浄水

浄水とは、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。その目的は、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、浄水は医療、薬理学、化学、工業用途など、さまざまな目的で行われる場合もあります。浄水の歴史には、さまざまな方法が含まれます。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、緩速砂ろ過器や生物活性炭などの生物学的プロセス、凝集や塩素処理などの化学的プロセス、紫外線などの電磁放射線の使用などがあります。

水の浄化により、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下させることができるほか、さまざまな溶解物質や粒子状物質の濃度も低下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設定されます。これらの基準には通常、水の用途に応じて、汚染物質の最小濃度と最大濃度が含まれます。

目視検査では、水質が適切かどうかは判断できません。煮沸や家庭用活性炭フィルターの使用といった単純な手順では、水源が不明な場合、水に含まれる可能性のあるすべての汚染物質を処理するのに十分ではありません。19 世紀には実用上安全と考えられていた天然の湧き水でさえ、現在ではどのような処理が必要かを判断する前に検査する必要があります。化学分析や微生物学的分析は費用はかかりますが、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。

1. 地下水: 深層地下水から湧き出る水は、数十年、数百年、あるいは数千年前に雨として降ったものである可能性があります。土壌と岩石の層が地下水を自然に濾過して高い透明度にするため、二次消毒剤として塩素やクロラミンを追加する以外に追加の処理を必要としないことがよくあります。このような水は、湧き水、自噴泉として湧き出るか、ボーリング孔や井戸から汲み上げられます。深層地下水は一般に細菌学的品質が非常に高い (つまり、病原性細菌や病原性原生動物は一般に存在しません) ですが、溶解固形物、特にカルシウムとマグネシウムの炭酸塩と硫酸塩を多く含んでいる場合があります。水が流れてきた地層によっては、塩化物や重炭酸塩などの他のイオンも存在する場合があります。飲用、調理、洗濯に使用できるようにするために、この水の鉄分やマンガンの含有量を減らす必要がある場合があります。一次消毒が必要な場合もあります。地下水涵養（水量豊富な時期に水を蓄え、干ばつ時に利用できるようにするために河川水を帯水層に注入するプロセス）が実施されている場合、適用される州および連邦の規制に応じて地下水に追加の処理が必要になる場合があります。
2. 高地の湖と貯水池: 一般的に河川の源流に位置する高地の貯水池は、通常、人間の居住地よりも高い場所にあり、汚染の機会を制限するために保護区域で囲まれている場合があります。細菌や病原菌のレベルは通常低いですが、細菌、原生動物、藻類が存在することもあります。高地が森林または泥炭地である場合、フミン酸によって水が着色することがあります。高地の水源の多くはpH 値が低いため、調整が必要です。
3. 河川、運河、低地の貯水池: 低地の表層水には大量の細菌が存在し、藻類、浮遊物質、さまざまな溶解成分も含まれている可能性があります。
4. 大気水生成は、空気を冷却して水蒸気を凝縮し、空気から水分を抽出することで高品質の飲料水を提供できる新しい技術です。
5. 大気から水を集める雨水採取や霧収集は、特に乾季が長い地域や、雨が少なくても霧が発生する地域で利用できます。
6. 蒸留または逆浸透による海水の淡水化。
7. 地表水: 大気に開放されており、地下水として指定されていない淡水域は、地表水と呼ばれます。

処理の目的は、水中の不要な成分を除去し、水を安全に飲用できるようにするか、産業や医療用途の特定の目的に適合させることです。微細固形物、微生物、一部の溶解した無機物や有機物、または環境中の残留性医薬品汚染物質などの汚染物質を除去するには、さまざまな技術が利用できます。方法の選択は、処理する水の品質、処理プロセスのコスト、処理水に期待される品質基準によって異なります。

