JP5736413B2 - 排水処理設備及び排水処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、排水処理設備及び排水処理方法に関する。
窒素化合物は、河川、湖沼、海水などの水域における富栄養化の原因物質であり、水質汚濁防止法により排出が規制されている。この窒素化合物含有排水を生物処理により除去する方法として、微生物を用いた生物窒素除去反応が行なわれている。
生物窒素除去反応は、アンモニア態窒素を亜硝酸体窒素に酸化し、さらに硝酸態窒素まで酸化する硝化反応を行なう硝化工程と、硝酸態窒素を亜硝酸態窒素に還元し、さらに亜硝酸態窒素を還元して窒素ガスにする脱窒反応を行なって窒素ガスを除去する脱窒工程とからなる。この２つの工程には、それぞれ種類の異なる微生物が関与しており、硝化工程、脱窒工程が効率よく行なわれることで、生物窒素除去反応が完結する。
生物窒素除去反応に関与する微生物の活性を維持するために、反応温度やｐＨ、そして硝化工程においては酸素供給、脱窒工程においては酸化還元電位などの、微生物の生育環境を適切にコントロールする方法が従来から行なわれている。また、付着担体や包括担体に微生物を固定化して用いる方法や、膜を用いて微生物濃度を高める方法が開発されている（特許文献１、特許文献２）。
しかしながら、微生物の生育環境をコントロールする方法は、生物窒素除去反応の活性を著しく向上させるものではない。また、膜や担体を用いる方法では、膜や担体を大量に用いなければ効果が発揮されない。さらに、膜や担体を用いる方法は、物理的な手段で反応槽内に微生物を保持させているに過ぎず、微生物の活性そのものを飛躍的に促進させるものではないため、生物窒素除去反応の効率を上げるのに限界がある。
そこで、本発明は、排水処理において生物窒素除去反応の効率を上げるべく、脱窒反応を促進させる方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、生物処理による排水処理方法であって、硝酸態窒素から亜硝酸態窒素を経て窒素ガスへと変換する脱窒反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で脱窒細菌を培養することによって促進させることを特徴とする、排水処理方法である。
本発明は、微生物間情報伝達物質を用いることにより、硝酸態窒素から亜硝酸態窒素を経て窒素ガスに至る脱窒反応全体を促進できる点で有用である。すなわち、本発明によれば、脱窒反応の一部の反応だけでなく、窒素ガスに至るまでの反応を全体的に促進できるので、格段に排水処理の効率を上げることができる。また、排水処理に用いる微生物間情報伝達物質は、微量でも十分に効果を発揮するため、コストを抑えつつ、簡便に、大量の排水を処理することが可能となる。
上記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質は、Ｃ８−ホモセリンラクトン、Ｃ１０−ホモセリンラクトン、Ｃ１４−ホモセリンラクトン及び３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトンからなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物であることが好ましい。
微生物間情報伝達物質の中でも、上記の群から選択される微生物間情報伝達物質を用いると、脱窒反応速度をより速くすることができ、排水処理効率をさらに上げることができる。
上記微生物間情報伝達物質は、化学合成により得られた物質或いは微生物により生産された物質であることが好ましい。
化学合成によれば、所望の微生物間情報伝達物質のみを確実に製造することができ、時間的、経済的に効率良く脱窒反応を促進することができる。また、微生物により微生物間情報伝達物質を生産すれば、複数の微生物間情報伝達物質の相乗作用により、脱窒反応効率をさらに上げることができる。
本発明によれば、排水処理において、脱窒反応を促進させる方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の排水処理方法について詳細に説明する。
図１は本発明の方法に用いられる排水処理装置を示す概略構成図である。この排水処理装置１０は、生物学的硝化脱窒反応により窒素化合物を含有する下水等の排水を処理する下水処理施設に採用されるものである。
図１に示すように、排水処理装置１０は、硝化槽１と、脱窒槽２とを備えている。また、排水を被処理水として硝化槽１に流入させるラインＬ１、硝化槽１から脱窒槽２に被処理水を供給するラインＬ２、脱窒槽２から処理水を流出するラインＬ３、脱窒槽２から窒素ガスを排気するラインＬ４を備えている。
硝化槽１に、ラインＬ１を通じて排水が被処理水として流入する。硝化槽１の中では、硝化細菌により、被処理水中のアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素へと酸化する反応及び亜硝酸態窒素を硝酸態窒素へと酸化する反応が行なわれている。硝化槽１で硝化処理された被処理水は、ラインＬ２を通じて脱窒槽２へと送られる。
