(57)【要約】【課題】  好気的な反応に依らない活性汚泥を用いた含油廃水処理方法であって、活性汚泥中の炭化水素資化性脱窒菌の廃水処理活性を維持した重油廃水の処理方法の提供を課題とする。【解決手段】  含油廃水の処理方法であって、微好気条件または嫌気条件のいずれか一方の条件下において、通性嫌気性の炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥を用いて、含油廃水の処理を行う工程であって、活性汚泥による含油廃水処理が、硝酸イオンの供給下で行われる工程を含む、処理方法。【選択図】図３
2018001089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
含油廃水の処理方法であって、
微好気条件下または嫌気条件下において、通性嫌気性の炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥を用いて、前記含油廃水の処理を行う工程であって、前記活性汚泥による含油廃水処理が、硝酸イオンの供給下で行われる工程、
を含む、処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
好気条件下において、活性汚泥を用いた前記含油廃水処理を行う工程をさらに含む、処理方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、
前記硝酸イオンが、アンモニア酸化細菌を含む活性汚泥を用いて、前記含油廃水中のアンモニアから産生した硝酸イオンである、処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前期アンモニア酸化細菌を含む活性汚泥が、亜硝酸酸化細菌をさらに含むものである、処理方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法であって、
前記炭化水素資化性脱窒菌が、βプロテオバクテリア綱脱窒菌、または、γプロテオバクテリア綱脱窒菌である、方法。
【請求項６】
請求項３または４に記載の方法であって、
前記アンモニア酸化細菌が、Nitrosomonas属、Nitrosospira属、および、Nitrosococcus属からなる群より選択される少なくとも一つの属に属する細菌である、方法。
【請求項７】
請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法であって、
前記アンモニア酸化細菌が、活性汚泥中の微生物量に対して、0.1%以上の割合で含まれる、方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法であって、
前記炭化水素資化性脱窒菌に硝酸イオンを供給する工程が、前記炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥中の硝酸イオン濃度を10mg/L以上となるように調整する工程である、方法。
【請求項９】
含油廃水の処理装置であって、
好気条件下において、活性汚泥を用いて有機物を分解する好気性処理槽と
微好気条件下または嫌気条件下において、活性汚泥を用いて油脂および／または鉱物油を分解する嫌気性処理槽と、
嫌気性分解槽へ硝酸イオンを供給するための硝化槽と、
を備えた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含油廃水処理方法およびそれを用いた処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
活性汚泥を用いた水処理方法は、有機性廃水の処理方法としては最も優れた方法として、下水や産業廃水の処理に広く採用されている。しかしながら廃水中に油脂(脂肪酸)や鉱物油が含まれる場合、活性汚泥中の生物反応が阻害され、処理水質が悪化したり、装置の運転が困難になるなど多くの問題が生じていた。
油脂には、サラダ油、亜麻仁油、大豆油、オリーブ油、綿実油、等の植物油脂や、ラード(豚脂)やヘッド(牛脂)等の動物油脂が含まれる。このような油脂は、主に、炭素数18以下の飽和及び不飽和脂肪酸からなる。また、油脂は、炭素数20〜24の脂肪酸を微量含む。
鉱物油には重油が含まれ、重油は、炭素数14〜26の炭化水素から構成される。また、重油の主な成分は、炭素数17〜24の炭化水素である。これらの炭化水素は同じ炭素数の脂肪酸に比べてはるかに生物分解されにくいという特徴がある。さらに重油には、生物難分解性であるナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンなどの多環芳香族炭化水素も含まれるが、これらは生物毒性を示すことも知られている。
