WO2016067970A1 - 包括固定化担体及びそれを用いた廃水処理装置 - Google Patents

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entrapping immobilization
carrier
wastewater treatment
swelling
entrapping
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角野　立夫
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学校法人 東洋大学
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    • C12N11/02—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
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    • C12N11/02—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a entrapping immobilization carrier for treating wastewater such as sewage and industrial wastewater, and a wastewater treatment apparatus using the same.
  • Wastewater such as sewage and industrial wastewater contains BOD (Biochemical Oxygen Demand) components, nitrogen components, phosphorus components, and the like. These components are treated by an activated sludge method or a modified activated sludge method at a sewage treatment plant or the like.
  • BOD Biochemical Oxygen Demand
  • ammonia which is the main component of the nitrogen component, causes eutrophication of water areas and a decrease in dissolved oxygen, and the need for treatment is strongly desired.
  • ammonia treatment is removed from waste water by converting it into nitrogen gas by nitrification reaction and denitrification reaction using bacterial cells. That is, ammonia in wastewater is nitrified (oxidized) to nitrous acid and nitric acid by nitrifying bacteria, and nitrous acid and nitric acid are denitrified (reduced) by denitrifying bacteria to become nitrogen gas.
  • the nitrification reaction is rate-limiting in the nitrification reaction and the denitrification reaction, it is important to improve the efficiency of the nitrification reaction.
  • the conventional entrapping immobilization carrier has a limit in the amount of cells retained, and the cell concentration is limited to 10 10 cells / g-carrier (“Advanced treatment technology using entrapping immobilization carrier”) And waste water, vol.39, No8, 24-39, 1997: quoted from Tatsuo Tsuno.
  • the nitrification rate is limited to 400 mg-N / h / L-carrier, and it has been difficult to obtain a nitrification rate higher than this.
  • the specific gravity of the conventional entrapping immobilization carrier is limited to 1.015 (kg / m 3 ), and power means for flowing the entrapping immobilization carrier, such as an air aeration apparatus and a stirrer, requires large motive energy. I was trying.
  • a entrapping immobilization carrier that can retain bacterial cells (for example, nitrifying bacteria) at a higher concentration than the conventional one, and can maintain the carrier strength and can have a lower specific gravity than the conventional one. ing.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, because it can hold cells (for example, nitrifying bacteria) at a higher concentration than before, and can reduce the specific gravity than before while maintaining carrier strength,
  • cells for example, nitrifying bacteria
  • a entrapping immobilization support capable of achieving a high reaction rate (for example, nitrification rate) and capable of significantly reducing power energy for flowing the entrapping immobilization support in a wastewater treatment tank, and a wastewater treatment apparatus using the same.
  • a high reaction rate for example, nitrification rate
  • the entrapping immobilization carrier polymerizes the immobilization material in the presence of the microbial cells to gel, thereby entrapping and fixing the microbial cells to the immobilization material.
  • the immobilization material is a swellable substance that is non-toxic to the microbial cells and swells by absorbing water, and the swellable substance is 22 to 38 with respect to the entrapping immobilization carrier. It is contained at a concentration of mass%, and the volume of the entrapping immobilization support can be swollen 3.5 times or more.
  • the present inventor has a close relationship between the swelling property of the entrapping immobilization carrier and the growth ability of the cells of the entrapping immobilization carrier, and swells the entrapping immobilization carrier containing the immobilization material at a high concentration.
  • a novel finding was obtained that the specific gravity can be reduced while maintaining the carrier strength by reducing the specific gravity.
  • the reason why the microbial cells are likely to proliferate due to the swelling of the entrapped immobilization carrier is that the swelling increases the susceptibility area for the microbial cells to inhabit the inside of the entrapped immobilization carrier. Inferred to be promoted.
  • the present invention has been made on the basis of such knowledge, and as the immobilization material, a swellable substance that is non-toxic to bacterial cells and swells by absorbing water is used, and the swellable substance is used for the entrapping immobilization support. It was contained at a high concentration of 22 to 38% by mass so that the volume of the entrapping immobilization support was swollen 3.5 times or more.
  • the immobilization material is contained at a high concentration of 25 to 35% by mass with respect to the entrapping immobilization support so that the volume of the entrapping immobilization support swells 4 times or more.
  • 10 10 cells / g-carrier (nitrification rate 400 mg-N / h / L-carrier), which is the conventional limit of the microbial concentration of the entrapping immobilization carrier, is 10 11.
  • Cells / g-carrier (nitrification rate 650 mg-N / h / L-carrier) could be improved.
  • the immobilization material is preferably 2-hydroxymethyl acrylate and derivatives thereof.
  • 2-Hydroxymethyl acrylate and its derivatives are particularly preferable as the immobilization material.
  • the microbial cell is preferably any one of nitrifying bacteria, anaerobic ammonia oxidizing bacteria, phosphorus accumulating bacteria, and organic substance assimilating bacteria.
  • the activated sludge containing at least one of these bacterial cells can be entrapped and immobilized.
  • the entrapping immobilization carrier has a specific gravity of 1.005 to 1.010 (kg / m 3 ) at the completion of swelling after absorbing water and completing swelling. preferable.
  • the specific gravity of the entrapping immobilization support is 1.005 to 1.010 (kg / m 3 )
  • the power energy of the power means such as an air aeration apparatus and a stirrer for flowing the entrapping immobilization support can be significantly reduced. .
  • the entrapping immobilization carrier is preferably formed in a cube shape of 0.2 to 1 mm square.
  • the size of a conventional entrapping immobilization support is generally a 3 mm square cube, but the entrapping immobilization support according to the above aspect swells 3.5 times or more. Therefore, by reducing the size of the entrapping immobilization carrier to 0.2 to 1 mm square, it becomes the same size as the conventional size during operation in the wastewater treatment apparatus.
  • a wastewater treatment apparatus is a wastewater treatment apparatus in which a entrapping immobilization support is fluidized by a fluid means in a wastewater treatment tank filled with the entrapping immobilization support according to the aforementioned aspect.
  • the waste water is biologically purified by contacting with the waste water.
  • a high reaction rate for example, nitrification rate
  • good and stable treated water can be obtained.
  • the power energy of the flow means can be significantly reduced.
  • a treated water outlet of the wastewater treatment tank is provided with a screen for preventing the flowing entrapping immobilization carrier from flowing out, and the screen is the entrapping immobilization carrier. It is preferable that the size of the opening can be changed according to the degree of swelling of the particles.
  • the screen provided at the treated water outlet of the wastewater treatment tank can change the size of the mesh according to the degree of swelling of the entrapped immobilization support. Can be prevented.
  • the opening of the screen is set in accordance with the entrapping immobilization carrier before swelling, when the entrapping immobilization carrier swells and becomes large, the screen is blocked and the outflow of treated water is inhibited.
  • a swelling tank that swells the entrapping immobilization support is provided in a preceding stage of the wastewater treatment tank, and the entrapping immobilization support swollen in the swelling tank is filled in the wastewater treatment tank It is preferable to do.
  • the entrapping immobilization support previously swollen in the swelling tank is filled in the wastewater treatment tank, the entrapping immobilization support having a high concentration of cells and a reduced specific gravity can be filled in the wastewater treatment tank.
  • the swelling of the entrapping immobilization carrier in the swelling tank is not limited to swelling until completion of swelling, and the entrapping immobilization carrier may be filled in the wastewater treatment tank during the swelling.
  • carrier in a wastewater treatment tank can be shortened, and a wastewater treatment tank can be started up rapidly.
  • the screen provided at the treated water outlet can have a variable opening.
  • the wastewater treatment tank further includes a carrier drawing means for pulling out the entrapping immobilization carrier filled in the wastewater treatment tank from the wastewater treatment tank.
  • the filling rate of the entrapping immobilization support in the wastewater treatment tank becomes too large, and the fluidity of the entrapping immobilization support may deteriorate, and the reaction rate may decrease. There is.
  • the carrier drawing means it is possible to maintain an appropriate filling rate of the entrapping immobilization carrier, so that the fluidity of the entrapping immobilization carrier can always be kept good.
  • the filling rate of the entrapping immobilization carrier filled in the wastewater treatment tank is set to a target filling rate at the completion of swelling when the entrapping immobilization carrier has completed swelling. It is preferable to set an initial filling rate at which the entrapping immobilization carrier is charged into a wastewater treatment tank.
  • the entrapping immobilization support is filled at the target filling rate at the start of operation of the wastewater treatment tank, the entrapping immobilization support swells during the wastewater treatment process, the filling rate becomes too large, and the fluidity of the entrapping immobilization support deteriorates. This is because the processing performance may be lowered.
  • the bacterial cells can be retained at a higher concentration than before, and the specific gravity can be reduced while maintaining the carrier strength.
  • the power energy for allowing the immobilization carrier to flow in the wastewater treatment tank can be significantly reduced.
  • the wastewater treatment apparatus of the present invention can obtain good treated water that is always stable and can reduce the running cost of the apparatus.
  • the entrapping immobilization carrier according to the embodiment of the present invention is formed by entrapping and immobilizing bacterial cells on the immobilization material by polymerizing the immobilization material in the presence of the bacterial cells to gel.
  • the immobilization material used in the present invention is a swellable substance that is non-toxic to bacterial cells and swells by absorbing water.
  • the immobilization material is 22 to 38% by mass with respect to the entrapping immobilization carrier. It is contained at a high concentration so that the volume of the entrapping immobilization carrier can be swollen 3.5 times or more.
  • the immobilization material is contained at a high concentration of 25 to 35% by mass with respect to the entrapping immobilization support so that the volume of the entrapping immobilization support swells 4 times or more.
  • the swellable substance used as the immobilization material for example, 2-hydroxymethyl acrylate and its derivatives can be preferably used.
  • crosslinking agent monomers or prepolymers that are harmless to cells and have a low molecular weight, such as ethylene glycol diacrylate and ethylene glycol methacrylate, and derivatives thereof can be preferably used.
  • the microbial cells to be comprehensively immobilized on the immobilization material are not particularly limited, and any of nitrifying bacteria, anaerobic ammonia oxidizing bacteria, phosphorus accumulating bacteria, and organic substance assimilating bacteria can be suitably used.
  • these pure bacteria may be entrapped and immobilized, but activated sludge containing these microbial cells can also be entrapped and immobilized.
