木村　克輝 (キムラ　カツキ)

工学研究院　環境工学部門　環境工学教授
Last Updated :2026/01/07

■研究者基本情報

学位

  • 博士(工学), 北海道大学

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J-Global ID

研究キーワード

  • メンブレンバイオリアクター
  • 医薬品
  • 膜による水処理
  • 下水道
  • 上水道
  • 水処理
  • Application of Membrane Technology
  • Water works
  • Water Treatment

研究分野

  • 社会基盤（土木・建築・防災）, 土木環境システム
  • 環境・農学, 環境政策、環境配慮型社会
  • 環境・農学, 環境影響評価

担当教育組織

■経歴

経歴

  • 2018年 - 現在
    北海道大学大学院, 教授
  • 2005年 - 2018年
    北海道大学大学院助教授（准教授）
  • 1997年 - 2005年
    北海道大学大学院助手
  • 2001年 - 2002年
    文部科学省在外研究員（コロラド大学土木建設環境工学科）, アメリカ合衆国

学歴

  • 1997年, 北海道大学, 工学研究科, 衛生工学専攻, 日本国
  • 1997年, 北海道大学, Graduate School of Engineering, Sanitary Engineering

委員歴

  • 2019年03月 - 現在
    IWA, Associate Editor, Water Research
  • 2017年 - 現在
    日本膜学会, 評議員
  • 2013年09月 - 現在
    International Water Association (IWA), Management Committee, Membrane Technology Specialist Group, 学協会
  • 2012年06月 - 現在
    International Water Association (IWA), Chairman, Particle Separation Specialist Group, 学協会
  • 2008年09月 - 2019年09月
    日本水環境学会, 「膜を利用した水処理技術」研究委員会委員長, 学協会

■研究活動情報

受賞

  • 2018年, 国際水協会, IWAフェロー　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2017年, 最優秀論文賞、Frontiers International Conference on Wastewater Treatment, Palermo.　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2011年, 日本水環境学会論文賞　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2010年, クリタ水・環境科学研究優秀賞　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2004年, 土木学会年次学術講演会優秀講演者　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2003年, 土木学会年次学術講演会優秀講演者　　　　　　　　　　　　　　　
    木村 克輝
  • 2001年, 水環境学会論文奨励賞(廣瀬賞)　　　　　　　　　　　　　　　
    日本国
  • 2001年, 土木学会年次学術講演会優秀講演者　　　　　　　　　　　　　　　
    日本国

論文

その他活動・業績

所属学協会

  • 2014年 - 現在
    日本膜学会　　　　　　　　　　　　　　　
  • International Water Association　　　　　　　　　　　　　　　
  • 日本水環境学会　　　　　　　　　　　　　　　
  • 土木学会　　　　　　　　　　　　　　　

