キャリア凝集技術の応用と発展状況

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この投稿は、2018年2月11日14時30分にliuquan1100によって最終的に編集されました。要約：キャリアフロック化技術の動作原理について説明し、ActifloとDensaDegという2つの代表的な処理プロセスの工程、設計パラメータ、および処理効果に焦点を当てています。また、この技術の現状について分析し、いくつかの新しい装置や組み合わせ型プロセスについても紹介しています。 キャリアフロック法は、構造がコンパクトで効率的な急速沈殿技術であり、スペースを節約でき、衝撃負荷に強く、処理効率も高いという利点がある。我が国が資源節約型社会の構築を目指す要求に合致しており、優れた応用の展望がある。 キーワード：担体凝集； Actiflo@急速沈殿槽； DensaDeg@高密度澄清水槽； 細砂　中国図書分類番号：X703、1　文献識別コード：B　記事番号：1000—4602(2007)08—0001—04　キャリア凝集とは、迅速な沈殿技術であり、その特徴は凝集段階で高密度の不溶性媒体粒子（例えば細砂）を添加し、その媒体の重力による沈降およびキャリアの吸着作用を利用してフロックの「成長」と沈殿を促進することにある。従来の凝集処理法と比較して、この技術は占有面積が小さく、建設コストが低く、衝撃負荷に耐えられるといった利点がある。1990年代以降、西洋では多くの成熟した応用技術が開発され、世界中の100以上の大規模な水処理場で実用化されている。現在、国内にはキャリアフロック法の適用改修事例はあるものの、まだ普及しておらず、キャリアフロック技術に関する報告も少ない。 1 作用原理 アメリカのEPAによるキャリア凝集の定義とは、循環させる媒体粒子と各種化学薬剤を用いてフロックの吸着力を強化し、水中の懸濁物の沈降性能を向上させる物質化学処理法である。その動作原理は、まず水中に凝集剤（例えば硫酸鉄）を投入し、水中の懸濁物やコロイド粒子の安定性を失わせることから始まります。次に、高分子系の助凝剤や密度の高いキャリア粒子を投入することで、安定性を失った不純物粒子がキャリアを核として形成され、高分子鎖による架橋吸着作用および微細な砂粒子による沈殿・捕捉作用によって、急速に密度の高いフロックが生成されます。これにより**沈降時間が短縮され、澄水槽の処理能力が向上し、高負荷の状況にも効果的に対応できるのです。 2 典型的な処理プロセス 2.1 Acfiflo@プロセス Actiflo@プロセスは、OTV—Kruger社（ヴェオリア・ウォーター・グループのエンジニアリング子会社）によって開発され、1991年からヨーロッパで飲料水や汚水処理に利用されている。その特徴は、45～150μmの細かい砂を担体として用いて凝集を促進し、斜め管沈殿槽を使用して固液分離の速度を上げることにある。表面負荷は80～120m/hで、最大で200m/hにも達する。現在、最も広く利用されている担体凝集技術である。国内ではすでに一部の水処理場でこの技術が導入されており、例えば2004年に上海浦東ウェリヤ・ウォーター株式会社の臨江プロジェクトではActiflo@高速沈殿処理技術が採用されました；北京市第九水厂は、原水の低温・低濁度・高藻類の状況に対応し、第2期沈殿池改修工事においてActiflo@高性能沈殿池プロセスを採用しました。Actiflo@の工程フローは図1に示されている。 全工程は、混合、熟成、高速沈殿の3つの段階に分かれている。まず、凝集剤（鉄塩またはアルミニウム塩）を添加した原水が混合槽に入り、急速に撹拌された後、投入槽に流れ込む；添加槽に有機凝集補助剤と細砂担体を加えてフロックの「成長」を促し、1～2分間の水理的滞留を経て熟成槽に流れ込む；ゆっくりとかき混ぜながら、細かい砂を核とするフロックがさらに凝集し、大きくて密なフロック状のものが形成される。