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水の浄化とは、水から望ましくない化学物質、生物学的汚染物質、浮遊物質、ガスを除去するプロセスです。[ 1 ]目標は、特定の目的に適した水を生成することです。ほとんどの水は人間の消費（飲料水）のために浄化および消毒されますが、水の浄化は、医療、薬学、化学、および工業用途を含むさまざまな他の目的のためにも行われることがあります。水の浄化の歴史には、さまざまな方法が含まれています。使用される方法には、ろ過、沈殿、蒸留などの物理的プロセス、緩速砂フィルターや生物活性炭などの生物学的プロセス、凝集や塩素化などの化学的プロセス、紫外線などの電磁放射線の使用が含まれます。
水の浄化は、浮遊粒子、寄生虫、細菌、藻類、ウイルス、真菌などの粒子状物質の濃度を低減させるだけでなく、様々な溶解性物質や粒子状物質の濃度も低減させることができます。
飲料水の水質基準は、通常、政府または国際基準によって定められます。これらの基準には、水の用途に応じて、汚染物質の最小濃度と最大濃度が規定されているのが一般的です。
目視検査では、水質が適切かどうかを判断することはできません。煮沸や家庭用浄水器（通常は活性炭フィルターを使用）といった簡単な処理では、水源不明の水に含まれる可能性のあるあらゆる汚染物質を除去するには不十分です。19世紀には実質的に安全と考えられていた天然の湧水でさえ、現在ではどのような処理が必要かを判断する前に検査しなければなりません。化学的および微生物学的分析は費用がかかりますが、適切な浄化方法を決定するために必要な情報を得る唯一の方法です。
この処理の目的は、水中の不要な成分を除去し、飲料水として安全に飲めるようにするか、産業用途や医療用途など特定の目的に適した水にすることです。微細な固形物、微生物、一部の溶解性無機物や有機物、あるいは環境中に残留する医薬品汚染物質などの汚染物質を除去するための技術は多岐にわたります。どの方法を選択するかは、処理対象水の水質、処理プロセスのコスト、そして処理後の水に求められる水質基準によって決まります。
以下に挙げる工程は、浄水場で一般的に用いられるものです。ただし、浄水場の規模や原水（水源）の水質によっては、これらの工程の一部または全部が用いられない場合もあります。
純水のpH値は7に近い（アルカリ性でも酸性でもない）。海水はpH値が7.5から8.4の範囲（弱アルカリ性）になることがある。淡水は、流域や帯水層の地質、汚染物質の流入（酸性雨）の影響によって、pH値が大きく変動する。
水が酸性（pH7未満）の場合、浄水処理中に石灰、炭酸ナトリウム、または苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）を添加してpHを上げることができます。これは特に軟水化においてよく用いられる方法です。pHを上げるために使用する化学物質の選択は、多くの場合、水中の炭酸塩アルカリ度によって決まります。これらの化学物質を添加すると炭酸イオン濃度が上昇し、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムがさらに高いpHで沈殿します。結果として、水の硬度が低下します。
酸性度の高い水の場合、強制通風式脱気装置は、水から溶存二酸化炭素を除去することでpHを上げる効果的な方法となり得ます。[ 3 ]水をアルカリ性にすると、凝集および凝結プロセスが効果的に機能し、鉛管や配管継手の鉛はんだから鉛が溶出するリスクを最小限に抑えるのに役立ちます。十分なアルカリ性は、鉄管に対する水の腐食性も低下させます。状況によっては、pHを下げるためにアルカリ性の水に酸（炭酸、塩酸、または硫酸）を加えることがあります。アルカリ性水（pH 7.0以上）は、配管システムからの鉛や銅が水に溶け出さないことを必ずしも意味するものではありません。金属表面を保護し、有毒金属が水に溶け出す可能性を低減するために炭酸カルシウムを沈殿させる水の能力は、pH、ミネラル含有量、温度、アルカリ性、およびカルシウム濃度に依存します。[ 4 ]
従来の浄水処理工程のほとんどにおいて、最初のステップの一つは、水中に浮遊する粒子を除去するために化学薬品を添加することです。粒子には、粘土やシルトなどの無機物、藻類、細菌、ウイルス、原生動物、天然有機物などの有機物があります。無機物と有機物の粒子は、水の濁度や色に影響を与えます。
