紫外線による下水二次処理水の滅菌
Ultraviolet

Sterilizationof Secondary

Effluent(環)製品開発室

藤近
Nobuo

加

Ultraviolet

theaquaticorganic

dangertime,

simplefor theえがofofchlorinefloramatterany
test

まsterilization

conventional

andsecondary

and
the

ln

overdosing

effluentsterilization

fauna,

remainlng

operation,

secondarysinceandformation
treatedit doeseasy

fromsewage

solve

such

cannotofwater.
not

add

maintenance.

organic

treatment
aschemicals.

Thisadversechlorine

In addition,
any

paper

caneffecttheeliminateofresidualin

compounds

reports

onthe虞problemsonthewith

does
short

ultraviolet

正I(ajichlorine

contact

ultraviolet
sterilization
Its advantage
includes生治

Masahirowhich

展i(ondonot entail
treating

sterilization

effluent.

き

射量と滅菌率の関係,光回復の度合い等十分に解明されて下水二次処三哩水の滅菌には一般に塩素処理が用いられているとはいえない点も多い｡そこで,筆者らはこれらについる｡塩素処理は安価かつ薬注量の変更も容易で,さらに使用実績も長期にわたっており,今後とも重要な城菌方法いて実験的な検討を行った｡その結果,紫外線滅菌は短時間で高い滅菌率が得られる等,下水二次処理水に非常に効である1)｡しかし,残留塩素が放流先の水生動植物に悪影響を及ぼすことや処理水中の有機物と反応し,有機塩素化果的であることが確認出来たので,次にその概要を紹介す合物を生成する等の問題がある｡そのため,近年塩素処理1.紫外線による滅菌の原理

る｡

以外の滅菌方法が検討され,一部では実用化されてきてい紫外線は光の一種で,その波長は100‑400nmで人のる｡塩素処理以外の滅菌方法としては,オゾン処理法,膜分離法,紫外線照射法,二酸化塩素を使用する方法等ある

目には知覚できない｡また,紫外線はその作用により,
UV‑A(波長315‑400nm,色素沈着,光化学作用),が,これらのうち紫外線照射法は,最近では技術開発が急

UV‑B(波長280‑315nm,ビタミンの生成),速に進んでおり,特に注目されるようになってきている｡(波長100‑280nm,滅菌作用)に分けられる2)｡紫外線照射による滅菌では,塩素処理のように残留性がな(核酸)に一方,紫外線は微生物の細胞内で特にDNA吸収され,その吸収波長は240‑280nmと滅菌効果を示す

く放流先の生態系に悪影響がない,過剰注入の恐れもなくトリ‑ロメタン等の有機塩素化合物の生成がない,処理時間が短い,操作が簡単,維持管理が容易である等の多くの

UV‑C波長(UV‑C)の範囲内にあり,吸収された紫外線は生命維持と遺伝子の複製に必要なDNAの結合を破壊するこ利点がある｡とが明らかになっている3)｡これが紫外線を微生物の滅菌

一方,下水二次処理水への適用に関しては歴史が浅く,紫外線ランプの劣化,石英ガラス保護管の汚染,紫外線照に利用出来る理由である｡
紫外線滅菌の線源としては高圧,中庄,低圧ランプの3種類があるが4),下水二次処理水の滅菌にはこれらのうち

写真1
Photo.

48

1

実験装置

写真

Testunit

Photo.

神鋼パンテツク技報

2
2

オープンチャンネル水路内(点灯時)(irradiated).
channel

Open

Vol.

40

No.

1

(1996/9)

Secondary

effluent

Raw[Supernatant il一Fig.

TreatedFlowmeterwater

steri一ization

tank]

sedimentation

第1園

Ultraviolet

waterpump

実験装置のフローシート
1

Flowsheetoftestunit

Direction of
flow
water
BufferFixed@plate
Fittirlg for UVUVlampin channel][installedlamp

Fixed

weir

Drain

冊く=〉
(=⊃寸

く⊃Channel⊂>r′つHolder
1 800[3 500

第2園Fig.

