JPH1118765A - 微生物固定化磁性担体、その製造方法及び廃水処理方法 - Google Patents
微生物固定化磁性担体、その製造方法及び廃水処理方法Info
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- JPH1118765A JPH1118765A JP9177269A JP17726997A JPH1118765A JP H1118765 A JPH1118765 A JP H1118765A JP 9177269 A JP9177269 A JP 9177269A JP 17726997 A JP17726997 A JP 17726997A JP H1118765 A JPH1118765 A JP H1118765A
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Abstract
めに支持体を必要とする微生物を固定化した磁性担体、
その製造方法及び廃水処理方法に関する。 【解決手段】 本発明は、廃水処理において用いる微生
物固定化担体であって、磁力により処理槽内での動作を
制御することが可能であり、しかも微生物の固定量が多
い担体を提供する。また、該担体の簡便な製造方法及び
該担体を使用する効率的な廃水処理方法を提供する。
Description
いて増殖するために支持体を必要とする微生物を固定化
した磁性担体、その製造方法及び廃水処理方法に関す
る。
物固定化担体を用いた処理法が広く実用化されている。
しかしながら、担体懸濁槽中での攪拌による担体及び微
生物の損傷、固定床生物膜槽での圧力損失、流動床生物
膜槽での担体の流出、担体から発生した気体により生じ
る担体の浮上などの欠点が明らかになっている。これら
の問題の解決には、磁力を利用し担体の動作を制御し、
処理槽内に担体を一定量安定して保持することが有効で
ある。
物質や、動物細胞などを固定化した場合に外部からの磁
気による迅速な分離・回収を目的として開発されてき
た。例えば、特開平2-1102号公報及び特公平5-16164 号
公報には、最初に磁性体を含む核を形成し、その外側に
重合体層を重ねて、磁性担体のその重合体層に生理活性
物質等を吸着法、共有結合法、イオン結合法、包括法、
架橋法などによって固定した生理活性物質等固定化磁性
担体が開示されている。このような磁性担体において
は、担体内部の超常磁性体の効果を十分発揮させるため
に重合体層の厚さを担体全体の直径の30%以下にするこ
とが必要であるとされている(特公平5-16164 号公
報)。しかしながら、廃水処理用の微生物固定化磁性担
体の場合、重合体層の厚さが30%以下に限定されると固
定しうる微生物の量が制限されてしまうために有効であ
るとは言えない。
を主目的とした磁性担体であるため、その製造には超常
磁性体の含有量の調製、比重調整、重合体層の形成等の
工程が含まれるので煩雑である。これに対して、廃水処
理用においては微生物固定化担体の分離・回収は副次的
な目的であるため、これら煩雑な工程を省き、簡単でコ
スト的に有利な製造法が求められる。
処理において用いる微生物固定化担体であって、磁力に
より処理槽内での動作を制御することが可能であり、し
かも微生物の固定量が多い担体を提供することにある。
体の効率的な製造方法を提供することにある。さらに、
本発明の別の課題は、効率的な廃水処理方法を提供する
ことにある。
アミドゲルに超常磁性体及び微生物が包括固定された微
生物固定化磁性担体である。また、本発明は、外管と該
外管に内挿された内管とからなる二重管ノズルの前記外
管と内管との間にアクリルアミド、ゲル化促進剤、アル
ギン酸ナトリウム及び超常磁性体を含む水溶液(A) を流
し、前記内管に微生物の懸濁液(B) を流して、前記二重
管ノズルの出口にて前記水溶液(A) と前記懸濁液(B) と
を混合して液滴を形成させ、該液滴をギ酸カルシウムを
含む水溶液(C) に滴下することを特徴とする、請求項1
に記載の微生物固定化磁性担体の製造方法である。さら
に、本発明は、上記の微生物固定化磁性担体を用いるこ
とを特徴とする、廃水処理方法である。
本発明の微生物固定化磁性担体は、ポリアクリルアミド
ゲルに超常磁性体と微生物とが包括固定されたものであ
