氏名　Lalit Kumar AGRAWAL
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第102号
学位授与の日付　平成9年6月18日
学位論文の課題　Development of a Novel Wastewater Treatment Process for Low-Strength Organics using an Upflow Anaerobic Self-Immobilization Reactor（上昇流嫌気性自己凝集型反応器による低濃度有機性排気処理プロセスの開発）
論文審査委員
　主査　教授　原田　秀樹
　副査　教授　桃井　清至
　副査　助教授　大橋　晶良
　副査　講師　小松　俊哉
　副査　長岡工業高等専門学校　助教授　荒木　信夫

• 論文目次
• 論文要旨

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TABLE OF CONTENTS
Title Page　p.i
Abstract　p.ii
Table of Contents　p.viii
List of Figures　p.xi
List of Tables　p.xiii
Chapter 1.Introduction and Objectives1
1.1 INTRODUCTION　p.1
1.2 OBJECTIVES　p.2
1.3 ORGANIZATION OF THESIS　p.3
Chapter 2.Literature Reviews　p.5
2.1 INTRODUCTION　p.5
2.1.1 Aguatic pollution　p.5
2.1.2 Appropriate treatment technologies　p.5
2.1.3 UASB reactor　p.6
2.2 PARAMETER OF IMPORTANCE　p.7
2.2.1 Components of sewage　p.7
2.2.2 Composition of sewage　p.8
2.2.3 Temperature　p.9
2.2.4 Microbiology　p.10
2.2.5 Mass transfer resistance　p.12
2.2.6 Dissolved oxygen　p.15
2.2.7 Seed sludge　p.15
2.3 ANAEROBIC SEWAGETREATMENT RESULTS　p.16
2.4 POST-TREATMENT PROCESS　p.22
2.5 REFERENCES　p.26
Chapter 3.Soluble Wastewater:Performance Aspects　p.37
3.1 INTRODUCTION　p.37
3.2 MATERIALSA AND METHODS　p.38
3.2.1 Reactor　p.38
3.2.2 Seed sludge　p.40
3.2.3 Wastewater　p.40
3.2.4 Analytical methods　p.41
3.2.6 Reactor operation　p.42
3.3 RESULTS AHD DISCUSSION　p.42
3.3.1 Treatment efficiency, VFA production, ahd washout of biomass　p.42
3.3.1.1 COD removal　p.42
3.3.1.2 Effluent VFA　p.44
3.3.1.3 Washout of biomass　p.45
3.3.2 Biogas composition and production　p.46
3.3.3 Sulfate reduction　p.48
3.3.4 COD mass balance　p.49
3.3.5 Sludge retention　p.53
3.4 CONCLUSIONS　p.56
3.5 REFERENCES　p.56
Chapter 4.Soluble Wastewater:Microbiological Aspects　p.59
4.1 UNTRODUCTION　p.59
4.2 MATERIALS AND METHODS　p.60
4.2.1 Source of biomass and sampling　p.60
4.2.2 Metabolic activity　p.60
4.2.3 Microbial enumeration　p.60
4.2.4 Sludge morphology　p.62
4.3 RESULTS AND DISCUSSION　p.63
4.3.1 Metabolic activity　p.63
4.3.2 Microbial enumeration　p.65
4.3.3 Sludge morphology　p.67
4.3.3.1 Methanogens　p.67
4.3.3.2 Anaerobic ciliates　p.69
4.4 CONCLUSIONS　p.71
4.5 REFERENCES　p.71
Chapter 5.Suspended Solids Containing Wastewater:Performance and Microbiological Aspects　p.75
5.1 INTRODUCTION　p.75
5.2 MATERIALS AND METHODS　p.76
5.2.1 Reactor　p.76
5.2.2 Seed sludge　p.78
5.2.3 Wastewater　p.78
5.2.4 Analytical methods　p.79
5.2.5 Carbohydrate determination　p.80
5.2.6 Metabolic activity　p.84
5.2.7 Sludge morphology　p.84
5.2.8 Reactor pteration　p.84
5.3 RESULTS AND DISCUSSIONS　p.85
5.3.1 COD, BOD5 removal　p.85
5.3.2 BOD5 and COD relationship　p.87
5.3.3 Gas composition and production　p.88
5.3.4 COD mass balance　p.89
5.3.5 Sludge retention　p.91
5.3.6 Cellulose degradation　p.93
5.3.7 Granulation　p.95
5.3.8 Metabolic activity　p.96
5.3.9 Sludge morphology　p.98
5.4 CONCLUSIONS　p.100
5.5 REFERENCES　p.101
Chapter 6.Actual Raw Sewage Treatment using a UASB Reactor and the Post-Treatment Process　p.104
6.1 INTRODUCTION　p.104
6.2 MATERIAL AND METHODS　p.106
6.2.1 UASB reactor　p.106
6.2.2 Post-treatment process　p.106
6.2.3 Analysis　p.108
6.3 RESULTS　p.108
6.3.1 UASB reactor　p.108
6.3.2 Post-treatment:Hanging sponge cubes process　p.113
6.4 DISCUSSION　p.119
6.4.1 UASB reactor　p.119
6.4.2 Hanging sponge cubes process　p.121
6.4.3 Overall system economy　p.124
6.5 CONCLUSIONS　p.126
6.6 REFERENCES　p.127
Chapter7.Alternative Seed Sludge　p.129
7.1 INTRODUCTION　p.129
7.2 MATERIALS AND METHODS　p.130
7.2.1 Preparation of dried pelletized sludge　p.130
7.2.2 Reactor　p.132
7.2.3 Wastewater　p.132
7.2.4 Start-up of the reactor　p.134
7.2.5 Analyses　p.135
7.3 RESULTS　p.135
7.3.1 Soluble wastewater　p.135
7.3.2 SS containing wastewater　p.139
7.4 DISCUSSION　p.141
7.5 CONCLUSIONS　p.142
7.6 REFERENCES　p.143
Chapter 8.Summary, Conclusion and Recommendations　p.145
ACKNOWLEDGEMENT

