生物学的窒素除去の硝化と脱窒の違い（好気と無酸素）
排水の窒素を微生物で除くのに、なぜ「酸素あり」と「酸素なし」の2段階がいるの？と思いませんか。硝化と脱窒は、必要な条件が正反対だからです。整理します。
この記事の要点
排水中の窒素を微生物で除く生物学的窒素除去は、硝化と脱窒の2段階で進みます。必要な条件が逆になります。
- 硝化＝好気（酸素あり）。硝化菌がアンモニアを硝酸まで酸化する
- 脱窒＝無酸素。脱窒菌が硝酸を窒素ガスに還元する（有機物をエサに使う）
- 順番は硝化（好気）→脱窒（無酸素）
排水中の窒素（アンモニア性窒素など）は、富栄養化の原因になるため除去が必要です。微生物の力で窒素ガスにして大気へ逃がすのが、生物学的窒素除去です。
この処理は、条件のまったく違う2つの段階からなります。
硝化は好気（アンモニア→硝酸）
硝化とは、好気状態（酸素あり）で、硝化菌がアンモニア性窒素を、亜硝酸を経て硝酸まで酸化する反応です。
硝化菌は酸素を使ってアンモニアを酸化します。そのため、硝化には酸素（曝気）が必要です。なお、硝化菌は増殖が遅い菌で、流されると保ちにくいという特徴があります。
脱窒は無酸素（硝酸→窒素ガス）
脱窒とは、無酸素状態で、脱窒菌（通性嫌気性細菌）が硝酸を窒素ガス（N₂）に還元し、大気へ逃がす反応です。
脱窒菌は、酸素がない条件で、硝酸の酸素を使って呼吸します。このとき、有機物（メタノールなど）を水素供与体（エサ）として消費します。酸素があると、脱窒菌は酸素のほうを使ってしまい、脱窒が進みません。
好気の硝化でアンモニア→硝酸、無酸素の脱窒で硝酸→窒素ガス。条件（酸素あり／なし）が逆になる。
汚水処理特論での問われ方
生物学的窒素除去は、汚水処理特論で、硝化・脱窒の条件や反応の向きとして問われます。
令和7年度の汚水処理特論（問16）では、通性嫌気性細菌の脱窒素反応で、硝酸を窒素に還元するために理論的に必要なメタノールの量を、反応式から求める問題が出ました。脱窒では有機物（メタノール）を還元のためのエサに使う、という点が前提になります。
混同しやすい用語
硝化 と 脱窒
どちらも窒素を扱う反応ですが、酸素の条件と反応の向きが正反対です。
硝化は好気（酸素あり）でアンモニアを硝酸に酸化、脱窒は無酸素で硝酸を窒素ガスに還元します。
「硝化＝好気＝酸化（硝酸まで上げる）」「脱窒＝無酸素＝還元（窒素ガスに落とす）」とセットで覚えます。
理解度チェック
硝化と脱窒は、それぞれ好気・無酸素のどちらで進み、窒素をどう変えるか。
答え：硝化＝好気でアンモニアを硝酸に酸化、脱窒＝無酸素で硝酸を窒素ガスに還元
順番は硝化（好気）→脱窒（無酸素）です。条件が逆になります。
脱窒で、硝酸を窒素ガスに還元するために脱窒菌が消費するものは何か。
答え：有機物（メタノールなど）を水素供与体（エサ）として消費する
有機物が足りない排水では、メタノールなどを外から加えることがあります。
まとめ
生物学的窒素除去は、条件の逆な2段階で進みます。
硝化は好気でアンモニアを硝酸に酸化し、脱窒は無酸素で硝酸を窒素ガスに還元します（脱窒では有機物をエサに使う）。順番は硝化→脱窒です。
「硝化＝好気・酸化」「脱窒＝無酸素・還元」と、条件と向きをセットで覚えておきます。
参考
- 排水の高度処理（生物学的窒素除去：硝化＝好気でアンモニア→硝酸、脱窒＝無酸素で硝酸→窒素ガス・有機物を水素供与体に使用）
- 一般社団法人 産業環境管理協会 公害防止管理者等国家試験 汚水処理特論 出題範囲・公式正答（令和7年度 問16 ほか）
※ この記事の確認日：2026年6月
まちがえやすいポイント
硝化と脱窒の、酸素の条件（好気か無酸素か）を入れ替えるのが狙いです。
硝化は好気（酸素が必要）、脱窒は無酸素（酸素があると進まない）です。条件が逆になる点と、脱窒では有機物（メタノールなど）をエサに使う点を押さえます。順番は硝化→脱窒です。