下水道
下水道（げすいどう）は、主に都市部の雨水（うすい）および汚水（おすい）を、地下水路などで集めた後に公共用水域へ排出するための施設・設備の集合体。多くは浄化などの水処理を行う。
雨水としては、気象学における降水および、いったん降り積もった雪が気温の上昇などで融けた融雪水も含むが、いずれも路面など地表にあるものが対象で、河川水や地下水となったものは除く。
汚水としては、水洗式便所からの屎尿や、家庭における調理・洗濯で生じる生活排水と、商店やホテル・町工場から大工場にいたる事業場からの産業排水（耕作は除く）などがある。
雨水や汚水を都市部からその外へ流し去ることを排除といい、個人や事業者が下水道を利用して自らの汚水を流し去ることを下水の排除と呼ぶ。具体的には下水管へ水を流し込む行為を指す。日本の水質汚濁防止法で定める特定施設に対しては、その水質について地方自治体などの下水道事業者による排除基準が設けられる。
下水道は都市基盤整備の一環として多額の建設費を投じて整備され、完成後も維持管理や更新に多額の経費を要す国家レベルの公共事業である。それゆえ先進国ほど普及率が高い傾向を示している。
日本の下水道普及率は2017年3月時点で78.3%とかなりの水準を達成してはいるが、先進国としては低い値であるうえ地域格差が非常に大きく、未普及地域における早急な整備が求められている。
その一方で普及率が高い都市部では、合流式下水道の改善、老朽化した管路施設の更新など、次なる課題が急務である。その他にも大きく立ち後れている高度処理の導入や、産業廃棄物としての処分が逼迫する汚泥リサイクルの推進等々、多くの課題がなお山積しているのが現状である。
下水道が整備された地域でも、流れ込んだ水が常時100％処理されるとは限らない。集中豪雨の雨水や、起源不明の「不明水」などが流入して処理が追い付かないこともある。特に近年頻発するゲリラ豪雨への対応が急がれている。例えば2008年時点、東京都下水道局では降雨強度が50mmまでの雨を想定して下水道管渠を設計・敷設しているが、ゲリラ豪雨や台風に代表される大雨では100mmを超える場合もある。（ただし、この50mm基準を超えたからと言って、それ以上の雨を排除できないということではない。）
これら統計データなどは啓発を兼ねて、かなり公開されており、一部を外部リンクに示してある。
下水道の目的は、主に以下の三点である。
近年はこれらに加え、
などが求められ、また担い手となりつつある。
下水道の歴史は古く紀元前にまで遡る。しかし、工学的汚水浄化は近代以降を待つ必要があった。
下水道整備は大規模な事業なので、関連法令体系も国によって違いがある。ここでは日本について示す。
法令（下水道法）上の定義は、下水排除のための、管路施設、処理施設、ポンプ施設その他の補完施設の総体で、灌漑排水施設と屎尿浄化槽を除く。処理施設から排出される汚泥は、産業廃棄物となる。広い意味での下水道で、処理施設は浄化槽法および廃棄物処理法の対象となり、汚泥は一般廃棄物である。ほとんどの場合、汚水排除と浄化のみを目的とするが、農業集落排水処理施設（農集）などは雨水管渠整備も事業対象に含む。
市街地外の人口密集地（集落）の水質保全と生活環境改善を目的とするもので、市町村または地元住民の組合などが管理する。基本的に管路施設と汚水処理施設を持ち、排除は分流式で行う。これは浄化槽法の対象に工場排水と雨水が含まれないためだが、少数ながら合流式で整備されるケースもある。
設計上の基準や施工方法、および排除を許される事業所などが幾分異なるが、つまりは、整備に必要な多額の建設資金に対する補助金を、どの省庁が交付するかの違いである。それゆえ周辺の舗装道路が国道・市町村道か、農道か、林道か、といった違いと関連性が深い。
