嫌気性スラッジのグラニュ‑ル化
GrtlnUIc]11Zon

AnclerObicof

S[udge技術開発本部

研究開発部
口Horiguchi

席
MakotoThe

effects

robic

acceleratedin

observedofじdeeplyめbylactate,

whose

the

whole

sludgemadetheliquidbed.

rate

velocity

andshearing

wasacceleratedbyproceeded

independentstressdry

sludge･dby

causedgran山ationanae‑ofGranulation

reactors.

kg/kg

granulation

that

on

others

UASB

0.03

wasGranulation
that

after
clear

upflow

laboratory‑scaleuslng

loadingBut

it wasaffectedion,metal

studiedbyAlso

content.

はsubstrate,wereformation.

granulebedofsludgewhen

calcium

produced

wasweregranules
theatfirst
theoftogas

真

stage

calcium

thesludge

granulatioll.

形成機構は基質,:塩類,流体力学等の他に多くの因子が関与した複雑なものであり,またその形成には2,3カ月かに10数年前にオランダのLettinga教摂らによって開発さAn‑れた上向流嫌気性スラッジブランケット法(UpflowSludgeBlanket法,略してUASB法)とは,aerobic

ら半年を要するといわれている｡
UASBl)アクターの安定な運転を行うにはこの複雑な形成機構を明らかにする必Methanothrix
メタン生成細菌である糸状性のsp.を主体としたグラニュール状のスラッジを,微生物を付着させ要があるが,本報では基質となる有機物の種類,有機物のる砂や活性炭等の担体を使用せずに自己造粒現象を利用し生したガスの上昇流速等がグラニュール化に与える影響の検討結果を報告する｡て形成させて1)7クタ‑内に保持し,l)アクターの下部より上向流で供給された有機性廃水を高効率でメタン発酵処

負荷,無機塩類の種類,リアクク‑内の享夜の上昇流速,発1.実験方法
1.

理する方法である｡

1実兵装置
実験には有効容量が約5.7e容量のUASBl)アクター

このグラニユール化した嫌気性スラッジは優れた沈降性を持つために,廃水のl)アクター内滞留時間をメタン生成を3基使用したが,その概略の仕様を第1表に,またその細菌の世代時間の約10日間以下としても,メタン生成細菌を含むグラニュ‑ルのウオッシュアウト現象を生じない｡

フロ‑を第1図に示した｡
l)アクターは,その上部にガス(Gas‑solidと懸濁物質(SSと略す)を分離するGSSまた同時に高密度性も待つため,リアクタ‑内のスラッジseparator)を有する円筒型l)アクターである｡

dry

ベッド部では30‑100gsludge/βという高濃度の嫌気性スラッジが保持され,高有機物負荷処理を可能とする｡

優れた特長を持つ嫌気性グラニエールではあるが,その第1表
T8tlle

ー内の液温はジャケッ†に恒温水を供給することにより37j=1oCに維持した.また1)アクタ‑内のpHは合成j京水
中に含まれるアルカl)及び1)アクタ‑に添加する水酸化ナtリウムにより約7に制御した｡

UASB式リアクターの仕様
1

Specificationof laboratory･scale

TypeUASB

Material

Transparent

Shape

Cyl indrica1

type｢･､‑＼￣一￣￣￣￣￣reactor(かGas

Effltlent

Gas

111eter

PVC

100TE

(e】くCept 5.7eUASB

settling part volume)
Water
temp.
of reactor

Controlled

Recycling

Recycledtemp.

of e一f. water

at37±1oC･contro1 led 甲ater
for keepingofreact(1rwithLV;

0‑0.3m/h

Influellt tallk

第1囲Fig.

42/一r

type

100￠×1

Dimension
volumeDesulfurizer

Sea】 p()tUASBSpeci fica t ion

Item

Reactor

1)アクタ

神鋼パンテツク技報

UASB式実験装置
1Flo∇

diagramof UASB

Vol.

reactor37No.

