嫌気性アンモニア酸化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）は酸欠条件下で亜硝酸塩を電子受容体としてアンモニアを窒素に酸化する過程を指し、この過程は独特な嫌気性アンモニア酸化菌（AnAOB）と呼ばれる専性嫌気性自己栄養菌によって触媒され完成された。“”
Anammox脱窒技術の発見は伝統的な従属栄養脱窒の認知を破り、有機炭素源を電子供与体として追加する必要がなく、大量の曝気を必要とせず、効率的に汚水脱窒を行うことができ、その最高容積窒素除去速度は9.5kg N/m ³ dに達し、従来の硝化脱窒プロセス（容積窒素除去率0.50kg N/m ³ d）よりもはるかに高く、外国の運転データによると、その処理コストは0.75ユーロ/kg Nであり、従来の生物脱窒プロセスの処理コストの2 〜 5ユーロ/kg Nよりもはるかに低く、有機炭素源を追加する必要がなく、脱窒負荷が高く、ランニングコストが低く、占有スペースが小さいなどの利点があるため、現在最も経済的で持続可能な生物脱窒プロセスの一つとして認識されている。··<····
I.プロセスの原理
Brodaは、NH 4+が無酸素条件下でNO 2 −と直接N 2を生成する可能性を化学自由エネルギーに基づいて探索し、自然窒素循環のミッシングセグメントであると考えた。MulderとVan de Graffeは1990年代半ばにこのプロセスを実験的に実証し、それ以来多くの関心を集めている。嫌気性アンモニア酸化の反応式は以下の通り。
NH4 ++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H +→
1.2N 2 + 0.26NO 3-+0.066CH 2 O0.5N 0.15 + 2.03H 2 O
Van de Graffeらはトレーサー実験を通じてAnammoxの可能な代謝経路を提案し、現在公認されている亜硝酸塩型嫌気性アンモニア酸化の可能な代謝経路でもあり、主に二つの過程を含む：一つは分解（生産能力）代謝、すなわちアンモニアを電子供与体とし、亜硝酸塩を電子受容体とし、両者は1：1の比率で反応して窒素を生成し、そして発生したエネルギーをATPの形で貯蔵する;二つ目は合成代謝であり、すなわち亜硝酸塩を電子受容体として還元力を与え、炭素源である二酸化炭素と分解代謝によって産生されたATPを利用して細胞物質を合成し、その過程で硝酸塩を生成する。
二、工学応用の進展
現在、Anammox自己栄養脱窒技術はますます成熟しており、もはや実験室の段階にとどまらず、実際のエンジニアリングアプリケーションでは、2002年にParker社はオランダのロッテルダムDokhaven下水処理場で世界初の生産嫌気性アンモニア酸化反応器を建設し、Sharon-Anammoxシステムを使用して汚泥脱水液を処理しました。それ以来、嫌気性アンモニア酸化プロジェクトは世界中で増加し続け、現在では世界中で200以上のAnammoxプロジェクトがあり、そのほとんどがヨーロッパにあります。近年、中国のAnammoxプロジェクトも急速に成長しています。
現在建設または建設中のAnammox下水処理プラントは、主に汚泥消化液、ごみ浸出液、台所排水、養殖排水、コークス排水、発酵排水、半導体チップ排水などを含む高アンモニア窒素排水のためのものですが、これらの分野の排水はAnammoxエンジニアリングアプリケーションですが、最適化し、解決する必要がある問題があり、高アンモニア窒素排水のいくつかの他の分野も開発する必要があります。
都市下水の工学応用の進捗状況
1.都市下水の主流化工学応用の進展
近年では、都市化のプロセスが加速し、都市下水処理産業への圧力が高まっており、持続可能な開発に適した都市下水処理の経済的および環境的利益を持つ方法を見つけることが緊急に必要です。都市下水の水量が多く、アンモニア窒素含有量と水温が比較的低く、組成が複雑であるため、都市下水処理場の主流セグメントでAnammoxエンジニアリングアプリケーションを実施することは困難です。
