JPH06142674A - 水の生物学的浄化用担体及びそれを用いた水の浄化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固定化微生物法を合理化するため微生物の固
定化の工程から、微生物を高分子樹脂と混合し、これを
重合し、適当な粒径に造粒するという作業を不要とし、
微生物の固定化法を極力容易すること。 【構成】 水中で膨潤して弾性を示す、高吸水性高分子
より成る定形のヒドロゲル粒子の表面乃至内部に微生物
を増殖させ保持したヒドロゲル粒子を担体とし、該担体
と懸濁流動状態で水を接触させ、あるいは該担体を充填
した充填層を形成し該充填層に水を通水して、水を浄化
する生物学的浄化方法および浄化装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、上水、各種の用廃水や
汚水を生物学的に高速で浄化する新方式に関するもので
ある。例えばＮＨ₄ −Ｎを含む水を高速度に硝化する場
合、従来よりも硝化速度を大幅に向上させるのに好適な
技術を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在最も進歩した水の生物処理法とし
て、固定化微生物法が注目されている。包括固定化微生
物による水処理法は、微生物菌体をポリエチレングリコ
ール、ポリビニルアルコールなどの高分子樹脂の液状物
と混合した後、これらの高分子樹脂を塩化カルシウムな
どのゲル化剤あるいは凍結によってゲル化させ、高分子
ゲルの内部に微生物を閉じ込めて粒状化した粒状物を処
理対象原水と接触させるという方法であり。生物反応速
度が大きいという特徴がある。

【０００３】しかし、包括固定化微生物には、ゲル化前
の高分子樹脂と微生物を混合した後、高分子樹脂を重合
させ、このあと微生物を包括固定化した高分子ゲルを適
当な粒径にカットするかあるいは高分子樹脂と微生物の
混合物をゲル化剤液中に滴下造粒し、重合ゲル化して微
生物を包括固定化するという複雑かつ面倒な作業が必要
であるので、固定化微生物粒子の製造の時間とコストが
著しく大きく、また特別な固定化微生物製造設備が必要
であるという欠点がある。従って、小規模の処理には固
定化微生物法は実用化できても、例えば数万〜百万ｍ³
／日におよぶ大量の下水処理などの大規模な処理には固
定化微生物法は実質的に適用が不可能である。

【０００４】下水などの処理は、大規模な処理となるう
え、極力処理コストを低くすることが要求される。従来
の固定化微生物法は、微生物を固定化する方法が煩雑す
ぎ、コストもかかるなど、大規模の処理に適用するため
には致命的欠点があるので下水などの処理には実質的に
適用が不可能なのである。この欠点を根本的に解決しな
い限り固定化微生物法を大規模な廃水処理に実用化する
ことはできないという認識に立って、検討を進めた結
果、次のような概念に立つ本発明によれば、従来の欠点
を根本的に解決できることを見出した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】解決すべき課題は、固
定化微生物法を合理化して微生物の固定化の工程から、
微生物と高分子樹脂を混合し、これを重合し、適当な粒
径に造粒するという作業を完全に不要とし、微生物の固
定化法を極力容易することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するために種々検討を進めた結果、次のような手段に
よって、極めて容易な微生物の固定化が可能で、しかも
極めて効率的に汚水を固定化微生物によって浄化できる
ことを見出した。すなわち、

【０００７】１）高吸水性高分子より成り、水中で膨潤
して弾性を示すヒドロゲル粒子となり、該ヒドロゲル粒
子の表面乃至内部に微生物を増殖させ保持するヒドロゲ
ル粒子を担体とすることを特徴とする水の生物学的浄化
用担体。 ２）高吸水性高分子より成り、水中で膨潤して弾性を示
す定形のヒドロゲル粒子に微生物を増殖させ、該ヒドロ
ゲル粒子と懸濁流動状態で水を接触させて浄化すること
を特徴とする水の生物学的浄化方法。

