(57)【要約】【課題】アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物の存在を検出することにより、廃水処理の有効性の評価を支援可能な廃水処理システム及び廃水処理方法を提供すること。【解決手段】本発明の廃水処理システムは、少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を分解させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される活性汚泥装置と、少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる検出装置と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を分解させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される活性汚泥装置と、
少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる検出装置と、
を含むことを特徴とする廃水処理システム。
【請求項２】
検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる請求項１に記載の廃水処理システム。
【請求項３】
検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号３に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる請求項１から２のいずれかに記載の廃水処理システム。
【請求項４】
検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号４に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる請求項１から３のいずれかに記載の廃水処理システム。
【請求項５】
検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号５に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる請求項１から４のいずれかに記載の廃水処理システム。
【請求項６】
検出装置が、活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出可能とされる請求項１から５のいずれかに記載の廃水処理システム。
【請求項７】
少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を分解させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される活性汚泥装置を用いて前記廃水を処理する廃水処理方法であって、
少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する検出工程を含むことを特徴とする廃水処理方法。
【請求項８】
検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である請求項７に記載の廃水処理方法。
【請求項９】
検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号３に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である請求項７から８のいずれかに記載の廃水処理方法。
【請求項１０】
検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号４に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である請求項７から９のいずれかに記載の廃水処理方法。
【請求項１１】
検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号５に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である請求項７から１０のいずれかに記載の廃水処理方法。
【請求項１２】
検出工程が、活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出する工程を含む請求項７から１１のいずれかに記載の廃水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性汚泥により廃水中のアンモニア態窒素を分解する廃水処理システム及び廃水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニア態窒素を含む廃水処理方法として、活性汚泥法が広く用いられている。前記活性汚泥法においては、活性汚泥中に存在する微生物の働きにより、廃水に含まれるアンモニアを好気条件下で硝化（酸化）させるとともに、酸化された窒素化合物を嫌気条件下で還元して脱窒させることで、アンモニア態窒素を分解除去する。
更に、こうした活性汚泥法を基本として、前記微生物が活動する生物反応槽のｐＨを調整する方法（特許文献１参照）、前記生物反応槽の溶存酸素濃度を調整する方法（特許文献２参照）、前記生物反応槽での汚泥処理量（特許文献３参照）の調整などの様々な工夫が提案され、現在においても、効果的な廃水処理を目指した取組みが行われているところである。
【０００３】
