下水道と浄化槽の窒素リン除去運転
ここでは下水道と浄化槽の施肥量の比較をしてみたいと思います。その前に、浄化センタ−や浄化槽では窒素、リン除去を目的とした運転方法が行なわれているため、これらについて最初に説明したいと思います。
1.窒素除去運転
上の図は水処理の概略図を示してあります。浄化センタ−でも、大雑把に言えば浄化槽でも水処理の流れは同じになります。図の左側から説明しますと、”嫌気部”とは、浄化センタ−ではばっ気槽の前半部のばっ気を止めて嫌気化した部分を言い、浄化槽では汚泥貯留部になります。続いて”好気部”とは空気を送り込んでばっ気しているばっ気槽を指します。”汚泥沈殿部”とは、ばっ気槽から出た水の個液分離を行い、底に沈んだ生物膜や活性汚泥などの固形分を嫌気部に返送し、上澄みを放流するための沈殿槽を指します。
流入水の窒素成分は、有機成分の中にあり、”有機体窒素”として存在しています。これが嫌気部に入ると、嫌気性分解されて”アンモニア”にかわります。これが好気部に入ると、硝化細菌により亜硝酸→硝酸に酸化されます。硝化細菌とは特殊な細菌で、アンモニアを酸化することで得られたエネルギ−で二酸化炭素を同化する独立栄養細菌です。独立栄養細菌は無機物を酸化することで二酸化炭素を同化するという、植物でもない、有機物を酸化する動物でもないというなんだかわからない特殊な細菌です。これが窒素除去運転では主役と言える働きをしますので、非常に重要な細菌です。ばっ気槽から出て沈殿部に入り込んだ硝酸は、上澄みとしてそのまま放流されるものと、返送水として嫌気部に戻されるものに分かれます。嫌気部に戻された硝酸は、硝酸の酸素を利用する”硝酸呼吸”する細菌によって利用され、残された窒素は窒素ガスとして大気中に放出されます。遊離酸素が無いと、化合物の中の酸素まで利用して呼吸しようとするのです。こうして、返流水に含まれていた硝酸は除去されるため、放流水中に含まれる窒素成分は硝酸であり、その量は少なくなり、窒素除去運転となるのです。窒素の除去率は、返送水の量によって決まります。流入水量（＝放流水量）：返送水量＝1：1で同量であれば、流入水に含まれる窒素が50％除去される事になります。返送水量を増やせば窒素除去率も上げられるのですが、ばっ気槽での滞留時間も短くするために、上げられる限度はあります。窒素除去運転で重要な点は、硝化細菌をばっ気槽内で増殖させることです。硝化細菌を増やすには、汚泥滞留時間を長く取り、溶存酸素濃度を上げる等の操作が必要になります。このため、送風量を多くしなければならないため、電気量が高めになります。
では、硝化細菌がいないとどうなるか、を上の図に示します。流入した窒素成分が嫌気部でアンモニアにまで分解されるまでは同じですが、好気部では硝化細菌がいないために、硝化が進まず抑制されています。そのため、アンモニアが酸化されず、そのまま汚泥沈殿部に送られます。汚泥沈殿部から返送水でアンモニアが嫌気部に送られる事になりますが、アンモニアは嫌気部で何ら変化することなく、好気部へ移動しますので、窒素除去は発生しません。このため、放流水に含まれる窒素成分はアンモニアで、その量は多い事になります。この硝化抑制運転では、硝化促進運転に比べて、送風量を減らすことができ、返送水量も上げる必要がありませんので、運転条件が楽になります。
一般に、下水道の浄化センタ−では、流入水量の少ない立ち上げ初期には硝化促進運転で、流入水量が多くなってくると滞留時間や送風量の確保が難しくなり、自然と硝化抑制運転に移行することが多いようです。
2.リン除去運転
実は上の硝化抑制運転は、リン除去運転でもあります。下に硝化抑制運転でのリン除去の流れを示します。
水処理でのリンの濃度を決める要因は、
ATP ⇔ ATP + PO4（リン酸）
で示される細胞内のエネルギ−生成反応です。ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）はリンが3個含まれた分子で、これがリン酸を一個放出して2個のリンを持つものがADP（アデノシン二リン酸）になります。ATPからADPへ変化することでエネルギ−が得られます。細胞はこのエネルギ-で、生態活動や生体分子合成を行ないます。ATPは細胞のエネルギ−源ですね。この反応がどちらに進むかで、周囲のリン濃度が変化する事になります。
