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緩速砂ろ過器は、原水を処理して飲料水を作るための浄水処理に使用されます。通常、深さは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あり、主に地表水の処理に使用されます。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、通常、1平方メートルあたり毎時200～400リットル（0.20～0.40立方メートル）の負荷率となります。
緩速砂ろ過器は、飲料水処理に使用される他のすべてのろ過器とは異なり、砂の表面に自然に形成される複雑なバイオフィルムを利用して機能します。砂自体はろ過機能を持たず、紫外線処理や加圧処理で使用されるものとは異なり、単に基質として機能します。緩速砂ろ過器は、エネルギー消費量が少なく、性能が優れているため、多くの発展途上国で好まれる技術ですが、英国など一部の先進国でも水処理に使用されており、英国ではロンドンへの給水処理に用いられています。現在、緩速砂ろ過器は、水耕栽培システムの養液中の病原菌制御にも試験的に使用されています。
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、エンジニアのロバート・トムが作った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。[ 1 ] [ 2 ]この方法は、その後20年間、民間の水道会社に勤めるエンジニアによって改良され、1829年にロンドンのチェルシー水道会社のためにエンジニアのジェームズ・シンプソンが設置した、世界初の処理済み公共水道へと結実した。 [ 3 ] [ 4 ]この設備は、その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[ 5 ]。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、その結果、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。 [ 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強制検査に関す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。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。
水処理は1872年にニューヨーク州ポキプシーで最初の緩速砂ろ過プラントが開設されたことで米国にもたらされ、地域社会に深刻な影響を与えていたコレラや腸チフスの発生が劇的に減少しました。 [ 7 ]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使用されました。ポキプシーの最初の処理施設は1959年に置き換えられるまで87年間連続して稼働しました。[ 8 ]
緩速砂ろ過器は、細かい砂層の最上部数ミリメートルに、地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（バイオフィルム）を形成することによって機能します。シュムッツデッケは運転開始後10～20日以内に形成され[ 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、藻類が多く発生し、コケムシ、カタツムリ、環形動物などの大型水生生物が存在する場合があります。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、その下の砂はこの生物学的処理層の支持媒体となります。水が地下層を通過すると、異物の粒子は粘液質のマトリックスに捕捉され、可溶性有機物は吸着されます。汚染物質は細菌、真菌、原生動物によって代謝されます。模範的な緩速砂ろ過器から得られる水は、細菌細胞数が90～99%減少しており、優れた品質である。[ 10 ]一般的に、英国の緩速砂ろ過器は、0.2～0.4mmの砂で構成された0.3～0.6メートルのベッド深さを持ち、処理能力は0.25m/hである。[ 11 ]
緩速砂ろ過器は、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、ろ過器を再生する必要があります。これには、一般的に 2 つの方法が用いられます。 1 つ目の方法では、細かい砂の最上部の数ミリメートルを削り取り、新しいきれいな砂の層を露出させます。次に、水をろ過器に戻して数時間再循環させ、新しいバイオフィルムを形成させます。その後、ろ過器を満水にして、再び使用できるようにします。[ 10 ] 2 つ目の方法は、湿式ハローイングと呼ばれることもあり、水位を地下層のすぐ上まで下げて砂を攪拌し、その層に保持されている固形物を沈殿させ、残りの水が砂を通過するようにします。その後、ろ過器を満水にして、再び使用できるようにします。湿式ハローイングは、ろ過器をより迅速に再使用できるようにするものです。[ 9 ]
緩速砂ろ過器には、いくつかの独自の特性があります。
多くの自治体の浄水場では、常に12基以上のろ過槽が稼働しているが、小規模な地域や家庭では、ろ過槽が1基か2基しかない場合もある。
各ろ過層の底部には、ヘリンボーン状の排水溝が設けられており、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き詰められています。その上に砂の層が重ねられ、最後に細かい砂の厚い層が置かれています。ろ過材全体の深さは1メートルを超える場合もあり、その大部分は細かい砂で構成されています。砂層の上には、未浄化の上澄水層が存在します。
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