成果報告書詳細
管理番号20140000000751
タイトル平成21年度-平成25年度成果報告書 「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」
公開日2015/2/28
報告書年度2009 - 2013
委託先名株式会社日立製作所
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、多大な曝気動力が必要であるばかりでなく、多量のメタノール添加や汚泥処分といった問題がある。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した。本プロジェクトで得られた結果は次のようにまとめられる。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には、アナモックス菌を大量に培養する必要がある。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、3か月で20kgのアナモックス菌が培養できることを実証した。課題(a)-2低水温下で活性の高いアナモックス菌を集積培養した。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た。系統学的解析を行ったところ、新種のアナモックス細菌の存在を確認した。課題(b):ポリエチレングリコール(PEG)ゲルにアナモックス細菌を包括固定化し、窒素処理性能を評価した結果、脱窒速度1.2kg-N/m3/d以上の処理速度を低水温条件下で長期間維持できた。課題(c):アナモックス反応は、アンモニアと亜硝酸の反応であることから、アンモニアの約半分量を亜硝酸に酸化するシステムが必要である。そこで、硝化細菌をPEGゲルに包括固定化し連続試験を行った結果、安定した硝化性能が6ヶ月以上確認された。課題(d):産業廃水中には、重金属類等の阻害要因が混入する可能性がある。そこで、アナモックス反応への影響を評価した結果、Cu, Zn, Ni, Coは、、2mg/L程度であれば阻害しないことを解明した。しかしながら,Moについては、 0.1mg/Lで阻害を受け、その阻害は不可逆的であることを明らかにした。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。安定した硝化性能が得られ平均脱窒速度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て実証試験を実施した。硝化槽では平均水温18.2℃において、安定した硝化性能を確認した。アナモックス槽では、平均水温17.2℃において、平均窒素除去率84%、平均窒素除去速度2.0 kg-N/m3/dを得、低水温下における高い窒素処理性能を実証した。課題(g):硝化反応とアナモックス反応を1槽で行う、シンプルな窒素除去システムを開発した。硝化反応を行っている微好気槽にアナモックス担体を投入し、好気脱窒試験を行った。ラボスケール試験では、脱窒速度は最大で1.4 kg-N/m3/dを得た。さらに10m3規模での実証試験を行った結果、1.2 kg-N/m3/d以上の処理性能を得た。課題(f):アナモックス菌や硝化菌の生息状況や空間分布を調査するため、菌の遺伝子を選択的に染色するFISH法による観察を行った。1槽型好気脱窒システム内のアナモックス担体について観察を行った結果、担体内部にアナモックス菌が高密度に固定化されており、その外側に硝化菌の生物膜が形成されていることが確認された。これらの結果から、窒素処理に係るエネルギーを56%削減できることを確認し、目標を達成した。
英文要約In the present study, novel nitrogen removal system using anammox (anaerobic ammonium oxidation) bacteria was developed for treatment of nitrogen industrial effluents, which are important processes in the water cycle. Since ammonium is used as electron donor for denitrification, anammox reaction does not require any addition of a hydrogen donor such as methanol. In the conventional nitrogen removal process, we have to blow large amounts of air into the reactor and then all of the ammonium in the influent is oxidized. In contrast, only half of this ammonium is oxidized in the anammox process. This means the amount of oxygen required is also halved. In addition, ammonium and nitrite are both converted to nitrogen gas without the addition of methanol. Therefore costs of methanol addition and treatment of excess sludge caused by methanol addition can be reduced.
In early studies, the anammox process was mainly targeted on nitrogen wastewater treatment with high water temperature. Our research group has developed the nitrogen removal process using anammox bacteria which can operate under low temperature. First, we established the technology to cultivate a sufficient amount of anammox bacteria. Large-scale cultivation plant of 2.5 m3 for anammox bacteria was constructed in Hitachi Ltd. And then, we succeeded in the cultivation of 20 kg-SS of anammox biomass within 3 months. Also, novel anammox species was successfully enriched in the cultivation reactor.
Next, technologies to immobilize the anammox bacteria are required, because growth rate of anammox bacteria is extremely low. We applied gel entrapment technique for immobilization of nitrifying and anammox bacteria. The anammox process was operated using the pilot plantof 5 m3, the nitrogen conversion rate of 2.0 kg-N/m3/d was stably shown at 17.2 °C. This rate of anammox process is 5 to 10 times faster than conventional process one.
In order to understand and optimize microbial community, we tried to characterize the anammox culture by using molecular biological techniques. Phylogenetic analysis of anammox bacteria in each enrichment culture revealed that dominant anammox bacteria were affiliated within Candidatus Brocadia and Candidatus Kuenenia lineages. T-RFLP analysis revealed that Candidatus Kuenenia stuttgartiensis was the dominant bacteria in the anammox gel carriers during a pilot plant test.
Novel aerobic denitrification system using simultaneous nitritation and anammox in single reactors was developed. Two types of gel carriers, a nitritation gel carrier and an anammox gel carrier, were installed in single reactor. As a result, stable denitrification performance was observed. The aerobic denitrification rate of 1.0 kg-N/m3/day was observed for one month in the 10 m3 scale of pilot plant test. The results of FISH analysis showed that AOB were detected on the surface of the anammox carriers.
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