(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性排水を生物処理する生物反応槽と、
前記生物反応槽において浄化した有機性排水を浄化水と活性汚泥とに分離するための膜分離ユニットと、
前記生物反応槽において生じた余剰汚泥を活性汚泥へと再生する菌食性細菌培養槽であって、
好気条件下で菌食性細菌を培養するための曝気手段と
前記菌食性細菌培養槽に対する有機物の流入を制御するための有機物流入制御手段と
前記菌食性細菌培養槽において再生した活性汚泥を前記生物反応槽へと送る汚泥返送手段と、
を備えている菌食性細菌培養槽と
を含む膜分離型活性汚泥処理装置であって、
前記菌食性細菌培養槽は、前記生物反応槽から前記菌食性細菌培養槽へ余剰汚泥を送る連結管と前記汚泥返送手段とにより、前記生物反応槽に対してのみ連結しており、
前記菌食性細菌培養槽において余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより、余剰汚泥を活性汚泥へと再生し、さらに、前記再生した活性汚泥を前記生物反応槽において繰り返し使用することを特徴とする、膜分離型活性汚泥処理装置。
【請求項２】
前記菌食性細菌培養槽が、有機物量を測定する手段をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の膜分離型活性汚泥処理装置を用いて有機性排水を生物処理する方法であって、
前記生物反応槽において有機性排水を生物処理する工程と、
前記膜分離ユニットを用いて前記生物反応槽において浄化した有機性排水を浄化水と活性汚泥とに分離する工程と、
前記生物反応槽とのみ連結する前記菌食性細菌培養槽において前記生物反応槽において生じた余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより余剰汚泥を活性汚泥へと再生する工程であって、前記菌食性細菌の培養が好気条件下かつ有機物の流入が制御された条件下における培養である工程と
前記菌食性細菌培養槽において再生した活性汚泥を前記生物反応槽へ返送する工程であって、前記再生した活性汚泥は前記生物反応槽において繰り返し使用される工程と
を含み、
前記菌食性細菌が、Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌、Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌、Myxococcales目に属する菌食性細菌、Sphingobacteriia綱に属する菌食性細菌、Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌、及び、Cytophagia綱に属する菌食性細菌の群から選択される少なくとも１つの細菌であることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の膜分離型活性汚泥処理装置を用いて有機性排水を生物処理する方法であって、
前記生物反応槽において有機性排水を生物処理する工程と、
前記膜分離ユニットを用いて前記生物反応槽において浄化した有機性排水を浄化水と活性汚泥とに分離する工程と、
前記生物反応槽とのみ連結する前記菌食性細菌培養槽において前記生物反応槽において生じた余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより余剰汚泥を活性汚泥へと再生する工程であって、前記菌食性細菌の培養が好気条件下かつ有機物の流入が制御された条件下における培養である工程と、
前記菌食性細菌培養槽において再生した活性汚泥を前記生物反応槽へ返送する工程であって、前記再生した活性汚泥は前記生物反応槽において繰り返し使用される工程と
を含み、
前記菌食性細菌培養槽における菌食性細菌の培養が、少なくとも７日行われることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚泥減容方法およびそれを用いた膜分離型活性汚泥処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜分離型活性汚泥処理装置（MBR; Membrane bioreactor）は、微生物を含む活性汚泥を用いて反応槽内で下水などの廃液中の有機物や窒素成分、リン成分等を分解し、次いで、膜分離ユニットにより浄化水と微生物とを固液分離する技術である。このようにして膜分離型活性汚泥処理装置により系外に排出される浄化水は、良質な処理水となる。一方、活性汚泥は好気性微生物群から主に構成されており、この活性汚泥中の微生物は膜分離型活性汚泥処理装置の運転時間に依存して増殖する。従来、膜分離型活性汚泥処理装置において過剰に増殖した活性汚泥は、活性汚泥濃度を一定に保つために余剰汚泥として廃棄処分されていた。このようにして廃棄される余剰汚泥に加え、他の工場等から排出される泥状廃棄物は総称して汚泥と呼ばれるが、これら汚泥は産業廃棄物の種類別排出量の内43%を占めているため（環境省公開データ（平成２４年度））、余剰汚泥量をコントロール・減容化することがMBR運転管理上の重要な課題の一つであった。
【０００３】
