WO2022210685A1 - 硝化菌製剤 - Google Patents
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N11/00—Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P13/00—Preparation of nitrogen-containing organic compounds
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N2500/00—Specific components of cell culture medium
- C12N2500/05—Inorganic components
Definitions
- the present invention relates to a nitrifying bacteria preparation and a method for culturing the bacteria contained therein.
- bacteria of the genus Nitrosomonas such as those described in Patent Document 1, may exhibit markedly reduced activity under high ion concentrations.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of sufficiently advancing the nitrification reaction even under various treatment conditions, particularly high ion concentration (salt concentration) treatment conditions,
- An object of the present invention is to provide a preparation of nitrifying bacteria capable of recovering nitrate nitrogen from ammonia, and a method for culturing the bacteria contained therein.
- ammonium-oxidizing bacteria contain specific strains of bacteria, and that the AOB and nitrite-oxidizing bacteria (NOB) are combined. It was discovered that nitrifying bacteria preparations containing more than a certain ratio can maintain nitrification activity even under conditions of high ion concentration (salt concentration), and can recover nitrogen in ammonia in the form of high concentrations of nitrate ions. , have completed the present invention.
- a nitrifying bacteria preparation containing ammonium-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria The ammonia-oxidizing bacteria contain bacteria belonging to the genus Nitrosococcus, The number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus has a number ratio of 0.1% or more to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation, and the number of nitrite-oxidizing bacteria is 0.1% or more in the nitrifying bacteria preparation. The number ratio to the total number of bacteria is 0.1% or more, Nitrifying bacteria preparation.
- the nitrifying bacteria preparation of (1) wherein the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus accounts for 1.0% or more of the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation.
- the nitrifying bacteria preparation of (1) wherein the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus accounts for 7.0% or more of the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation.
- the inoculum containing the bacterium belonging to the genus Nitrosococcus and the nitrite-oxidizing bacterium was treated with an ammonia component in an oxygen-existing atmosphere while maintaining a salt concentration of 0.5 mol/L or more and 1 mol/L or less in a moist medium.
- a method of culturing which is brought into contact with.
- the culture method according to (8), wherein the medium has a magnesium concentration of 0.5 mmol/L or more and a phosphorus concentration of 0.5 mmol/L or more.
- the nitrification reaction can proceed sufficiently, and nitrate nitrogen can be recovered from ammonia.
- a nitrifying bacteria preparation and a method for culturing the bacteria contained therein are provided.
- FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of a nitrogen recovery device used in Example 4.
- FIG. 10 is a diagram schematically showing the configuration of a nitrogen recovery device used in Example 4.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention is a nitrifying bacteria preparation containing ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria, wherein the ammonia-oxidizing bacteria contain bacteria belonging to the genus Nitrosococcus, and the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus has a number ratio of 0.1% or more to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation, and the number of nitrite-oxidizing bacteria has a number ratio of 0.1% to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation. That's it.
- Bacteria belonging to the genus Nitrosococcus were known to exhibit ammonia nitrification activity even under high NaCl concentration conditions such as seawater. A new finding was found that even at a high nitrate ion concentration of 3% by mass volume (30,000 mg/L, about 0.5 mol/L) or higher, good ammonia oxidation activity is exhibited. Therefore, according to the present invention, due to the presence of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus, the ammonia oxidation reaction proceeds favorably even under high ion concentration treatment conditions. A sufficient amount of the resulting nitrite is oxidized to nitrate by the action of nitrite-oxidizing bacteria. Therefore, according to the nitrifying bacteria preparation of the present invention, it becomes possible to accumulate nitrate ions at a high concentration (for example, 30,000 mg/L or more) in the water to be treated, and to efficiently recover nitrogen from ammonia.
- a high concentration for example, 30,000 mg/L or more
- Ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria are hereinafter sometimes referred to as "AOB” and “NOB”, respectively.
- the preferred treatment target of the nitrifying bacteria preparation of the present invention is high ion concentration water to be treated (seawater, factory waste liquid, fermentation waste liquid, high concentration ammonia water generated during deodorizing treatment of ammonia gas, etc.).
- high ion concentration includes, for example, an ion concentration of 3% by mass (30,000 mg/L) or more, particularly 5% by mass (50,000 mg/L) or more.
- the "ion” varies depending on the operating conditions of the object to be treated and the chemical solution used for pH adjustment, etc., and includes arbitrary ions. magnesium, etc.).
- High ion concentration in the present invention when converted to nitrate ion concentration, can be, for example, 0.5 mol/L (M) or more, particularly 1 mol/L or more. Since nitrates and the like are ionized in water, the concentration of all ions including cations is more than twice the concentration of nitrate ions and salts. However, since the present invention focuses on nitrate ions and the like, the molar concentration of ions is defined by the concentration of these anions or the concentration of salts.
- the ion concentration in the object to be treated can be measured by, for example, zinc reduction-naphthylethylenediamine absorption spectrophotometry, ion chromatographic analysis, colorimetric analysis, and the like.
- a separate pretreatment or the like may be performed depending on the state of the object to be measured (for example, when the liquid contains a large amount of nitrite ions, etc.).
- composition of the nitrifying bacteria preparation of the present invention will be described in detail below.
- Ammonia-oxidizing bacteria are bacteria that oxidize ammonia to nitrite.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention contains at least bacteria belonging to the genus Nitrosococcus as AOB.
- Nitrosococcus genus Conventionally known bacteria belonging to the genus Nitrosococcus can be used. ⁇ (Nitrosococcus mobilis) ⁇ (Nitrosococcus nitrosus) ⁇ (Nitrosococcus oceanus ⁇ Nitrosococcus oceani) ⁇ (Nitrosococcus watosonii) ⁇ (Nitrosococcus halophilus) etc. It is also possible to use a plurality of species of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus is 0.1% or more, preferably 1.0% or more, more preferably 1.0% or more, relative to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation. is 3.0% or more, more preferably 7.0% or more, and particularly preferably 10.0% or more.
- the ratio of the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus in nitrifying bacteria preparations can be specified as the ratio of the number of bacteria such as Nitrosococcus to the total number of bacteria by analyzing the 16S rRNA gene with next-generation sequencing or real-time PCR.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus here is the number ratio in the nitrifying bacteria preparation.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus in the treatment object It can be less than 0.1% of the population.
- the bacteria belonging to the genus Nitrosococcus grow over time and become able to process the ammonia.
- the ratio of the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus to the total number of bacteria in the target of treatment is reduced from the start of nitrogen recovery. It is preferably 0.1% or more.
- the ratio of the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation is, for example, 1.0% or more, further 3.0% or more, especially 7.0% or more, especially 10.0% or more. It is preferably 0% or more.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention may or may not further contain one or more types of AOB other than bacteria belonging to the genus Nitrosococcus.
- AOB other than bacteria belonging to the genus Nitrosococcus include bacteria belonging to the genus Nitrosomonas, the genus Nitrosospira, the genus Nitrosolobus, the genus Brevibacillus, and the genus Xanthomonas. and so on.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention can be prepared, for example, by using activated sludge or the like as an inoculum.
- activated sludge often contains various AOBs including bacteria of the genus Nitrosomonas. Therefore, such AOB may coexist in the nitrifying bacteria preparation of the present invention.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention may contain about 1 to 70%, particularly about 4 to 30%, of AOB other than Nitrosococcus bacteria, such as Nitrosomonas bacteria.
- Nitrosococcus bacteria such as Nitrosomonas bacteria.
- Nitrite oxidizing bacteria are bacteria that oxidize nitrite to nitrate.
- NOBs Conventionally known NOBs can be used. Examples include bacteria of the genus Nitrococcus; Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter alkalineus, Nitrobacter vulgaris, Nitrobacter hamburgensis ( bacteria belonging to the genus Nitrobacter such as Nitrobacter Hamburgensis; bacteria belonging to the genus Nitrospira such as Nitrospira marina and Nitrospira moscoviensis; not. It is also possible to use multiple types of NOB together.
- the number of NOB bacteria is 0.1% or more of the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation.
- the ratio of NOB to the total number of bacteria is preferably 0.5% or more, more preferably 1.0% or more, and still more preferably 1.5%. % or more, particularly preferably 2.0% or more.
- the ratio of the number of NOB bacteria in nitrifying bacteria preparations can be specified as the number ratio of Nitrococcus, etc. to the total number of bacteria.
- the number of NOB bacteria is the number ratio in the nitrifying bacteria preparation.
- the number of NOB bacteria in the treatment object is less than the total number of bacteria. It can be less than 0.1%. However, even in such a case, NOB can grow over time and proceed with nitrification.
- the number ratio of NOB to the total number of bacteria in the target of treatment for example, in a microbial decomposition tank, should be 0.1% or more from the start of nitrogen recovery. It is preferable that Therefore, the number ratio of NOB to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation is 0.5% or more, further 1.0% or more, even higher 1.5% or more, particularly 2.0% or more. is preferred.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention preferably contains a bacterium belonging to the genus Nitrococcus as NOB from the viewpoint of having particularly good activity even under high ion concentration treatment conditions.
- Bacteria belonging to the genus Nitrococcus can grow and function in both low and high salt concentrations.
- Bacteria belonging to the genus Nitrococcus include, for example, Nitrococcus mobilis.
- the nitrifying bacteria formulation of the present invention can be prepared, for example, by using activated sludge or the like as an inoculum.
- an inoculum containing a bacterium belonging to the genus Nitrosococcus and a nitrite-oxidizing bacterium is treated with ammonia in an oxygen-existing atmosphere while maintaining an ion concentration of about 0.5 mol/L or more and 1 mol/L or less in a moist medium. It can be prepared by culturing methods that bring the components into contact.
- AOB such as bacteria belonging to the genus Nitrosococcus
- NOB such as bacteria belonging to the genus Nitrococcus
- any inoculum can be used as long as it contains AOB containing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB.
- Nitrosococcus and nitrite-oxidizing bacteria generally take a long time to grow.
- the number ratio of bacteria belonging to the genus Coccus (hereinafter sometimes referred to as “Nitrosococcus abundance ratio”) is 0.1% or more, more preferably 1.0% or more, and still more preferably 3.0% Above, more preferably 7.0% or more, particularly preferably 10.0% or more, and the number ratio of NOB to the total number of cells in the inoculum (hereinafter referred to as "NOB abundance ratio”) is 0.1% or more, more preferably 0.5% or more, still more preferably 1.0% or more, and particularly preferably 2.0% or more.
- the upper limit of the abundance of Nitrosococcus and the abundance of NOB in the inoculum is not particularly limited, but from the viewpoint that among the nitrification reactions, the ammonia oxidation reaction proceeds more slowly than the nitrite oxidation reaction, the ratios of both should be about the same. It is preferable that there is more presence of Nitrosococcus.
- the abundance of Nitrosococcus and the abundance of NOB in the inoculum are each preferably up to 30-50% of all microorganisms in the inoculum.
- the proportion of Nitrosococcus present and the proportion of NOB present in the nitrifying bacteria preparation are similar.
- the abundance of each bacterium in the inoculum is specified, for example, by the above 16S rRNA gene flora analysis.
- activated sludge derived from pig farming wastewater treated by the activated sludge method at a pig farming wastewater treatment facility may be used.
- Activated sludge may be subjected to a so-called pre-culture treatment.
- pre-culture refers to culture in which the ammonia component is brought into contact while adjusting the ion concentration as described above. After that, for example, it is a pretreatment for growing or activating the bacteria by placing them in an aerobic condition at room temperature.
- pre-cultivation can restore the state of the bacteria.
- activated sludge from swine wastewater treatment facilities is pretreated by aerobically culturing at 15 to 40°C, particularly 20 to 35°C for one day to several weeks, and the sludge is used for main culture. can be done.
- nitrifying bacteria preparation of the present invention it is preferable to supply ammonia during the culture as described above.
- the supplied ammonia serves as a nutrient source, allowing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus to proliferate and increase the proportion thereof.
- NOB and bacteria belonging to the genus Nitrococcus proliferate using the nitrous acid produced by such Nitrosococcus as a nutrient source, and the nitrifying bacteria composition of the present invention can be obtained.
- the pH during culture it is preferable to adjust the pH during culture to a range of about 5 to 8, especially about 6.5 to 7.5.
- the pH of the culture solution decreases as the nitrification reaction progresses, so it is preferable to adjust the pH by adding alkali. From this point of view as well, it is desirable to supply ammonia during culture.
- culture is performed at a high ion concentration, such as a nitrate ion concentration of 30,000 mg/L or more, particularly 30,000 to 50,000 mg/L, or a salt concentration of 0.5 M or more. conditions.
- a high ion concentration such as a nitrate ion concentration of 30,000 mg/L or more, particularly 30,000 to 50,000 mg/L, or a salt concentration of 0.5 M or more.
- Nitrosococcus is resistant to conditions of high ion (salt) concentration, so it tends to proliferate even in environments where other AOBs are killed. Therefore, by culturing under conditions of high ion concentration, it is possible to prepare a nitrifying bacteria preparation having a high number ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus among AOBs.
