給水と衛生の歴史

メソポタミア人は紀元前4000年頃に粘土製の下水管を導入し、ニップルのベル神殿やエシュヌンナで最古の例が発見されている^{[ 15 ]}。これは遺跡から汚水を排出し、井戸で雨水を貯めるために使用された。ウルク市では紀元前3200年にレンガ造りのトイレの最初の例も確認されている^{[ 16 ] [ 17 ]} 。粘土製のパイプは後にヒッタイトのハットゥシャ市でも使用された^{[ 18 ]}。これらは簡単に取り外して交換できる部分があり、清掃が可能だった。

先史時代のイランで最初の衛生システムはザボル市の近くに建設されました。^{[ 15 ]}ペルシャのカナートとアブ・アンバールは給水と冷却に使用されました。

紀元前2400年頃のサフレのピラミッドとアブシールの隣接する神殿複合体には、銅製の排水管のネットワークがあったことが発見された。^{[ 19 ]}

井戸の最も古い証拠のいくつかは中国にあります。新石器時代の中国人は、深く掘った地下水を発見し、飲料水として広く利用しました。もともと西周王朝（紀元前1046～771年）の占いの書であった中国の書物『易経』には、古代中国人が井戸を維持し、水源を保護した方法を記述した記述があります。^{[ 20 ]}考古学的証拠と古い中国の文書は、先史時代および古代の中国人が、6000～7000年前にはすでに飲料水用の深い井戸を掘る適性と技術を持っていたことを示しています。ヘメドゥ遺跡で発掘された井戸は、新石器時代に作られたと考えられています。^{[ 21 ]}この井戸は、4列の丸太に井戸の上部に四角い枠を取り付けた構造になっています。北京の南西にある60のタイル井戸も、紀元前600年頃に飲料水と灌漑のために作られたと考えられています。^{[ 21 ] [ 22 ]}配管は、中国の秦漢王朝時代から東アジアで使用されていたことも知られている。 ^{[ 23 ]} 

クレタ島のミノア文明は、衛生と給水のために地下に粘土管を敷設した。^{[ 28 ]}首都クノッソスには、きれいな水を運び込み、汚水を排出し、大雨の際の溢水用の雨水排水路を備えた、よく整備された給水システムがあった。ある遺跡には、紀元前16世紀の水洗トイレがあった可能性がある。^{[ 28 ]}これらのミノアの衛生施設は、定期的に雨水が流れ込む石造りの下水道に接続されており、収集システムを通して流れ込んでいた。^{[ 28 ]}高度な給水・下水道システムに加えて、精巧な暖房システムも考案した。アテネと小アジアの古代ギリシャ人も、加圧シャワー用の屋内配管システムを使用していた。^{[ 29 ]} ギリシャの発明家ヘロンは、アレクサンドリア市で消火活動のために加圧配管を使用した。^{[ 30 ]}

逆サイフォンシステムは、ガラスで覆われた粘土管とともに、ギリシャのクレタ島の宮殿で初めて使用されました。約3000年経った今でも、それは機能しています。^{[ 31 ]}

古代ローマでは、工学の驚異と考えられていたクロアカ・マキシマがテヴェレ川に排水されていた。クロアカ・マキシマの上には公衆トイレが建てられていた。 ^{[ 32 ]}

ローマ時代から、ノリアと呼ばれる水車装置が、ヨーロッパや中東の主要都市の水道橋やその他の配水システムに水を供給していた。

ローマ帝国には屋内配管があり、これは水道橋とパイプのシステムで、家屋や公共の井戸や噴水に水が供給され、人々が利用できたことを意味します。ローマや他の国々では鉛管が使用されていました。鉛管はローマ帝国における鉛中毒の原因と一般的に考えられていましたが、流れる水がパイプに長時間接触しないことと、沈殿物の沈着の組み合わせにより、鉛管によるリスクは実際には軽減されていました。^{[ 33 ] [ 34 ]}

