特開 2024-110796 細菌の活性評価方法、細菌の活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110796

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】細菌の活性評価方法、細菌の活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置

(51)【国際特許分類】

   C12Q 1/02 20060101AFI20240808BHJP

   C02F 3/34 20230101ALI20240808BHJP

   C12N 1/20 20060101ALI20240808BHJP

   C12Q 1/00 20060101ALI20240808BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20240808BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20240808BHJP

【ＦＩ】

C12Q1/02

C02F3/34 101A

C02F3/34 101B

C02F3/34 101D

C12N1/20 D

C12Q1/00 C

C12M1/00 Z

C12M1/34 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023015608

(22)【出願日】2023-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】501061319

【氏名又は名称】学校法人 東洋大学

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】井坂 和一

(72)【発明者】

【氏名】染谷 果穂

【テーマコード（参考）】

4B029

4B063

4B065

4D040

【Ｆターム（参考）】

4B029AA27

4B029BB02

4B029CC03

4B063QA01

4B063QA05

4B063QQ06

4B063QR75

4B063QS39

4B063QX01

4B065AA01X

4B065AC20

4B065BC25

4B065CA54

4B065CA56

4D040BB02

4D040BB42

4D040BB52

4D040BB82

4D040BB91

4D040DD03

4D040DD31

(57)【要約】

【課題】生物処理がなされる場所において、細菌の活性を評価することで、負荷の評価が可能になる細菌の活性評価方法、細菌の活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置を提供する。
【解決手段】 細菌活性を評価する方法であって、生物処理を行う細菌に連続光を照射し、細菌からの反射光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値の経時的変化を検知することで細菌の活性を評価する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

細菌活性を評価する方法であって、
生物処理を行う細菌に連続光を照射し、前記細菌からの反射光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値の経時的変化を検知することで前記細菌の活性を評価する細菌活性の評価方法。

【請求項2】

前記細菌が担体に固定化又は包括固定化されている、請求項１に記載の細菌活性の評価方法。

【請求項3】

前記細菌がアンモニア酸化細菌またはアナモックス細菌である、請求項２に記載の細菌活性の評価方法。

【請求項4】

細菌活性を評価する装置であって、
生物処理を行う細菌に連続光を照射する光源部と、
前記細菌からの反射光を受光する受光部であって、前記受光部が受光した光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値を取得する受光部と、
前記受光部が取得した前記値の経時的変化を検知することで前記細菌の活性を評価する評価部と、
を備える細菌活性評価装置。

【請求項5】

前記細菌が担体に固定化又は包括固定化されている、請求項４に記載の細菌活性評価装置。

【請求項6】

前記細菌がアンモニア酸化細菌またはアナモックス細菌である、請求項５に記載の細菌活性評価装置。

【請求項7】

細菌による生物処理によって排水を処理する方法であって、
請求項１から３のいずれか一項に記載の細菌活性の評価方法の評価結果に基づいて、生物処理を行う場所に対する流入する排水の排水量、曝気量又は溶存酸濃度のいずれかを調整する、排水処理方法。

【請求項8】

予めＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値に関する閾値を設定し、前記評価結果と前記閾値と比較し、前記閾値を超えない範囲で、前記排水量、前記曝気量又は前記溶存酸濃度のいずれかを調整する、
請求項７に記載の排水処理方法。

【請求項9】

細菌による生物処理によって排水を処理する排水処理装置であって、
請求項４から６のいずれか一項に記載の細菌活性評価装置の評価結果に基づいて、
生物処理を行う場所に対する流入する排水の排水量、曝気量又は溶存酸濃度のいずれかを調整する調整部と、
を備える排水処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細菌の活性評価方法、活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置に係り、特に、細菌の活性を評価する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

排水中に含まれるアンモニア性窒素（ＮＨ_４－Ｎ）は、環境保全の観点からその除去が課題となっている。窒素排水の処理法には、生物処理法が多く用いられている。この窒素排水の生物処理に関わる重要な細菌として、アンモニアを亜硝酸や硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌（ＡＯＢ：ammonium oxidizing bacteria）や、アンモニアと亜硝酸を利用して窒素ガスへ変換するアナモックス（ＡＮＡＭＭＯＸ：Anaerobic Ammonium Oxidation）細菌等が存在する。

【0003】

なお、アンモニア細菌は、下水処理場等の排水処理施設から簡単に入手することができる一般的な細菌である。アナモックス細菌は、環境中に広く生息しており、下水汚泥などから簡単に集積培養することが知られている（非特許文献１）。

【0004】

アナモックス細菌を利用したアナモックス反応ではアンモニアと亜硝酸を利用して窒素ガスへ変換するものである。そのため、原水中のアンモニアの約半量を亜硝酸に酸化し、生成したアンモニアと亜硝酸をアナモックス反応で脱窒する。それぞれの反応を担うアンモニア酸化細菌とアナモックス細菌は、それぞれ好気性細菌と嫌気性細菌であり、別槽で利用することが好ましい。

