公共所有の処理施設 (POTW) は、処理された廃水を自然水域に排出する前に、都市廃水中の汚染物質を法定レベルまで削減する必要があります。この使命を果たすために、POTW は一連の処理プロセスを利用しており、それぞれが廃水中の特定の汚染物質を除去するように設計されています。これらのプロセスは、排出基準を満たし、公衆衛生と水質を保護するのに十分に役立っていますが、この慣行の持続可能性は現在、主要な懸念事項として浮上しています。これらのプロセスのエネルギーとリソースのフットプリント、および大気汚染、資源の枯渇、温室効果ガスの排出などの関連するライフサイクルへの影響により、この不可欠なユーティリティ サービスは持続不可能になります。一方、POTW は、規制の強化、コストの増大、エネルギー供給の不確実性にもかかわらず、手頃な価格で信頼性の高いユーティリティ サービスを一般に提供する義務があります。
排出許可要件を満たすために、廃水処理の最終ステップは、処理された水に病原体などの病気の原因となる細菌がないことを確認することです。病気の原因となる細菌を除去または不活性化するために使用されるプロセスは消毒です。従来の消毒プロセスには、塩素処理、UV 消毒、およびオゾン処理が含まれます。これらのプロセスは持続不可能であり、悪影響を及ぼしたり、費用がかさんだりします。たとえば、最近では、塩素処理が人間の健康に深刻な懸念をもたらす副産物を生成する可能性があることが認識されています。UV 消毒は、エネルギー入力と照明の定期的な交換のために費用がかかる可能性があります。これらの懸念により、POTW と研究者は、より安全で環境に優しく、費用対効果が高く、持続可能な代替プロセスを開発するようになっています。
ニューメキシコ州立大学の研究者は、天然に存在する藻類 (Galdieria sulphuraria) を利用する新しいプロセスを開発しました。 ）義務化された排出基準を満たす都市廃水を処理する。この藻類プロセスのユニークな特徴は、有機炭素、アンモニア、リン酸、病気の原因となるバクテリアなど、廃水中のほとんどの汚染物質を 1 つのステップで除去できることです。さらに、システムは低 pH (pH =4) で動作し、太陽光によって駆動されるため、現在の廃水処理プロセスが消費するエネルギーを節約できます。さらに、このプロセスにより、有益な再利用のために廃水中の貴重な成分を回収することができます。そのため、この藻類プロセスはエネルギー効率が高く、費用対効果が高く、現在の慣行よりも持続可能です。
最近、このチームは、ニューメキシコ州ラスクルーセス市の廃水処理プラントに導入されたこの藻類プロセスのパイロット規模バージョンで、高レベルの病原体の減少を実証しました。並走する既存のプラントと比較すると、藻類プロセスにおける病原体の減少は、既存のプラントよりも優れていることがわかりました。同じ廃水を供給した場合、既存の工場では総大腸菌数が 3.3 log 減少しました。対照的に、藻類プロセスからの処理水中の総大腸菌群数と糞便大腸菌群数は、検出限界を下回っていました (> 7 log 減少)。高度な微生物学的分析により、総細菌数が 98% 減少し、病気の原因となる細菌 (Enterococcus faecalis) が完全に除去されたことが示されました。 および大腸菌 ）藻類系による。このレベルのバクテリア減少は、外部消毒剤を使用せずに達成されるため、POTW での現在の慣行よりも藻類システムに大きな利点をもたらします.
この発見を続けて、藻類プロセスにおける高レベルの消毒に寄与した要因がこのチームによって調査されました。この藻類系で観察された細菌の不活化は、低い pH、適度に高い温度、細菌の付着と定着、日光、溶存酸素、藻類のバイオマス、および藻類の毒素による可能性があるという仮説が立てられました。これらのテストの結果は、リアクター内の培養 pH が低いことが、廃水中の在来細菌を不活性化する主な要因であることを示唆しています。 pH を 4 に即座に調整した後は細菌は観察されず、経時的な再活性化も観察されませんでした。低 pH 条件により、藻類はバクテリアを打ち負かし、廃水の処理において良好に機能すると同時に、下流の消毒の必要性を排除することができました。太陽光は、ほとんどの藻類系における細菌の不活性化の主要な要因としても確認されています。藻類系で通常観察される高濃度の溶存酸素と、フミン酸やフルボ酸などの光増感物質の存在が、日中の細菌の不活化を促進する可能性があることが報告されています。このように、自然に発生する日光、溶存酸素、および藻類系の増感剤は、今日の廃水処理プロセスのように外部消毒剤に頼ることなく、細菌の不活性化に貢献します.
この藻類システムの動作温度は 27 ～ 46°C の範囲であったため、温度は細菌の不活化を引き起こす重要な要因ではないと結論付けられました。可能性のある除去メカニズムとして藻類バイオマスへの細菌細胞の付着を評価したテストから、付着は弱い可逆的な結合であることがわかりました。つまり、細菌は藻類に付着できませんでした。藻類毒素は、藻類が細菌にとって有毒である可能性のある化合物を分泌すると考えられているため、藻類系における新たな懸念事項です。 EPA 承認の毒性試験である Microtox アッセイに続いて、この藻類系の排水には細菌毒性物質が含まれていないことが確認されました。
これらの調査結果は、廃水処理をより持続可能なものにするために藻類ベースのプロセスを進めるという現在の傾向に価値をもたらします。提案されている藻類廃水処理プロセスは、従来の藻類システム (例:高速藻類池、廃棄物安定化池) に代わる斬新で環境に優しい代替手段であり、景観の散水や作物の灌漑などの有益な再利用に適した高品質の処理排水を生成できます。進行中の作業は、この藻類システムのスケールアップと、年間を通しての長期運用を実証することに重点を置いています。
