2022 Fiscal Year Annual Research Report

Energy and resource recovery from wastewater by two-stage membrane process

Research Project

Project/Area Number	22H01622
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	飛野智宏東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90624916)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山村寛中央大学, 理工学部, 教授 (40515334) 中島典之東京大学, 環境安全研究センター, 教授 (30292890)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	膜分離活性汚泥法 / 凝集 / 嫌気性消化 / エネルギー回収 / リン回収
Outline of Annual Research Achievements	下水中に含まれるエネルギー・資源の回収と処理水質の確保を高次元で両立させるためのコンパクトな下水処理プロセスとして、凝集剤投入型の膜分離バイオリアクター（凝集MBR）と嫌気性消化MBRを組み合わせた二段膜プロセスを提案し、その概念実証と機構解明を目的として、それぞれのプロセスの検討を進めた。実下水に高分子凝集剤を添加して直接ろ過を行った結果、凝集剤の添加により下水中の有機物回収量を微増させることが可能であることが確認された。一方で、凝集剤注入量が過多の場合は凝集剤がろ液側に漏出したことから、有機物回収量を最大化するための最適注入量の存在が明らかとなった。10種類の異なる凝集剤を用いて凝集剤自身が引き起こすろ過膜の目詰まりへの影響を評価した結果、凝集剤の分子量や荷電量の違いが膜目詰まりに影響を及ぼすことが明らかとなった。高分子凝集剤を添加後の活性汚泥を用いたろ過試験の結果、凝集剤の添加により高フラックス条件での膜目詰まりを大幅に抑制できる可能性が示された。また、下水中のリンは高分子凝集剤を添加しても汚泥に移行することなくろ液側に残存させることが可能であることが明らかとなった。嫌気性消化MBRでは、余剰汚泥を基質として有機物負荷を一定に保ちながらHRTを15日から0.5日まで段階的に短縮した。HRTの短縮に伴い消化槽外へと流出する二酸化炭素の割合が増加し、消化ガス中のメタン濃度が上昇した。HRT1日以下でメタン濃度95%の高品質消化ガスを回収可能であることが明らかになった。一方で、HRT1日以下ではメタン発生量が減少し、未反応有機物の消化槽外への流出を阻止する必要があることが示唆された。また、HRT1日以下で嫌気性消化MBRを安定運転するためには膜目詰まりの抑制が課題となることが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 凝集剤の添加による有機物回収、膜目詰まりおよびリンの挙動への影響をほぼ当初計画通り検討できた。嫌気性消化MBRについても、HRTの短縮による消化ガス中メタンの高濃度化が可能であることを実証した。
Strategy for Future Research Activity	凝集剤のどのような特性が有機物回収率および膜目詰まりに影響するのかを明らかとするための試験を進める。同時に、準連続試験を行うことで、連続運転条件での凝集剤添加の影響についての検討を進める。嫌気性消化MBRでは、HRT1日以下における未反応有機物の消化槽外への流出と膜目詰まりを同時に抑制するための試験を行う。微生物活性剤を用いて消化槽での反応を促進し、メタン発生量の増加と膜目詰まり原因物質の低減を目指す。嫌気性消化MBRの連続運転に先立ち、バッチ実験により適正な活性剤添加量を決定する。