中水再利用が循環水に与える影響と対策

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中国における中水の再利用は、すでに約30年の歴史があります。1973年には東方紅製油所で、二次処理された汚水の一部が循環水システムに再利用されていました。その後、他の企業も次第に中水をシステムの補水に利用するようになりました。しかし、汚水処理システムの性能によって中水の品質が不安定になり、中水の実際の利用効果に影響を与えていました。そこで、排水処理施設に200t/hの処理能力を持つ汚水再利用装置を追加しました。中水の水源や処理量などの要因により、2012年以降、中水は主に一次循環システムの補水として使用されており、再利用量は生産ニーズに応じて50～90 t/hに抑えられ、再利用率は30％～60％である。 1 中水の再利用が循環水システムに与える影響
中水を補給水として循環水システムで再利用する場合、各種指標を適正な範囲内に保つことが必要であり、それによって循環水システムの水質への悪影響を軽減できる。しかし実際の運用においては、汚水処理過程に多くの制御不可能な要因が存在するため、中水を再利用する際に水質が頻繁に変動しやすくなる。短期間であれば循環水システムへの影響は小さいが、長期間続くと循環水の管理指標に異常が生じ、循環水の運用管理を困難にする。1.1 アンモニア窒素の影響　筆者の所属する工場では、一般的に基準を満たした汚水を中水処理の水源として直接使用している。しかし、汚水処理場が外部からの水の流入の影響を受けると、アンモニア窒素の処理効果が低下し、最終的に中水処理段階で中水のアンモニア窒素濃度が基準を超えることになる。アンモニア窒素が基準を超えると、循環水の水質や薬剤添加の制御など、さまざまな面に影響を与えます。(1) 循環水のpHを低下させる。アンモニア窒素は細菌の作用によって硝化反応を起こし、H+が生成されることで循環水のpHが異常に変動します。pHは中水のアンモニア窒素濃度の影響を大きく受け、全体的に低くなります。適時に調整しない場合、**システムの腐食リスクが高まります。(2) 循環水の従属栄養細菌の制御が困難になる。窒素やリンは、細菌や藻類の成長に不可欠な栄養要素です。アンモニア窒素の濃度が高い場合、細菌に十分な栄養を供給することができ、適した温度環境下では大量に増殖し、システムの配管内に生物的なスラッジが蓄積されやすくなります。このような生物的スラッジが装置の表面に付着すると、熱交換効率に悪影響を及ぼすだけでなく、スケールの下での腐食を促進する原因ともなります。(3) 循環水殺菌剤の消費量を増加させる。循環水場で現在使用されている殺菌剤は主に酸化性の活性塩素系殺菌剤であり、アンモニア窒素は活性塩素と酸化還元反応を起こして塩化アンモニウムを生成し、その結果水中で直接的な殺菌作用を持つ遊離塩素の濃度が低下する。一方で、殺菌効果を確保するためには循環水内の残留塩素濃度を一定に保つ必要があり、そのためには殺菌剤の投入量を増やさなければならない。これにより製造コストが上昇するだけでなく、水中の塩素濃度が高くなりすぎると、装置の腐食速度も加速される。1.2 アルカリ硬度の影響
カルシウム硬度とメチルオレンジアルカリ度の合計を循環水耐容度と呼び、これは循環水のスケール発生リスクの高低を判断する重要な指標です。一般的には「工業用循環水運用管理規定」の要求に従い、最適な制御範囲は1,100 mg/L未満であることが推奨されています。実際の生産プロセスにおいて、長年の運用経験に基づくと、最も適した制御範囲は900 mg/L未満であるべきです。この制御限界を超えると、システムのスケール発生リスクが高まるだけでなく、循環水のpH値などの指標にも異常が生じます。中水の再利用により、循環水のアルカリ度と硬度に変化が生じ、いくつかの問題が発生した。(1) スケール発生のリスクが高まる。中水の水質指標が正常な場合、許容度はおおよそ800 mg/L前後で維持されるが、中水自体のアルカリ度が高い場合は、循環水の許容度が上昇することになる。2013年4月に中水のアルカリ度が基準を超過した際、循環水の総アルカリ度は一ヶ月を通じて500mg/Lを超えて推移し、許容値も900mg/Lを上回っていた。さらに、連続して基準を大幅に超過する状態が続いた。(2) pHが上昇する。循環水のpHは主に中水のOH-、HCO3-、CO32-の含有量に影響され、同一の水系においてアルカリ度の大きさも間接的にpHの高低を反映する。すなわち、アルカリ度が高い場合、pHは比較的高くなり、アルカリ度が低い場合、pHは比較的低くなる。通常、水中のpHはOH-、HCO3-、CO32-の3つによって制御され、一定の平衡状態に達する：2HCO3-→H2O+CO2+CO32-。pHが高くなるとCO32-の濃度が上昇し、CaCO3の溶解度積が小さいため、システムのスケール発生リスクが必然的に高まる。2013年4月に中水のアルカリ度が基準を満たさなかったため、循環水のpHが上昇し、その月のpHの平均値は約9.1に達し、プロセス制御の上限付近で運用された。1.3 導電率の影響
