下水汚泥処理

下水汚泥処理とは、下水処理中に生成される下水汚泥を管理および処分するために使用されるプロセスを指します。汚泥処理は、汚泥の重量と容積を減らして輸送および処分コストを削減し、処分オプションの潜在的な健康リスクを軽減することに重点を置いています。水分除去は重量と容積を減らす主な手段ですが、病原体の破壊は、高温消化、堆肥化、または焼却中に加熱することで達成されることがよくあります。汚泥処理方法の選択は、発生する汚泥の量と、利用可能な処分オプションに必要な処理コストの比較によって決まります。空気乾燥と堆肥化は農村地域では魅力的かもしれませんが、都市では土地の利用可能性が限られているため好気性消化と機械的脱水が好まれる可能性があり、規模の経済性により大都市圏ではエネルギー回収の代替手段が促進される可能性があります。

汚泥は、主に水で、液体下水から除去された固形物がいくらか含まれています。一次汚泥には、一次沈殿池での一次処理中に除去された沈殿性固形物が含まれます。二次汚泥は、二次処理バイオリアクターまたは無機酸化剤を使用するプロセスで使用される二次沈殿池で分離された汚泥です。集約的な下水処理プロセスでは、液体ラインのタンクの容量が汚泥を保管するのに十分な容量ではないため、生成された汚泥を液体ラインから継続的に除去する必要があります。 ^[1]これは、処理プロセスをコンパクトかつバランスの取れた状態に保つために行われます（汚泥の生成と除去がほぼ等しい）。液体ラインから除去された汚泥は、汚泥処理ラインに送られます。好気性プロセス（活性汚泥プロセスなど）では、嫌気性プロセスと比較して、より多くの汚泥が生成される傾向があります。一方、池や人工湿地などの大規模な（自然）処理プロセスでは、生成された汚泥は処理ユニット（液体ライン）に蓄積されたままになり、数年間の運用後にのみ除去されます。^[2]

汚泥処理の選択肢は、発生する固形物の量やその他の現場特有の条件によって異なります。堆肥化は、中規模事業では好気性消化、大規模事業では嫌気性消化を行う小規模施設で最もよく適用されます。汚泥は、いわゆる前濃縮機に通され、脱水されます。前濃縮機の種類には、遠心式汚泥濃縮機、^[3]回転ドラム式汚泥濃縮機、ベルトフィルタープレスなどがあります。^[4]脱水された汚泥は、焼却またはオフサイトに輸送され、埋め立て地に処分されるか、農業用土壌改良剤として使用されます。^[5]

嫌気性消化中のメタンガス生成や乾燥汚泥の焼却によって汚泥からエネルギーを回収することはできるが、エネルギー収量は汚泥水分を蒸発させたり、脱水に必要な送風機、ポンプ、遠心分離機に動力を与えたりするには不十分なことが多い。粗大な一次固形物と二次下水汚泥には、沈殿槽汚泥中の固体粒子に吸着して下水液から除去された有毒化学物質が含まれている可能性がある。汚泥の容積を減らすと、汚泥中のこれらの有毒化学物質の濃度が上昇する可能性がある。 ^[6]

「バイオソリッド」は、下水処理技術の出版物や広報活動で、適切な処理過程を経た^下水汚泥の再利用に重点を置きたい地方水道局によってよく使われる用語です。実際、バイオソリッドは、嫌気性消化や堆肥化などの安定化処理後に再利用できる有機廃水固形物として定義されています。^[8] 「バイオソリッド」という用語は、 1998年に米国の水環境連盟によって導入されました。^{[8]しかし、この用語は、処理された汚泥が土地に施用されると環境に有害となる可能性のある物質、たとえば}環境残留性医薬品汚染物質や重金属化合物などが含まれている可能性があるという事実を隠すための婉曲表現であると主張する人もいます。^[7]

廃水処理プロセスで蓄積された汚泥は、安全かつ効果的な方法で処理および処分する必要があります。多くの大規模プラントでは、生汚泥は消化プロセスによって容積が減らされます。

濃縮は、多くの場合、汚泥処理プロセスの第一段階です。一次沈殿池または二次沈殿池からの汚泥は、（多くの場合、清澄剤を追加した後に）撹拌され、より大きく、より速く沈降する凝集体を形成します。^[9]一次沈殿池の汚泥は、固形分が約8または10パーセントになるまで濃縮され、二次沈殿池の汚泥は、固形分が約4パーセントになるまで濃縮されます。濃縮池は、多くの場合、撹拌機構を追加した沈殿池に似ています。^[10]固形分が10パーセント未満の濃縮汚泥は、追加の汚泥処理を受ける場合がありますが、液体濃縮池のオーバーフローは下水処理プロセスに戻されます。

