下水処理

下水処理
シノニム	廃水処理場（WWTP）、水再生プラント
衛生チェーンにおける位置	処理
アプリケーションレベル	都市、近隣地域[1]
管理レベル	公共
入力	下水、または単に汚水（廃棄物）、中水である場合もある[1]
出力	排水、下水汚泥、場合によってはバイオガス（一部の種類）[1]
種類	廃水処理技術一覧
環境問題	水質汚染、環境衛生、公衆衛生、下水汚泥処理問題

下水処理（または家庭廃水処理、都市廃水処理）は、下水から汚染物質を除去して周囲の環境または意図された再利用用途に排出するのに適した排水を生成することを目的とした廃水処理の一種であり、それによって未処理の下水排出による水質汚染を防止する。[ 2 ]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る。選択できる下水処理プロセスは多数ある。これらは、分散型システム（オンサイト処理システムを含む）から、下水を処理場に運ぶ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にまで及ぶ可能性がある。合流式下水道のある都市では、下水道は都市流出水（雨水）も下水処理場に運ぶ。下処理は、多くの場合、一次処理と二次処理と呼ばれる2つの主要な段階を含むが、高度処理には、研磨プロセスと栄養素の除去を含む三次処理段階も組み込まれている。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使用して、下水中の有機物（生物学的酸素要求量として測定）を減らすことができます。いわゆる四次処理段階（高度処理と呼ばれることもあります）を追加して、医薬品などの有機微量汚染物質を除去することもできます。これは、たとえばスウェーデンで本格的に実施されています。^[3]

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使用しています。設計技術者と意思決定者は、適切な技術を選択する際に、各選択肢の技術的および経済的基準を考慮する必要があります。^{[4] : 215}多くの場合、選択の主な基準は、望ましい排水品質、予想される建設および運用コスト、土地の利用可能性、エネルギー要件、持続可能性の側面です。発展途上国や人口密度の低い農村地域では、下水は下水道で運ばれるのではなく、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よくあります。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）、ミミズフィルターシステムなどが含まれます。一方、高度で比較的高価な下水処理場には、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4処理段階が含まれることもあります。^[3]

世界レベルでは、下水の約52％が処理されていると推定されています。^[5]しかし、下水処理率は世界中の国々で大きく異なります。たとえば、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でわずか4.2％しか処理されていません。^[5]

下水処理は衛生分野の一部です。衛生には、人間の排泄物や固形廃棄物の管理、雨水（排水）管理も含まれます。^[6]下水処理場という用語は、廃水処理場という用語と互換的に使用されることがよくあります。^{[4] [ページが必要] [7]}

下水処理場（STP）（または下水処理場）という用語は、今日では廃水処理場（WWTP）という用語に置き換えられることが多い。^{[7] [8]}厳密に言えば、後者はより広い用語であり、産業廃水処理も指すことができる。

「水リサイクルセンター」や「水再生プラント」という用語も同義語として使用されています。

下水処理の全体的な目的は、水質汚染をできるだけ少なくしながら環境に排出できる排水を生成すること、または有用な方法で再利用できる排水を生成することです。 ^[9]これは、下水から汚染物質を除去することによって達成されます。これは廃棄物管理の一形態です。

下水の生物学的処理に関しては、処理目的には、有機物、栄養素（窒素とリン）、病原体、および特定の微量有機成分（微量汚染物質）を変換または除去することなど、さまざまな程度が含まれます。^{[7] : 548}

下水処理の種類によっては、安全に処分または再利用する前に処理できる下水汚泥が発生します。特定の状況下では、処理された下水汚泥はバイオソリッドと呼ばれ、肥料として使用できます。

下水は、下水が生成される場所の近くで処理することができ、分散型システムまたはオンサイトシステム（オンサイト下水施設、浄化槽など）と呼ばれることもあります。あるいは、下水はパイプとポンプ場のネットワークによって収集され、市の処理場に輸送されます。これは集中型システムと呼ばれます（下水道とパイプとインフラストラクチャも参照）。

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使用しています (廃水処理技術の一覧を参照)。大まかに言えば、ハイテク (高コスト) とローテク (低コスト) の 2 つのオプションに分類できますが、一部の技術はどちらのカテゴリにも当てはまる可能性があります。その他のグループ化分類は、集約的または機械化されたシステム (よりコンパクトで、頻繁にハイテク オプションを採用) と、広域的または自然または自然ベースのシステム (通常は自然処理プロセスを使用し、より広い領域を占有) です。処理プラントでは複数のプロセスが組み合わされている場合があり、ハイテクとローテク、集約的と広域的、機械化と自然プロセスの概念の解釈は場所によって異なるため、この分類は単純化されすぎることがあります。

