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研究者に聞く!!

Interview

珠坪一晃の写真
珠坪一晃
水土壌圏環境研究領域 水環境質研究室 主任研究員

 地域環境の保全に密接に結びつく有機性排水の処理は、私どもにとって最も身近な問題のひとつです。排水処理に利用される微生物の可能性に興味を引かれて研究を始めた水環境質研究室の珠坪一晃(しゅつぼ・かずあき)さんは、新たな発想で、低濃度/低・常温の有機性排水に対する画期的処理法を確立しており、今回はその成果をお聞きしました。

「省」エネ+「創」エネで排水処理技術の新たな道を拓く

活性汚泥法や嫌気性排水処理法の欠点を補う新しい有機性排水処理技術の確立

  • Q: 珠坪さんが開発した有機性排水の処理技術は現在、各方面から高い評価を得ています。その内容を説明していただく前にまず、排水処理技術の現状と研究に着手された着眼点からお話しください。
    珠坪: 生活排水や産業排水として排出される有機性排水の処理は、私どもの生活環境に直接影響するだけに非常に重要です。法規制の強化等により排水処理のインフラ整備と技術革新は大きく進展してきましたが、そのポイントは処理水質の確保と再生水・汚泥の再資源化などにあります。自治体の下水処理センターや事業所単位の処理施設も整備され、排水処理能力は大きく向上しています。そのなかで現在は活性汚泥法と呼ばれる好気性の微生物を利用して有機物を分解させる生物処理法が有機性排水処理の主流となっているのです。
  • Q: 有機物の分解促進に曝気処理を行う方法ですね。
    珠坪: 活性汚泥法は1912年ころにイギリス等で実用化され、処理水質や安定性に優れるため我が国の水環境保全にも大きく寄与してきました。近年では余剰汚泥を利用して、メタン発酵による消化ガスの回収、汚泥の溶融・結晶化による建設資材(スラグ)の製造など、廃棄物を有効利用しようという気運が高まっています。
    しかしこの方法は好気性の微生物をつかうため、排水に空気(酸素)を溶かし込むための曝気処理が必要であり、また水処理の過程で余剰汚泥が大量に発生するなどの問題点が以前から指摘されてきました。いいかえれば曝気処理の動力や、余剰汚泥の処分に多くのエネルギーを消費することが解決すべき課題となっています。
  • Q: それでは化石燃料の使用に伴うCO2の発生量も多く、低炭素社会の流れに沿うことができません。
    珠坪: 国内では現在、産業排水が年間120億トン、生活排水(都市排水)が同じく160億トンにものぼり、その量は琵琶湖の貯水量にほぼ匹敵します。これらの有機性排水処理の曝気動力等につかわれる電力は国内総電力消費量の約1.5%程度になっており、発生する余剰汚泥は有機系産業廃棄物の40%と膨大なものです。活性汚泥法のネックのひとつは余剰汚泥を大量に発生することであり、汚泥を再処理するためのエネルギー投下とコストも無視できません。結果、CO2発生量も産業排水、生活排水合わせて年間800~1500万トンになり、その削減が急務です。
  • Q: 大きなエネルギー負担ですね。
    珠坪: その通りです。そこで私どもは活性汚泥法の代替技術は何かと考えたときに、消費エネルギーや余剰汚泥の発生量が削減でき、メタンガス等のエネルギー回収が可能な嫌気性微生物利用の処理システムに着目したのです。
  • Q: 嫌気性ということは、曝気処理も不要になります。
    珠坪: 嫌気性排水処理はメタン発酵法ともいわれ、最終生成物として回収したメタンは、天然ガスの主成分であるので燃料としても利用することができます。おっしゃる通り曝気動力も不要で、汚泥の発生も少ないのが特長です。すでに生ごみ等の有機性廃棄物や高濃度の産業排水の処理には、嫌気性処理技術(35~55℃で処理)が適用され、資源循環処理が実現されつつあります。

