JP4623295B2 - 反応比率の測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応比率の測定方法及び装置に係り、特に、アンモニアを含有する廃水から生物学的にアンモニアを脱窒するアンモニア含有廃液の処理方法において、生物反応での嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定する反応比率の測定方法及び装置に関する。

食品工場や化学工場などでは、低濃度から高濃度のアンモニアが排出される。これらのアンモニア廃液は、水域の富栄養化や溶存酸素の低下等の一因となっており、環境負荷を低減させる処理の必要性が高まっている。

一般に、中高濃度のアンモニア処理では、生物処理が多く行われている。微生物を用いた硝化反応と脱窒反応とにより、窒素ガスに変換している。アンモニアは、硝化細菌による硝化反応により亜硝酸や硝酸に酸化され、亜硝酸と硝酸は従属栄養細菌の一つである脱窒菌により脱窒処理されて、除去される。この脱窒処理には、有機物が必要であるため、窒素濃度の３倍量のメタノールが使用されている。

このような背景から、最近では、中高濃度のアンモニアの生物処理をさらに効率的に行うために、嫌気性アンモニア酸化反応が利用されている（特許文献１参照）。この方法は、アンモニアの一部を硝化菌により亜硝酸に変換し、この亜硝酸と残りのアンモニアを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒させる。この方法では、アンモニアの一部を亜硝酸にするので、硝化反応時の必要酸素量が少なく、さらに脱窒処理において有機物が不要であり、これにより、極めて安価に処理することができる。
特開２００１−３７４６７号公報

しかしながら、特許文献１のような方法では、亜硝酸を生成する反応が不安定であり、実用化が困難であるのが現状であった。特に、安定供給可能な硝酸を用いた嫌気性アンモニア酸化反応によって廃水処理を行う場合、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応（脱窒菌等の従属栄養細菌による反応）とが、競合しているため、処理槽において、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を見極める（測定する）ことが、安定かつ効率的に廃水処理を行う上で重要であった。

上記の反応を見極める方法としては、水質分析方法があり、廃水中のアンモニア濃度が減少すれば、嫌気性アンモニア酸化反応が進行していることが示唆されるが、アンモニアが菌体合成や吸着により減少していることもあるため、水質分析だけでは、嫌気性アンモニア酸化反応の活性を正確に測定・評価することは困難であるといった問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる反応比率の測定方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は前記目的を達成するために、生物処理槽内で生物学的処理を行う嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌との反応比率を定量的に測定する反応比率の測定方法であって、前記嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニア又は亜硝酸に対応する第１の試薬と前記従属性脱窒菌の基質である硝酸に対応する第２の試薬であって、前記第１の試薬及び第２の試薬のうちの一方が ^１４ Ｎ窒素の一般試薬であり、他方が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬である２つの試薬を用いて前記生物学的処理を行って、前記嫌気性アンモニア酸化細菌が前記第１の試薬を代謝することにより発生する第１の窒素ガスと、前記従属性脱窒菌が前記第２の試薬を代謝することにより発生する第２の窒素ガスと、のガス発生量比を測定することにより、前記反応比率を定量的に測定することを特徴とする反応比率の測定方法を提供する。

本発明者は、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌とが存在する生物反応系での嫌気性アンモニア酸化反応において、嫌気性アンモニア酸化反応の、従属性脱窒反応に対する反応比率が所定値以下になると嫌気性アンモニア酸化細菌の増殖が停止し、自己分解により嫌気性アンモニア酸化細菌数が減少することを見出した。嫌気性アンモニア酸化反応の、従属性脱窒反応に対する反応比率が低下する要因としては、例えば前記生物反応系に有機物が多く含まれる場合には、従属性脱窒菌の反応が活発化し、それによって嫌気性アンモニア酸化細菌の反応が低下する。従って、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応を活発化するには、前記反応比率を精度良くモニタリングすることが重要になる。

本発明は、このような知見に基づいて、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を測定する方法及び装置を提供したものである。

本発明の請求項１によれば、生物処理槽より採取した嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌に、第１の試薬及び第２の試薬のうちの一方が ^１４ Ｎ窒素の一般試薬であり、他方が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬である２つの試薬（標準化合物）を添加して生物学的処理（嫌気性アンモニア酸化細菌による嫌気性アンモニア酸化反応と、従属性脱窒菌による脱窒反応）と、を行わせることにより、その代謝物中の第１、第２のガス（窒素ガス）のガス発生量比を分析し、これにより、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。従って、この反応比率を加味して生物処理槽で生物学的処理を行えば、嫌気性アンモニア酸化反応を安定且つ効率的に行うことができる。

