統合型下水処理装置のAOプロセス、中橋啓蒙

本日ご紹介するAOプロセスは、当社のプロジェクトで実際に使用されている処理プロセスです。主に食品生産排水の処理に使用され、日々の処理能力は200立方メートルです。

AO（嫌気無酸素・好気性）プロセスは、統合型下水処理装置に広く応用されている成熟した効率的な生物学的下水処理技術です。嫌気性脱窒と好気性分解プロセスを単一の統合装置に統合しており、コンパクトな構造、安定した運転、高い処理効率、強力な適応性を特徴としています。このプロセスは、主に生活排水、小規模産業排水、その他の低濃度から中濃度の下水処理に使用され、下水中の有機汚染物質、窒素、リンなどの有害物質を効果的に除去し、関連する国家排出基準を満たし、下水の再利用と無害化処理を実現します。以下に、統合型下水処理装置のAOプロセスフローの詳細な説明を示します。各ユニットの機能、プロセス原理、運転特性を含みます。

統合型下水処理装置のAOプロセスの全体プロセスフローは以下の通りです。調整槽 → 空気浮上装置 → （加水分解酸性化槽1 → 加水分解酸性化槽2 → 一次沈殿槽） → （嫌気槽 → 好気槽1 → 好気槽2） → （好気槽3 → 好気槽4） → 二次沈殿槽 → 清水槽 → 処理水放流プロセスフロー中の括弧で囲まれた部分は統合装置の主要コンポーネントであり、単一の装置本体に統合・設置されているため、設置面積を削減し、輸送、設置、運転管理を容易にすることを強調しておきます。

プロセスの最初の段階は調整槽であり、統合型下水処理装置の重要な前処理ユニットです。日常生活や産業生産で発生する下水は、pH値、温度、汚染物質濃度などの指標が大きく変動し、水質と水量が不安定であることがよくあります。調整槽の主な機能は、流入する下水を収集し、水量と水質を調整して、後続の処理ユニットが安定した作業条件下で運転できるようにすることです。調整槽では、攪拌装置によって下水が十分に混合され、水質と水量の急激な変化が後続プロセスに与える影響を低減し、処理装置の過負荷運転を回避し、AOプロセス全体の効率的な運転のための強固な基盤を築きます。これに加えて、調整槽は下水中の一部の大きな粒子状不純物を沈殿させ、後続の処理工程の負荷を軽減することもできます。

調整槽で下水が調整された後、空気浮上装置に入ります。これは統合装置の主要な前処理装置です。空気浮上装置は、溶解空気浮上原理を利用して、溶解空気システムを通じて大量の微細な気泡を生成します。これらの気泡は、下水中の懸濁固形物、油分、その他の軽い汚染物質に付着し、汚染物質を水面に浮上させてスカムを形成します。その後、スカム掻き取り装置によってスカムが掻き取られ、汚染物質と水を分離する目的を達成します。空気浮上処理は、下水中の懸濁固形物（SS）と油分汚染物質を効果的に除去し、化学的酸素要求量（COD）と生物学的酸素要求量（BOD）もある程度低減できます。この段階は、油分や懸濁固形物が多い下水の処理にとって特に重要であり、過剰な汚染物質による後続の生物処理ユニットの閉塞や処理効率の低下を防ぐことができます。

空気浮上装置による前処理の後、下水は加水分解酸性化槽1、加水分解酸性化槽2、一次沈殿槽からなる統合コアユニットに入ります。このユニットは、主に下水の生分解性を向上させ、有機汚染物質の一部を除去するために使用され、後続の嫌気性および好気性処理に有利な条件を作り出します。加水分解酸性化プロセスは、穏やかな条件下での嫌気性生物反応プロセスであり、厳密な嫌気性環境や高エネルギー消費を必要としません。加水分解酸性化槽1および加水分解酸性化槽2では、担体に多数の加水分解酸性化細菌が付着しています。これらの細菌は、下水中の高分子有機物（デンプン、セルロース、タンパク質など）を、好気性微生物によって分解されやすい低分子有機物（酢酸、プロピオン酸、酪酸など）に分解します。同時に、加水分解酸性化プロセスは下水のpH値を低下させ、水質の酸塩基平衡を調整し、後続の好気性微生物の水質への適応性を向上させます。これに加えて、加水分解酸性化プロセスは下水中のCODとBODの一部を除去し、後続の好気槽の処理負荷を低減することもできます。

二段階の加水分解酸性化槽による処理の後、下水は一次沈殿槽に流れ込みます。一次沈殿槽の主な機能は、加水分解酸性化プロセスで生成された凝集性物質と残留懸濁固形物を沈殿させることです。重力作用により、下水中の固体粒子が槽の底に沈殿して汚泥を形成し、汚泥排出装置を通じて定期的に排出されます。沈殿後の上澄み液は、さらなる処理のために後続の嫌気槽に入ります。一次沈殿槽の設置は、下水中の固体汚染物質を効果的に除去し、後続の嫌気槽および好気槽での汚泥の蓄積を回避し、生物処理プロセスの円滑な運転を保証します。一次沈殿槽から排出される汚泥は、収集後に一括処理することで、二次汚染を回避できます。

