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高アンモニウム含有廃水処理のための単一反応器での部分硝化-アナモックスと短時間での硫黄自栄養脱窒の新規カップリングプロセス
A novel coupling process with partial nitritation-anammox and short-cut sulfur autotrophic denitrification in a single reactor for the treatment of high ammonium-containing wastewater.
PMID: 32438139 DOI: 10.1016/j.watres.2020.115813.
抄録
本研究では、機械的振動を利用したアップフローバイオフィルム反応器を用いて、部分硝化-嫌気性アンモニウム酸化（Anammox）（PNA）と硫黄自己栄養性脱窒（SAD）を組み合わせた新規なカップリングプロセスを研究した。低溶存酸素濃度(0.40±0.20mgL)では、全窒素除去効率(NRE)98%,流入NH-N濃度600mgLのカップリングシステムにより、合成廃水からアンモニアを効率的に除去することができた。本システムでは、アナモックス反応で生成した硝酸塩をSAD反応でタイムリーに還元することができました。従来のPNAプロセスとSADプロセスを1つの反応器で連結することで、従来のPNAプロセスとSADプロセスを連結した場合と比較して、SAD反応での亜硝酸塩の蓄積を防ぎ、総硫酸塩生成量を59%低減することができた。ハイスループットなシークエンス解析により、SAD菌(チオバシラス)とアナモックス菌(カンディダトゥス・クネニア)が元素性硫黄石上に共存できることが裏付けられた。さらに、高濃度のDO濃度下では、硫黄消費量と硫酸生成量が増加した。また、硫酸塩生成/硝酸塩還元率と基質のプロファイルの変化から、このカップリング系では主にショートカットSADプロセスが発生していることが示唆された。また、アナモックスプロセスの亜硝酸塩除去率は、SADプロセスの34.5倍であることがバッチ実験から示唆された。これらの実験結果から、SAD反応の中間生成物である亜硝酸塩の大部分がアナモックス反応の電子受容体として機能していることが明らかになった。このカップリング過程の化学量論的計算により、高いNREを有する新規な反応スキームが成功裏に達成されたことが示された。理想的なショートカットSADプロセスでは、このカップリング系で硫黄消費量の55%近くを削減できることがわかった。このカップリングシステムは、単一反応器での窒素除去に新たな視点を提供し、廃水処理プロセスにおけるアナモックスとSADの性能をさらに促進します。
In this study, a novel coupling process with partial nitritation-anaerobic ammonium oxidation (anammox) (PNA) and sulfur autotrophic denitrification (SAD) was studied using an upflow biofilm reactor with mechanical vibration. At a lower dissolved oxygen (DO) concentration (0.40 ± 0.20 mg L), ammonia could be efficiently removed from synthetic wastewater by the coupling system with a total nitrogen removal efficiency (NRE) of 98% and an influent NH-N concentration of 600 mg L. In this system, the nitrate, which was produced during the anammox reaction, could be timely reduced by the SAD reaction. Compared with the conventional PNA and SAD processes, coupling the PNA and SAD processes in a single reactor prevented nitrite accumulation in the SAD reaction and reduced the total sulfate production by 59%. The high-throughput sequencing analysis supported that the SAD bacteria (Thiobacillus) and anammox bacteria (Candidatus Kuenenia) could coexist on the elemental sulfur stone. Additionally, sulfur consumption and sulfate production were increased under a high DO concentration. The sulfate production/nitrate reduction ratio and changing profile of the substrate suggested that the short-cut SAD process mainly occurred in this coupling system. Otherwise, batch experiments also suggested that the nitrite removal rate in the anammox process was 34.5 times higher than that in the SAD process. The outcomes of these experiments revealed that most of the nitrite, as an intermediate product in the SAD reaction, served as an electron acceptor for the anammox reaction. A stoichiometric calculation of this coupling process indicated that the novel reaction scheme with a high NRE was successfully achieved. Under an ideal short-cut SAD process, almost 55% of the sulfur consumption could be reduced in this coupling system. The coupling system provides a new perspective for nitrogen removal in a single reactor and further promotes anammox and SAD performance in wastewater treatment processes.
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