環 境工学 研究論文 集 ・第29巻 ・1992 (Proc. of Environmental Engineering Research, Vol, 29, 1992)

(8)高 効率回転生物接触装置による下水処理に関する研究―硝化と病原性指標微生物の除去―

STUDIES ON MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT BY AN UPGRADED ROTATING BIOLOGICAL

CONTACTOR

-Nitrification and removal of pathogenic microorganisms indicators-

方 斗連*・ 渡辺 義 公*

Du-Yeon Bang*, Yoshimasa WATANABE*

ABSTRACT; Experiments on an upgraded RBC were conducted to investigate its removal

efficiencies of NH4-N, coliform group and coliphage in the municipal wastewater treatment.

A bench scale RBC, made of stainless mesh media with 5 mm high surface protrusions,was fed with

settled municipal wastewater tontaining 13-25 mg/l of NH4-N and 40-75 mg/l of TOC at the

hydraulic loading of 89 l/m2/d and 60 l/m2/d.

It was found that the nitrification effectively occurred at bulk liquid TOC concentration of

less than 10 mg/l . The coliform group and coliphage were effectively adsorbed to the

biofilm surface. The removal efficiency of coliform group and coliphage were more than 98%

and 90%,respectively.

KEYWORDS; Upgraded rotating biological contactor,municipal wastewater treatment,nitrification,

coliform group,coliphage,adsorption.

1.は じ め に

今後 の わ が 国の下 水 道 整 備が 地方 へ と移 行 し、 しか も処 理 水 の レベ ル ア ップ も要求 され る趨勢 の中 で小

規 模下 水 道 に適 した高 効 率 の下 水処 理 装 置 の開 発 が急 務 であ る。 宮 崎 大学 衛 生 工学 研 究室 で は、 これ まで

長 年 にわ た り維 持管 理 が 容 易で 省 エネ型 の下 水 処理 法 で あ る回転 生 物接 触 法(以 下 、RBCと 略 記)に 関 す る

研 究 を行 い 、 その研 究 成 果 を応 用 して高 効率RBCを 開発 した1,2,3,4)。 このRBCで は 、接 触 体 の軽 量化 と強

固 な生 物膜 を速 や か に形 成 させ るた め に ステ ンレ ス網 を接 触 体 と し、 溶 解性 基 質 の生 物膜 へ の移動 を促 進

す るた め に接 触 体表 面 に高 さ5mm程 度 の突 起 を付 け生物 膜近 傍 に渦 を発 生 させ 、剥離 生 物膜 を迅 速 に分 離 し

そ の微細 化 を防 止す るた め に接 触 槽底 部 を一 部 開 口 して沈 殿 槽 を付 設 した。既 往 の研 究 に よ り、本RBCを3

な い し4段 直列 に配 置 す れ ば、20℃ 以 上 の水 温 で は100 l/m2/d程 度 の水 量 負 荷 に おい て処 理 水 のSSとTOCは

10mg/9程 度 とな り、100%近 い硝 化 率 を達 成 で き る ことを 明か に した。

本 論 文 は上 述 の高 効 率RBCに よ る都 市下 水 処理 実 験 の結 果 を以 下 の2点 に つ いて ま と めた もので あ る。

(1)下 水 処 理水 の水 道 原水 へ の影 響 を 考慮 して 、下水 処 理工 程 にお け る硝 化 の必 要性 が 認識 され て い る。既

報3)で は、本RBCを 都 市下 水 処理 に適 用 した 場 合、 夏季 にお い て は運転 開 始後3週 間程 度 で硝 酸 型 の硝 化 が

活 発 化 し、有 機物 と ア ンモ ニ ア性 窒 素 の 同時 酸化 を 高効 率 に達 成 した こ とを報 告 した。本 論 文 で は 、本RBCに

*宮 崎大学 工学部 土木環境工学科

(Department of Civil and Environmental Engineering, Miyazaki University)

