JPS6038092A - 基質の生物変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、基質と微生物材料とを、喪すれば予め基質を
精製した後、互いに混合し、得られた微生物系を反応条
件に保つ基質の生物変換方法に関する。

以下の訝明において微生物系とは対応する基質と混合さ
れたバクテリア、酵母などを意味する。

このような微生物系は屡々バイオマスとも呼ばれるが、
それは完全に独立した系として生物変換反応を行なう。

微生物系は特に活性汚泥または腐泥である。同様に、例
えば酢酸発酵またはアルコール発酵に存在するような微
生物群落（Ｂｉｏｃｏθｎｏｓｅ）も微生物系の概念の
下に分類されるべきである。

このような微生物系は通常基質を細胞膜での吸収によっ
て摂取する。この細胞膜の付近において最初の分解反応
も起る。基質の摂取速度は就中細胞プラズマ中の最初の
中間代謝物の濃度によって決定される。使用される微生
物の穆類に従って、このような微生物系はある一定の生
物変換を行なうかまたは基質に含まれる一定の物質を消
化することができる。

変換すべき基質による微生物の負荷を改良するために高
分子電解質が加えられるが、これは細胞膜を辿しての輸
送プロセスに明らかに影響を及ぼすものである。比較的
多量の高分子電解質の添加は屡々微生物の活動に不利な
影響を示すが、このことは細胞膜を通しての輸送プロセ
スが妨げられることによって説明することができる上多
くの微生物系は非常に浮遊し難いので、変換されるべき
基質の分離は不満足な程度にしか達成されない。

比較的多量の高分子電解ａ添加は下水の負荷に対して不
利な効果を与える。その上、そのような微生物系におけ
る生物変換の多くは非常に遅く進むが、それは微生物に
よって分解されるべき基質の速やかな吸収が達成され得
ないからである。

本発明の目的は、基質による微生物材料の負荷速度を増
加させること、添加される高分子電解質の量を本質的に
減少させること、および負荷されたバイオマスの浮遊力
を改良することにある。この課題を解決するため、本発
明は本質的に、基質と微生物材料との混合の後に混合空
間および／または浮遊装置中に脈動直流を使用して電場
をかけること、およびそれに続いて生物変換を電場をか
けずに行わしめることから成る。ここにおいて重要なこ
とは、脈動直流が電場の構成に応用されることである。

このような脈動直流はまた、最小値から出発して半波が
単一の極性のみを示す限界電流であってもよい。基質と
微生物材料との混合の後にこのような電場を応用するこ
とによって驚くべきことに、基質が微生物によって強く
吸収され、その際予期された最初の中間代謝物の濃度は
明らかに基質の吸収速度に対し言うに足る影響を示さな
いことが発見された。下水を生物浄化の前に電気分解に
かけることは既に周知のことである。しかし、現在まで
に、バイオマス自身を電場の影響下に置くことに対して
明らかに当業者の偏見があった。脈動直流による電場の
バイオマスへの驚異的効果は、電場の影響の下に細胞膜
上の負荷の分布が変動することによって、細胞膜を通し
ての輸送過程が本彌的に促進されるという事実によって
おそらく説明できる。脈動直流の応用が平滑直流に対し
て優っていることは、厳密な説明を見出すことは不可能
であるが、実験的に証明することカーできた。正および
負の半波を有する交流の応用に対する優越性は、このよ
うな半波の零点通過に際しての極性の逆転が細胞膜の活
動をやはり妨げるという事実によって示されるであろう
。そのような電場をかけることにより、微生物による基
質の一層多くの吸収が観察され、時おり微生物が連常で
は変換しないような物質もまた吸収する現象さえ藪、察
された。また、例えばＳａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓＣｅ
ｒθｖｉｅｉａｅ種（ビール酵母）の場合に観察された
が、この菌種は通常この菌種によって利用されるヘキソ
ース類の他に電場においてはペントース類も嫌気的条件
下に吸収する。続いて、これらの菌種によって電場の影
響下にキシロースがアルコールに％酵されることが観察
された。多くの他の微生物において、より多量の基質が
短時間に微生物によって吸収されるのみならす、バイオ
マスの分離性も著しく改良されたことを観察することが
できた。浮遊し難い微生物系および浮遊性のない物質を
電場の存在する場合には容易に分離できたし、また基質
の吸収に続いてバイオマスを分離した後の残留水中に残
る濃度は既知の方法におけるよりも著しく低い下水値を
示した。細胞中への基雀の比較的高い供給速度は明かに
細胞に変換を速めることを強制するから、その結果所望
の最終生産物への著しく速い変換が観察された。なかん
ずく浮遊に際しての高分子電解質の必要を本質的に減少
させることができ、また浮遊期間を著しく短縮すること
ができた。例えば、従来の電場の応用のない方法におい
ては浮遊に４５分から１時間を安したが、電場適用の場
合では４分から５分間内に終結に導くことができ、その
際下水中に僅少の濃度の基質が残されたにすぎない。

