包括固定化担体の減容方法、包括固定化担体、水質浄化方法及び包括固定化担体の製造装置
【課題】担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を効果的に減容する。
【解決手段】微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備える。
【解決手段】微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括固定化担体の減容方法、包括固定化担体、水質浄化方法及び包括固定化担体の製造装置に係り、特に、観賞魚等の飼育水の水質を浄化する含水ゲルの微生物包括固定化担体を減容する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理に用いられる活性汚泥に含まれる硝化細菌は、一般の細菌に比べて増殖速度が遅く、特に冬場の低水温時期には細菌数が少なくなるため、硝化活性が著しく低下する。この現象は、硝化細菌と同様の性質を有する微生物にもみられるものである。このため、硝化細菌を含む活性汚泥をスポンジやプラスチック等の付着材の表面に付着させて硝化細菌を高濃度化し、廃水の硝化性能を改善している（参考文献：微生物固定化法による水処理 担体固定化法・包括固定化法・生物活性炭法(株)エヌ・ティー・エス 2000年発行）。しかしながら、微生物が付着材から剥離したり、目的の微生物である硝化細菌と異なる微生物が担体に付着したりし、硝化細菌を十分に高濃度化することができなかった。
【０００３】
このため、硝化細菌等の有用微生物を固定化材料内に包括固定する包括固定化担体が提案されている。この包括固定化担体を処理槽に充填して硝化細菌を高濃度にすることで、硝化活性を向上させて高速で廃水を処理している（例えば、特許文献１）。この包括固定化担体は、活性汚泥を高分子化合物等の固定化材料と混合して原料液を調製し、この原料液を重合開始剤で重合してゲル化することにより製造している。製造した包括固定化担体は、若干の水とともに袋やケースに詰めて保管及び運搬し、廃水処理設備のある場所において袋やケースから取り出し、処理槽に投入して使用している。
【０００４】
ところで、包括固定化担体の表面には、固定化材料の未重合物質が付着していることがある。このため、担体を乾燥させると担体表面の未重合物質がべたつき、担体同士が接着して団子状の塊となり易い。このような団子状の塊が生じると、処理槽内において廃水と接触させても塊が崩れにくく、本来の性能を発揮できないこととなる。このため、包括固定化担体を保管や運搬する場合、ケースや袋に包括固定化担体と水を投入して直接的に担体同士が接触しないようにしている。
【０００５】
このように、包括固定化担体を、袋やケース内の水に浸漬して保管及び運搬すると、容量や重量が増すことから、保管や運搬の手間やコストがかかることが問題であった。このため、袋やケースに水を入れなくても塊を生じることなく、保管及び運搬できる方法が望まれている。また、包括固定化担体の含水率は、通常８０〜９５％程度と高く、脱水させることにより包括固定化担体のサイズをより小さくする（減容する）ことが求められている。
【０００６】
これに対して、例えば、本願出願人は、包括固定化担体を加熱した温水中に投入し、包括固定化担体の含水ゲルを収縮させることで担体を減容する方法を提案している（特許文献２）。
【特許文献１】特許第３４２２２２９号
【特許文献２】特開２００４−２９８７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２では、例えば、担体を加熱した温水に浸漬することにより担体の含水ゲルを熱収縮させるため、担体の減容量は含水ゲルの収縮分のみであり、大幅な減容効果は得られなかった。
【０００８】
また、担体を比較的高温で加熱すると、急速な乾燥により担体形状が崩れやすいだけでなく、担体内に保持させた微生物が熱によるダメージを受け易く、微生物の活性を低下させる虞があった。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を効果的に減容できる包括固定化担体の減容方法、包括固定化担体、水質浄化方法及び包括固定化担体の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、前記包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備えたことを特徴とする包括固定化担体の減容方法を提供する。
【００１１】
請求項１によれば、包括固定化担体を１０〜４０℃で送風乾燥するので、担体内に保持した微生物に熱によるダメージを与えることなく、包括固定化担体全体を均一に且つ緩やかに乾燥する（含水率を低下させる）ことができる。これにより、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を減容できる。すなわち、担体の表面温度が１０℃未満となるように送風乾燥すると、低温になりすぎることで微生物の活性が低下し、４０℃を超えるように送風乾燥すると、熱によるダメージを受けて微生物の活性が低下するため、いずれも好ましくない。したがって、担体表面の温度が１０〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃となるように送風乾燥する必要がある。微生物としては、特に限定はしないが、廃水処理で主に用いられる中温細菌が挙げられ、中でも、熱によるダメージを受け易い微生物、例えば、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌、有機物分解菌、脱窒細菌等が挙げられる。
【００１２】
また、乾燥時間は１２〜２４時間が好ましい。なお、湿度を低くして送風乾燥することで乾燥時間を短縮することもできる。
【００１３】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することを特徴とする。
【００１４】
請求項２によれば、包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥するので、担体内の微生物を生存させるために必要な水分を確保しつつ、担体の表面を未重合物質によるベタツキが発生しない程度まで乾燥することができる。また、含水率を１〜５％まで送風乾燥させることで、送風乾燥前の含水時の体積の約１／１０まで大幅に減容できる。
【００１５】
なお、含水率は、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体重量を含水率０％とし、これに対する担体重量の比から求めることができる。例えば、含水率０％のときの担体重量が３０ｍｇであり、含水時の担体重量が３３ｍｇである場合、このときの担体の含水率は（（３３−３０）ｍｇ／３３ｍｇ）×１００＝９％となる。
【００１６】
請求項３は請求項１又は２において、前記送風乾燥する前の包括固定化担体の比表面積は１２００〜６０００ｍ２/ｍ３であることを特徴とする。
【００１７】
比表面積が小さすぎると、乾燥風との接触面積が少ないため乾燥させにくく、担体の表面の未重合物質によるべたつきを生じ易くなる。一方、比表面積が大きすぎると、乾燥風との接触面積が多く、急激に乾燥されることで担体の形状が崩れ易くなる。請求項３によれば、包括固定化担体の比表面積を１２００〜６０００ｍ２/ｍ３とするので、上記のような不具合を生じることなく、担体の形状を維持しながら、短時間で乾燥することができる。
【００１８】
請求項４は請求項１〜３の何れか１項において、前記固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であることを特徴とする。
【００１９】
アクリルアミド等の低分子材料では含水ゲル中の水分が送風乾燥により抜け易く、分子量が１００００より大きいと乾燥され難く上記含水率に調整することが困難となる。請求項４によれば、固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であるものを使用するので、乾燥により担体の形状が崩れるのを抑制し、且つ適正な含水率の範囲に調整し易くすることができる。
【００２０】
請求項５は請求項１〜４の何れか１項において、前記微生物は、前記送風乾燥する前の包括固定化担体において１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上含まれることを特徴とする。
【００２１】
請求項５によれば、１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上と多めに微生物を固定化するので、含水率が低下したことにより活性が若干低下し易くなった場合でも、廃水の処理効率が著しく低下するのを抑制できる。
【００２２】
本発明の請求項６は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法により減容されたことを特徴とする包括固定化担体を提供する。