硫酸アルミニウム（またはミョウバン）や塩化鉄（III）などの鉄（III）塩といった無機凝集剤を添加すると、粒子上および粒子間で複数の化学的・物理的相互作用が同時に起こります。数秒以内に、粒子上の負電荷は無機凝集剤によって中和されます。また、数秒以内に、鉄イオンとアルミニウムイオンの水酸化物沈殿物が形成され始めます。これらの沈殿物は、ブラウン運動などの自然プロセスや、凝集と呼ばれることもある誘発混合によって、より大きな粒子へと結合します。非晶質の水酸化物は「フロック」として知られています。大きな非晶質のアルミニウムおよび鉄（III）水酸化物は、懸濁液中の粒子を吸着・包囲し、その後の沈降および濾過プロセスによる粒子の除去を促進します。[ 5 ]： 8.2～8.3
水酸化アルミニウムは、比較的狭いpH範囲、典型的には5.5～7.7程度で生成されます。水酸化鉄(III)は、ミョウバンが有効なpH値よりも低いpH値を含む、より広いpH範囲、典型的には5.0～8.5で生成されます。[ 6 ]： 679
文献では、凝集と凝結という用語の使用に関して多くの議論と混乱が見られます。凝集はどこで終わり、凝結はどこから始まるのでしょうか？浄水場では、通常、高エネルギーで高速混合ユニットプロセス（滞留時間数秒）があり、そこで凝集剤が添加され、その後、凝結槽（滞留時間15～45分）で低エネルギー投入により大型パドルなどの穏やかな混合装置が回転し、フロックの形成が促進されます。実際には、金属塩凝集剤が添加されると、凝集と凝結のプロセスが継続します。[ 7 ]： 74～75
有機ポリマーは、1960年代に凝集剤の補助剤として、また場合によっては無機金属塩凝集剤の代替品として開発されました。合成有機ポリマーは、負、正、または中性の電荷を持つ高分子量化合物です。有機ポリマーを粒子状物質を含む水に添加すると、高分子量化合物は粒子表面に吸着し、粒子間架橋を介して他の粒子と凝集してフロックを形成します。 ポリDADMACは、浄水場でよく使用されるカチオン性（正電荷）有機ポリマーです。[ 6 ]： 667-8
凝集槽から排出された水は、沈殿槽（清澄槽または沈殿槽とも呼ばれる）に入ることがあります。沈殿槽は、水流速度が遅い大型のタンクで、凝集物が底に沈殿するように設計されています。沈殿槽は、凝集槽の近くに設置するのが最適です。そうすることで、2つの工程間の移動中に凝集や凝集物の崩壊を防ぐことができます。沈殿槽は、水が端から端まで流れる長方形、または中心から外側に向かって流れる円形のものがあります。沈殿槽からの流出水は通常、堰を越えて排出されるため、汚泥から最も遠い薄い表層水のみが排出されます。
1904年、アレン・ヘイゼンは、沈殿プロセスの効率は粒子沈降速度、タンク内の流量、およびタンクの表面積の関数であることを示しました。沈殿タンクは通常、1平方フィートあたり毎分0.5～1.0ガロン（または1平方メートルあたり毎時1250～2500リットル）の溢流率の範囲内で設計されます。一般的に、沈殿槽の効率は、滞留時間や槽の深さの関数ではありません。ただし、水流が汚泥を乱さず、沈降粒子の相互作用が促進されるように、槽の深さは十分でなければなりません。沈殿槽底部の汚泥表面付近で沈殿水中の粒子濃度が増加すると、粒子の衝突と凝集により沈降速度が増加する可能性があります。堆積物の典型的な滞留時間は1.5～4時間、堆積盆地の深さは10～15フィート（3～4.5メートル）である。[ 5 ]： 9.39～9.40 [ 6 ]： 790～1 [ 7 ]： 140～2、171
従来の沈殿槽に、ラメラ式沈殿槽、傾斜平板、または傾斜管を追加することで、粒子除去性能を向上させることができます。傾斜板や傾斜管は、ヘーゼンの理論に基づき、除去対象となる粒子の表面積を大幅に増加させます。傾斜板や傾斜管を備えた沈殿槽は、従来の沈殿槽に比べて設置面積をはるかに小さくすることができます。
沈殿槽の底に粒子が沈殿すると、槽底に汚泥層が形成され、これを除去して処理する必要があります。発生する汚泥の量は相当な量で、処理対象水の総量の3～5％にも達することがよくあります。汚泥の処理と処分にかかる費用は、浄水場の運転コストに影響を与える可能性があります。沈殿槽には、底を継続的に清掃する機械式清掃装置を設置できる場合もあれば、定期的に使用を停止して手動で清掃する場合もあります。
