特許 7268860 培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃水処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-25

(45)【発行日】2023-05-08

(54)【発明の名称】培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃水処理装置

(51)【国際特許分類】

   C12N 1/20 20060101AFI20230426BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20230426BHJP

   C02F 3/34 20230101ALI20230426BHJP

   C02F 3/00 20230101ALI20230426BHJP

   B01D 61/14 20060101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

C12N1/20 A

C12M1/00 C

C12N1/20 D

C02F3/34 101A

C02F3/34 101B

C02F3/00 G

B01D61/14 500

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019158659

(22)【出願日】2019-08-30

(65)【公開番号】P2021036781

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-01-05

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年９月４日発行日、化学工学会第５０回秋季大会シンポジウム予稿集、講演番号Ｆｃ３０４

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年９月２０日発表日、化学工学会第５０回秋季大会シンポジウム、講演番号Ｆｃ３０４で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年１０月１５日発行日、日本水処理生物学会誌別巻第３８号、３３頁、４７頁、日本水処理生物学会

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年１１月３日発表日、日本水処理生物学会第５５回大会（郡山）、日本水処理生物学会で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年１２月１５日発表日、第５５回好塩微生物研究会講演会（川越）で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年１２月１５日発表日、第７５回神奈川県支部ＣＰＤ講座で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ウェブサイトの掲載日平成３１年１月７日、ｈｔｔｐｔ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｊ－ｂｉｏ．ｏｒｇ／ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ／Ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ＿Ｎｏ．４８ｐｗ．ｐｄｆ

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年３月１日発行日、第５３回日本水環境学会年会講演集２３３頁、６７１頁、公益社団法人日本水環境学会

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年３月８日、９日発表日、第５３回日本水環境学会年会（山梨）、発表番号Ｌー０７３、２ーＥー１４ー３

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年３月１２日から１５日発表日、東京ビッグサイト、２０１９ＮＥＷ環境展で発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和元年７月１８日発表日、第８回排水処理技術セミナーで発表

(73)【特許権者】

【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

【審査官】福間 信子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２７２２８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－００８９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８４４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１１７２４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２７２３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１９６６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３７０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２５４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／０２６３０９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１２Ｎ １／２０

Ｃ１２Ｍ １／００

Ｃ０２Ｆ ３／３４

Ｃ０２Ｆ ３／００

Ｂ０１Ｄ ６１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

培地を用いて細胞を培養する細胞の培養方法であって、
前記細胞がアナモックス細菌であり、
前記培地中に含まれる金属元素のうち、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下であり、
前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を酸溶液として連続的、又は断続的に添加する培養方法。

【請求項2】

前記培地中に含まれる金属元素が、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＭｏの中から選ばれる３種以上の金属元素を含む請求項１に記載の培養方法。

【請求項3】

前記細胞は、担体に固定化又は包括固定化されている、あるいは、膜分離により、前記培地中に維持されている請求項１又は２に記載の培養方法。

【請求項4】

前記培地は、金属元素を取り除いた水に、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を加えた培地である請求項１から３のいずれか１項に記載の培養方法。

【請求項5】

培地から金属元素を除去する金属元素除去部と、
前記金属元素除去部で前記金属元素が除去された培地に、前記培地中の、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を酸溶液として連続的又は断続的に添加する金属元素添加部と、
前記金属元素添加部で、前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素が添加された培地を用いてアナモックス細菌を培養する培養部と、を備える培養装置。

【請求項6】

前記アナモックス細菌は、担体に固定化又は包括固定化されている、あるいは、膜分離により、前記培地中に維持されている請求項５に記載の培養装置。

【請求項7】

金属元素を除去した水を使用した製造工程から排出された排水の廃水処理方法であって、
前記排水に、前記排水中のＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を酸溶液として連続的、又は断続的に添加する金属元素添加工程と、
アナモックス細菌を用いて前記排水の廃水処理を行う廃水処理工程と、を有する廃水処理方法。

【請求項8】

前記アナモックス細菌は、担体に固定化又は包括固定化されている、あるいは、膜分離により、前記排水中に維持されている請求項７に記載の廃水処理方法。

【請求項9】

金属元素を除去した水を用いた製造設備から排出された排水の廃水処理装置であって、
前記排水に、前記排水中のＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を酸溶液として連続的に、又は断続的に添加する金属元素添加部と、
アナモックス細菌を用いて、前記金属元素添加部で前記Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素が添加された排水の廃水処理を行う廃水処理部と、を備える廃水処理装置。

