農業集落排水処理施設の維持管理基礎講座

図－１は、液相の窒素が固相や気相に移動する窒（第７回 窒素の除去（その１））

素除去の過程を示したものです。
（１）固相への窒素除去

１．はじめに固相への窒素移動は、有機物等の汚濁物質を処理

排水中に含まれる窒素の由来は、食べ物等に含ました結果、微生物が増殖（新細胞合成）する現象のれるタンパク質と尿の成分である尿素に大きく分ことです。

けられます。窒素は栄養塩類ともいわれるように、微生物が新細胞を合成するとき、合成する細胞の生物にとって重要な元素の１つであり、地球上にお組成（細菌類の細胞組成の示性式：C5H7NO2）に応ける物質循環でも主要元素（炭素、リン、硫黄等）じて一定割合の窒素を消費します。集排施設では、の１つです。この窒素の循環（窒素循環）において、通常、流入汚水中の窒素の１割強（10～15％）が微細菌類は大きな役割を果たしており、水処理の世界生物の増殖に使用され汚泥として除去されます。具では活動環境（代謝様式）の異なる細菌類を利用し体的には、流入汚水の BOD 濃度が 200mg/L、窒素た窒素除去が行われています。

濃度が 43mg/L（11.6g/（人・日））、汚泥転換率を今回の講座では、排水中の窒素が微生物によって60％とすると、約６mg/L（1.6g/（人・日））に相当

どの様な過程を経て除去されるか、そして農業集落する窒素が微生物の増殖によって汚泥に取り込ま排水処理施設（以下、「集排施設」という。
）の特徴れます。つまり、有機物を分解除去し微生物が増殖を踏まえた留意点についてお話します。

するだけで、流入汚水中の窒素が自動的に除去され、43mg/L あった窒素濃度が 37mg/L 前後になるとい２．窒素の動きうことです。

水処理において窒素を除去するということは、液ただし、この除去過程には、注意しなければいけ相（流入汚水）の窒素を固相（微生物等の汚泥）やないことが１つあります。それは、汚泥が常に水と気相（大気）に移動させることを意味します。

接触しているということです。例えば、汚泥貯留槽に汚泥を貯留していると、時間の経過とともに微生物は徐々に死んでいくため、細胞を構成していた窒素が水に溶け出してしまいます。条件によって溶出する窒素量に違いはありますが、ひとたび固相（汚泥）から窒素が溶け出すとどうしても液相（分離液）の窒素濃度は高くなってしまいます。汚泥貯留槽の図－１ 窒素除去の過程
1分離液は脱離液として流量調整槽に戻るため、流量去されたことになります。①～③の反応はいずれも調整槽の窒素濃度が高くなり、結果として除去する微生物が関与しており、特に硝化反応と脱窒反応は、窒素量が多くなる現象が発生します。

水処理において重要な微生物反応になっています。

この現象はリンに関しても同様であり、放流水のリン濃度が急激に高くなる原因の１つになってい３．硝化反応に係わる微生物ます。特に、リン規制がある集排施設では、この現流入汚水中の窒素除去で活躍する細菌類のうち、象が顕著になると、放流水のリン濃度が規制値を超硝化反応に係わる細菌のことを硝化細菌と呼んで過し問題になることがあるので注意が必要です。

います。

（２）気相への窒素除去（１）硝化細菌と硝化速度固相（汚泥）に除去されなかった窒素は、気相に硝化細菌は、NH4＋-N を酸化分解し NO2－-N を移動し除去されるかそのまま液相に残り処理水と生成する亜硝酸菌と、NO2－-N をさらに酸化し NO3一緒に放流されることになります。気相への窒素移－動とは、水処理としての窒素除去の過程であり、流あるいは化学合成独立栄養細菌とも呼ばれる偏性

