同時硝化による有機物除去

Scientific Reports volume 12、記事番号: 1882 (2022) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2022 年 11 月 17 日に公開されました

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豚の廃水処理は、有機物 (OM) と窒素 (N) 濃度が高いため、効率的なプロセスが必要であり、複雑な課題です。 この研究は、豚廃水を供給した上向流嫌気性汚泥ブランケット (UASB) 反応器からの OM および N 除去のための 2 つの異なる支持媒体を評価することに焦点を当てました。 バイオフィルムと浮遊バイオマスの両方に対する最大比硝化（MSNA）および脱窒（MSDA）活性試験は、支持体としてポリウレタンフォーム（R1）およびポリエチレンリング（R2）を使用して実施されました。 結果は、R2 システムが R1 よりも効率的であり、77 ± 8% の OM 除去と 98 ± 4% の N 除去に達していることを示しました。これは、記録されたより高い比脱窒活性 (5.3 ± 0.34 g NO3-N/g TVS・h) に起因します。 さらに、廃水中の初期窒素の 40 ± 5% は SND を通じて窒素分子に変換された可能性があり、そのうち揮発したのは 10 ± 1% だけでした。 この意味で、MSDA のテストでは、浮遊バイオマスが窒素除去の少なくとも 70% に関与しており、バイオフィルムに起因すると考えられるのは 20% だけであることが示されました。 SND は、系の原核生物群集の 54.4% を占めるシュードモナス属の存在により、微生物の多様性の分析によって確認できました。

窒素は生物学的成長に不可欠な栄養素であり、すべての生物の主要構成要素の 1 つです。 ただし、次の理由により、その過剰な存在は避けるべきです: (a) 還元型の窒素は、受け入れ水域で酸素要求を引き起こします1、(b) アンモニアと亜硝酸塩は、濃度が 0.045 および 0.20 mg/L を超えると魚にとって有毒です。それぞれ2、(c) 窒素濃度の高い廃水は、その消毒に大量の塩素を必要とする3、(d) 濃度がそれぞれ0.2 mg/Lを超える亜硝酸塩と1.5 mg/Lを超える硝酸塩、および0.10 mg/Lを超える濃度のリンが必要です。 L は湖や水域の富栄養化を引き起こす可能性があり、その結果、藻類やその他の水生植物が制御されずに成長することになります4,5。 窒素は、濃度、pH、温度に応じて、アンモニウム (NH4+) とアンモニア (NH3+) というさまざまなイオン化形態で廃水中に現れることがあります6。

実際、水から窒素を除去するためにさまざまな技術が提案されています。 これらの技術には、イオン交換、吸着、逆浸透などの物理化学プロセスや、活性金属や触媒法などの化学プロセスが含まれます7、8、9、10。 しかし、これらの技術は、非貴金属 Ni-Fe 陰極を使用した低濃度 (50 mg/L) の硝酸塩の除去を報告した Jonoush ら 11 のように、高濃度のアンモニアや他の N 種の除去には焦点を当てていません。 窒素除去のためにさまざまな生物学的技術が開発されています。たとえば、(i) SHARON プロセスとして最もよく知られている、亜硝酸塩から高アンモニウムを除去するための単一反応器システムは、低酸素条件下での 50% の亜硝酸塩へのアンモニウム酸化に基づいています (< 0.7 mgのO2/L）; （ｉｉ）嫌気性アンモニウム酸化（ＡＮＡＭＭＯＸ）。アンモニウムが電子供与体として機能し、亜硝酸酸素が電子受容体として機能して、ガス状窒素を得る。 (iii) 同時硝化脱窒 (SND)。これは、好気性リアクター内で見られる細菌集団の内部に無酸素ミクロゾーンを形成することによって行われます。 好気性ゾーンと無酸素性ゾーンが共存すると、OD 分布により、SND 内で独立栄養性硝化微生物と従属栄養性脱窒微生物の自己集合が起こります。 したがって、高炭素含有廃水を嫌気処理し、その後の好気系で硝化・脱窒を促進し、従属栄養微生物とのDOの競合を減らすことが非常に重要です。 また、C/N 比が高い流入水は、従属栄養菌の優勢により、硝化細菌の存在量や硝化プロセスの効率に悪影響を与える可能性があります。 全窒素（TN）除去率はC/N比19.5で77％、C/N比7.712で87％に達したとの報告があります。 したがって、SND は、250 mg N/L を超える濃度のアンモニウムやその他の窒素化合物を除去するための最も有望な技術となっていますが、注目に値し、さらなる研究がまだ必要です 13,14。

