XJY 下水汚泥をバイオソリッドに変換する：廃水処理とその先への旅

XJYの紹介 汚泥処理

1950年以前、アメリカ合衆国のほとんどの地域では、廃水（下水）をほとんど処理せずに河川に排出していました。都市人口が増加するにつれ、河川が廃水を処理する自然な能力を超え、多くの地域で水質が悪化しました。水質悪化への懸念から、アメリカ合衆国全土の数千の地域で廃水処理施設が建設されました。水処理 1950年代から1960年代にかけて、下水処理システムが開発されました。これにより、河川の水質は大幅に改善されましたが、新たな問題、すなわち下水汚泥が発生しました。処理場に流入する廃水の約99%は再生水として排出されます。残りは、処理工程で捕捉された固形物の希薄な懸濁液です。これらの廃水処理固形物は、一般的に下水汚泥と呼ばれています。

写真  1 下水廃水

「下水汚泥」または「バイオソリッド」――名前にはどんな意味があるのだろうか？

「バイオソリッド」という用語は、近年、廃水処理業界によって導入されました。業界では、バイオソリッドを、安定化と病原菌低減のための十分な処理が施され、土地への施用に適した高品質の汚泥と定義しています。この用語は、高品質の処理済み汚泥を、未処理の汚泥や、大量の環境汚染物質を含む汚泥と区別することを目的としています。また、「バイオソリッド」という用語は、汚泥が生物学的プロセスによって生成されることを強調することで、汚泥と産業汚泥を区別するのにも役立ちます。この用語は、汚泥の真の性質を隠蔽し、この物質の土地施用に対する一般市民の抵抗感を軽減しようとする試みであるとして、一部から批判されています。確かに「バイオソリッド」は、「汚泥」や単に「汚泥」ほど否定的なイメージを喚起しませんが、上記のように区別するために正しく使用すれば、正当かつ機能的な用語です。本稿では、「下水汚泥」とは一般的に廃水処理で生じる固形物を指し、「バイオソリッド」とは特に土地への施用に適した物質を指すものとする。

写真  2 下水汚泥管

の制作 XJY市下水汚泥

都市下水、または下水とは、都市部や郊外の住宅や事業所で洗濯、入浴、トイレの洗浄などに使用された水のことです。都市下水には、工業排水も含まれる場合があります。工業プロセスから生じる化学物質や汚染物質を除去するため、都市下水システムに排水を排出する工業事業者は、排水を下水道に放流する前に前処理する必要があります。排水は、衛生下水道システムを経由して、中央下水処理場（公共下水処理施設、POTWとも呼ばれる）に送られます。POTWでは、下水は一連の処理工程を経て、物理的、生物学的、化学的なプロセスによって、栄養分や固形物を除去し、有機物を分解し、水中の病原体（病気を引き起こす微生物）を死滅させます。浄化された水は、河川や小川に放流されるか、広範囲の土地に散布されることがあります。

写真3　都市下水汚泥処理

未処理下水の予備処理には、棒、瓶、紙、ぼろ布などの大きな異物を除去するためのスクリーン処理と、無機固形物（砂、砂利、燃え殻）を水から急速に沈殿させる砂利除去工程が含まれます。この処理段階で除去されたスクリーン処理物と砂利は通常埋め立て処分され、下水汚泥の一部にはなりません。

一次処理では、重力沈降と浮上分離のプロセスによって、この段階に流入する固形物の約半分が除去されます。この処理段階で沈殿した固形物（有機物と無機物の両方）は底から引き上げられ、一次汚泥となります。ほとんどの公共下水処理施設では、一次処理中に水面からすくい取られる浮遊物（油、グリース、木材、植物性物質など）は別々に処分され、一次汚泥には含まれません。

二次処理とは、厳密に管理された加速的な生物学的プロセスであり、自然界に存在する微生物を用いて、廃水中の懸濁物質や溶解物質を分解（分解または消化）します。この物質は二酸化炭素に変換され、大気中および微生物細胞塊に放出されます。

二次沈殿槽では、微生物細胞塊が底に沈殿し、除去される。この主に有機物からなる物質は、二次汚泥と呼ばれる。

一部の処理施設では、廃水中の植物栄養素（窒素とリン）、浮遊物質、または生物学的酸素要求量をさらに低減するために設計された三次処理工程も含まれています。化学的に沈殿させたリンとろ過によって三次汚泥が生成されます。