浮遊法は下水浄化設備の範囲においては特に有利である
が、それは浄化装置が平均の需要に対応して設計される
からである。普通の規模の生物による浄化工程において
はもはや処理不能の浮遊汚泥を過剰汚泥として排出して
燃やすか、あるいはその次に従来の生物による浄化に適
当に稀釈して用いるために濃縮した形で中間貯蔵するこ
とによって、浄化されるべき下水の発生ピークを浮遊法
により簡単に克服することができる。この際浮遊工程は
第一に必要な時間が短いので規則の干渉を短期間にする
ことができる。例えば、汚泥の分離では汚泥をあらため
て通気した後混合槽に再循環することができる。またこ
の方法で、浄化すべき下水の別の発生を考慮することが
できるし、また生物浄化工程を通溝する規則的な処理量
を保証することがでとる。浮遊汚泥の一部を新たな混合
へ戻すことは栄養物の添加量をより少くすることを許す
が、それは特に都市下水においてはこの循環する汚泥が
高い栄養物含蓄を保持するからである。

本発明による方法の範囲において、電場の構成のため２
〜ろ０■、好ましくは４〜１２Ｖの端子電圧を使用する
のが有利であると判明した。

また尚分子電解質の添加量を著しく減少することができ
れば、それは有利であるが、特に酸液の導電犀を改良す
るために、電場をかける前に基質と微生物材料との混合
物に高分子電解質を加えることは有利である。驚くべき
ことにイオン交換体の添加も電場における基質の吸収と
浮遊の改良をもたらした。

電場は断続的にかけることが望ましいが、その際電場を
基質が微生物材料によって吸収される変換の少くとも最
初の時間帯域においてかける。この時間帯域の最初の部
分の内に微生物の負荷に著しい改良と同時に必要な時間
の減少と浮遊力の改良を伴うことが示された。

負荷の後直ちに激しいガスを発生する傾向のない生物群
落の場合には電気分解によって浮遊を援助することは有
利である。この場合、基質を負荷されたバイオマスの浮
遊を促進するために基質−バイオマス溶液の分解電圧以
上の端子電圧を時間帯域の最初の部分内にかけるように
操作すると有利である。比較的多量の発醇ガスを発生す
る生物群落の場合には端子電圧をより低く選ぶことがで
きる。

いずれの場合にも電場をかける前に既に栄養物を添加す
ると有利であり、その際要すればＰＨを生物変換に最適
の値にもたらすことができる。後続の生物変換に適当な
値いにＰＨ値を調節すると添加すべき高分子電解質の肝
をさらに城らすことのできるのが通例である。

本質的に水平な電束線を有する電場をかげることが有利
な方法である。このような電場の場合、電極は通常垂直
に配置され、電極の表面に起るガス発生がバイオマスの
浮遊を助ける。

実際の生物変換は嫌気性または好気性交換として行なう
ことができるが、その生物変換の間バイオマスはもはや
電場下に誼くべきではないので、また何よりも後に続く
生物変換のための任意の方法、例えば発酵、腐敗、呼吸
または普通の汚泥槽を応用するために、本発明の方法に
よると、基質による生物体の負荷と基質を負荷したバイ
オマスの生物変換とが別々の容器中で実施され、その際
基質を負荷された微生物材料は分離されてから反応空間
に導入され、反応空間における変換の後バイオマスは混
合空間に戻されるという具合に都合好く行なわれる。こ
の方法によれば極めて多種に亘るバイオマスな考慮に入
れることができる。例えば酵母は非常に速やかに二酸化
炭素を発生するので、基ａによる微生物材料の負荷の最
初の段階において速やかにして且つ完全な浮遊のために
電気分解による特別の援助を必要としないが、活性汚泥
の場合には浮遊し難いので、バイオマスの負荷が行なわ
れる変換の時間帯域の最初の部分において浮遊を促進す
るために比較的高い電圧をかけることはきわめて有益で
ある。