近年、さまざまな処理技術の組み合わせにより、残留性汚染物質の除去が向上しています。 この意味で、好気性処理システムは、バイオフィルムの形で多種多様な微生物を増殖させるための支持材と組み合わせることで改良されており、これにより制御が容易になり、より高い効率を達成することができる15。 このプロセスは、より高いバイオマス濃度、操作の簡素化およびより高いプロセス安定性、浮遊増殖システムおよびバイオフィルムの拡散障壁に関連する高い排水品質など、従来の活性汚泥プロセスに比べていくつかの明確な利点を提供し、バイオマスが不可逆的な影響を受けにくいことを意味します。衝撃または有毒な負荷の発生の可能性による損傷16。 バイオフィルムベースのシステムでは、酸素の限定的な拡散とバイオフィルム内の電子受容体として生成された NOx の同時拡散により、同じ生態系内にマクロな酸素欠乏領域が形成されます。 これにより、懸濁バイオマスの固体保持時間とは無関係に、連続通気バイオリアクター内で硝化と脱窒を同時に行うことが可能になります17。 サポート材には幅広い種類があり、その中には木材、砂利、岩などの有機または合成のものもあり、合成材料: セラミック、ナイロン、ポリエチレン、ポリウレタン 18 ポリエチレンとポリウレタンは、表面積の関係で最も一般的に使用されます。 （200 ～ 1200 m2/m3）と細孔の数により、細菌の付着が促進されます19。 これらの支持媒体のいくつかの利点は、水よりも密度が低いため、空気流、水力速度、質量および酸素移動への影響20に影響を与える可能性があるほか、耐久性があり、必要な容積が少なく、リサイクルや逆洗が不要で、負荷変動の場合でも機械的介入が不要です。

生物学的プロセスを実行するには、その適切な機能のために生物学的システムに適合する微生物の構造を理解することが必要です1。 硝化は、アンモニア酸化細菌 (AOB) の助けを借りて NH4+ を NO2- に酸化し、続いて酸化細菌 (NOB) によって亜硝酸塩を硝酸塩に変換する生物学的好気性プロセスであり、両方の細菌グループは化学独立栄養性硝化細菌と呼ばれます 21。 アンモニア酸化についてはニトロソモナス、ニトロソコッカス、ニトロソスピラが主に報告されているが、亜硝酸酸化ではニトロバクター、ニトロシスチス、ニトロスピラが報告されている22。 脱窒は、無酸素条件下での酸化窒素形態 (NO2- および NO3-) から分子状窒素への非同化的還元プロセスです。 このプロセスは、代謝に有機炭素源を使用して従属栄養細菌によって実行されます22。 脱窒はさまざまな細菌群によって行われる可能性がありますが、それらは一般に従属栄養微生物（門、プロテオバクテリア、ファーミクテス、チオバチルス・ベルストゥスなど）であり、独立栄養生物（チオバチルス・デニトリフィカンスおよびモクロコッカス・デニトリフィカンス）によって行われることはそれほど多くありません23。 浮遊バイオマスとバイオフィルムの両方における支持培地を伴う好気系における異なる細菌集団の多様性の例としては、Enterobacter cloacae、Vibrio diabolicus、Bacillus、および Pseudomonas stutzeri が挙げられます。 最後の細菌は豚の糞尿から分離されており、硝酸塩と亜硝酸塩を除去する能力と、好気条件下でアンモニウムを窒素ガスに還元する能力を持っており 24、この菌株が従属栄養性硝化と好気性脱窒を実行できることを示しています 25。代謝および微生物集団の観点からは 26、同時に硝化と脱窒を行う浮遊および固定バイオマスを含むシステムに関する情報はほとんどありません。

これに関連して、この研究の目的は、ポリウレタンフォーム (R1) とポリエチレンリング (R2) を備えた 2 つの好気性固定膜システムからの窒素と有機物の除去を評価することです。 さらに、窒素除去プロセスに関与する主な微生物を特定するために、最も効率的なパックベッドバイオフィルムシステムの微生物学的分析が実行されます。

実験に使用されたバイオマスは、カドミウムの南に位置する廃水処理プラントのプロセスの一部として、曝気されたラグーンから得られました。 メキシコ北西部、ソノラ州オブレゴン。 リアクターには、1 L の好気性バイオマス、20.4 g/L の全固形分 (TS) および 7.66 g/L の全揮発性固形分 (TVS) と予め 1 週間接触させた支持培地を接種しました。

2 つの好気性固定膜反応器、R1 (ポリウレタンフォームで満たされた) と R2 (ポリエチレンリングで満たされた) は、それぞれ 0.9 L の容量を持ち、0.4 ～ 0.5 日の水力滞留時間 (HRT) で 330 日間連続運転されました。平均溶存酸素 (DO) 濃度は 3.35 mg/L。 巨大なポンプを通じて反応器内でボトムアップ曝気を行った。 図 1 にシステムの概略図を示します。 表１にサポート材の特性を示します。

好気性固定膜システムの概略図。

固定膜反応器には、母性生産プロセスを備えた農場からの豚廃水を処理する UASB の廃液が供給されました。 表 2 は、評価した 2 つの固定フィルム システム飼料の物理化学的特性を示しています。この飼料では、化学的酸素要求量 (COD) 0.6 ± 0.3 kg/m3day の有機負荷率 (OLR) が維持されました。

固定膜反応器の流入液と流出液では、次の分析手法が実行されました:有機物の化学的酸素要求量 (COD)、全固形分 (TS)、全揮発性固形分 (TVS)、硝酸塩 (NO3- N)、亜硝酸塩 ( NO2-N) およびアンモニウム (NH4+-N) は、米国公衆衛生協会で定められたものに準拠しています27。

