省エネ型の下・排水処理は地球環境にやさしい？

2010年 3月30日

大橋 晶良（おおはし あきよし）：
広島大学大学院工学研究科　社会環境システム専攻教授

1958年5月生まれ。1984年長岡技術科学大学大学院建設工学専攻修士課程修了　博士（工学），1984年呉工業高等専門学校土木工学科助手，1994年ノースウエスタン大学客員研究員，1995年長岡技術科学大学工学部環境・建設系助教授，2006年同教授，2007年より現職。
主な研究テーマ：水環境工学，新規な生物学的排水処理技術の開発など。受賞：土木学会論文奨励賞（1992），環境工学研究論文賞（1999），新潟日報文化賞（産業技術部門）（2004），日本水大賞（国際貢献賞）（2005），日本水環境学会論文賞（2009）

1. はじめに

　急速な人口増大と経済発展を続ける途上国や新興国においては，経済発展を最優先するため，環境対策への社会資本投資がおろそかにされ，都市下水はほとんど無処理のままたれ流し，あるいは処理効率の悪いラグーン等が導入されているのみである。そのため，都市域の水質汚濁問題が深刻化し，生活環境の悪化のみならず，健康への脅威にもなっている。日本などの先進国で主流となっているお金とエネルギーを存分にかけて処理をするような技術−活性汚泥法−をそのまま途上国や新興国に技術移転しても根付かないことは明白で，途上国等の地域の経済構造，社会構造等の実状に応じた“適正技術＝低コスト・簡易型の処理技術”が求められている（原田，2005）。

　上向流嫌気性スラッジブランケット（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket , UASB）法などの嫌気性処理は，汚泥発生量を低減でき，排水からメタンとしてエネルギーを回収できるなどの利点を有しているため，途上国等での下水処理に最も適していると言える。現在，インドやブラジルなどの新興国ではUASB法により都市下水を処理して，エネルギーの回収（有効利用までには至っていない）が図られている。しかしUASB法を都市下水処理に適用した場合，活性汚泥法のような良好な処理水質は得られず，低コストで維持管理が容易な点を損なわない後段処理プロセスが必要となる。そのUASB法の後段処理としてDHS（Down-flow hanging Sponge）リアクターが注目されており，インドおよび国内での実下水を供した長期連続処理運転において活性汚泥法と同等の処理水質が得られることが実証されている（大久保ら，2008）。

　UASB法とDHSリアクターなどの後段処理との組合せは，メタンとしてエネルギーが回収でき，エアレーション動力を要しないことから省エネ型であると考えられているが，実際に活性汚泥法と比較して環境にやさしい処理方法であると言えるであろうか。もし環境にやさしくなければ，どのように対処すれば良いであろうか。

2. 下水処理における二酸化炭素排出量の比較

　我が国の活性汚泥法による下水処理エネルギー消費量は，処理場の規模によって異なるが，1 m3の下水処理当たりおおよそ0.50kWh·m-3であり（下水道新技術研究所年報，1999），CO2排出量に換算すると0.276 kgCO2·m-3である（図１，２）。一方，UASB法で嫌気性処理する場合は，下水のポンプアップの動力エネルギーだけで済むことから，約0.10kWh·m-3のエネルギーを要し，0.056 kgCO2·m-3のCO2排出量となる。UASB法の後段にDHSを設けてもUASB処理水がDHS内を重力で流れるため，付加的なエネルギーはほとんど必要としない。また，UASB処理によりメタンが生成され，回収してエネルギー利用できる。下水のCOD濃度は350mg·l-1程度であり，一般的に嫌気性処理では約60％が分解されるため，１m3の下水処理量当たり74lのメタンが発生する。エネルギーに換算すると0.73kWh·m-3になる。したがって，下水という液状のバイオマスエネルギー潜在量は，活性汚泥法による下水処理エネルギー消費量よりも大きく，嫌気性処理を導入すれば，下水処理場からのCO2排出量を実質的にカットできる可能性がある。

