(57)【要約】廃水処理のための好気性バイオ顆粒の生産方法であって、工程：ａ）廃水を反応器に導入することと；ｂ）前記反応器に活性バイオマス物質を接種することと；ｃ）酸素含有ガスを前記反応器に供給して、前記廃水中のバイオマス物質の懸濁液に混合作用を提供することと〔酸素含有ガスの供給は０．２５ｃｍ／ｓを超える表面上流ガス速度を提供する〕；ｄ）前記バイオマス物質の栄養飢餓の期間を、酸素含有ガスの供給を継続する間に開始することと；ｅ）形成された好気性顆粒を前記反応器中の沈降域（ａ  ｓｅｔｔｌｉｎｇ  ｚｏｎｅ）に沈降させることと；ｆ）少なくとも廃水の一部を排出することと；ｇ）工程（ａ）から（ｆ）を、少なくとも前記沈降域のバイオ顆粒の一部が規定の特性内に入るまで反復することと；およびｈ）前記バイオマス顆粒を、それら規定の特性内で回収することと；を含む方法の提供。
2005517532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水処理のための好気性バイオ顆粒を生産する方法であって：  
ａ）廃水を活性バイオマスを含んでいる反応器に導入することと；  
ｂ）酸素含有ガスを前記反応器に供給して、廃水中で混合作用および前記スラッジに溶存酸素の転移を提供することと〔酸素含有ガスの供給は０．２５ｃｍ／ｓを超える表面上流ガス速度（ａ  ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ｕｐｆｌｏｗ  ｇａｓ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を提供する〕；  
ｃ）前記反応器内で栄養飢餓の期間を酸素含有ガスの供給を継続する間に開始することと；  
ｄ）形成された好気性粒体を沈降させることと；  
ｅ）少なくとも廃水の一部を排出することと及び置換することと；  
ｆ）工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を、前記粒体が規定の物理的特性を有するまで反復することと；および、
ｇ）バイオマス粒体を、それら規定の特性内で回収することと；を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記の反応器での飢餓期間が反応サイクルの少なくとも７５％である方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記工程（ｂ）から（ｄ）が単一反応サイクルと同等（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）であり、前記反応サイクルが複数回反復されて規定サイズのバイオ顆粒を生産する方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記反応器内への酸素含有ガスの流れが前記反応器内に乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｆｌｏｗ）を形成する方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記表面上流ガス速度が０．３ｃｍ／ｓを超え且つ３．６ｃｍ／ｓ未満である方法。
【請求項６】
廃水処理のための好気性バイオ顆粒の生産方法であって：  
ａ）廃水を反応器に導入することと；  
ｂ）前記反応器に活性バイオマス物質を接種することと；  
ｃ）酸素含有ガスを前記反応器に供給して、前記廃水中のバイオマス物質の懸濁液に混合作用および酸素を提供することと〔酸素含有ガスの供給は０．２５ｃｍ／ｓを超える表面上流ガス速度を提供する〕；  
ｄ）前記バイオマス物質の栄養飢餓の期間を、酸素含有ガスの供給を継続する間に開始することと；  
ｅ）形成された好気性顆粒を前記反応器中の沈降域（ａ  ｓｅｔｔｌｉｎｇ  ｚｏｎｅ）に沈降させることと；  
ｆ）少なくとも前記廃水の一部を排出することと；  
ｇ）工程（ａ）から（ｆ）を、少なくとも前記沈降域のバイオ顆粒の一部が規定の特性内になるまで反復することと；および  
ｈ）前記バイオマス顆粒（それら規定の特性を有する）を回収することと；を含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記表面上流ガス速度が０．３ｃｍ／ｓを超え且つ３．６ｃｍ／ｓ未満である方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、工程（ｃ）および（ｄ）が単一反応サイクルの通気段階（ａｅｒａｔｉｏｎ  ｓｔａｇｅ）であり、飢餓期間が前記通気段階の少なくとも７５％継続される方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、前記の規定による物理的特性が０．０から３．０の真円度特性（ａ  ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ  ａｓｐｅｃｔ）である方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、前記の規定による物理的特性が１．００４から１．８５  ｇ／ｃｍ３の間の密度である方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の方法であって、前記の規定による物理的特性が１００および１０，０００μｍ間の平均粒子サイズである方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の方法であって、形成されたバイオ顆粒の任意の部分から最短の表面までの距離が８００μｍ未満である方法。
【請求項１３】