評価したシステムの硝化および脱窒活性を知るために、Bassin et al.28 が提案した方法論に基づいて不連続アッセイを実行しました。 硝化活性アッセイでは、R1 および R2 を、(1) 担体材料中の懸濁バイオマス + バイオフィルムを使用して評価し、(2) 懸濁バイオマスのみ (担体材料なし) で評価しました。 硝化活動は不連続に実行され、システムへの供給を停止し、続いて 100 mg NH4+-N/L のストック溶液を注入しました。 サンプルは、10 時間にわたって 1 時間ごとに、その後 2 時間ごとに合計 36 時間、各反応器の上清から収集されました。 硝化活性を知るために、設定された時間ごとに可溶性窒素形態 (NH4+-N、NO2-N、および NO3-N) を測定しました。 最終サンプリング時間での NH4+-N 除去を決定した後、その体積除去率 (VRR) を式 1 に従って計算しました。 (1):

mg NH4+-N/g TVS・h 単位の最大比硝化活性 (MSNA) の結果は、アンモニウムの形での窒素の体積除去率 (VRR) を懸濁および固定バイオマス濃度の TVS で割ることから得られました (式2):

脱窒活動に関しては、硝化活動と同様に開発され、餌を不連続に停止する 2 つの好気システムで実行されました。 最大比脱窒活性 (MSDA) の間、R1 および R2 システムに NaNO3 および C2H3NaO2 の濃縮ストック溶液が注入されました。 その結果、理論値に到達する目的で、時間ゼロにおける濃度は R1 と R2 でそれぞれ 82 ± 0.17 および 77.71 ± 2.02 mg の NO3- N/L および 261.42 ± 8.75 および 250 ± 5.41 mg COD/L が得られました。 NO3- N/L 80 mg および COD/L 250 mg の値で、連続システムの流入水の状態をシミュレートします。

この実験におけるサンプリング時間は、硝化活性の時間と同じでした。 最終サンプリング時間における硝酸塩中の窒素濃度を決定した後、NO3-N の VRR を計算し、除去された硝酸塩の形での窒素濃度 (mg/L) を時間で割ることによって得ました (式 3)。

続いて、硝酸塩中の窒素 VRR をシステム内のバイオマス濃度の TVS で割ることにより MSDA が得られました (式 4)。

1.5 mL のバイオフィルム量を滅菌円錐形マイクロチューブに採取し、5000 rpm で 15 分間遠心分離しました。 各マイクロチューブの上清を廃棄し、最後のペレットを核酸抽出に使用した。 全 DNA 抽出は、DNeasy PowerSoil キット (Qiagen、デラウェア州ハイデン) を製造業者の指示に従って使用し、0.1 ～ 0.12 g のペレットから開始して実行されました。 抽出に続いて、DNA を蛍光光度計 Qubit 3.0 (ThermoFisher Scientific、米国マサチューセッツ州ウォルサム) で定量化し、その後の処理までサンプルを -20 °C で保存しました。 細菌および古細菌の多様性は、特異的プライマー 515F (5'-GTGCAGCMGCCGCGGTAA-3') および 806R (5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3') を使用して V4 16S rRNA 領域を増幅することによって決定されました。 エンドポイントポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) は総量 25 μL で実行され、各反応の濃度は以下で構成されます: ~ 10 ng DNA、1X PCR バッファー (Mg2+ 不含)、0.4 μM の各オリゴヌクレオチドプライマー、800 μMデオキシヌクレオシド三リン酸 (dNTP) ミックス (dATP、dCTP、dTTP、および dGTP)、5% のジメチルスルホキシド (DMSO)、1.5 mM MgCl2、および 1 U の DNA Taq ポリメラーゼ ExTaKaRa Taq (タカラバイオ株式会社、草津、滋賀、日本)。 増幅プロトコールは、95 °C、3 分間の最初の DNA 変性、その後の 35 回の変性サイクル (95 °C、30 秒)、ハイブリダイゼーション (52 °C、40 秒)、および伸長 (72 °C、90 秒) で構成されました。 、最終伸長は 72 °C で 10 分間行います。 得られたアンプリコンは、Agencourt AMPure XP PCR Purification System (Beckman Coulter、Brea、CA、USA) キットを使用して磁気パールで精製され、プラットフォーム Illumina MiSeq (Yale University、USA) での配列決定のために出荷されました。 得られた配列はプラットフォーム QIIME2 (https://qiime2.org) で解析されました29。 アンプリコン配列バリアント (ASV) は、Silva (https://www.arb-silva.de/) データベースを使用して分類学的に分類されました。 主要な微生物グループのチャートと相対存在量は、R (The R Core Team 2012) プラットフォームの RStudio (1.2.5042) 環境でプログラム「phyloseq」30 を使用して実行されました。

結果は平均標準偏差（SD）±として表した。 データは、Minitab (バージョン 17.0) ソフトウェアを使用した二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して分析されました。 ANOVA によりグループ間の差異が特定された場合、Tukey の正直法を使用して、p < 0.05 の有意水準で平均値の多重比較を実行しました。

