修士論文：要旨

一槽間欠曝気式膜分離活性汚泥法における担体投入効果

1.背景

廃棄物・有害物管理工学研究室

田村佳之

指導教官

姫野修司

小松俊哉

藤田昌一

2.目的

膜分離活性汚泥法は閉鎖性水域における富栄養化の本研究では、反応槽に投入するための 効果的 な担体一因である窒素の除去が可能な高効率処理法である。

選定を行った。また、選定した担体を一槽間欠曝気式

本法の運転方式 には好気槽 と無酸素槽を循環ポンプリアクターに投入し、有機物除去性能、窒素除去性能、で循環させる循環式 、および一槽で曝気･非曝気を制御膜透過性能に着目し、担体を投入する系としない 系にする一槽間欠曝気式 とがある。これまでの 一槽式 の研おいて、人工基質を用いて HRT を 6 時間と 4 時間の 2究成果として 、友平ら 1）により、窒素除去に最適な曝種類設定し、4 系列の連続実験（50 日間）を行い、運気サイクルが明らかになり 、循環式と同等の窒素除去転状況を比較することで、HRT 短縮の可能性を検討する。

率の達成に成功した。また、友平ら 1）、新井ら 2）は、

また、現在未解明の課題である膜単独と膜+担体のリア汚泥の引き抜きを行わない高濃度 MLSS での運転で、一クター性能の比較、担体による 膜面付着物剥離効果を定量の膜透過流束（FLUX）を保ち、MLSS と FLUX 低下は明確にする。さらに実下水を用いて、HRT を 6 時間に設無関係であることを報告している。

定し、担体を投入する系としない系の 2 系列の連続運

既存の標準活性汚泥法 の施設を、こうした一槽式 の転（50 日間）を行い、運転状況を比較することで、実膜分離活性汚泥法の施設に変更する場合、両者の反応際の施設への適用性を検討する。

槽は水理学的滞留時間（HRT）が 6〜8 時間であるため一般的に適用可能であると 考えられる 。しかし，大都

3.実験方法市においては流入水量が大きいため HRT が 6 時間未満3.1で運転されており、膜分離法の適用においても HRT を硝化速度 、脱窒速度を測定し比較することで 、担体短縮する必要がある 。この場合、処理水質と水量を維選定を行った。試験方法は下水試験法 4)に準じて行った。

持するために、担体を反応槽内に投入することが 有効

サンプリング は 0,60,120,180 分の間隔、試験には、実である可能性がある 。担体は反応槽内に投入されると、用化されている 3 種類の結合固定化担体使用した。ま

表面には硝化菌 、内部には脱窒菌が高濃度 に担持された、結合固定化担体は馴養に 1〜2 ヶ月間必要であるたる。すると、硝化速度、脱窒速度が増大し、硝化反応、め 5)、好気状態にて 2 ヶ月間馴養（fill‑and‑draw 方式）脱窒反応が促進されると考えられている 3)。また、担体したものを使用した。担体添加率は約 30％で行った。

による膜面付着物層 の剥離効果も起こりうる。したがまた速度の算出には「担体利用処理技術マニュアル−って、一槽間欠曝気式膜分離活性汚泥法に担体を投入1994 年度版 」6)の算定式を用いた。表１、図 1 に各担体することにより、HRT を短縮した場合でも処理水質の向の特徴と外観を示す。

上と膜透過性能 の確保が可能であることが 期待される 。

担体選定

担体 a の形状は中空円筒状であるため、円筒内部と円筒表面に細菌を固定化する構造になっている 。一方、
担体 b、c の形状は立方体であるため、立方体内部と立方体表面に細菌を固定化する構造になっている。

1修士論文：要旨

3.2連続運転

表 1 担体の特徴

図 2 に実験装置の概略を示す。

担体a

有効容積 20L のリアクターに㈱クボタの MF 膜（孔径担 体b

ポリビニルホルポリプロピレン
マール

材質

担 体c
ポリウレタン

OD4mm ×3mm ID × 5 m m L
中空円筒状0.45μm、0.11m2）を浸漬させ、曝気時 のみポンプによサイズる吸引ろ過を行い、基質には㈱王子コーンスターチの形状

CSL（コーンスティープリカー）または実下水（長岡浄比重(g/cm 3 )1.014mm角

12mm角

立方体

立方体1.018

約1. 0化センター、最初沈殿池越流水）を用い、表 2 に示す運転条件により連続実験を行った。
なお、1 日 1 回のスポンジによる物理洗浄によりケーキ･ゲル層を剥離させ、膜間差圧の調節により FLUX を担体a