2

実験装置の概要(オープンチャンネル)0utline(open channelof test unit

第1表
Tabletype)

実験装置の主要仕様
1

Main

specifications

orthe

test

Item

unit

Mainspecification

TypeOpenchannel(submergedracktype)

Ultravioletlamp

65WX61amps

ElectricalcorlSumptlOn

675W

Installationmethod

Parallelindirectionofwaterflow(21ampsX3racks)

Dimensionofopenchannel

Length3500mmXwidth200mmXdepth400mm

低圧ランプが最も広く利用されている｡このランプは滅菌とオープンチャンネル(開水路)の概要を示す｡また,装に非常に効果的な254nmの波長を効率的に発生するという特長を持っている｡

示す｡

なお,低圧水銀ランプの基本構造は一般の蛍光灯と同様置写真を写真1に,点灯中の水銀ランプの状態を写真2に
実験装置は大きく分けて原水供給ポンプ,紫外線照射部,であるが,ランプの内面に紫外線光を可視光に変換する蛍光物質が塗布されていない点,管の材質に紫外線を効率よ流量計及び制御盤からなっており,紫外線照射部はく透過する石英ガラスを使用している点が異なっている｡(塾石英ガラス保護管(以下単に保護管という)2.実験装置及び方法(参保護管固定枠

2.1実験装置
第1園及び第2図に今回用いた実験装置のフローシート
Vol.

40 No.

1(1996/9)(丑低圧水銀ランプ(彰ステンレス製オープンチャンネル(開水路)で構成されている｡(丑, ②の透明ガラス部材には石英ガラ

神鋼パンテツク技報

49

第表2Table

下水二次処理水の水質
2 Qualityof secondary

effluent
16:00‑17:00Samplingtime(May8,1995‑February17,1996)
AnalysISitem

Min.‑Max.

Average

Escherichiacolicount/mL

250‑15000

5000

6500‑190000

98000

Heterotrophicplatecountcount/mL
TOCmg/L(10‑20.2

CODmg/L

ll.3‑19.8

15.7

Turbiditydegree

4.1‑12.1

8.7

Cahardnessmg/L,CaCO,

49.6‑66.8

54.0

TransmissivltyOfUV%

72.4‑85.9

80.8

WatertempratureoC

15.0‑30.3

20.90

育亘0⊂

丘hl

SampledinAM

SarrlPledinPM

･?
'30C

SampledinAM

SaM

pledinP,EZl≡Uの〔T3⊂:Tt3

コ≡し.iUQ)

0>こ⊃‑EjぷP101001502OO2503003504()045050

5010015020025030035040045

Timeelapsed

第3図
Fig･

[day]

Time

大腸菌群数の経時変化
3

Changeor escherichia

第4図
coli

withtime

elapsed④はSUS304製で紫外線が反射されスが用いられており,やすいように内面が研磨されている｡
今回の実験で使用した紫外線ランプはランプ電力65W,紫外線出力27W,発光部長1500mm,直径15mの低圧水銀ランプであり,これを6本(2本/ラック×3ラック)使用した｡実験装置の主要仕様を第1表に示す｡
2.

2紫外線透過率の経時変化
4

Changeor UVtransmissivlty

With

time

elapsed

水を三角フラスコに定量とり,可視光として日光及び蛍光灯を照射し,照射時間を0,0.5,1.5,1.0,水という)を水中ポンプにより,ステンレス製開水路に導入し,そこで紫外線を照射,威菌を行った｡処理量は25‑31m3/hrとした｡この時の開水路内の滞留時間,すなわち紫外線照射時間は5.5‑4.5秒である｡

