四万十川方式による水圏環境の浄化と新たなる物質循環型地域社会の創造に向けて松本聰

（秋田県立大学生物資源科学部）

摘要
自然の素材だけからなる水質浄化ろ材を用いて、生態的な水質浄化装置を開発した。本装置は５槽から構成されており、第１槽は嫌気槽による重金属類の沈殿除去、第２槽は炭素率の高い広葉落葉樹の落葉による窒素の除去、第３槽は木炭をキトサン処理したマイクロハビタットによるBODの除去（分解）、第４槽は低温加熱処理した石灰岩によるリンの吸着除去および第５槽は通常の木炭による処理水の脱色と脱臭効果をそれぞれ発揮できるように配置した。本装置で得られた平均除去率を過去7年間の連続運転でみると、界面活性剤（LAS）で99％、BODで87%、SS（浮遊性物質）で85%、CODで66%、全リンで59%、全窒素で52%をそれぞれ示した。各槽から発生する汚泥量は少なかったが、陸域生態系に堆肥として十分活用できることを示した。
キーワード：河川浄化、自然素材、生態的水質浄化、物質循環、
マイクロハビタット、木炭

１．はじめに自然には物質循環を行う確かなプロモーターが存在すると考えられる。自然のこの機能を積極的に物質循環の流れの中に取り込むならば、食糧の安定供給と環境保全の維持という人類が現在直面する難しい課題に対して、その両方を同時に解決できる重要な技術的要素の一つを見出すことになると言えるだろう。何故ならば、われわれはそのような物質循環社会の片鱗を300年前、既に成立させてきた経緯を有しており、決して荒唐無稽な話ではないからである。江戸幕府のおかれていた江戸は、当時、世界の中でも群を抜いた大都市で、人口は100万人を越えていたと見られる。下水道の設置もなく、水環境は生活排水で汚染される可能性がきわめて高いと想像されるものの、市井を流れる大小の河川や湖沼には白魚をはじめ清浄な水域で棲息する魚類が捕れていたという記載
は、当時の水環境が人口集中地域においてさえも健全に維持されていたとみることができ、このような社会の出現を可能にした背景には、江戸と周囲の農村域における整然とした物質循環系が働いていたことを指摘する研究者が多い。
一方、300年前とは社会環境が著しく変化した
現代日本社会における水環境、とくに都市周辺の水環境をみると、その悪化の実態は現代日本社会が抱える主要な環境問題の一つになっているほど深刻な状態にあることは周知の通りである。現在の我が国の水環境問題をここまで深刻にさせた原因の一つを水圏の富栄養化問題に求めるならば、外国からの大量の食料輸入と国内において実働できる環境容量の低下が象徴するように、現代日本社会の物質循環の機能面に構造的な変化が生じていることによるところが大きいと考えられる。このように考えると、我が国の水環境の改善は既に不可能な状況にまで陥っていて打つ手はないのであろうか。筆者は否と答えたい。何故ならば、このような社会の構造的変化を大幅に変更することができなくとも、流入負荷量の軽減と環境容量の増大を現代社会において実行可能な方法で達成できる技術的検討が残されていると考えるからである。本稿では、河川・湖沼の水質と水環境とを改善する具体的な方策として、自然素材のみから構成した水質改善方式である四万十川方式を中心とした水質浄化方法を適用することによって、汚濁有機物の除去ならびに湖底堆積土の陸域還元を通じて、物質循環型社会の建設に向けての一つの提言としたい１）。

