公衆衛生学 > 環境衛生
環境衛生の設問は、数値と用語の正確さが問われる領域です。ただし丸暗記が必要な部分は限られており、物理化学的な理屈から導ける項目が多く含まれます。
たとえば「なぜ酸性のほうが塩素の殺菌力が強いのか」「なぜ逆転層があると大気汚染がひどくなるのか」は、いずれも仕組みを一度理解すれば忘れません。本記事では塩素消毒を中心に、大気汚染、環境条約、廃棄物を整理します。
第73回〜第77回の試験問題を分析したところ、環境衛生学は公衆衛生学のなかで約15%を占めています。
具体的には、塩素消毒の仕組み(遊離残留塩素と結合残留塩素のpH変化に伴う存在割合や殺菌力、DPD法による測定)、水質汚濁防止法に基づく一律排水基準、光化学オキシダントや酸性雨の原因となる窒素酸化物・硫黄酸化物、逆転層の発生と大気の安定性、ストックホルム条約やPRTR制度、産業廃棄物の排出量内訳などが出題されています。
公衆衛生学における「環境衛生学」分野(大気、水質、土壌、廃棄物処理、環境条約、環境法規など)を主眼とした設問は、5年間で合計28問出題されています。
毎年5〜6問程度が、必須問題、学説試験B、実地試験にバランスよく配置されています。
① 水質・浄水・下水処理
水質管理、消毒プロセス、排水処理など、最も出題頻度が高い最重要エリアです。
遊離残留塩素とpH:pHの変化にともなう次亜塩素酸(HClO)と次亜塩素酸イオン(ClO⁻)の存在割合のグラフ読解、および給水栓における遊離残留塩素の基準値(第77回実地D)。
残留塩素のDPD法測定:測定データから、遊離残留塩素と結合残留塩素(クロラミン)の濃度を計算させる実務問題(第74回実地C)。
水質汚濁防止法:一律排水基準において「検出されないこと」と規定されている物質(アルキル水銀化合物など)(第76回学説B)。
BODとCODの環境基準:公共用水域における環境基準達成率の推移グラフと、BOD(河川に適用)・COD(湖沼・海域に適用)の使い分け(第74回実地C)。
下水・ふん尿処理:嫌気無酸素好気活性汚泥法による窒素・リンの同時除去プロセスやリン蓄積細菌の動態(第75回実地C)、活性汚泥を用いたふん尿処理(第73回実地C)。
② 大気環境・地球温暖化・酸性雨
大気汚染の物理化学現象や、地球規模の環境問題に関する知識です。
逆転層:高度と気温の関係を示したグラフから、逆転層内では大気が極めて安定状態になることを答えさせる大気汚染問題(第76回実地C)。
酸性雨:原因物質(硫酸、硝酸)や、日本の降水の現状、および建築物への被害(第76回学説B)。
温室効果ガス:牛のルーメン発酵で生じる温室効果ガス(メタン)(第75回必須)、および大気汚染物質である窒素酸化物(NOx)の特性(第77回学説B)。
オゾン層破壊:南極上空のオゾン濃度(オゾンホール)の分布地図から、原因となる化学物質(フロン類)を特定させる問題(第73回実地C)。
③ 廃棄物処理・ふん尿管理
獣医師の臨床・防疫業務にも密接に関わるゴミや排泄物の処理法です。
産業廃棄物の排出量:我が国の産業廃棄物の種類別排出割合グラフから、上位を占める「汚泥」と「動物のふん尿」を特定させる問題(第77回実地C)。
医療廃棄物の分類:医療機関から発生する「感染性一般廃棄物」(血液の付着したガーゼなど)とほかの廃棄物(シャーレ等)との区別(第74回学説B)。
畜舎の脱臭・窒素循環:アンモニアを生物脱臭する反応過程(硝化・脱窒)と、その過程で生じる温室効果ガスである亜酸化窒素(一酸化二窒素)に関する設問(第77回実地D)。
④ 環境法規・条約・土壌汚染