る。アクリルアミドモノマーを水溶液中でゲル化促進剤
の存在下で重合すると多孔性のポリアクリルアミドゲル
になり、これは、微生物を多量に固定することができ、
微生物の増殖、生成ガスの放出等に適した形状を有して
おり、廃水処理等に有利な担体である。
の微粒子のように磁場に入れても残留磁化がない磁性体
であり、通常の磁性体に見られるように磁場から外した
後もくっつき合うということはない。この性質は廃水処
理では好ましいものであり、そのような超常磁性体とし
てはマグネタイト、フェライトなどの酸化鉄の微粉末が
挙げられる。その粒径は、通常、100Å〜1μm程度で
あるのが望ましい。
生物であれば特に制限はなく、例えば、活性汚泥又は嫌
気性消化汚泥が用いられる。これらの汚泥は、例えば、
下水処理場から採取することができる。
理や流動床処理に用いる場合、球状のビーズであるのが
好ましい。その場合のビーズの粒径は、2.0〜5.0
mmであるのが好ましい。均一なサイズの球状のビーズの
微生物固定化磁性担体は、例えば、外管と該外管に内挿
された内管とからなる二重管ノズルを用いて以下のよう
にして製造することができる。
リルアミド、ゲル化促進剤、アルギン酸ナトリウム及び
超常磁性体を含む水溶液(A) を流す。また、二重管ノズ
ルの内管には、微生物の懸濁液(B) を流す。そして、ノ
ズルの出口にて瞬時にそれらを混合して液滴を形成させ
る。外管の出口内径は、2.0〜3.0mmが好ましい。
内管の出口内径は、1.0〜1.5mmが好ましい。ま
た、外管の内径と内管の外径の差は、少なくとも1.5
mmであるのが好ましい。水溶液(A) 及び懸濁液(B) の流
速は、ノズル出口において液滴が形成されるような流速
に調節する。また、懸濁液(B) と水溶液(A) の供給量の
比は、例えば、ローラーポンプ等を用いて体積基準で
3:1〜5:4程度に制御するのが好ましく、5:2.5
〜5:3程度に制御するのがより好ましい。
は、N,N'- エチレン- ビス- アクリルアミド等の架橋
剤、N,N,N',N'-テトラエチルエチレンジアミン等の重合
促進剤が挙げられ、これらは単独で、又は2種以上を組
み合わせて用いることができる。特に、N,N'- エチレン
- ビス- アクリルアミド及びN,N,N',N'-テトラエチルエ
チレンジアミンを組み合わせて用いるのが好ましい。ア
クリルアミドモノマーの水溶液(A) 中の濃度は、好まし
くは15〜17%(w/v) である。N,N'- エチレン- ビス
- アクリルアミドの配合量は、アクリルアミド 100重量
部に対して好ましくは4.0〜5.5重量部である。N,
N,N',N'-テトラエチルエチレンジアミンの配合量は、ア
クリルアミド 100重量部に対して好ましくは6.0〜
7.0重量部である。
滴をギ酸カルシウムを含む水溶液(C) に滴下した際に、
瞬時にアルギン酸ナトリウムの薄膜を形成せしめてビー
ズ状にするために水溶液(A) に添加される。アルギン酸
ナトリウムの水溶液(A) 中の濃度は、好ましくは0.5
〜0.9%(w/v) である。
3%(w/v) が好ましい。懸濁液(B) としては、例えば、
下水処理場などから採取した活性汚泥を遠心沈降させ、
揮発性浮遊物濃度0.5〜4.0%程度、好ましくは1
〜3%程度に濃縮した濃縮汚泥を用いることができる。
酸カルシウムを含む水溶液(C) に滴下される。ギ酸カル
シウムの水溶液(C) 中の濃度は、好ましくは2.0〜
4.0%(w/v) である。また、ビーズ表面の薄膜の強化
という理由から、水溶液(C) には過硫酸アンモニウム等
を添加しておくのが好ましく、その場合の過硫酸アンモ
ニウムの水溶液(C) 中の濃度は、好ましくは0.3〜
0.6%(w/v) である。液滴が滴下されると、瞬時にア
ルギン酸カルシウムの薄膜が形成されて球状のビーズに
なる。そのアルギン酸カルシウムの薄膜に被包された水
溶液(A) と懸濁液(B) の混合液中では、アクリルアミド
モノマーがN,N'- エチレン- ビス- アクリルアミド等の
架橋剤と架橋反応しながら重合してゲル化するととも
に、超常磁性体及び微生物はそのゲルに包括固定され
る。この反応は、通常、30分〜1時間程度で終了す
る。このようにして、アルギン酸カルシウム薄膜に被包
された、本発明の微生物固定化磁性担体が得られる。
酸カルシウム薄膜は、リン酸緩衝液等で溶解することに