2)分析方法
原水,処理水の分析は下水道試験方法に準拠して行っ

3.実験結果及び考察
3.1原水の水質第3図に原水中の大腸菌群数の経時変化を示す｡図にも示すように大腸菌群数は102‑104個/mLオーダーの間で変化しているが,大半は103個/mLオーダー,即ち10000個/mL以下になっている｡
紫外線滅菌では原水中を紫外線が十分に透過することが一方,ランプの紫外線強度は実験で使用した3ラックのうち,特定のラックを1本定め,開水路内の水を抜いた状態で測定した｡ここで,測定器としてはTOPCON重要で,その指標として紫外線透過率がある｡第4図にはUVR‑lを用い,測定器とラックの間隔は160m7nとした｡

70‑90%の範囲内にあり,大半は80%以上と高い値を示

また,本実験では浸漬ラック数を3,2,1本と変化させ,98mm,ランプ間隔を65mm,195mlⅦにし,開水路内の全紫外線照射量を変化させるとともに,ランプ間隔の影響を調査した｡光回復実験では,処理量252.0,3.Ohrと変化させて実施した｡

たが,大腸菌群数はデスオコシコール酸塩培地による平板法で,一般細菌は標準寒天培地を用いた方法で行った｡

実験方法及び分析方法

1)実験方法
本実験では,二次処理水(最終沈殿地上澄水,以下原m3/hr及び31m3/hr (紫外線照射時間5.5秒及び4.5秒)で滅菌処理した
50

Fig･

｢day]

elapsed

紫外線透過率の経時変化を示しているが,紫外線透過率はしている｡またCOD,濁度ともそれぞれ10‑21mg/L,2‑12度の範囲内と比較的低い値であった｡第2表に水質の一例を示す｡これらより水質は良好に保たれており,本原水は紫外線威菌に適していると考えられる｡一方,第3,4固より明らかなように午前中の水質より午後の水質の方

神鋼パンテツク技報

Vol.

40No.

1(1996/9)

6100

育主5≡lJ

1OiU

4+=

一口:Treatedamount31m3/hr.Lampinterva165mmーー●:Treatedamount25m3/hr.Lampinterva198皿▲:Treatedamount25m3/hr.Lampinter∇a1195mⅢ●▲

cT5Cleanlngperformed=P9竜

Integratedtime:9323hrs[389days]

q)

3I?

○:Treatedamount25皿3/hr.Lampintert,a165mD△:Treatedamount28m3/hr.Lampinterva165mⅦ▲▲

亘J

101tld)ロq)⊂コ●●,J=UQjD

('コq)

0.1

Ls

2:コ

J‑‑‑‑‑一箪‑‑‑‑

くじPolltltiorlfound.

bJ]

【コ1qJ

ぐ□

○I

空 0.01‑‑Integratedtime:5264hrs十‑】[220days]:

Integrated‑8‑‑A̲I

こノつof UV

time00irradiation

0.0 01o10

[hr]

2030

40

Irradiation

紫外線強度の経時変化
5Change

第7図of ultraviolet

strength

with

time

elapsed

7△:Irradiationtime4.95sec○:Irradiationtime4,47sec

15

irradiation

chia

coli.

rate

Sampledin

and

rate

survival

M

遥UV･岩q)strength

W/cnB･岩:<1m+=･tlr△:LamplnterVa198皿
̲止･o･Laminterval195q,):?

(⊃Illq)

5::>'=/声.

コ

毎払ーリつ(⊃LAAl

cd0.

150

100200Time

第6図･1年

Changeoftime

elapsed.

Vstrength:<1m

Cノつ

250

350

400

450500survival

rate

50100150ZOO25030035040045050

第8図
ofescherichia[day]

Timeelapsed[day]elapsedcoli

with/cぜi

0,0r虹:300

M

LSampledinP

pledinAM().0::⊃

大腸菌群生存率の経時変化
6Sa

辛I＼Jあl0.

q)

＼.<'̲

二t‑J･

1.I

【弓く｢J統一卓‡門

mdJ

軸〔て】也

＼甲,̲⊂二10:早/3q)

of escheri‑:￠q･.

l□:■Lampinterva165D

10Sampl edinP

MFig.