ローマ時代のブリテン（紀元前46年から紀元後410年）の町や駐屯地には、複雑な給水・下水道網があった。給水管は鉛製であることが多かったが、一定間隔で鉄の輪で補強された木製のものもあり、中にはくり抜いた丸太を継ぎ合わせたものもあった。^{[ 35 ]}石で裏打ちされた排水溝は、ヨークのように巨大な下水道トンネルにつながることもあった。^{[ 36 ]}ハウステッズにあったハドリアヌスの長城駐屯地の便所などは、溜まった水や雨水で流されていた。^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} 

19世紀後半になっても、急速に工業化が進むイギリスの一部地域では下水道システムが不十分で、コレラや腸チフスなどの水系感染症が依然として危険でした。1535年には早くもロンドンのテムズ川の汚染を阻止する取り組みが行われていました。その年の法律制定は、川への排泄物の投棄を禁止するものでした。産業革命に至るまで、テムズ川は下水のために濁って黒く、川は「死臭がする」とさえ言われていました。^{[ 101 ]}

イギリスは世界で最初に工業化を成し遂げた国であったため、大規模な都市化による悲惨な結果を最初に経験し、その結果生じた不衛生な状況を緩和するために近代的な下水道システムを最初に構築した国でもあった。^{[ 102 ]} 19世紀初頭、テムズ川は事実上開渠状態であり、コレラの流行が頻繁に発生していた。下水道システムの近代化案は1856年に提出されたが、資金不足のため放置された。しかし、 1858年の大悪臭事件の後、議会は問題の緊急性を認識し、近代的な下水道システムを構築することを決定した。^{[ 95 ] : 9}

ロンドン

土木技師でメトロポリタン・ボード・オブ・ワークスの主任技師であったジョセフ・バザルゲットは、ロンドンで同様の事業を担当することになった。BBCによると、「バザルゲットは地下の夢を実現するために限界まで努力した」^{[ 103 ]} 。彼は、主要な人口密集地の下流にあるテムズ河口に廃棄物を迂回させる大規模な地下下水道システムを設計した。全長約100マイル（160km）に及ぶ6本の主要な幹線下水道が建設され、その一部はロンドンの「失われた」川の区間を組み込んでいる。これらの下水道のうち3本は川の北側にあり、最も南側の低地の下水道はテムズ・エンバンクメントに組み込まれている。エンバンクメントはまた、新しい道路、新しい公共庭園、ロンドン地下鉄のサークル線を可能にした。 

1859年から1865年の間に建設されたインターセプター下水道には、450マイル（720km）の幹線下水道が接続され、幹線下水道はさらに約13,000マイル（21,000km ）の小規模な地方下水道の 内容物を運んでいた。 ^{[ 104 ]}インターセプターシステムの建設には、3億1800万個のレンガ、270万立方メートルの掘削土、67万立方メートルのコンクリートが必要だった。^{[ 105 ]}重力によって下水は東に流れたが、チェルシー、デプトフォード、アビーミルズなどの場所では、水を汲み上げて十分な流量を確保するためにポンプ場が建設された。テムズ川の北側の下水道は、ベクトンにある主要な処理場につながる北部放流下水道に接続していた。川の南側では、南部放流下水道がクロスネスにある同様の施設まで延びていた。バザルゲットの工学的功績は、わずかな修正を加えただけで、今日に至るまで下水道設計の基礎となっている。^{[ 106 ]} 

1802年、ナポレオンはウルク運河を建設し、パリに1日あたり7万立方メートルの水を供給するようになった一方、セーヌ川には1日あたり最大10万立方メートル（350万立方フィート） の廃水が流れ込んでいた。1832年のパリのコレラ流行は、下水や廃水をより良く衛生的に処理するための何らかの排水システムの必要性に対する人々の意識を高めた。1865年から1920年にかけて、ウジェーヌ・ベルグランは大規模な給水および廃水管理システムの開発を主導した。この期間に、飲料水となる湧き水を供給するために約600キロメートルの水道が建設され、これにより質の悪い水は道路や下水道の洗浄に使えるようになった。1894年までに、排水を義務付ける法律が制定された。しかし、パリの下水処理は自然の力に任され、5,000ヘクタールの土地が廃棄物を広げて自然に浄化するために使われた。^{[ 69 ]}さらに、下水処理が行われなかったため、パリの下水汚染は下流のクリシーの町に集中し、事実上住民は荷物をまとめて他の場所に引っ越さざるを得なくなった。^{[ 69 ]}  