よりローテクで、多くの場合より安価な下水処理システムの例を以下に示します。これらのシステムでは、エネルギーをほとんどまたはまったく使用しないことがよくあります。これらのシステムの中には、高度な処理を行わないものや、下水の一部のみを処理するもの (たとえば、トイレの排水のみ)、浄化槽のように前処理のみを行うものもあります。一方、いくつかのシステムは、いくつかの用途に十分な優れたパフォーマンスを提供できます。これらのシステムの多くは、自然処理プロセスに基づいており、広い面積を必要としますが、よりコンパクトなものもあります。ほとんどの場合、農村地域または小規模から中規模のコミュニティで使用されます。

例えば、廃棄物安定化池は、実質的にエネルギーを必要としない低コストの処理オプションですが、多くの土地を必要とします。^{[4] : 236}技術的な単純さにより、節約の大部分は（ハイテクシステムと比較して）運用とメンテナンスのコストに関するものです。^{[4] : 220–243}

トイレの排水のみを完全または部分的に処理できるシステムの例:

• コンポストトイレ（一般的な乾式トイレも参照）
• 尿を迂回させる乾式トイレ
• ミミズフィルタートイレ

よりハイテクで、集約的または機械化された、比較的高価な下水処理システムの例を以下に挙げる。これらの中にはエネルギー集約的なシステムもある。これらのシステムの多くは非常に高度な処理レベルを提供している。例えば、大まかに言えば、活性汚泥法は高い排水品質を実現するが、比較的高価でエネルギー集約的である。^{[4] : 239}

他にも、基本的な処理方法として理解できるものの、廃棄方法として分類される可能性のある処理方法があります。これには、汚泥の適用、灌漑、浸透ピット、浸出フィールド、魚のいる池、浮遊植物の池、水の廃棄/地下水の涵養、表面廃棄および貯蔵が含まれます。^{[12] : 138}

下水の土地への適用は、一種の処理であり、一種の最終処分でもある。^{[4] : 189}それは地下水の涵養および/または蒸発散につながる。土地への適用には、緩速システム、急速浸透、地下浸透、地表流が含まれる。それは、湛水、溝、スプリンクラー、滴下によって行われる。それは、一人当たり大量の土地を必要とする処理/処分システムである。

一人当たりの有機物負荷は、下水処理場の設計に使用されるパラメータです。この概念は人口当量（PE）として知られています。PEに使用される基本値は国によって異なります。世界中で一般的に使用されている定義は次のとおりです。1 PEは1人1日あたり60グラムのBODに相当し、1日あたり200リットルの下水に相当します。^[13]この概念は、下水と比較した 産業廃水の強度を表す比較パラメータとしても使用されます。

適切な下水処理プロセスを選択する際、意思決定者は技術的および経済的基準を考慮する必要がある。^{[4] : 215}したがって、各分析はサイト固有である。ライフサイクルアセスメント（LCA）を使用することができ、さまざまな側面に基準または重み付けが割り当てられる。これにより、最終的な決定はある程度主観的になります。^{[4] : 216}技術選択を支援するさまざまな出版物が存在する。^{[4] : 221  [12] [14] [15]}

先進国では、プロセス選択において最も重要なパラメータは通常、効率、信頼性、およびスペース要件です。発展途上国では、それらは異なり、建設および運用コスト、およびプロセスの単純さに重点が置かれる可能性があります。^{[4] ：218}

最も適切な処理プロセスを選択することは複雑であり、多くの場合、実現可能性調査の形で専門家の意見が必要です。これは、下水処理プロセスを評価および選択する際に考慮すべき主な重要な要素が多数あるためです。これには、プロセスの適用性、適用可能な流量、許容可能な流量変動、流入特性、阻害または難治性化合物、気候的側面、プロセス速度論およびリアクター水力学、パフォーマンス、処理残留物、スラッジ処理、環境的制約、化学製品、エネルギーおよびその他のリソースの要件、人員、運用および保守の要件、補助プロセス、信頼性、複雑さ、互換性、エリアの可用性が含まれます。^{[4] : 219}

下水処理場の環境への影響に関しては、臭気、媒介生物の誘引、汚泥の輸送、衛生上のリスク、大気汚染、土壌および下層土の汚染、表層水または地下水汚染、近隣地域の価値の低下、近隣住民への不便などが選定プロセスに含まれています。^{[4] : 220}

下水処理によって発生する悪臭は、通常、嫌気性または腐敗性の状態を示しています。 ^[16]処理の初期段階では悪臭のするガスが発生する傾向があり、苦情の原因となる最も一般的なものは硫化水素です。都市部の大規模な処理プラントでは、炭素反応器、バイオスライムとの接触媒体、少量の塩素、または循環液を使用して悪臭を処理し、有害ガスを生物学的に捕捉して代謝します。^[17]硫化水素レベルを管理するために鉄塩、過酸化水素、硝酸カルシウムなどを添加するなど、他の臭気制御方法もあります。 ^[18]

