新環境

社会を創造する商品と技術［第ニ部］（水エンジ編）

宮崎中原徹
啓介

水エンジニアリング本部

本部長

エンジニアリング研究所

水システム研究部

常務部長

Toru Miyazaki
Keisuke Nakahara

当社は 1972 年に水エンジニアリング事業分野へ進出し，以後，高い技術力をベースに発展を続け，現在
では連結売上金額ベースで約 500 億円の事業規模にまで成長してきている。本稿では，当社の水エンジニ
アリング事業開拓の歴史とともに，代表的な自社開発技術をいくつか紹介する。

NKK entered the water treatment field in 1972 and has been raised its consolidated sales figure to 50000 million yen in 2001 based on our high technologies. In this paper, we describe the history of pioneering businessin this field and introduce some of our NKK-originally developed technologies in water and wastewater engineering division.

1.

はじめに

当社における水エンジニアリング事業の始まりは，水道用鋼管の販売および据付を含めるとかなり古くまでさかのぼるが，現在ではプラント建設を中核とした水処理分野への進出を経営会議に提案した 1972 年を起源としている。
事業進出にあたって，当初は高度処理を中心にした商品戦略をかかげ，ザーン社，テクフィナ社などの海外メーカー
Photo 1と技術提携し，営業・技術・研究各部門が一体となって技術の習得と新規事業の立ち上げに努力した。その後，1976

Egg-shaped sludge digestion tank in Yokohama
Hokubu Sludge Treatment Center

年 4 月に環境化工水道部，1977 年 4 月に上下水道部，環挙げると，公共工事における PFI の導入はいまや世界的な境プラント営業部の水エンジニアリング部門を経て 1984

流れになっており，日本でも通称 PFI 推進法が 1999 年に

年 6 月には下水道営業部が誕生した。

成立，公布，施行された。PFI は公共施設などの「設計」，水エンジニアリング事業は公共工事が中心で，民需に比「建設」，「維持管理」および「運営」に民間の資金，経べて後発企業の参入が難しい構造であった。当社は横浜市，営および技術的能力を幅広く導入することにより，財政資川崎市などの地元自治体へ営業力を集中し，技術力を前面金の有効活用を図り，公共サービスを効率的かつ効果的にに出した PR を展開することによって突破口を開くととも提供することを目指している。PFI の本来の趣旨は，公共に，受注した建設工事を通じて次第に自治体側の信頼を高と民間がそれぞれ得意とする分野で作業を分担し，互いにめて行った。認知度が高まるにつれて事業規模も拡大し，責任を負い，より安いコストで社会資本を整備することに多くの重要工事を受注するようになった。Photo 1 は横浜

よって国民の税負担を減らすという点にある。PFI 事業を市北部汚泥処理センター（汚泥集中処理基地）にある日本成功させる決め手は，公益性と収益性のバランスと，公共最大規模の卵形消化タンク群であり，当社は機械設備工事と民間の責任区分の明確化である。我々が現在対応していを担当した。

る通常の公共工事では施設の建設資金と運転資金の調達，このような歴史を経て，水エンジニアリング本部は現在，施設の運用は公共が行うが，PFI では原則としてそれらを水道，下水道などの公共施設の建設工事を中心に，連結売民間が行うことになる。

上金額ベースで約 500 億円の事業規模にまで育ってきてい現在，当社を含めた日本の水エンジニアリング会社のほる。

とんどはプラント建設業を経営の柱としている。しかし，

しかしながら，90 年代にはじまった日本経済の低迷，そ公共工事が今後，PFI の導入を含めて，仕様発注から性能の後の公共工事コスト縮減などにより，水エンジニアリン発注へ，分割発注から一括発注へ転換して行く低コスト化

グ事業が置かれている環境は激変しつつある。一例をの流れは避けられず，プラント建設業の金額的な市場規模

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–98–

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環境

社会を創造する商品と技術が縮小して行くことは必定である。また，近い将来，り表面の生物膜内で反応が完結することなど）を見い出し，Vivendi，Thames Water など海外の巨大水民営化企業が結合固定化法の開発に移行した。

日本市場に本格的に参入して来る可能性も大きい。

当社が開発したバイオチューブは，ポリプロピレンを基

このように大きな経営環境の変化の下で，今後も水エン材としており，サイズは外径 4mm，内径 3mm，長さ 5mm

ジニアリング事業を維持，発展させて行くためには，プラの中空円筒状の固体で，微生物付着性を改善するため，表ント建設業だけではなく，調査・計画などのコンサルタン面に微細な凹凸を設けている。バイオチューブには以下のト業，施設の診断・補修・更新業，運転・維持管理サービような特長がある。