【0005】

一方で、特定の条件でこれらの細菌を、一槽（好気槽）で利用できる１槽型システムが知られており、２つの反応を１の反応槽で行うことができるので、シンプルで維持管理が容易なシステムとして期待されている。

【0006】

しかしながら、反応槽に許容できる負荷が評価できないため、どの程度負荷をかけてよいか知ることができない。例えば、細菌の数が増えれば、その分負荷をかけられるが、反応槽内でどれぐらい細菌数が増えたか確認することは困難である。特に、反応槽が処理できる能力に対して、実際の負荷（余裕率）を検知することが困難であった。

【0007】

そのため、水質の評価から判断していた。すなわち、細菌の量に見合わない量の負荷（窒素量）を供給すれば、処理ができず、余った窒素量を検知していた。特に立ち上げ初期には、細菌の数の変動が大きく、負荷を徐々にあたえ、処理水質を見ることで、細菌の数の増加を確認していた。

【0008】

また、細菌数を測定する方法も考えられるが、排水処理系には様々な細菌が存在する混合細菌系であり、アンモニア酸化細菌やアナモックス細菌などの特定の細菌のみを定量することは困難であった。

【0009】

これに対して、非特許文献２の研究では、処理速度の異なる複数のアナモックスリアクターから汚泥を採取し、アナモックス菌が含まれる汚泥の平均彩度値と、各リアクターの処理速度が、相関することが記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Yasuhiro Date et al., “D Microbial diversity of anammox bacteria enriched from different types of seed sludge in an anaerobic continuous-feeding cultivation reactor” Journal of Bioscience and Bioengineering Volume 107, (March 2009)

【非特許文献2】Da Kang et al., “Deciphering correlation between chromaticity and activity of anammox sludge” Water Research Volume 185, (15 October 2020)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、従来における負荷の評価では、水質分析するために、サンプリングや、分析機関への輸送、機器による分析など、手間と時間がかかり、さらにコストもかかっていた。また、析結果が出るまでに時間を要するため、リアルタイムでの対応ができなかった。また、過剰に負荷をかけすぎると、細菌が死滅する場合もあった。その結果、過剰に負荷をかけると、処理できない分の窒素を、河川などに流すおそれがあるため、環境保護の観点から不適切という問題もあった。反応槽内の細菌の活性が、限界であるか、余裕があるか判断ができなかった。

【0012】

また、非特許文献２では、定常作業状態で異なるアナモックスシステム内で、アナモックス細菌のスラッジの色度と活性とを調査している。そのため、実際の生物処理がなされる場所において、どの様に適用するかは十分に検討されていない。また、処理速度の異なる条件で運転した、異なるリアクターから採取したサンプルで色彩を評価している。

【0013】

排水処理リアクターの維持管理を考えた場合、細菌が担体法などにより、反応槽内に維持され、ある程度一定条件である状態において、負荷が色彩に与える影響を調査したものではない。

【0014】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、生物処理がなされる場所において、負荷の評価が可能な細菌の活性評価方法、細菌の活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置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】

【0015】

第１態様に係る発明は、細菌活性を評価する方法であって、生物処理を行う細菌に連続光を照射し、細菌からの反射光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値の経時的変化を検知することで細菌の活性を評価する。

【0016】

第２態様に係る細菌活性を評価する方法において、細菌が担体に固定化又は包括固定化されている。

【0017】

第３態様に係る細菌活性を評価する方法において、細菌がアンモニア酸化細菌またはアナモックス細菌である。

【0018】

第４態様に係る発明は、細菌活性を評価する装置であって、生物処理を行う細菌に連続光を照射する光源部と、細菌からの反射光を受光する受光部であって、受光部が受光した光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値を取得する受光部と、受光部が取得した値の経時的変化を検知することで細菌の活性を評価する評価部と、を備える。

【0019】

第５態様に係る細菌活性評価装置において、細菌が担体に固定化又は包括固定化されている。

【0020】

第６態様に係る細菌活性評価装置において、細菌がアンモニア酸化細菌またはアナモックス細菌である。

【0021】

第７態様に係る発明は、細菌による生物処理によって排水を処理する方法であって、上記１から３態様のいずれか記載の細菌活性の評価方法の評価結果に基づいて、生物処理を行う場所に対する流入する排水の排水量、曝気量又は溶存酸濃度のいずれかを調整する。

【0022】

第８態様に係る排水処理方法において、予めＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値に関する閾値を設定し、評価結果と閾値と比較し、閾値を超えない範囲で、排水量、曝気量又は溶存酸濃度のいずれかを調整する。

【0023】

第９態様に係る発明は、細菌による生物処理によって排水を処理する排水処理装置であって、上記４から６態様のいずれかに記載の細菌活性評価装置の評価結果に基づいて、生物処理を行う場所に対する流入する排水の排水量、曝気量又は溶存酸濃度のいずれかを調整する調整部と、を備える。

【発明の効果】

【0024】

本発明の培養方法及び培養装置によれば、生物処理がなされる場所において、細菌の活性を評価することで、負荷の評価が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は細菌の活性評価装置の概略図である。

