この記事は、ヘスパンホールとヘルマーが章で提供した傾向と発生に関する議論に基づいて、水質汚染の制御にアプローチするために現在利用可能な技術を読者に理解してもらうことを目的としています。 環境健康被害。 次のセクションでは、最初に「地表水汚染管理」という見出しの下で、次に「地下水汚染管理」という見出しの下で、水質汚染問題の管理について説明します。

地表水汚染防止

水質汚染の定義

水質汚濁とは、流域などの特定の地域の水文学的水域における不純物または汚れの質的状態を指します。 それは、特に人間の健康と環境への影響に関連して、地球の水の有用性を低下させる出来事またはプロセスに起因します。 汚染プロセスは、汚染による純度の損失を強調しており、これはさらに、外部ソースによる侵入または接触が原因であることを意味します。 汚染されたという用語は、最初の腐敗や腐敗のように、非常に低いレベルの水質汚染に適用されます。 汚れは汚染の結果であり、違反または冒涜を示唆しています。

水文学的水域

地球の天然水は、図 1 に示すように連続的に循環するシステムと見なすことができます。図 XNUMX は、地表水と地下水を含む水循環における水を図式的に示しています。

図 1. 水循環

水質の目安として、蒸留水（H₂O) は最高の純度を表します。 水循環の水は自然と見なされるかもしれませんが、純粋ではありません。 それらは、自然と人間の活動の両方から汚染されます。 自然劣化の影響は、動物相、植物相、火山の噴火、火事の原因となる落雷など、無数の原因から生じる可能性があり、長期的には、科学的な目的で一般的なバックグラウンド レベルであると考えられています。

人為的な汚染は、さまざまな発生源から排出される廃棄物を重ね合わせることで、自然のバランスを崩します。 汚染物質は、水循環の水域にいつでも導入される可能性があります。 例: 大気中の降水 (降雨) は、大気汚染物質によって汚染される可能性があります。 地表水は流域からの流出プロセスで汚染される可能性があります。 下水は小川や川に排出されることがあります。 地下水は、浸透と地下汚染によって汚染される可能性があります。

 

 

図 2 に水文水の分布を示します。 汚染はこれらの水域に重なるため、不自然またはバランスの取れていない環境条件と見なされる可能性があります。 汚染のプロ​​セスは、水循環のどの部分の水域でも発生する可能性があり、流域から小川や河川への流出という形で地球表面上でより明白になります。 しかし、地下水汚染も環境に大きな影響を与えており、地表水汚染のセクションに続いて議論されています。

図 2. 降水量の分布

流域の水質汚染源

流域は地表水汚染の発生源です。 流域とは、水文学的な水が落下、蓄積、使用、廃棄され、最終的に小川、河川、またはその他の水域に放出される地表の領域として定義されます。 それは、小川または川での最終的な流出または収集を伴う排水システムで構成されています。 大きな河川流域は通常流域と呼ばれます。 図 3 は、地域流域の水循環を表したものです。 ある地域の場合、さまざまな水の性質は単純な方程式として書くことができます。これは、Viessman、Lewis、および Knapp (1989) によって書かれた水文学の基本方程式です。 典型的な単位は mm/年です:

P-R-G-E-T = ±S

ここで、

P = 降水量 (つまり、降雨、降雪、雹)

R = 流出または集水域の表面流

G = 地下水

E =蒸発

T = 蒸散

S = 表面貯蔵

図 3. 地域の水循環

降水は、上記の水文収支の開始形態と見なされます。 ランオフという用語は、ストリーム フローと同義です。 貯蔵とは、水を集めるための貯水池または貯留システムを指します。 たとえば、川にある人造のダム (弾幕) は、水を貯めるための貯水池を作ります。 地下水は貯蔵システムとして集まり、ある場所から別の場所に流れることがあります。 それは、地表の流れに関連して流入または流出する可能性があります。 蒸発は水面現象であり、蒸散は生物相からの伝達に関連しています。

 

 

 

 

 

 

 

流域の規模は大きく異なる可能性がありますが、水質汚濁指定の特定の排水システムは、特徴的に都市または非都市 (農業、農村、未開発) に分類されます。 これらの排水システム内で発生する汚染は、次の原因から発生します。

点源: 廃棄物は、下水道管やある種の集中システムの排出口など、特定の場所で受入水域に排出されます。

非点 (分散) ソース: 流域内の分散した発生源から受け入れ水域に入る汚染; 収集されていない降雨流出水が小川に排水されるのが典型的です。 非点源は、「拡散」水域と呼ばれることもあります。 ただし、分散という用語は、より説明的なものと見なされます。

断続的なソース: 過負荷状態など、特定の状況下で放電するポイントまたはソースから; 大雨の流出期間中の複合下水道オーバーフローは典型的です。

小川や河川の水質汚染物質

上記の発生源からの有害廃棄物が小川または他の水域に排出されると、前のセクションで分類および説明された汚染物質になります。 水域に入る汚染物質または汚染物質は、さらに次のように分類できます。

