バイオサンドフィルター（BSF）は、従来の緩速ろ過器を改良したユースポイント型水処理システムです。バイオサンドフィルターは、バイオフィルムで覆われた砂の柱で起こる生物学的および物理的プロセスを使用して、水から病原体や浮遊物質を除去します。BSFは、重金属、濁度、細菌、ウイルス、原生動物を除去することが示されています。[1] [2] BSFは、変色、臭い、不快な味も軽減します。研究では、BSFの使用と下痢の発生減少の間に相関関係があることが示されています。[3]バイオサンドフィルターは、その有効性、使いやすさ、および継続的なコストがかからないことから、発展途上国では適切な技術と見なされることがよくあります。世界中で20万台以上のBSFが使用されていると推定されています。[1]
歴史
家庭用バイオサンドフィルターは、1980年代後半にカナダのカルガリー大学のデビッド・マンツ博士によって提案されました。[4]このシステムは、1800年代から飲料水の浄化に使用されてきた技術である緩速砂ろ過器から開発されました。 [3]最初の実験室および現場でのテストは1991年に実施され、このシステムは1993年に特許を取得し[4] 、ニカラグアで現場に導入されました。カナダの非営利団体である手頃な価格の水と衛生技術センター（CAWST ）は、この技術の使用を含む浄水と衛生に関する教育とトレーニングを促進し、開発を継続するために、デビッド・マンツとカミーユ・ダウ・ベイカーによって2001年に共同設立されました。[3]
バイオサンドフィルターの部品
バイオサンドフィルターは、通常、コンクリートまたはプラスチックで作られています。[3]フィルターの上部には、しっかりとフィットする蓋があり、汚染物質や害虫がフィルター内に入るのを防ぎます。その下には、拡散板があり、フィルターに水を注ぎ込んだ際にバイオフィルムが乱されるのを防ぎます。その後、水は砂柱を通過し、病原体や浮遊物質を除去します。砂柱の下には、砂利の層があり、砂が排水層に入り込んで排水管を詰まらせるのを防ぎます。分離層の下には、粗い砂利でできた排水層があり、排水管の底部付近の詰まりを防ぎます。[3]
ろ過プロセス
病原体と浮遊物質は、生物層と砂層で起こる生物学的および物理的プロセスによって除去されます。これらのプロセスには以下が含まれます。
- 機械的捕捉：浮遊物質と病原体は砂粒間の空間に捕捉される。[1]
- 捕食：病原体は生物層内の微生物によって消費される。[1]
- 吸着：病原体は互いに吸着し、水や砂粒中の浮遊物質にも吸着されます。[1]
- 自然死：病原体は十分な栄養や酸素がないため、ライフサイクルを終えるか、死滅します。[1]
走行中
入口貯水池ゾーンの高い水位（水頭）は、水を拡散器とフィルターを通して押し出し、その後、砂の中を水が均一に流れるにつれて水位が低下します。フィルターを通過する水圧が低下するため、流量は低下します。入口水には溶存酸素、栄養分、汚染物質が含まれており、バイオフィルム内の微生物に必要な酸素を供給します。大きな浮遊粒子や病原体は砂の表面に捕捉され、砂粒間の隙間を部分的に塞ぎます。これが流量の低下を引き起こします。[1]
休止期間（アイドル時間）
通常、アイドル時間は1日サイクルの80%以上を占めます。この間、微生物の減衰プロセスが顕著になる可能性があります。除去の大部分は、水がバイオフィルムと接触する場所で発生します。バイオフィルム内で発生するプロセスは特定されていません。[1]滞留水層が出口チューブの高さに達すると、流量は停止します。理想的には、この流量は砂層のバイオフィルムを湿潤状態に保ち、滞留水を通して酸素がバイオフィルム層に拡散するのに十分な高さである必要があります。[1]休止時間中、バイオフィルム層内の微生物は水中の病原体と栄養素を消費します。消費されると、フィルターを通過する流量は回復します。休止時間が長すぎると、バイオフィルム層はすべての病原体と栄養素を消費して死滅し、フィルターを再び使用したときに効率が低下します。休止時間は1時間から48時間の範囲である必要があります。[1]非生物領域内の病原体は、栄養素と酸素の不足により死滅します。[1]
メンテナンス
