2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 高速消毒および繊維ろ過処理技 術による合流式下水道改善対策 に関する研究 合流式下水道は，単一の管菜で汚水と雨水を収集 排除することができ，生活環境の改善と浸水の防止 を併せて行う合理的なシステムである。しかし，雨 天時の汚水と雨水をすべて処理することは，施設用 地や経済性の面からむずかしく，下水の一部は雨水 畦やポンプ場等から短時間に大量の越流水として公 共用水城に放流されている。越流水が公共用水城に 与える影響は大きく，懸濁性物質（SS）や有機物 （BOD，COD）による汚濁負荷という点ばかりでなく， 大腸菌群の排出という公衆衛生面からも極めて深刻 な問題である。下水処理水の消毒には塩素系消毒剤 が主に用いられているが，アンモニウムイオンが存 在すると消毒効果の低下，また，多量の消毒剤を添 加したときには活性塩素が残留し，環境に悪影響を 及ぼす場合がある。 本研究は，アミン化合物の生成反応が進みにくく， 速効性で残留性の低い臭素系の消毒剤と浮上性繊維 ろ材による高速ろ過装置により，SSなどの汚濁物除 去と消毒装置の複合的機能を持たすことにより，環 境への汚濁負荷の低減と消毒効率の向上をねらった ものであり，システムの実用化に向けた処理性能評 価を行い，設計，運転・維持管理手法等の確立を図 るとともに，技術資料を作成することを目的とす る。 本共同研究は，（郷下水道新技術推進機構と，株式 会社石垣，株式会社荏原製作所，および川崎市建設 局と（醐下水道新技術推進機構が共同で実施した。 研究内容 （∋ 最初沈殿池流出水および雨天時の簡易処理水に 速効性消毒剤を添加後，高速ろ過でろ過する，除 濁と消毒を同時に行うシステムの検討 ② 最初沈殿池流出水および雨天時簡易処理水を高 速ろ過でろ過後，速効性消毒剤で消毒を行った場 合の消毒性能比較 ③ 凝集剤を併用した場合のシステムの検討 ④ 従来の塩素系消毒法との比較検討 ⑤ 上記知見をとりまとめ，技術資料を作成する 4．1 消毒剤 臭素系の速効性消毒剤 は，下水道処理設備にお いて従来使用されている 塩素系消毒剤と比較して， 下記の特長を有している。 ① アンモニウムイオン 119− 写真−1 臭素剤 2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 の存在下においても消毒効果を維持する ② 短時間で消毒が可能である（速効性） ③ 消毒活性の残留が僅かである ④ 粉末であり，貯蔵と取り扱いが容易である 4．2 高速ろ過装置 浮上性の繊維ろ材を用いた高速ろ過装置は2次 処理水の急速ろ過用に開発されたもので，ろ過速度 1，500∼2，000I〟日の高速ろ過が可能であり，下記の 特長を有している。 ① 高速ろ過が可能なため，省スペースで処理でき 5．3．2 比較実験 ・RUN2 次亜塩素酸ナトリウムとの消毒効果の比較 ・RUN3 凝集剤を併用した場合の消毒効果の確認 ・RUN4 速効性消毒剤の注入点（ろ過装置前段お よび後段）の違いによる比較 ・RUN5 次亜塩素酸ナトリウムによる直接消毒と の比較 ・RUN6 最初沈殿池流入水を用いRUNlと同様の 実験 る ② ろ材の洗浄は機械洗浄，空気洗浄およびそれら の併用により，確実に洗浄できる ③ 構造が単純なため維持管理が容易 6．1組合せ実験結果 6．1．1RUNl 臭素剤注入実験 最初沈殿池流出水に対する臭素剤を注入した場合 の消毒効果と，SSおよびBODの除去性を以下に示 す。 （1）消毒効果 臭素剤の注入率とろ過水の大腸菌群数の関係を 図−2に，臭素剤注入後ろ過機を通過したろ過水を 静置させたときの，時間と消毒効果の関係を図−3 に示す。 