- 読み仮名
- きゅうそくろか
- 英語表記
- Rapid filtration
概要
急速ろ過とは、砂などのろ材を用いて、水中の懸濁物質を除去する浄水処理方法である。一般的には凝集・沈殿処理と組み合わせて使用され、沈殿処理で除去しきれなかった微細な粒子やフロックを捕捉する。
急速ろ過では、ろ材の隙間によるふるい分けだけでなく、ろ材表面などへの粒子の付着によって懸濁物質が除去される。ろ過を継続すると、捕捉された物質によって水の流れに対する抵抗が増加するため、定期的な洗浄によってろ過機能を回復させる必要がある。
1．急速ろ過の基本
1.1 急速ろ過の仕組み
急速ろ過は、ろ過砂などを充填したろ層に水を通し、懸濁物質を除去する処理方法である。一般的な重力式急速ろ過池では、水をろ層の上部から下部へ流し、ろ過水を池底部の集水装置から取り出す。
ろ層内部では、粒子がろ材の隙間で捕捉されるほか、ろ材表面や既に捕捉された粒子に付着することによって除去される。粒子の輸送や付着には複数の作用が関係しており、ろ材の隙間より小さい粒子も捕捉される。
このため、急速ろ過は単純なふるい分けとは異なり、凝集処理によって粒子を捕捉しやすい状態にすることが重要である。
1.2 凝集・沈殿処理との関係
急速ろ過では、前処理によって懸濁物質を除去しやすい状態にすることが重要である。一般的な浄水処理では、ポリ塩化アルミニウム（PAC）などの凝集剤を添加して微細な粒子を凝集させ、形成されたフロックの大部分を沈殿池で除去する。
急速ろ過池では、沈殿池から流出した微細なフロックや懸濁物質を捕捉し、ろ過水の濁度を低減する。凝集・沈殿処理が適切に行われない場合、ろ過池への濁質負荷が増加し、損失水頭の上昇やろ過水質の悪化につながることがある。
なお、急速ろ過には、凝集処理後の水を沈殿池を介さずにろ過する直接ろ過方式などもある。前処理の構成は、原水水質や採用する処理方式によって異なる。
1.3 緩速ろ過との違い
急速ろ過と緩速ろ過は、いずれもろ材を用いて水中の不純物を除去する処理方法であるが、ろ過速度や浄化の仕組み、維持管理方法が異なる。
| 比較項目 | 急速ろ過と緩速ろ過の違い |
|---|---|
| ろ過速度 | 急速ろ過は比較的大きく、緩速ろ過は小さい |
| 主な浄化機構 | 急速ろ過は凝集処理と組み合わせた粒子捕捉、緩速ろ過は生物作用を含む浄化 |
| 前処理 | 急速ろ過は凝集処理を基本とし、緩速ろ過は原水条件に応じた前処理を行う |
| 洗浄・清掃 | 急速ろ過は逆流洗浄など、緩速ろ過は主にろ床表面の砂の掻き取り |
| 施設面積 | 同じ処理水量では、一般に急速ろ過の方が小さい |
急速ろ過は、比較的小さな施設面積で大量の水を処理できるため、多くの浄水場で採用されている。一方、凝集剤の注入管理やろ過池の洗浄など、適切な運転管理が必要となる。
2．急速ろ過池の構造
2.1 ろ層と集水装置
急速ろ過池は、ろ材を充填したろ層、ろ過水を集める集水装置、流入・流出設備、洗浄設備などで構成される。一般的な重力式急速ろ過池では、ろ層の上部に水を保持し、水頭差によってろ層内に水を通過させる。
ろ材には主にろ過砂が使用され、施設によってはアンスラサイトなどを組み合わせる。ろ層の下部には集水装置が設けられ、ろ過水を集めるとともに、逆流洗浄時には洗浄水をろ層全体に分配する役割を担う。
集水装置の形式によっては、ろ材を支持するための支持砂利が設けられる。ただし、支持砂利を必要としない集水装置もあるため、すべての急速ろ過池に支持砂利が設置されるわけではない。
2.2 ろ過池の水位とろ過速度
ろ過速度は、単位時間にろ過池の単位面積を通過する水量を表す指標である。ろ過流量をろ過面積で除して求められ、通常はm/hなどの単位で表される。
ろ過池では、流入量や流出量を調整し、所定のろ過速度や水位を維持する。制御方式には、ろ過速度を一定に保つ方式や、ろ過の進行に伴って流量が変化する方式などがあり、施設の設計条件に応じて採用される。
ろ過速度が過大になると、濁質の捕捉状態や損失水頭、ろ過水質に影響を及ぼすことがある。このため、ろ材の種類、ろ層厚、原水水質、前処理条件などを考慮して適切なろ過速度を設定する必要がある。