ス業などを新たな経営の柱に育てて行かなければならない。

(1) 比表面積が大きく，大量の微生物を保持できる。

そのために必要不可欠なものは，高い技術力を備えた商品(2) 水の比重に近く，反応タンク内で均一に分散させるこであり，自他ともに認める No. one，Only one の技術を一とができる。
(3) 基材のポリプロピレンは生分解されず，また，物理的つでも多く保有することである。水エンジニアリング部門
においてはこのような観点から，プロセス技術だけではな強度が高いため摩耗に強く，担体の補充の必要がない。

く，老朽化診断技術，更新工法や更新対応技術，シミュレ(4) 硝化細菌などの増殖速度の小さい有用微生物を反応ターション技術などの有望な新技術の開発を着々と進めつつンク内に保持できる。

ある。本稿では，それらの技術のなかから，バイオチュー(5) 湿潤状態で保存する必要がなく，保管が容易である。

ブと生物反応シミュレーション技術について紹介する。

2.3

バイオチューブシステムの実施例

バイオチューブを用いた流動床バイオリアクターシステ

2.

バイオチューブシステム

ムには種々の利用法が考えられる。その中から代表的なシ

2.1

開発の経緯

ステムを Fig.1 から Fig.5 に示し，以下に概説する。

下水処理技術の課題である処理水質の向上，処理エネル（適用例−1）

ギーの低減，施設面積の削減などに対処すべく，1985 年度

Fig.1 に示すシステムは担体を投入した曝気槽（流動床バから 1989 年度にわたって新しい下水処理方式の開発に関イオリアクター）へ一次処理水を導入し，担体に付着したする建設省の総合技術開発プロジェクト「バイオフォーカ

生物による処理を行って，さらに，後段の固液分離装置でス WT」が実施され，当社は微生物固定化担体：バイオチ

曝気槽処理水中の SS を除去して清澄な処理水を得るもの

ューブ（Photo 2）を開発し，さらに，バイオチューブを用である 1),2)。
このシステムでは曝気槽内の微生物濃度を高く保つこといた種々の下水高度処理システムを開発してきた。

ができるので曝気槽の小型化が可能となる。さらに従来の活性汚泥法と異なり，最終沈澱池での活性汚泥の沈降分離と沈降汚泥の返送を行わないため，バルキングの問題がないという特長がある。また，エアレーションタンクの各段において排水の性状と負荷に対応した微生物相が形成されることが確認されており，合理的な処理法と考えられる。
本システムは宮崎県都城市の新下水処理場設備に採用され，1996 年 5 月より供用されている。担体の真容積基準
Photo 22.2の充填率（以下，充填率と略記する）は 10%であり，処理

Bio-tube

水の BOD および SS の平均値はそれぞれ 2.8mg/L と1.1mg/L と極めて良好であった。また，稼働中の同設備にバイオチューブの特徴

おいても担体の流動性は良好であり，エアレーションタン

微生物を担体に固定化する方法は包括法と結合法とに大ク内において担体はほぼ均一に分布していた 3)。

別される。包括法とはポリエチレングリコールやポリビニルアルコールなどの水溶性高分子と微生物を混合し，水溶性高分子を重合，ゲル化させることにより，高分子ゲルのInfluent格子中に微生物を固定化する方法である。

ScreenCarrier

一方，結合法とは砂や活性炭あるいはプラスチックビー

Effluent

ズのような粒子の表面に微生物を，微生物自身が生産する粘性物質を介して自然発生的に付着させ生物膜を形成させBlowerる方法である。1986 年当時，当社を含め水処理各社はこぞAeration tankって包括固定化法の開発に取り組んだが，当社は包括法の問題点（内部の菌は死滅すること，酸素の拡散が律速とな

Fig.1
–99–

Upflow filter

Flow diagram of BOD removal system (Ⅰ)
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社会を創造する商品と技術
Mixed liqure return（適用例−2）
Influent

Fig.2 のシステムは従来の活性汚泥法の曝気槽に担体分Screen
Mixer
Carrier

離用のスクリーンを設け，曝気槽に担体を投入したものである。このシステムは栃木県高根沢町の設備に適用され，Effluent
Blower

従来，長時間エアレーション法と浸積ろ床接触酸化の組み大処理量 2100m3/日の施設へと改造した例である。この設
Fig.4

備は，1993 年 3 月に供用開始となっている。担体充填率は 5%，反応槽内滞留時間は 4.6 時間という条件において処理水質は T-BOD が 4 mg/L，SS が 2 mg/L と目標値であClarifier

