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みずの においは すなで とれる? ── オゾンと まくの はなし

砂でこしても取れない、溶けたにおいと小さな原虫 ──オゾンと膜ろ過が浄水場に加わったわけ

浄水場のオゾンと膜ろ過 ── 溶けたにおいは酸化で壊し、塩素に強い原虫は孔径0.1μmの膜で止める

分野:技術

げんちゅうという とても 小さな 生きものが います。大きさは 100まんぶんの 4〜6メートルほど。ところが、これを とめるために、あなの 大きさが その 40ぶんの 1いかの まくが つかわれて います。

すなで こすだけでは、なぜ たりないのでしょうか。オゾンと まくが、浄水場じょうすいじょうで なにを して いるのかが わかります。

塩素に強いクリプトスポリジウムという原虫は、大きさが4〜6マイクロメートル(1マイクロメートルは1000分の1ミリ)しかありません。これを止める膜には、孔の大きさが0.1マイクロメートルのものがあり、原虫の40分の1以下です。

浄水場には砂でこす昔からの方法があるのに、なぜ膜まで加わったのでしょうか。においにはオゾン、塩素に強い原虫には膜と、相手ごとに道具が増えた流れが分かります。

クリプトスポリジウムのオーシストは大きさ4〜6μmで、塩素に極めて強い[5]。一方、新潟県見附市の浄水場の膜は、孔径0.1μmのセラミック膜である[8]。孔は原虫の40分の1以下(0.1μmは一例で、膜により孔径は異なる)という計算になる。

では、砂でこす急速ろ過に加えて、なぜオゾンと膜ろ過が必要になったのか。砂では水に溶けたにおいが残る。塩素に強い原虫は、膜の小さな孔で止める。浄水場で道具が増えた理由を、この二つから見ていく。

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1. すなで こしても、においが のこるのは なぜ?

1. 砂でこしても、においが残るのはなぜ?

1. 濁質の除去と溶解性成分 ── 印旛沼のかび臭と1980年の高度浄水処理

どろで にごった 水は、すなの そうを とおすと、すきとおります。浄水場じょうすいじょうの ふつうの しごとは、この「にごりを とる」ことです[2]。

でも、水に とけた においは、すなに ひっかかりません。たとえば、かびの においの もとです。

千葉県の いんばぬまの 水は、よごれが ふえて、かびの においが しました。そこで、こなの 活性炭かっせいたんを まぜても、においを ぜんぶは とれませんでした[1]。

千葉県の かしわい浄水場じょうすいじょうは、1980ねんに、「ぜんこくに さきがけて」あたらしい しょりを はじめたと、県の しりょうに あります[1]。

濁った水は、砂の層を通すとすんだ水になります。凝集沈殿と砂ろ過を組み合わせた急速ろ過は、濁りのもとを取る処理です。

ところが、水に溶けているカビ臭の物質などは、砂の層をすり抜けてしまいます。溶けたものを取る処理は「高度浄水処理」と呼ばれ、福岡市の説明では、オゾン処理と粒状活性炭による吸着を、従来の処理に加えたものです[2]。

千葉県企業局の柏井浄水場は、印旛沼の水質が悪くなってカビ臭が出たため、粉末活性炭を使いました。しかし、それだけでは完全には除けませんでした。そこで1980年(昭和55年)4月に、県の資料によれば「全国に先駆けて」高度浄水処理を始めました[1]。

急速ろ過(凝集沈殿+砂ろ過)の目的は濁質の除去だ。一方、カビ臭物質のような溶解性の成分は砂層を通り抜けるため、別の処理が要る。福岡市は、オゾン処理と粒状活性炭吸着を従来の処理に加えた施設を高度浄水処理と説明し、カビ臭物質やトリハロメタンの原因となる有機物などの処理をねらいとしている[2]。

この処理が日本で早くから動いた背景には、印旛沼の水質悪化によるカビ臭があった。千葉県企業局の柏井浄水場では、粉末活性炭だけでは完全に除去できなかったため、1980年(昭和55年)4月に全国に先駆けて高度浄水処理を開始した[1]。

では、新しい道具が加わる前、砂は溶けたにおいに対して本当に無力だったのか。次の章で、古い砂ろ過の別の顔を見る。

2. むかしからの すなろかは、においに よわい?

