水域内の過剰な窒素およびリン汚染物質は、富栄養化、藻類の発生、赤潮などの水環境問題の中心的な原因となっており、水質悪化、水生生態系の不均衡、飲料水の安全性への脅威などの一連の問題を引き起こしています。化学的および物理的処理プロセスと比較して、生物学的窒素およびリン除去技術は、安定した処理効果、低い運転コスト、二次汚染がないこと、都市および産業排水処理シナリオへの適応性などの利点により、現在の下水処理プラントにおける高度な下水処理の中核プロセスとなっています。廃水中の生物学的窒素およびリン除去の中心原理は、嫌気性、無酸素性、好気性が交互に制御される制御された環境下で、さまざまな機能を持つ微生物の代謝活動を利用して、廃水中の有機窒素、アンモニア態窒素、全リンなどの汚染物質をガス状物質に徐々に変換し、これらの物質が漏出するか汚泥に固化して水域から排出され、それによって水の浄化を達成することです。
I. 廃水からの生物学的窒素除去の中心原則
排水中の窒素は、主に有機窒素、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒素など、複雑な形で存在しています。生物学的窒素除去は単一の反応プロセスではなく、最終的にさまざまな形態の窒素を窒素ガスに変換し、水域から除去して完全な窒素除去を達成する、-アンモニア化、硝化、脱窒の 3 段階の微生物生化学反応-です。-プロセス全体は、特定の環境におけるさまざまな細菌群集の代謝活動に依存しています。
(I) アンモニア化反応（有機窒素変換）
好気的または嫌気的条件下では、廃水中のタンパク質、尿素、アミノ酸などの有機窒素汚染物質は、アンモニア化細菌の分解と代謝によって無機アンモニア態窒素 (NH₃-N) に加水分解および酸化されます。この反応は生物学的窒素除去の基本的な前反応であり、環境への適応性が高く、溶存酸素や温度などの厳密なパラメータ制御を必要とせず、従来の廃水処理条件下でもスムーズに進行します。この反応プロセスは、複雑な有機窒素を単純な無機窒素に変換し、その後の硝化および脱窒反応のための基質を提供するものであり、窒素除去の最初のステップです。
(II)硝化（アンモニア・窒素酸化）
硝化は、好気性独立栄養微生物が主体となる酸化反応であり、硝化と硝化の 2 段階から構成されます。プロセス全体を通じて十分な酸素が必要であり、微生物は成長速度が遅く、世代サイクルが長く、環境温度、pH、溶存酸素に対して高い感受性を示します。最初の段階は硝化であり、硝化細菌がアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素に酸化します。第 2 段階は硝化であり、硝化細菌が亜硝酸性窒素をさらに酸化して安定な硝酸性窒素を生成します。
硝化細菌は独立栄養性であり、廃水中の有機汚染物質を消費しません。代わりに、アンモニア態窒素の酸化によって生成される化学エネルギーをエネルギー源として利用し、二酸化炭素を固定し、自らの物質を合成します。このプロセスは窒素除去における重要な酸化ステップであり、還元性窒素から酸化性窒素への変換を実現し、その後の脱窒のための反応基質を提供します。
(III) 脱窒（硝酸性窒素除去）
脱窒は、嫌気性従属栄養微生物によって支配される還元反応であり、生物学的窒素除去の最終中心ステップです。分子状酸素が欠如し硝酸性窒素を含む嫌気性環境において、脱窒菌は廃水中の有機炭素源を電子供与体として利用し、硝化反応で生成する硝酸性窒素や亜硝酸性窒素を徐々に還元し、最終的に生成する窒素ガス（N₂）が水面に逃がし、廃水中の窒素を完全に除去します。
脱窒プロセスでは、嫌気環境と無酸素環境を厳密に区別する必要があります。嫌気環境では分子状酸素が欠如していますが、結合酸素 (硝酸態窒素) が含まれているため、脱窒反応は正常に発生します。一方、嫌気性環境では結合酸素が不足し、脱窒反応が妨げられます。同時に、有機炭素源は脱窒の中核となる条件です。炭素源が不足すると、窒素除去効率の大幅な低下に直接つながります。実際の工学では、窒素除去の有効性を確保するために、外因性炭素源の補充がよく使用されます。
II.廃水からの生物学的リン除去の中心原理
生物学的リン除去の中核となる機能的な細菌グループは、ポリリン酸蓄積細菌（PAO）です。{0}これらの微生物は独特の代謝特性を備えており、嫌気性と好気性の環境が交互に繰り返される環境下で「リン放出-リン取り込み」サイクルを完了することができ、最終的には過剰な汚泥の排出を通じて水域からのリンの完全な除去を達成します。脱窒とは異なり、生物学的リン除去ではガス状の副生成物が生成されません。その代わりに、微生物の体内で水中のリン酸塩を凝固させ、汚泥として放出します。
