3つの悪循環に悩む下水処理場。

汚染防止事業体である下水処理場にとって、最も重要な任務は、排出水が基準を満たすようにすることです。しかし、排出基準の厳格化と環境保護検査官の強硬な姿勢は、下水処理場の運営に大きなプレッシャーをもたらしています。排水処理はますます困難になっています。

筆者の観察によれば、排水基準の達成が困難な直接的な原因は、我が国の下水処理場に一般的に3つの悪循環があることである。

1 つ目は、汚泥活性 (MLVSS/MLSS) が低く、汚泥濃度が高いという悪循環です。2 つ目は、リン除去薬品の使用量が多いほど、汚泥排出量が多くなるという悪循環です。3 つ目は、下水処理場が長期間過負荷運転され、設備をオーバーホールできず、一年中病気にかかりながら運転し、下水処理能力が低下するという悪循環に陥っていることです。

#1

低い汚泥活性と高い汚泥濃度の悪循環

王鴻塵教授は467の下水処理場を対象に調査を行いました。汚泥活性と汚泥濃度のデータを見てみましょう。467の下水処理場のうち、61%の下水処理場はMLVSS/MLSSが0.5未満であり、約30%の処理場はMLVSS/MLSSが0.4未満でした。

下水処理場の2/3では汚泥濃度が4000mg/Lを超え、1/3では汚泥濃度が6000mg/Lを超え、20の下水処理場の汚泥濃度が10000mg/Lを超えています。

上記の条件（汚泥活性の低下、汚泥濃度の上昇）はどのような結果をもたらすのでしょうか？ 真実を分析した技術論文は数多くありますが、簡単に言えば、水量が基準値を超えてしまうという結果が一つあります。

これは2つの側面から説明できます。一つは、汚泥濃度が上昇した後、汚泥の堆積を防ぐために曝気量を増やす必要があることです。曝気量を増やすと、消費電力が増加するだけでなく、生物反応の速度も速くなります。溶存酸素量の増加は、脱窒に必要な炭素源を奪い取り、生物反応による脱窒・リン除去効果に直接影響を与え、結果として窒素とリンが過剰になります。

一方、汚泥濃度が高いと泥水界面が上昇し、二次沈殿池の放流水とともに汚泥が失われやすく、高度処理装置を閉塞したり、放流水のCODやSSが基準値を超過する原因となります。

結果について話した後、ほとんどの下水処理場で汚泥活性が低く、汚泥濃度が高いという問題が発生する理由について話しましょう。

実際、汚泥濃度が高い原因は、汚泥活性が低いことです。汚泥活性が低いため、処理効果を向上させるには、汚泥濃度を高める必要があります。汚泥活性が低いのは、流入水に多量のスラグ砂が含まれており、それが生物処理装置に入り込んで徐々に蓄積し、微生物の活性に影響を与えるためです。

流入水には大量のスラグと砂が含まれています。一つには、格子の遮断効果があまりにも低いこと、もう一つは、我が国の下水処理場の90%以上が一次沈殿池を設置していないことです。

なぜ一次沈殿池を建設しないのかと疑問に思う方もいるかもしれません。これは管路網の問題です。我が国の管路網では、誤接続、混在接続、接続漏れといった問題が多発しています。その結果、下水処理場への流入水質は、一般的に無機固形物濃度（ISS）が高く、CODが低く、C/N比が低いという3つの特徴を示しています。

流入水中の無機固形物濃度が高く、つまり砂含有量が比較的高い。本来、一次沈殿池で一部の無機物質を除去できるはずであるが、流入水のCODが比較的低いため、ほとんどの下水処理場では一次沈殿池を建設していない。

