高度な排水・水処理ソリューション：クリーンウォーターのための持続可能な技術

排水・水処理技術

かつて水は安価で豊富にあり、製鉄業界はそれを当たり前の生産用ユーティリティとして扱ってきました。しかし現在、淡水の供給と消費のバランスが崩れ、水資源がますます希少になっているため、清潔で安全な水へのアクセスは現代社会の主要な課題の一つとなっています。水需要が増加している主な理由は、(i)人口増加と乾燥地域への移住、(ii)急速な工業発展と一人当たり水使用量の増加、(iii)気候変動による人口密集地域の気象パターン変化、の3点です。これにより製鉄業界は新たな「水制約時代」に突入しました。さらに過去30年間、環境汚染への懸念が世界的に高まり、より厳格な環境規制が制定されるようになりました。

製鉄業界における水の用途と排水の発生

製鉄業界では、冷却、粉塵抑制、洗浄、温度制御（熱処理）、廃棄物（灰、スラッジ、スケール等）の搬送など、多様な用途で大量の真水を使用します。水はコークス炭ブレンドの水分調整、焼結混合物のペレタイズ、鉄鉱石ペレット製造時のグリーンペレット成形、蒸気・発電、高炉スラグの粒状化など、一部の製鉄プロセスにおいて不可欠な要素です。大量の水を使用することで相当量の排水が発生し、これを排出する必要があります。製鉄業界からの排水排出は水質汚濁の一因と認識されています。製鉄プラントのプロセスで発生する排水には、多くの溶解性・不溶解性物質や化学物質が含まれています。

プロセス水の主な用途

製鉄プラントにおけるプロセス水の主な用途には、プロセス排ガスの冷却・洗浄、コークスとスラグの直接冷却、鋼材の直接冷却・洗浄、製品洗浄、プロセス溶液の補充、プロセス機器の直接冷却などがあります。製鉄所で使用される水の大半は、加工機器の非接触冷却用です。また、蒸気と発電にも使用されます。

排水の分類

プロセス排水とは、鉄鋼生産のためのプロセス、製品、副産物、原材料と直接接触する排水を指します。スラグ消火水、機器洗浄水、大気汚染防止装置からの排水、洗浄水、汚染冷却水も含まれます。一方、生活排水と雨水はプロセス排水とみなされません。非接触冷却排水は、プロセス、製品、副産物、原材料と直接接触しない冷却水であり、これもプロセス排水とはみなされません。非プロセス排水は、ユーティリティ排水（水処理残渣、ボイラー吹き出し水、熱回収装置からの大気汚染防止排水、コジェネレーション施設からの排水）、地下水浄化システムからの処理済み・未処理排水、建物基礎の排水、生産プロセスに関連しないその他の排水流です。

未処理排水排出の影響

未処理排水の排出は、(i)河川での溶存酸素消失と悪臭発生、(ii)病原性微生物による人体への悪影響、(iii)汚泥とスカムの蓄積、(iv)栄養塩による水域の富栄養化と水生植物・藻類の繁殖、(v)有機化合物分解による大量の悪臭ガス発生、などを引き起こします。適切な処理を行わずに排出すると、周辺水域の汚染につながるため、プラント敷地外への排出前には必ず無害化処理が必要です。

排水中の主要汚染物質

固形物

排水中の総固形物は溶解性固形物と懸濁固形物の形で存在します。懸濁固形物（SS）はコロイド状固形物（沈降しない）と沈降性固形物に分けられます。未処理排水が水生環境に排出されると、SSは汚泥堆積と嫌気性条件を引き起こします。全懸濁固形物（TSS）が増加すると、水域の水生生物多様性維持能力が低下します。懸濁固形物は太陽光の熱を吸収し、水温上昇と溶存酸素低下を招きます。浮遊固形物は主に油脂粒子で構成され、スカムを形成します。スカムは表面掻き取り装置で除去しやすいです。

生物分解性有機物

主にタンパク質、炭水化物、脂肪で構成され、BOD（生物化学的酸素要求量）とCOD（化学的酸素要求量）で測定されます。BODは20℃で5日間かけて微生物が有機物を酸化するのに必要な酸素量を示す重要な水質指標です。CODは一部の芳香族化合物（ベンゼン、トルエン、フェノール等）を除く全有機炭素を化学酸化で測定します。高BOD・高CODは水域の低酸素状態を招き、水生生物に悪影響を与えます。未処理排出時には生物学的安定化により天然酸素資源が枯渇し、セプティック状態を引き起こす恐れがあります。

病原体

疾病を引き起こす微生物で、排水中の病原性生物を通じて感染症が伝播する可能性があります。

栄養塩

窒素とリンは炭素とともに生育に必須の栄養素ですが、水生環境に排出されると望ましくない水生生物の繁殖を促します。土地に過剰排出されると地下水汚染の原因となります。

重要汚染物質

発がん性、変異原性、高い急性毒性が疑われる有機・無機化合物で、公衆衛生と生物学的処理プロセスの保護のため、排水中での存在を最小限に抑える必要があります。

難分解性有機物

従来の排水処理法では分解しにくい有機物で、界面活性剤、フェノール、農薬などが典型例です。中には生物学的処理プロセスに毒性を示すものもあります。

重金属

製鉄プラントの各ユニットから発生する排水に含まれることがあります。飲料水源となる水域に排出する場合は除去が必須です。また、安定化汚泥（バイオソリッド）の農地還元利用にも影響を与えます。