請求項６に記載の方法であって、最大直径が１６００μｍである方法。
【請求項１４】
請求項６に記載の方法であって、前記沈降域が非通気（ｎｏｎ−ａｅｒａｔｅｄ）である方法。
【請求項１５】
請求項６に記載の方法であって、選択したバイオ顆粒のバイオマスと前記バイオマスの懸濁状の小粒子との間の比率が０．００１〜０．２０の間である方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水（ｗａｓｔｅ  ｗａｔｅｒ）の処理のための好気性顆粒（ａｅｒｏｂｉｃ  ｇｒａｎｕｌｅｓ）のバイオマス（ｂｉｏｍａｓｓ）の産生に関する。
【背景技術】
【０００２】
好気性顆粒スラッジブランケット（ＡＧＳＢ；ａｅｒｏｂｉｃ  ｇｒａｎｕｌａｒ  ｓｌｕｄｇｅ  ｂｌａｎｋｅｔ）反応器中での酸化的な生物学的精製による廃水処理において、廃水は微生物が存在する酸化チャンバーを介して上向きの方向性で流れる。廃水チャンバー内の廃水および微生物の懸濁液の運動は、酸素含有ガスの導入により生じ、この導入は生物学的物質（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｍａｔｅｒｉａｌ）および廃水の懸濁液を混合することにも作用する。反応器内部は、指定のサイズ範囲の顆粒の除去または蓄積に協力する、制御された沈降（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）の内側帯（ｉｎｎｅｒ  ｚｏｎｅｓ）を形成する。
【０００３】
酸素含有ガスを、処理される廃水を通して転回（ｄｏｕｂｌｉｎｇ  ｕｐ）する酸化チャンバーの底部に導入することに依存する、酸化反応器の他のタイプは、一般的にアップリフト反応器（ｕｐｌｉｆｔ  ｒｅａｃｔｏｒｓ）と称される。かかる反応器は活性な生物学的スラッジを接種（、このスラッジは廃水内の汚染物質（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ）を消費して、これらの汚染物質のレベルを減少させ、リサイクル、または他の使用、または廃棄（ｄｉｓｐｏｓａｌ）のために反応器から後に除去し得るバイオマスを産生する。
【０００４】
かかる反応器の一例は、米国特許番号５，９８５，１５０〔Ｂｉｏｔｈａｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｂ．Ｖ．に対して設定された（ａｓｓｉｇｎｅｄ）〕に開示される。この特許において、アップリフト反応器が開示されており、その反応器中では非支持顆粒スラッジ（ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｇｒａｎｕｌａｒ  ｓｌｕｄｇｅ）が使用され廃水が処理される。この文献（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）において、前記スラッジは、支持または非支持スラッジの何れかとして反応器および廃水へと導入され、酸素含有ガスが前記反応器の底部から供給される。顆粒状のスラッジは、上向に流れるガスと共に沈降領域へと運ばれる。この領域では、廃水の一部が前記スラッジから分離され、残存している懸濁液が酸化チャンバーに戻される。
【０００５】
このタイプの反応器における酸化的な廃水処理に伴う１つの問題は、非支持のバイオマスの間の粘着（ｃｏｈｅｓｉｏｎ）の欠除であり、これによりバイオマスの操作を一般的に困難にする。特に、処理された廃水からバイオマスを除去すること及び他の反応器のための種（ａ  ｓｅｅｄ）として使用するために適切に頑丈（ｒｏｂｕｓｔ）であるバイオマスを産生することは、困難であることが実証されている。
【０００６】
しかしながら、非支持の好気性バイオマス顆粒の操作の困難性にもかかわらず、かかる顆粒の使用は、支持バイオマス顆粒に対し、一般に反応器の精製効率を改善する潜在力を有することが認識されており、より小さい反応器システムの使用が可能である。もし好気性顆粒のバイオマスも商業的に受け入れられるレベルにまで産生できるならば、その使用は懸濁液および混合エネルギー要求（ｍｉｘｉｎｇ  ｅｎｅｒｇｙ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）を減少させ、装置（ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）の腐食（ｅｒｏｓｉｏｎ）を減少させることが期待される。しかしながら、十分なサイズの好気性の顆粒またはバイオ顆粒（ｂｉｏｇｒａｎｕｌｅｓ）のバイオマスを、好気性アップリフト反応器において効率的に使用するための適切な物理的特性で産生することは困難である。
【０００７】
廃水処理に使用できる好気性バイオ顆粒の生産方法を提供することが本発明の課題である。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、廃水処理のための制御された条件下で好気性顆粒を生産する方法に関する。前記方法は下記の工程を含む、即ち：
【０００９】
ａ）廃水を活性バイオマスを含んでいる反応器に導入することと；  
ｂ）酸素含有ガスを前記反応器に供給して、廃水中で混合作用および前記スラッジに溶存酸素の転移を提供することと〔酸素含有ガスの供給は０．２５ｃｍ／ｓを超える表面上流ガス速度（ａ  ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ｕｐｆｌｏｗ  ｇａｓ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を提供する〕；  
ｃ）前記反応器内で栄養飢餓の期間を酸素含有ガスの供給を継続する間に開始することと；  
ｄ）形成された好気性顆粒を沈降させることと；  
