
合流式下水道は重力下水道の一種で、パイプ、トンネル、ポンプ場などから構成されるシステムで、下水と都市排水をまとめて下水処理場または処分場に運びます。つまり、雨が降ると下水が希釈され、処理場での流量が増大します。汚染されていない雨水は下水を希釈するだけですが、流出水は屋根、道路、貯蔵ヤードで接触した事実上あらゆるものを溶解または浮遊させます。[ 1 ]:296 雨水が屋根や地面を越えて流れる際、土壌粒子やその他の堆積物、重金属、有機化合物、動物の排泄物、油脂など、さまざまな汚染物質を吸着する可能性があります。合流式下水道には、景観灌漑、建設排水、建物や歩道の洗浄などからの乾季の排水も流入します。
合流式下水道では、下水と表面流出水の合流流量が下水処理場の処理能力、または合流した水源を送水するシステムの最大流量を超えると、合流式下水道越流(CSO )事象発生時に深刻な水質汚染問題を引き起こす可能性があります。異常に高い表面流出水量(大雨など)が発生した場合、下水道システムの個々の支流にかかる負荷によって逆流が生じ、トイレなどの流入源から未処理の下水が流出する地点まで水が逆流し、住宅が有毒な下水と流出水の混合物で浸水し、清掃と修復に費用が発生します。合流式下水道でこのような通常よりも高い処理量が発生すると、排出システムによって人や産業廃棄物を含む排出物が川や小川などの水域に流れ出します。このような出来事は、ビーチの閉鎖、汚染された貝類の食用不適化、飲料水源の汚染など、環境と生活様式の両方に悪影響を及ぼすことが多く、一時的に飲用に適さなくなり、入浴や食器洗いなどの使用前に煮沸が必要になる。[ 2 ]
合流式下水道の溢水を軽減するには、下水の分離、CSO 貯留、下水処理能力の拡大、調整池、スクリーニングおよび消毒施設、雨水流量の削減、緑の基盤、リアルタイムの意思決定支援システムなどが含まれます。
このタイプの重力式下水道設計は、現在では新規の下水道システムの建設においてあまり採用されていません。現代の下水道設計では、表面流出を排除するために衛生下水道を建設していますが、多くの古い都市や町では、以前に建設された合流式下水道システムを引き続き運用しています。[ 3 ]
最初期の下水道は、居住地域から路上排水をそのまま地表水路に流すために設計されました。19世紀以前は、便器などの人間の排泄物容器を町や都市の路上に捨て、動物を露天の「屠畜場」で屠殺するのが一般的でした。馬などの役畜の使用や、家畜を都市の路上で放牧していたため、ほとんどの道路には大量の排泄物が含まれていました。19世紀に舗装材としてマカダムが開発される以前は、舗装システムはほとんどが多孔質で、降雨は浸透して流出せず、都市の屋上に溜まった雨水は雨水タンクに貯められていました。20世紀以前は、側溝と都市の河床からなる開放型下水道が世界中で一般的でした。

19世紀後半から20世紀初頭にかけて、先進国の大半では、かつては開放型であった下水道を覆って閉鎖系に転換する大規模な取り組みが進められました。鋳鉄管、鋼管、コンクリート管、石積み、コンクリートアーチを用いた閉鎖系への転換です。また、道路や歩道は不透水性舗装で覆われるようになりました。19世紀から20世紀初頭から中期にかけての下水収集システムのほとんどは、下水と道路や屋根からの都市排水の両方を収集する単管式システムを採用していました(比較的きれいな屋根からの雨水は、飲用や洗濯のためにバットや貯水槽に貯められることはありませんでした)。このタイプの収集システムは「合流式下水道」と呼ばれます。これら2つを統合する理由は、単一のシステムを構築する方が費用が安いためです。[ 4 ] : 8 当時のほとんどの都市には下水処理場がなかったため、別途「表層水下水道」(英国の用語)または「雨水下水道」(米国の用語)システムを建設することによる公衆衛生上の利点は認識されていませんでした。[ 2 ] : 2–3 さらに、自動車時代以前は、流出水は一般的に動物の排泄物で高度に汚染されていました。さらに、19世紀中期から後半までは、シャムブル(家畜小屋)の頻繁な使用が廃棄物の増加につながっていました。20世紀には、馬から自動車への広範な転換、都市の道路や路面の舗装、自治体による食肉処理場の建設、そして水道の供給が行われ、都市流出水の性質と量が変化し、当初はよりきれいなものになりました。これには、以前は浸透していた水や、合流式下水道が広く普及した後に貯められていた屋根の雨水も含まれるようになりました。
