生物学的リン除去方法
【課題】生物学的リン除去方法において、有機物が十分に供給されているにもかかわらずリン放出能力が悪化してしまった場合に、これを回復させる。
【解決手段】嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン除去能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにした。
【解決手段】嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン除去能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的リン除去方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む、活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、これを回復することのできる生物学的リン除去方法に関する。
【０００２】
尚、本明細書における電位の値は、銀／塩化銀電極を基準とする値である。
【背景技術】
【０００３】
下水等の被処理水に含まれるリンを除去する方法として、化学的な処理方法である凝集沈殿法と、生物学的な処理方法である生物学的リン除去方法が知られている。
【０００４】
凝集沈殿法は、塩化第二鉄や硫酸第二鉄などの鉄塩、硫酸アルミニウム及びポリ塩化アルミニウム等の凝集剤を用いて、被処理水に含まれるリンを沈殿させて回収することにより除去するものである。この方法は、リンを確実に除去できる反面、凝集剤自体にかかる費用や余剰汚泥量の増加に伴う処理費の上昇等によって、ランニングコストが嵩んでしまう問題がある。
【０００５】
生物学的リン除去方法は、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌の性質を利用したリン除去方法である。ポリリン酸蓄積細菌は、嫌気性環境下においては細胞中のリンを放出しながらエネルギー源の有機物を摂取・蓄積するが、環境を好気性にシフトさせると、蓄積した有機物を分解しながら、嫌気性環境下において放出したリンの量よりも多くのリンを摂取する。この性質を利用することで、下水等の被処理水中からリンを除去することができる。この方法は、生物学的な作用によってリンの除去を行うものであることから、凝集沈殿法と比較してランニングコストが安く済むという利点があり、実際に実用化も進められている状況にある。
【０００６】
しかしその一方で、生物学的リン除去方法は、不安定化しやすいという問題を有している。この問題の主たる原因として、嫌気性環境でポリリン酸蓄積細菌が十分な量の有機物を摂取できないことが挙げられる。具体的には、被処理水中の有機物濃度が低い場合や、ポリリン酸蓄積細菌以外の細菌が有機物を摂取してしまう場合がある。いずれの場合でも、ポリリン酸蓄積細菌によるリンの放出量が減少するため、その後の好気性環境におけるリン摂取量も減少する。そこで、引用文献１では、嫌気槽出口の酸化還元電位（ＯＲＰ）値をモニタリングし、この値が−４００ｍＶ以上−２００ｍＶ以下の範囲に維持されるように、好ましくは、−３５０ｍＶ以上−２５０ｍＶ以下の範囲に維持されるように有機酸を嫌気槽に添加することで、嫌気槽におけるリン放出能力を安定に維持して、生物学的リン除去方法を安定に実施するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４４２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、生物学的リン除去方法においては、リン放出能力を安定に維持するという観点から、嫌気槽に対する有機酸などの有機物の添加が検討されている。しかしながら、本願発明者等の実験や非特許文献１（Cech J.S., Hartman P. (1993) Water Research, Vol.27, pp1219-1225）によると、嫌気槽に対する有機物の供給量が十分であっても、リン放出能力を安定に維持できずに悪化してしまう場合があることが確認されている。したがって、生物学的リン除去方法の今後の実用化の拡大に鑑みると、有機物が十分に供給されているにもかかわらずリン放出能力が悪化してしまった場合に、これを回復する手法を確立しておくことも重要且つ意義のあることと考えられる。
【０００９】
そこで、本発明は、生物学的リン除去方法において、有機物が十分に供給されているにもかかわらずリン放出能力が悪化してしまった場合に、これを回復させることのできる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】
【００１０】
かかる課題を解決するため、本願発明者等は、生物学的リン除去方法を模擬する実験を行い、各種検討を行った。
【００１１】
リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部（被処理水）の酸化還元電位が−０．５Ｖである嫌気槽において、嫌気槽内の被処理水に電極を接触させて電極電位を−０．２Ｖに制御したところ、有機物供給量を変えていないにもかかわらず、嫌気槽におけるリン放出能力が大幅に低下し、電極電位の制御を止めた後も、リン放出能力は低下し続けて、最終的にはリン放出能力が極めて低い状態（０〜３ｍｇ／Ｌ）で低迷し、リン放出能力の悪化に至ることが確認された。このときの嫌気槽内の被処理水の酸化還元電位は＋０．１Ｖであった。
【００１２】
そこで、この状態からのリン放出能力の回復について検討した結果、通常時の嫌気槽内部の酸化還元電位（−０．５Ｖ）よりも高い電位である−０．４Ｖに電極電位を制御した場合にはリン放出能力が回復する傾向は見られなかったが、通常時の嫌気槽内部よりも低い電位である−０．６Ｖに電極電位を制御すると、リン放出能力が回復する傾向が見られた。この傾向は−０．８Ｖに電極電位を制御した場合にも見られた。
【００１３】
本願発明者等は、上記の新規知見に基づき、生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御することで、嫌気槽におけるリン放出能力を回復させることが可能であることを知見するに至り、本願発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明の生物学的リン除去方法は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出能力を回復させることが可能となる。したがって、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で、不測の事態等によりリン放出能力を一時的に安定に維持することができなくなって、リン放出能力が悪化した場合に、これを回復させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の生物学的リン除去方法を実施するための生物学的リン除去設備の一例を示す構成概略図である。
【図２】本発明の生物学的リン除去方法を実施するための生物学的リン除去設備の他の例を示す構成概略図である。
【図３】嫌気槽の構成の一例を示す断面図である。
【図４】実施例で使用した生物学的リン除去設備（リアクター）の概略図である。
【図５】実施例で使用した嫌気槽の構成を示す図である。
【図６】実施例で使用した嫌気槽内に収容されている対電極槽としての小容器の構成を示す図である。
【図７】嫌気槽におけるリン酸吐き出し量の電位による変化を示す図である。
【図８】定量ＰＣＲの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
本発明の生物学的リン除去方法は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにしている。
【００１９】
本発明の生物学的リン除去方法は、例えば図１に示す設備により実施される。
【００２０】
図１に示す生物学的リン除去設備１は、最初沈殿池１ａ、嫌気槽１ｂ、好気槽１ｃ、最終沈殿池１ｄから構成され、下水等の被処理水がこの順で通過し処理される。
【００２１】
