水処理工学（１） 水中の物質変化、水の汚れと富栄養化

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1 水処理工学（１） 水中の物質変化、水の汚れと富栄養化
水処理工学（１） 　 水中の物質変化、水の汚れと富栄養化 May0527

2 水中での物質の化学変化 1 水… 水分子のみから構成されている純水ではない 様々な物質や物体が溶け込んだり、混ざったりした状態で存在
　 水分子のみから構成されている純水ではない 　 様々な物質や物体が溶け込んだり、混ざったりした状態で存在 　　 大気中の成分が溶ける、岩石や土壌から成分が流出する 　　 自然的なものだけではなく、人間活動によっても起こる 　　 →水中に溶けた成分は、化学的／生物学的に変化していく 物質の化学変化… 　 化学反応によってある物質が、別の物質に変化する 　　なかでも酸化還元反応と化学平衡が重要である 酸化還元反応 　 狭義）酸素の結合と解離 　　酸素：電気陰性度が高い 　　　　　酸素原子は、被酸化物質に結合すると、物質の原子核の周りを回っている電子が、酸素原子に引き寄せられる 　　　　　 被酸化物質から電子が奪われる 　　　　　 ⇒だから、酸化反応は、「電子が奪われる反応」である

3 水中での物質の化学変化 2 K= 多くの化学反応は… 電子の授受を伴う酸化還元反応 例：水道水の消毒⇒塩素ガスによる殺菌
　 電子の授受を伴う酸化還元反応 　 例：水道水の消毒⇒塩素ガスによる殺菌 　　　 Cl2 + H2O → HOCl + HCl 　　　 塩素ガスは、水分子から電子を奪って次亜塩素酸や塩酸になる 　　　　Cl2（酸化数：±０） HOCl（酸化数：+１） HCl（酸化数：-１） 　　　　 この時に、塩素ガスは水分子によって還元されている：酸化剤 　　　　　　　　　 水分子は塩素ガスによって酸化されている：還元剤 化学平衡… 　 化学反応は絶えず起こっているが、その反応のバランスがとれており（反応速度が同じ速さになっている）、見掛け上、反応が止まっているように見える状態 　　　aA + bB ⇔ cC + dD 　 この時に [C] [D] [A] [B] c d a b K= Kを平衡定数という 反応速度に関する指標

4 水中での物質の生物学的変化 1 水中には様々な生物がいる… 同化：摂取した物質を生物にとって有用な物質に作り替える
　 同化：摂取した物質を生物にとって有用な物質に作り替える 　 異化：物質を代謝し、化学的に複雑な物質をより簡単な物質に分解する 　　同化や異化を通して、物質変化を促す 生物はエネルギーが必要… 　 生物はエネルギーを用いて細胞外の炭素を取り込み、新しい細胞を合成 　　→生きるためにエネルギー源と炭素源が必要 　　 細胞を合成するということは、細胞外にある物質を化学反応によって細胞構成物質に作り替える⇒酸化還元反応

5 水中での物質の生物学的変化 2 酸化還元反応 電子の授受ができる物質が必要 → 電子供与体（還元剤） 植物プランクトンの光化学反応…
　→ 電子供与体（還元剤） 植物プランクトンの光化学反応… 　 nCO2 + nH2O → (CH2O)n + nO2 　　H2O(O:酸化数-2) →O2(O:酸化数±0) 　　水が電子供与体になっている

6 水の汚れと富栄養化 1 自然水… どんなにきれいに見えても、純水ではない 水に不純物が混ざっている（水は、混合物である） 不純物量が増える
　 どんなにきれいに見えても、純水ではない 　 水に不純物が混ざっている（水は、混合物である） 　　 不純物量が増える 　　　それを利用するプランクトンやバクテリアが増殖 　　　 増殖により水が汚濁する（ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ/ﾊﾞｸﾃﾘｱは、有機物） 　　 　これを水質汚濁という（水質汚染とは言わない） 水質汚濁が進行すると… 　 好気性細菌（酸素がある状態で生息する）による好気分解が活発になる 　　その結果、溶存酸素（DO）が低下する 　　　　　　　　　　　　　　　　　（ヒドイ場合は、ゼロ）

