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地下水のヒ素汚染は、地下水汚染の一種で、多くの場合、地下水のより深い層に自然に存在する高濃度のヒ素が原因です。ガンジスデルタでは、給水のために深井戸が使用されているため、これは注目度の高い問題となっており、多くの人々に深刻なヒ素中毒を引き起こしています。2007年の調査では、70か国以上で1億3700万人以上が飲料水のヒ素中毒の影響を受けている可能性があることがわかりました。この問題は、バングラデシュでの大規模な水の中毒の後、深刻な健康問題となりました。[ 1 ] 地下水のヒ素汚染は、米国を含む世界中の多くの国で見られます。[ 2 ]
世界保健機関は、水中のヒ素濃度を10μg/Lに制限することを推奨しているが、水源からヒ素を除去することが困難なため、多くの問題地域ではこれは達成不可能な目標となることが多い。[ 3 ]
地下水のヒ素汚染に関する重大な事故が約20件報告されている。[ 4 ]中国では潜在的に危険な井戸の位置が地図化されている。[ 5 ]
金採掘は、ヒ素が通常金を含む鉱石中に存在するため、地下水をヒ素で汚染する可能性があります。金の精錬では、鉱山残渣からヒ素が放出され、汚染された地下水は何十年も飲用に適さない可能性があります。[ 6 ]自然界に存在するヒ素は、地下水と同様に土壌を汚染する可能性があります。タバコ植物は土壌から成長し、ヒ素が浸透する可能性があるため、タバコを含む製品の使用によってヒ素に曝露される可能性があります。[ 3 ]
ヒ素で汚染された水には、通常、亜ヒ酸とヒ酸、またはそれらの誘導体が含まれています。「酸」という名称は形式的なものであり、これらの物質は攻撃的な酸ではなく、中性付近のpHで可溶化したヒ素の形態にすぎません。これらの化合物は、帯水層を取り囲む下層の岩石から抽出されます。ヒ酸は中性水中では[HAsO 4 ] 2−と[H 2 AsO 4 ] −のイオンとして存在する傾向がありますが、亜ヒ酸はイオン化しません。
チリの農村ソカイレにおける水と食料の消費に関する分析では、2008年11月から2009年9月の間に、村人のヒ素の総摂取量が、消費された水と地元の農産物の量と相関関係にあることがわかった。[ 7 ]
アルゼンチンの中央部はヒ素で汚染された地下水の影響を受けている。特にラ・パンパでは、1リットルあたり4～5300マイクログラムのヒ素を含む水が産出される。[ 8 ]
バングラデシュの地下水のヒ素汚染は深刻な問題です。1970年代以前、バングラデシュは世界で最も乳児死亡率が高い国の一つでした。不十分な浄水・下水処理システムに加え、周期的なモンスーンと洪水がこれらの問題を悪化させました。解決策として、ユニセフと世界銀行は、より深い地下水を利用するために井戸の使用を提唱しました。1970年代、ユニセフは公衆衛生工学部と協力してチューブウェルを設置しました。この井戸は、 直径5cmのチューブを地中200m未満に挿入し、鉄または鋼製の手動ポンプで蓋をした構造になっています。当時、標準的な水質検査手順にはヒ素検査は含まれていませんでした。[ 9 ]この予防措置の欠如により、飲料水として使用されていた地下水がヒ素で汚染され、大規模な集団中毒が発生しました。[ 10 ]
チューブウェルは、地下帯水層から水を汲み上げて、国に安全な水源を提供するはずだった。その結果、何百万もの井戸が建設された。1993年、バングラデシュの大部分の地下水が自然にヒ素で汚染されていることが発見された。[ 11 ] [ 12 ]： 389この問題は1995年に国際的な注目を集めた。[ 13 ] [ 14 ]
ガンジスデルタでは、影響を受けている井戸は通常、深さ20メートル以上100メートル未満です。[ 15 ]地表に近い地下水は通常、地中に留まっていた時間が短いため、ヒ素の濃度が低いと考えられます。100メートルより深い水は、すでにヒ素が枯渇しているはるかに古い堆積物にさらされています。[ 16 ]
1990年代に何百万もの井戸が掘られた間、援助機関は問題を否定していたため、批判を受けている。援助機関はその後、外国の専門家を雇い、その専門家は現地の状況に不適切な処理施設を推奨したが、それらの施設は頻繁に故障したり、ヒ素を除去できなかったりした。[ 17 ]
ビハール州では、13の地区の地下水が0.05 mg/Lを超える量のヒ素で汚染されていることが判明した。これらの地区はすべてガンジス川やガンダク川 などの大河の近くに位置している。[ 18 ] [ 19 ]
