成果報告書詳細
管理番号20120000000993
タイトル平成19年度~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/高濃度微生物保持DHSリアクターによるリン回収技術の開発 」
公開日2012/12/19
報告書年度2007-2011
委託先名国立大学法人広島大学
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
和文要約件名:平成19年度~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/高濃度微生物保持DHSリアクターによるリン回収技術の開発
 本研究課題では、排水処理システム中から発生する温室効果ガスであるメタン (CH4) および亜酸化窒素 (N2O) の微生物分解処理と、余剰汚泥が発生しない処理システムにおいてもリンの除去・回収ができる技術開発として、Down-flow Hanging Sponge (DHS) リアクターによる (a)嫌気性処理水中の溶存CH4の酸化分解、(b) N2Oの分解、(c)低濃度リン含有水からのリン回収処理システムを開発した。以下に、3つの研究項目の成果の概要を示す。
a DHSリアクターによる溶存CH4酸化分解
 H20年度ではCH4およびアンモニア酸化を対象に最適空気供給量の検討を行い、人工廃水中の溶存CH4を水理学的滞留時間 (HRT) 2時間で95%以上分解できた。溶存CH4の分解は主にType Iグループのメタン酸化細菌が担っている事がわかった。H21年度では更に硫黄および有機物酸化を加えた4種類の反応に対して最適空気供給量の検討を行い、有機物、硫黄、CH4、そしてアンモニア酸化の順で進行しやすい事を突き止めた。HRT2時間、空気供給量3.88 kg-O2~m-3~day-1において90%以上の溶存CH4除去率を達成した。溶存CH4の分解はType IおよびType IIグループのメタン酸化細菌が担っている事がわかった。
b N20ガス分解DHSリアクターの開発
 H20年度では回分培養実験より、好気条件下でのN20の酸化分解、嫌気条件下でのCH4を炭素源としたN2Oの還元除去 (脱窒) が進行する事がわかった。H21年度ではラボスケールDHSリアクターを用いた連続培養実験を行い、CH4とN2Oの同時除去が進行することを確認した。また、脱窒能を有する種を含むComamonadaceae科に分類される細菌種がリアクター内に優占的に存在しており、CH4酸化とN2Oの除去に関与している可能性が示された。
c リン除去・回収DHSリアクターの開発
 1チューブリアクターによる嫌気・好気時間の影響調査: H20, 21年度ではチューブリアクターを用いて嫌気・好気時間の検討を行い、最適なサイクル (嫌気4時間、好気8時間) を決定した。多角的な微生物群集解析を行い、ポリリン酸蓄積細菌 (PAOs) の菌叢が嫌気・好気時間サイクルによって変化することを明らかにした。
 2ラボスケールの密閉型DHSリアクターによるリン除去・濃縮回収の検討: H20~22年度では密閉型DHSリアクターを用いて、流入濃度5 mg-P~L-1のリン酸を158 mg-P~L-1まで濃縮する事に成功した。更に回収率の向上を図り、担体形状の変更や好気運転方法の最適化の検討を行い、リン回収率70%以上を達成した。
 3パイロットプラントによる実下水からのリン回収の実証: H22~23年度では東広島浄化センター内に設置したパイロットプラントを用いて、実下水からのリン回収実証試験を行った。一般的な都市下水に比べて硫酸イオン濃度が10倍高く (400~600 mg SO42-~L-1)、リン濃度も希薄 (< 2 mg-P~L-1) であったが、40 mg-P~L-1程度のリン濃縮液を得る事に成功した。リン除去・回収性能の向上には、濃縮液の好気処理 (本実験では小型DHSリアクターを設置した)、嫌気運転開始時の有機物と濃縮液の撹拌工程、定期的な生物膜の剥離除去といった管理が必要である。
英文要約Title: Development of Phosphate Recovery Technology by DHS Reactor Retaining High Biomass (FY2007-FY2011) Final Report
In this study, we developed biological oxidization systems for [A] dissolved CH4 in anaerobic wastewater treatment effluent and [B] nitrous oxide (N2O) gas by using the down-flow hanging sponge (DHS) reactor, which has been developed as a low cost post treatment for UASB treating sewage. In addition, [C] a new phosphorous recovery process without excess sludge disposal was developed.
[A] Biological oxidation CH4 using DHS reactor
We used a closed DHS reactor of 4 L column and the following results were obtained. In the first year, an inorganic artificial wastewater containing dissolved CH4 and NH4+ was supplied into the reactor, and the removal efficiency of dissolved CH4 reached about 95% at an HRT of 2 h. Microbial community analyses of DHS sludge showed that the methane-oxidizing bacteria (MOB) belonging to Type I group were dominated. In the second year, an artificial wastewater containing dissolved CH4, NH4+, sulfide, and acetate and propionate as organic carbon was used to investigate the effect of the components on CH4 oxidation. At an airflow rate of 1.06 kg-O2・m-3・day-1, most of the organic substance and sulfide were completely oxidized, but only 10% of CH4 was oxidized. After increased airflow rate to 3.88 kg-O2・m-3・day-1, both of CH4 and NH4+ came to be oxidized over 90% and 80%, respectively. These results indicate that organic substance and sulfide are easily oxidized in DHS reactor and CH4 oxidation occurred following to oxidation of organic maters. Finally NH4+ was oxidized. Microbial community analyses showed both Type I and II of MOBs could play a role in CH4 degradation.
[B] Biological N2O oxidation or reduction by using DHS reactor
In the first year, we carried out some batch experiments, and biological oxidative degradation of N2O and denitrifying-reduction of N2O with CH4 were confirmed under aerobic and anaerobic conditions, respectively. In the second year, we operated a lab-scale closed DHS reactor with paddy soils and activated sludge as inoculums for anaerobic reduction of N2O. After several months of the reactor operation, CH4 oxidation rate became stable at 0.35 kg-COD・m-3・day-1 and N2O removal rate achieved 0.12-0.20 kg-N・m-3・day-1. Stoichiometrically, the molar ratio of CH4 oxidation to N2O reduction is 4:1, but in our result a larger amount of CH4 was oxidized compared to the amount of removed N2O. Microbial community analysis of DHS sludge showed that the bacteria belonged to the family Comamonadaceae were dominated. Some of the isolated members of the family have denitrification or nitrate reduction ability, thus the dominant microbes affiliated with the family might be involved in CH4 oxidation coupled to N2O reduction in DHS sludge.
[C] Phosphorous recovery process without excess sludge disposal using DHS reactor
1 Effect of anaerobic/aerobic (AN/AE) times on polyphosphate-accumulating organisms (PAOs) enrichment: In the first and second years, we operated 15 tubular biofilm reactors to find the optimum operating condition for enrichment of PAOs. In the cycle of 4 h anaerobic and 8 h aerobic conditions, Accumulibacter was accounted for 55.6% of total bacteria, which was the highest composition of Accumulibacter in all of the experimental conditions. The optimum condition was determined for phosphorous recovery.
2 Phosphorous recovery experiment using lab-scale DHS reactors: During the first to third years, we operated a lab-scale closed DHS reactor with feeding artificial wastewaters under the optimum AN/AE time condition mentioned above. In the steady state, over 30 times condensation of phosphorous was achieved from 5 mgP・L-1 of the influent giving 158 mgP・L-1 of the concentrated phosphorous solution.
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