写真−2 浮上性繊維ろ材 5． 実験内容 5．1実験場所 川崎市加瀬水処理センター 5．2 処理フロー 図−1のとおり。 5．3 実験内容 5．3．1組合せ実験 ・RUNl 臭素剤注入実験 速効性消毒剤（臭素系BCDMH）の注入率および ろ過設備のろ過速度（消毒剤の接触時間）の違いに よる消毒効果の確認を行う。 図−1 実験処理フロー 1120一 2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 結果概要 ① 大腸菌群数を3×103（CFU／mP）以下に消毒す ろ過水のSSは10∼40mg／ゼであった。 ② ssの除去率はろ過速度によって顕著な違いは るための必要量より少ない注入率（4mgノl以下） の場合，接触時間と消毒効果には明確な相関がみ られなかった。消毒剤注入率が少ない場合，下水 中の還元性物質に消費される消毒剤量が相対的に 多くなり，消毒効果が下水水質に影響を受けやす くなることが原因と推察される。 ② 大腸菌群数を3×103（CFU／mの 以下に消毒で なく，50％程度であり，予備実験（臭素剤無添加） の場合と大きな差はなく，臭素剤注入がSSの除 去性能には影響しないことがわかった。 （3）BODの除去性能 臭素剤注入時の原水とろ過水中のBODの関係を 図−6に示す。 5 0 画 ＿ ， ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ＿ ‖＿ ㈱ Cb c∼ 竺 ○ C） 5 ︵∼官︶白〇四着増村 きる量（4mg／l以上）を注入した場合，消毒効 果は，下水と消毒剤の接触時間が長くなるにつれ て高くなる傾向がみられた。ろ過速度が500m！日 のとき，その傾向は顕著であったが，ろ過速度が 1，000I〟日から2，000I〟日ではその差はわずかであ った。 0 0 50 100 150 200 0 ③ 臭素剤注入率が4mg／l（塩素換算値）のとき， ろ過機出口（ろ過速度2，000m／日，接触時間69秒） で大腸菌群数が2．4×103（CFU／mO になり，そ 原水BOD（m〟l） 図−6 BODの除去性 の後，時間とともに大腸菌群数が減少する傾向が みられた。 図−2で，同じ臭素剤注入率であっても，ろ過 速度によってろ過後の大腸菌群数が異なっていた のは，ろ過機内での接触時間が異なっていたこと が原因と判断される。また，概ね180秒で反応が 終了することが確認できた。 （2）SSの除去性能 最初沈殿池流出水に臭素剤を注入し，ろ過した場 合のSSの関係を図−4に，ろ過速度とSS平均除去 率の関係を図−5に示す。 結果概要 ① 最初沈殿池流出水のBODは，大半が60∼120 mg／Pの範囲にあり，ろ過水のBODは5∼90mg／P であった。 ② BOD除去率は平均26％程度であった。 6．2 比較実験結果 6．2．1RUN2 次亜塩素酸ナトリウムとの消毒効果 の比較実験 臭素剤と次亜塩素酸ナトリウムの注入率に対する 大腸菌群数の関係を図−7に，そのときの遊離残留 ハロゲン濃度測定結果を図−8に示す。 0 n U 6 4 2 ︵叫曾︶S∽鴬璽吋 ろ過 速度 接 触 時間 （ m 川 ） （ 砂） ‖ ＿一 1 ． 