- the salt concentration exceeds 1M, the nitrification activity may decrease slightly.
- the culture may be diluted and cultured at a salt concentration of about 0.5 to 1M. .
- the concentration of magnesium is 0.5 mM (millimol/L) or more, especially about 0.6 to 1.0 mM
- the concentration of phosphorus is 0.5 mM or more, especially about 0.6 to 1.0 mM.
- the number ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus is preferably 1.0% or more, more preferably 3.0% or more, still more preferably 7.0% or more, and even more preferably 10.0% or more. of nitrifier preparations can be prepared.
- the concentration of phosphorus in the surrounding environment decreases due to the growth of microorganisms such as bacteria belonging to the genus Nitrosococcus.
- a phosphate salt such as K2HPO4 may be added along with a magnesium salt such as MgSO4.7H2O .
- Cultivation is preferably carried out under conditions in which the concentration of magnesium in the medium is 0.5 mmol/L or higher and the concentration of phosphorus is 0.5 mmol/L or higher.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention that has already been used in nitrification treatment and exposed to a high ion concentration treatment solution may be used as an inoculum.
- a nitrifying bacteria preparation that has been subjected to nitrification treatment in a small-scale apparatus can be mounted as it is in a large-scale nitrification treatment apparatus and used as a new nitrifying bacteria preparation.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention may be in any form as long as it contains at least a predetermined number ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB. There may be. Examples include, but are not limited to, nitrifier preparations containing liquid cultures of AOB (ammonia-oxidizing bacteria) and NOB (nitrite-oxidizing bacteria) containing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus. Alternatively, for example, such a liquid nitrifying bacteria preparation may be subjected to an operation such as centrifugation, filtration, or the like to be separated, and then made into a solid such as a pellet.
- AOB ammonia-oxidizing bacteria
- NOB nitrite-oxidizing bacteria
- a freeze-dried product obtained by freeze-drying a liquid culture or pellet to powder or the like may also be used. Also, these bacteria can be supported on a carrier.
- the present invention also provides a nitrifying bacteria preparation containing pellets of AOB and NOB containing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus, and a nitrifying bacteria carrier in which AOB and NOB containing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus are supported on a carrier. Also included are nitrifier preparations containing
- the nitrifying bacteria preparation contains nitrifying bacteria including AOB (ammonia-oxidizing bacteria) and NOB (nitrite-oxidizing bacteria) containing bacteria belonging to the genus Nitrosococcus supported on a carrier. It is preferably in the form of a carrier for nitrifying bacteria. Nitrification of ammonia by bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB is an aerobic reaction. Therefore, in a preparation of nitrifying bacteria supported on a porous or fibrous carrier, oxygen is sufficiently supplied and the reaction progresses. easy to do Such a carrier can also facilitate the nitrification of ammonia because it can hold a large amount of water (water absorption) and can absorb a large amount of the ammonia component in that water.
- AOB ammonia-oxidizing bacteria
- NOB nitrite-oxidizing bacteria
- Carrier there is no particular limitation on the carrier (nitrifying bacteria carrier) on which the bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB are carried, but materials with a large surface area and resistance to putrefaction are preferred.
- examples include porous bodies and/or inorganic fibrous bodies such as zeolite, porous glass such as foam glass, perlite, diatomaceous earth, pumice stone, Oya stone, aggregates such as calcium carbonate particles and barium sulfate particles, silica gel, rock Examples include, but are not limited to, wool, glass wool, carbon fiber, and the like. Considering ease of handling and cost, porous materials such as zeolite, porous glass, glass wool, and particularly foam glass are preferred.
- the carrier has an average particle diameter of more than 1 mm and 1.4 mm or less, more than 1.4 mm and 2 mm or less, or 2 mm, as measured by a method specified in JIS Z 8815-1994 [general rules for sieving test methods]. more than 2.8 mm, more than 2.8 mm and less than 4 mm, more than 4 mm and less than 5.6 mm, more than 5.6 mm and less than 8 mm, more than 8 mm and less than 11.2 mm, more than 11.2 mm and less than 16 mm, or more than 16 mm If the porous body is separated into a desired range such as 22.4 mm or less, it becomes easy to handle during the ammonia treatment.
- the shape of the carrier is not particularly limited, and may be spherical, cubic, fibrous, or irregularly shaped particles.
- the upper limit of the specific surface area of the carrier is not particularly limited, but is preferably 150 m 2 /g or less, more preferably 100 m 2 /g or less, still more preferably 80 m 2 /g or less, and more preferably It can be 60 m 2 /g or less.
- the specific surface area is measured by a mercury intrusion method.
- the pore volume is preferably 0.6 cm 3 /g or more, more preferably 0.8 cm 3 /g or more, in order to maintain appropriate moisture retention and air permeability. 0 cm 3 /g or more is more preferred, 1.2 cm 3 /g or more is even more preferred, 1.4 cm 3 /g or more is particularly preferred, and 1.6 cm 3 /g or more is most preferred.
- the upper limit is, for example, 4.0 cm 3 /g or less. is preferably 3.5 cm 3 /g or less, more preferably 3.0 cm 3 /g or less, and more preferably 2.5 cm 3 /g or less.
- the pore volume is measured by mercury porosimetry.
- activated sludge can be added to the carrier as described above, and if desired, bacteria can be cultured on the carrier to prepare the nitrifying bacteria carrier of the present invention.
- the amount of activated sludge added is, for example, 5% by volume, 10% by volume, 20% by volume, 30% by volume, 50% by volume, 70% by volume, 100% by volume, 150% by volume, relative to the volume of the carrier. Inoculate at a rate of 5-500% by volume such as 200% by volume, 300% by volume, 400% by volume, 500% by volume.
- the contact between the object to be treated containing an ammonia component and the nitrifying bacteria carrier can be carried out, for example, by passing an ammonia-containing gas or by adding an ammonia-containing aqueous solution to the circulating water.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention can, for example, efficiently nitrify ammonia even under high ion concentration treatment conditions, making it possible to obtain a high concentration of nitrate nitrogen. Therefore, it is suitable for use in a method for recovering a nitrogen component in an ammonia component, for example, a nitrogen component in an ammonia-containing gas or an ammonia-containing aqueous solution.
- the present invention also provides a nitrogen recovery method including a nitrate ion recovery step of decomposing an ammonia component with a nitrifying bacterium and recovering a nitrogen component in the ammonia component as nitrate ions, wherein the nitrifying bacteria preparation retains the nitrate ion recovery step.
- the nitrifying bacteria preparation contains ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria, the ammonia-oxidizing bacteria contain bacteria belonging to the genus Nitrosococcus, and the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus is the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation. Nitrogen recovery methods are included in which the number ratio to the number is 0.1% or more, and the number ratio of nitrite-oxidizing bacteria to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation is 0.1% or more.
- the treated water in which the decomposition products of the ammonia component are dissolved is supplied to the microbial decomposition tank as circulating water.
- the predetermined concentration is a desired concentration arbitrarily set according to the purpose. ,000 mg/L or more, or even over 1 M to 70,000 mg/L or more, or 100,000 mg/L or more.
- Nitrogen recovery according to the method of the present invention can be performed, for example, using the specification of International Publication No. 2021/049603 proposed and filed by the present inventors and the nitrogen recovery apparatus shown in FIG. More specifically, the following embodiments of the nitrogen recovery device can be used: Nitrogen comprising a nitrifying bacterium carrier (carrier) containing the nitrifying bacterium preparation as described above, decomposing the ammonia component in the ammonia-containing gas with the nitrifying bacterium, and recovering the nitrogen component in the ammonia component as an ammonia decomposition product.
- carrier carrier
- a recovery device (A) a microbial decomposition tank having the nitrifying bacteria carrier and decomposing the ammonia component in an oxygen-existing atmosphere; (B) ammonia-containing gas supply means for supplying the ammonia-containing gas to the microbial decomposition tank; (C) water supply means for supplying water to the microbial decomposition tank; (D) a drainage line for leading out the water containing the ammonia decomposition products generated in the microbial decomposition tank from the microbial decomposition tank; (E) a circulating water storage tank for temporarily storing water containing the ammonia decomposition products discharged from the drainage line; (F) a reprocessing line that connects the storage tank and the microbial decomposition tank and sends the water containing the ammonia decomposition products from the storage tank to the microbial decomposition tank; (G) circulation means for circulating the water containing the ammonia decomposition product among the microbial decomposition tank, the drainage line,
- the nitrogen recovery device of the above-described embodiment which includes the nitrifying bacteria carrier containing the nitrifying bacteria preparation as described above, and supplying an ammonia-containing gas, the nitrogen component in the ammonia component is converted into nitrate ions at a high concentration.
- both the abundance of Nitrosococcus and the abundance of NOB in the nitrogen recovery device be 0.1% or more even in locations other than the nitrifying bacteria preparation.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and the number of nitrite-oxidizing bacteria in the microbial decomposition tank, particularly in the nitrifying bacterium-supporting material, are respectively in proportion to the total number of cells in the microbial decomposition tank or the nitrifying-bacteria-supported material. If it is 0.1% or more, nitrogen recovery can be performed with higher efficiency.
- the abundance ratio of Nitrosococcus and NOB is, for example, a part of the nitrifying bacteria carrier (a specific example is the nitrifying bacteria carrier in the upper part of the microbial decomposition tank, or the nitrifying bacteria carrier present in the microbial decomposition tank, ammonia
- the surface side portion located opposite to the surface side portion to which the contained gas is supplied may be sampled and measured, or water may be sampled from a location other than the microbial decomposition tank, such as a circulating water storage tank. may be measured.
- conditions such as the temperature of the circulating water are not particularly limited. However, in order to enhance the activity of the nitrifying bacteria preparation of the present invention, it is preferable to adjust the water temperature to, for example, 10 to 60°C, more preferably 15 to 50°C, particularly 20 to 40°C. be.
- nitrification of ammonia by Nitrosococcus and NOB is an aerobic reaction, it is preferable to supply oxygen by aeration, for example, by aeration of circulating water.
- the amount of aeration is preferably 0.5 L/min or more, more preferably 1 L/min or more, particularly preferably 3.0 L/min or more, and most preferably 4.0 L/min or more, with respect to 1 L of circulating water.
- excessive aeration may promote the evaporation of ammonia, so the upper limit is preferably 10 L / min or less, more preferably 8.0 L / min or less, and further 6.0 L / min or less per 1 L of circulating water. preferable.
- the pH of the circulating water is preferably 4.0 to 9.0, more preferably 4.5 to 8.5, and more preferably 5.0 to 8.0 for the same reason as the temperature setting. 0 is more preferred, and 6.5 to 7.5 are particularly preferred. Since bacteria belonging to the genus Nitrosococcus are AOBs that are relatively resistant to acid, they can nitrify ammonia even under these conditions. When the pH of the circulating water is about 5.0 or higher, particularly about 6.5 or higher, there is an advantage that residual ammonia is considerably suppressed. If the pH exceeds 9.0, the nitrification activity may be lowered, and ammonia may volatilize and leak out.
- Nitrogen recovery and pH adjustment during cultivation may be performed by externally adding an alkaline component such as ammonia gas, ammonia water, or an aqueous sodium hydroxide solution. It may be carried out by allowing them to coexist in the system.
- alkaline component such as ammonia gas, ammonia water, or an aqueous sodium hydroxide solution. It may be carried out by allowing them to coexist in the system.
- weakly alkaline substances such as calcium carbonate, magnesium carbonate, dolomite, and calcium phosphate hardly dissolve in neutral water, but dissolve under acidic conditions. It can be dissolved out and the pH can be kept near neutral.
- Calcium carbonate is particularly preferable as the weakly alkaline substance, and in addition to general-purpose light calcium carbonate, heavy calcium carbonate, coral sand, eggshell powder, and the like can be used.
- These weakly alkaline substances may be mixed with, for example, a carrier of nitrifying bacteria and added to a microbial decomposition tank or
- nitrification of ammonia proceeds to some extent, for example, when the nitrate ion concentration in the circulating water reaches a predetermined concentration of 30,000 mg/L or more, some or all of the ammonia is recovered.
- the nitrogen content inside can be recovered as nitrate nitrogen.
- the nitrifying bacteria in the nitrifying bacteria preparation can act effectively even after the circulating water is collected, new circulating water is supplied into the system, and the object to be treated containing an ammonia component, such as When the ammonia-containing gas or ammonia-containing aqueous solution is brought into contact and the ammonia decomposition treatment is restarted, the decomposition reaction of the ammonia component proceeds efficiently as in the previous treatment. Therefore, it is possible to repeatedly recover nitrogen from the ammonia component without replacing the nitrifying agent.
- the new circulating water may be water or activated sludge containing nitrifying bacteria.
- the circulating water that is collected and replaced at one time may be part or all (100%) of the total circulating water volume.
- the amount of circulating water that is collected and replaced at one time is preferably less than 100% of the total circulating water, and 80% or less. More preferably, 60% or less is particularly preferable.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus is 0.1% or more, preferably 1.0% or more, based on the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation. More preferably 3.0% or more, still more preferably 7.0% or more, and even more preferably 10.0% or more.