【００２３】
請求項６によれば、微生物活性の低下がなく、均一な形状を有する減容担体を得ることができる。
【００２４】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、請求項６の包括固定化担体を水中に浸漬して膨潤させた後、水質浄化に使用することを特徴とする水質浄化方法を提供する。
【００２５】
請求項７によれば、減容させた包括固定化担体を水中に浸漬することにより、乾燥前の含水ゲルの状態に戻すことができ、例えば、観賞魚等の飼育水や河川・湖沼水、工業廃水等の水質浄化に利用することができる。
【００２６】
本発明の請求項８は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の製造装置であって、前記微生物と固定化材料の混合物を調製する調製部と、前記調製した混合物を重合させることで成形する成形部と、前記成形体を所定の大きさに切断することで包括固定化担体とする切断部と、前記包括固定化担体に対して所定温度で送風乾燥するための送風乾燥部と、を備えたことを特徴とする包括固定化担体の製造装置を提供する。
【００２７】
請求項９は請求項８において、前記送風乾燥部は、前記包括固定化担体の表面温度を測定する測定手段と、前記測定手段の結果に基づいて、前記送風温度を調節する温度調節手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
請求項９によれば、測定手段の測定結果に基づいて、送風温度を調節する温度調節手段を備えるので、担体表面の温度が所定の範囲となるように、送風温度を正確に制御できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を効果的に減容できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面に従って、本発明に係る包括固定化担体の減容方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００３１】
図１は、本発明が適用される担体の製造工程から使用工程までの流れについて説明するブロック図である。
【００３２】
図１に示すように、製造工程１２において製造した包括固定化担体を、減容工程１４において減容し、保管・運搬工程１６において使用する場所まで運搬した後、戻し工程１８において、包括固定化担体を水に浸漬して元のサイズに戻して、生物処理工程１９において水質浄化に使用する。
【００３３】
製造工程１２では、図２に示すように、先ず、活性汚泥等の微生物と固定化材料を混合してよく攪拌し、原料溶液を調製する。そして、過硫酸カリウム等の重合開始剤を原料溶液に添加し、重合させる。このとき、重合温度は１５〜４０℃が好ましく、２０〜３０℃がより好ましい。重合時間は１〜６０分が好ましく、１．５〜６０分がより好ましい。その後、重合させてゲル化した担体を、例えば、約３ｍｍ角の角型形状に切断することで、包括固定化担体を得ることができる。
【００３４】
包括固定化担体（以下、単に「担体」ともいう）のサイズは、後述する減容工程１４において担体表面に均一に送風できるように、比表面積が１２００〜６０００ｍ２/ｍ３となるように設定されることが好ましい。また、送風乾燥により担体の含水率が低下するため、担体内の微生物の活性が低下しても高効率な処理ができるように、高濃度の微生物を固定化することが好ましく、例えば、１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上とすることができる。
【００３５】
微生物としては、活性汚泥に限定されるものではなく、純粋培養した微生物を使用してもよい。微生物の種類としては、例えばＢＯＤ成分酸化細菌、ダイオキシン分解菌、ビスフェノールＡ分解菌、アオコ分解菌、硝化細菌、脱窒細菌，嫌気性アンモニア酸化細菌等が挙げられる。特に、本発明は、熱によるダメージを受け易い微生物に対して好適であり、例えば、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌、有機物分解菌、脱窒細菌等が挙げられる。
【００３６】
固定化材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレングリコール系、ポリビニルアルコール系のポリマ等が使用され、具体的には、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの含有比が７：３であり、末端基がジアクリレートである分子量１０００〜１００００のプレポリマを使用できる。このほか、ポリエチレングリコールアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールメタアクリレート等を使用することもできる。
【００３７】
成形方法としては、特に限定されるものではなく、ブロック成形法、シート成形法、チューブ成形法、滴下造粒法等を採用することができる。
【００３８】
減容工程１４では、製造工程１２において製造した担体を、所定温度で送風乾燥することによって減容する。
【００３９】
このとき、担体内の微生物が熱により失活しない温度で乾燥させることが重要である。すなわち、送風温度が１０℃未満になると、低温になりすぎて微生物の活性が低下し、４０℃を超えると熱によるダメージを受けて微生物の活性が低下し、いずれも好ましくない。このため、担体の表面温度が１０〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃となるように送風温度を設定する。
【００４０】
また、乾燥速度が大きすぎると担体の形状が崩れ易いため、緩やかに乾燥する（乾燥速度を小さくする）ことも重要である。乾燥時間は、特に限定しないが、例えば１２〜２４時間とすることが好ましい。なお、乾燥時間を短縮する観点で、除湿した乾燥風を包括固定化担体に供給することもできる。
【００４１】
減容工程１４では、担体内の微生物を生存させるために必要な水分を確保しながらも、担体の表面を未重合物質によるベタツキが発生しない程度まで乾燥する必要がある。すなわち、含水率が１％未満であると微生物にとって必要な水分が不足し、微生物の活性が低下しやすく、含水率が５％を超えると乾燥後の担体表面がベタついて塊となり、水中に浸漬しても塊が崩壊せず微生物の活性が低下する。したがって、担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することが好ましく、３〜５％となるまで送風乾燥することがより好ましい。
【００４２】
なお、含水率は、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体重量を含水率０％とし、これに対する担体重量の比から求めることができる。
【００４３】
保管・運搬工程１６では、減容工程１４において減容及び乾燥させた担体を、そのまま袋やケース等の収納容器に詰め込み、運搬する。そして、運搬した担体を収納容器から取り出し、廃水処理設備の生物処理槽に投入することで、戻し工程１８を行う。
【００４４】
戻し工程１８では、担体を水に所定時間浸漬することによって、担体を減容前の形状（体積）に戻す。担体を水に浸漬する時間は、担体の乾燥状態や使用されている材料によって異なるが、約１２〜２４時間とすることが好ましい。また、生物処理槽とは別の水槽に水を貯留しておき、この水に担体を浸漬して戻し工程を行うようにしてもよい。戻し工程１８の後、生物処理槽に原水を投入することにより、生物処理工程１９を行うことができる。
【００４５】
このように、保管・運搬工程においては、従来はケース内に水を投入し、担体を水に浸漬して保管していたため、嵩容積及び重量がともに大きくなりハンドリングが良好でなかった。また、保管温度が高い場合には、収納容器内の水が腐敗し易く悪臭を放つこともあった。この悪臭は、水中へ担体から有機物の溶出や付着有機物が溶出し、微生物が繁殖して腐敗することによるものであった。
【００４６】
本発明によれば、減容工程１４において、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を乾燥させて減容することができる。このため、袋やケースに水を入れる必要はなく、担体を乾燥状態で且つコンパクトに保管及び運搬することができる。これにより、保管及び運搬時のハンドリングを大幅に向上できるとともに、悪臭も防止することができる。
【００４７】
次に、本発明に係る包括固定化担体の減容方法を実施するための装置構成について説明する。
【００４８】
図３は、本発明に係る担体の製造装置２０の構成を示す概略図である。担体の製造装置２０は、主に、原料調製部２２、成形部２４、切断部２６、及び送風乾燥部２８より構成されている。
【００４９】