Aerobic
Anoxiczonezone
Return sludge

Anaerobiczone

合わせ処理で日最大処理量 600m3/日であったものを日最Flow diagram of BOD, nitrogen and phosphorus
removal system（適用例−5）

る T-BOD5mg/L，SS20mg/L を満たすものであった 4)。

Fig.5 に示したシステムは，基本的に Fig.3 のシステム同様，循環型硝化脱窒法の好気槽に担体を投入したものであInfluent

るが，好気槽の下流側 2 段にのみ担体を投入し，最上流側ScreenCarrierの好気槽には担体を投入していない点が Fig.3 と異なる。
本システムに関して大津市との共同研究として大津浄化センターにおいて活性汚泥法実装置の一系列を改造した実験

Blowerを実施した 6)。大津浄化センターの反応槽の構造は Fig.6Clarifier

Aeration tankに示されるようないわゆる深層型の反応槽となっており，

Return sludge

Fig.2

散気装置は反応槽水深のほぼ中間の位置に設置されている。
実験条件は流入水量が 11800m3/日，循環水量が 10200m3/

Flow diagram of BOD removal system (Ⅱ)

日，返送汚泥量が 7200m3/日，送風量が 43000m3/日，滞留時間が 5.2 時間であり，担体充填率は 1996 年 12 月 8 日（適用例−3,4）
Fig.3 および Fig.4 のシステムは，それぞれ循環式硝化脱までが 2.5%，それ以降は 3%である。本実験において処理

窒法および嫌気−無酸素−好気法の曝気槽（好気槽）に担水の T-BOD および T-N の平均値はそれぞれ 2.3 mg/L お体を投入したものであり，担体を利用して硝化細菌を曝気よび 5.7mg/L となり，目標値である T-BOD10 mg/L およ

槽内部に高濃度に保持することにより，反応槽の小型化とび T-N10mg/L 以下を常に満足した。なお，本システムは硝化処理の安定化を図ったものである。

「新規担体を適用した無酸素−微好気−好気法による下Fig.3 および Fig.4 のシステムに関しては，川崎市と共同して処理水量水の高度窒素除去法」として，日本水環境学会技術賞を15m3/日のパイロットプラントを用いた受賞した。

実験を実施している。Fig.4 に示したシステムを用いて滞包括固定化担体を深層型の反応槽に投入した場合には

留 時 間 9 時 間 ， 循 環 水 量 比 2.0 ， 返 送 汚 泥 比 0.3 ，担体の流動性が低いために装置の基本的な改造が必要であ

MLSS1750mg/L，担体充填率 5%という条件において，ったと報告されている 7)が，本実験においては装置の基本

処理水の T-N は 7.8 mg/L となり，10mg/L 以下という目構造を変更していないにもかかわらず，担体は良好に流動標値をクリヤーした 5)。Fig.4 に示したシステムは川崎市

し，反応槽内にほぼ均一に存在した。
なお，本実験で使用したバイオチューブは，2 年 4 ヶ月

入江崎下水処理場において採用され，本格稼動に向けた

連続運転した後においても目視による形状の変化が見られ試運転調整を行っている。

ず，寸法の変化も見られず，深層曝気槽実施設において使用しても長期間安定していることがわかった｡
Mixed liquer return
Influent

Mixed liquer return

ScreenMixer

Influent

Carrier

Effluent

Mixer Screen
Carrier

Effluent

BlowerAnoxic zone

Aerobic zone

BlowerClarifierAnoxiczone

Return sludge

Fig.3

Return sludge

Fig.5

Flow diagram of BOD and nitrogen removalsystem (Ⅰ)

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Aerobiczones–100–

Flow diagram of BOD and nitrogen removal
system (Ⅱ)

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社会を創造する商品と技術当社が取り扱っている下水処理施設としては，前述 6 方式のバイオチューブシステムを含め多くの方式があり，下水処理場の設計においてどの方式を採用するかは，流入水

0.26h

Surfaceの条件や，要求される処理水水質などを考慮した上で，技術者の経験をもとに決定されてきた。しかしながら，最適

h=9.6mBuffleな処理方式，処理施設規模を選定し，さらに最適運転条件0.55hで処理を行うことは，処理水水質の向上および処理コストの低減の面から非常に重要なことである。そこで，当社はDiffusers

下水処理設備の最適設計や最適制御を行うための新規技術として0.19h
8.5mの開発を開始した。

8.5m
Fig.6

下水高度処理シミュレーション技術

当社のシミュレーション技術の特徴

3.2(1) 生物膜（バイオチューブ付着微生物）のモデル

Configuration of deep aeration tank system

当社では前述のバイオチューブシステムのシミュレーシ
以上，バイオチューブを用いた排水処理装置に関して，ョンを「活性汚泥モデル」をベースとして組み上げるため，担体選定・開発の経緯と各種下水処理システムへの適用例

