水処理や生化学反応に携わる友人にとって、ORP (酸化還元電位) のことになると圧倒されてしまうかもしれません。これは目に見えず無形であり、値が行ったり来たりするものです。インジケーターが正しいように見えても、ORP が崩壊すると、システム全体に問題が発生することがあります。実際、ORP を「神秘主義」として扱う必要はありません。その本質は、生化学システムにおける「酸化還元環境」の「温度計」です。 ORPをコントロールするということは、微生物にとって快適な「生息環境」を作り、微生物を元気に働かせることです。今回はORPの制御について、「なぜ制御するのか」から「具体的にどのように操作するのか」までわかりやすくお話しましょう。順を追って説明しましょう。
まず、ORP とは一体何なのかを理解する必要があります。 「電子移動位置エネルギー」という専門用語を覚える必要はありません。簡単に言えば、高い ORP 値は、システム内に「より多くの酸化剤」が存在し、環境が「酸化」に偏っていることを示します。値が低いということは、「還元剤が多く」、「還元」されやすい環境であることを意味します。そして、生化学系の微生物は「環境を選択する達人」です。好気性細菌は酸化に偏った環境を好み（ORPは一般的に数十から数百mVプラスです）、嫌気性細菌は強い還元環境で活動する必要があり（ORPは通常数百mVマイナスです）、通性細菌ですら環境中の酸素、炭素、窒素などの変化に応じて「活動モード」を調整する必要があります。つまり、ORP はオプションの指標ではなく、微生物が快適に生息しているかどうか、また微生物が働いているかどうかを判断するための重要なシグナルです。たとえば、好気性タンク内のORPが突然低下した場合、それはエアレーションが不十分であり、好気性細菌が「酸欠による窒息」を引き起こしていることが最も考えられます。嫌気槽のORPがプラスになったら終了です。酸素が漏れ込み、嫌気性細菌が直接「攻撃」し、メタンの生成が止まります。
ORPを制御するためのコアロジックは何ですか?ただ 1 つだけ: 「必要に応じて調整する」 - まず、生化学システムが何を行うことになっているのかを明確にします (COD を分解するためですか? それとも脱窒とリンの除去ですか? またはバイオガスを生成しますか?)。次に、どの微生物が「作業を支配する」ために必要かを判断し、最後に微生物のニーズに基づいて ORP を対応する範囲に安定させます。これは、「値が高いほど良い」または「値が低いほど良い」ということではありません。たとえば、脱窒時（アンモニア態窒素から硝酸性窒素）には好気性細菌が必要で、ORPは+200～+400mVに制御する必要があり、脱窒（硝酸態窒素～窒素）時には通性細菌を入れ替え、環境を-50～+50mVに下げる必要があるが、この時にORPが下がらないと脱窒菌が全く働かず硝酸態窒素が働いてしまいます。なので、まずはORPを制御する「ナビゲーター」である「対象範囲」を明確にすることが重要です。
次に最も実践的なのは、ORP を具体的にどのように調整するかです。さまざまなシナリオについて話しましょう。結局のところ、有酸素システム、無酸素システム、無酸素システムのゲームプレイは異なります。一つずつ見ていきましょう。
まず、好気性タンクや生物曝気フィルターなどの好気性システムについて説明します。ここでの主な酸化剤は酸素であり、ORP と溶存酸素 (DO) はほぼ「結びついている」ため、中心となるのは「酸素制御」です。多くの友人は間違いを犯しています。彼らは、曝気量が多いほど溶存酸素 (DO) が高く、ORP が安定すると考えています。実際、DO が高すぎると、ORP が急上昇し、電気を無駄にするだけでなく、特定の好気性細菌 (分解が難しい有機物を分解する細菌など) を阻害する可能性があります。 DOが低すぎるとORPがまた下がり、好気性細菌が呼吸できなくなり、CODが下がらず、アンモニア態窒素が硝化できなくなります。どのように調整すればよいのでしょうか？
まず、DO と ORP の関係を注意深く監視する必要があります。各システムの状況は異なります。たとえば、一部の好気性タンクでは、DO が 2 ～ 3mg/L の場合、ORP は +250 ～ +300mV でちょうど安定します。ですので、この範囲内でDOをコントロールしましょう、そうすれば自然とORPは安定します。 DOをどうコントロールするか？最も直接的な方法は、曝気バルブの開度や曝気ファンの周波数を調整することです。現在、多くの水処理場では、例えばORP目標を+300mVに設定する「DO-ORP連動制御」が採用されています。 ORP が 280mV を下回ると、システムは自動的にエアレーションをオンにします。 320mVより高い場合は、エアレーションを減らし、人が監視して調整する必要がなく、便利で正確です。
