技術資料

鉄酸化細菌を活用した酸性水の水質浄化実験
大日向昭彦

１．はじめにH2O

トンネル掘削工事等の建設発生土中に黄鉄鉱をはじ起こり、酸性水を発生させることがある 1)2)(図－1)。

水

O2

健治

酸素

雨水の浸透めとする硫化鉱物が含まれている場合、硫化鉱物が大気中の酸素や雨水と接触することで酸化・分解反応が岡㟢

大気中の酸素酸性水
建設発生土
二価鉄イオン(Fe2＋)

時に処理され、水質汚濁防止法に定められた排水基準を満たした状態で河川等の公共用水域に放出されていそこで、筆者らは資源やエネルギーをできるだけ消費せず、自然の浄化作用を活用して経済的に酸性水を浄化する手法として鉄酸化細菌に着目した。鉄酸化細黄鉄鉱(FeS2)等の硫化鉱物

化学反応※により酸性水が発生

FeS2なっている。酸性水は通常、濁水処理設備において薬る。このため、多くの手間と費用を要している。

稔幸

FeS2

その酸性水には鉄分が多く溶存し、中和処理の障害と剤により中和処理されるとともに鉄分もこの過程で同

倉橋

硫酸(H2SO4)※化学反応式FeS2(黄鉄鉱)＋7/2O2＋H20 → Fe2＋＋2SO42-＋2H＋

図－1

建設発生土における酸性水発生の概念図

菌とは、下記の反応式(1)に示すように水中に溶存する二価鉄を酸化して三価鉄とし、これを体内に沈積する能力を持った細菌である3)。細菌自体はこの時発生するエネルギーにより生育する。細菌の溶存鉄沈積能力を活用することで酸性水中の溶存鉄を低減し、水質を改善する浄化処理方法を検討した。
・(1)Fe2＋＋1/4 O 2＋H＋ → Fe3＋＋1/2H2 O＋17kcal・・(1)・
本稿では、溶存鉄低減作用がある鉄酸化細菌と酸性水中和作用があるホタテ貝殻をカラムに充填し、酸性水を通水する水質浄化実験を行い、溶解性鉄及び砒素といった酸性水中の金属成分の低減効果、並びに酸性水の中和効果を分析した結果について報告する。

写真－1

鉄酸化細菌の培地

２．実験方法２．１の存在を顕微鏡によって定性的に判定する試験方法

試料溶媒である酸性水を道南の鉱山跡地で採水した。酸(JIS K 0350-80-10)｣ により菌種を同定した。その結性水の水素イオン指数(pH)は1.8、溶解性鉄濃度は果、表－1に示すようにリボンをねじったような形状308mg/L、砒素濃度は8.1mg/Lであった。一方、カラのガリオネラのほか、小球形の細胞が不規則に集まりム充填材である鉄酸化細菌は道央のトンネルで採取し小さな集塊状となるシデロコッカスが散見された。そた(写真－1)。鉄酸化細菌は、｢工業用水中の鉄細菌の他、酸性水の中和対策として広く用いられている炭寒地土木研究所月報№811

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

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表－1

顕微鏡観察による菌種の同定結果
ガリオネラ(Gallionella)

菌種表－2

シデロコッカス(Siderococcus)

ホタテ貝殻の粒度試験結果

粒径2～0.075mm(砂分)

0.075～
0.005mm(シルト分)

0.005mm未満(粘土分)

ホタテ貝殻粉末

76.1％

19.2％

4.7％

顕微鏡写真
50μm

出現頻度

50μm

++++

《凡例》

+++ ： 非常に多く出現する(顕微鏡のすべての視野に数個体以上)++ ： 多く出現する(顕微鏡のすべての視野に1個体以上)+ ： 出現する(顕微鏡の幾つかの視野に散見)- ： 出現しない

酸カルシウムを主成分とするホタテ貝殻は、道南で水

写真－2

ホタテ貝殻粉末揚げされた貝殻を乾燥させ、表－2の粒度試験結果が示すように粒径2mm以下に粉砕した粉末状のものをφ=5cm使用した(写真－2)。
２．２を準用して実施した。図－2に示すように実験装置は、される。カラムの上下中間部に直径7mmの貫通孔を

珪砂5号
450g

カラム上部

本実験は、「ISO 21268-3 上向流カラム通水試験」
溶媒タンク、ポンプ、カラム、採水タンクから構成

採水タンクカラム

浄化実験方法※ L/S＝累積液固比( L:酸性水の通水量〔mL〕
S:カラム上部(浄化層)の珪砂5号の充填量〔g〕)

