J. of Taroten

公務員試験, 環境衛生工学2003，二次試験, 問題の傾向と解説

本年の国家公務員試験のⅠ種2次試験から，土木計画の出題が6題から3題へスリム化されたことに伴ない，上水道，下水道の出題が土木計画から独立し，環境工学・衛生工学のカテゴリーへ統合されました。また，出題数が従来の衛生工学と合わせて2問となったので，上水道あるいは下水道からは，どちらか1問の出題となり「やまはり」は難しくなったようです。全体として，問題数を削減したわけで，理工Ⅰ分野への職種統合の良い面が出てきたといえるでしょう。今後は，流体力学と水理学の統合，構造力学と材料力学の統合という機械系と土木系での出題の統合を目指すべきだというのが，たろてんの考えです。重ねてのお願いで申しわけございませんが，本ページの予備校関係者，大学関係者による無断転載を固く禁じます。本問題は，特殊なソフトウエアーを用いて，ほんの少しづつ原稿に非忠実に問題を再現しておりますので，ここからコピーしたことはたちどころにわかります。違反者には，個人の場合では，32,500円，法人の場合には，126,000円を当方の勤務先に当方指定で奨学寄付金として納付いただきます。

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科目22. 環境工学（土木）・衛生工学[No.22A, 22B]

　本科目（科目22（環境工学（土木）・衛生工学））の選択者は，科目21（土木計画）と科目29（資源リサイクリング）のいずれも選択することはできません。

【No．22】次のA，Bいずれか一つのみに答えよ。

A　酸性沈着及び水質汚濁に関する以下の設問に答えよ。

（1）大気汚染物質による広域的な影響として，酸性沈着（酸性雨）がある。我が国における酸性沈着は，国内のみならず国外の発生源からも影響を受けている。酸性沈着に関する以下の問いに答えよ。
（a）雨に含まれる陽イオンのうち，土壌沈着後において酸性化に寄与するものを挙げ，その酸性化の過程について，化学反応式を用いて説明せよ。
（b）酸性沈着の主要な成分の一つとして窒素化合物が挙げられるが，これらが発生源から排出されてから酸性沈着に至るまでの化学変化の過程を明確に説明せよ。なお，ここでは，オゾンとOHラジカルが，その化学変化に寄与するところについても併せて説明すること。
（c）酸性沈着によって植物，水生動物及び人工構造物に対しどのような影響を与え得るかについて，それぞれ述べよ。
（d）酸性沈着の原因物質の排出を抑制するための対策について，窒素化合物及び硫黄化合物に分けてそれぞれ述べよ。
（2）水質汚濁に関する以下の問いに答えよ。
（a）我が国における公共用水域の水質汚濁に係る環境基準として，「人の健康の保護に関する環境基準」と「生活環境の保全に関する環境基準」の二つの環境基準がある。このうち，生活環境の保全に関する環境基準の項目には，BOD（生物化学的酸素要求量）とCOD（化学的酸素要求量）がある。BODに関する以下の問いに答えよ。
　（ア）河川についてはBODが，湖沼や海域についてはCODがそれぞれ環境基準項目とされているが，河川についてはBODが環境基準項目とされている理由を，CODとの相違を踏まえて述べよ。
　（イ）炭素系BOD（C－BOD）と窒素系BOD（N－BOD）の二つについて，それぞれ説明せよ。さらに，反応時間〔日〕に対するこれらのBODの変化について，横軸に反応時間，縦軸にBODをとったグラフに表せ。
（b）ある一つの固定発生源から河川に流入した有機物が流下するに伴い，水中の微生物による生物学的な分解のみによって減少するような河川の自浄作用について，水中の溶存酸素の変化を基に考える。いま，有機物が河川に流入した時間をt＝0〔日〕とし，t日後における流下地点での有機物の分解速度は，その流下地点での有機物濃度に比例し，この関係は河川の流下方向のみの変化とすれば，次式の関係が近似的に成立する。ただし，t日後における流下地点での河川水中の有機物濃度は，その地点でのBODと等しいものとする。また，t＞0においては，有機物が河川に全く流入しないものとする。

　また，t日後における流下地点での，河川水中の溶存酸素の飽和量からの不足量をD〔mg/l〕, 再ばっ気係数をK2（＞0）〔1／日〕とすれば，その流下地点に大気から河川水中に供給される酸素量は単位時間当たりK2D〔mg/(l・日)〕で表される。このとき，以下の問いに答えよ。
（ア）Dの時間変化は，水中の微生物が有機物の分解に要する酸素量と，大気から河川水中に 供給される酸素量の収支のみにより生ずるものとする。このとき，(dD/dt)を表せ。
（イ）時間t＝0〔日〕において，L＝L0〔mg/l〕, D＝D0〔mg/l〕とすれば，式①及び（ア）で表した(dD/dt)よりtとDの関係式が導出される。この関係式より，t日後における流下地点での河川水中の溶存酸素量の変化を表せば，図Ⅰのとおりとなり，Dが最大値Dmax〔mg/l〕をとる時間をt＝tc〔日〕と定義するものとする。このとき, 式①及び（ア）で表した(dD/dt)より，Dmaxをtcを用いて表せ。なお，解答に当たっては，その導出過程も示すこと。

（ウ）(イ)で表したDmaxより，河川の自浄作用について重要となるパラメータを挙げ，それがなぜ重要であるかを説明せよ。ただし，tcについては，ここでのパラメーターとして考慮しないものとする。