以下のプロセスは浄水場で一般的に使用されているものです。浄水場の規模や原水（水源）の水質によっては、一部または大部分のプロセスが使用されない場合があります。

1. ポンプと封じ込め – 水の大部分は、水源からポンプで汲み上げるか、パイプや貯留タンクに流す必要があります。水に汚染物質が混入するのを防ぐため、この物理的なインフラストラクチャは適切な材料で作られ、偶発的な汚染が発生しないように構築する必要があります。
2. スクリーニング（スクリーン フィルターも参照） - 表面水を浄化する最初のステップは、その後の浄化ステップの妨げになる可能性のある、小枝、葉、ゴミ、その他の大きな粒子などの大きな破片を除去することです。深層地下水のほとんどは、他の浄化ステップの前にスクリーニングする必要はありません。
3. 貯蔵 – 川の水は、数日から数か月間、川岸の貯水池に貯蔵され、自然の生物学的浄化が行われることもあります。これは、緩速砂ろ過装置で処理する場合に特に重要です。貯水池は、短期間の干ばつに対する緩衝材として機能したり、水源となる川で一時的な汚染事故が発生したときに水の供給を維持したりするためにも役立ちます。
4. 前塩素処理 – 多くの施設では、配管やタンクの汚染生物の増殖を最小限に抑えるために、入ってくる水を塩素処理していました。水質に悪影響を与える可能性があるため（下記の塩素を参照）、この処理はほとんど中止されています。^[1]

純水のpHは7 に近い（アルカリ性でも酸性でもない）。海水のpH 値は 7.5 ～ 8.4 の範囲（中程度のアルカリ性）である。淡水の pH 値は、流域または帯水層の地質および汚染物質の流入（酸性雨）の影響によって、広範囲にわたる。水が酸性（7 未満）の場合、石灰、ソーダ灰、または水酸化ナトリウムを添加して、浄水処理中に pH を上げることができる。石灰を添加するとカルシウムイオン濃度が上昇し、水の硬度が上昇する。酸性度の高い水の場合、強制通風脱ガス装置を使用して水から溶解した二酸化炭素を除去すると、pH を効果的に上げることができる。^[2]水をアルカリ性にすると、凝固および凝集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解するリスクを最小限に抑えるのに役立つ。十分なアルカリ度は、鉄管に対する水の腐食性も低減する。アルカリ水には、状況によっては pH を下げるために酸 (炭酸、塩酸、硫酸) が加えられることがあります。アルカリ水 (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。炭酸カルシウムを沈殿させて金属表面を保護し、有毒金属が水に溶け出す可能性を減らす水の能力は、pH、ミネラル含有量、温度、アルカリ度、カルシウム濃度によって決まります。^[3]

従来の浄水処理のほとんどで最初のステップの 1 つは、水中に浮遊する粒子の除去を助ける化学物質を追加することです。粒子は粘土やシルトなどの無機物、または藻類、バクテリア、ウイルス、原生動物、天然有機物などの有機物です。無機粒子と有機粒子は水の 濁度と色に影響します。

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 ）塩などの無機凝集剤を添加すると、粒子上および粒子間で同時にいくつかの化学的および物理的相互作用が発生します。数秒以内に、粒子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金属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導混合によって、より大きな粒子に結合されます。非晶質金属水酸化物は「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して絡み合わせ、その後の沈降および濾過プロセスによって粒子の除去を容易にします。^{[4] ：8.2–8.3}

アルミニウム水酸化物は、通常5.5～約7.7のかなり狭いpH範囲で形成されます。鉄(III)水酸化物は、ミョウバンに有効なpHレベルよりも低いpHレベルを含むより広いpH範囲で形成され、通常5.0～8.5です。^{[5] : 679}

文献では、凝固と凝集という用語の使用について多くの議論と混乱があります。凝固はどこで終わり、凝集はどこで始まるのでしょうか。浄水場では通常、高エネルギーの急速混合ユニットプロセス（滞留時間は数秒）があり、そこで凝固剤化学物質が追加され、その後、低エネルギー入力で大きなパドルまたはその他の穏やかな混合装置を回転させてフロックの形成を促進する凝集槽（滞留時間は15〜45分）が続きます。実際、金属塩凝固剤が追加されると、凝固プロセスと凝集プロセスが進行します。^{[6] : 74–5}

有機ポリマーは、1960年代に凝固剤の補助として、また場合によっては無機金属塩凝固剤の代替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帯びた高分子化合物です。有機ポリマーを微粒子を含む水に加えると、高分子化合物は粒子表面に吸着し、粒子間の架橋により他の粒子と融合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。^{[5] : 667–8}

凝集槽から出た水は、沈殿槽（清澄槽または沈降槽とも呼ばれる）に入ることがあります。沈殿槽は水流速度の遅い大きなタンクで、凝集物が底に沈みます。沈殿槽は凝集槽の近くに設置するのが最適で、2 つのプロセス間の移動によって沈殿や凝集物の分解が起こらないようにします。沈殿槽は、水が端から端まで流れる長方形、または水が中心から外へ流れる円形にすることができます。沈殿槽からの流出は通常、堰堤を越えるため、スラッジから最も遠い薄い上層の水だけが流出します。

