泥水を置いておけば、下に泥がたまります。それでも上の水がいつまでも濁っていることがあります。「沈むまで待てば全部透明になる」と考えると、浄水場のしくみを読み違えます。水中を漂う細かな粒は、そのままでは分けにくいのです。中学入試で浄水の工程が示されたら、装置名を順に覚える前に、各段階で粒がどう変わるかを追いましょう。
集める段階と、取り除く段階は別
凝集では、薬品の働きなどを利用して細かな粒が集まりやすい状態をつくります。続いて穏やかに混ぜることで、大きなかたまりへ育てる操作を行います。こうしたかたまりはフロックと呼ばれます。名前を知らなくても、問題文に「小さな粒を集める」とあれば、その後に沈みやすくなる理由を説明できます。
ここで「薬品を入れたから泥が消えた」と書かないこと。粒をかたまりにしても、水槽の中にある段階では取り除けていません。沈殿で底へ分け、上の水を取り出して初めて、次へ送る水に含まれる粒が減ります。さらにろ過で残った粒を取り除きます。食塩が水に溶けた状態とは異なり、ここで扱う中心は水に浮遊している粒です。
数字は各工程に入る量を基準にする
「沈殿で八割除去」「ろ過で九割除去」という二つの割合を足して、十七割除去とはできません。ろ過に入るのは沈殿を通過した分です。最初の百に対して沈殿後は二十、その二十の九割をろ過で取り除けば、残りは二です。途中で分母が変わっていることを、箱を二つ描いて確かめます。
ただし、この計算は粒の質量について割合が与えられた場合です。濁りを測る装置の数値は、粒の大きさや光の散乱にも左右されます。「濁りが半分だから泥の質量も半分」と置くには、その対応を示した条件が必要です。見た目、濁度、質量を同じ数量として扱わないようにします。
例題1｜二つの工程を通過した量
模型実験で、ある水に含まれる浮遊物の質量を100mgとします。沈殿でその80％を除き、続くろ過では流入した浮遊物の90％を除きます。途中で新たな浮遊物は加わりません。最後に残る量と、最初から見た除去率を求めなさい。
答え・解説： 沈殿後は100×0.20＝20mg。ろ過後は20×0.10＝2mgです。取り除いたのは98mgなので、全体の除去率は98％です。二段目の「90％」が100mgを指すのではないことが計算の中心です。なお、この数値は練習用で、実際の浄水場の性能を表すものではありません。
例題2｜凝集の効果を調べる組み合わせ
同じ泥水を同じ量ずつ三つの容器に分けました。Aは薬品なしで同じ手順で混ぜて十分間静置、Bは薬品ありで同じ手順で混ぜて十分間静置、Cは薬品ありで混ぜずに一分間静置しました。薬品を加えた条件の効果を比較するには、どの二つが適していますか。
答え・解説： AとBです。静置時間と混ぜる操作をそろえて、薬品の有無を変えています。BとCでは薬品は同じでも混合と時間の両方が違うため、結果の差を一つの理由に絞れません。実際には薬品を溶かす水の量もそろえ、同じ高さから上澄みを採るなど、採水の操作まで合わせます。
透明になった水と、飲める水を分ける
透明さだけでは、病原体や溶けている物質を十分に評価できません。沈殿やろ過の後に消毒などが置かれるのは、見える濁りとは違う対象も扱うからです。工程図の最後が透明な水の絵でも、それを家庭で飲んで確かめる実験にはしません。学校の問題では、処理の目的を分けて記述できることが大切です。
「なぜ最初から細かいろ紙だけで処理しないのか」と問われたら、前の工程で多くの浮遊物を減らすことで、後のろ過にかかる負担を小さくできる、とつなげられます。ただし、どの粒まで通過するかはろ材や運転条件によって異なります。すべての浄水施設が同じ順序、同じ薬品で処理していると一般化しません。
混ぜ方にも役割があります。薬品を全体へ行き渡らせる操作と、できたかたまりを壊さず育てる操作は、目的が違います。「強く混ぜるほどよい」と決めつけず、工程ごとに何をしたいのかを読みます。実験表で速度だけ変えるなら、混ぜた時間、容器、泥水の採取場所を固定して比較しましょう。
解き終えたら、浮遊物の行き先を指でたどります。底の沈殿物へ行った分、ろ材に残った分、処理水へ進んだ分。この三つに分ければ、見えなくなった物質を消滅させることなく、操作と物質量を結び付けて説明できます。
上澄みを採る位置まで考える
沈殿後の水槽は、上と底で粒の多さが違います。容器を傾けて底の泥まで巻き上げた水と、上の同じ高さから静かに採った水を比べれば、薬品が同じでも結果が変わり得ます。処理を終えた後の採水も、実験条件の一部です。
沈殿物がたくさん見えた容器ほど最初から汚かった、という読み方にも注意します。同じ泥水を分けた実験なら、底に多く集まったのは分離が進んだ結果かもしれません。底の量だけでなく上澄みの状態も合わせて読み、容器全体にあった量と、上へ残る量の区別を保ちましょう。