排水の再利用を可能にする高度処理

要約

水不足の問題により、従来の水の供給を補完する重要な方法として排水の再利用が盛んに導入されるようになっています。
効果的な飲用向けの再利用は、厳格な水質要件を満たすために確立された処理プロセスに依存しています。これらの方法には、精密ろ過、限外ろ過、逆浸透を伴うナノろ過、および殺菌などがあります。[EH1]
技術が進歩し、規制が適用されるようになるにつれて、排水の再利用は水不足を解決する上で重要な役割を果たすようになります。

基準の策定

気候変動や世界人口の着実な増加により、上水の供給に対する圧力は強まっており、この重要な資源を管理する必要性も増大しています。従来の方法に加えて、有効利用できる水質基準を満たすまで排水を処理する排水の再利用プロセスが、上水の供給を補う重要な戦略として浮上しています。

過去10年以上、一般的な排水の再利用アプリケーションと言えば産業における冷却プロセス、便器の水洗、緑地への散水などでした。しかし近年では高度処理方式によって、直接的および間接的飲用水再利用のいずれにおいても飲用向けの再利用の安全性と実用性が高まっており、このトレンドは自治体レベルでも急速に支持を集めています。

高度処理技術

受け入れた再利用水のストリームから従来の処理方法によって比較的大きな固形物や微生物を除去した後で、残留している小さな粒子やウイルス汚染物質を除去するための高度処理が施されます。この処理では、飲用向け再利用の厳格な水質基準を満たすためのろ過、逆浸透、および殺菌といった工程が必要となります。

ろ過プロセス

浮遊懸濁物、細菌、および比較的大きな有機化合物を除去するために、一般的にろ過が行われています。ろ過材として、砂、粒状媒体、微細なメンブレンなどが使用されます。

飲用水処理において長らく不可欠な要素として使用されているメンブレンろ過では、水に圧力をかけて微細なメンブレンに押し通すことで汚染物質を除去します。メンブレンの孔の大きさは要件に応じて異なりますが、一般的にプロセスが下流に進むほど孔のサイズが小さなメンブレンが使用されます。

孔の大きさが0.1～10ミクロンの精密ろ過は、三次処理の初期のろ過でよく使用されます。孔の直径が0.01～0.1ミクロンの限外ろ過（UF）は、浮遊懸濁物、細菌、その他多くのウイルスの除去に効果があります。これらのメンブレンタイプは、いずれも物理的なバリアとなり、メンブレン表面に汚染物質を留めつつ、清浄な水を通過させます。メンブレン表面には徐々に汚染物質が溜まるため、定期的に逆洗洗浄を行って、水が通過できるように孔の目詰まりを取り除き、効率を維持する必要があります。

さらに微細なレベルのろ過を行うナノろ過では、メンブレンの孔の直径は約0.001ミクロンまで小さくなります。この微細な孔により、ナノろ過では溶解した有機物、カルシウムやマグネシウムなどの硬水イオン、殺虫剤、およびその他の重金属を含む、より幅広い汚染物質を除去することが可能です。通常、ナノろ過は限外ろ過と逆浸透（RO）の間で使用され、溶解塩を除去するROのように大きなエネルギーを必要とせず、高レベルな精製を行います。

逆浸透膜　

直接的飲用水再利用やその他多くの産業アプリケーションなどで水の純度が重要となる場合は、逆浸透（RO）膜を使用して非常に微細な汚染物質を除去することが可能です。逆浸透膜の孔は直径約0.0001ミクロンであり、塩、ミネラル、微細汚染物質、細菌、およびウイルスを捕捉します。このように孔が微細であること、および浸透圧に打ち勝つ必要があることから、ROではポンプを使用して水に圧力をかけるために非常に大きなエネルギーが必要です。

ROシステムではメンブレンの孔が非常に小さいため、一般的にクロスフローろ過が活用されます。クロスフローろ過では、ろ過液が一方向に流れる一方、汚染物質が凝縮された水は異なる経路で容器に流れます。クロスフローろ過では、濃縮ストリームによってメンブレンに付着した汚染物質が押し流されるだけでなく、適度な流れの乱れが発生するため、メンブレン表面が目詰まりしにくくなります。

クロスフローろ過では、濃縮ストリームやリジェクトストリームを利用して、長期間の継続的な運用が可能です。

濃縮ストリームは、メンブレンを通過できない塩水やその他の化合物で構成されています。多くの場合、ROシステムでは水の回収率を向上させるために複数のステージが設けられており、最初のステージの濃縮ストリームを2番目のステージのROメンブレンに通過させる、または最初のメンブレンを通過させて再利用するといったことが行われます。

殺菌　　　

通常、三次処理の最終工程として殺菌が行われます。一般的な殺菌方法として、塩素消毒および紫外線やオゾンを使用した促進酸化処理が挙げられます。これらの工程により、細菌、ウイルス、原虫などの残留病原菌を不活性化し、厳格な水質要件の遵守を維持します。

メンテナンスおよび監視

いかなる排水再利用プログラムにおいても、成功を収めるには技術革新だけでなく、高精度なプロセス制御、厳密なフィード水品質監視、および厳重なメンテナンス体制が必要となります。安定した水質を維持するために継続的に監視を行い、処理パラメータを調節できるようにプロセス制御システムを設計するだけでなく、環境管理対策を講じて、処理を毀損するおそれのある汚染物質の混入を防止する必要があります。

各国政府は水の安全保障の取組みにおいて排水再利用の役割が高まっていることを認識し、法整備を急速に進めています。特に、間接的および直接的飲用水再利用の認可手続きは多くの地域で広く行われるようになっており、排水再利用プロジェクトの要件が明確化されるとともに、システムの安全性に対する社会的懸念を払拭する取組みがなされています。処理技術の進歩に伴い、規制の枠組みによって公衆衛生や環境十全性を維持しつつ、排水再利用の導入を継続してイノベーションを促進することが必要です。

水の安全保障の未来は、持続可能な取組みを継続できるかどうかにかかっています。研究、インフラ、および社会教育への継続的な投資によって、次世代のための持続可能な水の供給が可能になります。