大腸菌群生存率の経時変化(ランプ間隔)
8Changeor

lampInterval.

survivalrate

ofescherichia

coliが悪化する傾向があり,紫外線滅菌を評価する場合は,午わかる｡経過日数220‑390日の問は生存率は10%程度後の水質を基準にする方がよいといえる｡

まで上昇している｡この時の紫外線強度は第5園に示す

3. 2

紫外線強度

紫外線強度は当初の4.5mW/cⅡf程度から経過日数の増ことより,本実験範囲では紫外線強度が1mW/cⅡF以上の場合, 5秒前後という非常に短時間で生存率1%以下,加とともに低下し,経過日数294日(ランプ積算時間7046すなわち99%以上の高さ威菌率を得ることが出来るといhr)ではO.5mW/cHfと低い値となっている｡この紫外線強度の低下原因としてはランプ自身の経時的な劣化,水温の低下等が考えられる｡しかし,経過日数220日(ランプ積算時間5264hr)に保護管に無機イオンによると思われえる｡

2)紫外線照射量の影響
紫外線照射量は開水路内の全紫外線強度と照射時間の積で求めた値であるが,その照射量と大腸菌群生存率のる汚染が,目視上確認されたことから無機イオンによるスケーリングが主因ではないかと考えられる｡なお,本実験

関係を第7園に示す｡
紫外線照射量30 mW･s/cTf以上で大腸菌群の生存率はでは長期的な保護管の汚染状態を確認することを目的の一1%以下と良好な状態に保たれていた｡しかし,つとしていたため保護管の洗浄は経過日数389日(ランプ積算時間9323br)まで全く行わなかった｡このため紫外mW･s/cT庁以下になると生存率はばらつきが大きく,不安定になるとともに低下している｡このことから効果的線強度が大きく低下したと考えられる｡さらに,紫外線強な滅菌率を得るためには照射量を30mW･s/cⅡ子以上にす度の測定距離を160mmとランプ間隔に比べ長くとったのもることが望ましいといえる｡ただ,ランプ間隔を65mm一因と推定される｡
3.3
滅菌効果1 )大腸菌群生存率の経時変化にした場合は,照射量20mW･s/cDf以上で生存率は1以下と良好となっている｡

大腸菌群生存率の経時変化を第6図に示す｡生存率は示す｡の洗浄を行った390日以降では1%以下となっている｡
また,この時の紫外線照射時間は5.5‑4.5秒と非常に短65mm,時間であったが,大きな威薗効果が得られていることがこれに対して,経過日数220日以降は,紫外線強度が1No.

1(1996/9)

30%3)ランプ間隔の影響
大腸菌群生存率に対するランプ間隔の影響を第8園に保護管の汚染が確認された経過日数220日までと保護管

40withように1mW/cI庁以下と低い値となっている｡これらの第5囲に紫外線強度の経時変化を示す｡

Vol.

80

̲Ld.I‑‑･‑;,Qb,PL.､‑7年ア‑

30､⊃U(｢〇,.1=Fig.

UVl̲̲I̲‑

亘

70･

100
D:Irradiationtime5.54sec

U60

50[mW s/cq)2]rate

紫外線照射量と大腸菌群生存率

Fig.

20

亘(⊃
U0=】
I01000200030004000500060007000800090001000011000120Fig.

0○

■E:

lll

0

第5囲(〕I○く⊃,.⊂:こ/つdl;○会A.Oo【]

経過E]数100日までの大腸菌群の生存率はランプ間隔

神鋼パンテツク技報

98mmで1%以下と良好な結果が得られている｡

51

第3表

Table

光回復実験結果
3

Resultof pbotoreactivation

Weather

Fine

Kindoflight

Sunlight

Fluorescentlight

Escherichiacoliinrawwatercount/mL

2900

Treatedwaterm3/hr

25

312531h

上00

202

0.5

1733

30

1.0

20

1222

1.5

23

94

1

2.0

30

1251

3.0

4164a)≡'+コ
亡○ーL
cd召(8i+i1(Unit:

