第 3 版、労働安全衛生百科事典からの適応。
廃水は、汚染物質を除去し、法律で定められた制限を遵守するために処理されます。 この目的のために、適切な処理を適用することにより、水中の汚染物質を固体（例えばスラッジ）、液体（例えば油）または気体（例えば窒素）の形で不溶性にする試みがなされる。 次に、周知の技術を使用して、不溶性になった汚染物質から処理された廃水を分離して自然の水路に戻します。 ガスは大気中に分散されますが、液体および固体の残留物 (スラッジ、油、グリース) は通常、さらに処理される前に消化されます。 排水の特性と必要な浄化の程度に応じて、一段階または多段階の処理があります。 廃水処理は、物理的（一次）、生物学的（二次）、および三次プロセスに細分することができます。
物理的プロセス
さまざまな物理的処理プロセスは、不溶性汚染物質を除去するように設計されています。
スクリーニング
下水は、処理作業設備 (バルブやポンプなど) を詰まらせたり、損傷させたりする可能性のある粗い固形物を保持するスクリーンを通過させられます。 上映は現地の状況に応じて処理されます。
砂抜き
廃水に含まれる砂は、密度が高いために配管内に沈降しやすく、機器 (遠心分離機やタービンなど) の摩耗の原因となるため、除去する必要があります。 砂は一般に、断面積が一定の水路に 15 ～ 30 cm/s の速度で廃水を通すことによって除去されます。 砂は水路の底に集まり、洗浄して腐敗しやすい物質を除去した後、道路建設などの不活性材料として使用できます。
油の除去
油や非乳化性脂肪は、処理施設の設備 (例えば、洗面器や浄化器) に付着し、その後の生物処理を妨げるため、除去する必要があります。 断面が長方形のタンクに適切な速度で排水を通すことにより、油脂粒子を表面に集めます。 それらは機械的にすくい取られ、燃料として使用される可能性があります。 油の除去には、コンパクトなデザインと高効率の多板分離器がよく使用されます。 オイルはプレートの底面に付着し、上部に移動して集められます。 どちらのプロセスでも、脱油された水は底に排出されます。
沈降、浮選および凝固
これらのプロセスにより、重いもの (直径が 0.4 μm を超えるもの) は沈降によって、軽いもの (0.4 μm 未満) は浮遊によって廃水から固形物を除去することができます。 この処理も、コンクリートまたは鋼製の沈殿槽および浮選槽を通過する固形物および流れる廃水の密度の違いに依存しています。 分離される粒子は底部または表面に集まり、粒子半径の 0.4 乗および粒子密度と見かけの廃水密度の差に比例する速度で沈降または上昇します。 サイズが 0.001 ～ 4 μm のコロイド粒子 (タンパク質、ラテックス、油性エマルションなど) は分離されません。これらのコロイドは水和し、通常はイオンの吸着によって負に帯電します。 その結果、粒子は互いに反発し合い、凝集したり分離したりできなくなります。 しかし、これらの粒子が「不安定化」すると、凝集して 30 μm を超えるフロックを形成し、従来の沈殿槽または浮選槽でスラッジとして分離することができます。 不安定化は、凝固によって、すなわち無機凝固剤（硫酸アルミニウム、硫酸鉄（II）または塩化鉄（III））を60～1mg/l添加することによって得られる。 凝固剤は、与えられた pH (酸性度) 条件下で加水分解し、コロイドの負電荷を中和する正の多価金属イオンを形成します。 有機高分子電解質（凝集剤）を3～0.3mg/l添加することで凝集（凝集粒子がフロック状に凝集すること）が促進され、分離しやすい直径1～2μmのフロックが得られます。 水平流タイプの沈殿タンクを使用することができます。 それらは長方形の断面と平らなまたは傾斜した底を持っています。 廃水はヘッド側の 10 つに沿って入り、浄化された水は反対側の端から出ます。 また、形状が円筒形で底が逆直円錐のような垂直流沈殿槽を使用することもできます。 廃水は中央に入り、浄化された水はタンクの上部のくぼんだエッジを越えて出て、外側の円周チャネルに集められます。 20 種類のタンクにより、スラッジは底に沈殿し、(必要に応じてレーキ ギアを使用して) コレクターに運ばれます。 汚泥の固形分濃度は 80 ～ XNUMX% であるのに対し、浄化水の固形分濃度は XNUMX ～ XNUMX mg/l です。
通常、浮選タンクは円筒形で、底部に細かい気泡の散気装置が取り付けられており、汚水は中央のタンクに入ります。 粒子は気泡に付着し、表面に浮かび、すくい取られ、浄化された水は下に排出されます。 より効率的な「溶解空気浮遊タンク」の場合、廃水は 2 ～ 5 バールの圧力で空気で飽和され、浮遊タンクの中心で膨張します。減圧により、粒子が表面に浮かびます。
