CN101274811B - 环境水中的底泥的分解除去方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于在不破坏生态系统的情况下高效地分解底泥，进行环境水的净化。本发明为环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，在水中配置碳纤维制或氧化纤维或耐燃化纤维或黑化纤维制的水质净化材，同时在底泥中埋入碳材或氧化纤维或耐燃化纤维或黑化纤维。

Description

环境水中的底泥的分解除去方法

技术领域

本发明涉及将堆积在河川、航道、运河、池塘、湖沼、海湾、水湾、海洋等淡水、咸水、海水等环境水中的底泥分解除去的方法。

背景技术

在河川、湖沼等的底部堆积着含有恶臭物质的重油状底泥。底泥一般被称作污泥。对于水质净化，已经开发出各种方法。但是，即便进行水质净化，污浊物质有时也会从沉积在河底或沼泽底或湖底的底泥(污泥)中溶出，完全的水质净化是不可能的。如果不将底泥分解或除去则无法进行水质净化。

作为去除底泥的方法，一般熟知挖泥的方法。另外，还提出了以下方法：使用龙王石作为放射金属离子、电磁波和远红外线的多孔质活性体，通过从龙王石释放的金属离子的氧化还原作用来净化污染水，或通过由龙王石释放的远红外线促进需氧性细菌的繁殖(参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开平10-146593号公报

但是，在目前实施的利用吸引泵吸引底泥的挖泥方法中，将在底泥中生长的有用生物群，例如微生物、细菌等也吸引出而废弃。另外，由于还强制地除去水草等植物群，因此破坏了生态系统。

另一方面，在将龙王石铺满底泥中的方法中，成本提高的同时，即便需氧性细菌繁殖，其固定也很困难。

发明内容

本发明人等在研究人工藻的过程中发现碳材料适于需氧性细菌的繁殖和固定。本发明的目的在于根据本发明人的发现，在不破坏生态系统的情况下有效地分解底泥，进行环境水的净化。

本发明可以有利地解决上述课题，本发明的环境水中的底泥分解除去方法的特征在于，在水中配置碳纤维性水质净化材，同时在底泥中埋入碳材(碳材料)。

即，本发明在不破坏生态系统的情况下，有效地分解底泥，进行环境水的净化。在原理上，通过在处于厌氧状态的底泥中繁殖具有分解底泥的能力的需氧性菌，从而将底泥分解。但是，由于需氧性菌不能在底泥中生长，因此其中必须有增殖需氧性菌的结构。其方法为在水中配置碳纤维制水质净化材，同时在底泥中埋入碳材(木炭、碳纤维等)。

通过构建这种结构，可以将在水中生长的需氧性菌捕获于碳纤维制水质净化材中并使其增殖，使该增殖的需氧性菌移动到设置在底泥中的碳材中。移动至底泥中的需氧性菌将底泥分解，将重油状的底泥进行无机质化。这些现象通过实验室中的水槽实验得到验证。

配置于水中的碳纤维制水质净化材优选由通过浮体等如水草那样竖起的碳纤维构成。这些由碳纤维制作的净化材可以为蜈蚣形、房子形等，末端成为开纤状，或者也可以为具有平面形状的成形体。形状可以为片状、腰带状、带状、细绳状、筒状、管状、棒状、长条状、螺旋状、蜗旋状、格子状、孔状、网状。

(碳纤维的悬挂)

配置在水中的碳纤维的形态不仅在水中竖起，还可以从处于水面上的浮体上悬挂至底泥中的碳材。浮体有由木材、竹子、橡胶、塑料等制成的物体，或者将它们连接而成的筏子、平底船、栈桥、浮舟、浮标等。将碳纤维固定在这些浮体上，由此处下垂至底泥。

悬挂的碳纤维可以使用与在水中竖起的情况相同的碳纤维。由碳纤维制作的净化材为蜈蚣形、房子形等，末端成为开纤状，或者也可以为具有平面形状的成形体或者织物状。形状可以为片状、腰带状、带状、细绳状、筒状、管状、棒状、长条状、螺旋状、蜗旋状、格子状、孔状、网状。

或者，还可以是在由碳纤维制作的网或者由化学纤维或天然纤维制作的网中装填木炭或碳纤维等碳材而得到的，或者在装有木炭的网的外周部按照能够在水中摇晃的方式安装碳纤维而得到的。

(碳纤维的安装方法)

