浄水処理装置・施設に関する課題とニーズ...chlorination coagulation and...
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京都大学大学院工学研究科伊 藤 禎 彦
浄水処理装置・施設に関する課題とニーズ
「多様な社会・技術に適応した浄水システムに関する研究(A-Dreams)」第1研究委員会
「将来を見据えたスマートな浄水システムに関する研究」話題提供
公益財団法人水道技術研究センター2018年12月14日
話 題
極小規模浄水処理装置
長寿命化と短命化
水質基準の緩和措置または柔軟な運用と浄水処理装置
水道料金の上昇と浄水処理装置
配水管内環境に対しても責任をもった浄水処理プロセス
極小規模浄水処理装置
兵庫県 新温泉町
給水人口 10人程度
精密ろ過膜(MF), 50 m3/日
例
●極小規模膜ろ過装置~1m3/日~
●急速ろ過装置●緩速ろ過装置
長寿命化と短命化
文献:宇都正哲ら編:人口減少下のインフラ整備,東京大学出版社,2013.
人口減少社会におけるインフラ整備の考え方
長寿命化、恒久化といった固い(長期利用可能な)整備
柔らかい(需要変動、不確実性へ対応可能な)整備へ
例:インフラをモジュール化することによって、寿命そのものを短命化(もしくは長寿命化と短命化の組み合わせ)を図り、需要の変化に対応可能とする
水源と浅井戸
5 m
浜松市K宅個人水道
簡易ろ過装置貯水タンクポンプ収納庫
J-Step 共同研究
簡易ろ過装置
11
ろ速 5~6 m/日
日本水道協会:「水道施設設計指針」、「水道維持管理指針」へ?
人口減少社会、水需要減少社会
に望まれる技術の開発・整備を!
例
10年間だけもつ膜ろ過装置はできないか?
薬品洗浄なし
水質基準の緩和措置または柔軟な運用と浄水処理装置
❊水質基準 51項目❊水質管理目標設定項目 26項目(農薬118項目)❊要検討項目 47項目
✔︎項 目✔︎濃 度
✔︎検査頻度(毎日、毎月、年4回、年1回、3年に1回)✔︎採水地点および地点数✔︎検査方法(公定検査法)
厚生科学審議会, 2003. 水質基準の見直し等について(答申).
水質基準体系
要 件
案のいくつか・・・
☞検査頻度の緩和
☞検査検体数の低減検体を集約した混合検体の検査も可とする(米国:5事業体までの集約を認めている)
☞水質判定の緩和測定数の90%が基準値を超えなければよい、など
文献:・National Research Council著、浅野孝、眞柄泰基監訳、財団法人水道技術研究センター訳. 1999. 安全な水道水の供給 小規模水道の改善. 技報堂出版. 222p.・竹中勝信:諸外国における小規模水道事業の現状と課題ーアメリカ合衆国ー、水道、Vol.56, No.1, 2011; Vol.56, No.2, 2011; Vol.56, No.3, 2011; Vol.56, No.4, 2011; Vol.56, No.5, 2011; Vol.56, No.6, 2011; Vol.57, No.2, 2012; Vol.57, No.3, 2012.
代替案:基本:水の衛生状態(微生物的安全性)を優先させる
☞水源の再選定
沢水 ➜ 地下水 など
☞指定または承認された浄水処理プロセスの導入
原水の種類や特性に対応させたもの
文献:国立保健医療科学院, 2012. WHO飲料水水質ガイドライン第4版(日本語版). 国立保健医療科学院, 埼玉.
