目標
処理の目標は、水中の不要な成分を取り除き、飲んでも安全または産業や医療用途の特定目的に適合する水にすることである。 微細な固形物、微生物、一部の溶存無機物や有機物、あるいは環境中の残留性医薬品汚染物質などの汚染物質を除去するために、広く多様な技術が利用可能である。
以下に示すプロセスは、浄水場で一般的に使用されているもので、処理される水の質、処理プロセスのコスト、処理水に求められる品質基準によって選択されることになる。
前処理
- 揚水と封じ込め-水の大部分は、水源から汲み上げるか、パイプまたは保持タンクに導かなければなりません。 水に汚染物質が加わるのを避けるため、この物理的インフラは適切な材料で作られ、偶発的な汚染が起こらないように構築されなければならない。
- スクリーニング（スクリーンフィルターも参照）-地表水を浄化する最初のステップは、棒、葉、ごみ、その他の大きな破片で、その後の浄化ステップを妨害する可能性のあるものを取り除くことである。 3543>
- 貯蔵-河川からの水は、自然の生物学的浄化が行われるように、数日から数ヶ月の間、川岸の貯水池に貯蔵されることもある。 これは、低速砂フィルターで処理する場合に特に重要である。 3543>
- 前塩素処理-多くの工場では、流入する水は、配管やタンク上の汚損生物の繁殖を最小化するために塩素処理されていた。 水質への悪影響が懸念されるため（下記の塩素を参照）、現在ではほとんど行われていない。
pH調整
純水はpH7に近い（アルカリ性でも酸性でもない）状態である。 海水はpH7.5～8.4（中程度のアルカリ性）です。 淡水は、流域や帯水層の地質、汚染物質（酸性雨）の影響により、pH値が大きく変動することがあります。 水が酸性（7より低い）の場合、石灰、ソーダ灰、水酸化ナトリウムを加えてpHを上げ、浄水処理することができる。 石灰を添加すると、カルシウムイオン濃度が高くなり、水の硬度が上がります。 また、酸性度の高い水では、強制脱気装置によって溶存二酸化炭素を除去し、pHを上げることも有効な手段である。 水をアルカリ性にすることで、凝集・凝固プロセスが効果的に働き、鉛管や管継手の鉛ハンダから鉛が溶出するリスクを最小限に抑えることができます。 また、十分なアルカリ性は、鉄管に対する水の腐食性を低下させます。 アルカリ性の水に酸（炭酸、塩酸、硫酸）を加えてpHを下げることもあります。 アルカリ性の水（pH7.0以上）であれば、配管に含まれる鉛や銅が水に溶け出さないとは限りません。 炭酸カルシウムを沈殿させて金属の表面を保護し、有害金属が水に溶け込む可能性を減らす水の能力は、pH、ミネラル成分、温度、アルカリ度、カルシウム濃度の関数です。
凝集と凝集
ほとんどの従来の浄水プロセスの最初の段階の1つが、水中に浮遊する粒子の除去を助ける化学物質を加えることです。 粒子は、粘土やシルトのような無機物、または藻類、細菌、ウイルス、原生動物、天然有機物のような有機物であり得る。 無機および有機粒子は、水の濁りや色の原因となります。
硫酸アルミニウム（またはミョウバン）などの無機凝集剤や塩化鉄（III）などの鉄（III）塩の添加は、粒子上および粒子間のいくつかの同時化学および物理相互作用の原因となります。 数秒以内に、粒子上の負電荷が無機凝集剤によって中和される。 また、数秒以内に、鉄イオンとアルミニウムイオンの水酸化金属沈殿物が形成され始めます。 これらの沈殿物は、ブラウン運動などの自然現象や、凝集と呼ばれる誘導混合によって、より大きな粒子へと結合する。 アモルファス金属水酸化物は「フロック」と呼ばれる。 大きな非晶質のアルミニウムおよび鉄（III）水酸化物は、懸濁液中の粒子を吸着して包み込み、その後の沈殿やろ過のプロセスによる粒子の除去を容易にします。:8.2-8.3
