JP2020103179A

JP2020103179A - 遮光ゲル担体

Info

Publication number: JP2020103179A
Application number: JP2018246219A
Authority: JP
Inventors: 旬一井田; Junichi Ida; 健斗西; Kento Nishi; 真一秋月; Shinichi Akizuki; 正敏岸; Masatoshi Kishi; 睦実関根; Mutsumi Sekine; 松山　達; Tatsu Matsuyama; 達松山; 戸田　龍樹; Tatsuki Toda; 龍樹戸田
Original assignee: Soka University
Current assignee: Soka University
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-09

Abstract

【課題】包括固定されている微生物の硝化作用が光により阻害されることを緩和できる遮光ゲル担体を提供する。【解決手段】本発明の遮光ゲル担体は、微生物と、該微生物を包括固定する固定化材料と、遮光剤とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、遮光ゲル担体に関する。

従来、メタン発酵消化液や下水等のアンモニアを含む廃水は、生物学的硝化処理および脱窒素処理等を施してアンモニア濃度を下げた後に、河川等に放流されている。

前記硝化処理は、例えば、硝化槽内に収容されたアンモニア含有廃水中で硝化菌等を用いて行われている。ここで、前記硝化菌は、前記硝化菌を槽内に高濃度で保持すること、沈降性を上げ前記硝化菌と処理液の分離を容易にすること、或いは廃水中に混在している阻害物質から保護すること等を目的として、アルカリ土類金属の塩を高分子含水ゲル中に包括固定して用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、前記硝化槽内で硝化菌等による前記硝化処理を行う場合には、硝化槽内に収容されたメタン発酵消化液にエアレーションを行うことが必要とされるため、コストが高くなるという問題がある。前記問題を解決するために、前記エアレーションに代えて前記硝化槽内収容されたアンモニア含有廃水中に光合成により酸素を生成する真核・原核微生物（以下、微細藻類とする）を共存させ、該微細藻類の光合成により生成される酸素を用いることが考えられる。

特開昭６２−６１５８３号公報

しかしながら、前記微細藻類に光合成を行わせるために前記硝化槽に光を照射すると、アンモニア含有廃水中における前記硝化菌等の硝化作用が光により阻害されるという不都合がある。

本発明は、かかる不都合を解消して、包括固定されている硝化菌等の微生物の硝化作用が光により阻害されることを緩和することができる遮光ゲル担体を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の遮光ゲル担体は、微生物と、該微生物を包括固定する固定化材料と、遮光剤とを含むことを特徴とする。

本発明の遮光ゲル担体によれば、微生物を包括固定する固定化材料に前記遮光剤が含まれているので、該遮光剤により該微生物の硝化作用を阻害する光を吸収することができ、アンモニア含有廃水中における該微生物の硝化作用が光により阻害されることを緩和することができる。

本発明の遮光ゲル担体に固定化される微生物としては、例えば、硝化菌を用いることができる。

また、本発明の遮光ゲル担体では、前記固定化材料として、アルギン酸塩、寒天、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリ塩化ビニル、アクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、ポリウレタン、多孔質セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、モノメタクリレート化合物、モノアクリレート化合物、ジメタクリレート化合物、ジアクリレート化合物、トリメタクリレート化合物、トリアクリレート化合物、テトラアクリレート化合物、ウレタンアクリレート化合物、アクリル酸からなる群から選択される少なくとも１種の材料を用いることができる。

また、本発明の遮光ゲル担体では、前記遮光剤として、顔料又は染料を用いることができる。

しかし、前記遮光剤が全波長領域の光線を吸収するときには、アンモニア含有廃水中における硝化菌等の微生物の硝化作用を阻害する光線を吸収するのみならず、前記微細藻類の光合成に有益な光線をも吸収して、その光合成を阻害することがあり、或いは吸収した光線が熱に変換されて、該メタン発酵消化液の液温が過度に上昇することがある。