独自データをもとにバイオチューブに付着した生物膜に関について概説した。これらのシステムに共通する特長は，するモデルの開発を行った。生物膜内で起こり得る反応プ担体に微生物が高濃度に固定化されるため処理装置が小型ロセスと関与する要素は「活性汚泥モデル」と同様の手法化できる点である。さらに，既存の処理施設を改造して高で記述し，生物膜内の物質移動と生物増殖による生物膜体負荷対策，高度処理対策に適用する上でも有効かつ経済的積の変化をモデル内に組み込んでいる。担体に付着した生である。

物膜は，徐々に浮遊汚泥中へと剥離することで，際限なく厚くなることはないように考慮した。

3.

生物反応シミュレーション技術

3.1

背景

このモデルを用いて，バイオチューブシステムの一つである Fig.4 に示したシステムのパイロット実験結果の再現

下水処理分野におけるシミュレーションの応用は，かなを試みた。10 月 16 日から 2 月 13 日の約 4 ヶ月間を対象

り前から学者の間では行われていた。しかし，その手法はとしてシミュレーションを行い，パイロットプラント水質研究者によって大きく異なり，隣り合う研究室間でも，あ分析結果との比較の一例を Fig.7 に示す。

るいは同じ研究室内でも異なる手法が用いられている状況であった。このため，一つひとつの手法は小さいグループ

7内で用いられるだけで多数の処理施設データによる実証は6はなかった。
国際学会である IWA（当時は IAWPRC）が活性汚泥モデルの研究発展のために 1983 年にタスクグループを作り，その活動成果として 1986 年に「活性汚泥モデル No.1」を，T-P [mg-P/L]行えず，実施設での設計・運転管理などに用いられること

54
32

Influent1

また 1995 年に「活性汚泥モデル No.2」を発表したことを0

契機に，生物反応シミュレーションの数学モデルの実務的3-Octな利用への期待が急速に高まっている。特に下水処理施設

2-Nov

2-Dec

1-Jan

31-Jan1-Mar5の高度処理化により，プロセスが複雑化・高度化しつつあMeasured value

Effluent

るため，より合理的な考え方にもとづく施設設計や運転管理が必要になってきたからである。この「活性汚泥モデル」
は，ある汎用的な考え方のもとに，微生物反応・物理化学反応の構造をモデル化したものであり，必要とあれば同様な手法で新規の微生物反応・物理化学的反応を加えること

T-P [mg-P/L]

4Calculated value

321も可能なコアモデル的なものであり，排水処理研究者およ0び数学モデル研究者に対して大きなインパクトを与えるも3-Octのであった。

Fig.7
–101–

2-Nov

2-Dec

1-Jan

31-Jan1-MarComparison of simulated and measured values
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新環境社会を創造する商品と技術

7Fig.7 に示したりんの処理状況を含め，有機物および窒とシミュレーション結果は良く一致し，本シミュレーシ

Calculated DO value
Calculated DO valueョンモデルの妥当性が検証されている。また，4 ヶ月の実

DO [mg/L]

6

素の処理状況とも，パイロットプラントでの実測データ

54321

験期間を通じて同一の反応パラメータを用いたシミュレ
Measured DO value
Measured DO value

されている。
(2) オキシデーションディッチのモデル開発

DO [mg/L]

0ーションでパイロット実験結果を再現できることが実証

6543210

オキシデーションディッチ（以下，OD と略記する）は

Run Stop

Blower operation
Blower operation

中小規模の下水道向け処理施設であり，無終端の周回水路を反応タンクとした，運転管理の容易な施設として急速に024681012 141618202224Time [h]普及している処理方式である。
OD 施設への流入水量，水質は，地域条件により大きくFig.8変動し，画一的な設計基準値を策定するに当たっては，あResults of calculated and measured DO (Dissolved Oxygen) concentration in OD system

る変動幅を設けるか余裕率を考慮した数値とする必要がある。また，高度処理化を目的とした OD 法の施設設計手法

3.3

シミュレーション技術の実用化

および運転管理手法は，A-SRT など新たな設計因子の導入

バイオチューブシステムおよび OD システムに対するシなどにより改善されてきているものの，いまだ経験的な側ミュレーション開発を紹介したが，他のさまざまなシステ面が強い。活性汚泥モデルを適用したシミュレーションソ

