JPS626799B2 - - Google Patents

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JPS626799B2
JPS626799B2 JP15675480A JP15675480A JPS626799B2 JP S626799 B2 JPS626799 B2 JP S626799B2 JP 15675480 A JP15675480 A JP 15675480A JP 15675480 A JP15675480 A JP 15675480A JP S626799 B2 JPS626799 B2 JP S626799B2
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biomass
liquid
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hours
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JP15675480A
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Yosefu Yohanesu Heinen
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Gist Brocades NV
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は無機性担体に付着させたバイオマス
（biomass微生物塊）の製造方法に関する。 すべての種類の生物学的製造方法において微生
物群（いわゆるバイオマス）は諸栄養素含有水と
接触して水中に存在する該諸栄養素を他物質へ転
化する。この型の重要な諸方法は廃水の生物学的
浄化法及び微生物による同化生成物としての所望
製品の微生物による分泌方法である。 廃水浄化の実際化に適用される方法において転
化速度（廃水中に存在する諸栄養素が転化される
速度）は反応器空間（１m3当り）に対して計算さ
れるがこの速度は反応器内で製造されるバイオマ
スの濃度が低いことにもとづき低いものである。
即ちこのことは次の場合に認められる： (a) 連続式反応器中で廃水からCODを除去する
生物学的好気的方法、 (b) 連続式反応器中での生物学的好気的硝化方
法、 (c) 連続式反応器中で廃水からCODを除去する
生物学的嫌気的方法、及び (d) 連続式反応器中での生物学的嫌気的脱窒方法
従前技術において典型的バイオマス濃度は１〜
３Kg／m2であり典型的転化速度は0.1〜３Kg
COD／m3（１日当り）である。 上記の諸方法におけるバイオマスの低濃度であ
ることは連続式反応器から微生物群を連続的に排
出させる際の微生物群の沈降速度が甚だ低いこと
にもとづく。 実際操作に当り微生物群を反応器から洗い出し
これを沈降、濾過又は遠心分離により可及的に分
別してから反応器へ戻す。けれどもこれらの分別
技法は高価（遠心分離）につくか又は特別な制約
（たとえば沈降槽内での浮遊スラツジ）があるの
で従つて上記のバイオマス濃度よりも高いバイオ
マス濃度は得られない。 微生物が所望の代謝産物を高濃度で生産する或
種の方法においてもその生産速度が妨げられるの
で反応器容積１m3当りの転化速度は低い。その一
例は炭水化物からのエタノールの製造である。生
産阻害はバイオマス１Kg当りの転化速度を遅くす
る。反応器容積１m3当りの高転化速度は反応器内
のバイオマス濃度の増加によつてのみ達成され
る。 上述のことから生物学的製造方法における高転
化速度の達成のためにはバイオマスの高濃度化が
必要であることが明らかである。 バイオマスの高濃度化達成のために著しく有望
な方法はバイオマスを担体へ付着させることであ
る。バイオマスを生育させた担体はその比重が充
分に高ければ高い沈降速度を有する。バイオマス
を生育させた担体の沈降速度が反応器排液口にお
ける液の流速よりも高ければバイオマスは決して
洗い去られない。 しかしながら担体に対するバイオマスの付着の
必要性は高い。高い転化速度を実際に得るために
該転化にとつて重要な他の因子（複）は障害を構
成してはならない。即ち高濃度のバイオマスを使
用する廃水浄化の好気的方法においてO2は更に
急速に移入されねばならない；廃水浄化の嫌気的
方法においてCH4及びCO2は更に急速に取り出さ
れねばならない。反応器中へ導入される廃水のPH
変化、基質濃度、温度又は有害物質濃度は液の適
切な混合により更に急速に調整されねばならな
い。 このことは反応器内の大量の機械的エネルギー
（これは反応器内の高いせん断力を包含する）を
分散させることによつてのみ達成され得る。従つ
て本発明において担体へのバイオマスの付着は高
せん断力の条件下でも依然として担体へバイオマ
スが付着していることである。 表面に対するバイオマスの付着は理解因難な工
程である。この分野における技術の概説はマルシ
ヤルの論文〔K.C.Marschall“The effect of
surfaces on microbial activity”、Water
Pollution Microbiology2（1978）51〕中に見出さ
れる。表面に対するバイオマスの付着に関しては
下記の両説がある： (1) 弱い力（静電界作用、フアンデルワールス作
用及び鈍い疎水作用）による表面へのバイオマ
スの付着。このバイオマスの付着は非常に弱い
ので例えば通気された流水中に生ずる弱いせん
断力によつても妨害される。これと同様な種々
の力は微生物群の凝集に対して影響する〔C.
W.C.Gregor et al.“Factors affecting the
flocculation of bacteria by chemical
additives”、Biot.and Bioeng.11（1969）
127and M.W.Tenny et al.、“Chemical and
autoflocculation of microorganism in
biological waste water treatment”、Biot.and
Bioeng.15（1973）1045を参照されたい。〕 結論は次の通りである。即ちこれらの弱い力
による微生物群の付着は高せん断力の作用で失
われる。既述の通り反応器容積１m3当りの転化
速度が高度に増加された生物学的方法において
は高度に増加されたせん断力が必要であるので
上記の種類の力によるバイオマスの表面付着は
興味ある問題ではない。 (2) 粘性ある薄膜（slime films）による表面へ
のバイオマスの付着。この種の付着は前記の弱
い力による付着よりも強い。実際に該付着は周
知であつて下記の諸文献の方法に類似する方法
に見出される： (a) Trickle filtres M.F.Kong et al.、
“Practical design equations for trickling
filter process”、Biot.and Bioeng.21
（1979）417、 (b) Fluidised bed denitrification、J.S.Jeris
et al.、“high rate biological
denitrification using ａ granular
fluidized bed”、J.Water Poll.Contr.Fed.46
（1974）、2118and Dutch patent
application73 08423、 (c) Fluidised bed BOD−reduction、J.S.