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 細菌及び藻類より回収したバイオポリマーの特性及び膜閉塞抑制手法の解明
    科学研究費助成事業
    2022年04月01日 - 2025年03月31日
    三好 太郎, 木村 克輝
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 国立保健医療科学院, 22K04389
  • 進化型MBRによる下水からの有機物回収：下水道の創エネルギーインフラへの転換
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2021年04月05日 - 2025年03月31日
    木村 克輝, 西村 紳一郎, 羽深 昭
    ベンチスケールのMBR実験システムを構築し、実下水処理場に実験装置を設置して連続ろ過実験を繰り返し実施した。本研究で提案・確立を行うエネルギー回収型MBRでは深刻な膜ファウリングの発生が確実に起こるため、これに対処するための担体を用いた機械的洗浄と薬品併用逆洗（CEB）を実施しながら連続ろ過運転を行った。HRT、SRT、DOを様々に変化させて実験を行い、有機物回収率、膜ファウリング発生度、処理水水質のそれぞれが高いレベルで調和するような運転条件の探索を試みた。HRTを極短の1.5-2時間、SRTも極短の0.5日とすることで、有機物回収率（初沈流入水に対して）は70％を超過する結果が得られた。実下水を用いた実験であったことからDOを一定範囲に制御することが難しく、MBR内のDO濃度は大きく変動した（1-7 mg/L）。処理水中のCOD濃度は20 mg/L程度となり、高い有機物回収率と処理水中の有機物濃度低減を同時に達成可能であることを実証した。膜ファウリングの発生については、CEBに用いる次亜塩素酸の濃度が洗浄効果に大きな影響を及ぼすことを観察した。本年度の研究では50-1000 ppmの範囲でCEBに用いる次亜塩素酸の濃度を変化させたが、最も安定したMBRの運転が可能になったのは次亜塩素酸の濃度を50 ppmに設定した時であった。過度に高い薬品濃度は微生物からの有機物放出を誘引し、MBR内の汚泥ろ過性を低下させるものと考えられた。CEBに用いる次亜塩素酸濃度を50 ppm とし、正味の膜透過水フラックスを20 LMHに設定した実験では５日間程度はほとんど膜ファウリングが発生しない状況を繰り返し観察した。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 21H04569
  • 超高強度洗浄を伴う膜分離による下水有機物の濃縮－下水道を創エネルギー型インフラへ
    科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)
    2018年06月29日 - 2021年03月31日
    木村 克輝, 渡部 靖憲
    都市下水の中に含まれる有機物を嫌気性消化すればエネルギーを回収できるが、下水中の有機物濃度が低すぎるために嫌気性消化の都市下水への直接適用は難しい。一方、都市下水中有機物の大半がコロイド寸法以上のサイズで存在している。下水を膜ろ過処理することで有機物を回収・濃縮できるはずであるが、深刻な膜の目詰まり（ファウリング）が問題となる。本研究は、従来の研究では検討されなかったような高強度の膜洗浄を実施して、下水の直接膜ろ過を長期にわたり継続することに挑戦するものである。高強度の膜洗浄実施を可能にするために、物理的・化学的耐性が高いセラミック膜を用いて実験を行った。有機膜の場合には膜破損が生じる粒状担体の流動に伴う膜面洗浄、高濃度の薬品を用いた高頻度の薬品併用逆洗（CEB)を実施することにより、下水の50倍濃縮を試みた。実都市下水処理場にベンチスケール膜ろ過装置を設置して、最初沈殿池流出水を原水とした連続ろ過実験を行った。膜ろ過は2段階で行い、第1段目で2倍、第2段目で25倍濃縮して、トータルで50倍濃縮を達成した。粒状担体の充填率、膜透過水フラックスの設定値、CEBに用いる薬品の濃度、CEBの実施頻度を検討項目とし、連続実験を行った。充填率については膜分離槽容積の30％相当、膜透過水フラックスは一段目タンク6.5LMH、二段目タンク4.2LMH、CEBについては1250ppmクエン酸を用いて6時間に一度の頻度で実施することにより、一ヶ月程度の連続運転が可能であることを確認した。この実験で観察された膜ファウリングは大半が膜表面に蓄積したケーキ層によるものであり、物理的洗浄の効率を高めることで、より高いフラックスで安定した運転を長期にわたって実施することが可能であることが示唆された。
    日本学術振興会, 挑戦的研究(開拓), 北海道大学, 20K20351
  • 水中バイオポリマーの詳細な特性解明に基づく膜目詰まり問題の根本的解決
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2018年04月01日 - 2021年03月31日
    木村 克輝, 西村 紳一郎, 山村 寛
    表流水中有機物の中で僅かな割合を占める高分子量親水性有機物（バイオポリマー）が、表流水の膜ろ過処理において主な膜ファウリング発生成分であることが明らかになっている。関連する研究のほとんどで、バイオポリマーは分子量1万ダルトン以上の分子量を有する成分として一括して扱われているが、バイオポリマーは様々な成分の混合物であることが確実視される。本研究では一括して扱われてきたバイオポリマーを細分化して、膜ファウリング発生において真に重要となるバイオポリマー成分を特定することを目指している。本年度はLC-OCDの改良により可能となったバイオポリマーのサイズに基づく細分化を適用し、巨大バイオポリマー（分子量100万ダルトン以上）がMF膜のファウリングを発生させる一方で、UF膜のファウリングについては分子量100万ダルトン未満のバイオポリマーが主な原因となっていることを究明した。バイオポリマーの濃縮・精製を大容量で行うための方法開発も行い、精製バイオポリマーの回収率と純度を上げるために精製過程におけるイオンバランスの調整が必要であることを見出した。精製バイオポリマーを異なる細孔径を有するMF/UF膜で疑似クロスフローろ過し、これまで一括して得られるのみであったバイオポリマーを４つのサイズ画分に分離して得ることに成功した。これら４つのサイズ画分の膜ファウリング発生ポテンシャルをPVDF膜を用いたろ過実験またはQCM-Dにより評価することが可能になっている。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 18H03789