     ところが問題なのは、処理対象の有機性排水の有機物濃度の指標であるCODが“2~10g/L”と高濃度でなければならず、有機物の分解を担うメタン生成細菌の活性を維持するために30~35℃に加熱して処理する必要があることなのです。CODが“0.3~1.0g/L”と低く、常温(10~25℃)で排出される生活排水などには適用が困難でした。低濃度・低温では嫌気性微生物が不活性化する、というのが大きな要因だったのです。
  • Q: 曝気動力が不要」「余剰汚泥の発生量が少ない」「メタン(エネルギー)回収が効率よく行える」などの多くの利点を持つ嫌気性排水処理ですが、適用範囲が限定されていた---。
    珠坪: このことが研究開発のポイントを定めるきっかけとなり、出発点になりました。それならば嫌気性排水処理(メタン発酵)の適用範囲、すなわち水温の下限と有機濃度の下限を大幅に拡大すればいいのではないか、と。低温または常温の低濃度有機性排水を加温せずに処理できるメタン発酵処理技術の開発を目指したのです。従来の活性汚泥法や嫌気性排水処理法の欠点を補う新しい有機性排水処理技術の確立です。

微生物のもつ可能性に興味を引かれたのが原点

  • Q:発想の転換であり拡大ですね。そのような発想を生み出す原点はどこにあったのですか。
    珠坪:  私は、もともと土木工学の出身で、排水処理の知識はあまりありませんでした。卒業研究のテーマを選ぶときに、微生物を利用する排水処理技術を研究していた先生(大学の先輩)から技術の概要を聞き、微生物のもつ可能性に興味を引かれたのが原点ですね。ハードの積み重ねの土木と比べて排水処理は生物を扱うことからソフト的な要素が強く、未知の部分があります。進学に際しても、水処理研究で先進的な大学院を選び、卒業後も大学の助手を勤めた後、環境プラントメーカーなどで、石油汚染土壌のバイオレメディエーション(微生物による汚染浄化)や、廃棄物のメタン発酵処理に関する研究をしていました。
  • Q:2003年に国立環境研究所に入所されています。
    珠坪:  長期的な観点で水処理技術の研究を進めたいと考え国立環境研究所に入所しました。先ほどからお話ししている、「低濃度の有機性排水を加温せずに処理できる無加温メタン発酵処理技術」の開発は、国立環境研究所に入所してから本格的に取り組むことになりました。ちょうど若手研究者を対象としたNEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の研究助成金を得て、それから2005年までの3年間、低濃度の産業排水を加温せずにメタン発酵処理をする研究を続けたのです。最終年度には開発成果に対して高い評価をいただき、その評価に基づいて研究期間が2008年まで3年間延長されました。2006年からは、所内の競争的資金(特別研究)やナショナルプロジェクト等の大型予算を獲得し、民間企業等と共同研究を行うなどにより実用的な研究に移っています。足取りをたどってみると、当研究所を含め約20年間にわたって微生物を利用した水処理技術の研究に携わっていることになります。

