嫌気性アンモニア酸化 (ANAMMOX) プロセスは、1990 年にオランダのデルフト工科大学のクルイバー バイオテクノロジー研究所によって開発されました。このプロセスは、従来の生物学的窒素除去プロセスの基本的な理論概念を打ち破るものです。嫌気条件下では、アンモニアを電子供与体として、硝酸塩または亜硝酸塩を電子受容体として使用して、アンモニアは窒素ガスに酸化されます。これにより、完全硝化（アンモニアから硝酸塩への酸化）と比較して、酸素供給が 60% 以上節約されます。アンモニアを電子供与体として使用すると、従来の生物学的窒素除去プロセスで必要な炭素源も節約できます。
ANAMMOXプロセスは、窒素除去効率が高く、運転コストが低く、設置面積が小さいなどの利点があり、廃水処理における発展の可能性が大きい。現在、このプロセスは都市汚泥の処理においてますます成熟しつつあります。オランダのロッテルダムにある Dokhaven 廃水処理施設にある世界初の量産規模の ANAMMOX ユニットは、9.5 kg N/(m3・d) という高い体積窒素除去率 (NRR) を実現しています。さらに、ANAMMOX プロセスは、発酵産業廃水、埋め立て浸出水、養殖廃水などの高アンモニア態窒素廃水の処理に採用されることが増えており、そのエンジニアリング用途は世界中で急速に広がっています。{6}
嫌気性アンモニア酸化の原理
アナモックスは、嫌気条件下での生物学的反応であり、アンモニアを電子供与体として、亜硝酸塩を電子受容体として使用して窒素と硝酸塩を生成します。 Anammox には 2 つのプロセスが含まれます。1 つは分解 (エネルギー生成) 代謝で、アンモニアが電子供与体として、亜硝酸塩が電子受容体として働き、1:1 の比率で反応して窒素ガスを生成し、エネルギーを ATP として蓄えます。 2つ目は同化作用で、亜硝酸塩が電子受容体として作用して還元力を提供し、分解代謝で生成される二酸化炭素とATPを利用して細胞物質を合成し、その過程で硝酸塩を生成します。嫌気性アンモニア酸化細菌 (AnAOB) は、嫌気性アンモニア酸化を実行します。
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O、ΔG=-358kg/mol
嫌気性アンモニウム酸化 (ANAO) プロセスは、主に 2 つのステップで構成されます。最初のステップは部分硝化で、アンモニア性窒素の約 55% のみを亜硝酸性窒素に変換する必要があります。 2 番目のステップは嫌気性アンモニウム酸化 (ANAO) で、嫌気性条件下でアンモニア態窒素が電子受容体としての亜硝酸性窒素によって酸化されて窒素ガスになります。したがって、PN/A プロセスとも呼ばれます。
このプロセスでは、無機窒素の約 89% が窒素ガスに変換され、残りの 11% が硝酸態窒素に変換されます。従来の硝化-脱窒プロセスと比較して、ANAO には大きな技術的利点があります。曝気エネルギー消費量は従来のプロセスのわずか 55 ～ 60% です。このプロセスには炭素源がほとんど必要ありません。 ANAO 中に硝酸塩生成物を除去するために炭素源を追加する必要がある場合、追加される量も従来のプロセスよりもはるかに少なくなります。投与量は90％減少します。アナモックスプロセスはアルカリ消費量を 45% 削減できます。同時に、アナモックスプロセスの汚泥生成量は従来の脱窒プロセスよりもはるかに少ないため、過剰汚泥の処理および廃棄コストが大幅に削減されます。
アナモックスに影響を与える要因
主流の廃水処理システムにおいてアナモックス細菌の適切な生存条件を作り出すことは、アナモックス細菌および AOB 細菌 (アンモニア窒素を亜硝酸塩に変換するアンモニア窒素化細菌) の濃縮や、NOB 細菌 (亜硝酸塩を硝酸塩に変換する亜硝酸酸化細菌) の阻害を含む現在の課題です。
1. 温度
微生物の代謝活動は温度に大きく影響されます。これまでの研究結果では、アナモックスの最適温度は35度であることが示されています。アナモックスにとって最適な温度は、生物学的代謝が最も速く、生殖周期が最も短いときです。しかし、実際のほとんどの都市下水の温度は低く（10～25度）、特に私の国の北部などの一部の高緯度地域では、下水の温度が10度未満であることがよくあります。-これらの分野における Anammox の有効性と安定性には大きな課題があります。
都市下水の主流温度は一般に約 10 ～ 20 度で、AnAOB の最適増殖温度（25 ～ 40 度）より低く、Anammox. 2. の増殖に影響を及ぼします。アンモニアと亜硝酸塩の濃度