最初沈殿池１ａでは、被処理水から浮遊物等が沈降除去される。
【００２２】
嫌気槽１ｂでは、嫌気条件下にて、被処理水が活性汚泥と共に攪拌される。これにより、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌の細胞内に蓄積しているリンが放出される。
【００２３】
好気槽１ｃでは、曝気（エアレーション）が行われて、好気条件下にて、被処理水が活性汚泥と共に攪拌される。これにより、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌がリンを摂取する。そして、この際のポリリン酸蓄積細菌のリンの摂取量は、嫌気槽１ｂにおけるポリリン酸蓄積細菌のリンの放出量よりも多い。
【００２４】
最終沈殿池１ｄでは、活性汚泥が被処理水から沈降分離され、上澄み液が放流される。沈降分離された活性汚泥は、返送汚泥として返送ポンプ等により嫌気槽１ｂに返送されると共に、その一部は余剰汚泥として引き抜かれる。余剰汚泥にはリンが高濃度に含まれることから、被処理水に含まれていたリンは余剰汚泥の形で系外に引き抜かれることになる。
【００２５】
本発明では、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽１ｂ内部（嫌気槽１ｂ内の活性汚泥を含む被処理水）の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加して、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力を回復させるようにしている。
【００２６】
嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときとは、嫌気槽１ｂにおけるリン放出（吐き出し）量が低い値で低迷したとき、具体的には、リン放出量が３ｍｇＰ／Ｌ未満となったとき、より具体的には０ｍｇＰ／Ｌ超〜３ｍｇＰ／Ｌ未満となったとき、さらに具体的には２ｍｇＰ／Ｌ〜３ｍｇＰ／Ｌ未満となったときを意味している。より詳細には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下、具体的には、１０ｍｇＰ／Ｌ以上のリン放出が起こり得る量の有機物が供給されている状況にもかかわらず、リン放出量が上位範囲となったときを意味している。
【００２７】
リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位（以下、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位と呼ぶこともある）は、被処理水中のＤＯ（溶存酸素）、ＮＯｘ−Ｎ（硝酸性窒素、亜硝酸性窒素）負荷によって変動する。具体的には、水面からの酸素の溶け込みや、返送汚泥中のＤＯ、ＮＯｘ−Ｎが多くなる程、酸化還元電位は高まり、少なくなる程、酸化還元電位は低下する。また、有機物が存在すると、ＤＯやＮＯｘ−Ｎを消費する生物反応が生じるため、嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位を下げることとなる。これらのバランスによって酸化還元電位が決まるため、嫌気槽の形状や流入水が異なれば、通常時の酸化還元電位も異なる値となる。本実施例では、嫌気槽を密閉して水面と酸素が触れない構造としたため、比較的低い値である−０．５Vを示したが、嫌気槽の上部が開放されている場合、より高い酸化還元電位を示すと考えられる。
【００２８】
したがって、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．２５Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．２５Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．２５Ｖ未満、−０．３Ｖ以下、−０．４Ｖ以下、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００２９】
また、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．３Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．３Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．３Ｖ未満、−０．４Ｖ以下、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３０】
さらに、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．４Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．４Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．４Ｖ未満、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３１】
また、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．５Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．５Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．５Ｖ未満または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３２】
ここで、電極９の電位は、低下させ過ぎてもリン放出能力の回復力が飽和して投入した電気エネルギーに対する見返りが十分なものとならず無駄となり得、また水の電気分解反応が起こることによってリン放出能力の回復が阻害される虞がある。したがって、電極９の電位は、−１．０Ｖ以上とすることが好適であり、−０．９Ｖ以上とすることがより好適であり、−０．８Ｖ以上とすることがさらに好適である。
【００３３】
本発明の生物学的リン除去方法を実施するための嫌気槽１ｂの構成の一例を図３に示す。
【００３４】
嫌気槽１ｂとしての容器２０は、例えば、コンクリート、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属等により構成され、被処理水流入部５０、被処理水流出部５１及び汚泥流入部５２が備えられている。そして、容器２０には、最初沈殿池１ａからの被処理水４が被処理水流入部５０から流入する。また、最終沈殿池１ｄからの返送汚泥が汚泥流入部５２から流入する。そして、容器２０内の被処理水４は一定の滞留期間を経て被処理水流出部５１から好気槽１ｃに向けて流出する。
【００３５】
容器２０内の活性汚泥２を含む被処理水４には、作用電極９と参照電極１１が浸されている。また、容器２０内の被処理水４には、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える小容器２１が対電極槽８として浸され、小容器２１の内部には、電解液４ａが収容され、電解液４ａには対電極１０が浸されている。これにより、イオン交換膜６を介して被処理水４と電解液４ａが接触する。
【００３６】
作用電極９と対電極１０と参照電極１１は定電位設定装置１２に結線され、定電位設定装置１２により作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極９と対電極１０の極間電圧のみで作用電極９の電位を制御できる場合には、３電極方式とせずともよい。
【００３７】
作用電極９としては、例えばグラッシーカーボン等の炭素電極、白金電極等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、対電極１０としては、作用電極９における還元反応を補完する酸化反応が生じ得る材質の電極、例えば炭素電極、白金電極等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【００３８】
