8493_8695氮气曝气和甲醇添加和膜分离活性污泥法与高浓度硝酸结合钢制排水的处理方法
废水中含有硝态氮会造成河流和湖泊富营养化，污染土壤和地下水，因此必须进行适当处置，防止其流入环境。这次，我们利用钢铁厂的现有基础设施，开发了一种新的氮气曝气废水处理方法，并在使用4,000升容量装置的示范试验中，成功地有效处理了含有超过6,000毫克/升的高浓度硝态氮的钢铁废水。此外，微生物分析表明，特定的硝酸盐脱氮微生物（反硝化细菌)被发现是相关的。这种新方法有望应用于硝态氮处理存在问题的各个工业领域。该技术的详细内容将于2022年8月1日（当地时间）发表在国际学术期刊《化学工程杂志
废水中含有的硝态氮等氮化合物如果泄漏到环境中，可能会对自然环境造成严重影响，如湖泊、河流和海洋的富营养化以及地下水的污染。因此，生活废水中的氮成分在污水处理厂被称为活性污泥的水处理微生物去除，活性污泥含有数千种微生物。使用活性污泥去除硝态氮的机理如图1左侧所示。称为反硝化细菌的微生物将硝态氮转化为氮气，同时利用废水中的有机物作为营养源。
在金属工业中，制造过程中使用硝酸清洗产品会产生含有高浓度硝态氮（6,000 mg/L以上）且有机物含量低的废水，因此处理至关重要。但普通的活性污泥法只能去除低浓度（通常小于100mg/L）的硝态氮。这种方法很难直接应用于金属工业废水。活性污泥法需要将高浓度废水稀释至可管理的浓度，并添加有机物作为营养物。废水处理的困难是阻碍制造工厂顺利生产产品的一个因素。此外，微生物处理以外的去除硝态氮的方法需要高能源成本。电渗析，因此需要更有效的废水处理方法。
图1 反硝化细菌去除硝态氮的机理
AIST 旨在开发水资源循环利用和安全保障技术亚洲战略“水工程”我们一直在开展基于微生物知识的先进水处理和再生技术的研究。作为这项工作的一部分，我们与 JFE 钢铁公司和栗田水工业公司合作，研究和开发了一种有效处理含有高浓度硝态氮的钢铁废水的方法。作为这项工作的一部分，我们建立并评估了一个废水处理系统，以有效去除钢铁废水中的高浓度硝酸。我们还使用 4,000 升系统进行了示范测试，着眼于社会实施（图 2）。
图2 测试设备
在这项研究中，我们的目标是开发一种利用钢铁厂现有基础设施在小区域内实施废水处理的方法。因此，我们基于膜分离活性污泥法进行开发，其优点是占地面积小。该装置内部有水处理微生物群（活性污泥）和膜组件，通过处理水和微生物的膜过滤即可得到纯净水（示意图）。然而，在应用该设备之前还需要克服一些挑战。如上所述，需要称为反硝化细菌的微生物来去除硝态氮（图1）。为了让这些反硝化细菌表现出高活性，水处理设备内部必须保持无氧的厌氧状态。另一方面，由于正常生产过程中排放含有硝态氮的废水，流入设备的废水中含有氧气，抑制了反硝化细菌的作用。因此，我们重点关注工厂内部的副产品。当生产钢铁厂使用的氧气时，会产生副产品氮气。众所周知，氮气通气可以使液体进入厌氧状态，因此我们决定应用这一点。当将氮气注入水处理设施的活性污泥时，它成功地维持了预期的高度厌氧状态。
首先，我们建造了这个容量为30升的新装置，并尝试了实际的钢铁废水处理。钢厂废水中不含乙酸和甲醇，它们是反硝化细菌的常见营养源。因此，添加了钢厂内可用且廉价的甲醇。结果，我们发现可以高效去除高浓度的硝态氮。为了鉴定能够去除这种高效硝态氮的微生物，下一代测序仪全面鉴定了活性污泥中数千种微生物。这通常会导致污水处理厂β-变形菌和γ-变形菌的反硝化细菌在此设备上工作α-变形菌群组主硝化丝微菌（反硝化细菌A）被发现具有活性（图1右和图3）。这种微生物能够使用甲醇作为营养源去除硝态氮，并且被发现是这种水处理设备的理想选择（图1）。
根据这些结果，我们在 JFE Steel 工厂内安装了 4,000 升容量的装置，并进行了废水处理测试。在该试验中，即使从开始起超过2周也未获得硝态氮处理性能。为了弄清楚原因，我们使用新一代测序仪对水处理设备内部的微生物进行了分析，发现反硝化细菌A在测试设备内部生长需要时间。因此，当我们在相同条件下继续操作设备时，熟悉程度后约50天，我们几乎完全成功去除了硝态氮（图4）。
含有高浓度硝态氮的工业废水的处理已成为包括金属工业在内的许多行业的难题。新开发的处理方法效率高、环境影响小，有望应用于多种工业废水处理应用。
图3微生物分析结果
图4中试设备废水处理性能
*本新闻稿中的示意图以及图 3 和 4 是原始论文示意图以及图 3 和 1 的修改版本。
利用从这项研究中获得的知识，我们将开发适用于各种条件的方法，并将该技术部署到存在硝态氮处理问题的公司。
已出版的杂志：化学工程杂志
论文标题：利用氮气曝气膜生物反应器对含高浓度硝酸盐的炼铁废水进行生物处理
作者：Tomohiro Inaba、Takuto Goto、Tomo Aoyagi、Tomoyuki Hori、Keita Aoki、Yuya Sato、Noriaki Ono、Tsutomu Furihata、Hiroshi Habe、Satoshi Ogino 和 Atsushi Ogata