【図2】図２は窒素負荷ごとの反射光の波長を示すグラフである。

【図3】図３は第１形態の排水処理装置の概略図である。

【図4】図４は第２形態の排水処理装置の概略図である。

【図5】図５は第３形態の排水処理装置の概略図である。

【図6】図６は第４形態の排水処理装置の概略図である。

【図7】図７は実施例で使用した実験装置を示す図である。

【図8】図８は実施例１の水質評価を示す図である。

【図9】図９は実施例１の色彩データを示す図である。

【図10】図１０は実施例１のａ＊と窒素変換速度との関係を示す図である。

【図11】図１１は実施例１のＬ＊ａ＊ｂ＊の評価を示す図である。

【図12】図１２は実施例１の彩度Ｃの評価を示す図である。

【図13】図１３は実施例１のＲＧＢの評価を示す図である。

【図14】図１４は実施例３の評価を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、添付図面に従って、本発明に係る細菌の活性評価方法、細菌の活性評価装置、排水処理法及び排水処理装置について説明する。なお、本明細書において、「～」とは、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。

【0027】

［細菌の活性評価方法及び活性評価装置］
実施形態の細菌の活性評価方法は、生物処理を行う細菌に連続光を照射し、細菌からの反射光のうち、Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値（以下、これらを合わせて「色値」とも称する場合がある）の経時的変化を検知することで細菌の活性を評価する。図１は細菌の活性評価方法に適用される細菌の活性評価装置の概略構成を示している。図１の細菌の活性評価装置１０は、光源部１２と、受光部１４と、評価部１６とを備える。光源部１２は、細菌１８に対して光を照射する。受光部１４は、細菌１８からの反射光を受光する。評価部１６は、受光部１４が受光した反射光の経時的変化を検知する。

【0028】

＜光源部＞
光源部１２は、連続光を照射する。ここで連続光は、多くの波長の光を含み、波長が広い範囲で連続的に分布している光をいう。連続光は可視光の波長を含んでいる。光源部１２は連続光を照射することができれば、どのような光源も利用することができる。

【0029】

＜細菌＞
細菌１８は生物処理を細菌である。生物処理は、例えば、各事業所から排水されるアンモニア性窒素（ＮＨ_４－Ｎ）を含む排水を、細菌を利用して除去する窒素排水の処理を例示することができる。窒素排水の処理に利用される細菌として、アンモニアを亜硝酸や硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌、及びアンモニアと亜硝酸を利用して窒素ガスへ変換するアナモックス細菌を例示することができる。

【0030】

細菌１８は、担体に固定化された状態で生物処理が行われ場所に提供されることが好ましい。細菌１８を固定化する方法としては、担体表面に付着固定化させ固定化担体とする方法、及び、担体内に細菌を包摂させて固定化し包括固定化担体とする方法がある。包括固定化担体とすることで、担体の内部に細菌１８を維持することができるので、長期の生物処理を行っても細菌が流出することを防止することができる。

【0031】

担体としては、例えば、ポリビニルアルコール、アルギン酸、ポリエチレングリコール、アクリルアミド等のゲル担体や、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリウレタン等のプラスチック担体や、活性炭、珪藻土、ゼオライト等の無機担体等が挙げられる。担体の形態は、例えば、球、円筒、円柱、立方体、直方体等の適宜の形状に成形した浮遊担体を用いる流動床、スポンジ状、不織布状、中空糸状等とした担体濾材をハニカム状、波形状、格子状、繊維状、菊花状等に配列した固定床のいずれでもよい。流動床については、浮遊担体の大きさは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲が好ましく、その充填率は、培養槽容量に対して１０体積％以上４０体積％以下の範囲が好ましい。一方、固定床については、その充填率は、培養槽容量に対して見かけ上の占有容積で１０体積％以上５０体積％以下の範囲が好ましく、その空隙率は、８０％以上であることが好ましい。

【0032】

なお、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）製のゲル担体にアナモックス細菌をあらかじめ付着させる方法については、文献（染谷果穂、井坂和一他（2022）『PVA担体を用いたアナモックス細菌の付着固定化方法の開発』日本水処理生物学会誌 別巻Vol 42, P48１）に記載した方法を利用することができる。

【0033】

＜受光部＞
受光部１４は、細菌１８からの反射光のなかでＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値を検出する。

【0034】

Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間は、ほぼ完全な色空間であり、国際照明委員会（ＣＩＥ）が策定したものである。人間の目で見える全ての色を記述でき、機器固有モデルの基準として利用できるように意図したものである。人の目で見られる色の変化と合わせることで、誤った認識をせずに、細菌の活性を検知することができる。

【0035】

ここで、受光部１４は、例えば、色彩計測の機器であり、特に限定はしないが、分光測色計ＣＭ－５（コニカミノルタ社製）を利用することができる。

【0036】

色値を評価する方法としてＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊及び／又はｂ＊を利用することができる。なかでも、赤色を示すａ＊を利用することが好ましい。より好ましくは、彩度としてＣ＝（（ａ＊）^２＋（ｂ＊）^２）^１／２とし、色彩空間での色の距離感を示すことも可能である。

