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(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】2024-08-19
(45)【発行日】2024-08-27
(54)【発明の名称】窒素回収方法および窒素回収装置
(51)【国際特許分類】
C12P 3/00 20060101AFI20240820BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20240820BHJP
C12N 1/00 20060101ALI20240820BHJP
B01D 53/58 20060101ALI20240820BHJP
B01D 53/84 20060101ALI20240820BHJP
【ＦＩ】
C12P3/00 Z
C12M1/00 D
C12N1/00 S
B01D53/58
B01D53/84
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2021545610
(86)(22)【出願日】2020-09-11
(86)【国際出願番号】 JP2020034429
(87)【国際公開番号】W WO2021049603
(87)【国際公開日】2021-03-18
【審査請求日】2023-09-07
(31)【優先権主張番号】P 2019166997
(32)【優先日】2019-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】516381884
【氏名又は名称】株式会社ＪＦＲ
(74)【代理人】
【識別番号】100131705
【弁理士】
【氏名又は名称】新山 雄一
(74)【代理人】
【識別番号】100114292
【弁理士】
【氏名又は名称】来間 清志
(72)【発明者】
【氏名】藤野 陽
(72)【発明者】
【氏名】笹川 綿子
(72)【発明者】
【氏名】諸田 淳一
【審査官】小田 浩代
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－２３９４６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１９５４４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１５３７２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３５８３７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０１８７７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】硝化について，水質屋の水処理通信[online]，2018年03月10日，URL: https://web.archive.org/web/20180310195801/https://mizusyoli.com/dattitu/entry43.html，[retrieved on 2024.03.04]
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１２Ｍ １／００－ ３／１０
Ｃ１２Ｐ １／００－４１／００
Ｃ１２Ｎ １／００
Ｃ０１Ｂ２１／４０
Ｂ０１Ｄ５３／５８
Ｂ０１Ｄ５３／８４
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＣＡｐｌｕｓ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＥＭＢＡＳＥ／ＢＩＯＳＩＳ／ＷＰＩＤＳ（ＳＴＮ）
ＰｕｂＭｅｄ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア含有の窒素成分をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法であって、硝化菌を担持した硝化菌担持体を保持してなる微生物分解槽に、循環水を供給して、前記硝化菌担持体を含水率５～９０％の湿潤状態に保持し、
この含水率５～９０％の湿潤状態とされた硝化菌担持体に、酸素存在雰囲気下でアンモニア含有ガスを通気し、
アンモニア含有ガス中のアンモニア成分および硝化菌により分解されたアンモニアガス分解生成物を、前記循環水中に溶解して、前記循環水中にアンモニアガス分解生成物を蓄積し、かつ前記循環水のｐＨを５．０～９．０の範囲内に維持しながら、アンモニア含有ガスの分解処理を継続し、
前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が、前記アンモニア含有ガスの通気を開始した時点の濃度から５０００ｍｇ／Ｌ以上増加して１００００ｍｇ／Ｌ以上となったとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収することを特徴とし、
前記硝化菌担持体に担持する前記硝化菌には、アンモニア酸化細菌群および亜硝酸酸化細菌群が含まれるものである、窒素回収方法。
【請求項2】
硝化菌担持体が、無機多孔質体及び／又は無機繊維質体である請求項１に記載の窒素回収方法。
【請求項3】
硝化菌担持体が、発泡ガラスである請求項１に記載の窒素回収方法。
【請求項4】
微生物分解槽に供給される循環水は、硝化菌担持体の充填体積１Ｌ当りの水量が、５０～５００００ｍＬ／時間である請求項１～３のいずれかに記載の窒素回収方法。
【請求項5】
前記循環水に対してエアレーションを行い、循環水１Ｌ当りのエアレーション量が０．５～１０Ｌ／分である請求項１～４のいずれかに記載の窒素回収方法。
【請求項6】
循環水は温度を１０～６０℃の範囲内に維持するものである請求項１～５のいずれかに記載の窒素回収方法。
【請求項7】
前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が、前記アンモニア含有ガスの通気を開始した時点の濃度から５０００ｍｇ／Ｌ以上増加して１００００ｍｇ／Ｌ以上となったとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収した後、新たな循環水を系内に供給し、アンモニア含有ガスの分解処理を再開するものである請求項１～６のいずれかに記載の窒素回収方法。
【請求項8】
請求項１～７のいずれかに記載の窒素回収方法を実施するのに用いる窒素回収装置であって、（Ａ） 硝化菌を担持し、含水率５～９０％の湿潤状態に保持してなる硝化菌担持体を有し、酸素存在雰囲気下で前記アンモニアガスを分解する微生物分解槽と、
（Ｂ） 前記微生物分解槽に前記アンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段と、
（Ｃ） 前記微生物分解槽に対して水を供給する給水手段と、
（Ｄ） 前記微生物分解槽において生成した前記アンモニアガス分解生成物を含む水を微生物分解槽より導出する排水ラインと、
（Ｅ） 前記排水ラインより排出された前記アンモニアガス分解生成物を含む水を一時的に貯留する貯留槽と、
（Ｉ）前記貯留槽に貯留した前記水のｐＨを５．０～９．０の範囲内に調整するｐＨ調整機構と、
（Ｆ） 前記貯留槽と前記微生物分解槽とを接続し、前記貯留槽より前記アンモニアガス分解生成物を含む水を前記微生物分解槽に送る再処理ラインと、
（Ｇ） 前記微生物分解槽、前記排水ライン、前記貯留槽、および前記再処理ラインの間で、前記アンモニアガス分解生成物を含む前記水を循環させる循環手段と、
（Ｈ） 前記貯留槽より、所定の硝酸イオン濃度となった前記アンモニアガス分解生成物を含む水の一部または全部を回収する回収手段と、を備え、
前記硝化菌担持体に担持する前記硝化菌には、アンモニア酸化細菌群および亜硝酸酸化細菌群が含まれるものである、窒素回収装置。
【請求項9】
硝化菌担持体が無機多孔質体及び／又は無機繊維質体である請求項８に記載の窒素回収装置。
【請求項10】
硝化菌担持体が発泡ガラスである請求項８に記載の窒素回収装置。
【請求項11】
前記微生物分解槽が、縦長形状を有し、下部側よりアンモニア含有ガスを供給し、上部側より水を供給する向流接触式のものとされている請求項８～１０のいずれかに記載の窒素回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒素回収方法、窒素回収装置、およびこれにより得られる製品に関する。詳しく述べると本発明は、畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等で発生するアンモニアガスから、高効率で窒素を回収する窒素回収方法、窒素回収装置、およびこれにより得られる製品に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、家畜農場、堆肥化施設、し尿処理施設等では、アンモニアを主体成分とする悪臭が発生し、近隣からの悪臭に対する苦情の問題や、現場で働く勤務者の健康被害が度々起こっている。そのため、発生したアンモニアガスは脱臭装置によって処理することが求められており、薬剤脱臭、吸着剤を使った吸着脱臭、燃焼による脱臭や生物脱臭が行われている。しかし、一方で、使用した薬剤の処理や吸着剤の処分にコストがかかったり、また、脱臭後にＮＯｘ等の環境負荷の高いガスが排出されてしまうなどの根本的な解決策とならない場合がある。
【0003】
例えば、畜産施設、堆肥舎や、汚水処理場等から生じるアンモニア含有の悪臭の対策として、アンモニアを、亜硝酸、さらに硝酸へと酸化して分解する硝化菌を用いた生物脱臭が広く普及しているが、こうした脱臭装置の多くは、装置内に残存する亜硝酸・硝酸を窒素ガスへと分解する脱窒工程用の部位を備えるために大型化し、コスト高なものとなっている。また、アンモニアが無事に分解され、環境汚染を防止できたとしても、窒素の有効利用ができていない。
【0004】
畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等から大量に発生する悪臭アンモニアガスを、硝化菌を用いて硝酸に分解する技術として、従来より下記のものが知られている。
【0005】
例えば、特許文献１においては、アンモニアガスを硝化反応及び硫黄脱窒反応に供する、活性汚泥を接種した脱臭資材を充填した脱臭槽と、前記脱臭槽にチオ硫酸ナトリウムを含有する水を供給する給水槽と、を備える、脱臭及び脱窒処理装置が提案されている。特許文献１に示される技術においては、硫黄脱窒反応と硝化反応とを組み合わせて、アンモニア除去に加え、循環水中の無機態窒素の蓄積を抑制でき、長期間にわたりアンモニアガスの脱臭処理が行えることを示している。しかしながら、特許文献１においては、チオ硫酸と脱臭槽で生成した亜硝酸及び硝酸が反応し、チオ硫酸は酸化により硫酸が生成し、亜硝酸及び硝酸の無機態窒素を窒素ガスとして除去するものであり、アンモニア性窒素の回収ないし有効利用は図られていない。
【0006】
また、特許文献２においては、微生物の担体を充填した充填層に循環水を間欠的に散水し、微生物によるガス中アンモニアの硝化反応によって生成する硝酸基および亜硝酸基とガス中のアンモニア基との化学反応により生成して前記担体に蓄積した硝酸アンモニウムと亜硝酸アンモニウムを洗浄する充填式生物脱臭塔において、循環水に酸を添加して循環水のｐＨ値を７．５以下に抑制するとともに、循環水中のアンモニア性窒素濃度を１０００ｍｇ－Ｎ／Ｌ以下に制御することを特徴とする充填式生物脱臭塔が提案されている。特許文献２においては、循環水中のアンモニア性窒素濃度の高まりに伴って微生物によるアンモニアの硝化率が低下することを防止する上で、循環水中に硫酸を添加し循環水中のアンモニア性窒素濃度を抑制するものであって、特許文献１と同様にアンモニア性窒素の回収ないし有効利用は図られていない。
【0007】
特許文献３においては、アンモニアを亜硝酸化するためのアンモニア酸化細菌を担持した微生物担体が収容されている微生物担体収容槽にアンモニアガスを導入するとともに該微生物担体収容槽に散水を行って、前記アンモニアガスを散水した水に溶解させ、前記アンモニア酸化細菌によって水に溶解したアンモニアを亜硝酸態窒素に酸化し、散水した前記水を循環水として回収し、該循環水中のアンモニウムイオン濃度を５００ｍｇ／Ｌ以上または／および亜硝酸性窒素濃度を６５０ｍｇ／Ｌ以上に調整して前記散水に供することを特徴とするアンモニア含有ガスの処理方法が提案されている。循環水中のアンモニウムイオン濃度または／および亜硝酸性窒素濃度を調整し、微生物担体収容槽をアンモニア酸化細菌に適していて、亜硝酸酸化細菌には不適な環境にして、アンモニア酸化細菌の活性を維持させながら亜硝酸酸化細菌の活性を阻害させ、アンモニアを安定的に亜硝酸態窒素に変換させるものとしている。この方法において得られた亜硝酸窒素は、その後、嫌気性アンモニア酸化細菌を用いた脱窒処理によって窒素ガスに分解処理したり、従属栄養細菌の脱窒菌と電子供与体としての有機物を利用して脱窒素したり、スルファミン酸を利用して、硝酸性窒素を除去したりするものとされており、特許文献３に記載の方法でも、特許文献１および２と同様にアンモニア性窒素の回収ないし有効利用は図られていない。
【0008】
特許文献４においては、食品廃棄物を嫌気分解させて発生させたアンモニアを、栽培養液に吸収させる吸収槽、アンモニアを吸収した栽培養液を水耕栽培の栽培養液槽に循環させる循環装置、および栽培養液槽を有する水耕栽培設備を配設したことを特徴とする水耕栽培装置が提案されており、栽培養液中に蓄積したアンモニアは多孔質担体に付着させた硝酸菌により硝酸へ変換することも示されている。しかしながら、特許文献４に示される水耕栽培装置では、食品廃棄物を嫌気分解させて発生させたアンモニアを直接的に栽培養液に吸収させて液肥として使用するものであって、アンモニア性窒素を肥料として利用するものとはいえ、低濃度の利用であって、効率的な有効利用とは言えないものであった。
