JP2009039643A - 被処理液の有機物と窒素の除去方法、グラニュール、馴養用溶液及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】嫌気性処理槽を用いて、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去する方法において、前記嫌気性処理槽が、嫌気性処理用微生物を収容した第1層と、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層を有し、(a)前記被処理液を、嫌気性処理用微生物を収容した第1層に接触させ、嫌気性処理により有機物を分解する工程と、(b)前記第1層に接触させた後の被処理液を、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層に接触させ、脱窒を行う工程とを有し、前記工程(a)〜(b)を1回以上行うことを特徴とする被処理液の有機物と窒素の除去方法及び装置。
【選択図】なし
Description
したがって、従来は、該脱窒微生物による脱窒反応は、高度に嫌気的な環境下で、メタン発酵等の嫌気性処理により有機物を除去した後に活性汚泥を絞って得られる脱離液や、無機排水等に対して行われており、メタン発酵槽内で、メタン発酵と同時に該脱窒反応を行うことは非常に困難であった。このため、ある排水に対して、メタン発酵による有機物除去処理と、該脱窒微生物による脱窒処理を行う場合には、まず、メタン発酵槽においてメタン発酵を行った後、メタン発酵槽等から濾過等により脱離液を調製し、該脱離液を、脱窒処理用槽へ移送して脱窒処理を行わなくてはならず、除去工程が多く煩雑であり、大掛かりな除去装置が必要であった。
また、本発明の第2の態様は、嫌気性処理槽を用いて、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去する方法において、前記嫌気性処理槽には、微生物を収容したグラニュール又は担体が充填されており、前記グラニュール又は担体の表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在しており、前記被処理液を、前記グラニュール又は担体に接触させて、有機物の分解及び脱窒を行うことを特徴とする、被処理液の有機物と窒素の除去方法である。
また、本発明の第3の態様は、表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在することを特徴とする微生物を収容したグラニュールである。
また、本発明の第4の態様は、乳酸又はプロピオン酸、アンモニア態窒素、及び亜硝酸態窒素を含むことを特徴とする馴養用溶液である。
また、本発明の第5の態様は、一の嫌気性処理槽内に、嫌気性処理用微生物を収容した第1層と、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層とを少なくとも備えることを特徴とする、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去するための装置である。
また、本発明の第6の態様は、一の嫌気性処理槽内に、微生物を収容したグラニュール又は担体が充填されており、前記グラニュール又は担体の表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在していることを特徴とする、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去するための装置である。
また、本発明の第3の態様であるグラニュール、並びに本発明の第5の態様及び本発明の第6の態様である有機物と窒素の除去装置を用いることにより、排水等被処理液の有機物及び窒素の除去を、より簡便かつ低コストで行うことが可能となる。
さらに、本発明の第4の態様である馴養用溶液を用いることにより、本発明の第2の態様で用いられるグラニュールや担体を、簡便かつ効率よく作製することができる。
本発明における被処理液は、有機物と窒素を含有する液であれば、特に限定されるものではない。また、該被処理液に含まれる窒素の形態は特に限定されるものではないが、有機態窒素、アンモニア態窒素、硝酸態窒素や亜硝酸態窒素であることが好ましい。有機態窒素は嫌気性処理により、独立栄養性脱窒微生物による脱窒処理に供されるアンモニア態窒素や亜硝酸態窒素に分解され得る。該被処理液として、例えば、ビール工場等の食品工場の産業排水や生活排水等の排水や、河川、湖沼、海水等の自然水等がある。
本発明において、嫌気性処理槽とは、嫌気性処理を行うための反応槽であり、通常、排水等の嫌気性処理に用いられる反応槽であれば、特に限定されるものではないが、メタン発酵槽であることが好ましい。
