A²/O プロセスの問題点の克服: 窒素とリンを同時に除去するための重要な技術的ルート

A²/O (嫌気性/無酸素性/好気性) プロセスは、シンプルなフロー、低投資、便利な操作とメンテナンスという主な利点を備えており、都市下水の生物学的窒素とリンの除去において長い間支配的な地位を占めており、さまざまな都市下水処理プラントで広く使用されています。しかし、実際の運転と維持管理においては、多くの下水プラントが同じジレンマに陥っています。特に、我が国で蔓延している低い C/N 比で廃水を処理する場合、TN (全窒素) と TP (全リン) を同時に達成することは困難です。これは、窒素の除去がリンの除去の失敗につながり、リンの除去が窒素の除去の失敗につながるという悪循環につながり、その結果、頻繁な環境検査と是正が発生し、維持コストが高止まりすることになります。

この記事は、3 つの主要な技術文書を組み合わせたもので、大まかな説明を放棄し、プロセスの本質から始めます。 A²/O プロセスの原理、その 3 つの固有の欠陥、脱窒リン除去の中心的なメカニズム、および低 C/N 廃水の最適な改質スキームを詳細に分析して説明します。プロフェッショナリズムと実用性のバランスが保たれているため、設計者、運用および保守担当者、エンジニアリング修正担当者が直接参照して適用できます。

1. 標準的なプロセスフロー

A2/O プロセスの中核は、汚泥の再循環と内部再循環を組み合わせた 3 つの反応器の直列運転による脱窒とリンの除去を同時に行うことです。標準流量は原水→嫌気槽→無酸素槽→好気槽→二次沈殿槽→排水と明確で追跡可能です。プロセス全体は複雑な機器を必要とせず、運用とメンテナンスの難易度が低く、大規模なアプリケーションに適しています。-

・汚泥返送：二次沈殿槽→嫌気槽

・内部還流：好気槽→無酸素槽

2. 3 段階のコア反応原理 (プロセスの本質を理解するために各段階の役割を細分化)

(1) 嫌気段階（分子状酸素、硝酸態窒素なし）

• ポリリン酸-蓄積細菌（PAO）は、硝酸塩-のない嫌気性環境で体内に蓄えられたリンを積極的に放出する一方、廃水から分解しやすい COD（生分解性有機物）を吸収し、それを PHB（ポリ- -）に変換して貯蔵し、その後のリン吸収のためのエネルギーを蓄えます。

• 嫌気段階に少量の硝酸塩が存在する場合（主に返送汚泥から）、脱窒細菌は脱窒のために残留炭素源を優先的に利用し、PAO に必要な炭素源を間接的に消費し、潜在的なリン除去の危険性を生み出します。

• 同時に、発酵細菌は、分解が難しい廃水中の高分子有機物を PAO に容易に吸収される揮発性脂肪酸 (VFA) に分解し、PAO による PHB 合成に十分な基質を提供します。

(2) 無酸素ゾーン（分子状酸素なし、硝酸性窒素を含む）

• 脱窒細菌は、好気ゾーンでの再循環からの硝酸塩を電子受容体として使用し、廃水中の残留 COD を炭素源として使用して硝酸塩を窒素 (N₂) に還元し、脱窒プロセスを完了します。これは TN 除去の中核となるステップです。

• 一部の特殊なポリリン酸{0}}蓄積細菌（つまり、脱窒ポリリン酸-蓄積細菌 DNPAO）は、電子受容体として酸素の代わりに硝酸塩を使用し、脱窒中に過剰なリンの取り込みを達成することで、「好気性リンの取り込み」の従来の理解を打ち破ることができます。これが後ほど取り上げる脱窒リン除去です。