油脂(脂肪酸)や鉱物油による問題点を解決する手段として、含油廃水中に石油系炭化水素資化性微生物を添加することにより油脂及び／又は鉱物油を除去することを特徴とする含油廃水の処理方法、また、含油廃水中に石油系炭化水素資化性微生物と活性汚泥とを添加して油脂及び／又は鉱物油を除去することを特徴とする含油廃水の処理方法が提案されている(特許文献１)。特許文献１に記載される方法の特徴として、上記石油系炭化水素資化性微生物がコリネバクテリウム属に属する細菌やバリオマイセス属に属する酵母であることが挙げられる。これらの微生物はいずれも生育に酸素の供給を要する好気性微生物である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１５５４８９号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来技術同様に、微生物による重油処理は好気条件下での炭化水素の酸化分解が主要な反応となる。しかしながら、活性汚泥を含む処理装置に高濃度の重油等が混入した場合、活性汚泥中の溶存酸素濃度(DO: dissolved oxygen)が低下することなどにより、微生物への酸素供給が困難になる。そのため、酸化的な分解反応は困難になり、油分の処理性能が低下するという問題が生じている。このような背景のもと、好気的な反応に依らない重油処理方法の開発が望まれている。本発明は好気的な反応によらない重油処理の方法を含む廃水処理方法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明者らは、活性汚泥法を用いた含油廃水の処理リアクターについて、リアクターごとの処理効率の違いがある点に着目し活性汚泥に含まれる微生物について検討した。鋭意検討の結果、本発明者らは、目詰まりを起こさず継続的に含油廃水を処理できるリアクターは、好気的な分解経路より、むしろ嫌気的な分解経路が主要であることを見出した。
そこで、本発明者らは、含油廃水の嫌気的な分解経路について検討を重ねた。その結果、目詰まりを起こさずに継続的に含油廃水を処理できるリアクターにおいては、嫌気的な分解経路を担保している通性嫌気性の脱窒菌のエネルギー源となる硝酸イオンが恒常的に供給されていることをさらに見出した。
本発明は上記知見に基づき完成された発明である。
すなわち、本発明は、以下のとおりである：
【０００６】
本発明は、一態様において、
〔１〕含油廃水の処理方法であって、
微好気条件下または嫌気条件下において、通性嫌気性の炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥を用いて、前記含油廃水の処理を行う工程であって、前記活性汚泥による含油廃水処理が、硝酸イオンの供給下で行われる工程を含む、処理方法に関する。
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔２〕上記〔１〕に記載の方法であって、
好気条件下において、活性汚泥を用いた前記含油廃水処理を行う工程をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔３〕上記〔１〕または〔２〕に記載の方法であって、
前記硝酸イオンが、アンモニア酸化細菌を含む活性汚泥を用いて、前記含油廃水中のアンモニアから産生した硝酸イオンであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔４〕上記〔３〕に記載の方法であって、
アンモニア酸化細菌を含む活性汚泥が、亜硝酸酸化細菌をさらに含むものであることを特徴とする。
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔５〕上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の方法であって、
前記炭化水素資化性脱窒菌が、βプロテオバクテリア綱脱窒菌、または、γプロテオバクテリア綱脱窒菌であることを特徴とする。
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔６〕上記〔３〕または〔４〕に記載の方法であって、
前記アンモニア酸化細菌が、Nitrosomonas属、Nitrosospira属、および、Nitrosococcus属からなる群より選択される少なくとも一つの属に属する細菌であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔７〕上記〔３〕〜〔６〕のいずれかに記載の方法であって、
前記アンモニア酸化細菌が、活性汚泥中の微生物量に対して、0.1%以上の割合で含まれることを特徴とする。
また、本発明の含油廃水の処理方法は、一実施の形態において、
〔８〕上記〔１〕〜〔７〕のいずれかに記載の方法であって、
前記炭化水素資化性脱窒菌に硝酸イオンを供給する工程が、前記炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥中の硝酸イオン濃度を10mg/L以上となるように調整する工程であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、別の態様において、
〔９〕含油廃水の処理装置であって、
好気条件下において、活性汚泥を用いて有機物を分解する好気性処理槽と
微好気条件または嫌気条件のいずれかの条件下において、活性汚泥を用いて油脂および／または鉱物油を分解する嫌気性処理槽と、
嫌気性分解槽へ硝酸イオンを供給するための硝化槽と、
を備えた装置に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の活性汚泥を用いた含油廃水の処理方法によれば、油脂(脂肪酸)や鉱物油を含む有機性廃水を対象とした場合であっても、油の分解を効率よく行うことができ、廃水中の有機物や窒素成分、リン成分等の分解を継続して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、下記実施例１において使用した３槽式のポリカーボネート製膜分離活性汚泥処理装置の概略図を示す。