ｅ）少なくとも廃水の一部を排出することと及び置換することと；  
ｆ）工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を、前記顆粒が規定の物理的特性を有するまで反復することと；および、  
ｇ）それら規定の特性内のバイオマス顆粒を回収することと；  
を含む。
【００１０】
出願人は、アップリフト反応器および特定のＡＧＳＢ反応器に適切な好気性顆粒が、上記の条件下で担体物質の使用を必要とすることなく形成し得ることを見出した。
【００１１】
剪断条件（ｓｈｅａｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）下での反応器における飢餓期間は、バイオマスに凝塊を生じさせて、より頑丈な顆粒を形成することが考えられる。
【００１２】
本発明の別側面において、アップリフト反応器における使用に適切な物理的特性を有する廃水処理のための好気性バイオ顆粒が提供される。好ましくは、これらの物理的特性には、真円度特性（ａ  ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ  ａｓｐｅｃｔ）が０．０から３．０の間、密度が１．００４から１．８５ｇ／ｃｍ３の間、平均粒子サイズが１００および１０，０００μｍの間の特性が含まれる。  
【００１３】
好ましくは、バイオ顆粒内の任意の位置からバイオ顆粒の外側表面までの距離は、８００μｍ未満である。従って、完全に球状のバイオ顆粒に関して、最大直径は１６００μｍである。
【発明の好適な態様の詳細説明】
【００１４】
以下、本発明を特定の培地中での好気性バイオ顆粒の生産に関して記載する。本発明が任意の廃水システムにおける好気性バイオ顆粒の生産に適用可能であることを当業者は容易に理解する。
【００１５】
廃水中で細菌による分解の性質により、特定の培地に最大限に適応した細菌が増殖するが、前記培地中の物質を代謝する能力を有さない細菌は優勢にはならない。それ故、このプロセスのための播種物（ｉｎｏｃｕｌａｎｔ）は、特定範囲の細菌のみを含有することを必要とする。
【００１６】
本発明の典型的な方法において、図１に類似する反応器に廃水および活性バイオマススラッジが供給される。図２に示されるような好適な方法は、最初に、酸素含有ガスの供給なしで廃水およびスラッジの懸濁液を給餌（ｆｅｅｄｉｎｇ）する工程１を含む。
【００１７】
第二工程は、酸素含有ガスを供給して、バイオマスに、ガス供給により供給される剪断条件下にある間、酸化的呼吸（ｏｘｉｄａｔｉｖｅ  ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ）を生じさせることを含む。
【００１８】
図２に示される第三工程は、ガスの供給を停止することと、バイオマスを沈降させることとを含み、次に上清（ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ）を排出することと、バイオマスを工程１にリサイクルすることとを含む第四工程が続く。
【００１９】
２．４  ｌの使用容積を有する２カラム型反応器１０（１．２ｍ  高さ）を、連続した好気性スラッジブランケットシステム（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  ａｅｒｏｂｉｃ  ｓｌｕｄｇｅ  ｂｌａｎｋｅｔ  ｓｙｓｔｅｍｓ）に使用した（双方の反応器は、図１に示されるような、同じ幾何学的な立体配置を有し、前記反応器の内部直径は５ｃｍであった）。反応器は、廃水を添加され、活性バイオマススラッジを添加することにより開始された。実施例において、８００ｍｌの局所的に活性化されたスラッジ（３０００の懸濁した固体／リッター）を添加した。反応器１（Ｒ１）に唯一の炭素源としてグルコースを添加し、反応器２（Ｒ２）に唯一の炭素源としてアセテート（ａｃｅｔａｔｅ）を添加した。他の作業条件は、双方の反応器で同一に維持した。流出液（Ｅｆｆｌｕｅｎｔ）をカラム１０の中央ポート１２で排出した。反応器を４ｈ／サイクル〔８ｈの水力保持時間（ＨＲＴ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）を伴う〕で実施し、６．０ｋｇの化学的酸素要求量（ＣＯＤ）ｍ−３／日の基質負荷率を適用した。注入（ｆｉｌｌｉｎｇ）および回収（ｗｉｔｈｄｒａｗ）の時間は各々５分であり、沈降時間は２０から１分で変化し、残りは反応時間であった。アイドリング時間は、本研究では適用しなかった。平均値スラッジ保持時間は、Ｒ１で７ｄ、Ｒ２で９ｄであった。スラッジ損失量（Ｓｌｕｄｇｅ  ｗａｓｔａｇｅ）は、流出液の排出を介して実施された。実施例の場合の酸素含有ガスは、空気ポンプにより空気拡散器１１（ａｉｒ  ｄｉｆｆｕｓｅｒ）を介してカラムの底部に導入され、マスフローコントローラー（ａ  ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により制御された。３．０  １ｍｉｎ−１の空気流速が適用された。これにより０．０２５ｍｓ−１の表面ガス速度（ａ  ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ｇａｓ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が提供された。
【００２０】
培地  