ここで、図３において、容器２０は密閉構造としているが、必ずしも密閉構造とせずともよい。
【００３９】
また、小容器２１は、その全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材により構成してもよい。ここで、小容器２１は必ずしも密閉構造とせずともよい。例えば、対電極１０が被処理水４に直接接触しない範囲で、小容器２１の上部を開放しても構わない。
【００４０】
尚、図３において、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、対電極１０から発生するガスを容器２０の外側に排出するガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしても構わない。また、上記のように小容器２１の上部を開放した場合には、ガス排出管２２は設けずともよい。
【００４１】
図３に示す嫌気槽１ｂの構成によれば、作用電極９、参照電極１１、内部に対電極１０と電解液４ａが収容された対電極槽８としての小容器２１、及びこれらの電極が結線された定電位設定装置１２を、生物学的リン除去方法を実施している既存の処理設備における嫌気槽の被処理水に電位を印加する電位印加ユニットとして取り扱うことができる。したがって、既存の処理設備に対して必要に応じて電位印加ユニットを設置して嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力の回復を図ることができる。
【００４２】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００４３】
例えば、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを少なくとも含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法として、生物学的硝化・脱窒を同時に実施する生物学的リン除去方法に対して本発明の方法を適用しても勿論良い。生物学的硝化・脱窒を同時に実施する生物学的リン除去方法するための設備の一例を図２に示す。図２に示す生物学的リン除去設備１’は、図１に示す生物学的リン除去設備１の構成に加えて、さらに嫌気槽１ｂと好気槽１ｃの間に無酸素槽１ｅが備えられている。最初沈殿池１ａ、嫌気槽１ｂ、好気槽１ｃ、最終沈殿池１ｄでは、図１に示す生物学的リン除去設備における処理と同様の処理が行われる。尚、好気槽１ｃでは、リンの摂取と同時に、アンモニア態窒素の硝化等も行われる。無酸素槽１ｅでは、溶存酸素のない無酸素条件下において、好気槽１ｃから循環返送される被処理水中の硝酸態窒素及び亜硝酸態窒素が、活性汚泥に含まれる脱窒細菌により窒素ガスに変換されて除去される。このような生物学的硝化・脱窒処理をリン除去処理と同時に行う設備を利用した生物学的リン除去方法において、上述の実施形態と同様に、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、通常時における嫌気槽１ｂ内の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加することで、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力を回復させて、生物学的リン除去方法によるリン除去処理を実施することが可能となる。
【００４４】
また、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを少なくとも含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法として、連続式ではなく回分式の生物学的リン除去方法に対して本発明を適用しても良い。回分式の生物学的リン除去方法は、嫌気条件下でのリン放出工程と好気条件下におけるリン摂取工程と沈殿処理工程とを同一の槽で順に実施する手法である。この場合にも、上述の実施形態と同様に、嫌気条件（リン放出工程）でリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下でリン放出能力が悪化したときに、通常時におけるリン放出工程の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加することで、リン放出工程におけるリン放出能力を回復させて、生物学的リン除去方法によるリン除去処理を実施することが可能となる。
【００４５】
また、電極９に電位を制御するための構成は、図３に示す嫌気槽１ｂの構成には限定されず、電極９の電位を制御可能な他の構成としても構わない。
【００４６】
さらに、上述の実施形態では、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出能力の回復を図るようにしていたが、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が正常時よりも低下したときに、通常時における嫌気槽１ｂ内の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加するようにしてもよい。この場合にも、一旦低下したリン放出能力の回復を図り得る場合がある。
【実施例】
【００４７】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
【００４８】
［実施例１］
連続式の嫌気好気法のリアクターを構築し、本発明の有効性について検討した。
【００４９】
＜リアクターの構成＞
本実施例で使用した連続式の嫌気好気法のリアクターを図４に示す。嫌気槽１ｂに貯水タンクから送液ポンプにより流入水を供給した。流入水の組成を以下に示す。
【００５０】
（流入水１Ｌあたりの組成）
・ＮＨ４Ｃｌ：１０７ｍｇ
・ＣａＣｌ２（二水和物）：１４ｍｇ
・ＭｇＳＯ４（七水和物）：１８０ｍｇ
・Ｋ２ＨＰＯ４：５０ｍｇ
・ＫＨ２ＰＯ４：３０ｍｇ
・ＮａＨＣＯ３：１６８０ｍｇ
・微量金属溶液：０．３ｍＬ
・アリルチオ尿素：５ｍｇ
【００５１】
（微量金属溶液１Ｌあたりの組成）
・ＥＤＴＡ：１０ｇ
・ＦｅＳＯ４（七水和物）：１．５４ｇ
・Ｈ３ＢＯ３：１５０ｍｇ
・ＣｕＳＯ４（五水和物）：３０ｍｇ
・ＭｎＣｌ２（四水和物）：１２０ｍｇ
・ＫＩ：１８０ｍｇ
・Ｎａ２ＭｏＯ４（二水和物）：６０ｍｇ
・ＺｎＳＯ４（七水和物）：１２０ｍｇ
・ＣｏＣｌ２（六水和物）：１５０ｍｇ
【００５２】
また、酢酸封入ポリエチレン袋（ポリエチレン厚さ：０．０５ｍｍ厚、１５ｃｍ×８ｃｍ×２枚）とプロピオン酸封入ポリエチレン袋（ポリエチレン厚さ：０．０５ｍｍ厚、２０ｃｍ×４ｃｍ×１枚）を嫌気槽１ｂ内に収容し、酢酸とプロピオン酸をポリエチレンから徐放させて嫌気槽１ｂ内の流入水に供給した。酢酸の供給量は２１０ｍｇＣＯＤ／Ｌ相当であり、プロピオン酸の供給量は１９０ｍｇＣＯＤ／Ｌ相当であった。
【００５３】
嫌気槽１ｂに流入した流入水は、最終沈殿池から返送された活性汚泥と共に嫌気条件下で攪拌した。嫌気槽１ｂの流入水の流入量は７．４Ｌとした。
【００５４】
好気槽１ｃに流入した流入水及び活性汚泥は、曝気して好気条件下で攪拌した。好気槽１ｃの流入水の流入量は７．４Ｌとした。曝気風量は０．５Ｌ／分とした。
【００５５】
最終沈殿池１ｄに流入した流入水及び活性汚泥は、沈殿処理して活性汚泥を沈殿させ、一部を余剰汚泥として回収すると共に、残りを返送汚泥として嫌気槽１ｂに返送した。上澄液は処理水として回収した。尚、種汚泥は、嫌気好気法（ＡＯ法）を採用している都市下水処理場から採取した。
【００５６】
運転条件は、ＨＲＴ（水理学的滞留時間）を嫌気槽８．１時間、好気槽８．１時間の合計１６．２時間とし、汚泥返送率を１００％とし、ＳＲＴ（汚泥保持時間）を１２日とした。水温は２５℃とした。
【００５７】
＜嫌気槽１ｂの構成＞
本実施例において使用した嫌気槽１ｂの構成を図５に示す。２．９Ｌ容の容器２０に蓋３０をし、蓋３０の上面３０ａにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管を通した際の容器２０の密閉性を確保した。
【００５８】