【0009】
特許文献５においては、硝化菌担持体に相当する硝化菌等を含む土壌中にアンモニアガスを導入し、硝化菌によるアンモニアガスの分解生成物（硝酸塩等）を土壌中に固定させることが提案されている。しかし、特許文献５に示される方法では、土壌中に硝化菌を存在させ、これによりアンモニアが酸化分解されて亜硝酸または硝酸となり土壌中に吸着させる。このようにして得られた窒素を無機態として固定したアンモニア処理用土壌を植物栽培用土壌として用いることも開示されているが、前記したように、アンモニアを分解する硝化菌は土壌中に存在している。このため栽培用土壌として利用する上では、硝化菌もその度ごとに製造システムより除去され消費されてしまい、効率的なものとは言えないものであった。
【0010】
さらに、特許文献６においては、曝気手段を備え、少なくともアンモニア性窒素を含有する被処理液がアンモニア酸化細菌の存在下で曝気処理される部分亜硝酸化処理槽と、前記部分亜硝酸化処理槽で処理された被処理液を、嫌気性アンモニア酸化細菌の存在下で処理し、前記アンモニア性窒素と前記亜硝酸性窒素とを反応させて窒素ガスに転換する脱窒処理槽と、前記脱窒処理槽に導入される被処理液に、前記被処理液の亜硝酸性窒素濃度に応じて無機炭素成分を注入する無機炭素成分調整槽と、前記脱窒処理槽に導入される被処理液に、リンを含有するｐＨ調整剤を注入するｐＨ調整槽と、を備えたアンモニア性窒素含有液の処理方法において、前記脱窒工程に供される被処理液の亜硝酸性窒素濃度に応じて前記被処理液に無機炭素成分が注入され、前記脱窒工程に供される被処理液は、リンを含有するｐＨ調整剤でｐＨ調整されるアンモニア性窒素含有液の処理方法が提案されている。特許文献６に示される技術は、アンモニア性窒素を含有する被処理液を生分解反応させて得られる、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素とを効率よく反応させて、窒素ガスとする技術であって、回収ないし有効利用は図られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特開２０１８－１３０７０５号公報
【文献】特開平７－０２４２４７号公報
【文献】特開２００５－１６１２５８号公報
【文献】特開２０１１－２４０２５４号公報
【文献】特開２０００－０００６００号公報
【文献】特許第５７４２１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
このように従来、アンモニアガスを分解して脱臭する、あるいは窒素として無害化する方法はいくつか提案されているものの、アンモニアを分解して得られるアンモニア分解成分を高濃度にて回収し、効率よく有効利用する方法は確立されていなかった。
【0013】
従って、本発明は前記したような課題を解決する、新規な窒素回収方法、窒素回収装置、およびこれにより得られる液肥等の製品を提供することを課題とする。本発明はまた、畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等で発生するアンモニアガスから、高効率で窒素成分を回収する窒素回収方法、窒素回収装置およびこれにより得られる液肥等の製品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討、研究を行った結果、アンモニアガスを硝化菌で分解してアンモニアガスの窒素成分を回収する工程において、所定の条件を満たすことによって、アンモニアガスの硝化菌による分解を継続的に進行させつつ、系内を循環させる循環水中に窒素成分を硝酸として高濃度に蓄積でき、アンモニアガスより高効率で窒素成分を回収できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0015】
すなわち、前記課題を解決する本発明は、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア含有の窒素成分をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法であって、硝化菌を担持した硝化菌担持体を保持してなる微生物分解槽に循環水を供給して、前記硝化菌担持体を湿潤状態に保持し、この湿潤状態とされた硝化菌担持体に、酸素存在雰囲気下でアンモニア含有ガスを通気し、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分および硝化菌により分解されたアンモニアガス分解生成物を、前記循環水中に溶解して、前記循環水中にアンモニアガス分解生成物を蓄積しながら、アンモニア含有ガスの分解処理を継続し、前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収することを特徴とする窒素回収方法である。
【0016】
本発明の窒素回収方法の一実施形態においては、硝化菌担持体が無機多孔質体及び／又は無機繊維質体、例えば発泡ガラスであるものが示される。ただし、有機物であっても、腐敗によって臭気を発生しないプラスチックやゴム、樹脂等の有機物の多孔質体や繊維体であれば用いることができる。
【0017】
本発明の窒素回収方法の別の実施形態においては、微生物分解槽における硝化菌担持体の含水率を、５～９０％とすることが示される。
【0018】
本発明の窒素回収方法のまた別の一実施形態においては、微生物分解槽に供給される循環水は、硝化菌担持体の充填体積１Ｌ当りの水量が、５０～５００００ｍＬ／時間であることが示される。ここで「硝化菌担持体の充填体積１Ｌ」とは、容積１Ｌの容器に摺切り迄硝化菌担持体を充填した時の硝化菌担持体の量を、体積として表わしたものである。
【0019】
本発明の窒素回収方法のさらに別の一実施形態においては、循環水に対してエアレーションを行い、循環水１Ｌ当りのエアレーション量を０．５～１０Ｌ／分とすることが示される。
【0020】
本発明の窒素回収方法のさらに別の一実施形態においては、循環水はｐＨを５．０～９．０の範囲内、温度を１０～６０℃の範囲内に維持することが示される。
【0021】
本発明の窒素回収方法の一実施形態においては、硝化菌担持体に担持する硝化菌には、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）が含まれるものであることが示される。
【0022】
本発明の窒素回収方法の一実施形態においては、前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収した後、新たな循環水を系内に供給し、アンモニア含有ガスの分解処理を再開するものであることが示される。
【0023】
本発明の窒素回収方法の一実施形態においては、上記の窒素回収方法において、前記循環水中における硝酸イオン濃度が、前記アンモニア含有ガスの通気を開始した時点の濃度から５０００ｍｇ／Ｌ以上増加したとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法が示される。
【0024】
本発明の窒素回収方法の一実施形態においては、前記アンモニア含有ガスは糞尿処理ないし汚水処理施設に由来のものであることが示される。
【0025】
前記課題を解決する本発明は、また、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア含有の窒素成分をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収装置であって、
（Ａ） 硝化菌を担持した硝化菌担持体を有し、酸素存在雰囲気下で前記アンモニア含有ガスを分解する微生物分解槽と、
（Ｂ） 前記微生物分解槽に前記アンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段と、
（Ｃ） 前記微生物分解槽に対して水を供給する給水手段と、
（Ｄ） 前記微生物分解槽において生成した前記アンモニアガス分解生成物を含む水を微生物分解槽より導出する排水ラインと、
（Ｅ） 前記排水ラインより排出された前記アンモニアガス分解生成物を含む水を一時的に貯留する貯留槽と、
（Ｆ） 前記貯留槽と前記微生物分解槽とを接続し、前記貯留槽より前記アンモニアガス分解生成物を含む水を前記微生物分解槽に送る再処理ラインと、
（Ｇ） 前記微生物分解槽、前記排水ライン、前記貯留槽、および前記再処理ラインの間で、前記アンモニアガス分解生成物を含む前記水を循環させる循環手段と、
（Ｈ） 前記貯留槽より、所定の硝酸イオン濃度となった前記アンモニアガス分解生成物を含む水（循環水）の一部または全部を回収する回収手段と、を備える窒素回収装置により達成される。
（Ａ） 硝化菌を担持した硝化菌担持体を有し、酸素存在雰囲気下で前記アンモニア含有ガスを分解する微生物分解槽と、
（Ｂ） 前記微生物分解槽に前記アンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段と、
（Ｃ） 前記微生物分解槽に対して水を供給する給水手段と、
（Ｄ） 前記微生物分解槽において生成した前記アンモニアガス分解生成物を含む水を微生物分解槽より導出する排水ラインと、
（Ｅ） 前記排水ラインより排出された前記アンモニアガス分解生成物を含む水を一時的に貯留する貯留槽と、
（Ｆ） 前記貯留槽と前記微生物分解槽とを接続し、前記貯留槽より前記アンモニアガス分解生成物を含む水を前記微生物分解槽に送る再処理ラインと、
（Ｇ） 前記微生物分解槽、前記排水ライン、前記貯留槽、および前記再処理ラインの間で、前記アンモニアガス分解生成物を含む前記水を循環させる循環手段と、
（Ｈ） 前記貯留槽より、所定の硝酸イオン濃度となった前記アンモニアガス分解生成物を含む水（循環水）の一部または全部を回収する回収手段と、を備える窒素回収装置により達成される。
【0026】
本発明の窒素回収装置の一実施形態においては、硝化菌担持体が無機多孔質体及び／又は無機繊維質体、例えば発泡ガラスであるものが示される。ただし、有機物であっても、腐敗によって臭気を発生しないプラスチックやゴム、樹脂等の有機物の多孔質体や繊維体であれば用いることができる。
【0027】
本発明の窒素回収装置の一実施形態においては、前記微生物分解槽が、縦長形状を有し、下部側よりアンモニア含有ガスを供給し、上部側より水を供給する向流接触式のものが示される。
【0028】
本発明の窒素回収装置の一実施形態においては、硝化菌が、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）を含むものであるものが示される。
【0029】
前記課題を解決する本発明は、また、前記窒素回収方法で回収されたアンモニアガス分解生成物を含む水を用いてなる液肥や、そこから窒素成分を抽出して製造された固形肥料等の製品（例えば、循環水中の硝酸を結晶化して回収）によっても達成される。
【発明の効果】
【0030】
本発明によれば、畜産施設や堆肥舎、汚水処理場等で発生するアンモニアガスから、高効率で窒素成分を回収することができ、かつ回収した窒素は、硝酸イオンとして高濃度に水中に保持されるものであることから、そのまま肥料として有効利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の窒素回収装置の一実施態様の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。
【0033】
＜窒素回収装置＞
図１は、本発明の窒素回収装置の一実施態様の構成を模式的に示す図である。
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、アンモニアガス源槽１０、およびアンモニアガス源槽１０において発生したアンモニア含有ガスを分解するための反応場である微生物分解槽２０を備えている。また微生物分解槽２０の上部側から水を供給する給水ライン３０と、微生物分解槽２０の内部を通過した水を微生物分解槽２０の底部側より導出する排水ライン４０と、前記排水ライン４０より排出された水を一時的に貯留する貯留槽５０と、この貯留槽５０と前記微生物分解槽２０の上部側とを接続し、前記貯留槽５０に貯留された水を再び前記微生物分解槽に送る再処理ライン７０を有している。そして前記微生物分解槽２０、前記排水ライン４０、前記貯留槽５０、および前記再処理ライン７０の間で、前記水を循環させるための循環手段として循環ポンプ（例えば、揚水ポンプ）６０を貯留槽５０内に配している。また、貯留槽５０には、貯留槽５０内の水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、貯留槽５０より水を回収する回収手段として、開閉可能なバルブを有する硝酸水溶液回収ライン８０が設けられている。さらに貯留槽５０内には、貯留槽内の水のｐＨを測定するためのｐＨセンサ９１が配置され、槽外のｐＨコントローラー９０に電気的に接続されている。ｐＨコントローラー９０は、切替スイッチ（図示せず）によってアルカリ液槽１０１および酸液槽１０２のいずれの吐出ポンプ（図示せず）の作動を制御することができ、ｐＨセンサ９１において測定されたｐＨ値が、所定のｐＨ値よりも外れた場合に、アルカリ液槽１０１または酸液槽１０２よりｐＨ調整剤供給ライン１００を通して、貯留槽５０にアルカリ液または酸液を送り込み、水のｐＨを前記所定のｐＨ値に自動的に調整する構成とされている。以下、各構成要素につきさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の窒素回収装置の一実施態様の構成を模式的に示す図である。