- the number of NOB bacteria is 0.1% or more, preferably 0.5% or more, more preferably 1.0% or more, and even more preferably 1.5% or more, particularly preferably 2.0% or more. If the ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB is high, the nitrification of ammonia can proceed smoothly even in an environment with a high ion concentration.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB referred to here is the number ratio in the nitrifying bacteria preparation at some point in the recovery of nitrogen.
- the initial number of bacteria and its ratio are not so important parameters.
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB should be 0.1% or more of the total number of bacteria.
- the abundance of Nitrosococcus and the abundance of NOB are in any case, it is desirable that the content is 0.1% or more not only in the nitrifying bacteria preparation but also in the treatment object (for example, a circulating water storage tank of a treatment apparatus, preferably a microbial decomposition tank, especially the upper part of the nitrifying bacteria carrier).
- the number of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB in the treatment target is It is preferably 0.1% or more.
- the amount used is 0.3 mL in volume of pellets of collected bacteria belonging to the genus Nitrosococcus per 1 g of nitrogen content in ammonia to be treated in one day.
- the volume of NOB-collected pellets is 0.05 mL or more, further 0.1 mL or more, especially 0.5 mL or more, especially 1 0 mL or more is preferable.
- the nitrification of ammonia proceeds more smoothly.
- nitrification of ammonia proceeds even if the ion (salt) concentration of the circulating water is high. Specifically, when the circulating water has an ion concentration of 0.5 mol/L or more or a salt concentration of 3% by mass or more, for example, when seawater is used as the circulating water, ammonia can be nitrified. Further, even if the treatment of the ammonia component is continued and the concentration of nitrate ions in the circulating water increases, the nitrification reaction is not inhibited.
- nitrogen in ammonia can be removed without being affected by the type of treatment target (ammonia-containing gas, ammonia-containing aqueous solution, etc.), the initial concentration of the water to be treated such as circulating water, or the number of circulations. It can be efficiently recovered as high-concentration nitrate nitrogen.
- the nitrifying bacteria preparation of the present invention may even improve its nitrifying ability when the water to be treated contains a small amount of certain ions or elements. If the water to be treated during nitrogen recovery, such as circulating water, contains components containing elements such as magnesium, phosphorus, potassium, and sulfur, the growth of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and NOB will be promoted and their activity will be enhanced. may be In particular, if the water to be treated contains magnesium ions or phosphate ions at a certain concentration or higher, ammonia can be treated more efficiently.
- the concentration of magnesium in the circulating water is 0.5 mM (millimol/L) or more, especially about 0.6 to 1.0 mM, and the concentration of phosphorus is 0.5 mM or more, especially about 0.6 to 1.0 mM. is preferred.
- the above circulating water contains magnesium salt such as MgSO 4 .7H 2 O at 125 mg/L or more, particularly about 150 to 250 mg/L, and phosphate such as K 2 HPO 4 at about 85 mg/L or more, particularly 100 to 100 mg/L.
- magnesium salt such as MgSO 4 .7H 2 O at 125 mg/L or more, particularly about 150 to 250 mg/L
- phosphate such as K 2 HPO 4
- pelleted nitrifying bacteria preparations of various bacterial compositions were mixed with ammonia.
- Decomposition/nitrification treatment was performed by adding to the contained aqueous liquid.
- An ammonia-containing aqueous solution containing a nitrifying bacteria formulation is added to coral sand to stabilize the pH (when the nitrification reaction progresses and the pH becomes acidic, calcium carbonate, which is the main component of coral sand, dissolves and is neutralized).
- the pH is kept near neutral) and placed in a container, and the container was stoppered with a breathable silicon stopper so as to create an aerobic condition.
- the container was shaken for 5 days while adjusting the temperature so that the ammonia-containing aqueous solution was exposed to air. Shaking was performed using a constant temperature shaking water bath NTS-1300 manufactured by EYELA.
- nitrifying bacteria formulation added: 0.1 mL (2.5% by volume) of pellets per 4 mL of aqueous liquid
- each activated sludge contained at least AOB such as Nitrosococcus and Nitrosomonas, and bacteria belonging to the Nitrococcus genus.
- AOB such as Nitrosococcus and Nitrosomonas
- the type and number (percentage of number) of bacterial cells in each activated sludge are determined by 16S rRNA bacterial flora analysis using real-time PCR, using the primers and probe sets described in Tables 2 to 4 below. analyzed in These primers are designed to detect specific bacteria or all bacteria belonging to a specific genus, such as all bacteria belonging to the genus Nitrosococcus.
- the primer/probe set used for the Nitrosococcus bacterial flora analysis shown in Table 2 and the primer/probe set used for the Nitrococcus bacterial flora analysis shown in Table 3 were designed by the present inventors. It is what I did. Further, the primer/probe set used for the analysis of AOB of the genus Nitrosomonas shown in Table 4 is conventionally known.
- the water to be treated that had been shaken for 5 days and reacted with ammonia was sampled, and the ion concentrations of ammonium ions, nitrite ions, and nitrate ions in the liquid were measured by colorimetric analysis. Based on these changes in ion concentration, the degree of nitrification of ammonia was evaluated according to the following criteria. The evaluation results are shown in Table 1 below together with the composition of various bacteria in the nitrifying bacteria preparation.
- ⁇ In the water to be treated, 80% or more and less than 90% of nitrite nitrogen generated by oxidation of ammonia changed to nitrate nitrogen, and the ratio of remaining nitrite nitrogen was more than 10% and 20%. When it was below ⁇ : In the water to be treated, 5% or more and less than 80% of nitrite nitrogen generated by oxidation of ammonia changed to nitrate nitrogen, and the ratio of remaining nitrite nitrogen was 20%. When it was more than 95% or less ⁇ : In the water to be treated, less than 5% of the nitrite nitrogen generated by oxidation of ammonia changed to nitrate nitrogen, and the percentage of nitrite nitrogen remaining was 95. %.
- the present invention 0.1% or more of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and 0.1% or more of NOB (in Examples 1 to 3 above, bacteria belonging to the genus Nitrococcus) Nitrifying bacteria preparation No.
- the nitrification reaction proceeded in both freshwater and seawater, and it was found that the nitrate ion concentration remarkably increased.
- the nitrifying bacteria preparation No. 1 having a number ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus of 4.2% or more. 2 or No.
- Example 2 and Example 3 using Nitrifying Bacteria Preparation No. 3. 3 was used in Example 3, the progress of nitrification was remarkable.
- the nitrifying bacteria preparation No. 2 in which bacteria belonging to the genus Nitrosococcus were not detected,
- Comparative Examples 1 to 3 using 4 to 6 nitrification hardly progressed in seawater or in a high-concentration sodium nitrate aqueous solution, and the ammonium ion concentration in the water to be treated was 750 mg/L or more.
- the action of AOB such as nitrosomonas progressed the nitritation of the ammonia component, but the oxidation of nitrite hardly progressed, and the increase in nitrate ion concentration in the water to be treated was less than 50 mg/L.
- the nitrifying bacteria preparation In order to convert nitrogen in ammonia to high-concentration nitrate ions and recover them under high salt concentration conditions, the nitrifying bacteria preparation must contain 0.1% or more of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and 0.1% or more of NOB. It was shown that it is necessary to include In addition, when the ratio of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus is 1.0% or more (e.g., Examples 2 and 3), particularly 7.0% or more (e.g., Example 3), relative to the total number of cells, It was found that the nitrification of ammonia proceeded smoothly even under high salt concentration conditions.
- Example 4 In Example 4 and Reference Example, a nitrifying bacteria preparation was used in a nitrogen recovery device to perform nitrification treatment of ammonia-containing gas. At that time, we traced the changes in the concentration of nitrate ions and the ratio of each bacterium in the case of using the activated sludge as it is as the inoculum of the nitrogen recovery device and the case of adding the nitrifying bacteria preparation to the activated sludge. , evaluated the nitrification ability under treatment conditions of high ion concentration.
- a nitrifying bacterium carrier 21 supporting a nitrifying bacterium preparation was held in a microbial decomposition tank 20, and water was circulated to the microbial decomposition tank 20 and the like while passing an ammonia-containing gas in an oxygen-existing atmosphere.
- the circulating water and the nitrifying bacteria carrier 21 were sampled every few weeks to determine the concentrations of ammonium ions, nitrite ions, and nitrate ions in the circulating water, and the ratio of various bacteria to the total bacteria on the nitrifying bacteria carrier 21 ( number ratio) was analyzed.
- the analysis of the number ratio and the measurement of each ion concentration were carried out in the same manner as in Examples 1-3.
- the test results are shown in Table 5 below.
- the inoculum was prepared by adding nitrifying bacteria preparation pellets to activated sludge obtained from an activated sludge tank at a pig farm in Saitama Prefecture (Example 4). The proportion of pellets added was about 3% of the volume of pellets obtained by collecting the same amount of activated sludge.
- the inoculum after addition of pellets was used by being supported on porous glass (hereinafter sometimes referred to as "nitrifier support").
- the support of the inoculum on the carrier was carried out by inoculating 3 L (an amount corresponding to 300% by volume of the filling volume of the porous glass) of the inoculum into 340 g of the porous glass (corresponding to a filling volume of 1 L).
- a nitrification treatment was also carried out using activated sludge as it was without adding pellets (reference example).
- Nitrifying bacteria carrier 21 Filling height: 20 cm (filling volume: 1 L), temperature: 30°C, water content (in microbial decomposition tank 20): 13% by volume
- Nitrifying bacteria preparation Contains 10.59% Nitrosococcus, 0.14% AOB such as Nitrosomonas, and 1.85% Nitrococcus (both ratios of the number of bacteria to the total number of bacteria in the nitrifying bacteria preparation).
- - Circulating water 3 L of activated sludge was used as it was.
- Example 4 in which a nitrifying bacteria preparation containing 0.1% or more of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and 0.1% or more of NOB (Nitrococcus) was added to the total cells, 111 After a day had passed, the abundance of bacteria belonging to the genus Nitrosococcus and Nitrococcus both exceeded 1%, and the nitrate ion concentration increased to over 50,000 mg/L.
- NOB Nonrococcus
- Example 5 Using the same apparatus as used in Example 4, except that it was equipped with a 200 L water tank (used as a foam glass filling tank) and a 100 L water tank (used as a circulating water tank), the nitrifying bacteria preparation was cultured. Tried. 10 L of foam glass carrying bacteria belonging to Nitrosococcus and bacteria belonging to Nitrococcus (presence ratio of Nitrosococcus: 6.4%, presence ratio of Nitrococcus: 4.2%) was prepared without supporting bacteria. It was placed in a 200 L water tank together with 190 L of foam glass, and the same test as in Example 4 was performed. However, 50 L of artificial seawater having the following composition was used as circulating water (medium), and the system was operated for 51 days under the following operating conditions.
- ammonia was injected in the form of an aqueous solution rather than gas.
- the initial amount of ammonia added every hour is 206 mg, and if the pH of the circulating water becomes less than 7 30 minutes after the addition, the next amount added is increased by 1.2 to 1.5 times. set as
- the ratio of Nitrosococcus increased to 24.5% and the ratio of Nitrococcus increased to 11.3%.
- the amount of ammonia that can be nitrified (in terms of ammonium ions) in the entire apparatus was 55,170 mg/day on the 51st day, which was more than ten times the amount at the start of the culture.
- the nitrification reaction can be sufficiently progressed even in various environments, for example, environments with high ion concentration (salt concentration).
- a nitrifying bacteria preparation and a nitrogen recovery method capable of efficiently recovering high-concentration nitrate nitrogen from generated ammonia have been provided.