―67―

よる都市下水処理における硝化過程に及ぼす有機物酸化の影響について解析する。

(2)最近、処理水の衛生学的安全性、特にウイルスに対する安全性が重要視され大腸菌ファージを指標とし

た研究が活発に行われ、RBCの病原性細菌の除去能力についても報告5)さ れている。本RBCは剥離生物膜を

接触槽内で分離 し沈殿槽に貯留する構造となっているので、通常のRBCプ ロセスとは異なる病原性微生物の

除去特性を持っと考えられる。本論文では高効率RBC処 理水の衛生学的安全性を検討するために、病原性の

指標微生物としての大腸菌群と大腸菌ファージの挙動についても報告する。

2.実 験 装 置 と実 験 方法

2.1実 験 装 置

本実 験 に用 いた 装 置 の概 要 を写 真-1、 図

-1と 図-2に 示 す 。RBCは3段 直 列型 で 構

成 されて お り、 接 触 体 の直 径 は30cm、 接 触

体 と して 用 い た ステ ン レス網 は30メッシュ線 径

0.25mmで あ る。 接触 槽1槽 当 り容 量 は11l

で あ る。接 触 体 の両 面 には 図-2の よ うに

高 さ5mm、長 さ10cmの 微 細突 起 付 を 中心 か ら

放 射 状 に8枚 取 り付 けた 。1槽当 り接 触 体 の

枚 数 は14枚 、1槽 当 り接 触体 の総表 面 積 は

1.98m2で 浸 積 率 は40%で あ る。液量 面 積比

は5.6l/m2、 接 触 槽下 部 に容 積20lの

イムホフ型 沈殿 槽 を付 設 し、 接触 槽 内 に浮 遊 す

る剥 離 生物 膜 を沈殿 分 離 で きる よ うに した。

Photo 1 Upgraded RBC

2.2 実験方法

実験装置を宮崎市木花下水処理場

内のプレハブ実験室に設置し、原水

として最初沈殿池の流出水を供給し

た。表-1に 実験期間中における流

入原水の水質を示す。

Table 1.Composition of influent wastewater

Fig. 1 Upgraded RBC

Fig.2 Characteristics of media

―68―

実 験期 間 は1991年9月-1992年2月 まで で あ る。接 触 体 の回 転速 度 は9rpm、 水温 調 節 は行 わ ず 自然 に設定

され た温 度 で(実 験 期 間 中 に お け る接 触槽 の水 温変 化 の範 囲 は9-22℃)、 水量 負 荷 は89l/m2/d, 60l/m2/d

(接触 槽 内 のHRTと して は1.5hr, 2.2hr)の 二 通 り と した 。実 験 方法 は温度 変 化 を 中心 に 、接 触 槽 内 の平 均水

温 が19℃ の期 間 に は凝 集剤 無 添 加 の条 件 で本 装 置 の処 理機 能 を検 討 して 、 凝 集 剤 は水 温 が15℃ 以下 に低下

した時 か らポ リ塩 化 アル ミニ ュ ウム(PAC)をAlと して5mg/lを 本 装 置 に直接 添 加 した。 水質 分 析 項 目中NH

4-N, NO3-NはIon-chromatography、TOCはShimadzu TOC-5000、p HはpH-meter、 大 腸 菌ファージ の分 析 はE.

