既設流域下水道施設の硫化水素特性と施設劣化
に関する実証的研究
伊藤久也
1・鈴木哲也
2・青木正雄
3・河野英一
4・市座政由
5 1正会員 株式会社日本水工コンサルタント 名古屋事務所 技術部(〒453-0016 名古屋市中村区竹橋町5-10) 2正会員 工博 日本大学専任講師 生物資源科学部 生物環境工学科(〒252-8510 神奈川県藤沢市亀井野1866) 3正会員 農博 日本大学准教授 生物資源科学部 生物環境工学科(〒252-8510 神奈川県藤沢市亀井野1866) 4正会員 農博 日本大学教授 生物資源科学部 生物環境工学科(〒252-8510 神奈川県藤沢市亀井野1866) 5株式会社日本水工コンサルタント 関東支店 技術部(〒335-0002 埼玉県蕨市塚越5-37-16) 下水道事業により整備された管渠等施設は，長期間使用による施設の老朽化による劣化が顕在化してい る．特に，老朽管路の破損等による道路陥没事故は約4,700件にのぼっており1)増加傾向にある．この事か ら老朽施設の増加に伴う諸問題が増大することは避けられない状況にある．本報では，このような現状を 踏まえ建設後4年～17年経過した流域下水道施設において，人孔部での劣化状況を評価した．調査として は，劣化因子となっている硫化水素濃度を連続測定すると共に躯体の劣化状況を確認し，供試体を採取し た．採取した供試体によりEPMA面分析を実施し，硫黄・カルシウムの浸漬度を測定すると共に，劣化度 評価した結果を報告するものである． キーワード : 中性化,硫化水素,エトリンガイト,二水石膏,EPMA,劣化度評価 １．はじめに 下水道整備は，昭和40年代以降，下水道事業の採 択都市数が急増すると共に，各地で建設が推進され てきた．この社会資本整備の推進により下水道処理 人口普及率は平成19年度末で71%を超え，当該事業 により整備された下水道施設は，管路総延長で約40 万km，下水処理場数で約2,000箇所1)に達しており下 水道事業は維持管理の時代を迎えている． 下水道施設は，適正な維持管理を行うことにより 耐用年数をできるだけ長く維持する必要があるが， 近年，硫化水素ガスの発生に起因する硫酸により下 水道コンクリート構造物の劣化がクローズアップさ れている．下水道施設は，他の土木施設と同様に， 中性化，塩害などによりコンクリート構造物が劣化 する可能性がある．特に，下水道施設に特有な化学 的侵食に位置づけられる硫酸による劣化の対象範囲 が最も広く且つ劣化速度も大きいため，早急で適切 な対応が必要となっている． 下水道施設のうち管路施設は，一旦建設されると， 地中にその姿を隠し，日常の生活では，人の目に触 れることはほとんどない．このため，コンクリート 腐食等の劣化現象は，密閉された施設内で進行する ため，施設保全という観点から，コンクリート腐食 の問題は，ほとんど日常点検の対象とはなってこな かった．しかし，日常点検や管路内調査を進める中 で，現実に供用開始後数年で硫化水素ガスの発生に 起因した硫酸による急激なコンクリート腐食の事例 も報告2)されている． しかし，このコンクリート腐食現象は，メカニズ ムが複雑で，施設の腐食状況の事象について情報が 極端に少ない状況にある．特に，管路施設に用いら れているコンクリート管等の腐食は，問題を顕在化 させずに先送りにし，時間が経過した場合，腐食に よる劣化が進行し，ライフサイクルコストの増大に 至る結果となる．このような管材の劣化等による道 路陥没事故が約4,700件も発生しており，増加傾向 にあると共に，重大な事故につながる可能性も高い． 本研究では，このような事象を踏まえ，硫化水素 による下水道施設の劣化状況について実証的研究を 試みた．図-1 コンクリート腐食メカニズム3) ２．下水道施設の劣化原因と評価手法 自然界の硫黄循環のうち，下水道施設内では，汚 水中あるいは汚泥中の硫酸イオンから始まる硫酸塩 還元細菌と硫黄酸化細菌の活動が卓越した硫黄循環 が生じ，硫酸による気相部でのコンクリートの腐食 が発生3),5)する．