嫌気性アンモニウム酸化 (ANAMO) の基質はアンモニアと亜硝酸塩です。ただし、これら 2 つの物質の濃度が高すぎると、プロセスが阻害される可能性があります。研究によると、アンモニアの阻害濃度は 38.0 ～ 98.5 nmol/L、亜硝酸塩の阻害濃度は 5.4 ～ 12.0 nmol/L です。ジェッテンら。亜硝酸塩濃度が 20 nmol/L を超えると、ANAMMOX プロセスが大幅に阻害されることがわかりました。高濃度の亜硝酸塩に長時間 (2 時間) さらされると、ANAMMOX 活性が完全に破壊される可能性がありますが、より低い亜硝酸塩濃度 (約 10 nmol/L) では、その活性は比較的高いままです。
3. pH値
アンモニアと亜硝酸塩は水溶液中で解離するため、pH 値が ANAMMOX に影響します。研究によると、ANAMMOX プロセスは 6.7 ～ 8.3 の pH 範囲内で良好に機能し、最適な pH は約 8 であることが示されています。
4. 有機物の影響
廃水中の COD 含有量…従属栄養性脱窒細菌の増殖を促進し、アナモックスプロセスを阻害します。 Anammox プロセスは、前者によって COD が低レベルまで消費される場合にのみ優位に立つことができます。この問題は、高強度の都市廃水の処理において特に顕著です。- Winklerらの研究は、25度で原水のC/N比が0.5未満であれば、アナモックスと従属栄養性脱窒が窒素除去効率の低下を招くことなく調和して共存できることを示している。
5. ショートカット硝化の安定性-Anammox プロセスを適用する場合、亜硝酸塩の蓄積を可能にし、硝化システムをショートカット硝化状態に維持するために、主流の条件下で NOB 活性を可能な限り最小限に抑える必要があります。-これは、Anammox の安定性を確保するために非常に重要です。プロセスの正常な動作は基本であり、治療効果に直接関係します。前述の目標は、遊離アンモニアを制御することで達成できます。したがって、アナモックスが主に高アンモニア窒素廃水に適用されるのはこのためです。-高アンモニア窒素廃水中の遊離アンモニアが NOB を阻害し、適切な制御条件下でシステムを近道硝化状態に維持できるためです。-しかし、都市排水では、ショートカット硝化の安定性が温度とアンモニア性窒素の影響を受けるため、安定した運転が不可能です。- PN/A プロセスでは、低温では AOB の活性が阻害され、アンモニア態窒素転化率が低下するため、ショートカット硝化段階も温度の影響を受けます。-さらに、AOB の活性化エネルギーは NOB の活性化エネルギーよりも高いため、NO2 の蓄積が不十分になり、Anammox 反応に十分な基質を提供できなくなります。
ANAMMOX プロセスとその派生プロセス
実際の工学用途で使用される Anammox 技術は、懸濁汚泥、粒状汚泥、および生物膜プロセスに分類できます。
1. 浮遊汚泥処理
AOB と AAOB{0}}微生物は成長が遅く、生成サイクルが長いため、従来の懸濁汚泥システムでは簡単に失われます。したがって、懸濁汚泥プロセスでは、微生物を保持するためにシーケンスバッチ反応器 (SBR) が使用されることがよくあります。
すべての SBR anammox テクノロジーのうち、80% が DEMON プロセスです。このプロセスは、オーストリアのストラス廃水処理プラントで初めて適用されました。その中心的な原理は、pH の変化を監視して曝気時間を調整し、それによって近道硝化とアナモックスの間のバランスを調整することです。-さらに、このプロセスでは液体サイクロンを利用して、AAOB と AOB の汚泥年齢を調整します。遠心力により、微生物は 2 つの部分に分離されます。軽い AOB は上部から溢れ、重い AAOB は底部に蓄積して反応器に戻ります。ストラス廃水処理プラントは、85% 以上の独立栄養窒素除去効率を達成しました。
2. 粒状汚泥処理
粒状汚泥システムの典型的な例は、ロッテルダムにある Parker によって建設された Anammox 反応器です。初期のフロー-バイ-プロセスでは 2 段階システムを使用する傾向があったため、実際の運転では、Anammox 反応器は以前に構築された硝化装置と統合されました。SHARON 反応器を結合して Sharon- 反応器システムを形成しましたが、起動には 3 年半かかりました。その後、パーカー バイオメディカルは統合型アナモックス リアクターを開発しました。アナモックス反応器と二段階システムの統合反応器はどちらも上向流連続方式で動作し、内部にスラッジ粒子の保持を実現する傾斜板沈殿タンクを備えています。
3. バイオフィルムプロセス