汚泥の水分含有量は、遠心分離、濾過、蒸発によって減らすことができ、処分の輸送コストを削減したり、堆肥化への適合性を高めたりすることができます。遠心分離は、その後の濾過または蒸発のために汚泥の容積を減らすための予備的なステップである場合があります。濾過は、砂乾燥床の暗渠を通して、またはベルトフィルタープレスの別の機械的プロセスとして行うことができます。濾液と遠心分離液は通常、下水処理プロセスに戻されます。脱水後の汚泥は、50〜75％の水分を含む固体として扱われる場合があります。水分含有量が多い脱水汚泥は通常、液体として扱われます。^[11]

多くの汚泥は、固形物に含まれる有機物の量と病原性微生物の数を減らすことを目的とした様々な消化技術を使用して処理されます。最も一般的な処理オプションには、嫌気性消化、好気性消化、堆肥化などがあります。汚泥消化は、汚泥の量を約50％削減し、貴重なエネルギー源としてバイオガスを提供することで、コスト面で大きな利点をもたらします。^[12]

消化の目的は、固形物に含まれる有機物の量と病原微生物の数を減らすことです。このプロセスは、多くの場合、メタンガスを生成するように最適化されており、メタンガスは燃料として使用され、工場の動力源として、または販売用にエネルギーとして使用されます。

嫌気性消化は、酸素がない状態で行われる細菌によるプロセスです。このプロセスは、タンク内で 55 °C の温度で汚泥を発酵させる高温消化、または約 36 °C の温度で中温消化のいずれかです。高温消化では滞留時間が短くなるためタンクが小さくなりますが、汚泥を加熱するためのエネルギー消費量が多くなります。

中温嫌気性消化（MAD）も、下水処理場で発生する汚泥を処理する一般的な方法です。汚泥は大きなタンクに投入され、少なくとも12日間保持され、消化プロセスで汚泥を消化するために必要な4つの段階（加水分解、酸生成、酢酸生成、メタン生成）が実行されます。このプロセスでは、複雑なタンパク質と糖が分解され、水、二酸化炭素、メタンなどのより単純な化合物が形成されます。^[13]

嫌気性消化では、タンクの加熱と、他のオンサイト プロセス用のエンジンまたはマイクロタービンの稼働に使用できる、メタンを多く含むバイオガスが生成されます。メタン生成は嫌気性プロセスの主な利点です。主な欠点は、プロセスに長い時間 (最大 30 日) がかかることと、資本コストが高いことです。多くの大規模施設では、発電機からの冷却水を使用して消化プラントの温度を必要な 35 ± 3 °C に維持し、バイオガスを熱電併給に利用しています。この方法で十分なエネルギーを生成して、機械が必要とする 以上の電力を生産できます。

汚泥処理施設（T-PARK）は、汚泥焼却の過程で発生する熱を利用して、施設自体の運営や香港の公共電力網への電力供給も可能となっている。 ^{[14] [15]}

好気性消化は、活性汚泥法の延長に似た、酸素の存在下で起こる細菌によるプロセスです。好気性条件下では、細菌は急速に有機物を消費し、それを二酸化炭素に変換します。有機物が不足すると、細菌は死に、他の細菌の餌として利用されます。このプロセスの段階は、内因性呼吸として知られています。この段階で固形物の減少が起こります。好気性消化は嫌気性消化よりもはるかに速く起こるため、好気性消化の資本コストは低くなります。ただし、好気性消化では、プロセスに酸素を追加するために必要なブロワー、ポンプ、モーターによって使用されるエネルギーのために、運用コストがはるかに高くなるのが一般的です。ただし、最近の技術の進歩には、電動機械の代わりに自然な空気の流れを曝気に使用する非電動曝気フィルターシステムなどがあります。

好気性消化は、拡散システムまたはジェットエアレーターを使用して汚泥を酸化することによっても達成できます。微細気泡拡散器は、通常、より費用効率の高い拡散方法ですが、小さな空気孔に沈殿物が沈殿するため、目詰まりが問題になることがよくあります。粗気泡拡散器は、活性汚泥タンクまたは凝集段階でより一般的に使用されます。拡散器の種類を選択する際の重要な要素は、必要な酸素移動率を確実に生成することです。

汚泥の濃縮または脱水に使用される汚泥処理技術には、濃縮または脱水された汚泥と、汚泥処理液、汚泥脱水ストリーム、液体、遠心分離機から得られる濃縮物、ベルト フィルター プレスから得られる濾液などと呼ばれる液体画分の 2 つの生成物があります。この液体は窒素とリンを多く含むため、特に汚泥が嫌気性消化されている場合は、さらに処理が必要です。処理は下水処理場自体で (液体を処理プロセスの開始時にリサイクルすることにより)、または別のプロセスとして行うことができます。

