下水道施設のアセットマネジメント戦略に関する研究堀倫裕

(1)

Title

下水道施設のアセットマネジメント戦略に関する研究(

_{Dissertation_全文 )}

Author(s)

堀, 倫裕

Citation

Kyoto University (京都大学)

Issue Date

2010-03-23

URL

https://doi.org/10.14989/doctor.k15353

Right

Type

Thesis or Dissertation

(2)

下水道施設のアセットマネジメント

戦略に関する研究

(3)

(4)

1 序論 1 1.1 はじめに : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.2 下水道施設のアセットマネジメントの動向 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.3 本論文の構成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 2 下水処理システムとアセットマネジメント戦略 6 2.1 はじめに : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 2.2 下水処理システムの概要とアセットマネジメント問題 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 2.2.1 下水処理場の施設構成と処理工程 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : ₆ 2.2.2 土木構造物の劣化現象と対策工 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : ₉ 2.2.3 設備系資産の維持管理 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19 2.2.4 下水道事業の経営状況 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22 2.3 下水処理施設のアセットマネジメント戦略 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25 2.3.1 下水処理施設の最適点検・補修戦略 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25 2.3.2 硫酸腐食を考慮した点検・補修戦略 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25 2.3.3 劣化速度が異なる施設群の補修の同期化を考慮した点検・補修戦略 : : : : : : : : : 26 2.3.4 下水道管理会計システムの構築 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 26 3 下水処理施設の最適点検・補修戦略 29 3.1 緒言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29 3.2 本研究の基本的な考え方 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30 3.2.1 従来の研究概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30 3.2.2 下水処理施設のアセットマネジメント問題 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31 3.2.3 最適点検・補修モデルの枠組み : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 3.3 最適点検・補修モデル : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 3.3.1 モデルの基本的な考え方 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 3.3.2 モデル化の前提条件 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 3.3.3 点検・補修過程 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 35 3.3.4 劣化・補修過程の集計化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 36 3.4 最適点検補修モデルの定式化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 3.5 モデルの作成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38

(5)

3.5.2 マルコフ劣化モデル : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38 3.5.3 モデルの推計方法 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40 3.6 適用事例 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42 3.6.1 適用事例の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42 3.6.2 推計結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43 3.6.3 最適点検・補修政策 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45 3.7 結言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 47 4 硫酸腐食を考慮した点検・補修戦略 51 4.1 緒言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 51 4.2 本研究の基本的な考え方 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52 4.2.1 従来の研究概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52 4.2.2 硫酸腐食の時間依存性 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52 4.2.3 先験的・主観的データの有効活用 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53 4.3 最適点検・補修政策の決定手法 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54 4.3.1 方法論の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54 4.3.2 対象構造物のモデル化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55 4.3.3 健全度ランクの定義 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 56 4.3.4 補修のモデル化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57 4.3.5 劣化過程のモデル化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60 4.3.6 リスク算定条件の設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63 4.4 実証分析 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63 4.4.1 適用事例の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63 4.4.2 試算結果及び考察 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 64 4.5 結言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66 5 点検・補修の同期化を考慮した下水処理施設のアセットマネジメントシステム 70 5.1 緒言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 5.2 本研究の基本的な考え方 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 5.2.1 下水道アセットマネジメントの動向 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 70 5.2.2 下水処理施設の特殊性 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71 5.3 アセットマネジメント手法 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72 5.3.1 方法論の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 72 5.3.2 エレメントグループとプロジェクトの設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 74 5.3.3 健全度ランクの設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 75

(6)

5.3.4 補修工法の設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 76 5.3.5 劣化過程のモデル化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 77 5.3.6 リスク算定条件の設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 5.3.7 補修対策代替案の設定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 5.4 アセットマネジメントシステムの構築 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 5.4.1 アプリケーションの概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78 5.4.2 点検情報管理・更新モジュール : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79 5.4.3 マスタ管理モジュール : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79 5.4.4 シミュレーションモジュール : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 80 5.5 適用事例 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81 5.5.1 適用施設の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81 5.5.2 シミュレーション結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82 5.5.3 点検・補修の同期化を考慮したシミュレーション : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 85 5.6 結言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 86 6 下水処理施設の管理会計システム 90 6.1 緒言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 90 6.2 本研究の基本的な考え方 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91 6.2.1 従来の研究概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91 6.2.2 管理会計の役割 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 92 6.2.3 下水道アセットマネジメント : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 93 6.3 工学的会計情報に関する検討 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95 6.3.1 管理会計システムの構成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95 6.3.2 資産台帳システム : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 96 6.3.3 繰延維持補修管理会計 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 96 6.4 管理会計作成システム : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101 6.4.1 管理会計情報の作成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101 6.4.2 繰延維持補修会計の会計処理 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101 6.4.3 減価償却会計処理 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 102 6.4.4 予算制約の問題 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 103 6.4.5 繰延維持補修会計に関する補足事項 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 103 6.5 財務シミュレーション : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104 6.5.1 シミュレーションの目的 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104 6.5.2 財務シミュレーションモデル : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 105

(7)

6.5.3 財務状態の健全化政策 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 107 6.6 適用事例 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 108 6.6.1 適用事例の概要 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 108 6.6.2 最適点検・補修政策の決定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 109 6.6.3 管理会計の作成 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 110 6.6.4 財務シミュレーション : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 112 6.7 結言 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117 7 結論 121 　　　　　　

(8)

1 序論

1.1 はじめに

わが国の社会資本は，戦後，特に昭和 30 年代以降，急速に整備され，戦災復興と高度経済成長を支えてきた．社会資本ストック量の増大と経年劣化に伴う老朽化の進展に伴い，近い将来，膨大な補修・更新需要の発生が予測されている．また，老朽化の進展に伴い，事故の発生による人的・経済的損失や，公共サービスの突然の停止による社会的損失等に関するリスクの顕在化の可能性が懸念されている．さらに，行政に対する国民意識の変化や，実際の事故等の顕在化を背景に，予算執行の効率性・透明性等に関する説明責任を求める声も高まりつつある．一方，社会の成熟化に伴い，予算は逼迫し，建設関連投資余力は減少する傾向にあり，以前にも増して，計画的・効率的な社会資本ストックのマネジメント戦略が求められている．このような背景の下，特に既存社会資本ストックの維持管理の分野において，アセットマネジメントの必要性が叫ばれ，アセットマネジメント導入へ向けた多くの検討がなされつつある．既往の研究については後の各章で述べるが，アセットマネジメントに関する現状を施設分野別に概観すると，特に橋梁・舗装等，道路管理の分野で多くの研究成果が蓄積され，実務への導入も進みつつある．一方，下水道の分野では，アセットマネジメントの研究は，まだ緒についたばかりである．橋梁・舗装等の分野におけるアセットマネジメントに関する研究成果の多くは，下水道の分野においても，有効に活用することができる1, 2)_{．しかしながら，下水道のアセットマネジメント問題は，次章で詳} 述するように様々な特殊性を有しており，アセットマネジメントの実現のために解決すべき特有の課題も多々存在する．下水道の分野においてアセットマネジメントを本格的に導入していくためには，これらの課題に対処していくための多面的かつ包括的な研究の蓄積が必要である．本研究は，下水道におけるアセットマネジメントの実現に資する体系的な方法論の構築を目指して，下水道アセットマネジメント問題の特殊性を考慮したアセットマネジメント戦略の立案手法に関して，多様な観点から包括的な検討を行うものである．