19世紀に建設されたレンガ造りのアーチ型天井を持つパリの下水道は、現在では観光名所となっている。

ドイツの都市で最初の包括的な下水道システムは、19世紀半ばにドイツのハンブルクに建設された。 ^{[ 108 ] : 2 [ 96 ] : 43 [ 95 ] : 8}

1863年、急速に発展するフランクフルト・アム・マインの都市のために、ウィリアム・リンドレーの設計に基づいて 近代的な下水道システムの建設が始まった。システムの完成から20年後、腸チフスによる死亡率は10万人あたり80人から10人に減少した。^{[ 108 ] [ 96 ]： 43 [ 109 ]}

米国で最初の下水道システムは、1850年代後半にシカゴとブルックリンに建設された。^{[ 96 ]： 43}

米国では、化学沈殿法を用いた最初の下水処理場が1890年にマサチューセッツ州ウースターに建設された。 ^{[ 108 ]： 29}

初期の汚水処理技術では、汚水を農地に散布していた。^{[ 95 ] : 12}汚水を農場の肥料として利用する最初の試みの 1 つは、 1840 年代に綿紡績工場のオーナーであるジェームズ・スミスによって行われた。彼は、ジェームズ・ベッチ^{[ 111 ]}が最初に提案したパイプ配給システムで実験を行い、工場から汚水を収集して周辺の農場にポンプで送った。彼の成功はエドウィン・チャドウィックによって熱心に追随され、有機化学者のユストゥス・フォン・リービッヒによって支持された。

このアイデアは都市衛生委員会によって正式に採用され、その後50年間にわたりさまざまな自治体によってさまざまな計画（下水処理場として知られる）が試されました。当初、重い固形物は農場の脇の溝に流し込まれ、満杯になると覆われましたが、すぐに平底タンクが下水の貯水槽として使用されるようになりました。最初の特許は、1846年にウィリアム・ヒッグスによって「都市、町、村からの下水道や排水路の内容物を収集し、その中に固形の動物性または植物性物質を収容、固化、乾燥させるタンクまたは貯水槽」に対して取得されました。^{[ 112 ]}タンクの設計の改良には、1850年代の水平流タンクと1905年の放射状流タンクの導入が含まれます。これらのタンクは、1900年代初頭に自動機械式汚泥除去装置が導入されるまで、定期的に手動で汚泥を除去する必要がありました。^{[ 113 ]}

水域の汚染が懸念されるようになると、都市は下水を排出する前に処理しようと試みた。 ^{[ 95 ] : 12-13} 19世紀後半には、一部の都市が下水道に化学処理と沈殿システムを追加し始めた。 ^{[ 108 ] : 28}米国では、化学沈殿を利用した最初の下水処理場が1890年にマサチューセッツ州ウースターに建設された。 ^{[ 108 ] : 29} 1900年前後の半世紀の間、これらの公衆衛生対策は都市住民の間で水系感染症の発生率を大幅に減少させることに成功し、当時経験された平均寿命の延長の重要な原因となった。 ^{[ 110 ]}

廃棄物処理において悪臭は大きな問題とみなされており、その対策として、下水をラグーンに流したり、「沈殿」させて固形物を分離し、別途処分する方法が用いられていました。このプロセスは現在「一次処理」と呼ばれ、沈殿した固形物は「汚泥」と呼ばれています。19世紀末、一次処理でも悪臭の問題が残っていたため、分解中の下水に酸素を導入することで悪臭を防ぐことができることが発見されました。これが、廃水処理の基本となる生物学的好気性処理と嫌気性処理の始まりでした。

