水道原水の水質特性と 浄水処理技術との関係

水道原水の水質特性と
浄水処理技術との関係
東京大学大学院工学系研究科
附属水環境制御研究センター
教授 古米 弘明
2013年7月17日 浄水処理技術シンポジウム
1
最適な浄水処理システム設計における
検討項目
• 原水水質の把握
水源の種類（地下水、河川、ダム・湖沼）
不溶解性（濁度）と溶解性成分（有機物）
異臭味、アンモニア、農薬、ＴＨMＦＰなど（高度処理）
• 処理目標水質の設定
水道水質基準、クリプトスポリジウム等対策、水道薬品
より高い目標水質（高度処理）
• 維持管理レベルのよる検討
維持管理の難易度、単位プロセスの維持管理レベル
レベルＩＩＩ類（凝集沈殿＋急速ろ過＋高度処理）
浄水技術ガイドライン2010 （財）水道技術研究センター 発行
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2
指定湖沼の水質状況の推移（ＣＯＤ年間平均値）
3mg/L
霞ヶ浦 A類型 COD=3mg/L以下
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3
湖沼の環境水質基準と水利用用途
水道用水としての判断基準
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4
湖沼の環境基準 ＣＯＤ
COD基準の
判断基準
過マンガン酸カリウム消費量10mg/l＝ＣＯＤ2.5mg/l
水道水源として、3.0mg/l以下でＯＫ
ヒメマスの生息、アユの生息、コイ、フナの生息：1,3,5mg/l
水浴面：3mg/l以下、農業用水面：6.0mg/l以下
工業用水や環境保全面：8mg/l以下
参考：日本の水環境行政 改訂版 - ぎょうせい
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5
厚生労働科学研究費
「安全でおいしい水を目指した
高度な浄水処理技術の確立に関する研究」
－ e-Water II プロジェクト －
研究期間：平成16～19年度
水質評価委員会成果紹介
研究課題：「原水水質の評価に関する研究」
研究目的：「安全でおいしい水を目指した高度な浄水処理
技術の確立に向けて、原水水質特性を総合的に評価し、
原水条件に応じた最適な浄水プロセス・水質管理体制
の確立に寄与することを目的とする。」
・ 総合的な評価のために、水道原水水質データを幅広く
収集する。
・ さまざまな視点から、原水水質の分類・評価・解析を行
い、わかりやすい形で原水水質特性をまとめる。
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1. 水質データ・関連情報
水質データおよび関連情報の収集
• 年度：渇水年(1994)、通常年(1999)、多雨年(2004)
• 事業体数：33事業体(129浄水場）
• 収集情報：各年度の月別水質データ
水源種類、浄水フロー等浄水場概要
• データの代表性：総浄水量は全国の約4割
(1万～50万m3/日の浄水場主体)
→本データを活用し、原水水質の分類・解析及び浄水システム
と原水水質の関係整理・ 解析作業を実施。
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7
1. 水質データ・関連情報
使用水質データ
• 収集データのうち、データ数を十分に得られた10項目
①一般細菌
②硝酸態窒素及び亜硝酸態窒素(NO3-N及びNO2-N）
③鉄
④マンガン
⑤硬度
⑥pH値
⑦色度
⑧濁度
⑨過マンガン酸カリウム消費量(有機物等）
⑩アンモニア態窒素
の年間中央値（29事業体、102浄水場、 242サンプル）
※カビ臭物質追加や年間95%値による解析も実施したが、 類似の傾向
• データの代表性： 102浄水場の総浄水量は全国の約35%
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8
1. 水質データ・関連情報
解析の方針と手順
• 原水種類を地表水系と地下水・湧水系に分け、処理性に影響
を与える複数項目を選定して、原水タイプを水質特性で分類
し、採用されている浄水処理フローとの関係を整理した。
• 異なる単位や幅を有する複数の水質データを相対比較する
ために、水質の数値を標準得点化する。その際、理解しやす
いＺ得点（偏差値、線形Ｔ得点）を採用した。
平均値
Z
xi x
10
50
S ( x)
標準偏差
濃度が高いことは
除去すべき物質が
多く、水質の得点
が低いとみなすた
めに工夫を施した。
xi - x
+ 50
Z = -10
S ( x)
Z得点は平均が50、標準偏差が10となるので、Z得点から対象の水質データ
母集団における素点の相対的な位置づけを知ることができる。
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9
1. 水質データ・関連情報
年平均値（H16)のZ得点分布
pH
年間12回以上測定 ４項目 N=293
全国平均
=7.4
全国平均
=7.6
有機物等
過マンガン酸カリウム消費量
全国平均
=5.0mg/l
濁度
マンガン
全国平均
=0.035mg/l
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2. 原水水質分類・解析
原水水質の分類・解析(得点化とｸﾞﾙｰﾌﾟ化）
＜実施内容＞
１．主成分分析手法を用いた
・ 水道原水水質特性を表す総合指標の探索
・ 原水水質の得点化による特性評価
２．クラスター解析手法を用いた
・ 原水水質の類型化
３．主成分分析とクラスター解析結果の照合による
・ 原水水質と浄水処理方式との相互関係
詳しくは、「水道原水の水質類型と総合汚濁指標に関する研究」 林、横田、古米、藤原
水道協会雑誌、第77巻、第11号（第890号）、p15-24、平成20年11月
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11
2-1
2-1 主成分分析
主成分分
解析方法１：主成分分析とは
