温帯地域における UASB リアクターの下水処理性能および保持汚泥特性の評価
水圏土壌環境制御研究室
指導教員

大矢明子
山口隆司

1．はじめにUASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 法は、曝気動力不要で省エネルギーであるなどの理由から主に熱帯・亜熱帯地域において下水処理への適用が進められてきた。近年では温帯地域への適用も検討されているが、その場合冬期の水温低下に伴い微生物活性が低下するため、処理水質の低下や固形性有機物のリアクター内への蓄積が懸

図 1 全 COD の経日変化念される。従って、温帯地域において UASB 法を普及させるためには、冬期の固形性有機物の蓄積による処理水質の低下を回避する適切な運転管理方法が必要である。そこで本研究は、温帯地域の下水を対象とした UASB 法における汚泥保持に関する基礎的知見の収集を目的として、処理性能、保持汚泥特性の評価を行った。

図 2 全 COD と温度 (左)図 3 固形性 COD の流入と除去量 (右)2．実験装置
本実験装置は、高さ 4 m、カラム内径 0.56 m、全容積 1148 l のパイロットスケール無加温 UASB リアクター (以下 UASB と称す) を用いた。植種汚泥は、中温下水消化汚泥を用いた。流入下水はス
クリーン通過後の実下水とした。HRT (水理学的滞留時間) は 8 時間に設定した。

UASB も同程度でった。流入水質に対し、処理水質の変動は小さいことから UASB は安定した処理性能を発揮したと言える。
図 2 に示されるように、水温の変動に対して処理水質は変化しなかった。冬期においても全 COD除去率は 58 ± 13%であり、十分な処理性能を得ていた。固形性有機物の分解·蓄積挙動の把握とし

3．実験結果て高さ方向のセルロース濃度プロフ

3.1 UASB 下水処理性能
全 COD は流入水で 342 ± 135 (平均標準偏差) mg·l-1、処理水で平均 118 ± 40 mg·l-1 となり、全 COD 除去率は平均 63 ± 13 %となった (図 1)。
また SS は流入水で平均 120 ± 66 mg·l-1、処理水で平均 37 ± 23

(Lettinga, et al., 1983; Sanz, et al., 1989) が、本mg·l-1 であり、SS 除去率は平均66 ± 20% となった。UASB 単独での下水等の廃水処理では、処理水の全 COD は一般的に 100~200 mg · l-1 程 度 が 限 界 で あ る と さ れ て い る

イルを行った結果、セルロース (難分解性物質) は UASB 下部に捕捉され分解していた (データ非表示)。捕捉機能は低温条件でも発揮されており (図 3)、処理水質の安定化に寄与していたと考えられる。
これらの結果から、都市下水を対象とした UASBの 水 温 に 対 す る 処 理 安 定 性 に つ い て は 、 10 ~15℃の期間が 3 ヶ月程度であれば 流入水温の低下にも対応可能であると考えられた。

この結果として UASB は冬期においても安定した

3.2 保持汚泥量
カ ラ ム 有 効 容 積 当 た り の 平 均 MLSS お よ び

COD 除去性能を保持できたと考えられる。さらに、

MLVSS は、全運転期間では徐々に増加する傾向

除去 COD あたりの VSS 転換率は、全運転期間をを示した。また、1 年スパンでは、冬期 (低水温期)通して 0.015 gVSS·gCODremoved-1 (2.1%) 、さらに上昇し、夏期 (高水温期)に低下する変動を見に 2 年 目 以 降 は 、0.006 gVSS·gCODremoved-1

せた (図 4 (A))。

(0.8%) と非常に低いレベルであった。これは低負UASB 下部 (0.50 m) の保持汚泥濃度は、運転-1開始から半年で 19 から 32gVSS·l と増加し、その荷運転による基質供給律速で自己分解が促され、増殖抑制が起こったものと考えられる。

後変動は小さくなった (図 4 (B))。一方、中部(1.75 m) では、下部の汚泥濃度安定後、約 10 g·3.3 保持汚泥性状

l-1 から 50 g·l-1 まで増加した。また、上部 (3.25 m)

無加温低濃度廃水処理を行う本 UASB においての汚泥濃度は 20 g·l-1に達したが、GSS の気固液も分散状の中温消化汚泥から優れた処理性能や分離が効果的に機能したため、処理水中に流出し沈降性の鍵となるグラニュール汚泥が形成された-1

た SS は平均 0.040 g·l に抑えられた。中部および(図 5)。グラニュール化は保持汚泥の沈降性を良上部の運転日数の経過とともに増加する傾向が見好にするが (SVI 20~60 ml·gSS-1) 、一方で肥大られたが、下部では運転 3 年目頃から緩やかに減化は問題となる。粒径が大きくなった場合、基質拡少して行った。

散律速となるため自己分解が進行し、空洞化して全 COD 汚泥負荷は保持汚泥濃度の上昇に伴っしまう。本 UASB においても比較的粒径の大きいて低減し、運転期間後期には 0.05 gCOD·gVSS-1·

グラニュールが GSS 上部まで浮上する現象を確認-1

day 程度に低く維持された。高濃度汚泥保持によした。また、浮上グラニュールは処理水中に流出る全 COD 汚泥負荷の低レベルでの維持は、水温することなく 1 ヶ月程度で沈降した。運転後期に下低下に伴う単位汚泥当たりの加水分解速度の低部の保持汚泥が減少したが (図 3)、その原因は汚下を補っていたと考えられる。

