水の歴史、種類、現代の浄水処理プロセス
背景
水（H2O）は、地球上のほとんどの動植物の生命を支える不可欠な溶媒です。純粋な形では無味無臭で透明ですが、大量になるとわずかな青色を帯びます。幅広いミネラルや化学物質を溶解する性質があるため、天然水の多くには溶解性塩類、有機物、時にはバクテリアが含まれています。上水道は有害物質を除去するために処理され、高級ボトルウォーターはさらに精製されてほぼ純粋な状態になります。英語の「water」はドイツ語の「wasser」に由来し、さらに古い印欧語の語根で「濡らす、洗う」を意味する言葉に遡ります。
歴史
水の利用は少なくとも紀元前8000年まで遡り、エジプトとアジアの農民が洪水の水を灌漑用に貯留していました。最初の灌漑用水路は紀元前2000年頃にエジプトとペルーで現れ、紀元前1000年頃にはヨルダンのカラコ市が水道橋を建設しました。これは記録に残る最古の上水道システムです。初期の浄水方法は驚くほど高度でした。古代サンスクリット文献では、銅製容器での貯蔵、日光への曝露、木炭によるろ過が推奨されています。エジプトの碑文にも同様の習慣が記されています。ヒポクラテス（紀元前400年頃）は煮沸と布ろ過を提唱しました。しかし、19世紀に汚染が公衆衛生の危機となるまで、未処理の河川水や井戸水が一般的でした。
急速な工業化と人口増加により川が汚染され、コレラやチフスなどの水系感染症が蔓延しました。1800年、ウィリアム・クルックシャンクが微量の塩素が水系病原菌を殺菌することを実証。1890年代には緩速ろ過が感染症の発生率を大幅に低下させました。世論の圧力により、アメリカの都市は1900年代初頭までに浄水システムを導入しました。これらの進歩にもかかわらず、鉛、ヒ素、農薬などの工業汚染物質が水質を脅かし続け、1948年に最初の包括的な連邦規制である水質汚濁防止法が制定されました。その後の法整備はEPAの水質基準に結実し、多くの州がさらに厳しい基準を設けています。
水の種類
純粋な水は稀で、ほとんどの天然水には溶解性ミネラル、塩類、浮遊粒子が含まれます。分類は不純物のレベルによって決まります。
水道水
市町村の水道水は消毒、沈殿物除去、臭気除去の処理を受けます。水質向上のために追加の化学薬品が添加されることもあります。
硬水と軟水
硬水はカルシウムとマグネシウム塩を高濃度で含み、石鹸カスの原因となります。一時硬水（加熱時にスケールを形成する炭酸塩を含む）と永久硬水（安定した硫酸塩、塩化物、硝酸塩を含む）に分類されます。軟水はカルシウム/マグネシウムが少ないですが、「軟化水」とは化学的に塩類を除去した硬水を指し、多くの場合ナトリウム塩化物の含有量が高くなります。
ミネラルウォーター
溶解性ミネラルを豊富に含むミネラルウォーターは、主に5つのカテゴリーに分類されます：食塩水、アルカリ水、含鉄水、硫黄水、飲用水。食塩水はナトリウムまたはマグネシウムの硫酸塩や塩化物が高濃度；アルカリ水はpH7.2〜9.5；含鉄水は鉄分豊富；硫黄水は硫黄化合物を含み特有の卵の腐敗臭；飲用水はミネラル500ppm未満で、一般的に特殊飲料水としてボトリングされます。
炭酸水・ソーダ水・スパークリングウォーター
これらはCO2を含み、石灰岩層から自然に溶け込んだものや、圧力下で人工的に注入されたものがあります。
湧水と自噴水
これらは掘削やポンプなしで自然に地表に湧出する点で区別されますが、それ以外の性質は他の水源と同様です。
純水・蒸留水・脱イオン水
蒸留水は蒸発・凝縮によりほとんどの不純物を除去；脱イオン水はイオン交換で陽イオンと陰イオンを除去；純水はろ過、蒸留、脱イオン、逆浸透、UV殺菌を組み合わせ、実質的にすべてのミネラルと化学物質を排除します。
