太陽光を活用した畜産環境の完全浄化及び革新的バイオガス変換システムの開拓

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H04310
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 楊 英男 筑波大学, 生命環境系, 教授 (50561007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内海 真生 筑波大学, 生命環境系, 教授 (60323250) ; 根岸 信彰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 上級主任研究員 (90270694)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 太陽光利活用 / 畜産廃棄物 / 光メタン発酵システム / 光触媒浄化 / 物質循環

Outline of Annual Research Achievements

アンモニア含有畜産廃棄物の持続可能な処理は環境創成学を基盤とする資源循環、再生可能エネルギー・バイオマス利活用など多くの分野に関わる課題であり、本研究は太陽光を活用した持続可能な畜産廃棄物の光触媒浄化及び光メタン発酵システムを開発するための研究基盤を確立することが目的として進めてきた。
2020年度は、太陽光を光源とした光メタン発酵におけるの光照射強度と照射時間との関係はRSM評価モデルを用いて評価し、光メタン発酵リアクターのガス濃度、ガス生成量、pH、アンモニア性窒素の濃度変動、TOCの除去率、微生物の活性など各項目の検討を行い、高濃度アンモニア条件でのメタン発酵における光照射の最適条件を確立した。この確立した最適条件は極めた高いアンモニア濃度の畜産廃棄物処理も有効であることを確認できた。さらに、光メタン発酵メカニズム解明するため、 光照射強度、波長範囲、照射時間の変化によるメタン菌に与える影響を検討し、また、ATPやメタン生成菌の持つ重要な補酵素F420量の測定による微生物活性変化を把握することによって、光刺激による微生物活性化のメカニズムを解明した。それと同時に、昨年度の研究で確認できた太陽光利用できる高効率P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 光触媒を用いて、実の太陽光を追跡できる光触媒リアクターを作製し、畜産廃棄物の廃液によく存在する抗生物質の分解と大腸菌の死滅検討を行い、通常システムより数倍高い浄化効果が得られ、太陽光利用できる環境浄化システムの構築を進めてきた。
この一年間の研究成果は国際誌３報登載、国内学会１６回の発表実績を得られた。関連成果は大学の産学連携を通して技術相談を行い、2社との共同研究を検討している。本業績は、当該分野のみならず、関連する環境、エネルギー、健康といった分野で、その発展に大きく寄与している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度は、太陽光を光源とした光メタン発酵におけるの光照射強度と照射時間との関係はRSM評価モデルを用いて評価し、光メタン発酵リアクターのガス濃度、ガス生成量、pH、アンモニア性窒素の濃度変動、TOCの除去率、微生物の活性など各項目の検討を行い、高濃度アンモニア条件でのメタン発酵における光照射の最適条件を確立した。この確立した最適条件は極めた高いアンモニア濃度の畜産廃棄物処理も有効であることを確認できた。さらに、光メタン発酵メカニズム解明するため、 光照射強度、波長範囲、照射時間の変化によるメタン菌に与える影響を検討し、また、ATPやメタン生成菌の持つ重要な補酵素F420量の測定による微生物活性変化を把握することによって、光刺激による微生物活性化のメカニズムを解明した。それと同時に、昨年度の研究で確認できた太陽光利用できる高効率P/Ag/Ag2O/Ag3PO4/TiO2 光触媒を用いて、実の太陽光を追跡できる光触媒リアクターを作製し、畜産廃棄物の廃液によく存在する抗生物質の分解と大腸菌の死滅検討を行い、通常システムより数倍高い浄化効果が得られ、太陽光利用できる環境浄化システムの構築を進めてきた。
コロナ禍で制限された状況中、積極的に研究成果を論文にまとめ、またオンライン学会を参加した。この一年間で国際誌３報登載、国内学会１６回の発表実績を得られたことは研究目的を達成したと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は、①は前年度確立した最適光照射条件を用いて、高濃度アンモニア態窒素含有実際の畜産廃棄物を基質とした光メタン発酵を行い、光メタン発酵の連続運転実験系の構築、② はトータルシステムのコストとエネルギー収支の総合評価、③は①から②までの要素技術を統合し、低コスト、高効率、簡便な操作による嫌気性消化プロセスの開発を進め、嫌気性発酵におけるアンモニア阻害を軽減すると同時に資源循環とバイオエネルギー回収を実現する。④は開発した光触媒デバイスを用いて太陽光照射による処理水の環境へ放出する前の光触媒浄化・殺菌効果の検討、⑤は一年目から三年までの研究結果を統合し、太陽光を活用した畜産廃棄物からのバイオエネルギー回収、有害物質分解、殺菌処理を同時実施できる持続可能な資源循環システムを構築し、畜産廃棄物処理システムのゼロ・エミッションの実現を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Photon number based anaerobic digestion process for efficient bio-methane conversion from ammonium-rich feedstock: Performance evaluation and practical potential (2021)
  • Author(s): Zhu Yunxin、Zhang Nan、Liu Zhiyuan、Liu Na、Sharma Aditya、Chen Guoping、Yang Yingnan
  • Journal Title: Energy Conversion and Management Volume: 238 Pages: 114155～114155
  • DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sol-gel/hydrothermal two-step synthesis strategy for promoting Ag species modified TiO2-based composite activity towards H2 evolution under solar light. (2021)
  • Author(s): Zhu, Q., Liu, N., Ma, Q., Sharma, Aditya, Nagai, D., Sun, X., Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Materials Today Energy. Volume: 20 Pages: 100648
  • DOI: 10.1016/j.mtener.2021.100648
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A developed hybrid fixed-bed bioreactor with Fe-modified zeolite to enhance and sustain biohydrogen production. (2021)
  • Author(s): Zhao, C. Y., Sharma, Aditya, Ma, Q., Zhu, Y. X., Li, D. W., Liu, Z. Y., Yang, Y. N.
  • Journal Title: Science of the Total Environment. Volume: 758 Pages: 143658
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143658
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 排水処理の実用化へ向けた太陽光利用できる光触媒担持ビーズの開発 (2021)
