JP2017209647A - 水処理用微生物の包括担体、水処理方法、包括担体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水処理用微生物を固定する担体を提供する。
【解決手段】本発明の包括担体１０は担体１１と、担体１１表面上に形成された包括固定層１５とを有する。包括固定層１５は水溶性高分子化合物のゲルを含み、このゲルで水処理用微生物１９が包括固定されている。包括担体１０は予め水処理用微生物を保持しているので、水処理での使用開始から短時間で所望の水処理性能を発揮する。また、水処理微生物は包括担体１０表面の包括固定層１５で固定され、被処理水から水処理微生物への処理対象物質の供給、水処理微生物から被処理水への代謝物の排出がスムーズに行われるので、水処理用微生物の活性も高くなる。
【選択図】図５

Description

本発明は、水処理用微生物を包括固定した包括担体、包括担体を利用した水処理方法、及び包括担体の製造方法に関する。

近年、製造事業所、養殖場などの用水処理、水道水用の上水処理、更には、生活排水、製造事業所排水などの排水処理を含む多様な水処理において、自然付着又は人工的に固定した微生物を利用する方法が広く用いられている。

（ｉ）原水（被処理水）に含まれる微生物を水処理工程中に自然付着させる方法としては、生物膜処理装置や生物活性炭処理装置の充填層に担体を充填する方法があり、原水を通すことで担体に微生物が自然付着し、その微生物により汚濁物質の分解除去が可能となる。

（ｉｉ）人工的に固定した微生物を利用する方法としては、水処理に有用な微生物を予め付着（固定）させた担体を製造して利用する方法があり、具体的には、微生物付着担体を曝気槽などの生物処理水槽に投入し、空気などで担体を流動させることにより、原水と担体が接触し、付着する。微生物が付着した担体を、汚濁物質を含む処理水に接触させると、その微生物が汚濁物質を浄化する。

これら微生物付着担体は、例えば下記のような方法で水処理に使用される。

１）流動担体による有機物分解を利用した生物処理（図１）
生物処理水槽（曝気槽）内に流動担体を投入し、流動担体に付着する微生物によりＢＯＤ成分を酸化分解処理する方法である。なお、ＢＯＤは生物化学的酸素要求量（Ｂiochemical Ｏxygen Ｄemand）の略語であって、有機性排水中の有機物量の指標である。

２）生物活性炭を組込んだ浄水処理（図２）
図２のフローは生物活性炭を組み込んだ浄水処理の一例である。水道原水の有機物やアンモニア除去のため、生物活性炭処理（ＢＡＣ処理：Ｂiological Ａctivated Ｃarbon）、即ち、原水をオゾン処理後に活性炭吸着池へ通水することで、活性炭表面に自然付着した微生物（主に硝化細菌）により、原水中の有機物やアンモニア態窒素を酸化（硝化）させ、有機物やアンモニア態窒素を除去する。例えば、アンモニア態窒素の除去により、後段の消毒用塩素の使用量が削減可能になるだけではなく、浄水処理工程中での塩素による消毒副生成物（トリハロメタンなど）の有機塩素化合物の生成が抑制される。

尚、浄水工程は図２のフローに限定されず、変形フローとして、オゾン接触→活性炭吸着処理→砂ろ過の各工程を含む処理フローや、砂ろ過→オゾン接触→活性炭吸着処理→砂ろ過の各工程を含む処理フローなどもある。

３）流動担体による窒素含有排水の硝化及びアンモニア脱窒素処理（図３）
図３のフローは窒素含有排水の処理を示しており、硝化用の流動担体槽では、好気的条件下で窒素含有排水と流動担体とを接触させる。この流動担体には硝化細菌が固定されており、窒素含有排水のアンモニア態窒素が亜硝酸イオンになる。この排水は次に、アンモニア脱窒素用の流動担体槽へ送られ、嫌気性アンモニア酸化細菌（いわゆるアナモックス菌）が固定化された流動担体と接触して、窒素含有排水中のアンモニア態窒素と亜硝酸イオンとが反応し、窒素ガスとなり、アンモニア態窒素が除去された処理水が得られる。

４）有機性処理の流動担体による嫌気性処理（図４）
有機性排水をメタン発酵菌により分解して嫌気性処理するメタン発酵処理では、凝集性があり固液分離性に優れたグラニュール汚泥を用いる方法と、担体を用いる方法とがある。以下に、担体を用いる方法について説明する。

処理過程で担体の表面に、メタン発酵菌などの嫌気性微生物が付着し、これらの微生物によって有機性排水の有機物が分解処理される。

担体を用いる方法では、嫌気性処理槽内で担体が流動する流動担体と、水槽内部に担体が固定された固定床とがある。固定床は、固定床の閉塞や有機性排水の短絡流が発生する可能性が高く、処理性能が安定化しないために、流動担体を用いる嫌気性処理が一般的である。

嫌気性処理方式は、３０℃〜３５℃を至適温度とした中温メタン発酵処理、５０℃〜５５℃を至適温度とした高温メタン発酵処理がある。有機性排水のメタン発酵処理では、消化ガスが処理過程で発生するため、上向流方式の嫌気性処理装置が一般的である。装置下部から有機性排水を流入させて、メタン発酵が付着する担体と有機性排水を接触させて有機性排水の有機物（二-クロム酸カリウムによる酸素要求量、ＣＯＤ_Ｃｒ：ＣhemicalＯ xygen Ｄemand Ｃr）を処理する。

有機性排水を嫌気性処理槽に導き、担体が投入された嫌気性処理槽で担体表面に付着する微生物により有機物を炭酸ガスとメタンガス（消化ガス）などに分解する。嫌気性処理水は、その放流先によっては好気性処理や凝集沈殿処理などの仕上処理をする場合があり、または、嫌気性処理水をそのまま下水道に放流したり、好気性処理して公共水域に放流する。

この上向流嫌気性処理装置に適用できる流動担体は、微生物が付着しやすい粒状活性炭が一般的であり、その性状は流動性を考慮して有効径０．１ｍｍ〜２ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜０．７ｍｍで、均等係数は１．１〜１．５であることが知られている。

このように、微生物を利用した水処理方法は多様な方式が公知であり、例えば、自然付着させる方法（ｉ）としては、特許文献２が表面に微生物を付着させる付着担体を開示している。この担体表面や内部には、使用開始前では水処理に有用な微生物が付着しておらず、生物処理水槽で担体を投入後に自然発生的にあるいは、種汚泥として添加された汚泥が担体表面に付着、成長することで、処理過程中に、水処理に有用な微生物が付着した担体が得られる。この付着担体では、担体表面に水処理に有用な微生物が付着し、薄い生物膜を形成する。

人工的に固定した微生物を利用する方法（ｉｉ）としては、特許文献１が水処理用担体（以下、担体と称する）として、有機性高分子を主成分とするゲルの中に微生物を固定化した包括固定化担体を開示している。この担体は、水溶性有機性高分子を主成分とするゲルの中に、水処理に有用な微生物を固定化した包括固定化担体であって、この固定化担体は全体に水処理に有用な微生物が存在し、微生物量としては多い担体であることが知られている。

特公昭６４− ９０７２号 特開平 ５− ２７１４２５号 特開昭６１− ２０４０８９号 特開平１１− ３３５７７号 特開２００７−２５３０７８号

しかし、上述した従来技術の方法（ｉ）、（ｉｉ）には以下の問題があった。

先ず、（ｉ）の方法では、使用する担体表面に水処理に寄与する微生物が自然付着するまでには長期間が必要であり、その結果試運転期間が長くなる。特に、アンモニア態窒素を酸化させる硝化細菌は増殖速度が遅く、十分な量の菌体が付着するまでに長時間を要する。このため、水処理における所定の性能が発揮できるまでには時間がかかり、例えば図３の処理において、処理水の要求される水質を達成させるためには、流入排水量の制限が必要であった。しかも、特許文献２のような従来の担体では、付着生物量が少ない事も課題として挙げられる。

次に、（ｉｉ）の方法の例として挙げた特許文献１では、予め微生物を固定しているため、初期の微生物量は多く設定可能なものの、内部に固定した微生物への酸素、基質、塩類等の供給だけではなく、炭酸ガスなどの代謝物の担体外部への排出も困難であり、その結果、固定した微生物の活性が低下する欠点があった。