(I) 嫌気性リン放出段階
分子状酸素や硝酸態窒素のない厳密な嫌気性環境では、ポリリン酸蓄積細菌（PAB）は好気呼吸に外部酸素を利用できず、代謝エネルギー源が制限されます。{0}この状態では、PPA は細胞内に貯蔵されているポリリン酸を分解し、エネルギーを放出して廃水から揮発性脂肪酸 (VFA) などの低分子有機炭素源を吸収し、それらをポリヒドロキシアルカノエート (PHA) に変換して細胞内に貯蔵します。このプロセス中に、細胞内のリン酸塩が廃水中に放出され、水のリン含有量が一時的に増加します。-これが嫌気性リン放出プロセスです。
(II) 好気性過剰リン吸収段階
環境が好気状態に切り替わると、PPAは有機炭素源を吸収せず、嫌気段階で蓄えられたPHAを分解し、有機物の酸化分解により多量のエネルギーを獲得します。このエネルギーを利用して、ポリリン酸蓄積細菌（PAC）は廃水からリン酸塩を過剰に吸収し、嫌気段階で放出される量をはるかに超えます。過剰なリン酸塩は細胞内にポリリン酸塩として蓄えられ、水からリンが濃縮され除去されます。
最終的に、リンが豊富な PAC は汚泥と一緒に沈殿し、システム廃棄物汚泥の排出を通じて廃水システムから完全に除去され、生物学的リン除去プロセス全体が完了します。- PAC の交互の代謝特性は生物学的リン除去の中核であり、リン除去効率を確保するには、安定した嫌気性-好気性環境の切り替えが不可欠です。
Ⅲ．生物学的窒素とリンの除去に影響を与える主な要因
生物学的窒素とリンの除去の有効性は、完全に微生物の活動に依存します。微生物の代謝特性によって、プロセス操作の中核となる制御パラメーターが決まります。主な影響要因には、環境パラメータと水質パラメータの 2 つのカテゴリが含まれます。
1. 溶存酸素: 硝化と好気性リンの取り込みには十分な溶存酸素が必要です。無酸素脱窒には厳密な低酸素環境が必要です。-そして、嫌気性リンの放出には、完全に嫌気性の環境が必要です。酸素環境の混乱は窒素とリンの除去の失敗に直接つながります。
2. 炭素源の含有量: 脱窒細菌とポリリン酸蓄積細菌はどちらも代謝のために有機炭素源に依存しています。-廃水の炭素-対-窒素比および炭素-対-比が低すぎる場合は、酢酸ナトリウムやグルコースなどの外因性炭素源を追加する必要があります。そうしないと、窒素除去が不完全になり、リン除去効率が低下します。
3. pH と温度: 硝化細菌の最適 pH は 7.5-8.5 ですが、ポリリン酸蓄積細菌の最適 pH は 6.5 ～ 8.0 です。微生物にとって最適な温度は20～30度です。温度が低いと、細菌の活動と処理効率が大幅に低下します。
4. 汚泥年齢: 硝化細菌は生成サイクルが長いため、細菌の生存を確保するにはより長い汚泥年齢が必要です。一方、ポリリン酸-蓄積細菌は汚泥の寿命が短くなります。スラッジの熟成期間が長すぎると、スラッジからリンが放出される可能性があります。したがって、実際のプロセスでは、窒素とリンの両方の除去効率を確保するためにスラッジ年齢のバランスを取る必要があります。
IV.主流プロセスの適用原則
窒素とリンの除去に関する上記の基本原則に基づいて、業界はさまざまな成熟したプロセスを開発してきましたが、そのすべてが交互の嫌気性、無酸素性、好気性の反応環境を作り出すことを目的としています。 A²/O プロセスは、最も古典的な窒素とリンの同時除去プロセスです。嫌気領域ではポリリン酸蓄積細菌によるリンの放出と炭素の貯蔵、無酸素領域では脱窒、好気領域ではポリリン酸蓄積細菌による硝化と過剰なリンの取り込みが順次完了します。-最後に、汚泥の沈降と排出によって窒素とリンの同時除去が達成されます。さらに、改良型 A²/O、SBR、オキシデーション ディッチ プロセスはすべて中核となる生化学原理に基づいており、さまざまな水質処理ニーズに適応するためにタンク構造と操作シーケンスを最適化しています。
V. 結論
廃水からの生物学的窒素およびリン除去の本質は、機能微生物の差別化された代謝特性を利用し、水生環境を人工的に調節して、窒素およびリン汚染物質の変換と水域からのそれらの除去を達成することである。窒素の除去は、アンモニア化、硝化、脱窒の段階的反応に基づいてガス状の除去を行います。一方、リンの除去は、ポリリン酸-蓄積細菌-の嫌気性リンの放出と好気性のリンの取り込み-の周期的代謝に基づいてスラッジの固化と除去を行います。その生化学原理を徹底的に理解することは、廃水処理プロセスの最適化、窒素とリンの除去効率の向上、水域の富栄養化の問題の解決の中核となる基盤です。また、エネルギーの節約、排出削減、廃水処理の改善に対する重要な理論的裏付けも提供します。