有機物の除去は、システムの流入水と流出水の両方における有機負荷率を測定することによって評価されました（図 2）。 流入水濃度は 300 ± 100 mg COD/L に維持され、R1 と R2 は両方とも、それぞれ 72 ± 7 および 77 ± 8% という同様の COD 除去率を示しました。 浮遊バイオマスバイオフィルム（150日目）のみを用いた硝化活性試験を行うためにシステムフィードを停止し、懸濁バイオマス（200日目）および脱窒活性（250日目）のみを行ったことは言及する価値がある。 さらに、浮遊バイオマスおよびバイオフィルムのサンプルを各アッセイ後に採取して、揮発性浮遊固体 (VSS) を定量しました。 したがって、最近ではR1とR2の不安定化が観察され、除去効率の低下が生じています（図2）。 統計分析の結果、R1 と R2 の間で有機物の除去に有意差は観察されず (p ≤ 0.05)、操作の最初の 50 日間で定常状態に達したことがわかりました。

UASB 排水による有機負荷率 (OLR) (kg COD/m3・d) の除去効率。 ここで: (a) はポリウレタン フォームの R1 であり、(b) はポリエチレン リングの R2 です。 (黒丸) 化学的酸素要求量 (COD) の除去率。 （黒三角）流入水と（黒菱形）流出水。 線は、両方の不連続反応器で硝化および脱窒活動が行われた日を示しています。

同様の結果は、COD 濃度 185.80 ± 45.8 mg/L の家庭廃水を供給し、水力滞留時間 (HRT) 0.5 日で運転する膜バイオリアクターに連結された移動式充填層バイオリアクター (MBBR-MBR) によっても達成されています。 市販のカルドネス タイプ「K1」を使用したこれらの充填層システムは、全体積の 35% の充填率で、83 ± 2.11% という全体的な COD 除去効率を示しました 31。 Mazioti et al.32 は、商用 AnoxKaldnes タイプを充填し、1.1 日の HRT で運転し、家庭排水および流入水濃度 270 mg COD/L で有効量 4.5 L の MBBR システムを運転した場合、COD 除去効率が 86.6% だったと報告しています。 k3"サポート材充填体積率30%。 Boutet et al.33 は、平均濃度 457 mg/L COD および 0.5 日の HRT の都市廃水を使用し、不活性材料「BIONEST」を使用した充填層システムを運転し、47% の COD 除去効率を達成しました。

一般に、この研究で評価されたシステムは、他の著者が報告したシステムと同等またはより高い効率に達しました。このシステムは、充填材の割合、流入水中の COD 濃度、支持材の種類などの変数だけでなく、開発されたバイオマス濃度にも依存しました。システム内部にあります。 材料表面に発生したバイオマスは、R1 と R2 でそれぞれ 18 ± 5 g TVS/L と 21 ± 3 g TVS/L でした。 このバイオフィルムは、おそらくこれらの材料の内部に向かってさまざまな酸素濃度勾配を生じさせます。 システム内の酸素濃度の違いにより、酸素が容易に浸透できないバイオフィルムの最も深い領域に無酸素ゾーンが出現する可能性があります。 前者は、従属栄養生物がその代謝と成長のために有機炭素を同化することを可能にし、脱窒プロセスを引き起こし、COD の形で有機物の除去を促進します13,34。

図 3 は、NH4+-N 除去に対する固定膜システムの性能を示しています。 このパフォーマンスは UASB 廃液を供給したときのシステムの動作を表しており、硝化および脱窒活動は方法論で示されているように合成溶液を使用して実行されたことを指摘する価値があります。 システム R1 および R2 の 330 日間の運転中、流入液濃度は 100 ± 35 mg NH4+-N/L に維持され、NH4+-N の完全な除去効率 (99.9%) を示しました。 R1 と R2 の流入水の低い C/N 比 (⁓7) によると、これは豊富な硝化細菌と脱窒細菌にプラスの影響を及ぼし、SND プロセスを促進した可能性があります。

UASB 排水による NH4+-N の除去効率。 ここで、(a) は R1 ポリウレタン フォーム、(b) は R2 ポリエチレン環です。 (黒丸) 化学的酸素要求量 (COD) 除去率。 (黒三角) 流入水と (塗りつぶし菱形) 流出水。 線は、両方の反応器で硝化および脱窒活動が非連続的に実行された日を示しています。

さらに、Lo ら 35 は、サポート付きの好気系で硝化活動が行われるため、高い効率が可能であると結論付けています。 硝化活動は、システム内の浮遊バイオマスと支持体に付着した固定バイオマスの両方によって行われます。 しかし、Bassin ら 28 は、浮遊バイオマスがアンモニウム除去プロセスで最も重要な役割を果たし、脱窒プロセスで主な役割を果たすバイオフィルムと比較して硝化活性が比較的高いことを示しました。 さらに、完全な窒素除去は、SND プロセスと新しい細胞形成のための従属栄養生物による窒素同化の両方の結果として間接的に達成される可能性があります。 Lo ら 35 は、HRT 8 時間のハイブリッド バイオフィルム システムで SND プロセスが実行された場合、初期窒素の合計の約 34% がバイオマス形成に使用されたと報告しました。 この結果は、窒素の大部分が SND プロセスによって除去されるが、バイオマス形成の収率が伴うプロセスを意味します。 このプロセスに加えて、シュードモナス属などの SND に関与する細菌の複製時間は最大 30 分と低く 34、そのため、これらの細菌による窒素同化が R1 および R2 のパフォーマンスに重要な役割を果たしている可能性があります。

