生物リン除去の原理とプロセス技術

I. 廃水中のリンの形態 廃水中のリンは、主に以下の3つの形態で存在します。 無機リン酸塩：H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻ ポリリン酸塩 有機リン 廃水処理において、すべての細菌は成長要件を満たすために環境から一定量のリンを取り込みます。しかし、ポリリン酸蓄積菌（PAOs）、リン蓄積菌、またはリン除去菌とも呼ばれる特定の細菌群は、生理学的必要量を超えるリンを取り込み、それをポリリン酸塩として細胞内に大量に蓄積することができます。このリンを豊富に含む汚泥を排出することにより、システムからのリン除去が達成されます。 II. 生物学的リン除去の基本原理 生物学的リン除去の本質は、嫌気性および好気性環境を交互に切り替えることにより、PAOsを「嫌気性リン放出・好気性リン取り込み」サイクルで駆動することにあります。

1. 嫌気性リン放出段階 嫌気性条件下では、以下の主要なプロセスが発生します。(1) 廃水中の有機物は、発酵性酸生成菌によって揮発性脂肪酸（VFA）に変換されます。(2) この好ましくない嫌気性条件下で、PAOsは細胞内のポリリン酸塩貯蔵物を分解します。生成されたエネルギーは、一部は細胞維持に、一部はVFAの能動的な取り込みに利用され、その後細胞内でPHB（ポリ-β-ヒドロキシ酪酸）として変換・蓄積されます。(3) ポリリン酸塩の分解から生成された無機リン酸塩は廃水中に放出されます。これが「嫌気性リン放出」を構成します。
2. 好気性リン取り込み段階 好気性環境に入ると：(1) PAOsは蓄積されたPHBを好気的に代謝し、増殖やその他の生理学的活動を促進するために大量のエネルギーを放出します。(2) このエネルギーの一部は、廃水からのリン酸塩の能動的な取り込みを駆動し、それが過剰量でポリリン酸塩として細胞内に蓄積されます。これが「好気性リン取り込み」を構成します。(3) 過剰なリンを取り込んだPAOsを含む活性汚泥は、廃水から除去されたリンを表します。主要データ：従来の活性汚泥プロセスでは、同化作用によるリン除去率はわずか約12%～20%です。対照的に、生物学的リン除去のために設計されたシステムでは、汚泥中のリン含有量を5%～6%（乾燥重量）まで達成でき、除去率は一般的に排出基準を満たすのに十分です。 III. 生物学的リン除去に影響を与える要因
3. 溶存酸素（DO） 嫌気性ゾーン：厳密に嫌気性である必要があり、硝酸塩（NO₃⁻）さえも存在してはなりません。 好気性ゾーン：PAOsによる十分なリン取り込みを確保するために、十分な溶存酸素を維持する必要があります。
4. 汚泥滞留時間（SRT） SRTはリン除去効率に大きく影響します。SRTが短いほど性能が向上します：SRT = 30日 → 約40%の除去率 SRT = 17日 → 約50%の除去率 SRT = 5日 → 最大87%の除去率
5. 温度 最適範囲：5～30℃。
6. pH値 最適範囲：6～8。
7. BOD₅負荷 BOD₅/TP比 > 20 は、効果的なリン除去の基本的な要件です。容易に生分解される低分子量の有機化合物は、より強いリン放出を誘発します。より完全な嫌気性放出は、その後のより大きな好気性取り込みにつながります。
8. 硝酸塩濃度 嫌気性ゾーンの硝酸塩レベルは2 mg/L未満に維持する必要があります。COD/TKN > 10 の場合、硝酸塩の阻害効果は軽減されます。
9. 酸化還元電位（ORP） 表 ゾーン ORP範囲 好気性ゾーン +40～+50 mV 無酸素ゾーン -160～-5 mV IV. 生物学的リン除去プロセス
10. 嫌気性-好気性プロセス（A/Oプロセス） プロセスの特徴：水理学的滞留時間（HRT）：3～6時間 曝気槽の混合液浮遊固形物（MLSS）：2,700～3,000 mg/L リン除去効率：約70%；排出TP < 1 mg/L 汚泥リン含有量：約4%（肥料価値が高い） SVI < 100；良好な沈降性、バルキングに強いPhostripプロセス（生物学的・化学的併用） Phostripプロセスは、生物学的および化学的リン除去を統合します。(1) 主流は従来の生物学的処理（嫌気性-好気性）を受けます。(2) 回分活性汚泥の側流がストリッピングタンクに入り、そこで嫌気性条件下でリンが放出されます。(3) リンを豊富に含む上澄みに石灰が添加され、化学的に沈殿させます。(4) ストリップされた汚泥は主流システムに戻されます。Phostripプロセスの特徴：優れたリン除去；排出TPは通常 < 1 mg/L 高い汚泥リン含有量：2.1%～7.1% 低い石灰消費量 SVI < 100；汚泥は容易に沈降、濃縮、脱水され、高い栄養/肥料価値があり、バルキングに強い 結論 生物学的リン除去の核心は、交互の嫌気性-好気性条件によって駆動されるPAOsの周期的な「放出-取り込み」メカニズムにあります。嫌気性リン放出の程度は、その後の好気性取り込みの能力を直接決定します。したがって、嫌気性環境（溶存酸素と硝酸塩の両方の不在）を厳密に維持することが、生物学的リン除去の成功に不可欠です。さらに、適切なSRT、十分な炭素源、および適切なpHは、高い除去効率を確保するための不可欠な要因です。