水酸化アルミニウムはかなり狭いpH範囲内で形成され、通常。 5.5から約7.7。 鉄（III）水酸化物は、ミョウバンにとって有効であるよりも低いpHレベルを含む、より大きなpH範囲にわたって形成され得る、典型的には。 凝集と凝集の用語の使用については、文献上では多くの議論と混乱があります。 凝集はどこで終わり、凝集はどこで始まるのでしょうか。 浄水場では通常、凝集剤を添加する高エネルギー高速混合ユニットプロセス（滞留時間数秒）の後に、低エネルギー入力で大きなパドルやその他の穏やかな混合装置を回転させてフロックの形成を促進する凝集槽（滞留時間15～45分）があります。 実際、凝集と凝集のプロセスは、金属塩凝集剤が添加された時点で進行中である。 合成有機ポリマーは、負、正または中性の電荷を持つ高分子化合物である。 有機ポリマーを微粒子の入った水に添加すると、高分子化合物が粒子表面に吸着し、粒子間の橋渡しによって他の粒子と合体してフロックとなる。 ポリダッドマックは、浄水場でよく使われるカチオン（正電荷）有機ポリマーである。 水流が少ない大きなタンクで、フロックが底に沈むようにする。 沈殿槽は凝集槽の近くに設置するのが最適であり、2つのプロセス間の移動で沈殿やフロックの分解が起きないようにする。 沈殿池は、水が端から端まで流れる長方形のものと、中心から外側へ流れる円形のものがある。
1904年、アレン・ヘイゼンは、沈殿工程の効率は、粒子の沈降速度、槽内の流れ、槽の表面積の関数であることを示した。 沈殿槽は通常、1平方フィート当たり毎分0.5～1.0ガロン（または毎時1.25～2.5リットル）のオーバーフロー率の範囲内で設計されています。 一般に、沈殿池の効率は、滞留時間や沈殿池の深さには関係ない。 しかし、水流が汚泥を乱さず、沈殿粒子の相互作用が促進されるように、水槽の深さは十分でなければならない。 沈殿水中の粒子濃度がタンク底部のスラッジ表面付近で上昇すると、粒子の衝突と凝集により沈降速度が上昇する可能性がある。 沈殿の一般的な滞留時間は1.5～4時間、槽の深さは10～15フィート（3～4.5メートル）とさまざまだ。:9.39-9.40:790-1:140-2, 171
従来の沈殿槽に傾斜平板や管を追加して粒子除去性能を改善することが可能だ。 傾斜したプレートやチューブは、Hazenの独自の理論と一致して、粒子が除去されるために利用可能な表面積を劇的に増加させる。
スラッジの貯蔵と除去
粒子が沈殿池の底に沈むと、タンクの床にスラッジの層ができ、それを除去して処理しなければならない。 発生するスラッジの量はかなりのもので、処理する水の総量の3～5パーセントになることが多い。 汚泥の処理・処分にかかる費用は、水処理プラントの運転コストに影響する。 沈殿槽は、その底部を継続的に清掃する機械的清掃装置を備えてもよいし、槽は定期的に使用から外して手動で清掃してもよい。
フロックブランケット清澄機
沈殿の下位分類は、水が上方に強制されると浮遊フロック層に巻き込まれることによって粒子を除去することである。 フロックブランケット清澄機の主な利点は、従来の沈殿よりも小さな設置面積を占めることである。 欠点は、粒子除去効率が流入水質と流入水流量の変化により大きく変動することである。:835-6
溶存空気浮選
除去すべき粒子が溶液から容易に沈降しない場合、溶存空気浮選（DAF）がしばしば用いられる。 凝集・凝集工程の後、水はDAFタンクに流れ、タンク底の空気拡散器により細かい気泡が発生し、フロックに付着し、濃縮されたフロックの塊が浮遊する。 単細胞藻類の繁殖に特に弱い水源や、低濁度・高色度の水源では、DAFが採用されることが多い。 5509>
急速砂フィルター
フィルターの最も一般的なタイプは急速砂フィルターである。 水は砂の中を垂直に移動し、砂の上には活性炭や無煙炭の層があることが多い。 最上層は味や臭いの原因となる有機化合物を除去する。 砂の粒子と粒子の間は、最も小さな浮遊粒子よりも大きいので、単純なろ過では十分ではない。 ほとんどの粒子は表層を通過するが、間隙に捕捉されたり、砂の粒子に付着したりする。 効果的なろ過は、フィルターの深さ方向にも及ぶ。
