S一丁Eプロセスによる汚泥の減容化技術
SludgeSolubilization

byThermophilic

Enzyme技術開発本部

研究開発部

長谷川進

聖suⅡ諾Ha蒜gaw彦
Masahiko

Miura

桂健

Kenji

治

Katsura

好熱菌の中から,汚泥可溶化酵素を分泌するSPT2‑1株を分離した｡

SPT2‑1株は,下水処理場余剰汚泥を熱処理した上澄み液を培養液として汚泥可溶化酵素を生成した｡汚泥可溶化好熱菌を用いた
S‑TEプロセスを提案し,約2日のHRTで有機性汚泥の40%以上を可溶化できた｡従来の活性汚泥法とS‑TEプロセスを組み合わせることにより汚泥の出ないプロセスが可能であることを示唆した｡

A
was

from

isolatedsupernatantInbacteria

thermopbilic

newthermophilic

VSSTE

was

process

namedbactersecretesatakensludgeprocess

solubilizedtolaboscaleheatedoftheSPT2‑1

named

ourin

even

specialenzyme,

可熱
i尼処
溶

short

periodconsistsIt

enzymesludge2 days.

aswas

process

Zero

Thermophilic
Enzyme理

Sludge化

Solubilization

enZymeauslngreactorreactor.

discharge

Aboutprocess

a

where

40 %

of

S‑

appliedbacteria

treatmentに関して,54%を達成して終わった｡現在では,人口100万人以上の

byproporsed.

素昨年,第7次下水道整備五箇年計画が下水道人口普及率

solubilizlng
enzymeproducingsolubilizlng

菌

ま えがき

sludgethesecreted
plant.

of

aand
such

sludgeactivated酵
汚treatment

sewageaproduces

from
which

a

activelyreactor.

S‑TE

conventional

好whichtbermophilic｢発生汚泥等の処理に当たっては,脱水,焼却,再生利用等によりその減量に努めなければならない｡+と大都市では,ほぼ全ての家庭が下水道の恩恵に与っている｡の責務条項を盛り込んだ下水道法の一部改正がなされた｡
今後,汚泥の減容化の問題は,益々,クローズアップされまた, 1996年度,新たにスタートした第8次下水道整備五箇年計画では,普及率の低い,中小市町村の下水道整備がていくものと考える｡
汚泥減容化の基本は,汚泥を出さないことである｡従来精力的に進められると予想される｡下水処理のほとんどがの生物処理法で汚泥の全く出ないプロセスは存在しないが,汚泥の発生量の少ない生物処理プロセスとしては,第1表

生物学的に行われている現状から,今後,下水道の普及に比例して下水処理場から排出される汚泥量が増加すると推察される｡に示す方法が提案されている｡
長時間曝気法は,低負荷条件で運転することにより,坐現在,汚泥の処理法としては,脱水あるいは焼却後,埋物を飢餓状態,あるいは,内性呼吸期の状態にし,生物のめ立て処分する方法が広く採用されているが,埋め立て処細胞内外の貯蔵物質を自己酸化させることにより,汚泥の分地の確保が困難になるにつれ,汚泥処分費は高騰してい発生量を減少させるものである｡

くものと考えられる｡そのような背景のもと,公共下水道
22

生物膜ろ過法は,充填担体に微生物を大量に保持すると神鋼パンテツク技報

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40

No.

2(1997/3)

第1表

汚泥発生量の少ない生物処理プロセス
1

Table

BiologlCal

waste

treatment

water

process

minimizing

sludgeConventionalactivatedTotaloxidation

sludgeprocessprocess

0.3‑0.8
0.4‑0.6

BODvolumetricloading(kg‑BOD/m3/d)
Sludgeyieldcoefficient(kg‑SS/kg‑BOD)

0.09‑0,2
0.3‑0,4Heating

R‑COINH†

R'I

Amino→Enzyme⊂=萱亘ニコ
RGriserol→†

COOCH2‑I

1R'c.

＋ Fattyacid
R‑ COOH

HOCH2

Anaerobicdigestion

50.25‑0.3

100,05acid<R[Protease]

Fixedbedbiofilm[:苧コJ[=巨亘萱亘亘ニコ

yieldzH

CO2＋‑

R'

Enzyme[Lipase]､しCarbohydrate

Monosaccharide→

C6(Ⅲ20)6cm(H20)nEnzTyme[Amylase]
Solubilization[Tbermophilic第1図Fig.