しかしながら、こうした工夫によっても、前記硝化を行う微生物や前記脱窒を行う微生物の多くが判明しておらず、どのような微生物を優占的に増殖させるべきかも不明であるため、前記活性汚泥法での処理に供される前記廃水や前記活性汚泥によっては、目的とする微生物の生態環境が整わず、結果として廃水処理が期待通りとならない問題がある。
前記廃水は、し尿を含む場合に限らず、有機性廃水においても、有機物中のアミノ酸（タンパク質分解物）の分解によってアンモニア態窒素が生成されることから、放出先の生態系にとって有害であり、また、悪臭の原因ともなることから、放出前に確実に処理されるべきであり、こうした処理に向けて、アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物を特定することで、前記廃水処理に関わる生態環境を明らかにすることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５３−０７０５５１号公報
【特許文献２】特開昭６１−０９０７９６号公報
【特許文献３】特開平０５−２５３５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こうした状況に対し、本発明者らは、鋭意検討の結果、アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物を特定することに成功した。こうした微生物を特定することができれば、前記廃水及び前記活性汚泥中に該当する微生物が存在するか否かを検出することで、廃水処理の有効性を前記廃水の放出前に評価することができ、確実な廃水処理を期待することができる。
【０００６】
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物の存在を検出することにより、廃水処理の有効性の評価を支援可能な廃水処理システム及び廃水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞  少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を分解させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される活性汚泥装置と、少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる検出装置と、を含むことを特徴とする廃水処理システム。
＜２＞  検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる前記＜１＞に記載の廃水処理システム。
＜３＞  検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号３に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の廃水処理システム。
＜４＞  検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号４に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の廃水処理システム。
＜５＞  検出装置が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号５に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の廃水処理システム。
＜６＞  検出装置が、活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出可能とされる前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の廃水処理システム。
＜７＞  少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を分解させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される活性汚泥装置を用いて前記廃水を処理する廃水処理方法であって、少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する検出工程を含むことを特徴とする廃水処理方法。
＜８＞  検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である前記＜７＞に記載の廃水処理方法。
＜９＞  検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号３に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である前記＜７＞から＜８＞のいずれかに記載の廃水処理方法。
＜１０＞  検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号４に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である前記＜７＞から＜９＞のいずれかに記載の廃水処理方法。
＜１１＞  検出工程が、更に１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号５に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程である前記＜７＞から＜１０＞のいずれかに記載の廃水処理方法。
