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平成26年7月15日

茨城大学
科学技術振興機構(JST)

環礁国ツバルに最適な生活排水の処理方法を考案
〜海水中の硫酸塩、潮の干満を利用して低コスト化も実現〜

ポイント

茨城大学 工学部 都市システム工学科の藤田 昌史 准教授らの研究グループは、生活排水に含まれる有機物を分解するため、海水を用いる新たな処理システムを考案しました。このシステムは、生活排水中の有機物を、海水中に含まれる硫酸塩を用いて分解するもので、酸素の少ない状態で行うことから汚泥を出さず、潮の干満を利用して流入・排水を行う機構のため、開発途上国向けの低コスト技術として注目を集めています。

南太平洋の環礁国ツバルでは、フォンガファレ島の狭い土地に行政機関や住宅、ホテルなどが集中し、生活雑排水やトイレなど生活排水の処理には合併浄化槽やピット式トイレなどを用いています。しかし、それらの底部にふたなどはなく、そのまま下排水が土壌中に浸透していく方式でした。

藤田准教授のグループは、東京大学の茅根 創 教授らSATREPSプロジェクトの研究グループから「海岸の水質汚濁と有孔虫(ホシズナ)注1)の生育の関係を調べて欲しい」と依頼され、2010年春から現地で活動を開始しました。これまでの調査で、汚濁の原因が底なしの合併浄化槽にあり、満潮時に底部から海水が浸透し、干潮時に汚水が漏れ出していることを突き止めました。こうした汚濁が、ホシズナとして知られる有孔虫の生育にも影響を及ぼしている可能性が高いと考えられています。

さらにグループでは、ツバルの環境に適合した生活排水処理システムについて研究を進め、底なしの合併浄化槽をそのまま活かした新しいシステムを考案し、実験室での検証を行いました。海水に含まれる硫酸塩を利用することにより有機物の分解が確かに進むこと、この細菌を担体に吸着させれば海水と一緒に漏出しないことを実証しました。

茨城大学は国内特許を申請し、ツバルのような環礁国だけでなく、衛生施設が普及していない開発途上国や日本の沿岸部でも利用できないか、企業とも相談しながら利用先の模索を続けていきます。

<研究の背景と経緯>

1.環礁国の沿岸水質汚濁・汚染と国土形成維持の危機

中部太平洋にはツバルなどに属する環礁が数多く存在します。小さな島国ツバルは、9つの環礁・島から構成されており、最大標高が3m程度のとても低平な地形です。そのため、近年の地球温暖化にともなう海面上昇により、水没の危機に瀕していると懸念されています。ツバルの国土の3分の2は石灰質の殻を作るホシズナなどの有孔虫の死骸から構成されており、有孔虫やサンゴなどによる砂生産が国土の形成維持に大きな役割を果たして来ました。

しかしながら、調査を続けるうちに、近年の人口増加や経済発展を背景に、海岸地形の人工的な改変に加え、生活排水や廃棄物などのローカルな問題が有孔虫生産力の低下を招いていることがわかってきました。

2.ツバルの沿岸水質汚濁・汚染の現状と機構

ツバルには沿岸における水質データがほとんどありませんでした。そこで、高人口密度地域のフォンガファレ島中央部のラグーン側の海岸で、水質汚濁・汚染の現況やメカニズムを調査しました。多項目水質計を用いて連続観測したところ、水深約1m程度の海底付近では海水の酸化還元電位が−61mVに達するほどの水質汚濁が見られました。このような負の酸化還元電位は下水処理施設の嫌気槽で見られるレベルですので、清澄なはずのサンゴ礁海岸でこのような値が観測されたのは極めて驚きです。また、この砂の中の微生物を調べたところ、自然の海岸の砂よりも約5倍も微生物含有量が多いことや、どのような微生物がどの程度の割合で存在するかを意味する微生物相は実質的に異なるうえに多様性も相対的に低いことがわかり、水質汚濁が慢性化していることがわかりました。ラグーン海岸で糞便汚染指標である大腸菌を測定したところ、潮位変動と連動して最大で約27,000MPN/100mLも検出されました。これは日本の環境基準(大腸菌群1,000MPN/100mL)を大幅に超えるものであり、健康リスクの観点でも注意を要することが示されました(図1)。