国内外の環境保全を目的とした基本ルールや土壌汚染物質の規制です。
環境基本法:典型7公害に「海洋汚染」が含まれないことを問う基礎問題(第74回必須)、および地域の類型・時間ごとに基準値が定められる環境基準(騒音など)(第77回学説B)、環境基準が定められていない項目(振動)(第76回必須)。
環境関連条約:残留性有機汚染物質の廃絶を定めたストックホルム条約(POPs条約)(第74回学説B、第76回学説B)、化学物質の排出・移動を届け出るPRTR制度(第73回学説B)。
土壌汚染:「農用地の土壌の汚染防止等に関する法律」において作物生育阻害の観点から特定有害物質に指定されている物質(銅など)(第73回学説B、第74回学説B)。
以下の3点は確実に整理しておきましょう。
1. 塩素消毒の化学:水中のpHが高いとClO⁻(殺菌力が弱い)になり、低いとHClO(殺菌力が強い)になります。給水栓での残留塩素は「通常時 0.1 mg/L以上」が義務付けられている数値も必須知識です。
2. 廃棄物の区別:注射針などの鋭利なものは「感染性産業廃棄物」、血液の付着したガーゼなどは「感染性一般廃棄物」に分類されます。この境界は頻出の引っかけポイントです。
3. 環境基本法の公害分類:典型7公害(大気汚染、水質汚濁、土壌汚染、騒音、振動、地盤沈下、悪臭)をしっかりと記憶しておきましょう。
残留塩素のDPD法による計算や、BOD/CODのグラフ問題など、過去問と全く同じパターンの問題が繰り返し出題されています。
環境基準や排水基準は法令改正により変更されます。最新の基準値は環境省・厚生労働省の公表資料でご確認ください。
- 次亜塩素酸が次亜塩素酸イオンより殺菌力が強い理由と、pHとの関係
- 不連続点を超えて初めて遊離残留塩素が現れること
- DPD法で結合残留塩素を求める手順
- 逆転層があると汚染物質が滞留する理由
- オゾンは成層圏では有益、対流圏では有害という二面性
- POPsの4条件と、PRTRが規制ではない制度であること
1. 塩素消毒
1-1. 遊離残留塩素と結合残留塩素
塩素を水に加えると加水分解して次亜塩素酸を生じ、その一部が電離して次亜塩素酸イオンになります。この2つをあわせて遊離残留塩素と呼びます。
一方、水中にアンモニアが存在すると塩素と反応してクロラミンが生じます。これが結合残留塩素です。
| 区分 | 成分 | 殺菌力 | 持続性 |
|---|---|---|---|
| 遊離残留塩素 | 次亜塩素酸(HOCl) | 最も強い | 短い |
| 次亜塩素酸イオン(OCl⁻) | 次亜塩素酸より弱い | ||
| 結合残留塩素 | クロラミン | 最も弱い | 長い |
次亜塩素酸は電荷をもたない分子であるため、細菌の細胞膜を容易に通過して内部に作用できます。これに対し次亜塩素酸イオンは負に帯電しており、同じく負に帯電した細胞表面に反発されて細胞内へ入りにくくなります。
殺菌力の序列は次亜塩素酸 > 次亜塩素酸イオン > クロラミンです。
1-2. pHと殺菌力
次亜塩素酸と次亜塩素酸イオンの存在割合はpHによって決まります。
- pHが低い(酸性側)ほど、電離していない次亜塩素酸の割合が高くなる → 殺菌力が強い
- pHが高い(アルカリ性側)ほど、次亜塩素酸イオンの割合が高くなる → 殺菌力が弱い
「塩素の量が同じでも、pHによって効き方が変わる」という点が要点です。
1-3. 不連続点塩素処理
図:不連続点塩素処理。塩素を加え始めると還元性物質に消費されて残留塩素は現れない。次にアンモニアと反応してクロラミンが生成し結合残留塩素が増加する。さらに塩素を加えるとクロラミンが分解されて残留塩素は減少し、最低点となる不連続点を超えると遊離残留塩素が現れて増加する。
