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NPO21世紀水倶楽部
10周年記念シンポジウム 2014.1.14.

下水処理の今日的課題と展望
NPO２１世紀水倶楽部 理事
佐藤 和明

私の方からは地球環境という観点から見た下水処理の今日的課題とその課題解決の方向性について、これまで私たち水倶楽部が実施してきた研究集会のエッセンスも紹介しながらお話ししたいと思います。
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犬も歩けマばン・・ホ・・ール

本日は学生さんも10人程度来られておりますので下水道のいろはについても少しご紹介したいと思います。新興住宅地の普通の道路風景かと思いますが、下水道いろはかるたのいで「犬も歩けばマンホールです」

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このマンホールもよーく見ていただきますと、道路上の大きなものと敷地内の小さなものがあるのがわかります。各家庭内の排水設備から公共下水道に繋がる箇所を示していまして、それを繋ぐのが取付管、こうした排水設備、取付管の部分が下水道では意外と大事であるということで、昨年１月当方の水倶楽部でも「排水設備と取付管の今日的役割」の研究集会を開催したところです。
雨水は側溝へ、汚水を確実に下水道にというところが分流式下水道の基本になるところです。
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同じく水道の止水栓とならんだ宅内の汚水ますを写しています。

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もう一つのよくみる情景ですが、これは何を写しているかといいますと、浄化槽です。
公共下水道が整備されましたので、この浄化槽は役目を終えたとみられますが、意外とそうではなく、トイレの水洗化が済んでいますので、なかなか公共下水道につないでくれないという問題が、近年下水道を整備した中小都市には多く残っているようです。
浄化槽の地球環境上の問題も私の発表の中で触れてみたいと思います。
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イタリア上下水道遺跡見学ツアー
2012.4.19～4.30

さて、私たち水倶楽部では古代ローマ時代の上下水道遺跡を見るためのツアーを組みました。マ
ジョレ門城壁の上に３段に組みあがった水道水路が見えますが、当時百万人の人口があったとい
われるローマではこうした水道水路が１０本ほど整備され２０ｋｍから１００ｋｍ離れた水源からかなりの量の水が供給されていました。スライド 7

クロアカ・マキシマへの嘗ての入口

そしてローマ帝国の首都であるローマにはクロアカ・マキシマと呼ばれる大下水溝が、水道施設が整備される前、紀元前６世紀から整備されていました。ローマの都市の低平地の都市開発のため水はけを良くするということが当初の目的でしたが水道施設の完成と同時に供給された水の排水を行うという役目が大きくなりました。このクロアカ・マキシマは下水道の元祖として教科書によく出てくるものであり、私たちも一度は見てみたいと思っていたものです。数年前までは一般見学のサービスもあったようですが、残念ながらその箇所が危険となったということで見学禁止となっていました。この写真は、ローマの遺跡の中心地区フォロ・ロマーノにある嘗ての見学入口です。
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それではせめてクロアカ・マキシマのテヴェレ河への排水口をみようということになりました。
これは排水口近くで撮った訪問メンバーの写真です。

スライド 9ローマ テヴェレ河 パラティーノ橋

テヴェレ河にかかっているパラティーノ橋の左岸側すぐ直下にクロアカ・マキシマの排水口があります。遊歩道がありますのでかなり近くから見ることができます。
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クロアカ･マキシマ排水口

橋の上から撮った写真です。木の枝に邪魔されながらも２０００年前に凝灰岩でつくられたアーチ状の石組みをみることができました。

スライド 11

ミラノ 地下鉄ミッソーリ駅構内の古代ローマ下水渠遺跡

古代ローマ帝国ではどこの都市にも水道と下水道が整備されていました。
ミラノの地下鉄の駅構内に展示されていた下水渠の遺跡です。
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オスティアの公共水洗トイレ跡

これはローマの海上の入口都市、テヴェレ河河口にあるオスティアの遺跡に残っている公共水洗トイレの跡です。ローマ時代水道、下水道の整備とともに水洗トイレの使用がかなり一般化していたという記録です。このように水洗トイレというものはもし洗浄水にかなう十分な水の供給があれば万人がその使用を欲するものではないかというように考えられます。

