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技術開発

JS技術開発情報メールNo.103

 

 

日本下水道事業団(JS)

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       2010・6・3

    JS技術開発情報メール No.103

━━━━━━━━━━━━━━━━━◆◇◆JS技術開発部

 

(目次)

◆トピックス

 <答申されたアナモックス技術の紹介>

 <平成22年度調査概要(固有研究)その2>

◇完了テーマの紹介(固有研究)

 <ライフサイクルコスト削減を目的とした技術に関する調査>

◆要語集9

 <発熱特性>

◇下水道よもやま話

 <滑り続けたら>

◆技術のポイント(部長コーナー)

 <下水汚泥はなくせるか?(1)>

 

 

 

 

━━☆★ トピックス ★☆━━

 

☆答申されたアナモックス技術の紹介★

 

平成22年3月29日に「アナモックス反応を利用した窒素除去技術の技術評価」が答申されました(答申の詳細は4月号[メルマガ101号]をご覧下さい)。ここでは、今回技術評価が答申された「アナモックス反応を利用した窒素除去技術」(以下では「アナモックスプロセス」と言います)の概要をご紹介します。

 

1.アナモックスプロセスとは?

「アナモックス(Anammox)」は、1990年代にオランダで新規に発見された微生物による窒素変換反応で、「anaerobic ammonium oxidation(嫌気性アンモニア酸化)」の頭文字を取ったものです。アナモックス反応では、「アナモックス細菌」と呼ばれる特殊な細菌の働きにより、酸素が存在しない嫌気条件下で、アンモニア性窒素(NH4+-N)と亜硝酸性窒素(NO2--N)が窒素ガス(N2)へ変換されます(下式参照)。

 

1NH4++1.32NO2−+0.066HCO3−+0.13H+→1.02N2+0.26N03−+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

 

排水中に含まれる窒素は、主にNH4+-Nや有機性窒素であることから、アナモックスプロセスでは、排水中のNH4+-Nの約半量をNO2--Nに変換する「部分亜硝酸化工程」と残りのNH4+-Nと変換されたNO2--Nから更にN2へ変換する「アナモックス工程」を組み合わせています。なお、部分亜硝酸化工程では、従来の硝化・脱窒法と同じ硝化反応を利用しますが、通常は硝酸性窒素(NO3--N)まで酸化が進む硝化反応を途中で止めてNO2--Nを生成させています。

 

2.アナモックスプロセスの特徴

アナモックスプロセスは、従来の生物学的窒素除去技術である硝化・脱窒法と比べて、次のような特徴があります。

* 硝化反応、アナモックス反応ともに、有機物を必要としない独立栄養型反応であるため、有機物を添加する必要が無い。

* 部分亜硝酸化工程では、NH4+-Nの約半量をNO2--Nに酸化すればよいため、必要酸素量が少ない。

* 硝化細菌やアナモックス細菌は、反応量当りの増殖量が少ないため、汚泥発生量が少ない。

 

3.アナモックスプロセスの適用対象

アナモックスプロセスは、従来技術と比べて上述したような特徴を有することや、アナモックス細菌の増殖に適した水温が約40℃と比較的高いことなどから、@窒素組成が有機性窒素やアンモニア性窒素である(硝酸性窒素でない)、A窒素濃度に対して有機物濃度が小さい、B水温が高いなどの特徴を持つ排水への適用が有利と考えられます。そこで、下水道事業では、このような特徴を有する嫌気性消化汚泥脱水ろ液を対象とした個別処理での窒素除去への適用が検討されています。

 

今後、バイオマスエネルギーの回収を目的とした嫌気性消化プロセスの導入促進や、すでに嫌気性消化プロセスを導入している下水処理場での処理水質の高度化などにおいて、アナモックスプロセスの貢献が期待されます。

 

(総括主任研究員 橋本敏一)

 

 

 

 

 

☆ 平成22年度調査概要(固有研究)その2 ★

 

今回は、固有研究のうち継続2テーマについて、これまでの成果を交えて紹介します。

 

