包括固定化担体及びその製造方法
【課題】硝化細菌を安定に増殖させることができ、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体を提供する。
【解決手段】微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であるようにする。また包括固定化担体に固定化する汚泥の平均粒子径を１０μｍ〜３０μｍの範囲とすることにより、担体強度を向上させることができる。
【解決手段】微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であるようにする。また包括固定化担体に固定化する汚泥の平均粒子径を１０μｍ〜３０μｍの範囲とすることにより、担体強度を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括固定化担体及びその製造方法に係り、特に、アンモニアを含有する廃水から生物学的にアンモニアを脱窒する包括固定化担体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理に用いられる活性汚泥中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おいては、硝化細菌の細菌数が少なくなり、硝化活性が著しく低下する。このことは、硝化細菌と同様の性質を有する微生物においても、同様の傾向がある。
【０００３】
このことから、硝化細菌を含む活性汚泥をけい砂、活性炭、プラスチック等の付着材の表面に固定化して硝化細菌を高濃度化し、これにより、廃水の硝化性能を改善することが行われている（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）。
【０００４】
しかし、微生物を付着材に付着する付着固定化型の場合、付着した微生物の剥離や目的の微生物である硝化細菌と異なる微生物の付着により、硝化細菌を充分に高濃度化することができなかった。このことから、硝化細菌等の有用微生物を固定化剤内に包括固定化させる包括固定化担体を製造し、この包括固定化担体を反応槽に充填して硝化細菌の濃度を高めることによって、硝化活性を高め、廃水を高速処理することが行われている。
【０００５】
ところで、包括固定化担体内の初期の硝化細菌の菌数が多いほど、硝化活性が高く早期に担体性能を発揮できると考えられている。このため、初期の硝化細菌数を高めるべく、従来は硝化細菌を含む活性汚泥を濃縮して包括固定化していた（参考文献：環境微生物工学研究法、ｐ１２３、技報堂出版、１９９３年発行）。ここで、活性汚泥とは、下水などの有機性廃水に空気を吹き込み繁殖した微生物がフロック状となったものであり、微生物には細菌、菌類、原生動物、微小後生物等が含まれている。廃水中の有機物は細菌に吸着され、体内に摂取・同化されて細菌が繁殖する。この細菌を原生動物、微小後生動物などで食物連鎖を通して、生態系が安定している。（出典：技術セミナテキスト、活性汚泥法における各種トラブル対策の実際 （株）技術情報センター２０００年７月）このように、活性汚泥は一般的に有機物を多く含んでいる。
【０００６】
また、包括固定化担体とは別に、有用微生物を担持させる表面積の高い担体の製造方法について提案されている（例えば、特許文献１）。この担体は、主に無機成分からなる浄水汚泥を造粒した後、乾燥及び焼成して得られるものであり、多孔質で比面積が極めて高い微生物担体が得られるとされている。また、汚泥の中に有用微生物を混合させたり、微生物担体に有用微生物を担持させたりすることが提案されている。
【特許文献１】特許第３１３１６７８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、従来の活性汚泥を用いた包括固定化担体では、硝化細菌を安定に増殖させることができず、硝化活性の立ち上がりが遅く不安定であり、本来の担体性能を充分に発揮できないという問題があった。この主な原因は、以下の通りである。
【０００８】
１）活性汚泥を濃縮して包括固定化担体を製造する場合、濃縮により活性汚泥に含まれる硝化細菌以外の従属栄養細菌数も増加し、濃縮条件によっては目的外の従属栄養細菌が優占種になることがある。ここで、従属栄養細菌とは、有機栄養物を比較的低濃度に含む培地を用いて長時間（２０〜２８℃、５〜７日間）培養したときに培地に集落を形成する全ての細菌である（上水試験方法２００１年版、日本水道協会、２００１年発行）。
【０００９】
２）一般的に、活性汚泥は有機物を多く含み、ＶＳＳ／ＳＳは０．７〜０．９と高い。このような活性汚泥を用いた包括固定化担体は有機物を多く含み、従属栄養細菌が有機物を基質として溶存酸素を消費しながら増殖しやすく、これにより硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。
【００１０】
３）また、活性汚泥は、ズーグレアという細菌群を中心に各種微生物が集まったフロックを形成しており、このフロックは水中の有機物を吸着しやすい性質がある（参考文献：水処理工学ｐ２０４、技報堂出版、１９７６年発行）。このため、従属栄養細菌がフロックに吸着された有機物を基質として溶存酸素を消費しながら増殖しやすく、これにより硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。
【００１１】
４）製造した包括固定化担体は、処理槽で使用されるまで一定期間容器内で保管される。この保管期間が長くなると、包括固定化担体内の従属栄養細菌により溶存酸素が消費されて包括固定化担体内部が嫌気状態になりやすく、メタン醗酵が生じやすくなる。このように嫌気状態が進行すると、硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。このような状態に至った包括固定化担体を好気槽で使用しても、硝化活性の立ち上がりが遅い。
【００１２】
また、包括固定化担体内でメタン醗酵が生じた場合、担体内部にガスが溜まり等の問題も生じやすく、包括固定化担体の保管時に担体の強度や寿命が低下するという問題もあった。
【００１３】
また、特許文献１のように担体に有用微生物を担持させる方法では、担体に微生物を安定に固定化しにくく、担体から脱落すること等が懸念される。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体及びその製造方法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】
【００１５】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であることを特徴とする包括固定化担体を提供する。
【００１６】
請求項１によれば、包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化すると共に、汚泥のＶＳＳ／ＳＳを０．１〜０．３の範囲とする。これにより、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を得ることが可能となった。
【００１７】
請求項１において、汚泥とは、上記の組成を満たす汚泥であれば浄水汚泥以外のいずれでもよく、例えば、培養汚泥、湖沼底泥等であってもよい。また、上記汚泥としては、活性汚泥に浄水汚泥や無機凝集剤、無機物等を投入してＶＳＳ／ＳＳを上記範囲に調製したものも使用できる。
【００１８】
そして、浄水汚泥とは、主に河川水や地下水、ダム湖水を浄水処理する際に得られる汚泥であり、例えば、浄水場の凝集沈殿処理から採取される汚泥が挙げられる。
【００１９】
また、ＶＳＳ／ＳＳとは、ＶＳＳ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｅ、ＪＩＳＫ０１０２法）とＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ、ＪＩＳＫ０１０２法）の比（ＶＳＳ÷ＳＳ）であり、汚泥中の有機物の含有率を表す指標の一つである。
【００２０】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２によれば、包括固定化担体に固定化する汚泥の平均粒子径を１０μｍ〜３０μｍの範囲とすることにより、担体強度を向上させることができる。したがって、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した強度を有する担体を得ることができる。
【００２２】
ここで、本発明に係る汚泥が上記平均粒子径の範囲を満たしている場合、そのまま包括固定化担体に使用してもよいし、上記平均粒子径の範囲を満たさない場合であっても、凝集剤や破砕手段等を用いて上記の範囲に調整した後、包括固定化担体に使用してもよい。
【００２３】
請求項３は請求項１又は２において、前記包括固定化担体あたりに前記汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むことを特徴とする。
【００２４】
請求項３によれば、包括固定化担体あたりにＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むようにするので、より硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を得ることができる。なお、包括固定化担体あたりに上記汚泥をＳＳ濃度で２質量％〜１０質量％含むことがより好ましい。