  • 分離膜を用いた都市下水を原料とする高タンパク質・油脂含有微細藻類生産システム
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2016年04月01日 - 2019年03月31日
    渡辺 義公, 木村 克輝, 羽深 昭, 山村 寛
    都市下水をMBRで処理し、処理水と残存する窒素とリンを活用して微細藻類を培養しそれを魚介類養殖のためのタンパク質・油脂飼料生産システムに導入することを目的とした。研究成果は、1)MBR：渡辺が特許を所有する単槽式仕切り板挿入型MBR(bMBR)の実験により仕切り板内のORPとサイクル時間を調整すれば、処理水の全窒素濃度を微細藻類の培養に最適な値に調整できた。膜の長尺化と高充填密度化によって、運転動力を0.2 kwh/m3まで低下できた、2)微細藻類：MBR処理水により培養した微細藻類はタンパク質含有量がカタクチイワシと同等であり、有害金属濃度も飼料基準値以下であった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 中央大学, 16H04440
  • グライコブロッティングを利用した多糖の選択的除去による膜ファウリングの効率的抑制
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2015年04月01日 - 2018年03月31日
    木村 克輝, 西村 紳一郎, 山村 寛
    本研究では、生体内試料から糖鎖のみを選択的に回収するグライコブロッティングに着目し、膜処理において膜を閉塞させるバイオポリマーを効率的に除去できる前処理方法の確立を試みた。常温下ではグライコブロッティングによるバイオポリマーの除去は限定的であったが、アニリンなどの触媒あるいは酸化剤の併用により常温下でもバイオポリマーの除去が可能となった。バイオポリマーにはグライコブロッティングにより除去しやすいものとしにくいものが混在していることが分かり、バイオポリマーの細分類が必要となった。バイオポリマーの分析法として国際標準となっている方法を改良し、バイオポリマーを細分類して分析することに成功した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 15H04063
  • グライコミクス情報を活用した下水処理水再利用における胃腸炎ウイルス制御の新展開
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2014年04月01日 - 2017年03月31日
    佐野 大輔, 大村 達夫, 中込 治, 木村 克輝, 加藤 毅
    本研究では、胃腸炎ウイルスの糖鎖認識を活用した下水処理過程における胃腸炎ウイルス制御方法を確立することを目的とした。平成２６年度には、糖鎖マイクロアレイを用いてノロウイルス粒子が認識可能な糖鎖を検索した。平成２７年度には、ノロウイルス粒子の糖鎖認識プロファイルをもとにGD1a陽性細菌を単離した他、HBGA陽性細菌を用いてノロウイルスの精密膜ろ過実験を行った。平成２８年度には、下水処理過程におけるHBGA陽性細菌の動態を調査するためにHBGA合成遺伝子の同定を行った他、HBGAを認識するロタウイルスHAL1166株を用い、HBGA陽性細菌との共存状態での膜ろ過によるウイルス除去性能を評価した。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 26249075
  • 省エネ・多機能型の膜分離導入下廃水処理システムの実用化
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2013年10月21日 - 2016年03月31日
    渡辺 義公, 木村 克輝, 山村 寛, 佐藤 久, 羽深 昭
    膜分離活性汚泥法(MBR)の改良型として渡辺が考案したbuffled MBRは単一槽で有機物酸化、窒素除去、リン除去が行える画期的方式である。本研究ではbuffled MBRの「信頼性の向上＋低コスト化」及びそこでの「余剰汚泥からのリン回収システム」について研究した。処理能力15 m3/日のパイロットプラント実験によって以下の点を明らかにした。長さ3mのPTFE中空糸膜による実験から動力消費量として0.35kWh/m3を得た。嫌気性MBRにジルコニアメソ構造体を担持したMF膜を用いることで画期的な余剰汚泥からのリン回収システムか構築できる可能性を示した。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 中央大学, 25249073
  • グライコブロッティング法を用いた多糖構造解析に基づく膜ファウリング制御技術の開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2012年04月01日 - 2015年03月31日
    木村 克輝, 比能 洋, 相沢 智康
