嫌気的消化によって不純物を除去する工程で微生物コロニーの濃度を増加させる方法

专利摘要:
本発明は、吸着のステップに続いてシュードモナス（Pseudonomas）種（アゾバクターAzobacter属、アゾトマスAzotomas属、ニトロソモナスNitrosomonas属、ニトロソコッカスNitrosococus属、ニトロバクターNitrobacter属、及びリゾビウムRhixobium属）の型の微生物の嫌気的消化による生物的分解のステップを行い、貯水並びに家庭廃水及び／又は工業廃水から硝酸や有機及び無機不純物を取り除く浄水手段としてバイオマスを用い、連続フロー及び／又はバッチ方式で、竹（Gramineas bambusoideae）の表面に形成される微生物のコロニー濃度を増加させる方法に関する。本発明によれば、２：１のＣ：Ｎ関係を維持しつつ約２００〜３００ｐｐｍの酢酸ナトリウムを加えることで、有機及び無機の水溶性物質だけでなく硝酸を水から除去することに関して、８０％〜９８％という効率増大が提供される。 なし
公开号:JP2011507691A
申请号:JP2010539975
申请日:2008-12-26
公开日:2011-03-10
发明作者:ノゲイラ，フィルオ ロペス，ジェラルド
申请人:メルコスール コマーシャル エリテーデーアー．Ｍｅｒｃｏｓｕｌ Ｃｏｍｅｒｃｉａｌ Ｌｔｄａ．；
IPC主号:C02F3-00

专利说明:

[0001] 本発明は、吸着のステップに続いてシュードモナス（Pseudonomas）種（ニトロソモナス（Nitrosomonas）属、ニトロソコッカス（Nitrosococus）属、ニトロバクター（Nitrobacter）属、アゾバクター（Azobacter）属、アゾトマス（Azotomas）属、及びリゾビウム（Rhizobium）属）の微生物の嫌気的消化による生物的分解のステップを行い、貯水並びに家庭廃水及び／又は工業廃水から硝酸や有機及び無機不純物を取り除く浄水手段としてバイオマスを用い、連続フロー方式及び／又はバッチ方式において、イネ科タケ亜科（Gramineas bambusoideae）の表面に形成される微生物コロニーの濃度を増加させる方法に関わる。]
背景技術

[0002] 一般的に知られているように、近年、国際市場における競争の激化により、最終製品の品質だけでなく環境保全が考慮されつつ、輸入製品を加工するために使われる産業プロセスに関する輸入国の要求が高まっている。]
[0003] このような関心事項は、ＩＳＯ９０００やＩＳＯ１４０００などの品質保証や環境保証を実施するという結果を生み、これら両方が、環境問題を重要視し特に水の使用に関連した産業プロセスを最適化する観点で産業上の関心を高めている。]
[0004] 水の天然資源が最も多い国のなかでもブラジルは、地理的に異なる領域において該天然資源の配分に関して各種の不均衡に直面している。]
[0005] より具体的には、領土内の北地域及び北東地域では、多量の天然貯水があるのに対し、より工業化され人工密集地域である南地域及び南西地域では、消費活動が盛んで河川の汚染がひどく、農業用肥料が大量に使用されることになり、また、基盤となる公衆衛生が不安定となり、水の危機的な不足がある。]
[0006] この状況は、環境被害を悪化させ公衆衛生のコストにおける莫大な増加を引き起こしているが、これに対して、この状況を改善するための挑戦の１つが、水処理システム、好ましくは、製造が単純で使用において効率的で国の経済的及び構造的状況に容易に適応するシステムの開発である。]
[0007] ブラジルだけでなく世界中で、この１０年間、汚染制御に着目した政策は、炭化水素による汚染を解消するための技術発展に向けた相当な努力によって特徴付けられてきている。]
