排水ゼロ排出におけるアルカリ度とpHの動的な関係

廃水中のアルカリ度は主に、水酸化物イオン（OH⁻）、炭酸イオン（CO₃²⁻）、重炭酸イオン（HCO₃⁻）の3つの種によってもたらされます。これらは動的にバランスのとれた緩衝系を形成し、pHに応じて優勢な種が変化します。
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻

この平衡状態によって、異なるpH範囲におけるアルカリ性の主要な形態が決定される。

1. pH

2. pH 6.3～10.3：重炭酸イオン（HCO₃⁻）が主要な成分であり、ほとんどの廃水で一般的な範囲です。

3. pH > 10.3: 炭酸塩 (CO₃²⁻) と水酸化物 (OH⁻) が優勢になり始めます。

水中の全アルカリ度（主にHCO₃⁻とCO₃²⁻）の分布比は、pHによって正確に決定される。

主な影響要因と制御ロジック：

1. スケール制御（軟水化）：高アルカリ性、高硬度の水は、加熱および濃縮中に炭酸カルシウム（CaCO₃）スケールが形成されやすく、膜や蒸発器を詰まらせます。

硫酸などの酸を加えるとpHが低下し、HCO₃⁻がCO₂ガスに変換されます（CO₂ガスはストリッピングタワーで除去されます）。2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻

これは「アルカリ度」と「pH」の変換です。添加する酸の量は、原水のアルカリ度（アルカリ度の消費量）によって直接決まり、目標pH（通常6.5～7.0）によって制御されます。

2. 腐食防止

pH値が極端に低い（6.5未満）場合やアルカリ度が高い場合は、水が腐食性となり、金属製の配管や機器を損傷する可能性があります。軟水の場合は、保護膜を形成するために、アルカリ（NaOHなど）を添加してpH値をわずかに上げる必要がある場合があります。

3. 蒸発および結晶化の最適化

蒸発器に入る前に、pHを適切な範囲（通常は9.5以上）に調整する必要があります。pHが高いとケイ素の沈殿とアンモニア態窒素の揮発が促進されますが、pHとアルカリ度が過度に高くなると、他の塩（例えばMg(OH)₂）のスケール生成につながる可能性があります。NaOHの添加量を正確に制御することは、アルカリ度を犠牲にして正確なpH目標を達成することに相当します。

工学分野において、「変換」とは主に2種類の計算を指します。

1. pHと全無機炭素（CT）からアルカリ度を計算する（理論計算）

2. アルカリ度に基づいて目標pHを達成するために必要な酸／塩基の添加量を計算する（基本的な工学的実践）

基本的な計算式と計算手順：

1. 理論的な関係

全アルカリ度（Alk）の正確な式は次のとおりです。Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)

炭酸の一次および二次イオン化定数（K₁、K₂）と全無機炭素（CT）を用いることで、各項を[H⁺]の関数として表すことができます。これは複雑な計算であり、通常はPHREEQCなどのソフトウェアを用いて行われます。

2. エンジニアリング実務「変換」：酸／塩基投与量の計算

これはZLD設計において最も一般的に用いられる計算方法です。その原理は、水中のアルカリ度（または酸性度）を目標のpH値まで中和するために必要な酸／塩基の量を決定することです。

例：水の現在のpHを目標のpHまで下げるために必要な硫酸（H₂SO₄）の量を計算します。

前提条件：原水のアルカリ度は Alk₁ = 300 mg/L (CaCO₃ として) であり、目標 pH を 6.8 まで下げる (その時点で残留アルカリ度は約 Alk₂ ≈ 50 mg/L である)。

式：酸添加量（mg/L）＝（アルカリ₁－アルカリ₂）×（酸の当量）／（炭酸カルシウムの当量）

計算：CaCO₃当量 = 50 g/eq、H₂SO₄当量 = 98/2 = 49 g/eq（H₂SO₄分子1個はH⁺原子2個を含むため）、必要なH₂SO₄量 = (300 - 50) mg/L × (49/50) = 250 × 0.98 = 245 mg/L

これは、処理する水1トンあたり、約245グラムの純硫酸が必要であることを意味します。この計算の核心は、直接的なpH値ではなく、「アルカリ度の差」であり、「容量係数を用いた計算」という論理をまさに体現しています。