京都大学大学院工学研究科伊 藤 禎 彦

浄水処理装置・施設に関する課題とニーズ

「多様な社会・技術に適応した浄水システムに関する研究(A-Dreams)」第１研究委員会

「将来を見据えたスマートな浄水システムに関する研究」話題提供

公益財団法人水道技術研究センター2018年12月14日

話 題

極小規模浄水処理装置

長寿命化と短命化

水質基準の緩和措置または柔軟な運用と浄水処理装置

水道料金の上昇と浄水処理装置

配水管内環境に対しても責任をもった浄水処理プロセス

極小規模浄水処理装置

兵庫県 新温泉町

給水人口 10人程度

精密ろ過膜(MF), 50 m3/日

例

●極小規模膜ろ過装置～１m3/日～

●急速ろ過装置●緩速ろ過装置

長寿命化と短命化

文献：宇都正哲ら編：人口減少下のインフラ整備，東京大学出版社，2013.

人口減少社会におけるインフラ整備の考え方

長寿命化、恒久化といった固い（長期利用可能な）整備

柔らかい（需要変動、不確実性へ対応可能な）整備へ

例：インフラをモジュール化することによって、寿命そのものを短命化（もしくは長寿命化と短命化の組み合わせ）を図り、需要の変化に対応可能とする

水源と浅井戸

5 m

浜松市K宅個人水道

簡易ろ過装置貯水タンクポンプ収納庫

J-Step 共同研究

簡易ろ過装置

11

ろ速 5～6 m/日

日本水道協会：「水道施設設計指針」、「水道維持管理指針」へ？

人口減少社会、水需要減少社会

に望まれる技術の開発・整備を！

例

10年間だけもつ膜ろ過装置はできないか？

薬品洗浄なし

水質基準の緩和措置または柔軟な運用と浄水処理装置

❊水質基準 51項目❊水質管理目標設定項目 26項目（農薬118項目）❊要検討項目 47項目

✔︎項 目✔︎濃 度

✔︎検査頻度（毎日、毎月、年4回、年１回、３年に１回）✔︎採水地点および地点数✔︎検査方法（公定検査法）

厚生科学審議会, 2003. 水質基準の見直し等について（答申）.

水質基準体系

要 件

案のいくつか・・・

☞検査頻度の緩和

☞検査検体数の低減検体を集約した混合検体の検査も可とする（米国：5事業体までの集約を認めている）

☞水質判定の緩和測定数の90％が基準値を超えなければよい、など

文献：・National Research Council著、浅野孝、眞柄泰基監訳、財団法人水道技術研究センター訳. 1999. 安全な水道水の供給 小規模水道の改善. 技報堂出版. 222p.・竹中勝信：諸外国における小規模水道事業の現状と課題ーアメリカ合衆国ー、水道、Vol.56, No.1, 2011; Vol.56, No.2, 2011; Vol.56, No.3, 2011; Vol.56, No.4, 2011; Vol.56, No.5, 2011; Vol.56, No.6, 2011; Vol.57, No.2, 2012; Vol.57, No.3, 2012.

代替案：基本：水の衛生状態（微生物的安全性）を優先させる

☞水源の再選定

沢水 ➜ 地下水 など

☞指定または承認された浄水処理プロセスの導入

原水の種類や特性に対応させたもの

文献：国立保健医療科学院, 2012. WHO飲料水水質ガイドライン第４版（日本語版）. 国立保健医療科学院, 埼玉.

