新規の多段型 UASB 廃水処理プロセスにおける基質分散供給（マルチフィ−ド）の有効性の評価
水圏土壌環境制御工学研究室
指導教官

原田秀樹

熊谷祐介

大橋晶良

1. はじめにUASB（上昇流嫌気性汚泥床）プロセスは、微水中の栄養塩類（N および P）および微量元素（Ni、生物の自己集塊化（グラニュ−ル化）を巧みに利Co、Fe 等）は不十分であったため、連続処理実験用した高負荷型メタン発酵バイオプロセスであにおいては所定濃度で追加補充している。

る。高負荷廃水処理の主体となるグラニュ−ル汚泥の形成には、適度な上昇流環境および生成バイ

2-2 パイロット多段型 UASB 廃水処理プロセス

オガスによる緩やかな撹拌効果が必要とされてパイロット多段型 UASB プロセスの概要図をいたため、UASB 反応槽底部からの単一フィ−ドFig.1 に示した。原廃水は、原水槽（有効容積：（廃水単一供給方式）が主流となっていた。しか0.5m3 ）および原水混合槽（有効容積：0.2m3 ）のしながら、この方式を採用した従来型 UASB プロ2 箇所にて所定濃度まで前段希釈を行なった。さセスでは、UASB 反応槽下部における局所的な pHらに原水混合槽では、栄養塩類の補充、pH 調整低下（酸敗化）が生起しやすいため、さらなる高およびプレヒ−ティング操作を施した。多段型

負荷処理にあたっては、酸生成の集中化の回避、UASB反応槽（水張り実容積：0.39m3 、全高 3.375m、適切なアルカリ度の確保といった対策を講じる

幅 2.075m）は、階段上に折れ曲がった特徴的な装必要がある。さらに、通常の UASB プロセスでは置構造を有し、発生するバイオガスを原位置で速良好な処理を行なう上で 1.2gCaCO3 /gCOD 以上のやかに排除する目的で GSS（Gas-solid separator：アルカリ度が必要とされており、不足分は外部か三相分離装置）が多段に配置されている。さらに、らのアルカリ剤添加によって補う必要がある。実

多段型 UASB反応槽には基軸方向に 3 つの流入口

規模プラントでのアルカリ度補給は大きな財政（0m、0.83m、1.20m）が設けられており、タイマ的負担となるため、アルカリ剤使用量を最小限に−制御による廃水分散供給（マルチフィ−ド）が抑えるようなプロセスへの転換が望まれている。

可能となっている。UASB 反応槽からの処理水は、

本研究では、新規のマルチフィ−ド（廃水分散処理水タンク（有効容積：0.1m3 ）へと一時的に貯供給方式）を導入した多段型 UASB 連続処理実験

留し、必要に応じて循環併用運転に供した。反応により、酸生成分散効果およびアルカリ度要求量

槽内の温度は、ウォ−タ−ジャケットの温水循環低減（アルカリ使用量削減）効果について検討しにより 35℃に調節した。

た。
＊設定廃水分散供給（マルチフィ−ド）条件の表記

2. 実験装置および方法

は以下の通りである。

2-1 対象廃水およびアルカリ剤例） 6min/4min/2min ： UASB 反応槽基軸方向に清涼飲料廃水（ CODcr 濃度：約 700,000mgCOD･L-1 ）を供給廃水、5％-苛性ソ−ダ（NaOH）をア設けられた 3 箇所（Feed port.1、 2 、3 ）の廃水流入口から、各々 6 分、4 分、2 分の条件で供給する。タ
イマ−制御により 3 つの電磁弁が自動開閉し、 Feedルカリ剤として選択した。清涼飲料廃水は、炭水

port.1 から 6 分間供給した後に、次の Feed port.2 か化物を主体とする溶解性・易分解性の産業廃水でら 4 分間、さらに次の Feed port.3 から 2 分間供給すある（糖含有率約 80％、Table.1 参照）。なお、廃る。

Water-seal
Analytical subject

UASB reactor

pHCODcr(mgCOD/L)
totalsol.

