| 研究課題/領域番号 |
21H04569
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分22:土木工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
木村 克輝 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10292054)
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| 研究分担者 |
西村 紳一郎 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (00183898)
羽深 昭 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30735353)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
40,040千円 (直接経費: 30,800千円、間接経費: 9,240千円)
2024年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2023年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2021年度: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)
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| キーワード | 創エネ / 下水処理 / MBR / 有機物回収 / 膜ファウリング / 脱炭素 / 膜分離活性汚泥法 / 嫌気性消化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、普及が進まない高度下水処理技術（MBR）をこれまでとは全く違う発想で活用し、下水処理のあり方を一変させることを目指す。現在、下水処理は世界の電力消費量の数％を占めている。本研究が成功裏に進めば、下水処理は世界の電力消費量の数％相当を「創り出せる」ものになる。本研究ではMBRを特別な条件で運転し、下水中有機物の70-80％を嫌気性消化（エネルギー生産）で活用できるようにする（進化型MBRの確立）。予想されるMBR内膜目詰まり（ファウリング）の深刻化は、研究代表者が開発した省エネ型・ファウリングフリーMBRを転用・改良して解決する。
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| 研究実績の概要 |
本年度の研究ではまず、スポンジ担体を用いた極短HRTの生物膜処理を前段に導入し、流入下水中の溶存有機物を選択的に除去することで進化型MBRにおける膜ファウリングの抑制と処理水中の有機物濃度の低減を試みた。前処理を導入することで処理水中の有機物濃度は減少し、ろ過サイクル内のTMP上昇を抑制することが可能となった。一方で流入下水中の有機物分解が過度に進行したため、有機物回収率は前処理の導入に伴って減少する結果となった。
引き続き、2種類の担体（ポリエチレングリコール（PEG）製粒状担体、ポリウレタン（PU）製スポンジ担体）を用意し、それぞれの担体を投入した次世代型MBRの膜ファウリング特性について検討した。PU製スポンジ担体は非常に高い膜洗浄効果を発揮した。スポンジ担体を次世代型MBRに投入することで可逆ファウリングの発生は大幅に抑制され、10日間にわたって安定した運転が可能となった。次世代型MBRにおいて物理洗浄を高効率化する担体の選定において、最適化の余地が大きく残されていることが明示された。担体種類の変更に伴ってMBR汚泥懸濁液中微生物代謝産物の構成が変化し、膜ファウリング発生に影響を与えたことが示唆された。スポンジ担体を投入した次世代型MBRでは物理洗浄の効率化によって生じたケーキ層の消失に伴い、粒状担体を投入した場合と比べて不可逆ファウリングの進行が加速した。不可逆ファウリングの発生には下水中に含まれるコロイド鉄粒子が大きく関与することが示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
次世代型MBRの運転高効率化（膜ファウリングの発生抑制）については着実に前進しており、研究開始当初に比べると大幅な改善が達成できている。通常の好気MBRと比べて遜色のない膜透過水フラックスに設定した長期連続運転が視野に入っている。次世代型MBRの開発目的である下水からの有機物回収についても、既報告例以上の有機物回収率（70％以上）を達成できることを確認している。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度までに得られた結果に基づき、実下水を用いた次世代型MBRの長期連続運転を実施する。この際に得られる膜ファウリング原因物質の詳細分析を行い、従来のMBRの場合との比較検討を行う。次世代型MBRにより回収される濃縮有機物を用いた嫌気性消化実験に着手し、本研究で提案する下水からの有機物回収方法によって得ることのできるエネルギーの回収ポテンシャルを定量的に評価する。次世代型MBRによって得られる処理水の分析・評価についても着手する。有機物については、ほぼ完全に生物易分解性画分の除去を達成できることが視野に入っているが、栄養塩については除去を期待できない。次世代型MBRでは懸濁物フリーの処理水を得られるため、このことに着目した効率的栄養塩回収方法についての基礎検討を開始する。
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