JP2013052362A - 膜の目詰まり軽減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便で動力削減にも寄与可能な、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まりを軽減する方法を提供する。
【解決手段】汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まり軽減方法であって、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を前記汚泥中で維持する工程を含む、方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、膜の目詰まり軽減方法に関する。より詳細には、生物処理による排水処理において、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まり軽減方法に関する。

近年、排水処理において、ＭＢＲ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏ Ｒｅａｃｔｏｒ）が非常に着目されている。ＭＢＲとは、従来の排水処理で一般的に使われている標準活性汚泥法と、膜処理技術を組み合わせたものである。この２つを組み合わせることによって、処理水が清澄になり、最終沈殿池が不要になるため装置全体がコンパクトになる等のメリットが得られる。

日本では、コンパクト化・処理水の安定・省人化などを理由に民間企業でＭＢＲが採用されるケースが増えている。また、下水処理場等においても、下水道事業団がＭＢＲの普及に向けて精力的に取り組んでいる。

しかしながら、ＭＢＲは従来技術と比べて膜の目詰まりを軽減するための洗浄に必要な動力が高く、ランニングコストが大きいため、導入が見送られる場合も多い。ＭＢＲが普及するためには動力削減が求められており、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）においても２０１３年までにＭＢＲ全体動力の３０％削減を目標としたプロジェクトが進んでいる。

ＭＢＲの形式には数種類あるが、膜を汚泥の中に入れて使用する浸漬型が代表的である。浸漬型は膜に汚泥が付着しやすいため、通常、膜の下部から曝気することにより膜を洗浄する。しかし、曝気洗浄にも限界があり、膜への汚泥の付着を抑制する効果はあるものの防止することはできない。そこで、膜のろ過方向と逆向きに水を通し、膜に付着した汚泥を洗浄する逆洗が行われるが、それでも、汚泥は徐々に膜に付着・堆積して膜が目詰まりし、ろ過性能が低下する。

膜の目詰まりを軽減する方法として、例えば、熱水を透過液流出側から分離膜に注入した後、加水分解酵素溶液を透過液流出側から分離膜に注入することを特徴とする分離膜の洗浄方法が検討されている（特許文献１を参照）。

特開２００６−３１４８８３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、加水分解酵素が高価であることや、熱水を分離膜に注入した後、熱水の温度が加水分解酵素の至適温度付近まで低下するまで待ってから加水分解酵素を注入する必要があり、煩雑であること等が問題となる場合がある。そこで本発明は、簡便で動力削減にも寄与可能な、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まりを軽減する方法を提供することを目的とする。

発明者らは、膜の目詰まりに影響する因子を検討した結果、タンパク質が主要因物質の１つであることを明らかにした。本発明は、膜の目詰まりの主要因物質であるタンパク質を分解（低分子化）することにより、膜の目詰まりを軽減させるものである。

本発明は、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まり軽減方法であって、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を汚泥中で維持する工程を含む方法を提供する。

上記本発明の方法によれば、ＭＢＲにおける膜の目詰まりを簡便に軽減することができる。また、膜の目詰まりを防止するための洗浄に必要な動力を削減することができる。

タンパク質分解酵素を分泌する微生物は、担体又はグラニュールに固定されていることが好ましい。

微生物が担体又はグラニュールに固定されていることにより、汚泥内の微生物同士の自然淘汰により存在量が減少することを抑制し、安定した存在量を維持することができる。

汚泥中のタンパク質分解酵素の存在量は、１×１０^−５［ＩＵ／ｍｌ］以上であることが好ましい。

タンパク質分解酵素の存在量が１×１０^−５［ＩＵ／ｍｌ］以上であることにより、より効果的にＭＢＲにおける膜の目詰まりを軽減することができる。

また、上記のタンパク質分解酵素を分泌する微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量は、０．１［ＩＵ／ｍｌ］以上であることが好ましい。

微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量が、０．１［ＩＵ／ｍｌ］以上であることにより、より効果的にＭＢＲにおける膜の目詰まりを軽減することができる。

本発明により、簡便で動力削減にも寄与可能な、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まりを軽減する方法が提供される。