２．水質浄化システム・四万十川方式の構造と浄化能の評価
２.１ 水質浄化システム・四万十川方式の構造
四万十川方式は主として家庭雑排水の浄化およ97松本：四万十川方式による水圏環境の浄化と新たなる物質循環型地域社会の創造に向けてび小規模な都市下水二次処理水の高次処理を対象に行う水処理装置であり、処理工程には自然の素材だけを用い、薬品処理を一切用いない方式を特徴とする。装置は流入水の処理工程順に①嫌気槽（沈殿槽）、②炭素系有機物槽、③チキン物質（甲殻類の熱水抽出液）でコーティング処理した木炭からなる槽、④低温加熱処理した石灰岩または軽石風化物を充填した槽、⑤木炭破砕物を充填した槽でそれぞれ構成されている。それぞれの槽で発揮することが期待される水質浄化効果の原理を紹介すれば、以下のようである２）。
（１）槽の側壁に沿って原水がなるべく気泡を作らないように静かに注入されると、原水中の有機汚濁物質を基質とする微生物によってこの槽は急速に腐敗槽に変化し、嫌気状態が発達する（酸化還元状態の低下）。嫌気状態での物質の重要な変化のうち水質浄化上とくに期待される効果は、重金属類が硫化物となって原水中から分離沈殿する効果である。家庭雑排水を主体とした原水では重金属類濃度は高くはないので、土砂、粗大有機物とともに沈殿している汚泥中の重金属濃度の経年的高まりはきわめて緩慢であることが既に明らかになっている。
（２）バイオスとは無定形の固体小片を指し、表面が微小な凹凸で覆われ、且つ多孔質の岩石の小片が入手できれば理想的である。この小片によって、原水中の浮遊物質（SS）を吸着除去する効果を狙っている。①の原水中の有機汚濁物質濃度（BOD）が高い場合には、このバイオスの底部から曝気を行い、急速に酸化還元電位を上昇することにより、脱窒反応（NH4→N2O→N2O）を部分的に起こさせる場合がある。この槽においてもう一つの効果を狙っているのが、炭素系有機物槽による窒素飢餓状態の創出とその後の微生物による菌体内への積極的な窒素化合物の取り込みである。炭素系有機物とは、有機物の炭素率（C/N比）が70以上を示す植物系有機物で、徐々に微生物の分解を受けるような物質を指し、たとえば、落葉樹の落葉、落枝、半ば腐朽した椎茸の穂だ木などの木片などである。
ゼオライトはアンモニア態窒素が溶存する場合に吸着除去するために充填した素材である。
（３）カニの甲羅や海老の殻などの熱水抽出物質中にはキトサンが含有されることから、これらの煮汁に木炭を浸漬し、浸漬後風乾処理することによって木炭の表面ならびに細孔の表98面にキトサンをコーティングした木炭を充填し、主として微生物によるBOD除去の効果を期待している槽である。このような処理により、木炭の細孔が微生物の住処（マイクロハ
ビタット）として適合することが確かめられた。
（４）低温の加熱処理を行った石灰岩または粒状の鹿沼土は耐水性を示すと共に、原水中のリンを吸着除去する効果があることから、これらの資材を充填した槽である。
（５）木炭の破砕物を充填したこの槽では、界面活性剤を含む溶液に対して木炭が高い吸着特性を示すことから、原水中の着色有機物ならびに臭気の吸着除去と合わせて処理水をさらに浄化することを目的としている。
これらの資材は水中で腐蝕しない丈夫なネットで包まれ、各槽に充填されている。装置は全体を1/10〜1/20の傾斜勾配を有する斜面に設置することで水流の自然流下を起すか、または、各槽との仕切り壁の高さを順次低くし、水流を駆動するための特別な人為的エネルギーを用いないでも水流が各槽を巡って流下していくことにしている。また、原水が流入する箇所には粗大ごみなどを除去する柵を設置していること、各槽に充填された資材が浮力によって水面に浮上し、原水と資材との接触面積が減じないように、花崗岩、硅石など鉄・マンガンなどの有色金属酸化物の含有量が少ない岩石の砕石で重力的負荷を行っている。図１−１にはその基本設計にあたる概念図を、図１−２には木炭の細孔とチャコールバイオの細孔の実体顕微鏡写真をそれぞれ示した１）,３）。
装置から容易に想像されるように、本装置は汚濁した河川本流に設置するものではない。河川の本流は勿論、その支流ですら河川の水質浄化を目的とした装置を設置することは水量が莫大な量に上ることからくる装置設計の困難さに加えて、スムーズに流下する水流に対して一時的であるにせよ抵抗物を設置することになるので、河川管理に関する法的規制の対象となり、設置することは許されない。本装置は住居地の側溝、「名も付されていない小川」など、その水量がきわめて少量ではあるが、河川への汚濁物質の負荷では無視できない存在である水路を対象にしているが、このような水路に対しても、管理する市町村の許可を予め得た上での設置になることは言うまでもない。
本装置は 1993 年 3 月、高知県幡多郡十和村の四万十川本流の右岸に日処理水量60 ｍ3の生活雑排水を対象にした設置されたが、これが設置第１号基である。以来、2002年末までに日処理量10〜地球環境 Vol.８ No.１，97−104（2003）