バイオフィルム技術を使用した Anammox プロセスには、主に DeAmmon と ANITATMMox があります。 DeAmmon プロセスは、3 つの MBBR 反応器と 1 つの脱気タンクで構成されます。 3 つの反応器は必要に応じて直列または並列に接続でき、MBBR 充填率は 40% ～ 50% です。 ANITATMMox は主に、サイドフロー システムに統合された MBBR リアクターを使用します。- ANITATMMox は、純粋な MBBR バイオフィルムまたは汚泥膜ハイブリッド IFAS (統合脂肪膜アッセイ) を使用できます。{7}純粋なバイオフィルムプロセスでは、AAOB 細菌が充填材の最内層に存在し、AOB が最外層に存在します。 IFASプロセスでは、AAOBは主に充填材に存在し、AOBは浮遊汚泥に存在します。
世界初の嫌気性アンモニア酸化（ANAO）プロジェクト！
2002 年、パーカー システムズは、汚泥脱水液の処理に SharonAnammox システムを使用して、ロッテルダムの Dokhaven 廃水処理プラントに世界初の生産的な ANAO 反応器を建設しました。その後、オランダ、ドイツ、日本、オーストラリア、スイス、英国でそのような原子炉が 100 基以上建設されました。複数の嫌気性アンモニア酸化排水処理施設では、汚泥消化液のほか、埋立浸出水、畜産排水、食品排水などの排水を処理しています。
1. オランダ・ロッテルダムのDOKHAVEN廃水処理施設における汚泥の嫌気性アンモニア酸化処理
エネルギー媒体としての有機汚泥は、その中の有機物をエネルギーの高いガス-に変換すると最初に考えられています。これに基づいて、図に示す汚泥処理プロセスが形成されます。廃水処理プロセスからの余剰汚泥は、汚泥消化タンク (5) に入る前に 2 つの異なる濃縮方法を経ます。余剰汚泥と A- セクション曝気槽からの汚泥は濃縮する前に目の細かいスクリーン (1) で濾過され、次に 2 つの重力濃縮槽 (2) に並行して流入します。沈殿した汚泥の含水率は 94% です。分離された上澄みはその後、さらなる処理のために廃水処理プロセスに戻されます。
汚泥消化液には比較的高濃度のアンモニア態窒素（最大1500mg N/L）が含まれており、水温は28度です。程度 。このような高い窒素負荷が廃水処理プロセスに流入すると、窒素除去の負担が増大します。したがって、汚泥消化物の分離脱窒処理に最新のSHARONおよびANAMMOX技術を採用することが、近年のDOKHAVEN廃水処理プラントの最新のアップグレード措置となっています。世界初の生産的な SHARON 原子炉 (11) は 1998 年 10 月にここで運転を開始し、世界初の ANAMMOX 原子炉 (12) は 2002 年 6 月に運転を開始しました。
2. プロセスパラメータ
1) 微細スクリーン 1 セット、流量 510 m3/h、スクリーン間隔 3 mm。
2) 重力濃縮装置 2 セット、Ф23.6 m、H=3 m、乾燥固形物負荷 36 kg/(m²・d)、汚泥量 530 m3/d (含水率 94%)。
3) ベルト増粘剤処理能力 90 m3/h または 700 kg 乾燥固体/h。
4) 余剰汚泥均一化タンク 900 m3。
5) 6) 2 つの汚泥消化タンク、Ф22 m、H=23 m、滞留時間 33 度で 28 日間、消化後の汚泥量は 600 m3/d (含水率 96%) になります。汚泥均一化タンクの容量は900m3です。
7) 処理能力 40 m3/h の遠心分離機 2 台。
8) 2 つの脱水汚泥貯蔵タンク、それぞれの容量は 150 m3;保持時間 2.5 日。高さ=14メートル。
9) SHARON 原子炉 1 基。 Ф19.5 m、H=5.75 m、流量 550 m3/d、水圧滞留時間 3 日間、好気滞留時間 24 時間、温度 35 度、pH 7 ～ 7.2、溶存酸素濃度 1.5 mg/L。
10) ANAMMOX 反応器 1 台。 Ф2.2 m、H=18 m (V=70 m3)、流量 550 m3/日。反応器は、容量 m3/日、水圧滞留時間 3 時間、設計荷重 800 kgN/日、温度 35 度、pH 7.5 で運転します。
SHARON 反応器は、アンモニア性窒素の半分を亜硝酸性窒素に酸化します (pH 制御なし)。アンモニア性窒素の残りの半分と変換された亜硝酸性窒素（流入水中の全アンモニア性窒素の半分）は、ANAMMOXに必要なモル比（1:1）を形成し、アンモニア性窒素と亜硝酸性窒素が独立栄養変換によって窒素ガスに直接変換されることが可能になります。従来の硝化/脱窒プロセスと比較して、SHARON/ANAMMOX プロセスは運転コストを 90% 削減し、CO2 排出量を 88% 削減し、有害な N₂O ガスを生成せず、有機物を必要とせず、余分な汚泥を生成せず、土地面積の 50% を節約し、顕著な持続可能性と経済的利益を実証しています。