乃‡C〃〃/C月1〃0TF

嫌気性処理技術多川

環境装置事業部
水処理本部計画部
第2計画重工学博士

まえがき

いかにして増殖の遅いメタン生成菌を反応器系外近年嫌気性処理の世界において注目を浴びている微生物たちは,大気中に酸素がなかった大昔から地流出させることなく高濃度かつ安定的に保持できかであるが,その方式を大別すると表1のように球に生息していた｡誕生から数十億年のときを経てる1)｡また,図1に2000年度における全世界の嫌それらは,活躍の場を広げつつある｡つい30年前ま性処理の導入実績を,(a)適応廃水種および(b)反での嫌気性処理といえば微生物は余剰汚泥の減量化器の種類別に示した2)｡本調査結果では総導入や尿尿処理に実用化されていた程度であったが,近1330件のうち,UASBは全体の58%(775件)でトプであり,次点で固定床方式(AF)が11%(1件),膨張床,内部循環方式などの高負荷塑がそ

年増殖の遅い嫌気性微生物を効率よく反応静に保持し,かつ微生物と排水との接触効率を高めることが可能な様々なタイプの微生物固定型嫌気性廃水処理装置の開発により,一気に普及した経緯がある｡現(a)Wastewater

白Brewery

在ではその処理対象も広範囲に及び,食品廃棄物,

国Distilleries

家畜糞尿といった,これまでは焼却･埋め立て処理されていた有機性固形物を対象とした嫌気性処理

団Food&Fruit□Sugar8.

12.3(メタンエネルギー回収)の導入も盛んである｡

田Others(RelatedFood
園Pulp
同Chemical

しかしながら,この劇的な嫌気性処理の普及とは団Sewage

相反して嫌気環境下における有機物の分解挙動やそdO也ers(NonFood)

れに関与する複雑な微生物とその生態系は未だに不total:1330plants

明な点が多く,現状においても反応器の運転,計画に関しては経験的要素に依存する点が多い｡今後さらなる安定･確実なプロセスの管理,微生物の持つ能力を最大限に引き出す(=高効率化)ためには,これらの知見を収集することが不可欠である｡(b)Reactor

申UASBEヨAf

1.
閻IC
3.9

ロEGSB

4.1

団Hybrld
国AFB

本稿では,当社における嫌気性処理の技術と適応

4.6

園AC

58.3

園LowRatを確認するとともに,嫌気性処理の研究開発ではblackbox的扱いをしてきた,嫌気性微生物群衆の解析について,遺伝子情報を利用した解析例につい図1嫌気性処理設備の導入状況(a)廃水種および(b)リアクタ形式て紹介する｡

Fig.1Applications

1.嫌気性処理方式とPANBICシステム
嫌気性処理における成功の良否は,前述のとおり
β4

神鋼パンテツク技報

offull‑SCaleanaerobic

reactor

built

theworld;(a)typeofwastewater,and(b)reac
COn丘gurations∇b王.4β肋.2(200β/表1嫌気性処理技術の分類
TablelClassi丘cation

of皿aerObic

treatment

wastewater/waste

W且SteW8ter8止血Waste

systems
Re8CtOrCon且gⅦr且血on8

Principles

SPTr8血さ皿8me

Org且血亡W且包teW且ter
E且Sy‑degradable

AnaerobicPond

Bio皿aSSSeparation

ⅥJasteⅥ｢且terAnaerobicContactprocess(AC)(Lame11aSeparatorsandFlotation)(ex;Breweヮ,FoodIndllStrialWastewater)

AnaerobicSeqⅥenCin呂BatchReactor(ASBR)

S甲PendedSolids

Lov王

Ⅰ血ibitoryand/orToxiclty

None:

AnaerobicFixed‑bed(AF)(Up80W,DoⅥ√nflo､材)

BioBITnSPANBIC‑F(Fixed‑bed)

AdhesiononFixedPacking

26Users

AnaerobicFluidizedBed(AFB)

AdbesiononFl11idizedMedia(GAC)

Upロ01VAnaerobicSludgeBlanket(UASl】)

Self‑im皿Obilization

PANBIC‑G(Grant11e)

AnaerobicBarfledReactor(ABR)

Grantlle

12Users

Re血aetoryW88teW乱t￠r(ex;Leacbates,Cl‑e血calWastevater)
鮎spendedSolids
Inllibiloryand/orToxicity

且igb
HighLevels

Figh‑r8te,Ad▼皿eedRe8etOrSystem

ExpandedGran口1arSludgeBed(EGSB)
PANl〕IC一口(甘i由一rate)