[0008] そういう理由もあり、貯水、並びに、家庭及び／又は工業の残留水や廃水から窒素化合物を除去するための代替手段を見出すという需要は、徐々に高まっている汚染制御の需要に沿ったものであるといえる。]
[0009] 環境や社会へのより良い対応を確実にすべく、貯水、並びに、家庭残留水又は工業残留水からの窒素化合物の除去のための処理施設が、最も信頼性の高い方式で設計されそして稼動されることは、とりわけ実験技術に基づく場合に、非常に重要である。]
[0010] 異なる酸化状態での窒素酸化物：即ち、アンモニア性窒素、アルブミノイド窒素、亜硝酸、硝酸は、人間の健康に対して最も危険な性質を有する物質群に含まれる。]
[0011] アンモニアは、土壌粒子に容易に吸着するため、又は、亜硝酸及び硝酸へ酸化するため、通常、かなり低い濃度で表層水及び／又は地下水において検出され得る。しかしながら、アンモニアが高濃度で存在することは、汚染源が隣接することによっても、土壌中のバクテリア又は鉄イオンによる硝酸の還元によっても起こり得る。アンモニアが存在することは、わずかに殺菌力を示すクロラミンが形成されることを経て、塩素による水の消毒工程において優れた効果を生む。]
[0012] 硝酸イオンは、自然界の水に最も多く存在するイオンの１つであり、一般的に表層水において非常に低水準で存在するが、深層水においては非常に高濃度に達する。硝酸イオンの消費は、健康に対する２つの悪影響に関係している：（ｉ）特に子供におけるメトヘモグロブリン血症；及び（ii）発ガン性のニトロソアミン及びニトロソアミドの生成能。]
[0013] 飲料水中に検出される硝酸イオンによるメトヘモグロブリン血症の進行は、消化中、唾液や胃腸組織において起こり得るバクテリアによる硝酸イオンの変換の影響を受ける。幼い子供、より具体的には３ヶ月未満の子供は、消化管がよりアルカリ性側の状態にあることによりこの疾患の進行の影響を特に受けやすく、胃腸炎や貧血に罹患している大人、又は、胃を部分的に取り除いた大人、妊娠している大人にもその要素は観察される。]
[0014] ブラジル及びその他多数の国々では、硝酸イオンによって汚染された地下水の例が、特に盛んに農業活動が行われる地域でかなり頻繁に見受けられる。]
[0015] 硝酸イオン濃度が飲料水において最大許容できる量を超えるとき、及び、他の代替水源の使用が不可能であるとき、窒素分を取り除くべく行う水の処理は、不可欠のものであり、さもなければ公衆衛生は、危機に直面するであろう。]
[0016] 存在し得る硝酸イオンを取り除くべく水処理に一般的に用いられる工程は、吸着及び生物的脱窒のステップを有する。]
[0017] 人間の飲料水を脱窒するための重要な解決法の１つは、酸素欠乏下で機能する複雑なマクロビオティック機構を経て有機物がメタン又は二酸化炭素へと変換される嫌気的消化によって生じる。この技術は、エネルギー消費が少なく、発生する汚泥の量が少なく、生産領域から直接的に有用な可燃性のバイオガスを生じるものであり、そして、残留水を清浄化するためにますます適用されつつある方法である。]
[0018] 脱窒は、本来、酸素のない条件下における硝酸の還元であり、異化や生物的還元ともいわれ、電子の最終的な受容体としてバクテリアが酸素の代わりに硝酸イオンを用いるものである。]
[0019] この工程は、２つの型の反応により特徴付けられる：第１の反応では、硝酸イオンが亜硝酸イオンに還元され、次に、硝酸塩呼吸といわれる過程において窒素分子や亜酸化窒素などの気体状生成物に還元される。以下の反応は、脱窒工程のまさに第１段階を示している。
ＮＯ３ → ＮＯ２ → ＮＯ → Ｎ２Ｏ → Ｎ２]
[0020] 第２の反応は、アンモニア化成といわれる過程において亜硝酸を経由する硝酸のアンモニアへの還元を含み、メタン生成の過程とともに起こる。電子供与体は、外部炭素源の添加、又は処理される廃水に既に存在する炭素の利用により得ることができる。]