2(1993/7)

1. 2

合成原水で開始し,実験に使用した合成原水の組成を第2表に示した(水質は後述する)｡この合成原水を基本原水(原水‑1)とし々に負荷を増大させた｡
TOC負荷が約0.4kg/kg･dに達した運転開始後18日目に,スラッジベッド部の大部分のスて,必要に応じて組成を変化させて実験に供した｡
1. 3
種汚泥ラッジがグラニユー)I,化しているのが目視観察によって確認された｡通常いわれているグラニエール形成時間より大実験に使用した種汚泥には,当社が長田産業(秩)磨(兵庫県宍粟郡山崎町)に納入した固定床式嫌気性リアククー

幅に短い期間でグラニエール形成を実現した｡このときのグラニュール径はおおよそ2‑5mm程度と観察された｡
形成されたグラニユールの走査型電子顕微鏡写真を写真1｢PANBIC‑F+からの余剰汚泥を使用し,リアクターの有効容量(リアクターの沈澱部を除いた容量)当り,約5g/どMethanothri3に示したが,Sp.と思われる糸状性細菌が絡み合っているのが明瞭に確認できる(グラニエールの状となるように投入した｡種汚泥の光学顕微鏡観察では
Methanothrix

態:湿潤状態,真空度:sp.と思われる糸状性細菌が優占であっVSた｡またSS壌度は35g/eであり,(揮発性懸濁物20Pa)｡質)壊度は86%であった｡

グラニエール化に関与しているといわれている細胞外高Polymeric分子物質(ExtracellularSubstances,1. 4と略す)の近辺に,乳酸分解菌が存在するという報告1)が分析方法
TOC,pfI,Ca,P等はJISI(0102に準拠して分析した｡

より決定した｡グラニエールの粒径は直径10cmの節を用いて湿式にて測定した｡また0.25mm以上の粒径のス

プロピオン酸を主体として調整されているが,これらの他ラッジをグラニエールと定義し,全スラッジに対するグラに1000mg/eを越えるコ‑ンステイープ.)カー(CSLと略す)が添加されている｡このCSLには約11%の乳酸ニェ‑)i,の比率をグラニエール化率とした｡が含まれており,基本原水中には約140mg/β存在してい

2.実験結果及び考察ることになる｡この乳酸を基質とする乳酸分解菌がEPSを生産し,グラニエール化を促進していることが考えられ

2.

1基質のグラニュ‑ル化に与える影響
基本原水を用いて行ったグラニエール化実験(Run‑1)

る｡

そこで乳酸が嫌気性スラッジのグラニユ‑/i,化に与える

dryの結果を第2図に示した｡
TOC負荷は約0.1kg/kg(容量負荷では約0.5kg/m31)アクター容量･d)影響を検討するために,基本原水からCSLを除いた原水(原水‑2),及び基本原水からCSLを除き乳酸を添加

sludge･d2

表

合成原水の組成(基本原水‑1)した原水(原水‑3)をそれぞれ調整し実験に供した｡
原水‑2を供給したRun‑2,及び原水‑3を供給した

Table

2Composition

Run‑3のグラニエール化実験の有機物負荷,有機物除去

第(Rawof synthetic

CH8COONa･; Content率等の経時変化はRun‑1とほぼ同様であった｡第3表にRun‑lから3におけるグラニュール形成時での原水及び3H20(mg/e)

処理水の水質,またl)アクターの操作条件さらにはグラニ

59

CfI8CH2COOH21CSL12

ユ‑ル形成時間等を示した｡
Run‑2ではRun‑1でのグラニエール形成時間の18日に1NH3CONH2
CoC12wastewaterwater‑1)

Substance

Run‑3
ほぼ等しい21日間でグラニエールが形成されたが,ではグラニュ‑/レ形成に55日間を要した｡グラニュール形
成時のRun‑1及び2での乳酸負荷はともに0.03kg/kg･d･6H20NaOtIiCa(OH)

EPS

あるが,乳酸が嫌気性スラッジのグラニエール化に深く関わっているようである｡本実験に用いた基本原水は酢酸,

グラニュ‑ルの形成時期は1)アクター外からの目視観察に●

TOC除去率が90%以下とならないように徐2

1◇◇◇0.9く〉＋＋＋＋＋＋＋＋＋0.8＋▼ロ㌫q)i<0.7〜d十＋＋＋＋喜鳶葛O,6＋＋＋＋＋＋().5〔コロ&urt=%旨 0.4ロロ

卜uE一Dロロ

口⊂コロロ

ロロロ

ロロ
ロロ

().3ロ＋◇O.2
=aO.1

1

第2図Fig.

占E)口ロE33.I)

7911131:)171921Time[da)1

experiment(Rll)

2325

27

29

:う1 3335

2

T7Tol. 37

Resultof the granu]ation

No.

2(I993/7)

グラニエールの走査型電子顕微鏡写真
(60倍)

写真1

グラニュール化実験結果(R‑1)

Photo.

