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1 前のスライドの続き

2 ろ過について ろ過の種類 ・急速ろ過：薬品による凝集沈殿 ・緩速ろ過：普通沈殿 ・膜ろ過
ろ過とは・・沈殿上澄み水を人工的な砂層に通過させて、 　　　　　　　 水中の不純物を除去する方法のこと 歴史：１８世紀の終わり頃、人口増加に伴いコレラや腸チフス　 　　　　など流行性伝染病が蔓延。この時期にろ過した水を飲 　　　　んでいる人々の死亡率が小さいことが判明し、ろ過の有 　　　　用性が理解された。 ろ過の種類 　・急速ろ過：薬品による凝集沈殿 　・緩速ろ過：普通沈殿 　・膜ろ過

3 急速ろ過（スキップ） 歴史：ヨーロッパに比べて水需要が高く、原水の濁度が高いアメリカで発達。
　　　 濁度が高いと緩速ろ過池をたちまち閉塞させてしまう。 　　　 １９世紀の終わりに様々な研究が進み、１８８４年サマビルに硫酸バン　 　土を凝集剤とする世界最初の上水道における急速ろ過が建設された。 　　　 日本では１９０８年京都市蹴上浄水場に建設されたジュエル式の円形　　　　急速ろ過池が最初である。 開発の初期：生物ろ過膜にかわる人工ろ過膜といった発想 現在：砂層内部での砂粒子表面への流入懸濁粒子の付着という、深層ろ過の考え方で設計

4 急速ろ過：凝集剤 ・硫酸アルミニウム（硫酸バンド（バン土）） 　Al2(SO4)3･18H2O 　　→pHの低下があるため、アルカリ（消石灰（Ca(OH)2）、ソーダ灰（Na2CO3）、苛性ソーダ（NaOH））を加える必要がある ・ポリ塩化アルミニウム（PAC） ・アルミン酸ナトリウム ・ミョウバン ・鉄塩 ・高分子凝集剤、など

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6 急速ろ過 抑留の機構 第１段階：砂粒子表面への輸送 粒子表面を通過する水流に随伴 第２段階：砂粒子表面への付着
急速ろ過　抑留の機構 第１段階：砂粒子表面への輸送 　　粒子表面を通過する水流に随伴 第２段階：砂粒子表面への付着 　　ろ材の上流面から側面にかけて接触付着 　ろ過砂層の間隙の大きさが0.1mmのオーダーであるのに対し、抑留される粒子は通常0.01mm前後の寸法である。 　よって急速ろ過は小さなふるい目で、粗い大きな粒子をこしとる機構ではない。

7 ろ材表面積が大 ろ過作用が有効 L F=ー D 急速ろ過 抑留の機構 ろ過材表面での付着凝集による抑留 ろ過作用の主要因
急速ろ過　抑留の機構 ろ過作用の主要因 ろ過材表面での付着凝集による抑留 ろ材表面積が大 ろ過作用が有効 ろ材表面積はろ材粒径とろ層厚の関数 F=ー D L ろ材粒径が小さいほど表面積大

8 急速ろ過 損失水頭 ろ層のなかの抑留が進む 砂粒子の間隙流速が増加 損失水頭も増加
急速ろ過　損失水頭 ろ層のなかの抑留が進む 砂粒子の間隙流速が増加 損失水頭も増加 ろ過が進むにつれて損失水頭が増加した分だけ静水圧が差し引かれる 砂層表面だけに集中して抑留される場合、表面直下の層に大きな損失水頭が集中し、その結果ろ床内が部分的に大気圧以下になることがある。

9 急速ろ過 損失水頭 負圧≒真空 負圧部＝部分真空 ろ層内に気泡が発生し、ろ過水質が急激に悪化することが多い
急速ろ過　損失水頭 負圧≒真空 負圧部＝部分真空 ろ層内に気泡が発生し、ろ過水質が急激に悪化することが多い 損失水頭を砂層表面に集中して発生させる強いフロックの生成、小さすぎるろ材の使用または遅すぎるろ過速度の使用を避ける。 損失水頭がなるべくろ過池の上半分程度に広く分布するように、比較的大きいろ過速度と粗めのろ材を用いることが多い。