入汚水中の窒素は最終的に窒素ガス（N2）として液好気性菌です。
（「無機栄養細菌」と「化学合成独立相から気相に移動します。

栄養細菌」、「偏性好気性菌」については、次回の講-N を生成する硝酸菌の総称であり、無機栄養細菌

その過程は、次の３段階に分けることができます。 座で説明します。
）① 酸素の有無に関係なく有機態窒素（タンパクなお、微生物を扱う分野によっては、亜硝酸菌の質、尿素等）が、アンモニア性窒素（NH4＋-ことをアンモニア酸化細菌、硝酸菌のことを亜硝酸N）になる過程

酸化細菌と呼んでいます。

② 酸素（O2）が存在する条件下で NH4＋-N が、亜硝酸菌と硝酸菌には数種類の細菌がいますが、亜硝酸性窒素（NO2－-N）を経由し硝酸性窒素

淡水で硝化反応に関与する細菌は限られており、集（NO3－-N）になる過程

排施設では亜硝酸菌は Nitorosomonas、硝酸菌は③ O2 が存在しない条件下で NO2－-N や NO3－-

Nitorobacter が通常関与します。したがって、硝化N が、、窒素ガス（N2）になり大気（液相）に細菌の増殖速度は、日本全国どこでも同じ数値にな放出される過程ります。ただし、硝化菌の種類は同じでも、生物反②の反応のことを硝化反応、③の反応のことを脱応槽内の硝化菌の生息数や撹拌状態が異なるため、窒反応といい、N2 として放出された窒素は、液相に窒素除去の処理能力である硝化速度は処理方式や戻ることはないので③によって窒素は液相から除処理施設毎に異なります。
2

（２）硝化反応

ギー（17.5kcal） ………………………（ⅱ）

硝化反応は、亜硝酸菌と硝酸菌のリレー反応で進〈アルカリ度〉行します。硝化反応がリレー反応であるということ

2H＋＋1 CaCO3→Ca2＋＋CO2＋H2O ……（ⅲ）

は、処理を阻害する要因がなければ、中間物質であ硝化反応と脱窒反応の各反応について、式中の数

る NO2--N で硝化反応が止まることはないというこ

字と各原子の分子量から、酸素（O2）や有機物とです。一般に、硝化反応には、「BOD 濃度、NH4（BOD）、Ｍ－アルカリ度の消費量を計算した結果＋-N 濃度、溶存酸素（DO）濃度、pH、水温、滞留を表－１に示します。硝化反応では、O2 とアルカリ時間（HRT）」等の条件が影響するといわれていま

度の消費量が窒素１g 当たりそれぞれ 3.43～4.57g-す。

O2/g-NH4＋-N と 7.14 g- CaCO3/g-NOX－- N であり、生物反応槽内の BOD や NH4＋-N が高かったりNH4＋-N を硝化するときは多くの O2 とアルカリ度（BOD が 100mg/L 以上、NH4＋-N が 400mg/L 以が必要であることが分かります。

上）、DO や pH が低かったり（DO が 0.0mg/L 程
表－１ 生物学的窒素除去の物質収支
O2
BOD
アルカリ度
消費量
消費量
消費量
生物反応（g-O2/（g-BOD/度、pH が 5.5 以下）すると、NO2－-N で止まったり、そもそも硝化反応が進行しないことがあります。
しかし、通常、集排施設ではこのような運転条件になることがないため、硝化反応が問題になることは硝化反応ありません。集排施設において硝化反応が進行しなくなるのは、立ち上げ時に硝化反応が一時的に NO2-N で止まった処理になる場合、ブロワの故障等で

