Development of decentralized and autonomous sewage treatment process in South India

• Project/Area Number: 21KK0086
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 中村 一穂 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30323934)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 武田 穣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (40247507) ; 和久井 健司 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 技術職員 (50914628)
• Project Period (FY): 2021-10-07 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000); Fiscal Year 2026: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2025: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 浄化槽 / 水処理 / バイオリアクター / 南インド / 汚水処理

Outline of Research at the Start

途上国で求められる分散型・完全自立型の汚水(し尿、生活雑排水)処理技術の開発を目的とし、浄化槽（分散型汚水処理プロセス）を、新規酸素溶解デバイスによる省エネルギー化（エネルギーの自立）、および微生物動態に基づくAIアルゴリズムによる運転（維持管理の自立）により、完全自立型とするための基礎的な研究・開発を行う。まず、南インドにおける汚水・バイオマスの特性と生物処理特性の調査をVITと共同で行い、技術ニーズを明確にし、新規酸素溶解デバイス、AIを活用したDO制御および維持管理アルゴリズムを用いたプロトタイプリアクターの開発を行い、南インドにおいて自然エネルギーを利用した実証試験を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本国際共同研究は、主に発展途上国における水処理ニーズに応える分散型・完全自律型の汚水（し尿・生活雑排水）処理技術の開発を目的として、日本の独自技術である浄化槽（分散型汚水処理プロセス）を、新規酸素溶解デバイスによる省エネルギー化（エネルギーの自立）、および微生物動態に基づくAIアルゴリズムによる運転（維持管理の自立）により、自立型とするための基礎的な研究・開発を計画した。共同研究先は、南インド・ベロールのVIT (Vellore Institute of Technology) Prof.Maheshの研究グループである。検討項目は、（１）南インドにおける汚水・バイオマス（し尿、生活排水、バイオマス、量など）の特性と生物処理特性（分解特性ほか）の調査、（２）プロセスのエネルギー解析と省エネルギー型の酸素溶解デバイスの開発、（３）AIを活用したリアクターの特性の解析とDO制御および維持管理アルゴリズムの開発、（４）南インドにおける自然エネルギーを利用したプロトタイプリアクターを利用した実証実験である。1年目に基礎的な検討を日本インドで並行して開始し、2年目に南インドにおける基質（汚れ成分ほか）、生物の挙動を把握するための現地の典型的な処理設備（ベロール近郊、バンガロール近郊の計4か所以上）についてその性能の調査を行った。2、３年目からは、現地に設置するバイオリアクターの設計を設置の準備を開始し、VITのVelloreキャンパス内へのリアクターの導入工事を開始した。この間に、リアクターへのセンサーの設置、クラウドを利用したインド、日本におけるデータモニタリングシステムの開発、日本においてはラボレベルのプロトタイプリアクターによる計測制御実験を進めた。４年目までに、VIT(Vellore Campus内)にバイオリアクターの設置を完了し、基礎的なデータ収集を開始した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

4年目は、3年目までの研究成果（現地に水質調査）、ラボ（日本におけるデータモニタリングシステムの設計と開発）による基礎試験に基づき、VITのVelloreキャンパス内に設置するバイオリアクターの設計を行い、設置を完了した。設置したバイオリアクターでの試運転を兼ねたデータ収集を開始しており、研究計画は順調に進展した。日本におけるラボ検討および現地設置リアクターでのデータ習得状況から、モニタリング項目の詳細について検討を開始し、次年度以降の検討項目であるITを利用したインド、日本でのデータ解析の段階への準備まで進展させることができた。