Jeris et al.、“Biological fluidised bed
treatment for BOD and nitrogen
removal”、J.Water Poll.Contr.Fed.49
（1977）816and Dutch patent application74
01957. 粘性薄膜による付着の問題が生じた場合にもバ
イオマスは強せん断力作用の生起の際に担体から
脱離して反応器から洗い去られる。上記文献(b)及
び(c)に記載の流動床工程においてこの現象が用い
られている。即ち反応器の閉塞（blocking）の防
止のために空気吹込によりバイオフイルム
（biofilms）を解除する。 担体に付着するバイオマスの形成に必要な諸条
件についても情報は乏しい。 一般的規則として、充分に広範囲の微生物群の
諸菌株を含有すると共に微生物群の生育及び（又
は）保存に必要な充分量の諸栄養素を含有する連
続的な液流と粒状担体とを、微生物群の充分に厚
い層が担体に付着するまで反応器空間内で常時接
触させることが規定され得る。 或る技術者達は担体物質を必須と考えている
〔D.W.Levine et al.、“Optimisation of growth
surface parameter in microcarrier cultieve”、
Biot.and Bioeng.21（1979）821〕。 バイオマス層を付着させた担体の流動粒子群を
使用する上述の既知諸方法において通常の廃水か
ら採取された常用のバクテリアを植え付けられた
担体粒子群を“流動床反応器”中へ導入し、次に
予め空気を溶解させた廃水の上方向への流れによ
つて担体を流動条件下におく。かようにしてバイ
オマス層が担体粒子群上に形成される。 ところが既述の通り高せん断力の条件下ではバ
イオマスは担体から脱離してしまう。 たとえ高せん断力条件下にあつてさえもバイオ
マスが脱離しないようにバイオマスを担体に付着
させておく可能性を研究した結果、操業諸条件が
臨界的であると考えられた。 まず第一に担体上へ空気活性化スラツジを生育
させるために流動化自体が必須要件かそれとも担
体物質の性質が必須要件かについて一連の試験を
行なうことから出発した。高さ６ｍ直径25cmのコ
ラム状反応器の中でこの試験を行なつた。温度を
40℃としPH値を6.5〜8.0に調整した。星形散布機
によりコラム底部からコラム内へ空気を吹込ん
だ。空気通入量は0.7〜19.2Nm3／ｈの範囲内で変
化した。この量は表面気体速度0.38〜11cm／ｓに
該当する。これらの諸条件下で動力消費は38〜
1100W／m3である。表面速度２cm／ｓ及びそれ以
上に対応する空気量を使用したときにコラム内の
液の運動は高度の乱流をなす。廃水はコラム底部
の通過の際に25／ｈの量を示した。このことは
コラム内の液の滞留時間が11時間であつたことを
意味する。 廃水のCOD濃度は両極端の限度として3000及
び12000mgCOD／において毎日変化した。この
廃水は予めすべての存在し得る懸濁有機物質を除
去されたものであつた。 次に下記の担体諸物質について使用試験を行な
つた： 川砂利、粒径 0.8〜1.2 mm 銀砂、粒径 0.1〜0.3 mm ガラス砕片、粒径 0.25〜0.32mm ガラス砕片、粒径 0.1〜0.12mm 活性炭、粒径 0.25〜１ mm及び エツフエルラバ（Eiffel−lava）、粒径＜１mmこ
れらの担体物質の夫々を用い流動性皆無から流動
性良好にわたる変化のひろい範囲内で流動状態に
ついて試験を行なつた。これらの担体上のバイオ
マスの生育についてコラム中で２又は３週間にわ
たり各担体を試験した。ところがこの系の全試験
において失望的結果が得られた。というのは活性
好気性のスラツジが全く付着しなかつたのであ
る；この結果から結論されたことは担体の性質及
び“流動性から非流動性にわたる変化の試験条
件”は担体上への活性好気性スラツジ付着のため
の必須要因ではなく、他の要因が重要であるとい
うことである。 更に諸試験を行なつた結果強せん断力下でも脱
離しない担体上のバイオマスフイルムを得るには
担体を液と接触させる場合に反応器内の液の１m3
当り0.04〜1.5kWの機械的エネルギーを液内で消
費すること、少なくともエネルギーの一部分は液
を通つて泡沸するガスの形状で消費されること及
び反応空間内での液の滞留時間は微生物群の相反
的最大生育速度（reciprocal maximum growth
rate）よりも短く保たれることが必須であること
がわかつた。 これらの諸要件は次のように説明され得るであ
ろう。反応空間を通過する未処理廃水は諸種の微
生物を大量に含有するがこれらのうち或種の微生
物は高せん断力（コラム内に存在する）の諸条件
下でも反応器内の担体に付着している性質を有す
ると共に廃水中の夾雑物を分離する能力を有す
る。 反応空間内での液の滞留時間が微生物の相反的
最大生育速度よりも短く保たれるように供給ポン
プからの廃液供給量を調節し、それと同時に反応
液１m3当り約0.04〜1.5KWの機械的エネルギーを
