太陽地球システム・エネルギー学講座
水資源システム学分野

Solar and Terrestrial Systems and Energy Sciences

Urban and Regional Environmental Systems

水資源と水環境に関する研究
Researches on Water Resources and Environments

准教授 久保田 健吾

教授 李 玉友

教授 佐野 大輔准教授 小森 大輔

Associate Professor

Professor （協力教員）

Professor

Associate Professor

Kengo Kubota

Yu-You Li

Daisuke Sano

Daisuke Komori

水資源システム学分野では、世界の水問題を解決することを目指し、以下の研究に取り組んでいる。
1）脱炭素型下水処理システムの開発れている。この DHS を最初沈殿池と組み合わせる技術は有機物除去2 ) 下水疫学的アプローチによる COVID-19 早期検知システムの構築においては優れているものの窒素やリンといった栄養塩を除去するこ

3）気候変動と土地利用変化が自然環境に与える影響評価手法の開発
4 ）地球温暖化と林業の衰退など森林の荒廃による流木発生メカニズムの解明
5）嫌気性バイオテクノロジーを用いた排水・廃棄物処理と微生物群集の解明
Our research topics in 2021 were as follow:
1) Development of a self-sustainable sewage treatment system
2) Development of an early warning system for COVID-19 centered on wastewater-based epidemiology3) Development of evaluation approaches for the effect of climate change and land utilization change on natural environments
4) Mechanisms of flood wood generation caused by global warming and forest industry declination
5) Waste and wastewater treatment using anaerobic biotechnologies and microbial community analysisとができない。そこで最初沈殿池と DHS の間にウキクサバイオマスを生産するプロセスを設けた。これにより窒素やリンがウキクサの増殖に伴って除去される。ウキクサは地球上で増殖速度が早い植物の 1つであり、バイオマス生産も活発に行われる。また最初沈殿池で除去される汚泥は何らかの形で処理しなければならないが、焼却処理などは化石燃料の添加が必要なため脱炭素化の流れにおいては好ましくない。嫌気性消化はエネルギー生産を伴うため魅力的な処理方法になりうるが、生産したウキクサを一緒に嫌気性消化することでバイオエネルギー増産という付加価値を付けることができる。これにより水処理に要するエネルギーを削減し、またエネルギーを増産することが可能となり、水処理プロセスの脱炭素化に近づけると考えている。現在は下水処理の脱炭素化に向けて
第 26 回気候変動枠組条約締結国会議 (COP26 ) では世界が 1.5℃目標に向かって努力することが正式に合意されるなど、世界的な脱炭素化の流れを後押しする成果が得られたと考えられる。洞爺湖サミッることを踏まえると、まさに待ったなしである。人間活動に伴って排出される下水を処理する下水道は、安心・安全な水環境を支える上で重要な社会インフラである一方で、そこから排出される地球温暖化ガスは日本全体の約 0.7% に相当すると言われている。そのうち約 70%が水処理プロセスに起因すると報告されており、水処理プロセスの脱炭素化は下水道における重要な課題の 1 つになっている。
処理プロセスを開発することで、下水処理の脱炭素化に取り組んでいる。下水処理の標準法として用いられている活性汚泥法は、微生物に酸素を供給するために曝気する必要があり、この曝気に要する電力使用量が大きい。一方で下水中には有機物や窒素、リンといったものがミネラルと共に含まれており、例えば有機物はメタンへ、窒素・リンはバイオマス生産のための肥料として用いる事ができるため、下水には潜在的なエネルギーが多く含まれていると考えることができる。
下水処理の脱炭素化においては、省エネ型の水処理プロセスに加えて、これらをうまく利用してエネルギーを生み出すことが 1 つの鍵となっている。アプローチの 1 つとして、最初沈殿池とウキクサ栽培とdownflow hanging sponge (DHS) による水処理と、最初沈殿池で発生する生汚泥と栽培したウキクサの嫌気性消化によるエネルギー生産による水処理プロセスのエネルギー的な自立を可能にするシステムの開発を行っている。DHS は散水ろ床法の担体をスポンジにしたもので、省エネ型下水処理技術としてインドやエジプトなどにも導入さ

