The global warming measures by MiraCarbon

炭素繊維法による温室効果ガス一酸化二窒素Ｎ２Ｏの削減
小暮幸雄

Yukio KOGURE

温暖化が地球環境に弊害をもたらすことは世界共通認識となり、温室効果ガス削減が求められているが、二酸化炭素の約３００倍の温室効果を持つ一酸化二窒素削減対策はほとんど取られていない。廃水処理設備曝気槽にアンモニ
ア態窒素が流入すると好気性硝化菌により亜硝酸→硝酸と変成して蓄積され一酸化二窒素が発生してしまう。一酸化二窒素発生を防ぐためには、硝酸から窒素への分解を促進させることだが、その働きをする嫌気性脱窒菌は、好気条件の曝気槽には存在しない。炭素繊維水質浄化材を曝気槽に設置すると、表層に付着する好気性硝化菌により、アンモニア態窒素は亜硝酸→硝酸となり、深層にて付着する嫌気性脱窒菌により窒素へと分解され、窒素は大気へと拡散される。その結果、炭素繊維により温室効果ガス一酸化二窒素発生は削減されて地球温暖化防止対策となる。
１．はじめに都市下水や畜産廃水、有機工業廃水等の処理方法は一般的に活解してしまうことである。窒素に分解するためには、好気条件の性汚泥法により行われている。しかし、従来の活性汚泥法では、活性汚泥槽において嫌気性脱窒細菌の働きが必要となる。活性汚

有機物は活性汚泥槽にて好気性細菌の働きにより分解処理される

泥槽において、嫌気状態を創り出し脱窒細菌を活性化させることが、アンモニア態窒素（ＮＨ４－Ｎ）は活性化する硝化細菌によりにより、アンモニア態窒素→亜硝酸→硝酸→窒素という分解反応亜硝酸（ＮＯ２）から硝酸（ＮＯ３）と変成するだけで、窒素成分が速やかに行われ一酸化二窒素の発生を削減することができる。

（Ｎ）は除去されない。このアンモニア態窒素の変成過程におい炭素繊維水質浄化材ミラカーボンは、ほぼ100％炭素質の炭素て亜硝酸や硝酸が曝気槽内へ蓄積すると、温室効果ガスである一繊維から造られた生物膜処理用接触材で、活性汚泥処理槽の廃水酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）が発生してしまう。生物的窒素処理工程を有中に設置すると表層に好気性細菌が、深層に嫌気性細菌が付着すする排水処理施設では嫌気処理槽を設けることにより、硝酸からる。表層では好気性硝化細菌の働きによりアンモニア態窒素→亜窒素へと分解を図り、最終的に窒素成分：全窒素（ＴＮ）が除去

硝酸→硝酸となり、深層では嫌気性脱窒細菌の働きにより硝酸→されるが、活性汚泥槽では曝気により硝酸が蓄積され一酸化二窒窒素と分解され、最終生成物の窒素は大気中に拡散される。この素が発生している。さらに、発生する余剰汚泥からも一酸化二窒脱窒工程が速やかに行われることにより、活性汚泥槽に亜硝酸や素が発生し、汚泥が嫌気状態となると別の温室効果ガス：メタン硝酸が蓄積されず一酸化二窒素の発生が削減される。

（ＣＨ４）も発生してしまう。近年、高度処理システムとして普及

炭素繊維水質浄化材ミラカーボンを活性汚泥槽内に生物膜接触が進む膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）でも、活性汚泥槽は標準活性材として設置すると、好気性及び嫌気性微生物とが共存・活性化

汚泥法と同様原理であり一酸化二窒素が発生している。このようして有機物分解除去効果を高めるだけでなく、活性汚泥法では従な廃水処理設備からの一酸化二窒素発生を防止する必要がある。

来処理することのできなかった亜硝酸、硝酸等の窒素酸化物を分解除去することができる。窒素酸化物の速やかな分解は、二酸化２．一酸化二窒素発生抑制技術

炭素の約300倍の温室効果をもつ一酸化二窒素の発生を削減し、活性汚泥槽での一酸化二窒素発生を防止するには、槽内に亜硝酸や硝酸を蓄積をさせないことであり、硝酸を速やかに窒素に分廃水処理設備は温室効果ガスを排出しない地球温暖化防止施設となる。

