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バイオサンドフィルター（BSF）は、従来の緩速砂ろ過装置を改良した使用場所の水処理システムです。バイオサンドフィルターは、バイオフィルムで覆われた砂の柱で起こる生物学的および物理的プロセスを使用して、水から病原体と浮遊物質を取り除きます。BSFは、重金属、濁度、細菌、ウイルス、原生動物を除去することが示されています。[1] [2] BSFは、変色、臭い、不快な味も軽減します。研究では、BSFの使用と下痢の発生の減少との間に相関関係があることが示されています。[3]バイオサンドフィルターは、その有効性、使いやすさ、および継続的なコストがないため、発展途上国では適切な技術と見なされることがよくあります。世界中で200,000を超えるBSFが使用されていると推定されています。[1]
歴史
家庭用バイオサンドフィルターは、1980年代後半にカナダのカルガリー大学のデイビッド・マンツ博士によって提案されました。 [4]このシステムは、1800年代から飲料水の浄化に使用されてきた技術である緩速砂ろ過器から開発されました。 [3]最初のラボおよびフィールドテストは1991年に実施され、システムは1993年に特許を取得し、 [4]ニカラグアで現場に導入されました。カナダの非営利団体である手頃な価格の水と衛生技術センター（CAWST ）は、この技術の使用を含む浄水と衛生に関する教育とトレーニングを促進し、開発を継続するために、デイビッド・マンツとカミーユ・ダウ・ベイカーによって2001年に共同設立されました。[3]
バイオサンドフィルター部品
バイオサンドフィルターは、通常、コンクリートまたはプラスチックで作られています。[3]フィルターの上部には、しっかりとフィットする蓋があり、汚染物質や不要な害虫がフィルターに入るのを防ぎます。その下には、拡散板があり、フィルターに水を注いだときにバイオフィルムが乱されるのを防ぎます。その後、水は砂の柱を通過し、病原体や浮遊物質を取り除きます。砂の柱の下には、砂が排水層に入り込んで排水管が詰まるのを防ぐ砂利の層があります。分離層の下には、排水管の底部付近の詰まりを防ぐ粗い砂利でできた排水層があります。[3]
濾過プロセス
病原体と浮遊物質は、生物層と砂層で起こる生物学的プロセスと物理的プロセスによって除去されます。これらのプロセスには次のものが含まれます。
- 機械的捕捉：浮遊物質と病原体は砂粒の間の空間に捕捉される。[1]
- 捕食：病原体は生物層内の微生物によって消費される。[1]
- 吸着：病原体は互いに吸着され、水や砂粒中の浮遊物質にも吸着される。[1]
- 自然死：病原体は食物や酸素が不足するため、ライフサイクルを終えるか、死滅します。[1]
走行中
入口貯水池ゾーンの高い水位（水頭）により、水は拡散器とフィルターを通過し、その後、砂の中を水が均等に流れるにつれて減少します。フィルターを通過させる圧力が低いため、流量は遅くなります。入口水には、溶存酸素、栄養素、汚染物質が含まれています。これは、バイオフィルム内の微生物に必要な酸素を提供します。大きな浮遊粒子と病原体は砂の表面に閉じ込められ、砂粒間の隙間を部分的に塞ぎます。これにより、流量が減少します。[1]
休止期間（アイドル時間）
アイドル時間は通常、1 日のサイクルの 80% 以上を占めます。この間、微生物の減衰プロセスが顕著になる可能性があります。除去のほとんどは、水がバイオフィルムと接触している場所で発生します。バイオフィルムで発生するプロセスは特定されていません。[1]滞留水層が出口チューブのレベルに達すると、流れが止まります。理想的には、これは砂層のバイオフィルムを湿らせ、滞留水を介して酸素がバイオ層に拡散できるほど十分に高い必要があります。[1]休止期間により、バイオ層内の微生物は水中の病原体と栄養素を消費できます。消費されると、フィルターを通過する流量が回復します。休止期間が長すぎると、バイオ層はすべての病原体と栄養素を消費して死滅し、フィルターを再度使用したときにフィルターの効率が低下します。休止期間は 1 ～ 48 時間である必要があります。[1]非生物ゾーンの病原体は、栄養素と酸素の不足により死滅します。[1]
メンテナンス
