真空下水道

真空下水道または 空気圧下水道システムは、汚水をその発生源から下水処理場に輸送する方法です。パイプネットワークと真空ステーションの収集容器内の空気圧を大気圧より低くして、部分的な真空を維持します。システムを使用すると、バルブが自動的に開き、再密閉されるため、ポンプに多くのエネルギーを費やすことなく差圧を維持できます。地形や地域の状況に応じて、1つの中央真空ステーションで数千の家庭の汚水を収集できます。 ^{[1] [より良い情報源が必要]}

真空下水道は1882年にヨーロッパで初めて設置されました。オランダの技術者チャールズ・リーナーは19世紀後半に初めて下水道に負圧排水を適用しました。^{[2] [非一次情報源が必要]} 真空下水道システムの技術的実装は1959年にスウェーデンで始まりました。^{[出典が必要]}

歴史的に、真空下水道はニッチな製品であり、列車、飛行機、砂質土壌と高い地下水位のある平坦な地域でのみ使用されていました。ほとんどの用途では重力下水道が使用されていました。真空下水道は設置が安価でしたが、維持費が高かったためです。20世紀には、真空下水道技術が大幅に改善されました。障害位置特定センサーにより、運用と維持費が削減され、一部のオペレーターは現在、真空下水道は従来の重力下水道よりも安価に運用できると考えています。^[3]

真空下水道システムの主な構成要素は、収集室と真空バルブ部品、下水道、中央真空ステーション、および監視および制御コンポーネントです。

一部の真空システムには、真空ラインに直接接続された真空トイレがあり、水洗に必要な水が少なくて済みます（1回の水洗で4分の1リットル未満）。 ^[4]他のシステムでは、収集の最初の段階で標準的な重力排水を使用します。つまり、標準的なシステムと同様に、下水は各家庭から重力によって流れ出ます。公共エリアに設置された、2〜6軒の家からの下水を集める可能性のある収集サンプに排出されます。

真空技術は差圧空気に基づいています。ロータリーベーン真空ポンプは、真空ステーションで -0.4 ～ -0.6 bar の動作圧力を生成します。真空ステーションは、真空下水システムで唯一電力を供給する必要がある要素でもあります。

インターフェース バルブは収集チャンバー内に設置されています。空気圧で作動します。このサンプ内の特定の充填レベルに達すると、インターフェース バルブが開きます。バルブを開くためのインパルスは、空気圧で機械制御されるコントローラー ユニットによって伝達されます。バルブを開閉するのに電気は必要ありません。エネルギーは真空自体によって供給されます。

バルブが開いている間、大気と真空の間の差圧が駆動力となり、廃水と空気を真空ステーションへ運びます。これらの収集室以外には、方向転換用、検査用、分岐ラインの接続用のマンホールは必要ありません。流速が高いため、システムは詰まりや沈殿物から保護されます。

多数の集水室を備えた大規模システムでは、真空バルブと集水ピットをリモート監視するための監視システムを設置すると便利です。このようなシステムにより、収集室とバルブのトラブルシューティングがはるかに速くなり、予防保守が容易になります。ただし、監視システムはオプションのシステムであり、真空下水システムの運用に必須ではありません。

真空下水道システムは、浸出や浸水がないと考えられているため、水保護地域でも使用できます。このため、真空下水道管は、飲料水管と同じ溝に敷設することもできます (地域のガイドラインによって異なります)。

信頼性の高い輸送を確保するために、真空下水管は鋸歯状（長さ方向）のプロファイルで敷設されています。^[5]真空下水管全体は、-0.4～-0.6 bar の圧力で空気で満たされています。信頼性の高い操作のために最も重要なのは、空気と液体の比率です。システムが適切に設計されている場合、下水管にはごく少量の汚水しか含まれません。空気と液体の比率は通常、液体と空気を同時に収集するか、システム内の圧力に応じて開放時間を調整するコントローラーユニットによって維持されます。

下水道は平坦な地形にも敷設でき、一部は（制限内で）上り坂に流すことができます。鋸歯状のプロファイルにより下水道管は浅く保たれます。^[5]霜が降りない気候では、溝の深さは約1.0～1.2 mになります。対照的に、重力下水道では少なくとも0.5～1.0%の単調な下降勾配が必要であり、これは高価な溝掘りとポンプ場が必要になることを意味します。