1.2 下水道施設のアセットマネジメントの動向

わが国の下水道は，昭和 38 年に始まる第一次下水道整備五箇年計画以降，計画的かつ急ピッチな整備がなされてきた．その結果，1980 年代には 30 ％台であった下水道処理人口普及率（下水道利用人口／総人口）は，平成 18 年度末現在 70.5 ％に達し，管路延長は約 39 万 km，処理場数は約 2,000 箇所にのぼるなど，膨大な社会資本ストックを形成してきた3)_．下水道の分野においても，これまでの社会資本ストックの増大と経年劣化の進行に伴い，近い将来，維持管理費の増大と膨大な更新需要の発生が予測されている．今後，適正な維持管理および更新がなされない場合，排水・処理機能の突然の停止や管渠の破損による道路陥没の発生などにより，大きな社会的損失が発生することが懸念される．すでに，管路施設の老朽化等に起因する道路陥没は増加傾向にあり，平成

(9)

18 年度の発生件数は約 4,400 箇所にのぼっている状況である．現状では，多くの下水道事業者は，極めて厳しい財政状況に置かれており，一般会計からの基準外の費用繰入等により事業運営がなされている．下水道事業債の借入残高も 33 兆円を超え，その元利償還費は下水道管理費全体の約 7 割を占めるに至っている．現在，経営の健全化・効率化へ向けて鋭意努力が重ねられているが，今後，既存ストックの老朽化に伴う維持管理費用・再構築費用の増加，高齢化・人口減少に伴う使用量収入の減少等も予想される中，さらなる財政状態の悪化が懸念されており，一層の経営基盤の強化が求められているところである．今後，下水道の適正なサービス水準を維持しつつ，下水道事業の経営状況を改善し，安定的・持続的な事業運営を達成していくためには，維持補修費用・再構築費用の縮減，企業債償還計画の適正化，予算の平準化，下水道料金の適正化にあたって必要となるアカウンタビリティの確保，等々の実現に寄与する支援ツールの開発が必要となる．このような中，下水道の分野においても，アセットマネジメント導入への要請が高まりつつある．以上のような背景の下，下水道分野におけるアセットマネジメント導入へ向け，いくつかの研究がなされ4, 5, 6, 7, 8)_{，また行政側においても，いくつかの検討が実施されつつある．特に，平成 19 年 3 月には「ア} セットマネジメント手法導入検討委員会最終報告書」（下水道事業団・アセットマネジメント手法導入検討委員会）9)_{が，また平成 20 年 3 月には「下水道事業におけるストックマネジメントの基本的な考え方（案）」} （下水道事業におけるストックマネジメント検討委員会）10)_{が公表され，下水道におけるアセットマネジメ} ントの導入に向けた基本的な考え方・方向性が示された．さらに平成 20 年度には，国土交通省により，下水道施設の長寿命化に寄与する施策にインセンティブを与える「下水道長寿命化支援制度」が創設された 11)_{．本制度は，ライフサイクルコスト最小化の観点から，長寿命化計画の策定に要する経費を補助対象と} し，当該計画に位置付けられた計画的な改築について補助を行うものである．しかしながら，下水道アセットマネジメントに関する研究・検討は，いまだ緒についたばかりであり，本格的なアセットマネジメントの実現へ向けて，検討すべき多くの課題が存在する．後述するように，下水道のアセットマネジメント問題は，一般土木構造物のそれとは異なる様々な特殊性を有している．下水道アセットマネジメントにおいては，これらの特殊性を考慮したアセットマネジメント戦略の立案手法を構築することが重要である．

1.3 本論文の構成

以上のような背景の下，本研究では，下水道施設のアセットマネジメント戦略に関して，以下に示すような様々な観点から検討を行う．なお，下水道施設は，大きく下水処理場・ポンプ場・管渠に分類されるが，以下では，下水道施設を構成する代表的な施設として下水処理場（終末処理場）を取り上げて考察を行うこととする．まず２章では，下水処理システムの概要や下水道事業全体の経営状況を概観しつつ，下水処理システム

(10)

の特殊性，及びそれを取り巻くアセットマネジメント問題を包括的に整理するとともに，下水道のアセットマネジメント戦略において特に考慮すべき論点を抽出する．続いて，これらの現状認識を踏まえて，下水処理システムのアセットマネジメント戦略に関する考察を行う．以下の３章～６章では，２章で明らかにした下水道アセットマネジメント戦略において特に考慮すべき個々の論点について，分析・考察を行う．３章では，下水処理施設の非硫酸系の劣化過程を集計的マルコフ過程としてモデル化するとともに，期待ライフサイクル費用を最小化する点検・補修間隔を求めるための最適点検・補修モデルを提案する．下水処理施設は，24 時間，年中無休で稼動しており，常時処理水が存在するため，劣化状態に関する情報を獲得・蓄積することは容易ではない．そこでここでは，まず，補修工事において観測されたコンクリート版の損傷タイプ別の補修工事量 (損傷面積に関する情報) 等といった集計的な劣化情報に基づいて，下水処理施設を構成するコンクリート版の劣化過程を記述する集計的マルコフ劣化ハザードモデルを作成する．続いて，集計的マルコフ劣化ハザードモデルの推計結果を用いて，期待ライフサイクル費用を最小化する点検・補修間隔を決定するための最適点検・補修モデルを定式化する．さらに，実証分析を通して，モデルの有用性を検証する．４章では，硫酸腐食によるコンクリート版の劣化過程に焦点を当て，硫酸腐食環境下にある土木構造物の劣化過程を非斉次マルコフ過程を用いてモデル化するとともに，最適点検・補修政策を立案するための実践的な方法論を提案する．下水道施設は様々な劣化因子にさらされているが，嫌気環境下において微生物の生物化学的反応により生成される硫酸によるコンクリート腐食は，劣化進行速度が大きく，重大な事故に繋がる可能性も高い．近年ではライニングによる防食被覆層を設けることが通例となっているが，ライニングの防食性能はライニング設置時点からの時間に依存するため，従来の斉次マルコフ過程による劣化過程のモデル化は困難である．そこでここでは，硫酸腐食速度の時間依存性を非斉次型マルコフ過程でモデル化するとともに，ライフサイクルコスト（あるいは，リスクとの総和であるトータルコスト）を最小化する点検・補修政策を決定するための実践的な時系列シミュレーション手法を提案する．さらに，硫酸腐食環境下にある最初沈殿池を対象としたケーススタディを実施し，その有用性を検証する．５章では，複数種別の施設群からなる水処理系統全体の点検・補修サイクルの同期化を考慮した下水処理施設のアセットマネジメントシステムを構築する．下水処理施設は，複数の施設が一連のシステムとして機能を果たしており，点検・補修を行う施設が一部のみであっても，当該施設を含む直列の水処理系列全体の稼動を停止し，一時的に排水を行う必要があ