    多糖中に含まれるアルデヒド基とアミノオキシ基間の特異的結合を利用したグライコブロッティング法の適用により、高解像度のMALDI-TOF/MS分析を行うことでMBRにおける膜ファウリング多糖の構造と起源について検討した。本研究の結果、抽出ファウリング多糖と上澄み液中の多糖には共通する多糖構造が必ずしも多くないことが示された。MBRの膜ファウリング発生には、莢膜多糖（CPS）あるいはリポ多糖（LPS）が重要な関与をしている可能性が本研究により得られたMALDI-TOF/MSスペクトルの検討および質量数ピークの微生物多糖データベースとの照合により示された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 24360212
  • 「混ぜない」，「集めない」をコンセプトとした資源回収型排水処理技術の開発と評価
    科学研究費助成事業 基盤研究(S)
    2009年05月11日 - 2014年03月31日
    船水 尚行, 高橋 正宏, 大瀧 雅寛, 礒田 博子, 牛島 健, 木村 克輝, 伊藤 竜生, グイザニ モクタール, 韓 畯奎, 柿本 貴志, 小野田 優, 木村 克輝
    「混ぜない」，「集めない」というコンセプトを適用した新しい資源回収型排水処理体系を提案し，３つのモデル(水・衛生問題解決と資源回収を同時に行う途上国農村モデル，途上国スラムモデル，自然共生型日本里山モデル)に必要な要素技術とその評価法を開発した．開発した主要な技術は①糞便をコンポス化するトイレ技術，②尿の濃縮技術，③尿中窒素とリンの回収技術，④回収資源の農業利用技術，⑤雑排水の再生利用技術，⑥バイオアッセイによる毒性評価技術，⑦病原微生物不活化評価技術である．窒素，リン，水フローの調査・解析により，ブルキナファソ農村とインドネシアのスラム街での新システムの導入可能性が示された．
    日本学術振興会, 基盤研究(S), 北海道大学, 21226013
  • プロテオーム解析と原子間力測定に基づいたMBRにおける膜ファウリングの制御
    科学研究費助成事業 若手研究(A)
    2009年 - 2011年
    木村 克輝
    本研究では、実都市下水を処理するMBRにおいて膜ファウリングに関与しているタンパク質の詳細な構造解析を試みた。閉塞膜より抽出した試料の前処理方法を検討し、二次元電気泳動によるファウリングタンパク質の分離に成功した。分子量と等電点に基づき分離したファウリングタンパク質のアミノ酸配列解析により、Pseudomonas属に属する細菌の外膜タンパク質がMBRにおける膜ファウリングに深く関与していることが示された。
    日本学術振興会, 若手研究(A), 北海道大学, 21686050
  • ナノ構造物を表面に固定した新規機能性膜の開発
    科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
    2008年 - 2009年
    木村 克輝, 定金 正洋
    水処理各方面で様々な種類の分離膜が導入され始めているが、未だに主流技術とはなりえていない。その主な原因は膜ファウリングに伴う運転コストの増加および溶解性低分子量成分の除去性である。本研究は、ナノスケールでの規則的かつ立体的な構造制御が可能となっているカーボンナノファイバーを分離膜表面に固定することで、従来は考えられなかった新機能を有する分離膜創生を行い、上述した問題の解決を目指すものである。21年度は、平膜状アルミナ多孔体上にカーボンナノファイバーを固定化する条件の最適化を検討し、以下の条件を確立した。平膜状アルミナ多孔体(WhatmanアルミナフィルターAnodisc 25)を0.3M硝酸ニッケルのエタノール溶液に浸し、超音波バス中で10分間超音波処理を行った。そめ後、硝酸ニッケル溶液から平板状アルミナ多孔体を取り出し、この硝酸ニッケル溶液の染み込んだ平板状アルミナ多孔体を300度に加熱している焼成炉に1時間入れ、アルミナ多孔体中の硝酸ニッケルを酸化ニッケルに変換した。その後、この酸化ニッケルを担持した平板状アルミナ多孔体をメタンガス流通下(毎分20ml)、550度で2時間反応させることにより、カーボンナノファイバーを生成させた。この方法により平板状アルミナ多孔体上全てにカーボンナノファイバーを生成させることが出来ることが確認できた
    日本学術振興会, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 20656083
  • 膜ろ過を核とした次世代型高度下水処理における医薬品の挙動解明と処理条件の最適化
    科学研究費助成事業 若手研究(A)
    2006年 - 2008年
    木村 克輝
    従来型の下水処理技術では除去が難しい医薬品類による水環境及び水道水源の汚染が顕在化している。本研究では、次世代の下水処理技術として注目されている膜処理を用いた場合の医薬品除去性について検討した。膜分離活性汚泥法やナノろ過、逆浸透処理による医薬品の除去性は従来型下水処理と比較して大幅に高くなる。生物処理部の操作条件はシステム全体における医薬品除去性に大きな影響を及ぼすことが明らかとなった。また、下水処理過程において医薬品は完全に分解されるわけではなく、構造が特定されない中間生成物として放流されるものがあることを示した。
    日本学術振興会, 若手研究(A), 北海道大学, 18686043
  • 遺伝子および化学マーカーによる河川糞便性汚染源の特定
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2003年 - 2004年
    岡部 聡, 木村 克輝
    本研究では糞便性指標微生物の遺伝子マーカーと化学マーカーを組み合わせた迅速(1-2日程度)かつ簡便な、糞便性汚染源の特定と汚染度の定量的評価手法の開発を行うことを目的とした。腸内蛋白質分解細菌の最優占種であるBacteroidesに着目し、培養を必要としない分子生物学手法(16S rDNAクローンライブラリー法やTerminal Restriction Fragment Length Polymorphism : T-RFLP法、定量PCR法)を用い、宿主特有のBacteroidesの16S rRNA遺伝子配列(遺伝子マーカー)を特定・探索することにより、水環境中の糞便汚染源(人間、牛、豚等)を特定する。研究成果は以下のように要約される。