【図２】図２は、下記実施例１において使用した３槽式のポリカーボネート製膜分離活性汚泥処理装置の斜視図を示す。
【図３】図３は、本発明の含油廃水処理装置の一実施の形態であって、硝酸イオンを供給するための硝化槽が生物処理槽とは分離して設けられている膜分離活性汚泥処理装置の概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の含油廃水処理装置の一実施の形態であって、アンモニア酸化槽が生物処理槽とは分離して設けられている膜分離活性汚泥処理装置の実施形態における斜視図を示す。
【図５】図５(ａ)はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、活性汚泥中の有機物濃度(TOC)の推移を示す。図５(ｂ)はリアクターＩおよびリアクターIIにおける膜分離ユニットの膜間差圧(左縦軸)、および処理水流量(右縦軸)を示す。
【図６】図６(ａ)はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、活性汚泥中に残存した芳香族化合物(Naphthalene、Phenanthrene)の濃度をGC-MS解析により測定した結果を示す。図６(Ｂ)はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、活性汚泥中に残存したアルカン(C14〜C27)の濃度をGC-MS解析により測定した結果を示す。
【図７】図７はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、芳香族化合物分解酵素遺伝子の発現量を示す。
【図８】図８はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、アルカンおよび脂肪酸の分解酵素遺伝子発現量を示す。
【図９】図９はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、硝化反応(アンモニア酸化、亜硝酸酸化)を触媒する各酵素の遺伝子発現量を示す。
【図１０】図１０(ａ)はリアクターＩおよびリアクターIIにおける、活性汚泥中の溶存酸素濃度(DO)の推移を示す。図１０(ｂ)はリアクターＩおよびリアクターIIの、活性汚泥中または処理水中における硝酸イオン濃度の推移を示す。図１０(ｃ)はリアクターＩおよびリアクターIIの、活性汚泥中または処理水中のアンモニア濃度の推移を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明の含油廃水処理装置の一実施の形態の概略図を示す。本発明の含油廃水処理装置１は、膜分離型の活性汚泥処理装置である。図３に示すように、含油廃水処理装置１は、３つの反応槽２、８、１０を有する。反応槽２には、有機性廃水を供給する廃水の流入系が接続されており、ポンプ３ａを介して油脂や鉱物油を含む有機性廃水が反応槽２へと流入する。反応槽２へと流入した有機性廃水は活性汚泥と混合され生物処理により有機物の分解が行われる。このとき、反応槽２にはエアーブロワ４ａ、散気管５ａ、及び、フローメーター６ａが設置されており、反応槽２内は常に曝気されている。また、反応槽２は、生物反応槽８と連結しており、反応槽２内の有機性廃水及び活性汚泥の混合物は、連結管７を介して反応槽８内へと流入する。
反応槽８は、微好気〜嫌気条件下に保たれており、この反応槽８内において、含油廃水中の油脂や鉱物油が生物処理により分解される。反応槽８は反応槽１０と連結しており、反応槽８内の廃水及び活性汚泥の混合物は、連結管９を介して反応槽１０内へと流入する。反応槽１０にもエアーブロワ４ｂ、散気管５ｂ、及び、フローメーター６ｂが設置されており、反応槽１０内は常に好気条件に保たれている。また、反応槽１０には、生物処理により浄化した廃水と活性汚泥とを分離するための膜分離ユニット１１ｂ及び排出系が設置されている。排出系には、膜間差圧計１２、ポンプ３ｂ、及び、フローメーター６ｄが設置されている。生物処理により浄化した廃水は、膜分離ユニット１１ｂから排出系へと流出し、処理水として系外へ排出される。また、生物反応槽１０には、生物反応槽２へ活性汚泥を返送するための汚泥返送管１３及びポンプ３ｃを有しており、活性汚泥は繰り返し含油廃水処理装置１内で使用される。
【００１３】
また、本発明の含油廃水処理装置は、一実施の形態において反応槽の他に、硝化槽１５を備える。図３に示す一実施例において、硝化槽は、反応槽２、８と連結している。反応槽２には、膜分離ユニット１１ａおよび排水系が設置されており、当該排水系を介して、硝化槽１５へ活性汚泥を分離した含油廃水が流入する。硝化槽１５には、エアーブロワ４ｃ、散気管５ｃ、及び、フローメーター６ｃが設置されており、反応槽１０内は常に好気条件に保たれている。硝化槽１５内では、アンモニア硝化細菌を含む活性汚泥を用いて、廃水中のアンモニアから硝酸イオンが産生される。硝化槽１５は、膜分離ユニット１１ｃおよび排水系が設置されており、当該排水系を介して、反応槽８と連結している。硝化槽１５内で産生された硝酸イオンを含む廃水は、当排水系を介して、反応槽８へと送られる。
