JP4000593B2

JP4000593B2 - 固定化微生物担体及びその製造方法

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Publication number: JP4000593B2
Application number: JP2002253252A
Authority: JP
Inventors: 多佳子小笠原; 立夫角野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004089826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定化微生物担体及びその製造方法に係り、特に河川や湖沼等の水域の窒素、ＢＯＤ成分、及び藍藻類を生物学的に処理するための固定化微生物担体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
地球環境規模で水質汚濁防止策が問われている昨今、河川や湖沼等の水域の窒素、ＢＯＤ成分（有機物）、及び藍藻類（アオコ）等の浮遊性物質を処理する方法について、物理化学的処理法、生物学的処理法、物理化学的処理と生物学的処理を組み合わせた方法など様々な手法が検討されている。従来、生物学的な反応装置としては、その適用対象により固定床式と流動床式の反応装置に分かれる。例えば、被処理水処理や下水処理の場合には、曝気又は攪拌等によって固定化微生物担体を処理槽内で流動させながら被処理水と固定化微生物担体とを接触させて処理する流動床式の反応装置が主として使用される。一方、海洋、湖沼、河川等の水域を処理する場合には、固定化微生物担体を密に充填して形成した固定床と被処理水とを接触させて処理する固定床式の反応装置が主として使用される。これらの装置は、固定床内又は流動床内に被処理水を取り込んで固定化微生物担体に接触させることにより生物学的に処理し、処理水を装置外に放流するものであり、固定化微生物担体は被処理水との接触効率が大きくなるように、比表面積の大きな形状、例えば立方体、球形等の形状にするのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固定化微生物担体は、担体サイズが１０ｍｍ以下の例えば３ｍｍ程度のサイズ条件で流動床式の反応装置に適用した場合には優れた性能を発揮するが、担体サイズが１０ｍｍを超えるサイズ条件で、しかも固定床式の反応装置に適用した場合には、固定床を形成する固定化微生物担体同士の間に空隙部を保持しにくく、被処理水との接触効率が低下して処理性能の悪化を招く問題がある。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、担体サイズを大きくでき、しかも流動床式や固定床式の生物学的反応装置に関係なく高い処理性能を発揮することのできる固定化微生物担体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、微生物を包括固定又は付着固定する担体であって、該担体が、球体を所定の比率で切断して形成された形状であると共に、前記担体の平面部分に近い担体部分と曲面部分に近い担体部分において比重差が設けられていることを特徴とする。ここで微生物とは、分離された純粋な微生物に限らず、下水処理場の活性汚泥、湖沼、河川や海の底泥、土壌などの各種の微生物を含むものとする。
【０００６】
本発明の請求項１によれば、固定化微生物担体が、球体を所定の比率で切断して形成された形状であるので、担体の平面部分と別の担体の曲面部分が接触した部分には、大きな空隙部が形成される。また、担体を被処理水中に複数投入したときに、全ての担体の前記平面部分が同じ方向を向くように前記担体の平面部分に近い担体部分と曲面部分に近い担体部分において比重差を設けたので、固定床内の担体同士は同じ方向を向き、必ず平面と曲面とが接触するので、固定床の空隙率を一層大きくすることができる。
従って、この固定化微生物担体で固定床を構成すれば、立方体のように平面のみで形成されている従来の固定化微生物担体や球のように曲面のみで形成されている従来の固定化微生物担体に比べて固定床の空隙率を大きくできる。これにより、固定化微生物担体と被処理水との接触効率が向上するので、反応速度が速くなり生物学的な処理性能を向上できる。
【０００７】