溶存鉄の浄化層

30cm

鉄酸化細菌(浄化材)45g(22.5g×2箇所）

カラム下部設けた仕切板を設置し、上部と下部に分離した。上部には溶存鉄の浄化層として、浄化材である鉄酸化細菌

L/S ※ ＝5,10,15,20の時、カラムを通過した浸出液を採水して水質を分析

カラム仕切板(仕切板中央にφ7mmの貫通孔)

酸性水の中和層

ホタテ貝殻(中和材)90gと珪砂5号(母材)45g（湿潤重量) と母材である珪砂5号450gを充填した。

を均等に混合したもの

溶媒タンク

鉄酸化細菌45gを2層に分け、22.5gずつ浄化層の底部

酸性水 9,000mL

Pと中間部に敷設した。一方、下部には酸性水の中和層ポンプとして、酸性水に対する重量割合1％の量のホタテ貝

12mL/hで通水殻粉末90gと母材である珪砂5号を均等に混合したも

図－2

浄化実験装置の模式図

表－3

浄化実験の実験条件のを充填した。実験条件を表－3に示す。溶媒である
酸性水をカラム下端から12mL/hの速度で通水した。
液面がカラムの上端に達し珪砂5号が湿潤したことを確認した後、ポンプを停止し72時間静置した。その後、カラム上部充填材(仕切板の上部)

浄化材：鉄酸化細菌 45g(湿潤重量)
母材：珪砂5号 450g

カラム下部充填材(仕切板の下部)

ホタテ貝殻(中和材)90gと珪砂5号(母材)を均等に混合したもの

累積液固比（L/S）が5（2,250mL通水時），10（4,500mL

溶媒

酸性水 9000mL

通水時），15（6,750mL通水時），20（9,000mL通水時）

溶媒の通水速度12mL/h

浸出液の採水頻度

累積液固比(L/S)= 5,10,15,20(L：酸性水の累積通水量〔mL〕、S：カラム上部(浄化層)の珪砂5号の充填量〔g〕)

温度条件

常温(20℃)

累積液固比（L/S）（L：酸性水の累積通水量〔mL〕、S：カラム上部（浄化層）の珪砂5号の充填量〔g〕）が20（累積通水流量9,000mL）になるまで継続して通水した。の時にカラムを通過した浸出液を採水し、それぞれを検液として水質分析した。なお、温度条件は常温（20℃）とした。

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２．３

表－4

水質分析方法

浸出液の水質分析では、表－4に示すように水素イ

浸出液の水質分析項目と分析方法

オン指数（pH）、溶解性鉄濃度及び砒素濃度を測定し分析項目た。まず、水素イオン指数（pH）は0.45μmメンブラ

水素イオン指数〔pH〕(at25℃)

ンフィルターで濾過した検液をガラス電極法（JIS K0120 12.1）により測定した。次に、溶解性鉄濃度は分析方法

溶解性鉄0.2μmメンブランフィルターで濾過した検液50mLに、ICP発光分光分析法(JIS K 0120 57.4)

砒素

硝酸が4％になるように添加したものを分析試料とし、ガラス電極法(JIS K 0120 12.1)

ICP質量分析法(JIS K 0120 61.4)

ICP発光分光分析法（JIS K 0120 57.4）で測定した。
続いて、砒素濃度は0.45μmメンブランフィルターで濾過した検液をICP質量分析法（JIS K 012 61.4）で測

２．４

酸性水通水後のカラム内の電子顕微鏡観察及び元素分析方法

鉄酸化細菌に沈積された金属成分を観察するため、酸性水9,000mLの通水終了後にカラム内の充填材から水素イオン指数〔pH〕定した。

10

試料を採取し、電子顕微鏡で観察するとともに元素分

排水基準 5.8以上8.6以下

87.77.77.67.76421.800析を行った。走査電子顕微鏡（SEM）を使用し、鉄5101520

累積液固比

酸化細菌の分布や形態観察を行った。一方、元素分析

図－3は走査電子顕微鏡（SEM）に付属するエネルギー分水素イオン指数の変化

散型Ｘ線分析装置（EDS）を使用し、試料に含まれる鉄と砒素について、元素マッピングを行い二次元的な400

３．実験結果と考察
３．１

浸出液の水質分析結果

３．１．１

水素イオン指数(pH)の測定結果

図－3に浸出液の水素イオン指数（pH）の測定結果を示す。実験開始前の酸性水の水素イオン指数（pH）

溶解性鉄(mg/L)