[0021] 脱窒のステップは、バクテリア、特にシュードモナス（Pseudomonas）種によって行われる。脱窒に関与する他のバクテリアは、：ニトロソモナス（Nitrosomonas）属、ニトロバクター（Nitrobacter）属、ニトロソコッカス（Nitrosococus）属、アゾバクター（Azobacter）属、アゾトマス（Azotomas）属、及びリゾビウム（Rhizobium）属である。これらは、従属栄養の嫌気性バクテリアであり、硝酸イオンを電子受容体として用い、有機物を電子供与体として要する。
ＮＯ３−＋ 5/6 ＣＨ３ＯＨ → 5/6 ＣＯ２＋1/2 Ｈ２Ｏ＋ＯＨ−]
[0022] 脱窒は、窒素に対する有機物の濃度関係が約５ｇ．（ＯＣＤ）ｇ−１（Ｎ−ＮＯ３−）（５／１の関係 ＯＣＤ／．Ｎ−ＮＯ３−）において非常に効率に優れるものとして発現する。斯かる量より小さい関係は、脱窒の効率の点で低下を引き起こし、斯かる量より大きいとアンモニア生成量が超過し、廃水中にガス状で存在する窒素を除去できない。]
[0023] 最近の学術文献における他の研究は、環境中にある遊離アンモニアの存在によって硝酸イオンが除去され得ることを、次の反応によって示している。
３ＮＯ３−＋５ＮＨ４＋ → ４Ｎ２＋９Ｈ２Ｏ＋ ２Ｈ＋]
[0024] この反応は、ギブズの自由エネルギーの観点において２９７ＫＪ／ｍｏｌに等しい好ましいエネルギー状況に起因して可能になる。この反応は、酸性で微生物に対して毒性を有する亜酸化窒素の形成によって、中性を超えるｐＨ値で環境中において行われる。]
[0025] 上記の微生物は、バイオマス資源、例えば、世界の様々な地域で容易に且つ豊富に見受けられる竹を用いながら生育及び生長できる。]
[0026] 飲料水並びに家庭廃水及び工業廃水から有機及び無機の不純物を処理して取り除くために、バイオマス、特に竹（Gramineas bambusoideae）を用いる工程は、従来よく知られている。]
[0027] しかしながら、従来よく知られているこの工程は、工程の効率的な実施を確実にするために要する最低限の水準へ微生物コロニーの濃度を到達させるために、その濃度の微生物コロニーを竹（Gramineas bambusoideae）の表面に形成する長い時間を必要とする不都合さを生じている。]
[0028] 本発明の課題は、竹（Gramineas bambusoideae）の表面に形成される微生物コロニーの濃度が、工程の効率的な実施を確実にするために必要とされる最低限の水準に達するように、手段において有効な有機物の迅速な量的増加を提供しつつ上記の不都合を終わらせることである。]
[0029] 本発明では、約２００〜３００ｐｐｍとなる酢酸ナトリウムを、２：１のＣ：Ｎ割合を維持するように反応器の供給液に添加することにより、前記コロニーの生長が促進され、課題が解決される。]
[0030] （発明の説明）
汚染された地下水、及び／又は家庭廃水、工業廃水における有機及び無機不純物の含有量だけでなく硝酸の含有量の低下を可能にする普通の処理プロセスを改良するために、生物的消化の脱窒の前に行う物理的及び化学的な窒素の吸着工程の実行条件及び運用条件を研究した。まさにこの目的のために、内壁及び竹表面に吸着した活性汚泥を備えた竹ピストン流反応器を用いた。これと同じものを浄水手段として用いた。]
[0031] 吸着ステップにおいて、実物大の実験単位のための基本パラメータは、吸着体の質量単位あたり取り除かれた不純物量を測定する計測量である。まさにこの結果が、不純物（この場合は硝酸）除去のための浄水手段の必要量、及び、所定カラムの飽和時間に関わる情報を提供する。]
[0032] （物理的化学的吸着及び生物的分解による硝酸の除去）
吸着工程を通して自然界の水における硝酸除去の効率を測定するために、２つのタイプの吸着体を使用した：活性炭及び竹]