　しかしながら，嫌気性処理で発生したメタンすべてがバイオガスとして回収できず，一部は処理水に溶解して流出し，大気に放散される。溶存メタン濃度は，物理的に嫌気性処理でのバイオガス中のメタン濃度（排水の組成によって決まり，一般的に70％程度）に比例し，約24.8l·m-3（=1.03mmol·l-1 =66.2mgCOD·l-1 =0.245 kWh·m-3）（20℃）である。冬期に水温が低下すると，発生したメタンの半分程度は溶存し，これらはガス化回収できない。また，メタンは地球温暖化係数21の強温室効果ガスであり，嫌気性処理法で1m3の下水を処理した際に溶存メタンが大気に放出される量はCO2換算で0.346 kgCO2·m-3であり，エネルギー消費型の活性汚泥法のCO2排出量よりも上回っている。すなわち，省エネ型の嫌気性下水処理は，溶存メタンの大気放出を防止しない限り，地球環境にやさしいとは言えない（表１）。

図１　下水1 m3を処理した際のCO2排出量／図２　下水1 m3を処理した際のエネルギー消費量と生成量

表１　活性汚泥法と嫌気性処理法の総合評価

3. UASBとDHSシステムによる下水処理

　下水を嫌気性処理する場合は，上述のように溶存メタンの大気放散の防止が不可欠であるが，これと同時に水質のポリッシュアップも必要である。まず，DHSによるUASB処理水の後段処理性能を述べる。

　DHSは，長岡技術科学大学で開発された微生物保持担体にポリウレタン製のスポンジを用いた一種の散水ろ床である。スポンジ担体は水中に浸漬させないで，気相中に充填して空気に曝されているため，エアレーション動力を要さずともリアクター内を好気性に保つことができる。一般の散水ろ床法とは異なり，排水は担体表面を流下するだけでなく内部も流れる。これによって，排水の基質および溶存酸素がスポンジ担体内部へ移流によって供給され，スポンジ担体深部にも好気性微生物が生息できるため，DHSは浮遊型よりも約１オーダー高い微生物濃度の保持が可能となる。さらに，スポンジ担体は保水性があるため，上部から散水した排水が直ちに流下・流出しないので，水理学的滞留時間（HRT）を自由にコントロールすることも可能である。排水処理では，スポンジなどの担体は水中に浸漬させるのが常識であるが，浸漬させないことで思いも寄らなかった機能を有していることが明らかになってきている。

　インド政府はUASBとDHSのシステムに注目し，首都デリーの北約150kmに位置するハリアナ州カルナール市の下水処理場（処理水量40,000 m3·d-1のUASB-FPUシステム）に，UASB（設計HRTは8.6hr，実際のHRT約13hr）の後段処理として処理水量500 m3·d-1（処理人口3,500人規模）のDHS実証プラントを2002年に建造した（図３）。DHSは直径5.5m，高さ5.31m，有効容積126 m3のコンクリート製カラムで，その内部に長さ2ｍのプラスティックシート両面に直角三角柱のスポンジメディア（25mm×25mm）を接着したものを上段と下段の２段に懸垂させてある。スポンジの充填率は24.7％であり，スポンジ体積に対するHRTは1.5hr（コンクリートカラム基準では6.0hr）である。流入水（UASB処理水）は水頭差で回転する自走式散水機により，DHSの上部からスポンジシートに散水される。DHSの下部に沈殿池を設けている。

　DHS実証プラントは現在も稼働しており，表２に示す処理性能は900日におよぶ長期の平均値で，長岡技術科学大学の水圏環境制御工学研究室の学生達がカルナール市の下水処理場に数ヶ月単位の交替制で泊まり込んで緻密にモニタリングした貴重なデータである。BOD154mg·l-1の下水はUASBで53 mg·l-1にまで除去される。BOD除去率64％であるが，インドを含む東南アジア主要国の放流基準を満たす水質には至っていない。しかし，DHSの処理水は6 mg·l-1と活性汚泥法と同等の水質が得られる。すなわちUASB＋DHSのシステムではBOD除去率96％となり，活性汚泥法に匹敵する卓越した処理性能を有している。さらにUASB＋DHSのシステムは曝気動力が不要であるため，下水処理に係わる消費電力は活性汚泥法に比較して4〜10分の１程度に削減できると試算される（大久保ら，2008）。今後，活性汚泥法に代替の途上国に適用可能な下水処理システムとして期待されている。