沈殿のサブカテゴリーとして、水を上方に押し上げる際に懸濁フロック層に粒子を捕捉することで粒子を除去する方法がある。フロックブランケット式清澄器の主な利点は、従来の沈殿よりも設置面積が小さいことである。欠点は、流入水の水質や流入流量の変化によって粒子除去効率が大きく変動する可能性があることである。[ 6 ]： 835-6
除去すべき粒子が溶液から容易に沈殿しない場合、溶存空気浮上法（DAF）がよく用いられる。凝集・凝結処理後、水はDAFタンクに流れ込み、タンク底部のエアディフューザーによって微細な気泡が発生し、それがフロックに付着して濃縮されたフロックの浮遊塊が形成される。浮遊したフロック層は表面から除去され、清澄水はDAFタンク底部から取り出される。単細胞藻類の異常発生に特に脆弱な水源や、濁度が低く色度が高い水源では、DAFがよく用いられる。[ 5 ]： 9.46
ほとんどの凝集物を分離した後、最終段階として水をろ過し、残りの懸濁粒子や沈殿していない凝集物を取り除きます。
最も一般的なタイプのフィルターは急速砂フィルターです。水は砂の中を垂直に下向きに流れ、砂の上には活性炭または無煙炭の層があることがよくあります。最上層は味や臭いの原因となる有機化合物を除去します。砂粒子間の空間は浮遊粒子よりも大きいため、単純なろ過では不十分です。ほとんどの粒子は表面層を通過しますが、細孔に捕捉されるか、砂粒子に付着します。効果的なろ過はフィルターの深さまで及びます。このフィルターの特性は、その動作の鍵となります。砂の最上層がすべての粒子をブロックしてしまうと、フィルターはすぐに目詰まりしてしまいます。[ 8 ]
フィルターを洗浄するには、通常とは逆方向（逆洗またはバックフラッシングと呼ばれる）に水を素早くフィルターに通して、埋め込まれた粒子や不要な粒子を取り除きます。この工程の前に、圧縮空気をフィルターの底部から吹き上げて、圧縮されたフィルター媒体をほぐし、バックウォッシングプロセスを促進することがあります。これはエアスカウリングとして知られています。この汚染水は、沈殿槽からのスラッジとともに廃棄することも、プラントに入る原水と混合して再利用することもできますが、原水中に高濃度の細菌が再導入されるため、これは一般的に好ましくない方法とされています。
一部の浄水場では、加圧式フィルターが採用されている。これは急速重力式フィルターと同じ原理で動作するが、フィルター媒体が鋼鉄製の容器に封入されており、水が加圧されてその中を通過する点が異なる。
利点：
緩速砂ろ過器は、水がろ過器内を非常にゆっくりと流れるため、十分な土地とスペースがある場所で使用できます。これらのろ過器は、物理的なろ過ではなく、生物学的処理プロセスに依存して機能します。最も粗い砂と砂利を底部に、最も細かい砂を上部に配置した、段階的に砂の層を使用して慎重に構築されます。底部の排水口は、処理された水を消毒のために運び出します。ろ過は、ろ過器の表面にズーグレアル層またはシュムッツデッケと呼ばれる薄い生物学的層が形成されることに依存します。効果的な緩速砂ろ過器は、前処理が適切に設計されていれば、数週間または数ヶ月間使用でき、物理的な処理方法ではめったに達成できない非常に低い有効栄養素レベルの水を生成します。非常に低い栄養素レベルにより、非常に低い消毒剤レベルで水を安全に配水システムに送ることができ、塩素や塩素副生成物の不快なレベルに対する消費者の不快感を軽減します。緩速砂ろ過器は逆洗しません。流れが生物の繁殖によって最終的に妨げられた場合、砂の最上層を削り取ることで維持される。[ 9 ]
河岸ろ過では、河岸の自然堆積物を利用して汚染物質のろ過の第一段階を行います。通常、飲料水として直接使用できるほど清浄ではありませんが、関連する取水井戸から得られる水は、河川から直接取水する水よりもはるかに問題が少ないと言えます。
膜フィルターは、飲料水と下水の両方のろ過に広く使用されています。飲料水の場合、膜フィルターは、ジアルジアやクリプトスポリジウム を含む、0.2 μmより大きいほぼすべての粒子を除去できます。膜フィルターは、工業用、限定的な家庭用、または下流の町で使用される河川に水を放流する前に水を再利用したい場合に、効果的な三次処理方法です。これらは、特に飲料（ボトル入り飲料水を含む）の製造において、工業分野で広く使用されています。ただし、リン酸塩、硝酸塩、重金属イオンなど、実際に水に溶解している物質は、いかなるろ過方法でも除去できません。