しかし、ローマ帝国滅亡の後、戦乱の中世の時代に入りますと、水道、下水道は全く顧みられなくなります。多分都市の防衛上の問題から水道施設を保持できなくなったのだと思います。
そして産業革命の時代を迎え再び都市が発展を始めたときに都市衛生上の観点から近代上下水道が出来上がってきます。
し尿を入れるか入れないかの大論争を経て、最終的にし尿を受け入れかつ下水処理施設を併設する近代下水道が１９世紀に出来上がってきました。
本日はそのへんの話は少し飛ばしまして、現代の問題、下水の高度処理の課題についてお話ししたいと思います。
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オスティア 個人住宅のトイレ

これは個人の住宅からみつかったトイレ跡です。
水洗化されていたと思われます。

スライド 14

研究集会「湖沼水質の保全と下水道ｰ諏訪湖の事例より」 2009.10.20 の講師の皆様

２００９年に実施しました「諏訪湖の水質改善と下水道」に関する研究集会のエッセンスを紹介します。
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21世紀水倶楽部2009年度秋の研究集会

空からの諏訪湖（諏訪湖の全景 1/2）
松本平

天竜川

岡谷市
下諏訪町

諏訪市

茅野市
15

諏訪湖ですが、湖の周辺は随分と市街地が発展している様子が伺えます。

スライド 16

当時、昭和３０年代後半からアオコの発生が大きな問題となっていましたが、この解決にどのような下水道計画で臨もうかということが大きな課題となっていました。天竜川の維持流量、経済性などを検討した結果、放流渠を釜口水門手前まで湖底沈設管を設置し放流することとなりました。私は、関係者ももちろんそうだと思いますが、諏訪湖の富栄養化制御の観点も含め最良の選択をされたものと考えています。
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Ⅱ 整備の進展と諏訪湖の水質改善

諏訪湖の下水道普及率と水質の推移（全りん T-P）
■普及率の向上に伴い、全りん(T-P)は改善されてきている■また、平成18年度からは、環境基準である0.05mg/Lを満足している
T-P(mg/L)

普及率（％）

0.30

100.0

諏訪湖流域下水道普及率

97.6%

全リン（T-P）
0.25
80.0

0.20
60.0

0.15

40.0
0.10

20.0
0.050.042mg/L

環境基準 0.05mg/L

0.000.053 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 元 234567817

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

諏訪湖流域下水道のすばらしさはその計画の卓越性だけにあるのではありません。
流域の普及率の９７％という随分と高い数値にも現れています。それだけ周辺の住民の方々の意
識の高さ、あるいは行政の指導力の高さにも裏打ちされているものと思えます。
その結果、現在ではリンについては環境基準を達するレベルまで水質改善が図られています。

スライド 18

Ⅱ 整備の進展と諏訪湖の水質改善

汚濁した諏訪湖の水質改善状況■下水道の整備とともに、水質が改善■透視度が回復（整備前は透視度”ゼロ”）■アオコの発生が減少
昭和４６年の状況（下水道整備前）

昭和６２年の状況
供用開始から８年経過■泳ごう諏訪湖イベント開催

平成２１年の様子
供用開始から３０年経過

18

アオコの発生の状況を下水道整備前、整備後８年後そして現在の様子を比較しています。
ぐんときれいになったのがわかるかと思います。
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Ⅱ 整備の進展と諏訪湖の水質改善

泳げる諏訪湖を目指して■昭和３３年までは、諏訪湖で水泳大会などを行っていた■平成１２年、水質が改善されてきたことによる「泳ごう諏訪湖」イベント開催
かつての水泳大会の様子

昭和16年諏訪湖畔

平成12年度「泳ごう諏訪湖」（諏訪環境まちづくり懇談会主催）
19

平成１２年ではかつての水浴場としての諏訪湖が復活しています。

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これはその時に信州大学の花里先生が発表されたデータですが、１９９９年を契機としてそれまでのアオコの発生がピタリと収まった様子を示しています。
徐々にきれいになっていくというよりは、突然アオコの発生がなくなり透明度が増すという現象が起きる、これを先生は水質が変わることにより生態系構造が大きく変わる「レジームシフト」という用語で説明をされていました。