さらに、好気系の炭素窒素比も ORP に影響を与える可能性があります。たとえば、流入水の COD が突然増加し、微生物が「より多く食べる」場合、酸素消費量が増加します。このとき、エアレーションを行わなくてもDOは減少し、ORPも減少します。この状況では、曝気の調整だけに頼るだけでは十分ではなく、流入負荷にも注目する必要があります。 COD が高い状態が続く場合は、微生物が「均等に食べる」ことができ、酸素消費量が安定し、ORP が変動しないように、流入量を調整する (処理水の一部を還流で希釈するなど) か、栄養素を補充する (窒素とリンが十分でない場合は尿素やリン酸二水素カリウムを追加するなど) 必要がある場合があります。
UASBやICリアクターなどの嫌気システムの場合、ORPを-200～-400mV（メタン生成段階）で安定させることが目標となります。ここで重要なのは、「酸素を防ぐ」ことと「炭素源を制御する」ことです。嫌気性システムはすべて「酸素に敏感」であるためです。酸素が少しでも入るとORPが急上昇し、微生物を直接「中毒」させます。
まずは基礎中の基礎である「シーリング」をしっかり行う必要があります。友人の嫌気槽の多くはORPが不安定で、確認したところ、入口パイプに空気漏れがあるか、反応器の上部蓋板がしっかりと閉まっていないため、槽内に空気が浸入していることが判明しました。したがって、メンテナンスのたびにシール状態を確認する必要があり、下水とともに空気が混入しないように入口パイプに「ウォーターシール」を追加するのが最善です。また、嫌気システムの還流ポンプや撹拌機などの装置に空冷が必要な場合は、空気が水中に漏れないように注意することが重要です。そうでないと、まさに「アリの巣によって破壊された千マイルの堤防」のようなものになってしまいます。
次に、炭素源と pH の制御があります。嫌気性微生物は有機物を分解する際に、還元環境を維持できる還元剤であるメタンと二酸化炭素を生成します。流入水の COD が低すぎる場合、微生物がそれを食べることができず、還元剤が十分ではないため、ORP が上に浮いてしまいます。 COD が高すぎると、微生物が「食べ尽くし」て揮発性脂肪酸 (VFA) を過剰に生成し、pH の低下につながります。 pHが6.5を下回ると、メタン生成細菌は活動を停止し、ORPも無秩序になります。したがって、流入水の COD とプール内の VFA および pH を定期的に測定する必要があります。 COD が十分でない場合は、炭素源 (グルコース、メタノール、高濃度有機廃水など) を追加します。 VFA が高すぎる場合は、アルカリ (水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムなど) を加えて pH を調整します。一般にpHは7.0～7.5に管理されており、ORPに問題が生じる可能性は低いです。
もう 1 つの細かい点ですが、嫌気システムを開始する場合、最初は微生物の数が少なく、還元環境が確立されていないため、ORP の制御が特に困難です。安心して、低濃度の排水をゆっくり加えて微生物を少しずつ増殖させてください。同時に、還元環境の確立を促進するために、「接種済みスラッジ」（他の嫌気性タンクからのスラッジなど）を追加することもできます。 ORP が -200mV 以下で安定したら、入口負荷を徐々に増加させます。そうしないと、「起動失敗」が発生しやすくなります。
最後に、脱窒槽などの嫌気システムについて説明します。通常、目標 ORP は -50 ～ +50mV です。ここでの核心は「炭素源の制御と酸素の防止」です。脱窒菌は「餌」として炭素源を必要とし、酸素の干渉があってはなりません（そうでないと硝酸性窒素より酸素を優先してしまいます）。
脱窒槽のORPを下げられない友人も多いので、まず酸素漏れがないかを確認します。例えば、脱窒槽の前の好気槽の曝気量が多すぎたり、DOが下水を脱窒槽に運んだり、脱窒槽の撹拌機が「曝気撹拌」（最も困難でタンクに直接酸素を供給する）の場合は、炭素源を添加してもORPは下がらないのです。そのため、脱窒槽の撹拌は「機械撹拌」（ブレード撹拌など）を使用する必要があり、曝気撹拌は使用できません。好気槽からの流出水の DO が高すぎる場合は、脱窒槽の前に「脱気槽」を追加して、水中の酸素の一部を除去する必要があります。
