(57)【要約】【課題】地球上の元素の循環系には酸化主体のエネルギー消費・無機化と、エネルギー蓄積型・資化の２大プロセスが指摘されており、後者の重要性と、後者と前者の複合型が効率化と環境負荷の少ない廃水浄化であることに着眼したもので、光合成細菌の特徴である多量の泡の生成意義を考察・類推し、好気性有機栄養細菌との共生によって、単独時の２０倍近い微生物活性の画期的メリットを利用することにより、光合成細菌の生成する泡を活用する廃水処理法を提供する。【解決手段】光合成細菌添加バッキ槽の水面上に発生する泡ゾーンをバイオリアクターとして還元的に生物処理することを特徴とする。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合成細菌添加バッキ槽の水面上に発生する泡ゾーンをバイオリアクターとして還元的に生物処理することを特徴とする光合成細菌の生成する泡を活用する廃水処理法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッキ槽に光合成細菌を添加する際に発生する大量の泡が作る表層を生分解促進の場として、酸化分解を還元環境でおこなう廃水の処理法に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】
従来、光合成細菌の廃水処理での利用法は、活性汚泥の処理フローに似た使い方であった。高濃度汚水のバッキ槽に添加した場合に発生する多量の泡について、泡をバッキ槽外に排出し、泡とともに有機汚濁物を除去するものであって泡の処理がネックになって普及を妨げていた。事実、十分の敷地の確保できない畜産業者や工場等での実用化を妨げる原因である。
【０００３】
生物処理は好気性微生物に分類される細菌類・微生物の活性を利用して有機性汚濁物を異化・同化した後に、残留汚濁物である微生物遺体を沈殿させ水と分離することによる廃水の浄化法である。自然界の物質循環プロセスの一形態である好気性微生物の呼吸と増殖を活用する生物処理は、［酸化作用］が基本である。然るに、活性汚泥法で処理された処理水は殺菌をしなければ放流できない。また、余剰汚泥は有用な有機物資源として活用できない産業廃棄物である。高濃度の有機汚濁廃水はＢＯＤ１０００ｐｐｍ程度に希釈しなければ処理できないこと、汚濁物の無機化率は２０〜３０％程度であるため非効率な生物処理であるともいえる。泡の処理、個液分離の促進、処理水の殺菌等、処理工程で多くのケミカル類を利用しなければならないため、自然界の生物処理に比べて環境共生的ではなくかつ、多量の電気を消費すること、多量の化学物質を使うこと，処理水の再利用を殺菌剤が妨げる等、正確には自然生態系とは共生的ではない生物処理である。また無機栄養塩類窒素リンの除去に別の処理行程を必要とするため効率的ではない欠陥をもっている。
【０００４】
科学的な技術として開発された生物処理は、自然界の本来の生物処理すなわち元素循環プロセスとは異なるものであるための弊害をもつといえる。
【０００５】
生物処理に伴う泡の除去目的では、現在９０％以上が各種消泡剤、一部でシャワーによる泡消し法がある。泡を活用する発想は見当たらない。
【０００６】
このように、従来はバッキによって発生する多量の泡を邪魔者として消泡することが重要であるとされ、種々の消泡方法が探求されてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解消し、特に、地球上の元素の循環系には酸化主体のエネルギー消費・無機化と、エネルギー蓄積型・資化の２大プロセスが指摘されており、後者の重要性と、後者と前者の複合型が効率化と環境負荷の少ない廃水浄化であることに着眼したもので、光合成細菌の特徴である多量の泡の生成意義を考察・類推し、好気性有機栄養細菌との共生によって、単独時の２０倍近い微生物活性の画期的メリットを利用することにより、光合成細菌の生成する泡を活用する廃水処理法を提供することをその課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る光合成細菌の生成する泡を活用する廃水処理法は、光合成細菌添加バッキ槽の水面上に発生する泡ゾーンをバイオリアクターとして還元的に生物処理することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施形態】
