水からの病原体の除去

飲料水供給源から病原体を除去する必要性は長い間認識されてきました。 この記事では、水から病原体を除去または不活化するために使用されるアプローチの概要とともに、病原体グループの特徴を概説します。 これらのアプローチの有効性と重大な欠点も考慮されます。

この記事では、病原体グループの特徴を概説し、水から病原体を除去または不活化するために使用されるアプローチの概要を示し、これらのアプローチの有効性を要約し、その重大な欠点を強調します。 私たちは特に、現在世界中でさまざまな理由で採用されている膜濾過など、病原体除去のための改良された最新技術の有効性に焦点を当てています。 廃水からの病原菌の濾過除去や飲料水供給への有効性を検討します。

病気を引き起こす可能性のある微視的な生物有機体である病原体には、ウイルス（タンパク質でコーティングされた DNA または RNA で構成される）、細菌（単細胞生物）、原生動物（これも単細胞ですが、明確な膜結合核を持つ）、および放出される毒素が含まれます。藻類（水生光合成単細胞種または多細胞種）による。

病原体による有害な影響は、軽度の急性疾患から慢性の重篤な疾患、そして死に至るまで多岐にわたります。 重要な水系（汚染された水の消費による感染）、水系（使用済みの洗浄水の品質があまり考慮されていない場合、それ自体が病原体源として機能する）、および水系（病原体または中間宿主がその生涯の一部を過ごす）水中の循環）病気により毎年何百万人もの命が奪われます。 世界保健機関 (WHO) によると、2004 年には世界で 216 万人が下痢性疾患で死亡し、その 80% 以上が低所得国の出身者でした。 コレラ、ジアルジア症、感染性肝炎、腸チフス、アメーバ性および細菌性赤癬、およびビルハルツ症は、原因となるより一般的な疾患の一部です。

これまでのところ最も一般的な感染経路は、洗浄水や洗浄水などの汚染水に存在する人間の糞便や尿に由来する病原体の経口摂取経路です。 多くの病原体は人体の外では短期間しか生存できませんが、回復力のある細菌性シストおよびオーシストの水媒介感染と、病原体の直接輸送が重要な感染メカニズムです。 動物の糞便や尿にも重要な病原種（レプトスピラ症など）が潜んでいる一方、特に家畜に対するさらなるリスクは、藻類や他の微生物（シアノバクテリアなど）による毒素の水への排泄に由来します。 近年、陸地に広がる下水汚泥の増加による潜在的な病原体汚染により、リスクを軽減するために汚泥処理に一層の注意が必要となっています。

さまざまな水処理アプローチにより、病原体汚染に対する飲料水の安全性を向上させることができます。 治療効果は、対数除去値 (LRV) を使用して広く測定されます。

LRV=log10(Cin​​/Cout)

ここで、Cin は流入病原体濃度、Cout は流出病原体濃度です。

したがって、特定の病原体について、LRV 2 は 99% の除去を反映し、LRV 4 は 99.99% の除去を反映します。

効果的な病原体治療、特に低感染量の特定の指標病原体に対する治療の重要性は、先進国で設定されている高い品質基準に反映されています。 英国の給水（水質）規制（2000 年）自体は、欧州飲料水指令を国家的に実施したものであり、大腸菌および腸球菌の濃度がゼロであること、およびユーザーの蛇口から出る水中の微生物の培養可能なコロニーに異常な変化がないことを要求しているのに対し、米国の国家規制は、第一次飲料水規制では、クリプトスポリジウム、ランブル鞭毛虫、および全大腸菌群の最大濃度ゼロを採用しています。

病原体の処理には、除去プロセスおよび/または不活化 (消毒) プロセスという 2 つの方法でアプローチします。 これらのプロセスは、理想的には、水源の保護（可能な限り最高の初期品質の水を使用）を保証する包括的な「多重バリア」処理戦略の一部を形成し、その後、適切な病原体の除去、その後の消毒、および水の最終的な汚染防止戦略が続きます。流通システム。

除去プロセスでは、長年の技術と最新の処理が利用されます。 従来、粗いフィルター（砂利、砂など）またはその他の手段による前処理は、全体的な濁度を低減し（通常、病原体集団は粒子上に多く存在します）、藻類および原生動物の濃度を低減するのに特に効果的です（LRV 2 ～ 3 は容易に達成可能です）。 貯蔵タンク内での単純な沈降やバンクろ過による一次病原体除去も可能です。 保管は定着を可能にするだけでなく、宿主環境の外で細菌やウイルスが死滅する時間を許容します。 しかし、そのような単純な治療システムだけでは、効果的な健康保護に必要な高い病原体除去基準を満たすのに十分であることはほとんどありません。