また、固定化微生物担体の外面形状を、平面部分と曲面部分とで形成して担体の平面部分と別の担体の曲面部分とを接触させることで、担体同士が密接状態で充填されにくいと共に、担体サイズが大きくなった分、担体同士の空隙部も大きくなる。これにより、担体サイズを大きくしても、担体の充填量に対する間隙部の割合が小さくなりにくいので、固定床の空隙率が低減しにくい。この結果、担体と被処理水との接触効率が低下しないので、担体サイズを大きくすることができる。
【０００８】
ちなみに、従来の立方体や球体のように平面のみ又は曲面のみの担体で固定床を形成した場合、担体同士が密接状態で充填され、担体同士の間隙部が小さくなる。特にサイズの大きな担体ほど、担体の充填量に対する間隙部の割合が小さくなるので、固定床の空隙率が低減する。
【００１０】
本発明の請求項２は、請求項１において、前記平面部分には単一又は複数の凹部が形成されていることを特徴とする。これにより、水面に浮遊するアオコ等の浮遊性物質を担体の凹部に沈着させることができるので、固定化微生物担体で浮遊性物質も除去できる。
【００１１】
本発明の請求項５は、請求項１〜４の何れか１の形状の固定化微生物担体を成形するように作られた型枠内の底部に予め比重調整剤を投入しておき、その型枠内に固定化材料を投入して重合することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５によれば、請求項１〜４の何れか１の形状を有し、しかも担体を被処理水中に投入したときに、担体の平面部分が同じ方向を向くように担体部分に比重差を有する付着固定型の固定化微生物担体を製造することができる。
【００１３】
本発明の請求項６は、請求項５において、前記固定化材料に微生物を混在させることを特徴とする。これにより、請求項１〜４の何れか１の形状を有し、しかも担体を被処理水中に投入したときに、担体の平面部分が同じ方向を向くように担体部分に比重差を有する包括固定型の固定化微生物担体を製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って、本発明に係る固定化微生物担体及びその製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。
【００１５】
本発明の固定化微生物担体は、微生物を包括固定又は付着固定する担体であって、該担体の外面形状が平面部分と曲面部分とで形成されている。以下、本発明の固定化微生物担体を単に担体と称して説明する。
【００１６】
図１は、担体１０の外面形状が単一の平面部分１２と単一の曲面部分１４とで形成された一例で、球体を半分に切断した半球体の場合である。この場合、半球体に限定されず、球体を１／５と４／５の比率で切断した１／５球体、４／５球体でもよく、他の比率で切断して形成してもよい。図２は、担体１０の外面形状が単一の平面部分１２と複数の曲面部分１４Ａ，１４Ｂとで形成された一例で、図１の半球体に小さな半球体を重ねた形状である。また、図３は図１の半球体に円柱形状の部分を重ねたものである。尚、これらは一例であり、担体１０の外面形状が平面部分１２と曲面部分１４とで形成されている担体の全てが含まれる。曲面部分１４は凹状の曲面よりも凸状の曲面であることが好ましい。
【００１７】
担体１０の直径Ｄは、１μｍから数百ｍｍまで幅広く作成することができ、好ましくは１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲がよい。また、担体１０の担体内部には比重差が設けられ、担体１０を被処理水中に複数投入したときに、全ての担体１０の平面が同じ方向を向くように形成される。例えば、図１では担体１０の担体厚みＷのうちの平面部分１２に近い担体部分（以後「軽量部分」と称す）の比重よりも、平面部分１２から遠い担体部分（以後「重量部分」と称す）の比重の方が大きくなるように担体の部分において比重差が設けられている。軽量部分の比重は１．００２〜１．０１０の範囲が好ましく、重量部分の比重は１．０５０〜１．１００の範囲が好ましい。これにより、複数の担体１０を被処理水中に投入したときに、全ての担体１０は平面部分１２が上を向くようになる。担体１０が半球体の場合の担体厚みＷにおける軽量部分と重量部分との好ましい比率は、軽量部分が２／３、重量部分が１／３である。これにより、担体１０の被処理水中での姿勢が安定する。図２の例では、大きな半球体の部分を軽量部分とし、小さな半球体の部分を重量部分とした場合である。尚、担体１０は、常に平面部分１２が上を向く必要はなく、下向きでも横向きでも問題ない。要は、全ての担体１０が同じ方向を向いて整列されればよい。
【００１８】
図４及び図５は、担体１０の平面部分１２び担体内部１６を説明するもので、図１の縦断面図であり、担体内部１６は包括固定型の担体１０に関する説明である。