廃水処理の主流である活性汚泥法は、水に溶けた有機汚濁物質の酸化作用による異化と、微生物菌体としての同化による有機物質と水の固液分離による、水質浄化技術として完成されてきた。今日、活性汚泥法は汚水処理技術の最も標準的な技術である。一般に接触酸化法に分類されている。
【００１０】
生物処理とは地球環境の生態系がつくる元素循環の一形態である酸化分解を人工的にバッキすることで、好気性有機栄養微生物の活性化＝異化と同化によるプロセスすなわち腐生連鎖系の活用である。発酵系は元素循環のもう一つの重要な形態である資化とエネルギー蓄積を特長とするものである。図１は、地球上の元素循環の模式図である（小林達治著　社団法人農山漁村文化協会発行「光合成細菌で環境保全」ｐ３４５より）。地球環境でバイオマスの生成と元素循環の最大のものは、植物の光合成である。それは太陽光による水の分解と、それによって生成するＨ２を利用したＣＯ２の還元による炭酸同化作用である。同様、発酵を主とする資化は還元作用によって行われている元素循環の重要な一形態である。廃水処理を腐生系から発酵系に変換することは、水環境負荷を少なくすると同時にエネルギー蓄積の巧みな自然の仕組みの有効活用である。
【００１１】
ところで、光合成細菌は酸素ではなく、水素を生成する。地球上に酸素や有機物質の少なかった３７億年前からの古細菌に属する光合成細菌は、地球環境の浄化に重要な役割を果たしていることが知られている。光合成細菌のある種のものは、炭素源として有機物を、エネルギー源としての光以外に電子供与体を有機物またはＨ２として利用する。元素の生物的循環のうち、ｎ個の電子の授受を含む酸化還元反応は環境浄化の重要な素過程であるが、場の酸化還元電位は反応を支配する重要な因子である。バッキ槽に光合成細菌を添加すると、水環境と有機汚濁物質が還元的になることが観測される。上掲書の光合成細菌と好気性有機栄養細菌の共生に関する研究によると、混合培養の場合、単独に比して活性比が１０〜２０倍である（図２参照）。また多量に発生する泡の本体は、光合成細菌の生成する菌体外粘質物、高エネルギーヌクレオチドを両者が有効に利用し、窒素固定促進のためであることが判明している（図３参照）。酸化主体の腐生系食物連鎖にあっては、Ｏ２を最終電子受容体に利用するものであるが、そのことによって活性酸素Ｏ２￣を生成し環境を酸化型にする。
【００１２】
一方、光合成細菌はＨ２を生成することで活性酸素Ｏ２￣を消去するため、環境を還元的にしていることが推測される。酸化還元電位の低い還元型環境条件では、好気性有機栄養細菌であっても発酵型の細菌が主体になり、分解と同時に資化が進む。また、従来の活性汚泥法の活性汚泥は微生物遺体であるため腐敗するが、発酵によって生成するモノは腐敗しないことが重要である。
【００１３】
実際に廃水を処理するにあたっては、図４に示すように、廃水を貯留したバッキ槽１に光合成細菌を添加し、バッキ装置２によりバッキすることにより発生した泡により泡層３が形成され、この泡層３がバッキ水面上約１ｍに保持されるように不要な泡は適宜の消泡装置４によって泡を切って水に戻されるように構成すればよい。泡層をバイオリアクターとすることにより、高負荷汚水を光合成細菌の添加による混合培養を利用し多量に発生する泡のゾーンは、固・液・気・細菌の集積する場となる。このゾーンをコントロールすることにより、泡を積極的に活用することができる。バッキ槽の汚水を繰り返し泡に代えることによりバッキ効率は２、３倍程度に向上し、省エネと地球温暖化対策にも有効である。
【００１４】