液の流動と循環及びガス泡沸によつて消費させ、
それによつて反応液内に充分に高いせん断力を発
生させ、かようにして反応空間内での液の通過に
より非付着性微生物を担体に付着させることなく
洗去し得る。そこで担体に付着し得る微生物は非
付着微生物と共に生育しない。付着性微生物は担
体に付着するのでコラムから洗去され得ず、付着
微生物に利用され得る残存基質を消費する。しか
るに非付着性微生物はこの基質上に生育するに要
する時間を持ち得ない。 微生物の最大生育速度は微生物の型に、基質の
型に、温度に、及びコラム中の基質濃度に一般に
依存する。従つて水の好気的浄化に参与する微生
物と脱窒作用をする微生物とは一般に急速に生育
し、水の嫌気的浄化に参与する微生物と硝化作用
をする微生物とはずつと遅く生育する。周知の通
りすべての微生物の最大生育速度はアレニウス関
係式に従い温度と共に増加する。 廃水の好気的浄化のために、微生物の最大生育
速度を可能とする条件の下で、反応器内の液の滞
留時間を実際に45分間以下とした場合に担体上に
バイオマスの良好な付着層が達成されることがわ
かつた。液の滞留時間を更に長引かせることは可
能であるが必要でない。 反応器内容物の温度が30〜50℃であれば担体上
の好気的なバイオマスの層形成に必要な液の滞留
時間は多くとも30分間に調整されることが好まし
い。これ以上に滞留時間を長くしても良成績を得
られないし経済上の意味も少ない。 担体上に嫌気的なバイオマスを生成させるとき
の滞留時間は１〜４時間が好適であつて反応器内
容物の温度が30〜50℃であれば２〜３時間が好適
である。 但し一般的な態様として反応器内排水滞留時間
に関し更に詳細に述べると以下の通りである。 Ｃ物質の酸化（好気性） 0.2〜10時間 易同化性基質又は電子供与体使用（30〜60℃）
0.5〜２時間 難同化性基質又は電子供与体使用（10〜30℃）
２〜10時間 Ｎ化合物の酸化 １〜５時間 NO3 -のN2ガスへの還元 0.2〜10時間 有機化合物から揮発性低級脂肪酸生成
１〜15時間 揮発性低級脂肪酸のCH4／CO2への転化（嫌気
性） １〜24時間 COD濃度１〜10ｇ／（30〜60℃）の場合
１〜４時間 COD濃度10〜60ｇ／（10〜30℃）の場合
４〜15時間 反応空間内での液の滞留時間の調整は原則とし
て反応器を通過する液量を変化させることにより
行なわれ得る。しかしながら或場合にはこれに対
し実際に制限を施す。例えば担体上に好気的微生
物塊を生成させるときには比較的短い滞留時間と
なるように調整すべきであるのみならずCOD転
化のために充分量の酸素を使用すべきである。 理論的にCODの１Kg当り約1.1Kgの酸素を必要
とし、担体上に好気的なバイオマスを生成させる
際には、反応空間内へ入つてくるCODの１Kgに
ついて少なくとも0.8〜1.6Kgの酸素が反応液に移
入されるような量で空気及び（又は）酸素が導入
されることが好ましい。 しかしながら反応空間内へ導入され得る空気及
び（又は）酸素の量は最高量に制限される。従つ
て工業廃水、特に生物学的諸材料を取扱うか又は
生物学的方法を使用する工場からの廃水に関し
屡々認められるように適用対象の廃水が著しく夾
雑して（高いCOD値をもつて）いるならば反応
器へ通す液量を変化させることは容易でなく、反
応器を通過する空気及び（又は）酸素の最大量を
考慮してCOD値が適当となるように廃水を希釈
すべきことが屡起こる。 空気を導入し、反応器内の液の滞留時間を例え
ば15〜30分間とする実際操作の好気的反応器につ
いては廃水のCODを200〜500mg／とすること
が適当である。空気の代りに酸素を使用すれば廃
水のCODを約５倍に、即ち1000〜2500mg／に
高め得る。 反応工程の円滑化のために反応器内に泡沫を形
成させないことが望ましい。従つて必要ならば消
泡剤を添加し得る。シリコン類例えばグリコール
ポリシロキサン、メチルフエニルポリシロキサ
ン、液状ポリジメチルシロキサン、プロピレング
リコール、トリエタノールアミン、高級アルコー
ル類、ポリオキシアルキレンのような既知のいか
なる消泡剤も適当である。 本発明の方法を担体に付着させたすべての種類
のバイオマス例えば廃水の生物学的浄化に適用さ
れるようなバイオマス、好気的バイオマス、嫌気
的バイオマス、硝化作用バイオマス及び脱窒作用
バイオマス並びにアルコール生産用バイオマスの
如き高濃度では元来の生成速度が阻害されるが所
望の代謝産物を生成するバイオマスに対して適用
し得る。 本発明に従つて得られる担体上のバイオマスは
従前方法で使用されるよりもかなり高いバイオマ
スの濃度の達成を可能にする。 下記の諸例によつて本発明は更に説明されるが
該例では添付の第１及び５図に示されるコラムを
使用する。該コラム１の頂部に沈降脱気器２を具
え、該脱気器は溢流管３及び排気管４を有する。
又必要に応じて供給口５を設け消泡剤を供給し得
る。コラム底部の廃水導入点６から廃水を導入す
る。線９を介して８個の枝管をもつ星形散布器を
経て空気を吹込む（第１図参照）。送水点７又は