大気中へ

N2O発生

＋

NH4硝化細菌
-

NO2NO3NH4＋

NO-2NO-3
蓄積

硝化反応（好気条件）
図－１ ＮＨ４－ＮからのN2O発生

小暮幸雄（こぐれ株式会社ソーエン＋

NH4

NO2-NO3硝化細菌-NH4＋

NO2NO3硝化反応（好気条件）

Ｎ２脱窒細菌
脱窒反応（嫌気条件）

図－２ ＮＨ４－ＮからN2への分解ゆきお）Yukio KOGURE〒370-0018 群馬県高崎市新保町1665-1

E-mail：kogure@so-en.net

URL:http:so-en.net/

CarbonFiber Make Water Method Association 8.2017 Vol.18- 1 -The global warming measures by MiraCarbon

活性汚泥内部
N2O

Ｎ２炭素繊維炭 素繊 維活性汚泥

活性汚泥

炭素繊維生物膜内部

硝化
細菌 脱窒
細菌 硝化
細菌
硝化細菌

活性汚泥
活性汚泥
活性汚泥

-生物膜

NO3 蓄積NH4＋＋脱窒NO3 硝化 NH4
細菌
細菌

深層

表層
生物膜

図－３ 活性汚泥法によるN2O発生

図－４ 炭素繊維法によるN2O抑制

３．炭素繊維水利用技術

さらに、軽くて高弾性な７µmの微細フィラメント集合体が、水

炭素繊維水質浄化材は、先端材料である炭素繊維から製造さ中で揺れることによりフィラメント間に大量の微生物を保持しれ、炭素繊維の軽くて強い工学的特性、炭素質からくる生物親和て、活性化することにより剥離しづらくなる。炭素繊維に大量に性、電気的特性など優れた特性を持ち合わせ、河川や湖沼等の直付着した微生物群は、大きな塊となり表層に好気性細菌、深層に接的水質浄化や、水産養殖や藻場造成等に幅広く利用されていは嫌気性細菌が固着して、炭素繊維の揺れにより水中の有機物やる。水質浄化材に用いられる炭素繊維は、ＰＡＮ系（ポリアクリ栄養塩類を捕食・分解する。この炭素繊維の微生物群にアンモニロニトリル繊維）で直径７µmの微細フィラメントが 12,000 本あア態窒素が捕捉されると、表層の好気性硝化菌の働きにより亜硝るいは 15,000 本にて構成され、一般工業用炭素繊維とは異なり酸から硝酸へ変成し、深層の嫌気性脱窒細菌により硝酸から窒素水中での広がりを持たせるため水溶性サイジング処理が施されてに分解され大気へ拡散される。この結果、窒素が除去されると共いる。ＰＡＮ系炭素繊維は、日本の炭素繊維メーカーが世界の大に、窒素酸化物蓄積により生成されていた一酸化二窒素の発生が部分を生産する先端工業製品で、航空機や自動車などに多用途に無くなる。炭素繊維による水質浄化と温室効果ガス削減は、炭素利用されており、水溶性サイジング処理の施された水質浄化材製

繊維の持つ優れた物質特性による水質浄化メカニズムであり、大品は、ミラカーボンが世界唯一である。炭素繊維による水質浄化

きなエネルギーを必要としない持続可能な処理方法である。

は、炭素繊維の微細フィラメントの持つ大きな表面積による汚濁物質捕捉能力と、併せて付着する有用微生物群が形成する生物膜４．温室効果ガス削減の有効性が汚濁物質を分解することで達成される。この水質浄化メカニズ

一酸化二窒素削減は、炭素繊維に付着する好気性及び嫌気性細ムは、排水処理における生物膜処理を炭素繊維接触材にて行うも菌の働きによって行われる。廃水中に含まれるアンモニア態窒素ので、同様の目的にて市販されている製品に化学繊維や綿繊維、は、炭素繊維表層の好気性硝化細菌と深層の嫌気性脱窒細菌の働プラスチック製接触材がある。

きにより亜硝酸から硝酸へと変成し、最終的に水と窒素に分解さ炭素繊維は、それら材料と比べ比表面積や電気的特性に大きなれる。炭素繊維を用いない一般的活性汚泥法では、アンモニア態優位点があり、電気的抵抗が小さく伝導性が高いため、細菌や微窒素は好気性細菌により硝化され亜硝酸から硝酸とは変成する生物が付着しやすいことが科学的に立証されている。

が、廃水中に蓄積されるため窒素成分は除去されない。

嫌気性微生物

嫌気性微生物

好気性微生物

好気性微生物硝化細菌

硝化細菌

炭素繊維の揺れ

水の動き

脱窒細菌

微生物膜

｛好気性菌
嫌気性菌

脱窒細菌

炭素繊維フィラメント

図－５ 炭素繊維法による水質浄化メカニズム
CarbonFiber Make Water Method Association 8.2017 Vol.18- 2 -The global warming measures by MiraCarbon