Effluent tank

H 2S trap
Multi-feed unit
Gas meter
Hot-water tankMixing tank
Raw waterTap waterSS(mgSS/L)
Carbohydrate(mgCOD/L)
totalsol.
Protein(mgCOD/L)
totalsol.
Composition(％ )Carbohydrate
Protein

Soft-drink wastewater
2.7
744,800
736,000
4,620
678,879
651,681
46,40039,150
91.1
6.2

Fig.1 Flow diagram of multi-staged UASB process

Table.1 Characteristics of soft-drink wastewater

植種汚泥には、長岡下水処理場からの中温消化

種汚泥の低メタン生成活性、および 2）運転開始

汚泥を用いた。植種時の全汚泥量は 2.69kgMLVSS

50 日目のアルカリ過剰添加トラブル（pH メ−タ（6,900mgMLVSS･L-1 、VSS/SS-1 ＝0.61）、汚泥高−故障）により COD 除去率は 20％前後にとどまは反応槽全高基準で 1.5m であった。後述のアルった。そこで 100 日目に同消化汚泥を追加植種しカリ剤過剰添加トラブル（運転開始後 50 日目）たところ、約 20 日程度で COD 除去率 80％程度まにより、保持汚泥量が著しく減少したため、100で処理性能は著しく向上した。その後は、COD 除日目に同中温消化汚泥を約 3.5kgMLVSS 追加植種

去率 80％以上、処理水 VFA 濃度 200mgCOD･L -1

し て い る （ 反 応 槽 全 汚 泥 量 で 約 5kgMLVSS ・以下を安定的に許容していることを前提条件と-1reactor ）。

して、段階的に COD 容積負荷を増大させた。COD
容積負荷 10〜30kgCOD･m-3 ･day-1 の平均 COD 除

2-3 プロセス操作条件
UASB 連続運転期間を、Run1 および Run2 に大別した。Run1 においては、単一フィ−ド条件下における廃水処理特性および反応槽内物質挙動の評価を行なった。Run2 では任意のマルチフィ−ド条件を設定し、最適フィ−ド条件を検討するとともに、アルカリ度要求量低減効果についての考察を行なった。
3. 実験結果および考察

去 率 は 約 90 ％ 、 処 理 水 VFA 濃 度 は 80 〜120mgCOD･L-1 程度と非常に良好で、除去されたCOD は確実にメタンへと転換されていた（CH4転換率：85〜90％）。従来型 UASB 反応槽が COD
容積負荷 10〜15kgCOD･m-3 ･day-1 程度で運転されていることを考慮すると、本連続実験における多段型 UASB 反応槽は実に 2〜3 倍程度の高負荷条件下での運転が可能であった。COD 容積負荷30kgCOD･m-3 ･day-1 時におけるメタン生成量は3,500L･day-1 と非常に高く、高負荷処理のみならず卓越したメタンガス回収ポテンシャルが実証

3-1 多段型 UASB 廃水処理特性された。

Fig.2 に多段型 UASB 廃水処理状況を示した。

しかしながら、COD 容積負荷を 40kgCOD･m-3 ･Run1 （単一フィ−ド運転）で は 、COD 容 積 負 荷

day-1 に上昇させたところ（運転開始 199 日目）、4kgCOD・m-3・day-1（COD 濃度 1,000mgCOD・L -1 ）、処理性能は急激に悪化し（COD 除去率 20〜30％）、HRT 6.0hr、流入 pH 7.0 の運転条件でスタ−トア

最終的にプロセス破綻を誘引した。処理水中にはップを行なった。運転開始 99 日目までは、1）植約 2,000mgCOD・L-1 もの高濃度の VFA が残存し、処理水 pH は 4.5 程度まで著しく低下した。基軸方向のプロファイル（Fig.3）によりプロセス破綻

Run 1

Run 2

原因を調査したところ、UASB 反応槽下部におけることが明らかとなった。特に本実験における清涼飲料廃水のような炭水化物を主体とする廃水種は、アルカリ度生成が相対的に低いため、酢酸