エネルギー要件は、処理プロセスの種類や下水の強度によって異なります。たとえば、人工湿地や安定化池ではエネルギー要件が低くなります。^[19]比較すると、活性汚泥法は曝気工程を含むため、エネルギー消費量が多くなります。一部の下水処理場では、嫌気性消化と呼ばれるプロセスを使用して、下水汚泥処理プロセスからバイオガスを生成します。このプロセスは、下水処理場自体のエネルギー需要のほとんどを満たすのに十分なエネルギーを生産できます。^{[7] : 1505}

米国の活性汚泥処理施設では、年間運営費の約30％が通常エネルギーに必要とされます。^{[7] : 1703}この電力のほとんどは、曝気、ポンプシステム、下水汚泥の脱水および乾燥のための機器に使用されます。栄養素の除去などのための高度な下水処理施設では、一次処理または二次処理のみを行う施設よりも多くのエネルギーが必要です。^{[7] : 1704}

散水ろ過装置を使用する小規模な地方の浄水場は、転倒桝の流量配分や沈殿槽から乾燥床への汚泥の排出など、プロセス全体が重力流によって行われるため、純エネルギーを必要とせずに稼働する可能性がある。これは通常、臭気の管理が難しいため、丘陵地帯や処理場が住宅地から比較的離れている地域でのみ実用的である。^{[20] [21]}

規制の厳しい先進国では、工業廃水は、通常、下水道に排出される前に、工場自体で少なくとも前処理（完全処理ではない）を受け、汚染物質の負荷を減らします。前処理には、次の 2 つの主な目的があります。第 1 に、有毒または阻害性の化合物が下水処理場の生物学的段階に入り、その効率を低下させるのを防ぐことです。第 2 に、生成された下水汚泥に有毒化合物が蓄積して、その有益な再利用オプションが減少するのを防ぐことです。一部の工業廃水には、下水処理場では除去できない汚染物質が含まれている場合があります。また、生産サイクルに関連する工業廃棄物の変動フローにより、生物学的処理ユニットの個体群動態が混乱する可能性があります。^{[出典が必要]}

世界の多くの地域の都市住民は、浄化槽や汲み取り式トイレなど、下水道のない現場の衛生システムに依存しており、これらの都市での糞便汚泥管理は大きな課題となっている。^[22]

下水処理については、浄化槽やその他のオンサイト下水処理施設（OSSF）の使用が一部の農村地域で広く普及しており、例えば米国の家庭の最大20％にサービスを提供している^[23]。

下水処理には、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を含む三次処理段階も組み込まれています。^[13]さまざまなタイプの下水処理では、以下にリストされているプロセスステップの一部またはすべてが利用される場合があります。

予備処理（前処理と呼ばれることもある）は、一次処理浄化槽のポンプや下水管を損傷したり詰まらせたりする前に、未処理下水から簡単に集められる粗い物質を除去します。

下水に流入する水はバースクリーンを通過し、下水流に混入する缶、ぼろ布、棒、プラスチックの袋などの大きな物体をすべて除去します。^[24]これは、大規模な人口を処理する近代的な処理施設では、自動化された機械的に掻き集められたバースクリーンで最も一般的に行われますが、小規模またはあまり近代的ではない処理施設では、手動で洗浄するスクリーンが使用される場合があります。機械式バースクリーンの掻き集め動作は、通常、バースクリーン上の堆積物や流量に応じて調整されます。固形物は収集され、後に埋め立て地に廃棄されるか、焼却されます。固形物の除去を最適化するために、さまざまなサイズのバースクリーンまたはメッシュスクリーンが使用される場合があります。粗大固形物が除去されない場合、それらは処理施設のパイプや可動部分に巻き込まれ、処理に大きな損傷と非効率を引​​き起こす可能性があります。^{[25] : 9}

グリットは、砂、砂利、岩、その他の重い物質で構成されています。予備処理には、砂またはグリット除去チャネルまたはチャンバーが含まれる場合があり、そこでは流入する下水の速度が減速されてグリットが沈殿します。グリットの除去は、(1) 一次沈殿タンク、曝気タンク、嫌気性消化装置、パイプ、チャネルなどでの堆積物の形成を減らすために必要です。(2) グリットの過剰な蓄積によって引き起こされるタンク洗浄の頻度を減らすために必要です。(3) 可動機械装置を摩耗およびそれに伴う異常な磨耗から保護するために必要です。粉砕機、微細スクリーン、遠心分離機、熱交換器、高圧ダイヤフラムポンプなど、金属表面が精密に機械加工された装置では、グリットの除去が不可欠です。

沈砂池には、水平沈砂池、通気沈砂池、渦流沈砂池の 3 種類があります。渦流沈砂池には、機械的に誘導される渦流、油圧的に誘導される渦流、およびマルチトレイ渦流分離器が含まれます。従来の沈砂池除去システムは、0.210 ミリメートル (0.0083 インチ) を超えるきれいな無機粒子を除去するように設計されているため、通常の状態では、より細かい沈砂池のほとんどは沈砂池除去フローを通過します。高流量の期間中、堆積した沈砂池は再浮遊し、処理施設に到達する沈砂池の量が大幅に増加します。^[7]

