水道水を消毒する方法

水道水を消毒するにはどうすればいいですか？

人間は本能的に汚れた水を飲むことを拒否します。しかし近代以前、人間は自分の視覚、嗅覚、味覚でしか「汚れ」を判断できず、濁った水や臭い水は汚れていると信じていました。これらの原始的な認識は、現代の水処理における重要な水処理ユニットとしての濾過の広範な適用にも直接つながりました。

産業革命後、都市人口の急速な増加と世界貿易の発展により、ヨーロッパではコレラ、腸チフス、赤腸などのさまざまな感染症が頻繁に流行するようになりました。かつて、これらの感染症は「瘴気」を介して人々に伝染すると考えられていました。ジョン・スノー博士がロンドンの地域社会でコレラ病を観察、分析し、病気の蔓延が患者が汚染した同じ井戸水を飲むことに関係していることを発見したのは 1854 年のことでした。安全でない飲料水と水中の病原性微生物との関連性が確認されたのは初めてのことだった。その後 30 年ほどで、科学者たちは顕微鏡観察と細菌培養法の助けを借りて、コレラの原因となるコレラ菌や腸チフスの原因となるチフス菌などの細菌性病原体も発見しました。細菌よりも小さいウイルスの発見は少し遅れて行われました。

ろ過の推進と適用により、水中の病原性微生物のリスクが大幅に減少し、水系感染症の蔓延の範囲と範囲が減少しました。これは、濾過によって水中の濁りや粒子状物質が除去されると同時に、水中の病原性微生物の大部分が除去されるためです。しかし、科学者たちはすでに 20 世紀初頭に、「凝集→凝集→沈降→ろ過」からなる水処理プロセスによっても、濁度を非常に低いレベルまで下げることができることを発見しました（たとえば、<0.3 NTU), it is still not enough to completely eliminate the risk of pathogenic microorganisms in the water. This requires disinfection of the filtered water, that is, inactivation of residual microorganisms, and maintaining a certain concentration of disinfectant residue in the pipe network water. In other words, filtration and disinfection are the dual cores of surface water source drinking water treatment technology, and both are indispensable.

1902 年にベルギーのミッデルケルケ市の水道施設の原水の消毒に次亜塩素酸カルシウムが初めて使用されて以来、塩素は世界で最も広く使用されている飲料水消毒剤です。最初は固体の次亜塩素酸カルシウムが使用され、次に液体塩素が使用され、現在ではさらに多くの次亜塩素酸ナトリウム溶液が使用されています。これらの消毒剤は、水中に次亜塩素酸分子 (HClO) または次亜塩素酸イオン (ClO-) の形で存在するため、遊離塩素または遊離塩素と総称されます。塩素消毒剤の利点は、製造、保管、輸送、追加が容易で、使用コストが低く、特にウイルス性病原体に対して広範囲の消毒効果があることです。

塩素消毒の欠点は、水中に一般的に存在する天然有機物 (NOM) と容易に反応して、トリハロメタンやハロ酢酸などの消毒副産物が生成されることです。また、飲料水中の塩素やクロラミンの濃度が高すぎると、接触すると目や鼻を刺激したり、飲用時に胃の不快感や貧血を引き起こすことがあります。さらに、遊離塩素は水中のアンモニアと容易に反応して、結合塩素としても知られるクロラミンを形成し、水に塩素や消毒剤のような不快な臭いを与え、飲料水の味に影響を与える可能性があります。そのため、世界各国では工場水の残留塩素濃度の制限を設けています。私の国では、遊離塩素濃度は 2 mg/L を超えてはならず、遊離塩素と結合塩素の合計濃度は 3 mg/L を超えてはならないと規定しています。米国連邦全国飲料水規制 (NPDWR) は、飲料水中の遊離塩素および総塩素の最大濃度が 4 mg/L を超えてはならないと規定しています。世界保健機関（WHO）は、健康上の観点から、飲料水中の遊離塩素濃度は5mg/Lを超えないよう、クロラミンの主成分であるモノクロラミンの濃度は3mg/Lを超えないよう推奨しています。塩素とクロラミンはどちらも揮発性であるため、飲む前に水道水を沸騰させると、飲料水の塩素味を大幅に減らすことができます。活性炭フィルターカラムを使用して塩素とクロラミンの分解を促進することも良い選択です。

消毒副産物の生成を制御するために、一部の水処理場では塩素消毒剤の投与量を減らす場合があります。消毒の観点から、これはあまり推奨されない行為です。水生植物の場合、消毒剤と水との実際の接触時間（T値）は基本的に一定の値です。消毒薬の使用量を減らすと確実に消毒薬残留量（C値）が低下するため、CT値も確実に低下し、病原微生物の不活化効果が弱まります。

微生物の種類が異なれば、遊離塩素に対する耐性も大きく異なります (図 2)。一般的な水病原菌の中でも、クリプトスポリジウムは極めて耐塩素性の高い微生物です。通常の水温および pH 条件下で 99% 不活化 (つまり 2 log) に必要な CT 値は、数千 mg/L‧min にもなります。言い換えれば、消毒接触時間が 60 分であると仮定すると、必要な遊離塩素残留量は数百 mg/L と高く、これは通常の水の遊離塩素残留量 (約 1 mg/L) の数百倍です。植物。これは明らかに非現実的です。細菌性病原体の中で、塩素耐性微生物にはマイコバクテリアやレジオネラ菌の特定の種が含まれ、99% 不活化に必要な CT 値 (つまり 2 log) は 100 ～ 1000 mg/L‧min 程度です。比較すると、ほとんどの種類のウイルスは遊離塩素に対して非常に耐性があり、不活化に必要な遊離塩素 CT 値は容易に達成されます。