沈降と比較して、浮遊選鉱はより高い粒子分離速度でより厚い汚泥を生成するため、必要な装置はより小さくなります。 他方では、運転コストと浄化された水中の固形物の濃度は高くなります。
コロイド系を凝固および凝集させるには、直列に配置された複数のタンクが必要です。 攪拌機を備えた第１槽の廃水に、無機凝集剤と、必要に応じてｐＨ値を補正するための酸またはアルカリを添加する。 懸濁液は、高速攪拌機を備えた 10 番目のタンクに渡されます。 ここでは、高分子電解質が追加され、数分以内に溶解します。 群れの成長は、低速の攪拌機を備えた 15 番目のタンクで XNUMX ～ XNUMX 分間行われます。
生物学的プロセス
生物処理プロセスでは、微生物を使用して生分解性有機汚染物質を除去します。 これらの生物は、好気性または嫌気性プロセス（大気中の酸素の供給の有無にかかわらず）によって汚染物質を消化し、水、ガス（二酸化炭素とメタン）、および処理水から分離できる固体の不溶性微生物塊に変換します。 特に工業排水の場合、窒素およびリン化合物の存在、微量元素の痕跡、有毒物質（重金属など）の不在、最適な温度およびpH値など、微生物の発生に適した条件を確保する必要があります。 生物学的処理には、好気性プロセスと嫌気性プロセスが含まれます。
有酸素プロセス
好気性プロセスは、利用可能なスペース、必要な浄化の程度、および廃水の組成に応じて、多かれ少なかれ複雑になります。
安定化池
これらは一般に長方形で、深さは 3 ～ 4 m です。 汚水は一方の端から入り、10 日から 60 日間放置され、一部は蒸発によって、一部は地中への浸透によって、反対側の端から池から出ていきます。 浄化効率は、排水の種類と残りの 10 日間の生物学的酸素要求量 (BOD) に応じて 90 ～ 5% の範囲です。5) 含有量 (<40 mg/l)。 酸素は、水面を介した拡散によって大気から、また光合成藻類から供給されます。 廃水中の懸濁液中の固形物と微生物活動によって生成された固形物は、酸素と太陽光の両方の拡散に影響を与える池の深さに応じて、好気性および/または嫌気性プロセスによって底に沈殿します。 酸素の拡散は、池の容積を減らすことができる表面曝気装置によって促進されることがよくあります。
このタイプの処理は、スペースがあれば非常に経済的ですが、有毒な排水による地下水の汚染を防ぐために粘土状の土壌が必要です。
液状化現象
これは、表面曝気装置によって酸素化された微生物の懸濁液 (3 ～ 5 g/l) と廃水が接触する深さ 2 ～ 10 m のコンクリートまたはスチール製タンクで行われる加速処理に使用されます。または空気を吹き込むことによって。 3 ～ 24 時間後、処理水と微生物の混合物は沈殿槽に送られ、そこで微生物によって作られた汚泥が水から分離されます。 微生物の一部は曝気槽に戻され、一部は排気されます。
工業廃水でも95％以上の浄化効率を実現する活性汚泥法（接触安定化装置や純酸素の使用など）は様々ですが、酸素供給には正確な制御と高いエネルギー消費が必要です。
浸透フィルター
この技術では、微生物は廃水に懸濁したままではなく、下水が噴霧された充填材の表面に付着します。 空気は材料を循環し、エネルギーを消費することなく必要な酸素を供給します。 排水の種類に応じて、また効率を高めるために、処理水の一部をろ床の上部に再循環させます。
土地が利用できる場合は、適切なサイズの低コストの充填材 (砕石、クリンカー、石灰岩など) が使用され、ベッドの重量を考慮して、浸透フィルターは通常、高さ 1 m のコンクリート タンクとして構築され、通常は沈下します。地中に。 十分な土地がない場合は、最大 250 平方メートルの表面積/立方メートルのメディアを備えた高速プラスチック ハニカム メディアなどのより高価な軽量梱包材が、高さ 10 m までの浸透塔に積み重ねられます。
廃水は移動式または固定式のスパージング機構によって濾床全体に分配され、床に集められて最終的に上部に再循環され、形成されたスラッジが沈降できる沈降タンクに渡されます。 浸透フィルターの底にある開口部により、フィルターベッドを通る空気循環が可能になります。 30～90%の汚染物質除去効率が達成されます。 多くの場合、複数のフィルタが直列に配置されています。 この技術はエネルギー消費が少なく、操作が簡単であるため、広く使用されており、開発途上国など、土地が利用可能な場合に推奨されています。
バイオディスク