1904 年、アレン・ヘイゼンは、沈殿プロセスの効率は粒子の沈降速度、タンクを通過する流れ、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) のオーバーフロー速度の範囲内で設計されます。一般に、沈殿池の効率は、滞留時間や池の深さの関数ではありません。ただし、池の深さは、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十分でなければなりません。沈殿水中の粒子濃度がタンクの底の汚泥表面近くで増加すると、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。沈殿のための典型的な滞留時間は1.5時間から4時間で、盆地の深さは10フィートから15フィート（3メートルから4.5メートル）である。^{[4] ：9.39–9.40  [5] ：790–1  [6] ：140–2、171}

従来の沈殿池にラメラ クラリファイア、傾斜平板、またはチューブを追加して、粒子の除去性能を向上させることができます。傾斜プレートとチューブは、ヘイゼンの元の理論に従って、粒子を除去するために利用できる表面積を大幅に増加させます。傾斜プレートまたはチューブを備えた沈殿池が占める地上表面積は、従来の沈殿池よりもはるかに小さくなります。

粒子が沈殿池の底に沈むと、タンクの底にスラッジの層が形成され、これを除去して処理する必要があります。生成されるスラッジの量は膨大で、処理する水の総量の 3 ～ 5 パーセントに達することもよくあります。スラッジの処理と処分にかかるコストは、水処理プラントの運用コストに影響する可能性があります。沈殿池には、底を継続的に洗浄する機械洗浄装置が装備されている場合もあれば、沈殿池を定期的に使用停止にして手動で洗浄する場合もあります。

沈降法のサブカテゴリーは、水が押し上げられる際に浮遊フロックの層に捕捉されることによって粒子を除去することである。フロックブランケット浄化装置の主な利点は、従来の沈降法よりも設置面積が小さいことである。欠点は、粒子除去効率が流入水質や流入水流量の変化に応じて大きく変動する可能性があることである。^{[5] : 835–6}

除去すべき粒子が溶液から容易に沈殿しない場合は、溶存空気浮上法（DAF）がよく使用されます。凝固および凝集プロセスの後、水はDAFタンクに流れ込み、タンク底の空気拡散器が微細な泡を発生させて凝集物に付着し、濃縮された凝集物の浮遊塊になります。浮遊する凝集物の層は表面から除去され、DAFタンクの底から浄化された水が取り出されます。単細胞藻類のブルームに特に弱い水源や、濁度が低く色が濃い水源では、DAFがよく使用されます。^{[4] : 9.46}

ほとんどの凝集塊を分離した後、最終段階として水をろ過し、残った浮遊粒子と沈殿していない凝集塊を除去します。

最も一般的なタイプのフィルターは急速砂ろ過器です。水は砂の上を垂直に移動しますが、砂の上には活性炭または無煙炭の層がよくあります。最上層は味や匂いの原因となる有機化合物を除去します。砂粒子間の空間は最小の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、細孔空間に閉じ込められるか、砂粒子に付着します。効果的なろ過はフィルターの奥深くまで及びます。このフィルターの特性は、フィルターの動作の鍵となります。最上層の砂がすべての粒子をブロックすると、フィルターはすぐに詰まってしまいます。^[7]

フィルターを洗浄するには、水を通常方向とは反対方向に素早く上方に通して（バックフラッシングまたはバックウォッシュと呼ばれる）、埋め込まれた粒子や不要な粒子を取り除きます。このステップの前に、圧縮空気をフィルターの底から吹き上げて、圧縮されたフィルター メディアを分解し、バックウォッシュ プロセスを促進する場合があります。これは、エア スキャリングと呼ばれます。この汚染された水は、沈殿池からのスラッジと一緒に処分するか、プラントに入る原水と混合してリサイクルすることができますが、これは原水に高濃度のバクテリアが再導入されるため、多くの場合、不適切な方法と見なされます。

一部の水処理施設では、圧力フィルターを採用しています。これらは急速重力フィルターと同じ原理で動作しますが、フィルター媒体が鋼鉄容器に封入されており、水が圧力を受けて通過する点が異なります。

利点:

• 紙や砂のフィルターよりもはるかに小さな粒子を除去します。
• 指定された孔サイズより大きい粒子をほぼすべて除去します。
• 非常に薄いため、液体はかなり速く流れます。
• これらは十分に強度があり、通常 2 ～ 5 気圧の圧力差に耐えることができます。
• 洗浄（バックフラッシュ）して再利用できます。