I

Scanning
granule

神鋼パンテツク技報

electron‑micrographs(×60)

of43であった｡

乳酸以外のグラニエール化促進物質も利用できるためFこ,

本実験によって乳酸が嫌気性スラッジのグラニュ‑ル化

これ以降は乳酸の供給源としてCSLを使用することとしを促進する基質であることが明らかとなったが,乳酸が乳酸分解菌の基質となり,この乳酸分解菌がEPSを生産した｡

グラニエール化を促進するというところまでは把握できなために,かった.乳酸は嫌気性分解経路での炭水化物,タンパク質等の中間分解物質であり,通常のメタン発酵系にも存在しとして70,ており,グラニュール化の促進物質となっていることは十Run‑1と2におけるグラニュー分vL考えられる.しかし以外の組成は第2表に示した通りである｡各リアクター

ル形成時間の差異(4日間)を有意差とみるならば,グラ示した｡

ニエール化を促進する物質は乳酸以外にも存在し,これがCSLに含まれていたともいえる｡
2. 2
CSLの添加濃度の検討

このRun‑4′‑6においても約20日間でグラニエールは形成されたが,その中でもCSLとして2520mg/eを含む

乳酸が嫌気性スラッジのグラニュ‑ル化を促進することりも約1.2倍大きく,すくなくともCSLの主祭度が約2500mg/e (乳酸で約300mg/e)まではグラニュー)I,形成はC

SLの漬度がグラニュー/レ化に与える影響を検討する
1260,
2520mg/e(乳酸CSL壊度として630,140,280mg/e)の3水準となるようKL̲CSLをそれぞれ添加した原水を調整し,実験に供した｡

CSL(Run‑4‑6)でのグラニュ‑/I,化率の経時変化を第3図に原水を供給した%が明らかとなったが,乳酸の供給源としては乳酸を約11含むCSLのほうが純品の乳酸よりも経済的であり,またRun‑6でのグラニエール形成速度が他よ(または乳酸)の濃度に依存していることが明らか

CSLとなった｡
2.
第 3

表

基質のグラニエール化に与える影響(グラニュ‑ル形成時の処三埋状況)

Table

3Effect

onof substance

ato.

Run

(mg/e)( // )

CSLFeeding

TOC((BODC)コt‑月

LactateT‑N

C/NCaMg
FePWater己0'=

弓loadingbD【コ'L由クCL(⊃
LIOU【qq)Pく∈:4)
コ
I.〜t＋Ez】

Utf:LE]

44

0030

2 150

2070

54250

(〟)
( // )

140
9775

75

(())

2129

2760

64

60

( // )(〟)( // )

3

3

3<0.5
<0.2<0.5<o.2////〟
〟

780

050

140

0. 8

105()

37̲̲̲̲̲ー40｢言t1＼5

1.5

l･5･B
召

04

0.5

o. 4

Ecd

003

0.03

SST.talwater

LVLQD)(mg/e)( I(/ )

7(〟)
(β/b)

LVGaBpESS(‑)(mg/e)

TOC

((〟))

37
3

7.1

31//(m/h)(Ne/d)(m/h)

product.

7.1

348500

9750

2 260

1 140

1 4203800

3200

2()

21.630Ti llle50｢da18150.2D

74

16.0

0 04

03

＋ : R‑5【CSL1260mg/り◇ : R‑6 ｢CSL2520mg/E]

;

0.03

1l……●18.2
60

73

62

62999387

182255

Granule

(day)
(mmQ)

563

L

第3図
Fig.

: R‑4

[CSL630mg/且]CSLがグラニエール化に及ぼす影響
3

Effectof CSL

ongranulation262))( %…#…∠0(%

rate

removalGranulation
time2()

3 700
1TOC//30u

7 940

1 4q)

B

33

l……

ICsizeールに含まれるCaとPを分析した｡

1SSBlanket

Gasific.
⊂)
【コ4)

5.0

(kg/m3･d)(kg/kg ･d)

SSBed

Gas

4.25.0との報告もある｡これらの塩類が本研究において形成されたグラニュール中でどのような挙動をしているかを検討するために,
Run‑4‑6の実験において形成されたグラニエ

37

Lact.loading(Recycle

4.05.

カルシウム塩としてグラニエール化に深く関与している4)

( oC)
(‑)
(ら )

一qC)

4.

000

temp.