時間の経過とともに、フィルターの砂粒の間に粒子が蓄積します。さらに水を注ぐと、拡散板の上部にバイオフィルムが形成されます。これらの現象はどちらも流量の低下（目詰まりとバイオクロッギング）を引き起こします。流量を低下させると、アイドルタイム[APS1]により一般的に水ろ過性能は向上しますが、ユーザーの利便性を考えると、流量が遅すぎる可能性があります。流量が0.1リットル/分を下回る場合、CAWSTはメンテナンスを実施することを推奨しています。[2]流量を回復させるには、「スワール・アンド・ダンプ」、つまり湿式ハロー洗浄法が使用されます。洗浄前に、約1米ガロン（3.8リットル）をフィルターに注ぎます（フィルターが空の場合）。次に、上層の砂を円を描くように旋回させます。旋回によって生じた汚れた水は排出され、上部の砂は滑らかにならされます。このプロセスは、流量が回復するまで繰り返されます。[2]拡散板、排出管、蓋、フィルターの外側表面を定期的に清掃することも推奨されます。[2]バイオサンドフィルターの長期的な持続可能性と有効性は、知識豊富なサポート担当者からの教育とサポートに依存します。[5]
ハイチの非営利団体「クリーン・ウォーター・フォー・ハイチ」は、バイオサンド・フィルター設置後に教育とフォローアップ・プログラムを実施しています。このプログラムでは、設置から1ヶ月、3ヶ月、12ヶ月後、そして5年後に受益者の自宅を訪問します。訪問のたびに、受益者は安全な水の摂取方法とフィルターのお手入れ方法について繰り返し指導を受けます。2010年以降に収集されたデータによると、設置から12ヶ月経過した時点でも、94%から99%のフィルターが定期的に使用されています。[6]
汚染物質の除去
濁度
濁度低減の効果は、流入水の濁度によって異なります。濁水には砂、シルト、粘土が含まれています。[2] ある研究では、供給水の濁度は1.86～3.9 NTUの範囲でした。また、ある研究では、3つの地域貯水池の水処理施設のサンプル蛇口から水を採取し、緩速ろ過器に流したところ、濁度は平均1.45 NTUまで低下しました。[1]表層水を用いた別の研究では、濁度が93%低下しました。[7]砂の上のバイオフィルムが成熟するにつれて、濁度除去率は向上します。[1]バイオサンドろ過器は多くの濁度を除去しますが、ろ過速度が遅い緩速ろ過器の方がより多くの濁度を除去します。[1]
重金属
バイオサンドフィルターによる重金属除去に関する研究は限られています。南アフリカで実施された研究では、このフィルターは鉄の約64%とマグネシウムの約5%を除去しました。[7]
細菌
実験室での研究では、バイオサンドフィルターは約98～99%の細菌を除去できることがわかっています。[7]大腸菌の除去においては、バイオサンドフィルターはバイオフィルムの形成により約2ヶ月かけて除去率が上昇することがわかりました。この期間後の除去率は、1日の給水量と一次処理水の添加率に応じて97～99.99%の範囲でした。一次処理水または廃水の添加はバイオフィルムの成長を促進し、細菌の死滅を促進します。[1]研究によると、現場で使用されているバイオサンドフィルターは、管理された環境で使用されるフィルターよりも除去率が低いことが示されています。ドミニカ共和国ボナオの55世帯で実施された研究では、大腸菌の平均除去率は約93%でした。[8]
ウイルス
実験室での試験では、フィルターは大腸菌の量を大幅に減少させる一方で、ウイルスが小さいため、除去できるウイルスの量は大幅に減少することが示されています。バクテリオファージを用いた研究では、使用開始から45日後にウイルス除去率は85%から95%の範囲でした。[1]最近の研究では、ウイルス除去率は時間の経過とともに大幅に増加し、約150日後には99.99%に達することが示唆されています。[9]
原生動物
ある実験室試験では、バイオサンドフィルターは原生動物の99.9%以上を除去しました。原生動物の一種であるジアルジア・ランブリアを対象とした試験では、29日間の使用で100%の除去率を示しました。また、別の原生動物であるクリプトスポリジウム属のオーシストも、そのサイズが小さいためか、99.98%の除去率を示しました。この除去率は、緩速砂ろ過装置とほぼ同等でした。[10]
健康上の利点
ノースカロライナ大学とネバダ大学がドミニカ共和国とカンボジアで実施した研究では、BSFの使用により、全年齢層で下痢性疾患の発生率が47%減少したことが示されています。 [11] CAWSTがハイチで実施した調査では、187世帯のうち95%が、バイオサンドフィルターによる浄化によって水質が改善したと回答しました。また、使用者の80%が、導入以来、家族の健康状態が改善したと述べています。バイオサンドフィルターの使用に関するこのような健康に関する認識は、長期使用者においてより肯定的であることが示されています。[8]
バイオサンドフィルターの種類
コンクリート