現代の浄化槽の前身は汚水槽で、水は汚染を防ぐために密閉され、固形廃棄物は嫌気性作用によってゆっくりと液化されました。これは1860年代にフランスのLH Mourasによって発明されました。エクセター市の測量技師であったドナルド・キャメロンは、 1895年に改良版の特許を取得し、それを「浄化槽」と呼びました。「浄化槽」は「細菌」を意味します。これらは現在でも世界中で使用されており、特に大規模な下水道システムに接続されていない農村地域で使用されています。^{[ 114 ]}

19世紀後半になってようやく、微生物を用いて有機成分を生物学的に分解し、汚染物質を除去することで下水を処理することが可能になった。都市の拡大に伴い、発生する下水の量が郊外の農地では吸収しきれなくなり、土地処理も次第に困難になっていった。

エドワード・フランクランドは1870年代にイギリスのクロイドンにある下水処理場で実験を行い、多孔質の砂利を通して下水をろ過すると硝化処理水（アンモニアが硝酸塩に変換される）が得られ、フィルターが長期間にわたって目詰まりしないことを実証した。^{[ 115 ]}これにより、当時としては画期的な、接触床を用いて廃棄物を酸化する生物学的下水処理の可能性が確立された。この概念は、1887年にロンドン首都圏公共事業局の主任化学者であるウィリアム・ディブディンによって取り上げられた。

…おそらく、下水を浄化する真の方法は、まず汚泥を分離し、次に中性排水に変え、十分な期間保持し、その間十分に曝気し、最後に浄化された状態で河川に放流することであろう。これはまさに下水処理場で目指され、不完全に達成されていることである。^{[ 116 ]}

1885年から1891年にかけて、ディブディンの原理に基づくフィルターが英国全土で構築され、このアイデアは米国マサチューセッツ州のローレンス実験ステーションでも採用され、そこでフランクランドの研究が確認された。^{[ 117 ]} 1890年、LESははるかに信頼性の高い性能を発揮する「滴下フィルター」を開発した。 ^{[ 118 ]}

接触床は、 1890年代初頭にランカシャー州サルフォードとロンドン市議会で働く科学者によって開発されました。クリストファー・ハムリンによれば、これは「下水浄化を分解の防止と捉える哲学を、下水を自然に分解する生物学的プロセスを促進しようとする哲学に置き換える」という概念革命の一部でした。^{[ 119 ]}

接触床は、石や粘板岩などの不活性物質を含むタンクで、微生物が下水を分解するための表面積を最大化するように設計されていました。下水は完全に分解されるまでタンク内に保持され、その後ろ過されて地面に排出されました。この方法は、特に英国で急速に普及し、レスター、シェフィールド、マンチェスター、リーズなどで使用されました。細菌床は、サルフォードの区技師であったジョセフ・コーベットによって同時に開発され、1905年の実験では、接触床よりも長期間にわたってより多くの下水を浄化できるという点で、彼の方法の方が優れていることが示されました。^{[ 120 ]}

王立下水処理委員会は1912年に第8次報告書を発表し、河川への下水排出に関する国際基準となる「20:30基準」を定めた。この基準では、生化学的酸素要求量（ BOD）が「10万分の2」 、浮遊物質が「10万分の3」まで許容されていた。^{[ 121 ]}

活性汚泥法

西欧世界のほとんどの都市は、1912年にマンチェスター大学の科学者たちが活性汚泥法による下水処理プロセスを発見した後、20世紀初頭に下水処理のためのより効果的なシステムを導入した。 ^{[ 122 ]}

活性汚泥法は、1913 年にイギリスで、マンチェスター市河川局のためにデイヴィーハルム下水処理場で研究を行っていた2 人のエンジニア、エドワード・アーデンと W.T. ロケットによって発見されました。 ^{[ 123 ]} 1912 年に、マンチェスター大学の科学者であるギルバート・ファウラーは、マサチューセッツ州のローレンス実験ステーションで藻類でコーティングされたボトル内の下水を曝気する実験が行われているのを観察しました^{。ファウラーの同僚のエンジニアであるアーデンとロケットは}、ドローアンドフィルリアクターで下水を処理する実験を行い、高度に処理された排水を得ました。彼らは廃水を約 1 か月連続して曝気し、サンプル材料の完全な硝化を達成することができました。汚泥が活性化された (活性炭と同様の方法) と考えたため、このプロセスは活性汚泥法と名付けられました。ずっと後になってようやく、実際に起こったことは生物を濃縮する手段であり、液体の滞留時間（コンパクトな処理システムでは理想的には短い）と固形物の滞留時間（BOD5とアンモニアの含有量が低い排水では理想的にはかなり長い）を切り離す手段であったことが認識され_た。