フォンガファレ島の人口は4,492人であり、639軒の住居があることが報告されています。下水処理場のような集合処理施設はありませんが、424軒(67%)は生活雑排水とトイレ排水を受け入れるSeptic tank(腐敗槽)注2)と呼ばれる簡易浄化槽が地中に埋設されています。ただし、日本のように送風して好気性処理注3)を行う装置ではなく、沈殿処理のみを行っているに過ぎません。残りの163軒(26%)はPit toilet(ピット式トイレ)と呼ばれる土壌浸透式トイレが使用されています。つまり、92%の住居は国連ミレニアム開発目標注4)に記載されている衛生施設を所有していました。しかしながら、Septic tank(腐敗槽)の底部は施工されておらず、ピット式トイレも含めてすべてボトムレスでした。

大潮の干潮時にラグーン側の海岸で硫化水素臭のする灰色砂が観察されました。また、この地点と住居の間の砂浜を約50cm掘ったところ、同様の灰色砂が出現しました。海水に含まれる硫酸塩と生活排水に含まれる有機物により硫酸塩還元反応が起こった結果と考えられます。環礁の地盤は透水性が高いことから、満ち潮のときにSeptic tank(腐敗槽)内に海水が浸入し、引き潮のときに地中を通じて生活排水が海岸に流出しており、これが主要な水質汚濁の機構であると結論づけました。

さらに、この生活排水の流出経路の灰色砂の重金属含有量を調べました(表1)。Cuは160.0−564.0ng/g、Znは87.3−1440ng/g、Pbは240.0−680.0ng/gを示しました。一般的な重金属汚染と比べると濃度は低いですが、環礁の自然砂の重金属含有量は極めて低い(Cu=9.6ng/g、Zn=34.9ng/g、Pb=20.7ng/g)ことに留意する必要があります。そこで、HakansonのContamination Factor(CF)といった既存の指標を用いて重金属汚染度を評価したところ、著しい汚染があると判定されました。もともと環礁の砂は、岩盤由来の砂ほど重金属が含まれておりませんが、流出した生活排水に含まれる重金属により汚染されたものと考えられました。

3.気候風土に適した排水処理技術の可能性

先進国では、一般的に下水処理施設が導入されています。下水管を整備することにより発生源から排水を集めて処理されます。効率よく処理するためにエアレーション注5)が行われますが、ランニングコストがかかるとともに、好気性処理のため余剰汚泥(固形廃棄物)が発生します。環礁国では、低平な地形のため下水管の勾配が確保できないため、自然流下による下水の輸送が困難です。また、エアレーションに要するエネルギー・コストの確保や生成した固形廃棄物の処理・処分、運転管理スキルなどの問題もあります。そのため、下水処理施設は現段階の環礁国には向かないと考えられます。

南太平洋地域の環礁国では、オーストラリアなどの支援を受けてSeptic tank(腐敗槽)を導入しているケースが多く見られます。ツバルで見られたように、本来の仕様書に反し、維持管理上の簡便性からボトムレスで施工されている例も多くあると考えられますが、この不完全な既存インフラをマイナーチェンジして有効活用できれば、この地域の風土に適した排水処理技術が完成する可能性があります。

<研究の内容>

2012年度から茨城大学が中心となり、既存のSeptic tank(腐敗槽)の活用を想定して潮汐を利用した排水処理の実現可能性の検討を始めました。既存の特許では、排水に海水を添加することにより硫化水素を回収する方法が公表されています。この特許では硫化水素の回収に主眼が置かれているため、本研究で処理対象としている生活排水の有機物濃度(BOD濃度150mg/L程度)よりもはるかに高い排水(BOD濃度500mg/L以上)が用いられています。

そこで研究チームでは本特許において、満ち潮時に海水がSeptic tank(腐敗槽)に浸入することを想定して、海水存在下における生活排水中の有機物除去の可能性を検討しました。