    宿主動物(人間、牛、豚)毎に特異的なBacteroides種が存在し、宿主動物を認識することが可能な16SrRNA遺伝子配列(遺伝子マーカー)を見つけ出すことに成功した。これによって、これら特異的なBacteroides属を指標微生物とすることにより、糞便汚染源の特定が可能であることを示唆している。次に、これら宿主特異的遺伝子マーカーを迅速かつ簡便に検出・定量するために、これらの遺伝子マーカーに特異的なPCRプラーマーのセットを7つ設計することができた。これら設計したPCRプラーマーセットを用いたT-RFLP法を確立した。この結果、宿主動物毎に特異的なDNA断片長を有するクローンが河川環境中に多く存在することが確認された。したがって、これらのDNA断片は宿主動物毎の遺伝子マーカーとなることが確認できた。また、遺伝子マーカーの迅速な定量を行うために、それぞれのプライマーセットに対応するReal-timePCR法の反応条件を確立した。T-RFLP法およびReal-timePCR法による解析は、DNA抽出から定量まで約8時間で終了し、かつ培養法によるバイアスを排除できるため、より正確に複合微生物系内に存在する各種糞便性大腸菌および病原細菌の特定・定量および汚染源の特定・モニタリングが可能となると思われる。また、検出限界は極めて低く、高感度かつ特異的な糞便性大腸菌汚染の指標となることが明らかとなった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 15360283
  • EDCs/PhACsの水中有機成分との結合及び膜処理による除去に関する研究
    科学研究費助成事業 若手研究(B)
    2003年 - 2004年
    木村 克輝
    本年度は、膜分離活性汚泥法(Membrane bioreactor, MBR)による医薬品由来化合物(PhACs)除去性の検討を行った。MBRは膜を用いた次世代の下水処理技術として注目されている技術であるが、PhACsのMBRによる除去性に関する検討例は現時点でほとんど存在していない。実験は、実都市下水処理場に設置したパイロットスケールのMBRを用いて行った。標準活性汚泥法を採用している実都市下水処理場最終沈殿池流出水中のPhACs濃度とMBR処理水中のPhACs濃度を比較することにより、MBRのPhACs除去性について評価した。検討の対象としたPhACsのうち、clofibric acid、ibuprofen、ketoprofen、naproxen、fenoprofen、mefenamic acid、diclofenac、primidone、carbamazepineの9種類のPhACsが流入下水から検出された。今回検討の対象としたPhACsは、各処理プロセスにおける除去性によって3つのグループに分けることができた。ibuprofenはMBRと活性汚泥法の両方において良好に除去されていたが、diclofenacはどちらの処理法によっても顕著な除去は観察されなかった。また、ketoprofen、mefenamic acid、naproxen、fenoprofen、clofibric acidは活性汚泥法よりもMBRにおいて効果的に除去されていた。これらのPhACs除去性とPhACsの構造との関連性に着目すると、PhACsの構造に含まれるベンゼン環数が除去性に大きな影響を及ぼしているようであった。構造中のベンゼン環数が1つのibuprofenについては、MBRと活性汚泥法は同程度の除去性を示したが、ベンゼン環数が2つのketoprofen、mefenamic acid、naproxen、fenoprofenについては活性汚泥法よりもMBRにおいて良好な除去が達成された。ベンゼン環とハロゲン基をそれぞれ2つ有するdiclofenacはMBR/活性汚泥法の双方において顕著な除去は観察されなかった。PhACsの構造中にベンゼン環やハロゲン基が多く存在する物質ほど生物処理による除去が困難になるものと推測される。MBR/活性汚泥法間におけるPhACs除去性の差異は、両プロセスにおけるSRTの長短によるものであったと考えられる。MBRではSRTを極めて長く設定できるため、増殖速度の遅い微生物種が増殖できることに加え、元々存在していた微生物がPhACsに対して代謝活性を獲得する可能性がある。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 15760404
  • 再生水造水とリン資源回収のためのハイブリッド下水処理システムの構築
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2002年 - 2004年
    渡辺 義公, 岡部 聡, 木村 克輝
    1)膜ファウリング機構の解明および抑制
    実都市下水を用いた多系列の膜分離活性汚泥処理実験を行い、運転条件、前処理の有無が反応槽内汚泥の性状に及ぼす影響について検討した。反応槽内汚泥濃度の上昇に伴って槽内汚泥の粘度が上昇し、膜ろ過運転を困難にするが、特に汚泥濃度が10,000mg/Lを超過する際に粘度の上昇が顕著になる傾向が観察された。前凝集沈殿処理を行うことでこれらの粘度上昇は良好に抑制されうることを見いだした。
    2)ハイブリッドMBRでは窒素除去率が低いことを改善するために、PVDF製のMF平膜を用いたMBR内に仕切り板を入れて、MBRの水位を変化させて槽内に好気部と無酸素部を同時に形成する新たなMBRを開発した。このMBRでは処理水の全窒素濃度が5mg/l程度となった。また、MBR内の生物相の解析によって、MBR内には糸状細菌であるChloroflexiが活性汚泥ばっき槽内と比較して極めて高い存在割合を占めていることを明らかにした。Chloroflexiは死滅細菌由来の有機物のスカベンジャーとして機能し、溶解性有機物の蓄積による膜ファウリングの抑制に寄与していることが示唆された。
