高濃度の硝酸を含む鉄鋼排水の新しい処理方法を開発~工場インフラを利用した新しい膜分離活性汚泥法~

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2022-08-04 産業技術総合研究所

ポイント

  • 窒素ガス曝気と膜分離活性汚泥法を組み合わせた処理方法を開発し、容積4,000 Lの試験装置で実証
  • 特定の脱窒菌(Hyphomicrobium nitrativorans)が高濃度硝酸態窒素の除去に関与
  • 高濃度の硝酸態窒素が問題となる広範な産業分野での実用化に期待

窒素ガス曝気による膜分離活性汚泥法の概略図

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という)環境創生研究部門 環境生理生態研究グループ 稲葉 知大 主任研究員、堀 知行 主任研究員は、JFEスチール株式会社(以下「JFEスチール」という) 東日本製鉄所(千葉地区)エネルギー部エネルギー技術室 後藤 拓人 主任部員および栗田工業株式会社(以下「栗田工業」という) 国内営業本部 ソリューション推進部門 小野 徳昭 技術主幹と共同で、窒素ガス曝気とメタノール添加および膜分離活性汚泥法を組み合わせて、高濃度の硝酸を含む鉄鋼排水の処理方法を開発しました。

排水中に含まれる硝酸態窒素は、河川・湖沼の富栄養化や土壌・地下水を汚染する恐れがあるため、環境中に流出しないよう適切に処理することが求められます。今回、製鉄所の既存インフラを利用した窒素ガス曝気による新しい排水処理方法を開発し、容積4,000 Lの装置による実証試験で、6,000 mg/L以上という高濃度の硝酸態窒素を含む鉄鋼排水の効率的な処理に成功しました。また、微生物解析により、排水処理には特定の硝酸態窒素除去微生物(脱窒菌)が関係していることを見出しました。この新しい方法は、硝酸態窒素の処理が問題となっているさまざまな産業分野での活用が期待されます。なお、この技術の詳細は、2022年8月1日(現地時間)に国際学術誌「Chemical Engineering Journal」に掲載されました。

開発の社会的背景

排水中に含まれる硝酸態窒素などの窒素化合物が環境中へ流出すると、湖沼や河川、海洋の富栄養化、地下水の汚染など、自然環境に深刻な影響を与える恐れがあります。そのため、生活排水に含まれる窒素成分は、下水処理場において、数千種以上の微生物が混在する活性汚泥と呼ばれる水処理微生物群によって除去されています。活性汚泥を用いた硝酸態窒素の除去メカニズムを図1左に示します。脱窒菌と呼ばれる微生物が、排水中の有機物を栄養源に使いながら硝酸態窒素を窒素ガスに変換します。

金属産業では、製品の製造過程において硝酸による製品の洗浄により、有機物に乏しい高濃度(6,000 mg/L以上)の硝酸態窒素を含んだ排水が発生するため、その処理が不可欠です。しかし、一般的な活性汚泥法では、除去可能な硝酸態窒素は低濃度(通常は100 mg/L未満)に限られます。この方法を金属産業からの排水に直接適用することは困難でした。活性汚泥法では、高濃度排水を処理可能な濃度まで希釈し、栄養となる有機物を添加する必要があります。この排水処理の難しさが、製造工場では円滑な製品の製造を阻む要因になっていました。また、微生物処理以外の硝酸態窒素の除去法としては、エネルギーコストの高い電気透析などの物理・化学的手法しか選択肢がないため、より効率的な排水処理方法が求められていました。

図1

図1 脱窒菌による硝酸態窒素除去のメカニズム

研究の経緯

産総研では、水資源の循環利用と安全・安心技術の開発を目指したアジア戦略「水プロジェクト」の中で、微生物学的知見に基づいた高度な水処理再生技術に関する研究を進めてきました。その一つとして、JFEスチールおよび栗田工業と共同で、高濃度の硝酸態窒素を含む鉄鋼排水の効率的な処理方法の研究開発を行いました。この取り組みの中で、鉄鋼排水中の高濃度硝酸を効率的に除去するための排水処理装置を構築・評価し、さらに社会実装を見据え、容積4,000 Lの装置による実証試験を実施しました(図2)。

図2

図2 試験用装置

研究の内容

今回の研究では、製鉄所の既存インフラを利用して小さな敷設面積で排水処理を実施する方法の開発を目指しました。そのため、設置面積が小さい特長を持つ膜分離活性汚泥法を基に開発を進めました。この装置の内部には水処理微生物群(活性汚泥)と膜モジュールがあり、処理水と微生物を膜ろ過することで、浄化された水を得ることができます(概略図)。しかし、この装置を応用する前に、克服すべき課題がありました。上記の通り、硝酸態窒素の除去には脱窒菌と呼ばれる微生物が必要です(図1)。この脱窒菌が高い活性を発揮するためには、水処理装置内を酸素が存在しない嫌気状態に保たなければなりません。一方で、硝酸態窒素を含む排水は通常の製造工程から排出されるため、装置に流入する排水には酸素が含まれ、それによって脱窒菌の作用が抑制されてしまいます。そこでわれわれは、工場内の副生物に注目しました。製鉄所内で使用される酸素ガスを製造する際、副生物として窒素ガスが得られます。窒素ガスによる曝気で液体を嫌気状態にできることが一般的に知られているため、これを応用することとしました。窒素ガスを水処理装置の活性汚泥に吹き込んだところ、期待通りに高い嫌気状態を保つことに成功しました。

