JP2005034795A

JP2005034795A - 特定微生物による酸発酵利用水処理方法

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Publication number: JP2005034795A
Application number: JP2003276364A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsuno; 洋津野; Sanyu Park; 賛祐朴
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】微生物による発酵過程での酸生成能およびアンモニア性窒素生成抑制を効率良く行うことができる特定微生物による酸発酵利用水処理方法を提供する。
【解決手段】炭水化物からの酸生成能力が高く、蛋白質の分解能が弱い分離微生物であるVibrio sp. 、Clostridium sp. 、Paenibacillus sp. 、Neisseria sp. 等の微生物と、下廃水汚泥を７０〜１３０℃で１０〜６０分、望ましくは８０℃で３０分の熱処理を施した液を酸発酵槽に投入し、温度３５〜４０℃、滞留時間１２〜８０時間、ｐＨ５．０〜５．５、望ましくは温度約３７℃、滞留時間約２４時間で反応させて有機酸を生成することで、窒素負荷の増加を伴うことなく、酸発酵汚泥もしくは酸発酵汚泥を脱水した脱水ろ液を酸化態窒素除去のための有機炭素源として下廃水処理工程に添加することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は特定微生物による酸発酵利用水処理方法に関し、硝化脱窒工程において脱窒のための不純物の少ない電子供与体を得る方法に係るものである。

脱窒素活性汚泥法は系内で基質のＢＯＤ成分・窒素成分と活性汚泥とを接触させて基質を除去するプロセスで硝化工程と脱窒工程からなり、硝化工程では廃水中のアンモニア態窒素およびＢＯＤ酸化菌の異化代謝によって有機性窒素から転換されるアンモニア態窒素を硝化菌によって亜硝酸態窒素もしくは硝酸態窒素に酸化し、脱窒素工程では硝化工程で硝化された廃水中の亜硝酸態窒素もしくは硝酸態窒素を溶存酸素のない無酸素条件下で脱窒素菌によって窒素ガスへ還元する。

この窒素除去においては廃水中のＢＯＤを窒素除去のための有機炭素源としているが、廃水の組成や処理方式によってはＢＯＤが不足するので補給することが必要になる。一方、嫌気性消化においては、廃水中の有機性成分が嫌気的条件下で酸発酵し、酸発酵期に発酵液中に酢酸、プロピオン酸、酪酸、乳酸、吉草酸などの有機酸を生成する。このため、特許文献１、２では酸発酵により生成する有機酸を水素供与体として脱窒素処理を行っている。

図９に示すように、特許文献１では脱窒槽１、硝化および固液分離槽２を含む生物学的窒素除去処理系から生物汚泥を改質処理槽３へ引き抜いて易生物分解性に改質処理し、改質汚泥を酸発酵槽４で酸発酵して脱窒槽１に導入し、酸発酵により生成する有機酸を水素供与体として脱窒素処理を行っている。

図１０に示すように、特許文献２では、凝集剤を添加する沈殿池１１において被処理水を固液分離し、その分離上層水を生物処理槽１２へ導いて生物学的処理し、分離したＳＳを酸発酵槽１３に導いて酸発酵により有機酸を生成し、酸発酵槽１３の発酵汚泥を脱水機１４で脱水し、有機酸を含む脱水ろ液を生物処理槽１２へ有機炭素源もしくは水素供与体として供給している。
特開平１１−３３３４９４号公報特開２００２−３０１４９８公報「分離細菌による効率的酸発酵に関する研究」水環境学会平成１４年９月発行１４７頁

ところで、本発明者らは非特許文献１に開示するように、酸発酵により生成する有機酸を水素供与体として脱窒素処理を行う場合、酸発酵における蛋白質の分解過程でアンモニア性窒素も生成し、脱窒過程に有機酸とともに投入すると新しい窒素負荷となることを確認している。そして、自然界から炭水化物を効果的に分解する微生物の分離を行い、その微生物による発酵過程での酸生成能およびアンモニア性窒素生成抑制を検討した。その微生物は、Vibrio sp. 、Clostridium sp. 、Paenibacillus sp. 、Neisseria sp. であった。

しかし、廃水処理において有機物の生物学的処理に関与する微生物は種類が多く、前記微生物を優占種として酸発酵を行うにはいくつかの条件を維持する必要がある。
本発明は微生物による発酵過程での酸生成能およびアンモニア性窒素生成抑制を効率良く行うことができる特定微生物による酸発酵利用水処理方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、請求項１に係る本発明の特定微生物による酸発酵利用水処理方法は、O-F BTB TestでF-Positive、かつGelatin liquefaction TestでNegativeを示す微生物を供試微生物とし、下廃水汚泥を７０〜１３０℃で１０〜６０分、望ましくは８０℃で３０分の熱処理を施した液を原料とし、供試微生物と原料を酸発酵槽に投入し、温度３５〜４０℃、滞留時間１２〜８０時間、ｐＨ５．０〜５．５、望ましくは温度約３７℃、滞留時間約２４時間で反応させて有機酸を生成し、酸発酵汚泥もしくは酸発酵汚泥を脱水した脱水ろ液を酸化態窒素除去のための有機炭素源として下廃水処理工程に添加するものである。