マツモトら 36 とウーら 37 は、プラスチックやセラミック膜などの不活性材料を用いたバイオ フィルム システムにおける SND プロセスを観察し、バイオ フィルムの内部領域に AOB および NOB 細菌が存在し、また、従属栄養細菌が存在することによってこれらのプロセスを証明した。同じバイオフィルム表面です。 この意味で、Bassin et al.28 によれば、NH4+-N 除去の最大 20% はバイオフィルムに起因する可能性があり、懸濁バイオマスはこのプロセスの最大 70% に寄与していると考えられます。 最後に、図 3 は、統計分析によると、各システムによって達成された NH4+-N 除去効率が安定しており、それらの間に有意差がないことも示しています (p < 0.05)。

Sahariah ら 38 は、充填容積 15.7% のポリマーフォーム支持体を備え、濃度 125 mg NH4+-N/L を供給した連続移動式充填層バイオリアクターを操作しました。 報告されたシステムは、NH4+-N の 68% の除去効率を示しましたが、これはこの研究で得られた値よりも低い値です。 一方、Bassin ら 28 は、有効容積 1 L の 2 つの移動式充填層バイオリアクターを操作しました。1 つは市販の合成担体「Kaldnes K1」を充填し、もう 1 つは充填容積 50% の「MutagBiochip」を充填しました。 、0.5 日間の HRT で操作し、100 mg の濃度の NH4+-N/L を供給しました。 著者らは、90% を超える NH4+-N 除去効率を達成しました。 この研究で評価した担体材料は 15 ～ 50% の範囲の充填体積を占め、NH4+-N 除去効率 > 99% に達していることに注意してください。 この意味で、この研究で評価したシステムは、同様のシステムと比較してはるかに高い効率を実証しました。 前述したように、この優れた性能は、アッセイの最後に測定されたバイオフィルムの存在 (R1 および R2 でそれぞれ 18 ± 5 および 21 ± 3 g TVS/L) によるものである可能性があります。 Ødegaard et al.39 および Bassin et al.28 は、支持媒体に付着したバイオマスの量は表面積だけでなく、その形状や材料構成にも依存することを示唆しました。 これらの発見は、パラボラアンテナの形状を有する Mutag Biochip としての支持体が、周囲の液体との激しい接触により頻繁に摩耗力にさらされ、バイオフィルムの剥離と付着固体の量に有利に働くことを示しています。 一方、円筒形またはリングのタイプの支持体はバイオフィルムの蓄積に有利です。

システムの硝化および脱窒活性は、R1 および R2 について 36 時間で評価されました。 システムは連続的に動作し、これらのアッセイではバッチ モードに設定され、フィード フラックスが停止されました。 図 4 は、MSNA アッセイ中のアンモニウム除去を示しています。 アッセイの 10 時間目では、NH4+ 除去率は両方のシステムで 20 ± 5% でした。 5 時間後、システムは 2 倍の除去に達しました。 10 時間目から開始して、除去量は R1 と R2 でそれぞれ 90 ± 6 および 98 ± 4% の NH4+-N 除去に達するまで大幅に増加し始めました (図 4)。 この結果は、微生物が連続的に活動する状態から非連続的に動作するようになったときの、システム内の微生物の適応プロセスを示している可能性があります。 硝化プロセスは阻害されませんでしたが、硝化プロセスが遅くなりました。

懸濁および固定バイオマスアッセイ (SB + FB) における NH4+-N 濃度の挙動: (a) R1 はポリウレタンフォーム (b) R2 はポリエチレンリング。 (X) mg NH4+-N/L の除去効率の追跡 (黒丸)。

両方のアッセイ (R1 と R2) で挙動が類似していたにもかかわらず、R2 システムはより高い NH4+-N 除去に達しましたが、R1 は実行された統計分析によると有意ではありませんが、わずかに低い除去を示しました (p > 0.05)。 さらに、アッセイの終了時には、両方のシステムで窒素の損失が明らかでしたが、決定された可溶性形態のいずれにも窒素の損失は見出されず、R1 と R2 でそれぞれ約 60% と 65% でした。 おそらく、これらの定量化されていない窒素の割合は、SND によって分子状窒素に変換されたものと考えられます。 Garzón-Zuñiga et al.13 は、支持材にバイオマスを固定した曝気システムは、無酸素環境での増殖を達成する従属栄養細菌から始まる脱窒プロセスを開発できると説明しました。 Lo ら 35 は、ハイブリッドバイオフィルムシステムにおけるアンモニウムから窒素ガスへの窒素の変換を研究しました。 結果は、可溶性窒素の約 60% が SND プロセスによって窒素ガスに変換されたことを示しました。 一方、シュードモナス属のいくつかの種は、脱窒プロセスにおいて窒素化合物を還元できることが報告されている40。 Zhang et al.25 は、豚糞排水から Pseudomonas stutzeri YZN-001 を単離し、すべての窒素種の減少を評価しました。 たとえば、この菌株は、好気条件下で 275.08 mg/L の硝酸塩と 171.40 mg/L の亜硝酸塩を除去する能力を持っていました。 さらに、除去されたアンモニウムの 39% は完全に窒素ガスに酸化されており、この菌株が従属栄養性硝化と好気的脱窒を達成できることが示されました。

