれ る場合, 水素資化性硫酸塩還元細菌の働 きによ り水素生成 が 阻害 され る可能性がある,水素資化性 の硫酸塩還元 反応 は,次式の とお りである.

4H2+SO42‑ +H+ ‑ HS‑ +4H20

』GO= ･ 1 53kJ/ mo l

硫酸塩,硫化物お よびチオ硫酸は,ある種の製造工 程において さまざまな形態で用い られ てお り,その 工程の廃水に含まれて くる.

COD

800‑1 , 000 ppm

30分以内に死亡 させて しま う.

さらに高濃度になる と即死 にいたる.

高濃度易分解有機性廃水の水素発酵に及ぼす硫酸塩および塩分の影響 しか し,水素発酵 にお ける硫酸塩還元細菌の影響

については今 の ところあま り研究がな されていない.

以上のこ とか ら本研究では,水素発酵 にお ける塩分 および硫酸塩 の影響 を調査 した.

2.実験方法

2 11

塩分濃度 の影響 を調べ るために用 いた種汚泥は, 水素爆発 を起 こした大豆サイ ロよ り採 取 した細菌叢 を東北大学大学院工学研 究科土木工学 専攻環境保全 工学研究室で長年馴養 して きた もので ある. この種 汚泥は,シ ョ糖 を

20, 000mg /

35

HRT) 1

2

35‑ 40%

‑ 700ml

今回の実験では表

1

1 8, 000mgy l ( CODc ･ , 20, 000ppm)

NaCl

3

0. 6,0. 9

2

5,2. 0,2. 5%と,ガス発生速度 が

pH緩衝剤が含

NaC

0%の ときでも,

0. 3%

表

1

試 薬 名

m

S u c r o s e 1 8 , 0 0 0 NH4 HCO3 3 , 8 0 0

K2HPO4 1 30

Mg C

2･ 6 H2 0 1 0 0 F e S

4･ 7 H2 0 2 8 2 Na 2 C

3･ 1 0 H2 0 2 , 5 0 0

微 量金 属類 微 量

本研究に用いた反応装置の模式図を図

1

反応槽 には外気 を遮断 した容量 11の･三角 フラスコ を用いて,ガスポンプによ りガス循環 して連続投拝 し,イ ンキュベー ター内で

37

り

1 0時間に設定 した.基質 タンクは,冷却器によ

マイクロチューブ ガスポンプ

41

に硫酸 によ りpHを

1

ガス生成 速度 は

1

TCD ( The r mal Conduc t i vi t y De t ec t or)

( Shi madz uGC･ 8A,Shi madz uC･ R6A

1

70

l o

80mA)

‑ リウムガス,キャ リアガス圧力 :

0. 8

70

lo

80mA)を測定 した.

ガス発 生速度 が安 定 した ところで反 応 槽 の汚泥 を引き抜 き,ポアサイズ 0

. 45J Jm

r ( St andar dMet hods )

Lowr y

菌体量の指標 として,VSS(揮発性懸濁 固形物),

DNA ･RNA

,ATP

(アデ ノシン三 リン酸)お よびたんぱ く質量な どが あげ られ るが,本研 究ではたんぱ く質を含 まない人 工基質を用 いたため,汚泥 をろ過 しない ときの試料 のたんぱ く質濃度 とろ過 した ときのたんぱ く質濃度 差である懸濁たんぱ く質量 を菌体量 とした.

2‑2

5 )8

2 ‑2 ‑1

図

2

4 2

ものを塩分濃度 の実験 で用いた もの と同様 に シ ョ糖

( 1 8, 000mg

30mlを 1 00ml

1

37

90s pm

ガス発生 が停 止 したのを確認 し,各試験 区に硫 酸 塩 を0,1

000,2000

3000mg/

30ml

ガス発 生 量 は ガ ラス シ リンジを用 いて測 定 した.