↓

Ⅲ20＋NH3十Ash＋Energy

Gasification

bacteria][Methophilicbacteria]

汚泥の生物学的分解
1

BiologlCal

digestion

oforganicsludge

同時に,増殖速度の遅い生物,あるいは汚泥転換率の低い必要がある場合は,脱アミノ作用,脱炭酸作用を触媒する

大型の微生物など多種の生物を系内に維持することにより,酵素により分解代謝されていく｡同様に,僧肪は,リパーその相乗効果で汚泥の発生量が小さくなるものである｡当ゼにより脂肪酸とグリセロ‑ルに分解され,脂肪酸は,さ社のBCFがこれにあたる｡
嫌気処理は,代謝がエネルギー貯留型でないため,もとらに,もと汚泥転換率は小さい｡当社のPANBICがこれにあたグルコースは解糖系に入り,好気条件においては,二酸化炭素と水にまで酸化される｡高等動物の場合,体内にそれる｡

これらは,標準活性汚泥法に比べると,汚泥の発生量は比較的少ないが,それでもなお,汚泥が発生することは免れない事実で,余剰の汚泥は,系外に引き抜き,処理しなα一酸化やβ一酸化により低分子化されていく｡
また,炭水化物は,例えば,アミラーゼにより分解され,ら酵素の生産機能を有するため,有機性固形物は体内で順次可溶化,無機化されていく｡しかし,微生物の場合は,生産する酵素が限られているため,ある種の微生物は有機ければならない｡
著者らは,前報1)で,有機性汚泥の処理技術の1つとし性固形物を可溶化できない｡これら,微生物は有機性固形て,高温好気法による有機性汚泥の可溶化法について紹介し,その効果が好熱菌の生成する汚泥可溶化酵素に起因すてはじめて食物を得ることができる｡即ち,有機性固形物を無機化するには,固形物を可溶化する段階が律速でありることを明らかにした｡本稿では,汚泥可溶化菌の特性をかつ重要といえる｡
1. 2
好熱性細菌

調べると共に,特定好熱菌を用いたより効率的な汚泥可溶化システムについて述べる｡

物を可溶化できる微生物により固形物を可溶化してもらっ

通常,われわれが目にする生物は,地球の平均的な温度環境にその生育温度をもっている｡特にこの傾向は複雑な高等生物になるほど顕著で,高等動植物では,通常50℃

1.好熱性微生物による汚混酸化法の原理
1.

1有機性固形物の分解
第1図に示すように,有機性固形物は,多種の酵素によを越えては生育できない｡しかし,細菌や藻類のなかにはり低分子化され,最終的に微生物に取り込まれ,無機化さ50℃を越えて生育できる微生物が存在する｡このような高温条件下においても生育できる好熱性細菌に関する研究れる｡例えば,たんばく質を資化する場合は,まず,プロの歴史は古く,細菌学が体系化されて間もない1880年頃とテアーゼにより各種アミノ酸に分解され,さらに分解するいわれている｡研究の中心は好熱菌の生産する耐熱性酵素

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神鋼パンテツク技報

23

Acidophilic]

Strictly[NoBacteria[55‑75oc]

thermophilic

growthFacultative【Aliveat theatthe

temperature

37

underoC]

thermophilictemperature

under37℃][<30℃]
第2図
Fig.

好熱菌の分類2Classified

figureof

第2表

Bacillus属による体外酵素の生産

Table2In‑vitro

enzymebacteria

thermophilic

produsedbyBacillus

spStrain

In‑vitroenzyme

B.subtilis

Amylase,Protease,Unclease,Lysozyme,Hemicellulase

B.cereus

Penicillinase,Protease

B.pumilus

Protease,Amylase

B.megateriuTnProteaseB.1icheniformis

Protease,Amylase

で,現在,わが国はこの分野では先行しており,好熟菌の生成する耐熱酵素が既に商品化されている｡また,好熟菌ラーゼ分泌能も有した｡本研究では,は,原始生物の研究対象としても注目されている｡第2図の性状の一例を第4表に示す｡

は生育温度による好熱菌の分類例である｡
著者らが汚泥可溶化菌として,好熟菌に注目した理由は,37℃の中温条件で培養した活性汚泥培養液についても同様の試験を行った｡培養液中には,
108‑109CFU/ml①高温条件下では,有機性固形物は熱により変成し,可溶化あるいは可溶化酵素の影響を受けやすくなる｡②通常,化学反応は高温条件下の方が活性が高い｡の中温菌が存在したが,いづれのコロニー周辺にも汚泥の可溶化部は認められなかった｡
第3図に代表的な汚泥可溶化菌の汚泥プレート上での生③好熱菌の酵素は高温でも安定である｡

育の状況を示す｡汚泥可溶化菌は直径約10mmと,好熟菌という点にある｡
1.