なお、上記第１、第２のガスとしては、種類の異なる安定同位体ガスである場合、又は一方が安定同位体ガスで他方は安定同位体でない通常ガスである場合と、がある。

請求項２は請求項１において、前記生物処理槽から密閉された容器に前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記従属性脱窒菌とを採取する採取工程と、前記容器内に前記第１及び第２の試薬を供給する試薬供給工程と、前記容器内において前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記従属性脱窒菌とによる前記代謝を行わせる反応工程と、前記代謝により発生するガスを採取するガス採取工程と、該ガス採取工程で採取したガス中の前記第１の試薬の代謝物である前記第１の窒素ガスと前記第２の試薬の代謝物である第２の窒素ガスとのガス発生量比を測定する測定工程と、を備えたことを特徴とする。

請求項２は、請求項１の測定方法を具体的に示したものである。請求項２によれば、安定同位体を含む標準化合物を、生物処理槽より採取した嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌に添加して、その代謝により生じるガス中の安定同位体ガスのガス発生量比を分析し、これにより、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。

請求項３は請求項１又は２において、前記基質に対応する前記第１及び第２の試薬のうち前記硝酸が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬であることを特徴とする。

請求項４は請求項１〜３の何れか１において、第１の窒素ガスが^２９Ｎ_２であり、第２の窒素ガスが^３０Ｎ_２であることを特徴とする。

請求項３及び４によれば、安定同位体を含む標準化合物が、嫌気性アンモニア酸化細菌及び又は従属性脱窒菌が基質とする物質であり、それぞれに特有の安定同位体ガスを発生する（ここでは、窒素安定同位体ガスの^２９Ｎ_２、^３０Ｎ_２）ので、これにより、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。

請求項５は請求項１〜３のいずれか１において、前記生物処理槽が、硝酸とアンモニアとにより生物学的処理を行う嫌気性アンモニア酸化反応槽であることを特徴とする。

請求項５は、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌とが存在する嫌気性アンモニア酸化槽における生物学的処理において、嫌気性アンモニア酸化反応を活発化させるために本発明が特に有効だからである。

本発明の請求項６は前記目的を達成するために、密閉された容器と、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌とを生物処理槽から前記容器に採取する採取部と、前記容器内に、前記嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニア又は亜硝酸に対応する第１の試薬と前記従属性脱窒菌の基質である硝酸に対応する第２の試薬であって、前記第１の試薬及び第２の試薬のうちの一方が ^１４ Ｎ窒素の一般試薬であり、他方が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬である２つの試薬を供給する試薬供給部と、前記容器内で発生するガスを採取するガス採取部と、前記ガス採取部で採取されたガス中のうち、前記嫌気性アンモニア酸化細菌が前記第１の試薬を代謝することにより発生する第１の窒素ガスと、前記従属性脱窒菌が前記第２の試薬を代謝することにより発生する第２の窒素ガスと、のガス発生量比をオンライン又はオフラインにて測定する質量分析測定部と、を備えたことを特徴とする反応比率の測定装置を提供する。

本発明の請求項６によれば、安定同位体を含む標準化合物を、生物処理槽より容器に採取した嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌に添加して、その代謝物であるガスを採取する構成とし、採取ガス中の嫌気性アンモニア酸化反応による第１のガスと、従属性脱窒反応による第２のガスとのガス発生量比を分析する質量分析測定部を備える構成とした。これにより、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。

この場合、質量分析測定部をオンライン上に設けて、反応比率をリアルアイムに測定及び評価してもよく、質量分析測定部をオフライン上に設けて、反応比率を定期的に測定及び評価してもよい。

請求項７は請求項６において、前記基質に対応する前記第１及び第２の試薬のうち前記硝酸が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬であることを特徴とする。

請求項８は請求項６又は７において、前記第１の窒素ガスが^２９Ｎ_２であり、前記第２の窒素ガスが^３０Ｎ_２であることを特徴とする。

請求項７及び８は、請求項７における安定同位体を含む標準化合物と、安定同位体ガスの種類について具体的に示したものである。

本発明の反応比率の測定方法及び装置によれば、生物処理槽における、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。従って、この反応比率を加味して安定かつ効率的に廃水処理運転が行える。

以下、添付図面に従って、本発明に係る反応比率の測定方法及び装置の好ましい実施の形態について説明する。

まず、本発明の反応比率の測定方法及び装置を説明する前に、本発明に至った理論的根拠について説明する。

本発明者は、上述した課題を解決するべく、嫌気性アンモニア酸化反応において、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を測定する方法を以下のように検討した。

すなわち、嫌気性アンモニア酸化反応槽から嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を採取し、これにアンモニア（^１４Ｎ）試薬と安定同位体の硝酸（^１５Ｎ）試薬とを添加して、生成する窒素ガスを回収して質量分析し、窒素安定同位体ガスのガス発生量比^２９Ｎ_２／^３０Ｎ_２（以下、ガス発生量比εと記す）を測定する。なお、^２９Ｎ_２は嫌気性アンモニア酸化細菌の代謝によって発生するガスであり、^３０Ｎ_２は従属性脱窒菌の代謝によって発生するガスである。また、実際は、生物処理槽より嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を採取する際、これらの嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌以外の微生物（雑菌等）が含まれるが、本発明の反応比率の測定においては、特に問題はない。