本発明は、上記課題を鑑み成されたものであり、その目的は、運転立ち上げ時間を短縮し、かつ、微生物活性が低下しにくい水処理用の包括担体を提供し、更には、その包括担体を用いた水処理方法をも提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の包括担体は以下の構成を具備する。

（１）本発明の包括固定層は、水に対し不溶性の担体と、この担体上に形成された包括固定層とを有する。包括固定層は水溶性高分子化合物のゲルで主に形成され、このゲルで水処理用微生物が包括担体の表面部分に包括固定されている。

（２）担体としては粒状活性炭などの無機粒状担体を用いることが可能であり、包括固定層の原料となる水溶性高分子化合物としては、アルギン酸ナトリウム、界面活性剤、でんぷん、ゲランガム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレートからなる群より選択される少なくとも１種の化合物を用いることが可能である。

更に本発明は上記包括担体を用いた水処理方法及び包括担体の製造方法をも提供する。具体的には以下の通りである。

（３）上記包括担体を用いて被処理水を処理する水処理方法であって、硝化細菌を含む水処理用微生物を包括固定して包括担体とし、この包括担体を処理装置に充填し、水道原水を、例えば上向流又は下向流で通水して水処理を行う。

（４）上記包括担体を用いて被処理水を処理する水処理方法であって、嫌気性アンモニア酸化細菌を含む水処理用微生物を包括固定して水処理用微生物の包括担体とする。このアンモニア酸化細菌は嫌気性菌であるから、亜硝酸態窒素を含有する被処理水と包括担体を嫌気性条件で接触させることで、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素を除去することができる。

（５）上記包括担体を用いて被処理水を処理する水処理方法であって、油脂分解微生物を含む水処理用微生物を包括固定して水処理用の包括担体とする。上記油脂分解微生物は好気性微生物を含み、包括担体を被処理水と好気性条件で接触させることで、被処理水中の油脂を除去する。

（６）上記包括担体を製造する方法では、水溶性高分子化合物と水処理用微生物とを担体に付着させた後、ゲル化剤などを用いて前記担体に付着した水溶性高分子化合物をゲル化させ、水処理用微生物を多量に含む包括固定層を形成する。

本発明の包括担体は水処理用微生物を予め包括固定しているので、使用開始から短時間で所望の水処理性能が発揮可能である。しかも、水処理用微生物は、包括固定層により、包括担体の表面部分で固定されているので、被処理水からの栄養源（処理対象物質も含む）や酸素が微生物に供給され易く、しかも微生物の代謝物は外部に排出され易いので、高い微生物活性を維持可能である。

図１は有機性排水の生物処理の概略を示すフローチャートである。 図２は浄水高度処理の概略を示すフローチャートである。 図３は窒素含有排水の処理の概略を示すフローチャートである。 図４は有機性排水の嫌気性処理の概略を示すフローチャートである。 図５（ａ）は本発明の水処理用微生物包括担体の第一例を説明する平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ切断線断面図である。 図６（ａ）は本発明の水処理用微生物包括担体の第二例を説明する斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ切断線断面図である。 図７は本発明の水処理微生物包括担体の第三例を模式的に説明する図面である。 図８は第１の製造例の具体的工程を示すフローチャートである。 図９は第２の製造例の具体的工程を示すフローチャートである。 図１０は第３の製造例の具体的工程を示すフローチャートである。 図１１は第４の製造例の具体的工程を示すフローチャートである。 図１２は水処理方法の第一例を説明するフローチャートである。 図１３は水処理方法の第二例を説明するフローチャートである。 図１４は水処理方法の第三例を説明するフローチャートである。 図１５は水処理方法の第四例を説明するフローチャートである。 図１６はアンモニア態窒素除去率と時間との関係を示すグラフである。 図１７は油脂分解と処理時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明を具体的に説明するが、本発明は特定の具体例に限定されるものではない。

［包括担体］
図５〜７は、本発明の水処理用微生物包括担体（以下、包括担体と称する）の具体例を示す図面であり、本発明の包括担体１０、２０、３０は、いずれの場合も核（コア）となる担体１１、２１、３１と、担体１１、２１、３１の表面上に配置された包括固定層１５、２５、３５とを有し、包括固定層１５、２５、３５には水処理用微生物１９が包括固定されている。以下により詳細に説明する。

＜担体＞
担体１１、２１、３１の形状は特に限定されないが、図５の担体１１の形状は粒状、球状、円柱状である。なお、球状とは真球のみならず、楕円体（扁球体）、葉巻型を含む概念であり、表面に凹凸が形成されたものも含む。また、「粒状」とは、粒度表示が１５０μｍ以上のものを意味する（ＪＩＳ Ｋ１４７４参照）。

図６の担体２１の形状は内部に空洞が形成された円柱状担体、すなわちパイプ状（マカロニ状）である。

図７の担体３１の形状はその内部に３次元網目構造を有する立方体または直方体である。

いずれの形状の担体１１、２１、３１を用いた場合も、包括担体１０、２０、３０の全体形状は、担体１１、２１、３１の形状が反映される。すなわち、包括担体１０、２０、３０の全体形状は、担体１１、２１、３１の形状をやや拡大した同形状となる。

例えば、図５（ａ）、（ｂ）では球状の担体１１に包括固定層１５が形成され、包括担体１０の全体形状が略球状になっている。

他方、図６（ａ）、（ｂ）では筒状（パイプ状）の担体２１に包括固定層２５が形成され、包括担体２０の全体形状が筒状になっている。なお、筒状とは貫通孔が形成された形状であれば特に限定されず、パイプ状のみならず、矩形筒状（中空の直方体）やその他筒形状をも含む概念である。いずれの筒形状を採用した場合も、担体２１には、筒の一端ら他端まで貫通する孔が形成された中空形状となっているので、担体２１の外周側面、両端のみならず、その内周側面にも包括固定層２５が形成される（図６（ｂ））。

更に、図７に示すような３次元網目構造を持つ包括担体３０の場合は粒状よりも大径のブロック状（直方体、立方体等）とすることも可能である。この包括担体３０では、担体３１が３次元網目構造の骨格を形成しており、その骨格表面上に後述する包括固定層３５が形成される。包括固定層３５は、骨格と骨格との間の間隙を完全には閉塞しない程度の厚さに形成されており、閉塞されていない間隙が通水路となり、被処理水は包括固定層３５に接触しながら通液可能になっている。

担体１１、２１、３１の材質は特に限定されないが、包括担体１０、２０、３０の形状を維持し、かつ、包括固定層１５、２５、３５を保持するため、水に対し不溶性の材料を主成分とする。

水不溶性材料は、砂、セラミックス、活性炭などの無機材料、樹脂やウレタンフォーム等の合成高分子物質などを用いることが可能である。無機材料として活性炭を使用する場合、その種類も特に限定されず、石炭、ヤシ殻、新炭、劣化炭、再生炭など公知のものを用いることができる。

また、３次元網目構造を持つ担体３１としては、気泡（特に連続気泡）が形成された樹脂発泡体、繊維成形品の他、水ｉｎｇ（株）社製の商品名「エバフォーム」、日清紡ケミカル（株）社製の商品名「ＡＰＧ」（寸法１０ｍｍ）、（株）ブリジストン社製の商品名「エバーライトＳＦ」、型番「ＱＰ−１６」などの多様な市販品を用いることもできる。

これら水不溶性材料のうち１種類のみで担体１１、２１、３１を構成してもよいし、２種以上を組み合わせて担体１１、２１、３１を構成してもよい。

担体１１、２１、３１の大きさも特に限定されず、担体１１、２１、３１の材質や包括担体１０、２０、３０の用途に合わせて適宜変更可能である。

例えば、水槽内等での流動状態で使用する流動担体の場合、合成高分子物質などの軽質材料、具体的には樹脂（ポリエチレン等）や３次元網目構造体（ウレタンフォーム等）を主成分として用いることが好ましい。

上述したように、包括担体１０、２０、３０の形状は担体１１、２１、３１の形状をやや拡大した形状となるので、担体１１、２１、３１の大きさは包括担体１０、２０、３０の大きさによって決定される。好気性処理での流動担体として使用する場合の包括担体１０、２０、３０の好ましい大きさは下記の通りである：