原料調製部２２は、主に、原料が貯留された原料槽３２と、固定化材料溶液や重合開始剤等の薬品が貯留された薬品槽３４、３６と、原料と薬品を混合する攪拌・押出装置３８と、を備えている。また、ポンプ４０、４２、４４は、原料槽３２の原料、薬品槽３４の薬品、薬品槽３６の薬品を、攪拌・押出装置３８に導入する駆動手段として、それぞれ設けられている。これにより、包括固定化担体を製造する原料となる混合液を、攪拌・押出装置３８において混合し、成型枠４６へ押し出すことができる。
【００５０】
成形部２４は、主に、混合液を重合して成形体４８を製造する成型枠４６と、成型枠４６を搬送する移動ステージ５０と、を備えている。また、成型枠４６には温度調節手段５２が設けられており、重合温度を調節できるように構成されている。
【００５１】
切断部２６は、主に、成形体４８を固定する固定ステージ５４と、該固定ステージ５４内の一端側に設けられ、搬送機構５６により可動する押出板５８と、を備えている。また、固定ステージ５４の他端側には、格子状切断刃６０Ａ及び回転状切断刃６０Ｂが設けられている。これにより、固定ステージ５４内にセットされた成形体４８は、搬送機構５６により所定の速度で押し出されながら格子状切断刃６０Ａにより格子状に切断された後、回転状切断刃６０Ｂにより約３ｍｍ角の立方体状に切断される。切断された担体６２は、更に下流側に設けられた送風乾燥部２８に導入される。
【００５２】
図４は、図３の送風乾燥部２８の構成の一例を詳細に説明する説明図である。
【００５３】
送風乾燥部２８は、担体６２を収納するパレット６４と、該パレット６４の下部に設けられ、パレット６４の底面から乾燥風を供給する送風手段６６と、を備えている。
【００５４】
パレット６４には、底面に乾燥風を取り込むための複数の孔６４Ａが形成されている。また、パレット６４には攪拌機６８が設けられており、パレット６４内の担体を攪拌できるようになっている。
【００５５】
また、パレット６４内には、担体６２の表面温度を測定するための温度計７０（温度測定手段）が設けられている。送風手段６６には、温度計７０での測定結果に基づいて、一定の送風温度に調節するための温調器７２（温度調節手段）が設けられている。なお、図４に示すように、必要に応じて送風温度を測定する温度計７１も備えてもよい。
【００５６】
これにより、パレット６４内の担体６２の表面温度をセンシングしながら、担体の温度が所定の範囲（１０〜４０℃）となるように送風乾燥することができる。なお、送風温度と担体の表面温度がほぼ同じである場合は、送風温度をセンシングしながら同様の制御を行ってもよい。
【００５７】
このように、送風手段６６から所定温度に設定された乾燥風がパレット６４の底面の孔６４Ａから上向流となって供給される。さらに、担体６２を攪拌機６８により攪拌しながら乾燥風を供給することにより、処理する担体量が多くなったときでもデットスペースを少なくし、均一に送風乾燥することができる。
【００５８】
以上のようにして減容させた担体６２を、例えば、図５に示すような廃水処理装置８０に適用できる。図５は、本発明の方法で減容させた担体の適用例を示す模式図である。なお、同図では、生物処理槽８２（曝気槽）内に硝化細菌を固定化した担体６２を投入し、硝化反応を行う例を示している。
【００５９】
生物処理槽８２には、原水を導入する導入配管８４と、処理水を排出する排出配管８６とが設けられるとともに、生物処理槽８２内には、担体６２が流出するのを抑制するためのスクリーン８８、及び生物処理槽８２内にエアを供給する散気管９０が設けられている。
【００６０】
これにより、減容した担体６２は、生物処理槽８２内でほぼ減容前の形状に戻るとともに、減容させる前と同等の硝化活性を有する。すなわち、担体６２は、１０〜４０℃で送風乾燥されているため、微生物の活性を減容前後で同等レベルに維持することができ、特に、熱によるダメージを受け易い亜硝酸酸化細菌の活性が著しく低下するのを抑制できる。これにより、原水中に亜硝酸イオンが分解されずに蓄積されるのを抑制できる。
【００６１】
なお、担体の製造装置２０（送風乾燥部２８も含む）の構成は、上記実施形態に限られることはない。
【００６２】
以上、本発明に係る包括固定化担体の減容方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００６３】
たとえば、上記各実施形態では、本発明の方法で減容させた担体を廃水処理工程に適用する例を示したが、これに限定されず、観賞魚用水槽やその浄化用装置に投入して水質浄化に適用することもできる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明に係る実施例を説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。（１）担体の表面温度（送風温度）と硝化活性、（２）担体含水率と硝化活性、（３）担体の比表面積と乾燥速度、（４）固定化材料の分子量と乾燥速度、（５）微生物濃度と硝化活性、（６）本発明と従来品の廃水処理性能、の関係について検討した。この結果を図６〜図１１に示す。
【００６５】
なお、各実施例では、表１の担体組成を有する担体を使用した。また、（５）の検討以外では、担体内に固定する微生物濃度は、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌ともに１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるようにした。担体の減容は、図４の送風乾燥部２８により送風乾燥することにより行った。
【００６６】
【表１】
【００６７】
（１）担体の表面温度（送風温度）と硝化活性
ポリエチレングリコールジメタアクリレートを主原料とし、担体を３ｍｍ角状に成形した。送風温度は、担体の表面温度が５〜４５℃となるように設定し、２４時間乾燥させ、乾燥させた担体を水に２４時間浸漬して含水させた。そして、含水させた担体を用いて、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ/Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、硝化活性を測定した。
【００６８】
硝化活性は、下記式を用いて、処理水中のＮＯ３−Ｎ（硝酸性窒素）生成量による硝化速度から求めた。
【００６９】
硝化率（％）＝｛（処理水ＮＯ３−Ｎ）／（原水ＮＨ４−Ｎ）｝×１００
各担体の硝化活性は、担体６２の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、送風乾燥したときの硝化活性を１００とした相対値で示した。この結果を図６に示す。
【００７０】
担体の表面温度が１０℃未満となるように送風温度を設定すると、処理水中にアンモニアが残存しており、硝化活性は低かった。一方、担体の表面温度が４０℃よりも高くなるように送風温度を設定すると、処理水中にＮＯ２−Ｎ（亜硝酸性窒素）が残存し、ＮＯ３−Ｎ（硝酸性窒素）まで反応が進行せず硝化活性が低いことがわかった。
【００７１】
これは、以下のような理由によると考えられる。担体の表面温度が１０℃未満となるように送風温度を設定すると、低温になり過ぎることでアンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌ともに活性が低下し、原水中のアンモニウムイオンが減少しにくくなる。一方、担体の表面温度が４０℃を超えるように送風温度を設定すると、特に熱によるダメージを受け易い亜硝酸酸化細菌の活性が著しく低下し、アンモニウムイオンは硝酸イオンまで転換できず、亜硝酸イオンの状態で残存するためであると推察される。この亜硝酸イオンは、水中に蓄積されると、例えば、観賞魚用の飼育水を浄化する場合などは、観賞魚にとって毒性が強くなるため好ましくない。
【００７２】
このように、担体中の微生物は送風温度による影響を受けやすく、担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風温度を設定する必要があることがわかった。
【００７３】
（２）担体の含水率と硝化活性
３ｍｍ角状に成形した担体６２を、担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、送風乾燥させた。このとき、乾燥時間を変えることにより異なる含水率の担体を用意し、それぞれの担体について含水率を測定した。含水率の測定方法としては、前述したように、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体の重量を含水率０％とし、この重量に対する担体の重量の比から求めた。そして、各担体を水に２４時間浸漬して含水させた後、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、そのときの硝化活性を測定した。この結果を図７に示す。
【００７４】