• 内部再循環の流量は、無酸素ゾーンでの硝酸態窒素の供給量を直接決定し、脱窒効率と脱窒リン除去効果に影響を与える重要な制御パラメータです。

(3) エアロビックステージ（エアロビック）

• 硝化細菌 (独立栄養細菌) は、酸素が十分にある環境で、廃水中のアンモニア態窒素 (NH₄⁺-N) を酸化して硝酸塩 (NO₃⁻-N) にし、硝化反応を完了させ、無酸素段階での脱窒とリンの除去に十分な電子受容体を提供します。

• ポリリン酸塩-を蓄積する細菌（DNPAO を含む）は、好気的環境において、廃水から大量のリンを吸収して体内に蓄積し、通常のレベルをはるかに超えるリン含有量（つまり過剰なリン摂取）をもたらし、その後の汚泥排出によるリン除去の基礎を築きます。

・同時に、好気段階の微生物により排水中に残存するCODをさらに分解し、脱窒工程で発生する窒素を剥ぎ取り、汚泥の浮遊を防止し、安定した汚泥沈降性能を確保します。

3. 最終的な窒素とリンの除去経路

・窒素除去経路：好気槽で硝化（アンモニア態窒素→硝酸塩）→無酸素槽で脱窒（硝酸塩→窒素）→窒素は自然に逃がし、完全窒素除去を実現。

多くの下水処理施設は、A²/O プロセスが基準を達成するのは難しいと考えており、その原因が不適切な運転とメンテナンスにあると誤って考えています。しかし、そうではありません。-問題の核心は、3 種類の機能的微生物（硝化細菌、脱窒細菌、ポリリン酸蓄積細菌）間の固有の矛盾です。-それらは生活環境や栄養に対する要求が全く異なるため、同じ汚泥系内で同時に最適な生育条件を満たすことは不可能です。これは、A²/O プロセスが克服するのに苦労している原理-レベルの矛盾です。

1. 炭素源競争（核心紛争）

2. 汚泥年齢の対立

• リン除去経路: 嫌気槽のリン放出 (ポリリン酸塩-蓄積細菌が体内からリンを放出) → 好気/無酸素槽のリン取り込み (ポリリン酸塩-蓄積菌が廃水からリンを過剰に吸収) → 過剰な汚泥の排出 (リン-に富む汚泥をシステムから除去)、完全なリン除去が完了します。

3. 嫌気性リン除去における硝酸塩の干渉

従来の A²/O プロセスでは、二次沈殿槽からの返送汚泥が直接嫌気段階に入ります。この返送汚泥には好気段階で生成した硝酸塩が必然的に多量に含まれます。嫌気段階に入ると、これらの硝酸塩は次の 3 つの方法でリン除去プロセスを完全に妨害します。

• 嫌気性段階: ポリリン酸蓄積細菌の中心的なニーズは、分解しやすい COD を吸収し、その後のリンの放出と取り込みのために PHB を合成することです。{0}}これはリン除去の基本であり、欠かせないものです。

• 私の国の都市廃水は一般的に C/N 比が低く (COD/TN < 4.5)、深刻な炭素源不足に陥っています。炭素源をめぐる 2 種類の微生物間の競合により、必然的に一方が強く、もう一方が弱いという状況が生じます。-窒素の除去は良好ですが、リンの除去は不十分になります。リンを良好に除去すると、窒素が過剰に除去されてしまいます。

• 無酸素段階: 脱窒細菌の中核となる要件は、COD を電子供与体として使用して硝酸塩を窒素ガスに変換し、窒素除去を完了することです。これもCODに依存します。

1. 脱窒・除去の原理

A²/O プロセス固有の欠陥に対処するための最も効果的な解決策は、「炭素の二重使用」です。その核心は、脱窒ポリリン酸蓄積細菌（DNPAO/DPB）の特殊な代謝特性を利用して、単一の炭素源で窒素とリンの除去のニーズを同時に満たせるようにすることです。{1}これにより、炭素源の競争と汚泥年齢間の対立が根本的に緩和されます。具体的な代謝プロセスは次のとおりです。