合成した廃水の組成は以下のものである、即ち：  グルコース、１４００ｍｇ  ｌ−１；ペプトン、４００ｍｇ  ｌ−１、肉抽出物（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ−Ｌｅｍｃｏ、Ｏｘｏｉｄ  Ｌｔｄ、Ｂａｓｉｎｇｓｔｏｋｅ、ＵＫ）、２５０ｍｇ  ｌ−１；ＮＨ４ＣＬ、２００ｍｇ  ｌ−１；Ｋ２ＨＰＯ４、４５ｍｇ  ｌ−１；ＣａＣｌ２２Ｈ２Ｏ、３０ｍｇ  ｌ−１、ＭｇＳＯ４  ７Ｈ２Ｏ、２５ｍｇ  ｌ−１；ＦｅＳＯ４７Ｈ２Ｏ、２０ｍｇ  ｌ−１および微量要素溶液、１．０ｍｌ  ｌ−１である。炭素源は、酢酸（１８７５ｍｇ  ｌ−１）（Ｒ２において）で置換された。これにより２０００ｍｇ  ｌ−１のＣＯＤが生じた。微量要素（ｍｉｃｒｏｅｌｅｍｅｎｔ）溶液は下記を含有する（ｇｌ−１）、即ち：  Ｈ３ＢＯ３、０．０５；ＺｎＣｌ２、０．０５；ＣｕＣｌ２、０．０３；ＭｎＳＯ４Ｈ２Ｏ、０．０５；（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４４Ｈ２Ｏ、０．０５；ＡＩＣＩ３、０．０５；ＣｏＣｌ２６Ｈ２Ｏ、０．０５およびＮｉＣｌ２、０．０５（ＴａｙおよびＹａｎ  １９９６）である。流入液（ｉｎｆｌｕｅｎｔ）のｐＨ値は、ＮａＨＣＯ３およびＨ２ＳＯ４の添加により７．０に調整された。  
【００２１】
流出液を、ＣＯＤ並びにスラッジのサンプルを、混合液体懸濁固体（ＭＬＳＳ；ｍｉｘｅｄ  ｌｉｑｕｏｒ  ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）、混合液体揮発性懸濁固体（ＭＬＶＳＳ；ｍｉｘｅｄ  ｌｉｑｕｏｒ  ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄｓ）、スラッジ容量インデックス（ＳＶＩ；ｓｌｕｄｇｅ  ｖｏｌｕｍｅ  ｉｎｄｅｘ）、および特定酸素利用率（ＳＯＵＲ；ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｏｘｙｇｅｎ  ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）に関して標準方法〔（ＡＰＨＡ  １９９５）  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  ｗａｓｔｅ  ｗａｔｅｒ，  １９ｔｈ  ｅｄｎ，  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  ＤＣ：  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｕｂｌｉｃ  Ｈｅａｌｔｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ〕により分析した。顆粒サイズを、前記サイズが１８８０μｍ未満の場合はレーザー粒子サイズ分析システム（ＭａｓｔｅｒＳｉｚｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ２６００；  Ｍａｌｖｅｒｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｌｔｄ，  Ｍａｌｖｅｒｎ，  Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｗ，  ＵＫ）により測定し、前記サイズが１８８０μｍを超える場合はイメージ分析システム（Ｑｕａｎｔｉｍｅｒ  ５００  Ｉｍａｇｅ  Ａｎａｌｙｓｅｒ；  Ｌｅｉｃａ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＧｍｂＨ，  ４  Ｎｕｂｌｏｃｈ，  Ｇｅｒｍａｎｙ）により測定した。微生物の観察を、顕微鏡またはイメージ分析（ＩＡ）の何れかを使用することにより実施した。顆粒の微生物組成は、定性的に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（Ｓｔｅｒｉｏｓａｎ  ４２０；  Ｌｅｉｃａ  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）で観察した。前記顆粒サンプルを、穏やかにリン酸緩衝液で洗浄し、自然に沈降させた。前記顆粒を次に４％パラホルムアルデヒドで固定し、そして４ｈ静置した。固定した顆粒を、４０、６０、８０および１００％エタノールへ連続的に通過させることにより脱水し、次に凍結乾燥器（Ｅｄｗａｒｄｓ，  Ｃｒａｗｌｅｙ，  Ｗｅｓｔ  Ｓｕｓｓｅｘ，  ＵＫ）またはクリティカルポイント乾燥器（Ｅ３０００）（ＶＧ  Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ，  Ｅａｓｔ  Ｇｒｉｎｓｔｒｅａｄ，  Ｗｅｓｔ  Ｓｕｓｓｅｘ，  ＵＫ）の何れかで乾燥させ、最後にＳＥＭで観察した。バイオマス密度を、文献〔Ｂｅｕｎ  ｅｔ  ａｌ．  細胞疎水性（Ｃｅｌｌ  ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ）を、文献〔Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ  ｅｔ  ａｌ  （１９８０），  ”Ａｄｈｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｂａｃｔｅｒｉａ  ｔｏ  ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ；  ａ  ｓｉｍｐｌｅ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｃｅｌｌ−ｓｕｒｆａｃｅ  ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ”，  ＦＥＭＳ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９，  ２９−３３〕に記載された方法で決定した。