最終的に水は斜管沈殿槽に入り、細かい砂のフロックの重力による沈降作用と、斜管による迅速な沈殿効果が相まって、フロック粒子が素早く沈降することを実現する。細かい砂を含む汚泥は、装置の上部にある水力サイクロンに戻され、遠心力によってスラリーと細かい砂が分離され、細かい砂は再びフロック化槽に戻されて循環利用される。 2.2 DensaDeg@プロセス DensaDeg@高密度沈殿池は、フランスのDegremont社によって開発されたもので、飲料水の浄化、第三次リン除去、初期沈殿処理の強化、および合流式汚水溢流水処理（CSO）や生活汚水溢流水処理（SSO）に利用できる。この技術は現在、フランス、ドイツ、スイスで普及しています。近年、海外の大手水道会社が中国市場に進出するにつれて、国内でも一部の水処理場がこの技術を活用して既存のプロセスを拡張・改修しており、例えばウルムチのシデンズィーシャン水処理場の拡張・改修工事ではこの技術が採用されました。 DensaDeg@プロセスは、凝集、斜管沈殿、汚泥返送といった技術を組み合わせており、構造的には主に反応区、予沈／濃縮区、斜管澄清水区に分かれている（図2参照）。その特徴は、フロック化された汚泥を外部で循環させることで、キャリアとしてのフロック化効果を発揮し、フロック化プロセスを加速するとともに、生成されるフロックの品質を保証する点にあります。反応域は主に急速撹拌反応槽と緩速推流反応槽に分かれ、前者は原水と凝集剤を十分に混合させ、予凝集の役割を果たす；後者は、ゆっくりと流体を送ることによってフロックが十分に「成長」し、反応槽全体において凝集性が良く、密度が高く、分離性能に優れた混合系が形成される。十分に凝集された混合液は予沈／濃縮エリアに送られ、迅速に分離される。上部の初期沈殿水は斜管澄清水エリアに送られ、水中の残留フロックをさらに除去する。下部のスラリーは濃縮された後、スクレーパーによってスラッジタンクに送り込まれ、一部の汚泥は原水に戻され、残りは汚泥処理システムに排出される。 デグレモン社は、さまざまな汚水の溢流処理に特化したDensaDeg@4D澄水槽も開発しました。その基本原理はDensaDeg@プロセスと類似しており、主に以下の機能によって水質の浄化を図ります：砂利の除去、油脂の除去、統合型の凝集・フロック化ユニットと斜管沈殿、汚泥の濃縮および固化。その作業フローは、凝集剤が添加された原水がまず予備凝集槽に入り、空気撹拌によって無機電解質が水中の粒子と十分に接触反応し、水中の粗い砂利が直接槽底に沈降して排出される；予備凝集後の処理水は凝集槽に入り、循環スラッジおよび添加された高分子凝集剤と機械的撹拌によって十分に混合され、密なフロックが形成される；十分に凝集された水は最終的に斜管沈殿池に送られ、予備沈殿区でほとんどのフロックが水から分離され、残りの部分は斜管沈殿池によって除去される。水面に浮かぶ油脂はスクレーパーによって回収され、脱油が図られる；沈殿池の底に堆積した汚泥の一部は再循環され、残りの部分は固化濃縮される。 2.3 処理効果 アメリカのテキサス州フォートワース市では、汚水のピーク流量を処理するための方策を検討する目的で、上記の2種類の担体凝集プロセスについて中規模試験が行われ、その結果は表1に示されている。アメリカのオハイオ州コロンバス市では、雨水の溢水や合流式汚水の溢水問題に対処するため、Actiflo@およびDensaDeg@というキャリアを用いた凝集処理法について中規模実験が行われました。これら2つの処理法における流入水量はそれぞれ0.53～1.32 m³/分および0.49～0.81 m³/分で、平均表面負荷は40、20 m/hでした。溢水速度はそれぞれ(2.0～3.1)、(1.4～1.6) m/分に達し、懸濁物質の除去率は85％以上でした。その結果、これら2つの処理法は、雨水や汚水の溢水によって引き起こされる高い衝撃負荷や水質の大きな変動といった問題に効果的に対処できることが示された。また、試験により85％のTSS除去率を達成するための各種凝集剤の使用量が決定され、その結果は表2に示されている。 