水の塩素消毒

水の塩素処理とは、塩素または次亜塩素酸ナトリウムなどの塩素化合物を水に加えるプロセスです。この方法は、水中の細菌、ウイルス、その他の微生物を殺菌するために使用されます。特に、塩素処理は、コレラ、赤痢、腸チフスなどの水系感染症の蔓延を防ぐために使用されます。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

1894年に発表された論文では、水を「無菌」にするために塩素を加えることが正式に提案された。他の2人の権威者もこの提案を支持し、1895年に他の多くの論文で発表した。^{[ 4 ]}浄水場での塩素処理の初期の試みは、1893年にドイツのハンブルクで行われた。1897年には、イギリスのメイドストーンの町が、水道水全体を塩素で処理した最初の町となった。^{[ 5 ] [ 6 ]}

恒久的な水の塩素消毒は、1905年にイギリスのリンカーンで欠陥のある緩速砂ろ過器と汚染された水源が原因で深刻な腸チフスの流行が発生したときに始まった。 ^{[ 7 ]}アレクサンダー・クルックシャンク・ヒューストンは、流行を止めるために水の塩素消毒を行った。彼の設備は、いわゆる「塩素化石灰」（次亜塩素酸カルシウム、水酸化カルシウム、塩化カルシウムの混合物）の濃縮溶液を処理対象の水に供給した。これは単に現代の塩化カルシウムではなく、石灰水（希釈水酸化カルシウム）に塩素ガスを溶かして次亜塩素酸カルシウム（塩素化石灰）を生成したものであった。水源の塩素消毒は流行を止めるのに役立ち、予防措置として、新しい水源が稼働する1911年まで塩素消毒が続けられた。^{[ 8 ]}

米国で初めて塩素を継続的に消毒に使用したのは、1908年にニュージャージー州ジャージーシティの水源となっていたブーントン貯水池（ロックアウェイ川沿い）であった。^{[ 9 ]}塩素処理は、0.2～0.35 ppmの濃度で塩化カルシウム（次亜塩素酸カルシウム）の希釈溶液を制御された量で添加することによって行われた。この処理プロセスはジョン・L・リーアルによって考案され、塩素処理プラントはジョージ・ウォーレン・フラーによって設計された。^{[ 10 ]}その後数年間で、塩化カルシウム（次亜塩素酸カルシウム）を用いた塩素消毒は、世界中の飲料水システムに急速に導入された。^{[ 11 ]}

圧縮液化塩素ガスを用いた飲料水の浄化技術は、 1903年にインド医療局の英国人将校ヴィンセント・B・ネスフィールドによって開発されました。彼自身の記述によると、「塩素ガスは、適切な使用方法が見つかれば満足できるかもしれないと考えた。次の重要な問題は、ガスを携帯可能にする方法だった。これは2つの方法で実現できる。1つは、ガスを液化し、鉛で内張りされた鉄製の容器に貯蔵し、非常に細い毛細管のある噴射口と、蛇口またはねじ込み式のキャップを取り付けることである。蛇口を開け、必要な量の水にシリンダーを入れる。塩素が泡立ち、10分から15分で水は完全に安全になる。この方法は、給水車などの大規模な用途に役立つだろう。」^{[ 12 ]}

陸軍医学校の化学教授であるカール・ロジャース・ダーナル少佐は、1910年にこの方法の最初の実演を行った。^{[ 13 ]}この研究は、今日の都市の浄水システムの基礎となった。ダーナルの実演の直後、陸軍医療部のウィリアム・J・L・リスター少佐は、リネンバッグに入れた次亜塩素酸カルシウム溶液を使用して水を処理した。

数十年にわたり、リスターの方法は、おなじみのリスターバッグ（Lister Bagとも綴られる）の形で、米軍の野戦および野営地における標準として用いられてきた。キャンバス製の「バッグ、水、殺菌」は、野戦炊事場の一般的な構成要素であり、100人に1つ支給され、標準容量は36ガロンで、野戦ではしばしば即席の三脚に吊り下げられていた。第一次世界大戦からベトナム戦争まで使用されてきたこの方法は、微細なフィルターを通して現地の水を加圧濾過して飲料水を生成する逆浸透システムに取って代わられた。大規模生産には逆浸透浄水装置（1980年）と戦術浄水システム（2007年）、小規模なニーズにはあらゆる水源から飲料水を生成する超濾過技術を備え、15分ごとに自動逆洗サイクルを使用して洗浄作業を簡素化する軽量浄水装置がある。