70℃でプロテアーゼを安定して分泌するSPT2‑1株を分離した｡分離菌

3

細胞外酵素
細菌のような原核細胞,特に,グラム陽性菌は,細胞外に種々の細胞外酵素を分泌する｡これらの酵素は,微生物を破壊することなく取り出せるため,微生物を培養しながら得ることが出来る｡また,体外酵素が分泌されると,培養液そのものが酵素液となるため,酵素反応が速やかに,また,効率よく進行する｡第2表に体外酵素の一例を示す｡
既報の通り,当研究グループで分離した汚泥可溶化好熱の中では比較的大きなコロニーを形成し,その周辺には大きな可溶化部が観察された｡一方,中温菌のコロニー径は汚泥可溶化菌の倍近くあったが可溶化部は認められなかった｡

2.好熟菌を利用した汚泥可溶化プロセス(S一丁Eプロセス)
S‑TE(エステ: Sludgesolubilization

bythermophilicenzyme)プロセスの概念図を第4図に示す｡プロセスは,酵素生成槽及び可溶化槽の2槽より構成される｡酵素生成

蘭SPT2‑1株は体外酵素を分泌する｡

槽では,汚泥可溶化酵素生成好熟菌を種として,必要な栄汚泥可溶化好熟菌養素を含む培養液を供給して酵素を生成させる｡生成され

1.

4

汚泥可溶化能の確認は,希釈滅菌洗浄汚泥を含む寒天平枚上に,菌体コロを形成させ,コロニー周辺に汚泥可た酵素液は,可溶化槽にて対象の有機性汚泥と混合され,可溶化される｡

洛化部(ハロー)が認められたものを汚泥可溶化能＋と判本プロセスの要件は,如何に効率的に汚泥可溶化酵素を定した｡可溶化部は,寒天中の懸濁汚泥が透明になるため生成させるかにあり,本研究の目的も酵素生成条件の検討容易に認知できる｡また,寒天中の懸濁汚泥が透明化するということでスタートした｡

ことは,汚泥の可溶化が,単に汚泥を死滅させるだけではなく文字通り可溶化していることを示している｡寒天平板

3.

上に形成されたコロニーより特徴的なコロニーを継代培養し,その性状を調べた｡結果を第3表にまとめる｡供試40
検体中汚泥可溶化能を示したものは約1割の4検体で,それらは,プロテアーゼを活発に分泌し,また,同時にアミ24

3.

SPT

2‑1株の汚･;尼可溶化酵素生成条件

1培養さ夜組成第5図にSPT2‑1株を標準液体培地で培養した場合の典型的な培地環境の経時変化を示す｡
30‑60分のラグの後,急速な菌体増殖(A6.0)が認められ,同時に溶解性有機体炭素濃度(DOC)が減少した｡このことから,

神鋼パンテツク技報

Vol. 40No.

2(1997/3)

第3表

好熟菌のコロニー性状

Table

3

Characteristic

thermophilicofAppearances

bacteria

forming

typlCalEnzyme

Color

Size

White(light)

Large

Proteaseactivity

White(light)oncolonies

Sludgesolubilizing

platesNumberofcolony
formlngunits

ability

Amylaseactivity

agar＋＋＋＋＋＋2＋＋＋＋＋＋2＋＋

White

Large＋White

Small＋

White

Large

White

Large

21＋1
9White(light)

9white(bluish)

Small

5

Verylight

Small

9

NumberofColony
formingunits

77＋

=

small

4

activity･o40:osymbol
activity
g4CtihVituyr･s.
T'e'm,'er:atuarreg?7aOCi7itydult:v:tiこgMo,望reir.adte:丑第4表

SPT2‑1株の蘭学的性質

Table4Morphology

andMorphology
Shapephysiologyof SPT2‑1

Physiology

Utilizationofinorganicnitrogen＋

Movement

Rod‑shaped＋

0Ⅹidase＋

Spore＋

Catalase

Gramstain＋

Behaviorforoxygen

Aerobicorfacultativeanaerobic

Growthtemperature

55‑75℃

GrowthpH

5,5‑8.5

Thermophi
bacteria＋

1ic∫

Metbophilic
bacteria

10RadiusI
第3図

colony1520[mm]

forming

好熱菌による汚泥プレートの可溶化

Fig･

3

Solubilization

Vol.