都市排水処理の主流では、オーストリアのストラス下水処理場が嫌気性アンモニア酸化の主流化に向けた最初のステップを開始しました。下水処理場の1日の処理規模は38，000トンで、ABプロセスを使用して、下水は高負荷活性汚泥吸着を通じて、下水中の懸濁物と溶存有機物の大部分を変換し、汚泥消化システムのバイオガス生産に使用されます。その後、下水は主流の好気性アンモニウムプロセスに入り、下水中のNH3-Nの一部をNO 2-に酸化します。その後、嫌気性セクションは残りのNH3-Nを嫌気性アンモニア酸化してN 2を生成し、排水アンモニア窒素は約5 mg/Lに制御されます。
本プラントでは、従来のSBRプロセスをDEMON自己栄養脱窒素プロセス（嫌気性アンモニア酸化の一種）に置き換え、pHを制御することにより、ハイドロサイクロンを用いてAnAOBを分離し、サイクロンの底流をDEMONに戻してAnAOBを濃縮し、オーバーフローをB段階に戻します。側流プロセスで安定的に濃縮されたAnAOBを主流プロセスに補給し、主流プロセスシステムで汚泥顆粒化を形成することにより、その総窒素除去率は80%以上になり、排水TN <5mg/L、アンモニア窒素<1.5mg/Lを実現した。また、完全なエネルギー自給率と余剰容量でも世界的に有名です。
シンガポールのチャンギ下水処理場は、サイドフロー接種なしで世界初の主流の自己栄養アンモニア酸化プロジェクトを実現しました。この工場は都市汚水を処理して80万t/dに達し、段階的な進水活性汚泥プロセス（SFAS）を採用し、酸欠池と好気池の体積比は1：1であり、その中に好気池で亜硝酸塩の蓄積を実現し、酸欠池で嫌気性アンモニア酸化反応が発生し、この工場の主流の自己栄養脱窒過程はTNの除去に62%貢献した。このプラントの水温が高いことは、安定した硝酸蓄積を実現するための自然な利点であり、酸素不足、好気性交互運転、短い泥寿命が安定したアンモニア酸化を実現するための重要な理由です。
上記の2つの下水処理場は、現在、嫌気性アンモニア酸化プロセスを主流レベルで実現している世界で2つしかない下水処理場です。下水処理場におけるAnammox技術の主流化には、低温でのAnammoxプロジェクトの迅速な開始方法、反応器内のAnAOBの成長と濃縮方法、低温での嫌気性アンモニア酸化プロジェクトの安定運転方法など、いくつかの重要な問題を解決する必要があります。
2.都市下水側流工学の応用進捗状況
下水処理場の側流下水は一般的に汚泥濃縮液、汚泥消化液などを指し、水量は通常非常に小さく、総水量の約1 - 2%を占めていますが、水質濃度は非常に高く、アンモニア窒素濃度は通常1000 mg/Lに達することができ、高濃度のアンモニアは遊離アンモニア濃度も比較的高く、亜硝酸塩酸化細菌（NOB）を抑制することができます。また、側流下水は一般的に嫌気性消化によって炭素源を回収し、炭素と窒素の比を低減することができ、同時に、嫌気性消化プロセスは熱を発生させ、排水温度は一般的に30 ° Cに達することができます。“”高いアンモニア窒素、低炭素窒素比、高い水温は、嫌気性アンモニア酸化を達成するための重要な条件であるため、都市下水嫌気性アンモニア酸化の実際のプロジェクトの半分以上は、都市下水処理場の側面流に適用されています。
世界初のAnammoxプロジェクトオランダ·ロッテルダムDokhaven下水処理場は，AB法を用いて主流段で発生した汚泥を600m離れたSluisjesdijk汚泥処理場に輸送して嫌気性消化を行い，生成したバイオガスをコージェネレーション（CHP）に利用し，消化液はPaques社のSHARON + Anammoxプロセスを用いて自己栄養脱窒を行った。
スウェーデンのマルメSjルンダ下水処理場は、Anammox生物膜水プラントの世界初の使用であり、その方法はANITA Mox（嫌気性アンモニア酸化プロセス）であり、主に異なる微生物を付着する充填剤を通じて、MBBRの形で、AnAOBは最も内側の層で成長し、AOBは、外層で、AOBはAnAOBのための亜硝酸塩窒素にアンモニア窒素酸化物を酸化する。ö™このプロセスは、汚泥消化液を処理するために使用できるだけでなく、菌種を培養するためにも使用でき、Sjルンダ下水処理場は、このプロセスの重要な細菌源となっており、米国サウスダーラム下水処理場は、この方法を成功裏にエンジニアリングし、北米におけるプロセス開発のための細菌源となっています。ö