2. 古い砂ろ過には、微生物という助っ人がいた

2. 緩速ろ過 ── 1829年の方式が砂層の微生物で溶解性成分を分解する理由

じつは、すなろかにも 2しゅるいが あります。ゆっくり こす「かんそくろか」は、1829ねんに イギリスで できた、いちばん ふるい やり方です[3]。

すなの 中に、微生物びせいぶつが すみついて、にごりだけでなく、かびの においの もとも こなします[3]。くすりは いりません。

ただし、すなの おもてが つまって くるので、1〜2センチほど けずって、そうじを します[3]。また、お天気に えいきょうされやすく、ベテランの うでが たいせつです。

それでも、広い 土地と、手間が かかります。そこで、においを とるために、ほかの ほうほうも つかうように なりました。

砂ろ過のなかでも、水をゆっくり通す緩速ろ過は、近代水道が始まってから使われている最も古い方法です。1829年に英国で開発されました[3]。

薬品を使わず、設備も単純です。そのうえ、砂の層に増える微生物が、濁りだけでなく、アンモニア態窒素やカビ臭の物質も分解できるとされています[3]。砂は、ただのふるいではなかったのです。

代わりに手間があります。浮遊物や微生物の膜で砂の表面がつまるため、厚さ1〜2センチメートルを削り取って、働きを戻します。単純な方法なだけに、気候などの自然の影響を受けやすく、経験にもとづく管理が大切だと解説されています[3]。

つまり、微生物に任せる方法は、天気や季節という相手と付き合う仕事でもあります。では、においを確実に壊す道具には何があるのでしょうか。

緩速ろ過は、近代水道の開始以来使われてきた最古の処理方法で、英国で1829年に開発された。薬品を使わず設備が単純であり、砂層に繁殖する微生物が濁質に加えてアンモニア態窒素やカビ臭物質を分解できる点が特徴とされる[3]。急速ろ過が濁質除去を主な目的とするのに対し、こちらは砂の表面の生物膜が働くため、溶解性成分にも一定の力がある。

ただし、この仕組みが弱点にもなる。浮遊物の蓄積と生物膜で砂面が詰まるため、厚さ1〜2cmの砂面を削り取って能力を回復させる必要がある。単純な処理ほど気候などの自然現象の影響を受けやすく、経験にもとづく維持管理技術が重要だと解説されている[3]。

薬品に頼らない代わりに、天気と人の経験に左右される。では、においを狙って壊す道具には何があるのか。

3. オゾンは、どうやって つくるの?

3. オゾンは「その場で作る強い酸化剤」

3. オゾンの生成と酸化力 ── 無声放電・酸化還元電位2.07V・残留しにくさ

オゾンは、酸素さんその なかまです。そうちの 中に、酸素さんそか くうきを とおし、でんきを かけて つくります[4]。

オゾンは、ものを へんしんさせる 力、つまり「さんかりょく」が つよいと いわれます。塩素えんそより つよいと されます[4]。

この つよい 力で、においの もとを なくします。しごとを おえると、また 酸素さんそに もどって、水に のこりにくい、と せつめいされて います[4]。

ただし、てじなの ように ぜんぶ きれいに なるわけでは ありません。ほかの ほうほうと くみあわせて つかいます。

ふくおか市は、2005ねんから、オゾンと かっせいたんを くみあわせた しせつを うごかして います[2]。

オゾンは、酸素か空気を通した空間に、ガラスなどを間にはさんだ電極で交流の電圧をかけ、「無声放電」を起こして作ります。酸素の一部がオゾンに変わります[4]。ためておくのではなく、使う場所で作ります。

酸化力の強さは、標準酸化還元電位という数字で比べられます。メーカーの資料では、オゾンが2.07ボルト、塩素は1.40ボルトです。数字が大きいほど、相手を酸化しやすいという目安です[4]。

この強い力が、においの物質を処理するのに使われます。そして、オゾンは最後に酸素に戻るため、水に残りにくいとされています[4]。

福岡市は2005年(平成17年)4月から、オゾン処理と粒状活性炭吸着を加えた高度浄水処理施設を、1日最大6万1000立方メートルの規模で動かしています[2]。

オゾンは、誘電体(ガラス)を介した電極間に交流電圧をかけて生じる無声放電の空間に、酸素または空気を通して作る[4]。つまり使う場所で作る薬剤である。メーカー資料によれば、標準酸化還元電位は25℃で2.07Vで、塩素の1.40Vより高い。これは酸化されやすさの目安で、数値が高いほど相手を酸化しやすい[4]。

最終的には酸素に戻るため、残留しにくいという性質がある[4]。ただし、これは企業の技術資料の記述なので、実際の処理の効果は施設ごとの条件で決まる。

福岡市は、オゾン処理と粒状活性炭吸着を従来の処理に加えた施設を、2005年(平成17年)4月から1日最大61,000m³で稼働させている[2]。においを狙った道具は、こうして実際の浄水場に入った。

ところが、においとは別の相手が、浄水場の前に現れた。塩素に強い原虫である。

4. しおそが きかない いきものって?