‐包括担体１０の大きさは有効径が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍである。有効径が０．５ｍｍ未満では処理水への流出量が増加し、２．０ｍｍを超えると撹拌用空気量が増加したり、被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体２０の大きさは内径が２．０ｍｍ〜１０ｍｍ、外径が４．０ｍｍ〜２０ｍｍ、長さが２．０ｍｍ〜４０ｍｍである。内径や長さが２．０ｍｍ未満ではスクリーンで分離できず処理水への担体流出量が増加する。また、包括担体２０の大きさが、内径１０ｍｍ、外径２０ｍｍ、長さ４０ｍｍの上限値のいずれか１つ以上を超えると撹拌用空気量が増加したり、被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体３０の大きさは一辺が５．０ｍｍ〜３０ｍｍである。１辺の長さが５．０ｍｍ未満ではスクリーンで分離できず処理水への担体流出量が増加し、３０ｍｍを超えると撹拌用空気量が増加する。

嫌気性処理での流動担体として使用する場合の包括担体１０、２０、３０の好ましい大きさは下記の通りである：

‐包括担体１０の大きさは有効径が０．１ｍｍ〜２．０ｍｍである。有効径が０．１ｍｍ未満では処理水への流出量が増加する。２．０ｍｍを超えると被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体２０の大きさは内径が２．０ｍｍ〜１０ｍｍ、外径が４．０ｍｍ〜２０ｍｍ、長さが２．０ｍｍ〜２０ｍｍである。内径や長さが２．０ｍｍ未満では分離できず処理水への担体流出量が増加する。内径１０ｍｍ、外径２０ｍｍ、長さ２０ｍｍの上限値のいずれか１つ以上を超えると被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体３０の大きさは1辺が５．０ｍｍ〜３０ｍｍである。一辺の長さが５．０ｍｍ未満では分離できず処理水への担体流出量が増加し、３０ｍｍを超えると被処理水との接触効率は低下する。

充填塔に充填して固定床として使用する場合の包括担体１０、２０、３０の好ましい大きさは下記の通りである：

‐包括担体１０の大きさは有効径が０．５ｍｍ〜５ｍｍである。０．５ｍｍ未満では固定床の通水抵抗が高く、閉塞する可能性があり、５ｍｍを超えると被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体２０の大きさは内径が０．５ｍｍ〜５．０ｍｍ、外径が１．０ｍｍ〜１０ｍｍ、長さが２．０ｍｍ〜１０ｍｍである。内径が０．５ｍｍ未満では固定床の通水抵抗が高く、内径５．０ｍｍ、外径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍの上限値のいずれか１つ以上を超えると被処理水との接触効率は低下する。

‐包括担体３０の大きさは一辺が５．０ｍｍ〜３０ｍｍである。１辺の長さが５．０ｍｍ未満では３次元網目構造のために固定床の通水抵抗が高く、３０ｍｍを超えると被処理水との接触効率は低下する。

上述したように、流動担体としての用途では、主に合成高分子物質を主成分とする担体１１、２１、３１を使用することが好ましい。合成高分子物質の担体１１の場合は、ポリウレタンフォーム、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、セルロースなどで市販品の球状担体が使用できる。これら担体１１は、製造面から球状で、流動化しやすいように比重は１近傍に調整されている。

なお、３次元網目構造を持つ包括担体３０を使用する場合は、担体３１が大きくても被処理水の接触効率が低下しないので、その大きさ、形状、用途は特に限定されず、また、担体３１の密度も特に限定されない。しかし、水槽内において流動状態で使用する場合、担体を流動させる空気や撹拌羽根による機械撹拌動力低減を考慮すると、３次元構造を持つ担体３１、それ以外の粒状担体１１、２１のいずれの場合も、担体１１、２１、３１の比重は１．０〜１．３が好ましく、より好ましくは１．０〜１．１である。

なお、充填塔などの内部に充填して充填層（固定床）で水処理する場合、形状や比重に制限はなく、球状、粒状、破砕状等の不定形形状、円柱状担体、筒状担体など多様な担体１１、２１、３１を使用可能である。

いずれの材質、形状を採用する場合でも、上記担体１１、２１、３１の表面上には包括固定層１５、２５、３５が形成される。次に、包括固定層１５、２５、３５について詳細を説明する。

＜包括固定層＞
包括固定層１５、２５、３５は担体１１、２１、３１の表面上に直接又は下地層（接着剤層、シランカップリング剤等）を介して形成され、担体１１、２１、３１の表面を被覆する層である。

包括固定層１５、２５、３５は、担体１１、２１、３１全体を被覆する必要がなく、担体１１、２１、３１の一部が露出してもよいが、後述する水処理の効率を考慮すると、担体１１、２１、３１表面の面積の少なくとも５０％以上、好ましくは９０％以上を包括固定層１５、２５、３５で被覆し、包括担体１０、２０、３０表面や、包括担体３０内部の通水路には、包括固定層１５、２５、３５が露出することが好ましい。

包括固定層１５、２５、３５の厚さも特に限定されず、包括担体１０、２０、２０の用途やゲルの種類などを考慮して適宜変更可能である。

一例を述べると、水処理を好気性条件下で行う場合、粒状の担体１１、２１、３１に形成する包括固定層１５、２５、３５の厚さは、０．０１〜１ｍｍが好しい。厚さが０．０１ｍｍ未満では、水処理に寄与する微生物などの量が少ないために水処理性能が発揮できず、厚さが１ｍｍを超えると包括固定層の内部まで十分に酸素が届かなくなるので、包括固定層１５、２５、３５全体が嫌気状態になり処理性能が悪化する。

また、好気性条件下であっても、アンモニア態窒素を好気性処理する場合、具体的には、好気性処理の対象である有機性炭素（ＴＯＣ：Ｔotal Ｏrganic Ｃarbon）濃度が１０ｍｇ/Ｌ未満と少なく、１ｍｇ/Ｌ未満のアンモニア態窒素が存在する対象水の場合、粒状の担体１１、２１、３１の表面上に形成する包括固定層１５、２５、３５の厚さは０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍが好ましい。この場合、包括固定層１５、２５、３５の厚さが０．０１ｍｍ未満では、アンモニア態窒素を酸化する硝化細菌量が少ないためにアンモニア態窒素処理性能が発揮できない。また、アンモニア態窒素を好気性処理する場合は、対象水の溶存酸素が４ｍｇ/Ｌ未満と少ないことが多く、このような低い溶存酸素濃度では、厚さが０．５ｍｍを超えると包括固定層の内部まで十分に酸素が届かなくなり、硝化細菌等に酸素が外部からは供給されなくなるので、包括固定層全体が嫌気状態となって処理性能が悪化する。

他方、嫌気性条件下で水処理を行う場合、粒状の担体１１、２１、４１表面上に形成する包括固定層１５、２５、３５の厚さは、０．１〜２ｍｍが好しい。０．１ｍｍ未満では水処理に寄与する微生物の量が少ないために水処理性能が発揮できず、粒径が２ｍｍを超えると包括固定層１５、２５、３５の内部で発生したバイオガスの透過が不十分で、バイオガスが内部に留まることで担体自体の浮上など嫌気性処理性能が悪化する。

包括固定層１５、２５、３５は、水溶性高分子化合物がゲル化したゲルを主な構成成分とする。

水溶性高分子化合物はゲル化可能な物質であれば特に限定されず、例えば、多糖類（アルギン酸ナトリウム、でんぷん、ゲランガム、キシログルカン等）、架橋性化合物（ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール）、重合性化合物（（メタ）アクリレート）等多様なものを用いることが可能である。

例えば、担体１１、２１に活性炭を使用する場合、アルギン酸ナトリウム、界面活性剤、でんぷん、ゲランガム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレートからなる群より選択されるいずれか１種以上の水溶性高分子化合物を用いることが好ましい。

水溶性高分子化合物の中でも、ゲル化が容易であり、かつ、ゲル化後には水処理用微生物で分解され難いという点で、アルギン酸ナトリウムと、（メタ）アクリレート（メトキシテトラエチレングリコールメタクリレート等）が特に好ましい。

水溶性高分子化合物をゲル化する方法は特に限定されないが、好ましくは、不溶化剤、重合剤（重合開始剤）、架橋剤（架橋促進剤を含む）、凝集剤からなる群より選択されるいずれか１種以上のゲル化剤を用いてゲル化する。ゲル化剤は、水溶性高分子化合物の種類、使用環境などを考慮し、自由に組み合わせて使用することが可能である。