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Abstract
高いイオン濃度（塩濃度）の環境下であっても充分な硝化反応を進行させることができ、畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等で発生するアンモニアから、高濃度の硝酸態窒素を効率よく回収することが可能な硝化菌製剤及びそれに含まれる細菌の培養方法を提供することを目的とする。 アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、前記アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ前記亜硝酸酸化細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である、硝化菌製剤、並びにそれに含まれる細菌の培養方法。
Description
本発明は、硝化菌製剤及びそれに含まれる細菌の培養方法に関する。
従来より、家畜農場、堆肥化施設、し尿処理施設等では、アンモニアを主体成分とする悪臭が発生し、近隣からの悪臭に対する苦情の問題や、現場で働く勤務者の健康被害が度々起こっている。そのため、発生したアンモニアは脱臭装置によって処理することが求められており、各種脱臭方法が提案されている。例えば、アンモニアを、亜硝酸、さらに硝酸へと酸化して分解する硝化菌を用いた生物脱臭が広く普及している（例えば、特許文献１及び２）。
しかし、硝化菌を用いた従来の技術においては、特にイオン濃度（塩濃度）が高い処理条件下では、アンモニアの処理が十分にできない場合があった。例えば、特許文献１に記載されたようなニトロソモナス属の細菌は、高イオン濃度下では活性が著しく低下する可能性がある。
本発明は、以上の実情に鑑みてなされたものであり、様々な処理条件下、特に高いイオン濃度（塩濃度）の処理条件下であっても、充分な硝化反応を進行させることができ、アンモニアから硝酸態窒素を回収することが可能な硝化菌製剤、及びそれに含まれる細菌の培養方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討、研究を行った結果、アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）として特定の菌種を含有し、かつ該ＡＯＢと亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）とを特定の比率以上で含有する硝化菌製剤によれば、高いイオン濃度（塩濃度）の処理条件下でも、硝化活性が保持され、アンモニア中の窒素を高濃度の硝酸イオンの形で回収できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、以下を提供する。
（１）アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、
前記アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ
前記亜硝酸酸化細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である、
硝化菌製剤。
（２）前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が１．０％以上である、（１）の硝化菌製剤。
（３）前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が７．０％以上である、（１）の硝化菌製剤。
（４）前記亜硝酸酸化細菌がニトロコッカス属に属する細菌を含有する、（１）～（３）のいずれかの硝化菌製剤。
（５）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の液状培養物を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（６）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌のペレットまたは凍結乾燥物を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（７）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌が担体に担持された硝化菌担持体を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（８）（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤に含まれる、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の培養方法であって、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌及び前記亜硝酸酸化細菌を含有する種菌を、湿潤状態の培地中で塩濃度を０．５モル／Ｌ以上１モル／Ｌ以下に保ちながら酸素存在雰囲気下でアンモニア成分と接触させる、培養方法。
（９）前記培地中のマグネシウムの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上であり、かつリンの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上である、（８）の培養方法。
（１）アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、
前記アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ
前記亜硝酸酸化細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である、
硝化菌製剤。
（２）前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が１．０％以上である、（１）の硝化菌製剤。
（３）前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が７．０％以上である、（１）の硝化菌製剤。
（４）前記亜硝酸酸化細菌がニトロコッカス属に属する細菌を含有する、（１）～（３）のいずれかの硝化菌製剤。
（５）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の液状培養物を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（６）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌のペレットまたは凍結乾燥物を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（７）前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌が担体に担持された硝化菌担持体を含む、（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤。
（８）（１）～（４）のいずれかの硝化菌製剤に含まれる、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の培養方法であって、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌及び前記亜硝酸酸化細菌を含有する種菌を、湿潤状態の培地中で塩濃度を０．５モル／Ｌ以上１モル／Ｌ以下に保ちながら酸素存在雰囲気下でアンモニア成分と接触させる、培養方法。
（９）前記培地中のマグネシウムの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上であり、かつリンの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上である、（８）の培養方法。
本発明によれば、様々な処理条件、特に高イオン濃度（塩濃度）の処理条件下であっても、充分な硝化反応を進行させることができ、アンモニアから硝酸態窒素を回収することが可能な硝化菌製剤、及びそれに含まれる細菌の培養方法が提供される。
以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。
＜硝化菌製剤＞
本発明の硝化菌製剤は、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ亜硝酸酸化細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である。
本発明の硝化菌製剤は、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ亜硝酸酸化細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である。
ニトロソコッカス属に属する細菌は、海水等の高ＮａＣｌ濃度の条件下でもアンモニア硝化活性を示すことが知られていたが、本発明者らによって今回、高濃度の硝酸塩の存在する処理条件下、例えば硝酸イオン濃度が３質量体積％（３０，０００ｍｇ／Ｌ、約０．５モル／Ｌ）以上の高イオン濃度でも良好なアンモニア酸化活性を有するという新たな知見が見出された。そのため、本発明によれば、ニトロソコッカス属に属する細菌の存在により、高イオン濃度の処理条件下でも、アンモニア酸化反応が良好に進行する。その結果生じた充分量の亜硝酸は、亜硝酸酸化細菌の作用により硝酸塩へ酸化する。したがって、本発明の硝化菌製剤によれば、被処理水中に、高濃度（例えば３０，０００ｍｇ／Ｌ以上）の硝酸イオンを蓄積し、アンモニア中の窒素を効率よく回収することも可能となる。
以下、アンモニア酸化細菌、及び亜硝酸酸化細菌を、それぞれ「ＡＯＢ」、「ＮＯＢ」と称することがある。
本発明者らの検討の結果、亜硝酸酸化細菌の存在下において、ニトロソコッカス属に属する細菌の割合を０．１％以上に調整することで、高イオン濃度等の様々な条件下でも、アンモニアを硝化できるという意外な知見が見出された。後記する実施例にも示すように、本発明の硝化菌製剤によれば、処理対象がたとえ海水（平均塩濃度：３質量体積％強）のような高いイオン濃度を有する場合であっても、アンモニアを充分に硝化させることができる。したがって、本発明の硝化菌製剤の好ましい処理対象は、高イオン濃度の被処理水（海水、工場廃液、発酵廃液、アンモニアガスの脱臭処理途上で生じる高濃度アンモニア水等）である。
本発明において「高イオン濃度」とは、例えば３質量体積％（３０，０００ｍｇ／Ｌ）以上、特に５質量体積％（５０，０００ｍｇ／Ｌ）以上のイオン濃度を包含する。本発明において「イオン」とは、処理対象物やｐＨ調整で使用する薬液等の運転条件によって異なり、任意のイオンを包含するが、特に、硝酸イオン、硝酸塩（硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム等）を構成するイオンを指す。
本発明において「高イオン濃度」とは、硝酸イオン濃度に換算した場合、例えば、０．５モル／Ｌ（Ｍ）以上、特に１モル／Ｌ以上であり得る。なお、硝酸塩等は水中で電離するため、カチオンも含めた全イオンの濃度は、硝酸イオン濃度や塩濃度の倍以上の値となる。しかし、本発明では硝酸イオン等に特に着目するので、これらアニオンの濃度または塩の濃度でイオンのモル濃度を規定することとする。
本発明において、処理対象中のイオン濃度は、例えば、亜鉛還元－ナフチルエチレンジアミン吸光光度法、イオンクロマトグラフ分析、比色分析等により測定することができる。測定対象物の状態（例えば、液中に亜硝酸イオンが多く含まれる場合等）によっては、別途前処理等を行ってもよい。
以下、本発明の硝化菌製剤の構成について詳細に説明する。
（アンモニア酸化細菌）
アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）とは、アンモニアを亜硝酸に酸化する細菌である。本発明の硝化菌製剤は、ＡＯＢとして少なくともニトロソコッカス属に属する細菌を含有する。
アンモニア酸化細菌（ＡＯＢ）とは、アンモニアを亜硝酸に酸化する細菌である。本発明の硝化菌製剤は、ＡＯＢとして少なくともニトロソコッカス属に属する細菌を含有する。
（ニトロソコッカス属）
ニトロソコッカス属に属する細菌としては従来知られるものを使用できる。例として、ニトロソコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）、ニトロソコッカス・ニトロサス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｎｉｔｒｏｓｕｓ）、ニトロソコッカス・オセアヌス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｕｓ、Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｉ）、ニトロソコッカス・ワトソニィ（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｗａｔｏｓｏｎｉｉ）、ニトロソコッカス・ハロフィルス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｈａｌｏｐｈｉｌｕｓ）等が挙げられる。ニトロソコッカス属に属する細菌を、複数種併用することも可能である。
ニトロソコッカス属に属する細菌としては従来知られるものを使用できる。例として、ニトロソコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）、ニトロソコッカス・ニトロサス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｎｉｔｒｏｓｕｓ）、ニトロソコッカス・オセアヌス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｕｓ、Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｏｃｅａｎｉ）、ニトロソコッカス・ワトソニィ（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｗａｔｏｓｏｎｉｉ）、ニトロソコッカス・ハロフィルス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｈａｌｏｐｈｉｌｕｓ）等が挙げられる。ニトロソコッカス属に属する細菌を、複数種併用することも可能である。
本発明の硝化菌製剤において、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、好ましくは１．０％以上、より好ましくは３．０％以上、さらに好ましくは７．０％以上、特に好ましくは１０．０％以上である。
硝化菌製剤中のニトロソコッカス属に属する細菌の菌数の割合は、次世代シーケンスもしくはリアルタイムＰＣＲで１６ＳｒＲＮＡ遺伝子を解析することにより、全菌体数に対するニトロソコッカスなどの個数割合として特定できる。
なお、ここでいうニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中における個数割合である。処理対象に硝化菌製剤を接触させた時点（例えば、処理装置の微生物分解槽中に硝化菌製剤を投入した時点）で、処理対象中でのニトロソコッカス属に属する細菌の菌数が、全菌体数に対して０．１％未満になることもあり得る。しかし、そうした場合でも、ニトロソコッカス属に属する細菌は経時的に増殖し、アンモニアを処理することが可能となる。但し、後記するように、硝酸イオンを早期に回収する上では、処理対象中、例えば微生物分解槽中でのニトロソコッカス属に属する細菌の全菌体数に対する個数割合が、窒素回収の開始時点から０．１％以上となっていることが好ましい。そのためにも、硝化菌製剤中の全菌体数に対するニトロソコッカス属に属する細菌の個数割合は、例えば１．０％以上、さらには３．０％以上、中でも７．０％以上、特に１０．０％以上であることが好ましい。