50
COD loading(kgCOD/m 3/d 1)成の好適 pH 範囲（7.0〜7.5）を完全に逸脱してい100a)40

経由メタン生成に伴う重炭酸塩は非常に重要な

8030602040102000

COD removal ( ％)るアルカリ度は完全に消費し尽くされ、メタン生アルカリ度源となる。ひとたびプロセス破綻によ悪化の一途を辿ることになる。Fig.2 からも明らかなように、30kgCOD･m-3 ･d-1 以降にメタン生成細菌の活性値が低下しはじめ、処理水 VFA 濃度は次

100b)

8000

80

6000

60

4000

4020002000

CH4 raito ( ％)細菌の活動は次第に抑制されはじめ、処理状況は10000
CH4 production(L/day)

る pH 低下が生起すれば、酢酸資化性メタン生成第に増加していることがわかる。このような高負といった適切なアルカリ度充足策を講じる必要がある。
Run2 初期では、処理の回復を目的として、3 つ運転開始 200 日目からは、第 1 のプロセス回復策としてのマルチフィ−ド運転を行なった。COD-3-1

容積負荷は 40kgCOD･m ･d のまま一定とし、マル チ フ ィ − ド 条 件 の み を 6min/4min/2min 、8min/4min、5min/5min、30min/20min/10min に設定した。各条件で一週間程度ずつ運転を行なったものの、処理は悪化する一方で、アルカリ度の回復は達成できなかった。なお、この時点のメタン生-1-1成活性は、酢酸単一基質で 0.005gCOD･gVSS ･d 、
-1-1

清涼飲料廃水で 0.007gCOD･gVSS ･d と、ほぼ植種汚泥と同程度まで著しく低下していた。
-3-1

COD 容積負荷 40kgCOD･m ･d （COD 濃度6,000mgCOD･L-1 ）では、反応槽底部における酸生-1

成は概して 3,000mgCaCO3 ･L 程度にも達し、この中和に要するアルカリ度を確保することは非常に困難であったため、第２のアルカリ度改善策
として、COD 容積負荷の減少（最終設定負荷5kgCOD・m-3・d-1 程度）とアルカリ剤添加量の増

1060

840

620402Alkalinity and aciditiy(mgCaCO 3/L)

た。

1280

3000

Methanogenic activities(gCOD/gVSS/d)のプロセス改善策（アルカリ度改善策）を適用し14c)

1000.4d)

2500
2000
1500
10005000e)
0.3
0.2
0.1
0.00100

200

300

400

Time (days)

Fig.2 Process performance of UASB reactora) ○ COD-V loading ● CODs removalb) ○ Methane production ● Methane ratioc) ○ Inf-pH ● Eff-pH − NaOH consumptiond) ○ Eff-alkalinity ● Eff-VFA aciditye) ● Soft-drink ○ Acetate ▲ Butyrate △ PropionatepHは、二相分離プロセスあるいは UASB 処理水循環

120
NaOH consump.
(L/d)

荷時における局所的な pH 低下の回避にあたって

Reactor height (cm)

400

eff

300

eff

eff

200
100
0

inf

-100
456inf70

8pHinf

200 400 600 800
Alkalinity(mgCaCO3/L)

01000
2000
Total VFA concc.
(mgCOD/L)

Fig.3 Reactor profile on single-feed operation● 10kgCOD/m3/d ○ 20kgCOD/m3/d ▲ 30kgCOD/m 3/d △ 40kgCOD/m3/d

加（流入 pH 10 以上）を併用した。この手法によ3-2 多段化配置 GSS による高濃度生物保持効果

り、処理状況は若干回復傾向に向かったものの、Fig.4 にメタン生成量およびメタン含有率、Fig.5

高 pH 運転による菌体への阻害影響が確認されたに上昇線流速の推移を示した。前述の通り、反応ため、運転開始 313 日目以降は、流入ｐH の希釈槽からのメタンガス生成量は 30kgCOD・m-3・day-1とアルカリ度の確保を目的として、処理水の一部

時 で 3,500L ･ day-1 （ 反 応 槽 容 積 基 準 でを循環させる方法に変更した（循環比 0.5、流入25kgCOD-CH4 ･m-3 ･day-1 ）と非常に高く、発生バ

pH 9.0 程度）。処理水循環併用後は、2 週間程度でイオガス中のメタン分圧は 60〜70％で推移してCOD 容積負荷 20kgCOD･m-3 ･d-1 で COD 除去率いた。一方、反応槽内における上昇線流速は80％まで処理性能は向上し、処理水 pH も 6.0〜6.530kgCOD･m-3 ･day-1 時で約 2.0m･hr-1 と非常に高く、程度で安定した。