例えば、水溶性高分子化合物がアルギン酸ナトリウムの場合は、塩化カルシウム、乳酸カルシウムなどの１種以上の水溶性カルシウム塩を不溶化剤として使用し、水溶性高分子化合物がメトキシテトラエチレングリコールメタクリレートの場合はβ−ジメチルアミノプロピオニトリルなどの１種以上の重合剤を使用することができる。

水溶性高分子化合物を重合させてゲル化する場合、耐熱、耐光性に優れた水処理用微生物（バチルス属細菌等）を用いるのであれば、光硬化（紫外線硬化）、熱硬化等の重合法を用いてもよい。

包括固定層１５、２５は、上記のような１種以上のゲルを主成分、即ち５０質量％以上含むものであれば、ゲル以外の成分を含有してもよい。ゲル以外の成分としては、繊維、着色剤、充填剤、ｐＨ緩衝剤、ｐＨ調整剤、栄養源などの１種以上の添加剤を包括固定層１５、２５、３５の原料液に添加して、包括固定層１５、２５、３５に含有させることができる。

ここで、栄養源とは水処理用微生物の繁殖に寄与する栄養成分のことであり、無機塩、有機炭素源（グルコース等）、無機炭素源（炭酸塩等）、微量元素（Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ等）、無機栄養源（Ｐ、Ｓ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎａ等）、補酵素、ビタミン類などがあり、これらを水処理用微生物の種類や用途に合わせて１種以上使用することができる。

更に、包括固定層１５、２５、３５には、水処理用微生物及びその共生微生物の生育を阻害しなければ、防カビ剤や抗菌剤を添加し、水処理用微生物及びその共生微生物以外の微生物を選択的に排除してもよい。

＜水処理用微生物＞
水処理用微生物は特に限定されず、用途に応じて１種以上を用いることができる。ここで、微生物とは、細菌類のみならず、酵母類、真菌類、原生動物、藍藻類、藻類をも含む概念である。

具体的には、硝化細菌（硝酸菌、亜硝酸菌）、嫌気性アンモニア酸化細菌などの独立栄養細菌、バチルス属・シュードモナス属などの従属栄養細菌、カンジダ属(トルラ酵母)などの酵母、メタン菌などの古細菌、その他糸状菌や放線菌など、水質改善効果のある微生物を広く用いることができる。

これら水処理用微生物を包括固定する際に用いる材料は特に限定されず、浄水や用水処理設備から排出される汚泥、工場や水処理設備の洗浄排水（硝化細菌や油脂分解菌などを含む）、土壌の懸濁水、微生物保存機関の分譲株、市販品など多様な供給材料を１種以上使用することができる。

いずれの場合も、水処理用微生物は処理対象物質を直接取り込んで分解する、あるいは処理対象物質の分解に寄与する物質を生成する。処理対象物質の分解に寄与する物質として代表的なものは酵素（細胞外酵素：ｅｘｏｅｎｚｙｍｅ、細胞内酵素：ｅｎｄｏｅｎｚｙｍｅ）であり、酵素は処理対象物の分解に直接又は間接的に関与する。処理対象物の分解に寄与する酵素としては、例えば、リパーゼ、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、グリコシダーゼ、ホスファターゼ、セルラーゼ、アミラーゼ、ペルオキシダーゼなどがあり、水処理用微生物の種類や組合せを選択し、これら酵素を１種以上生成させて処理対象物を分解する。

更には、水処理用微生物と共に、または、水処理用微生物自体は使用せずに、上記のような酵素を１種以上包括させることも可能である。例えば、包括担体の使用時には水処理用微生物の生存数が減少していても、上記のような生成酵素が残存していれば、水処理での使用が可能になる。

なお、水処理用微生物の供給材料には、処理対象物の分解に寄与しない微生物を含有させてもよい。このような微生物としては、例えば水処理用微生物と共生関係にある微生物類がある。

［製造方法］
次に、本発明の包括固定担体１０、２０、３０の製造方法について説明する。包括担体１０、２０、３０の製造方法は特に限定されないが、ゲル化する前の水溶性高分子化合物と、水処理用微生物とを担体１１、２１、３１に付着させた後に、ゲル化剤などでゲル化を行えば、水処理用微生物が包括固定層１５、２５、３５に均一に固定される。以下に具体例を説明する。

＜第１の製造例＞
図８は第１の製造例を説明するフローチャートであり、この製造例では、担体１１として粒状活性炭を、水溶性高分子化合物としてアルギン酸ナトリウムをそれぞれ使用する。

具体的には、２％（ｗｔ／ｗｔ）アルギン酸ナトリウム（試薬、和光純薬工業（株）製）の水溶液５Ｌに、水処理用微生物の供給材料である活性汚泥（硝化細菌を含むし尿処理場の余剰汚泥、汚泥濃度：３０００ｍｇ/Ｌ）を添加し、約１０分間室温にて混合して混合物（包括固定層の原料液）を作製する（ステップ１）。

次に、担体１１である粒状活性炭（含水率５質量％以下）１Ｌを上記ステップ１の混合物に浸漬し、室温で約５分間混合する（ステップ２）。

混合後の担体１１を目開き０．５ｍｍの金網で引き上げ、ステップ１の混合物が付着した担体１１を余剰混合物から分離する（ステップ３）。

次に、引き揚げた担体１１を、塩化カルシウムを３質量％含むゲル化剤水溶液５Ｌに浸漬し、２０℃で約５分間混合する（ステップ４）。担体１１には上記混合物が付着しているので、ゲル化剤との接触により、混合物中のアルギン酸ナトリウムから水不溶性のアルギン酸カルシウムが生成され、その結果、混合物の被膜は水処理用微生物を内部に保持した状態でゲル化する。

ゲル化した担体１１を金網で引き上げてゲル化剤水溶液から分離し、乾燥機で６０℃、５時間乾燥すると本発明の包括担体１０が得られる。

なお、上記具体例では、粒状の担体１１について説明したが、第１の製造例は多様な形状の担体１１、２１、更には３次元網目構造を持つ担体３１を用いた製造にも適している。

＜第２の製造例＞
図９は第２の製造例を説明するフローチャートであり、この製造例では、アルギン酸ナトリウムに代えて（メタ）アクリレートのような重合性化合物を使用する。重合性化合物を使用する場合、重合剤に加え、重合促進剤や架橋剤等の助剤も使用可能であり、これら助剤は、重合剤と混合して使用してもよいし、重合剤とは別に（例えば、水溶性高分子化合物と混合して）使用してもよい。以下により具体的に説明する。

図９に示すように、先ず、容量１０Ｌのポリ容器に、水溶性高分子化合物としてメトキシテトラエチレングリコールメタクリレート２Ｌ、架橋剤としてＮ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド２００ｍｇ、脱塩素水１．２Ｌ、重合促進剤として０．５％β−ジメチルアミノプロピオニトリル１Ｌを添加し、室温で１０分間混合して水溶性高分子化合物溶液の混合物を作製する（ステップ１）。

ステップ１の混合物に、活性汚泥（硝化細菌を含むし尿処理場の余剰汚泥、汚泥濃度：３０００ｍｇ/Ｌ）５Ｌを混合し、混合物を作製する（ステップ２）。

ステップ２の混合物に、担体１１として有効径（１０％通過径）１．２ｍｍの粒状活性炭１Ｌを浸漬し、約５分間混合する（ステップ３）。

ステップ２の混合物が付着した担体１１を、目開き０．５ｍｍの金網で全量引き揚げ、余剰混合物から分離する（ステップ４）。

引き上げた担体１１に、重合開始剤（ペルオクソ二硫酸カリウム）の水溶液０．１Ｌを噴霧し、混合物中のメトキシテトラエチレングリコールメタクリレートを重合させると、担体１１表面に包括固定層１５が形成され、本発明の包括担体１０が得られる。

なお、第２の製造例でも多様な形状の担体１１、２１に適用可能であるが、ステップ４の担体を重合開始剤の水溶液に浸漬するのではなく、単に噴霧又は混合する場合は、３次元網目構造内部に十分量の重合開始剤が供給されないおそれがあるので、３次元網目構造を持つ大型の担体３１には不適切である。よって、この製造方法は、より小径の粒状の担体１１、２１、３１（３次元構造を持つものも含む、好ましくは有効径、外径又は一辺の長さが２０ｍｍ以下）に特に適している。

上記第１、第２の製造例では、混合物に担体１１、２１、３１を浸漬する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。