本発明の嫌気性処理用微生物として、予め単離・精製された微生物を用いてもよく、有機物を含む排水等を嫌気的に分解させたものから採取した微生物を用いてもよい。その他、既存のメタン発酵槽や脱窒槽等より採取した汚泥や、嫌気性処理用微生物群が存在する環境より採取した汚泥等を用いてもよい。通常、これらの汚泥中には、嫌気性処理に関与する様々な微生物が存在しているためである。
本発明の独立栄養性脱窒微生物として、予め単離・精製された微生物を用いてもよく、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素を含む排水等を嫌気的に分解させたものから採取した微生物を用いてもよい。その他、既存のアナモックス反応槽等より採取した汚泥や、独立栄養性脱窒微生物群が存在する環境より採取した汚泥等を用いてもよい。
本発明の第2の態様の被処理液の有機物と窒素の除去方法は、前記嫌気性処理槽には、微生物を収容したグラニュール又は担体が充填されており、前記グラニュール又は担体の表層部に、嫌気性処理用微生物が局在し、内層部に、独立栄養性脱窒微生物が局在しており、前記被処理液を、前記グラニュール又は担体に接触させて、有機物の分解及び脱窒を行うことを特徴とする。このようなグラニュールや担体であれば、被処理液を、表層部に局在する嫌気性処理用微生物に接触させた後に、内層部に局在する独立栄養性脱窒微生物に接触させることができるため、嫌気性処理用微生物を収容した第1層と、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層を有する本発明の第1の態様の場合と同様に、一の嫌気性処理槽において嫌気性処理とアナモックス反応の両方を好適に行うことができるためである。なお、該グラニュール又は担体に収容されている嫌気性処理用微生物と独立栄養性脱窒微生物は、それぞれ、1種類の微生物であってもよく、複数種類の微生物であってもよい。また、嫌気性処理とアナモックス反応の双方を好適に行うために、本発明の第1の態様の除去方法と同様に、被処理液の酸化還元電位を調整することが好ましい。
例えば、メタン発酵グラニュールをすり潰した汚泥と、アナモックス菌群とを、アクリルアミド等のゲル材料に混合し、重合させて得られた微生物包括担体を、乳酸100mgC/L、アンモニア態窒素25mgN/L、亜硝酸態窒素25mgN/Lの組成を有する馴養用溶液中で、1週間〜6ヶ月程度馴養することにより、表層部にメタン発酵菌が局在し、内層にアナモックス菌群が局在する担体を得ることができる。なお、図3は、このようにして得られた微生物を収容した担体9の断面の概略図であり、メタン発酵菌91とアナモックス菌群92の局在を示した図である。
このような担体又はグラニュールを、メタン発酵グラニュールに代えて、又はメタン発酵グラニュールとともに、既設のメタン発酵槽に充填して排液処理を行うことにより、大掛かりな装置等を導入することなく、簡便に、被処理液中の有機物と窒素を効果的に除去することが可能となる。
硝酸や亜硝酸を含有しない被処理液から、有機物と窒素を除去した。供試廃水として、総窒素量が420〜680mg/L(アンモニア態窒素量が400〜620mg/L)、BOD成分(有機物)量が1540〜1700mg/Lである食品廃水を用いた。
10Lのメタン発酵槽に、該メタン発酵槽の20%の容量のメタン発酵グラニュールを充填し、さらに、該メタン発酵槽の40%の容量のアナモックス菌群を付着固定した不織布(固定アナモックス菌群)を、図2に示すように設置した。該不織布には、メタン発酵槽の容量換算で1400mg/Lのアナモックス菌群が付着固定されていた。また、該不織布を設置せず、メタン発酵グラニュールのみを充填したメタン発酵槽を対照とした。
このメタン発酵槽に、該供試廃水を、滞留時間が12時間として流し処理した。酸化還元電位は、散気装置で空気を供給することにより、−380〜−280mVになるように制御した。2ヶ月運転後の安定期での処理結果を表1に示す。表中、「実施例1」が、メタン発酵グラニュールと固定アナモックス菌群を充填したメタン発酵槽における処理を、「比較例1」が、メタン発酵グラニュールのみを充填したメタン発酵槽における処理を、それぞれ意味している。また、「T−N除去率」は供試廃水中の総窒素量の除去率を、「BOD除去率」はBOD成分量の除去率を、それぞれ意味する。
また、実施例1において、供試廃水中のBOD成分の除去率も改善されていたことから、アナモックス菌群が活性化されることによりメタン発酵菌群が活性化される可能性が示唆された。
表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在する微生物包括担体を作製した。
表2に記載の組成により、微生物を含有する微生物包括担体を得た。なお、表中記載のグラニュール汚泥は、ビール工場嫌気性処理設備より採取したグラニュール汚泥を、乳鉢にて破砕したものである。
