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環境負荷の構造変化から見た都市の水質問題の把握とその対応策に関する研究

研究プロジェクトの紹介(平成8年度終了特別研究)

稲森 悠平

 本研究は平成8年度に終了した特別研究であるが,ここでは4年間の研究期間に得られた内容について紹介することとする。

 都市機能の一極集中や地価の高騰などによる都市の社会,経済的変化や物理的変化は,産業構造や都市構造の変化に大きな影響を及ぼしている。一方,都市住民のライフスタイルや生活の質および生活パターンは快適性の志向により益々エネルギー多消費型になりつつある。このような都市構造変化,生活様式の変化は環境負荷の構造を大きく変えている。生活様式の変化や多様化は排水や廃棄物の質や量を大きく変化させており,特に都市周辺地域における小規模未規制排水による表流水系の汚染が大きな問題となりつつある。環境負荷の構造変化に伴う地域の環境要因の悪化を早急に食い止め,改善に向かわせることが急務である。

 本研究においては,このような観点から環境負荷の構造変化が都市環境に及ぼす影響の把握とその対応策に関する研究を行った。具体的には以下に示す研究課題を実施した。

 (1)水質問題の実態解明としての1)湖沼における藍藻類の優占化の解析においては,都市周辺域における湖沼の富栄養化が藍藻類の異常増殖を引き起こし,水道水への異臭味,上水処理過程における凝集阻害など水利用上様々な障害をもたらしている現状を鑑み,全国の湖沼データの解析から藍藻類の優占化に係わる環境要因の解明を行った。また,2)富栄養化湖沼における有毒物質ミクロキスチン(Microcystin)の挙動の解明においては,富栄養化湖沼で異常増殖する藍藻類によって生産される有毒物質が問題視されていることから,霞ヶ浦においてMicrocystis 属によるアオコの形成,消滅過程でのミクロキスチンの挙動に関して調査解析を行った。さらに,3)富栄養化がトリハロメタン生成能に及ぼす影響の解明においては,富栄養化湖沼を水源としているところで,藻類や微生物による代謝産物である溶存性有機物や難分解性有機物が増大し,この難分解性有機物の増加した水に塩素処理などを施すとトリハロメタンが生成することに鑑み,藻類由来の有機物がトリハロメタン生成能に及ぼす影響について検討を行った。

 (2)水質問題の将来予測としての1)生活排水における発生および排出負荷の将来予測においては,水環境改善を図る上で極めて重要な位置づけにある生活排水対策としての下水道,合併処理浄化槽の普及に関する将来予測,ならびに生活排水処理施設から排出される負荷の予測を行った。また,2)藍藻類の増殖特性からみた優占種の予測に関する実験的検討においては,富栄養化湖沼における藻類の異常増殖が利水に多大な影響を及ぼすのみならず,有毒藻類,カビ臭産生藻類等の優占化を引き起こし,障害を発生させることを鑑み,優占種の予測に関する基礎的知見の集積のために藍藻類の優占化に影響を及ぼす因子の実験的解明を試みた。