【００１９】
担体１０の平面部分１２には、単一な凹状又は複数の凹状から成る溜部１８が形成され、この溜部１８に、被処理水中に浮遊する藍藻類例えばアオコ等の浮遊性物質２０が捕捉される。この溜部１８は包括固定型の担体１０の場合、捕捉した浮遊性物質２０の有機性の分解物が脱窒の際の水素供与体として利用される。即ち、包括固定型の担体１０を河川や湖等の水域で使用した場合、包括固定された各種の微生物のうち、好気性細菌、例えば硝化細菌は被処理水中に溶存する酸素により好気性状態が形成され易い曲面部分１４寄りに優先繁殖する。一方、嫌気性細菌、例えば脱窒細菌は好気性状態が形成されにくく、且つ前記した溜部１８に捕捉されたアオコ等の分解物であるＢＯＤ成分を脱窒の際の水素供与体として利用し易い担体内部１６の平面部分１２寄りに優先繁殖する。これにより、担体内部１６に好気性細菌棲息部２２と嫌気性細菌棲息部２４が形成され、担体１０内で硝化・脱窒反応が行われる。
【００２０】
次に、本発明の担体１０の製造方法を説明する。
【００２１】
型枠形状が、平面部分と曲面部分とで形成されるように作られた型枠内に、成形される担体１０の担体重量に対して１０重量％の比重調整剤を予め投入しておく。そして、固定化材料として例えばプレポリマーを１５重量％及び重合促進剤を０．２重量％含有した水溶液に微生物を必要量懸濁してから、重合開始剤を０．２５重量％になるように添加した混合液を調製し、この混合液を前記した型枠内に流し込んでプレポリマーを重合してゲル化する。これにより、包括固定化型の担体１０が製造される。付着固定化型の担体１０を製造する場合には、前記した水溶液に微生物を必要量懸濁する工程を省略すればよい。
【００２２】
比重調整剤としては、金属粉、生分解性プラスチック類等のように、ゲル化される固定化材料との親和性高いものが良く、また担体１０に固定化され易く担体１０中の微生物に悪影響を及ぼさないものであれば、特に制限はない。例えば、金属ではマグネタイト、生分解性プラスチック類ではポリ乳酸系、カプロラクタム系、高級脂肪酸系のプラスチック類を好適に使用することができる。また、金属粉や生分解性プラスチック類を使用せずに、前記した担体１０の軽量部分と重量部分とで固定化材料に濃度差をつける方法も可能である。即ち、軽量部分よりも重量部分の固定化材料濃度を濃くすることで担体内部１６に比重差をつけるようにしてもよい。
【００２３】
また、固定化材料としては、ポリエチレングリコール系のプレポリマとしてはモノメタクリレート類、モノアクリレート類、ジメタクリレート類、ジアクリレート類、トリメタクリレート類、トリアクリレート類、テトラアクリレート類などを使用することができる。また、ウレタンアクリレート類、エポキシアクリレート類、その他、ポリビニルアルコール、アクリルアミド、光硬化性ポリビニルアルコール、光硬化性ポリエチレングリコール、光硬化性ポリエチレングリコールポリプロピレングリコールプレポリマ等を使用することができる。
【００２４】
次に、本発明の担体１０を使用した流動床式、固定床式、及び充填物式の反応装置の構成例を説明する。
【００２５】
図６は流動床式の反応装置３０であり、原水配管３２から被処理水が流入される反応槽３４内に本発明の多数の担体１０が投入され、反応槽３４内の底部に配置された散気板３６から反応槽３４内にエアが散気される。散気体３６にはブロア３８から圧縮エアが供給される。これにより、担体１０の微生物にエアが供給されると共に散気されるエアにより担体１０が反応槽３４内で流動し、被処理水と担体１０とが接触する。従って、被処理水中の窒素、ＢＯＤ成分（有機物）等が生物学的に処理される。また、反応槽３４内に浮遊する藍藻類（アオコ）は担体１０の平面部分１２に形成された溜部１８に沈着する。反応槽３４で処理された処理水は担体流出防止用のスクリーン４０を通って処理水配管４２から装置外に排出される。この流動床式の反応装置３０において、担体１０は、外面形状が平面部分１２と曲面部分１４とで形成されていると共に、担体内部１６には比重差が設けられている。従って、散気されたエアの気泡が担体１０の平面部分１２に当たるか曲面部分１４に当たるかによって担体１０の流動の仕方が変化し、これに担体内部１６の比重差が加わるので、担体同士が一様な流動ではなく個々に複雑な流動を行う。これにより、本発明の担体１０は、立方体又は球体のように、平面のみ又は曲面のみで形成され、担体部分に比重差のない従来の担体に比べて反応槽３４内を複雑な動きを伴って流動する。この結果、本発明の担体を流動床式の反応装置３０に使用すれば、担体１０と被処理水との接触効率が促進されるので、処理性能が向上する。