第 4表

Table

4

洗浄前後の紫外線強度
Changeof UV

3. 5
bycleaning.(Unit:PureAlkaliAcidWater(1%NaOH)(1%HCl)0.65

0.630.70

strengthmW/c]f)count/mL)

保護管の洗浄保護管が原水中に含まれる成分により汚染された場合,紫外線強度が低下し,滅菌率の悪化を招く｡本実験でも第5図に示したように経過日数220日で,目視上保護管表面が白濁しているのが観察された｡本実験では長期的な汚染

Item

状況を調査するためそのまま通水を継続し,経過日数389
Beforecleaning

Aftercleaning

0.680.69日に保護管の洗浄を実施した｡その時の保護管の表面も白濁しており,薄いスケールが観察された｡このスケールをFe,洗浄し,洗浄液を分析したところ,Al, Caは含まれ0.92ていたが,有機物は含まれておらず,保護管の付着物は原水中の無機イオンと考えられる｡また,洗浄は純水,アルカリ,酸で行ったが,洗浄後の紫外線強度の回復度合いはmW/cⅡぞ以下の場合を除き,ランプ間隔65mmでは生存率1%以下,滅菌率99%以上と高く維持されているが,酸洗浄が最も大きく,洗浄には酸が適している｡洗浄前後%以上と滅菌効
ランプ間隔98mmでは生存率の大半が1果が低下している｡ランプ間隔195皿は全期間を通じて生存率10%以上と高くなっている｡以上のこと及び前述

一方,保護管の汚染が確認される直前に紫外線強度が2.5mW/cnfから1mW/cⅡfに急減しており,洗浄を行う時の紫外線強度を第4表に示す｡

期であったと指定される｡この時期はランプ積算時間にして4800br(経過日数200日)である｡これらより,本実験

した紫外線照射量の影響等から,ランプ間隔を65mmに保範囲では保護管は,長期的には原水中の無機イオンによりてば長期的な運転でも高い滅菌率を得ることができ,本実験範囲ではランプ間隔は65皿が適切であるといえる｡
3.4

汚染され,それを洗浄するには酸が効果的であるといえ,光回復

洗浄時期は半年程度と推定される｡

紫外線照射は大腸菌群等の滅菌に関して有効であること

3. 6

紫外線ランプの寿命
本実験では438[]にわたって実験を継続した｡この期間は前述した通りであるが,滅菌後,可視光線にさらされると一旦破壊されたDNAが修復し,回復するという欠点が中の紫外線ランプの強度は徐々に低下したが,保護管の汚ある｡そこで,滅菌後の処理水を用いてその回復度合いが染による強度低下時を除き,生存率は第6図に示すようにどの程度になるか調査した｡なお,可視光線としては日光1%以下と良好に保たれ,また保護管の洗浄により,生存と蛍光灯を用いた｡
第3表に光回復実験の結果の一例を示す｡日光の場合,率は1%以下に回復している｡さらに本実験期間中,使用した6本のランプは全くランプ切れを起こさず,交換の必要はなかった｡これらのことにより紫外線ランプは1.2年

照射後0.5hrから2.Obrの間に,処理直後の0もしくは2個/mLから最大33個/mLまで回復している｡しかし,経過後は数が急激に減少し,3br5個/mL以下となっている｡

これらより,日光照射前の10o個/mLオーダーの大腸菌群は最大回復数でも101個/mLのオーダーとなり,本実験範囲内での光回復の度合いは101倍であるといえる｡蛍光灯の場合,照射時の増加とともに回復する傾向がみられるが,その度合いは非常に小さく,蛍光灯による回復は小さいと推定される｡
52以上の寿命を持っことは明白であり,定期的に保護管の洗浄を行えば紫外線ランプの寿命は1.5年以上になると考えられる｡
3.

7

経済性の書式算

紫外線滅菌方式に関して,処理量を100000m3/日の場合について建設費と運転費の試算を行った｡結果を第5表に示す｡第5表には塩素滅菌の各費用も併して示している｡
表にも示すように紫外線滅菌は建設費(設備費と据付費)

神鋼パンテツク技報

Vol.

