廃水処理
ウィスコンシン州ラクロスの下水処理場（廃水処理場の一種）

廃水処理は、廃水から汚染物質を除去するプロセスです。結果として生じる排水は、水域に排出され、環境への影響は許容範囲内です。[ 1 ]家庭廃水は、都市廃水または下水とも呼ばれ、下水処理場で処理されます。産業廃水は、多くの場合、特別に設計された産業廃水処理施設[ 2 ]または下水処理場で処理されます。後者の場合、通常、業界は廃棄物を都市の処理場に送る前に、現場で前処理を行います。その他の種類の廃水処理場には、農業廃水処理場や浸出水処理場などがあります。

「廃水処理」という用語は、しばしば「下水処理」の意味で使用されます。[ 3 ]

廃水処理における一般的なプロセスには、沈殿などの相分離、酸化などの様々な生物学的・化学的プロセス、そして研磨が含まれます。廃水処理場からの主な副産物は、通常、同一または別の廃水処理場で処理される一種の汚泥です。[ 3 ]：第14章 嫌気性処理が用いられる場合、バイオガスも副産物として発生する可能性があります。

処理済みの廃水は再生水として再利用できます。[ 4 ]廃水処理の主な目的は、処理済みの廃水を安全に処分または再利用できるようにすることです。しかし、処理前に、適切な処理プロセスを適用できるように、処分または再利用の選択肢を検討する必要があります。

処理施設の種類

下水処理場は、処理対象となる廃水の種類によって区別されます。汚染の種類と程度に応じて、廃水処理には様々な処理方法があります。処理段階には、物理​​的処理、化学的処理、生物学的処理が含まれます。

廃水処理施設の種類には以下のものがあります。

下水処理場

下水処理は廃水処理の一種で、下水から汚染物質を取り除き、周囲の環境への排出や再利用に適した処理水を生成することで、未処理の下水排出による水質汚染を防ぐことを目的とします。 [ 5 ]下水には、家庭や企業からの廃水と、場合によっては前処理された産業廃水が含まれます。下水処理プロセスには多数の種類があり、分散型システム（オンサイト処理システムを含む）から、下水を処理場に送るパイプとポンプ場のネットワーク（下水道と呼ばれる）を含む大規模な集中型システムまであります。合流式下水道のある都市では、下水道は都市流出水（雨水）も下水処理場に運びます。下処理には、一次処理と二次処理と呼ばれる2つの主な段階が含まれることが多く、高度処理には研磨プロセスと栄養塩除去を含む三次処理段階も組み込まれています。二次処理では、好気性または嫌気性の生物学的プロセスを用いて、下水中の有機物（生物学的酸素要求量として測定）を削減することができます。医薬品などの有機微量汚染物質を除去するために、四次処理（高度処理と呼ばれることもあります）を追加することもできます。これはスウェーデンで本格的に実施されています。[ 6 ]

多数の下水処理技術が開発されており、そのほとんどは生物学的処理プロセスを用いている。設計技術者や意思決定者は、適切な技術を選択する際に、それぞれの代替案の技術的・経済的基準を考慮する必要がある。[ 7 ] : 215 多くの場合、選択の主な基準は、望ましい処理水質、予想される建設費と運用費、土地の利用可能性、エネルギー要件、持続可能性の側面である。発展途上国や人口密度の低い農村地域では、下水は下水道に流さずに、さまざまなオンサイト衛生システムで処理されることが多い。これらのシステムには、排水場に接続された浄化槽、オンサイト下水システム（OSS）、ミミズ濾過システムなどがある。一方、高度で比較的高価な下水処理施設には、消毒を伴う三次処理や、場合によっては微量汚染物質を除去するための第四処理段階が含まれることもある。[ 6 ]

世界全体では、下水の約52%が処理されていると推定されています。[ 8 ]しかし、下水処理率は世界各国で大きく異なります。例えば、高所得国では下水の約74%が処理されているのに対し、発展途上国では平均わずか4.2%しか処理されていません。[ 8 ]