【００１４】
なお、図３は、一実施の形態を示すものに過ぎず、含油廃水処理装置に含まれる反応槽の数や、好気性反応槽(図３における反応槽２、１０)と嫌気性反応槽(図３における反応槽８)、硝化槽との連結の仕方については、含油廃水中の有機物や油脂、鉱物油の分解ができる限りにおいて限定されない。
【００１５】
本明細書において、「膜分離型活性汚泥処理装置」とは、下水や工場廃水等の浄化を行う活性汚泥法の一種で、処理された水(処理水)と固体成分(活性汚泥)との分離を、従来の沈殿池に代えて精密ろ過膜または限外ろ過膜を使って行う装置である。また、このような装置を用いて廃水を処理する方法を、膜分離型活性汚泥法という。なお、本発明が適用可能な膜分離型活性汚泥処理装置は、微好気性条件または嫌気条件下で含油廃水を処理できる嫌気性処理槽を有することのできる装置であれば良く、特に制限されない。また、一実施の形態において、本発明が適用可能な膜分離型活性汚泥処理装置は、硝化槽、または、好気性処理槽の少なくとも一方をさらに備えることができるものである。本発明が適用可能な膜分離型活性汚泥装置を構成する生物処理槽や膜分離ユニット、エアーブロワ、散気管、ポンプ、フローメーター等の各構成は、本明細書中に特に断りがない限り、通常使用されるものや公知のものを使用することができる。
【００１６】
また、「有機性廃水」とは、下水や工場廃水、飲食店舗廃水等の、有機物を主成分とする廃水をいう。本発明においては、特に、油脂や鉱物油を含む有機性廃水である。
【００１７】
また、「生物反応槽」とは、活性汚泥を用いて有機性廃水中の有機物を分解するための槽をいう。MBRは、生物反応槽を少なくとも１つ備えていれば良く、複数の生物反応槽を有していてもよい。好気性反応槽は、槽内を好気条件に保つためのエアーブロワ、散気管、フローメーター等を備えることができ、また、活性汚泥と処理水とを分離するための膜分離ユニットを備えることができる。一方で、嫌気性反応槽は、槽内の活性汚泥を微好気条件下または嫌気条件下に保たれる生物反応槽である。
本明細書において、「微好気条件下または嫌気条件下」とは、好気条件における酸素濃度よりも低い溶存酸素濃度の条件であり、以下に限定されないが、例えば、2mg/L以下の溶存酸素濃度、より好ましくは1mg/L以下の溶存酸素濃度の条件を挙げることができる。このような微好気条件または嫌気条件は、生物反応槽内へ酸素を送り込まない状態で、活性汚泥による廃水処理を連続して行うことにより達成される。
ここで、生物処理での反応槽内の汚泥濃度は、「MLSS」(Mixed Liquor Suspended Solid(活性汚泥浮遊物))で示すことができる。「MLSS」は、活性汚泥とその他の浮遊物質濃度(suspended solids成分(SS成分))との総和をいう。主に活性汚泥濃度の指標として用いられ、単位にはmg/Lが用いられる。
【００１８】
また、水質の有機成分の濃度を示す指標として、「COD」(Chemical Oxygen Demand(化学的酸素要求量))を用いることができる。「COD」は水中の被酸化性物質量を酸化するために必要とする酸素量を示したものであり、単位にはmg/Lが用いられる。また、水質に関する有機成分の濃度を示す指標として、「TOC」(Total Organic Carbon(全有機炭素))を用いることができ、単位にはmg/Lが用いられる。
【００１９】
ここで、「活性汚泥」とは、数千種類の微生物群(細菌類、原生動物など)を主成分とする有機汚泥の総称をいい、廃水・汚水の浄化手段として下水処理場、し尿処理場、浄化槽などで広く利用されている。
本発明は、微好気条件または嫌気条件下において、含油廃水中に含まれる油脂や鉱物油を生分解する工程を含むことを特徴とする。このような微好気条件または嫌気条件下において使用する活性汚泥としては、炭化水素資化性脱窒菌を含み、微好気条件または嫌気条件下において、油脂や鉱物油を生分解できるものである限りにおいて制限されず、公知の活性汚泥を使用することができる。このような微好気条件または嫌気条件下において使用する活性汚泥に含まれる微生物としては、以下に限定されないが、例えば、Zoogloea属細菌、Thauera属細菌、Azoarcus属細菌、Dechloromonas属細菌等の炭化水素資化性脱窒菌を挙げることができる。
なお、必要の際には、MBRに使用する前の活性汚泥に対して、前記の炭化水素資化性脱窒菌を添加して使用することもできる。活性汚泥に炭化水素資化性脱窒菌を添加する際には、例えば、活性汚泥中の微生物量に対して約10％程度の割合となるように添加することができる。
【００２０】
ここで、本明細書において、活性汚泥中の微生物量に対して、一定の割合となるように炭化水素資化性脱窒菌などの微生物を添加するというとき、活性汚泥中の微生物量は、活性汚泥を含む廃水処理槽内のMLSS値(mg/L)として算出することができる。すなわち、例えば、活性汚泥中の微生物量に対して10％の割合で炭化水素資化性脱窒菌を添加するとは、当該活性汚泥を含む生物反応槽内のMLSS値の10％に相当する炭化水素資化性脱窒菌量を添加すればよい。
【００２１】
なお、微好気条件または嫌気条件下において、含油廃水中に含まれる油脂や鉱物油を生分解する微生物としては、炭素数18以下の飽和及び不飽和脂肪酸、炭素数20〜24の飽和及び不飽和脂肪酸、または、炭素数14〜26の炭化水素などを分解できる微生物である。
