根本笙
嫌気的メタン酸化脱窒微生物の培養条件の検討と散水ろ床型リアクターへの適用
山口隆司、幡本将史
廃水中の窒素化合物は富栄養化の原因となる．そこで，下水処理場では窒素化合物を廃水中から除去する技術として生物学的窒素除去法が利用されている．この処理法では，廃水中の主な窒素化合物であるアンモニアは微生物により亜硝酸，硝酸へ酸化されたのち，脱窒反応により窒素ガスとなり大気中に放出される．このとき，脱窒反応において，温室効果ガスである二酸化炭素，メタン，一酸化二窒素が排出される．一酸化二窒素は二酸化炭素の約300倍の温室効果を持つため，下水処理において一酸化二窒素の排出が問題となっている．また，従来の生物学的除去法では硝酸から窒素への脱窒において電子供与体として有機物などが必要となる．近年，電子供与体としてメタンを用いて亜硝酸態窒素および硝酸態窒素を嫌気的に脱窒する微生物が発見された．この微生物による反応は有機物を用いることなく硝酸態窒素を還元する.さらに，この微生物は脱窒反応において温室効果ガスである一酸化二窒素を生成しない．よって，嫌気的メタン酸化脱窒反応は下水処理において有機物添加の必要がなく，かつ温室効果ガス排出量を削減可能な今までにない新たな窒素除去プロセスとして注目されている．
嫌気的メタン酸化脱窒反応は古細菌による硝酸から亜硝酸への還元と真性細菌による亜硝酸から窒素ガスへの還元により成り立つことが報告されているが，いまだ脱窒システムへの実用化はなされていないのが現状である．実用化がなされない原因としては嫌気的メタン酸化脱窒微生物の培養に関する知見，特に古細菌の培養に関する知見は非常に少ないことと，嫌気的メタン酸化脱窒プロセスの実用化に適したリアクターの報告が少ないことがあげられる．
そこで、本研究では嫌気的メタン酸化脱窒微生物の適切な培養条件の検討と下降流懸垂型スポンジ担体 (DHS) リアクターを用いた嫌気的メタン酸化脱窒微生物の培養を行った．DHSリアクターは気液接触率，微生物保持性能共に高いためメタンを用いて反応を行う嫌気的メタン酸化脱窒微生物の反応に適していることが予想される．さらに，嫌気性処理を組み合わせることで，回収されるメタンを用いて脱窒が可能となることから，外部からの有機物供給を必要としない効率的な下水処理システムとなることが期待される．
Nitrogen compound in the wastewater causes Eutrophication. Therefore, in wastewater treatment plant, nitrogen compound are removed by biological method. In biological nitrogen removal method, ammonia that is main nitrogen compound in wastewater is oxidized to nitrite and nitrate. After that, nitrite and nitrate are released to atmosphere by reducing to nitrogen gas. Then, GHG such as carbon dioxide, nitrous oxide and methane gas are discharged. Nitrous oxide discharge is an issue because its greenhouse effect is 300 times of carbon dioxide’s greenhouse effect. Recently, new nitrogen removal process which couples the oxidation of methane to nitrite reduction was discovered. It was named nitrite-dependent anaerobic methane oxidation (N-DAMO). The nitrogen removal process by N-DAMO doesn’t discharge nitrous oxide. Therefore, N-DAMO attracts attention as new wastewater treatment process that can reduce emissions of GHG.
According to previous research, N-DAMO reaction consists of two reduction reactions. First step is reduction from nitrate to nitrite by Archaea. And second step is reduction from nitrite to nitrogen gas. The knowledge about N-DAMO enrichment conditions and reactor is insufficient. Therefore, N-DAMO reaction has not been use by wastewater treatment yet.
In this study, we investigated optimal enrichment condition of N-DAMO and applicate to the Down-flow Hanging Sponge (DHS) reactor. Because DHS reactor has high gas-liquid contact ratio and microbial retention capacity, it is expected that DHS reactor is suitable for N-DAMO reaction. Furthermore, it is ecpected that N-DAMO reaction in DHS reactor becomes to effective wastewater treatment system without organic matter supply.
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