    3)処理水の再利用の観点から、Bacteroides属とPrevotella属を指標として、迅速かつ正確に人獣の糞便由来の病原性微生物の存在をチェックできる新たな分子生物学的手法を開発し、実河川の水質測定に適用した。その結果開発された手法によって、人、牛、豚の糞便汚染を区別できることが明らかになり、処理水の安全性の確認のみではなく、河川の糞便汚染の汚染源を特定できるようになった。
    4)新規吸着剤であるジルコニアメゾ構造体(ZS)をリン酸吸着に適用した結果、ZSに含まれるSO_4^<2->とOH^-がリン酸イオンと陰イオン交換することで、リン酸を選択的に吸着する機構を明らかにした。その最大吸着能約3500μM/gZSであり、既存の吸着剤の1.7倍に達した。ZSに吸着されたリン酸はクエン酸溶液(pH=4.5)やNaOH溶液に浸すことで容易に溶出した。今後はZSの再生方法と高濃度・高純度に濃縮されたリン酸溶液からの硝析脱リンによるリン回収技術の確立を計画している。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 14205077
  • 水中溶存有機物の分画・評価　　　　　　　　　　　　　　　
    科学研究費補助金
    2000年 - 2004年
    競争的資金
  • 膜ファウリング機構に関する研究　　　　　　　　　　　　　　　
    科学研究費補助金
    2000年 - 2004年
    競争的資金
  • Characterization of dissolved natural organic matter　　　　　　　　　　　　　　　
    Grant-in-Aid for Scientific Research
    2000年 - 2004年
    競争的資金
  • A study on membrane fouling mechanism　　　　　　　　　　　　　　　
    Grant-in-Aid for Scientific Research
    2000年 - 2004年
    競争的資金
  • 膜分離のための効果的な物理洗浄と前処理法の開発
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2000年 - 2001年
    渡辺 義公, 木村 克輝
    千歳川表流水を原水として、凝集条件の異なるジャーテストとUF膜回分ろ過実験を行い、UF膜ろ過のろ過サイクルにおける膜ファウリングの発現および溶解性有機成分の除去性に及ぼす凝集沈殿処理の影響を検討した。噴流攪拌固液分離槽(JMS)による凝集沈殿を前処理としたUF膜連続ろ過実験を行い、長時間の運転において膜ファウリングの発現及び溶解性有機成分の除去性に及ぼす影響も評価した。その結果、凝集沈殿をUF膜ろ過の前処理として用いると、膜ファウリングが低減化され、溶解性有機成分の除去性が著しく向上することが確認された。また、UF膜ろ過の前処理としての凝集沈殿の効果は、pHや凝集剤注入率によって大きな差があることから、適切な凝集条件の選択が重要である。
    長時間の定流量全量UF膜ろ過における、物理洗浄条件の違いが膜ファウリングの抑制に及ぼす影響について検討した。水逆洗とエアスクラビングを併用すると、水逆洗のみの場合に比べて、不可逆ケーキ層抵抗の上昇が極めて緩やかとなった。物理洗浄排水の分析より、膜で阻止された高分子フミン質、懸濁成分および金属成分が水逆洗とエアスクラビングの併用によって、良好に剥離できたためであることがわかった。洗浄時間及び洗浄強度の異なる物理洗浄の増加に伴い、不可逆ケーキ層抵抗の上昇は緩やかになったが、洗浄時間には最適値が存在した。
    膜ファウリングの制御と処理水質の向上を目的に、MF膜ろ過の前処理としてオゾン酸化を行った。異なるオゾン注入率と膜ろ過前後の残留オゾンの、膜ろ過運転性と処理水質を検討した。前オゾン酸化によって、E260を指標とするフミン質の除去率はオゾン酸化無しの場合に比べて1.5〜2.0倍向上したが、TOC除去率は若干低くなった。前オゾン酸化後空気曝気してオゾンを残留させなかった場合は、全マンガン除去率は約90%であったが、膜面にオゾンを残留させた場合の全マンガン除去率は約50%であった。前オゾン酸化して膜ろ過すると、ろ過水のAOCは千歳川を直接膜ろ過した場合の2.5〜8.2倍となった。前オゾン酸化により膜ろ過運転性が向上した。特に、膜透過水にオゾンが残留していた場合に、より安定した膜ろ過運転が可能であった。前オゾン酸化による膜ろ過運転性の向上は、(1)オゾン酸化による有機成分の低分子化、(2)膜面に残留するオゾンによる膜で阻止された有機・無機成分に対する物理洗浄効果の向上、によると考えられる。回転平膜の表面に微小量の硝化細菌を主体とする生物膜を保持しながら膜ろ過を行う膜処理プロセスを開発した。本プロセスでは、膜ろ過と低濃度アンモニア性窒素、マンガンイオン、生物代謝性有機物(AOC)の酸化が同時に行われる。膜ろ過抵抗について検討した結果、本プロセスでは、全膜ろ過抵抗の70〜80%が膜面に付着・蓄積したケーキに起因した。本水処理装置では、膜の回転作用を利用したスポンジ片による膜洗浄法が有効であった。この洗浄法と本装置の処理性を確認するために、長期間に亘るパイロットプラント実験を行った。その結果、スポンジ洗浄のみで約1年間の運転が可能であった。処理水質についても、水温が15℃以上では、アンモニア性窒素濃度、全マンガン、AOCの濃度はそれぞれ0.01、0.005、0.001mg/l程度であった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 12450210
  • 原水水質に対応した合理的膜選択による膜閉塞制御に関する研究
