下水処理とマイクロプラスチック

排水処理における凝集沈殿法のマイクロプラスチック捕捉効果と運用課題：コストパフォーマンスを考慮した実践ガイド

はじめに

近年、海洋環境におけるマイクロプラスチック汚染が地球規模での環境問題として認識され、その排出源の一つとして排水処理施設が挙げられています。排水処理施設では、様々な物理的・生物学的プロセスを通じて懸濁物質や有機物が除去されますが、微細なマイクロプラスチック粒子はこれらのプロセスをすり抜け、放流される可能性があります。

このような背景から、排水処理施設の現場では、既存の処理プロセスを最大限に活用しつつ、マイクロプラスチック捕捉能力を向上させるための技術的なアプローチが求められています。本記事では、汎用性の高い一次・二次処理プロセスとして広く採用されている凝集沈殿法に焦点を当て、そのマイクロプラスチック捕捉効果、現場での導入・運用における具体的な課題、そしてコストパフォーマンスを考慮した実践的な運用ガイドについて解説します。

凝集沈殿法の基本原理とマイクロプラスチック捕捉メカニズム

凝集沈殿法は、水中の微細な懸濁物質を凝集剤によって大きなフロック（凝集塊）とし、沈殿分離によって除去する物理化学的処理技術です。この技術は、浮遊物質（SS）や濁度、一部の溶解性物質の除去に広く利用されてきました。

凝集沈殿の原理

凝集沈殿プロセスは主に以下のステップで構成されます。

1. 凝集剤の添加と混合: 水中に凝集剤（例：硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム（PAC）、塩化第二鉄などの無機凝集剤、または高分子凝集剤）を添加し、急速攪拌によって水中に均一に分散させます。
2. フロック形成（緩速攪拌）: 凝集剤の作用により、微細な粒子が互いに衝突・結合し、フロックを形成しやすい状態になります。この段階では緩速攪拌を行い、フロックの成長を促進します。
3. 沈殿分離: 形成された大きなフロックは、重力によって沈殿槽の底部に沈降し、上澄み水から分離されます。

マイクロプラスチック捕捉への応用メカニズム

マイクロプラスチック粒子は、その種類や表面状態によって様々ですが、一般的に表面に電荷を帯びており、水中で安定して分散しています。凝集沈殿法は、以下のメカニズムによりマイクロプラスチックを捕捉します。

• 電荷中和: 無機凝集剤が加水分解して生成する多価金属イオンやその水酸化物フロックが、マイクロプラスチック粒子の表面電荷を中和し、反発力を減少させます。
• 架橋作用: 高分子凝集剤は、その長い分子鎖が複数のマイクロプラスチック粒子や他の懸濁物質を物理的に連結し、大きなフロックを形成します。
• 掃き込み凝集（スカベンジング沈殿）: 凝集剤が水中で生成する水酸化物フロックが沈降する際、そのフロックがマイクロプラスチック粒子を物理的に取り込み（掃き込み）、一緒に沈殿させます。

これらのメカニズムが複合的に作用することで、マイクロプラスチック粒子はフロックとして捕捉され、沈殿によって除去されます。

凝集沈殿法によるマイクロプラスチック捕捉効果

凝集沈殿法は、排水中のマイクロプラスチック除去において比較的高い効果が期待できる技術です。

除去率の目安

• 一般的な除去率: 凝集沈殿法単独で、特に30マイクロメートル以上の比較的大きなマイクロプラスチック粒子に対しては、60〜90%程度の除去率が報告されています。より微細な粒子（1〜10マイクロメートル程度）に対しても、凝集剤の種類や注入条件を最適化することで、50〜80%程度の除去効果が見込めます。
• 影響因子: 除去率は、マイクロプラスチックの粒径、形状、密度、表面特性（疎水性など）、排水の原水水質（濁度、有機物濃度、pHなど）、そして最も重要な凝集剤の種類、注入量、攪拌条件に大きく依存します。

既存設備への適用性

多くの排水処理施設には凝集沈殿槽が既に設置されており、既存の設備を一部改修するだけでマイクロプラスチック対策を強化できる可能性があります。これにより、大規模な設備投資を抑えつつ、マイクロプラスチック捕捉能力の向上が図れる点は、この技術の大きな利点です。具体的には、凝集剤の選定見直し、注入設備の増設や改良、攪拌条件の最適化などが検討されます。

現場導入におけるコストと運用上の留意点

凝集沈殿法をマイクロプラスチック対策として導入・強化する際には、コストと運用上の課題を十分に考慮する必要があります。

初期導入コスト

• 凝集剤供給設備の増設・改修: 新たな凝集剤の使用や注入量増加に伴い、貯蔵タンク、定量ポンプ、配管などの増設や更新が必要となる場合があります。
• 攪拌設備の見直し: 凝集剤の効率的な混合やフロック形成のため、攪拌機のタイプ変更や追加が必要となることもあります。
• 沈殿槽の改修: 汚泥発生量の増加に対応するため、沈殿槽の沈殿効率向上策（例：ラメラ沈降板の導入）が検討されるケースもあります。

