UASB 法 に DHS リ ア ク タ ー を 組 み 合 わ せ た 新 規 低 コ ス ト 型
下水処理システムにおける溶存メタンの消長
水圏環境制御研究室
指導教官

１．はじめに本研究室では上昇流嫌気性スラッジブランケッ江口 拓

大橋晶良、原田秀樹

２．実験方法
2.1 UASB と DHS の下水処理システム

ト(UASB)リアクターと懸垂型スポンジ（DHS:調査したシステムは、実下水を処理しているパ

Down flow Hanging Sponge）リアクターを組み合イロットプラントである。UASB リアクターの容わせた新規の低コスト・省エネ型の下水処理シス

積は 155 L で HRT 4 時間、処理温度 25℃で運転テムを開発しており、卓越した有機物除去およびしている。後段階の DHS リアクターは、塩化高い硝化性能を有していることが確認されている。 ビール板（幅 80 cm×高さ 200 cm）の両面に直下水のような低濃度の排水を UASB リアクター角三角柱（1 辺 3 cm, 幅 75 cm）のポリウレタンで処理すると、発生するメタンの一部はガスとしスポンジを接着させカーテン状にしたものを２枚て回収できるものの、残りのメタンは処理水中に並べ、上部より UASB 処理水が滴下される。全溶存して、ゆくゆくは大気に放出される。本シススポンジ容積は 51300 cm3 で、HRT１時間 20 分でテムでは後段の DHS リアクター内で UASB 処理運転している。（Fig1.参照）の残存有機物が好気的に微生物分解されており、溶存メタンが DHS リアクターから大気に気散されるだけでなく、微生物酸化されている可能性がある。そこで本研究では、どの程度の溶存メタンが DHS リアクター内で生物学的酸化分解されているのかを調べるために、FISH (Fluorescent in situ
hybridization)法 によりメタン酸化細菌の検出と定量を行い、物理的気散機構を記述する数学的モデルを構築すると共にメタン酸化活性試験を実施した。

2.2 溶存メタン濃度測定

プローブは、Type I メタン酸化細菌に特異なUASB と DHS の処理プロセスでのメタン濃度

1041-5, Gm705, Mlb482, Mmb1007, Mlc123, Mcd77の消長を把握するため、UASB の流出、DHS のと Type II メタン酸化細菌に特異な 1034-Ser,流入・流出、分散装置直後を流下距離 0 cm とし

Am445, の合計 8 種類の DNA プローブ 3) 4)を使用て、200 cm までの 12 地点からの処理水をバイアした。サンプルは活性試験と同位置の搾汁汚泥をルビンに採取し、塩化第二水銀（20mmol）を添使用した。

加後、ブチルゴム、アルミシールで密栓し、0℃メンブレンフイルターを用いた FISH 法によるに氷冷後、ヘッドスペースガスクロマトグラフ法

メタン酸化細菌の定量は、パラホルムアルデヒドにより溶存メタン濃度を測定した。

固定した汚泥濃度既知のサンプルを超音波分散、

2.3 DHS 内のメタン酸化活性試験

希釈し、DAPI で全菌染色を行った後、メンブレ

DHS での溶存メタンの酸化分解量を把握するン（Millipor-MillicellCM，0.4 μm，φ30 mm）にために、DHS スポンジ内保持汚泥のメタン酸化集菌し FISH 用に供した。

活性試験を行った。サンプルは流下距離 5, 36, 73,

2.5 DHS 内での溶存メタンの消長

94, 114, 135, 166. 197. 200. 400 cm 地点のスポンジ

DHS リアクター内の物理的および生物学的なの保持汚泥を搾取し、リン酸バッファーで気質洗作用による溶存メタンの消長を次の数学的モデル浄したものをサンプルとして、NMS 培地、温度で評価した。

25℃でバッチ試験を行い、気相部のメタン量の変Ci+1 = Ci ・K ( Cs - Ci ) Δｔ + νXΔt化からメタン酸化活性を求めた。
2.4 FISH 法によるメタン酸化細菌の特定と定量メタン酸化活性試験結果から DHS リアクター