廃水が真空ステーションの真空収集タンクに到着すると、重力下水道または処理ステーションのいずれかの排出ポイントにポンプで送られます。システム内の廃水の滞留時間は非常に短く、廃水は継続的に空気と混合されるため、下水は新鮮な状態に保たれ、システム内の汚れが防止されます (H ₂ S が少なくなります)。

• 中央真空ステーションを備えた密閉型機械/空気圧制御システム。電気エネルギーはこの中央ステーションでのみ必要となる。
• 自己洗浄の高速性により沈殿物なし
• 下水道管の巻き取りやメンテナンスは不要
• マンホールは不要
• 通常、重力式および低圧式ネットワークで必要な複数のステーションではなく、1 つの真空ポンプ ステーションのみが必要です。これにより、土地が解放され、エネルギー コストと運用コストが削減されます。
• 地表近くの浅い深さでの簡単な溝掘りにより、投資コストを最大50%削減できます。
• フレキシブル配管により障害物を越えたり、下を通ったりすることが可能
• 設置時間の短縮
• HDPE、PVC材料の小口径下水管、材料費の節約
• 下水の空気混入により、作業員や住民に危険を及ぼすH2Sの発生が減り_、パイプの腐食も回避できる。下水は新鮮な状態に保たれる。
• 密閉された真空下水道には悪臭がない
• 雨水の浸入がないため、下水処理場の水力負荷が軽減される
• 下水漏れが起こらない（真空にすることで浸出を防ぐ）ため、環境や公衆衛生上の利点があるだけでなく、配管の修理がより簡単かつ衛生的に作業員にとって可能となる^[6]
• 下水道は、他の本管、飲料水、雨水、および水保護区域と同じ溝に敷設されることがあります。
• 浅い溝掘りと問題の容易な特定により、長期的には維持コストが低くなる^[7]
• 真空トイレと組み合わせることで、濃縮された廃棄物の流れを作り出し、嫌気性処理などのさまざまな廃水処理技術の使用が可能になります。

• 真空システムは、下水を非常に長い距離にわたって輸送することはできませんが、真空ステーションから次の下水処理場または主な重力下水道までの長距離をポンプで汲み上げることができます。
• 真空下水システムは、分離されたシステム内での廃水の収集のみが可能です（雨水の収集には対応していません）。
• 平坦な場所に敷設された線路は3～4 kmまでしか到達できません（損失水頭（3～4.5 m）（摩擦と静電気）によるシステムの制限）
• システムは経験豊富なメーカーの協力を得て設計する必要があります（コンセプトは通常無料です）
• 中央真空ステーションには外部エネルギーが必要であり、停電時にはバックアップ発電機などの非常用電源が必要となる。^[8]
• 真空ステーションの近くでは臭いが発生する可能性があるため、バイオフィルターが必要になる場合があります。
• パイプ接合部の完全性は最も重要です
• グリースがセンサーチューブを詰まらせる可能性がある（正しくセットアップされていない場合）ため、予防的なメンテナンス清掃が必要になる。
• 真空バルブが開いたまま動かなくなり、システム全体の圧力が低下する可能性があります。ただし、監視システムを使用すると、開いたまま動かなくなったバルブをすぐに特定できます。

次のような特定の状況では、真空下水システムが好ましいシステムとなる場合があります。

電車、航空機、バス、配管設備のある多くの船舶では、一般的に真空システムと真空トイレが採用されています。水の使用量が少ない（1回の洗浄で4分の1リットル未満）ため^[4 ] 、重量が軽減され、移動中に便器から水がこぼれることもありません。^[9]航空機のトイレでは、水ではなく青い消毒液で洗浄する場合があります。^[4]ポータブル収集チャンバーが使用されます。中間真空チャンバーから充填する場合は、真空状態に保つ必要はありません。^{[10] [より良い情報源が必要]}

多くの国で水不足が発生し、急激な節水対策が取られた結果、老朽化し​​た重力式給水網ではパイプ内に固形物が詰まるという問題が生じています。真空システムは水を節約します。

平坦な地形、好ましくない土壌（岩や沼地）、または高い地下水位（排水溝が必要）により、重力下水道システムのコストがはるかに高くなります。真空下水道は直径が小さく、内部に漏れるため、凍結しない地域では、小さな溝で地表近くに敷設できます。