硫黄は，汚水処理の除去対象物質 ではないが，主として硫酸イオンの形態で汚水中に 存在し，下水道施設内の嫌気性条件下で硫酸塩還元 細菌の働きにより硫化水素になり，コンクリート構 造物の著しい腐食や悪臭の原因物質となる． 本研究では，下水道施設に特有な硫酸塩還元細菌 による液相から気相への硫化水素ガスの放散および 気相部で硫黄酸化細菌の活動より生成される硫酸に よるコンクリートの腐食を「劣化」として定義し取 扱うものとした． (1)劣化メカニズム 下水道施設に特有な硫酸によるコンクリート腐食 は，次のような機構3),5)となっている． a)嫌気性状態の下水中及び汚泥中での硫酸塩還元細 菌による硫酸塩からの硫化物(H2S，HS-，S2-)の生成 (生物学的作用) b)液相から気相への硫化水素(H2S)ガスの放散(物理 学的作用) c)密閉されたコンクリート構造物気相部内面の結露 水中での好気性の硫黄酸化細菌等による硫化水素か らの硫酸の生成(生物学的作用・化学的作用) d)硫酸とコンクリート中の成分との反応によるコン クリートの劣化(化学的作用・物理学的作用) 以上a～dの順に進行する生物反応，化学反応及び 図-2 計測対象施設の模式図 物理作用が複合した現象であり，これを図に示すと 図-1のような機構となる． このため，水温，汚水中の硫酸イオン濃度や施設 の構造等の地域性に大きく影響を受け，気相部の硫 化水素(H2S)濃度，湿度，気温等の腐食環境により コンクリートの腐食速度が大幅に異なる． (2)劣化調査 既存施設のコンクリート劣化部位調査技術として 最近の調査・診断技術では，①コンクリート腐食環 境の把握に関して，硫化水素ガス濃度の連続測定， 下水中の溶存硫化物測定があり，②コンクリートの 腐食・劣化状況の把握・測定には，精密分析として EPMA(電子線マイクロアナライザー)による硫黄侵 入深さの判定や，簡易測定として従来のフェノール フタレイン法による中性化判定の他，塩化バリウム 混合液による判定指示薬の有効性の確認等が行われ ている． ３．計測施設 本研究の計測施設は，建設後4年から17年が経過 した流域下水道施設である．この施設の人孔部によ り計測を実施した． (1)計測箇所 計測対象となる箇所を模式図として図-2に示した． この図中に示したNo.1～No.6が計測位置である．記 号Ｔは，終末処理場を示す． (2)計測項目 計測箇所は，No.1～No.6の全6箇所の人孔であり 計測項目は，目視調査・鉄筋探査・中性化深さ調 査・EPMA分析・硫化水素濃度連続測定とした．各 計測項目別の実施状況を表-1に示す． 管路 腐食 域 結 露 H2O 温度差に よる結露 H2SO4 (硫酸) H2S+O2 硫黄酸化細菌 (エトリンガイト) 腐食 ・ 劣 化 が 特 に 激 し い 部 分 スライム層 硫化水素の生成域 汚泥堆積層 硫酸塩還元細菌 硫化水素の拡散 H2S H2S H2S SO42- +2C+2H2O → 2HCO3 +H- 2S SO4 2-SO4
2-表-1 施設別計測実施項目 尚，「No.2」の箇所における人孔施設においては， 表面被覆による防食が施されていたため計測項目で ある中性化深さ調査・EPMA分析の計測は実施して いない． ４．試験方法 本研究の試験方法は，目視調査・鉄筋探査・中性 化深さ調査（供試体採取）・EPMA分析・硫化水素 濃度連続測定を実施した． (1)目視調査 目 視 調 査 は ， 各 人 孔 内 に お い て デ ジ タ ル カ メ ラ を 用 い 腐 食 環 境 お よ び 異 常 個 所 を 目 視 確 認 す る．