８を経て水道水を導入し得る。コラムの背部の所
で処理済み廃水の排出口の中にサンドトラツプ
（sand trap）〔図示しない〕を設ける。 本発明におけるバイオマスの担体付着は反応液
中での一定量の機械的エネルギーの消費と液の滞
留時間とにのみ影響されるのであるが、そのこと
を裏付ける具体的実験データと技術的根拠とを示
すために次のように説明を行なう。 担体に固着するバイオマス層の生育は該固着す
るバイオマス層を達成する微生物群の最大生育速
度（μmax）よりも高い希釈速度（dilution
rate）を反応の当初から維持することによつての
み達成可能である。更に、非付着性の共存微生物
群を担体表面から洗去するためには反応液の単位
容積当りの機械的エネルギーの充分量の消費が必
要である。たとえ多種類の担体物質を使用して
も、流動化と表面気体速度〔これは撹乱流
（turbulence）と比例する〕とを色々に変えてみ
ても、バイオマス層生成は決して起こらないこ
と、反応器内の懸濁浮遊バイオマスについても充
分な微生物学的活性が観察され、COD純化効率
（CODpurification efficiency）は約70％であるこ
とが判つた。 担体（砂0.1〜0.3mm）を使用し、流動床反応器
内で供給ポンプ流速（feed pump flow rate）を
増加させることにより希釈速度を0.1h-1から
2.4h-1へ増加させた時にバイオマスの厚い層が１
週間以内に急速に担体を被覆した。 実験記録によるとCOD負荷と気及び液速（gas
and liquid velocity）との定常条件の下で生物学
的好気的流動床反応器内で希釈速度(D)を3.2h-1か
ら0.1h-1へ減少させた場合には24時間以内に担体
（砂）上のバイオマス層は壊滅して懸濁バイオマ
ス濃度が高くなるという甚だ劇的な流速変化の影
響が見られた。 上記の実験結果は本発明方法の操作の開始当初
から希釈速度をμmax（最大生育速度）よりも高
く保つならば、そして廃水処理の継続する間希釈
速度をμmaxよりも高く保つならば、固着バイオ
マス層が達成されることを明示するものである。
更に良好付着バイオマス層の形成に及ぼす液滞留
時間の影響について下文の通りに記載する（Ｃ−
酸化、硝化、酸生成及びCH4 -生成）。 流動床反応器中で良好付着バイオマス層を形成
させる場合に液の滞留時間は臨界的助変数である バイオマス層形成に対する液の滞留時間の臨界
的効果を証する諸試験例が後文中に示される。こ
の効果を測定するに当り反応器に対する基質負荷
を一定にし、水理学的滞留時間を長くして基質濃
度を増した。 全実験を37℃、PH６−８、担体として砂の使
用、及びギストブロカデス工場廃水の使用下に行
なつた。その結果は下記の通りである。 Ｃ酸化の場合 渦流空気送給下の流動床反応器内で液の滞留時
間を３／8hrとしたときにバイオマス固着層が砂
上に形成された。液の滞留時間を９時間に増すと
該バイオマス層は急速に破壊された。 即ち Ｄ（希釈速度）＝８／3h-1＝2.7h-1付着 Ｄ＝１／9h-1 ＝0.11h-1脱着 μmax＝0.24h-1 これは付着のためにＤ＞μmaxが満足されたこ
とを意味する。 硝化の場合 渦流空気送給下の流動床反応器内で液の滞留時
間を3hrとしたときに固着硝化用バイオマスが砂
上に形成されたが5.5又は11時間では形成されな
かつた。 即ち Ｄ＝0.33h-1 付着多 Ｄ＝0.18h-1 付着少 Ｄ＝0.09h-1 付着は有意でない 硝化の場合のμmaxを0.1〜0.20h-1と定め得た
がこれはＤ≧μmaxの条件が満足されたことを意
味する。 酸生成の場合 液の滞留時間が約2.6時間のときに嫌気的流動
床反応器内で酸生成性バイオマスの固着層が形成
されたが4.35時間では固着層はあまり形成されな
い。 即ち Ｄ＝0.38h-1 付着多 Ｄ＝0.23h-1 付着少 酸生成性微生物の正確なμmaxは未知であるが
希釈基質内では一般に0.2〜0.5h-1の範囲内にあ
る。従つてこの実験の場合にもＤ＞μmaxの条件
がバイオマス層形成にあてはまる。 CH4生成の場合 脂肪酸をCH4へ転化させる固着性バイオマス層
が液の滞留時間２時間のときに形成された。該固
着は液の滞留時間24時に及んでも安定であつた。 即ち Ｄ＝0.5h-1 付着多 Ｄ＝0.04h-1 付着多 メタン生成細菌のμmaxは0.005〜0.01h-1と定
められる。よつてこの実験の場合にもＤ＞μmax
の条件が安定なバイオマス層形成に適用される。 試験例 Ａ 好気的Ｃ酸化用の流動床反応器内の担体上での
微生物の付着生育及び脱着生育及ぼす液の滞留
時間の影響 本明細書に後記する実施例のひとつ即ち例の
操業の後に該例の操業を14日間維持した。 砂担体上の固着バイオマス量は砂１ｇ当り66mg
（有機乾物）であつた。（これは反応器容積１当
りバイオマスとして15ｇの有機乾物に相当し、反
応器容積１当り砂量は235ｇである。） 反応器内の懸濁バイオマス量は僅少（約50mgの
有機乾物／）であつた。 懸濁バイオマス／付着バイオマスの比は0.05／