【0037】

ＲＧＢデータは、赤色、緑色、青色の三つの色を混ぜて色を再現する方法で、赤色（８ビット）、緑色（８ビット）、青色（８ビット）の合計２４ビットで規定される色データである。赤色、緑色及び青色は、０～２５５（１０進数表記）で計２５６段階まで表現できる。ＲＧＢデータは、画像解析法などでその値を取得することができる。ＲＧＢデータは、緑色及び青色のデータ値を利用して評価することが好ましい。

【0038】

＜評価部＞
評価部１６は、受光部１４が検出した少なくとも１つの色値の経時的変化を検知する。評価部１６は、プロセッサ、記憶部、ディスプレイ及びキーボード等を有するパーソナルコンピュータ等を例示できる。プロセッサはプログラムを実行することで各種の処理を行う処理部として機能する。記憶部は、ハード・ディスク・ドライブ（Hard Disk Drive：HDD）、ソリッド・ステート・ドライブ（Solid State Drive：SSD）等の非一時的記録媒体及びその制御部により構成される。

【0039】

評価部１６は、受光部１４からの結果（値）を経時的に受付け、記憶部に記憶する。プロセッサは、記憶部に記憶されたプログラムを実行し、結果（色値）の経時的変化を算出（検知）する。プロセッサは、算出（検知）した結果をディスプレイに出力する。

【0040】

また、評価部１６は、プロセッサを適用することで活性評価装置１０の全体を制御してもよい。例えば、評価部１６は、光源部１２及び受光部１４を制御し、所定期間毎に自動で結果（色値）を受付けてもよい。但しこれに限定されず、評価部１６は、手動で結果を受付けてもよい。

【0041】

［細菌の活性評価の原理］
発明者等は、生物処理（窒素排水の処理）に使用される細菌が赤色を呈することが多いことに着目した。またこの赤色が、活性に応じて変化し、細菌が処理能力に余裕があるときは、赤褐色であり、限界に近づくと鮮やかな赤色に呈することを発見した。

【0042】

図２は、ＰＶＡ担体を用いたアナモックス細菌の反射光の波長の分布を示したグラフである。横軸に波長を示し、縦軸に細菌からの反射率を示す。窒素容積負荷（NLR：Nitrogen-Loading Rate）が、窒素負荷１（1.15[kg-N m^-3-carrier d^-1]）、窒素負荷５(4.96[kg-N m^-3-carrier d^-1])、窒素負荷１０(10.3[kg-N m^-3-carrier d^-1])、窒素負荷１５(15.7[kg-N m^-3-carrier d^-1])及び窒素負荷２４(24.7[kg-N m^-3-carrier d^-1])に対応する波長の連続スペクトルがプロットされている。図２のグラフによれば、窒素負荷を変更すると低波長側で差異がみられた。特に、細菌の活性が限界に近づくと鮮やかな赤色に呈することを発見した。

【0043】

この差異を利用すると、例えば、窒素負荷１の状態であれば赤褐色を呈するので、細菌が処理能力に余裕があり、窒素負荷を上昇できると判断できる。一方で、窒素負荷２４の状態であれば鮮やかな赤色を呈するので、細菌が処理能力に余裕がなく、窒素負荷を上昇できないと判断できる。

【0044】

また、波長４１０ｎｍ付近および５３０ｎｍ付近の反射光を検知して、評価に用いても良いことが理解できる。これは、ヘムタンパクの酸化・還元状態において変化を示す波長であり、この値を利用することも可能である。

【0045】

さらに、発明者等は細菌からの反射光を時間的に継続して検知することで（色値の経時的変化を検知する）ことで、窒素負荷を上げた場合に、細菌の活性が上昇すると共に反射光が赤褐色から鮮やかな赤色に変化する一方で、窒素負荷を上げ過ぎた場合、細菌の活性が低下し、鮮やかな赤色から赤褐色へと変化することを見出した。この色の変化をＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値（色値）で検知しようとするものである。すなわち、色値の経時的変化を検知することで生物処理において細菌の活性の限界を早期に見出す運用が可能であり、さらに生物処理において細菌の活性の限界を超えない運用が可能となる。

【0046】

排水中には色素成分を有することがあり、排水に応じて補正をかけて運転することが好ましい。たとえば、定常の運転条件において、水質変化から求めた窒素処理速度と、色に関わるデータ（例えばａ＊）の関係式を予め求めておき、その関係式を求めて運転を行ってもよい。

【0047】

また、担体法の場合、担体が本来有する色が、計測値に影響を与える。そのため、使用する担体ごとに、定常の運転条件において、水質変化から求めた窒素処理速度と、色に関わるデータ（例えば、ａ＊）の関係式を予め求めておき、その補正式を利用して、運転を行ってもよい。