Coli K12(F+)A/λ を宿 主 菌 と して二 層 寒 天法5)に よ ってplaqueを 形 成 させて その濃 度 を測 定 した。 その 他

の 分析 は下 水 試験 方 法 に よ って分 析 した。

3.実 験 結 果 と考 察

3.1本 装 置 の処 理 機 能

水 理学 的 負 荷 が89l/m2/d、

接 触槽 内 の平 均 水 温 が19℃

の条 件 にお い て実験 した結

果 を用 い て、 硝 化過 程 に及

ぼす 有 機物 濃 度 の影 響 につ

いて 検 討 した 。図-3はRBC

流 入 水 と処 理 水 の三 態 窒素

の経 日変化 を示 した もの で

あ る.図-3か ら分 か る よ う

にNH4-Nは ほ とん どがNO3-N

へ と酸 化 され た。 この 時 の

処 理水 のDOは5-7mg/l、BOD

は5-8mg/lで あ った 。

図-4は 各段 の 液本 体NH4-N

濃 度 とNH4-N除 去Fluxの 関

係 で あ る。RBC1段 で は有 機

物 の酸 化 が活 発 で 他 栄養 細

菌 を主 体 とす る生物 膜 が付

着 して い た た め、NH4-N

除 去Fluxは 非 常 に低 か った 。

RBC2段 で は 、硝 化菌 と他栄

養 細 菌 が混 在 す る生 物 膜 が

形 成 され たた めNH4-Nの 酸

化 も活発 で あ った。RBC2段

でNH4-N濃 度 の増 加 に伴 っ

てNH4-N除 去Fluxが 減 少 し

て い るの は、NH4-N濃 度 が高

い 場 合 は有機 物 濃 度 も高 く

有 機物 の 酸化 が活 発 で硝 化

が抑 制 され た た め と考 え ら

Fig.3 Concentration variation of inorganic nitrogens

Fig. 4 Relationship between NH4-Nremoval

flux and bulk NH4-N concentration

―69―

れ る。RBC3段 で は有 機 物濃 度 はTOCで7mg/l程 度 で硝 化 が抑 制 され る状 況 で はな っか た が 、NH4-Nの 生 物 膜

へ の移 動 が硝 化 過程 を律速 し、液 本 体NH4-N濃 度 に関 す る1次 反 応 とな って い る。この過 程 は式-1に よ って表

現 で き る。

(1)

こ こ で 、Fm=浸 漬 生 物 膜 表 面 積 基 準 のNH4-N除 去Flux(g/m2/d)

Dm=NH4-N分 子 拡 散 係 数(水 温20℃ で は 、2cm2/d)

Ld=拡 散 層 厚(m)

Cb=液 本 体NH4-N濃 度(g/m3)