溶解性無機物

カルシウム、ナトリウム、硫酸塩などが一部の製鉄ユニット排水に含まれます。飲料水源への排出時は除去が必要です。

溶解性化学物質

プロセスによって多種多様な溶解性化学物質が含まれる可能性があり、汚染物質の種類、濃度、流量、生物分解性のしやすさを慎重に評価する必要があります。わずか1mg/Lの濃度でも着色水を生じ、水域の美観と透明度、光合成に影響を与えます。酸・アルカリはpH異常を引き起こし、従来処理では分解困難な化学物質も存在します。

水処理の3つの主要目的

1. 取水源の固有の物理的・化学的・生物学的性質を付与・維持し、飲料水や生産工程用水として適するようにすること
2. 公衆衛生上のリスクから守りつつ、環境にダメージを与えずに排水処理を可能にすること
3. 水生生物・植生の保全・発育、家畜・野生動物の飲料水、レクリエーション・景観用途に必要な、自然環境における水の特性を付与・維持すること

処理技術の4分類

水・排水処理は、比較的狭い範囲の支配原理に基づく個別のユニット操作を組み合わせたプロセス（処理スキーム）として実施されます。地下水、湖沼、貯水池、河川、海水を飲料用に浄化する場合も、下水や産業排水を環境排出用に浄化する場合も、同じ基盤メカニズムが適用されます。

従来型処理技術は排水の水質改善と清浄水資源への汚染防止に役立ちますが、発生源近くのコミュニティでの有益な再利用に適した水質までは達成できません。この限界を克服し、リサイクル・再利用を広く普及させるには、更なる水質改善を可能にする革新的・高度な技術が必要です。

高度処理プロセスは、生物学的プロセス、物理化学的プロセス、または両者の組み合わせ（ハイブリッドプロセス）に分類されます。窒素・リンなどの栄養塩汚染物質を除去する生物学的プロセスは、再利用水質への更なる処理の基盤となります。ディープベッドろ過、浮遊媒体ろ過、膜ろ過などの物理化学的プロセスは、水再利用のための処理技術で主要な役割を果たします。膜ろ過は、最小限の汚泥発生で高品質な処理水を生産し、ほぼ無消毒で済むという大きな利点があります。ハイブリッドプロセスは、生物学的・物理化学的プロセス双方の利点を1工程で得ようとするものです。

排水の再生と飲用水製造プロセスの導入は、環境保護という本来の目的を補完するものであり、これらは同一分野に属すると見なされます。水処理技術は、(i)物理的方法、(ii)化学的方法、(iii)生物学的方法、(iv)エネルギー集約的方法の4分野に大別されます。

物理的方法

スクリーンやろ過媒体を通過させたり、重力沈殿や気体浮上によって固形物を除去します。空気とともに捕捉された粒子は表面に浮上し除去されます。物理的方法は固液分離技術の総体と見なされ、ろ過が支配的役割を果たします。ろ過技術は大別して従来型と非従来型に分かれ、飲料水・排水処理の不可欠な構成要素です。ただし、現代の浄水プラントスキームにおける多数の装置・技術オプションの中の1ユニットプロセスに過ぎず、最終的な処理目標に応じて選択されます。ろ過の役割を理解するには、排水浄化に用いられる他技術との違い、各ユニットプロセスの目的の違いを明確にすることが重要です。

化学的方法

汚染物質に化学変化を与え、除去しやすくします。フロック形成や重い粒子生成による物理的除去促進、汚染物質の分離補助、有害影響の破壊・中和などが含まれます。化学処理は単独技術としても、物理的方法と統合されたプロセスの一部としても適用されます。通常、薬剤添加と物理プロセスを組み合わせて処理を行います。

生物学的方法

微生物を用いて排水中の有機汚染物質を分解するシステムです。自然の生物分解プロセスをシステム内で封じ込め、加速させ、有機物と栄養塩を除去します。微生物が栄養塩、コロイド、溶解性有機物を代謝し、処理水が得られます。過剰微生物増殖は物理プロセスで処理水から除去されます。生物学的プロセスは、エネルギー消費と薬剤使用の面からコスト効果が高く、好ましい処理法とされています。

エネルギー集約的方法

熱的手法は水処理で二重の役割を果たします。滅菌手段として高品質飲料水を供給する一方、水処理から発生する固形廃棄物や汚泥の処理にも適用されます。後者では、有機汚染物質で汚染された汚泥の滅菌、減容化に用いられます。減容化は重要なステップで、汚染水と有害固形廃棄物のトレードオフ関係にあります。電気化学的技術も含まれ、主に飲料水用途に適用され、滅菌と飲用適正化の両面で機能します。