【0048】

［排水処理法及び排水処理装置］
次に、細菌の活性評価装置１０を含む第１形態から第４形態に係る排水処理装置の概略構成について説明する。

【0049】

図３は第１形態の排水処理装置２０を示している。排水処理装置２０は、細菌の活性評価装置１０、原水配管２１、ポンプ２２、生物処理槽２３、処理水配管２４及び調整部２５を備える。細菌の活性評価装置１０は、光源部１２と、受光部１４と、評価部１６とを備える。

【0050】

図３に示す排水処理装置２０では、ポンプ２２により原水が原水配管２１を介して生物処理槽２３に供給される。生物処理槽２３では、原水が細菌１８により脱窒処理等の生物処理が実施され、生物処理槽２３から処理水配管２４を介して処理水が排出される。

【0051】

細菌の活性評価装置１０を備える排水処理装置２０では、光源部１２が生物処理槽２３の細菌１８に連続光を照射する。受光部１４が反射光から色値を取得し、評価部１６を色値から細菌１８の活性を評価する。調整部２５は、細菌の活性評価装置１０の評価部１６からの評価結果に基づいてポンプ２２を制御し、生物処理槽２３に流入される排水（原水）の排水量（負荷量）を調整する。

【0052】

実施形態の細菌の活性評価装置１０を利用することで、リアルタイムで細菌１８の活性評価が可能となる。また、時間の要する細菌の数や水質の評価ではなく、処理能力に余裕があるか、又はさらに窒素負荷がかけられるかが判断できる。過剰に負荷をかけたことに起因して処理できない処理排水が排出されて処理水質が悪化する事態を回避できる。また、細菌１８の活性の計測に試薬などを利用しないので廃液の排出が抑制される。

【0053】

また、予め色値に対する閾値を設定し、調整部２５に記憶させることができる。調整部２５は、評価部１６からの評価結果と閾値とを比較し、評価結果が閾値を超えない範囲で排水量（負荷量）を調整することができる。閾値はＬ＊ａ＊ｂ＊色空間に基づくａ＊、ｂ＊又は彩度、もしくはＲＧＢデータに基づく少なくとも１つの値に対して設定される。

【0054】

このように、閾値を設定し、閾値のすることで過剰な窒素負荷となることを回避でき、また、細菌１８の活性低下を回避でき、安定し連続運転が可能となる。

【0055】

なお、第１形態の排水処理装置２０における調整部２５は、評価部１６と同様に、プロセッサ、記憶部、ディスプレイ及びキーボード等を有するパーソナルコンピュータ等を例示できる。また、パーソナルコンピュータは、評価部１６と調整部２５との両方の機能を備えることができる。パーソナルコンピュータ等により排水処理装置２０の全体を制御することができる。

【0056】

図４は第２形態の排水処理装置３０を示している。図４において、上述した第１形態の排水処理装置２０と共通する部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。

【0057】

図４に示す第２形態の排水処理装置３０は、生物処理槽２３から取り出した細菌１８を保持する検出槽３１を備える。生物処理槽２３は、材質や形状によっては、光源部１２から連続光を直接照射できない可能性もある。そのため、第２形態の排水処理装置３０は検出槽３１を備え、検出槽３１は生物処理槽２３から取り出した細菌１８を保持する。光源部１２は検出槽３１に保持された細菌１８に連続光を照射する。受光部１４は、反射光の中から色値を取得す。第１形態の排水処理装置２０と同様に、調整部２５は、細菌の活性評価装置１０の評価部１６からの評価結果に基づいてポンプ２２を制御し、生物処理槽２３に流入される排水（原水）の排水量（負荷量）を調整する。

【0058】

図５は第３形態の排水処理装置４０を示している。図５において、上述した第１形態の排水処理装置２０と共通する部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。

【0059】

図５に示す第３形態の排水処理装置４０は、生物処理槽２３を曝気する送風機（ブロア）４１を備える。第３形態の排水処理装置４０において、調整部２５は、細菌の活性評価装置１０の評価部１６からの評価結果に基づいて送風機４１の曝気量を制御し、生物処理槽２３に供給される酸素量を調整する。酸素量の条件は、細菌の活性に大きく作用するものであるから、送風機４１を制御することで、好気性細菌の場合は、酸素量を増加することで活性化を図ることができる。一方、嫌気性細菌の場合は、酸素量を削減する方策となる。第３形態の排水処理装置４０では溶存酸濃度を調整できる。

【0060】

第３形態の排水処理装置４０において、第１形態の排水処理装置２０と同様に、ポンプ２２を制御し、生物処理槽２３に流入される排水（原水）の排水量（負荷量）を調整してもよい。

【0061】

図６は第４形態の排水処理装置５０を示している。図６において、上述した第１形態の排水処理装置２０と共通する部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。

【0062】

図６に示す第４形態の排水処理装置５０は、生物処理槽２３に薬剤を供給するための薬剤タンク５１と薬剤ポンプ５２と、を備える。第４形態の排水処理装置５０において、調整部２５は、細菌の活性評価装置１０の評価部１６からの評価結果に基づいて薬剤ポンプ５２を制御し、薬剤タンク５１から生物処理槽２３に供給される薬剤量を調整する。生物処理槽２３のｐＨの条件によって活性を制御する場合には、酸またはアルカリを薬剤として薬剤タンク５１から注入する。その他、細菌１８の活性化する薬剤がある場合は、それを添加することができる。添加する薬剤に応じて複数の薬剤タンク５１を準備することができる。