結局のところ、低い汚泥活性は「重いプラントと軽いネット」の名残です。

汚泥濃度が高く活性が低いと、処理水中の窒素とリンが過剰になることは既に述べました。現在、多くの下水処理場では、炭素源や無機凝集剤の投入による対策が取られています。しかし、外部からの炭素源を大量に投入すると消費電力がさらに増加し​​、凝集剤を大量に投入すると化学汚泥が大量に生成され、汚泥濃度の上昇と活性の低下を招き、悪循環に陥っています。

#2

リン除去薬品の使用量が増えるほど、汚泥生成量も増加するという悪循環。

リン除去化学薬品の使用により、汚泥生成量は 20 ～ 30% あるいはそれ以上増加しました。

汚泥の問題は、主に汚泥の排出口がないか、排出口が不安定なため、長年下水処理場の大きな懸念事項となってきました。

これにより、汚泥齢が長期化して汚泥老化現象が発生し、さらに汚泥バルキングなどのより深刻な異常が発生します。

膨張汚泥は凝集性が悪く、二次沈殿池からの放流水の損失により高度処理装置が閉塞し、処理効果が低下し、逆洗水量が増加します。

逆洗水の量を増やすと、2 つの結果が生じます。1 つは、前の生化学セクションの処理効果が低下することです。

多量の逆洗水が曝気槽に戻されるため、構造物の実際の水理滞留時間が短縮され、二次処理の処理効果が低下します。

2つ目は、深度処理装置の処理効果をさらに低減することです。

多量の逆洗水を高度処理ろ過装置に戻す必要があるため、ろ過速度が増加し、実質的なろ過能力は低下します。

全体的な処理効果が低下し、放流水中の全リンおよびCODが基準値を超える可能性があります。基準値超過を回避するために、下水処理場ではリン除去剤の使用量が増加し、その結果、汚泥量がさらに増加し​​ます。

悪循環に陥る。

#3

下水処理場の長期的な過負荷と下水処理能力の低下の悪循環

下水処理は人だけでなく設備にも依存します。

下水道設備は長年、水処理の最前線で奮闘してきました。定期的な修理を怠れば、遅かれ早かれ問題が発生します。しかし、多くの場合、下水道設備は修理不可能です。なぜなら、一度停止すると、排水量が基準値を超えてしまう可能性があるからです。日額罰金制度の下では、誰もが修理費用を負担できるわけではありません。

王鴻塵教授が調査した467の都市下水処理場のうち、約3分の2は水圧負荷率が80％を超え、約3分の1は120％を超え、5つの下水処理場は150％を超えています。

一部の超大型下水処理場を除き、一般下水処理場では、水圧負荷率が80％を超える場合、放流水量が基準値に達することを前提にメンテナンスのために止水することができず、曝気槽や二次沈殿池の吸引・掻き取り機用の予備水も確保されていないため、下部設備は排水時にのみ全面的にオーバーホールまたは交換することが可能である。

つまり、約3分の2の下水処理場では、処理水質が基準を満たすことを前提とした設備の改修ができないということになります。

王宏塵教授の研究によると、曝気装置の寿命は通常4～6年ですが、4分の1の下水処理場では6年もの間、曝気装置の通気メンテナンスが実施されていません。また、泥かき装置は定期的に空にして修理する必要があるにもかかわらず、年間を通して修理が行われていないのが現状です。

設備は長期間にわたり故障を抱えたまま稼働しており、水処理能力はますます低下しています。放水口の圧力に耐えるために、メンテナンスのために設備を停止する術はありません。このような悪循環の中で、下水処理システムは必ず崩壊の危機に瀕することになります。

#4

最後に書く

環境保護が我が国の基本政策として確立されて以来、水、ガス、固形物、土壌などの汚染対策分野は急速に発展し、その中でも下水処理分野は先導的な役割を担っていると言えるでしょう。しかし、環境保護のレベルが不十分であったため、下水処理場の運営は行き詰まりに陥り、管路網と汚泥問題は我が国の下水処理産業の二つの大きな欠陥となっています。

そして今、その欠点を補う時が来ました。