JPWO2010150691A1 - アンモニア態窒素含有排水処理方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素へと変換する硝化反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に前記硝化反応を行なわせることによって、促進させる、アンモニア態窒素含有排水処理方法を提供する。
Description
本発明は、アンモニア態窒素含有排水処理方法に関する。
アンモニア態窒素や、タンパク質、アミノ酸などの生分解時にアンモニアを発生する物質を含有する排水（アンモニア態窒素含有排水）を処理するにあたって、活性汚泥を用いた生物窒素除去反応が用いられている。生物窒素除去反応は、アンモニア態窒素を亜硝酸態窒素に酸化し、さらに亜硝酸態窒素を酸化して硝酸態窒素に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からなる。硝化工程を行なう硝化細菌の生育速度は遅く、また、硝化反応は脱窒反応に比べて反応速度が遅いため、硝化工程が生物窒素除去反応の律速工程となっている。そのため、硝化反応の時間を長めにとって、硝化細菌への負荷を下げる必要がある。そこで、硝化工程が行なわれる硝化槽における水理学的滞留時間を長くとるべく、硝化槽は大きく設計されていた。
硝化反応を促進させるためには、硝化槽内の温度、ｐＨ、溶存酸素といった硝化細菌の生育環境を適切にコントロールする方法が最も簡単であり、これらは従来から実施されている。また、硝化細菌が資化する微量栄養素を添加する方法が実施されており、この方法は硝化反応の活性低下を防止する効果がある。また、特許文献１には、硝化反応を大きく向上させる方法として、包括固定担体に硝化細菌を固定化し、高濃度に維持する方法が記載されている。
しかしながら、硝化細菌の生育環境をコントロールする方法では、硝化反応速度の向上に限界がある。また、上述の微量栄養素を添加する方法は、汚泥の活性低下を防止する効果はあるものの、活性が著しく向上するものではない。また、特許文献１の担体を用いる方法では、担体の寿命が短かったり、固定化する際に硝化細菌が死んでしまったりする等の問題がある。
そこで、本発明は、アンモニア態窒素含有排水処理のために生物窒素除去を行なうにあたって、硝化反応を促進させる新しい方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素へと変換する硝化反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に上記硝化反応を行なわせることによって、促進させる、アンモニア態窒素含有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、生物窒素除去反応の律速工程である硝化反応の全過程、すなわち、アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素に至る硝化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、硝化反応の一部の反応だけでなく、硝酸態窒素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、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、硝化反応の時間を長めにとる必要がなくなり、硝化槽を大きくする必要がなくなる。
上記微生物間情報伝達物質がＣ４−ホモセリンラクトン、Ｃ８−ホモセリンラクトン、Ｃ１０−ホモセリンラクトン、Ｃ１２−ホモセリンラクトン、Ｃ１４−ホモセリンラクトン、３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトン及び３−オキソ−Ｃ１２−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、硝化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、経済的に効率良く硝化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、硝化反応効率をさらに上げることができる。
本発明によれば、アンモニア態窒素含有排水処理のために生物窒素除去を行なうにあたって、硝化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、本発明のアンモニア態窒素含有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アンモニア態窒素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、アンモニア態窒素含有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を備えている。
硝化槽１に、ラインＬ１を通じてアンモニア態窒素含有排水が被処理水として流入する。硝化槽１の中では、微生物間情報伝達物質の存在下、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に送られる。
ラインＬ２を通じて送られた被処理水は、脱窒槽２において脱窒処理を受ける。具体的には、脱窒槽２に存在する脱窒菌により、嫌気状態で、被処理水中の亜硝酸態窒素や硝酸態窒素が窒素ガスに変換される。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、硝化槽１は、空気を硝化槽１内に散気するための散気装置や送風機等をさら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。
硝化槽１において、被処理水中のアンモニア態窒素は硝化細菌により、亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素へと変換される。下記反応式（Ｉ）は、アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素へと酸化する反応を表し、下記反応式（ＩＩ）は、亜硝酸態窒素から硝酸態窒素へと酸化する反応を表す。
ＮＨ３＋（３／２）Ｏ２ → ＮＯ２ −＋Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋・・・（Ｉ）
ＮＯ２ −＋（１／２）Ｏ２ → ＮＯ３ −・・・（ＩＩ）
本発明においては、上記反応式（Ｉ）及び（ＩＩ）の硝化反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に上記硝化反応を行なわせることにより、促進することができる。