15＝0.003であつた。 上記の14日間の後に液の滞留時間を3/8時間か
ら９時間へ増加させた。 液の滞留時間を９時間とした理由は得られた
0.11h-1という希釈速度が好気的Ｃ酸化培養物の
μmax決定値（μmax＝0.24h-1）よりかなり低い
からであつた。 Ｄ＞μmaxという技術思想にもとづき存在する
バイオマス層が崩壊するであろうことが期待され
た。 反応器のおよそ定常的なCOD負荷の下に液の
滞留時間を変更し、泡沸式コラム反応器内の液の
表面速度を定常に保持した。 反応器に対する廃水供給量を0.80m3／ｈ及び約
300mgCOD／から約0.033m3／ｈ及び約7000mg
COD／へ変更することによつて上記の操作を
行ない、液の再循環量を0.76m3／ｈとした。 このことは次のことを意味する。即ち液の滞留
時間の変更前及び変更後に反応器のCOD負荷量
は約18〜20KgCOD／m3／日であり、液の表面速
度は0.8／（0.25）2＝16ｍ／ｈであつた。 このように操作したことにより液の滞留時間は
3/8時間から９時間に変更された。 操業24時間において次の結果が得られた： (a) COD純化率は70％であつた； (b) 反応器内の懸濁バイオマス量は0.05ｇ／か
ら５〜10ｇ／へ増加した； (c) 反応器内の付着バイオマス量は約２ｇ／即
ち砂１ｇ当り約９mg（有機物質として）であつ
た。 結論として、バイオマス付着及びその維持のた
めに液の滞留時間を短く（3/8時間と）すること
が必須である。液の滞留時間を長く（τ＝９時
間）すると存在するバイオマス層の急速な脱着
（砂１ｇ当り微生物量66mgから９mgへ減少）及び
懸濁微生物量の増加（液１当り0.05ｇから５ｇ
以上へ増加）をみちびく。 この観察結果は、好気的Ｃ酸化において液の滞
留11時間という条件下でバイオマス層が形成され
なかつたことの観察結果と完全に一致する。 よつてτ＜１／μmax（即ちＤ＞μmax）の場
合には安全なバイオマス層が形成されること（τ
＝3/8時間；１／μmax＝１／0.24h-＝4.2時間）
及びτ＞１／μmaxの場合にはバイオマス層は形
成されない（τ＝11時間；１／μmax＝4.2時
間）か又はこの試験例における通り崩壊する（τ
＝９時間；１／μmax＝4.2時間）ことが結論さ
れる。 試験例 Ｂ 担体への硝化性微生物付着に及ぼす水理学的滞
留時間の影響 反応器：Ｈ＝1.1ｍ Ｄ＝0.036ｍ 沈降装置（Settler device）：Ｈ＝0.11ｍ Ｄ＝0.104ｍ 全容積：３ 操作条件 (a) 廃水（予め嫌気的に純化されたもの）として
200mgのNH4 +−Ｎ／を含有する液を使用し
た； (b) 反応器内でのPHは約7.5であつた； (c) 温度36℃； (d) 液表面速度30〜40ｍ／時とするために廃水を
循環させた； (e) ガス表面速度約４〜６cm／秒とするために空
気／O2混合物を送給した； (f) 担体として0.1〜0.3mmの寸法の250ｇの砂を
加えた。 ガス／液流動に共同作用により均質で高度渦動
の担体懸濁物を得た。空気に対しO2を加えて無
制限に通気した。 結 果 並列の３個の反応器を用いて３種の異なる液滞
留時間を適用した： τ＝３時間（廃水供給速度１／時） τ＝5.5時間（廃水供給速度0.55／時） τ＝11時間（廃水供給速度0.27／時） 砂上の硝化性微生物量を次の２方法により測定し
た： (a) 回分式反応器中の砂に対する付着微生物の硝
化活性（NO2 -／NO3 -の産生能）の測定； (b) 砂上の有機物塊の測定 試験結果は下表の通りであつた：
【表】 この試験データにはひとつの欠点がある。 NH4 +濃度を一定にして液の滞留時間を増すと
反応器に対するNH4 +負荷を減少させることとな
り、これは砂上での微生物活性能低下へみちび
く。 よつて試験を繰返してNH4 +負荷をおよそ定常
とし液の滞留時間を変化させた。このことはτ
（滞留時間）を増す時にNH4 +濃度を増すことによ
つて遂行された。 下記の条件を用いた： τ＝３時間の供給液中NH4 +＝130mgＮ／ τ＝5.5時間の供給液中NH4 +＝240mgＮ／ τ＝11時間の供給液中NH4 +＝650mgＮ／ この試験例において既述の結果と同様の結果が
得られた。 上記の試験から次のこと、即ち砂上（渦流条件
下）で硝化微生物の有意な生育のために液の滞留
時間は３〜5.5時間以下即ちＤ＞0.18〜0.33h-1で
あるべきことが明らかである。 この結論はＤ＞μmaxという技術思想と一致す
るがその理由は温度36℃、PH＝９〜８において硝
化微生物のμmaxはおよそ0.10〜0.2h-1であるこ
とにある。 試験例 Ｃ 可溶性有機廃物を脂肪酸へ転化する酸生成性微
生物の担体上付着に及ぼす水理学的保持時間の
影響 反応器 高さ＝18ｍ 容量＝3.4m3 径＝0.49ｍ 分別器 高さ＝１ｍ 容量＝0.27m3 径＝0.7ｍ 条 件 温度＝37℃ 砂担体径0.1〜0.3mm 1200Kg PH＝7.0 表面液速度 12ｍ／時 廃水：ギストーブロカデス社工場からの粗廃水
