水質監視(管理)

 水質監視とは、ある決まった地点または装置において、水質を測定し記録する体制および方法のことである。同様の意味で水質管理という用語が使用されることがあるが、水質管理という場合は水処理操作を含めて指す場合が多い。
 水質監視に関する各種設備および技術は、水質汚濁対策として、各種水質浄化処理技術とともに研究開発されてきた。同時に、監視の基準となる各種法制度も整備されてきた。現在、水質監視にまつわる法律として代表的なものに、環境基本法水質汚濁防止法、上水道法、下水道法がある。
 水質監視が実施される対象は、大きく分けて、用水(使用前の水)、廃水(使用後の水)、公共用水域(湖沼、河川、海域など)の3つである。基準となる水質や実施すべき検査の頻度によって、必要とされる監視設備が異なる。
 図は、上水(水道水)に対して実施されている水質監視の例である。水道水は、水質の悪化が人々の健康被害に直結する可能性がある。そのため、上水処理および給水における水質監視は通常、水道原水、浄水場、給水栓の3箇所で実施される。取水場では、上流における水質汚染から、処理済の水道水を守るため、自動監視装置による24時間連続監視が実施されている。浄水場でも、取水場同様に24時間連続監視が実施されている。また、自動監視装置のほか、職員も24時間体制で勤務して監視を行う。職員による水質検査も実施されている。給水栓では毎日1回、色・濁り・残留塩素の検査が実施されているが、ここでもやはり、自動水質計測装置の導入が進んでいる。

図 広島市水道局における水質監視体制

図 広島市水道局における水質監視体制
出典:広島市水道局ウェブサイト「水質検査計画」
http://www.water.city.hiroshima.jp/quality/plan/

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1.背景

1)「水質監視」と「水質管理」の定義

 「水質監視」および「水質管理」という用語には統一的な定義は存在しないため、使用者によって意味が異なることがある。本解説項目では、様々な用法の中でも、広く定着しているものを採用することとし、以下のように定義して使い分けるものとする。

水質監視ある決まった地点または装置において、水質を測定し記録する体制および方法
水質管理ある決まった地点または装置において、そのままでは十分な水質を得られない水に対して適当な処置を行った後、水質監視を行う体制および方法
あるいは、水質監視の結果、水質が不十分だった際に処置を行う体制および方法
(参考)水質検査ある検体(サンプル)の水質を調べ、記録すること

 上水処理(ダム等の原水から水道水を精製する処理のこと)や下水処理の現場では水質管理が、河川では水質監視が実施されているといえる。

2)水質監視(管理)の経緯

 水質監視は、水質汚濁対策として、各種水質浄化処理技術とともに研究開発されてきた。産業の高度化とともに各地で問題となった公共用水域における水質汚濁に対して、昭和42年に公害対策基本法が制定された(平成5年に環境基本法へと改定)。同法によって、環境基準が定められ、それ以後全国の河川及び湖沼に対して類型(水域の用途別区分)が決定されていったのである。さらに、昭和45年には水質汚濁防止法が制定され、水質管理の際の基準となる排水基準が定められた。同年の環境白書(公害白書)の、「名古屋工業技術試験所において研究が行なわれてきた水質化学計測法と水質データ処理法は、愛知県が木曽川水質管理システムに採用する」という記述に代表されるように、各地で水質監視システムの導入が始まった。  当初、水質監視の対象は、工場排水及びそれが放流される河川が中心だった。その後、水道水の異臭味問題や、湖沼・閉鎖性海域の富栄養化、農業用水質の悪化が問題となり、次第に水道原水、農業用水、閉鎖性水域へと広がっていった。  各方面での水質監視の体制強化が進む中、平成元年版の環境白書では、公共用水域における水質常時監視体制構築に向けた各種施策が述べられている。具体的には、地方公共団体の水質自動監視測定機器の設置に対して助成を行うことなどである。(地方公共団体に対する助成は平成17年度で廃止されており、以降は、水質常時監視の的確化・効率化に資する具体的な評価手法や基準の在り方について検討されている。)  水質監視は、生活用水・工業用水・農業用水等の各種用水・原水の安全性を確認するために、また、下水処理場および各種工場における排水や、それらの流入する河川を対象として、良好な水環境を維持するために、各種水処理技術と並んで重要な技術である。