水平回転軸に平行に取り付けられた一連の平らなプラスチック ディスクが、タンク内の廃水に部分的に浸されています。 回転により、ディスクを覆っている生物学的フェルトは排水や大気中の酸素と接触します。 バイオディスクから出る生物汚泥は廃水中に浮遊したままであり、システムは活性汚泥と沈殿槽として同時に機能します。 バイオディスクは、小規模から中規模の産業工場やコミュニティに適しており、場所を取らず、操作が簡単で、エネルギーをほとんど必要とせず、最大 90% の生産効率を実現します。
嫌気性プロセス
嫌気性プロセスは、微生物の XNUMX つのグループによって実行されます。加水分解菌、複合物質（多糖類、タンパク質、脂質など）を酢酸、水素、二酸化炭素、水に分解します。 と メタン生成菌、これらの物質をバイオマス（処理された下水から沈降によって除去できる）と、65〜70％のメタンを含み、残りが二酸化炭素であり、熱価の高いバイオガスに変換します。
有毒な汚染物質に非常に敏感なこれら 20 つのグループの微生物は、ほぼ中性の pH 値で空気の不在下で同時に活動し、38 から XNUMX の温度を必要とするものもあります。oC（中温性細菌）およびその他のよりデリケートなもの、60～65oC（好熱性細菌）。 プロセスは、攪拌された密閉されたコンクリートまたは鋼で実行されます 消化器、必要な温度がサーモスタットによって保持されます。 典型的なのは 連絡プロセスで、消化槽の後に沈殿槽があり、処理水から汚泥を分離します。この汚泥は、消化槽に部分的に再循環されます。
嫌気性プロセスは、酸素供給のための酸素も電力も必要とせず、燃料として使用できるバイオガスを生成します (低い運用コスト)。 一方、好気性プロセスよりも効率が悪い（残留 BOD5: 100 から 1,500 mg/l) は遅く、制御がより困難ですが、糞便および病原性微生物を破壊することができます。 下水の沈降汚泥、活性汚泥や浸透ろ過処理の余剰汚泥、BODを伴う産業排水など、強度の高い廃棄物の処理に使用されます。5 最大 30,000 mg/l (蒸留所、醸造所、製糖所、食肉処理場、製紙工場など)。
三次プロセス
より複雑で費用のかかる XNUMX 次プロセスでは、化学反応または特定の化学物理学的または物理的手法を利用して、有機物 (染料やフェノールなど) と無機物 (銅、水銀、ニッケル、リン酸塩など) の両方の水溶性の非生分解性汚染物質を除去します。 、フッ化物、硝酸塩、シアン化物)、特に産業廃水から、他の処理では除去できないためです。 また、三次処理によって高度の浄水が得られ、処理水は飲料水や製造プロセス（蒸気発生、冷却システム、特定目的のプロセス水）に使用できます。 最も重要な三次プロセスは次のとおりです。
降水量
沈殿は、適切な材料で作られ、汚染物質を不溶性生成物に変換するために制御された温度と pH 値で化学試薬が添加される攪拌機を備えた反応器で行われます。 スラッジの形態で得られた沈殿物は、従来の技術によって処理水から分離される。 たとえば、肥料産業からの廃水では、リン酸塩とフッ化物は、周囲温度およびアルカリ性 pH で石灰と反応することにより不溶性になります。 クロム (なめし産業)、ニッケルおよび銅 (電気めっき工場) は、アルカリ pH で還元された後、水酸化物として沈殿します m-pH 3 以下の二亜硫酸塩。
化学酸化
有機汚染物質は、沈殿に使用されるものと同様の反応器内の試薬で酸化されます。 反応は通常、最終生成物として水と二酸化炭素が得られるまで続けられる。 たとえば、シアン化物は、次亜塩素酸ナトリウムと次亜塩素酸カルシウムをアルカリ性 pH で添加することによって周囲温度で破壊されますが、アゾ染料とアントラキノン染料は、pH 4.5 で過酸化水素と硫酸第一鉄によって分解されます。 非生分解性有機物質を 5 ～ 10% 含む化学産業からの有色排水を、200 ～ 300°C の高圧下、特殊な材料で作られた反応器内で液体に空気と酸素を吹き込んで酸化 (湿式酸化) します。 触媒が使われることもあります。 処理後に都市下水に残った病原体は、塩素化またはオゾン化によって酸化され、水が飲用可能になります。
吸着
一部の汚染物質 (例えば、コークス工場からの廃水中のフェノール、工業用または飲料用の水中の染料、および界面活性剤) は、非常に多孔質で大きな比表面積 (1000 m2/g以上）。 攪拌槽内の廃水に活性炭粉末を計量添加し、30～60分後に使用済み粉末をスラッジとして除去します。 粒状活性炭は、汚水が通過する直列に配置された塔で使用されます。 使用済み炭素はこれらの塔で再生されます。つまり、吸収された汚染物質は、化学処理 (たとえば、フェノールはソーダで洗い流されます) または熱酸化 (たとえば、染料) によって除去されます。
