製紙工場の排水処理技術と水使用量削減の取り組み

製紙工場における水資源の重要性

製紙工程では、原料の解繊、洗浄、パルプの移送、紙の抄造、仕上げまであらゆる段階で大量の水を使用します。
紙1トンを生産するために必要な水はおよそ50～100立方メートルといわれ、水は品質と生産効率を左右する最重要資源です。
その一方で、使用後の排水は高濃度の有機物や薬品を含み、適切な処理を行わなければ環境汚染につながります。
水資源の確保と排水規制の強化が進む中、工場は水循環の最適化と排水処理技術の高度化を同時に実現する必要があります。

排水の特徴と環境負荷

製紙排水はBOD、COD、SSが高く、着色や臭気も問題となります。
パルプから溶出するリグニン、ヘミセルロース、樹脂酸などの難分解性成分が処理を複雑にし、河川放流基準を満たすには多段階の処理が欠かせません。
また、排水量が多いほど熱エネルギーや薬品の消費も増え、コストとCO2排出に直結します。

代表的な排水処理技術

物理的処理法（スクリーン、沈砂、浮上分離）

最初に行う前処理では、大きな固形物や繊維を除去し後段の負荷を軽減します。
ロータリースクリーンやドラムスクリーンで粗大物を捕捉し、沈砂槽やDAF（溶気浮上装置）で軽比重の繊維・インキ粒子を分離します。

化学的処理法（凝集沈殿、酸化）

ポリ塩化アルミニウムや高分子凝集剤を添加し、コロイド状物質を凝集させて沈降または浮上させます。
着色や難分解性CODを低減するために次亜塩素酸や過酸化水素、Fenton反応などの酸化処理が用いられます。

生物学的処理法（活性汚泥法、嫌気・好気併用）

有機物除去の主体は活性汚泥法です。
近年は嫌気槽でメタン発酵を行い、有機物をバイオガスに変換してから好気槽で残留BODを処理するUASB＋好気併用方式が普及しています。
これにより電力消費が抑えられ、発生ガスをボイラー燃料に再利用することでエネルギー回収が可能です。

高度処理技術（膜分離、オゾン処理、活性炭）

放流水の透明度や再利用水の品質を高めるために、MF/UF などの膜分離やオゾンによる脱色・消臭、活性炭吸着が導入されています。
膜処理は安定した浄化が得られる一方、ファウリング対策やランニングコストが課題です。
オゾン処理は着色除去効率が高く薬品残渣を出さない利点がありますが、設備費と電力を要します。

水使用量削減の取り組み

工程内リサイクル

スクリーンから回収した白水を抄紙工程に戻し、繊維分と水を再利用するクローズドホワイトウォータシステムが一般化しています。
排水の回収率を高めることで新規取水量と薬品使用量を同時に削減できます。

再生水の回収と再利用

生物処理後の処理水をRO膜で再生し、洗浄水や冷却水としてリサイクルする工場が増加しています。
導入時は膜汚染を防ぐ前処理設計が重要で、凝集、砂ろ過、カーボンフィルタを組み合わせることで長期安定運転を実現します。

節水設備の導入とプロセス最適化

最新の抄紙機はシャワーノズルの自動開閉や流量制御バルブを装備し、必要量だけ散水することで大幅な節水が可能です。
さらにCIP（定置洗浄）工程を見直し、洗浄時間や温水使用量を最小化することで年間数万トン規模の取水削減に成功した事例があります。

省エネとコスト削減の相乗効果

水循環が向上すると曝気槽への負荷が下がり、ブロワ電力や薬品量も減ります。
嫌気処理で得られるバイオガスはボイラー燃料として重油や天然ガスを代替し、エネルギーコストとCO2を同時に削減できます。
投資回収期間は2〜5年程度が多く、排水規制対応と経済合理性を両立できる点が評価されています。

国内外の先進事例

国内大手製紙メーカーA社は、UASB＋膜分離による全量再利用システムを導入し、取水量を従来比60％削減しました。
タイのB社では、日系エンジニアリング企業と協働して嫌気処理ガスを高効率ボイラーで燃焼し、工場全体の蒸気需要の25％を賄っています。
北欧C社は、遺伝子解析を用いて活性汚泥の微生物群を最適化し、低温環境でも高いBOD除去率を維持しています。

今後の課題と展望

排水のクローズド化が進むと、回収水に累積する溶解塩類や有機酸によるプロセス腐食や品質影響が懸念されます。
膜処理の普及にはエネルギー効率向上と濃縮排水の処理方法が課題です。
AIによる運転データ解析やIoTセンシングを活用し、負荷変動に応じた薬品添加と曝気制御を行うスマート排水処理が期待されています。
さらに、バイオリファイナリー構想の一環として、排水中からヘミセルロースやリグニンを回収し、高付加価値化学品に転換する研究も進んでいます。

まとめ

製紙工場では大量に使用する水を循環させ、環境負荷を低減しつつコストを抑える技術革新が求められています。
物理・化学・生物処理を組み合わせた多段階システムにより、厳しい放流水基準をクリアしながら再利用水の品質も確保できます。
節水と排水処理は独立したテーマではなく、工程全体の最適化によって省エネ、CO2削減、競争力強化につながります。
国内外の先進事例と新技術の動向を把握し、自社の設備と原水特性に最適なソリューションを導入することが、持続可能な紙づくりへの近道となります。