JP2014073476A - 微生物担体 - Google Patents

Abstract

【課題】水沈降性及び水処理能力に優れ、水中で長時間使用しても水中汚染を生じることのない、嫌気性処理に好適な微生物担体の提供を目的とする。
【解決手段】微生物担体を非多孔質体で構成し、前記非多孔質担体は、非多孔質体１００質量％中にポリオレフィン系樹脂３０〜９０質量％と炭酸カルシウム等の無機粉末１０〜７０質量％とを含み、さらに場合によっては非相溶性樹脂を１〜２０質量％含み、非多孔質体の比重が１より大で、かつ非多孔質体の外周面には相対的に外径の大きい大径部１３と相対的に外径の小さい小径部１５とが交互に並んだ波形状の凹凸を有する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中沈降性及び嫌気性微生物の付着性に優れると共に、長時間使用しても水中汚染を生じない微生物担体に関する。

従来、排水等に対する水処理には、嫌気性微生物による働きで溶存有機物を分解させる嫌気性処理がある。嫌気性処理においては、汚水浄化槽における反応槽（嫌気濾床層）に流動性の微生物担体を投入または充填して汚水（有機性排水）を通水させることで、微生物担体に付着した嫌気性微生物による働きで汚水中の溶存有機物を分解している（特許文献１、特許文献２）。

嫌気性処理では、嫌気性雰囲気で微生物が働くため、反応槽等内に投入された流動性の微生物担体は速やかに水中に沈降して水面に長く浮き上がっていない事が、水処理能力向上に必要となる。特に有機性排水を上向流通水して高速処理を行う場合、水沈降性が高いことが求められる。
水沈降性の向上を図った嫌気性処理用の微生物担体として、オレフィン系樹脂とセルロース系粉末を含むオレフィン系樹脂発泡体からなり、あるいはさらに無機粉末を含むオレフィン系樹脂発泡体からなり、発泡体の表面にメルトフラクチャー状態を有するものがある（特許文献２、特許文献３）。

しかしながら、オレフィン系樹脂とセルロース系粉末を含むオレフィン系樹脂発泡体、あるいはさらに無機粉末を含むオレフィン系樹脂発泡体からなり、発泡体の表面にメルトフラクチャー状態を有する微生物担体は、発泡剤を使用することで表面の凹凸状態を発現させているものの、発泡体で中空状態からなるため、依然として水沈降性が良好ではなく、水処理能力も充分ではなく、さらに含有されている木粉等のセルロース系粉末が微生物担体自体を脆くさせるため、水中で長時間使用されると微生物担体の破片が水中に流れ出し、水中汚染を生じる問題がある。また、微生物担体の発泡体のセル内部に、微生物から発生するガスが溜まることによって浮力が増加して水沈降性が低下する問題がある。

特開２００１−２１１８８１号公報 特開２０１２−１１０８４３号公報 特開２００９−６６５９２号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであって、水沈降性及び水処理能力に優れ、かつ水中で長時間使用しても水中汚染を生じない、嫌気性処理に好適な流動性の微生物担体の提供を目的とする。

請求項１の発明は、微生物を表面に保持する微生物担体において、前記微生物担体は非多孔質体からなり、前記非多孔質体は、該非多孔質体の１００質量％中にメルトマスフローレイト（ＭＦＲ：ＪＩＳ Ｋ７２１０：１９９９）が０．０１（ｇ／１０ｍｉｎ）以上５（ｇ／１０ｍｉｎ）未満であるポリオレフィン系樹脂３０〜９０質量％と無機粉末１０〜７０質量％を含み、比重が１より大で、外周面に相対的に外径の大きい大径部と相対的に外径の小さい小径部とが交互に存在する波形状の凹凸を有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記非多孔質体の１００質量％中には、前記ポリオレフィン系樹脂に非相溶性樹脂を１〜２０質量％含むことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記無機粉末が炭酸カルシウムであることを特徴とする。