図－６ 浄化槽内の炭素繊維設置状況１

図－７ 浄化槽内の炭素繊維設置状況２

400：N2O：CH41000
800
600
400200

全窒素 TN (mg/L)

温室効果ガス発生量(g-CO2eq/m3/day)

1200：NO3-N：NO2-N：NH4-N：Org-N30020010000

活性汚泥法 炭素繊維法
図－８ 温室効果ガス発生量比較

図－10 活性汚泥法による温室効果ガス発生

処理前

活性汚泥法 炭素繊維法

図－９ 窒素削減量の比較

図－11 炭素繊維法による温室効果ガス発生

炭素繊維の表層に付着する好気性微生物は活性化して有機物をる水質浄化の有効性が実証されたが、技術標準化や生産体制、設捕食分解するため有機物分解能力も高く、有機物を栄養源として計方法を確立できず事業化に至らなかった。その後、炭素繊維水活性化した微生物群は高い脱窒効果をもたらす。速やかに窒素酸利用技術研究会が結成され課題を解決したことにより、公共事業化物分解が行われることにより、副産物である温室効果ガスの一にて環境改善工事として発注され、近年では排水処理設備の機能酸化二窒素の発生が無くなり、活性汚泥法処理施設より温室効果向上材料としてその効果が認められている。

ガスは排出削減される。

炭素繊維の水質浄化効果が多くのメディアにて紹介されたこと

炭素繊維水利用技術は、2008年から本格的に炭素繊維水質浄化により海外へも周知され、環境破壊の著しい中国を始めとして韓材を活用した水質浄化事業として、日本国内をはじめ、環境破壊国、台湾等周辺国やASEAN諸国への輸出が開始された。2011年、が顕著となった新興国、発展途上国での実施されている。炭素繊南アフリカダーバンにて開催されたCOP17第17回国連気候変動枠

維水利用技術は、1990年代より研究開発されて河川や湖沼におけ組み条約国会議サイドイベントジャパンブースに展示されたこと

CarbonFiber Make Water Method Association 8.2017 Vol.18- 3 -The global warming measures by MiraCarbonを契機にアフリカでの実証が開始され、さらに2013年横浜市で開炭素繊維の廃水処理設備への利用は、従来処理することのでき催のTICAD Ⅴ第5回アフリカ開発会議アフリカンフェアー2013になかった活性汚泥槽での窒素除去を可能とし、温室効果ガスの一て紹介されたことによりアフリカサブサハラ地域での生活廃水処酸化二窒素発生を削減できる。炭素繊維水質浄化材は、既設の処理や鉱山廃水処理にて利用されている。

理設備に設置するだけで効力を発揮し、特別な維持管理やエネル

海外での使用実績として最も大きいのは、環境破壊の著しい中ギーを必要とせず、維持管理費や運転費用の削減ともなり、極め国で、既に河川や湖沼の水質浄化技術として有効性が認められ定て費用対効果が高い持続可能な水処理方法として有望である。

着している。国家実証プロジェクトにも採用され、廃水処理施設

今後、水質汚染防止の観点から窒素量的規制が強化されることでの水質浄化効果が認識されていることから、中国への輸出は増から、窒素除去効果と共に強烈な温室効果ガスの一酸化二窒素発加傾向にある。アジア圏では、シンガポールやベトナム、タイ、生削減効果が社会的に認識され、地球温暖化対策とし炭素繊維法

マレーシアにて実績があり、フィリピンのニッケル鉱山廃水処理が普及しパッシブで持続可能な水処理技術として大きな需要が期にも利用され、インドでの普及も期待できる。ロシアでは、雨水待できる。

処理を行っているモスクワの国営企業から炭素繊維水質浄化材の効果が認められている。

欧米等の先進国においては、都市部の廃水処理施設が老朽化して更新時期を迎えているが、近年の経済不況や資源価格低迷により、新規投資はできずに容易な水処理機能向上方法が求めら

５．炭素繊維水利用技術の将来性
日本における汚水処理人口普及率は、2015年度末にて89.9％となり、一部の離島や山間部を除いて下水道施設、農業集落排水施れている。現在、炭素繊維法採用が検討されているが、炭素繊維法による水処理機能向上と一酸化二窒素発生削減は、採用の大きな優位点となる。