本発明の一実施の形態においては、微好気条件または嫌気条件下において使用される活性汚泥に含まれる微生物は、カテコール、安息香酸などの芳香族化合物、ナフタレンなどの多環芳香族炭化水素を分解できる微生物である。そのような微生物は、カテコール-2,3-ジオキシゲナーゼ、安息香酸-1,2-ジオキシゲナーゼ、ナフタレン‐1,2-ジオキシゲナーゼなどの芳香族炭化水素分解酵素を有するものである。
このような微生物としては、Zoogloea属細菌、Thauera属細菌、Azoarcus属細菌、Dechloromonas属細菌などのβプロテオバクテリア綱脱窒菌や、Pseudomonas属細菌、Pseudoxanthomonas属細菌などのγプロテオバクテリア綱脱窒菌を挙げることができる。
【００２２】
ここで、本発明は、通性嫌気性の炭化水素資化性脱窒菌を含む活性汚泥を用いて、含油廃水の処理を行う際に、炭化水素資化性脱窒菌に対して硝酸イオンの供給を行うことを特徴とする。
硝酸イオンの供給方法としては、生物反応槽に直接硝酸塩を添加することもできるが、生物反応槽とは別途設けられた硝化槽から、硝化細菌の働きによってアンモニアから酸化されることで生成した硝酸イオンを供給することもできる。
本発明の一実施の形態として、生物反応槽に直接硝酸塩を添加する際は、嫌気性反応槽内の活性汚泥中の硝酸イオンが少なくとも10mg/L、好ましくは100mg/L以上の濃度となるように硝酸塩を供給することが好ましい。硝酸塩としては、活性汚泥による含油廃水の生分解を阻害しない限りにおいて制限されず、例えば、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムなどを上記の濃度となるように添加することができる。また、硝酸塩を添加する手段や方法は上記の一定の濃度に硝酸イオンが維持される限りにおいて制限されず、公知の手段および方法を用いることができる。
【００２３】
また、本発明の一実施の形態としては、上述のように、廃水処理装置に、生物反応槽に加えて、活性汚泥により排水中のアンモニアから硝酸イオンを産生するための硝化槽を備えることができる。硝化槽には、アンモニア酸化細菌を含む活性汚泥を使用する。アンモニア酸化細菌としては、含油廃水中のアンモニアを亜硝酸に酸化するものであれば特に制限されず、例えば、Nitrosomonas属細菌、Nitrosospira属細菌、Nitrosococcus属細菌などを挙げることができる。
また、アンモニア酸化細菌は、硝化槽に使用される活性汚泥中の微生物量に対して、少なくとも0.1%、好ましくは1%以上含まれていることが好ましい。このような活性汚泥であれば、公知の活性汚泥を用いることができる。また、活性汚泥に対して、使用前にアンモニア酸化細菌を上記の割合となるように添加してもよい。
【００２４】
また、本発明の一実施の形態においては、硝化槽に使用する活性汚泥は亜硝酸酸化細菌を含むものである。亜硝酸酸化細菌としては、含油廃水中の亜硝酸を硝酸へと酸化するものであれば特に制限されず、例えば、Nitrospira属細菌、Nitrobacter属細菌、Nitrococcus属細菌などを挙げることができる。また、亜硝酸酸化細菌は、硝化槽に使用される活性汚泥の微生物量に対して、少なくとも0.1%、好ましくは1%以上含まれていることが好ましい。このような活性汚泥であれば、公知の活性汚泥を用いることができる。また、活性汚泥に対して、使用前に亜硝酸酸化細菌を上記の割合となるように添加してもよい。
【００２５】
また、本発明の一実施の形態においては、微好気条件下または嫌気条件下において、含油廃水中に含まれる油脂や鉱物油を生分解する工程のほかに、好気条件下において、活性汚泥を用いて廃水中の有機物などを生物分解する工程を含む。このような好気条件下に用いる活性汚泥も特に制限されず、通常の好気性条件下で廃水処理を行うための公知の活性汚泥を用いることができる。好気条件による廃水処理は、微好気条件下または嫌気条件下による廃水処理工程の前にあってもよく、後ろにあってもよい。また、好気条件による廃水処理は、複数の工程とすることもできる(例えば、複数の好気性処理槽を備えた廃水処理装置とすることができる)。
【００２６】
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２７】
下記試験においては、図１および図２に示すような、3槽式、ポリカーボネート製の膜分離活性汚泥処理装置(MBR; Membrane bioreactor)を2基用いた。
MBRの各槽の容量は、それぞれ、第一槽が92L、第二槽が80.5L、第三槽が57.5Lである。このように、本試験に用いた膜分離活性汚泥処理装置は、合計230L容量のパイロットスケールリアクターである。
活性汚泥としては、茨城県県西流域下水道事務所のきぬアクアステーションから分譲された標準活性汚泥を用いた。
【００２８】
廃水としては、有機性の人工下水を用いており、それぞれの組成は以下に示す通りである。
人工下水(COD: 450mg/L)の組成：CH3COONa(2.65g/L)、NH4Cl (0.376g/L)、KH2PO4 (0.109g/L)、peptone (0.706g/L)、FeCl3・6H2O (0.782mg/L)、CaCl2 (1.56mg/L)、MgSO4 (1.56mg/L)、KCl (1.56mg/L)、及び、NaCl (1.56mg/L)