そこで、前記遮光剤は、硝化菌等の微生物の硝化作用を阻害する光線のみを吸収することが好ましく、例えば、４００−５００ｎｍの範囲の波長の光線を吸収する顔料又は、染料であることが好ましい。

前記４００−５００ｎｍの範囲の波長の光線を吸収する顔料又は、染料としては、例えば、黄鉛、亜鉛黄（亜鉛黄１種、亜鉛黄２種）、カドミウム黄、ニッケルチタン黄、ストロンチウム黄、カーボンブラック、チタンブラック、アニリンブラック、イソインドリノン、イソインドリン、アゾメチン、アントラキノン、アントロン、キサンテン、キナクリドン、インジゴイド、アントラキノン系アゾ顔料、タートラジンＡｌレーキ（黄）、アゾ系染料、キノリン系染料、アクリジン系染料、フラボノイド系天然色素、ポルフィリン系天然色素、カロテノイド系天然色素からなる群から選択される少なくとも１種の顔料又は染料を挙げることができる。

本発明の遮光ゲル担体の機械的強度を示すグラフ。本発明の遮光ゲル担体に包括固定された硝化菌の硝化作用と光強度との関係を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

本実施形態の遮光ゲル担体は、メタン発酵プロセスにより得られたメタン発酵消化液を硝化槽内で硝化し、該メタン発酵消化液に含まれるアンモニアを硝酸に酸化する際に、光合成により酸素を生成する微細藻類と硝化菌とを該硝化槽内に収容されたアンモニア含有廃水中で共存させるために用いられる。そこで、本実施形態の遮光ゲル担体は、微生物と、該微生物を包括固定する固定化材料と、遮光剤とを含む。

前記微生物としては、例えば、硝化菌等を用いることができ、該硝化菌としては、例えば、ニトロソモナス、ニトロソロブス、ニトロソコッカス、ニトロソスピラ、ニトロスピラ、ニトロバクター、ニトロコッカス、ニトロスピナ等を用いることができる。

また、前記固定化材料としては、例えば、アルギン酸塩、寒天、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリ塩化ビニル、アクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、ポリウレタン、多孔質セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、モノメタクリレート化合物、モノアクリレート化合物、ジメタクリレート化合物、ジアクリレート化合物、トリメタクリレート化合物、トリアクリレート化合物、テトラアクリレート化合物、ウレタンアクリレート化合物、アクリル酸からなる群から選択される少なくとも１種の材料を用いることができる。

前記モノメタクリレート化合物としては、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプレンクグリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、メトキシシジエチレングリコールメタクリレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンフタレート、メタクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート、３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２−ヒドロキシメタクリレート、エチルメタクリレート等を挙げることができ、前記モノアクリレート化合物としては、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔ−ブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、イソボルニルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、２−エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ノニルフェノキシポリエチレングリコールアクリレート、ノニルフェノキシポリプロピレングリコールアクリレート、シリコン変性アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェノキシジエチレングリコールアクリレート、フェノキシポリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、アクリロイルアキシエチルハイドロジェンサクシネート、ラウリルアクリレート等を挙げることができ、前記ジメタクリレート化合物としては、１．３−ブチレングリコールジメタクリレート、１．４−ブタンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ブチレングリコールジメタクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプレングリコールジメタクリレート、２−ヒドロキシ−１，３−ジメタクリロキシプロパン、２，２−ビス−４−メタクリロキシエトキシフェニルプロパン、３，２−ビス−４−メタクリロキシジエトキシフェニルプロパン、２，２−ビス−４−メタクリロキシポリエトキシフェニルプロパン等を挙げることができ、前記ジアクリレート化合物としては、エトキシ化ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、２，２−ビス−４−アクリロキシヒエトキシフェニルプロパン、２−ヒドロキシ−１−アクリロキシ−３−メタクリロキシプロパン等を挙げることができ、前記トリメタクリレート化合物としては、トリメチロールプロパントリメタクリレート等を挙げることができ、前記トリアクリレート化合物としては、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパンＥＯ付加トリアクリレート、グリセリンＰＯ付加トリアクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート等を挙げることができ、前記テトラアクリレート類化合物としては、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、プロポキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート等を挙げることができ、前記ウレタンアクリレート化合物としては、ウレタンアクリレート、ウレタンジメチルアクリレート、ウレタントリメチルアクリレート等を挙げることができる。