10 急速ろ過　構造

11 急速ろ過 ろ過速度の制御 ・定速ろ過・・・水位制御方式 流量制御方式 自然平衡方式 ・減衰ろ過 流量の調整：損失水頭が上昇するため
急速ろ過　ろ過速度の制御 流量の調整：損失水頭が上昇するため ろ過水量が減少 ・定速ろ過・・・水位制御方式 　　　流量制御方式 　　　自然平衡方式 ・減衰ろ過 　　　　（これらの説明は以下の2枚のスライドにて詳述、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　講義ではスキップ）

12 急速ろ過 ろ過速度の制御（スキップ） ①水位制御方式：ろ過池の水位が一定になるように流出弁を制御する。
急速ろ過　ろ過速度の制御（スキップ） ①水位制御方式：ろ過池の水位が一定になるように流出弁を制御する。 ヨーロッパ系のろ過池では流出弁にサイホンを用いたこの形が多い。流入量と流出量は常に平衡。 　流量の設定は、流入側で行われ、実ろ過速度は設定値から新たな設定値に向かってゆっくり近づくスロースタート特性を有している。 ②流量制御方式：ろ過水流出口に流量調節弁をつけてろ過流量を設定値に保つ方法である。流入量と流出量とは互いに関係がないから、池内水位は一方的に上昇するか低下を続け、抵抗することはない。流量平衡の観点からは合理的な方法ではない。 　流量調節装置は、洗浄中は動作しないようにフィードバック機構を断っておくか、流量０の設定信号を与えておく。そうでないとろ過開始時に流量調節が非常に大きくなり、濁質の漏出を引き起こす。

13 急速ろ過　ろ過速度の制御（スキップ） ③自然平衡形ろ過：ろ過水流出口の高さがろ材面より高い位置にあるのが特徴である。流入量０になってもろ材面が水面上に露出せず、流出量と自然に平衡する。 　自然平衡形のろ過池では、ろ過水量の変更は流入量を変えることによって行われる。ろ過を開始すると、実ろ過速度（流入水量をろ過速度で除したもの）は０から設定値に向かってゆっくり上昇する。すなわち、特段の設備を設けなくても、スロースタート特性を有している。　 ④減衰ろ過：流出弁開度を最初設定した後は流調節を行わず、自然に流出するだけろ過するもので、ろ過水量はろ層の閉塞とともに減少する。したがって、流入量と流出量とが平衡することはない。この流量の不平衡は池数を増やすことと、池内水位を上昇させることで緩衡している。 　出口管渠内の圧力や水位が低下すると、非カスケード形（水理的に縁が切れてない）流出法になっているろ過池では実ろ過速度が急増する。

14 緩速ろ過 原理：砂層の表面に微生物の粘質膜ができ、この微生物膜の働きで濁りをとる。よって、生物の機能を阻害する条件さえ与えなければアンモニア性窒素や鉄、マンガン、合成洗剤、フェノールなども除去可能である。 ・急速ろ過池に比べ、20~30倍の面積が必要。 ・薬品処理などの付属設備は不必要。 ・規模が小さいものほど有利。 ・計画浄水量はそれまで僅かずつ減少していたが、H５年からは横ばい

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16 緩速ろ過 構造 設計因子 120～150 m/day 3～5 砂層上の水深 100～150 cm 90～120 砂層の厚さ 60～70
緩速ろ過　構造 設計因子 120～150 m/day 3～5 砂層上の水深 100～150 cm 90～120 砂層の厚さ 60～70 70～90 砂の有効径 0.45～0.70 mm 0.3～0.45 砂の均等係数 1.7> 2.0> 砂の最大径 2 砂利の厚さ(4層) 200～500 400～600 砂利の径 2～50 3～60 １池の大きさ 150 m 以下 5000 3～4 2.5～3.5 1～2 day 30～40