各条件の硝化活性は、乾燥後の含水率が５％である担体の硝化活性を１００とした相対値として示した。担体の含水率が１％未満であると、急激に硝化活性が低下し、乾燥時にアンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌（これらは、硝化細菌ともいう）がダメージを受けたことが推察される。一方、担体の含水率が５％を越えると、乾燥後の担体表面がベタついて塊となり、水中に浸漬しても塊が崩壊せず硝化活性が低下した。
【００７５】
したがって、乾燥後の適切な含水率は１〜５％であることがわかった。また、このときの担体サイズは乾燥前の約１／１０であり、減容効果が高いことを確認した。
【００７６】
（３）担体の比表面積と乾燥速度
本発明では、担体を送風乾燥することにより減容するため、担体の比表面積によって乾燥速度が異なる。そこで、担体の比表面積と乾燥速度について検討した。
【００７７】
含水時の包括固定化担体の形状を０．５〜８ｍｍ角の範囲で変えることで、比表面積（担体サイズ）の異なる担体を用意した。そして、それぞれの担体について、担体の表面温度が２５℃となる送風温度に設定し、２４時間送風乾燥させたときの含水率を測定した。この結果を図８に示す。
【００７８】
担体の比表面積が大きくなるほど乾燥しやすくなるが、その反面、乾燥速度が大きいため担体形状が崩れやすくなった。また、比表面積が小さすぎると、乾燥風との接触面積が少ないため乾燥させにくく、担体表面が未重合物質によりベタツキを生じ易くなることがわかった。
【００７９】
したがって、前述した含水率の範囲（１〜５％）とするには、乾燥前（含水時）の包括固定化担体の比表面積を１２００〜６０００ｍ２／ｍ３とするのが好ましいことがわかった。
【００８０】
（４）固定化材料のモノマー分子量と含水率
ポリエチレングリコールジメタクリレート（固定化材料）の分子量の異なる包括固定化担体を製造した。次いで、各担体について、担体の表面温度が２５℃となる送風温度に設定し、２４時間送風乾燥させた後の含水率を測定した。この結果を図９に示す。
【００８１】
モノマーの分子量が高いほど乾燥後の含水率は高くなり、モノマー分子量が低いほど乾燥後の含水率は低くなることがわかった。これにより、分子量が高いものほど乾燥しにくく、低いものほど乾燥し易いことがわかった。
【００８２】
したがって、前述した含水率の範囲（１〜５％）とするには、固定化材料の分子量を１０００〜１００００とするのが好ましいことがわかった。
【００８３】
（５）担体中の微生物濃度と微生物の活性
担体中の微生物濃度（アンモニア酸化細菌濃度）を変化させて、硝化活性に及ぼす影響について検討した。微生物濃度の異なる担体を用意し、それぞれ担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、２４時間送風乾燥させた後、担体を水に２４時間浸漬して含水させた。この含水させた担体を用いてＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、このときの硝化活性を測定した。この結果を図１０に示す。
【００８４】
各条件における担体の硝化活性は、微生物濃度を１０６ｃｅｌｌｓ／ｍｌとしたときを１００とし、これに対する相対値として表した。図１０に示すように、担体中の微生物濃度が１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ未満であると硝化活性は低下するが、１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上では、１０６ｃｅｌｌｓ／ｍｌのときと同等の硝化活性が得られた。
【００８５】
したがって、担体中の微生物濃度は１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上が好ましいことがわかった。
【００８６】
（６）本発明と従来品の廃水処理性能
本発明の減容方法により送風乾燥した担体（実施例）と、従来の方法により熱乾燥した担体（比較例）、及び従来の乾燥前（含水時）の担体（参考例）の３種類の担体を用意した。実施例の担体は、担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、２４時間送風乾燥させた。また、比較例の担体は、１０５℃、２時間で熱乾燥させた。なお、実施例、比較例については、いずれも乾燥後の含水率が２％となるようにした。そして、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で曝気して連続運転したときの水質の経日変化を測定した。この結果を図１１に示す。
【００８７】
本発明を適用した実施例の担体は、従来の含水時の担体（参考例）とほぼ同様の傾向を示し、処理水中のＮＨ４−Ｎが１ｍｇ／Ｌ以下となるまで１８日間を要した。これに対して、熱乾燥させた比較例の担体は、３０日後においてもＮＨ４−Ｎが１５ｍｇ／Ｌが残存することがわかった。これは、比較例の担体は、微生物が熱によるダメージを受けて失活したためであると考えられる。
【００８８】
以上より、本発明の減容方法により減容した担体は、担体内に保持した微生物が減容によるダメージを受けることがなく、高い活性を維持できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明が適用される担体の製造工程から生物処理工程までの流れについて説明するブロック図である。
【図２】包括固定化担体の製造方法を説明する説明図である。
【図３】本発明に係る担体の製造装置の概略構成を示す図である。
【図４】図３の送風乾燥部の構成を詳細に説明する説明図である。
【図５】本発明の方法で減容させた担体の適用例を示す模式図である。
【図６】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図７】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図８】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図９】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図１０】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図１１】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００９０】
１２…製造工程、１４…減容工程、１６…保管・運搬工程、１８…戻し工程、１９…生物処理工程、２０…担体の製造装置、２２…原料調製部、２４…成形部、２６…切断部、２８…送風乾燥部、６２…担体、６４…パレット、６６…送風手段、６４Ａ…孔、６８…攪拌機、７０…温度計、７２…温調器、８０…廃水処理装置、８２…生物処理槽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括固定化担体の減容方法、包括固定化担体、水質浄化方法及び包括固定化担体の製造装置に係り、特に、観賞魚等の飼育水の水質を浄化する含水ゲルの微生物包括固定化担体を減容する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理に用いられる活性汚泥に含まれる硝化細菌は、一般の細菌に比べて増殖速度が遅く、特に冬場の低水温時期には細菌数が少なくなるため、硝化活性が著しく低下する。この現象は、硝化細菌と同様の性質を有する微生物にもみられるものである。このため、硝化細菌を含む活性汚泥をスポンジやプラスチック等の付着材の表面に付着させて硝化細菌を高濃度化し、廃水の硝化性能を改善している（参考文献：微生物固定化法による水処理 担体固定化法・包括固定化法・生物活性炭法(株)エヌ・ティー・エス 2000年発行）。しかしながら、微生物が付着材から剥離したり、目的の微生物である硝化細菌と異なる微生物が担体に付着したりし、硝化細菌を十分に高濃度化することができなかった。
【０００３】
このため、硝化細菌等の有用微生物を固定化材料内に包括固定する包括固定化担体が提案されている。この包括固定化担体を処理槽に充填して硝化細菌を高濃度にすることで、硝化活性を向上させて高速で廃水を処理している（例えば、特許文献１）。この包括固定化担体は、活性汚泥を高分子化合物等の固定化材料と混合して原料液を調製し、この原料液を重合開始剤で重合してゲル化することにより製造している。製造した包括固定化担体は、若干の水とともに袋やケースに詰めて保管及び運搬し、廃水処理設備のある場所において袋やケースから取り出し、処理槽に投入して使用している。
【０００４】
ところで、包括固定化担体の表面には、固定化材料の未重合物質が付着していることがある。このため、担体を乾燥させると担体表面の未重合物質がべたつき、担体同士が接着して団子状の塊となり易い。このような団子状の塊が生じると、処理槽内において廃水と接触させても塊が崩れにくく、本来の性能を発揮できないこととなる。このため、包括固定化担体を保管や運搬する場合、ケースや袋に包括固定化担体と水を投入して直接的に担体同士が接触しないようにしている。
【０００５】