担体 b保つようにした 。投入担体 については 硝化・脱窒速度

担 体c

図 1 担体の外観測定の結果から、担体 c を用いて、担体添加率（担体体積／槽容積）10%で反応槽内に投入した。

3.3

分析項目P

ポンプ

分析項目 は、一般項目 （pH、DO、ORP、水温）、汚泥性状（MLSS、MLVSS）、生物活性 （アンモニア性窒素、基質

タイマ―

亜硝酸性窒素、硝酸性窒素、ケルダール性窒素、TOC）を測定した。また膜透過性能（FLUX、膜間差圧、膜面圧力計
膜 モジュール付着物）を測定した。
Pポンプ
流量計

担体

4.実験結果と考察
4.1

タイマ―

処理水

担体選定

越流槽

P

すべての担体は湿潤状態において比重が 1.0( g/cm3 )

図1 実
略
概の置
装
験
図2程度であるため 、反応槽内 では沈殿することなく 、曝ポンプ

実験装置の概略

気によりスムーズに対流していた。
担体 a を反応槽に投入したところ、膜を傷つけることはなかったが 、固い材質であるため 、長期間の運転

表 2 運転条件

では膜を傷つける可能性があると考えられた。
担体 b の材質は水分を含んだ状態では、コンニャク

run1 run2 run3 run4 run5 run6（有6） （無6） （有4） （無4）ｈr646枚232ｍ/day
0.4ｍin：ｍin
30:30
―
平膜
―
ポリオレフィン
㎡0.11μｍ
0.4ｍg/L
初期5,000（上限2,0000）
―
CSL
実下水
ｍg-C/L250
56.9〜70.7ｍg-N/L
65
33.0〜36.9℃
2011.2〜14.5％
10―
10―
10―
単位

HRT
膜数
FLUX
曝気非曝気時間
種類
材質
膜面積
孔径
浮遊汚泥 MLSS
使用基質 （主成分）
流入ＴＯＣ濃度
流 入Ｔ-Ｎ濃度
水温
担体添加率のようなものであるため、膜を傷つける可能性は低いと考えられる。実際に反応槽に投入したところ、膜を傷つけることはなかった。
担体 c の材質はスポンジのようなものであるため、膜を傷つける可能性 は最も低いと考えられる。実際に反応槽に投入したところ、膜を傷つけることはなかった。

2

修士論文：要旨

表 3 に硝化速度、脱窒速度試験結果を示す。

表3試験結果硝化速度は、担体ｃは 17.62（mg‑N/L‑担体・h）であ
担体付着汚泥 MLSS
硝化速度
（mg/L-担 体)(mg- N/ L-担体 ・h )り、他の 2 種類よりも大きいことが判明した。この理

担体a
担体b
担体c

由として 担体ｃはスポンジ のような材質であり、水分を多量に保持することが可能であるため、他の担体よ

1385
2716
7518

8.09
5.70
17.62

脱窒速度
(mg-N/L- 担体 ・h)

38.99
68.06
68.06

りも多量の汚泥を保持したと考えられる。したがって、
担体 c は硝化反応を効率的に行うことが可能になり、担体 c の硝化速度が最大になったと考えられる。
脱窒速度は、担 体 b、担 体 c の脱窒速度は 68.06

run1（mg‑N/L‑担体・h）であり、担体 a よりも大きいこと

run3run4100が判明した。この理由として、担体 b、担体 c の形状がTOC 除去率（％）

立方体であることため、担体 a よりも担体内部を無酸素状態に保つことが有利である 。したがって、好気条件での馴養の際に、脱窒菌を担体内部に保持したため、効率的な脱窒反応が可能になり、担体 b、担体 c の脱窒速度が大きくなったと考えられる。
以上の結果より、本研究において 反応槽に投入する908070

