合流式下水道

合流式下水道は重力式下水道の一種で、パイプ、トンネル、ポンプ場などのシステムを備え、下水と都市の流出水をまとめて下水処理場または処分場に輸送します。これは、雨が降ると下水が希釈され、処理場での流量が増加することを意味します。汚染されていない雨水は下水を単に希釈しますが、流出水は屋根、道路、および貯蔵ヤードで接触する事実上あらゆるものを溶解または浮遊させる可能性があります。[1]：296 雨水が屋根や地面を越えて移動すると、土壌粒子やその他の堆積物、重金属、有機化合物、動物の排泄物、油脂など^{のさまざま}な汚染物質を拾う可能性があります。合流式下水道には、景観灌漑、建設排水、および建物や歩道の洗浄からの乾燥天候の排水も含まれる場合があります。

合流式下水道では、合流した下水と表面流出水の流量が下水処理場の能力、または合流した水源を送水するシステムの最大流量を超えると、合流式下水道溢水( CSO )イベント中に深刻な水質汚染問題を引き起こす可能性があります。異常に高い表面流出水が発生した場合 (大雨など)、下水道システムの個々の支流にかかる負荷により、トイレなどの入力源から未処理の下水が流出する地点まで逆流する可能性があります。その結果、有毒な下水と流出水の混合物で居住建物が浸水し、清掃と修理に莫大な経済的負担が発生します。合流式下水道で通常よりも高い処理量が経験されると、排出システムによって人や産業廃棄物を含む排出物が川、小川、またはその他の水域に流れ込みます。このような出来事は、ビーチの閉鎖、汚染された貝類の食用としての安全性の低下、飲料水源の汚染（一時的に飲用に適さない状態になり、入浴や食器洗いなどの使用前に煮沸が必要になる）など、環境と生活様式の両方に悪影響を及ぼすことが多い。^[2]

合流式下水道の溢水緩和策には、下水道の分離、CSO 貯蔵、下水処理能力の拡大、貯留池、スクリーニングおよび消毒施設、雨水流量の削減、グリーン インフラストラクチャ、リアルタイムの意思決定支援システムなどが含まれます。

このタイプの重力下水道設計は、現在では新しい下水道システムを建設する際にはあまり使用されていません。現代の下水道設計では、代わりに衛生下水道を建設することで表面流出を排除していますが、多くの古い都市や町では、以前に建設された合流式下水道システムを引き続き運用しています。^[3]

最も初期の下水道は、通りの排水を居住地域から処理せずに表面水路に流すように設計されました。19 世紀以前は、便器などの人間の排泄物容器を町や都市の通りに捨て、動物を通りの「屠畜場」で屠殺するのが一般的でした。馬などの荷役動物の使用や、都市の通りでの家畜の放牧は、ほとんどの通りに大量の排泄物が含まれていることを意味していました。19世紀に舗装材としてマカダムが開発される前は、舗装システムはほとんどが多孔質であったため、降雨は浸透して流れ落ちず、都市の屋上の雨水は雨水タンクに貯められることが多かったです。側溝と都市の河床で構成される開放型下水道は、20 世紀以前には世界中で一般的でした。

先進国の大半では、19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、以前は開放されていた下水道を覆って、鋳鉄、鋼、コンクリートのパイプ、石積み、コンクリートのアーチで閉鎖系に改造する大きな努力が払われ、一方で、道路や歩道は不浸透性の舗装システムで覆われるようになりました。19 世紀から 20 世紀初頭から中頃にかけての下水収集システムのほとんどは、道路や屋根からの下水と都市排水の両方を収集する単管システムを使用していました (比較的きれいな屋根の雨水が飲用や洗濯用にバットや貯水槽に貯められることはなかった程度です)。このタイプの収集システムは「合流式下水道システム」と呼ばれます。2 つを統合する理由は、単一のシステムを構築する方が安価であるためです。^{[4] : 8}当時のほとんどの都市には下水処理場がなかったため、別個の「表面水下水道」（英国の用語）または「雨水下水道」（米国の用語）システムを建設することに公衆衛生上の利点はないと考えられていました。^{[2] : pp. 2–3}さらに、自動車の時代以前は、流出水は一般的に動物の排泄物で高度に汚染されている可能性がありました。さらに、19世紀中期から後期までは、畜舎の頻繁な使用により廃棄物が増えていました。馬から自動車の推進力への広範な置き換え、都市の道路や路面の舗装、自治体の屠殺場の建設、および20世紀の水道水の供給により、都市の流出水の性質と量は当初よりきれいになり、以前は浸透していた水や、合流式下水道が広く採用された後に以前は貯められていた屋上の雨水も含まれるようになりました。