時間が経つにつれて、フィルターの砂粒の間に粒子が蓄積します。さらに水を注ぐと、拡散板の上部にバイオフィルムが形成されます。これらの現象は両方とも流量の低下を引き起こします (目詰まりとバイオ目詰まり)。流量が遅くなるとアイドル時間により水のろ過は一般的に改善されますが [APS1]、ユーザーの利便性を考えると遅すぎる場合があります。流量が 0.1 リットル/分未満に低下した場合、CAWST はメンテナンスを行うことを推奨しています。[2]流量を回復するには、「スワール アンド ダンプ」またはウェット ハロー洗浄技術が使用されます。洗浄前にフィルターに約 1 米ガロン (3.8 L) を注ぎます (フィルターが空であると仮定)。次に、上層の砂を円を描くように旋回させます。旋回によって生じた汚れた水は排出され、砂は上部で滑らかになります。このプロセスは、流量が回復するまで繰り返されます。[2]拡散板、排出管、蓋、フィルターの外側表面を定期的に清掃することも推奨されます。[2]バイオサンドフィルターの長期的な持続可能性と有効性は、知識豊富なサポート担当者からの教育とサポートに依存します。[5]
ハイチの非営利団体 Clean Water for Haiti は、バイオサンド フィルターの設置後に教育およびフォローアップ プログラムを実施しています。このプログラムには、設置日から 1 か月、3 か月、12 か月後、および 5 年後に受益者の自宅を訪問することが含まれています。訪問のたびに、受益者は安全な水の習慣とフィルターの手入れ方法について繰り返し指導を受けます。2010 年以降に収集されたデータに基づくと、設置後 12 か月経過した時点で、フィルターの 94% から 99% が引き続き定期的に使用されています。[6]
汚染物質の除去
濁度
濁度低減の結果は、流入水の濁度によって異なります。濁水には砂、シルト、粘土が含まれています。[2] ある研究では、供給濁度は 1.86 ～ 3.9 NTU の範囲でした。ある研究では、3 つの地元の貯水池にある水処理プラントのサンプル蛇口から水が採取されました。この水は緩速砂ろ過器に流され、結果、濁度は平均 1.45 NTU に低下しました。[1]表層水を使用した別の研究では、濁度の 93% の低下が見られました。[7]砂の上のバイオフィルムが成熟するにつれて、濁度の除去が増加します。[1]バイオサンドろ過器は多くの濁度を除去しますが、ろ過速度が遅い緩速砂ろ過器の方がより多くの濁度を除去します。[1]
重金属
バイオサンドフィルターによる重金属の除去に関する研究は限られている。南アフリカで実施された研究では、フィルターは鉄の約64％とマグネシウムの5％を除去した。[7]
細菌
実験室での研究では、バイオサンドフィルターは約 98～99% の細菌を除去できることがわかっています。[7]大腸菌の除去では、バイオサンドフィルターはバイオフィルムの形成により約 2 か月かけて増加する可能性があることがわかりました。この期間後の除去率は、毎日の水量と追加された一次排水の割合に応じて 97～99.99% の範囲でした。一次排水または廃水の追加は、細菌の死滅を助けるバイオフィルムの成長を促進します。[1]研究によると、現場で使用されているバイオサンドフィルターは、管理された環境のフィルターよりも細菌の除去率が低いことが示されています。ドミニカ共和国のボナオの 55 世帯で実施された研究では、平均して大腸菌の減少は約 93% でした。[8]
ウイルス
実験室でのテストでは、フィルターは大腸菌の量を大幅に減らす一方で、ウイルスが小さいため、除去できるウイルスの量は大幅に少なくなることが示されています。バクテリオファージを使用した研究では、使用開始から45日後にウイルス除去率は85%から95%の範囲でした。[1]最近の研究では、ウイルス除去率は時間の経過とともに大幅に増加し、約150日後には99.99%に達することが示唆されています。[9]
原生動物
ある実験室でのテストでは、バイオサンドフィルターは原生動物の99.9%以上を除去しました。原生動物の一種であるランブル鞭毛虫のテストでは、フィルターは29日間の使用で100%を除去しました。別の原生動物であるクリプトスポリジウム属のオーシストは、サイズが小さいためか、99.98%除去されました。この除去率は、低速砂フィルターの除去率と同等でした。[10]
健康上の利点
ノースカロライナ大学とネバダ大学がドミニカ共和国とカンボジアで実施した調査では、BSFの使用により、すべての年齢層で下痢性疾患の発生が47％減少したことが示されています。 [11] CAWSTがハイチで実施した調査では、187世帯のうち95％が、バイオサンドフィルターを使用して水を浄化してから水質が改善されたと考えています。ユーザーの80％が、導入以来家族の健康状態が改善したと述べています。バイオサンドフィルターの使用に関するこのような健康認識は、長期使用者でより肯定的であることが示されています。[8]
バイオサンドフィルターの種類
コンクリート