設、浄化槽等にて汚水処理されている。環境意識の高まりや法規アジアやアフリカ、中南米諸国の発展途上国では、大都市中心制強化により民間企業の有機工業廃水、畜産廃水等の廃水処理整部のインフラは整備されても、郊外や中小都市の下水道工場廃水備も進み、多くの処理方法は活性汚泥法が主体となっている。そ処理の整備は進まず水質汚染が深刻となっている。酸化池やラグの結果、全ての活性汚泥槽から一酸化二窒素発生が発生しているーン方式と呼ばれる初歩的な廃水処理を行っている地域も多く、ことになる。活性汚泥槽からの一酸化二窒素の発生は、従来から都市への人口集中により排水量が増大し処理機能が低下してい知られているが、多くは処理工程上の不可抗力として、特段の対る。それら処理設備では窒素酸化物の増大により一酸化二窒素が策は取られず放置されているのが実態である。

発生し、汚泥堆積によりメタン発生も招いている。発展途上国

近年の水処理技術進歩により、膜処理等の高度処理施設の普及に、早期に下水道施設を普及させることが望ましいが、高額な高が進んでいるが、建設費用や維持管理費、運転費用が高額化し経度処理施設である必要はなく、従来型の活性汚泥処理にて足り済的負担が増大している。高度処理は、飲料水浄水工程においてる。活性汚泥槽に炭素繊維を設置すれば、経済的負担も少なく、は衛生的に有益ではあるが、下水処理や工場廃水処理分野におい維持管理が容易で、運転費用も少ない持続可能な水処理システムては必然ではない。一定量の有機物や栄養塩類を自然界に還元すとなる。有機物の除去だけでなく、窒素を分解処理し、一酸化二ることが生態系保全には必要であり、近海の水産資源確保に不可窒素の発生を削減することができる。短期的に見ても、既存の老欠である。また、少子化による人口減少と社会的熟期において高朽化した活性汚泥槽や酸化池、ラグーン処理池に炭素繊維水質浄額な高度処理施設は、建設時の財政負担を増大させるだけでな化材を設置することで、処理機能の向上と一酸化二窒素発生を削く、維持管理や運転費用を増加させ、老朽化施設更新の障害とな減することが可能となり、直ぐに実行できる発展途上国や新興国ってしまう。の地球温暖化対策となる。

図－12 老朽化した活性汚泥槽（ロシア）

図－13 曝気式ラグーン処理池（ペルー）

CarbonFiber Make Water Method Association 8.2017 Vol.18- 4 -The global warming measures by MiraCarbon

６．おわりに

７．参考文献

廃水処理設備からの一酸化二窒素発生削減は、一般的に注目

１）Mitigation of nitrous oxide (N2O) emission from swine

されず認知度が低いため対策が取られていないのが現状であwastewater treatment in an aerobic bioreactor packed withる。廃水処理設備は、汚水から汚染物質を除去して処理水放流

carbon fibers,

先の水質汚染防止を目的とする、人類にとって重要かつ不可欠

Takahiro YAMASHITA, Ryoko YAMAMOTO-IKEMOTO, Hiroshi

な工業プロセスである。廃水処理による主な除去指標は有機物

YOKOYAMA, Hirofumi KAWAHARA, Akifumi OGINO, Takashi

で処理方式は活性汚泥処理法主体のため、活性汚泥槽に窒素酸

OSADA,Animal Science Journal, In Press, 2015

化物が蓄積すると一酸化二窒素が発生してしまう。将来、世界中に廃水処理設備が普及して水質汚染問題が改善されたとして

２）Carbon Fiber as an Excellent Support Material forも、現状の処理方式では一酸化二窒素発生は増加し続け、地球

Wastewater Treatment Biofilms

温暖化問題は改善されない。廃水処理設備よりの一酸化二窒素

Shinya Matsumoto, Akihito Ohtaki, Katsutoshi Hori

発生と地球温暖化との因果関係が明らかならば、この対策を行Environmental Science & Technology , 2012, 46 (18)

わないことは不作為の責任と言える。
今後、炭素繊維法水処理システムによる有機物、窒素酸化物

３）炭素繊維水利用技術設計指針の処理効果向上と、廃水処理設備からの一酸化二窒素発生削減

TheGuideline

for

CarbonFiber

water

Purification

が、広く認識され普及することにより、水質汚染対策と地球温technology,暖化防止の両方の環境問題に貢献することができるであろう。

CarbonFiber Make Water Method Association 2 017

CarbonFiber Make Water Method Association 8.2017 Vol.18- 5 -