限外ろ過膜は、化学的に形成された微細な孔を持つポリマー膜を使用しており、凝集剤を使用せずに溶解物質をろ過することができます。膜の種類によって、水を通過させるのに必要な圧力と、ろ過できる微生物の大きさが決まります。
イオン交換：[ 10 ]イオン交換システムは、イオン交換樹脂またはゼオライトを充填したカラムを使用して、不要なイオンを交換します。最も一般的なケースは、Ca 2+イオンとMg 2+イオンを除去し、無害な（石鹸に優しい）Na +イオンまたはK +イオンに置き換える軟水化です。イオン交換樹脂は、亜硝酸塩、鉛、水銀、ヒ素などの有毒イオンを除去するためにも使用されます。
沈殿軟化：[ 5 ]： 13.12～13.58硬度（カルシウムイオンとマグネシウムイオン） が豊富な水は、共通イオン効果を利用して炭酸カルシウムを溶液から沈殿させるために、石灰（酸化カルシウム）および／またはソーダ灰（炭酸ナトリウム）で処理されます。
電気脱イオン：[ 10 ]水は正極と負極の間を流れます。イオン交換膜は、処理された水から負極へは正イオンのみを、正極へは負イオンのみを移動させます。イオン交換処理と同様に、高純度の脱イオン水が連続的に生成されます。適切な条件が満たされれば、水からイオンを完全に除去することが可能です。通常、水は逆浸透装置で前処理され、非イオン性の有機汚染物質が除去され、ガス透過膜で二酸化炭素が除去されます。濃縮液の流れをRO入口に供給すれば、99%の水の回収が可能です。
消毒は、有害な微生物をろ過して除去することと、消毒剤を添加することの両方によって行われます。水は、フィルターを通過する病原体を殺菌し、貯蔵および配水システム内の潜在的に有害な微生物を殺菌または不活性化するための残留消毒剤を供給するために消毒されます。考えられる病原体には、ウイルス、 サルモネラ菌、コレラ菌、 カンピロバクター菌、赤痢菌などの細菌、ランブル鞭毛虫やその他のクリプトスポリジウムなどの原虫が含まれます。化学消毒剤を投入した後、水は通常、消毒作用が完了するまで、接触タンクまたはクリアウェルと呼ばれる一時的な貯蔵場所に保管されます。
最も一般的な消毒方法は、塩素またはその化合物（クロラミンや二酸化塩素など）を使用するものです。塩素は強力な酸化剤であり、多くの有害な微生物を急速に死滅させます。塩素は有毒ガスであるため、使用に伴う漏出の危険性があります。この問題は、家庭用漂白剤に使用されている比較的安価な溶液である次亜塩素酸ナトリウムを使用することで回避できます。次亜塩素酸ナトリウムは、水に溶かすと遊離塩素を放出します。塩素溶液は、食塩水溶液を電気分解することで現場で生成できます。固体の次亜塩素酸カルシウムは、水と接触すると塩素を放出します。ただし、固体の取り扱いには、袋を開けて注ぐなど、自動化が容易なガスボンベや漂白剤の使用よりも日常的な人の接触が多く必要になります。液体の次亜塩素酸ナトリウムの生成は安価であり、ガスや固体の塩素の使用よりも安全です。飲料水中の塩素濃度は、1リットルあたり4ミリグラム（4ppm）までが安全とみなされています。[ 11 ]
塩素は、それぞれ欠点があるにもかかわらず、あらゆる形態で広く使用されています。欠点の1つは、あらゆる供給源からの塩素が水中の天然有機化合物と反応して、潜在的に有害な化学副生成物を生成することです。これらの副生成物であるトリハロメタン（THM）とハロ酢酸（HAA）は、どちらも大量に摂取すると発がん性があり、米国環境保護庁（EPA）と英国の飲料水検査局によって規制されています。塩素添加前に水中の有機物をできるだけ効果的に除去することで、THMとハロ酢酸の生成を最小限に抑えることができます。塩素は細菌を殺すのに効果的ですが、ランブル鞭毛虫やクリプトスポリジウムなど、水中で嚢子を形成する病原性原虫に対しては効果が限定的です。
二酸化塩素は、元素塩素よりも速効性のある消毒剤です。しかし、状況によっては過剰な量の亜塩素酸塩を生成する可能性があり、亜塩素酸塩は米国では許容濃度が低く規制されているため、使用頻度は比較的低いです。二酸化塩素は水溶液として供給され、水に添加することでガスの取り扱い上の問題を避けることができます。二酸化塩素ガスが蓄積すると、自然発火する恐れがあります。
クロラミンは消毒剤として広く用いられるようになってきています。クロラミンは強力な酸化剤ではありませんが、遊離塩素に比べて酸化還元電位が低いため、より長く効果が持続します。また、トリハロメタンやハロ酢酸（消毒副生成物）を生成しにくいという利点もあります。
