JPH09275981A

JPH09275981A - 包括固定化担体及びその形成方法

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Publication number: JPH09275981A
Application number: JP8094389A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Sumino; 立夫角野; Masayuki Kojima; 正行小島; Masataka Kasai; 正隆河西
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1996-04-16
Publication date: 1997-10-28
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP3265981B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒素除去性能及び耐磨耗性の向上、更には担体
成形時の成形性の向上という複数の課題を簡単な方法で
同時に解決することのできる包括固定化担体及びその形
成方法を提供する。【解決手段】高分子含水ゲルに金属酸化物を所定量含有
させて包括固定化担体を形成した。また、活性汚泥と金
属酸化物微粉末を混合して所定時間放置した混合液を、
ゲル原料液に懸濁させて懸濁液を調製し、該懸濁液をゲ
ル化することにより包括固定化担体を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は包括固定化担体及び
その形成方法に係り、特に、硝化反応や脱窒反応に用い
られる微生物を包括固定した包括固定化担体とその形成
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微生物を高分子含水ゲル中に包括固定し
た包括固定化担体を用いた廃水処理は、処理効率の向
上、反応槽のコンパクト化、発生汚泥の低減等の特徴が
ある。包括固定化担体は、通常、活性汚泥をポリアクリ
ルアミド、ポリビニルアルコール等のゲル原料液に懸濁
させた懸濁液を、重合剤によりゲル化したものを所定の
大きさに切断してペレット化することにより形成する。

【０００３】そして、この包括固定化担体は、砂、活性
炭、セラミックス等のように表面に微生物を付着させる
生物膜型の固定化方法に比べて、微生物を選択的に且つ
高濃度に固定化することができるので、特に増殖能力の
小さな硝化菌の固定化方法として注目されている。硝化
菌を包括固定化した包括固定化担体は、廃水中のアンモ
ニア性窒素を除去する硝化工程に既に実用化されてお
り、脱窒菌を包括固定化した担体を使った脱窒工程の実
用化も検討されている。

【０００４】ところで、硝化・脱窒工程での窒素除去効
果を高めるためには、硝化工程での硝化速度を大きくし
てアンモニア性窒素を効率的に亜硝酸イオン或いは硝酸
イオンに硝化すると共に、脱窒工程での脱窒速度を大き
くして硝化工程で生成された亜硝酸イオン、硝酸イオン
を効率的に脱窒する必要がある。特に、亜硝酸イオンは
微生物に対する毒性があるため、これを窒素ガスに還元
することは微生物の活性を高める上で有効である。

【０００５】この為には、硝化菌或いは脱窒菌を担体中
に高濃度に保持する必要があると共に、担体を反応槽内
で効率良く流動させて廃水との接触効率を高めることが
重要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
担体は、以下の点でまだ十分なものではなかった。脱窒工程で十分に脱窒処理がされないと、特に毒性の
強い亜硝酸イオンが残存した状態で放流されてしまうた
め、亜硝酸イオンをより効率的に除去することができる
担体が要望されている。反応槽内で流動する担体同志の衝突等により担体が破
損されると処理水の水質に濁り等がで易く、耐磨耗性の
点で充分とは言えないという欠点がある。従来の担体は、汚泥とゲル化剤の混合性が悪く、形成
し易い材料組成が望まれている。担体の比重は、通常１．０３程度であるが、廃水処理
において廃水中のつりがね虫が付着すると、見掛け上の
比重が軽くなり水面に浮き上がってしまい、反応槽内で
の流動性が悪くなるという欠点がある。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、窒素除去性能及び耐磨耗性の向上、更には担体
成形時の成形性の向上という複数の課題を簡単な方法で
同時に解決することのできる包括固定化担体及びその形
成方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明は前記目的を達成す
る為に、微生物を高分子含水ゲル中に包括固定した包括
固定化担体に於いて、前記高分子含水ゲル中に酸化鉄、
酸化珪素から選ばれた少なくとも１種の金属酸化物微粉
末を含有することを特徴とする。また、本発明は前記目
的を達成する為に、活性汚泥と金属酸化物微粉体を混合
して所定時間放置した混合液を、ゲル原料液に懸濁させ
て懸濁液を調製し、該懸濁液をゲル化することを特徴と
する。