上記した構成により、供試微生物は、Vibrio sp. 、Clostridium sp. 、Paenibacillus sp. 、Neisseria sp. 等であり、原料は生ゴミでも可能である。この炭水化物からの酸生成能力が高く、蛋白質の分解能が弱い分離微生物を用いることにより、蛋白質の分解およびＮＨ_４ ^＋−Ｎの生成を抑制することができ、窒素負荷の増加を伴うことなく、酸発酵汚泥もしくは酸発酵汚泥を脱水した脱水ろ液を酸化態窒素除去のための有機炭素源として下廃水処理工程に添加することができる。

以上述べたように本発明によれば、酸発酵時間を短縮化することができ、阻害物であるアンモニア窒素の生成を防止できるので、アンモニアを除去するための余分な工程が不要となる。また、自己系内の資源利用によってメタノール等の外部資源を削減できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１おいて、有機性廃水は脱窒槽３１、硝化槽３２からなる生物学的脱窒素除去処理系において処理して処理水を放流する。硝化槽３２の活性汚泥混合液の一部は循環液として脱窒槽３１へ循環し、余剰汚泥の一部を有機性廃棄物として熱処理過程３３を経て酸発酵槽３４に導き、酸発酵により有機酸を生成し、生成した有機酸を脱窒槽３１へ有機炭素源もしくは水素供与体として供給する。熱処理過程３３では汚泥を８０℃で３０分の加熱処理して殺菌する。

表１は加熱処理による殺菌効果を示すものであり、加熱温度を１２０℃にまで上げると時間の短縮を図ることができるが、図２に示すように、８０℃で３０分の加熱処理が溶解性有機炭素濃度が最も高くなる。

酸発酵槽３４には酸発酵に寄与する供試微生物としてVibrio sp. 、Clostridium sp. 、Paenibacillus sp. 、Neisseria sp. の少なくとも何れかを優占種として馴養し、１２時間から８０時間、望ましくは２４時間の酸発酵を行う。図３に示すように、生成有機酸濃度は時間の経過とともに増加するが、２４時間経過した後はその増加速度が低くなるので、２４時間の酸発酵が望ましい。

ここで、有機酸発酵における微生物の蛋白質の分解特性およびＮＨ_４ ^＋−Ｎの生成特性を検討した実験結果を示す。
Ａ．実験方法
実験は分離微生物、中温酸生成微生物および高温酸生成微生物のＮＨ_４ ^＋−Ｎの生成特性を回分式で検討し、分離微生物を用いて連続的な酸発酵運転を行った。
Ｂ．供試微生物
分離微生物は琵琶湖南湖底泥より分離したPaenibacillus sp. と推定されるものであり、O-F BTB Testにおいて発酵的に酸生成能を示す（F-Positive）もので、かつGelatin liquefaction Test（１４日間観察、各観察前３０分間冷却し固化の有無で判断）において陰性（Negative）を示すものである。実験に際してはPaenibacillus sp. を人工殺菌生ゴミ上澄み液を基質とし、約３ヶ月間馴致培養した培養液を接種した。

中温酸生成微生物はＡ処理場の消化槽汚泥をＨＲＴ２日（ＳＲＴ２日）、ｐＨ調節なし（ｐＨ３．１−３．５）および３７℃の条件下で人工生ゴミを基質とし、約６ヶ月間馴致培養した混合微生物を用いた。

高温消化槽汚泥はバイオガス実験プラントＢの消化汚泥をＨＲＴ４．５日（ＳＲＴ９日）および５５℃の条件下で人工生ゴミを基質とし、約８ヶ月間馴致培養した混合微生物を用いた。

人工生ゴミ
本実験では実際の生ゴミ組成を模した人工生ゴミを用いた。回分式実験の基質は人工生ゴミにＴＳが１０％になるよう水道水を添加した後、プロセッサ粉砕機で粉砕（１０,０００ｒｐｍ、５ｍｉｎ）し、遠心分離を行い、その上澄み液を殺菌して用いた。一方、連続運転にはＴＳが１０％になるよう水道水で調製した人工生ゴミを基質（ＳＳ成分含有）として投与した。実験に際しては生ゴミが持つ雑菌の影響を極力少なくするためオートクレーブにより殺菌処理を行った（１２０℃、３０ｍｉｎ又は８０℃、３０ｍｉｎ）。