    科学研究費助成事業 奨励研究(A)
    2000年 - 2001年
    木村 克輝
    本年度は、有機物濃度の高い水道水源(江別市千歳川表流水)および有機物濃度の低い水道水源(札幌市豊平川表流水)を対象として、三次元励起・蛍光スペクトル(EEMs)、各種樹脂を用いるLeenheerの方法による溶存有機物のキャラクタリゼーションを行い、両者の関係を考察した。この結果、比較的短時間で得ることのできるEEMsから、Leenheerの方法による有機物の分画結果を予測しうることがわかった。並行して千歳川表流水、豊平川表流水それぞれを用いたパイロットスケール膜ろ過実験を実浄水場において行い、長期間にわたり実験を継続することによって膜を閉塞させた。これらの膜の一部分を採取し、膜を閉塞させた有機成分を酸・アルカリなどの各種薬品により抽出するとともに、抽出前後の膜透過性能の変化を小型膜ろ過モジュールによって評価した。薬品によって抽出された成分のEEMsを検討することによって、溶存有機物中のどのような画分が膜閉塞、特に不可逆的な膜閉塞に深く関与しているかを検討した。この結果、不可逆的な膜閉塞は主に疎水的酸性成分によって引き起こされていることが示唆された。強アルカリを用いて有機成分の抽出を行う際には、膜本体からの親水性成分の漏出が無視できない量となった、この部分の影響をどのように除去しうるかが課題として残されている。今後はより広範な範囲の水・膜の組み合わせについて本研究で開発した膜閉塞成分検討法を適用してゆくことで、原水水質に対応した合理的膜選択手法の確立に近づくことができるものと考えられる。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 12750489
  • メンブレンバイオリアクターの最適化　　　　　　　　　　　　　　　
    ＪＳＴ戦略的創造研究推進制度（研究チーム型） （戦略的基礎研究推進事業：ＣＲＥＳＴ）
    1997年 - 2001年
    競争的資金
  • Optimization of membrane bioreactor　　　　　　　　　　　　　　　
    JST Basic Research Programs (Core Research for Evolutional Science and Technology :CREST)
    1997年 - 2001年
    競争的資金
  • 処理水再利用と汚泥中リンの有効利用のためのハイブリッド下水処理システム
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    1996年 - 1998年
    渡辺 義公, 木村 克輝, 岡部 聡, 但野 利秋, 中埜渡 丈嘉
    (1) 凝集・高速固液分離・生物酸化を組み合わせた高度下水処理システム
    固液分離プロセスの更なる効率化のために、JMSの多孔板の孔の形状が固液分離性に及ぼす影響について解析して、円孔よりも縦スリット孔が有効であることを明らかにした。凝集剤としても、凝集沈殿汚泥からのリンの回収も考慮して、多用されているアルミニウム系に代わる新しい鉄系のPoly-Silicato-Iron(PSI)の有効性を検討し、凝集pHを6.5とすればAlと同等の添加濃度で同等の凝集効果を持つことを実証した。
    (2) 生物膜の構造・機能解析による硝化機能の向上
    下・廃水からの窒素除去を担う生物膜内の硝化細菌を対象として、16rRNAを標的とする蛍光遺伝子プローブを用いたFISH(Fluoresent In Situ Hybridization)法と共焦点レーザー走査型顕微鏡による画像解析を併用して、原水の有機物とアンモニア性窒素の濃度比(C/N)と生物膜形成時間が硝化細菌の種類と菌密度について研究した。アンモニア酸化細菌の優占種についての検討し、生物膜内には異なる生理特性を持つ様々なアンモニア酸化細菌が混在し、水質の変化に対応して菌相が入れ替わり、結果として生物膜のアンモニア酸化は安定して維持されることが明らかとなった。
    (3) フミン質による膜ファウリング機構
    フミン質と濁質が共存する高色度河川水で高度下水処理水に近い水質の千歳川をサンプルとして、回分膜ろ過実験によってUF膜のファウリング特性を明らかにした。高色度原水のUF膜ろ過では、フミン質が膜ファウリングの主原因物質である。膜ろ過で発現するファウリングに由来する抵抗を、(1)ケーキ層抵抗、(2)濃度分極層抵抗、(3)吸着抵抗、に分けてそれぞれを個別に定量化する方法を提案した。フミン質と濁質が共存すると高分子フミン質が大きな濁質粒子の間隙に入り込み、大きなケーキ層抵抗を発現する。膜細孔より大きい高分子フミン質によるケーキ層抵抗を、フミン質濃度の異なる濁質を含まない原水をろ過した場合の実験データを、Ruthのケーキろ過式を変形した式によって解析し、提案した膜ファウリング機構を検証した。
    (4) 植物根分泌酸性ファスファターゼの遺伝子解析、機能評価
    P処理を施したルーピンの根のRNAから、APaseをコードする2種類のcDNA,LASAP1およびLASAP2を単離した。LASAP1は細胞膜・壁に存在して根の表面に到達する有機態リン酸化合物を分解し、LASAP2は根から分泌されて有機態リン酸化合物を分解する機能をもつことが示された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 08458160
  • 膜を用いた新しい用廃水処理システムの開発　　　　　　　　　　　　　　　
    競争的資金
  • 医薬品の水処理過程中における動態　　　　　　　　　　　　　　　
    競争的資金
  • Development of a novel water /wastewater system using membrane technology　　　　　　　　　　　　　　　
    競争的資金

