島根大学プロジェクト研究推進機構
平成２３年度
『萌芽研究部門』① プロジェクト名
小規模浄化槽の簡易な高度処理技術の開発

年度報告書② プロジェクトリーダー

清家 泰

所属
電子メール

提出日
平成 23 年 2 月 20 日

総合理工学部
yseike@riko.shimane-u.ac.jp③ プロジェクトの概要（プロジェクトの最終年度における到達目標を簡潔に記入してください。）
高度処理を備えた下水道への接続が困難な地域では、個別処理を余儀なくされることから、既存の小規模浄化槽（BOD 対応型）の高度処理化に向けた技術開発は，緊急の課題であり，その期待は今後益々高まるものと予想される。本研究では，BOD 対応型の既存の浄化槽に装着可能な，低コストでメンテナンスの容易な高度処理（脱窒・脱リン）装置の開発を目指し検討する。
本研究では，先ず、メンテナンスの容易さの観点から、鉄電解装置の電極の耐用期間（３ヶ月）を延ばすために改良を加え、最終年度における到達目標を耐用期間６ヶ月以上とする。次に，開発した装置に適宜改良を加えて N 及び P の除去効率の向上を図り，最終年度における到達目標として，放流水の水質目標値を，N: 15 mgN/L 及び P: 1.0 mgP/L 程度とする。環境省令では，N, P それぞれ 60 mgN/L, 8mgP/L であるが，島根県では，上乗せ条令により，処理水量に応じてそれぞれ 30 mgN/L, 3 mgP/L（5,000 m3/day 未満），20 mgN/L, 2 mgP/L（50,000 m3/day 未満），15 mgN/L, 1 mgP/L（50,000m3/day 以上）と定められている。本目標値は，その大型処理施設に科せられた最も厳しい基準値に合わせて設定した。第３に，脱リンされたリンを利用し，資源としてのリンの回収技術を確立する。
④ プロジェクトのメンバー及び役割
氏名所属（職）
本年度の役割分担（プロジェクトリーダー）

清家 泰（６０）

共同研究者

奥村 稔（６４）

総合理工学部（教授）

小規模浄化槽に装着可能な簡易高度処理装置の開発・応用及び総括

総合理工学部（教授）

資源としてのリンの回収技術の開発

⑤（1）本年度の研究計画目標の達成状況及び自己評価（本年度当初の計画書に書かれた内容に沿って，計画と達成目標を箇条書きにしてください。また，その達成目標の項目ごとにその達成状況を記入し，以下の基準に従って自己評価して下さい。A:目標以上に成果をあげた B:ほぼ目標通りの達成度で予定した成果をあげている C:計画より遅れ気味であるが年度末には目標達成が可能である D：年度末までに目標達成は不可能である。自己評価が B 以外の場合には，その原因についても記載して下さい。２～３月に行う計画のため未執行の場合には評価を空欄にして下さい。）

計画と達成目標
１． 鉄電極の耐用期間の延長技術の開発

先行技術では，鉄電解装置を曝気槽に設置しているため，鉄電極の劣化が激しくその耐用期間が３ヶ月程度で交換する必要があった。本研究では，鉄電解装置を敢えて嫌気槽に設置することで、その耐用期間の延長を目指す。[目標]：鉄電極の耐用期間を６ヶ月以上とする。
２． 簡易な脱窒高度処理技術の改善脱窒システム付の小型合併浄化槽を使用し，性能試験を実施する。性能試験の結果に基づき，曝気槽から嫌気槽への返送量を適宜変え検討する。[目標]：放流水濃度目標値
15 mgN/L（島根県上乗せ基準のなかでも，50,000 m3/day 以上の大型処理施設に科せられた最も厳しい基準値に相当）。

３． 曝気槽からの亜酸化窒素（温室効果ガス）放出の実態解明
本研究を進めるなかで，鉄電解装置を曝気槽に設置（先行技術）の場合，Fe3+と NH2OH の化学反応により N2O（温室効果ガス）が生成することが分かった。その実態について検討した。[目標]：実態把握

４． 簡易な脱リン高度処理技術の開発☆

簡易脱リン装置を作成し、小型合併浄化槽の嫌気槽に組み込んで性能試験を実施する。
性能試験の結果に基づき、適宜改良を加える。[目標]：放流水濃度目標値 1.0 mgP/L（ 島 根 県 上 乗 せ 基 準 の な か で も ， 50,000
m3/day 以上の大型処理施設に科せられた最も厳しい基準値に相当）。