(11)

る．一方，下水処理場を構成する個々の施設の劣化因子は多種多様であり，その劣化進行速度や最適補修周期は，施設ごとに大きく異なる．したがって，水処理能力の損失を最小限に抑えつつ，効率的な維持管理を実施していくためには，劣化傾向の異なる個々の施設の点検・補修の時期を，不確実性も考慮の上で可能な限り同期化することが重要である．そこでここでは，直列に配置されたな複数の施設で構成される水処理系を対象に，個々の施設の劣化進行をマルコフ過程によって表現するとともに，個々の施設の点検・補修周期の同期化を考慮した水処理系施設全体の点検・補修計画を立案する実践的手法を提案する．さらに，標準的な水処理系施設全体を対象としたケーススタディを実施して，同期化政策の有用性に関する考察を行う．６章では，下水処理施設の資産管理情報に基づいて，下水処理施設の合理的補修を下水道管理者が執行するための下水処理施設管理会計システムを提案する．現在，下水道事業は，極めて厳しい財政状況に置かれており，一般会計からの基準外の繰入等により事業運営がなされている．さらに，下水道施設の老朽化の進展に伴い，近い将来，膨大な補修・更新需要の発生が予想される．このような状況の中で，下水処理施設のサービス水準を保っていくためには，長期的な財務計画と整合が図れるような維持補修計画を策定し，効率的な施設運営を図ることが求められる．また，維持補修費・再構築費の縮減，企業債償還計画の適正化，下水道料金の適正化にあたって必要となるアカウンタビリティの確保を目的とする下水道管理会計システムの構築が望まれる．そこでここでは，１) 下水処理施設の効率的維持補修計画を策定し，工学的管理会計情報を作成する工学的維持管理システム（EMS）と，2）工学的管理会計情報（年平均維持補修費，相対費用等）を会計的情報に翻訳し，下水処理施設の資産価額と会計年度における資産の変化を記録する管理会計作成システム（APS）の 2 部により構成される，下水処理施設管理会計システム（SMAS）を提案する．さらに，現実の下水処理場の資産データを元に設定された標準的な下水処理施設モデルを対象とした実証分析を行い，管理会計システムの有用性を実証的に検証する．最後に７章では，本研究の成果をとりまとめる．

(12)

参考文献

1) 劣化予測モデルの推計に関しては，たとえば，津田尚胤，貝戸清之，青木一也，小林潔司：橋梁劣化予測のためのマルコフ推移確率の推定，土木学会論文集，No.801/I-73，pp.68-82, 2005． 2) 最適補修戦略の立案に関しては，たとえば，貝戸清之，保田敬一，小林潔司，大和田慶：平均費用法に基づいた橋梁部材の最適補修戦略，土木学会論文集，No.801/I-73，pp.83-96, 2005． 3) 国土交通省都市・地域整備局下水道部：平成 20 年度下水道事業予算概算要求概要，2007． 4) 小林潔司，北濃洋一，渡辺晴彦，石川美知郎：下水道システムの費用効率性評価法，土木学会論文集， No.751/IV-62, pp.111-125, 2004.1. 5) 堀倫裕，小濱健吾，貝戸清之，小林潔司：下水道処理施設の最適点検・補修モデル，土木計画学研究・論文集, Vol.25, No.1, pp.213-224，2008. 6) 堀倫裕，稲毛克俊，泉博允：リスクを考慮した下水道施設の LCC 評価手法の開発，第 43 回下水道研究発表会講演集，II-1-3-4，pp．233-235，2006． 7) 植田達博，丸山徳義，山根洋之，今井昌爽：下水道事業におけるアセットマネジメント手法の導入検討と課題，第 43 回下水道研究発表会講演集，II-1-3-5，pp.236-238，2006． 8) 増田隆司，木下勝也：下水道の将来を見据えた効率的な資産管理に関する考察，第 43 回下水道研究発表会講演集，II-1-3-6，pp.239-241，2006． 9) 下水道事業団・アセットマネジメント導入検討委員会：アセットマネジメント手法導入検討委員会最終報告書，平成 19 年 3 月． 10) 下水道事業におけるストックマネジメント検討委員会：下水道事業におけるストックマネジメントの基本的な考え方（案），平成 20 年 3 月． 11) 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（案），平成 20 年 4 月．

(13)

2 下水処理システムとアセットマネジメント戦略

2.1 はじめに

本章では，下水道を構成する代表的な施設として下水処理場（終末処理場）を取り上げ，下水処理システムの概要や下水道事業全体の経営状況を概観しつつ，下水処理システムの特殊性，及びそれを取り巻くアセットマネジメント問題を包括的に整理する．続いて，これらの現状認識を踏まえて，下水処理システムのアセットマネジメント戦略に関する考察を行う．

2.2 下水処理システムの概要とアセットマネジメント問題

2.2.1 下水処理場の施設構成と処理工程（1）概　説下水処理場（終末処理場）は，下水道法上，「下水を最終的に処理して河川その他の公共の水域又は海域に放流するために下水道の施設として設けられる処理施設及びこれを補完する施設」と定義されている．下水処理場は，下水管渠から流入する下水を浄化・消毒し，河川・海・湖沼等へと放流する機能を主に担っている．下水処理場は，複数の構造物や様々な設備・機器等からなる大規模かつ複合的なシステムを構成している．下水処理方式にはいくつかの種類があるが，以下では，最も一般的な処理方式である標準活性汚泥法による下水処理について述べる．下水処理場の一般的な施設構成を図 2.1 に示す．下水処理場を構成する諸施設は，大きく水処理系と汚泥処理系に大別される．以下では，水処理系と汚泥処理系に分けて，各施設の機能と処理工程の概要を説明する．（2）水処理系水処理系は，一般に，沈砂池・ポンプ井，分配槽，最初沈殿池，反応タンク，最終沈殿池，塩素混和池，等といった施設で構成されている．下水処理場に流入した下水は，まず沈砂池・ポンプ井で，ごみ・砂・小石等が取り除かれ，揚水ポンプで揚水される．続いて，分配槽で，複数の水処理系統に均等に分配されて最初沈殿池に送られる．最初沈殿池では，下水を緩慢に流下させることにより，比較的沈みやすい浮遊物や泥を沈殿させる．上澄み水は反応タンクに送られ，沈んだ汚泥（生汚泥）は汚泥掻寄機で集められて汚泥処理系統に送られる．反応タンクでは，最初沈殿池で沈殿処理を終えた汚水に，最終沈殿池から返送された活性汚泥を混合し，空気を吹き込んで長時間ばっ気・攪拌する．これにより，活性汚泥中の微生物は，空気中の酸素を用い，汚水中の有機物を栄養分として吸収繁殖し，沈殿しやすいかたまりを作る．最終沈殿池では，沈殿しやすいかたまりになった活性汚泥を沈殿させ，汚泥と水とを分離する．上澄み水は消毒設備に送られ，沈殿した活性汚泥は再び反応タンクに返送され（返送汚泥），一部の余剰の汚泥は汚泥処理系に送られる（余剰汚泥）．最後

