特集

畜産排水対策

畜産排水対策（独）農業・生物系特定産業技術研究機構
畜産草地研究所
浄化システム研究チーム長

田中 康男

一方、ろ過膜の定期的な薬品洗浄や交換が必要であ1 はじめにる。薬品洗浄については、分離膜の内側に薬品を圧入

畜舎汚水処理は、養豚では古くから開発・普及の努させる簡略な手法が行われるようになってきており、力がなされ、技術の基本はすでに確立されている。し管理の省力化が進んでいる。できるだけ小面積の分離かし、硝酸性窒素規制への対応や、着色の低減等、水膜で、かつ薬品洗浄を最低限で済ます運転手法の最適質高度化の必要性が高まる一方で、飼料価格上昇によ化が今後の検討課題の一つと思われる。

り経営環境が厳しくなり処理コストは低減が求められまた、膜分離法を適用すると硝化は活発化するが、るという、相反する要請に応えねばならないという新脱窒をいかに促進にするかが課題となる。上記利用指たな状況も生まれてきている。

針では、膜分離活性汚泥法での窒素除去手法として、また、従来からの課題、例えば活性汚泥法の適正管脱窒槽 ― 硝化槽（膜分離槽）の２槽式、またはさら理、余剰汚泥の確実かつ低コストな処理などに関してに第２脱窒槽 ― 再曝気槽（膜分離槽）を組み合わせは、今後も取り組みが必要である。

た２段脱窒法が記載されており、また、脱窒の炭素源としてメタノールを使用することとしている。

以上のように、畜舎汚水処理は、従来から積み重ねてきた開発・普及の実績を踏まえつつ、さらに新たな槽を複数化せずに、汚水中有機物を有効利用しなが展開を図るべき点も多い分野といえる。本稿では、現ら硝化脱窒を図る膜分離活性汚泥法リアクターの検討

状の研究・開発の動向について概説する。

も行われている。渡辺ら（2007）は、液の移動のための開口部を設けた仕切り板でリアクターを上下に分

2 新プロセスの実用化および開発の状況

け、曝気は上部だけ行い、下部は嫌気部とするリアク

2. 1 膜分離活性汚泥法

ターを検討している。このリアクターでは、流入汚水は嫌気部に流入させ、さらに好気部の流出水の一部を

最近では膜分離活性汚泥法の適用事例が各分野で増嫌気部に循環させることで脱窒を図る。

加し、畜産分野でも利用指針が取り纏められ（膜分離また、彼らは、曝気槽を外槽と内槽の２重構造とし型畜舎排水処理装置の手引き作成委員会、2004）、通た上で、曝気は内槽のみで行い、さらに槽内水位を周常の選択肢の一つになっている。
この方法は、原理的には活性汚泥法と同様であるが、期的に変化させ、高水位時には槽全体が曝気により好通常沈殿槽で行う活性汚泥と処理水の分離を、ろ過膜気性となり、一定水位以下になると内槽と外槽が分断によるろ過で行う点が大きな相違点となる。ろ過膜にされ、嫌気化した外槽で脱窒が生ずるというリアクタは孔径0.2〜0.4μm程度の合成樹脂性精密ろ過膜が用いーも検討している。

られる場合が多く、これらの膜を活性汚泥の曝気槽に2. 2 嫌気性処理法（メタン発酵）と好気性処理法

浸漬し、吸引ポンプでろ液を槽外へ排出する。の組み合わせ処理

この処理法は、施設の小型化と処理水質の安定化の面で効果がある。また病原微生物も膜により除去でき高濃度有機性排水の処理を、活性汚泥などの好気性るため、クリプトスポリジウムなどのように、塩素消処理だけで行う場合、曝気で多くの電力が消費される。

毒に耐性を有する有害微生物の除去の面では特に有利

このため、食品工場排水処理などでは、好気性処理のと考えられる。

前処理として、低消費電力で有機物を低減できる嫌気3

特集

畜産排水対策性処理（メタン発酵）を導入する事例も増えている。

後の脱窒法の選択肢の一つとして期待される技術といこのような目的のメタン発酵としては、滞留時間が数えよう。

日以下の短時間で済むUASB法が採用される場合が多畜舎汚水処理へのUASBリアクター利用について、

い。UASB法と好気性処理との組み合わせ処理は、ビ

海外の状況を見ると、中国ではUASBリアクターと好ール工場などの食品関連工場に大型施設の導入事例が気性処理を組み合わせたプロセスが、メタン発酵の技多い。

術指針に掲載され、その指針に準じた施設が、大規模畜舎汚水処理でも、国内で実規模施設が導入された養豚事業場に導入されている例が複数ある（森ら、事例もあるが、この事例ではUASB法の特性が充分生