建設された当初、合流式下水道は、通常、乾季の平均下水流量の 3 ^{[2] : pp. 2–4  ～ 160 倍を処理できる規模でした。 [5] : 136}雪解け水や対流性降水による流出ピーク時に、合流式下水道を流れる汚水と表面流出水の混合量を処理することは一般的に不可能です。都市が下水処理場を建設したとき、それらの処理場は通常、乾季に流れる汚水量のみを処理するように建設されました。雨天時に表面流出水と混合された未処理の汚水をバイパスするための救済構造が収集システムに設置され、ピーク流量が頭首工に達した場合に下水処理場が被害を受けないように保護しました。^[6]

これらの排水構造物は「雨水調整装置」（アメリカ英語では「合流式下水道オーバーフロー」、イギリス英語では「合流式下水道オーバーフロー」）と呼ばれ、合流式下水道システム内に建設され、下水処理場のピーク設計流量を超える流量を迂回させます。^[6]合流式下水道は、下水処理場の能力を超える流量を迂回させるために予測または調整される、段階流量または差圧流量の関係を確立する制御セクションとともに建設されます。跳躍堰は、典型的な乾燥天候の下水流量が下水処理場への遮断下水管に落ちるようにする一方で、より高い流量の大部分が遮断堰を飛び越えて迂回出口に流れ込むようにする調整装置として使用できます。または、オリフィスを下水処理場の設計容量に合わせてサイズ設定し、過剰流量がオリフィスの上に蓄積し、横方向のオーバーフロー堰を越えて迂回出口に流れ込むようにすることもできます。^{[5] : 112–114}

CSO 統計は、イベントの数、またはそのようなイベントが発生する可能性のある排水構造物の数のいずれかを表す可能性があるため、混乱を招く可能性があります。アメリカ英語で使用される用語である CSO イベントは、混合された下水と雨水が、設計された転流口を介して、合流式下水道制御セクションから川、小川、湖、または海にバイパスされ、処理されない場合に発生します。オーバーフローの頻度と期間は、単一の合流式下水道システム内で、システムごとに、また、排水口ごとに異なります。一部の CSO 排水口はまれに排出されますが、他の排水口は雨が降るたびに作動します。^{[2] : pp. 2–3, 2–4}

雨水成分はCSOに汚染物質を寄与しますが、汚染の主要な部分は、ピーク流量の乱流時に乾いた天候で合流式下水道の湿った周囲から洗い流された、蓄積したバイオフィルムと衛生固形物の最初の汚い流出です。^[8]それぞれの嵐は、寄与する汚染物質の量と種類が異なります。たとえば、しばらく雨が降っていない晩夏に発生する嵐は、最も汚染物質が多くなります。油、グリース、ペットや野生動物の排泄物からの糞便性大腸菌、農薬などの汚染物質が下水道に流入します。寒冷地域では、車、人、動物からの汚染物質も冬の間は硬い表面や芝生に蓄積し、春の大雨の際に下水道に流入します。

激しい嵐の際に排出されるCSOは、深刻な水質汚染問題を引き起こす可能性があります。排出物には人間や産業廃棄物が含まれており、海岸の閉鎖、貝類の消費制限、飲料水源の汚染を引き起こす可能性があります。^[2]