実験装置
回分実験では、有効容積１Ｌのセパラブルフラスコを用い、殺菌人工生ゴミ上澄み液を基質として用いて行った。温度調節はウォーターバスおよび温度コントローラを用いて各微生物の馴致培養条件に合わせ３７あるいは５５℃に維持した。ｐＨ電極を設置し必要に応じてＨＣｌとＮａＯＨを投入し、設定した各ｐＨ条件を維持するようにした。

連続実験では、有効容積４Ｌの発酵槽に恒温ジャケットを設け、温度調節装置により３７℃に維持した。ｐＨ電極を設置し必要に応じてＨＣｌとＮａＯＨを投入しｐＨを５−５．５に維持した。発生ガスはガスパックで捕集した。運転は、１日１回Fill＆Draw方式で行った。

回分式実験
生成有機酸の濃度変化を図４に示す。有機酸の濃度は発酵開始後約５０時間で１００００−１４０００（ｍｇＣ・l^-1）まで達した。各微生物群とも成功的に酸発酵が行われたと言える。各実験におけるｐＨ５．５（Thermophilic bacteriaではｐＨ７）でのトータル蛋白質の濃度変化を図５に示す。各微生物群によるトータル蛋白質の濃度変化を見るとMesophilic bacteriaおよびThermophilic bacteriaでは分解が見られたが、Paenibacillus sp. において濃度変化は見られなかった。これは単一菌であるPaenibacillus sp. がGelatin liquefaction Testで確認したように蛋白質を代謝できないか、または代謝速度が遅い結果であると考えられる。

図６に示すように、ＮＨ_４ ^＋−Ｎは、Mesophilic bacteriaではほとんど変化しなかったが、Thermophilic bacteriaでは上昇し、そしてPaenibacillus sp. は急激な減少が見られた。これらは蛋白質の分解によるＮＨ_４ ^＋−Ｎの生成速度と微生物の増殖によるＮＨ_４ ^＋−Ｎの消費速度との差で生じた結果と考えられ、蛋白質の分解があまり見られなかったPaenibacillus sp. を用いた実験でその減少は大きかった。

連続実験
連続発酵実験において発酵生成物であるＶＦＡｓ（揮発性有機酸）と培養液の窒素濃度を図７に示した。発酵期間中において有機酸は約２３０００（ｍｇＣ・l^-1）を安定的に得ることができた。一方、流入ＴＮ（全窒素）は約３０００ｍｇＮ／Ｌ、流入ＤＮ（溶解性窒素）は約５５０−６００ｍｇ／Ｌであったの対し、流出ＤＮも約６００−７００ｍｇＮ／Ｌであり、運転期間中ＤＮ濃度はほとんど変わらない結果を示した。一方、流出水中のＮＨ_４ ^＋−Ｎは流入ＮＨ_４ ^＋−Ｎより低く６０−７５ｍｇＮ／Ｌの範囲であった。

よって、炭水化物からの酸生成能力が高く、蛋白質の分解能が弱い分離微生物を用いることにより、蛋白質の分解およびＮＨ_４ ^＋−Ｎの生成を抑制することができる。
図８にｐＨ条件での酸発酵の主要基質である炭水化物の分解速度定数を示す。これによるとｐＨ５−５．５で分解速度定数が最も高く、ｐＨ６−６．５の場合はむしろ低くなった。このことによりPaenibacillus sp. の最適ｐＨ条件は５−５．５であることが分かる。

本発明の実施の形態における酸発酵を利用する水処理装置を示すブロック図である。同実施の形態における加熱処理による有機性炭素の溶解効果を示すグラフ図である。同実施の形態における酸発酵における生成有機酸濃度の変化を示すグラフ図である。生成有機酸の濃度変化を示すグラフ図である。トータル蛋白質の濃度変化を示すグラフ図である。ＮＨ_４ ^＋−Ｎの濃度の変化を示すグラフ図である。揮発性有機酸と培養液の窒素濃度の関係を示すグラフ図である。ｐＨ条件と炭水化物の分解速度定数の関係を示すグラフ図である。従来の酸発酵を利用する水処理装置を示すブロック図である。従来の酸発酵を利用する水処理装置を示すブロック図である。

符号の説明

３１脱窒槽
３２硝化槽
３３熱処理過程
３４酸発酵槽

Claims

O-F BTB TestでF-Positive、かつGelatin liquefaction TestでNegativeを示す微生物を供試微生物とし、下廃水汚泥を７０〜１３０℃で１０〜６０分、望ましくは８０℃で３０分の熱処理を施した液を原料とし、供試微生物と原料を酸発酵槽に投入し、温度３５〜４０℃、滞留時間１２〜８０時間、ｐＨ５．０〜５．５、望ましくは温度約３７℃、滞留時間約２４時間で反応させて有機酸を生成し、酸発酵汚泥もしくは酸発酵汚泥を脱水した脱水ろ液を酸化態窒素除去のための有機炭素源として下廃水処理工程に添加することを特徴とする特定微生物による酸発酵利用水処理方法。