三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014) 機械・設備システム特集

技 術 論 文21

高度水処理・水再生技術の開発
Advanced Wastewater Treatment and Reclamation System

寺 﨑 健 *1

音 在 歩 積 *2

Takeshi Terazaki

Hozumi Otozai鴫 石 康 亮 *2

鈴 木 英 夫 *3

Kosuke Shigiishi

Hideo Suzuki

中小路裕 *4

Hiroshi Nakashoji

川 本 博 行 *5
Hiroyuki Kawamoto

水が不足するシンガポール(星国)では，工業排水の再利用が重要な研究課題となっている。また，インド・中国・中東諸国等の新興国においては，拡大する水需要に対する供給能力不足の問題に加え，環境汚染の側面からも再利用を含めた最適な排水処理技術の適用に期待が高まっている。三菱重工メカトロシステムズ(株)では星国 ジュロン工業地区で 2013 年より実施中の工業団地向け排水処理実証試験において，水質変動の大きい工業団地排水の安定処理（CODCr ：100mg/L 以下）と高い水再生率（RO 膜方式で 60％，静電脱塩方式で 75％）を実現できることを確認した。本報では工業団地向け排水処理実証試験の結果と今後の試験計画・展開について紹介する。

|1. はじめに世界的な人口増加に伴い，元来水不足に悩むシンガポール(星国)やインド・中国・中東諸国及びアフリカ等の新興国において，排水再利用の拡大が必要とされている。さらに，新興国における水質汚染は深刻度を増し，環境問題対策として再利用を含む排水処理の需要は増加の一途をたどっている。このようなニーズに対応していくためには，従来の排水処理技術に水再生関連の高度処理技術を付加することが必要となる。
三 菱 重 工 メ カ ト ロ シ ス テ ム ズ ( 株 ) は 三 菱 重 工 業 ( 株 ) ， MIES （ Mitsubishi Heavy Industries
Engineering & Services Private Ltd.）と共同で，星国公益事業庁（Public Utilities Board：PUB）が保有するジュロン工業地区の水再生プラントにおいて，未処理の工業排水を対象とした処理能力48m3/d 規模の実証試験機を設置し，先進の水処理・水再生技術の実証化に向けて 2013 年９月より実証試験をスタートさせた。

|2. 工業団地向け排水処理実証試験の概要及びプロセス
工業団地排水処理システムのフローを図１に示す。本システムは排水水質が大きく変動する工業団地排水の安定した処理運転と高い水再生率（排水量に対する脱塩水生産量の割合）を実現することが可能となっており，排水処理工程と脱塩工程の二つの工程に分けられる。安定した脱*1 三菱重工メカトロシステムズ(株) プラント事業本部 環境プラント部 水処理装置計画課 課長*2 三菱重工メカトロシステムズ(株) プラント事業本部 環境プラント部 水処理装置計画課*3 エネルギー・環境ドメイン 化学プラント・社会インフラ事業部 社会インフラ・水プロジェクト室 主席技師
技術士（化学，衛生工学，総合技術監理部門）*4 エネルギー・環境ドメイン 化学プラント・社会インフラ事業部 社会インフラ・水プロジェクト室 主席技師
*5 MITSUBISHI_HEAVY_INDUSTRIES_ENGINEERING_&_SERVICES_PRIVATE_LTD.(MIES)，Water Solution Business Unit三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)22

塩処理を行い，工業用水及び NEWater（高度な脱塩技術にて浄化処理することで生成される高品質な再生水の総称（造語））をコンスタントに供給するためには，排水処理工程での安定運転の維持が必要となる。下記に各処理工程の概要について紹介する。