より取り除くことができ、これによって多孔性を向上さ
せることができる。また、上記の微生物固定化磁性担体
の製造において、化学反応による微生物の損傷を防止す
るために、水溶液(A) と水溶液(C) を、予め3〜5℃程
度に冷却しておくのが好ましい。
初は担体内部に微生物が保持された状態である。しかし
ながら、廃水処理等の進行に伴って微生物が担体の多孔
質の表面にも吸着増殖し、処理効率が定常状態になると
担体表面にも微生物膜が形成される。
に用いると、効率的に処理を行うことができる。廃水処
理方法は特に限定されず、従来から行われている回分処
理法、固定床処理法、流動床処理法のいずれの方法にお
いて本発明の微生物固定化磁性担体を用いても効率的で
ある。
回分処理に用いた場合、下記の実施例2に示したよう
に、回分処理槽内に懸濁した磁性担体を処理槽下方より
磁場をかけて短時間に凝集させることができる。これに
よって従来の凝集沈澱工程の時間を大幅に短縮すること
ができる。また、処理水や汚泥の引き抜き量についても
一定量に設定しておくことが可能である。このように、
従来、管理者の経験に頼るところの大きかった処理水及
び汚泥の管理や固液分離操作などの煩雑な工程を省略す
ることができる。
したように、本発明の微生物固定化磁性担体を処理槽内
で攪拌するのではなく、処理槽の外部から磁場をかける
ことによって該磁性担体を運動させることができる。こ
れによって、攪拌ブレードや、水流による剪断力等によ
って発生していた担体及び微生物の損傷を防ぐことがで
きるので、従来の担体懸濁処理では攪拌に耐えうるかな
りの物理的強度が担体に要求されているが、本発明の担
体には必要以上の強度は要求されない。また、担体を常
時あるいは短時間間隔で運動させることによって流動床
生物膜を形成することができる。さらに、磁気コイルを
用いて下向きの磁力を発生させることによって磁性担体
は確実に処理装置中に保持され、これによって担体の流
出を原因とする配管中の閉塞、ポンプの故障等を防ぐこ
とができる。
ように、本発明の微生物固定化磁性担体の固定床に一定
の間隔で振動を与えることによって、廃水のショートカ
ット経路の形成を防ぐことができ、処理効率が向上す
る。また、この振動により夾雑物をふるい落とされ、固
定床の閉塞を防ぐことができ、圧力損失を防ぐことがで
きる。
示したように、処理槽の外部から磁場をかけて処理水中
に強制的に磁性担体を浸水させることによって、担体か
ら発生する気泡の分離を促進することができる。これに
よって個々の担体あるいは生物膜全体の浮上を防ぐこと
ができる。
ように、任意の培養槽中に廃水処理用微生物固定化磁性
担体を培養を続けながらストックしておくと、この磁性
担体は、必要に応じて強力電磁石等で簡便に回収するこ
とができる。回収した磁性担体を、すでに存在する他の
処理槽に移すことによってその処理効率を向上させるこ
とができ、その他、新たに開始する処理のシーディング
材料としても利用することができる。
ように、混合培養系の処理にも利用することができる。
廃水処理過程には微生物混合培養系のものがあって、そ
の混合の割合を適当な率に調整したほうが有利な場合が
ある。異種の微生物を固定した磁性担体を適当な比率で
それぞれ槽1、槽2で培養し、特に律速となる微生物の
処理を計画的に制御することによって、従来の混合培養
系処理に比べて処理効率を向上させることができる。
本発明の磁性担体は、押出し式処理槽中に設けた永久磁
石板に大量に、しっかりと付着させることができるの
で、処理水をかなり高速で通過させても高密度の微生物
濃度を維持することができるので処理効率が向上する。
るが、本発明の範囲はこれらの実施例の範囲に限定され
るものではない。 〔実施例1〕微生物固定化磁性担体の製造 アクリルアミドモノマー12.5g、N',N"-エチレン- ビス
- アクリルアミド 0.6g、N,N,N',N'-テトラエチルエチ
レンジアミン1ml及びアルギン酸ナトリウム 0.5gを蒸
留水に溶かして75mlとし、次いでこれにマグネタイト粉
末を1〜3%(w/v) となるように懸濁させて水溶液(A)
を調製した。一方、下水処理場より取り寄せた汚泥を遠
心沈降させ、揮発性浮遊物濃度1〜3%程度に濃縮し
て、微生物の懸濁液(B) とした。
内管の出口内径:1.5mm 、内管の出口外径:1.7 mm)の