COD約５ｇ／ 下記の成績が得られた： τ＝4.35時間→Ｄ＝0.23h-1 付着菌生育は少なくて不規則である τ＝2.5〜2.7時間→Ｄ＝0.37〜0.4h-1 付着菌生育良好 （バイオマス層25ｇ／、150ｇ砂／） 菌付着生育に及ぼす液の滞留時間の影響につい
ても検討した。 再生成微生物のμmaxは一般に約0.2〜0.5h-1で
ある。微生物の付着生育のための上記廃水に関す
る所要の液滞留時間は本試験例において約３〜４
時間、即ち希釈速度Ｄは約0.25〜0.33h-1であ
る。従つて本試験例においてもＤ＞μmaxという
必須条件が示された。 試験例 Ｄ 低級脂肪酸をCH4へ転化するCH4生成性微生物
の担体上付着に及ぼす水理学的保持時間の影響 反応器 高さ＝2.15ｍ 容量＝17 径＝0.1ｍ 分別器 高さ＝0.26ｍ 容量＝11 径＝0.22ｍ 条 件 PH＝6.8〜7.3 砂担体径0.1〜0.3mm 250ｇ／ 温度＝37℃ 表面液速度＝10ｍ／時 廃水：酢酸、プロピオン酸、酪酸含有の予備酸性
化廃水 脂肪酸によるCOD＝2.5ｇ／を有する廃水に
ついて液滞留時間２時間の場合に接種を行なうこ
となく高活性CH4生成細菌の厚いバイオマス層
（80μｍ）を（２ケ月以内に）担体砂上に形成し
た。 試験開始当初から液の滞留時間を保持させた。
付着バイオマス層は2.5ｇCH4／ｇ（微生物）／
日というメタン生成高度活性を示した。 水理学的滞留時間を比較的に長くした場合の付
着安定性を検討した。この試験の際に約30Kg
COD／m3／日となるように脂肪酸の反応器に付
する容量負荷を一定とするために脂肪酸濃度を増
加させた。 これらの条件を下表に示す：
〔文献１〕
J.J.Heijnen.K.van′t Riet、Mass transfer、
mixing and heating transfer phenomena in
low viscous bubble column reactors、Fourth
European Conference on mixing、April 27−
29、1982、ｐ、195、Noordwijkerhout、The
Netherlands； 〔文献２〕 K.Rietema、S.P.P.Ottengraf、Laminar
liquid circulation and bubble streat formation
in ａ gas−liquid system、Trans.Instn.Chem.
Engrs.、48（1970）T54； 〔文献３〕 R.B.Bird、W.E.Stewart、E.N.Ligthfoot、
Transport Phenomena、John Wiley and Sons
N.Y.（1960）p.214 から採用されるか又は直接導出される下記の約７
個の方程式の助けを借りている。 流動床内での機械的エネルギーの消費は流動床
を通過する液によるのみならず流動床を通過する
ガス流によるものである。該消費エネルギーのお
よその計算のために下記のデータが必要である： １ 流動床内での表面ガス速度をＶsg（ｍ／ｓ）
で表わす。好気的操業の場合にＶsgは式１によ
つて与えられる： Ｖsg＝Ｑg／Ａ (1) 但し式中Ｑg（m3／ｓ）は通常条件即ち０℃
１バールにおける空気の排出容積（out put）
であり、Ａ（m2）は流動床の断面積である。従
つて反応器頂部（ここでは圧力がおよそ大気圧
と等しい）におけるＱgは最大値Ｑgに該当す
る。 嫌気的操業の場合にＶsgは式1aで与えられ
る： Ｖsg＝Ｑｇ′・Ａ・Ｈ／２４．３６００．Ａ＝1.16×
10-5Qg′H（1a） 但し上式中Ｈ（ｍ）は流動床の高さであり、
Ｑg′は１日当りの反応器容積当りの生成ガス容
積である。 式1aから判る通り、ＶsgはＨに比例して増加
する。Ｑg′が最大値である場合にこれはバイオ
マス層が曝される最高エネルギー消費量を表わ
す。 ２ 流動床内での表面液速度をＶSL（ｍ／ｓ）で
表わす。廃水導入量をＱL（m3／ｓ）、再循環廃
水量をＱRL（m3／ｓ）で表わすと該表面液速度
は式２で与えられる： ＶSL＝ＱＬ＋ＱＲＬ／Ａ (2) ３ 流動床の比重をρB（Kg／m3）で表わす。流
動床は液と微生物生育粒子群とから構成されて
いるので流動床比重は担体物質の濃度即ちＣC
（Kg／m3）の関数であると共に担体物質の比重
即ちρCの関数である。バイオマス層の比重が
水の比重（1000Kg／m3）と等しいと仮定すれば
流動床比重は式３で与えられる： ρB＝〔1000×（１−ＣＣ／ρＣ）＋ＣC〕 (3) ４ 流動床内の液滞留量をεLで表わす。該流動
床内の液滞留量は担体容積内及びバイオマス層
容積内のガス滞留量即ちεgの関数である。該
ガス滞留量は表面ガス速度Ｖsgからみちびか
れ、参考文献１に従いおよその相関が式４で示
される： εg＝0.6（Ｖsg）0.7 (4) ガス滞留量を実測しない場合にもガス滞留量
の算定のために式４を使用し得る。バイオマス
層容積は流動床内のバイオマス濃度即ちＣXと
直接的に比例し、該ＣXはKgD.M.／m3（但しD.
