二次治療

二次処理（主に生物学的廃水処理）は、下水または類似の廃水から（溶液または懸濁液の）生分解性 有機物を除去することである。^{[1] ：11}その目的は、意図された処分または再利用オプションに適した下水処理場での一定レベルの排水品質を達成することである。二次処理の前には多くの場合「一次処理」ステップがあり、そこでは物理的相分離を使用して沈殿性固形物を除去する。二次処理中は、生物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および懸濁有機物を除去する。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る。細菌と原生動物は、生分解性の可溶性有機汚染物質（例：人糞、食品廃棄物、石鹸、洗剤からの糖、脂肪、有機短鎖炭素分子）を消費し、繁殖して生物学的固形物の細胞を形成する。二次処理は下水処理で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。

二次処理システムは、固定膜式または懸濁培養システム、および好気性および嫌気性に分類されます。固定膜または付着培養システムには、散水ろ床、人工湿地、バイオタワー、回転式生物接触装置などがあり、バイオマスが培地上で増殖し、下水がその表面を通過する。^{[2] : 11–13}固定膜原理はさらに、移動床バイオフィルムリアクター（MBBR）^[3]へと発展し、統合固定膜活性汚泥法（IFAS）プロセス。^[4]浮遊増殖システムには活性汚泥が含まれます。これは好気性処理システムであり、廃水中の有機物を吸収および吸着できる微生物（細菌および原生動物）で構成された複合バイオマスの維持と再循環に基づいています。人工湿地も使用されています。嫌気性二次処理システムの例としては、上向流嫌気性汚泥ブランケットリアクターがあります。

固定膜システムは、生物物質の量の急激な変化に対応する能力が高く、懸濁成長システムよりも有機物質と浮遊物質の除去率を高めることができます。^{[2] : 11–13}好気性二次処理システムのほとんどには、二次処理バイオリアクターで増殖した生物学的フロックまたはフィルター物質を沈殿させて分離するための 二次浄化槽が含まれています。

一次処理沈殿により、未処理下水から固形物の約半分とBODの3分の1が除去されます。^[7]二次処理は、「生分解性有機物（溶液または懸濁液）および浮遊固形物の除去」と定義されます。消毒も、通常、従来の二次処理の定義に含まれます。^{[1] : 11} 生物学的栄養素除去は、一部の衛生技術者によって二次処理と見なされ、他の技術者によって三次処理と見なされます。^{[1] : 11}

このような処理を経た廃水は二次処理廃水と呼ばれることがあります。^[要出典]

高度な下水処理には通常、一次処理、二次処理、三次処理と呼ばれる 3 つの主な段階が含まれますが、中間段階や最終的な仕上げプロセスも含まれる場合があります。三次処理 (高度処理とも呼ばれる) の目的は、最終処理段階を設けて、排水が受水域に排出される前または再利用される前に、排水の品質をさらに改善することです。どの処理施設でも、複数の三次処理プロセスが使用される場合があります。消毒が行われる場合、それは常に最終プロセスです。これは排水仕上げとも呼ばれます。三次処理には、生物学的栄養素除去 (または、これは二次処理として分類されることもあります)、消毒、および環境残留性医薬品汚染物質などの微量汚染物質の除去が含まれます。

二次処理システムは、固定膜システムまたは懸濁成長システムに分類されます。多数の二次処理プロセスが存在し、廃水処理技術のリストを参照してください。主なものを以下に説明します。

古いプラントや負荷が変動するプラントでは、散水ろ床が使用され、沈殿した下水液がコークス（炭化石炭）、石灰石チップ、または特別に製造されたプラスチック媒体でできた床の表面に散布されます。このような媒体は、形成されるバイオフィルムを支えるために表面積が大きくなければなりません。液体は通常、穴の開いたスプレーアームで散布されます。散布された液体は床を滴り落ち、底部の排水溝に集められます。これらの排水溝は、空気源にもなり、床を通って浸透して好気性を保ちます。細菌、原生動物、真菌のバイオフィルムが媒体の表面に形成され、有機物を食べたり、減らしたりします。^{[8] : 12}フィルターは浮遊している有機物のごく一部を除去しますが、有機物の大部分は、フィルター内で起こる生物学的酸化と硝化によって微生物の繁殖と細胞の成長を促進します。この好気性酸化と硝化により、有機固形物は昆虫の幼虫、カタツムリ、ミミズに食べられるバイオフィルムに変換され、最適な厚さを維持するのに役立ちます。ベッドに過負荷をかけるとバイオフィルムの厚さが増加し、嫌気性状態になり、フィルターメディアのバイオ目詰まりや表面の水たまりが発生する可能性があります。^[9]