CSO は、下水道の閉塞、損傷、または下水道の能力（処理施設の能力ではなく）を超えた流量によって引き起こされるという点で、下水道の溢水とは異なります。 ^{[2] ：Ch.4}下水道の溢水は、CSO 軽減構造物ではなく、下水道システムの低い場所で発生する可能性があります。転流用の排水口がない場合、下水道の溢水により住宅が浸水したり、自然排水路に到達する前に道路の表面を流れたりすることがよくあります。下水道の溢水は、下水汚染物質を希釈して洗い流す降水量がない乾燥した天候で発生すると、CSO よりも大きな健康リスクと環境被害を引き起こす可能性があります。

米国では約860の自治体が合流式下水道システムを備えており、約4,000万 人に利用されている。^[9] CSO排出による汚染物質には、細菌やその他の病原体、有毒化学物質、残骸などが含まれる。これらの汚染物質は抗菌薬耐性とも関連付けられており、深刻な公衆衛生上の懸念を引き起こしている。^[10]米国環境保護庁（ EPA ）は1994年に、自治体に対し、CSO関連の汚染問題を軽減または排除するための改善を求める政策を発表した。^{[11]この政策は、}国家汚染物質排出削減システム（NPDES）許可プログラムを通じて実施されている。この政策は、生態系の安全のための水質パラメータを定義し、地域にとって最も実用的な方法でCSOを制御するために場所固有の措置を許可し、CSO制御が地域の予算を超えないようにし、場所固有の条件に基づいて水質パラメータを柔軟に設定できるようにした。 CSO管理政策は、既存の処理プロセスを少し改善することで下水溢れの影響を減らすために、1997年1月1日までにすべての公営処理施設に「9つの最低限の管理」を実施することを義務付けた。 ^[12] 2000年に議会は水質浄化法を改正し、地方自治体にEPA政策の遵守を義務付けた。^[13]

合流式下水道の氾濫緩和策には、下水道の分離、CSO 貯蔵、下水処理能力の拡大、貯留池、スクリーニングおよび消毒施設、雨水流量の削減、グリーン インフラストラクチャ、リアルタイム意思決定支援システムなどがあります。たとえば、合流式下水道の氾濫がある都市では、未処理下水の排出を削減するために、次のような 1 つ以上の工学的アプローチ を採用しています。

• グリーンインフラアプローチを活用してシステム全体の雨水管理能力を向上させ、処理施設の水圧過負荷を軽減する^[14]
• 漏水や故障した機器の修理と交換^[2]
• 下水収集システムの全体的な水力容量の増加（多くの場合、非常に高価なオプション）。

英国環境庁は、不適切で断続的な排出を特定し、合流式下水道の溢水による汚染を制限する措置を要求する都市下水処理指令を発行した。^[15] 2009年、カナダ環境大臣会議は、 (1)合流式下水道の溢水から浮遊物質を除去する、(2)乾燥した天候時の合流式下水道の溢水を防止する、(3)開発または再開発により合流式下水道の溢水の頻度が増加することを防止する、という国家基準を含む、カナダ全土の都市下水排出物管理戦略を採択した。^[16]

CSOを軽減するための合流式下水道システムの改修には、センサーと通信のコストが低下するにつれて普及しつつある広範な監視ネットワークが必要です。^{[17]これらの監視ネットワークは、主なCSO問題を引き起こすボトルネックを特定したり、流体力学モデルや}水文学モデルの較正を支援して、費用対効果の高いCSO緩和を可能にしたりすることができます。

米国の自治体は、1990年代からCSOを軽減するプロジェクトに取り組んできました。たとえば、1990年以前は、ミシガン州南東部の湖、川、小川に排出される未処理の合流式下水の量は、年間300億米ガロン（1億1000万m ³ ）以上と推定されていました。2005年には、計画されていた24億ドルのCSO投資のうち約10億ドルが運用され、未処理の排出は年間200億米ガロン（7600万m ³）以上削減されました。CSOを85パーセント削減したこの投資には、地方自治体や地域政府によって建設された多数の下水分離、CSO貯蔵および処理施設、および廃水処理プラントの改善が含まれています。^[18]