インドの西ベンガル州では、水は主に河川、井戸、池から供給されています。これらは赤痢、腸チフス、コレラ、肝炎などの伝染病に汚染されている可能性があります。1970年代以降、インドの非政府組織は、病気に汚染されていない飲料水を提供するために井戸を掘ることに重点を置いてきましたが、一部の人々をヒ素で汚染された地下水にさらすという予期せぬ副作用が生じました。[ 20 ] [ 21 ] [ 19 ]
ネパールはヒ素汚染という深刻な問題に直面している。この問題はテライ地方で最も深刻で、特にナワルパラシ郡付近では浅井戸の26%がWHO基準の10ppbを満たしていない。国際協力機構と環境省がカトマンズ盆地で行った調査では、深井戸の72%がWHO基準を満たしておらず、12%がネパール基準の50ppbを満たしていないことが示された。[ 22 ]
検査した1200のサンプルのうち66%がWHO推奨限度を超えるヒ素を含んでおり、6000万人以上の住民を脅かしている。5000万～6000万人の住民が1リットルあたり50マイクログラムを超えるヒ素濃度の水を摂取しており、これは世界的に許容レベルをはるかに超えている。[ 23 ]
ヒ素の飲料水基準は、もともと1942年に米国公衆衛生局によって0.05 mg/L（ 50 ppbに相当）と定められました。1974年の安全飲料水法（SDWA）の成立後、環境保護庁（EPA）は公共水道における汚染物質の最大許容濃度（MCL）を設定する権限を与えられました。1996年、議会はSDWAを改正し、水道設備の改善のための融資を提供する飲料水州回転基金を創設し、EPAの義務付け権限を強化しました。この改正により、新たなMCLの導入コストが健康上の利益を上回るかどうかを判断するための「コストと便益のルール」が設けられました。新たなMCLを設定するコストと便益を最大化するために、EPAは、より安価であるという理由で、MCL基準を完全に満たさない技術を代替として認めるようになりました。
EPA は 1980 年代後半から 1990 年代にかけて、ヒ素の最大許容濃度 (MCL) を引き下げることのメリットとデメリットを何年も研究しました。2001 年 1 月まで何も対策は講じられず、クリントン 政権は任期末の数週間で、2006 年 1 月に発効する0.01 mg/L (10 ppb) という新しい基準を公布しました。[ 24 ]ブッシュ政権は深夜の規制を一時停止しましたが、数か月の研究の後、新しい EPA 長官のクリスティン・トッド・ホイットマンは、新しい 10 ppb のヒ素基準と、その当初の発効日である 2006 年 1 月を承認しました。[ 25 ]多くの場所でこの制限を超えています。[ 26 ] 2017 年のLancet Public Health の研究では、この規則変更により癌による死亡が減少したことがわかりました。[ 27 ] [ 28 ]
米国各地の多くの公共水道システムは、旧基準のヒ素濃度50ppbを満たしていたものの、新基準の10ppb MCLを超える地下水から水を得ていた。これらの水道事業者は、代替水源または水からヒ素を除去するための安価な処理方法を模索した。アリゾナ州では、推定35%の給水井戸が新規制に適合しなくなり、カリフォルニア州ではその割合は38%であった。[ 29 ]
適切なヒ素の最大許容濃度（MCL）については議論が続いている。10 ppbの連邦基準は依然として高すぎると主張する人もいれば、10 ppbは不必要に厳しすぎると主張する人もいる。各州はより低いヒ素の許容濃度を設定することができ、ニュージャージー州はそうして、飲料水中のヒ素の最大許容濃度を0.005 mg/L（5 ppb）に設定した。[ 30 ]
アパラチア山脈の私有井戸の調査では、井戸の6％でヒ素濃度が米国MCLの0.010 mg/Lを超えていることが判明した。[ 31 ]
ネバダ州ファロンでは、 地下水のヒ素濃度が比較的高い（0.08 mg/Lを超える）ことが以前から知られています。 [ 32 ]アリゾナ州のベルデ川のような一部の地表水でも、特に河川流量が地下水流出によって支配される低流量期には、ヒ素濃度が0.01 mg/Lを超えることがあります。 [ 33 ]
ミシガン州南東部の隣接する6郡で実施された研究では、中程度のヒ素濃度と23の疾患結果との関係が調査されました。疾患結果には、数種類の癌、循環器系および呼吸器系の疾患、糖尿病、腎臓および肝臓の疾患が含まれていました。循環器系のすべての疾患で死亡率の上昇が観察されました。研究者らは、研究結果を再現する必要性を認めました。[ 34 ]
また、妊娠中のヒ素曝露は、乳児死亡、癌、心臓発作、腎不全、肺合併症、および子供の知能、記憶、認知発達の低下につながる可能性があることも、さまざまな研究で示されています。[ 3 ]