B　下水処理工程に関する以下の設問に答えよ。

（1）我が国の代表的な下水処理法である標準活性汚泥法による処理工程は，最初沈殿池，反応タンク及び最終沈殿池から構成される。これらに関する以下の問いに答えよ。
（a）最初沈殿池及び最終沈殿池が持つ役割について，除去対象物質の相違に留意しつつ述べよ。
（b）反応タンクにおいて有機物が除去されるメカニズムについて，以下の語句をすべて用いて説明せよ。〔エアレーション（ばっ気），フロック，吸着，酸化，同化〕
（2）標準活性汚泥法を適用した，図Ⅰのような定常状態である水処理系，つまりすべての処理プロセスに対し活性汚泥濃度は時間変化しない水処理系がある。いま，反応タンク内の活性汚泥濃度が一様であり，また，反応タンクヘの流入水，最終沈殿池内及び返送汚泥過程に存在する活性汚泥量をすべて無視できるものとしたとき，下水処理に係るパラメータθを次式で定義する。θに関する以下の問いに答えよ。

（a）θはどのような物理的な意味を表すパラメータなのか，具体的に説明せよ。
（b）反応タンク内において活性汚泥を構成する微生物は，水中の溶解性の有機物である基質を摂取して増殖する。その一方で，この微生物は内生呼吸により自己分解する。ここで，図Ⅰに示すように，その溶解性の基質の濃度S〔mg/l〕は，反応タンク内及び処理水についてともに同一とする。このとき，活性汚泥を構成する微生物の増殖速度rG〔mg/(l・日)〕及び自己分解速度rd〔mg/(l・日)〕は，それぞれ次式で表される。
　なお，ここでは，各々の過程に対する微生物濃度は，そこでの活性汚泥濃度と等しいものとする。また，ここで対象としている微生物の比増殖速度μ〔1／日〕とSの関係は，図Ⅱのように表される。以下の問いに答えよ。

（ア）図Ⅰに表す水処理系における微生物の物質収支に関する式をV, Qin, QW, XW, Ce, rG, rdのみを用いて表せ。
（イ）（ア）で表した関係式及び式①，②，③を用いて，S及びdS/dθをそれぞれθの関数として表した上で，それらの式からθが下水処理にどのようにかかわっているのかを説明せよ。
（3）微生物の働きを利用して生物学的に窒素及びリンを除去するメカニズムについてそれぞれ説明せよ。

（4）活性汚泥法の一つであるオキシデーションデイッチ法に関する以下の問いに答えよ。
（a）オキシデ←ションデイッチ法による下水処理工程の槻要を説明した上で，下水処理のメカニズムの観点から標準活性汚泥法との相違点を三つ挙げ，それぞれ説明せよ。
なお，必要であれば図を用いて説明してもよい。
（b）近年, 我が国においてはオキシデ←ションデイッチ法を適用した下水処理場が増加しつつある。その理由について，下水道施設計画の観点から述べよ。

[解説]

A
(1)大気汚染についての系統的な知識がないと難しいように思う。たとえば，(a)は，さすがにH+と答えるわけにもいかんだろうから，アルカリ金属やアルカリ土類金属を避けて，鉄等にして，その水酸化の過程で記すのだろうか？私が試験される立場だったら，そういう勝負に出るが，正しいかどうかはわかりません。(b)も難しい。水中心の衛生工学では答えきれない問題だ。(c)(d)は，何とかいけそうだね。K値規制がまたまた登場のワンパターン。
(2)水の指標については，楽勝問題だ。しかし，出題者に考えてほしいのは，「河川での有機物の指標がBODである理由」は，環境基準のたとえば別表に書き込まれているのかどうかという問題だ。おそらく，「基準はこうなっています，測定方法は，これでやってください」としか書いていないはずである(もしも違ったら，ご連絡ください)。だから，「河川での有機物の指標がBODである理由」に公式見解はないのではないか。だから，極端な解答としては，「河川での有機物の指標がBODである理由は，行政担当者の趣味」という答えで良いはずである。常識的には，河川の環境は，溶存酸素に大きく支配されており，溶存酸素を消費する物質がBODだから，それで規制するのだといえるが，では，問題文にあるように湖沼や海域がCODなのはどうしてかと言われると，これまた困ってしまう。水の滞留時間が長いからと湖沼を念頭に答えはじめて，海域の多くは滞留時間が長くはないよなあ，と解答者は惑ってしまう。しかも，CODの測定の仕方とかを議論し始めると深みにはまってしまう。昨年も書いたが，(2)(a)の問題文のはじめに「我が国における」とある。つまり，この問題は，普遍的な学問価値を問うのではなく，我が国のローカルな環境問題を考える上で，常識となっている事柄を「行政担当者の趣味を含めて」問うているのである。他人の趣味の詮索までする好奇心は，女性をくどく能力を測定するにはよい方法だし，ローカルな現象を問うのは悪いことではない。もともと水質汚濁は，グローバルというよりはローカルな課題だ。しかし，ここに学問分野としての環境衛生工学の弱さがあることは認識しておいた方が良い。後半のストリーターヘルプスの式の解は，基本問題だし，これは，普遍性を持った問題のように思う。

B
こちらは，下水処理の問題で，微生物の増殖，反応槽内の物質収支というオーソドックスな問題で上との対比で言えば，普遍的な問題といえる。あと，知識問題として，オキシデーションディッチおよび生物学的栄養塩の除去法について記述させているが，まあ，妥当な内容。しかし，オキシデーションディッチが最近の下水処理場で採用される理由と言われると，意外に困るかも。汚泥の維持管理が容易，汚泥発生量が少ない，敷地効率が悪いなどの特徴から地方の小規模な処理場に向いた技術だから，というような解答でいいのかな。それとも，農林水産省の所管する下水道で多く採用されやすいからとか，そんなこと書くのかな。どうも，オキシデーションディッチの採用事例が多い理由は技術的なこと以外にどろどろしたものがあるとも思うのだが・・・。学者にはよくわからない世界だ。もちろん，学生にはもっとわからない世界かもしれない。