分布画像を得た。

308

300
200100
排水基準 10mg/L以下

05 ＜0.01

010 ＜0.01 15 ＜0.01 20 ＜0.01

累積液固比は1.8であったが、累積液固比5（2,250mL通水時）で

図－4は7.6に、累積液固比10（4,500mL通水時）では7.7に上溶解性鉄濃度の変化

昇し、累積液固比15（6,750mL通水時）及び累積液固比20（9,000mL通過時）では7.7のまま一定であった。
酸性水通水終了時の累積液固比20（9,000mL通水時）の水素イオン指数（pH）は7.7であり、通水流量が増

３．１．２

溶解性鉄の測定結果

加しても水質汚濁防止法に基づく一律排水基準（水素図－4に浸出液の溶解性鉄の測定結果を示す。実験

イオン指数（pH）5.8以上8.6以下）を満たす中性域に開始前の酸性水の溶解性鉄濃度は308mg/Lであった

中和されていることを確認した。これは、カラム下部が、累積液固比5（2,250mL通水時）、累積液固比10に充填したホタテ貝殻の酸性水中和効果によるものと（4,500mL通水時）、累積液固比15（6,750mL通水時）考えられる。

及び累積液固比20（9,000mL通水時）では検出限界（0.01mg/L）より低い結果となった。通水終了時の累積液固比20（9,000mL通水時）でも濃度が大幅に低減され、検出限界（0.01mg/L）より低くほぼ全ての溶

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59解性鉄が除去されており、酸性水の通水量が増加して10も溶解性鉄が水質汚濁防止法に基づく一律排水基準で認した。カラム上部に充填した鉄酸化細菌の溶存鉄低減能力の効果によるものと考えられる。
３．１．３

砒素の測定結果

図－5に浸出液の砒素の測定結果を示す。実験開始
前の酸性水の砒素濃度は8.1mg/Lであったが、累積液固比5（2,250 mL通水時）では0.003mg/Lに、累積液8.18砒素(mg/L)

ある10mg/L以下に安定して低減されていることを確

642
排水基準 0.1mg/L以下

05 0.003

010 0.001

15 0.001

20 0.001

累積液固比固比10（5,000 mL通水時）では0.001mg/Lに低減され、

図－5

累積液固比15（6,750mL通水時）及び累積液固比20砒素濃度の変化（9,000mL通水時）では0.001mg/Lのまま一定であった。
通水終了時の累積液固比20（9,000mL通水時）でも砒素濃度が0.001mg/Lと大幅に低減されており、酸性水

鉄酸化細菌充填箇所の通水量が増加しても、水質汚濁防止法に基づく一律排水基準である0.1mg/L以下に安定して低減されていることを確認した。
また、鉄酸化細菌及びホタテ貝殻を充填したカラムカラム上部(溶存鉄浄化層)への酸性水の通水が開始されると、写真－3に示すようにカラムの最下部に、通水開始前にはなかった赤褐色の沈殿物が現れた。これは、カラム下部に充填したホタテ貝殻により酸性水が中和され水素イオン指数（pH）が上昇したため、下記の（2）式で示すように酸性水中の三価鉄と水酸化物イオンが反応して発生した水酸化鉄であり、水酸化鉄は不溶性のためカラムの最下部に沈殿したものと考えられる。
3＋カラム下部(酸性水中和層)-Fe ＋3OH → Fe(OH)3(赤褐色沈殿物) ・・(2)・・(2)そこで、赤褐色沈殿物の成分元素を明らかにするため、次節において走査電子顕微鏡（SEM）で観察す
るとともにエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）にカラム最下部に発生した赤褐色沈殿物よる元素マッピング分析を行った。
写真－3３．２

酸性水9,000mL通水後のカラム状況

カラム内の電子顕微鏡観察及び元素分析結果

３．２．１

鉄酸化細菌充填箇所試料の分析結果

写真－3に示す酸性水9,000mL通水後のカラム内の鉄酸化細菌充填箇所から採取した試料の走査電子顕微は検出されなかった。写真－4（上）に示す走査電子鏡（SEM）観察写真とエネルギー分散型Ｘ線分析装

顕微鏡（SEM）で観察されたガリオネラ等の鉄酸化置（EDS）による元素マッピング画像を写真－4に示す。

細菌の分布と写真－4（下）に示すエネルギー分散型

走査電子顕微鏡（SEM）による観察の結果、写真－4

Ｘ線分析装置（EDS）による鉄のマッピング画像の鉄（上）に示すガリオネラやシデロコッカスといった鉄の元素分布を対比すると、両者の分布は一致しており、酸化細菌の分布が確認された。一方、エネルギー分散鉄が鉄酸化細菌に沈積されていることが分かった。