2.3 単層ろ過と複層ろ過
急速ろ過には、主に砂を使用する単層ろ過と、異なる種類のろ材を組み合わせる複層ろ過がある。
| ろ過方式 | 特徴 |
|---|---|
| 単層ろ過 | 主に砂などの単一種類のろ材でろ層を構成する |
| 複層ろ過 | アンスラサイトと砂など、粒径や密度の異なるろ材を組み合わせる |
複層ろ過では、一般に上層に粒径が大きく密度の小さいろ材、下層に粒径が小さく密度の大きいろ材を配置する。これにより、ろ層の深さ方向に濁質を捕捉させ、ろ層全体を有効に利用することができる。
ただし、複層ろ過の性能はろ材の組合せや運転条件によって異なる。ろ材の選定では、処理水質だけでなく、洗浄時のろ材の流動や層構成の維持にも注意が必要である。
3．ろ過の仕組みと損失水頭
3.1 ろ材による懸濁物質の捕捉
ろ過池に流入した水中の懸濁物質は、ろ材間の空隙を通過する過程で、ろ材表面などに付着して捕捉される。ろ過を継続すると、捕捉された粒子が新たな粒子の捕捉にも関与し、ろ層内部に濁質が蓄積する。
濁質の捕捉は、ろ層の表面だけでなく内部でも行われる。ただし、濁質の粒径や性状、ろ材の構成、ろ過速度などによって、捕捉される位置や分布は異なる。
3.2 損失水頭の増加
損失水頭とは、水がろ層などを通過する際に、流れの抵抗によって失われる水頭である。ろ過を継続すると、ろ材間の空隙に濁質が蓄積して通水抵抗が増加するため、一般に損失水頭が増加する。
一定のろ過速度で運転する場合、ろ過の進行に伴って、同じ流量を通過させるために必要な水頭差が大きくなる。このため、損失水頭の変化は、ろ過池の閉塞状況や洗浄時期を判断する重要な指標となる。
損失水頭は、ろ層の上流側と下流側における全水頭の差として評価する。全水頭には位置水頭、圧力水頭、速度水頭が含まれるため、単純な圧力差だけで損失水頭を表せるとは限らない。
また、実際のろ過池では水位や流量の制御方式によって、運転中に観測される水位差の変化が異なる。損失水頭を評価する際には、測定位置と運転条件を確認する必要がある。
3.3 ろ過継続時間とろ過水質
ろ過継続時間は、洗浄後にろ過を開始してから、次の洗浄まで運転を継続する時間である。ろ過継続時間は、ろ過池への濁質負荷、ろ過速度、ろ材の構成などによって変化する。
ろ過の進行に伴い、損失水頭が増加するほか、条件によっては濁質の漏出によってろ過水濁度が上昇する場合がある。このため、ろ過継続時間だけでなく、損失水頭やろ過水濁度の変化を監視する必要がある。
4．ろ過池の洗浄
4.1 洗浄の目的と逆流洗浄
急速ろ過池では、ろ過を継続するとろ層内部に濁質が蓄積し、損失水頭が増加する。このため、所定の条件に達した段階でろ過を停止し、洗浄によって捕捉された濁質を除去する。
逆流洗浄は、通常ろ過とは反対方向に洗浄水を流す方法である。一般的な下向流式急速ろ過池では、池底部の集水装置から上向きに洗浄水を流し、ろ材を流動・膨張させて付着した濁質を剥離する。
剥離した濁質は洗浄水とともにろ層の上部へ運ばれ、洗浄排水として排出される。洗浄時には、ろ材の膨張状態を適切に保ち、濁質の除去とろ材の流出防止を両立させる必要がある。
4.2 表面洗浄と空気洗浄
急速ろ過池では、逆流洗浄に加えて、表面洗浄や空気洗浄を組み合わせる場合がある。これらは濁質の剥離を促進するための方法であり、設備構成や洗浄手順は施設によって異なる。
| 洗浄方法 | 主な働き |
|---|---|
| 逆流洗浄 | ろ層の下部から洗浄水を流し、濁質を上方へ排出する |
| 表面洗浄 | ろ層表面付近に水流を作用させ、堆積した濁質などをほぐす |
| 空気洗浄 | ろ層内に空気を送り、ろ材の振動や相互作用によって付着物の剥離を促進する |
空気洗浄では、空気の供給位置や流量、洗浄水との組合せによって、ろ材の挙動が変化する。洗浄方法や順序は、ろ材の構成や集水装置の仕様に適合したものとする必要がある。
4.3 洗浄排水と運転復帰
