でんぷん製造廃水のメタン発酵処理について‑
NLethc]ne

一On

アクアルネッサンス'90計画よりFermenl･cl†盲oncI

WhecJl･theResLJlfs

ofStc]rchof

AqucI

‑

WcIS†ewcIl･er

from

ProducingP]cm†

ReM]盲ssclnくe'90

proiec†‑

技術開発本部堀

製品化技術室MakotoUsing

theandtreatment

systemproject conducted
Ltd.
Robe
Steel

まbrane,whichcanmatter

andpurify

がきえbiotecbnology

newestwastewater

filtration

and皿embrane

technology,

anddeveloped

othersrecovermethanewastewaterTwo‑phasefrom

Methanewastewaterfrom

SystemhighatfromsludgeRenaissanceloading

rate'90uslng

Mem‑oforganichighly.

く透過させ,洗浄性に優れかつ耐久性のある膜モジュ‑)i,の開発3)が行われた｡

1985年度から1990年度までの6年間実施された通商産業

1.

省工業技術院大型プロジュクー｢水総合再生利用システムの研究開発+ (アクアルネッサンス'90計画)に,工業技術

2

基本計画目標値

バイオ1)アクター及び膜モジュールの各々の使用条件における基本計画目標値が第1表に示したように設定された院の公害資源研究所,微生物工業研究所,化学技術研究所,(財)進水促進センター
大阪工業技術試験所の4研究所と,が,高漬度廃水であるでんぷん製造廃水を中温発酵でメタkgBOD/m8･d以上の負荷で処ン発酵処理する場合には15と(財)バイオインダスヤリー協会の2団体および企業20社理し,そのときの流入有機物のガス化率を80%以上にするとが参加し,最先端のバイオテクノロジーや膜分離技術を組合わせて,工場廃水や生活廃水からのエネルギーの効率という目標値が設定された｡ここでガス化率とは流入有機炭素がメタン及び二酸化炭素に転換する比率である｡

的な回収,廃水処理設備のコンパクー化,処理費用の低減,汚泥発生量の低減,設備の容易な維持管理等を可能と

また分離膜の開発では,膜の使用条件として廃水中の微生物あるいは懸濁物質(SS)濃度が10000mg/e程度の場合の膜透過所要動力を1.5kWh/m8透過水以下にするする技術開発が行われた1)｡
このプロジェクーに参加し,Fermentation

stablyHoriguchi

recoveryenergyexcesstreatmentlowefficientof them,municipal
Aqua
wereat thestudiedandothers
nationalproject,byAgency
Technology･
Scienceof lndustrial
andsewage,頁

口2相式中高濃度廃水用バイという目標値が設定された｡

オT)アクタ‑の研究開発を担当した㈱神戸製鋼所のグル‑プ企業の一員として,本稿ではプロジュク†の研究開発成果の中のでんぷん製造廃水のメタン発酵処理に関する部分

1. 3の概要を紹介する｡

れて実施された′+＼型実液試験装置による実廃水試験4)等の

1.

開発目標

結果に基づき,高濃度廃水研究グ/レープはでんぷん製造廃

1. 1研究開発の目標

水を,低濃度廃水研究グループは下水を研究対象とするパ

メタン発酵はメタンというエネ/レギーを回収でき,また好気性の活性汚泥処理のように酸素供給のための大きな曝

イロットプランTlが建設された｡でんぷん廃水研究グルー

パイロットプラントの建設
基礎的な要素技術の研究4),さらには7グループに分か

プには㈱神戸製鋼所の他に,膜モジュ‑ルの研究開発を担当する三菱レイヨン･エンジニアl)ング㈱,計測制御s'ス

気動力が不要であり,さらに余剰汚泥の発生量が少ない等テムの開発を担当する三菱電機㈱の2社も参加した｡の特長をもち,古くから下水汚泥やし尿の嫌気性消化処理等に利用されてきたが,メタン細菌の高渡度培養が困難なために高有機物負荷処理ができず,また環境変化に金亮敏であるために運転が第1表
Table

基本計画目標値
ITheobjectives of

容易でなく,さらには有機物の除去率が低い
本プロジェクトではメタン発酵法の長所を

loading

Gasfriacfaetion
ratecon°.

15

wastevater

kgBOD/m3(Reactor) ･dover(Reactor) ･dover(Reactor) ･doverh

⊂)

〜

2000

overmgBOD/LUcdq)

Mesophil
5Fi

Low

やすい担体の開発や,菌体自身の造粒作用をcon°.