最後に、水は病原性微生物を死滅させるための消毒処理を受けます。浄化された水は、小川や川に放流されるか、広範囲の土地に散布されます。

XJY治療方法 都市下水汚泥

一次汚泥、二次汚泥、三次汚泥は通常混合され、固形分が1～4％の混合物は「未処理」下水汚泥と呼ばれます。未処理下水汚泥は、病原菌を含み、不安定で分解しやすい性質を持つため、健康や環境への潜在的な危険となります。しかし、現在では、下水汚泥を安定化させ、病原菌を減らし、固形分を増やすための様々な処理方法が用いられています。下水汚泥の安定化と病原菌レベルの低減に一般的に用いられる処理方法の一部を表1に示し、簡単に説明します。

中身は？ 下水汚泥？

下水汚泥は、無機物と有機物の両方から構成され、一部の植物栄養素が高濃度で含まれ、多数の微量元素¹や有機化学物質がごく少量含まれ、さらに病原体も含まれています。下水汚泥の組成は、廃水の組成や処理方法によって大きく異なります。表2は、下水汚泥に含まれる植物栄養素と一部の微量元素の濃度の中央値と95パーセンタイル値を示しています。これらのデータは、1996年と1997年にペンシルベニア州で発生した下水汚泥に関する大規模な調査に基づいています。

対処方法の選択肢 下水汚泥

下水汚泥は、有効活用できる有機物および栄養資源とみなすことも、処分すべき廃棄物とみなすこともできます。1991年以前は、ペンシルベニア州を含む大量の下水汚泥が海洋投棄されていました。海洋への過剰な栄養負荷への懸念から、この方法は禁止されました。現在、ペンシルベニア州で発生する下水汚泥のほぼすべてが処理され、バイオソリッドとして分類されるのに十分な品質になっています。このうち半分弱が埋め立てまたは焼却処分され、残りのバイオソリッドは農業、鉱山跡地の再生、造園、園芸などに利用され、土壌にリサイクルされています。これらの選択肢にはそれぞれ、経済的および環境的な利点、問題点、リスクが伴います。

埋立処分

管理や資材処理の観点から見ると、埋め立て処分はおそらく最もシンプルな解決策でしょう。経済的な観点から見ても、現状では埋め立て処分は他の選択肢と比べて有利です。しかし、埋め立て地のスペースが限られ、廃棄物処理費用（廃棄物投棄費用）が増加するにつれて、この状況は間違いなく変化するでしょう。環境的な観点から見ると、埋め立て処分は汚泥を一箇所に集中させることで、汚泥に含まれる汚染物質や病原体の放出を防ぎます。埋め立て地が適切に建設・維持管理されていれば、環境リスクは最小限に抑えられます。

しかしながら、下水汚泥の埋め立て処分にはリスクが伴います。有機性廃棄物は埋め立て地内で嫌気性分解を起こし、メタンガスを発生させ、それが大気中に放出される可能性があります。メタンは地球温暖化の原因とされる温室効果ガスです。埋め立て地から放出される他のガスも不快な臭いの原因となります。下水汚泥が埋め立て地にもたらす大量の栄養分は、地域環境にリスクをもたらします。埋め立て地の遮水シートや浸出水収集システムに不具合が生じた場合、これらの栄養分が地域の地下水や地表水を汚染する可能性があります。また、下水汚泥を埋め立てると、貴重な埋め立て地のスペースが占有されるだけでなく、汚泥に含まれる有機物や植物栄養分がもたらす潜在的な恩恵も失われてしまいます。

写真  4 埋立処分

焼却処分

下水汚泥の焼却は、処分する汚泥の量を減らし、病原菌を完全に死滅させ、ほとんどの有機化学物質を分解し、汚泥に含まれるわずかな熱量を回収します。残渣である灰は、安定した比較的不活性な無機物で、元の汚泥の体積のわずか10～20%です。下水汚泥中のほとんどの微量金属は灰に濃縮されます（濃度は5～10倍に増加）。この物質は一般的に埋め立て処分されますが、建設資材として利用される可能性もあります。

焼却処理では、二酸化炭素（別の温室効果ガス）や、場合によってはその他の揮発性汚染物質（カドミウム、水銀、鉛、ダイオキシンなど）が大気中に放出されます。焼却炉の運転には、排ガスから微粒子状物質（飛灰）や揮発性汚染物質を除去するための高度なシステムが必要です。そのため、焼却は下水汚泥処理方法としては費用のかかる選択肢の一つとなっています。埋め立て処理と同様に、下水汚泥に含まれる有機物や植物栄養素といった潜在的な利点は失われてしまいます。

写真5 焼却処分