塩素を水に加えた後、アンモニアを加えることで、塩素をクロラミンに変換することが可能です。塩素とアンモニアが反応してクロラミンが生成されます。クロラミンで消毒された水道配水システムでは、アンモニアが細菌の増殖に必要な栄養素であるため、硝化作用が起こり、副産物として硝酸塩が生成される可能性があります。
オゾンは不安定な分子で、酸素原子を1つ容易に放出し、ほとんどの水生生物に有毒な強力な酸化剤となります。ヨーロッパや米国およびカナダの一部の自治体で広く使用されている、非常に強力な広範囲の消毒剤です。オゾン消毒、またはオゾン処理は、嚢胞を形成する有害な原生動物を不活性化する効果的な方法です。また、他のほとんどすべての病原体に対しても効果があります。オゾンは、酸素を紫外線または「冷」放電に通すことによって生成されます。オゾンを消毒剤として使用するには、現場で生成し、気泡接触によって水に加える必要があります。オゾンの利点には、危険な副生成物の生成が少なく、味や臭いの問題がない（塩素処理と比較して）ことが挙げられます。水中に残留オゾンは残りません。[ 12 ]水中に残留消毒剤がない場合、配水管内の潜在的な病原体を除去するために、配水システム全体に塩素またはクロラミンが添加されることがあります。
オゾンは、1906年にフランスのニースに最初の工業用オゾン処理プラントが建設されて以来、飲料水処理場で使用されています。米国食品医薬品局はオゾンを安全であると認めており、食品の処理、保管、加工のための抗菌剤として使用されています。しかし、オゾン処理によって生成される副産物は少ないものの、オゾンが水中の臭化物イオンと反応して、発がん性物質の疑いのある臭素酸塩を生成することが発見されています。臭化物は、淡水供給源に十分な濃度で含まれており、（オゾン処理後）10 ppbを超える臭素酸塩を生成する可能性があります。これは、米国環境保護庁が定めた最大汚染レベルです。[ 13 ]オゾン消毒はエネルギー集約型でもあります。
紫外線（UV）は、濁度の低い水中では嚢胞の不活化に非常に効果的です。UV光の消毒効果は、濁度が増加するにつれて低下します。これは、懸濁物質による吸収、散乱、および遮蔽が原因です。UV照射の主な欠点は、オゾン処理と同様に、水中に残留消毒剤が残らないことです。そのため、一次消毒処理後に残留消毒剤を添加する必要がある場合があります。これは多くの場合、一次消毒剤として前述したクロラミンを添加することによって行われます。このように使用した場合、クロラミンは塩素処理の悪影響をほとんど受けずに、効果的な残留消毒剤となります。
28の開発途上国では200万人以上が、毎日の飲料水処理に太陽光消毒を利用している。 [ 14 ]
紫外線と同様に、電離放射線（X線、ガンマ線、電子線）も水の殺菌に利用されてきた。
臭素とヨウ素も消毒剤として使用できます。しかし、水中の塩素は、同濃度の臭素よりも大腸菌に対する消毒剤として3倍以上、同濃度のヨウ素よりも6倍以上効果的です。[ 15 ]ヨウ素は一般的に飲料水の浄化に使用され、臭素はプールの消毒剤として一般的です。
緊急時や遠隔地での消毒・処理には、携帯型の浄水装置や方法が利用可能です。味、臭い、外観、微量の化学物質汚染といった美的側面は飲料水の短期的な安全性に影響しないため、消毒が最優先事項となります。
特に地域住民の自家用水供給において、水質浄化に用いられるその他の一般的な方法を以下に示します。一部の国では、これらの方法の一部が大規模な都市用水供給にも使用されています。特に重要なのは、蒸留（海水の淡水化）と逆浸透です。
水を沸点（ 海抜で約100 °C または 212 °F ）まで沸騰させることは、腸疾患を引き起こすほとんどの微生物を除去するため、水を殺菌する最も古く効果的な方法ですが、化学毒素や不純物を除去することはできません。[ 20 ]耐熱性微生物は腸に影響を与えないため、人間の健康のために水の完全な殺菌は必要ありません。[ 20 ]水を10分間沸騰させるという従来のアドバイスは、主に追加の安全性のためであり、微生物は 60 °C (140 °F) を超える温度で死滅し始めます。沸点は高度の上昇とともに低下しますが、消毒に影響を与えるほどではありません。[ 20 ]水が「硬水」（つまり、溶解したカルシウム塩を多く含む）の地域では、沸騰によって重炭酸イオンが分解され、炭酸カルシウムとして部分的に沈殿します。これは、硬水地域でやかんのヒーターなどに付着する「毛羽」のようなものです。カルシウムを除き、沸騰させても水よりも沸点の高い溶質は除去されず、むしろ（水の一部が蒸気として失われるため）濃度が上昇します。沸騰させても水中に残留消毒剤は残りません。そのため、沸騰させた水を一定期間保存すると、新たな病原菌が付着する可能性があります。
