Engeering Sciences Reports, Kyushu University
Vol. 28, No. 2, pp. 247-253, SEP. 2006

九州大学大学院総合理工学報告第28巻 第2号 247-253頁 平成18年9月

閉鎖系におけるエコバイオ・ブロック（EBB）の水質浄化性能
松永 信博*1・増田 壮佑*2,†・徳永 貴久*3
矢野 真一郎*4・押川 英夫*4・藤田 和夫*4
古雅 雅之*5・岩下 智明*6・原田 敦彦*7
(平成18年７月31日 受理)

Capacity of Water Quality Purification by Eco Bio-Block (EBB)
in a Closed Water System
Nobuhiro MATSUNAGA, Sousuke MASUDA, Takahisa TOKUNAGA,
Shinichiro YANO, Hideo OSHIKAWA, Kazuo FUJITA,
Masayuki KOGA, Toshiaki IWASHITA and Atsuhiko HARADAE-mail of corresponding author: sou_m@esst.kyushu-u.ac.jp†Laboratory experiments were carried out on water quality purification of Eco Bio-Block (EBB),
which is a porous concrete block including Bacillus subtilis natto group. The mineralization oforganic matter and the nitrification of ammonium were examined in a closed water system andcompared with those of normal concrete blocks on the market. The capacity of water quality
purification by EBB was much higher than that of the normal concrete blocks and increased
outstandingly with the increase of the water temperature. The generation speed of dissolved
inorganic nitrogen and the nitrification speed by EBB were estimated by changing the watertemperature.
Key words: Eco Bio-Block, Water quality purification, Laboratory experiments

1. 緒言

著者らは納豆菌群の中でもアルカリ性に極めて強い

現在，沿岸域，河川，湖沼など様々な水域で，水質耐性をもつ有用微生物群を抽出・培養し，それを多孔環境の悪化が顕在化している．特に，人間活動による型コンクリートブロック内に封入することに成功した．

有機物の流入の増加は水域の富栄養化を引き起こし，そのブロックはエコバイオ・ブロック（EBB）と呼ば深刻な水質汚濁を引き起こしている．有機物や栄養塩れ，これまで熱帯魚観賞用水槽等の小規模な水質浄化の過剰な負荷に起因する水環境悪化を根本的に防ぐにに利用されてきた．本研究プロジェクトでは，ポーラは，水域に流入する負荷量を抑えることが急務である

スブロックに封入された納豆菌群により有機物分解とが1)，下水道整備や高次排水処理には莫大な費用と時アンモニア態窒素の酸化（硝化）を促進させ，脱窒活間がかかり，十分な整備がなされるには至っていな性を高めると同時に，富栄養状態の進んだ水域の水質

い2)．このような状況下では，水質改善対策が並行しを直接浄化するための技術開発を目指している．そのて行われることが必要であり，水質改善のための技術第一段階として，環境条件を制御した上でEBBの基本開発が望まれる3)， 4)．特に，生態系の物質循環システ性能実験を行ってきた．基本性能実験の主目的は，室ムを有効に利用し，栄養塩や有機物を系外へ除去する

内実験によりEBB菌の有機物分解能力と硝化能力の技術開発が強く求められている5)．

水温依存性を評価することである．さらに，EBBの基本性能を定量化し，実際の河川や海域に設置した場合*1 総合理工学研究院 流体環境理工学部門*2 大気海洋環境システム学専攻修士課程*3 佐賀大学 低平地研究センター*4 工学研究院 環境都市部門*5 コヨウ 株式会社
*6 株式会社 ビッグバイオ*7 NPO 法人 河川環境基金の効果を見積もることである．
これまでのEBBによる水質浄化性能試験から，以下の結果を得た6)．

248

1)

閉鎖系におけるエコバイオ・ブロック(EBB)の水質浄化性能

EBBによる有機物分解能力および硝化能力は，市販されている通常のコンクリートブロックに比べ，著しく大きい．

2)

EBBによる分解速度，硝化速度は水温の上昇と3)

全酸素消費量のうち，60％が硝化過程，40％が4)硝化の活性は水温25℃で最大となる．

5)

DIN生成速度は45℃以上で最大となる．

ともに増加する．

80mm

有機物分解過程に使われている．

90mm
本研究では，前回の実験6)よりも多くのサンプルをFig.1

オートアナライザを用いて分析することにより，分析結果の信頼度を向上させた．また，EBBは有用微生物

A typical form of Eco Bio-Block.

