現在、下水処理業界において「窒素」は避けて通れない重要なテーマとなっています。下水処理場の管理者の多くは、CODやリンよりもはるかに除去難易度が高い窒素に最も注目しています。運転プロセス中、アンモニア性窒素、全窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素の窒素指標を毎日監視します。
しかし、突然「下水中には何種類の窒素が含まれているのでしょうか?」と尋ねられたらどうでしょうか。彼らの関係は何ですか？
実際、一瞬びっくりしてしまう人も多いかもしれません。ほとんどの人は「アンモニア性窒素、全窒素」についてしかよく理解しておらず、他の種類の窒素との関係についてはよくわかっていません。アンモニア性窒素、全窒素、有機性窒素、無機性窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、ケルダール性窒素など、下水処理で接触する可能性のある窒素指標を列挙します。
非常に多くの窒素指標があるため、誰が誰と相互作用するか、誰が誰と相互作用するか、誰が誰を含むかの関係は複雑です。実際、窒素は廃水中の単純な物質ではなく、常に変化する家族システムです。下水処理が旅であるとすれば、下水中の窒素もまた、それ自身の「命」を経験していることになります。今回はその複雑な関係を整理していきます。
下水中の窒素は実際には 2 つのカテゴリーに分類できます。
大まかな分類の観点から、廃水中の窒素は主に 2 つのカテゴリに分類されます。
有機窒素
無機窒素
これら 2 種類の窒素を理解することは、廃水中の窒素の形態を理解するための第一歩です。
まずは有機窒素についてお話しましょう。有機窒素とは簡単に言うと、有機物の中に隠れている窒素のことです。
例えば
タンパク質
アミノ酸
尿素
有機アミン
ペプチド化合物
ニトロ化合物
これらの物質は、家庭下水、食品廃水、および養殖廃水に非常に一般的です。
例えば、肉片、残りご飯茶わん、野菜の洗い水、人間の排泄物などには、有機窒素が多量に含まれています。
もう1つのタイプは、無機窒素です。
廃水中の無機窒素には主に 3 つの形態があります。
アンモニア態窒素
亜硝酸態窒素
硝酸態窒素
これら 3 種類の窒素は、下水処理プロセスにおいて最も重要な形態です。多くの場合、私たちがテストする指標は実際にはこれら 3 種類の窒素を中心にしています。
有機窒素：窒素の「原始的な形」
実際、下水処理場に入った当初の窒素のほとんどは有機窒素です。
なぜなら、生活排水自体にはさまざまな有機化合物が含まれているからです。
これらの有機窒素化合物は直接除去されず、最初にアンモニア化というプロセスを経ます。
簡単に言うと、微生物は有機物を分解します。
この過程でタンパク質やアミノ酸などの物質は徐々に分解され、最終的には非常に身近な物質であるアンモニア態窒素が放出されます。そのため、下水処理施設ではアンモニア性窒素が減らずに増加する状況がよく見られます。多くの初心者オペレーターは、このデータを見て、システムに問題があるのではないかと非常に緊張するでしょう。実際には、それは不必要であり、単にシステム内の有機窒素が分解されているためである場合もあります。
つまり、有機窒素がアンモニア態窒素に変化しているのです。 、
アンモニア態窒素 (NH ∝ - N): 下水処理場にとって最もよく知られた指標
下水中の窒素に「主役」があるとすれば、それはアンモニア態窒素に違いありません。なぜなら、ほとんどすべての下水処理場がこの指標に焦点を当てるからです。アンモニア態窒素が重要である理由は 2 つあります。
その理由の一つは、環境への影響が大きいということです。アンモニア態窒素は水に入ると大量の溶存酸素を消費し、魚にとっても有毒となる可能性があります。
もう一つの理由は、アンモニア態窒素が脱窒反応の起点となることである。