2004）。発生バイオガスが近隣の住宅に供給されていかされたとは言えないように思われる。実証規模の施る事例もある。

設としては、畜産草地研究所内で、UASBリアクター

日本でも、規模の大きな処理施設では、UASBリアと、土木用不織布を微生物担体とした好気性リアクタ

クターと好気性後処理の組み合わせプロセスが効果的ーを組み合わせた豚舎汚水処理施設が約６年間稼働しなケースもあると予想される。ただし、汚水性状、目ている。その運転結果の一部は、暫定版設計・維持管

標水質、平均気温などの諸条件により導入の適否は異理指針としてまとめられ（新汚水処理施設設計指針作なるので、慎重な検討が必要である。

成委員会、2004）（図１）、性能に関する報告もなされ

なお、汚水より格段に高濃度な、ふん尿混合スラリている（田中ら、2006）。このプロセスの所用電力はー液を従来型の完全混合方式リアクターでメタン発酵活性汚泥法の２/３〜１/２に低減すると予測されていする場合、その消化液は液肥利用を図るべきであり、る。また、発生するバイオガスでの発電も可能である。

後段で放流のための浄化処理を行うと、コストが過大になるのが一般的である。

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処理水質高度化のための要素技術開発の現状

3. 1 窒素除去
従来から湖沼・内湾の富栄養化物質として特定地域の一定排水量以上の事業場に対して水質汚濁防止法、および地域によってはさらに条例で、全窒素の規制が行われてきた。また、近年では、有害物質として、硝図１

酸性窒素（アンモニア態窒素濃度×0.4、亜硝酸態窒

嫌気性処理（UASBリアクター）と好気性後処理リアク
ターを組み合わせた畜舎汚水処理施設のイメージ図（肥育豚１万頭規模）

素濃度、および硝酸態窒素濃度の合計）の規制も加わっている。この規制では、地域や排水量に関係なく水ただし、嫌気性処理段階でBOD/Ｎ比が低下するた質汚濁法の全特定事業場が対象となるので影響が大きめ、後段処理で硝化・脱窒を行う場合には脱窒用有機い。現時点（2008年９月）では畜産農業の排水基準物が不足する可能性がある。従って、この面での対応は暫定値の900mg/Lとなっているが、一般基準は法を考える必要があり、後述のアナモックス法を、嫌100mg/Lである。今後の暫定基準値の動向によって処気性処理の後段の窒素除去に適用する検討もなされて理技術も影響を受ける可能性がある。なお、硝酸塩のいる（三宅ら、2006；和木、2007）。和木（2007）に健康リスクを疑問視する研究者もいるが（J.リロンデ

よると、豚舎汚水を嫌気性処理し次いで好気性処理をル、J-L.リロンデル、2006）、健康リスクの有無にかか行った排水にアナモックス菌を投入したところ、アンわらず、富栄養化物質という観点からは窒素の低減がモニアと亜硝酸が速やかに減少し、アナモックス反応必要なことに変わりはない。の進行が確認された。アナモックス法は、嫌気性処理

また、脱臭施設を新設する場合、アンモニアを高濃4度に含む脱臭施設廃液が汚水処理施設に流入するケー

よって脱窒工程における脱窒用有機物の注入制御スも予想され、この面でも窒素対策技術は重要である。

を行い、pHによって硝化工程の曝気時間を制御す活性汚泥法で窒素除去を行う場合、循環式硝化脱窒る（金主鉉、2002）。この方法は装置構造が比較的法または間欠曝気式活性汚泥法を採用すれば、生物学単純で済む長所がある上に、流入汚水水質が変化的な硝化・脱窒が進行し窒素除去率が向上する。特に、しても自動的に最適の処理を行える可能性がある。

間欠曝気法は既存施設でも部分的な改造で適用可能

また、ORP、pHの絶対値は使用せず、変曲点の出で、しかも管理も容易なことから、畜産分野に適した現によって制御を行うことから、センサーの汚れ方法である（Osada et al.1991）。