500 ● α第 276 138 厄「¶頭「￣ 「￣ 1 好￣ × 2 ． （ 畑） 69 △ △ ▼一一一一一一一一函 一一一 O 日 日￣￣￣￣◆ ￣ ′ O 0 50 100 150 最初沈殿池流出水SS（m釘ゼ） 臭素剤と次亜塩素酸ナトリウムの消毒特性比較 図−4 SSの除去率 ︵∼曾︶坦欒六もロ′1駆理経期 8 6 4 2 0 0 0 0 0 ︵辞︶ 掛袖謹 0 5（氾 1，0（氾 1，5（氾 2，000 ろ過速度（m／目） 図−5 SSの平均除去率 0 0 0 0 0 5 4 3 2 1 0 5 10 結果概要 ① 最初沈殿池流出水の原水SSは20∼70mg／ゼで， −121− 消毒剤注入率（m釘の 図−8 残留ハロゲン濃度測定結果 15 2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 結果概要 ① 臭素剤は，次亜塩素酸ナトリウムより少ない注 入率で高い消毒効果を示した。 ② 次亜塩素酸ナトリウムは，注入率9mg／l以下 では遊離残留塩素が検出されなかったことから， 注入した次亜塩素酸ナトリウムはクロラミンの生 成が消毒と並行して起こったと考えられ，その結 果，大腸菌群数の消毒が十分に行われなかったも のと推察される。 6．2．2 RUN3 凝集剤を併用した場合の実験 （1）消毒効果 凝集剤と臭素剤を併用した場合の消毒効果を図− 9に示す。凝集剤は最初沈殿池流出水供給ポンプ 前，臭素剤は同ポンプ後（ろ過前）に注入した。無 機凝集剤の注入率は，それぞれジャーテストで求め た最適注入率の50mg／ゼとし，有機高分子凝集剤は 高カチオン2種，中カチオン2種，低カチオン， ノニオン，中アニオンそれぞれ1種，両性3種お よびエマルジョン状カチオン2種の12種類のジャ を注入したときに，PAC50mg／Pで45mg／P，塩 鉄50mg／lで41mg／lのSSが増加しており，ろ過 水SSを異常に高くした原因としては，凝集剤に 起因する固形分以外に，多くの溶解性物質の析 出の影響等が考えられる。 ② 有機高分子凝集剤の場合は，無添加時に比べわ ずかにSS除去率が高くなっているが，顕著な効 果は見られなかった。これはろ過層内流速に見合 う強固で大きいフロックができず，しかもコロイ ドがほとんど凝集していないためと考えられる。 ③ 高速ろ過装置は，短時間処理が特徴であるが， 凝集反応のための十分な滞留時間の凝集槽を設置 すると，システムがコンパクトである特徴が薄れ， さらにコストも高くなるため，SS除去効果の向 上が期待できる有機高分子凝集剤の再選定を実施 する。 表−1 凝集剤注入時のSSおよびその除去率 PACラ主人率：50mg／ゼ ーテストの結果より中カチオン系を選定し，注入率 は0．5mg／lとした。臭素剤の注入率は，パイロット プラント運転で遊離残留ハロゲンが検出された注入 率が最大注入率になるように注入率を設定した。 1 1 1 1 1 I． Ⅴ 原水 S S ろ過 水S S （ m ／日 ） （ m g／ の （ m g／の 除去率 −5 （ ％） 500 63 66 1， 00 0 55 65 − 18 1， 50 0 59 73 − 23 原 水 SS ろ過 水 SS 除去 率 塩鉄寺主人率：50mがg I． Ⅴ 0 0 0 0 0 ︵も∈＼DhU︶痛枯圏謹セ （ m g／の （ m g／ の 5 00 34 34 2 1， 000 35 47 33 1， 50 0 41 49 20 （ m ／日 ） （％ ） 有機高分子凝集剤注入率：0．5mg／l IJV （ m ／日 ） 2 4 6 8 消毒剤注入率（塩素換算値，Itlg／の 図−9 凝集剤を併用した場合の臭素剤の消毒効果 結果概要 ① どの凝集剤を併用した場合においても，凝集 剤を併用しない場合と明確な消毒効果の差は確 認されなかった。臭素剤の消毒効果は凝集剤に 影響されないと考えられる。 