回転式生物学的接触装置 （RBC）は、一次処理後の廃水の二次処理で使用される生物学的固定膜処理プロセスです。^{[10] [11] [12] [13] [14]一次処理プロセスでは、スクリーニングプロセスによって}砂、砂、粗い浮遊物質が除去され、その後浮遊固形物が沈殿します。RBCプロセスでは、廃水を生物学的フィルムと接触させて、処理済み廃水を環境、通常は水域（川、湖、または海）に排出する前に、廃水内の汚染物質を取り除きます。回転式生物学的接触装置は、二次（生物学的）処理プロセスの一種です。これは、廃水の表面の真上に支持された回転シャフトに取り付けられた、間隔が狭い一連の平行ディスクで構成されています。微生物はディスクの表面で増殖し、そこで廃水の汚染物質の生物学的分解が行われます。

人工湿地は 、下水、中水、雨水流出、または産業廃水を処理するための人工湿地です。^{[15] [16]また、}採掘後の干拓地用、または土地開発で失われた自然地域の緩和策として設計されることもあります。人工湿地は、植生、土壌、生物の自然機能を利用して廃水を二次処理する人工システムです。処理する廃水の種類に応じて、人工湿地の設計を調整する必要があります。人工湿地は、集中型と分散型の両方の廃水処理システムで使用されています。浮遊物質または可溶性有機物（生化学的酸素要求量および化学的酸素要求量として測定）が大量にある場合は、一次処理が推奨されます。^[17]

活性汚泥法は、一般的な浮遊成長法による二次処理法である。活性汚泥処理施設には、溶存酸素を使用して有機物を大幅に除去する生物学的フロックの成長を促進するさまざまなメカニズムとプロセスが含まれている。 ^{[8] : 12–13}生物学的フロックは、流入する一次沈殿池の排水からの栄養素で生きている生物相の生態系である。これらの大部分が炭素質の溶解固形物は、曝気されて分解され、生物学的に二酸化炭素に酸化されるか、繁殖する微生物の追加の生物学的フロックに変換される。窒素溶存固形物（アミノ酸、アンモニアなど）も同様に生物学的フロックに変換されるか、フロックによって亜硝酸塩、硝酸塩に酸化され、一部のプロセスでは脱窒によって窒素ガスに酸化される。一部の処理プロセスでは脱窒が促進されるが、脱窒はフロックの沈殿を阻害することが多く、多くの浮遊曝気処理施設で排水の品質低下を引き起こす。活性汚泥混合室からのオーバーフローは浄化槽に送られ、そこで浮遊している生物学的フロックが沈殿し、処理水は三次処理または消毒工程に移されます。沈殿したフロックは混合槽に戻され、一次処理水中で成長を続けます。ほとんどの生態系と同様に、活性汚泥生物相の個体数の変化は処理効率を低下させる可能性があります。ノカルジアは、浮遊する茶色の泡で、下水菌と間違われることもありますが、フロックを過剰に増殖させて処理を混乱させる可能性のある多くの異なる菌類や原生生物の中で最もよく知られています。農薬、産業用金属メッキ廃棄物、または極端な pH などの有毒廃棄物の濃度の上昇は、活性汚泥リアクター生態系の生物相を死滅させる可能性があります。^[18]

二次処理と沈殿処理を組み合わせたシステムの一つに、循環活性汚泥法（CASSBR）または連続バッチ反応器（SBR）がある。通常、 活性汚泥は流入する未処理の下水と混合され、その後混合され、曝気される。沈殿した汚泥は流されて再曝気され、一部が頭首工に戻される。^[19]

CASSBR プロセスの欠点は、タイミング、混合、通気の正確な制御が必要であることです。この精度は、通常、センサーにリンクされたコンピューター制御によって実現されます。このような複雑で脆弱なシステムは、制御が信頼できない、保守が不十分である、または電力供給が断続的である可能性がある場所には適していません。^{[引用が必要]}

拡張曝気パッケージプラントは、曝気と沈殿に別々の槽を使用し、タイミング感度が低いSBRプラントよりもやや大きい。^[23]