本発明の方法の範囲において電場は次のようにしてかけ
ると特に有利である。すなわち、混合空間および／また
は浮遊空間において電極を一定の間隔に配置し、その間
隔を２〜３０Ｖの範囲において選ばれた電圧に関連して
０．５〜２　ｍｍ　／　Ｖ、好ましくは約１　ｍｒｎ、
　／　Ｖに取る。これらの条件を守ると基質による微生
物の負荷に関しまた負荷されたバイオマスの浮遊に関す
る最適条件が認められた。

浮遊装置中の電極間隔な混合空間の電極間隔に比較して
大きく取ることおよび／または混合空間の端子電圧を反
応空間の端子電圧に比較して大きく選ぶという具合に方
法を実施するのが好ましい。

本発明の方法の範囲において分解性の陽極、例えばアル
ミニウムまたは鉄から成るもの、を電気分解に耐える陽
極と同様に使用できる。負荷されたバイオマスの分離は
凝集剤を使用することによって助成することができる。

基質の吸収に対する電場の刺激する効果は嫌気性変換に
も拵気性変換にも同様に見出すことができる。

本発明による方法は連続的に行なわれると有利であるが
、その際第１と微生物材料との混合の後、この混合物は
連続的に第１の空間に送られ、そこで基／Ｍによる微生
物材料の負荷が電場の影響下に行なわれる。この第１の
空間ではまた浮遊も行なわれ、バイオマスが分離される
。このようにして分離され且つ負荷したバイオマスを後
続の反応空間において変換することができる。

生物変換の後、バイオマスは基質の分解の後本発明の方
法の範囲において再循環され、その際特に経済的な方法
であることが明らかになる。

本発明は次に示す実施例によってさらに詳細に説明され
る。

実施例１゜ 生物学的酸素要求量Ｂ５Ｂ５が５５０ｍ９／ｌの都市下
水を活性汚泥と１：１の比に混合した。活性汚泥（再循
環汚泥）の乾燥物含量は５ＪＪＥｌ／ｌであった。約２
．５分の攪拌または混合時間の後バイオマスに電場をか
けた。電極の間隔はこの場合１５朋、第２次端子電圧１
６■および電流密度０．５　Ａ　／　ｄｍ２で作用させ
た。電場内の滞留時間は６分であった。それに続いて浮
遊汚泥の濃度が乾燥物２５ｊ！／ｋｇ並びに残った残余
水の荷重がＢ５Ｂ５８０ｍ９／ｌであると確認された。

比較のため同じ試験が電場の応用なしに繰返された。以
前と同様に調製された下水と活性汚泥の１＝１の比の混
合物から出発して、初めの容積１１において滞留時間２
時間に対応して０．２４ｍ／ｈの沈降速度が認められた
。汚泥の容積は６６０罰で、その際デカンテーションに
よって得られた液の残余負荷はＢ５Ｂ５で表わして２１
０７’ｆ／ｌであった。この比較より電場の作用の下で
は残余水の荷Ｍｌ”本質的により低いことおよび生物体
塊の負荷が本質的により速やかなことが判明する。

実施例２゜ 濃度２００ｇ／ｌの糖溶液を酵母スラリーと混合した。

乾燥物含量は１００Ｉ／ｌであった。攪拌および／また
は混合時間１０分の後電場をかけたが、その際電極の間
隔は５　ｍｚ取り、端子電圧は４〜５■の間に選んだ。

電流密度は０．５〜２Ａ／ｄｍｚ間に選び、その際電場
内の滞留時間を１０分に選んだ。このような方法により
浮遊スラッジ中の糖濃度１６３，９／ｌおよび浮遊水中
の糖濃度３７８ｇ／ｌを昭めた。