これと同時に、実際の嫌気性アンモニア酸化反応槽内から廃水を採取し、廃水中の嫌気性アンモニア酸化細菌数を測定し、比増殖速度を算出した。

なお、嫌気性アンモニア酸化細菌の菌数は、嫌気性アンモニア酸化細菌のプローブＡＭＸ８２０を用いて、ダイレクトカウントにより測定した。同様に、従属性脱窒菌の菌数は、ＭＰＮ法を用いて、測定した。なお、ＭＰＮ法の詳細については、引用文献（角野立夫ら：硝化細菌の包括固定化担体内における増殖特性と硝化速度、日本水処理生物学会誌、３６、（４）、１７３−１８１（２０００））に記載されている。

安定同位体ガスのガス発生量比ε（^２９Ｎ_２／^３０Ｎ_２）と嫌気性アンモニア酸化細菌の比増殖速度との関係を図１に示す。

図１に示されるように、ガス発生量比εと比増殖速度は、ほぼ比例関係となる。これは、比増殖速度が高いほど、嫌気性アンモニア酸化細菌の増殖速度が大きいことを示しており、嫌気性アンモニア酸化反応の活性が高いことを示す。

また、ガス発生量比εが０．３以上の場合、比増殖速度は０以上で嫌気性アンモニア酸化細菌の菌数が増加していることを意味し、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応が活性化していることがわかる。一方、ガス発生量比εが０．３以下である場合、非増殖速度は０以下で嫌気性アンモニア酸化細菌の菌数が減少していることを意味し、従属性脱窒菌による反応の活性が高く、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応の活性が著しく低いことを示す。

また、アンモニア及び亜硝酸を含む廃水（後述する１）及び２）の廃水）を用いる場合、ガス発生量比εが、好ましくは０．８〜５の範囲であれば、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応の活性が高いことを示す。また、アンモニア及び硝酸を含む廃水（後述する３）の廃水）を用いる場合、ガス発生量比εが、好ましくは０．４〜１の範囲であれば、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応の活性が高いことを示す。

このように、窒素安定同位体ガスのガス発生量比εを測定し、このガス発生量比εが０．３よりも大きいかどうかを判定することにより、実際の嫌気性アンモニア酸化反応槽内の嫌気性アンモニア酸化反応の活性を把握することができることを見出し、これに基づいて、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を測定する本発明の測定方法及び装置を発明した。

図２は、本発明に係る反応比率の測定装置２０を、嫌気性アンモニア酸化反応槽１２を備えた廃水処理システム１０に組み込んだ一例である。また、図３は本発明に係る測定装置２０の構成図である。なお、図３において、図２と同一の符号を示す部分は、同一の物又は機能を有するものとする。

まず、図２の廃水処理システム１０の全体構成について説明する。

図２に示されるように、廃水処理システム１０は、主として、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌との微生物を槽内に少なくとも含む嫌気性アンモニア酸化反応槽１２（以下、生物処理槽１２という）と、反応比率の測定装置２０と、測定装置２０の測定結果に基づいて従属性脱窒菌の菌数を低減する固液分離槽４０と、を備えて構成される。本実施形態に使用される対象廃水は、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニアと亜硝酸とを含むことが基本であるが、次の廃水でもよい。

１）アンモニアのみを含む廃水。この場合には、生物処理槽１２に亜硝酸を別途添加し、添加した亜硝酸と廃水中のアンモニアとを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒する。又は、廃水を微好気条件下でアンモニア酸化細菌により処理することで、アンモニアの一部を亜硝酸に酸化させ（アンモニアと亜硝酸がほぼ１：１）、生成した亜硝酸とアンモニアとを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒するようにしてもよい。

２）アンモニア及び亜硝酸を含む廃水。この場合には、通常の嫌気性アンモニア酸化反応を行うことができる。

３）アンモニア及び硝酸を含む廃水。この場合には、廃水中の硝酸を従属性脱窒菌により有機物を水素供与体として還元させて亜硝酸を生成させ、この亜硝酸とアンモニアとを嫌気性アンモニア酸化細菌により同時脱窒する。

以下、本実施形態においては、上記３）の廃水を使用する例について説明する。

生物処理槽１２内には、嫌気性アンモニア酸化細菌は包括固定化又は付着固定化された固定化担体として存在することが好ましく、従属性脱窒菌は生物処理槽１２内を浮遊する汚泥中に存在することが好ましい。