このように、包括固定化担体を、袋やケース内の水に浸漬して保管及び運搬すると、容量や重量が増すことから、保管や運搬の手間やコストがかかることが問題であった。このため、袋やケースに水を入れなくても塊を生じることなく、保管及び運搬できる方法が望まれている。また、包括固定化担体の含水率は、通常８０〜９５％程度と高く、脱水させることにより包括固定化担体のサイズをより小さくする（減容する）ことが求められている。
【０００６】
これに対して、例えば、本願出願人は、包括固定化担体を加熱した温水中に投入し、包括固定化担体の含水ゲルを収縮させることで担体を減容する方法を提案している（特許文献２）。
【特許文献１】特許第３４２２２２９号
【特許文献２】特開２００４−２９８７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２では、例えば、担体を加熱した温水に浸漬することにより担体の含水ゲルを熱収縮させるため、担体の減容量は含水ゲルの収縮分のみであり、大幅な減容効果は得られなかった。
【０００８】
また、担体を比較的高温で加熱すると、急速な乾燥により担体形状が崩れやすいだけでなく、担体内に保持させた微生物が熱によるダメージを受け易く、微生物の活性を低下させる虞があった。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を効果的に減容できる包括固定化担体の減容方法、包括固定化担体、水質浄化方法及び包括固定化担体の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、前記包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備えたことを特徴とする包括固定化担体の減容方法を提供する。
【００１１】
請求項１によれば、包括固定化担体を１０〜４０℃で送風乾燥するので、担体内に保持した微生物に熱によるダメージを与えることなく、包括固定化担体全体を均一に且つ緩やかに乾燥する（含水率を低下させる）ことができる。これにより、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を減容できる。すなわち、担体の表面温度が１０℃未満となるように送風乾燥すると、低温になりすぎることで微生物の活性が低下し、４０℃を超えるように送風乾燥すると、熱によるダメージを受けて微生物の活性が低下するため、いずれも好ましくない。したがって、担体表面の温度が１０〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃となるように送風乾燥する必要がある。微生物としては、特に限定はしないが、廃水処理で主に用いられる中温細菌が挙げられ、中でも、熱によるダメージを受け易い微生物、例えば、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌、有機物分解菌、脱窒細菌等が挙げられる。
【００１２】
また、乾燥時間は１２〜２４時間が好ましい。なお、湿度を低くして送風乾燥することで乾燥時間を短縮することもできる。
【００１３】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することを特徴とする。
【００１４】
請求項２によれば、包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥するので、担体内の微生物を生存させるために必要な水分を確保しつつ、担体の表面を未重合物質によるベタツキが発生しない程度まで乾燥することができる。また、含水率を１〜５％まで送風乾燥させることで、送風乾燥前の含水時の体積の約１／１０まで大幅に減容できる。
【００１５】
なお、含水率は、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体重量を含水率０％とし、これに対する担体重量の比から求めることができる。例えば、含水率０％のときの担体重量が３０ｍｇであり、含水時の担体重量が３３ｍｇである場合、このときの担体の含水率は（（３３−３０）ｍｇ／３３ｍｇ）×１００＝９％となる。
【００１６】
請求項３は請求項１又は２において、前記送風乾燥する前の包括固定化担体の比表面積は１２００〜６０００ｍ２/ｍ３であることを特徴とする。
【００１７】
比表面積が小さすぎると、乾燥風との接触面積が少ないため乾燥させにくく、担体の表面の未重合物質によるべたつきを生じ易くなる。一方、比表面積が大きすぎると、乾燥風との接触面積が多く、急激に乾燥されることで担体の形状が崩れ易くなる。請求項３によれば、包括固定化担体の比表面積を１２００〜６０００ｍ２/ｍ３とするので、上記のような不具合を生じることなく、担体の形状を維持しながら、短時間で乾燥することができる。
【００１８】
請求項４は請求項１〜３の何れか１項において、前記固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であることを特徴とする。
【００１９】
アクリルアミド等の低分子材料では含水ゲル中の水分が送風乾燥により抜け易く、分子量が１００００より大きいと乾燥され難く上記含水率に調整することが困難となる。請求項４によれば、固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であるものを使用するので、乾燥により担体の形状が崩れるのを抑制し、且つ適正な含水率の範囲に調整し易くすることができる。
【００２０】
請求項５は請求項１〜４の何れか１項において、前記微生物は、前記送風乾燥する前の包括固定化担体において１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上含まれることを特徴とする。
【００２１】
請求項５によれば、１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上と多めに微生物を固定化するので、含水率が低下したことにより活性が若干低下し易くなった場合でも、廃水の処理効率が著しく低下するのを抑制できる。
【００２２】
本発明の請求項６は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法により減容されたことを特徴とする包括固定化担体を提供する。
【００２３】
請求項６によれば、微生物活性の低下がなく、均一な形状を有する減容担体を得ることができる。
【００２４】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、請求項６の包括固定化担体を水中に浸漬して膨潤させた後、水質浄化に使用することを特徴とする水質浄化方法を提供する。
【００２５】
請求項７によれば、減容させた包括固定化担体を水中に浸漬することにより、乾燥前の含水ゲルの状態に戻すことができ、例えば、観賞魚等の飼育水や河川・湖沼水、工業廃水等の水質浄化に利用することができる。
【００２６】
本発明の請求項８は前記目的を達成するために、微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の製造装置であって、前記微生物と固定化材料の混合物を調製する調製部と、前記調製した混合物を重合させることで成形する成形部と、前記成形体を所定の大きさに切断することで包括固定化担体とする切断部と、前記包括固定化担体に対して所定温度で送風乾燥するための送風乾燥部と、を備えたことを特徴とする包括固定化担体の製造装置を提供する。
【００２７】
請求項９は請求項８において、前記送風乾燥部は、前記包括固定化担体の表面温度を測定する測定手段と、前記測定手段の結果に基づいて、前記送風温度を調節する温度調節手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
請求項９によれば、測定手段の測定結果に基づいて、送風温度を調節する温度調節手段を備えるので、担体表面の温度が所定の範囲となるように、送風温度を正確に制御できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を効果的に減容できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面に従って、本発明に係る包括固定化担体の減容方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００３１】
図１は、本発明が適用される担体の製造工程から使用工程までの流れについて説明するブロック図である。
【００３２】
図１に示すように、製造工程１２において製造した包括固定化担体を、減容工程１４において減容し、保管・運搬工程１６において使用する場所まで運搬した後、戻し工程１８において、包括固定化担体を水に浸漬して元のサイズに戻して、生物処理工程１９において水質浄化に使用する。
【００３３】