【０００９】本発明によれば、高分子含水ゲルに酸化
鉄、二酸化珪素又はその混合物を主成分とする金属酸化
物微粉末を含有させるという簡単な方法で、微生物の活
性を高め、含水ゲルの耐磨耗性を向上でき、更には廃水
中の窒素除去性能を高めた成形性に優れた包括固定化担
体を得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
る包括固定化担体及びその形成方法の好ましい実施の形
態について詳説する。本発明の発明者らは、包括固定化
担体を形成する際に、酸化鉄、二酸化珪素又はその混合
物を主成分とする金属酸化物の微粉末を所定量含有させ
ることにより微生物の活性を高め、含水ゲルの耐磨耗性
を向上でき、更には廃水中の窒素除去性能を高めた成形
性に優れた包括固定化担体を得ることができるという予
想外の事実を見つけ出し、本発明はこのような知見に基
づいて成されたものである。

【００１１】図１は、本発明に係る包括固定化担体の形
成方法の一例を示したフローチャートで、３ｍｍφ、３
ｍｍ長さの円柱状ペレットを形成する場合である。図１
に示すように、濃縮活性汚泥と、金属酸化物微粉末とを
混合して混合液を調製し、この混合液を１〜２時間放置
する。一方、含水ゲルとしてポリエチレングリコールプ
レポリマー（以下、ＰＥＧという）と重合剤としてＮＮ
Ｎ' Ｎ’─テトラミチルエチレンジアミンとの混合液を
ＰＨ７．５に調整したゲル原料液を調製する。次に、混
合液をゲル原料液に懸濁して懸濁液を調製し、この懸濁
液に重合開始剤として過硫酸カリウムを添加し、直ちに
内径３ｍｍの塩化ビニルチューブに流し込み、２０°Ｃ
で１０分放置してゲル化する。次に、ゲル化した棒状円
柱物を長さ３ｍｍに切断してペレット状の包括固定化担
体を形成する。

【００１２】この包括固定化担体の形成方法において、
活性汚泥と金属酸化物微粉末を混合した混合液を１〜２
時間放置することにより、粉末粒子が活性汚泥に均一に
分散される。この分散された混合液は、粘度もハンドリ
ングに適した値になる。これをゲル原料液に懸濁させて
懸濁液を調製し、該懸濁液をゲル化するようにしたの
で、ペレットにした時に金属酸化物の含有量を均一にす
ることができる。

【００１３】本発明に使用する金属酸化物微粉末は、酸
化鉄、酸化珪素、鉄と珪素の混合物等を主成分とし、平
均粒径が５〜４０μｍのものが好適である。酸化鉄の原
料としては、製鉄所から排出される鉄鋼酸洗排液から回
収されるフェライト、マグネタイト等の酸化物が用いる
ことができる。酸化珪素の原料としては、窯業で使うカ
オリン、モンロナイト、パイロフィライト等の粘度粉末
が用いられる。鉄とケイ素の混合物としては石炭燃焼炉
や汚泥燃焼炉排ガス中から分離除去したフライアッシュ
が利用できる。

【００１４】金属酸化物の平均粒子径は５〜４０μｍの
範囲のものを使うと、活性汚泥に容易に混じり合い、均
一で安定した懸濁状態を維持する。粒子径が前記の範囲
よりも小さいと、混合した時に粉末の塊りができ易く、
大き過ぎる場合は、粒子の一部が沈降し、ゲル化剤を加
えて成形すると不均一な成形物になる。金属酸化物の添
加量としては、含水ゲルの強度向上の点でみると、水が
飽和した含水ゲルの５重量％以上が好ましい。また、窒
素除去性能の点でみると、脱窒菌の数が増加する６重量
％以上が好ましく、更には、脱窒菌が顕著に増加する１
０％以上が好ましい。

