水処理
ダレカリア水処理場、ワシントン D.C.

水処理とは、水質を改善し、特定の最終用途に適したものにするあらゆるプロセスです。最終用途には、飲料水、工業用水、灌漑、河川流量の維持、水上レクリエーションなど、様々な用途があり、安全に環境に戻すことも含まれます。水処理は、汚染物質や望ましくない成分を除去し、またはそれらの濃度を低減することで、水を最終用途に適したものにします。この処理は人間の健康にとって極めて重要であり、飲料水と灌漑用水の両方から恩恵を受けることができます。

種類

飲料水処理

水質汚染は、主に産業活動や商業活動から未処理の廃水が排出されることによって引き起こされます。様々な企業から排出される廃水には、様々なレベルの汚染物質が含まれており、河川やその他の水源に排出されます。廃水は、排出当初は有機汚染物質や無機汚染物質を多く含んでいる可能性があります。産業では、製造工程、紙・パルプ、繊維、化学薬品などの製造工程、そして冷却塔、ボイラー、生産ラインといった様々な流れから廃水が発生します。 [ 1 ]

典型的な飲料水処理プロセス

飲料水製造のための処理には、原水から汚染物質の除去および/または潜在的に有害な微生物の不活性化が含まれ、短期的または長期的に健康に悪影響を与えるリスクのない、人が消費できるほど純粋な水を製造することが含まれます。一般的に、最大の微生物リスクは、人間または動物（鳥を含む）の排泄物で汚染された水の摂取に関連しています。排泄物は、病原細菌、ウイルス、原生動物、蠕虫の発生源となる可能性があります。微生物病原体の除去または破壊は不可欠であり、一般的には、細菌、藻類、ウイルス、真菌、鉄やマンガンなどのミネラルを除去するために、浮遊物質などの反応性化学物質が使用されます。アバディーンのロバート・ゴードン大学のリンダ・ロートン教授のグループなどの研究では、シアノバクテリアの検出を改善することに取り組んでいます。[ 2 ]これらの物質は、効果的な浄水システムを利用できないいくつかの開発途上国に大きな害を引き起こし続けています。

水質を確保するための措置は、水の処理だけでなく、処理後の輸送や配水にも関係します。そのため、配水中の細菌汚染を防ぎ、配管を清潔に保つために、処理水に残留消毒剤を残留させることが一般的です。[ 3 ]

水道水やその他の用途など、住宅に供給される水は、使用前にインライン処理プロセスを用いてさらに処理されることがあります。こうした処理には、軟水化やイオン交換などが含まれます。

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。[ 4 ]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で処理されます。[ 5 ]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。[ 6 ]

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。[ 6 ]：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。

工業用水処理

水処理は、加熱、冷却、加工、洗浄、すすぎなどの工業プロセスで使用される機器への影響を軽減し、運用コストとリスクを軽減するために使用されます。水処理が不十分だと、水がパイプや容器の表面と反応してしまいます。蒸気ボイラーはスケールが付着したり腐食したりすることがあり、これらの堆積物により、同じ量の水を加熱するのにより多くの燃料が必要になります。冷却塔もスケールが付着したり腐食したりする可能性がありますが、処理せずに放置すると、温かく汚れた水が細菌の増殖を促進し、レジオネラ症が致命的な結果をもたらす可能性があります。水処理は、製造製品（半導体など）に接触する水や、製品の一部となる水（飲料、医薬品など）の品質を向上させるためにも使用されます。これらの場合、水処理が不十分だと欠陥製品が発生する可能性があります。

多くの場合、あるプロセスからの排水は、適切な処理を施すことで別のプロセスで再利用できます。これにより、水道料金の削減によるコスト削減、排水量の減少による排水処理コストの削減、そしてリサイクルされた排水の熱回収によるエネルギーコストの削減が可能になります。

Turun Seudun Vesi Oy 社の人工地下水プラントでは、コケマキ川からの前処理済みの原水が盆地を通って Virttaankangas の尾根層に吸収されます。

プロセス

鉄沈殿用の空の曝気槽

水から有害化学物質を除去するために、多くの処理手順が適用されてきました。[ 7 ]