等による絶対値のドリフトの影響を受けないといしかし、流入汚水の易分解性有機物と窒素濃度の比う利点もある。ただし、ORPやpHの変曲点がはっ（BOD/N比）がおよそ３以下の場合には、脱窒のためきりと検出されない場合にどのような制御対応をの有機物が不足し窒素が硝酸態で残留するようになるするかの検討も必要であろう。脱窒用有機物が不ため、何らかの付加的なプロセスの導入が必要となる。

足する場合、畜舎で分離した豚糞を水に溶解させ代表的な既存技術としては、メタノール添加法がある

脱窒工程で注入することも検討し、有効と報告しが、導入のためには、危険物であるメタノールの貯留ている。ただし、糞の添加はリン濃度の上昇をも設備、メタノール注入設備、嫌気槽、および再曝気槽たらすことから、リン除去面の検討も併せて行う等の増設が必要になる。また、水質の変化に合わせて必要がある。

メタノール注入量制御を行うことは、現実的には難し③硫黄脱窒法いので注入量は過剰にせざるをえない。
メタノール添加法の代替となり、しかも設備や維持特別な制御や薬液の注入が不要な簡易な脱窒法と管理が一層簡易な窒素低減技術が求められており、各して、有機物の代わりに硫黄を脱窒の電子供与体種の検討が行われている。に用いる硫黄脱窒法がある。
一般に、硫黄脱窒は、Thiobacillus denitrificansなど

以下に、畜産分野での新たな窒素低減技術として検討されているいくつかの技術について紹介する。の細菌により、以下のような反式で進行する。
+NO 3- +1.1S+0.4CO 2 +0.76H 2 O+0.08NH 4 →①易分解性有機物含有廃液の利用による脱窒

0.08C 5 H 7 O 2 N+0.5N 2 +1.1SO 4 2- +1.28H+メタノールに代わる、安価で取り扱いやすい脱窒

この反応に必要なCO ２ の供給と、発生する硫酸用有機物については従来から種々検討されている。

イオンによるpH低下防止のため、従来は炭酸カル

具体例としては、缶詰工場シロップ廃液（嶋澤ら、シウム粒を硫黄粒とともにリアクターに投入して2006）、焼酎製造廃液（阿部、2007）、廃揚げ油などいた。硫黄と炭酸カルシウムの消耗バランスを保がある。

つことが困難という難点があった。

このような食品産業副産物を有効利用した脱窒

この点を改善するため、加熱溶融した硫黄中に炭は、工場が近くに立地している場合には、有効な酸カルシウムを混合・分散させた後固化し、砕石選択肢と考えられる。しかし、放流水質の悪化を状に破砕した硫黄脱窒資材が開発されている（河防ぐため、注入量の制御や処理プロセスについて

原塚ら、2001）。この資材では、硫黄中に包埋されは充分な事前検討が必要である。

た状態で炭酸カルシウムが分散しているので硫黄の消耗と炭酸カルシウムの溶出が同時進行し、前②リアルタイム制御法

記のようなアンバランスが生じない利点がある。

この処理法では、回分式活性汚泥法をベースとし、この資材を水槽に充填し、硝酸イオンを含んだ液センサーにより水質状況を把握しながら適切な制を流入させると、資材の表面に硫黄酸化細菌が増御を行う。具体的には、酸化還元電位（ORP）に殖し、脱窒が進むようになる。
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特集

畜産排水対策この資材を使用した畜舎汚水の脱窒の検討は、陳、④アナモックス細菌による脱窒法

田中（2001）、長峰ら（2008）などにより行われて近年、亜硝酸とアンモニアをほぼ等量利用し窒素いる。この方法の利点は、特別な制御を行わなくガスに変化させる反応（下式）を行う細菌を利用ても流入する硝酸・亜硝酸の量に応じた脱窒が自然に進行し資材の無駄な消耗が起こらないことでした脱窒法が注目されている。
NH4++1.32NO2- +0.066HCO3- +0.13H+→ある。一方、ろ過的な操作であるため、資材層に1.02N2 +0.26NO3- +2.03H2 O+0.066CH2 O0.5 N0.15