BybridUAS8

12User5

1ntemalCirct11ation(IC)Org8血cS011dW且専te

PAMEDIS

ExcessSl11dge

Continuo115St血edTankReactor(CSTR)

Complete‑Mix

M11nicil】alSolidWasterMSWl

witbPostTreatme皿tPlusSedi皿entation,Dewalerl11g

Livestock

SlndgeDecompo5itionProcess(S‑TEprocess)

NiEhtSoil

ActivatedSludge､BiologicalNtltrientRemoval

PANBIC‑BIGADAN

ぞれ4%程度で追従しており最近急速に導入実績を

OrgamcWaste(Prote血Carbohy血ate,Lipid==)

伸ばしている｡B〉′drolysIS

現状は処理対象により廃水および固形性廃棄物に

Mono皿erS

Primaり鳩皿entlng
Bacteria(AminoAcid,Sngar,Long‑血血Fa町Acid)

分類され,その性状や嫌気性分解性により,それぞAcjdgenesis

れ特徴のある反応器の中から最適なプロセスを選定

Illtermediates(Fa仕yAcids,AIcohoIs,Lactate‑etC.)する｡現在のニーズとしては少ない敷地面積で高グ
レードの処理水が要求されるため,単位反応器当た

Scconda平氏皿entlng
Acet喝e11eSisHy血ogcn

Acetate

CICompo11nds

りに保持する微生物量の多いUASBやEGSBなど

Synt柑pbicBacteria

Boll10aCetOgenicBacteria(Acetate‑0ⅩidizingBacteria)の適応が多く,当社でもこれらの処理方式はEydro呈en‑utilizlng

Acelate‑utilizln呈Methanogens

PANBIC‑G,8の登録商標にて拡販しており,現状24(G＋E)基の納入実績がある｡この高い微生物

図

保持量は,微生物自身の持つ凝集･集塊機能を利用

Fig.2

2

して沈降性の非常に優れたグラニユール状の汚泥形

Methanogens

C84,CO2

Metlla110genS

嫌気性環境下における有機物の連続代謝Pa血wayof

V訂ionstropbic

anaerobic
groupsbiodegradation

tbrougb

成･保持することにより実現される｡グラニエール

くらべ,その嫌気性微生物の際だった特徴は,物質の形成メカニズムについてはまだ完全には解明されの分解の各ステップがまったく別の微生物種によっていないが,微生物自身の持つ機能に依存するため,て担われていることであり,かつそれぞれの微生物微生物に対して阻害/毒性をおよぼす物質の流入や種が密接な共生関係を形成しなければ反応全体が絶栄養塩類不足,高濃度のSS成分の反応器内への流対に進行しない点にある｡たとえばグルコースなど

入はグラニエールの流出･崩壊を招き,プロセスのの非常に単純な有機物の分解にも,有機酸を生成する発酵性徴生物,生成した有機酸から酢酸および水長期間の安定性を欠く原因となる｡
このような廃水種の処理には,水質変動や阻害物素を生成する嫌気共生細菌,生成した水素および酢質(とくに,化学工場廃水に多い)に対しても安定酸からメタンを生成するメタン生成細菌といった,性の高い固定床方式が有利となり,当社でも少なくとも4〜5種類の微生物の連携プレーによりPANBIC‑Fの商標として販売している｡また,固形分解が終了する｡この点が,嫌気環境下での微生物性廃棄物に対しては処理対象によりPAMEDISおよ生態の解析を困難にさせてきた大きな原因である｡

びBIGADAN方式による対応が可能で,当社は広3.グラニュール汚泥れた専門家集団

範囲の廃水･廃棄物種に対して適応可能な嫌気性処

その高度に集積さグラニエール汚泥の形成はPAN別C‑G,H法の成理技術を保有している｡

否を決定する重要な現象である｡しかしながらこれ

2.廃水･廃棄物からメタンガスまでの複雑な道のり

までのグラニユール汚泥の評価方法は沈降性や粒径図2に嫌気環境下における有機物の連続代謝と関といった物理化学的性状,メタン転換速度等に代表与する微生物種について示した3)｡好気性微生物とされる生態学的性状,実体顕微鏡や電子顕微鏡といっlわJ.46肋.2(200β/2)

tbe

ofmicrobes

神鋼パンテツク技報

β古た形態学的観察などであり,グラニエール内部にて,"誰が(微生物)?何処で?何をやっているのか?
といった重要な情報については,モデル等からの推察でしか知ることはできなかった｡
しかしながら,近年の微生物遺伝子情報データの蓄積より,グラニエール内部にて,上記の疑問に回答できる様々な解析ツールが開発されてきた｡ここでその一例として16SrRNA遺伝子を標的としたFISH法(Fluorescenceよ花β血hybridization)を適用した結果を写真1に示した｡
解析にもちいたグラニエール汚泥は直径2〜3mm
View
ofthe
Retained Gra皿山打SlⅦdge;
SectionalView
Sliced GranularSludge
ofthe
Hybridi
弧d(d)cross sectionalViewsorGran山訂Sludge
Oligonucleotide
ProbesViewedwi也16SrRNA一也rgeted
CLSM