外管に水溶液(A) を流し、内管に懸濁液(B) を流してノ
ズルの先端で水溶液(A) と懸濁液(B) を瞬時に混合して
液滴を形成させた。尚、水溶液(A) は予め4℃に冷却し
ておいた。また、懸濁液(B) と水溶液(A) の供給量比は
体積基準で5:2.5 〜5:3程度にローラーポンプで制
御した。こうして二重管ノズル先端に形成せしめた液滴
はギ酸カルシウム3%及び過硫酸アンモニウム0.5%を
含む水溶液(C) に滴下した。尚、水溶液(C) は予め4℃
に冷却しておいた。液滴を水溶液(C) に滴下すると瞬時
にアルギン酸カルシウムの薄膜が形成されて球状ビーズ
になった。アルギン酸カルシウムの薄膜に被包された水
溶液(A)と懸濁液(B) の混合液中での、アクリルアミド
モノマーとN,N'- エチレン- ビス- アクリルアミド等の
架橋剤との架橋反応によるゲル化、並びにそのゲルへの
超常磁性体及び微生物の包括固定を完了させるために、
該ビーズはそのまま水溶液(C) 中に30分間放置した。こ
のようにして、アルギン酸カルシウム薄膜に被包され
た、適当な強度を持った球状のビーズ形の微生物固定化
磁性担体が得られた。
孔性の磁性担体にするためにリン酸カリウム0.05M溶液
に浸して表層のアルギン酸カルシウムを溶出させた。こ
のようにして、平均粒径約3mmの球状ビーズ形の多孔性
微生物固定化磁性担体が得られた。
性担体1の廃水懸濁液を入れた(図1のA図)。次い
で、この処理槽2の下方から磁石3により磁場をかけて
磁性担体1を強制的に凝集沈降させた(図1のB図)。
次いで、上澄液は処理水として引き抜いた(図1のC
図)。
分培養のシーディングに使用することができる。また、
磁性担体1中に保持される微生物量はほぼ一定であるの
で、それに見合った廃水の流入量と処理水の引き抜き量
を一定値に設定することができる。
(1) 図2のA図のように、周囲に4つの磁気コイル4を配置
した処理槽2に、実施例1で得られた多孔性微生物固定
化磁性担体1の廃水懸濁液を入れ、処理槽下部の2つの
磁気コイル4に電流を流すことによって磁界を発生させ
たところ、磁性担体1は下方に移動した(図2のA
図)。次いで、処理槽上部の2つの磁気コイル4に電流
を流すことによって磁界を発生させたところ、磁性担体
1は上方に移動した(図2のB図)。以上の操作を間欠
的に行うことによって、磁性担体1が運動することにな
り流動床が形成された。
(2) 周囲を磁気コイル4で巻いた処理槽2の中心に金属心5
を設置し、実施例1で得られた多孔性微生物固定化磁性
担体1の廃水懸濁液を入れ、磁気コイル4に電流を流し
て磁界を発生させたところ、磁性担体1は金属心5付近
に集合した(図3のA図)。次いで、電流を止めたとこ
ろ、磁性担体1は拡散した(図3のB図)。以上の操作
を間欠的に行うことによって、磁性担体1が運動するこ
とになり流動床が形成された。
例1で得られた多孔性微生物固定化磁性担体1の廃水懸
濁液を入れ、処理槽2の左側の磁気コイル4のみに電流
を流して磁場を発生させたところ、磁性担体1は処理槽
2の左側に密になった(図4のA図)。次いで、左側の
磁気コイル4の電流を切って、右側の磁気コイル4′に
電流を流して磁場を発生させたところ、磁性担体1は処
理槽2の右側に密になった(図4のB図)。A図、B図
の状態を数秒ごとに切り替えることによって、廃水のシ
ョートカットと固定床の閉塞を防ぐことができる。
材料としての利用法 培養槽6に、実施例1で得られた多孔性微生物固定化磁
性担体1を入れ、微生物の増殖に最も適した状態で培養
を行って、微生物が十分に固定された磁性担体をストッ
クしておいた(図5のA図)。次いで、培養槽6に強力
な電磁石7を入れて磁性担体1を回収し(図5のB
図)、その回収した磁性担体1を処理槽2に処理向上材
料あるいはシーディング材料として供給した(図5のC
図)。
菌固定化磁性担体1とメタン生成菌固定化磁性担体1′
を、それぞれ処理槽2、2′に保持して培養した(図
6)。メタン生成菌は酸生成菌に比べ増殖速度がかなり
遅いため、この場合はメタン生成菌固定化磁性担体1′
の量を多く処理槽2′に供給した。処理槽2、2′の上
方の磁気コイル4に電流を流して上向きの磁場をかけ
た。次いで磁気コイル4の電流を切って磁気コイル4′
に電流を流して下向きの磁場をかけた。この磁場の切り