【０００８】３）槽内に、吸水性高分子より成り、水中
で膨潤して弾性を示す定形のヒドロゲル粒子を充填した
充填層を形成し、該ヒドロゲル粒子に微生物を増殖さ
せ、該充填層に水を通水して浄化することを特徴とする
水の生物学的浄化方法。 ４）少なくとも、吸水性高分子より成り水中で膨潤して
弾性を示す定形のヒドロゲル粒子に微生物を増殖せしめ
た固定化微生物エレメントを内蔵してなる槽を有するこ
とを特徴とする水の生物学的浄化装置

【０００９】本発明において重要な点は、水中において
糊状にならず、膨潤して個別に球状など定形の弾性を示
す強度の大きなヒドロゲルになる性質をもつ、高吸水性
高分子からなる粒状体を処理槽に投入して、必要により
空気など酸素含有気体と接触させながら、処理対象原水
と作用させるという技術思想に存在する。

【００１０】高吸水性高分子は、自重の数百倍もの水を
吸収できる親水性の高分子であり、水を吸収して全体が
糊状のヒドロゲルになるものと、弾性のあるヒドロゲル
になるものの２種類がある。糊状になるものは水をろ過
によって分離できないが、球状などの定形を維持して、
弾性を示す強度の大きなヒドロゲルになるものは、ゲル
に吸収されなかった水をろ過によって容易に分離でき
る。後者の水を吸収して膨潤し弾性を示すヒドロゲルを
形成ものは水中でピンセットによってこのヒドロゲルを
つまむことができる。本発明はこの後者のヒドロゲルを
使用する。

【００１１】すなわち、本発明にいう水中で膨潤して弾
性を示す「定形のヒドロゲル粒子」とは、ヒドロゲルが
外力により、または乾燥して変形しても、再び外力が消
失したり、吸水して膨潤すると可逆的にもとの形に復元
するヒドロゲル粒子を意味する。ヒドロゲル粒子の大き
さ、すなわち極限膨潤度は、ヒドロゲル粒子を構成する
高吸水性高分子の架橋度とそれを投入する水溶液の性質
による。また、ヒドロゲル粒子の示す弾性強度は構成高
分子と膨潤度などによって調節可能である。かかる本発
明のヒドロゲル同志は互いに融合しない性質を有してい
る。また、微生物による分解性が低い、好ましくは分解
されないことが必要である。

【００１２】このような性質を有する高分子として、ア
クリル酸−ビニルアルコール共重合体、またはイソブチ
レン−無水マレイン酸共重合体などが好例として挙げら
れる。なお、これら高分子粒子は吸水膨潤時、すなわち
担体形成時の粒径がｍｍオーダーとなるものが固液分離
のうえから好ましい。表１に本発明と従来の固定化微生
物法とを比較掲載し、その相違点を明らかにする。

【００１３】

【表１】

【００１４】本発明によれば、乾燥した高吸水性高分子
粒子を運搬し、現場において処理槽に投入し、膨潤させ
れば良いので、極めて容易に多量の担体を処理槽に投入
設置できる。本発明の装置に原水と好気性処理に適用す
るならば、酸素含有ガスを供給し続けると微生物は自然
増殖的に高吸水性高分子のヒドロゲルの表面と内部に固
定化され、原水の通水を開始してから、１０〜３０日程
度で充分な微生物が自然に固定化される。この結果、従
来の固定化微生物法の製造工程設備が全く不要になり、
微生物の固定化上顕著な改善が可能になる。さらに多く
の場合、基質補償性の原則に則り、対象水中の基質（汚
濁物質など）に適した微生物が固定されるので、効果的
な浄化処理を行うことができる。

【００１５】本発明の方法は好気的処理にも嫌気的処理
にも適用が可能であり、その実施に当たって、担体の設
置態様はいかなる状態にあっても良い。例えば 処理対象水に投入し完全に混合し、懸濁流動状態と
する形式 流動床または部分流動床を形成する形式 固定床の形成（浮上、浮遊、沈殿、全体充填のいか
なる状態でも良い） 種々の担体の設置形式をもつ多槽間に処理対象水を
循環する形式 などその他いかなる態様で用いることも妨げない。