対電極槽８としての小容器２１は、イオン交換膜６を成型して袋状（以下、袋２１と呼ぶ）とした。実験で用いた小容器２１の形態を図６に示す。具体的には、陽イオン交換膜（ナフィオンＫ、デュポン製）をヒートシーラーで熱圧着により加工して上部が開口した袋状の容器２１とし、袋２１の内部には対電極１０を収容した。そして、対電極１０と定電位設定装置１２を結線するための配線３１をガス排出管２２に通した。ガス排出管２２は両端が開口されており、一端を小容器２１の内部に、他端を容器２０の外側に配置するようにして、小容器２１内で発生するガスが容器２０の外側に排出されるようにした。袋状の小容器２１の上部の開口部は、シリコン接着剤３２で塞いだ。
【００５９】
小容器２１と作用電極９とを流入水４と接触可能に容器２０内に収容し、小容器２１のガス排出管２２と作用電極９の配線は蓋３０に設けたシリコーンゴム栓に通して容器２０の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極１１（RE-1B, ＢＡＳ株式会社）は容器２０の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことにより流入水と接触可能に配置した。作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２に結線して、作用電極９の電位を厳密に制御可能とした。実験中は容器２０内に攪拌子３４を収容して、流入水４と活性汚泥を攪拌し続けた。
【００６０】
流入水４は被処理水流入部５０から流入させた。また、容器２０内の流入水４は一定の滞留期間を経て被処理水流出部５１から好気槽１ｃに向けて流出させた。さらに、最終沈殿池１ｄからの返送汚泥は汚泥流入部５２から流入させた。
【００６１】
尚、作用電極９と対電極１０は共に炭素板とした。作用電極９のサイズは１５ｃｍ×３ｃｍ（５ｍｍ厚）、対電極１０のサイズは１５ｃｍ×２．５ｃｍ（５ｍｍ厚）とした。
【００６２】
＜分析方法＞
流入水のリン濃度、嫌気槽１ｂの流入水のリン濃度、及び最終沈殿池１ｄの処理水のリン濃度を、工場排水試験法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２ ４６．１．１）のモリブデン青（アスコルビン酸還元）法に準じて測定した。そして、流入水量と返送汚泥量が等しいことから、嫌気槽におけるリン酸吐き出し量（リン酸放出量）を、以下の式により算出した。
【００６３】
（リン酸吐き出し量の計算式）
リン酸吐き出し量＝嫌気槽リン濃度−（流入水リン濃度＋処理水リン濃度）／２
【００６４】
＜実験結果＞
リン吐き出し量の電位制御による変化を図７に示す。
【００６５】
電位制御を行っていない（酸化還元電位：−０．５Ｖ）の期間においては、リン放出が正常に起こっていることが確認された。また、流入水と嫌気槽の有機物濃度を比べることにより、嫌気槽１ｂに供給された有機物のほぼ全量が活性汚泥に摂取されていることを確認した。さらに、本実施例では、容器２０を密閉して実験を行うと共に、流入水には硝酸性窒素や亜硝酸性窒素が含まれていなかったことから、ＤＯ及びＮＯｘ−Ｎによる酸化還元電位への影響が小さく、且つ有機物による酸化還元電位への影響も小さい条件下で実験が行われたことになる。
【００６６】
次に、リン放出が正常に起こっている状態から、電極の電位を−０．２Ｖに制御したところ、リン吐き出し量が正常時に比べて大幅に低下することが明らかとなった。
【００６７】
そして、電位を−０．２Ｖに制御した後に、電位制御を行わずに実験を継続すると、酸化還元電位が＋０．１Ｖとなり、リン吐き出し量も正常時に比べて極めて大幅に低下し、リン放出能力が悪化している状態（０ｍｇＰ／Ｌ超〜３ｍｇＰ／Ｌ未満）が維持されることが明らかとなった。このことから、リン放出が正常に起こり得る十分な量の有機物を供給したとしても、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が低下し続けて最終的にはリン放出能力が悪化している状態に至る場合があることが明らかとなった。
【００６８】
次に、電位を−０．４Ｖ、−０．６Ｖと段階的に低下させると、−０．６Ｖにおいて、リン吐き出し量が徐々に増加して１４日程度で５ｍｇＰ／Ｌ以上となり、リン放出能力が回復する傾向が見られた。そして、この傾向は、−０．８Ｖにおいても見られた。
【００６９】
以上の結果から、−０．５Ｖで安定にリン放出が起こっていた嫌気槽１ｂにおいて、流入水４の酸化還元電位が上昇してリン放出能力が悪化した状態から、電極９に−０．６Ｖ以下の電位を印加することによって、リン放出能力を回復可能であることが明らかとなった。
【００７０】
そして、この結果から、嫌気槽１ｂにおいてリン放出が安定に起こっているときの被処理水４の酸化還元電位を基準として、この酸化還元電位よりも低い電位を電極９に印加することによって、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化した場合に、これを回復できるものと考えられた。
【００７１】
ここで、本実施例においては、ポリリン酸蓄積細菌に対して十分な量（つまり、リン放出が正常に起こり得る量）の有機物が供給されていたことから、リン放出能力の悪化は、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌以外の細菌による有機物の摂取が起こったことによって、ポリリン酸蓄積細菌が十分な量の有機物を摂取できなくなったことによるものと推察される。そして、嫌気槽１ｂにおいてリン放出が安定に起こっているときの被処理水４の酸化還元電位よりも低い電位を電極９に印加することによって、ポリリン酸蓄積細菌が優先的に有機物を摂取できるようになり、悪化したリン放出能力が回復したものと推察される。
【００７２】
［実施例２］
ポリリン酸蓄積細菌の群集解析を行った。
【００７３】
実施例１において、電極の電位を−０．２Ｖに制御した期間から−０．８Ｖに制御した期間にかけて、好気槽１ｃから定期的に活性汚泥を採取し、Ｈｅ等の方法（He et al.(2007）Appl Environ Microbiol, Vol.73, pp.5865-5874）により、ポリリン酸蓄積細菌（Accumulibacter）のppk1遺伝子を標的として、定量ＰＣＲを行った。そして、別途行ったクローニングの結果から、リアクター内に多く存在すると予想されたグループであるＣｌａｄｅ−ＩＩＣ（以下、単にＩＩＣと呼ぶ）及びＣｌａｄｅ−ＩＩＤ（以下、単にＩＩＤと呼ぶ）の２種類を定量した。
【００７４】
結果を図８に示す。電極の電位を−０．２Ｖに制御すると、ＩＩＣ及びＩＩＤともにコピー数が減少する傾向が見られたが、実施例１において嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が回復する傾向を示した−０．６Ｖでは、ＩＩＣについてのみコピー数が増加する傾向が見られた。この結果から、ＩＩＣ遺伝子を持つ細菌群が、リン放出能力の回復に何らかの形で寄与している可能性が示唆された。
【符号の説明】
【００７５】
１ｂ 嫌気槽
１ｃ 好気槽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的リン除去方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む、活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、これを回復することのできる生物学的リン除去方法に関する。
【０００２】
尚、本明細書における電位の値は、銀／塩化銀電極を基準とする値である。
【背景技術】
【０００３】
下水等の被処理水に含まれるリンを除去する方法として、化学的な処理方法である凝集沈殿法と、生物学的な処理方法である生物学的リン除去方法が知られている。
【０００４】
凝集沈殿法は、塩化第二鉄や硫酸第二鉄などの鉄塩、硫酸アルミニウム及びポリ塩化アルミニウム等の凝集剤を用いて、被処理水に含まれるリンを沈殿させて回収することにより除去するものである。この方法は、リンを確実に除去できる反面、凝集剤自体にかかる費用や余剰汚泥量の増加に伴う処理費の上昇等によって、ランニングコストが嵩んでしまう問題がある。