北京都市排水グループが建設を担当し、運行した北京高碑店、北京小紅門、北京高安屯、北京槐房、北京清河二汚泥消化液処理工程は国内の典型的な汚泥消化液処理処理処理工程であり、以上の工程は北京都市排水グループが研究開発した高アンモニア性窒素廃水嫌気性アンモニア酸化脱窒素技術を採用し、その中で最大の汚泥消化液処理工場である北京高安屯汚水工場汚泥消化液処理場で、毎日消化液を4600 m 3処理し、消化液の総窒素濃度は約2500 mg/L、アンモニア性窒素濃度は約2200 mg/L、平均出水の総窒素濃度は300 mg/L、総窒素除去率は85%以上に達し、除去負荷は0.3 kgN/（m 3 d）に達し、17年の生産開始以来、ずっと安定して運行している。——·
3.その他の都市下水処理方向への工学応用
埋立液は、アンモニア窒素含有量が高く（一般的に約2000 mg/L）、有機物濃度が高く、水質が大きく変化し、重金属などの有毒物質を含みやすいことが特徴であるため、複雑な下水成分です。伝統的なプロセスは、経済的かつ実行可能な条件の下で排出基準を達成することは困難であり、近年では、嫌気性アンモニア酸化プロセスを使用した埋立液の研究が徐々に上昇し、成熟しており、現在、世界中で建設されている多くの実際のプロジェクトがあります。
一部の専門家や学者は、遊離アンモニア（FA）と遊離亜硝酸（FNA）の制御がAnammoxを実現する鍵であることを発見し、中国は2015年に最初の嫌気性アンモニア酸化技術による埋立地浸出水処理プロジェクトを正式に試運転し始めた。——この工程設計処理量は150m3/dで、自主的に家畜化したAnAOBレノーカを採用し、装置は二段昇流式嫌気性汚泥床（UASB）+Anammox+膜ろ過（MBR/RO）の連合処理プロセスを利用し、出水水質は完全に“生活ごみ埋立地汚染制御基準”（GB 16889 − 2008）に達し、このプロセスは低C/Nの工程応用問題を克服し、国内で初めて嫌気性アンモニア酸化を使用してごみ浸出液を処理するプロジェクトになった。——
食品廃棄物は嫌気性発酵後に生成され、高温が高く、アンモニア窒素とCODが多く含まれており、従来の硝化-脱窒生物脱窒システムを核とするプロセスを採用して排水を処理し、脱窒効率は比較的低く、汚泥の生産量は大きく、運転コストが高い。“” Anammox技術による排水処理は、炭素源とアルカリ度を補充する必要がなく、効率的な窒素除去を達成することができ、経済的、環境的利益は明らかです。
2019年には、無錫Huilanに建設された食品廃棄物総合処理センターは、嫌気性発酵後の食品廃棄物処理のための技術を使用し始めました。プロジェクトの設計水は650 m3/日で、凝固浮揚+高負荷エアレーションタンク+嫌気性アンモニア酸化+MBRプロセスを使用して処理され、プロジェクトではAnammoxの脱窒素効率は約84%であり、処理された下水は“下水総合排出基準”（GB 89 7 8 - 1996）の第三級排出基準に達しました。“”
2021年、四川眉山に建設された食品廃棄物総合処理センターもAnammoxプロセスを採用して発酵後の食品を処理し、このプロジェクトの処理水量は200 m3/dで、自主的に馴化した充填菌泥を採用し、高効率の協同嫌気性消化+短距離硝化（PN）+Aanmmox+フェントン反応器の反応システムを構築して発酵後の食品を処理し、後端に膜ろ過システムを加えない及びフェントン反応器を開かない状況で、CODは500 mg/Lで、TNは45 mg/Lで、アンモニア性窒素は30 mg/Lで制御し、経済的利益、環境効果は明らかで、このプロジェクトの成功は食品の無膜処理に経済的に実行可能な新しいアイデアを提供した。“”
産業排水の工学的応用の進歩
過去20年以上にわたり、嫌気性アンモニア酸化プロセスはコークス、発酵、医薬品、皮革なめし、半導体、食品加工などの高アンモニア性アンモニア産業排水の分野で成功を収めており、これらの実用的なプロジェクトの成功したブレークスルーは、フォローアップの大規模エンジニアリングアプリケーションのための重要な基礎を提供しています。しかし、迅速な立ち上げ、AnAOBの迅速かつ効果的なエンリッチメントの実現、プロジェクトの安定化などの問題はまだ解決する必要があります。