替えを数秒ごとに行うことによって、それぞれの槽で流
動床あるいは固定床を形成した。処理槽2から処理槽
2′への処理水の移動は仕切板8上部にノッチを設け、
定量的にオーバーフローさせることにより行った。
断面図である。この永久磁石は表面積を大きくするため
その形状は波形であり、また、仕切板としての役割も果
たす。この表面積の広い永久磁石9に大量の磁性担体1
を付着保持することにより、処理槽2内の菌体を高濃度
に保つことができる。廃水は矢印の方向に処理槽中を押
し出される形で通過し、その間磁性担体1に固定された
微生物によって消費される。磁力による固定のために、
磁性担体1はしっかりと保持され、廃水の通過スピード
がかなり高速になっても流出することはない。
ater)固定化磁性担体を使用した回分処理法による硝酸
態窒素除去 実施例1の方法にしたがって、多孔性脱窒菌固定化磁性
担体を製造した。この多孔性脱窒菌固定化磁性担体を用
いて、NO3 - のNを30mg/Lの濃度で含む廃水の処理を
行って、硝酸態窒素の除去の経時変化を調べた。また、
比較例として、担体に固定していない脱窒菌を用いて同
様の処理を行って、硝酸態窒素の除去の経時変化を調べ
た。図8に、多孔性脱窒菌固定化磁性担体、固定してい
ない脱窒菌を用いた場合のそれぞれの硝酸態窒素除去の
経時変化を示す。図8から、硝酸態窒素の除去速度は、
本発明の固定化磁性担体を使用した場合のほうが固定し
ていない場合よりも約4倍であり、効率的であることが
わかる。
ater)固定化磁性担体を使用した固定化処理法による硝
酸態窒素除去 実施例1の方法にしたがって、多孔性脱窒菌固定化磁性
担体を製造した。この多孔性脱窒菌固定化磁性担体を用
いて、NO3 - のNを90mg/Lの濃度で含む廃水を連続
処理法にて処理して、硝酸態窒素の除去の経時変化を調
べた。図9に、多孔性脱窒菌固定化磁性担体の硝酸態窒
素除去の経時変化を示す。図9から、本発明の磁性担体
は、運転開始後約40時間で高い除去効果を示すことがわ
かる。尚、この連続処理法における水理学的平均滞留時
間は24〜30時間であった。
多量の微生物が固定されており、しかも磁場をかけるこ
とにより容易にその動作を制御することができるので、
効率よく廃水処理を行うことができる。また、本発明に
よれば、そのような微生物固定化磁性担体を簡便に製造
することができる。
物固定化磁性担体の利用法の概略を例示した図である。
生物固定化磁性担体の利用法の概略を例示した図であ
る。
生物固定化磁性担体の利用法の概略を例示した図であ
る。
生物固定化磁性担体の利用法の概略を例示した図であ
る。
材料としての本発明の微生物固定化磁性担体の利用法の
概略を例示した図である。
の微生物固定化磁性担体の利用法の概略を例示した図で
ある。
おける本発明の微生物固定化磁性担体の利用法の概略を
例示した図である。
ていない脱窒菌を用いた場合のそれぞれの硝酸態窒素除
去の経時変化を示すグラフを表した図である。
窒素除去の経時変化を示すグラフを表した図である。
ル、5…金属心、6…培養槽、7…電磁石、8…仕切
板、9…永久磁石
Claims (3)
- 【請求項1】 ポリアクリルアミドゲルに超常磁性体及
び微生物が包括固定された微生物固定化磁性担体。 - 【請求項2】 外管と該外管に内挿された内管とからな
る二重管ノズルの前記外管と内管との間にアクリルアミ
ド、ゲル化促進剤、アルギン酸ナトリウム及び超常磁性
体を含む水溶液(A) を流し、前記内管に微生物の懸濁液
(B) を流して、前記二重管ノズルの出口にて前記水溶液
(A) と前記懸濁液(B) とを混合して液滴を形成させ、該
液滴をギ酸カルシウムを含む水溶液(C) に滴下すること
を特徴とする、請求項1に記載の微生物固定化磁性担体
の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の微生物固定化磁性担体
を用いることを特徴とする、廃水処理方法。
Priority Applications (9)
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---|---|---|---|
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