利用绳子等将碳纤维制净化材从水面悬挂至水中时，重要的是悬挂的绳子等的安装方法。将安装该悬挂绳子的支撑绳按照相对于河川的流动方向垂直地张架在水面附近的方式配置的方法，作为安装方法是容易的。但是，有可能发生在涨水时流出物挂在支撑绳上等诱发灾害的危险。与此相反，将支撑绳系在从河底至水面附近立设的桩子等上而将支撑绳与水流方向平行地张架在水面附近时，即便在涨水时也很少有流出物挂在支撑绳上等的危险。

埋设于底泥中的碳材可以是木炭片、木炭粒、木炭粉。或者，即便是用粘合剂凝固木炭粉而成的成型物也显示出效果。可以是由碳纤维制作的蜈蚣形、房子形等，末端成为开纤状，或者也可以是具有平面形状的织物状等的成形体。形状可以为腰带状、片状、带状、细绳状、筒状、管状、棒状、长条状、螺旋状、蜗旋状、格子状、孔状、网状。

配置于底泥中的碳材除了碳纤维、木炭之外，还可以是将竹炭或其它生物质(biomass)碳化而形成的产物。或者，还可以使用由煤炭制得的焦炭等。

另外，配置于底泥中的碳材还可以是未经特别加工的丝状碳纤维本身，或者还可以是长纤维状或连续的碳纤维。而且，还可以利用短纤维的碳纤维缠绕而成的纤维。即便是短纤维较长的碳纤维，通过分散于底泥中也可以促进需氧性菌导致的底泥的分解。

(生物质碳化品的活用)

当将茧、棉、麻、羊毛、绢等具有纤维形态的生物质碳化时，在强度方面具有问题，但变为碳材，配置在底泥中，则可发挥功能。因此，通过将不需要的纤维制品等碳化，可以将其作为配置于底泥中的碳材使用。此时，必须注意的是，纤维长度过短时则会流出或消失。即便是机械强度低而变为粉末状，通过将它们分散在底泥中，也可以发挥分解污泥的功能。

配置于水中的碳纤维制水质净化材优选与埋入在底泥中的碳材接触或接近。由此，水中的碳纤维制水质净化材中的需氧性菌容易地移向底泥中的碳材，在此将底泥分解。另外，埋入在底泥中的碳材更优选为与配置于水中的碳纤维制水质净化材连续成一体的材料，例如为腰带状、片状、带状、细绳状、筒状、管状、棒状、长条状、螺旋状、蜗旋状、格子状、孔状、网状等的材料。由此，水中的碳纤维制水质净化材中的需氧性菌因底泥中的碳材而容易地移动。另外，还可以防止埋入在底泥中的碳材由于水流等而流失。而且，由于可以一起制造、搬送和设置水中的碳纤维制水质净化材和埋入在底泥中的碳材，因此可以提高其制造、搬送和设置的操作性。

(与植物净化的并用)

水中的污染源为氮和磷等。碳纤维将水中氮积极地分解。但是，对于磷而言，由于不能变化为气体状物质，因此难以从水中除去。

氮和磷对于植物来说是不可缺少的成分。从植物的根可积极地吸收氮和磷作为营养源。因此，有在水上配置植物、在水中配置植物的根和碳纤维、在底泥中配置碳材的水质净化方法。安装于浮体下部的碳纤维如上所述，可以是从底部竖起的碳纤维，还可以是从浮体悬挂的碳纤维。通过将生长的植物的根与碳纤维缠绕，可积极地进行磷或氮的吸收，由此可促进植物的生长。

植物虽然可高效地吸收水中的氮、磷，但由于到冬天时就会枯萎，因此具有积累的氮或磷再次溶解到水中的问题。为了解决该问题，采取在枯萎前割取植物，并扔到水环境外的方法。因此，安装于浮体的植物优选易于割取的植物。具体地说为高度较高的菖蒲、芦苇、茅草等。

(所用碳纤维的种类)

使用的碳纤维可以是PAN系也可以是沥青系。当考虑到价格方面、强度方面时，配置于水中的碳纤维优选为PAN系的连续长纤维。另一方面，配置于底泥中的碳纤维由于强度并无特别要求，因此可以为沥青系的通用纤维。纤维的长度也没有特别限定。PAN系碳纤维具有单纤维数不同的情况，但关于本专利，在实施上没有特别问题。

(氧化纤维的使用)

有在制造PAN系碳纤维的阶段，在200℃～300℃左右的温度下对原丝的丙烯腈系纤维实施了热处理的氧化纤维(根据制造公司的不同也称为耐燃化纤维或黑化纤维(英文：blackened fibre，日文：黒化繊維))。用该纤维也可以进行水质净化，还可以使用这些氧化纤维或耐燃化纤维或黑化纤维代替配置于水中的碳纤维。