フィルターを洗浄するには、通常とは逆の方向に水を素早く上向きに流し（バックフラッシュまたはバックウォッシュと呼ばれる）、付着した不要な粒子を除去する。 このステップの前に、圧縮空気をフィルターの底部から吹き上げて、圧縮されたフィルター媒体を分解し、逆洗プロセスを支援することがあります。 この汚染水は、沈殿池からのスラッジと一緒に廃棄されるか、工場に入る原水と混合して再利用することができますが、これは原水に高濃度の細菌を再導入してしまうので、しばしば悪い方法とみなされます。 これは急速重力フィルターと同じ原理で、フィルター媒体が鋼鉄製の容器に封入され、圧力で水を強制的に通過させる点が異なる。
緩速砂フィルター
緩速砂フィルターは、水がフィルターを通って非常にゆっくりと流れるため、十分な土地とスペースがある場合に使用されることがあります。 これらのフィルターは、物理的なろ過ではなく、生物学的な処理過程に依存している。 砂の層は、砂利を含む最も粗い砂を底に、最も細かい砂を上にして、慎重に作られる。 底部には排水溝があり、処理された水は消毒のために排水される。 ろ過は、フィルターの表面にズーグラル層またはシュムッツデッケと呼ばれる薄い生物層が形成されることによって行われる。 効果的な緩速ろ過器は、前処理が適切に設計されていれば、何週間、あるいは何ヶ月も使用することができ、物理的処理方法ではほとんど達成できない、利用可能な栄養レベルが非常に低い水を生成することができます。 栄養レベルが非常に低いため、殺菌レベルが非常に低い配水システムを安全に通過させることができ、不快なレベルの塩素や塩素副生成物に対する消費者の苛立ちを軽減することができる。
緩速砂フィルターの特定の「大規模」な形態は、河岸の自然の堆積物を使用して汚染物質のろ過の第一段階を提供するバンクろ過のプロセスである。
膜ろ過
膜ろ過は、飲料水と下水の両方をろ過するために広く使用されています。 飲料水の場合、メンブレンフィルターは、ジアルジアやクリプトスポリジウムを含む0.2μm以上の粒子をほぼすべて除去することができます。 メンブレンフィルターは、工業用水や生活用水として再利用したい場合、あるいは下流域の町が利用する河川に放流する前の三次処理として有効な手段です。 産業用では、特に飲料水（ペットボトル入りの水を含む）の調製に広く利用されている。
イオンなどの溶存物質の除去
限外ろ過膜は、化学的に形成された微細な孔を持つ高分子膜を使用し、凝集剤を使用せずに溶存物質をろ過することが可能です。 膜媒体の種類によって、水を通すのに必要な圧力と、ろ過できる微生物の大きさが決まります
イオン交換。 イオン交換システムは、イオン交換樹脂またはゼオライトを充填したカラムを使用して、不要なイオンを置き換えます。 最も一般的なケースは、Ca2+とMg2+イオンを除去して、良性の（石鹸に適した）Na+またはK+イオンと置き換えることで水を軟化させるものです。 イオン交換樹脂はまた、亜硝酸塩、鉛、水銀、ヒ素や他の多くのような有害なイオンを除去するために使用されます。
Precipitative softening::13.12-13.58 硬度（カルシウムとマグネシウムイオン）の多い水は、共通イオン効果を利用して溶液から炭酸カルシウムを沈殿するためにライム（酸化カルシウム）および/またはソーダ灰（炭酸ナトリウム）で処理されている
電気陰極酸化。 正電極と負電極の間に水を流す。 イオン交換膜により、処理水からプラスイオンのみをマイナス極に、マイナスイオンのみをプラス極に移動させる。 イオン交換処理と同様に、高純度の純水を連続的に生成することができます。 条件さえ整えば、水中のイオンを完全に除去することが可能です。 通常、水は逆浸透膜ユニットで非イオン性の有機汚染物質を除去し、ガス移動膜で二酸化炭素を除去する前処理が行われる。
殺菌