表 3 は、MSNA の結果と、さまざまな著者によって報告された結果を示しています。ここで、得られた値は、同様の条件下で動作したシステムについて書誌的に報告されている範囲内にあります。 この結果により、MSNA における懸濁バイオマスの重要性が観察できます: R1 と R2 でそれぞれ 3.13 および 2.05 mg NH4+-N/g TVS・h であり、両方のバイオマス タイプ (懸濁および固定) のシステムによって達成される値を含めるとさらに高くなります: 0.352 および R2 R1 および R2 に対してそれぞれ 0.253 mg NH4+-N/g TVS∙h。 Lo ら 35 は、ハイブリッドバイオフィルムシステムでは、硝化が主に浮遊バイオマスで生成され、バイオフィルムが脱窒において主な役割を果たすことを観察しました。 このようにして、同じ反応器内でのバイオフィルムと浮遊汚泥の相互作用により、結果として SND による窒素除去の一般的な収率が向上しました。 以前の情報は硝化アッセイで観察される可能性があります (表 3)。 一方、Mašić と Eberl41 は、浮遊バイオマスがバイオフィルム系におけるアンモニウム除去により重要な方法で寄与しているという数学的モデルを通じて証拠を発見しました。 しかし、硝化がバイオフィルム内でのみ起こると仮定すると、浮遊バイオマス中での硝化活性はあまり考慮されていません42。

一方では、R1 および R2 について、MSDA はそれぞれ 4.64 ± 0.13 および 5.3 ± 0.34 mg NO3- N/g TVS・h であり、結果は生物学的窒素除去 (BNR) システムについて報告されている範囲内にあります。 一方、決定された MSDA は、好気性バイオマスを接種し、実際の廃水を供給した BNR システムの SND プロセス (1.6 ～ 30 mg の NO3-N/g TVS h) について報告されたものと一致しました。 一方、従来の脱窒ルートと ANAMMOX (0.5 ～ 1.56 mg の NO3 - N/g TVS h) では、より低い MSDA 値が報告されました 43。 R1 および R2 の場合、硝化および脱窒代謝の活性化は、従来報告されているような異なる反応器または連続した反応器ではなく、同じシステム内で同時に SND 実行されます 31。 前者は、好気系における無酸素ミクロゾーンの存在によるものであり、その結果、系を通る酸素の拡散を制限する溶存酸素勾配が与えられる43。

この意味で、SND の主な説明は、脱窒微生物が系のバイオフィルムと懸濁バイオマスの両方に存在する可能性があるためです。 さらに、NH4+-N を電子供与体として、NO2-N を電子受容体として使用し、SND で N2 と NOX を生成する通性微生物の存在が証明されています13。

MSDA の場合、ポリエチレン リングはポリウレタン フォームよりも優れていることが示され、これはバイオフィルムの発生量に直接関係していました。 したがって、ポリエチレンリングは、NH4+-N 除去において最も効率的な支持材料として選択されました。 さらに、統計分析では、脱窒活性に有意でより高い差（p ≤ 0.05）が示されており、リングは、無酸素ゾーンを形成するためのより良い条件を作り出す可能性のある構成や材料の種類などの要因により、SDN 代替ルートを優先する可能性があります。主に脱窒プロセスが行われます。

図 5 は、MSDA アッセイの NO3-N 挙動、COD の形態の有機物、および除去効率をモニタリングして得られた結果を示しています。 MSNA とは異なり、R1 と R2 は異なる挙動を示し、システム R2 は NO3-N の 91 ± 2.24% と COD の 67.86 ± 0.4% を除去することで最も効率的でしたが、システム R1 は NO3- N の 52.32 ± 0.6% を除去しました。および COD の 57.42 ± 1.24%。 結果は、還元された NO3- N 1 g あたり 2.54 g COD が使用されたことを示しました。これは、Chatterjee ら 44 が報告した従属栄養性脱窒に関する有機要件 (2.86 g COD/除去された NO3- N 1 g)、より具体的には 2.08 に相当します。 C2H3NaO2 を炭素源として使用すると、g COD/g NO3- N が減少します12。

(a) R1 および (b) R2 の最大比脱窒活性 (MSDA) アッセイ中の消費行動 NO3-N および化学的酸素要求量 (COD) のタイム チャート。 ここで (黒丸) は NO3-N の濃度です。 (o) は NO3-N 除去率です。 (黒三角) COD 濃度 (mg/L) および (θ) はシステム内の COD 除去量です。

流出水 R1 および R2 で測定された窒素形態の結果は、流入水で測定された NH4+-N に関して定量化できなかった窒素濃度 (約 40 ± 5%) を証明しました。 物質収支は、R1 および R2 の流出物中で定量化されたことを示しました。NO3-N の形で 55 ± 11% および 54 ± 10%。 NO2-N では 2.58 ± 2 および 3.4 ± 2.5%、NH4+-N では 3.03 ± 4.02% および 5.07 ± 6.84%。 これらの結果に基づくと、運用されているシステムは SND プロセスを示していた可能性があります。