【００２５】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であることを特徴とする。
【００２６】
請求項４によれば、包括固定化担体に含まれる汚泥のＶＳＳ濃度を０．２質量％〜２質量％の範囲とするので、硝化活性の立ち上がりの早く、安定した強度を有する包括固定化担体を得ることができる。また、包括固定化担体に含まれる上記汚泥のＶＳＳ濃度が０．５質量％〜１質量％であることがより好ましい。
【００２７】
また、本発明の請求項５は前記目的を達成するために、硝化細菌を含有し且つＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲である汚泥を、包括固定化担体あたり前記汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上となるように固定化材料と混合してゲル化させて前記汚泥を包括固定化することを特徴とする包括固定化担体の製造方法を提供する。
【００２８】
請求項５は本発明に係る包括固定化担体の製造方法を示したものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体を得ることができる。
【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及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る包括固定化担体の製造方法の一例を示した図である。図１に示されるように、先ず、微生物を含む浄水汚泥と、固定化材料とを混合し、原料液を調製する。次いで、この原料液に過硫酸カリウム等の重合開始剤を添加して、重合温度は、１５〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃で、重合時間は、１〜６０分、好ましくは１．５〜６０分で重合（ゲル化）させる。その後、ゲル化させた担体シートを、約３ｍｍ角の角型形状に切断してペレット化する。これにより、本発明に係る包括固定化担体が製造される。
【００３２】
浄水汚泥としては、主に河川水や地下水、ダム湖水を浄水処理する際に得られる汚泥であり、例えば、浄水場から採取される汚泥が挙げられる。なお、浄水場の水源は、上記の河川、地下水、ダム湖等に特に限定されない。
【００３３】
浄水汚泥の組成は、天然の砂粒分に凝集剤の添加によりアルミニウム等が追加されたものであり、主として無機成分を多く含み、それ以外にも自然浄化を行う細菌（硝化細菌等）を含む。上記凝集剤としては、アルミ系の硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等、一般的に使用される凝集剤が使用でき、特に限定されない。
【００３４】
浄水汚泥のＶＳＳ／ＳＳは、０．１〜０．３の範囲であることが好ましく、０．１５〜０．２５の範囲であることがより好ましい。ここで、浄水汚泥が上記のＶＳＳ／ＳＳ範囲を満たさない場合は、浄水汚泥に無機物や活性汚泥、有機物を添加したり、浄水汚泥を一部焼いたり、希釈したり等によって調整することができる。
【００３５】
本実施形態において使用される汚泥としては、上記の浄水汚泥に限定されず、ＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥であれば、その他の汚泥（培養汚泥、湖沼底泥等）であってもよい。また、活性汚泥のＶＳＳ／ＳＳは通常、０．７〜０．９であるが、活性汚泥に浄水汚泥や無機凝集剤、無機物等を添加してＶＳＳ／ＳＳを上記範囲に調製したものも使用できる。
【００３６】
浄水汚泥、又はＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥（以下、これらを総
称して「浄水汚泥等」という）には、自然浄化を行う微生物、特に、硝化細菌群、脱窒細菌群、嫌気性アンモニア酸化細菌群等の複合微生物が含まれることが好ましい。
【００３７】
上記浄水汚泥等の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍであることが好ましく、１０μｍ〜２０μｍであることがより好ましい。これにより、汚泥自身がフィラーとして包括固定化担体内に均一に分散するので、担体の強度を向上させることができる。また、上記浄水汚泥等は、固定化材料との親和性も高いので、固定化材料と均一に混合することができる。
【００３８】
ここで、上記浄水汚泥等が上記平均粒子径の範囲を満たしている場合は、そのまま包括固定化担体に使用してもよいし、上記浄水汚泥等が上記平均粒子径の範囲を満たさない場合であっても、凝集剤や破砕手段（例えば、ホモジナイザ等）を用いて上記の平均粒子径の範囲に調整した後、包括固定化担体に使用してもよい。上記凝集剤としては、既述したのと同様に、アルミ系の硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等、一般的に使用される凝集剤を使用できる。
【００３９】
また、上記浄水汚泥等の粘度は活性汚泥よりも低く、例えば、ＳＳ濃度１００００ｍｇ／Ｌである浄水汚泥であれば、５ｍＰａ・ｓ〜３０ｍＰａ・ｓ（２０℃）であることが好ましく、５ｍＰａ・ｓ〜１５ｍＰａ・ｓ（２０℃）であることがより好ましい。浄水汚泥等の粘度は、水等の溶媒や粘度の低い汚泥と混合して希釈したり、増粘剤を添加したり、濃縮したりすることによって、調整することができる。
【００４０】
包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＳＳ濃度は、２質量％以上であることが好ましく、２質量％〜１０質量％であることがより好ましい。包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＳＳ濃度は、既述したように浄水汚泥に無機物を添加したり、希釈又は濃縮したりすることで調整することができる。
【００４１】
包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＶＳＳ濃度を０．２質量％〜２質量％の範囲とすることが好ましく、０．５質量％〜１質量％の範囲とすることがより好ましい。包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＶＳＳ濃度は、既述したように浄水汚泥に有機物を添加したり、希釈又は濃縮したりすることで調整することができる。
【００４２】
なお、上記浄水汚泥等は、単独で使用されてもよいし、その他の汚泥や微生物等と任意に組み合わせて使用されてもよい。
【００４３】
上記固定化材料としては、高分子モノマー、プレポリマー、オリゴマー等が挙げられるが、特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレングリコール系のポリマー、ポリビニルアルコール系のポリマー等を好ましく使用することができる。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との含有比が、７：３のもので、末端基がジアクリレートである分子量４０００のプレポリマーを、好ましく使用することができる。
【００４４】
その他、上記固定化材料としては、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、を使用することができる。その他、以下のプレポリマーを使用することもできる。
【００４５】
（モノメタクリレート類）ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシジエチレングリコールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンフタレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート、３クロロ２ヒドロキシプロピルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２ヒドロキシメタクリレート、エチルメタクリレート等。
【００４６】
（モノアクリレート類）２ヒドロキシエチルアクリレート、２ヒドロキシプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボルニルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、２エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールアクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールアクリレート、シリコン変性アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、アクリロイルアキシエチルハイドロジェンサクシネート、ラウリルアクリレート等。
【００４７】