建設された当初、合流式下水道システムは、通常、平年並みの下水流量の 3 [ 2 ] : 2~4 ~ 160 倍を処理できる規模でした。 [ 5 ] : 136 雪解け水や対流性降水による流出ピーク時に、合流式下水道を流れる下水と表面流出水の混合量を処理することは、一般的に実現不可能です。都市が下水処理場を建設する際、これらの処理場は通常、平年並みの下水流量のみを処理するように建設されました。雨天時に未処理の下水が表面流出水と混ざるのを迂回するために、収集システムに緩和構造物が設置され、ピーク流量が頭首工に達した場合に下水処理場が被害を受けないように保護されました。[ 6 ]

これらの排水構造物は「雨水調整装置」(アメリカ英語では「雨水調整装置」、イギリス英語では「合流式下水道越流装置」)と呼ばれ、合流式下水道システムにおいて、下水処理場のピーク設計流量を超える流量を迂回させるために設置されます。[ 6 ]合流式下水道は、水位と流量、または差圧と流量の関係を確立する制御部を備えており、これらの関係は予測または調整によって、下水処理場の処理能力を超える流量を迂回させることができます。跳躍堰は、典型的な乾季の下水流量が遮集管から下水処理場へ流れ込む一方で、流量の高い流量の大部分は遮集管を飛び越えて迂回口へ流れ込むように、調整装置として使用されることがあります。あるいは、下水処理場の設計処理能力に対応できる大きさのオリフィスを設け、超過流量をオリフィスより上流に滞留させ、側方越流堰を越えて迂回口へ流れ込ませることもできます。[ 5 ] : 112–114
CSO統計は、事象の数、またはそのような事象が発生する可能性のある排水構造物の数のいずれかを表す可能性があるため、混乱を招く可能性があります。アメリカ英語で使用される用語であるCSO事象は、混合された下水と雨水が、合流式下水道システム制御セクションから、設計された分流口を通って河川、小川、湖、または海にバイパスされ、処理されない場合に発生します。越流の頻度と期間は、システムごとに、また単一の合流式下水道システム内の排水口ごとに異なります。一部のCSO排水口はまれに排出されますが、他のCSO排水口は雨が降るたびに作動します。[ 2 ]:2–3、2–4
雨水成分はCSOに汚染物質を寄与するが、汚染物質の主な部分は、ピーク流量の乱流時に乾いた天候で合流式下水道の湿潤周囲から洗い流された、蓄積したバイオフィルムと衛生固形物の最初の汚れた流出である。[ 8 ]それぞれの雨が寄与する汚染物質の量と種類は異なる。例えば、しばらく雨が降っていない晩夏に発生する雨は、最も汚染物質が多い。油、グリース、ペットや野生動物の排泄物からの糞便性大腸菌、農薬などの汚染物質が下水道に流入する。寒冷地域では、車、人、動物からの汚染物質も冬の間、硬い表面や芝生に蓄積し、春の大雨の際に下水道に流入する。
激しい嵐の際に排出されるCSOは、深刻な水質汚染問題を引き起こす可能性があります。排出物には人や産業廃棄物が含まれており、海岸の閉鎖、貝類の消費制限、飲料水源の汚染を引き起こす可能性があります。[ 2 ]
CSO は、衛生下水道の氾濫(SSO) とは異なり、後者は下水道システムの閉塞、損傷、または下水道処理能力 (処理施設の処理能力ではなく) を超える流量によって引き起こされます。[ 2 ] : Ch.4 SSO は、CSO 軽減構造物ではなく、下水道システムの低い場所で発生する可能性があります。転流用の放水口がない場合、SSO によって住宅が浸水したり、自然排水路に到達する前に通行済みの道路の表面を流れたりすることがよくあります。SSO は、下水汚染物質を希釈して洗い流す降水流出がない乾燥した天候時に発生すると、CSO よりも大きな健康リスクと環境被害を引き起こす可能性があります。