膜分離活性汚泥システム (MBR) は、膜による液体と固体の相分離プロセスを使用する活性汚泥システムです。膜コンポーネントは低圧精密濾過膜または限外濾過膜を使用し、二次浄化装置または濾過装置の必要性を排除します。膜は通常、曝気タンクに浸されていますが、一部のアプリケーションでは別の膜タンクを使用します。MBR システムの主な利点の 1 つは、従来の活性汚泥(CAS) プロセスでの汚泥の沈降不良に関連する制限を効果的に克服することです。この技術により、汚泥の沈降によって制限される CAS システムよりもかなり高い混合液浮遊物質 (MLSS) 濃度でバイオリアクターを操作できます。プロセスは通常、8,000～12,000 mg/L の範囲の MLSS で操作されますが、CAS は 2,000～3,000 mg/L の範囲で操作されます。 MBR プロセスでバイオマス濃度を高めると、より高い負荷率で可溶性物質と粒子状生分解性物質の両方を非常に効果的に除去できます。そのため、通常 15 日を超えるスラッジ保持時間が長くなり、極寒の天候でも完全な硝化が保証されます。

MBR の構築と運用にかかるコストは、従来の下水処理方法よりも高くなることが多い。膜フィルターはグリースで目詰まりしたり、浮遊砂で磨耗したりすることがあり、ピークフローを通過させる浄化槽の柔軟性に欠ける。この技術は、確実に前処理された廃水ストリームでますます人気が高まっており、浸透と流入が制御されている場所では広く受け入れられており、ライフサイクルコストは着実に減少している。MBR システムの設置面積が小さく、高品質の排水が生成されるため、水の再利用用途に特に有用である。^[24]

好気性顆粒汚泥は、PAO（ポリリン酸蓄積生物）やGAO（グリコーゲン蓄積生物）などの成長の遅い生物に有利な特定の処理条件を適用することで形成されます。造粒のもう1つの重要な部分は選択的廃棄であり、これにより、沈降の遅いフロック状の汚泥は廃棄汚泥として排出され、沈降の速いバイオマスは保持されます。このプロセスはネレダプロセスとして商業化されています。^[25]

曝気式ラグーンは、モーター駆動の曝気装置を水面に浮かべて、大気中の酸素をラグーンに運び、ラグーンの内容を混合する低技術の浮遊式二次処理法である。浮遊式表面曝気装置は、通常、1.8～2.7 kg O ₂ / kW·hに相当する空気を供給する。曝気式ラグーンは、従来の活性汚泥システムよりも混合効果が低く、同じ性能レベルを達成できない。槽の深さは1.5～5.0メートルの範囲である。表面曝気槽は、1～10日間の滞留時間でBODの80～90％除去を達成する。^[26]米国の多くの小規模な市営下水システム（100万ガロン/日以下）では、曝気式ラグーンが使用されている。^[27]

• 生物学的曝気（または無酸素）フィルター（BAF）またはバイオフィルターは、ろ過と生物学的炭素還元、硝化または脱窒を組み合わせたものです。BAFには通常、フィルターメディアが充填されたリアクターが含まれます。メディアは浮遊状態にあるか、フィルターの底部の砂利層で支えられています。このメディアの2つの目的は、それに付着した高活性バイオマスをサポートし、浮遊固形物をろ過することです。炭素還元とアンモニア変換は好気モードで行われ、時には単一のリアクターで達成されますが、硝酸塩変換は無酸素モードで行われます。BAFは、メーカーが指定した設計に応じて、アップフロー構成またはダウンフロー構成で動作します。^[28]
• 統合固定膜活性汚泥
• 移動床バイオフィルムリアクター（MBBR）は、通常、懸濁培養システムよりも設置面積が小さくて済みます。^{[29] [30]}

米国環境保護庁（ EPA ）は、20世紀後半に米国の典型的な都市下水を処理するバイオリアクターで観察された性能に基づいて二次処理を定義しました。^[31]二次処理された下水は、月平均でBOD 30 mg/L未満、浮遊物質30 mg/L未満の排水を生成することが期待されています。週平均は最大50％高くなる可能性があります。一次処理と二次処理の両方を提供する下水処理場は、家庭下水からBODと浮遊物質の少なくとも85％を除去することが期待されています。EPA規制では、安定化池は二次処理と同等の処理を提供し、流入する下水からBODと浮遊物質の65％を除去し、現代のバイオリアクターよりも約50％高い濃度の排水を排出すると説明されています。規制ではまた、合流式下水道、希薄な産業廃水、または浸透/流入から指定された除去率を満たすことが困難であることを認識しています。^[32]

プロセスの混乱は、二次処理生態系内の人口の大幅な変化によって引き起こされる、処理施設のパフォーマンスの一時的な低下です。^[33]混乱を引き起こす可能性のある条件には、有毒化学物質や、バイオリアクター生態系に餌を提供する有機廃棄物BODの異常に高いまたは低い濃度が含まれます。