（ジメタクリレート類）１，３ブチレングリコールジメタクリレート、１，４ブタンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ブチレングリコールジメタクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプレングリコールジメタクリレート、２ヒドロキシ１，３ジメタクリロキシプロパン、２，２ビス４メタクリロキシエトキシフェニルプロパン、３，２ビス４メタクリロキシジエトキシフェニルプロパン、２，２ビス４メタクリロキシポリエトキシフェニルプロパン等。
【００４８】
（ジアクリレート類）エトキシ化ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、２，２ビス４アクリロキシヒエトキシフェニルプロパン、２ヒドロキシ１アクリロキシ３メタクリロキシプロパン等。
【００４９】
（トリメタクリレート類）トリメチロールプロパントリメタクリレート等。
【００５０】
（トリアクリレート類）トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンＥＯ付加トリアクリレート、グリセリンＰＯ付加トリアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート等。
【００５１】
（テトラアクリレート類）ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート等。
【００５２】
（ウレタンアクリレート類）ウレタンアクリレート、ウレタンジメチルアクリレート、ウレタントリメチルアクリレート等。
【００５３】
（その他）アクリルアミド、アクリル酸、ジメチルアクリルアミド等。
【００５４】
なお、上記の固定化材料は一種類のみを使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
【００５５】
本実施形態において、包括固定化担体の重合は、過硫酸カリウムを用いたラジカル重合が最適であるが、紫外線や電子線を用いた重合やレドックス重合であってもよい。過硫酸カリウムを用いたラジカル重合においては、過硫酸カリウムの添加量は、０．００１質量％〜０．２５質量％であることが好ましく、アミン系の重合促進剤の添加量は、０．００１質量％〜０．５質量％であることが好ましく、その種類は、βジメチルアミノプロピオニトリル、ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン等であることが好ましい。また、亜硫酸ソーダ等も好ましく使用できる。これらの重合開始剤や重合促進剤は、単独で使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
【００５６】
また、本実施形態において、包括固定化担体の成形方法としては、シート成形法を例示したが、これに限定されることはなく、チューブ成形法、滴下造粒法、ブロック成形法等、を採用することもできる。
【００５７】
上記の如く製造した包括固定化担体を、廃水処理の本運転前に活性化（馴養）させることが好ましい。包括固定化担体の活性化方法としては、アンモニアと亜硝酸とを含む実廃水又は合成廃水を包括固定化担体に接触させる方法が好ましい。
【００５８】
次に、上記の包括固定化担体を、窒素除去を目的とした廃水処理に適用する例について説明する。図２は、本発明に係る包括固定化担体を用いた廃水処理装置１０の一例を説明する図である。
【００５９】
図２に示されるように、廃水処理装置１０は、主に、原水を処理する処理槽１２と、処理槽１２にアンモニアを含有する原水を流入する流入配管１４と、処理槽１２内に投入された本発明に係る包括固定化担体１６と、処理槽１２内から処理水を流出させる流出配管１８と、を備えている。
【００６０】
処理槽１２は、その内部に包括固定化担体１６を備え、流入配管１４から流入したアンモニアを含有する原水を処理してアンモニアを除去する装置である。処理槽１２には、包括固定化担体１６の流出を抑制するためのスクリーン２２が、処理槽１２の流出口付近に設けられている。また、処理槽１２内には、硝化反応に必要なエアをバブリングするための散気管２４が設けられている。
【００６１】
処理槽１２内の包括固定化担体１６の充填率は、容積％として、５％〜４０％であることが好ましく、８％〜２０％であることがより好ましい。また、付着担体であれば、充填率は容積％で４０％〜９０％が好ましく、５０％〜８０％がより好ましい。
【００６２】
このような構成により、アンモニアを含有する原水は、流入配管１４より処理槽１２へ流入され、本発明に係る包括固定化担体１６内の微生物（硝化細菌等）によって硝化反応が行われ、原水中のアンモニアが亜硝酸や硝酸に酸化される。なお、硝化反応に必要なエアは、散気管２４より供給される。そして、処理水は、スクリーン２２を介して流出配管１８から流出される。
【００６３】
このように、本発明に係る包括固定化担体１６を処理槽１２内に充填することにより、安定して廃水処理できる。また、活性の立ち上がりが早く、処理時間を大幅に短縮できる。
【００６４】
以上に説明した本発明に係る包括固定化担体及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置によれば、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体を得ることができる。
【００６５】
以上、本発明に係る包括固定化担体及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置の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。
【００６６】
例えば、本実施形態では、硝化細菌を含む包括固定化担体について説明したが、硝化細菌以外の増殖しにくい微生物を含む包括固定化担体にも適用することができる。
【００６７】
また、包括固定化担体だけでなく、その他の微生物担持体（付着固定化担体、接触ろ材、生物膜を形成させた担体等）において使用する微生物や汚泥にも、本発明に係る汚泥（浄水汚泥等）を使用することができる。
【実施例】
【００６８】
次に、実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６９】
１）汚泥の種類
先ず、汚泥の種類を変えて包括固定化担体を作製し、硝化性能を比較した。
【００７０】
（包括固定化担体の材料）
・汚泥の種類：浄水汚泥（ＶＳＳ／ＳＳ＝０．１９８）（試験１）
湖沼底泥（試験２）、活性汚泥（試験３）、嫌気汚泥（試験４）
・担体あたりの汚泥濃度：２質量％−担体
・固定化材料：ポリエチレングリコールジアクリレート ５質量％
・重合促進剤：ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン ０．０５００質量％
・重合開始剤：過硫酸カリウム ０．００２５質量％
上記４種類の各汚泥について、上記固定化材料、重合開始剤及び重合促進剤等を混合して重合温度２０℃下で３０分間ラジカル重合させた後、約３ｍｍの角型状に成形し、４種類の包括固定化担体を製造した。なお、嫌気汚泥としては、メタン醗酵槽内の汚泥を使用した。
【００７１】
（廃水処理条件）
使用廃水：無機合成廃水（アンモニア性窒素４０ｍｇ／Ｌ含有）
処理槽１２の容積：２Ｌ
包括固定化担体１６の充填率：１０％
散気量：２Ｌ／（Ｌ・分）
滞留時間：３時間
処理温度：２０℃
上記４種類の包括固定化担体について、上記の処理条件でそれぞれ廃水処理（馴養）した。担体あたりの硝化速度は、流入廃水と処理水のアンモニア性窒素を測定し、その減少量により算出した。このときの結果を、図３に示す。
【００７２】
図３に示されるように、担体あたりの硝化速度が１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ−担体・ｈに到達するまでに要した日数は、浄水汚泥を用いた担体（試験１）が最も短く、１３日であった。
【００７３】
一方、活性汚泥を用いた担体（試験３）では１９日であり、湖沼底泥を用いた担体（試験２）では２４日であり、嫌気汚泥を用いた担体（試験４）では２８．５日であり、いずれも浄水汚泥を用いた担体（試験１）よりも長かった。これより、浄水汚泥を用いた包括固定化担体が最も硝化活性の立ち上がりが早いことが解った。
【００７４】
次に、上記の結果が硝化細菌数によるものかどうかを調べるため、各包括固定化担体に含まれる硝化細菌数をＭＰＮ法（Ｍｏｓｔ Ｐｒｏｂａｂｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ）により測定した。
【００７５】
また、各包括固定化担体の担体強度を測定した。包括固定化担体の担体強度は、レオメータを使用し、ペレット面に徐々に圧力をかけてペレットが破損した圧力（ｋｇ）を測定し、ペレットの断面積（ｃｍ２）で割り担体強度（ＭＰａ／ｃｍ２）を算出した。この結果を表１に示す。
【００７６】
【表１】
【００７７】
表１に示されるように、包括固定化担体に含まれる硝化細菌数は、活性汚泥＞浄水汚泥＞湖沼底泥＞嫌気汚泥の順に多く、上記（図３）の硝化活性の立ち上がりに要する時間は、硝化細菌数とは必ずしも比例関係にないことを確認した。このように、浄水汚泥の硝化細菌の増殖が速いのは、活性汚泥のようなフロックを形成しないため吸着有機物が少なく、担体中の有機物濃度も低いので、従属栄養細菌が増殖しにくい環境となり、硝化細菌が増殖しやすくなったことが考えられる。