40

No,

2of(1997/3)

sludge

agar

plate

by

thermophilic

bacteria

神鋼パンテツク技報

25反応槽としては5Lのジャーファメンターを用いた｡

SPT2‑1株は有機性固形分を可溶化してそれを基質とし(写真1) 2%濃度の余剰汚泥を70℃で6時間熱処理し,30分静置後の上澄み液1Lを酵素生成用培地とした｡このて摂取するというより,むしろ,既に存在する溶解性有機物を摂取して増殖すると推察される｡第6図はDOCを種々変化させた場合の,SPT2‑1株の酵素生成量をBomio

上澄み液のDOCは約1200mg/Lであった｡これに,約12DOCの方法2)によるプロテアーゼ基準値(A520)で示す｡
が500mg/L以下になると生成量が低下したため,安定し時間,前培養したSPT2‑1株培養液を2%容量接種し,通気量0.4vvm,撹拝速度300rpmで6時間培養した｡そて酵素を生成させるには,DOCが500mg/L以上の条件にする必要があることが分かった｡従って,原廃水DOCがの後,先の沈殿汚泥と混合し,通気を止めて,撹件のみで500mg/L以上である場合は,原廃水をSPT2‑1株によした状況を写真2に示す｡固形物が可溶化されて減容し,上澄みが可溶化成分により褐色を呈していることが分かる｡

40時間反応させた｡この時の,反応前後の汚泥を遠心分離る酵素生成のための基質培地として用いることができるが,都市下水のようにDOCが低い場合は,原廃水を酵素生成

この操作により,余剰汚i尼は約2日という短時間で有機性用培地として用いることはできず,別に酵素生成用の培地固形物の約40%が可溶化された｡前報の方法では,を用意する必要がある｡しかし,酵素生成用の培地を購入することは運転経費の増大につながるため,処理過程中のの反応時間で約80 %の有機性固形物の分解可能である｡
本法によると,除去率は半減するが,反応時間は大幅に短廃水から培地を得ることを検討した｡前報で確認されたよ縮される｡

20日

うに,有機性汚泥は,熱のみの影響で20‑30%可溶化されるため,処理対象の有機性汚泥を短時間熱処理して酵素生成用培地とできるかを検討した｡
余剰汚泥を70℃で約6時間熱処理した場合のDOC濃度を第7図に示す｡汚泥濃度が5000mg/L以上であれば,約6時間の熱処理で,DOCが500mg/L以上となり,酵素0,3生成用の培地として適用できる可能性を得た｡
3.

2

S‑TEプロセスによる汚う尼の可溶化

熱処理汚泥を酵素生成用培地として用い,好熱菌の生成する汚泥可溶化酵素により汚泥を可溶化するS‑TEプロ

0.2

セスのベンチスケールでの確認テストを実施した｡

i

O1
SPT2‑1Substrate

Enzymeproducingreactor

1 000

500
Treatment

Waste

sludgeSludgeI 500

sludgeDOC[mg/ L]solubilizing

reactor

第6図
4Fig.

Schematic

酵素生成におよぼすDOC濃度の影響

Fig.

S‑TEプロセス

第4図

drawing

or

S‑TE

6

EffectofDOC

onproducingenzymeprocess

3 0000.812 500
25000.62000重童i

1 5000.4(Jし)(⊃⊂:〕(A600‑＋0.2＋⊂)⊂〕

1 000

DOC
500500

Llo

第5図
Fig.

26

52461｢ime[h ]uoVSS

SPT2‑1株の増殖特性

第7図

GrowthFig.

of SPT2‑1

10 0005000

15 000｢皿g/Ll

熱処理汚泥のDOC
7

神鋼パンテツク技報

DOCof heatedsludge

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酸素処理前Before

写真1

5L

ジャーファーメンター

写真

Photo.1

5 e

Jar‑fermenter

Photo.2

Conventional
Waste

actvated

S‑TE

2

酸素処理後
After

treatment

SITE

treatment

S‑TEプロセスによる汚i尼の可溶化
Sludgebytreatment

S‑TE

process

process

sludgeTreatment

water

Aeration

water

Settlilユg

tank

tank
ExcessSludgetreatment

Waste

sludgeby total

biocombution

sludgeprocess

Treatment
Thermopbilic

Methophilic

stagestagetank
Leaving

0 discharge

system

Waste

water

with

S

TE‑

water

Settling

sludgeprocess

Treatment
Aeration

water

Settling

tank

tank

Thickness

▲

tank
S

第8園
Fig.

4.

TE‑

process

汚.iWt:･水処理一体型システム
8Zerodischarge

systemwith

S‑TEprocess

S一丁Eプロセスを利用した汚泥･水処理一体型

TE処理液を活性汚泥処理水で希釈するのではなく,E処理液を活性汚泥淀人側に返送することにより,活性汚システム
有機性汚泥を好熟菌で処理する場合,VSSは約80度まで可溶化できる｡このことは,逆をかえせば,約20%程%のVSSが処理液中に残存することを意味する｡例えば,泥による有機物のさらなる低分子化を図り,効率向上を期待することができる｡
4.