【００２９】
なお、MBRの各槽には、曝気ブロワが設置され、運転期間中は恒常的に曝気することとした。
MBRには、系外から第一槽に人工下水が導入され、人工下水は第一槽から第二槽、第三槽(膜分離槽)の順に流れる。
第三槽である膜分離槽には固体成分と液体成分を分離する膜分離ユニットが配される。膜分離ユニットは４枚の分離膜を有する。分離膜には150mm×300mmのPAN(ポリアクリロニトリル)製の扁平で袋状の平膜(阿波製紙製、孔径0.07μm)を用いる。この分離膜は袋外から袋内に水を引き入れることでろ別を行い、ろ過液を浄化水として系外に排出する。また、ろ別された活性汚泥は第一層に返送される。
【００３０】
人工下水の系内への流入速度、処理水の系外への流出速度、第三槽から第一層への汚泥返送速度のすべてを115L/dayに設定した。これにより水理学的滞留時間(HRT: Hydraulic retention time)は2日となる。
【００３１】
本実施例では前半(1〜20日目)は前記人工下水のみを用いて、後半(21〜37日目)は人工下水に後述の濃度の重油を加えたものを用いて、計37日間の廃水処理運転を行った。重油濃度は21〜23日目が50ppm、24〜33日目が100ppm、34〜37日目が200ppmとなるように調整した。
【００３２】
本実施例に関し、物理化学的パラメータとして、前記人工下水のMLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)、温度、pH、並びに、生物反応槽中の有機物濃度(TOC: Total Organic Carbon、COD: Chemical Oxygen Demand)、全窒素化合物濃度(TN: Total Nitrogen)、アンモニア濃度、硝酸イオン濃度、アルカン濃度、芳香族化合物濃度、膜目詰まりの指標となる膜間差圧、処理水流量等の測定を行い、運転状況に応じた物理化学的パラメータの変化を観察した。
【００３３】
MLSSの測定は、MLSS測定器(飯島電子工業製、IM-50P)を用い、汚泥界面から30cm付近で行った。また、温度及びpHの各測定は、pH測定器(HORIBA製、D-55)を用い、前記汚泥界面から30cm付近で行った。また、活性汚泥中および処理水中の有機物濃度と窒素化合物濃度について、TOC値およびTN値はTOC-TN分析装置 (島津製作所製、TOC-L、TNM-L)を用いて、COD値はCOD分析装置(Hach製、DR2800またはDRB200)と対応するキット(Hach製、TNT820またはTNT821)を用いて測定した。また、活性汚泥中および処理水中のアンモニア濃度および硝酸イオン濃度はキャピラリー電気泳動装置(Agilent製、CE)を用いて測定した。また、アルカンおよび芳香族炭化水素濃度はガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS)(島津製作所製、GCMS-QP 2010)を用いて測定した。
【００３４】
２基のリアクター(リアクターＩ、リアクターII)で重油処理を行ったところ、両者の重油分解効率に差が見られた(図５)。リアクター内の有機物濃度を比べるとリアクターＩでは重油添加後に有機物濃度が上昇しているのに対し、リアクターIIでは有機物の残存は少なかった。また、膜の目詰まりの指標である膜間差圧については、リアクターＩで重油添加後に急激に上昇しているのに対し、リアクターIIでは顕著ではなかった。リアクターから流出する処理水流量にも違いがみられ、リアクターＩでは膜間差圧の上昇に伴い、得られる処理水量が顕著に減少していた。
【００３５】
リアクターＩとIIにおける上記結果の違いは、活性汚泥中に含まれる微生物によるものであるのかを確かめるために、リアクターＩおよびIIの活性汚泥中の微生物について、網羅的な遺伝子発現解析(de novoメタトランスクリプトーム解析)を行った。具体的には、以下のようにして行った。
20日目(重油添加前)、29日目(100ppm重油処理時)、37日目(200ppm重油処理時)に２基のリアクターから活性汚泥を採取し、次世代シークエンサ(Illumina製、MiSeq)およびワークステーション(Dell製、Precision T7610)を用いてde novoメタトランスクリプトーム解析を行った。
【００３６】
ここで、de novoメタトランスクリプトーム解析は、以下の手順で行った。先ず、遠心分離により得た標準活性汚泥の汚泥サンプル(遠心沈殿物)に対して、平均粒子径0.1mmのジルコニア／シリカ混合ビーズ(Zirconia/Silica Beads)を加えた状態で、ビーズビータ(バイオメディカルサイエンス製、Shake Master)に供し、汚泥サンプルに含まれる微生物の細胞を破砕する。次いで、得られた細胞破砕液から、フェノール・クロロホルム抽出法により核酸(RNAおよび残存するDNA)を抽出・精製する。次いで、前記核酸サンプルをDNase処理に供し残存するDNAを分解する。次いでRNA精製用スピンカラム(Qiagen製、RNeasy Mini Kit)を用いて全RNAを回収する。次いで、rRNA除去キット(Thermo Fisher Scientific製、RiboMinus Transcriptome Isolation Kit bacteria)を用いて前記全RNAからrRNAの除去を行い、エタノール沈殿法によりmRNAを回収する。