＜１２＞  検出工程が、活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出する工程を含む前記＜７＞から＜１１＞のいずれかに記載の廃水処理方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物の存在を検出することにより、廃水処理の有効性の評価を支援可能な廃水処理システム及び廃水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に適用可能な活性汚泥装置の一例を示す図である。
【図２】実施例に係る活性汚泥装置の概略構成を示す説明図である。
【図３】検証運転期間におけるアンモニア濃度の測定結果の推移を示す図である。
【図４】増加倍率が上位１位〜１０位であるＯＴＵ１〜１０の相対存在率の経日変化を示す図である。
【図５】増加倍率が上位１１位〜２０位であるＯＴＵ１１〜２０の相対存在率の経日変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（廃水処理システム）
本発明の廃水処理システムは、活性汚泥装置と、検出装置とを含み、必要に応じて、任意の装置を含み得る。
【００１１】
＜活性汚泥装置＞
前記活性汚泥装置は、少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を還元して窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配される構成とされる。
【００１２】
前記廃水としては、前記アンモニア態窒素を含むものであれば、特に制限はなく、し尿を含む下水や有機物を含む各種排水等が挙げられる。
【００１３】
前記活性汚泥としては、特に制限はなく、公知の活性汚泥法に適用される任意の活性汚泥が含まれる。即ち、本発明に係る廃水処理システムは、槽内に導入される前記活性汚泥中に前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物が含まれているか、更には、槽内の環境が前記微生物の生態にとって適しているかを後述の検出装置による前記微生物の検出を通じて確認し、前記アンモニア態窒素の分解除去に有効な活性汚泥装置であるかを評価するものである。なお、前記検出装置による前記微生物の検出を行った結果、前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する前記微生物が含まれていない場合には、こうした微生物を含む前記活性汚泥や微生物凝集剤を導入して前記活性汚泥装置の有効性を確保することができる。また、前記槽内の環境が前記微生物の生態に適していない場合には、槽内の曝気条件等を調整して前記槽内の環境を整えることができる。
【００１４】
前記好気槽としては、特に制限はなく、公知の活性汚泥法に適用される好気槽と同様の構成とすることができ、例えば、底側に曝気ブロアが配される反応槽等により構成することができる。
【００１５】
前記嫌気槽としては、特に制限はなく、公知の活性汚泥法に適用される嫌気槽と同様の構成とすることができる。ここで、本明細書において、前記嫌気槽とは、槽内に導入される廃水において、溶存酸素濃度が前記好気槽よりも低い領域を有する槽を示す。こうした前記嫌気槽としては、例えば、曝気ブロワを配さない構成の反応槽や、内部に前記廃水及び前記活性汚泥が流入可能である一方、気泡の流入が困難な多孔質性の筒状構造物が導入される反応槽等が挙げられる。
【００１６】
前記活性汚泥装置としては、こうした好気槽及び嫌気槽を有する反応槽であれば、特に制限はないが、更に、槽内に前記廃水の浄化水と前記活性汚泥・前記微生物とを固液分離する分離膜が配されたものが好ましい。
前記活性汚泥法に適用される反応槽においては、前記活性汚泥を沈殿させるため、大きな施設面積を要し、また、槽内で前記微生物を高濃度に維持することが困難である。
一方、前記分離膜を配する、膜分離活性汚泥法（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ；ＭＢＲ法）によれば、槽内に配された前記分離膜を介して前記浄化水の引き抜きを行うことにより、装置を省スペース化することができ、また、前記分離膜で前記微生物をろ過するため、槽内で前記微生物を高濃度に維持することができる。
こうした膜分離活性汚泥法に準じる場合、前記活性汚泥装置としては、前記好気槽、前記嫌気槽のいずれかに前記分離膜を配した２槽式の反応槽で構成することができ、また、前記好気槽、前記嫌気槽に加えて、これらの槽と前記廃水、前記活性汚泥が循環可能に接続され、内部に前記分離膜が配された膜分離槽を有する構成とすることもできる。
なお、前記分離膜としては、特に制限はなく、公知の精密ろ過（ＭＦ）膜や限外ろ過（ＵＦ）膜を用いることができる。
【００１７】
図１を参照しつつ、前記活性汚泥装置の概略構成を説明する。なお、この活性汚泥装置は、前記ＭＢＲ法に準じて構成される標準的な装置である。また、図１は、本発明に適用可能な前記活性汚泥装置の一例を示す説明図である。
【００１８】
活性汚泥装置１０は、嫌気槽１１と好気槽１３の２槽式反応槽で構成される。嫌気槽１１内には、撹拌機１２が配され、槽内に導入される前記廃水及び前記活性汚泥が撹拌可能とされる。また、好気槽１３は、底側に曝気ブロワ１４が接続され、槽内を好気的環境とすることが可能とされるとともに、膜分離ユニット１５により、前記廃水の浄化水と前記活性汚泥・前記微生物とを固液分離可能とされ、前記浄化水は、系外に排出可能とされる。
嫌気槽１１及び好気槽１３は、通水可能に接続され、嫌気槽１１に導入された前記廃水が好気槽１３に通水されるとともに、好気槽１３で溶存酸素を消費しつつ、前記微生物による前記アンモニア態窒素の硝化（酸化）が行われ、好気槽１３から嫌気槽１１に返送された硝化物（酸化物）を前記微生物が嫌気条件下で還元して窒素ガス化することが行われる。