粒状活性炭は、表面積の大きい活性炭の一種です。多くの有毒化合物を含む多くの化合物を吸着します。活性炭を通した水は、有機汚染、味、臭いのある都市部で一般的に使用されています。多くの家庭用浄水器や水槽は、水を浄化するために活性炭フィルターを使用しています。飲料水用の家庭用フィルターには、金属銀ナノ粒子として銀が含まれている場合があります。水がカーボンブロック内に長時間保持されると、内部で微生物が増殖し、汚染や目詰まりを引き起こす可能性があります。銀ナノ粒子は優れた抗菌物質であり、農薬などの有毒なハロゲン化有機化合物を無毒の有機物に分解することができます。[ 22 ]ろ過された水は、残留微生物が時間とともに増殖する可能性があるため、ろ過後すぐに使用する必要があります。一般的に、これらの家庭用フィルターは、処理された水1杯分の塩素の90%以上を除去します。これらのフィルターは定期的に交換する必要があります。そうしないと、フィルターユニット内で細菌が増殖し、水の細菌含有量が実際に増加する可能性があります。[ 12 ]
蒸留とは、水を沸騰させて水蒸気を発生させる工程です。発生した水蒸気は冷たい表面に触れると凝縮して液体になります。溶質は通常蒸発しないため、沸騰した溶液中に残ります。沸点が似ている不純物や、蒸気とともに運ばれる未蒸発の液滴が存在するため、蒸留によって水を完全に精製することはできません。しかし、蒸留によって99.9%の純度の水を得ることができます。
直接接触膜蒸留（DCMD）では、加熱した海水を疎水性ポリマー膜の表面に沿って流します。蒸発した水は、高温側から膜の細孔を通って反対側に流れ、冷たい純水の流れを形成します。高温側と低温側の蒸気圧の差が、水分子を押し出すのに役立ちます。
逆浸透法は、機械的な圧力を加えて水を半透膜に通す方法です。不純物は膜の反対側に残ります。逆浸透法は理論的には大規模な水浄化において最も徹底した方法ですが、完全な半透膜を作るのは困難です。膜が適切に維持管理されていないと、藻類などの生物が膜に繁殖する可能性があります。
二酸化炭素またはその他の低分子量ガスを高圧・低温で汚染水と混合すると、発熱反応によりガスハイドレート結晶が形成される。ハイドレートは遠心分離または沈降によって分離できる。加熱によりハイドレート結晶から水を放出することができる。[ 23 ]
原位置化学酸化（ISCO）は、高度酸化処理の一種です。土壌や地下水の浄化に用いられ、対象となる汚染物質の濃度を低減します。ISCOは、汚染された媒体（土壌または地下水）に酸化剤を注入または導入することで、汚染物質を分解します。自然分解されにくいものも含め、様々な有機化合物の浄化に利用できます。
バイオレメディエーションは、微生物を利用して汚染された地域から廃棄物を除去する方法です。1991年以来、バイオレメディエーションはアルカン、過塩素酸塩、金属などの不純物を除去するための戦術として提案されてきました。[ 24 ]バイオレメディエーションが成功を収めているのは、過塩素酸塩は溶解度が高く、除去が困難であるためです。[ 25 ] Dechloromonas agitata株CKBの応用例としては、メリーランド州と米国南西部で実施されたフィールド調査が挙げられます。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
過酸化水素（H2 O2 )は、水を浄化できる一般的な消毒剤です。通常、化学工場で製造され、汚染された水域に輸送されます。別の方法として、金-パラジウム触媒を用いてHを2 O2使用場所の周囲の水素原子と酸素原子から生成されます。後者は、市販の水素大腸菌を7倍強力で2 O2 であり、塩素よりも 108倍以上効果的です。触媒反応では、他の化合物に結合して分解する活性酸素種(ROS) も生成されます。 [ 28 ]
