氏名　上村　繁樹
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博乙第63号
学位授与の日付　平成7年3月24日
学位論文の題目　Characterization of methanogenic microbial-aggregates developed in thermophilic upflow anaerobic sludge blanket （UASB） reactors（高温UASB反応器で形成された嫌気性微生物集塊に関する研究）
論文審査委員
　主査　助教授　原田　秀樹
　副査　教授　桃井　清至
　副査　教授　森川　康
　副査　東北大学　教授　野池　達也
　副査　東京大学　助教授　滝沢　智

• 論文目次
• 論文要旨

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Contents
1.Introduction　p.1
References　p.7
2.State of the art for thermophilicUASB reactors　p.12
2-1.Introduction　p.12
2-2.Performance of thermophilic UASB process　p.13
2-3.Microbiology of thermophilic methanogens　p.18
2-4.Microbial characteristics of thermophilic granular sludge　p.25
2-5.Conclusion　p.30
References　p.31
3.Comparison of the performance of thermophilic UASB reactors Kept at 55℃ and 65℃　p.39
3-1.Abstract　p.39
3-2.Introduction　p.40
3-3.Materials and methods　p.40
3-4.Results and discussion　p.41
3-5.Conclusion　p.49
References　p.50
4.Microbial characteristics of methanogenic sludge consortia developed in thermophilic UASB reactors　p.51
4-1.Abstract　p.51
4-2.Introduction　p.52
4-3.Materials and methods　p.53
4-4.Results and discussion　p.55
4-5.Conclusion　p.66
References　p.67
5.Inorganic composition and microbial characteristics of methanogenic granular sludge grown in a thermophilic UASB reactor　p.71
5-1.Abstract　p.71
5-2.Introduction　p.72
5-3.Materials and methods　p.72
5-4.Results　p.75
5-5.Discussion　p.85
5-6.Conclusion　p.88
References　p.89
6.The effect of temperature elevation from 55℃ to 65℃ on the performance of a thermophilic UASB reactor andcharacteristics of methanogenic granular sludge　p.92
6-1.Abstract　p.92
6-2.Introduction　p.93
6-3.Materials and methods　p.94
6-4.Results　p.95
6-5.Discussion　p.103
6-6.Conclusion　p.105
References　p.105
7.Thermophilic anaerobic treatment of an alcohol wastewater by an upflow anaerobic sludge blanket reactor　p.107
7-1.Abstract　p.107
7-2.Introduction　p.108
7-3.Materials and methods　p.108
7-4.Results　p.112
7-5.Discussion　p.122
7-6.Conclusion　p.124
References　p.125
8.Conclusion　p.127

上向流嫌気性汚泥床（UASB）法は、反応器内に微生物付着担体を用いず、嫌気性菌の持つ凝集・集塊機能を利用して沈降性の優れたグラニュール状汚泥を形成させ、高濃度の微生物量を保持することを可能にした高速メタン発酵バイオリアクターである。現在まで、嫌気性菌のグラニュール形成機構やUASB法の処理性能に関する研究は数多く行われてきたが、そのほとんどが中温温度領域（30～40℃）におけるものであり、高温領域（45℃以上）での研究例は非常に少ない。
　一般にある種の工場には、蒸留、沸騰など有機原材料に熱を加えて加工する工程があり、高温でかつ非常に濃厚な廃水を排出する。通常このような高温高濃度廃水は、洗浄廃水のような希薄な廃水と混合され、好気性処理を施されているが、その場合莫大な設置面積と曝気にかかる電力費等、多大な維持費が必要となる。そこで、最近では高温廃水を他の排水と混合せず、ある程度濃厚なまま冷却して中温メタン発酵処理を施すシステムが導入されつつある。しかしながら、廃水の冷却に関わる設備やエネルギーを考慮すると、廃水の持つ温度を有効に利用した高温（50～60℃）メタン発酵処理法の導入が望ましい。
　現在のところ、実規模の高温UASBプラントは建設されていない。本研究では、高温見UASB法のさらなる普及を鑑み、高温嫌気性菌のグラニュール形成機構、形成された高温グラニュール汚泥の特性、および人工廃水、実廃水における処理性能等に着目した。
　第1章ではUASB法の基本的な構造について言及し最後に本研究論文の構成について述べた。
　第2章では、高温UASB法の処理性能に関する既往の研究を、メタン生成菌を中心とする高温嫌気性菌の微生物学的研究、高温グラニュールの生物学的研究とともに整理した。
　第3章では、55℃と65℃に設定した2台の高温UASBリアクターを運転し、高温嫌気性菌のグラニュール形成に関する運転温度の影響を調べた。酢酸・しょ糖混合基質を与えた65℃実験系ではTOC容積負荷で最大16KgTOCm-3d-1、除去率70％程度であったのに対し、55℃実験系では34KgTOCm-3d-1（COD負荷で80KgCODm-3d-1以上）、除去率90％以上の高負荷運転が可能であった。また、基質にしょ糖を加えたことによりグラニュールの形成が確認されたことから、グラニュール形成に関わる酸生成菌の役割が示唆された。
　第4章では、第3章で述べた2台の高温UASB反応器で形成されたメタン生成汚泥の生物学的特性の把握を試みた。一般に中温嫌気条件下では酢酸は直接酢酸資化性メタン生成菌によりメタンへと変換されるが、高温条件下では酢酸を水素と二酸化炭素に酸化する酢酸酸化菌と、両生成物を利用してメタンを生成する水素資化性メタン生成菌の共生系が存在することが示唆された。また、グラニュールの形成に関わる酸生成菌の形態について考察した。
　第5章では、しょ糖を主成分とした人工廃水を55℃に設定した高温UASB反応器に供し、その処理性能と形成されたグラニュールの特性について調べた。その結果、TOC容積負荷で32KgTOCm-3d-1、除去率80％以上の高負荷運転が可能であった。またグラニュールの構造を決定するカルシウム結晶物のグラニュール内部での沈殿に関する現象について考察した。さらに酢酸、水素、プロピオン酸を基質としたメタン生成活性の測定、電子顕微鏡による観察等を通して本グラニユールの生物学的特性を明らかにした。
　第6章では、第5章で述べた高温UASB反応器の運転温度を55℃から65℃に上昇させ、その処理性能に及ぼす影響を検討した。55℃ではTOC負荷18KgTOCm-3d-1、除去率90％以上の運転が可能であったが、運転温度を65℃に上昇後約180日でTOC負荷10KgTOCm-3d-1除去率70％程度の運転を余儀なくされた。これは、65℃運転中に反応器内のグラニュールが自己消化し、崩壊したグラニュールが反応器外に流出したためであることが確認された。
　第7章では、高温UASB法をアルコール蒸留廃水の処理に適用しその実用性について検討した。COD容積負荷で2.4～28KgCODm-3d-1の範囲においてCOD除去率は39-67％と低迷していたが、BOD除去率はおおむね80％以上を保っており、CODに関する処理性能は、アルコール蒸留廃水の生物分解性に依存することが確認された。メタン生成活性の温度依存性、電子顕微鏡観察等の結果から、形成されたグラニュールの生物学的特性についても考察した。
　第8章では、本研究で得られた結果を総括し、今後の展望についてまとめた。