ところで、活性汚泥法・接触酸化法にあっては、地球上の物質循環にかかわる各種微生物群のうち、エネルギーの消費型の酸化による腐生系を利用する生物処理である。
【００１５】
光合成細菌の特性は、エネルギーの蓄積または固定を担ってきた微生物群に分類される。技術的に注目すべき点は、好気性有機栄養細菌と光合成細菌の共生は顕著な微生物活性が確認されていることにある。本来自然界の微生物の繁殖に不足がちな大気中の窒素を取り込む必要性が生み出した共生関係が多量の泡となって発現されていると考えるとよい。光合成細菌の粘質物質はＡＴＰや高エネルギーヌクレオチドである菌体外酵素を生成することで、化学従属栄養細菌にとっては繁殖の好条件を、光合成細菌にとって泡の環境条件は長時間大気の窒素や炭素に接触し、窒素固定や炭酸同化の、さらには光合成のための光を吸収するための最適な場になっていることを推測させられる。水中の光合成細菌は泡に乗って水面に出る方法を活用したのである。気（酸素）・固（栄養）・液（水）・の適度な配合の場が泡であり決して邪魔者ではない。そこでは単独のケースに比べて２０倍近い微生物活性の発現する混合培養リアクターに相当する。またバッキによって利用される酸素は最大５％程度であったが２、３倍のバッキ効率を可能にする。泡を集積する培養槽として水面上の一定の空隙を活用し、泡層を保温材に、繰り返し泡と水の間を往復させることで、浄化効率アップを図ることができる。バッキ効率の効率化は、省エネと地球温暖化の有効な手段である。
【００１６】
泡の活用は酸化分解を促進するが、光合成細菌の共生によって場が還元的になることに価値がある。効率的エネルギー獲得の手段である微生物呼吸は（酸化）汚濁物の無機化は酸素を電子受容体とする。腐生細菌が主役となって働くため、生成物（水と汚泥）と環境は酸化型となり、殺菌剤等の強酸化物質の添加はそれを加速している。しかし、光合成細菌の共生によって酸化は光合成細菌のＨ２の生成によって還元型に変換する。酸化分解を還元型微生物環境下で行うことになる。有機物またはＨ２を電子供与体として作用する泡環境では、活性汚泥法の主役であった腐生菌が後退し、発酵型の微生物群が主役化する。自然界における元素循環の資化作用によるエネルギーの蓄積が、同時に水環境の生態系に必要なエネルギー物質を供給する。腐生系とは異なる食物連鎖の発現こそが自然環境浄化のエネルギーである。生物処理もエネルギー消耗型は、少なからず環境汚染物質を生成することは明らかである。河川や池等の浄化を接触酸化的に行うバッキの常識は、腐敗物の無機化を急ぐことによって少ない水中の溶存酸素を消耗する悪循環を助長していることになる。還元型のモノは溶存酸素を消費しないだけでなく、大きな食物連鎖系をつくり出すことによる浄化作用を創る。
【００１７】
以上のように、エネルギー合成型の生物処理法は、元素循環の巧みなリサイクル法であり、同時に環境負荷を少なくする方法である。本発明では、エネルギー消化とエネルギー蓄積の領域を組み合わせることを泡と還元環境によって実現することを目指している。
【００１８】
次に、以上のことを別の観点から検証する。
【００１９】
微生物が場所の酸化還元電位Ｅｈ　と水素イオン濃度ｐＨによる住み分けをしていることは、１９６０年にＢａａｓ　−Ｂｅｃｋｉｎｇらによって報告されている（微生物生態入門、服部勉著、第６章　地球上の微生物の働き図４６参照）。元素の生物的循環の中より基本的な意味をもっている酸化還元反応は還元型物質Ｒｅと、酸化型物質Ｏｘ両者の濃度差を白金電極で測定した酸化還元電位Ｅｈの間には、数式１が成立する。そしてこのＥｈが酸化還元反応の進行を支配する重要な因子であるとされている。
【００２０】
【数１】
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Ｅ０　は、標準酸化還元電位（＋２００ｍｖ）で、ｎ個の電子の授受を含む酸化還元反応は次のように定式化される。
【００２１】
【数２】