塩素を少しずつ加えていくと、残留塩素は単純に増えていくのではなくいったん上がってから下がり、再び上がるという経過をたどります。この最低点を不連続点と呼びます。
- まず還元性物質に消費され、残留塩素はほとんど現れない
- 次にアンモニアと反応してクロラミンが生成し、結合残留塩素が増加する
- さらに加えるとクロラミンが分解されて残留塩素が減少する
- 不連続点を超えると遊離残留塩素が現れて増加する
浄水処理では、この不連続点を超えるまで塩素を注入することで、アンモニアや有機物を除去しつつ殺菌力の強い遊離残留塩素を確保します。水道法では、給水栓において一定濃度以上の遊離残留塩素(結合残留塩素の場合はより高い濃度)を保持することが求められています。
1-4. DPD法
DPD試薬を用いた比色法により残留塩素を測定します。手順は次のとおりです。
- DPD試薬を加えると遊離残留塩素が直ちに発色する → 遊離残留塩素を測定
- 続いてヨウ化カリウムを加えると結合残留塩素も反応して発色する → 総残留塩素を測定
- 総残留塩素 − 遊離残留塩素 = 結合残留塩素
結合残留塩素は直接測るのではなく、差し引いて求めるという点が要点です。
1-5. 塩素消毒の限界
- クリプトスポリジウムのオーシストは塩素に抵抗性を示すため、塩素消毒では不活化できません。ろ過が有効な対策となります。
- トリハロメタンの生成:塩素が水中の有機物と反応してクロロホルムなどのトリハロメタンを生成します。発がん性が懸念されるため、原水中の有機物を減らす処理が重要になります。
2. 水質指標と排水基準
| 指標 | 内容 | 主な適用 |
|---|---|---|
| BOD | 微生物が有機物を分解する際に消費する酸素量 | 河川 |
| COD | 酸化剤により有機物を酸化する際に消費される酸素量 | 湖沼・海域 |
| DO | 水中に溶けている酸素量。低いほど汚濁が進んでいる | 共通 |
| SS | 水中の浮遊物質量 | 共通 |
| 大腸菌群 | 糞便汚染の指標 | 共通 |
窒素とリンの流入は富栄養化を招き、湖沼のアオコや海域の赤潮の原因となります。
水質汚濁防止法の一律排水基準では、多くの有害物質に数値の上限が定められていますが、アルキル水銀については「検出されないこと」とされています。許容される濃度が設定されていないという点で他の項目と扱いが異なります。
3. 大気汚染
3-1. 主要な汚染物質
| 物質 | 発生源 | もたらす問題 |
|---|---|---|
| 硫黄酸化物 (SOx) | 石油・石炭など燃料中の硫黄の燃焼 | 酸性雨、呼吸器障害 |
| 窒素酸化物 (NOx) | 高温燃焼により空気中の窒素が酸化される。自動車、工場 | 酸性雨、光化学オキシダント |
| 光化学 オキシダント | NOxと揮発性有機化合物が紫外線により反応して生成 | 眼や気道の刺激。夏の日中に高濃度となる |
| 浮遊粒子状物質 PM2.5 | 燃焼、粉じん | 呼吸器・循環器への影響 |
硫黄酸化物は燃料に含まれていた硫黄が燃えて生じます。したがって燃料の脱硫が有効な対策となります。
これに対し窒素酸化物は空気中の窒素が高温で酸化されて生じます。燃料をいくら精製しても防げず、燃焼温度の制御や触媒による処理が対策となります。
