生物学的窒素除去プロセスにおけるアナモックス・グラニュラー・スラッジの構造と安定性をダイナミックに変化させるナノバブルの役割の可能性

Potential role of nanobubbles in dynamically modulating the structure and stability of anammox granular sludge within biological nitrogen removal process.

• Hui-Min Fu
• Meng-Wen Peng
• Peng Yan
• Zhen Wei
• Fang Fang
• Jin-Song Guo
• You-Peng Chen

抄録

目に見えるマクロバブルの発生は、アナモックス・グラニュラー・スラッジ（AnGS）システムにおけるアナモックス・グラニュールの構造と機能に大きな影響を与える。しかし、ナノバブル（NB）の存在と、AnGSの構造と安定性の維持におけるその役割は、システムの複雑さと有効な分析方法の欠如のために不明である。本研究では、NBの分析法とその効果を評価する方法を開発し、AnGSシステムにおけるNBの形成と特性、およびNBがAnGSの特性と機能に及ぼす影響を調べた。 その結果、AnGSによる溶存ガスの過飽和によって、30℃で300分間運転した後、AnGS反応器内に2.75×10個/mLのNBが発生した。また、NBのゼータ電位の絶対値が時間とともに増加していることから、AnGSシステム内のNBは徐々に安定していることがわかった。安定したNBのサイズは、150nmから400nmの範囲であった。また、NBが形成されると、細胞間の空間と圧力が高まり、細胞クラスターの破壊や顆粒の構造変化を引き起こした。NBによる局所的な顆粒の微細構造の変化は、細胞外の高分子物質が過剰に分泌されてガスチャンネルを塞ぐことによる顆粒の崩壊や浮遊を避けるために、顆粒の多孔質構造にとって好ましいものであった。細胞クラスターを貫通するNBの形成と安定性は、細胞クラスターの周囲や内部のナノポアの形成と安定性に重要な役割を果たしており、高空隙構造の形成とAnGSの効率的な物質移動の基盤となっていると考えられる。

The generation of visible macrobubbles considerably affects the structure and function of anammox granules in the anammox granular sludge (AnGS) system. However, the existence of nanobubbles (NBs) and their role in maintaining the AnGS structure and stability are unclear because of the complexity of the system and lack of effective analytical methods. In this study, methods for NB analysis and assessment of their effects were developed to investigate the formation and characteristics of NBs in an AnGS system and the effects of NBs on the properties and function of AnGS. The results indicated that dissolved gas supersaturation caused by AnGS generated NBs of 2.75 × 10 bubbles/mL inside an AnGS reactor after running for 300 min at 30 °C. The increasing absolute value of the zeta potential of NBs with time indicated that the NBs in the AnGS system were gradually stable. The size of the stable NBs ranged from 150 nm to 400 nm. NB formation also increased the space and pressure between cells, leading to the breakage of the cell cluster and causing structural changes in granules. Changes in the local granular microstructure caused by NBs were favorable for the porous structure of granules to avoid granular disintegration and flotation caused by the excessive secretion of extracellular polymeric substances blocking gas channels. The formation and stability of NBs penetrating the cell clusters played a crucial role in the formation and stability of nanopores around or inside the cell clusters, further providing a basis for the formation of high-porosity structures and efficient mass transfer of AnGS.

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