ここで、汚泥減容方法で有力なものとして、余剰汚泥を加圧ジェット処理することで物理的に汚泥中微生物を破砕する方法が挙げられる（特許文献１）。しかし、この方法は高圧ジェット噴射システムを新たに組み込む必要があり、大掛かりな改修工事が必要となる。
また、細菌捕食性の原生動物を添加し、MBRの処理能低下を引き起こすとされる細菌を処理する方法などが考案されている（特許文献２）。しかし、この方法では外部から捕食性生物を加えるため、活性汚泥内の細菌のバランスが大きく変化し、リアクター機能が低下するなどの課題が懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１４８８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明は、膜分離型活性汚泥処理装置において、大掛かりな改修工事などのコストを必要とせず、簡便な方法により余剰汚泥量をコントロール・減容することのできる装置及び方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで、上記の特許文献１の方法は、膜分離型のシステムを採用していない活性汚泥処理装置に適用する方法である。膜分離型のシステムを採用していない活性汚泥処理装置では、浄化水の系外への排出の際に、一定量の活性汚泥も排出される。一方で、膜分離型活性汚泥処理装置においては、余剰汚泥を生物反応槽より取り出さない限り、生物反応槽内に余剰汚泥が溜まるため余剰汚泥中の有機物濃度が相対的に高くなる。また、上述のように、特許文献１の方法を採用する場合、活性汚泥処理装置内に高圧ジェット噴射システムを新たに組み込む必要がある。それに加えて特許文献１の方法では、活性汚泥中の微生物自体を死滅させるものではないため、増殖した微生物自体による濃度の上昇を解決するものではない。従って、特許文献１の方法は、濃度が相対的に高くなる膜分離型活性汚泥処理装置における余剰汚泥についても繰り返し機能するかわからないという課題も有していた。そこで、本発明者らは、濃度が高い余剰汚泥についても適用可能な余剰汚泥の減容方法について検討した。
【０００７】
現在までに、本発明者らはパイロットスケールのMBRを様々な条件で運転し、活性汚泥中の微生物組成の変化や、それに伴う廃水処理能の変化を研究してきた。その結果、以下の重要な知見を見出した。
（ｉ）  活性汚泥中に菌食性細菌が常在菌として存在する
（ｉｉ）  添加する有機物量に相関して活性汚泥中の微生物量は増加するが、ある値で一定となる、また、一定期間経過後に減少傾向に転じる。この期間には、活性汚泥内では菌食性の細菌が急激に増殖する。
（ｉｉｉ）  添加する有機物量を減少した際には活性汚泥中の微生物量は減少するが、この期間にも菌食性の細菌が急激に増殖する。
【０００８】
これらの知見に基づいて、本発明者らは余剰汚泥を含む槽内において好気条件を保ち、かつ、有機物量を制限したところ、驚くべきことに、有機物を必要とする微生物は死滅・溶菌することに加え、余剰汚泥内に存在する菌食性細菌がそれら不活性化した微生物を分解することで余剰汚泥を減容できることを見出した。これにより、本発明者らはMBR活性汚泥内に常在する菌食性の細菌を優先的に増殖させ、不活性な活性汚泥微生物を捕食・分解することで余剰汚泥を減容できる装置及び方法を提供するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、以下の通りである。
本発明の一態様は、
〔１〕有機性排水を生物処理する生物反応槽と、
前記生物反応槽において浄化した有機性排水を浄化水と活性汚泥とに分離するための膜分離ユニットと、
前記生物反応槽において生じた余剰汚泥を活性汚泥へと再生する菌食性細菌培養槽であって、好気条件下で菌食性細菌を培養するための曝気手段を備えている菌食性細菌培養槽と、
前記菌食性細菌培養槽において再生した活性汚泥を前記生物反応槽へと送る汚泥返送手段と
を含む膜分離型活性汚泥処理装置であって、
前記菌食性細菌培養槽において余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより、余剰汚泥を活性汚泥へと再生し、さらに、前記再生した活性汚泥を前記生物反応槽において繰り返し使用することを特徴とする、膜分離型活性汚泥処理装置に関する。
【００１０】
また、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態においては、
〔２〕前記菌食性細菌培養槽に対して、有機物の流入を制御するための有機物流入制御手段をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態においては、
〔３〕前記菌食性細菌培養槽が、有機物量を測定する手段をさらに備えていることを特徴とする。
また、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態においては、
〔４〕前記菌食性細菌が、Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌、Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌、Myxococcales目に属する菌食性細菌、Sphingobacteriia綱に属する菌食性細菌、Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌、及び、Cytophagia綱に属する菌食性細菌の群から選択される少なくとも１つの細菌であることを特徴とする。