泥の浮上であることが示唆された。

図 5 グラニュール写真

図 4 保持汚泥濃度の経日変化(A) MLSS、MLVSS の経日変化(B) 高さ方向の経日変化

図 6 VSS/SS 比の経日変化

保持汚泥の VSS/SS 比は温度下降時に増加し、および Firmicutes 門は有機物の加水分解、酸生上昇時には低下する傾向が見られた(図 6)。流入成に関わるとされている。また、セルロースを分解

下水の VSS/SS 比は平均 0.85 と保持汚泥よりもする細菌が多く属している Ruminococcus 属に分類高いことから冬期における MLSS の増加は流入固されるクローンも検出した。

形物、特に有機物の蓄積によるものと考えられる。

アーキアの系統分類を行った結果、酢酸資化性

また、水温の上昇とともに VSS/SS 比は低下するこの Methanosaeta 属が優占していた。また、運転にとから未分解の有機物は、水温の上昇とともに分伴 い 水 素 資 化 性 の Metanospirillum 属 と解することが示唆された。また、長期連続運転におMethanobacterium 属の存在割合は増加した。各いて VSS/SS 比の変動は収束しており、保持汚泥基質資化性のメタン生成古細菌の存在割合は、メ内の微生物割合が増加していると考えられた。

タン生成活性値と異なった (酢酸基質からの活性

Zeeman らは下水処理 UASB において保持汚泥が非常に低い)。そこで存在量が活性に依存するの固形性有機物の加水分解速度とメタン生成活

16SrRNA を標的とした解析を行った。

性を維持するためには、水温が 25℃以上では 15

結果は予想に反し、Methanosaetaceae 科が優占、日以上の SRT を、15℃以下では 100 日以上のMethanobacteriaceae 科が減少する結果となった。

SRT を維持することが求められると報告している

活性値との違いは、基質の濃度阻害など別の要因(Zeeman, et al., 1999) 。本 UASB の SRT は実験期が あ る も の と 考 え ら れ る 。 16S rRNA 遺 伝 子 と間を通じて約 240 日に達していた。UASB における長い SRT は、セルロースなどの固形性有機物の一時蓄積と分解に寄与し処理水質の安定化を可能にしていることがわかった。
3.4 微生物群集構造解析
統計解析 (Chao1, ACE) により保持汚泥内に存在するバクテリアの種数 (ファイロタイプ数) を推定した結果、運転 336 日目では 157~189 種となった。運転日数の経過とともに種数は増加し、920 日目では 203~247 種となった。また、それぞれの微生物はほぼ均等 (evenness = 0.91~0.97) に存在

図 7 バクテリアの系統分類しており、多様性に富んだ群集構造であることが明らかとなった。一方、アーキアは偏りのあった群集構造から均等なものへと変化した。下水は温度、濃度や組成などが変動するため、微生物種の増加や均等化に影響を与えたと考えられる。
バクテリアの系統分類を行った結果、全運転期間を通して Proteobacteria 門、Bacteroidetes 門および Firmicutes 門に属するクローンが多くを占めていた (図 7)。Proteobacteria 門に属していたクローンは多くが硫酸還元菌であった。Bacteroidetes 門

図 8 アーキアの系統分類

16SrRNA の標的の違いと汚泥の季節の結果で変こったためであると考えられる。

化が現れたのは Methanospirillaceae 科の存在割(3) 中温下水消化汚泥を植種した場合においても、合である (図 8)。遺伝子を標的とした場合、夏期グラニュール化し良好な沈降性 (SVI 20~60に多く、冬期に少なかった Methanospirillaceae 科

ml·gSS-1) を得た。その結果、SRT は約 240 日が、RNA を標的とした場合、逆転した。この結果かに達した。長い SRT を保ち有機物を一時蓄積・ら、冬期においても活性低下の割合が他のメタン分解することで処理水質を安定化させていた。

生成古細菌よりも小さかったと考えられる。本(4) 保持汚泥の微生物群集は、組成が変化する下UASB 内に存在する Methanospirillum は好冷もし水、低温条件に対応可能な構造へ徐々に変化

くは耐冷性がある種であることが示唆された。

して行った。

4．まとめ

参考文献

本研究では、UASB リアクターにより無加温，Lettinga, G., R.R., Grin, P. (1983). Anaerobic treatment

HRT 8 時間の条件で、下水の長期連続処理運転

of raw domestic sewage at ambient temperature using aを行い、その処理特性および保持汚泥性状を評

granular bed UASB reactor. Biotech. Bioeng. 115,

価した。以下に得られた知見を示す。

1701-1723
Sanz I., P.F.F. (1989). Anaerobic treatment sewage in(1) 11~15℃の期間が 3 か月程度であれば水温低下にも対応可能であり、また水温変動に対しても安定的であった。

UASB and AFBR reactors. Environ. Tech. letters 10,453-462
Zeeman, G. and Lettinga, G. (1999). The role of(2) 保持汚泥濃度は運転に伴い増加するが、増加

anaerobic digestion of domestic sewage in closing the

速度は遅く、2 年目以降では 0.8%となった。高water and nutrient cycle at community level, Wat. Sci.

濃度汚泥保持による自己分解・増殖抑制が起Technol., 39, 187-194