• ポリリン酸-蓄積細菌: 急速に増殖する従属栄養細菌です。リン除去の核心は、余剰汚泥を排出して系内からリンを除去することです。したがって、比較的短い汚泥年齢 (5 ～ 1) が必要です。 • 0d (0 日): 汚泥の熟成期間が長すぎると、-ポリリン酸塩蓄積バクテリアからリンが再放出され-、リン除去効率が大幅に低下します。

• 硝化細菌: 増殖速度と繁殖速度が非常に遅い独立栄養細菌です。安定して生存し、硝化反応を完了するには、比較的長い汚泥熟成期間 (15 ～ 25 日) を必要とします。汚泥年齢が短すぎると硝化菌が大量に排出され、効果的なアンモニア態窒素除去ができなくなります。

• A²/O プロセスは単一の汚泥システムを使用するため、均一な汚泥年齢を 1 つだけ設定できます。硝化を維持するための汚泥の熟成期間が長いとリン廃棄物が発生しますが、リンの除去を維持するための汚泥の熟成期間が短いと硝化の崩壊につながります。両方を同時に達成することはできません。

2. A²/O による脱窒とリン除去の活性化のための重要なパラメータ

1. 優先的な炭素源の消費: 脱窒細菌は硝酸塩を電子受容体として利用し、嫌気段階で容易に分解可能な COD を優先的に消費し、ポリリン酸蓄積細菌 (PAB) が PHB を合成するのに十分な炭素を取得するのを防ぎます。{1}

2. PPA によるリン放出の阻害: PPA は、リン放出のために厳密に嫌気性で硝酸塩-を含まない環境を必要とします。硝酸塩の存在はリン放出プロセスを直接阻害し、異常な「嫌気性リン取り込み」を引き起こし、その後の好気性/無酸素性リン取り込みを妨げ、リン除去の失敗を引き起こします。

3. 嫌気環境の破壊: 硝酸塩は脱窒中の嫌気段階で嫌気環境を消費し、PPA の代謝活性を間接的に阻害します。

実際の検証結果: 上記パラメータの制御下では、無酸素段階でのリン取り込み率は 69% に達し、追加の炭素源は必要ありません。窒素とリンの除去効率を同時に向上させるとともに、好気ステージでの曝気量を約20％削減でき、運転エネルギー消費量を大幅に削減します。

私の国の都市下水では低いC/N比が一般的であり、測定値は3.1から5.9の範囲であることが多く、A²/O基準への安定した準拠に必要な4.5をはるかに下回っています。最適化された動作パラメータを使用しても、単一の A²/O プロセスが長期的にクラス A 排出基準を一貫して満たす可能性は低いです。したがって、この固有の欠陥に根本的に対処するには、組み合わせたプロセスが必要です。

• 嫌気段階: DNPAO は、通常のポリリン酸蓄積細菌と同様に、廃水から生分解性の高い COD を吸収しながら細胞からリンを放出し、PHB を合成して細胞内に貯蔵します。これにより、リンの放出と炭素源の貯蔵が完了します。

エンジンの実践により、A²/O + BAF（生物学的通気フィルター）が現在最も成熟しており、実装が簡単で、費用対効果の高いアップグレード ルートであることが証明されています。-核となるアイデアは「硝化とリン除去の分離操作」であり、両方の種類の微生物が最適な環境で生育できるようにし、汚泥年齢の競合と炭素源の競合を完全に解決します。

• 主な利点: 1 部の炭素源 (PHB)=脱窒 + リン除去を達成し、炭素源利用率を直接 2 倍にします。脱窒効率とリン除去効率を同時に向上させるために追加の炭素源は必要なく、C/N 比の低い廃水に最適です。

• 無酸素段階: DNPAO はもはや酸素に依存せず、硝酸塩を電子受容体として使用し、同時に硝酸塩を窒素に還元し (脱窒を完了)、蓄えられた PHB をエネルギー源として利用して廃水から過剰なリンを吸収します (リン除去が完了)。

