水域浄化

 水域浄化とは、水質が悪化している河川、湖沼、海域などの水域において、汚染物質の除去等を行うことにより、水質の向上や生物生息環境の改善を図る技術のことである。
 わが国では、高度経済成長によって水質汚濁の問題が顕在化したが、水質汚濁防止法に基づく対策によって、河川における水質は大きく改善された。しかし、汚染物質が蓄積・滞留しやすい湖沼や閉鎖性海域では、現在もアオコや貧酸素水塊(水中に溶けている酸素が少なく、魚類などの水生生物の酸欠死を招きやすい状態の水)による水質悪化や漁業被害が報告されている。また、身近な公園の池や堀、ため池などでも、水量の減少や生活排水の流入によって水質が悪化している場所があり、水質浄化が求められている。
 水域浄化には様々な技術が利用されているが、大きく分類すると、物理学的処理(濾過や沈殿、吸着による分離)、化学的処理(紫外線やオゾンによる分解、化学的・電気的な変化)、生物学的処理(微生物による分解、植物による吸収)に分けられる。実際の浄化装置の多くは、複数の処理技術を効果的に組み合わせることで機能している。
 下図に示す「うみすまし」は、閉鎖性海域に対して用いられる水質浄化装置である。酸素を豊富に含む表層水を海底に送り込むことによって循環流を発生させ、効率的に底層の貧酸素状態を解消するものである。

流水浄化装置「うみすまし」

流水浄化装置「うみすまし」
左:うみすましの全体像 中:うみすましを設置した様子 右:うみすましによる浄化の原理
出典:横浜国立大学水環境研究室
http://www.cvg.ynu.ac.jp/G2/mem/sasaki/umisumashi.html

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1.背景

1)水域浄化の経緯と現状

 わが国の水環境保全施策は、1970年(昭和45年)に制定された水質汚濁防止法に基づいて行われている。この法律は、それ以前の法律と異なり、問題のある水域への個別対処ではなく、全水域を対象に一律の排水基準を設定している。また、法律の対象は工場だけでなく、生活排水にも及んでおり、各都道府県が必要に応じて上乗せ排水基準を設定できることや、排水基準違反に対して罰則が規定されていることも特徴である。
 同法によって、工場排水に対して排水中の化学物質の総量規制が導入され、生活排水に対しても地方自治体の対策が義務付けられた。また、富栄養化が懸念される湖沼については、窒素規制およびリン規制が実施された。さらに、水質汚濁防止法の規制だけでは水質保全が十分でない湖沼については、湖沼水質保全特別措置法(昭和59年制定)によって、水質改善が強化された。
 これらの取り組みの結果が、図1の環境基準達成率の推移に表れている。図は、BOD(生物化学的酸素要求量:河川の指標)および、COD(化学的酸素要求量:湖沼および海域の指標)の環境基準達成率の推移である。河川は水質汚濁防止法以後、水質改善が進んでいるが、湖沼は55.6%と低い水準にある。達成率の数字が表しているように、湖沼や閉鎖性海域では、現在も富栄養化によるアオコ被害が報告されており、これは汚染物質が蓄積・滞留しやすい閉鎖性水域特有の課題である。
 現在、閉鎖性水域の水質改善のために、前述した排水基準の設定による汚濁負荷の流入量削減のほか、水域内に蓄積している有機汚濁や栄養塩類を除去する技術の開発が進められている。一例として、環境省は、湖沼および閉鎖性水域における水質浄化技術を「環境技術実証事業」(平成19年度までは「環境技術実証モデル事業」として試行)の分野に指定しており、対策技術の開発及び普及を促す等、各種対策を実施している。

図1 環境基準達成率の推移(BODまたはCOD)

図1 環境基準達成率の推移(BODまたはCOD)
出典:環境省「平成20年版 環境白書・循環型社会白書」(PDF)
http://www.env.go.jp/policy/hakusyo/h20/pdf/2-3.pdf