200/‑1

利用したスラッジブランケッ十(以下UAS

wastewater000

ic

kgBOD/m8

Mesophilic
2mgBOD/L

kgBOD/n3Operating
己q)con°. of membranecon°.
10 000mg/e
Microorganisms

冒

Microorganisms

..1⊃

32

project

ic

Ther皿OphilBigh

気性細菌を高濃度に保つための菌体が付着しBと略す)式リアクターの開発2),さらには懸濁物質を高濃度に含んだ液を低圧で効率よ'90

Wastewater

生かし,エネ]t/ギ‑として利用可能なメタンるメタン発酵システムを構築するために,嫌Renaissance
BOD等の理由でその利用が制限されてきた｡

を安定に回収し,さらに廃水を高度に浄化す

Aquaobjective

神鋼パンテツク技報

con°.

100mg/e

Power
■

80%

over60%overconsumption

1.5kWh/m8
0.3 kWh/m3

Vol.

36

Permeate

underPermeate

under

No.

3

(1992/12)

2･膜複合メタン発酵リアクターによる小麦でんテム4)5)(以下アクアシステムと略す)のパイロッ†プラン

ぷん製造廃水処理

トの主要機器仕様を第3表に,処理フローを第1図に示し

2. 1小麦でんぷん製造廃水の水質

たo散発酵1)アクターで処理された液は精密炉過型分離膜

パイロットプラントが設置された長田産業㈱(兵庫県宍粟郡山崎町)では′ト麦粉から′J＼麦でんぷんと小麦蛋白(グで分離され,主に揮発性有機酸を含有した透過水はメタン発酵リアクターに供給される｡一方高分子の禾分解物,ルテン)が生産されている.小麦でんぷんは,原料′ト麦粉に約10数倍の清水を加え,混練,水洗分離し回収したでんS,酸生成細菌などを含んだ膜凍縮水は酸発酵リアクターに返送されるシステムであるo本システムで使用されたポリエチレン製の外圧塑中空糸膜モジュールの構造図6)を第ぷん乳を精製,宅燥させて製造される｡小麦粉中のグルテ

2図に示した｡発生したガスは乾式脱硫装置で脱硫処理後ンも水洗分離後に別=程で回収,乾燥されて製造される｡
このような工程から排出されるでんぷん製造廃水は第2表

一時ガスホ/I,ダーに貯流された後,ボイラ‑などのエネルギー源に使用される｡に示したように小麦粉中の不溶性懸濁物質,及び溶解性の有機物をともに高濃度に含む4)｡また窒素を約500mg/e,.)

本システムの特長は次の通りである｡

mg/eを含んでいるために嫌気性処理する場合にほ栄養塩の添加は不要である等の特長を有している｡
2. 2膜複合メタン発酵処理システム(1)酸発酵相とメタン発酵相を分離した2相式であるた

固定床式酸発酵l)アクタ‑とUASB式メタン発酵リア(2)分離膜によって酸生成細菌を高濃度に保持できるた

クタ‑の閤に分離膜を設ける膜複合2相式メタン発酵シスめ,高有機物負荷処理が行える｡(3)同じく分離膜によって未分解の高分子物質や懸濁物

ンを約120i

め･各リアクターを各相の嫌気性細菌に適した生育条件で運転でき,高有機物負荷処理運転が可能となる｡

第3表膜複合2相式メタン発酎ステム
パイロットプラントの主要機器仕様
Table

3

Eqtlipment
Acidogenicって,分解を促進することができる｡(4)メタン発酵1)アクタ‑には,メタン細菌が自己造粒

of pilot‑scale plant of two‑phasefermentation
systemusing
membrane

nameType
Shape
Dimension

reactorMed iaMedia
volumeMembrane

し高濃度菌体保持が可能となるUASB型.)アクター

specifications.

VolumeType
DimensionMaterial
Pore size

moduleMembraneを採用している｡(5)メタン発酵リアクタ‑へほ主にメタン細菌の基質でFixed
Cyl indrical
3 000中× 4 320 SH
30 m3
PVC

Follow

24m8

holderarea‑

Sludge blanket
CylindricalType
Dimension
Volume

32

Water
from

Influellt

154004'× 2 500

SfIり≡≡喜≡
さ≡≡≡H

第2国

m3

中空糸膜モジュール構造図

Fig･2

analysis

BOD
COD
TOC
S S
Hydrocarbon

Schematic

fiber

type

membranemoduleDesulfuri zer●●Acidし)gellic●･こ｡

九･.IethatlOgellic

reactorMenl bra ne
feed ta】1k

reactor

Per】11eatetankGas(;as bolder

tallk[mg/ejcone.

of hollow

Desulfurizer

Screer】

Storage:

representation

Alkaliquality of wastewater
wheat
starch producing

acプ㍉ perllneate(:;≡⊆≡三≡≡m3waterseal
200中×4 000

30Casing
t→ノplant

13 00019000
o

6 400ll()nitorlrlg

3 500

Steanl

Mernbrane

40050050

Heat

第1図Fig･(1992/12)

oく)