汚染物質を除去するプロセスには、沈殿やろ過などの物理的プロセス、 消毒や凝固などの化学的プロセス、緩速砂ろ過などの生物学的プロセスが含まれます。

世界中の都市の飲料水処理には、季節や原水中の汚染物質や化学物質に応じて、以下のプロセスから選択された組み合わせが使用されています。

化学薬品

沈殿した鉄を除去するための砂ろ過器を備えたタンク（当時は稼働していなかった）

汚染物質を安全に処分するために、最終製品への変換や汚染物質の除去のための様々な化学的手順が用いられます。[ 8 ]

  • 藻類を制御し、生物の成長を阻止するための事前塩素処理。
  • 比較的少量のマンガンが存在する場合、溶解した鉄を除去するために事前塩素処理とともに曝気を行います。
  • 塩素、オゾン、紫外線を使用して、細菌、ウイルス、その他の病原体を殺す消毒。

物理的な

水/廃水処理の物理的技術は、生物学的または化学的変化ではなく、物理的現象を利用して除去プロセスを完了します。[ 8 ]

最も一般的な物理的なテクニックは次のとおりです。

  • 沈殿は、廃水処理において最も重要な主要プロセスの一つです。重力沈降は、流体から粒子を分離する方法です。水処理プロセス全体を通して水流速度が低下するため、懸濁液中の粒子は静止状態で安定した状態を保ち、その後、重力によって沈降します。[ 9 ] [ 10 ]固形物分離の場合、これはフロックに捕捉された懸濁物質の除去を意味します。
  • ろ過は、粒子の大きさに基づいて汚染物質を除去する技術です。廃水から汚染物質を除去することで、水を様々な用途に再利用できるようになります。この手順で使用されるフィルターの種類は、水中に含まれる汚染物質によって異なります。粒子ろ過と膜ろ過は、廃水ろ過の2つの主要な方法です。[ 11 ]
  • 溶存空気浮上法（脱ガス化）は、溶液から溶存ガスを除去するプロセスです。ヘンリーの法則によれば、液体中の溶存ガス量はガスの分圧に比例します。脱ガス化は、廃水から二酸化炭素ガスを除去する低コストの方法であり、ガスを除去することで水のpHを上げます。 [ 8 ]
  • 脱気装置は、ボイラー給水中の酸素と窒素を減らすために使用されます。

物理化学的

「従来型」治療とも呼ばれる

  • 凝集のための凝固。凝固剤を添加すると、コロイド懸濁液の電荷が中和されて不安定になり、凝固プロセス中に小さな粒子が凝集します。[ 12 ]
  • 凝固助剤（ポリ電解質とも呼ばれる） – 凝固を改善し、より強固なフロック形成を実現します。
  • 高分子電解質（この分野ではポリマーとも呼ばれる）は、通常、正電荷または負電荷のいずれかで構成されます。使用される高分子電解質の性質は、処理施設の原水特性にのみ基づいています。
  • これらは通常、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、ミョウバンなどの主要な凝固剤と組み合わせて使用​​されます。

化学沈殿は、廃水中の重金属濃度を低減するために一般的に用いられるプロセスです。溶解した金属イオンは、石灰などの沈殿剤との化学反応によって不溶性相に変換されます。工業用途では、完全な沈殿を達成するために、より強いアルカリが使用されることもあります。飲料水処理では、共通イオン効果は 水の硬度を下げるためによく利用されます。[ 13 ]

浮選法では、気泡の付着を利用して固体または分散液を液相から分離します。[ 14 ]

膜ろ過

膜ろ過は、浮遊物質や有機成分、そして重金属などの無機汚染物質を除去することができます。重金属除去には、維持可能な粒子サイズに応じて、限外ろ過、ナノろ過、逆浸透など、いくつかの形態の膜ろ過が用いられます。[ 15 ] [ 16 ]スケール防止剤は膜ろ過の維持に役立ちます。[ 17 ]一部の小さな分子は、ある程度膜を透過します。[ 17 ]

イオン交換

イオン交換は可逆的なイオン交換プロセスであり、不溶性物質（樹脂）が電解溶液からイオンを取り出し、樹脂の構造を変えることなく、化学的に同等の量で同じ電荷の追加のイオンを放出します。[ 18 ] [ 19 ]

電気化学的処理技術

  • 電気透析（ED）
  • 膜電解（ME）
  • 電気化学的沈殿（EP）[ 16 ]

吸着

吸着とは、物質が液相から固体／液体（吸着剤）の表面へ輸送され、物理的かつ化学的に結合（吸着質）する物質移動プロセスです。吸着は、吸着質と吸着剤間の引力の種類に基づいて、物理吸着と化学吸着の2つの形態に分類されます。これらは一般に物理吸着と化学吸着と呼ばれます。[ 20 ] [ 21 ]