ＮＨ３＋（３／２）Ｏ２ → ＮＯ２ −＋Ｈ２Ｏ＋Ｈ＋・・・（Ｉ）
ＮＯ２ −＋（１／２）Ｏ２ → ＮＯ３ −・・・（ＩＩ）
本発明においては、上記反応式（Ｉ）及び（ＩＩ）の硝化反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に上記硝化反応を行なわせることにより、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、硝化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、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、最も効果的に硝化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、より確実に硝化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）の反応を行なう硝化細菌として、ニトロソモナス属（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）、ニトロソコッカス属（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）、ニトロソスピラ属（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）、ニトロソビブリオ属（Ｎｉｔｒｏｓｏｖｉｂｒｉｏ）等に属する硝化細菌を用いることができ、反応式（ＩＩ）の反応を行なう硝化細菌として、ニトロバクター属（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）、ニトロスピラ属（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）、ニトロコッカス属（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）等に属する硝化細菌を用いることができる。
硝化槽１において、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に硝化反応を行なわせる条件は、当業者が適宜決定することができる。例えば、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、７〜７．５とすることが最も好ましい。
本発明の生物処理によるアンモニア態窒素含有排水処理方法には、硝化細菌そのものを用いる他に、硝化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硝化細菌の量や、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。
硝化槽１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、硝化細菌を含む被処理水に直接添加することができる。また、硝化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、それらをアンモニア態窒素含有排水に添加することもできる。また、硝化細菌と微生物間情報伝達物質とを担体に担持させ、該担体を硝化槽１で流動させることもできる。また、硝化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、硝化槽の大きさ、硝化細菌の種類、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、活性汚泥を用いて硝化試験を行なった。活性汚泥として、実効容積２Ｌの曝気槽にアンモニア態窒素含有排水を連続供給し、３ヶ月間馴養した活性汚泥を用いた。試験管にアンモニア態窒素を初期濃度１００ｍｍｏｌ／Ｌとなるように調製した無機塩培地を入れ、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となるように試験管に添加した。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た。培地の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。微生物間情報伝達物質の添加開始から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、微生物間情報伝達物質の添加開始から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、コントロールに対して硝酸態窒素濃度が３〜４倍高くなっていた。なお、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、速やかに硝酸態窒素まで酸化されていることが示された。
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、硝化細菌がアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素まで酸化する硝化反応全体が、格段に促進されることが示された。
本発明の方法によれば、生物処理によりアンモニア態窒素含有排水を処理するにあたって、微量の微生物間情報伝達物質により、排水処理の律速工程である硝化工程を大幅に短縮することができ、排水処理にかかる時間を短くすることができる。したがって、反応槽の大きさを大きくすることなく、小さな施設でも多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〜Ｌ３・・・ライン、１０・・・排水処理装置。
Claims (3)
- アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素を経て硝酸態窒素へと変換する硝化反応全体を、微生物間情報伝達物質の存在下で硝化細菌に前記硝化反応を行なわせることによって、促進させる、アンモニア態窒素含有排水処理方法。
- 前記微生物間情報伝達物質がＣ４−ホモセリンラクトン、Ｃ８−ホモセリンラクトン、Ｃ１０−ホモセリンラクトン、Ｃ１２−ホモセリンラクトン、Ｃ１４−ホモセリンラクトン、３−オキソ−Ｃ６−ホモセリンラクトン及び３−オキソ−Ｃ１２−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、請求項１に記載のアンモニア態窒素含有排水処理方法。
- 前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、請求項１又は２に記載のアンモニア態窒素含有排水処理方法。
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