廃水負荷を均一にする対策は、不調の可能性を減らす傾向があります。固定膜または付着成長二次処理バイオリアクターは、バイオフィルムがコロニー化した表面上で水を循環させるプラグフローリアクターモデルに似ていますが、浮遊成長バイオリアクターは、水が処理されている間微生物を浮遊させておく連続撹拌タンクリアクターに似ています。二次処理バイオリアクターの後に、処理された水から生物学的固形物を除去するために物理的な相分離が行われる場合があります。固定膜二次処理システムの不調の持続時間は、処理表面の再コロニー化に必要な時間のために長くなる可能性があります。浮遊成長生態系は、個体群貯留層から回復される場合があります。活性汚泥リサイクルシステムは、是正措置に間に合うように不調状態が検出された場合、統合された貯留層を提供します。希釈によって BOD 濃度を低く保つ場合、ピーク時の雨水流量中に汚泥の流出を防ぐため、汚泥リサイクルを一時的に停止する場合があります。浮遊成長活性汚泥システムは、同じ量の水を処理する固定膜散水ろ過システムよりも小さなスペースで運用できます。しかし、固定膜システムは、生物学的物質の量の急激な変化にうまく対応し、懸濁成長システムよりも有機物質と浮遊物質の除去率を高めることができる。^{[8] : 11–13}

下水システムによる雨水収集を制限し、産業施設にバッチ処理廃棄物を発生直後ではなく一定期間をかけて下水に排出するよう義務付けることで、廃水流量の変動を減らすことができる。適切な有機産業廃棄物の排出は、家庭からの廃棄物の流量が少ない期間でも二次処理生態系を維持できるようにタイミングを合わせることもできる。 ^[34]休日の廃棄物負荷が変動する下水処理システムは、利用が減る期間でも二次処理生態系を維持するための代替食品を提供できる可能性がある。小規模施設では、可溶性糖の溶液を調製できる。その他の施設では、適合する農業廃棄物を見つけたり、利用が少ない期間に 浄化槽ポンプ業者に処分インセンティブを提供したりできる。

二次処理生態系の許容レベルを超える濃度の殺生物剤を含む廃棄物は、 1つ以上の重要な生態系種の大部分を死滅させる可能性があります。その種によって通常達成されるBODの減少は、他の種がその食物源を利用するのに適した個体数に達するまで、または殺生物剤の濃度が減少するにつれて元の個体数が回復するまで、一時的に停止します。 ^[35]

異常に低い BOD 濃度の廃棄物は、通常の廃棄物濃度に必要な二次処理人口を維持できない可能性があります。飢餓イベントを生き延びた人口の減少は、廃棄物負荷が通常に戻ったときに利用可能な BOD を完全に利用できない可能性があります。希釈は、雨水流出などの比較的汚染されていない大量の水が合流式下水道に流入することで発生する可能性があります。小規模な下水処理施設では、冷却水の排出、大規模な配管漏れ、消火活動、または大きなプールの排水によって希釈が発生する可能性があります。

低流量により二次処理バイオリアクター内の廃棄物の滞留時間が長くなると、BOD濃度が低下し、同様の問題が発生する。学生の就労/睡眠サイクルによる廃棄物負荷の変動に慣れた大学コミュニティの二次処理生態系は、学校の休暇を乗り切るのが困難になる可能性がある。産業施設の日常的な生産サイクルに慣れた二次処理システムは、産業プラントの停止を乗り切るのが困難になる可能性がある。流入する廃棄物を食べる種の個体数は、それらの食物源の濃度が低下するにつれて、最初は減少する。生態系の捕食者の個体数が、減少する低栄養段階の生物の個体数をめぐって競争するため、個体数の減少は続く。^[36]

高い BOD 濃度は、当初は二次処理生態系が利用可能な食物を利用する能力を超えます。好気性生物の生態系の個体数は、二次処理バイオリアクターの酸素移動限界に達するまで増加します。二次処理生態系の個体数は、酸素要求量の少ない種に移行する可能性がありますが、それらの種が一部の食物源を利用できないと、排水中の BOD 濃度が上昇する可能性があります。BOD 濃度のより極端な上昇は、二次​​処理生態系の個体数が調整する前に酸素濃度を低下させ、重要な種の個体数の急激な減少を引き起こす可能性があります。酸素濃度が正常に上昇して好気性種の個体数が回復するまで、通常の BOD 除去効率は回復しません。

生物学的酸化プロセスは温度に敏感であり、0℃から40℃の間では生物学的反応の速度は温度とともに増加します。ほとんどの表面曝気容器は4℃から32℃の間で作動します。^[26]

• 廃水処理技術一覧
• 衛生

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• フェア、ゴードン・マスキュー、ガイヤー、ジョン・チャールズ、オクン、ダニエル・アレクサンダー (1968)。水と廃水工学。第 2 巻。ニューヨーク: John Wiley & Sons。
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