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沿岸海域の底質環境改善技術開発と評価に関する研究(平成 27年度)
Comparative study on development and evaluation of amendment technologies for sediment in coastal sea

予算区分
AO 所内公募A
研究課題コード
1416AG001
開始/終了年度
2014~2016年
キーワード(日本語)
底質,改善,堆積物微生物燃料電池,沿岸海域,産業副産物,流動・生態系モデル・シミュレーション
キーワード(英語)
sediment, amendment, sediment microbial fuel cell, coastal sea, industrial by-products, physical and ecological modelling and simulation

研究概要

都市沿岸海域で悪化の著しい底質環境改善のための要素技術として,新規の底質改善技術としての堆積物微生物電池の潜在性評価と,従来の技術である鉄鋼スラグ等の産業副産物の適用効果の評価を室内試験と現場試験を通じて行う。
底生生態系を包括した現場試験を実施することにより,複数の底質改善技術の適用による底生生物の生息環境改善への寄与についても併せて評価を行う。
上記の現場試験で得られた底質改善効果を既存の流動・水質・底質・底生生態系モデルに組み込んだ数値シミュレーションを実施し,本技術の適用規模による底生生物への影響及び全湾の水質に波及する効果等を定量的に評価する。

研究の性格

  • 主たるもの:技術開発・評価
  • 従たるもの:基礎科学研究

全体計画

全体計画
従来行われてきた内湾沿岸海域の底質改善技術の典型である鉄鋼スラグ等の産業副産物の添加と新技術である堆積物微生物燃料電池法を現場試験に適用し,その効果を比較・評価する。堆積物微生物燃料電池に関しては,現場試験区から採取した底泥試料を用いて室内実験を通じて有機物除去(発電)能の評価を行い,有機物分解を最適化するための条件(電極の形状や設置条件)を探る。内湾の流動・生態系モデル・シミュレーションにより,上記の技術の適用による底層環境改善効果の評価を行うことを主旨として,以下の各サブテーマについて調査研究を行う。

サブテーマ1. 各底質改善技術適用による底生生態系におよぼす変化の比較と評価
これまで当所において底質・底生生物の調査研究を行い,背景データの蓄積を有する京浜運河において試験区を設置し,底質改善技術の従来法の典型である鉄鋼スラグ等の産業副産物の底泥への添加と,堆積物微生物燃料電池の適用を同一現場で行い,それぞれの技術の適用が強熱減量,全有機炭素,硫化水素,酸素消費能,酸化還元電位等の底質の状態を変化させる効果と併せて,多毛類等の底生生物の群集構造と生息密度におよぼす影響を評価する。
堆積物微生物燃料電池に関しては,以下のサブテーマ2の室内試験で得られた運転条件最適化のための情報を還元しつつ,実現場での発電の季節的な変化を調べ,底泥中の有機物除去の季節別活性を評価する。
以上から,底質改良技術としての産業副産物の底泥への添加法と堆積物微生物燃料電池の適用による底質環境の化学的・生物学的観点からの改善効果の比較・評価を行う(実現場への本格適用に対するパイロット試験としての位置付け)と共に,以下のサブテーマ3における内湾における底質改善技術適用が
底層環境改善におよぼす効果試算に必要な定量的データを提供する。

サブテーマ2. 新規底質改善技術としての堆積物微生物燃料電池の基礎研究
サブテーマ1で想定している試験現場から採取した底泥コア試料を用いた堆積物微生物燃料電池による回分試験を行い,その有機物除去能や指標としての発電に関する底泥試料の有する潜在能を評価する(群馬大学との連携により実施)。具体的には底泥中の有機物の微生物分解に伴う電子の移動(発電)の立ち上がりに要する時間や,泥中の有機物除去に関する最大能力の見積もりを行う。また泥中の有機物除去に必要な堆積物微生物燃料電池の起電に最適な回路中の電気抵抗値や泥内における電極の位置の影響についても検討を行い,サブテーマ1の現場試験における運転条件最適化に適用する。同時に堆積物微生物燃料電池の作用により底泥中の有機物や還元物質が減少し,これに伴う酸素消費能や硫化水素の削減効果について評価を行う。また各電極における微生物菌相(マイクロフローラ)や主要な基質となる有機物種等を調査し,底質改善・発電能の発揮に関する基礎的知見の集積を行う。

サブテーマ3. 底質改善技術適用による湾内水質・底質・底生生態系環境改善効果の評価と予測
サブテーマ1・2により得られた本技術適用による底質改善効果(粒土組成,海底土中への溶存酸素供給量,有機物分解速度の変化など)をモデル化・パラメータ化し,これまでに構築してきた内湾流動・水質・底質・底生生態系(アサリ)モデルに組み込む。その上で数値シミュレーションを通じて以下のことを評価・検討し,今後の実用化に向けた検討に必要な基礎的知見を収集する。
・本技術適用の規模・時空間配置の変化が湾内水質に及ぼす応答影響を,干潟ネットワークを通じた波及効果を含めて,定量的に評価する(以下,「フォアキャスト的検討」)。
・底層DOなどの水質環境基準の達成や底生生物の持続的回復等に必要な技術適用規模を見積もる(以下,「バックキャスト的検討」)。
・本技術の適用の有効性・効率性について,総量規制や下水道整備・高機能化など既存の主な水質改善施策を比較対象として,検討する。(以下,「既存技術・施策との比較検討」)

今年度の研究概要

サブテーマ1に関しては,昨年度に引き続き東京湾奥部運河において底質改善現場試験を貧酸素水塊が形成されていく春から夏にかけて行い,昨年度得られた知見を基にSMFCの電極や運転条件,スラグ添加方法の改良を行う一方,底質や間隙水の採取・分析・評価方法の改善も行う。サブテーマ2に掲げた室内実験によるSMFC運転の最適な諸条件と装置構成の検討を引き続き行いつつ,SMFCに利用される有機物や発電に係わる微生物相の解析を行う。サブテーマ3に関しては,昨年度に引き続き下水処理効率上昇による湾内底層環境改変効果と共に底質環境改変技術適用効果の評価のためにシミュレーションを試行する。

外部との連携

サブテーマ1に関してはJFEスチールと、サブテーマ2に関しては群馬大学との共同研究を行う。

関連する研究課題

課題代表者

牧 秀明

  • 地域環境研究センター
    海洋環境研究室
  • 主任研究員
  • 工学博士
  • 生物工学
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担当者