3)水質監視(管理)に関する法令・制度

 水質監視(管理)にまつわる法律のうち、特に重要なものとして、環境基本法水質汚濁防止法が挙げられる。前者は各種公共用水域の環境基準を、後者は事業所などからの排水基準を定めている。あわせて、水質監視の代表例の一つとして上水道および下水道の事例も紹介するので、その基準となる水道水質基準および、公共下水道への流入水の水質基準も掲載する。

(1)水質環境基準(環境基本法)
 水質環境基準には、人の健康の保護に関する基準(健康項目)と生活環境の保全に関する基準(生活環境項目)の2系統がある。
 健康項目は全国一律の基準で、カドミウム、鉛、六価クロムなど、26項目である。これらは人の健康の保護のために定められており、水質汚濁物質の中でも特に有害性が強いものであるため、水域の種類によらず一律である。
 一方、生活環境項目の基準値は、水域の利用目的に応じて異なる((2)類型あてはめ参照)。項目は、pH、BOD(Biological Oxygen Demand:生物化学的酸素消費量)、COD(Chemical Oxygen Demand:化学的酸素要求量)、TOC(Total Organic Carbon:全有機体炭素)、全窒素、全リン等、10項目である。これらは生活環境を保全する上で維持することが望ましいとされるものである。

(2)類型あてはめ(環境基本法)
 河川、湖沼、海域の各公共用水域には、類型(水道、水産、工業用水、農業用水、水浴などの利用目的の区分)別に基準値が定められている。水域類型の指定は、政令で定める特定の水域については環境大臣が行い、その他は都道府県知事が行うことになっている。環境基準があてはめられた水域を「あてはめ水域」という。

(3)公共下水道への流入水の水質基準(下水道法)
 前出の排水基準が公共水域へ排出する際の基準であるのに対して、これは下水道に排出する際の基準である。下水処理プロセスの大部分は微生物によるものなので、それらの微生物に悪影響を与える恐れのある物質(過剰な有機汚濁、重金属や塩素化エチレンなど)の混入を避け、一定の下水流入水質を保つ目的で定められている。

(4)水道水質基準(水道法)
 私たちが日常的に使用する水道水についての、蛇口をひねったときの水質基準である。
 現在の水道水質基準は、健康関連(一般細菌、ベンゼンなど)31項目と生活上支障関連(臭気、色、味など)20項目の、計51項目からなっている。この他に、水質管理目標設定項目という、評価値が暫定のものや、検出レベルは高くないものの水道水質管理上注意喚起すべき項目が設定されている(例.亜硝酸態窒素(暫定)、トルエンなど)。さらに、要検討項目として44項目を設定している(銀、バリウムなど)。これは、毒性評価が定まらないものや、浄水中存在量が不明なものなどであり、情報・知見を収集している。

(5)公共用水域への排水の水質基準(水質汚濁防止法)
 公共用水域への排水の水質基準とは、特定施設(水質汚濁防止法で定められている、排水が必要な施設(各種洗浄装置など))を設置する工場または事業場(特定事業場という)からの排出水が満たすべき基準のことである。水質環境基準とは異なり全国一律であるが、排出される水域の状況(例.閉鎖性海域に繋がる河川)によって、都道府県条例で上乗せ排水基準を設定できる。
 また、同法では、「カドミウムその他の人の健康に被害を生ずるおそれのある物質で政令で定めるもの」を「有害物質」としており、23項目がある。有機汚濁のような、生活環境を保全する上で維持することが望ましいとされる項目(一般項目)とは別に規定している。