マツモトらによると 36、SND はバイオマスとバイオフィルムが懸濁し、廃液中に窒素の損失が見られる反応器に関連しているとのことです。 酸素欠乏状態は脱窒代謝を活性化し、これはバイオフィルム細菌共同体内部の酸素欠乏ミクロゾーンによってもたらされます。 これらのミクロゾーンでは、酸素は浸透できませんが、硝化細菌によって生成される NOx は浸透できます。 Garzón-Zúñiga13 によれば、バイオフィルムの表層で硝化細菌によって生成された硝酸塩は、1 つの濃度勾配によって最深層に向かって浸透する可能性があります。 酸素濃度が非常に低いかゼロであるこれらの最深層に侵入すると、脱窒細菌は亜硝酸塩と硝酸塩を受容体として使用し、窒素分子 (N2) に変換します。窒素分子はガス状の流出物とともにシステムから流出し、カウントできるようになります。可溶性の形で。

以前の情報は、ガス状の環境への NH4+-N の損失が 10 ± 1% と測定された追加で実行された揮発アッセイと一致します。 一部の著者は、ストリッピングによる 8 ～ 15% の損失も報告していることは言及する価値があります 11,37。 この意味で、Garzón-Zúñiga et al.13 は、有機材料を含む充填層バイオフィルターでは、窒素の損失が生物学的収着、濾過、同化機構によって行われることを発見しました。 これらの著者らは、流入水中に見つかった合計 NH4+-N のうち、10% が酸化された NO2- N、さらに 10% が NO3-N となり、40% が SND プロセス中に失われ、10% が揮発し、6% がシステム内に保持されたと報告しました。 3.5% が残留 NH4+-N として検出されました。 Zhao ら 26 はまた、グレープフルーツの皮や、ポリウレタン、SPR-1 サスペンション、弾性充填材 TA-II などのいくつかの従来のプラスチックなど、さまざまな支持媒体の組み合わせを調べた、充填層システムでの SND プロセスを報告しました。 結果は、これらの材料を組み合わせることで、アンモニウムと窒素の総除去率がそれぞれ 96.8 ± 4.0% と 78.9 ± 9.5% という効率的な SND プロセスを達成できることを示しました。 さらに、微生物分析により、Thiothrix、Gemmata、およびCommanonadaceaeの優勢な属が証明され、従属栄養性硝化が示され、SNDプロセスを促進するものと同じでした。 さらに、Walters ら 45 は、懸濁バイオマスと生分解性支持媒体に付着したバイオフィルムを使用したバッチ システムを操作しました。 これらの著者らの結果と実験は、脱窒が支持構造の細孔の内部で行われる一方で、硝化が浮遊バイオマス中で達成される可能性があることを明確に示した。

ポリエチレンリングのバイオフィルムで見つかった微生物群集を分析しました。 このシステムは、ポリウレタンフォームに関してより高い濃度に加えて、窒素および有機物の除去能力に関してより優れた性能を示すために、分析のために選択されました。 この研究は、16S rRNA フラグメントの分析を通じて実行されました。 微生物群集全体の多様性の分類学的分類が実行され、門および属のレベルで得られた微生物が強調されました。 サンプルから得られた細菌存在量は 99% でした。 表 4 は、プロテオバクテリアがバイオフィルム リングが適合する主要な門であり、次に豚の廃水によく見られるバクテロイデス属とファーミキューテス属が続くことを示しています 46。 この結果は、活性汚泥を含む好気系の典型的な微生物学は約 95% の細菌で構成されていると述べた Alzate47 によって報告された結果と一致します。 一方、一定量の古細菌が観察されましたが、これは有意ではありませんでした (約 1%)。

これらの門内では、バイオフィルム リングでシュードモナスの存在が検出されました。 この細菌属は、曝気の存在下での脱窒プロセスに関連しています 48,49。 Zhang et al.25 は、豚の廃水から P. stutzeri を特定した。 これらの著者らは、このタイプのシュードモナス属は硝酸塩と亜硝酸塩だけでなくアンモニウムも変換し、好気条件下で最大 200 mg/L の NO3-N と 170 mg/L の NO2- N を完全に除去する能力があると結論付けています。 彼らはまた、脱窒プロセスを通じて約 95% の NH4+-N が除去されたことを観察し、この結果、除去された NH4+-N の 39% が合計 18 時間で完全にガス状窒素に酸化されました。 この結果は、この株がアンモニウムの形で窒素を効率的に除去する顕著な能力を備えた従属栄養性硝化および好気的脱窒の能力を有することを示した。 このパーセンテージは、この研究の流出システム中に可溶性形態では見られない窒素の 40% を含めて一致します。