【0063】

第４形態の排水処理装置５０において、第１形態の排水処理装置２０と同様に、ポンプ２２を制御し、生物処理槽２３に流入される排水（原水）の排水量（負荷量）を調整してもよい。さらに、第３形態の排水処理装置４０と同様に、送風機４１を設けて、送風機４１を制御することで、生物処理槽２３に供給される酸素量を調整してもよい。

【0064】

＜実施例＞
以下に実施例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。

【0065】

（実施例１）＜負荷低下試験＞
アナモックス細菌を担体に保持し、細菌の数が変動しない条件で連続試験を実施した。この時、窒素負荷を低減させ、担体の赤色の変化について調査を行った。

【0066】

以下の表１に示す無機合成排水を用いて、図７に示す実験装置２００による連続試験を実施した。そして、各条件での担体の色について、色彩計および画像解析によるＲＧＢデータを取得した。

【0067】

【表1】

【0068】

図７に示す実験装置２００は、反応槽２０２と、反応槽２０２を囲うウォータージャケット２０６と、反応槽２０２が載置される撹拌器２１６と、を備える。ウォータージャケット２０６は、恒温水を供給する恒温水供給管２０６Ａと、恒温水を排出する恒温水排出管２０６Ｂとを備える。反応槽２０２は、原水（排水）を供給する原水供給管２０８、処理された処理水を排出する排出管２１０、０．２Ｎ塩酸溶液を供給する酸性溶液供給管２１２、Ｎ_２ガスを供給するガス供給管２１４、及びｐＨセンサー２１８を備える。

【0069】

反応槽２０２の反応容積は５００ｍＬであり、アナモックス担体２０４を５０ｍＬ充填した（充填率：１０％）。反応槽２０２は、ウォータージャケット２０６で水温３５℃となるように調整した。反応槽２０２内のｐＨは、ｐＨセンサー２１８により測定され、ｐＨコントローラー（不図示）によりポンプ（不図示）を制御し、０．２Ｎ塩酸溶液を用いて、ｐＨ７．６に調整した。

【0070】

なお、供試担体には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）製のゲル担体を用いた。担体にアナモックス細菌をあらかじめ付着させた。記述した文献（染谷果穂、井坂和一他（2022）『PVA担体を用いたアナモックス細菌の付着固定化方法の開発』日本水処理生物学会誌 別巻Vol 42, P48１）に記載した方法に準じた。

【0071】

また、アナモックス細菌には、非特許文献１に準じて下水汚泥から集積培養を行い、不織布を用いたリアクターにて長期間維持したものを用いた。

【0072】

（色彩の評価方法）
Ｌ＊ａ＊ｂ＊、及び彩度の計測では、反応槽から数粒の担体を採取し、分光測色計ＣＭ－５を用いて計測した。ＲＧＢ値の測定には、デジタルカメラで撮影した画像から、画像解析ソフト（Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）のペイントアプリ）を利用して解析した。

【0073】

（水質評価）
反応槽２０２に流入させる排水量を低下させ、負荷を低減させた。その時の結果を図８のグラフに示した。図８のグラフは横軸に時間（ｄａｙ）を示し、左縦軸は担体の窒素負荷速度Ｃ－ＮＬＲ（Carrier-Nitrogen Loading Rate）の値、及び担体の窒素変換速度Ｃ－ＮＣＲ（Carrier-Nitrogen Ｎ - Conversion Rate）を示している。右縦軸はＨＲＴ（Hydraulic retention time：水理学的滞留時間）（ｈ）を示している。流速（HRT）を調整することで、負荷は段階的に低下させ、担体当たりの窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）は２４１．１ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１から１．１ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１まで低下した。

【0074】

なお、担体当たりの窒素負荷（Ｃ－ＮＬＲ）については、流入水中に含まれるアンモニアと亜硝酸の窒素濃度の和の値に、リアクター単位容積・１日あたりの水量を掛けることで窒素負荷量を求め、それを担体の体積当たりに変換したものである。

【0075】

また、担体当たりの窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）については、流入水中に含まれるアンモニアと亜硝酸の窒素濃度の和から、処理水中に含まれるアンモニアと亜硝酸窒素濃度の和を差し引いた値に、リアクター単位容積・１日あたりの水量を掛けることで窒素変換速度を求め、それを担体の体積当たりに変換したものである。

【0076】

（色彩データ）
負荷を低下させる水質評価の試験時において、担体の色は鮮やかな赤色から、赤褐色へ変化していくことが確認された。この色の変化を評価するため、色彩指標であるａ＊を用いて評価した。図９は、図８のグラフにおいて、右縦軸のＨＲＴ（ｈ）に代えて、右縦軸ａ＊とし、プロットされたａ＊の値を示している。図９のグラフの結果から、負荷が低下するとａ＊も低下することが理解できる。

