成果報告書詳細
管理番号20130000000213
タイトル*平成24年度分中間年報
「省水型・環境調和型水循環プロジェクト/水循環要素技術研究開発/高効率難分解性物質分解技術の開発」のうち「b)新機能生物利用技術」(H21-H25)
公開日2013/5/31
報告書年度2012 - 2012
委託先名株式会社日立プラントテクノロジー
プロジェクト番号P09011
部署名環境部
和文要約水資源の循環では、自動車工場、半導体工場、無機薬品工場などの廃水中の窒素処理が重要な課題とされている。従来の硝化・脱窒法では、硝化細菌の働きで廃水中のアンモニアが亜硝酸を経由して酸化し硝酸となり(硝化反応)、さらに脱窒細菌により硝酸を窒素ガスに変換して除去する(脱窒反応)。これには多大な曝気動力が必要であり、さらに多量のメタノール添加や汚泥処分が問題となっている。本プロジェクトでは、嫌気性アンモニア酸化細菌(アナモックス菌)という新規の微生物を利用して高効率な窒素処理システムを開発中である。これは、アンモニアと亜硝酸から直接窒素ガスに変換できるもので、硝化反応の曝気量動力を半減し、さらに脱窒反応に必要なメタノールを大幅に低減できる省エネルギー窒素処理システムである。今年度得られた成果は次の通りである。課題(a)-1:アナモックス菌による廃水処理システムを構築するためには,種菌としてアナモックス菌を大量に培養し,保持する必要がある。そこで容積2.5m3の超大型培養装置を用いて,アナモックス菌の大量培養試験を実施した。その結果,基質の供給量の増加と共にアナモックス菌量が増加し,3か月以内に目標とする窒素除去活性を得ることができ,培養槽内部でアナモックスが大量に培養に成功した。課題(a)-2アナモックス菌を用いた廃水処理システムを,低水温条件に適用させる方法として,低水温下で活性の高い新しいアナモックス菌の培養について培養した。霞ヶ浦より採取した底泥を用いて3年以上集積培養を継続した結果,水温18℃の条件でも窒素除去速度1.9kg-N/m3/dと高い脱窒活性を得ることができた。今後,これらの低水温型のアナモックス菌の包括固定化を検討し,廃水処理システムへの適用を検討する。課題(e):【ラボ試験】硝化菌を包括固定化した硝化担体を用いた亜硝酸型硝化プロセスと,アナモックス菌を包括固定化したアナモックス担体を用いたアナモックスプロセスを組み合わせ,低水温下での排水処理試験を行った。亜硝酸型硝化プロセスでは安定した硝化性能が得られ,水温20℃の条件で窒素硝化速度1.4kg-N/m3/d,平均硝化率56%を得た。この処理水をアナモックス槽へ通水することで平均窒素除去率75%,平均脱窒速度2.2kg-N/m3/dを得た。【実証試験】実証試験では,硝化槽を10m3,アナモックス槽を5m3規模にスケールアップし,装置の基本性能試験を実施した。現在,実証サイトにて設置・調整を行っており,来年度実証性能を報告する予定である。課題(g):硝化反応とアナモックス反応を1槽にて行うことで,維持管理の容易な新しい窒素除去システムを開発中である。反応槽容積30Lのベンチプラント試験装置を行い,硝化担体を投入した好気槽に,アナモックス担体を投入し好気脱窒性能を評価した。水温20℃の条件で窒素濃度100mg/Lのアンモニア合成排水を処理した結果,窒素平均窒素負荷1.0 kg-N/m3/dに対し,脱窒速度0.5 kg-N/m3/dを得た。処理性能は安定しており,低水温および低濃度条件で好気脱窒性能が得られる結果を得た。課題(f):1槽型好気脱窒システムにおける立上げ方法を検討中であり、この時の微生物叢の変化を調査した。下水汚泥を包括固定化し、担体内にアンモニア酸化細菌の増殖を促した後、アナモックス汚泥を包括固定化した担体を投入しアナモックス担体の立上げを検討した。その結果、約1カ月という短期間でアナモックス活性が上昇する傾向を得た。このときの担体内にアナモックス菌数の変化をリアルタイムPCR法により確認した結果、担体内にてアナモックス菌が増殖していることが定量的に確認することができた。
英文要約 In the present study, novel nitrogen removal system using anammox (anaerobicammonium oxidation) bacteria has been developing for treatment of nitrogen industrial effluents, which are important processes in the water cycle. Conventionally, ammonia is treated biologically by nitrification/denitrification system. However, the denitrification process must be supplied with an additional organic carbon source, entailing higher operating costs. In the mid-1990s, an alternative process of nitrogen removal was reported, the so-called anammox. Since ammonium was used as electron donor for denitrification, anammox reaction does not require any addition of a electron donor such as methanol. Thus, the anammox process can reduce energy for aeration by half and remarkably reduce the amount of methanol used for the denitrification.
Our final goal is to develop the nitrogen removal process using anammox bacteria which can operate under low temperature. To this end, there are 6 themes in this program. (1) Cultivation; We succeeded in the cultivation of novel anammox bacteria using continuous feeding reactor under low temperature. Moreover, the denitrification activity was increased by long-term enrichment. Also, we had constructed a large scale cultivation test reactor of 2.5 m3 to attain anammox biomass for seed sludge of full-scale plant. And then it was demonstrated that large amount of anammox sludge can be cultivated within three month. (2) Nitritation-anammox; Combined nitrogen removal system of nitritation process with nitrifying gel carrier and anammox process with anammox gel carrier was operated under low temperature. Stable nitrogen removal performance was observed more than three months. High nitrogen removal performance of 2.2 kg-N/m3/d on average was observed at 20 °C. In order to show the efficiency of the gel entrapment techniques, pilot plant had been constructed in our institute. And then basic test for the wastewater treatment test was conducted. Now we are installing the pilot plant to the actual industrial wastewater treatment cite. (3) Aerobic denitrification; A novel aerobic denitrification reactor, aerobic denitrification using nitrifying and anammox bacteria immobilized on gel carriers in a single stage, was developed. Two types of gel carriers, a nitritation gel carrier and an anammox gel carrier, were installed in single reactor, and the denitrification performance of simultaneous nitritation and anammox was evaluated. In the bench-scale test, stable denitrification performance of 0.5 kg-N/m3/d was confirmed under low influent ammonium concentration and low temperature. (4) We have developed the single-stage nitrogen removal system using two types of PEG carriers containing ammonia oxidizing bacteria (AOB) or anammox bacteria (ANX). However, AOB and ANX in PEG carriers needed to be enriched separately before a start-up of the single-stage nitrogen removal system using two types of PEG carriers. In particular, it require several months to enrich ANX in PEG because ANX is extreamely slow growing bacteria. In order to put our developed nitrogen removal systems to practical use, we need to prepare the PEG carriers containing high amount of AOB or ANX in a single reactor. Firstly, AOB were cultivated in PEG carriers immobilized sewage sludge under aerated conditions. After the increase in ammonia oxidizing activity, the PEG carriers containing anammox sludge were put in the reactor. Then, the ANX were cultivated in the PEG carriers under oxygen-limited conditions. Interestingly, the abundance of the ANX in the PEG carriers were increased appreciably for just one month, suggesting that the coexistence of AOB lead to be encouraged the growth of the ANX.
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