消毒は、有害な微生物をろ過することと殺菌用の化学薬品を添加することで行われます。 水は、フィルターを通過した病原体を死滅させ、貯蔵および配水システム内の潜在的に有害な微生物を死滅または不活性化するために、消毒剤の残留量を供給するために消毒される。 病原体としては、ウイルス、サルモネラ菌、コレラ菌、カンピロバクター、赤痢菌などの細菌、ジアルジア、クリプトスポリジアなどの原虫が考えられる。 化学消毒剤の導入後、水は通常、消毒作用が完了するまでの間、一時的に貯蔵される-しばしばコンタクトタンクまたはクリアウェルと呼ばれる-。
塩素消毒
最も一般的な消毒方法は、クロラミンや二酸化塩素など、何らかの形で塩素またはその化合物を使用することである。 塩素は強力な酸化剤であり、多くの有害な微生物を速やかに死滅させる。 塩素は有毒ガスであるため、使用時に放出される危険性がある。 この問題を回避するために、家庭用漂白剤に使われている比較的安価な次亜塩素酸ナトリウムを使用し、水に溶かすと遊離塩素が放出されるようにしている。 塩素溶液は、一般的な塩溶液を電気分解することで、現場で生成することができます。 また、固形の次亜塩素酸カルシウムは、水に触れると塩素が放出される。 しかし、次亜塩素酸カルシウムは、自動化が容易なガスボンベや漂白剤に比べ、袋の開封や注入など、人の手が必要なため、その取り扱いは日常的に行われている。 液体次亜塩素酸ナトリウムの生成は、ガスや固体の塩素に比べて安価であり、安全性も高い。 飲料水では1リットルあたり4ミリグラム（100万分の4）までの塩素が安全とされている。
すべての形態の塩素が、それぞれの欠点にもかかわらず広く使用されている。 欠点の1つは、どのような供給源からの塩素も、水中の天然の有機化合物と反応して、有害な化学副産物を形成する可能性があることである。 これらの副産物であるトリハロメタン（THM）とハロ酢酸（HAA）は、いずれも大量に発生すると発がん性があり、米国環境保護庁（EPA）や英国の飲料水検査局によって規制されている。 THMとハロ酢酸の生成は、塩素添加の前に水からできるだけ多くの有機物を効果的に除去することで最小限に抑えることができます。
二酸化塩素消毒
二酸化塩素は、元素状塩素よりも即効性のある殺菌剤である。 状況によっては副産物である亜塩素酸塩を過剰に生成することがあるため、米国では許容レベルを低く規制しているため、比較的稀にしか使用されない。 二酸化塩素は水溶液として供給され、ガスの取り扱いの問題を避けるために水に添加することができる。二酸化塩素ガスが蓄積すると自然爆発することがある。 クロラミン
殺菌剤としてクロラミンの使用が一般的になってきている。 クロラミンは酸化力はそれほど強くないが、遊離塩素に比べて酸化還元電位が低いため、遊離塩素よりも長く残留することができる。 また、THMやハロ酢酸（消毒副生物）を生成しにくい。
塩素を加えた後にアンモニアを加えると、塩素をクロラミンに変換することが可能である。 塩素とアンモニアが反応してクロラミンを生成する。
オゾン消毒
オゾンは不安定な分子で、酸素の1原子を容易に放出し、ほとんどの水系生物に有毒な強力な酸化剤となる。 非常に強力で幅広いスペクトルを持つ殺菌剤であり、ヨーロッパと米国およびカナダの一部の自治体で広く使用されています。 オゾン消毒（オゾン処理）は、シストを形成する有害な原虫を不活性化するのに有効な方法です。 また、他のほとんどの病原体に対しても有効です。 オゾンは、紫外線または「低温」放電に酸素を通過させることで作られます。 オゾンを殺菌剤として使用するには、現場でオゾンを作り、泡で接触させながら水に加える必要があります。 オゾンの利点としては、危険な副産物の生成が少なく、味や臭いの問題がない（塩素処理と比較して）ことが挙げられます。 水中にオゾンが残留することはありません。