ラインＬ２を通じて送られた被処理水は、脱窒槽２の中で、脱窒処理を受ける。脱窒槽２の中では、微生物間情報伝達物質の存在下、脱窒細菌により、非処理水中の硝酸態窒素を亜硝酸態窒素へと還元する反応及び亜硝酸態窒素を窒素ガスへと還元する反応が行なわれている。被処理水から発生する窒素ガスは、ラインＬ４を通じて脱窒槽２から排気される。窒素ガスが被処理水から十分に除去された後、被処理水は処理水として脱窒槽２からラインＬ３を通じて排出される。排出された処理水は、例えば、河川等に放流すべく滅菌処理等に供されることになる。
硝化槽１及び脱窒槽２は、被処理水をラインから各槽内に導入するための水中攪拌機を中に備えていてもよい。また、脱窒槽２と硝化槽１はこの順に接続されていなくてもよく、処理水を脱窒槽２から硝化槽１に返送するためのラインをさらに備えていてもよい。また、排水処理装置１０は、硝化槽１や脱窒槽２の他に別の処理槽をさらに備えていてもよい。
脱窒槽２において、被処理水中の硝酸態窒素は脱窒細菌により、亜硝酸態窒素を経て窒素ガスへと変換される。下記反応式（Ｉ）は、硝酸態窒素から亜硝酸態窒素へと還元する反応を表し、下記反応式（ＩＩ）は、亜硝酸態窒素から窒素ガスへと還元する反応を表す。
２ＮＯ３−＋２Ｈ２→２ＮＯ２−＋２Ｈ２Ｏ・・・（Ｉ）
２ＮＯ２−＋３Ｈ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−・・・（ＩＩ）
本発明においては、上記反応式（Ｉ）及び（ＩＩ）の脱窒反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で脱窒細菌を培養することにより、促進することができる。
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２ＮＯ２−＋３Ｈ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−・・・（ＩＩ）
本発明においては、上記反応式（Ｉ）及び（ＩＩ）の脱窒反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で脱窒細菌を培養することにより、促進することができる。
本明細書において、微生物間情報伝達物質とは、細菌等の微生物が、異種又は同種の微生物個体間で情報伝達する際に用いる物質である。微生物の細胞内で産生された該物質は、細胞外に分泌された後、産生した微生物の細胞や他の微生物の細胞に作用する。
本発明で用いられる微生物間情報伝達物質としては、微生物個体間の情報伝達に用いられる物質であれば種類を問わず、例えば、Ｎ−アシル−Ｌ−ホモセリンラクトン（ＡＨＬ）、ペプチド性フェロモン、真核細胞ホルモンを挙げられる。この中でも、ＡＨＬが好ましい。ＡＨＬの中でも、Ｃ４−ホモセリンラクトン（Ｃ４−ＨＳＬ）、Ｃ８−ホモセリンラクトン（Ｃ８−ＨＳＬ）、Ｃ１０−ホモセリンラクトン（Ｃ１０−ＨＳＬ）、Ｃ１２−ホモセリンラクトン（Ｃ１２−ＨＳＬ）、Ｃ１４−ホモセリンラクトン（Ｃ１４−ＨＳＬ）、３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトン（３−ｏｘｏ−Ｃ６−ＨＳＬ）及び３−オキソ−Ｃ１２−ホモセリンラクトン（３−ｏｘｏ−Ｃ１２−ＨＳＬ）がさらに好ましい。これらの物質は、微生物間情報伝達物質の中でも、脱窒反応を促進する能力が特に優れている。
本発明において用いられる微生物間情報伝達物質の量は、被処理水の総量や、添加する微生物間情報伝達物質の種類により当業者が適宜調整できる。例えば、被処理水の量に対して、上述のＡＨＬであれば、１ｎｍｏｌ／Ｌ〜１ｍｍｏｌ／Ｌ、より好ましくは、１０ｎｍｏｌ／Ｌ〜１００μｍｏｌ／Ｌ、さらに好ましくは、１００ｎｍｏｌ／Ｌ〜１０μｍｏｌ／Ｌとすることができる。微生物間情報伝達物質の濃度を上記範囲としたとき、最も効果的に脱窒反応を促進することができる。
本発明で用いられる微生物間情報伝達物質は天然に存在するものでもよいし、合成物でもよい。特定の微生物間情報伝達物質を添加する場合、化学合成によれば所望の物質を純度の高い状態で得られるので、より確実に脱窒反応促進の効果を上げることができる。化学合成は公知の方法により行なうことができる。
また、本発明で用いられる微生物間情報伝達物質は、微生物により生産された物質であってもよい。特定の微生物を培養した培地又は培養液から微生物間情報伝達物質を公知の方法により精製することができ、複数種類の微生物間情報伝達物質を同時に得ることもできる。また、本発明においては、微生物を培養した培地又は培養液自体あるいは該培地又は該培養液を抽出若しくは濃縮した液をそのまま用いることによって、簡便に微生物間情報伝達物質を排水処理のために利用することができる。
本発明で用いられる微生物間情報伝達物質を生産する微生物としては、バークホルデリア属（Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａ）、シュードモナス属（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）、ビブリオ属（Ｖｉｂｒｉｏ）、アエロモナス属（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ）、バチルス属（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）、ストレプトマイセス属（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）、ストレプトコッカス属（Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ）、ラクトバチルス属（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ）等に属する細菌を挙げることができる。