比較のため同じ方法が電場の応用なしに、しかし高分子
電解質をかなり多量に加えて繰返された。

上記の糖溶液と酵母スラリーの混合物から出発して、１
５Ｃ＃／１３の高分子電解質を添加し且つ１０分の攪拌
時間および／または混合継続の後、発酵によって発生し
たＣＯ２による浮遊が１５分間行なわれた。電場内の浮
遊に対してより長い浮遊時間をかけたのにもかかわらず
浮遊スラッジ中の糖濃度は僅かに１６８ｇ／Ｉｔであり
、浮遊水中の糖濃度は６２　ｇ／１１と認められた。

ζルス周波数約１００’Ｈｚの脈動電流は特に有利であ
ることが証明された。

浮遊の間に良く分離できるフロック（綿状の塊）がごく
短時間内圧形成される。これらのフロックは優′れた負
荷を示す。しかしこのフロック構造は活性汚泥中におけ
るその後の生物変換のために必ずしも好都合ではないの
で、フロック構造変換ノ前に通気によって破かいするの
が有利である。そのような汚泥通気はまた汚泥の一部を
混合槽へ再循環し、このようにして生物浄化工程へ生物
的乾燥物に関して一定の汚泥を供給するためにも関係づ
けられる。浮遊工程において残留する下水は通例排水施
設中へ直接導くことができる。混合物の分離、浮遊およ
び生物変換は一連の再循環を可能にするが、その際特に
中間に挿入される汚泥の通気は汚泥の一部を混合槽に戻
すためあるいは後続の変換の改良のためてフロック構造
を破がいするために特に有利である。通気した汚泥の一
部はまた前沈降槽または後沈降槽から採取される汚泥と
一緒にして以後の汚泥処理に投入することができる。そ
れによって現存の装置能力への簡単な適応が可能になる
。

代理人　浅　村　皓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）基質と微生物材料とを、必要の場合には予め基質
   を精製した後、互いに混合し、得られた微生物系を反応
   条件に保つ基質の生物変換方法において、基質と微生物
   材料との混合の後、泣合空間および／または浮遊装置中
   に脈動直流を使用して電小をかけ、つづいて生物変換を
   電場をかけずに行なうことを特徴とする。基質の生物変
   換方法。 （２）電場を発生させるため、２〜３０ｖ、好ましくは
   ４〜１２Ｖの端子電圧を使用することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 （３）電場をかける前に、基質と微生物材料の混合物に
   高分子電解質および／またはイオン交換体を加えること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２頓記載の
   方法。 （４）電場を断続的にかけることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項、第２功または第６項記載の方法。 （５）基質が微生物材料によって吸収される変換の少く
   とも最初の時間帯域において電場をかげることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１
   項に記載の方法。 （６）最初の時間帯域において基質−バイオマス溶液の
   分解電圧以上の端子電圧をかけて、基質を負荷したバイ
   オマスの浮遊を促進することを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載の方法。 （７）電場をかける前に混合物に栄養源を加え、その際
   要すればＰＨを所望の値に調節することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記
   載の方法。 （８）零個的に水平な電束線を有する電場をかけること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項までのい
   ずれか１項に記載の方法。 （９）基質によりバイオマスの負荷および基質を負荷し
   たバイオマスの生物変換反応を別々の容器中で行ない、
   その際に基質を負荷した微生物材料を分離してから反応
   空間、特に活性汚泥槽に供給し、反応空間における変換
   後１．バイオマスを必要に応じて通気を行なってから、
   混合空間へ再循環することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第８頂のいずれか１項に記載の方法。 ００）混合空間およ゛び／または浮遊装Ｒにおいて電極
   を互いに一定の間隔に配置し、その間隔を２〜３０Ｖの
   範囲において選ばれた電圧に関連して０．５〜２朋／ｖ
   、好ましくは約１πｍ／Ｖに取ることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載
   の方法。 旧）浮遊装置中の電極間隔を混合空間の鶏゛極間隔に比
   較して大きく取ることおよび／または混合空間の端子電
   圧を反応空間の端子電圧に比較して大きく選ぶことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第１０項までのいず
   れか１項に記載の方法。 （１２）　反応空間、特に活性汚泥槽および／または通
   気槽から分離され混合槽および／または浮遊槽中の電場
   を２〜１０分、好ましくは約５分間維持することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項から第１１項までのいずれ
   か１頂に記載の方法。