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、アンモニアガス源槽１０、およびアンモニアガス源槽１０において発生したアンモニア含有ガスを分解するための反応場である微生物分解槽２０を備えている。また微生物分解槽２０の上部側から水を供給する給水ライン３０と、微生物分解槽２０の内部を通過した水を微生物分解槽２０の底部側より導出する排水ライン４０と、前記排水ライン４０より排出された水を一時的に貯留する貯留槽５０と、この貯留槽５０と前記微生物分解槽２０の上部側とを接続し、前記貯留槽５０に貯留された水を再び前記微生物分解槽に送る再処理ライン７０を有している。そして前記微生物分解槽２０、前記排水ライン４０、前記貯留槽５０、および前記再処理ライン７０の間で、前記水を循環させるための循環手段として循環ポンプ（例えば、揚水ポンプ）６０を貯留槽５０内に配している。また、貯留槽５０には、貯留槽５０内の水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、貯留槽５０より水を回収する回収手段として、開閉可能なバルブを有する硝酸水溶液回収ライン８０が設けられている。さらに貯留槽５０内には、貯留槽内の水のｐＨを測定するためのｐＨセンサ９１が配置され、槽外のｐＨコントローラー９０に電気的に接続されている。ｐＨコントローラー９０は、切替スイッチ（図示せず）によってアルカリ液槽１０１および酸液槽１０２のいずれの吐出ポンプ（図示せず）の作動を制御することができ、ｐＨセンサ９１において測定されたｐＨ値が、所定のｐＨ値よりも外れた場合に、アルカリ液槽１０１または酸液槽１０２よりｐＨ調整剤供給ライン１００を通して、貯留槽５０にアルカリ液または酸液を送り込み、水のｐＨを前記所定のｐＨ値に自動的に調整する構成とされている。以下、各構成要素につきさらに詳細に説明する。
【0034】
（アンモニア含有ガス供給手段）
前記アンモニアガス源槽１０は、本発明に係る窒素回収装置において必須の構成ではなく、前記微生物分解槽２０にアンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段の一部として、アンモニア含有ガスを発生するものであれば特に限定されるものではない。
前記アンモニアガス源槽１０は、本発明に係る窒素回収装置において必須の構成ではなく、前記微生物分解槽２０にアンモニア含有ガスを供給するアンモニア含有ガス供給手段の一部として、アンモニア含有ガスを発生するものであれば特に限定されるものではない。
【0035】
例えば、アンモニアガス源槽１０は、家畜糞尿の堆肥化処理過程等の家畜排泄物処理過程において固液分離した汚水やさらにこれを有機分解して得られるようなアンモニア性窒素濃度の高い廃水に対して、アンモニアストリッピング法によってアンモニア含有ガスを発生させる構成のものとすることができる。また、廃液の種類は畜産廃液に限定する必要がなく、例えば、食品工場から排出される廃液中に含まれる、もしくは、処理過程で発生するアンモニウムイオンをアンモニアストリッピング法によって発生させる構成のものとすることができる。
【0036】
なお、本発明に係る窒素回収装置において、アンモニア含有ガス供給手段としては、前記したようなアンモニアガス源槽１０を有する実施形態のみに何ら限定されない。例えば、アンモニア含有ガスとしては、一般に臭気を有し各種施設、例えば、前記したような家畜糞尿の堆肥化処理での臭気ガス、畜産業での臭気ガス、コンポスト化、廃水処理での臭気ガス、産業廃棄物処理過程での臭気ガスなどや、あるいは各種生産工程での排ガスなどが含まれ得、アンモニア含有ガス供給手段は、これらのアンモニア含有ガスをその発生源から直接、あるいは一旦捕捉回収したものから間接的に供給するものとしても良い。
【0037】
また、これらのアンモニア含有ガスには、アンモニアの他、硫化水素、メルカプタン類、アミン類、アルデヒド類、脂肪酸類、芳香族類などが含まれていても良い。特に限定されるものではないが、本発明においてアンモニア含有ガス供給手段より供給されるアンモニア含有ガス中のアンモニア総量の上限としては、例えば、硝化菌担持体充填体積１Ｌに対して１日当たり２０００ｍｇ以下、１８００ｍｇ以下、１６００ｍｇ以下、１４００ｍｇ以下、１２００ｍｇ以下、１０００ｍｇ以下、８００ｍｇ以下、７００ｍｇ以下、６００ｍｇ以下、５００ｍｇ以下程度のものとされる。また、下限は特に限定されないが、アンモニアガスの供給が長期間完全に止まってしまうと硝化菌の活性が低下する虞れがあることから、１０ｍｇ以上が好ましく、５０ｍｇ以上がより好ましく、１００ｍｇ以上がさらに好ましい。ただし、アンモニアガスの供給は、数日間から２週間程度の期間にわたって一時的に止めたとしても、それから再開すれば大きな問題とはならない。また、循環水中にアンモニウムイオンが残っている場合にも、アンモニアガスの供給が止まることは問題にならない。
【0038】
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、アンモニアガス源槽１０より送出されるアンモニア含有ガスは、アンモニアガス源槽１０から微生物分解槽２０の下端近傍部に至るアンモニア含有ガス供給ライン１１を介して、吸気ポンプ１２によって、微生物分解槽２０へと送られる。
【0039】
（微生物分解槽）
アンモニア含有ガスを分解するための反応場である微生物分解槽２０には、十分な水分及び硝化菌を保持できるとともに、十分なガス接触効率が得られるように硝化菌担持体２１が充填されており、この硝化菌担持体２１には硝化菌が担持されている。
アンモニア含有ガスを分解するための反応場である微生物分解槽２０には、十分な水分及び硝化菌を保持できるとともに、十分なガス接触効率が得られるように硝化菌担持体２１が充填されており、この硝化菌担持体２１には硝化菌が担持されている。
【0040】
なお、図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、この微生物分解槽２０の底部近傍には通気性（かつ通液性）の担持体把持プレート（図示せず）が微生物分解槽２０の底部開口部断面を遮るように配してあり、その担持体把持プレート上に硝化菌担持体２１を堆積させることにより、微生物分解槽２０中に硝化菌担持体２１を充填することができる構成とされている。
【0041】
また、図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、この微生物分解槽２０の上部は少なくともその一部は開口されたものとされている。そして、この微生物分解槽２０の上部側からは、後から詳述するように、酸素存在雰囲気下である大気中で水（循環水）が散水器３１より微生物分解槽２０内に給水される構成とされている。なお、本発明の窒素回収方法及び装置においては、通常は大気中などの酸素存在雰囲気下で微生物分解が行われる。そのため、酸素供給工程や酸素共有装置等を別途設ける必要はないが、所望により、そうした工程・装置を含めることも可能である。
【0042】
従って、微生物分解槽２０の底部開口部側からは、前記したようにアンモニア含有ガス供給ライン１１から供給されるアンモニア含有ガスが、微生物分解槽２０内部に流入し、微生物分解槽２０内を上方に向かって通過しながら、給水された水を保水した状態にある前記硝化菌担持体２１と接触し、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分は、硝化菌担持体２１が保持する水に溶け込み、その後、脱アンモニア化されたガスは、微生物分解槽２０の上部開口より系外に排出される。
【0043】
一方、硝化菌担持体２１が保持する水に溶け込んだアンモニアは、後から詳述するように、硝化菌担持体２１上の２種以上の硝化菌によって分解され、分解によって生じたアンモニアガス分解生成物は後続して微生物分解槽２０内に給水される水（循環水）が洗い流し、アンモニアガス分解生成物を含有する水（循環水）は、微生物分解槽２０の底部開口部より導出され、排水ライン４０を介して、循環水貯留槽５０へと送られる。
【0044】
特に限定されるわけではないが、微生物分解槽２０は、アンモニア含有ガスとその内部に配された硝化菌担持体２１との均一かつ効率良い接触を行う上で、縦長形状、より具体的には、垂直上下方向の寸法が水平方向の寸法よりも大きい形状を有し、下部側よりアンモニア含有ガスを供給し、上部側より水を供給する向流接触式のものとされていることが望ましい。
【0045】
（硝化菌担持体）
微生物分解槽２０に充填される硝化菌担持体２１としては、その硝化菌担持体が保持できる水（吸水量）が多いほど、吸収できるアンモニアガスの量が増える一方で、水が多すぎると硝化反応に必要な酸素の供給が不十分となり、硝化反応速度が低下する要因となる。また、酸素供給が不十分な嫌気条件下では硝酸が窒素ガスに変化する脱窒反応が起こる。その結果、硝酸の回収率が下がるため、硝化菌担持体は適度な水分バランスを保持できる材質が好ましい。また、例えばもみがらや、ウッドチップなどの有機材料は、その腐敗によって発生する有機分が脱窒を促すため、少なくとも長期間安定した特性を得る上ではあまり望ましくない。従って、適度な水分保持力と通気性を保てる無機材料が好ましく、具体的には無機多孔質体及び／又は無機繊維質体、例えば、発泡ガラス、ロックウール、ガラスウール、パーライト、軽石、大谷石等が挙げられる。ただし、有機物であっても、腐敗によって臭気を発生しないプラスチックやゴム、樹脂等の有機物の多孔質体や繊維体であれば用いることができる。このうち特に好ましくは、発泡ガラスである。
微生物分解槽２０に充填される硝化菌担持体２１としては、その硝化菌担持体が保持できる水（吸水量）が多いほど、吸収できるアンモニアガスの量が増える一方で、水が多すぎると硝化反応に必要な酸素の供給が不十分となり、硝化反応速度が低下する要因となる。また、酸素供給が不十分な嫌気条件下では硝酸が窒素ガスに変化する脱窒反応が起こる。その結果、硝酸の回収率が下がるため、硝化菌担持体は適度な水分バランスを保持できる材質が好ましい。また、例えばもみがらや、ウッドチップなどの有機材料は、その腐敗によって発生する有機分が脱窒を促すため、少なくとも長期間安定した特性を得る上ではあまり望ましくない。従って、適度な水分保持力と通気性を保てる無機材料が好ましく、具体的には無機多孔質体及び／又は無機繊維質体、例えば、発泡ガラス、ロックウール、ガラスウール、パーライト、軽石、大谷石等が挙げられる。ただし、有機物であっても、腐敗によって臭気を発生しないプラスチックやゴム、樹脂等の有機物の多孔質体や繊維体であれば用いることができる。このうち特に好ましくは、発泡ガラスである。
【0046】
本明細書において「発泡ガラス」とは、ガラスに発泡材を含有させ、加熱により発泡させた多孔状のバルクガラスを指す。発泡ガラスの材質は特に限定されず、ソーダ石灰ガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス等、あるいは、例えば、廃ガラスを原料としたこれらの混合ガラス等が含まれ得る。このうち、好ましくは、ソーダ石灰ガラスからなる発泡ガラスが好ましい。
【0047】
発泡ガラスの細孔容積は、適度の水分保持力と通気性を保つ上で０．６ｃｍ３／ｇ以上が好ましく、０．８ｃｍ３／ｇ以上がより好ましく、１．０ｃｍ３／ｇ以上がさらに好ましく、１．２ｃｍ３／ｇ以上がより一層好ましく、１．４ｃｍ３／ｇ以上が特に好ましく、１．６ｃｍ３／ｇ以上が最も好ましい。他方、細孔容積が大きすぎることは、発泡ガラスが有する空隙の割合が大きくなり、耐久性の低下の虞れがあることから、上限は、例えば、４．０ｃｍ３／ｇ以下（３．５ｃｍ３／ｇ以下、３．０ｃｍ３／ｇ以下、２．５ｃｍ３／ｇ以下）としてもよい。ここで細孔容積は水銀圧入法にて測定する。
【0048】
発泡ガラスの比表面積は、大きければ大きいほど担持できる硝化菌が多くなるので、比表面積は３．０ｍ２／ｇ以上であることが望ましく、４．０ｍ２／ｇ以上がより好ましく、５．０ｍ２／ｇ以上がさらに望ましく、１０ｍ２／ｇ以上がより一層好ましく、２０ｍ２／ｇ以上が特に好ましく、４０ｍ２／ｇ以上が最も好ましい。他方、上限に特に制限はないが、１５０ｍ２／ｇ以下（１００ｍ２／ｇ以下、８０ｍ２／ｇ以下、６０ｍ２／ｇ以下）としてもよい。ここで比表面積は水銀圧入法にて測定する。
【0049】
発泡ガラス含水率は、アンモニア成分を吸収できる水量を微生物分解槽に保つために、充填体積１Ｌ当たりの含水量は５％以上が好ましく、７％以上、特に１０％以上が望ましく、２０％以上がより好ましく、２５％以上がさらに好ましく、３０％以上が特に好ましい。所望により、４０％以上、例えば５０％以上、あるいは６０％以上としてもよい。他方、硝化に必要な酸素を十分に供給するために、上限は、９０％以下、より好ましくは８０％以下、さらに好ましくは７０％以下とすることができる。ここで、硝化菌担持体の含水率ｕ（％）は、以下の方法で測定される。
【0050】
まず、１００ｍＬ容器に摺り切りで硝化菌担持体（例えば発泡ガラス）を計りとり、計りとった硝化菌担持体を、完全に浸漬できる量（例えば１Ｌ）の水に一晩以上浸漬して、硝化菌担持体に水を十分に吸収させる。そして、硝化菌担持体の吸水前の乾燥重量（ｇ）をＷ１、硝化菌担持体の吸水後の重量（ｇ）をＷ２とするとき、（Ｗ２－Ｗ１）は、硝化菌担持体が吸収した水の重量（ｇ）であって、水１ｇを１ｍＬと換算すると、含水率ｕ（体積％）は、以下の式で算出される。