【００１６】本発明の具体的態様例として、以下に図１
を用いて説明するが、本発明は以下の具体例によって制
限されるものではない。高吸水性高分子からなる担体粒
子を曝気槽Ａ中の処理対象水に投入して粒径２〜６ｍｍ
程度の球形に膨潤させ、弾性を有するヒドロゲル粒子が
曝気槽Ａ中を懸濁流動している状態とする。該ヒドロゲ
ル粒子が流出することを防止するため、目開き１〜１．
５ｍｍのスクリーンＢを曝気槽Ａの出口に張設する。曝
気槽Ａの底部には散気管２が設置され、ブロア１０など
気体源から空気または酸素含有気体が曝気槽Ａ中に送り
込まれる。

【００１７】曝気槽Ａの上部には原水供給管３が設けら
れ、下水など原水を曝気槽Ａ中に供給する。曝気槽Ａで
処理された被処理水はスクリーンＢが張設されている出
口から、被処理水流出管８を通りフィードウエル９を経
て沈殿槽４に送られる。沈殿槽４の底部に余剰汚泥引抜
管７を有し、沈殿した余剰汚泥を系外に排出する。また
沈殿汚泥の一部は余剰汚泥引抜管７から分岐した汚泥返
送管６を経て曝気槽Ａ中に返送される。沈殿槽４の上部
には処理水流出管５を設け、処理水を系外に流出する。
なお汚泥返送管６は省略することもある。また、沈殿槽
４に代えて、ろ過装置を設けることも良い。

【００１８】しかして、本例をアンモニア含有廃水の硝
化処理に適用した場合には、原水を原水供給管３から高
吸水性高分子球状ヒドロゲルが懸濁流動している曝気槽
Ａに流入させ、空気を散気管２から曝気供給するという
操作を続けると数週間で硝化菌が高吸水性高分子球状ヒ
ドロゲル粒子の外表面と表面近くの内部に自然増殖的に
固定化される。ここで、従来の固定化微粒子法のように
予め別途培養した微生物を人為的に繁雑な工程で高分子
ゲル内に固定化する操作はなんら必要ない。

【００１９】本発明の特徴は、ＮＨ₃ −Ｎの硝化速度な
どの生物反応速度が著しく大きいことであり、従来の高
分子ゲル内に微生物を閉じ込める固定化微生物法よりも
硝化速度が１．５〜３倍ほど大きい。この原因は高分子
のゲルの内部に硝化菌を閉じ込めると酸素とＮＨ₄ ⁺ イ
オンが分子拡散によってゲル内部に進入していかなけれ
ばならないので、拡散速度が小さくなってしまうが、本
発明ではヒドロゲルの表面および内部に硝化菌を固定化
すること、およびヒドロゲルの内部は大部分が自由水な
ので、酸素とＮＨ₄ ⁺ イオンが容易に拡散することによ
ると考えられる。

【００２０】次に本発明の別の具体的態様例として、以
下に図２を用いて説明する。本発明の方法を適用する装
置１１には、水を吸収して球形に膨潤した弾性を有する
ヒドロゲル粒子を充填した充填層Ｃ（以下ヒドロゲル充
填層と略記する）を有する。装置１１の該ヒドロゲル充
填層Ｃの下部には球形ヒドロゲル粒子の流出を阻止する
任意の粒状固体（アンスラサイト、小石、粒状活性炭な
ど）の支持床Ｄを配備する。充填層Ｃの下部には散気管
１２を設け充填層Ｃにブロア１５など気体源から空気な
ど酸素含有気体を散気管１２を経て吹き込む。装置１１
の上部に設置した原水供給管１３より下水などの原水を
装置１１に供給し、下向流でヒドロゲル充填層Ｃを通水
し、浄化した処理水は装置１１の下部に設置した処理水
流出管１４から系外に流出する。装置１１の水位１７
は、ヒドロゲル粒子の層の上部界面１６より上に設定
し、充填層Ｃが散気管１２よりの気泡の上昇運動により
流動化させることも好ましい。