清潔な飲料水へのアクセスは、政治的、社会経済的、文化的な不平等に満ちています。実際には、多くの水処理戦略はより大きな問題に対する一時的な解決策に過ぎず、科学的な問題に対処する一方で社会的な問題を長引かせることがよくあります。[ 35 ]科学的研究は、水浄化には学際的なアプローチが特に重要であり、長期的な改善には厳密な科学的アプローチよりも広い視野が必要であることを示しています。[ 36 ]
パキスタンの地下水からヒ素を除去する方法のレビューでは、技術的に実行可能で安価な方法が最も多くまとめられています。[ 37 ]小規模な処理のほとんどは、配水場所を出た後の水に焦点を当てており、そのため、迅速で一時的な解決策に重点を置いています。
よりシンプルで安価なヒ素除去方法として、ソノヒ素フィルターと呼ばれるものがあり、鋳鉄の削り屑と砂を最初のピッチャーに、木質活性炭と砂を2番目のピッチャーに入れた3つのピッチャーを使用します。[ 38 ]プラスチック製のバケツもフィルター容器として使用できます。[ 39 ]これらのシステムは何千台も使用されており、従来のヒ素除去プラントに内在する有害廃棄物処理の問題を回避しながら何年も使用できるとされています。このフィルターは斬新ではありますが、NSF、ANSI、WQAなどの衛生基準による認証を受けておらず、他の鉄除去プロセスと同様に有害廃棄物処理を回避するものではありません。
米国では、小型の「シンク下」ユニットが飲料水からヒ素を除去するために使用されています。この方法は「使用地点」処理と呼ばれています。最も一般的な家庭用処理方法は、吸着（Bayoxide E33、GFH、活性アルミナ、二酸化チタンなどの媒体を使用）[ 40 ]または逆浸透の技術を使用しています。 イオン交換と活性アルミナも検討されていますが、一般的には使用されていません。
チャフベースのフィルターは、水のヒ素含有量を3 μg/L (3 ppb)まで低減することが報告されている。これは、地下帯水層から汲み上げた水をろ過して飲料水が供給されている地域では特に重要である。[ 41 ]
鉄電気凝集（Fe-EC）では、電気を用いて鉄を絶えず溶解し、生成された水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、および酸化物がヒ素に容易に吸着する吸着剤を形成します。このプロセスの電流密度、つまり水1リットルあたりに供給される電荷の量は、ヒ素の除去率を最大化するためにしばしば調整されます。[ 42 ]この処理戦略は主にバングラデシュで使用されており、[ 43 ]非常に成功していることが証明されています。実際、水中のヒ素を除去するために鉄電気凝集を使用することは、最も効果的な処理オプションであることが証明されています。[ 44 ]
米国など一部の地域では、水道事業者が住宅に供給するすべての水は、基本的な（健康に基づく）飲料水基準を満たさなければなりません。規制によっては、水道水からヒ素を除去するための大規模な処理システムが義務付けられている場合があります。いずれの方法も、その有効性は特定の水道水の化学組成によって異なります。ヒ素の水溶液中での化学反応は複雑であり、特定の処理方法で達成できる除去率に影響を与える可能性があります。
複数の水源井戸を持つ大規模な水道事業者は、ヒ素濃度が高い井戸を閉鎖し、ヒ素基準を満たす井戸や地表水源からのみ取水することができる。しかし、井戸が数本しかない小規模な水道事業者などは、ヒ素基準を満たす水源を全く持っていない可能性がある。
凝集/ろ過（凝集とも呼ばれる）は、鉄凝集剤を用いた共沈と吸着によってヒ素を除去します。ミョウバンを用いた凝集/ろ過は、すでに一部の水道事業体で浮遊固形物の除去に使用されており、ヒ素を除去するように調整することができます。[ 45 ]
酸化鉄吸着法では、酸化鉄を含む粒状媒体を通して水をろ過します。酸化鉄はヒ素などの溶解金属を吸着する親和性が高い物質です。酸化鉄媒体は最終的に飽和状態になるため、交換する必要があります。ここでも、汚泥の処理が問題となります。
活性アルミナは、ヒ素を効果的に除去する吸着剤です。インドとバングラデシュの浅井戸に接続された活性アルミナカラムは、数十年にわたり地下水からAs(III)とAs(V)の両方を除去してきました。カラムの長期的な性能は、運営と維持管理の資金を賄うために地域水道税を徴収する地域住民が選出した水道委員会の努力によって可能になりました。 [ 46 ]また、望ましくないほど高濃度のフッ化物を除去するためにも使用されています。
イオン交換は、一般的には一世帯単位ではあるものの、長年にわたり軟水化処理として利用されてきた。従来の陰イオン交換樹脂は、As(V)の除去には効果的であるが、正味電荷を持たないAs(III)や三酸化ヒ素の除去には効果がない。ヒ素を効果的に長期的にイオン交換除去するには、カラムのメンテナンスを行う訓練を受けたオペレーターが必要となる。
