廃水の水質指標

廃水の水質指標は、廃水の処分、処理、再利用の適性を評価するための実験室試験方法です。下水の強度や品質、処理オプションを評価するために測定される下水の主なパラメータには、固形物、有機物の指標、窒素、リン、糞便汚染の指標などがあります。 ^[1]^：33選択される試験は、使用目的や排出場所によって異なります。試験では、廃水の物理的、化学的、生物学的特性を測定できます。物理的特性には、温度や固形物が含まれます。化学的特性には、pH値、溶存酸素濃度、生化学的酸素要求量（BOD）および化学的酸素要求量（COD）、窒素、リン、塩素が含まれます。生物学的特性は、バイオアッセイおよび水生毒性試験で決定されます。

BOD と COD の両テストは、廃棄物汚染物質の相対的な酸素減少効果を測定するものです。どちらも汚染効果の測定方法として広く採用されています。好気性の自然水路または産業廃水に存在する酸化可能な物質は、生化学的(細菌) または化学的プロセスの両方によって酸化されます。その結果、水中の酸素含有量が減少します。

身体的特徴

温度

水生生物は特定の温度範囲外では生存できません。灌漑用水の流出や発電所の水冷により、一部の種にとって許容範囲を超える温度になることがあります。また、温度上昇により藻類が大量発生し、酸素レベルが低下することもあります。（熱汚染を参照）。温度は校正された温度計で測定できます。^[2]^{: 125–126}

固体

廃水中の固形物は溶解、懸濁、沈殿する。総溶解固形物またはTDS（濾過性残留物と呼ばれることもある）は、測定された量の濾過水を蒸発させたときに残る残留物の質量として測定される。フィルター上に残る乾燥固形物の質量は、総懸濁固形物（TSS）または非濾過性残留物と呼ばれる。沈殿性固形物は、水が1時間沈殿した後にイムホフコーンの底に蓄積された目に見える量として測定される。^[2]^：89–98 濁度は、水中の浮遊物質の光散乱能力の尺度である。^[2]^：131–137 塩分は、溶解物質によって引き起こされる水の密度または導電率の変化を測定する。^[2]^：99–100

化学的特性

事実上あらゆる化学物質が水中に存在する可能性がありますが、日常的な検査は、通常、独特の重要性を持つ少数の化学元素に限定されています。

pH値

水は水素イオン（H ₃ O ⁺）カチオンとヒドロキシルイオン（OH ⁻）アニオンにイオン化する。イオン化した水素（プロトン化水）の濃度はpHで表される。^[2]^{: 406–407}

酸素と酸素需要

溶存酸素濃度

ほとんどの水生生息地には、生存するために一定の最低溶存酸素濃度を必要とする魚類やその他の動物が生息しています。溶存酸素濃度は廃水中で直接測定できますが、廃水中の他の化学物質が潜在的に必要とする酸素の量は酸素要求量と呼ばれます。廃水中の溶解または浮遊する酸化可能な有機物は、食料源として使用されます。細かく分割された物質は微生物に容易に利用可能であり、微生物の個体数は利用可能な食料の量を消化するために増加します。この食物の消化には酸素が必要なので、水中の酸素含有量は最終的に溶解または浮遊する食物を消化するために必要な量だけ減少します。酸素利用率が大気中の酸素による置換を上回る場合、酸素濃度は水生動物が必要とする最低値を下回ることがあります。^[3]

基本的に、生化学的酸化の反応は次のように記述されます。

酸化物質 + 細菌 + 栄養素 + O ₂ → CO ₂ + H _{2 O +}NOなどの酸化無機物⁻
₃またはSO²⁻⁴
_...

硫化物や亜硝酸塩などの化学物質を還元することによる酸素の消費は、次のように代表されます。

S ²⁻ + 2 O ₂ → SO²⁻⁴
_...