[0033] Carbonifera Catarinense S/A社から供給された活性炭を、８０及び１００メッシュサイズのふるいの間に相当する粒子径になるまで粉砕した。]
[0034] 竹は、２つの進め方を経て使用した。まず、２５ｇの平均質量で竹をディスクに用意し、続いて、３０〜１００メッシュふるいサイズの粒子径となるように粉砕した竹を得て、水溶性の化合物を取り除くために０．１ＭのＮａＯＨ溶液で洗浄し、１０５℃で２日間、加温室中で乾燥させた。]
[0035] 試験で使用する水は、１０〜５００ｍｇ／ＬのＮ−ＮＯ３濃度に疑似できるのに十分な量の硝酸ナトリウムを添加した蒸留水の使用によって模擬的に試された。]
[0036] 吸着分析は、バッチ式方式でも連続フロー方式でも行った。各１回分において、１０〜５００ｍｇ／Ｌ濃度の硝酸（Ｎ−ＮＯ３）を含む１０００ｍＬの水が加えられた。試験系は、一定の撹拌（１００ｒｐｍ）のもとに室温（２０〜４０℃）でｐＨ３〜９に維持した。]
[0037] 吸着能は、標準ＮＢＲ１２６２０／９２ —硝酸測定—クロモトロープ酸法及びフェノールジスルホン酸法に記載された方法によって、吸着ステップの後に溶液に残存する硝酸量を測定することによって決定した。]
[0038] 数学的に、吸着能は、吸着体表面における硝酸の計測量に関して、次の物質収支で表される：
質量(吸着) ＝ 質量 (除去)
ｑ＝［（Ｃｏ−Ｃｆ）．Ｖ］／Ｗ
ここで、Ｃｏ及びＣｆは、吸着前後の硝酸濃度を表し、Ｖは溶液体積、Ｗは吸着体質量をそれぞれ表す。]
[0039] （生物化学的分解及び濾過による硝酸の除去）
竹は、ここでは、水、家庭廃水、工業廃水中で検出される有機及び無機化合物、特に硝酸の生物分解、生物的消化による硝酸除去を促進するためにも用いられた。]
[0040] この実験を実行するために、約２０ｐｐｍのＮＯ３濃度の溶液を調製した。微生物の発生を援助する手段は、採取された直後に実験で用いられた竹であった。下記表１に示すように、硝酸溶液の全容積に対して竹の質量を変えて４つの反応器を用意した。]
[0041] 反応器は、約２２５Ｌの最大容積を有する熱可塑性ボックスで構成されていた。]
[0042] ３つの反応器を使った。それぞれの反応器に、切断した８ｋｇの竹（３０ｃｍ横断切断片）を入れ、３０ｐｐｍのＮ−ＮＯ３−濃度にするために十分な硝酸ナトリウムとともに、８０Ｌの水をサンタカタリーナ州のラグーナ地域におけるＣＡＳＡＮ（The State of Santa Catarina Company of Water Supply and Sanitation）から供給した。]
[0043] ]
[0044] 処理される水量に対して異なる百分率（１％〜８０％）の竹量を含みつつ１０〜５００ｍｇ／Ｌの様々な硝酸濃度となる十分な量になるように硝酸ナトリウム及びカリウム溶液を準備した。]
[0045] これら反応器を静止状態に保ち、１〜７２時間の様々な時間間隔で測定サンプルを取り出した。工程終了後、残存した硝酸の濃度を計測した。硝酸の生物分解の後、サンプルを高速重力濾過器で浄化した。]
[0046] 濾過手段は、約２００〜３００ｍ３／ｍ２．ｄｉａ−１の水処理量能力を有する高さを備え、粉砕された竹、砂、及び活性炭で構成されている。濾過の目的は、生物工程の結果水中に存在する懸濁粒子を取り除くこと、及び、生物分解工程の間に生物反応器中で得られた有機物の量を減らすことである。]
[0047] 濾過効率の評価は、反応器から得られたサンプル、及び、濾過器によって生じた水から得られたサンプルにおいて、水中に溶解した有機物の含有量（ＯＤＱ）測定を通して決定した。]
[0048] これらの実験は、反応速度論上、次の変化を測定するという対象を伴った：
・呼吸において最終的な電子受容体として硝酸を用いる微生物の嫌気的呼吸に関連する硝酸濃度の減少