米国では約 860 の自治体で合流式下水道が整備されており、約 4,000 万人に利用されている。[ 9 ] CSO 排出による汚染物質には、細菌やその他の病原体、有毒化学物質、残骸などが含まれる。これらの汚染物質は抗菌薬耐性にも関連付けられており、深刻な公衆衛生上の懸念を引き起こしている。[ 10 ]米国環境保護庁(EPA) は 1994 年に、自治体に対し CSO 関連の汚染問題を軽減または排除するための改善を求める政策を発表した。[ 11 ]この政策は、国家汚染物質排出削減システム (NPDES)許可プログラムを通じて実施される。この政策では、生態系の安全のための水質パラメータを定義し、地域にとって最も実用的な方法で CSO を制御するために場所固有の措置を許可し、CSO 制御が地域の予算を超えないようにし、場所固有の条件に基づいて水質パラメータを柔軟に設定できるようにした。 CSO管理政策は、既存の処理プロセスを少し改善することで下水氾濫の影響を減らすため、1997年1月1日までにすべての公営処理施設に「9つの最低限の管理」を実施することを義務付けた。 [ 12 ] 2000年に議会は水質浄化法を改正し、地方自治体にEPAの政策に従うことを義務付けた。[ 13 ]
ヨーロッパには62万8000以上のCSOがあると推定されている(2020年にはイギリスを含めて65万と推定)。 [ 14 ]
イギリスのほとんどの地域では合流式下水道が採用されており、大雨の際に溢れて海や川に排出されるようになっている。[ 15 ]イギリスには約22,000のCSOがあり、そのうち約15,000がイングランドにある。[ 16 ]
2024年に環境庁は445,297件の流出(CSO+SSO)を記録し、総継続時間は3,582,658時間でした。 [ 15 ]
オーストラリアの下水道システムのほとんどは雨水を流すように設計されていませんが、19世紀後半から20世紀初頭にかけて、一部の合流式システムが建設されました。その後、ほとんどのシステムは雨水システムと下水道システムに分離されました。 [ 17 ]
合流式下水道の越流水対策には、下水管の分流、CSO貯留、下水処理能力の拡大、調整池、スクリーニングおよび消毒施設、雨水流量の削減、グリーンインフラ、リアルタイム意思決定支援システムなどが含まれます。例えば、合流式下水道の越流水対策を行っている都市では、未処理下水の排出を削減するために、以下の ような1つ以上の工学的アプローチを採用しています。
英国環境庁は、不適切で断続的な排出を特定し、合流式下水道の越流水による汚染を制限する措置を要求する都市廃水処理指令を発行した。[ 19 ] 2009年、カナダ環境大臣会議は、 (1)合流式下水道の越流水から浮遊物質を除去する、(2)乾燥した天候時の合流式下水道の越流を防止する、(3)開発や再開発によって合流式下水道の越流水頻度が増加することを防止する、という国家基準を含む、カナダ全土の都市廃水処理管理戦略を採択した。[ 20 ]
CSOを軽減するための合流式下水道システムの改修には、センサーと通信コストの低下に伴い普及が進む広範な監視ネットワークが必要です。[ 21 ]これらの監視ネットワークは、主なCSO問題の原因となるボトルネックを特定したり、費用対効果の高いCSO軽減を可能にするために流体力学モデルや水文学モデルの較正を支援したりすることができます。