製造工程１２では、図２に示すように、先ず、活性汚泥等の微生物と固定化材料を混合してよく攪拌し、原料溶液を調製する。そして、過硫酸カリウム等の重合開始剤を原料溶液に添加し、重合させる。このとき、重合温度は１５〜４０℃が好ましく、２０〜３０℃がより好ましい。重合時間は１〜６０分が好ましく、１．５〜６０分がより好ましい。その後、重合させてゲル化した担体を、例えば、約３ｍｍ角の角型形状に切断することで、包括固定化担体を得ることができる。
【００３４】
包括固定化担体（以下、単に「担体」ともいう）のサイズは、後述する減容工程１４において担体表面に均一に送風できるように、比表面積が１２００〜６０００ｍ２/ｍ３となるように設定されることが好ましい。また、送風乾燥により担体の含水率が低下するため、担体内の微生物の活性が低下しても高効率な処理ができるように、高濃度の微生物を固定化することが好ましく、例えば、１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上とすることができる。
【００３５】
微生物としては、活性汚泥に限定されるものではなく、純粋培養した微生物を使用してもよい。微生物の種類としては、例えばＢＯＤ成分酸化細菌、ダイオキシン分解菌、ビスフェノールＡ分解菌、アオコ分解菌、硝化細菌、脱窒細菌，嫌気性アンモニア酸化細菌等が挙げられる。特に、本発明は、熱によるダメージを受け易い微生物に対して好適であり、例えば、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌、有機物分解菌、脱窒細菌等が挙げられる。
【００３６】
固定化材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレングリコール系、ポリビニルアルコール系のポリマ等が使用され、具体的には、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの含有比が７：３であり、末端基がジアクリレートである分子量１０００〜１００００のプレポリマを使用できる。このほか、ポリエチレングリコールアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールメタアクリレート等を使用することもできる。
【００３７】
成形方法としては、特に限定されるものではなく、ブロック成形法、シート成形法、チューブ成形法、滴下造粒法等を採用することができる。
【００３８】
減容工程１４では、製造工程１２において製造した担体を、所定温度で送風乾燥することによって減容する。
【００３９】
このとき、担体内の微生物が熱により失活しない温度で乾燥させることが重要である。すなわち、送風温度が１０℃未満になると、低温になりすぎて微生物の活性が低下し、４０℃を超えると熱によるダメージを受けて微生物の活性が低下し、いずれも好ましくない。このため、担体の表面温度が１０〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃となるように送風温度を設定する。
【００４０】
また、乾燥速度が大きすぎると担体の形状が崩れ易いため、緩やかに乾燥する（乾燥速度を小さくする）ことも重要である。乾燥時間は、特に限定しないが、例えば１２〜２４時間とすることが好ましい。なお、乾燥時間を短縮する観点で、除湿した乾燥風を包括固定化担体に供給することもできる。
【００４１】
減容工程１４では、担体内の微生物を生存させるために必要な水分を確保しながらも、担体の表面を未重合物質によるベタツキが発生しない程度まで乾燥する必要がある。すなわち、含水率が１％未満であると微生物にとって必要な水分が不足し、微生物の活性が低下しやすく、含水率が５％を超えると乾燥後の担体表面がベタついて塊となり、水中に浸漬しても塊が崩壊せず微生物の活性が低下する。したがって、担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することが好ましく、３〜５％となるまで送風乾燥することがより好ましい。
【００４２】
なお、含水率は、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体重量を含水率０％とし、これに対する担体重量の比から求めることができる。
【００４３】
保管・運搬工程１６では、減容工程１４において減容及び乾燥させた担体を、そのまま袋やケース等の収納容器に詰め込み、運搬する。そして、運搬した担体を収納容器から取り出し、廃水処理設備の生物処理槽に投入することで、戻し工程１８を行う。
【００４４】
戻し工程１８では、担体を水に所定時間浸漬することによって、担体を減容前の形状（体積）に戻す。担体を水に浸漬する時間は、担体の乾燥状態や使用されている材料によって異なるが、約１２〜２４時間とすることが好ましい。また、生物処理槽とは別の水槽に水を貯留しておき、この水に担体を浸漬して戻し工程を行うようにしてもよい。戻し工程１８の後、生物処理槽に原水を投入することにより、生物処理工程１９を行うことができる。
【００４５】
このように、保管・運搬工程においては、従来はケース内に水を投入し、担体を水に浸漬して保管していたため、嵩容積及び重量がともに大きくなりハンドリングが良好でなかった。また、保管温度が高い場合には、収納容器内の水が腐敗し易く悪臭を放つこともあった。この悪臭は、水中へ担体から有機物の溶出や付着有機物が溶出し、微生物が繁殖して腐敗することによるものであった。
【００４６】
本発明によれば、減容工程１４において、担体内に保持した微生物の活性を低下させることなく、均一な担体形状を維持しながら担体を乾燥させて減容することができる。このため、袋やケースに水を入れる必要はなく、担体を乾燥状態で且つコンパクトに保管及び運搬することができる。これにより、保管及び運搬時のハンドリングを大幅に向上できるとともに、悪臭も防止することができる。
【００４７】
次に、本発明に係る包括固定化担体の減容方法を実施するための装置構成について説明する。
【００４８】
図３は、本発明に係る担体の製造装置２０の構成を示す概略図である。担体の製造装置２０は、主に、原料調製部２２、成形部２４、切断部２６、及び送風乾燥部２８より構成されている。
【００４９】
原料調製部２２は、主に、原料が貯留された原料槽３２と、固定化材料溶液や重合開始剤等の薬品が貯留された薬品槽３４、３６と、原料と薬品を混合する攪拌・押出装置３８と、を備えている。また、ポンプ４０、４２、４４は、原料槽３２の原料、薬品槽３４の薬品、薬品槽３６の薬品を、攪拌・押出装置３８に導入する駆動手段として、それぞれ設けられている。これにより、包括固定化担体を製造する原料となる混合液を、攪拌・押出装置３８において混合し、成型枠４６へ押し出すことができる。
【００５０】
成形部２４は、主に、混合液を重合して成形体４８を製造する成型枠４６と、成型枠４６を搬送する移動ステージ５０と、を備えている。また、成型枠４６には温度調節手段５２が設けられており、重合温度を調節できるように構成されている。
【００５１】
切断部２６は、主に、成形体４８を固定する固定ステージ５４と、該固定ステージ５４内の一端側に設けられ、搬送機構５６により可動する押出板５８と、を備えている。また、固定ステージ５４の他端側には、格子状切断刃６０Ａ及び回転状切断刃６０Ｂが設けられている。これにより、固定ステージ５４内にセットされた成形体４８は、搬送機構５６により所定の速度で押し出されながら格子状切断刃６０Ａにより格子状に切断された後、回転状切断刃６０Ｂにより約３ｍｍ角の立方体状に切断される。切断された担体６２は、更に下流側に設けられた送風乾燥部２８に導入される。
【００５２】
図４は、図３の送風乾燥部２８の構成の一例を詳細に説明する説明図である。
【００５３】
送風乾燥部２８は、担体６２を収納するパレット６４と、該パレット６４の下部に設けられ、パレット６４の底面から乾燥風を供給する送風手段６６と、を備えている。
【００５４】
パレット６４には、底面に乾燥風を取り込むための複数の孔６４Ａが形成されている。また、パレット６４には攪拌機６８が設けられており、パレット６４内の担体を攪拌できるようになっている。
【００５５】
また、パレット６４内には、担体６２の表面温度を測定するための温度計７０（温度測定手段）が設けられている。送風手段６６には、温度計７０での測定結果に基づいて、一定の送風温度に調節するための温調器７２（温度調節手段）が設けられている。なお、図４に示すように、必要に応じて送風温度を測定する温度計７１も備えてもよい。
【００５６】
これにより、パレット６４内の担体６２の表面温度をセンシングしながら、担体の温度が所定の範囲（１０〜４０℃）となるように送風乾燥することができる。なお、送風温度と担体の表面温度がほぼ同じである場合は、送風温度をセンシングしながら同様の制御を行ってもよい。
【００５７】
このように、送風手段６６から所定温度に設定された乾燥風がパレット６４の底面の孔６４Ａから上向流となって供給される。さらに、担体６２を攪拌機６８により攪拌しながら乾燥風を供給することにより、処理する担体量が多くなったときでもデットスペースを少なくし、均一に送風乾燥することができる。