また、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態においては、
〔５〕前記菌食性細菌培養槽における菌食性細菌の培養が、少なくとも７日行われることを特徴とする。
なお、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置に関する実施の形態ごとの特徴を複数組み合わせて有するものも、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置に含まれる。
【００１１】
また、本発明の別の態様によれば、本発明は、
〔６〕膜分離型活性汚泥法において生じた余剰汚泥を活性汚泥へと再生する方法であって、
余剰汚泥を好気条件下、かつ、余剰汚泥に対して外部からの有機物の追加がない条件下で培養する工程を含む方法であって、
前記培養により余剰汚泥中の菌食性細菌を培養し、前記菌食性細菌により余剰汚泥中の有機物を分解することを特徴とする、再生方法に関する。
ここで、本発明の再生方法の一実施の形態においては、
〔７〕前記培養工程により培養する菌食性細菌が、Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌、Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌、Myxococcales目に属する菌食性細菌、Sphingobacteriia綱に属する菌食性細菌、Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌、及び、Cytophagia綱に属する菌食性細菌の群から選択される少なくとも１つの細菌であることを特徴とする。
また、本発明の再生方法の一実施の形態においては、
〔８〕前記培養工程が、少なくとも７日行われることを特徴とする。
なお、本発明の再生方法の各実施の形態における特徴を複数組み合わせたものも、本発明の再生方法に含まれる。
【００１２】
また、本発明の別の態様によれば、本発明は、
〔９〕上記〔６〕〜〔８〕のいずれか一項に記載の再生方法により再生された活性汚泥を利用して、有機性排水を生物処理する工程を含む、膜分離型活性汚泥方法に関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の膜分離型活性汚泥処理装置によれば、菌食性細菌培養槽内で余剰汚泥を簡便に減容するこができる。これにより、余剰汚泥の廃棄量を減らすことが可能となり、さらに再生した活性汚泥を再度生物処理に使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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、本発明の膜分離活性汚泥処理装置の一実施の形態であって、菌食性細菌培養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（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の膜分離活性汚泥処理装置の一実施の形態であって、菌食性細菌培養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それぞれ示す。
【図５】図５は、実施例１に記載の条件により膜分離活性汚泥処理装置を用いて廃水処理運転を行った際のMLSSの経時的変化を示すグラフ（図５（ａ））、運転期間中に最も相対存在量の増加量が高かった上位10種の微生物の相対存在量変化を示すグラフ（図５（ｂ））、及び、当該上位10種の微生物に関する系統学的情報を示す表（図５（ｃ））である。
【図６】図６は、実施例２に記載の条件により膜分離活性汚泥処理装置を用いて廃水処理運転を行った際のMLSSの経時的変化を示すグラフ（図６（ａ））、運転期間中に最も相対存在量の増加量が高かった上位10種の微生物の相対存在量変化を示すグラフ（図６（ｂ））、及び、当該上位10種の微生物に関する系統学的情報を示す表（図６（ｃ））である。
【図７】図７は、実施例３に記載の条件により膜分離活性汚泥処理装置を用いて廃水処理運転を行った際のMLSSの経時的変化を示すグラフ（図７（ａ））、運転期間中に最も相対存在量の増加量が高かった上位10種の微生物の相対存在量変化を示すグラフ（図７（ｂ））、及び、当該上位10種の微生物に関する系統学的情報を示す表（図７（ｃ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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１に示す形態において、膜分離型活性汚泥処理装置１は、３つの生物反応槽２、８、１０を有する。生物反応槽２には、有機性排水を供給する排水の流入系が接続されており、ポンプ３ａを介して下水等の有機性排水が生物反応槽２へと流入する。生物反応槽２へと流入した有機性排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、生物反応槽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、生物反応槽２内は常に好気条件に保たれている。