2. 技術の概要

 水質監視(管理)が実施される対象は、用水(使用前の水)から廃水(使用後の水)、さらには公共用水域まで、様々である。そこで、これら3つの水(域)を対象とした水質監視(管理)の技術的内容および関連する装置等を紹介する。ここでは、用水の事例として上水処理および貯水池(ダム)を、廃水の事例として下水処理を、公共用水域の事例として河川を取り上げた。

1)用水における水質監視(管理):上水処理および貯水池の例

 上水(水道水)は、水質の悪化が人々の健康被害に直結する可能性があるため、水質監視体制は何重にもなっている。さらに、各種自動水質監視装置を導入することで、人に頼らず24時間体制での監視も可能になっている。
 図1は、広島市水道局における水質監視体制である。上水処理および給水における水質監視は通常、水道原水、浄水場、給水栓の3箇所で実施される。これは、水道水質基準の元となっている水道法の施行規則(厚生労働省)に、「採水場所としては給水栓水を基本」とし、「必要に応じて水源、配水池、浄水池等における水質についても検査することが望ましい」とあるのを反映している。

図1 広島市水道局における水質監視体制

図1 広島市水道局における水質監視体制
出典:広島市水道局ウェブサイト「水質検査計画」
http://www.water.city.hiroshima.jp/quality/plan/

 水道水は、ダム等の貯水池または河川から導水され、それを浄水場で処理した後、配水池へ送水され、各家庭へと給水される。ダムおよび取水場における水質監視の意義は、汚染された原水を処理・配水することで、それ以前に処理・配水済みの清浄な水への二次汚染を防ぐことにある。上流側において事故などで水が汚染された際(例.油汚染)は、取水を中止する等の処置がとられる。ダムにおける調査は、河川などの公共用水域同様に、定期調査が実施される。頻度は自治体によって様々だが、おおむね年に数回から月に1回程度の頻度である(頻度については、2.3)公共用水域における水質監視(管理)を参照)。一方、取水場では24時間連続監視が実施される。
 浄水場でも、取水場同様に24時間連続監視が実施されている。また、自動監視装置のほか、職員も24時間体制で勤務して監視を行う。職員による水質検査も実施されている。
 給水栓では毎日1回、色・濁り・残留塩素の検査が実施されている。残留塩素とは、浄水処理の最後で殺菌のために使用される塩素のうち、消費されずに残留しているもののことで、残留塩素が一定以上の濃度で残存していることによって、各種細菌や大腸菌に対しての水道水の安全性が確保されるため、特に重要な項目である。給水栓における検査には、自動水質計測装置の導入が進んでいる。

(1)自動水質監視装置
 取水場および浄水場で導入が進んでいる自動水質監視装置には、近年、生物を利用したものが増加してきている。これらの装置はバイオセンサと呼ばれるもので、水質悪化に対する生物(主に魚類・細菌類)の行動変化や呼吸状況の変化を感知して作動するしくみである。
 図2は、奈良県水道局の浄水場で設置している魚類水質監視装置のしくみである。水道原水を導いた水槽で魚を飼い、その挙動から水質異常の有無(異物の混入など)を感知する。魚の活動時(口をパクパクさせたりエラを動かしたり、泳いだりしているとき)に起こる電位を検出し、活動量の測定を行っている。この活動量が前もって決めた平常時の上限値を超えたとき、魚が毒物により異常な状態になったものと判断して予報(プリアラーム)を発信する(図2中段:下側のグラフは限界値を超えている)。さらに、活動量がゼロになった時、魚が死亡したと判断してアラームを発信する(図2下段:下側のグラフには何も反応がない)。この装置によって、24時間体制での監視が可能となる。
 図2の装置では、水質異常に対する反応がコイ、フナよりも敏感であることから、タナゴが監視用魚類として採用されている(図3)。他に、メダカを使う事例もある。

図2 魚類水質監視装置のしくみ

図2 魚類水質監視装置のしくみ
出典:奈良県水道局公式ホームページ「魚類水質監視装置」
http://www.pref.nara.jp/dd_aspx_menuid-7167.htm

図3 監視用魚類(タナゴ)