【００７８】
また、包括固定化担体の担体強度は、浄水汚泥を用いた担体（試験１）が最も高く、通常の活性汚泥の約１．４倍であった。
【００７９】
２）浄水汚泥の組成（ＶＳＳ／ＳＳ）
次に、浄水汚泥の組成と窒素除去性能との関係について調べた。本例では、表２に示される組成を有する浄水汚泥２種類と、比較用として活性汚泥とを用いた。
【００８０】
（汚泥の組成）
【００８１】
【表２】
【００８２】
※１ ＳＳ：浮遊物質又は懸濁物質。無機物、有機物を含む。
※２ ＶＳＳ：ＳＳのうち、強熱することにより揮発する物質で、主に有機物。
【００８３】
表２に示されるように、浄水汚泥Ｐ、Ｑは、活性汚泥よりも汚泥中の有機物の含有率ＶＳＳ／ＳＳが極めて低かった。これとは逆に、汚泥中の無機物（Ａｌ、Ｆｅ）の含有率は、浄水汚泥Ｐ、Ｑの方が多かった。
【００８４】
表２に示される各汚泥を用いて、上記１）と同様にして表３に示される包括固定化担体を製造した。
【００８５】
【表３】
【００８６】
表３に示されるそれぞれの包括固定化担体について、上記１）と同様の条件で廃水処理試験を行い、経過日数に対する処理水中のアンモニア性窒素の濃度を測定した。この結果を、図４に示す。
【００８７】
図４（ａ）に示されるように、浄水汚泥Ｐを用いた試験１では、処理水中のアンモニア性窒素は１５日経過後にはほぼ完全に除去された。これと同様に、浄水汚泥Ｑを用いた試験２も、図４（ｂ）に示されるように、処理水中のアンモニア性窒素は２０日経過後にはほぼ完全に除去された。
【００８８】
これに対して、従来の活性汚泥を用いた試験３では、処理水中のアンモニア性窒素がほぼ完全に除去されるまで、２８日間を要した。
【００８９】
このように、従来の活性汚泥を用いた場合、本発明に係る浄水汚泥を用いた試験１及び２よりも処理水中のアンモニア性窒素を除去するのに大幅に長い時間を要することが解った。これより、上記の浄水汚泥を用いた包括固定化担体では、窒素除去性能の立ち上がりを大幅に短縮できることが解った。
【００９０】
３）浄水汚泥の平均粒子径
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、浄水汚泥の平均粒子径と包括固定化担体の担体強度との関係について調べた。
【００９１】
本例において浄水汚泥としては、上記１）の浄水汚泥を使用した。浄水汚泥の平均粒子径は、凝集剤の添加やホモジナイザを用いて調整した。その他は、上記１）と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【００９２】
包括固定化担体の担体強度は、前述と同様に、レオメータを使用し、ペレット面に徐々に圧力をかけてペレットが破損した圧力（ｋｇ）を測定し、ペレットの断面積（ｃｍ２）で割り担体強度（ＭＰａ／ｃｍ２）を算出した。この結果を図５に示す。
【００９３】
図５に示されるように、浄水汚泥の平均粒子径が３０μｍ以下であれば、担体強度はほぼ一定で高かった。しかし、平均粒子径が３０μｍを超えると、徐々に担体強度が低下することが解った。これは、浄水汚泥自身がフィラーとして作用するためであることが一因と考えられ、従来の活性汚泥の約１．４倍も高い強度を得られることが解った。
【００９４】
また、浄水汚泥の平均粒子径が１０μｍ未満のサイズになるように調整するのは困難であった。これより、浄水汚泥の平均粒子径が１０μｍ〜３０μｍの範囲であることが好ましいことが解った。
【００９５】
４）包括固定化担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度と、硝化速度との関係について調べた。
【００９６】
本例において、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が１質量％〜６質量％となる範囲で、上記１）と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【００９７】
（廃水処理条件）
使用廃水：無機合成廃水（アンモニア性窒素４０ｍｇ／Ｌ含有）
処理槽１２の容積：２Ｌ
包括固定化担体１６の充填率：１０％
散気量：２Ｌ／（Ｌ・分）
滞留時間：３時間
処理温度：２０℃
上記の包括固定化担体について、上記の処理条件でそれぞれ廃水処理（馴養）した。そして、２０℃、２週間経過後に、担体あたりの硝化速度を測定した。担体あたりの硝化速度は、無機合成廃水を用いた回分試験により測定した。このときの結果を、図６に示す。
【００９８】
図６に示されるように、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度の増加に伴い、硝化速度が増加し、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上になると、硝化速度は安定してほぼ一定値を示した。これより、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上であれば、硝化細菌の濃度も高く、硝化反応の立ち上がりが早いことが解った。
【００９９】
５）包括固定化担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度と、硝化細菌の増加率との関係について調べた。
【０１００】
本例において浄水汚泥としては、上記１）の浄水汚泥を使用した。担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度は、滅菌した浄水汚泥に滅菌した活性汚泥を添加して調整した。硝化細菌は、培養した硝化細菌を使用し、担体あたりの硝化細菌数が４００００個／ｍＬ−担体となるように包括固定化担体を作製した。その他は、上記と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【０１０１】
そして、２０℃、２週間経過後に、担体あたりの硝化細菌の増加率を測定した。硝化細菌の増加率は、馴養後２週間後の硝化細菌数／馴養前の硝化細菌数とし、硝化細菌の数は、ＭＰＮ法で測定した。この結果を図７に示す。
【０１０２】
図７に示されるように、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であれば、硝化細菌は約５００倍まで増加し、硝化細菌の増加率が高かった。さらに、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．５質量％〜１質量％の範囲であれば、硝化細菌は約１０００倍まで増加しており、硝化細菌の増加率がより高かった。
【０１０３】
この一因としては、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％未満であれば、担体内において硝化細菌と共生する微生物が増殖しにくくなり、硝化細菌の増殖毒を低減する作用が充分には得られないことが考えられる。また、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が２質量％を超えると、従属栄養細菌が有機物を酸化しやすく硝化反応に使用する溶存酸素が不足し、硝化細菌が増殖しにくくなるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明に係る包括固定化担体の製造方法の一例を示した図である。
【図２】本実施形態における廃水処理装置１０の一例を示す説明図である。
【図３】本実施例におけるグラフである。
【図４】本実施例におけるグラフである。
【図５】本実施例におけるグラフである。
【図６】本実施例におけるグラフである。
【図７】本実施例におけるグラフである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…廃水処理装置、１２…処理槽、１４…流入配管、１６…包括固定化担体、１８…流出配管、２２…スクリーン、２４…散気管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括固定化担体及びその製造方法に係り、特に、アンモニアを含有する廃水から生物学的にアンモニアを脱窒する包括固定化担体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水処理に用いられる活性汚泥中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おいては、硝化細菌の細菌数が少なくなり、硝化活性が著しく低下する。このことは、硝化細菌と同様の性質を有する微生物においても、同様の傾向がある。
【０００３】
このことから、硝化細菌を含む活性汚泥をけい砂、活性炭、プラスチック等の付着材の表面に固定化して硝化細菌を高濃度化し、これにより、廃水の硝化性能を改善することが行われている（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）。
【０００４】
しかし、微生物を付着材に付着する付着固定化型の場合、付着した微生物の剥離や目的の微生物である硝化細菌と異なる微生物の付着により、硝化細菌を充分に高濃度化することができなかった。このことから、硝化細菌等の有用微生物を固定化剤内に包括固定化させる包括固定化担体を製造し、この包括固定化担体を反応槽に充填して硝化細菌の濃度を高めることによって、硝化活性を高め、廃水を高速処理することが行われている。