1. 基本原理: 硝化とリン除去の分離

2. 実際の結果 (C/N=4.2)

• スラッジ滞留時間 (SRT): 約 15 日間に制御されます。この汚泥の熟成期間は、硝化細菌の増殖要件を満たし（硝化効率の確保）、同時に DNPAO の濃縮と活性のバランスをとり、処理効率に悪影響を与える可能性のある過度に長いまたは短い汚泥の熟成期間を回避します。

• 内部再循環比: 3.0 ～ 3.5 に制御されます。この比率では、無酸素タンク排水中の硝酸塩濃度は 1 ～ 3 mg/L に維持され、過剰な硝酸塩が嫌気ゾーンに入りリンの放出を妨げることなく、DNPAO に十分な電子受容体を提供します。

• 無酸素/嫌気体積比: 無酸素ゾーンの体積比を適切に増加させると、無酸素ゾーンでの DNPAO の滞留時間が延長され、脱窒とリンの除去が強化されます。

• 嫌気セクションでの厳密な硝酸塩制御: 還流方法を最適化することにより、嫌気セクションの硝酸塩濃度を<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.

3. 最適な動作パラメータ

・A²/Oセクション（汚泥短期5～10日）：硝化を放棄し、「嫌気性リン放出+無酸素性脱窒リン除去」に重点を置いています。短い汚泥年齢の設定により、汚泥の排出を通じてポリリン酸塩蓄積バクテリアによる効率的なリン除去が保証されます。一方、DNPAO は内部の PHB を脱窒に利用し、限られた炭素源の利用を最大限に高めます。{4}}

• 内部還流設計: BAF セクションで生成された硝化液 (硝酸塩が豊富) が A2/O 酸素欠乏セクションに還流され、DNPAO に十分な電子受容体が提供され、「BAF 硝化 → A2/O 脱窒リン除去」の閉ループが形成され、窒素とリンの同時除去基準が達成されます。

• BAF ステージ (長い汚泥年齢 30 日以上): 硝化専用。 BAFタンクのパッキン材がバイオフィルムを形成し、膜上で硝化菌が安定して増殖します。長い汚泥熟成により最適な硝化が確保され、ほぼ 100% のアンモニア態窒素除去が達成され、硝化不足が完全に解消されます。

1. UCT/MUCT プロセス (硝酸塩干渉の解決)

• 排水水質: COD=34mg/L、TN=13.3mg/L、TP=0.1mg/L、すべて「都市廃水処理施設の汚染物質の排出基準」（GB (18918-2002) クラス A 基準;

• 流入水の水質（低 C/N 比条件のシミュレーション、C/N=4.2）: COD=240mg/L、TN=57mg/L、TP=5.1mg/L。

• 微生物の活動: システム内の脱窒ポリリン酸蓄積細菌 (DNPAO) の割合は 40.5% に達し、炭素源の利用率が大幅に向上し、外部から追加の炭素源を追加する必要がなくなります。

・除去効率：COD除去率85.8%、TN除去率76.9%、TP除去率98%、窒素、リン除去効果にばらつきがなく安定。

2. 逆 A²/O プロセス (窒素除去を優先した炭素源)

コアの修正: 3 つのタンク セクションの順序を無酸素→嫌気→好気へと調整します。新しい機器は必要なく、水の流れの方向を調整するだけで済みます。既存のプラントの低コストの改修に適しています。-

• 汚泥回収率: 100%。A²/O セクションで安定した汚泥濃度を確保し、DNPAO およびポリリン酸蓄積微生物（PAO）に十分なバイオマスを提供します。-

・内部還元率：250％に管理。この比率により、A²/O 酸素欠乏セクションに十分な硝酸塩が供給されると同時に、過剰なリターンによる過剰なエネルギー消費が回避され、最高の費用対効果が得られます。-