洗浄によって発生した排水には、ろ層から剥離した濁質が含まれる。このため、洗浄排水は施設の排水処理系統に導き、必要な処理を行う。
洗浄終了後は、ろ層を安定させ、所定の手順でろ過運転を再開する。ろ過再開直後は、ろ材の状態や残留する濁質などの影響によって、ろ過水濁度が一時的に上昇する場合がある。
このため、施設によっては、ろ過再開直後の水を排水する捨水操作などを行う。運転復帰では、ろ過水質が所定の管理条件を満たしていることを確認する必要がある。
5．運転・維持管理
5.1 ろ過速度と水質の管理
急速ろ過池の運転では、ろ過速度、損失水頭、ろ過水濁度などを継続的に監視する。これらの指標を組み合わせることで、ろ過池の状態や処理性能の変化を把握することができる。
特に、原水水質や前処理の状態が変化すると、ろ過池に流入する濁質の量や性状も変化する。このため、ろ過池単独の運転状態だけでなく、凝集・沈殿処理を含めた浄水処理全体の状況を確認することが重要である。
5.2 洗浄開始の判断
ろ過池の洗浄開始は、損失水頭、ろ過水濁度、ろ過継続時間などを基に判断する。判断基準は施設の構造や運転条件によって異なるため、すべてのろ過池に共通する一定の数値で決めるものではない。
| 管理項目 | 主な確認内容 |
|---|---|
| 損失水頭 | ろ層の通水抵抗の増加状況 |
| ろ過水濁度 | 濁質の捕捉状態やろ過水質の変化 |
| ろ過継続時間 | 前回洗浄からの運転時間 |
| ろ過速度 | 設定した運転条件からの変化 |
| 前処理の状態 | 凝集・沈殿処理の変化や濁質負荷 |
洗浄開始の判断では、これらの管理項目に加えて、施設ごとの運転実績を活用することが有効である。洗浄の頻度が増加した場合には、ろ材の状態だけでなく、前処理や流入水質の変化についても確認する。
5.3 ろ材と集水装置の点検
ろ過池では、長期間の運転によって、ろ材の摩耗、流出、偏りなどが発生する場合がある。また、洗浄が不十分な場合には、濁質などがろ材とともに固まったマッドボールが形成され、ろ過性能や洗浄効果に影響を及ぼすことがある。
集水装置に異常が生じると、ろ過水の集水や洗浄水の分配が不均一になるおそれがある。このため、ろ材の厚さや状態、洗浄時のろ層の膨張状況、集水装置の健全性などを定期的に確認することが重要である。
6．水道施設における活用と留意点
6.1 原水水質の変動への対応
急速ろ過は、河川水などを水源とする浄水場で広く利用されている。原水の濁度や懸濁物質の性状が変化する場合には、凝集剤の注入条件や沈殿処理の状態を調整し、ろ過池への負荷を適切に管理する必要がある。
特に、降雨などによって原水濁度が急激に上昇した場合には、前処理の状態によってろ過池の損失水頭が短時間で増加することがある。このため、原水からろ過水までの水質変化を把握し、浄水処理全体として対応することが重要である。
工業用水道でも、供給水質や原水条件に応じて急速ろ過が採用される場合がある。ただし、求められる処理水質や施設構成は用途によって異なるため、上水道と同一の処理工程が必要とは限らない。
6.2 水質安全性と処理方式の組合せ
急速ろ過は、水中の懸濁物質を除去する重要な処理工程であるが、すべての溶解性物質や微生物を完全に除去できるものではない。このため、上水道では原水水質や水質基準への適合を考慮し、消毒などの必要な処理と組み合わせて使用する。
特に、クリプトスポリジウム等への対策では、原水の汚染リスクに応じた処理方式の選定と、適切なろ過水濁度の管理が重要となる。クリプトスポリジウム等は通常の塩素消毒では十分に不活化できないため、対策指針に基づく除去・不活化措置と運転管理が必要である。
なお、急速ろ過池は、管路や機器に流入する比較的大きな異物を捕捉するストレーナとは、目的や構造が異なる。ストレーナは主に機器の保護を目的とするのに対し、急速ろ過池は浄水処理の一工程として、水中の微細な懸濁物質を除去する設備である。
関連用語
参考資料
- 東京都水道局 — 浄水処理・急速ろ過に関する技術情報
- 国土交通省 水道行政 — 水道施設・水質管理に関する情報
- 厚生労働省「水道水中のクリプトスポリジウム等対策の実施について」