ｕ（％）＝｛硝化菌担持体が吸収した水の体積（ｍＬ）／硝化菌担持体を計りとった容器の体積（ｍＬ）｝×１００
＝｛（Ｗ２－Ｗ１）／１００｝×１００
例えば、硝化菌担持体の吸水前の乾燥重量Ｗ１が１０ｇ、硝化菌担持体の吸水後の重量Ｗ２が２５ｇである場合、硝化菌担持体が吸収した水の重量は（２５－１０＝）１５ｇであり、体積に換算すると１５ｍＬなので、含水率ｕ（％）は、（１５／１００）×１００であるので１５％となる。
ｕ（％）＝｛硝化菌担持体が吸収した水の体積（ｍＬ）／硝化菌担持体を計りとった容器の体積（ｍＬ）｝×１００
＝｛（Ｗ２－Ｗ１）／１００｝×１００
例えば、硝化菌担持体の吸水前の乾燥重量Ｗ１が１０ｇ、硝化菌担持体の吸水後の重量Ｗ２が２５ｇである場合、硝化菌担持体が吸収した水の重量は（２５－１０＝）１５ｇであり、体積に換算すると１５ｍＬなので、含水率ｕ（％）は、（１５／１００）×１００であるので１５％となる。
【0051】
上記のように硝化菌担持体としては、発泡ガラス等の多孔質体やロックウール等の繊維質体が好ましいが、その形状やサイズに特に制限はない。例えば略球状、略紡錘形、もしくは略立方体形状の多孔質体、又はランダムな形状、すなわち均一でない不定形な多孔質体を用いても良く、また、繊維径が０．１μｍ～１０μｍ、特に３μｍ～８μｍの繊維質体を使用することもできる。ここで、微生物分解槽２０内に均一に充填するためには、多孔質体の形状は略球状や略紡錘形等、又はそれらに近い形状が好ましく、その粒径（短径）は好ましくは１ｍｍを超え５０ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍを超え２０ｍｍ以下、特に好ましくは３ｍｍを超え１０ｍｍ以下の範囲である。硝化菌担持体（例えば、発泡ガラス）の粒径が５０ｍｍよりも大きいと、微生物分解槽２０内に均一に充填することが困難となる虞れがあり、また、粒子間隙間が大きくなるため、上方から供給した循環水が、硝化菌担持体の粒子間を簡単に通過しやすくなって、硝化菌担持体が担持する硝化菌との接触率（または接触時間）が低下する傾向がある。一方、硝化菌担持体の粒径が１ｍｍよりも小さいと、微生物分解槽２０内に充填した際に、微生物分解槽２０内に充填した硝化菌担持体の粒子間隙間が不足し、十分な通気性と通液性を確保することが困難となる虞れがあり、また、充填された硝化菌担持体の層全体で均一にアンモニアガスの分解反応を生じさせることが困難となる虞れもある。加えて、粒径が１ｍｍよりも小さい硝化菌担持体は、通液と共に微生物分解槽２０外に流出し、装置の故障をもたらす虞れもある。
【0052】
ここで、多孔質体の粒径は、例えばレーザー回折法や位相ドップラー法等の公知の方法で計測することができる。しかしながら実用的な観点からは、多孔質体をＪＩＳ Ｚ ８８１５－１９９４［ふるい分け試験方法通則］等に規定された篩分けによって分別して使用するのが好ましい。例えば、上記ＪＩＳ法によって１ｍｍを超え１．４ｍｍ以下、１．４ｍｍを超え２ｍｍ以下、２ｍｍを超え２．８ｍｍ以下、２．８ｍｍを超え４ｍｍ以下、４ｍｍを超え５．６ｍｍ以下、５．６ｍｍを超え８ｍｍ以下、８ｍｍを超え１１．２ｍｍ以下、１１．２ｍｍを超え１６ｍｍ以下、又は１６ｍｍを超え２２．４ｍｍ以下等に分別されたものを、あるいは１ｍｍを超え２ｍｍ以下又は３ｍｍを超え２０ｍｍ以下等の、所望の範囲に分別されたものを使用することができる。なお、本発明でいう「粒径がＸｍｍを超えＹｍｍ以下」とは、具体的には、篩の目開きがＹｍｍである篩を粒子硝化菌担持体（粒子）が通り抜けることができ、かつ、目開きがＸｍｍである篩を通りぬけることができない粒子の粒径範囲を意味する。
【0053】
本明細書において「ロックウール」とは、例えば玄武岩等の天然岩石や高炉スラグを高温で溶融し、繊維化することにより生成された人造鉱物繊維を指す。
【0054】
また、硝化菌担持体２１は、アンモニア含有ガスが担持体充填層内に均一にいきわたるように、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌとしたときの充填高さが１０ｃｍ以上が好ましく、２０ｃｍ以上がより好ましく、３０ｃｍ以上がさらに好ましく、４０ｃｍ以上がより一層好ましく、５０ｃｍ以上が特に好ましい。他方、充填高さは高ければ高いほどアンモニア含有ガスを硝化菌担持体２１が充填された微生物分解槽２０を通過させるために高圧で前記ガスを送ることが必要となるため、上限を２００ｃｍ以下、好ましくは１５０ｃｍ以下、より好ましくは１００ｃｍ以下となるように、微生物分解槽２０内に充填されていることが、良好な反応効率を得る上で望ましい。ここで「硝化菌担持体の充填体積１Ｌ」とは、容積１Ｌの容器に摺切り迄硝化菌担持体を充填した時の硝化菌担持体の量を、体積として表わしたものである。
【0055】
（硝化菌）
そして硝化菌担持体２１には硝化菌が担持されている。硝化菌としては、アンモニア含有ガスの分解処理時において、少なくともアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）を含むものとされる。
そして硝化菌担持体２１には硝化菌が担持されている。硝化菌としては、アンモニア含有ガスの分解処理時において、少なくともアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）を含むものとされる。
【0056】
硝化菌担持体２１に硝化菌を担持する上では、例えば、種菌として活性汚泥、例えば養豚廃水処理施設において活性汚泥法により処理された養豚廃水由来の活性汚泥等を用いることができる。活性汚泥としては、前記したようにＡＯＢとＮＯＢとを含むものである限り、特に限定されるわけではないが、例えば、前記種菌のメタゲノム解析をしたときに、種菌中のすべての微生物に対するＡＯＢの存在割合（以下、単にＡＯＢ存在割合と記載することがある。）が０．５％以上、好ましくは１．０％以上、より好ましくは２．０％以上、さらに好ましくは４．０％以上、特に好ましくは８．０％以上であれば、硝化菌叢を比較的早く立ち上げることができる。また、ＮＯＢの存在割合（以下、単に「ＮＯＢ存在割合」と記載することがある。）が好ましくは０．１％以上、より好ましくは０．２％以上、さらに好ましくは０．４％以上、特に好ましくは１．０％以上であれば、硝化速度をより高いものとすることができる。ＡＯＢ及びＮＯＢの存在割合の上限にも特に制限はなく、両者が５０％づつ存在していても良く、３０％程度づつ存在していてもよい。両者の比率は、ＡＯＢの方が多くなることが好ましく、より好ましくはＡＯＢ：ＮＯＢの比率が２：１～３０：１、特に３：１～２０：１程度であることが、硝化促進の上で有利である。なお、ここでＡＯＢ及びＮＯＢの存在割合を表す「％」は、「担持体に存在する全微生物数に対する相対％」である。また、硝化菌を担持するに先立ち、活性汚泥に前培養処理を施してもよい。特に、採取後の汚泥を冷蔵保存した場合などには、前培養によって菌の状態を回復させることができる。
【0057】
例えば、養豚廃水処理施設の活性汚泥を硝化菌培地（ＪｕｈｌｅｒＳ．， Ｒｅｖｓｂｅｃｈ Ｎ．Ｐ．， Ｓｃｈｒａｍｍ Ａ．， Ｈｅｒｒｍａｎｎ Ｍ．， Ｏｔｔｏｓｅｎ Ｌ．Ｄ．Ｍ． ａｎｄ Ｎｉｅｌｓｅｎ Ｌ．Ｐ． （２００９） Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｔｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ａｎａｍｍｏｎｉａ－ｌｏａｄｅｄ ａｉｒ ｆｉｌｔｅｒ ｂｉｏｆｉｌｍ． Ａｐｐｌ． Ｅｎｖｉｒｏｎ． Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ． ７５：３７０５－３７１３．あるいはＫｒｕｅｍｍｅｌａｎｄ Ｈｅｉｎｚ （１９８２） Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｏｎ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｅｌｌ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ａｍｍｏｎｉａ－ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉａ． Ａｒｃｈ． Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．１３３：５０－５４など）において１５～４０℃、特に２０～３５℃で、１日間～数週間好気的に培養し、得られた培養物を活性汚泥として使用することができる。
【0058】
活性汚泥添加量は、前記ＡＯＢ存在割合によって変動するが、硝化菌担持体２１の充填体積に対して、例えば、５体積％、１０体積％、２０体積％、３０体積％、５０体積％、７０体積％、１００体積％、１５０体積％、２００体積％、３００体積％、４００体積％、５００体積％というように５～５００体積％の割合で接種する。なお、硝化菌担持体２１に担持された硝化菌は、アンモニア含有ガスを通気しアンモニア分解反応をもたらすことによって、菌体の増減が生じるものであるため、当初の種菌としての接種量は、それ程重要なパラメーターとはならない。
【0059】
アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）としては、特に限定されるものではないが、例えば、ニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｄａｃｅａｅ）科ないしニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属、ニトロソコッカス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属、ニトロソロバス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属、ブレビバチルス（Ｂｒｅｖｉｂａｃｉｌｌｕｓ）属、及びザンソモナス（Ｘａｎｔｈｏｍｏｎａｓ）属に属する細菌が挙げられる。
【0060】
より具体的には例えば、ニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属としては、ニトロソモナス・ユーロピア（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｅｕｒｏｐａｅａ）、ニトロソモナス・マリナ（Ｎｉｔｏｒｏｓｏｍｏｎａｓｕ ｍａｒｉｎａ）、ニトロソモナス・オリゴトロファ（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｏｌｉｇｏｔｒｏｐｈａ）、ニトロソモナス・コミュニス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ ｃｏｍｍｕｎｉｓ）等；ニトロソコッカス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）属としては、ニトロソコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）等；ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属としては、ニトロソスピラ・マルチフォルミス（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ ｍｕｌｔｉｆｏｒｍｉｓ）、ニトロソスピラ・テヌイス（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ ｔｅｎｕｉｓ）等；ニトロソロバス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属としてはニトロソロバス・マルティフォルミス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ ｍｕｌｔｉｆｏｒｍｉｓ）等がそれぞれ非限定的に例示できる。
【0061】
亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）としては、特に限定されるものではないが、例えば、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃａｃｅａｅ）科ないしニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属、及びニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属に属する細菌が挙げられる。
【0062】
より具体的には例えば、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属としてはニトロコッカス・モビリス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ ｍｏｂｉｌｉｓ）等；ニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属としては、ニトロバクター・ウィノグラドスキイ（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｗｉｎｏｇｒａｄｓｋｙｉ）、ニトロバクター・アルカリカス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ａｌｋａｌｉｃｕｓ）、ニトロバクター・ブルガリス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｖｕｌｇａｒｉｓ）、ニトロバクター・ハンブルゲンシス（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ ｈａｍｂｕｒｇｅｎｓｉｓ）等；ニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属としては、ニトロスピラ・マリナ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ ｍａｒｉｎａ）、ニトロスピラ・モスコビエンシス（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ ｍｏｓｃｏｖｉｅｎｓｉｓ）等がそれぞれ非限定的に例示できる。