発生バイオガスに起因する線速（約 1.4m･L-1 ）のRun2 後期においては、いくつかのマルチフィ−方が流入水起因の線速（約 0.6m･L-1 ）よりも数倍ド条件を設定し、アルカリ削減に向けた最適マル高い。従来型 UASB プロセスでの高線速運転は、チフィ−ド条件の選定を行なった。詳細は 3.3 を著しい菌体流出を引き起こすばかりでなく、プロ参照されたい。

セス破綻を誘発する危険性をも孕んでいる。Fig.6に各 COD 容積負荷における反応槽基軸方向にお8000

8060006040004020002000050100150
Time (days)

200

Fig.4 Methane production and methane ratio● Methane production ○ methane ratio

Superficial loading rate(m/hr)

100
C H4 raito ( ％)10000(L/day)C H4 production

けるガス生成量の回収状況を示した。

2.5
2.0
1.5
1.00.50.0050

100150Time (days)

200

Fig.5 Change of superficial loading rate
● Total velocity ○ liquid velocity ▲ Gas velocity

300
P5-P6Reactor height (cm)

10kgCODPort No.

20kgCOD
30kgCOD

P3-P440kgCOD
P1-P2250
200
150
100
50002000

4000

6000

0Total bio-gas production (L/d)

20000 40000 60000 80000
MLVSS conc. (mgMLVSS/L)

Fig.6 Biogas recovery from each compartments

Fig.7 Retained biomass conc. (MLVSS) in UASB reactor● 5kgCOD/m3/d ○ 10kgCOD/m 3/d ▲ 20kgCOD/m 3/d△ 30kgCOD/m3/d ■ 40kgCOD/m 3/d

COD 容積負荷 10〜30kgCOD･m-3 ･day-1 におけるは高負荷処理を行なう上で非常に重要なポイン

UASB 反応槽からのバイオガス回収は、基軸方向トであり、本連続実験においても多段化配置 GSS0.65m（Port.1 および Port.2）でほぼ 95％以上が完の卓越した汚泥抑留効果により、COD 容積負荷了していることがわかる。多段に配置された特徴

30kgCOD･m-3 ･day-1 程度の高負荷運転が可能であ的な GSS 構造は、高負荷時の過剰な生成ガスを原った。

位置にて速やかに放出することにより､上昇線速の低減および菌体流出の防止（連続実験期間を通3-3 マルチフィ−ドによるアルカリ度削減効果

じて流出 VSS 濃度 200mgVSS･L-1 以下、デ−タ省プロセスの回復後、供給方式の違いによる酸生略）に非常に有効的に作用していることが示され成分散効果およびアルカリ度要求量の削減効果た。

を検討した（Run2 後期）。なお、COD 容積負荷はFig.7 に反応槽基軸方向における保持汚泥濃度

20kgCOD･m-3 ･d-1 （COD 濃度 4,000mgCOD･L -1 、の推移（プロファイル）を示した。5kgCOD･m-3 ･HRT 4.8hr）で一定とし、供給条件のみを変更した。

-1day （運転開始 100 日目）における汚泥濃度は高Fig.8 に、単一フィ−ド運転時およびマルチフィさ方向にほぼ均一で、10,000〜20,000mgMLVSS･−ド運転時における UASB反応槽基軸方向の酸度-1L 程度であった。その後は、COD 容積負荷の上−アルカリ度挙動を示した。単一フィ−ドにおい

昇に伴って保持汚泥のグラニュレ−ションがては、前述の通り UASB 反応槽底部の局所的な徐々に進行し、10〜40kgCOD･m ･day では約VFA 生成により、アルカリ度は 50mgCaCO3 ･L -1