流入水

①バ

ゼオライ

イトゼオライト④オス③②曝気流出水⑤⑤④
図１−１

四万十川方式の基本構造（図中の番号は本文中の装置説明番号に相当する）.

チャコールバイオとは木炭をキトサン処理したものを指し、四万十川方式のろ過材で用いる呼称。
木炭の細孔．（×150）
図１−２

チャコールバイオの細孔．（×150）

木炭の細孔とチャコールバイオの細孔.

4,000 ｍ3の装置が高知県を中心に、香川県、滋賀県（琵琶湖・淀川水系水質保全機構内の実験施設）、岐阜県、兵庫県、岡山県、熊本県、長崎県、神奈川県、千葉県、茨城県、東京都、埼玉県で合計40基が設置され、目標設定値の水質を排出し、順調に稼働している。また、海外では、国際協力事業
団（JICA）、（財）
国際環境技術移転センター（ICETT）などを通じて、韓国、中国およびタイに設置されており、いずれも順調に稼働している。
２.２ 四万十川方式の水質浄化機能の評価
表１には、運転開始後７年を経過した日量50 m3の装置と運転開始後５年を経過した日量1,000 m3の装置のそれぞれ 24 時間調査による通日状況を加重平均濃度で示した（表１−１、表１−２）。
除去率（削減率）でみれば、界面活性剤（LAS）に対してはほぼ 100 ％に近い除去率を、SS（ 浮遊物濃度）およびBOD濃度に対しては85〜97％の除去率を、COD濃度に対しては66〜74％の除去率をそれぞれ示し、LAS、SSおよびBODに対してはきわめて高い除去率を、CODに対しても比較的高い除去率を示している。これに対して、全窒素（T-N）
および全リン（T-P）に対する除去率は42〜61％と上記の項目に比較すると明らかに低い除去率に止まっている。これらの結果は四万十川方式による水質浄化機能の特徴を示している。すなわち、本方式による水質浄化機能は有機汚濁物質に対しては 85 ％を超えるきわめて高い除去効果を示すのに対して、窒素およびリンに対する除去効果は 50 ％程度で高い除去率とは言えない状態に止まっているという特徴である。
本装置による有機汚濁物質の浄化は主として木炭をキトサンで処理したマイクロハビタットで行われていることが明らかになっている。汚濁水の水温が15℃以上であれば、マイクロハビタットでの微生物の増殖は２〜３日でコロニーを形成し、10 日で木炭の細孔に微生物コロニーが密集して着生することが観察される（図２）。窒素およびリンに対する除去率を高める方策はその後、濾材の検討を中心に行われているが、安定で、 75 ％を超える高い除去率を確保するには、頻繁に濾材の交換をしなければならず、メンテナンスに大きな問題が生じることがわかっている。また、脱窒作用を促進させるような装置に組み替えると、リンの除去が組み替え前の除去効果よりも更に低下するというN/Pバランスからくる新たな問題が生じるがこともわかっている。以上のように、本方式のみで窒素およびリンの除去率を高めることはメンテナンス上の問題のほかにも、装置のコストを一段と高めることに繋がり、普及の面で困難な新たな問題が派生する可能性が十分にある。
窒素およびリンの除去を高めるための方策としては、本方式により処理された排水口に植物培養槽を連結し、植物による栄養塩の吸収除去を行う
方法が装置コストならびに植物の生育管理に対するメンテナンスを含めて考えても、もっとも現実性が高い方法と考えられた。