米国の自治体は1990年代からCSOを軽減するためのプロジェクトに取り組んできました。例えば、1990年以前、ミシガン州南東部の湖沼、河川、小川に排出される未処理の合流式下水の量は、年間300億米ガロン(1億1000万立方メートル)以上と推定されていました。2005年には、計画されていた24億ドルのCSO投資のうち約10億ドルが運用開始され、未処理の排出は年間200億米ガロン(7600万立方メートル)以上削減されました。この投資によりCSOが85%削減され、地方自治体や地域自治体によって建設された数多くの下水分離施設、CSO貯蔵・処理施設、廃水処理プラントの改善が行われました。[ 22 ]
米国の他の多くの地域でも同様のプロジェクトが実施されている(例えば、ワシントン州のピュージェット湾を参照)。 [ 23 ]ピッツバーグ、シアトル、フィラデルフィア、ニューヨークなどの都市がこれらのプロジェクトに注力しているのは、連邦政府の同意判決に基づきCSO問題を解決しているためでもある。EPAと州政府機関は、CSO緩和策の実施とスケジュールの効率化を図るため、前払い罰金と合意罰金の両方を活用している。自治体の下水道部門、エンジニアリング・設計会社、環境団体は、潜在的な解決策に対してそれぞれ異なるアプローチを提示している。
米国の一部の都市では、下水道分離プロジェクト(地域全体または一部に第二の配管システムを建設する)を実施しています。これらのプロジェクトの多くは、合流式の下水道システムの一部しか分離できていません。高額な費用や物理的な制約により、完全に独立したシステムの構築が困難な場合もあります。[ 24 ] 2011年、ワシントンD.C.は4つの小規模な地区で下水道を分離し、1,100万ドルの費用を負担しました。(このプロジェクト費用には、飲料水配管システムの改良も含まれています。)[ 25 ] [ 26 ]
もう一つの解決策は、複数の下水管接続部からの流量を貯留できるトンネルなどのCSO貯留施設を建設することです。トンネルは複数の排水口で容量を共有できるため、特定の数の排水口に必要な貯留量を削減できます。貯留トンネルは合流式下水を貯留しますが、処理は行いません。嵐が過ぎると、流水はトンネルからポンプで汲み出され、下水処理場に送られます。[ 22 ] CSO貯留における主な懸念事項の一つは、放出されるまでの貯留期間の長さです。この貯留期間を慎重に管理しないと、CSO貯留施設内の水が腐敗する危険性があります。
ワシントンD.C.は、市民社会組織(CSO)対策の主要戦略として、地下貯留能力の整備を進めています。2013年には、「クリーン・リバーズ・プロジェクト」の一環として、深層トンネルシステムの建設に着手しました。アナコスティア川沿いに、総延長18マイル(29km)の深層貯留トンネル4本が建設され、緑地インフラ整備事業と並行して、川への越流水を98%、システム全体では96%削減する予定です。2025年現在、貯留トンネルシステムの一部が稼働しており、プロジェクトは2030年に完了する予定です。[ 27 ] [ 28 ]サウスボストンCSO貯留トンネルも同様のプロジェクトで、2013年に完了しました。[ 29 ]
インディアナ州インディアナポリスは、既存の2つの下水処理場を接続する全長28マイル(45キロメートル)、直径18フィート(5.5メートル)の深岩トンネルシステムの形で地下貯蔵能力を建設している。DigIndyプロジェクトとして知られるこのプロジェクトは、ホワイト川、イーグルクリーク、フォールクリーク、ポーグズラン、プレザントラン沿いにあるさまざまなCSOサイトからの排出水を収集する。[ 30 ]シチズンズ・エナジー・グループは、ベルモント下水処理場とサウスポート下水処理場を結ぶ深さ250フィート(76メートル)の深岩トンネルコネクターを含む、最初のフェーズの建設作業を管理している。追加のトンネルは、インディアナポリスにある既存の水路の下で分岐する。このプロジェクトの予定コストは合計19億ドルである。[ 31 ]