1.石炭化学廃水処理における工学応用の進歩
石炭化学工業コークス廃水は主に石炭のコークス、ガス浄化及び化学製品の生産と精製の過程で発生し、典型的な難分解性工業廃水であり、コークス廃水は大量のアンモニア窒素、有機物、フェノール、シアン、チオシアン化物、タール及び多環芳香族炭化水素などの汚染物質を含み、毒性が大きく、生化学性が悪く、従来の生物脱窒素方法は大量の追加炭素源を必要とし、脱窒素効率が低く、建設、運営コストが高く、高効率の脱窒素、追加の炭素源を必要としない嫌気性アンモニア酸化プロセスは、このような排水をうまく処理できます。
Tohらの研究により、AnAOBは高濃度のフェノール類にある程度耐性があり、石炭化学排水処理の可能性があることが示された。薛占強などは短距離硝化-嫌気性アンモニア酸化-全行程硝化プロセスを採用してコークス化廃水を処理し、正常運転条件下で出水NH4+-N濃度は15mg/L未満、NO2---N濃度は1mg/L未満であり、出水水質は明らかに従来の生物脱窒プロセスの出水水質より優れている。
2018年に成功裏に稼働を開始した内モンゴル金石炭化学排水処理プロジェクトは、石炭化学排水の嫌気性アンモニア酸化と自己栄養脱窒プロジェクトである。このプロジェクトは、水4000m3/d、総窒素1000mg/Lを処理し、最初に嫌気性アンモニア酸化粒状汚泥法を使用して試運転を開始しましたが、最終的に汚泥が解体され、正常に運転されませんでした。その後、別のチームが引き継ぎ、PN+Anammox+深い生化学プロセスを使用して、充填菌泥の自主家畜培養を接種し、最終的な排水TNは50mg/L以下に安定して制御され、“下水総合排出基準”（GB 89 7 8 -1996）のレベル3の基準に達し、プロジェクトは現在4年間安定して稼働しています。
2.半導体チップ廃水処理への工学的応用
半導体チップの製造プロセスでは、結晶シリコンの純度を確保するために、生産プロセスはクロム酸、硝酸、フッ化水素酸、硫酸などの強い酸化溶液で洗浄し、ウールを作り、シリコンウエハをエッチングするだけでなく、イソプロパノール、エタノール、重金属を添加して添加し、排水中の窒素量が高く、フッ素イオン含有量が高く、pHが低く、生化学性が低く、重金属などを含む。この種の廃水は処理が困難であり、処理コストが高い。排水水質は“電池産業汚染物質排出基準”（GB30484-2013）に達する必要があるため、従来の方法で処理することは困難である。
Davereyらの研究では、CANONプロセス（嫌気性アンモニア酸化プロセスの一種）を用いて太陽光発電産業排水を処理し、アンモニア窒素除去率が98%に達し、温度変動範囲が17 〜 37 ° Cの場合、プロセスは効率的な窒素除去性能を有することが示された。オランダの半導体工場では、硝化+Anammox+曝気脱窒プロセスによって生成された排水を処理し、1日550m3の排水処理能力を持ち、排水中に250-400mg/Lのアンモニアが含まれています。このプラントでは、多くのプロセス改善を経て、亜硝酸塩とアンモニア窒素の比率を制御することに成功し、嫌気性アンモニア酸化反応器内の脱窒素効率は3.29 kgN（m3/d）に達し、排水水質は可溶性窒素を8mg/L以下に制御しました。
3.発酵廃水処理への工学的応用
発酵産業は、穀物や農業副産物のデンプンを主原料とする加工産業であり、主にワイン醸造、味の素、医薬品などの産業を含む。発酵廃水の水質は大きく異なり、主な特徴は廃水温度が高く、有機物や懸濁物の含有量が高く、腐敗しやすく、一般的に無毒であるが、有機物は主に有機化合物や窒素化合物であり、富栄養化につながりやすい。発酵排水中のアンモニア窒素濃度が高すぎるため、従来の嫌気性好気性生物処理窒素負荷濃度が高すぎ、運転制御が困難であり、排出基準を満たすことが困難です。低エネルギー消費、高負荷のAnammox技術は、この種の廃水処理のホットな応用技術となっており、近年、エンジニアリング事例も成功しています。