また,水 素ガス濃度 は

, TCD( Ther mal ー Conduc t i vi t y Det ec t or)

(Shi madz u GC･ 8A

,Shi madz u C･ RI A

Mo l ec l l l arSi eve5A

1

70

lo

80mA)に よ り測定 した.ガス発

CODc .( HACH社製 COD

pH

2 ‑2 ‑2

硫酸塩 の影響 を調べ るための連続実験 に用 いた装 置 を図

3

800ml

20

35

10時間にな るよ うに流

,CODc r

pH

3.結果 と考察

3 ‑1塩分濃 度の影響

図

4

e f f l u e nt

3

0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 6 4 2 ︻L V [ u J] 雌 頼 朝 咲 Y .FF

0

1 0 2 0 3 0

運転 日数【日] 4 0 5 0

[%

類 LL'

LL? 3 2 2 1 1 0

図

4

体 のガス発 生速度お よび水素,二酸化炭素, メタン ガスの発 生速度 の変化 を示 した.全 ガス,水 素お よ び二酸化炭素発 生速度 は,食塩濃度 が

0%

720,300,420ml

h･

2. 0%

530,21 0,320ml

･

高濃度易分解有機性廃水の水素発酵 に及ぼす硫酸塩および塩分 の影響 た ,水 素 ガ ス濃 度 と二酸化 炭 素濃度 との比 は ほぼ

2:3

99%

1%

食塩濃度 が

2. 5%

2. 3%

4. 6か ら 4. 8の間で安定 してお り,ガス生成 が

NaCl

0%の とき,溶解性 CODの除去率は

30%

75%で あったが, NaCl

2%

23%と 58%であった.

食塩濃度 が

0. 0%

2. 0%

600･ 700mg/ l

1 mg

0%

0 . 4ml

mg

2%

0. 3ml

mg

0 0. 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5 2 . 0

図 5 塩 分 と

COD

4 3

た こ とが分 かる.

図 5

COD

COD物質収 支 を,添加

COD

COD

0%で は約 1 0%

2%では約 7%にまで減少

COD

COD

3 ‑2

3 ‑2 ‑

図

6

0,1 , 000,2, 000お よび 3, 000mg/ 1

とした ときの,バイ アル 一本 あた りの累積水素 ガス 生成量 を示す.ガス発生 は仕 込み後約

120

2. 8‑3. 8ml / vi al

ガス発 生停止後液層部 の

pH

pH6. 5‑7. 0であったのに対 し,い

pH4. 0‑3. 8の範 囲にあ り , pH4. 0

pH

350‑

440mg/

530‑640mg/

10mg

酢酸型 の水素発酵以上に齢酸型 の水 素発酵 も起 きて いた こ とがわか る.

(‑e!^JJu

u )叫 唱 胡 N H 鮮 帳 0 5 0 5 4 3 3 2 0 5 0 5 0 2 1 1 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0

経過時間(

hr )

4 4

3 ‑2 ‑2

図 7

20

35

S O 4 2

0‑

3, 000mg / 1

50‑70ml / h･ 1

O 4 2‑

o

3, 000mg

200ml

COD

3, 000mg / 1

る.

0 0

0 0 5 0 5 2 1 1

( 1 上 ＼ 一u J ) 世 僧

N H

0

1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0

ppm)

図

7 20

5

4.総括

本研究 よ り,次の知見が得 られた.

a.

水素生産可能 な塩分濃度 の範囲は,約

2. 3%まで

b. HRT

35

NaC

Oか ら 2. 0%

COD

1

どが残留

COD

C .

35

S O 4 2

3, 000mg / 1

COD収率に変化が見 られ なかった.また,

5.

1 ) Taguc hi , F. , Chang , J. D. : I s o l at i o n o f a hydr ogen･ pr oduc i ng bac t er i um ao st z ･ I d l ' u m be l j e

I DkJ ' 1 ‑s t r ai n AM21 B f or m t e r mi t es.

CT a D . J . ML ' c z 1 0 b L ' 0 1 . , 39, 7 26 ･ 730, 1 993.

2) P.L Mc Car t y and

.Mc K inne y:Sa lt Toxi c i t y l n Anaer o bi c Di ge s t i o n ,Jou mal

WPC E 33,4,399･ 41 5

( Apr i l1 961 )

3) R. E. Spee c e

999

4) Co l l e r an

,S.Fi nnegan and P.Lens

̀ ̀ Anae r o bi cTr eat mento fSt l l f at e ‑ Co nt ai ni ng Was t eSt r eams ,

Ant oni evanLe euwenho e k

Vo l . 67,p. 29･ 46,1 995.

5) Ame r i c anPubl i cHeal t I IAs s o c i at i o n" APHA St andar d met hodsf o r t he exami nat i on of wat e randwas t ewat e r l 5 t h edi t i o n"1 980.

6)

, p. 50‑ 52,1 990

7)

95‑ 1 31,1 975

8)

r