閉塞が生じ、性能が低下することもある。閉塞対

この細菌は一般的にANAMMOX（アナモックス）

策としては、流出処理水を循環させることで資材細菌と呼ばれ、オランダのデルフト工科大学で最層通過流速を上げる方法や、定期的に資材層底部初に汚水処理リアクター内から発見された。そのから通気を行い、資材層に捕捉された懸濁物を流後多様な汚水処理装置から発見され、この微生物出させる逆洗手法がある。

群を利用した実処理装置も国内外で稼働を開始し逆洗効果を高めるには、資材の粒径・比重を小さている。アナモックス細菌を利用する脱窒の大きくし、通気時に資材が流動化したほうが良い。こな長所は以下の二点である。の観点から、パーライト粒子の表面に有効成分を・アンモニアの半量を亜硝酸にまで酸化するだけでコーテイングした粒状資材も検討されているよい。このため、硝化用電力費が格段に低下す（Tanaka et al., 2007；田中、手島、2008）（図２、図る。

３）。この資材では、有効成分の消耗後パーライト・脱窒の電子供与体にはアンモニアが利用されるのが残留するが、逆洗時に槽外に排出され、余剰汚で、メタノール等の有機物や硫黄などの電子供泥とともに処理されることになる。

与体は不要である。この分のコストが低下する。
一方、現実的な適用面で難しい点は、硝化過程を亜硝酸生成までで止まるように制御し、しかもアンモニアを半分残す必要のあることである。このため、硝化過程の微妙な制御が必要になる。硝化用リアクターの水温や水理学的滞留時間を制御することで亜硝酸生成だけを生じさせる手法も考案されている（Van Dongen et al., 2001）。
最近では硝化槽とアナモックス反応槽を分離せずに、単一槽で部分亜硝酸酸化とアナモックス反応

図２を同時に進める手法も検討されている（古川、2007）。

パーライトを核とした脱窒用硫黄資材（粒径2〜5mm）

なお、アナモックス細菌が発見された当初は、非常に特殊な条件でのみ増殖すると考えられていたが、その後種々の汚水処理施設（和木ら、2008）や自然環境中からもその存在が報告されるようになってきている。
汚水処理に関する微生物学的視点からの研究が発端になって、微生物学の教科書の一部が書き換えられるような発見がなされ、それが応用面にフィードバックされつつあるということは、現場の現

象をじっくり見つめることが新技術開発に重要で図３あることを改めて感じさせるものと言えよう。

パーライト型硫黄脱窒資材を利用した脱窒装置の例

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3. 2 リン除去・回収

どに対して、カリ分を補うことで、生育に効果的

近年リン鉱石価格が急騰したことから、リンは汚濁であり、ヨウリンやマグアンプなどの既存のリン物質という面だけでなく、貴重な資源という面がクロ酸肥料と同等であるとされている（日本下水道協ーズアップされ、回収再利用できる技術の重要性が増会、2005）。

している。
③ケイ酸カルシウム資材による吸着法

なお、工場排水などでのリン除去には無機系凝集剤を使用した凝集沈殿法が多く採用されているが、このケイ酸カルシウムを含有する発泡コンクリート塊方法では脱水性の悪い凝集汚泥が大量に発生する上を充填した接触曝気式処理法で、生物学的な有機に、凝集剤はアルミニウム塩または鉄塩を含むことか物分解と発泡コンクリートへのリンの吸着除去をら、凝集汚泥は肥料利用に適さない。再利用を視野に同時に行う手法が開発され（高橋朋子、1995）てい入れた除去手法として以下のような技術が畜産分野でる。この手法は、充填層の確実な逆洗さえ行えば、検討されている。

それ以外の特別な操作を要せずにリン除去ができるため、簡易性の面で優れている。リンは、摩耗した資材粉末に吸着した形で余剰汚泥に含有され、①ジルコニウムフェライト樹脂吸着法堆肥化に移行し、リン資源の有効利用が可能になジルコニウムフェライト樹脂を充填したカラムにると思われる。

通水してリン酸を吸着させ、その後リン酸を苛性ソーダ溶液で樹脂から溶離して、リン酸ナトリウ

3. 3 色度ムの結晶として回収する手法がある（道宗、2003）。
この手法は、吸着剤を繰り返し使用できる長所が畜舎汚水は、良好な浄化処理が行われても難分解性あるが、一方で溶離に高濃度のアルカリを使用すの茶褐色の着色成分（色度）が残るため、水質規制上る点と、溶離液から結晶を取り出す工程が必要とは問題ない処理水でも、近隣住民に未処理と誤解され、なる。