この3事業をまとめて集排とも称し、ミニ下水道、農村下水道などと呼ばれることもある。上記の下水道とその類似施設は国庫補助対象事業だが、この他にも汚水等を収集排除する設備は各種あり、その一部を以下にあげる。なお、し尿処理施設は管路施設がない等の点で下水道ともこれら類似施設とも大きく異なるが、処理工程に関しては共通点も多い。
雨水と汚水を排除するための流路を、どのように設計構築するかに依り二種に大別され、それぞれ特徴がある。
汚水と雨水を同じ水路で集め、まとめて浄化処理して放流するものである。
比較的早い時期に整備を開始した大都市地域に見られ、特に大阪市と尼崎市は布設延長の98.96%と飛び抜けて多い。汚水と雨水を別の水路で集め、雨水はそのまま、汚水は浄化処理して放流するものである。現在新設される下水道ではほぼ全てがこの方式による。下水の発生源と排除先を結ぶものであり、水を流すための水路やパイプである管渠と、ポンプ場ほかの付帯設備によって構成される。
都市部に網の目状に張り巡らされた下水管路はまさに都市の静脈であり、公共財である。しかしその耐用度は、都市住民の公共心に依存している。
水への運動エネルギーの与え方により、自然流下式、真空式、圧力式に分けられ、それぞれ使用管種や付帯設備に違いがある。圧力式と圧送式を分けたり、真空式と圧送式を合わせて圧力式とする場合もある。ここではエネルギーを得る方法（重力、大気圧、機械的動力）により区分している。
古典的な、重力を利用して下水を流下させる方式。厳密な水密管路は不要で管渠の構造は比較的単純だが、堆積物の蓄積を防ぐために流速を確保しつつ、建設費の増大を招く埋設深増加を抑える設計が求められる。故に地形条件における制約の多寡が、建設費に大きく影響する。大規模から小規模まで適用され、主流である。
重力と水の関係をうまく制御する手法が蓄積されており、後述の真空式、圧力式においても部分的に自然流下式を採用する例が多い。
真空式下水道システム、真空式汚水収集システム、真空下水と称され、気密性の高い、真空ステーション（中継ポンプ場）、真空管路、及び各家庭単位の真空弁ユニット（弁マス）から構成される。真空管路内は、ステーションにおける排気によって管路は減圧され、そのまま負圧に保たれる。一方、家庭からの汚水は自然流下にて真空弁ユニットに流入、貯留される。水位の上昇により圧力スイッチやフロートが作動すると、機械的機構が無電源で真空弁を開閉し、汚水は管路へ吸引されステーションへ収集される。
自然流下式よりも地形条件に左右されにくく、布設費が割安で、一般に平坦で軟弱な地盤のエリアでの採用が多い。また、真空ステーション以外で動力用電源を必要としない（真空弁ユニットの異常通報装置などにはバッテリーが必要な場合はある）。管種にはポリエチレン（PE）管や真空下水用塩化ビニル (PVC) 管が使用され、特にポリエチレン管は耐震性が高く、長寿命であるため、現在はこちらが主流となっている。農業集落排水や特環下水・特公下水道など、中から小規模向きの収集システムである。
近年は真空ステーションが道路下埋設型でコンパクトかつ、旧来より安価となったため、小規模な収集もコストメリットが出るようになってきた。そのため、下水道普及率が高く財務の良い自治体を中心に、自然流下方式では収集が難しい「下水道整備の残された」エリアの収集方式として多く採用される。民地が道路より低い所や、国道沿いの民家で収集管の敷設が困難な地域、地盤沈下地域などでの採用が進んでいる。
中越地震の被災地区の本復旧に採用された事例もあり、その後の中越沖地震で全く管路被害が無いなどの高い耐震性を示した。東日本大震災 では宮城県の烈震地域を中心に数多くの真空式採用地域に於いて、ポリエチレン管路が無被害であった事と、電源の少なさから、近隣の自然流下＋ポンプによる下水道敷設地域が大きな道被災を招いたのをよそに、短期復旧している。改めて耐震性に優れたシステムである事を印象付けた。