4. 塩素にとても強い原虫がいる

4. クリプトスポリジウム ── 塩素への耐性と1996年の暫定対策指針

水を きれいに する ために、ふつうは 塩素えんそで 消毒しょうどくします。ところが、げんちゅうの なかまの クリプトスポリジウムは、塩素えんそに とても つよいのです[5]。

大きさは、4〜6マイクロメートル。1マイクロメートルは、1ミリの 1000ぶんの 1です[5]。

むかしからの すなろかでは、これを しっかり とるのは むずかしいと されます[5]。

日本では、1996ねんに、国が 「しばらくの あいだの たいさくの しじん」を つくりました[6]。

では、こんな 小さな あいてを、どう とめるのでしょう。

水の消毒には、普通は塩素を使います。ところが、クリプトスポリジウムという原虫の殻(オーシスト)は、塩素に対してきわめて強い耐性があります。大きさは4〜6マイクロメートルです[5]。

通常の水処理では、十分な除去が期待しにくいとされ、有効な方法として膜ろ過が挙げられています[5]。

そのため、厚生省(当時)は1996年10月に「水道におけるクリプトスポリジウム暫定対策指針」を作りました[6]。塩素に強い相手が出てきたことで、浄水場の考え方が変わりました。

薬を足しても効かない相手に、どうすればよいのでしょうか。

クリプトスポリジウムのオーシストは大きさ4〜6μmで、塩素に極めて強い耐性がある(耐塩素性病原生物)。通常の水処理では十分な除去を期待しにくく、膜ろ過方式が有効とされる[5]。

国もこの問題を受けて、厚生省(当時)が1996年10月に「水道におけるクリプトスポリジウム暫定対策指針」を策定した[6]。

消毒薬が効かないなら、化学反応ではなく物理的な大きさで止めればよい。この発想が膜ろ過につながる。

5. あみの 目で、小さな いきものを とめる

5. 「網」の目を、原虫の40分の1以下にする

5. 膜ろ過 ── 物理的な分離・孔径0.1μm・中空糸膜の分画分子量

まくで こすのは、あみで 水を こすのと おなじ しくみです[7]。あなより 大きな ものは、とおれません。

にいがた県 みつけ市の 浄水場じょうすいじょうの まくは、あなの 大きさが 0.1マイクロメートルです。1ミリの 1万ぶんの 1です[8]。

げんちゅうは 4〜6マイクロメートル。あなの 40ばい いじょうです。だから、とおれません。ただし、まくの あなの 大きさは、しゅるいに よって ちがいます。

かながわ県では、げんちゅうが みつかった ことを きっかけに、まくを とりいれました[7]。

みつけ市では、あたらしい 浄水場じょうすいじょうで かっせいたんも つかい、においの ものも とって います[8]。

膜ろ過は、網で水をこすのと同じ原理で、一定の大きさ以上のものを物理的に分けます。神奈川県の説明では、濁り・細菌・原虫などをほぼ100%取り除けます[7]。化学反応ではなく大きさで止めるので、塩素に強い相手にも使えます。

新潟県見附市の浄水場では、孔径0.1マイクロメートル(1万分の1ミリ)のセラミック膜が、濁りやクリプトスポリジウムを除きます[8]。4〜6マイクロメートルの原虫に対し、孔は40分の1以下です。ただし、これは一例で、膜の種類によって孔の大きさは違います。

神奈川県の浄水場では、水からクリプトスポリジウムが見つかったことを受けて、膜ろ過が導入されました[7]。

膜ろ過は、においの物質を取る処理ではありません。見附市では、新しい浄水場に活性炭も加えて、臭気の物質を取っています[8]。つまり、においには活性炭やオゾン、原虫には膜と、相手に合わせて組み合わせます。

膜ろ過は、網で水をこすのと同じ原理で、一定の大きさ以上の不純物を物理的に分離する。神奈川県は、濁度・細菌・原虫等をほぼ100%除去できるとしており、同県の浄水場ではクリプトスポリジウムが検出されたことを受けて導入された[7]。化学反応ではなく大きさで分けるため、塩素に強い相手にも使える。

具体例として、新潟県見附市の青木浄水場は、孔径0.1μm(1万分の1mm)のセラミック膜で濁質やクリプトスポリジウムを除く[8]。資料は、この膜が原水の濁質やクリプトスポリジウムを確実に除去しているとする。4〜6μmの原虫に対して孔は1/40以下で、孔が原虫より小さいことが、膜で止める仕組みの目安になる。ただし0.1μmは一例で、膜の種類で孔径は異なる。旧浄水場は凝集沈殿+砂ろ過で、新しい浄水場では膜に活性炭も組み合わせ、臭気物質を除いている[8]。

におい(溶解性成分)にはオゾンや活性炭、塩素に強い原虫には膜。相手の性質に合わせて道具が足された、という流れだった。

6. むぎ茶と どろ水を こしたら?