Steam

塞

moduleEffluen{}120

3os l'Stelll

3 000

K‑N
T‑S
T‑P

0:ooo:oooQ喜

4 000

Protein
LipidNo.

nut

鮎324 m22

小麦でんぷん製造尭水水質

36Fixing

C()ncelltrate

Inflし1eTlt

Vol.

lingo･2一U mi ShapelDimension… Volume

表WaterFixingelement

Hollow
fiber
65A x 935L
Polyethylene

i Typereactori

第 2Tablefiber typemembrane〜

Methar10genic

Gas

質を長時間酸発酵リアクター内に滞留させることによSpecifications
metbaneS

A一kaliexchanger

膜複合2相式メタン発酵システムのフローシート
I

Flowdiagramof

twoIPhase

神鋼パンテツク技報

methanefermentation

systemusing

membrane33

80

340 000=30000SS【ーc,?

阜220000

bD

̲5<q)

H

亡弓+≡I.ィh喜ごj⊂ヽつ60,..{10000̲ー〔弓u〔コ0;∽>40･g3 1‑Iロゴ

モ=u童0Flux

丘20<L)

60

120180240

uO

60180120240

Elapsed第3囲

300360420

第6図[days]time

Fig.

酸発酵リアクターにおける有機酸転換率の縫目変化

Fig.

Time

3cotユrSe

Timeof SS

4

表各工程の水質4

Waterquality[mg/e]〔 〟 〕〔 〟 〕[ ;/ ]
S‑TOC〔ク〕
VFA‑C〔ク〕
〔〕
pH一台
10bJ)

毒E3
⊂)⊂q

60

120180240

Elapsed

第4図Fig.

flux

process

each

318

1224

1951

6

15ol

4

3ol

2

0

1…!3time

300

36()

420

Time

courseof BOD

15.3!

足される約60日目以降から60/‑75%に達し,これ以降安定[days]した酸発酵処理が進行した｡rate2) BOD負荷とガス化率
第4図にBOD負荷値の経目変化を示したが,運転終了

BOD負荷の縫目変化
4loading

一J

1‑5‑oatand㌻
waste‑aterjAciedfOf?en･lpermeate retheafnf?gen.

S SBOD
CODTOC￣d̲A,くて〜concentrarion

Table

Am1ysis盲15360

S濃度と膜透過流束の縫目変化

courses

第rate

Of acicification

膜循環液S
6300

【days】

Time

前の40日間に設計負荷運転を実施し開発目標値の15kg100BOD/m3･dの運転が可能であることを実証した｡また第5国にガス化率の縫目変化を示したが,工場の操業条件の80[変更及び原料′J＼麦粉の変動等により原水水質が大幅に変動盟
Bcd

したにも関わらず,分離膜を組み込んだ効果によりガス化率の開発目標値である80%をほぼ安定して達成している60h∈:.≡忘40ことが認められる｡なお,酸発酵l)アクターのpHはアル20

カリを添加して5.3土0.2に調整された｡メタン発酵リアク
7.0′‑7.3で推移しメ‑のpH調整は行われなかったが,L=?
‑a(てiじIた｡また両l)アクターの液温は約37oCに保持された｡
u

第5国
Fig.

()

6O

120

180

240

300

Elapsedtime[days]

360

42O3)処理水水質とガス発生量
第4表に各工程の処理水水質を示したが,小麦でんぷん製造廃水は河川に直接放流できるまでに高度に浄イヒ処理さガス化率の経日変化
5Time

courseof gasficationれていることが分かる｡このときのBOD除去率は99.6rate

ある酢酸や低分子有機酸が供給されるため,高負荷処%と非常に大きな数値である｡酸発酵処理水と膜透過火の水質の比較により,酸発酵リアククーの後段に組み込んだ両l)アクターからのガスは理が可能となりかつ高有機物除去率が達成できる｡(6)コンパクトである｡

分離膜の有効性が確認できるo(7)余剰汚泥発生量が少ない｡

62o/a,

31)有機酸転換率
第3国に酸発酵リアクターにおける有機酸転換率の経日システム内で加温などに消費するエネ/レギ‑量の約5倍量となり,本システムが創エネルギーシステムであることが実証された｡

変化を示した｡この有機酸転換率とは流入した廃水中の有4)分離膜の透過流束

2.

運転結果

機炭素が揮発性有機酸に転換した比率であるが,発生した7‑8Nm3/m3廃水発生した｡このときのガス組成はCH4膜面SCO238o/oであったo

このガスのエネ]t,ギ一畳は本S濃度と透過流束の経日変化を第6図に示した｡

メタンと二酸化炭素も有機酸を経由して生産されたものと%前後であして計算値に含まれている｡運転開始当初約40ss濃度が20000‑30000mg/eの高潰度であっても,嫌気性細菌に悪影響を及ぼす塩素系洗浄薬品を使用することったこの有機酸転換率が,投入した種菌が馴養されたと推なしに,透過水による道圧洗浄を行うことによって長期間

34

神鋼パンテツク技報

Vol.