1.潮汐を活用した排水処理の概念

海水中には約900mgS/Lの硫酸塩が含まれています。前述した生活排水の流出経路で硫酸塩還元反応が起こっていたことから、Septic tank(腐敗槽)内に微生物を十分に保持することができれば、満ち潮のときにSeptic tank(腐敗槽)に浸入する海水を利用して、硫酸塩還元などの微生物反応により、排水中の有機物を除去できることに着眼しました(図2)。硫酸塩還元反応などの嫌気反応を利用することからエアレーションは不要であり、潮汐や透水性の高い環礁の地盤を活用して海水の浸入や処理水の放流を行うことから、エネルギーを必要としません。浄化槽で一般的に利用されている80Wの曝気ブロアを利用した場合、電気料金を25円/1KWhとすると約1,400円/月になります。ツバルは後開発途上国ですので、この支払はかなりの負担になります。また、嫌気性処理注3)のため余剰汚泥がほとんど生成しないため、余剰汚泥(固形廃棄物)がほとんど生成しません。

また、エアレーションによる酸素供給などの装置や設備を設置することが経済的、技術的に困難であり、排水処理を簡易に低コストで行う必要のある海沿いの地域などへ適用するために、潮の干満現象によって水位が変動する海水中に浄化槽を設置して行う排水処理方法も考案しました(図3)。

2.下水中の有機物の除去性能

日本の下水を用いて、6L規模の排水処理装置を運転しました。運転開始直後から195日目までは下水のみを流入させました。196日目からは現地の海水浸入を想定して、下水に加えて海水を流入させて運転しました。有機物除去率は、海水を流入させない195日目までは47−87%だったのに対し、海水を流入させた196日目以降は82−91%でした(図4)。つまり、海水を利用することにより排水中の有機物を約8割から9割除去できることがわかりました。硫酸塩の消費は最大で約7mg−S/L/dありましたが、これだけの消費量で上述の有機物除去率を達成できたとは考えにくいです。そこで、排水処理装置内の微生物相を解析しました。その結果、delta−Proteobacteria (デルタ−プロテオバクテリア)に属する硫酸塩還元細菌に加えて、alpha−Proteobacteria に属する細菌が有機物除去の主要な役割を担っていた可能性が考えられました。また、引き潮時の微生物流出防止を想定して、ポリエチレングリコールを主成分とする担体(3mm角)に微生物を固定して有機物除去能力を調べました。その結果、ポリエチレングリコールの含有量を適切に調整すれば、微生物を担体固定化しても有機物能力を十分に発揮できることを確認しました(図5)。

3.重金属の除去性能

また、現地調査により重金属除去の必要性も明らかになりましたので、重金属の除去能性も検討しました。

もともと、硫酸塩還元反応により生成した硫化水素は、排水中の重金属とすみやかに反応して重金属硫化物を形成して沈殿することから、重金属除去の可能性が期待できました(図6)。重金属の除去能力を調べたところ、フォンガファレ島の沿岸で著しい汚染があると判定されたCu、Zn、Pbの除去率は、それぞれ87%、85%、68%を達成できました(図7)。ただし、排水処理装置内のpHが低下することにより、装置内に沈殿したNiSが溶出して、Niの多く含む処理水を排出してしまう可能性が示されました。現地でどのようにpHを制御するかが課題として浮かび上がりました。

<今後の展開>

これまでの研究では、潮汐によりボトムレスSeptic tank(腐敗槽)に海水が浸入することを想定して、海水存在下で排水中の有機物、重金属除去性能を調べ、十分に除去が可能なことを実験室で明らかにしました。今後は、現地のボトムレスSeptic tank(腐敗槽)を用いた実証実験を行うことを検討しています。そのなかで、どのような水質項目がどの程度除去可能かより詳細に検討することを考えています。環礁国における排水処理では、沿岸生態系保全の観点が重要になります。そのため、有孔虫やサンゴに対する処理水水質の影響を体系的に整理することにより、排水処理の処理目標を探ることも重要になります。一方、このような検討は日本の研究者だけで行ってもあまり意味はなく、現地の関係者や周辺の研究者を巻き込んで実施していくことが、キャパシティ・ビルディングや自立的・継続的な取り組みにつながるものと考えられます。このような大規模な研究を展開するためには、二国間の協力が不可欠であり、今後も強く呼びかけを続けていきたいと考えています。