表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在するグラニュールを作製した。
実施例2において、微生物包括担体に代えて、ビール工場嫌気性処理設備より採取したグラニュール汚泥を、メタン発酵槽に充填率38%となるように充填した後、同様に、2ヶ月間馴養することにより、目的のグラニュールを得た。
硝酸や亜硝酸を含有しない被処理液から、有機物と窒素を除去した。供試廃水として、総窒素量が420〜680mg/L(アンモニア態窒素量が400〜620mg/L)、BOD成分(有機物)量が1540〜1700mg/Lである食品廃水を用いた。
まず、表3に記載の組成により、微生物包括担体を得た。なお、表中記載のグラニュール汚泥は、実施例2と同じものである。
得られた微生物包括担体を、10Lのメタン発酵槽に、充填率30%となるように充填した。このメタン発酵槽を用いて、該供試廃水を、実施例1と同様に処理した。2ヶ月運転後の安定期での処理結果を表4に示す。表中、「実施例4」が、グラニュール汚泥とアナモックス菌群を有する微生物包括担体を充填したメタン発酵槽における処理を意味しており、「比較例1」は、実施例1記載の比較例1を意味している。また、「T−N除去率」は供試廃水中の総窒素量の除去率を、「BOD除去率」はBOD成分量の除去率を、それぞれ意味する。
これらの結果から、表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在する微生物包括担体やグラニュールを用いた場合であっても、一の嫌気性処理槽を用いて排水処理を行うことにより、嫌気性処理とアナモックス反応を良好に行うことが可能であり、従来になく効率よく排水中の窒素を除去し得ることが明らかである。
500mL容の上向流型カラムの下部に、ビール工場嫌気性処理設備より採取したグラニュール汚泥を50mL充填し、上部にアナモックス菌群を付着固定したポリエステル不織布を充填し、ジャケット水を循環させることにより35℃に保温した排水処理装置を作製した。該排水処理装置に、15N標識した硝酸10mgN、アンモニア10mg/Lと、酸化還元電位を下げるための乳酸を50、100、200mgC/Lの各濃度で添加した馴養用溶液を、4.0mL/minでカラム下部より送液し、各乳酸濃度でそれぞれ約1週間ずつ運転を行った。馴養用溶液の酸化還元電位は、当初150mVであったが、カラムに流入した乳酸が酢酸へと酸発酵することにより、いずれの濃度でも汚泥床の中央部付近で−280〜−330mVとなった。また、流出水中から乳酸は検出されず、TOC(Total Organic Carbon;全有機態炭素)除去率は70%以上、全窒素除去率は50%以上に維持できた。さらに、発生ガス中に著量のメタンガスが検出された。各濃度の最終の2日間に発生したガスを採取し、GC−MSを用いて同位体分析(29N2 :30N2)を行ったところ、アナモックス反応に由来する分子量29の窒素(29N2)と従属脱窒に由来する分子量30の窒素(30N2)の割合は馴養用溶液中の乳酸濃度にかかわらず1:4であった。
すなわち、これらの結果から、嫌気性処理設備より採取したグラニュール汚泥を、適当な馴養用溶液を用いて馴養することにより、メタン発酵とアナモックス反応を一の反応槽において行うことができるグラニュール、すなわち本発明のグラニュールが得られることが明らかである。また、適当な馴養用溶液中においては、メタン発酵中にアナモックス反応も行われており、有機物だけではなく窒素除去も行われていることが明らかになった。
ビール排水を処理する嫌気性処理装置よりメタン発酵グラニュールを採取し、「Microbial analyses by fluorescence in situ hybridization of well-settled granular sludge in brewery wastewater treatment plants.」(Saiki, Y. et al.、2002年、Journal of bioscience and bioengineering、第93巻、p601〜606)に記載の方法に従い、約5μmの薄切片を作成した。その後、古細菌を検出するCy3標識ARC915プロ-ブ、アナモックス菌群が属するPlactomycetalesを検出するCy3標識PL46プローブ、アナモックス菌群を検出するFITC標識AMX820プローブを用いて、FISHを行い、メタン菌、アナモックス菌群を染色した。図8はメタン発酵グラニュールの薄切片に対して行ったFISHの結果得られた染色像であり、(b)は、(a)の白色点線の四角で囲われた部分の拡大図である。図8(a)は、Cy3標識ARC915プロ-ブを用いて行ったFISHの結果であり、白色部分がメタン菌の局在を示している。