【0077】

また、この結果から、担体体積当たりの窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）と、色彩データ（ａ＊）の関係を求め、その結果を図１０のグラフに示した。図１０は、横軸に窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）を示し、縦軸にａ＊を示している。図１０に示すａ＊の回帰直線は、ｙ＝０．４３１４ｘ＋９．０４６９のモデルに対し、決定係数がＲ^２＝０．９４５５であり、高い相関性があることを示している。

【0078】

（Ｌ＊ａ＊ｂ＊の評価）
色彩指標としては、ａ＊のほかに、ｂ＊やＬ＊を利用して評価することができる。それぞれについて、評価した結果を図１１のグラフに示した。図１１は、横軸に窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）を示し、縦軸にＬ＊ａ＊ｂ＊の値を示している。ａ＊については図１０と同じ回帰直線（ｙ＝０．４３１４ｘ＋９．０４６９：決定係数がＲ^２＝０．９４５５）である。ｂ＊の回帰直線は、ｙ＝０．７４７１ｘ＋１５．１５７のモデルに対し、決定係数がＲ^２＝０．９９５であり、高い相関性があることを示している。Ｌ＊の回帰直線は、ｙ＝－０．２８９１ｘ＋４７．６５３のモデルに対し、決定係数がＲ^２＝０．７５９３であった。このことから、Ｌ＊は担体の活性（Ｃ－ＮＣＲ）との相関性に関し、ａ＊及びｂ＊と比較すると低くなる傾向が確認された。

【0079】

（彩度Ｃの評価）
彩度としてＣ＝（（ａ＊）^２＋（ｂ＊）^２）^１／２とし、色彩空間での色の距離感を示すことも可能である。ここでは、高活性時（２４ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１）を基準として１００％とし、各条件での窒素変換速度を相対活性比で示し、評価した。評価した結果を図１２のグラフに示した。図１２は、横軸に活性比（％）を示し、縦軸にＣの値を示している。Ｃの回帰直線は、ｙ＝０．２１３ｘ＋１７．６８５のモデルに対し、決定係数がＲ²＝０．９９３９であり、高い相関性があることを示している。したがって、この場合、高い相関関係が得られＣでも評価が可能であることが理解できる。

【0080】

（ＲＧＢ評価）
さらにＲＧＢ値を利用して評価をすることができる。それぞれについて、評価した結果を図１３のグラフに示した。図１３に示すように、横軸は横軸に窒素変換速度（Ｃ－ＮＬＲ）を示し、縦軸にＲＧＢ値を示している。図１３に示すＲの回帰直線は、ｙ＝―０．１７１１ｘ＋２４４．９５のモデルに対し、決定係数がＲ²＝０．２１８５であり、Ｇの回帰直線は、ｙ＝―１．８０７ｘ＋１７２．１７のモデルに対し、決定係数がＲ²＝０．９５５５であり、Ｂの回帰直線は、ｙ＝―２．１３６６ｘ＋１２７．１２のモデルに対し、決定係数がＲ²＝０．９６２１であった。

【0081】

赤い色を示すＲ値では決定係数がＲ²＝０．２１８５であり、相関性はかなり弱い結果となった。一方、緑を示すＧ値では決定係数がＲ²＝０．９５５であり、青を示すＢ値では決定係数がＲ²＝０．９６２１であり、高い相関性が得られることを見出した。

【0082】

（実施例２：定常時の運転管理）
表１に示す排水を用い、図７の連続試験を用いて連続運転を実施した。この時、担体の色を定期的に測定し、運転管理を行った。運転条件として、基本的に実施例１と同じである。水温は３５℃、担体充填率は１０％とし、反応槽内のｐＨは７．５となるようｐＨコントローラーを用いて調整した。滞留時間を調整することで、担体負荷を１０～１６ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１とした。

【0083】

色彩の評価方法としては、分光測色計ＣＭ－５を用いて計測した。このときａ＊の上限値を１８と設定し、１８以上の値の場合、異常とし、負荷を下げることとした。

【0084】

運転中ａ＊を常時測定し、活性を評価した。その結果、ａ＊の値は１３～１６の間であり、異常値を検知することなく、一定の運転が可能であった。このａ＊の測定により、水質を分析する頻度を下げることができ、水質分析費用やそれに伴う廃液、廃棄物量を削減することが可能であった。

【0085】

（実施例３：過負荷試験）
表１に示す排水を用い、図７の連続試験を用いて連続運転を実施した。運転条件として、基本的に実施例１と同じである。水温は３５℃、担体充填率は１０％とし、反応槽内のｐＨは７．５となるようｐＨコントローラーを用いて調整した。過負荷条件を試すため、滞留時間を調整することで、担体負荷を２０～４０ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１とした。