【0063】
アンモニアガス源槽１０において発生したアンモニア含有ガスが、微生物分解槽２０内に流れて、酸素含有雰囲気下で、保水した状態にある前記硝化菌担持体２１と接触すると、硝化菌担持体２１においてアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）が増殖する。アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）によって、水中に溶け込んだアンモニウムイオン（ＮＨ４
＋）が好気的条件下で以下に示す化学反応式（１）におけるように亜硝酸イオン（ＮＯ２
－）に酸化される。
ＮＨ４ ＋＋１．５Ｏ２ → ＮＯ２ －＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ （１）
ＮＨ４ ＋＋１．５Ｏ２ → ＮＯ２ －＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ （１）
【0064】
そして、水中の亜硝酸イオン（ＮＯ２
－）が増えてくると、亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）が増殖し、酸素含有雰囲気下にある亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）によって、亜硝酸イオン（ＮＯ２
－）が以下に示す化学反応式（２）におけるように硝酸イオン（ＮＯ３
－）に酸化される。
ＮＯ２ －＋０．５Ｏ２ → ＮＯ３ －（２）
ＮＯ２ －＋０．５Ｏ２ → ＮＯ３ －（２）
【0065】
上記化学反応式（１）と（２）とをまとめると
ＮＨ４ ＋＋２Ｏ２ → ＮＯ３ －＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏとなる。
ＮＨ４ ＋＋２Ｏ２ → ＮＯ３ －＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏとなる。
【0066】
なお、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）による前記したような硝化反応では、一般に、アンモニアの酸化による亜硝酸イオンの生成が反応速度を決める律速段階であり、亜硝酸イオンから硝酸イオンへの反応は迅速に進むと言われている。しかしながら、本発明に係る窒素回収装置および窒素回収方法においては、従来言われているようにアンモニアの酸化による亜硝酸イオンの生成反応が特に律速となるものではなく、硝化菌担持体上にアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）の双方が一定の割合で存在すると、アンモニアが亜硝酸イオンに、亜硝酸が硝酸イオンに速やかに分解され、水中にアンモニアと亜硝酸イオンが残留する割合が減り、硝酸イオンの割合を高めることが可能となる。
【0067】
本発明に係る窒素回収装置においては、このように硝化菌担持体２１に担持された硝化菌により分解されたアンモニアガス分解生成物である硝酸イオンは、未反応のアンモニウムイオンおよび亜硝酸イオンと共に、微生物分解槽２０中で水に溶解し、後続して微生物分解槽２０内に給水される水が洗い流し、微生物分解槽２０の底部開口部より導出され、排水ライン４０を介して、循環水貯留槽５０へと送られる。循環水貯留槽５０に一時的に蓄えられたアンモニアガス分解生成物を含む水は、前記したように循環ポンプ６０によって再処理ライン７０を通って再び微生物分解槽２０内に、循環水という形で給水される。このため、本発明に係る窒素回収装置を稼働させ、アンモニアガス源槽１０よりアンモニア含有ガスを送り続けて反応を続けると、循環水中の硝酸イオン（および亜硝酸イオン）濃度は、当然に経時的に上昇していく。
【0068】
一般的にこのような硝酸イオン、亜硝酸イオンの上昇は、硝化菌、特にアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）の活性低下を起こし、アンモニア酸化細菌群の減少を起こして、終局的にはアンモニアの分解反応が低下してしまうことが知られていた。
【0069】
詳細な作用機序は未だ十分に解明されていないが、本発明に係る窒素回収装置の構成においては、驚くべきことに、装置を長時間稼働させ、循環水中の硝酸イオン濃度が比較的高濃度のものとなっても、微生物分解槽２０内での新たなアンモニウムイオンの酸化反応が十分に進行することが明らかとなった。水中の硝酸イオン濃度が、例えば、５０００ｍｇ／Ｌ以上、好適には５０００ｍｇ／Ｌ～２０００００ｍｇ／Ｌに達しても一定の割合のＡＯＢとＮＯＢが存在し、アンモニア成分の分解が進むことがわかった。この点から、反応が進むにつれて硝酸耐性を有するタイプのＡＯＢとＮＯＢが増殖しアンモニウムイオンの硝酸への分解が維持されるものと思われた。
【0070】
なお、このような特徴は、硝化菌担持体２１に当初に種菌として撒種する硝化菌ないし活性汚泥を変えても同様に観察されたので、本発明に係る窒素回収装置の構成ないし本発明に係る窒素回収方法の工程に固有のものであると考えられる。
【0071】
また、本発明において、硝化菌担持体２１におけるアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）の分布状態としても、特に限定されず、ＡＯＢおよびＮＯＢが硝化菌担持体２１の全体において、ほぼ均等に混在して存在している状態であっても、あるいは、ＡＯＢとＮＯＢがそれぞれ硝化菌担持体２１の特定部位に別れて存在している状態であっても良い。なお、好ましい一つの分布状態としては、硝化菌担持体２１において、微生物分解槽２０の下方側、すなわち、微生物分解槽２０にアンモニア含有ガスが流入してくる側の位置にＡＯＢが偏在し、それより上方側にＮＯＢが偏在するような分布状態が挙げられる。このような分布状態であるとアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）のそれぞれの微生物分解槽２０における反応がより効率良く行われ得る。このようなアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）の分布状態は、本発明の窒素回収装置を稼働し、ある程度時間が経過してＡＯＢおよびＮＯＢが硝化菌担持体２１において増殖してくると、比較的普通に形成され得る。
【0072】
（排水ライン、循環水貯留槽）
前記排水ライン４０の構成としては、特に限定されるものではなく、微生物分解槽２０の底部より流出する、アンモニア分解生成物を含む水（循環水）を確実に循環水貯留槽５０へと導くことができるものであれば、その形状、管路長等はどのようなものであってもよい。また、循環水貯留槽５０の構成としても、微生物分解槽２０（硝化菌担持体２１）の容積に対して、所定の循環水量を貯留できるものであれば、その形状、配置位置等のそれ以外の点は特に限定されるものではない。なお、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）とによる前記したような硝化反応は、好気性条件下で進行し、また嫌気性条件下においては、脱窒菌が存在すると、脱窒反応により水中に捕捉された窒素分を大気中に放出してしまう可能性があるため、排水ライン４０、循環水貯留槽５０等に循環水の流路もなるべく曝気できるような構成とすることが望ましい。
なお、特に限定されるものではないが、循環水貯留槽５０は、例えば、クーラーおよびヒータ等の水温調整機構を備えていることが望ましく、循環水温度を、硝化菌の活動に適した温度範囲、具体的には、例えば１０～６０℃の範囲に調整することが好ましく、さらには１５～５０℃、特に２０～４０℃に調整することがより好適である。なお、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）とでは、さらに、これらそれぞれの細菌種によっては、活動に至適な温度範囲がある程度異なるものであるため、より精細に温度調節を行うことによって、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）によるアンモニウムイオンの酸化反応と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）による亜硝酸イオンの酸化反応との間の反応進行の程度を調整することも可能となる。
前記排水ライン４０の構成としては、特に限定されるものではなく、微生物分解槽２０の底部より流出する、アンモニア分解生成物を含む水（循環水）を確実に循環水貯留槽５０へと導くことができるものであれば、その形状、管路長等はどのようなものであってもよい。また、循環水貯留槽５０の構成としても、微生物分解槽２０（硝化菌担持体２１）の容積に対して、所定の循環水量を貯留できるものであれば、その形状、配置位置等のそれ以外の点は特に限定されるものではない。なお、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）とによる前記したような硝化反応は、好気性条件下で進行し、また嫌気性条件下においては、脱窒菌が存在すると、脱窒反応により水中に捕捉された窒素分を大気中に放出してしまう可能性があるため、排水ライン４０、循環水貯留槽５０等に循環水の流路もなるべく曝気できるような構成とすることが望ましい。
なお、特に限定されるものではないが、循環水貯留槽５０は、例えば、クーラーおよびヒータ等の水温調整機構を備えていることが望ましく、循環水温度を、硝化菌の活動に適した温度範囲、具体的には、例えば１０～６０℃の範囲に調整することが好ましく、さらには１５～５０℃、特に２０～４０℃に調整することがより好適である。なお、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）とでは、さらに、これらそれぞれの細菌種によっては、活動に至適な温度範囲がある程度異なるものであるため、より精細に温度調節を行うことによって、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）によるアンモニウムイオンの酸化反応と亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）による亜硝酸イオンの酸化反応との間の反応進行の程度を調整することも可能となる。
【0073】
（給水手段）
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、窒素回収装置に当初、新鮮な水を給水する上で、開閉可能なバルブを有して、再処理ライン７０の途中へと接続された給水ライン３０を有するが、本発明の窒素回収装置において微生物分解槽２０に対して水を供給する給水手段としては、窒素回収装置に当初新鮮な水を供給でき、その後は循環水に切り替えられることが可能なものであれば、何ら図１に示すような給水ラインの構成に限定されるものではなく、これ以外にも例えば、単純に循環水貯留槽５０へと新鮮な水を供給できるような構成のものであるとか、あるいは、再処理ライン７０とは独立して微生物分解槽２０の上部側から水を供給することができるような構成のものであるものなど任意の構成とし得る。また、本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、前記したような給水ライン３０および再処理ライン７０に接続され、微生物分解槽２０の上部側より水（循環水）を分解槽２０へと水を散布する散水器３１が設けられているが、微生物分解槽２０中の硝化菌担持体２１の全体に対してほぼ均等に水(循環水）をかけることができるものであればその構成は特に限定されるものではない。また、この散水器３１自体は特に設けなくともよい。
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、窒素回収装置に当初、新鮮な水を給水する上で、開閉可能なバルブを有して、再処理ライン７０の途中へと接続された給水ライン３０を有するが、本発明の窒素回収装置において微生物分解槽２０に対して水を供給する給水手段としては、窒素回収装置に当初新鮮な水を供給でき、その後は循環水に切り替えられることが可能なものであれば、何ら図１に示すような給水ラインの構成に限定されるものではなく、これ以外にも例えば、単純に循環水貯留槽５０へと新鮮な水を供給できるような構成のものであるとか、あるいは、再処理ライン７０とは独立して微生物分解槽２０の上部側から水を供給することができるような構成のものであるものなど任意の構成とし得る。また、本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、前記したような給水ライン３０および再処理ライン７０に接続され、微生物分解槽２０の上部側より水（循環水）を分解槽２０へと水を散布する散水器３１が設けられているが、微生物分解槽２０中の硝化菌担持体２１の全体に対してほぼ均等に水(循環水）をかけることができるものであればその構成は特に限定されるものではない。また、この散水器３１自体は特に設けなくともよい。