主要な確認項目は次の通りである． a)ひび割れの有無 b)浮きの有無(打検棒により表面浮きの判定) c)剥落の有無 d)表面状態の良否 e)漏水または漏水痕の有無 (2)鉄筋探査 レーダー方式鉄筋探査機(型式：NJJ-95B，製造： 計測技術サービス)を用いて，非破壊により鉄筋の 配筋状況およびコンクリートかぶり厚さを確認した． (3)供試体採取 採取方法は，「コンクリートからのコアの採取方 法 及 び 圧 縮 強 度 試 験 方 法 」 と し て 規 格JIS A1107:2002に準じて採取をおこなった． 鉄筋探査により確認し，鉄筋の配置されていない 部分によりコンクリートコアドリルを用いて，中性 化深さ調査およびEPMA分析に用いるコンクリート コア（供試体）を採取した． 表-2 EPMA面分析条件 型 式 ＪＸＡ-8200 製 造 日本電子社製 加速電圧 15kV 試料電流 5×10－8Ａ 測定時間 50msed ピクセル 分光結晶 PET_Ca,S 標準試料 Ca_Wonastonite(CaO=48.3mass%) S_Anhydribe(SO,=58.8mass%) ビーム径 50μm ピクセルサイズ 100μm (4)中性化深さ調査 測定方法は，「コンクリートの中性化深さの測定 方法」規格JIS A1152：2002に準じて測定をおこな った． 中性化深さ測定位置は，コンクリートコアを中心 より割裂し，その面にフェノールフタレイン1%エチ ルアルコール溶液を噴霧して，表面からの未着色部 分(中性化領域が未着色，非中性化領域は赤色)を， 両側面5㎜を除き7点測定した．また，平均中性化深 さは，測定点7点の平均中性化深さであり，最大中 性化深さは，コアの表面から連続した中性化部分の 中で最大の中性化深さである． 尚，「No.3」の箇所は，コア表面に樹脂製防食層 と接着層が施されていたが，中性化深さの基準位置 は躯体コンクリートの表面の位置とした． (5)EPMA分析 一部のコア試料表面に劣化が見られたため，最初 にメタクリル樹脂を塗布して補強を行った．続いて コア試料の表面より約45mmで横方向に切断した後， 試料の深さ方向の断面を得るために縦方向に切断し て，縦横約45mm，厚さ約15mmの大きさに加工した． ただし，断面修復層を持つ「No.1」の箇所は，縦方 向の大きさを約60mmとした． 分析試料にメタクリル樹脂を含浸させた後，分析 面を研磨した．研磨した分析面にメタクリル樹脂を 含浸させた後，再度分析面を研磨した．分析面に対 し導電性を与える目的でカーボンを蒸着し，電子線 マイクロアナライザー(EPMA)による面分析を行っ た．EPMAによる面分析の条件を表-2に示す． ピクセル数は，「No.1 試料1」，「No.1 試料2」 については600×400(60mm×40mm)とし，それ以外の 箇所については400×400(40mm×40mm)とした． ＮＯ．１ 人孔 ○ 2 2 1 1 ＮＯ．２ 人孔 ○ 0 0 0 1 ＮＯ．３ 人孔 ○ 2 2 1 1 ＮＯ．４ 人孔 ○ 2 2 1 1 ＮＯ．５ 人孔 ○ 2 2 1 1 ＮＯ．６ 人孔 ○ 4 4 2 1 硫化水素 濃度連続 測定 鉄筋探査 調査箇所 目視調査 供試体採取・復旧 中性化深 さ調査 EPMA分析
写真-1 コンクリート壁面劣化状態 (6)硫化水素濃度連続測定 拡散式硫化水素濃度測定機(型式：GHS-7 AT，製 造：ミドリ安全)により，対象施設の硫化水素濃度 を1週間連続して測定した．測定は，人孔内部に測 定機を吊り下げ，蓋を閉めた状態でおこなった． ５．結果及び考察 (1)調査施設の劣化概要 目視調査の結果，写真-1のように硫化水素に起因 するコンクリートの劣化が確認され，いずれの現象 も骨材の露出として確認された．但し，防食を施し ている箇所については見られていない． 中性化深さ測定結果より，中性化深さは0.0㎜～ 3.5㎜の範囲で確認され，中性化が極端に進行して いる人孔は見られなかった． EPMA分析結果，採取した供試体表面より0.0㎜ ～12.0㎜の範囲で，硫黄浸透深さが確認された．