均等化池は流量均等化を達成するために使用できます。これは、平均流量よりもはるかに高い乾燥時ピーク流量または雨期ピーク流量を生成する合流式下水道システムに特に役立ちます。[7] : 334このような池は、生物学的処理プロセスと二次浄化槽の性能を向上させることができます。^{[7 ] :  334}

欠点としては、貯水槽の資本コストとスペース要件が挙げられる。また、貯水槽は、生物学的二次処理を妨げる可能性のある有毒または高濃度の廃水を一時的に保持、希釈、分配する場所を提供することもできる（ポータブルトイレからの廃水や、バキュームトラックで下水処理場に運ばれる糞便汚泥など）。流量均等化貯水槽には可変排出制御が必要であり、通常はバイパスと洗浄のための設備が含まれ、エアレーション装置と臭気制御も含まれる場合がある。^[26]

大型のプラントでは、汚水を小さなタンクに通して、表面に浮いた脂肪をスキマーで集めることで脂肪とグリースを除去します。タンクの底にある送風機を使用して、脂肪を泡として回収することもできます。ただし、多くのプラントでは、脂肪とグリースの除去に機械式表面スキマーを備えた一次浄化装置を使用しています。

一次処理とは、「下水から浮遊物質と有機物の一部を除去すること」である。 ^{[7] : 11}これは、下水をゆっくりと流し、重い固形物を底に沈め、油、グリース、軽い固形物を表面に浮かせてすくい取るものである。これらの流しは一次沈殿槽または一次浄化槽と呼ばれ、通常、水力滞留時間 (HRT) は 1.5 ～ 2.5 時間である。^{[7] : 398}沈降物と浮遊物質は除去され、残りの液体は排出されるか、二次処理にかけられる。一次沈殿槽には通常、機械駆動のスクレーパーが装備されており、収集された汚泥をタンクの底にあるホッパーに向かって継続的に押し出し、そこから汚泥処理施設にポンプで送られる。^{[25] : 9–11}

合流式下水道に接続された下水処理場には、一次処理ユニットの後にバイパス設備が設けられている場合があります。これは、非常に激しい降雨が発生したときに、二次処理システムと三次処理システムをバイパスして水圧過負荷から保護し、下水と雨水の混合物は一次処理のみを受けることを意味します。^[27]

一次沈殿槽では、浮遊物質の約50～70％と生物学的酸素要求量（BOD）の25～40％が除去されます。^{[7] : 396}

下水二次処理の主なプロセスは、固形物をできるだけ除去するように設計されています。^[13]生物学的プロセスを使用して、残りの可溶性物質、特に有機分を消化して除去します。これは、浮遊成長プロセスまたはバイオフィルムプロセスのいずれかで行うことができます。下水中の有機物を餌とする微生物は成長して増殖し、生物学的固形物、またはバイオマスを構成します。これらは成長して凝集体またはバイオフィルムの形で集まり、特定のプロセスでは顆粒になります。生物学的凝集体またはバイオフィルムと残りの微細固形物は沈殿して分離できるスラッジを形成します。分離後、固形物がほとんどなく、汚染物質の濃度が大幅に減少した液体が残ります。^[13]

二次処理では、好気性または嫌気性プロセスを使用して、下水中の有機物（生物学的酸素要求量として測定）を減らすことができます。これらのプロセスに関与する生物は有毒物質の存在に敏感ですが、一般的な都市下水中に高濃度で存在するとは考えられません。

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。

三次処理は、河口、低水量河川、サンゴ礁など、非常に敏感または脆弱な生態系への排出を可能にするために、一次処理と二次処理以上のものを指す場合もある。^[28]処理された水は、小川、川、湾、ラグーン、湿地に排出される前に、化学的または物理的に（例えば、ラグーンや精密濾過によって）消毒される場合があり、ゴルフコース、緑道、公園の灌漑に使用されてもよい。十分にきれいであれば、地下水涵養や農業目的 にも使用されてもよい。

砂ろ過は残留懸濁物質の多くを除去します。^{[25] : 22–23}活性炭ろ過（炭素吸着とも呼ばれます）は残留毒素を除去します。 [ ^{25] : 19} 膜分離活性炭では精密ろ過または合成膜が使用され、病原体も除去できます。^{[7] : 854}

処理済み下水の沈殿とさらなる生物学的改善は、人工の大きな池やラグーンに貯蔵することで達成できる場合があります。これらのラグーンは好気性が高く、在来の大型水草、特に葦の繁殖が促進されることが多いです。