ヘキサデカン（０．２５ｍｌ）を疎水層（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ  ｐｈａｓｅ）として使用した。疎水性を、１５分に区分けした（１５−ｍｉｎ  ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ）後に、ヘキサダデシン（ｈｅｘａｄａｄｅｃｅｎｅ）へ接着した細胞のパーセンテージとして表わした。顆粒強度（Ｇｒａｎｕｌｅ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）は、文献〔Ｇｈａｎｇｒｅｋａｒ  ｅｌ  ａｔ．  〕の方法にしたがい測定され、そ��て統合係数（％）の用語で表わされる。この係数は、特定期間振盪した後に、残った顆粒の揮発性懸濁固体（ＶＳＳ；ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｓｏｌｉｄ）およびトータルのＶＳＳの比率として定義される。  
【００２２】
好気性の顆粒形成の進展（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）は、光学顕微鏡、ＩＡ技術およびＳＥＭの手段によりモニターされた。このモニターは、２つの連続的な好気性スラッジブランケット反応器（それぞれグルコースおよびアセテートを添加した）の操作の間に実施された。ＳＶＩ、沈降速度、サイズ、疎水性、ＳＯＵＲ、強度および真円度（ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ）に関するスラッジの物理的特性および微生物活性も、実験の間に決定された。  
【００２３】
種スラッジ（Ｓｅｅｄ  ｓｌｕｄｇｅ）  
地方公共団体の廃水処理プラントから取得した種スラッジの顕微鏡検査は、フィラメントが観察される通常の活性化したスラッジの典型的な形状を示していた。ＳＥＭ顕微鏡写真は、更に種スラッジが非常にルーズ（ｌｏｏｓｅ）で不規則な三次元構造を有していることを明らかとした。種スラッジの平均フロック（ｆｌｏｃ）サイズは、７０μｍ付近であり、２８０ｍｌ  ｇ−１のＳＶＩ値を有していた。活性スラッジのＳＶＩ値、約１５０ｍｌ  ｇ−１は一般的にはフィラメントの成長に関連しているので、使用した種スラッジは線維状細菌（ｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ  ｂａｃｔｅｒｉａ）が優勢であるように思われた。  
【００２４】
好気性顆粒の特性  
異なる段階の好気性顆粒および種スラッジの特性を決定した。種スラッジは、７０μｍの平均直径（２８０ｍｌ  ｇ−１のＳＶＩ値を有する）を有していた。多くの線維状細菌が、種スラッジに存在していた。開始（ｓｔａｒｔ−ｕｐ）から一週間後、ＳＶＩはＲ１において１９０ｍｌ  ｇ−１にまで減少し、またＲ２において１７８ｍｌ  ｇ−１にまで減少した。また、小型の凝集物（ｃｏｍｐａｃｔ  ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ）が双方の反応器において観察された（図２）。一週間後、ＳＶＩはＲ１において１２５ｍｌ  ｇ−１にまで、またＲ２においてｍｌ  ｇ−１にまで更に減少した。また、線維状細菌はＲ２で消失していた。この段階での顆粒状スラッジ（Ｇｒａｎｕｌａｒ  ｓｌｕｄｇｅ）は、種スラッジおよび１週後の凝集物よりも、はるかに小型で（ｃｏｍｐａｃｔ）且つ高密度な（ｄｅｎｓｅ）構造を有していた。操作が進行すると共に、第三週までに成熟した円形の顆粒（明瞭な境界を有する）が反応器中に広く発生し、視認しえる懸濁状のバイオマスは存在していなかった。沈降の１分後、成熟した顆粒は全て沈降し、非常に透明な上清液が反応器に残った。成熟顆粒のＳＶＩ値は、Ｒ１で５１〜８５ｍｌ  ｇ−１、Ｒ２で５０〜８０ｍｌ  ｇ−１であった。これらの結果は、スラッジ沈降能（ｓｌｕｄｇｅ  ｓｅｔｔｌｅａｂｉｌｉｔｙ）が、顆粒化の進展につれて顕著に改善されることを明確に示している。
【００２５】
反応器中のバイオマス濃度は、開始の後に徐々に増加した。３週間の操作後、Ｒ１において５．９ｇ  ＭＬＳＳ  ｌ−１およびＲ２において８．６ｇ  ＭＬＳＳ  ｌ−１の安定な濃度に達した。Ｒ１からの成熟顆粒は、顆粒表面から突出している線維状細菌を、なおも有していた。しかしながら、Ｒ２の成熟顆粒は、いくつかのフィラメントが観察されるような平滑な表面を有していた。グルコースを与えた顆粒は、２．４ｍｍの平均直径（１．０〜３．０ｍｍの範囲を有する）を有していたが、アセテートで成長させた顆粒は１．１ｍｍの平均直径（０．５および１．５ｍｍの間の範囲を有する）を有していた。グルコースおよびアセテートを与えた顆粒の微生物の多様性は異なり、グルコースを与えた顆粒は、フィラメントが互いにもつれあった状態で、主に顆粒の内部においては球状菌（ｃｏｃｃｏｉｄ  ｂａｃｔｅｒｉａ）から成り、表面では若干の桿状細菌（ｒｏｄ−ｌｉｋｅ  ｂａｃｔｅｒｉａ）からなるものであった；しかし、桿状細菌はアセテートを与えた顆粒において全体的に優勢であった。
【００２６】