【００１５】強度並びに菌数の増加は添加量に比例して
いるが、同時に比重が大きくなる。重い含水ゲルを液中
に浮遊させようとすると、それだけ曝気量を多くしなけ
ればならないので、実用的には２０％が限界である。例
えば、汚泥入りポリビニールアルコール含水ゲルの比重
は１．０２で、水中に落としたときの沈降速度は約３．
３ｃｍ／秒であった。酸化鉄の粉末を１０％添加すると
比重は約１．０９になり、沈降速度は６．１ｃｍ／秒
に、酸化鉄の添加量を２０％にすると見掛けの比重は
１．１７で沈降速度は９．９ｃｍ／秒に増加する。

【００１６】上向流の充填層ないし流動層において使う
場合には、見掛け比重は大きい方が好ましいが、曝気に
よって流動化させようとすると、見掛け比重は１．１以
下程度が適当である。十分に馴養処理した含水ゲルの内
部では微生物はコロニーを形成して活発な生物反応を起
こしていることが、電子顕微鏡等の観察から推定され
る。しかし、濃縮汚泥中では数個から数十個の細胞がゆ
るくつながって分離、集合をくり返している。この濃縮
汚泥に平均粒径が１０μｍの二酸化ケイ素を添加する
と、微生物細胞の群の間に二酸化ケイ素が、分散し、安
定した懸濁液になる。懸濁液をしばらく放置しておく
と、微生物の群の大きさは、ほぼ添加した金属酸化物の
大きさと同程度になり微生物同士の結合も強まる。微生
物はゲル化剤に含まれる有機溶剤や触媒によって被毒
し、ゲルの成形時に菌数は大幅に減少する。しかし、金
属酸化物粒子の添加は被毒の影響を緩和し、包括固定化
担体の初期立上期間を短縮する。また、菌体密度とくに
脱窒菌の菌数は金属酸化物の添加によって十倍ないし十
数倍に増加し、硝化菌によって生成した亜硝酸、硝酸を
迅速に窒素に還元することができる。

【００１７】また、固定化担体を成形する際の含水ゲル
としては特に制限はなく、例えば、ポリアクリルアミ
ド、カラギーナン、寒天、ポリビニルアルコール、アル
ギン酸ナトリウム等を用いることができる。また、重合
剤や重合開始剤は上記薬剤に限定するものではない。

【００１８】

【実施例】図２は、上記実施の形態で説明した本発明の
形成方法により、金属酸化物含有量が５、１０、１５、
２０％になるように成形した包括固定化担体の物性デー
タであり、且つ金属酸化物の好ましい含有量を決定する
ためのデータである。表１は本発明の包括固定化担体を
形成する上での組成物の組成比率を示したものである。
そして、それぞれの包括固定化担体について比重、沈降
速度及び耐磨耗性の指標となる圧縮強度を調べた。図２
中の比較例は、金属酸化物を含有していないだけで、他
の組成物は同じにして形成した従来品である。

【００１９】

【表１】本実施例の金属酸化物としては、酸化鉄（含有量５、１
５％）、カオリン（含有量１０、２０％）及びフライア
ッシュ（含有量５〜２０％）を用いた。フライアッシュ
については、ＪＩＳ規格適合品を用い、二酸化珪素含有
量が５０％のフライアッシュ（Ａ）と４７％のフライア
ッシュ（Ｂ）の２種類について行った。包括固定化担体
のペレット形状としては、３ｍｍ角のサイコロ状ペレッ
ト及び３ｍｍφ×３ｍｍの円柱状ペレットの２種類であ
る。

【００２０】また、耐磨耗性については圧縮強度を測定
することにより評価した。圧縮強度は、レオメータを使
用し、ペレット面に徐々に圧力をかけてペレットが破損
した圧力（ｋｇ）を測定し、ペレットの断面積（ｃ
ｍ²）で割り圧縮強度（ｋｇ／ｃｍ²）を算出した。図
２の結果から、先ず、つりがね虫対策について検討す
る。