• 分解性（非保存的）汚染物質: 最終的に無害な物質に分解する不純物、または処理方法によって除去できる不純物。 つまり、特定の有機物質と化学物質、家庭の下水、熱、植物の栄養素、ほとんどのバクテリアとウイルス、特定の堆積物
• 非分解性 (保守的な) 汚染物質：水環境に残留し、希釈または処理により除去しない限り濃度が下がらない不純物。 つまり、特定の有機および無機化学物質、塩、コロイド懸濁液
• 有害な水系汚染物質: 有毒な微量金属、特定の無機および有機化合物を含む複雑な形態の有害廃棄物
• 放射性核種汚染物質: 放射線源にさらされた材料。

 

水質汚濁規制

広く適用される水質汚濁防止規則は、一般に、州、州、市町村、水域、保全地区、衛生委員会などによるより詳細な規則とともに、国の政府機関によって公布されます。 国および州 (または県) レベルでは、通常、環境保護機関 (EPA) および保健省がこの責任を負っています。 以下の規制の説明では、フォーマットと特定の部分は、米国オハイオ州に現在適用されている水質基準の例に従っています。

水質用途指定

水質汚染の管理における最終的な目標は、水域への汚染物質の排出をゼロにすることです。 ただし、この目的を完全に達成することは、通常、費用対効果が高くありません。 好ましいアプローチは、人間の健康と環境を合理的に保護するために、廃棄物処理の排出量に制限を設けることです。 これらの基準は管轄区域によって大きく異なる場合がありますが、以下で簡単に説明するように、特定の水域の使用指定が一般的に基礎となっています。

給水には次のものが含まれます。

• 公共水道: 従来の処理で人間の消費に適した水
• 農業供給: 無処理で灌漑や家畜の水やりに適した水
• 産業/商業供給: 処理の有無にかかわらず、産業および商業用途に適した水。

 

レクリエーション活動には以下が含まれます：

• 入浴水: 特定の季節に水泳に適した水域であり、水質と保護条件および施設が承認されている水域
• 一次連絡先: 特定の季節に水泳、カヌー、水中ダイビングなどの全身接触レクリエーションに適しており、水質による公衆衛生への脅威が最小限に抑えられている水域
• 二次連絡先: 特定の季節に、水質による公衆衛生への脅威が最小限に抑えられた水遊びなどの部分的な身体接触のレクリエーションに適している水域。

 

公共の水資源は、公園システム、湿地、野生動物の生息地、自然、風光明媚な川、レクリエーション用の川、公営の湖、およびレクリエーションや生態学的に非常に重要な水域内にある水域に分類されます。

水生生物の生息地

典型的な指定は気候によって異なりますが、特定の水生生物、特にさまざまな種の魚をサポートおよび維持するための水域の条件に関連しています。 たとえば、オハイオ州環境保護庁 (EPA) の規制で細分化されている温暖な気候での使用指定は、詳細な説明なしで以下にリストされています。

• 温水
• 限られた温水
• 並外れた温水
• 修正温水
• 旬のサケ科
• 冷水
• 限られた資源の水。

 

水質汚濁防止基準

自然の水と廃水は、物理的、化学的、生物学的組成によって特徴付けられます。 Metcalf と Eddy (1991) の教科書には、廃水の主な物理的性質と化学的および生物学的成分とその発生源が長いリストで報告されています。 これらの決定のための分析方法は、広く使用されているマニュアルに記載されています。 水および廃水の検査のための標準的な方法 米国公衆衛生協会（1995）による。

指定された各水域は、以下で簡単に説明するように、基本的な数値基準とより詳細な数値基準の両方で構成される規制に従って管理する必要があります。

汚染からの基本的な自由。 実用的かつ可能な範囲で、すべての水域は「汚染からの XNUMX つの自由」の基本的な基準を達成する必要があります。

1. 人間の活動の結果として水域に入り、沈降して腐敗またはその他の好ましくないスラッジ堆積物を形成するか、または水生生物に悪影響を与える懸濁物質またはその他の物質がないこと
2. 人間の活動の結果として水域に浮遊する破片、油、スカム、およびその他の浮遊物が見苦しくなったり劣化を引き起こしたりするのに十分な量がないこと
3. 人間の活動の結果として水に入る物質がなく、色、臭い、または迷惑を引き起こす程度のその他の状態を生成する
4. 人間の活動の結果として、人間、動物、または水生生物に有毒または有害な濃度で、および/または混合ゾーンで急速に致命的な濃度で水に入る物質がないこと
5. 人間の活動の結果として、水生雑草や藻類の迷惑な成長を引き起こす濃度で水に栄養分が入ることはありません。

 

水質基準は、水域内の化学的、生物学的、および毒性成分を管理するための数値制限およびガイドラインです。

現在、70,000 を超える化合物が使用されているため、それぞれの制御を指定することは現実的ではありません。 ただし、化学物質の基準は、制限に基づいて設定できます。これは、まず第一に、消費と暴露の XNUMX つの主要なクラスに関連するためです。

クラス1: 人間の健康を保護するための化学的基準は、最初の主要な懸念事項であり、政府の保健機関、WHO、および認定された健康研究機関の推奨に従って設定する必要があります。

クラス2: 農業用水の供給を制御するための化学的基準は、作物の灌漑と家畜の水やりの結果としての作物と家畜への悪影響から保護する、認められた科学的研究と推奨事項に基づいている必要があります。