【０００５】
ところで、包括固定化担体内の初期の硝化細菌の菌数が多いほど、硝化活性が高く早期に担体性能を発揮できると考えられている。このため、初期の硝化細菌数を高めるべく、従来は硝化細菌を含む活性汚泥を濃縮して包括固定化していた（参考文献：環境微生物工学研究法、ｐ１２３、技報堂出版、１９９３年発行）。ここで、活性汚泥とは、下水などの有機性廃水に空気を吹き込み繁殖した微生物がフロック状となったものであり、微生物には細菌、菌類、原生動物、微小後生物等が含まれている。廃水中の有機物は細菌に吸着され、体内に摂取・同化されて細菌が繁殖する。この細菌を原生動物、微小後生動物などで食物連鎖を通して、生態系が安定している。（出典：技術セミナテキスト、活性汚泥法における各種トラブル対策の実際 （株）技術情報センター２０００年７月）このように、活性汚泥は一般的に有機物を多く含んでいる。
【０００６】
また、包括固定化担体とは別に、有用微生物を担持させる表面積の高い担体の製造方法について提案されている（例えば、特許文献１）。この担体は、主に無機成分からなる浄水汚泥を造粒した後、乾燥及び焼成して得られるものであり、多孔質で比面積が極めて高い微生物担体が得られるとされている。また、汚泥の中に有用微生物を混合させたり、微生物担体に有用微生物を担持させたりすることが提案されている。
【特許文献１】特許第３１３１６７８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、従来の活性汚泥を用いた包括固定化担体では、硝化細菌を安定に増殖させることができず、硝化活性の立ち上がりが遅く不安定であり、本来の担体性能を充分に発揮できないという問題があった。この主な原因は、以下の通りである。
【０００８】
１）活性汚泥を濃縮して包括固定化担体を製造する場合、濃縮により活性汚泥に含まれる硝化細菌以外の従属栄養細菌数も増加し、濃縮条件によっては目的外の従属栄養細菌が優占種になることがある。ここで、従属栄養細菌とは、有機栄養物を比較的低濃度に含む培地を用いて長時間（２０〜２８℃、５〜７日間）培養したときに培地に集落を形成する全ての細菌である（上水試験方法２００１年版、日本水道協会、２００１年発行）。
【０００９】
２）一般的に、活性汚泥は有機物を多く含み、ＶＳＳ／ＳＳは０．７〜０．９と高い。このような活性汚泥を用いた包括固定化担体は有機物を多く含み、従属栄養細菌が有機物を基質として溶存酸素を消費しながら増殖しやすく、これにより硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。
【００１０】
３）また、活性汚泥は、ズーグレアという細菌群を中心に各種微生物が集まったフロックを形成しており、このフロックは水中の有機物を吸着しやすい性質がある（参考文献：水処理工学ｐ２０４、技報堂出版、１９７６年発行）。このため、従属栄養細菌がフロックに吸着された有機物を基質として溶存酸素を消費しながら増殖しやすく、これにより硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。
【００１１】
４）製造した包括固定化担体は、処理槽で使用されるまで一定期間容器内で保管される。この保管期間が長くなると、包括固定化担体内の従属栄養細菌により溶存酸素が消費されて包括固定化担体内部が嫌気状態になりやすく、メタン醗酵が生じやすくなる。このように嫌気状態が進行すると、硝化反応に必要な溶存酸素が不足しやすくなる。このような状態に至った包括固定化担体を好気槽で使用しても、硝化活性の立ち上がりが遅い。
【００１２】
また、包括固定化担体内でメタン醗酵が生じた場合、担体内部にガスが溜まり等の問題も生じやすく、包括固定化担体の保管時に担体の強度や寿命が低下するという問題もあった。
【００１３】
また、特許文献１のように担体に有用微生物を担持させる方法では、担体に微生物を安定に固定化しにくく、担体から脱落すること等が懸念される。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体及びその製造方法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】
【００１５】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であることを特徴とする包括固定化担体を提供する。
【００１６】
請求項１によれば、包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化すると共に、汚泥のＶＳＳ／ＳＳを０．１〜０．３の範囲とする。これにより、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を得ることが可能となった。
【００１７】
請求項１において、汚泥とは、上記の組成を満たす汚泥であれば浄水汚泥以外のいずれでもよく、例えば、培養汚泥、湖沼底泥等であってもよい。また、上記汚泥としては、活性汚泥に浄水汚泥や無機凝集剤、無機物等を投入してＶＳＳ／ＳＳを上記範囲に調製したものも使用できる。
【００１８】
そして、浄水汚泥とは、主に河川水や地下水、ダム湖水を浄水処理する際に得られる汚泥であり、例えば、浄水場の凝集沈殿処理から採取される汚泥が挙げられる。
【００１９】
また、ＶＳＳ／ＳＳとは、ＶＳＳ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄｅ、ＪＩＳＫ０１０２法）とＳＳ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｏｌｉｄ、ＪＩＳＫ０１０２法）の比（ＶＳＳ÷ＳＳ）であり、汚泥中の有機物の含有率を表す指標の一つである。
【００２０】
請求項２は請求項１において、前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２によれば、包括固定化担体に固定化する汚泥の平均粒子径を１０μｍ〜３０μｍの範囲とすることにより、担体強度を向上させることができる。したがって、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した強度を有する担体を得ることができる。
【００２２】
ここで、本発明に係る汚泥が上記平均粒子径の範囲を満たしている場合、そのまま包括固定化担体に使用してもよいし、上記平均粒子径の範囲を満たさない場合であっても、凝集剤や破砕手段等を用いて上記の範囲に調整した後、包括固定化担体に使用してもよい。
【００２３】
請求項３は請求項１又は２において、前記包括固定化担体あたりに前記汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むことを特徴とする。
【００２４】
請求項３によれば、包括固定化担体あたりにＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むようにするので、より硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を得ることができる。なお、包括固定化担体あたりに上記汚泥をＳＳ濃度で２質量％〜１０質量％含むことがより好ましい。
【００２５】
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であることを特徴とする。
【００２６】
請求項４によれば、包括固定化担体に含まれる汚泥のＶＳＳ濃度を０．２質量％〜２質量％の範囲とするので、硝化活性の立ち上がりの早く、安定した強度を有する包括固定化担体を得ることができる。また、包括固定化担体に含まれる上記汚泥のＶＳＳ濃度が０．５質量％〜１質量％であることがより好ましい。
【００２７】
また、本発明の請求項５は前記目的を達成するために、硝化細菌を含有し且つＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲である汚泥を、包括固定化担体あたり前記汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上となるように固定化材料と混合してゲル化させて前記汚泥を包括固定化することを特徴とする包括固定化担体の製造方法を提供する。
【００２８】
請求項５は本発明に係る包括固定化担体の製造方法を示したものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体を得ることができる。
【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及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る包括固定化担体の製造方法の一例を示した図である。図１に示されるように、先ず、微生物を含む浄水汚泥と、固定化材料とを混合し、原料液を調製する。次いで、この原料液に過硫酸カリウム等の重合開始剤を添加して、重合温度は、１５〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃で、重合時間は、１〜６０分、好ましくは１．５〜６０分で重合（ゲル化）させる。その後、ゲル化させた担体シートを、約３ｍｍ角の角型形状に切断してペレット化する。これにより、本発明に係る包括固定化担体が製造される。
【００３２】
