1. 脱窒・リン除去の仕組み
高酸性細菌は、嫌気条件下で大きな有機分子を低分子量の脂肪酸に分解します。-- DPB (蒸留ビスマスバイオタ) は、嫌気条件下で細胞内でポリリン酸を分解して ATP を生成し、能動輸送を介して脂肪酸を吸収してポリ(-ヒドロキシ酪酸) (PHB) を合成し、同時に PO43- を放出します。大量の PHB を蓄積した後、DPB は嫌気状態に入り、PHB 酸化の電子受容体として NO3- を使用します。 PHB の分解を利用してエネルギーを生成し、還元力 (ニコチンアミドアデニン ジヌクレオチド (NADH)) を提供し、NADH+H+ を電子伝達鎖のキャリアとして使用してプロトンを除去し、プロトン駆動力を形成します。このプロトン駆動力は、PO43- を体外から体内に輸送し、そこで ATPase の作用下で ATP を合成し、過剰な PO43- を体内に重合させます。嫌気条件下で電子伝達系を通じて生成されるATPは、嫌気条件下で体内のポリリン酸塩の分解によって生成されるATPを上回り、したがって、DPBは嫌気条件下で放出されるリンよりも多くのリンを取り込む機能を有する。
2. 脱窒と除去リンに影響を与える主な要因
2.1 炭素-対-窒素の比率
伝統的なリン除去理論によれば、無酸素ゾーンに炭素源が存在するか、嫌気ゾーンに硝酸塩が存在すると、脱窒細菌とDPBの間で電子受容体である硝酸態窒素や炭素源をめぐる競合が起こり、DPBの選択的利点が減少し、リン除去効率に影響を及ぼします。これには、流入水中の炭素-対-の適切な比率が必要です。しかし、Ahn J.らによる研究では、嫌気性/好気性(A/O)条件下では、炭素源の長期順化と嫌気性ゾーンに入る少量の硝酸塩がDPBの濃縮を促進し、DPBはA/O条件下で無酸素リンの取り込み能力を維持できることを示しています。微生物学的観点からは、2 つの説明があります。1 つは、DPB がトリカルボン酸サイクル (TCA) を通じて嫌気ゾーンの炭素源を直接利用しているというものです。もう一つは、DPB が嫌気期に TCA サイクルにより炭素源を酸化して還元力とエネルギーを獲得し、ポリヒドロキシアルカン酸を蓄積し、好気期に生存するというものである。この点に関するDPBの生理学的特徴に関する他の報告は発表されていません。
2.2 硝酸塩の投与方法
無酸素領域での硝酸塩の添加方法には、瞬間添加と連続添加の 2 つの方法があります。連続添加すると若干効果があり、亜硝酸塩の蓄積も避けられます。リンの取り込み速度に対する連続添加時間の影響については、Zou Hua et al.連続添加時間が３．５時間の場合よりも２時間の場合の方がリンの取り込み速度が高いことがわかった。しかし、現時点では添加率とリン吸収率との具体的な関係については報告されていない。その他の技術文書は、中国廃水処理エンジニアリング ネットワークでご覧いただけます。
2.3 SRT
DPB は、A/A 条件下よりも A/A 条件下で成長が遅くなります。 SRT が短すぎると反応器内の DPB が除去され、SRT が長すぎるとスラッジが老化してリン含有量が減少します。 Merzouki M. は、SBR 脱窒リン除去システムのリン除去効率は、SRT が 7.5 日の場合よりも 15 日の場合の方が 1.8 倍高かったと報告しました。リンおよび窒素の除去に使用される粒状汚泥プロセスの場合、汚泥の構造は、より豊富でより統合された生物学的コミュニティにより複雑になります。 DPB、ポリリン酸蓄積細菌、硝化細菌のバランスを汚泥の熟成を通じてどのように調整するかはまだ不明です。{8}
2.4 亜硝酸塩
現在、亜硝酸塩がリンの取り込みを阻害するかどうかについては 2 つの意見があり、これらの意見は異なる研究テーマに基づいています。脱窒およびリン除去馴化を行っていない汚泥を研究対象として使用した結果は、亜硝酸塩濃度が臨界レベルを超えるとリンの取り込みが阻害されることを一貫して示しています。 Wang Ya-yiらによる実験Meinhold J.らの実験では、亜硝酸塩濃度が15 mg/Lを超えるとリンの取り込みが阻害されることが示されました。臨界亜硝酸塩濃度は 5 ～ 8 mg/L であることが示されました。しかし、脱窒・除去リン馴化を行った汚泥を研究対象とする場合には、異なる結果が得られる。 Hu JY の実験は、広く認識されているポリリン酸蓄積細菌 (PAB){13}} と DPB に加えて、PPB の 3 番目のグループも存在することを示しました。