インディアナ州フォートウェインは、セントメアリーズ川、セントジョセフ川、マウミー川に流れ込む無数のCSO(河川氾濫原)に対処するため、3RPORT [ 32 ] (スリーリバーズ保護・越流抑制トンネル)の下に、全長4.5マイル(7.2 km ) 、直径14フィート(4.3 m)、1億8000万ドルのトンネルを建設中です。3RPORTは地表から約160フィート(49 m)下に位置し、2023年に供用開始予定です。
2024年3月[ 33 ]にはロンドンで約50億ポンドの費用をかけてテムズ・タイドウェイ・トンネルが完成し、2025年初頭に全面稼働する予定である。このトンネルはCSO流出を最大95%削減すると期待されている。[ 34 ]
一部の都市では、CSO量の一部または全部を処理するために、基本的な下水処理能力を拡張しました。2002年には、オハイオ州トレド市が訴訟を起こされ、処理能力を倍増させ、越流水の大部分を解消するために貯留池を建設せざるを得なくなりました。また、市は下水道への雨水流入量を削減する方法を検討することにも同意しました。(「雨水流入量の削減」を参照 )[ 35 ]
合流式下水を貯留・処理する貯留処理池または大型コンクリートタンクも別の解決策です。これらの地下構造物の貯留・処理能力は、合流式下水で200万米ガロン(7,600 m 3)から1億2000万米ガロン(450,000 m 3)まであります。各施設はそれぞれ異なりますが、一般的な施設の運用は次のとおりです。過負荷の下水管からの流れは、区画に分かれた貯留池にポンプで送られます。第1のフラッシュ区画は、嵐の最初の部分からの最も高いレベルの汚染物質を含む流れを捕捉して貯蔵します。これらの汚染物質には、道路や芝生を流れ落ちる雨水によって吸収されるエンジンオイル、堆積物、道路の塩、芝生用化学物質(殺虫剤と肥料)が含まれます。この区画からの流れは貯蔵され、嵐の後に遮集下水管に容量があるときに下水処理場に送られます。 2番目の区画は処理区画または流通区画です。この区画に入ると、次亜塩素酸ナトリウム(漂白剤)を注入して消毒します。その後、処理区画の端まで移動するまでに約20~30分かかります。この間に細菌は死滅し、大きな固形物は沈殿します。処理区画の端では、残っている衛生廃棄物が上澄みから取り除かれ、処理済みの処理水は川や湖に排出されます。[ 22 ]
ミシガン州デトロイト市は、グレートレイク水道局が所有・運営する9つのCSO(集水池)貯留槽とスクリーニング/消毒施設からなるシステムを活用しています。これらの貯留槽は、デトロイト都市圏内のデトロイト川とルージュ川沿いにある元の合流式下水道の排水口に設置されています。これらの施設は通常、2インチ(約5cm)の雨水流出を収容できるように設計されており、激しい雨天時には越流水を消毒することができます。
スクリーニング・消毒施設は、CSOを貯蔵することなく処理します。「フロースルー」施設と呼ばれるこれらの施設では、微細スクリーンを用いて合流式下水から固形物や衛生廃棄物を除去します。下水は消毒のために次亜塩素酸ナトリウムを注入され、一連の微細スクリーンを通過する際に混合され、異物を除去します。微細スクリーンの開口部は4~6mm(1/4インチ弱)です。下水は、次亜塩素酸ナトリウムが細菌を殺菌するのに十分な時間を確保できる速度で施設内を通過します。スクリーンで除去された物質はすべて、遮集管を通って下水処理場に送られます。[ 36 ]
地域社会は、集水システムへの雨水流入量を削減するために、環境へ の影響が少ない開発手法を導入することができます。これには以下が含まれます。
下水道システムの再構築のみを目的とするCSOの緩和策はグレーインフラと呼ばれ、透水性舗装や雨水利用などの技術はグリーンインフラと呼ばれます。自治体の下水道当局と環境活動団体の間では、グレーインフラ計画とグリーンインフラ計画をめぐってしばしば対立が生じます。
2004年EPA議会向けCSOに関する報告書では、CSOの影響を軽減するために利用可能な技術のレビューが提供されています。[ 2 ]:第8章
