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、いったん降り積さ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、家庭における調理・洗濯・風呂等で生じる生活排水、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。
概要.
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2022年3月時点で80.6%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。
目的.
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。
歴史.
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。
種類.
法令上の分類.
下水道事業は、法令体系も国によって違いがあるが、ここでは日本について示す。
下水道法による下水道.
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。
下水道類似施設.
広義の下水道事業で、浄化槽法及び廃棄物処理法の対象となり、汚泥は一般廃棄物である。主に農村部等の水質保全と生活環境改善を目的とするもので、自治体や地元組合等が管理を行う。基本的に管路施設と処理施設を有し、汚水処理は分流式である。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。ほとんどの場合、汚水処理のみの実施だが、農業集落排水事業等では雨水管の整備も補助事業の対象となっている。
下水道との違いは、設計基準や施工方法、汚水処理を許される事業所等が幾分異なるが、整備に必要な建設資金に対する国庫補助金をどの省庁が交付するかの違いが主である。
近年、人口減少や節水機器の普及により処理施設の施設利用率が低下しており、管理する自治体の経費削減を目的に、公共下水道等に統合・接続（処理施設は廃止）されるケースが多くあり、事業数は減少傾向にある。
この3事業をまとめて「集落排水事業」と称し、農村下水道と呼ぶこともある。
その他.
下水道とその類似施設以外にも汚水等を収集排除する施設・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。
排除方式.
雨水と汚水を排除するための管路をどのように施工するかにより二分され、それぞれ特徴がある。
合流式.
汚水と雨水を同じ管路で集め、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都市に多く見られ、特に大阪市と尼崎市は布設延長の98.96%が合流管となっている。
分流式.
汚水と雨水を別の管路で集め、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、この方式による。
管路施設.
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。
収集方式.
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。
自然流下式.
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.
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。
圧力式、圧送式.
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.
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。
管種.
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）
布設工法.
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。
ポンプ場.
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）。
調整施設.
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。
処理施設.
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（Treatmentの略称）。
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。
普及率.
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。
現状.
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%。
都道府県別ランキング.
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。
防災（耐震化・マンホールトイレ）.
近年の大地震による下水道施設の被災を受け、処理施設や管路施設の耐震化が進められている。また、過去の災害時の避難場所において、トイレの問題が深刻であったことから、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）」において、マンホールトイレの必要性について整理している。今後の災害に備え、下水道担当部署だけでなく、防災担当部署も含めた横断的な取り組みが必要とされている。
問題点・課題.
下水道事業は、社会生活において重要な公共サービス・社会インフラであるが、その反面、様々な問題点・課題を抱えている。
計画.
下水道は、ほかの汚水処理施設（農業集落排水施設や合併処理浄化槽等）とともに、経済性や地域特性を勘案しながら、そのメリットやデメリットを考慮し整備することが非常に大切である。現在、各都道府県ごとに汚水処理事業に係る「都道府県構想」が策定されており、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ものの、水道事業の浄水処理コストと比べて、汚水処理に要するコストが高額なため、管理する自治体の財政を圧迫し、使用する住民への負担も高くならざるを得ない。
地域格差.
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、基礎自治体ごとの普及率が東京都や神奈川県では概ね100%であるのに対し、徳島県は30%台である（平成29年度末時点、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処理浄化槽があるため、必ずしも「普及率が低い＝汚水処理が進んでいない」訳ではない点に注意すべきであり、令和3年度末時点での汚水処理人口普及率は、和歌山県が68%、徳島県は66%となっている。これは逆に、普及率が高いからといって必ずしも良いわけではないという意味でもある（下記参照）。
未接続.
新しく下水道の整備を行うとき、事業実施主体（市町村）は公共汚水ますまでの工事を実施する。宅内の排水設備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概ね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、経済的理由等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、合併処理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、下水道処理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）。
除害施設.
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、適切な維持管理を行わなければならない。
汚泥の処理.
下水処理に伴い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、現在では下水汚泥の全量が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が、埋め立て用の最終処分場が不足してきており、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、固形燃料化や溶融スラグ化が行われているが、多額の建設費と維持管理費が必要であり、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等の製品も強度など品質上の問題があり、有効利用はあまり進んでいない。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、日本では肥料の品質の確保等に関する法律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、バイオマス燃料となるメタンガスを取り出し、固定価格買取制度を利用した消化ガス発電や、汚泥を減量化する取り組みが広がっている。
施設の老朽化.
管路施設は、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管路は老朽化し、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事案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、維持管理の重要性が増すとともに、維持管理費も大幅に増加している。
これは戦後日本の下水道管が陶管・石管等の代わりに、腐食に弱いヒューム管と呼ばれる鉄筋コンクリート製の材料を使用してきたことによる。下水管内は硫化水素等の腐食性のガスが発生しやすく、汚水が滞留した場合、コンクリートが腐食し破損することがある。現在、長寿命化対策として管路施設の内面更生を行う自治体も多いが、管路の入れ替え時には、仮設のバイパス管を設置する等、新設時よりも費用がかかる傾向にある。下水道の建設には国からの補助金はあるが、それでも国庫補助金の裏財源に充てた起債の償還に苦しむ自治体が多い。将来はさらに、多くの自治体が更新費用の増加・捻出に苦労することが予想される。
また、阪神大震災において、処理施設は比較的早く回復したが、管路施設については復旧まで時間がかかっており、地震等の災害に対する脆弱性も問題視されている。
人口減少.
下水道事業は、先行的に施設整備を行い、当該施設で提供する汚水処理サービスの対価として使用料を収入し、経費を回収する事業であるが、全国で、人口減少により有収水量が減少し、それに伴い使用料収入も減少するといった課題に直面している自治体も多い。
井戸水使用者の不正利用.
下水道料金は、水道使用量とリンクしているため、井戸水を併用して下水道に放流している分は料金には反映されない。このことからあらかじめ井戸水のくみ上げ配管にメーターをつけたり、定額の利用量を自治体から認定してもらう等の手続きを行うこととなるが、私有地や施設内への立ち入り調査には限界があり、しばしば不正行為も行われる。自治体による不正行為の高額請求額の例として、大津市がロイヤルオークホテル スパ&ガーデンズ（運営会社は2020年4月に破産申請）に対して行った使用料13100万円、過料39500万円というものがある。ホテル側は30年間下水道の不正利用を行っていたが、徴収対象となったのは時効分を除いた5年間のみである。
世界の下水道事情.
日本の下水道普及率は、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。