オゾンは、1906年にフランスのニースに最初の工業用オゾン化プラントが建設されて以来、飲料水プラントで使用されています。 米国食品医薬品局はオゾンが安全であることを認めており、食品の処理、貯蔵、加工に抗微生物剤として応用されています。 しかし、オゾンは水中の臭化物イオンと反応し、発がん性が疑われている臭素酸塩を生成することが分かっています。 臭化物は淡水中に十分な濃度で存在し、オゾン処理後にUSEPAが定めた最大汚染物質レベルである10ppbを超える臭素酸塩を生成する可能性があります。 オゾン消毒はまた、エネルギーを消費する。
紫外線消毒
紫外線（UV）は、低濁度の水では、シストの不活性化に非常に効果的である。 紫外線は濁度が高くなると、浮遊物質による吸収、散乱、陰影が生じ、殺菌効果が低下する。 紫外線の主な欠点は、オゾン処理と同様に水中に残留する殺菌剤がないことである。そのため、一次殺菌の後に残留殺菌剤を添加する必要がある場合もある。 これは、一次殺菌剤として前述したクロラミンを添加することで行われることが多い。 5509>
28の発展途上国の200万人以上の人々が、毎日の飲料水処理に太陽熱消毒を使用しています。
電離放射線
紫外線と同様に、電離放射線（X線、ガンマ線、電子線）も水の殺菌に使われています。
臭素化およびヨウ素化
臭素とヨウ素も殺菌剤として使用することができます。 しかし、水中の塩素の大腸菌に対する殺菌効果は、同濃度の臭素の3倍以上、同濃度のヨウ素の6倍以上である。 ヨウ素は携帯用浄水器、臭素はプールの殺菌剤として一般的に使用されています。
携帯用浄水器
携帯用浄水器と方法は、緊急時や遠隔地での消毒や処理に利用されている。 味、におい、外観、微量化学物質汚染などの美的配慮は飲料水の短期的安全性に影響しないので、消毒が第一の目標である。
その他の治療オプション
- 水のフッ化：多くの地域で、虫歯予防を目的として水にフッ素が添加される。 フッ化物は通常、消毒の後に添加される。 米国では、フッ素化は通常、水中で分解してフッ化物イオンを生成するヘキサフルオロ珪酸の添加によって達成される。
- ウォーターコンディショニング（Water Conditioning）。 硬水による影響を軽減する方法である。 加熱された水系では、重炭酸イオンが分解して炭酸イオンを生成し、溶液から析出するため、硬度塩が析出することがある。 硬度塩を多く含む水は、ソーダ灰（炭酸ナトリウム）で処理すると、共通イオン効果によって過剰な塩が沈殿し、非常に純度の高い炭酸カルシウムが生成されます。 沈殿した炭酸カルシウムは、従来から歯磨き粉の製造業者に販売されています。 その他にも、磁場や電場を利用して硬水の影響を低減する工業用水や家庭用水の処理方法がいくつか主張されている（一般に科学的に認められているわけではないが）が、これらもまた、硬水の影響を低減するものである。
- プラムボソリンの減少。 低い伝導率の自然酸性水（すなわち火成岩の高地山岳地帯の表面降雨）のある地域では、水は、それが運ばれる任意の鉛管から鉛を溶解することができるかもしれません。 少量のリン酸イオンの添加とpHをわずかに上げることの両方が、パイプの内面に不溶性の鉛塩を作ることによって、プラムボソルベントを大幅に減らすのに役立つ。
- ラジウムの除去。 地下水源の中には、放射性化学元素であるラジウムを含むものがあります。 典型的な発生源は、アメリカ合衆国イリノイ州のイリノイ川以北の多くの地下水源である。 ラジウムは、イオン交換、または水の調整によって除去することができます。 しかし、生成される逆流水またはスラッジは、低レベル放射性廃棄物となります。
- フッ素の除去。 フッ化物は多くの地域で水に添加されているが、世界のいくつかの地域では、水源水に天然のフッ化物が過剰に含まれている。 過剰なレベルは、毒性があったり、歯の着色のような望ましくない美容上の影響を引き起こす可能性があります。 フッ化物濃度を下げる方法として、活性アルミナやボーンチャーの濾材を使った処理があります。