水質分析における一般的な指標

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1、有機化学指標 溶存酸素（Dissolved oxygen、略称DO）とは、水中に溶解している分子状の酸素（O2）のことで、略してDOと呼ばれます。水中の溶存酸素量は、大気圧、水温、塩分濃度などの要因に関連している。大気圧の低下、水温の上昇、塩分濃度の増加は、いずれも溶存酸素量の減少を引き起こす。 一般的に清潔な川では、溶存酸素濃度はその水温における飽和値に近くなります。しかし、藻類が大量に増殖すると、溶存酸素が過飽和状態になることがあります。また、水域が有機物や無機還元物質によって汚染されると、溶存酸素濃度が低下し、場合によってはゼロに近づくこともあります。このような状況では嫌気性細菌が活発に増殖し、水質が悪化します。水中の溶存酸素が3～4mg/L未満になると、多くの魚類は呼吸困難に陥り、窒息して死んでしまいます。溶存酸素は、水質汚染の状態を示す重要な指標の一つです。 化学的酸素要求量（Chemical oxygen demand、略称COD）とは、重クロム酸カリウム（K2Cr2O7）または過マンガン酸カリウム（KMnO4）を酸化剤として用い、水中の還元性物質を酸化する際に消費される酸化剤の量を指し、その値を酸素の量に換算したものである（単位はmg/L）。 水中の還元性物質には、有機物や亜硝酸塩、硫化物、亜鉄塩などの無機物が含まれる。化学的酸素要求量は、水中の還元性物質による汚染度を示しています。水域が有機物によって汚染されるのは非常に一般的な現象であるため、この指標も有機物の相対的含有量を示す総合的な指標の一つとして、水質に関する各種法令において管理項目として採用されている。 注：我が国が定めた環境水質基準（1988年）において、酸性重クロム酸カリウム法で測定されるCOD値を化学的酸素要求量（略称：CODCr）とし、過マンガン酸カリウム法で測定されるCOD値を過マンガン酸塩指数（略称：CODMn）としている。 過マンガン酸塩指数、消費酸素量（CODMn）過マンガン酸塩指数は、消費酸素量とも呼ばれ、水域中の有機物および無機物の酸化可能な物質による汚染を示す一般的な指標です。定義：一定の条件下で、過マンガン酸カリウムを用いて水試料中の特定の有機物および無機還元性物質を酸化し、消費された過マンガン酸カリウムの量から相当する酸素量を算出すること。それは、水中に懸濁しているか溶解している、過マンガン酸カリウムによって酸化されうる無機物および有機物の量を反映している。 過マンガン酸塩指数は、これまでの水質監視分析において、化学的酸素要求量とも呼ばれる過マンガン酸カリウム法でも用いられてきました。しかし、この方法では規定された条件の下で水中の有機物が部分的にしか酸化されないため、理論上の酸素要求量でもなく、水域内の総有機物含有量を示す指標でもない。したがって、化学的酸素要求量である重クロム酸カリウム法と区別するために、水質の指標として高マンガン酸塩指数という用語を用いる方が、より客観的な実情に合致している。 CODcrは一般的にCODMnの2倍から5倍であり、私たちが実際の業務で得たデータもほとんどこの範囲内にあります。生化酸素要求量（Biochemical oxygen demand、略してBOD）とは、溶存酸素が存在する状態下で、好気性微生物が水中の有機物を分解するための生化学的酸化過程で消費する溶存酸素の量のことです。同時に、硫化物や亜鉄などの還元性無機物の酸化に消費される酸素量も含まれるが、この部分は通常ごくわずかな割合を占める。 微生物の作用による有機物の好気的分解は、大まかに2つの段階に分かれる。 1) 炭素含有物の酸化段階では、主に炭素を含む有機物が二酸化炭素と水に酸化される。2) 硝化段階では、主に窒素を含む有機化合物が硝化菌の作用によって亜硝酸塩および硝酸塩に分解される。約5～7日後になって初めて顕著に進行する。