【請求項10】

前記アナモックス細菌は、担体に固定化又は包括固定化されている、あるいは、膜分離により、前記排水中に維持されている請求項９に記載の廃水処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃水処理装置に係り、特に、培地又は廃水中の金属元素濃度を特定した培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃水処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体を製造する工場では、半導体表面に金属が残ると製品に悪影響を与えるため、金属元素を除去した水が用いられる。例えば、半導体のエッチング液として、金属元素を除去した水にフッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）を主成分とする薬剤が使用されている。また、化学合成工場においても、金属元素を除去した水が用いられている。そのため、このような設備から排出される排水中には、廃水処理に用いられる細菌を維持するために必要な金属元素が含まれておらず、廃水処理を行う前に、金属元素を添加することが行われている。

【0003】

例えば、下記の特許文献１には、純水を利用した洗浄工程により排水される窒素含有排水にホウ素を添加することが記載されている。また、下記の非特許文献１には、金属元素として、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｓｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＢをＥＤＴＡ錯体として添加することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－２１２６３５号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Van der Graaf et al., Microbiology 142:p.2187-2196 (1996)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

培地又は排水中に金属元素が不足する場合には、金属元素を添加することで、活性を向上させることができる。しかしながら、どの金属が培地又は排水中に含まれることで活性が向上するか、詳細な条件については検討されていなかった。

【0007】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、培地又は排水中に含まれる金属元素を制御することで、生物活性を向上させることができる培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃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】

【0008】

本発明の目的を達成するために、本発明に係る培養方法は、培地を用いて細胞を培養する細胞の培養方法であって、培地中に含まれる金属元素のうち、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下である。

【0009】

本発明の目的を達成するために、本発明に係る培養装置は、培地から金属元素を除去する金属元素除去部と、金属元素除去部で金属元素が除去された培地に、培地中の、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を添加する金属元素添加部と、金属元素添加部で、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素が添加された培地を用いて細胞を培養する培養部と、を備える。

【0010】

本発明の目的を達成するために、本発明に係る廃水処理方法は、金属元素を除去した水を使用した製造工程から排出された排水の廃水処理方法であって、排水に、排水中のＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を添加する金属元素添加工程と、細菌を用いて排水の廃水処理を行う廃水処理工程と、を有する。

【0011】

本発明の目的を達成するために、本発明に係る廃水処理装置は、金属元素を除去した水を用いた製造設備から排出された排水の廃水処理装置であって、排水に、排水中のＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を添加する金属元素添加部と、細菌を用いて、金属元素添加部でＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素が添加された排水の廃水処理を行う廃水処理部と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明の培養方法及び培養装置によれば、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることで、細胞数を向上させることができる。また、本発明の廃水処理方法及び廃水処理装置によれば、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下である排水とすることで、廃水処理における生物活性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】培養装置を示す装置フローである。

【図2】廃水処理装置を含む装置を示す装置フローである。

【図3】実施例１及び実施例２で使用した装置を示す図である。

【図4】実施例１の結果を示す図である。

【図5】実施例２の結果を示す図である。

【図6】実施例２の結果を示す図である。

【図7】実施例３から実施例６で使用した処理装置を示す図である。

【図8】実施例３の結果を示す図である。

【図9】実施例４の結果を示す図である。

【図10】実施例５の結果を示す図である。

【図11】実施例６の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面に従って、本発明に係る培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃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。

【0015】

［培養方法］
本実施形態の培養方法は、培地中に含まれる金属元素のうち、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下である培養方法である。

【0016】

＜培地の調整方法＞
本実施形態の培養方法に用いられる培地の調整方法としては、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏを選択的に吸着する吸着材等を用いて、所定の濃度範囲となるように処理することができる。