Ｒ１およびＲ２において培養された成熟顆粒は、非常に良好な沈降能を有していることが見出された。沈降速度は、グルコースを与えた顆粒に関して３５ｍ  ｈ−１であり、アセテートを与えた顆粒に関して３０ｍ  ｈ−１であった。好気性顆粒のこの沈降速度は、上流嫌気性スラッジブランケット反応器（ＵＡＳＢ；ｕｐｆｌｏｗ  ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ｓｌｕｄｇｅ  ｂｌａｎｋｅｔ  ｒｅａｃｔｏｒ）において培養された嫌気性顆粒（ａｎａｅｒｏｂｉｃ  ｇｒａｎｕｌｅｓ）の沈降速度に匹敵する。更に結果は、成熟顆粒がＲ１で４１．１ｇ  ｌ−１、Ｒ２で３２．２ｇ  ｌ−１の乾燥バイオマス密度を有していることを示した。Ｒ１およびＲ２において達した顆粒のバイオマス密度は、連続バッチエアリフト反応器（ａ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｂａｔｃｈ  ａｉｒｌｉｆｔ  ｒｅａｃｔｏｒ）（４８ｇ  １−１）において得られた顆粒と比較して相対的に低いものであった。好気性顆粒の高い沈降速度およびバイオマス密度は、より高密度の微生物構造から生じた。生物学的なシステムにおいて、バイオマスは有機物の分解に対する生体触媒（ｂｉｏｃａｔａｌｙｓｔ）として作用する。明らかに、反応器中の高度に回収可能なバイオマスは有機汚染物の迅速でより効率的な除去を達成し、一方で優良な沈降顆粒は廃水を処理する生物システムの良好な作用に必須である。
【００２７】
グルコースおよびアセテートを与えられた好気性顆粒は、ＳＯＵＲに関して、通常の活性化したスラッジ〔６９．４ｍｇ  Ｏ２ｇ−１ＭＬＶＳＳ  ｈ−１（グルコースを与えた成熟顆粒に対して）および５５．９ｍｇ  Ｏ２ｇ−１ＭＬＶＳＳ  ｈ−１（アセテートを与えた成熟顆粒に対して）〕に匹敵する微生物活性を呈した。加えて、両方の反応器において培養された成熟顆粒は、高い物理的強度および真円度を有していた。顆粒の真円度は、４π領域（ａｒｅａ）／周囲の長さ（ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ）２として計算され、この周囲の長さは顆粒の輪郭（ｏｕｔｌｉｎｅ）の長さである。アスペクト比（Ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ）は、顆粒に対応する長円（ｅｌｌｉｐｓｅ）の長軸（ｔｈｅ  ｍａｊｏｒ  ａｘｉｓ）と短軸（ｔｈｅ  ｍｉｎｏｒ  ａｓｐｅｃｔ）の間の比である〔０＝直線（ｌｉｎｅ）、１＝円（ｃｉｒｃｌｅ）〕グルコースおよびアセテートを与えた成熟顆粒の双方の特性データを表１に要約する。このシステムは非常に安定して３ヶ月以上稼働し、その後、６．０ｋｇ  ＣＯＤ  ｍ−３  ｄ−１の負荷率（ａ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｒａｔｅ）を適用した際、実験は定常状態で９７％付近のＣＯＤ除去効率（ａ  ＣＯＤ  ｒｅｍｏｖａｌ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）で停止した。生じた好気性バイオ顆粒は、種子としてＡＧＳＢ反応器中に使用するのに特に適切である。  
【００２８】
【表１】
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表１．  グルコースおよびアセテートを与えた成熟した好気性顆粒の特性
【００２９】
ＳＢＲシステムは、給餌、通気（ａｅｒａｔｉｏｎ）、沈降および上清液体の排出の連続的なサイクルを操作する。結果として、ＳＢＲシステムにおける微生物成長は、周期的な操作サイクルに依存する。  
【００３０】
基質濃度を最低にまで減少させるのに必要な分解時間は、ＳＢＲ操作の間に決定された。分解時間は、操作サイクルの増加に伴って、顕著な減少傾向を示した。アセテートを与えたＲ２において、図３は、１０００から１００ｍｇ  ｌ−１へのＣＯＤ減少に対する時間が、８日目の３ｈから２０日目の１ｈで減少したことを示している。特定の通気期間の間、飢餓フェーズ（ａ  ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ  ｐｈａｓｅ）がＳＢＲ操作の間に存在しているように思われた。従って、通気時間の期間は実際は２つの連続的なフェーズからなるものであった、これらのフェーズは、分解フェーズ（このフェーズにおいて、基質を最低値にまで枯渇させた）、続く好気性の飢餓フェーズ（このフェーズにおいて、外部の基質は微生物にとって、もはや利用可能ではない）である。通気期間の８０％は好気性の飢餓の状態にあったと考えられる。
【００３１】
飢餓条件下で、細菌はより疎水性となり、次に、このことが微生物の接着および凝集を促進したと考えられる。凝集を、飢餓に対する細胞の効果的な戦略として認識することが可能である。図４は、アセテートを与えたＲ２において観察された細胞表面の疎水性における変化を示す。図４に見出されるように、種スラッジは３９％の疎水性を有し、細胞表面の疎水性は３週目の好気性顆粒の形成後に７３％まで増加した。同様の傾向（ｔｒｅｎｄ）は、グルコースを与えたＲ１においても観察された。細胞表面の疎水性は、細胞の自身の固定化（ｓｅｌｆ−ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ）および接着における、重要な親和性力であると考えられる。
【００３２】
熱力学の常識（ａ  ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ  ｓｅｎｓｅ）における理論に限定されることなく、細胞表面の疎水性を増加させることは、表面の過剰なギブスエネルギー（Ｇｉｂｂｓ  ｅｎｅｒｇｙ）を減少させ、そして更に、高い細胞間相互作用強度、高密度で安定な構造を生じさせる。結果的に、飢餓により誘導された細胞の表面および形態の特性における変化は、強い微生物凝集を形成するように思われる。
【００３３】