コンクリートフィルターは、バイオサンドフィルターの中で最も普及しているタイプです。コンクリートは、低コスト、入手しやすさ、現場での施工性などから、一般的に他の材料よりも好まれています。コンクリートフィルターの設計図はCAWSTによって公開されており、いくつかのバージョンが開発されています。CAWSTバージョン9バイオサンドフィルターは、最大負荷率が高く設計されています。ろ過された水はEPAの水質基準を満たしていますが、最適な状態ではありません。[12]最近の研究では、水と粒状物質との接触時間が浄水における主要な決定要因であることが示されています。CAWSTバージョン10バイオサンドフィルターはこの点を考慮しており、貯水タンクの容積は砂層の空隙容積に等しくなっています。最大負荷率は33%低減され、滞留水が粒状物質と常に接触していることが保証されています。[12]
コンクリート製バイオサンドフィルターは通常、鋼製の型枠を用いて製造されます。鋼製の型の設計図はCAWSTによって公開されています。
ハイチのキャンプ・マリーに拠点を置く非営利団体「Clean Water for Haiti」は、鋼鉄製の型を改造してバイオサンドフィルターを製造している。[13]
非営利団体OHorizonsは、CAWSTのバージョン10フィルターをベースにしたウッドモールドを設計しました。これは低コストの代替品として機能します。ウッドモールドの設計図はOHorizonsのウェブサイトで公開されています。[14]
プラスチック
プラスチックフィルターは、通常は現場外で成形されたプラスチックバレルから作られています。Hydraidバイオサンドフィルターは、紫外線耐性を備えた医療グレードのプラスチックから作られています。[15]
ステンレス鋼
インドのグルグラム（旧グルガーオン）を拠点とするNGO、 SM Sehgal Foundationのエンジニアが開発したステンレス製バイオサンド フィルターは、コンクリート製のフィルターよりも性能が優れ、さまざまな地理的条件でより広範囲に適用および採用できることがわかりました。プラスチックは価格が高いため、インドの農村部では使用されていません。JalKalpと呼ばれるステンレス製フィルターは、ろ過速度が高く、コンクリート製モデルよりも携帯性に優れ、製造品質管理も優れています。コンクリート製フィルターは破損しやすく、重量（65kg）があるため輸送が困難なため、特に遠隔地の農村部や丘陵地帯には適していません。一般的な品質問題には、構成材料のばらつきと製造上の欠陥があります。さらに、水中の塩分による白華現象により、コンクリート製フィルターの寿命が短くなります。新開発の軽量（4.5kg）ステンレス製バイオサンド フィルターは、コンクリート製フィルターに比べて優れており、これらの欠点をそれぞれ克服し、品質管理も優れています。水質試験により、JalKalpは大腸菌、大腸菌群、濁度、鉄汚染に対する有効性が実証されています。このフィルターは、従来のろ過技術に銅の殺菌特性を統合したものです。JalKalpフィルターの排水域に銅箔を導入することで、汚染水から大腸菌群と大腸菌を100%除去できるようになりました。SM Sehgal財団[16]は、電気を必要としないこのモデルを、志を同じくする団体とのパートナーシップを通じてインド全土に普及させ、可能な限り多くの農村家庭に恩恵をもたらすことを目指しています。[17] [18]
発展途上国でバイオサンド浄水器を製造するには課題があります。コンクリートを流し込むための金属型枠を製作する専門的技術を持つ人が不足しているからです。砂層をふるい分けるための適切なメッシュサイズを見つけることも難しいでしょう。ニカラグアでは、住宅建設用の鉄筋を溶接できる金属加工技師は見つかるかもしれませんが、金属型枠を作るための板金曲げ加工機は見つかりません。アメリカのように金物店で砂を売っていません。川床や採掘場からトラックで購入することが多く、入手できるメッシュは1/4インチ（約6mm）しかなく、大きすぎます。発展途上国に旅行する際は、適切なメッシュスクリーンを持参するのが最善でしょう。
浄水器の使用におけるもう一つの課題は、普及です。多くのプロジェクトでは浄水器の設置を支援し、中には配布まで行うところもありますが、受入国の国民に浄水器を使ってもらうには、はるかに多くの献身的な取り組みが必要です。浄水器の所有者とつながり、浄水器の使用を促し、習慣化してもらう必要があります。そうでなければ、浄水器の多くは放置され、道路に放置されてしまいます。単に浄水器を配布するだけでは、普及には不十分です。
参照
参考文献
- ^ abcdefghijklmnop Elliott, M., Stauber, C., Koksal, F., DiGiano, F., and M. Sobsey (2008). 間欠運転式2連式家庭用低速砂ろ過装置における大腸菌、エコーウイルス12型、バクテリオファージの減少. Water Research, Volume 42, Issues 10-11