(14)

消化汚泥貯留槽脱水機濃縮機 P P P 汚泥消化槽濃縮汚泥貯留槽余剰汚泥貯留槽汚泥濃縮槽返流水槽流入マンホール沈砂池ポンプ井ゲート室消毒設備生汚泥余剰汚泥返流水分配槽吐出弁反応タンク最初沈殿池最終沈殿池水処理系統汚泥理系統図 2.1 下水処理場の標準的な施設構成に消毒設備では，最終沈殿池の上澄み水に薬品（次亜塩素酸ナトリウム等）を注入して消毒を行う．以上のような工程で浄化された処理水は，公共用水域に放流されるか工業用水等の雑用水として再利用される．なお，近年，主に処理水の活用や放流先の環境保全（閉鎖性水域の富栄養化防止等）を目的として，高度処理を行うケースが増加している．高度処理は，窒素およびリンの除去を目的とするものであり，反応タンク内に嫌気・無酸素状態と好気状態の組み合わせを作り出すことにより，好気性微生物・嫌気性微生物の両方を利用して，窒素やりんの除去を行う処理方法である．大規模な下水処理場は，最初沈殿池から最終沈殿池までの水処理系列を複数有しており，処理能力に余裕がある場合には，処理水量が少ない渇水期等に，系列を切替えながら点検・補修を行うことも可能である．しかしながら処理能力に余裕がない場合，特に１系統の浄化施設しか有しない小規模な下水処理場においては，水処理系の稼動停止および排水ができず，点検・補修の実施はきわめて困難なのが実状である．（3）汚泥処理系汚泥処理系は，一般に，汚泥濃縮槽，汚泥消化槽，濃縮汚泥貯留槽，余剰汚泥貯留槽，返流水槽，等といった施設で構成されている．下水処理場で発生する汚泥は，生汚泥（初沈汚泥）と余剰汚泥の二種類に大別される．生汚泥は，最初沈殿池での固形物分離により発生した汚泥で，無機分や酸化されていない有機物を多く含んでいる．一方，余剰汚泥は，生物処理による有機物浄化の過程で増殖した微生物のフロックのうち，返送汚泥として利用されなかった余剰分である．生汚泥は，汚泥濃縮槽で，重力濃縮・浮上濃縮等の濃縮工程を経て，濃縮汚泥貯留槽に貯留される．一

(15)

いて，これらの濃縮汚泥は，汚泥消化槽に送られ，消化工程を施される．消化工程は，嫌気性微生物の作用により汚泥を安定化・減量化するもので，通常，酸発酵とメタン発酵の 2 工程からなる．消化工程を経た汚泥は，消化汚泥貯留槽に貯留された後，脱水・焼却，たい肥化等の次工程に送られる．なお，消化工程で発生したメタンガスは，発電や消化槽加温等に有効利用されるケースが増えている．これらの汚泥処理工程で汚泥から分離された水（脱水機からの濾液，汚泥濃縮槽からの分離液等）は返流水と呼ばれ，返流水槽を経て，水処理工程に返送される．以上で述べたように，下水処理場は，直列・並列に配置された複数の施設群からなる複合的なシステムを構成している．特に，直列に配置されたサブシステムでは，故障や点検・補修等で一部の施設機能が停止すると，当該サブシステム全体が停止することになる．例えば，最初沈殿池から最終沈殿池まで施設群は，直列に配置された水処理系のサブシステムを構成している．そして，この中の一部の施設の点検・補修をするためには槽内の処理水の排水が必要であり，点検・補修を実施する間，当該サブシステム全体の稼動を停止する必要がある．後述するように，個々の施設の劣化進行速度は大きく異なるので，無計画な事後的補修を繰り返せば，その度にサブシステムが停止し，処理能力上の大きな損失となる可能性がある．したがって，下水処理システムにおいては，傾向の異なる各々の施設の劣化進行をあらかじめ予測した上で，計画的に点検・補修を行うことが必要である．下水道アセットマネジメントにおける計画的な点検・補修戦略の立案にあたっては，次の 2 点が重要である．まず，下水処理システムを構成する土木構造物に関する計画的な点検・補修戦略を立案するためには，当該時点の健全度の把握，および劣化過程のモデル化のための点検データの取得が必要である．しかしながら，下水処理システムは年中無休で 24 時間稼動しており，槽内には常に処理水が存在する．また硫化水素等の臭気の拡散を防ぐための覆蓋を有する施設も多い．このため，点検を行うためには，当該構造物が含まれる直列系サブシステム全体の稼動を停止しなくてはならない．このような事情により，下水処理施設の点検データの取得はきわめて困難であり，既存のデータもほとんど蓄積されていない．したがって，現時点で利用可能な限られた情報である損傷タイプ別の工事数量等といった集計情報を有効に活用できる劣化過程のモデル化手法と，これに基づく最適点検・補修戦略の立案手法を構築することが必要である．また，点検・補修戦略の立案にあたっては，劣化傾向の異なる個々の施設の点検・補修の時期を可能な限り同期化して，下水処理能力の損失を最小限にとどめるよう配慮することが重要である．

(16)

2.2.2 土木構造物の劣化現象と対策工 (1) 下水処理場におけるコンクリート構造物の劣化因子一般のコンクリート構造物では，通常，中性化，塩害，アルカリ骨材反応等による劣化が問題となる．下水道のコンクリート構造物では，これらに加えて，化学的な劣化因子の影響を強く受けることが知られている．下水処理場を構成する主要なコンクリート構造物ごとの主要な劣化因子を，表 2.1 に整理して示す．様々な劣化形態の中で，進行速度が速く，腐食が激しいのは硫酸腐食である（後述参照）．処理場内の硫酸腐食は，一般に，覆蓋がある嫌気環境下の構造物に生じる現象である．水処理系統では，流入管渠，流入ポンプ井，分配槽，最初沈殿池，嫌気型反応タンク，等の覆蓋のある構造物の気相部および気液境界部で特に顕著に見られる．汚泥処理系では，汚泥濃縮槽，汚泥貯留槽，消化タンク，返流水・脱離液管，等，ほとんど全ての主要構造物に見られる．近年では，これらの構造物においては，防食被覆層（ライニング）による防食対策が施されるのが通例である．その他，反応タンク，最終沈殿池等の構造物では，遊離炭酸による中性化の促進の可能性が，好気型反応タンクの液相部では硝酸による劣化の可能性が指摘されている．また，次亜塩素酸およびオゾンによる消毒設備の劣化や，有機酸による汚泥処理施設の劣化など，特定の施設固有の劣化要因も存在する．なお，各構造物の劣化に影響を与える因子については諸説があり，その劣化機構は未解明な部分も多い．表 2.1 は，標準的な下水処理場における劣化因子を概略的に整理したものである．以下では，下水処理場のコンクリート構造物における代表的な劣化形態である硫酸腐食を取り上げ，その劣化機構と対策方法について詳述する．なお，中性化等の一般的な劣化機構と対策方法等については，「コンクリート標準示方書　維持管理編」1)_{を参照されたい．} （2）硫酸腐食と対策工１）劣化機構下水道のコンクリート構造物の硫酸腐食は，下水中あるいは汚泥中の硫酸イオンに起因する硫酸塩還元細菌と硫黄酸化細菌の代謝に伴う生物化学的侵食である．下水道施設のコンクリートの硫酸腐食については，「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル（編著　日本下水道事業団）」（以下，「防食指針」）27)_{に詳述されている．以下で} は同指針の見解を中心に，硫酸腐食現象，防食設計，対策工法について概説する．硫酸腐食現象は，図 2.2 に示すように，次のような機序で発生するといわれている． 1. 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（SO2Ä4 ）からの硫化物（H2S，HS， S2Ä_{）の生成（生物学的作用）} 2. 液相から気相への H2S（硫化水素）ガスの放散（物理学的作用） 3. 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）

