天然資源への圧力が高まり、きれいな水と持続可能でエネルギー効率の高い技術の必要性が高まっているため、廃水処理プラントは資源とエネルギーの回収の統合に向けて推進されています。最も一般的に使用されるアプローチは、廃棄有機物の嫌気性消化を追加することです.
嫌気性消化槽を好熱温度で操作すると、バイオガスの生産量が増加し、現場で熱と電気を生成するために使用できます。このプロセスの欠点は、嫌気性消化汚泥の脱水時に発生するリジェクト水の発生です。リジェクト水は、非常に高濃度のアンモニウム態窒素 (NH4) を特徴としています。 -N) (最大 2,000 mg/L)、有機物の分解中に細胞から放出されます。
多くの廃水処理施設では、廃棄された水は前処理なしでプラントのヘッドに再循環されます。主流プロセスに再循環されると、NH4 の 15 ～ 30% になります。 - 流入水への N 負荷。これにより、硝化が阻害され、曝気要件が増加し、全体的な窒素除去効率に悪影響を及ぼす可能性があります。
廃棄水の分離処理は、より良い代替手段です。これは、N リターン負荷を減らし、負荷変動を調整し、主流の N 除去効率を高めます。これにより、富栄養化の削減を目的とした環境規制にプラントが準拠するのに役立ちます。さらに、電力と化学薬品の消費量を削減します。低流量、高温、高 NH4 の処理に最適化された専用リアクターの使用 濃縮することで、廃棄水処理の効率を大幅に向上させることができます。
硝化/脱窒などの生物学的窒素除去 (BNR) プロセスは、通常、廃水処理で使用されます。従来の硝化・脱窒では、アンモニウム (NH4 ) 硝酸塩 (NO3 ) 亜硝酸塩 (NO2 経由) ) NO3 の形成と還元 窒素ガス (N2 ）。通常、このプロセスでは、連続する好気性および無酸素段階での酸素と易生分解性有機物の添加が必要であり、その結果、運用コストが高くなります。 NH4 の代替 BNR プロセス、ショートカット窒素除去 NO2 に酸化される (硝化) その後、N2 に還元されます (脱窒)、いくつかの利点を提供します。このプロセスでは、必要な曝気が 25%、炭素源が 40%、生成されるスラッジが 40% 少なくなります。
藻類は廃水処理にも使用されています。藻類は、直接窒素同化を使用するか、または硝化微生物によって消費される光の存在下で酸素を生成することにより、窒素を除去できます。藻類とバクテリアの共生は、特定の経済的利益をもたらし、従来の BNR プロセスをより経済的でエネルギー消費の少ないものにすることができます。最近まで、この研究の主な焦点は、硝化プロセスにおける藻類とバクテリアの使用でした。
私たちの研究室での以前の研究では、Wang et al。 (2015) は、藻類細菌コンソーシアムと簡易窒素除去を組み合わせた新しい技術を開発した最初の人です。明と暗のサイクルを交互に行い、外部の有機炭素源を追加する藻類-細菌の光シーケンシング バッチ リアクター (PSBR) を使用して、Wang et al. (2015) 95% NH4 を達成 嫌気的に消化された豚糞濃縮物からの除去。 PSBR では、明サイクル中に藻類が光合成を介して生成した酸素が硝化を促進しましたが、暗サイクル中には酸素が微生物によって急速に消費され、脱窒が促進されました (図 1)。
硝酸塩の生産に関与する亜硝酸塩酸化微生物の抑制は、高濃度のアンモニウムと亜硝酸塩、および低濃度の溶存酸素を使用して行われました。藻類の光合成は酸素の 74% をシステムに供給し、残りの 26% は機械的曝気によるものであると推定されました。これは、提案された PSBR が従来の BNR プロセスに比べてエネルギーとコストを大幅に削減できることを示しています。
荒城らによって行われた追跡調査において。 (2017) では、固体保持時間 (SRT) など、この新しいプロセスを支配する支配的な要因を理解し、PSBR 内の固体の濃度が光の利用可能性にどのように影響するかを説明する数学モデルを開発する最初の試みが行われました。酸素の生成と窒素の除去に関連しています。藻類プロセスを含むように修正された国際水協会活性汚泥モデル No. 3 は、実験データによく適合しました。