【００５８】
以上のようにして減容させた担体６２を、例えば、図５に示すような廃水処理装置８０に適用できる。図５は、本発明の方法で減容させた担体の適用例を示す模式図である。なお、同図では、生物処理槽８２（曝気槽）内に硝化細菌を固定化した担体６２を投入し、硝化反応を行う例を示している。
【００５９】
生物処理槽８２には、原水を導入する導入配管８４と、処理水を排出する排出配管８６とが設けられるとともに、生物処理槽８２内には、担体６２が流出するのを抑制するためのスクリーン８８、及び生物処理槽８２内にエアを供給する散気管９０が設けられている。
【００６０】
これにより、減容した担体６２は、生物処理槽８２内でほぼ減容前の形状に戻るとともに、減容させる前と同等の硝化活性を有する。すなわち、担体６２は、１０〜４０℃で送風乾燥されているため、微生物の活性を減容前後で同等レベルに維持することができ、特に、熱によるダメージを受け易い亜硝酸酸化細菌の活性が著しく低下するのを抑制できる。これにより、原水中に亜硝酸イオンが分解されずに蓄積されるのを抑制できる。
【００６１】
なお、担体の製造装置２０（送風乾燥部２８も含む）の構成は、上記実施形態に限られることはない。
【００６２】
以上、本発明に係る包括固定化担体の減容方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。
【００６３】
たとえば、上記各実施形態では、本発明の方法で減容させた担体を廃水処理工程に適用する例を示したが、これに限定されず、観賞魚用水槽やその浄化用装置に投入して水質浄化に適用することもできる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明に係る実施例を説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。（１）担体の表面温度（送風温度）と硝化活性、（２）担体含水率と硝化活性、（３）担体の比表面積と乾燥速度、（４）固定化材料の分子量と乾燥速度、（５）微生物濃度と硝化活性、（６）本発明と従来品の廃水処理性能、の関係について検討した。この結果を図６〜図１１に示す。
【００６５】
なお、各実施例では、表１の担体組成を有する担体を使用した。また、（５）の検討以外では、担体内に固定する微生物濃度は、アンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌ともに１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上となるようにした。担体の減容は、図４の送風乾燥部２８により送風乾燥することにより行った。
【００６６】
【表１】
【００６７】
（１）担体の表面温度（送風温度）と硝化活性
ポリエチレングリコールジメタアクリレートを主原料とし、担体を３ｍｍ角状に成形した。送風温度は、担体の表面温度が５〜４５℃となるように設定し、２４時間乾燥させ、乾燥させた担体を水に２４時間浸漬して含水させた。そして、含水させた担体を用いて、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ/Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、硝化活性を測定した。
【００６８】
硝化活性は、下記式を用いて、処理水中のＮＯ３−Ｎ（硝酸性窒素）生成量による硝化速度から求めた。
【００６９】
硝化率（％）＝｛（処理水ＮＯ３−Ｎ）／（原水ＮＨ４−Ｎ）｝×１００
各担体の硝化活性は、担体６２の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、送風乾燥したときの硝化活性を１００とした相対値で示した。この結果を図６に示す。
【００７０】
担体の表面温度が１０℃未満となるように送風温度を設定すると、処理水中にアンモニアが残存しており、硝化活性は低かった。一方、担体の表面温度が４０℃よりも高くなるように送風温度を設定すると、処理水中にＮＯ２−Ｎ（亜硝酸性窒素）が残存し、ＮＯ３−Ｎ（硝酸性窒素）まで反応が進行せず硝化活性が低いことがわかった。
【００７１】
これは、以下のような理由によると考えられる。担体の表面温度が１０℃未満となるように送風温度を設定すると、低温になり過ぎることでアンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌ともに活性が低下し、原水中のアンモニウムイオンが減少しにくくなる。一方、担体の表面温度が４０℃を超えるように送風温度を設定すると、特に熱によるダメージを受け易い亜硝酸酸化細菌の活性が著しく低下し、アンモニウムイオンは硝酸イオンまで転換できず、亜硝酸イオンの状態で残存するためであると推察される。この亜硝酸イオンは、水中に蓄積されると、例えば、観賞魚用の飼育水を浄化する場合などは、観賞魚にとって毒性が強くなるため好ましくない。
【００７２】
このように、担体中の微生物は送風温度による影響を受けやすく、担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風温度を設定する必要があることがわかった。
【００７３】
（２）担体の含水率と硝化活性
３ｍｍ角状に成形した担体６２を、担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、送風乾燥させた。このとき、乾燥時間を変えることにより異なる含水率の担体を用意し、それぞれの担体について含水率を測定した。含水率の測定方法としては、前述したように、１０５℃で６時間乾燥させたときの担体の重量を含水率０％とし、この重量に対する担体の重量の比から求めた。そして、各担体を水に２４時間浸漬して含水させた後、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、そのときの硝化活性を測定した。この結果を図７に示す。
【００７４】
各条件の硝化活性は、乾燥後の含水率が５％である担体の硝化活性を１００とした相対値として示した。担体の含水率が１％未満であると、急激に硝化活性が低下し、乾燥時にアンモニア酸化細菌、亜硝酸酸化細菌（これらは、硝化細菌ともいう）がダメージを受けたことが推察される。一方、担体の含水率が５％を越えると、乾燥後の担体表面がベタついて塊となり、水中に浸漬しても塊が崩壊せず硝化活性が低下した。
【００７５】
したがって、乾燥後の適切な含水率は１〜５％であることがわかった。また、このときの担体サイズは乾燥前の約１／１０であり、減容効果が高いことを確認した。
【００７６】
（３）担体の比表面積と乾燥速度
本発明では、担体を送風乾燥することにより減容するため、担体の比表面積によって乾燥速度が異なる。そこで、担体の比表面積と乾燥速度について検討した。
【００７７】
含水時の包括固定化担体の形状を０．５〜８ｍｍ角の範囲で変えることで、比表面積（担体サイズ）の異なる担体を用意した。そして、それぞれの担体について、担体の表面温度が２５℃となる送風温度に設定し、２４時間送風乾燥させたときの含水率を測定した。この結果を図８に示す。
【００７８】
担体の比表面積が大きくなるほど乾燥しやすくなるが、その反面、乾燥速度が大きいため担体形状が崩れやすくなった。また、比表面積が小さすぎると、乾燥風との接触面積が少ないため乾燥させにくく、担体表面が未重合物質によりベタツキを生じ易くなることがわかった。
【００７９】
したがって、前述した含水率の範囲（１〜５％）とするには、乾燥前（含水時）の包括固定化担体の比表面積を１２００〜６０００ｍ２／ｍ３とするのが好ましいことがわかった。
【００８０】
（４）固定化材料のモノマー分子量と含水率
ポリエチレングリコールジメタクリレート（固定化材料）の分子量の異なる包括固定化担体を製造した。次いで、各担体について、担体の表面温度が２５℃となる送風温度に設定し、２４時間送風乾燥させた後の含水率を測定した。この結果を図９に示す。
【００８１】
モノマーの分子量が高いほど乾燥後の含水率は高くなり、モノマー分子量が低いほど乾燥後の含水率は低くなることがわかった。これにより、分子量が高いものほど乾燥しにくく、低いものほど乾燥し易いことがわかった。
【００８２】
したがって、前述した含水率の範囲（１〜５％）とするには、固定化材料の分子量を１０００〜１００００とするのが好ましいことがわかった。
【００８３】
（５）担体中の微生物濃度と微生物の活性
担体中の微生物濃度（アンモニア酸化細菌濃度）を変化させて、硝化活性に及ぼす影響について検討した。微生物濃度の異なる担体を用意し、それぞれ担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、２４時間送風乾燥させた後、担体を水に２４時間浸漬して含水させた。この含水させた担体を用いてＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で２０日間連続運転し、このときの硝化活性を測定した。この結果を図１０に示す。