本発明の微生物担体は、メルトマスフローレイト（ＭＦＲ：ＪＩＳ Ｋ７２１０：１９９９）が０．０１（ｇ／１０ｍｉｎ）以上５未満（ｇ／１０ｍｉｎ）であるポリオレフィン系樹脂を用いることで、外周面に相対的に外径の大きい大径部と相対的に外径の小さい小径部とが交互に存在する波形状の凹凸を有するため、小径部が凹部となって該凹部に微生物が効率よく付着保持される。また、本発明の微生物担体は、非多孔質体からなるため、多孔質体の場合のように気孔に気泡が溜まって浮き上がり易くなることが無いため、水処理能力に優れ、かつ比重が１より大であるために水沈降性が高く、水に投入直後から微生物付着開始までの時間を短縮することができる。さらに、本発明の微生物担体は、微生物担体を脆くする木粉等からなるセルロース系粉末を含まなくてもよいため、水中で長時間使用しても、微生物担体の形状が崩れてセルロース系粉末が水中に流出する虞がなく、水を汚染することがない。

さらに本発明の微生物担体は、非多孔質体の１００質量％中における前記ポリオレフィン系樹脂に非相溶性樹脂を１〜２０質量％含ませることによって、無機粉末の含有量を増加させても波形状の凹凸を形成させることができ、無機粉末の含有量増加によって微生物担体の比重を一層大にして水沈降性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る微生物担体の斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の微生物担体を製造する装置の概略図である。 比較例１と実施例２の外周面を撮影した電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の一実施形態に係る微生物担体について説明する。図１及び図２に示す微生物担体１０は、嫌気性処理に使用されるものであり、比重（ＪＩＳ Ｋ ７１１２：１９９９ Ｂ法準拠）が１より大の非多孔質体からなり、外周面に相対的に外径の大きい大径部１３と相対的に外径の小さい小径部１５を、非多孔質体の長さ方向に交互に有する波形状の凹凸を有するペレットからなる。前記微生物担体１０の長さＬ（軸方向寸法）は１〜１０ｍｍ、大径部１３の平均外径Ｄは２．５〜５．０ｍｍ、小径部１５の平均外径ｄは２．０〜４．５ｍｍ、大径部の平均外径と小径部の平均外径の比（Ｄ／ｄ）は１．０２〜１．５０、隣り合う大径部１３の間隔Ｐは０．８〜２．５ｍｍが好ましい。

前記Ｄ／ｄが１．５０より大の場合には表面の凹凸差が大きくなり、前記微生物担体１０を水中に投入した際に、前記小径部１５に気泡が溜まりやすくなって水沈降性が低下するようになる。一方、Ｄ／ｄが１．０２より小の場合には表面の凹凸差が小さくなって、微生物の付着面積が低下すると同時に、前記小径部１５に微生物が保持されにくくなる。
前記大径部１３の間隔Ｐが２．５ｍｍよりも大の場合には、微生物の付着面積が低下すると同時に、前記小径部１５で構成される表面の凹部における開口程度が大になり、微生物が保持されにくくなる。一方、大径部間の間隔Ｐが０．８ｍｍより小の場合には、前記小径部１５で構成される表面の凹部が深くなりすぎて、前記微生物担体１０を水中に投入した際に小径部１５に空気が閉じ込められやすくなり、水沈降性が低下するようになる。また、汚水浄化槽における水圧および微生物担体の充填量によって、大径部１３の間隔Ｐを適正にすることで、処理量や負荷量を調整することが好ましい。
なお、前記微生物担体１０の形状は、全て一定でもよいが、長さ、外径、Ｄ／ｄ、大径部１３の間隔および波形状そのものが所定範囲でランダムに変化していてもよい。

前記微生物担体１０を構成する非多孔質体は、ポリオレフィン系樹脂と無機粉末、さらには適宜含まれる非相溶性樹脂とからなる樹脂原料を、押出機から気相中に押し出してストランドを形成させることによって外周面に前記大径部１３と小径部１５を形成し、水相中で冷却後に所定長でカットしたものからなる。