浄水汚泥としては、主に河川水や地下水、ダム湖水を浄水処理する際に得られる汚泥であり、例えば、浄水場から採取される汚泥が挙げられる。なお、浄水場の水源は、上記の河川、地下水、ダム湖等に特に限定されない。
【００３３】
浄水汚泥の組成は、天然の砂粒分に凝集剤の添加によりアルミニウム等が追加されたものであり、主として無機成分を多く含み、それ以外にも自然浄化を行う細菌（硝化細菌等）を含む。上記凝集剤としては、アルミ系の硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等、一般的に使用される凝集剤が使用でき、特に限定されない。
【００３４】
浄水汚泥のＶＳＳ／ＳＳは、０．１〜０．３の範囲であることが好ましく、０．１５〜０．２５の範囲であることがより好ましい。ここで、浄水汚泥が上記のＶＳＳ／ＳＳ範囲を満たさない場合は、浄水汚泥に無機物や活性汚泥、有機物を添加したり、浄水汚泥を一部焼いたり、希釈したり等によって調整することができる。
【００３５】
本実施形態において使用される汚泥としては、上記の浄水汚泥に限定されず、ＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥であれば、その他の汚泥（培養汚泥、湖沼底泥等）であってもよい。また、活性汚泥のＶＳＳ／ＳＳは通常、０．７〜０．９であるが、活性汚泥に浄水汚泥や無機凝集剤、無機物等を添加してＶＳＳ／ＳＳを上記範囲に調製したものも使用できる。
【００３６】
浄水汚泥、又はＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲を満たす汚泥（以下、これらを総
称して「浄水汚泥等」という）には、自然浄化を行う微生物、特に、硝化細菌群、脱窒細菌群、嫌気性アンモニア酸化細菌群等の複合微生物が含まれることが好ましい。
【００３７】
上記浄水汚泥等の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍであることが好ましく、１０μｍ〜２０μｍであることがより好ましい。これにより、汚泥自身がフィラーとして包括固定化担体内に均一に分散するので、担体の強度を向上させることができる。また、上記浄水汚泥等は、固定化材料との親和性も高いので、固定化材料と均一に混合することができる。
【００３８】
ここで、上記浄水汚泥等が上記平均粒子径の範囲を満たしている場合は、そのまま包括固定化担体に使用してもよいし、上記浄水汚泥等が上記平均粒子径の範囲を満たさない場合であっても、凝集剤や破砕手段（例えば、ホモジナイザ等）を用いて上記の平均粒子径の範囲に調整した後、包括固定化担体に使用してもよい。上記凝集剤としては、既述したのと同様に、アルミ系の硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄、ポリ硫酸第二鉄等、一般的に使用される凝集剤を使用できる。
【００３９】
また、上記浄水汚泥等の粘度は活性汚泥よりも低く、例えば、ＳＳ濃度１００００ｍｇ／Ｌである浄水汚泥であれば、５ｍＰａ・ｓ〜３０ｍＰａ・ｓ（２０℃）であることが好ましく、５ｍＰａ・ｓ〜１５ｍＰａ・ｓ（２０℃）であることがより好ましい。浄水汚泥等の粘度は、水等の溶媒や粘度の低い汚泥と混合して希釈したり、増粘剤を添加したり、濃縮したりすることによって、調整することができる。
【００４０】
包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＳＳ濃度は、２質量％以上であることが好ましく、２質量％〜１０質量％であることがより好ましい。包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＳＳ濃度は、既述したように浄水汚泥に無機物を添加したり、希釈又は濃縮したりすることで調整することができる。
【００４１】
包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＶＳＳ濃度を０．２質量％〜２質量％の範囲とすることが好ましく、０．５質量％〜１質量％の範囲とすることがより好ましい。包括固定化担体中の上記浄水汚泥等のＶＳＳ濃度は、既述したように浄水汚泥に有機物を添加したり、希釈又は濃縮したりすることで調整することができる。
【００４２】
なお、上記浄水汚泥等は、単独で使用されてもよいし、その他の汚泥や微生物等と任意に組み合わせて使用されてもよい。
【００４３】
上記固定化材料としては、高分子モノマー、プレポリマー、オリゴマー等が挙げられるが、特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレングリコール系のポリマー、ポリビニルアルコール系のポリマー等を好ましく使用することができる。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との含有比が、７：３のもので、末端基がジアクリレートである分子量４０００のプレポリマーを、好ましく使用することができる。
【００４４】
その他、上記固定化材料としては、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、を使用することができる。その他、以下のプレポリマーを使用することもできる。
【００４５】
（モノメタクリレート類）ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシジエチレングリコールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンフタレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート、３クロロ２ヒドロキシプロピルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２ヒドロキシメタクリレート、エチルメタクリレート等。
【００４６】
（モノアクリレート類）２ヒドロキシエチルアクリレート、２ヒドロキシプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボルニルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、２エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールアクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールアクリレート、シリコン変性アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、アクリロイルアキシエチルハイドロジェンサクシネート、ラウリルアクリレート等。
【００４７】
（ジメタクリレート類）１，３ブチレングリコールジメタクリレート、１，４ブタンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ブチレングリコールジメタクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプレングリコールジメタクリレート、２ヒドロキシ１，３ジメタクリロキシプロパン、２，２ビス４メタクリロキシエトキシフェニルプロパン、３，２ビス４メタクリロキシジエトキシフェニルプロパン、２，２ビス４メタクリロキシポリエトキシフェニルプロパン等。
【００４８】
（ジアクリレート類）エトキシ化ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，６ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、２，２ビス４アクリロキシヒエトキシフェニルプロパン、２ヒドロキシ１アクリロキシ３メタクリロキシプロパン等。
【００４９】
（トリメタクリレート類）トリメチロールプロパントリメタクリレート等。
【００５０】
（トリアクリレート類）トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンＥＯ付加トリアクリレート、グリセリンＰＯ付加トリアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート等。
【００５１】
（テトラアクリレート類）ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート等。
【００５２】
（ウレタンアクリレート類）ウレタンアクリレート、ウレタンジメチルアクリレート、ウレタントリメチルアクリレート等。
【００５３】
（その他）アクリルアミド、アクリル酸、ジメチルアクリルアミド等。
【００５４】
なお、上記の固定化材料は一種類のみを使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
【００５５】
本実施形態において、包括固定化担体の重合は、過硫酸カリウムを用いたラジカル重合が最適であるが、紫外線や電子線を用いた重合やレドックス重合であってもよい。過硫酸カリウムを用いたラジカル重合においては、過硫酸カリウムの添加量は、０．００１質量％〜０．２５質量％であることが好ましく、アミン系の重合促進剤の添加量は、０．００１質量％〜０．５質量％であることが好ましく、その種類は、βジメチルアミノプロピオニトリル、ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン等であることが好ましい。また、亜硫酸ソーダ等も好ましく使用できる。これらの重合開始剤や重合促進剤は、単独で使用してもよいし、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