本発明では、反応式（I）の反応を行なう脱窒細菌として、エスケリチア・コリ（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ）、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）、クレブシエラ・ニューモニエ（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｐｎｅｕｍｏｎｉａｅ）、ブラディリゾビウム・ジャポニクム（Ｂｒａｄｙｒｈｉｚｏｂｉｕｍ ｊａｐｏｎｉｃｕｍ）、アルカリゲネス・フェカリス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ ｆａｅｃａｌｉｓ）、アクロモバクター・サイクロクラステス（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ ｃｙｃｌｏｃｌａｓｔｅｓ）、アゾスピリルム・ブラシレンセ（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｂｒａｓｉｌｅｎｓｅ）、パラコッカス・デニトリフィカンス（Ｐａｒａｃｏｃｃｕｓ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）、パラコッカス・ハロデニトリフィカンス（Ｐａｒａｃｏｃｃｕｓ ｈａｌｏｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）、シュードモナス・エルギノーサ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）、シュードモナス・スツッツェリ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｓｔｕｔｚｅｒｉ）、ロドシュードモナス・デニトリフィカンス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）、チオバチラス・デニトリフィカンス（Ｔｈｉｏｂａｃｈｉｌｌｕｓ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）等の脱窒細菌を用いることができる。これらの脱窒細菌のうち、アルカリゲネス・フェカリス、アクロモバクター・サイクロクラステス、アゾスピリルム・ブラシレンセ、パラコッカス・デニトリフィカンス、パラコッカス・ハロデニトリフィカンス、シュードモナス・エルギノーサ、シュードモナス・スツッツェリ、ロドシュードモナス・デニトリフィカンス、チオバチラス・デニトリフィカンスは、反応式（II）の反応も行なうことができ、本発明の方法によれば、反応式（I）及び反応式（II）の脱窒反応全体が促進される。
脱窒槽２において、微生物間情報伝達物質の存在下で脱窒細菌を培養する条件は、当業者が適宜決定することができる。例えば、脱窒槽２は嫌気状態とすることができる。また、被処理液の温度としては、１０〜４０℃とすることが好ましく、１５〜３５℃とすることがさらに好ましく、２５〜３０℃とすることが最も好ましい。また、ｐＨとしては、５〜９とすることが好ましく、６〜８とすることがさらに好ましく、６．５〜７．５とすることが最も好ましい。
本発明の生物処理による排水処理方法には、脱窒細菌そのものを用いる他に、脱窒細菌を含んだ活性汚泥を用いることができる。活性汚泥を用いる場合、用いる活性汚泥の量は、活性汚泥中に含まれる脱窒細菌の量や、用いる微生物間情報伝達物質の種類によって、当業者が適宜調整することができる。例えば、ＭＬＳＳ（Ｍｉｘｅｄ ｌｉｑｕｏｒ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｓｏｌｉｄｓ；活性汚泥浮遊物質）で活性汚泥の濃度を表した場合、処理する排水量に対して、活性汚泥は２０００〜１００００ｍｇ／Ｌであることが好ましく、３０００〜８０００ｍｇ／Ｌであることがより好ましく、５０００〜６０００ｍｇ／Ｌであることがさらに好ましい。活性汚泥を上記範囲の濃度としたとき、微生物間情報伝達物質による硝化反応促進効果が最も高くなる。ＭＬＳＳの測定は、例えば、次の以下の方法により行なうことができる。まず、汚泥サンプルを遠心管にとり、３０００ｒｐｍで１０分間遠心分離を行なった後、上清を捨てる。次に、得られた沈殿物に水を加えてよく混合した後、再び上記と同様に遠心分離して上清を捨てる。得られた沈殿物を、予め秤量された蒸発皿に洗い入れ、乾燥機中で１０５〜１１０℃で半日乾燥する。続いて、デシケーター中で放冷後、秤量する。測定された質量から、空の蒸発皿の質量を除いた質量がＭＬＳＳである。