【００１９】
嫌気槽１１から好気槽１３に前記廃水とともに流入する前記活性汚泥のうち、余剰分については、ポンプ１６により、系外に排出可能とされる。また、嫌気槽１１から好気槽１３に流入する前記活性汚泥は、ポンプ１７により好気槽１３から嫌気槽１１に返送可能とされる。
【００２０】
膜分離ユニット１５は、前記分離膜を有して構成され、前記固液分離を行う。また、膜分離ユニット１５には、膜洗浄液槽１８が接続され、前記分離膜に目詰まり等が生じたときは、前記固液分離を停止し、ポンプ１９により引き込んだ膜洗浄液により前記分離膜を洗浄可能とされる。
【００２１】
嫌気槽１１に導入される前記廃水は、活性汚泥装置１０の処理性能に応じて、流量が事前に調整されることが好ましく、本例では、活性汚泥装置１０に流量調整装置５０が接続される。
流量調整装置５０は、微細目スクリーン５１と流量調整槽５２とを有し、前記廃水中の固形物を微細目スクリーン５１で除去した状態で前記廃水を流量調整槽５２で貯留する。流量調整槽５２では、撹拌機５３による撹拌が可能とされ、ポンプ５４により流量が調整された状態で前記廃水を活性汚泥装置１０の嫌気槽１１に送水可能とされる。
【００２２】
＜検出装置＞
次に、前記検出装置について説明する。
前記検出装置は、少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされる。更に、前記検出装置としては、前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２〜２０に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされることが好ましい。これら配列番号１〜２０に記載の塩基配列に係る微生物は、後述の実施例において、槽内のアンモニア濃度の低下と対応して増加する微生物に係り、前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する。中でも、後述の実施例で考察されるように、配列番号が若い順で前記微生物が前記アンモニア態窒素の分解除去に強く関与することから、前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２〜１０に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされることがより好ましく、前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２〜５に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出可能とされることが特に好ましい。
また、検出対象には、前記配列番号１〜２０に記載の塩基配列に係る微生物に加え、前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が前記微生物の塩基配列に対して９７％以上の相同性を示す微生物を含む。
このような相同性を有する微生物は、下記参考文献１に記載されるように、同一の「種」であると考えられ、前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する。
参考文献１：P. Vandamme et al., Microbiological Reviews, 1996, p. 407-438
【００２３】
前記検出装置としては、前記微生物を検出可能な装置であれば、特に制限はないが、「次世代シークエンサ」と呼ばれる、高機能シークエンサを用いることが好ましい。
前記次世代シークエンサでは、前記配列番号１〜２０に記載の塩基配列を登録することで、前記微生物の同定及びその相同性検索を一度に大量に行うことができ、更に、短時間に行うことができる。
このような次世代シークエンサとしては、特に制限はないが、例えば、Ｉｌｌｕｍｉｎａ社製のＭｉＳｅｑ等を用いることができ、その検出としては、付属説明書に従って実施することができる。
【００２４】
前記検出装置としては、特に制限はないが、前記活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出可能とされることが好ましい。このような検出を実行できると、前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物の生態に適した環境が槽内で形成されていることの確認を行うことができ、より実効的な前記活性汚泥装置の廃水処理の有効性を評価することができる。
なお、このような経時的な前記微生物の増加は、前記次世代シークエンサを用いて検出することができる。ただし、より正確かつ詳細な系統学的情報の取得には、ＰＣ及び解析用ソフトウエアを用いることが好ましい。なお、前記解析用ソフトウエアとしては、例えば、実施例の欄で後述する各種ソフトウエアを用いることができる。
また、前記微生物存在量としては、前記活性汚泥中に含まれる前記微生物の絶対存在量（ＭＬＳＳ；ｍｇ／Ｌ）として検出してもよいし、前記活性汚泥中の全微生物における相対存在率（％）として検出してもよい。これらの場合、前記検出装置としては、検出する各存在量に合わせて構築することができ、前記相対存在率を検出する場合には、前記次世代シークエンサ、前記ＰＣ、前記解析用ソフトウエアで構築することができ、前記絶対存在量を検出する場合には、これらに加えて、廃水中のＭＬＳＳを測定する公知のＭＬＳＳ測定器等で構築することができる。
【００２５】
（廃水処理方法）
本発明の廃水処理方法は、活性汚泥装置を用いて廃水を処理する廃水処理方法であって、微生物を検出する検出工程を含む。