另外，代替配置于底泥中的碳纤维或者部分使用氧化纤维或耐燃化纤维或黑化纤维，也可以发挥净化效果。但是，相比较于碳纤维，水质净化效果降低。

(碳纤维表面的上胶剂)

碳纤维的表面涂覆有上胶剂，使得作为复合材料使用时与母材良好地接合。特别是，用于以树脂为母材的复合材料中时，为了提高两者界面的结合力，使用环氧系的上胶剂。即便将带有这种环氧系上胶剂的碳纤维放在水中，也会慢慢地开纤，发挥水质效果。

而且，当想要在早期阶段获得水质净化效果时，使用涂覆有水溶性上胶剂的碳纤维可以更加发挥效果。

因此，若不是期待早期效果，则碳纤维表面的上胶剂可以使用任何上胶剂。

(水草的繁茂)

本发明的效果之一为促进水草的生长。通过用碳材的设置效果分解除去底泥，水的透视度可提高。由此，水的透视度提高，太阳光可到达水中的内部，光合作用变得活跃，植物繁茂。通过植物在水中生长，产生氧气，水中的溶存氧量增高，水中的需氧性菌的作用变得活跃，污浊物的分解被更加促进。植物的生长对于水质净化来说是优选的，其根源为配置在底泥中的碳材的作用。

(藻场功能、鱼的增殖)

另外，本发明的其它效果之一在于鱼增殖、显示作为藻场的功能。通过将碳纤维配置在水中，并在底泥中设置碳材，则鱼增多。这是由于水中的碳纤维成为产卵场所、隐蔽场所、饲养场所、饵料场所。另外，在碳纤维上聚集很多浮游生物，捕食该浮游生物的鱼类集中过来也是理由之一。

通过在底泥中放置碳材，贝类、虾、蟹等甲壳类增多。另外，在泥中繁殖的泥鳅、鳗鱼等也增加。这些生物群捕食底泥中的营养成分而生长。由于这些生物群的数量增加，底泥的分解被促进。这些生物群可以繁殖的环境被早期构建是配置碳材的效果。而且，生物群的捕食作用也是分解底泥的效果。

另外，鱼中具有在河底或水底产卵的种类。另外，所产的卵被位于碳纤维外周的粘着性物质牢固地固定，流失也变少。另外，碳材本身释放出远红外线。由此可保温。产卵场所的温度高从孵化方面考虑是优选的。这些现象对于鱼类是优选的，在底部配置碳材则会进一步发挥作为鱼的繁殖场所的功能。

(底泥中的碳材的配置方法)

配置于底泥中的碳材有放置在底泥表面的情况、配置在底泥中的情况，仅配置在内部的情况等。基本来说，优选配置于水中的碳纤维与底泥中的碳纤维至少接触。

因此，即便配置在底泥的内部，也有必要尽量避免形成处于表面和内部的碳材无法接触的状态。这是由于要求底泥内部的微生物可以移动的配置。

(碳材在底泥中的配置)

即便当初仅为配置于水中的碳纤维，随着时间经过，碳材也会存在于底泥中。特别是，在流动剧烈的航道、处于湍流状态的航道、波动剧烈的航道等中，会发生碳纤维的单纤维从水中的碳纤维制净化材中分离所导致的消耗。从碳纤维制净化材中分离、落下的碳纤维堆积在底泥的内部，成为微生物繁殖的场所。因此，即便不积极地配置碳材，随着时间经过，碳材也会分布、存在于底泥中。即便仅仅是水中的碳纤维制净化材，初期阶段的底泥分解速度小，但由于发生分解，因此底泥减少，对水质净化有所贡献。

具体实施方式

以下通过实施例详细地说明本发明的实施方式。

(实施例1)

本发明人通过使用水槽的以下实验验证了底泥的净化现象。

在4个水槽(15×30×20cm、9升)中分别放入采自西湖的水7.0升和底泥2.0kg。将3种碳材埋入在底泥中，底泥的高度全部相同。从埋设有碳材的各水槽上部悬挂股线状碳纤维(60cm、全长12m、12g)。在各水槽中投入将市售的纳豆放入到水中而溶出的分散液。在水槽内通入空气，在需氧性条件下进行底泥的分解。在水槽中投入加热器，将水温保持在25℃进行实验。另外，定期地搅拌水槽。将配置于各水槽底部的碳材的种类和用量示于表中。1个月后测定底泥的性状、流动性和气味、水槽内的水的透视度。