【０００５】
生物学的リン除去方法は、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌の性質を利用したリン除去方法である。ポリリン酸蓄積細菌は、嫌気性環境下においては細胞中のリンを放出しながらエネルギー源の有機物を摂取・蓄積するが、環境を好気性にシフトさせると、蓄積した有機物を分解しながら、嫌気性環境下において放出したリンの量よりも多くのリンを摂取する。この性質を利用することで、下水等の被処理水中からリンを除去することができる。この方法は、生物学的な作用によってリンの除去を行うものであることから、凝集沈殿法と比較してランニングコストが安く済むという利点があり、実際に実用化も進められている状況にある。
【０００６】
しかしその一方で、生物学的リン除去方法は、不安定化しやすいという問題を有している。この問題の主たる原因として、嫌気性環境でポリリン酸蓄積細菌が十分な量の有機物を摂取できないことが挙げられる。具体的には、被処理水中の有機物濃度が低い場合や、ポリリン酸蓄積細菌以外の細菌が有機物を摂取してしまう場合がある。いずれの場合でも、ポリリン酸蓄積細菌によるリンの放出量が減少するため、その後の好気性環境におけるリン摂取量も減少する。そこで、引用文献１では、嫌気槽出口の酸化還元電位（ＯＲＰ）値をモニタリングし、この値が−４００ｍＶ以上−２００ｍＶ以下の範囲に維持されるように、好ましくは、−３５０ｍＶ以上−２５０ｍＶ以下の範囲に維持されるように有機酸を嫌気槽に添加することで、嫌気槽におけるリン放出能力を安定に維持して、生物学的リン除去方法を安定に実施するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４４２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、生物学的リン除去方法においては、リン放出能力を安定に維持するという観点から、嫌気槽に対する有機酸などの有機物の添加が検討されている。しかしながら、本願発明者等の実験や非特許文献１（Cech J.S., Hartman P. (1993) Water Research, Vol.27, pp1219-1225）によると、嫌気槽に対する有機物の供給量が十分であっても、リン放出能力を安定に維持できずに悪化してしまう場合があることが確認されている。したがって、生物学的リン除去方法の今後の実用化の拡大に鑑みると、有機物が十分に供給されているにもかかわらずリン放出能力が悪化してしまった場合に、これを回復する手法を確立しておくことも重要且つ意義のあることと考えられる。
【０００９】
そこで、本発明は、生物学的リン除去方法において、有機物が十分に供給されているにもかかわらずリン放出能力が悪化してしまった場合に、これを回復させることのできる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】
【００１０】
かかる課題を解決するため、本願発明者等は、生物学的リン除去方法を模擬する実験を行い、各種検討を行った。
【００１１】
リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部（被処理水）の酸化還元電位が−０．５Ｖである嫌気槽において、嫌気槽内の被処理水に電極を接触させて電極電位を−０．２Ｖに制御したところ、有機物供給量を変えていないにもかかわらず、嫌気槽におけるリン放出能力が大幅に低下し、電極電位の制御を止めた後も、リン放出能力は低下し続けて、最終的にはリン放出能力が極めて低い状態（０〜３ｍｇ／Ｌ）で低迷し、リン放出能力の悪化に至ることが確認された。このときの嫌気槽内の被処理水の酸化還元電位は＋０．１Ｖであった。
【００１２】
そこで、この状態からのリン放出能力の回復について検討した結果、通常時の嫌気槽内部の酸化還元電位（−０．５Ｖ）よりも高い電位である−０．４Ｖに電極電位を制御した場合にはリン放出能力が回復する傾向は見られなかったが、通常時の嫌気槽内部よりも低い電位である−０．６Ｖに電極電位を制御すると、リン放出能力が回復する傾向が見られた。この傾向は−０．８Ｖに電極電位を制御した場合にも見られた。
【００１３】
本願発明者等は、上記の新規知見に基づき、生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御することで、嫌気槽におけるリン放出能力を回復させることが可能であることを知見するに至り、本願発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明の生物学的リン除去方法は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出能力を回復させることが可能となる。したがって、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で、不測の事態等によりリン放出能力を一時的に安定に維持することができなくなって、リン放出能力が悪化した場合に、これを回復させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の生物学的リン除去方法を実施するための生物学的リン除去設備の一例を示す構成概略図である。
【図２】本発明の生物学的リン除去方法を実施するための生物学的リン除去設備の他の例を示す構成概略図である。
【図３】嫌気槽の構成の一例を示す断面図である。
【図４】実施例で使用した生物学的リン除去設備（リアクター）の概略図である。
【図５】実施例で使用した嫌気槽の構成を示す図である。
【図６】実施例で使用した嫌気槽内に収容されている対電極槽としての小容器の構成を示す図である。
【図７】嫌気槽におけるリン酸吐き出し量の電位による変化を示す図である。
【図８】定量ＰＣＲの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
本発明の生物学的リン除去方法は、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽におけるリン放出能力が悪化したときに、嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位をリン放出が正常に起こっているときの嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、リン放出能力を回復させるようにしている。
【００１９】
本発明の生物学的リン除去方法は、例えば図１に示す設備により実施される。
【００２０】
図１に示す生物学的リン除去設備１は、最初沈殿池１ａ、嫌気槽１ｂ、好気槽１ｃ、最終沈殿池１ｄから構成され、下水等の被処理水がこの順で通過し処理される。
【００２１】
最初沈殿池１ａでは、被処理水から浮遊物等が沈降除去される。
【００２２】
嫌気槽１ｂでは、嫌気条件下にて、被処理水が活性汚泥と共に攪拌される。これにより、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌の細胞内に蓄積しているリンが放出される。
【００２３】
好気槽１ｃでは、曝気（エアレーション）が行われて、好気条件下にて、被処理水が活性汚泥と共に攪拌される。これにより、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌がリンを摂取する。そして、この際のポリリン酸蓄積細菌のリンの摂取量は、嫌気槽１ｂにおけるポリリン酸蓄積細菌のリンの放出量よりも多い。
【００２４】
最終沈殿池１ｄでは、活性汚泥が被処理水から沈降分離され、上澄み液が放流される。沈降分離された活性汚泥は、返送汚泥として返送ポンプ等により嫌気槽１ｂに返送されると共に、その一部は余剰汚泥として引き抜かれる。余剰汚泥にはリンが高濃度に含まれることから、被処理水に含まれていたリンは余剰汚泥の形で系外に引き抜かれることになる。
【００２５】