真空下水道は、地下水資源を汚染する危険がないため、水保護地域や地下水位の高い敏感な地域を通過することができます（真空下水道は材質上、高い気密性があり、漏れた場合は内側に漏れます）。真空システムは、オーストラリアのバリアリーフに近いクーランコーブエコリゾートなど、環境に敏感な多くの地域で使用されています。また、地下水/地表水の窒素レベルを下げるために、浄化槽の代わりに使用されました。^[11]

真空システムは、環境から有毒な廃水を収集するためにも使用されています。

冬に地域の気温が氷点下まで下がる場合、真空管は凍結線より下の、年間を通じて凍結しない地中に埋設されます (従来の重力下水道と同様)。バルブ、集水ピット、吸気口、制御システムは、寒さ、雪、氷にもかかわらず機能し続けるように設計する必要があります。温度監視センサーも標準装備されているため、問題を早期に検出できます。

プラム島（マサチューセッツ州）の場合、島は氷点下の気温と過度の降雪に見舞われやすく、当初は潜在的な問題を特定するのが困難でした。ピットのセットアップの変更とバルブピットでの監視により、メンテナンスが容易になりました。

多くの北欧諸国では真空下水道が利用されており、長期間雪の下に埋もれているバルブの位置を特定するために、何らかのマーカーや監視装置があると便利です。

人口密度が低い場合、集水室や真空ステーションのコストは、パイプの設置コストや、重力下水道、ポンプ場などのコストよりも重要ではありません。空気圧パイプは、重力排水の水圧パイプよりも一般的に小さくなります^[要出典]霜が降りない気候では、真空システム用のパイプは、重力システムよりも浅く埋めることもできます。

必要とされるパイプの長さが居住者1人あたり約4メートルを超える高比導管長の場合^[要出典]、真空システムのコストが安くなる傾向があります。

従来の重力下水道システムを備えた季節的な集落（レクリエーションエリア、キャンプ場など）では、毎日の廃水による自動洗浄が行われないため、沈殿の問題が簡単に発生する可能性があります。真空下水道内の高流速は、このような沈殿の問題を防ぎます。上海とアブダビのF1レーストラックでは、この理由から真空下水道システムを使用しています。^{[引用が必要]}

史跡には古い建物、狭い道、険しい地形がある場合があります。また、観光によって人口密度が季節的に大きく変動することもあります。真空下水道システムは、（交通や観光との衝突を避けられる）迅速で費用対効果が高く、柔軟に設置できるため、選択されることがあります。例としては、フランスのフラヴィニー＝シュル＝オズラン、オマーンのハサブとアルシーブなどがあります。

真空下水システムは、濃縮された汚水（トイレの汚水）のみを収集し、シンクや浴槽からの中水は別に収集するように設定できます（中水は汚水よりも処理がはるかに簡単です）。真空システムからのバイオソリッドは、洗浄水で希釈する必要はありません。

下水道では通常、標準的な重力下水道から分離・脱水されたバイオソリッドを高温で堆肥化します。 ^{[12] [13]}バイオソリッドに水を与えない場合は、このプロセスはより簡単になります。

高温で堆肥化すると病原菌や種子が死滅する。^{[13] [14]}バイオソリッド堆肥は高温で堆肥化する必要がある。^[15]

下水は嫌気性プロセスで処理され、バイオガスを生成することもできる。この設計は、水道インフラの持続可能性を高める可能性を秘めている。^[16]

• アラスカ西部のベーリング海峡地域では、セントローレンス島にある人口600人のサヴォンガ先住民村と、ノートン湾にあるセントマイケル先住民村の両方が、長年真空下水道システムを使用しています。^[要出典]
• セラウィックは2014年に真空下水道システムを改修し、年間217,000ドル以上のエネルギーコストを節約しました。^[17]