これら4技術群は組み合わせて使用することも、目的に応じて選択的に組み合わせることも可能です。各技術クラス内には多様なハードウェアと個別技術が存在し、最適なユニットプロセス・ハードウェアの選択と、4群からの最適な組み合わせは、(i)最終放流水の清浄度要件、(ii)処理対象排水の量と質、(iii)除去・中和対象汚染物質の理化学的性質、(iv)水処理から発生する固形廃棄物の理化学・熱力学的性質、(v)固形廃棄物の処理・処分費用を含む処理コスト、などの要因に依存します。

製鉄排水処理の戦略と排水処理プラント（ETP）

製鉄排水処理には、様々な汚染物質を除去するための多様な戦略が必要です。(i)固形物除去、(ii)油脂除去、(iii)生物分解性有機物除去、(iv)活性汚泥法、(v)散水ろ床法、(vi)有毒物質処理、(vii)酸・アルカリ処理、(viii)その他有機物処理。製鉄所の排水処理施設は「排水処理プラント（ETP）」とも呼ばれます。

ETPの目的

1. 自然環境への良好な水質での排出確保
2. 汚染物質の最も効率的かつ低コストな除去
3. 悪臭、ガス排出、騒音、固形物処分などのその他環境影響の回避・最小化
4. 再利用・リサイクル用処理水の生産
5. 経済的に実現可能な場合の塩類回収

ETP計画時の考慮事項

1. 目標放流水質または許可要件（国・州・地方・組織ガイドラインへの準拠）
2. 処理必要排水量
3. 製造工場の能力
4. 技術の複雑さ、操作性、適応性、信頼性、堅牢性、エネルギー要件
5. 資本的・運転コスト
6. 利用可能土地面積
7. 汚泥発生量と処分要件

排水処理の4段階

製鉄所の各工程からの排水は、その特性に応じて異なる処理オプションが適用されます。物理・化学・生物・エネルギー集約的技術の様々な組み合わせで、固形物、有機物、場合によっては栄養塩を除去します。処理は予備処理、一次処理、二次処理、三次処理の4レベルで実施され、それぞれ処理度合いが異なります。

予備処理

下流設備の閉塞・目詰まり・摩耗の原因となる物質を除去することが目的です。通常、ETP送水前に実施し、ETP性能を向上させます。粗大固形物や大型異物を除去し、後続処理ユニットの運転・保守効率を高めます。使用されるユニットプロセスには、(i)臭気制御、(ii)予備曝気、粗粉砕、スクリーン・格子による大型物質除去などがあります。多くの場合、油脂除去とpH調整も同時に実施されます。

一次処理

予備処理に続く最初のステップ（予備処理がない場合は最初のステップ）で、物理化学処理によりアルカリ性から中性付近へpHを調整し、一次沈殿池での懸濁固形物の物理的沈降により、下流プロセスへのBOD・SS負荷を低減します。一次沈殿槽の採用により、下流生物学的プロセスの運転上の問題が軽減されます（油脂量減少、生物反応槽でのバイオマス蓄積減少、タンク内沈殿最小化、活性汚泥バイオマスの「非糸状性」バルキング傾向低減等）。一次処理では通常、凝集・フロック形成プロセスを用いて固形物分離を改善します。

一次処理の目的は、沈降性有機・無機固形物の沈殿除去と、浮遊物質の掻き取り除去です。一次処理では、流入BODの35〜55%、総SSの55〜75%、油脂の約70%が除去されます。固形物に伴う有機態リン、有機態窒素、重金属の一部も除去されますが、コロイド・溶解性成分には影響しません。

主プロセスは沈殿で、補助プロセスとして微細スクリーン、凝集、浮上があります。凝集は通常、石灰、明礬、専用薬剤による化学処理に先行します。主目的は金属の沈殿除去と関連コロイド性BODの除去による化学汚泥生成です。一次処理では凝集・フロック形成プロセスを適用し固形物分離を改善します。

フロック形成（凝集）

粘性コロイドや微細懸濁物質の凝集を、物理的混合と化学凝集剤の添加で促進する物理化学プロセスです。急速混合槽とフロック形成槽で構成されます。排水と凝集剤を急速混合槽で混合後、フロック形成槽で緩やかに混合し、粒子をより沈降しやすい重い固形物として回収させます。拡散空気や機械パドルでより良い混合を促進します。天然有機高分子、無機電解質、合成ポリ電解質などが凝集剤として使用され、汚染物質の特性と化学的性質に応じて選定されます。

沈殿

排水中の固相と液相の分離を重力で行い、容易に沈降する固形物を除去するのが主目的です。固形物は主に有機物と、脂肪・油・グリースなどの浮遊物質です。沈殿固形物は「一次汚泥」と呼ばれます。このプロセスで流入排水のSS含有量を低減します。一次汚泥量は総流入排水量の約2%ですが、有機負荷（COD換算）の30〜40%、SS負荷の40〜60%を占めます。沈殿槽にはバッフルと油掻き取り装置、底部汚泥除去用機械スクレーパーが設置されます。