A水槽：织物状碳纤维15×30cm、32g

B水槽：碳垫、13×25cm、厚度3cm、32g

C水槽：木炭粒、中片3～4cm、32g

D水槽：无

(1)底泥颜色的变化

从各水槽中将碳材全部取出，在未放有任何物质的状态下搅拌底泥后，观察底泥的颜色。在未放有任何碳材的D水槽中，当进行搅动时，成为深褐色，但织物状碳纤维的A水槽、放入有碳垫的B水槽和配置有木炭的C水槽中，为淡褐色。

(2)底泥的流动性的变化

从各水槽中分别取出底泥，利用汤匙捞取，观察底泥的流动性。未放有碳材的D水槽的底泥为重油状，而投入有碳材的A水槽、B水槽和C水槽中发生无机质化，底泥变得松散。

(3)底泥气味的评价

从各水槽吸取底泥，26位评审人员嗅闻气味，依次评价臭、不臭、哪个最臭。并未告知各评审人员是哪个水槽的底泥。

21位判定来自完全未放有碳材的D水槽的底泥最臭。与此相对照，评价埋入有碳材料的A、B、C水槽的气味变弱。其中，20位评价配置有织物状碳纤维的A水槽为最不臭、不臭。接着，是配置有碳垫的B水槽、放有木炭的C水槽的顺序。

恶臭消失表明产生恶臭的有机物被微生物分解。根据碳材种类的不同气味产生差异是由于微生物的活性度的差别所导致的。

放入有各种碳材的水槽与未放有任何碳材的水槽相比，底泥的气味变弱，由此可以认为，通过需氧性菌增殖并活跃地活动，可以分解底泥的有机物，促进底泥的净化。

(4)透视度的测定

从各水槽中将碳材全部取出，在未放有任何物质的状态下搅拌底泥。经过规定时间后，取出水槽内的液体，使用透视度计测定透视度。各测定时间的透视度示于表1中。

未放有碳材的D水槽的透视度最初为5cm左右，在21小时后为6.5cm，透视度的变化少。放入有织物状碳纤维的A水槽的透视度经过21小时从6.5cm大大地变化至14cm。放入有木炭的C水槽从6.5cm变化至10cm。与此相比，配置有碳垫的B水槽从9cm增高至18.5cm。

表1经过规定时间后的透视度

透视度(cm)	D水槽无	A水槽织物状碳纤维	B水槽碳垫	C水槽木炭
					1小时后	5.0	6.5	9.0	6.5
3小时后	5.0	10.5	11.5	7.5
					14小时后	6.5	14.0	15.0	9.5
21小时后	7.5	16.5	18.5	10.0

放入有织物状碳纤维和碳垫的水槽与放入有木炭的水槽相比，透视度提高。这可以认为是由于由碳纤维构成的碳材具有很高的表面积，从而促进微生物的增殖。

通过在存在需氧性菌的水中投入各种碳材料，可以促进底泥的分解。列举其理由时，推测如下。

(a)水中存在的需氧性菌通过水中竖起的碳纤维而增殖，其移动至底泥中，分解底泥的有机物。

(b)埋设到底泥中的碳材料可促进存在于底泥中的微生物的增殖，该微生物可分解底泥的有机物。

以上对实施例进行了说明，但本发明并非局限于上述例子，可以在权利要求书的记载范围内适当变更。

这样，根据本发明的环境水中的底泥分解除去方法，可以在不破坏生态系统的情况下高效地分解底泥，可以进行环境水的净化。

Claims (6)

1.环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，在水中配置碳纤维制水质净化材，同时在底泥中埋入碳材，所述配置在水中的碳纤维制水质净化材与所述埋入在底泥中的碳材接触或接近或者成为一体。

2.根据权利要求1所述的环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，所述配置于水中的碳纤维制水质净化材由如水草那样竖起结构的碳纤维或者从水表面的浮体悬挂的碳纤维构成。

3.根据权利要求1所述的环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，所述埋入在底泥中的碳材是利用粘合剂将木炭片、木炭粒或木炭粉凝固而成的成型物或者碳纤维。

4.根据权利要求1所述的环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，所述埋入在底泥中的碳材是与所述配置在水中的碳纤维制水质净化材成为一体的碳纤维、或者是在水中从所述配置于水中的碳纤维制水质净化材上分离的碳纤维。

5.根据权利要求1所述的环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，进行下述操作的至少一个：在水中配置由氧化纤维制成的水质净化材来代替所述碳纤维制水质净化材，以及在底泥中埋入氧化纤维来代替所述碳材。

6.根据权利要求5所述的环境水中的底泥的分解除去方法，其特征在于，所述氧化纤维是在200℃～300℃的温度下对丙烯腈系纤维实施了热处理的纤维。