「グラニュール汚泥床法」の開発でブレークスルー 低濃度有機性排水の無加温メタン発酵技術を確立

写真2点 左:グラニュール汚泥 有機物の分解とメタン生成を担う 右:酢酸を利用してメタンを生成するMethanosaeta属細菌
  • Q: それでは研究開発のプロセスと成果を具体的にお聞きしたいとおもいます。
    珠坪:  2004年に、メタン生成細菌をグラニュール状生物膜に集積させ、長時間保持するための装置およびその運転法の開発を行いました。グラニュールとは顆粒という意味ですが、グラニュール状生物膜とは嫌気性の微生物(細菌)で構成される直径数ミリの顆粒状に生長した膜状物質をいいます。1粒に何兆個という微生物が集積しています。嫌気性のメタン生成細菌は好気性細菌に比べて増殖が遅いことが知られていますが、それだけに各顆粒に付着・集積した嫌気性のメタン生成細菌をうまく増殖させ、コントロールするのが「グラニュール汚泥床法」なのです。メタン生成細菌が有機性排水に流されることなく、装置内に集積して溶解性の有機物を分解し、メタンガスを発生させる機能を有しています。グラニュール汚泥床法の開発が、新たに有機性排水処理技術を確立するためのブレークスルーとなりました。適度な有機物負荷と運転期間中の優れた菌体保持機能の維持により、低水温(10~15℃)、低有機濃度(0.6~0.8gCOD/L)の排水処理を効率よく行えるようになったのです。微生物の不活性化を招く要因も特定して、従来、嫌気性排水処理技術のネックであった、処理水の水質確保も実現させています。発生するメタンガスも、バイオマス由来の有機物であることからカーボンニュートラルの性質を有しており、環境に優しいエネルギー源であるといえます。
  • Q: 研究成果を発表してすぐに、国際的にも高い評価を得ました。
    珠坪:  嫌気性排水処理に関する国際会議(Anaerobic Digestion 2007)において高い評価を得るとともに、第41回環境工学研究フォーラム自由投稿セッション賞(2005年)を受賞しました。
  • Q: メカニズムのポイントは微生物のコントロールにあるようですね。
    珠坪:  メタン発酵技術の発酵とは、有機物を微生物により分解させ、メタンガスという有価物を得ることにあります。有機物の分解とメタンの生成には、複数種の微生物が関わっていますが、なかでも増殖の遅いメタン生成細菌をいかにして上手く利用し制御するかがポイントになるのです。中温で管理しないと活性化しなかったメタン生成細菌が、生物膜状に増殖すると長時間装置内に滞留できるようになり、低温でも分解速度を維持するのです。細菌が滞留する“場所”をつくることで細菌の活性が維持できるという予感はありましたが、この着想が有効であると実証され、世界でも注目される技術として認知されたことは大きな喜びです。

     水処理研究の変遷のなかで、1990年代から分子生物学を用いた解析が行われ、汚染物質の分解に関わる微生物の分析は環境分野でも主流になりつつあります。日本はこうした微生物の有用性や機能についての情報収集に優れており、それをもとに微生物解析とその有効利用を進めたことで、水処理技術の開発は世界のトップクラスに位置しています。

従来法に比べて70%以上もの消費エネルギーを削減
無曝気、無加温で高速・高効率処理

写真2点 左:研究室で稼働するメタン発酵排水処理装置(リアクター) 右:鹿児島県の下水処理場に設置した実証試験のためのパイロットプラント
  • Q: ラボレベルの研究では、処理技術がさらに進化しているようです。
    珠坪:  ラボでは独自に設計した試作型の排水処理装置(リアクター)を用いて、さまざまな模擬産業排水の処理試験を行っています。最近では、装置の処理性能やメタンガスの回収性能、微生物の量や種類の変化などに関する基礎的な情報を収集し、従来法ではメタン生成細菌が不活性化してしまうほどの低有機物濃度、低温の有機性排水にも適用可能な運転方法(間欠処理水循環法)を開発することに成功し、複数の特許出願を行っています。今まで以上の低濃度排水(0.4gCOD/L)の高速(処理時間1~1.5時間)・高効率処理(COD除去率90%以上)を実現する道筋をつけました。

     具体的には、固形性の有機物の混入が少なく質が安定している産業排水の場合、この方法を使えば、活性汚泥法では従来10時間ほどかかっていた処理時間を2~3時間程度にまで短縮できます。設備のスペースも小さくてすみ、それだけ低コストに抑えられます。