TOCOO140))

pHHRT

⊂]

Run‑3;

1 260(e/d)(‑)(mg/e)

rate

pHSS∈:

Run‑2(Bl ank)
(LaadCL.e｡)≡l(cSdLded)

Lactate

Addedgra皿ulation):

Rtln‑1金属イオンのグラ=ユール化促進効果の検討

スラッジの沈降性を増大させ,またグラニエール化を促進する2),3)といわれており,またリン(P)イオンはリン酸

granulation(Treating condition3

カルシウム(Ca)イオン等の2価の金属イオンが嫌気性

523

495

0. 3ノ･‑5

神鋼パンテツク技報

Vol.

87

No.

2(1993/7)

Run‑4‑6の実験の35日目のグラニエール中のCaの含よるものではないかと推定される.一方他よりはCSL濃度が低い Run‑4ではCa濃度の増大の影響は受けてはい有率(乾燥グラニエール当りの重量比率)をグラニュー/レ(まの粒径毎に示したのが第4図である｡原水中のCSL
たは乳酸)の濃度に関わりなく,グラニュール化していな
いスラッジよりもグラニュ‑ルの方がCa含有率が高く,さらにグラニュー/レの中でも粒径の大きいものの方がCa

Caのグラニユ

ニュ‑/I,化速度にほぼ回復してはいるが,60mg/βのー/レ化促進効果を確認するには至らなかった｡
Caを含む原水を供給したときのスラッジ当りのCa負荷の含有率が高いという憤向がみられた｡スラッジのグラニは約0.01kg/kg･dであり,グラニユール化を促進するにエール化にはCaが深く関与していることが推察さた｡
そこでCaのグラニュ‑ル化促進効果をさらに高められるか含かを検討するために,上記のるが,他の場合よりも少なかった｡いずれの場合においても Ca濃度の増加20日以後は,Ca凍度の増加以前のグラ必要なCa量はこの値を越えることはないと考えられる｡と P
次vL Caとの関係を検討する.第6園に,Run‑4‑6の実験のRun‑446日目に原水中のCa摸度をそれまでの60mg/eから120でのグラニエールに含まれるCa含有率を粒径毎に示しmg/eた.すべての粒径のCaの含有率がメタン発酵の経過とともに低下しはじめ,実験開始当初の約0.
03が実験開始後80vL増大させてリアクタ‑に供給した.なおCa濃度(OE)2を原水に添加する方法により行ったoの増加はCa
第5図にはRun‑4′‑6の実験開始から94日間のグラニエール化率の経日変化を示した｡
6ではCa壊度の増
原水中のC SL漢度が高いRun‑5,加後約20日間は,グラニュー/レ化率は現状維持かあるいはやや減少している｡これは一時的に発生したCaの阻害に日前後では約0.01に収束するのが認められる｡この傾向は
6にもみられた｡一方Run‑4のPの含有率の経Run‑5,時変化を示したのが第7図であるが,Pの含有率はおおよCa

そ0.006から0.012の範囲内での変動で推移した｡

Pとの含有率の比(Ca/P)で上記のデータを整理したものが第●0.04C)q):コ;コ【=(130.035

LlbJ]

△

ヒ

ct3
i.I

班

0.03ヒ･◇'￣ロbO｢【⊃bObD

十△0.0251△bOl二◇q)Ej△1=C0.02⊂:q)〔=く:)
UU合(勺＋字台U

0.015

cdU

害A:D/i:uko:
30

0.01

0.5･1.0o.2510.5

0.25 ullder

Granule50

1.0･2.07O

Time[daylGranule size

[由m]size□:R‑4【CSL＋:R15630mg/且】[CSL1260ng/E]◇ : R‑6 [CSL 2520Ⅱ唱ノ′′p]

第4国
Fig.

4

グラニュ‑ル中のCa
CaFig.

contentinD:＋:

◇

:

△

第6国

(35日目)(35th day)granule9()

0.25nm under
0.25･0.5mm
0.511.OrBql:1.0‑2.Ohm

6

グラニュ‑ル中のCa含有率(R‑4)
Ca contentin granule(R‑4)

l(川370くじ

Tg60(l･025【13ゝ一?

bC50]>.

().02‑i;q)盲be4()
十;≡bL:l⊃(川15一♀

3015◇⊂コQ)

コ

♀

⊂:

LC20u≡o.o1

β.1甲Ej

△△

lO
O.005
204=6O
Time80⊂コ＋Fig.

5

VTol. 37

R‑6Fig.

No.

