成果報告書詳細
管理番号20120000000947
タイトル平成19年~平成23年度成果報告書 微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発「微生物群のデザイン化による高効率型環境バイオ処理技術開発/嫌気性アンモニア酸化(ANAMMOX)プロセスを軸とした高効率窒素除去システムの開発」
公開日2012/12/19
報告書年度2007-2011
委託先名国立大学法人北海道大学大学院工学研究院
プロジェクト番号P07024
部署名バイオテクノロジー・医療技術部
和文要約消化汚泥脱離液を部分硝化処理し、さらにanammoxプロセスで窒素除去した。その結果、流入水中のアンモニアおよび亜硝酸が同時に除去され、窒素容積負荷8~10kg-N m-3 day-1に対して、窒素除去率80%から90%を達成し、消化汚泥脱離液を部分硝化リアクターで処理した廃水について、anammoxプロセスにおいて連続処理が可能であること、NO2-が高濃度の場合は、HRTを延長するという単純な操作により窒素除去性能を回復させることができる事が明らかとなった。
そこで本研究では、脱離液の処理法として、嫌気性アンモニア酸化(anammox)法に着目した。このanammox反応により、酸素曝気に要するコスト・エネルギーが最大62%、外部炭素源の供給は100%、余剰汚泥の発生量も最大70%に削減されるため、活性汚泥法に比べて大幅にランニングコストを削減できる新規省エネ型窒素除去プロセスの構築が可能となるうえ、N2Oガス発生がなく、加温の必要も無い。本研究では、1部分硝化プロセスの最適条件の検討、2好気性グラニュール汚泥による部分硝化プロセスの構築、3anammoxプロセスの最適条件の検討、4人工廃水を処理する部分硝化~anammox並列リアクターの開発、5分子生物学的手法およびマイクロセンサーによる微生物群集解析、6anammox細菌のメタゲノム解析、7実廃水を用いたanammoxプロセス実証試験の研究課題を検討した。
部分硝化プロセスの最適条件を検討した結果、ヒドロキシルアミンを系内に添加することで、迅速な部分硝化リアクターのスタートアップに成功した。窒素負荷量を高負荷に設定することによって、完全型硝化反応から部分硝化反応への回復及び安定化が可能なこと、アンモニア濃度の上昇が亜硝酸酸化細菌の活性を抑制している可能性が示唆された。
好気性グラニュール汚泥を用いた部分硝化リアクターの立ち上げに成功した。亜硝酸生成速度1.25kgN m-3 day-1、亜硝酸への転換率約50%、TOC除去能90%以上であり、リアクターとして十分な性能を示した。
anammoxプロセスを二段ステップ流入式上向流バイオフィルムリアクターとする事で、最大窒素除去速度31.2kg-TN/m3/dを達成し、従来の硝化-脱窒法と比較して約30倍高い速度である。
部分消化リアクターとanammoxリアクターを結合し、anammoxリアクターの最大窒素除去速度として15.0 kg-TN/m3/dを達成した。最終目標であった最大窒素除去速度12.0 kg-TN m-3 d-1を上回った。
部分硝化及びanammoxグラニュールからのN20生成メカニズムを解明するため、微生物群集の機能と構造を解析した。
Ca.‘B. sinica’の代謝特性を網羅的に理解する事をめざし、メタゲノム解析によってCa.‘B. sinica’の全ゲノム配列の決定を試みた。メタゲノム解析の結果、4.0Mbp(GC含量41%)の1contigでゲノムカバー率は98%であり、目的を達成した。窒素代謝関連遺伝子についてCa.‘Kuenenia stuttgartiensis’と比較したところ、anammox反応における亜硝酸還元を担うと考えられていたnirS遺伝子がCa.‘B. sinica’のゲノム上から見いだされず、Ca.‘K. stuttgartiensis’とは異なる経路でanammox反応を行なっていると示唆された。
消化汚泥脱離液を部分硝化処理し、さらにanammoxプロセスで窒素除去した。その結果、流入水中のアンモニアおよび亜硝酸が同時に除去され、窒素容積負荷8~10kg-N m-3 day-1に対して、窒素除去率80%から90%を達成し、消化汚泥脱離液を部分硝化リアクターで処理した廃水について、anammoxプロセスにおいて連続処理が可能であること、NO2-が高濃度の場合は、HRTを延長するという単純な操作により窒素除去性能を回復させることができる事が明らかとなった。
英文要約Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is a microbiological oxidation of ammonium with nitrite as the electron acceptor and produces dinitrogen gas as the main product. The anammox process is a new and promising alternative to conventional nitrogen removal processes. Since anammox bacteria require nitrite as the electron acceptor, ammonium in wastewater has to be oxidized to nitrite in a preceding reactor. However, nitrite can be easily oxidized to nitrate in an oxic reactor. Therefore, inhibition of nitrite oxidation process is needed. In this study, we tried to suppress nitrite oxidation process with hydroxylamine and nitrite oxidation was completely inhibited in the nitrification reactor (partial nitrification reactor) with nitrite production rate of 0.61 kg-N/m3/day. In addition, we developed a high-rate anammox biofilm reactor with the maximum total nitrogen removal rate of 34.2 kg-N/m3/day to introduce wastewater in two steps.
The partial nitrification reactor was made up of cylindrical glass. The reactor has an inner diameter of 45 mm and height of 500 mm. The liquid volume was 0.8 L. The reactor consisted of several vertically suspended polyester porous nonwoven strips (210 by 20 by 8 mm). Pre-incubated sludge for 20 d was inoculated into the reactor. An artificial medium was fed to the reactor in up-flow mode using a peristaltic pump. The concentrations of ammonium in the medium were gradually increased.
Inocula for anammox reactor were collected from 11 different wastewater treatment plants to select appropriate seeding sludge for earlier startup of the reactor. The anammox reactor was made up of cylindrical glass same as the partial nitrification reactor. The nonwoven strips were also used as the biofilm carrier. The artificial medium was fed to the reactor in up-flow mode. The concentrations of ammonium and nitrite in the medium were gradually increased.
The partial nitrification reactor was operated at an air flow rate of 100 mL/min and HRT of 4 hours. 250 μM of hydroxylamine was supplied to the reactor. As nitrogen load increased, partial nitrification rate increased and reached to nitrite production rate of 0.61 kg-N/m3/day. Finally, Nitrite oxidation was completely inhibited in the nitrification reactor (partial nitrification reactor) by dosing hydroxylamine with nitrite production rate of 1.1 kg-N/m3/day. The batch experiments to investigate the effect of hydroxylamine on partial nitrification revealed that the hydroxylamine concentration was the best to achieve higher ammonium oxidation rate and lower nitrite oxidation rate. When nitrogen load was decreased from 1.1 kg-N/m3/day to 0.2 kg-N/m3/day, partial nitrification process was perturbed and nitrate production occurred. After nitrogen load was increased again, partial nitrification process reestablished.
A two-step feeding-upflow anammox reactor was operated at 38°C, which had the maximum total nitrogen removal rate of 31.2 kg-N/m3/day. The rate was higher than that of the conventional upflow anammox reactor. This was attributed to decreasing pH level especially in the latter part of the reactor.
An anaerobic up-flow granular bed anammox reactor was developed. Anammox bacterial granules were cultivated with a synthetic nutrient medium in an anaerobic up-flow reactor.
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