JP2005081230A

JP2005081230A - 水質浄化資材の製造方法、および水質浄化システム

Info

Publication number: JP2005081230A
Application number: JP2003315643A
Authority: JP
Inventors: Shigemasa Yoshida; 重方吉田
Original assignee: TO KURE KK; TO-KURE KK
Current assignee: TO KURE KK; TO-KURE KK
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】リン酸イオンの除去能に加えて硝酸イオンの除去能をも発現させ得る水質浄化資材を浄水ケーキから製造する方法と、その水質浄化資材を利用した水質浄化システムを提供すること。
【解決手段】浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、水質浄化資材を製造する。あるいは、浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、水質浄化資材を製造する。これらのすいしつ浄化資材は、さらに、酸化条件下３００〜５００℃で半焼成、還元条件下３００〜５００℃で半炭化してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水ケーキを主材料として排水中の硝酸イオンとリン酸イオンの双方を除去する水質浄化資材を製造する方法と、その水質浄化資材を利用した水質浄化システムに関するものである。

浄水ケーキは、浄水場での水処理過程で発生する沈澱物を加圧・脱水、あるいは天日乾燥したもので、一般的には、産業廃棄物として処分されている。
本来、浄水ケーキは、粘土やシルトなどの鉱物を主要構成成分とし、原水中の菌体や藻体などの有機物を含むものであり、それらはリン酸イオンを固定する機能を有する。また、浄水ケーキには水処理過程で添加されたポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）や硫酸アルミニウムもごく少量混在しており、それらも高いリン酸固定能を有する。

そこで、このような浄水ケーキのリン酸固定能を利用して、リン酸除去用の水質浄化資材を製造することが既に提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）
特開平１０−５７８０４号公報

ところで、上記特許文献１には、「浄水発生土は大量の有機物を含んでいるため、浄水発生土に通水すると、水中に有機物を大量に溶出し、水中のＣＯＤ，アンモニウム態窒素、硝酸態窒素が増加し、新しい汚染源となる。したがって、これらを取り除かないかぎり水質浄化用リン酸吸着材として利用することができない。」との指摘がある（上記特許文献１段落［０００９］参照。）。

そして、その対策として、上記特許文献１に記載の技術では、有機物、窒素を除去することを目的として、浄水ケーキを成形し、焼成する工程を採用している（上記特許文献１段落［００２１］参照。）。

これら上記特許文献１の記載内容は、従来、浄水ケーキが硝酸イオンの発生源になるおそれがあるとの認識はあったものの、浄水ケーキに硝酸イオンの除去能があるとの認識は全くなかったことを示している。また、実際のところ、浄水ケーキを用いた資材で排水中の窒素除去を試みた例はなく、浄水ケーキによる窒素除去技術については未だ確立されていなかった。

このような背景の下、本件発明者は、浄水ケーキの利用方法について検討を重ね、その中で、浄水ケーキに対して特定条件で処理を施した場合に、浄水ケーキを用いた資材が硝酸イオンを除去するための水質浄化システムにおいて有効に利用できることを、新たに見いだし、本発明を完成させた。

本発明の目的は、リン酸イオンの除去能に加えて硝酸イオンの除去能をも発現させ得る水質浄化資材を浄水ケーキから製造する方法と、その水質浄化資材を利用した水質浄化システムを提供することにある。

以下、本発明において採用した特徴的な構成について詳述する。
まず、水質浄化資材の製造方法について説明する。
本発明の水質浄化資材の製造方法は、水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、次に挙げる特徴的な工程（１）〜（６）のうち、いずれかを採用したものである。
（１）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、前記水質浄化資材となる乾燥粒状浄水ケーキを製造する。
（２）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥した後、酸化条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半焼成することにより、前記水質浄化資材となる半焼成粒状浄水ケーキを製造する。
（３）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥した後、還元条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半炭化することにより、前記水質浄化資材となる半炭化粒状浄水ケーキを製造する。
（４）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練乾燥粒状浄水ケーキを製造する。
（５）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥した後、酸化条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半焼成することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練半焼成粒状浄水ケーキを製造する。
（６）浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥した後、還元条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半炭化することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練半炭化粒状浄水ケーキを製造する。