汚泥脱水流を処理する方法の 1 つは、リン回収にも使用されるプロセスを使用することです。汚泥脱水流をリン回収のために処理することによる下水処理場の運営者にとってのもう 1 つの利点は、パイプ、ポンプ、バルブに障害となるストルバイト スケールが形成されるのを減らせることです。このような障害は、下水汚泥のリン含有量が高い生物学的栄養除去プラントでは特に、メンテナンスの頭痛の種となります。たとえば、カナダの会社 Ostara Nutrient Recovery Technologies は、流動床反応器でリンを制御された化学的沈殿に基づいて、汚泥脱水流から結晶ペレットの形でストルバイトを回収するプロセスを販売しています。結果として得られる結晶製品は、登録商標「Crystal Green」で、農業、芝生、観賞植物の分野で肥料として販売されています。^[16]

堆肥化は、下水汚泥とおがくず、わら、木片などの農業副産物の炭素源を混合する好気性プロセスです。酸素の存在下では、下水汚泥と植物性物質の両方を消化するバクテリアが熱を発生し、病原性微生物や寄生虫を殺します。^{[17] : 20} 10〜15％の酸素を含む好気性条件を維持するには、空気が細かい汚泥固形物に循環できるようにする増量剤が必要です。トウモロコシの芯、木の実の殻、細断された木の剪定廃棄物、製材所や製紙工場の樹皮などの硬い物質は、柔らかい葉や芝刈りくずよりも、汚泥を分離して通気性を確保するのに役立ちます。^[6]細断されたタイヤなどの軽くて生物学的に不活性な増量剤は、小さくて柔らかい植物性物質が主な炭素源である場合に構造を提供するために使用されます。^[18]

病原菌を殺す温度を均一に分散させるには、通気された堆肥化パイルの上に、以前に堆肥化した汚泥の断熱ブランケットを敷くとよい。堆肥化混合物の初期の水分含有量は約 50 パーセントであるべきであるが、湿った汚泥や降雨によって堆肥の水分含有量が 60 パーセントを超えると、温度が病原菌の減少に不十分になる可能性がある。堆肥化混合物は、空気ダクトを内蔵したコンクリートパッドの上に積み上げ、混合されていない増量剤の層で覆うことができる。空気送風機を使用して、下にあるダクトを介して堆肥化パイルに真空を吸引し、水分含有量が 70 パーセントに達したら、以前に堆肥化した汚泥の濾過パイルから排気することで、臭気を最小限に抑えることができる。暗渠ダクトに溜まった液体は下水処理場に戻し、堆肥化パッドに屋根をかけて水分含有量をより適切に管理することができる。^[6]

病原菌を減らすのに十分な堆肥化期間が経過した後、堆肥化された堆肥はふるいにかけて未消化の増量剤を回収し、再利用することができます。また、ふるいを通過した堆肥化された固形物は、泥炭と同様の効果を持つ土壌改良材として使用することができます。堆肥化混合物の最適な初期の炭素と窒素の比率は 26 ～ 30:1 ですが、農業副産物の堆肥化比率は、意図された堆肥化用途で許容できるレベルまで汚泥中の有毒化学物質の濃度を希釈するために必要な量によって決定されます。^[6]ほとんどの農業副産物の毒性は低いですが、郊外の草刈りには、一部の農業用途に有害なレベルの除草剤が残留している可能性があります。また、堆肥化されたばかりの木材副産物には、土壌菌によって解毒されるまで苗の発芽を阻害する植物毒素が含まれている可能性があります。 ^[19]

焼却も、はるかに少ない程度ではあるが、利用されている。^{[20] : 19–21} 汚泥の焼却は、大気への排出への懸念と、低発熱量の汚泥を燃やして残留水を蒸発させるのに必要な補助燃料（通常は天然ガスまたは燃料油）のために、あまり一般的ではない。乾燥固形物ベースで、汚泥の燃料価値は、未消化の下水汚泥1ポンドあたり約9,500英国熱量単位（5,300 cal/g）から、消化された一次汚泥1ポンドあたり2,500英国熱量単位（1,400 cal/g）までさまざまである。^[21]滞留時間が長い階段式多段炉焼却炉と流動床焼却炉は、下水汚泥を燃焼させるのに使用される最も一般的なシステムである。自治体の廃棄物発電プラントでの混焼が時々行われるが、このオプションは、固形廃棄物用の施設が既に存在し、補助燃料が必要ないと仮定すると、より安価である。^{[17] : 20–21}焼却は、処分を必要とする残りの固形灰中の重金属濃度を最大化する傾向があるが、湿式スクラバー排水を下水処理プロセスに戻すという選択肢は、下水処理場排水中の溶解塩の濃度を高めることによって大気への排出を減らす可能性がある。^[22]