6. 麦茶と泥水をこすと、何が残って何が通る?

6. 出口 ── 麦茶と泥水で試す「溶けたもの」と「浮いたもの」、自分の町の浄水場を調べる

コップを 2つ よういして、1つには 水と つちを まぜた どろ水、もう 1つには むぎ茶を いれます。コーヒーの フィルターで、べつの コップに こして みましょう。

つちの つぶが フィルターに のこれば、どろ水は すこし すみます。むぎ茶の 色は あまり かわらないと おもいます。にごりは とれても、とけた 色は のこる、という ちがいを みます。

こした 水は、ぜったいに のまないで ください。

おうちの 人と いっしょに、水道局の ホームページで、浄水場じょうすいじょうの しょりを しらべても おもしろいです。

コップを2つ用意し、一方には土を混ぜた泥水、もう一方には麦茶を入れます。コーヒーフィルターで、別のコップにこしてみましょう。土の粒がフィルターに残れば、泥水は少しすみ、麦茶の色はあまり変わらないはずです。濁りは取れても、溶けたものは残る、という違いを目で見ることができます。

こした水は、飲まないでください。

家の人と一緒に、水道局のホームページで、使っている浄水場がどの処理を組み合わせているかを調べてみるのも、おもしろいと思います。千葉県や福岡市、神奈川県のように、方法をていねいに説明している水道局もあります[1][2][7]。

手元で試すなら、土を混ぜた泥水と麦茶を用意し、コーヒーフィルターでこして比べる。土の粒がフィルターに残れば泥水は少しすみ、麦茶の色は残ると予想できる。溶けたものは、ふるいでは取れない。こした水は飲まないこと。

資料を読むなら、においの処理と高度浄水処理は千葉県[1]と福岡市[2]、緩速ろ過は水道技術研究センター[3]、原虫の性質は千葉県衛生研究所[5]、膜ろ過は神奈川県[7]・見附市[8]の資料が日本語で読める。自分の町の浄水場の方式は、水道局のサイトで調べられる。

しらべた もとの じょうほう

参考にした情報源

参考にした情報源と、その使い方

出典について:自治体の水道局、公的な研究機関、メーカーの技術資料を使った。何に使ったかは、それぞれの項目の最後に書いている。

  1. 千葉県水道局「高度浄水処理」。https://www.pref.chiba.lg.jp/suidou/jousui/suishitsu/dekirumade/koudojousui.html (柏井浄水場の高度浄水処理の始まりについて)
  2. 福岡市水道局「高度浄水処理」。https://www.city.fukuoka.lg.jp/mizu/tatara/0063.html (高度浄水処理の内容と導入について)
  3. 水道技術研究センター Q&A「緩速ろ過池の砂の洗浄」。https://www.jwrc-net.or.jp/docs/publication-outreach/qa/10-98.pdf (緩速ろ過の歴史・微生物のはたらき・砂面の削り取りについて)
  4. 三菱電機「オゾン発生装置の技術」。https://www.mitsubishielectric.co.jp/society/ozonizer/technology/index.html (オゾンの作り方と酸化力について。メーカーの技術資料)
  5. 千葉県衛生研究所「クリプトスポリジウム」。https://www.pref.chiba.lg.jp/eiken/eiseikenkyuu/seikatsu/kryptos.html (原虫の大きさと塩素への強さについて)
  6. 厚生労働省 審議会資料。https://www.mhlw.go.jp/shingi/2003/04/dl/s0428-4g.pdf (暫定対策指針の策定年について)
  7. 神奈川県「膜ろ過システムの概要」。https://www.pref.kanagawa.jp/docs/h3x/top/makurokasetumei.html (膜ろ過の原理と導入のきっかけについて)
  8. 見附市 水道事業資料。https://www.city.mitsuke.niigata.jp/uploaded/attachment/2973.pdf (セラミック膜の孔の大きさについて)

なおした ところ

更新履歴

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