塩素ガスは、チャールズ・フレデリック・ウォレスが発明した「クロリネーター」と呼ばれる機械を使って、ペンシルベニア州フィラデルフィアのベルモント浄水場で初めて継続的に水源の消毒に使用されました。この機械は、1913年からウォレス＆ティアナン社によって製造されました。^{[ 14 ]} 1941年までに、米国の飲料水の消毒は塩素ガスによって、塩化石灰の使用にほぼ取って代わりました。^{[ 15 ] [ 16 ]}

塩素はハロゲンであるため、非常に効率的な消毒剤であり、公共の水道水に添加され、給水貯水槽、水道管の壁、貯水槽などで一般的に繁殖する細菌、ウイルス、原虫などの病原体を殺菌します。 ^{[ 17 ]}消毒方法が日常的に使用されるようになる前は、コレラ、腸チフス、赤痢などの多くの病気の微細な病原体によって毎年数え切れないほどの人が亡くなっていました。^{[ 17 ]}

塩素の大部分は、食塩（NaCl）を原料とするクロルア​​ルカリ法による電気分解によって製造される。得られた大気圧下のガスは高圧下で液化され、そのまま輸送・利用される。

塩素は強力な酸化剤として、有機分子の酸化によって殺菌作用を発揮します。^{[ 17 ]}塩素と加水分解生成物である次亜塩素酸は電荷を持たないため、負に帯電した病原体の表面に容易に浸透します。細胞壁を構成する脂質を分解し、細胞内酵素やタンパク質と反応して、それらを機能不全に陥らせます。その結果、微生物は死滅するか、増殖できなくなります。^{[ 18 ]}

塩素消毒は、状況によっては問題となることがあります。塩素は、水道水中に存在する天然の有機化合物と反応して、消毒副生成物（DBP）と呼ばれる化合物を生成することがあります。最も一般的なDBPは、トリハロメタン（THM）とハロ酢酸（HAA）です。トリハロメタンは、塩素消毒によって生成される主な消毒副生成物です。ブロモホルムは、高濃度では主に脳の通常の活動を遅くし、眠気や鎮静などの症状が現れます。ブロモホルムとジブロモクロロメタンの両方に慢性的に曝露すると、肝臓がんや腎臓が​​ん、心臓病、意識不明、または高濃度での死亡を引き起こす可能性があります。^{[ 20 ]}これらの化合物の潜在的な発がん性のため、先進国では飲料水規制により、都市水道システムの配水システムにおけるこれらの化合物の濃度を定期的に監視することが義務付けられています。世界保健機関は、「これらの副生成物による健康リスクは、不十分な消毒に伴うリスクに比べて極めて小さい」と述べています。^{[ 2 ]}

塩素に関しては、他にも懸念事項がある。例えば、揮発性が高いため水道水からすぐに消失してしまうことや、味や臭いといった問題が挙げられる。

脱塩素剤は、水から塩素またはクロラミンを除去する化学添加剤です。水道水が塩素処理されている場合、塩素は微生物を殺すのと同じように水生生物に害を及ぼす可能性があるため、水槽で使用する前に脱塩素処理する必要があります。塩素は魚を殺し^{[ 21 ]}、水槽の生物ろ過器に損傷を与えます^{[ 22 ]}。この機能を果たす化学物質は、塩素種を無害な塩化物に還元する還元剤です。

市販の脱塩素剤に使用される化合物には、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロキシメタンスルホン酸ナトリウム、ヒドロキシメタンスルフィン酸ナトリウムなどがあります。^{[ 23 ]}

• 飲料水の緊急消毒（米国環境保護庁）
• 国家汚染物質目録 - 塩素
• アメリカ化学評議会塩素化学部門