現状の例
濁度除去率
98 %
71 %
0 %
水道料金の上昇と浄水処理装置
20
水道事業体の立場
「水道料金の値上げは、アセットマネジメントに基づいた将来必要なものなので、どうかわかってくださいm(_)mm(_)m」
情報公開やコミュニケーションにも「手法」や「技術」がある
説得的コミュニケーション・・・・△☓
「支払意志額」に関する因果モデル(作業仮説)
支払意志額
現在の料金レベルに対する評価
水道事業の将来経営に関する認識
価値評価
水道水質に関する満足度
教育評価
情報評価
水道事業に対する信頼度
現状の水道サービスに対する評価
水道料金に対する支払意志額を増大させるためのコミュニケーション手法に関する研究
期待できる成果
「支払意志額」を増大させるために必要な事項について、半定量的な議論が可能となる
✔因子の特定:支払意志額を増大させるためにはどのボタンを押すのが効果的か
✔因子間の重要度の比較:因子Aの方が因子Bよりも2倍程度重要、など
教育施設、公営住宅、公共施設が閉鎖され、ごみ
などが不法投棄され、鳥虫害が顕在化する状況
公営住宅で怪我をしそうなくらいに安全性や快適性
が低下
公共施設が廃止され利便性が低下した場合
水道料金が現状から著しく上昇した場合
バス、鉄道などの公共交通機関が廃止された場合
橋が落ちそうになったり、舗装が荒れてでこぼこに
なったり、路上に障害物が放置されている状況
災害関連施設の管理が不十分なために、災害発
生可能性が高まる場合
恐らく引越をすると思う わからない 恐らく引越をしないと思う
社会資本管理水準の低下状況と引越意向の関係性(抜粋)
出典:宇都正哲ら編:人口減少下のインフラ整備,東京大学出版社,2013.
水道施設を含めた社会インフラのサービス水準
必要な議論
市民負担の許容範囲
●米国ワシントン州✔水道料金が適切かどうかの基準:地域における家計所得中央値の1.5%✔この水準を超えた場合には、水道事業者はさらなる対策を立てなければならないとされた
●米国カリフォルニア州✔家計所得中央値の1.5%、もしくは2%(当該地域の所得が周辺地域よりも高い場合)✔集中型の浄水処理に代わって、使用場所設置型浄水装置(POU; point of use)や建物入口設置型浄水装置(POE;
point of entry)の導入を検討する際の判断基準の一つ
料金水準の許容範囲例
参考:日本は現在平均 0.8%
配水管内環境に対しても責任をもった浄水処理プロセス
水需要量の減少
管内流速の低下、滞留域発生
残留塩素濃度低下等の水質劣化を引き起こす
背景1:人口減少と水需要減少
背景2:配水管の低更新率と老朽化
懸濁物質管理・制御のための考え方の整理
第1段階:浄水処理における制御
第2段階:管網における水理条件の管理・制御
第3段階:洗 管
Dick van der Kooij, Paul W.J.J. van der Wielen eds.; Microbial Growth in Drinking-Water Supplies, 453p., IWA Publishing, London, UK, 2014.
配水管内環境のメンテナンス技術とその高度化
配水系へ流入する微粒子等重量の推定例
浄水濁度
浄水中微粒子濃度
(mg/m3)
平均浄水量(万
m3/day)
配水系流入重量(kg/day)
A浄水場 0.004 5.1 47 2.4
B浄水場 0.032 18 113 20
A Plant
B Plant
Coagulation and
SedimentationOzonation
Activated carbon
adsorptionCoagulation
Rapid sand
filtrationChlorination
Coagulationand
Sedimentation
Rapid sand
filtrationOzonation
Activated carbon
adsorptionChlorination
第1段階:浄水処理における制御
配水系へ流入する固相量に対する浄水処理方法の影響について
急速砂ろ過 膜ろ過
浄水濁度0.1度達成
OK OK どちらでも良い ??
微粒子数から、配水系へ流入する固相量(kg/日)を定量化
提案
従来処理水UF処理水
0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
Part
icle
vo
lum
e [
pp
b]
100
80
60
40
20
0
Particle volumes of drinking water and UF-water during two
representative days in the first measuring period (March-April 2006)
処理プロセスから流出する粒子数
従来処理水を配水UF処理水を配水
水道水の着色リスク推定結果
Time
RP
M [
-]16
12
8
4
0
UF処理水を配水した場合、着色リスクが同程度になる時間は5~10倍遅らせることができる(J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands,2007.)