・一般的な水におけるパラメータ変化：溶解度及び／又は微生物活動の結果生じる代謝排出物に関連する、ＯＣＤ（化学的酸素要求量）、ＯＢＤ（生物化学的酸素要求量）、全窒素、濁度、及び全懸濁物質（total suspended solids）]
[0049] 硝酸、窒素、色、濁度、及び全懸濁物質の分析は、メルク社測定器スペクトロクァントＮｏｖａ４０型により、ＩＳＯ推奨方法で行った。ＯＣＤ及びＯＢＤ分析は、水及び廃水の標準試験方法（ＡＰＨＡ、１９９５）に記載された方法に従って実施した。]
[0050] 生物的反応により生じた廃水は、高速重力濾過器で浄化した。濾過による浄化に加え、０．５〜１．０ｐｐｍに等しい濃度の酸化剤を用いて廃水に対し酸化も行った。消毒は、２０分間の接触時間により行った。これら２つの操作の後、廃水は、ＯＣＤ、ＯＢＤ、色、濁度、及び全懸濁物質のパラメータが決定された。]
[0051] 生物的反応によって生じた廃水は、表２に示された次の濾過手段成分を含む高速重力濾過器で浄化した。]
[0052] ]
[0053] 濾過による浄化に加え、０．５〜１．０ｐｐｍに等しい濃度で酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを用いて廃水に対して酸化をも行った。消毒は、２０分間の接触時間で行う。この２つの操作の後、廃水は、ＯＣＤ、ＯＢＤ、色、濁度、及び全懸濁物質のパラメータが決定された。]
[0054] ]
[0055] 本発明において、手段において有効な有機物量を増加させるという点で、反応器５及び６に供給された溶液に酢酸ナトリウムを加え、そして、反応器６において異なるのは、脱窒工程を経る微生物の活動における手段の酸の影響を除外するために、手段のｐＨをＮａＨＣＯ３で抑止したことである。]
[0056] さらに公知文献によると、微生物によって触媒作用を受ける環境において生物的消化の発生が最も良くなる状況は、炭素：窒素（Ｃ：Ｎ）が２対１（２：１）のときである。]
[0057] このように、酢酸塩として存在する炭素、及び、硝酸塩として存在する窒素を考慮すると、初回反応の化学量論的均衡が示すものは、実験において示された（各表を参照）、硝酸量に対して約２０４ｐｐｍの酢酸塩の添加の必要性である。]
[0058] ２：１（Ｃ：Ｎ）を超えるモル比で実施された実験が実証したことは、生物的分解の反応速度が、少なくとも約３５０ｐｐｍの量まではいくらか好ましいということである。まさにこの量を超えると、水における酢酸塩量がかなり増えることにより工程の終わりまでに水中の有機物量が超過するといった問題が出現し始めるということを、実験が実証した。]
[0059] 一方、２２０ｐｐｍを下回る様々な量の酢酸塩を用いた実験では、生物的消化がより遅くなること、即ち分解には好ましくないことが実証された。]
[0060] 最も好ましい反応速度論上の値は、２００〜３００ｐｐｍの量で得られ、換言すると、その濃度で、我々は、反応のための水貯留の最良な機会を得ることができた。]
[0061] ３つ目の反応器７は、脱窒工程における酢酸塩及び重炭酸塩の添加の影響を比較するために対照実験として使用された。反応器５、６、及び７の詳細を表４に示す。]
[0062] ]
[0063] （結果及び議論）
上述した実験において得られた結果は、次の表５で認識できる。]
[0064] ]
[0065] 反応器５及び６は、４０時間の最初の反応で使用し再び新たに反応サイクルに適用された竹を備えていた。本研究の目的は、既に活動が高まった微生物を伴う竹を用いたときに、周囲状況に対して微生物が適応する様相が促進され得るかどうかを評価することにある。反応器８及び９の詳細を表６に示す。]
[0066] ]
[0067] 結果を見て、酢酸塩を添加しなかった反応器７に対して反応器５で得られた結果を我々が比較すると、酢酸ナトリウムの添加により、脱窒反応が有利に進行するということに我々は気づく。]