図３　インド・カルナール処理場に建造されたDHS実証プラントの概要

表２　インドでのDHS実証実験の900日間の処理結果

4. 溶存メタンの消長

　UASBの後段にDHSを付加することで，良好な処理水が得られることを上述したが，UASB処理水に溶存しているメタンはDHS内を通過する間に，どのような消長をするのであろうか。インドでの実証プラントと同じカーテン型のDHSを長岡市の浄化センターに設置し，実下水を処理するパイロットUASB処理水を用いて，溶存メタンの挙動を調査した。

　溶存メタンはDHS上部で速やかに減少し，流下2ｍの位置では検出されなくなった。DHS内において溶存メタンの消失が微生物酸化によるものか，物理的放散によるものかを検討した結果，DHS上部から1ｍ付近でメタン酸化細菌の検出が最も高く，メタン酸化活性も最大値を示し，溶存メタンはDHS内で酸化分解されるが，メタン酸化による溶存メタン消失の寄与度は僅か約5％であり，残りの95％は酸化分解されることなく大気に放出されていた（江口ら，2003）。

　DHSの特長として，排水がスポンジの表面等を流下する過程で，空気中の酸素がスポンジ内へ高効率に供給されることが挙がられる。このことは溶存メタンが速やかに大気に放散されることも意味しており，DHSで良好に処理が行えても，地球温暖化の観点からはUASBとDHSシステムが一概に環境にやさしいとは言えない。

5. 溶存メタンの回収

　溶存メタンの大気放出を防止する方法はないのであろうか。開発されてきたDHSは開放型であるため，溶存メタンが大気に排出されてしまうが，密閉型にすることで溶存メタンの大気放出を防止できる二つ方法が考えられる。一つは溶存メタンが大気放出される前に，DHS内でメタン酸化細菌を利用して分解させる方法である。もう一つは，溶存メタンが直ちに大気へ揮散するのであれば，この現象を逆に利用して溶存メタンを密閉型DHSによりガス化回収することが可能である。しかも，回収ガスは燃えなければ何の価値も有さず捨てるしかないが，有効利用可能な自燃ガスとしての回収である。

　密閉型DHSによる溶存メタンのガス化回収の原理は次の通りである。嫌気性処理水を密閉型DHSの上部から散水すると，溶存メタンは液相からDHSの気相へ気液平衡に向かって物理的に放散される。その気相部のメタンをDHS下部から送風する少量の空気と共に上部から回収する。気相部は高さ方向にメタン濃度勾配が生じ，上部ほどメタン濃度が高くなっている。従って，上部から排出される自燃する有用なガス（オフガス）として回収する。バイオガスが自燃するメタン濃度を実験で調べたところ，自燃にはメタン濃度30％以上が必要である。

　実下水処理UASB（高さ4ｍ，HRT8.8hr）の後段に密閉型DHSを設置して，溶存メタンの回収実験を行った（図４）。密閉型DHSはインドの実証プラントと同じカーテン型で，高さ2 m，断面0.2 ×0.2 m2，容積80lの直方体形容器に直角三角柱 (3×3/2cm2×20cm) のスポンジ担体を塩化ビニール板両面に鉛直方向46列に配置したシートを10枚設置してあり，スポンジ担体の充填率は44 %である。UASB嫌気性処理水は密閉型DHS上部から散水され，HRT4.4時間 (スポンジ体積基準2時間)で下部の水封槽から流出される。空気を下部から供給し，上部よりオフガスの回収を常温下で行った。密閉型DHSによってメタン濃度30％以上の有用なガスを１年間季節に係わらず回収することができた。しかしながら，回収メタンガス濃度と嫌気性処理水中の溶存メタンの回収率はトレードオフの関係にあり，自燃し且つカロリーの高いガスとして回収しようとすると，溶存メタンの回収率は低下する。また，水温（季節）によって溶存メタン回収率は変化し，60〜80％（回収ガスのメタン濃度30％以上）であって，残りの溶存メタンは大気に放出されてしまう（表３）。