処理済み下水の消毒は、廃棄する前に病原体（病気の原因となる微生物）を殺すことを目的としています。前述の処理シーケンスのより多くの要素が完了した後、消毒の有効性が高まります。 ^{[29] ：359}下水処理における消毒の目的は、環境に排出されるか再利用される水中の病原体の数を大幅に減らすことです。病原体などの生物学的汚染物質の削減目標レベルは、多くの場合、管轄政府機関によって規制されています。消毒の効果は、処理される水の品質（濁度、pHなど）、使用される消毒の種類、消毒剤の投与量（濃度と時間）、およびその他の環境変数によって異なります。濁度の高い水は、固形物が生物を、特に紫外線から遮蔽したり接触時間が短い場合に、処理の成功率が低くなります。一般に、接触時間が短い、投与量が少ない、流量が多いなどのすべてが、効果的な消毒の妨げになります。消毒の一般的な方法には、オゾン、塩素、紫外線、次亜塩素酸ナトリウムなどがあります。^{[25] : 16} 飲料水に使用されるモノクロラミンは、その持続性のために下水処理には使用されません。

塩素処理は、コストが低く、長期間にわたって効果が認められているため、多くの国で処理済み下水の消毒方法として依然として最も一般的な方法です。欠点の 1 つは、残留有機物質を塩素処理すると、発がん性や環境に有害な可能性のある塩素化有機化合物が生成される可能性があることです。残留塩素またはクロラミンは、自然の水環境中の有機物質を塩素処理する可能性もあります。さらに、残留塩素は水生生物に有毒であるため、処理済み排水は化学的に脱塩素処理する必要があり、処理の複雑さとコストが増大します。

塩素、ヨウ素、その他の化学物質の代わりに紫外線（UV）を使用することができます。化学物質が使用されないため、他の方法の場合のように、処理された水が後でそれを摂取する生物に悪影響を与えることはありません。紫外線は、細菌、ウイルス、その他の病原体の遺伝子構造に損傷を与え、それらを繁殖できなくします。UV消毒の主な欠点は、ランプのメンテナンスと交換が頻繁に必要であることと、標的の微生物がUV放射から保護されないようにするために、高度に処理された排水が必要であることです（つまり、処理された排水中に存在する固形物が微生物をUV光から保護する可能性があります）。多くの国では、処理済み下水中の残留有機物の塩素処理と受水域の有機物の塩素処理における塩素の影響に関する懸念から、UV光が最も一般的な消毒方法になりつつあります。

UV 処理と同様に、熱殺菌も処理対象の水に化学物質を追加しません。ただし、UV とは異なり、熱は透明でない液体を透過します。熱消毒は廃水中の固形物も透過し、その内容物を殺菌します。熱排水浄化システムは、設置後、少ないリソースと少ないメンテナンスで排水浄化を実現します。

オゾン( O ₃ ) は、酸素( O ₂ ) を高電圧に通すことで生成され、3 番目の酸素原子が結合してO _{3 を}形成します。オゾンは非常に不安定で反応性が高く、接触するほとんどの有機物を酸化して、多くの病原微生物を破壊します。オゾンは、現場で貯蔵する必要がある塩素 (事故による放出の場合に非常に有毒) とは異なり、必要に応じて周囲の空気中の酸素から現場で生成されるため、塩素よりも安全であると考えられています。また、オゾン化では、塩素化よりも消毒副産物が少なくなります。オゾン消毒の欠点は、オゾン発生装置のコストが高く、特別なオペレーターが必要なことです。オゾン下水処理には、オゾン発生器の使用が必要であり、オゾンの泡がタンクに浸透して 水を浄化します。

膜はバリアとして機能し、微生物の通過を防ぐため、効果的な消毒剤にもなります。その結果、使用する膜の種類に応じて、最終排水に病原菌が含まれなくなる可能性があります。この原理は、膜バイオリアクターに応用されています。

下水には、窒素やリンといった栄養素が高濃度に含まれている場合があります。発展途上国における未処理下水中の栄養分負荷量と栄養分濃度の一般的な値は、次のように公表されています。総窒素は 8 g/人/日 (45 mg/L)、アンモニア性窒素は 4.5 g/人/日 (25 mg/L)、総リンは 1.0 g/人/日 (7 mg/L)。^{[4] : 57}これらの値の一般的な範囲は、総窒素は 6～10 g/人/日 (35～60 mg/L)、アンモニア性窒素は 3.5～6 g/人/日 (20～35 mg/L)、総リンは 0.7～2.5 g/人/日 (4～15 mg/L) です。^{[4] : 57}

環境への過剰な放出は栄養汚染につながり、富栄養化として現れることがあります。このプロセスは藻類の大量発生、つまり藻類の急速な増殖とその後の衰退につながる可能性があります。脱酸素化を引き起こすことに加えて、一部の藻類種は飲料水源を汚染する毒素を生成します。