多くの自治体は、消毒剤として遊離塩素からクロラミンに切り替えました。しかし、クロラミンは一部の水道システムでは腐食性物質であるようです。クロラミンは古い給水管の内側の「保護」膜を溶解し、鉛が住宅の蛇口に溶け出す可能性があります。これにより、血中鉛濃度の上昇など、有害な曝露が生じる可能性があります。鉛は神経毒として知られています。[ 29 ]オルトリン酸塩を腐食防止剤として添加すると、飲料水中の鉛濃度を下げるのに効果的です。[ 30 ]
蒸留では水からすべてのミネラルが除去され、逆浸透膜法やナノろ過法などの膜法ではほとんどすべてのミネラルが除去されます。その結果、理想的な飲料水とはみなされない脱塩水が得られます。世界保健機関は1980年以来、脱塩水の健康への影響を調査してきました。[ 31 ]人間を対象とした実験では、脱塩水は利尿作用と電解質の排出を増加させ、血清カリウム濃度を低下させることが分かりました。水中のマグネシウム、カルシウム、その他のミネラルは、栄養欠乏症を防ぐのに役立ちます。脱塩水は、鉛やカドミウムなどの配管からの物質の溶出を容易にするため、カルシウムやマグネシウムなどの溶解ミネラルによって防がれる有害金属のリスクを高める可能性もあります。ミネラル含有量の少ない水は、配管から鉛が特に高い割合で水に溶出した場合に、乳児の鉛中毒の特定の事例に関与しているとされています。マグネシウムの推奨値は最低10 mg/L、 最適値は20～30 mg/L、カルシウムの推奨値は 最低20 mg/L、 最適値は40～80 mg/L、総硬度（マグネシウムとカルシウムを加えた値）は2～4 mmol /Lとされています。硬度が5 mmol/Lを超えると、胆石、腎結石、尿路結石、変形性関節症、関節症の発生率が高くなることが観察されています。[ 32 ]さらに、脱塩処理は細菌汚染のリスクを高める可能性があります。[ 32 ]
家庭用蒸留器の製造業者は正反対の主張をしている。つまり、水に含まれるミネラルが多くの病気の原因であり、有益なミネラルのほとんどは水ではなく食べ物から摂取されるというのだ。[ 33 ] [ 34 ]
水ろ過に関する最初の実験は17世紀に行われました。フランシス・ベーコン卿は、海水を砂フィルターに通すことで脱塩しようと試みました。彼の実験は成功しませんでしたが、この分野への新たな関心の始まりとなりました。顕微鏡学の父であるアントニ・ファン・レーウェンフックとロバート・フックは、新しく発明された顕微鏡を使用して、水中に浮遊する小さな物質粒子を初めて観察し、将来の水系病原体の理解の基礎を築きました。[ 35 ]
砂ろ過器を用いて水を浄化する最初の記録は1804年に遡り、スコットランドのペイズリーにある漂白工場のオーナー、ジョン・ギブが実験的なろ過器を設置し、余剰分を一般の人々に販売した。[ 36 ]この方法はその後20年間、民間の水道会社に勤務する技術者によって改良され、1829年にロンドンのチェルシー水道会社のために技術者のジェームズ・シンプソンによって設置された世界初の処理済み公共水道へと結実した。 [ 37 ]この設備は地域のすべての住民にろ過された水を提供し、そのネットワーク設計はその後数十年にわたりイギリス全土で広く模倣された。
水処理の実践はすぐに主流となり、1854年のブロードストリートのコレラ流行時に医師ジョン・スノーが行った調査の後、このシステムのメリットがはっきりと明らかになった。スノーは、当時主流だった、病気は有害な「悪い空気」によって引き起こされるという瘴気説に懐疑的だった。病原菌説はまだ確立されていなかったが、スノーの観察は、彼がその主流の説を否定するに至った。1855年の論文「コレラの伝染様式について」では、ドット分布図と統計的証拠を用いて水源の水質とコレラ症例との関連性を示し、ソーホーでのコレラ流行の拡大における給水の役割を決定的に証明した[ 38 ] [ 39 ]。彼のデータは、地方議会が給水ポンプを停止させるよう説得し、流行はすぐに終息した。
メトロポリス水道法は、初めて最低水質基準を含むロンドンの水道会社の規制を導入しました。この法律は「メトロポリスへの純粋で健全な水の供給を確保するための規定」を設け、1855年12月31日からすべての水を「効果的にろ過」することを義務付けました。 [ 40 ]これに続いて、1858年には包括的な化学分析を含む水質検査の義務化に関する法律が制定されました。この法律は、ヨーロッパ全土で同様の国家公衆衛生介入の世界的先例となりました。メトロポリタン下水道委員会が同時に設立され、全国で水のろ過が採用され、テディントン閘門より上流のテムズ川に新しい取水施設が設置されました。水をろ過システムに圧力をかけて通す自動加圧フィルターは、1899年にイギリスで開発されました。[ 36 ]