したがって、現在一般的に用いられている20℃で5日間培養するBOD5法によるBOD値の測定では、通常、硝化段階は含まれない。 BODは、水体が有機物によって汚染されている度合いを表す総合的指標であり、廃水の生化学的分解性や生化学処理の効果、ならびに生化学処理廃水プロセスの設計や動力学研究においても重要なパラメータである。 総リン（Total Phosphorus、略称TP）は、水域の富栄養化を制御するための主要な指標です。水中で強い酸化剤によって酸化され、リン酸塩に変化する各種形態のリンの総量で計算する。リンは植物の成長に必要な栄養素であり、生命にとっても欠かせないものです。水中のリンが臨界濃度を超えると、水生植物の成長を促し、「アオコ」が発生して水体の富栄養化を引き起こします。 リンは、リンを含む化合物を含んだ廃水の排出、農地からの地表流出、畜産場など、いくつかの異なる経路を通って水域に入ります。近年、リンを含む洗剤やその他の生活用品に含まれるリン成分の使用により、リンの排出量も増加している。 アンモニア窒素（Ammonia nitrogen、略称NH3-N）とは、水中に存在するアンモニア窒素とは、遊離アンモニアNH3（非イオン性アンモニアとも呼ばれる）およびイオン性アンモニアNH4+の形で存在する窒素のことです。地表水においては、非イオン性アンモニアの測定がしばしば求められる。両者の組成比は水のpH値と温度によって決まり、pH値が高い場合は遊離アンモニアの割合が高くなり、逆に低い場合はアンモニウム塩の割合が高くなる。 水中のアンモニア態窒素は、主に生活排水中の窒素含有有機物が微生物によって分解されることで生じる生成物、コークス製造や合成アンモニアなどの工業廃水、そして農地からの排水などに由来する。アンモニア窒素濃度が高いと、魚類に毒性を及ぼし、人間にも程度の差はあれ有害です。 全窒素（Total Nitrogen、略称TN）とは、水中に存在するさまざまな形態の無機窒素および有機窒素の総量です。NO3-、NO2-、NH4+などの無機窒素や、タンパク質、アミノ酸、有機アミンなどの有機窒素を含み、1リットルの水に含まれる窒素のミリグラム数で表す。水体が栄養塩によってどの程度汚染されているかを示すためによく使われます。 水中の総窒素含有量は、水質を測る重要な指標の一つです。その測定は、水域の汚染状況や自己浄化の状態を評価するのに役立つ。地表水の窒素やリンが基準値を超えると、微生物が大量に増殖し、プランクトンが盛んに成長して富栄養化状態になる。 総有機炭素（Total Organic Carbon、略称TOC）とは、炭素の含有量によって水体内の有機物の総量を示す総合的な指標です。TOCの測定には燃焼法が用いられるため、有機物をすべて酸化することができ、BOD5やCODよりも有機物の総量をより正確に反映することができる。 総酸素要求量（Total Oxygen Demand、略称TOD）とは、水中の有機物が燃焼する際に酸化に必要な酸素量のことで、その値はO2のmg/Lで表されます。TODは、ほぼ全ての有機物が燃焼してCO2、H2O、NO、SO2…になるために必要な酸素量のみを反映するに過ぎない。それはBODやCODよりも理論的酸素要求量の値に近い。 2. 無機化学指標　硬度（hardness）　硬度は元来、水中で石鹸が泡立つ程度を表すものでしたが、現在では化学的に水中のCa・Mgイオン含有量を、それに相当するCaCO3の量に換算して硬度値を算出し、mg/Lで表します。硬度には、総硬度、カルシウム硬度、マグネシウム硬度、炭酸塩硬度（一時硬度）、非炭酸塩硬度（永久硬度）などの表し方があります。 pH値とは、水中の酸性度やアルカリ性の強さを表す値です。これは、溶液中の水素イオンの活量の負の対数で表されます： pH = -lgαH+ pH値は水の最も基本的な特性を示しており、水体中の弱酸や弱アルカリの解離度を調節したり、塩化物、アンモニア、硫化水素などの毒性を低減させたり、底泥中の重金属が溶出するのを防ぐ役割を果たします。