本発明の硝化菌製剤には、ニトロソコッカス属に属する細菌以外の１種以上のＡＯＢがさらに含まれていてもよく、含まれていなくてもよい。ニトロソコッカス属に属する細菌以外のＡＯＢとしては、例えば、ニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属、ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属、ニトロソロバス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属、ブレビバチルス（Ｂｒｅｖｉｂａｃｉｌｌｕｓ）属、及びザンソモナス（Ｘａｎｔｈｏｍｏｎａｓ）属に属する細菌等、種々のものが挙げられる。
後記するように、本発明の硝化菌製剤は、例えば活性汚泥等を種菌として調製することができるが、こうした活性汚泥中にはしばしばニトロソモナス属の細菌を始めとする各種ＡＯＢが存在する。そのため、本発明の硝化菌製剤には、こうしたＡＯＢが共存する場合がある。本発明の硝化菌製剤は、ニトロソコッカス属の細菌以外のＡＯＢ、例えばニトロソモナス属の細菌を、１～７０％程度、特に４～３０％程度含有していてもよい。メカニズムは定かではないが、ニトロソコッカス属に属する細菌を、それ以外のＡＯＢとともに含有することで、相乗効果によって硝化能が促進される場合がある。
（亜硝酸酸化細菌）
亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）とは、亜硝酸を硝酸に酸化する細菌である。
亜硝酸酸化細菌（ＮＯＢ）とは、亜硝酸を硝酸に酸化する細菌である。
ＮＯＢとしては従来知られるものを使用できる。例として、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属の細菌；ニトロバクター・ウィノグラドスキイ（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｗｉｎｏｇｒａｄｓｋｙｉ）、ニトロバクター・アルカリカス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ａｌｋａｌｉｃｕｓ）、ニトロバクター・ブルガリス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｖｕｌｇａｒｉｓ）、ニトロバクター・ハンブルゲンシス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｈａｍｂｕｒｇｅｎｓｉｓ）等のニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属の細菌；ニトロスピラ・マリナ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ ｍａｒｉｎａ）、ニトロスピラ・モスコビエンシス（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ ｍｏｓｃｏｖｉｅｎｓｉｓ）等のニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属に属する細菌等が挙げられるが、これらに限定されない。ＮＯＢを複数種併用することも可能である。
本発明の硝化菌製剤において、ＮＯＢの菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である。ＮＯＢの全菌体数に対する比率が０．１％以上であることで、高イオン濃度の環境下であっても亜硝酸の酸化が充分進行する。本発明の硝化菌製剤において、ＮＯＢの比率は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が、好ましくは０．５％以上、より好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは１．５％以上、特に好ましくは２．０％以上である。
硝化菌製剤中のＮＯＢの菌数の割合は、次世代シーケンスもしくはリアルタイムＰＣＲで１６ＳｒＲＮＡ遺伝子を解析することにより、全菌体数に対するニトロコッカスなどの個数割合として特定できる。
なお、ここでいうＮＯＢの菌数は、硝化菌製剤中における個数割合である。処理対象に硝化菌製剤を接触させた時点（例えば、処理装置の微生物分解槽中に硝化菌製剤を投入した時点）で、処理対象中でのＮＯＢの菌数が、全菌体数に対して０．１％未満になることもあり得る。しかし、そうした場合でも、ＮＯＢは経時的に増殖し、硝化を進行させることが可能となる。但し、後記するように、硝酸イオンを早期に回収する上では、処理対象中、例えば微生物分解槽中でのＮＯＢの全菌体数に対する個数割合が、窒素回収の開始時点から０．１％以上となっていることが好ましい。そのためにも、硝化菌製剤中の全菌体数に対するＮＯＢの個数割合は、０．５％以上、さらには１．０％以上、さらに高く１．５％以上、特に２．０％以上であることが好ましい。
（ニトロコッカス属）
本発明の硝化菌製剤は、高イオン濃度の処理条件下でも特に良好な活性を有するという観点から、ＮＯＢとして、ニトロコッカス属に属する細菌を含有することが好ましい。ニトロコッカス属に属する細菌は、低塩濃度でも高塩濃度でも増殖し、機能することができる。ニトロコッカス属に属する細菌としては、例えばニトロコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）等が挙げられる。
本発明の硝化菌製剤は、高イオン濃度の処理条件下でも特に良好な活性を有するという観点から、ＮＯＢとして、ニトロコッカス属に属する細菌を含有することが好ましい。ニトロコッカス属に属する細菌は、低塩濃度でも高塩濃度でも増殖し、機能することができる。ニトロコッカス属に属する細菌としては、例えばニトロコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）等が挙げられる。
（硝化菌製剤の調製）
本発明の硝化菌製剤は、例えば活性汚泥等を種菌として調製することができる。例えば、ニトロソコッカス属に属する細菌及び亜硝酸酸化細菌を含有する種菌を、湿潤状態の培地中でイオン濃度を０．５モル／Ｌ以上１モル／Ｌ以下程度に保ちながら酸素存在雰囲気下でアンモニア成分と接触させる、培養方法によって調製し得る。前記のように、ニトロソコッカス属に属する細菌のようなＡＯＢや、ニトロコッカス属に属する細菌のようなＮＯＢは、高塩濃度でも増殖し得るので、こうしたイオン濃度の高い環境下で培養及びスクリーニングを行い、製造することが可能である。
本発明の硝化菌製剤は、例えば活性汚泥等を種菌として調製することができる。例えば、ニトロソコッカス属に属する細菌及び亜硝酸酸化細菌を含有する種菌を、湿潤状態の培地中でイオン濃度を０．５モル／Ｌ以上１モル／Ｌ以下程度に保ちながら酸素存在雰囲気下でアンモニア成分と接触させる、培養方法によって調製し得る。前記のように、ニトロソコッカス属に属する細菌のようなＡＯＢや、ニトロコッカス属に属する細菌のようなＮＯＢは、高塩濃度でも増殖し得るので、こうしたイオン濃度の高い環境下で培養及びスクリーニングを行い、製造することが可能である。
種菌としては、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢと、ＮＯＢとを含むものである限り、任意の種菌を用いることができる。
ニトロソコッカス属に属する細菌及び亜硝酸酸化細菌は、一般に増殖するのに時間が掛かるので、硝化菌製剤の調製でこれらの菌の割合を早期に高める上で、種菌中の全菌体数に対するニトロソコッカス属に属する細菌の個数割合（以下、「ニトロソコッカスの存在割合」と記載することがある。）を、０．１％以上、より好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは３．０％以上、さらにより好ましくは７．０％以上、特に好ましくは１０．０％以上とし、また、種菌中の全菌体数に対するＮＯＢの個数割合（以下、「ＮＯＢの存在割合」と記載することがある。）を、０．１％以上、より好ましくは０．５％以上、さらに好ましくは１．０％以上、特に好ましくは２．０％以上とするのがよい。
種菌中のニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合の上限は、特に限定されないが、硝化反応のなかでもアンモニア酸化反応は亜硝酸酸化反応よりも進みにくいという観点から、両者の割合が同程度であるか、ニトロソコッカスの存在割合の方が多いことが好ましい。例えば、種菌中のニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合は、両者がそれぞれ、種菌中のすべての微生物に対して３０～５０％までであることが好ましい。例えば、種菌中のニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合は、ニトロソコッカス：ＮＯＢ＝２：１～３０：１であることが好ましく、より好ましくは３：１～２０：１である。また、硝化菌製剤中のニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合も、同様の比率であることが好ましい。
種菌中の各菌の存在割合は、例えば上記の１６ＳｒＲＮＡ遺伝子菌叢解析によって特定される。
種菌として活性汚泥を用いる場合、養豚廃水処理施設において活性汚泥法により処理された養豚廃水由来の活性汚泥等を使用してもよい。
活性汚泥には、いわゆる前培養処理を施してもよい。なお、ここでいう「前培養」とは、上記のようなイオン濃度を調整しながらアンモニア成分を接触させる培養、いわば本培養に先立ち、活性汚泥に対して、必要に応じてアンモニア成分を添加した後、例えば常温の好気条件に置くことによって菌を増殖または活性化させる前処理である。特に、採取後の汚泥を冷蔵保存した場合などには、前培養によって菌の状態を回復させることができる。例えば、養豚廃水処理施設の活性汚泥を１５～４０℃、特に２０～３５℃で、１日間～数週間にわたって好気的に培養することで前処理をした汚泥を、本培養用に使用することができる。
本発明の硝化菌製剤を調製するに当たり、上記のように、培養の際にアンモニアを供給することが好ましい。供給されたアンモニアが栄養源となり、ニトロソコッカス属に属する細菌が増殖して、その比率を高めることができる。また、そうしたニトロソコッカスが生成する亜硝酸を栄養源として、ＮＯＢ及びニトロコッカス属に属する細菌が増殖し、本発明の硝化菌製剤のような菌組成とすることができる。
培養時のｐＨは５～８程度、特に６．５～７．５程度の範囲に調整することが好ましい。ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの培養においては、硝化反応が進むにつれて培養液のｐＨが低下していくので、アルカリを添加してｐＨを調整することが好ましい。そうした観点からも、培養時にはアンモニアを供給することが望ましい。
また、本発明の硝化菌製剤の調製において、培養を高イオン濃度、例えば硝酸イオン濃度が３０，０００ｍｇ／Ｌ以上、特に３０，０００～５０，０００ｍｇ／Ｌ、あるいは塩濃度が０．５Ｍ以上の条件で行うことが好ましい。上記のようにニトロソコッカスは高イオン（塩）濃度の条件にも強いので、他のＡＯＢが死滅するような環境下でも増殖する傾向がある。そのため、高イオン濃度の条件で培養することにより、ＡＯＢの内でも特にニトロソコッカス属に属する細菌の個数割合が高い硝化菌製剤を調製することができる。但し、塩濃度が１Ｍを超えると硝化活性が若干低下する場合もあるので、例えば塩濃度が１Ｍ超となった時点で希釈し、０．５～１Ｍ程度の塩濃度で培養を進めてもよい。
また、後記するようにマグネシウムの濃度が０．５ｍＭ（ミリモル／Ｌ）以上、中でも０．６～１．０ｍＭ程度であり、リンの濃度が０．５ｍＭ以上、中でも０．６～１．０ｍＭ程度の条件で培養することにより、ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの個数割合を高めることができる。結果として、ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの各菌数が、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である硝化菌製剤が得られる。特にニトロソコッカス属に属する細菌の前記個数割合が１．０％以上であることが好ましく、より好ましくは３．０％以上、さらに好ましくは７．０％以上、さらに好適には１０．０％以上の硝化菌製剤を調製することができる。
培養の際には、ニトロソコッカス属に属する細菌等の微生物の増殖によって、周囲のリン濃度が低下するので、培地のリン酸濃度を定期的に測定し、必要に応じてリン酸イオンを追加することが好ましい。例えばＫ２ＨＰＯ４のようなリン塩を、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏのようなマグネシウム塩と共に添加してもよい。培養は、培地中のマグネシウムの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上であり、かつリンの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上である条件下で行うことが好ましい。
高イオン濃度環境でのスクリーニングの観点から、既に硝化処理に用いられて高いイオン濃度の処理液に曝された本発明の硝化菌製剤を、種菌としてもよい。また、例えば小規模な装置で硝化処理を行った後の硝化菌製剤を、そのままの形で大規模な硝化処理装置に装着し、新たな硝化菌製剤として使用することも可能である。
（硝化菌製剤）
本発明の硝化菌製剤は、ニトロソコッカス属に属する細菌とＮＯＢとを所定の個数割合以上含有していればどのような形態であってもよく、例えばこれら細菌を水に分散させた液状物であってもよい。例として、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ（アンモニア酸化細菌）及びＮＯＢ（亜硝酸酸化細菌）の液状培養物を含む硝化菌製剤等が挙げられるが、これらに限定されない。あるいは、例えばこうした液状の硝化菌製剤に遠心分離や濾過等の操作を施して分離した後に、ペレットのような固形物にしてもよい。液状培養物またはペレットを凍結乾燥して粉末等にした、凍結乾燥物であってもよい。また、これらの細菌を担体に担持させることもできる。本発明はまた、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ及びＮＯＢのペレットを含む硝化菌製剤、並びに、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ及びＮＯＢが担体に担持された硝化菌担持体を含む硝化菌製剤をも包含する。