放流に支障が生ずる場合がある。色度の確実な除去技
術としては、オゾン酸化法と活性炭吸着法がすでに確立された技術として多くの分野で利用されているが、②MAP法畜産分野ではコスト面で導入は容易ではない。

豚舎汚水は、リン酸以外にもマグネシウムイオン、アンモニウムイオンを高濃度で含有することから、畜産向けの低コストで操作の容易な技術としては、比較的容易にこれらの成分が結合した結晶を生成

黒ボク土吸着法がある（森、1998）。土層の目詰まりさせ（MAP反応）回収することができるが発生するリスクがあるため、前処理として塩化第二

豚舎汚水への適用については、鈴木らによる検討

鉄による凝集処理を組み合わせる手法も検討されていがなされている（Suzuki et al., 2006；鈴木一好、る。凝集処理段階でもある程度着色度低減の効果があ2007）。この検討では、曝気により汚水を弱アルカる。

リ性にして結晶化させる簡易な手法が採用され、処理水を滞留させた槽に電極を挿入し、さらに食塩また結晶をステンレス金網などに付着させて高純を投入して電気分解を行い、発生した塩素類の漂白作度で回収する手法も開発され、回収MAPの肥効性用で除去する技術も開発されている（道宗ら、2003）。の検討もなされている。

この技術は、膜分離活性汚泥法処理水への適用が前提とされ、処理前の色度が200度以上になると処理能力

なお、下水道分野でもMAPによるリン回収が実が低下するとされている。

用化されており、回収されたMAPは、野菜（大根・キャベツ）、観賞用植物（シクラメン・キク）、

最近研究された技術としては、グラファイトカーボ

果物（柑橘苗木）、常緑針葉樹（ヒノキ園芸品種）、ンによる吸着手法がある（矢吹ら，2007）。吸着が飽常緑広葉樹（カナメモチ）、落葉広葉樹（夏椿）な和状態に達すると、グラファイトカーボンをエタノー
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特集

畜産排水対策ルで洗浄・再生する。洗浄に使用したエタノールは蒸来のものが下水道等を通じて排出されることもあり、留によって回収し、繰り返して利用する。実用化には排出源は畜産に限られるわけではないが、関連情報のコストの低減が重要と思われる。

収集は必要であろう。

色度除去専用技術ではないが、逆浸透膜による処理4を行うと、窒素・リンなどの各種塩類とともに色度も除去できる。また、蒸留水に近い処理水が得られるた

余剰汚泥処理および余剰汚泥発生量低減化技術

め、処理水を畜舎洗浄などに再利用することも可能で汚水の浄化に付随して発生する余剰汚泥の処理・処ある。ただし、逆浸透膜でのろ過には高圧ポンプでの分も重要なプロセスである。現状では、高分子凝集剤加圧が必要なため電力費が高く、また定期的な薬品洗を添加し機械式脱水機で脱水するのが最も確実である浄も必要となる。さらに、処理に伴い発生する濃縮水が、脱水機が高額な上に、凝集剤の費用も高いため農の処分が不可欠になる。濃縮水は、発酵中の堆肥への家には大きな負担となる。また、凝集剤の適正添加量散布による処分の可能性もあるが、塩類濃度の上昇にの制御は容易でないことから、不適正な注入量により注意が必要である。なお、最近では排水処理用途向け含水率が充分に低下しない場合も生じてくる。よって、に、比較的低圧でろ過可能でしかも膜面への付着物質

簡易で低コストな余剰汚泥脱水技術の検討は今後も重が蓄積しにくい逆浸透膜も開発され、従来よりは適用要である。

が容易になってきている。

使用例の減っている砂ろ床方式の脱水法を改善する

イオン交換膜を利用した電気透析法によっても、窒ことで、簡易で低コストな脱水技術を開発しようとい素、リン等の各種塩類とともに、色度も除去できるう試みは、最近でも少数ながら行われている。例えば、（Fukumoto & Haga,2004）。ただし、逆浸透処理と中村、柚山（2004）は、砂ろ床の砂層の上面にポリエ同様に濃縮水の処分法が課題である。