水質の変化、生物の繁殖の増減、腐食性、水処理効果などに影響を与え、水質を評価するための重要なパラメーターです。天然水のpH値はほとんどが6～9の範囲にあり、飲料水は6.5～8.5の間です。また、金属製の機器や配管が腐食するのを防ぐため、一部の工業用水ではpH値を7.0～8.5の間に保つ必要があります。 導電率（conductivity）水の導電率は、含まれている無機酸、アルカリ、塩の量と一定の関係があります。この指標は、水中のイオンの総濃度や塩分含有量を推定するためによく用いられます。異なる種類の水には、それぞれ異なる導電率があります。 酸化還元電位（Oxidation reduction potential）とは、水中のさまざまな酸化剤と還元剤が酸化還元反応を起こすことによって生じる総合的な値です。この指標は、ある種の酸化物や還元物質の濃度を示すものではありませんが、水域の電気化学的特徴を理解し、水域の性質を分析するのに役立つ、総合的な指標です。水体の酸化還元電位は現場で測定しなければならない。 3、物理的性質の指標　濁度（Turbidity）濁度とは、水中の懸濁物が光の透過を妨げる程度を示すものです。水中に泥砂、粘土、有機物、無機物、プランクトン、微生物などの懸濁物質が含まれると、光の散乱や吸収を引き起こし、濁度が高くなる。水の濁度の大きさは、水中に含まれる粒子の量だけでなく、その粒子の大きさや形状、そして粒子表面の光散乱特性とも密接に関係している。濁度の高低だけでは一般的に水質の汚染度を直接示すことはできませんが、濁度が上昇すると水質が悪化していることを意味します。 透明度（Transparency）とは、水の澄んでいる度合いを指し、清らかな水は透明です。透明度は濁度とは逆で、水中の懸濁物やコロイド粒子が多ければ多いほど、その透明度は低くなる。透明度を測定する方法には、活字法、セージ盤法、十字法などがある。 懸濁物質（Suspended solids、略称SS）とは、水中の固体汚染物質が主に懸濁状態、コロイド状態、および溶解状態で水域内に存在するものです。懸濁状態の固体汚染物は通常、懸濁物と呼ばれ、不純物や泥砂などの無機物、動植物の死骸によって生じる有機物、そしてプランクトンを指す。固体懸濁物は、水域の外観を悪化させ、濁度を上昇させ、水の色を変えてしまいます。懸濁物が川底に堆積し、河道を埋め尽くすことで、水中に生息する生物の繁殖を妨げ、漁業生産に悪影響を与える。また、灌漑用の農地に堆積すると、土壌の毛細管を塞ぎ、透水性を低下させて土壌が固まり、作物の生育に不利となる。 4、一般的な金属の指標　カドミウム（Cadmium）(Cd) カドミウムの融点は320.9℃、沸点は765℃で、延性に優れ柔らかい金属であり、希薄な酸に溶ける。カドミウムは毒性が非常に強く、人体の肝臓や腎臓などの組織に蓄積し、さまざまな臓器組織の損傷を引き起こします。特に腎臓へのダメージが顕著であり、骨粗鬆症や骨軟化症を引き起こし、痛風を誘発することもあります。 ほとんどの淡水におけるカドミウム濃度は1μg/L未満であり、自然界ではカドミウムは主に硫化カドミウム鉱として存在し、しばしば亜鉛、鉛、銅、マンガンなどの鉱石と共存している。そのため、これらの金属精錬工程では大量のカドミウムが排出される。また、電気めっき、染料、電池、化学工業などから排出される廃水も、カドミウムの主要な汚染源です。 クロム（六価）（Chromium）（Cr6+）は光沢のある銀白色の固体金属で、耐食性と耐熱性に優れており、人体にとって必要な微量元素の一つです。クロム化合物の一般的な価数は三価と六価です。クロムの毒性はその存在する価数に関連しており、金属クロムは無害だが、六価クロムは強い毒性を持ち、発がん性物質であり、人体に容易に吸収されて体内に蓄積される。通常、六価クロムの毒性は三価クロムの100倍と考えられている。三価クロムと六価クロムの化合物は互いに変換することができる。クロムの工業的な汚染源は、主にクロム鉱石の加工、金属表面処理、皮革のなめし、染色、写真材料などの産業から出る廃水です。