図3 監視用魚類(タナゴ)
出典:奈良県水道局公式ホームページ「魚類水質監視装置」
http://www.pref.nara.jp/dd_aspx_menuid-7167.htm

(2)自動水質計器
 前述したように、水道水の給水栓では、毎日1回、色・濁り・残留塩素の検査が必須である。加えて、水道を管轄する自治体によっては、独自に何項目かを追加で測定することもある。東京都水道局では、図4のような装置によって、残留塩素などを常時監視するとともに、定期的に精密検査を行い、水道水の安全性を何重にもチェックしている。
 なお、これらの装置において、各水質項目の測定は物理化学的な方法で実施されている。同装置で測定できる項目と測定方式を表1にまとめた。法律で定められた「色・濁り・残留塩素」以外の項目は、必要に応じて一部の給水栓で実施されている点に留意されたい。また、それぞれの測定方式の詳細は、「環境分析技術」の解説を参考にされたい。

図4 給水栓の自動水質計器

図4 給水栓の自動水質計器
出典:東京都水道局ウェブサイト「水質管理」
http://www.waterworks.metro.tokyo.jp/water/w_info/s_taisei.html

表1 自動水質計器で測定できる項目と測定方式
測定項目測定方式測定範囲
水温サーミスタ方式0~50℃
濁度透過光方式0~2/4度
色度透過光方式0~10/20度
pHガラス電極法2~12pH
残留塩素ポーラログラフ法※0~2mg/L
電気伝導率交流2極法0~50mS/m
水圧拡散半導体方式0~1MPa

出典:東亜ディーケーケー株式会社ウェブサイト
「水道水用水質自動測定装置 MWA4-30/70」を元に編集
http://www.toadkk.co.jp/product/proc/cw/a4.html

※電圧をかけたときに流れる電流の強さから、水中の遊離残留塩素濃度を推測する方法

2)排水の水質監視(管理):下水処理の例

 下水処理における水質監視の目的は、下水処理水による公共用水の水質汚濁を防ぐことにある。そのため、下水処理水の水質監視だけでなく、下水処理場へ流入する水質についても、下水処理水の水質に影響を与える可能性があるため管理が必要である。大量に下水道へと排水している特定事業場に対する水質監視体制が求められている。
 図5は、東京都下水道局が実施している広域監視のイメージである。ポンプ所(下水は基本的に自然流下によって流すが、必要に応じてポンプを用いて汲み上げる必要があり、そのための施設をいう)やマンホールなど、複数の事業場からの排水が集まる箇所で、手汲みや自動水質計測装置による水質監視を行っている。ある地点で異常があった際は、職員がその地点より上流にある事業場に対して排水の水質に注意するよう文書で連絡したり、流れをさかのぼって原因を調査したりする。

図5 下水道の広域監視のイメージ

図5 下水道の広域監視のイメージ
出典:東京都下水道局ウェブサイト「下水道の広域監視について」
http://www.gesui.metro.tokyo.jp/osigoto/kisei/10kansi.htm

 下水処理場からの放流水は、水質汚濁防止法によって排水基準を守るよう義務づけられている。そのため、流入水や放流水の水量・水質の変化、施設内の微生物(活性汚泥)の状況などを常に監視し、最も適した運転条件で処理を行うことで、良好な放流水質を保つ必要がある。水質の測定には、自動水質計器のほか、各種分析装置を利用した水質検査も実施されている。

3)公共用水域における水質監視(管理)