原 水 SS （m g ／l ） ろ過 水 SS （ m g ／の 除去率 （％ ） 500 84 43 49 1， 00 0 73 35 52 1， 50 0 66 28 58 2， 00 0 85 33 60 （3）BOD除去 BODの関係を図−10に示す。 （2）ろ過状況 ろ過速度を変化させた時のSS除去率を表−1に 示す。 結果概要 ① 無機凝集剤を併用した場合には，ほとんどの ろ過水SSが原水SSを上回っていた。無機凝集剤 一122− l0 1 凝集剤なし lx l 凝集剤注入 C迦 ○ ○ 50 100 150 200 原水BOD（mg〃） 図−10 高分子凝集剤注入時のBOD除去率 2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 結果概要 リウムは，大腸菌群数を3×10：3（CFU／mP）に減 ① 有機高分子凝集剤を注入したときと無注入時で はBOD除去率に顕著な差はなかった。 少させるためには，12mg／ゼの注入率においても 約200秒必要であり，また，その時の遊離残留ハ ロゲンは0．4mg／lであった。今回，結合ハロゲ ンは末測定であるが，次亜塩素酸ナトリウム注入 の場合の仝残留ハロゲン濃度は非常に高い値にな ると推察される。 ② 臭素剤は，概ね180秒で反応が完了した。それ に対し次亜塩素酸ナトリウムは，短時間での消毒 は行なえず，時間経過とともに緩やかに反応した。 次亜塩素酸ナトリウムの場合，結合塩素濃度が高 いため，それによる消毒効果が現れたのに対し， 臭素剤の場合，遊離残留ハロゲンと仝残留ハロゲ ンとがほぼ等しいため，短時間で反応が完了した ものと推察される。 6．2．3 RUN4 臭素剤の注入点比較実験 臭素剤注入後にろ過した場合と，ろ過後に臭素剤 を注入した場合の消毒効果の経時変化を図−11に 示す。原水は最初沈殿池流出水，ろ過速度は 2，000m用とした。 ︵∼∈＼nhU︶感捻極寒来 ① ろ過後に臭素剤を注入すると，69秒後（ろ過速 度2，000I〟日でろ過したときのろ過機内滞留時間） の大腸菌群数は10（CFU／mの 以下になった。 ② 原水に臭素剤を注入してろ過した場合，ろ過機 出口の大腸菌群数はろ過後注入と比較して高くな った。これは原水中に含まれる還元性物質に臭素 剤が消費されたことが原因と推察される。 ③（力，②より，ろ過後に臭素剤を注入する方が， 反応時間が同じならば臭素剤の注入率が少なく， 注入率が同じならば短時間で同じ消毒効果が得ら れることがわかった。 1 1 1 1 1 結果概要 0 5 ぴ 0 3 α 0 1 ︵∼∈＼nhU︶癒結粗密双 図−11臭素剤の注入点の相違が消毒効果に与える影響 0 5 10 15 消毒剤注入率（塩素換算値，m釘の 図−12 臭素剤と次亜塩素酸ナトリウムの消毒性能比較 6．2．4 RUN5 従来法との比較実験 最初沈殿池流出水に消毒混和槽で臭素剤または次 亜塩素酸ナトリウムを接触させたとき，および臭素 剤または次亜塩素酸ナトリウム注入後にろ過を行っ たときの消毒効果を図−12に，試料を経時させた ときの大腸菌群数推移を図−13に示す。ろ過速度 は2，000m／日（接触時間69秒）とした。 結果概要 ① 臭素剤は，ろ過機および混和槽のいずれに適用 した場合でも，注入率を4mg／ゼにすると1分程度 の短時間で大腸菌群数を3×103（CFU／mの に減 少させることができ，また，その時遊離残留ハロ ゲンは検出されなかった。一方，次亜塩素酸ナト 臭素剤＋ろ過 臭素剤＋混和槽 次龍塩素酸ナトリウム＋混和槽 2 ○ △ 注入剤 （ m g／ ク） 4 6 9 12 ● ◇ ▲ ☆ ☆ ［ コ ■ 図−13 消毒後の経時に伴う大腸菌群数の変化 6．2．