低速砂ろ過装置

緩速砂ろ過器は、原水を処理して飲料水を製造する浄水に使用されます。ろ過器の深さは通常 1～2 メートル (3.3～6.6 フィート) で、断面は長方形または円筒形で、主に表層水の処理に使用されます。ろ過器のタンクの長さと幅は、ろ過器に必要な流量によって決まります。ろ過器の負荷率は、通常、1 平方メートルあたり 1 時間あたり 200～400 リットル (0.20～0.40 m ³ )です。

緩速砂ろ過器は、砂の表面に自然に成長する複雑なバイオフィルムを使用して機能する点で、飲料水の処理に使用される他のすべてのフィルターとは異なります。砂自体はろ過機能を果たしておらず、紫外線処理や加圧処理の同等のフィルターとは異なり、単に基質として機能します。エネルギー要件が低く、パフォーマンスが安定しているため、多くの発展途上国では好まれる技術ですが、英国などの一部の先進国でも水処理に使用されており、ロンドンに供給される水の処理に使用されています。緩速砂ろ過器は現在、水耕栽培システムの栄養溶液の病原体制御にもテストされています。

砂ろ過器が上水の浄化に使用された最初の記録は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所有者ジョン・ギブが、技術者ロバート・トムが作成した実験的なろ過器を設置し、不要になった余剰分を一般に販売しました。^{[1] [2]}この方法は、その後の20年間で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ジェームズ・シンプソンが設置した世界初の処理済み公共給水装置に至りました。 ^{[3] [4]}この設備により、周辺地域のすべての住民にろ過された水が提供され、その後数十年間で ネットワーク設計はイギリス全土で広く模倣されました。

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 スノーが調査を行った後、このシステムの長所がはっきりと明らかになりました。スノーは、病気は有害な「悪い空気」によって引き起こされるという、当時支配的だった瘴気説に懐疑的でした。病気の細菌説はまだ確立されていませんでしたが、スノーの観察により、彼はその支配的な説を軽視するようになりました。1855年のエッセイ「コレラの伝染様式について」では、ソーホーでのコレラ流行の拡大に水道が果たした役割を決定的に実証し、^{[5]水源の質とコレラ症例の関係を示すために、}ドット分布図と統計的証明を使用しました。彼のデータにより、地方議会は給水ポンプを停止することに同意し、これにより流行はすぐに終息しました。

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、水質の最低基準を初めて導入した。この法律は「メトロポリスへの純粋で健康的な水の供給を確保するための規定」を定め、1855年12月31日以降、すべての水を「効果的に濾過する」ことを義務付けた。^[6]これに続いて、1858年には、包括的な化学分析を含む水質の義務検査の法律が制定された。この法律は、ヨーロッパ全土での同様の国家公衆衛生介入の世界的な先例となった。同時にメトロポリタン下水道委員会が設立され、全国で水の濾過が採用され、テディントン閘門の上流にテムズ川の新しい取水口が設置された。

水処理がアメリカに導入されたのは1872年、ニューヨーク州ポキプシーに最初の緩速砂ろ過施設が開設された時でした。 ^[7]これにより、地元コミュニティに深刻な影響を及ぼしていたコレラや腸チフスの発生が劇的に減少しました。ポキプシーの設計基準は、他の自治体のモデルとして全国で採用されました。ポキプシーの元の処理施設は、1959年に交換されるまで87年間継続的に稼働しました。^[8]

緩速ろ過器は、細砂層の上層数ミリに、下層またはシュムッツデッケと呼ばれるゼラチン状の層（またはバイオフィルム）を形成することで機能します。シュムッツデッケは、運転開始後最初の10～20日間で形成され^{[9] 、}細菌、真菌、原生動物、ワムシ、およびさまざまな水生昆虫の幼虫で構成されています。表層バイオフィルムが古くなると、より多くの藻類が発生する傾向があり、一部のコケムシ、カタツムリ、環形動物などの大型の水生生物が存在する可能性があります。表面バイオフィルムは、飲料水処理において効果的な浄化を提供する層であり、その下にある砂は、この生物学的処理層の支持媒体を提供します。水が下層を通過すると、異物の粒子が粘液質マトリックスに捕捉され、可溶性有機物が吸着されます。汚染物質は、細菌、真菌、原生動物によって代謝されます。代表的な緩速砂ろ過装置から生成される水は、細菌細胞数が90～99%減少した優れた品質です。^[10]英国では通常、緩速砂ろ過装置の層深は0.3～0.6メートルで、砂の量は0.2～0.4mmです。ろ過能力は0.25m/hです。^[11]