真空下水管路内の負圧は-25~70kPaである。この負圧で汚水のみ吸引・揚水するのは地球上では2m程度から最大7m程度までが限界である。管路内で、汚水は空気と混合され、低比重の流体（気液混合物）となり２相流を形成して「リフト」と呼ばれるの登り勾配（標準で30cm、最大で100cm）を上昇し乗り越えていく。リフトの下流管路は一般に2‰（1～3‰）の下り勾配からなり、気液分離後も自然流下にて流下する。2‰勾配の場合、平坦地でのリフトは150mおきにつけられる事になる。リフト部は、気体の逆流は許しても液体の逆流は妨げる構造となっている。一回の吸引でステーションへ達しなかった汚水も管路底部に担持され、他の真空弁ユニットから流入した気液混合物で後押しされる機会を待つことが出来る。この様に、真空式では水理工学的に高度な技を駆使して汚水を収集する仕組みが備えられている。
小型の水中ポンプを多数設置し、各家庭からの汚水をポンプ圧送する方式。ポンプは破砕羽根を備えたグラインダーポンプが多用される。ポンプ設置と動力・維持に多額の費用を要するが、布設自由度が最も高く地形が極めて急峻な場合でも対応できる方式。部分的、小規模向き。
標準的な設計手法において、施工上の制約などで自然流下式や真空式で整備困難な場合、部分的に圧送管路を採用する（数km以上の遠距離を特に圧送式と呼ぶことがある）。これを拡大し、1から数世帯単位で汚水マスから下水本管や処理場にまでポンプ圧送するシステムが、圧力式下水道となる。急傾斜地や、小水路が縦横に走る平地などで実績がある。
圧送管路では汚水へ空気の溶け込む機会が少なくなる為、腐敗による硫化水素や有機酸の発生、または管路内部へのリン酸マグネシウムアンモニウム (MAP) などの析出といった問題があり、下水中へのオゾンなど酸化剤の注入や、定期的なピグ洗浄などの対策が行われている。
管渠は一部の雨水を除き原則暗渠であり、一般に『下水』と言う場合は管渠を指している事が多い。路面や河川、住宅の地下に布設され、外部からの確認が困難であり、また使用される管種、施工方法ともに年代による変化が大きい。そのため、管理や清掃、更新を行う上で対象管渠の布設年代は重要な確認事項となっている。
大別して剛性管と可撓管がある。自然流下用の下水道用管材として最も多く使用されているのが、硬質塩化ビニル管であり、用途に応じて様々な管種が用いられる。一般的には日本下水道協会規格（JSWAS）製品が使用される（記号のアルファベットはJISコードと同じ）
下水道に限らず、細長い設備を施工する事を布設と呼ぶようだ。工法によっては特定の管種と関連が深い。
収集方式を問わず下水を放流するためには、放流先の水面よりも十分高い位置まで揚水する必要があり、ポンプが必要になる（地形条件に恵まれた、一部の自然流下式を除く）。平成16年（2004年）の下水道法改正を受け、主に合流式下水道の未処理下水放流を抑制、解消するため設置が推進されている。正式には終末処理場だが、一般的に下水処理場と呼ばれている。最近は、浄化センターや水再生センターなどの愛称が付けられることが多い。図面上の略号は□で囲ったT。
処理施設の能力は日平均、日最大、時間最大の水量負荷について立方メートル毎日で表示される。これらを設計負荷または設計能力と称し、計画下水量に基づく下水道計画の一環として定まる。
下水道整備などの進捗状況を、人口に占める割合などで表した指標で、国が集計する。対象により数種あり、人口に依らないものもある。人口データには住民基本台帳人口を使用するため、外国人は含まれない。全国集計の基礎となる県や市町村レベルの値も、一部で公表されている。年度末の値と、前年度からの差分
なお、都道府県下水道構想（整備についての基本計画）の集計(平成16年度)によると、最終想定普及率は88%。