[0068] ４０時間の反応後、反応器５では、硝酸イオン濃度（Ｎ−ＮＯ３−）が３１．６から１６．５ｐｐｍに減り約４８％の減少を達成することができる一方、反応器７では、硝酸イオン濃度（Ｎ−ＮＯ３−）が２９．５から２５ｐｐｍにだけ減り、同じ時間で約１３％の減少を示した。]
[0069] 重炭酸ナトリウムの添加（反応器６）は、重炭酸塩のない（反応器５）反応において観測される反応速度に対して、竹の１回目の使用における反応速度を妨げ、反応器６における硝酸イオン濃度の減少は、反応器７で観測される減少といくらか類似している。竹が新たな実験に用いられたときに、脱窒が有利に促進されることを我々は観測できる。]
[0070] 反応器５では、硝酸イオンの最終濃度が０．１３ｐｐｍであり、脱窒効率が約９９．５％である。]
[0071] 重炭酸塩の添加を受けた反応器において竹を２回使用することにおいては、我々は、反応器５と比較してほとんど変化を観測できないが、２回の使用における反応器５の硝酸除去効率が約９７．５％であることを観測できる。]
[0072] このように、本手段において酢酸塩を添加することが、竹によって生長した微生物により測定される脱窒を促進するという結論を我々は出すことができる。]
[0073] この結果の他、竹の２回の使用によって本工程の効率が約９９．５％の数値に達したのは、おそらく、２回目に使用される竹に既に微生物が発生していたことによるものであろう。反応器５において３回にわたって竹を使用する実験を実施した。結果を表７に示す。]
[0074] ]
[0075] 上記結果を見ると、竹を２回使用して得られた結果が、反応器５において竹を３回使用して得られた結果と実によく類似していると確認することができる。]
[0076] 脱窒が完了すると、水の特性は変化し、特に色が実に約１００Ｈｚの計測値に達する。]
[0077] また、濁度及び懸濁物質濃度は、脱窒に伴い増加する。反応器５における反応後に得られ一度脱窒が完了したサンプルは、水を飲用目的に調製する前に、本項で説明される濾過器の効果を我々が検証するために使用した。結果を表８に示す。]
[0078] ]
[0079] 上記実験データから、反応器５から得られ水の浄化に適用された濾過器が、本研究で検討されるパラメータの減少を促進することに気づくことができる。それにも関わらず、測定値は飲料水に要求される限界値を超える状態にあり、このことから、濾過器の効率を高めるために新たな研究が行われるべきであり、及び／又は、凝集や酸化といった新たな工程が検討され得る。]
[0080] 本発明に関する工程で入手された結果が実証したことは、竹の量、換言すると処理される水又は廃水の量に対する体積中の竹の百分率が、工程が吸着又は生物分解によるか否かに関わらず、工程後に得られる水質に大きく影響するということである。]

权利要求:

請求項1
Gramineas bambusoideaeで形成される微生物のコロニーを浄水手段として用いる反応器内で、嫌気的消化によって不純物を除去する工程で微生物コロニーの濃度を増加させる方法であって、反応器に供給される溶液に化学量論的に許容される量の酢酸ナトリウムを加えることを含む方法。
請求項2
嫌気的消化によって不純物を除去する工程で微生物コロニーの濃度を増加させる方法であって、酢酸ナトリウムの前記化学量論的に許容される量が約２００〜３００ｐｐｍである請求項１記載の方法。
請求項3
嫌気的消化によって不純物を除去する工程で微生物コロニーの濃度を増加させる方法であって、前記化学量論的に許容される量が２：１のＣ：Ｎモル比を維持する請求項２記載の方法。
請求項4
嫌気的消化によって不純物を除去する工程で微生物コロニーの濃度を増加させる方法であって、前記反応器がピストン流反応器である請求項３記載の方法。