クラス3: 水生生物を保護するための化学的基準は、特定の化学物質に対するこれらの種の感受性、および人間による魚介類の消費に関連する科学的研究に基づいている必要があります。

廃水流出基準は、廃水流出物に存在する汚染物質成分の制限に関連しており、さらなる制御方法です。 それらは、水域の水利用指定に関連して、また化学的基準の上記のクラスに関連して設定される場合があります。

生物学的基準は、水生生物をサポートするために必要な水域の生息条件に基づいています。

廃水および天然水の有機物含有量

有機物の総含有量は、廃水と自然水の両方の汚染強度を特徴付ける上で最も重要です。 この目的のために、次の XNUMX つの実験室試験が一般的に使用されます。

生物化学的酸素要求量 (BOD): 5 日間 BOD (BODXNUMX) が最も広く使用されているパラメータです。 この試験では、微生物がこの期間に有機物の生化学的酸化に使用した溶存酸素を測定します。

化学的酸素要求量 (COD): この試験は、生物にとって有毒な化合物を含む都市廃棄物および産業廃棄物中の有機物を測定するためのものです。 これは、酸化できる有機物の酸素当量の尺度です。

全有機炭素 (TOC): この試験は、水中の低濃度の有機物に特に適用できます。 これは、二酸化炭素に酸化される有機物の尺度です。

劣化防止政策規制

劣化防止政策規制は、特定の一般的な条件を超えた水質汚染の拡大を防止するためのさらなるアプローチです。 たとえば、オハイオ州環境保護庁の水質基準の劣化防止ポリシーは、次の XNUMX つの保護層で構成されています。

ティア1: 既存の用途は維持し、保護する必要があります。 既存の指定用途に支障をきたすような水質悪化は許されません。

ティア2: 次に、EPA 長官が決定したように、重要な経済的または社会的発展のために低い水質が必要であることが示されない限り、使用を保護するために必要な水質よりも良い水質を維持する必要があります。

ティア3: 最後に、水源水の品質を維持し、保護する必要があります。 それらの既存の周囲の水質は、有毒であると判断された、または指定された使用を妨害する物質によって低下してはなりません。 既存の水質を低下させない限り、汚染物質負荷の増加は水域への排出が許可されます。

水質汚濁排出混合ゾーンと廃棄物負荷配分モデリング

ミキシング ゾーンは、図 4 に示す流れの流れのように、処理済または未処理の廃水の排出を安定化させる水域内の領域です。 排出物は最初は一時的な状態にあり、発生源の濃度から受水条件まで徐々に希釈されます。 それは治療実体とみなされるべきではなく、特定の制限で描写されるかもしれません.

図 4. ミキシング ゾーン

通常、ミキシング ゾーンは次のことを行ってはなりません。

• 水生生物の移動、生存、繁殖、成長を妨げる

• 産卵または育苗エリアを含む

• 公共の給水取水口を含む

• 入浴エリアを含む

• 流れの幅の 1/2 以上を構成する

• 河口の断面積の1/2以上を構成する

• 川幅の XNUMX 倍以上の距離を下流に延長します。

 

廃棄物負荷配分研究は、上流の富栄養化 (以下に定義) を回避するために廃水排出の栄養分を制御するコストが高いため、重要になっています。 これらの研究では一般に、流れの水質条件、特に溶存酸素のダイナミクスに影響を与える窒素やリンなどの栄養素に関するシミュレーションにコンピューター モデルを使用します。 このタイプの従来の水質モデルは、Brown と Barnwell (2) によって記述された US EPA モデル QUAL1987E によって表されます。 Taylor (1995) によって提案されたより最近のモデルは Omni Diurnal Model (ODM) であり、これには根を張った植生が流入栄養分と溶存酸素の動態に及ぼす影響のシミュレーションが含まれています。

差異規定

すべての水質汚濁防止規制は完全には限定されているため、即時または完全な順守を妨げる可能性のある特定の条件に基づいて判断の相違を許容する規定を含める必要があります。

水質汚染に関連するリスク評価と管理

上記の水質汚濁防止規制は、水質基準と廃水排出制限の順守を達成するための世界的な政府のアプローチの典型です。 一般に、これらの規制は健康要因と科学的研究に基づいて設定されています。 影響の可能性についてある程度の不確実性が存在する場合、多くの場合、安全係数が適用されます。 これらの規制の一部を実施することは、民間企業だけでなく一般の人々にとって不合理であり、非常に費用がかかる可能性があります。 そのため、水質改善の目標を達成するために、資源をより効率的に配分することへの関心が高まっています。 水文上の水の議論で以前に指摘したように、元の純度は自然に発生する水にも存在しません。

成長する技術的アプローチは、水質汚染規制の設定における生態学的リスクの評価と管理を奨励しています。 この概念は、基準または制限を満たす際の生態学的利点とコストの分析に基づいています。 Parkhurst (1995) は、特に水生生物の保護に適用できるものとして、水質汚濁管理限界を設定する際の補助として、水生生態学的リスク評価の適用を提案しました。 このようなリスク評価方法は、次のような広範囲の地表水汚染状態に対する化学物質濃度の生態学的影響を推定するために適用できます。