• 微生物制御: 動作パラメータを最適化することにより、システム内の脱窒 PAO の割合が 40.5% で安定し、脱窒とリンの除去が最大化されます。

• 溶存酸素 (DO) 制御: A²/O 好気セクション DO=1 – 2 mg/L (PAO のリン摂取要件を満たし、高 DO による過度のエネルギー浪費を回避)。 BAF セクション DO=4 – 5 mg/L (硝化細菌の硝化要件を満たし、アンモニア態窒素を完全に除去します)。

3. JHB プロセス

炉心改良: 嫌気ステージに戻される汚泥の経路に沿って、無酸素前脱窒タンクが追加されます。{0}戻された汚泥はまずこのタンクに入り、流入 COD の一部を使用して事前脱窒を受け、汚泥中の硝酸塩含有量がさらに減少します。-

• 炉心改質：従来の A²/O プロセス「汚泥を嫌気段階に戻す」を「汚泥を無酸素タンクに戻す」ように調整し、戻された汚泥が最初に無酸素段階で脱窒を受け、それに含まれる硝酸塩が消費されるようにします。

• 改質効果: 無酸素段階での脱窒後、嫌気段階に入る汚泥には硝酸塩がほぼ含まれず、嫌気段階でのリン放出効率が 50% 以上増加し、リン除去に対する硝酸塩の干渉の問題が根本的に解決されます。特に MUCT プロセスでは、2 つの無酸素タンクを追加して汚泥脱窒と混合液脱窒をさらに分離することで、より安定した性能と硝酸塩の干渉が厳しい下水処理プラントへの適合性を実現します。

• 炭素源の優先配分：原水は最初に無酸素ゾーンに入り、脱窒細菌が優先的に炭素源を獲得するため、脱窒効率が大幅に向上し、低C/N比下での脱窒不足の問題が解決されます。

• 運用および保守の利点: プロセスが簡素化され、追加の機器や運用および保守コストが不要で、修正サイクルが短く、実装の難易度が低いため、既存のプラントをアップグレードするための推奨ソリューションの 1 つとなります。

• より安定したリン除去: ポリリン酸-を蓄積する細菌は、無酸素ゾーンでは「飢餓状態」になります。嫌気ゾーンに入ると、より効率的に炭素源を吸収し、リンを放出するため、好気性リンの吸収がより徹底され、リンの除去がより安定します。

最適化された記事では、より詳細な情報とより一貫したロジックが提供され、粗さの問題が解決されました。これを 1 ページの A²/O 原理 + パラメータ + トラブルシューティング クイック リファレンス マニュアルにまとめて印刷して制御室に貼ったり、持ち歩いたりしてもよろしいでしょうか?-

追加事項: このプロセスは、特に返された汚泥中の硝酸塩含有量が高すぎる問題に対処しており、UCT プロセスよりも優れた脱窒性能を備えていますが、追加のタンクが必要です。高度な脱窒要件があり、変更の余地がある廃水処理プラントに適しています。

1. 基本原則

嫌気性リン放出 → 無酸素性窒素除去 + 脱窒リン除去 → 好気性硝化 + リン取り込みの 3 つの段階が相乗的に機能し、閉ループ内の汚泥と内部再循環に依存します。

2. 固有の障害

炭素源の競合、汚泥年齢の不一致、硝酸塩の干渉{0}}これら 3 つは従来の運用とメンテナンスでは解決できず、コンプライアンス達成の主要な障害となっています。

3. コアソリューション

脱窒ポリリン酸蓄積細菌（DNPAO）を利用して「二重炭素利用」を実現: これにより、窒素とリンの除去を同時に達成しながら、炭素源の不足が緩和されます。

4. 低いC/N比に不可欠

A²/O + BAF 複合プロセスは硝化とリン除去を分離し、それぞれが最適なパフォーマンスを達成し、一貫してグレード A 基準に達することを可能にします。

5. 改修の優先順位

UCT および反転 A2/O プロセスは、低コストで導入が容易で、大規模な取り壊しや再構築が必要ないため、既存のプラントの迅速なアップグレードに適しています。