単純な汚泥乾燥床は、下水汚泥を乾燥するための安価で簡単な方法であるため、多くの国、特に発展途上国で使用されています。排水を捕らえる必要があり、乾燥床はカバーされる場合もありますが、通常はカバーされません。乾燥プロセスの初期段階で汚泥を反転させる機械装置も市場で入手できます。

乾燥床は通常、砂利と砂からなる4層で構成されています。最初の層は厚さ15〜20センチメートルの粗い砂利です。次に厚さ10センチメートルの細かい砂利が続きます。3番目の層は厚さ10〜15センチメートルの砂で、ヘドロと砂利の間のフィルターとして機能します。ヘドロは乾燥し、水は最初の層に浸透し、すべての層の下にある排水パイプで集められます。^[23]

• 下水汚泥または汚泥脱水流からのリン回収は、リンが限られた資源（「ピークリン」とも呼ばれる概念）であり、増加する世界人口を養うための肥料として必要であることから、特にスウェーデン、ドイツ、カナダで注目が高まっている。 ^{[24] [25]}廃水または汚泥からのリン回収方法は、使用される物質の起源（廃水、汚泥液、消化または非消化汚泥、灰）または回収プロセスの種類（沈殿、湿式化学抽出および沈殿、熱処理）によって分類できる。^[26]下水汚泥からのリン回収方法の研究は、2003年頃からスウェーデンとドイツで行われているが、現在開発中の技術は、世界市場でのリンの現在の価格を考えると、まだ費用対効果が高くない。^{[26] [27]}
• オムニプロセッサーは2015年に開発が進められていた下水汚泥処理プロセスで、投入材料の乾燥度が適切であれば余剰の電気エネルギーを生成することができます。^[28]
• 熱分解では、250℃に加熱され40MPaに圧縮された汚泥から軽質炭化水素が生成される。^[29]
• 熱加水分解は、高圧で汚泥を沸騰させた後、急速な減圧を行う2段階のプロセスです。この複合作用により、汚泥は殺菌され、生分解性が向上し、消化性能が向上します。殺菌により汚泥中の病原菌が破壊され、土地への適用（農業）に関する厳しい要件を超えることになります。^[30]熱加水分解システムは、ヨーロッパ、中国、北米の下水処理場で稼働しており、高品質の汚泥だけでなく電力も生成できます。^[31]
• ファイトレメディエーションなどのグリーンアプローチの使用は、微量元素や残留有機汚染物質で汚染された下水汚泥を改善するための貴重なツールとして最近提案されています。^[32]

液状汚泥が発生した場合、最終処分に適したものにするために、さらに処理が必要になることがあります。汚泥は通常、濃縮および/または脱水されて、処分のために敷地外に輸送される量を減らします。水分含有量を減らす処理には、乾燥床でラグーン処理して土地に散布または焼却できるケーキを作ること、プレス処理（多くの場合、布製のスクリーンを通して汚泥を機械的に濾過して固いケーキを作る）、遠心分離処理（遠心力で固体と液体を分離して汚泥を濃縮する）などがあります。汚泥は、液体を土地に注入するか、埋め立て地に廃棄することができます。

処理済み下水汚泥の処分の必要性を完全に排除するプロセスは存在しません。

商業地域や工業地域から発生する汚泥の多くは、工業や商業のプロセスや家庭から下水道に排出される有毒物質で汚染されています。^[33]このような物質の濃度が上昇すると、汚泥は農業での使用に適さなくなる可能性があり、その場合は焼却または埋め立て処分しなければならない場合があります。

少なくとも一部の下水汚泥は明らかに不適切であるにもかかわらず、農地への施用は依然として一般的に使用されている選択肢である^[34]

カナダのアルバータ州エドモントンにあるエドモントン堆肥化施設は、北米最大の下水汚泥堆肥化施設です。^[35]

下水汚泥は過熱することで、窒素やその他の有機物質を多く含むペレット状の顆粒に加工できる。例えばニューヨーク市では、いくつかの下水処理場に大型遠心分離機とポリマーなどの化学物質を使用して汚泥からさらに液体を除去する脱水設備がある。残った生成物は「ケーキ」と呼ばれ、肥料ペレットに加工する企業に引き取られる。この生成物はバイオソリッドとも呼ばれ、地元の農家や芝生農場に土壌改良剤や肥料として販売され、埋め立て地での汚泥処分に必要なスペースを削減している。^[36]

南カリフォルニアの内陸部の非常に大きな都市圏では、下水汚泥を標高の低い地域の下水道に戻し、太平洋沿岸のいくつかの非常に大きな処理施設で再処理しています。これにより、必要な遮断下水道のサイズが縮小され、単一の汚泥処理施設の経済性を維持しながら、処理済み廃水を地元でリサイクルすることができ、下水汚泥がエネルギー危機の解決にどのように役立つかを示す例となっています。^[37]

• 糞便汚泥管理

• ウィキメディア・コモンズの下水汚泥処理に関するメディア