• 点源汚染

• 非点源汚染

• 河川水路に存在する汚染された堆積物

• 水域に関連する有害廃棄物サイト

• 既存の水質汚染管理基準の分析。

 

提案された方法は、5 つの層で構成されます。 このアプローチを図 XNUMX に示します。

図 5. 連続する分析層のリスク評価を実施する方法。 ティア 1: スクリーニング レベル。 ティア 2: 潜在的に重大なリスクの定量化。 ティア 3: サイト固有のリスクの定量化

湖沼や貯水池の水質汚染

湖沼と貯水池は分水界の流入量の貯蔵を提供し、流れのある小川の範囲での急速な流入と流出と比較して、長いフラッシュ時間がかかる場合があります。 したがって、特定の成分、特に富栄養化を促進する窒素やリンの形態を含む栄養素の保持に関して特別な懸念があります。 富栄養化は、水分含有量が有機的に豊富になる自然の老化プロセスであり、藻類、ホテイアオイなどの望ましくない水生生物の支配につながります。 富栄養化プロセスは水生生物を減少させる傾向があり、有害な溶存酸素効果があります。 米国ニューハンプシャー州のスナピー湖の栄養源と吸収源の概略リストを示した Preul (1974) の図 6 に示されているように、天然の栄養源と文化的な栄養源の両方がこのプロセスを促進する可能性があります。

図 6. ニューハンプシャー州スナピー湖 (米国) の栄養分 (窒素とリン) の供給源と吸収源の概略リスト

もちろん、湖や貯水池をサンプリングして分析し、栄養状態を判断することができます。 分析研究は通常、次のような基本的な栄養バランスから始まります。

(湖に流入する養分) = (湖に流出する養分) + (湖に貯留される養分)

この基本的なバランスは、図 6 に示すさまざまなソースを含めるようにさらに拡張できます。

フラッシング時間は、湖システムの相対的な保持の側面を示しています。 エリー湖などの浅い湖は水洗時間が比較的短く、高度な富栄養化と関連しています。 タホ湖やスペリオル湖などの深い湖では、フラッシング期間が非常に長く、富栄養化が最小限に抑えられている湖に通常関連しています。これは、現在まで過負荷が発生しておらず、極端な深さが水生植物の広範な成長を助長していないためです。エピリムニオン（上部ゾーン）を除く。 このカテゴリーの湖は、栄養素が比較的少なく、藻類などの水生生物の成長が最小限であることから、一般に貧栄養に分類されます。

次の計算基準を使用して、Pecor (1973) によって報告されたいくつかの主要な米国の湖のフラッシング時間を比較することは興味深いことです。

湖のフラッシング時間 (LFT) = (湖の貯留量)/(湖の流出)

いくつかの例は次のとおりです。ワベサ湖 (ミシガン州)、LFT=0.30 年。 ホートン湖 (ミシガン州)、1.4 年。 エリー湖、2.6 年。 スペリオル湖、191 年。 タホ湖、700年。

富栄養化のプロセスと栄養素含有量との関係は複雑ですが、通常、リンは制限栄養素として認識されています。 完全に混合した条件に基づいて、Sawyer (1947) は、窒素値が 0.3 mg/l を超え、リンが 0.01 mg/l を超えると、アオコが発生する傾向があると報告しました。 成層湖や貯水池では、ハイポリミニオンの溶存酸素レベルが低いことは、富栄養化の初期の兆候です。 Vollenweider (1968, 1969) は、栄養負荷、平均深度、および栄養状態に基づいて、多くの湖の全リンおよび全窒素の臨界負荷レベルを開発しました。 この主題に関する研究の比較のために、Dillon (1974) は、Vollenweider の栄養収支モデルおよびその他の関連モデルの批判的レビューを発表しました。 より最近のコンピューターモデルは、温度変化による窒素/リンサイクルのシミュレーションにも利用できます。

河口域の水質汚染

河口は、川の河口と海岸の間の水の中間通路です。 この水路は河口水路で構成され、上流から河川流入（淡水）、下流側で絶えず変化する海水（塩水）の放流水位に流出します。 河口は常に潮汐の変動の影響を受けており、水質汚染の制御において最も複雑な水域の XNUMX つです。 河口の主な特徴は、変動する塩分、塩のくさび、または塩と淡水の間の界面、そして多くの場合、干潟や塩性湿地の上にある浅い濁った水の広い領域です。 栄養素は主に流入する川から河口に供給され、海水の生息地と結合して生物相と海の生物の豊富な生産を提供します。 特に望ましいのは、河口で獲れる魚介類である。

水質汚染の観点から見ると、河口は個々に複雑であり、一般に大規模な現地調査とコンピューター モデリングを使用した特別な調査が必要です。 さらに基本的な理解を深めるために、海洋および河口の汚染に関する Reish 1979 を参照してください。 そして、内陸水域と河口の生態学に関するReid and Wood 1976に。

海洋環境における水質汚染

川によって運ばれた廃棄物が最終的にこの海洋環境に排出されるため、海は最終的な水またはシンクと見なすことができます。 海洋は一見無限の同化能力を持つ広大な塩水域ですが、汚染は海岸線を荒廃させ、海洋生物にさらに影響を与える傾向があります.