17 急速ろ過と緩速ろ過の比較 緩速ろ過 急速ろ過 ・安全で良質（おいしい）な水を供給できる ・一度に大量の処理を行うことができる
急速ろ過と緩速ろ過の比較　 緩速ろ過 ・安全で良質（おいしい）な水を供給できる ・臭気、プランクトン、鉄、マンガンなどの物質も除去できる ・原水水質が安定していれば運用や管理が手間がかからない ・ろ過速度が遅いため、広大な土地が必要である ・生物ろ過膜に影響を与える薬品汚染水や溶存酸素の少ない原水には不適 急速ろ過 ・一度に大量の処理を行うことができる ・あらゆる原水に使用できる ・有機物を処理できない ・前塩素や凝集剤などの薬品を使用する ・薬品代のコスト メリット デメリット

18 第６回宿題 上水道における膜ろ過について、調べよ。 （利点、欠点、導入例など） （A4用紙に記入し、次回講義時に提出）

19 第７回目 6月2日 平成27年度 環境浄化技術Ⅰ＆衛生工学Ⅰ
講義HP（今井担当）： ~imai/kankyojouka/kankyojouka.html

20 中間テストです！ ただし、6月30日(火)に 忘れないように。 ※携帯の使用は厳禁 次回から関根先生の講義です。 ・学生証
・関数電卓（必要な人） ※携帯の使用は厳禁

21 消毒 消毒とは・・・病気を引き起こす細菌等の微生物の病気を起こす力を無くすことを消毒という。
また、例外無く全ての微生物を殺すことを滅菌と言い、主に加熱による殺滅か、濾過器による除去を意味する。 一般に微生物を種々の方法で殺滅することを殺菌、 増殖を抑える作用を静菌という。 高熱や高圧をかけたり、紫外線を用いる物理的な殺菌を滅菌 アルコールや塩素等の薬剤を用いる殺菌を消毒という。 ちなみに、抗菌や除菌といった商品を見かけるが専門用語は本来存在しない・・・らしい。

22 消毒 塩素消毒 ・水道水の消毒は塩素を用いる（厚生労働省通知） ・塩素剤による消毒効果が強力である ・消毒の効果が残留する
消毒　塩素消毒 塩素を用いる理由 ・水道水の消毒は塩素を用いる（厚生労働省通知） ・塩素剤による消毒効果が強力である ・消毒の効果が残留する ・大量の水に対しても容易に処理できる ・安価である（苛性ソーダを海水から生産時に副生成される） ・次亜塩素酸を用いれば貯蔵が容易である 残留効果・・・消毒の効果がすぐに消えてしまうと、水道のように浄水場から末端の給水栓までの距離が長い場合、途中で微生物が再増殖してしまう恐れがある。これを防ぐために塩素のように効果が持続する残留効果が必要となる。 塩素剤 の種類 ①液化塩素 ②次亜塩素酸ナトリウム ③次亜塩素酸カルシウム ④クロラミン

23 消毒 塩素消毒 種類 ①液化塩素 《これまで最も広く用いられていた》 ほぼ純粋な塩素ガスを冷却しながら圧縮、液化（体積1/450）
消毒　塩素消毒　種類 ①液化塩素　《これまで最も広く用いられていた》 ほぼ純粋な塩素ガスを冷却しながら圧縮、液化（体積1/450） 間接的に加熱しながら徐々に気化させ、水に溶解→塩素水 液化塩素中の有効塩素は99.4%以上 他の塩素剤に比較して貯蔵容量は少なくてすみ、品質が安定 Cl2+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+HCl HOCl ⇔ H++OCl-(次亜塩素酸イオン) 遊離残留塩素：ともに強い消毒効果を有する。