分 析では，二水石膏およびエトリンガイトについても 上記の値の範囲で確認されている． 硫化水素濃度測定の結果，硫化水素濃度は，最大 値で1.2ppm～31.7ppmの範囲で確認され，平均値で 0.7ppm～7.7ppmの範囲として確認された． 尚，「No.6」の箇所では，終末処理場近傍でもあ り連続して高い値を計測した． (2)硫化水素濃度分布 硫化水素濃度測定結果として，各施設における測 定結果グラフのうち，計測期間で一時的に最大値を 示した「No.1」を図-3 に示し，計測期間の平均最小 である「No.5」と平均最大である「No.6」をそれぞ れ図-4 と図-5 に示す．連続測定の結果から硫化水 0 5 10 15 20 25 30 35 12日 13日 14日 15日 16日 17日 18日 19日 時間 硫化水素 濃度（ｐｐ ｍ） 最高濃度：31.7ppm 平均濃度： 4.0ppm 測定期間 平成20年8月12日～8月19日 測定開始時間 12時00分 図-3 No.1 人孔 硫化水素濃度測定結果 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 20日 21日 22日 23日 24日 25日 26日 27日 時間 硫 化 水素 濃度 （ｐ ｐｍ ） 最高濃度： 1.2ppm 平均濃度： 0.7ppm 測定期間 平成20年8月20日～8月27日 測定開始時間 12時00分 図-4 No.5人孔 硫化水素濃度測定結果 0 5 10 15 20 20日 21日 22日 23日 24日 25日 26日 27日 時間 硫化水素 濃度（ｐｐｍ ） 最高濃度：8.4ppm 平均濃度：7.7ppm 測定期間 平成20年8月20日～8月27日 測定開始時間 12時00分 図-5 No.6 人孔 硫化水素濃度測定結果 素濃度は，最大値で 1.2ppm～31.7ppm の範囲で確認 され，平均値で 0.7ppm～7.7ppm の範囲で確認され た． 既存の研究では硫化水素濃度は 0.1ppm でも約 0.3mm/年のコンクリート腐食が進行することが確認
表面 中性化深さ (5.1mm) 硫黄侵入深さ (1.5mm) 図-6 No.1 人孔 EPMA 分析による元素分布状況図 表面 中性化深さ (3.5mm) 硫黄侵入深さ (12mm) 図-7 No.5 人孔 EPMA 分析による元素分布状況図 図-8 No.6 人孔 EPMA 分析による元素分布状況図 されている 3)ことから，各調査対象施設に滞留して いる硫化水素は，十分にコンクリートの硫酸腐食を 進行させる濃度であることが確認された． (3)ＥＰＭＡ EPMA 分析結果の代表図を図-6～図-8 に示す． EPMA分析結果より，表面防食を施してあるものを 除いて，供試体表面より1.0mm～12.0mmの範囲で， 硫黄浸透深さを確認した．また，同様に中性化深さ 表面 中性化深さ (0.1mm) 硫黄侵入深さ (9mm)
表-3 施設別EPMA分析結果と平均硫化水素濃度 についても二水石膏の浸透深さとして 3.5mm であっ た．透深さに差異はあるが，劣化の進行状況の確認 ができた． ６．ＥＰＭＡによる硫化水素劣化とその特性 EPMA は，2 次電子及び反射電子を用いて試料の 表面観察を行うとともに，同時に発生する元素特有 のＸ線を用いることによって微小部の元素情報を得 る装置であり，コンクリート中に発生している事象 を判断することに用いる． 本研究では，コンクリート劣化現象の一つである， コンクリートへの硫酸(硫黄)の浸入深さの分析調査 を行った．コンクリート中に硫酸イオンが侵入する とコンクリート中の成分と反応し，エトリンガイド が生成され，結合水を取り込んで膨張するため，構 造物の脆弱化を起こす．さらにエトリンガイドは， pH(H2O)が低下すると二水石膏を生成4)する．この二 水石膏は，pH１～2 でパテ状になり汚水の飛沫など 少しの衝撃でも剥離する状態となる．