前記ポリオレフィン系樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）樹脂、ポリスチレン（ＰＳ）樹脂等を挙げることができ、それらが単独で又は二種類以上組み合わせて使用される。特にポリエチレン樹脂は、本発明において好適なポリオレフィン系樹脂の一つである。ポリオレフィン系樹脂の量は、非多孔質体１００質量％中、３０〜９０質量％が好ましく、特に３０〜７０質量％が好ましい。３０質量％未満の場合には波形状の凹凸が形成されにくくなり、また非多孔質体の結合力が弱くなるため、成形時にはストランドが切断しやすく、かつ水中では微生物担体の形状が保持しにくい。一方９０質量％を超える場合には非多孔質体の比重が１未満になって微生物担体１０の水沈降性が低下（悪化）する。

前記無機粉末としては、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、ゼオライト、タルク、酸化チタン、チタン酸カリウム、水酸化アルミニウム等を挙げることができ、それらの一種あるいは複数種類を組み合わせて使用することができる。特に炭酸カルシウムは好適である。無機粉末は、前記微生物担体１０を構成する非多孔質体の比重を増大させる作用を有する。無機粉末の量は、非多孔質体１００質量％中、１０〜７０質量％が好ましく、特に３０〜５０質量％が好ましい。１０質量％未満の場合、非多孔質体の比重が１未満になって微生物担体１０の水沈降性が低下（悪化）し、一方、７０質量％を超える場合には、波形状の凹凸が形成されにくくなり、また結合力が弱くなって水中で微生物担体１０が分離し易くなる。

前記非相溶性樹脂は、前記ポリオレフィン系樹脂とは異なる樹脂であって、前記ポリオレフィン系樹脂よりも溶解度パラメータδ（ＳＰ値）が１〜５（ＭＪ／ｍ^３）^１／２大きいものが好ましい。ＳＰ値の差が１（ＭＪ／ｍ^３）^１／２未満では、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂およびポリプロピレン（ＰＰ）樹脂中において相溶化しやすく、波形状の凹凸を発生させる作用を生じにくく、逆に、ＳＰ値の差が５（ＭＪ／ｍ^３）^１／２より大きい場合、押し出し成形時にストランドが切断されやすく、微生物担体として長期使用時に分離しやすくなる。

前記非相溶性樹脂としては、アクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル：ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙げることができ、それらの一種類あるいは複数種類を組み合わせて使用することができる。特にアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂およびＡＢＳ樹脂は、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂およびポリプロピレン（ＰＰ）樹脂よりもＳＰ値が大きく、その差は１〜５（ＭＪ／ｍ^３）^１／２であるため、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂やポリプロピレン（ＰＰ）樹脂と混合されると、押し出し成形時にダイ内壁面で臨界せん断応力を超え、表面に波形状の凹凸を発生させやすく、好ましいものである。前記非相溶性樹脂は、前記非多孔質体に適宜含まれる添加剤であり、非多孔質体に含まれることによって、大径部の平均外径と小径部の平均外径の比（Ｄ／ｄ）を大きくする作用があるため、前記無機粉末の含有量を増加させ、波形状の凹凸が形成されにくい場合でも波形状の凹凸を形成させることができ、それにより微生物担体１０の水沈降性を向上させることができる。前記アクリル樹脂は、前記非多孔質体に含有させる場合、前記非多孔質体１００質量％中１〜２０質量％が好ましい。１質量％未満の場合、アクリル樹脂による効果が得られず、一方、２０質量％を超える場合には、ポリオレフィン系樹脂の含有量が少なくなって成形しにくくなり、Ｄ／ｄが小さくなる傾向にある。