　高速嫌気性処理法の一つであるUASBは主として高濃度で溶解性の有機性廃水の処理に対し、広く採用されてきた。したがって、下水処理へUASBを効率的に適用するためには、いくつかの要因、すなわち溶解性やSS性のCOD除去に対する本法の能力、反応槽を制御する運転パラメータ、臨界SRTの値、種汚泥、グラニュレーション、スラッジベットやスラッジブランケットの最適高さ、水温の影響、そして汚水の濃度などの要因を明らかにする必要がある。また、嫌気性処理後の処理水中に含まれる残存有機物や栄養塩を除去し得る適切なボストトリートメントの不在が、嫌気性処理を下水処理において広く普及させられなかった一つの理由であると考えている。したがって低濃度の汚水に対する本法のフィジビリティーを評価するため、UASBに関しては3、ポストトリートメント1、代替用種汚泥については1の計5つの連続実験を実施した。
　第1の研究では、UASB反応槽は25℃の一定水温下においてCOD300mg/リットルの溶解性人工下水を供給して運転された。処理効率に対するHRTやCOD負荷の影響、メタル生成能、硫酸塩還元能、CODマスパランス、汚泥保持能、基質の違いによる微生物の活性試験及び汚泥の形態構造について調査した。HRT9時間における溶解性及び全CODの除去率は、それぞれ81±5％、73±7％、メタン生成能は212Nリットル/kg除去COD、153Nリットル/kg負荷COD、基質変換率は0.24kg除去COD/kgVSS/d、グラニュールは運転開始9ヶ月後に観察され始めた。メタン発酵細菌やプロピオン資化酸生成菌の密度や活性度については、高濃度の汚水において造粒されたグラニュールのものに比べ小さいことが分かった。特にプロピオン資化酸生成菌について大きな違いがある。一方、硫酸塩還元細菌の密度・活性度は低濃度汚水で造粒されたグラニュールの方が大きい結果となった。従って、硫酸塩還元菌は下水中に存在する様々の有機性汚濁物質を分解する重要な役割を担っていると推察される。更にメタン発酵細菌を取り込んだ嫌気性繊毛虫Melopus esも観察された。繊毛虫の存在は、低濃度の汚水が供給される嫌気性反応槽のひとつの特徴であると考えられる。ただし、何故繊毛虫が存在するかの理由を説明するための更なる研究が必要である。
　第2の研究において、発展途上国の気温（年平均気温は27.8±2.2℃）を想定して、低濃度かつSSを含んだショ糖・ペプトン・セルロースから構成される人工下水（COD500mg/リットル）を用いて実験した。種汚泥は消化汚泥を用いた。HRT4.4時間（上向流流速が1.0m/時に相当）における平均除去率はCODで95％、BOD5は97％、セルロースは83％であった。2～3mm粒径のグラニュールが運転開始8ヶ月後に、また第1の研究と同様、Methanothrix-rypeが観察されている。本実験においてスラッジフランケットはセルロース粒子体の分解に対し重要な役割を果たしていることが分かった。スラッジフランケット内のセルロース粒子体は、微生物、おそらくは加水分解を行うバクテリアのための不活性な支持担体として機能した。微細フロックを周りに連行したセルロースはサイズが大きくなるにしたがい、スラッジベット内に沈降し、やがて分解される結果となった。
　第3の研究では、温暖な気候（冬季水温約10～20℃）におけるUASBによる生下水に対する処理特性を評価した。消化汚泥を種汚泥に用いた。原水の平均COD濃度は300mg/リットル（溶解性41％）である。HRT7時間まで短縮できた。汚泥の発生率は、0.036kgSS（灰分25％）/m5処理水量と見積もられ、原水ssの約25％にあたる。このように、CODの59％に相当する原水のSSは効果的に反応槽内に保持され、そして生物分解されていた。実験結果より、冬季についても簡易な好気性ボストトリートメントを付加することで、BOD5に関しては河川への放流水質基準を満足する見込みがあることを明らかにした。
　第4の研究では、懸垂型スポンジキューブ法が、好気的に下水を処理するポストトリートメントの一つとして開発された。スポンジキューブ生物膜法（DHS）よる残存有機物の除去や消化、上向流嫌気性懸垂ろ床法（USHB）よる短いHRTでの脱窒が確認された。
　第5の研究において、非常に良い沈降性を有するペレット状乾燥汚泥が、種汚泥として非常に有効であることを示した。
　本論文は、各種条件下における低濃度汚水に対するUASB法による処理に関する基礎研究から応用研究までを網羅している。HRTより非常に長いSRTのため、COD300mg/リットルの濃度の薄い下水であっても処理が可能であった。これは、如何に反応槽内の生物量を増殖させ得るかにある。汚泥の造粒化には、糸状菌Methanothrix-typeが大きな鍵を握っていた。硫酸塩還元細菌は下水中の各種汚濁物質を分解する重要な役割を担っていた。UASBと懸垂型スポンジキューブ法とを組み合わせたトータルシステムは、高い負荷条件においても生物学的に有機物及び窒素を除去することが可能であり、多くの発展途上国において適性技術として、従来技術の代替処理法となり得ると考えている。また、ペレット状乾燥汚泥の種汚泥としての有効性を示唆した。しかし、実際の汚水処理システムへ適用するに当たっては更なる研究が実施されなければならない。