都道府県別では普及率トップ5は東京都、大阪府、神奈川県、埼玉県、愛知県。ワースト5は徳島県・和歌山県・高知県・鹿児島県・香川県。
近年の大地震による下水道施設の被災を受け、施設や管渠の耐震化対策が進められている。一方、耐震化とともに長寿命化計画も進んでいる。
災害時の避難場所において、トイレの問題が深刻である。これに基づき、国土交通省は下水道ＢＣＰ策定マニュアル～第２版～（地震・津波編）にて、「マンホールトイレ」システムについてまとめている。下水道担当セクションだけでなく、防災対等セクションなども含めた部署をまたいだ横断的な取り組みが必要とされている。下水道は重要な公共施設であり、それ故に様々な問題を常に抱えている。
下水道は、他の汚水処理施設（浄化槽など）とともに、そのメリットやデメリットを考慮のうえ、地域特性を勘案しながら、整備されてきている。現在、各都道府県ごとに、汚水処理施設に係る「都道府県構想」が策定されており、経済性や地域特性を勘案の上、最適な汚水処理手法が選択されるよう検討がなされている。
地方自治体は下水道普及率を国に申告し、これが地方交付税交付金算定基準となる。岡山市は普及率を虚偽申告して計20億円を余分に受け取り、国に41億円の支払いを命じられた。岡山市民が21億円を損したため、虚偽申告に関係した当時の職員に損害賠償を求めている。
下水管渠は物理的（土圧や車輌の重量、水圧、摩耗）、化学的（硫化水素等による腐食）、生物学的（樹木の根が水を求めて侵入する）に厳しい環境に長期間さらされており、布設から数十年が経過した老朽管は損傷し、周囲の土砂を引き込んだ結果空洞を形成して路面の陥没事故を発生させる例が全国で相次いでいる（平成17年度で6600件）。通行中の車や人が転落する事故も起きており、点検・更新が必要になっている。
これは戦後日本の下水道管が陶管・石管などの代わりに腐食に弱いヒューム管といわれる鉄筋コンクリート製の管が使用されていきたことによる。下水管内は硫化水素などの腐食性のガスが発生しやすく、汚水が滞留するなどした場合1年も持たない場合もある。管の内側に防蝕用のコーティングを施した製品もあるが、高価なので普及は進んでいない。下水管の交換には仮設のバイパスを設置するなど新設時の数倍の費用がかかる。公共下水道の建設には国からの補助も多いが、それでも建設費の償還に苦しむ自治体が多い。将来はさらに、多くの税収に乏しい自治体が下水道補修費用の負担に苦しむことになる。
阪神大震災時においても処理場は比較的早く回復したが、管渠については時間がかかっており、地震に対する脆弱性も問題視されている。
下水道の整備は地方公共団体の財政事情や地形的特質に大きく影響されるため、地域格差が大きい。
例えば都道府県ごとの普及率が東京都や神奈川県で95%以上であるのに対し、徳島県は10%台である（平成27年度末時点、大まかに言って西日本は低く東日本は高い傾向にある）。また、市町村ごとに見ると人口規模が小さいほど普及率は低く、10万人以下で全国平均を下回る。
ただし、下水道類似施設や合併浄化槽による処理が有るため、必ずしも「普及率が低い＝排水処理が進んでいない」訳ではない点に注意すべきで、実際の平成19年度末時点での汚水処理人口普及率は、和歌山県が45%、徳島県は43%となっている。
これは逆に、普及率が高いからといって油断はできないという意味でもある（下記）。
新しく下水道の建設を行うとき、事業実施主体（市町村等）は公共汚水桝までの工事を実施する。宅内の配管工事費用は個人負担となるため、下水道への接続については下水道法により供用開始の公告の日からおおむね3年をめどに接続するよう義務づけられている(下水道法第11条の3)ものの、経済的やその他の理由により放置されていることがあり、水洗化率が延びない要因となっている。
