2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K12240
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高橋 正宏 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80355932)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 資源回収 / カリウム / 好塩古細菌 / 生物濃縮 / ゼオライト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，下水処理水からカリウムをゼオライト吸着塔を用いて吸着し，高濃度NaClで吸着塔より脱着したカリウムを好塩古細菌による生物濃縮で回収する資源回収システムの確立を行うものである．下水汚泥を好塩古細菌増殖の基質とするなど，経済的に成立するシステムとすることが目標である．本年度は、実下水処理場の高度処理水（硝化＋砂ろ過）を容量5Lのゼオライト吸着塔に通水し、下水中のカリウムを選択的に吸着、脱着できることを確認した。また、好塩古細菌の連続培養系を構築し、カリウムの安定した生物濃縮を確認するとともに、異なる水温での動力学定数を求め、好塩古細菌の増殖に与える水温の影響や、各水温での最適HRTを求めた。連続培養系の運転により得られた結果は以下の通り。
①ゼオライトからのカリウム脱離液を想定した2.7M NaCl溶液に、濃縮した余剰活性汚泥を12時間浸漬することにより、好塩古細菌の基質として利用可能な溶解性BODを得ることができた。
②上記①で得た基質にカリウムとマグネシウムを添加した培養液を用い、好塩古細菌をケモスタット反応器で培養したところ、多少の微生物学的コンタミネーションはあったが、カリウムを菌体VS当たり6～8%に濃縮することができた。
③各水温における好塩古細菌の動力学的パラメータは、最大比増殖速度μm（38℃）=0.033[hr-1], μm（20℃）=0.030[hr-1]、基質親和定数KS（38℃）=2.11[g/L], KS（20℃）=2.90[g/L]、菌体収率YX/S（38℃）=0.145[g-VS/g-BOD], YX/S（20℃）=0.138[g-VS/g-BOD]、最適HRT(38℃）＝2.52日、最適HRT(20℃）＝3.62日であった。
④菌体の強熱残留物中のK/Na重量比は10程度であり、培養液中のK/Na、0.034に比べ290倍の濃縮率であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画においては、①好塩古細菌の回分培養により、下水汚泥を用いた基質による好塩古細菌の増殖が可能であるかの確認、②実際の下水処理場に設置したゼオライト吸着塔より回収したカリウム濃縮液は、アンモニア等の陽イオンも共存するため、それを用いて好塩古細菌がカリウムを選択的に濃縮するかの確認、③ゼオライト吸着塔の建設費、維持管理費を最小にするための最適運転条件の確認、④下水汚泥を基質として用いることにより、汚泥中の他の好塩微生物の芽胞等が混入する恐れがあるため、微生物学的コンタミネーションによるカリウム濃縮への影響の確認、を行うこととしていた。しかし、回分培養では好塩古細菌の増殖特性を的確に評価することが困難であるため、次年度以降に予定していた連続培養を前倒しし、①の確認を行うとともに、水温の影響や好塩古細菌の動力学定数を評価することができた。また④についても現在のところ影響は見られないことが明らかとなった。一方、回分培養系を連続培養系に切り替えたことにより、下水処理場に設置したゼオライト吸着塔より得られるカリウムでは量的に不足が生じ、汚泥由来基質にカリウム試薬（KCl）を添加した培養液を用いた実験に切り替えざるを得なかった。
ゼオライト吸着塔より得られるカリウム濃縮液は、アンモニア、カルシウムなどの他の陽イオン濃度がカリウム濃度と比較し明らかに低かったため、カリウム試薬の使用は大きな影響がなかったと考える。
ゼオライト吸着塔の最適運転に関しては、実際の下水処理場で得られる高度処理水の流量等、現場の条件が想定と異なっていたため、次年度、実下水処理場での運転に再挑戦する。
一方、連続培養系の運転では、曝気による発泡が激しいこと、汚泥由来の酸化鉄が連続培養系の反応タンク内に蓄積することなど、実用化に向けた課題が明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究で、安価な下水汚泥を好塩古細菌の基質として利用できること、汚泥由来の基質であってもカリウム濃縮能は保たれること等の基礎的な結果を得ることができた。今後は実用化に向けた課題の解決に重点を置くものとする。
一つ目の課題は好塩古細菌の菌体を固液分離する手法である。ケモスタット型の反応器では菌体が分散し、菌体回収のために遠心分離機を使用せざるを得なかった。重力沈殿で菌体を回収するためには、凝集性の高い菌株を選択できる反応装置を用いる必要がある。今後は、ケモスタット型反応器に替えて、連続式回分反応器（SBR)などを用いた培養を行い、菌体の重力分離を行う。
次の課題はカリウム回収効率の向上である。菌体の強熱残留物中の陽イオンのほとんどはカリウムが占めており、菌体カリウム含有率をこれ以上高めることは難しいと考えられる。一方、ケモスタット実験では、菌体収率YX/S（38℃）=0.145[g-VS/g-BOD], 基質親和定数KS（38℃）=2.11[g-BOD/L]を得ているが、基質の有機物のかなりの部分が同化されずに液中に残留している。基質中の有機物が効率的に利用されるなら、菌体生成量を大幅に増加させることが可能である。SBRを用いることにより水理学的滞留時間HRTと固形物滞留時間SRTを独立に制御できるため、菌体生成量の増加に向けた運転条件を明らかにしていく予定である。
また、ゼオライト吸着塔の最適運転条件とゼオライトの吸着、脱着能の評価を行う。ゼオライト吸着塔は砂ろ過施設と同様の構造をしており、建設費が比較的高価になることが予想される。このため、可能な限りの高負荷運転を行い、施設をコンパクトにまとめることが望ましく、吸着塔の構造や通水速度の検討が必要である。更に、ゼオライトの吸着、脱着能がどの程度持続するのかを、長期間運転で確認する必要がある。
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Research Products
(3 results)