ステル不織布を置くことで、乾燥の促進と乾燥汚泥の回収作業の効率化を図る検討を行っている。この技術

3. 4 銅、亜鉛

では、不織布の利用可能回数がコストを決定する要因

水質汚濁防止法での銅、亜鉛の規制値は近年強化さになるものと思わる。

れ、銅が３mg/L、亜鉛が２mg/Lになっている。

勝野ら（2007）は、砂のかわりにオガクズを利用しSuzuki et al.（2007）によると、豚舎汚水中の銅、たろ床の上に、ステンレス製金網を底面に取り付けた亜鉛の多くは浮遊物の形態で存在する。このことから、容器を置き、容器内に汚泥を投入する手法の試験を行鈴木ら（2006）は、確実な重力沈殿処理を行えば銅、った。その結果、乾燥時間の短縮が確認されたが、実亜鉛濃度は充分低減化可能であり、また、凝集沈殿処用化に関しては乾燥汚泥の移動方法などの点でまだ検理、膜分離などを行えば、一層の低減ができると推測討が必要としている。

している。

また、畜産草地研究所では毛細管現象を利用したペこれらの知見は、最終沈殿槽での汚泥分離が不十分ーパードレイン法で含水率を低下させ、最終的に天日にならないよう、余剰汚泥の適切な引き抜きなどの管乾燥を行う手法の基礎検討を行っている。この方法で理を確実に行うことが、銅、亜鉛の面でも重要である

は、凝集剤が不要で、清澄な分離液が得られる。

ことを示唆する。

余剰汚泥発生量の低減技術として、都市下水処理分
野ではオゾン酸化処理や、超音波や各種方式の破砕機

3. 5 性ホルモンにより汚泥中微生物を破砕可溶化し、活性汚泥曝気槽

畜舎汚水中には家畜から排出される性ホルモン（エに循環させ分解を図るなどの技術が検討され、一定のストロジェン）が微量ながら含まれており、その含有効果が認められている。また、畜産分野でも、キャビ量や処理過程での動態については若干の研究事例があテーション効果で汚泥を破砕する基礎検討がなされてる（Furuichi T. et al., 2004）。性ホルモンは、人由いる（廣岡ら、2008）。しかし、これらの方式は、装8置の導入コストが負担になることが予想され、費用対効果のバランスが取れるかどうかが課題である。また、余剰汚泥を分解・可溶化するとリンが汚水中に回帰するため、リン除去面では不利な点もある。

5 放流水の自動監視システム
処理施設からの汚泥流出などトラブルの防止には、処理水の自動監視が有効な可能性が有る。水質の自動監視装置としてはすでに光学式や化学方式の種々の装置が市販されているが、価格面や維持管理面でそれらの導入は容易ではない。処理水の汚濁程度の相対変化をモニタリングし、異常値を検知する簡易な監視装置

図５

簡易型生物膜ろ過法によるパーラー廃水処理の実験装置も検討されているが（田中ら、印刷中）
（図４）
、普及

地研究所では、生物膜ろ過法を簡易化した技術によるのためには一層の低価格化が課題である。

処理の検討も行っている（図５）。

7 終わりに各方面の努力により、家畜排泄物の適正管理についての対応は大きく前進した。しかし、汚水処理について見ると、本稿で述べたように、今後まだ効率向上および新技術導入の必要性は多いと思われる。各方面での一層の研究・開発が期待される。
参考文献

図4

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３色のLED光による放流水監視装置の試作品

6 酪農雑排水の処理技術
近年では、酪農でもパーラー廃水処理などに汚水処理技術を導入する例も出てきており、この分野での新たな技術展開も求められている。酪農雑廃水は養豚汚水に比較して水量は少ないものの、水質は状況に応じて大きく変動するため適切な設計や安定した性能維持は容易ではない。水質面から大別すると、糞の混入の少ない低濃度廃水と、糞が比較的多く混入した高濃度廃水に分かれる。前者については、沈殿処理等の簡易な対応で済む可能性もあるが、後者については生物処理が必要な場合もある。従来から、各地域の試験場などで酪農雑排水処理の検討も行われているが、今後さらに簡易かつ低コスト技術の開発が望まれる。畜産草9特集

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