前記固定化材料は前記材料のいずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

また、前記遮光剤としては、例えば、無機顔料、有機顔料等の顔料、又は、有機合成色素、天然色素などの染料を用いることができる。

前記無機顔料としては、酸化亜鉛、鉛白、リトポン、酸化チタン、硫酸バリウム、アルミナ、炭酸カルシウム等の白色顔料、鉛丹、酸化鉄赤等の赤色顔料、黄鉛、亜鉛黄（亜鉛黄１種、亜鉛黄２種）、カドミウム黄、ニッケルチタン黄、ストロンチウム黄等の黄色顔料、含水酸化クロム、酸化クロム等の緑色顔料、ウルトラマリン青、プロシア青（フェロシアン化鉄カリ）、ＹＩｎＭｎブルー、アルミ酸コバルト、群青等の青色顔料、カーボンブラック、チタンブラック、アニリンブラック等の黒色顔料を挙げることができる。

また、前記有機顔料としては、フタロシアニン系、ペリレン系、インジゴ系、キナクリドン系等の多環顔料、ナフトールＡＳ系、アントラキノン系、ピラゾロン系、ペリレン系等のアゾ顔料、リソールルビンＢＣＡ（赤）、レーキレッドＣ（赤）、ウォチュングレッド（赤）、タートラジンＡｌレーキ（黄）等の染料レーキ等のレーキ顔料、蛍光顔料、高分子粉体等を挙げることができる。

さらに、前記多環顔料としては、イソインドリノン、イソインドリン、アゾメチン、アントラキノン（アントロン）、キサンテン等の黄色顔料、ジケトピロロピロール、ペリレン、アントラキノン（アントロン）、ペリノン、キナクリドン、インジゴイド等の橙色顔料、キナクリドン、ジケトピロロピロール、アントラキノン、ペリレン、ペリノン、インジゴイド等の赤色顔料、ジオキサジン、キナクリドン、ペリレン、インジゴイド、アントラキノン（アントロン）、キサンテン等の紫（菫）顔料、フタロシアニン、アントラキノン、インジゴイド等の青色顔料、フタロシアニン、アゾメチン、ペリレン等の緑色顔料を挙げることができる。

また、さらに前記高分子粉体としては、ポリエチレンフタラート−ポリメチルメタクリレート積層粉体等の板状粉体、ポリエチレン、ナイロン、ポリメタクリル酸メチル等の球状粉体を挙げることができる。

また、前記有機合成色素としては、アゾ系染料、キサンテン系染料、キノリン系染料、トリフェニルメタン系染料、アンスラキノン系染料、スチルベン系染料、トリアリールメタン系染料、アクリジン系染料、インジゴ系染料、ポリメチン系染料等を挙げることができ、前記天然色素としては、カロチノド系、アントシアニン系、ベタレイン系、アザフィロン系、フラボイノイド系、フラビン系、キノン系、ボルフィリン系、ジケトン系、ベタシアニジン系等の色素を挙げることができる。

前記遮光剤は、前記材料のいずれか１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。しかし、前記遮光剤が全波長領域の光線を吸収するときには、硝化菌等の微生物の硝化作用を阻害する光線を吸収するのみならず、前記微細藻類又は光合成細菌の光合成に有益な光線をも吸収して、その光合成を阻害することがあり、或いは吸収した光線が熱に変換されて、前記メタン発酵消化液の液温が過度に上昇することがある。

本実施形態の遮光ゲル担体は、例えば、次のようにして作製することができる。

まず、純粋な硝化菌を培養し、遠心分離器によって菌体を分離し、回収することにより、硝化菌懸濁液を得る。次に、アルギン酸ナトリウムを水に溶解して、アルギン酸ナトリウム水溶液を調製する。