24 消毒 塩素消毒 種類 ②次亜塩素酸ナトリウム 《近年広く用いられている》 作り方：水酸化ナトリウムの水溶液に塩素を通して製造される。
消毒　塩素消毒　種類 ②次亜塩素酸ナトリウム　《近年広く用いられている》 作り方：水酸化ナトリウムの水溶液に塩素を通して製造される。 液化塩素は毒性が強く、漏洩等の事故　→　こちらに切り替え ・液化塩素のような危険性は少ない ・貯蔵中に有効塩素分が減少しやすい ・電解法により自家製造も可能である ・酸と混合すると急激に反応し、塩素ガスを発生する NaClO+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+NaOH HOCl ⇔ H++OCl-(次亜塩素酸イオン)

25 消毒 塩素消毒 種類 ③次亜塩素酸カルシウム 《経常的に用いることは少ない》 作り方：消石灰に塩素を吸収させて製造される
消毒　塩素消毒　種類 ③次亜塩素酸カルシウム　《経常的に用いることは少ない》 作り方：消石灰に塩素を吸収させて製造される 粉末、顆粒、錠剤等の形態がある 高度さらし粉は60~70%の有効塩素分を含んでいる ・貯蔵期間中における有効塩素分の減少は少ない ・火災時等において、高温にさらされた場合、酸素を一時に放出して爆発したり、分解して塩素ガスを発生したりする 固形化したものはプールの消毒に用いられる

26 消毒 塩素消毒 種類 ④クロラミン Cl2+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+HCl
消毒　塩素消毒　種類 ④クロラミン　 塩素または次亜塩素酸Naに水を注入したとき Cl2+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+HCl NaOCl+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+NaCl HOCl ⇔ H++OCl-(次亜塩素酸イオン) 次亜塩素酸と次亜塩素イオンを遊離残留塩素という 塩素は水中のアンモニアや有機窒素化合物と反応してクロラミンを生じる NH3+HOCl → NH2Cl(モノクロラミン)+H2O NH3+2HOCl → NHCl2 (ジクロラミン)+2H2O NH3+3HOCl → NCl3 (トリクロラミン)+3H2O このなかでも、モノ、ジクロラミンが弱い消毒効果を有す 両者を結合残留塩素とよぶ

27 消毒効果は消毒剤の濃度（C）と 接触時間（T）によって支配 消毒 塩素消毒 環境因子 一定の消毒効果に対するC×Tはほぼ一定である
消毒　塩素消毒　環境因子 消毒効果は消毒剤の濃度（C）と 接触時間（T）によって支配 一定の消毒効果に対するC×Tはほぼ一定である 消毒剤濃度や接触時間を判断するのにCT値を用いる この他にも・・・ 水温；水温が高いと効果上昇、低いと効果が低下する。 pH値；効果的な消毒のためにはpH7.5以下が良い。 生物の種類；耐性　病原細菌＜大腸菌＜ウイルス＜細菌芽胞 生物の生息状態；生物が集塊状で細胞が埋没している場合、 　　　内部まで消毒効果が及び難い。

28 消毒 塩素消毒 処理方法 →不連続点塩素処理 塩素消毒の方法 →結合塩素処理 →前塩素処理：沈殿池の前 →中間塩素処理：沈殿池とろ過池の間
消毒　塩素消毒　処理方法 塩素消毒の方法 →不連続点塩素処理 →結合塩素処理 塩素剤注入の位置 →前塩素処理：沈殿池の前 →中間塩素処理：沈殿池とろ過池の間 →後塩素処理：ろ過池の後 ただし、前塩素処理と中間塩素処理はアンモニアや鉄・マンガンの除去等、主に消毒以外の目的で用いられる。