【００５６】
また、本実施形態において、包括固定化担体の成形方法としては、シート成形法を例示したが、これに限定されることはなく、チューブ成形法、滴下造粒法、ブロック成形法等、を採用することもできる。
【００５７】
上記の如く製造した包括固定化担体を、廃水処理の本運転前に活性化（馴養）させることが好ましい。包括固定化担体の活性化方法としては、アンモニアと亜硝酸とを含む実廃水又は合成廃水を包括固定化担体に接触させる方法が好ましい。
【００５８】
次に、上記の包括固定化担体を、窒素除去を目的とした廃水処理に適用する例について説明する。図２は、本発明に係る包括固定化担体を用いた廃水処理装置１０の一例を説明する図である。
【００５９】
図２に示されるように、廃水処理装置１０は、主に、原水を処理する処理槽１２と、処理槽１２にアンモニアを含有する原水を流入する流入配管１４と、処理槽１２内に投入された本発明に係る包括固定化担体１６と、処理槽１２内から処理水を流出させる流出配管１８と、を備えている。
【００６０】
処理槽１２は、その内部に包括固定化担体１６を備え、流入配管１４から流入したアンモニアを含有する原水を処理してアンモニアを除去する装置である。処理槽１２には、包括固定化担体１６の流出を抑制するためのスクリーン２２が、処理槽１２の流出口付近に設けられている。また、処理槽１２内には、硝化反応に必要なエアをバブリングするための散気管２４が設けられている。
【００６１】
処理槽１２内の包括固定化担体１６の充填率は、容積％として、５％〜４０％であることが好ましく、８％〜２０％であることがより好ましい。また、付着担体であれば、充填率は容積％で４０％〜９０％が好ましく、５０％〜８０％がより好ましい。
【００６２】
このような構成により、アンモニアを含有する原水は、流入配管１４より処理槽１２へ流入され、本発明に係る包括固定化担体１６内の微生物（硝化細菌等）によって硝化反応が行われ、原水中のアンモニアが亜硝酸や硝酸に酸化される。なお、硝化反応に必要なエアは、散気管２４より供給される。そして、処理水は、スクリーン２２を介して流出配管１８から流出される。
【００６３】
このように、本発明に係る包括固定化担体１６を処理槽１２内に充填することにより、安定して廃水処理できる。また、活性の立ち上がりが早く、処理時間を大幅に短縮できる。
【００６４】
以上に説明した本発明に係る包括固定化担体及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置によれば、硝化活性の立ち上がりが早く、安定した担体強度を有する包括固定化担体を得ることができる。
【００６５】
以上、本発明に係る包括固定化担体及びその製造方法、並びにそれを用いた廃水処理方法及び装置の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。
【００６６】
例えば、本実施形態では、硝化細菌を含む包括固定化担体について説明したが、硝化細菌以外の増殖しにくい微生物を含む包括固定化担体にも適用することができる。
【００６７】
また、包括固定化担体だけでなく、その他の微生物担持体（付着固定化担体、接触ろ材、生物膜を形成させた担体等）において使用する微生物や汚泥にも、本発明に係る汚泥（浄水汚泥等）を使用することができる。
【実施例】
【００６８】
次に、実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６９】
１）汚泥の種類
先ず、汚泥の種類を変えて包括固定化担体を作製し、硝化性能を比較した。
【００７０】
（包括固定化担体の材料）
・汚泥の種類：浄水汚泥（ＶＳＳ／ＳＳ＝０．１９８）（試験１）
湖沼底泥（試験２）、活性汚泥（試験３）、嫌気汚泥（試験４）
・担体あたりの汚泥濃度：２質量％−担体
・固定化材料：ポリエチレングリコールジアクリレート ５質量％
・重合促進剤：ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン ０．０５００質量％
・重合開始剤：過硫酸カリウム ０．００２５質量％
上記４種類の各汚泥について、上記固定化材料、重合開始剤及び重合促進剤等を混合して重合温度２０℃下で３０分間ラジカル重合させた後、約３ｍｍの角型状に成形し、４種類の包括固定化担体を製造した。なお、嫌気汚泥としては、メタン醗酵槽内の汚泥を使用した。
【００７１】
（廃水処理条件）
使用廃水：無機合成廃水（アンモニア性窒素４０ｍｇ／Ｌ含有）
処理槽１２の容積：２Ｌ
包括固定化担体１６の充填率：１０％
散気量：２Ｌ／（Ｌ・分）
滞留時間：３時間
処理温度：２０℃
上記４種類の包括固定化担体について、上記の処理条件でそれぞれ廃水処理（馴養）した。担体あたりの硝化速度は、流入廃水と処理水のアンモニア性窒素を測定し、その減少量により算出した。このときの結果を、図３に示す。
【００７２】
図３に示されるように、担体あたりの硝化速度が１００ｍｇ−Ｎ／Ｌ−担体・ｈに到達するまでに要した日数は、浄水汚泥を用いた担体（試験１）が最も短く、１３日であった。
【００７３】
一方、活性汚泥を用いた担体（試験３）では１９日であり、湖沼底泥を用いた担体（試験２）では２４日であり、嫌気汚泥を用いた担体（試験４）では２８．５日であり、いずれも浄水汚泥を用いた担体（試験１）よりも長かった。これより、浄水汚泥を用いた包括固定化担体が最も硝化活性の立ち上がりが早いことが解った。
【００７４】
次に、上記の結果が硝化細菌数によるものかどうかを調べるため、各包括固定化担体に含まれる硝化細菌数をＭＰＮ法（Ｍｏｓｔ Ｐｒｏｂａｂｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ）により測定した。
【００７５】
また、各包括固定化担体の担体強度を測定した。包括固定化担体の担体強度は、レオメータを使用し、ペレット面に徐々に圧力をかけてペレットが破損した圧力（ｋｇ）を測定し、ペレットの断面積（ｃｍ２）で割り担体強度（ＭＰａ／ｃｍ２）を算出した。この結果を表１に示す。
【００７６】
【表１】
【００７７】
表１に示されるように、包括固定化担体に含まれる硝化細菌数は、活性汚泥＞浄水汚泥＞湖沼底泥＞嫌気汚泥の順に多く、上記（図３）の硝化活性の立ち上がりに要する時間は、硝化細菌数とは必ずしも比例関係にないことを確認した。このように、浄水汚泥の硝化細菌の増殖が速いのは、活性汚泥のようなフロックを形成しないため吸着有機物が少なく、担体中の有機物濃度も低いので、従属栄養細菌が増殖しにくい環境となり、硝化細菌が増殖しやすくなったことが考えられる。
【００７８】
また、包括固定化担体の担体強度は、浄水汚泥を用いた担体（試験１）が最も高く、通常の活性汚泥の約１．４倍であった。
【００７９】
２）浄水汚泥の組成（ＶＳＳ／ＳＳ）
次に、浄水汚泥の組成と窒素除去性能との関係について調べた。本例では、表２に示される組成を有する浄水汚泥２種類と、比較用として活性汚泥とを用いた。
【００８０】
（汚泥の組成）
【００８１】
【表２】
【００８２】
※１ ＳＳ：浮遊物質又は懸濁物質。無機物、有機物を含む。
※２ ＶＳＳ：ＳＳのうち、強熱することにより揮発する物質で、主に有機物。
【００８３】
表２に示されるように、浄水汚泥Ｐ、Ｑは、活性汚泥よりも汚泥中の有機物の含有率ＶＳＳ／ＳＳが極めて低かった。これとは逆に、汚泥中の無機物（Ａｌ、Ｆｅ）の含有率は、浄水汚泥Ｐ、Ｑの方が多かった。
【００８４】
表２に示される各汚泥を用いて、上記１）と同様にして表３に示される包括固定化担体を製造した。
【００８５】
【表３】
【００８６】
表３に示されるそれぞれの包括固定化担体について、上記１）と同様の条件で廃水処理試験を行い、経過日数に対する処理水中のアンモニア性窒素の濃度を測定した。この結果を、図４に示す。
【００８７】
図４（ａ）に示されるように、浄水汚泥Ｐを用いた試験１では、処理水中のアンモニア性窒素は１５日経過後にはほぼ完全に除去された。これと同様に、浄水汚泥Ｑを用いた試験２も、図４（ｂ）に示されるように、処理水中のアンモニア性窒素は２０日経過後にはほぼ完全に除去された。
【００８８】
これに対して、従来の活性汚泥を用いた試験３では、処理水中のアンモニア性窒素がほぼ完全に除去されるまで、２８日間を要した。
【００８９】
このように、従来の活性汚泥を用いた場合、本発明に係る浄水汚泥を用いた試験１及び２よりも処理水中のアンモニア性窒素を除去するのに大幅に長い時間を要することが解った。これより、上記の浄水汚泥を用いた包括固定化担体では、窒素除去性能の立ち上がりを大幅に短縮できることが解った。
【００９０】
３）浄水汚泥の平均粒子径
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、浄水汚泥の平均粒子径と包括固定化担体の担体強度との関係について調べた。
【００９１】