低速砂ろ過器は、バイオフィルムが厚くなり、ろ過器を通過する流量が減少するにつれて、徐々に性能が低下します。最終的には、ろ過器を改修する必要があります。これには、2 つの方法が一般的に使用されています。最初の方法では、上部の数ミリの細かい砂を削り取り、新しいきれいな砂の層を露出させます。次に、水をろ過器に注ぎ戻し、数時間再循環させて、新しいバイオフィルムを形成させます。次に、ろ過器を満杯にして、再び使用します。^[10] 2 番目の方法は、ウェット ハローイングと呼ばれることもありますが、水位を地下層のすぐ上まで下げて砂をかき混ぜます。これにより、その層に保持されている固形物が沈殿し、残りの水が砂を洗い流されます。次に、ろ過器のカラムを満杯にして、再び使用します。ウェット ハローイングを使用すると、ろ過器をより迅速に再使用できます。^[9]

低速砂ろ過装置には、次のような独自の特性がいくつかあります。

1. 他のろ過方法とは異なり、緩速砂ろ過器は生物学的プロセスを利用して水を浄化する非加圧システムです。緩速砂ろ過器の動作には化学薬品や電気は必要ありません。
2. 洗浄は伝統的に機械式スクレーパーを使用して行われます。スクレーパーは通常、ろ過床が乾燥した後でろ過床に打ち込まれます。ただし、低速砂ろ過装置を使用する一部の事業者は、「ウェットハローイング」と呼ばれる方法を使用します。この方法では、砂がまだ水中にある間に削り取られ、洗浄に使用した水は廃棄されます。
3. 市営システムの場合、1 つ以上のベッドが使用不能になった場合でも、必要な最大水処理量を達成できることが望ましいため、通常はある程度の冗長性が存在します。
4. 緩速砂ろ過装置を効率的に作動させるには、比較的低い濁度レベルが必要です。微生物の活動が活発な夏季や原水が濁っている状況では、生物の目詰まりによるろ過装置の目詰まりがより早く起こるため、事前処理が推奨されます。
5. 必要に応じて水を生産する他の水ろ過技術とは異なり、緩速砂ろ過器はゆっくりとした一定の流量で水を生産し、通常はピーク使用時に貯水タンクと組み合わせて使用​​されます。この遅い速度は、フィルター内の生物学的プロセスの健全な発達に必要です。^{[12] : 38–41  [13]}

多くの自治体の水処理施設では、一度に 12 台以上のろ過床が使用されますが、小規模なコミュニティや家庭では、ろ過床が 1 台または 2 台しかない場合があります。

各ベッドの底には、ヘリンボーン型の排水溝が連続してあり、その上に小石の層が敷かれ、さらにその上に粗い砂利が敷かれています。さらにその上に砂の層が敷かれ、その上に厚い細砂の層が敷かれています。フィルター材料の全体の深さは 1 メートル以上になることもあり、その大部分は細砂材料です。砂床の上には、浄化されていない水の上澄み層があります。

• 機械的な動力、化学薬品、交換部品をほとんどまたはまったく必要とせず、最小限のオペレータートレーニングと定期的なメンテナンスのみを必要とするため、貧困地域や孤立した地域に適した技術となることがよくあります。
• 緩速ろ過器は設計が簡単なため、DIYで作ることができます。DIY緩速ろ過器は、コンゴ民主共和国やその他の国のティアファンドなどの組織によって貧困層を支援するために使用されています。^[14]
• 緩速砂ろ過器は、世界保健機関^[15]、 オックスファム^[16]、米国環境保護庁^[17]によって、小規模水道システムの地表水源の処理に優れた技術として認められています。世界保健機関によると、「適切な状況下では、緩速砂ろ過器は最も安価でシンプルなだけでなく、最も効率的な水処理方法でもあります。」

• ろ過速度が低いため、緩速ろ過器は大規模な自治体システムでは広大な土地を必要とします。^[12]米国の多くの自治体システムでは当初緩速ろ過器を使用していましたが、都市が成長するにつれて、飲料水の需要の増加に伴い、高濁度の原水を処理する必要性から急速ろ過器が設置されました。^[18]

• 銀行の濾過
• バイオサンドフィルター – 緩速砂ろ過装置に基づく水ろ過技術
• 散水ろ過装置 – 岩石などの固定床を備えた廃水処理システムの一種
• 急速砂ろ過装置