2)身近な水域に対する浄化ニーズ

 近年、公園内の池やため池等、身近な生活空間にある小規模な水域についても、臭気や景観の問題から、水質浄化が求められている。
 環境省では、平成16年に「環境技術実証モデル事業」への湖沼等水質浄化技術分野の追加を検討した際、自治体アンケート調査を実施している。同調査において、水質浄化技術の実証対象として期待する水域を挙げてもらったところ、実証期間1年以内の事業を想定した場合には27自治体中17自治体が、複数年にわたる事業を想定した場合には32自治体中13自治体が、公園やため池と回答しており、身近な水域に対する浄化ニーズが高いことがうかがえる。
 また、環境省は「環境用水導入事例集~魅力ある身近な水環境づくりにむけて~」と題した事例集をとりまとめており、自治体やNPOの環境用水を利用した水域浄化の取り組みを支援している。(3.1)参照)

3)水環境保全施策における位置づけ

 環境省は、平成20年度の施策体系の中で「水環境の保全」を目標の一つとして位置づけ、水域浄化に関する具体的な取り組みとして、「底質、底生生物を含めた水環境の保全・改善」「閉鎖性海域の環境再生に向けた適切な施策の実施」などを掲げている。
 一方、実施した施策の評価として、湖沼では、生活環境項目に関する水質環境基準の達成率について顕著な改善が見られなかったことから、汚濁メカニズムの解明等にさらに取り組む必要があるとしている。
 また、東京湾、伊勢湾及び瀬戸内海といった閉鎖性海域では、水質総量削減の実施により、流入する汚濁負荷量が着実に削減されているが、依然として大規模な赤潮や貧酸素水塊が発生しているため、さらなる水環境改善に向けて「閉鎖性海域中長期ビジョン」を平成21年度中に策定するとしている。なお、同ビジョンは平成22年3月1日に策定された。
 このほか、閉鎖性海域については、国土交通省・海上保安庁が中心となって「全国海の再生プロジェクト」(図2)を進めており、環境モニタリング、環境改善、汚濁負荷削減が行われている。

図2 全国海の再生プロジェクト展開図

図2 全国海の再生プロジェクト展開図
出典:国土交通省・海上保安庁「全国海の再生プロジェクト」
http://www.kaiho.mlit.go.jp/info/saisei/

2.技術の概要

 ここでは、水域浄化の要素技術および各種実証実験の事例を紹介する。なお、本項目では閉鎖性海域の浄化技術の事例紹介を中心に扱うこととする。湖沼における水域浄化技術の事例は、「湖沼等の水質浄化技術」の解説を参考にされたい。

1)水域浄化の体系

 水域浄化とは、水質が悪化している河川、湖沼、海域などの水域において、汚染物質の除去等を行うことにより、水質の向上や生物生息環境の改善を図る技術のことである。具体的には、有機物や栄養塩類の除去、底泥からの溶出抑制等が行われる。
 表1は、水質浄化手法の分類である。物理的手法とは、対象物質を濾過、除去、沈殿、希釈することによる浄化である。化学的手法とは、何らかの方法で対象物質を分解または無害化するか、物質を変化させて分離を容易にする手法である。生物学的手法とは、微生物によって有機物を分解するか、または植物によって有害物質を吸着除去する手法である。
 近年では、湖沼および海域において、排水処理技術の開発等による流入汚濁負荷の削減とならび、浚渫(しゅんせつ)や曝気循環など、現場の水質を直接改善する技術が多く採用されている。

表1 水質浄化手法の分類
流域内対策 河川内対策 湖沼および閉鎖性海域内対策
物理的
手法
流域変更
(流域保全水路)
  • 河道浚渫
  • 重力沈降(堰設置、副ダム、滞水池)
  • 接触沈殿(傾斜版、不織布)
  • ろ過(スクリン、膜ろ過、緩速ろ過、急速ろ過)
  • 選択放流
  • 希釈(浄化用水導入)
  • 日照遮断
  • 曝気循環(全層、浅層、深層、噴水)
  • 底泥処理(浚渫、被覆)
  • 水生植物・藻類回収
化学的
手法
  • 凝集沈殿
  • 紫外線照射
  • 凝集沈殿
  • 殺藻剤・除草剤処理
  • 酸化剤による底泥酸化
  • 栄養塩類不活性化
生物的
手法
土壌浸透
(灌漑法、表面流下法、浸透ろ過法、トレンチ法)
  • 固定生物膜法
    (接触酸化、礫間接触酸化、薄層流浄化、回転円板法、木炭浄化法)
  • 植生浄化
    (抽水植物浄化、低湿地導入、浮標植物浄化)
  • 水生植物利用(植生湖岸)
  • 生態系制御
  • なぎさ型湖岸