活性炭

活性炭（AC）または生物活性炭（BAC）[ 22 ]は、様々な汚染物質に対する効果的な吸着剤です。飲料水や廃水から、色、香り、味、その他の有害な有機物や無機物を吸着除去することは、その産業用途の一つです。[ 23 ]

活性炭の効率は、高い表面積と大きな細孔径の両方によって向上します。活性炭は、廃水から重金属やその他の汚染物質を除去するために、多くの研究で利用されてきました。市販の活性炭（AC）の不足により、活性炭のコストは上昇しています。活性炭は、その高い表面積、多孔性、そして柔軟性により、廃水処理において大きな可能性を秘めています。[ 23 ]

生物学的

これは、溶解または懸濁した有機化学成分を生分解によって除去する方法であり、最適量の微生物を与えて同じ自然の自己浄化プロセスを再現します。[ 24 ]生物学的酸化や生合成などの2つの異なる生物学的プロセスを通じて、微生物は廃水中の有機物を分解することができます。廃水処理に関与する微生物は、生物学的酸化プロセス中にミネラル、二酸化炭素、アンモニアなどの最終生成物を生成します。ミネラル（生成物）は廃水中に残り、排水とともに排出されます。微生物は廃水中の有機物を使用して、生合成プロセス全体を通して沈殿によって除去される高密度バイオマスを持つ新しい微生物細胞を生成します。[ 25 ]

標準

多くの先進国は、自国に適用する基準を定めています。欧州では、欧州飲料水指令[ 26 ]がこれに含まれ、米国では米国環境保護庁（EPA）が安全飲料水法で要求される基準を定めています。このような基準に関する立法または行政上の枠組みがない国については、世界保健機関が達成すべき基準に関するガイドラインを発行しています。[ 27 ]中国は、2002年に環境保護部が制定した独自の飲料水基準GB3838-2002（タイプII）を採用しました。 [ 28 ]

飲料水の水質基準が存在する場合でも、そのほとんどは要件ではなくガイドラインや目標として表現されており、法的根拠があったり、強制力のあるものはほとんどありません。[ 29 ]例外として、欧州飲料水指令と米国の安全飲料水法があり、これらは特定の基準の法的遵守を義務付けています。

発展途上国

水処理における適切な技術オプションには、コミュニティ規模と家庭規模の両方のユース・オブ・ユース（POU）設計または自己供給設計が含まれる。[ 30 ]このような設計では、太陽光による水消毒法が採用されることがある。この方法では、太陽光照射を利用して、主に太陽光スペクトルのUV-A成分によって有害な水中微生物を直接不活性化するか、または典型的にはアナターゼ型またはルチル型のTiO2を担持した酸化物光触媒の存在によって間接的に不活性化する。[ 31 ] SODIS技術の進歩にもかかわらず、ERDLatorのような軍の余剰水処理ユニットは依然として開発途上国で頻繁に使用されている。より新しい軍用タイプの逆浸透浄水ユニット（ROWPU）は可搬式で、自己完結型の水処理プラントであり、一般の利用が増えている。[ 32 ]

水系感染症の削減を持続させるには、研究開発グループが開発途上国で開始する水処理プログラムが、当該国の住民によって持続可能なものでなければなりません。多くの地域が遠隔地にあるためモニタリングが困難なため、研究チームの帰国後もプログラムの効率性を確保することができます。

エネルギー消費：水処理場はエネルギーを大量に消費します。カリフォルニア州では、州の電力消費量の4%以上が、中程度の水質の水を長距離輸送し、高水準に処理するために使用されています。[ 33 ]重力で消費地点まで流れる高品質の水源がある地域では、コストははるかに低くなります。エネルギー需要の大部分はポンプで発生します。ポンプを必要としない処理方法は、全体的なエネルギー需要が低い傾向があります。散水濾過装置、緩速砂濾過装置、重力導水管など、エネルギー需要が非常に低い水処理技術があります。

2021年の研究では、メキシコの都市部で行われた大規模な水道塩素処理プログラムにより、小児下痢性疾患による死亡率が大幅に減少したことが明らかになった。[ 34 ]

材料

304Lや316Lなどのステンレス鋼は、水に対する耐腐食性と消毒に使用される塩素に対する腐食性があるため、水処理プラントの製造に広く使用されています。[ 35 ] [ 36 ]

参照

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