５． 脱リンされたリンから資源としてのリンの回収技術の開発
脱リンされたリンから、資源としてのリンの回収技術の開発を目指す。[目標]：回収技術の開発達成状況と自己評価（自己評価） A
鉄電解装置を，昨年度は嫌気槽第２室に，本年度は嫌気槽第１室にそれぞれ設置し検討した。鉄電極の耐用期間は，それぞれ約８ヶ月（嫌気槽第２室）及び１０ヶ月以上（嫌気槽第１室）であった。目標値（６ヶ月以上）を大幅に上回る結果を得た。（目標値を大幅に上回ったので自己評価をＡとした）（自己評価） B性能（N の除去率）について検討した。放流水濃度は5～8 mgN/L であり目標値（8 mgN/L）を大幅にクリアーできた。（既存の返送装置を利用し検討したので自己評価はＢとした）（自己評価） Ａ
曝気槽では，アンモニアの微生物的酸化（硝化）過程の副産物として N2O が生成されることが知られているが，本研究により，鉄電解を曝気槽で行う場合，化学反応分がプラス（３割程度）されるが，鉄電解を嫌気槽で行う場合には，その反応は抑制されることが明らかとなった。（本研究を遂行する中で見出した成果なので自己評価はＡとした）（自己評価） B
計画通り，試作した簡易脱リン装置を小型合併浄化槽の嫌気槽に組み込み，装置の性能（P の除去率及び電極の耐用期間）について検討した。放流水濃度は 0.5～1.2mgP/L 程度であり，目標値（1.0 mgP/L）をほぼ達成できた。ちなみに，50,000 m3/day 未満の大型処理施設に科せられた島根県の上乗せ基準（2.0 mgP/L）は軽くクリアー。
（自己評価） B
リンは，枯渇が懸念されている資源のひとつである。そこで，鉄電解法により得られたスラッジ（Fe(OH)m(PO4)nや FePO4 を含む）からリンをアルカリ溶液で抽出する方法について検討した。電気炉を用いてスラッジを 300℃で２時間程度処理した後，6 M KOH 水溶液で抽出することで 85%程度回収できた。この条件が最も効率的であった。

（2）プロジェクト全体の自己評価（プロジェクト全体としての達成目標から，今年度の研究成果がこれまでの経過・成果にもとづいてどの段階にあるのかを明示して下さい。また，各グループ間での連携状況についても記入してください。）●プロジェクト全体評価（自己評価） プロジェクト全体としての達成目標に対する今年度の研究成果の達成状況について（自己評価）

本研究の目的は，BOD 対応型の既存の小規模浄化槽に装着可能な，低コストでメンテナンスの容易な高度処理（脱窒・脱リン）装置（鉄電解装置）の開発にある。具体的には，鉄電極の耐用期間を６ヶ月以上に延ばすことと，脱窒と脱リンのそれぞれの能力，則ち放流水の水質濃度を，島根県の上乗せ条令のなかで最も厳しい基準値（N: 15 mgN/L 及び P: 1.0 mgP/L）程度を保証する技術を開発することであり，ほぼ計画通りに遂行できた。
先行技術（鉄電解装置を曝気槽に設置）は，脱リン能力は高いものの，鉄電極の劣化が激しいためその交換を３ヶ月程度で行う必要があり，維持管理上に難点があった。先行技術がこれまであまり普及しなかった最大の原因がここにある。本研究では，敢えて鉄電解装置を嫌気槽に設置することにより，鉄電極の耐用期間を 10 ヶ月以上に延ばすことに成功した。脱リン能力についても，効率的にはやや劣るものの，大規模な高度処理施設に匹敵するほど十分な能力を発揮した。今後の普及が期待できる技術であると確信している。
今一つの目的は，近年リン資源の枯渇が懸念されていることから，脱リンされたリンを利用し，資源としてのリンの回収技術を確立することであったが，80%程度まで回収できる技術を確立できた。このように，今年度の研究成果の達成状況もほぼ予定通りで満足している。
なお、計画段階では想定していなかったが、浄化槽からの N2O（温室効果ガス）の大気への放出に関する研究で興味深い知見を得たことも収穫であった。特筆に値する成果と考えている。
●各グループ間またはメンバーとの連携状況

共同研究者の奥村稔教授とは、同じ研究室ということもあって、緊密な連携状態にあり問題はなかった。

⑥ 公表論文，学会発表など （当該研究に関連した本年度の公表論文，学会発表，特許申請の件数を一覧表に記入して下さい。発明等に関しては，差し支えない範囲で記載して下さい。）