まず、この新しい装置を容積30 Lで構築し、実際の鉄鋼排水処理を試みました。一般的な脱窒菌の栄養源である酢酸やメタノールは製鉄所の排水には含まれていません。そのため、製鉄所内で入手可能で安価なメタノールを添加しました。その結果、高い効率で高濃度の硝酸態窒素の除去が可能であることを見出しました。この高効率な硝酸態窒素の除去を可能とした微生物を特定するため、次世代シーケンサーにより、活性汚泥中の数千種の微生物を網羅的に同定しました。これにより、下水処理施設では通常β-proteobacteriaとγ-proteobacteriaというグループの脱窒菌が働きますが、この装置内ではα-proteobacteriaグループの主にHyphomicrobium nitrativorans(脱窒菌A)が活動していることが分かりました(図1右と図3)。この微生物は、メタノールを栄養源にして硝酸態窒素を除去することが可能であり、今回の水処理装置に最適であることが分かりました(図1)。

この結果を受け、容積4,000 Lの装置をJFEスチールの工場敷地内に設置して排水処理試験を実施しました。この試験では、開始から2週間以上経っても硝酸態窒素の処理性能が得られませんでした。その原因を明らかにするため、次世代シーケンサーにより水処理装置内の微生物を解析したところ、試験装置内では脱窒菌Aの増殖に時間がかかることを見出しました。そのため、同じ条件で装置の運転を続けたところ、馴養を経て約50日後には硝酸態窒素をほぼ完全に除去することに成功しました(図4)。

高濃度の硝酸態窒素を含む産業排水の処理が、金属産業をはじめとした多くの産業において問題となっています。今回開発した処理方法は高効率かつ低環境負荷の技術であり、多くの産業排水処理への展開も期待できます。

図3

図3 微生物解析の結果

図4

図4 パイロット装置の排水処理性能

※本プレスリリースの概略図と図3、4は原論文の概略図と図3、1を改変して使用しています。

今後の予定

本研究で得られた知見を生かし、さまざまな条件に適用可能な手法の開発や硝酸性窒素の処理に問題を抱える企業などへの技術展開を行います。

論文情報

掲載誌:Chemical Engineering Journal
論文タイトル:Biological treatment of ironworks wastewater with high-concentration nitrate using a nitrogen gas aerated membrane bioreactor
著者:Tomohiro Inaba, Takuto Goto, Tomo Aoyagi, Tomoyuki Hori, Keita Aoki, Yuya Sato, Noriaki Ono, Tsutomu Furihata, Hiroshi Habe, Satoshi Ogino, and Atsushi Ogata

用語解説
窒素ガス曝気
硝酸態窒素の除去では、通常は酸素供給や装置内をかき混ぜるために空気が吹き込まれるが、今回は酸素の流入を防ぐために窒素ガスを吹き込んだ。
膜分離活性汚泥法
微生物処理と膜分離を組み合わせた排水処理方式で、きれいな処理水が得られる水処理再生技術として世界的に導入が進んでいる。
鉄鋼排水
本記事では製鉄所から排出される硝酸態窒素を多量に含んだ排水をさす。
硝酸態窒素
硝酸態窒素は、硝酸イオンの状態の窒素をさす酸化型の窒素化合物で、硝酸イオンは化学式NO3で表される。
脱窒菌
酸素のない嫌気条件で硝酸イオンまたは亜硝酸イオンを還元し、最終的にN2OガスやN2ガスとして放出する反応を脱窒と呼び、これを行う菌を脱窒菌と呼ぶ。
電気透析
イオンなど特定の成分のみを透過させる膜を使用し、電気によってイオンの移動を促進することにより溶液などからイオンを分離する操作。
アジア戦略「水プロジェクト」
水資源の安全確保と有効利用に関するグローバル技術開発の拠点化を目指し、2012年に産総研で立ち上げられた研究プロジェクト。現在、産総研内の7つの研究ユニットが一体となり活動を推進している(プロジェクトHP https://unit.aist.go.jp/env-mri/water/)。
次世代シーケンサー
従来に比べ、飛躍的に解析速度が向上した遺伝子の塩基配列の解読装置。複数の試料に含まれる微生物の種類を1試料あたり数万から数十万種、合計で数千万種の微生物を同時並行的に同定できる。
α、β、γ-proteobacteria
微生物の大きな分類であるプロテオバクテリア門に含まれる、綱と呼ばれる分類群。一般的な下水処理における脱窒菌はβ、γ-proteobacteriaに分類されるものが多い。
馴養
活性汚泥は環境が変化するとその状況に適応するまでに時間を要し、新しい環境に活性汚泥を適応させることを馴養と呼ぶ。
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