Strategy for Future Research Activity

VITキャンパスに設置されたバイオリアクターの運転データのモニタリング項目（pH, DO, 温度流量、曝気量、消費電力ほか）について検討を進め、ITを用いたデータ収集システムを完成させる。得られたデータについてインドおよび日本で解析を進める。さらに、太陽光発電パネルを用いた場合を想定した運転シミュレーションについて検討を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Vellore Institute of Technology/Panjab University(インド)
• [Int'l Joint Research] Vellore Institute of Technology(インド)
• [Int'l Joint Research] Vellore Institute of Technology(インド)
• [Journal Article] Closing the loop on biohydrogen production: A critical review on the post-fermentation broth management techniques (2024)
  • Author(s): Tiwari Aditya、Nakamura Kazuho
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy Volume: 81 Pages: 595-614
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.07.307
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Operating Conditions on Properties of Fouling and Energy Consumption in Membrane Bioreactor with Backwashing (2024)
  • Author(s): Kaur Gagandeep、Nakamura Kazuho、Ogawa Kentaro、Sinha Aritro、Wakui Kenji
  • Journal Title: MEMBRANE Volume: 49 Issue: 5 Pages: 273-281
  • DOI: 10.5360/membrane.49.273
  • ISSN: 0385-1036, 1884-6440
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Pore Size and Surface Modification on the Alumina Microfiltration Membrane Fouling in MBR with Backwashing (2024)
  • Author(s): Kaur Gagandeep、Nakamura Kazuho、Ogawa Kentaro、Wakui Kenji
  • Journal Title: Journal of Chemical Engineering of Japan Volume: 57 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1080/00219592.2024.2409218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improving Hydrogen Fermentation Performance by Co-Culturing <i>Clostridium perfringens</i> with <i>Megasphaera elsdenii</i> (2023)
  • Author(s): Atsushi Hongo, Kazuho Nakamura, Yuto Ohkoshi, Riki Hikosaka, Kenji Wakui, Shigeharu Tanisho
  • Journal Title: Journal of Environmental Biotechnology Volume: 23 Issue: 1 Pages: 63-68
  • DOI: 10.50963/jenvbio.23.1_63
  • ISSN: 1347-1856, 2436-5041
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Monitoring of MBR fouling properties by filtration resistance and zeta potential measured for both filtration and backwashing directions (2023)
  • Author(s): Gagandeep Kaur, Kazuho Nakamura, Kentaro Ogawa, Kenji Wakui
  • Journal Title: Journal of Membrane Science Volume: 675 Pages: 121550-121550
  • DOI: 10.1016/j.memsci.2023.121550
  • Peer Reviewed
• [Presentation] pH hysteresis of Zeta potential and Electro viscosity in Alumina Porous Membrane (2024)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: ELKIN 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrokinetic Phenomena in MBR with Alumina Porous Membrane (2024)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: ICEAN2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゼータ電位を利用した膜ろ過ファウリングの理解、モニタリング、制御 (2024)
  • Author(s): 中村一穂
  • Organizer: 化学工学会第55回秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 固液分離の視点から考える晶析 (2024)
  • Author(s): 中村一穂
  • Organizer: APPI第1回湿式プロセス・晶析合同分科会
  • Invited
• [Presentation] Electrokinetic Phenomena in Alumina Porous Membrane and its Application (2024)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: International Conference on Catalysis for Clean Energy Technologies and Sustainable Development
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrokinetic properties of microporous alumina membrane over a wide range of electrical conductivity and pH (2023)
  • Author(s): Sohail Farooq, Wakasa Manami, Nakamura Kazuho, Wakui Kenji
  • Organizer: ICOM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of novel fouling indexes for inline monitoring of Membrane Bioreactor (2023)
  • Author(s): G. Kaur, K. Ogawa, K. Nakamura, W. Kenji
  • Organizer: ICOM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Developing fouling monitoring techniques for membrane bioreactor operation (2023)
  • Author(s): Gagandeep KAUR, Kazuho Nakamura, Kentaro Ogawa, Kenji Wakui
  • Organizer: ICSST23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of membrane filtration technologies in MBR and ZLD for water recycling (2023)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: Indo-Japan Training Program on Research Collaboration
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Basic Concept of Balance Model for Understanding Global Water Issues and Development of Counter Technologies (2023)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: Fostering Soft Skills for Achieving SDGs: Bridging the Human and Technology Elements
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ZLD Process with Energy Recovery using Freeze Concentration and Reverse Electrodialysis (2023)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: Techonoscape2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Basic Concept of Balance Model for 2050 World (2023)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: Y20 Consultation PU G20 Youth International Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Zero Liquid Discharge Process with Energy Recovery for Sustainable Water Usage (2022)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: YNU International Symposium 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ZLD process with energy recovery using freeze concentration & reverse electrodialysis (2022)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: Chemicon 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Pore Size Monitoring System of Fouled MF/UF Membrane Using Electrokinetic Phenomena (2022)
  • Author(s): Kazuho Nakamura
  • Organizer: 13th World Filtration Congress 2022年10月 American Filtration and Separation Society