【００２６】
図７は固定床式の反応装置５０であり、反応槽５２内には上部スクリーン５４と下部スクリーン５６とが設けられ、この２つのスクリーン５４、５６の間に本発明の多数の担体１０が密に充填され、固定床５５が形成される。そして、原水配管５７から被処理水が流入し、固定床５５を上向流で流れて処理水配管５９を介して装置外に排出される。この固定床式の反応装置５０において、担体１０は、外面形状が平面部分１２と曲面部分１４とで形成されていると共に、担体内部１６には比重差が設けられている。これにより、固定床５５の全ての担体１０の平面部分１２が上を向くように配列され、担体同士の平面部分１２と曲面部分１４とが接触する。従って、多数の担体１０を密に充填して形成された固定床５５の場合でも、担体同士の間に大きな空隙部５８を形成できるので、固定床５５の空隙率を大きくできる。
【００２７】
図８は、充填物式の反応装置６０で、河川等の比較的水深の浅い水域６１の被処理水を処理するのに適している。充填物式の反応装置６０は、本発明の多数の担体１０を網状容器６２内に密に充填して成る充填物６４と、この充填物６４を被処理水中に支持するスタンド６６とで構成される。この充填物式の反応装置６０を、河川や湖沼等の水域６１に多数沈めることで、水域を処理して浄化する。この場合にも、本発明の担体１０を使用することで、多数の担体１０を密に充填した場合でも、担体同士の間に大きな空隙部６８を形成できるので、充填物６４の空隙率を大きくできる。
【００２８】
【実施例】
外面形状が半球体の担体の平面部分に凹部を形成した本発明の包括固定型の担体を固定床式の反応装置に適用した場合である。
【００２９】
尚、表１の本発明１（包括）は担体の部分において比重差を設けない包括固定型の担体であり、本発明１（付着）は担体の部分において比重差を設けない付着固定型の担体である。また、本発明２（包括）は担体の部分において比重差を設けた包括固定型の担体であり、本発明２（付着）は担体の部分において比重差を設けた付着固定型の担体ある。
【００３０】
本発明１（包括）の担体は、直径Ｄが４０ｍｍの半球状の型枠に、ポリエチレングリコール系樹脂（ポリエチレングリコールジアクリレート等の混合プレポリマ）１５重量％及びN,N,N ^', N ^'- テトラメチルエチレンジアミン（重合促進剤）０．２重量％を含む水溶液を調製し、この水溶液に窒素処理能力やＢＯＤ処理能力を有する菌体を必要量懸濁し、これに過硫酸カリウム（重合開始剤）を０．２５重量％になるように添加した混合液を作り、この混合液を前記した型枠に流し込んで重合してゲル化した。本発明１（付着）の担体は、菌体を懸濁しなかった以外は本発明１（包括）と同様に製造した。
【００３１】
また、本発明２（包括）の担体は、直径Ｄが４０ｍｍの半球状の型枠に、予め担体重量に対して１０重量％のマグネタイト（比重調整剤）を投入しておき、その型枠に本発明１（包括）で説明した混合液を流し込んで重合してゲル化した。本発明２（付着）の担体は、菌体を懸濁しなかった以外は本発明２（包括）と同様に製造した。
【００３２】
一方、従来法の担体は、担体外形が一辺４０ｍｍの立方体又は直径が４０ｍｍの球型である点、及び溜部がない点以外は、本発明１（包括）と同様に製造した。
【００３３】
このように製造した本発明１（包括）、本発明１（付着）、本発明２（包括）、本発明２（付着）、及び従来法（包括）の６種類の担体をそれぞれの固定床式反応装置に１ｍ³( かさ体積）になるように充填してそれぞれ固定床を形成した。これらの６台の固定床式の反応装置を某所の湖（容積３０００ｍ³）の湖面に浮かべ、装置下部から導入した湖水を固定床で処理した後た装置上部から装置外に放流した。そして、５台の固定床式の反応装置について、導入水及び放流水を採取して全窒素除去率、ＢＯＤ除去率及びアオコの細胞数の変化を調べた。
【００３４】
結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１に示すように、従来法では、固定床内の担体が相互に密接した状態で充填され担体同士の空隙部が小さいために、担体と被処理水との接触効率が低くなる。この結果、Ｔ−Ｎ（総窒素）除去率は３０％〜４０％と悪かった。また、固定床の空隙率が小さいために固定床内で汚泥閉塞を生じ易く、運転不良が頻発した。この為、固定床の清掃を頻繁に行う必要があり安定した運転ができなかった。
【００３７】