また、本手法は環礁国に限らず衛生施設が普及していない開発途上国の沿岸部でも利用できるものと考えられます。一般的に、エアレーションに要するコストは人件費を除く維持管理費の約6割を占めるといわれています。そのため、海水の利用は、排水処理の維持管理コストの大幅な低減につながるため、日本でも沿岸部の事業場にある排水処理に展開できる可能性があります。民間企業などと協力しながら普及を広げる検討を進めていきたいと考えています。

<プロジェクトの概要>

本研究は、地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム(SATREPS注6))の一環として行われました。

研究領域 環境・エネルギー分野(気候変動領域)
(研究主幹:井上 孝太郎 科学技術振興機構 上席フェロー)
研究課題名 「海面上昇に対するツバル国の生態工学的維持」
研究代表者 東京大学 大学院理学系研究科 茅根 創 教授
研究期間 平成21年4月〜平成26年3月
研究概要 http://www.jst.go.jp/global/kadai/h2002_tsuvalu.html

<参考図>

図1 ラグーン海岸における大腸菌(E.coli)濃度

AVS:酸揮発性硫化物、Densely polulated:高人口密度地域、Natural:自然地域

表1 高人口密度地域と自然地域の海岸の砂の中の重金属含有量

図2 潮汐を利用した排水処理の概念図

満ち潮のときに地中を通じてボトムレスSeptic tank(腐敗槽)の底部から海水が浸入します。引き潮が始まる約12時間で海水中に含まれる硫酸塩を利用した硫酸塩還元反応などの微生物反応により排水中の有機物、重金属を除去します。引き潮とともに処理水が流出します。引き潮時の微生物流出の防止、処理効率の向上のために、ボトムレスSeptic tank(腐敗槽)内部に担体を利用して微生物を保持します。

図3 潮汐により水位変動する海水中に浄化槽を設置して行う排水処理の概念図

  • (a)浄化槽1は、上部開放部に海水の浸入が可能な隙間を形成する傾動可能な蓋5を有しており、傾動可能な蓋5にはブラケット6を介してフロート7が接続されています。
  • (b)引き潮のときに、排水を注入管8から浄化槽1に流入させることにより、フロート7の浮力を利用して傾動可能な蓋5が開きます。
  • (c)満ち潮のときに、海水3が浄化槽1に浸入します。
  • (d)蓋5の上部に存在する海水の重さにより、蓋5が閉じます(蓋5は、満ち潮のときに海水が押し寄せてくる側に傾動させるような構造にすることで、排水4が浄化槽1の外部への流出を抑制できます)。
  • (e)排水が処理されます。
  • (f )配水管9を通じて処理水を放流します。