今回実験に使用したEBBの構成物質を以下に示す．

群の餌として有機物を混入させているため，有機物が溶け出し窒素量が初期に急激に増加してしまうという問題が指摘された．これを避けるため，今回の実験で＜EBBの骨材＞
・島根県石見鉱山（三菱マテリアル）産の天然ゼオライト

は，3日間，全ての試験体（EBB，ポーラスブロック，コンクリートブロック）を水温20℃に保った試料水に・

熊本県三加和鉱山産の堆積岩砕石馴染ませ，その水を捨て，改めて試料水をフランビン・壱岐島産除塩砂に入れ直した後，水質の変化を調べた．

・

普通ポルトランドセメント

・セメント分散剤（界面活性剤）

2. EBB の概要

・無機顔料

著者らは，自然の土壌中に生息する納豆菌群・EBB菌（Bacillus subtilis natto group）から特定の微生物を・EBB菌の餌としての有機物抽出し組み合わせることにより，耐アルカリ性を備えた水質浄化に有効な微生物群の培養に成功した．そし3. EBB の水質浄化に関する比較性能試験て，この有用微生物群をポーラス状骨材，セメント，

3.1 実験方法

水と混合することにより，有用微生物群を封入したポ実験において，九州大学筑紫キャンパス内の池の水ーラスコンクリートブロックを開発した7)．その水質を試料水として用いた．2005年10月11日に採水し，試浄化機能のメカニズムは未だ不明な点はあるものの，料水として冷凍保存した．以下のすべての実験においEBB中の有用微生物群（以下，EBB菌と呼ぶ）が，他ては，保存しておいた試料水を解凍して使用した．の菌と互いに補完しあう関係を保つことで単菌では得Table 1に試料水の初期水質を示す．クロロフィルaられない自然浄化能力を有していることが期待されて（Chl.a）濃度，フェオフィチン（Pheo.）濃度およびいる．現在，様々な形状のEBBが開発されているが，BOD5の値より，初期の試料水には，植物プランクト代表的なものをFig.1に示す．形状は，直径90mm，高ンが通常の河川よりも多く発生していたことがわかる．

さ80mmの中空円筒状である．EBB菌およびEBBの特

また，溶存態無機窒素は，全体的に低い値を示してい徴を以下に示す．

る．これは，試料水採取時には植物プランクトンが増殖し，すでにDINが吸収されていたためと考えられる．

1)
2)

3)

EBB菌はpH3～11程度までの範囲で生存できる実験においては，閉鎖系内における水質変化を明らため，セメントペースト中への封入が可能である．

かにするため，水表面からの再曝気を防ぐ目的でフラEBB菌の有効な増殖可能温度帯は10～65℃であンビンを使用した．100mlフランビンに試料水とEBBることから，水温が激しく変化する自然界におい菌入りのブロック5gを入れて密閉した．これらを60本ても水質浄化機能を十分発揮することが期待で用意し，恒温器（三洋電機バイオメディカ株式会社

きる．

NIR-253）の中に静置し，水温を一定に保った．

EBBはポーラス構造のコンクリートブロックで比較する試験体として，オートクレイプで滅菌したあるため，浄化対象となる水塊との接触面積が非コンクリートブロック5gを入れたフランビン60本と常に大きい事に加え，水中の有機物がゆっくりとポーラスブロック5gを入れたフランビン60本をそれブロック内を流れるため，封入されたEBB菌はぞれ用意して同条件で実験を行った．また，EBBのみ効率的に有機物を分解することができる．

による有機物分解能力と硝化能力を評価するために，

平成18年

九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 報 告第28巻

249第2号

Table 1 Initial water contents.