ＭＢＲの構造を説明する概略図である。 平膜試験装置の概略図である。 汚泥中のタンパク質濃度と限界フラックスとの関係を示すグラフである。

本実施形態の方法は、汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まり軽減方法であって、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を汚泥中で維持する工程を含むものである。汚泥は好気性のものであっても嫌気性のものであってもよい。タンパク質分解酵素を分泌する微生物を汚泥中で維持することにより、微生物から分泌されたタンパク質分解酵素が、汚泥中のタンパク質を常時分解し、膜の目詰まりが軽減される。さらに、膜に付着したタンパク質が分解されることにより、付着物が除去されやすくなる。また、膜の洗浄時に膜を汚泥から取り出す必要もなく簡便である。

従来、膜の目詰まり低減のために過剰に曝気することが必要であったが、本実施形態の方法により、膜面洗浄用の曝気量を低減することができ、ＭＢＲ普及のネックだったランニングコストの削減が期待できる。

（ＭＢＲ）
ＭＢＲには、槽外型及び浸漬型が存在する。図１ａは槽外型ＭＢＲの概略図である。槽外型ＭＢＲ１００では、汚泥を含む生物反応槽１１０の外に膜１２０が設置される。ラインＬ１１０を通して汚泥が膜１２０に供給される。膜１２０において、汚泥と処理水が分離される。処理水はラインＬ１２０を通して取り出され、汚泥はラインＬ１３０を通して生物反応槽１１０に返送される。

浸漬型ＭＢＲとは、汚泥を含む生物反応槽に膜を浸漬して、汚泥と処理水を分離する方式である。浸漬型には、さらに一体型と槽別置型が存在する。図１ｂは浸漬型ＭＢＲ（一体型）２００の概略図である。浸漬型ＭＢＲ（一体型）２００では、汚泥を含む生物反応槽２１０内に膜２２０が設置される。膜２２０において、汚泥と処理水が分離され、処理水はラインＬ２２０を通して取り出される。

浸漬型ＭＢＲ（槽別置型）とは、汚泥を含む生物反応槽と膜を設置する膜分離槽とが分離した方式である。図１ｃは浸漬型ＭＢＲ（槽別置型）３００の概略図である。浸漬型ＭＢＲ（槽別置型）３００では、汚泥を含む生物反応槽３１０と、膜３２０が設置された膜分離槽３３０とが分離している。生物反応槽３１０からラインＬ３１０を通して汚泥が膜分離槽３３０に供給される。膜３２０において、汚泥と処理水が分離される。処理水はラインＬ３２０を通して取り出され、汚泥はラインＬ３３０を通して生物反応槽３１０に返送される。

本実施形態の方法は、上記のＭＢＲのうち、浸漬型ＭＢＲに適用することが好ましい。

（膜）
本実施形態の方法が対象とする膜は、通常ＭＢＲに使用されるものでよく、塩素化ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリ四弗化エチレン樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、セラミック等から形成された多孔質膜等が挙げられる。

膜の形態には、平膜、中空糸膜、チューブラー等が存在するが、いずれの形態であってもよい。平膜とは、平面状又はシート状に成形した膜である。中空糸膜とは、内部が内径３ｍｍ程度以下の空洞である糸状の膜である。チューブラーとは、内部が内径３〜５ｍｍ以上の空洞である管状の膜である。平膜や中空糸膜は浸漬型ＭＢＲで使用される場合が多く、チューブラーは槽外型ＭＢＲで使用されることが多い。槽外型ＭＢＲにおいても、本実施形態の方法により汚泥中にタンパク質分解酵素が分泌される結果、汚泥中のタンパク質及び膜表面のタンパク質が分解されることにより、膜の目詰まりを軽減する効果が得られる。

（微生物）
タンパク質分解酵素としては、タンパク質を低分子化するものであれば特に制限されず、プロテアーゼやペプチダーゼが例示できる。タンパク質分解酵素を分泌する微生物としては、プロテアーゼやペプチダーゼを分泌するものが使用できる。より具体的には、アルカリゲネス属、アルテロモナス属、バチルス属、コリネバクテリウム属、フラボバクテリウム属、マイクロコッカス属、ビブリオ属、アスペルギルス属、ストレプトマイセス属、リゾプス属、ブレビバチルス属、シュードモナス属、シェワネラ属、シュードアルテロモナス属、アエロモナス属、セラチア属、エグジゴバクテリウム属、コプロサーモバクター属等に属する微生物が使用可能である。汚泥中でこれらの微生物を維持することにより、汚泥中にタンパク質分解酵素が分泌される。その結果、膜の目詰まりの主要因物質であるタンパク質が分解（低分子化）され、膜の目詰まりが軽減される。槽別置型の浸漬ＭＢＲの場合は膜分離糟に菌を投入して維持することが好ましい。