簡単に言えば、複数の変数がもつ情報を下式のような形で
ひとまとめにして要約する方法。
f=a1X1+a2X2+・・・・・・+apXp
ｆ：主成分得点
a1…ap：重み係数(a12+a22+・・・+ap2＝１）
X1... Xp：標準化水質データ
p：水質項目数(ここでは10)
第1主成分⇒ｆの分散が最大となるようにaを決定
第2主成分⇒第1主成分と無相関、且つ分散最大
↓
水質項目により重み係数が変わる=重み付けがなされるこ
とで、水質特性を表す総合指標(主成分)が示される。
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2-1 主成分分析
主成分分析結果 第１主成分
第一主成分　重み係数
寄与率：50%
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
過ﾏﾝｶﾞﾝ酸ｶﾘｳﾑ消費量
鉄
濁度
色度
マンガン
ｱﾝﾓﾆｱ態窒素
一般細菌　Log
pH値
硬度
大きな重み：①有機物量、②鉄、③濁度、④色度など
第1主成分の意味：原水水質の汚濁度合を表現する総合指標
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2-1 主成分分析
主成分分析結果 第２主成分
寄与率：14%
-0.3
-0.2
第二主成分　重み係数
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
NO2-N + NO3-N
硬度
ｱﾝﾓﾆｱ態窒素
鉄
マンガン
濁度
一般細菌　Log
過ﾏﾝｶﾞﾝ酸ｶﾘｳﾑ消費量
色度
pH値
大きな重み：①硝酸態窒素及び亜硝酸態窒素、②硬度、③アンモニア態窒素
第2主成分の意味：地下水・湧水の特徴と窒素汚染度合を表現する指標
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14
2-1 主成分分析
原水タイプ別の主成分得点分布
6
地下水・湧水系
地表水系(高度処理 オゾン+粒状活性炭）
5
地表水系（高度処理 粒状活性炭）
地表水系(高度処理 生物）
地表水系(高度処理無)
第二主成分得点(寄与率14%)
4
地下水・湧水系
※高度処理の定義：オゾンor粒状活性炭or生物処理
3
総データ数：242(102浄水場）
2
地表水（高度処理オゾン＋粒状活性炭）
1
地表水（高度処理 生物）
0
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-1
地表水（高度処理無）
-2
第一主成分得点(寄与率50%）
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2-1 主成分分析
主成分得点と浄水処理方式の関係
6
活性炭未
使用ｿﾞｰﾝ
混在ゾーン
高度処理　or
粉末活性炭
ゾーン
高度処理ゾーン
5
凝集沈澱急速ろ過(粉炭無）
凝集沈澱急速ろ過（粉炭有）
凝集急速ろ過
高度処理付加　粒状活性炭
高度処理付加　オゾン+粒状活性炭
高度処理付加　生物
膜ろ過
緩速ろ過
滅菌のみ
第二主成分得点(寄与率14%)
4
Max 凝集沈殿急速ろ過（粉炭無）
3
Max 凝集沈殿急速ろ過（粉炭有）
2
総データ数：242(102浄水場）
1
0
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-1
Min 凝集沈殿急速ろ過（粉炭有）
-2
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第一主成分得点(寄与率50%）
16
2-1 主成分分析
第１主成分得点と採用浄水処理方式の範囲
消毒のみ
緩速ろ過
凝集急速ろ過
凝集沈澱急速ろ過粉末炭無
凝集沈澱急速ろ過粉末炭有
※膜ろ過は１浄水場(2ﾃﾞｰﾀ)しかないため、省略
高度処理（粒状炭）
高度処理(生物）
高度処理(オゾン＋粒状炭）
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
第一主成分得点(寄与率50%)
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2-2 クラスター解析
解析方法２：クラスター解析とは
異質なものの混ざり合っている対象の中で、各データ間の類似
性を示す距離を決められた計算方法によって求め、その距離の近
いもの同士を集めて同一クラスター(グループ）を作り、対象を分類
しようという方法を総称したもの。
本方法を用いて、各浄水場が有する10項目の原水水質データ群
を類似しているもの同士に分類。その上で、各グループの特徴を
整理し、原水水質がどのように分類可能か示すことを試みた。
＜イメージ＞
水質データ群
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ クラスター解析
Ｇ、Ｈ浄水場
Ａ、Ｄ、Ｅ
Ｂ、Ｆ、Ｈ
Ｃ、Ｇ
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2-2 クラスター解析
クラスター解析結果
・以下の４つのグループに分類すると
クラスター１(32/242)：高度処理導入率：0%
濁度、色度、有機物低く、地下水中心（清澄）
クラスター２(160/242)：高度処理導入率：16%
平均的な水質
クラスター３(46/242)：高度処理導入率：33%
全国平均より汚濁が進行
クラスター４(4/242)：高度処理導入率：100%
全項目高く、汚濁がかなり進行
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2-3 主成分分析とクラスター解析の照合
主成分分析とクラスター解析の融合図
6
地表水系(高度処理 オゾン+粒状活性炭）
地表水系（高度処理 粒状活性炭）
地表水系(高度処理 生物）
地表水系(高度処理無、粉末活性炭有)
地表水系(高度処理無、粉末活性炭無）
地下水・湧水系
第二主成分得点(地下水質の特性等： 寄与率14%)
クラスタ１(32)：低汚濁、高特性
-4
5
4
※高度処理の定義：オゾンor粒状活性炭or生物処理