7 水の汚れと富栄養化 2 DOが低下すると、 嫌気性細菌（酸素がない環境で生息する） 通性嫌気性菌（酸素の有り無しに関わらず生息する） これらによる嫌気分解が進む メタンガスや硫化水素が発生 →水中で生物が生きられない環境 溶存酸素をある一定以上に維持することが、非常に重要である 指標：生物学的酸素要求量（BOD） 溶存酸素を消費する物質量（有機物量）を把握し、水質の維持管理に役立てている

8 水の汚れと富栄養化 3 富栄養化（水質汚濁と関連深い現象）… 窒素やリン等の栄養塩類濃度が高くなり、 生物生産量が増加すること
　窒素やリン等の栄養塩類濃度が高くなり、　　　　　　　　生物生産量が増加すること 　　結果、透明度減少＆有機物量増加 　　 有機物の好気分解→嫌気分解→水質悪化 ⇒ 　　　　水質汚濁と関連深い 水中の生物生産… 　 植物プランクトンが担っている 　 光合成で増加（増殖）する 　 増殖するための栄養塩類の比：レッドフィールド比

9 水の汚れと富栄養化 4 水中の生物生産… 増殖するための栄養塩類の比：レッドフィールド比 C:N:P = 106:16:1
　 増殖するための栄養塩類の比：レッドフィールド比 　　C:N:P = 106:16:1 炭素源：大気からのCO2溶解、 有機物の微生物分解により十分供給 　 窒素＆リン：基本的に不足している状態が好ましい 　　　　　　　 過剰供給されると、植物プランクトンが爆発 的に増加 　　　 窒素＆リン濃度で富栄養化のレベルを評価

10 アオコ 赤潮 青潮 1 アオコ… シアノバクテリア（ラン藻）が大増殖して、水表面付近に集積する現象 水面に青い粉を散らしたように見えるから
アオコ　赤潮　青潮 1 アオコ… 　 シアノバクテリア（ラン藻）が大増殖して、水表面付近に集積する現象 　　水面に青い粉を散らしたように見えるから 　　 原因藻類：Microcystis属、Anabaena属 　　　※一部のシアノバクテリア 　 2-メチルイソボルネオール、ジオスミン等の　　　　　　ガビ集物質を生産

11 アオコ 赤潮 青潮 2 赤潮… 増殖したﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝが水表面に集積し、赤褐色に変色する現象
アオコ　赤潮　青潮 2 赤潮… 　増殖したﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝが水表面に集積し、赤褐色に変色する現象 　 海域：ラフィド藻（Chattonella属）、　　　　　　　　　渦鞭毛藻（Alexandrium属）、繊毛虫など 　　淡水域：渦鞭毛藻（Peridinium属）、　　　　　　　　　　黄色鞭毛藻（Uroglenopis属） 　赤潮が発生すると… 魚類の鰓にプランクトンが詰まり窒息死する 　　 赤潮生物が浜辺に打ち上げられて腐敗臭がする

12 アオコ 赤潮 青潮 3 青潮… 水面が青白色に着色する現象（東京湾などで実際に確認） 水域の底質が嫌気化すると
アオコ　赤潮　青潮 3 青潮… 水面が青白色に着色する現象（東京湾などで実際に確認） 　水域の底質が嫌気化すると 　 硫酸還元菌が働いて硫酸イオンが硫化水素に還元される 硫化水素を大量に含んだ水が水面まで上昇してくる 硫化水素と酸素が接触し、硫化水素が酸化されて硫黄に変化 　 硫黄は水に不溶性なので、微細な粒子となって水中を漂う 　　微細粒子が太陽光線の青色を反射する→青白く見える ※青潮は、プランクトンが原因ではない 　 底質の嫌気化は富栄養化の進展で起こる 　 　→青潮も富栄養化現象のひとつである