一方、バイオフィルムリング内のクロストリジウム (2.43%) の存在は、硝化プロセスを示していると考えられます 23。 興味深いことに、システム R2 で 95% を超える NH4+ 除去効率が得られたにもかかわらず、好気条件で硝化に関与するニトロソモナスおよびニトロバクター タイプの細菌は分類学的分析では見つかりませんでした。 MSNA アッセイによれば、NH4+-N 除去の 20% のみがバイオフィルムに起因する可能性があるのに対し、このプロセスの 80% は浮遊バイオマスによって行われ、微生物学的には分析されていないことは強調されるべきです。

図 6 は、バイオフィルムのポリエチレンリングで見つかった最も豊富な 50 個の細菌の系統樹を示しています。 異なるサイズの円は各微生物の測定値の存在量に対応し、色はツリー内で表される属が属する順序を示します。 最後に、目および/または属のレベルで分類されていない細菌が示されています。

R2 バイオフィルムに存在する最も豊富な細菌の系統樹。

次の細菌は順序レベルと存在量で次のとおりです:シュードモナダ目 (54.81%)、バクテロイダル目 (24.17%)、クロストリジウム目 (8.59%)、アコレプラズマ目 (3.01%)、スピロヘータ目 (2.01%)。 図 6 に示されている残りの微生物は、1% 未満の割合で見つかりました。 言及された結果とは対照的に、Nascimento et al.50 は、クロストリジウム目の細菌が通常、好気性バイオマス中に最も豊富に存在すると報告しました。 しかし、シュードモナス属は限られた培地で増殖する能力を持っています。 言い換えれば、属レベルでより大きな割合（56.10％）を示したこの門は、ニトロソモナス属のような硝化条件でアンモニア酸化を担当する細菌を含むクロストリジウム属の分類群の発生を抑制する可能性があります。

この論文では、SNDプロセスを評価するために、バイオフィルムと浮遊バイオマスの両方を組み合わせた固定膜システムを検討しました。 有機物および窒素の除去効率がそれぞれ 70% および 95% を超える最良の担体として、ポリエチレン リングが選択されました。 担体材料に関係なく、懸濁バイオマスの最大比硝化活性は、固定バイオマスの活性より 88% 高かった。 最大比脱窒活性は、ポリエチレンリング（5.3 ± 0.34 mg of NO3-N/g TVS・h）の方がポリウレタンフォーム（4.64 ± 0.13 mg of NO3-N/g TVS・h）よりも高く、これは深さに関連しています。バイオフィルムが発達しました。 SND プロセスは、以下の理由により達成されました。処理された流入水の C/N 比が低いことにより、窒素化合物の約 30 ± 1% が窒素分子に変換され、分子分析によれば、細菌属の 50% が窒素分子に変換されました。従属栄養性硝化と好気的脱窒の両方に寄与するシュードモナスに関連しています。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23965-5

嫌気性アンモニウム酸化

分散分析

アンモニア酸化菌

アンプリコン配列変異体

化学的酸素要求量

ジメチルスルホキシド

溶存酸素

固定バイオマス

油圧保持時間

メンブレンバイオリアクターと結合した移動式充填層バイオリアクター

最大比脱窒率

最大比硝化率

イオン化アンモニア

結合アンモニア

亜硝酸塩

硝酸塩

酸化バクテリアによる硝酸塩

報告なし

有機負荷率

ポリメラーゼ連鎖反応

ポリエチレン

デオキシヌクレオシド三リン酸

ポリウレタン

ポリ塩化ビニル

ポリウレタンフォーム

ポリエチレンリング

浮遊バイオマス

標準偏差

硝化と脱窒を同時に行う

亜硝酸塩を用いた高アンモニウム除去のための単一反応器システム

総固形分

総揮発性固体

上昇流嫌気性汚泥ブランケット

揮発性懸濁物質

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この研究は、CONACYT 基金基礎科学プロジェクト CB-2017-2018 [助成金番号 A1-S-43472] および PROFAPI _2021_0047 によって支援されました。

水科学および環境学部、ソノラ工科大学、Calle 5 de febrero 818 Sur。 センター大佐。 Cd. オブレゴン、ソノラ州、メキシコ

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P. Gonzalez-Tineo、A. Aguilar、A. Reynoso は、この研究で説明されている実験部分を実行しました。 U. Durán と M. Garzón-Zúñiga は、研究の実験的デザインの一部を支援しました。 P. Gonzalez-Tineo、A. Reynosa、D. Serrano が主な原稿を執筆しました。 E. Meza-Escalante と L. Álvarez は、英語と図の編集と改訂を支援しました。 最後に、著者全員が原稿をレビューしました。

D.セラーノへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版が改訂されました。この記事の元のバージョンには、所属 3 に誤りがあり、「地域統合開発研究学際センター (CIIDIR)、Sigma 119、11 月 20 日 II、34220 Durango、メキシコ"。 正しい所属は「Instituto Politécnico Nacional (IPN) CIIDIR-DURANGO、Sigma 119、11 月 20 日 II、34220 Durango、Mexico」です。

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転載と許可

González-Tineo, P.、Aguilar, A.、Reynoso, A. 他固定膜方式による硝化・脱窒同時処理による有機物除去。 Sci Rep 12、1882 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-05521-3

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受信日: 2021 年 10 月 7 日

受理日: 2021 年 12 月 28 日

公開日: 2022 年 2 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-05521-3

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