36

No.

3(1992/12))

1.5
Gas bo一der●U●●

巨岩1.0a一三ー【勺o.5阜
丘0.O
1 000

Fig.

Effluent
Storagetal止Fl oatation

ReactorHeat
excbanger

第8図1()00()Fig.
SS

Desulfuri zer

Wastewater''･3&∫>､

第7園

N aOIi:I:t･こ･tJ),1,̲1･S

MethaneSteam

ExcesssludgePANBICIFの処理フロー
8Flow

Feeding

rate

diagramof PANBIC‑F[｡g/且]

con°.

SS濃度と透過流東の関係
7Correlationofflux andSS

concentration

第35of vastewater
Reactorvolumeliquid
Reactor00

ラ柴度との相関を示したが,透過流束が膜面CODremovalTOC
removalGas production
Methanecon°.

BOD

S

Sに依存していることが認められる｡運転
所要動力は膜面S
S濃度が20000mg/eのと固定床式メタン発酵リアクターに

Table

5Anaerobic

よるでんぷん製造魔水処理結果

m3

from
plant

liquidReactor

表37oC

temp.

にわたり安定した運転が可能であることを実証した.また第7図に膜透過流克と膜面SS

5m3/d

pH
loading rate

(長田産業(樵).2treatmentof wastewaterawheatstarchby PANBIC･F'88.

producing

3.20の運転実績)

5 kg/m8･d78%

80%
40 Nm8/d68%

きで1.35kWh/m3透過水であり,目標値を満足していた｡
2. 4

アクアシステムによるでんぷん製造廃水処理結果のまとめ㈱神戸製鋼所等が開発した膜複合2相式メタン発酵シス

このPANBIC‑Fとアクアシステムを比較すると,
PANBIC‑Fは下水道放流の場合以外には活性汚泥法など

テムは,パイロットプラン†によるでんぷん製造廃水処理の後処理が必要であるが,構造及びs/ステムがジンプ)t'で維持管理が容易である｡一方,アクアシステムは維持管理テストにおいて,有機物負荷,ガス化率,分離膜の運転所要動力の各基本計画目標値を満足し,さらには直接放流で高度に浄化された処理水が得られるといえる｡

きるまでに高度に浄化された処理水が得られるという高効

む率なシステムであることが実証された｡

3.

ん製造廃水のメタン発酵処埋
大型の実装置では日本国内で最初に建設された実績を持つ当社の固定床式メタン発酵l)アクター(PANBIC‑F)とアクアシステムとの技術的な比較を次に行う｡
PANBIC‑Fの処理フロー例を第8図に示したが,この用することによって嫌気性細菌を高濃度に保持し高効率なメタン発酵処理が行えるというものであるが,これまでに主に食品工場廃水処理向けに約30基の実績を有している｡
このPANBIC‑Fの実装置による′J＼麦でんぷん製造廃水のCOD
メタン発酵処理結果7)を第5表に示した｡
cr負荷8kg/m3･dでメタン発酵処≡哩し,TOC除去率が80%に達するという単相式メタン発酵システムとしては高効率な処

36

No.

3(1992/12)

びいて㈱神戸製鋼所等は,でんぷん製造廃水を研究対象廃水として,工場廃水から安定してメタンを回収するとともに,高度に浄化された処理水が得られる高効率な膜複合2相式メタン発酵システムを開発した｡今後は(財つ志水促進
センタ‑が中心となって,このシステムを含めたプロジェクト全体の研究開発成果の実用化と普及活動が推進されるシステムの特長は,維持管理はリアクターのpH,温度,壁隙容量を制御するだけで済み,プラスチック製の担体を使Vol.

す以上述べてきたようにアクアルネッサンス'90計画にお固定床式メタン発酵リアクターによるでんぷ理結果を得ている｡

がやや複雑ではあるが,河川などに直接放流できるまでにことになっている｡〔参考文南た〕1)河野丞雄:環境技術,

20,81‑84(1991)

20,
85‑91(1991)
2)小林浩志:環境技術,
20,92‑99(1991)
3)谷口良雄:環境技術,17,
1ト21(1992)
4)柳長太ほか:造水技術,
5 )アクアルネサンス技術研究組合:分離膜を複合した嫌気性廃307‑320(1991)
水処理重安術, p. 79‑104,) (財)造水促進センター:造水先端技術講習会講演要旨,
83‑87(1992)
p. 43‑46,
17, 672‑678(1988)
7)宝月章彦ほか:環境技術,6

神鋼パンテツク技報85