  • Method for producing entrapping immobilization carrier The above-mentioned immobilizing material, cross-linking agent, and cells are mixed to form a suspension, and a polymerization accelerator (for example, NNN'N'tetramethylethylenediamine) and a polymerization initiator (for example, potassium persulfate) are added to the suspension. Add. Thereby, the polymerization of the suspension starts and gels. This gel is cut into a predetermined size to produce a entrapping immobilization carrier.
  • a polymerization accelerator for example, NNN'N'tetramethylethylenediamine
  • a polymerization initiator for example, potassium persulfate
  • the shape of the produced entrapping immobilization carrier is not particularly limited, but a shape such as a square shape, a spherical shape, a cylindrical shape, a string shape, and a nonwoven fabric shape is preferable.
  • a entrapping immobilization carrier having many irregularities on the surface of the carrier improves the contact efficiency with waste water, so that the reaction rate is improved.
  • a entrapping immobilization carrier having a cubic shape of 3 mm square (cubic shape) is used, but the volume of the entrapping immobilization carrier according to this embodiment is 3.5 times or more (preferably 4 times or more). ), It is preferably formed in a cubic shape of 0.2 to 1 mm square.
  • the entrapping immobilization support formed as described above can hold cells at a higher concentration than before and can reduce the specific gravity as compared with the conventional while maintaining the carrier strength, so that a high reaction rate can be achieved.
  • 10 10 cells / g-carrier (nitrification rate 400 mg-N / h / L-carrier), which is the conventional limit of the microbial concentration of the entrapping immobilization carrier, is 10 11.
  • Cells / g-carrier (nitrification rate 650 mg-N / h / L-carrier) could be improved.
  • the entrapping immobilization carrier can have a specific gravity in the range of 1.005 to 1.010 (kg / m 3 ) at the time of completion of swelling after absorption of water is completed. It was less than 1.015 (kg / m 3 ) which was the limit of specific gravity of the carrier.
  • FIG. 1 is a view showing the relationship between the swelling property of the entrapping immobilization carrier according to the present embodiment and the proliferation property of the bacterial cells.
  • the amount of activated sludge and the amount of cross-linking agent are set to the fixed amounts shown below.
  • the content (concentration) of the contained immobilizing material was set to 10 mass% to 50 mass%.
  • the entrapping immobilization support produced as described above was charged into a test tank having a volume of 1.4 L so that the filling rate was 10%.
  • ammonia waste water (40 mg / L as NH 4 -N) diluted 5 times to the inorganic synthetic waste water shown below is continuously flowed into the test tank and continuously loaded at a load of 0.4-2 kg-N / m 3 / day. Processed.
  • the nitrification rate is calculated from the ammonia nitrogen concentration (NH 4 -N) of raw water (inorganic synthetic wastewater) and treated water, and is the nitrification rate per carrier of the entrapping immobilization carrier (mg-N / h / L-carrier). Indicated.
  • ammonia nitrogen concentration (NH 4 -N), nitrate nitrogen concentration (NO 3 -N), and nitrite nitrogen concentration (NO 2 -N) were measured.
  • the ammoniacal nitrogen concentration was in accordance with the Indophenol Blue Colorimetric Method (JIS-K0102) (2013 revised edition).
  • the nitrate nitrogen concentration and nitrite nitrogen concentration were analyzed with an ion chromatograph analyzer (ICS-1600, manufactured by Dionex).
  • ICS-1600 ion chromatograph analyzer
  • the swelling rate refers to the ratio of the volume of the entrapping immobilization support after completion of swelling to the volume of the entrapping immobilization support before swelling.
  • the swelling rate is 230% and the nitrification rate is 320 (mg-N / h / L-carrier), and when the concentration is 22% by mass, the swelling rate is 350%.
  • the nitrification rate was 600 (mg-N / h / L-carrier).
  • the concentration was about 25% by mass
  • the swelling rate was about 380%
  • the nitrification rate was about 650 (mg-N / h / L-carrier)
  • the nitrification rate showed a substantially peak value.
  • the swelling rate is 440%
  • the nitrification rate is 650 (mg-N / h / L-carrier)
  • the swelling rate is about
  • the nitrification rate was 450% and the nitrification rate was about 600 (mg-N / h / L-carrier), and the swelling ratio showed a substantially peak value, and thereafter changed at the peak value.
  • the swelling rate was a peak value of about 450%, but the nitrification rate decreased to 400 (mg-N / h / L-carrier), and the concentration was At 50% by mass, the swelling rate was about 450%, but the nitrification rate decreased to about 250 (mg-N / h / L-carrier).
  • the concentration of the immobilizing immobilizing material is increased and the entrapping immobilization carrier continues to swell, the nitrification rate also increases or maintains a high value.
  • increasing the immobilization material in a state where it does not swell even if the concentration of the immobilization material is increased causes a decrease in the nitrification rate.
  • the concentration 22% of the immobilization material is a point at which the graph of the nitrification rate of the mountain shape shifts from an increase to a peak value
  • the concentration 38% is a point at which the graph shifts from a peak value to a decrease. It is.
  • the expansion rate of the entrapping immobilization support is 350% or more (3 And nitrification rate can be increased to 600 (mg-N / h / L-carrier) or more.
  • the reason why the microbial cells are likely to proliferate due to the swelling of the entrapped immobilization carrier is that the swelling increases the susceptibility area for the microbial cells to inhabit the inside of the entrapped immobilization carrier. Inferred to be promoted. However, if the concentration of the immobilization material is increased in a state where the entrapping immobilization carrier is not swollen, the inhabiting area for the microbial cells to inhabit the inside of the entrapping immobilization carrier is reduced, thereby inhibiting the growth of the microbial cells. It is assumed that this leads to a decrease in the nitrification rate.
  • the expansion coefficient is set based on the 400 mg-N / h / L-carrier, which is the limit of nitrification speed of the conventional entrapping immobilization carrier, it becomes 270% or more.
  • the graph in the vicinity of this nitrification rate, the graph is in the process of rising rapidly, and the nitrification rate of the obtained entrapping immobilization carrier tends to vary.
  • nitrification rate 600 (mg-N / h / L-carrier) is significantly higher than 400 (mg-N / h / L-carrier), which was said to be the limit of conventional nitrification rate. There is a clear difference from the conventional entrapping immobilization carrier.
  • the range of the immobilization material concentration of 22 to 38% by mass relative to the entrapping immobilization carrier is a stable region at a high nitrification rate, as can be seen from FIG. Therefore, it is possible to obtain a entrapping immobilization support for obtaining good treated water that is always stable.
  • the entrapping immobilization support can be used in a state where the nitrification rate of the entrapping immobilization support reaches a peak.
  • Fig. 2 shows the relationship between the specific gravity of the entrapping immobilization support and the power density for allowing the entrapping immobilization support to flow in the wastewater treatment tank.
  • the specific gravity of the entrapping immobilization support is 1.035 (kg / m 3 )
  • the power density is about 43 (W / m 3 )
  • the specific gravity is 1.015 (kg / m 3 )
  • the power density is about 18 (W / M 3 )
  • the specific gravity is 1.010 (kg / m 3 )
  • the power density is about 11 (W / m 3 ).
  • W is the wattage.
  • the specific gravity is about 1.035 (kg / m 3 ) when polyethylene glycol diacrylate, which is a general immobilization material for conventional entrapping immobilization carriers, is contained at 18% by mass with respect to the entrapping immobilization carriers. .
  • the conventional immobilization support having a specific gravity of 1.035 (kg / m 3 ) requires a power density of 43 (W / m 3 ) (calculated by mechanical stirring), whereas
  • the entrapping immobilization carrier according to this embodiment can have a power density of about 11 (W / m 3 ) and can be reduced to about 1 ⁇ 4 of the conventional density.
  • the entrapping immobilization support according to this embodiment in the case of a specific gravity of 1.005 (kg / m 3 ) can have a power density of about 5 (W / m 3 ) and can be greatly reduced to around 1/10 of the conventional one. .
  • the specific gravity can be reduced to 1.010 (kg / m 3 ) by reducing the immobilization material concentration to 5% by mass.
  • the compressive strength of the entrapping immobilization carrier is as extremely low as 0.2 (kgf / m 3 ), and it breaks in about one week due to the shearing force when flowing in the wastewater treatment tank and cannot be used practically.
  • the compressive strength of the entrapping immobilization support was set to a pressure (kgf / m 3 ) at which the entrapping immobilization support was damaged by gradually applying pressure to the support surface of the entrapping immobilization support using a rheometer.
  • the entrapping immobilization carrier according to the present embodiment in which the specific gravity is reduced by swelling the entrapping immobilization carrier containing the immobilization material at a high concentration, has a compressive strength of 2 (kgf / m after completion of swelling). 3 ) It was as good as above.
  • the entrapping immobilization carrier according to the present embodiment is being continuously operated for 464 days in a wastewater test apparatus.
  • the compressive strength of the entrapping immobilization carrier after 464 days of continuous operation no deterioration was observed in physical properties at 2.2 (kgf / m 3 ).
  • the first embodiment of the wastewater treatment apparatus 10 mainly includes a wastewater treatment tank 14 filled with the entrapping immobilization carrier 12 and ammonia wastewater (raw water) flowing into the wastewater treatment tank 14.
  • the raw water pipe 16, the treated water pipe 18 for discharging the treated water treated in the waste water treatment tank 14, the aeration means 20 for aerating the air into the waste water treatment tank 14, and the treated water outlet are provided.
  • the aeration means 20 includes an air pipe 20A connected to the bottom of the wastewater treatment tank 14, and a blower 20B that supplies air through the air pipe 20A. Then, by aerating air into the wastewater treatment tank 14, the wastewater treatment tank 14 is formed in an aerobic condition, and the entrapping immobilization carrier in the wastewater treatment tank 14 is caused to flow.
  • the ammonia in the wastewater is biologically treated to form nitrous acid and nitric acid.
  • the entrapping immobilization carrier 12 filled (injected) into the wastewater treatment tank 14 is in a state before swelling and is smaller than the 3 mm square size of the conventional general entrapping immobilization carrier. Formed in a cube shape of ⁇ 1 mm square.
  • the conventional screen 22 of mesh (opening) for entrapping immobilization carrier of 3 mm square size will flow out of the tank.
  • the screen 22 of 0.1 mm mesh when the entrapping immobilization carrier 12 expands to a large size, the screen 22 is blocked and the outflow of treated water is obstructed.