いいえ⁻
₂+ 1 ⁄ 2 O ₂ → NO⁻
₃

生化学的酸素要求量と化学的酸素要求量

すべての天然水路にはバクテリアと栄養素が含まれているため、そのような水路に流入したほぼすべての廃棄物化合物は、生化学反応を引き起こします (上記のような)。これらの生化学反応によって、実験室で BOD として測定される値が生成されます。

酸化可能な化学物質（還元化学物質など）を天然水に導入すると、同様に化学反応（上記のような）が起こります。これらの化学反応によって、実験室で COD として測定される物質が生成されます。

BOD 試験と COD 試験はどちらも、廃棄物汚染物質の相対的な酸素減少効果を測定するものです。どちらも汚染効果の測定方法として広く採用されています。BOD 試験は生分解性汚染物質の酸素需要を測定しますが、COD 試験は酸化性汚染物質の酸素需要を測定します。

いわゆる 5 日間 BOD は、5 日間の期間に廃棄汚染物質の生化学的酸化によって消費される酸素の量を測定します。生化学反応が完了するまでに消費される酸素の総量は、「最終 BOD」と呼ばれます。最終 BOD は非常に時間がかかるため、5 日間 BOD は相対的な汚染影響の尺度としてほぼ普遍的に採用されています。

COD テストにはさまざまな種類がありますが、4 時間 COD がおそらく最も一般的なものでしょう。

5 日間の BOD と最終 BOD の間には一般的な相関関係はありません。同様に、BOD と COD の間にも一般的な相関関係はありません。特定の廃水流中の特定の廃棄物汚染物質についてこのような相関関係を構築することは可能ですが、このような相関関係を他の廃棄物汚染物質や廃水流に使用するために一般化することはできません。これは、廃水流の組成が異なるためです。たとえば、菓子工場から排出される単糖溶液からなる排水には、非常に急速に分解する有機成分が含まれている可能性があります。このような場合、5 日後には有機物質はほとんど残らないため、5 日間の BOD と最終 BOD は非常に類似したものになります。ただし、大規模な工業地帯に排水処理施設を供給する下水処理場の最終排水では、最終 BOD が 5 日間の BOD よりもはるかに高くなる可能性があります。これは、容易に分解される物質の多くが下水処理プロセスで除去され、多くの工業プロセスで分解しにくい有機分子が排出されるためです。

上記の酸素要求量を決定するための実験室試験手順は、多くの標準テキストに詳しく記載されています。アメリカ版には「水と廃水の検査のための標準方法」があります。^[4]

好気性の自然水路または産業廃水に存在する酸化可能な物質は、生化学的（細菌的）または化学的プロセスの両方によって酸化され、その結果、水中の酸素含有量が減少します。

窒素

窒素は植物や動物の成長にとって重要な栄養素です。大気中の窒素は、アンモニアや硝酸塩の形で溶解した窒素よりも生物学的に利用可能性が低いです。溶解した窒素の利用可能性は藻類の大量発生に寄与する可能性があります。アンモニアと有機窒素は総ケルダール窒素として測定されることが多く、無機窒素の分析を行うことで総窒素含有量をより正確に推定することができます。^[2]^{: 406–407}

リン

総リンおよびリン酸、PO^{3−4 3−4} _{4 ...}

リン酸塩は、非点源と点源の両方から表層水に入ります。非点源 (NPS) 汚染は、拡散源からの水質汚染を指します。非点源汚染は、排出が単一の場所から水域に発生する点源汚染とは対照的です。リン酸塩の非点源には、岩石や鉱物の自然分解、雨水流出、農業汚染、浸食と堆積、大気沈着、動物/野生動物による直接流入などがあります。リンの点源には、都市下水処理場や産業排出者が含まれます。一般に、非点源汚染は、汚染の点源よりもかなり高いのが普通です。したがって、健全な管理の鍵は、点源と非点源の両方からのリン酸塩の流入を制限することです。水域のリン酸塩の高濃度は汚染の兆候であり、富栄養化の大きな原因です。^[5]

リン酸塩は、非常に高いレベルに存在しない限り、人や動物に対して有毒ではありません。リン酸塩のレベルが極端に高いと、消化器系の問題が発生する可能性があります。

総リンに関する以下の基準は、米国環境保護庁によって推奨されています。

貯水池に流れ込まない河川では0.1 mg/L以下
貯水池に流入する河川については0.05 mg/L以下、
貯水池の場合0.025 mg/L以下。^[6]

清潔な飲料水源ではリン濃度は通常低く（1 mg/L未満）、通常は規制されていない。^[7]^[8]

塩素

塩素は漂白剤、消毒剤、水冷却システムにおける生物付着防止剤として広く使用されている。残留する酸化次亜塩素酸および次亜塩素酸イオンの濃度は、消毒効果を推定するため、または水生生態系への排出の安全性を実証するために残留塩素として測定されることがある。^[2]^{: 309–315}