上記嫌気性アンモニア酸化細菌としては、活性汚泥等の微生物から集積培養したものでも、嫌気性アンモニア酸化細菌を含有する活性汚泥でもよく、純粋細菌でもよい。嫌気性アンモニア酸化細菌は、その詳細は不明であるが、Ｐｌaｎｃｔｏｍｙｃｅｔｅｓを代表とする菌群であると言われている。

また、上記嫌気性アンモニア酸化細菌等の固定化方法としては特に限定はしないが、不織布やプラスチックなどの付着固定化材料に付着固定する方法、ゲル材内に包括固定する方法等がある。付着固定する方法では、球状や筒状などの担体、ひも状材料、ゲル状担体、不織布状材料など、凹凸の多い材料が付着しやすく除去率が向上する。包括固定化担体の製造方法は、嫌気性アンモニア酸化細菌等の微生物と固定化材料（モノマ、プレポリマ等）を混合し、さらに重合開始剤等を添加して重合させ、ゲルの内部に嫌気性アンモニア酸化細菌等の微生物を包括固定化する。

上記モノマ材料としては、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、トリアクリルフォルマール等が好ましい。また、上記プレポリマ材料としては、ポリエチレングリコールジアクリレートやポリエチレングリコールメタアクリレートが好ましく、その誘導体も使用できる。

包括固定化担体１６は、球状、筒状や立方体状の包括担体、ひも状包括担体、不織布状等であり、凹凸が多い形状の包括固定化担体が接触効率もよく、除去率が高く好ましい。

上記包括固定化担体の充填率としては、容積％として３０〜４０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい充填率である。不織布の充填率については、見かけ充填率として４０〜９０％が好ましく、５０〜８０％がより好ましい。

また、生物処理槽１２内には、廃水と包括固定化担体１６とを均一に攪拌する攪拌機１８が備えられ、処理水の排出部には、包括固定化担体１６の流出を防止するスクリーン１９が設けられる。

生物処理槽１２は、アンモニアと硝酸とを含む廃水を供給する配管１１と、嫌気性アンモニア酸化処理した処理水を排出する配管４１と、に接続される。これにより、配管１１から廃水が供給され、生物処理槽１２内で嫌気性アンモニア酸化処理された処理水が、配管４１より固液分離槽４０へ排出される。

また、生物処理槽１２は、採取部２４を介して本発明に係る測定装置２０と接続され、生物処理槽１２内の包括固定化担体１６や浮遊汚泥が測定装置２０内へ採取される。これにより、生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌との微生物が少なくとも測定装置２０に採取される。

本発明に係る測定装置２０は、生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を採取し、生物処理槽１２内の反応状態を測定する装置である。

図３に示されるように、測定装置２０は、主に、密閉可能な容器２２と、生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を容器２２に採取する採取部２４と、容器２２内に採取した嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌に、安定同位体を含む試薬を供給する試薬供給部２６と、容器２２内で発生するガスを採取するガス採取部３０と、を備えて構成される。

密閉可能な容器２２は、生物処理槽１２より採取した嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌の反応を行わせる容器である。この容器２２は、生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を採取する採取部２４と連通している。採取部２４は、例えば、図示しないポンプ等により、生物処理槽１２内より包括固定化担体１６や汚泥等の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌をくみ上げる配管であるが、容器２２内に嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌を採取可能な手段であれば、他の手段でもよい。

試薬供給部２６は、容器２２内に安定同位体を含む標準化合物（以下、安定同位体試薬と記す）を供給するものである。本実施形態では、標準化合物として、硝酸、亜硝酸、又はアンモニアのうち何れか１が使用される。また、試薬供給部２８は、容器２２内に上記安定同位体試薬以外の一般試薬を供給するものである。

ここで、上記安定同位体試薬及び一般試薬は、測定対象である嫌気性アンモニア酸化細菌の反応及び従属性脱窒菌の微生物反応の基質となる試薬であり、本実施形態では、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質に対応する試薬としては、安定同位体でない一般試薬としてのアンモニアを使用し、従属性脱窒菌の基質に対応する安定同位体試薬として硝酸を使用した例で説明する。しかし、これに限定するものではなく、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質に対応する一般試薬として亜硝酸を使用し、従属性脱窒菌の基質に対応する安定同位体試薬として硝酸を使用してもよい。更には、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質に対応する安定同位体試薬としてアンモニアを使用し、従属性脱窒菌の基質に対応する一般試薬として硝酸を使用することもできる。また、安定同位体試薬として亜硝酸が使用される場合には一般試薬として硝酸を使用することもできる。

要は、嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニア及び亜硝酸、従属性脱窒菌の基質である硝酸のうち何れか１つが安定同位体試薬であればよい。これにより、容器２２内で発生した窒素ガス総量のうち、第１及び第２の安定同位体ガス（^２９Ｎ_２及び^３０Ｎ_２）の発生量比、又は１の安定同位体ガス（^２９Ｎ_２又は^３０Ｎ_２）と１の通常ガス（^２８Ｎ_２）との発生量比を測定することができ、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応と、従属性脱窒菌による反応との反応比率を測定することができる。なお、容器２２内で発生する窒素ガスは、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌の代謝による窒素ガス量とほぼみなされる。