1920年代までに、大規模な自治体水道システムは、緩速砂ろ過器に比べて土地面積が小さい急速砂ろ過器を設置した。[ 41 ]
ジョン・スノーは、コレラの流行拡大の一因となったソーホーの水道水を塩素で消毒することに初めて成功した人物である。ウィリアム・ソーパーもまた、1879年に腸チフス患者から排出された下水を塩素化石灰で処理した。
1894年に発表された論文で、モーリッツ・トラウベは、水を「無菌」にするために塩化カルシウム（次亜塩素酸カルシウム）を水に加えることを正式に提案した。他の2人の研究者がトラウベの発見を確認し、1895年に論文を発表した。 [ 42 ]浄水場での塩素処理の初期の試みは、1893年にドイツのハンブルクで行われ、1897年にはイギリスのメイドストーン市が、水道水全体を塩素で処理した最初の都市となった。[ 43 ]
恒久的な水の塩素消毒は、1905年にイギリスのリンカーンで欠陥のある緩速砂ろ過器と汚染された水源が原因で深刻な腸チフスの流行が発生したときに始まった。[ 44 ]アレクサンダー・クルックシャンク・ヒューストンは、流行を抑えるために水の塩素消毒を行った。彼の設備は、処理中の水に濃縮された塩化石灰溶液を供給した。水源の塩素消毒は流行を止めるのに役立ち、予防措置として、新しい水源が導入される1911年まで塩素消毒が続けられた。[ 45 ]
米国で初めて塩素を継続的に消毒に使用したのが、1908年にニュージャージー州ジャージーシティの水源となっていたブーントン貯水池（ロックアウェイ川沿い）であった。[ 46 ]塩素処理は、0.2～0.35 ppmの濃度で塩化カルシウム（次亜塩素酸カルシウム） の希釈溶液を制御しながら添加することによって行われた。この処理方法はジョン・L・リーアルが考案し、塩素処理プラントはジョージ・ウォーレン・フラーが設計した。[ 47 ] その後数年間で、塩化カルシウムを用いた塩素消毒は世界中の飲料水システムに急速に導入された。[ 48 ]
圧縮液化塩素ガスを用いた飲料水の浄化技術は、 1903年にインド医療局の英国人将校、ヴィンセント・B・ネスフィールドによって開発された。彼自身の記述によると、次のようになる。
塩素ガスは、適切な使用方法が見つかれば満足できるかもしれない、と私は思いました。次の重要な問題は、ガスを携帯可能にする方法でした。これは、2つの方法で実現できます。1つは、ガスを液化し、鉛で内張りされた鉄製の容器に貯蔵することです。容器には非常に細い毛細管のある噴射口があり、蛇口またはねじ込み式のキャップが取り付けられています。蛇口を開け、シリンダーを必要な量の水に入れます。塩素が泡となって出て、10分から15分後には水は完全に安全になります。この方法は、給水車などの大規模な用途に役立ちます。[ 49 ]
アメリカ陸軍少佐で陸軍医学校の化学教授であったカール・ロジャース・ダーナルは、 1910年にこの方法を初めて実演した。その直後、陸軍医療部のウィリアム・J・L・リスター少佐は、リネン製の袋に次亜塩素酸カルシウム溶液を入れて水を処理した。リスターの方法は、何十年にもわたり、アメリカ陸軍の野戦部隊や駐屯地の標準となり、おなじみのリスターバッグ（Lister Bagとも綴られる）の形で採用された。この袋はキャンバス製で、36ガロンの水を収容できた。多孔質でロープで吊り下げられ、次亜塩素酸カルシウム溶液の助けを借りて水を浄化した。各袋には蛇口が取り付けられており、検査のために水を流したり、使用のために水を供給したりするのに使われた。これが、今日の都市の浄水システムの基礎となった。[ 50 ]
2007年の世界保健機関の報告書によると、11億人が安全な飲料水を利用できず、 年間40億件の下痢性疾患のうち88%は安全でない水と不十分な衛生設備と衛生習慣に起因し、毎年180 万人が下痢性疾患で死亡している。WHOは、これらの下痢性疾患の94%は、安全な水へのアクセスを含む環境の改善によって予防可能であると推定している。[ 51 ]塩素消毒、フィルター、太陽光消毒などの家庭での水の処理と安全な容器への保管のための簡単な技術は、毎年膨大な数の命を救うことができる。[ 52 ]水系感染症による死亡を減らすことは、開発途上国における主要な公衆衛生目標である。