【0074】
（再処理ライン、循環手段）
本発明の窒素回収装置においては、循環水貯留槽５０からの循環水を微生物分解槽２０へと循環させて供給するための再処理ライン７０および循環手段としての循環ポンプ６０の構成も特に、図１の実施形態において示すような構成のものに限定されるわけではなく、水の循環をなし得る限りにおいて任意の構成とすることができる。
本発明の窒素回収装置においては、循環水貯留槽５０からの循環水を微生物分解槽２０へと循環させて供給するための再処理ライン７０および循環手段としての循環ポンプ６０の構成も特に、図１の実施形態において示すような構成のものに限定されるわけではなく、水の循環をなし得る限りにおいて任意の構成とすることができる。
【0075】
なお、循環水は、微生物分解槽２０に充填された硝化菌担持体２１に対して、連続的に供給するようにしても良いが、間欠的に供給する形態とする方が好ましい。すなわち、連続的に供給すると、その供給量にもよるが、反応場となる硝化菌担持体２１の表面が常時水で覆われた状態となり酸素供給が不十分となり硝化反応速度が低下する虞れがあり、また嫌気条件下となって脱窒反応が生じる虞れが生じるためである。
【0076】
（硝酸水溶液回収ライン）
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、貯留槽５０内の水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、貯留槽５０より水を回収する回収手段として、開閉可能なバルブを有する硝酸水溶液回収ライン８０が設けられているが、この回収手段の構成としても、窒素回収装置における反応の進行時においては水の循環を維持するように閉鎖されており、水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、水の循環ラインから循環水の一部または全部を回収できるものであれば特に限定されるものではなく、どのような位置に配されていてもまたどのような機構によるものであってもよい。また水が所定の硝酸イオン濃度に達したことが検知された際に、自動的に作動して水を回収するものであっても、手動で作動させるものであっても良い。
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、貯留槽５０内の水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、貯留槽５０より水を回収する回収手段として、開閉可能なバルブを有する硝酸水溶液回収ライン８０が設けられているが、この回収手段の構成としても、窒素回収装置における反応の進行時においては水の循環を維持するように閉鎖されており、水が所定の硝酸イオン濃度となった場合に、水の循環ラインから循環水の一部または全部を回収できるものであれば特に限定されるものではなく、どのような位置に配されていてもまたどのような機構によるものであってもよい。また水が所定の硝酸イオン濃度に達したことが検知された際に、自動的に作動して水を回収するものであっても、手動で作動させるものであっても良い。
【0077】
（ｐＨ調整機構）
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、上述したように、ｐＨセンサ９１、ｐＨコントローラー９０、アルカリ液槽１０１、酸液槽１０２、ｐＨ調整剤供給ライン１００を含んでなる、循環水のｐＨを調整するｐＨ調整機構が設けられているが、本発明に係る窒素回収装置において、このようなｐＨ調整機構を設けることは好ましいものであるものの、必須の構成要件ではなく、またｐＨ調整機構の構成としても、図１に示される実施形態のものに何ら限定されるものではなく、公知の各種の態様を用いることができる。例えば、図１に示すｐＨ調整機構では、アルカリおよび酸のいずれの添加も可能とされておりｐＨが酸性に傾いた場合であっても、アルカリ性に傾いた場合であっても調整可能とされているが、アルカリのみを添加可能なものとした構成とすることも可能である。すなわち、一般に、アンモニウムイオンが溶解した水がアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）により酸化されることで、水のｐＨが概して低下する傾向が高く、ｐＨの低下により、アンモニア酸化が阻害されるため、アルカリのみを添加可能なものとした形態であっても、水のｐＨ調整にほぼ対応可能なものとなるためである。なお、使用するアルカリおよび酸としては特に限定されるわけではないが、アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物や水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、前記のいずれかを含む消石灰等や超アルカリ水などを、また、酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等を使用することができる。
図１に示す本発明の一実施形態に係る窒素回収装置においては、上述したように、ｐＨセンサ９１、ｐＨコントローラー９０、アルカリ液槽１０１、酸液槽１０２、ｐＨ調整剤供給ライン１００を含んでなる、循環水のｐＨを調整するｐＨ調整機構が設けられているが、本発明に係る窒素回収装置において、このようなｐＨ調整機構を設けることは好ましいものであるものの、必須の構成要件ではなく、またｐＨ調整機構の構成としても、図１に示される実施形態のものに何ら限定されるものではなく、公知の各種の態様を用いることができる。例えば、図１に示すｐＨ調整機構では、アルカリおよび酸のいずれの添加も可能とされておりｐＨが酸性に傾いた場合であっても、アルカリ性に傾いた場合であっても調整可能とされているが、アルカリのみを添加可能なものとした構成とすることも可能である。すなわち、一般に、アンモニウムイオンが溶解した水がアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）により酸化されることで、水のｐＨが概して低下する傾向が高く、ｐＨの低下により、アンモニア酸化が阻害されるため、アルカリのみを添加可能なものとした形態であっても、水のｐＨ調整にほぼ対応可能なものとなるためである。なお、使用するアルカリおよび酸としては特に限定されるわけではないが、アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物や水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属水酸化物、前記のいずれかを含む消石灰等や超アルカリ水などを、また、酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等を使用することができる。
【0078】
＜窒素回収方法＞
本発明に係る窒素回収方法は、上述したような構成を有する窒素回収装置を用い、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア含有の窒素成分をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法であり、硝化菌を担持した硝化菌担持体２１を保持してなる微生物分解槽２０に循環水を供給して、前記硝化菌担持体２１を湿潤状態に保持し、この湿潤状態とされた硝化菌担持体２１に、酸素存在雰囲気下でアンモニア含有ガスを通気し、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分および硝化菌により分解されたアンモニアガス分解生成物を、前記循環水中に溶解して、前記循環水中にアンモニアガス分解生成物を蓄積しながら、アンモニア含有ガスの分解処理を継続し、前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収することを特徴とするものである。
本発明に係る窒素回収方法は、上述したような構成を有する窒素回収装置を用い、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分を硝化菌で分解し、アンモニア含有の窒素成分をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法であり、硝化菌を担持した硝化菌担持体２１を保持してなる微生物分解槽２０に循環水を供給して、前記硝化菌担持体２１を湿潤状態に保持し、この湿潤状態とされた硝化菌担持体２１に、酸素存在雰囲気下でアンモニア含有ガスを通気し、アンモニア含有ガス中のアンモニア成分および硝化菌により分解されたアンモニアガス分解生成物を、前記循環水中に溶解して、前記循環水中にアンモニアガス分解生成物を蓄積しながら、アンモニア含有ガスの分解処理を継続し、前記循環水中におけるアンモニア分解生成物としての硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて所定濃度に達したとき、前記循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収することを特徴とするものである。
【0079】
上述したような構成を有する窒素回収装置を用いることで、循環水中における硝酸イオン濃度が高濃度化、すなわち、硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上、より好ましくは、３００００ｍｇ／Ｌ以上、さらに好ましくは６００００ｍｇ／Ｌ以上となっても、少なくともアンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）が存在する条件下では硝化菌によるアンモニア含有ガスの分解反応を高効率で維持することができるものであり、硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上にまで高められて、例えば１００００ｍｇ／Ｌ以上、１５０００ｍｇ／Ｌ以上、２００００ｍｇ／Ｌ以上、あるいは２５０００ｍｇ／Ｌ以上の所定濃度に達したときに、循環水を回収することができる。特に、硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ～２０００００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、３００００ｍｇ／Ｌ～１５００００ｍｇ／Ｌ、さらに好ましくは６００００ｍｇ／Ｌ～１０００００ｍｇ／Ｌとなって前記循環水を回収することで、例えば、液肥として有効利用できるような高濃度の硝酸水溶液が得られるものであり、窒素原子の質量基準で、投入したアンモニア含有ガスの含有する窒素のうち３０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上、より一層好ましくは７０％以上、特に好ましくは８０％以上を硝酸イオンに含まれる窒素として回収できるものである。
【0080】
なお、本発明に係る窒素回収方法においては、上記のようにして高濃度で硝酸イオンを含む循環水を回収した後においても、前記硝化菌担持体２１に担持された硝化菌は有効に作用し得るものであるため、新たな循環水を系内に供給し、アンモニア含有ガスを通気して分解処理を再開すれば、先の処理回と同様に効率よくアンモニア含有ガスの分解反応が進行するので、硝化菌担持体２１ないしはこれに担持された硝化菌を取り替えることなく、繰り返しアンモニア含有ガスからの窒素回収操作が可能である。新たな循環水としては、水もしくは硝化菌を含有する活性汚泥等でもよい。また、循環水を含む環境条件を急激に変えることは硝化菌の活性を低下させる可能性もあるため、一度に回収及び交換する循環水は全循環水量の１００％未満が好ましく、９０％以下がより好ましく、８０％以下がさらに好ましく、７０％以下がより一層好ましく、６０％以下が最も好ましく、一方で、回収および交換を有効とする上で、全循環水量の少なくとも２０％以上、より好ましくは３０％以上、さらに好ましくは４０％以上、最も好ましくは５０％以上とすることが望ましい。但し、一度に回収および交換する循環水が全循環水量の１００％となっても良い。
【0081】
本発明によれば、前記のように硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌ以上、さらには６００００ｍｇ／Ｌ以上となっても、硝化菌によるアンモニア含有ガスの分解反応を高効率で維持することができる。そのため、循環水の一部のみを回収・交換し、交換後の循環水の硝酸イオン濃度が例えば３０００ｍｇ／Ｌ以上、さらには１００００ｍｇ／Ｌ以上である条件下でアンモニア含有ガスを投入したとしても、アンモニア含有ガスを効率よく分解し、循環水中の硝酸イオン濃度を、アンモニア含有ガスの投入開始時点よりも格段に高めることができる。本発明はまた、上記窒素回収方法において、循環水中における硝酸イオン濃度が、アンモニア含有ガスの投入を開始した運転開始直後の濃度から５０００ｍｇ／Ｌ以上増加させて所定の高濃度に達したとき、該循環水の一部または全部をアンモニアガス分解生成物として回収する窒素回収方法をも包含する。
【0082】
本発明の窒素回収方法において、前記したように循環水中に蓄積される硝酸イオン濃度が高濃度となっても安定的に硝化菌によるアンモニア含有ガスの分解反応を進める上で、特に限定されるものではないが、以下に示すような条件をそれぞれ規定する範囲内のものとすることが望ましいものである。
【0083】
すなわち、硝化菌担持体２１の材質としては、前記したように適度な水分保持力と通気性を保てる無機材料が好ましく、特に発泡ガラスであることが望ましい。