生物反応槽２は、生物反応槽８と連結しており、生物反応槽２内の有機性排水及び活性汚泥の混合物は、連結管７を介して生物反応槽８内へと流入する。生物反応槽８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、生物反応槽８内は常に好気条件に保たれている。これによりさらに排水中の有機物の生物分解を促進する。生物反応槽８は生物反応槽１０と連結しており、生物反応槽８内の有機性排水及び活性汚泥の混合物は、連結管９を介して生物反応槽１０内へと流入する。生物反応槽１０にもエアーブロワ４ｃ、散気管５ｃ、及び、フローメーター６ｃが設置されており、生物反応槽１０内は常に好気条件に保たれている。また、生物反応槽１０には、生物処理により浄化した排水と活性汚泥とを分離するための膜分離ユニット１１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排水は、膜分離ユニット１１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膜分離型活性汚泥処理装置１内で使用される。
【００１６】
ここで、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置は、菌食性細菌培養槽を含むものである。菌食性細菌培養槽は、活性汚泥中の微生物が増殖し余剰汚泥となったものを活性汚泥へと再生するための槽である。菌食性細菌培養槽における余剰汚泥の再生は、外部からのさらなる有機物の追加を制限し、かつ、好気条件下で余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより行う。ここで、菌食性細菌培養槽内において、余剰汚泥に対する外部からの有機物の増加を制限することにより余剰汚泥中の多くの微生物は死滅・溶菌する。そして、余剰汚泥内に存在する菌食性細菌は、それら不活性化した微生物を利用・分解することで生育・増殖する。その結果、菌食性細菌は増殖するが、全体として余剰汚泥中の有機物濃度を減少することができる。
【００１７】
菌食性細菌培養槽は、生物反応槽とは別の槽として設置することもできるし、生物反応層の少なくとも１つを菌食性細菌培養槽として使用することもできる。図１に示す一実施の形態においては、生物反応槽の少なくとも１つが菌食性細菌培養槽として機能することができる。例えば、図１に示す膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態において、連結管７又は連結管９には、有機物流入制御手段を備えることができる。連結管７に有機物流入制御手段を有する場合、生物反応槽８及び／又は生物反応槽１０は菌食性細菌培養槽として使用できる。生物反応槽８及び／又は生物反応槽１０を菌食性細菌培養槽として使用するには、連結管７における有機物流入制御手段により有機性排水の流入を止める。これにより生物反応槽２から生物反応槽８及び／又は生物反応槽１０への有機性排水の新たな流入を止めることができる。このとき、菌食性細菌培養槽中を好気条件に保つことで菌食性細菌を培養する。また、図１に示す膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態において、連結管９に有機物流入制御手段を有する場合、生物反応層１０を菌食性細菌培養槽として使用することができる。また、別の一実施の形態においては、有機性排水を供給する排水の流入系に有機物流入制御手段を設置することにより、生物反応槽２、８、１０を菌食性細菌培養槽とすることもできる。有機物流入制御手段としては、菌食性細菌培養槽中への有機物（すなわち、有機性排水）のさらなる流入を止めることがきるものであれば特に制限されず、ゲート弁等公知の構成を採用することができる。
【００１８】
また、本発明の膜分離型活性汚泥処理装置は異なる実施の形態として、生物反応槽とは別に、菌食性細菌培養槽をさらに備えることもできる。このような膜分離型活性汚泥処理装置の一実施の形態としては、図３に示すように、菌食性細菌培養槽１５と生物反応槽の少なくとも一つとが、連結管１４により連結している。そして、生物反応槽８中において生じた余剰汚泥は、連結管１４を介して菌食性細菌培養槽１５に送られる。ここで、連結管１４には有機物流入制御手段が設けられており、菌食性細菌培養槽１５へのさらなる有機性排水等の流入が制限される。なお、菌食性細菌培養槽１５は曝気手段（エアーブロワ４ｄ及び散気管５ｄ）を有しており、菌食性細菌培養槽１５内は好気条件に保たれる。また、菌食性細菌培養槽は好気条件を監視するためのフローメーター６ｄを備えていても良い。菌食性細菌培養槽１５に余剰汚泥が送られると、有機物の流入が制限され、かつ、好気条件を維持したまま菌食性細菌の培養が行われる。この培養により菌食性細菌は増殖し、菌食性細菌により余剰汚泥中の微生物細胞や有機物が分解処理される。ここで、菌食性細菌培養槽１５は、生物反応槽の少なくとも１つ（例えば、余剰汚泥が送られてきた生物反応槽（図３の形態においては生物反応槽８が相当する）や有機性排水が供給される最初の生物反応槽（図３の形態においては生物反応槽２が相当する））に再生した活性汚泥を送るための汚泥返送手段１６を有する。この汚泥返送手段を介して、菌食性細菌培養槽中で再生した活性汚泥を生物反応槽へ送り、繰り返し生物処理に使用する。