通遼市梅生物科学技術有限公司の日産排水は18900メートル3以上、排水中のアンモニア窒素濃度は600mg/L以上であり、工場は2009年に世界最大の自己栄養脱硝反応器を建設し、脱硝能力は11，000 kgN/日に達し、統合CANONプロセスを使用してグルタミン酸ナトリウム（MSG）生産排水を処理し、脱硝効率は95%以上に達した。
山東省浜州市のAngel酵母会社はAnammoxプロセスを採用して従来のAO技術に代わって高アンモニア窒素工業廃水を処理し、同社の元のAOプロセスと比較して、Anammox反応器は大幅に敷地面積を節約した上で、2.0kgN/（m3 d）の高アンモニア窒素負荷の安定運転を実現し、これも嫌気性アンモニア酸化反応器が現在耐えられる最大汚泥負荷であり、その工業規模は従来のプロセスよりはるかに高い。
河北玉峰工業グループは主に穀物製品の深い処理を行い、排水の種類は主にVB12排水と発酵排水を生産し、プラントは元のAOプロセスを置き換えるためにAnammoxプロセスを使用して、プロジェクト水5000メートル3/日の第一段階の変換プロジェクト水30000メートル3/日の第二段階の変換プロジェクト水30000メートル3/日の第二段階の変換プロジェクト水30000メートル3 /日のコア組み合わせとしてAnammoxプロセスを使用して、プラント排水の窒素除去効率は85%に達し、2段階のプロジェクトはこれまでのところ安定した運転を行い、炭素源を追加する必要はありませんA排出基準。
0 3養殖排水処理の工学応用
2018年現在、全国には約9万の集中規模農業があり、農業排水は主に糞、尿、洗浄排水から来ており、下水には窒素、リン、有機物、懸濁物が多く含まれており、水質変動が大きく、有機窒素も多く、処理が困難です。従来の方法では、エネルギー消費量が高いだけでなく、炭素源の追加が必要であり、脱窒素効果も理想的ではありません。Anammox技術は、この排水処理の代替プロセスとして期待されています。
ASBRでは、好気性硝化汚泥を種泥として使用し、希釈された養豚場排水を導入口として嫌気性アンモニア酸化プロセスを正常に開始し、125日間続き、反応器排水の総窒素除去率は90%以上に達しました。Huang Fangyuらは、異なる温度下での養豚場排水処理における自己栄養同期脱硝技術の嫌気性消化液の性能差を研究し、温度が30℃のときに反応器の脱硝性能が最も良く、総窒素除去率が73%であることを発見した。現時点では、柳陽市Wanfeng中規模養豚場と長沙県XinGuan交差点農場は、現場デバッグ後、改善されたAO+Anammox+BAFプロセスを使用して、このプロセスは、高効率、低運用コストの処理は、新しいプロセスを促進し、実践する価値があります。
III.結論と見通し
実際の廃水処理では、異なる種類の廃水の水質が大きく異なるため、排水基準を確保するために、エンジニアリングプロジェクトの経済性を考慮しながら、Anammoxプロセスは、実際のプロジェクトではしばしば独立して適用されず、他のプロセスと組み合わせる必要があります。一般的には、嫌気性アンモニア酸化プロセスをコアとした中間生物学ユニットと他の生物学的または物理的ユニットの組み合わせプロセス、または嫌気性アンモニア酸化に基づく多菌群カップリングプロセスを使用します。複合プロセスは、現在、実際のプロジェクトで最も一般的で経済的な方法であり、高エネルギー消費から低エネルギー消費に下水処理を達成するための重要な方法であり、嫌気性アンモニア酸化技術は、将来の下水処理の低エネルギー消費を達成するためのコア技術の一つです。
しかし、以下の問題も嫌気性アンモニア酸化プロセスの大規模なエンジニアリングアプリケーションに影響を与える中心にあります。
1.低温または温度変化の条件下でAnAOBの活性を維持し、効率的な脱窒性能を維持する方法;
2. AnAOBの世代サイクルを短縮し、菌種を急速に増殖させ、反応器を迅速に起動させる方法。
3.下水道システムにおける嫌気性アンモニア酸化菌の阻害因子を効果的に制御し、嫌気性アンモニア酸化がシステムの支配的な菌種になるようにする方法。
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