ドイツ、ドレスデン・カディッツの下水処理場における活性汚泥法の曝気槽

産業廃水処理場

工業プロセスからの廃水は、処理プラントで固形物と処理済み水に変換され、再利用することができます。

産業廃水処理は、産業で望ましくない副産物として生成される廃水を処理するために使用されるプロセスを指します。処理後、処理された産業廃水（または排水）は再利用されるか、下水道または環境の表層水に放出されます。一部の産業施設では、下水処理場で処理できる廃水が発生します。石油精製所、化学および石油化学プラントなどのほとんどの産業プロセスでは、処理済み廃水中の汚染物質濃度が下水道または川、湖、海への廃水排出に関する規制に準拠するように、廃水を処理する専用の施設があります。[ 9 ]：1412 これは、高濃度の有機物（油やグリースなど）、有毒汚染物質（重金属、揮発性有機化合物など）、またはアンモニアなどの栄養素を含む廃水を生成する産業に適用されます。[ 10 ] : 180 一部の産業では、汚染物質（毒性化合物など）を除去するための前処理システムを設置し、その後、部分的に処理された廃水を市の下水道に排出しています。[ 11 ] : 60

ほとんどの産業は、ある程度の廃水を生み出します。最近の傾向は、そのような廃水の発生を最小限に抑えるか、製造プロセス内で処理済みの廃水をリサイクルすることです。一部の産業は、汚染物質を削減または排除するために製造プロセスを再設計することに成功しています。[ 12 ]産業廃水の発生源には、電池製造、化学製品製造、発電所、食品産業、鉄鋼産業、金属加工、鉱山と採石場、原子力産業、石油とガスの採掘、石油精製と石油化学、製薬製造、パルプと製紙産業、製錬所、繊維工場、産業油汚染、水処理、木材防腐などがあります。処理プロセスには、塩水処理、固形物除去（化学沈殿、ろ過など）、油とグリースの除去、生分解性有機物の除去、その他の有機物の除去、酸とアルカリの除去、有毒物質の除去があります。

農業廃水処理場

乳製品廃棄物処理のための嫌気性ラグーン

農業廃水処理は、農場経営において、肥料、農薬、動物のスラリー、作物残渣、灌漑用水に含まれる化学物質や生物に汚染されている可能性のある、飼育下の動物の飼育や地表流出による汚染を制御するための課題である。牛乳や卵の生産など、継続的に飼育下の動物を飼育するには、農業廃水処理が必要である。これは、産業廃水処理に使用されるものと同様の機械化された処理装置を使用して工場で行うことができる。池、沈殿池、通性ラグーンに土地がある場合、繁殖や収穫サイクルの季節的な使用条件では、運用コストが低くなる可能性がある。[ 13 ]：6～8 動物のスラリーは通常、嫌気性ラグーンに封じ込めて処理され、その後、牧草地に噴霧または滴下して処分される。人工湿地は、動物の排泄物の処理を容易にするために使用されることがある。

非点源汚染には、堆積物流出、栄養塩流出、農薬などが含まれます。点源汚染には、動物の排泄物、サイレージ液、搾乳パーラー（酪農）廃棄物、屠畜廃棄物、野菜洗浄水、消火用水などが含まれます。多くの農場では、処理施設で管理されていない 表面流出水から非点源汚染が発生しています。

浸出水処理施設

浸出水処理施設は、埋立地からの浸出水を処理するために使用されます。処理方法には、生物学的処理、限外濾過による機械的処理、活性炭フィルターによる処理、様々な独自技術による電気凝固を含む電気化学的処理、ディスクチューブモジュール技術を用いた逆浸透膜ろ過などがあります。[ 14 ]

ユニットプロセス

廃水処理のための典型的な表面曝気槽の図

廃水処理に関わる単位プロセスには、沈殿や浮上などの物理的プロセスと、酸化や嫌気性処理などの生物学的プロセスが含まれます。廃水によっては、特殊な処理方法が必要となる場合もあります。最も単純なレベルでは、ほとんどの廃水処理は、通常は沈殿によって固体と液体を分離することによって行われます。溶解物質を徐々に固体（通常は生物学的フロックまたはバイオフィルム）に変換し、その後沈殿または分離することで、純度が徐々に高まる排水が生成されます。[ 3 ] [ 15 ]