論文掲載 （総件数）0

学会発表 （総件数）1

特許出願 （総件数）0【内訳】●論文（別途添付して頂く個人調書の中から年度末までに発行される学術雑誌等（紀要も含む）に掲載が確定しているものも含め，代表的なものを１０件程度選んで記入してください。）

なし●学会発表（代表的なものを数件記入して下さい）

●特許出願
なし
今後出願の予定

⑦外部資金獲得状況（当該プロジェクトに関連した外部資金について一覧の各項目に総件数，金額を記入して下さい。）■外部資金獲得状況一覧

件数0（１）科研費金額（千円）
配分額0（配分額は間接経費を含む）（２）科研費以外の外部資金

受託研究00

共同研究00

寄附金・助成金00

合計00【一覧内訳】（１）科研費（科目ごとに，テーマ，研究者，金額をそれぞれ列挙してください。）（例） 基盤（A） 「研究テーマ」（研究者：○○ ） ○○○千円

なし（２）その他外部資金（一覧の項目別に，テーマ，研究者，金額を列挙してください。）（例） 受託研究 「研究テーマ」（事業名）（研究者）○○千円

なし⑧その他特筆すべき成果（受賞，シンポジウムの開催，産学連携・地域連携に関する各種見本市，展示会への出展等も含む）

島根県環境政策課が，本研究に関心を寄せ，農業集落排水処理施設（小～中規模浄化槽）に本装置を導入することを検討している。

⑨ 本年度の主要な研究成果（図，表，ポンチ絵などを多用して，２ページ以内にわかりやすくまとめてください）
脱リンに関する研究成果
図１．鉄電解法による脱リンのメカニズム

既存の鉄電解法による脱リン技術は，曝気槽に組み込まれているため，脱リン能力自体は申し分ないが，鉄電極の劣化が激しく耐用期間が３ヶ月程度しかもたないという、問題点を抱えていた。そこで本研究では，鉄電極の耐用期間の延長を図るべく，嫌気槽に装置を設置しその効果を評価するために検討を行ってきた。
曝気槽と嫌気槽における脱リンのメカニズムの違いを図１に示す。曝気槽では，鉄電解によってイオン化（Fe2+）した後，酸化されて生じる Fe3+が PO43-と直接結合し FePO4 として沈殿するか，同時に生成する Fe(OH)3 に PO43-が吸着し沈殿するかであり，良く知られた反応である。一方，
嫌気槽では，イオン化したままの Fe2+との反応が主体となる。一般に，PO43-との親和性は，二価鉄より三価鉄の方が強いと考えられるが，その詳細は不明である。
そこで，室内実験により検証したところ，
pH 5.5～8 では，Fe2+と PO43-との反応性が高いことが判明し，浄化槽の pH 範囲
6～7 において脱リンは十分可能であることが分かった（図２，図３）。
昨年度は，嫌気槽第２室に設置し検討したが，本年度は，嫌気槽第１室にて検討を行った。その結果，鉄電極の寿命をさらに延長できることを見出した。一方，脱リン能力については，やや劣るものの，大規模な高度処理施設に匹敵するほど十分な能力を有することが分かった。