  • the screen 22 of the wastewater treatment apparatus 10 is formed so that the size of the mesh (mesh) can be changed according to the degree of swelling of the entrapping immobilization carrier 12.
  • a screen having the following configuration can be adopted.
  • three screens of, for example, 0.1 mm, 0.5 mm, and 2 mm mesh are arranged side by side in the horizontal direction or the vertical direction at the treated water outlet of the wastewater treatment tank 14, and an opening / closing plate is provided on each of the three screens.
  • the screen opening and closing plates of the 0.5 mm and 2 mm meshes are closed, and only the 0.1 mm mesh screen is used.
  • the screen opening / closing plate of 0.5 mm mesh is opened.
  • the 2 mm mesh screen opening / closing plate is opened.
  • opening the opening / closing plate of the 0.5 mm mesh screen it is preferable to close the opening / closing plate of the 0.1 mm mesh screen.
  • opening the opening / closing plate of the 2.0 mm mesh screen it is preferable to close the opening / closing plate of the 0.1 mm mesh screen and the 0.5 mm mesh screen.
  • the cells can be held at a higher concentration than before, good treated water that is always stable can be obtained.
  • the entrapping immobilization carrier 12 retains the carrier strength and has a lower specific gravity than before, the wastewater treatment tank 14 can reduce the flow energy of the entrapping immobilization carrier 12 and reduce the running cost of the wastewater treatment apparatus 10.
  • the entrapping immobilization support 12 when the entrapping immobilization support 12 is filled in the wastewater treatment tank 14 and the entrapping immobilization support 12 is swollen in the wastewater treatment tank 14, the entrapping immobilization support 12 has completed the swelling. It is preferable to set the initial filling rate at which the entrapping immobilization carrier 12 is charged into the wastewater treatment tank 14 so that the target filling rate is reached at the time.
  • the initial filling rate is set to 2 to 4%.
  • the filling rate of the wastewater treatment tank 14 can be appropriately set so that the entrapping immobilization support 12 completes the swelling and the reaction rate of the bacterial cells is maximized.
  • the entrapping immobilization carrier 12 before swelling is filled in the wastewater treatment tank 14 and the entrapping immobilization carrier 12 is swollen in the wastewater treatment tank 14, the entrapping immobilization carrier 12 is pulled out from the wastewater treatment tank 14.
  • a drawing means (not shown) is preferably provided.
  • the surplus entrapping immobilization carrier 12 can be pulled out by the pulling means.
  • the entrapping immobilization support 12 is swollen before the wastewater treatment tank 14 described in the wastewater treatment apparatus 10 of the first embodiment.
  • a swelling tank 24 is provided, and the entrapping immobilization carrier 12 swollen in the swelling tank 24 is configured to be charged (filled) into the wastewater treatment tank 14.
  • the swelling tank 24 is provided with a carrier supply pipe 26 for supplying the entrapping immobilization carrier 12 before swelling to the swelling tank 24, and the entrapping immobilization carrier 12 swollen by being immersed in water in the swelling tank 24 is treated with waste water.
  • a carrier charging pipe 28 for charging (filling) the tank 14 is provided.
  • the entrapping immobilization carrier 12 before swelling is supplied to the swelling tank 24 through the carrier supply pipe 26, it is preferable that the entrapping immobilization carrier 12 is accompanied by immersion water flowing through the carrier supply pipe 26. Thereby, it is possible to prevent the entrapping immobilization carrier 12 from being damaged when the carrier is supplied.
  • the immersion water synthetic water containing a nutrient source of bacterial cells may be used, but it is preferable to use waste water (raw water) supplied to the waste water treatment tank 13.
  • the swelling tank 24 is provided above the wastewater treatment tank 14 and an opening / closing valve 28A is provided on the carrier charging pipe 28.
  • an opening / closing valve 28A is provided on the carrier charging pipe 28.
  • the entrapping immobilization support 12 having a high nitrification rate can be used from the start of the operation of the wastewater treatment tank 14.
  • the second embodiment of the wastewater treatment apparatus 10 it is possible to obtain good treated water that is always more stable than the wastewater treatment apparatus 10 of the first embodiment.
  • the entrapping immobilization carrier 12 used in the wastewater treatment apparatus 10 has a specific gravity at the time of completion of swelling within the range of 1.005 to 1.010 (kg / m 3 ) after absorbing water and completing swelling. Therefore, the power density can be greatly reduced as compared with conventional entrapping immobilization carriers. Therefore, the running cost can be reduced for the wastewater treatment apparatus of the second embodiment as in the first embodiment.
  • a heating means 30 for heating the immersion water at the bottom of the swelling tank 24.
  • a steam blowing pipe for blowing boiler steam into the swelling tank 24 an electric heater or the like can be used.
  • FIG. 5 shows the relationship between the temperature of the immersion water in the swelling tank 24 and the swelling rate of the entrapping immobilization carrier 12.
  • the entrapping immobilization carrier 12 containing 2-hydroxymethyl acrylate at a concentration of 25% by mass with respect to the entrapping immobilization carrier was used.
  • the swelling rate refers to the ratio of the volume of the entrapping immobilization support 12 after completion of swelling to the volume of the entrapping immobilization support 12 before swelling.
  • the immersion water temperature is less than 60 days when the water temperature is 25 ° C, about 45 days when the water temperature is 30 ° C, and 30 days when the water temperature is 35 ° C. It was a little less than 10 days when the water temperature was 40 ° C. and slightly less than 10 days when the water temperature was 50 ° C.
  • the activity of the bacteria immobilized on the entrapping immobilization carrier may be reduced by heat or may be killed.
  • the water temperature of the immersion water is 25 ° C., it takes less than two months to complete the swelling of the entrapping immobilization carrier, and even when the water temperature is 30 ° C., it takes one and a half months.
  • the temperature of the immersion water in the swelling tank 24 is set to 35 ° C. to 40 ° C. Thereby, the swelling period in the swelling tank 24 can be shortened.
  • the swelling tank 24 is not limited to swelling the entrapping immobilization carrier 12 until the swelling is completed.
  • the acclimatization period in the wastewater treatment tank 14 can be shortened, so that the wastewater treatment tank 14 is steadily operated in a short period of time. Can be launched.
  • the steady operation refers to stable operation in a state where the treatment capacity of the wastewater treatment tank 14 is reached.
  • Example 1 In Example 1, the swelling rate and nitrification rate of the entrapping immobilization support when the entrapping immobilization support according to the present embodiment before swelling was put into a test tank and ammonia wastewater (inorganic synthetic wastewater) was nitrified. And the quality of treated water. That is, in Example 1, the swelling tank is not provided.
  • composition of suspension for producing entrapping immobilization carrier -Activated sludge (containing nitrifying bacteria) 15 parts by mass-28 parts by mass of 2-hydroxymethyl acrylate-2 parts by mass of ethylene glycol diacrylate-54.25 parts by mass of water And NNN'N 'tetramethyl in the suspension of the above composition
  • Polymerization was started by adding 0.5 parts by mass of ethylenediamine and 0.25 parts by mass of potassium persulfate to cause gelation. This gel was cut into a 1 mm cubic shape to obtain a entrapping immobilization support.
  • the pre-swelling entrapping immobilization support produced as described above was put into a test tank having a volume of 1.4 L so that the filling rate was 2%. Then, ammonia waste water (400 mg / L as NH 4 -N) having a double concentration composition of the inorganic synthetic waste water shown above was continuously flowed into the test tank within a residence time of 5 to 24 hours, and a load of 0.4 to Continuous treatment operation was performed at 2 kg-N / m 3 / day.
  • FIG. 6 shows ammonia nitrogen concentration (NH 4 -N) of raw water of ammonia waste water, ammonia nitrogen concentration (NH 4 -N) of treated water, nitrate nitrogen concentration (NO 3 -N) of treated water, and The nitrite nitrogen concentration (NO 2 -N) of treated water is measured and plotted in relation to the elapsed days of operation (d).
  • the residence time (h) of the ammoniacal wastewater in the test tank is shown in relation to the elapsed days (d) of operation.
  • real-time PCR is a method for measuring the cell concentration by gene analysis.
  • gene analysis analysis is performed on genes specific to nitrifying bacteria, and the number of genes is measured. Measure the bacterial concentration and number of bacteria.
  • the following primers were used for measuring the amoA primer copy number.
  • X X 0 (V P + V W ) / V P (1)
  • X the number of viable bacteria inside the carrier (copy / g-carrier)
  • X 0 Viable count of stock solution after pretreatment (copy / mL)
  • V P Pretreated carrier amount (g)
  • V W Volume of liquid used for pretreatment (mL)
  • a PCR method in which a gene is amplified by a primer pair is preferable.
  • a real-time PCR method in which quantification is performed using a hybridization probe, and an MPN (in combination with a most probable number method) Most Probable Number) -PCR method is preferred, but other analysis methods may be used.
  • Nitrifying bacteria include ammonia-oxidizing bacteria that oxidize ammonia nitrogen to nitrite nitrogen and nitrite-oxidizing bacteria that oxidize nitrite nitrogen to nitrate nitrogen, both of which were measured.
  • the entrapping immobilization carrier increases the habitat area of nitrifying bacteria due to swelling, and the nitrifying bacteria are more likely to be concentrated. It is thought that it became active.
  • Example 2 In Example 2, the entrapping immobilization support according to the present embodiment before swelling was put into a test tank, the swelling rate of the entrapping immobilization support, BOD (biochemical oxygen demand) and COD (chemical The relationship with the removal performance of the oxygen demand (required oxygen demand) was investigated.
  • Wastewater used was sewage from the A sewage treatment plant and activated sludge from the A sewage treatment plant as the cells.
  • composition of suspension for producing entrapping immobilization carrier of Example -Activated sludge (sewage sludge from A sewage treatment plant) 15 parts by mass-32 parts by mass of 2-hydroxymethyl acrylate-3 parts by mass of ethylene glycol diacrylate-49.25 parts by mass of water Polymerization was started by adding 0.5 part by mass of N ′ tetramethylethylenediamine and 0.25 part by mass of potassium persulfate to cause gelation. This gel was cut into a 1 mm cubic shape to obtain a entrapping immobilization support.