上記の2つの事例から、Actiflo@およびDensaDeg@キャリアを用いた凝集処理法は、高い負荷を伴う汚水の溢流に対して優れた処理効果を発揮することがわかる。凝集剤の使用量を最適化することで、TSSの除去率を85％以上にまで高めることが可能であり、また同じ条件ではActiflo@処理法の方がDensaDeg@よりも低い薬剤量で済む；二つの処理法の唯一の欠点は、処理水のBOD値の変動が大きいことであり、これは凝集処理が物理化学的処理に属し、水中の溶解性有機物を効果的に除去することが難しいためである。しかし全体的に見ると、キャリア凝集法は、従来の処理法では対処が難しい汚水の溢流や高負荷な衝撃負荷といった問題をうまく解決している。 2.4 設計パラメータ Actiflo@およびDensaDeg@キャリアフロック化プロセスの設計パラメータは表3に示す。 3 開発の現状 3.1 新型装置の開発 フランスのBinot Patrickらは、さまざまな沈殿モードを一体化したキャリアフロック装置を開発しました。この装置は、流入水の水質や水量に応じて運転モードを調整でき、1年を通じて流量や汚染物質濃度が大きく変動する汚水の処理に適しています。一般的に、都市の汚水処理場において、晴天時の平均流量とピーク流量の比率は、雨天時の流量との比で約1：2：10である。渇水期には通常の沈殿処理モードで運転され、雨季には凝集剤や細かい砂を添加する担体凝集モードで運転される。汚水量がその中間の場合には、通常の凝集沈殿処理が用いられる。その処理フローは、原水が順に薬剤添加区、熟成区、斜管沈殿区を流れるもので、薬剤添加区では原水と凝集剤が十分に混合され、予凝集された処理水は熟成区に入り、そこで凝集促進剤や細かい砂が添加される。フロックが十分に「成長」した後、澄清水区に入り、斜管沈殿によって残留するフロックが除去される。細砂は通常、熟成池の底に堆積し、このときシステムは通常の沈殿モードにある；水量が急激に増加し、運転負荷を超えると、水の流速や撹拌速度が上昇し、細かい砂が池底から浮き上がってフロックの核となり、これによってキャリアによるフロッキングが達成される。 この装置は通常の凝集装置に比べて不必要な薬剤の消費を削減し、運用コストが低いが、より多くの制御・監視ユニットの設置が必要であり、固定投資は従来の装置よりも高くなる。 アメリカのStreat Philipは、立方体構造のキャリアフロック装置を開発しました。混合室、反応室、およびスラッジ室はすべて矩形構造として設計され、フロック装置内で有機的に組み合わされているため、構造がコンパクトで大量のスペースを節約できます。この装置の工程は、まず凝集剤と細かい砂を投入した水が混合室で十分に混ぜ合わされ、その後反応室に入ります。そこでは渦流撹拌によって細かい砂粒子がフロックの核となり、密で大きなアルミニウムフロックが生成されます。反応室と汚泥室の間の壁には上下2つの連通口があり、生成されたアルミニウムフロックはこれらの開口部を通じて反応室と汚泥室の間を循環します。体積が大きくて密なフロックは直接汚泥室の底にある沈殿槽に沈み、軽いフロックは再び反応室に戻ってさらに「成長」を続けます。スラリートレイ内の泥砂は駆動装置を通じて洗浄装置に送られて分離され、分離された細かい砂は洗浄装置から混合室に戻って循環利用される。澄水室は反応室の真上に位置し、凝集した水は上向きに流れてハニカム状の渦流制御装置を通り澄水室に入ります。粒子状物質は反応室に戻り、清水は溢流堰から排出されます。この装置の最大の利点は、機器がコンパクトであり、各構造物間に水を輸送するための配管やポンプなどの設備が不要なことです。そのため、砂粒によるポンプや配管の摩耗問題を避けられ、スペースや設備投資を節約できます。 3.2 組み合わせプロセス 凝集プロセスは水処理工程における重要な構成要素であり、他のプロセスと組み合わせて使用することで、理想的な処理効果を得ることができる。