特定の種類の微生物を不活化するために使用される消毒剤は異なり、必要なCT値も大きく異なります（図2）。これは、消毒剤の酸化力や細胞膜透過性などの消毒機構と密接に関係しています。遊離塩素はアデノウイルスを簡単に不活化できますが、クロラミンはより困難です。遊離塩素はランブル鞭毛虫をある程度不活化できますが、クロラミンにはほとんど効果がありません。したがって、水生植物は、主な消毒剤および消毒方法としてクロラミンの使用を避けるように努めるべきです。たとえクロラミン消毒の接触時間が数時間に延長されたとしても、ランブル鞭毛虫、マイコバクテリア、レジオネラ菌の効果的な不活化を保証することは困難です。原水に高濃度（mg/Lレベル）のアンモニアが含まれている場合、アンモニアは遊離塩素と反応してクロラミンを生成しやすいため、遊離塩素消毒ではなくクロラミン消毒となり、消毒効果を保証することが困難になります。また、前述したように、ジクロロアンモニアやトリクロロアンモニアが発生すると、水の「塩素味」が著しく増加します。この場合、消毒する前にアンモニアを除去するか、他の高効率の消毒方法を使用する必要があります。アンモニア濃度が低い場合は、ブレークポイント塩素化もオプションです。

オゾン (O3) は、ほとんどの病原性微生物に対して優れた消毒効果と不活化効果があり、99% の不活化率に必要な CT 値は一般に 10 mg/L‧min 未満です。紫外線 (UV) は、クリプトスポリジウムとランブル鞭毛虫 (「2 つの虫」) に対して優れた消毒および不活化効果があります。したがって、原水中にレジオネラ菌やその他の耐塩素性微生物という「二匹の虫」が高濃度で含まれている場合には、濾過水（ろ過水など）の濁度をさらに下げる必要があります。<0.1 NTU), and on the other hand, ozone or ultraviolet light can be used as a disinfection method in combination with chlorine or chloramines in the water plant. Since neither ultraviolet light nor ozone can maintain the continuous disinfection effect of the pipeline network, the water outlet should contain a certain concentration of free chlorine or chloramine before entering the pipeline network to meet the requirements of the "National Standard" to maintain continuous disinfection of the pipeline network water and ensure the microbial safety of the water at the end of the pipeline network. The advantage of chloramine is that it is stable and not easy to decay, and the residual chlorine concentration is easy to maintain; the disadvantage is that the disinfection ability is weaker than that of free chlorine, and if it is not properly operated, it is easy to cause nitrification reaction, generate nitrite, and consume residual chlorine. According to the treatment capacity, more than 30% of surface water plants in my country have adopted ozone-activated carbon deep treatment process, with pre-ozone and main ozone contact tanks. Although its main function is to enhance the removal of organic matter, ammonia nitrogen and odor substances, it actually plays a role in enhancing disinfection. However, due to the strong reaction ability of ozone, the concentration in the ozone contact tank decays quickly, and its actual disinfection effect depends on the water quality, especially the organic matter concentration and pH.

Whether chlorine, ozone or ultraviolet disinfection is used, the design of the disinfection tank/device is crucial, and the effective contact time of the disinfectant in it (i.e., T in the CT value) needs to be increased. Since there are generally short-flow, dead zone and diffusion phenomena in the disinfection tank/device, it is not an ideal plug flow reactor, and the effective contact time between the disinfectant and water must be shorter than the hydraulic retention time (HRT). Setting a partition wall (baffle) in the disinfection tank/device to increase the aspect ratio, setting a flower wall at the entrance, and setting a diversion wall at the bend can effectively increase the effective contact time. Strictly speaking, it is to increase the ratio of effective contact time to hydraulic retention time (to 0.8 or above) (Figure 3). Increasing the effective contact time of the disinfectant is particularly important for ultra-efficient inactivation of microorganisms (such as >99.99%、つまり 4 log)。しかし、工学においては、病原性微生物のリスクを排除するために消毒のみに依存することは、経済的に実現不可能であり、信頼性もありません。 「凝集→凝集→沈殿→濾過→消毒」という多段階のバリアプロセスによる水処理は、より科学的かつ経済的です。従来のプロセスで濁度や微生物濃度を低減し、その後の消毒ユニットで残留微生物を効果的に不活化し、配管内を浄化します。ネットワークやその他の配水システムは、微生物の増殖や繁殖を防ぐために一定濃度の残留塩素を維持します。パイプネットワークの末端の水の微生物の安全性を確保するために、パイプネットワークの末端の水の残留塩素が 0.2 mg/L 以上であることが推奨されます。 。

残留塩素とは、水を塩素で消毒し、一定時間接触させた後に水中に残る有効塩素のことです。浄水場の水は、数千世帯に届けられる前に、長い配水網を通過する必要があります。輸送の過程で、水質はバクテリアやその他の微生物によって必然的に汚染されます。長距離のパイプライン輸送では、水道水の微生物の安全性を継続的に確保するために、工場を出るときに水道水には一定量の残留塩素が含まれている必要があります（大量の塩素を摂取すると、一定の毒性が生じます）水道水中の残留塩素は人体に悪影響を与えるため、厳密に管理する必要があります。