図4 排水処理装置の有機物除去能力

0−195日目:下水のみを流入、195日目以降:下水+海水を流入 DOC:溶解性有機炭素

図5 微生物固定化担体による有機物除去能力

14EG:14エチレングリコール、SRB:硫酸塩還元細菌、Other:硫酸塩還元細菌以外の発酵性細菌など

図6 潮汐(海水)を利用した排水処理の原理

図7 排水処理装置の重金属除去能力

<用語解説>

注1) 有孔虫(ホシズナ)
有孔虫とは、炭酸カルシウムを主成分とする石灰質の殻を持ち、偽足を出して運動する海の原生動物の一群で、生きている種類では約1,400種が知られています。南太平洋の環礁国ツバルの有孔虫類は、浅い海底の海藻などに付着して生活していますが、死骸となって打ち上げられて砂となります。沖縄は「星の砂」として、よくお土産品になって売られています。
注2) Septic tank(腐敗槽)
排水をタンクに貯め、そのまま放置することで嫌気性処理を行うものです。腐敗槽とも呼ばれます。
注3) 好気性処理と嫌気性処理
異なる種類の微生物を利用し、下水に代表される有機性の汚濁物質が含まれる廃水の処理を行う二つの方法のことです。好気処理は、溶存酸素の存在のもとに、さまざまな好気性微生物が関与し、有機性物質、アンモニア性窒素、臭気、鉄などを酸化分解し、除去することです。嫌気性処理は、溶存酸素が少ない状況下で働く硫酸塩還元細菌やメタン生成細菌などで有機物を分解する方法のことです。下水処理場では両者を併用した廃水処理も行われています。
注4) 国連ミレニアム開発目標
2000年9月、ニューヨークの国連本部で開催された国連ミレニアム・サミットに参加した147の国家元首を含む189の国連加盟国代表が、21世紀の国際社会の目標として、より安全で豊かな世界づくりへの協力を約束する「国連ミレニアム宣言」を採択しました。この宣言と1990年代に開催された主要な国際会議やサミットでの開発目標をまとめたものが「ミレニアム開発目標(Millennium Development Goals:MDGs)」です。MDGsは国際社会の支援を必要とする課題に対して2015年までに達成するという期限付きの8つの目標、21のターゲット、60の指標を掲げています。(UNDP/国連開発計画のHPより)
http://www.jp.undp.org/content/tokyo/ja/home/mdgoverview/mdgs.html
注5) エアレーション
空気を吹き込んだり、水を噴出させたり、泡立たせるなどで空気にさらすことを意味し、下水処理の好気性処理などで用います。設備の運転操作によって、好気性微生物が自然の状態よりはるかに高濃度で活発に存在できる環境を作り、効率的に汚れを分解させるなどの用途で使われます。
注6) SATREPS
地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム(Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development)の略語。独立行政法人 科学技術振興機構(JST)と独立行政法人 国際協力機構(JICA)が共同で実施する3〜5年のプログラムで、地球規模課題解決のために日本と開発途上国の研究者が共同で研究を行う。プロジェクトではJSTとJICAが連携し、日本国内など相手国内以外で必要な研究費についてはJSTが委託研究費として支援し、相手国内で必要な経費はJICAが技術協力プロジェクト実施の枠組みにおいて支援する。
JSTホームページ: http://www.jst.go.jp/global/about.html

<論文タイトル>

Fujita, M., Ide, Y., Sato, D., Kench, P. S., Kuwahara, Y., Yokoki, H., Kayanne, H.
“Heavy metal contamination of coastal lagoon sediments: Fongafale Islet, Funafuti Atoll, Tuvalu”
(ツバル国フナフチ環礁フォンガファレ島におけるラグーン海岸底質の重金属汚染), Chemosphere, 95, 628-634, 2014.
doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.10.023

Fujita, M., Inoue, R., Suzuki, J., Nittami, T.
“Possibility of Biological Wastewater Treatment Using Seawater”
(海水を利用した生物学的排水処理の可能性), IWA-ASPIRE Regional Conference and Exhibition, oral-10F2-5, 2013.

Fujita, M., Suzuki, J., Sato, D., Kuwahara, Y., Yokoki, H., Kayanne, H.
“Anthropogenic impacts on water quality of the lagoonal coast of Fongafale Islet, Funafuti Atoll, Tuvalu”
(ツバル国フナフチ環礁フォンガファレ島におけるラグーン海岸水質に及ぼす人為的影響), Sustainability Science, 8, 381-390, 2013.
doi: 10.1007/s11625-013-0204-x

藤田 昌史、井上 龍太郎、佐藤 大作、桑原 祐史、横木 裕宗:
ツバル国フナフチ環礁ラグーン海岸における生活排水の流出機構、土木学会論文集G(環境),68 (5), 121-125, 2012.

藤田 昌史、佐藤 大作、桑原 祐史、横木 裕宗:
ツバル国フナフチ環礁のラグーン海岸における水質汚濁、土木学会論文集G(環境), 67 (5), 205-210, 2011

<特許出願>

発明者:藤田 昌史、横木 裕宗、桑原 祐史、佐藤 大作、出願人:国立大学法人 茨城大学:
海水を利用した下排水処理方法(特願2012−244045,特開2014−91099)

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

藤田 昌史(フジタ マサフミ)
茨城大学 工学部 都市システム工学科 准教授
〒316-8511 茨城県日立市中成沢町4−12−1
Tel:0294-38-5170 Fax:0294-38-5268
E-mail:

<JST事業に関すること>

科学技術振興機構 国際科学技術部 地球規模課題協力グループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町8階
Tel:03-5214-8085 Fax:03-5214-7379
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<報道担当>

茨城大学 広報係
Tel:029-228-8008

科学技術振興機構 広報課
Tel:03-5214-8404

(英文)“Optimum domestic wastewater treatment devised for the atolls and islands of Tuvalu: Making use of tides and sulfates in seawater achieves a low cost system”