水温[℃]
21.7
TN[mg/l]0.55TP[mg/l]
0.14

Chl.a[μg/l] Pheo.[μg/l] BOD 5[mg/l]
24.0
9.1
5.7

NH 4-N[mg/l] NO 2-N[mg/l] NO 3-N[mg/l] PO 4-P[mg/l] SiO 2-Si[mg/l]
0.02
0.002
0.003
0.06
10.0

試料水のみを入れたフランビン60本を用意し，同じ設分析項目定温度の下で実験を行った．つまり，EBBをフランビTNアルカリペリオキソ二硫酸カリ分解

ンに5g入れたもの，市販のコンクリートブロック5gをTP

ぺリオキソ二硫酸カリ分解入れたもの，市販のポーラスブロック5gを入れたもの，

NH4-N

インドフェノール法

試料水のみを入れたものをそれぞれ60本ずつ用意し，

NO2-N+ NO3-N

測定方法

Cd-Cu還元法

ジアゾ法

それらを恒温装置に入れ水温を一定に保った．これら

NO2-N

ジアゾ法

一連の実験を10℃，20℃，30℃と水温を3段階に変化

PO4-P

リンモリブデン法

させることにより，浄化能力の水温依存性を調べた．

SiO2-Si

シリカモリブデンブルー法

恒温器内は植物プランクトンの光合成を抑えるために暗条件とした．EBBにはEBB菌の餌として有機物が混3.2 水質の時間変化と試験体間の比較入されているため，試料水中に有機物が溶け出し窒素

Fig.2に水温10℃における水質の時間変化を示す．図

量が初期に急激に増加してしまうという問題が指摘さ中において，プロットされたデータは3本の測定結果れた．この問題を解決するため，前述した様に，今回の平均値であり，縦線は最大値および最小値を表しての実験ではすべての試験体を水温20℃の試料水に3日いる．DO濃度の変化は各試験体ともそれほど大きく間漬け，馴染ませ，その後，水を捨て，改めて試料水変化しておらず，4日後においても貧酸素状態に達しを入れ直して実験を行った．
実験は開始から0，8，16，24，32，40，48，60，ていない．TNの値は，実験開始後減少する傾向が見られるが，大きく変動しながらもほぼ一定値に落ち着く

72，96時間後（全4日間）にフランビンを6本ずつ取り傾向が見られる．TNが実験開始後減少する理由は，ブ出し，そのうち3本を栄養塩［全窒素（TN），全リン

ロックに懸濁態有機窒素（PON）が付着したためと考（TP），アンモニア態窒素（NH4-N），亜硝酸態窒素えられる．また，EBBのTNの値は，他の3ケースに比（NO2-N），硝酸態窒素（NO3-N），リン酸態リンべて大きな値を取っている．この傾向は，水温20℃（PO4-P），ケイ酸態ケイ素（SiO2-Si）］の分析に用と30℃の場合においても認められた．従って，3日間い，残りの3本を溶存酸素（DO）濃度の分析に使用しEBBを試料水に馴染ませたからといって，有機物の溶た．各 溶存態 栄養塩 の分析 には， ガラス 繊維濾紙出を完全に止めることはできなかったものと思われる．

（Whatman GF/F 0.45μm）で濾過することにより得NH4-Nの値も他のブロックより大きく，有機物分解能た濾液が用いられた．今回の実験では実験精度を上げ力が他の2つのブロックよりも高いことが分かる．まるため，各時間で得られた3つのデータを平均化し，た，NO2-Nと NO3-Nの値も他のブロックより大きく，その平均値を各時間における値とした．DO濃度はウEBBが高い硝化能力を備えたブロックであることがィンクラー法によって分析された．初期水における確認された．TPとPO4-Pの値は全てのケースにおいてChl.a濃度とPheo.濃度は試料水500mlをガラス繊維濾徐々に減少し，一定値に落ち着く傾向が認められる．

紙（Whatman GF/F 0.45μm）で濾過した後，濾紙を試料水のみのケースにおいてTPとPO4-Pの値が最も90% ア セ ト ン 溶 液 中 に 入 れ ， 得 ら れ た 抽 出 液 を高くなっている．この理由として，有機態，無機態とLorenzenの方法8)に従って分析した．生物学的酸素要もにリンはブロックに吸着された可能性が示唆される．