現状の例

濁度除去率

９８ ％

７１ ％

０ ％

水道料金の上昇と浄水処理装置

20

水道事業体の立場

「水道料金の値上げは、アセットマネジメントに基づいた将来必要なものなので、どうかわかってくださいm(_)mm(_)m」

情報公開やコミュニケーションにも「手法」や「技術」がある

説得的コミュニケーション・・・・△☓

「支払意志額」に関する因果モデル（作業仮説）

支払意志額

現在の料金レベルに対する評価

水道事業の将来経営に関する認識

価値評価

水道水質に関する満足度

教育評価

情報評価

水道事業に対する信頼度

現状の水道サービスに対する評価

水道料金に対する支払意志額を増大させるためのコミュニケーション手法に関する研究

期待できる成果

「支払意志額」を増大させるために必要な事項について、半定量的な議論が可能となる

✔因子の特定：支払意志額を増大させるためにはどのボタンを押すのが効果的か

✔因子間の重要度の比較：因子Aの方が因子Bよりも２倍程度重要、など

教育施設、公営住宅、公共施設が閉鎖され、ごみ

などが不法投棄され、鳥虫害が顕在化する状況

公営住宅で怪我をしそうなくらいに安全性や快適性

が低下

公共施設が廃止され利便性が低下した場合

水道料金が現状から著しく上昇した場合

バス、鉄道などの公共交通機関が廃止された場合

橋が落ちそうになったり、舗装が荒れてでこぼこに

なったり、路上に障害物が放置されている状況

災害関連施設の管理が不十分なために、災害発

生可能性が高まる場合

恐らく引越をすると思う わからない 恐らく引越をしないと思う

社会資本管理水準の低下状況と引越意向の関係性（抜粋）

出典：宇都正哲ら編：人口減少下のインフラ整備，東京大学出版社，2013.

水道施設を含めた社会インフラのサービス水準

必要な議論

市民負担の許容範囲

●米国ワシントン州✔水道料金が適切かどうかの基準：地域における家計所得中央値の1.5％✔この水準を超えた場合には、水道事業者はさらなる対策を立てなければならないとされた

●米国カリフォルニア州✔家計所得中央値の1.5%、もしくは2%（当該地域の所得が周辺地域よりも高い場合）✔集中型の浄水処理に代わって、使用場所設置型浄水装置（POU; point of use）や建物入口設置型浄水装置（POE;

point of entry）の導入を検討する際の判断基準の一つ

料金水準の許容範囲例

参考：日本は現在平均 0.8%

配水管内環境に対しても責任をもった浄水処理プロセス

水需要量の減少

管内流速の低下、滞留域発生

残留塩素濃度低下等の水質劣化を引き起こす

背景１：人口減少と水需要減少

背景２：配水管の低更新率と老朽化

懸濁物質管理・制御のための考え方の整理

第１段階：浄水処理における制御

第２段階：管網における水理条件の管理・制御

第３段階：洗 管

Dick van der Kooij, Paul W.J.J. van der Wielen eds.; Microbial Growth in Drinking-Water Supplies, 453p., IWA Publishing, London, UK, 2014.

配水管内環境のメンテナンス技術とその高度化

配水系へ流入する微粒子等重量の推定例

浄水濁度

浄水中微粒子濃度

(mg/m3)

平均浄水量（万

m3/day）

配水系流入重量(kg/day)

A浄水場 0.004 5.1 47 2.4

B浄水場 0.032 18 113 20

A Plant

B Plant

Coagulation and

SedimentationOzonation

Activated carbon

adsorptionCoagulation

Rapid sand

filtrationChlorination

Coagulationand

Sedimentation

Rapid sand

filtrationOzonation

Activated carbon

adsorptionChlorination

第１段階：浄水処理における制御

配水系へ流入する固相量に対する浄水処理方法の影響について

急速砂ろ過 膜ろ過

浄水濁度0.1度達成

OK OK どちらでも良い ??

微粒子数から、配水系へ流入する固相量(kg/日)を定量化

提案

従来処理水UF処理水

0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

Part

icle

vo

lum

e [

pp

b]

100

80

60

40

20

0

Particle volumes of drinking water and UF-water during two

representative days in the first measuring period (March-April 2006)

処理プロセスから流出する粒子数

従来処理水を配水UF処理水を配水

水道水の着色リスク推定結果

Time

RP

M [

-]16

12

8

4

0

UF処理水を配水した場合、着色リスクが同程度になる時間は５～１０倍遅らせることができる(J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands,2007.)