図１ 工業団地排水処理システムフロー

2.1 排水処理工程
排水処理工程は前処理工程と生物処理工程の二つに大別される。
(1) 前処理工程
前処理工程では主に生物処理阻害物質の除去を目的とし，対象物質ごとに最適な方法で除去・処理される。浮上しやすい成分（油分，溶剤等）は油分分離機を用いて浮上分離し，重金属（Cu，Zn，Ni 等）や懸濁（浮遊）物質（SS）は凝集沈殿処理にて除去し，後段の生物処理への阻害を防止する役割を担っている。本工程では三菱重工メカトロシステムズ(株)の保有技術である高速凝集沈殿装置（図２）を使用しており，従来の凝集沈殿装置と比べて非常にコンパクトであり，かつ高性能な SS 除去能力を有している。
(2) 生物処理工程
生物処理工程では主に前処理水（生物処理阻害物質を除去した水）中の有機物質の除去を目的とする（水の中の有機物の量を表す指標として COD*1，BOD*2 等が用いられる）。
本工程では Bio-film Reactor（BFR）と Membrane Bioreactor（MBR）の二つの生物処理方式を用いている。BFR 及び MBR の処理システムの概要については図３に示す。BFR は槽内の浸漬ろ材表面に付着した生物膜（微生物）が酸素，栄養源とともに有機物を好気処理（有機物分解）する生物膜付着方式である。生物膜は，ろ材に付着しているため菌叢（きんそう）が変わりにくく，かつ一定量の菌数を保持できることから負荷変動への追従性が高い処理方式となっている。これに対し，MBR は生物フロック（活性汚泥）を用いて有機物を分解する好気性浮遊方式である。この処理水は沈降分離ではなく，精密ろ過膜（MF 膜）によりろ過分離することで標準的な生物処理（活性汚泥処理）より汚泥（MLSS）濃度を高く保持して運転できるため，高負荷（有機物容積負荷）での処理が可能であり，槽容量をよりコンパクトにすることができる。
本工程では，負荷変動への追従性が高い BFR と高負荷処理が可能な MBR を組み合わせることで，水質変動の大きい工業団地排水に対し，安定した処理の実現化を目指す。
*1 COD（Chemical Oxygen Demand；化学的酸素要求量）*2 BOD（Biochemical Oxygen Demand；生物化学的酸素要求量）

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図２ 高速凝集沈殿装置

図３ 生物処理プロセスの概要（BFR & MBR）

2.2 脱塩工程
脱塩工程には RO（逆浸透）膜方式と静電脱塩方式の二つの処理方式を採用した。
(1) RO 膜方式
RO 膜方式は既に技術的に確立された方式であり，逆浸透膜（孔径 1nm 以下）で仕切られた系の片側に浸透圧より大きな圧力を加えることで，膜を通して水分子のみを膜間移行させ，イオン，塩類及び低分子有機物を分離・除去する方式である（図４）。
(2) 静電脱塩方式
静電脱塩方式は次世代型脱塩方式として開発が進められている。比表面積の大きい電極に通電し，対象水を電極間に通して，陰イオンを正(＋)極表面に，陽イオンを負(－)極表面に吸着させ脱塩する方式である（図５）。
本工程では上記排水処理工程から得られる安定した処理水を用いて，水再生率の上限を見極めるとともに，脱塩システムの安定運転の実現化を目指す。

図４ RO 膜式脱塩装置

図５ 静電脱塩装置|3. 工業団地排水処理実証試験結果
工業団地排水処理実証試験結果について下記に示す。

3.1 排水処理工程(1) 高速凝集沈殿装置の性能評価
工業団地排水中の SS は設計値 300mg/L に対して非常に変動が大きく，設計値を大幅に超えたものが常時流入する過酷な試験条件であったが，計画薬品注入率である凝集剤（FeCl3）100mg/L，凝集助剤（Polymer）2mg/L の薬注条件下で 80％以上の高い SS 除去率を有することが確認できた（図６）。
また，従来の沈殿槽に対し，約８倍の水面積負荷（LV）で安定運転を継続できたことから，沈殿槽設置面積を従来の約 1/8 にまで低減できるものと考えられる。

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図６ 高速凝集沈殿装置 SS 除去性能

(2) Bio-film Reactor（BFR）の性能評価
前処理水中の CODCr（二クロム酸カリウムによる化学的酸素要求量＝有機物の量を表す指標）は変動が大きいものの，おおよそ設計値である 1 000mg/L 以下であったことから，BFR は常時，設計負荷である 1.5 ㎏-CODCr/m3・d（ろ材あたりの容積負荷）以下の運転条件であった。
BFR は図７，８に示すように，変動幅 0～1.5kg-CODCr /m3・d において，300mg/L 以下の処理水が得られたことから，本装置が広い容積負荷範囲で安定処理ができる幅広い除去能力を有していることが確認できた。

図７ CODCr 容積負荷－処理水水質との相関（BFR）

図８ CODCr 容積負荷－CODCr 除去量との相関（BFR）

三菱重工技報 Vol.51 No.3 (2014)25(3) Membrane Bioreactor（MBR）の性能評価
BFR 同様，MBR においても設計負荷 2.4 ㎏- CODCr/m3・d（槽容積あたりの容積負荷）の運転条件下で，処理水 CODCr を 100mg/L（星国における再生水生成時の入口条件）以下まで処理可能であることを確認した（図９）。
また，容積負荷 0～2.4kg-CODCr/m3・d の運転条件下において，CODCr 除去量は容積負荷が高くなるほど上昇傾向にあることから，本装置が高負荷時でも処理水質を満足できるだけの除去能力を有していることが確認できた（図 10）。
このことから，負荷追従性が高い BFR と高負荷処理が可能な MBR，各々のメリットを活かせば生物処理の安定運転が可能であること，そして良好な MBR 処理水を脱塩工程へ連続的に供給できることが確認できた。