●膜ろ過は、配水管網を清浄に保つのにも大きく寄与
B Plant
Coagulationand
Sedimentation
Rapid sand
filtrationOzonation
Activated carbon
adsorptionChlorination
Coagulationand
Sedimentation
Rapid sand
filtrationOzonation
Activated carbon
adsorption Chlorination
後ろ過処理の効果
浄水濁度配水系流入重量(kg/day)
現行プロセス 0.032 20
後ろ過処理後 0.020 14
30%減
ニーズ:送配水系に流入するkg/日を低減できる浄水処理
急速砂ろ過プロセス内
MFやUF
例:急速砂ろ過よりも1オーダー程度だけ濁度/微粒子除去能が優れた膜ろ過装置はできないか?
●高塩基度PACの使用●二段凝集●高分子凝集剤の使用: : :
急速砂ろ過ろ過砂層間隙
(以前存在したMF膜)
MF膜
UF膜
100 μmオーダー
10 μm程度
2 μm1 μm
0.2 μm
0.1 μm
0.01 μm
大孔径膜(LP膜)
セラミック膜基盤
1日に1回、0.4 m/秒以上の流速が出現するように配水管網を設計
配水管自体にセルフクリーニングの機能を持たせる。
管網内での粒子の蓄積を防ぐ。
配水管網の設計セルフクリーニング(自己洗浄)の考え方導入
セルフクリーニング機能を有する管網の設計ガイドライン作成(1999年)
第2段階:管網における水理条件の管理・制御
オランダの取り組み例
J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands, Chapter 3, pp. 35-62, Chapter 4, pp. 63-88, Chapter 5, pp. 89-112, 2007.
新設された高流速配水管網の例 (オランダ)
●管径 小●枝状管網
まとめ
震災時バックアップ機能消火用水確保機能
消火用水確保に関する命題:「消火用水は、いつまで水道システムに依存
できるのか?」
自己洗浄機能
定性的にはトレードオフ関係両者の機能を両立させる管網
を形成することは可能
松岡秀明ら:小規模配水区域における消火栓同時使用栓数の検討、平成27年度全国会議(水道研究発表会)講演集、pp.86-87、2015.
高田浩太郎ら:灘高層配水地区における縮径を伴う小ブロック化、平成27年度全国会議(水道研究発表会)講演集、pp.88-89、2015.
第3段階: 洗 管
洗管の3レベル
1. 放 水
⒜滞留水の排出、残留塩素の確保が目的
⒝目標流速0.4 m/s程度。堆積物等の排出を目的。
2. フラッシング洗浄
流速1.5 m/s, 管容積×3倍の水量で洗浄効果を得る
3. 擦りとる方法
✔︎ ピグ洗浄
✔︎ 回転ブラシ付高圧ジェット洗浄
✔︎ アイスピグ洗浄
・・
「排流装置」仙台市 野尻浄水場配水区域
放水例
放水による洗管例
大阪府内 2016年9月
兵庫県内 2016年11月
Flush time [h:mm]
Tu
rbid
ity (
FT
U)
400
300
200
100
0
Turbidity measurements at the flushing point of a 300 mm AC pipe, length3600 m, volume flow 680 m3/h (1,5 m/s). Horizontal axis is the time elapsed after the start of the experiment.
フラッシング洗浄
J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands, Chapter 5, pp. 89-112 (2007)
通過確認用ボール
洗管用ボール
ピグ洗浄例(茨城県結城市 2008.5)
水道管路直接診断 文献: 水道技術研究センター;持続可能な水道サービスのための管路技術に関する研究(e-Pipeプロジェクト)報告書,2011.