(17)

表 2.1 　構造物毎の主要な劣化因子部　位条　件硫酸遊離炭酸硝酸有機酸次亜塩素酸オゾン中性化塩害流入渠開水路液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 管路液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 流入ポンプ井覆蓋なし液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 分配槽覆蓋なし液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 最初沈殿池覆蓋なし液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 反応タンク（好気）覆蓋なし液相部－ ○ ○ －－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－ ○ ○ －－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 反応タンク（嫌気）覆蓋なし液相部－ ○ －－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－ ○ －－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 最終沈殿池覆蓋なし液相部－ ○ －－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－ ○ －－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 消毒設備覆蓋なし液相部－－－－－－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－－－－ ○ ○ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 汚泥濃縮槽覆蓋あり液相部－－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 汚泥貯留槽覆蓋あり液相部 ○ －－－－－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 消化タンク覆蓋あり液相部 ○ －－ ○ －－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 返流水/脱離液管覆蓋なし液相部－ ○ － ○ －－ ○ ○ 気相部－－－－－－ ○ ○ 覆蓋あり液相部－ ○ － ○ －－ ○ ○ 気相部 ○ －－－－－ ○ ○ 注)各構造物の劣化に影響を与える因子については諸説があり，その劣化機構は未解明な部分も多い．上表は，標準的な下水処理場における概略的な劣化因子の整理である．

(18)

出典：「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」．図 2.2 下水道における硫酸腐食発生の機序 4. 硫酸とコンクリートの成分との反応によるコンクリートの劣化（化学的作用・物理的作用）このため，硫酸腐食の進行は，水温，下水中の硫酸イオン濃度や施設の構造等，コンクリート部材が置かれた個別の条件に大きく左右され，気相部の H2Sガス濃度，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．腐食環境が厳しい箇所とは，次のような条件に該当するところである． 1. 硫酸塩還元細菌の活動により下水あるいは汚泥中で硫化物が生成されやすい環境（硫酸イオン濃度が高い，気相部からの酸素供給が少ないため嫌気性条件になりやすく滞留時間が長い，水温が硫酸塩還元細菌の増殖に適している）． 2. 液相部から気相部へ硫化水素が放散されやすく，気相部が密閉されている構造 3. H2Sガス濃度，気温，湿度，栄養塩類の供給等に関して，硫黄酸化細菌が活動しやすい環境後述する防食被覆層の設計に当っては，上記のような腐食環境と，点検・補修の難易を考慮して，設計腐食環境が設定され，工法規格が定められることになる．なお，コンクリート表面における硫酸腐食の進行の機序は，次のとおりであるといわれている．すなわち，健全なコンクリートは pH12～13 の高アルカリ性になっているが，コンクリート表面で硫酸イオン濃度が増加すると，局所的にコンクリート中のアルカリである水酸化カルシウムが硫酸イオンと反応し，二水石膏を生成する．生成した二水石膏は，コンクリート細孔溶液中ではカルシウムイオンと硫酸イオンに解離し，このフリーになったイオンは，セメント水和物の一つであるモノサルフェートや未反応のアルミン酸三カルシウムと反応し，コンクリートの表面領域でエトリンガイトを生じる．エトリンガイトはアルカ

(19)

出典：「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」．図 2.3 コンクリート表面の硫酸腐食の進行の機序出典：「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」．図 2.4 劣化部の断面写真の例クリート中の硫酸イオン濃度が上昇しつつコンクリート表面部の pHが低下し，中性域あるいは酸性域になると，エトリンガイトから二水石膏が再生成される．pHl～2 の領域では，二水石膏はパテ状になり，下水の飛沫等の衝撃でも容易にはく離する．このようにして，コンクリート腐食の進行とともに，コンクリート表面は脱落し，二水石膏層とその内部のエトリンガイト層はより深部へと移動していく（図 2.3 参照）．硫酸腐食を受けたコンクリートの断面写真の例を図 2.4 に示す．コンクリート表面（図左）側から，(i) 劣化部：脆弱な腐食部（二水石膏生成層）,(ii) Ｆｅ層：二水石膏生成層の内側にできる酸化鉄の薄い層（褐色）,(iii) エトリンガイトが多い部分：硫酸イオン侵入領域で，フェノールフタレイン呈色範囲より，さらに 1～2cm 内側 (pH8～11 程度),(iv) 健全部：フェノールフタレイン呈色の健全部（pH12～13 程度），が観察される．２）点検・診断「防食指針」には，「汚水中及び汚泥中から発生する硫化水素を起因とした硫酸腐食環境に置かれた施設を定期的に点検し，腐食環境の把握及び施設健全度の把握を行う」と規定され，点検による健全度の判定

(20)

表 2.2 　コンクリートの劣化過程の区分劣化過程劣化過程の定義期間を決定する要因防食被覆層の劣化期間（被覆層がある場合）防食被覆層が劣化により，はがれ，脱落するまでの期間防食被覆層とコンクリートとの一体化及び硫黄浸入速度潜伏期コンクリートの外観上の変状が見られない期間コンクリート中への硫黄浸入速度進展期コンクリートの変質が鋼材位置までに達する期間コンクリート中への硫黄浸入速度加速期鉄筋腐食が進行する期間　　　　　　　　　　　鉄筋の腐食速度劣化期コンクリートの断面欠損・鉄筋の断面減少などにより耐荷性の低下が顕著な期間鉄筋の腐食速度注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．区分が示されている．コンクリート構造物の性能低下は，コンクリートの腐食が生じるまでの潜伏期，コンクリートの劣化が筋位置に達するまでの進展期，鉄筋の腐食が進行する加速期，コンクリートの断面欠損や鉄筋の断面減少などによって構造物の性能低下が顕著となる劣化期に区分され，健全度の判定も，これに従い表 2.2 の劣化区分による物とされている．これらの健全度定義はコンクリート標準示方書とほぼ同様であり，これに防食被覆層がある場合の健全度ランクが追加された形となっている．防食被覆層を施していないコンクリート部材が硫酸腐食環境に置かれた場合，潜伏期が極めて短く，劣化は直ちに進展期に至ることが予想される．一方，適正な防食被覆工を施されたコンクリート部材については，厳しい腐食環境に置かれた状態であっても，長期間健全状態を保つことが期待される．しかしながら，防食被覆層が劣化し，浮き・剥離・脱落等が生じた後は，防食被覆層のないコンクリート部材と同様，硫酸腐食により健全度が急速に低下していくことになる．硫酸腐食は，劣化進行速度が大きく，ライニングの機能が低下した後は急激に劣化が進行するものである．したがって，適切な間隔で定期点検を行い，劣化の兆候を早期に把握することが，コンクリート構造物の適切な管理を行う上で非常に重要である．しかしながら，下水道施設は，原則として年中無休で 24 時間稼動しており，処理水が槽内に常時存在していること，硫酸腐食を受ける構造物が覆蓋を有する物であること，等の理由により，定期点検の実施による健全度の把握は容易ではなく，また点検データもほとんど蓄積されていないのが実状である．３）対策工の設計・施工硫酸腐食に対する代表的な対策方法を表 2.3 に示す．対策方法は，大きくコンクリート腐食の抑制技術（硫酸生成の抑制）とコンクリート防食技術（ライニング工法等によるコンクリートへの防食対策）に分類できる．以下では，最も一般的な対策方法であるライニング工法の施工によるコンクリート防食技術（コンクリート被覆工）について詳述する．コンクリート被覆工の工法分類を図 2.5 に示す．コンクリート被覆工法は，塗布型ライニング工法とシートライニング工法とに大別される．シートライニング工法は，特に腐食環境が厳しく，かつ施設供用後の