【0084】
また、硝化菌担持体２１の温度としては、微生物の活性を保つ上で１０℃以上が好ましく、１５℃以上がより好ましく、２０℃以上がさらに好ましく、２５℃以上が特に好ましい。所望により、３０℃以上、さらには３５℃以上、特に３７℃以上としてもよい。他方、過度な上昇は微生物の活性を低下させ、かつ、アンモニアガスの気化を促し窒素回収率を低下させる原因になり得ることから、上限は、６０℃以下、より好ましくは５５℃以下、さらに好ましくは５０℃以下、より一層好ましくは４５℃以下とすること、特に４０℃以下とすることが、硝化菌による活発な反応を進行させ、高い窒素回収率を達成する上で好ましい。なお、硝化菌担持体２１の温度調整方法は特に限定されるものではなく、電熱ヒータを用いて直接温度調整する方法、後述の方法等で温度を調整した循環水を硝化菌担持体２１に給水する方法や別途冷却水を給水する方法をとることができる。また、循環水の温度としても同様に１０℃以上が好ましく、１５℃以上がより好ましく、２０℃以上がさらに好ましい。他方、上限は、６０℃以下、より好ましくは５５℃以下、さらに好ましくは５０℃以下、より一層好ましくは４５℃以下とすること、特に４０℃以下とすることが望ましい。循環水の温度を１０～６０℃、より好ましくは１５～５０℃、中でも２０～４０℃、特に２５～３５℃にすることが、硝化菌の活性化に有効である。なお、循環水の温度調整方法は特に限定されるものでなく、循環水中に投げ込み式ヒータを投入する方法をとることができる。
【0085】
また硝化菌担持体２１は、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌとしたときの充填高さが前述したように１０ｃｍ以上が好ましく、２０ｃｍ以上がより好ましく、３０ｃｍ以上がさらに好ましく、４０ｃｍ以上がより一層好ましく、５０ｃｍ以上が特に好ましい。他方、上限は２００ｃｍ以下、より好ましくは１５０ｃｍ以下、さらに好ましくは１００ｃｍ以下となるように、微生物分解槽２０内に充填されていることが望ましい。
【0086】
さらに微生物分解槽２０における硝化菌担持体２１の含水率は前述したように、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌ当り５％以上が好ましく、７％以上、特に１０％以上が望ましく、２０％以上がより好ましく、２５％以上がさらに好ましく、３０％以上が特に好ましい。所望により、４０％以上、例えば５０％以上、あるいは６０％以上としてもよい。含水率を例えば１０％以上、特に２０％以上とすることにより、アンモニアガスの捕捉能力をも高めることが可能となり、中でも３０％程度以上とすることによって、脱臭率も高めることができる。上限は、９０％以下、より好ましくは８０％以下、さらに好ましくは７０％以下とすることが、好気性条件を維持し硝化反応を促進させる上で望ましい。
【0087】
また循環水のｐＨとしては、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）を含む硝化菌の活動を良好に保つ上で、調整するｐＨ範囲の下限はｐＨ５．０以上が好ましく、５．５以上がより好ましく、６．０以上がさらに好ましく、６．２以上がより一層好ましく、６．５以上が特に好ましく、６．８以上が最も好ましい。循環水のｐＨを約５．５以上、特に約６．５以上とすることにより、アンモニアの残留がかなり抑制される利点もある。他方、上限は９．０以下が好ましく、８．８以下がより好ましく、８．６以下がさらに好ましく、８．４以下がより一層好ましく、８．２以下が特に好ましく、８．０以下が最も好ましい。ｐＨが９．０を超えると、硝化活性の低下を来す虞があり、また、アンモニアが揮発しやすくなるため装置外にアンモニアガスが漏れ出す虞がある。ここで循環水のｐＨは、循環水の恒常的なｐＨを意味するのであって、例えば、ｐＨ調整のために投入されたアルカリまたは酸が循環水中で均一化するまでに局所的かつ一時的に前記範囲を外れることは問題とはならない。超高濃度のアンモニアガスが、短期間の間に集中的に流入し、ｐＨが９を超える場合もあり得るが、一時的なｐＨ上昇であれば問題を生じることはない。
【0088】
さらに循環水の液量としては、窒素回収装置内の硝化菌担持体２１の充填体積の好ましくは０．０１倍以上、より好ましくは０．０５倍以上、さらには０．５倍以上、特に０．５～１０倍の量とすることが、硝化菌担持体２１を十分に湿潤状態とし、かつ通気されたアンモニア含有ガスからのアンモニウムイオン、並びに硝化反応によって生成する亜硝酸イオンおよび硝酸イオンを循環水中に安定に保持、蓄積していく上で望ましい。
【0089】
循環水の１時間当たりの循環量は、硝化菌担持体を適度な湿潤状態にし、硝化菌の活性を保ち、かつ、アンモニア成分が溶け込むための水を供給して、さらにはアンモニア分解生成物を洗い流すことを目的としており、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌ当り５０ｍＬ以上／時間が好ましく、１００ｍＬ／時間以上がより好ましく、２００ｍＬ／時間以上がさらに好ましく、４００ｍＬ／時間以上がより一層好ましく、１０００ｍＬ／時間以上が特に好ましく、５０００ｍＬ／時間以上が最も望ましい。他方で、適度の酸素供給を保つ上で、上限は５００００ｍＬ／時間以下が好ましく、３００００ｍＬ／時間以下がより好ましい。
【0090】
さらに、循環水中のエアレーション量としては、好気性条件下で反応を進行させるため、また、アンモニア酸化細菌群（ＡＯＢ）および亜硝酸酸化細菌群（ＮＯＢ）による酸化反応で消費される酸素分を供給するとともに、循環水中が嫌気状態に陥り、脱窒による窒素回収率の低下を防ぐ上で、循環水１Ｌに対し０．５Ｌ／分以上が好ましく、１Ｌ／分以上がより好ましく、１．５Ｌ／分以上がさらに好ましく、２．０Ｌ／分以上がより一層好ましく、３．０Ｌ／分以上が特に好ましく、４．０Ｌ／分以上が最も好ましい。他方、過度のエアレーションはアンモニアの気化を促す虞れがあるため、上限は、循環水１Ｌに対し１０Ｌ／分以下が好ましく、８．０Ｌ／分以下がより好ましく、６．０Ｌ／分以下がさらに好ましい。
なお、循環水のエアレーションは、例えば、曝気ポンプにより行うことができるが、例えば、アンモニア含有ガス供給手段より供給されるアンモニア含有ガスが、十分な酸素（空気）を含むものである場合においては、必ずしも必要ではない。
なお、循環水のエアレーションは、例えば、曝気ポンプにより行うことができるが、例えば、アンモニア含有ガス供給手段より供給されるアンモニア含有ガスが、十分な酸素（空気）を含むものである場合においては、必ずしも必要ではない。
【実施例】
【0091】
以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。
【0092】
［実施例１］
図１に示すような構成を有する窒素回収装置を用いてアンモニア含有ガスの分解処理を行った。
図１に示すような構成を有する窒素回収装置を用いてアンモニア含有ガスの分解処理を行った。
【0093】
硝化菌担持体としては、発泡ガラス（(株）村上開明堂製、バブグラスＧ０００４）を３５０ｇ（充填体積１Ｌに相当）用い、これに埼玉県内の養豚場の活性汚泥槽より得られた活性汚泥（ＡＯＢ、ＮＯＢ含有）を種菌として、３Ｌ（発泡ガラスの充填体積の３００体積％の割合に相当する量）接種した。
【0094】
そして、硝化菌担持体２１の温度を２８～３３℃(微生物分解槽の上部から温度計を差し込み計測）、循環水の温度を２８～３３℃、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌとしたときの充填高さを２０ｃｍ、微生物分解槽２０における硝化菌担持体２１の含水率を３０％、循環水のｐＨを７．０～９．０の範囲（この範囲を外れるとｐＨコントローラーにて、０．５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨを自動調整する。）、循環水の液量を硝化菌担持体２１の体積の３倍、循環水の１時間当たりの循環量を、硝化菌担持体２１の充填体積１Ｌ当り２００ｍＬ／時間、循環水中のエアレーション量を、循環水３Ｌに対し４Ｌ／分として、アンモニア含有ガスを窒素回収装置に通気した。アンモニア含有ガスの通気は、高濃度のアンモニア水を入れたタンク内のガスを、吸引ポンプで装置中に導入することにより行った。アンモニア投入量は、窒素原子の質量換算で約３５０ｍｇ／日とした。
【0095】
循環水を所定の経過日数毎に１０ｍＬの量を採取し、比色分析法により循環水中のアンモニウムイオン、亜硝酸イオン、及び硝酸イオンの各イオン濃度を測定した。これら測定値を窒素原子分の濃度に換算して、各イオンの窒素濃度を計算し、その計算結果に基づき、循環水中の窒素原子における各窒素形態の比率を求めた。それらの結果を、表１に示す。
【0096】
【表1】
【0097】
表１に示す試験結果から、循環水中の硝酸イオン（ＮＯ３
－）濃度は、試験開始から２８日目には６６４０ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを大きく上回り、８４日目には２９８８６ｍｇ／Ｌまで高くなった。本発明に従い、アンモニアを分解して脱臭し、得られる硝酸態窒素(Ｎ（ＮＯ３
－）)を高濃度で回収し得ることが示された。前記したように、一般に硝酸イオン(ＮＯ３
－)、亜硝酸イオン濃度(ＮＯ２
－)の上昇によって硝化菌、特にＡＯＢの活性が低下して、アンモニア分解反応が進み難くなることが知られていたが、本実施例ではそうした傾向は観察されなかった。なお、２８日目までの結果からは、初めにＡＯＢによるアンモニア酸化が進行し、次いでＮＯＢによる亜硝酸酸化が進んでいることが示唆される。
【0098】
なお、投入したアンモニア含有ガス中の窒素が循環水中の窒素として回収される率（窒素回収率）は、循環水中のイオンが硝化菌担持体中に断続的に捕捉され得るために測定日毎に大きく変動したが、初日及び８４日目の窒素イオン濃度に基づき、循環水３Ｌ中の窒素原子重量の増分を計算すると、１９５４５ｍｇ（＝（１３／１８＋１５／４６＋２９８８６／６２－３１９／１８）×１４×３）となり、投入したアンモニア中の窒素（全量＝３５０ｍｇ／日×８４日＝２９４００ｍｇ）の６６％程度を回収できたことが確認された。しかも回収された窒素のほぼ１００％が、硝酸態窒素（Ｎ（ＮＯ３
－））であった。また、８４日目以降に、循環水の全量の５０％（３Ｌ中１．５Ｌ）を水に交換してから運転を再度継続したところ、循環水中に、交換前と同等の濃度まで高められた硝酸イオンが蓄積されていたことも、その後に継続した試験によって確かめられた。
【0099】
［実施例２～３］
硝化菌担持体として、発泡ガラスに代えてロックウール（含水率８６％：実施例２）又はパーライト（含水率４４％：実施例３）を用いたこと以外は、実施例１と同様の構成とし、同様な操作を行った。試験結果を表２に示す。
硝化菌担持体として、発泡ガラスに代えてロックウール（含水率８６％：実施例２）又はパーライト（含水率４４％：実施例３）を用いたこと以外は、実施例１と同様の構成とし、同様な操作を行った。試験結果を表２に示す。
【0100】
【表2】
【0101】
表２に示す試験結果から、硝化菌担持体としてロックウールを用いた実施例２は、循環水の硝酸イオン濃度が、４２日目に８５８７ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを大きく超え、８４日目に３０２６５ｍｇ／Ｌと３００００ｍｇ／Ｌを超えていることがわかる。初日と８４日目のイオン濃度から実施例１と同様にして計算したところ、窒素回収率は６６％を超えていたことも確認された。また、硝化菌担持体としてパーライトを用いた実施例３は、循環水の硝酸イオン濃度が、５３日目に１７６５７ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを大きく超え、８４日目に２４３８１ｍｇ／Ｌと２００００ｍｇ／Ｌを超えていることがわかる。さらに、窒素回収率も５０％を超えていたことが確認された。
【0102】
［実施例４～５］
実施例４は、活性汚泥を３２℃に２日間保持して種菌を培養し、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３８０ｍｇ／日とした以外は、実施例１と同様の構成とし、同様な操作を行った。実施例５は、種菌として静岡県内の養豚場の活性汚泥槽より得られた活性汚泥を用い、３２℃で８日間培養し、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約４２５ｍｇ／日とし、硝化菌担持体の温度を３５℃に、循環水の温度を３２℃にそれぞれ調整した以外は、実施例４と同様の構成及び操作を行った。なお、実施例５では、全微生物に対するＡＯＢ及びＮＯＢの存在割合を、１６Ｓ ｒＲＮＡメタゲノム解析により分析した。
実施例４および５の試験結果を、表３に示す。
実施例４は、活性汚泥を３２℃に２日間保持して種菌を培養し、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３８０ｍｇ／日とした以外は、実施例１と同様の構成とし、同様な操作を行った。実施例５は、種菌として静岡県内の養豚場の活性汚泥槽より得られた活性汚泥を用い、３２℃で８日間培養し、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約４２５ｍｇ／日とし、硝化菌担持体の温度を３５℃に、循環水の温度を３２℃にそれぞれ調整した以外は、実施例４と同様の構成及び操作を行った。なお、実施例５では、全微生物に対するＡＯＢ及びＮＯＢの存在割合を、１６Ｓ ｒＲＮＡメタゲノム解析により分析した。