クルーガー社は2005年にキャリア凝集に関する2件の特許を出願し、いずれも廃水処理のための組み合わせプロセスに関するものでした；パリのメリオセ浄水場では、キャリアフロック法とナノフィルトレーション技術を組み合わせることで、80万人の住民に14×104 m3/dの高品質な飲料水を供給している。 ジョイス・スタンドリー・ペリらは、キャリア凝集工程で使用される化学薬品の毒性や腐食性といった問題を解決するため、電気凝集反応器とキャリア凝集を組み合わせた工程の採用を提案した。その作業フローは、まず原水が電気凝集反応器に入り、電流を通すと陽極板が電子を失ってAl3+やFe2+といったイオンが生成される。そして、電離、電解、加水分解、電磁効果といった物理化学的な作用により、汚染物質同士の分散を維持している表面電荷が中和され、汚染粒子の分散安定性が破壊される；安定性を失った廃水はキャリアフロック装置（例：Actiflo@澄水槽）に入り、順に混合槽、熟成槽、斜管沈殿槽を経由する。凝集剤と細砂キャリアの作用により、安定性を失った分散粒子が吸着され「成長」し、高密度で高品質なフロックとなる。最終的に斜管沈殿によって固液分離が行われ、澄んだ処理水が得られる。この処理法の利点は、鉄塩やアルミニウム塩の凝集剤を使用しなくて済むため薬剤費が削減され、構造がコンパクトでスペースを節約でき、処理水の水質は環境基準を満たしていることです。 担体凝集処理の溶解性BOD5除去効果を向上させるため、Branden Hudsonらは活性汚泥と担体凝集を組み合わせた処理法を開発した。これには2つのモードがある：①水質をまず活性汚泥処理し、その後担体凝集処理を行うことで澄んだ処理水が得られる；②水槽は2つの部分に分かれており、一方は活性汚泥槽に入り、十分に混合された後にキャリア凝集システムに送られる。もう一方は直接キャリア凝集システムに入り、活性汚泥槽から出てきた混合液と共に凝集沈殿処理を経て、基準値を満たした状態で排出される。この工程において、キャリアの凝集装置としてOTV-Kruger社のActiflo@装置を使用でき、沈殿槽内で凝集された活性汚泥の一部は反応槽に戻して循環利用され、残りの部分は汚泥処理装置に排出される。この処理工程において、活性汚泥の役割は水中の溶解性BOD5を分解することであり、フロックタンク内ではキャリアおよび吸着剤として機能し、フロックの「成長」と沈殿を促進することで、細かい砂状のキャリアの使用量を減らすのです。MLSSが800 mg/L、接触反応時間が30分の場合、この処理法によるBOD5、溶解性COD、TSSの除去率はそれぞれ83.8％、75.7％、89.4％に達し、これはこの処理法が水中の溶解性有機物や懸濁固体を効果的に除去できることを示している。 4 結論 ① 載体凝集は、構造がコンパクトで資源を節約できる高効率な沈殿技術である。従来の沈殿処理法と比べて、処理効率が高く、占有面積が小さく、衝撃負荷に強く、薬剤使用量が少ないといった利点があります。 ② 従来の担体凝集装置の欠点は、砂粒が配管やポンプ間を循環することで装置の寿命が短くなることであり、凝集処理は水中の溶解性有機物を除去できないため、BODやCODの除去効果が低い。また、新型の担体凝集装置は従来の装置と比べて、より多くの制御装置や部品が必要となる。 ③ 現在、この技術の発展方向は、従来の担体凝集装置にあるさまざまな欠点を解消することを目的とした新しい装置の開発、または他のプロセスと組み合わせて相乗効果を得ることが主流です。例えば、活性汚泥法と組み合わせることで、水中の溶解性有機物の除去率が低いという問題を解決できる。 ④ 水処理業界の競争が激化し、エネルギーや資源がますます逼迫する中、ユーザーからの技術革新に対する要求は高まっている。今後の機器開発の原則としては、機器の自動化を進め、資源を節約し、効率を向上させることが重要である。キャリアフロック化を基盤として開発された各種装置は、この原則を満たすものであり、資源節約型社会の構築という我が国の要求にも合致している。したがって、我が国の水処理分野において重要な役割を果たし、先進国との格差を縮小することが期待される。 参