生物処理システムでは、アンモニア態窒素は硝化細菌と呼ばれる特殊な細菌によって利用されます。
好気的条件下では、硝化細菌がアンモニア性窒素を徐々に酸化します。ただし、このプロセスは 1 つのステップで完了するわけではありません。ただし、これには 2 つのステップが必要です。-
亜硝酸性窒素 (NO ₂⁻ - N): 脱窒プロセスの「中間ステーション」
アンモニア態窒素の酸化の最初の生成物は亜硝酸態窒素ですが、実際、多くの下水処理プラントでは亜硝酸態窒素は不安定です。一度形成されると、通常はすぐに酸化し続けるためです。
しかし、場合によっては亜硝酸態窒素が急激に増加することもあります。
例えば
硝化システムが影響を受ける
溶存酸素が不足している
温度変化
不安定な汚泥年齢
この時点で、亜硝酸性窒素が系内に蓄積する可能性があります。
亜硝酸性窒素はアンモニア性窒素よりも毒性が強いという特徴があります。
濃度が高すぎると微生物に影響を与えるだけでなく、排水の水質にも影響を与える可能性があります。
非常に多くの作業者は、亜硝酸性窒素の増加を見ると不安を感じます。
硝酸態窒素 (NO ∝⁻ - N): 脱窒の最終ステップ
硝化反応の第 2 段階では、亜硝酸性窒素が酸化され続けます。
最終生成: 硝酸態窒素
このプロセスには酸素と別の種類の細菌の関与も必要です。
システムが安定して稼働している場合、アンモニア性窒素の大部分は最終的に硝酸性窒素に変わります。
しかし、問題はまだ終わっていません。ここで止まってしまうと水中に窒素が残ってしまいます。
したがって、下水処理場にはさらにもう 1 つのステップ、つまり脱窒が必要です。
低酸素条件下では、脱窒細菌が硝酸性窒素を徐々に減らします。
最後に窒素というガスを生成します。
窒素は水から放出され、空気中に戻ります。
この時点で窒素は完全に除去されます。
全窒素 (TN) は、実際には窒素族の大規模な集合です。
下水処理前のオンライン監視システムにおいては、全窒素監視は落雷のない固定項目となっており、その重要性がうかがえます。この指標を初めて見たとき、多くの人は少し抽象的だと感じるかもしれません。実はとてもわかりやすいのです。全窒素は、すべての形態の窒素の合計です。
有機窒素
アンモニア態窒素
亜硝酸態窒素
硝酸態窒素
これらは一緒になって水中の総窒素含有量を構成します。場合によっては、システム内のアンモニア態窒素がすでに非常に少なくなっているにもかかわらず、総窒素量がまだ高い場合があります。
多くの場合、硝酸態窒素がさらに除去されていないことが原因です。これは、多くの下水処理場が脱窒システムの設置を必要とする理由でもあります。
有機窒素から窒素へ: 完全な旅
下水中の窒素変化の過程をルートとしてプロットすると、おおよそ次のようになります。
このルートは実際、私たちが生物学的脱窒プロセスとよく呼ぶものです。
一見単純な道のように見えますが、その背後には無数の微生物が協力して完成する複雑なプロジェクトが存在します。
各段階には適切な環境条件が必要です。
溶存酸素
温度
炭素源
汚泥年齢
これらの要因はすべて、この「窒素の旅」に影響します。
結論は
下水処理において「窒素」は単純な指標ではありません。それは常に変化するチェーンのようなものです。
有機物中の窒素からアンモニア態窒素、硝酸性窒素を経て、最後に空気中に戻る窒素ガスになります。
実際、プロセス全体は微生物主導のサイクルです。
これらのさまざまな形態の窒素を真に理解すると、下水処理システムにおける多くの現象を理解することが容易になります。
例えば
なぜアンモニア態窒素が急に増えるのか
なぜ亜硝酸塩が蓄積するのか
全窒素が基準を満たすのが常に難しいのはなぜですか
多くの運用上の問題に対する答えは、実際にはこれらの「窒素の変化」の中に隠されています。