(21)

表 2.3 　硫酸腐食に対する対策対策技術の分類技術の分類対象施設原理と対策コンクリート腐食の下水中の硫酸イオン主として・硫化水素の生成ポテンシャルの低下抑制技術濃度低下管路施設（工場排水・温泉排水などの規制，海水侵入の防止）（硫酸生成の抑制）下水あるいは汚泥中管路施設 (1)嫌気性化防止の硫化物生成抑制・圧送管への空気注入，酸素注入，硝酸塩注入等・伏越し管の構造変更・自然流下の管渠での再曝気，沈殿物の排除，コンクリート表面の洗浄，フラッシングポンプ場， (1)嫌気性化防止処理場・揚水ポンプの適正運転・処理場の適正運転溶存硫化物の固定と管路施設， (1)液相中の硫化物の酸化・固定化硫化水素の気相中へポンプ場，・塩化第二鉄注入，ポリ硫酸第二鉄注入の放散防止処理場 (2)硫化水素の放散を抑制する構造・合流部の撹乱防止・段差・落差の解消硫酸を生成する硫黄管路施設， (1)気相中H2Sガス濃度の希釈・除去酸化細菌の活動抑制ポンプ場，・換気・脱臭処理場 (2)コンクリート表面の乾燥・換気 (3)硫黄酸化細菌の代謝抑制・コンクリートへの防菌剤・抗菌剤混入コンクリート防食技術コンクリートの耐硫管路施設， (1)コンクリート表面の被覆（コンクリートへの酸性向上ポンプ場，・塗布型ライニング工法対策）処理場・シートライニング工法 (2)コンクリート自身の耐硫酸性向上・耐硫酸性コンクリート注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．

(22)

等＜無機系ライニング材＞等等等等コンクリート被覆工・硬質塩化ビニル樹脂板・高密度ポリエチレン　　樹脂板・ビニルエステル樹脂系　　レジンコンクリート板・ビニルエステル樹脂系　　ＦＲＰ板・ビニルエステル樹脂　　ＦＲＰ複層板・不飽和ポリエステル　　樹脂板・高密度ポリエチレン　　樹脂板塗布型ライニング工法＜有機系ライニング材＞・エポキシ樹脂・ビニルエステル樹脂・ノンスチレン型　　ビニルエステル樹脂・セラミックパウダー　　入りエポキシ樹脂・不飽和ポリエステル樹脂・変性シリコーン樹脂・ポリウレタン樹脂・ポリウエア樹脂・アクリル樹脂後貼り工法埋設型枠工法型枠工法シートライニング工法注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．図 2.5 コンクリート被覆工法の分類表 2.4 　腐食環境分類分類腐食環境備　　考 I類年間平均H2Sガス濃度が50ppm以上で，硫酸によるコンクリート腐食が極度に見られる腐食環境腐食速度で概ね7mm/年以上 II類年間平均H2Sガス濃度が10～50ppmで，硫酸によるコンクリート腐食が顕著に見られる腐食環境腐食速度で概ね4mm/年以上 III類年間平均H2Sガス濃度が10ppm未満ではあるが，硫酸によるコンクリート腐食が明らかに見られる腐食環境腐食速度で概ね4mm/年以下 IV類硫酸による腐食はほとんど生じないが，コンクリートに接する液相が酸性状態になりえる腐食環境汚泥消化槽の液相部における嫌気性酸発酵によるpH低下注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．点検・補修が困難である場合等に用いられることが多く，通常は塗布型ライニング工法の適用が一般的である．防食設計は，図 2.6 に示すフローに従って行われるのが一般的である．先に述べたように，硫酸腐食は，コンクリート構造物が置かれた腐食環境に大きく影響され，また腐食環境が特定できれば硫酸腐食の進行速度もある程度は予測可能である．そこで，設計にあたっては，まず対象構造物がおかれた環境条件から腐食環境分類を特定する．続いて，この腐食環境分類に点検・補修の難易等の要素を加味して，設計腐食環境分類を設定する．最後に，設計腐食環境分類にしたがい，防食被覆工の工法規格が定められる．「防食指針」による腐食環境分類の定義を表 2.4 に，設計腐食環境分類の定義を表 2.5 に示す．また，腐食環境分類と工法規格の対応関係を，表 2.6 に示す．「防食指針」では，以上の検討により設定された工法規格について，ライニング種別ごとの品質規格が，被覆の概観，コンクリートとの接着性，耐酸性，硫黄侵入深さ，耐アルカリ性，透水性といった項目別に

(23)

表 2.5 　設計腐食環境分類年間平均点検，補修，改築の難易 H2Sガス濃度易難 50ppm以上 I1類 I2類 10～50ppm II1類 II2類 10ppm未満 III1類 III2類注)：点検，補修，改築の難易の判断基準点検，補修，改築が「易」・代替施設があり，更新時に休止できる．・仮施設が建設でき，総合的に経済的である．・日常点検・定期点検が可能である．点検，補修，改築が「難」・構築後，狭いため人が入りにくい．・代替施設がないので休止期間を長期間取れない．・代替施設を建設するのが，総合的に不経済である．・腐食環境の改善が困難である．・日常点検・定期点検が困難である．注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．表 2.6 　設計腐食環境分類と工法規格環境分類工法規格腐食点検・補修・設計腐食塗布型シート環境分類改築時の難易環境分類ライニング工法ライニング工法 I 1 I1 D1 D2 I 2 I2 － D2 II 1 II1 C II 2 II2 D1 D2 III 1 III1 B － III 2 III2 C － IV － IV A －注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．

(24)