緩速砂ろ過器は、十分な土地とスペースがある場合に使用できます。水がろ過器を非常にゆっくりと通過するためです。これらのろ過器は、物理的ろ過ではなく、生物学的処理プロセスによって機能します。ろ過器は、段階的な砂の層を使用して注意深く構築され、最も粗い砂といくらかの砂利が下部に、最も細かい砂が上部に配置されます。底部の排水口は、処理された水を消毒のために排出します。ろ過は、ろ過器の表面に動物胞子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よって行われます。効果的な緩速砂ろ過器は、前処理が適切に設計され、物理的処理方法ではほとんど達成できない非常に低い有効栄養素レベルの水を生成する場合、数週間または数ヶ月間も使用し続けることができます。栄養素レベルが非常に低いため、非常に低い消毒レベルの配水システムを安全に水に送ることができ、不快なレベルの塩素と塩素副産物に対する消費者の苛立ちを軽減できます。緩速砂ろ過器は逆洗されません。流れが生物の繁殖によって妨げられると、砂の上層が削り取られることで維持されます。^[8]

川岸ろ過では、川岸の天然堆積物を使用して、汚染物質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きれいではありませんが、関連する抽出井戸から得られる水は、川から直接取水した川水よりも問題がはるかに少なくなります。

メンブレン 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、メンブレン フィルターは、ジアルジアやクリプトスポリジウムなど、0.2 μm より大きい粒子をほぼすべて除去できます。メンブレン フィルターは、水を工業用に再利用する場合や、限られた家庭用に再利用する場合、または下流の町が使用する川に水を排出する前に、効果的な三次処理方法です。これらは工業分野で広く使用されており、特に飲料水 (ボトル入りの水を含む) の調製に使用されています。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、ろ過によっても除去できません。

限外濾過 膜は、化学的に形成された微細孔を持つポリマー膜を使用しており、凝固剤を使用せずに溶解物質を濾過することができます。膜媒体の種類によって、水を通過させるのに必要な圧力と、濾過できる微生物のサイズが決まります。^[要出典]

イオン交換：^[9]イオン交換システムでは、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、不要なイオンを置き換えます。最も一般的なケースは、Ca ²⁺およびMg ²⁺イオンを除去して無害な（石鹸に優しい）Na ⁺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の除去にも使用されます。

沈殿軟化法: ^{[4] : 13.12–13.58}硬度（カルシウムイオンとマグネシウムイオン） を多く含む水を石灰（酸化カルシウム）やソーダ灰（炭酸ナトリウム）で処理し、共通イオン効果を利用して溶液から炭酸カルシウムを沈殿させます。

電気脱イオン化：^[9]水は正極と負極の間を通される。イオン交換膜は、処理された水から正イオンのみが負極に向かって移動し、負イオンのみが正極に向かって移動することを可能にする。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る。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できる。通常、水は非イオン性有機汚染物質を除去するために逆浸透装置で前処理され、二酸化炭素を除去するためにガス移動膜で前処理される。濃縮水流をRO入口に供給すると、99％の水回収が可能となる。

消毒は、有害な微生物を濾過し、消毒用化学物質を加えることによって行われます。フィルターを通過する病原体を殺し、消毒剤の残留量を提供して、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したり不活性化したりするために、水が消毒されます。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、およびジアルジア・ランブリアやその他のクリプトスポリジウムなどの原生動物があります。化学消毒剤を投入した後、水は通常、消毒作用が完了するように 一時貯蔵庫（接触タンクまたは清澄井戸と呼ばれることが多い）に保持されます。

最も一般的な消毒法は、何らかの形の塩素またはその化合物、例えばクロラミンや二酸化塩素などを使用する。塩素は強力な酸化剤で、多くの有害な微生物を急速に殺す。塩素は有毒ガスであるため、使用に伴う放出の危険がある。この問題は、家庭用漂白剤に使用され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され、水に溶解すると遊離塩素を放出する。塩素溶液は、食塩溶液を電気分解することで現場で生成できる。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する。しかし、固体の取り扱いには、ガスボンベや漂白剤を使用するよりも、袋を開けて注ぐという日常的な人間の接触が必要になる。これらは自動化が容易である。液体次亜塩素酸ナトリウムの生成は安価であり、ガスや固体塩素を使用するよりも安全である。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）まで安全であると考えられている。^[10]