一次沈殿槽で処理された下水は、AOプロセスの嫌気性ゾーン、すなわち嫌気槽に入ります。これは統合装置における脱窒のコアユニットです。嫌気槽は嫌気性環境（溶存酸素含有量0.5mg/L未満）にあり、槽内には多数の脱窒細菌が培養されています。脱窒細菌は、下水中の有機物を炭素源として、また後続の好気槽で生成された硝酸態窒素（NO3-N）および亜硝酸態窒素（NO2-N）（内部還流システムを通じて嫌気槽に還流される）を電子受容体として利用し、脱窒反応を行います。このプロセスでは、硝酸態窒素と亜硝酸態窒素は窒素ガス（N2）に還元され、大気中に放出されるため、下水中の全窒素（TN）の除去が実現されます。嫌気槽には攪拌装置が装備されており、下水、返流水、還流液が十分に混合されることを保証し、脱窒細菌に良好な反応環境を提供します。脱窒反応に必要な炭素源は、主に加水分解酸性化プロセスで生成された低分子有機物から供給され、脱窒効果を向上させるだけでなく、追加の炭素源の必要性を低減し、運転コストを節約します。

嫌気槽での脱窒処理後、下水は好気性ゾーンに流れ込みます。これは四段階の好気槽（好気槽1、好気槽2、好気槽3、好気槽4）で構成されています。好気性ゾーンは、AOプロセスにおける有機汚染物質の分解と硝化のコアユニットであり、統合装置の重要な部分でもあります。四段階の好気槽は直列に配置され、各好気槽には曝気装置が装備されており、槽内に連続的に空気を供給して槽内の高い溶存酸素含有量（通常2～4mg/L）を維持し、好気性微生物の増殖と繁殖に良好な好気性環境を作り出します。

四段階の好気槽では、生物担体に多数の好気性微生物（従属栄養細菌、硝化細菌など）が付着しています。従属栄養細菌は、下水中の有機物を栄養源として好気呼吸を行い、有機汚染物質を二酸化炭素（CO2）と水（H2O）に分解することで、下水中のCODとBODの除去を実現します。好気性ゾーンのCOD除去率は85%以上、BOD除去率は90%以上に達し、下水中の有機汚染物質を効果的に基準値まで分解できます。同時に、好気槽内の硝化細菌は硝化反応を行い、下水中のアンモニア態窒素（NH3-N）を硝酸態窒素（NO3-N）と亜硝酸態窒素（NO2-N）に酸化します。これらの硝酸塩と亜硝酸塩は、内部還流システムを通じて嫌気槽に還流され、脱窒反応に参加し、完全な窒素除去サイクルを形成します。

好気槽の四段階直列設計は、段階的な処理モードを採用しており、有機汚染物質の段階的な分解と硝化反応の段階的な完了を実現できます。下水中の有機汚染物質濃度は、四つの好気槽を流れるにつれて徐々に低下し、硝化反応はより十分になります。この設計は、処理効率を向上させるだけでなく、プロセスの安定性も高めます。流入下水の水質と水量が変動しても、四段階の好気槽は安定した処理効果を保証できます。これに加えて、各好気槽の曝気装置は均一曝気設計を採用しており、槽内の溶存酸素が均一に分布されることを保証し、デッドゾーンの発生を回避し、好気性微生物と下水および汚染物質との接触を十分に促進し、分解効率を向上させます。

四段階の好気槽による処理後、下水は二次沈殿槽に入ります。これは統合装置の固液分離ユニットです。二次沈殿槽の主な機能は、下水中の活性汚泥（多数の好気性微生物を含む）を処理水から分離することです。重力作用により、活性汚泥は槽の底に沈殿して余剰汚泥を形成し、汚泥排出装置を通じて定期的に排出されます。沈殿した活性汚泥の一部は、返流水システムを通じて嫌気槽と好気槽に返送され、槽内の微生物濃度を維持し、生物処理プロセスの正常な運転を保証します。固液分離後の上澄み液は処理された清水であり、清水槽に流れ込みます。

清水槽は、統合型下水処理装置の最終的な貯蔵および安定化ユニットです。処理された清水は清水槽に貯蔵され、物理的な沈殿と曝気によって水質がさらに安定化されます。清水槽には水質検出装置が装備されており、処理水の水質指標（COD、BOD、SS、NH3-N、TNなど）をリアルタイムで監視できます。水質が排出基準を満たした場合にのみ、処理水配管を通じて排出されます。これに加えて、清水槽の清水は、緑化灌漑、道路清掃、トイレ洗浄などの目的で再利用することもでき、水資源の再利用を実現し、水資源を節約します。

AOプロセスを採用した統合型下水処理装置は、上記のすべての処理ユニットを単一の装置本体に統合しており、多くの利点があります。まず、装置はコンパクトなレイアウトで、設置面積が小さく、住宅地、小規模工場、農村部などのスペースが限られた場所に適しています。次に、装置の設置とデバッグが容易で、現場への輸送後すぐに運転を開始でき、建設サイクルと建設コストを削減できます。第三に、プロセス運転が安定しており、処理効果が信頼でき、流入水質と水量の変動に対して強力な適応性があります。第四に、装置はエネルギー消費と運転コストが低く、日々の運転では少量の電力と化学薬品を消費するだけで、長期運転に適しています。最後に、装置の汚泥発生量が少なく、汚泥は簡単な脱水処理で無害化でき、汚泥による環境汚染を低減できます。

結論として、統合型下水処理装置のAOプロセスは、効率的で安定した経済的な下水処理技術です。前処理、加水分解酸性化、嫌気性脱窒、好気性分解、固液分離の合理的な組み合わせにより、下水中の様々な汚染物質を効果的に除去し、下水の基準排出と再利用を実現できます。このプロセスは、下水汚染の問題を解決するだけでなく、水資源を節約し、生態環境の保護と持続可能な開発の促進に重要な実質的な意義を持っています。下水処理の様々な分野で広く応用されており、幅広い応用展望があります。