脱窒槽２においては、微生物間情報伝達物質や、微生物間情報伝達物質を産生する微生物を培養した培地又は培養液又はそれらの抽出液又は濃縮液を、脱窒細菌を含む被処理水に直接添加することができる。また、脱窒細菌を含む活性汚泥等に、微生物間情報伝達物質や微生物間情報伝達物質を含む培養液等を添加してから、それらを排水に添加することもできる。また、脱窒細菌と微生物間情報伝達物質とを担体に担持させ、該担体を脱窒槽２で流動させることもできる。また、脱窒細菌を含む生物膜に微生物間情報伝達物質を固定し、該生物膜と被処理水を接触させることもできる。いずれの方法を用いるかは、被処理水の量、脱窒槽の大きさ、脱窒細菌の種類、活性汚泥の種類や量その他の条件に応じて、当業者が適宜選択できる。
以下、実施例により本発明を説明する。実施例では、活性汚泥を用いて脱窒試験を行なった。活性汚泥として、実効容積２Ｌの曝気槽に硝酸態窒素含有排水を連続供給して嫌気条件下で脱窒反応を行ない、３ヶ月間馴養した活性汚泥を用いた。試験管に、硝酸態窒素を初期濃度５００ｍｍｏｌ／Ｌとなるように調製した無機塩培地及び電子供与体として７００ｍｍｏｌ／Ｌとなるように調製したメタノールを入れ、馴養した活性汚泥をＭＬＳＳが３０００ｍｇ／Ｌとなるように添加した。さらに、微生物間情報伝達物質として、Ｃ４−ＨＳＬ、Ｃ８−ＨＳＬ、Ｃ１０−ＨＳＬ、Ｃ１２−ＨＳＬ、Ｃ１４−ＨＳＬ、３−ｏｘｏ−Ｃ６−ＨＳＬ及び３−ｏｘｏ−Ｃ１２−ＨＳＬをそれぞれ５０μｍｏｌ／Ｌとなるように添加した。コントロールとして、活性汚泥のみを添加した無機塩培地を用いた。培地中の亜硝酸態窒素濃度をスルファニルアミド・ナフチルエチレンジアミン法により測定し、硝酸態窒素濃度をブルシン・スルファニル酸法により測定した。添加開始から４８時間後の硝酸態窒素濃度を図２に示す。図中、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ１０、Ｃ１２、Ｃ１４、３ｏｘｏＣ６及び３ｏｘｏＣ１２は、それぞれＣ４−ＨＳＬ、Ｃ８−ＨＳＬ、Ｃ１０−ＨＳＬ、Ｃ１２−ＨＳＬ、Ｃ１４−ＨＳＬ、３−ｏｘｏ−Ｃ６−ＨＳＬ及び３−ｏｘｏ−Ｃ１２−ＨＳＬを表す。図２より、添加開始から４８時間後において、微生物間情報伝達物質を加えた培地はいずれも、硝酸態窒素濃度がコントロールの培地の２５〜４０％に低下した。亜硝酸態窒素は４８時間後において、いずれの培地においても検出されず、速やかに窒素まで還元されていることが示された。なお、窒素ガスは培地から空気中へと拡散したため、培地から検出されなかった。
よって、微生物間情報伝達物質を活性汚泥に添加することにより、脱窒細菌が硝酸態窒素を亜硝酸態窒素を経て窒素ガスまで還元する脱窒反応全体を、格段に促進することが示された。
本発明の方法によれば、生物処理による排水処理において、微量の微生物間情報伝達物質を利用することによって、排水処理効率を上げることができる。したがって、コストを抑えつつ、大量の排水を処理することが可能となる。
１・・・硝化槽、２・・・脱窒槽、Ｌ１〜Ｌ４・・・ライン、１０・・・排水処理装置。
Claims (4)
- 生物窒素除去反応により窒素化合物を含有する排水を処理する排水処理装置であって、
前記排水処理装置は、脱窒細菌により、硝酸態窒素から亜硝酸態窒素を経て窒素ガスへと変換する脱窒反応全体を行う脱窒槽を備え、
前記脱窒槽には、前記脱窒細菌と脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質とが含まれ、
前記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質は、Ｃ８−ホモセリンラクトン、Ｃ１０−ホモセリンラクトン、Ｃ１４−ホモセリンラクトン及び３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトンからなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物である、排水処理装置。 - 前記脱窒槽に含まれる前記脱窒細菌及び前記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質は、前記脱窒細菌を含む活性汚泥に前記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質を添加してから前記脱窒槽に添加したものである、請求項１に記載の排水処理装置。
- 脱窒槽を備える排水処理装置において、生物窒素除去反応により窒素化合物を含有する排水を処理する排水処理方法であって、
前記脱窒槽において、脱窒細菌により硝酸態窒素から亜硝酸態窒素を経て窒素ガスへと変換する脱窒反応全体を行う工程を含み、
前記脱窒反応全体は、脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質の存在下で行われ、
前記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質は、Ｃ８−ホモセリンラクトン、Ｃ１０−ホモセリンラクトン、Ｃ１４−ホモセリンラクトン及び３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトンからなる群から選択される少なくとも１種以上の化合物である、排水処理方法。 - 前記脱窒細菌を含む活性汚泥に、前記脱窒反応速度を速くする微生物間情報伝達物質を添加してから、前記脱窒槽に添加する工程をさらに含む、請求項３に記載の排水処理方法。
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