29 消毒 塩素消毒 処理方法 不連続点塩素処理 （~a）クロラミン増加 ↓ (a~b)過剰の塩素によって分解 b点までにアンモニア性窒素除去
消毒　塩素消毒　処理方法 不連続点塩素処理 アンモニア成分を含む場合では、ある程度注入すると結合塩素を生じ始める（ｄ）。さらに注入を続けると結合塩素はいったん極大値（a）を示し低下を始める。（この間、結合塩素は注入した塩素で分解されていく）そして、極小点（b）に達するとまた注入量に比例して遊離残留塩素のみが直線的に増加していく。 この極小値（b）を不連続点またはブレークポイントといい、不連続点を少し超えた遊離残留塩素濃度に制御する浄水の殺菌方法を不連続点塩素処理という （~a）クロラミン増加 　↓ (a~b)過剰の塩素によって分解 b点までにアンモニア性窒素除去 (b~)遊離塩素増加

30 消毒 塩素消毒 種類 ④クロラミン Cl2+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+HCl
消毒　塩素消毒　種類 ④クロラミン　 塩素または次亜塩素酸Naに水を注入したとき Cl2+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+HCl NaOCl+H2O ⇔ HOCl(次亜塩素酸)+NaCl HOCl ⇔ H++OCl-(次亜塩素酸イオン) 次亜塩素酸と次亜塩素イオンを遊離残留塩素という 塩素は水中のアンモニアや有機窒素化合物と反応してクロラミンを生じる NH3+HOCl → NH2Cl(モノクロラミン)+H2O NH3+2HOCl → NHCl2 (ジクロラミン)+2H2O NH3+3HOCl → NCl3 (トリクロラミン)+3H2O このなかでも、モノ、ジクロラミンが弱い消毒効果を有す 両者を結合残留塩素とよぶ

31 消毒 塩素消毒 処理方法 結合塩素処理 不連続点を超えさせずに、結合塩素によって消毒する方法
消毒　塩素消毒　処理方法 結合塩素処理 不連続点を超えさせずに、結合塩素によって消毒する方法 ・マンガンによる色度の上昇やトリハロメタン類生成の抑制に有効 ・アンモニア濃度が変動すると不連続点を生じて消毒効果が消失する恐れがある ・遊離塩素を含む水と混合した時も、不連続点を生じて消毒効果が消失することがある ・ジクロラミンやトリクロラミンは一般にカルキ臭の原因 不連続点塩素処理 ・十分な消毒効果が得られ、鉄やマンガンの除去方法としても有効 ・トリハロメタン類等の消毒副生成物を生ずる

32 消毒に関する規定 ・遊離塩素または結合塩素で消毒を行う ・給水栓水での残留塩素量：遊離塩素0.1mg/L以上 結合塩素0.4mg/L以上

33 塩素消毒の問題 ・塩素はフェノールなどと反応して非常に強い臭気を持つ ・トリハロメタン類などの消毒副生成物を生成する
・設備を腐食させる。特に鉄管などのさびを促進する トリハロメタン類：メタンの持つ４つの水素のうち３つが塩素、臭素、などのハロゲン原子で置換されたもの。有機物と塩素とが反応して非意図的に生成する。 量は知れているものの、発ガン性が認められるため、その抑制のための処理が必要となりつつある。 塩素剤以外を用いた消毒方法

34 消毒　二酸化塩素（ClO2） 二酸化塩素は、酸化力、消毒力が塩素より強力で残留性もあり、トリハロメタンが生成しにくいので代替消毒剤としては特に有力視 欧米ではすでに多くの浄水場で採用されている。 ・我が国でも平成12年から使用可能、 ・しかし注入や管理の方法が完全に確立されていないため浄水処理の前段階、または中間に注入が限定されている。 ・また、水道水は管末で規定の残留塩素濃度を保つ必要があるため、二酸化塩素だけの消毒は不可で、必ず消毒用塩素の注入が必要となる。