導電率は水中に含まれる各種の導電性イオンの量を示しており、導電率が高すぎると水溶液中の塩分濃度が高いことを意味します。そして塩分濃度が高くなると、システムの腐食リスクが避けられずに高まります。再利用される中水の場合、1サイクルあたりの導電率はおおよそ1,800～2,000μS/cm前後で安定しているが、基準を満たす中水を投入すると、その導電率は通常、補水として使用される新鮮な水の2～3倍になるため、循環水の導電率は急速に上昇し、2,300～2,500μS/cmの範囲で推移する。その中で、水の導電率が1,200μS/cmという制御限界を超えると、循環水の導電率がさらに大幅に上昇することになる。過度に高い電気伝導度のため、循環水システムでは適切な量の排水と水の交換が必要となり、新鮮な水が無駄になるだけでなく、薬剤費用も増加します。排水後の循環水の濃縮倍率が低下すると、さらに後期の水消費量が増加することになる。1.4 余剰塩素の影響　中水は昇圧ポンプで循環水場に送られる前に、殺菌消毒も行う必要があり、現在使用されている殺菌剤は強力な塩素系薬剤である。検査分析計画では細菌量のみが定期的に分析されるため、残留塩素の監視は班員が自らサンプルを採取して分析する必要があり、これにより中水の残留塩素監視に不規則性が生じます。また、個人の操作方法の違いも残留塩素値の測定精度を低下させ、過剰な次亜塩素酸を添加すると中水の残留塩素値が変動しやすくなります。2011年の中水および循環水の残留塩素の変動傾向を観察した結果、2011年の中水においては一年を通じて残留塩素の値が全体的に高めで、平均値は8.0 mg/Lに達し、変動幅も大きかった。再利用される循環水の影響により、循環水の残留塩素にも変動が生じた。(1) 循環水の塩素イオン濃度を上昇させる。ステンレス鋼製の熱交換器において、塩化物イオンは熱交換器の点食を引き起こす重要な要因です。金属材料の残留応力が解消されていない場合や、高温になっている場合、塩化物イオンの存在により応力腐食割れが生じます。循環水プラントでは一般的に塩化物イオンと硫酸根イオンの濃度を制御しますが、硫酸根は循環水システムに与える直接的な影響が小さく、塩化物イオンの約1/10程度であり、また日常の運用においても中水から持ち込まれる硫酸根の量は少ないため、塩化物イオンの濃度に重点を置いて管理する必要があります。中水を導入する前は、循環水の塩化物イオンの質量濃度は一般的に150～250 mg/Lの範囲で推移していたが、中水を再利用するようになると、その濃度は300～450 mg/Lの範囲で推移するようになった。中水の塩化物イオン濃度が200 mg/Lを超えると、循環水の塩化物イオン濃度もさらに上昇する。2011年には中水の塩化物イオン濃度が高くなり、循環水の塩化物イオン濃度は最大で536 mg/Lに達し、その結果、一部の月では腐食速度が基準値を超える事態となった。(2) 中水の残留塩素の変動が増えることで、循環水への強力な塩素剤の添加が困難になる。生産のニーズに応じて、循環水場では毎日、検査結果に基づき強力な塩素系殺菌剤を投入している。強力な塩素系消毒剤は塊状の固体であるため、水中での溶解度は水温や流速など多くの要因に影響され、塩素ガス系消毒剤のように定量的に投入量をコントロールすることが難しい。中水の残留塩素値の変動により、毎日の強力な塩素剤の添加が困難になり、残留塩素値を制御しにくくなっている。1.5 CODの影響 中水の水源が基準を満たす汚水であるため、CODは非常に重要かつ容易に基準を超過してしまう管理指標となります。循環水場は、CODが基準を超えた中水を再利用することで、循環水の水質に一定の影響を与える。(1)殺菌剤の消費量が増加した。循環水場では酸化性の殺菌剤が使用されており、これらの有機物と反応しやすいため、殺菌剤の濃度を維持するために塩素系薬剤の投入量を増やす必要があり、それによって運用コストが上昇することは間違いありません。(2) 微生物の増殖を促進した。有機物は微生物に豊富な栄養を供給し、環境温度が適していると微生物は大量に増殖し、システム内のスラッジ量が増加します。これにより冷却器の熱交換効率が低下し、同時に生物腐食が引き起こされます。2014年4月、中水のCOD濃度が高かったため、循環水における試験管の付着速度が著しく基準を超えました。2 中水再利用の日常管理措置の強化　中水の再利用は循環水の運用管理をより困難にするが、水資源の不足に伴い、節水・排出削減は企業の今後の発展傾向である。日常の現場管理を強化したり、工程操作を継続的に最適化したりすることで、再利用される中水がもたらすさまざまな問題をさらに軽減し、循環水システムへの中水の影響を最小限に抑えることができる。2.1 中水装置の水源管理の強化　汚水の再利用において重要なのは、基準を満たした中水を利用することである。しかし、筆者が勤務する工場の汚水再利用装置では、設計段階で塩分濃度が循環水システムに与える影響が考慮されていなかった。