実施例４および５の試験結果を、表３に示す。
【0103】
【表3】
【0104】
表３に示す試験結果から、実施例４は、硝酸イオン濃度が、２４日目に６００５ｍｇ／Ｌとなり、試験開始の初日の値（１５８ｍｇ／Ｌ）から５０００ｍｇ／Ｌ以上増加し、５６日目に２８７７１ｍｇ／Ｌと３００００ｍｇ／Ｌ近くまで増加した。また、６０日目の窒素回収率を実施例１と同様にして計算したところ、およそ６５％であったことが確認された。また、実施例５は、硝酸イオン濃度が、３１日目に１４８０２ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを大きく超え、４７日目に４０４５０ｍｇ／Ｌと３００００ｍｇ／Ｌをも大きく超え、９５日目には６２４５８ｍｇ／Ｌと６００００ｍｇ／Ｌ以上の値となった。なお、これらの実施例４および５はいずれも、硝化菌として、活性汚泥の培養を行ったものを用いているため、試験開始時から亜硝酸イオン等が検出されている。
【0105】
実施例５で測定したＡＯＢ及びＮＯＢの存在割合、並びに各イオン濃度の推移から、０～７日目の間はＡＯＢの割合が７％強となるのに並行して亜硝酸イオンの濃度が高まり、一方で硝酸イオン濃度はＮＯＢの割合が０．４％となる１８日目から高まり始め、ＮＯＢの割合が１％を超える２５日目以降に著しく増大したことが見て取れる。
【0106】
［実施例６］
活性汚泥の培養日数を２２日間とし、実施例１と同様の装置及び条件で１５０日以上運転した後に回収した水を１．２Ｌ混合して３Ｌの循環水として用い、かつ循環水の温度及びｐＨを調整せず（環境温度で）、エアレーションも行わずに、また、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約２８０ｍｇ／日とした以外は、実施例４と同様の操作を行った。試験結果を表４に示す。
活性汚泥の培養日数を２２日間とし、実施例１と同様の装置及び条件で１５０日以上運転した後に回収した水を１．２Ｌ混合して３Ｌの循環水として用い、かつ循環水の温度及びｐＨを調整せず（環境温度で）、エアレーションも行わずに、また、アンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約２８０ｍｇ／日とした以外は、実施例４と同様の操作を行った。試験結果を表４に示す。
【0107】
【表4】
【0108】
実施例６は、ｐＨ調整を行わなかったため、２２日経過後以降の循環水のｐＨは６．０前後に低下し、４７日経過後は５．５前後に低下していた。温度条件等を調整していない実施例６でも、初期硝酸イオン濃度が１００００ｍｇ／Ｌ以上にも関わらず、硝酸イオンの蓄積が継続され、初日からの硝酸イオン濃度の増加分は、３９日目に７２２８ｍｇ／Ｌ（＝１８４７６－１１２４８ｍｇ／Ｌ）と５０００ｍｇ／Ｌを超えた。一方で、実施例４の４９日目や実施例５の４７日目と比較すると、実施例６の４７日目の硝酸イオン濃度は同程度であるのに対して、アンモニウムイオン濃度は実施例４及び５におけるよりも明らかに多く蓄積していた。また、３２日目以降は、硝酸態窒素（Ｎ（ＮＯ３
－））は回収された窒素中の５６～８０％であり、アンモニア態窒素（Ｎ（ＮＨ４
＋））が２０～３９％を占めていた。温度やｐＨ等を調整することが、高濃度の硝酸イオンを回収し、かつアンモニア量を抑制する上で好ましいことが示唆される。
【0109】
［実施例７］
硝化菌担持体として、含水率を９％とした発泡ガラス（(株）村上開明堂製、バブグラスＧ０００１)を、種菌として他の実施例で使用した微生物をそれぞれ使用し、かつアンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３４０ｍｇ／日として、実施例４と同様の構成とし、同様な操作を行った。微生物は、実施例１と同条件で１００日以上運転した窒素回収装置で使用した発泡ガラスを循環水中に懸濁することにより、発泡ガラス表面から回収した。回収後の液３Ｌを、上記発泡ガラス０．９Ｌを備えた窒素回収装置に入れて１２日間循環させ、微生物を発泡ガラスに馴染ませたのちに、循環水を１０倍希釈した。それ以降は、実施例４と同様の構成及び操作を行い、各イオン濃度を測定した。結果を表５に示す。
硝化菌担持体として、含水率を９％とした発泡ガラス（(株）村上開明堂製、バブグラスＧ０００１)を、種菌として他の実施例で使用した微生物をそれぞれ使用し、かつアンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３４０ｍｇ／日として、実施例４と同様の構成とし、同様な操作を行った。微生物は、実施例１と同条件で１００日以上運転した窒素回収装置で使用した発泡ガラスを循環水中に懸濁することにより、発泡ガラス表面から回収した。回収後の液３Ｌを、上記発泡ガラス０．９Ｌを備えた窒素回収装置に入れて１２日間循環させ、微生物を発泡ガラスに馴染ませたのちに、循環水を１０倍希釈した。それ以降は、実施例４と同様の構成及び操作を行い、各イオン濃度を測定した。結果を表５に示す。
【0110】
【表5】
【0111】
実施例７では、硝酸イオン濃度の初日からの増加分は、２０日目に７３９１（＝９５４６―２１５５）ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを超え、２７日目に７５０７（＝９６６２－２１５５）ｍｇ／Ｌ、さらに４１日目に１４４９７（＝１６６５２－２１５５）ｍｇ／Ｌとなった。硝酸濃度が初日から高かった理由は、培養液に別の装置の循環水を使用したためである。本実施例では、硝酸濃度が５０００ｍｇ／Ｌを超えた後も投入したアンモニアの多くが硝酸に酸化され、循環水中にアンモニア態窒素がほとんど残らなかったことから、硝化活性が十分に発揮されたといえる。担持体の含水率が９％であっても硝酸イオンを高濃度で回収し得ることが示された。ただし、担持体中の水の量は装置を通過するアンモニアガスの捕捉能力に影響するため、アンモニアガスの投入量を増やした場合に含水率の低い担持体ではアンモニアガスを十分に捕捉できず、窒素回収率が低下する虞がある。
【0112】
［実施例８～１１］
実施例１と同条件で２００日以上運転した窒素回収装置３台を使用し、その中の循環水１０％を残した上でイオン交換水を加えて新規循環水の全量を２．８Ｌとし、そのｐＨ下限値を６．５に調整しながら、アンモニアの投入量を（窒素原子の質量換算で）約２００～３００ｍｇ／日としたこと以外は、実施例１と同様の構成とし、同様の操作を行った。すなわち、既に活性汚泥（硝化菌）を担持した発泡ガラス（上記のバブグラスＧ０００４、含水率３０％）を用い、循環水のｐＨの下限値を６．５とした試験をｎ＝３で行った（実施例８）。
実施例８の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、その中の循環水１０％を残した上でイオン交換水を加えて新規循環水２．８Ｌとし、そのｐＨの下限値を６．０に調整しながら、実施例８と同様の試験を行った（実施例９）。
実施例９の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水のｐＨの下限値を５．５に調整した以外は、実施例９と同様の試験を行った（実施例１０）。
実施例１０の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水のｐＨの下限値を５．０に調整した以外は、実施例９及び１０と同様の試験を行った（実施例１１）。
各実施例の試験結果を、表６に示す。なお、表６中の数値は、ｎ＝３の平均値である。
実施例１と同条件で２００日以上運転した窒素回収装置３台を使用し、その中の循環水１０％を残した上でイオン交換水を加えて新規循環水の全量を２．８Ｌとし、そのｐＨ下限値を６．５に調整しながら、アンモニアの投入量を（窒素原子の質量換算で）約２００～３００ｍｇ／日としたこと以外は、実施例１と同様の構成とし、同様の操作を行った。すなわち、既に活性汚泥（硝化菌）を担持した発泡ガラス（上記のバブグラスＧ０００４、含水率３０％）を用い、循環水のｐＨの下限値を６．５とした試験をｎ＝３で行った（実施例８）。
実施例８の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、その中の循環水１０％を残した上でイオン交換水を加えて新規循環水２．８Ｌとし、そのｐＨの下限値を６．０に調整しながら、実施例８と同様の試験を行った（実施例９）。
実施例９の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水のｐＨの下限値を５．５に調整した以外は、実施例９と同様の試験を行った（実施例１０）。
実施例１０の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水のｐＨの下限値を５．０に調整した以外は、実施例９及び１０と同様の試験を行った（実施例１１）。
各実施例の試験結果を、表６に示す。なお、表６中の数値は、ｎ＝３の平均値である。
【0113】
【表6】
【0114】
表６に示す試験結果から、循環水のｐＨの下限値を５．０に調整した実施例１１は、硝酸イオン濃度が１４日目に６０３３ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌを超え、硝化反応の進行が確認された。但し、実験開始時の硝酸イオン濃度を考慮すると、実施例１１では、該濃度の増加分が２１日目でも、３１６１（＝６３０５－３１４４）ｍｇ／Ｌと５０００ｍｇ／Ｌ未満と少なく、ｐＨ下限値を５．５以上に調整した実施例８～１０、特にｐＨの下限値を６．５に調整した実施例８に比べると、硝化の度合いは明らかに低かった。なお、実施例８～１０では、回収された窒素分の９０％以上が硝酸態窒素であった。それに対して実施例１１では、回収された窒素分の内、硝酸態窒素は８０％前後であり、アンモニア態窒素が１７～２３％を占めていることが確認された。循環水のｐＨは、５．５以上、特に６．５以上に調整するのが好ましいことが示された。
【0115】
［実施例１２～１３］
実施例１１の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水２．８Ｌを新たに用いた上で、循環水の温度を２０℃、ｐＨ下限値を７．０にそれぞれ調整し、一方で発泡ガラスの温度は調整せず、かつアンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３００ｍｇ／日とした以外は、実施例８と同様の試験を行った（実施例１２）。
実施例１２の試験終了後の窒素回収装置の内１台を使用し、循環水の温度を１５℃に調整した以外は、実施例１２と同様の試験を行った（実施例１３）。
各実施例の試験結果を、表７に示す。
実施例１１の試験終了後の窒素回収装置３台を使用し、循環水２．８Ｌを新たに用いた上で、循環水の温度を２０℃、ｐＨ下限値を７．０にそれぞれ調整し、一方で発泡ガラスの温度は調整せず、かつアンモニア投入量を、窒素原子の質量換算で約３００ｍｇ／日とした以外は、実施例８と同様の試験を行った（実施例１２）。
実施例１２の試験終了後の窒素回収装置の内１台を使用し、循環水の温度を１５℃に調整した以外は、実施例１２と同様の試験を行った（実施例１３）。
各実施例の試験結果を、表７に示す。
【0116】
【表7】
【0117】
表７に示すように、実施例１２及び１３では、硝酸イオン濃度の初日から２１日目までの増加分は、それぞれ５５０３（＝９１２２－３６１９）ｍｇ／Ｌ、５０２８（＝８８６１－３８３３）ｍｇ／Ｌと、いずれも５０００ｍｇ／Ｌを超えていた。これらの値は循環水温度を３０℃に調整した実施例８における２０日目の値（濃度１１７９０ｍｇ／Ｌ、初日からの増加分８３８４ｍｇ／Ｌ；循環水の温度だけでなくｐＨも異なるので確言はできないが、循環水のｐＨは６．８以上が最も好ましいことを考慮すると、循環水のｐＨ下限値を７．０とした上で温度を３０℃に調整した場合、実施例８よりもさらに高い硝酸イオン濃度が得られると推定される）には及ばないものの、硝酸イオン濃度が５０００ｍｇ／Ｌを超えた後にも硝化が進行することが判明した。特に循環水温度を２０℃とした実施例１２では、２８日経過後に硝酸イオン濃度が１１９６５と１００００ｍｇ／Ｌを超える値となった。硝化の進行度合いは、１５℃での運転（実施例１３）＜２０℃での運転（実施例１２）＜３０℃での運転(実施例８)の順であった。なお、実施例１２及び１３のいずれにおいても、２１日以上経過後には、投入したアンモニアから回収された窒素分の９９％前後が硝酸態窒素であったことが確認された。
【0118】
本発明によれば、循環水の温度を２０℃や１５℃前後にまで下げても、アンモニアから硝酸イオンを高濃度で回収することでき、窒素ガスとして排出する従来の技術とは異なり、硝酸態窒素として有効利用し得ることが示された。
【符号の説明】
【0119】
１０ アンモニアガス源槽
１１ アンモニア含有ガス供給ライン
１２ 吸気ポンプ
２０ 微生物分解槽
２１ 硝化菌担持体
３０ 給水ライン
３１ 散水器
４０ 排水ライン
５０ 循環水貯留槽
６０ 循環ポンプ
７０ 再処理ライン
８０ 硝酸水溶液回収ライン
９０ ｐＨコントローラー
９１ ｐＨセンサ
１００ ｐＨ調整剤供給ライン
１０１ アルカリ液槽
１０２ 酸液槽
１１ アンモニア含有ガス供給ライン
１２ 吸気ポンプ
２０ 微生物分解槽
２１ 硝化菌担持体
３０ 給水ライン
３１ 散水器
４０ 排水ライン
５０ 循環水貯留槽
６０ 循環ポンプ
７０ 再処理ライン
８０ 硝酸水溶液回収ライン
９０ ｐＨコントローラー
９１ ｐＨセンサ
１００ ｐＨ調整剤供給ライン
１０１ アルカリ液槽
１０２ 酸液槽
【図1】