ための効果的な担体は、担体 c（（株）西原環境テクノ

60ロジー、リンポーキューブ）であると考えられる。

4.2run20

人工基質における担体投入効果

102030
経日変化（日）
経過日数(日)4050

図 3 TOC 除去率の経日変化

4.2.1 有機物除去性能
運転期間中の TOC 除去率の経日変化を図 3 に示す。
運転が安定した状態（運転開始 25 日目以降）での平均 TOC 除去率を比較すると 、run1（有 6）、run2（無 6）、run3（有 4）、run4（無 4）は、それぞれ 96.7％、93.1％、run1

run2

1020

run3

run4

10095.8％、92.6％であるため、担体を投入した反応槽は、担体を投入しない反応槽に比べ、高い TOC 除去率が得TN除去率（％）

80られた。

4.2.2 窒素除去性能
運転期間中の TN 除去率の経日変化を図 4、運転安定

6040
20後の処理水の平均窒素濃度を図 5 に示す。
運転が安定した状態（運転開始 25 日目以降）での平0

均 TN 除去率を比較すると run1（有 6）、run2（無 6）、030

経過日数（日）run3（有 4）、run4（無 4）は、それぞれ 82.9％、78.0％、72.1％、60.6％であるため、担体を投入した反応槽は、図 4 TN 除去率の経日変化

担体を投入しない反応槽に比べ、高い TN 除去率が得られた。また HRT を短縮（6h→4h）した場合、担体を投

34050修士論文：要旨

入した反応槽では、70％以上の TN 除去率を保持していることから、担体投入により、HRT 短縮の可能性が示された。処理水の平均窒素濃度から、HRT を短縮すると特NO3 ‑ −N

NO2 ‑ −N

NH4 + −NOrg−N

30にアンモニア性窒素 が残存し、硝化が律速段階であっ各態窒素濃度（mg/L）たことが 判明した。また、担体を投入した反応槽 は、担体を投入しない反応槽に比べ、アンモニア性窒素の残存が小さいため、効率的 な硝化反応 が進んでいると考えられる。
若山ら

7）は担体を併用した循環式硝化脱窒法におい2010て、HRT4h（好気槽 3h、無酸素槽 1h）で連続運転した
0場合、平均 TN 除去率が 69.7％を達成している。本研究run1

では HRT4h の運転で TN 除去率が 72.1%であることから、

run2

run3run4

図 5 処理水の平均窒素濃度除去率は同程度であった。
run1

run2

run3

run4

4.2.3 膜透過性能0.4

運転期間中の平均 FLUX の経日変化を図 6、膜間差圧
FLUX（m/day）の経日変化を図 7 に示す。
全運転期間の平均 FLUX は run1（有 6）、run2（無 6）、run3（有 4）、run4（無 4）において、それぞれ 0.386( m/day ) 、0.313 ( m/day )、0.396 ( m/day ) 、0.367( m/day )であるため、担体を投入した run1（有 6）
、0.3

0.2

0.1

run3（有 4）では運転期間中に FLUX が低下することなく、安定した運転を達成した。担体を投入していない

0.00

run2（無 6）、run4（無 4）では、運転開始 30 日を経過

102030経過日数（日）4050

してから FLUX が低下する傾向が見られ、膜間差圧を上
図 6 FLUX の経日変化昇させても、FLUX を保持できなかった。
また、１日の膜面付着物量を測定したところ、run3
run1（有 4）、run4（無 4）は、それぞれ 268（ mg‑TS/㎡ ）、720（ mg‑TS/㎡ ）であり 、担体を投入した反応槽は、run2

run3

run4

40

担体を投入しない反応槽の約 40％の膜面付着物量であ膜間差圧（ｋPa）った。したがって反応槽に担体を投入することによる、膜面付着物の剥離効果が確認された。

4.3

実下水における担体投入効果

4.3.1 有機物除去性能

302010運転期間中の TOC 除去率の経日変化を図 8 に示す。
0運転が安定した状態（運転開始 20 日目以降）での平0

均 TOC 除去率を比較すると、run5、run6 は、それぞれ87.0％、85.9％であるため、担体を投入した反応槽と、102030経過日数（日）図 7 膜間差圧の経日変化44050修士論文：要旨

担体を投入しない反応槽は同程度の TOC 除去率であり、run5

run6

100

TOC除去率 (％)

担体の効果は確認できなかった。

4.3.2 窒素除去性能
運転期間中の TN 除去率の経日変化を図 9、処理水の平均窒素濃度を図 10 に示す。
運転が安定した状態（運転開始 20 日目以降）での平90
8070

均ＴN 除去率を比較すると run5、run6 は、それぞれ62.6％、54.4％であるため、担体を投入した反応槽は、600担体を投入しない反応槽に比べ、高い TN 除去率が得ら