これらの PPB は、リンを取り込むための電子受容体として亜硝酸塩を利用できます。さらに、実験では、初期亜硝酸塩濃度が 115 mg/L 未満の場合、リン摂取の有意な阻害は見られないことが示されました。家庭用廃水処理施設の亜硝酸塩濃度は明らかにこの臨界濃度をはるかに下回っているため、生物学的リン除去に悪影響を与えることはありません。温度 (DPB は温度、特に低温に特に敏感です) やカチオン (Mg2+ および K+) など、他の多くの要因が脱窒リン除去に影響します。現在、これらの側面に関する研究はほとんどなく、さまざまな要因間の相互作用により研究の困難さが増しています。
3. 脱窒・リン除去を実現する新たなアプローチ
従来の代表的な脱窒リン除去プロセスには、以下のようなものがあります。 ① 嫌気・無酸素硝化（A2N）プロセス。このプロセスは、二重汚泥脱窒リン除去プロセスであり、硝化細菌と DPB が異なる汚泥システムで別々に培養され、硝化細菌を DPB から完全に分離します。 A2N プロセスは、炭素と窒素の比率が低い状況に最適です。 ②デファノックスプロセス。流入する炭素と窒素の含有量が高い場合、A2N プロセスの無酸素タンクの後に曝気タンクを追加する必要があり、DEPHANOX プロセスが形成されます。
③BCFSプロセス。このプロセスは、修正された UCT プロセスです。 UCT プロセスの設計原理は、ポリリン酸蓄積細菌が必要とする環境条件の工学的強化に基づいています。一方、BCFS の開発は、プロセスの観点から DPB の濃縮条件を作り出すことです。最近、脱窒リン除去技術の応用に関する研究に画期的な進歩が見られました。廃水処理が必要な部門は、Wastewater Treasure プロジェクト サービス プラットフォームで同様の廃水処理経験を持つ企業に相談することもできます。
3.1 AOA-SBR メソッド
嫌気性/無酸素性/好気性 (A2O) プロセスは、窒素とリンの除去の一般的な形式です。これは主に、ポリリン酸蓄積細菌、硝化細菌、脱窒細菌の代謝を通じて機能します。{2}したがって、このプロセスでは硝酸塩と亜硝酸塩を含む液体の循環が不可欠です。常田 信也 他このプロセスは、DPB (二リン酸ポリリン酸) の特性を最大限に活用し、無酸素条件下で炭素源を使用せずに窒素とリンを同時に除去します。これにより、炭素源を使用せずに無酸素セクションで脱窒が行われるため、好気タンクと無酸素タンク間の循環が不要になり、単一の SBR で窒素とリンの同時除去が実現します。また、実験では、このプロセスが炭素-対-窒素比が 10 未満の合成廃水を処理する場合に、窒素とリンの平均除去率がそれぞれ 83% と 92% で、優れた窒素とリンの除去効果を達成できることが実証されました。このプロセスにより、DPB が濃縮されるだけでなく、DPB がリンと窒素の除去において主要な役割を果たすようになります。実験結果によると、DPB は AOA-SBR プロセスにおける総ポリリン酸蓄積細菌の 44% を占めており、これは従来の A/O-SBR プロセス（13%）や A2O プロセス（21%）よりも大幅に高いことが示されています。
AOA-SBR プロセスには 2 つの重要な特徴があります。① 好気性リンの取り込みを阻害するために、好気相の開始時に適切な量の炭素源が添加されます。この実験では、好気相中に添加される炭素源の最適量は 40 mg/L でした。
② このプロセスにおいて、亜硝酸塩はリンを取り込むための電子受容体として機能します。
3.2 粒状汚泥の処理
窒素とリンを除去するための粒状汚泥は、現在まだ研究段階にあります。従来の汚泥プロセスと比較して、好気性粒状汚泥は、より優れた沈降性能、より高いバイオマス濃度、より低い汚泥含水量を備えています。粒状汚泥の利用により、従来の汚泥に存在する問題（汚泥の増大、処理構造の設置面積の広さ、浄化槽からの二次的なリンの放出など）を克服できます。 Dulekgurgen E. らによる実験。粒状汚泥は安定したバイオマスを有しており、COD、リン、窒素の除去率はそれぞれ95%、99.6%、71%であることが示されました。国内の研究結果もこれと一致しており、好気性粒状汚泥は脱窒能とリン除去能を有している。粒状汚泥の独特な構造と酸素拡散勾配の存在により、ポリリン酸蓄積細菌、硝化細菌、DPB が共存する環境が提供されます。{10}粒状汚泥には大量のDPBと硝化細菌が蓄積します。 Yang Guojingらによる実験。らは、DPB が粒状汚泥中のすべてのポリリン酸塩蓄積細菌の 73.1% を占めていることを示しました。-粒状汚泥の培養は通常の汚泥の培養に比べて難しく、影響要因も比較的複雑です。
