XJY 下水汚泥からバイオソリッドへの変換: 下水処理とその先への旅

XJY汚泥処理の紹介

1950 年以前は、米国のほとんどの地域社会では、ほとんど処理されずに廃水、つまり下水を小川や川に排出していました。都市人口が増加するにつれて、小川や河川の廃水を処理する自然の能力が限界を超え、多くの地域で水質の悪化を引き起こしました。水質悪化に対する懸念に応えて、米国中の何千ものコミュニティが 1950 年代から 1960 年代にかけて廃水処理システムを建設しました。その結果、河川の水質は大幅に改善されましたが、処理すべき別の物質、つまり下水汚泥が発生しました。処理プラントに流入する廃水の流れの約 99% が再生水として排出されます。残りは、処理プロセスによって捕捉された固体の希釈懸濁液です。これらの廃水処理固形物は、一般に下水汚泥と呼ばれます。

「下水汚泥」または「バイオソリッド」、名前は何でしょうか？

最近、「バイオソリッド」という用語が廃水処理業界で導入されました。業界では、バイオソリッドを、安定化と病原体減少のための十分な処理が施され、土地利用に十分な高品質の下水汚泥と定義しています。この用語は、高品質の処理済み下水汚泥を、生の下水汚泥や環境汚染物質を大量に含む下水汚泥と区別することを目的としています。 「バイオソリッド」という用語は、下水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により、下水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、下水汚泥の本当の性質を隠蔽し、それによってこの物質の土地利用を一般大衆にとって不快なものにしようとする試みであると一部の人から批判されている。 「バイオソリッド」は間違いなく「下水汚泥」または単に「汚泥」と同じ否定的なイメージを思い起こさせるものではありませんが、上記の区別を行うために正しく使用されれば、それは正当で機能的な用語です。この文書では、「下水汚泥」は廃水処理固形物全般を指すために使用され、「バイオソリッド」は特に陸上利用に適した材料を指すために使用されます。

写真 6下水汚泥

市営XJY下水汚泥の生成

都市廃水または下水は、都市および郊外の家庭や企業で洗濯、入浴、トイレの洗浄に使用されてきた水を指します。都市廃水には、工業源からの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に、都市下水システムに貢献する企業は、下水道に排出する前に廃水を前処理する必要があります。廃水は、下水道システムを介して集中廃水処理施設 (公営処理施設 (POTW) と呼ばれることもあります) に送られます。 POTW では、下水は物理的、生物学的、化学的プロセスを使用して、栄養素と固形物を除去し、有機物質を分解し、水中の病原体 (病気の原因となる微生物) を破壊する一連の処理段階を通過します。再生された水は小川や河川に放出されるか、広い面積の土地に散布される場合があります。

写真7 都市下水汚泥

未処理下水の予備処理には、棒、ボトル、紙、ぼろ布などの大きな物体を除去するためのふるい分けと、無機固形物 (砂、砂、燃え殻) が水から急速に沈降する砂の除去段階が含まれます。この処理段階で除去されたふるい分けと砂は通常、埋め立てられ、下水汚泥の一部にはなりません。

一次処理には、この段階に入る固形物質の約半分を除去する重力沈降および浮選プロセスが含まれます。処理のこの段階で沈殿する固体物質（有機および無機の両方）が底から引き出され、一次汚泥を構成します。ほとんどのPOTWでは、一次処理中に水面からすくい取られる浮遊物質（油、グリース、木質、植物性物質）は、一次汚泥の一部にはならず、別途処分されます。

二次処理は、天然に存在する微生物を使用して廃水中に浮遊および溶解した有機物質を分解 (分解または消化) する、慎重に制御され加速される生物学的プロセスです。この物質は二酸化炭素に変換され、大気中に放出され、微生物細胞塊になります。

二次沈殿池では、微生物細胞塊が底に沈んで除去されます。この主に有機物を二次汚泥といいます。

一部の処理プラントには、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削減するために設計された三次処理ステップも含まれています。化学的にリンを沈殿させ、濾過すると、三次汚泥が生成されます。