10,000mgMLVSS･L-1 程度の割合で汚泥濃度が段程度まで著しく低下している。

-3-1-3-1

階的に増加している。40kgCOD･m ･day （202 日

一方、マルチフィ−ド運転時（反応槽下部より目）においては約 60,000mgMLVSS･L もの高濃度6min/4min/2min ）においては、廃水分散供給によ汚泥保持が可能となり、UASB 反応槽内は完全にり VFA 化は基軸方向 2.0m 程度まで適度に分散化

緻密なグラニュ−ル状汚泥で占められていた。

しており、局所的なアルカリ度消費も緩和されて-1

これらの結果より、多段型 UASB プロセスにおいた（基軸方向 0.5m までで 150mgCaCO3 ･L-1 程度）。

ける多段化 GSS 構造は、上昇線流速の低減化によ

本区間においてはプロセス破綻の影響が依然とり、沈降性に優れるグラニュ−ル汚泥を高濃度かして残ったままであったため（プロピオン酸分解つ高密度に蓄積保持することが可能であることの律速）、相対するアルカリ度は若干低めになっが立証された。UASB 反応槽への高濃度生物保持ている。

Alkalinity for VFA

Alkalinity for H2CO3

eff

1000

eff

Alkalinity requirement(mgCaCO3/L)

Reactor height (cm)

400
300
200
1000inf

inf

32.4

800

82.3

600
400

888.7
518.2

200

-10000200 400 600 800

Alkalinity (mgCaCO3/L)

0Single-feed

500 1000 1500
VFA conc. (mgCOD/L)

Multi-feed (6.4.2)

Fig.9 Reduction of alkalinity requirement by
multi-feed mode operation

Fig.8 Acidity and alkalinity performance on Single andmulti-feed mode operation● Single-feed ○ Multi-feed (6.4.2)

酸度（VFA および H2 CO3 ）の中和のためのアル90％以上、メタン転換率 85％程度の高負荷処理

カリ度要求量は、以下の式より量論的に算出するおよび高効率メタン回収が可能であった。これことができる。

は、従来型 UASB と比較しても 2〜3 倍の処理に相当し、多段化 GSS の有効性が立証された。

R-COOH＋HCO3 −→R-COO−＋H2 O＋CO2
H2 CO3 →H＋＋HCO3 − および [H2 CO3 ]＝KH PCO2

2. プロセス破綻時におけるアルカリ度改善に 3つの対策を講じたが、処理水の一部循環が最Fig.9 に、UASB反応槽底部におけるアルカリ度も有効であった。

要求量を示した。なお、マルチフィ−ドにおけるアルカリ度要求量は基軸方向の VFA 分散を考慮3. マルチフィ−ド（廃水分散供給）により、アして、1.0m までの積分値より求めた。単一フィ−ルカリ度要求量として約 40％の削減が可能でドにおいては、反応槽底部の局所的な VFA 中和にあった。本ユニットは、UASB 反応槽底部に900mgCaCO3 ・L-1 程度のアルカリ度が必要となっおけるアルカリ度の確保に非常に有効であり、ているのに対して、マルチフィ−ドにおいてはさらなる高負荷処理の可能性が示唆された。

-1

520mgCaCO3 ・L 程度まで減少している。すなわ
ち、同アルカリ剤添加条件下において、約 40％程度のアルカリ度要求量の削減が可能であった。
さらに、マルチフィ−ドによる分散効果は、

5. 参考文献1.

本間康弘、田中俊博、安達晋、磯崎裕一（2002）：

従来型 UASB反応槽にみられるようなアルカリ度高負荷 EGSB での有機性廃水処理、エバラ時報、不足による制約を回避し、さらなる高負荷処理へ

No. 194の足掛かりとなることが示唆された。
2.
4. まとめ本研究で得られた知見をまとめる。

T. Tagawa, H. Takahashi, Y. Sekiguchi, A.
：Pilot Plant Study
Ohashi and H. Harada（2001 ）on Anaerobic Treatment of a Lipid- and Protein-rich
Food Industrial Wastewater by a Thermophilicth

1. 多段型 UASB 連続実験（35℃）の結果、COD
容積負荷 30kgCOD・m-3 ・day-1 、COD 除去率

Multi-staged UASB Reactor, 9 World Congress on
Anaerobic Digestion, Antwerpen ( in press of Wat.
Sci.)