海洋汚染物質の発生源には、陸上の廃水環境で遭遇するものの多くに加えて、海洋事業に関連するものが含まれます。 限られたリストを以下に示します。

• 生活排水・汚泥、産業廃棄物、固形廃棄物、船舶廃棄物

• 河川や陸地からの漁業廃棄物、堆積物、栄養素

• 油流出、オフショア石油探査および生産廃棄物、浚渫作業

• 熱、放射性廃棄物、廃棄化学物質、殺虫剤、除草剤。

 

上記のそれぞれには、特別な処理と制御方法が必要です。 海の流出路からの家庭の下水および下水汚泥の排出は、おそらく海洋汚染の主な原因です。

この主題に関する現在の技術については、ビショップによる海洋汚染とその制御に関する本 (1983) を参照してください。

廃水排出における汚染を低減するための技術

大規模な廃水処理は通常、地方自治体、衛生地区、産業、営利企業、およびさまざまな公害防止委員会によって行われます。 ここでの目的は、都市廃水処理の現代的な方法を説明し、産業廃棄物の処理とより高度な方法に関する洞察を提供することです。

一般に、廃水処理のすべてのプロセスは、物理的、化学的、または生物学的タイプに分類することができ、これらの 1 つまたは複数を使用して、所望の廃液生成物を得ることができます。 この分類グループは、廃水処理アプローチを理解する上で最も適切であり、表 XNUMX にまとめられています。

表 1. 廃水処理操作およびプロセスの一般分類

 

廃水処理の現代的な方法

ここでの対象範囲は限定的であり、詳細な設計データではなく、世界中の現在の廃水処理慣行の概念的な概要を提供することを目的としています。 後者については、読者は Metcalf and Eddy 1991 を参照してください。

産業/商業廃棄物の混合物を伴う都市廃水は、次のような一次、二次、および三次処理を一般的に採用するシステムで処理されます。

一次処理システム：前処理 → 一次沈殿 → 消毒（塩素消毒） → 排水

二次処理システム：前処理 ® 一次沈殿 ® 生物ユニット ® 二次沈殿 ® 消毒（塩素消毒） ® 放流水

三次処理システム： 前処理 → 一次沈殿 → 生物ユニット → 二次沈殿 → 三次沈殿 → 消毒（塩素処理） → 放流水

図 7 はさらに、従来の廃水処理システムの概略図を示しています。 上記のプロセスの概要を以下に説明します。

図7 従来の排水処理の模式図

一次治療

産業・商業廃棄物が混入した生活排水を含む都市排水の一次処理の基本的な目的は、浮遊物質を除去し、排水を浄化して生物処理に適したものにすることです。 ふるい分け、砂の除去、粉砕などの前処理を行った後、一次沈殿の主なプロセスは、最大数時間にわたる大きな沈殿タンクでの生の廃水の沈殿です。 このプロセスでは、総浮遊固形物の 50 ～ 75% が除去されます。これらの固形物は、別の処理のために収集されたアンダーフロー スラッジとして引き出されます。 プロセスからのオーバーフロー流出物は、二次処理に向けられます。 場合によっては、化学薬品を使用して一次処理の程度を改善することができます。

二次処理

一次処理で除去されずに微細に懸濁または溶解した廃水の有機分は、二次処理によって処理されます。 一般的に使用されている二次処理の一般的な形態には、散水フィルター、回転ディスクなどの生物学的接触器、活性汚泥、廃棄物安定池、曝気池システム、および湿地システムを含む土地利用方法が含まれます。 これらのシステムはすべて、何らかの形の生物学的プロセスを採用していると認識されます。 これらのプロセスの中で最も一般的なものについて、以下で簡単に説明します。

生物学的接触システム. 散水フィルターは、二次処理のためのこの方法の最も初期の形式の 95 つであり、いくつかの改善された適用方法で今でも広く使用されています。 この処理では、一次タンクからの流出物は、岩や合成プラスチック媒体などの媒体層に均一に適用されます。 均一な分配は、典型的には、所望のプロセスに従って断続的または連続的に床上を回転する有孔パイプから液体を滴下することによって達成される。 有機物および水力負荷の割合に応じて、散水フィルターは通常生化学的酸素要求量 (BOD) として分析される有機物の最大 XNUMX% を除去できます。 同じ範囲で治療除去を提供できる、他の多くの最近の生物学的接触システムが使用されています。 これらの方法のいくつかは特別な利点を提供し、特に空間、気候などの特定の制限条件に適用できます。 次の二次沈殿槽は、プロセスを完了するために必要な部分であると考えられることに留意されたい。 二次沈降では、いわゆる腐植汚泥の一部がアンダーフローとして抜き取られ、オーバーフローは二次排水として排出されます。

液状化現象. この生物学的プロセスの最も一般的な形態では、一次処理された排水は、活性汚泥と呼ばれる既存の生物学的懸濁液を含む活性汚泥ユニット タンクに流れ込みます。 この混合物は、混合液懸濁固体（ＭＬＳＳ）と呼ばれ、所望の結果に応じて、典型的には数時間から２４時間以上までの範囲の接触期間が与えられる。 この期間中、混合物は高度に通気され、攪拌されて、有酸素生物活動が促進されます。 プロセスが完了すると、混合物の一部 (MLSS) が引き出され、生物学的活性化プロセスを継続するために流入液に戻されます。 活性汚泥懸濁液を沈降させ、浄化されたオーバーフローを流出物として排出する目的で、活性汚泥ユニットに続いて二次沈降が提供される。 このプロセスは、流入する BOD の約 24% まで除去できます。

