太陽光を利用したアンモニア阻害抑制のための新規メタン発酵システムの開発

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17J00358
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 張 楠 筑波大学, 生命環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Keywords: 光メタン発酵 / アンモニア阻害 / 光照射時間 / 光強度

Outline of Annual Research Achievements

研究1年目である本年度は、高濃度アンモニア態窒素を含有する培地を基質とした光照射の効果について、最適な光照射条件を検討した。先行研究では、通常範囲内のアンモニア態窒素含有濃度の有機性廃棄物の嫌気性発酵における光照射の最適な温度と時間に関する検討はなされているが、太陽光を利用する高濃度アンモニア態窒素含有培地を基質としたメタン発酵についての研究は未だ行われておらず、高濃度アンモニア態窒素含有の培地を基質とした光メタン発酵の最適な光照射条件についての検討が必要となる。
高濃度アンモニア態窒素含有の培地を基質とした光メタン発酵について、最適な光照射条件を解明するために以下の3点を軸として研究を遂行した。(1)光強度がアンモニア阻害条件における光メタン発酵の阻害軽減効果へ及ぼす影響についての探索(2)高濃度アンモニア態窒素を含有する培地を基質とした光メタン発酵の最適な光照射時間についての検討(3)半連続メタン発酵実験を実施と、最適な光照射条件における高濃度アンモニア態窒素条件下での光メタン発酵の長期運転効果の確認
以上の研究内容より、最適な光強度と時間で光照射を行うことで、メタン発酵のアンモニア阻害の軽減を実現できることが明らかになった。光照射条件を最適化することで、リアクター内の微生物の活性化と固定化が促進され、高アンモニア条件においてもメタン発酵効率を向上させることができた。現在までの研究結果から、将来、長時間で、高効率、低コスト、操作が簡単なアンモニア阻害抑制システムの構築が期待できると考えられる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成29年度は、「太陽光を利用したアンモニア阻害軽減ための光メタン発酵システムの開発」を目指して、(1) 光強度のアンモニア阻害軽減効果への影響、（2）光メタン発酵の最適な光照射時間についての検討、（3）最適な光照射条件下での高濃度アンモニア態窒素光メタン発酵の連続運転の3項目に分けて研究を進め、それぞれの成果を挙げることができた。また、最適な光強度と光照射時間においてメタン発酵を行うことでアンモニア阻害の軽減を実現できることを明らかにした。将来、太陽光を利用した低コスト、高効率、簡単な操作でアンモニア阻害抑制可能な嫌気性消化プロセスを構築することを期待できる。

Strategy for Future Research Activity

前年度に得られた結果をもとに、最適固定化材料の検討及び光メタン発酵循環システムを開発する予定です。リアクターに入れる担体材料性質の検討、最適固定化材料と固定方式を開発することによって、高濃度アンモニア態窒素含有廃棄物の光メタン発酵に適したバイオリアクターの開発と吸着剤をシステムへの添加を検討し、より効率の良い太陽光によるアンモニア阻害を抑制するための光メタン発酵システムを開発することを目指す。
また、異なる光源を使うことにより、光源の光波長は微生物への影響について検討し、メカニズムの解明を行う。
さらに、太陽光を使ったメタン発酵の最適条件を確認する。将来のトータルシステムを構築するために、太陽光を使ったメタン発酵の最適光照射条件の定量化が必要となる。また、半連続性実験により、太陽光は光メタン発酵の照射光源として利用したメタン発酵において、アンモ ニア阻害の抑制効果について評価する。
以上の結果を取りまとめ学会発表を行うと同時に、論文をまとめ、国際誌に投稿する。