次いで、前記mRNAを基に、次世代シークエンササンプル調整キット(New England Biolabs製、NEBNext Ultra RNA Library Prep Kit for Illumina)を用いてcDNAライブラリーの調製を行う。得られたcDNAライブラリーからAMPure磁気ビーズ(Beckmann coulter製、A63881)及び精製用マグネットスタンド(Beckmann coulter製、A32782)を用いて、低分子DNA断片を除去し、次いで、得られた精製産物をアガロースゲル電気泳動により分画し、スピンカラム(Promega製、Wizard SV Gel and PCR Clean-up System)を用いて目的の断片長を有するcDNA断片のみを精製した。次いで、前記cDNAサンプルにおけるDNA濃度をDNA染色用蛍光試薬キットQuant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit(Thermo scientific製、P11496)及び微量用蛍光スペクトロメータ(Thermo scientific製、NanoDrop 3300)を用いて定量した。次いで、バイオアナライザー(Agilent Technologies製、Agilent 2100 Bioanalyzer)及び対応するキット(Agilent Technologies製、Agilent High Sensitivity DNA キット)を用いてサンプル中のDNA断片長およびその分布率を計測し、目的の断片長がサンプル中に占める割合を算出した。測定したDNA濃度と目的断片長の分布率を基に、前記cDNAサンプルより必要量をMiSeq Reagent Kits v2(Illumina製、MS-102-2003)に供し、前記次世代シークエンサによるDNA配列解析を行った。
【００３７】
次世代シークエンサによる解析の結果、2,500,000〜8,000,000reads／サンプル程度の配列データが取得された。取得された前記配列データは、配列解析プログラムTrimmomatic v0.32を用い、Q値>=20および配列長>=50bpの条件で低品質データを除去し、配列解析プログラムtrinity v2.1.2によるde novoアセンブルに供することで短いDNA配列を繋ぎ合わせて伸長し、発現遺伝子配列のリストを作成した。得られた発現遺伝子配列リストは、配列解析プログラムribopickerを用いてSilva rRNAデータベースにアライメントすることで、残存するrRNA配列の除去を行った。次いで、配列解析プログラムfasta36を用いて5S rRNAデータベースにアライメントすることで、残存する5S rRNA配列の除去を行った。次いで、配列解析プログラムtRNA scanを用いてtRNA配列の除去を行った。次いで、配列解析プログラムfasta36を用いてtmRNAデータベースにアライメントすることで、残存するtmRNA配列の除去を行った。次いで、配列解析プログラムblastxを用いてNCBI reference sequence database v65に対して相同性>25%および配列長>50アミノ酸の条件でアライメントを行うことで、各遺伝子の機能推定を行った。各遺伝子の発現量 (Fragments Per Kilobase of expressed gene per Million mapped fragments [FPKM]値)は次の手順で算出した。前記配列データを、配列解析プログラムBowtie 2を用い、trinityで構築した前記発現遺伝子リストにマッピングし、作成されたファイルを配列解析プログラムbam to bedによって数値ファイルに変換し、自作のperlプログラムを用いてFPKM値に換算した。
【００３８】
なお、本工程で用いた解析プログラムおよびデータベースは、下記に示す通り全て入手可能である。Trimmomatic v0.32 (http://www.usadellab.org/cms/?page=trimmomaticより入手)、trinity v2.1.2(https://github.com/trinityrnaseq/trinityrnaseq/wikiより入手)、ribopicker(http://ribopicker.sourceforge.net/manual.htmlより入手)、Silva rRNAデータベース(http://www.arb-silva.de/より入手)、fasta36(http://faculty.virginia.edu/wrpearson/fasta/fasta36/より入手)、5S rRNAデータベース(http://biobases.ibch.poznan.pl/5SData/より入手して改変)、tRNA scan(詳細は参考文献T M Lowe and S R Eddy, Nucleic Acids Res. (1997) 25, 955−964を参照)、tmRNAデータベース(http://www.ag.auburn.edu/mirror/tmRDB/より入手して改変)、blastx(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PAGE_TYPE=BlastDocs&DOC_TYPE=Downloadより入手したncbi-blast v2.2.29パッケージに含まれる)、NCBI reference sequence database v65 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/refseq/より入手)、Bowtie 2(http://bowtie-bio.sourceforge.net/bowtie2/index.shtmlより入手)、bam to bed(http://bedtools.readthedocs.org/en/latest/より入手したBED toolsに含まれる)。