三次治療

より高度な汚染物質除去が必要な場合は、第 XNUMX レベルの処理を行うことができます。 この形式の処理には、通常、砂濾過、安定化池、土地処分方法、湿地、および二次排水をさらに安定化させるその他のシステムが含まれます。

排水の消毒

細菌や病原体を許容レベルまで減らすには、一般的に消毒が必要です。 塩素化、二酸化塩素、オゾン、紫外線が最も一般的に使用されるプロセスです。

排水処理プラント全体の効率

廃水には、一般に懸濁および溶解固形物、無機成分、および有機成分として分類される広範囲の成分が含まれます。

処理システムの効率は、これらの成分の除去率で測定できます。 測定の一般的なパラメータは次のとおりです。

• BOD: 生物化学的酸素要求量、mg/l で測定

• 代金引換: 化学的酸素要求量、mg/l で測定

• TSS: 全懸濁物質、mg/l で測定

• TDS: 全溶解固形物、mg/l で測定

• 窒素形態: 硝酸塩とアンモニアを含み、mg/l で測定 (硝酸塩は富栄養化の栄養素として特に懸念されます)

• リン酸塩: mg/l で測定 (富栄養化の栄養素としても特に重要)

• pH: 酸性度。1 (最も酸性) から 14 (最もアルカリ性) までの数値で表されます。

• 大腸菌群数：100mlあたりの最確数として計測（エシェリキア属 および糞便性大腸菌群が最も一般的な指標です）。

 

産業廃水処理

産業廃棄物の種類

産業 (非家庭) 廃棄物は多数あり、その組成は大きく異なります。 それらは非常に酸性またはアルカリ性である可能性があり、多くの場合、詳細な実験室分析が必要です。 退院前に無害にするために特別な治療が必要な場合があります。 毒性は、産業廃水の処分において大きな懸念事項です。

代表的な産業廃棄物には、パルプと紙、食肉処理場、醸造所、なめし工場、食品加工、缶詰工場、化学薬品、石油、繊維、砂糖、洗濯物、肉と家禽、養豚場、レンダリングなどがあります。 処理設計開発の最初のステップは、産業廃棄物調査であり、フローと廃棄物の特性の変化に関するデータを提供します。 Eckenfelder (1989) によって挙げられた望ましくない廃棄物の特性は、次のように要約できます。

• 溶存酸素の枯渇を引き起こす可溶性有機物

• 懸濁物質

• 微量有機物

• 重金属、シアン化物、有毒有機物

• 色と濁り

• 窒素とリン

• 生分解に耐性のある耐火物

• 油と浮遊物

• 揮発性物質。

 

米国 EPA は、有害な有機および無機化学物質のリストをさらに定義し、排出許可を与える際に特定の制限を設けています。 リストには 100 を超える化合物が含まれており、ここに転載するには長すぎますが、EPA から要求される可能性があります。

治療法

産業廃棄物の処理は、一般廃棄物の処理よりも専門的です。 ただし、生物学的削減が可能な場合は、通常、地方自治体のシステムについて以前に説明した方法（二次/三次生物学的処理アプローチ）と同様の方法を使用して処理されます。

廃棄物安定化池は、十分な土地が利用できる有機廃水処理の一般的な方法です。 フロースルー池は一般に、好気性、通性または嫌気性のバクテリア活動に応じて分類されます。 曝気された池には、拡散または機械式曝気システムによって酸素が供給されます。

図 8 と図 9 は、廃棄物安定化池のスケッチを示しています。

図 8. XNUMX セル安定化池: 断面図

図 9. 曝気されたラグーンのタイプ: 概略図

汚染防止と廃棄物の最小化

工場内の産業廃棄物の操作とプロセスを発生源で分析すると、重大な汚染物質の排出を防ぐように制御できることがよくあります。

再循環技術は、公害防止プログラムにおける重要なアプローチです。 ケース スタディの例として、Preul (1981) が発表した革なめし工場の廃水のリサイクル計画があります。これにはクロムの回収と再利用が含まれており、緊急時を除いてどの川にも廃液を流さずに、すべてのなめし工場の廃水の完全な再循環が行われています。 このシステムのフロー図を図 10 に示します。

図 10. なめし工場の廃水再利用システムのフロー図

この技術の最近の革新については、水環境連盟による公害防止と廃棄物最小化に関する出版物 (1995 年) を参照してください。

排水処理の高度な方法

必要に応じて、汚染成分をより高度に除去するための高度な方法が多数利用可能です。 一般的なリストには次のものが含まれます。

ろ過（砂とマルチメディア）

化学沈殿

炭素吸着

電気透析

蒸留

硝化

藻類の収穫

排水の再利用

マイクロストレイン

アンモニアストリッピング

逆浸透

イオン交換

土地申請

脱窒

湿地。

あらゆる状況に最適なプロセスは、未処理の廃水の質と量、受水要件、そしてもちろんコストに基づいて決定する必要があります。 詳細については、高度な廃水処理に関する章を含む Metcalf と Eddy 1991 を参照してください。