　密閉型DHSを高く，あるいはHRTを長くすると，理論的に溶存メタン回収率を上げることができる。溶存メタンがガス化回収される現象をモデル化し，回収ガスメタン濃度30%でメタン回収率90％すなわち大気への放散を90％カットする条件を検討した。シミュレーションより，90％カットすることは可能であるが，例えば高さ4mの密閉型DHSではHRTが10h，HRTを短く4hにすれば高さ12mの密閉型DHSとなる。したがって，溶存メタンの大気放散を防止し高い回収率を得ようとすると巨大な密閉型DHSが必要となる（大橋ら，2010）。

　この溶存メタン回収を目的とした密閉型DHSは，空気を僅かしか送風しないため，DHSへの酸素供給量は少なく，しかも酸素はまず硫化物の酸化に利用されるため，嫌気性処理水の残存有機物はほとんど分解されず，水質の向上は望めない。また溶存メタンも酸化されることはなく，このため溶存メタンが回収できる所以である。残存有機物を除去するには，酸素の供給量を多くする必要があるが，空気送風量を増やすと回収ガスのメタン濃度が薄まり利用価値がなくなるため，密閉型DHSによる溶存メタンの回収と残存有機物酸化の両立は困難である。

図４　下水処理UASBリアクターと密閉型DHSによる溶存メタン放散防止

表３　密閉型DHSによるポリッシュアップと溶存メタンの回収・除去

6. UASB＋溶存メタン回収密閉型DHS＋ポリッシュアップ密閉型DHSのシステムによる処理

　溶存メタン回収の密閉型DHSでは，上述のように嫌気性処理水をポリッシュアップすることはできず，また回収率90%以上を達成するための巨大なDHSの設置は実用的とは言えない。そこで適切な能力の溶存メタン回収DHSの後段に回収できなかった残存溶存メタンおよび残存の有機物を酸化分解する装置の付加が必要である。その装置としても，密閉型DHSは有効である。ただし，このポリッシュアップの好気性密閉型DHSは上部から溶存メタンと有機物の酸化分解に必要な量の空気を供給する。

　図４に示すように，高さ4ｍのUASB（HRT8.8hr）と高さ2ｍの溶存メタン回収密閉型DHS（1st DHS）（HRT4.4hr）の後段に同一の密閉型DHS（2nd DHS）を好気性処理用として付加し，残存の溶存メタンおよび有機物の同時処理の実験を行った。なお，２基の密閉型DHSの合計高さはUASBの高さ4ｍと同じであり，UASBの処理水はDHS内を自然流下するため，DHSへのポンプアップは必要ない。1st DHSからの流出水の溶存メタン濃度は22.5mgCOD·l-1であるが，2nd DHSでほぼ全量除去され，最終処理水の溶存メタン濃度はわずか0.11mgCOD·l-1であった。また2nd DHSの流出ガス中のメタン濃度は0.03%であり，2nd DHSにおいて流入溶存メタンの約97%が除去できたことになる。したがって，２つの密閉型DHSを直列に配置することで，嫌気性処理水から排出される溶存メタンを99％程度カットすることができた。水質に関しても2nd DHSにおいて流入BODの65%，流入CODの48%が除去され，最終処理水はBOD濃度15 mg·l-1，COD濃度58 mg·l-1であった。気温が低下する冬期においても処理水のBOD濃度は約20 mg·l-1を維持し，DHSを開放型から密閉型にしてもUASB処理水をポリッシュアップすることができる。

7. おわりに

　省エネ型の嫌気性処理を下水に適用する場合，溶存メタンの大気放散を防止しなければ，活性汚泥法よりもCO2排出量が多くなり地球環境にやさしくはない。しかし，２基の密閉型DHSを後段に設けることで，溶存メタンの約70％を有用な自燃ガスとして回収でき，残存の溶存メタンは微生物分解して，メタンの大気放散を99％抑えることが可能である。また，活性汚泥法と同等の良好な処理水を得ることができる。環境にやさしい創エネ型のUASB法と密閉型DHを組み合わせたシステムは下水などの低濃度排水処理に対して21世紀の途上国さらに世界の標準仕様になる素養を秘めている。