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。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。(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。Journal」に掲載されました。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。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。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。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。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。Lの装置による実証試験を実施しました(図2)。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)。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。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。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)。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。※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。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。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。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。[参照元へ戻る]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。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。https://unit.aist.go.jp/env-mri/water/)。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。[参照元へ戻る]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。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。