_{アンモニア性窒素は、遊離アンモニア（NH 3} ）の形で魚類に有毒です。アンモニア性窒素は、硝化の過程で水体内で亜硝酸塩、さらに硝酸塩に変換されると、溶存酸素の消費と関連しています。亜硝酸塩と硝酸塩は、飲料水中の濃度が高い場合、メタヘモグロビン血症と呼ばれる疾患を引き起こすため、公衆衛生上重要な意味を持つこともあります。^{[4] : 42}

リンは多くの淡水システムにおいて藻類の成長を制限する栄養素であるため、リンの除去は重要です。したがって、リンが多すぎると富栄養化につながる可能性があります。また、リン濃度が高いと逆浸透などの下流の機器が汚れる可能性があるため、水再利用システムでは特に重要です。

窒素とリンを除去するためのさまざまな処理プロセスが利用可能です。生物学的栄養塩除去（BNR）は、二次処理プロセスの一種と見なされる場合もあれば、^[7]三次（または高度な）処理プロセスと見なされる場合もあります。

窒素は、アンモニアから硝酸塩への窒素の生物学的酸化（硝化）と、それに続く硝酸塩から窒素ガスへの還元（脱窒）によって除去されます。窒素ガスは大気中に放出され、水から除去されます。

硝化自体は 2 段階の好気性プロセスであり、各段階は異なる種類の細菌によって促進されます。アンモニア (NH ₄ ⁺ ) から亜硝酸塩 (NO ₂ ^{− ) への酸化は、ほとんどの場合、} Nitrosomonas spp.などの細菌によって促進されます( nitroso はニトロソ官能基の形成を指します)。亜硝酸塩から硝酸塩 (NO ₃ ⁻ ) への酸化は、従来Nitrobacter spp. (nitro はニトロ官能基の形成を指します) によって促進されると考えられてきましたが、現在では環境中では主にNitrospira sppによって促進されることがわかっています。

脱窒には、適切な生物群集の形成を促す無酸素状態が必要である。無酸素状態とは、酸素は存在しないが硝酸塩が存在する状況を指す。脱窒は、多種多様な細菌によって促進される。活性汚泥法、砂ろ過器、廃棄物安定化池、人工湿地、およびその他のプロセスはすべて、窒素を減らすために使用できる。^{[25] ：17–18}脱窒は硝酸塩を二窒素（分子状窒素）ガスに還元することであるため、電子供与体が必要である。これは、廃水に応じて、有機物（下水自体から）、硫化物、またはメタノールなどの追加の供与体となり得る。無酸素タンク（脱窒タンク）内の汚泥は、所望の脱窒を達成するために、 例えば水中ミキサーを使用してよく混合されなければならない（再循環混合液、返送活性汚泥、および未処理の流入水の混合物） 。

時間の経過とともに、活性汚泥法のさまざまな処理構成が開発され、窒素除去レベルが高まってきました。最初のスキームは、ルツァック・エッティンガー法と呼ばれていました。この方法では、脱窒レベルを高めることができませんでした。^{[7] : 616}改良ルツァック・エッティンガー法 (MLE) は後に登場し、当初のコンセプトを改良したものです。この方法では、曝気槽の排出口から無酸素槽の頭部に混合液を循環させます。これにより、通性細菌に硝酸塩が供給されます。^{[7] : 616}

他にも、バルデンフォプロセスのバリエーションなど、他のプロセス構成があります。^{[30] ：160}それらは、無酸素タンクの配置、例えば曝気タンクの前後の配置が異なる場合があります。

1960年代後半の米国の下水に関する研究では、一人当たりの平均リンの摂取量は尿と便で500グラム（18オンス）、合成洗剤で1,000グラム（35オンス）、水道水の腐食やスケール防止用の化学物質としてより少量（変動あり）と推定された。^[31]その後、代替洗剤配合による発生源管理によって最大の摂取量は減少したが、当然ながら尿と便のリン含有量は変化しなかった。

リンは、生物学的リン除去強化法と呼ばれるプロセスで生物学的に除去することができます。このプロセスでは、ポリリン酸蓄積生物（PAO）と呼ばれる特定の細菌が選択的に濃縮され、細胞内に大量のリン（質量の最大20％）を蓄積します。^{[30] ：148–155}

リンの除去は化学的沈殿によっても達成でき、通常は鉄塩（塩化鉄など）やアルミニウム塩（ミョウバンなど）、または石灰が用いられる。 [ 25 ] : 18この^場合、水酸化物が沈殿し、添加される化学物質が高価になる可能性があるため、スラッジ生成量が増える可能性がある。化学的リン除去は、生物学的除去よりも設備の設置面積が大幅に小さく、操作が容易で、生物学的リン除去よりも信頼性が高いことが多い。リン除去の別の方法は、粒状のラテライトまたはゼオライトを使用することである。^{[32] [33]}

一部のシステムでは、生物学的リン除去と化学的リン除去の両方を使用しています。これらのシステムにおける化学的リン除去は、生物学的リン除去で十分なリンが除去されない場合にバックアップ システムとして使用したり、継続的に使用したりできます。いずれの場合も、生物学的リン除去と化学的リン除去の両方を使用すると、化学的リン除去のみの場合ほど汚泥生成量が増加しないという利点がありますが、2 つの異なるシステムを設置することに伴う初期コストが増加するという欠点があります。