【００２６】
＜活性汚泥装置＞
前記活性汚泥装置は、少なくともアンモニア態窒素を含む廃水及び活性汚泥が導入され、前記アンモニア態窒素を硝化させて硝化物を生成させる好気槽及び前記硝化物を還元させて窒素ガスを発生させる嫌気槽が各槽間で前記廃水を循環可能に配されて構成される。
具体的な内容については、本発明の前記廃水処理システムにおける前記活性汚泥装置と同様であるため、説明を省略する。
【００２７】
＜検出工程＞
前記検出工程は、少なくとも前記活性汚泥装置中の前記廃水から１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号１に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程であり、更に、前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列が配列番号２〜２０に記載の塩基配列と９７％以上の相同性を示す微生物を検出する工程であることが好ましい。
【００２８】
また、前記検出工程としては、特に制限はないが、前記活性汚泥装置の運転開始前又は運転開始後の一時点における微生物存在量の検出値と、前記一時点から一定期間、前記活性汚泥装置を運転させた次時点における前記微生物存在量の検出値とを比較して、前記微生物存在量が前記一時点よりも前記次時点で増加していることを検出する工程を含むことが好ましい。
このような検出工程を実行すると、前記アンモニア態窒素の分解除去に寄与する微生物の生態に適した環境が槽内で形成されていることの確認を行うことができ、より実効的な前記活性汚泥装置の廃水処理の有効性を評価することができる。
【００２９】
前記検出工程の実施方法としては、特に制限はなく、本発明の前記廃水処理システムにおける前記検出装置を用いて実施することができる。
【実施例】
【００３０】
実験用ＭＢＲ装置として作製した実施例に係る活性汚泥装置を用いて廃水処理を行った。実施例に係る活性汚泥装置の概略構成を図２に示す。
該図２に示すように、活性汚泥装置１００は、好気槽１０１、嫌気槽１０２及び膜分離槽１０３を有する３槽式のＭＢＲ装置であり、各槽は、それぞれ９１Ｌ、８０Ｌ、５７Ｌの容量であり、ポリカーボネートで形成される。
【００３１】
ここで、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。
また、廃水としては、有機性の人工下水を用いた。この人工下水には、下水成分として、５．３０ｇ／ＬのＣＨ３ＣＯＯＮａ、０．７５１ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．２１７ｇ／ＬのＫＨ２ＰＯ４、１．４１ｇ／ＬのＰｅｐｔｏｎｅ、１．５７ｍｇ／ＬのＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、３．１３ｍｇ／ＬのＣａＣｌ２、３．１３ｍｇ／ＬのＭｇＳＯ４、３．１３ｍｇ／ＬのＫＣｌ、及び３．１３ｍｇ／ＬのＮａＣｌが含まれる。
【００３２】
系外から好気槽１０１に前記人工下水及び前記標準活性汚泥が導入される。好気槽１０１には、曝気ブロワ（不図示）が接続され、槽内が好気的環境に調整される。
好気槽１０１に導入された前記人工下水は、接続部１０４を介して好気槽１０１内の前記標準活性汚泥の一部とともに嫌気槽１０２に導入される。嫌気槽１０２には、微生物担持体を収容させた円筒状の中空容器（不図示）が設置される。この中空容器の表面には、直径数ｍｍの孔が全体に開けられており、内部に前記標準活性汚泥及び前記人工下水が流入可能とされる一方で、内部に気泡が流入しにくく、内部に嫌気的な環境が形成される。また、前記微生物担持体としては、微生物が定着する足場として軽石様の多孔質材を用いた。
【００３３】
嫌気槽１０２に導入された前記人工下水は、接続部１０５を介して嫌気槽１０２内の前記標準活性汚泥の一部とともに膜分離槽１０３に導入される。膜分離槽１０３には、前記標準活性汚泥と前記人工下水とを分離する膜分離ユニット１０６が配される。膜分離ユニット１０６は、前記標準活性汚泥と前記人工下水とをろ別する分離膜を４枚有する。ここでは、前記分離膜として、１５０ｍｍ×３００ｍｍのＰＡＮ（ポリアクリロトニトリル）製の扁平で袋状の平膜（阿波製紙社製、孔径０．０７μｍ）を用い、この分離膜は、袋外から袋内に水を引き入れることで前記ろ別を行い、ろ過液を浄化水として系外に排出可能とされる。また、前記ろ別された前記標準活性汚泥は、前記人工下水の一部とともに、膜分離槽１０３に接続されたポンプ（不図示）により、好気槽に返送される。
【００３４】
このように構成される活性汚泥装置１００に対し、前記人工下水の系内への流入速度、前記浄化水の系外への流出速度、及び、膜分離槽１０３から好気槽１０１への前記標準活性汚泥を含む前記人工下水の返送速度を全て１１５Ｌ／ｄａｙに設定して活性汚泥装置１００内における前記人工下水の水理学的滞留時間（ＨＲＴ）を２日として運転させた。また、運転期間中、前記曝気ブロワにより前記標準活性汚泥を恒常的に曝気させることとした。
【００３５】
また、本実施例では、前記条件で活性汚泥装置１００の定常運転を続け、槽内のアンモニア濃度が上昇した時点で微生物凝集剤（ＣＮＴ社製、ＢＲｃｎｔ−５Ｅ）を嫌気槽１０２内に添加し、その後継続して７日間の検証運転を行うことで、アンモニア態窒素の分解除去を目的とした廃水処理を行った。
なお、前記微生物凝集剤は、前記アンモニア態窒素の分解除去を行う微生物の選定を行うために、自然環境下に存在する微生物種を幅広く凝集させたものに係る。
【００３６】