  • composition of the suspension for producing the entrapping immobilization carrier of the comparative example -Activated sludge (sewage sludge from A sewage treatment plant) 15 parts by mass-Polyethylene glycol diacrylate 10 parts by mass-NNN'N 'tetramethylethylenediamine 0.5 parts by mass-Water 74.25 parts by mass And the suspension of the above comparative example Polymerization was started by adding 0.25 parts by mass of potassium persulfate to the solution, and gelation was performed. This gel was cut into a 1 mm cubic shape to obtain a entrapping immobilization support.
  • the entrapping immobilization support of this example (before swelling) and the entrapping immobilization support of the comparative example manufactured as described above were put into two test tanks each having a volume of 1.4 L so that the filling rate was 2%. .
  • the sewage (BOD 95-130 mg / L) of the A sewage treatment plant was continuously flowed into the test tank with a residence time of 6 hours, and the load was 0.3-0.5 kg-BOD / m 3 / day. Continuous processing operation was performed.
  • the swelling rate of the entrapping immobilization carrier becomes 430% on the 85th day of the continuous treatment operation, and the BOD removal rate at that time is 94% or more, and the COD removal rate is 90% or more. did it.
  • the entrapping immobilization carrier of the comparative example shows no swelling even on the 85th day of the continuous treatment operation, and the BOD removal rate at that time is 88 to 90% and the COD removal rate is 80 to 90%. It was inferior to the removal rate of the entrapping immobilization support in the examples.
  • a entrapping immobilization carrier having a polyethylene glycol diacrylate (immobilization material) content of the entrapping immobilization carrier of the comparative example increased to 30 parts by mass, and a continuous treatment operation was similarly performed in a test tank.
  • the entrapping immobilization support having a high immobilization material concentration no swelling was observed on the 85th day of the continuous treatment operation.
  • Table 1 shows the concentration of nitrifying bacteria in the carrier by real-time PCR for the entrapping immobilization carrier of the example and the entrapping immobilization carrier of the comparative example (10 parts by mass of immobilization material) on the 85th day of continuous treatment operation. It is the result.
  • a primer a total bacterial count primer (total true bacterial primer) was used.
  • the entrapping immobilization carrier of this example has a cell holding amount one order higher than the entrapping immobilization carrier of the comparative example, and this is the entrapping immobilization of the comparative example. It is considered that the BOD removal rate and the COD removal rate are improved as compared with the carrier.
  • nitrifying bacteria as a microbial cell
  • the present invention can be applied to anaerobic ammonia oxidizing bacteria, phosphorus accumulating bacteria, organic substance assimilating bacteria, and the like.
  • the entrapping immobilization carrier of the present invention formed with cells as anaerobic ammonia-oxidizing bacteria can increase the amount of cells retained and can be processed at high speed.
  • the entrapping immobilization carrier of the present invention formed by using bacterial cells as phosphorus-accumulating bacteria can increase the amount of bacterial cells retained compared to the prior art and enables highly efficient phosphorus recovery.

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Abstract

　従来よりも高濃度に菌体（例えば硝化菌）を保持することができ且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくできるので、高い反応速度（例えば硝化速度）を達成でき、しかも包括固定化担体を廃水処理槽内で流動させるための動力エネルギーを顕著に低減できる。菌体の存在下で固定化材料を重合してゲル化することにより菌体を固定化材料に包括固定してなる包括固定化担体１２において、固定化材料は、菌体に無毒で且つ水を吸収して膨潤する膨潤性物質であり、該膨潤性物質が包括固定化担体１２に対して２２～３８質量％の濃度で含有され、包括固定化担体１２の体積を３．５倍以上に膨潤可能である包括固定化担体を、廃水処理槽１４に投入した。

Description

包括固定化担体及びそれを用いた廃水処理装置
　本発明は下水や産業廃水等の廃水を処理するための包括固定化担体及びそれを用いた廃水処理装置に関する。
　下水や産業廃水などの廃水には、ＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand）成分、窒素成分、リン成分等が含まれている。これらの成分は、下水処理場等において活性汚泥法や活性汚泥変法により処理されている。特に、窒素成分の主たる成分であるアンモニアは水域の富栄養化や溶存酸素の低下などの原因となり、処理の必要性が強く望まれている。
　一般に、アンモニア処理は、菌体を用いた硝化反応と脱窒反応で窒素ガスに変換することで廃水中から除去される。すなわち、廃水中のアンモニアは硝化菌により亜硝酸や硝酸に硝化（酸化）され、亜硝酸と硝酸は脱窒菌により脱窒（還元）されて窒素ガスになる。
　硝化反応と脱窒反応とでは硝化反応が律速となるため、硝化反応の効率化が重要になる。
　したがって、硝化菌を高濃度に保持することにより効率化を図ることができる。このことから、硝化菌を高濃度に保持するための各種方法が開発されている。特に硝化菌を高濃度に保持する最適な方法として、硝化菌の存在下で固定化材料を重合してゲル化することにより硝化菌を固定化材料に包括固定してなる包括固定化担体が開発されている（特許文献１）。
特開平１１－０３３５７７号公報
　しかしながら、従来の包括固定化担体では、菌体の保持量に限界があり、菌体濃度において１０１０cells/g-担体が限界であった（「包括固定化担体を用いた高度処理技術」用水と廃水、vol.39,No8,24-39,1997年：角野立夫から引用）。このため、硝化速度では４００mg-N/h/L-担体が限度であり、これ以上の硝化速度を得ることは困難であった。
　また、硝化速度を大きくするためには、廃水処理槽内において包括固定化担体を流動させて廃水との接触効率を高める必要がある。
　しかしながら、従来の包括固定化担体の比重は、１．０１５（ｋｇ／ｍ３）が限界であり、包括固定化担体を流動させるための動力手段、例えばエア曝気装置、攪拌機に大きな動力エネルギーを必要としていた。
　従来、包括固定化担体の比重を小さくする方法としては、包括固定化担体に対する固定化材料の含有量を減らす（例えば５質量％）方法があるが、担体強度が得られず、１週間程度の廃水処理で破損してしまう。