本発明の硝化菌製剤は、ニトロソコッカス属に属する細菌とＮＯＢとを所定の個数割合以上含有していればどのような形態であってもよく、例えばこれら細菌を水に分散させた液状物であってもよい。例として、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ（アンモニア酸化細菌）及びＮＯＢ（亜硝酸酸化細菌）の液状培養物を含む硝化菌製剤等が挙げられるが、これらに限定されない。あるいは、例えばこうした液状の硝化菌製剤に遠心分離や濾過等の操作を施して分離した後に、ペレットのような固形物にしてもよい。液状培養物またはペレットを凍結乾燥して粉末等にした、凍結乾燥物であってもよい。また、これらの細菌を担体に担持させることもできる。本発明はまた、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ及びＮＯＢのペレットを含む硝化菌製剤、並びに、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ及びＮＯＢが担体に担持された硝化菌担持体を含む硝化菌製剤をも包含する。
硝化菌製剤は、取扱の容易さやアンモニアの処理効率を考慮すると、ニトロソコッカス属に属する細菌を含有するＡＯＢ（アンモニア酸化細菌）及びＮＯＢ（亜硝酸酸化細菌）を含む硝化菌を、担体で担持した硝化菌担持体の形状とすることが好ましい。ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢによるアンモニア硝化は、好気性の反応であるため、特に多孔質体や繊維体の担体に担持させた硝化菌製剤では、酸素の供給が十分になされ、反応が進行し易い。こうした担体はまた、保持できる水（吸水量）が多く、その水に吸収できるアンモニア成分の量も大なので、アンモニアの硝化を促進し得る。
（担体）
ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢを担持させる担体（硝化菌担持体）に特に制限はないが、表面積が大きく、腐敗し難い材料が好ましい。例として、多孔質体及び／または無機繊維質体、例えばゼオライト、発泡ガラスのような多孔質ガラス、パーライト、珪藻土、軽石、大谷石、炭酸カルシウム粒子や硫酸バリウム粒子等の凝集体、シリカゲル、ロックウール、ガラスウール、炭素繊維等が挙げられるが、これらに限定されない。取り扱いの容易さやコストを考慮すると、ゼオライト、多孔質ガラス、ガラスウール等、特に発泡ガラスのような多孔質材料が好ましい。
ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢを担持させる担体（硝化菌担持体）に特に制限はないが、表面積が大きく、腐敗し難い材料が好ましい。例として、多孔質体及び／または無機繊維質体、例えばゼオライト、発泡ガラスのような多孔質ガラス、パーライト、珪藻土、軽石、大谷石、炭酸カルシウム粒子や硫酸バリウム粒子等の凝集体、シリカゲル、ロックウール、ガラスウール、炭素繊維等が挙げられるが、これらに限定されない。取り扱いの容易さやコストを考慮すると、ゼオライト、多孔質ガラス、ガラスウール等、特に発泡ガラスのような多孔質材料が好ましい。
担体は、特に、平均粒子径が、例えばＪＩＳ Ｚ ８８１５－１９９４［ふるい分け試験方法通則］等に規定された方法で計測して１ｍｍを超え１．４ｍｍ以下、１．４ｍｍを超え２ｍｍ以下、２ｍｍを超え２．８ｍｍ以下、２．８ｍｍを超え４ｍｍ以下、４ｍｍを超え５．６ｍｍ以下、５．６ｍｍを超え８ｍｍ以下、８ｍｍを超え１１．２ｍｍ以下、１１．２ｍｍを超え１６ｍｍ以下、または１６ｍｍを超え２２．４ｍｍ以下等の、所望の範囲に分別された多孔質体であれば、アンモニア処理時の取り扱いが容易となる。また、担体の形状に特に制限はなく、球状、立方形状、繊維状、あるいは不規則形状の粒体等のいずれであってもよい。
担体の比表面積は、大きければ大きいほど担持できる硝化菌が多くなるので、比表面積は３．０ｍ２／ｇ以上であることが望ましく、４．０ｍ２／ｇ以上がより好ましく、５．０ｍ２／ｇ以上がさらに望ましく、１０ｍ２／ｇ以上がより一層好ましく、２０ｍ２／ｇ以上が特に好ましく、４０ｍ２／ｇ以上が最も好ましい。また、担体の比表面積の上限については、特に制限はないが、１５０ｍ２／ｇ以下とすることが好ましく、より好ましくは１００ｍ２／ｇ以下、さらに好ましくは８０ｍ２／ｇ以下、より好適には６０ｍ２／ｇ以下とすることができる。ここで比表面積は水銀圧入法にて測定する。
担体として多孔質体を使用する場合、その細孔容積は、適度の水分保持力と通気性を保つ上で０．６ｃｍ３／ｇ以上が好ましく、０．８ｃｍ３／ｇ以上がより好ましく、１．０ｃｍ３／ｇ以上がさらに好ましく、１．２ｃｍ３／ｇ以上がより一層好ましく、１．４ｃｍ３／ｇ以上が特に好ましく、１．６ｃｍ３／ｇ以上が最も好ましい。他方、細孔容積が大きすぎることは、多孔質体が有する空隙の割合が大きくなり、耐久性の低下の虞れがあることから、上限は、例えば、４．０ｃｍ３／ｇ以下であることが好ましく、より好ましくは３．５ｃｍ３／ｇ以下、さらに好ましくは３．０ｃｍ３／ｇ以下、より好適には２．５ｃｍ３／ｇ以下とすることができる。ここで細孔容積は水銀圧入法にて測定する。
上記したような担体に、例えば活性汚泥を添加し、所望により該担体上で細菌を培養して、本発明の硝化菌担持体を調製することもできる。その場合、活性汚泥添加量は、担体の体積に対して、例えば、５体積％、１０体積％、２０体積％、３０体積％、５０体積％、７０体積％、１００体積％、１５０体積％、２００体積％、３００体積％、４００体積％、５００体積％というように５～５００体積％の割合で接種する。なお、担持された硝化菌は、処理対象と接触してアンモニア分解反応が開始すると、菌数が変化するため、当初の種菌としての接種量は、それ程重要なパラメーターとはならない。ここで、アンモニア成分を含有する処理対象と硝化菌担持体との接触は、例えばアンモニア含有ガスを通気、もしくはアンモニア含有水溶液を循環水に添加することによって行うことができる。
＜窒素回収方法＞
本発明の硝化菌製剤は、例えば、高イオン濃度の処理条件下であっても、アンモニアを効率よく硝化することができ、高濃度の硝酸態窒素を得ることを可能とする。そのため、アンモニア成分中の窒素成分、例えばアンモニア含有ガスやアンモニア含有水溶液中の窒素成分を回収する方法での使用に適している。本発明はまた、アンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア成分中の窒素成分を硝酸イオンとして回収する硝酸イオン回収工程を含む窒素回収方法であって、硝酸イオン回収工程は、硝化菌製剤が保持された微生物分解槽に、循環水を供給して、硝化菌製剤を湿潤状態に保持する湿潤工程と、湿潤状態とされた硝化菌製剤に、酸素存在雰囲気下でアンモニア成分を含有する処理対象を接触させる接触工程と、アンモニア成分及び硝化菌により分解されたアンモニア成分の分解生成物を、循環水中に溶解して、循環水中にアンモニア分解生成物を蓄積しながら、アンモニア成分を分解処理する分解工程と、循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が３０，０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、循環水の一部または全部を回収する回収工程と、を含み、硝化菌製剤がアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有し、アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ亜硝酸酸化細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である窒素回収方法を包含する。
本発明の硝化菌製剤は、例えば、高イオン濃度の処理条件下であっても、アンモニアを効率よく硝化することができ、高濃度の硝酸態窒素を得ることを可能とする。そのため、アンモニア成分中の窒素成分、例えばアンモニア含有ガスやアンモニア含有水溶液中の窒素成分を回収する方法での使用に適している。本発明はまた、アンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア成分中の窒素成分を硝酸イオンとして回収する硝酸イオン回収工程を含む窒素回収方法であって、硝酸イオン回収工程は、硝化菌製剤が保持された微生物分解槽に、循環水を供給して、硝化菌製剤を湿潤状態に保持する湿潤工程と、湿潤状態とされた硝化菌製剤に、酸素存在雰囲気下でアンモニア成分を含有する処理対象を接触させる接触工程と、アンモニア成分及び硝化菌により分解されたアンモニア成分の分解生成物を、循環水中に溶解して、循環水中にアンモニア分解生成物を蓄積しながら、アンモニア成分を分解処理する分解工程と、循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が３０，０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、循環水の一部または全部を回収する回収工程と、を含み、硝化菌製剤がアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有し、アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ亜硝酸酸化細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である窒素回収方法を包含する。
本発明の窒素回収方法においては、アンモニア成分の分解生成物を溶解した処理後水を、循環水として微生物分解槽に供給するので、該循環水中に分解生成物である硝酸イオンを高い濃度で、例えば３０，０００ｍｇ／Ｌ以上、あるいは所望により４０，０００ｍｇ／Ｌ以上、５０，０００ｍｇ／Ｌ以上、６０，０００ｍｇ／Ｌ以上、さらには１Ｍを超えて７０，０００ｍｇ／Ｌ以上、１００，０００ｍｇ／Ｌ以上等の濃度で蓄積することができる。
また、こうして循環水中に硝酸イオンが蓄積されて所定濃度に達した時に、循環水の一部または全部を回収することにより、アンモニア成分中の窒素成分を高濃度の硝酸イオン溶液として回収することができる。ここで、所定濃度とは、目的に応じて任意に設定された所望の濃度であり、本発明においては例えば３０，０００ｍｇ／Ｌ以上、４０，０００ｍｇ／Ｌ以上、５０，０００ｍｇ／Ｌ以上、６０，０００ｍｇ／Ｌ以上、さらには１Ｍを超えて７０，０００ｍｇ／Ｌ以上、あるいは１００，０００ｍｇ／Ｌ以上とすることが可能である。
（窒素回収装置）
こうした本発明の方法に従う窒素回収は、例えば、本発明者らが提案し出願した国際公開第２０２１／０４９６０３号に係る明細書及び図１に示す窒素回収装置を用いて行うことができる。より具体的には、以下のような実施形態の窒素回収装置を使用することができる：
上記のような硝化菌製剤を含有する硝化菌担持体（担体）を備え、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、該アンモニア成分中の窒素成分をアンモニア分解生成物として回収する窒素回収装置であって、
（Ａ） 前記硝化菌担持体を有し、酸素存在雰囲気下で前記アンモニア成分を分解する微生物分解槽と、
（Ｂ） 前記微生物分解槽に前記アンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段と、
（Ｃ） 前記微生物分解槽に対して水を供給する給水手段と、
（Ｄ） 前記微生物分解槽において生成した前記アンモニア分解生成物を含む水を微生物分解槽より導出する排水ラインと、
（Ｅ） 前記排水ラインより排出された前記アンモニア分解生成物を含む水を一時的に貯留する循環水貯留槽と、
（Ｆ） 前記貯留槽と前記微生物分解槽とを接続し、前記貯留槽より前記アンモニア分解生成物を含む水を前記微生物分解槽に送る再処理ラインと、
（Ｇ） 前記微生物分解槽、前記排水ライン、前記循環水貯留槽、及び前記再処理ラインの間で、前記アンモニア分解生成物を含む前記水を循環させる循環手段と、
（Ｈ） 前記循環水貯留槽より、所定の硝酸イオン濃度となった前記アンモニア分解生成物を含む水の一部または全部を回収する回収手段と、を備える窒素回収装置。
こうした本発明の方法に従う窒素回収は、例えば、本発明者らが提案し出願した国際公開第２０２１／０４９６０３号に係る明細書及び図１に示す窒素回収装置を用いて行うことができる。より具体的には、以下のような実施形態の窒素回収装置を使用することができる：
上記のような硝化菌製剤を含有する硝化菌担持体（担体）を備え、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、該アンモニア成分中の窒素成分をアンモニア分解生成物として回収する窒素回収装置であって、
（Ａ） 前記硝化菌担持体を有し、酸素存在雰囲気下で前記アンモニア成分を分解する微生物分解槽と、
（Ｂ） 前記微生物分解槽に前記アンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段と、
（Ｃ） 前記微生物分解槽に対して水を供給する給水手段と、
（Ｄ） 前記微生物分解槽において生成した前記アンモニア分解生成物を含む水を微生物分解槽より導出する排水ラインと、
（Ｅ） 前記排水ラインより排出された前記アンモニア分解生成物を含む水を一時的に貯留する循環水貯留槽と、
（Ｆ） 前記貯留槽と前記微生物分解槽とを接続し、前記貯留槽より前記アンモニア分解生成物を含む水を前記微生物分解槽に送る再処理ラインと、
（Ｇ） 前記微生物分解槽、前記排水ライン、前記循環水貯留槽、及び前記再処理ラインの間で、前記アンモニア分解生成物を含む前記水を循環させる循環手段と、
（Ｈ） 前記循環水貯留槽より、所定の硝酸イオン濃度となった前記アンモニア分解生成物を含む水の一部または全部を回収する回収手段と、を備える窒素回収装置。
上記のような硝化菌製剤を含有する硝化菌担持体を備える、例えば上記実施形態の窒素回収装置を使用し、アンモニア含有ガスを供給することにより、アンモニア成分中の窒素成分を硝酸イオンとして高濃度で回収することができる。ここで、窒素回収装置内におけるニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合はいずれも、硝化菌製剤以外の箇所でも０．１％以上であることが好ましい。例えば微生物分解槽、特に硝化菌担持体における、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数及び亜硝酸酸化細菌の菌数がそれぞれ、微生物分解槽又は硝化菌担持体中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であれば、窒素回収をより高い効率で行うことが可能となる。
なお、ニトロソコッカスやＮＯＢの存在割合は、例えば硝化菌担持体の一部（具体例としては微生物分解槽の上部にある硝化菌担持体、もしくは微生物分解槽に存在する硝化菌担持体の、アンモニア含有ガスが供給される表面側部分とは反対側に位置する表面側部分）から採取して測定してもよく、あるいは、微生物分解槽以外の箇所、例えば循環水貯留槽から水を採取して測定してもよい。硝化菌担持体の一部を採取する場合は、湿潤状態にない箇所からの採取は避けることが好ましい。
（窒素回収条件）
本発明の窒素回収方法において、循環水の温度等の条件に特に制限はない。しかしながら本発明の硝化菌製剤の活性を高める上で、水温を例えば１０～６０℃の範囲に調整することが好ましく、さらには１５～５０℃、特に２０～４０℃に調整することがより好適である。
本発明の窒素回収方法において、循環水の温度等の条件に特に制限はない。しかしながら本発明の硝化菌製剤の活性を高める上で、水温を例えば１０～６０℃の範囲に調整することが好ましく、さらには１５～５０℃、特に２０～４０℃に調整することがより好適である。
また、ニトロソコッカス及びＮＯＢによるアンモニアの硝化は、好気反応であるので、例えば循環水のエアレーションによって曝気し、酸素を供給することが好ましい。エアレーション量は、循環水１Ｌに対し０．５Ｌ／分以上が好ましく、１Ｌ／分以上がより好ましく、３．０Ｌ／分以上が特に好ましく、４．０Ｌ／分以上が最も好ましい。他方、過度のエアレーションはアンモニアの気化を促す虞れがあるため、上限は、循環水１Ｌに対し１０Ｌ／分以下が好ましく、８．０Ｌ／分以下がより好ましく、６．０Ｌ／分以下がさらに好ましい。