あらゆる形態の塩素は、それぞれに欠点があるにもかかわらず、広く使用されています。1 つの欠点は、どのような発生源の塩素も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産物を形成することです。これらの副産物であるトリハロメタン(THM) とハロ酢酸(HAA) は、大量に摂取すると両方とも発がん性があり、米国環境保護庁(EPA) と英国の飲料水監督局によって規制されています。塩素を添加する前に、水中の有機物をできるだけ効果的に除去することで、THM とハロ酢酸の形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、ジアルジア ランブリアやクリプトスポリジウムなど、水中でシストを形成する病原性原生動物に対する効果は限られています。

二酸化塩素は、元素塩素よりも速効性のある消毒剤です。状況によっては、米国で許容レベルが低く規制されている副産物である亜塩素酸塩が過剰に生成される可能性があるため、比較的まれにしか使用されません。二酸化塩素は水溶液として供給され、ガス処理の問題を回避するために水に添加されます。二酸化塩素ガスが蓄積すると、自然発火する可能性があります。

消毒剤としてクロラミンの使用が一般的になりつつあります。クロラミンは酸化剤としてはそれほど強力ではありませんが、遊離塩素に比べて酸化還元電位が低いため、遊離塩素よりも残留性が長くなります。また、トリハロメタンやハロ酢酸（消毒副産物）も容易に生成しません。

塩素を加えた後に水にアンモニアを加えると、塩素をクロラミンに変換できます。塩素とアンモニアが反応してクロラミンが形成されます。クロラミンで消毒された給水システムでは、アンモニアが細菌の増殖の栄養となり、副産物として硝酸塩が生成されるため、 硝化が起こ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 つ容易に放出して、ほとんどの水中生物に有毒な強力な酸化剤となります。オゾンは、ヨーロッパや米国およびカナダのいくつかの自治体で広く使用されている、非常に強力で広範囲の消毒剤です。オゾン消毒、またはオゾン化は、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、他のほとんどの病原体に対しても有効です。オゾンは、酸素を紫外線または「冷たい」放電に通すことで生成されます。消毒剤としてオゾンを使用するには、現場で生成し、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、危険な副産物の生成が少なく、味や臭いの問題がない (塩素処理と比較して) ことなどがあります。水中に残留オゾンは残りません。^[11]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を追加できます。

オゾンは1906年以来、飲料水処理プラントで使用されており、最初の産業用オゾン処理プラントはフランスのニースに建設されました。米国食品医薬品局はオゾンが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、発がん性が疑われる臭素酸塩の濃度を生成することがわかっています。臭化物は、（オゾン処理後に）10ppbを超える臭素酸塩を生成するのに十分な濃度で淡水供給源に存在し、これは米国環境保護庁（USEPA）が定めた最大汚染レベルです。^[12]オゾンによる消毒もエネルギーを大量に消費します。

濁度の低い水中では、紫外線（UV）は嚢子を不活性化するのに非常に効果的です。濁度が増すと、浮遊物質による吸収、散乱、および影のせいで、UV 光の消毒効果は低下します。UV 照射を使用する主な欠点は、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追加する必要がある場合があります。これは、一次消毒剤として上で説明したクロラミンを追加することによって行われることがよくあります。このように使用すると、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。

発展途上国28か国で200万人以上の人々が、日常の飲料水処理に太陽光消毒を利用しています。^[13]

UVと同様に、電離放射線（X線、ガンマ線、電子線）も水の殺菌に使用されてきました。^[要出典]

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、大腸菌に対する消毒剤として、同濃度の臭素の3倍以上、同濃度のヨウ素の6倍以上の効果があります。^{[14]ヨウ素は}携帯用浄水器によく使用され、臭素はプールの消毒剤としてよく使用されます。

緊急時や遠隔地での消毒や処理には、携帯型浄水装置や浄水方法が利用できます。味、臭い、外観、微量化学物質汚染などの美観上の考慮事項は飲料水の短期的な安全性に影響を与えないため、消毒が主な目的です。