本発明では、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽１ｂ内部（嫌気槽１ｂ内の活性汚泥を含む被処理水）の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加して、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力を回復させるようにしている。
【００２６】
嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときとは、嫌気槽１ｂにおけるリン放出（吐き出し）量が低い値で低迷したとき、具体的には、リン放出量が３ｍｇＰ／Ｌ未満となったとき、より具体的には０ｍｇＰ／Ｌ超〜３ｍｇＰ／Ｌ未満となったとき、さらに具体的には２ｍｇＰ／Ｌ〜３ｍｇＰ／Ｌ未満となったときを意味している。より詳細には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下、具体的には、１０ｍｇＰ／Ｌ以上のリン放出が起こり得る量の有機物が供給されている状況にもかかわらず、リン放出量が上位範囲となったときを意味している。
【００２７】
リン放出が正常に起こっているときの嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位（以下、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位と呼ぶこともある）は、被処理水中のＤＯ（溶存酸素）、ＮＯｘ−Ｎ（硝酸性窒素、亜硝酸性窒素）負荷によって変動する。具体的には、水面からの酸素の溶け込みや、返送汚泥中のＤＯ、ＮＯｘ−Ｎが多くなる程、酸化還元電位は高まり、少なくなる程、酸化還元電位は低下する。また、有機物が存在すると、ＤＯやＮＯｘ−Ｎを消費する生物反応が生じるため、嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位を下げることとなる。これらのバランスによって酸化還元電位が決まるため、嫌気槽の形状や流入水が異なれば、通常時の酸化還元電位も異なる値となる。本実施例では、嫌気槽を密閉して水面と酸素が触れない構造としたため、比較的低い値である−０．５Vを示したが、嫌気槽の上部が開放されている場合、より高い酸化還元電位を示すと考えられる。
【００２８】
したがって、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．２５Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．２５Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．２５Ｖ未満、−０．３Ｖ以下、−０．４Ｖ以下、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００２９】
また、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．３Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．３Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．３Ｖ未満、−０．４Ｖ以下、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３０】
さらに、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．４Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．４Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．４Ｖ未満、−０．５Ｖ以下、または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３１】
また、例えば、通常時における嫌気槽１ｂ内部の酸化還元電位が−０．５Ｖである場合には、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、電極９の電位を−０．５Ｖ未満とすればよい。より具体的には、投入した電気エネルギーとリン放出能力の回復力との兼ね合いによって、電極９の電位を−０．５Ｖ未満または−０．６Ｖ以下に制御すればよい。
【００３２】
ここで、電極９の電位は、低下させ過ぎてもリン放出能力の回復力が飽和して投入した電気エネルギーに対する見返りが十分なものとならず無駄となり得、また水の電気分解反応が起こることによってリン放出能力の回復が阻害される虞がある。したがって、電極９の電位は、−１．０Ｖ以上とすることが好適であり、−０．９Ｖ以上とすることがより好適であり、−０．８Ｖ以上とすることがさらに好適である。
【００３３】
本発明の生物学的リン除去方法を実施するための嫌気槽１ｂの構成の一例を図３に示す。
【００３４】
嫌気槽１ｂとしての容器２０は、例えば、コンクリート、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属等により構成され、被処理水流入部５０、被処理水流出部５１及び汚泥流入部５２が備えられている。そして、容器２０には、最初沈殿池１ａからの被処理水４が被処理水流入部５０から流入する。また、最終沈殿池１ｄからの返送汚泥が汚泥流入部５２から流入する。そして、容器２０内の被処理水４は一定の滞留期間を経て被処理水流出部５１から好気槽１ｃに向けて流出する。
【００３５】
容器２０内の活性汚泥２を含む被処理水４には、作用電極９と参照電極１１が浸されている。また、容器２０内の被処理水４には、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える小容器２１が対電極槽８として浸され、小容器２１の内部には、電解液４ａが収容され、電解液４ａには対電極１０が浸されている。これにより、イオン交換膜６を介して被処理水４と電解液４ａが接触する。
【００３６】
作用電極９と対電極１０と参照電極１１は定電位設定装置１２に結線され、定電位設定装置１２により作用電極の電位を３電極方式で制御するようにしている。このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極９と対電極１０の極間電圧のみで作用電極９の電位を制御できる場合には、３電極方式とせずともよい。
【００３７】
作用電極９としては、例えばグラッシーカーボン等の炭素電極、白金電極等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、対電極１０としては、作用電極９における還元反応を補完する酸化反応が生じ得る材質の電極、例えば炭素電極、白金電極等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【００３８】
ここで、図３において、容器２０は密閉構造としているが、必ずしも密閉構造とせずともよい。
【００３９】
また、小容器２１は、その全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材により構成してもよい。ここで、小容器２１は必ずしも密閉構造とせずともよい。例えば、対電極１０が被処理水４に直接接触しない範囲で、小容器２１の上部を開放しても構わない。
【００４０】
尚、図３において、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、対電極１０から発生するガスを容器２０の外側に排出するガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしても構わない。また、上記のように小容器２１の上部を開放した場合には、ガス排出管２２は設けずともよい。
【００４１】
図３に示す嫌気槽１ｂの構成によれば、作用電極９、参照電極１１、内部に対電極１０と電解液４ａが収容された対電極槽８としての小容器２１、及びこれらの電極が結線された定電位設定装置１２を、生物学的リン除去方法を実施している既存の処理設備における嫌気槽の被処理水に電位を印加する電位印加ユニットとして取り扱うことができる。したがって、既存の処理設備に対して必要に応じて電位印加ユニットを設置して嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力の回復を図ることができる。