また，表面か らの硫酸供給が継続すると，表面の二水石膏層と内 部のエトリンガイドの層は，より深部へと移動する． 本研究での調査結果より，各調査箇所の硫化水素 濃度とEPMA 分析による硫黄浸透深さの関係につて 表-3 のとおりとなった． この結果から，劣化速度を推定すると0.3mm/年～ 0.8mm/年となり，試料による差異は見られるものの 2.6倍程度のばらつきの範囲となっている．吉本ら は，平均硫化水素濃度と供用年数を指標としてコン クリート腐食深度推定に次式6)を提案している． d=1.33・(C×T)0.5 (1) d:腐食深度(mm) C:平均硫化水素濃度(ppm) T:供用年数(年) この式(1)により，算出した値とEPMA分析によ る値は，1.3～4.2倍の差が生じた．これは，当該施 設の平均硫化水素濃度が，いずれの箇所も10ppm以 下と比較的低い値であり腐食環境条件7)としては， 厳しくない状況であることが影響しているものと推 定される．また，測定した硫化水素濃度は，測定期 間が1週間程度であったため，温度・湿度等季節的 な影響を考慮することにより評価精度の向上が望め ると考えられる． ７．まとめ 本研究では，硫化水素濃度を主体として施設の劣 化状況を的確に把握することを目的とした．この結 果，いずれの施設も硫化水素による劣化が進行して おり，劣化速度としては，0.3mm/年～0.8mm/年とい う劣化傾向を確認した．その結果，平均硫化水素濃 度が10ppm以下の低い腐食環境下でも0.3mm/年以上 の劣化速度で腐食が進行することが明らかになった. 今後は，硫化水素濃度を通年で測定し季節的な変 動として気温や湿度にも注目した測定とし，施設の 劣化状況を的確に把握する研究につなげたいと考え ている． 参考文献 1)国土交通省都市･地域整備局下水道部:下水道長寿命化 支援制度に関する手引き,平成21年度版,pp. 1,2009. 2)国土交通省都市･地域整備局下水道部事業課:管路施設 の硫化水素対策の実施および点検状況に関する調査(第 2回)の結果について,平成20年7月,2008. 3)森忠洋,野中資博:コンクリート微生物腐食の診断方法, 用水と廃水,Vol.33,No.12,pp. 23-28,1991. 4)松下博道,牧角龍憲,浜田秀則:硫酸塩によるコンクリー トの劣化に関する基礎的研究,コンクリート工学年次講 演会論文集,第７回,pp. 65-68,1985. 5)池尾陽作:微生物によるコンクリートの劣化,コンクリ ート工学, Vol.36,No.12,pp. 35-38,1998. 6)兵庫県,大阪府，日本下水道事業団:89-017技術開発部 報告猪名川流域下水道施設の防食設計に関する調査報 告書,pp. 107-111,1990. 7)日本下水道協会：下水道管路施設腐食対策の手引き， 表-3.2.3 ，pp. 49,2002. 試料1 1.5 0.4 試料2 1.0 0.3 ― ― ― ― ― ― 試料3 6.0 0.6 試料4 0.0 0.0 試料5 10.0 0.6 試料6 10.0 0.6 試料7 12.0 0.8 試料8 10.0 0.7 試料9 7.0 0.6 試料10 5.0 0.4 試料11 9.0 0.8 試料12 4.0 0.3 EPMAによ る硫黄浸 透深さ (mm) 劣化速度 (mm／年) ＮＯ．１ 人孔 4 4.0 調査箇所 供用 年数 (年) 平均硫 化水素 濃度 (ppm) 試料 番号 ＮＯ．５ 人孔 15 0.7 ＮＯ．２ 人孔 6 1.3 ＮＯ．３ 人孔 10 3.4 劣化深度 推定式(1) による値 (mm) 5.3 3.7 7.8 6.0 4.3 12.8 「 箇 施 被 ＮＯ．６ 人孔 12 7.7 ＮＯ．４ 人孔 17 1.2 ※「ＮＯ.２」の箇所における人孔施設においては，表面被覆に よる防食が施されていたため試料は，採取していない．