これに対し、本発明１（包括）では、担体の外面形状が半球であるため、従来法よりも固定床内での空隙率を大きくでき、被処理水との接触効率が高いので、Ｔ−Ｎ（総窒素）除去率は７０％と良好であった。また、固定床における汚泥の閉塞も認められず、安定した連続運転を行うことができた。更に、担体内部に比重差を設けた本発明２（包括）では、Ｔ−Ｎ除去率は９０％と極めて良好な結果を得ることができた。この理由は、担体内部に比重差を設けることで固定床内の担体は全て平面が上を向いた状態で配列されるので、担体の平面部分と他の担体の曲面部分とが必ず接触するようになり、固定床の空隙率を一層高くできるためである。
【００３８】
また、本発明１（包括）及び本発明２（包括）共に固定化微生物担体の平面に形成した溜部には、アオコ等の浮遊性物質が沈着し捕捉でき、この分解物が脱窒の水素供与体として消費されたので、水域のアオコ処理とＢＯＤ処理にも効果があった。具体的には、従来法でのＢＯＤ除去率が４０％であったのに対し本発明１（包括）でのＢＯＤ除去率が８０％であり、本発明２（包括）でのＢＯＤ除去率が９０％であった。アオコ処理についてみると、従来法では、処理前のアオコ細胞数１０⁴以上を１オーダー低減できたが、本発明１（包括）及び本発明２（包括）では３オーダーまで低減できた。
【００３９】
また、本発明１（付着）及び本発明２（付着）の付着固定型の担体の場合には、本発明１（包括）及び本発明２（包括）の包括固定型の担体に比べて、Ｔ−Ｎ除去率、ＢＯＤ除去率、アオコ細胞数ともに多少劣るものの、従来法に比べると良い結果となった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、担体サイズを大きくでき、しかも流動床式や固定床式の生物学的反応装置に関係なく高い処理性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固定化微生物担体の外観図
【図２】本発明の固定化微生物担体の別の外観図
【図３】本発明の固定化微生物担体の更に別の外観図
【図４】本発明の固定化微生物担体の平面部分と担体内部を説明する図１の縦断面図
【図５】本発明の固定化微生物担体の別の平面部分と担体内部を説明する図１の縦断面図
【図６】本発明の固定化微生物担体を流動床式の反応装置に適用した概念図
【図７】本発明の固定化微生物担体を固定床式の反応装置に適用した概念図
【図８】本発明の固定化微生物担体を充填物式の反応装置に適用した概念図
【符号の説明】
１０…本発明の担体、１２…担体の平面部分、１４…担体の曲面部分、１６…担体内部、１８…溜部、２０…浮遊性物質、２２…好気性細菌棲息部、２４…嫌気性細菌棲息部、３０…流動床式の反応装置、３２…原水配管、３４…反応槽、３６…散気板、３８…ブロア、４０…スクリーン、４２…処理水配管、５０…固定床式の反応装置、５２…反応槽、５４…上部スクリーン、５５…固定床、５６…下部スクリーン、５７…原水配管、５８…空隙部、６０…充填物式の反応装置、６１…水域、６２…網状容器、６４…充填物、６６…スタンド、６８…空隙部

Claims

微生物を包括固定又は付着固定する担体であって、該担体が、球体を所定の比率で切断して形成された形状であると共に、前記担体の平面部分に近い担体部分と曲面部分に近い担体部分において比重差が設けられていることを特徴とする固定化微生物担体。
前記平面部分には単一又は複数の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１の固定化微生物担体。
微生物を包括固定又は付着固定する担体であって、該担体が、球体を所定の比率で切断して形成された第１の担体の曲面部分に、前記球体よりも小さい球体を所定の比率で切断して形成された第２の担体の平面部分を重ねた形状であると共に、前記第１の担体と第２の担体との間に比重差が設けられていることを特徴とする固定化微生物担体。
微生物を包括固定又は付着固定する担体であって、該担体が、球体を所定の比率で切断して形成された第３の担体の平面部分に、円柱形状の第４の担体の一方の平面部分を重ねた形状であると共に、前記第４の担体の他方の平面部分に近い担体部分と前記第３の担体の曲面部分に近い担体部分において比重差が設けられていることを特徴とする固定化微生物担体。
請求項１〜４の何れか１の形状の固定化微生物担体を成形するように作られた型枠内の底部に予め比重調整剤を投入しておき、その型枠内に固定化材料を投入して重合することを特徴とする固定化微生物担体の製造方法。
前記固定化材料に微生物を混在させることを特徴とする請求項５の固定化微生物担体の製造方法。