荒城ら。 (2017) は、それぞれ 7 日間と 11 日間の SRT で動作する PSBR で、非常によく似た総無機 N 除去効率が 95% と 94% であると報告しました。同時に、SRT が高い PSBR では固形分濃度が高くなり、セルのセルフシェーディングによる光強度の低下が観察され、その結果、硝化細菌の利用可能な酸素が対応して減少しました。私たちの現在の研究では、さまざまな SRT での微生物群集の組成の変化だけでなく、窒素除去の観点から、PSBR の性能に対する SRT の影響をさらに調べています。
窒素除去の短縮を伴う PSBR の利点にもかかわらず、脱窒には依然として有機炭素源の追加が必要です。化学物質の添加に関連するコストを削減するために、Manser et al。 (2016) ALGAMMOX と呼ばれる新しい概念を開発しました。 ALGAMMOX または藻類の嫌気性アンモニウム酸化は、1 つの PSBR 微細藻類、アンモニア酸化細菌、およびアナモックス顆粒に結合します (図 2)。
アナモックスは、無酸素条件下で亜硝酸塩の存在下でアンモニウムを窒素ガスに酸化します。独立栄養微生物であるため、代謝に有機炭素を必要としません。予備的な結果に基づいて、ALGAMMOX は、機械的な曝気や有機炭素の添加を必要とせずに、アンモニア強度の高い廃水から窒素を完全に除去できる可能性が大いにあることを示しました。
高濃度の廃棄物の流れの処理に関する問題は、高濃度の遊離アンモニアの存在が藻類に対して抑制効果を及ぼすことです。以前は、この問題は濃縮物を真水で希釈するか、フェドバッチ反応器アプローチを使用することで解決されていました。アンモニア強度の高い廃水を処理するための可能な戦略の 1 つは、Wang らによって提案されました。 (2018) 彼は、新しいハイブリッド藻類の光合成とイオン交換 (HAPIX) プロセスを提案しました。この過程で、チャバザイトに代表されるイオン交換材料ゼオライトによってアンモニウムが一時的に吸着され、液体中の遊離アンモニアの濃度が抑制レベル以下に低下します。その後のゼオライトからのアンモニウムの脱着により、藻類の成長が促進されます (図 3)。
実験の結果は、提案された HAPIX プロセスが、濃縮物に存在するほとんどのアンモニウムを吸着することにより、遊離アンモニアの毒性を低減できることを示しました。さらに、さまざまな用量のゼオライトが、藻類バイオマス中のタンパク質とデンプンの生産に影響を与えることが示されました。これは、動物の飼料として使用するため、またはポリマー生産のために収穫することができます。博士。 Ergas と Wang は、2018 年に HAPIX プロセスの特許 (17A090PRC_Ergas、出願中) を申請しました。
私たちの現在の研究では、機械的曝気と有機炭素の添加の必要性の両方を減らすために、イオン交換材料を藻類バクテリアバイオマスとアナモックス顆粒と組み合わせることにより、アンモニア強度の高い廃水を処理するために使用し続けています.新たに提案されたプロセスは、ALGAMMIX (イオン交換による藻類の嫌気性アンモニウム酸化) と呼ばれます。
これらの調査結果は、ジャーナル Water Research に最近掲載された、高アンモニウム強度廃水処理のためのハイブリッド藻類光合成およびイオン交換（HAPIX）プロセスというタイトルの記事に記載されています。 この作業は、南フロリダ大学の Meng Wang、 Karl A. Payne、および Sarina J. Ergas と、 南フロリダ大学、 中国地球科学大学、および Beijing Key Laboratory of Meat Processing Technology の Shuang Tong によって実施されました。
この資料は、助成金番号 1243510 および 1511439 の下で全米科学財団が支援する研究に基づいています。この資料で表明されている意見、調査結果、結論、または推奨事項はすべて著者のものであり、必ずしも国立科学財団の見解を反映するものではありません。 .
参考文献:
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