     この技術は「低濃度有機性排水の無加温メタン発酵技術」としてすでに確立しており、次は実用化に向けたステップに入ります。現在、民間企業との共同研究で、実際に製糖排水の無加温条件(20℃)での処理性能の評価を行い、より効率的で安定的な運転方法の研究を継続しているところです。(ラボで稼働する排水処理装置については10ページのSummaryをご参照ください)
  • Q: 生活排水処理の実証プラントを建設し、性能評価試験も行っています。成果はいかがでしたか。
     珠坪:  NEDO助成のナショナルプロジェクトとして鹿児島県の下水処理場で行いました。生活排水は産業排水と異なり固形の有機物が多く含まれ、水量や水温の変動も大きいため、技術の適用評価を行うためには、下水処理場において実証試験を行う必要があったのです。水質の安定性や省エネルギーの効果(電力消費量の削減、余剰汚泥の削減)を調査しましたが、好気性排水処理法(活性汚泥法)と同等の処理水質を年間通して安定的に発揮でき、曝気動力を必要としないこと、余剰汚泥の発生を大幅に削減できたことから、従来法に比べて70%以上の消費エネルギー削減を実現しました。大きな成果です。(実証プラントについては11ページのSummaryをご参照ください)
  • Q: 本技術の有用性が確実に実証されています。今後の普及が楽しみですね。
    珠坪:  適用排水の種類が限定され、処理水質が悪いなどの理由で実用的な規模での導入が遅れていた嫌気性のメタン発酵排水処理技術ですが、本研究開発を通じて適用可能な排水の有機物濃度や温度の下限が大幅に拡大され、良好な処理水質も得られることが実証されています。都市排水だけでなく農村集落排水処理にも有効ですし、これまでの食品産業だけでなく、幅広い産業分野に拡大して、排水処理に当たって省エネならびにコストの削減をはかる企業、メタンなどバイオガスの有効利用技術開発を行う企業にも適用を広げていただきたいものです。資本投下を大きく掛けられない開発途上国の排水処理にも有効です。
  • Q: 最後に読者の方々へのメッセージがありましたらお話しください。
    珠坪:  私たちの日常生活や産業活動の結果、多量の排水が日夜にわたって排出されています。普段はあまり気に掛けることはないとおもいますが、これらの排水処理のためにたくさんのエネルギーが消費され、エネルギー使用にともない温室効果ガスが発生しています。

     水を無駄に使わない、汚さないなどの努力は個人個々でできることですし、そのような心掛けの積み重ねでエネルギーや温室効果ガスの削減もできるのです。

     この機会に、日ごろどのように水を使っているか、どのように使われているか、そして汚れた水がどのようにして浄化、処理されているか等について考え直すきっかけになっていただければ幸いです。