クロムは水質汚染制御の重要な指標です。 銅（Copper）（元素記号：Cu）は延性があり、加工しやすく、熱と電気の優れた伝導体です。銅は人体に不可欠な微量要素であり、銅が不足すると貧血や下痢などの症状が現れます。しかし、銅を過剰に摂取しても害があります。銅は水生生物にとって有害性が高く、カキは銅イオンで汚染された水中で体内に多量の銅を蓄積する。日本の延岡湾や台湾の二仁渓では、緑色のカキが発生した事例がある。銅の水生生物に対する毒性はその形態に関連しており、遊離銅イオンの毒性は錯体状態の銅よりもはるかに大きい。銅の主な汚染源は、メッキ、製錬、金物加工、鉱山採掘、石油化学、化学工業などの分野から排出される廃水です。 鉄（Iron）（元素記号：Fe）は、天然の水域に含まれる微量元素の一つであり、その含有量は地域の地質状況や、水域内の他の化学成分によって決まります。二価および三価の鉄イオンは、水環境における鉄の基本的な形態です。二価鉄は、溶存酸素が不足している水域や、嫌気性の底層を持つ層状の湖の深部に存在します。水中の溶存酸素が増加したり、酸化剤に触れると、二価鉄は急速に三価鉄イオンに酸化され、水酸化鉄の形で、あるいは他の陰イオンと共に海底の堆積物中に沈降します。三価鉄の酸化物は実際には不溶性です。底泥に硫化水素が含まれている場合、それぞれ硫化亜鉄が生成され、その結果黒色の無機物ができる。 鉄は植物や動物にとって欠かせない微量元素であり、一部の水域では藻類や他の植物の成長を制限する要因となる可能性がある。また、脊椎動物や一部の無脊椎動物の血液においては、鉄は非常に重要な酸素運搬因子である。 鉄は人体の健康に毒性のある影響を与えず、水の利用にのみ影響を及ぼします。鉄は水の味に明らかな影響を与え、さらに洗濯物を汚してしまいます。 亜鉛（Zinc）(Zn) 亜鉛は日常生活で広く利用されている金属で、融点は419.5℃で、酸や濃アルカリに溶けます。通常、他の金属の硫化物、特に鉛、銅、カドミウム、鉄の硫化物と結合している。亜鉛は人体にとって不可欠な要素ですが、魚類やその他の水生生物には大きな影響を与えます。魚類にとっての安全な亜鉛濃度は約0.1mg/Lです。また、亜鉛は水域の自己浄化過程をある程度抑制する作用がある。その主な汚染源は、電気めっき、冶金、顔料、化学工業などの分野からの排出水です。 セレン（Selenium）(Se)は水中において、セレン元素は亜セレン酸塩またはセレン酸塩の形で存在し、水体の天然なセレン濃度は土壌のセレン含有量と正比例する。セレンは人体に必要な元素ですが、過剰に摂取すると中毒症状を引き起こすこともあります。金属セレンの毒性は低く、二価セレンの毒性は非常に高い。通常は腸から吸収され、肝臓や腎臓に蓄積する。その汚染源は、主に鉱山業、金属製錬、セレン製品工場などから排出される廃水です。 重金属（Heavy metals）は、化学的に金属の密度に基づいて重金属と軽金属に分類され、通常、密度が4.5g/cm3を超える金属を重金属と呼びます。例えば、金、銀、銅、鉛、亜鉛、ニッケル、コバルト、クロム、水銀、カドミウムなど、約45種類です。 水域中の重金属元素には、人体の健康に不可欠な必須元素や微量元素もあれば、水銀、カドミウム、クロム、鉛、銅、亜鉛、ニッケル、バリウム、バナジウム、ヒ素など、人体の健康に有害なものもあります。汚染された地表水や工業廃水において、有害な金属化合物の含有量はしばしば著しく増加する。有害金属が人体に侵入すると、特定の酵素の活性が失われ、さまざまな程度の中毒症状が現れます。その毒性の強さは、金属の種類、物理化学的性質、濃度、および存在する価数や形態に関連している。例えば、水銀、カドミウム、六価クロム、鉛、およびそれらの化合物は、人体の健康に長期的な影響を与える有害な金属です。水銀、鉛、ヒ素などの金属の有機化合物は、対応する無機化合物よりもはるかに毒性が強いです。溶解性のある金属は、粒子状の金属よりも毒性が高く、六価クロムは三価クロムよりも毒性が強いといった具合です。