最後に、水は病原微生物を破壊するために消毒処理を受けます。再生された水は小川や川に放流されるか、広い面積の土地に散布される場合があります。

XJY 都市下水汚泥の処理方法

通常、一次、二次、三次汚泥が混合され、1 ～ 4% の固形分を含む混合物は「生」下水汚泥と呼ばれます。生の下水汚泥は、その病原体含有量と不安定で分解しやすい性質のため、健康と環境に潜在的な危険をもたらします。しかし、現在では、下水汚泥を安定化し、病原体含有量を減らし、固形分含有量を増加させるために、いくつかの処理プロセスが使用されています。下水汚泥中の病原体レベルを安定化および低減するためにより一般的に使用されるプロセスのいくつかをリストし、表 1 に簡単に説明します。

下水汚泥には何が入っているのか?

下水汚泥は、無機物質と有機物質の両方、高濃度の一部の植物栄養素、はるかに低濃度の多数の微量元素¹ および有機化学物質、および一部の病原体で構成されています。下水汚泥の組成は、排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 パーセンタイルを示しています。これらのデータは、1996 年から 1997 年にかけてペンシルベニア州で生成された下水汚泥の大規模調査から得られたものです。

下水汚泥の処理オプション

下水汚泥は、有益に利用される有機および栄養資源として、または処分される廃棄物として見ることができます。 1991 年以前は、ペンシルベニア州からのものも含め、大量の下水汚泥が海洋投棄によって処分されていました。海水への過剰な栄養負荷に関する懸念により、この行為は禁止されました。現在、ペンシルベニア州で生成されるほとんどすべての下水汚泥は処理されており、バイオソリッドとして分類されるのに十分な高品質です。この物質の半分未満が埋め立てまたは焼却によって処分され、残りのバイオソリッドは農業、鉱山埋立、造園、または園芸での使用によって土壌にリサイクルされます。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、およびリスクが伴います。

埋立処分

管理とマテリアルハンドリングの観点から見ると、埋め立てはおそらく最も簡単な解決策です。経済的な観点から見ると、埋め立ては現在、他の選択肢と比較して優れています。しかし、埋め立て地スペースがより限定され、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。環境の観点から見ると、埋め立ては汚泥を 1 か所に集中させることにより、汚泥由来の汚染物質や病原菌の放出を防ぎます。埋立地が適切に建設され維持されていれば、環境リスクは最小限に抑えられます。

しかし、下水汚泥の埋め立て処分にはリスクが伴います。有機廃棄物は埋め立て地で嫌気性分解を受け、メタンガスを生成し、大気中に放出される可能性があります。メタンは、地球温暖化に関与していると考えられてい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は、不快な臭気を引き起こす可能性があります。下水汚泥が埋め立て地に加える大量の栄養分は、地域環境にリスクをもたらします。埋め立てライナーや浸出水収集システムに障害が発生した場合、これらの栄養素が地元の地下水や地表水を汚染する可能性があります。また、下水汚泥の埋め立ては、貴重な埋め立てスペースを占有し、汚泥中の有機物や植物栄養素の潜在的な利点を失います。

写真 8埋立処分

焼却処分

下水汚泥焼却は、処分量を減らし、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、下水汚泥に含まれる微量の熱量を回収します。残留灰は安定した比較的不活性な無機物質で、元のスラッジの体積のわずか 10 ～ 20% です。下水汚泥中のほとんどの微量金属は灰中に濃縮されます (濃度は 5 ～ 10 倍に増加します)。この材料は、建設資材として使用される可能性もありますが、最も一般的には埋め立てられます。

焼却により、二酸化炭素 (別の温室効果ガス) が放出され、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) も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) と揮発性汚染物質を除去する高度なシステムが必要です。このため、焼却は下水汚泥の処理においてより高価な選択肢の 1 つとなっています。埋め立ての場合と同様、下水汚泥中の有機物や植物栄養素から得られる潜在的な利点が失われます。

写真9 焼却処分