Development of a stable anaerobic treatment process for organic wastewater using extracellular electron transfer

利用细胞外电子转移开发稳定的有机废水厌氧处理工艺

• 批准号: 22K05926
• 负责人: 加来 伸夫
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Yamagata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05926/
• 关键词: 細胞外電子伝達; 廃水処理; 嫌気発酵; メタン生成; 微生物燃料電池

近年、有機性廃棄物（バイオマス）を微生物の機能を利用して分解浄化しながら、エネルギーとして利用可能なメタンを回収できる嫌気発酵が改めて注目されている。嫌気発酵では、バイオマス分解の中間産物として酢酸をはじめとする揮発性脂肪酸（volatile fatty acids, VFA）が生成される。VFAの分解反応は吸エルゴン反応であり、VFA分解細菌とメタン生成古細菌の間の栄養共生（異種生物間での直接的な還元力の授受）に依存しなければ進行しない。易分解性有機物を高濃度で含むバイオマスの嫌気発酵処理では、栄養共生による分解能力を超えてVFAが生成されるため、pHが低下して発酵プロセスが崩壊してしまう。この問題は、嫌気発酵をより幅広い有機性廃棄物の処理に適用していく際の最大の障害となっている。本研究では、VFAが蓄積しやすい「難処理廃水」を対象に、VFA分解で生じる還元力を、導電性の固形物を通して遠方の微生物に受け渡す「電気共生」や還元力を電極で受け取って電力として除去する「微生物燃料電池」を利用して、発酵プロセスの崩壊を防ぐ技術の開発を目指す。都市下水嫌気消化汚泥を微生物源として立ち上げたメタン発酵槽と2槽式微生物燃料電池（MFC）にエチレングリコールを添加して保温した。メタン発酵槽とMFCにおいてエチレングリコール分解の中間産物として蓄積する酢酸の濃度やメタン生成量などを比較することで、細胞外電子伝達の嫌気分解安定性への寄与について検証した。メタン発酵槽において、エチレングリコール添加濃度0.1%（v/v）ではメタン生成が進行したが、0.2%では不安定化しやすく、0.3%では酢酸が蓄積してpHが低下したことでメタン生成が完全に阻害された。一方、MFCでは0.5%以上でも酢酸分解が進行してメタンが生成され、細胞外電子伝達がメタン生成を安定化することが分かった。

近年来，利用微生物的功能分解净化有机废物（生物质）并回收可用作能源的甲烷的厌氧发酵重新受到关注。在厌氧发酵中，挥发性脂肪酸（VFA），包括乙酸，作为生物质分解的中间产物产生。 VFA的分解反应是吸能反应，除非依赖VFA降解菌与产甲烷古菌之间的营养共生（不同生物之间还原力的直接交换）才能进行。在含有高浓度易分解有机物的生物质的厌氧发酵中，由于营养物共生，产生的VFA超过了生物质的分解能力，导致pH值下降和发酵过程崩溃。这个问题是厌氧发酵应用于更广泛的有机废物处理的最大障碍。在这项研究中，我们关注的是VFA容易积累的“难处理废水”，并关注“电共生”，其中VFA分解产生的还原力通过导电固体转移到远处的微生物，并在“电共生”中发挥作用。其目的是开发一种技术，通过使用“微生物燃料电池”将废物转化为电能来防止发酵过程崩溃。以城市污水厌氧消化污泥为微生物源启动的甲烷发酵罐和双罐微生物燃料电池（MFC）中添加乙二醇进行保温。通过比较作为乙二醇分解的中间产物积累的乙酸的浓度以及甲烷发酵罐和MFC中产生的甲烷量，我们验证了细胞外电子传递对厌氧降解稳定性的贡献。在甲烷发酵罐中，当乙二醇添加浓度为 0.1% (v/v) 时，甲烷产量有所增加，但在 0.2% 时变得不稳定，在 0.3% 时，乙酸积累且 pH 值下降，因此甲烷产量减少没有被抑制。另一方面，发现在MFC中，即使浓度高于0.5%，乙酸也会分解，产生甲烷，并且细胞外电子传输稳定了甲烷的产生。