求量（BOD）は，水温20℃においてバクテリアが有機SiO2-Siの変動は大きいものの試験体間の違いはほと物を酸化する時に消費する酸素量と定義されており，んど見られないという結果となっている．

有機物量の指標の1つである．今回は5日後のDOの値

Fig.3に水温30℃における水質の時間変化を示す．

から得られた BOD5 によって有機物量を評価した．

EBBによるDO濃度の変化は，他の2つのブロックよりTN，NH4-N，NO2-N，NO3-NおよびTP，PO4-P，SiO2-Si

は大きいものの，試料水のみのDO濃度の変化と大差は，それぞれTN・TP Auto Analyzer（BLTEC社製：がないという結果になっている．また，実験開始40時swAAt）を用いて分析した．TN・TP Auto Analyzer

間後において試料水は貧酸素状態に達していることがの各項目の測定方法を以下に示す．

分かる．このことは，水温10℃の場合と比べ，試料水内のバクテリアによる有機物分解の活性が高まったことを示している．EBBのTNの値は，他の3ケースに比250

閉鎖系におけるエコバイオ・ブロック(EBB)の水質浄化性能

Fig.2

Time variations of water quality at 10℃.
EBB
Porous BlockConcrete Block
Reference

べて大きな値を取っている．この理由は，前述したよ

3.3 EBB による水質変化の水温依存性

うに3日間馴染ませたからといって，有機物の溶出を完

Fig.4は，EBBによる水質変化の水温依存性を示す．

全に止めることができなかったためと考えられる．

DO濃度の変化は水温が上昇するにつれて大きくなっ

NH4-Nの値は，貧酸素状態に達する前までは増加傾向ており，水温の上昇とともに活性が高まることがわかにあり，貧酸素状態に達したと考えられる40時間以降る．TNの値は4日間を通してほぼ一定とみなせるが，はほぼ一定となっている．NH4-Nの生成速度は，EBB

TPとPO4-Pの初期値は著しく高く，その後減少して一を入れた試料水が最も高いことがわかる．また，EBB定となる傾向を示す．この理由は，有機態リン，無機による NO2-NとNO3-Nの生成も，他の3ケースよりも態リンともにブロックへの吸着あるいは付着が原因と著しく大きいことがわかる．NO2-NとNO3-Nの生成は，考えられる．NH4-N，NO2-N，NO3-Nの値はともに水貧酸素状態になってから生成されており，EBBは高い温が上昇するにつれて増加しており，EBBの有機物分有機物分解能力と硝化能力を備えていることがわかる．

解能力と硝化能力は，水温が上がるにつれ高くなるこ

TPとPO4-Pの値は，10℃の場合と同様，全てのケースとが分かる．

において徐々に減少し，一定値に落ち着く傾向が認め

Fig.5は，EBBによるDIN生成速度と硝化速度を示す．

られる．また，試料水のみのケースにおいてTPとPO4-P●印は，EBBを3日間試料水に漬け，馴染ませた後にの値が最も高くなっている．この理由として，前述し実験を行った結果である．○印は，EBBを試料水に馴たように，有機態，無機態ともにリンはブロックに吸染ませず，試料水に漬けた後直ちに実験を開始した場着されたためと考えられる．

合の結果である６）．Fig.4に示されるように，各実験開始から24時間の間はDO濃度が十分大きく保たれており，開始から24時間の間で有機物分解能力と硝化能力を見積もることが妥当であると考えられる．

平成18年

九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 報 告第28巻第2号

251

PO4-P

mg/l
0.1
0.080.060.04
0.02
00Fig.3

12 24 36 48 60 72 84 96hours

Time variations of water quality at 30℃.
EBBPorous BlockConcrete Block
Reference

従って，DIN生成速度と硝化速度は，実験開始から24時間までの＜試料水+EBB＞のデータから＜試料水の1） 市販のポーラスブロックやコンクリートブロッ

み＞のデータを差し引き，その結果に対して線形近似

クに比べるとEBBによる有機物の分解速度や硝を当てはめることにより求められた．今回の実験で得化速度は著しく大きい．

られたDIN生成速度と硝化速度は指数関数的に増加し

2） 水温が高くなるにつれEBBによる有機物分解速ていることがわかる．一般的に，湖沼や海域における度も硝化速度も並行して指数関数的に高くなり，硝化速度はそれぞれ数10～数100μg N/l/day，数μg