　このような背景から、従来よりも高濃度に菌体（例えば硝化菌）を保持することができ、且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくすることのできる包括固定化担体が要望されている。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、従来よりも高濃度に菌体（例えば硝化菌）を保持することができ且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくできるので、高い反応速度（例えば硝化速度）を達成でき、しかも包括固定化担体を廃水処理槽内で流動させるための動力エネルギーを顕著に低減できる包括固定化担体及びそれを用いた廃水処理装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る包括固定化担体は前記目的を達成するために、菌体の存在下で固定化材料を重合してゲル化することにより前記菌体を前記固定化材料に包括固定してなる包括固定化担体において、前記固定化材料は、前記菌体に無毒で且つ水を吸収して膨潤する膨潤性物質であり、該膨潤性物質が前記包括固定化担体に対して２２～３８質量％の濃度で含有され、前記包括固定化担体の体積を３．５倍以上に膨潤可能であることを特徴とする。
　本発明者は、包括固定化担体の膨潤性と包括固定化担体の菌体の増殖性との間には密接な関係があるとともに、固定化材料を高濃度で含有する包括固定化担体を膨潤させて比重を小さくすることで担体強度を保持しつつ比重を小さくできる、との新規な知見を得た。
　包括固定化担体が膨潤することで菌体が増殖し易くなる理由としては、膨潤により、包括固定化担体の内部に菌体が棲息するための棲息域が増加し、これにより菌体の増殖が促進されるものと推察される。
　本発明はかかる知見にもとづいてなされたものであり、固定化材料として、菌体に無毒で且つ水を吸収して膨潤する膨潤性物質を用い、該膨潤性物質を包括固定化担体に対して２２～３８質量％の高濃度で含有させて、包括固定化担体の体積が３．５倍以上に膨潤するようにした。
　これにより、従来よりも高濃度に菌体を保持することができ且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくできるので、高い反応速度を達成できる。より好ましくは、固定化材料を包括固定化担体に対して２５～３５質量％の高濃度で含有させて、包括固定化担体の体積が４倍以上に膨潤するようにする。
　例えば、菌体を硝化菌とした場合、包括固定化担体の菌体濃度を従来の限界であった１０１０cells/g-担体（硝化速度４００mg-N/h/L-担体）を、１０１１cells/g-担体（硝化速度６５０mg-N/h/L-担体）に向上させることができた。
　上記一態様に係る包括固定化担体において、前記固定化材料は、２-ヒドロキシメチルアクリレート及びその誘導体であることが好ましい。
　２-ヒドロキシメチルアクリレート及びその誘導体は、固定化材料として特に好ましい。
　上記一態様に係る包括固定化担体において、前記菌体は、硝化菌、嫌気性アンモニア酸化菌、リン蓄積菌、有機物資化菌の何れか１つであることが好ましい。
　これらの菌体は、廃水処理に使用される菌体として重要であるが、菌体を高濃度に保持することが難しいからである。なお、これら菌体の少なくとも１つが含有される活性汚泥を包括固定化することもできる。
　上記一態様に係る包括固定化担体において、前記包括固定化担体は、水を吸収して膨潤が完了した膨潤完了時の比重が１．００５～１．０１０（ｋｇ／ｍ３）であることが好ましい。
　包括固定化担体の比重が１．００５～１．０１０（ｋｇ／ｍ３）であれば、包括固定化担体を流動させるためのエア曝気装置、攪拌機等の動力手段の動力エネルギーを顕著に低減できる。
　上記一態様に係る包括固定化担体において、前記包括固定化担体は、０．２～１ｍｍ角の立方体形状に形成されることが好ましい。
　従来の包括固定化担体のサイズは３ｍｍ角の立方体形状が一般的であるが、上記一態様に係る包括固定化担体は３．５倍以上に膨潤する。したがって、包括固定化担体のサイズを０．２～１ｍｍ角に小さくすることにより、廃水処理装置での運転中は従来と同程度のサイズになる。
　本発明の更なる一態様に係る廃水処理装置は、前記目的を達成するために、上記一態様に係る包括固定化担体を充填した廃水処理槽において包括固定化担体を流動手段で流動させながら廃水と接触させることにより前記廃水を生物学的に浄化処理することを特徴とする。
　これにより、上記更なる一態様に係る廃水処理装置によれば、高い反応速度（例えば硝化速度）を達成でき、良好で且つ安定した処理水を得ることができる。また、流動手段の動力エネルギーを顕著に低減することができる。
　上記更なる一態様に係る廃水処理装置において、前記廃水処理槽の処理水出口には、前記流動する包括固定化担体が流出するのを防止するスクリーンが設けられ、前記スクリーンは前記包括固定化担体の膨潤程度に応じて目開きの大きさを可変可能であることが好ましい。
　廃水処理槽の処理水出口に設けたスクリーンは、包括固定化担体の膨潤程度に応じて目開きの大きさを可変可能にしたので、処理水の流出を阻害しないように包括固定化担体の流出を防止できる。
　ちなみに、膨潤前の包括固定化担体に合わせてスクリーンの目開きを設定すると、包括固定化担体が膨潤して大きくなった時に、スクリーンを塞いでしまい、処理水の流出を阻害する。
　上記更なる一態様に係る廃水処理装置において、前記廃水処理槽の前段に前記包括固定化担体を膨潤させる膨潤槽を設け、前記膨潤槽で膨潤させた包括固定化担体を前記廃水処理槽に充填することが好ましい。
　膨潤槽で予め膨潤させた包括固定化担体を廃水処理槽に充填すれば、高濃度に菌体を保持し且つ比重を小さくした包括固定化担体を廃水処理槽に充填できる。
　これにより、廃水処理槽に包括固定化担体を充填した直後から高い反応速度を達成でき、良好で且つ安定した処理水を得ることができるとともに、廃水処理装置のランニングコストを低減できる。
　なお、膨潤槽での包括固定化担体の膨潤は、膨潤完了時まで膨潤させることに限定されず、膨潤の途中で包括固定化担体を廃水処理槽に充填してもよい。これにより、廃水処理槽での包括固定化担体の馴養期間を短縮して廃水処理槽を迅速に立ち上げることができる。膨潤の途中で廃水処理槽に充填する場合には、処理水出口に設けたスクリーンは目開きを可変可能にすることが好ましい。
　上記更なる一態様に係る廃水処理装置において、前記廃水処理槽に充填した包括固定化担体を前記廃水処理槽から引き抜く担体引抜き手段を備えることが好ましい。
　廃水処理槽内で包括固定化担体が膨潤すると、廃水処理槽内での包括固定化担体の充填率が大きくなり過ぎて、包括固定化担体の流動性が悪くなり、却って反応速度が低下するおそれがある。
　したがって、担体引抜き手段を備えることにより、包括固定化担体の適切な充填率を維持することができるので、包括固定化担体の流動性を常に良好に維持することができる。
　上記更なる一態様に係る廃水処理装置において、前記廃水処理槽に充填する前記包括固定化担体の充填率として、前記包括固定化担体が膨潤を完了した膨潤完了時において目標充填率になるように前記包括固定化担体を廃水処理槽に投入する初期充填率を設定することが好ましい。
　廃水処理槽の運転開始時に包括固定化担体を目標充填率で充填すると、廃水処理の過程で包括固定化担体が膨潤して充填率が大きく成り過ぎて、包括固定化担体の流動性が悪くなり、処理性能が却って低下するおそれがあるためである。
　本発明の包括固定化担体によれば、従来よりも高濃度に菌体を保持することができ且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくできるので、高い反応速度を達成でき、しかも包括固定化担体を廃水処理槽内で流動させるための動力エネルギーを顕著に低減できる。
　したがって、本発明の廃水処理装置は、常時安定した良好な処理水を得ることができるとともに、装置のランニングコストを低減できる。
固定化材料濃度と包括固定化担体の膨潤率及び硝化速度との関係図 包括固定化担体の比重と動力密度との関係図 本発明の廃水処理装置の第１の実施の形態の構成図 本発明の廃水処理装置の第２の実施の形態の構成図 膨潤槽での包括固定化担体の浸漬水温度と膨潤率との関係図 実施例１の試験結果をプロットした図
　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れを用いた廃水処理装置の好ましい実施の形態について詳述する。
　［包括固定化担体］
　本発明の実施形態に係る包括固定化担体は、菌体の存在下で固定化材料を重合してゲル化することにより菌体を固定化材料に包括固定することにより形成される。
　そして、本発明で使用される固定化材料は、菌体に無毒で且つ水を吸収して膨潤する膨潤性物質であり、この固定化材料を包括固定化担体に対して２２～３８質量％の高濃度で含有し、包括固定化担体の体積を３．５倍以上に膨潤可能であるようにする。
　より好ましくは、固定化材料を包括固定化担体に対して２５～３５質量％の高濃度で含有させて、包括固定化担体の体積が４倍以上に膨潤するようにする。
　固定化材料として使用される膨潤性物質は、例えば、２-ヒドロキシメチルアクリレート及びその誘導体を好適に使用することができる。
　すなわち、２-ヒドロキシメチルアクリレートは、下記に示す構造式のｎ＝１の構造であり、ｎ＝１～４０までの構造の物質が誘導体の範囲である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　また、２-ヒドロキシメチルアクリレートのアクリレートをメタクリレートに置き換えた２-ヒドロキシメチルメタクリレート及びその誘導体（上記ｎ＝１～４０）についても誘導体の範囲である。
　また、固定化材料以外に、架橋剤を含有させることが好ましい。架橋剤としては、エチレングリコールジアクリレートやエチレングリコールメタアクリレートのように菌体に無害であり、且つ分子量の低いモノマー又はプレポリマー、及びその誘導体を好適に使用できる。
　固定化材料に包括固定される菌体としては、特に限定されないが、硝化菌、嫌気性アンモニア酸化菌、リン蓄積菌、有機物資化菌の何れかを好適に使用できる。また、これらの純粋菌を包括固定してもよいが、これらの菌体を含有する活性汚泥を包括固定化することもできる。
　［包括固定化担体の製造方法］
　上記した固定化材料、架橋剤、及び菌体を混合して懸濁液とし、この懸濁液に重合促進剤（例えばＮＮＮ´Ｎ´テトラメチルエチレンジアミン）と、重合開始剤（例えば過硫酸カリウム）を添加する。これにより、懸濁液の重合が始まりゲル化する。このゲルを所定サイズに切断し、包括固定化担体を製造する。
　製造された包括固定化担体の形状は、特に限定されないが、四角状、球状、筒状、紐状、不織布状などの形状が好ましい。特に、担体表面に凹凸が多い包括固定化担体は、廃水との接触効率がよくなるので、反応速度が向上する。
　一般的に、包括固定化担体は３ｍｍ角の立方体形状（キュービック形状）のものが使用されているが、本実施形態に係る包括固定化担体の体積は３．５倍以上（好ましくは４倍以上）に膨潤するため、０．２～１ｍｍ角の立方体形状に形成されることが好ましい。
　上記の如く形成された包括固定化担体は、従来よりも高濃度に菌体を保持することができ且つ担体強度を保持しつつ従来よりも比重を小さくできるので、高い反応速度を達成できる。
　例えば、菌体を硝化菌とした場合、包括固定化担体の菌体濃度を従来の限界であった１０１０cells/g-担体（硝化速度４００mg-N/h/L-担体）を、１０１１cells/g-担体（硝化速度６５０mg-N/h/L-担体）に向上させることができた。
　また、包括固定化担体は、水を吸収して膨潤が完了した膨潤完了時の比重が１．００５～１．０１０（ｋｇ／ｍ３）の範囲内にすることができ、従来の包括固定化担体の比重限界であった１．０１５（ｋｇ／ｍ３）を下回ることができた。