【００４２】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００４３】
例えば、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを少なくとも含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法として、生物学的硝化・脱窒を同時に実施する生物学的リン除去方法に対して本発明の方法を適用しても勿論良い。生物学的硝化・脱窒を同時に実施する生物学的リン除去方法するための設備の一例を図２に示す。図２に示す生物学的リン除去設備１’は、図１に示す生物学的リン除去設備１の構成に加えて、さらに嫌気槽１ｂと好気槽１ｃの間に無酸素槽１ｅが備えられている。最初沈殿池１ａ、嫌気槽１ｂ、好気槽１ｃ、最終沈殿池１ｄでは、図１に示す生物学的リン除去設備における処理と同様の処理が行われる。尚、好気槽１ｃでは、リンの摂取と同時に、アンモニア態窒素の硝化等も行われる。無酸素槽１ｅでは、溶存酸素のない無酸素条件下において、好気槽１ｃから循環返送される被処理水中の硝酸態窒素及び亜硝酸態窒素が、活性汚泥に含まれる脱窒細菌により窒素ガスに変換されて除去される。このような生物学的硝化・脱窒処理をリン除去処理と同時に行う設備を利用した生物学的リン除去方法において、上述の実施形態と同様に、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、通常時における嫌気槽１ｂ内の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加することで、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力を回復させて、生物学的リン除去方法によるリン除去処理を実施することが可能となる。
【００４４】
また、嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを少なくとも含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法として、連続式ではなく回分式の生物学的リン除去方法に対して本発明を適用しても良い。回分式の生物学的リン除去方法は、嫌気条件下でのリン放出工程と好気条件下におけるリン摂取工程と沈殿処理工程とを同一の槽で順に実施する手法である。この場合にも、上述の実施形態と同様に、嫌気条件（リン放出工程）でリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下でリン放出能力が悪化したときに、通常時におけるリン放出工程の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加することで、リン放出工程におけるリン放出能力を回復させて、生物学的リン除去方法によるリン除去処理を実施することが可能となる。
【００４５】
また、電極９に電位を制御するための構成は、図３に示す嫌気槽１ｂの構成には限定されず、電極９の電位を制御可能な他の構成としても構わない。
【００４６】
さらに、上述の実施形態では、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化したときに、リン放出能力の回復を図るようにしていたが、嫌気槽１ｂにおけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が正常時よりも低下したときに、通常時における嫌気槽１ｂ内の被処理水の酸化還元電位よりも低い電位を被処理水に浸漬した電極９に印加するようにしてもよい。この場合にも、一旦低下したリン放出能力の回復を図り得る場合がある。
【実施例】
【００４７】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
【００４８】
［実施例１］
連続式の嫌気好気法のリアクターを構築し、本発明の有効性について検討した。
【００４９】
＜リアクターの構成＞
本実施例で使用した連続式の嫌気好気法のリアクターを図４に示す。嫌気槽１ｂに貯水タンクから送液ポンプにより流入水を供給した。流入水の組成を以下に示す。
【００５０】
（流入水１Ｌあたりの組成）
・ＮＨ４Ｃｌ：１０７ｍｇ
・ＣａＣｌ２（二水和物）：１４ｍｇ
・ＭｇＳＯ４（七水和物）：１８０ｍｇ
・Ｋ２ＨＰＯ４：５０ｍｇ
・ＫＨ２ＰＯ４：３０ｍｇ
・ＮａＨＣＯ３：１６８０ｍｇ
・微量金属溶液：０．３ｍＬ
・アリルチオ尿素：５ｍｇ
【００５１】
（微量金属溶液１Ｌあたりの組成）
・ＥＤＴＡ：１０ｇ
・ＦｅＳＯ４（七水和物）：１．５４ｇ
・Ｈ３ＢＯ３：１５０ｍｇ
・ＣｕＳＯ４（五水和物）：３０ｍｇ
・ＭｎＣｌ２（四水和物）：１２０ｍｇ
・ＫＩ：１８０ｍｇ
・Ｎａ２ＭｏＯ４（二水和物）：６０ｍｇ
・ＺｎＳＯ４（七水和物）：１２０ｍｇ
・ＣｏＣｌ２（六水和物）：１５０ｍｇ
【００５２】
また、酢酸封入ポリエチレン袋（ポリエチレン厚さ：０．０５ｍｍ厚、１５ｃｍ×８ｃｍ×２枚）とプロピオン酸封入ポリエチレン袋（ポリエチレン厚さ：０．０５ｍｍ厚、２０ｃｍ×４ｃｍ×１枚）を嫌気槽１ｂ内に収容し、酢酸とプロピオン酸をポリエチレンから徐放させて嫌気槽１ｂ内の流入水に供給した。酢酸の供給量は２１０ｍｇＣＯＤ／Ｌ相当であり、プロピオン酸の供給量は１９０ｍｇＣＯＤ／Ｌ相当であった。
【００５３】
嫌気槽１ｂに流入した流入水は、最終沈殿池から返送された活性汚泥と共に嫌気条件下で攪拌した。嫌気槽１ｂの流入水の流入量は７．４Ｌとした。
【００５４】
好気槽１ｃに流入した流入水及び活性汚泥は、曝気して好気条件下で攪拌した。好気槽１ｃの流入水の流入量は７．４Ｌとした。曝気風量は０．５Ｌ／分とした。
【００５５】
最終沈殿池１ｄに流入した流入水及び活性汚泥は、沈殿処理して活性汚泥を沈殿させ、一部を余剰汚泥として回収すると共に、残りを返送汚泥として嫌気槽１ｂに返送した。上澄液は処理水として回収した。尚、種汚泥は、嫌気好気法（ＡＯ法）を採用している都市下水処理場から採取した。
【００５６】
運転条件は、ＨＲＴ（水理学的滞留時間）を嫌気槽８．１時間、好気槽８．１時間の合計１６．２時間とし、汚泥返送率を１００％とし、ＳＲＴ（汚泥保持時間）を１２日とした。水温は２５℃とした。
【００５７】
＜嫌気槽１ｂの構成＞
本実施例において使用した嫌気槽１ｂの構成を図５に示す。２．９Ｌ容の容器２０に蓋３０をし、蓋３０の上面３０ａにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管を通した際の容器２０の密閉性を確保した。
【００５８】
対電極槽８としての小容器２１は、イオン交換膜６を成型して袋状（以下、袋２１と呼ぶ）とした。実験で用いた小容器２１の形態を図６に示す。具体的には、陽イオン交換膜（ナフィオンＫ、デュポン製）をヒートシーラーで熱圧着により加工して上部が開口した袋状の容器２１とし、袋２１の内部には対電極１０を収容した。そして、対電極１０と定電位設定装置１２を結線するための配線３１をガス排出管２２に通した。ガス排出管２２は両端が開口されており、一端を小容器２１の内部に、他端を容器２０の外側に配置するようにして、小容器２１内で発生するガスが容器２０の外側に排出されるようにした。袋状の小容器２１の上部の開口部は、シリコン接着剤３２で塞いだ。
【００５９】
小容器２１と作用電極９とを流入水４と接触可能に容器２０内に収容し、小容器２１のガス排出管２２と作用電極９の配線は蓋３０に設けたシリコーンゴム栓に通して容器２０の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極１１（RE-1B, ＢＡＳ株式会社）は容器２０の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことにより流入水と接触可能に配置した。作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２に結線して、作用電極９の電位を厳密に制御可能とした。実験中は容器２０内に攪拌子３４を収容して、流入水４と活性汚泥を攪拌し続けた。