型Ｘ線分析装置（EDS）による元素マッピング分析の結果、写真－4（下）に示す鉄のみが検出され、砒素
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(倍率:×1,100)(倍率:×1,500)

ガリオネラ

シデロコッカス

(Wt％)

Fe（鉄)

(Wt％)

80.0

80.0

60.0

60.0

40.0

40.0

20.0

20.00.0

写真－4

Fe（鉄)

0.0

 ラム内の鉄酸化細菌充填箇所から採取した試
カ
料の走査電子顕微鏡（SEM）の観察写真（鉄酸化細菌）（上）とエネルギー分散型Ｘ線分析装
置（EDS）による鉄のマッピング画像（下）(Wt％)

As（砒素)

12.5
10.0
7.5

赤褐色沈殿物試料の分析結果

5.0

カラム最下部に発生した赤褐色沈殿物の走査電子顕

2.5

３．２．２

微鏡（SEM）観察写真とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）による元素マッピング画像を写真－5に0.0示す。写真－5（上）に示す走査電子顕微鏡（SEM）

写真－5による観察の結果、赤褐色沈殿物からは鉄酸化細菌の存在を確認できなかった。しかし、エネルギー分散型
Ｘ線分析装置（EDS）による元素マッピング分析の結果、赤褐色沈殿物から鉄と砒素が検出された（写真－ ラム最下部に発生した赤褐色沈殿物試料の走カ
査電子顕微鏡（SEM）の観察写真（水酸化鉄）（上）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）による鉄のマッピング画像（中）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）による砒素のマッピン
グ画像（下）

5（中）（下））。走査電子顕微鏡（SEM）による赤褐色沈殿物の分布（写真－5（上））とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）による鉄のマッピング画像の鉄の元素分布（写真－5（中））を対比すると、両者の分布が一致していることから、赤褐色沈殿物は水酸化鉄と砒素は水酸化鉄に吸着されやすい性質があるため、水考えられる。また、エネルギー分散型Ｘ線分析装置

酸化鉄に吸着されたものと考えられる。

（EDS）による鉄のマッピング画像の鉄の元素分布（写以上のカラム内から採取した試料の走査電子顕微

真－5（中））とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDS）

鏡（SEM）観察及びエネルギー分散型Ｘ線分析装置

による砒素のマッピング画像の砒素の元素分布（写真（EDS）による元素マッピング分析結果から、酸性水－5（下））を対比すると、両者の分布が一致している。

中の溶解性鉄は鉄酸化細菌に沈積し吸着され、砒素は寒地土木研究所月報№811

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61

カラム内に発生した水酸化鉄に吸着されたことが分か

・また、酸性水中の砒素濃度が低減された要因は、砒素がカラム内に発生した水酸化鉄に吸着されたためった。

であることが分かった。
今後、鉄酸化細菌の溶存鉄沈積能力を有効に活用す４．まとめることで、酸性水を経済的に浄化・中和処理すること鉄酸化細菌を活用した酸性水の水質浄化実験によりが期待される。

明らかになったことを以下にまとめた。
・浸出液の水質分析の結果、溶解性鉄濃度を一律排水

参考文献基準である10mg/L以下に、砒素濃度を0.1mg/L以下に低減可能であることが分かった。

1)

五十嵐敏文・大山隆弘・斎藤典之 : 黄鉄鉱を含む

・また、酸性水を一律排水基準である水素イオン指数

堆積岩の溶出水酸性化ポテンシャルに関する実験（pH）5.8以上8.6以下を満たす中性域に中和可能で的検討, 応用地質, 第42巻, 第4号, pp.214-221, 2001.

あることが分かった。

2)・走査電子顕微鏡（SEM）観察及びエネルギー分散関わる掘削残土の応用地質学的検討, 応用地質，型Ｘ線分析装置（EDS）による元素マッピング分析の結果、酸性水中の溶解性鉄濃度が低減された要因

服部修一・太田岳洋・木谷日出男 : 酸性水発生に
第43巻, 第6号, pp.359-371, 2003.

3)は、溶解性鉄が鉄酸化細菌に沈積し吸着されたため

小島貞男・須藤隆一・千原光雄 : 環境微生物図
鑑，講談社, pp.3-5, 1995.

であることが分かった。

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大日向 昭彦OBINATA Akihiko

岡㟢 健治
OKAZAKI Kenji

倉橋 稔幸
KURAHASHI Toshiyuki

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
防災地質チーム
研究員

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
防災地質チーム
主任研究員
博士(理学)
技術士(応用理学)

寒地土木研究所
寒地基礎技術研究グループ
防災地質チーム
上席研究員
技術士(応用理学)

寒地土木研究所月報№811

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