99

松本：四万十川方式による水圏環境の浄化と新たなる物質循環型地域社会の創造に向けて一方、本方式で得られる水質の細菌学的考察を若干行っておきたい。一見、きわめて清浄にみえる装置排水が細菌学的には衛生的か非衛生的かの検討は、必要であると考えられるからである。その一例を表２に示した。総じて本装置による除菌効果は高いと見られ、その効果は糞便性大腸菌群に対してとくに高いこと、また、水温の高い夏季に除菌効果が高まる傾向にあることが示されている。このような結果は本装置が単なるフィルター充填材による汚濁物質の物理的除去効果に止まらず、生物的機能が期待できる水質浄化槽であることを示唆している。

表１−１

運転開始後７年経過した装置での水質浄化能の評価（日量50トン）.

表１−２

運転開始後５年経過した装置での水質浄化能の評価（日量1,000トン）
.

図２

表２100

キトサン処理木炭に付着した微生物コロニー.
（顕微鏡写真）流入水と流出水における細菌数の比較.

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３．四万十川方式のメンテナンス
これまで述べてきたことからすれば、本装置は炭素系有機物をはじめ生物資材を主体とした充填物によって構成されているので、無機資材充填による装置とは違ったメンテナンスが必要であり、単なる洗浄だけで維持されるものではないことも予想された。しかし、予想に反して本装置は維持管理がきわめて簡易に行われていることが明らかになった。表３には設置年のもっとも古い装置（ 1993 年３月、高知県幡多郡十和村昭和）における設置後のメンテナンス状況を示した。
凡そ如何なるタイプの浄化装置でも、メンテナンスのうち、もっとも時間を要し、作業が困難であるのは汚泥の抜き取りとその後の汚泥の処分に関わる作業であろう。汚泥は泥状化している上に、強い悪臭を発することから作業は困難を極めるのが普通である。本装置ではこのような汚泥の取扱いを容易にするために、２、３および４槽で発生した汚泥をすべてポンプで第１槽の沈殿槽に返送するようにしている（返送汚泥）。問題は返送汚泥を受けた第１槽での汚泥の増加の有無、増加がある場合はその抜き取りがどの程度の頻度で起きるのかがメンテナンスの難易を決定付ける大きな要因となる。表によれば、汚泥の装置外への搬出は９年経過した現在、実施されていない（ただし、本装置は河川敷の一部に設置されているために、洪水のあるごとに装置全体が水没し、水没期間が長期にわたる場合には、装置内に侵入した土砂を取り除くことは９年間に３回記録されている）。このことは、第１槽に汚泥が返送されて表３も、第１槽での汚泥の蓄積量が搬出を余儀なくされるまでに増加してこないことを示している。このことを確認するために、第１号基とは異なる別の本方式の装置で、第１槽における汚泥の消長を量的に把握した結果を図３に示した。図から明らかなように、第１槽に集められた汚泥量は経年的に増加するが、その増加パターンは汚泥量の減少時期を含むステップ状の増加パターンであることがわかる。このような増加パターンは汚泥堆積層で絶えず易分解性有機物の分解が行われており、そのために起こる体積減少と、分解されにくい難分解性有機物の体積増加が一方では起こっていることを示唆している。

