廃水のリン除去にはどのような方法があるか

この投稿は最後に、2015年7月6日19時46分にzhaolijunによって編集されました。一般的には2つの方法に分かれます：化学的リン除去：一つ目は、高リン含有の単一の廃水に対して化学的にリンを除去する方法で、この場合、装置は比較的シンプルになります；二つ目は、排出前のリン除去で、このとき無機リンは一般的に正リン酸塩に変わり、完全に除去される。 生物脱リン：A2/0、SBR、CASS、酸化溝はいずれも優れた脱リン効果を持つ。

リンの除去には、化学的脱リン法と生物的脱リン法の2つの工程がある。生物的脱リン法は比較的経済的な脱リン方法だが、現時点では安定して0.5mg/lという排水基準を満たすことができないため、安定した排水基準を達成するには、通常化学的脱リン法を併用して要求を満たす必要がある。 化学的リン除去は化学沈殿法によって行われる。化学沈殿とは、汚水に無機金属塩の薬剤を添加し、それが汚水中のリン酸塩などの可溶性塩類と反応して粒子状の不溶性物質を形成することであり、この過程はいわゆる相転移過程に該当する。反応式の例を式1に示す。実際に化学薬剤を添加すると、汚水内では沈殿反応だけでなく化学凝集反応も同時に進行するため、化学沈殿と化学凝集の違いを区別する必要がある。 FeCl3+K3PO4→FePO4↓+3KCl 式1 汚水の沈殿反応は、簡単に言えば、水中に溶解している物質、その大部分がイオン状のものから溶解しない粒子状の形態に変わる過程であり、凝集とは微細な不溶性固体同士が互いに結合してより大きな形状になる過程であるため、凝集は相転移の過程ではない。 汚水浄化プロセスにおいて、凝集と沈殿はどちらも非常に重要であるが、凝集は沈殿槽の沈殿効果を向上させるために用いられ、一方、沈殿は汚水中の溶存性リンの除去に用いられる。沈殿法を用いて相の転換を行う場合、汚水に可溶性の金属塩剤を添加すると、一方で可溶性のリンが不溶性のリン酸金属塩に変化すると同時に、pH値によっては不溶性の酸化物も生成される。一方、沈殿物が増加し、小さな不溶性固体が集合してより大きな不溶性固体となることで、安定していたコロイドが不安定になり、速度勾配や拡散過程を通じて不安定になったコロイド同士が接触してフロックを形成する。最後に固液分離工程を経て、浄化された汚水と固液濃縮物（化学スラッジ）が得られ、化学的リン除去の目的が達成される。 化学沈殿反応の原理に基づき、リン酸塩化合物を生成するために、化学的脱リンに用いられる化学薬剤は主に金属塩薬剤と水酸化カルシウム（消石灰）である。多くの高価な金属イオン系薬剤を汚水に投入すると、汚水中の溶解性リンイオンと結合して難溶性の化合物を生成する。経済的な理由から、リン沈殿に用いられる金属塩剤は主にFe3+、Al3+、Fe2+の塩と石灰である。これらの薬剤は溶液や懸濁液の状態で使用される。二価鉄塩は、汚水に酸素が含まれていて三価鉄塩に酸化される場合にのみ使用できる。実際には、Fe2+を酸化させるために、通気沈殿槽に添加されるか、または同時沈殿法によって通気槽に添加される。その効果はFe3+を使用した場合と同じであり、反応式は式2、3の通りである。 Al3++PO43-→AlPO4↓ pH=6～7　式2
Fe3++PO43-→FePO4↓ pH=5～5.5　式3
沈殿反応と競合するのは金属イオンとOHの反応であるため、さまざまな金属塩製品においては金属イオンの量に注意する必要があり、反応式は式4、5の通りである。 Al3++3OH-→Al(OH)3↓ 式4　Fe3++3OH-→Fe(OH)3 式5　金属水酸化物は大きなフロックを形成し、これは沈殿物の凝集に有利であり、同時にコロイド状の物質や微細な懸濁粒子も吸着する。留意すべき点は、化学的リン除去を目的とした化学沈殿反応において有機物の沈殿除去は二次的なものであるが、分離時における有機性コロイドや懸濁物の凝集がフロック形成において決定的な過程であるということだ。 沈殿効果はpH値の影響を受け、金属リン酸塩の溶解度も同様にpHの影響を受ける。鉄塩の最適なpH値範囲は5.0～5.5であり、アルミニウム塩では6.0～7.0である。これは、上記のpH値範囲内でFePO4またはAlPO4の溶解度が最も低くなるためである。また、金属塩剤を使用することは、汚水や汚泥処理にも利点があり、例えば汚泥指数を低下させたり、バイオガスの脱硫に役立ったりします。 