本実施形態では、容器２２に採取された嫌気性アンモニア酸化細菌と、従属性脱窒菌とが、それぞれ安定同位体試薬の硝酸と、一般試薬のアンモニアと、を基質として反応（代謝）し、窒素ガスを発生する。このとき発生した総窒素ガス量をガス量検出器３３で検出する。

ガス採取部３０は、容器２２内の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌によるそれぞれの反応（代謝）により発生したガスを、所定時間経過ごとに、バルブ２９…等を制御して、各ガス採取瓶３１…に採取する。このように、密閉されたガス採取瓶３１…をそれぞれ測定装置２０から取り出し、採取したガスを質量分析測定する。

ここで、発生する窒素安定同位体ガスのうち、^２９Ｎ_２は嫌気性アンモニア酸化細菌から発生し、^３０Ｎ_２は従属性脱窒菌から発生する。質量分析測定では、容器２２内から採取したガスに含まれる上記の安定同位体ガスのガス発生量比ε（＝^２９Ｎ_２／^３０Ｎ_２）を分析・測定する。これにより、生物処理槽１２内における嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を測定する。また、この反応比率に、発生した総窒素ガス量を積算することによって、嫌気性アンモニア酸化反応及び従属性脱窒反応それぞれの絶対値的な活性を評価することもできる。

また、容器２２内に採取した測定後の嫌気性アンモニア酸化細菌及び従属性脱窒菌は、戻し部３８により生物処理槽１２に戻される。

固液分離槽４０は、生物処理槽１２の後段に配され、上記測定装置２０の測定結果に基づいて生物処理槽１２内の従属性脱窒菌の菌濃度を低減する装置である。

固液分離槽４０では、生物処理槽１２から排出される処理水に同伴されて流出する汚泥（従属性脱窒菌を含む）を槽底部に沈降させる。沈降した汚泥の一部は循環配管４６を介して生物処理槽１２に戻されると共に、残りの汚泥は引き抜き配管４８を介して系外に引き抜かれる。これにより、生物処理槽１２内の浮遊汚泥中に含まれる従属性脱窒菌の菌数を低減する。

次に、上記の如く構成された廃水処理システム１０に組み込まれた測定装置２０の作用について説明する。図４は、このときの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、生物処理槽１２内から、嫌気性アンモニア酸化細菌を包括固定した包括固定化担体１６…及び生物処理槽１２内の汚泥（従属性脱窒菌を含む）が、所定量、採取部２４によって測定装置２０の容器２２内に採取される。

次に、試薬供給部２６より、安定同位体の亜硝酸又は硝酸が容器２２内に供給され、試薬供給部２８より、一般試薬のアンモニアが容器２２内に供給される。そして、容器２２内で嫌気性アンモニア酸化細菌、従属性脱窒菌等による代謝が行われ、窒素ガスが発生する。このとき発生した窒素ガス量が、窒素ガス量検出器３３により測定される（Ｓ１）。

検出された窒素ガス量が理論値の５０％以上である場合、ガス採取部３０において、所定時間毎にバルブ２９…等を開閉し、窒素ガスをガス採取瓶３１…に採取する（Ｓ２）。

また、検出された窒素ガス量が理論値の５０％未満である場合、供給した試薬量に対して採取した嫌気性アンモニア酸化細菌や従属性脱窒菌が不足しているので、更に包括固定化担体１６及び汚泥を容器２２に採取する（Ｓ５）。

次に、Ｓ２において、容器２２から発生した窒素ガスを採取したガス採取瓶３１…を測定装置２０から取り出し、採取したガスを質量分析測定する。この質量分析によって、上記の安定同位体ガスのガス発生量比ε、すなわち、^２９Ｎ_２／^３０Ｎ_２の値を計算する（Ｓ３）。

ガス発生量比εが０．３以上であれば、嫌気性アンモニア酸化細菌による嫌気性アンモニア酸化反応が活性であるので、そのまま運転条件を維持させる（Ｓ４）。一方、ガス発生量比εが０．３以下であれば、従属性脱窒反応の方が活性であるため、嫌気性アンモニア酸化反応を促進させるための各種制御を行う（Ｓ６）。この制御は、例えば、生物処理槽１２にさらに嫌気性アンモニア酸化細菌を追加投入する操作、上記の如く固液分離槽４０を使用して従属性脱窒菌を生物処理槽１２から除去低減する操作、生物処理槽１２の前段で曝気して廃水中のＢＯＤ（有機物）を低減させる操作等、を手動又は自動で行う。