また、現在の状況では、汚水処理場の塩分含有汚水の処理能力は低く、処理済みで基準を満たした汚水のみを中水装置の水源として利用するだけでは、塩分濃度が基準を満たすことは保証できない。このため、緊急貯水池から排水場までDN200の専用配管が敷設され、緊急貯水池で集められた浄化済み廃水が排水工場に送られ、中水の水源を希釈するために使用される。これにより、中水処理装置内の塩分、アンモニア窒素、CODの含有量をある程度低減することができる。水源が改善されたことで、中水処理装置からの排水の水質は大幅に向上した。しかし、現在では各処理装置で節水・排出削減が推進されているため、日常的に緊急貯水池に集められる清浄な廃水の量がますます少なくなっている。汚水処理場が過負荷となり、運転に異常が生じた場合、清浄な廃水の使用量が減少することで、中水の水質が不安定になりやすい。したがって、中水装置の給水源の安定を確保することは、中水の水質が基準を満たすための鍵であり、各装置における汚れ分離管理を強化することが望ましい。また、汚水処理場では水質監視を強化し、水質に異常が生じた場合は、速やかに浄化済み廃水の投入量を増やして、処理水が基準を満たすようにしなければならない。2.2 中水の水質監視の強化
循環水プラントにおける中水の水質分析は週に1回しか行われないが、排水処理施設では毎日、中水の主要な水質指標に関する分析が行われている。日常の運用において、作業員は中水の再利用量に注目するだけでなく、毎日中水のアンモニア窒素やCODの状況もチェックしなければならない。これらの指標が基準値を超えたり高くなった場合は、排水処理装置に連絡して調整を行う必要があり、基準値を継続的に超えている場合は中水の使用を一時停止し、循環水の水質に悪影響を与えないようにしなければならない。決して、中水の使用量を確保するために基準値に達していない中水を使用してはならない。2.3 合理な薬剤投入計画の策定 薬剤の投入は、循環水質の安定に不可欠である。再生水を使用する際には、まず循環水の水質の変化傾向に迅速に注意を払う必要があります。再生水に関する指標が高くなった場合には、予見的に防食剤やスケール防止剤、殺菌剤の使用量や使用頻度を調整するべきです。次に、pH値が低すぎる場合や高すぎる場合のアルカリ剤や酸剤の投入量の管理、残留塩素が少ない場合の強力な塩素剤の投入方法など、よくある水質異常時の薬剤投入の管理方針を段階的に策定する必要があります。これにより、経験に基づきつつも、正確かつ安定した薬剤投入が可能になります。さらに、循環水システムの運転状況に応じて、現在使用している水処理剤の配合が、現在の再生水の使用量や水質に適しているかを定期的に評価し、防食剤やスケール防止剤の性能を向上させ、システムの腐食やスケール発生のリスクを低減する必要があります。2.4 循環水の日常運用管理の強化 (1) バイパスフィルター設備を適切に管理・活用し、循環水のろ過量を向上させ、3.0％以上を確保する。フィルターの最適な逆洗サイクルを見つけ出し、水質の状況に応じて逆洗の頻度や時間を適宜増やすことができる。(2) 中水の塩分濃度が高く、スケールが容易に発生し、スケールの下で腐食が起こりやすいという特徴に対応して、四半期ごとに定期的に循環水プラントでスライムの剥離洗浄を行い、プロセスの監視を強化して洗浄効果を確保する。(3)循環水の濃縮倍率が急激に上昇する問題に対しては、連続的に少量ずつ水を交換する方法により、濃縮倍率の安定を図ることができる。2.5 段階的な中水再利用量の増加 中水の再利用量は、循環水システムの管理や水質の許容範囲と連動させる必要があり、単に量が多ければ良いというわけではない。水中の各イオンのバランスを維持することが最も重要である。実際の運用においては、中水の使用量を段階的に調整する方法を採用し、徐々に再利用比率を調整していくべきである。各段階においては、循環水内の細菌や腐食率、薬剤添加量といった指標の変化に重点を置き、将来的に使用量を増やすための経験を蓄えていかなければならない。 3 結語 (1) 水資源の不足が進む中、中水の再利用は今後の社会発展における大きな傾向となり、同時に企業における節水・排出削減の主要な手段でもある。約2年間の実際の運用を通じて、基準を満たす品質の良い再利用可能な中水を使用することで、循環水の水質を基準値に保つだけでなく、新鮮な水の消費量も大幅に削減できることが証明されました。その結果、省エネによる経済的・社会的利益は非常に大きいのです。(2)現段階では中水の再利用率は50％～60％であり、過去2年間の循環水の品質に関する総合合格率は99.61％である。今後も様々な対策を講じて、中水の品質が基準を満たす割合や供給の安定性をさらに向上させ、中水を使用する際の運用管理や品質監視を強化し、適切な調整を行うことで、中水の再利用率を100％に達成するよう努める必要がある。(3)国内における中水の高度処理技術の発展状況に注目し、先進的な中水処理プロセスや設備の導入を試みることで、中水の処理量と処理水の品質の安定性を継続的に向上させ、将来的に他の循環水施設で中水を再利用するための基盤を築く。