M.は乾物を意味する）で示される。１m2のバ
イオマス層は150KgD.M.に相当することが実験
的に見出された。 従つて液滞留量は次式５で与えられる： εL＝１−ＣＣ（１−εｇ）／ρＣ −ＣＸ（１−εｇ）／１５０−εg (5) 上式(5)中の項（１−εg）は流動床から採取
された試料にもとづきＣC及びＣXを計測する際
の後項である。この場合に該試料はその中のガ
スフラクシヨンを失つているがこれは勿論のこ
とである。 ５ ガス流動にもとづく液の単位容積当りのエネ
ルギー消費量は（Ｐ／Ｖ）g（Ｗ／m3）〔文献２
及び３参照〕で表わされる。該ガス流動にもと
づくエネルギー消費量は式6aで与えられる： （Ｐ／Ｖ）g＝ρＢＧ Ｖｓｇ（１−εｇ）／εＬ（6a
） 但し式中Ｇは重力加速定数（ｍ／sec2）であ
る。 ６ 液の流動にもとづく液の単位容積当りのエネ
ルギー消費量は（Ｐ／Ｖ）L（Ｗ／m3）〔文献２
及び３参照〕で示される。該液流動にもとづく
エネルギーは式6bによつて与えられる： （Ｐ／Ｖ）L＝（ρＢ−１０００）ＧＶＳＬ（１−εｇ
）／εＬ（6b） ７ 流動床内における液の単位容積当りの全エネ
ルギー消費量は（Ｐ／Ｖ）（Ｗ／m3）で示され
る。該全エネルギー消費量は式７によつて与え
られる： （Ｐ／Ｖ）＝（Ｐ／Ｖ）g＋（Ｐ／Ｖ）L (7) 前式6a及び6bは文献２からみちびかれる。
液流動の際の液の比重を1000Kg／m3（およそ純
水の比重）と仮定し、ガス流動の場合にガス比
重をゼロと仮定すればこれらの式がベルヌイの
法則〔文献３参照〕を用いてみちびかれ得るこ
とは明らかである。 本発明方法の適用に当り全エネルギー消費量計
算値は上式３及び５に従い常に担体物質の比重に
依存するが嫌気的操業の場合には更に上式1aに従
い流動床の高さに依存する。 液の単位容積当りの機械的エネルギー計算に関
する他の計算方法として公知刊行物（W.
Freedman et al.、TRANS INSTN.CHEM.
ENGRS.、Vol.47（1969）、p.T251−T262）を引
用して説明する。 εg（ガス滞留量）の計算 表面ガス速度（Ｖsg）の関数としてのεgの多
様性（diversity）を証明するために上記刊行物
のT251頁を引用する。この刊行物のFig.１に多
数の引用論文（T262頁右欄参照）からのデータ
が記入され、それらの不同性が示されている。 後文中の実施例における例ａ及ｂに示され
たεgの値は実測値であつて計算値ではない。け
れどもεg測定値とεg旧法計算値とは上記の刊行
物のT262頁Fig.１に示されているεgの範囲内に
ある。よつて測定値と旧法計算値とを該Fig.１の
εg値と置換しても当業界の熟練技術者は該Fig.
１の範囲内の値をみちびくに至るであろう。得ら
れる機械的エネルギー消費値は有意の変化を示さ
ず、液の単位容積当りの最終の機械的エネルギー
消費量に及ぼすεgの多様性の影響はわずかであ
つてこれは後文にも示される通りである。 機械的エネルギー消費量の計算 上述の通り当業技術者によつて多様なεg値が
みちびかれるとはいえ該多様なεg値から出発
し、文献（J.C.Lee and P.S.Buckley、Fluid
mechanics and aeration characteristics of
fluidised beds）に示されたリイ（J.C.Lee）及
びバツクリイ（P.S.Buckley）の式を使用して本
発明で得られた値に対応する機械的エネルギー消
費量を示すことができる。 リイ及びバツクリイの式は1980年４月にマンチ
エスター（Manchester）で開催された廃水処理
（“Biological Fluidised Bed Treatment of
Water and Waste Water”）に関する会議の際に
提出され、該会議録〔Ellis Harwood Limited、
Chichester、editors：P.F.Cooper and B.
Atkinson〕の第62頁に示されている。従つて該
式は本発明の日本出願の日以前に公知である。即
ち本明細書にエネルギー消費量範囲が示されてい
るが該リイ及びバツクリイの式は本件優先権出願
日の後に公表されたのである。該文献に示された
“旧式方法（old method）”に従う式6a及び6bは
通常の知識を使用すれば当業技術者によりみちび
かれ得ると推測される。該式6a及び6bから得ら
れた値を表Ａに示すがこれらはεg（測定値）、ε
g（本件対応欧州出願明細書中の式４による計算
値）、及びεg（W.Freedman et al.の方法に従う
計算値）を基礎とする数値である。
【表】
【表】 上掲の表Ａから全エネルギー消費量（Ｐ／Ｖ）
はεg値と有意の差を示さないので、εg値が文献
の差異にもとづいて多様な値を示しても本発明の
実施例に記載による（Ｐ／Ｖ）値は依然として変
動範囲内にあり、該実施例のうち例ａにおける
0.047KW／m3は0.04KW／m3という概算値をとり
得る筈である。 既述の通り本件出願日以前にリイ及びバツクリ
イは三相流動床における機械的エネルギー消費の
計算式として下式を提出した： （Ｐ／Ｖ）＝〔ρｓεｓ（ｕｌ＋ｕｇ）−ρｌｕｌ（１−εｌ）＋ρｌｕｇεｌ〕／εｌ (8) 上記の各記号は次の意味のものである： ｇ 重力にもとづく常数 （ms-2） Ｐ／Ｖ 液の単位容積当りのエネルギー消費量
（Wm-3） ｕg 表面ガス速度 （ms-1） ｕl 表面液速度 （ms-1） εg、εl、εs ガス、液、固体の容積フラクシヨ
ン（volume fraction） ρl、ρs 液、固体の比重 （Kg／m-3） 次に、エネルギー消費量（Ｐ／Ｖ）に関するリ