35 消毒 オゾン・紫外線 オゾン(O3) 紫外線 ・水温やpH値の影響を受けない ・クリプトスポリジウムの不活化や異臭味の除去に効果がある
消毒　オゾン・紫外線 オゾン(O3) 紫外線 ・水温やpH値の影響を受けない ・クリプトスポリジウムの不活化や異臭味の除去に効果がある ・トリハロメタンを生成しない ・消毒副生成物を生成しない ・クリプトスポリジウムに対して効果がある ・塩素のような残留性が無い ・臭素イオンの存在下では次亜臭素酸を生じ、臭素化有機化合物を生成する ・アンモニア態窒素の除去はできない ・懸濁物質が存在する場合は消毒効果が低下する ・消毒の残留性が無い

36 クリプトスポリディウム原虫 ・耐塩素性の病原性微生物。正式には胞子虫網、真コクシジウム目、クリプトスポリジウム科に属する単細胞の寄生虫。
クリプトスポリディウム原虫　 ・耐塩素性の病原性微生物。正式には胞子虫網、真コクシジウム目、クリプトスポリジウム科に属する単細胞の寄生虫。 ・症状は激しい水溶性下痢と腹痛、6~7割のヒトでは38℃程度の発熱を伴う。 ・現在、有効な治療薬は見つかっておらず、数日から２週間ほどの自然治癒に頼るしかない。幼児やAIDS患者は死に至ることも。 (背景) 1996年 埼玉県越生町で集団感染　8800人が感染 ↓ (対処) 1997年 全国調査　6水源8地点から検出　 　　　　　浄水処理の徹底（水道水の濁度0.1度以下） （対策）1998年 越生町浄水場に高度浄水処理施設落成 給水開始 　　　　　膜ろ過水施設を設備

37 膜ろ過 有機もしくは無機の多孔質のフィルターに原水を通すことで、主としてふるい分けを原理とした懸濁質の除去を行う処理
膜ろ過　 有機もしくは無機の多孔質のフィルターに原水を通すことで、主としてふるい分けを原理とした懸濁質の除去を行う処理 ・粘度、細菌、プランクトン等の懸濁物質 ・鉄、マンガン等の不溶解性 濁度、細菌、原虫等はほぼ100%の除去が可能

38 精密ろ過膜＞限外ろ過膜＞ナノろ過膜＞逆浸透膜
膜ろ過　種類 膜を分離対象粒子の大きさから分類すると４つに分けられる （目の粗さ）　 精密ろ過膜＞限外ろ過膜＞ナノろ過膜＞逆浸透膜 MF　　　　　　UF 　　 　NF 　　RO

39 膜ろ過 原理 圧力差を利用した分離 MF膜は、分画径が0.5~0.03程度の膜で、浮遊物質やコロイド、細菌等が除去対象物となる
膜ろ過　原理 圧力差を利用した分離 MF膜は、分画径が0.5~0.03程度の膜で、浮遊物質やコロイド、細菌等が除去対象物となる UF膜は、0.001μm~0.01μm程度の孔径を有し、コロイドや高分子の有機物が除去対象 RO膜は、濃厚溶液と希釈溶液を膜で仕切り、濃厚溶液側に浸透圧より大きな圧力を加えて水分子のみ移行させる。食塩のような無機塩類を除去する

40 膜ろ過 ろ過方式 ろ過方式には全量ろ過方式とクロスフローろ過方式とがある
膜ろ過　ろ過方式 ろ過方式には全量ろ過方式とクロスフローろ過方式とがある 全量ろ過方式は膜供給水の全量をろ過する方式であり、従来の砂ろ過と同じ方式。砂ろ過と同じように定期的に洗浄を行う。 クロスフローろ過方式は膜面に対し平行な流れを作ることで膜供給水中の懸濁物質やコロイドが膜面に堆積する現象を抑制しながらろ過を行う方式。 一般に限外ろ過ではクルスフローろ過方式が採用されている。