下水処理における一見神秘的な技術といえば、嫌気性アンモニア酸化は間違いなくその一つです。考えてみてください。一般的に、アンモニア性窒素を処理するには、硝酸塩に変えるために積極的に曝気するか（好気性硝化）、窒素に変えるための炭素源を見つけるか（脱窒）が必要だと考えられています。しかし、嫌気性アンモニア酸化は理想的ではありません。酸素のない環境下で、アンモニア性窒素を亜硝酸塩と呼ばれる別の物質と直接混合し、最終的に窒素に変えて逃がすことができます。このプロセスは、曝気のための電気代を節約するだけでなく、炭素源を追加するための費用も節約します。まさに下水処理業界の「節約の達人」であり、近年特に注目を集めています。
実際にはどのように機能するのでしょうか？まず、その背後にいる「ヒーロー」、嫌気性アンモニア酸化細菌について知る必要があります。これは単なる普通の細菌ではありません。非常に奇妙な気質を持っており、寒さと熱の両方を恐れ、特に「オタク」です。嫌気性泥やバイオフィルムの中にいることを好み、非常にゆっくりと成長し、一般的な活性汚泥中の細菌よりもはるかに遅いです。場合によっては、増殖に1週間かかることもあります。成長が遅いため、処理システム内で細菌が破壊されると、回復が困難です。
具体的な反応プロセスは、簡単に言えば「化学反応パーティー」のようなものです。嫌気性アンモニア酸化細菌は、アンモニア性窒素（NH4+）を「燃料」、亜硝酸塩（NO2-）を「酸化剤」として使用し、その2つが細菌内で反応します。その中で、アンモニア性窒素は電子を失い酸化され、亜硝酸塩は電子を得て還元されます。最終的に、2つの「人々」はすぐに意気投合し、そのほとんどが窒素（N2）に変わり、空中に逃げ、残りの一部は硝酸塩（NO3-）または水に変わる可能性があります。このプロセス全体は、嫌気性環境で行われ、酸素を消費したり、グルコースなどの追加の炭素源を追加したりすることはありません。非常に効率的ではありませんか？
しかし、この「パーティー」がスムーズに開催されるかどうかは、多くの要因に影響されます。それらを一つずつ見ていきましょう。
まず、温度です。嫌気性アンモニア酸化細菌にとって最も快適な温度は、おそらく30℃から35℃の間であり、最も活発に活動します。温度が低すぎると、例えば15℃を下回ると、細菌の活性が大幅に低下し、反応速度が著しく低下します。しかし、温度が高すぎると、40℃を超えると、細菌が「火傷」したり、直接死んでしまう可能性があります。したがって、実際の運用、特に北部の下水処理場では、冬に反応槽を断熱する方法を見つける必要があります。そうしないと、処理効果は確実に低下します。
次に、pH値です。この細菌は酸性度とアルカリ性に特に敏感で、最適なpH範囲は約7.5〜8.0、わずかにアルカリ性です。pHが低すぎると、例えば6.5を下回ると、または高すぎると、8.5を超えると、細菌の活性が低下します。これは、pHの変化が細菌細胞内の酵素の活性に影響を与える可能性があるためです。酵素は細菌の「ツール」のようなものであり、ツールが正常に機能しないと、仕事は当然うまくいきません。
また、溶存酸素も存在し、これは嫌気性アンモニア酸化細菌の「天敵」です。その名前の「嫌気性」という言葉は、酸素を見ることができないことを示しています。水中に少量の溶存酸素（0.1mg/Lを超えるなど）でも、細菌の活性を阻害し、重症の場合には細菌の死を引き起こすことさえあります。したがって、反応槽内では酸素を厳密に制御する必要があり、一般的に溶存酸素濃度が0.1mg/L以下であることを確認します。これには、空気の侵入を避けるための合理的な注水方法を設計する必要があり、場合によっては酸素を除去するために窒素吹き込みも必要です。
次に、基質濃度、つまりアンモニア性窒素と亜硝酸塩の濃度です。これらの2つの物質は細菌の「食料」ですが、多すぎると「サポート」しすぎます。研究によると、亜硝酸塩の濃度が一定の限界（200mg/L以上など）を超えると、細菌の活性を阻害します。高濃度のアンモニア性窒素も効果がなく、阻害効果がある可能性があります。さらに、2つの比率も重要です。一般的に、アンモニア性窒素と亜硝酸塩の濃度比は1：1から1：1.3の間が最も適しており、料理の際の塩と醤油の適切な比率のように、料理をおいしくします。
さらに、汚泥の年齢も重要です。前述のように、嫌気性アンモニア酸化細菌はゆっくりと成長するため、システム内の汚泥は「より長く保持」する必要があり、つまり汚泥の年齢は十分に長く、通常は少なくとも30日間維持する必要があります。そうしないと、少し成長しただけで排出され、プール内の細菌数が十分ではなく、処理効果が向上しない可能性があります。これが、嫌気性アンモニア酸化プロセスが、シーケンシングバッチリアクター（SBR）や流動床などの汚泥を保持できる設備を主に使用する理由でもあります。
一部の阻害剤も問題を引き起こす可能性があります。例えば、重金属（銅、亜鉛、クロムなど）、特定の抗生物質、さらには廃水から持ち込まれた有毒な有機化合物は、嫌気性アンモニア酸化細菌に害を与える可能性があります。したがって、水に入る前に、これらの有害物質をできるだけ除去するために、前処理をしっかりと行う必要があります。そうしないと、苦労して培養した細菌が「毒」される可能性があります。
最後に、水力学的滞留時間も無視できません。簡単に言えば、廃水が反応槽に滞留する時間のことです。嫌気性アンモニア酸化反応は特に速くなく、細菌の成長も遅いため、下水はプールにしばらく長く滞留し、細菌がアンモニア性窒素と亜硝酸塩を「食べる」のに十分な時間を与える必要があります。滞留時間が短すぎて、下水が完全に処理される前に流れ出てしまうと、流出水の品質は確実に基準を満たしません。
現在、嫌気性アンモニア酸化技術は、ゴミからの浸出水や家畜農場の廃水など、高アンモニア性窒素廃水の処理など、多くの場所で適用されており、特に良好な結果が得られています。しかし、万能ではありません。例えば、廃水中の硝酸塩が十分でない場合は、以前の短距離硝化プロセスと組み合わせる必要があります。まず、アンモニア性窒素の一部を亜硝酸塩に変換し、次に嫌気性アンモニア細菌を使用して処理します。
全体として、嫌気性アンモニア酸化技術は「費用対効果が高く効率的」な下水処理の専門家のようなものですが、うまく機能させるには、温度、pH、溶存酸素を適切に調整する必要があります。そうしないと、貢献してくれません。技術の成熟度が高まるにつれて、将来、より多くの下水処理場でこの技術が使用され、私たちの水環境がより良くなることを信じています。
