成果報告書詳細
管理番号20150000000062
タイトル平成22年度-24年度成果報告書 最先端PG(Mega-ton Water System) 資源生産型革新的下水統合膜処理システム 資源回収型多機能膜処理システム(BMBR)の機能解析と最適システム設計
公開日2015/2/28
報告書年度2010 - 2012
委託先名国立大学法人北海道大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約本研究課題においては、仕切り板挿入型MBR(bMBR)における曝気風量削減技術の開発、膜ファウリング発生機構解明に向けた膜ファウリング物質特性解析、及びリン除去機構の解明に向けたリン蓄積細菌の存在割合の解析に取り組んだ。曝気風量削減技術としては、平膜モジュール用に活性汚泥懸濁液への浮遊担体投入による物理洗浄能増強効果を、中空糸膜モジュール用として膜近傍に集中的に気泡を導入することができる局所曝気装置の開発及び膜透過水fluxの低減を通じた膜透過水量当たりの曝気風量(SADp)の最適化を実施した。活性汚泥懸濁液への浮遊担体投入効果の検討においては、担体を投入することによって曝気風量を50%以上削減した条件下においても安定した運転を継続することができたが、曝気風量の低減に伴う活性汚泥懸濁液中の溶存酸素(DO)濃度の低下、及び担体が膜と接触することによる膜面損傷が問題として認められた。これらの点については、今後、何かしらの対策を講じる必要がある。中空糸膜における曝気風量削減方策の確立については、本研究にて開発した局所曝気装置を適用することによってSADpを約30%低減できることが明らかとなった。また、膜透過水fluxを低下させたことによって、SADpがさらに低い条件下においても安定運転が可能であることが明らかとなった。膜透過水fluxの低下によるSADp低減効果は、活性汚泥懸濁液が膜ファウリングを引き起こしやすい性状を有している場合に特に有効であることも明らかとなった。
 膜ファウリング物質特性の解析については、既往の研究においてMBRにおける膜ファウリング物質の主要な構成成分であると報告されている糖及びタンパク質のそれぞれについて解析を実施した。糖については、レクチンアフィニティークロマトグラフィーと回分ろ過試験を組み合わせることによって、単位重量当たりで大きな膜ろ過抵抗を発生させる糖画分が存在することが明らかとなった。また、レクチンカラムより溶出させた有機物に対して、温和な酸性条件下における部分加水分解処理とMALDI-TOF/MS解析を実施することによって、膜ファウリングを引き起こしやすい糖の構造や起源の候補を示すことができるようになった。タンパク質については、UF膜を用いた濃縮と三塩化酢酸(TCA)沈殿を組み合わせることによって、連続運転終了後の閉塞膜より抽出した膜ファウリング物質中のタンパク質を2次元電気泳動(2D-PAGE)ゲル状にて良好に分離、検出することに成功した。また、分離したタンパク質を同定するためにN末端アミノ酸配列解析を実施したところ、いずれもPseudomonas属の細菌に由来するOprFとOprDという2種類のタンパク質を同定することに成功した。我々が知る限り、これらは実際の下水を処理しているMBRにおいて膜ファウリングに関与していたタンパク質としては世界で初めての同定成功例である。
 bMBR活性汚泥懸濁液中のリン蓄積細菌の存在割合を解析した結果、bMBRにおいては、通常の浸漬型MBRと比較して、活性汚泥懸濁液中のリン蓄積細菌の割合が明らかに高いことが明らかとなった。各種MBRのリン除去率も考慮すると、bMBRにおけるリン除去の約20%はリン蓄積細菌によるリンの過剰取り込みによって賄われているものと考えられた。
英文要約In this study, we investigated the strategies for reducing aeration rate for membrane cleaning in submerged MBR, the detailed characteristics of foulants, and presence of phosphorus accumulating organisms (PAOs) in the mixed liquor suspension of baffled MBR (bMBR). For flat-sheet membrane, granular materials were introduced in the mixed liquor suspension. By introducing granular materials, the efficiency of physical membrane cleaning would increase since the introduced granular materials get into contact on the membrane surface. Introducing granular materials allowed us to reduce air flow rate required for a stable operation more than 50%. For hollow-fiber membrane, a novel intensive air diffuser that enables us to intensively introduce coarse bubble in the vicinity of membrane fiber was developed in this study. By applying the novel intensive air diffuser, a stable operation was achieved under approximately 30% lower SADp. SADp can be reduced further by reducing membrane flux. The effect of reducing membrane flux on lowering SADp required for a stable operation was particularly pronounced when the mixed liquor suspension has high fouling potential.To elucidate the fouling mechanisms in MBRs, the detailed characteristics of polysaccharides and proteins were investigated, since these organic compounds were pointed out to be major membrane foulants in MBRs in a number of previous studies. With regard to polysaccharides, the combination of lectin affinity chromatography and batch filtration test revealed that specific fouling potential differed depending on types of polysaccharides. The organic matter eluted from lectin columns which were though to capture polysaccharides with high specific fouling potentials were analyzed by MALDI-TOF/MS. The sources or structures of selected polysaccharides were suggested by this analysis. The proteins contained in the foulants extracted from fouled membranes at the end of continuous operation were concentrated and purified by the combination of crude concentration by ultra-filtration (UF) membrane and trichloroacetic acid (TCA) precipitation. The proteins treated with the protocols mentioned above were separated and visualized well on the gel used in two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2D-PAGE). Selected proteins separated by 2D-PAGE were recovered from the gel and then subjected to N-terminal amino acid sequencing analysis for identification. On the basis of the results of N-terminal amino acid sequencing analysis, two proteins were identified as outer membrane proteins originated from Pseudomonas genera, namely OprF and OprD. The relative dominance of PAOs in the mixed liquor suspension of bMBR was analyzed and compared against the one in the mixed liquor suspension of conventional submerged MBR (i.e., an MBR operated without baffles). The results clearly indicated that the relative dominance of PAOs was higher in the mixed liquor suspension of bMBR.
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