【００６０】
流入水４は被処理水流入部５０から流入させた。また、容器２０内の流入水４は一定の滞留期間を経て被処理水流出部５１から好気槽１ｃに向けて流出させた。さらに、最終沈殿池１ｄからの返送汚泥は汚泥流入部５２から流入させた。
【００６１】
尚、作用電極９と対電極１０は共に炭素板とした。作用電極９のサイズは１５ｃｍ×３ｃｍ（５ｍｍ厚）、対電極１０のサイズは１５ｃｍ×２．５ｃｍ（５ｍｍ厚）とした。
【００６２】
＜分析方法＞
流入水のリン濃度、嫌気槽１ｂの流入水のリン濃度、及び最終沈殿池１ｄの処理水のリン濃度を、工場排水試験法（ＪＩＳ Ｋ ０１０２ ４６．１．１）のモリブデン青（アスコルビン酸還元）法に準じて測定した。そして、流入水量と返送汚泥量が等しいことから、嫌気槽におけるリン酸吐き出し量（リン酸放出量）を、以下の式により算出した。
【００６３】
（リン酸吐き出し量の計算式）
リン酸吐き出し量＝嫌気槽リン濃度−（流入水リン濃度＋処理水リン濃度）／２
【００６４】
＜実験結果＞
リン吐き出し量の電位制御による変化を図７に示す。
【００６５】
電位制御を行っていない（酸化還元電位：−０．５Ｖ）の期間においては、リン放出が正常に起こっていることが確認された。また、流入水と嫌気槽の有機物濃度を比べることにより、嫌気槽１ｂに供給された有機物のほぼ全量が活性汚泥に摂取されていることを確認した。さらに、本実施例では、容器２０を密閉して実験を行うと共に、流入水には硝酸性窒素や亜硝酸性窒素が含まれていなかったことから、ＤＯ及びＮＯｘ−Ｎによる酸化還元電位への影響が小さく、且つ有機物による酸化還元電位への影響も小さい条件下で実験が行われたことになる。
【００６６】
次に、リン放出が正常に起こっている状態から、電極の電位を−０．２Ｖに制御したところ、リン吐き出し量が正常時に比べて大幅に低下することが明らかとなった。
【００６７】
そして、電位を−０．２Ｖに制御した後に、電位制御を行わずに実験を継続すると、酸化還元電位が＋０．１Ｖとなり、リン吐き出し量も正常時に比べて極めて大幅に低下し、リン放出能力が悪化している状態（０ｍｇＰ／Ｌ超〜３ｍｇＰ／Ｌ未満）が維持されることが明らかとなった。このことから、リン放出が正常に起こり得る十分な量の有機物を供給したとしても、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が低下し続けて最終的にはリン放出能力が悪化している状態に至る場合があることが明らかとなった。
【００６８】
次に、電位を−０．４Ｖ、−０．６Ｖと段階的に低下させると、−０．６Ｖにおいて、リン吐き出し量が徐々に増加して１４日程度で５ｍｇＰ／Ｌ以上となり、リン放出能力が回復する傾向が見られた。そして、この傾向は、−０．８Ｖにおいても見られた。
【００６９】
以上の結果から、−０．５Ｖで安定にリン放出が起こっていた嫌気槽１ｂにおいて、流入水４の酸化還元電位が上昇してリン放出能力が悪化した状態から、電極９に−０．６Ｖ以下の電位を印加することによって、リン放出能力を回復可能であることが明らかとなった。
【００７０】
そして、この結果から、嫌気槽１ｂにおいてリン放出が安定に起こっているときの被処理水４の酸化還元電位を基準として、この酸化還元電位よりも低い電位を電極９に印加することによって、嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が悪化した場合に、これを回復できるものと考えられた。
【００７１】
ここで、本実施例においては、ポリリン酸蓄積細菌に対して十分な量（つまり、リン放出が正常に起こり得る量）の有機物が供給されていたことから、リン放出能力の悪化は、活性汚泥に含まれるポリリン酸蓄積細菌以外の細菌による有機物の摂取が起こったことによって、ポリリン酸蓄積細菌が十分な量の有機物を摂取できなくなったことによるものと推察される。そして、嫌気槽１ｂにおいてリン放出が安定に起こっているときの被処理水４の酸化還元電位よりも低い電位を電極９に印加することによって、ポリリン酸蓄積細菌が優先的に有機物を摂取できるようになり、悪化したリン放出能力が回復したものと推察される。
【００７２】
［実施例２］
ポリリン酸蓄積細菌の群集解析を行った。
【００７３】
実施例１において、電極の電位を−０．２Ｖに制御した期間から−０．８Ｖに制御した期間にかけて、好気槽１ｃから定期的に活性汚泥を採取し、Ｈｅ等の方法（He et al.(2007）Appl Environ Microbiol, Vol.73, pp.5865-5874）により、ポリリン酸蓄積細菌（Accumulibacter）のppk1遺伝子を標的として、定量ＰＣＲを行った。そして、別途行ったクローニングの結果から、リアクター内に多く存在すると予想されたグループであるＣｌａｄｅ−ＩＩＣ（以下、単にＩＩＣと呼ぶ）及びＣｌａｄｅ−ＩＩＤ（以下、単にＩＩＤと呼ぶ）の２種類を定量した。
【００７４】
結果を図８に示す。電極の電位を−０．２Ｖに制御すると、ＩＩＣ及びＩＩＤともにコピー数が減少する傾向が見られたが、実施例１において嫌気槽１ｂにおけるリン放出能力が回復する傾向を示した−０．６Ｖでは、ＩＩＣについてのみコピー数が増加する傾向が見られた。この結果から、ＩＩＣ遺伝子を持つ細菌群が、リン放出能力の回復に何らかの形で寄与している可能性が示唆された。
【符号の説明】
【００７５】
１ｂ 嫌気槽
１ｃ 好気槽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、前記嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で前記嫌気槽におけるリン除去能力が悪化したときに、前記嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位を前記リン放出が正常に起こっているときの前記嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、前記リン放出能力を回復させることを特徴とする生物学的リン除去方法。
【請求項１】
嫌気槽におけるリン放出工程と好気槽におけるリン摂取工程とを含む活性汚泥法による生物学的リン除去方法において、前記嫌気槽におけるリン放出が正常に起こり得る量の有機物が供給されている状況下で前記嫌気槽におけるリン除去能力が悪化したときに、前記嫌気槽内の被処理水に接触させた電極の電位を前記リン放出が正常に起こっているときの前記嫌気槽内部の酸化還元電位よりも低い値に制御し、前記リン放出能力を回復させることを特徴とする生物学的リン除去方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３２２６８（Ｐ２０１２−２３２２６８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４０６４（Ｐ２０１１−１０４０６４）
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年１１月２３日 第２６回日本微生物生態学会大会委員会発行の「第２６回 日本微生物生態学会大会 プログラム・要旨集」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月１８日 社団法人日本水環境学会発行の「第４５回 日本水環境学会年会講演集」に発表
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年１１月２３日 第２６回日本微生物生態学会大会委員会発行の「第２６回 日本微生物生態学会大会 プログラム・要旨集」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月１８日 社団法人日本水環境学会発行の「第４５回 日本水環境学会年会講演集」に発表
【出願人】（０００１７３８０９）一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]