1. 水道水へのフッ化物添加：多くの地域では、虫歯予防を目的として水道水にフッ化物が添加されています。^{[15]フッ化物は通常、消毒処理後に添加されます。米国では、フッ化物添加は通常、}ヘキサフルオロケイ酸の添加によって行われ、^[16]ヘキサフルオロケイ酸は水中で分解してフッ化物イオンを生成します。^[17]
2. 水処理：これは硬水の影響を軽減する方法です。加熱を受ける水システムでは、重炭酸イオンの分解により炭酸イオンが生成され、溶液から沈殿するため、硬度塩が沈殿することがあります。硬度塩の濃度が高い水は、ソーダ灰（炭酸ナトリウム）で処理できます。これは共通イオン効果により余分な塩を沈殿させ、非常に純度の高い炭酸カルシウムを生成します。沈殿した炭酸カルシウムは、伝統的に歯磨き粉メーカーに販売されています。工業用および住宅用の水処理の他のいくつかの方法は、磁場や電場を使用して硬水の影響を軽減することを主張しています（一般的な科学的承認はありません）。^[18]
3. 鉛溶解性の低減: 導電性の低い天然の酸性水がある地域 (火成岩の山岳地の表層降雨など) では、水が鉛管に通っていると鉛を溶解する可能性があります。少量のリン酸イオンを追加し、 pH をわずかに上げると、パイプの内面に不溶性の鉛塩が生成され、鉛溶解性が大幅に低減します。
4. ラジウム除去: 一部の地下水源には、放射性化学元素であるラジウムが含まれています。典型的な水源としては、米国イリノイ州のイリノイ川の北にある多くの地下水源が挙げられます。ラジウムはイオン交換または水質調整によって除去できます。ただし、生成されるバックフラッシュまたはスラッジは低レベル放射性廃棄物です。
5. フッ化物除去: 多くの地域では水にフッ化物が添加されていますが、世界の一部の地域では、水源に過剰な天然フッ化物が含まれています。過剰レベルは有毒であったり、歯の着色など、望ましくない美容効果を引き起こしたりする可能性があります。フッ化物レベルを下げる方法は、活性アルミナと骨炭フィルター媒体で処理することです。

水を浄化するその他の一般的な方法、特に地方の民間給水用によく使われる方法を以下に挙げます。一部の国では、これらの方法のいくつかが大規模な自治体給水に使用されています。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（海面で約100℃または212℉）まで加熱することは、腸疾患の原因となるほとんどの微生物を除去できるため、最も古く効果的な方法ですが、 ^[19]化学毒素や不純物を取り除くことはできません。 ^[20]人間の健康には、耐熱性の微生物は腸に影響を与えないため、水の完全な殺菌は必要ありません。^[19]水を10分間沸騰させるという従来のアドバイスは、主に安全性を高めるためのものです。微生物は60℃（140℉）を超える温度で死滅し始めるためです。標高が高くなるにつれて沸点は下がりますが、消毒には十分ではありません。^{[19] [21]}水が「硬水」（つまり、溶解したカルシウム塩がかなり含まれている）である地域では、沸騰により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、硬水地域でケトルの部品などに蓄積される「毛」です。カルシウムを除いて、沸騰しても水よりも沸点の高い溶質は除去されず、むしろ濃度が高まります (一部の水が蒸気として失われるため)。沸騰しても水中に消毒剤が残留することはありません。そのため、沸騰させてから一定期間保管した水には、新しい病原菌が付着する可能性があります。

粒状活性炭は、高表面積の活性炭の一種です。多くの有毒化合物を含む多くの化合物を吸着します。活性炭を通過する水は、有機汚染、味、または臭いのある市街地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では、活性炭フィルターを使用して水を浄化しています。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。水が炭素ブロック内に長期間保持されると、微生物が内部で増殖し、汚れや汚染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材料であり、農薬などの有毒なハロゲン有機化合物を無毒の有機製品に分解できます。^[22]ろ過された水は、残留微生物が少量で時間の経過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。一般に、これらの家庭用フィルターは、処理された水のコップ1杯に含まれる塩素の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するため、水の細菌含有量が実際に増加する可能性があります。^[11]

蒸留では、水を沸騰させて水蒸気を生成します。蒸気は冷たい表面と接触して液体として凝縮します。溶質は通常は蒸発しないため、沸騰した溶液に残ります。蒸留しても、同様の沸点を持つ汚染物質や、蒸気とともに運ばれる蒸発していない液体の液滴があるため、水は完全に浄化されません。ただし、蒸留によって 99.9% の純水を得ることができます。

直接接触膜蒸留 (DCMD) は、加熱された海水を疎水性 ポリマー膜の表面に沿って通過させます。蒸発した水は高温側から膜の細孔を通過し、反対側に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により、水分子が通過しやすくなります。

逆浸透は、機械的な圧力をかけて水を半透膜に通す方法です。汚染物質は膜の反対側に残ります。逆浸透は理論上は最も徹底した大規模浄水方法ですが、完全な半透膜​​を作るのは困難です。膜が適切に維持されていないと、藻類やその他の生物が膜に定着する可能性があります。^[23]