＜第３の製造例＞
図１０は第３の製造例を説明するフローチャートであり、第三例の製造方法では、担体１１、２１、３１を混合物（包括固定層の原料液）に噴霧して付着させるため、浸漬する方法（バッチ式）と比較して、少量の原料液で製造可能であり、包括担体の大量生産に適している。以下に、より具体的に説明する。

図１０に示すように、先ず、有効径１．２ｍｍの粒状活性炭からなる担体１１を平板上に敷設する（ステップ１）。

次に、容量１０Ｌのポリ容器に、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレート０．２Ｌ、Ｎ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド２０ｍｇ、脱塩素水０．１２Ｌ、０．５％β−ジメチルアミノプロピオニトリル（重合促進剤）０．１Ｌを添加し、柄杓を使用して室温で約１０分間混合し、水溶性高分子化合物の混合物を作製する（ステップ２）。

ステップ２の混合物に、活性汚泥（硝化細菌を含むし尿処理場の余剰汚泥、汚泥濃度：３０００ｍｇ/Ｌ）０．５Ｌを添加し、柄杓で約１０分間混合して混合物を作製する（ステップ３）。

ステップ１で敷設した担体１１の上からステップ３の混合物を噴霧し、担体１１表面に混合物を付着させる（ステップ４）。

更に、担体１１の上から、重合開始剤（ペルオクソ二硫酸カリウム）の水溶液０．１Ｌを噴霧し、担体１１に付着した混合物中のメトキシテトラエチレングリコールメタクリレートを重合、ゲル化させ、包括固定層１５を形成する。

第２例と同様、この製造例も担体１１、２１、３１の形状は限定されないが、大型の担体３１よりもより小径の粒状担体１１、２１、３１の使用が好ましい。

上記第１〜第３の製造例では、水処理用微生物と水溶性高分子化合物の両方を含む混合物に担体１１、２１、３１を浸漬又は噴霧する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。

＜第４の製造例＞
図１１は第４の製造例を説明するフローチャートであり、この製造例では回転体円筒形容器を回転させ、その内部で担体１１、２１、３１に包括固定層１５、２５、３５の原料となる溶液を付着させる。以下により詳細に説明する。

図１１に示すように、先ず、内容積５Ｌの密閉式回転体円筒形容器に、担体１１として有効径１．２ｍｍの粒状活性炭１Ｌを投入する（ステップ１）。

ステップ１の回転体円筒形容器に、水溶性高分子化合物であるメトキシテトラエチレングリコールメタクリレート０．２Ｌと、架橋剤であるＮ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド２０ｍｇと、重合促進剤である０．５％β−ジメチルアミノプロピオニトリルの水溶液０．１Ｌと、脱塩素水０．１２Ｌとを添加し、回転体円筒形容器を密閉し、その円筒の中心軸を中心に一定の角度範囲で往復するように回転させ（往復転倒）、室温で約１０分間攪拌する（ステップ２）。

水処理用微生物として硝化細菌を含む活性汚泥（汚泥濃度：３０００ｍｇ／Ｌ）０．５Ｌをステップ２の容器に添加し、該容器を密閉して約１０分転倒撹拌する（ステップ３）。

更に、重合開始剤（ペルオクソ二硫酸カリウム）の水溶液０．０３Ｌをステップ３の容器に添加し、該容器を密閉して更に１０分間転倒撹拌して水溶性高分子化合物を重合させてゲル化し、包括固定層１５を形成する。

第４の製造例によれば、少量の溶液でも担体１１表面上に均一な被膜を形成することが可能なので、製造効率が高い。

第４の製造例に用いる担体１１、２１、３１は特に限定されないが、球状（真球、扁球）の担体１１を用いると膜厚が均一な包括固定層１５が得られる。

＜その他＞
包括担体１０、２０、３０の製造方法は上記の方法に限定されず、第１〜第４の製造例の１以上のステップを他の製造例のステップで代替し、あるいは、上記第１〜第４の製造例以外の公知の方法で製造することが可能である。

水処理用微生物の供給材料やその使用量は特に限定されないが、供給材料が水処理用微生物以外の物質を含む場合（例：活性汚泥）、包括固定層の原料液（混合物）の供給材料混合比率（固形分濃度）が５質量％未満だと水処理用微生物の量が少なすぎて処理性能が期待できず、混合比率が３０質量％を超えると包括固定層１５、２５、３５の強度低下のおそれがあるので、その混合比率は５〜３０質量％に設定することが好ましい。

担体１１、２１、３１として粒状活性炭を用いる場合は、いずれの製造方法でも乾燥状態の粒状活性炭、すなわち、ＪＩＳ Ｋ１４７４の乾燥減量で規定される含水率が３０質量％以下、好ましくは１０質量％以下、より好ましくは５質量％以下のものを使用することが好ましい。このような乾燥粒状活性炭に流動性の混合物（原料液）を接触させると、混合物は活性炭内部にまで引き込まれ、活性炭の表面のみならず、その内部の細孔にまで包括固定層１５、２５、３５が形成されるため、湿潤状態の活性炭を使用した場合と比較して多量の包括固定層１５、２５、３５が強固に固定して形成される。

担体１１、２１、３１の種類は活性炭に限定されず、上述したような多様な材質、多様な形状の担体１１、２１、３１を本発明の製造方法に用いることができる。

［水処理工程］
本発明の包括担体１０、２０、３０の用途は特に限定されず、上水道用の浄水処理、工場用、水族館用、養殖場用などの用水処理、家庭排水、工場排水などの排水処理、水性生物飼育水槽の水浄化など多様な用途に使用可能である。

具体的な水処理方法も特に限定されず、従来技術のような流動担体処理（図１、３）、固定床（図４）、水道原水の活性炭吸着処理（図２）など多様な用途に使用することができる。以下により具体的に説明する。

＜浄水高度処理フロー＞
図１２は浄水高度処理フローの一例を示している。ここで使用する水処理システムは、オゾン接触池と、活性炭吸着池とを有し、水道原水は、凝集沈殿、砂ろ過等の前処理が行われた後、オゾン接触池でオゾン処理され、オゾン処理水が活性炭吸着池に通水される。

硝化細菌を固定した包括担体１０、２０、３０を用意し、この包括担体１０、２０、３０を活性炭吸着池に投入しておく。包括担体１０、２０、３０は流動担体として使用してもよいが、好ましくは包括担体１０、２０、３０を充填した固定床とし、オゾン処理水を上向流又は下向流で通水する。

通水したオゾン処理水は、包括担体１０、２０、３０に固定された硝化細菌と接触し、オゾン処理水中のアンモニア態窒素が硝酸態窒素や亜硝酸態窒素に酸化され、オゾン処理水から除去される。

本発明では、硝化細菌が包括担体１０、２０、３０上に固定されているため、活性炭吸着池から流出せず、アンモニア態窒素の処理性が安定する。しかも、硝化細菌は、包括担体１０、２０、３０の表面部分（包括固定層１５、２５、３５）に固定されているため、アンモニア態窒素の除去能力が高く、しかも、オゾン処理水からは栄養源としてのアンモニア態窒素のみならず、酸素も供給されるため、硝化細菌のような好気性微生物の活性が長期間維持される。

なお、浄水高度処理フローは、活性炭吸着池での処理を含むものであれば特に限定されず、例えば、凝集沈殿後の処理水をオゾン接触池に直接送り、活性炭吸着池で処理した後の処理水を砂ろ過する方法も採用できる。活性炭処理水または砂ろ過水は塩素消毒などの消毒処理後に排水池から水道水として送水される。

また、硝化細菌の包括担体１０、２０、３０を活性炭吸着池に充填する場合、既存の担体や吸着材（活性炭など）と、本発明の包括担体１０、２０、３０を混合して使用することもできる。この場合、既存の担体や吸着材（活性炭等）と、本発明の包括担体１０、２０、３０とを吸着池内で別層になるよう充填してもよいし、混合状態で充填してもよい。例えば、活性炭吸着池の充填層を水洗浄することで、既存の担体や吸着材と、本発明の包括担体１０、２０、３０とが混合状態になる。

なお、図１３、１４のように、一つの水処理方法で複数の生物処理を組み合わせる場合、一以上の生物処理に本発明の包括担体１０、２０、３０を使用すれば、他の一以上の生物処理では、従来技術の担体や、水処理用微生物を単独で使用することも可能である。