上記ように、本出願人は、連続的なバッチ反応器（ＳＢＲ；ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｂａｔｃｈ  ｒｅａｃｔｏｒ）システムが、活性スラッジ中の微生物の顆粒形成のトリガーとして作用すると判断する。しかし、他の操作条件の寄与部分（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）は、好ましくは特に反応器内の水力学的な剪断（ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｓｈｅａｒ）および流れパターン（ｆｌｏｗ  ｐａｔｔｅｒｎ）により制御されるべきである。上流エア通気（ｕｐｆｌｏｗ  ａｉｒ  ａｅｒａｔｉｏｎ）により生じる乱流（Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）は、カラム型ＳＢＲシステムにおける主な水力剪断（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｓｈｅａｒ）として作用し得るものであり、また表面空気速度（ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ  ａｉｒ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）により大まかに（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）説明できる。
【００３４】
好気性の顆粒形成における水力学的な剪断力の効果を証明するため、グルコースを与えた図１のＳＢＲシステムを、それぞれ０．００８および０．０２５ｍ  ｓ−１の２つの異なる表面空気速度で開始した。ＳＢＲが低い表面空気速度（０．００８ｍ  ｓ−１）で操作された場合、顆粒はシステム内に観察されず、けば状のフロック（ｆｌｕｆｆｙ  ｆｌｏｃｓ）のみが観察されることが見出された。一方で、規則的な形状の顆粒は、０．０２５ｍ  ｓ−１、好ましくは０．０３ｍ  ｓ−１以上の高表面空気速度で操作されたＳＢＲにおいて首尾よく培養された。一方で、０．０４１ｍ  ｓ−１の比較的高い表面空気速度で、顆粒形成が生じ、高い剪断力により、平滑で、高密度および安定な好気性顆粒が形成された。熱力学法則にしたがい、ＳＢＲにおける水力剪断力（上流の通気により生じる）は、それらの周期的飢餓誘発性の高密度凝集体に作用して規則的な顆粒（最低の表面自由エネルギーを有する）を形成できた。  
【００３５】
微生物の顆粒は、連続的なバッチ反応器中で、主な炭素源としてグルコースを含有している培地で培養された（前に記載されたとおり）。平均直径は２．４ｍｍであった。沈降時間は、２ｍｉｎであった。３つの１６Ｓ  ｒＲＮＡ標的化オリゴヌクレオチドプローブを使用して顆粒の構造をＦＩＳＨにより調査した。Ｅｕｂ３３８プローブ（配列  ５’−ＧＣＴＧＣＣＴＣＣＣＧＴＡＧＧＡＧＴ−３’を有する）を、蛍光色素ＣＹ２で標識し、細菌（Ｂａｃｔｅｒｉａ）の検出に使用した。Ｂａｃｔｏ  １０８０プローブ（配列  ５’−  ＧＣＡＣＴＴＡＡＧＣＣＧＡＣＡＣＣＴ  −３’を有する）は、Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｓ  ｓｐｐ．（Ｓｇｈｉｒ等、２０００に記載、蛍光色素ＣＹ５で標識された。Ｎｓｍ１５６プローブは、配列  ５’−ＴＡＴＴＡＧＣＡＣＡＴＣＴＴＴＣＧＡＴ−３’を含有し、これはＮｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓクラスターに由来するアンモニウム酸化細菌の検出によく使用された。このプローブをテトラクロロフロオレセイン（ＴＥＴ；ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｏｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）で標識した。全てのプローブは、リサーチバイオラボ（Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂｉｏｌａｂｓ、シンガポール）から入手した。顆粒をクリオマイクロトーム（Ｌｅｉｃａ  ＣＭ３０５０）でカットし、５０μｍ切片を２００μｌのＦＩＳＨ用のハイブリダイゼーション溶液（Ｋｉｍ  ａｎｄ  Ｉｖａｎｏｖ，  ２０００）で覆った。１０μｌのプローブ溶液をウェル中に添加した。ハイブリダイゼーション緩衝液中のプローブの終濃度は、下記の濃度であった：  Ｅｕｂ３３８、１１０ｐｍｏｌ・ｍｌ−１；Ｂａｃｔｏ１０８０、３０５ｐｍｏｌ・ｍｌ−１、Ｎｓｍ１５６、１３０ｐｍｏｌ・ｍｌ−１。標本を４ｈ、５０℃でインキュベーションした（ハイブリダイゼーション溶液は５０％ホルムアミドを含有したものを使用した）。これらの条件は、Ｅｕｂ３３８およびＮｓｍ１５６プローブの特異的な結合に対して最適化された条件である（ＫｉｍおよびＩｖａｎｏｖ，  ２０００）。Ｅｕｂ３３８およびＢａｃｔｏ１０８０プローブは類似する融解温度を有していたので、ＦＩＳＨをこれらの２つのプローブで同時に実施した。前記プローブをハイブリダイゼーション後に１ｍｌの洗浄緩衝液（ハイブリダイゼーション緩衝液、ホルムアミド非含有）で、２ｈ、５０℃で洗浄した〔推奨される洗浄温度はＥｕｂプローブに対して５４℃、Ｂａｃｔｏ１０８０プローブに対して５０℃、およびＮｓｍ１５６プローブに対して４８℃だったので〕。
【００３６】