スライド 21

高度処理とリン資源の回収という観点からも２００８年に研究集会を開いております。そのときのまとめがここに箇条書きにされています。
リンは数年前から国際的に戦略的な物質と位置付けられていまして、下水道に集約されているリンをどのように回収再利用をするかが焦眉の課題となっています。リンの除去技術はそれほど難しいものでなく、焼却灰からの回収も経済的な範疇に入ってきていますので、あと少しの努力で下水道回収リンがもっと一般的に市場にでてくるのではないかと期待しています。そうしたことは下水からリンを除去する高度処理も同時に推進されるということを示していることと思われます。
そこで私は高度処理の課題はリンというよりは専ら窒素をどう扱っていくかにかかっていくのではないかと思っています。

スライド 2222

これは温室効果ガスの大気中濃度の過去からの推移を示しています。和田先生のご講演にもありましたように二酸化炭素以外にメタンおよび一酸化二窒素の上昇も大きな問題になっているように思えます。
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下水道事業における温室効果ガス（CO2換算）排出割合の例 （下水道温暖化防止推進計画手引き H21.3）
汚泥埋立(CH4)
16.7%

その他
0.001%
電力(ポンプ場)
5.0%
電力(主ポンプ)
6.6%
電力
47.9%

汚泥焼却(N2O)
19.2%

電力(汚泥処理)9.9%

汚泥焼却(CH4)0.01%
下水処理(N2O)
8.7% 下水処理(CH4)3.2%

電力(水処理)
21.8%

電力(他)
4.6%
重油等
4.3%

この図は花木先生が委員長をされてつくられました「下水道温暖化防止推進計画の手引き」に出ているものですが、我が国の下水道からの温室効果ガスの発生の総和値を基にその割合を示したものです。
右側半分が電力や重油などの化石燃料起因の二酸化炭素発生となっていますが、左側は汚泥

埋立、汚泥焼却それに下水処理から発生するメタン、一酸化二窒素起源の割合が示されています。ここに示されていますように、下水道事業におきましては省エネルギーなどで右側の部分を小さくすることももちろんですが、左側の部分のメタン、一酸化二窒素に起因する部分の削減に重点的に取り組んでいく必要があることが示されているかと思います。

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米国における排水処理からのメタン発生源
Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks:
1990-2005

これは米国における排水処理からのメタン発生状況の見積もりデータです。
下水道の集合処理がサービスされていない区域のセプティックタンクからの発生が４分の３となっています。
その他は集合処理でも嫌気性ラグーンなどの嫌気性処理から発生するのが２３％、そして汚泥消化タンクから放出漏出されるメタン量が１％と見積もられています。

スライド 25

セプティックタンク Forrest B. Wright:
Rural Water Supply and Sanitation 3rd Edition 1977

米国で使用されているセプティックタンクはこのようなもので、滞留時間が半日から１日の貯め槽でここで嫌気性分解が起こりますので、かなりメタンが出てしまいます。米国では約２割の人口がこのタイプの個別処理によっているのですが、排水処理からのメタンということでは、その４分の３がここから出てくるということになります。
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嫌気濾床接触ばっ気方式（小規模合併処理浄化槽）の例

これは日本の代表的な合併処理浄化槽ですが、この前半部分は嫌気性分解が意図されています
ので、ここからも同様にメタンがかなりの量でてくることとなります。個別処理の技術の大半はこのメタン発生の問題を解決できていないということをよく知っておく必要があります。

スライド 27

高度処理実施処理場（５箇所）の単位電力消費量
Unit electric power consumption for advanced wastewater treatment plants

単位：kWh/m3-処理水量項目
流量[m3/d]
単位消費電力量（水処理系のみ）
単位消費電力量（全処理場）

窒素・りん除去法の範囲

窒素・りん除去法の平均値

標準活性汚泥法の平均値

1,733～141,395

37,65151,496

0.297～1.07

0.362

0.194

0.551～1.26

0.684

0.401

出典：下水の高度処理と国土保全 佐藤和明 土木研究所資料第3727号 (2000)