●膜ろ過は、配水管網を清浄に保つのにも大きく寄与

B Plant

Coagulationand

Sedimentation

Rapid sand

filtrationOzonation

Activated carbon

adsorptionChlorination

Coagulationand

Sedimentation

Rapid sand

filtrationOzonation

Activated carbon

adsorption Chlorination

後ろ過処理の効果

浄水濁度配水系流入重量(kg/day)

現行プロセス 0.032 20

後ろ過処理後 0.020 14

３０％減

ニーズ：送配水系に流入するkg/日を低減できる浄水処理

急速砂ろ過プロセス内

MFやUF

例：急速砂ろ過よりも１オーダー程度だけ濁度/微粒子除去能が優れた膜ろ過装置はできないか？

●高塩基度PACの使用●二段凝集●高分子凝集剤の使用： ： ：

急速砂ろ過ろ過砂層間隙

（以前存在したMF膜）

MF膜

UF膜

100 μmオーダー

10 μm程度

2 μm1 μm

0.2 μm

0.1 μm

0.01 μm

大孔径膜(LP膜)

セラミック膜基盤

1日に1回、0.4 m/秒以上の流速が出現するように配水管網を設計

配水管自体にセルフクリーニングの機能を持たせる。

管網内での粒子の蓄積を防ぐ。

配水管網の設計セルフクリーニング(自己洗浄)の考え方導入

セルフクリーニング機能を有する管網の設計ガイドライン作成（1999年）

第２段階：管網における水理条件の管理・制御

オランダの取り組み例

J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands, Chapter 3, pp. 35-62, Chapter 4, pp. 63-88, Chapter 5, pp. 89-112, 2007.

新設された高流速配水管網の例 (オランダ)

●管径 小●枝状管網

まとめ

震災時バックアップ機能消火用水確保機能

消火用水確保に関する命題：「消火用水は、いつまで水道システムに依存

できるのか？」

自己洗浄機能

定性的にはトレードオフ関係両者の機能を両立させる管網

を形成することは可能

松岡秀明ら：小規模配水区域における消火栓同時使用栓数の検討、平成27年度全国会議（水道研究発表会）講演集、pp.86-87、2015.

高田浩太郎ら：灘高層配水地区における縮径を伴う小ブロック化、平成27年度全国会議（水道研究発表会）講演集、pp.88-89、2015.

第３段階： 洗 管

洗管の３レベル

1. 放 水

⒜滞留水の排出、残留塩素の確保が目的

⒝目標流速0.4 m/s程度。堆積物等の排出を目的。

2. フラッシング洗浄

流速1.5 m/s, 管容積×3倍の水量で洗浄効果を得る

3. 擦りとる方法

✔︎ ピグ洗浄

✔︎ 回転ブラシ付高圧ジェット洗浄

✔︎ アイスピグ洗浄

・・

「排流装置」仙台市 野尻浄水場配水区域

放水例

放水による洗管例

大阪府内 2016年9月

兵庫県内 2016年11月

Flush time [h:mm]

Tu

rbid

ity (

FT

U)

400

300

200

100

0

Turbidity measurements at the flushing point of a 300 mm AC pipe, length3600 m, volume flow 680 m3/h (1,5 m/s). Horizontal axis is the time elapsed after the start of the experiment.

フラッシング洗浄

J. Vreeburg: Discolouration in drinking water systems: a particular approach, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands, Chapter 5, pp. 89-112 (2007)

通過確認用ボール

洗管用ボール

ピグ洗浄例（茨城県結城市 2008.5）

水道管路直接診断 文献： 水道技術研究センター；持続可能な水道サービスのための管路技術に関する研究(e-Pipeプロジェクト)報告書,2011.

必要検討事項

1. 浄水中微粒子濃度の定量（および推定）

浄水場から送配水系へ流入する固相量の定量化

（単位：kg/日）

2. 配水管内蓄積量の実測（単位：g/m2）神戸市内配水区域におけるフィールド調査

3．洗管時の除去率定量通水試験管路を利用

4. 配水管テストピースを用いた微粒子等の付着実験

初期付着ー定常ー脱離過程の把握とモデル化

主要パラメータ：流速

管内環境形成のモデル化と制御性研究例

蓄積量分布推定結果神戸市 住吉中層 配水区域

45

■ 0.00

■ 0.00-0.25

■ 0.25-0.50

■ 0.50-1.00

■ 1.00-

推定蓄積量(g/m2)