　（本発明の立証試験）
　図１は、本実施形態に係る包括固定化担体の膨潤性と菌体の増殖性との関係を示した図である。
　下記の懸濁液組成に示すように、菌体として硝化菌を含有する活性汚泥、固定化材料として２-ヒドロキシメチルアクリレート、架橋剤としてエチレングリコールジアクリレートをそれぞれ用いた。
　そして、この組成の懸濁液にＮＮＮ´Ｎ´テトラメチルエチレンジアミン０．５質量部と過硫酸カリウム０．２５質量部とを添加して重合し、ゲル化した。得られたゲルを１ｍｍ角の立方体形状に切断し、包括固定化担体とした。
　また、活性汚泥の量、架橋剤の量は下記に示す一定量とし、固定化材料の量（Ｙ質量部）と水の量（Ｘ質量部）とを変化させることにより、包括固定化担体に含有される固定化材料の含有率（濃度）が１０質量％～５０質量％となるようにした。
　＜懸濁液の組成＞
　・活性汚泥　　　　　　　　　　　　　　　　　　１５質量部
　・２-ヒドロキシメチルアクリレート 　　　　　　　Ｙ質量部
　・エチレングリコールジアクリレート　　　　　０．５質量部
　・水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｘ質量部
　（試験装置）
　上記の如く製造された包括固定化担体を、容積が１．４Ｌの試験槽に充填率１０％となるように投入した。そして、下記に示す無機合成廃水を５倍に希釈したアンモニア性廃水（ＮＨ４－Ｎとして４０ｍｇ／Ｌ）を試験槽に連続流入させ、負荷０．４～２ｋｇ-Ｎ/ｍ３/dayで連続処理を行った。
　＜無機合成廃水の組成＞
　・ＮＨ４Ｃｌ　　　　　　　　　　　 ０．７６４ｇ／Ｌ
　・ＮａＨＣＯ３　　　　　　　　　　 ２．３４３ｇ／Ｌ
　・Ｎａ２ＨＰＯ４・１２Ｈ２Ｏ　　　 ０．２３１ｇ／Ｌ
　（試験結果の評価方法）
　そして、膨潤性（膨潤率）と菌体（硝化菌）の増殖性との関係を調べた。なお、増殖性は硝化速度を測定することにより判断した。
　硝化速度は、原水（無機合成廃水）と処理水のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ４－Ｎ）から算出し、包括固定化担体の担体当たりの硝化速度（mg-N/h/L-担体）で示した。
　原水及び処理水の水質評価として、アンモニア性窒素濃度（ＮＨ４－Ｎ）、硝酸性窒素濃度（ＮＯ３－Ｎ）、亜硝酸性窒素濃度（ＮＯ２－Ｎ）を測定した。
　アンモニア性窒素濃度は、インドフェノール青比色法（ＪＩＳ－Ｋ０１０２）（２０１３年改訂版）に準じた。また、硝酸性窒素濃度及び亜硝酸性窒素濃度は、イオンクロマトアナライザー（ダイオネックス社製、ＩＣＳ－１６００）で分析した。なお、処理水は、浮遊物質が若干混在しているため、処理水の分析に際しては、予め０．４５μｍのフィルターで濾過したものを使用した。
　（試験結果）
　図１から分かるように、包括固定化担体に含有される２-ヒドロキシメチルアクリレート（固定化材料）の濃度を１０質量％から次第に高めていくと、３８質量％までは包括固定化担体の膨潤率が略直線的に大きくなった。そして、この膨潤率の増大に略比例して硝化速度が高くなり、高い状態で維持された。
　ここで、膨潤率とは、膨潤前の包括固定化担体の体積に対する膨潤完了後の包括固定化担体の体積の％比率を言う。
　しかし、包括固定化担体に含有される２-ヒドロキシメチルアクリレートの濃度が３８質量％を超えて大きくなっても、包括固定化担体はそれ以上膨潤しなかった。そして、２-ヒドロキシメチルアクリレートの濃度が３８質量％を超えたころから硝化速度が明らかに低下し始めた。
　すなわち、２-ヒドロキシメチルアクリレートの濃度が１０質量％のときに膨潤率２３０％、硝化速度３２０（mg-N/h/L-担体）であり、濃度が２２質量％のときに膨潤率３５０％、硝化速度６００（mg-N/h/L-担体）となった。
　そして、濃度が約２５質量％において、膨潤率が約３８０％、硝化速度が約６５０（mg-N/h/L-担体）となり、硝化速度は略ピーク値を示した。
　また、２-ヒドロキシメチルアクリレートの濃度が３５質量％において、膨潤率が４４０％、硝化速度が６５０（mg-N/h/L-担体）であり、濃度が３８質量％において、膨潤率が約４５０％、硝化速度が約６００（mg-N/h/L-担体）となり、膨潤率は略ピーク値を示し、その後はピーク値で推移した。
　また、２-ヒドロキシメチルアクリレートの濃度が４５質量％において、膨潤率が約４５０％とピーク値であったが、硝化速度が４００（mg-N/h/L-担体）まで低下し、濃度が５０質量％において、膨潤率が約４５０％であったが、硝化速度が約２５０（mg-N/h/L-担体）まで低下した。
　図１の結果から、膨潤性を有する固定化材料の濃度を増大して包括固定化担体が膨潤を続けるうちは硝化速度も上昇又は高い数値を維持する。しかし、固定化材料の濃度を増大しても膨潤しなくなった状態で固定化材料を増大していくことは却って硝化速度の低下を招くことが分かった。
　そして、図１から分かるように、固定化材料の濃度２２％は山形状の硝化速度のグラフが上昇からピーク値へ移行するポイントであり、濃度３８％はグラフがピーク値から下降へ移行するポイントである。
　以上の試験結果から、２-ヒドロキシメチルアクリレート（固定化材料）を包括固定化担体に対して２２～３８質量％の範囲で含有させることで、包括固定化担体の膨張率を３５０％以上（３．５倍以上）にすることができ、硝化速度を６００（mg-N/h/L-担体）以上に高くすることができる。
　包括固定化担体が膨潤することで菌体が増殖し易くなる理由としては、膨潤により、包括固定化担体の内部に菌体が棲息するための棲息域が増加し、これにより菌体の増殖が促進されるものと推察される。しかし、包括固定化担体が膨潤しなくなった状態で固定化材料濃度を大きくすると、包括固定化担体の内部に菌体が棲息するための棲息域が減少し、これにより菌体の増殖が却って阻害され、硝化速度の低下につながるものと推察される。
　ちなみに、従来の包括固定化担体の硝化速度限界の４００mg-N/h/L-担体を基準に膨張率を設定すれば２７０％以上になる。しかし、図１から分かるように、この硝化速度の近傍ではグラフが急激に立ち上がっている途中であり、得られた包括固定化担体の硝化速度にバラツキが発生し易い。
　硝化速度６００（mg-N/h/L-担体）の数値は、従来の硝化速度の限界と言われていた４００（mg-N/h/L-担体）に比べて顕著に高い数値であり、従来の包括固定化担体とは明らかな相違がある。
　包括固定化担体に対する固定化材料濃度２２～３８質量％の範囲は、図１から分かるように、硝化速度が高い状態で安定した領域である。したがって、常時安定した良好な処理水を得るための包括固定化担体を得ることができる。
　また、２-ヒドロキシメチルアクリレート（固定化材料）を包括固定化担体に対して２５～３５質量％の範囲で含有させることが一層好ましい。これにより、包括固定化担体の硝化速度がピークになる状態で、包括固定化担体を使用することができる。
　図２は、包括固定化担体の比重と、包括固定化担体を廃水処理槽内で流動させるための動力密度との関係を調べたものである。
　図２に示すように、包括固定化担体の比重と動力密度との間には直線的な比例関係があり、比重が大きくなると動力密度が大きくなる。すなわち、包括固定化担体の比重が１．０３５（ｋｇ／ｍ３）で動力密度が約４３（Ｗ／ｍ３）、比重が１．０１５（ｋｇ／ｍ３）で動力密度が約１８（Ｗ／ｍ３）、比重が１．０１０（ｋｇ／ｍ３）で動力密度が約１１（Ｗ／ｍ３）になる。ここで、Ｗはワット数である。
　従来の包括固定化担体の一般的な固定化材料であるポリエチレングリコールジアクリレートを包括固定化担体に対して１８質量％で含有させたときの比重が１．０３５（ｋｇ／ｍ３）程度である。
　このことから分かるように、従来の比重が１．０３５（ｋｇ／ｍ３）の包括固定化担体は動力密度が（機械攪拌で算出）４３（Ｗ／ｍ３）必要であるのに対して、比重１．０１０（ｋｇ／ｍ３）の場合の本実施形態に係る包括固定化担体は動力密度を約１１（Ｗ／ｍ３）にでき、従来の約１／４に削減できる。さらに、比重１．００５（ｋｇ／ｍ３）の場合の本実施形態に係る包括固定化担体は動力密度を約５（Ｗ／ｍ３）にでき、従来の１／１０近辺まで大幅に削減できる。
　従来のポリエチレングリコールジアクリレートを使用した包括固定化担体の場合、５質量％まで固定化材料濃度を下げれば、比重を１．０１０（ｋｇ／ｍ３）にすることは可能である。しかし、包括固定化担体の圧縮強度が０．２（ｋｇｆ／ｍ３）と極めて小さく、廃水処理槽内を流動する際の剪断力によって約１週間で破損し、実用上使用することはできない。
　なお、包括固定化担体の圧縮強度は、レオメータを使用し、包括固定化担体の担体面に徐々に圧力をかけて包括固定化担体が破損した圧力（ｋｇｆ／ｍ３）とした。
　これに対して、固定化材料を高濃度に含有した包括固定化担体を膨潤させることで比重を低下した本実施形態に係る包括固定化担体は、膨潤完了後の圧縮強度が２（ｋｇｆ／ｍ３）以上と良好であった。
　現在、本実施形態に係る包括固定化担体について、廃水試験装置で４６４日間連続運転を実施中である。そして、連続運転４６４日後の包括固定化担体について圧縮強度を測定した結果、２．２（ｋｇｆ／ｍ３）と全く物性に劣化が見られていない。
　［本発明の廃水処理装置の第１の実施の形態］
　次に、本実施形態に係る包括固定化担体を用いた本発明の廃水処理装置の第１の実施の形態について説明する。なお、廃水処理装置の一例として、硝化菌を含有する包括固定化担体でアンモニア性廃水を処理する廃水処理装置の例で説明する。
　図３に示すように、廃水処理装置１０の第１の実施の形態は、主として、包括固定化担体１２を充填した廃水処理槽１４と、廃水処理槽１４にアンモニア性廃水（原水）を流入させる原水配管１６と、廃水処理槽１４で処理した処理水を排出する処理水配管１８と、廃水処理槽１４内にエアを曝気する曝気手段２０と、処理水出口に設けられて、廃水処理槽１４から包括固定化担体１２が流出することを防止するスクリーン２２と、で構成される。
　曝気手段２０は、廃水処理槽１４の底部に接続されたエア配管２０Ａと、エア配管２０Ａを介してエアを供給するブロア２０Ｂとで構成される。そして、廃水処理槽１４内にエアを曝気することにより、廃水処理槽１４内を好気性条件に形成するとともに、廃水処理槽１４内の包括固定化担体を流動させる。
　このように、廃水処理槽１４内で包括固定化担体１２と廃水とを接触させることにより、廃水中のアンモニアを生物学的に処理して、亜硝酸及び硝酸にする。
　廃水処理装置１０において、廃水処理槽１４に充填（投入）される包括固定化担体１２は、膨潤前の状態であり、従来の一般的な包括固定化担体の３ｍｍ角サイズよりも小さな０．２～１ｍｍ角の立方体形状に形成される。
　このため、従来の３ｍｍ角サイズの包括固定化担体用のメッシュ（目開き）のスクリーン２２では槽内から流出されてしまう。しかし、０．２ｍｍ角の包括固定化担体１２が流出しないように、例えば０．１ｍｍメッシュのスクリーン２２を設けたのでは、包括固定化担体１２が膨張して大きなサイズになったときに、スクリーン２２を塞いでしまい、処理水の流出を阻害する。
　このことから、廃水処理装置１０のスクリーン２２は、包括固定化担体１２の膨潤程度に応じて目開き（メッシュ）の大きさを可変可能に形成されている。
　目開きの大きさが可変可能なスクリーン２２としては、例えば次の構成のスクリーンを採用することができる。
　すなわち、廃水処理槽１４の処理水出口に、例えば０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、２ｍｍのメッシュの３枚のスクリーンを横方向又は縦方向に並べて取り付け、３枚のスクリーンにそれぞれ開閉板を設ける。