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  Ｓｏｌｉｄｓ）、温度及びｐＨ、並びに、前記人工下水と前記浄化水の水質及びアンモニア濃度を測定し、活性汚泥装置１００の運転状況に応じた前記物理化学的パラメータの変化を観察した。
ここで、前記ＭＬＳＳの測定は、ＭＬＳＳ測定器（飯島電子工業社製、ＩＭ−５０Ｐ）を用い、汚泥界面から３０ｃｍ付近の前記人工下水に対して行った。
また、前記温度及び前記ｐＨの各測定は、ｐＨ測定器（ＨＯＲＩＢＡ社製、Ｄ−５５）を用い、前記汚泥界面から３０ｃｍ付近の前記人工下水に対して行った。
また、前記人工下水の水質の測定は、遠心分離機（ＴＯＭＹ社製、ＭＸ−３０７）により、前記標準活性汚泥から固液分離された上清部分に対し、過マンガン酸カリウム酸性法（ＣＯＤ−Ｍｎ）により、前記上清部分中のＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｅｍａｎｄ）を測定し、これを指標として行った。
また、前記浄化水の水質の測定は、前記過マンガン酸カリウム酸性法により、前記浄化水中の前記ＣＯＤを測定し、これを指標として行った。
また、前記人工下水中のアンモニア濃度は、キャピラリー電気泳動装置（Ａｇｉｌｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、Ａｇｉｌｅｎｔ  ＣＥ）を用い、前記上清部分に対して行った。
最後に、前記浄化水中のアンモニア濃度は、前記キャピラリー電気泳動装置（Ａｇｉｌｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、Ａｇｉｌｅｎｔ  ＣＥ）を用いて行った。
これらの測定は、７日間の前記検証運転期間中、５時点で行った。
【００３７】
前記５時点における前記標準活性汚泥を採取し、次世代シークエンサ（Ｉｌｌｕｍｉｎａ社製、ＭｉＳｅｑ）を用いて前記標準活性汚泥に対する微生物菌叢解析を行った。
ここで、前記次世代シークエンサでの前記微生物菌叢解析は、以下の手順で行った。
先ず、遠心分離により得た前記標準活性汚泥の汚泥サンプル（遠心沈殿物）に対して、平均粒子径が０．１ｍｍのジルコニアとシリカの混合ビーズ（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社製、Ｓｈａｋｅ  Ｍａｓｔｅｒ）に供し、前記汚泥サンプルに含まれる前記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染色体ＤＮＡを抽出・精製する。
次いで、前記染色体ＤＮＡの１６Ｓ  ｒＲＮＡをターゲットにしたユニバーサルプライマーを基に、Ｉｌｌｕｍｉｎａ社製のＭｉＳｅｑ用のバーコード配列等を付加した下記参考文献２に記載のプライマーを用いて、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  Ｃｈａｉｎ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ）法による前記１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の増幅を行った。
参考文献２：J Gregory Caporaso et al., The ISME Journal (2012) 6, 1621-1624)
【００３８】
得られたＰＣＲ増幅産物をＡＭＰｕｒｅ磁気ビーズ（Ｂｅｃｋｍａｎｎ  ｃｏｕｌｔｅｒ社製、Ａ６３８８１）及び精製用マグネットスタンド（Ｂｅｃｋｍａｎｎ  ｃｏｕｌｔｅｒ社製、Ａ３２７８２）を用いて未反応のプライマー及びプライマーダイマーを除去し、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社製、Ｗｉｚａｒｄ  ＳＶ  Ｇｅｌ  ａｎｄ  ＰＣＲ  Ｃｌｅａｎ−ｕｐ  Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて目的の断片長を有するＰＣＲ増幅産物のみを精製した。
次いで、前記ＤＮＡ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、必要量をＭｉＳｅｑ  Ｒｅａｇｅｎｔ  Ｋｉｔｓ  ｖ２  （Ｉｌｌｕｍｉｎａ社製、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。
その結果、前記ＤＮＡサンプルから５０，０００〜１００，０００  ｒｅａｄｓ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について、ソフトウエアｅａ−ｕｔｉｌｓ−１．１．２−３０１（インターネット上で入手可能なフリーソフト）を用いて遺伝子配列情報の連結を行い、更に、ソフトウエアＭｏｔｈｕｒ  ｖｅｒｓｉｏｎ  １．３１．２  を用いてキメラ配列を除去した後、ソフトウエアＱＩＩＭＥ  ｖｅｒｓｉｏｎ  １．６．０により遺伝子配列の系統学的解析を行い、各微生物種の相対存在率の増減と前記物理化学的パラメータ（アンモニア濃度の低下）との関係性を考察した。なお、ソフトウエアＭｏｔｈｕｒ  ｖｅｒｓｉｏｎ  １．３１．２の詳細については、下記参考文献３を参照でき、ソフトウエアＱＩＩＭＥ  ｖｅｒｓｉｏｎ  １．６．０に詳細ついては、下記参考文献４を参照することができる。
参考文献３：Schloss P. D et al., Appl. Environ. Microbiol (2009) 75, 7537-7541.
参考文献４：Caporaso J. G et al., Nat. Methods (2010) 7, 335-336.