1.バイオテクノロジーを活用した次世代型水処理プロセスの開発(継続)

 

本テーマは、微生物の自己造粒物(グラニュール)を利用した新たな省スペース・省エネルギー型の下水処理技術を開発しようとするもので、平成20年度から平成22年度の予定で研究を実施しています。微生物の自己造粒物とは、微生物自身の凝集作用を促進させ、フロック径を大きくしたものです。

 

グラニュールを用いた処理プロセスは、従来の活性汚泥法を中心とした水処理技術と比べて省エネルギー効果が期待できますが、実績が少ない都市下水への適用には不明な点があります。

 

グラニュールを用いた処理プロセスには、好気条件下で行うものと嫌気条件下で行うものとがあり、このテーマの中では、好気性自己造粒プロセスを対象に、戸田と真岡で実験を行いながら、都市下水への適用性等を明らかにするため調査を進めています。なお、関連して嫌気性自己造粒プロセスを鞄月ナと共同研究を実施中(真岡で実験中)です。

 

これまでの研究の結果、好気性自己造粒プロセスについて、通常の流入下水に対してはグラニュールの維持に課題が多いことが分かってきました。

 

最終年度にあたる今年度は、返流水等での適用性を実験により確認し、最適条件時における処理性能を明らかにしていく予定です。

 

 

 

2.下水道における新しいエネルギー転換・回収技術の開発(継続)

 

本テーマでは、水素発酵や生物電池などの全く新しいエネルギー転換・回収技術の下水道への適用について調査するもので、平成21年度から平成23年度の予定で実施中のものです。

 

水素発酵は廃棄物系バイオマスから直接水素を生産する技術です。燃料電池の普及に伴い化石燃料の代替エネルギーとして水素が有望視されており、注目を集めている技術です。また、生物電池は、有機物の持つ化学エネルギーを微生物の酵素による触媒作用で電気エネルギーに変換する技術であり、近年、様々な分野で研究開発が進んでいます。

 

平成21年度は、戸田の実験室内で下水汚泥を用いた水素発酵、生物電池の基本特性を把握するための予備的実験を行ないました。その結果、水素発酵は、下水汚泥のような複合基質では極めて限定的な条件でしか期待できず、水素の回収という視点では難しいことが分かってきました。

 

しかし、汚泥が低分子化し後段のメタン発酵の効率化が期待できることから水素発酵の活用方法について、さらに検討を加えることとしています。生物電池は、いくつかあるタイプのうち「生物水素電池」が実用化に近いことが分かり、引き続き実験を継続し条件を変えながら基礎データの収集を行う予定にしています。

 

        (技術開発課長 川島 正)

 

 

 

 

━━☆★ 完了テーマの紹介 ★☆━━

 

<ライフサイクルコスト削減を目的とした技術に関する調査>

 

本調査は、下水道のコンクリート施設の耐久性を向上させることによる、ライフサイクルコスト(生涯費用=施設の設計、築造から寿命に達するまでの、運転、維持費用を含む総計)の削減を目指し、平成17から21年度までの5年間で実施しました。硫酸腐食対策として用いられる被覆樹脂の長期の劣化機構の調査や、共同研究により開発したコンクリート劣化防止技術としての耐硫酸モルタル防食工法の評価等を行いました。

 

防食被覆樹脂は材料によって硫酸の浸入しやすさが異なりますが、コンクリート表面に形成した樹脂皮膜を硫酸が透過し最終的にコンクリート面に達するとコンクリートの腐食が始まってしまうため、硫酸が皮膜の深さ方向へ浸入しにくい材料ほど優秀といえます。

 

調査では、実際に防食被覆に使用されている各種被覆樹脂をプレート状の試験片に加工し、最長約5年間、硫化水素・硫酸腐食環境の腐食促進試験機内で曝露試験を行いました。曝露後の試験片の表面分析により、硫酸の浸入深さは最大でも5年間で10μm未満であることが判り、材料としての被覆材の耐久性に問題がないことが確認できました。