このように、本発明に係る測定装置２０を廃水処理システム１０に組み込むことにより、生物処理槽１２における嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を定量的に測定及び評価することができる。したがって、この反応比率を加味して安定かつ効率的に処理運転を行うことが可能となる。

以上、本発明に係る測定装置２０及びこれを組み込んだ廃水処理システム１０の第一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

たとえば、本実施形態において、測定装置２０は生物処理槽１２とは別に設ける構成としたが、生物処理槽１２と一体化させてもよい。

また、本実施形態において、測定装置２０は、安定同位体ガスのガス発生量比εをオフラインで測定する構成について説明したが、測定装置２０内で、上記安定同位体ガスのガス発生量比εをオンラインで測定する構成をも採用できる。

図５は、本発明に係る測定装置２０の別態様である。図５の実施形態は、本発明の測定装置２０において、オンラインで質量分析測定し、嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を算出するものである。なお、図５において、図３と同様の符号及び部材については、その詳細な説明を省略する。

図５の測定装置２０は、主に、ガス採取部３０内のガスを質量分析測定する質量分析測定部３２と、その分析結果に基づいて、嫌気性アンモニア酸化細菌による反応と従属性脱窒菌による反応との反応比率等の各種計算、ガス採取部３０や質量分析測定部３２等の各種制御を行う計測・制御部３６と、を備えたこと以外は、図３と同様に構成される。

ガス採取部３０は、容器２２内の嫌気性アンモニア酸化細菌や従属性脱窒菌の反応（代謝）により発生したガスを、循環ポンプ３４により採取するガスサンプラである。このガス採取部３０には、校正・基準ガス等が供給、排出される。

質量分析測定部３２は、容器２２内から採取したガスに含まれる安定同位体ガス（^２９Ｎ_２及び^３０Ｎ_２）のガス発生量比εを分析、測定する。

また、ガス採取部３０や質量分析測定部３２は、計測・制御部３６により制御される。また、この計測・制御部３６内に、質量分析測定部３２で得られた各種分析データが送られ、安定同位体ガスのガス発生量比ε等が計算される。

なお、図２の廃水処理システム１０において、上記質量分析測定部３２で測定されたガス発生量比εの値に基づいて、各種フィードバック制御を自動的に行う構成としてもよい。

上述のような構成とすることにより、オンラインで生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率をオンラインで測定することできる。

次に、本発明に係る廃水処理システム１０の第二実施形態について説明する。本実施形態は、図６の廃水処理システム１０において、測定装置２０の測定結果に基づいて、処理槽１２の前段で廃水を曝気させる制御を行うシステムである。図６は、本実施形態に係る廃水処理システム１０の構成を説明する図である。

図６に示されるように、廃水処理システム１０は、主に、生物処理槽１２の前段において、廃水を曝気する曝気槽５０が設けられたこと以外は、図１とほぼ同様に構成される。なお、図５において、図１と同様に、生物処理槽１２の後段に固液分離槽４０を備えてもよいが、本例では備えない例について説明する。

曝気槽５０は、生物処理槽１２に供給する廃水をエア曝気する。エア曝気された廃水は、配管１３を介して生物処理槽１２に供給される。これにより、生物処理槽１２に供給される廃水中のＢＯＤ（有機物）が低減されるので、生物処理槽１２内における従属性脱窒菌の活性を低下させるとともに、嫌気性アンモニア酸化細菌の活性を向上させることができる。

本実施形態においては、ガス発生量比εが０．３以下である場合に、嫌気性アンモニア酸化反応を促進させる各種制御方法を説明したが、これに限られることはなく、その他の方法であってもよい。

また、本実施形態においては、嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌とのガス発生量比を窒素安定同位体ガスのガス発生量比により測定する方法について述べたが、本発明を応用すれば、異なる種類の微生物（菌）が共存する場合の、それぞれの微生物（菌）のガス発生量比（存在比）、又はそれぞれの微生物反応の反応比率を、種々の安定同位体ガスのガス発生量比により測定及び評価する技術にも幅広く応用することができる。

以下、本発明に係る実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
アンモニアと亜硝酸を含む廃水の場合について、以下の条件で廃水処理運転を行った。

（包括固定化担体１６の組成）
・嫌気性アンモニア酸化細菌の集積汚泥 ５０質量部
（嫌気性アンモニア酸化細菌の濃度２×１０^５ｃｅｌｌｓ／ｍＬ）
・ポリエチレングリコールジアクリレート ４質量部
・アクリルアミド 1質量部
・ＮＮＮ’Ｎ’テトラメチルエチレンジアミン ０．５０質量部
・過硫酸カリウム ０．２５質量部
・水 ４４．２５質量部
上記材料を混合して、重合温度２０℃下で３０分間重合させた後、３ｍｍの角型状に成形し、包括固定化担体１６を製造した。