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水中では、上記の式２で遊離された電子と水素イオンの間には、酸化還元反応を支配するもう一つの重要な因子としてｐＨがあることを示している。
【００２２】
【数３】
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以上の事実は、酸化還元電位の示す環境の条件が、固有の細菌類の活性化と密接に関連していることを示している。数式２の、右辺の遊離電子　ｎｅ−　が増えることは、反応は右に傾く酸化型支配に、酸化作用によってＯ２が電子受容体として働くときには活性酸素　Ｏ２￣が増え、酸化型環境になる。
有機物・Ｈ２・還元性無機物等を電子供給体とすることのできる特異な光合成細菌は、特に紅色非硫黄光合成細菌の関与する次の反応式
【００２３】
【数４】
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によって、発生するＨ２が数式２の右辺に発生するＯ２￣を消去するように働くことが、数式２を、左辺に傾ける結果、バッキ槽での酸化的性化学反応でありながら光合成細菌添加の結果が、酸化還元電位を還元的に維持していることを推測させる（Ｅｈ＜＋２００〜−５０ｍｖ）。
【００２４】
以上の化学的事実によって裏づけられる現象を利用することにより、還元型廃水処理を行なうことができる。
【００２５】
処理水は還元性を示す（−５０〜＋１００ｍｖＥｈ）ので、抗ウイルス性物質を含む環境共生の機能水として利用することができるので、ケミカル類（殺菌剤・凝集剤）を不要にするメリットと水環境対策（窒素固定・環境ホルモン）に有効である。農業用資材としてだけでなく、循環水等の工業用水として利用価値が高い。従来の活性汚泥法の酸化型生物処理を、酸化と還元の併用型生物処理に変換することによって汚水処理の効率化と同時に汚泥の変換、処理コスト、ケミカルの不要化、バッキ熱の利用による反応の促進、水の再利用等多くのメリットをコスト・環境対策の両面で期待できる。また、従来の設備を活用して小規模の投資で変更できるため、実用化価値も大である。
【００２６】
特に、光合成細菌の特徴である多量の泡の生成意義を考察・類推し、好気性有機栄養細菌との共生によって、単独時の２０倍近い微生物活性の画期的メリットを利用することができ、生物処理の高効率化と環境共生可能な生物処理を可能とすることができる。
【００２７】
また、泡の層を物理的にコントロールすることによりバイオリアクターとすることができる。泡を一定レベルに保ち、バッキにより発生する熱（平均５０℃）を維持するためには泡を消すのではなく一定に保つこと（約水面上１ｍ）が必要で、そのためには、必要以上の泡は消泡装置等によって消せばよい。
【００２８】
従来、酸化・エネルギー消費型微生物の活用であった生物処理に対して、還元環境での酸化と合成の併用による資化的生物処理であること、さらに光合成細菌が発生させる多量の泡の生成を、従来バッキによって発生する泡を邪魔者として化学的処理とする常識に対し、積極活用し高濃度有機廃水の処理を効率化、同時に産業廃棄物であったものを、利用価値を持たせ、環境負荷を無くすことを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】自然環境における光合成細菌の役割を示す模式図
【図２】光合成細菌（Ｒ．カプシュラータ）とアゾトバクター・アギリスとの単独ならびに混合培養液中に分泌された核酸量の比較を示す表図
【図３】光合成細菌（Ｒ．カプシュラータ）とアゾトバクター・アギリス又はＲ．カプシュラータと有機栄養細菌のそれぞれ単独ならびに混合培養した場合の炭酸同化作用を示す表図
【図４】本発明に係る廃水処理法を示す簡略図
【符号の説明】
１　バッキ槽
２　バッキ装置
３　泡層
４　消泡装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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