ムに関しても，シミュレーション技術の実用化に向けて開フトを用いて，数値計算による定量的な解析を行い，処理発を進めていく予定である。その用途としては大きく分け時間（HRT），槽形状，汚泥滞留時間（SRT），必要酸素て，(1) 設計支援および(2) 運転支援の２つが考えられる。

量などの適正な設計基準を確立することで，比較検討や評設計者が，設計対象としてのシステムに対して定量的な価の合理化，効率化が図れるだけでなく地域条件に応じた検討を実施する手段として，また運転管理者が，運転条件最適な施設の設計が可能となる。

を変更する場合の目安として，簡易にシミュレーションをまた，運転管理についても，従来経験的要素に負うと行うことができるようなツールとして，その活用が大いにころが大きかったが，特に窒素除去に関しては，適正な期待できる。Fig.9 に支援ツールの作業フローのイメージを運転により良好な除去が行われていることが立証されて示す。

きた。
本モデルを用いたシミュレーションにより，流入状況に応じた間欠曝気運転方法など最適な運転方法を具体的に把Computer

Operator

握することは，処理性能の向上につながるとともに，処理Selection of treatment
condition to beoptimized

コストの低減にもつながる。

(・Optimum aeration time etc.)

以上を踏まえ，当社では現在，下水道事業団と共同でシミュレーション手法の開発を行っている。

Simulator
Input
deviceIWA active sludge model
Process model

Input treatment conditions（・Tank shape ・MLSS etc.）

OD の特徴である無終端の周回水路を数槽に分割し，各Optimization

槽内で「活性汚泥モデル」で記述されている生物反応が起OutputOutput interface system

・Optimum aeration time・Predicted water quality
T-N

こるものとした簡易なモデルを用い，NKK 商品であるプロペラ型 OD（酸素供給を送風機と散気装置で行い，槽内Aeration timeの流速発生は水中プロペラで行う方式）を例として，シミュレーションの適応性の確認を行った。

Fig.9

Operational pattern of software

時間変動を考慮したシミュレーションを行った結果，Fig.8 に示したとおり，実データをよく再現することがでまた，活性汚泥モデルを活用したシミュレーションソフきている。今後，他の縦軸曝気装置（表面曝気により，トを開発して，想定される外的条件の変化に対する最適な酸素供給と槽内の流速発生を同時に行う方式）などの特装置の設計と運転管理方法を提案および定量的に評価する性も考慮に入れたシミュレーションソフトの開発を行い，ことは，今後，下水処理施設の計画，設計，運転管理にお適切な設計基準や適切な運転条件の検討を行っていく予いて重要な因子の一つとなるライフサイクルコスト，ライ定である。

フサイクルアセスメントの検討にも極めて有効に活用できると考えられる。

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環境

社会を創造する商品と技術

参考文献

4.

1) Tsubone et al. “CHARACTERISTICS OF AN AIR-FLUIDIZED-BED

おわりにBIOFILM REACTOR SYSTEM WITH A MULTI MEDIA FILTER”.

1998 年には海域の富栄養化対策として窒素およびリン

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に関する一般排出規制が実施され，2002 年には窒素および

2) 高橋正宏ほか. “担体投入型生物処理システムの処理性能に関リンが総量規制の対象となり，今後多くの地域での上乗せ

す る 一 考 察 ”. 下 水 道 協 会 誌 論 文 集 . Vol.31, No.379,
pp.49–60(1994).

規制が実施される予定である。さらに，今後は水環境だけ

3) 西川好久ほか. “担体投入型エアレーションタンクの初期運転でなく，地球環境全体を視野に入れた対策，対応が求めら状況”. 第 34 回下水道研究発表会公演集, pp.28–30(1997).

れる時代となってきている。このような状勢の中，今回紹4) 佐藤和明ほか. “微生物固定化担体投入による下水処理場の処介したバイオチューブシステム技術や生物反応シミュレー理能力増強について”. 題 31 回環境工学研究フォーラム公演集,
pp.31–33(1994).

ション技術，さらには当社が保有する技術・システムが今5) 阿部庄次郎ほか. “担体投入型嫌気−無酸素−好気法によるり後の水環境・地球環境の改善・保全に少しでも貢献できれん ・ 窒 素 除 去 実 験 ”. 第 33 回 下 水 道 研 究 発 表 会 公 演 集 ,ば幸いであり，また今後も，優れた新技術の開発にも積極

pp.564–566(1996).

的に取り組んでいく所存である。

6) 横 江 勇 ほ か . 第 35 回 下 水 道 研 究 発 表 会 公 演 集 , 627 〜629(1998).
7) 船越泰司ほか. “担体添加活性汚泥法の深槽曝気槽への適用検討”. 第 31 回下水道研究発表会公演集, pp.515–517(1994).

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