38 Coexistence Activity Report 2021

In Urban and Regional Environmental Systems laboratory, we are working
on decarbonization of sewage treatment by developing energy-saving andenergy-creating sewage treatment processes. The activated sludge processused as the standard method for sewage treatment requires aeration to
supply oxygen to the microorganisms, and the amount of electricity
required for this aeration is large. On the other hand, sewage contains
organic matter, nitrogen, and phosphorus, along with minerals. For
example, organic matter can be converted into methane, and nitrogen andphosphorus can be used as fertilizer for biomass production, so sewage canbe considered to contain a great deal of potential energy. In addition tointroducing energy-saving water treatment processes, one key todecarbonizing sewage treatment is to generate energy by using thesenutrients. Currently, we are developing a system that enables energy
independence of the sewage treatment process. For wastewater treatment,processes of primary sedimentation, cultivation of duckweed, and downflow hanging sponge (DHS) are combined. Anaerobic digestion of raw
sludge and cultivated duckweed is for energy generation. DHS, which uses
sponge as a carrier in a trickling filter process, has been introduced in

沈殿池処理下水を用いたウキクサ生産の評価を下水処理場に設置したシステム (Fig.1) を用いて行うと共に、ウキクサ添加が最初沈殿池汚泥の嫌気性消化に与える影響の評価を実験室で行っている (Fig.2)。
今後は、それらのデータを元に処理システム全体の評価を行っていく予定である。

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

水資源システム学分野では、省エネルギー・創エネルギー型の下水At the 26th Conference of the Parties to the United Nations Framework
Convention on Climate Change (COP26), the world formally agreed towork toward a 1.5°C target, an achievement that is believed to have helped
drive the global trend toward decarbonization. Considering it was only
about 10 years ago that Japan declared at the G8 Hokkaido Toyako Summitthat it would aim for a low-carbon society, there is truly no time to wait.
Sewerage systems, which treat sewage discharged by human activities, are
an important social infrastructure in supporting a safe and secure waterenvironment, but it is said that the global-warming gases emitted fromsewerage systems are equivalent to about 0.7% of Japan’s total. About 70%of the emissions is reportedly caused by the water treatment process, anddecarbonization of the water treatment process has become one of theimportant issues in sewerage.

ウキクサ栽培が及ぼす水処理効率 ( 処理性能 ) への影響評価、最初

先端環境創成学専攻

トで、日本は低炭素社会を目指すと宣言したのが 約10 年ほど前であToward Decarbonization of Sewage
Treatment

India and Egypt as an energy-saving sewage treatment technology. The
technology of combining the DHS with a primary sedimentation tank isexcellent at removing organic matter, but it cannot remove nutrients suchas nitrogen and phosphorus. Therefore, a process to produce duckweedbiomass is installed between the primary sedimentation and the DHS. In
this way, nitrogen and phosphorus are removed as the duckweed grows.
Because duckweed is one of the fastest growing plants on earth, biomass
production is very active. The sludge removed from the primary
sedimentation tank must be treated in some way, but incineration isundesirable because it requires the addition of fossil fuels. Anaerobic
digestion can be an attractive treatment method because it involves energy
production. Digesting the produced duckweed together with raw sludge
from a primary sedimentation tank will produce additional energy.
Reducing energy required for wastewater treatment and increasing theenergy produced will bring us closer to decarbonization of the sewage
treatment process. Currently, we are evaluating the effect of the cultivationof duckweed on wastewater treatment efficiency (treatment performance)
and the production of duckweed using sewage treated by a primary
sedimentation tank. To accomplish this, we have installed a system in asewage treatment plant (Fig.1) and we are evaluating the effect of theaddition of duckweed on the anaerobic digestion of raw sludge from theprimary sedimentation tank (Fig.2). In addition, the entire system will be
evaluated based on the obtained data.

Fig.1 On-site experiment of the wastewater treatment system.

Fig.2 A laboratory-scale methane fermentation reactor.

Coexistence Activity Report 2021

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