固形物除去効率は沈殿槽・澄清槽の特性に依存します。沈殿槽は、入口バッフル（エネルギー消散用）、静穏帯（粒子沈降用）、沈殿固形物除去機構、出口への低流速を備えます。フロック形成槽と沈殿槽は長方形、円形、傾斜板（ラメラ）型があり、敷地条件、利用可能面積、設計チームの経験に基づき選定されます。理想的には2槽以上が必要です。長方形とラメラ型は円形より土地効率が良く、土地制約がある場合に有用です。

溶存気体浮上法（DAF）

微細気泡を利用して懸濁粒子を水面まで浮上させ、回収・除去するプロセスです。導入された微細気泡（10〜50μm）が粒子に付着し、自由油粒子を水面に上昇させて掻き取ります。油は比重が水より小さく自然沈降しないため、DAFは油脂除去に特に適しています。乳化状態の油には、乳化層を不安定化する薬剤が必要です。

加圧水流は全流入量、一部流入量、または処理済み水（放流水）のいずれかで、それぞれ全量式、部分流式、循環式の3タイプがあります。最も一般的なのは循環式で、加圧装置が少なくて済み（低エネルギー）、ポンプ摩耗問題を回避し、ポンプ系内でのコロイド・乳化物生成を防止できます。DAFは流入濃度500mg/L以下であれば油濃度を10〜25mg/Lまで低減可能です。重力沈殿より高い水力負荷率で運転されるため、滞留時間は15〜30分と短く、コンパクトで設置面積が小さいのが特徴です。円形・長方形両配置が可能です。

化学処理プロセス

生物学的処理の前段階で毒性化学物質を除去するために、または処理プロセスの必要に応じて任意の段階で使用されます。

溶解性固形物除去

以下の方法で除去します。(i)化学薬剤で汚染物質を固体やガスとして沈殿させ、物理分離で除去、(ii)粉末・粒状活性炭などの固体材料への吸着、(iii)逆浸透やナノろ過などの致密膜プロセスによる除去、(iv)比較的無害な最終生成物への変換。変換には化学・生化学反応（酸化還元または非酸化還元）が関与します。有機汚染物質の酸化では、最終生成物は二酸化炭素、硝酸塩、水となります。還元の例として、次亜硫酸塩による過剰塩素の消去、硝酸塩の窒素への生化学的還元（脱窒）があります。非酸化還元プロセスの重要例として、pH調整、炭酸カルシウムや硫酸カルシウムなどのアルカリ土類塩の沈殿があります。

中和

未処理排水のpH範囲が広く変動する場合、処理効率を最適化するために中和でpHを調整します。pH低下には硫酸や塩酸、上昇には消石灰や水酸化ナトリウムを使用します。通常、急速混合保持槽または均質化槽で実施し、放流基準適合のために処理末端でも実施できます。

沈殿（金属除去）

排水流から金属化合物を除去するための2段階プロセスです。第1段階で沈殿剤を混合し不溶性金属沈殿物を生成、第2段階で澄清とろ過により沈殿金属を除去し、発生汚泥を適切に処理後、リサイクルまたは処分します。重要パラメータはpH制御です。金属水酸化物の溶解度は高・低pH側で増大し両性を示すため、各金属の水酸化物沈殿には最適pHが存在します。複数金属が共存する場合、最適薬剤選定とpH制御が困難になり、複数金属の最良除去間でトレードオフが生じます。石灰、水酸化ナトリウム、ソーダ灰、硫化ナトリウム、硫酸第一鉄などが使用されます。アンチモン、ヒ素、クロム、銅、鉛、ニッケル、亜鉛などには水酸化物沈殿が、水銀、鉛、銅、銀、カドミウムなどには硫化物沈殿が一般的です。

二次処理

微生物を用いて排水中の懸濁・溶解性有機物質を分解・分解するプロセスです。活性汚泥法（ASP）と生物学的ろ過法が主に用いられます。有機汚染物質除去には生物学的処理が最も効率的で、排水中に自然存在する微生物を利用して有機汚染物質を分解します。アンモニア、シアン化物、硫化物、硫酸塩、チオシアン酸塩など一部の無機化合物も生物学的に分解可能です。生物学的プロセスは、(i)好気性（酸素必要）、(ii)嫌気性（酸素不要、硫酸塩・リン酸塩・その他有機物利用）、(iii)通性（酸素の有無両方で生育可能）に大別されます。

好気性プロセスは、制御されたバイオマス量を持つ生物反応槽と、バイオマスと最終放流水を分離する澄清槽で構成されます。嫌気性システムより高いエネルギー投入と多量の汚泥発生を伴います。例：100kg COD負荷に対し、好気性では曝気で100kWh必要、30〜60kg汚泥発生、流出COD 2〜10kg。一方嫌気性では汚泥わずか5kg（好気性の1/6〜1/12）、40〜45m³バイオガス発生（382kWh電力換算可能）ですが、流出CODは好気性の2倍で水質は劣ります。