酸性雨は、硫黄酸化物が硫酸に、窒素酸化物が硝酸に変化して雨に溶け込むことで生じます。なお大気中の二酸化炭素が溶けた雨は本来わずかに酸性であるため、それより低いpHの雨を酸性雨とするという定義になっています。国境を越えて影響が及ぶ越境汚染の問題でもあります。
3-2. 逆転層
通常の大気では高度が上がるほど気温が下がります。地表付近の空気は暖かく軽いため上昇し、対流によって汚染物質が上空へ拡散されます。
逆転層とは、高度が上がるほど気温が高くなる層のことです。この状態では下の空気のほうが冷たく重いため上昇できず、大気は安定します。
ここが要点です。「大気が安定している」ことは、汚染にとっては悪条件です。対流が起こらないため汚染物質が地表付近に滞留して高濃度になるからです。「安定=良い状態」と考えると設問を取り違えます。
逆転層は夜間から早朝にかけての放射冷却によって地表付近が冷やされるときや、盆地地形、高気圧による下降気流のもとで発生します。歴史的な大気汚染事件の多くは、この気象条件が背景にありました。
3-3. オゾンの二面性
- 成層圏のオゾン層は有害な紫外線を吸収し、地上の生物を守っています。フロンによる破壊が問題となり、モントリオール議定書により規制されました。
- 対流圏のオゾンは光化学オキシダントの主成分であり、眼や気道を刺激する有害物質です。
同じ物質でありながら、存在する高度によって評価が正反対になります。
4. 環境条約と化学物質管理
| 条約・制度 | 対象 |
|---|---|
| ストックホルム条約 (POPs条約) | 残留性有機汚染物質。PCB、DDT、ダイオキシン類など |
| バーゼル条約 | 有害廃棄物の越境移動の規制 |
| ワシントン条約 | 絶滅のおそれのある野生動植物の国際取引の規制 |
| ラムサール条約 | 水鳥の生息地として重要な湿地の保全 |
| モントリオール議定書 | オゾン層破壊物質(フロンなど)の規制 |
| 生物多様性条約 名古屋議定書 | 生物多様性の保全、遺伝資源の利用と利益配分 |
残留性有機汚染物質として規制対象となるのは、次の4つの性質をあわせもつ物質です。
- 難分解性:環境中で分解されにくい
- 高蓄積性:生物濃縮により食物連鎖の上位で高濃度になる
- 長距離移動性:発生源から遠く離れた地域まで運ばれる
- 毒性:ヒトの健康や生態系に有害である
この4つが揃うため、一国だけの規制では解決できず国際条約が必要になります。
PRTR(化学物質排出移動量届出制度)は、対象化学物質の環境への排出量と廃棄物としての移動量を事業者が届け出て、国が集計・公表する制度です。
排出量に上限を課す規制ではありません。排出の実態を「見える化」することで、事業者の自主的な管理を促すという設計思想に立っています。
5. 廃棄物
| 区分 | 処理責任 | 内容 |
|---|---|---|
| 一般廃棄物 | 市町村 | 産業廃棄物以外の廃棄物 |
| 産業廃棄物 | 排出事業者 | 事業活動に伴って生じる法定の種類。汚泥、廃油、廃プラスチック類、動物のふん尿、動物の死体など |
| 特別管理廃棄物 | 区分に準じる | 爆発性、毒性、感染性があるもの |
- 畜産農業に係る動物のふん尿と動物の死体は産業廃棄物に区分されます。産業廃棄物の排出量では汚泥に次いで動物のふん尿が大きな割合を占めています。
- 動物病院から出る廃棄物のうち、感染のおそれがあるものは感染性廃棄物として特別管理廃棄物に該当します。
- 産業廃棄物の処理は排出事業者に責任があり、マニフェスト(産業廃棄物管理票)により処理の流れを把握・管理します。
6. 国家試験で狙われるポイントの整理