Input 1 . 検討対象施設 2 . 腐食環境の特定･････「腐食環境分類」･････「処理場における腐食環境の分類例」 Input Output ･･････>（Ⅰ類,Ⅱ類,Ⅲ類,Ⅳ類） 3 . 設計腐食環境の設定･････「設計腐食環境分類」･････「下水道施設における設計腐食環境の概念図」 Output ･･････>（Ⅰ1類,Ⅰ2類,Ⅱ1類,Ⅱ2類,Ⅲ1類,Ⅲ2類,Ⅳ類） 4 . 防食被覆工法規格の選定･････「塗布型ﾗｲﾆﾝｸﾞ工法における設計腐食環境条件と工法規格の関係」･････「ｼｰﾄﾗｲﾆﾝｸﾞ工法における設計腐食環境条件と工法規格の関係」 Output ･････「塗布型ﾗｲﾆﾝｸﾞ工法の品質規格」（Ａ種,Ｂ種,Ｃ種,Ｄ1種）･････>「ｼｰﾄﾗｲﾆﾝｸﾞ工法の品質規格」（Ｄ2種）工法種別＆工法規格設計腐食環境分類施設の特性に応じた補正腐食環境施設名（覆蓋あり）対象施設の特定工法規格の選定腐食環境分類の設定設計腐食環境分類の設定 S tart End 注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．図 2.6 防食設計フロー詳細に規定されており，当該規格に適合すると認められた材料や施工方法による設計・施工が実施される．工事における塗布型ライニング工法，およびシートライニング工法の施工工程は，それぞれ図 2.7 および図 2.8 に示すとおりである．防食被覆層の施工にあたっては，いずれの工法でも，十分な下地処理を行うとともに，局部的な弱点が生じないように注意することが重要である．下地処理が不十分な場合，早期に防食被覆層の浮き・剥離が生じ，早期に防食機能を失う可能性が高い．また，シートライニング工法ではシートの継ぎ目が，塗布型ライニング工法では施工時に生じる微小なピンホールや塗装厚さのムラが，それぞれ弱点になりやすい．なんらかの理由で防食被覆層の背面に硫酸が到達した場合，防食被覆層自体が健全であっても，背面のコンクリートから硫酸腐食が進み，コンクリートの膨張圧や白亜化により，ライニングに浮き・はがれ・割れが生じ，そこから全体に硫酸腐食が急激に進行していくことになるので，施工に当っては十分な注意が必要である．以上，下水道施設におけるコンクリート構造物の劣化機構と対策工について，硫酸腐食を中心に解説し

(25)

対象コンクリートの前処理対象コンクリートの表面処理対象コンクリートの素地調整およびプライマー処理防食被覆層の施工及びプライマー処理防食被覆層の養生注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．図 2.7 塗布型ライニング工法の施工工程型枠へのシートの貼り付けシートの接合コンクリート又はグラウト材の打設型枠取り外し防食被覆層の継目処理防食被覆層の養生注）「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術指針・同マニュアル」に基づき作成．図 2.8 シートライニング工法の施工工程（新設時）てきた．一般の構造物においても，劣化過程は不確実性を伴い，確定論的に予測することはできないが，特に下水道のコンクリート構造物においては，化学的な劣化要因を含めた，多様かつ未解明な劣化機構を記述する確率論的劣化進行予測モデルを構築することが重要である．劣化因子についての見解は諸説あり，現在も鋭意研究が進められているところではあるが，遊離炭酸・硝酸等による劣化は，一般に見られる中性化の進行が促進されたものと見ることもできる．したがって，これらの因子による劣化過程を記述する確率論的劣化進行予測モデルとしては，斉次マルコフモデルが適用可能と考える．一方，防食被覆層を有するコンクリート構造物の硫酸腐食は，ライニングが健全の間は極めて緩慢に進行し，一旦防食被覆層の背面に硫酸が到達した後は，急激かつ加速度的に進行する性質を持つ．このような時間に対して非線形性の高い劣化過程を記述するためには，非斉次マルコフモデルを用いた確率論的劣化進行予測モデルを構築する必要がある．

(26)

表 2.7 　設備・機器の管理・保全方式の区分の例予防保全事後保全状態監視保全時間計画保全機械自動除塵機，沈砂かき揚げ機堰，弁ポンプ本体，汚泥かき寄せ機脱臭装置送風機本体，散気装置濃縮機，脱水機，焼却炉等等電気制御電源及び計装用電源設備受変電設備計測設備（蓄電池盤）自家発電設備監視制御設備負荷設備等等等出典：「下水道長寿命化支援制度に関する手引き（案）」より． 2.2.3 設備系資産の維持管理下水処理施設は，土木構造物のみならず，設備・機器，建築物等，様々な種類の資産で構成されており，管理・保全方式も資産毎に異なる．管理・保全方式は，一般に (i) 状態監視保全，(ii) 時間計画保全，(iii) 事後保全，の 3 種類に分類される．基本的な管理・保全方式の区分と代表的な設備・機器の例を表 2.7 に示す 3)_{．下水道の分野では，各々の管理・保全方式は，}_{「アセットマネジメント導入検討委員会最終報告書」}4)_で次のように定義されている．すなはち，(i) 状態監視保全は「五感や測定などにより状態を適時把握し，それをもとに故障時期を予測することで，最適な修繕・再構築次期を見極めていく保全方式」，(ii) 時間計画保全は「五感での判定や計測を行うのが難しい施設・設備に対して，経験的に知られている故障時期や部品供給可能な年限を持って再構築計画を立てていく保全方式」，(iii) 事後保全は「施設・設備が故障した際に，再構築または修繕を行う保全方式．故障するまでは，再構築，修繕とも講じられない保全方式」とされている．設備・機器類の点検については，現在，機器毎に，構成部品レベルでの判定基準が整備されつつある（表 2.8 参照）3)_{．機器としての健全度は，構成部品の健全度の加重平均として算定される．対策実施にあたっ} ては，これらの健全度判定の結果を受けて，保全方式に応じた部品取替えや再構築などの措置が講じられることになる．設備・機器の構成部品には物理的な耐用寿命があり，また部品の供給期間には年限がある．このため設備・機器は，機器レベルでのサイクリックな再構築を前提に，部品レベルの維持補修戦略を検討すべき資産であるといえる．この点が，補修を繰り返しながら半永久的に使用することを前提とした土木系資産とは大きく異なる．土木系資産の一般の維持補修費が当年度の収益的支出（修繕費）として計上されるのに対して，設備・機器の再構築費用は，資本的支出として起債により賄われるのが一般的である．したがって，設備・機器も含めた下水道施設全体のアセットマネジメントを検討する際には，起債の償還に対する財務的な手立てを含めた検討を行うことが重要である．

(27)

さらに，下水道施設は多種多様な資産から構成されており，適切な維持管理の実施のために管理者が必要とする情報の種類も，施設の種別に応じて異なる．したがって，アセットマネジメントの導入にあたっては，管理・保全方式の種別に整合した適切な管理情報を提供できる仕組みを構築することが重要である．

(28)