次に、「炭素源の量が十分である必要がある」です。脱窒菌が硝酸性窒素を分解する際には、電子供与体として炭素源（CODなど）が必要です。炭素源が不足すると、酸素がなくても働く力がなくなり、ORPが安定しません。炭素源が十分であるかどうかを判断するにはどうすればよいですか?炭素と窒素の比（C/N）を計算できます。一般に脱窒には5～8：1のC/N比が必要です。例えば、流入水中の硝酸性窒素が50mg/Lの場合、CODは少なくとも250～400mg/Lでなければなりません。不足する場合は、メタノール、酢酸ナトリウム、生活下水からの COD などの炭素源を補充する必要があります。補充する場合は、一度に多量に添加しないでください。そうしないと、後のシステムに COD が残ります。 「少量を複数回添加」してORPや硝酸態窒素の変化を観察するのがベストです。 ORP が約 0mV で安定しており、硝酸性窒素が減少し続けている場合は、炭素源が正確に添加されていることを示します。
これらの特定の操作に加えて、好気性、嫌気性、または嫌気性システムで使用できるいくつかの「一般的なヒント」もあり、多くの回り道を避けるのに役立ちます。
1つ目は、「ORPを1つの指標としてだけ重視するのではなく、他の指標とリンクさせる必要がある」ということです。たとえば、好気槽のORPが低下した場合、DOが減少しているか、CODが増加しているか、アンモニア性窒素が減少していないかを確認する必要があります。嫌気槽のORPが上昇した場合、pHが低くないか、VFAが高くないか、酸素漏れがないかを確認する必要があります。ORPは「原因」ではなく「信号兵」であり、ORPだけを見ていても問題は見つからず、DO、pH、COD、アンモニア態窒素、VFAなどの指標と合わせて分析し、正確に「どこを調整すればよいか」を見つける必要があります。
2つ目は「絶対的な安定」を追求するのではなく、「適度な変動幅を設定する」ということです。生化学システム自体には変動（入口水質や温度の変化など）があり、ORP がわずかに変動するのは正常です。たとえば、好気性タンクの ORP は +300mV に設定されており、280 ～ 320mV の間で振動することができます。この範囲を超えない限り、微生物は適応できるため、変動があるたびに過度に調整する必要はありません。そうしないと、システムがより不安定になります。たとえば、エアレーションバルブが断続的に開閉すると、溶存酸素（DO）が高値と低値の間で変動し、微生物が損をすることになります。
3 つ目は、「定期的に装置を校正する」ことです。ORP 電極に「騙されない」ようにしてください。 ORP 電極は時間の経過とともに老朽化したり、水中の汚染物質 (油汚れやバイオフィルムなど) で覆われたりする可能性があり、測定値が不正確になる可能性があります。たとえば、実際の ORP が +200mV で電極の表示が +100mV である場合、エアレーションが不十分であると考えてエアレーションを上げても、実際には ORP が +300mV まで上昇し、実際に問題が発生する可能性があります。したがって、一般的には、標準緩衝液 (緩衝液の指示に応じて、ORP が約 +200mV の pH 7.0 緩衝液など) を使用して、ORP 電極を週に 1 回校正し、電極の汚れを拭き取って測定値が正確であることを確認し、制御が意味のあるものになるようにすることをお勧めします。
最後にまとめると、ORPの制御は「高精度な技術」ではなく、「まず対象範囲を明確にし、次に影響要因を特定し、最後に必要に応じて調整する」ことが核心となります。好気システムはDOと炭素窒素比に焦点を当て、嫌気システムはシールとpH、VFAに焦点を当て、無酸素システムは炭素源と漏れ防止酸素に焦点を当てます。他のインジケーターと組み合わせると、機器の定期的な校正により、基本的に ORP を安定させることができます。生化学システムを扱うことは、実際には微生物と友達になるようなものです。彼らの気質（彼らが好むORP環境）を理解し、彼らにとって快適な環境を作り出すことができ、彼らは自然にうまく機能するようになります。システムが安定すれば私たちも安心です。
