2022 Fiscal Year Annual Research Report
廃棄汚泥由来バイオ炭の多機能性を活用した高度嫌気性消化技術の開発
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21F21340
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤井 学 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (30598503)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
LIU JIBAO 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2021-11-18 – 2024-03-31
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| Keywords | 嫌気性消化 / メタンガス / 廃棄活性汚泥 / バイオ炭 / 菌叢解析 / ネットワーク解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、廃棄汚泥から合成した多機能性バイオ炭を活用し、嫌気性消化技術の高度化に取り組んでいる。研究二年度では、前年度に合成した鉄含有バイオ炭の存在下で過硫酸塩による汚泥酸化処理試験と嫌気性処理性能評価を継続するとともに、嫌気性プロセスにおける潜在的な性能評価指標となりうる溶存有機物に着目し、高分解能質量分析を用いた溶存有機物解析を行った。特に機械学習や分子組成間の質量差に着目したPMDネットワーク解析を開発しすることで、嫌気性消化系における溶存有機物の反応や変換に関する情報の抽出を試みた。全体的な溶存有機物の動態として、過硫酸塩処理をした汚泥からヘテロ原子（酸素や窒素、硫黄など）を比較的多く含む芳香族性の高い有機物の溶出が見られ、このような有機分子の溶出が嫌気性条件下での揮発性脂肪酸の生成に関与していることが示唆された。機械学習により、以上のヘテロ原子の存在に加え炭素原子の酸化状態（NOSC）が溶存有機物の反応性に重要な因子であることが示された。また、分子組成間の質量差に着目したPMDネットワーク解析から、揮発性脂肪酸の生成が高かった系において、高度に接続された複雑な分子ネットワークが形成されていたことから、嫌気性微生物を介した多種多様な溶存有機物の変換過程が高性能システムの維持に必要であることが示唆された。さらに、ネットワークトポロジー解析から、窒素や硫黄を含む有機物がネットワークのハブとして機能していたことから、システイン様化合物などが嫌気性プロセスでの潜在的な性能評価因子・指標になる可能性が示唆された。以上に加え、電子顕微鏡やBET法により、鉄含有バイオ炭の物性（表面性状、細孔分析など）を調べた。また、過硫酸塩の残留が後段のプロセスに影響を及ぼす可能性に関して、他の種類のバイオ炭（Fe3O4担持バイオ炭やCaO2担持バイオ炭など）の作成にも着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究では、廃棄汚泥由来バイオ炭を活用した嫌気性処理技術において、特に、処理プロセスで重要となる溶存有機物の動態に着目し、研究を実施した。上述の通り、高分解能質量分析を駆使して溶存有機物を分子レベルで明らかにし、特にヘテロ原子を含む分子の重要性が示唆された。これは、システム性能を評価する上で重要な指標になる可能性がある。このように本年度の研究では、高度嫌気性処理における重要な知見が得られており、順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度の研究では、さらに嫌気性処理における溶存有機分子動態と微生物群集・機能等の関係性解明に取り組むとともに、処理反応系における新興汚染物質動態や廃棄汚泥前処理が後段プロセスに及ぼす影響等について検討する予定である。
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