本発明の窒素回収方法においてはまた、温度設定と同様の理由から、循環水のｐＨは４．０～９．０が好ましく、４．５～８．５がより好ましく、５．０～８．０がさらに好ましく、６．５～７．５が特に好ましい。ニトロソコッカス属に属する細菌は比較的酸に強いＡＯＢなので、こうした条件下でもアンモニアを硝化させることができる。循環水のｐＨを約５．０以上、特に約６．５以上とすると、アンモニアの残留がかなり抑制される利点もある。ｐＨが９．０を超えると、硝化活性の低下を来す虞があり、また、アンモニアが揮発して漏れ出す虞がある。
なお、窒素回収や培養の際のｐＨ調整は、例えばアンモニアガスやアンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ成分を外部から添加して行ってもよく、また、水に難溶性の弱アルカリ性物質を系中に共存させることにより行ってもよい。例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイト、リン酸カルシウム等の弱アルカリ性物質は、中性の水には殆ど溶解しない一方、酸性条件下では溶解するので、硝化反応が進んで周辺が酸性になった場合に溶け出て、ｐＨを中性付近に保つことができる。弱アルカリ性物質としては、特に炭酸カルシウムが好ましく、汎用の軽質炭酸カルシウムの他、重質炭酸カルシウムやサンゴ砂、卵殻粉末等を使用することができる。これら弱アルカリ性物質は、例えば硝化菌担持体に混入させて微生物分解槽や循環水貯留槽中に添加しておいてもよく、また、専用のカートリッジに粒子を充填して微生物分解槽等と直列に接続してもよい。
本発明の窒素回収方法においては、アンモニアの硝化がある程度進行し、例えば循環水の硝酸イオン濃度が３０，０００ｍｇ／Ｌ以上の所定濃度に達したときに、一部または全部を回収することによってアンモニア中の窒素分を硝酸態窒素として回収することができる。
ここで、循環水を回収した後においても、硝化菌製剤中の硝化菌は有効に作用し得るものであるため、新たな循環水を系内に供給し、アンモニア成分を含有する処理対象、例えばアンモニア含有ガスもしくはアンモニア含有水溶液を接触させてアンモニアの分解処理を再開すれば、先の処理回と同様に効率よくアンモニア成分の分解反応が進行する。そのため、硝化菌製剤を取り替えることなく、繰り返しアンモニア成分から窒素を回収することが可能である。新たな循環水としては、水もしくは硝化菌を含有する活性汚泥等でもよい。
また、一度に回収及び交換する循環水は、全循環水量の一部または全部（１００％）であってもよい。但し、循環水を含む環境条件を急激に変えることは硝化菌の活性を低下させる可能性もあるため、一度に回収及び交換する循環水は全循環水量の１００％未満が好ましく、８０％以下がより好ましく、６０％以下が特に好ましい。一方で、回収及び交換を有効とする上で、全循環水量の少なくとも２０％以上、特に３０％以上とすることが望ましい。
本発明の窒素回収方法においては、ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合で０．１％以上であるが、好ましくは１．０％以上、より好ましくは３．０％以上、さらに好ましくは７．０％以上、さらに好適には１０．０％以上とする。また、ＮＯＢの菌数は、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合で０．１％以上であるが、好ましくは０．５％以上、より好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは１．５％以上、特に好ましくは２．０％以上とする。ニトロソコッカス属に属する細菌やＮＯＢの比率が高ければ、イオン濃度が高い環境であっても、アンモニアの硝化をスムーズに進行させることができる。
なお、ここでいうニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの菌数は、窒素回収のどこかの時点での、硝化菌製剤中における個数割合である。本発明の窒素回収方法では、アンモニア成分の分解工程の進行に伴って菌数が変化するため、当初の菌数やその割合は、それ程重要なパラメーターとはならない。分解工程のどこかの時点で、全菌体数に対するニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの菌数が、個数割合で０．１％以上となっていれば良い。
但し、高イオン濃度下で高濃度、具体的には３０，０００ｍｇ／Ｌ以上、特に３５，０００ｍｇ／Ｌ以上の濃度の硝酸イオンを回収する上では、ニトロソコッカスの存在割合及びＮＯＢの存在割合がいずれも、硝化菌製剤中だけでなく処理対象中（例えば処理装置の循環水貯留槽、好ましくは微生物分解槽中、特に硝化菌担持体の上部）においても０．１％以上となることが望ましい。また、高濃度の硝酸イオンを早期に回収する上では、窒素回収の開始時点から、処理対象中におけるニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの各菌数がいずれも、全菌体数に対する個数割合で０．１％以上になっていることが好ましい。
また、例えば硝化菌のペレットを使用する場合、その使用量は１日で処理するアンモニア中の窒素分の質量１ｇに対して、ニトロソコッカス属に属する細菌を集菌したペレットの体積で０．３ｍＬ以上、さらには０．５ｍＬ以上、中でも１．０ｍＬ以上、特に３．０ｍＬ以上；ＮＯＢを集菌したペレットの体積で０．０５ｍＬ以上、さらには０．１ｍＬ以上、中でも０．５ｍＬ以上、特に１．０ｍＬ以上とすることが好ましい。こうした使用量であれば、アンモニアの硝化がよりスムーズに進行する。
本発明の窒素回収方法では、上記した本発明の硝化菌製剤が用いられるため、たとえ循環水のイオン（塩）濃度が高くてもアンモニアの硝化が進行する。具体的には、循環水中のイオン濃度が０．５モル／Ｌ以上あるいは塩濃度が３質量体積％以上である場合、例えば海水を循環水とする場合にも、アンモニアを硝化することができる。また、アンモニア成分の処理を継続し、循環水中の硝酸イオン濃度が高まっても、硝化反応が阻害されない。そのため、本発明の窒素回収方法によれば、処理対象の種類（アンモニア含有ガス、アンモニア含有水溶液等）や循環水等の被処理水の初期濃度や循環回数に影響されず、アンモニア中の窒素を高濃度の硝酸態窒素として効率よく回収することができる。
本発明の硝化菌製剤はまた、被処理水がある種のイオンや元素を微量含有する方が、むしろ硝化能が改善される場合もある。窒素回収時の被処理水、例えば循環水が、マグネシウムやリン、カリウム、硫黄等の元素を含む成分を含有していると、ニトロソコッカス属に属する細菌及びＮＯＢの増殖が促進され、活性も高められる場合がある。特に、マグネシウムイオンやリン酸イオンが被処理水中にある程度以上の濃度で含まれていると、アンモニアをより効率よく処理することが可能となる。循環水中のマグネシウムの濃度が０．５ｍＭ（ミリモル／Ｌ）以上、特に０．６～１．０ｍＭ程度であり、リンの濃度が０．５ｍＭ以上、特に０．６～１．０ｍＭ程度であることが好ましい。例えば上記の循環水に、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ等のマグネシウム塩を１２５ｍｇ／Ｌ以上、特に１５０～２５０ｍｇ／Ｌ程度、Ｋ２ＨＰＯ４等のリン酸塩を８５ｍｇ／Ｌ程度以上、特に１００～１７５ｍｇ／Ｌ程度の量含ませることにより、アンモニア中の窒素を高濃度の硝酸態窒素として、さらに効率よく回収することができる。
以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。
［実施例１～３、比較例１～３］
硝化菌製剤中の各種細菌の組成（個数割合）、及び硝化反応時の液中の塩濃度が、アンモニアの硝化に及ぼす影響について検討した。
硝化菌製剤中の各種細菌の組成（個数割合）、及び硝化反応時の液中の塩濃度が、アンモニアの硝化に及ぼす影響について検討した。
種々の細菌組成の各種ペレット状硝化菌製剤（液状培養物を固形化したペレットで、各細菌を表１記載の割合で含有する；以下で「ペレット」と記載することがある。）を、アンモニア含有水性液に添加して分解・硝化処理を行った。硝化菌製剤を添加したアンモニア含有水性液を、ｐＨを安定させるためのサンゴ砂（硝化反応が進んでｐＨが酸性になったとき、サンゴ砂の主成分である炭酸カルシウムが溶け出て中和されるため、ｐＨが中性付近に保たれる）と共に容器に入れ、好気条件となるように通気性のあるシリコン栓で容器に栓をした。次に、上記アンモニア含有水性液が容器内で空気に触れるように、温度を調整しながら５日間振とうさせた。振とうは、ＥＹＥＬＡ製の恒温振盪水槽ＮＴＳ－１３００を用いて行った。
具体的な試験条件は、以下のとおりである。
・硝化菌製剤添加量：水性液４ｍＬに対してペレット０．１ｍＬ（２．５体積％）
・水性液（処理対象）：微量元素としてリン、カリウム、マグネシウム、イオウを含む淡水（Ｋ２ＨＰＯ４ １４０ｍｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ２００ｍｇ／Ｌ）、海水または０．５Ｍ硝酸ナトリウム水溶液：４ｍＬ
・水性液（処理対象）液中のアンモニア濃度（窒素原子の質量換算）：
淡水の場合は、６９０ｍｇ／Ｌ＝２．８ｍｇ／４ｍＬ、海水の場合は、９２７ｍｇ／Ｌ＝３．７ｍｇ／４ｍＬ、０．５Ｍ硝酸ナトリウム水溶液の場合は、８７４ｍｇ／Ｌ＝３．５ｍｇ／４ｍＬとした。
・ｐＨ：７．０（反応前)
・温度：３０℃
・硝化菌製剤添加量：水性液４ｍＬに対してペレット０．１ｍＬ（２．５体積％）
・水性液（処理対象）：微量元素としてリン、カリウム、マグネシウム、イオウを含む淡水（Ｋ２ＨＰＯ４ １４０ｍｇ／Ｌ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ２００ｍｇ／Ｌ）、海水または０．５Ｍ硝酸ナトリウム水溶液：４ｍＬ
・水性液（処理対象）液中のアンモニア濃度（窒素原子の質量換算）：
淡水の場合は、６９０ｍｇ／Ｌ＝２．８ｍｇ／４ｍＬ、海水の場合は、９２７ｍｇ／Ｌ＝３．７ｍｇ／４ｍＬ、０．５Ｍ硝酸ナトリウム水溶液の場合は、８７４ｍｇ／Ｌ＝３．５ｍｇ／４ｍＬとした。
・ｐＨ：７．０（反応前)
・温度：３０℃
各活性汚泥中には、少なくともニトロソコッカス属、ニトロソモナス属などのＡＯＢ、及びニトロコッカス属に属する細菌が含まれていることを確認した。
なお、各活性汚泥中の菌体の種類と数（個数割合）は、リアルタイムＰＣＲを用いた１６Ｓ ｒＲＮＡ菌叢解析により、後記する表２乃至表４に記載のプライマー・プローブセットを用いてリアルタイムＰＣＲで分析した。なお、これらプライマーは、特定の細菌又は特定の属に属する細菌全体が、例えばニトロソコッカス属の全細菌等が、検出される設計になっている。表２に記載のニトロソコッカス属の菌叢解析に用いたプライマー・プローブセットと、表３に記載のニトロコッカス属の菌叢解析に用いたプライマー・プローブセットは、いずれも本発明者らが設計したものである。また、表４に記載のニトロソモナス属などのＡＯＢの解析に用いたプライマー・プローブセットは、従来から知られている公知のものである。
なお、各活性汚泥中の菌体の種類と数（個数割合）は、リアルタイムＰＣＲを用いた１６Ｓ ｒＲＮＡ菌叢解析により、後記する表２乃至表４に記載のプライマー・プローブセットを用いてリアルタイムＰＣＲで分析した。なお、これらプライマーは、特定の細菌又は特定の属に属する細菌全体が、例えばニトロソコッカス属の全細菌等が、検出される設計になっている。表２に記載のニトロソコッカス属の菌叢解析に用いたプライマー・プローブセットと、表３に記載のニトロコッカス属の菌叢解析に用いたプライマー・プローブセットは、いずれも本発明者らが設計したものである。また、表４に記載のニトロソモナス属などのＡＯＢの解析に用いたプライマー・プローブセットは、従来から知られている公知のものである。
５日間振とうしてアンモニアと反応させた処理対象水を採取し、比色分析法により液中のアンモニウムイオン、亜硝酸イオン、及び硝酸イオンの各イオン濃度を測定した。これらイオン濃度の変化に基づき、下記の基準に従ってアンモニアの硝化度合いを評価した。評価結果を、硝化菌製剤中の各種細菌の組成と共に、後記する表１に示す。
［アンモニアの硝化度合いの評価基準］
・アンモニウムイオン（ＮＨ４ ＋）での評価基準
◎：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が２５０ｍｇ／Ｌ未満であった場合
○：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が２５０ｍｇ／Ｌ以上５００ｍｇ／Ｌ未満であった場合
△：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が５００ｍｇ／Ｌ以上７５０ｍｇ／Ｌ未満であった場合
×：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が７５０ｍｇ／Ｌ以上であった場合
・亜硝酸イオン（ＮＯ２ －）での評価基準
◎：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の９０％以上が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が１０％以下であった場合
○：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の８０％以上９０％未満が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が１０％超２０％以下であった場合
△：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の５％以上８０％未満が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が２０％超９５％以下であった場合
×：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の５％未満しか硝酸態窒素に変化せず、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が９５％超であった場合。
・硝酸イオン（ＮＯ３ －）での評価基準
◎：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて１４００ｍｇ／Ｌ以上増加した場合
○：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて７００ｍｇ／Ｌ以上１４００ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
△：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて５０ｍｇ／Ｌ以上７００ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
×：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初と同じか、または試験開始当初に比べて５０ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
・アンモニウムイオン（ＮＨ４ ＋）での評価基準
◎：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が２５０ｍｇ／Ｌ未満であった場合
○：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が２５０ｍｇ／Ｌ以上５００ｍｇ／Ｌ未満であった場合