＜亜硝酸態窒素含有排水処理フロー＞
図１３は亜硝酸窒素含有排水処理フローの一例を示しており、このフローでは、嫌気性アンモニア酸化細菌（いわゆるアナモックス細菌）を固定した包括担体１０、２０、３０を利用する。このフローで使用するアンモニア酸化細菌の多くは嫌気性菌であるため、包括担体１０、２０、３０を投入したアンモニア脱窒素槽を密閉して嫌気性条件とし、アンモニア脱窒素で発生する窒素ガスでアンモニア酸化細菌包括担体を流動させる。

この方法では、アンモニア態脱窒素槽の前段に硝化槽を設置することが好ましく、この硝化槽には硝化細菌の包括担体１０、２０、３０を投入し、窒素含有排水のアンモニア態窒素を部分亜硝酸化する（ＮＨ_４‐Ｎ ＋ Ｏ_２ → ＮＯ_２−Ｎ）。

部分亜硝酸化された排水をアンモニア脱窒素槽に送ると、この排水中のアンモニア態窒素の半量と排水中の亜硝酸態窒素の半量とが嫌気性アンモニア酸化細菌により分解除去される（ＮＨ_４‐Ｎ ＋ ＮＯ_２−Ｎ → Ｎ_２ ＋ ＮＯ_３−Ｎ）。

従来技術の窒素除去方法としては、アンモニア態窒素を好気性の硝化細菌で硝化し、生成された硝酸イオンなどを従属栄養細菌の脱窒素菌で窒素ガスに分解除去する方法が一般的であった。

硝化細菌は一般細菌と比較して増殖速度が遅く、また嫌気性アンモニア酸化細菌は硝化細菌よりも更に増殖速度が遅いため、水処理可能となるまでの試運転期間（培養期間）が長いという欠点があったが、硝化細菌を固定した包括担体１０、２０、３０と、嫌気性アンモニア酸化細菌を固定した包括担体１０、２０、３０を単独又は組み合わせて、硝化槽や曝気槽などの担体（流動担体）として用いることで、窒素除去の処理性の安定化と向上が可能になる上、試運転期間の短縮をも可能になる。

＜油脂含有排水処理フロー＞
図１４は油脂分解排水処理フローの一例を示している。ここでは、水処理用微生物として、油脂分解微生物を用いて油脂分解用の包括担体１０、２０、３０を作製し、この包括担体１０、２０、３０を油脂分解槽に投入する。油脂分解槽に油脂含有排水を供給し、槽内で油脂分解用の包括担体１０、２０、３０を流動させて、排水中の油脂をグリセリンと有機酸に分解する。

好ましくは、油脂分解槽の後段に好気性処理槽を設置し、この処理槽にグリセリンと有機酸とを含む排水を供給する。好気性処理槽には、従属栄養細菌を固定した包括担体１０、２０、３０を投入しておくと、排水中のグリセリンと有機酸が酸化分解されるので、処理水の有機物残量が低減されるだけではなく、全体の生物処理性能も高まる。

なお、油脂分解微生物は、例えば油脂分解酵素を生産し、その酵素を細胞外と細胞内の少なくとも一方で分泌する微生物である。油脂分解微生物は、細菌（バチルス属、シュードモナス属、アシネトバクター）、真菌類（クモノスカビ属、アスペルギルス属、ケカビ属）、酵母など特に限定されず、これらを１種以上使用可能である。

更には、油脂分解微生物と共に、油脂分解微生物の分解物や代謝物を更に分解する微生物を使用することも可能である。また、油脂分解微生物の油脂分解活性を向上させる物質（界面活性剤等）を添加してもよいし、このような物質（バイオサーファクタント）を生産する微生物を用いることもできる。

＜有機性排水の嫌気性処理フロー＞
図１５は有機物を含む有機性排水の嫌気性処理フローの一例を示しており、嫌気性の水処理用微生物としては、例えばメタン菌を利用する。より具体的には、メタン菌と、メタン菌の供給材料（グラニュール汚泥、嫌気性汚泥）のいずれか１種以上を固定した包括担体１０、２０、３０を作製し、嫌気性処理槽に、その有効容量の１〜２０体積％に当たる包括担体１０、２０、３０を投入する。

嫌気性処理槽に有機性排水を通水すると、その有機物が包括担体１０、２０、３０のメタン菌によりメタンガスや炭酸ガスに分解される。このフローでは有機物が分解除去されるだけではなく、分解物であるメタンガス（バイオガス）を、加温用ボイラーや発電機の燃料として利用可能である。

このフローでは嫌気性処理槽を例に説明したが、嫌気処理槽に換えて他の処理装置、例えば、上向流嫌気性汚泥床嫌気性処理装置（ＵＡＳＢ装置：Ｕpflow Ａnaerobic Ｓludge Ｂlanket ）を用いても良い。この場合、ＵＡＳＢ装置の下部より上向流で通水させて、ＵＡＳＢ装置内部の担体と、メタン菌などで構成されるグラニュール汚泥で有機性排水の有機物がメタンガスや炭酸ガスに分解される。

＜その他＞
本発明の包括担体１０、２０、３０を流動担体として用いる場合は、処理槽の出口部（排出口）にスクリーンを設置し、包括担体の外部流出を防止することが好ましい。

また、本発明の包括担体１０、２０、３０を用いた処理槽と、従来技術の水処理用微生物を利用した処理槽を組み合わせて使用することも可能である。

更に、被処理水には、水処理後の処理水を汚染しない程度に、水処理用微生物の栄養源（栄養剤）を添加することができる。被処理水に添加する栄養源としては、包括固定層１５、２５、３５に添加可能な上述した栄養源、その他栄養源を１種以上使用することが可能である。例えば、水処理用微生物が油脂分解微生物の場合は、窒素やリンを含む栄養剤を被処理水に添加することができる。

以下、本発明を実施例と共に更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
‐第１の製造例（水溶性高分子化合物：アルギン酸ナトリウム）
無機粒状物質からなる担体１１と、水不溶性の合成高分子物質からなる担体２１、３１の下記３種類の担体１１、２１、３１を用意した。

（１）担体１１：無機粒状物質である石炭系破砕炭（新炭）（エバダイヤＬＧ２０Ｓ、水ｉｎｇ（株）製、有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能１１００ｍｇ/ｇ、含水率３％、比重１．５）
（２）担体２１：円筒状の樹脂担体２１（エバフォーム、水ｉｎｇ（株）製、樹脂製、内径６ｍｍ、外径１０ｍｍ、長さ１５ｍｍ、比重２．３）
（３）担体３１：３次元網目構造の担体（エバフォーム、水ｉｎｇ（株）製、発泡体、1辺が１０ｍｍの立方体、比重１．０）

これら３種類の担体１１、２１、３１の表面に、水溶性高分子化合物としてアルギン酸ナトリウムを用い、下記工程で包括固定層１５、２５、３５を作製した。

先ず、微生物の供給材料として、硝化細菌を含む活性汚泥（し尿処理場の余剰汚泥、汚泥濃度：３０００ｍｇ/Ｌ）５Ｌに２質量％アルギン酸ナトリウム（試薬、和光純薬工業（株））水溶液５Ｌを混合し、その混合物に上記（１）の担体１１を１Ｌ添加し、２０℃で約５分間混合したのちに担体１１を引き上げた。この担体１１を３質量％塩化カルシウム水溶液５Ｌに添加し、２０℃で約５分間混合したのちに引き上げ、乾燥機で２０〜４０℃１０時間乾燥し、本発明の包括担体１０を得た。

上記（２）の円筒状担体２１、（３）の３次元網目構造の担体３１についても、（１）の担体１１と同じ方法で包括担体２０、３０を得た。これら包括担体１０、２０、３０の物性を下記のように測定した。
‐包括固定層の厚さ（ｍｍ）
包括固定層の厚さは、包括担体１０、２０、３０の重量と包括固定層１５、２５、３５の重量との差を、担体１１、２１、３１の表面積（ｃｍ^２）と包括固定層１５、２５、３５の比重との積で除し、得た値に更に１０を乗じて厚さ単位をｃｍからｍｍへ換算して算出した。すなわち、包括固定層１５、２５、３５は下記式で示される。

包括固定層厚さ（ｍｍ）＝｛包括担体重量(g)−包括固定層を除去した担体重量(g)｝
÷｛担体の表面積（ｃｍ^２）＊包括固定層の比重｝＊１０

なお、上記式中、包括固定層１５、２５、３５の重量は、包括担体１０、２０、３０全体の重量を測定した後、超音波処理にて包括担体１０、２０、３０から包括固定層１５、２５、３５を剥離して剥離された固形物を測定し、その測定値を包括固定層１５、２５、３５の重量とした。包括固定層の比重は１．００であった。