タンパク質分解酵素を分泌する微生物を汚泥に添加しても、汚泥内の微生物同士の自然淘汰により存在量が減少してしまう場合がある。そこで、汚泥を含む生物反応槽とは別の槽でタンパク質分解酵素を分泌する微生物を培養し、その培養液を経時的に汚泥に投入してもよい。この場合、滅菌系を使用して、特定のタンパク質分解酵素を分泌する微生物のみを培養することが更に好ましい。培養したタンパク質分解酵素を分泌する微生物の培養液を、経時的に汚泥に添加することにより、汚泥中のタンパク質分解酵素を分泌する微生物を維持することが可能となる。特定のタンパク質分解酵素を分泌する微生物は、凍結乾燥して製剤の形態にしたうえで添加してもよい。

（担体・グラニュール）
別の方法として、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を、担体又はグラニュールに固定して汚泥中で維持してもよい。これにより、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を長期間維持することが可能となる。

担体としては、立方体状、直方体状、円筒状、球状、波板状、チューブ状等の形状に成形された、ゲル、スポンジ、セラミック、合成樹脂等の多孔質材料を好適に用いることかできる。担体にタンパク質分解酵素を分泌する微生物を付着させたものを汚泥に添加することにより、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を高濃度に維持することが可能となる。担体中に存在する微生物のうち、５０％以上、より好ましくは７０％以上、更に好ましくは９０％以上の微生物が、タンパク質分解酵素を分泌する微生物であることが好ましい。

グラニュールとは、微生物が自己造粒して形成された直径数ｍｍの塊である。グラニュールに固定した微生物（グラニュールを形成した微生物）は、汚泥内の微生物同士の自然淘汰により減少してしまうことなく長期間維持することが可能である。グラニュール中に存在する微生物のうち、３０％以上、より好ましくは５０％以上、更に好ましくは７０％以上の微生物が、タンパク質分解酵素を分泌する微生物であることが好ましい。

担体又はグラニュール中に存在する微生物の種類及び存在割合を調べる方法の非限定的な例としては、例えば、次のような方法がある。
（１）担体又はグラニュール中に存在する微生物を、平板培地上でコロニーとして単離する。得られたコロニーから、ランダムに、例えば１００個選択し、定法により微生物の種類を特定する。この結果に基づいて、担体又はグラニュール中に存在する微生物のうち、タンパク質分解酵素を分泌する微生物の存在割合を算出する。
（２）担体又はグラニュール中に存在する微生物の混合物からＤＮＡを抽出し、適切なプライマーでＰＣＲ増幅する。増幅断片を適切なベクターにクローニングする。得られたクローンから、ランダムに、例えば１００個選択してシークエンスする。シークエンス結果に基づいて、１００個の各ＰＣＲ断片がどの微生物に由来するものであったかを、遺伝子配列データベースと照合することにより推定する。この結果に基づいて、担体又はグラニュール中に存在する微生物のうち、タンパク質分解酵素を分泌する微生物の存在割合を算出する。

（タンパク質分解酵素の存在量）
汚泥中のタンパク質分解酵素の存在量は、１×１０^−５［ＩＵ／ｍｌ］以上であることが好ましく、１×１０^−５〜１×１０^−２［ＩＵ／ｍｌ］であることがより好ましく、１×１０^−４〜１×１０^−３［ＩＵ／ｍｌ］であることが更に好ましい。ここで、ＩＵ（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｕｎｉｔ）とは、標準状態（３０℃）で１分間に１μｍｏｌの基質を生成物に転換する酵素活性の量（酵素力価）を意味する。１×１０^−５［ＩＵ／ｍｌ］未満では、膜の目詰まり軽減効果が不十分となる場合がある。