主要制御パラメータ

• 水力滞留時間（HRT）：曝気槽容量÷平均流量で求められる平均滞在時間（時間）。必要BOD除去のために十分な長さが必要で、生物学的処理システムのタイプにより0.5〜120時間の範囲で変動。短いほど排水が速やかに流出。
• 混合液懸濁固形物（MLSS）：生物学的排水処理で最重要制御パラメータの一つ。汚泥沈降性と放流水質に直結し、餌/微生物比（F/M比）とも関連。MLSSはバクテリア、死菌、高等生物を含む全懸濁固形物。有機物部分はMLVSS（混合液揮発性懸濁固形物）で表されバイオマスを示す。MLSSは汚泥廃棄率で制御。典型値はプロセスタイプ依存。MLSS濃度が高いほど設備フットプリントが小さく、空間制約がある場所で膜分離活性汚泥法（MBR）が人気。MLVSS ≈ 0.75×MLSS。
• 餌/微生物比（F/M比）：活性汚泥プロセスの有機負荷を表す指標。プロセス設計・運転の重要因子、特に曝気槽容量決定に影響。範囲は0.5〜1.5。従来型プラントでは0.2〜0.5を目標。高F/M負荷（0.8〜1.5）では処理速度向上だが汚泥沈降性悪化。低F/M負荷（0.05〜0.2）ではBOD除去緩やかだが汚泥沈降良好。ただし有機物急増負荷でシステムが容易にアップセット。
• 汚泥齢：「平均細胞滞留時間（MCRT）」や「固形物滞留時間（SRT）」とも呼ばれる。曝気槽と澄清槽内の総汚泥量÷日次汚泥損失量（廃棄活性汚泥＋放流水）で計算。0.5〜75日（低成長率システム）の範囲。F/M比の指標となり、短いほど高F/M、長いほど低F/Mを示唆。顕微鏡（100倍）で汚泥品質判定可能。日次の顕微鏡観察でトラブル予防。重要微生物：バクテリア、菌類、藻類、原生動物、輪虫、線虫。高等生物指標生物の存在はプラント性能と相関。良好沈降汚泥は柄付き繊毛虫・吸着虫の存在、黄金褐色（下水処理場）。低汚泥齢は柄付き繊毛虫不在、遊泳性繊毛虫（ゾウリムシ等、遊泳にエネルギー消費）優占、高BODスラグで高等生物不在。古い汚泥は線虫や輪虫多数。
• 汚泥体積指数（SVI）：汚泥を1Lメスシリンダーに入れ、5分間隔で30分間の沈殿率を測定。ml/gで表現。信頼性の高いトラブルシューティング指標。30〜400ml/gの範囲。150未満で良好沈降、以上でバルキング。生物反応槽運転に影響するその他主要変数：
• 酸素要求量：有機物分解に必要。有機物消費、内因性呼吸要求、TKN（総ケイダール窒素）全硝化酸化に依存。典型的曝気槽溶存酸素濃度2〜4mg/L。窒素除去時は高め維持。これ以上は電力浪費。
• 汚泥生成量（汚泥収率）：バイオマス崩壊で汚泥生成。従来型工業システムでは0.15kg/kg BODまで低減可能（コークス製造等）。
• 汚泥循環率：生成汚泥の一部を曝気槽に循環しバイオマス生成促進。汚泥循環体積流量÷処理流入体積流量。循環系統能力は日平均総流入量の200%未満不可。
• 栄養要求量（C:N:P比）：炭素・水素・酸素以外に窒素、リン、微量元素（Fe、Ca、Mg、Cu、Zn等）必要。工業排水の多くはN・P不足で、尿素、過リン酸石灰、リン酸アンモニウム等で補給し最適微生物生育条件維持。好気性プロセス最小C:N:P＝100:5:1、嫌気性では330:5:1。

主要好気性生物学的プロセス

活性汚泥法（ASP）

好気性バイオマス懸濁を用いる生物学的プロセスの総称。1900年代初頭、英国で家庭排水処理用に開発され、以降工業排水の生物分解性有機物除去に適応。ASPとその変法は、中程度強度（10〜1,000mg/L BOD）から高強度（>1,000mg/L BOD）の生物分解性排水を処理可能。重金属やTDSは除去不能。シアン化物、クロム、水銀などはASPを含む生物学的プロセスの阻害物質となる。ASPは質量負荷設計により、(i)低負荷（延長曝気、オキシデーションディッチ等）、(ii)中負荷（従来型）、(iii)高負荷の3群に分類。

ASPでは、一次沈殿済み排水または均質化流入水を微生物培養と混合し「混合液」を形成。これを曝気槽で好気的環境下に置き、微生物が有機物を摂取・安定化。混合により酸素と餌を微生物に供給し、フロック形成を促進しつつ曝気槽内でのフロック沈降を防止。「廃棄活性汚泥（WAS）」として微生物と過剰微生物物質が生成。二次澄清槽または膜分離活性汚泥法（MBR）などで固形物と処理水を分離。WAS大部分は「返送活性汚泥（RAS）」として曝気槽に還流し、曝気槽内微生物個体数維持と、COD・芳香族炭化水素分解に十分な汚泥齢確保。残りは除去・濃縮処理。二次澄清槽は放流水澄清と汚泥濃縮の二重目的。pH変動に敏感で、高・低pHでシステムアップセットと澄清槽過負荷を招く。