【００３９】
次いで、GC-MSを用いてリアクター内に残存する重油成分(アルカンおよび多環芳香族化合物)の濃度を測定したところ、いずれもリアクターＩで高い残存量を示したが、リアクターIIでは良好に分解されていた(図６)。なお、本実施例のリアクターIIについては、200ppmという高濃度の重油まで良好に処理できることが確認された。
次いで、リアクター中の活性汚泥微生物における各種遺伝子発現量をde novoメタトランスクリプトーム解析によって調べた。先ず、芳香族化合物の分解酵素遺伝子の発現量を解析したところ、リアクターIIでは各遺伝子が高発現しており、重油に含まれる多環芳香族炭化水素が良好に分解されていたことが裏付けられた(図７)。次いで、重油の主成分であるアルカンの分解経路遺伝子について解析を行った(図８)。一般的にアルカンは、alkane monooxygenaseを初発酵素とする一連の代謝経路によって脂肪酸にまで酸化され、その後脂肪酸の代謝経路によって低分子有機物にまで分解される。しかし、本実施例のMBRではalkane monooxygenaseはほとんど発現しておらず、好気的な分解経路は機能していないことが示唆された。一方、近年alkylsuccinate synthaseを初発酵素とするアルカンの嫌気的分解経路が報告されているが、本実施例のMBRではこちらの嫌気的な分解経路が主要になっていることが明らかになった。さらに、詳細に遺伝子発現解析を進めたところ、芳香族化合物およびアルカンの分解は主にZoogloea属細菌、Thauera属細菌、Azoarcus属細菌、Dechloromonas属細菌等の炭化水素資化性脱窒菌が行っていることが示唆された。これらのことから、活性汚泥により含油廃水を処理する際、従来のような好気処理だけでなく、嫌気的にも含油廃水処理が可能なこと、さらに、50〜200ppmといった高濃度の重油を含んだ廃水でも嫌気的に良好な処理が行えることが示された。
【００４０】
前記脱窒菌は一般的な酸素呼吸だけでなく、硝酸イオンを基質とした硝酸呼吸を用いることで、嫌気条件でも効率的にエネルギーを獲得することが知られている。しかしながら本実施例のMBRには硝酸の直接の添加は行っていなかった。そこで、さらに詳細に遺伝子発現解析を行い、硝酸の由来を探索した。その結果、アンモニアから硝酸への酸化反応(硝化)がこれを担っていることが明らかになった。硝化経路遺伝子の発現量を解析したところ、リアクターＩではいずれの遺伝子も低発現であったのに対し、リアクターIIではいずれも高発現していた(図９)。さらに、リアクター中のアンモニア濃度、硝酸イオン濃度の推移を見たところ、硝化経路遺伝子が低発現であったリアクターＩではアンモニアの酸化活性が弱くアンモニアが蓄積し、硝酸イオンが枯渇していたことが分かった(図１０)。一方、硝化経路遺伝子が高発現していたリアクターIIではアンモニア酸化活性が強く、アンモニアの蓄積は見られず、逆に硝酸濃度が上昇していたことが確認された(図１０)。このことから、含油廃水の分解には分解者である炭化水素資化性脱窒菌だけでなく、脱窒菌にエネルギー源である硝酸イオンを供給することが重要であることが分かった。
【００４１】
以上より、
（１）標準活性汚泥を用いた膜分離活性汚泥処理装置を用いて重油含油廃水の処理が可能であること
（２）重油濃度は少なくとも200ppmまで処理が可能であること
（３）重油の主成分成分であるアルカンは嫌気的に分解されること
（４）重油成分のアルカンや多環芳香族化合物の分解能はZoogloea属細菌、Thauera属細菌、Azoarcus属細菌、Dechloromonas属細菌等の炭化水素資化性脱窒菌が担っていること
（５）含油廃水処理リアクターを高活性で維持するためには重油成分の分解微生物(炭化水素資化性脱窒菌)だけでなく、脱窒菌のエネルギー源である硝酸イオンの供給が必要であること
（６）硝化細菌群によるアンモニアから硝酸への酸化反応(硝化)によって安定的に硝酸イオンを供給でき、重油処理活性が高く維持されること
という重要な知見が得られ、これらの知見を基にした含油廃水処理方法およびそれを用いた処理装置を考案するに至った。
【符号の説明】
【００４２】
１  含油廃水処理装置
２、８、１０  反応槽
３  ポンプ
４  エアーブロワ
５  散気管
６  フローメーター
７、９、１４  連結管
１１  膜分離ユニット
１２  膜間差圧計
１３、１６  汚泥返送管
１５  硝化槽
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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