【0086】

（色彩の評価方法）
Ｌ＊ａ＊ｂ＊および彩度の計測では、反応槽から数粒の担体を採取し、分光測色計ＣＭ－５を用いて計測した。また、ＲＧＢ値の測定には、デジタルカメラで撮影した画像から、画像解析ソフト（Ｗｉｎｄｏｗｓのペイントアプリ）を利用して解析した。

【0087】

（水質評価およびａ＊評価）
反応槽２０２に流入させる排水量を低下させ、負荷を低減させた。その時の結果を図１４に示した。図１４のグラフは横軸に時間（ｄａｙ）を示し、左縦軸は担体の窒素負荷速度Ｃ－ＮＬＲ（Carrier-Nitrogen Loading Rate）の値、及び担体の窒素変換速度Ｃ－ＮＣＲ（Carrier-Nitrogen Ｎ - Conversion Rate）を示している。右縦軸ａ＊とし、その値を示している。流速（ＨＲＴ）を調整することで、負荷は段階的に低下させ、担体当たりの窒素負荷速度（Ｃ－ＮＬＲ）を２０から４８ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１まで上昇させた。

【0088】

図１４に示すように、負荷を上昇させると、窒素処理活性を示す窒素変換速度（Ｃ－ＮＣＲ）は低下する傾向を示した。このように、過剰な負荷を与えると、水質が悪化する前に、ａ＊が低下することを見出した。すなわち、図中の１６日目に負荷を上昇させたが、これが限界であり、１９日目のａ＊は先の値は２２から１９に低下している。そして、その後に急激に窒素変換速度Ｃ－ＮＣＲが低下している。

【0089】

これらのことから、本発明の運用方法として、ａ＊の上限値を設定してａ＊が規定を超えないよう対策することも一案であるが、たとえば、流量を上げたり、負荷上昇時において、どこまで負荷がかけられるか、運転しなくてはいけない事態が生じた際、流入量を増やしている（負荷を上昇させている）にも関わらず、ａ＊が低下した時には、限界が近いことを示す。その場合は、速やかに負荷を一段階下げるなど、対策をすることで、失活させることなく、運転が可能となる。

【0090】

（実施例４：過負荷時の運転管理）
表１に示す排水を用い、図７の連続試験を用いて連続運転を実施した。この時、担体の色を定期的に測定し、運転管理を行った。

【0091】

運転条件として、基本的に実施例１と同じである。水温は３５℃、担体充填率は１０％とし、反応槽内のｐＨは７．５となるようｐＨコントローラーを用いて調整した。

【0092】

過負荷条件を試すため、滞留時間（ＨＲＴ）を調整することで、担体負荷を２０～４０ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１とした。

【0093】

色彩の評価方法としては、分光測色計ＣＭ－５を用いて計測した。このときａ＊の上限値を２０と設定し、２０以上の値の場合、異常とし、負荷を下げることとした。

【0094】

運転中ａ＊を常時測定し、活性を評価した。その結果、担体負荷を３５から４０ｋｇ－Ｎ（ｍ^３ｄ）^－１とした時、ａ＊の値が２０以上の値を検知した。この値を基に、リアクターの異常を検知し、原水の流入を停止した。

【0095】

滞留時間を調整することで、担体負荷を３０程度に下げたところ、ａ＊の値は１９以下となった。その後は、安定した処理性能を維持することができた。

【0096】

このように、ａ＊の測定により、過剰な窒素負荷を検知することができ、水質を分析する頻度を下げることができ、水質分析費用やそれに伴う廃液、廃棄物量を削減することが可能であった。また、リアクターが失活してしまうと、性能の回復に長い期間を要することがあるため、それを未然に防止できることは大きな効果である。

【0097】

（変形例：実排水を用いた管理）
下水処理場において、下水汚泥を消化処理した後、脱水した後に排出される下水汚泥脱水ろ液を用いて、実施例１と同様の試験を実施した。

【0098】

その結果、排水中に含まれる褐色成分により、ａ＊の値は低い値とった。しかしながら、担体当たりの処理速度（Ｘ）とａ＊の値（Ｙ）は比例関係を示しており、Ｙ＝０．３１Ｘ＋６．５となった。このように、各排水に含まれる色素成分を基に、補正を行うことが好ましい。

【符号の説明】

【0099】

１０・・・活性評価装置、１２・・・光源部、１４・・・受光部、１６・・・評価部、１８・・・細菌、２０・・・排水処理装置、２１・・・原水配管、２２・・・ポンプ、２３・・・生物処理槽、２４・・・処理水配管、２５・・・調整部、３０・・・排水処理装置、３１・・・検出槽、４０・・・排水処理装置、４１・・・送風機（ブロア）、５０・・・排水処理装置、５１・・・薬剤タンク、５２・・・薬剤ポンプ、２００・・・実験装置、２０２・・・反応槽、２０４・・・アナモックス担体、２０６・・・ウォータージャケット、２０６Ａ・・・恒温水供給管、２０６Ｂ・・・恒温水排出管、２０８・・・原水供給管、２１０・・・排出管、２１２・・・酸性溶液供給管、２１４・・・ガス供給管、２１６・・・撹拌器、２１８・・・ｐＨセンサー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】