次に、前記硝化菌懸濁液と、カーボンブラック等の前記遮光剤とを、前記アルギン酸ナトリウム水溶液に混合し、均一になるまで撹拌する。次に、前記硝化菌懸濁液と前記遮光剤とを含む前記アルギン酸ナトリウム水溶液を、塩化カルシウム水溶液に滴下し、撹拌することにより、該アルギン酸ナトリウム水溶液をゲル化させ、前記硝化菌懸濁液と前記遮光剤とを含むアルギン酸カルシウムゲルを生成させる。

次に、前記アルギン酸カルシウムゲルを生理食塩水で洗浄し、ゲル化していない未反応のアルギン酸ナトリウムを十分に除去することにより、本実施形態の遮光ゲル担体を得ることができる。

上述のようにして得られた本実施形態の遮光ゲル担体は、硝化槽内に収容されたアンモニア含有廃水中に添加されることにより、含有する硝化菌を太陽光下に前記微細藻類と共存させることができる。前記微細藻類は太陽光により光合成を行って酸素を生成し、前記硝化菌は該酸素を利用して、前記メタン発酵消化液に含まれるアンモニアを硝酸に酸化する硝化作用を行う。このとき、前記太陽光により前記硝化菌の硝化作用が阻害されることが懸念される。

しかし、本実施形態の遮光ゲル担体は前記遮光剤を含んでいるので、光が該遮光剤に吸収される。この結果、本実施形態の遮光ゲル担体によれば、光により前記硝化菌の硝化作用が阻害されることを緩和することができる。

前記微細藻類としては、例えば、クロレラ、ドナリエラ、セネデスムス、ユーグレナ、スピルリナ、ヘマトコッカス、ボツリオコッカス、クラミドモナス、クリプテコディニウム、シュードコリシスチス、テトラセルミス、キートセラス、ナンノクロロプシス、ファエオダクチルム、スケレトネマ、ニッチア、イソクリシス、タラシオシラ、パブロバ等を用いることができる。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

〔実施例〕
本実施例では、まず、１質量％の濃度のアルギン酸ナトリウム水溶液に、硝化菌として７．９ｇ−Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｏｌｉｄｓ（ＳＳ）／リットルの濃度の活性汚泥と、該アルギン酸ナトリウム水溶液に対し、０．１質量％の遮光剤（カーボンブラック）とを均一に混合し、硝化菌と遮光剤とを含むアルギン酸ナトリウム水溶液を調製した。

次に、前記硝化菌と遮光剤とを含むアルギン酸ナトリウム水溶液をシリンジに収容し、内径２．０ｍｍのノズルから毎時４０ミリリットルで、１質量％塩化カルシウム水溶液中に滴下し、該アルギン酸ナトリウム水溶液をゲル化させ、４００ｒｐｍで３時間撹拌して、遮光ゲル担体を調製した。

次に、株式会社エー・アンド・デイ製引張・圧縮試験機（商品名：シングルコラム型材料試験機ＳＴＢ−１２２５Ｓ）を用いて、本実施例で得られた遮光ゲル担体の機械的強度の指標としての弾性率を測定した。結果を図１に示す。

次に、人工アンモニア含有廃水が収容された１００ｍＬセーラムボトルに、硝化菌の濃度が０．５ｇ−ＳＳ／リットルとなるように本実施例で得られた遮光ゲル担体を投入し、酸素ガスを封入した後、照射光の光強度を０〜１６００μｍｏｌｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ^２／秒の範囲で変量して、１７０ｒｐｍで１２時間撹拌したときの各光強度における硝化率を測定した。結果を図２に示す。

