地球インパクト低減のための水環境保全技術の開発

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本研究では、独立栄養細菌を利用した排水中の窒素の硝化・脱窒技術の開発を行った。まず、硝化菌付着担体として活性炭を用い、硝化工程に関する検討を行った。硝化速度に対するNH_4^+およびDO濃度の影響を調べたところ、懸濁系硝化反応では高濃度域まで0次反応と見なせたが、生物膜系では膜内への基質拡散のために濃度依存性が現れた。生物膜付着活性炭を充填したカラムを用いて連続操作を行ったところ、十分な硝化率を得るには流入水中のDOを高くする必要があった。一方、活性炭流動層による連続処理では高い硝化率が得られた。次に、脱窒工程に関する検討を行った。独立栄養硫黄酸化細菌の付着担体として製鋼スラッグ焼結体を用い、硫黄といっしょにカラムへ充填した。生物膜操作におけるNO_3^-の除去量あたりSO_4^<2->が1.1倍(モル比)生成した。また、懸濁系に較べると生物膜系では中性域よりややアルカリ側で速度が最大となった。脱窒速度はNO_3^-初濃度によらず一定であり、0次反応と考えられた。さらにカラム内の硫黄粒子量を変化させて速度の変化を調べたところ、脱窒量は硫黄粒子量の増加とともに一様に増加した。また硫黄粒子を充填した回転篭型容器の回転速度を変えて窒素除去率を求めたところ、回転速度とともに除去率は上昇し硫黄溶解過程が脱窒反応の律速段階であることが示唆された。連続処理装置として石灰石-硫黄粒子充填カラムを用いた脱窒操作を行った。入口濃度及びカラム滞留時間を変えて層内濃度分布を測定した結果直線的な濃度分布が得られ、脱窒反応が0次的に進むことが示された。通常は脱窒の進行にともないプロトンが放出されるため層内でpHが低下するのに対して、石灰石を併用することでアルカリ度の低下を抑え脱窒が促進された。硝化工程と脱窒工程を組合せた窒素除去システムでは、硝化を促進させるためにDOを高く保つことは脱窒段階にとって望ましくないため、DOを最適値に制御することが必要であった。