前処理は、凝集または凝固とその後の沈降による強化された清澄処理によって補われることがよくあります。 最適化されたシステムは、ウイルス、細菌、原生動物に対して LRV 1 ～ 2 を達成できます。 しかし、世界中の経験から、最適な条件を維持するのは難しく、これにより病原体の除去効率が大きく変動する可能性があることがわかっています。 たとえば、効果的な凝固は、多くの場合非常に変動する流入負荷の正確な投与量と混合、および効果的で適切に制御されたスラッジ除去に依存します。 さらに、ウイルスの除去は種によって大きく異なる可能性があり、そのばらつきの程度（LRV 2 ほど）は凝固剤の種類にも影響されます。 主要な病原体グループのより高い LRV は、一般に高速浄化装置を使用して達成されますが、藻類の除去で問題のある領域では、藻類細胞を破壊して毒素を放出しないように十分な注意が必要です。 溶解空気浮選は、藻類の除去 (多くの種で LRV 1 ～ 2) に適した代替手段であり、クリプトスポリジウム オーシストの除去 (LRV 2 ～ 2.6) にも効果的なアプローチです。 濾過による病原体の除去については、以下で詳しく説明します。

病原体の消毒（不活化）は 2 番目に重要なアプローチです。 概要としては、酸化、熱、または UV 処理が使用されます。 酸化は病原体の有機構造と反応し、熱は耐熱性を超えて病原体を殺しますが、UVは最終的に複製を制限するメカニズムを通じて細胞の遺伝物質を破壊します。

酸化消毒の有効性は種によって異なり、一般に固定条件下では接触時間と用量の関係に従います。 多くの酸化剤は塩素ベース（塩素ガス、モノクロラミン、次亜塩素酸ナトリウム、二酸化塩素など）ですが、オゾンはいくつかの代替品のうちの 1 つです。 詳細な議論はこの記事の範囲を超えていますが、消毒効率 (通常、特定の LRV に影響を与えるために必要な時間ごとの用量の製品として表されます) は酸化剤によって大きく異なる可能性があり、水の濁度、pH、および温度の影響を受けます。 オペレーターが適切な酸化剤を選択する際の追加の考慮事項には、プラントの耐性とこれらの有害な腐食性物質にさらされるスタッフの安全、酸化剤の必要量、および関連する保存および安定性の特性が含まれます。

これまでの議論は、非常に高い病原体処理効率が必要とされる飲料水の要件に焦点を当ててきました。 他の状況では、例えば、プロセスを完了するためにその後の環境の自己浄化に依存して、敏感な環境を病原体汚染から保護することが目標である場合など、低グレードの病原体の除去で十分な場合があります。 例えば、廃水が欧州浴場水指令 (2006/07/EC) で指定された地域に排出され、分類が環境中の大腸菌および腸球菌濃度の測定値に依存する場合、廃水処理事業者は病原体の排出を次の範囲に制限する必要がある場合があります。地表水。 要件は、内陸への放流と沿岸水域への放流とで異なる場合があります。 同様に、新しく成文化された貝類（成長期）水域指令（2006/113/EC）は、指定地域内で採取された貝類の許容可能な大腸菌群濃度のガイドラインを定めています。 その他、USEPA は強化地表水処理規則のガイドラインを更新しました。その主な目的は、浸透する地表水による病原性汚染から地下水供給を保護することです。 このような場合、オペレーターは、流入水が汚染された場合の病原体の除去効率に関して処理システムを評価する必要があります。

状況によっては、砂利とゆっくりとした砂のろ過が、病原体除去を達成するための唯一の費用対効果の高い技術である可能性があります。 流量、媒体のサイズと均一性、ろ床の深さに応じて、これらのシステムは非常に効果的です (図 1)。 試験では最大 5 という広範囲の LRV が報告されていますが、米国での運用経験では、総大腸菌群 LRV が最大 2.3 で、特に微生物膜が確立された後の砂フィルターによるジアルジア属の除去 (LRV 約 4) が非常に効果的であることが実証されています。メディア。 ただし、処理能力が低く、病原体の除去効率が大きく異なる場合があります。 特にクリプトスポリジウムの除去は一般に比較的不十分であることが示されています (LRV < 0.5)。