維持管理コスト

• 凝集剤費用: 最も大きなランニングコストの一つです。マイクロプラスチック捕捉効果を向上させるためには、凝集剤の種類や注入量を最適化する必要があり、これにより凝集剤費用が増加する可能性があります。
• 電力費: 攪拌やポンプ運転に必要な電力費が発生します。
• 汚泥処理費用: 凝集沈殿によって除去されたマイクロプラスチックやフロックは汚泥として排出されます。凝集剤の追加やフロック形成の強化は、汚泥発生量を増加させるため、汚泥の脱水・焼却・最終処分にかかる費用が増大する可能性があります。汚泥中のマイクロプラスチックの取り扱いについても、将来的な規制動向を注視する必要があります。

運用上の課題

• 凝集剤の選定と注入量管理: 排水水質（pH、濁度、有機物濃度など）は常に変動するため、それに合わせて最適な凝集剤の種類と注入量を決定し、維持することが重要です。過剰な注入はコスト増加と汚泥量増加を招き、不足すれば除去効果が低下します。ジャーテストやオンライン水質計を活用したきめ細かな管理が求められます。
• pH管理: 無機凝集剤の中には、その加水分解により排水のpHを変動させるものがあります。pHの最適範囲を逸脱すると、凝集効果が著しく低下するため、必要に応じてpH調整剤の導入も検討されます。
• 汚泥発生量増加と処理: 前述の通り、汚泥発生量の増加は避けられません。既存の汚泥処理プロセスへの影響を評価し、必要に応じて脱水機などの増強や運用方法の見直しが必要です。
• メンテナンス性、耐久性: 凝集剤注入設備や攪拌機は定期的な点検とメンテナンスが不可欠です。凝集剤の種類によっては、設備への腐食性や目詰まりのリスクも考慮する必要があります。

効果的な運用を実現するための実践的アプローチ

凝集沈殿法をマイクロプラスチック対策として最大限に活用するためには、以下の実践的なアプローチが有効です。

凝集剤の選定と最適化

• ジャーテストによる事前評価: 実際の排水サンプルを用いたジャーテストは、最適な凝集剤の種類、注入量、pH条件を特定する上で非常に有効です。様々な種類の凝集剤（無機系、高分子系、複合系）を比較検討し、コストと効果のバランスを見極めます。
• 現場実証試験: ラボスケールでのジャーテストの結果を基に、パイロットプラントや一部のラインで実証試験を行うことで、現場での適用性を確認し、最適な運用条件を確立します。
• オンライン監視と自動制御: 原水水質の変動に対応するため、濁度計やpH計などのオンライン水質計を導入し、凝集剤注入量を自動制御することで、安定した除去効果とコスト削減の両立を図ります。

多段処理や他技術との組み合わせ

凝集沈殿法は、単独で高い効果を発揮しますが、さらに高度な除去を目指す場合、他の処理技術との組み合わせが有効です。

• 前処理としての凝集沈殿: 膜分離（MF/UF）や砂ろ過などの後段処理の負荷を軽減し、これらのプロセスのマイクロプラスチック捕捉効果を向上させる前処理として凝集沈殿法を最適化します。
• ろ過プロセスとの連携: 凝集沈殿後のろ過プロセス（砂ろ過、高速ろ過など）と組み合わせることで、より微細なフロックやマイクロプラスチック粒子の捕捉率を向上させることができます。

汚泥処理への影響と対策

凝集沈殿法の強化は汚泥発生量の増加に直結するため、汚泥処理プロセスの設計・運用を再評価する必要があります。

• 汚泥脱水効率の向上: 汚泥の種類や特性に応じて、最適な脱水機（遠心分離機、スクリュープレスなど）の選定や、高分子凝集剤の選定・注入条件の最適化により、脱水ケーキの含水率を低減し、最終処分量を削減します。
• 汚泥の有効利用の検討: 汚泥中のマイクロプラスチック濃度や特性を評価し、肥料化やセメント原料化といった有効利用の可能性も探ります。ただし、マイクロプラスチックが混入した汚泥の有効利用には、環境への影響評価や規制への対応が不可欠です。

関連規制動向と補助金情報

マイクロプラスチックに関する国際的な関心の高まりを受け、各国で規制の導入や研究開発が進められています。日本においても、今後の規制動強化や排出基準の設定が予想されます。これに対応するため、国や地方自治体による技術開発支援や設備導入に対する補助金制度が検討される可能性があります。現場技術者は、最新の規制動向や支援策に関する情報を継続的に収集し、施設の改善計画に反映させていくことが重要です。

まとめ

排水処理施設における凝集沈殿法は、マイクロプラスチック対策として非常に有望な技術であり、既存設備への導入のしやすさやコストパフォーマンスの面で大きなメリットを持ちます。しかしながら、最適な凝集剤の選定、注入量の精密な管理、そして汚泥処理への影響など、現場での運用においては様々な課題も存在します。

現場技術者の皆様には、本記事で解説した実践的なアプローチを参考に、排水水質特性に応じた凝集沈殿プロセスの最適化を図り、コスト効率の高いマイクロプラスチック捕捉を実現していただきたいと存じます。今後も、技術開発の進展や規制動向を注視し、持続可能な排水処理体制の構築に貢献していくことが期待されます。