米国では他の多くの地域でも同様のプロジェクトが実施されている（ワシントン州のピュージェット湾の例を参照）。^[19]ピッツバーグ、シアトル、フィラデルフィア、ニューヨークなどの都市がこれらのプロジェクトに注力しているのは、連邦政府の同意判決に基づいてCSO問題を解決しているためである。EPAと州政府機関は、CSO緩和の取り組みとスケジュールの効率化を強化するために、前払い罰金と規定罰金の両方を利用している。自治体の下水道部門、エンジニアリングおよび設計会社、環境保護団体は、潜在的な解決策に対してさまざまなアプローチを提供している。

米国のいくつかの都市は、下水道分離プロジェクトを実施しており、コミュニティ全体または一部に第2の配管システムを構築しています。これらのプロジェクトの多くでは、都市は統合されたシステムの一部しか分離できていません。コストが高かったり、物理的な制限があったりすると、完全に独立したシステムを構築できない場合があります。^[20] 2011年、ワシントンDCは4つの小さな地区で下水道を分離し、1,100万ドルの費用を費やしました。（プロジェクトコストには、飲料水配管システムの改善も含まれていました。）^{[21] [22]}

もう一つの解決策は、多くの下水道接続部からの流れを貯留できるトンネルなどのCSO貯留施設を建設することです。トンネルは複数の排水口で容量を共有できるため、特定の数の排水口に提供する必要がある貯留量の合計を減らすことができます。貯留トンネルは合流式下水を貯留しますが、処理は行いません。嵐が過ぎると、流れはトンネルから汲み出され、下水処理場に送られます。^[18] CSO貯留の主な懸念の1つは、放出されるまでの貯留期間です。この貯留期間を慎重に管理しないと、CSO貯留施設の水が腐敗するリスクがあります。^{[説明が必要] [引用が必要]}

ワシントン D.C.は、CSO に対処するための主要戦略として、地下貯留容量を構築している。2011 年、同市はアナコスティア川に隣接した 4 つの深層貯留トンネル システムの建設を開始した。これにより、川への溢水が 98 パーセント、システム全体では 96 パーセント削減される。このシステムは、18 マイル (29 km) を超えるトンネルで構成され、貯留容量は 1 億 5,700 万米ガロン (590,000 m3 ⁾になる。^[23]トンネル システムの最初のセグメントである長さ 7 マイル (11 km) は、2018 年に稼働を開始した。貯留システムの残りのセグメントは、2023 年に完成する予定である。^[24] (市の全体的な「クリーン リバーズ」プロジェクトは、26 億ドルの費用がかかると予測されており、雨水流量の削減などの他の要素も含まれている。) ^[25]サウスボストン CSO 貯留トンネルは、2011 年に完成した同様のプロジェクトである。

インディアナ州インディアナポリスは、既存の2つの下水処理場を接続し、ホワイト川、イーグルクリーク、フォールクリーク、ポーグズラン、プレザントラン沿いにあるさまざまなCSOサイトからの排出水を収集する、長さ28マイル（45 km）、直径18フィート（5.5 m）の深岩トンネルシステムの形で地下貯蔵能力を構築しています。 [ 26 ]シチズンズ・エナジー・グループは、ベルモント下水処理場とサウスポート^下水処理場を結ぶ深さ250フィート（76 m）の深岩トンネルコネクタを含む、作業の第一段階の建設作業を管理しています。追加のトンネルは、インディアナポリスにある既存の水路の下で分岐します。このプロジェクトの予定コストは合計19億ドルです。^[27]

インディアナ州フォートウェインは、セントメアリーズ川、セントジョセフ川、モーミー川に流れ込む無数のCSOに対処するため、 3RPORT ^[28] (スリーリバーズ保護および氾濫防止トンネル) の下に、長さ4.5マイル(7.2 km )、直径14フィート (4.3 m)、費用1億8千万ドルのトンネルを建設している。3RPORTは地表から約160フィート (49 m) 下にあり、2023年に供用開始の予定である。