（生物処理槽１２の運転条件）
・供試廃水：アンモニア−亜硝酸型廃水
（ＮＨ_４−Ｎ ９０〜１２０ｍｇ／Ｌ、ＮＯ_２−Ｎ ９０〜１３０ｍｇ／Ｌ含有廃水）
・滞留時間：２時間
・包括固定化担体１６の充填率：２０％
また、生物処理槽１２内の供試廃水を機械攪拌した。

（測定装置２０の測定条件）
・安定同位体試薬：亜硝酸（昭光通商株式会社製）
・一般試薬：アンモニア
また、測定装置としては、図３の測定装置２０（オフライン型）を使用した。

以上の運転条件で、図６の廃水処理システム１０において、生物処理槽１２を連続運転しながら、生物処理槽１２における嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率を測定した。なお、前述のガス発生量比εの測定は、図３の測定装置２０を用いて、上述の測定条件で１日１〜２回行った。また、比較例として、図５において、測定装置２０と生物処理槽１２’とを備え、前段の曝気槽５０がないシステム（不図示）を採用した。

また、廃水中のアンモニア性窒素ＮＨ_４−Ｎ、亜硝酸性窒素ＮＯ_２−Ｎ、硝酸性窒素ＮＯ_３−Ｎの分析はイオンクロマトグラフィーで分析した。また、廃水中の窒素濃度は全窒素濃度Ｔ−Ｎで評価し、全窒素濃度Ｔ−Ｎは東亜ディーケーケー株式会社製ＴＮＣ−２５０で測定した。

１ヶ月連続運転後、嫌気的にアンモニアと亜硝酸とが同時に除去され、廃水中の窒素濃度は、１２〜２０ｍｇ／Ｌで推移し、εは１０以上で良好であった。

しかし、その後、廃水中にＢＯＤが９０〜１００ｍｇ／Ｌの有機物が混在し始め、ガス発生量比εが低下し始めた。ガス発生量比εが０．３以下になった時点で、廃水中のＢＯＤ成分を分解させるために、図６のように生物処理槽１２の前段で、廃水を曝気した。これにより、廃水中のＢＯＤ成分を５０％以上除去し、生物処理槽１２内の嫌気性アンモニア酸化細菌の活性を向上させた。このとき、廃水の窒素濃度は、１２〜２０ｍｇ／Ｌで推移し、安定して嫌気性アンモニア酸化反応が行われるようになった。

一方、比較例として、εが０．３以下になっても何らの制御も行わずに、放置した生物処理槽１２’では、さらに２週間経過後、廃水中の窒素濃度が５２〜１２０ｍｇ／Ｌまで増加し、嫌気性アンモニア酸化反応がほとんど停止していることが確認された。

以上から、ガス発生量比εの値が０．３以下になった時点で、嫌気性アンモニア酸化細菌の活性を向上させる制御を行う効果があることが解った。
（実施例２）
次に、アンモニアと硝酸を含む廃水の場合について、実施例１と同様に、廃水処理運転を行った。なお、包括固定化担体１６は、実施例１と同じものを使用した。

（生物処理槽１２の運転条件）
・供試廃水：アンモニア−硝酸型廃水
（ＮＨ_４−Ｎ ９０〜１２０ｍｇ／Ｌ、ＮＯ_３−Ｎ ９０〜１３０ｍｇ／Ｌ含有廃水）
・滞留時間：２時間
・包括固定化担体１６の充填率：２０％
また、生物処理槽１２内に、脱窒汚泥として１０００ｍｇ／Ｌ浮遊汚泥を投入し、供試廃水を機械攪拌した。（なお、従属性脱窒菌は、硝酸がＢＯＤを水素供与体として亜硝酸に還元される過程で必要となる。）
（測定装置２０の測定条件）
・安定同位体試薬：硝酸（昭光通商株式会社製）
・一般試薬：アンモニア
また、測定装置としては、図５の測定装置２０（オンライン型）を使用した。

以上の運転条件で、図２の廃水処理システム１０において、生物処理槽１２を連続運転しながら、生物処理槽１２における嫌気性アンモニア酸化反応と従属性脱窒反応との反応比率をオンラインで測定した。なお、前述のガス発生量比εの測定は、図５の測定装置を用いて、１時間間隔で行った。また、比較例として、図２において、測定装置２０を備えない廃水処理システム（不図示）を採用した。

ガス発生量比εをオンラインで測定し、ガス発生量比εが０．３以下になった時点で、固液分離槽４０の汚泥引き抜き配管４８から汚泥を引き抜き、汚泥保持量を１０％低減させた。

さらに、この状態で１ヶ月運転後、嫌気的にアンモニアと硝酸とが同時に除去され、廃水中の窒素濃度は、１５〜２０ｍｇ／Ｌで安定に推移した。６ヶ月経過後も、安定に廃水中の窒素が除去され、処理されていることが確認された。