浸 漬 率40%と して、 図-4のNH4-Nの 移 動 律速 とな って い る3段 目の デー タ(□)の 回 帰 直線 の勾配 か ら拡

散 層 厚(Ld)を 式-1か ら推 定 す る と約4×10-5m(40μm)と な り、渡辺 らが 既 報1)で 報告 した 値 とほぼ 一

致 した 。 この値 は表 面 突起 が 無 い場 合 の1/2と な って お り、突 起 によ る攪拌 効 果 が確 認 され た。 この時RBC

各 段 の生 物 膜 の外 観 は、1段 のmediaで は表面 に糸状 菌 が 多 く、 生 物膜 底層 部 に は厚 い他栄 養 性 細 菌 を主 体

にす る灰 白色 の生 物 膜 が存 在 した。2段 のmediaで は硝 化 菌 を主 体 にす る濃 い黒 褐色 の強 固 な生 物膜 が 存 在

した 。3段で は2段 と同 じよ うな膜 が 薄 く存在 した

図-5に 液 本 体TOC濃 度 とTOC除 去Fluxの 関 係 を

示 す.液 本体TOC濃 度 が増 加す る に伴 ってTOC除

去Fluxも 増 加 し、データに ば らつ きが あ る もの は

液 本 体TOC濃 度 が25mg/l以 下 で は有 機 物酸 化

過 程 が生 物 膜 へ の有 機物 移 動過 程 に律速 され て

い る こと、及 び処理 水 のTOC濃 度 の最 低値 は6mg

/l程 度 で あ った こと も分 か る。

図-6にTOCの 濃度 がNH4-N除 去 に及 ぼす 影響 を

示 す 。 液本 体TOC濃 度 が増 加す る とNH4-N除 去

Fluxは 減 少 し、液 本 体TOC濃 度 が大 略10mg/l以

下 にな る と活 発 なNH4-N除 去 が 行 われ た。

3.1.2病 原 性 指 標微 生 物 の挙 動

最 近 、水 資 源 の確 保 と関 連 して処 理 水 の再利 用

問 題 につ いて 関心 が 高 ま って い る。 再利 用 の た

め には衛 生学 的 に安 全 な処 理水 が要求 され る の

で 、 下水 の生 物処 理 や高 度 処理 に おけ る化学 物

質 の 除去 と同 時 に病 原性 微 生物 の除 去 に も注 目

しな け れ ばな らな い。細 菌 学 的安 全性 を満足 し

て い る各 種 の 用水 か ら ウイ ル スが時 々検 出 され

て い る.処 理 水 の再利 用 面 か ら考 え る と、ウイルスが

水 質 評価 の重要 な基 準 に な るた め、水 処 理 の各

processに お け る ウイルスの挙 動 も注 目 しなけ れ ば

な らない 。本 研 究 で は病 原 性細 菌 の指 標 で あ る

Fig.5 Relationship between TOC removal flux

and bulk TOC concentration

Fig.6 Relationship between NH-N removal flux

and bulk TOC concentration

―70―

大 腸 菌群 及 び 環境 水 域 中 に広 く分 布 して お り測定 が 容易 な大腸 菌 フ ァー ジ(ウ イル ス の指 標 とな り得 る)

6)が、本RBCに よ る処 理 工 程 に お いて どれ だ け除 去 され て行 くか につ い て検 討 す る。

Fig.7 Daily concentration variation of

coliform group, SS, turbidity and

NH4-N for influent of the RBCFig.8 Coliform group removal

efficiency in the RBC

process

図-7にRBC流 入 水(最 初 沈殿 池 流 出水)

中 の大 腸 菌 群 数及 びSS濃 度、濁 度 、NH4-N

濃 度 の変動 を示 す。RBC流 入 水 中 に は大

体105-106MPN/ml程 度 の大腸 菌群 が 含

まれ て お り、 そ の数 の変 動 は 濁 度 の変

動 と強 い相 関 が あ った 。

図-8に 本RBCの 大 腸 菌群 除去 能 力 を示

す。 他 栄 養細 菌 が ほ とん どで付 着 生 物膜

量 が一 番 多 い(60gTS/m2程 度)1段 で90%

程 度 除 去 され た。2段(付 着 生 物膜 量40g

TS/m2程 度),3段(付 着生 物 膜量10g

TS/m2程 度)で の除去 を加 え る と 本RBC

に お け る大腸 菌群 の 除去 率 は98%以 上 と

な った。 しか し残 存 してい る大 腸 菌群 数

は下 水 処 理水 の放 流基 準 値 の3000MPN/

鶏2を 上 回 って い る時 も多 く、何 らか の殺

菌操 作 が 必要 で あ る。図-9にRBC流 入 水

と処 理 水 に お け る大 腸 菌 ファージ 濃 度 の変

動 を濁 度 、NH4-N濃 度 、TOC濃度 の変 動 と併

せ て示 す.

Fig.9 Daily concentration variation

of TOC, turbidity, NH4-N and

coliphage

―71―

RBC流 入 水 の大 腸 菌

フ ァー ジ濃 度 は大

体4000-12000PFU/

ml程 度 で あ り、流

入 水 の濁度 やTOC

濃 度 が 高 い時 は大

腸 菌 ファージ 濃 度 も

高 か った。RBC処理

工 程 に よ って は大

腸 菌ファージ は約90%

除 去 され て い る。

宿 主 菌 によ り検 出

され る フ ァー ジの

種 類 も異 な るが 、

本 実験 で は宿主 菌

と してE.Coli K12

(F+)A/λ だ けを 使

用 した。 実験 時 の

RBC処 理 水質 はTOC

が6-10mg/l、 濁 度

は平均 で6度 、NH4-

Nは1.5mg/l以 下

で あ った 。

Fig.10 Distribution of free and adsorbed coliphages

in the RBC process

Fig.11 Concentration of coliphages and total

solids in RBC

図-10にRBC処 理

工 程 にお け る大 腸

菌 ファージ の存 在 形

態 を示 す 。 こ こで

Free phagesは 試

料 を3500rpm, 4℃

で20分 間遠 心 分 離

した上澄 み水 を0.