【００２１】しかして、ＮＨ₃ −Ｎの硝化を含む高度処
理に適用する場合の下水の２次処理として、本発明の生
物学的処理方法を適用した例について説明すると、図２
の装置１１において、下水の２次処理水を装置１１の上
部に設置した原水供給管１３よりヒドロゲル充填層Ｃに
供給し、ヒドロゲル粒子を充填したヒドロゲル充填層Ｃ
に下向流で通水し、空気をブロア１５など気体源から散
気管１２を経て空気をヒドロゲル充填層Ｃに吹き込む操
作を数週間続けると硝化菌が高吸水性高分子球状ヒドロ
ゲル粒子の外表面と内部に自然増殖的に固定化される。

【００２２】硝化菌は原水中に含まれているので、特に
種菌を装置内に投入しておく必要はないが、もちろん硝
化菌を人為的に充填層内に供給しても構わない。硝化菌
を人為的に充填層内に供給すると球状ヒドロゲル粒子表
面に硝化菌が付着増殖するのが早くなり、数週間（通常
３週間で充分である）後には、ＮＨ₃ −Ｎが高度に硝化
された処理水が得られるようになる。

【００２３】ところで、充填層ＣのＳＳ捕捉量が限界に
達した時点で、充填層Ｃを洗浄する必要があるが、本発
明の球状ヒドロゲルは比重が水とほぼ同一であるため、
水による逆洗は必要なく、散気管１２からの空気散気量
を増加することによってヒドロゲル充填層を空気洗浄で
き、空気と原水によってＳＳを洗い出すことができる。

【００２４】洗浄排水の流出は装置１１の下部の処理水
流出管１４を通って行われる。充填層Ｃの洗浄が終了し
た後、空気散気量を通常処理時に下げると、３０分ほど
で処理水流出管１４から清澄な処理水が流出し始める。
なお、充填層Ｃを流動化状態で運転する時はＳＳのろ過
はされないので、充填層Ｃを洗浄する必要はない。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）水に投入すると、自重の約１５０倍の水を
吸収し、著しく膨潤して、弾性のある、強度の大きな球
状のヒドロゲル粒状体（粒径２〜６ｍｍ）になる高吸水
性高分子（イソブチレン−無水マレイン酸共重合体）を
曝気槽に投入し、図１の装置により、アンモニア含有水
（ＢＯＤ１９ｍｇ／リットル、ＳＳ１２５ｍｇ／リット
ル、ＮＨ₃ −Ｎ５５ｍｇ／リットル）の浄化処理を行っ
た。処理条件を表１に示す。 表１ （処理条件） 曝気槽容積 ２００リットル ヒドロゲル充填量 ６０リットル 滞留時間 ３０分 空気供給量 １．２Ｎｍ³ ／時間 原水供給量 ４００リットル／時
間

【００２６】この条件で３週間馴致運転を続け、４週間
目から処理水の水質分析を１ヶ月間行った結果、処理水
の水質はＳＳ５ｍｇ／リットル以下、ＢＯＤ２ｍｇ／リ
ットル以下、ＮＨ₃ −Ｎ０．１ｍｇ／リットル以下と極
めて高度な処理水質を示した。ＮＨ₃ −Ｎ５５ｍｇ／リ
ットルを３０分間で硝化できるのは従来考えられなかっ
たほどの高速度である。

【００２７】（実施例２）水に投入すると、自重の約１
５０倍の水を吸収し、著しく膨潤して、弾性のある、強
度の大きな球状のヒドロゲル粒状体（粒径３〜７ｍｍ）
になる高吸水性高分子（酢酸ビニル−アクリル酸エステ
ル共重合体ケン化物）を装置内に充填し、図２の装置に
より下水２次処理水（ＢＯＤ５ｍｇ／リットル、ＳＳ１
２ｍｇ／リットル、ＮＨ₃ −Ｎ２５ｍｇ／リットル）の
浄化処理を行った。処理条件を表２に示す。 表２ （処理条件） 装置直径 １５０ｍｍφ円筒 装置高さ ３ｍ ヒドロゲル充填槽高 ５０リットル 充填層内下向流（ＬＶ） ２５０ｍ／日 空筒基準滞留時間 １０分 空気供給量 １５ｍ³ ／日 原水供給量 ４．４ｍ³ ／日