ここにCi : スポンジ内溶存メタン濃度
Cs : 大気平衡の溶存メタン濃度

内にメタン酸化細菌の存在が示唆されたため、

K : 総括物質移動係数

FISH 法による検出を試みた。FISH 法は、AmannΔt : スポンジ内の滞留時間 ,らの方法 1）に準拠して行った。メタン酸化細菌は

ν: メタン酸化活性 or 速度

代謝経路の違いにより Type I (RuMP Pathway)と

X : 汚泥濃度 or 菌数濃度

Type II (Serine Pathway)に分類される 2）ため、それぞれに特異的な DNA プローブを用いた。DNA

流下に伴う溶存メタンの気散速度に関係する未知数の総括物質移動係数 K を決定するため、

バージンスポンジの模型 DHS（幅 10 cm、高さ3.3 メタン酸化細菌の特定及び定量

52 cm：三角柱スポンジ 10 列）を用い、実流速とDHS 内に生物学的作用があることを確証する

同条件で人工飽和溶存メタン水を流下させ流入とため，FISH 法によるメタン酸化細菌の生息確認流出のメタン濃度から評価した。と存在量の測定を実施した。8 種類のメタン酸化

３．結果および考察

細菌に特異的な DNA プローブを使用してメタン3.1 溶存メタン濃度測定結果酸化細菌の特定を行ったところ、Gm705 とUASB 処理水の溶存メタン濃度は，UASB リア

Mlb482 の２種類でのみ検出され、RuMP 代謝経クターから発生するメタンガス濃度に依存して決路を有する Type 1 メタン酸化細菌に属する

まり，平均 983 μmol/L であった。よって、Methylobacter グループであることが分かった。

UASB から発生した全メタンのうち 40 %程度がFig. 3.に示すようにこの Methylobacter の存在量の処理水中に溶存し排出されている結果となった。

分布結果（Gm705 プローブを用いて定量）はメ

その後溶存メタンは、UASB 処理水が後段のタン酸化活性分布の傾向と非常に一致しており、DHS リアクターに送水される間に約 50 %のメタメタン酸化細菌が溶存メタンを酸化分解しているンは大気へ気散していた。残存の溶存メタン 431

ことがわかった。しかも，メタン酸化細菌数が最μmol/L は，DHS リアクターの流下に伴って指数も多かった流下１ｍ付近では全菌数に対して的に減少し、流下距離 150cm 付近で未検出と12％も占めていた。さらに、溶存メタン濃度が検なった（Fig. 2）。

出量以下の微量濃度となった流下 1.5m 以降も3.2 DHS 内のメタン酸化活性

Methylobacter が生存しメタン酸化活性を有してい

溶存メタン濃度の減少が生物学的な作用によるものかを調べるため、バッチ実験により DHS リた。
3.4 DHS 内におけるメタン酸化細菌の寄与

アクターの保持汚泥のメタン酸化活性の測定を行メタン消失の寄与度求めるためにメタン酸化活なった。その結果 DHS 流入部ではメタン酸化活性値と DHS リアクター内での溶存メタン消長モ性は見られなかったが、流下１ｍ付近で最大活性デルを用いて、溶存メタン濃度プロファイルのシを示し、その後は減少傾向にあった（Fig. 2 ）。

ミュレーションを行った（Fig. 2）。溶存メタン濃

従って、DHS リアクターでの溶存メタン消費の度の測定値と計算値が非常に一致しており、簡単一部は生物的酸化によるものと推察された。

な数学的モデルであるが、溶存メタン濃度の消長を上手く表現することができた。このシミュレー

targeted nucleic acid probes, In Molecular microbal

ションによりメタン酸化の寄与度を計算したとこ

ecology manual, London, Kluwer Academic Publishers,

ろ 8％であった。すなわち，92％が物理的に気散Vol.3.3.6, pp.1 - 15,1995

している結果となった。生物学的作用を考慮しな

2）Hanson, R.S and Hanson, T.E. : Methanotrophic

いで物理的気散のみでの計算においても実測溶存Bacteria,Microbiol. Reviews, 60, pp.439-471,1996

メタン濃度をよくシミュレートしており、DHS2）Brusseau.et.al. Phylogenetic Analysis and develop-

リアクターに流入したメタンの大半が物理的に気ment of Probes for Differentiating Methylotrophic

散することが分かった。一方、DHS リアクター

Bacteria. App. Environ. Micr-obiol , 60 , pp626 - 636,

内でのこの速いガス物質移動が溶存酸素濃度を素1994

早く高め、これによって良好な好気的有機物分解

4）Gulledge.et.al. , Family- and Genus-Level 16Sが行われる要因でもあると言える。

rRNA-Targetede Probes for Ecological Studies of

参考文献

Methanotrophic Bacteria, App. Environ. Vol.67,

1）Amann, R.I. : In situ identification of micro-

pp.4726 - 4733, 2001

organism by whole cell hybridization with rRNA-