 (3)水環境負荷削減技術開発および水環境改善対策の効果の評価としての1)生活排水の循環式変則合併処理浄化槽による高度処理においては,単独処理浄化槽の使用により,未処理生活雑排水の垂れ流しが大きな負荷となることから,改善のための技術開発として単独処理浄化槽放流水と生活雑排水を合わせて処理する変則合併処理浄化槽に循環を組み込んだ処理プロセスを実験的に検討した。また,2)生活排水の高度処理においては,BOD/T−N(全窒素)比の低い場合に適切な窒素除去法として嫌気好気生物膜法を開発した。生活排水としての病院,学校,集会場,競技場,公衆便所,レストラン等からの排水の性状は BOD/T−N 比が低いという傾向を持っている。ところが流入原水中の有機物の指標としての BOD と全窒素の比率が低いと,窒素除去に貢献する脱窒微生物が好気生物膜で反応して生成された硝酸態窒素の結合酸素を用いて,嫌気生物膜で硝酸呼吸を完全に行う上で必要な有機物が不足するため硝酸態窒素が残存し窒素除去能が低くなる。そこで本研究では,BOD/T−N 比の低い場合にも高度に安定した窒素除去を可能とする方法として嫌気好気生物膜法の開発を行った。この方法は硝化脱窒反応を利用しており,まず嫌気条件下で脱アミノ酸反応により有機態窒素をアンモニア態窒素にし,次いで好気条件でこのアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変え,さらに好気処理水を循環して再度嫌気条件を設定し,硝酸態窒素を最終的に窒素ガスにして除去するものである。さらに3)リン負荷削減技術の対費用効果および環境改善効果の試算においては,富栄養化の原因となる生活排水中のリン負荷削減技術としてアルミニウム板に+,−電極を付設し電気分解により生成されるアルミニウムイオンをリン酸イオンと反応させてリンを除去するアルミ電解法に着目し,その効果を実験的に検討するとともに,得られたデータをベースに手賀沼流域へ対策技術を普及させた場合の環境改善効果の試算を行った。

 本研究の代表的な成果は,①水質問題の実態解明として,N / P 比の増加に伴い藍藻類が優占化すること,Microcystis 属によるアオコの消滅過程で湖水中に有毒物質ミクロキスチンが増加すること,藻類種の違いによりトリハロメタン生成能が変化すること,②水質問題の将来予測として,トイレの水洗化に伴い生活排水からの BOD 負荷が減少するのに対して,窒素,リン負荷,特に窒素の負荷が増加すること,N / P 比の上昇によって有毒藻類の異常増殖が起こる可能性のあること, ③水環境負荷削減技術開発および水環境改善対策の効果の評価として,変則合併処理浄化槽あるいは嫌気好気生物膜処理浄化槽に循環を組み込んだプロセスによって有機物および窒素の高度処理が可能であること,リン負荷削減技術としてアルミ電解法が有効であり,費用効果から考えても高く評価できること等が明らかとなったことである。また本プロジェクト研究で得られた合併処理浄化槽の技術開発の成果は,建設省の窒素・リン除去型の建築基準法の構造基準に導入され,水改善効果に対する大きな期待がもたれている。これらをまとめると図に示すとおりである。

 今後,都市の水環境の改善を図り,健全な水環境を創造していくためには,省エネルギー,処理施設のコンパクト化,省資源,経済性を達成する水環境修復技術開発がますます重要になると考えられ,さらに高度な水環境修復技術をベースとした地域環境,地域生態系に適合した水環境修復システムの確立が必要不可欠である。 特に,都市化の進んだ地域においては新たな水資源の確保が困難であることに加えて,水圏生態系の劣化が著しく,水環境が本質的に備えている水質浄化機能や親水機能が多大な損傷を受けているといわれている。このことからも,循環,共生を基調とした水環境の健全化をめざした都市システム創造のための研究推進は重要である。

 また,アジア・太平洋地域における各国の都市の水環境問題は深刻さを増しており,今後本研究成果等を基に,各国の環境研究機関と連携をとって都市の水環境問題に関する研究開発を推進していくことが重要であると考えられる。

図 都市の水質問題の把握とその対応策に関する研究成果の概要
 折線は月平均値,滑らかな太線は5ヵ月間移動平均値を示し,正の値は平年(1961〜90年の30年平均値)より高いことを示す。エルニーニョ現象の発生期間には陰影を施してある。
(気象庁エルニーニョ監視予報センター提供)

(いなもり ゆうへい,地域環境研究グループ 開発途上国環境改善(水質)研究チーム総合研究官)

執筆者プロフィール:

水環境修復技術の国際化を図るために,アジア・太平洋地域を対象として共同研究を推進しており,特に原生動物,輪虫類,貧毛類等の環境浄化に果たす役割,温室効果ガス亜酸化窒素(N2O),メタン(CH4)の発生抑制手法,窒素・リン除去の高度処理,有用生物の生態系での挙動解析評価等に基づくシステム開発研究を行っている。