2(1993/7)

[day]

709()
(;ra｡t11｡ size
[コ25 munder＋
25 0.5 mTn
5‑1.Omm◇△
0 2,0 mlll

‑Effect

granulation

Time[CSL 2520mg/E]

第7国

on

芸630ng/且]R14[CSLR15 [CSL 1260mg/且]Caによるグラニュ‑ル化効果
of Ca書5〔)da),]

◇第5園

307

神鋼パンテツク技報

グラニエール中のP含有率(R‑4)
P contentin(良‑4)granule‑45

8園である｡

Ca/P比は実験開始当初の3.5から80日経過
3.5

後ではほぼ1に低下した｡
以上のことより,3Caのグラニュ‑ル化促進効果はグラニエール形成初期には大きいが,グラニュール形成後はCaに依存せずにグラニュー/レ形成が進行し,その結果Caの含有率が低下するといえる｡またCa/P比の経時変化から,実験開始当初はCa3(Pot)2･nH20(Ca/P‑1.9)のよ

2.5〇1:∃Ed◇i･+△')

a+̲

【I∃U

l.5
十うなCa/P比の大きい第三リン酸塩やあるいはPを含まな⊂】1

いCa塩が主に形成されていたが,80日経過後はCaHPO4･0.5

nH20(Ca/P‑1.3)のような第一1)ン酸塩に変化したのではないかと推定される｡しかしPはこの他にMgNH4PO4
Ca,Pの比率だけのような塩を形成することがあるため,

3〔)

5()

7り

TimeGranulesize: 0.25mm
under＋ : 0.25‑0.5mm◇: 0.511.Om△ : 1.0‑2.OIDTTtD

では塩の形態を決定することはできない｡グラニュ‑ル化
P量の把握が今後の重要な検討を促進するに最適なCa,
第8図課題である｡
2. 4

Fig･液,ガスの上鼻流速

9()

[day]

グラニエール中のCaとPの含有率の比(R‑4)
8Ca/P

ratioingranule(R14)

グラニエールスラッジを形成させるにはl)アクター内のを促進するために,液の上昇流速は0.2m/h以下とし,約10‑30g/eの高濃度るようにリアククーに添加する｡の嫌気性スラッジからなるスラッジベッドを保持する必要があることが一連の実験から把垣できた｡また発生したガ

3)高濃度スラッジのベッドを保持する｡
MLSSで約10‑30g/eの高濃度スラッジからなるスラッジベッドを保持する｡

スが上昇する Hガス上昇路''の周辺からグラニエールが形成されるのが目視により観察されたことにより,ガスの上4 )液の上昇流速は低めに調整する｡

昇による勇断応力がグラニュ‑ル化を促進することがうかがえた｡ガスの上昇流速は,グラニエールが形成されるまでは上記のベッドをRun‑1‑3におけるl)アクタ保持するために可能な限り妻夜の上昇洗速は抑える｡
大きくても0.2m/hを越えない｡

ーの平断面当りでは0.03m/hであるが,目視観察により求めたスラッジベッド部のガス上昇路でのガス流速はおお5)発生ガスによる勇断応力をスラッジベッドにかけよそ30‑loom/hであった｡最適なガスの上昇流速の把る｡

握も今後の重要な課題である｡
むす

スラッジのグラニエール化には発生したガスの上昇流による勢断応力が関与しており,
1)アクターのび酢酸,プロピオン酸を主成分とする合成原水を用い,塞平断面当り質,液及びガスの上昇流速等が嫌気性スラッジのグラニエール化に与える影響を検討した｡実験によって得られたグラニュ‑ル化を促進すると思われる条件を次に列挙する｡
1)乳酸または乳酸を含む物質をUASBリアクターに供給する｡

2)

0.03m/b前後の上昇流速のガスを発生させるような有機物負荷をかける｡〔参考文献〕
1) Satoshi F止uzaki(1991), p. 472

etal∴ ∫,Ferment.

Bioeng.,

Vol.

71,No.

62)

G.

Lettinga

etal∴

MahoneyetBiotechnol.

Bioeng.,Vol.

22(1980),

S°i. Tech,,Vol.

19(1987),p.699

乳酸負荷は0.03kg/kg･d程度とし,他の有機炭素源とともにUASBリアクターに供給する｡

3)

Caを添加する｡

4

Caはグラニエール形成初期にはグラニュール化

46

0.01kg/kg･d前後の負荷となE.

M.

al. : Wat.

p.249

)種市尚仁ほか:土木学会第40回年次学術講演会講演概要集(1985), p. 993

神鋼パンテツク技報

Vol.

37 No.

2(1998/7)