コンクリートフィルターは、最も普及しているタイプのバイオサンド フィルターです。コンクリートは、低コスト、入手性、現場での建設可能性のため、一般的に他の材料よりも好まれます。コンクリート フィルターの設計図は、CAWST によって公開されています。いくつかのバージョンが開発されています。CAWST バージョン 9 バイオサンド フィルターは、より高い最大負荷率で構築されています。ろ過された水は EPA の水質基準を満たしていますが、最適ではありません。[12]最近の研究では、水と粒状物質との接触時間が水の浄化における主な決定要因であることが判明しています。CAWST バージョン 10 バイオサンド フィルターはこれを考慮に入れており、貯水池の容量は砂層の細孔容積に等しくなります。最大負荷率は、停滞した水が粒状物質と常に接触するように 33% 削減されました。[12]
コンクリート製バイオサンド フィルターは、通常、鋼鉄製の型を使用して製造されます。鋼鉄製の型の設計図は、CAWST によって公開されています。
ハイチのキャンプ・マリーに拠点を置く非営利団体「Clean Water for Haiti」は、鋼鉄製の型を改造してバイオサンドフィルターを製造している。[13]
非営利団体OHorizonsは、CAWSTのバージョン10フィルターをベースにした低コストの代替品として機能するウッドモールドを設計しました。ウッドモールドの設計図はOHorizonsのウェブサイトで公開されています。[14]
プラスチック
プラスチックフィルターは、通常は現場外で形成されたプラスチックバレルから作られています。ハイドライドバイオサンドフィルターは、紫外線耐性のある医療グレードのプラスチックから作られています。[15]
ステンレス鋼
インドのグルグラム（旧グルガオン）を拠点とするNGO、 SM Sehgal Foundationのエンジニアが開発したステンレス鋼のバイオサンドフィルターは、コンクリート製のものよりも性能が優れており、さまざまな地理的条件でより広範囲に適用および採用できることがわかりました。プラスチックは高価なため、インドの農村部では使用されていません。JalKalpと呼ばれるステンレス鋼フィルターは、ろ過速度が高く、持ち運びが簡単で（コンクリート製モデルより）、製造品質管理も優れています。コンクリート製フィルターは破損しやすく、重量（65kg）のために輸送が困難なため、特に遠隔地の農村部や丘陵地帯には適していません。一般的な品質の問題は、建設材料のばらつきと製造上の欠陥です。さらに、水中の塩分による白華現象により、コンクリート製フィルターの寿命が短くなります。新開発された軽量（4.5kg）のステンレス鋼バイオサンドフィルターは、コンクリート製フィルターよりも優れており、これらの欠点をそれぞれ克服し、品質管理が向上しています。水質検査では、JalKalp が大腸菌、大腸菌群、濁度、鉄汚染に対して有効であることが実証されています。このフィルターは、従来のろ過に銅の殺菌特性を統合したものです。JalKalp フィルターの排水ゾーンに銅箔を導入することで、汚染された水から大腸菌群と大腸菌を 100% 除去できるようになりました。SM Sehgal Foundation [16]は、志を同じくする組織と提携して、電気を必要としないこのモデルをインド全土に普及させ、できるだけ多くの農村家庭に恩恵をもたらしています。[17] [18]
発展途上国でバイオサンド浄水器を作るには課題があります。コンクリートを流し込む金属型を作る専門的能力がない人が多くいます。砂の層をふるいにかける適切なメッシュサイズを見つけることもできないかもしれません。ニカラグアでは、住宅建設用の鉄筋を溶接できる金属工は見つかるかもしれませんが、金属型を作るための板金曲げ機は見つかりません。砂は米国のように金物店では売られていません。砂は川床や採掘場からトラックで購入される可能性が高く、入手できるメッシュは 1/4 インチで大きすぎます。第三世界の国に旅行するときは、適切なメッシュスクリーンを持っていくのが最善でしょう。
フィルターの使用に関するもう 1 つの問題は、普及です。多くのプロジェクトが浄水器の製作を支援し、中にはフィルターを配布するところもありますが、ホスト国の国民にフィルターを使ってもらうには、はるかに多くの献身が必要です。浄水器の所有者とつながり、フィルターの使用を促し、使用習慣を身につけてもらう必要があります。そうしないと、フィルターのいくつかが放置され、道路に放置されてしまいます。フィルターを配布するだけでは普及には不十分です。
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmnop Elliott, M., Stauber, C., Koksal, F., DiGiano, F., および M. Sobsey (2008)。断続的に稼働する家庭用の 2 つの緩速砂ろ過装置における大腸菌、エコーウイルス 12 型、バクテリオファージの減少。水研究、第 42 巻、第 10-11 号