2 %濃度の有機性固形物を含有する廃液を処理する場合,

1適正廃水
現在,分離している好熱菌がプロテアーゼ及びアミラー

4000‑5000mg/LのSSが処理水中に流出することになる｡
もし,この処理液を,水処理系の処理水で希釈可能である

ゼを活発に分泌することから,それらが触媒出来る,たんばく質,デンプンなどを含む廃液に適用可能である｡但し,とするならば,例えば,高温処理するため,高温において熱変質し,不溶化してし50倍希釈すれば,処理水SSは80‑100mg/Lになる｡このような発想から提案されたのが,汚泥･水処理一体型システムである｡実際には,単に,
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S‑T

まうものには適用し難い｡また,固形物濃度は,曝気動力
S‑との兼ね合いもあるが,高濃度の方が効率がよい｡

神鋼パンテツク技報274.

2

従来システムヘの組み込み方

む

好熟菌による汚泥処理プロセスでは,汚泥の可溶化液のすび

自然界で生成されたあらゆる有機物は微生物によって分ガス化を中温処理槽において行うが,この中温槽の替わり解されるといってもよい｡そうでかナれば,その物質がどに活性汚泥処理プロセスを用いると,一体型プロセスができあがる｡ (第8図)本法によると,汚泥増殖分を全量好んどん蓄積され地球がその物質で埋め尽くされることにな

熟菌で処理するため,汚泥を系外に出すことはない｡但し,る｡下水処理場で生成される余剰汚泥についても同じで,効率的に行えば完全分解も可能と考えられる｡現在,汚泥

生物難分解性物質及び無機物は処理水とともに流出するこ減容化は,脱水,焼却といった物理化学的方法が主流となっとになる｡従って,が,処理水COD及び無機物濃度は多少高くなる｡また,ているが,これらは,経済面,維持管理面で問題があるため最善の方法とはいい難い｡水処理技術あるいは脱臭技術

可溶化BODが返流負荷として上乗せされるため,送気量が物理化学的な方法から生物学的方法に発展してきているを増加する必要がある｡

ように,今後,汚泥処理技術においても現在の物理化学的4.

方法から生物学的方法に発展していくことが期待される｡

3

BOD処理効率はほとんど低下しない

維持管理及び経済性

本法においては,反応槽温度を高温に保つ必要があるため,維持管理に熟練を要するように思われるが,温度さえ維持できれば通常の活性汚泥法と変わりはなく,維持管理[参考文献]
1)長谷川進ほか:神綱パンテック技報,vol.39,

2 (1996),

No.

P.23

は比較的容易である｡

2) M.

汚泥･水処理一体型システムは,汚泥の可溶化液が水処

Bomio

et

Microbiol.

al∴Appl.

Biotechnol.

Vol.

(1989), P.356

32,

理系に返洗水負荷としてかかるため,多少の処理水質悪化<記号説明>

は覚悟しなければならない｡従って,高度処理設備の導入

A520, 600:が検討されるような大規模下水処理場に対しては,高度処理設備への負荷が増加することを考慮する必要がある｡しAbsorbance,波長520nm(プロテアーゼ活性測定時)および600nm(菌体懸濁液測定時)に対する吸光度

BOC:

Biochemical

C FU:

ColonyDOC:

Dissolved

organic:

Volatilesuspended

かし,放流先の放流水負荷が小さい小規模処理場,あるいoxygenformingdemand,生物的酸素要求量

units,寒天平板上に形成された菌体

コロニー数は,下水道放流可能な事業所においては,汚泥･水処理一体型システムの導入が可能である｡/ト規模の場合,建設費

VSS

carbon,溶解性有機体炭素濃度
solid,懸濁性強熟減量≒有機性固形物濃度は割高になるが,運転費は,従来の活性汚泥法の半分以下

vvm

:になる｡

Volノvolノmin‥
たりの通気量

単位時間当たり,単位反応槽容積当

連絡先
長音川進

技術開発本部

(工学博士)

三浦雅彦

技術開発本部

研究開発部

健治

技術開発本部

研究開発部

研究開発部

主任研究員
TE
FAX
E‑mail28s･L

078‑

992078992‑

hasegawa@pantec.

6525

‑6504
‑
co.
jp

TEFAX
E‑mailm.

L

078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

FAX

miura@pantec.

神鋼パンテツク技報

co.

jp

E‑mailL

078‑992‑6525
078‑992‑6504

k. katsura@pantec.

Vol.

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No.

co.

2jp

(1997/3)

I.