いくつかの都市では、CSO量の一部または全部を処理するために、基本的な下水処理能力を拡大しました。2002年に訴訟により、オハイオ州トレド市は処理能力を2倍にし、オーバーフローのほとんどをなくすために貯水池を建設することを余儀なくされました。市はまた、下水道システムへの雨水流入を減らす方法を研究することに合意しました。（雨水流入の削減を参照）^[29]

合流式下水を貯蔵・処理する貯留処理池または大型コンクリートタンクも別の解決策です。これらの地下構造物の貯蔵・処理能力は、合流式下水で 200 万米ガロン (7,600 m ³ ) から 1 億 2,000 万米ガロン (450,000 m ³ ) まであります。各施設はそれぞれ異なりますが、一般的な施設の運用は次のとおりです。過負荷の下水管からの流れは、区画に分かれた池に汲み上げられます。第 1 のフラッシュ区画は、嵐の最初の部分からの最も高いレベルの汚染物質を含む流れを捕捉して貯蔵します。これらの汚染物質には、道路や芝生を流れ落ちる雨水によって拾い上げられるモーター オイル、堆積物、道路の塩、芝生用化学物質 (殺虫剤と肥料) が含まれます。この区画からの流れは貯蔵され、嵐の後に遮集下水管に余裕があれば廃水処理場に送られます。 2番目の区画は処理区画または流通区画です。この区画に入ると、次亜塩素酸ナトリウムまたは漂白剤を注入して水流を消毒します。その後、水流が区画の端まで移動するまでに約20〜30分かかります。この間に細菌は死滅し、大きな固形物は沈殿します。区画の端では、残っている衛生廃棄物はすべて上部からすくい取られ、処理された水流は川や湖に排出されます。^[18]

ミシガン州デトロイト市は、グレート・レイクス水道局が所有・運営する 9 つの CSO 貯留池とスクリーニング/消毒施設のシステムを活用しています。これらの貯留池は、デトロイト都市圏内のデトロイト川とルージュ川沿いにある元の合流式下水道の排水口にあります。これらの施設は通常、2 インチの雨水流出を収容できるように設計されており、異常な雨天時の降雨時に溢れた水を消毒することができます。

スクリーニングと消毒施設は、CSO を保管することなく処理します。「フロースルー」施設と呼ばれるこれらの施設では、細かいスクリーンを使用して、合流式下水から固形物と衛生廃棄物を除去します。フローには消毒用の次亜塩素酸ナトリウムが注入され、一連の細かいスクリーンを通過する際に混合され、ゴミが除去されます。細かいスクリーンの開口部のサイズは 4 ～ 6 mm、つまり 1/4 インチ弱です。フローは、次亜塩素酸ナトリウムが細菌を殺すのに十分な時間を与える速度で施設を通過します。スクリーンによって除去されたすべての物質は、遮断下水管を通って下水処理場に送られます。^[30]

コミュニティは、集水システムへの雨水の流入を減らすために、 影響の少ない開発手法を実施することができます。これには以下が含まれます。

• インターロッキングストーン、透水性舗装、透水性コンクリートを使用した新規および改修された道路、駐車場、歩道の建設
• 建物に緑の屋根を設置する
• 造園エリアにバイオリテンションシステム（レインガーデンとも呼ばれる）を設置する
• 雨天時に建物の屋根から流れ出る雨水を収集し、乾季に景観や庭園に灌漑するための雨水収集装置を設置する
• 汚水排出を常に削減するために、現場での雑排水収集と使用を実施する

下水道システムの再構築のみで構成される CSO 緩和イニシアチブはグレー インフラストラクチャと呼ばれ、透水性舗装や雨水収集などの技術はグリーン インフラストラクチャと呼ばれます。グレー インフラストラクチャ計画とグリーン インフラストラクチャ計画の間で、自治体の下水道当局と環境活動組織の間で衝突が発生することがよくあります。^[要出典]