窒素化合物は水生生物に毒性、受水域酸素消費、公衆衛生悪影響、水再利用可能性低下を招くため、過剰と判断されれば硝化・脱窒プロセスで除去。有機態窒素→アンモニア→亜硝酸塩→硝酸塩→窒素ガスの経路で変換。脱窒はアルカリ度を消費し、pH低下防止のため十分なアルカリ度必要。アンモニア性窒素1mg/L除去につき7.14mg/L重炭酸アルカリ度必要。溶存酸素も脱窒のため4mg/L付近維持必要。プロセス制御は排水特性と最適運転に合わせ個別にカスタマイズ。

オキシデーションディッチ法

1950年代、オランダで開発されたASPの変法で、延長曝気の特殊形態。リング状のディッチで排水・微生物・活性汚泥を連続循環混合し、硝化・脱窒反応を完結。構成：ディッチ本体、曝気ミキサー、入出口。長い水力滞留時間（20〜36時間）、低有機負荷、長汚泥齢（従来ASP比）により、均質化、一次沈殿、汚泥消化槽を省略可能。利点：(i)低エネルギー消費、(ii)低メンテナンス、(iii)操作容易・低資本支出、(iv)長固形物滞留時間による少量汚泥、(v)長水力滞留時間によるショック負荷・水力サージ耐性。欠点：放流水SS品質がASPより劣る、広い土地必要。

シーケンシングバッチリアクター（SBR）法

他ASPと異なりバッチプロセス。ASPの全工程（一次沈殿、生物学的酸化、二次沈殿）を単一タンクで実施。工程：充填、反応、沈殿、排水、待機。コンパクトで低資本支出。土地不足時に有利（曝気・澄清を1タンクで完結）。窒素・リン除去にも適用。標準サイクル4〜6時間、1日4〜6反応サイクル。従来ASP比：ショック負荷耐性、運転柔軟性（運転時間調整可能）、少量汚泥。

散水ろ床（トリクリングフィルター）

1890年代開発。ASPが懸濁式なのに対し、固定担体式生物学的プロセスの例。粗大材料（丸石25〜100mm、砕石、木製・プラスチック板、プラスチックリング）層に移動噴霧分配器や固定ノズルから排水を散布。ろ材は微生物付着・増殖用の大表面積を提供し、約10mm厚のゼリー状バイオフィルム形成。バイオフィルム外層（0.1〜0.2mm）で好気性バクテリアが有機物分解。バイオフィルム肥大時は剥離し新層形成。現代では岩石より軽量なプラスチック媒体を使用し、岩石ろ床3mに対し最大6m深度まで可能、より高いろ床で土地節約。

ろ床放流水は再循環され、ろ媒体乾燥防止、ろ過効率向上、悪臭低減。強力排水対応で2段直列配置も。噴霧回転2〜5rpm、典型散水率0.6〜2.4m³/m²・hr。散水率過低だとろ床深部への浸透不均一でチャネリング発生、ハエ発生源・悪臭原因に。低負荷型は自然通気、高負荷型は強制送風ファン必要。散水ろ床後には二次澄清槽設置。有機・水力負荷により低負荷、中間、高負荷、ラフィングフィルター、超高負荷に分類。利点：(i)ASPより低エネルギー、(ii)MLSS在庫管理・汚泥廃棄不要で操作簡単、(iii)ショック毒性負荷からの回復良好、(iv)二次澄清槽でのバルキング汚泥問題なし、(v)コンパクトで狭地向き、(vi)装置メンテナンス少、媒体タイプ次第で高濃度有機物処理に有効、(vii)汚泥濃縮性良好。欠点：有機負荷レベル制約、放流水質（BOD・TSS）がASPより劣り追加処理必要な場合あり、悪臭・ハエ、ろ媒体目詰まり傾向、低温時自然通気システムは性能低下。

移動床バイオリアクター（MBBR）

1980年代、スカンジナビアのKaldnes社が開発。微生物がプラスチック媒体上で増殖するより現代的な固定担体プロセス。媒体は高密度ポリエチレン/ポリプロピレン製、直径13〜25mm、大表面積でバイオマスが内部に増殖、圧縮空気でタンク底から吹き込まれ常に運動。好気性・嫌気性両モード、脱窒あり/なしで多様な工業排水処理に適用実績。利点：高有機負荷対応、沈降特性改善、二次澄清槽からの汚泥循環不要で「ワンスルー」プロセス、ASP比コンパクト・低フットプリント、モジュール構造。既存ASPへのレトロフィット可能、ASPより少ない運転制御、MBRより少ない機械・計装制御。典型HRT 2〜3時間（ASP 12〜24時間）。欠点：ASPより高溶存酸素濃度必要、流入排水スクリーニング強化必要、媒体スクリーニング装置通過による追加水力損失。