汚泥中のタンパク質分解酵素の存在量［ＩＵ／ｍｌ］は、例えば次のようにして測定することができる。カゼイン溶液（１．２％カゼイン−ホウ酸バッファー（ｐＨ８．２））５ｍｌに、酵素液サンプル（汚泥をホモジナイズした後、５５００ｇ、３０分遠心分離した上清）１ｍｌを加えて１０分間反応させる。これにより、酵素液サンプル中のタンパク質分解酵素がカゼインを分解する。続いて、トリクロロ酢酸を５ｍｌ添加し３０分間放置する。これにより、酵素反応が停止するとともに未分解のカゼインが不溶化する。その後、０．４５μｍのフィルターを用いて吸引ろ過し、未分解のカゼインを除去する。続いて、２７５ｎｍの吸光度を測定することにより、ろ液中のアミノ酸及びペプチドの量を定量する。ろ液中のアミノ酸及びペプチドは、酵素液サンプル中のタンパク質分解酵素によるカゼインの分解により生じたものである。酵素液サンプルの代わりに、段階希釈した既知濃度のタンパク分解酵素を用いて、上記と同様の操作を行って作成した検量線に基づいて、汚泥中のタンパク質分解酵素の存在量［ＩＵ／ｍｌ］を求めることができる。

本実施形態のタンパク質分解酵素を分泌する微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量は０．１［ＩＵ／ｍｌ］以上であることが好ましく、０．５［ＩＵ／ｍｌ］以上であることがより好ましい。微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量とは、滅菌系で培養した当該微生物が、最適環境下で培地中に分泌するタンパク分解酵素の量を意味する。微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量は、酵素液サンプルとして、当該微生物を培養した培地を５５００ｇ、３０分遠心分離した上清を使用して、上記と同様の方法により測定することができる。

以下、本発明の実施例を示して、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

平膜試験装置を用いて、汚泥中のタンパク質濃度と限界フラックス（限界透過水量）との関係を検討した。測定には、タンパク質濃度がそれぞれ異なる、好気性及び嫌気性の数種類の汚泥を使用した。

（平膜試験装置）
図２は平膜試験装置４００の概略図である。平膜４２０の下部に散気管４３０を設置し、連続曝気による膜面洗浄を行った。曝気量は１０Ｌ／分とし、ラインＬ４４０を通して圧縮空気をマスフローコントローラ４４０に供給することで一定の風量を確保した。マスフローコントローラ４４０からラインＬ４５０を通して散気管４３０に空気を供給した。平膜４２０とバッフル板との隙間は、８ｍｍとした。散気管４３０は、孔径１ｍｍの穴を１０ｍｍピッチで連続して空け、穴と穴の開きが６０度になるように２列に配置した形状のものを用いた。散気管４３０は、水槽４１０中に、穴が下向きになるように設置した。ろ過水は、ラインＬ４１０を通して取り出した。吸引ポンプ４５０には容量ポンプを用いた。また、平膜と容量ポンプの間に連成圧用の圧力計４６０を設置して静圧を測定した。水槽４１０中の汚泥濃度及び水量を一定にするために、ろ過水は、ラインＬ４２０を通して全て水槽４１０に返送した。また、流量測定の際には、ラインをＬ４３０に切り替えてメスシリンダーを用いて流量を測定した。

（限界フラックス測定）
上記の平膜試験装置を使用して、汚泥中のタンパク質濃度と限界フラックスとの関係を検討した。汚泥中のタンパク質濃度は後述する方法により測定した。

限界フラックスの測定は次のようにして行った。上記の平膜試験装置において、１５分間隔で容量ポンプの回転数を上げることにより、段階的にフラックスを上げていく運転を行った。これと同時に、膜間差圧を測定し、膜間差圧が上昇し始めた時のフラックスの値を限界フラックスとした。ここで、限界フラックスが低いことは、膜が目詰まりしやすいことを意味する。