　そして、０．２ｍｍの包括固定化担体１２の投入時は０．５ｍｍと２ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板を閉じておき、０．１ｍｍメッシュのスクリーンのみを使用する。
　包括固定化担体１２の膨潤に伴い、包括固定化担体１２のサイズが０．５ｍｍを超えたら、０．５ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板を開く。包括固定化担体１２が更に膨潤して２ｍｍを超えたら、２ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板を開く。
　なお、０．５ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板を開くときには、０．１ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板は閉じておくことが好ましい。また、２．０ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板を開くときには、０．１ｍｍメッシュのスクリーン及び０．５ｍｍメッシュのスクリーンの開閉板は閉じておくことが好ましい。
　これにより、廃水処理槽１４内で膨潤する包括固定化担体１２が廃水処理槽１４から流出するのを防止できるとともに、処理水の流出を阻害することもない。
　上記の如く構成された廃水処理装置１０の第１の実施の形態によれば、従来よりも高濃度に菌体を保持することができるので、常時安定した良好な処理水を得ることができる。また、包括固定化担体１２は担体強度を保持しつつ従来よりも比重が小さいので、廃水処理槽１４では包括固定化担体１２の流動エネルギーを小さくでき、廃水処理装置１０のランニングコストを削減できる。
　また、膨潤前の包括固定化担体１２を廃水処理槽１４に充填して、廃水処理槽１４内で包括固定化担体１２を膨潤させる場合には、包括固定化担体１２が膨潤を完了した膨潤完了時において目標充填率になるように包括固定化担体１２を廃水処理槽１４に投入する初期充填率を設定することが好ましい。
　例えば、目標充填率が８～２０％になるようにするには、初期充填率を２～４％に設定する。これにより、包括固定化担体１２が膨潤を完了して菌体の反応速度が最大になる状態に廃水処理槽１４の充填率を適切に設定することができる。
　また、膨潤前の包括固定化担体１２を廃水処理槽１４に充填して、廃水処理槽１４内で包括固定化担体１２を膨潤させる場合には、廃水処理槽１４から包括固定化担体１２を引き抜く引抜き手段(図示せず)を設けることが好ましい。
　これにより、包括固定化担体１２が膨潤して、目標充填率を超えたら、余剰の包括固定化担体１２を引抜き手段で引き抜くことができる。
　［本発明の廃水処理装置の第２の実施の形態］
　次に、本実施形態に係る包括固定化担体を用いた本発明の廃水処理装置の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態の場合も、硝化菌を含有する包括固定化担体でアンモニア性廃水を処理する廃水処理装置を例として説明する。
　図４に示すように、廃水処理装置１０の第２の実施の形態は、第１の実施の形態の廃水処理装置１０で説明した廃水処理槽１４の前段に、包括固定化担体１２を膨潤させる膨潤槽２４を設け、膨潤槽２４で膨潤させた包括固定化担体１２を廃水処理槽１４に投入（充填）するように構成したものである。
　膨潤槽２４には、膨潤前の包括固定化担体１２を膨潤槽２４に供給する担体供給配管２６が設けられるとともに、膨潤槽２４で水に浸漬させて膨潤させた包括固定化担体１２を廃水処理槽１４に投入（充填）する担体投入配管２８が設けられる。
　担体供給配管２６により膨潤前の包括固定化担体１２を膨潤槽２４に供給する場合、担体供給配管２６に流通させる浸漬水に包括固定化担体１２を同伴させることが好ましい。これにより、担体供給時に包括固定化担体１２が破損することを防止できる。浸漬水としては、菌体の栄養源を含有させた合成水でもよいが、廃水処理槽１３に供給する廃水（原水）を使用することが好ましい。
　また、膨潤槽２４は廃水処理槽１４の上方に設け、担体投入配管２８に開閉バルブ２８Ａを設けることが好ましい。これにより、膨潤槽２４で膨潤させた包括固定化担体１２を自重により廃水処理槽１４に投入することができるので、膨潤槽２４から廃水処理槽１４への担体投入時にポンプを用いる場合に比べて包括固定化担体１２が破損しにくい。
　このように、廃水処理槽１４の前段に膨潤槽２４を設けることにより、廃水処理槽１４の運転開始から硝化速度の高い包括固定化担体１２を使用することができる。これにより、廃水処理装置１０の第２の実施の形態では、第１の実施の形態の廃水処理装置１０よりもさらに常時安定した良好な処理水を得ることができる。
　さらに、廃水処理装置１０で使用する包括固定化担体１２は、水を吸収して膨潤が完了した膨潤完了時の比重を１．００５～１．０１０（ｋｇ／ｍ３）の範囲内にすることができ、従来の包括固定化担体に比べて動力密度を大幅に低減できる。したがって、第２の実施の形態の廃水処理装置についても第１の実施の形態と同様にランニングコストを低減できる。
　また、膨潤槽２４内の底部には、浸漬水を加温する加温手段３０を設けることが好ましい。加温手段３０としては、膨潤槽２４内にボイラー蒸気を吹き込む蒸気吹込配管、あるいは電気ヒータ等を使用することができる。
　図５は、膨潤槽２４内の浸漬水の水温と包括固定化担体１２の膨潤率との関係を調べたものである。
　図５では、２-ヒドロキシメチルアクリレートを包括固定化担体に対して２５質量％濃度で含有させた包括固定化担体１２を用いた。そして、浸漬水の水温が２５℃、３０℃、３５℃、４０℃、５０℃の５水準について、包括固定化担体１２を浸漬水に９０日間浸漬させたときの包括固定化担体１２の膨潤率について調べた。ここで、膨潤率とは、前述の通り、膨潤前の包括固定化担体１２の体積に対する膨潤完了後の包括固定化担体１２の体積の％比率を言う。
　図５から分かるように、浸漬水の水温が高いほど膨潤を加速することができ、短期間で包括固定化担体１２の膨潤率が３５０％以上（好ましくは４００％以上）になる。
　膨潤率が３５０％になるまでの経過日数でみると、浸漬水の水温が２５℃のときに４０日弱、水温が３０℃のときに約３０日、水温が３５℃のときに約２０日、水温が４０℃のときに約１０日、水温が５０℃のときに約８日、であった。
　また、膨潤率が４００％になるまでの経過日数でみると、浸漬水の水温が２５℃のときに６０日弱、水温が３０℃のときに約４５日、水温が３５℃のときに３０日弱、水温が４０℃のときに１０日強、水温が５０℃のときに１０日弱、であった。
　しかし、浸漬水の水温が５０℃の場合、包括固定化担体に包括固定された菌体が熱によって活性が低下したり、死滅したりする恐れがある。また、浸漬水の水温が２５℃では、包括固定化担体の膨潤が完了するまでに２か月弱かかってしまい、水温が３０℃でも１か月半かかってしまう。
　したがって、膨潤槽２４における浸漬水の水温を３５℃～４０℃に設定して行うことが好ましい。これにより、膨潤槽２４での膨潤期間を短縮することができる。
　なお、膨潤槽２４では、包括固定化担体１２を膨潤が完了するまで膨潤させることに限定されない。例えば、膨潤途中の包括固定化担体１２を膨潤層２４から廃水処理槽１４に投入する場合であっても廃水処理槽１４での馴養期間を短縮できるので、廃水処理槽１４を短期間で定常運転に立ち上げることができる。ここで、定常運転とは、廃水処理槽１４が有する処理能力に達した状態で安定的に運転することをいう。
　［実施例１］
　実施例１は、膨潤前の本実施形態に係る包括固定化担体を試験槽に投入して、アンモニア性廃水（無機合成廃水）を硝化処理したときの、包括固定化担体の膨潤率と硝化速度との関係、及び処理水の水質を調べたものである。すなわち、実施例１では膨潤槽を設けていない。
　（包括固定化担体を製造する懸濁液の組成）
　・活性汚泥（硝化菌含有）　　　　　　　　　　　　１５質量部
　・２-ヒドロキシメチルアクリレート　　　　　　　 ２８質量部
　・エチレングリコールジアクリレート　　　　　　　　２質量部
　・水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５４．２５質量部
　そして、上記組成の懸濁液にＮＮＮ´Ｎ´テトラメチルエチレンジアミン０．５質量部と過硫酸カリウム０．２５質量部とを添加して重合を開始し、ゲル化させた。このゲルを１ｍｍの立方体形状に切断し、包括固定化担体を得た。
　（試験装置）
　上記の如く製造された膨潤前の包括固定化担体を、容積が１．４Ｌの試験槽に充填率２％となるように投入した。そして、上記に示す無機合成廃水を２倍濃度組成にしたアンモニア性廃水（ＮＨ４－Ｎとして４００ｍｇ／Ｌ）を滞留時間５～２４時間の範囲で試験槽に連続流入させ、負荷０．４～２ｋｇ-Ｎ/ｍ３/dayで連続処理運転を行った。
　（試験結果）
　連続処理運転６０日目で包括固定化担体の膨潤率が４１０％となり、その時の硝化速度が６２０（mg-N/h/L-担体）であり、極めて高い硝化速度の包括固定化担体を得ることができた。
　図６は、アンモニア性廃水の原水のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ４－Ｎ）、処理水のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ４－Ｎ）、処理水の硝酸性窒素濃度（ＮＯ３－Ｎ）、及び処理水の亜硝酸性窒素濃度（ＮＯ２－Ｎ）を測定し、運転の経過日数（ｄ）との関係でプロットしたものである。また、試験槽におけるアンモニア性廃水の滞留時間（ｈ）を運転の経過日数（ｄ）との関係で示した。
　図６から分かるように、経過日数２０日以降について、処理水のアンモニア性窒素濃度（ＮＨ４－Ｎ）が低い数値を維持し、安定し良好な処理水を得ることができた。
　また、リアルタイムＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）法で包括固定化担体中の硝化菌数を測定した結果、経過日数６０日目の包括固定化担体において、amoA（ammonium monooxygenase subunit A）プライマーのコピー数として８×１０１１コピー／ｇ-担体を検出できた。これは、硝化菌として１０１１cells/g-担体相当であり、従来の包括固定化担体の限界と言われている１０１０cells/g-担体より１オーダー高い値である。
　ここで、リアルタイムＰＣＲは、遺伝子解析により菌体濃度を測定する方法であり、遺伝子解析においては硝化菌に特有の遺伝子を対象として解析を行って遺伝子数を測定し、さらにその遺伝子数から硝化菌の菌濃度、菌数を測定する。
　amoAプライマーコピー数の測定には、下記のプライマーを使用した。
　プライマー名及び配列5’→ 3’
　amoA1f(GGG GTT TCT ACT GGT GGT)
　amoA2r(CC CTC KGS AAA GCC TTC TTC）
　また、担体質量当たりのコピー数は次式（１）によって算出した。
　　　Ｘ=Ｘ０（ＶＰ+ＶＷ）／ＶＰ……（１）
　ここで、Ｘ：担体内部の生菌数(コピー/g-担体)
　　　　　Ｘ０：前処理後の原液の生菌数(コピー/ｍＬ)
　　　　　ＶＰ：前処理した担体量（ｇ）
　　　　　ＶＷ：前処理に用いた液量（ｍＬ)
　遺伝子解析の方法としては、プライマーペアにより遺伝子を増幅するＰＣＲ法が好ましく、特に遺伝子を増幅する際、ハイブリダイゼイションプローブを用いて定量するリアルタイムＰＣＲ法、および最確数法と組み合わせたＭＰＮ（Most Probable Number）－ＰＣＲ法が好ましいが、他の解析方法でもよい。