膜分離活性汚泥法（MBR）

外部式MBRは1960年代開発だが、1980年代後半の浸漬式（サブマージド）MBR開発後に普及。浸漬式の低運転コストと膜コスト低下により、生活・工業排水処理で人気選択肢に。BOD 5,000〜40,000mg/Lの工業排水に適用、処理後BOD 200〜600mg/L範囲。従来ASPの最終放流水質は澄清槽の流体力学条件と汚泥沈降特性に大きく依存し、性能変動大。そのため大型澄清槽と長滞留時間必要。MBRはこの従来ASPの欠点を克服するため開発。

MBRは生物学的処理と膜処理の2つの相互依存プロセスのハイブリッド。従来ASP同様、曝気槽に混合液懸濁固形物を保持。違いはバイオ固形物分離法：MBRでは微細孔径0.6μmのマイクロろ過（MF）または0.04μmのウルトラろ過（UF）膜がバイオ固形物に対する固体バリアを形成し、重力沈降特性の影響を受けない。曝気、澄清、ろ過を1工程で実現、MLSS濃度20,000mg/L以上達成可能、従来ASPより小フットプリント。MBRは汚泥状態に依存しない最終放流水質、高い有機物・難分解性汚染物質・栄養塩除去、COD除去率98%、SS除去効率100%達成。高品質放流水は再利用に最適。長汚泥齢も特徴だが、膜ファウリングの一因でもある。硬度・スケーリング成分が過剰でなければ、イオン交換等の前処理なしで逆浸透（RO）プラントに直結可能。

MBR構成は浸漬式とサイドストリーム式の2タイプ。大規模工業では浸漬式が一般的、サイドストリームは小規模限定。膜タイプも中空糸、平板、チューブラに違い。浸漬式は中空糸・平板、サイドストリームはチューブラ使用。MBRは活性汚泥法＋マイクロろ過/ウルトラろ過と同等処理レベル。利点：(i)25%フットプリント削減、(ii)従来システムの澄清槽・重力ろ過を置換、(iii)狭地向き・短HRT 4〜8時間、バイオ固形物に対する不透過バリアで最高品質放流水（BOD<5mg/L、濁度<0.1NTU）。課題：膜ファウリングが主要課題、性能低下・頻繁洗浄・膜交換で維持管理コスト増大。全MBRで最低3mm細目スクリーン必須。汚泥脱水困難な場合あり。汚泥滞留時間は水力滞留時間から独立。高汚泥齢15〜140日達成可能。モジュール拡張性、低臭気、アップセット耐性の柔軟運転、自動化可能。

二次澄清槽

目的は二重：生物学的処理後の汚泥濃縮・沈降、および沈降済み固形物によるクリアな放流水生成。活性汚泥システムの澄清槽は水力越流率だけでなく固形物負荷率でも設計必要（澄清と濃縮の両方必要）。プロセス変数で最重要は汚泥齢（平均細胞滞留時間）。もう一つの重要制御パラメータは固形物負荷率（底部圧縮帯での適切な汚泥濃縮に必要な表面積）。澄清槽は長方形または円形設計。

三次処理

従来型二次処理だけでは、表面水域放流に必要な放流水質基準を満たせないことが多々あります。固形物・有機物の更なる除去、脱色、難分解性化合物分解、栄養塩削減、消毒のために三次プロセスが必要。二次処理で除去できない持続性汚染物質を三次処理で除去。これらは二次処理後に設置されるため「三次処理」と分類されますが、酸化プロセスなど一部は生物学的処理の前段に配置し、難分解性化合物の生物分解性向上を図ることもあります。

処理水の再利用・リサイクル・環境排出前の最終洗浄工程として三次処理で水質向上。栄養塩（窒素・リン）除去、毒性物質（農薬、VOC、金属）除去、放流水磨き（BOD・TSS）、従来型二次生物学的処理の延長として、排水中の需酸性物質の更なる安定化と窒素・リン除去を実施。物理化学分離技術（活性炭吸着、凝集、沈殿）が三次処理プロセスに含まれます。最も一般的な三次処理はろ過と消毒、該当する場合はアンモニア・リン除去。アンモニアは魚類に毒性、リンは藻類ブルーム原因。

ろ過

固液混合物を多孔質材料（ろ材）通過させ、固形物を捕捉し液体濾液を通過させる分離プロセス。粒状媒体磨きろ過は、5〜50mg/L範囲の懸濁固形物除去に使用。最も一般的は多層媒体フィルター。濾液品質は懸濁固形物とろ材の粒径、表面電荷、形状、水質分析、運転パラメータに依存。媒体により、(i)単一媒体（砂または無煙炭）、(ii)二層媒体（砂＋無煙炭）、(iii)多層媒体（ガーネット、砂、無煙炭）に分類。水処理で最も一般的なろ材は砂と無煙炭。細砂ろ過有効粒径0.35〜0.5mm、無煙炭0.7〜0.8mm。単一砂媒体比較で、無煙炭上層＋砂下層の二層媒体は懸濁物のろ床深部への浸透深く、より効率的なろ過と洗浄間隔延長を実現。ろ媒体設計深度最小0.8m。二層媒体では通常、砂0.5m上に無煙炭0.3m充填。工業用途では鋼製加圧容器（内面エポキシ塗装）、内部マニホールド（配水用）、アンダードレイン系（濾液回収・逆洗用）に収容。加圧ろ過容器は加圧設計のため、高圧力損失適用可能で、より高いろ床・より小さいろ材粒径・より高いろ過速度に対応。設計ろ過流速通常10〜20m/h、逆洗速度40〜50m/h。利用可能圧力通常2〜4bar以上。高ファウリングポテンシャル原水には<10m/h流速および/または二段媒体ろ過推奨。1基停止時の流量補償は緩やかに実施し、既堆積粒子の剥離防止。運転中、流入水はろ床上部から導入、ろ床透過、底部コレクター系から排出。定期的に入出口差圧が0.3〜0.6bar上昇したら逆洗・リンス実施、堆積物除去。逆洗時間約10分。逆洗後、仕様適合までリンス排水してから運転復帰。過剰逆洗速度はろ媒体損失原因。深層ろ過の変法として高速ろ過あり（より高速流入流速で運転）。媒体フィルター以外にディスクフィルター、カートリッジフィルターもあり、膜ろ過システム保護用にも使用。プリーツ布媒体ディスクフィルターは超高流速・小フットプリント、再利用適した高品質水生成、大規模逆洗不要。