Note

  • ①好気性排水処理(活性汚泥法/曝気処理)
     酸素を利用して生育する微生物を利用して、水中の有機物を分解し、排水を浄化処理する技術の総称です。処理水質に優れていることから、活性汚泥法として多くの排水処理施設で利用されています。しかし、微生物の生育のために水中に酸素を送り込む曝気が必要なことから電力消費量が多いという欠点があり、好気性微生物は分解した有機物の40~50%を菌体合成に使うため余剰汚泥(余剰菌体)の発生量が多く、その処理・処分(焼却・埋立)に多大なエネルギー(費用)を要することが問題点としてあげられています。
  • ②嫌気性排水処理
     酸素の存在しない環境で生育する嫌気性微生物を利用して排水の浄化を図る技術の総称です。水中への酸素導入のためのエネルギーが不要で、余剰汚泥の発生量が少ない(好気性微生物の1/5~1/10程度)等の特長を有するため、省エネ型の排水処理法として期待されています。
  • ③有機物濃度COD
     CODはChemical Oxygen Demand(化学的酸素要求量)の略。排水や水環境(河川、湖沼など)の有機物等による汚れの度合いを示す指標。水質汚濁防止法に基づいて排水の下水放流が可能なCOD濃度についても基準が定められており、その値はおよそ0.6~0.8gCOD/L程度です。
  • ④メタン発酵のメカニズム
     酸素の存在しない嫌気条件下では、有機物は酸生成細菌群による作用を受け、低級脂肪酸(酢酸)と水素、炭酸ガスにまで分解されます。その後、酢酸および水素、炭酸ガスはメタン生成細菌によってエネルギーとしてのメタンガスにまで転換され、排水中から有機物が除去されます。これら一連の嫌気的な有機物分解・メタン生成反応をメタン発酵といいます。得られたメタンはエネルギーとして利用が可能なため、資源循環型の処理技術としても有効です。
  • ⑤メタンガス
     メタンは最も単純な構造の炭化水素で、1個の炭素原子に4個の水素原子が結合した分子です。メタン発酵では、廃棄物や排水に含まれるバイオマス由来の有機物がメタンとして回収できるため環境負荷の低いエネルギーといえます(右ページのバイオマス/カーボンニュートラルを参照)。無味無臭の気体で、都市ガス(燃料用のガス)などに使用されています。
  • ⑥メタン生成細菌
     メタンを生成することで生育エネルギーを得る嫌気性細菌をメタン生成細菌といいます。自然界の嫌気的条件に幅広く生息しており、特に湖沼底の堆積物、水田、哺乳類の消化管などに多く、地球上で放出されるメタンの大半を合成しています。分類上はすべての種が古細菌ユリアーキオータ門に属しており、起源は古いと推測されています。35~37℃の中温域、55~65℃の高温域での生育が活発で、増殖速度が好気性の微生物と比較して遅いことが特徴です。
  • ⑦バイオマス/カーボンニュートラル
     バイオマスは有機物であるため、燃焼させると二酸化炭素が排出されます。しかし、これに含まれる炭素は、バイオマスが成長過程で光合成により大気中から吸収した二酸化炭素に由来するため、バイオマスを燃焼しても全体としてみれば大気中の二酸化炭素量を増加させていないとされています。この性質をカーボンニュートラルと呼びます。

コラム

  • 「低濃度有機性排水処理システム」の研究開発の背景と目的
「低濃度有機性排水処理システム」の研究開発の背景と目的の図 (クリックで拡大画像がポップアップします)
  • メタン発酵の排水処理分野での利用拡大を目指して
メタン発酵の排水処理分野での利用拡大の図 (クリックで拡大画像がポップアップします)
  • 排水処理メタン発酵リアクター(グラニュール汚泥床)の構造とグラニュール汚泥
排水処理メタン発酵リアクター(グラニュール汚泥床)の構造とグラニュール汚泥の写真と図 (クリックで拡大画像がポップアップします)
 増殖の遅いメタン生成細菌を装置外に流出させず効率的に維持するため、沈降性に優れるグラニュール汚泥を利用しています。また、処理水の循環を行って汚泥床部での排水の流速を高く維持(約5m/h)することで、排水と嫌気性細菌との接触性とグラニュール汚泥からのバイオガスの分離性を向上させました。
  • 有機性排水の処理性能に関する開発技術と従来技術との比較
有機性排水の処理性能に関する開発技術と従来技術との比較の表
●嫌気性排水処理技術の適用下限を大幅に拡大。
従来の嫌気性排水処理では処理が困難であった低濃度有機性排水(0.3~1.0gCOD/L)を無加温条件下(10~25℃)でメタン発酵処理することが可能となりました。

●高効率処理を実現
生物膜の利用による排水処理時間の大幅短縮と、無曝気型の好気性処理法の組み合せにより、良好な処理水質の維持を実現しました。

●大幅に省エネ化
従来の好気性処理に比べ75%程度の省エネ化が期待できます。

有機物濃度(BOD)の表
●有機物濃度 BOD
BOD はBiochemical Oxygen Demand(生物化学的酸素要求量)の略で、好気性微生物によって分解される有機物量を微生物による酸素消費量(mg/L)として示したものです。排水処理後の処理水は、河川等に放流されるため、処理水の流入により河川水の酸素が消費され魚類等が死滅しないよう、処理水のBOD濃度の上限が水質汚濁法等によって定められています。