　硝化菌には、アンモニア性窒素を亜硝酸性窒素に酸化するアンモニア酸化細菌、および亜硝酸性窒素を硝酸性窒素に酸化する亜硝酸酸化細菌などが含まれ、これらの両方を測定対象とした。
　本実施形態に係る包括固定化担体は、膨潤により硝化菌の棲息域が増加し、硝化菌がより密集され易くなったことが、従来よりも高濃度に硝化菌を保持することができ、高活性になった原因と考えられる。
　［実施例２］
　実施例２は、膨潤前の本実施形態に係る包括固定化担体を試験槽に投入して、包括固定化担体の膨潤率と、廃水中におけるＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）及びＣＯＤ（化学的酸素要求量）の除去性能との関係を調べたものである。
　廃水は、Ａ下水処理場の下水を使用するとともに、菌体としてＡ下水処理場の活性汚泥を使用した。
　（実施例の包括固定化担体を製造する懸濁液の組成）
　・活性汚泥（Ａ下水処理場の汚泥）　　　　　　　 １５質量部
　・２-ヒドロキシメチルアクリレート　　　　　　　３２質量部
　・エチレングリコールジアクリレート　　　　　　 　３質量部
　・水　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ４９．２５質量部
　そして、上記実施例の懸濁液にＮＮＮ´Ｎ´テトラメチルエチレンジアミン０．５質量部と過硫酸カリウム０．２５質量部とを添加して重合を開始し、ゲル化させた。このゲルを１ｍｍの立方体形状に切断し、包括固定化担体を得た。
　（比較例の包括固定化担体を製造する懸濁液の組成）
　・活性汚泥（Ａ下水処理場の汚泥）　　　　　　　 １５質量部
　・ポリエチレングリコールジアクリレート　　　　 １０質量部
　・ＮＮＮ´Ｎ´テトラメチルエチレンジアミン　 ０．５質量部
　・水　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ７４．２５質量部
　そして、上記比較例の懸濁液に過硫酸カリウムを０．２５質量部添加して重合を開始し、ゲル化させた。このゲルを１ｍｍの立方体形状に切断し、包括固定化担体を得た。
　（試験装置）
　上記の如く製造された本実施例の包括固定化担体（膨潤前）及び比較例の包括固定化担体を、容積が１．４Ｌの２つの試験槽にそれぞれ充填率２％となるように投入した。そして、２つの試験槽について、Ａ下水処理場の下水（ＢＯＤ９５～１３０ｍｇ／Ｌ）を滞留時間６時間で試験槽に連続流入させ、負荷０．３～０．５ｋｇ-ＢＯＤ/ｍ３/dayで連続処理運転を行った。
　（試験結果）
　本実施例の包括固定化担体は、連続処理運転８５日目で包括固定化担体の膨潤率が４３０％となり、その時のＢＯＤ除去率が９４％以上、ＣＯＤ除去率が９０％以上を得ることができた。
　これに対して、比較例の包括固定化担体は、連続処理運転８５日目でも膨潤は認められず、その時のＢＯＤ除去率が８８～９０％、ＣＯＤ除去率が８０～９０％であり、本実施例の包括固定化担体の除去率よりも劣った。
　このため、比較例の包括固定化担体のポリエチレングリコールジアクリレート（固定化材料）の含有量を３０質量部まで大きくした包括固定化担体を製造し、同様に試験槽において連続処理運転を行った。しかし、固定化材料濃度を高くした包括固定化担体であっても、連続処理運転８５日目で膨潤は認められなかった。
　表１は、連続処理運転８５日目における実施例の包括固定化担体と、比較例の包括固定化担体（固定化材料１０質量部）とについて、リアルタイムＰＣＲ法によって担体中の硝化菌濃度を測定した結果である。なお、プライマーとして、全菌数プライマー（全真性細菌プライマー）を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１の結果から分かるように、本実施例の包括固定化担体は、比較例の包括固定化担体よりも１オーダー高い菌体保持量を有しており、このことが比較例の包括固定化担体よりもＢＯＤ除去率及びＣＯＤ除去率が向上した理由と考察される。
　なお、以上説明した実施の形態は、菌体として硝化菌の例で説明したが、硝化菌には限定されず、基本的には全ての菌体に適用可能である。特に、本発明は嫌気性アンモニア酸化菌、リン蓄積菌、有機物資化菌等にも適用することができる。菌体を嫌気性アンモニア酸化菌として形成された本発明の包括固定化担体は、従来よりも菌体保持量を大きくでき、高速処理が可能である。また、菌体をリン蓄積菌として形成された本発明の包括固定化担体は、従来よりも菌体保持量を大きくでき、高効率なリン回収が可能になる。
　１０…廃水処理装置、１２…包括固定化担体、１４…廃水処理槽、１６…原水配管、１８…処理水配管、２０…曝気手段、２２…スクリーン、２４…膨潤槽、２６…担体供給配管、２８…担体投入配管、２８Ａ…開閉バルブ、３０…加温手段

Claims (10)

  1. 　菌体の存在下で固定化材料を重合してゲル化することにより前記菌体を前記固定化材料に包括固定してなる包括固定化担体において、
    　前記固定化材料は、
    　前記菌体に無毒で且つ水を吸収して膨潤する膨潤性物質であり、該膨潤性物質が前記包括固定化担体に対して２２～３８質量％の濃度で含有され、
    　前記包括固定化担体の体積を３．５倍以上に膨潤可能である包括固定化担体。
  2. 　前記固定化材料は、２-ヒドロキシメチルアクリレート及びその誘導体である請求項１に記載の包括固定化担体。
  3. 　前記菌体は、硝化菌、嫌気性アンモニア酸化菌、リン蓄積菌、有機物資化菌の何れか１つである請求項１又は２に記載の包括固定化担体。
  4. 　前記包括固定化担体は、水を吸収して膨潤が完了した膨潤完了時の比重が１．００５～１．０１０ｋｇ／ｍ３である請求項１から３の何れか１項に記載の包括固定化担体。
  5. 　前記包括固定化担体は、０．２～１ｍｍ角の立方体形状に形成される請求項１から４の何れか１項に記載の包括固定化担体。
  6. 　請求項１から５の何れか１項に記載の包括固定化担体を充填した廃水処理槽において前記包括固定化担体を流動手段で流動させながら廃水と接触させることにより前記廃水を生物学的に浄化処理する廃水処理装置。
  7. 　前記廃水処理槽の処理水出口には、前記流動する包括固定化担体が流出することを防止するスクリーンが設けられ、
    　前記スクリーンは前記包括固定化担体の膨潤程度に応じて目開きの大きさを可変可能である請求項６に記載の廃水処理装置。
  8. 　前記廃水処理槽の前段に前記包括固定化担体を膨潤させる膨潤槽を設け、
    　前記膨潤槽で膨潤させた包括固定化担体を前記廃水処理槽に充填する請求項６又は７に記載の廃水処理装置。
  9. 　前記廃水処理槽に充填した包括固定化担体を前記廃水処理槽から引き抜く担体引抜き手段を備えたことを特徴とする請求項６又は７に記載の廃水処理装置。
  10. 　前記廃水処理槽に充填する前記包括固定化担体の充填率として、前記包括固定化担体が膨潤を完了した膨潤完了時において目標充填率になるように前記包括固定化担体を前記廃水処理槽に投入する初期充填率を設定する請求項６又は７に記載の廃水処理装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111363737A (zh) * 2018-12-25 2020-07-03 绿丞投资（上海）有限公司 微生物固定块及其制备方法和用途

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7369412B1 (ja) * 2023-04-25 2023-10-26 オリエンタル白石株式会社 アクアポニックスシステム

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5215885A (en) * 1975-07-23 1977-02-05 Japan Atom Energy Res Inst Process for immobilizing enzymes or microbial cells
JPS59127693A (ja) * 1983-01-08 1984-07-23 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 廃水の処理方法及び該方法に使用する活性汚泥包括固定体
JP2003230892A (ja) * 2001-12-03 2003-08-19 Nisshinbo Ind Inc 耐薬品性バイオリアクター用担体、その製造方法及び該担体の使用方法
JP2003235554A (ja) * 2002-02-18 2003-08-26 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 固定化微生物担体及びその製造方法
JP2004275113A (ja) * 2003-03-18 2004-10-07 Kansai Paint Co Ltd 酵素又は微生物菌体固定化用粒状担体
JP2006192391A (ja) * 2005-01-14 2006-07-27 Hitachi Plant Technologies Ltd 包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法
JP2009039700A (ja) * 2007-08-13 2009-02-26 Kurita Water Ind Ltd 排水の生物処理方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5215885A (en) * 1975-07-23 1977-02-05 Japan Atom Energy Res Inst Process for immobilizing enzymes or microbial cells
JPS59127693A (ja) * 1983-01-08 1984-07-23 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 廃水の処理方法及び該方法に使用する活性汚泥包括固定体
JP2003230892A (ja) * 2001-12-03 2003-08-19 Nisshinbo Ind Inc 耐薬品性バイオリアクター用担体、その製造方法及び該担体の使用方法
JP2003235554A (ja) * 2002-02-18 2003-08-26 Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd 固定化微生物担体及びその製造方法
JP2004275113A (ja) * 2003-03-18 2004-10-07 Kansai Paint Co Ltd 酵素又は微生物菌体固定化用粒状担体
JP2006192391A (ja) * 2005-01-14 2006-07-27 Hitachi Plant Technologies Ltd 包括固定化担体及び廃水処理装置並びに廃水処理方法
JP2009039700A (ja) * 2007-08-13 2009-02-26 Kurita Water Ind Ltd 排水の生物処理方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111363737A (zh) * 2018-12-25 2020-07-03 绿丞投资（上海）有限公司 微生物固定块及其制备方法和用途
CN111363737B (zh) * 2018-12-25 2023-09-29 绿丞投资（上海）有限公司 微生物固定块及其制备方法和用途

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