これは過去に私が調べました高度処理の消費電力量を通常の標準活性汚泥法のものと比較したものです。真ん中の段の水処理だけの１ｍ３当たりの消費電力量を比較してみましょう。
標準活性汚泥法の０．２ｋWh/ｍ３という値は１００か所近くの値を平均したものですので信用のおける値です。これに対して高度処理の０．３６ｋWh/ｍ３という値は５か所の平均ですので参考値程度のものでしょう。しかし、高度処理は窒素の酸化でそれだけエアレーションを必要としますので、通常の２次処理に比べて約１．５倍の電力消費がみこまれることとなります。それはそれだけ温室効果ガスの二酸化炭素を排出するシステムということになります。
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研究集会「下水道による窒素除去と地球環境保全」 2011.11.15
国総研小越室長資料 研究集会「下水道による窒素除去と地球環境保全」
2011.11.15
国総研小越室長発表資料けんきゅうしかし、高度処理を温室効果ガスの発生という観点から正確に評価するためには水処理から発生する一酸化二窒素の量が問題となります。この図は各プロセスからの一酸化二窒素の発生量の比較の図です。三角形のプロットが２４時間データですので重要なプロットです。標準活性汚泥法
より循環式硝化脱窒法が低い値になっていることがわかります。この関係は世界の常識と逆です。
すなわち世界では、硝化脱窒が生じない２次処理では殆ど一酸化二窒素は出ないで、高度処理になるとこれが出るという理解が一般的となっています。硝化反応および脱窒反応と付随して一酸化二窒素がでるというのが発生理論ですからそういうことになります。
わが国では標準活性汚泥法でも硝化反応が一部進行することが一般的となっていて、多分それが原因で一酸化二窒素が発生しているのだと思います。そして我が国の窒素除去法からの一酸化二窒素の発生が極めて低い例が出ているということは一酸化二窒素の発生をコントロールできる硝化脱窒法がある条件で成立するということを示しているものと思います。

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高度処理と標準法の温室効果ガスの比較
GHGs emission comparison between N removal treatmant and SASM

T-N：40mg/L

0.33 kWh/m3
183 gCO2/m3

N2O 16 mg/m3
5 gCO2/m3

T-N：8.2mg/L
40 gCO2/m3

高度処理(硝化脱窒運転)

183+5+40＝228 gCO2/m3

T-N：40mg/L

0.2 kWh/m3
111 gCO2/m3

N2O 160 mg/m3
50 gCO2/m3

T-N：17.1mg/L
83 gCO2/m3

二次処理(部分硝化)

83+50+83＝244 gCO2/m3

Sato et al., IWA ASPIRE Conference,
Tokyo, 2011.

もし２次処理と高度処理がそうした関係であるならば、水系に出た窒素は一定の割合で、IPCCの報告では１％あるいは０．５％の割合で、一酸化二窒素に変換されるという関係がありますので、それを勘案しますと水処理で多く消費される電力量起源の温室効果ガスは処理プロセスおよび放流先の水域からの一酸化二窒素の発生量の関係でこれが相殺されることとなります。窒素除去に関する高度処理の合理性を論ずるとき、大きな根拠となる比較であると思います。

スライド 30

一酸化二窒素に関する水処理と汚泥処理のトレードオフ
N2O
硝化脱窒反応

N2O
脱水

消化

焼却脱離液

30一酸化二窒素は汚泥焼却から出るものが現在当面の削減対象となっています。
それは通常の８００℃の焼却では汚泥に含有される窒素の１０％近くが一酸化二窒素に変換されてしまうからです。現在８５０℃の高温焼却で対応がなされていますが、それでも３％近くの窒素が一酸化二窒素に変換されます。水処理では先ほど触れましたように、０．３％とか０．５％のオーダーですので１オーダー高いということになります。ですので、現状の数値を前提とすれば汚泥消化起因の窒素を水処理で処理する方が温室効果ガスの関係からはより望ましいということになりそうです。
スライド 31

都市の下水道整備が遅れると
GHGs generation caused by lack of sewerage system

CH4
CO2N2O
DO=0×これまでの話を少しまとめてみますが、人口が集中した都市域で下水道の整備が遅れるとメタン、一酸化二窒素の発生を大きく許してしまうということになります。有機物はちゃんと二酸化炭素に、そして窒素は利用あるいは適正に処理するといことが必要かと思います。
スライド 32