（汚泥からのタンパク質の抽出）
Ｆｒｏｌｕｎｄ（１９９６）らの方法にしたがって、次のようにして、汚泥からタンパク質を抽出した。
（１）イオン交換樹脂（ＤＯＷＥＸ ＭＡＲＡＴＨＯＮ Ｃ Ｎａ^＋−ｆｏｒｍ）をビーカーに取り、緩衝液（２ｍＭ Ｎａ_３ＰＯ_４−４ｍＭ ＮａＨ_２ＰＯ_４−９ｍＭ ＮａＣｌ−１ｍＭ ＫＣｌ、ｐＨ７）を加えてスターラ上で３００ｒｐｍで撹拌しながら１時間洗浄した。
（２）汚泥１００ｍｌを遠心分離し（２０００ｇ、１５分、４℃）、沈降物と上清とに分けた。
（３）（２）の上清に、上記緩衝液の５倍濃度のものを、上清の１／４容量添加して混合した。
（４）（３）の溶液を２００ｍｌビーカーに移し、イオン交換樹脂（以下「ＣＥＲ」という場合がある。）を１ｇ添加した。
（５）（４）の溶液をスターラ上で４℃、３００ｒｐｍで１時間撹拌してタンパク質の抽出を行った。なお、上記のイオン交換樹脂はＮａ^＋型であるため、陽イオン、特に価数の多いＣａ^２＋やＦｅ^２＋等を吸着する。汚泥のフロック（バイオフィルム）中のタンパク質はＦｅ^２＋等の金属によりキレートされているため、イオン交換樹脂によりＦｅ^２＋等を吸着除去することでフロックがもろくなり、タンパク質が溶出されるものと考えられる。なお、イオン交換樹脂へのタンパク質の吸着は極めて低いと考えられる。それは、中性付近のサンプルを扱っているため多くのタンパク質の等電点よりｐＨが高くなっていること、及び、汚泥中の金属イオンに比べるとイオン交換されにくいこと等による。
（６）（５）の溶液を遠心分離（１２０００ｇ、１分、４℃）し、上清及び汚泥・ＣＥＲに分離した。上清にタンパク質が抽出されている。
（７）（６）の上清を更に２回遠心分離（１２０００ｇ、１５分、４℃）し、微細なフロックを除去した。この上清をタンパク質濃度測定用の試料とした。

（タンパク質濃度の測定）
続いてローリー法により、試料中のタンパク質濃度を測定し、汚泥のタンパク質濃度とした。まず、試薬Ａ（４ｇ／Ｌ水酸化ナトリウム−２０ｇ／Ｌ炭酸ナトリウム）及び試薬Ｂ（１０ｇ／Ｌ酒石酸ナトリウム−５ｇ／Ｌ硫酸銅５水和物）を体積比で５０：１となるように混合し、Ｃ試薬を調製した。

続いて、上記前処理で調製した試料０．６ｍｌを試験管に取り、試薬Ｃを３ｍｌ加え、１０分以上静置した。その後、フェノール試薬（フォーリン−チオカルト試薬）を超純水で２倍に希釈したものを０．３ｍｌ加え、すぐに強攪拌した。続いて、２時間以上静置し、吸光度（６００ｎｍ又は５００ｎｍ）を測定した。検量線として、０、１０、２５、１００、２５０ｍｇ／Ｌとなるように調製したアルブミン水溶液を用いて、上記と同様の方法で吸光度を測定した値を用いた。

図３は、好気性及び嫌気性の数種類の汚泥について測定した、タンパク質濃度と限界フラックスとの関係を示すグラフである。好気性及び嫌気性のいずれの汚泥においても、汚泥中のタンパク質濃度と限界フラックスとの間には負の相関が見られた。この結果は、汚泥中のタンパク質濃度が高いほど膜の目詰まりが起こりやすいことを意味する。したがって、汚泥中のタンパク質濃度が膜の目詰まりに大きく影響することが明らかとなった。

１００…槽外型ＭＢＲ、１１０，２１０，３１０…生物反応槽、１２０，２２０，３２０…膜、Ｌ１１０，Ｌ１２０，Ｌ１３０，Ｌ２２０，Ｌ３１０，Ｌ３２０，Ｌ３３０，Ｌ４１０，Ｌ４２０，Ｌ４３０，Ｌ４４０，Ｌ４５０…ライン、２００…浸漬型ＭＢＲ（一体型）、３００…浸漬型ＭＢＲ（槽別置型）、３３０…膜分離槽、４００…平膜試験装置、４１０…水槽、４２０…平膜、４３０…散気管、４４０…マスフローコントローラ、４５０…吸引ポンプ、４６０…圧力計。

Claims (4)

1. 汚泥と処理水の固液分離を行う膜の目詰まり軽減方法であって、タンパク質分解酵素を分泌する微生物を前記汚泥中で維持する工程を含む、方法。
2. 前記微生物は、担体又はグラニュールに固定されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記汚泥中の前記タンパク質分解酵素の存在量は、１×１０^−５［ＩＵ／ｍｌ］以上である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記微生物が分泌するタンパク質分解酵素の量は、０．１［ＩＵ／ｍｌ］以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
   

Images