※ 固定生物膜法ついては、「下水処理」の解説を参照のこと

出典:環境省「環境技術実証モデル事業検討会
湖沼等水質浄化技術ワーキンググループ会合(第1回)資料」(PDF)をもとに作成
http://www.env.go.jp/water/tech_model/purificationl16_01/mat06.pdf

 表2は、水域浄化における浄化目標レベルと、その際に改善する必要のある水質項目および用いられる浄化手法をまとめたものである。全体的傾向として、浄化目標レベルが高くなるほど除去が難しくなり、必要とする設備や処理費用も高額になる。また、浄化手法欄に列挙してある手法は、水域浄化に限らず、上水処理、下水処理、工場排水処理等でも適用されている。

表2 水域浄化における浄化目標レベルの例
レベル 内容 対象水質項目 主要な浄化手法
1 固液分離 SS、浮遊性成分(BOD、COD、窒素、リン) マイクロストレーナー、接触沈殿、ろ過、土壌浸透 等
2 易分解性有機物の除去 溶解性BOD 接触酸化 等
3 栄養塩類の除去 溶解性窒素 生物学的硝化、脱窒、水生植物浄化等
溶解性リン 水生植物浄化、凝集沈殿、土壌浸透等
4 難分解性有機物の除去 溶解性COD 活性炭吸着、凝集沈殿 等
5 微量汚染物質の除去 細菌 消毒、紫外線照射、膜ろ過 等
農薬、有害物質全般 活性炭吸着、凝集沈殿、膜ろ過 等

※SS(Suspended Solid):浮遊固形物量、BOD(Biological Oxygen Demand):生物化学的酸素要求量、COD(Chemical Oxygen Demand):化学的酸素要求量
※「主要な浄化手法」に記載されている以下の手法の詳細は、対応する解説を参考にされたい。
・接触酸化…「流域管理・保全
・栄養塩類の除去…「富栄養化対策(発生源対応)
・紫外線照射、活性炭吸着…「雨水・再生水利用
・膜ろ過…「水処理膜

出典:環境省「環境技術実証モデル事業検討会 湖沼等水質浄化技術ワーキンググループ会合(第1回)資料」(PDF)をもとに作成
http://www.env.go.jp/water/tech_model/purificationl16_01/mat06.pdf

2)閉鎖性海域における水域浄化技術

 各地で海域浄化にかかる実証実験等が行われている。代表的なものとして、以下が挙げられる。

(1)お台場海浜公園におけるカキの水質浄化実験
 東京都港湾局では、東京港に流入する栄養塩類を、多様な生物や植物により「自然浄化」を誘導し削減する試みを、平成19年度から3ヶ年の予定で実施している。実験施設では、1日に1個あたり約400リットルの海水をろ過するとされているカキや、植物のアマモ、アオサ、水棲生物のすみかとしてのカキ殻マウンドなどを設置している。図3は、実験施設のイメージ図である。カキは水上に組まれた筏(いかだ)からカーテンのように吊るして設置されている。

図3 お台場海浜公園におけるカキの水質浄化実験(実験施設イメージ図)
図3 お台場海浜公園におけるカキの水質浄化実験(実験施設断面イメージ図)

図3 お台場海浜公園におけるカキの水質浄化実験
(上)実験施設イメージ図 (下)実験施設断面イメージ図
出典:東京都 報道発表資料「お台場海浜公園で「カキの水質浄化実験」を行います」(平成19年8月20日)
http://www.metro.tokyo.jp/INET/EVENT/2007/08/21h8k100.htm