なお、溶解度パラメータδ（ＳＰ値）は、フェダーズ（Fedors）の方法により決定される２５℃におけるポリマーの繰り返し単位の値を指す。当該方法は、R.F.Fedors,Polym.Eng.Sci.,14(2)，147(1974)に記載されている。即ち、求める化合物の構造式において、原子および原子団の蒸発エネルギーとモル体積のデータより次式により決定される。
δ＝（ΣΔｅｉ／ΣΔｖｉ）^１／２
ただし、式中、ΔｅｉおよびΔｖｉは、それぞれ原子または原子団の蒸発エネルギーおよびモル体積を表す。求める化合物の構造式はＩＲ、ＮＭＲ、マススペクトルなどの通常の構造分析手法を用いて決定する。

図３は前記微生物担体１０の製造装置の概略図である。前記製造装置３０は、押出機（単軸又は多軸押出機）３１、水中冷却槽３３、ストランドカッター（引き取り装置及び切断装置）３５からなる。前記製造装置３０を用いる微生物担体１０の製造は、次のようにして行われる。まず、前記ポリオレフィン系樹脂、無機粉末、及び適宜添加する非相溶性樹脂を前記の量で押出機３１に投入し、前記押出機３１内で溶融混練して押出機３１から気相中に非多孔質状態で表面に波形状の凹凸を有するストランド状に押し出し、水中冷却槽３３中を通して冷却硬化させ、前記ストランドをストランドカッター３５の引き取り装置で引き取って、切断装置で切断し、ペレット化する。なお、前記非多孔質体を形成する混合材料を、バレル温度、ダイの形状、吐出量を調整して、ダイ内において前記混合材料のもつ臨界せん断応力以上とすることで、ストランド表面に波形状の凹凸を発生させる。その際、前記引き取り装置３５によるストランドの引き取り速度は、押し出し速度に対して相対的に変化させることで波形状の凸部である大径部間の距離を調整することができる。これにより、汚水浄化槽における水圧および微生物担体の充填量によって、大径部１３の間隔Ｐを適正にすることができ、処理量や負荷量を調整することができる。前記押し出し速度の好ましい例として４．０〜８．０ｍ／分を挙げる。この範囲よりも遅いと、臨界せん断応力を得られず、逆に早すぎると、ダイのせん断発熱が高くなって樹脂粘度が低下するため、表面に波形状の凹凸が得られない。前記引き取り速度の例として５．５〜１６．０ｍ／分を挙げる。前記大径部１３と小径部１５を交互に形成したストランドを、前記ストランドカッター３５の切断装置で所定長のペレットに切断して前記微生物担体１０を得る。

以下の原料から、表１、表２に示す配合とし、図３に示した製造装置３０を用いて実施例１〜１５、比較例１〜３の微生物担体を製造した。
・ポリオレフィン系樹脂１：ポリエチレン樹脂、品名；ニポロンハード５７００、ＭＦＲ１．０（ｇ／１０ｍｉｎ）、東ソー社製
・ポリオレフィン系樹脂２：ポリエチレン樹脂、品名；ニポロンハード２５００、ＭＦＲ８．０（ｇ／１０ｍｉｎ）、東ソー社製
・無機粉末：炭酸カルシウム、品名；ＢＦ３００、備北粉化工業社製
・アクリル樹脂：品名；アクリペットＶＨ−００１、三菱レイヨン社製
・ポリカーボネート：品名；パンライトＬ１２２５、帝人化成社製
・ＡＢＳ樹脂：品名；ＰＡ７６７Ｒ、チーメイ社製
・親水化剤：木粉
・発泡剤：重曹（炭酸水素ナトリウム）、東ソー社製
押出機は、品名；二軸押出機ＫＴＸ３０、神戸製鋼社製であり、押出機の条件は、ダイ３ｍｍφ×４つ、バレルおよびダイ温度１８０℃、吐出量４０ｋｇ／時、押し出し速度５．５ｍ／分、スクリュー回転数４００ｒｐｍである。また、微生物担体の長さ（ストランドの切断長さ）は３ｍｍであり、引き取り速度は各々表１及び表２に示すとおりである。