【0017】

また、すべての金属元素を取り除いた超純水を製造し、この超純水に必要な金属元素を添加することで所定の濃度とすることができる。このとき、添加する金属元素をＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の元素の濃度が、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下となるように添加する。金属元素の濃度は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０２ｍｇ／Ｌ以下とすることがさらに好ましい。超純水を製造する方法としては、蒸留、イオン交換樹脂又は逆浸透膜などにより、金属元素を除去することで、製造することができる。製造される超純水としては、電気伝導率１７ＭΩ・ｃｍ以上、電気抵抗率０．０５８μＳ／ｃｍ以下のものが好ましい。この方法で培地を製造することで、必要な金属元素の添加量を管理することができる。

【0018】

また、金属元素の中には、培地中から除去してしまうと細胞の増殖ができなくなるため、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＭｏの中から選ばれる３種以上の金属元素を含むことが好ましい。なお、この３種以上の金属元素は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の濃度で添加したＦｅ、Ｚｎ及びＣｏを含んで３種以上とする。その他、添加する金属元素としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎａ、Ｋ、及びＭｇなどが挙げられる。添加する金属元素は、大量に添加するとコストかかり、また、活性を阻害する可能性がある。また、培地が排水である場合、廃水処理後の処理水を放流する先の環境汚染も懸念される。したがって、添加する金属元素の量としては、性能を維持することができる限度の量が必要であり、０．００５ｍｇ／Ｌ以上とすることが好ましく、０．０２ｍｇ／Ｌ以上とすることが好ましい。

【0019】

＜培養方法及び培養期間＞
培養は、金属元素を含む培地を培養槽に連続して供給する連続培養で行うことが好ましい。金属元素は、例えば、後述する培養装置、又は、廃水処理装置の金属元素添加部で培地中に供給することができる。金属元素の培地への添加は、酸溶液に金属を溶解させて添加することができる。酸溶液に含まれる酸としては、塩酸、硝酸、及び硫酸から選ばれる１種以上を用いることができる。酸溶液として添加する際のｐＨについては、特に限定されないが、６．０以下とすることが好ましく、４．０以下とすることがさらに好ましく、２．０以下とすることがより好ましい。また濃縮液中の金属濃度は、１０００倍以上１０００００倍以下とすることが好ましく、２０００倍以上５００００倍以下とすることがより好ましく、３０００倍以上３００００倍以下とすることがより好ましい。なお、金属元素の添加は、金属元素が不足してもすぐに活性が下がるわけではないので、連続的に添加せず、断続的に添加してもよい。特に、Ｆｅについては、他の金属元素と比較し、活性の低下が緩やかであるため、Ｆｅのみ他の金属元素とは別に添加しても良い。

【0020】

また、金属元素はＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸：ethylenediaminetetraacetic acid）溶液として、金属錯体として添加することもできる。ただし、ＥＤＴＡは、微生物による分解性が良くないため、環境面の観点から酸溶液で添加することが好ましい。

【0021】

培養期間については、特に限定されないが、１週間以上、より好ましくは１か月以上である。細胞が分裂するまでの時間によって、効果が生じるまでの時間は異なる。すなわち、細胞内に維持されている金属元素は、分裂する細胞に受け継がれるため、分裂する時間が速い細胞であれば、金属元素の要求量も多くなり、早く効果が表れる。一方、寿命の長い細胞では、一旦取り込んでしまうと、細胞内で維持されるため、効果が生じるのに時間を要する。したがって、寿命の長い細胞に対しては、長い期間培養することで、高い効果を得ることができる。なお、回分培養で培養してもよく、短期的な培養を行ってもよい。

【0022】

＜細胞＞
本実施形態の培養方法で培養される細胞としては、主に、微生物細胞であるが、動物細胞にも適用することができる。特に、培地として窒素排水を用いる場合は、硝化細菌又はアナモックス細菌とすることができる。

【0023】

細菌は担体に固定化された状態で培養槽（培養部）に保持されていることが好ましい。細菌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、担体の内部に細胞を維持することができるので、長期の培養を行っても細胞（細菌）が流出することを防止することができる。

【0024】

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。

【0025】

また、細胞を担体に固定化しない場合は、培養した細胞を分離する方法として、ＭＢＲ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｂｉｏ Ｒｅａｃｔｏｒ）リアクターによる膜分離が挙げられる。これにより、培養した細胞が培養槽から流出することも防止することができる。膜の素材としては、ＰＶＤＦ（polyvinylidene difluoride）、ＰＶＣ（polyvinyl chloride）、ＰＥ（polyethylene）等を用いることができるが、特に限定されない。膜の孔径は、分離する細胞のサイズに合わせて適切に選択することが好ましい。

