活性汚泥

活性汚泥プロセスは、複雑な廃水処理システム (U.S. EPA 2002) の 1 つです。 それらは通常、一次処理（沈殿可能な固体を除去するスクリーニングを含む）の後に使用され、1つ以上の主曝気処理室、曝気装置、汚泥を懸濁状態に保つための適切な混合装置、バイオマスを処理排水から分離し沈殿バイオマスを回収する二次清澄装置、一般的に非線形で非常に複雑な循環体制（再循環ループ、バイパスなど）、そして時には最終研磨ステップ（三次ろ過と消毒を参照）に続いているものを含んでいます。 発生する生物学的プロセスは、可溶性、コロイドおよび粒子状物質の除去に有効である。 リアクターは、生物学的硝化と脱窒、および生物学的リン除去のために設計することができます。

設計は、廃水の組成と量を正確に推定することに基づいて行う必要があります。 プラントが過小または過大な寸法である場合、処理効率が著しく損なわれる可能性があります。 温度によって、リアクター内の固体保持時間（SRT）は、BOD除去のために3〜5日、硝化のために3〜18日に及ぶ。

余剰汚泥は、その水と有機物を減らし、最終使用または最終処分に適した安定した製品を得るために処理が必要である。 処理プラントの計画段階でこのステップを考慮することが重要である）。

大量の注入酸素は、好気状態を維持し、処理される廃水と活性バイオマスを最適に混合させることができます。 廃水から有機物質を除去するのに有用な活性微生物を比較的多く維持するために、汚泥は二次清澄器での沈殿（UNEP 2004）または膜ろ過によって廃水から分離され、曝気槽への再循環によってプロセス内に保持される。 この基本的なプロセスのいくつかの変更が開発されており、異なる曝気装置、汚泥の収集と曝気槽または一次清澄機への再循環の異なる手段、およびバイオフィルムが成長できる不活性媒体領域の追加によるプロセス強化（固定フィルム/懸濁成長プロセスの組み合わせ）などが含まれる

好気性細菌がプロセスで最も優勢な微生物だが、高等生物とともにその他の好気性、嫌気性および/または硝化細菌も存在しうる。 したがって、有機物の除去のほかに、硝化／脱窒やリンの生物学的取り込みによって栄養塩（有機アンモニア、リン）を生物学的に除去することもできる。 微生物の正確な構成は、リアクターの設計、環境、および廃水の特性によって異なります（TILLEY et al.2008）。 有機物と栄養素の除去の両方に最適な条件を実現するために、好気性チャンバーと嫌気性チャンバーを変更するシーケンスが使用されます。

処理プロセスの詳細

砂や同様の重い粒子はスクリーニング後、地面に沈むグリットチャンバーで次に除去されます。 この部屋では粗い砂粒だけを除去し、廃水は比較的短時間（数分）だけそこで過ごします（UNEP & MURDOCH 2004）。 より小さな固形物は、沈殿槽または沈殿槽で除去されます。 この装置では、廃水がより長い時間（約1時間）かけて、うまく分離できるようにします。 この機械的一次処理（グリットチャンバーと沈殿槽でのスクリーニングと沈殿を含む）からのスラッジは一次スラッジと呼ばれ、すべての余剰スラッジと同様に、さらに高度な処理チェーンが必要です

この一次処理の後、活性汚泥を含む主要ユニットが続いています。 前処理された廃水は、二次清澄機からの濃縮されたアンダーフロー活性汚泥と曝気槽で混合される。 曝気は、機械的な表面攪拌機、または圧縮空気の水中散気装置によって行われる（WSP 2008）。 曝気により活性汚泥に酸素が供給されると同時に、汚泥と廃水が十分に混合される（UNEP & MURDOCH 2004）。 曝気と混合中に、細菌は小さなクラスターやフロックを形成する（TILLEY et al.） このような条件下で、活性汚泥中のバクテリアは、廃水中の有機物を分解する。 彼らは、有機物をエネルギー、成長、繁殖に利用する。