必要検討事項
1. 浄水中微粒子濃度の定量(および推定)
浄水場から送配水系へ流入する固相量の定量化
(単位:kg/日)
2. 配水管内蓄積量の実測(単位:g/m2)神戸市内配水区域におけるフィールド調査
3.洗管時の除去率定量通水試験管路を利用
4. 配水管テストピースを用いた微粒子等の付着実験
初期付着ー定常ー脱離過程の把握とモデル化
主要パラメータ:流速
管内環境形成のモデル化と制御性研究例
蓄積量分布推定結果神戸市 住吉中層 配水区域
45
■ 0.00
■ 0.00-0.25
■ 0.25-0.50
■ 0.50-1.00
■ 1.00-
推定蓄積量(g/m2)
配水期間:20年間
流入懸濁物質のうち2.5%が管内に蓄積
総蓄積量:9.90 kg
単位面積あたりの蓄積量: 0.55 g/m2
配水池
配水管内環境の管理・制御に関する3段階の考え方に基づくシナリオの設定
46
第一段階:浄水シナリオ
配水管網内に流入する懸濁物質量の低減による蓄積物の制御
浄水シナリオ1 浄水中SS濃度 50%減
浄水シナリオ2 ; 20%減
管路の縮径による管内流速増加で蓄積物を制御
縮径シナリオ1 全管路それぞれ一規格縮径
縮径シナリオ2 100→75 120,150→100
縮径シナリオ3 120,150→100
第二段階:縮径シナリオ単位:mm
47
第三段階:洗管シナリオ 定期的な洗管による蓄積量の制御
・配水管網を10区画に分割
・10年後以降、1年間の計算終了ごとに最も平均蓄積量の大きい区画を選択除去率60%※の放水洗管を実施
※橋本雄二:京都大学修士論文,2018
シナリオ間の比較
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
単位内面積当り蓄積量
(g/m
2)
浄水レベルを上げれば(浄水シナリオ1)、縮径シナリオ1に匹敵する効果あり
洗管を行えば、縮径シナリオ2, 3と同等程度の効果あり
H市 K飲料水供給施設
浄水施設
低区配水池
高区配水池
配水期間20年
給水戸数 26戸、居住人数 50人
浄水SS 13 μg/L
総蓄積量 81 g
小規模水道への適用 (厚生労働科学研究)
A飲料水供給施設
蓄積量分布の推定結果
N飲料水供給施設給水戸数 8戸居住人数 25人
給水戸数 4戸居住人数 10人
配水池
配水池
配水期間20年
浄水SS 460 μg/L
総蓄積量 604 g
配水管内環境の管理・制御に関する3段階の考え方に基づくシナリオの設定
K飲料水供給施設 A飲料水供給施設
第一段階浄水
シナリオ
(現有施設の濁度除去率が高い(97.7%)ので新たに設定せず)
浄水1: 除去率90%導入浄水2: 除去率60%導入
第二段階縮径
シナリオ
縮径前mm 20 25 30 40 50縮径前mm
25 30 40 50
縮径後mm 13 20 25 30 40縮径後mm
20 25 30 40
第三段階洗管
シナリオ
20年間のうち、10年後と15年後に洗管実施。配水区域を2分割し、蓄積量(g/m2)が多い区域を優先。設定除去率60%。
K飲料水供給施設 A飲料水供給施設
シナリオ間の比較
平均
蓄積
量(g
/m2)
ベースケース
縮径 洗管
平均
蓄積
量(g
/m2)
ベースケース
縮径 洗管浄水1 浄水2
人口減少社会へ向けたトータルソリューションの導出が最終目標
浄水処理
配水管内環境
飲料水質
原水水質
総 括
岸本如水,樽井滉生,北田純悟,中西智宏,浅田安廣,小坂浩司,伊藤禎彦:配水管網における管内環境の形成過程とその制御性、平成30年度全国会議(水道研究発表会)講演集,
pp.410-411, 2018.
福岡早紀,伊藤禎彦,岸本如水:飲料水供給施設における配水管内環境の評価と制御、平成30年度全国会議(水道研究発表会)講演集, pp.412-413, 2018.
和田昌寛、山田武史、平山修久、伊藤禎彦: 管路再構築における管路の自己洗浄性と耐震性の
機能確保に関する検討,土木学会論文集G(環境)(環境システム研究論文集),70(7),Ⅱ_309-
Ⅱ_317, 2014.
山田武史、和田昌寛、平山修久、伊藤禎彦:災害レジリエンス曲線による配水管網の消火機能評
価手法の構築、土木学会論文集G(環境)(環境工学研究論文集第51巻),70(7),Ⅲ_111-Ⅲ_118,
2014.
平山修久、山田武史、越後信哉、伊藤禎彦:人口減少社会における配水管網の再構成のあり方
に関する検討, 土木学会論文集G(環境)(環境工学研究論文集第53巻),72, 7, Ⅲ_467-Ⅲ_474,
2016.
参考文献
●配水管網における水理条件と管網再構成
●配水管内環境の形成過程と制御性