除去されたリンは、リン酸を多く含む下水汚泥の形で埋め立てられるか、他の消化された下水汚泥と混合して肥料として使用される。後者の場合、処理された下水汚泥はバイオソリッドと呼ばれることもある。世界のリン需要の22％は、家庭排水をリサイクルすることで満たすことができる。^{[34] [35]}

医薬品、家庭用化学薬品の成分、中小企業や産業で使用される化学物質、環境残留性医薬品汚染物質（EPPP）、農薬などの微量汚染物質は、一般的に使用されている下水処理プロセス（一次処理、二次処理、三次処理）では除去できない場合があり、そのため水質汚染につながります。^[36]これらの物質とその分解生成物の濃度は非常に低いですが、水生生物に害を及ぼす可能性は依然としてあります。医薬品については、内分泌かく乱作用のある物質、遺伝毒性物質、細菌耐性の発達を促進する物質が毒物学的に関連すると特定されています。^[37]これらは主にEPPPのグループに属します。

下水処理中の第4段階による微量汚染物質の除去技術は、ドイツ、スイス、スウェーデン^[3]、オランダで実施されており、他のいくつかの国でもテストが進行中です。^[38]このような処理ステップは、主に微量汚染物質を吸着する活性炭フィルターで構成されています。高度酸化とオゾンの後に粒状活性炭(GAC) を組み合わせることが、医薬品残留物の費用対効果の高い処理の組み合わせとして提案されています。マイクロプラストを完全に削減するには、限外濾過とGACの組み合わせが提案されています。また、真菌によって分泌されるラッカーゼなどの酵素の使用も調査中です。^{[39] [40]}微生物バイオ燃料電池は、下水中の有機物を処理する特性について調査されています。^[41]

水域における医薬品を減らすために、医薬品開発の革新や、より責任ある医薬品の取り扱いなどの発生源管理対策も検討されている。^{[37] [42]}米国では、国民が余剰または期限切れの医薬品を返却し、下水道に流さないように奨励する、国民参加型の自主プログラム「National Take Back Initiative」が実施されている。^[43]

下水処理場は、特に基本的な処理プロセスのみを使用する場合、受水域の生物状態に重大な影響を及ぼし、水質汚染を引き起こす可能性があります。たとえば、栄養素を除去しない下水処理場の場合、受水域の 富栄養化が問題となる可能性があります。

2024年、英国王立工学アカデミーは、英国における廃水が公衆衛生に与える影響についての研究を発表しました。^{[52]この研究はメディアの注目を集め、}クリス・ウィッティ卿を含む英国を代表する医療専門家からのコメントも得られました。この研究では、川や湖などの水路の水質を改善することで公衆衛生リスクを大幅に削減するための、英国のさまざまな機関に対する15の推奨事項が概説されています。

報告書の発表後、ガーディアン紙はウィッティ氏にインタビューし、水質と下水処理の改善は高いレベルで重要であり、「公衆衛生上の優先事項」であるべきだと述べた。彼はこれを、19世紀に下水処理ネットワークの改善によって国内でコレラが根絶されたことと比較した。 ^[53]この研究では、川の水量が少ないときには下水の濃度が高く、洪水や大雨の時期もあることも明らかにした。大雨は常に小川や川への下水の溢れと関連付けられてきたが、英国のメディアは暖かい季節に浅い川でカヌーを漕ぐことの危険性について親たちに警告するまでになった。^[54]

ウィッティ氏のコメントは、英国では沿岸水域や内陸水域をレクリエーションに利用する人の数が増加しているという調査結果を受けて出された。これは、オープンウォータースイミングやその他のウォータースポーツへの関心の高まりと関係している可能性がある。^[55]レクリエーションの増加にもかかわらず、水質が悪いため、競技中に体調を崩す人もいた。^[56]最も顕著なのは、2024年のパリオリンピックで、セーヌ川の下水レベルが高かったため、トライアスロンなど水泳を中心とした多くの競技を延期しなければならなかったことだ。^[57]

処理済みまたは未処理の下水さえも、作物を栽培するための灌漑に利用する人がますます増えています。都市は新鮮な農産物の利益の高い市場を提供するため、農家にとって魅力的です。農業はますます不足する水資源をめぐって産業や自治体の利用者と競争しなければならないため、農家は下水で汚染された水を直接作物に散水する以外に選択肢がない場合が多くあります。このように病原菌を含んだ水を使用することで、重大な健康被害が生じる可能性があります。世界保健機関は、 2006 年に廃水の安全な使用に関するガイドラインを作成しました。^[58]彼らは、廃水の使用に対する「多重バリア」アプローチを提唱しており、農家はさまざまなリスク低減行動をとるよう奨励されています。これには、収穫の数日前に灌漑を停止して病原菌が日光で死滅するようにすること、生で食べられる可能性のある葉を汚染しないように慎重に水をかけること、野菜を消毒剤で洗浄すること、農業で使用した糞便汚泥を人糞として使う前に乾燥させることなどが含まれます。^[59]