曝気槽で数時間後、混合物は次に二次沈殿槽（清澄機）に入り、そこで凝集した微生物が沈降し、排水の流れから除去される。 沈殿した微生物（活性汚泥）は、曝気槽のヘッドエンドにリサイクルされ、再び排水と混合され、新しい汚泥を形成し、有機物を分解するために増殖し続けるのである。 システム内の汚泥量を最適に保つため、沈殿汚泥の再循環率は20〜100％の範囲で変化させる。 毎日発生する余剰汚泥（廃活性汚泥）は、一次処理施設からの汚泥と一緒に、さらなる処理チェーンで処理されなければならない。 従来の余剰汚泥の処理方法は、嫌気性消化、濃縮、焼却、そして埋立地などでの安全な廃棄であった。 より持続可能な方法は、汚泥を堆肥化して（消化の前または代わりに）栄養分を農業に再利用することです。

システム全体における水理学的滞留時間は、液相で数時間から数日に及びます。 余剰汚泥の処理は、適用される濃縮と嫌気性消化の種類によっては、もう少し時間がかかる場合もあります。 適切に設計、運転された活性汚泥プラントからの排水は高品質で、通常BODとTSSの濃度は10mg/L以下です（CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998）。 生物学的酸素要求量 (BOD) と懸濁物質 (TSS) の両方の除去率は、流入濃度、システムのセットアップ、温度によって、一般に 80 ～ 100% です (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008)。

窒素やリンなどの栄養素も活性汚泥プロセスで除去しますが、ハイブリッド活性汚泥システムでは異なる通気および非通気チャンバーのセットアップが必要です。 窒素の生物学的除去は、まず有機窒素をアンモニアに変換し、次いでアンモニア（NH4+）を亜硝酸塩（NO2-）、硝酸塩（NO3-）に好気的に変換し、硝酸塩をガス状窒素（N2）に嫌気的に変換し、大気に放出されることで達成される。 アンモニアが亜硝酸塩という中間段階を経て硝酸塩に変化することを硝化といいます。 また、硝酸塩がガス状窒素に変化することを脱窒という。 このように、廃水から窒素を完全に除去するためには、好気性と嫌気性（無酸素性）の両方のプロセスの組み合わせが必要です。 多くの活性汚泥処理システムでは、嫌気性槽は、曝気槽の後、清澄化の前に組み込まれるか（ポスト脱窒）、あるいは曝気槽の直前（プレ脱窒）である。 前脱窒の場合、硝化は好気性プレタンクの後に好気性タンクで行われます。 脱窒は、亜硝酸塩を含む曝気槽からの排水が汚泥と同様に再循環する場合にのみ起こる。

活性汚泥システムにおけるリンの除去は、化学的または生物学的に行うことが可能である。 従来の廃水処理システムにおけるリンの生物学的除去は、いくつかの細菌細胞によるリンの取り込みによって行われる。 しかし、この方法では、揮発性汚泥中のリンの質量分率が約2.5%しかないため、わずかなリンしか除去できない（HAANDEL&LUBBE 2007）。 この結果、COD濃度が500 mg/Lの都市下水の場合、放流濃度は約2〜7 mg P/Lとなる（HAANDEL&LUBBE2007）。 しかし、一般的には、排水中のリン濃度を1 mg P/L以下の値まで下げる必要があります。

別の生物学的プロセスには、強化型生物学的リン除去があります。 強化型生物学的リン除去は、いくつかの特殊なリン蓄積細菌の培養に基づいており、従来の活性汚泥における2.5％のPと比較して、汚泥中のP蓄積を最大で38％にすることができます（HAANDEL&LUBBE 2007）。

窒素とリンの両方が除去される場合、その組み合わせはさらに複雑となります。 強化された生物学的リン除去は、一般に嫌気段階（PAO培養のため）、無酸素段階（脱窒のため）、好気段階（硝化とリン蓄積のため）を直列に必要とする。