【0026】

＜培養装置＞
図１は、本実施形態の培養装置を示す装置フローである。培養装置は、金属元素除去部１４、金属元素添加部１６及び培養部１８を備える。培地供給配管１２から供給された培地は、金属元素除去部１４及び金属元素添加部１６で処理され、培養部１８に供給される。培養部１８で、培養部１８内に投入された細胞が培養される。培養部１８で使用された培地は培地排出配管２０から排出される。

【0027】

金属元素除去部１４は、培地供給配管１２から供給された培地から金属元素を除去する。金属元素除去部１４としては、蒸留装置、イオン交換樹脂、逆浸透膜などを挙げることができる。

【0028】

金属元素添加部１６は、Ｆｅ、Ｚｎ、及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下となるように金属元素を添加する。金属元素の濃度は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０２ｍｇ／Ｌ以下とすることがさらに好ましい。また、その他の金属元素として、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎａ、Ｋ、及びＭｇなどを添加することができる。金属元素の添加に用いられる装置は特に限定されない。

【0029】

培養部１８は、金属元素添加部１６で、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下とされた培地を用いで細胞の培養を行う。培養部１８としては培養槽を挙げることができる。培養部１８は、ｐＨコントローラー及び温度調節手段を備え、培養部１８内のｐＨ及び温度が培養に最適な条件に適宜調節される。培養部１８へは、金属元素添加部１６で、金属元素が添加された培地が連続的に供給され、細胞の培養が行われる。培養部１８内に投入される細胞としては、細胞をそのまま投入してもよく、細胞を担体に固定化した固定化担体又は包括固定化担体としてもよい。

【0030】

＜廃水処理方法及び廃水処理装置＞
上述した培養方法及び培養装置は、廃水処理方法及び廃水処理装置に適用することができる。図２は、本実施形態の廃水処理装置を含む装置を示す装置フローである。図２に示す装置は、金属元素除去部４４、製造設備４６、金属元素添加部４８及び廃水処理部５０を備える。なお、本実施形態の廃水処理装置は、金属元素添加部４８及び廃水処理部５０に相当する。

【0031】

金属元素除去部４４は、原水配管４２から供給された原水から金属元素を除去する。金属元素除去部４４としては、蒸留装置、イオン交換樹脂、逆浸透膜などを挙げることができる。

【0032】

金属元素除去部４４で金属元素が除去された水は、製造設備４６に送られ、製造に用いられる（製造工程）。製造設備４６は、金属元素が除去された水を用いる設備であり、例えば、半導体のエッチング処理を行う設備を挙げることができる。エッチング液には、フッ化アンモニウムを主成分とする薬剤が使用されており、エッチング処理を行う設備からは排水として、窒素排水が排出される。

【0033】

金属元素添加部４８は、窒素排水中に、窒素排水中のＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素を添加する（金属元素添加工程）。金属元素の濃度は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０２ｍｇ／Ｌ以下とすることがさらに好ましい。また、その他の金属元素として、Ｃｕ、Ｂ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎａ、Ｋ、及びＭｇなどを添加することができる。金属元素の添加に用いられる装置は特に限定されない。

【0034】

廃水処理部５０は、金属元素添加部４８で、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ
以上の金属元素の濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下の範囲になるように、Ｆｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素が添加された排水を、細菌を用いて廃水処理を行う（廃水処理工程）。廃水処理部５０としては、硝化槽及び脱窒槽を挙げることができる。廃水処理部５０は、ｐＨコントローラー及び温度調節手段を備え、廃水処理部５０内のｐＨ及び温度が廃水処理に最適な条件に適宜調節される。廃水処理部５０へは、金属元素添加部４８で、金属元素が添加された排水が連続的に供給され、廃水処理が行われる。廃水処理部５０内に投入される細菌としては、細菌をそのまま投入してもよく、細菌を担体に固定化した固定化担体又は包括固定化担体としてもよい。また、細菌としては、排水が窒素排水である場合は、硝化細菌又はアナモックス細菌を用いることができる。細菌は、処理する廃水に含まれる成分に応じて適宜選択することができる。廃水処理部５０で処理された処理水は、処理水排出配管５２から排出される。