４．四万十川方式による高度水質浄化に対する経済性
人口密集地域などでの水質汚濁の進行が著しい水域や富栄養化防止対策が不可欠な閉鎖系水域
では、従来の標準的な活性汚泥法に代表される２次処理施設だけでは水質改善は図ることはできないために、排水の高度処理を推進する動きが活発になってきている。高度処理を実現する手段としては、公共下水道などの高度処理化や浄化槽の合併処理化のように処理施設自体を高度処理化する方法がある。本方式による水質浄化はこれらの方法に対してどのように位置付けされるのであろうか。それは言うまでもなく、「不特定排出源からの排水が集合・集中する水路または水域を高度に浄化するする方法」として位置付けられる。
公共下水道、浄化槽、水路浄化施設などは本来1993年３月稼働開始の第１号基の維持管理状況.
（高知県十和村設置）

101

松本：四万十川方式による水圏環境の浄化と新たなる物質循環型地域社会の創造に向けての目的、機能はそれぞれ異なっているが、「公共用水域」への汚濁負荷削減のために付加される高度処理部分には共通した目的・機能が含まれている。そのため、公共用水域の汚濁削減について、施策検討する場合の参考に供するため、「生活排水の高度化処理手段」という共通のベースに絞った形で以下の３方法５ケースについて費用の比較を行った。この場合、それぞれの設置規模などが大きく異なり建設費用などを直接比較することには無理があると判断したので、「処理水量１トン当たりの高度処理単価」という同じ比較ベースに立ってコスト計算を行った４）。すなわち、「処理水量１トン当たりの高度処理単価」＝｛（設置費用÷償却年数）＋年間維持管理費用｝／年間計画処理水量
３方法５ケースの設定① 自然循環方式による水路水の高度処理（ 100トン/日の場合）② 自然循環方式による水路水の高度処理（ 500トン/日の場合）③ 下水道終末処理場における高度処理（ 10 , 000トン/日の場合）④ 下水道終末処理場における高度処理（ 50 , 000トン/日の場合）⑤ 小型合併処理浄化槽の高度化処理（6〜7人の高度処理型合併処理浄化槽と通常型合併浄化槽との差額）③、④および⑤でいう高度処理とは自然循環方式の標準的な処理性能であるBOD５mg/l以下、

図３

102

SS削減率 90 ％、T-N削減率 50 ％、T-P削減率 50 ％にもっとも近い処理性能をもつ方式について２次処理水を対象にした場合を比較に用いたもので、急速ろ過法＋活性炭吸着法（BOD 4 〜 5 mg/l、SS2〜3 mg/l、T-N削減率30％、T-P削減率20〜30％）に相当する。
上記の比較方法では、本方式水路浄化施設が処理対象とする水路排水は通常の２次処理水の汚濁濃度よりも高い場合があり、実際には２次処理に相当する部分も一部行っていることを無視しているので、本方式にはこの比較は「不利」に働き、必ずしも同一条件ではないが、敢えて比較し、その結果を図４に示した。
図４からわかるように、本方式による高度処理単価は他の高度処理単価に比べて割高になっていないことが示されている。また、経費の面以外にも、本方式のスタイルには循環地域社会に向けた啓発効果などが含まれ、単なるコスト計算では表せない面をもっている。とくに、河川上流域に汚染源が点在し、個々の排出源対策の推進が困難な場合や、早急に汚濁改善対策や富栄養化防止対策を進める必要がある水域では、高度浄化対策に本方式は有効であると考えられる。こうしたことを踏まえ、現在、流域下水道終末処理場などの高度処理手段として本方式を活用することについても、実証的な検討が行われている。

第１槽における返送汚泥量の増加パターン.

