粉末活性炭の再循環は膜ハイブリッドプロセスにおける有機微量汚染物質の吸着を改善する

都市の下水から見えない化学物質を取り除く

手を洗ったり、薬を飲んだり、洗濯をするたびに、微量の化学物質が家庭から流れ出し、下水処理場へと到達します。これらのいわゆる「微量汚染物質」の多くは既存の処理をすり抜け、川や湖へ戻ってしまいます。本研究は、既設の処理施設をより賢く改良して、こうした目に見えない汚染物質をより多く捕捉する方法を、材料やエネルギーを多用せずに実現する手法を検討しています。

従来処理に加える新たな層

近年の欧州規則では、多くの下水処理場に対して薬剤残留や工業化学物質などの有機微量汚染物質を除去するための第4の（クォータナリー）処理ステップの追加が求められています。有望な選択肢の一つが、非常に細かいふるい膜（膜ろ過）と粉末活性炭（多孔質で微量化学物質をスポンジのように吸着する黒い材料）を組み合わせる方法です。本稿で扱うパイロットプラントでは、廃水はまず微生物が容易に分解できる汚濁物質の多くを処理する従来の生物処理段を通過し、その後限外ろ過（ウルトラフィルトレーション）段へ送られました。ここでは粉末状の炭素が大きな接触タンクではなく、直接供給管や膜表面に混入されます。このコンパクトな設計は省スペースですが、炭素が働く時間が数秒から数分しか無く、しつこい微量物質を捕らえるには厳しい条件です。

同じ炭素を二度働かせる

研究者たちは、同じ粉末活性炭をより効率的に使うために、処理の流れを逆にして回収し、最終的には汚泥とともに除去する方法を検討しました。彼らの装置では、膜段で微量汚染物質に部分的に飽和した炭素粒子を膜の逆洗過程で回収し、それを上流の生物処理槽に戻して循環させました。そこで炭素粒子は、微量物質濃度がまだ高い水と数時間から数日間接触します。この順方向に水が進み、逆方向に炭素が循環するカウンター・カレント配列は、効率的な熱交換器の考え方に似ており、吸着の駆動力を高く保つのに役立ちます。パイロット試験では、この再循環により、微量汚染物質の規制目標である80%除去を、従来必要だった炭素投与量の約半分で達成できることが示されました。

より小さな炭素粒子と長い接触時間が重要な理由

この手法がなぜ有効かを明らかにするために、チームはラボ試験で「微細」な粒径の炭素と従来型の炭素を比較しました。粒子が小さいほど有機分子を速く吸着し、48時間以内により高い総担持量に達しました。これは、内部表面積の利用可能部分が多いためです。コンパクトなインラインシステムでは、短い管路区間と膜表面にできるケーキ層の組み合わせにより、微細炭素は最大担持量の約半分から2/3程度までしか到達しません。そこで、その部分的に飽和した炭素を生物処理段に戻して何時間も接触させることで、残りの吸着容量を使い切ることができ、無駄にせずに済みます。対照的に、大きな専用接触タンクを持つ従来のプロセス（いわゆるウルムプロセス）では、既に炭素に充分な時間が与えられ完全に担持されるため、上流へ戻してもほとんど追加効果は得られません。

どこでどのように汚染物質が除去されるかの変化

個々の化学物質を詳細に測定すると、再循環により微量汚染物質の除去の大部分が生物処理槽側に移ったことが分かりましたが、総有機炭素の測定値はわずかしか変わりませんでした。ベンゾトリアゾールのように炭素に結合しやすい化合物は膜に到達する前にほぼ完全に除去され、一方でカンデサルタンのようなより頑強な物質は炭素を再循環することでなお顕著な追加低減が見られました。同時に、溶存有機炭素全体はほぼ一定に保たれ、これは背景有機物に比べて微量汚染物質に対する選択性が高まったことを示唆します。本研究はまた、微量汚染物質除去の簡易代替指標として使われる標準的な光学測定が、こうした新しい運転条件下でも依然有用であることを示し、炭素再循環を含む実規模計画に際して設計者が加えることのできる簡単な「ボーナス」除去値を提案しています。

将来の下水処理改良に対する意味

専門外の方への要点は、きちんとしたプロセス設計が新素材を発明することと同じくらい水を浄化する上で重要になり得るということです。同じバッチの粉末活性炭を二度使う—まず膜で短時間、次いで生物槽で長時間接触させる—ことで、プラントは欧州の厳しい微量汚染物質除去目標を最大50%少ない炭素使用量で満たすことができます。本研究は、そのような膜と炭素のハイブリッドが長期運転で安定し、既存の処理配置に収まり、汚泥特性を改善する場合さえあり、入浴や非飲用の再利用などに十分な水質を生み出せることを示しています。要するに、古くて単純な材料の賢い循環が、日常生活の化学的指紋から河川や湖を守る実用的な道を提供します。

引用: Zimmermann, M., Staaks, C., Hoffmann, M. et al. Recirculation of powdered activated carbon improves the adsorption of organic micropollutants in membrane hybrid processes. npj Clean Water 9, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00561-y

キーワード: 廃水処理, 微量汚染物質, 粉末活性炭, 限外ろ過膜, 水の再利用