通常の汚泥の脱窒・除去に共通の影響因子に加え、粒状汚泥には独自の影響因子があります。 ① DO 濃度と粒子径の相互作用が脱窒・除去効率に大きな影響を与えます。粒径が小さすぎると、酸素の透過が比較的強くなり、無酸素領域の形成に影響を及ぼし、脱窒やリンの除去ができなくなります。
② 窒素とリンの適切な比率を維持することは、汚泥の造粒とリンの除去能力にとって重要です。{0}}窒素-対-のリン比が 2.36 から 4.0 に増加すると、リンの除去率は 85.0% から 54.1% に減少します。 ③ Lin Y-M らによる実験粒子サイズとリン-対-炭素の質量比との間に密接な関係があることが示されました。リン-対-炭素の質量比が高いと、より緻密な構造を持つより小さな粒子が得られるため、SVIが減少し、ポリリン酸塩-蓄積細菌の蓄積が促進されます。
3.3 内部循環エアリフトシーケンスバッチバイオフィルムプロセス
内部循環エアリフトシーケンスバッチバイオフィルムプロセス (SBBR) は、主にリンと窒素を統合的に除去するように設計されています。 Zhang ZYらによる研究。内部循環エアリフト SBBR が安定した窒素とリンの除去率を達成することを示しました。最適な充填密度および有機負荷の下でのCOD、N、およびPの除去率は、それぞれ95.3%±3.3%、94.6%±4.1%、および73.1%±8.3%であった。反応器は隔壁によって好気ゾーンと還流ゾーンの 2 つのゾーンに分割されています。{12}硝化菌と好気性ポリリン酸蓄積菌-は主に好気ゾーンで見られ、DPB は逆流ゾーンで見られます。嫌気期間中、還流ゾーンの DPB と好気ゾーンのポリリン酸-蓄積細菌が有機基質を吸収します。好気/無酸素期間中、好気ゾーンの硝化細菌は NO3- と NO2- を生成して DPB リン取り込みのための電子受容体を提供し、窒素とリンを除去します。スラッジの除去はリンの除去に影響を与える重要な要素であり、繊維充填の密度を調整することで達成できます。従来のSBBRは、主にバイオフィルム内の硝化細菌と従属栄養細菌間の酸素と栄養素の競合により、窒素とリンの除去効率が低くなります。従来の SBBR と比較して、内部循環エアリフト SBBR はこの競争を回避します。従来の活性汚泥プロセスと比較して、この反応器はエネルギーと投資を節約します。
4. 今後の見通し
脱窒リン除去技術の研究は国内外で予備的な成果が得られ、基礎研究から工学的応用へと発展しています。現在、脱窒リン除去システムにおける微生物群集の構造と機能についての理解はまだ限られています。微生物群集の構造はシステムが異なると大きく異なり、同じシステム内の微生物群集も非常に複雑です。分子生物学技術を使用すると、微生物群集の動態を追跡し、官能基を同定することができ、微生物群集の構造と機能の関係が明らかになり、それによって生物学的処理工学のより適切な制御が可能になります。生物学的リン除去に使用される分子生物学技術には、ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR)、制限断片長多型 (RFLP)、およびオリゴヌクレオチド プローブ技術が含まれます。研究では一般的に、ポリリン酸蓄積細菌（PAB）は-プロテオバクテリアのロドサイクルスおよびデクロリモナスのグループに由来すると考えられています。サトシ・T. 他らは RFLP を使用してポリリン酸蓄積細菌 (DPB)- の特性を研究し、DPB が Rhodocyclus グループの Thaurera mechrnichensis と Azoarcus tolulyticus であることを示しました。微生物学と脱窒リン除去システムの工学を緊密に統合する必要があります。微生物の検出と生態学的研究を通じて、システム内のDPBの量と群集構造を分析および決定し、動作パラメーターがPPB、硝化細菌、DPBの特性、個体数密度分布、空間分布にどのような影響を与えるかを理解することで、脱窒リン除去システムの人為的強化を達成し、処理プロセスを最適化し、新技術の開発と応用を強化することができます。