低コストの処理システムは、正しく構築されていれば効果的に病原体を除去できます。 スペインとカナリア諸島のいくつかの小規模な処理施設での研究 (海岸およびレクリエーション水の改善プロジェクト、ICREW) は、そのような施設が、以下を使用して入浴水および都市廃水 (71/271/EEC) 指令の微生物学的要件に準拠する能力を備えていることを実証しています。さまざまな従来技術（例：長時間曝気、回転生物学的接触装置、散水フィルター）および非従来技術（安定化池、泥炭フィルター、嫌気性池と散水フィルター）技術。

米国では、推定人口の 25% が何らかの形の施設内水処理システムを使用していますが、病原体による汚染が問題となる可能性があります。 従来の現場処理システムは一般に、処理システムを通るプラグフローの動きによる重力変位によって機能します。 ピークフロー条件下では問題が発生し、処理効率が低下する可能性があり、特に非限定帯水層に位置する場合、タンクまたは配管の完全性の欠陥によってさらに悪化する可能性があります。 改良された現場処理技術には、水圧滞留時間を安定させる時間投与システムが組み込まれており、その後、さまざまな濾材（砂、泥炭、繊維など）を使用します。 小規模高度処理システムが導入されている場合には、小型のUV消毒装置も利用可能で、高品質な治療を実現します。

膜ろ過は、新設の水処理プラントと既存のプラントへの改造の両方で普及しています。 膜濾過は、技術開発により膜の耐久性、システムの信頼性、費用対効果が向上したため、過去 10 年間で実行可能な廃水処理アプローチとして注目を集めてきました。 多くの場合、膜濾過システムの主な目的は、厳しい排出同意を満たすために懸濁物質と化学的酸素要求量 (COD) を除去することです。 精密濾過 (MF) 膜と限外濾過 (UF) 膜のサイズ排除能力は、病原体を同時に除去できる可能性を示しています (図 2)。

MF は、特に試験条件下で、藻類、原生動物、および多くの細菌を効果的に除去します (たとえば、0.1 μm 膜を使用したジアルジアおよびクリプトスポリジウムの LRV は 4 ～ 7) ですが、膜から細菌の増殖が効率的に除去されない限り、操作条件下では一般に性能が低下します。 MF によるウイルス除去は不十分ですが、ウイルス種が粒子と強く関連している場合は、単純な細孔サイズの考慮から予想されるよりも優れている可能性があります。 したがって、ウイルスを効果的に除去するには、通常、UF が必要です。 UF によるウイルス除去は、主要な除去メカニズムが物理的排除であるため (マイクロフィルムの組成の影響は二次的です)、低分子量カットオフ膜を使用するとより効率的になります。 重要なのは、病原体除去効率は流入水の質やその他の運転パラメータに依存せず、主要な病原体では容易に LRV 4 ～ 7 の範囲内に収まることです。

UF を使用した膜ろ過は、化学酸化消毒によって達成される非常に高度なレベルで病原体を効果的に除去でき、関連する問題や腐食剤の保管と使用に伴うコストがありません。 しかし、膜の完全性が損なわれると（繊維が裂ける、膜が傷つくなど）、病原体の除去効率が劇的に低下する可能性があるため、重大な問題が発生します。 堅牢な膜材料の開発によりこの問題は克服されましたが、完全性の問題を特定するための効果的な排水モニタリングは、依然として MF/UF 処理システムの重要な要素です。 直接的 (例: 圧力試験) または間接的 (例: 粒子モニタリング) の完全性試験アプローチがうまく使用されています。 飲料水の供給では、二次消毒を達成するために膜後の消毒が引き続き必要です。

高品質の供給用途では、UV 消毒と組み合わせたナノ濾過 (NF) または逆浸透 (RO) が十分に確立されています。 通常、MF/UF 前処理が使用され、NF/RO 膜上でのバイオフィルムの確立を制限するために一般的に使用される酸化消毒が使用されます。 UV-B または UV-C 光（200 ～ 310 nm）は、最も回復力の強いウイルスを除くすべてのウイルスに適した約 30 mWscm-2 の線量で、病原体の不活化に最適です。

病原体に対する水の処理には、病原体の除去および不活化プロセスが利用されます。 さまざまなテクノロジーの多くは確立されており、目的に合った全体的な病原体除去戦略を実現できます。 飲料水用途では、一般に多重バリアアプローチを使用して最高の除去効率が求められます。 最新の UF または RO テクノロジーが強力な代替手段を提供しますが、適切に実装および維持されれば、単純な培地濾過はこの戦略の成功の一部を形成します。 消毒を確立し維持するには、不活化が依然として必要です。 より一般的な廃水排出用途の場合、MF または UF は、他の水処理目的と同時に効果的に病原体を除去する実行可能なアプローチです。