図8(b)は、FITC標識AMX820プローブを用いて行ったFISHの結果であり、白色点線の四角で囲われた内部の白色部分がアナモックス菌群の局在を示している。該染色像から明らかであるように、用いたグラニュール汚泥には表面から100μmの深さの領域にメタン菌が、メタン発酵グラニュールの中心付近にごくわずかのアナモックス菌群が生息していていた。この汚泥を実施例1のカラムに充填し、亜硝酸態窒素とアンモニア態窒素を各20mgN/Lとグルコース200mgC/Lを含有する馴養用溶液を、一旦100mL容の酸生成槽で3時間滞留させ、有機酸を生成させた後に、4.0mL/minでカラム下部より送液した。酸生成槽で滞留させることにより、グラニュール汚泥を充填したカラムに流入する直前の馴養用溶液には、約60mgCの酢酸、55mgCのプロピオン酸が含有していた。運転当初は、BOD成分除去率は70%、窒素除去率は10%であったが、10ヶ月の運転ののち測定するとBOD成分除去率は70%に維持されたまま、窒素除去率が50%に向上していた。
これらの結果から、嫌気性処理装置由来のグラニュールを、アナモックス菌群等の独立栄養性脱窒微生物の増殖やアナモックス活性に適した馴養用溶液に接触させて馴養することにより、グラニュール中の微生物の局在化と独立栄養性脱窒微生物の増殖が進行する結果、本発明のグラニュール、すなわち、表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在したグラニュールが得られること、及び、本発明のグラニュールは、馴養前のグラニュールに比べて窒素除去能が飛躍的に改善されていることが明らかである。
Claims (10)
- 嫌気性消化処理槽を用いて、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去する方法において、
前記嫌気性消化処理槽が、嫌気性消化処理用微生物を収容した第1層と、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層を有し、
(a) 前記被処理液を、嫌気性消化処理用微生物を収容した第1層に接触させ、嫌気性消化処理により有機物を分解する工程と、
(b) 前記第1層に接触させた後の被処理液を、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層に接触させ、脱窒を行う工程とを有し、
前記工程(a)〜(b)を1回以上行うことを特徴とする、被処理液の有機物と窒素の除去方法。 - 嫌気性処理槽を用いて、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去する方法において、
前記嫌気性処理槽には、微生物を収容したグラニュール又は担体が充填されており、
前記グラニュール又は担体の表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在しており、
前記被処理液を、前記グラニュール又は担体に接触させて、有機物の分解及び脱窒を行うことを特徴とする、被処理液の有機物と窒素の除去方法。 - 前記嫌気性処理槽内の酸化還元電位を、−380〜−280mVに制御することを特徴とする、請求項1又は2記載の被処理液の有機物と窒素の除去方法。
- 前記嫌気性処理槽内の酸化還元電位を、有機酸を用いて制御することを特徴とする、請求項3記載の被処理液の有機物と窒素の除去方法。
- 前記第1層が、メタン発酵グラニュールであり、前記第2層が、独立栄養性脱窒微生物を固定した担体であることを特徴とする、請求項1、3、4のいずれか記載の有機物と窒素の除去方法。
- 表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在することを特徴とする微生物を収容したグラニュール。
- 乳酸又はプロピオン酸、アンモニア態窒素、及び亜硝酸態窒素を含むことを特徴とする馴養用溶液。
- 一の嫌気性処理槽内に、嫌気性処理用微生物を収容した第1層と、独立栄養性脱窒微生物を収容した第2層とを少なくとも備えることを特徴とする、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去するための装置。
- 一の嫌気性処理槽内に、微生物を収容したグラニュール又は担体が充填されており、
前記グラニュール又は担体の表層部に嫌気性処理用微生物が局在し、内層に独立栄養性脱窒微生物が局在していることを特徴とする、有機物と窒素を含有する被処理液から有機物と窒素を除去するための装置。 - さらに、酸生成槽を備えることを特徴とする、請求項8又は9記載の装置。
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