産業財産権

  • 膜分離活性汚泥処理装置、膜分離活性汚泥処理方法及び原水供給装置
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2016-254055, 2016年12月27日
    特開2018-103129, 2018年07月05日
    特許第6941439号, 2021年09月08日
    202103009267921383
  • 原水供給装置及び原水供給方法
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2016-254064, 2016年12月27日
    特開2018-103130, 2018年07月05日
    特許第6941440号, 2021年09月08日
    202103020336604186
  • 膜分離活性汚泥処理装置及び膜分離活性汚泥処理方法
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2017-089607, 2017年04月28日
    特開2018-187538, 2018年11月29日
    特許第6931551号, 2021年08月18日
    202103003048057802
  • 膜分離活性汚泥処理装置及び膜分離活性汚泥処理方法
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2021-082176, 2021年05月14日
    特開2021-112744, 2021年08月05日
    202103006837813505
  • 膜分離活性汚泥処理装置及び膜分離活性汚泥処理方法
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2021-082175, 2021年05月14日
    特開2021-112743, 2021年08月05日
    202103020675332047
  • 膜分離活性汚泥処理装置、膜分離活性汚泥処理方法及び原水供給装置
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2021-045702, 2021年03月19日
    特開2021-090973, 2021年06月17日
    202103009044870833
  • 排水処理方法および排水処理装置
    特許権, 木村 克輝, 江口 正浩, 村上 敬介, 油井 啓徳, 国立大学法人北海道大学, オルガノ株式会社
    特願2015-071676, 2015年03月31日
    特開2016-190203, 2016年11月10日
    特許第6899104号, 2021年06月16日
    202103001830153109
  • 膜分離活性汚泥処理装置及び膜分離活性汚泥処理方法
    特許権, 木村 克輝, 石田 進, 張 亮, 円谷 輝美, 三好 太郎, 国立大学法人北海道大学, 前澤工業株式会社
    特願2017-089621, 2017年04月28日
    特開2018-187539, 2018年11月29日
    201803006471226983
  • 有機物含有排水の処理方法及び処理装置
    特許権, 井坂 和一, 江口 正浩, 木村 克輝, オルガノ株式会社, 国立大学法人北海道大学
    特願2017-012176, 2017年01月26日
    特開2018-118214, 2018年08月02日
    201803013492177300
  • 有機物含有排水の処理方法及び処理装置
    特許権, 江口 正浩, 井坂 和一, 木村 克輝, オルガノ株式会社, 国立大学法人北海道大学
    特願2017-012175, 2017年01月26日
    特開2018-118213, 2018年08月02日
    201803019368333180
  • 水処理方法および装置
    特許権, 橋野 昌年, 岡村 大祐, 木村 克輝, 旭化成株式会社, 国立大学法人北海道大学
    JP2017043524, 2017年12月04日
    WO2018-105569, 2018年06月14日
    201903002943239920
  • ろ過装置の運転方法
    特許権, 橋野 昌年, 木村 克輝, 国立大学法人北海道大学, 旭化成株式会社
    特願2015-180457, 2015年09月14日
    特開2017-056371, 2017年03月23日
    201703006890513979
  • 微生物担持型回転平膜装置の運転方法
    特許権, 渡辺 義公, 木村 克輝, 吉川 慎一, 大熊 那夫紀, 日立プラント建設株式会社, 独立行政法人科学技術振興機構
    特願平10-280253, 1998年10月01日
    特開2000-107784, 2000年04月18日
    特許第3646537号, 2005年02月18日
    201103035878784202
  • 生物学的処理装置及び独立栄養硫黄脱窒法　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    P2002-316189A
  • 回転平膜装置　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    P2001-87780A
  • Rotating membrane disk module　　　　　　　　　　　　　　　
    特許権
    *

主な担当授業

  • 排水処理・再生工学特論, 2024年, 修士課程, 工学院
  • 水環境施設工学特論, 2024年, 修士課程, 工学院
  • 排水処理・再生工学特論, 2024年, 博士後期課程, 工学院
  • 水環境施設工学特論, 2024年, 博士後期課程, 工学院
  • 環境工学序論, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 下水工学, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 分離工学, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 流体工学Ⅰ, 2024年, 学士課程, 工学部