【００２１】ところで、本発明者等が実験を行ったつり
がね虫対策では、つりがね虫が付着していない状態で沈
降速度が５〜８（ｃｍ／ｓｅｃ）程度にすることが担体
の流動性の点から適切であるという知見を得、これを比
重にすると、１．０７〜１．１４程度になる。上記知見
を基に図２の結果を見ると、金属酸化物として酸化鉄及
びフライアッシュを使用した場合は、含有量が１０％以
下ではつりがね虫付着時に十分な沈降速度或いは比重を
得ることができず、２０％以上では包括固定化担体を流
動させるためのエネルギー消費が大きくなる。カオリン
の場合には、カオリン自体の比重が軽いので２０％以上
の添加も可能である。

【００２２】次に、図２の結果から、包括固定化担体の
耐磨耗性に影響のある圧縮強度についてみると、含有量
が０％の従来品は、圧縮強度が２〜３ｋｇ／ｃｍ²であ
り、この程度の圧縮強度では、長期間の使用により破損
しやすいという欠点がある。これに対し、金属酸化物を
含有させた本発明の包括固定化担体は、含有量に比例し
て大きくなり、５％含有量でも従来品の約１．５倍の圧
縮強度を得ることができた。この圧縮強度の結果と前記
したつりがね虫対策の結果を合わせて含有量を検討する
と、含有料は５％〜２０％が良く、好ましくは１０％〜
２０％の範囲内である。

【００２３】図３は、下水処理場の活性汚泥を種菌とし
て、金属酸化物を添加した包括固定化担体を本発明の形
成方法により形成し、アンモニア水中で２か月間馴養し
た後の包括固定化担体中の硝化菌、脱窒菌、一般菌のそ
れぞれの菌数の密度を調べた結果である。金属酸化物
は、二酸化ケイ素と酸化鉄とを主成分とするフライアッ
シュを用い、含有量は１０、２０％の２水準について行
った。また、比較例としては金属酸化物を添加しない従
来品を用いた。

【００２４】図３より、従来品の菌数は、硝化菌、脱窒
菌が共に１０⁸、一般菌が５×１０ ⁸であった。これに
対し、本発明の包括固定化担体の菌数は、フライアッシ
ュ含有量１０％では、硝化菌が７×１０⁸、脱窒菌が３
×１０⁹、一般菌が５×１０ ⁹であり、フライアッシュ
含有量２０％では、硝化菌が１０⁹、脱窒菌が８×１０
⁹、一般菌が１０¹⁰となった。この結果から分かるよう
に、フライアッシュを含有させることにより、硝化菌、
一般菌、脱窒菌ともに菌数が増加するが、特に脱窒菌の
増加が顕著であることが分かった。そして、図３の結果
は、フライアッシュを含有した本発明の包括固定化担体
は、フライアッシュを含有しない従来品に比べてアンモ
ニア性窒素廃水の窒素除去性能、特に脱窒処理の性能向
上の可能性を示唆している。

【００２５】この馴養試験の結果から、本発明者らは、
酸化鉄（含有量１０％）、フライアッシュ（含有量５、
１０％）、カオリン（２０％）を含有した本発明の包括
固定化担体について、アンモニア性窒素濃度が２０ｍｇ
／ｌの下水を使った窒素除去性能の確認試験を３０日間
連続して試験した。比較例としては、金属酸化物を添加
しない従来品を用いた。図４はその結果である。