地球環境 Vol.８ No.１，97−104（2003）

図４

四万十川方式と他の方法による水質の高度処理単価の比較.
図４作成のための「算出条件」

共通事項
１．土地取得費用、水質検査費用、消費税は含まない。
２．設置費用は20年償却・利子率未考慮。
３．排水量原単位は、0.25トン/人・日として算定。
● 終末処理場での一般的方法による高度処理化
１．「流域別下水道整備総合計画調査指針と解説」（建設省都市下水道部監修）の次費用関数より算出。
＜設備費＞（百万円）
急速濾過法
C=353.14Q10.4646×（106.7/105.1）
活性炭吸着法
C=570.20Q10.5307×（106.7/105.1）＜維持管理費＞（百万円/年）
急速濾過法
M=0.9075Q20.9220×（106.7/105.1）
活性炭吸着法
M=3.0904Q20.9159×（106.7/105.1） Q：処理量（千トン/日）２．２次処理水以前の処理プロセスに関する経費は含まない。
３．泥処理は「重力濃縮＋直接脱水」とする。
４．下水処理場には管理者が常駐しているので、人件費は含まない。
● 小型合併処理浄化槽
１．浄化槽の大きさは６〜７人槽とし、１槽当たりの平均利用人数を４人とした。
２． 高度処理型と通常型の小型合併浄化槽に対する国庫補助基準額の差額は75千円であり、また補助基準額は設置実績の約4割になるように算定されているため、設置費用の差額を187.5千円とした。
３．維持管理費用の差額は高度処理化に伴うブロア電力増額分と汚泥引き抜き料増額分の合計とした。
● 自然循環方式
１．本体工事はオープンカット工法で、標準型の設置の場合。
２．流入・流出は自然流下。
３．汚泥処理費は含んでいない。
４．濾材の交換費用は含んでいない。
●

５． 四万十川方式による循環型地域社会への誘導１）,５）
今後の社会、とくに大量輸入物資によって物質循環構造に歪みを持つわが国では、あらゆる場面・規模で循環型システムが整備されていく必要に迫られていると考える。本稿で紹介した方式
は技術的に完成した装置であるとは考えていない
し、この方式だけで水環境が浄化・整備されるものではないことも明らかである。しかし、各地域が今後、本格的に追い求めて行かなければならない循環型地域社会の形成の面で、有益な作用を本方式はもたらすであろうと期待したい。
とくに、現状の地域社会での循環的取り組みはゴミの分別収集とそのリサイクル商品の製造・販売などに比べれば、水のリサイクルは未だに「見えにくい部分」があり、市民に定着している段階とは言い難く、市民に今後一層の協力を求めて行かねばならないだろう。四万十川方式は地域循環活動システムが参加した市民や事業者に具体的に「見える形」として提案した装置であり、システムであるが、例えば図５のようなイメージで、水環境が整備されて行くと、参加した市民や事業者に見えやすい活動の場を提供するものではないかと考えられる６）。
また、今後益々、環境教育の重要性が増大すると思われるが、四万十川方式の運転状況の観察や処理水を使ったビオトープづくりは、学校教育や環境NPOの活動の場としての活用も期待されるところである。

103

松本：四万十川方式による水圏環境の浄化と新たなる物質循環型地域社会の創造に向けて

図５

四万十川方式を中心とした地域循環活動のイメージ図の一例.

５）Matsumoto, S. (1997)The Conception and Execution

参考文献
１）四万十川方式水処理技術研究会（2000）自然循環方式水処理技術

四万十川方式（自然循環方式）

最終報告書，78p．
親水利用水質検討マニュアル（案），90p．
地防災事業４） 建設省都市局下水道部監修，日本下水道協会（1999）流域別下水道整備総合計画調査指標と解

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６）松本

聰（1994）四万十川方式による河川水質の向上構想，土木学会誌，79（7），14-17．

児島湾沿岸農児島湾周辺地域基幹土地改良整備

調査検討委託業務報告書，131p．

説，480p．

Developed Purification Method: The Shimanto-gawa
System, UNEP-IETC 8, 3-6．

２）建設省高度処理会議（2000）下水処理水の修景・
３）農業土木学会（1999）平成10年度

of Improved River Water Quality Using A Newly（受付2003年９月８日、受理2003年９月18日）