下水道に接続しない場合、合併浄化槽が義務づけられる以前に建築された家屋から排出される家庭排水は、未処理のまま垂れ流されていて、河川の汚濁原因の一つとなっている。なお、新築や改築の場合、建築主事の建築確認を受けることとなるが、費用が不足するからと言って下水道区域内に所在しているのにも関わらず、下水道以外の方法で汚水を処理する申請は原則として確認を受けることはできない(下水道法第10条)。
きわめて頻繁に「除外施設」と誤記される上、この誤記に基づき義務がないものと誤解しているケースすらあるという。
除害施設とは下水道に対する「下水による障害を除去するために必要な施設」であり、社会の共有施設である下水道を自らが損ねてしまう事を防ぐため利用者が自らの責任で設置・管理するものである。
悪質下水、すなわち下水処理場の無害化能力を超える量や種類の有毒物質や、管渠を閉塞や破壊させてしまう様な物質・物体を、除去せずに流し入れる行為(例えば熱湯をそのまま流し入れる行為なども含まれる。)は、他の下水道利用者全てに対する罪であり、放流先の公共用水域を利用する全てのものに対する罪である。
また家庭や事業所から排出される水銀などの有害金属類は生物濃縮され下水汚泥の堆肥などへの有効利用を阻害している。
下水道は、暗渠であるため当局による事業所排水の監視が十分にできない。また下水道に接続すると排水の取り締まりは保健所から下水道管理者に移管されるが、下水道管理者にとって利用者は下水道料金を支払う顧客であるため強力な取締りができない。全国で下水道管理者が利用者に対して告発などの処分を行った例はない。更に多くの市町村に跨る流域下水道においては管理責任が曖昧になり指導が疎かになる。
なお、除害施設を有する事業者は、除害施設管理責任者を選任し、維持管理を適正に行わなければならない。
下水を処理すると多量の汚泥が発生する。ロンドン条約批准により日本国内でも廃棄物処理法が改正された。2007年4月から公共下水道から除去した汚泥の海洋投入処分が全面禁止になり、現在では下水汚泥は全量陸上処理されている。
多くの下水汚泥が産業廃棄物として埋め立て処分されている。産業廃棄物としての埋め立て用の最終処分場は不足してきており、多くの産業廃棄物の不法投棄事件の投棄物中に下水汚泥が見られる。
対策として焼却や溶融スラグ化が行われているが、多くの施設建設費と維持費が必要であり一部の大都市でしか進んでいない。また、製造されるブロックなどの製品も強度など品質上の問題があり、有効利用は進んでいない。近年、焼却灰をコンクリート原料である砂の代替品として利用する、セメント原料としてのリサイクル率が向上している。
下水汚泥は多量の肥料成分を含んでおりコンポスト化などによる堆肥等への有効利用が最も安価で簡単な方法であるが、日本では肥料取締法における有害金属含有量基準が厳しく、工場排水などを多く取り込んでいる場合は難しい。
このほか下水汚泥に含まれる有機物を発酵させて、火力発電などのバイオマス燃料となるメタンガスを取り出し、汚泥を減量・減容する取り組みが広がっている。
日本の下水道普及率70%は先進国中に限って言えば高いとは言えない。しかし全世界では現在なお下水道計画さえままならぬ国も多く、普及率が過半数に達している国はむしろ少数派である。これは例えば、国連が提唱する「人間の安全保障」達成への要素を欠いた国と地域がなお多いことを意味している。
とりわけモンスーン気候に属するアジアは多雨・高温多湿で下水道の必要性が高い環境にもかかわらず、過密の進む多くの都市で普及率は低く、下水道の代わりに地下浸透式が採用されていることが多い。
施設の一部で見学を受け付ける下水道運営母体もある。東京都小平市にある「ふれあい下水道館」は日本国内で唯一、本物の下水道管の中に入ることができる。