図９ CODCr 容積負荷－処理水質との相関（MBR）

図 10 CODCr 容積負荷－CODCr 除去量との相関（MBR）

3.2 脱塩工程(1) RO 膜方式の性能評価
3.1 項記載の通り，排水処理工程での安定運転が継続できたことで，高回収が難しいといわれる排水からの水再生率を 60％にまで高めることができた。RO 透過水水質は表１に示すように星国 NEWater 水質基準値を満足しており問題無いレベルまで処理できることが確認できた。
(2) 静電脱塩方式の性能評価
上記 RO 膜式同様，排水処理工程の安定運転の継続により静電脱塩方式にて 75％の水再生率が得られることを確認した。本実証試験の供給水水質において，静電脱塩方式ではNEWater 水質基準までの仕上がりは期待できないが，表２に示すように工業用水の水質基準値以下に脱塩し回収することが可能であることが確認できた。

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表１ RO 透過水水質と NEWater 水質基準
水質項目単位

RO 入口水RO 透過水pH－7-86.5-7.5

7.0-8.5

Ca2+mg/L

30-55≦1(全硬度)

Mg2+mg/L

30-40≦0.5＜5mg/L as CaCO3NH4+mg/L as N

≦5

≦0.4

＜0.5

100-280

5-10＜50 *1M-アルカリ度

mg/L asCaCO3NEWater 水質基準

Cl-mg/L

600-800≦17＜20 *2PO43-mg/L≦6≦1.5－-Fmg/L

15-35≦0.4＜0.5TDSmg/L

1 700-2 300

40-80＜90 *3

電気伝導度

μS/cm

2 800-3 400

70-140＜150 *4

BOD5mg/L

0-25≦3－水再生率*1 :総アルカリ度*2 : 350＜RO 入口水 Cl-≦550 の場合*3 : 1 000＜RO 入口水 TDS≦1 330 の場合*4 : 1 580＜RO 入口水電気伝導度≦2 100 の場合

60％

表２ 静電脱塩水と工業用水水質基準
水質項目

単位

静電脱塩装置入口静電脱塩水

pH－

7-8

6.5-8

6.5-7.2

Ca2+mg/L

30-55≦10(全硬度)

Mg2+mg/L

30-40≦10100-250mg/L as CaCO3NH4+mg/L as N

≦5

≦1＜5100-280

75

30-80

M-アルカリ度mg/L as
CaCO3

工業用水水質基準

Cl-mg/L

600-800

100-350

100-500

PO43-mg/L≦6≦41-4-F

mg/L

15-35

5-20－TDSmg/L

1 700-2 300

600-900

350-1 300

電気伝導度μS/cm

2 800-3 400

750-1 050600-1 600

BOD5mg/L

0-25≦51-5

水再生率75％|4. 今後のスケジュール
今後の試験計画の概要については下記の通りである。
(1) 排水処理システムの運転費，設備費の低減化検討
高速凝集沈殿装置での薬品消費量の最適化，生物処理（MBR）でのフラックス（単位膜面積あたりの透過水量）アップ時の処理性確認等を行い，本システムの運転費，設備費の更なる低減化を図る。
(2) 脱塩システムの最適運転条件の構築
RO 膜方式では水再生率 60％での安定運転ができたため，今後は処理に必要な薬品消費量の低減化に関する試験を行う。静電脱塩方式では，各種操作条件を変更し水再生率の限界を見極めるとともに，最適な運転条件下での安定運転を目指す。

|5. まとめ
星国公益事業庁（PUB）が保有するジュロン工業地区の水再生プラントにおいて，未処理の工業排水を対象とした処理能力 48m3/d 規模の実証試験機を設置し，先進の水処理・再利用技術の実機化に向けて 2013 年９月より実証試験をスタートさせた。本実証試験において，水質変動の大きい工業団地排水の安定処理を行い，従来より高い水再生率が実現できることを確認した。今後は水再生率の限界を見極め，最適運転条件下での安定運転を目指すとともに，実機化へ向けた運転費，設備費の更なる低減化の検討を進める。