【００３９】
＜考察結果＞
以下、考察結果について説明をする。
活性汚泥装置１００の運転期間中、嫌気槽１０２における前記人工下水の温度は、２６．０℃〜３３．３℃の間を推移し、ｐＨは、８．３９〜８．７５の間を推移し、ＭＬＳＳは、６，７５０ｍｇ／Ｌ〜１０，４００ｍｇ／Ｌの間を推移した。また、前記浄化水のＣＯＤ−Ｍｎは、５５．０ｐｐｍ以下を推移し、一般的なＭＢＲ装置の処理状況と変わらず、活性汚泥装置１００による処理状況が良好であったことを確認した。
活性汚泥装置１００の前記定常運転期間中、嫌気槽１０２におけるアンモニア濃度は、徐々に上昇して２５．９５ｍＭにまで達し、この時点で、前述の微生物凝集剤を添加した。その後７日間の検証運転期間におけるアンモニア濃度の測定結果の推移を図３に示す。
該図３に示すように、アンモニア濃度は、前記微生物凝集剤を添加した後、徐々に低下し、７日目の時点で、１３．６４ｍＭにまで減少した。
【００４０】
この７日間における微生物群集構造の変遷を観察するため、前述の通り、前記標準活性汚泥を前記次世代シークエンサによる解析に供し、前記微生物群集の系統分類を行った。
その結果、この期間中に幾つかの前記微生物種の相対存在率が急激に増加していることが分かった。
次に、この７日間の第１日目と第７日目の相対存在率を比較することで増加倍率を算出した。
解析の結果、前記増加倍率が上位２０位に入った前記微生物種のＯＴＵ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  Ｔａｘｏｎｏｍｉｃ  Ｕｎｉｔ）１〜２０の相対存在率の推移を図４及び図５に示す。なお、図４及び図５に示すＯＴＵ１〜２０は、前記増加倍率が高い順に番号が付けられ、また、これらの番号は、配列番号１〜２０における番号と共通する。即ち、これらの番号は、共通番号として、例えば、ＯＴＵ“１”の微生物種は、配列番号“１”に記載される、１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列を有する微生物種であり、ＯＴＵ“２”の微生物種は、配列番号“２”に記載される、１６Ｓ  ｒＲＮＡ遺伝子の塩基配列を有する微生物種であることを示している。また、図４は、前記増加倍率が上位１位〜１０位であるＯＴＵ１〜１０の相対存在率の経日変化を示す図であり、図５は、前記増加倍率が上位１１位〜２０位であるＯＴＵ１１〜２０の相対存在率の経日変化を示す図であり、それぞれの図において、左側欄において点線で囲まれた領域を右側欄で拡大して示している。
また、これらＯＴＵ１〜２０の近縁種情報、系統分類情報等を下記表１及び表２に示す。
【００４１】
【表１】
2015226896.tif 000003
【表２】
2015226896.tif 000004
【００４２】
図４、図５に示すＯＴＵ１〜２０の各微生物の相対存在率の増加倍率は、最も増加倍率の高いＯＴＵ１の微生物で１，４８６．７倍であり、最も増加倍率の低いＯＴＵ２０の微生物でも９．６倍である。各ＯＴＵの具体的な増加倍率は、次の通りである。ＯＴＵ１：１，４８６．７倍、ＯＴＵ２：９１．０倍、ＯＴＵ３：８９．８倍、ＯＴＵ４：５８．９倍、ＯＴＵ５：３８．７倍、ＯＴＵ６：３７．０倍、ＯＴＵ７：２３．０倍、ＯＴＵ８：２１．９倍、ＯＴＵ９：２０．２倍、ＯＴＵ１０：２０．２倍、ＯＴＵ１１：１９．３倍、ＯＴＵ１２：１８．５倍、ＯＴＵ１３：１４．７倍、ＯＴＵ１４：１４．１倍、ＯＴＵ１５：１３．５倍、ＯＴＵ１６：１３．１倍、ＯＴＵ１７：１１．８倍、ＯＴＵ１８：１０．１倍、ＯＴＵ１９：１０．１倍、ＯＴＵ２０：９．６倍。
【００４３】
以上のように、ＯＴＵ１〜２０の各微生物は、前記検証運転の開始前では、いずれも相対存在率が低いが、前記検証運転開始後、アンモニア濃度の低下（図３参照）と対応して急激に増加する傾向が確認される（図４，５参照）。
この点、ＯＴＵ１〜２０の全ての微生物について、アンモニアが含まれる前記人工下水に対して、どのように作用するかは定かではないが、ＯＴＵ８、９、１２、１４の各微生物は、脱窒能（硝酸などの酸化型窒素化合物を窒素ガスにまで還元する嫌気呼吸様式）を有する種と極めて高い相同性を示し、前記脱窒能を有するものと考えられ、これらの微生物が増加傾向にあることは、これら以外の微生物中に、アンモニアから前記酸化型窒素化合物を生成する微生物が存在することを間接的に示している。