【００２６】図４において、試験３０日後の処理水のア
ンモニア性窒素（ＮＨ₄−Ｎ）の濃度は、金属酸化物を
含有した本発明の包括固定化担体も、金属酸化物を含有
しない従来品も２ｍｇ／ｌ以下であり同等であった。し
かしながら、処理水の亜硝酸イオン（ＮＯ₂−Ｎ）の濃
度は、従来品が５ｍｇ／ｌ以下であるのに対し、フライ
アッシュ５％の場合で２ｍｇ／ｌ以下に、フライアッシ
ュ１０％、酸化鉄１０％及びカオリン２０％場合には１
ｍｇ／ｌ以下にまで低減することができた。一方処理水
の硝酸イオン（ＮＯ₃−Ｎ）の濃度は、従来品が１８〜
１９ｍｇ／ｌであるのに対し、フライアッシュ５％の場
合で１４ｍｇ／ｌ以下に、フライアッシュ１０％で１０
ｍｇ／ｌ以下に、酸化鉄１０％で８ｍｇ／ｌ以下に、カ
オリン２０％で７ｍｇ／ｌ以下になった。

【００２７】このように、亜硝酸イオン（ＮＯ₂−Ｎ）
濃度が低減した原因としては、図３で説明したように、
金属酸化物を含有させることにより脱窒菌の密度が著し
く増加し、これにより、硝酸菌によって生成した亜硝酸
及び硝酸を迅速に窒素に還元した為と考えられる。上記
の確認試験では、窒素除去性能の他に、図４に示すよう
に、試験スタート時（０日目）と試験３０日後の包括固
定化担体の圧縮強度、比重、沈降速度の変化についても
調査した。

【００２８】この結果、試験３０日後において、本発明
の包括固定化担体及び従来品ともに試験スタート時に比
べて圧縮強度、沈降速度が試験スタート時に比べて数値
が小さくなっている。しかし、従来品の一部には破損が
認められたのに対し、本発明の包括固定化担体は、試験
スタート時の圧縮強度が大きくなっているので、破損は
全く認められなかった。また本発明の包括固定化担体は
流動性の点でも従来品に比べて向上が認められた。

【００２９】このように、本発明は、高分子含水ゲルに
金属酸化物を含有させるという簡単な方法で、微生物に
悪影響を及ぼすことなく流動性を向上でき、耐磨耗性を
向上でき、更には廃水中の窒素除去性能を高めた包括固
定化担体を得ることができる。更には、材料コストの安
価な添加物材料を含有させることにより、高価な含水ゲ
ルの使用量を低減することができるので、包括固定化担
体のコスト削減を図ることもできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の包括固定
化担体及びその形成方法によれば、高分子含水ゲルに金
属酸化物を含有させて包括固定化担体を形成したので、
窒素除去性能及び耐磨耗性の向上、更には担体成形時の
成形性の向上という複数の課題を簡単な方法で同時に解
決することができ、極めて有用である。

【００３１】また、金属酸化物を含有させることにより
比重が大きくなるので、つりがね虫対策も合わせて行う
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の包括固定化担体の形成方法を説
明するフローの構成図である。

【図２】図２は本発明の包括固定化担体の物性を示した
表図である。

【図３】図３は金属酸化物含有量と硝化菌、一般菌、脱
窒菌との増殖速度の関係を示したグラフである。

【図４】図４は本発明の包括固定化担体を用いてアンモ
ニア性窒素廃水を処理した時の処理水の水質等を示した
表図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微生物を高分子含水ゲル中に包括固定した
包括固定化担体に於いて、前記高分子含水ゲル中に酸化鉄、酸化珪素から選ばれた
少なくとも１種の金属酸化物微粉末を含有することを特
徴とする包括固定化担体。
【請求項２】前記金属酸化物微粉末の含有量は含水ゲル
の状態において５〜２０重量％であることを特徴とする
請求項１の包括固定化担体。
【請求項３】前記金属酸化物微粉末の平均粒径は、５〜
４０μであることを特徴とする請求項１又は２の包括固
定化担体。
【請求項４】前記金属酸化物微粉末は酸化鉄と酸化珪素
を主成分とする混合物であることを特徴とする請求項２
又は３の包括固定化担体。
【請求項５】活性汚泥と金属酸化物微粉末を混合して所
定時間放置した混合液を、ゲル原料液に懸濁させて懸濁
液を調製し、該懸濁液をゲル化することを特徴とする包
括固定化担体の形成方法。