g-NOX－N）

①亜硝酸菌

3.43－

7.14

②硝酸菌

1.14－－

①＋②

4.57

－

7.14－

1.71－

2.86

3.43～
4.57

1.71～
2.86－

脱③-1 亜硝酸窒
反③-2 硝酸
応
硝化反応
＋脱窒反応

硝化菌の生息数が極端に減少した場合、何らかのトラブルで MLSS 濃度が極端に低くなった場合等ですが、いずれも稀な状況といえます。

（g- CaCO3/
g-NOX－- N）

g-NH4＋N）

-3.57
（増加）
-3.57
（増加）
3.57

除去窒素（N）当たりに必要な酸素（O）の数やアルカリ度を意識した化学式で硝化反応を示すと、次４．脱窒反応に係わる微生物式になります。

流入汚水中の窒素除去で活躍する細菌類のうち、① 亜硝酸菌：1 NH4 ＋1.5 O2→NO2 ＋H2O＋＋－脱窒反応に係わる細菌のことを脱窒菌と呼んでい2H＋＋エネルギー（66.5kcal） ………（ⅰ）

ます。

② 硝酸菌 ：1 NO2－＋0.5 O2→NO3－＋エネル（１）脱窒菌とは
3

脱窒菌は通性嫌気性菌であり、BOD を除去するます。このことは、とても重要な意味を持っており、細菌（BOD 除去細菌（従属栄養細菌））のうち、無次章で説明します。

酸素状態でも増殖できる細菌類のことであり、硝酸性窒素を還元（酸素を取り除く）し窒素ガス（N2）５．集排施設における窒素除去を生成します。代表的な脱窒菌としては、（１）集排施設における窒素除去の特徴

Pseudomonas や Alcaligenes、Hyphomicrobium 等

窒素除去では、硝化反応だけで終わらせずに脱窒が知られています。
（「通性嫌気性細菌」と「従属栄反応まで行うほうが、処理水質が良く処理も安定し養細菌」については、次回の講座で説明します。
）

経済的になります。その理由は、表－１の“硝化反（２）脱窒反応応＋脱窒反応”の収支結果から説明できます。O2 と脱窒反応は、脱窒菌にしてみれば NO2－-N や NO3

BOD はブロワの稼働時間に、アルカリ度はｐH の-N の酸素（結合酸素）を使って有機物を分解（硝緩衝能力に関係があります。

－酸呼吸）することですが、人間にとっては NO2－-N

硝化反応では、O2（4.57g-O2/g-NH4+-N））とアルや NO3－-N から酸素を取り除き流入汚水中の窒素カリ度（7.14 g- CaCO3/g-NOX－-N）を消費します。

を N2 として大気中に放出する反応のことであり、これでは、ブロワの稼働時間が長くなり緩衝能力も無酸素条件下で BOD を除去する反応です。

小さくなるため、電力消費量が多くなりｐH も低下

除去窒素（N）当たりに必要な BOD（H）の数やしやすい不安定な処理になります。一方、脱窒反応

アルカリ度を意識した化学式で脱窒反応を示すと、では、BOD を消費するのでブロワの稼働時間が短次式になります。

くなり、さらにアルカリ度が増加し緩衝能力が回復

2 NO2 － ＋3H2 →N2 ↑＋2H2O＋2OH －するためｐH が低下しにくくなり処理の安定性が（3H2＋1.5 O2→３H2O） ……………（ⅳ）

確保されます。つまり、脱窒反応は、硝化反応で消2 NO3 － ＋5H2 →N2 ↑＋4H2O＋2OH －費した O2 やアルカリ度をリカバリーする反応であ（5H2＋2.5 O2→5H2O） ………………（ⅴ）

り、「硝化を行ったのなら、脱窒を行わないと損をす③-1③-2〈アルカリ度〉る」という言葉には、重要な意味があります。

OH － ＋ 0.5Ca2 ＋ ＋ 0.5CO2 → 0.5 CaCO3 ＋

ところで、集排施設にとって硝化反応と脱窒反応

0.5H2O ……………………………………（ⅵ）のどちらが苦手かご存じでしょうか。どちらの反応

表－１より、脱窒反応では、窒素１g 当たり 1.71

も得意なら苦労しないのですが、実は脱窒反応を苦～2.86 g-BOD/g-NOX＋-N の BOD を除去し、3.57g-手にしています。苦手とする主な理由は、以下のとCaCO3/g-NOX－- N のアルカリ度が増加（回復）しおりです。
4