【００８４】
各条件における担体の硝化活性は、微生物濃度を１０６ｃｅｌｌｓ／ｍｌとしたときを１００とし、これに対する相対値として表した。図１０に示すように、担体中の微生物濃度が１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ未満であると硝化活性は低下するが、１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上では、１０６ｃｅｌｌｓ／ｍｌのときと同等の硝化活性が得られた。
【００８５】
したがって、担体中の微生物濃度は１０５ｃｅｌｌｓ／ｍｌ以上が好ましいことがわかった。
【００８６】
（６）本発明と従来品の廃水処理性能
本発明の減容方法により送風乾燥した担体（実施例）と、従来の方法により熱乾燥した担体（比較例）、及び従来の乾燥前（含水時）の担体（参考例）の３種類の担体を用意した。実施例の担体は、担体の表面温度が２５℃となるように送風温度を設定し、２４時間送風乾燥させた。また、比較例の担体は、１０５℃、２時間で熱乾燥させた。なお、実施例、比較例については、いずれも乾燥後の含水率が２％となるようにした。そして、ＮＨ４−Ｎ４０ｍｇ／Ｌの原水をＨＲＴ３時間、担体添加率１０％の条件で曝気して連続運転したときの水質の経日変化を測定した。この結果を図１１に示す。
【００８７】
本発明を適用した実施例の担体は、従来の含水時の担体（参考例）とほぼ同様の傾向を示し、処理水中のＮＨ４−Ｎが１ｍｇ／Ｌ以下となるまで１８日間を要した。これに対して、熱乾燥させた比較例の担体は、３０日後においてもＮＨ４−Ｎが１５ｍｇ／Ｌが残存することがわかった。これは、比較例の担体は、微生物が熱によるダメージを受けて失活したためであると考えられる。
【００８８】
以上より、本発明の減容方法により減容した担体は、担体内に保持した微生物が減容によるダメージを受けることがなく、高い活性を維持できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明が適用される担体の製造工程から生物処理工程までの流れについて説明するブロック図である。
【図２】包括固定化担体の製造方法を説明する説明図である。
【図３】本発明に係る担体の製造装置の概略構成を示す図である。
【図４】図３の送風乾燥部の構成を詳細に説明する説明図である。
【図５】本発明の方法で減容させた担体の適用例を示す模式図である。
【図６】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図７】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図８】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図９】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図１０】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【図１１】本実施例における結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００９０】
１２…製造工程、１４…減容工程、１６…保管・運搬工程、１８…戻し工程、１９…生物処理工程、２０…担体の製造装置、２２…原料調製部、２４…成形部、２６…切断部、２８…送風乾燥部、６２…担体、６４…パレット、６６…送風手段、６４Ａ…孔、６８…攪拌機、７０…温度計、７２…温調器、８０…廃水処理装置、８２…生物処理槽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、
前記包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備えたことを特徴とする包括固定化担体の減容方法。
【請求項２】
前記包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することを特徴とする請求項１に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項３】
前記送風乾燥する前の包括固定化担体の比表面積は１２００〜６０００ｍ２/ｍ３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項４】
前記固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項５】
前記微生物は、前記送風乾燥する前の包括固定化担体において１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上含まれることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項６】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法により減容されたことを特徴とする包括固定化担体。
【請求項７】
請求項６の包括固定化担体を水中に浸漬して膨潤させた後、水質浄化に使用することを特徴とする水質浄化方法。
【請求項８】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の製造装置であって、
前記微生物と固定化材料の混合物を調製する調製部と、
前記調製した混合物を重合させることで成形する成形部と、
前記成形体を所定の大きさに切断することで包括固定化担体とする切断部と、
前記包括固定化担体に対して所定温度で送風乾燥するための送風乾燥部と、
を備えたことを特徴とする包括固定化担体の製造装置。
【請求項９】
前記送風乾燥部は、
前記包括固定化担体の表面温度を測定する測定手段と、
前記測定手段の結果に基づいて、前記送風温度を調節する温度調節手段と、
を備えたことを特徴とする請求項８に記載の包括固定化担体の製造装置。
【請求項１】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の減容方法であって、
前記包括固定化担体の表面温度が１０〜４０℃となるように送風乾燥することにより減容する工程を備えたことを特徴とする包括固定化担体の減容方法。
【請求項２】
前記包括固定化担体の含水率が１〜５％となるまで送風乾燥することを特徴とする請求項１に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項３】
前記送風乾燥する前の包括固定化担体の比表面積は１２００〜６０００ｍ２/ｍ３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項４】
前記固定化材料は、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとよりなるポリマのアクリレート又はジアクリレート誘導体であるとともに、前記アクリレート又はジアクリレート誘導体の分子量が１０００〜１００００であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項５】
前記微生物は、前記送風乾燥する前の包括固定化担体において１０５ｃｅｌｌｓ/ｍＬ以上含まれることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法。
【請求項６】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の包括固定化担体の減容方法により減容されたことを特徴とする包括固定化担体。
【請求項７】
請求項６の包括固定化担体を水中に浸漬して膨潤させた後、水質浄化に使用することを特徴とする水質浄化方法。
【請求項８】
微生物を固定化材料の内部に包括固定した包括固定化担体の製造装置であって、
前記微生物と固定化材料の混合物を調製する調製部と、
前記調製した混合物を重合させることで成形する成形部と、
前記成形体を所定の大きさに切断することで包括固定化担体とする切断部と、
前記包括固定化担体に対して所定温度で送風乾燥するための送風乾燥部と、
を備えたことを特徴とする包括固定化担体の製造装置。
【請求項９】
前記送風乾燥部は、
前記包括固定化担体の表面温度を測定する測定手段と、
前記測定手段の結果に基づいて、前記送風温度を調節する温度調節手段と、
を備えたことを特徴とする請求項８に記載の包括固定化担体の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２７１８０９（Ｐ２００８−２７１８０９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１７３９０（Ｐ２００７−１１７３９０）
【出願日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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