(2)流水浄化装置「うみすまし」の実証
 平成15年、東京港野鳥公園に隣接する閉鎖性海域において、可搬式流水浄化装置による水質浄化工法「うみすまし」が実証され、効果が確認された。この技術は、酸素を豊富に含む表層水を海底に送り込むことによって循環流を発生させ、効率的に底層の貧酸素状態を解消するものであり、技術開発は、五洋建設(株)、(株)海洋開発技術研究所、東京製綱繊維ロープ(株)と芙蓉海洋開発(株)の4社が行った(その一部は「新規海洋産業創出研究開発補助事業」として2001年度から3ヶ年にわたって日本小型自動車振興会の補助を受けて実施された)。

図4 流水浄化装置「うみすまし」

図4 流水浄化装置「うみすまし」
左:うみすましの全体像 中:うみすましを設置した様子 右:うみすましによる浄化の原理
出典:横浜国立大学水環境研究室 「うみすまし」
http://www.cvg.ynu.ac.jp/G2/mem/sasaki/umisumashi.html

(3)「カキ」と「空気揚水装置」の組合せによる浄化実験
 国土交通省関東地方整備局横浜港湾空港技術調査事務所では、富栄養化対策の一環として、「カキ」と「空気揚水装置」の組合せによる浄化実験を、平成18年6月から10月にかけて実施した。
 カキは海水中のプランクトンを餌にすることから、海水中の過剰な栄養分を回収する機能があるが、海水中の酸素が少ないと弱ってしまう。また、カキは食べたものの約6割を排出するため、単独では浄化機能が限られてしまう。そこで同実験では、カキが生存しやすいよう、空気揚水装置を用いて海水や海底の砂・泥に酸素を供給するとともに、水質浄化機能を持つバクテリアを活用するシステムを試作し、その有効性を確認した。なお、使用された空気揚水装置は、その動力を風力・太陽光発電でまかなう、自己完結型の浄化システムであった。

3.技術を取り巻く動向

1)環境技術実証事業

 環境省では、環境技術実証事業(平成19年度までは、環境技術実証モデル事業)のなかで、閉鎖性海域における水環境改善技術分野を設定しており、具体的には表3に示すように、生物(海藻)の定着を促進することで生態系を創出し、水質浄化を行う技術や、曝気の効率を高めることで貧酸素水塊を解消する技術などが採択されている。

表3 湖沼水質浄化分野における環境技術実証モデル事業の例
技術名称 開発社名 技術の概要
簡易なアカモク藻場造成法 サカイオーベックス株式会社 汎用資材等を組み合わせて簡易な工事で海底にアカモク藻場を造成し、生態系の創出を図る
炭素基盤材海草育成装置および海草幼芽定着シート装置 東洋建設株式会社 海底に沈みこまない軽い材料の基盤材で、海底に天然に近い藻場を造成する
「海草増養殖エンチョーネット」を用いた藻場造成総合システム 共和コンクリート株式会社 特殊な海藻増殖用ネットで海底にアカモク藻場を造成し、水環境の改善と生態系の創出を図る
直接曝気方式
マイクロアクアシステム
株式会社マイクロアクア 空気と水を圧縮・混合して対象水域に供給することで、溶存酸素濃度を高める
海底耕耘機によるマイクロバブルエアレーション 株式会社キューヤマ 自走式海底耕運機による、海底耕転とエアレーションで、溶存酸素濃度を高める

各技術の詳細は、下記を参照。

『簡易なアカモク藻場造成法』、『炭素基盤材海草育成装置および海草幼芽定着シート装置』、『「海草増養殖エンチョーネット」を用いた藻場造成総合システム』
http://www.env.go.jp/water/tech_model/heisa19_02/mat02_3.pdf

『直接曝気方式 マイクロアクアシステム』
http://www.env.go.jp/policy/etv/pdf/list/h19/02_i2.pdf

『海底耕耘機によるマイクロバブルエアレーション』
http://www.env.go.jp/policy/etv/pdf/list/h19/02_i3.pdf

出典:環境省 環境技術実証事業をもとに編集
http://www.env.go.jp/policy/etv/index.html

 図5は、簡易なアカモク藻場造成法の概略である。同技術は、アカモク(大型海藻の一種)が定着しやすい岩礁のない海域において、汎用資材等を組み合わせた藻場の造成を行い、天然群落と同程度の生態系の創造を図るものである。実証試験の結果、水質や透明度に一定の改善結果が見られた。また、この実証試験を実施した企業は藻場造成資材を製品化している。