イ及びバツクリイの上記の式は本件対応欧州出願
に使用された出願人の（Ｐ／Ｖ）L及び（Ｐ／Ｖ）g
の合計と等しいことは以下に示す通りである。リ
イ及びバツクリイの式(1)はこれを次のように書き
直すことができる： Ｐ／Ｖ＝ｕｌ．ｇ（ρｓεｓ＋ρｌεｌ−ρｌ）／εｌ＋ｕｇ．ｇ（ρｓεｓ＋ρｌεｌ）／εｌ (9) 本発明においてρBは液／流動床の生育粒子群
混合物の比重と定義されるので下式で与えられ
る： ρB＝（1000・（１−ＣＣ／ρＣ）＋ＣC） (10) 但し上式中でバイオマス層の比重は水の比重、
即ち1000Kg／m3（ρl＝1000）とおよそ等しいと
される。 リイ及びバツクリイの定義にもとづき ＣＣ／ρＣ＝εｓ／１−εｇ（11） であり、これは試料（この試料からガス相が逃出
する）の中の担体濃度である。 リイ及びバツクリイの式においてρsは本発明
におけるρCと同一であるから従つて ρB＝1000×（１−εｓ／１−εｇ）＋ρsεｓ／１−ε
ｇ（12） である。 εs＋εl＋εg＝１と定義されるので上式（12）
は下式のように書き改められる： ρB（１−εg）＝1000・εl＋ρsεs （13） 式(9)において式（13）とρl＝1000とを置換す
れば下式： Ｐ／Ｖ＝ｕｌ．ｇ〔ρＢ（１−εｇ）−１０００〕／εｌ＋ｕｇ．ｇ．ρＢ（１−εｇ）／εｌ （14） 又は Ｐ／Ｖ＝ｕｌ．ｇ（１−εｇ）／εｌ（ρB−１０００／１−εｇ）＋ｕｇ．ｇ（１−εｇ）ρＢ／εｌ（1
5） が得られる。 リイ及びバツクリイのｕl及びｕgは定義により
本発明におけるＶSL及びＶsgと夫々同じである。
従つて上式（15）を下式のように書き直すことが
できる：
【表】 εＬ
〓

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 無機性担体に付着させたバイオマスを製造す
    るために充分に広い範囲にわたる微生物群と該微
    生物群の生育及び（又は）生存のために充分な量
    の諸栄養素とを含有する連続液流を微生物群の充
    分に厚い層が無機性担体に付着するまで反応空間
    内で粒状無機性担体に対して接触させる方法にお
    いて、無機性担体と液流とを接触させる際に反応
    器内の液の１m3当り0.04〜1.5kWの機械的エネル
    ギーを液内で消費させること、そのエネルギーの
    少なくとも一部分は液を通つて泡沸するガスの形
    状で消費されること、及び反応空間内での液の滞
    留時間は微生物群の相反的最大生育速度よりも短
    く保たれることを特徴とする上記の方法。 ２ 反応器が三相流動床反応器である特許請求の
    範囲第１項記載の方法。 ３ 廃水中の有機含炭素基質の酸化のために担体
    付着好気性バイオマスを生成させる際の反応器内
    廃水滞留時間が0.2〜10時間である特許請求の範
    囲第１項記載の方法。 ４ 容易に同化される基質の使用下に温度30〜60
    ℃における廃水滞留時間が0.5〜２時間である特
    許請求の範囲第１項記載の方法。 ５ 容易に同化されない基質の使用下に温度10〜
    30℃における廃水滞留時間が２〜10時間である特
    許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 廃水中のＮ−化合物酸化のために担体付着好
    気性バイオマスを生成させる際の反応器内廃水滞
    留時間が１〜５時間である特許請求の範囲第１項
    記載の方法。 ７ 廃水使用下にNO3 -をN2ガスへ還元するため
    の担体付着脱窒性バイオマスを生成させる際の廃
    水滞留時間が0.2〜10時間である特許請求の範囲
    第１項記載の方法。 ８ 容易に同化される電子供与体の使用下に温度
    30〜60℃における廃水滞留時間が0.5〜２時間で
    ある特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９ 容易に同化されない電子供与体の使用下に温
    度10〜30℃における廃水滞留時間が２〜10時間で
    ある特許請求の範囲第７項記載の方法。 １０ 廃水中の有機化合物から揮発性低級脂肪酸
    を生成させるために担体付着嫌気性バイオマスを
    生成させる際の反応器内廃水滞留時間が１〜15時
    間である特許請求の範囲第１項記載の方法。 １１ 廃水中の有機性基質としてのCODの濃度
    が１〜10ｇ／である場合に30〜60℃における廃
    水滞留時間が１〜４時間である特許請求の範囲第
    １０項記載の方法。 １２ 廃水中の有機基質としてのCODの濃度が
    10〜60ｇ／である場合に10〜30℃における廃水
    滞留時間が４〜15時間である特許請求の範囲第１
    ０項記載の方法。 １３ 廃水中の揮発性低級脂肪酸をCH4／CO2へ
    転化させるために担体付着嫌気性バイオマスを生
    成させる際の反応器内廃水滞留時間が１〜24時間
    である特許請求の範囲第１項記載の方法。 １４ 反応器の内容物の温度が30〜50℃のときに
    その滞留時間が２〜３時間である特許請求の範囲
    第１１項記載の方法。 １５ 担体に付着させた好気的バイオマスの製造
    の際に反応器空間中へ送給されるCODの１Kg当
    り0.8〜1.6Kgの酸素が反応器内の液へ移入される
    ように空気及び（又は）酸素を吹込む特許請求の
    範囲第１〜１４項の何れか１項記載の方法。
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