【００２８】この条件で、３週間馴致運転を続け、４週
間目から処理水の水質分析を１ヶ月間行った結果、処理
水の水質はＢＯＤ１ｍｇ／リットル以下、ＮＨ₃ −Ｎ
０．２ｍｇ／リットル以下と極めて高度な処理水質を示
した。従来の固定化微生物法では、最良の条件下でも４
０〜６０分間が硝化に必要な時間であった。これに比べ
てＮＨ₃ −Ｎ２５ｍｇ／リットルを１０分間で硝化でき
ることは従来考えられないほどの高速度である。

【００２９】

【発明の効果】 従来の固定化微生物法の面倒な人為的微生物固定化
操作が全く不要であるため、微生物固定化のコストは著
しく安価であり、しかも装置内に高吸水性高分子を投入
して、水に膨潤させるだけで良いので、搬入および操作
が極めて簡単であり、例えば１００万ｍ³ ／日規模の下
水処理にも容易に適用できる。この効果は著しく、従来
の固定化微生物法では全く考えられない程の卓越した効
果である。 高吸水性高分子のヒドロゲル粒子の表面と内部に、
微生物を自然増殖的に固定化させること、またヒドロゲ
ル内部が大部分自由水であり、基質、ＮＨ₃ −Ｎや酸素
の拡散が良く、生物反応速度が著しく大きい。 生物反応速度が非常に大きいので、処理槽がコンパ
クト化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水の生物学的浄化装置の１例を示す模
式図。

【図２】本発明の水の生物学的浄化装置の別の１例を示
す模式図。

【符号の説明】

２ 散気管 １２ 散気管 ３ 原水供給管 １３ 原水供給管 ４ 沈澱槽 １４ 処理水流出管 ５ 処理水流出管 １５ ブロア ６ 汚泥返送管 １６ 上部界面 ７ 汚泥引抜管 １７ 水位 ８ 被処理水移送管 Ａ 曝気槽 ９ フィードウェル Ｂ スクリーン １０ ブロア Ｃ 充填層 １１ 装置 Ｄ 支持床

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【手続補正書】

【提出日】平成５年６月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】なお、本発明はあらかじめ別途に培養した
微生物と高吸水性高分子とを混合する必要はない。また
CaCl₂ などのゲル架橋剤を添加する必要もない。本発明
によれば、乾燥した高吸水性高分子粒子を運搬し、現場
において処理槽に投入し、膨潤させれば良いので、極め
て容易に多量の担体を処理槽に投入設置できる。本発明
の装置に原水と好気性処理に適用するならば、酸素含有
ガスを供給し続けると微生物は自然増殖的に高吸水性高
分子のヒドロゲルの表面と内部に固定化され、原水の通
水を開始してから、１０〜３０日程度で充分な微生物が
自然に固定化される。この結果、従来の固定化微生物法
の製造工程設備が全く不要になり、微生物の固定化上顕
著な改善が可能になる。さらに多くの場合、基質補償性
の原則に則り、対象水中の基質（汚濁物質など）に適し
た微生物が固定されるので、効果的な浄化処理を行うこ
とができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高吸水性高分子より成り、水中で膨潤し
   て弾性を示すヒドロゲル粒子となり、該ヒドロゲル粒子
   の表面乃至内部に微生物を増殖させ保持するヒドロゲル
   粒子を担体とすることを特徴とする水の生物学的浄化用
   担体。
2. 【請求項２】 高吸水性高分子より成り、水中で膨潤し
   て弾性を示す定形のヒドロゲル粒子に微生物を増殖さ
   せ、該ヒドロゲル粒子を懸濁流動状態で水と接触させて
   浄化することを特徴とする水の生物学的浄化方法。
3. 【請求項３】 槽内に、吸水性高分子より成り、水中で
   膨潤して弾性を示す定形のヒドロゲル粒子を充填した充
   填層を形成し、該ヒドロゲル粒子に微生物を増殖させ、
   該充填層に水を通水して浄化することを特徴とする水の
   生物学的浄化方法。
4. 【請求項４】 少なくとも、吸水性高分子より成り水中
   で膨潤して弾性を示す定形のヒドロゲル粒子に微生物を
   増殖せしめた固定化微生物エレメントを内蔵してなる槽
   を有することを特徴とする水の生物学的浄化装置