したがって、活性汚泥装置１００中の槽中にＯＴＵ８、９、１２、１４の各微生物が存在することを確認できれば、活性汚泥装置１００の脱窒性能を肯定的に評価することができ、その増加により、アンモニアを同化する、或いは、前記酸化型窒素化合物に酸化させる微生物の存在を肯定的に評価することができる。
【００４４】
一方、ＯＴＵ１〜２０におけるＯＴＵ８、９、１２、１４以外の各微生物は、アンモニアを前記酸化型窒素化合物に酸化させる微生物であるか、前記脱窒能を有する微生物であるか、或いは、これら微生物と共生して、これらの働きを補助する微生物であり、いずれの微生物であっても、アンモニアの分解除去に寄与する微生物であると考えられる。
即ち、アンモニアを前記酸化型窒素化合物に酸化させる微生物であれば、活性汚泥装置１００のアンモニア処理性能を肯定的に評価することができ、その増加は、前記アンモニア処理性能が向上するものと評価することができる。また、前記脱窒能を有する微生物であれば、前述の通り、活性汚泥装置１００の前記脱窒性能を肯定的に評価することができ、その増加により、アンモニアを前記酸化型窒素化合物に酸化させる微生物の存在を肯定的に評価できることに加え、前記脱窒性能が向上するものと評価できる。また、これら微生物の働きを補助する微生物であれば、前記アンモニア処理性能、前記脱窒性能を肯定的に評価することができ、その増加は、前記アンモニア処理性能、前記脱窒性能が向上するものと評価することができる。
したがって、いずれの微生物であっても、廃水中のアンモニア態窒素の分解除去性能を肯定的に評価することができる。
【００４５】
本実施例では、図４、図５、表１及び表２に示されるように、前記増加倍率が高い微生物として、Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ門に含まれる微生物が優占的に確認された（ＯＴＵ１〜６、１１、１３、１５、１６）。
ＯＴＵ１〜２０の各微生物のうち、少なくともＯＴＵ１〜６、１１、１３、１５、１６の各微生物は、アンモニア酸化能を持つことが報告されていないため、アンモニアを同化した結果として、アンモニアを前記酸化型窒素化合物に酸化させる微生物であると推察可能である。
したがって、本実施例に係る実験系では、必ずしも定かではないが、ＯＴＵ１〜６、１１、１３、１５、１６を含む微生物により、前記人工下水中の前記アンモニアから前記酸化型窒素化合物が生成され、ＯＴＵ８、９、１２、１４を含む微生物により、前記酸化型窒素化合物から窒素ガスが生成されたものと考えられ、これら微生物が、活性汚泥装置１００の槽内で優占的に発生することにより、前記人工下水中のアンモニア態窒素が減少し、その分解物である窒素ガスが系外に排出されたものと考えることができる。
【００４６】
以上のように、ＯＴＵ１〜２０の各微生物（配列番号１〜２０に記載の各微生物）は、廃水中のアンモニア態窒素の分解除去に関与する微生物であることから、これら微生物の塩基配列が検出装置で検出されるよう設定（登録等）して、検出作業を行えば、その時点における活性汚泥装置１００のアンモニア態窒素の分解除去性能を評価することができる。また、前記検出作業を一定期間行うことで、経時的な活性汚泥装置１００のアンモニア態窒素の分解除去性能を評価することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０，１００    活性汚泥装置
１１，１０２    嫌気槽
１２，５３      撹拌機
１３，１０１    好気槽
１４      曝気ブロワ
１５,１０６  膜分離ユニット
１６，１７，１９，５４    ポンプ
１８      膜洗浄液槽
５０      流量調整装置
５１      微細目スクリーン
５２      流量調整槽
１０３      膜分離槽
１０４，１０５  接続部
【図１】
2015226896.tif 000005
【図２】
2015226896.tif 000006
【図３】
2015226896.tif 000007
【図４】
2015226896.tif 000008
【図５】
2015226896.tif 000009
【配列表】
2015226896000001.app