図5 簡易なアカモク藻場造成法の概略

図5 簡易なアカモク藻場造成法の概略
出典:平成19年度 環境技術実証モデル事業 閉鎖性海域における水環境改善技術分野「実証試験の枠組み・日程に関する報告」(PDF)
http://www.env.go.jp/water/tech_model/heisa19_02/mat02_3.pdf

2)身近な水域の浄化

 公園内の池や、住宅地を流れる小川などは、飲料用や産業用で利用する水ではないが、臭気や景観、あるいは快適な生活のために、良好な水質であることが望まれている。こうした身近な水環境の改善に用いられる手法として、環境用水の導入が挙げられる。環境省では、「環境用水導入事例集~魅力ある身近な水環境づくりにむけて~」と題した事例集をとりまとめており、自治体やNPOにおける環境用水導入の取り組みを支援している。
 図6は、大分県大分市の城址公園お堀(現在)の様子である。以前、このお堀の水源は雨水のみだったが、大分県の中心地として周囲が都市化するに伴い、周辺住宅の生活雑排水、路面水が流入するようになり、堀底に0.8~1.2mもの厚さのヘドロが堆積し、悪臭の発生や夏季のアオコの異常発生が問題となっていた。
 そこで大分市では、「コイなどの水生生物が安定して生息し得る水質」を目指して、付近の下水処理場の高度処理水を導入した。その結果、鯉などの魚の泳ぐ姿が良く見られるようになり、市民の憩いの場となった。市では、見学に訪れた市民に、堀に導水している下水のオゾン処理水を見てもらうなど、下水道事業のPRも行っている。

図6 城址公園お堀(大分県大分市)

図6 城址公園お堀(大分県大分市)
出典:環境省「「環境用水の導入」事例集~魅力ある身近な水環境づくりにむけて~25 大分県・大分市・城址公園お堀」(PDF)
http://www.env.go.jp/water/junkan/case2/pdf/25.pdf

3)難分解性溶存有機物の研究

 国立環境研究所湖沼環境研究室では、湖沼の環境基準達成率があまり改善されていない(図1参照)原因の一つが、難分解性溶存有機物(R-DOM:Refractory Dissolved Organic Matter)にあると考え、その特性、湖沼での動態、環境への影響を評価している。
 琵琶湖などの湖沼では、近年、流入する汚濁負荷は減少しているが、CODだけが増加している。その原因がR-DOMにあると推測し、霞ヶ浦に流入する河川水や下水処理水、そして霞ヶ浦湖水を対象に、溶存有機物の組成を分析した。その結果、湖水と下水処理水の組成が似ていることが分かった(図7、図8)。さらに、季節別の濃度変化などを調べた結果、流入する河川水よりも下水処理水が湖水の水質に大きく影響していることも判明した。
 現在、湖沼の有機汚濁機構の解明に向けて、さらなる調査・研究が進められている。

図7  霞ヶ浦の湖水,流入河川水,流域水サンプルにおける溶存有機物の分画分布

図7 霞ヶ浦の湖水,流入河川水,流域水サンプルにおける溶存有機物の分画分布
出典:国立環境研究所 環境儀No.13「難分解性溶存有機物 湖沼環境研究の新展開」(今井 章雄)
http://www.nies.go.jp/kanko/kankyogi/13/10-11.html

図8  溶存有機物分画分布データから得られた、霞ヶ浦の湖水等のクラスター分析樹状図

図8 溶存有機物分画分布データから得られた、霞ヶ浦の湖水等のクラスター分析樹状図
出典:国立環境研究所 環境儀No.13「難分解性溶存有機物 湖沼環境研究の新展開」(今井 章雄)
http://www.nies.go.jp/kanko/kankyogi/13/10-11.html

引用・参考資料など

(2010年3月現在)