センシングと制御における近年の技術進歩により、CSO緩和のためのリアルタイム意思決定支援システム(RT-DSS)の実装が可能になりました。IoT技術とクラウドコンピューティングを利用することで、可動ゲート、ポンプ場、および下水道や雨水管理システム内のその他の作動資産の設定値を動的に調整することで、CSOイベントを緩和できるようになりました。適応型交通制御と呼ばれる同様の技術は、信号機を通過する車両の流れを制御するために使用されています。RT-DSSシステムは、下水域全体の多様な土地利用による雨水の集中時間の変化だけでなく、雨水の時間的および空間的な変動性を利用して、制御資産を調整および最適化します。貯蔵と輸送を最大限に活用することで、RT-DSSは既存のインフラストラクチャを使用して越流を最小限に抑えることができます。RT-DSSの実装は、米国[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]およびヨーロッパ[ 40 ]で成功しています。
リアルタイム制御(RTC)は、ヒューリスティック制御とモデルベース制御のいずれかである。モデルベース制御は理論的にはより最適であるが[ 41 ]、実装の容易さから、ヒューリスティック制御がより一般的に適用されている。RTCがCSO緩和のための適切な選択肢であるという十分な証拠を得ることは依然として困難であるが、新たな性能評価手法によってそれが可能になる可能性もある[ 42 ] 。
英国では、雨水下水道と表流水下水道の間には法的差異があります。水道事業法第106条に基づき、雨水越流下水道への接続権は認められていません。[ 43 ]
これらは通常、合流式下水道越流管の下流にある水路に排出する管路です。合流式下水道からの余剰水を受け入れます。表流水下水道は雨水を導水します。法的には、この公共下水道への雨水の接続権があります。公共雨水下水道は公共表流水に排出できますが、水道会社による下水道としての法的変更がない限り、その逆はできません。
_01.jpg/440px-Kalteysen_St._Barbara_Altarpiece_(detail)_01.jpg)
19世紀後半から20世紀初頭にかけて都市下水道が初めて開発された当時は、合流式下水道が一般的でした。[ 3 ]
下水道のイメージはヨーロッパ文化に繰り返し現れます。第二次世界大戦では、パルチザンやレジスタンス戦士など、軽蔑されたり追われたりした人々が、下水道を隠れ場所や逃走路として利用したからです。スターリングラード攻防戦では、下水道で戦闘が勃発しました。ワルシャワ蜂起とワルシャワ・ゲットーを生き延びた唯一の人々は、都市の下水道を通って最後の脱出を遂げました。ピラネージの架空の監獄を描いた版画は、世界最古の下水道の一つである クロアカ・マキシマに触発されたという意見もあります。
合流式下水道を旅したり、隠れたり、あるいは居住したりするというテーマは、メディアにおいてよく見られるプロット装置です。下水道居住の有名な例としては、『ティーンエイジ・ミュータント・ニンジャ・タートルズ』、スティーブン・キングの『IT/イット』、『レ・ミゼラブル』、『第三の男』、『レディホーク』、 『ミミック』、『オペラ座の怪人』、『美女と野獣』、『ジェットセット・ラジオ・フューチャー』などが挙げられます。トッド・ストラッサーの小説『Y2K-9:世界を救った犬』は、アメリカの下水処理場を 電子的に破壊しようとするテロの脅威を阻止する犬を主人公としています。
よく知られた都市伝説の一つに「下水道のワニ」があります。これは、特に大都市圏の合流式下水道に生息する巨大なワニ、あるいはクロコダイルのことです。ニューヨークには、ワニが不運な犠牲者をマンホールに引きずり込む様子を描いた公共彫刻が2つあります。[ 45 ]
アメリカ南東部では、合流式雨水管にワニが侵入することが知られています。下水道修理会社が設置した監視カメラには、合流式雨水管に侵入したワニの様子が録画されていました。[ 46 ]