2004年のEPAの議会へのCSOに関する報告書では、CSOの影響を軽減するために利用可能な技術のレビューが提供されています。^{[2] ：第8章}

センシングと制御における最近の技術進歩により、CSO 緩和のためのリアルタイム意思決定支援システム(RT-DSS) の実装が可能になりました。モノのインターネット技術とクラウド コンピューティングを使用することで、下水道や雨水管理システムの可動ゲート、ポンプ場、その他の作動資産の設定値を動的に調整することで、CSO イベントを緩和できるようになりました。適応型交通制御と呼ばれる同様の技術は、信号機を通過する車両の流れを制御するために使用されます。RT-DSS システムは、下水域全体の多様な土地利用による集中時間の変化だけでなく、雨水の時間的および空間的な変動性を利用して、制御資産を調整および最適化します。RT-DSS は、貯蔵と輸送を最大限に活用することで、既存のインフラストラクチャを使用してオーバーフローを最小限に抑えることができます。RT-DSS の実装は、米国^{[31] [32] [33]}とヨーロッパ全体で成功しています。^[34]

リアルタイム制御（RTC）は、ヒューリスティック制御とモデルベース制御のどちらかです。モデルベース制御は理論的にはより最適ですが^[35]、実装が容易なため、ヒューリスティック制御がより一般的に適用されています。RTCがCSO緩和に適したオプションであるという十分な証拠を生成することは依然として問題ですが、新しいパフォーマンス手法によってこれが可能になるかもしれません。^[36]

英国では雨水下水道と地表水下水道の間には法的違いがある。水道事業法第106条では雨水越流下水道に接続する権利はない。^[37]

これらは通常、合流式下水道のオーバーフローの下流の水路に排出するパイプラインです。合流式下水道からの過剰流量を取ります。表面水下水道は雨水を運びます。法的には、この公共下水道に雨水を接続する権利があります。公共の雨水下水道は公共の表流水に排出できますが、水道会社による下水道ステータスの法的変更がない限り、その逆はできません。

19世紀後半から20世紀初頭にかけて都市下水道が初めて開発された当時は、合流式下水道が一般的でした。^[3]

下水道のイメージはヨーロッパ文化に繰り返し登場する。第二次世界大戦ではパルチザンやレジスタンス戦士など、軽蔑されたり追われたりした人々が隠れ場所や逃走経路として下水道をよく利用したためである。スターリングラード攻防戦では下水道で戦闘が勃発した。ワルシャワ蜂起とワルシャワ・ゲットーの唯一の生存者は、都市の下水道を通って最後の脱出を果たした。ピラネージによる架空の監獄の彫刻は、世界最古の下水道の 1 つである クロアカ・マキシマに触発されたという意見もある。

合流式下水道を旅したり、隠れたり、さらには居住したりするというテーマは、メディアでよく使われるプロット装置です。下水道居住の有名な例としては、ティーンエイジ・ミュータント・ニンジャ・タートルズ、スティーブン・キングの『IT』、レ・ミゼラブル、『第三の男』、『レディホーク』、 『ミミック』、 『オペラ座の怪人』 、『美女と野獣』、そして『ジェットセット・ラジオ・フューチャー』などがあります。トッド・ストラッサーの小説『Y2K-9: 世界を救った犬』は、アメリカの下水処理場 を電子的に破壊しようとするテロの脅威を阻止する犬を中心に展開します。

よく知られている都市伝説である下水道のワニは、特に大都市圏の合流式下水道に生息する巨大なワニまたはクロコダイルの伝説である。ニューヨークにある2つの公共彫刻は、ワニが不運な犠牲者をマンホールに引きずり込む様子を描いている。^[39]

アメリカ南東部では、合流式雨水管にワニが侵入することが知られている。下水道修理会社の監視カメラには、合流式雨水管に潜むワニの姿が録画されていた。^[40]

• ファットバーグ（下水道の閉塞）
• 下水道の氾濫
• テムズ・タイドウェイ計画
• 雨水排水溝

• 米国環境保護庁 – 合流式下水道のオーバーフロー