10203040経過日数 （日）れた。

図 8 TOC 除去率の経日変化

処理水の平均窒素濃度 から、担体を投入した反応槽
は、担体を投入しない反応槽に比べ、アンモニア 性窒素の残存が小さいため、効率的 な硝化反応が進んでいrun5run670ると考えられる。
しかし、人工基質の系（HRT6h、担体有で TN 除去率ＴＮ除去率（％）82.9%）と比較すると、低い TN 除去率であった。この原因として、水温が低かったことと、run5 では run1,3とは異なり、担体の馴養を行わなかったことが考えられる。また、硝酸性窒素の残存が大きいことが判明した。この原因として実下水の系では、TOC/TN が低いた

605040め、脱窒反応に不利であったことが一因として考えられる。
岸野ら

3008）

は循環式膜分離活性汚泥法による実下水の102030経過日数 （日）処理において、HRT6h（好気槽 3h、無酸素槽 3h）で連図 9 TN 除去率の経日変化続運転した場合、平均 TN 除去率が 83.3％を達成しており、より高い TN 除去率を得るため、今後運転方法を検討する必要がある。

NO3 ‑ −N

NO2 ‑ −N

NH4 + −N

Org−Nrun5

run6304.3.3 膜透過性能
各態窒素濃度 (mg/L)

運転期間中の平均 FLUX の経日変化を図 11、膜間差圧の経日変化を図 12 に示す。
全運転期間の平均 FLUX は run5、run6 において、それぞれ 0.373 ( m/day )、0.345 ( m/day )であるため、担体を投入した run5 では運転期間中に FLUX が低下することなく、安定した運転を達成した。
膜間差圧は run5、run6 ともに大きな差は確認されな

20100かった。また、人工基質の系と比較すると 膜間差圧の上昇率が大きかった。この原因として 、実下水の系で

図 10 処理水の平均窒素濃度

540修士論文：要旨

は水温が低く、反応槽内汚泥の粘性が大きいことが一run5因と考えられる。
5.まとめ

run60.41)

FLUX （m/day)

本研究の主な結論は以下の通りである。
担体選定・硝化速度、脱窒速度試験 の結果、および担体の形状、材質から反応槽 に投入するのに効果的 な担体が明らかになった。
2)

有機物除去能・担体を投入した反応槽が、担体を投入しない反応槽0.2
0.10.0に比べ、高い TOC 除去率を示した。
3)

0.30

窒素除去能・担体を投入した反応槽が、担体を投入しない反応槽に比べ、特に硝化反応 が効果的に進行したため、高10 20 30 40
経過日数 （日）50

図 11 平均 FLUX の経日変化

い TN 除去率を示した。
・ run3 の TN 除去率が 70％以上達成していることから、

run5

担体投入することにより、HRT を短縮した場合にも、

run6404)

膜間差圧 （ｋPa)

TN 除去率の大幅な低下を防げる可能性が示された。
膜透過性能

・担体を投入した反応槽が、担体を投入しない反応槽に比べ、FLUX の保持に有利であった。
・担体を投入した反応槽は、担体の膜面付着物剥離効果により、膜面付着物量が少ないことが確認された 。
5)

実下水の処理性能

3020
100・窒素除去能、膜透過性能 ともに担体を投入した反応0槽が良好な結果を示した。

10203040
経過日数 （日）50

図 12 膜間差圧の経日変化

参考文献
1）友平尚男ら：一槽間欠曝気式膜分離法における曝気pp283〜285、pp269〜272、1997

サイクル と容積負荷が窒素除去と膜透過性能 に及ぼ

5）財団法人下水道新技術推進機構：担体利用処理法技

す影響、環境工学研究論文集、279‑286、2002

術マニュアル‑1994 年度版‑、p17、1994

2）新井一仁ら：汚泥引抜きを伴わない膜分離活性汚泥

6）吉田隆：微生物固定化法による水処理、株式会社エ法による実下水処理特性、第 28 回水環境学会年会講

ヌ・ティー・エス p92、2000

演集、326‑327、1994

7）若山正憲ら：担体供用硝化・脱窒プロセスにおける

3）海野肇ら：膜と担持微生物のハイブリット化による原水流動変動の安定性について、第 39 回下水道研究

有機質・窒素同時除去に関する研究、平成 12 年度膜発表会講演集、pp608〜610、2002

処理法を導入した小型生活排水処理装置の実用化 に

8）岸野宏ら：膜分離活性汚泥法の維持管理コスト低減

関する研究報告書、pp3‑4、2001について、第 40 回下水道研究発表会講演集、pp703

4）社団法人日本下水道協会：下水道試験法 （上巻）、〜708、2003

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