45μmの メ ンブ レン

フ ィル タ ーで ろ過 したろ水 中の フ ァー ジで、Absorbed phargesは 遠心 分 離 した沈 殿物 と フ ィル タ ーに残 っ

た固 形物 をpH9.5に 調 整 した3%牛 肉 エ キ スで30分 間誘 出 した試 料 中 の フ ァー ジで あ る。SSの 生 物膜 へ の 吸着

除 去能 力 が 高 い本RBCで はSSに 付 着 して存在 して い た大腸 菌 ファージ もほ とん ど除去 され た。 剥 離生 物 膜 が沈

殿 槽 に分 離 され る際 に ファージ も一 緒 に分 離 され る ので、沈 殿 槽 の汚 泥 量 が多 い1段 の 沈殿 槽 で は大 腸 菌 フ ァ

ー ジは100%汚 泥 に付 着 され た形 態 で 存在 した。3段目の接 触 体 に は硝 化 菌 を主 体 とす る薄 い生 物 膜 が形 成 さ

れ生 物 膜 の 剥 離速 度 は極 めて低 か った ので 、3段目の沈 殿 槽 の汚 泥量 は1段 目 の10%程 度 と少 な か った の

で、汚泥 に吸 着 された 形態 で存 在 した大腸 菌 フ ァー ジの割 合 が低 か った。

図-11に はRBC各 段 の接 触 体 と沈 殿 槽 にお けるTotal solidsと 乾 燥汚 泥g当 り大腸 菌 ファージ濃度 との関 係

を示 す 。汚 泥 中 の フ ァー ジの分 析 法 は以下 の よ うで あ る。 生 物膜 の場 合 は、一 定 面 積 の生 物 膜片 を2つ 掻

き取 り、1つ はTSの 測 定 に使 用 しも う1つ は牛 肉 エキ スで誘 出 しフ ァー ジ濃 度 の測 定 に使 用 し、 その 結 果

―72―

か ら19のTS当 た りの フ ァー ジ濃 度 を算 出 した。沈 殿 槽 の汚 泥 は遠 心 分離 し上 澄 み水 の フ ァー ジは直 接 測定

し、 沈殿 物 は牛 肉 エ キ スで誘 出 して フ ァー ジ濃度 を測 定 した 。沈 殿 槽 の汚 泥 は 実験 を20日 継 続 した後 排 出

して 諸特 性 を 測定 した 。各 単 位 接触 体 表面 積 当 た りのTS濃 度 が一 番 高 いRBC1段 で は、単 位 汚 泥重 量 当 た り

の大 腸 菌 ファージ の濃 度 も一 番 高 か った 。生 物 膜 の表 面 に吸 着 された ファージ は原 生動 物 等 に捕 食 され た り、生

物 膜 の剥 離 と沈降 分 離 に よ り沈 殿汚 泥 に移 行 す る。

下 部 の沈 殿 槽 の大 腸 菌 ファージ の濃 度 はTS濃 度 が一 番高 いRBC1段 が2,3段 よ り低 い濃 度 を示 した 。

これ は表-2の 沈 殿 槽 の水 質(汚 泥 を破 砕 しな いま ま濾過 した 濾 液 の分析data)を 参考 す る と、汚 泥 か ら有機

Table 2 Analyzed data of coliphages,TS, VS, and water quality

in each media and settling tank

Table 3 Experimental results for coliphages and water quality

of the RBC with and without PAC addition (5111V2 as Al)