【0035】

本実施形態の廃水処理方法及び廃水処理装置によれば、排水中に含まれるＦｅ、Ｚｎ及びＣｏの少なくとも１つ以上の金属元素の濃度を０．００５ｍｇ／Ｌ以上０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることができるので、細菌の生物活性を向上させることができ、廃水処理能力を向上させることができる。また、金属元素を除去した水を用いた製造設備からの排水に使用するため、排水に対して金属元素の濃度調製を容易に行うことができる。

【0036】

また、本実施形態の培養方法、培養装置、廃水処理方法及び廃水処理装置は、アナモックス反応の前処理工程となる、半量を亜硝酸に酸化する部分亜硝酸型硝化工程において好適に用いることができる。アナモックス反応を用いた窒素排水処理では、硝化工程での活性維持が極めて重要である。アナモックス反応は、アンモニアと亜硝酸を、窒素ガスへと変換する反応である。排水中には、通常、アンモニアしかはいっていないので、アンモニアの半量を亜硝酸に酸化する工程が必要である。

【0037】

後述する実施例で示す通り、処理水のアンモニアと亜硝酸がほぼ等量に含まれており、半量硝化ができていることがわかる。この性能を維持するためには、金属元素の添加が必須である。アナモックス反応では、アンモニアと亜硝酸の比率がずれ、どちらかが多くなりすぎると、処理水に残留して、性能が悪化することから、アナモックス反応の前処理工程となる、半量を亜硝酸に酸化する部分亜硝酸型硝化工程では、特に、硝化性能の維持が重要である。

【実施例】

【0038】

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。

【0039】

（実施例１）＜Ｚｎ制限試験＞
図３に使用した実験装置１００の図を示す。容積を１．４４Ｌとした円筒型の反応槽１１０を用いて実験を行った。空気を供給できるようにガラス製の空気供給管１０２を取り付け、空気を、流量計１０４を用いて調整後、反応槽１１０に供給し、曝気させ，反応槽１１０内の担体１０６の流動と酸素供給を行った。曝気量は流量計１０４を用いて調整を行なった。また，原水は原水貯留槽１０８からポンプ（ペリスタポンプ）１１２を用いて、原水供給管１１４を通り供給した。反応槽１１０内のｐＨ調整は、ｐＨセンサー１１６により反応槽１１０内のｐＨを測定し、ｐＨコントローラー１１８を用いてポンプ１２０を制御し、アルカリ溶液貯留槽１２２内の１Ｎ ＮａＯＨ溶液の供給量を制御した。１Ｎ ＮａＯＨ溶液は、アルカリ溶液供給管１２４を通り、反応槽１１０内に供給され、ｐＨ７．５となるように調整した。

【0040】

反応槽１１０内の水温は３０℃、ＤＯ（Dissolved oxygen：溶存酸素）は４．０ｍｇ／Ｌ又は４．３ｍｇ／Ｌ、ＨＲＴ（Hydraulic retention time：水理学的滞留時間）は６．９時間又は１２時間、担体充填率は、１３％又は７．４％とした。

【0041】

≪基本排水≫
実験は、まず立上げ運転を行った。すなわち、金属元素制限を行わないで立上げ（培養）し、処理水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素がほぼ等量となり、定常状態になった後から、制限試験を行った。

【0042】

基本排水（基本培地）を以下に示す。原水（供試排水）としては、超純水（ＦＰ０１２０α－Ｍ００（オルガノ（株）製）を用いて製造）に表１に示すアンモニア合成排水を調整し、その後、表２に示す金属元素を、表２に示す濃度となるように添加した。なお、表２に示す値は、Van der Graaf et al., Microbiology 142:p.2187-2196 (1996)に記載された値である。

【0043】

【表1】

【0044】

【表2】

【0045】

≪供試担体≫
硝化菌を含む活性汚泥をポリエチレングリコール（ＰＥＧ）系のゲルで包括固定化し、約４ｍｍの球体に整形した。

【0046】

担体の作成には，表３に示す混合液［１］（アルギン酸ナトリウム、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラメチルエチレンジアミン（ＴＭＥＤ）、純水、活性汚泥）を、表４に示す混合液［２］（ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、ペルオキソ二硫酸カリウム（ＫＰＳ））に滴下し、アルギン酸で被膜を作ることにより、球形に整形し、その後ＰＥＧを重合させることで硝化菌を包括固定化した。