WholeCross

程度の整った粒径をしており(a),メスにて半分に切断した断面は2〜3(白色,黒色)の層状構造を示している(b)｡写真(c)は真性細菌(緑:酸生成菌)(c)Bybridized w他Domain月αCねrZα(EUB338,Green)のみを特異的に検出するDNAプローブと古細菌

Do皿ai皿Arcんαeα(ARC915,Red)(赤:主にメタン生成細菌)を検出するDNAプロー(d)HybridizedwithDomain月αCねrZα(EUB338,Green)弧dブを適用して二重染色した結果である｡グラニエー

且如才んα花0‑あαCねrぬceαe(MBl174,Red)
写真1
UASBリアクタ一にて形成されたグラニュ
ルの生態学的構造解析

ル外部は酸生成菌が多く存在し,グラニエール内部に進むにつれてメタン生成細菌が多く存在すること

酸生成菌群

何処で?
表層付近

グラニエールメタン生成細菌

内部R)r

Hydrogen‑utilizlng､Me也ano2

Microbial‑eCOlogicalstmct∬ePhotoIが解り,前述の疑問に対して以下の回答がえられる｡
誰が?

Probe

Family‑SpeCificules

asdevelopedin

theanalysis
UASBorreactor

何をやっているのか?

どの詳細な情報がえられるようになり,その解析テ

廃水から有機酸を生成生成した有機酸か
らメタンを生成

さらに,写真(d)は水素を基質として利用するメタの意義は大きい｡
むすび

嫌気性処理技術の第▲2のブレイクスルーは,いにして正直な嫌気性微生物群の機嫌をとるかにかかタン生成細菌(赤)と酸生成菌(緑)の二重染色結ている｡すなわち,彼らの生態学的特性を認識,果であるが,図2でも示したとおり,有機酸の生成と同時に生じた水素を水素資化性メタン生成細菌が接して,彼らの機嫌を損なう条件(温度,阻害/性物質濃度,共存化合物など)があらかじめ設備

グラニエール表層付近に位置することですみやかに討段階で判明している場合には対策を検討するこ利用し,メタンを生成するといった,非常に効率ので,不幸にも発生したトラブル等に対しては現状よい空間的配置を形成していることがわかる｡

汚泥診断で,あるいは回復操作期におけるデータ

この,検出するプローブの組み合わせは目的に応蓄積により,強力な"ソフト的嫌気性処理技術じて自由に構成することが可能で,さらに解析の困確立されていくものと期待する｡

難な嫌気性共生細菌(プロピオン酸分解共生細菌4),[参考文献]

β酸化細菌5)など)と水素除去のパートナー(水素資化性メタン生成菌,硫酸還元菌)といった組み合

1)speece,R.E二AnaerobicI∋iotec血010gy brIndust

わせ解析や定量化6),高温性のメタン生成細菌と中Wastewaters,ArchaePress,1996

2)Macarie,B.:Wat.Sci.Tech.,VOl.42,5‑6,(200p.201‑214

温性のメタン生成細菌の識別7),グラニエールの浮

3)scbi止,B∴Mol.Bio.Rev.,61,(1997),p.262‑280

上の原因となる糸状菌の異常増殖8)といった,より(2000),p.3608‑3615
al:Appl.Environ.Microbiol.,5)Hansen,E.甘.et(1999),p.4767‑4774
6)Tagawa,T.et
al:Wat.Sci.Tech.,42,3‑4,(200

ミクロな解析かつ,プロセス管理への応用にも近い解析にも適用されている｡また,蛍光の強さは各微生物の活性と強い相関関係にあるため,微生物の至過渡度を大きく超えた塩(Na)濃度にて培養されたグラニユール汚泥では蛍光が点在程度しか観察されず,内部はまったく活性がない(蛍光がない)な
β64)Imacbi,H.etalリ:Appl.Environ.Microbiolっ66,p.77‑827)多川正他:環境工学研究論文集,38,(2001),p.15
1628)sekiguchi,et al,,:Appl.Environ.Microbiol.,67,(2001),p.5740‑5749

神鋼パンテツク技報

lわJ.4β入b.2(2〃03/gr