また、菌食性細菌培養槽１５が連結する位置は特に限定されず、以下の形態に限定されないが、図４（ａ）に示すように、有機性排水が供給される最初の生物反応槽８と連結してもよいし、図４（ｂ）に示すように、２つ目の生物反応槽１０と連結してもよい。
【００１９】
本明細書において、「膜分離型活性汚泥処理装置」とは、下水や工場排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、生物処理槽において余剰となる活性汚泥が生じた際に余剰汚泥を活性汚泥へと再生する菌食性細菌培養槽を備えることができ、これにより再生した活性汚泥を再度利用できる構成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。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。
【００２０】
また、「有機性排水」とは、下水や工場排水、飲食店舗廃水等の、有機物を主成分とする排水をいう。
【００２１】
また、「生物反応槽」とは、活性汚泥を用いて有機性排水中の有機物を分解するための槽をいう。MBRは、生物反応層を少なくとも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。生物反応槽は、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。
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。
【００２２】
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。
【００２３】
ここで、「活性汚泥」とは、数千種類の好気性微生物群（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、排水・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。本発明に使用できる活性汚泥としては、菌食性細菌を含む限りにおいて特に制限されず、公知の活性汚泥を使用することができる。なお、必要の際には、MBRに使用する前の活性汚泥に対して、菌食性細菌を添加してもよい。活性汚泥に菌食性細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10〜20％程度の割合で添加することができる。
【００２４】
また、「余剰汚泥」とは、活性汚泥法などの有機性排水の生物学的処理において、活性汚泥中の微生物濃度を一定に調整する場合に、それよりも過剰に増加した分の汚泥のことをいう。MBRにおいては、活性汚泥濃度（MLSS）を8,000〜15,000mg/L程度に保って運転することが多い。従って、例えば、MBRにおける活性汚泥濃度をMLSS = 8,000〜15,000mg/Lと設定した際には、これ以上にMLSSが上昇した場合、その余剰分が余剰汚泥となる。
より具体的には、生物反応槽中のMLSSを8,000〜15,000mg/Lに維持する一般的な運転とした場合、生物反応槽中のMLSSが8,000〜20,000mg/Lの範囲内となった際に、生物反応槽中の活性汚泥を余剰汚泥として菌食性細菌培養槽へ移すことが好ましく、MLSSの濃度が10,000〜15,000mg/Lの範囲内となった際に余剰汚泥を菌食性細菌培養槽へ移すことがより好ましい。
しかしながら、廃水種や処理の目的により、維持する活性汚泥の濃度（MLSS値）は異なるため、余剰汚泥と判断する基準も同様に廃水種や処理の目的により異なる。
【００２５】
本明細書において、「菌食性細菌」とは、他の微生物を殺し、その細胞を栄養源として消費できる細菌のことである。有機性排水に含まれる好気性の菌食性細菌としては、以下に限定されないが、例えば、Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌、Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌、Myxococcales目に属する菌食性細菌、Sphingobacteriia綱に属する菌食性細菌、Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌、及び、Cytophagia綱に属する菌食性細菌を挙げることができる。
【００２６】
Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌としては、例えば、Lysobacter属細菌を挙げることができ、この細菌は細胞外に分解酵素を分泌して他の菌を溶解することが知られている。その他、Xanthomonadaceae科に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Luteimonas sp.、Xanthomonas sp.、Pseudoxanthomonas sp.、及び、Thermomonas sp.を挙げることができる。
Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌としては、例えば、Bdellovibrio属細菌を挙げることができる。この細菌は他の細菌の細胞内に侵入し、細胞内部から他の細菌を捕食することが知られている。その他、Bdellovibrionaceae科に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Vampirovibrio sp.を挙げることができる。
Myxococcales目に属する菌食性細菌としては、例えば、Myxcoccus属細菌を挙げることができ、この細菌は細胞外に分解酵素を分泌して他の菌を溶解することが知られている。その他、Myxococcales目に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Sorangium cellulosumを挙げることができる。
Sphingobacteriia綱に属する菌食性細菌としては、例えば、Saprospira属細菌を挙げることができる。その他、Shingobacteriia綱に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Lewinella cohaerens、Aquiflexum sp.、Sphingobacterium sp.を挙げることができる。
Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌としては、例えば、Flavobacterium 属細菌を挙げることができる。その他、Flavobacteriia綱に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Chryseobacterium、Imtechella halotolerans、Alkaliflexus sp.、Solitalea koreensisを挙げることができる。
Cytophagia綱に属する菌食性細菌としては、例えば、Cytophaga属細菌を挙げることができる。その他、Cytophagia綱に属する菌食性細菌及びその近縁種としては、以下に限定されないが、Leadbetterella byssophilaを挙げることができる。
【００２７】
本明細書において、「菌食性細菌培養槽」とは、余剰汚泥中の菌食性細菌を培養することにより余剰汚泥を活性汚泥へ再生するための槽である。「菌食性細菌培養槽」における余剰汚泥の培養は、「好気条件下」かつ「余剰汚泥に対して外部からの有機物の追加がない条件下」で行われる。このような条件下においては、例えば、上記に列挙するような菌食性細菌の１種又は複数の種を増殖させることができる。そして、菌食性細菌培養槽中で増殖した菌食性細菌が、余剰汚泥中で死滅・溶菌した他の微生物やその他の有機物を分解することにより、余剰汚泥中の有機物濃度が減少する。
ここで、「余剰汚泥に対して外部からの有機物の追加がない条件」とは、菌食性細菌培養槽において余剰汚泥を培養する際に、余剰汚泥に対して外部からの追加の有機物の混入がないことを意味する。具体的には、培養中の菌食性細菌培養槽に対して、有機性排水や活性汚泥のさらなる流入がないことを意味する。そのような条件を満たすためには、例えば、膜分離型活性汚泥処理装置内において、菌食性細菌培養槽への有機性排水や活性汚泥の流入を一時的に止めるための有機物流入制御手段を使用すればよい。
【００２８】
菌食性細菌培養槽における好気条件としては、培養中に好気性の菌食性細菌が生育できる範囲の条件であれば特に制限されない。好気条件としは、例えば、活性汚泥中の溶存酸素量（DO、単位mg/L）が2.0以上になるように調整することができる。すなわち、菌食性細菌培養槽は、槽内を好気条件とするための曝気手段を備えている。曝気手段としては、上記の好気的条件を満たすものである限り限定されず、例えば公知のエアーブロワや散気管を使用することができる。
また、菌食性細菌培養槽における余剰汚泥の培養は、7〜14日培養することが好ましく、10〜14日培養することがより好ましい。菌食性細菌培養槽において余剰汚泥を培養する際の温度は、25〜35℃の範囲内で行うことが好ましく、29〜31℃の範囲内で行うことがより好ましい。菌食性細菌培養槽において余剰汚泥を培養する際のpHは、6〜9の中性付近とすることが好ましい。
【００２９】
なお、菌食性細菌培養槽における余剰汚泥の培養は、MLSSの値が20〜80%減容するまで行うことが好ましく、50〜80%減容するまで行うことがより好ましい。ここで、膜分離型活性汚泥処理装置内（例えば、生物処理槽内など）において、槽内の有機物量を測定するには、公知の自動TOC測定装置やMLSS測定器（例えば、飯島電子工業社製、IM-50P）などを用いてTOCやMLSS、CODとして算出することができる。
また、菌食性細菌培養槽において減容・再生した活性汚泥は、汚泥返送管により生物反応槽等へ戻されて再利用することができる。なお、菌食性細菌層へ余剰汚泥を送るための連結管や、再生した活性汚泥を生物処理槽へ送る汚泥返送管にはポンプを備えていても良い。
【実施例】
【００３０】
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、大三槽が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。
【００３１】