【0047】

【表3】

【0048】

【表4】

【0049】

処理水中のアンモニアと、亜硝酸の経過日変化の結果を図４に示す。４３日目までは、表２に示す金属元素濃度となるように調整した基本排水を供給し処理を行い、４３日目にＺｎの濃度を０ｍｇ／Ｌ、６３日目にＺｎの濃度を０．００５ｍｇ／Ｌ、７０日目にＺｎの濃度を０．０２ｍｇ／Ｌ、８２日目にＺｎの濃度を０．１ｍｇ／Ｌに変更し、Ｚｎの添加量を制御した。

【0050】

図４に示すように、Ｚｎの添加を制限（０ｍｇ／Ｌ）すると、３週間で硝化性能が低下した。Ｚｎの添加量を０．００５ｍｇ／Ｌとすることで、硝化性能の低下は抑えられ、硝化性能を維持することができた。さらに、Ｚｎの添加量を０．０２ｍｇ／Ｌとすることで、活性が回復し、基本排水（Ｚｎの添加量が０．０９８ｍｇ／Ｌ）と同程度まで活性が回復した。Ｚｎの添加量を０．１ｍｇ／Ｌまで添加したが、Ｚｎの添加量が０．０２ｍｇ／Ｌの時から活性の上昇は見られなかった。これらのことからＺｎは廃水処理に必須の微量元素であり、Ｚｎの添加量は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性の低下を抑制し、生物活性を維持できることが確認できる。また、０．０２ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性を回復することができる。Ｚｎの添加量は０．１ｍｇ／Ｌとしても、生物活性に変化は見られないため、添加する金属元素のコストを考慮すると上限は、０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。

【0051】

（実施例２）＜Ｆｅ制限試験＞
実施例１の金属元素添加条件を変更して、同様に試験を行った。立ち上げ運転は、実施例１の基本排水を用いて行い、定常状態になった後、Ｆｅの濃度を０ｍｇ／Ｌとし、１８３日目にＦｅの濃度を０．００５ｍｇ／Ｌとした。

【0052】

処理水中のアンモニアと、亜硝酸の経過日変化の結果を図５に、硝化速度の経過日変化の結果を図６に示す。Ｆｅを添加することで、亜硝酸性窒素濃度が上昇しており（図５）、また、硝化速度も上昇している（図６）ことから、亜硝酸型硝化プロセスの安定化には、Ｆｅを０．００５ｍｇ／Ｌ以上添加する必要があることが確認できる。

【0053】

（実施例３）＜Ｚｎ制限試験＞
アナモックス細菌による窒素排水処理試験を実施した。図７に使用した実験装置２００を示す。反応槽２０２の反応溶液は５００ｍＬであり、アナモックス担体２０４を１００ｍＬ充填した（充填率：２０％）。アナモックス担体は、アナモックス汚泥をポリエチレングリコール系のゲルで包括固定化し、３ｍｍ角の立方体に成形した担体を用いた。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。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、及び、Ｎ_２ガスを供給するガス供給管２１４を備える。また、反応槽２０２内の処理水及びアナモックス担体２０４を撹拌させるための撹拌器２１６を備える。

【0054】

≪基本排水≫
基本排水（基本培地）を以下に示す。原水（供試排水）としては、超純水に、硫酸アンモニウム及び亜硝酸ナトリウムを窒素源とし、表５に示すアンモニア合成排水を調整し、その後、表６に示す金属元素を表６中の添加濃度となるように排水に添加した。

【0055】

【表5】

【0056】

【表6】

【0057】

結果を図８に示す。３５日目にＺｎ添加濃度を０ｍｇ／Ｌとすると、処理水のアンモニアと亜硝酸が上昇し、活性が低下することが確認された。その後、Ｚｎを０．００５ｍｇ／Ｌ添加すると、活性低下が抑制された。そして、Ｚｎ添加量を０．０２ｍｇ／Ｌとすると活性が回復する傾向が確認された。さらに、Ｚｎ添加量を０．０４ｍｇ／Ｌに増加させたが、活性は、Ｚｎ添加量が０．０２ｍｇ／Ｌの場合と変化はなかった。これらのことからＺｎの添加量は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性の低下を抑制し、生物活性を維持できることが確認できる。また、０．０２ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性を回復することができ、０．０４ｍｇ／Ｌにおいても、生物活性に変化は見られないため、添加する金属元素のコストを考慮すると上限は、０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。

