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Detailed characterization of biopolymers for unraveling mechanism of membrane fouling in membrane bioreactors

Research Project

Project/Area Number 22K20448
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0303:Civil engineering, social systems engineering, safety engineering, disaster prevention engineering, and related fields
Research InstitutionChuo University

Principal Investigator

Kakuda Takayuki  中央大学, 理工学部, 助教 (30963574)

Project Period (FY) 2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords下水処理 / 膜分離活性汚泥法 / 膜ファウリング / バイオポリマー / LC-OCD / 水晶振動子マイクロバランス / QCM
Outline of Research at the Start

MBRは下水処理の高度化を実現する技術であるが、膜ファウリングの制御が課題である。申請者はこれまでに下水処理場に設置したパイロットスケールMBRを連続運転し、MBR活性汚泥のファウリングポテンシャル(膜ファウリングの起こりやすさ)はバイオポリマーの槽内濃度と相関が強いことを実証した。本研究ではMBR槽内からバイオポリマーのみを選択的に回収・精製し、バイオポリマーのどのような質変化がファウリングポテンシャルを変動させているのかを明らかにする。さらに、水晶振動子マイクロバランス法(QCM法)を用いて、新規耐ファウリング膜の開発・製作に不可欠となる「ファウリングの起こりづらい」材質を提示する。

Outline of Final Research Achievements

Biopolymers (BP) are key players causing membrane fouling in membrane bioreactors (MBRs). In this study,BP with different characteristic were sucessfully isolated from a pilot-scale MBR treating municipal wastewater. It was suggested that BP with low molecular wight caued serious irreversible fouling. Affinity of BP to membrane materail detemined by quartz crystal microbalance (QCM) analysis was correlated with fouling rates in the MBR.Ceramic membranes might be useful for mitigation of membrane fouling caused by BP. Polysaccharids derived from bacterial cell wall were identified as critical components in BP.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では世界に先駆けて実都市下水を処理するパイロットスケールMBR槽内BPの詳細な特性を検討した。BPの諸特性変化とMBRにおける膜ファウリング発生の関係が明確に示された。また、BPによる深刻な膜ファウリングを回避するための膜材質として、セラミックが有用である可能性を見出した。細菌の細胞壁由来の多糖類はBPの重要な構成成分である可能性が高く、今後従来のBPモデル物質(アルギン酸ナトリウム)に代わる適切なモデルBPを提案できる可能性が示された。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Quantitative and qualitative variations of biopolymers in a pilot-scale membrane bioreactor treating municipal wastewater throughout 3 years of operation2023

    • Author(s)
      Kakuda Takayuki、Naito Rin、Suzuki Ayana、Hafuka Akira、Kimura Katsuki
    • Journal Title

      Journal of Environmental Management

      Volume: 328 Pages: 116863-116863

    • DOI

      10.1016/j.jenvman.2022.116863

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] EFFECT OF MEMBRANE PORE SIZE AND MATERIALS ON MEMBRANE FOULING IN MBRS2022

    • Author(s)
      NAKAMURA Takumi、KAKUDA Takayuki、HAFUKA Akira、ONO Masatsugu、KIMURA Katsuki
    • Journal Title

      Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. G (Environmental Research)

      Volume: 78 Issue: 7 Pages: III_135-III_142

    • DOI

      10.2208/jscejer.78.7_III_135

    • ISSN
      2185-6648
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 都市下水処理パイロットスケール MBR の長期運転における槽内バイオポリマーの量・質的変化2023

    • Author(s)
      角田 貴之, 内藤 りん, 鈴木 綾菜, 羽深 昭, 木村 克輝
    • Organizer
      第26回日本水環境学会シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Investigation of membrane fouling in a pilot-scale MBR treating municipal wastewater with focus on characteristics of isolated biopolymers2023

    • Author(s)
      Takayuki Kakuda, Rin Naito, Akira Hafuka, Hiroshi Yamamura, Katsuki Kimura
    • Organizer
      10th IWA Specialist Conference on Membrane Technology for Water and Wastewater Treatment
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MBRにおけるバイオポリマーの変化に着目した膜ファウリング発生機構の考察2023

    • Author(s)
      角田 貴之, 内藤 りん, 羽深 昭, 山村 寛, 木村 克輝
    • Organizer
      第57回日本水環境学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] MBRにおけバイオポリマーの変化と設定フラックスの影響に着目した膜ファウリング発生機構の考察2022

    • Author(s)
      角田 貴之, 内藤 りん, 羽深 昭, 山村 寛, 木村 克輝
    • Organizer
      第59回環境工学研究フォーラム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 膜の細孔径と材質がMBR膜ファウリング発生に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      中村 拓海, 角田 貴之, 羽深 昭, 小野将嗣, 木村 克輝
    • Organizer
      第59回環境工学研究フォーラム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 都市下水処理MBRから回収したバイオポリマーの膜ファウリング発生ポテンシャル2022

    • Author(s)
      角田 貴之, 鈴木 綾菜, 内藤 りん, 羽深 昭, 山村 寛, 木村 克輝
    • Organizer
      膜シンポジウム2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-09-01   Modified: 2025-01-30  

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