廃水としては、有機性の人工下水を用いた。有機物の濃度として、（ｉ）低濃度、又は、（ｉｉ）高濃度の2種類を用いており、それぞれの組成は以下に示す通りである。
（ｉ）低濃度（COD: 450mg/L）の人工下水の組成：CH3COONa(2.65g/L)、 NH4Cl(0.376g/L)、KH2PO4(0.109g/L)、peptone(0.706g/L)、FeCl3・6H2O(0.782g/L)、CaCl2(1.56mg/L)、MgSO4(1.56mg/L)、KCl(1.56mg/L)、及び、NaCl(1.56mg/L)
（ｉｉ）高濃度（COD:900 mg/L）の人工下水の組成：CH3COONa(5.30g/L)、NH4Cl(0.751g/L)、KH2PO4(0.217g/L)、peptone(1.41g/L)、FeCl3・6H2O(1.57mg/L)、CaCl2(3.13mg/L)、MgSO4(3.13mg/L)、KCl(3.13mg/L)、及び、NaCl(3.13mg/L)
【００３２】
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で槽内を好気的環境に調整することとした。
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。
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。
本実施例では前半（1〜7日目）は低濃度人工下水を用いて、後半（8〜19日目）は高濃度人工下水を用いて、計19日間の廃水処理運転を行った。
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、処理水中の有機物濃度（TOC:Total Organic Carbon、COD:Chemical Oxygen Demand）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。
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付近で行った。また、温度及び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付近で行った。また、処理水中の有機物濃度について、TOC値はTOC分析装置 （島津製作所、TOC-L）を用いて、COD値はCOD分析装置（Hach、DR2800またはDRB200）と対応するキット（Hach、TNT820またはTNT821）を用いて測定した。
各時点における活性汚泥を採取し、次世代シークエンサ（Illumina社製、MiSeq）を用いて微生物菌叢解析を行った。
ここで、次世代シークエンサでの微生物菌叢解析は、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社製、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用のバーコード配列等を付加した参考文献（J Gregory Caporaso et al., The ISME Journal (2012) 6, 1621-1624)）の補足情報に記載のプライマーを用いて、PCR（Polymerase Chain Reaction）法による16S rRNA遺伝子の増幅を行った。
得られたPCR増幅産物から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、PCR増幅産物サンプルにおける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。測定したDNA濃度を基に、PCR増幅産物サンプルより必要量を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。
次世代シークエンサによる解析の結果、10,000〜100,000reads／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について、ソフトウエアea-utils-1.1.2-301（https://code.google.com/p/ea-utils/downloads/listより入手）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物理化学的パラメータ（MLSSの増減）との関係性を考察した。なお、ソフトウエアMothur version 1.31.2の詳細については参考文献（Schloss P. D et al., Appl. Environ. Microbiol (2009) 75, 7537-7541.）を参照でき、ソフトウエアQIIME version 1.6.0に詳細ついては参考文献（Caporaso J. G et al., Nat. Methods (2010) 7, 335-336.）を参照することができる。
【００３３】
図５に、前半（1〜7日目）に低濃度人工下水を用い、後半（8〜19日目）に高濃度人工下水を用いて、計19日間の廃水処理運転を行った際の結果を示す。図５（ａ）は運転期間中のMLSSの変化を示す。図５（ｂ）は、微生物菌叢解析において運転5日目と19日目の相対存在量とを比較した際に、最も増加倍率が高かった上位10種の細菌の倍率変化を示す。また、図５（ｃ）の表は、それら10種の系統学的情報を記載する。
