単段充填床におけるPN/Aプロセスの高速立ち上げと窒素除去のメカニズム

Fast start-up of PN/A process in a single-stage packed bed and mechanism of nitrogen removal.

• Yaqi Xie
• Chuanyi Zhang
• Limei Yuan
• Qieyuan Gao
• Hai Liang
• Nana Lu

抄録

単段式部分硝化アナモックス(PN/A)プロセスは、起動時間が長く、窒素除去効率が不安定であることが大きな課題である。本研究では、多孔質バイオ担体を設置した新規充填床を用いて、窒素導入量を徐々に増加させ(0.15-0.73kg-Nm-d)、溶存酸素量を制御することにより、67日間でPN/Aを開発し、平均アンモニウム窒素除去効率(1.2mgL以下)を達成した。その結果、平均アンモニウム窒素除去効率(ARE)は87.01%、全窒素除去効率(TNR)は72.41%を達成しました。これは、PN/Aの迅速な起動を達成するための信頼性の高い代替方法を表しています。16S rRNAシークエンシングの結果、アンモニア酸化細菌とアナモックス菌が所属するプロテオバクテリアとプランクトミセスが38.8%を占め、順化後の系内の支配的な菌門を代表することがわかった。また、ニトロソモナスは16％、カンディダス・ブロカディアは1.79％増加した。メタゲノミクスとメタトランスクリプトームの結果から、亜硝酸酸化過程は亜硝酸酸化還元酵素の転写抑制により阻害され、窒素代謝過程全体が部分的な硝化とアナモックス過程に支配されていることが明らかになった。さらに、窒素除去能を有する従属栄養細菌が高頻度で検出された。窒素循環では、広範囲の亜硝酸蓄積脱窒が亜硝酸ループの形成を助け、全窒素除去の効率を促進する。このことは、PN/Aシステムにおける窒素除去機構のさらなる改善のために極めて重要である。

The single-stage partial nitritation-anammox (PN/A) process is severely limited by a long start-up time and unstable removal efficiency. In this study, PN/A was developed in 67 days in a novel packed bed equipped with porous bio-carriers by gradually increasing the influent nitrogen loading rate (0.15-0.73 kg-N m·d) and controlling the dissolved oxygen (< 1.2 mg L). An average ammonium nitrogen removal efficiency (ARE) and total nitrogen removal efficiency (TNR) of 87.01 and 72.41%, respectively, were obtained. This represents a reliable alternative method of achieving rapid PN/A start-up. The results of 16S rRNA sequencing showed that Proteobacteria and Planctomycetes, with which ammonia-oxidizing bacteria and anammox bacteria were affiliated, accounted for 38.8%, representing the dominant phylum in the system after acclimation. The abundance of Nitrosomonas and Candidatus Brocadia increased by 16 and 1.79%, respectively. The results of metagenomics and metatranscriptomics revealed that the nitrite oxidation process was blocked by the transcriptional suppression of nitrite oxidoreductase and the entire nitrogen metabolism process was dominated by the partial nitritation and anammox process. Moreover, a high abundance of heterotrophic bacteria with potential for nitrogen removal was detected. In the nitrogen cycle, a widespread nitrite-accumulated denitrification helps to form a nitrite loop, which promotes the efficiency of total nitrogen removal. This is crucial for further improving the nitrogen removal mechanism in the PN/A system.