  • Author(s): 矢野 南珠、楊 英男
  • Organizer: 2020年度日本化学工学会 学生発表会
• [Presentation] hotocatalytic disinfection of novel composites Ag/Ag2O/BiPO4/Bi2WO6 under solar light irradiation. (2021)
  • Author(s): Ming, J., Liu, N., Ma Q., Yang, Y. N.
  • Organizer: 第9回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Efficient biomethane conversion from ammonium-rich anaerobic digestion under optimal illumination condition (2021)
  • Author(s): Zhu, Y.X., Yang, Y. N.
  • Organizer: 第9回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Effect of Homogeneous Operation on Methane Production from Illuminated Anaerobic Reactor with Ammonium-rich Waste. (2021)
  • Author(s): Chen Y.J., Zhu Y.X., Sun, M., Liu, Z.Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 第9回日本生物工学会東支部コロキウム
• [Presentation] Effect of intermittent illumination on bio-hydrogen production under ammonium rich condition (2020)
  • Author(s): Zhu, Y., Liu, Z. Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 日本生物工学会若手会第三回オンラインセミナー
• [Presentation] Effect of trace metals in hybrid bioreactor for enhancing bio-hydrogen production (2020)
  • Author(s): Tsuyuki, E., Liu, Z. Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 日本生物工学会若手会第三回オンラインセミナー
• [Presentation] Improved Ammonium-rich waste-to-energy conversion efficiency from anaerobic digestion using photon number as monitoring factor (2020)
  • Author(s): Zhu, Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 日本生物工学会東日本支部 第15回 学生発表討論会 オンライン版
• [Presentation] Continuous bio-hydrogen production by Fe-modified zeolite supplement in hybrid fixed-bed reactor (2020)
  • Author(s): Liu, Z. Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: 本生物工学会東日本支部 第15回 学生発表討論会 オンライン版
• [Presentation] A Light-assisted Bioprocess with Optimized Illumination Condition for Efficient Methane Production from Ammonium-rich Waste (2020)
  • Author(s): Zhu, Y., Liu Z. Y., Liu, N., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Promotion of Bio-Hydrogen Production by Adding Trace Metal Modified Zeolite in Hybrid Bioreactor (2020)
  • Author(s): Liu, Z. Y., Tsuyuki, E., Zhu, Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Efficient Illuminated Anaerobic Digestion System via Optimal Homogeneous Operation for Ammonium-rich Waste (2020)
  • Author(s): Chen, Y., Sun, M., Zhu, Y., Liu, Z. Y., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Highly Efficient Inactivation of Harmful Pathogenic Bacteria by a Stable Visible-light-driven TiO2-based Photocatalyst (2020)
  • Author(s): Liu, N., Ma, Q., Sharma, A., Ming, J., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Polyethylene glycol (PEG)-modified Ag/Ag2O/Ag3PO4/Bi2WO6 Photocatalytic Film for Wastewater Treatment with Enhanced Efficiency and Stability under Solar Light (2020)
  • Author(s): Ma, Q., Liu, N., Sharma, A., Ming, J., Zhang, C., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Photocatalytic Inactivation of Escherichia coli by Ag/Ag2O/BiPO4/Bi2WO6 under Solar Light Irradiation: Effect of Environmental Factors and Disinfection Mechanism (2020)
  • Author(s): Ming, J., Liu, N., Ma, Q., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Development of an Adjustable Solar Light Tracking Reactor for Superior Photocatalytic Wastewater Treatment (2020)
  • Author(s): Zhang, C., Liu, N., Ma, Q., Ming, J., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)
• [Presentation] Effective Elimination of Seawater pollutants Using Surfactant Modified TiO2-based Composite Under Solar Light Illumination (2020)
  • Author(s): Sharma, A., Liu, N., Ma, Q., Yano, M., Yang, Y. N.
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference (WET2020-online)