有機物→アンモニア態窒素→硝酸態窒素というN/l/day程度9)であることが知られており，EBBによる無機化プロセスを効率的に行うことができる水硝化速度は大きいことがわかる．EBBを試料水に馴染質浄化ブロックである．

ませない場合のDIN生成速度と硝化速度は，馴染ませた場合に比べて桁違いに大きな値をとることがわかる．

有機物汚濁が著しい湖沼や河川，アンモニア態窒素

EBBを実水域に設置した場合，どちらの結果が期待さの生成速度が大きい富栄養化海域，硝化過程と脱窒過れるのかについては今後正確に評価していく必要があ

程が密接に結びついている干潟底泥や硝化作用の低下ると思われる．

が報告されている有明海湾奥部等においては，EBBの水質浄化機能が十分発揮されると推察される．さらに，

4. 結言

閉鎖系における水質試験により，EBBがもつ高い有機物分解能力と硝化能力が確認された．また，それらを定量化し，水温依存性を評価した．得られた結果は以下の通りである．

EBBを現地に設置する場合，EBBがもつ高い硝化能力を生かしてどのように脱窒プロセスを促進させるかが水質浄化の鍵となると思われる．

252

閉鎖系におけるエコバイオ・ブロック(EBB)の水質浄化性能

Fig.4

Dependence of water quality variations on water temperature.
30℃
20℃
10℃

Fig.5

Generation speed of DIN andnitrification speed by EBB.

After three-days-soak of EBB in water.
Without previous soak of EBB in water.

平成18年

九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 報 告謝 辞5)

羽田好孝：アオサの除去による浜名湖の水質浄能，日本水産学会編，恒星社厚生閣(2002)，pp.

松永信博）を受けて行われた．また，

106-118．

室内実験および水質分析を行うにあたり高橋篤氏および中牟田大嗣氏に多大なる協力を受けた．ここに記し

253

第2号

化対策，水産業における水圏環境保全と修復機

本研究は，平成17年度建設技術研究開発助成制度の助成（代表者第28巻6)

松永信博，徳永貴久，増田壮佑，矢野真一郎，押川英夫，藤田和夫，古賀雅之，岩下智明，原て感謝の意を表します．

田敦彦：エコバイオ・ブロック(EBB)の水質浄
参 考 文 献1)2)3)(2006)，第50巻，pp. 1081-1086．

柳哲雄： 貧酸素水塊の生成・維持・変動・消滅機構と化学・生物的影響，海の研究(2004)，

7)

http://www.eco-bio-block.jp

13(5)，pp.451-460．

8)Lorenzen ， C ． J ． ： Determination of

須藤隆一： 環境修復のための生態工学，講談

Chlorophyll社(2000)，pp.42．

SpectrophotometricandPheo-Pigments：

Equation， Limnology

小松利光，小橋乃子，田嶋健太郎，藤田和夫，and Oceanography(1967)，Vol．12，No．2，

安達貴浩，矢野真一郎，末松吉生，甲斐一洋：

pp. 343-346.

底面粗度を用いた海域の水質改善技術の実用

4)化機能に関する基礎的実験，水工学論文集9)

吉田陽一： 汚濁物質の無機化および硝化・脱化へのアプローチ，水工学論文集(2000)，第44

窒，水産学シリーズ

巻，pp.957-962．

恒星社厚生閣(1979)，pp．22-35．

池田佳子，荒木佐知子，鷲谷いづみ：浚渫ヘド
ロを利用した水辺の植生復元の可能性の検討，
保全生態学研究(1999)，Vol. 4，pp. 21-31．

水域の自浄作用と浄化，