原材料
水分子は2つの水素原子と1つの酸素原子（H2O）で構成されます。H2O以外にも、天然水には多種多様な有機・無機物質が含まれます。
浄水場では消毒剤（塩素、クロラミン、オゾン）、凝集剤（硫酸アルミニウム、塩化第二鉄、有機ポリマー）、pH調整剤（苛性ソーダ、石灰）、歯科保健用のフッ素化合物が添加されることがあります。
浄水処理プロセス
処理工程は用途によって異なります。灌漑用水は未処理の場合もありますが、医薬品グレードの水は極限まで精製されます。以下は家庭・業務用の典型的な市町村水道の処理手順です。
取水
- 1 ほとんどの上水道は地下水と表面水を水源とします。地下水は含水層への井戸掘削や自然湧水で取得。表面水はダムで河川を堰き止めて確保します。周辺の集水域は流域と呼ばれ、流出汚染を防ぐためアクセスが規制されることが多いです。
- 2 井戸やダムから浄水場へは開水路や閉管で送水されます。数百キロ移動し、安定供給のため中間貯水池に貯留されるケースもあります。
消毒（オゾン処理）
- 3 一部のプラントではオゾン接触槽で処理を開始します。これは欧州で一般的ですが、米国では稀です。オゾン（O3）は圧縮空気を高電圧アークに通してO2を分解して生成。微生物の殺菌と臭気物質の分解に効果的ですが寿命が短いため、後段で微量の塩素やクロラミンを加えて残留消毒を行います。
凝集・凝縮
- 4 凝集剤をフラッシュミキサーで急速混合し、浮遊粒子の電荷を中和して凝集させます。
- 5 緩慢撹拌槽を通過させ、フロック（より大きな凝集体）を形成・沈降させます。
沈殿
- 6 混合液を沈殿池に導入し、フロックを沈殿させます。二段式の池で処理能力を高める場合も。沈殿汚泥は吸引して濃縮池へ、重力濃縮機で濃縮後、脱水機で含水率を下げ、残渣は埋立処分されます。
ろ過
- 7 部分的に澄んだ水を砂と粉砕石炭の層に通し、微細粒子と一部の生物を捕捉します。オゾン未使用のプラントでは特に重要です。
吸着
- 8 活性炭層を用いるプラントもあり、汚染物質が炭素表面に吸着除去されます。
曝気
- 9 鉄、マンガン、溶解性ガスが多い地域では、大きな池から水を噴霧して曝気します。酸素供給により一部汚染物質が沈殿または揮発します。
フッ素添加
- 10 虫歯予防のためフッ素化合物を添加。天然フッ素が含まれる場合は追加不要。フッ素化は議論のあるテーマで、全自治体が実施しているわけではありません。
中和（pH調整）
- 11 配管腐食防止のため、薬品でpHを中性付近に調整します。
配水
- 12 浄水場を出る際、配水管内への微生物混入対策として残留塩素またはクロラミンを添加。オゾン未使用の場合はより高濃度の残留消毒が必要です。
- 13 水は汚染防止と水圧維持のため、多くの場合高架水槽や覆い付き貯水池に貯留。平地では電動ポンプで給水します。
品質管理
連邦および州の基準では、90種以上の有機物、無機物、微生物、放射性物質の最大許容濃度が定められています。一次基準は健康保護、二次基準は味・臭い・外観などの審美的要素を対象とします。典型的な水道区では年間5万件以上の分析を行い、基準適合を検証しています。
将来展望
安全な飲料水への需要は、より厳しい基準を求める動きを加速させます。現代的な懸念の一つは、塩素が有機物と反応してトリハロメタン（THM）を生成することです。THMは長期曝露で1万分の1の発がんリスクを持ちます。クロラミン（アンモニア・塩素混合物）はTHM生成が少なく、多くのプラントで採用が進んでいます。他の代替手段にはオゾン、UV照射、二酸化塩素、ペルオキソン（オゾン・過酸化水素）があります。継続的なイノベーションにより、消毒効果と消費者安全のバランスが図られていくでしょう。
製造プロセス