今日、農業における食糧生産に再循環する代わりに貴重な栄養素（リンと窒素）および有機物が焼却されている活性汚泥システムは、もはや持続可能と考えられてはいない。 活性汚泥法に窒素除去を導入すると、反応器の容積が大幅に増加し、曝気に要するエネルギー消費が約60～80％増加する（MAURER 2003）。 リンの除去には、化学物質の添加とそれに続く無機汚泥の廃棄、または生物学的リン除去を強化するための複雑さと反応器の容積の増大のいずれかが必要である。

BOD、窒素、およびリンに関する特定の排水目標を達成するために、基本的な活性汚泥の設計にさまざまな適応と修正が行われました。 よく知られた修正には、シーケンシングバッチリアクター（SBR）、酸化溝、深いシャフト、拡張曝気、移動床および膜バイオリアクターが含まれる。

Sequential Batch Reactor (SBRs)

プロセスは、異なる条件がすべて同じリアクターで達成されるが、異なる時間に、バッチで操作することができます（UNEP & MURDOCH 2004）。 この処理は、充填、反応、沈降、吸引、空転の5段階のサイクルからなる。 反応型では、曝気装置によって酸素が加えられる。 この段階では、活性汚泥システムと同じように、バクテリアが有機物を酸化する。 その後、曝気を停止し、汚泥を沈降させる。 次のステップでは、デカンテーションによって水とスラッジを分離し、透明な層（上澄み液）を反応槽から排出する(METCALF & EDDY 2007)。 スラッジの生成速度によっては、一部のスラッジがパージされることもある。 休止期間の後、タンクは新しい廃水バッチで満たされる（UNEP & MURDOCH 2004）。 バッチ運転モードでは、運転期間中に連続した流入水を貯蔵する必要があるため、少なくとも2つのタンクが必要です。 (非常に）小規模なシステム（例えば、小規模な集落を対象としている）では、タンク1基のみを適用することも可能です。 この場合、流入液は池に貯留するか、沈殿、吸引、アイドル段階を妨げないようにタンクの底に連続的に排出する必要がある。 SBRは低流量に適している。各タンクのサイズは、もう一方のタンクで処理期間中に発生する廃水量によって決まるからである（UNEP & MURDOCH 2004）。 SBR活性汚泥システムの詳細については、WSP（2007）または米国EPA（1999）を参照してください。

酸化溝

酸化溝は、酸素供給を保証し、溝内で内容物を混合して移動させるために1つ以上の水平エアレータを備えた大きな丸または楕円溝（チャネルリアクター）です。 スクリーニングされた流入物は酸化溝に入り、曝気され、約0.25〜0.35m/sで循環する（SANIMAS 2005）。 運転は連続的または断続的に行われる。 一次沈殿は通常必要ないが、二次沈殿槽が一般的に使用される。 一人当たりの必要処理量は、約1m³である（SANIMAS 2005）。 酸化溝は、土地の利用可能性が高い地域に適している。 メンテナンスが比較的容易で、小規模なコミュニティでしばしば発生する衝撃的な負荷（朝食時や夕方など）にも強いという利点がある。 一般的な水理学的滞留時間は24時間から48時間で、汚泥の滞留日数は12日から20日である（Wikipedia 2010）。 オキシデーションディッチの詳細については、U.S. EPA (2000)、WSP (2007)、または WSP (2008) を参照してください。

Deep Shafts

土地が不足している場合、下水を圧力がかかった戻り汚泥流に酸素を注入し、それを地中に埋められた深い柱状タンクの底部に注入して処理することができる。 このような活性汚泥炉はディープシャフトと呼ばれる。 このような立坑は、深さ100mにもなる。 汚水が上昇するにつれて、シャフトの底の圧力によって溶液中に押し出された酸素が、分子状酸素として外に出てくる。 これにより、活性汚泥に含まれる微生物に効率よく酸素を供給することができます。 上昇する酸素と注入された返送汚泥が混合の物理的なメカニズムを提供する。 混合された汚泥と廃水流入は、地表でデカンテーションされ、上澄み液と汚泥成分に分離される。 深層立坑処理の効率は高いが、建設、運転、維持管理に熟練した専門家を必要とし、さらに大量のエネルギーを必要とする（Wikipedia（2012）より引用）