5 RUN6 最初沈殿池流入水に対するろ過性能 （1）最初沈殿池流入水状況 最初沈殿池流入水は，毛髪，食べ津等のし直が多 く見られた。し直の大部分は原水ポンプおよびスク リーンで除去され，ストレーナでは主に繊維分が除 去された。 −123− 2001年度 下水道新技術研究所年報〔2／2巻〕 （2）ss除去性 最初沈殿池流入水のろ過状況を表−2に示す。 表一2 最初沈殿池流入水のろ過状況 運 転 時 間 （ h） 終 了 時 圧 力 損 失 （ kP a） 平 均 SS 除去 率 （％ ） 実 験 日 1， 000 3． 5 30． 0 84 13． 9． 13 1， 500 1． 5 30． 0 85 13且 13 LV （ m ／日 ） 7．1 消毒効果 備 ① ろ過前に臭素剤を注入した場合，ろ過機出口で の消毒効果はろ過速度が小さい方が高くなる。 考 ② 臭素剤および次亜塩素酸ナトリウムを注入した 最初沈殿池流出水を，ろ過機で同条件にて処理し た場合，臭素剤の方が少ない注入率かつ短時間で 高い消毒効果を示した。 9 ／1 1 台風 大 雨 最初沈殿池流入水の原水およびろ過水のSS粒径 分布を図−14に示す。 ︵求︶咄翳夏等 ● 原 ○ ろ過水 水 ろ過速度 … ￣原 水S S ，■■■■■r ④ ろ過後に臭素剤を注入する方が，ろ過前注入に 比べ臭素剤の注入率が少なく短時間で消毒でき た。 1， 500 m 用 13 8m が ゼ ろ 過 水 S S 20 ③ 凝集剤と臭素剤を併用した場合，臭素剤の消毒 効果は凝集剤の種類に関わらず概ね一定であっ た。 l ⑤ 接触時間69秒での消毒効果は，ろ過機内で接触 した場合と，混和槽内で接触した場合で差がなか った。 ⑥ 臭素剤は，次亜塩素酸ナトリウムと比較し消毒 効果，および速効性ともに非常に高い。 l 0 1 10 100 1，000 粒子径（〃m） 図−14 原水およびろ過の粒径分布 結果概要 ① 最初沈殿池流入水の原水SSは60∼140mg／lで あったが，ろ過水のSSは原水のSS濃度に係わら ず20m釘l以下となった。 ② 流入水と流出水ではSSの除去性が顕著に違っ ていたが，これは最初沈殿池流入水中の粗い繊維 分等が最初沈殿池で沈殿し，SSの性状が変わっ たためと思われる。このことは，図一14の粒径 分布の変化にも現れている。 ③ 最初沈殿池流入水では，ろ過の圧力損失の上昇 が早く，ろ過継続時間は短かった。したがって， ろ過速度は1，000m／日以下とする必要がある。本 装置を最初沈殿池流入水に適用する場合は，し直 の除去装置を検討する必要がある。 7．2 ろ過状況 ① 最初沈殿池流出水では，雨天時簡易処理水と晴 天時流出水に，ろ過に著しい差は見られず，SS の除去は50％程度，BOD除去率は26％程度であ った。 ② 無機凝集剤を注入しても，ろ過槽内滞留時間が 短いため所要の凝集時間が得られず，その効果が 見られなかった。 ③ 有機高分子凝集剤の場合は，SS除去性が向上 する傾向にあるが，コストの増加分に見合う程の 効果は確認できなかった。今後，より効果のある 凝集剤を再選定する。 ① ろ過機の連続ろ過性能 ② 雨天時下水に対するろ過および消毒性能 ③ 臭素割注入制御の検討 ④ 技術資料の作成 ●この研究を行ったのは 研究第二部長 研究第二部主任研究員 研究第二部研究員 研究第二部研究員 高相 恒人 大久保柴一 馬上 英機 岸田 裕 ●この研究に関するお問い合わせは 研究第二部長 高相 恒人 研究第二部主任研究員 大久保条一 研究第二部研究員 馬上 英機 研究第二部研究員 岸田 裕 −124−
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