一方、比較例として、図５の測定装置２０を用いた測定は行わず、引き抜き配管４８から汚泥を通常量のみ引き抜いて運転した結果、水質は不安定で処理液の窒素濃度は１６〜４０ｍｇ／Ｌであり、廃水中の窒素除去反応がほとんど行われていないことが解った。

本発明に係る安定同位体ガスのガス発生量比εと比増殖速度との関係を示すグラフである 本発明の第一実施形態に係る廃水処理システムを示す図である 本発明の第一実施形態に係る測定装置を示す図である 本発明の第一実施形態に係るフローチャートである 本発明の測定装置の別態様を示す図である 本発明の第二実施形態に係る廃水処理システムを示す図である

符号の説明

１０…廃水処理システム、１１、１３…配管、１２…嫌気性アンモニア酸化反応槽（生物処理槽）、１６…包括固定化担体、１９…スクリーン、２０…測定装置、２２…容器、２４…採取部、２６…試薬供給部（安定同位体）、２８…試薬供給部（一般試薬）、２９…バルブ、３０…ガス採取部、３１…ガス採取瓶、３２…質量分析部（ＭＳ）、３３…ガス量検出器、３４…循環ポンプ、３６…計測・制御部（コンピュータ）、３８…差し戻し部、４０…固液分離槽、４１…配管、４６…循環配管、４８…引き抜き配管、５０…曝気槽

Claims (8)

1. 生物処理槽内で生物学的処理を行う嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌との反応比率を定量的に測定する反応比率の測定方法であって、
   前記嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニア又は亜硝酸に対応する第１の試薬と前記従属性脱窒菌の基質である硝酸に対応する第２の試薬であって、前記第１の試薬及び第２の試薬のうちの一方が ^１４ Ｎ窒素の一般試薬であり、他方が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬である２つの試薬を用いて前記生物学的処理を行って、
   前記嫌気性アンモニア酸化細菌が前記第１の試薬を代謝することにより発生する第１の窒素ガスと、前記従属性脱窒菌が前記第２の試薬を代謝することにより発生する第２の窒素ガスと、のガス発生量比を測定することにより、前記反応比率を定量的に測定することを特徴とする反応比率の測定方法。
2. 前記生物処理槽から密閉された容器に前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記従属性脱窒菌とを採取する採取工程と、
   前記容器内に前記第１及び第２の試薬を供給する試薬供給工程と、
   前記容器内において前記嫌気性アンモニア酸化細菌と前記従属性脱窒菌とによる前記代謝を行わせる反応工程と、
   前記代謝により発生するガスを採取するガス採取工程と、
   該ガス採取工程で採取したガス中の前記第１の試薬の代謝物である前記第１の窒素ガスと前記第２の試薬の代謝物である第２の窒素ガスとのガス発生量比を測定する測定工程と、を備えたことを特徴とする請求項１の反応比率の測定方法。
3. 前記基質に対応する前記第１及び第２の試薬のうち前記硝酸が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬であることを特徴とする請求項１又は２の反応比率の測定方法。
4. 第１の窒素ガスが^２９Ｎ_２であり、第２の窒素ガスが^３０Ｎ_２であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１の反応比率の測定方法。
5. 前記生物処理槽が、硝酸とアンモニアとにより生物学的処理を行う嫌気性アンモニア酸化反応槽であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の反応比率の測定方法。
6. 密閉された容器と、
   嫌気性アンモニア酸化細菌と従属性脱窒菌とを生物処理槽から前記容器に採取する採取部と、
   前記容器内に、前記嫌気性アンモニア酸化細菌の基質であるアンモニア又は亜硝酸に対応する第１の試薬と前記従属性脱窒菌の基質である硝酸に対応する第２の試薬であって、前記第１の試薬及び第２の試薬のうちの一方が ^１４ Ｎ窒素の一般試薬であり、他方が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬である２つの試薬を供給する試薬供給部と、
   前記容器内で発生するガスを採取するガス採取部と、
   前記ガス採取部で採取されたガス中のうち、前記嫌気性アンモニア酸化細菌が前記第１の試薬を代謝することにより発生する第１の窒素ガスと、前記従属性脱窒菌が前記第２の試薬を代謝することにより発生する第２の窒素ガスと、のガス発生量比をオンライン又はオフラインにて測定する質量分析測定部と、を備えたことを特徴とする反応比率の測定装置。
7. 前記基質に対応する前記第１及び第２の試薬のうち前記硝酸が ^１５ Ｎ窒素の安定同位体試薬であることを特徴とする請求項６の反応比率の測定装置。
8. 前記第１の窒素ガスが^２９Ｎ_２であり、前記第２の窒素ガスが^３０Ｎ_２であることを特徴とする請求項６又は７の反応比率の測定装置。

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