・BOD-SS 負荷が低いの日数が重要になってきます。硝化反応に必要な・連続流入で間欠ばっ気方式の窒素除去

SRT と水温の関係を図－２に示します。
図から水温間欠ばっ気方式が苦手な理由になるのは、ばっ気15℃において、亜硝酸菌（Nitorosomonas）を生物工程終了時の DO 濃度が高い（２mg/L 以上）場合反応槽に保持し安定した硝化反応を維持するためです。
ばっ気工程終了時に DO が高い状態だと、DOには、SRT が 5.6 日以上必要であることが分かりまが 0.0mg/L 程度まで下がるのに時間を要し脱窒反す。このことから、ASRT が 6 日以下の標準活性汚応がなかなか進行しません。また、JARUS 型では泥法は、硝化反応に必要な硝化菌の保持を不得手とほとんどの処理方式が、ばっ気工程でも生物反応槽しており、硝化反応を苦手にしているといえます。に汚水を投入する連続流入方式のため、脱窒工程時
表－２ 主な運転条件の比較の BOD 除去を効果的に活用できない場合があります。

標準活性汚泥法

JARUS-ⅩⅣ型

0.2～0.4

0.044～0.089

1,500～
2,000

2,000～
4,000

BOD-SS 負荷

一方、硝化反応は得意としており、特に意識しな（kg-BOD/（kg-SS・日））くても反応が勝手に進行する程です。硝化反応を得MLSS（mg/L）

意とする主な理由は、以下のとおりです。この２点は、いずれも硝化菌の増殖に有利な条件になります。
・汚泥滞留時間（SRT）が長い
・BOD-SS 負荷が低い（２）標準活性汚泥法と JARUS 型の違い

ASRT（日）
汚泥返送比（％）

３～６10～2020～30

100～200

HRT（時間）６～８27

同じ活性汚泥方式である標準活性汚泥法とJARUS-ⅩⅣ型について、運転条件の違いを表－２20
Nitrosomonas(1/μ)に示します。

Nitrobacter(1/μ)

15ＳＲＴ （日）脱窒反応を苦手とする JARUS-ⅩⅣ型は、標準活性汚泥法と比較し BOD-SS 負荷が 1/5～1/10 程度低くなっています。

100%硝化する
105

硝化しない

一方、標準活性汚泥法は、SRT（ASRT）が集排
0

施設の 10～20 日と比較し３～６日と短くなってい0510152025

水温 （℃）

ます。硝化細菌は水温の影響を大きく受ける細菌で

図－２ 硝化反応に必要な SRTあり、特に低水温時には硝化菌を保持するため SRT
530なお、表－２中の HRT（Hydraulic Retention

窒素除去タイプの集排施設では、脱窒反応に影響Time ）は水理学的滞留時間で、流入汚水が水槽（生する要因である、①硝化反応の進行状態、②DO 濃物反応槽等）に滞留する平均的な時間を表します。

度、③MLSS 濃度、等を把握し、脱窒反応を促進す

計算式は、以下のとおりです。

る運転操作を実践することが求められます。

HRT（時間）＝24×Ｖ／Ｑ

集排施設の窒素除去方法は、一部（膜分離活性汚

ただし、V：水槽の容量（m3）泥方式等）を除き同一槽でばっ気工程と非ばっ気工

Q：流入汚水の流量（m3/日）程（あるいは、撹拌工程）を繰り返す間欠ばっ気方

また、ASRT（Aerobic Sludge Retention Time）

式です。間欠ばっ気方式では、ばっ気工程で硝化反は好気的汚泥滞留時間といい、生物反応槽の好気的応が十分進行したら、DO が上昇しないうちにブロ条件（ばっ気工程）における汚泥滞留時間を表してワを停止し、非ばっ気工程に移行させます。DO をいます。ASRT は、生物反応内の硝化細菌の保持量低く抑えることができたら、非ばっ気工程で脱窒反に関する重要な運転制御因子であり、SRT と以下の応はより早く進行し、結果として脱窒反応に十分な関係があります。