温室効果ガスからの視点• 温室効果ガスの観点よりの浄化槽との比較• 下水道システムからの温室効果ガス発生• 下水道の省エネルギー化、エネルギー回収• 下水道システムに流入してくるC源（有機物）はエネルギー回収して二酸化炭素へ、N源は回収利用あるいは窒素ガスに• 下水道システムにより温暖化問題、資源問題の解決を図ろう

このまとめ、とくに第４項の「下水道システムに流入してくるC源（有機物）はエネルギー回収して二酸化炭素へ、N源は回収利用あるいは窒素ガスに」という視点が重要と思います。

スライド 33

研究集会「21世紀の消化技術を考える」2012.10.12. 山形市奥出所長資料

消化槽の物質収支
量 ： ４，０７８ｍ３

消化ガス

投入汚泥

CH4 ：６０％CO2 ：４０％

消化汚泥

37℃
3週間
濃 度 ： ３．８２ ％濃 度 ： １．８０ ％固形分 ： ９．１０ t
有機分 ： ８５．４％

固形分 ： ４．８０ ｔ
消化槽

有機分 ： ７１．５ ％

消化率 ５７％

ここで昨年度に実施しました「２１世紀の消化技術を考える」の研究集会から山形市の取り組みを紹介したいと思います。消化槽の物質収支を示した図です。半分以上５７％の有機物がガス化されていることがわかります。
スライド 34

ガスエンジン発電機 （昭和63年導入）
１７８ｋW

ガスエンジンの発電機です。昭和６３年に導入されています。

スライド 35

燃料電池発電設備（平成14年導入）
１００ｋW×2基新しく導入された燃料電池です。ガスエンジンで問題となっていたNOｘの問題、騒音の問題のでな
い２１世紀のメタン発電技術であると思います。
スライド 36

電力の自給状況と原単位

総使用電力
kWh
7,000,000

電力原単位
kWh/㎥
0.70

6,000,000

0.60

5,000,000

0.50

4,000,0000.40

平成２３年
電力自給率

3,000,0000.30

５４％2,000,0000.20

燃料電池
ガスエンジン

1,000,0000.10

買電

00.00
1314151617181920212223

年度

消化ガスにより発電された電力量と処理場で消費される電力量を対比して示したものです。
最近では省エネルギーの努力が実って総使用電力量は過去の８割ぐらいに下がってきています。
それも関係してでしょうか、現在の電力自給率は５４％となっています。随分高い数値です。

スライド 37

発酵槽

研究集会「21世紀の消化技術を考える」2012.10.12. 山形市奥出所長資料

山形市のもう一つのリサイクル事業、汚泥コンポストです。この写真はコンポストヤードで、この床から曝気空気が供給されます。
スライド 38

コンポスト製品

コンポスト製品です。

スライド 39

コンポスト施肥

里芋生育状況

山形では秋に恒例の芋煮会という行事が大々的に行われますが。
その主役となる里芋が汚泥コンポストを使って生産されています。
スライド 40

浄化センター

前明石
ケーキ処理場

消化下水道管場内利用
消化ガス(メタン60%）
電気

脱水ｹｰｷ

熱

消化ガス発電人間

ｶﾞｽｴﾝｼﾞﾝ

燃料電池

二酸化炭素吸収農作物

コンポスト（肥料）

食糧

緑地利用

山形市の下水道を介したリサイクル、資源循環と温室効果ガスの二酸化炭素の排出削減の様子を表しています。山形市は人口２０万人程度の中規模の都市ですが、下水道の中でエネルギー資源の再生を図り低炭素社会の創造に貢献するとともに、近郊農地とうまくタイアップして下水道の肥効成分をリサイクルしています。日本の中規模の都市の先駆的な事例となっています。

スライド 41

わが国の食料に関する窒素収支と下水道（2002年度）
N量(1000ﾄﾝ)