20世紀以前のヨーロッパでは、下水は通常、川、湖、海などの水域に排出されていました。処理方法はなかったため、人間の排泄物の分解は生態系に任されていました。生態系の同化能力が十分であれば、これは満足のいく結果につながる可能性がありますが、人口密度の増加により、今日ではそうではありません。^{[4] : 78}

現在、先進国の都市部では、下水道から下水が直接水域に流されるのではなく、下水処理場に流されるのが一般的です。しかし、多くの発展途上国では、都市廃水や産業廃水の大部分が、何の処理も施されないか、予備処理や一次処理のみの後に、河川や海に排出されています。そうすることで、水質汚染につながる可能性があります。世界中で下水道に集められた廃水のうち、処理されている割合を示す信頼できる数字はほとんどありません。2010年に国連開発計画（UNDP）と国連人間居住計画（UN-Habitat）が行った世界規模の推計では、発生した廃水の90％が未処理のまま環境に放出されています。^[63] 2021年のより最近の調査では、世界的に下水の約52％が処理されていると推定されています。^[5]しかし、下水処理率は世界中の国々で非常に不平等です。たとえば、高所得国では下水の約74％を処理しているのに対し、発展途上国では平均でわずか4.2％しか処理していません。^[5] 2022年現在、十分な処理が行われていないため、世界で発生する廃水の80％以上が環境に放出されています。国連水資源局によると、高所得国は平均して排出される廃水の70％を処理しています。^{[34] [64] [65]}低所得国で排出される廃水のうち、何らかの処理を受けているのはわずか8％です。^{[34] [66] [67]}

WHOとユニセフによる水供給と衛生に関する共同監視プログラム（JMP）は、2021年に下水道接続を持つ人々の82％が、少なくとも二次処理を提供する下水処理場に接続されていると報告しています。[ 68 ^{] : 55}ただし、この値は地域によって大きく異なります。たとえば、ヨーロッパ、北米、北アフリカ、西アジアでは、合計31か国が普遍的な（> 99％）下水処理を行っていました。しかし、アルバニア、バミューダ、北マケドニア、セルビアでは「下水道に流された廃水の50％未満が二次以上の処理を受け」、アルジェリア、レバノン、リビアでは、処理された下水道廃水の20％未満でした。この報告書はまた、「世界中で5億9400万人が十分な処理を受けていない下水道に接続しています。さらに多くの人が、効果的な処理を提供していない、または排水要件に準拠していない下水処理場に接続されています」と結論付けています。^{[68] : 55}

持続可能な開発目標6には、ターゲット6.3があり、次のように定式化されている。「2030年までに、汚染を減らし、有害な化学物質や物質の放出を排除、投棄、最小限に抑え、未処理の廃水の割合を半減させ、リサイクルと安全な再利用を世界規模で大幅に増やすことによって、水質を改善する。」^[62]対応する指標6.3.1は「安全に処理された廃水の割合」である。廃水生産量は2030年までに24％、2050年までに51％増加すると予想されている。^{[34] [69] [70]}

2020年のデータによると、未回収の家庭排水がまだ多すぎることが示されています。2020年に処理施設で回収された家庭排水は全体の66%に過ぎませんでした（これは128か国のデータから決定されています）。^{[8] : 17} 2015年の42か国のデータに基づくと、報告書は「点源から発生したすべての排水の32%が少なくとも何らかの処理を受けた」と述べています。^{[8] : 17}実際に集中型下水処理場で回収された下水のうち、約79%が2020年に安全に処理されました。^{[8] : 18}

下水処理の歴史は、1840年代にイギリスで土地への適用（下水農場）から始まり、続いて化学処理とタンクでの沈殿、そして19世紀後半には生物学的処理が行われ、1912年に活性汚泥法の開発につながった。^{[71] [72]}

ほとんどの国では、下水の収集と処理は地方および国の規制と基準の対象となります。

欧州連合では、総エネルギー消費量の0.8％が廃水処理施設に使用されています。^{[34] [76]}欧州連合は、2030年の気候とエネルギーの目標を達成するために、水と廃棄物の分野に900億ユーロの追加投資を行う必要があります。^{[34] [77] [78]}

2021年10月、英国 国会議員は、合流式下水道の溢水から未処理の下水を水路に放出し続けることを許可する投票を行った。^{[79] [80]}

「デリー水資源庁」（DJB）は現在、インド最大の下水処理場を建設中です。2022年末までに稼働し、推定処理能力は564MLDです。未処理の下水が直接「ヤムナー」川に排出されている現状を解決することになっています。

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