上の図では、まず嫌気部では、細菌は菌体内に蓄えられたATPを消費してエネルギ−を作り出します。このため、嫌気部ではリン（リン酸）濃度が上昇します。次に好気部になると、今度は酸素が利用できるようになるため、これと有機物を用いて燃焼反応のエネルギ−でADPをATPにリチャ−ジ（再生）します。このとき、嫌気部で消費したＡＴＰの量以上の量のＡＴＰを作り出します。ここが重要なポイントで、嫌気部の放出と、好気部での吸収で、プラスマイナスゼロとはならないのです。細菌は自己保存のため、失った量よりも多くのＡＴＰを溜め込むのです。人間の食い溜めと同じ理屈です。このため、好気部でのリン濃度は、大幅に下がる事になります。これはこのままの濃度で汚泥沈殿部から放流される事になりますので、全体としてリン除去が行われる事になります。
では、硝化促進の窒素除去運転ではリンはどのような動きをするのでしょうか。
下に窒素除去の一番最初に出てきた硝化促進運転でのリンの挙動を示します。
こちらのほうで、硝化抑制と大きく異なるのは、嫌気部で硝酸が存在することです。硝酸はＮＯ3（-）で示され、窒素原子一個に酸素原子3個がくっついています。酸素（Ｏ２）が利用できない場合、ある種の細菌は、硝酸の酸素を利用して呼吸する”硝酸呼吸”と呼ばれる代謝を行ないます。有機物と硝酸呼吸を使ってエネルギ−が得られるために、保存してある貴重なＡＴＰを消費する必要はありません。非常食は最後の手段ですから。このため、嫌気部ではリンの放出が生じません。細菌の増殖に伴い若干量のリンが吸収されるだけです。これは好気部でも同じで、今度は豊富に供給されるは酸素を利用してエネルギ−を生み出します。ここでも細菌の増殖に伴い若干量のリンが吸収されます。全体として、リンの吸収は生じますが、硝化抑制運転のような大幅なリン濃度の減少は見られません。放流されるリン濃度は硝化抑制運転よりもかなり高くなります。
以上、窒素とリン除去運転方法について見てきましたが、両者は独立しているわけではなく、相互に関係していることがわかります。
窒素除去 リン除去
硝化促進 ○ ×
硝化抑制 × ○
まとめるとこうなります。硝化促進で窒素除去はできますが、リン除去はできない。硝化抑制では窒素除去ができないが、リン除去はできる。
これは、通常の汚水処理施設で一般的に見られる傾向であり、水処理運転方法によっては、下水道の高度処理A2O法のように、窒素とリンが同時に除去される場合もあります。
山形県内の下水道浄化センターで、硝化促進運転と硝化抑制運転をしている2箇所の処理場（AとB処理場）の1年間の平均値を比較してみました。結果を下に示します。
流入水の窒素、リン濃度は二箇所の処理場でほぼ同じ値となっています。
放流水を比べてみますと・・・
窒素除去運転では、リン除去運転（硝化抑制）の約1/4に窒素が減っています。
リン除去運転では、窒素除去運転（硝化促進）の約1/3にリンが減っています。
窒素リン除去運転は、これまで高度処理とされて、BODだけでなく窒素リンを除去することで、さらにきれいな水を作り出すイメ−ジがありました。しかし磯焼け海岸など、栄養素を逆に必要としている場所ではこれは必要ないんじゃないですか？逆に窒素リンを多く供給する”施肥運転”が必要になるのではないでしょうか。これまで、施肥運転が行なわれた例は少なく（冬場にノリの色落ち対策で実施されている例はあります）もっと積極的に研究しても良いのでは？例えば脱窒を生ぜず、リンの吸収も最小限に抑える、もしくは積極的に放出させるような水処理運転方法は可能なはずです。これは高度処理とは全く逆行していますが、場所によっては（磯焼け海岸のように）このような運転方法が必要になるのではないでしょうか。下に施肥運転の一例を示します。
硝化抑制のリン除去運転を元として、ばっ気槽末端部の空気量を絞って嫌気化させます。こうすることでばっ気槽末端部及び汚泥沈殿部でのリンの放出が生じるようになります。硝化抑制運転では、もともと窒素の放流濃度は高いため、この方法によりリン濃度も合わせて高めることが可能になるかと思います。ただしこの運転方法では、放流される窒素成分がアンモニアに限定されるため、アンモニアやクロラミン等の生物毒性が有害となる放流先には使うことは難しいでしょう。