時間を確保することができます。

ASRT（日）＝SRT×AT／24

ばっ気工程の設定方法は様々ですが、以下に例を

ただし、SRT：汚泥滞留時間（日）示します。

AT：ばっ気時間（時間/日）① １サイクル（ばっ気工程＋非ばっ気工程）はSRT（Sludge Retention Time）の計算式を参考

60 分を基本にし、BOD-SS 負荷が低い場合は、90 分あるいは 120 分に調整します。

までに以下に示します。
SRT（日）=V×X／ΔSS② 生物反応槽の DO が十分低い（0.5mg/L 以下）

ただし、V：生物反応槽の容量（m3）ことを確認し、ブロワを稼働させ DO が上昇

X：MLSS（mg/L）

し始める時間を測定します。
DO の目安は 0.5

ΔSS：生物反応槽内生成 SS 量（g/日）～2.0mg/L 程度です。

式中のΔSS は１日当たりの除去 BOD 量と汚泥

③ ブロワを稼働させ DO が上昇し始めた時間ま

転換率から計算した生物反応槽内で増殖する微生でをばっ気工程とし、残りを非ばっ気工程と物量ですが、１日当たりの余剰汚泥引抜量と処理水します。

中の SS 量の合計でも構いません。

④ 非ばっ気工程で DO が 0.5mg/L 以下になる
迄の時間を測定し、時間がかかるようならば（３）集排施設における窒素除去の留意点っ気時間を短くします（条件によっては、
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MLSS 濃度を高くする方法もあります。
）。時

生物反応槽内の処理状況をより正確に把握できる間の目安は 10～15 分以内です。

ことが分かります。

⑤ ②～④を維持管理時に確認し、ばっ気工程の表－３ 生物反応における DO、ORP の関係
ORP
生物反応
DO（mg/L）（mV）調整を行います。
なお、回分方式の場合は、最終ばっ気工程の終了

硝化
BOD 除去時の DO 濃度が十分低い状態（0.5～2.0mg/L 程度が目安）になるようばっ気時間を調整します。また、

脱窒
腐敗インバーターが設置されている施設では、インバー＞0＋0－（無酸素状態）（-200～０）

ターを使用しない状態で DO を測定して下さい。
次回は、窒素除去に関わる微生物（細菌類）と、単位時間当たりの酸素供給量を増やすことがで窒素除去タイプではありませんが JARUS-Ⅰ型やきれば、１サイクル当たりのばっ気時間を短く（ばJARSU-S 型の pH 低下についてお話しします。

っ気ブロワの運転時間を短縮）することができ、消費電力量の削減になります。逃がし弁でばっ気風量を逃がしたりインバーターで風量を絞るとばっ気工程が長くなり、その分脱窒反応の時間が短くなります。インバーターは、明らかにばっ気風量が多い（ばっ気強度が強すぎる）ときやばっ気時間の調整だけでは DO 濃度を制御できないときにばっ気風量を微調整するために使用して下さい。
硝化反応や脱窒反応が十分進行しているか、ばっ気工程の時間設定が適切か現場で確認するには、簡易水質分析法を使用する方法（主に、NH4＋-N を対象にします。
）があります。また、ポータブルセンサーで DO や ORP（酸化還元電位）を測定し、経時変化（トレンド）を観察する方法も実用的な方法です。硝化反応や脱窒反応等の生物反応における DOと ORP の正常な測定値を表－３に示します。表－３から、DO 計だけでなく ORP 計を併用すると、7