高度水処理プロセス（三次処理として適用）

従来処理済み排水に適用し、リサイクル・再利用（飲用再利用含む）に適した水質まで向上。追加三次処理プロセス：各種膜処理（マイクロろ過、ウルトラろ過、ナノろ過）、逆浸透、高度酸化プロセス、追加消毒（オゾン処理、紫外線照射）。

膜技術

1960年代登場以来、水再利用用途で人気の選択肢。膜システムコスト大幅低下、膜設計・オプション・運転限界の技術進歩と相まって、水・排水処理での適用範囲急拡大。加圧駆動膜ろ過では、圧力下で流体成分を分離。極微細膜孔が溶質の選択的通過を可能に。溶解性・懸濁性固形物両方の除去に有効な点が人気の理由。セルロースアセテート、ポリアミド、ポリスルホン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、PTFE、セラミック、金属複合材など多様な材料で膜製造。膜孔径が選択度のパラメータ。孔径ベースで4タイプの加圧駆動膜：マイクロろ過・ウルトラろ過は大きな孔径で低圧用途。ナノろ過は中圧。逆浸透は最小孔径で溶質通過に高圧必要。

高度酸化プロセス（AOP）

強力で比較的非選択的なヒドロキシルラジカルを十分量生成・利用し、放流水中の複雑化学物質大半を酸化するプロセス群。従来処理代替案に対し特定の利点：非生物分解性有機成分除去可能、残留汚泥処分不要。フッ素（V=-3.06）に次ぎ、ヒドロキシルフリーラジカル（OH・）が最高酸化電位（V=-2.86）。AOPではOH・ラジカル生成、これが有機分子と反応しCO₂と水生成。AOPは非光化学AOPと光化学AOPに大別。光化学＝光源必要。通常UV光を光化学源として使用。低圧UVランプ波長254nm。オゾン最大吸収波長253.7nm。非光化学技術で処理に最も普及：オゾン処理、オゾン/過酸化水素、フェントン反応。

オゾン処理

1785年発見。オゾン（O₃）は強力酸化剤（-2.07V）として、飲料水・排水消毒、脱色、脱臭、有機物分解、シアン破壊等に広く適用。室温で青白い刺激臭ガス、水に難溶、強腐食性、毒性、空気中濃度20%超で爆発性。殺菌力は塩素の3,125倍高速。高pH・高温で効力増大。水中でO₃分子のまま残存（pH>7、反応遅い）または分解（pH>8）しヒドロキシルフリーラジカル（OH・、O₃より35%強力酸化剤）生成。両反応同時進行のため、反応速度論は処理対象排水特性（pH、有機物濃度、発泡剤・界面活性剤存在、オゾン濃度・温度等）に強く依存。有機化合物酸化に最適pH 8〜10。オゾン水中溶解度低く、温度上昇で急減。20℃で100%オゾン溶解度570mg/L。推奨温度範囲25〜50℃。高pHでの簡略反応機構：3O₃ + H₂O = 2OH・ + 4O₂。分子O₃は高選択的酸化剤で特定化合物のみ反応、工業排水へ低用量適用可能。残留界面活性剤の発泡特性阻害・破壊、COD相当部分酸化。難分解性化合物を易分解性化合物へ変換し放流水全体生物分解性向上、生物学的処理プラントの上流・下流どちらにも適用可能。ベントガス中残留酸素を二次生物学的処理プラントへ還流し曝気要求量削減。汚泥量増加なしも利点。オゾンは気体形態で適用、不安定なため現場で空気または純酸素からUV放射、電気化学、コロナ放電発生装置で現場生成必須。オゾン漏洩検知器で音声・視覚警報、漏洩時発生装置停止。高濃度塩類存在下でオゾン不活性化。変法にO₃/H₂O₂プロセス。O₃濃度低減目的で開発、H₂O₂が触媒として作用しO₃のOH・ラジカル生成能力増強。低pHではH₂O₂とO₃反応遅い、高pH（アルカリ条件）で迅速反応。