二酸化炭素やその他の低分子量ガスを汚染された水と高圧低温で混合すると、発熱によりガス水和物結晶が形成される。水和物は遠心分離または沈降によって分離することができる。水は加熱によって水和物結晶から放出される。^[24]

インサイチュ化学酸化（ISCO）は、高度な酸化プロセスです。これは、対象となる汚染物質の濃度を下げるために、土壌や地下水の浄化に使用されます。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して汚染物質を破壊することによって行われます。これは、自然分解に耐性のある化合物を含む、さまざまな有機化合物の浄化に使用できます。

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。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た。^[25] 過塩素酸塩は溶解性が高く除去が難しいため、バイオレメディエーションは成功を収めてきた。^[26]デクロロモナス・アギタタ株CKB の応用例としては、メリーランド州と米国南西部で行われたフィールド研究が挙げられる。^{[26] [27] [28]}

過酸化水素（H
₂お
₂）は水を浄化できる一般的な消毒剤です。通常は化学工場で製造され、汚染された水に輸送されます。別の方法としては、金パラジウム触媒を使用してHを合成する方法があります。
₂お
₂使用場所の周囲の水素と酸素原子から生成されます。後者は市販のHよりも速く、大腸菌を^{殺す効果が10 7}倍高いことが報告されています。
₂お
₂、塩素の108倍以上^の効果があります。触媒反応は活性酸素種（ROS）も生成し、他の化合物と結合して分解します。^[29]

2007年4月、アメリカ合衆国マサチューセッツ州スペンサーの水道水は、処理装置の故障により過剰な水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）で汚染された。 ^[30]

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内の「保護」フィルムを溶解し、住宅の蛇口に鉛を浸出させます。これは、血中鉛濃度の上昇など、有害な暴露につながる可能性があります。鉛は神経毒として知られています。^[31]

蒸留により水からすべてのミネラルが除去され、逆浸透膜法やナノ濾過法ではほぼすべてのミネラルが除去される。その結果生じる脱塩水は理想的な飲料水とはみなされない。世界保健機関は1980年から脱塩水の健康への影響を調査している。^[32]ヒトでの実験では、脱塩水は利尿作用と電解質の排出を促進し、血清 カリウム濃度を低下させることが明らかになった。水中のマグネシウム、カルシウム、その他のミネラルは、栄養失調の予防に役立つ可能性がある。脱塩水は、鉛やカドミウムなどの配管からの物質の浸出をより容易にするため、有毒金属によるリスクも高める可能性があるが、カルシウムやマグネシウムなどの溶解したミネラルがこれを防ぐ。低ミネラル水は、配管からの鉛が特に高い割合で水に浸出したときに、乳児の鉛中毒の特定の症例に関係していることが示唆されている。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とされている。水の硬度が5 mmol/Lを超えると、胆石、腎臓結石、尿路結石、関節症、関節障害の発生率が高くなることが観察されている。^[33]さらに、淡水化プロセスによって細菌汚染のリスクが高まる可能性がある。^[33]

家庭用蒸留器の製造業者は、反対のことを主張している。つまり、水中のミネラルが多くの病気の原因であり、最も有益なミネラルは水ではなく食物から得られるというのだ。^{[34] [35]}

水の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、砂ろ過器に海水を流すことで海水を淡水化しようとしました。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ー・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、水媒介性病原体の将来の理解の基礎を築きました。^[36]

砂ろ過器が水道水の浄化に使用された最初の記録は1804年、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・ギブが実験的なろ過器を設置し、不要になった余剰水を一般に販売したときまで遡ります。^[37]この方法はその後20年間にわたり民間水道会社に勤め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技術者ジェームズ・シンプソンが設置した世界初の浄水処理済み公共水道に至りました。 ^[38]この設備により、その地域のすべての住民にろ過された水が供給され、その後数十年間でネットワーク設計が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、一般的になった。そして、1854年のブロード・ストリートのコレラ流行の際、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った。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だった。病気の細菌説はまだ確立されていなかったが、スノーの観察によって、彼はその支配的な説を軽視するようになった。1855年の彼のエッセイ「コレラの伝染様式について」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証明した。 ^{[39] [40]}ドット分布図と統計的証明を用いて、水源の質とコレラ症例の関係を示した。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規定」を定め、1855年12月31日からすべての水を「効果的に濾過」することを義務付けた。^[41]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の法律が制定された。この法律は、ヨーロッパ全土で同様の国家による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にテムズ川の新しい取水口が設けられた。水を圧力下で濾過システムに通す自動圧力濾過器は、1899年にイギリスで発明された。^[37]