 

また、比較的硫酸の浸入が速い配合のエポキシ樹脂からなる試験体を用いた硫酸浸漬による腐食促進試験を行い、FT-IR(フーリエ変換型赤外分光光度計)による分析で、被覆材試料内に浸入した硫酸が化学的な変化を起こしていないこと等を明らかにしました。

 

耐硫酸モルタル防食工法に関しては、共同研究の過程で開発した耐硫酸モルタルの腐食促進試験等を行い、最終的に実環境での耐久性能を確認するための試験施工を数箇所の下水道施設において実施しました。共同研究期間中から終了後にかけて、本調査の一環として、この試験施工箇所の追跡調査を行いました。

 

普通モルタルの5倍程度の耐久性を持つ5倍モルタルについては、平成15年度に試験施工を行ってから6年間の、同10倍モルタルについては、平成20年度に試験施工を行ってから1年後の追跡調査をそれぞれ行いました。

 

いずれの試験施工箇所においても、施工を施した耐硫酸モルタル面の腐食等の兆候はみられず、施工時点からほとんど劣化の見られない良好な状態を保っていることが確認できました。これら耐硫酸モルタルの試験施工箇所については、平成22年度以降も新しい研究テーマのもとで追跡調査を継続する予定です。

 

            (技術開発課 佐々木稔)

 

 

 

 

 

 

━━☆★ 要語集 9 ★☆━━

 

<発熱特性>

 

※PDFで全文が添付されています。

 

燃料を取り扱う場合、運搬・貯蔵時における発熱特性(発熱・発火・爆発・発酵等)を適切に把握・評価し、安全な取扱いをすることが重要かつ必須となります。下水汚泥のエネルギー利用方法として注目されている下水汚泥固形燃料においても、事業化に当たり発熱特性を把握・評価し、必要に応じ安全対策を講ずる必要があります。

 

下水汚泥固形燃料(炭化)の発熱要因は、主に酸化反応による自己発熱であることが判明しており、燃料表面の芳香族に結合したメチレン基、アルキル基が空気中の酸素と酸化反応を起こし、水素が引き抜かれることで発熱します。この反応は100℃以下の低温域でも反応は進行し、燃料温度が高温になるほど発熱量が大きくなるため、放熱しづらい条件で燃料を貯蔵している場合は急激に燃料温度が上昇し、発火に至る危険性があります。

 

下水汚泥固形燃料(炭化)を取り扱う場合の安全対策として、燃料の造粒や薬品注入による固形燃料そのものの発熱を抑制する方法、窒素パージや貯留槽の密閉により酸化反応を抑制する方法、放熱しやすい貯留槽の構造にする方法が想定され、発熱特性の評価結果を踏まえた検討が必要となります。

 

また、下水汚泥固形燃料(炭化)は性状変動に伴いその発熱特性も変動するため、燃料温度の監視、温度上昇時の緊急散水・排出の設置など、緊急時対策も考慮する必要があります。

 

         (技術開発部 M田知幸)

 

 

 

 

━━☆★ 下水道よもやま話 ★☆━━

 

<滑り続けたら>

 

ちょっと前になりましたが、バンクーバー五輪フィギュアの浅田選手やキム選手の躍動する姿に感動しました。私は、40年以上前のごく短期間でしたがスケート教室に通っていました。少しだけ滑れた記憶があります。

 

もし、私がスケートを継続していたら進歩したかもしれませんが、著しく上達できたとは決して思えません。浅田選手らは、平衡感覚、跳躍力等の天賦の才を持っています。何よりも凄いことは、長時間の厳しく質の高い練習を幼少のころから途切れることなく続けていることです。

 

手前味噌ですが、下水道事業団も頑張っています。固くて丈夫なコンクリートが溶けていく非常識な現象に気付いて以来、今日まで硫酸によるコンクリート腐食の総合的な対策に長年取り組んでいます。最近では共同研究によって耐硫酸モルタルを世に出しています。

 

ところで、先月にフィギュアのルール変更が発表されました。高難度のジャンプを得意とする選手に追い風となる基礎点の規定改正です。リスクが高くとも4回転に挑む選手は増えるのでは?