外国からの飼料517

肥料473

農地

外国からの食料

畜産515(化学合成)
174

191
419

人間

下水処理場

192

廃棄物，排水海145
20

水産物
再生と利用 No.122 佐藤

さて、山形市のようなリサイクルが我が国全部でできるわけにはいかないということも指摘しておきたいと思います。これは食糧需給表という統計数値を用いて我が国の食料に関係する窒素量と下水道に集約されてくる窒素量を見たものです。外国からの飼料、食糧に起因する窒素量が随分と大きいということがわかるかと思います。日本の国土にはこのように過剰に窒素が負荷されているのだと思います。しかし、そのうち人間界に来ている窒素量の約４割が下水道に集約されていることもわかります。この関係は２００２年度６５％の普及率でみたものですが、現在、将来はもっと集約率が上がることになります。これがこれからの下水道の役割を考えるときのヒントになるのではと私は思っております。
スライド 42

日本における窒素循環
江戸時代
3,000万人

現在
12,000万人

飼料
食料

輸入
８０万トン

N １０万トン

田畑
し尿

田畑

下水・し尿

肥料８０万トン

河川，海５０万トン

42昔２００年前の江戸時代の日本では、人のし尿が全面的にリサイクルされていた状況です。人口は当時３０００万人でした。そして右側は現在の状況を対比したものです。人口は４倍の１億２０００万人そして使用されている化学肥料の他に食料、飼料として同様の量の窒素が我が国に入ってきます。ですからもちろん窒素･リンのリサイクルはこれが可能な地域では下水道事業として推進することが重要ですが、日本全体で見た場合にはリサイク
ルと同様、適切な処理をしていくと言うことが同時に重要となってくると思います。日本では大都市といわれる部類の都市で、この窒素の処理が課題になると思います。
スライド 43

有効物質のリサイクル or 処理• 循環型社会を実現するためにはできるだけリサイクルが望ましいが• 少なくても日本の国土では汚泥（有機廃棄物）の全量リサイクルは無理• 窒素については水処理で脱窒素処理あるいは汚泥焼却で処理することが必要

43

これまでの話を少し整理しますと、このようなものになると思います。

スライド 44

我々が扱うバイオマス「メタン発酵」 p.22

「メタン発酵」 表-2-1 p.20 より
調理くず
下水汚泥
し尿汚泥

C17H29O10N
C10H19O3N
C7H12O4N

下水“Metcalf & Eddy : Wastewater Engineering 3rd Ed. 1991” より
BOD 220mg/L
CODCr 500mg/L
TOC 160mg/L T-N 40mg/L C/N比 4.0C/N比 14.68.66.0

窒素除去あるいは窒素の取り扱いが２１世紀の大きな課題になるだろうということを述べました。
下水にはし尿に起因する部分がかなり多いと思いますが、窒素が随分多く含まれていまして、他のバイオマスの炭素・窒素比が１０とかそれ以上である場合が一般的なのですが、下水はC/N比４と随分窒素成分の勝った構成となっています。
そして、下水の高度処理を実施する場合、 生物学的脱リン、生物学的脱窒で必要となるC源、カーボン源が一般的には足りないという関係があります。どこからカーボン源をもってくるのがよいのでしょうか。

スライド 45

ＤＳＰ

そこで期待されるのが、台所ごみ、生ごみを破砕、ジュース化するディスポーザです。
生ごみのC/N比は通常の下水より随分と高くなっています。この写真は私のところのシンクにつけたディスポーザです。省エネルギーで温室効果ガスの発生の低い下水処理を目標とすると、下水成分としてはどのような構成が望まれるのか、ということも考えてみる必要があります。下水道の機能をより高めるディスポーザの使い方という問題も含めて、私ども水倶楽部は積極的にこの課題に取り組んでいます、ということを最後に付け加えておきたいと思います。
スライド 46

下水処理に関する今日的課題と展望（まとめ）• 人口問題に起因する窒素サイクル増加の課題は地球上の大きな問題• 世界の都市人口（32億人）の半分に普及した下水道には多量の有機物と共に窒素が集約されている• 1970年代に確立された生物学的窒素除去法は温室効果ガス問題も含めその解決法を提示する可能性大• 地域の水環境保全、地球環境保全を目標に高度処理、資源回収の機能を有する下水道システムを世界に普及・推進しよう
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本日の私の発表をまとめてみますとここに書いてあるようなことになるかと思います。
ご清聴ありがとうございました。