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す。ウィリアム・ソーパーも 1879 年に腸チフス患者が排出した汚水を処理するために塩素処理した石灰を使用しました。

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」にするために塩化石灰（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]水処理プラントで水の塩素処理を実施する初期の試みは、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初めて水道水全体を塩素処理した。^[43]

恒久的な水道水の塩素処理は、1905年にイギリスのリンカーン市で、緩速ろ過装置の故障と汚染された水道水が原因で深刻な腸チフスが流行したときに始まりました。^[44]アレクサンダー・クルックシャンク・ヒューストンは、水道水の塩素処理でこの流行を食い止めました。彼の設備では、処理中の水に塩化石灰の濃縮溶液を供給しました。水道水の塩素処理は流行の阻止に役立ち、予防措置として、1911年に新しい水道が敷設されるまで塩素処理は続けられました。^[45]

米国で塩素が消毒目的で初めて継続的に使用されたのは、1908年、ニュージャージー州ジャージーシティの水源であったブーントン貯水池（ロックアウェイ川沿い）でした。^[46] 塩素処理は、0.2～0.35 ppmの濃度で塩化石灰（次亜塩素酸カルシウム）の希薄溶液を制御しながら添加することで行われました。処理プロセスはジョン・L・リールが考案し、塩素処理プラントはジョージ・ウォーレン・フラーが設計しました。^[47] その後数年間で、塩化石灰を使用した塩素消毒は、世界中の飲料水システムに急速に導入されました。^[48]

圧縮液化塩素ガスを使用した飲料水の浄化技術は、 1903 年にインド医療サービスに勤務していた英国人将校、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。彼自身の説明によると、

塩素ガスは、もし適切な使用方法が見つかれば、満足のいくものになるかもしれないと、私は思いついた。次の重要な問題は、ガスをどうやって持ち運び可能にするかということだった。これは、2つの方法で実現できるだろう。1つは、ガスを液化して、非常に細い毛細管の噴出口と蛇口またはねじ蓋を備えた鉛で裏打ちされた鉄容器に貯蔵することである。蛇口をひねり、シリンダーを必要な量の水の中に入れます。塩素が泡立ち、10～15分で水は完全に安全になります。この方法は、給水カートなど、大規模に使用できるだろう。^[49]

陸軍医学校の化学教授で、カール・ロジャース・ダーナル少佐は、1910年にこれを初めて実用的に実証しました。その後まもなく、陸軍医療部のウィリアム・J・L・リストル少佐は、リネンの袋に次亜塩素酸カルシウム溶液を入れて水を処理しました。何十年もの間、リストルの方法は、よく知られているリストルバッグ（リスターバッグとも綴る）の形で実施され、野外やキャンプでの米陸軍の標準であり続けました。このバッグはキャンバス地で作られており、36ガロンの水を保持できました。それは多孔質で、ロープで支えられており、次亜塩素酸カルシウム溶液の助けを借りて水を浄化しました。各バッグには蛇口が付いており、テストのために水を流したり、使用時に水を分配したりするために使用されました。これが、今日の自治体の浄水システムの基礎となりました。 [ ^50]

2007年の世界保健機関（WHO）の報告によると、11億人が改善された飲料水供給にアクセスできず、年間40億件の下痢性疾患の88％が安全でない水と不十分な衛生状態に起因し、毎年180万人が下痢性疾患で亡くなっています。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ます。^[51]家庭で塩素処理、フィルター、太陽光消毒などの水処理技術と、安全な容器に水を保管する技術は、毎年膨大な数の命を救うことができます。^[52]水媒介疾患による死亡を減らすことは、発展途上国における主要な公衆衛生目標です。

世界の浄水市場は220億ドルの規模です。^[53]インドでは家庭用浄水器や浄水器が一般的です。^[54]

• アメリカ水道協会
• 「水道水：知っておくべきこと」 – 米国の飲料水に関する消費者ガイド（EPA）
• 飲料水の緊急消毒 – キャンプ、ハイキング、旅行 (CDC)
• 連邦規則集、タイトル 40、パート 141 2009 年 2 月 8 日にWayback Machineにアーカイブ– 米国国家一次飲料水規制