△：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が５００ｍｇ／Ｌ以上７５０ｍｇ／Ｌ未満であった場合
×：処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が７５０ｍｇ／Ｌ以上であった場合
・亜硝酸イオン（ＮＯ２ －）での評価基準
◎：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の９０％以上が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が１０％以下であった場合
○：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の８０％以上９０％未満が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が１０％超２０％以下であった場合
△：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の５％以上８０％未満が硝酸態窒素に変化し、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が２０％超９５％以下であった場合
×：処理対象水中で、アンモニアが酸化されて生じた亜硝酸態窒素の５％未満しか硝酸態窒素に変化せず、亜硝酸態窒素のまま残留した割合が９５％超であった場合。
・硝酸イオン（ＮＯ３ －）での評価基準
◎：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて１４００ｍｇ／Ｌ以上増加した場合
○：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて７００ｍｇ／Ｌ以上１４００ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
△：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初に比べて５０ｍｇ／Ｌ以上７００ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
×：処理対象水中の硝酸イオン濃度が、試験開始当初と同じか、または試験開始当初に比べて５０ｍｇ／Ｌ未満の範囲で増加した場合
本発明に従い、全菌体に対して０．１％以上のニトロソコッカス属に属する細菌と、０．１％以上のＮＯＢ（上記実施例１～３では、いずれもニトロコッカス属に属する細菌）とを含む硝化菌製剤Ｎｏ．１～３を用いた実施例１～３では、淡水中でも海水中等でも硝化反応が進行し、硝酸イオン濃度が顕著に増加することが分かった。特に、ニトロソコッカス属に属する細菌の個数割合が４．２％以上である硝化菌製剤Ｎｏ．２やＮｏ．３を用いた実施例２及び実施例３、中でも硝化菌製剤Ｎｏ．３（ニトロソコッカス属に属する細菌が１１．２％）を用いた実施例３では、硝化の進行が顕著であった。
一方、ニトロソコッカス属に属する細菌が検出されなかった硝化菌製剤Ｎｏ．４～６を用いた比較例１～３では、海水中や高濃度の硝酸ナトリウム水溶液中では硝化が殆ど進行せず、処理対象水中のアンモニウムイオン濃度が７５０ｍｇ／Ｌ以上となった。淡水中では、ニトロソモナス等のＡＯＢの働きによってアンモニア成分の亜硝酸化が進行したが、亜硝酸の酸化は殆ど進まず、処理対象水中の硝酸イオン濃度の増加は５０ｍｇ／Ｌ未満であった。
高塩濃度条件下でアンモニア中の窒素を高濃度の硝酸イオンに変えて回収するためには、硝化菌製剤は０．１％以上のニトロソコッカス属に属する細菌と、０．１％以上のＮＯＢとを含む必要があることが示された。また、ニトロソコッカス属に属する細菌の割合が全菌体数に対して１．０％以上（例えば実施例２及び実施例３）、特に７．０％以上（例えば実施例３）であると、高塩濃度条件下でもアンモニアの硝化がスムーズに進行することが判明した。
［実施例４、参考例］
実施例４及び参考例では、窒素回収装置で硝化菌製剤を使用し、アンモニア含有ガスの硝化処理を行った。その際、活性汚泥をそのまま窒素回収装置の種菌として使用する場合と、活性汚泥に硝化菌製剤を添加して用いた場合とで、硝酸イオン等の濃度変化と各細菌の比率の変化を追跡し、高イオン濃度の処理条件下での硝化能を評価した。
実施例４及び参考例では、窒素回収装置で硝化菌製剤を使用し、アンモニア含有ガスの硝化処理を行った。その際、活性汚泥をそのまま窒素回収装置の種菌として使用する場合と、活性汚泥に硝化菌製剤を添加して用いた場合とで、硝酸イオン等の濃度変化と各細菌の比率の変化を追跡し、高イオン濃度の処理条件下での硝化能を評価した。
具体的には、図１に示すような構成を有し、微生物分解槽２０やアンモニア含有ガス供給ライン１１を備えた、国際公開第２０２１／０４９６０３号に係る明細書に記載の窒素回収装置を使用した。微生物分解槽２０中に硝化菌製剤を担持した硝化菌担持体２１を保持し、酸素存在雰囲気下でアンモニア含有ガスを通気しながら微生物分解槽２０等に水を循環させた。数週間毎に循環水及び硝化菌担持体２１を採取して、循環水のアンモニウムイオン、亜硝酸イオン、及び硝酸イオンの濃度と、硝化菌担持体２１上の菌全体に占める各種菌の割合（個数割合）を分析した。個数割合の分析、及び各イオン濃度の測定は、実施例１～３と同様にして行った。試験結果を、後記する表５に示す。
なお、種菌は、埼玉県内の養豚場の活性汚泥槽より得られた活性汚泥に、硝化菌製剤のペレットを添加して調製した（実施例４）。ペレットの添加割合は、同量の活性汚泥を集菌して得られる場合のペレットの体積の約３％とした。ペレット添加後の種菌を、多孔質ガラスに担持させて使用した（以下で「硝化菌担持体」ということがある。）。担体への種菌の担持は、多孔質ガラス３４０ｇ（充填体積１Ｌに相当）に対し、３Ｌ（多孔質ガラスの充填体積の３００体積％の割合に相当する量）の種菌を接種することにより行った。比較のため、ペレットを添加せずに活性汚泥をそのまま担持させて用いた硝化処理も行った（参考例）。
窒素回収装置でのアンモニア含有ガスの分解処理は、以下の条件で行った。
・硝化菌担持体２１
充填高さ：２０ｃｍ（充填体積：１Ｌ）、温度：３０℃、含水率（微生物分解槽２０において）：１３体積％
・硝化菌製剤：ニトロソコッカスを１０．５９％、ニトロソモナス等のＡＯＢを０．１４％、ニトロコッカスを１．８５％（いずれも、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合）含有。
・循環水：３Ｌの活性汚泥を、そのまま使用した。
温度：３０℃、ｐＨ：７．０以上（ｐＨが７．０未満になると、ｐＨコントローラーにて０．５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨを自動調整）
液量：硝化菌担持体２１の体積の３倍、
１時間当たりの循環量：硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌ当り４００ｍＬ／分、循環水中のエアレーション量：循環水３Ｌに対し４Ｌ／分
・アンモニア投入量
窒素原子の質量換算で約２５０ｍｇ／日
・硝化菌担持体２１
充填高さ：２０ｃｍ（充填体積：１Ｌ）、温度：３０℃、含水率（微生物分解槽２０において）：１３体積％
・硝化菌製剤：ニトロソコッカスを１０．５９％、ニトロソモナス等のＡＯＢを０．１４％、ニトロコッカスを１．８５％（いずれも、硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合）含有。
・循環水：３Ｌの活性汚泥を、そのまま使用した。
温度：３０℃、ｐＨ：７．０以上（ｐＨが７．０未満になると、ｐＨコントローラーにて０．５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨを自動調整）
液量：硝化菌担持体２１の体積の３倍、
１時間当たりの循環量：硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌ当り４００ｍＬ／分、循環水中のエアレーション量：循環水３Ｌに対し４Ｌ／分
・アンモニア投入量
窒素原子の質量換算で約２５０ｍｇ／日
本発明に従い、全菌体に対して０．１％以上のニトロソコッカス属に属する細菌と、０．１％以上のＮＯＢ（ニトロコッカス）とを含む硝化菌製剤を添加した実施例４では、１１１日経過後には、ニトロソコッカス属に属する細菌及びニトロコッカスの存在割合がいずれも１％を超え、硝酸イオン濃度が５０，０００ｍｇ／Ｌ超にまで高まった。実施例４では、硝酸イオン濃度が５０，０００ｍｇ／Ｌ近い高イオン濃度の環境下においても、アンモニアの硝化を進行させることが可能であった。一方、硝化菌製剤無添加の参考例では、１０，０００ｍｇ／Ｌを超える高濃度の亜硝酸が蓄積した。また、ニトロソモナス属の細菌が多量に検出されたにも拘らず、１１１日経過後にアンモニウムイオン濃度が実施例４の倍近くに上昇し、硝酸イオン濃度は実施例４と比べて顕著に低かった。
［実施例５］
２００Ｌの水タンク（発泡ガラス充填槽として使用）と１００Ｌの水タンク（循環水タンクとして使用）を備えた以外は、実施例４で用いたのと同様の装置を用い、硝化菌製剤の培養を試みた。ニトロソコッカスに属する細菌とニトロコッカスに属する細菌とを担持させた発泡ガラス（ニトロソコッカスの存在割合：６．４％、ニトロコッカスの存在割合：４．２％）１０Ｌを、菌を担持させていない発泡ガラス１９０Ｌと共に２００Ｌ水タンクに入れ、実施例４と同様の試験を行った。但し、循環水（培地）として下記組成の人工海水５０Ｌを使用し、下記の運転条件で５１日間稼働させた。また、アンモニアはガスではなく水溶液の形で注入した。１時間毎のアンモニアの添加量は、初期値を２０６ｍｇとし、添加から３０分後に循環水のｐＨが７未満となる場合には、次の添加量を１．２～１．５倍へと増すように設定した。
２００Ｌの水タンク（発泡ガラス充填槽として使用）と１００Ｌの水タンク（循環水タンクとして使用）を備えた以外は、実施例４で用いたのと同様の装置を用い、硝化菌製剤の培養を試みた。ニトロソコッカスに属する細菌とニトロコッカスに属する細菌とを担持させた発泡ガラス（ニトロソコッカスの存在割合：６．４％、ニトロコッカスの存在割合：４．２％）１０Ｌを、菌を担持させていない発泡ガラス１９０Ｌと共に２００Ｌ水タンクに入れ、実施例４と同様の試験を行った。但し、循環水（培地）として下記組成の人工海水５０Ｌを使用し、下記の運転条件で５１日間稼働させた。また、アンモニアはガスではなく水溶液の形で注入した。１時間毎のアンモニアの添加量は、初期値を２０６ｍｇとし、添加から３０分後に循環水のｐＨが７未満となる場合には、次の添加量を１．２～１．５倍へと増すように設定した。
＜循環水の組成＞
人工海水塩（ジェックス株式会社製シーウォーター、塩濃度：３６ｇ／Ｌ（約０．６Ｍ））
Ｋ２ＨＰＯ４添加量:１１４ｍｇ／Ｌ
ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ添加量:２００ｍｇ／Ｌ
＜運転条件＞
水温：３０℃
循環水量：３０Ｌ／ｍｉｎ
エアレーション：循環水５０Ｌあたり６０Ｌ／ｍｉｎ
人工海水塩（ジェックス株式会社製シーウォーター、塩濃度：３６ｇ／Ｌ（約０．６Ｍ））
Ｋ２ＨＰＯ４添加量:１１４ｍｇ／Ｌ
ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ添加量:２００ｍｇ／Ｌ
＜運転条件＞
水温：３０℃
循環水量：３０Ｌ／ｍｉｎ
エアレーション：循環水５０Ｌあたり６０Ｌ／ｍｉｎ
５１日間運転後、ニトロソコッカスの存在割合は２４．５％に、ニトロコッカスの存在割合は１１．３％に、それぞれ増加していた。その結果、装置全体で硝化できるアンモニアの量（アンモニウムイオン換算）は、５１日目には５５，１７０ｍｇ／日と、培養開始時の１０倍以上に増やすことができた。本発明に従い、全菌体に対して０．１％以上のニトロソコッカス属に属する細菌と、０．１％以上のＮＯＢとを含む硝化菌製剤を添加した系では、高塩（イオン）濃度の条件下でも、ニトロソコッカス属に属する細菌及びニトロコッカス属に属する細菌を培養して菌数を増加させながら、多量のアンモニアを酸化分解できることが明らかとなった。
以上のように、本発明によって、様々な環境、例えば高いイオン濃度（塩濃度）の環境下であっても充分な硝化反応を進行させることができ、畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等で発生するアンモニアから、高濃度の硝酸態窒素を効率よく回収することが可能な、硝化菌製剤及び窒素回収方法が提供された。
１０ アンモニアガス源槽
１１ アンモニア含有ガス供給ライン
１２ 吸気ポンプ
２０ 微生物分解槽
２１ 硝化菌担持体
３０ 給水ライン
３１ 散水器
４０ 排水ライン
５０ 循環水貯留槽
６０ 循環ポンプ
７０ 再処理ライン
８０ 硝酸水溶液回収ライン
９０ ｐＨコントローラー
９１ ｐＨセンサ
１００ ｐＨ調整剤供給ライン
１０１ アルカリ液槽
１０２ 酸液槽
１１ アンモニア含有ガス供給ライン
１２ 吸気ポンプ
２０ 微生物分解槽
２１ 硝化菌担持体
３０ 給水ライン
３１ 散水器
４０ 排水ライン
５０ 循環水貯留槽
６０ 循環ポンプ
７０ 再処理ライン
８０ 硝酸水溶液回収ライン
９０ ｐＨコントローラー
９１ ｐＨセンサ
１００ ｐＨ調整剤供給ライン
１０１ アルカリ液槽
１０２ 酸液槽
Claims (9)
- アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌とを含有する硝化菌製剤であって、
前記アンモニア酸化細菌がニトロソコッカス属に属する細菌を含有し、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上であり、かつ
前記亜硝酸酸化細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が０．１％以上である、
硝化菌製剤。 - 前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が１．０％以上である、請求項１記載の硝化菌製剤。
- 前記ニトロソコッカス属に属する細菌の菌数は、前記硝化菌製剤中の全菌体数に対する個数割合が７．０％以上である、請求項１記載の硝化菌製剤。
- 前記亜硝酸酸化細菌がニトロコッカス属に属する細菌を含有する、請求項１～３のいずれか１項記載の硝化菌製剤。
- 前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の液状培養物を含む、請求項１～４のいずれか１項記載の硝化菌製剤。
- 前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌のペレットまたは凍結乾燥物を含む、請求項１～４のいずれか１項記載の硝化菌製剤。
- 前記硝化菌製剤が、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌が担体に担持された硝化菌担持体を含む、請求項１～４のいずれか１項記載の硝化菌製剤。
- 請求項１～４のいずれか１項記載の硝化菌製剤に含まれる、前記アンモニア酸化細菌及び前記亜硝酸酸化細菌の培養方法であって、
前記ニトロソコッカス属に属する細菌及び前記亜硝酸酸化細菌を含有する種菌を、湿潤状態の培地中で塩濃度を０．５モル／Ｌ以上１モル／Ｌ以下に保ちながら酸素存在雰囲気下でアンモニア成分と接触させる、培養方法。 - 前記培地中のマグネシウムの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上であり、かつリンの濃度が０．５ミリモル／Ｌ以上である、請求項８記載の培養方法。
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