 

下水道でも、変化が求められています。思いがけない場所での腐食発生や、短期間で中性化、炭酸化が進行している事例への対応です。現在、これらのコンクリートの腐食、劣化の調査に挑んでいます。浅田選手の如く、志高くジャンプし、滑らかに調査を進め、華麗に成果を発表する凛々しい姿を思い描いています。でも、体形に無理が・・・

 

        (総括主任研究員 佐野勝実)

 

 

 

 

 

 

━━☆★技術のポイント(部長コーナー) ★☆━━

 

<−下水汚泥はなくせるか?(1)−>

 

キーワード:

下水汚泥、水処理、小規模処理場、OD法、余剰汚泥の減

量化、エネルギー消費、地球温暖化対策

 

今回は、「下水汚泥はなくせるか?」というトピックについて、JS技術開発部が小規模処理場をターゲットに実施してきた水処理方法の調査研究から学んだことを中心に、『技術のポイント』を紹介したいと思います。

 

水処理の各工程から発生する下水汚泥(バイオソリッド)の取り扱いは、下水道事業の永遠の課題であり、@汚泥の最終処分(埋立て処分、海洋処分)から、A(緑農地用や建設資材−有効利用−を含む)汚泥処分、B汚泥利用、C(エネルギー利用を含む)汚泥有効利用と、変遷してきました。

 

汚泥処理は、「水処理に伴って発生した汚泥に、濃縮、消化、脱水、乾燥、焼却、溶融などの処理を加える」もので、「汚泥中の有機物を無機物に変える安定化、病原菌のない状態にする安全化、処理処分対象量を少なくする減量化及び汚泥の有効利用」をするための処理です。

 

従来は、埋立て、緑農地利用、建設資材利用という「汚泥処分」のために、エネルギーを使って、汚泥を安定化、安全化、減量化するのが汚泥処理でしたが、現在は、低炭素社会の構築、循環型社会の形成に向けて、省エネ化とともに、創エネとなる消化ガス発電や固形燃料化などのエネルギー利用を含む「下水汚泥の有効利用」を図る汚泥処理が求められています。

 

「下水汚泥をなくす」ためには、濃縮、脱水による水分制御を始めとして、消化による有機物のガス化・可溶化や、燃焼、溶融による有機物の燃焼などが必要となります。

 

一方、小規模処理場では、できるだけ維持管理の手間を少なくするため、最初沈殿池がない低負荷型の活性汚泥法で、最初沈殿池汚泥が無く、余剰汚泥の発生量が少ないオキシデーションディッチ法(OD法)、回分式活性汚泥法(回分法)、長時間エアレーション法(長時間法)が幅広く採用され、通常、汚泥処理として、濃縮(省略可)、脱水が採用されています。

 

これらの処理方法と、中大規模処理場で採用されている標準活性汚泥法の除去SS当たり汚泥発生率(%)を比べると、計画負荷が流入した場合には、次のようになります。

 

    標準活性汚泥法(最初沈殿池あり)  100%

    OD法、回分法、長時間法      75%

 

オキシデーションディッチ法の評価に関する第3次報告書―OD法の運転管理法及び高度処理化―(平成12年5月)によると、「OD法を採用している処理場全体では、除去SS量当たりの汚泥発生量の平均は約69%であり、流入水量が小さく、SRTが長いほど汚泥発生量が小さい傾向がみられた。

 

ちなみに、流入率が50%以上の処理場の平均汚泥発生率は約73%であった。また、汚泥発生率には水温との関係が認められ、水温が低下するほど大きくなる傾向がみられた。」という設計値とほぼ同様な実態が明らかになっていますが、調査対象とした132処理場のうち、汚泥発生量が25%以下のものが4箇所、125%以上のものが5箇所あり、流入負荷の高低とエアレーション時間(好気時間)の設定による好気的な生物処理の程度(エネルギー消費量の大小やASRT―好気的固形物滞留時間―の設定)により、余剰汚泥の発生量は大幅に変化します。