Research Products

• [Journal Article] Efficient Photocatalytic Removal of RhB, MO and MB Dyes by Optimized Ni/NiO/TiO2 Composite Thin Films under Solar Light Irradiation (2018)
  • Author(s): Zhu, Q., Liu, N., Zhang, N., Song, Y. Y., Stanislaus, M.S., Zhao, C. Y., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Journal of Environmental Chemical Engineering Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.jece 2018.04.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of Biohydrogen Production by Optimization of Pretreatment Method and Substrate to Inoculum Ratio from Microalgal Biomass and Digested Sludge (2018)
  • Author(s): Stanislaus, M. S., Zhang, N., Zhao, C. Y., Zhu, Q., Li, D. W., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Renewable Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Exploration on mesophilic and thermophilic illuminated anaerobic digestion with ammonium-rich substrate (2018)
  • Author(s): Zhang, N., Zhu, Y., Zheng, H., Zhao C., Yang Y.
  • Organizer: 83rd SCEJ Annual meeting
• [Presentation] Effect of salinity on degradation of organic pollutants using PEG- P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 photocatalyst (2018)
  • Author(s): Sharma, A., Zheng, H., Zhu, Q., Liu, N., Zhao, C., Zhang, N., Stanislaus M. S., Yang Y.
  • Organizer: 83rd SCEJ Annual meeting
• [Presentation] Improvement of bio-hydrogen production by using zeolite-CPE fixed-bed reactor (2018)
  • Author(s): Zhao, C., Zhan, N., Zheng, H., Zhu, Q., Yang, Y.
  • Organizer: 83rd SCEJ Annual meeting
• [Presentation] Development of a high efficiency bioreactor for mitigating ammonia inhibition of anaerobic digestion (2018)
  • Author(s): Zheng, H., Zhang, N., Zhu, Q., Zhao, C., Stanislaus, M. S., Yang, Y.
  • Organizer: 83rd SCEJ Annual meeting
• [Presentation] Optimization of illumination conditions for methane recovery in ammonium-rich anaerobic digestion (2017)
  • Author(s): Zhang, N., Mishma, S. S., Zhao, C. Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 69th SBJ Annual meeting
• [Presentation] Identify of fixed-bed bioreactor on higher bio-hydrogen production with optimal bedding material and initial substrate concentration (2017)
  • Author(s): Zhao, C. Y., Zhang, N., Mishma, S. S., Yang, Y. N.
  • Organizer: 69th SBJ Annual meeting
• [Presentation] メタン発酵におけるアンモニア阻害抑制のための自然素材を加えたゼオライト開発 (2017)
  • Author(s): 平沼 貴紀, 張 楠, 楊 英男
  • Organizer: 69th SBJ Annual meeting
• [Presentation] Enhanced biogas production from Chlorella vulgaris using photocatalytic pretreatment (2017)
  • Author(s): Sharma, A., Stanislaus, M. S., Zhu, Q., Zhao, C. Y., Zhang, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: 69th SBJ Annual meeting
• [Presentation] Optimization of Illumination Conditions for High Efficient Ammonium-rich Anaerobic Digestion (2017)
  • Author(s): Zhang, N., Stanislaus, M.S., Zhao, C. Y., Yang, Y. N.:
  • Organizer: The 10th China-Japan-Korea Graduate Student Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Fixed-Bed Bioreactor Process to Improve Bio-Hydrogen Production. (2017)
  • Author(s): Zhao, C. Y., Stanislaus, M.S., Zhang, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 10th China-Japan-Korea Graduate Student Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a Novel Zeolite Absorbent Modified by Oyster Shell for Mitigating of Ammonia Inhibition in Anaerobic Digestion (2017)
  • Author(s): Hiranuma, T., Zhang, N., Zhu, Q., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 10th China-Japan-Korea Graduate Student Forum
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photocatalytic Pretreatment to Improve Bioenergy Generation from Chlorella vulgaris (2017)
  • Author(s): Sharma, A., Stanislaus, M. S., Zhu, Q., Zhao, C. Y., Zhang, N., Liu, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: The 10th China-Japan-Korea Graduate Student Forum
  • Int'l Joint Research