‐硝化細菌数の測定方法
超音波処理にて包括担体１０、２０、３０から剥離した包括固定層１５、２５、３５の１ｇに対し、４℃の滅菌済み生理食塩水（０．９質量％塩化ナトリウム水溶液）１００ｍｌを加え、ホモジナイザーにて完全に破砕し、包括固定層が均一に分散した懸濁液を作製した。下水試験方法２０１２年版第５章第３節１．硝化細菌に記載の硝化細菌用培地にゲランガムを終濃度１％で添加した平板培地を作製し、この平板培地を使用して上記懸濁液についてコロニーカウントを行った。

なお、硝化細菌数については、ＢＥＴ比表面積が（１）活性炭1100ｍ^２(マクロポア及びメソポア)、（２）円筒形500ｍ^２、（３）３次元構造3000ｍ^２とした時、比重及び包括固定層厚より各担体における包括固定層の重量を算出した。

その比率は下記の通りであり、（１）の硝化細菌数を6.2×10⁸cfu/g-dryとした場合、（２）、（３）はその比率より菌体数を算出した

（１）1100×0.25×1.5：（２）500×0.35×2.3：（３）3000×0.55×1.0
≒（１）1：（２）0.97：（３）4.0

３種類の包括担体１０、２０、３０の物性値及び菌体数を下記表１に記載する。

［実施例２］
‐第２の製造例（水溶性高分子化合物：メトキシテトラエチレングリコールメタクリレート）
上記実施例１と同じ３種類の担体１１、２１、３１を用い、水溶性高分子化合物としてメトキシテトラエチレングリコールメタクリレートを用いて下記工程で包括固定層を形成した。

先ず、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレート２Ｌ、Ｎ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド２００ｍｇ、脱塩素水１．２Ｌ、０．５質量％β−ジメチルアミノプロピオニトリル（重合促進剤）１Ｌ、硝化細菌の供給材料である活性汚泥（し尿処理場の余剰汚泥、汚泥濃度：３０００ｍｇ/Ｌ）５Ｌを混合し、その混合物に、上記（１）の無機粒状物質担体１１を１Ｌ添加し、約５分間混合したのちに担体を引き上げた。引き上げた担体１Ｌに０．１Ｌのペルオクソ二硫酸カリウムを噴霧して、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレートを重合させてゲル化し、（４）包括担体１０を得た。

更に、上記（２）の円筒状担体２１と、（３）の３次元網目構造の担体３１を用いて、同様の方法で（５）包括担体２０及び（６）包括担体３０を作製し、これら３種類の包括担体１０、２０、３０について実施例１と同じ方法で物性値及び硝化細菌数を測定した。その結果を表２に示す。

［実施例３］
‐微生物供給材料：使用済活性炭からの微生物液
飲料水製造工場の用水処理設備の生物活性炭処理工程から採取した使用済活性炭（エバダイヤＬＧ２０Ｓ（水ｉｎｇ（株）製）１Ｌを湿式で超音波処理し、活性炭に付着していた微生物を剥離させ、微生物液（汚泥濃度：５００ｍｇ/Ｌ）５Ｌを得た。

実施例１の活性汚泥に代えて上記微生物液を水処理用微生物の供給材料とし、下記（７）〜（１０）の粒状担体１１を使用して、実施例１と同じ方法で４種類の包括担体１０を得た。なお、ここで使用した担体は下記の通りである。

（７）石炭系破砕炭（新炭）（物性は（１）の包括担体に使用した担体と同様）、
（８）ヤシ殻系破砕炭（新炭）（エバダイヤＬＧ１０Ｓ、水ｉｎｇ（株）製、有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能１１００ｍｇ/ｇ、含水率４％、比重１．７）、包括固定化担体
（９）浄水場で４年間使用した使用済石炭系破砕炭の乾燥品（有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能７００ｍｇ/ｇ、含水率４％、比重２．０）、
（１０）天然ゼオライト（新品）（エバサイトN-100、水ｉｎｇ（株）製、有効径２．０ｍｍ、均等係数１．３、含水率８質量％、比重２．４）
上記（７）〜（１０）の包括担体について、実施例１と同じ方法で物性値及び硝化細菌数を測定した。その結果を表３に示す。

なお、（７）〜（９）の活性炭系担体については、BAC洗浄水（使用済活性炭からの微生物液）は、実施例１の活性汚泥よりも菌数が少ない(0.7倍)と仮定し、実施例１、２と同様の方法で算出した。（（７）1：（８）1.6：（９）0.64）。

［実施例４］
‐第１の製造例（３次元網目構造／硝化細菌、嫌気性アンモニア酸化細菌、油脂分解菌）
実施例４では、実施例１の（３）で作製した包括担体３０、すなわち、３次元網目構造担体３１とアルギン酸を用いて製造した包括担体３０を（１１）の包括担体３０とした。更に、微生物の供給材料を、実施例１の活性汚泥から下記材料に代えた以外は（１１）の包括担体３０と同じ条件で（１２）、（１３）の包括担体３０を作製した。

（１２）窒素含有排水処理実験設備のアンニモニア脱窒素処理の余剰汚泥（汚泥濃度：２０００ｍｇ/Ｌ）５Ｌ
（１３）油脂含有排水処理の余剰汚泥（汚泥濃度：５０００ｍｇ/Ｌ）５Ｌ
これら（１２）〜（１３）の包括担体３０について、実施例１と同じ方法で物性値を測定した。なお、（１３）の細菌数については、下水試験方法第第５章第３節３．アナモックス細菌記載の培地を用いて嫌気性アンモニア酸化細菌の菌体数をカウントした。また、（１３）の細菌数については、枯草菌の選択培地（ＭＹＰ寒天培地、日本ＢＤ社製）を用いて、枯草菌特有のコロニーをカウントした。

なお、（１３）油脂含有排水処理の余剰汚泥に代え、油脂分解剤（ユーサワー４００、水ｉｎｇ（株）製、油脂分解成分として枯草菌を含有）を使用したところ、（１３）の包括担体と同程度の結果が得られた。

［実施例５］
‐通水性能試験
活性炭を使用して脱塩素処理した水道水を、試薬の塩化アンモニウムで調製して模擬水道水を作製した。この模擬水道水は、ｐＨが７．１〜７．３、アンモニア態窒素濃度が０．５ｍｇ/Ｌ、硝酸性窒素濃度が０．０１ｍｇ/Ｌ以下、亜硝酸態窒素濃度が０．０１ｍｇ/Ｌ以下、ＴＯＣが０．５ｍｇ/Ｌであった。

この模擬水道水を用い、上記実施例３の（７）〜（１０）の包括担体１０についてそれぞれ下記方法で通水性能試験を行った。

通水性能試験は、内径１０ｃｍの透明塩化ビニル製円筒形カラムからなる活性炭吸着装置を図２の活性炭吸着処理の装置とし、この装置に包括担体１０を１６Ｌ充填し（包括固定化担体充填層高 ２０００ｍｍ）、液温２０-２５℃、ＳＶ５ｈ^-1の条件で模擬水道水を上向流で連続的に通水し、活性炭吸着処理を行った。

活性炭吸着処理後の処理水について、アンモニア態窒素、硝酸性窒素、亜硝酸態窒素濃度を上水試験方法に準拠して測定した。表５に示すように、（７）〜（１１）の包括担体を使用した場合には、アンモニア態窒素濃度が０．０１ｍｇ/Ｌ以下になる日数は、いずれも１０日であり、短期間で高い水処理能力を獲得することがわかった。

［比較例１］
‐包括固定層を持たない担体の通水性能試験
包括担体を、包括固定層を形成する前の担体に代えた以外は実施例５と同じ条件で通水性能試験を行った。

担体として、ここでは、無機粒状物質である活性炭Ａ、Ｂ、Ｃと、天然ゼオライト（実施例３の（１０）包括担体に用いたもの、新品）を用いた。なお、活性炭Ａは石炭系破砕炭（エバダイヤＬＧ２０Ｓ、水ｉｎｇ（株）製、有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能１１００ｍｇ/ｇ）であり、活性炭Ｂはヤシ殻系破砕炭（エバダイヤＬＧ１０Ｓ、水ｉｎｇ（株）製、有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能１１００ｍｇ/ｇ）であり、活性炭Ｃは使用済石炭系破砕炭（有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能７００ｍｇ/ｇ）である。