高度な廃水処理のケーススタディ

この章の他の箇所で説明したダン地域下水再生プロジェクトの事例研究は、廃水処理と再生のための革新的な方法の優れた例を提供します。

熱汚染

熱公害は産業廃棄物の一種であり、人為的な施設からの熱の処理によって引き起こされる受水水の通常の水温の有害な上昇または低下として定義されます。 主要な廃熱を生成する産業は、化石燃料 (石油、ガス、石炭) および原子力発電所、製鉄所、石油精製所、化学工場、パルプおよび製紙工場、蒸留所、ランドリーです。 特に懸念されるのは、多くの国にエネルギーを供給している発電産業です (たとえば、米国では約 80%)。

廃熱が受水水域に与える影響

廃棄物同化能力への影響

• 熱は生物学的酸化を増加させます。

• 熱は水の酸素飽和度を低下させ、自然再酸素化率を低下させます。

• 熱の正味の影響は、通常、XNUMX 年の暖かい月に有害です。

• 冬の効果は、氷の状態が崩れ、表面の通気が魚や水生生物に提供される、より寒い気候で有益な場合があります.

 

水生生物への影響

多くの種には温度許容限界があり、特に小川や水域の熱影響範囲では保護が必要です。 たとえば、冷たい水の流れには通常、トラウトやサーモンなどの最高の種類のスポーツ フィッシュがいますが、暖かい水では一般に粗い魚の個体数をサポートし、中温の水にはカワカマスやバス フィッシュなどの特定の種が生息します。

図 11. 受水断面の境界における熱交換

受信水の熱分析

図 11 は、受水の境界におけるさまざまな形態の自然熱交換を示しています。 河川などの受熱水に熱を放出する場合、河川の熱付加能力を分析することが重要です。 河川の温度プロファイルは、溶存酸素のサグ カーブの計算に使用されるのと同様の熱収支を解くことによって計算できます。 図 12 は、ポイント A と B の間の川の熱収支の主な要因を示しています。各要因は、特定の熱変数に応じて個別に計算する必要があります。 溶存酸素バランスと同様に、温度バランスは、特定のセクションの温度資産と負債の単純な合計です。 この主題に関する文献には、他のより洗練された分析アプローチがあります。 熱収支計算の結果は、熱放出の制限を確立する際に使用でき、場合によっては水域の特定の使用制限を設定できます。

図 12. 追加熱量の河川容量

熱公害防止

熱汚染を制御するための主なアプローチは次のとおりです。

• 発電所の運用効率の向上

• 冷却塔

• 隔離された冷却池

• 水力発電などの代替発電方法の検討。

 

特定の環境制限内で物理的条件が良好な場合、水力発電は化石燃料または原子力発電の代替として検討する必要があります。 水力発電では、熱の処理がなく、水質汚染の原因となる廃水の排出もありません。

地下水汚染防止

地下水の重要性

世界の水源は帯水層から広く抽出されているため、これらの供給源を保護することが最も重要です。 地球上で利用可能な真水の供給量の 95% 以上が地下にあると推定されています。 50 年の米国地質調査所によると、米国では飲料水の約 1984% が井戸から供給されています。 地下水の汚染と動きは微妙で目に見えない性質であるため、この形態の水質劣化の分析と制御には、はるかに明白な地表水の汚染ほど注意が払われないことがあります.

図 13. 水循環と地下水汚染源

地下汚染源

図 13 は、地下水汚染源を重ね合わせた水循環を示しています。 潜在的な地下汚染源の完全なリストは膨大です。 ただし、説明のために、最も明白なソースには次のものがあります。

• 産業廃棄物排出量

• 帯水層と接触する汚染された川

• 採掘作業

• 固形および有害廃棄物の処理

• 石油などの地下貯蔵タンク

• 灌漑システム

• 人工再充電

• 海水浸食

• 流出

• 透水性の底を持つ汚染された池

• 処分井戸

• 浄化槽タイル畑と浸出ピット

• 不適切な井戸掘削

• 農業経営

• 道路除氷剤。

 

地下汚染の特定の汚染物質は、さらに次のように分類されます。

• 望ましくない化学成分 (典型的、完全なリストではない) - 有機および無機 (例、塩化物、硫酸塩、鉄、マンガン、ナトリウム、カリウム)

• 全硬度と全溶解固形物

• 有毒成分 (典型的、完全なリストではない) - 硝酸塩、ヒ素、クロム、鉛、シアン化物、銅、フェノール、溶解水銀

• 望ましくない物理的特徴 - 味、色、臭い

• 殺虫剤および除草剤 - 塩素化炭化水素およびその他

• 放射性物質 - さまざまな形態の放射能

• 生物学的 - 細菌、ウイルス、寄生虫など

• 酸 (低 pH) または苛性 (高 pH)。

 

上記のうち、硝酸塩は地下水と地表水の両方で特に懸念されます。 地下水の供給源では、硝酸塩は病気のメトヘモグロビン血症 (乳児チアノーゼ) を引き起こす可能性があります。 Preul (1991) によって報告されているように、それらはさらに地表水に有害な富栄養化効果を引き起こし、広範囲の水資源で発生します。 Preul (1964, 1967, 1972) および Preul と Schroepfer (1968) も、窒素やその他の汚染物質の地下移動について報告しています。