〔比較例１〕
本比較例では、遮光剤を全く用いなかった以外は、実施例と全く同一にして、ゲル担体を調製した。

次に、本比較例で得られたゲル担体を用いた以外は、実施例と全く同一にして、該ゲル担体の機械的強度の指標としての弾性率を測定した。結果を図１に示す。

次に、本比較例で得られたゲル担体を用いた以外は、実施例と全く同一にして、各光強度における硝化率を測定した。結果を図２に示す。

〔比較例２〕
本比較例では、遮光剤及び硝化菌を全く用いなかった以外は、実施例と全く同一にして、ゲル担体を調製した。本比較例で得られたゲル担体は、アルギン酸ナトリウムゲルのみからなる。

〔参考例〕
本参考例では、ゲル担体を全く用いず、人工アンモニア含有廃水が収容された１００ｍＬセーラムボトルに、硝化菌の濃度が０．５ｇ−ＳＳ／リットルとなるように活性汚泥を分散させた以外は、実施例と全く同一にして、各光強度における硝化率を測定した。結果を図２に示す。

図１から、実施例の遮光ゲル担体及び比較例１のゲル担体は、アルギン酸ナトリウムゲルのみからなる比較例２のゲル担体とほぼ同等の機械的強度を備えており、遮光剤又は硝化菌の添加による強度への影響は観察されなかった。

また、図２から、人工アンモニア含有廃水に単に活性汚泥を分散させただけの参考例によれば、光強度が大きくなるほど硝化率が低下し、光強度が大きくなるほど前記硝化菌の硝化作用が阻害されることが明らかである。

また、比較例１のゲル担体は、４５０μｍｏｌｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ^２／秒以下の光強度では、実施例の遮光ゲル担体と同等の硝化率となっているが、太陽光の光強度に相当するとされる１６００μｍｏｌｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ^２／秒の光強度では、硝化率が大きく低下し、前記硝化菌の硝化作用が阻害されることが明らかである。

これに対し、実施例の遮光ゲル担体は、１６００μｍｏｌｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ^２／秒の光強度でも４５０μｍｏｌｐｈｏｔｏｎｓ／ｍ^２／秒以下の光強度の場合と同等の硝化率であり、前記硝化菌の硝化作用が光により阻害されることを緩和することができることが明らかである。

符号なし。

Claims

微生物と、該微生物を包括固定する固定化材料と、遮光剤とを含むことを特徴とする遮光ゲル担体。
請求項１記載の遮光ゲル担体において、前記微生物は、硝化菌であることを特徴とする遮光ゲル担体。
請求項１又は請求項２記載の遮光ゲル担体において、前記固定化材料は、アルギン酸塩、寒天、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリ塩化ビニル、アクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、ポリウレタン、多孔質セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、モノメタクリレート化合物、モノアクリレート化合物、ジメタクリレート化合物、ジアクリレート化合物、トリメタクリレート化合物、トリアクリレート化合物、テトラアクリレート化合物、ウレタンアクリレート化合物、アクリル酸からなる群から選択される少なくとも１種の材料であることを特徴とする遮光ゲル担体。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の遮光ゲル担体において、前記遮光剤は、顔料又は染料であることを特徴とする遮光ゲル担体。
請求項４記載の遮光ゲル担体において、前記遮光剤は、４００−５００ｎｍの範囲の波長の光線を吸収する顔料又は染料であることを特徴とする遮光ゲル担体。
請求項６記載の遮光ゲル担体において、４００−５００ｎｍの範囲の波長の光線を吸収する顔料又は染料は、黄鉛、亜鉛黄（亜鉛黄１種、亜鉛黄２種）、カドミウム黄、ニッケルチタン黄、ストロンチウム黄、カーボンブラック、チタンブラック、アニリンブラック、イソインドリノン、イソインドリン、アゾメチン、アントラキノン、アントロン、キサンテン、キナクリドン、インジゴイド、アントラキノン系アゾ顔料、タートラジンＡｌレーキ（黄）、アゾ系染料、キノリン系染料、アクリジン系染料、フラボノイド系天然色素、ポルフィリン系天然色素、カロテノイド系天然色素からなる群から選択される少なくとも１種の顔料又は染料であることを特徴とする遮光ゲル担体。