彼らの研究成果は1914年の画期的な論文で発表され、最初の本格的な連続流システムが2年後にウースターに設置されました。第一次世界大戦後、この新しい処理方法は急速に広まり、特に米国、デンマーク、ドイツ、カナダに普及しました。1930年代後半までに、活性汚泥処理は下水道システムと下水処理場が普及している国々でよく知られた生物学的廃水処理プロセスとなりました。^{[ 124 ]}

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を試みた。彼の実験は成功しなかったものの、この分野への新たな関心の始まりとなった。

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。^{[ 128 ] [ 129 ]}この方法はその後20年間、民間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。 ^{[ 92 ] [ 130 ]}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。

メトロポリス水道法は、ロンドンの水道会社に対する規制を導入し、初めて最低水質基準を定めた。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た。^{[ 131 ]}これに続き、1858年には、包括的な化学分析を含む水質検査を義務付ける法律が制定された。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った。^{[ 132 ]}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た。^{[ 128 ]}

塩素を用いた最初の試みの1つと思われる事例として、ウィリアム・ソーパーは1879年に腸チフス患者から出る下水を処理するために塩素化石灰を使用した。

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。 ^{[ 133 ]}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年にはイギリスのケント州メイドストーンの町が、水道水全体を塩素処理した最初の町となった。^{[ 134 ]}

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。^{[ 135 ]}アレクサンダー・クルックシャンク・ヒューストン博士は、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。^{[ 136 ]}

米国で初めて塩素を継続的に消毒に使用したのが1908年、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。^{[ 137 ]}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・リーアル博士が考案し、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。^{[ 138 ]} 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。^{[ 139 ]}

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ました。彼自身の記述によると、「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考えた。次の重要な問題は、ガスを携帯可能にする方法だった。これは2つの方法で実現できる。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し、非常に細い毛細管のある噴射口と、蛇口またはねじ込み式のキャップを取り付ける方法である。蛇口を開け、必要な量の水にシリンダーを入れる。塩素が泡立ち、10分から15分で水は完全に安全になる。この方法は、給水車などの大規模な用途に役立つだろう。」^{[ 140 ]}

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、その後数十年にわたり、アメリカ陸軍の野戦部隊や駐屯地における標準的な浄水方法として、おなじみのリスターバッグ（Lister Bagとも綴られる）の形で用いられた。この研究は、現代の都市における水道水浄化システムの基礎となった。

水道水フッ素添加とは、虫歯を減らす目的で飲料水にフッ素を添加する行為である。

The architect of these first fluoride studies was Dr. H. Trendley Dean, head of the Dental Hygiene Unit at the National Institutes of Health (NIH). Dean began investigating the epidemiology of fluorosis in 1931. By the late 1930s, he and his staff had made a critical discovery. Namely, fluoride levels of up to 1.0 ppm in drinking water did not cause enamel fluorosis in most people and only mild enamel fluorosis in a small percentage of people. This finding sent Dean's thoughts spiraling in a new direction. He recalled from reading McKay's and Black's studies on fluorosis that mottled tooth enamel is unusually resistant to decay. Dean wondered whether adding fluoride to drinking water at physically and cosmetically safe levels would help fight tooth decay. This hypothesis, Dean told his colleagues, would need to be tested. In 1944, Dean got his wish. That year, the City Commission of Grand Rapids, Michigan-after numerous discussions with researchers from the PHS, the Michigan Department of Health, and other public health organizations-voted to add fluoride to its public water supply the following year. In 1945, Grand Rapids became the first city in the world to fluoridate its drinking water. The Grand Rapids water fluoridation study was originally sponsored by the U.S. Surgeon General, but was taken over by the NIDR shortly after the institute's inception in 1948.^[141]