 公共用水域における水質監視は、水質汚濁防止法により、「道府県知事は、公共用水域及び地下水の水質の汚濁の状況を常時監視しなければならない」と規定されている。だが、ここでいう常時監視とは、一刻の切れ目もなく連続的に行うことまでを要求するものではなく、定期的に年に数回の頻度で水質検査を実施することをいう。また、常時監視のことを「モニタリング」ともいう。
 モニタリングの頻度は調査対象となる公共用水域の性質によって異なる。すなわち、水産を含む利水状況や汚濁源(休廃止鉱山、苦情の有無等を含む)の分布を考慮した上で、水質変動の激しい地点、環境基準未達成の地点、長年検出されていない項目が検出された地点、異常値が検出された地点、または、指定湖沼、特定の保全計画のある水域で、測定地点や頻度を増やすなどの重点的なモニタリングが実施されることが多い傾向にある。
 健康項目の調査頻度は、毎月1日以上実施し、それぞれ4回程度採水・分析することを原則としている。
 一方、生活環境項目は前述の重要地点および水域における水質の維持状況把握に必要な地点において、毎月1日以上実施し、それぞれ4回程度採水・分析することを原則としている。このうち、一日の水質変動が大きい地点では、年間2回程度、2時間間隔で13回の採水・分析することになっている。その他の地点では、年間4日以上の採水・分析が規定されている。
 したがって、公共用水域に対してのモニタリングでは、水質検査をするための採水が重要であり、それらの作業を効率化する装置が開発されている。

 ○サンプリング装置(採水器)
 サンプリング装置には様々な種類があるが、採水する箇所(水深)によって使用する装置を選ぶことが多い。図6は、バケツによる採水の様子である。表層水を調査する場合に、よく採用される方法である。

図6 球磨川横石(熊本県)における、バケツによる採水の様子 図6 球磨川横石(熊本県)における、バケツによる採水の様子

図6 球磨川横石(熊本県)における、バケツによる採水の様子
(左:橋の上からロープをつけたバケツを川に降ろしている様子 右:採水中のバケツを上から見た様子)
出典:ナショナルセンターウェブサイト「球磨川ステーション(横石地点)」
http://db.cger.nies.go.jp/gem/inter/GEMS/gems_jnet/station/kuma_site.html

 一方、表層ではなくある程度の深さで採水を行いたい場合に用いられる採水器のひとつに、GO-FLO採水器がある。図7は、同装置での採水の様子である。表層から装置を沈めていき、水深が約10mになると水圧で装置のバルブが回転して採水できるというしくみである。メッセンジャーという装置を併用することで、任意の深さでのサンプリングができる。

図7 摩周湖(北海道)における、GO-FLO採水器による採水の様子

図7 摩周湖(北海道)における、GO-FLO採水器による採水の様子
出典:ナショナルセンターウェブサイト「摩周湖ステーション」
http://db.cger.nies.go.jp/gem/inter/GEMS/gems_jnet/station/mashu_site.html

3.技術を取り巻く動向

 国立環境研究所では、第2期中期計画における中核プロジェクトとして東アジアの水・物質循環評価システムの開発が行われた。
 長江、黄河等東アジア地域の流域圏では、急速な経済発展に伴う水需要量や水質汚濁負荷の増大によって、水不足や水質悪化など、水に関する様々な問題が起こっている。これらの影響およびその対策技術・政策の適応性と効果を定量的に評価し、持続可能な水環境管理に向けた科学的基盤の確立が緊急の課題になっている。
 このプロジェクトの中の一つのテーマに、「流域圏における水・物質循環観測・評価システムの構築」がある。図8は、同テーマの全体像である。東アジアの流域圏における水・物質循環に関する情報データベースを作成し、他の気象・地形・土地被覆の条件の相互関係を考慮して、水・物質循環を評価できる統合型モデルを構築する。そして、利水事業、土地改変、人間生活の変化などが水環境へ及ぼす影響評価を行う。モデルの構築に当たっては、上に述べたような各種の分析装置による水質データが利用されている。

図8 中核プロジェクトⅡ 東アジアの水・物質循環評価システムの開発

図8 中核プロジェクトⅡ 東アジアの水・物質循環評価システムの開発
出典:国立環境研究所ウェブサイト
http://www-basin.nies.go.jp/project/wmcea/index.html
注) 南水北調:水資源の比較的豊富な中国南部の長江流域から、深刻な水不足に直面している北部へ水を導入する計画


引用・参考資料など

(2012年11月現在)