逆浸透法と電気透析法（電気透析反転法とも呼ばれる）はいずれも、正味のイオン電荷を持つヒ素を除去することができる。（なお、地下水中によく見られるヒ素の形態である酸化ヒ素（ As₂O₃ ）は溶解性があるが、正味の電荷を持たない。）現在、一部の水道事業者は、総溶解固形物を減らし、味を改善するために、これらの方法のいずれかを使用している。どちらの方法にも共通する問題点は、塩水または濃縮液と呼ばれる高塩分廃水が発生することであり、これを適切に処理する必要がある。
地下ヒ素除去（SAR）技術SAR技術
地下ヒ素除去では、曝気された地下水を帯水層に再涵養することで酸化ゾーンが形成され、吸着プロセスによって土壌粒子上の鉄とヒ素を捕捉します。曝気された水によって形成された酸化ゾーンは、ヒ素を+3から+5の状態に酸化できるヒ素酸化微生物の活性を高めます（SAR技術）。鉄とヒ素化合物は帯水層自体で不活性化されるため、化学薬品は使用されず、運転段階で汚泥もほとんど発生しません。したがって、有害廃棄物の処理と将来的な流出のリスクが防止されます。また、浅層帯水層から水を汲み上げる長寿命の井戸と同様に、非常に長い運転寿命を有します。
世界銀行の資金援助を受け、バラクポールのラマクリシュナ・ヴィヴェカナンダ・ミッションと英国ベルファストのクイーンズ大学が建設した6つのSARプラントが西ベンガル州で稼働している。各プラントは、農村地域に毎日3,000リットル以上のヒ素と鉄分を含まない水を供給している。SAR技術に基づく最初のコミュニティ水処理プラントは、2004年にコルカタ近郊のカシムポールに、クイーンズ大学ベルファストのバスカー・セン・グプタが率いるヨーロッパとインドのエンジニアのチームによってTiPOTのために設置された。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]
SARテクノロジーは、2010年に英国化学工学会（IChemE UK）から化学イノベーション部門でディルバイ・アンバニ賞を受賞しました。また、SARは2010年にセント・アンドリュース環境賞も受賞しています。SARプロジェクトは、ブラックスミス・インスティテュート（ニューヨーク）とグリーンクロス（スイス）によって、2009年版「世界最悪の汚染地域レポート」における「浄化と成功事例12選」の1つに選ばれました（参照：www.worstpolluted.org）。
現在、米国、マレーシア、カンボジア、ベトナムでは大規模なSAR（合成開口レーダー）プラントが設置されている。
ナノ材料を使用すると、微生物を効果的に破壊し、ヒ素やフッ化物を吸着し、重金属を除去し、通常水中に存在する農薬を分解することが可能です。[ 51 ] [ 52 ] 研究者たちは、実験室で酸化鉄/水酸化鉄/オキシ水酸化鉄組成物を合成する新しい方法を検討し、それを水浄化に使用してきました。インド工科大学マドラス校が開発した、インドの言語でエリクサーを意味するAMRITと呼ばれる製品は、先進材料に基づいた手頃な価格の水浄化技術であり、研究論文[ 53 ] [ 54 ]や特許[ 55 ]で検証され、インドでの全国的な実施が承認されています。この技術は、特にヒ酸塩と亜ヒ酸塩（ヒ素汚染水に存在する2つの一般的な種）とフッ化物など、いくつかの陰イオンを水から除去できます。現在、この技術は毎日約100万人にヒ素を含まない水を提供しています。[ 56 ]
2008年、スイス水質研究所（Eawag）は、地下水中の地質由来の有害物質の危険度マップを作成する新しい方法を発表しました。[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]これは、どの井戸を検査すべきかを効率的に決定する方法を提供します。2016年、研究グループは、その知識を地下水評価プラットフォーム（GAP）で無料で公開しました。これにより、世界中の専門家が独自の測定データをアップロードし、視覚的に表示し、選択した地域の危険度マップを作成することができます。GAPはまた、水から有害物質を除去する方法のさらなる開発を可能にする知識共有フォーラムとしても機能します。
バングラデシュと英国の研究者らは、汚染された水が灌漑に使用されている地域では、食事からのヒ素摂取量が総摂取量に大きく加算されると主張している。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]
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