40

No.

1(1996/9)

第5表

Table

経済性の試算5Estimeteof constructionand

costrunning(Unit:Treatmentmethod

UVsterilization

RawwaterYEN)

Chlorination

Escherichiacoli:101courlt/mL'て〕〔コ○UVtransmissivity:)80%

U

SS(long/L亡

Watertemperature:10‑30Qc0].聖q)⊂〕Effluent

Escherichiacoli:Under3×103count/mL

Equipmentcost

490million

80million

Installationcost

80million

40million

Runningcostperyear

35million

65million

0.96

1.78

Runningcostpercubicmeter

は塩素滅菌より高くなるが,運転費は半分になるという結果が得られた｡

あれば大腸菌生存率1

なお,試算は次の条件を前提として行った｡また運転費

5)光回復により大腸菌群は回復するが,その度合いはには設備償却費は含んでいない｡
1)UVランプ:ランプ出力1KW,ランプ交換1年101倍で,生存率が1%以下の場合,光回復があっても3000個/mLという放流基準は十分に遵守出来る｡
6)紫外線ランプの寿命は1.2年以上でることが明らかと

2)電力単位:15円/KWb
3)塩素処理:使用塩素は次亜塩素酸ナトリウム,単価55円/kg,注入量3皿g/L,有効塩素濃度10なり,適切な洗浄を組み合わせれば,ランプ寿命は1.5年以上と考えられる｡

%

む

4.まとめ

びの生態系の保護は,今後ますます必要になってくる｡化学物質を直接注入せず,生態系への悪影響や有害物質の生成有効で,塩素処理の代替技術として下水二次処理水の滅菌に十分適用出来ることがわかった｡
1 )本実験で用いた二次処理水の大腸菌群数は103個/mLがなく,さらに非常に短時間で処理が可能な紫外線滅菌は,ますますその必要性が増加すると考えられる｡本実験が今オーダーであり,紫外線透過率は80%以上,COD,濁度はそれぞれ10‑21mg/L,2‑12度の範囲にあった｡また水質は午後に悪化する傾向があった｡
2)紫外線ランプの強度は徐々に低下し,経過日数200日294E]で0.5mW/cⅡfと初期の51による保護管の汚染と考えられ,その洗浄には酸が適していた｡また洗浄は半年に1回が適当と考えられる｡
3)紫外線照射時間5秒前後と,非常に短時間で大腸菌群

4)ランプ間隔98mmでは経過日数が100[]程度と短期間で(1996/9)

なお,本実験は神戸市下水道局(現神戸市建設局下水道部)よりの委託を受け,垂水処理場で行ったものであり,

ll %下水道局の関係者の方々に感謝いたします｡〔参考文献〕
1)大垣真一一郎,神子直之:月間下水道,(1995),環境新聞社,
p. 20‑232)西山健之:PPM,の滅菌を行うことができ,しかも生存率は1%以■￣F,すなわち99%以上の滅菌率が得られる｡この時の開水路内の紫外線照射量は30mW･s/cⅡデ以上必要である｡

1後の紫外線発展に役立てば幸いである｡

実験を行うにあたり様々のご指導,ご協力を賜った神戸市%,

で2.3mW/cI庁,まで低下した｡紫外線強度が低下した主因は無機イオン

40 No.

す

人々にやすらぎや快適さを与える親水空間の整備や自然本実験では,次の結果が得られ,紫外線照射法は非常にVol.

%以下となるが,経過日数400日以上の長期間になると65mmが適切であった｡

Vol.

301,

Vol.

18,

No.

6,

(1995/5),日工フォーラム社,

36‑42

p.

3)町円二‑:紫外線による水の消毒･殺菌と有害物質の効果的処理方法(講習会テキスト),(1995/ll), p. 1‑94)(樵)日本フォトサイエンス:紫外線殺菌

FACT

神鋼パンテツク技報

FILE

技術資料,

L1107

53