- 殺菌力は 次亜塩素酸 > 次亜塩素酸イオン > クロラミン。
- pHが低い(酸性)ほど次亜塩素酸の割合が高く、殺菌力が強い。
- クロラミンは殺菌力が弱いが持続性が高い。
- 不連続点を超えて初めて遊離残留塩素が現れる。
- DPD法では結合残留塩素を直接測らず、総残留塩素から遊離残留塩素を引いて求める。
- クリプトスポリジウムは塩素抵抗性。ろ過が必要。
- BODは河川、CODは湖沼・海域の指標。
- アルキル水銀は「検出されないこと」。数値基準ではない。
- SOxは燃料中の硫黄、NOxは空気中の窒素に由来する。
- 光化学オキシダントは紫外線により生成し、夏の日中に高濃度となる。
- 逆転層では大気が安定し、汚染物質が滞留して濃度が高くなる。
- オゾンは成層圏では有益、対流圏では有害。
- POPsの4条件は難分解性・高蓄積性・長距離移動性・毒性。
- PRTRは排出量を規制する制度ではなく、届出と公表による制度。
- 産業廃棄物の処理責任は排出事業者。畜産農業の動物のふん尿・死体は産業廃棄物。
7. 確認問題
Q1. 同じ濃度の遊離残留塩素であっても、pHにより殺菌力が変わる理由を述べよ。
A. 遊離残留塩素は次亜塩素酸と次亜塩素酸イオンからなり、その存在割合はpHによって決まる。次亜塩素酸は電荷をもたないため細胞膜を通過しやすく殺菌力が強いのに対し、次亜塩素酸イオンは負に帯電しており細胞内へ入りにくい。pHが低いほど次亜塩素酸の割合が高くなるため、殺菌力が強くなる。
Q2. 不連続点塩素処理において残留塩素がいったん減少する理由と、不連続点を超えるまで塩素を注入する目的を述べよ。
A. アンモニアと反応して生成したクロラミンが、さらに加えられた塩素により分解されるため残留塩素が減少する。不連続点を超えるまで注入する目的は、アンモニアや有機物を除去したうえで、殺菌力の強い遊離残留塩素を確保することにある。
Q3. DPD法により結合残留塩素を求める手順を述べよ。
A. まずDPD試薬を加えて発色させ、遊離残留塩素を測定する。次にヨウ化カリウムを加えると結合残留塩素も反応して発色するため、総残留塩素を測定する。総残留塩素から遊離残留塩素を差し引いた値が結合残留塩素となる。結合残留塩素は直接測定するのではなく差として求める。
Q4. 逆転層が発生すると大気汚染が悪化する理由を述べよ。
A. 通常は高度が上がるほど気温が下がるため、地表付近の暖かい空気が上昇して対流が起こり汚染物質が拡散する。逆転層では高度が上がるほど気温が高くなるため、下の空気のほうが冷たく重く上昇できない。大気が安定して対流が起こらず、汚染物質が地表付近に滞留して高濃度となる。
Q5. 硫黄酸化物と窒素酸化物では有効な対策が異なる。その理由を述べよ。
A. 硫黄酸化物は燃料中に含まれる硫黄が燃焼して生じるため、燃料の脱硫により発生を抑えられる。一方、窒素酸化物は空気中の窒素が高温で酸化されて生じるため、燃料を精製しても防げず、燃焼温度の制御や触媒による処理が必要となる。由来する元素がどこから来たかが異なるためである。
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参考文献
- 獣医公衆衛生学 文永堂出版
- 家畜衛生学 文永堂出版
- 環境基本法(e-Gov)
- 大気汚染防止法(e-Gov)
- 水質汚濁防止法(e-Gov)
- 廃棄物の処理及び清掃に関する法律(e-Gov)
- 浄化槽法(e-Gov)
- 感染症の予防及び感染症の患者に対する医療に関する法律(e-Gov)
- 農林水産省 獣医師国家試験(公式)