相分離

浄化槽は廃水処理に広く使用されています。

相分離により、不純物は非水相へと移行します。処理工程の中間段階で相分離が起こる場合があり、酸化や研磨の際に生成された固形物を除去することができます。グリースや油は燃料や鹸化のために回収されます。固形物は、廃水処理場で汚泥の脱水処理が必要となることがよくあります。乾燥固形物の処分方法は、水から除去された不純物の種類と濃度によって異なります。[ 16 ]

ドイツ、ドレスデン・カディッツの下水処理場の一次沈殿池

沈殿

石、砂利、砂などの固形物は、密度差が乱流による拡散を克服できるほど大きい場合、重力によって廃水から除去することができます。これは通常、最適な流量を生み出すように設計された沈降ろ過装置を用いて達成されます。この装置は、沈降ろ過装置が沈降ろ過し、その他の低密度固形物を次の処理段階に送ることができるように設計されています。重力分離は下水処理の主要な方法であり、このプロセスは「一次沈殿槽」または「一次沈澱槽」と呼ばれます。[ 17 ]また、他の種類の廃水処理にも広く利用されています。水よりも密度の高い固形物は、静止状態の沈殿池の底に堆積します。より複雑な浄化槽には、石鹸カスなどの浮遊油脂と、羽毛、木片、コンドームなどの固形物を同時に除去するためのスキマーも備わっています。API油水分離器のような容器は、非極性液体を分離するために特別に設計されています。[ 18 ] : 111–138

生物学的および化学的プロセス

酸化

酸化は廃水の生化学的酸素要求量を低下させ、一部の不純物を無毒化する可能性がある。二次処理では、酸化還元反応によって有機化合物を二酸化炭素、水、バイオソリッドに変換する。 [ 19 ]化学的酸化は消毒に広く利用されている。[ 20 ]

生化学的酸化（二次処理）
地方の下水処理場にあるこの小型の二次浄化槽は、懸濁培養または固定膜バイオリアクターで形成された生物学的固形物を除去するための典型的な相分離メカニズムです。

二次処理（主に生物学的廃水処理）は、下水や類似の廃水から生分解性有機物（溶液または懸濁液）を除去することです。[ 21 ]：11 その目的は、下水処理場で、意図された処分または再利用オプションに適した一定の処理水質を達成することです。「一次処理」段階は二次処理の前に行われることが多く、そこでは物理的な相分離によって沈殿性固形物を除去します。二次処理では、生物化学的プロセスを使用して、生化学的酸素要求量（BOD）として測定される溶解性および懸濁性有機物を除去します。これらのプロセスは、処理技術に応じて、管理された好気性または嫌気性プロセスで微生物によって実行されます。細菌や原生動物は、生分解性の可溶性有機汚染物質（例：人糞、食品廃棄物、石鹸、洗剤由来の糖、脂肪、有機短鎖炭素分子）を消費しながら繁殖し、生物学的固形物の細胞を形成します。二次処理は下水処理に広く使用されており、多くの農業廃水や工業廃水にも適用できます。

化学酸化

高度酸化プロセスは、生化学的酸化後に残留する一部の残留有機汚染物質や濃度を除去するために使用されます。 [ 18 ]：363〜408 化学酸化による消毒は、オゾン、塩素、次亜塩素酸塩などのヒドロキシルラジカルを廃水に加えることで、細菌や微生物病原体を殺します。[ 3 ]：1220 これらのヒドロキシルラジカルは、有機汚染物質中の複雑な化合物を水、二酸化炭素、塩などの単純な化合物に分解します。[ 22 ]

嫌気性処理

嫌気性廃水処理プロセス（UASB、EGSBなど）も、産業廃水や生物学的汚泥の処理に広く適用されています。

研磨

研磨とは、上記の方法の後に行われるさらに高度な処理工程（「第4段階」処理とも呼ばれる）を指します。これらの処理は、一部の産業廃水に対して単独で使用される場合もあります。化学的還元またはpH調整は、化学酸化後の廃水の化学反応性を最小限に抑えます。[ 18 ]：439 炭素ろ過は、活性炭への化学的吸着によって残留汚染物質や不純物を除去します。[ 3 ]：1138 砂（炭酸カルシウム）または布製フィルターによるろ過は、都市廃水処理において最も一般的な方法です。

参照

参考文献

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