水処理におけるフッ素とホウ素の効果的な除去技術

そもそもフッ素、ホウ素とはどのような物質なのか、その特徴について解説します。

フッ素の特徴と環境への影響

フッ素（F）は周期表のハロゲン元素の一つで、自然界では主にホタル石（フッ化カルシウムを主成分）として存在します。

フッ素原子は非常に反応性が高く、他の元素と化合物を作りやすい性質を持っています。そのため、純粋なフッ素が自然界に単体で存在することは稀です。

フッ素化合物は、歯磨き粉や飲料水のフッ化物添加、アルミニウムの製造、農薬、冷媒などの産業用途で広く使用されています。

フッ素は適切な量であれば歯の健康を守るなどの恩恵がありますが、過剰に摂取すると次のような影響を及ぼします。

【人間への影響】
・歯フッ素症：歯のエナメル質に斑点や変色が生じる状態
・骨フッ素症：骨が異常に硬くなる一方で、柔軟性が失われ骨折しやすくなる

【生態系への影響】
・工業排水や農薬によるフッ化物の蓄積が、植物や水生生物に有害作用を引き起こす
・水中の高濃度フッ素は、魚や水生生物の生育を妨げる可能性がある

フッ素は水中で移動しやすく、土壌や水系に蓄積すると長期間残留するため、特に水処理において厳密な管理が必要とされています。

ホウ素の特徴と環境への影響

ホウ素（B）は周期表の13族元素で、地殻中に広く分布しています。自然界では主にホウ酸塩（例：ホウ砂、硼砂）として存在し、農業、ガラス製造、洗剤、セラミックスなどで利用されています。また、植物の成長に必要な微量栄養素としても知られています。

水に溶けやすい性質を持つため、雨や灌漑水を通じて河川や地下水に溶出することがあります。

【人間への影響】
・長期間にわたって高濃度のホウ素を摂取すると、腎臓や肝臓に負担をかける可能性がある
・世界保健機関（WHO）は飲料水中のホウ素濃度の基準を～2.4 mg/Lに設定している（地域による）

【生態系への影響】
・植物：ホウ素は適量では作物の成長に役立ちますが、過剰な濃度は根の成長を阻害し、作物を枯死させることがある（ホウ素毒性）
・水生生物：ホウ素濃度が高いと、水中の生態系バランスを崩す可能性がある

ホウ素は少量では有益ですが、過剰になると悪影響を及ぼすため、厳密な処理が必要です。

日本における水処理におけるフッ素およびホウ素の規制基準は、主に「水質汚濁防止法」や「排水基準」に基づいて設定されています。また、飲料水の水質基準は「水道法」によって定められています。

参考：
「ほう素、ふっ素及び硝酸性窒素等に係る暫定排水基準の見直しみむけた今後の検討について」

環境省水・大気環境局水環境課
https://www.env.go.jp/content/900512005.pdf

・フッ素: 海域以外の公共用水域へ排出する場合、8mg/L以下（海域へ排出する場合、15mg/L以下）
・ホウ素: 海域以外の公共用水域へ排出する場合、10mg/L以下（海域へ排出する場合、230mg/L以下）

日本の基準は国際的に見ても比較的厳格であり、水資源の安全性と環境保護を重視しています。

フッ素の除去方法は凝集沈殿法、吸着法、イオン交換法などいくつかあります。最もよく使われているのは、凝集沈殿法です。

凝集沈殿法

凝集沈殿法では、水に薬剤（凝集剤）を加え、フッ素と反応させて不溶性のフッ化物を生成します。この不溶性の物質をフロックと呼び、フロックを大きくして沈殿させることで、水からフッ素を除去します。

比較的安価で、大規模な処理に適していますが、沈殿物の廃棄処理が必要であることが課題となっています。

中でも中性凝集沈殿法は、水処理でよく用いられる方法の一つで、水中に含まれる微粒子をフッ化カルシウム、フッ化アルミとして凝集させて沈殿させることで、水を浄化する技術です。

フッ素処理には特徴があり、一度では除去しきれないため、二段凝集沈殿処理が基本です。Ca、Alで凝集した処理水をもう一度同じ処理し、処理精度を上げていきます。

フッ素だけでなく、他の微粒子や懸濁物質も同時に除去できること、大規模な処理にも対応可能であることから、コストパフォーマンスが高い方法です。

吸着法

フッ素を含んだ水を吸着材のフィルターやカラム（筒）を通します。フッ素が吸着材に付着し、処理された水が流れ出る仕組みです。

高い除去効率で低濃度のフッ素にも対応可能ではあるものの、吸着材の交換や再生コストが発生します。

イオン交換法

イオン交換樹脂を使い、水中のフッ素イオンを別のイオンと置き換えることで除去する方法です。

フッ素を含んだ水をイオン交換樹脂の中を通すことで、フッ素イオンが樹脂内の他のイオン（例えば塩化物イオンなど）と交換されます。樹脂が飽和したら薬剤（再生剤）を用いて元の状態に戻します。

樹脂は再生可能ですが、吸着量には限界があるため、ややコストがかかります。

ホウ素の除去方法については、凝集沈殿法、イオン交換法、膜分離法などがありますが、大容量の排水からフッ素を除去できる画期的なものはなく、凝集沈殿法くらいしか方法がないことが課題となっています。

凝集沈殿法では、主にマグネシウム化合物（例：水酸化マグネシウム）を使用してホウ素と反応させ、フロックを形成、沈殿物を分離します。

比較的安価で、大規模な処理に適していますが、大量の汚泥が発生するのがデメリットです。

水処理におけるフッ素とホウ素の除去技術は、近年の研究開発により多様な進展を遂げています。

【フッ素】
1.カルシウム法の改良
従来のカルシウム法に特殊な粒状担体を使用することで、反応性を向上させる技術が開発されています。

2.アルミニウム法の再活性化技術
アルミニウム法では、沈殿汚泥を酸で再活性化し、循環利用することで汚泥発生量を大幅に低減する技術が開発されています。

【ホウ素】
1.水酸化セリウムの実用化
無機系吸着剤として水酸化セリウムが実用化されており、OH基とホウ酸イオンとのイオン交換により除去が行われています。

2.吸着樹脂の利用
吸着樹脂を用いたホウ素除去技術が開発されており、特にN-メチルグルカミン型イオン交換樹脂がホウ酸イオンに対して選択吸着性を示すことが報告されています。

今後の展望としては、フッ素やホウ素に対して高い選択性と効率を持つ新規吸着材や膜材料の開発が期待されています。

フッ素とホウ素の除去は水処理において重要な課題となっています。フッ素はカルシウム法やアルミニウム法の改良、高濃度排水対応技術などが進化し、環境負荷やコストを抑えつつ高効率な処理が可能になってきています。

一方ホウ素は、現状、凝集沈殿法くらいしかないのが課題ですが、吸着樹脂や無機吸着剤の実用化、さらには温泉排水向けの特殊処理法など今後の研究開発が待たれるところです。

最新技術の実用化に向けては、コストの低減や処理後の汚泥の処理など、解決すべき課題も残されています。今後、より効率的かつ持続可能な水処理技術の開発が進み、水環境の保全に貢献していくことが期待されます。