生物学的特徴

水質は、廃水中の水生試験種の生存率を他の水源の水と比較するバイオアッセイによって検査されることがある。^[2]^{: 685–689}また、廃水中の生物個体群のおおよその決定のために水を評価することもある。病原微生物は水を一つの宿主から別の宿主へと移動する手段として利用しており、下水中に存在する可能性がある。大腸菌群指数は、温血動物の腸内によく見られる生物の個体数を測定し、他の腸内病原体が存在する可能性の指標とする。^[2]^{: 875–877}

水生毒性試験は、毒物による水生生物への悪影響に関する定性的および定量的データを提供するために使用されます。試験の種類には、急性（短期暴露）、慢性（寿命）、および生物蓄積試験が含まれます。^[9]米国の多くの産業施設では、通常、特定の汚染物質の化学試験と組み合わせて、排水の「全排水毒性」（WET）試験を実施しています。^[10]

参照

参考文献

^ Von Sperling, M. (2007). 「廃水の特性、処理および処分」。Water Intelligence Online . 6 : 9781780402086. doi : 10.2166/9781780402086 . ISSN 1476-1777. テキストはこのソースからコピーされたもので、クリエイティブ・コモンズ・アトリビューション4.0国際ライセンスの下で利用可能です。
^ abcdefghi フランソン、メアリー・アン水と廃水の検査のための標準方法第14版（1975年）APHA、AWWA、WPCF ISBN 0-87553-078-8
^ ゴールドマン、チャールズ・R. & ホーン、アレクサンダー・J.陸水学(1983) マグロウヒルISBN 0-07-023651-8 p.111
^ イートン、アンドリュー・D.、グリーンバーグ、アーノルド・E.、ライス、ユージン・W.、クレセリ、レノア・S.、フランソン、メアリー・アン・H.、編（2005年）。水と廃水の検査のための標準方法（第21版）。アメリカ公衆衛生協会。ISBN 978-0-87553-047-5CD-ROM およびオンライン購読でもご利用いただけます。
^ MacCutheon et al., 1983 ^{[全文引用が必要]}
^ 米国EPA (1984) ^{[全文引用が必要]}
^ Nduka ら、2008
^ 世界保健機関 (1984) ^{[全文引用が必要]}
^ ランド、ゲイリー・M.編（1995年）。水生毒性学の基礎（第2版）。ロンドン：テイラー＆フランシス。ISBN 1-56032-091-5。
^ 「許可限度値 - 全排水毒性」。国家汚染物質排出削減システム (NPDES)。ワシントン D.C.: 米国環境保護庁 (EPA)。2021 年 10 月 11 日。

さらに読む

Tchobanoglous, M、Mannarino , FL、Stensel, HD (2003)。廃水工学（処理、廃棄、再利用）/ Metcalf & Eddy, Inc、第 4 版、McGraw-Hill Book Company。ISBN 0-07-041878-0

[Marcos-1] Von Sperling, M. (2007). 「廃水の特性、処理および処分」。Water Intelligence Online . 6 : 9781780402086. doi : 10.2166/9781780402086 . ISSN 1476-1777. テキストはこのソースからコピーされたもので、クリエイティブ・コモンズ・アトリビューション4.0国際ライセンスの下で利用可能です。

[Franson-2] フランソン、メアリー・アン水と廃水の検査のための標準方法第14版（1975年）APHA、AWWA、WPCF ISBN 0-87553-078-8

[3] ゴールドマン、チャールズ・R. & ホーン、アレクサンダー・J.陸水学(1983) マグロウヒルISBN 0-07-023651-8 p.111

[4] イートン、アンドリュー・D.、グリーンバーグ、アーノルド・E.、ライス、ユージン・W.、クレセリ、レノア・S.、フランソン、メアリー・アン・H.、編（2005年）。水と廃水の検査のための標準方法（第21版）。アメリカ公衆衛生協会。ISBN 978-0-87553-047-5CD-ROM およびオンライン購読でもご利用いただけます。

[5] MacCutheon et al., 1983 ^{[全文引用が必要]}

[6] 米国EPA (1984) ^{[全文引用が必要]}

[7] Nduka ら、2008

[8] 世界保健機関 (1984) ^{[全文引用が必要]}

[9] ランド、ゲイリー・M.編（1995年）。水生毒性学の基礎（第2版）。ロンドン：テイラー＆フランシス。ISBN 1-56032-091-5。

[WET-10] 「許可限度値 - 全排水毒性」。国家汚染物質排出削減システム (NPDES)。ワシントン D.C.: 米国環境保護庁 (EPA)。2021 年 10 月 11 日。