- ^ abcde 「CAWST Biosand Filter Manual 2008」（PDF）。2009年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ abcde 「CAWST Biosand Filter」。2012年3月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ ab 「CAWSTの歴史」。
- ^ Sisson, Andrew J; Wampler, PJ; Rediske RR; Molla AR (2013年1月)。「ハイチ、デシャペル近郊のアルティボニット渓谷におけるバイオサンドフィルターの長期使用と持続可能性の評価」。開発のための水・衛生・衛生ジャーナル。3 (1): 51– 60。doi : 10.2166/washdev.2013.092。
- ^ cleanwaterforhaiti.org
- ^ abc Mwabi, JK, FE Adeyemo および TO Mamba。「家庭用水処理システム: 安全な飲料水を製造するためのソリューション」SAO/NASA ADS: ADS ホームページ。Web。2011 年 12 月 22 日。http://adsabs.harvard.edu/abs/2011PCE....36.1120M
- ^ ab Sobsey, Mark; Christine Stauber; Lisa Casanova; Joseph Brown; Mark Elliott (2008). 「使用時点での家庭用飲料水ろ過：発展途上国で安全な飲料水への持続的なアクセスを提供するための実用的かつ効果的なソリューション」.環境科学技術. 43 (3): 970– 971. doi :10.1021/es8026133.
- ^ Bradley, I., Straub, A., Maraccini, P., Markazi, Nguyen, T., (2011). ウイルス除去のための酸化鉄添加バイオサンドフィルター。水研究
- ^ 「バイオサンドフィルター」。
- ^ Stauber, Christine; Gloria M. Ortiz; Dana P. Loomis; Mark D. Sobsey (2009). 「コンクリートバイオサンドフィルターのランダム化比較試験とドミニカ共和国ボナイ島における下痢性疾患への影響」アメリカ熱帯医学衛生学誌。80 (2): 286– 293. doi : 10.4269/ajtmh.2009.80.286 . PMID 19190228.
- ^ ab 「CAWST バイオサンドフィルターマニュアル 2010」。
{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です - ^ 「フィルターはどのように機能するのか？ | ハイチにきれいな水を」
- ^ 「OHorizons Wood Mold Construction Manual and Appendix」。2017年11月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月20日閲覧。
- ^ “ハイドレイドバイオサンドテクノロジー”.
- ^ 「ホーム」. smsfoundation.org .
- ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2018年10月5日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2016年5月4日閲覧。
{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク) - ^ バドゥリ、アミタ。 「ジャルカルプ：水は不純物を砂にする」。 「インド水ポータル」2017 年 11 月 13 日。
外部リンク
- 最新の技術および実装情報、研究およびプロジェクト情報を含むバイオサンドフィルターナレッジベース
- トレーニングおよび教育リソースを含む CAWST バイオサンド フィルター
- Manz Water Infoには、建設と運用に関する詳細なリソースが多数含まれています。
- OHorizons 木型バイオサンド フィルターには、コンクリート バイオサンド フィルターの製造に使用する木型構造に関する技術リソースが含まれています。
- ハイチのためのきれいな水には、バイオサンドフィルターの製造に関する情報とリソースが含まれています。
- 浄水器ピッチャー アーカイブ 2023-03-24 at the Wayback Machine