下水処理場は3つの悪循環に陥っている。

公害防止事業体として、下水処理場の最も重要な任務は、排水が基準を満たすことを保証することです。しかし、ますます厳しくなる排水基準と環境保護検査官の取り締まりにより、下水処理場は大きな運営上のプレッシャーにさらされています。排水処理がますます困難になっているのです。

著者の観察によると、排水基準を満たすことが困難な直接の原因は、我が国の下水処理場に一般的に3つの悪循環が存在することにある。

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増えるという悪循環です。3つ目は、下水処理場が長期にわたって過負荷運転となり、設備のオーバーホールができず、一年中故障した状態で稼働し、下水処理能力の低下という悪循環につながることです。

#1

汚泥活性の低下と汚泥濃度の増加という悪循環

王洪晨教授は467か所の下水処理場について調査を行いました。汚泥活性と汚泥濃度のデータを見てみましょう。これらの467か所の下水処理場のうち、61%はMLVSS/MLSSが0.5未満、約30%はMLVSS/MLSSが0.4未満です。

下水処理場の3分の2では汚泥濃度が4000mg/Lを超え、3分の1では6000mg/Lを超え、20か所では10000mg/Lを超えている。

上記の条件（汚泥活性の低下、汚泥濃度の増加）の結果はどうなるのでしょうか？多くの技術記事でその真相が分析されていますが、簡単に言うと、結果は一つ、つまり、排水量が基準値を超えるということです。

これは2つの側面から説明できます。一方では、汚泥濃度が高くなった後、汚泥の堆積を防ぐために曝気量を増やす必要があります。曝気量を増やすと、電力消費量が増加するだけでなく、生物学的処理量も増加します。溶存酸素量の増加は脱窒に必要な炭素源を奪い、生物学的処理システムの脱窒と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、汚泥が二次沈殿槽の排水とともに流出しやすくなり、高度処理装置が詰まったり、排水中のCODやSSが基準値を超えたりする可能性がある。

結果について述べた後、なぜほとんどの下水処理場で汚泥活性の低下と汚泥濃度の上昇という問題が発生するのかについて説明しましょう。

実際、汚泥濃度が高い理由は、汚泥活性が低いことにある。汚泥活性が低いため、処理効果を高めるには汚泥濃度を上げる必要がある。汚泥活性が低いのは、流入水に大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み徐々に蓄積することで、微生物の活性に影響を与えているためである。

流入水には大量のスラグや砂が含まれています。一つは、格子による遮断効果が低すぎること、もう一つは、我が国の下水処理場の90%以上が一次沈殿槽を設置していないことです。

一次沈殿槽を建設しないのはなぜかと疑問に思う人もいるかもしれません。これは配管網の問題です。私の国の配管網には、誤接続、混在接続、接続漏れなどの問題があります。その結果、下水処理場の流入水の水質は一般的に、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つの特徴を持っています。

流入水中の無機固形物の濃度が高い、つまり砂の含有量が比較的高い。本来、一次沈殿槽で一部の無機物質を低減できるはずだったが、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槽を設置していない。

最終的に、汚泥活性の低さは「重い処理施設と軽い処理網」という過去の遺産であると言える。

汚泥濃度が高く活性が低いと、排水中の窒素とリンが過剰になることは既に述べました。このような場合、ほとんどの下水処理場では炭素源と無機凝集剤を添加するという対策が取られています。しかし、大量の外部炭素源を添加すると電力消費量がさらに増加し​​、大量の凝集剤を添加すると大量の化学汚泥が発生し、汚泥濃度の上昇と汚泥活性のさらなる低下を招き、悪循環に陥ります。

#2

リン除去剤の使用量が増えるほど、汚泥の発生量も増えるという悪循環。

リン除去剤の使用により、汚泥の発生量が20～30％、あるいはそれ以上増加した。

汚泥の問題は、長年にわたり下水処理場にとって大きな懸念事項となっている。その主な理由は、汚泥の排出経路がない、あるいは排出経路が不安定であるためである。

これにより汚泥の滞留期間が長くなり、汚泥老化現象、さらには汚泥膨張などのより深刻な異常が発生する。

膨張した汚泥は凝集性が低い。二次沈殿槽からの排水が減少すると、高度処理装置が詰まり、処理効果が低下し、逆洗水量が増加する。

逆洗水量の増加は2つの結果をもたらします。1つは、前の生化学処理工程の処理効果を低下させることです。

大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する。

2つ目は、深度処理ユニットの処理効果をさらに低減することです。

大量の逆洗水を高度処理ろ過システムに戻す必要があるため、ろ過速度は向上するが、実際のろ過能力は低下する。

全体的な処理効果が低下し、排水中の総リン濃度とCOD濃度が基準値を超える可能性があります。基準値超過を避けるため、下水処理場ではリン除去剤の使用量を増やすことになりますが、その結果、汚泥の発生量がさらに増加し​​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という悪循環

下水処理は、人だけでなく設備にも依存する。

下水処理設備は長年にわたり、水処理の最前線で奮闘してきた。定期的な修理を怠れば、遅かれ早かれ必ず問題が発生する。しかし、多くの場合、下水処理設備は修理不可能である。なぜなら、一度設備が停止すると、排水量が基準値を超える可能性が高く、日割り罰金制度の下では、誰もが修理費用を負担できるわけではないからだ。

王洪晨教授が調査した467の都市下水処理場のうち、約3分の2が水理負荷率80％以上、約3分の1が120％以上、そして5つの下水処理場が150％以上となっている。

水理負荷率が80%を超えると、ごく一部の超大型下水処理場を除き、一般的な下水処理場では、排水が基準を満たしているという前提でメンテナンスのために給水を停止することはできず、曝気装置や二次沈殿槽の吸引装置および掻き取り装置への予備水もありません。下部設備は、排水した状態でのみ、完全にオーバーホールまたは交換することができます。

つまり、下水処理場の約3分の2は、排水が基準を満たすことを前提として設備を修理することができないということだ。

王洪晨教授の研究によると、曝気装置の寿命は一般的に4～6年だが、下水処理場の4分の1は6年間も曝気装置の通気メンテナンスを行っていない。また、清掃や修理が必要な泥掻き取り装置も、年間を通して修理されることはほとんどない。

設備は長期間にわたり故障した状態で稼働しており、水処理能力はますます低下している。排水口からの圧力に耐えるためには、メンテナンスのために停止することはできない。このような悪循環の中では、必ずどこかの下水処理システムが崩壊の危機に瀕するだろう。

#4

最後に書く

環境保護が我が国の基本的国家政策として確立されて以来、水、ガス、固体、土壌などの汚染対策分野は急速に発展し、中でも下水処理分野は先導的な役割を果たしてきたと言える。しかし、その水準が不十分なため、下水処理場の運営はジレンマに陥り、配管網と汚泥の問題は、我が国の下水処理産業における二大欠点となっている。

そして今こそ、これまでの欠点を挽回する時だ。