イオン交換
特定の天然物質 (ゼオライトなど) または人工化合物 (Permutit や樹脂など) は、化学量論的かつ可逆的な方法で、それらに結合しているイオンを、廃水中に含まれるイオンと、たとえ強く希釈されていても交換します。 たとえば、銅、クロム、ニッケル、硝酸塩、アンモニアは、樹脂を充填したカラムを透過することによって廃水から除去されます。 樹脂が消耗したら、再生溶液で洗浄して再活性化します。 このようにして、金属は濃縮溶液で回収される。 この処理は費用はかかりますが、効率的であり、高い純度が必要な場合 (有毒金属で汚染された廃水など) には適しています。
逆浸透
特殊なケースでは、半透膜を通過させることにより、希釈された廃水から飲用に適した高純度の水を抽出することが可能です。 膜の廃水側では、汚染物質 (塩化物、硫酸塩、リン酸塩、染料、特定の金属) が濃縮溶液として残り、廃棄するか、回収のために処理する必要があります。 希釈された廃水は、セルロースアセテートまたは他のポリマーで作られた合成膜を含む特別なプラントで、最大 50 バールの圧力にさらされます。 このプロセスの運用コストは低く、95% を超える分離効率が得られる可能性があります。
スラッジ処理
廃水処理中に汚染物質を不溶化すると、かなりの量のスラッジが生成されます (除去された化学的酸素要求量 (COD) の 20 ～ 30% で、これは強く希釈されています (90 ～ 99% の水))。 この汚泥を環境に配慮した方法で処分するには、廃水浄化に必要なコストの最大 50% のコストで処理することが前提となります。 処理の種類は、汚泥の送り先によって異なり、汚泥の特性や地域の状況によって異なります。 スラッジは次の目的で使用される可能性があります。
- 有毒物質を実質的に含まず、窒素およびリン化合物（生物処理によるスラッジ）を含む場合、固定排水口、トラックまたははしけを使用して、施肥または海洋投棄
- 汚泥と土壌が交互に層を成す、地面に掘られたピットへの衛生的な埋め立て。 汚泥に大気中の降水によって洗い流される可能性のある有毒物質が含まれている場合は、泥炭の不浸透化が必要です。 ピットは、水を含む地層から離れている必要があります。 安定化されていない有機汚泥は、通常、腐敗を遅らせるために 10 ～ 15% の石灰と混合されます。
- 汚泥が有機物に富み、揮発性金属を含まない場合、回転炉または流動床炉での焼却。 必要に応じて燃料を追加し、排出される煙を浄化します。
汚泥は廃棄前に脱水され、その量と処理費用の両方が削減されます。また、汚泥の腐敗を防ぎ、含まれる可能性のある有害物質を無害化するために、頻繁に安定化されます。
脱水
脱水には、沈殿槽と同様に、濃縮槽での事前の濃縮が含まれます。この場合、汚泥は 12 ～ 24 時間放置され、表面に溜まった水の一部が失われますが、濃縮された汚泥は下に排出されます。 濃縮された汚泥は、例えば、遠心分離または従来の装置を使用した濾過（真空または加圧下）によって、または長方形のコンクリートラグーンからなる汚泥乾燥ベッドで厚さ 30 cm の層を空気にさらすことによって脱水されます。 cm の深さで、水はけを容易にするために砂の層で覆われた傾斜した底があります。 コロイド状物質を含む汚泥は、すでに説明した技術に従って、凝固および凝集によって事前に不安定化する必要があります。
安定
安定化には、消化と解毒が含まれます。 消化は汚泥の長期的な処理であり、その間に有機物の 30 ～ 50% が失われ、ミネラル塩の含有量が増加します。 このスラッジは腐敗しにくくなり、病原体が破壊され、ろ過性が向上します。 消化は、汚泥がコンクリート タンク内で周囲温度で 8 ～ 15 日間曝気される場合、好気性タイプである可能性があり、プロセスは活性汚泥処理と同様です。 汚泥が嫌気性廃棄物処理に使用されるプラントと同様のプラントで 35 ～ 40°C で 30 ～ 40 日間消化され、バイオガスが生成される場合、それは嫌気性タイプである可能性があります。 汚泥が 200 ～ 250°C の熱風で 100 ～ 15 分間 30 バールを超える圧力で処理される場合 (湿式燃焼)、または、空気、180°C、自生圧で 30 ～ 45 分間。
無害化により、金属 (クロム、ニッケル、鉛など) を含むスラッジが無害になり、ケイ酸ナトリウムで処理することによって凝固し、自己熱的に対応する不溶性ケイ酸塩に変換されます。