- ^ abcde 「CAWST Biosand Filter Manual 2008」（PDF） . 2009年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ abcde 「CAWSTバイオサンドフィルター」。2012年3月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ ab 「CAWSTの歴史」。
- ^ Sisson, Andrew J; Wampler, PJ; Rediske RR; Molla AR (2013年1月). 「ハイチ、デシャペル近郊のアルティボニット渓谷におけるバイオサンドろ過装置の長期利用と持続可能性の評価」『開発のための水・衛生・衛生学ジャーナル』3 (1): 51– 60. Bibcode :2013JWSHD...3...51S. doi : 10.2166/washdev.2013.092 .
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- ^ ab ソブシー、マーク、クリスティン・スタウバー、リサ・カサノバ、ジョセフ・ブラウン、マーク・エリオット (2008). 「使用時点における家庭用飲料水ろ過：発展途上国における安全な飲料水への持続的なアクセスを提供するための実用的かつ効果的なソリューション」『環境科学技術』43 (3): 970– 971. doi :10.1021/es8026133.
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- ^ 「バイオサンドフィルター」。
- ^ Stauber, Christine; Gloria M. Ortiz; Dana P. Loomis; Mark D. Sobsey (2009). 「ドミニカ共和国ボナイ島におけるコンクリートバイオサンドフィルターと下痢性疾患への影響に関するランダム化比較試験」アメリカ熱帯医学衛生誌80 ( 2): 286– 293. Bibcode :2009AJTMH..80..286S. doi : 10.4269/ajtmh.2009.80.286 . PMID 19190228.
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{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です - ^ 「フィルターはどのように機能するのか？ | ハイチにきれいな水を」
- ^ 「OHorizons Wood Mold Construction Manual and Appendix」。2017年11月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月20日閲覧。
- ^ “ハイドレイドバイオサンドテクノロジー”.
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- ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2018年10月5日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2016年5月4日閲覧。
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) - ^ バドゥリ、アミタ (2017 年 11 月 13 日)。 「ジャルカルプ：水は不純物を砂にする」。 「インド水ポータル」2017 年 11 月 13 日。
外部リンク
- 最新の技術および実装情報、研究およびプロジェクト情報を含むバイオサンドフィルターナレッジベース
- トレーニングおよび教育リソースを含むCAWSTバイオサンドフィルター
- Manz Water Infoには、建設と運用に関する詳細なリソースが多数含まれています。
- OHorizons Wood Mold BioSand Filterには、コンクリートBioSand Filterの製造に使用するための木製型枠の構築に関する技術リソースが含まれています。
- ハイチのためのきれいな水には、バイオサンドフィルターの製造に関する情報とリソースが含まれています。
- 浄水器ピッチャー アーカイブ 2023-03-24 at the Wayback Machine