図５（ａ）に示すように、流入人工下水を低濃度から高濃度にすることでMLSSは急激に増加した（8〜12日）。このMLSSの増加は、活性汚泥内の多くの微生物が人工下水中に含まれる有機物を資化することで急激に増殖したと考えられる。しかし、15日目以降は高濃度の有機物が存在するにも関わらず、緩やかにMLSSが減少し、活性汚泥に含まれる微生物量（固形分）が減少していることが示された。
この結果について考察するため、運転期間中の微生物群菌叢解析をしたところ、活性汚泥中に常在菌として菌食性細菌が存在することが分かった。さらに、微生物量が減少する期間にこれら菌食性細菌のうち、Luteimonas marina、Fusibacter sp.、Luteimonas aestuarii、Proteocatella sphenisci、Luteimonas sp.、及び、Pseudoxanthomonas sp.が急激に増殖していることが分かった。すなわち、菌食性細菌が他の細菌およびその死菌体を捕食・分解しており、活性汚泥中の微生物量減少に寄与していることを示唆していた。
【００３４】
（実施例２）
本実施例では、前半（1〜21日目）に低濃度の人工下水を用いて、かつ、後半（22〜30日目）に高濃度の人工下水を用い、計30日間の廃水処理運転を行った。なお、低濃度又は高濃度の人工下水を用いた期間、及び、合計の運転処理期間以外の条件については、全て実施例１と同様にして行った。また、MLSSの測定及び微生物群菌叢解析についても、実施例１と同様にして行った。なお、運転期間中は恒常的に曝気することで槽内を好気的環境に保った。
その結果を図６に示す。図６（ａ）には運転期間中のMLSSの変化を示す。図６（ｂ）は、運転19日目と30日目の相対存在量とを比較して、最も増加倍率が高かった上位10種の倍率変化を示すグラフであり、図６（ｃ）は、それら10種の系統学的情報を示す表である。
流入人工下水を高濃度にすることでMLSSは急激に増加した（22〜26日）。実施例１同様に、活性汚泥内の多くの微生物が人工下水中に含まれる有機物を資化することで急激に増殖したと考えられる。また、26日目以降は緩やかにMLSSが減少し、活性汚泥に含まれる微生物量（固形分）が減少していることが示された。
この運転期間中の微生物群菌叢解析の結果、微生物量が減少する期間に菌食性細菌であるBdellovibrio sp.、Leadbetterella byssophila、Luteimonas marina、Psedoxanthomonas sp.、及び、Aquiflexum sp.が急激に増殖し、菌食性細菌が他の細菌およびその死菌体を捕食・分解することが、活性汚泥中の微生物量減少に寄与していることが示唆された。
【００３５】
（実施例３）
実際の汚泥処理装置では、運転を続けるうちに生物処理を行う生物反応槽内の有機物量が高濃度になり余剰汚泥が生じる。特に、MBRにおいては、生物反応槽より活性汚泥や余剰汚泥が系外に排出されないため、余剰汚泥の有機物濃度は一般的な汚泥処理装置と比較して高くなる。このような有機物が高い状態の余剰汚泥に対して、流入する有機物量を制限することで余剰汚泥を減容させることができるかを確認するため、下記の試験を行った。
本実施例では、前半（1〜4日目）に高濃度人工下水を用いて、後半（5〜21日目）に低濃度人工下水を用いて、計21日間の廃水処理運転を行った。なお、低濃度又は高濃度の人工下水を用いた期間、及び、合計の運転処理期間以外の条件については、全て実施例１と同様にして行った。また、MLSSの測定及び微生物群菌叢解析についても、実施例１と同様にして行った。なお、運転期間中は恒常的に曝気することで槽内を好気的環境に保った。
結果を図５に示す。なお、図７（ａ）は運転期間中のMLSSの変化を示し、図７（ｂ）は運転5日目と10日目の相対存在量とを比較して、最も増加倍率が高かった上位10種の倍率変化のグラフを示し、図７（ｃ）は、増加倍率において上位10種であった微生物の系統学的情報を記載する。
図７（ａ）に示すように、流入人工下水を高濃度から低濃度にすることでMLSSは急激に減少した（5〜21日）。なお、MLSSは活性汚泥中の固体成分を検出するため、例えば増殖が弱まった細胞や死菌体、細胞の残骸などもMLSS値にカウントされる。従って、このようなMLSSの急激な減少は、微生物細胞が死滅・破砕・溶解し、その残渣や菌体自体を別の菌食性細菌が分解したことを示していると考えられる。
この運転期間中の微生物群菌叢解析の結果、微生物量が減少する期間に菌食性細菌であるLuteimonas sp.、Thermomonas sp.、及び、Luteimonas marinaが急激に増殖し、菌食性細菌が他の細菌およびその死菌体を捕食・分解したと考えられた。
【符号の説明】
【００３６】
１    膜分離型活性汚泥処理装置
２、８、１０    生物反応槽
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    菌食性細菌培養槽
【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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