クラスタ３(46)：中汚濁
3
総データ数：242(102浄水場）
2
クラスタ４(4)：高汚濁
1
0
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-1
クラスタ2(160)：平均的
-2
第一主成分得点(水質汚濁度合：寄与率50%）
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20
霞ヶ浦（西浦）の主成分得点の経年変化
e-WaterII 水質評価委員会のマクロ計算ソフト
http://www.jwrc-net.or.jp/tools/ewater2macro.html
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21
霞ヶ浦（西浦）の主成分得点の位置づけ
e-WaterII 水質評価委員会のマクロ計算ソフト
1970年
1990年
2000年
2010年
1980年
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22
茨城県企業局
浄水場位置図
（水源;霞ヶ浦）
（水源;河川）
ポイント
• 取水量の６割強を霞ヶ浦
に依存している。
• 霞ヶ浦を水源とする浄水
場では，例年，秋から春
先にかけて藻類の大量発
生に起因する水処理障害
（凝集阻害，ろ過障害，高
濃度のかび臭物質発生
等）が生じている。
• 霞ヶ浦がかつての汽水湖
であることに起因して、オ
ゾン処理における臭素酸
という消毒副生成物の懸
念がある。
那珂川
霞ヶ浦
（西浦） （北浦）
利根川
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霞ヶ浦における藻類の発生状況
（木原取水場沖）
140,000
緑藻類
藻類数　（細胞/mL）
120,000
藍藻類
オシラトリア大発生
珪藻類
100,000
オシラトリア大発生
80,000
60,000
40,000
20,000
0
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
藻類数　(糸状体/mL）
H18
2
3
4
5
6
7
8
H19
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
H20
2
3
4
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
H21
30,000
Oscillatoria
20,000
10,000
0
4
5
H18
6
7
8
9 10 11 12 1
H19
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
H20
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5
6
7
8
9 10 11 12
H21
24
凝集沈澱処理の状況
（新治浄水場）
60
着水（月最大値）
沈澱処理水（月最大値）
50
原水濁度
濁度 (度)
40
30
20
10
沈殿処理水
濁度の上昇
0
4
H19
5
6
7
8
9
10
11 12
1
H20
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
H21
オシラトリア大発生
平成19年12月から20年5月には，Oｓcillatoriaが大発生し，凝集障害や高濃度
のかび臭物質の発生により，水質基準を満足することに大変な労力を要した。
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霞ヶ浦におけるかび臭物質の発生状況
（木原取水場沖）
1,200
オシラトリア大発生
２－ＭＩＢ
1,000
2-MIB，ジェオスミン（ng/L）
ジェオスミン
800
600
400
200
0
4
H16
5
6
7
8
9
10 11 12 1
2
H17
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
1
H18
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
1
H19
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
1
2
3
H20
2013年7月17日 浄水処理技術シンポジウム
4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
H21
26
粒状活性炭再生量の推移
×1000ｍ3
9
8
粒状活性炭再生量の推移
（霞ヶ浦を水源とする６浄水場の合計）
7
6
5
4
3
2
1
0
H10
H11
H12
H13
H14
H15
H16
H17
H18
H19
H20
• 夏季には原水の藻類数は減少するものの，溶解性有機物によりトリハロメタン濃度
が高くなるため，粒状活性炭の適切な運用が求められている。
• 水処理障害に対し，現状の処理方式（凝集沈澱処理→砂ろ過処理→粒状活性炭
処理）においては，薬品注入や粒状活性炭処理の強化により対応しているが，その
費用は年々増加傾向にある。
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富栄養化した湖沼を原水とする場合の
浄水処理における課題整理
• 藻類大量発生に伴う処理障害
• かび臭原因物質の発生とその除去
• 溶解性有機物によるＴＨＭ濃度上昇への対応
課題解決へ向けて
• 富栄養化した湖沼を原水を対象として，安定的かつ効率的
に浄水処理が行えるような水処理方式の確立のためには？
• 安全・安心でおいしい水道水に対するニーズに対応する最
適な水処理方式の確立のためには？
平成21 年度から23 年度まで、茨城県企業局と企業群による共同研究チャレンジ
どのような新たな高度浄水処理方式があるのか？
その処理方式をどのように生かすのか？
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