金属塩剤の投入により、汚水処理場の処理水中のCl-またはSO2-4イオン濃度が上昇するためです。沈殿剤溶液に酸が含まれている場合は、特に注意が必要です。 金属塩剤を添加すると、それに伴って汚水のアルカリ度が低下し、これが浄化に悪影響を及ぼす可能性がある。同時沈殿法で硫酸鉄を使用する場合、硝酸化反応への影響を考慮しなければならない。 また、汚水処理場の汚泥を農業に利用する場合、金属塩剤を用いてリンを除去する際には、アルミニウムや鉄の負荷が農業に与える影響を考慮しなければならない。 金属塩剤のほかに、水酸化カルシウムも沈殿剤として使用される。沈殿過程において、不溶性のリン酸カルシウムの生成に主に作用するのはCa2+ではなくOH-イオンであり、pH値が上昇するにつれてリン酸カルシウムの溶解度は低下するため、Ca(OH)2を用いた脱リンにはpH値8.5以上が必要とされる。リン酸カルシウムの生成は反応式6に従って進行する：5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5(PO4)3OH↓ pH ≥8.5（式6）しかし、pH値が8.5から10.5の範囲では、リン酸カルシウムが沈殿するだけでなく炭酸カルシウムも生成され、これにより池の壁や水路、配管の壁にスケールが付着する可能性がある。反応式は式7の通りである。 Ca2++CO32-→CaCO3 式7　カルシウムとのリン酸塩沈殿反応は、pH値の影響を受けるだけでなく、炭酸水素イオン濃度（アルカリ度）の影響も受ける。一定のpH値の条件下では、カルシウムの添加量はアルカリ度に比例する。 軟質または中硬質の汚水においてカルシウム沈殿法を用いる場合、所定のpH値を達成するために必要なカルシウム量はごく少ないが、強い緩衝能力を持つ汚水では逆により多くのカルシウムの投入が必要となる。 化学沈殿処理法は、沈殿剤の投入場所によって分類され、実際によく用いられるのは、前沈殿、同時沈殿、後沈殿、または生物処理後の凝集濾過です。 (1)前沈殿　前沈殿処理法の特徴は、沈殿剤を沈砂池内、または一次沈殿池の流入水路（管）内、あるいはヴェンチュリー水路（渦流を利用する）内に投入することである。一般的には、混合を実現するために渦流を発生させる装置やエネルギーを供給する装置が必要となる。それに伴って生成される沈殿物（大きなフロック状の凝集体）は、一次沈殿槽で沈殿させることによって分離される。生物処理段に生物濾床を使用する場合、充填材に損傷（黄錆の発生）を与えないように、Fe2+剤の使用は許可されない。 前沈殿処理工程（図2参照）は、既存の汚水処理場の改修（化学的リン除去措置の追加）に特に適している。なぜなら、この工程によってリンを除去できるだけでなく、生物処理施設の負荷も軽減できるからである。一般的に使用される沈殿剤は、主に生石灰と金属塩系の薬剤です。前処理後の残留リン酸塩量は1.5～2.5mg/Lで、後続の生物処理におけるリンの要求を十分に満たすことができる。 (2)同時沈殿 同時沈殿は最も広く用いられている化学的リン除去プロセスで、海外では全化学的リン除去プロセスの約50％を占めている。その工程とは、沈殿剤を曝気槽の排水または二次沈殿槽の流入水に添加するもので、場合によっては曝気槽の流入水や返送スラッジ路（管）に剤を添加することもある。現在、多くの汚水処理場で採用されており、例えば広州の大坦沙汚水処理場第3期では同時沈殿法が用いられており、薬剤の添加が活性汚泥に与える影響は比較的小さい。 (3)後沈殿　後沈殿とは、沈殿、凝集、および凝集された物質の分離を生物処理施設とは別の施設で行うものであり、そのため二段法プロセスとも呼ばれる。一般的に、沈殿剤は二次沈殿槽の後にある混合槽（M槽）に投入され、その後に凝集槽（F槽）および沈殿槽（または気浮槽）が設置される。 要件が厳しくない受水体の場合、後沈殿処理工程で石灰乳剤を使用することができるが、処理水のpH値を管理する必要があり、例えばバイオガス中のCO2を用いて中和する方法がある。 気浮槽を使用すると、沈殿槽よりも懸濁物質や全リンをより効果的に除去できるが、空気を継続的に供給する必要があるため運転コストが高くなる。

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