 

また、回分式活性汚泥法の評価に関する第2次報告書(昭和63年5月)によると、ASRTを90日に設定したパイロットプラントの実験で、除去SS当たりの汚泥転換率が30%程度に低下しています。

 

すなわち、低負荷型の活性汚泥法においては、消費エネルギーを増やすことにより、除去SS当たり汚泥発生率(余剰汚泥の発生率)を30%程度までは低減できますが、「下水汚泥をなくす」ことはできません。

 

また、OD法の余剰汚泥量のさらなる減量化を目的として開発された「オゾンによる汚泥減量化技術」の特徴については、「汚泥減量化の技術評価に関する報告書」(平成17年4月)にまとめられています。

 

この技術は、活性汚泥の一部をオゾンの酸化作用を用いて処理することで汚泥の分解性を高め、それを再び反応タンクに戻すことで汚泥中の有機物を速やかに酸化分解し、余剰汚泥量を削減させるものです。この技術では、汚泥減量化率100%(定常的な汚泥引抜を必要としない状態)を上限に任意に汚泥減量化率を設定することができますが、

 

● 処理水CODが上昇

● 汚泥減量化率100%では、処理水T-P濃度は流入下水と同程度

● 流入下水中の重金属を含む無機物は、処理水中に溶解するか、処理水SS中に含有されて公共用水域へ放流される

● 汚泥減量化設備や付帯設備の追加、水処理施設及び設備の拡大(増強)が必要となるほか、汚泥の可溶化処理及び可溶化汚泥を好気的酸化するのにエネルギーを要する

 

ため、経済的、環境的側面から他の技術と比較検討を行う必要があります。

 

その他、活性汚泥法ではなく従来の接触酸化法を改良した余剰汚泥減量化事例としてJSと帝人(株)による共同研究「エネルギー消費抑制型下水処理技術の開発―余剰汚泥レス/微細気泡曝気による省エネ生物処理装置の開発―」(平成20年度〜平成22年度)があります。

 

接触酸化法では、活性汚泥法と異なり微生物が担持体に付着しているため、SRTが長くなりますが、この研究では、リーフレット(文末にURL掲載)にあるように、接触酸化法の特長を最大限活かすため、HRT18時間の反応タンク(最終沈殿池は無し)を12槽に区切り、各槽に表面積が180m2/m3−槽容積 以上となる特殊繊維を板状に配置して、80%以上の余剰汚泥の発生量削減(残りの余剰汚泥は処理水中残留のSS)を見込んでいます。

 

小規模処理場で採用されてきた接触酸化法(最初沈殿池あり)の除去SS量当たりの汚泥発生率は93%とされていますが、この技術では、従来の接触酸化法より、反応タンクを多段化し、HRTを長くすることにより、食物連鎖の高次化に伴う大幅な余剰汚泥減量化が期待できます。

 

以上、小規模処理場で採用されている水処理方法を中心に、水処理過程(好気処理)での余剰汚泥の減量化について説明しました。技術的には、水処理過程で余剰汚泥を100%減量化することも可能ですが、消費エネルギーの増大、水処理施設及び設備の増強、処理水CODの上昇などに留意する必要があります。

 

低炭素社会の構築、循環型社会の形成に向けて、下水道事業でも省エネ化、創エネ化が求められています。「下水汚泥をなくす」ために水処理工程だけを考えるのではなく、下水汚泥を炭素やりんなどの資源・エネルギー源と考えて、汚泥処理工程で、資源利用とエネルギー利用を図りながら、最小のエネルギー消費で「下水汚泥をできるだけなくす」という視点が不可欠です。そのためには、小規模処理場も含めて、水処理方法の設計・運転管理手法の見直し、再体系化が必要です。

 

※リーフレット

http://www.jswa.go.jp/gikai5/leaflet/123.pdf

 

 

     (技術開発部長 中沢均)

     

     

     

 

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