本例において浄水汚泥としては、上記１）の浄水汚泥を使用した。浄水汚泥の平均粒子径は、凝集剤の添加やホモジナイザを用いて調整した。その他は、上記１）と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【００９２】
包括固定化担体の担体強度は、前述と同様に、レオメータを使用し、ペレット面に徐々に圧力をかけてペレットが破損した圧力（ｋｇ）を測定し、ペレットの断面積（ｃｍ２）で割り担体強度（ＭＰａ／ｃｍ２）を算出した。この結果を図５に示す。
【００９３】
図５に示されるように、浄水汚泥の平均粒子径が３０μｍ以下であれば、担体強度はほぼ一定で高かった。しかし、平均粒子径が３０μｍを超えると、徐々に担体強度が低下することが解った。これは、浄水汚泥自身がフィラーとして作用するためであることが一因と考えられ、従来の活性汚泥の約１．４倍も高い強度を得られることが解った。
【００９４】
また、浄水汚泥の平均粒子径が１０μｍ未満のサイズになるように調整するのは困難であった。これより、浄水汚泥の平均粒子径が１０μｍ〜３０μｍの範囲であることが好ましいことが解った。
【００９５】
４）包括固定化担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度と、硝化速度との関係について調べた。
【００９６】
本例において、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が１質量％〜６質量％となる範囲で、上記１）と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【００９７】
（廃水処理条件）
使用廃水：無機合成廃水（アンモニア性窒素４０ｍｇ／Ｌ含有）
処理槽１２の容積：２Ｌ
包括固定化担体１６の充填率：１０％
散気量：２Ｌ／（Ｌ・分）
滞留時間：３時間
処理温度：２０℃
上記の包括固定化担体について、上記の処理条件でそれぞれ廃水処理（馴養）した。そして、２０℃、２週間経過後に、担体あたりの硝化速度を測定した。担体あたりの硝化速度は、無機合成廃水を用いた回分試験により測定した。このときの結果を、図６に示す。
【００９８】
図６に示されるように、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度の増加に伴い、硝化速度が増加し、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上になると、硝化速度は安定してほぼ一定値を示した。これより、担体中の浄水汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上であれば、硝化細菌の濃度も高く、硝化反応の立ち上がりが早いことが解った。
【００９９】
５）包括固定化担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度
次に、浄水汚泥を用いた包括固定化担体において、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度と、硝化細菌の増加率との関係について調べた。
【０１００】
本例において浄水汚泥としては、上記１）の浄水汚泥を使用した。担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度は、滅菌した浄水汚泥に滅菌した活性汚泥を添加して調整した。硝化細菌は、培養した硝化細菌を使用し、担体あたりの硝化細菌数が４００００個／ｍＬ−担体となるように包括固定化担体を作製した。その他は、上記と同様の条件で包括固定化担体を作製した。
【０１０１】
そして、２０℃、２週間経過後に、担体あたりの硝化細菌の増加率を測定した。硝化細菌の増加率は、馴養後２週間後の硝化細菌数／馴養前の硝化細菌数とし、硝化細菌の数は、ＭＰＮ法で測定した。この結果を図７に示す。
【０１０２】
図７に示されるように、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であれば、硝化細菌は約５００倍まで増加し、硝化細菌の増加率が高かった。さらに、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．５質量％〜１質量％の範囲であれば、硝化細菌は約１０００倍まで増加しており、硝化細菌の増加率がより高かった。
【０１０３】
この一因としては、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％未満であれば、担体内において硝化細菌と共生する微生物が増殖しにくくなり、硝化細菌の増殖毒を低減する作用が充分には得られないことが考えられる。また、担体中の浄水汚泥のＶＳＳ濃度が２質量％を超えると、従属栄養細菌が有機物を酸化しやすく硝化反応に使用する溶存酸素が不足し、硝化細菌が増殖しにくくなるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明に係る包括固定化担体の製造方法の一例を示した図である。
【図２】本実施形態における廃水処理装置１０の一例を示す説明図である。
【図３】本実施例におけるグラフである。
【図４】本実施例におけるグラフである。
【図５】本実施例におけるグラフである。
【図６】本実施例におけるグラフである。
【図７】本実施例におけるグラフである。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…廃水処理装置、１２…処理槽、１４…流入配管、１６…包括固定化担体、１８…流出配管、２２…スクリーン、２４…散気管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であることを特徴とする包括固定化担体。
【請求項２】
前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１の包括固定化担体。
【請求項３】
前記包括固定化担体あたり前記汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むことを特徴とする請求項１又は２の包括固定化担体。
【請求項４】
前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１の包括固定化担体。
【請求項５】
硝化細菌を含有し且つＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲である汚泥を、包括固定化担体あたり前記汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上となるように固定化材料と混合してゲル化させて前記汚泥を包括固定化することを特徴とする包括固定化担体の製造方法。
【請求項１】
微生物を包括固定化する包括固定化担体であって、前記包括固定化担体が硝化細菌を含有する汚泥を包括固定化したものであると共に、前記汚泥のＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲であることを特徴とする包括固定化担体。
【請求項２】
前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥の平均粒子径が、１０μｍ〜３０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１の包括固定化担体。
【請求項３】
前記包括固定化担体あたり前記汚泥をＳＳ濃度で２質量％以上含むことを特徴とする請求項１又は２の包括固定化担体。
【請求項４】
前記包括固定化担体に含まれる前記汚泥のＶＳＳ濃度が０．２質量％〜２質量％の範囲であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１の包括固定化担体。
【請求項５】
硝化細菌を含有し且つＶＳＳ／ＳＳが０．１〜０．３の範囲である汚泥を、包括固定化担体あたり前記汚泥のＳＳ濃度が２質量％以上となるように固定化材料と混合してゲル化させて前記汚泥を包括固定化することを特徴とする包括固定化担体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−５０８５０（Ｐ２００９−５０８５０Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４４４０７（Ｐ２００８−２４４４０７）
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【分割の表示】特願２００６−８１３６９（Ｐ２００６−８１３６９）の分割
【原出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【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２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【分割の表示】特願２００６−８１３６９（Ｐ２００６−８１３６９）の分割
【原出願日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【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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