―73―

物,NH4-NとPO3-4が 溶 出す る嫌 気性 状態 であ った ため大 腸 菌 ファージ の不 活化 が 進 行 した た め と考 え られ る。

Eisenhardtら7)は 汚 泥 の嫌 気 性 消化 プ ロセ スに お いて ウイル スが 不 活化 され る ことを確 認 した。 ウ イル ス

の不 活化 はRNAの 不活 化 によ る と して い るが 、不活 化 の 原因 につ い て は明 かで はな い。RBC1段 の 沈殿 槽 の 汚

泥 を常 温 で12日 間 貯 蔵 した 後大 腸 菌 ファージ の濃度 を分 析 した結 果 、 フ ァー ジ不 活 化率 は58髭で あ った 。本 研

究 で は、 生物 膜 への 吸着 、 接触 槽 内 で の沈殿 、原 生動 物 によ る補 食 な ど によ り水 中 か らフ ァー ジが取 り除

か れ る こ とを フ ァー ジの除 去 と し、沈 殿 槽 の嫌 気 的環 境 で フ ァー ジが減 少 した こ とを フ ァー ジの 不活 化 と

した。

大腸 菌 フ ァー ジの 除 去率 を上 げ るた め に、接 触 槽 に直接 凝集 剤(ポ リ塩 化 アルミニュウム、PAC)をAl濃 度 と して5

mg/l添 加 す る実 験 を 行 った。 そ の実 験結 果 を表-3に 示 す 。

凝集 剤 を 添加 した 実験II、IIIの 場 合 に は、TOC及 び濁度 の除 去率 が 増加 し、 凝集 剤 無添 加 の 実験1の 場 合 に

は ほ とん ど除 去 され なか ったPO3-4が80%除 去 され た。 流入 水 の フ ァー ジ濃度 は水温 の 影 響 を あ ま り うけな

か った。大 腸 菌 ファージ の除 去 を見 る と、凝 集剤 無 添 加 の実 験1の 場 合 の大 腸 菌ファージ の 除 去率 は90%程 度 で あ

ったが 、 凝集 剤 を添加 した 実験II、IIIの 場 合 に は フ ァー ジの除 去 率 は97%に 増 加 した 。 これ は、SSに 付 着

せず に存在 した フ ァー ジが凝 集 剤 に被 覆 され 生 物膜 に吸着 され 易 くな った ため と考 え られ る。

4. お わ りに

本 研究 で は,宮 崎大 学 工 学部 衛 生 工学 研究 室 で 開 発 した 高効 率 回 転生 物 接触 ・沈殿 装 置 を都 市 下 水処 理 に

適 用 した場 合 の 、 硝 化機 能 及 び大 腸 菌群 と大 腸 菌 フ ァー ジの除 去能 力 に つ い ての実 験 結 果 につ いて報 告 し

た。 水量 負 荷89l/m2/d(BOD負 荷10g/m2/d)程 度 の負 荷 条 件 にお いて 水 温 が15℃ 以 上 で あ れ ば、 硝化 作 用

は有 機物 の酸 化 が活 発 な1段 目で はほ とん ど生 じな か った もの の、2段 目で は酸 素 律速 状 態 で、3段 目で は

NH4-N律 速状 態 で 極 め て活 発 で あ った。

上 述 の操 作条 件 にお いて 、生 物 膜 へ の吸着 作 用 に よ り大腸 菌群 と大 腸 菌 フ ァー ジの除 去率 は それ ぞ れ98%

以 上 、90%以 上 を期 待 で き る ことが分 か った。 生物 膜 へ 吸着 され た フ ァー ジは生 物膜 の剥離 と沈 殿分 離 によ

り沈 殿 槽 へ と移 行 した。凝 集 剤 と してAlを5mg/lて い ど接 触 槽 に 直接 添加 す れ ば 、大 腸 菌 フ ァ ー ジの除去

率 を97%程 度 に増 加 す る。

謝 辞

本実験における宿主菌を提供いただいた東京大学都市工学科大垣眞一郎教授に厚くお礼を申し上げます。

参考文献

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No. 276, 1987

2) 渡 辺 義 公 、西 留 清; 物 質移 動 モ デル に基 ず く回 転 円板 の合理 的 設計 、下 水道 協 会誌 、Vol. 26,

No. 301, 1989

3) 渡 辺 義 公 、伊 藤 正樹; 高効 率 回 転生 物膜 接 触装 置 の処 理 機 能 浄 化 槽研 究Vol. 2, No. 1, 1990

4) Y. Watanabe, et al.; Removal of Soluble and particulate Organic Material in Municipal

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Specialist Group Conference on Coagulation(CFFSF), Sept., 1992

5) M.Sagy and Y.Kott; Efficiency of RBC in removing pathogenic bacteria from domestic

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6) 大 垣 眞 一郎, 他; 生 活環 境 水 系 中 に存在 す る大腸 菌 フ ァー ジの定 量 、浄 化 槽研 究 、Vol. 1, No.1,

1989

7) A.Eisenhardt, et. al; The effect of sludge digestion on virus infectivity, Water Research,

Vol. 11, No5. pp. 579-581, 1977

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