地下領域での汚染移動

地下水の移動は、水循環における地表水の移動に比べて非常に遅く微妙です。 理想的な定常流条件下での通常の地下水の移動を簡単に理解するために、ダーシーの法則は、低レイノルズ数での地下水の移動を評価するための基本的なアプローチです。 （R）:

V = K(dh/dl)

ここで、

V = 帯水層の地下水の流速、m/日

K = 帯水層の透水係数

(dh/dl) = 移動の原動力を表す水圧勾配。

汚染物質移動地下では、通常の地下水 (H₂O) は一般に搬送流体であり、ダルシーの法則のパラメータに従って速度で移動するように計算できます。 ただし、有機または無機化学物質などの汚染物質の移動速度または速度は、移流および流体力学的分散プロセスにより異なる場合があります。 特定のイオンは、帯水層媒体内での反応の結果として、地下水の一般的な速度よりも遅くまたは速く移動するため、「反応する」または「反応しない」として分類できます。 反応は一般に次の形式です。

• 汚染物質と帯水層および/または輸送液体との間の物理的反応

• 汚染物質と帯水層および/または輸送液体との間の化学反応

• 汚染物質に対する生物学的作用。

 

以下は、反応性および非反応性の地下汚染物質の典型です。

• 汚染物質の反応 - クロム、アンモニウムイオン、カルシウム、ナトリウム、鉄など。 一般的な陽イオン; 生物学的成分; 放射性成分

• 非反応性汚染物質 - 塩化物、硝酸塩、硫酸塩など。 特定の陰イオン; 特定の殺虫剤および除草剤の化学物質。

 

最初は、反応する汚染物質が最悪のタイプのように見えるかもしれませんが、反応によって汚染物質の移動濃度が抑制または遅延されるのに対し、反応しない汚染物質の移動はほとんど抑制されない可能性があるため、常にそうであるとは限りません。 一定の期間が経過すると生物学的に分解されるため、地下水汚染の可能性を回避する特定の「ソフト」な家庭用および農産物が現在入手可能です。

帯水層の修復

地下汚染の防止が最善のアプローチであることは明らかです。 しかし、汚染された地下水条件の制御されていない存在は、通常、その地域の井戸利用者からの苦情などによって、その発生後に知らされます。 残念ながら、問題が認識されるまでに、重大な損傷が発生している可能性があり、修復が必要です。 修復には、汚染物質の濃度と移動プルームの範囲を確立するために、水サンプルの実験室分析による広範な水文地質調査が必要になる場合があります。 多くの場合、既存の井戸を最初のサンプリングに使用できますが、深刻なケースでは、大規模なボーリングと水のサンプリングが必要になる場合があります。 これらのデータを分析して、現在の状態を確立し、将来の状態を予測することができます。 地下水汚染移動の分析は、地下水力学をよりよく理解し、さまざまな制約の下で予測を行うために、コンピューター モデルの使用をしばしば必要とする専門分野です。 この目的のために、多くの 1987 次元および XNUMX 次元のコンピューター モデルが文献で利用可能です。 より詳細な分析アプローチについては、Freeze and Cherry (XNUMX) の本を参照してください。

公害防止

地下水資源を保護するための好ましいアプローチは汚染防止です。 飲料水の基準は一般に地下水供給の使用に適用されますが、原水供給は汚染から保護する必要があります。 保健省、天然資源機関、環境保護機関などの政府機関は、一般にそのような活動に責任を負います。 地下水汚染防止の取り組みは、主に帯水層の保護と汚染の防止に向けられています。

公害防止には、ゾーニングと特定の規制の形での土地利用管理が必要です。 法律は、潜在的に汚染を引き起こす可能性のある点源または行動に特に適用される特定の機能の防止に適用される場合があります。 土地利用ゾーニングによる制御は、政府の自治体または郡レベルで最も効果的な地下水保護ツールです。 以下で説明する帯水層と坑口の保護プログラムは、汚染防止の代表的な例です。

帯水層保護プログラムでは、帯水層とその涵養域の境界を確立する必要があります。 帯水層は非限定型または限定型である可能性があるため、この決定を行うには水文学者による分析が必要です。 ほとんどの主要な帯水層は一般に先進国ではよく知られていますが、他の地域では現地調査と水理地質分析が必要になる場合があります。 帯水層を水質悪化から保護するためのプログラムの重要な要素は、帯水層とその涵養地域の土地利用を管理することです。

坑口保護は、特定の坑井に寄与する涵養エリアに適用される、より決定的で限定的なアプローチです。 米国連邦政府は、1986 年に可決された飲料水安全法 (SDWA) (1984 年) の修正案により、現在、公共供給井戸のために特定の井戸元保護地域を確立することを要求しています。 井戸元保護地域 (WHPA) は、SDWA で次のように定義されています。分野。" 米国 EPA (1987) によって概説されているように、WHPA プログラムの主な目的は、選択された基準、坑井の運用、および水理地質学的考察に基づく坑井保護地域の描写です。

 

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