【0058】

（実施例４）＜Ｆｅ制限試験＞
実施例３の金属元素添加条件を変更して、同様に試験を行った。Ｆｅの影響を確認するため、表７に示す金属元素濃縮液に切り替え、Ｆｅの添加濃度を制御することで、Ｆｅを制限した。

【0059】

【表7】

【0060】

結果を図９に示す。１０８日後にＦｅ添加濃度を０．００５ｍｇ／Ｌとしても、処理水のアンモニアと亜硝酸に変化は見られず、活性は変わらなかった。その後、１１８日後にＦｅ添加量を０．０２０ｍｇ／Ｌとすると活性が向上した。なお、図９の６０日付近のピークは、酸素が混入したことによる操作上のミスによるものである。

【0061】

（実施例５）＜Ｃｏ制限試験＞
実施例３の金属元素添加条件を変更して、同様に試験を行った。Ｃｏの影響を確認するため、表８に示す金属元素濃縮液に切り替え、Ｃｏの添加濃度を制御することで、Ｃｏを制限した。

【0062】

【表8】

【0063】

結果を図１０に示す。図１０中のＮＬＲは窒素容積負荷（Ｎ－Ｌｏａｄｉｎｇ Ｒａｔｅ）を表し、ＮＣＲは窒素転換率（Ｎ－Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｒａｔｅ）を表す。Ｃｏの添加濃度が０ｍｇ／Ｌの場合、ＮＣＲが低下することが確認された。３５日後にＣｏの添加濃度を０．００５ｍｇ／Ｌとしたところ、ＮＣＲの低下を抑え、一定に維持することができた。さらに、４５日後にＣｏ添加濃度を０．０２ｍｇ／Ｌとすると、ＮＣＲが上昇し、活性を向上させることができた。７９日後にＣｏ添加濃度を０．０５９ｍｇ／Ｌまで上昇させたが、ＮＣＲは、Ｃｏ添加濃度を０．０２ｍｇ／Ｌとした場合と差は見られなかった。

【0064】

これらのことから、Ｃｏの添加量は、０．００５ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性の低下を抑制し、生物活性を維持できることが確認できる。また、０．０２ｍｇ／Ｌ以上とすることで、生物活性を回復することができ、０．０５９ｍｇ／Ｌにおいても、生物活性に変化は見られないため、添加する金属元素のコストを考慮すると上限は、０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。

【0065】

（実施例６）＜酸性溶液による添加＞
金属元素を添加する溶液について検討を行った。添加する金属元素濃縮液の組成を表９に示す。また、結果を図１１に示す。

【0066】

【表9】

【0067】

図１１に示すように、廃水処理を開始してから３９日までは、従来の方法である、ＥＤＴＡ溶液により金属元素の添加を行った。３９日後から金属元素の添加を塩酸溶液に変更して行った。塩酸溶液に変更した後においても、ＮＣＲの変化は見られなかった。したがって、金属元素を塩酸溶液で添加しても、ＥＤＴＡ溶液で添加しても効果に差は見られなかった。ただし、ＥＤＴＡ溶液から塩酸溶液に変更することで、金属元素濃縮溶液のコストを減らすことができる。また、ＥＤＴＡ溶液を用いた場合、金属錯体を形成するが金属錯体は、分解性が良くないため、塩酸溶液とすることで、環境面においても有効である。

【符号の説明】

【0068】

１２…培地供給配管、１４…金属元素除去部、１６…金属元素添加部、１８…培養部、２０…培地排出配管、４２…原水配管、４４…金属元素除去部、４６…製造設備、５０…廃水処理部、５２…処理水排出配管、１００…実験装置、１０２…空気供給管、１０４…流量計、１０６…担体、１０８…原水貯留槽、１１０…反応槽、１１２…ポンプ、１１４…原水供給管、１１６…ｐＨセンサー、１１８…ｐＨコントローラー、１２０…ポンプ、１２２…アルカリ溶液貯留槽、１２４…アルカリ溶液供給管、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、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】