AO脱窒プロセスのコアロジックとメリット/デメリット
AO 脱窒プロセスの中核は、無酸素状態と好気状態の 2 段階の連続操作です。窒素の変換と除去は微生物の相乗作用によって達成されます。具体的なプロセスは次の 3 つのステップに分けることができます。
アンモン化: 無酸素段階 (A タンク、DO 0.2 mg/L 以下) では、従属栄養細菌が廃水中のタンパク質や脂肪などの有機汚染物質からの窒素をアンモニア態窒素 (NH₃-N) に変換します。
硝化: 好気段階 (O タンク、DO= 2–4 mg/L) では、硝化細菌は、十分な酸素供給のもとで、アンモニア性窒素を硝酸性窒素 (NO₃⁻) または亜硝酸性窒素 (NO₂⁻) に酸化します。
脱窒: 好気段階からの硝化液体は、内部再循環によって無酸素段階に戻されます。脱窒細菌は、無酸素条件下で硝酸態窒素を窒素ガス (N₂) に還元し、その後曝気によって水域から放出され、脱窒ループが完了します。このプロセス設計には、次の 2 つの大きな利点があります。
まず、無酸素タンクを好気タンクの前に設置すると、廃水中の有機炭素を脱窒バクテリアによって直接利用できるため、好気タンクへの有機負荷と外部炭素源のコストの両方が削減されます。
第二に、脱窒によって生成されたアルカリ度が、好気性タンク内の硝化によって消費されたアルカリ度を補い、システムの pH 安定性の維持に役立ちます。
ただし、AO プロセスには重大な欠点もあります。窒素除去効率は高くなく、通常は 70 ～ 80% に過ぎず、有機物の除去率 90 ～ 95% よりもはるかに低いです。それにもかかわらず、ほとんどの従来の下水プロジェクトでは、主要なパラメータを制御することで窒素除去効率を大幅に向上させることができます。高-アンモニア-窒素廃水の場合、通常は 2- 段階の AO シリーズ設計で十分です。
窒素除去効率を向上させる方法
MLSS (混合酒懸濁固形分濃度): MLSS 濃度は硝化菌と脱窒菌の数に直接影響します。 3,000 mg/L 以上に維持することが推奨されます。この値を下回ると、システムの窒素除去能力が大幅に低下します。
汚泥投入（COD/MLSS）: 硝化バクテリアは「成長の遅いバクテリア」です。-有機負荷が高すぎると、従属栄養細菌が急速に増殖し、酸素と栄養素を求めて競合します。汚泥負荷率は 0.10 ～ 0.15 kgCOD/kgMLSS・d 未満に制御することをお勧めします。これは、MLSS 濃度を高めるか曝気タンクの容積を増やし、有機負荷を減らし、硝化細菌が増殖するのに十分なスペースを提供することで実現できます。
汚泥年齢: 硝化細菌の最小比増殖速度はわずか 0.21/日であり、従属栄養細菌の 1.2/日よりもはるかに低いです。硝化細菌が優勢な種になるようにするには、汚泥の熟成期間が 4.76 日より長くなければなりません。しかし、従来の活性汚泥プロセスの汚泥寿命はわずか 2 ～ 4 日であり、これが硝化を完了できない主な理由です。
アンモニア・窒素負荷：硝化時のアンモニア態窒素負荷量（有機窒素＋アンモニア態窒素）は0.05gTKN/(gMLSS・d)以下に抑える必要があります。負荷がかかりすぎると硝化菌の処理能力を超え、アンモニア態窒素が蓄積し脱窒が中断されます。
曝気槽流入炭素源：流入水のBOD₅濃度が高すぎる（80mg/Lを超える）と、従属栄養細菌が増殖し、硝化細菌と酸素を競合して硝化が阻害されます。したがって、硝化槽に入るBOD₅は80mg/L以下に管理する必要があります。
C/N比: 完全に脱窒するには、C/N 比を 4 ～ 6 に制御する必要があります。炭素源が不足すると脱窒が完全に進まず、硝酸性窒素が残留し、排水中の全窒素濃度が高くなります。
流入アンモニア窒素濃度: 硝化に対するアンモニア態窒素濃度の影響は、「上昇、下降」の傾向を示します。低濃度では、濃度が増加するにつれて反応速度も増加します。ただし、都市排水では好気槽前段のアンモニア態窒素濃度が100mg/Lを超えると、工業排水では150mg/Lを超えると硝化が阻害されます。高-アンモニア-窒素廃水（水産養殖廃水や埋め立て浸出水など）の場合、再循環希釈によって初期流入濃度を下げることができます。
内部循環率（硝化液循環）：再循環率が高いほど脱窒率は高くなりますが、電気代も高くなります。通常は 300～500% の間で制御され、排水の全窒素データに基づいて微調整できます。-全窒素が多い場合には、再循環率を適切に高めることができる。運用コストが高すぎる場合は、基準を満たしながら削減することができます。
硝化槽内の溶存酸素（DO）：硝化菌は「好気性菌」であり、硝化には十分な酸素が必要です。 DO を 2 ～ 4 mg/L に維持することが推奨されます。理論的には、1 g の NH4+ を酸化するには 4.57 g の酸素が必要です。 DO が 2 mg/L を下回ると、硝化反応が著しく遅くなります。
油圧保持時間 (HRT): 反応を完了させるには、十分な保持時間が不可欠です。硝化の HRT は 6 時間以上、脱窒の場合は 3:1 の比率で 2 時間である必要があります。そうしないと、窒素除去効率が急激に低下します。
pHとアルカリ度：硝化菌の至適pHは8.0～8.4、脱窒菌の至適pHは6.5～7.5です。 pH がこれらの範囲から逸脱すると、微生物の活動に重大な影響を与えます。さらに、1 g のアンモニア性窒素を完全に硝化するには 7.1 g のアルカリ度 (CaCO3 として計算) が必要ですが、脱窒によって生成されるアルカリ度は約半分を補うことができます。アルカリ度が不十分な場合は、pH の低下と硝化の阻害を防ぐために、アルカリ度を速やかに補充する必要があります (炭酸ナトリウムの添加など)。
温度：温度は微生物の活動に直接影響します。硝化の至適温度は20～30度で、5度以下になるとほぼ止まります。脱窒の最適温度は 20 ～ 40 度で、15 度以下になると速度は急激に低下します。冬場の運転とメンテナンス中は、スラッジの年齢を高め、負荷を減らし、水力滞留時間を延長することによって脱窒率を維持する必要があります。
塩分濃度：過剰な塩分は微生物の細胞膜を損傷し、酸素の伝達に影響を与え、硝化を阻害します。通常の条件下では、塩素濃度が 2,000 mg/L 未満であれば硝化は正常に進行します。流入水が安定していれば、耐塩性細菌を培養して、塩素濃度 5,000 mg/L でも動作できるようになります。{4}注: 塩分濃度の変動は、汚泥の損失を容易に引き起こす可能性があるため、高塩分濃度よりも危険です。
有毒有害物質: 重金属、フェノール、チオ尿素、遊離アンモニア、抗生物質などは、硝化細菌を直接死滅させたり、その酵素活性を阻害したりする可能性があります。これらの物質を含む排水を処理する場合には、前処理（凝集、沈殿、吸着等）が必須であり、生物処理槽への有毒有害物質の導入は厳禁です。
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