配水期間：２０年間

流入懸濁物質のうち2.5%が管内に蓄積

総蓄積量:9.90 kg

単位面積あたりの蓄積量: 0.55 g/m2

配水池

配水管内環境の管理・制御に関する３段階の考え方に基づくシナリオの設定

46

第一段階：浄水シナリオ

配水管網内に流入する懸濁物質量の低減による蓄積物の制御

浄水シナリオ1 浄水中SS濃度 50%減

浄水シナリオ2 ； 20%減

管路の縮径による管内流速増加で蓄積物を制御

縮径シナリオ1 全管路それぞれ一規格縮径

縮径シナリオ2 100→75 120,150→100

縮径シナリオ3 120,150→100

第二段階：縮径シナリオ単位:mm

47

第三段階：洗管シナリオ 定期的な洗管による蓄積量の制御

・配水管網を10区画に分割

・１０年後以降、1年間の計算終了ごとに最も平均蓄積量の大きい区画を選択除去率60%※の放水洗管を実施

※橋本雄二：京都大学修士論文,2018

シナリオ間の比較

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

単位内面積当り蓄積量

(g/m

2)

浄水レベルを上げれば(浄水シナリオ１)、縮径シナリオ1に匹敵する効果あり

洗管を行えば、縮径シナリオ２, ３と同等程度の効果あり

H市 K飲料水供給施設

浄水施設

低区配水池

高区配水池

配水期間20年

給水戸数 ２６戸、居住人数 ５０人

浄水SS 13 μg/L

総蓄積量 81 g

小規模水道への適用 (厚生労働科学研究)

A飲料水供給施設

蓄積量分布の推定結果

N飲料水供給施設給水戸数 ８戸居住人数 ２５人

給水戸数 ４戸居住人数 １０人

配水池

配水池

配水期間20年

浄水SS 460 μg/L

総蓄積量 604 g

配水管内環境の管理・制御に関する３段階の考え方に基づくシナリオの設定

K飲料水供給施設 A飲料水供給施設

第一段階浄水

シナリオ

（現有施設の濁度除去率が高い(97.7%)ので新たに設定せず）

浄水１： 除去率９０％導入浄水２： 除去率６０％導入

第二段階縮径

シナリオ

縮径前mm 20 25 30 40 50縮径前mm

25 30 40 50

縮径後mm 13 20 25 30 40縮径後mm

20 25 30 40

第三段階洗管

シナリオ

２０年間のうち、１０年後と１５年後に洗管実施。配水区域を２分割し、蓄積量(g/m2)が多い区域を優先。設定除去率６０％。

K飲料水供給施設 A飲料水供給施設

シナリオ間の比較

平均

蓄積

量(g

/m2)

ベースケース

縮径 洗管

平均

蓄積

量(g

/m2)

ベースケース

縮径 洗管浄水1 浄水2

人口減少社会へ向けたトータルソリューションの導出が最終目標

浄水処理

配水管内環境

飲料水質

原水水質

総 括

岸本如水，樽井滉生，北田純悟，中西智宏，浅田安廣，小坂浩司，伊藤禎彦：配水管網における管内環境の形成過程とその制御性、平成30年度全国会議（水道研究発表会）講演集,

pp.410-411, 2018.

福岡早紀，伊藤禎彦，岸本如水：飲料水供給施設における配水管内環境の評価と制御、平成30年度全国会議（水道研究発表会）講演集, pp.412-413, 2018.

和田昌寛、山田武史、平山修久、伊藤禎彦: 管路再構築における管路の自己洗浄性と耐震性の

機能確保に関する検討,土木学会論文集G（環境）（環境システム研究論文集）,70(7),Ⅱ_309-

Ⅱ_317, 2014.

山田武史、和田昌寛、平山修久、伊藤禎彦：災害レジリエンス曲線による配水管網の消火機能評

価手法の構築、土木学会論文集G（環境）（環境工学研究論文集第51巻）,70(7),Ⅲ_111-Ⅲ_118,

2014.

平山修久、山田武史、越後信哉、伊藤禎彦：人口減少社会における配水管網の再構成のあり方

に関する検討, 土木学会論文集G(環境)（環境工学研究論文集第53巻）,72, 7, Ⅲ_467-Ⅲ_474,

2016.

参考文献

●配水管網における水理条件と管網再構成

●配水管内環境の形成過程と制御性