顆粒におけるエキソポリサッカライド（ＥＰＳ；ｅｘｏｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ）マトリックスを検出するために、Ｃａｎａｖａｌｉａ  ｅｎｓｉｆｏｒｍｉｓ（シグマ、ＵＳＡ）に由来するＦＩＴＣ−標識レクチン（ＣｏｎＡ−ＦＩＴＣ）を適用した。ＬＩＶＥ／ＤＥＡＤ（Ｒ）  ＢａｃＬｉｇｈｔ  Ｂａｃｔｅｒｉａｌ  Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ  キット（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｐｒｏｂｅｓ，  ＯＲ，  ＵＳＡ）を死細胞を検出するために使用した。０．１μｍを超える直径を有するチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌｓ）および孔（ｐｏｒｅｓ）を検出するために、顆粒を０．１μｍ  ＴｅｔｒａＳｐｅｃ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  Ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  （Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｐｒｏｂｅｓ，  ＯＲ，  ＵＳＡ）と４ｈインキュベーションした。ミクロスフェアの終濃度は、２・１０８粒子・ｍｌ−１であった。
【００３７】
顆粒のイメージを、Ｆｌｕｏｖｉｅｗ３００共焦点レーザー走査顕微鏡（ＣＬＳＭ）（オリンパス、日本）により取得した。緑色および赤色の蛍光は、１０ｍＷのアルゴンレーザー（４８８ｎｍで）により励起され、５７０ｎｍの分離フィルターで分離され、チャンネル１（ロングパス（ｌｏｎｇｐａｓｓ）フィルター  ５１０ｎｍ）およびチャンネル２（ロングパスフィルター  ５８０ｎｍ〜６４０ｎｍ）で検出した。ＣＹ５の赤色蛍光をヘリウムネオンレーザーにより６３３ｎｍで励起し、チャンネル２（ロングパスフィルター  ６６０ｎｍ）で測定した。
【００３８】
顆粒の縁（ｅｄｇｅｓ）を、顆粒を通過した光の強度を分析することにより検出した。顆粒の好気性層（ａｅｒｏｂｉｃ  ｌａｙｅｒ）を、真正の（ｏｂｌｉｇａｔｅ）好気性アンモニウム酸化細菌  Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ  ｓｐｐの存在により検出した。この層は、顆粒の縁から７０〜１００μｍの深さに位置していた。顆粒の内部における好気性状態は、チャンネルおよび孔を介した酸素の輸送により維持されるようであった。チャンネルおよび孔は顆粒内で検出され、空隙値（ｐｏｒｏｓｉｔｙ  ｖａｌｕｅｓ）は顆粒表面から３００〜５００μｍの深さでピークに達した。  
【００３９】
好気的に成長した顆粒の好気性層を、真正の嫌気性菌Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｓ  ｓｐｐの存在により検出した。この層は、顆粒の表面から８００〜９００μｍの深さに位置していた。嫌気性菌の層の次に、死んだ微生物細胞の層が、顆粒の表面から８００〜１０００μｍの深さに存在していた。顆粒内部における嫌気生活（Ａｎａｅｒｏｂｉｏｓｉｓ）および細胞死は、おそらくチャンネルおよび孔における多糖の栓（ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ  ｐｌｕｇｓ）の形成により促進された。これらの栓は、栄養物および代謝物の両方の物質移転率（ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｒａｔｅ）を減少させた。多糖形成は、顆粒の表面から４００μｍの深さでピークを示した。  
【００４０】
微生物の凝集体における拡散の制限は、表面と内部とを連絡（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）するチャンネルおよび孔の形成により克服され得る。また、これらの例において好気性顆粒は、顆粒の表面から９００μｍの深さまで貫通したチャンネルおよび孔を含有する。嫌気性層は、顆粒内部において空隙率およびチャンネル形成（ｃｈａｎｎｅｌｌｉｎｇ）が減少（ｒｅｃｅｄｅｄ）した際に形成された。一般に、嫌気性層の深さは、微生物の代謝活性並びにチャンネルおよび孔を通した酸素の輸送に依存する。これらのチャンネルおよび孔の多糖類による閉塞（Ｐｌｕｇｇｉｎｇ）は、嫌気性層の形成をおそらく促進する。顆粒の中心核（ｃｅｎｔｒａｌ  ｃｏｒｅ）は、死細胞から構成されていた。細胞死は、おそらく拡散の制限によって生じ、チャンネルの多糖類による閉塞により促進された。
【００４１】
好気的に成長した顆粒における嫌気性層の検出は、これらの顆粒のサイズの最適化に適用できる。大きい顆粒はおそらく多数の嫌気性菌を含有し、嫌気性発酵の間に産生された関連するガスおよび有機酸は、これらの顆粒を破壊へと導く可能性がある。従って、好気性顆粒に関して至適な直径は、１，６００μｍ未満であると仮定（ｐｒｏｐｏｓｅｄ）される。これは顆粒表面から嫌気性層までの距離の２倍である。  
【００４２】
本発明は特定の培地に関して説明するが、任意の液体培地を、その培地中の化学的および生物学的に酸化可能（ｏｘｉｄｉｓａｂｌｅ）な物質を減少させるために処理することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の方法を実施するために使用されたカラム型反応器の模式図である。
【図２】図２は、本発明の方法の工程図である。
【図３】図３は、廃水処理の間のＣＯＤ除去のグラフである。
【図４】図４は、細胞表面の疎水性の変化を操作時間に対して示したグラフである。
【図５】図５は、飢餓時間の機能としての疎水性の変化を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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