従来法（曝気槽）

Fe

本研究（嫌気槽）

F e(OH)3
F e³⁺
F e²⁺

FeFeFe(OH)2

F eP O ₄

FeFe²⁺

P O₄³⁻

PO43Fe(OH)p(PO4)q

Fe3(PO4)2

F e(OH) m (P O 4 )n・FePO₄の生成
Fe(OH)₃への吸着

・Fe₃(PO₄)₂の生成
Fe(OH)₂への吸着

図２．脱リンに及ぼすpHの影響
操作手順： ①P O 4 3- ， 鉄

添加量：Fe2+ 1.0 mM; PO43- 0.1 mM
1.00.8)(mM

0.6

添加量：Fe3+ 1.0 mM; PO43- 0.1 mM
0.10

添加F e 2+ 1.0 mM
P O 4 3- 0.1mM

1.00.080.040.6)(mM)(mM

0.080.060.4量
出検の-0.10

添加F e 3+ 1.0
mM
P O 4 3- 0.1
mM

0.80.06

0.4②pH調整

Fe(Ⅲ)とPO43-の反応に及ぼすpHの影響

Fe(Ⅱ)とPO43-の反応に及ぼすpHの影響

量
出検の0.043)(mM量
出検の-34+34量出検の鉄FeOP0.2

0.012345678OP

0.02

0.20.00

0.00.020.00
1

9 10 11 12 1323456F e²+78

9 10 11 12 13pH

pH

P O 4 ³-F e³+

P O 4 ³-F e²+ + F e³+

図３．脱リンに及ぼすFe2+濃度の影響
操作手順① P O 4 3- , F e 2+

添加F e 2+ 0～1.0 mM
P O 4 3- 0.1 mM②pH調整

Fe(Ⅱ)とPO43-の反応に及ぼす鉄濃度の影響

1.0

8.0

0.10

0.8

4.0

0.08

0.8

7.0

0.08

0.6

3.0

0.06

0.6

0.06

5.0

0.04

0.02

0.2

4.0

0.02

0.00

0.0

3.0

2.0

0.04

0.2

1.0
0.0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

pH

6.0

0.4

0.4

0.0

鉄の検出量(mM)

0.10

1.0

0.00
0.0

PPO₄³⁻
O 4 ³-F e²+Fe²⁺

FFe²⁺e²+ ++F Fe³⁺
e³+

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

鉄の添加量(mM)

鉄の添加量(Mm)

pHPO43-の検出量(mM)

実験条件 : pH 5～75.0

PO4 3-の検出量(mM)

鉄の検出量(mM)

実験条件 : pH 2～41.0

pH１．

pH

P O 4 ³PO₄³⁻

F e²+Fe²⁺

FFe²⁺e²+ ++FFe³⁺e³+

２．

資源としてのリンの回収に関する研究成果

鉄電解法により得られたスラッジ（FePO4,Fe(OH)m(PO4)n を含む）からリンをアルカリ溶液で抽出する方法について検討した。
スラッジを 100℃で乾燥したもの，300℃及び 500℃で加熱処理したものについて，それぞれ 0.5 M, 1 M 及び 6 M の KOH 水溶液で抽出し，比較検討したところ，300℃で２時間加熱した後，0.5 M KOH 水溶液で抽出する条件が最も効率的であった。その抽出率は，約 80%であった（図４，図５）。

嫌気槽スラッジからのリン回収率
Ignition sludge(2h,300℃)から得られるPの回収率
2h,300℃

単位（mgP/gdrysludge）
単位（mgP/g-drysludge）

Ignition sludge

50.0

0.5M KOH

47.0
47.3

1M KOH

平均

回収率（％）

48.5（mg-P/g-drysludge）
48.5 mgP/g dry sludge

77%
78%

49.2 mgP/g dry sludge
49.2（mg-P/g-drysludge）

51.0

鉄電解法による脱リン過程で生じたスラッジを300℃,2時間強熱した後，0.5M KOHaqで抽出することで効率良くリンを回収できることが分かった。

図４．嫌気槽スラッジからのリンの回収率

まとめ（リンの回収技術）
資源としての回収 ×回収率
◎Dry sludgeの回収
Ignition sludgeの回収
500℃ 2時間

資源としての回収回収率△×Ignition sludgeの回収
300℃ 2時間

資源としての回収回収率○○

Ignition sludgeの回収
300℃ 5時間

資源としての回収回収率○○◎

鉄電解法による脱リンスラッジから効率よく資源としてのリン回収が可能

図５．まとめ（リンの回収技術）
３．

総まとめ

研究成果の総まとめを図６に示す。

総まとめ
鉄電解装置の設置場所

曝気槽①鉄電極の耐用期間
（評価）

３ヵ月
△

«

８ヵ月
○

＜0.5 mgP/L◎>

0.5～0.8 mgP/L○②脱リン能力（評価）
目標値 １mgP/L

嫌気槽第２室«嫌気槽第１室

10ヵ月以上◎>

1.2 mgP/L○

総合的にみて鉄電極を嫌気槽に設置することがより良いと判定された。

図６．総まとめ⑩研究終了後の展開（科研費などへの申請等）図などで解りやすく示してください。
先ず，本技術を特許申請したいと考えている。次に，本研究により開発した技術は，家庭用の小型合併浄化槽に対応するものであったことから，もう少し規模の大きい，例えば，農業集落排水処理施設等で本技術の実証試験を行ってみたいと考えている。島根県等からの要請があれば，応じたいと考えている。
昨年度，科研費に申請したがあまり良い評価を得られず不採択であった。本研究のようなテーマは，科研費には不向きなのかも知れない。環境省等への助成金の申請を検討してみたいと考えている。