実施例１〜１５、比較例１〜３の微生物担体に対して、見掛け密度（ｇ／ｍｌ）、比重、大径部の平均外径Ｄ（ｍｍ）、小径部の平均外径ｄ（ｍｍ）、径比Ｄ／ｄ、大径部間距離（ｍｍ）、水沈降性（％）について測定した。見掛け密度の測定はＪＩＳ Ｋ ７３６５：１９９９、比重の測定はＪＩＳ Ｋ ７１１２：１９９９ Ｂ法に従って行った。大径部の平均外径の測定および小径部の平均外径の測定はノギスにより１／１００ｍｍの単位でｎ＝５測定した平均値である。水沈降性は５０個のペレット（微生物担体）を表面が水に濡れるように水槽表面で水に付着した後、２０ｃｍの水深の水槽に２分間放置した場合における該水槽底部へ沈殿したペレット数の百分率である。沈降速度は、ペレットを表面が水に濡れるように水槽表面で水に付着した後、水深２０ｃｍ水槽において、水槽上部から底部への落下時間をストップウォッチにて測定し、５個の平均を算出した。実施例及び比較例の測定結果を表１、表２の下部に示す。

なお、比較例１は図４の（４−１）に示す比較例１の外周面に対する電子顕微鏡写真のように、外周面に微細な凹凸面が形成されるものの、小径部と大径部が測定可能な波形状ではなく測定できなかった。比較例２は外周面に波形状の凹凸が存在した。比較例３については表面に波形状ができなかった。

実施例１〜１５については、表１の測定結果に示すとおり、比重が１より大きく、水沈降性が１００％と良好であった。また、非多孔質物質からなって、大径部の平均外径と小径部の平均外径の比（Ｄ／ｄ）を１．０３〜１．２８、大径部間距離を０．８６〜２．１４と調整することができた。なお、図４の（４−２）は、実施例２の外周面に対する電子顕微鏡写真であり、実施例２の外周面に大径部と小径部が交互に明確に形成されている。これにより、実施例１〜１５では、担体表面にのみ微生物を適正量付着させることができるため水処理能力に優れ、かつ水中で長時間使用しても水中汚染を生じることもなく、その上、微生物の発生するガスによる浮力も発生することがない嫌気性処理に好適な微生物担体を得ることができた。

一方、発泡剤および親水化剤を含んだ比較例１は、表２の測定結果に示すとおり、水沈降性が０％であり、さらに外周面に微細な凹凸面が形成されるものの、表面の凹凸を擦ると削れてしまい、嫌気性処理に不適であった。また、無機粉末の添加量が本発明構成より少ない比較例２は、表２の測定結果に示すとおり、水沈降性が０％であり、嫌気性処理に不適であった。また、ＭＦＲが５（ｇ／１０ｍｉｎ）以上のポリオレフィン系樹脂を用いた比較例３は、水沈降性は良好であったものの、表面に波形状ができず微生物を適正量付着させることができなかった。

１０ 微生物担体
１３ 大径部
１５ 小径部

Claims (3)

1. 微生物を表面に保持する微生物担体において、
   前記微生物担体は非多孔質体からなり、
   前記非多孔質体は、該非多孔質体の１００質量％中にメルトマスフローレイト（ＪＩＳ Ｋ７２１０：１９９９）が０．０１（ｇ／１０ｍｉｎ）以上５（ｇ／１０ｍｉｎ）未満であるポリオレフィン系樹脂３０〜９０質量％と無機粉末１０〜７０質量％を含み、比重が１より大で、外周面に相対的に外径の大きい大径部と相対的に外径の小さい小径部とが交互に存在する波形状の凹凸を有することを特徴とする微生物担体。
2. 前記非多孔質体の１００質量％中には、前記ポリオレフィン系樹脂に非相溶性樹脂を１〜２０質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の微生物担体。
3. 前記無機粉末が炭酸カルシウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の微生物担体。
   

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