表 2.8 　設備・機器の健全度判定表の例大分類中分類小分類標準的耐用年数処分制限期間耐用年数主要な部品判定項目判定基準（交換）水処理設備最初沈殿池設備汚泥かき寄せ機 15 7 10 本体チェン伸び，摩耗状況以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・チェーンが伸びて弛み，スプロケットとの噛み合い不良や，チェーンの引きずりが生じている（一般的には例えば伸び 2 ％以上など）・磨耗により，円滑な動力の伝動に支障が出ている場合や，チェーンのプレートやローラーに傷や変形が生じるようになった状態・チェーンの硬直化，ピンの回転に関する変形が見られる状況　等本体スプロケット摩耗状況以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・胴体の著しい磨耗腐食・軸受異音・振動・発熱・ラギングの著しい磨耗・剥離 15 軸，軸受腐食状況以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・軸に関して，再塗装などでも回復不能な程度の腐食・発錆による減肉作用を受けている又は，変形するなどにより，偏心している・軸受に関して，適切な給油脂を行っても，異音・発熱・異常振動が起こる場合や，給油脂分析により取替え以外の対応が無いと判断される 15 フライト稼動状況，損傷以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・磨耗等による損傷があり，汚泥掻き寄せ効果に支障が出ている・損傷を受け，強度的な観点で問題があり，機能低下を生じさせる状況にある． 10 駆動用チェン伸び，摩耗状況以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・チェーンが伸びて弛み，スプロケットとの噛み合い不良や，チェーンの引きずりが生じている（一般的には例えば伸び 1.5 ％以上など）・磨耗により，円滑な動力の伝動に支障が出ている場合や，チェーンのプレートやローラーに傷や変形が生じるようになった状態・チェーンの硬直化，ピンの回転に関する変形が見られる状況　等駆動スプロケット摩耗状況以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・刃先が一様に磨耗し丸くなっている，あるいは，尖るなどの状態となっている（一般的には例えば歯先の最大磨耗 8～10mm など）・当たり部分の磨耗により，運転中に刃先が割れるような状態となっている 10 電動機・変減速機稼動状況（異常音，異常発熱）以下のような状態が生じ，機能低下に至る状況にあるもの．・異常な音・発熱・振動・騒音があり，修正調整が出来ず，かつ，分解整備コストが現在価格を上回る出典：「下水道長寿命化支援制度に関する手引き（案）」より．

(29)

0 5 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 1 5 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 2 5 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 年度億円一般会計での対応分使用料収入注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．図 2.9 下水道管理費に占める使用量収入の割合 2.2.4 下水道事業の経営状況公共下水道事業は，地方財政法上の公営企業に位置づけられており，下水道事業の経営には，一般会計との間の適正な経費負担区分（雨水公費・汚水私費の原則）のもと，事業収入によってその経費を賄い，自立性をもって事業を継続していく独立採算制の原則が適用されている5)_{．下水道事業には，本来の目的であ} る公共の福祉の増進に加えて，「常に企業の経済性を発揮する（地方公営企業法）」ことが求められている．下水道事業の経営においては，下水道管理費（起債元利償還費と維持管理費）を，下水道使用料と地方公共団体の一般会計からの繰入金で賄うこととされている．しかしながら， (i) 費用に見合った料金設定がなされていないこと, (ii) 接続率が低迷していること，等の理由により，十分な料金収入が得られず，多くの事業体においては，一般会計からの基準外による費用繰入等により事業運営がなされているのが現状である（図 2.9 および表 2.9 参照）6)_．また，雨水分と汚水分を合わせた下水道管理費の約 7 割を起債元利償還費が占めており，これが下水道経営を圧迫している（図 2.10 および表 2.10 参照）. 平成 17 年度末における下水道事業債の借入残高は 33 兆円であり，これは，公営企業債の借入残高全体の約 5 割を占めるに至っている（図 2.11 および表 2.11 参照）．以上で述べたように，現在，多くの下水道事業体は，極めて厳しい財政状況に置かれている．現在，経営の健全化・効率化へ向けて鋭意努力が重ねられているが，今後，既存ストックの老朽化に伴う維持管理費用・再構築費用の増加，高齢化・人口減少等の影響による使用量収入の減少，等が予想される中，さらなる財政状態の悪化が懸念されており，一層の経営基盤の強化が求められているところである．このような状況の中で，下水処理施設のサービス水準を保つためには，長期的な財務計画と整合が図れるような維持補修計画を策定し，効率的な施設運営を図ることが求められる．さらに，維持補修費・再構築費の縮減，企業債償還計画の適正化，下水道料金の適正化にあたって必要となるアカウンタビリティの確保を目的とする下水道管理会計システムの構築が望まれる．

(30)

表 2.9 　下水道管理費に占める使用量収入の割合（単位：億円）年　度使用料収入一般会計での対応分計使用量収入の割合 1999 11,419 8,479 19,898 57.2% 2000 12,052 8,673 20,725 58.2% 2001 12,449 8,920 21,369 58.3% 2002 12,793 9,504 22,297 57.4% 2003 13,053 9,877 22,930 56.9% 2004 13,573 10,753 24,326 55.8% 注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．表 2.10 　下水道管理費に占める起債元利償還費の割合の推移（単位：百万円）年度下水道管理費下水道管理費のうち起債元利償還費起債元利償還費の割合 1994 2,591,523 1,858,723 71.7% 1995 2,527,544 1,755,898 69.5% 1996 2,599,584 1,806,967 69.5% 1997 2,718,496 1,892,304 69.6% 1998 2,807,127 1,959,837 69.8% 1999 2,935,663 2,081,443 70.9% 2000 3,062,648 2,187,792 71.4% 2001 3,153,987 2,266,932 71.9% 2002 3,297,746 2,417,410 73.3% 2003 3,404,915 2,538,878 74.5% 2004 3,616,707 2,746,873 75.9% 注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．表 2.11 　地方公共団体の借入金と下水道事業債の残高の推移（単位：兆円）年度借入金純残高うち公営企業債うち下水道事業債 1989 98 32 13 1990 100 33 15 1991 106 36 16 1992 117 38 17 1993 132 41 19 1994 150 44 21 1995 172 47 23 1996 188 49 25 1997 179 52 27 1998 193 55 29 1999 205 57 30 2000 213 59 31 2001 222 62 33 2002 226 61 33 2003 231 61 33 2004 234 61 33 2005 233 60 33 注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．

(31)

0 5 0 0 , 0 0 0 1 , 0 0 0 , 0 0 0 1 , 5 0 0 , 0 0 0 2 , 0 0 0 , 0 0 0 2 , 5 0 0 , 0 0 0 3 , 0 0 0 , 0 0 0 3 , 5 0 0 , 0 0 0 4 , 0 0 0 , 0 0 0 1 994 ₁995 ₁996 ₁997 ₁998 999₁ ₂000 ₂001 ₂002 ₂003 ₂004 年度百万円下水道管理費下水道管理費のうち起債元利償還費注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．図 2.10 下水道管理費に占める起債元利償還費の割合の推移 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 1 989 1 990 1 991 1 992 1 993 1 994 1 995 1 996 1 997 1 998 1 999 2 000 2 001 2 002 2 003 2 004 2 005 年度兆円借入金純残高うち公営企業債うち下水道事業債注) 「平成 20 年度　下水道事業予算概算要求概要」に基づき作成．図 2.11 地方公共団体の借入金と下水道事業債の残高の推移