表６に通水性能試験結果を示す。活性炭Ａ〜Ｃ及び天然ゼオライトはいずれも３０日経過しても活性炭処理水のアンモニア態窒素濃度は０．０２ｍｇ/Ｌ以上と高く、３０日程度では十分な通水性能を獲得できないことがわかった。

［実施例６］
‐窒素含有排水の水処理（硝化、アンモニア脱窒素）
流動担体を用いた硝化とアンモニア脱窒素処理フローの実験装置を３系列用意し試験した（図３）。

本発明の実験フロー（ＲＵＮ１）として、上記実験装置の硝化槽（有効容量２００リットル）に実施例４の（１１）包括担体を、アンモニア脱窒素槽（有効容量１００リットル）に実施例４の（１２）包括担体をそれぞれ投入した。硝化槽出口と、アンモニア脱窒素槽出口には、流動担体の流出を阻止するための目開き３ｍｍのスクリーンを設置した。

アンモニア態窒素濃度が５００ｍｇ/Ｌ、硝酸性窒素と亜硝酸態窒素の濃度がそれぞれ５ｍｇ/L以下の模擬窒素含有排水を、上記実験装置の硝化槽へ通水した。硝化槽では模擬窒素含有排水のアンモニア態窒素濃度の半分を亜硝酸態窒素に酸化し、残り２５０ｍｇ/Lをアンモニア態窒素で残留させた。

硝化槽で処理した排水、すなわち、アンモニア態窒素が２５０ｍｇ/L残留した模擬窒素含有排水を、アンモニア脱窒素槽に流入させ、（１２）包括担体の嫌気性アンモニア酸化細菌により、亜硝酸態窒素とアンモニア態窒素とから窒素ガスを生成させて、模擬窒素含有排水の窒素処理を行った。硝化槽からアンモニア脱窒素槽へ連続的に通水して窒素処理を行い、アンモニア脱窒素槽出口水を処理水とし、実験装置系外に排出した。

対照区（ＲＵＮ２とＲＵＮ３）としては、本発明の包括担体を使用せず、代わりに実施例１の微生物供給材料（し尿処理場の余剰汚泥）と、実施例４の（１２）で使用した微生物供給材料（アンニモニア脱窒素処理の余剰汚泥）をそれぞれ硝化処理とアンモニア脱窒素処理に使用し、ＲＵＮ２とＲＵＮ３では各処理での汚泥濃度を表７に記載したように変更した。

また、ＲＵＮ２、３では、図３の実験装置のアンモニア脱窒素槽出口水を沈殿槽（分離面積０．０７ｍ^２）に導き、沈殿槽の越流水を処理水に、沈殿槽下部からの引き抜き汚泥は返送汚泥として硝化槽に返送した。

実験装置径外に排出されたＲＵＮ１〜３の処理水について、アンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度、硝酸態窒素濃度をそれぞれ経時的に測定した。表７に処理条件を、表８に測定結果を示す。

本発明の包括担体を添加した実験区ＲＵＮ１は、実験開始後１０日で処理水のアンモニア態窒素濃度が５ｍｇ/Ｌ以下になり、窒素処理は良好であった。本発明の包括担体を使用せずに、微生物供給材料をそのまま用いた実験区ＲＵＮ２、３では、処理水のアンモニア態窒素濃度が実験開始６０日から低下し、脱窒素性能が得られるまでに長期間要することが確認された。

［実施例７］
‐水性生物が排出するアンモニアの除去
実施例１の（１）包括担体０．５Ｌを、高さ５ｃｍ、目開き０．５ｍｍの円筒形カートリッジ（有効容量５Ｌ）に充填し、このカートリッジを水槽内部に取り付けた。

純水に塩化アンモニウムを添加した飼育模擬水を水槽内部に投入し、水槽内のアンモニア態窒素濃度が１０ｍｇ/Ｌに維持されるよう調整した。この飼育模擬水を循環水量１Ｌ／時に設定して循環させ、アンモニア態窒素濃度をモニタリングし、その除去率を調べた。なお、アンモニア態窒素濃度はインドフェノールブルー青吸光光度法（ＪＩＳ Ｋ―０１０２ ４２．２に準拠）により測定した。

比較対象として硝化細菌未付着活性炭である、石炭系破砕状活性炭（エバダイヤＬＧ２０Ｓ、水ｉｎｇ（株）製、有効径１．２ｍｍ、均等係数１．３、ヨウ素吸着性能１１００ｍｇ/ｇ）を包括担体の代わりに使用し、同様の試験を行った。その結果を図１６に示す。

図１６から明らかなように、硝化細菌未付着活性炭と比較し、本発明の包括担体はアンモニア態窒素除去率が極めて高く、浄化性能が向上したことがわかる。

［実施例８］
‐油脂含有排水の油脂分解
余剰汚泥に代え、枯草菌を含有する油脂分解剤（ユーサワー４００、水ｉｎｇ（株）製）を微生物供給材料として使用した以外は実施例４の（１３）と同じ方法で包括担体を製造した。

この包括担体２００ｍＬを、油脂含有排水である食品工場排水（ｐＨ４．１、ヘキサン抽出物質６７０ｍｇ／Ｌ、ＢＯＤ１５００ｍｇ／Ｌ）１Ｌに添加し、更に、ＢＯＤ濃度に対してＢＯＤ：Ｎ：Ｐ＝１００：５：１となるように栄養剤（尿素と燐酸）を添加した。液温２５℃で、溶存酸素濃度が４〜６ｍｇ／Ｌとなるように曝気して油脂含有排水を処理した。この油脂含有排水のヘキサン抽出物質濃度を経時的に測定し、その経時変化を調査した。

対照系として、上記包括担体に含まれる油脂分解剤と同量の油脂分解剤（ユーサワー４００、水ｉｎｇ（株）製）を油脂含有排水に添加したものについても試験を行った。図１７にヘキサン抽出物質濃度の経時変化を示す。なお、ヘキサン抽出物質濃度はＪＩＳ Ｋ０１０２ ２４（工場排水処理試験方法）に準拠して測定した。

処理後のヘキサン抽出物質濃度２０ｍｇ／Ｌで比較すると、油脂分解菌を固定化した担体処理時間は９時間、油脂分解剤単独使用では１８時間であった。予め油脂分解剤を包括固定させた担体を用いる事で安定した処理が可能となった。

１０、２０、３０ 包括担体
１１、２１、３１ 担体
１５、２５、３５ 包括固定層
１９ 水処理用微生物

Claims (6)

1. 水不溶性の担体と、
   前記担体表面上に形成され、水処理用微生物を包括固定する包括固定層と、を有し、
   前記包括固定層は、水溶性高分子化合物のゲルを有し、当該ゲルで前記水処理用微生物が固定されたことを特徴とする水処理用微生物の包括担体。
2. 前記担体が、粒状活性炭からなる無機粒状担体であり、
   前記水溶性高分子化合物が、アルギン酸ナトリウム、界面活性剤、でんぷん、ゲランガム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、メトキシテトラエチレングリコールメタクリレートからなる群より選択される少なくとも１種の化合物からなる請求項１に記載の包括担体。
3. 請求項１又は２に記載の包括担体を用いて被処理水を処理する水処理方法であって、
   硝化細菌を含む水処理用微生物を包括固定して前記包括担体とし、当該包括担体を処理装置に充填し、被処理水として水道原水を通水することを特徴とする水処理方法。
4. 請求項１又は２に記載の包括担体を用いた水処理方法であって、
   嫌気性アンモニア酸化細菌を含む水処理用微生物を包括固定して前記包括担体とし、当該包括担体を、アンモニア態窒素と亜硝酸態窒素とを含有する被処理水と嫌気性条件で接触させることを特徴とする水処理方法。
5. 請求項１又は２に記載の包括担体を用いた水処理方法であって、
   油脂分解微生物を含む水処理用微生物を包括固定して前記包括担体とし、当該包括担体を、油脂を含有する被処理水と好気性条件で接触させることを特徴とする水処理方法。
6. 請求項１又は請求項２に記載の水処理微生物包括担体を製造する方法であって、水溶性高分子化合物と水処理用微生物とを担体に付着させた後、前記担体に付着した水溶性高分子化合物をゲル化させて包括固定層を形成する包括担体の製造方法。

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