• 特に中東（アラブ首長国連邦、カタール、バーレーン、オマーン）では、節水効果とメンテナンスの容易さに加え、設置が簡単で迅速であることから、真空下水道システムの重要性がますます高まっています。
• アラブ首長国連邦ドバイ市の海岸に位置するパームアイランドジュメイラは、低く平坦な地形で、地下水位が高く、水保護地域であり、淡水を保護する必要があり、人口密度が低い。そのため、真空下水道システムが導入されている。約23,000人（または2000棟の建物）がこの真空下水道システムに接続される。このシステムには、40kmの下水道管にサービスを提供する中央真空ステーションが1つだけある。この真空ステーションは、世界最大の真空ステーションと考えられている。^{[1] [非一次情報源が必要]}
• アラブ首長国連邦のエコシティ、マスダールでは、汚水と灰色の水を分離するために真空下水システムも使用しています。
• 最近、真空下水道システムは、家庭排水がほとんど発生せず、真空下水道システムの柔軟性により、通常地中の他の多くのユーティリティと簡単に調整できる工業および商業プロジェクトでも人気が高まっています。良い例は、中東でも見受けられます。たとえば、ラス・アル・ハイマ首長国のいくつかの小さな工業地帯や、カタールに新しく建設された世界最大の一次アルミニウム工場であるカタラム・アルミニウム工場などです。
• 真空下水道システムは、ヨーロッパや中東だけでなく、発展途上の第三世界の国々でも使用されています。アフリカ（南アフリカ、ボツワナ、ナミビア）では、町や田舎の地域向けに真空下水道システムがすでにいくつか建設されているか、現在建設中です。これらの地域では、建設時間の短縮、溝掘りのコスト削減、高い柔軟性といった利点が十分に発揮されています。
• オーストラリアは、設置および運用コストが低いため、真空下水システムの最大のユーザーです。現在までに最大のシステムは、ニューサウスウェールズ州のティーガーデン開発にあり、最終的には 4,500 戸以上の住宅を処理することになります。西オーストラリア州の水道公社は、現在 30 以上のスキームを運営管理しており、真空システムの単独所有者としては世界最大とされています。

• 英国では真空下水道システムが広く普及している。最も広く利用されているのは、イングランド東部の低地の湿地帯である。地下水位が高く (場合によっては地表から 1 メートル未満)、地盤条件が悪いため、地元の水道会社である Anglian Water は真空下水道を採用し、浅い溝に敷設する小口径下水管を必要とするシステムの利点を生かして、従来の重力下水道システムで必要となるポンプ場の必要性を大幅に減らしている。この地域で最大の真空下水道システムは、アウトウェル村とアップウェル村にサービスを提供している。4 つの真空収集ステーションがこの集落の約 1,500 世帯にサービスを提供している。この地域に従来型の重力下水道を導入する場合、当初のコスト計算では、以前は家庭用浄化槽でサービスを提供していたこの場所に 32 のポンプ場を設置する必要があった。真空下水道システムを使用すると、このポンプ場の数は 4 つの真空ステーションに削減された。英国の他の会社、たとえば Southern Water も真空下水道システムを運営している。
• ドイツ北部では、1970年代から数百のシステムが稼働している。^[要出典]さらに計画されている。^[18] ハンブルクの770ユニットのJenfelder Au開発は真空下水道で計画された。^[16]
• ワシントン州オーシャンショア市は、真空下水道の信頼性と耐久性の好例です。同市の真空システムは世界最大級であり、成熟しています。ほとんどのコンポーネントは20年以上前のものであり、重力下水道や粉砕ポンプシステムとともに厳しい運用環境で機能する必要があります。^[19]
• フロリダ州サラソタ郡^{[20]やフロリダ州の他の地域では、}富栄養化対策として真空システムを採用しているケースもある^[21]。
• ワシントン州カーネーション市^[22]は、真空下水道を組み込んだ収集システムを開発している。
• 良い例はモルディブの津波後の WATSAN プロジェクト (UNICEF - UN) で、いくつかの島で真空下水道システムが最善の選択肢となりました。主にリゾート向けの他のいくつかのプロジェクトがすでにモルディブで実現されています。
• 米国マサチューセッツ州プロビンスタウン

• ヨーロッパ最大の施設（複数の真空ステーション）はオーストリアのゲラスドルフ（ウィーン近郊）にあり、真空下水道システムの多くの利点がこの山岳地帯の困難な状況を克服するのに役立っています。^{[引用が必要]}
• エストニアには真空下水道がある。^{[23] [より良い情報源が必要]}
• ポーランドには真空下水道がある。^{[23] [より良い情報源が必要]}

• EN 16932-3:2018 建物外の排水および下水道システム
• DWA-A120-3 ...
• WEF (水環境連盟) 代替下水道システム (第 2 版 -2008)
• WSA 07 (オーストラリア規格)
• AS 4310 - 2004 (オーストラリア真空インターフェースバルブ規格)

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