以上の水質浄化資材の製造方法において、半焼成とは、浄水ケーキ中に含まれる有機物が完全には除去されない程度の焼成を意味し、従来技術において有機物を完全に除去するために実施されていた焼成とは相違する処理である。また、半炭化も、浄水ケーキ中に含まれる有機物が完全には炭化されない程度の炭化を意味する。

このような半焼成ないし半炭化を行うには、有機物が完全に焼成ないし炭化される場合よりも、焼成ないし炭化のための処理時間を短くすればよい。この時間は処理温度や浄水ケーキの粒径その他の条件によっても変動するので一概には特定できないが、焼成ないし炭化のための処理時間を適宜増減して焼成ないし炭化を実施すれば、有機物が完全に除去ないし炭化される程度の焼成時間を見いだすことができるので、その時間よりも短時間（例えば、完全に焼成ないし炭化する場合の１／３〜２／３の時間）で処理を施す。

また、微生物難分解性の有機物資材としては、水難溶でＣ／Ｎ比の高い（例えば、Ｃ／Ｎ比６００〜１５程度）有機物資材の細片や粉末を用いることができ、より具体的には、モミガラ、ラッカセイ殻、コーンフィード、コーングルテンフィード、コーヒーカス、オガクズ、ジュートなどの微生物難分解性の有機物を用いることができる。

上記工程（１）〜（６）のいずれかを採用した水質浄化資材の製造方法によれば、篩い分けされた粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキまたは粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキを造粒してなる粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物中に、浄水ケーキ由来の有機物または造粒物を製造する際に混入した微生物難分解性の有機物資材が含まれている。しかも、それらが、１５０〜２００℃で通風乾燥、酸化条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半焼成、または還元条件下３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）で半炭化、これらいずれかの処理が施されているので、最終的に製造される水質浄化資材は、菌体の住みかとなる微細な隙間や細孔を有する形態となっている。また、有機物を完全に焼成ないし炭化するような処理を施していないので、菌体にとっての栄養源となる有機物をいくらか含んでおり、微生物難分解性の有機物の一部は、通風乾燥、半焼成、半炭化等の処理により、菌体にとってより吸収利用しやすい低分子量の有機物に変化している。さらに、菌体の住みかとなる微細な隙間はきわめて小さく、１μｍレベルの菌体は入り込むことができるものの、１０μｍ以上のカビ類は入り込むことができないような隙間が無数に存在するため、硝酸イオンを取り込むような菌体や脱窒機能を持つ細菌類が安定して定着できる棲息空間を提供できる可能性もある。

そのため、これらの製造方法で製造された水質浄化資材を浄化対象となる水中に配置すると、水質浄化資材の隙間や細孔の内部に菌体が定着し、硝酸態窒素を菌体内に取り込むようになる。また、脱窒菌などの菌体は、嫌気的条件下で生物的脱窒能を発揮し、硝酸イオンを分解する。これらの菌体の作用により、水中から硝酸イオンが除去される。

また、浄水ケーキは、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）等を含むことから、リン酸イオンを固定する機能を有するので、水中からはリン酸イオンも除去される。
したがって、上記水質浄化資材の製造方法によれば、水中のリン酸イオンはもちろんのこと、硝酸イオンをも除去できる水質浄化資材を製造することができるのである。

ちなみに、従来法においては、浄水発生土中の有機物が汚染源になるとの認識があったため、十二分な焼成を行うことで有機物を完全に除去していたのであるが、このような水質浄化資材では菌体にとっての栄養源となる有機物が失われてしまうことになるため、菌体が定着せず、硝酸イオンを除去することは困難になる。この点が、本発明の水質浄化資材の製造方法と従来法との最も大きな相違点である。

次に、水質浄化システムについて説明する。
本発明の水質浄化システムは、上述のいずれかの製造方法で製造された水質浄化資材を利用した、水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化システムであって、浄化対象となる水が入口側から流入して内部を通って出口側から流出するとともに、前記内部において前記水と前記水質浄化資材とが好気的条件下で接触するように構成された酸化槽と、浄化対象となる水が入口側から流入して内部を通って出口側から流出するとともに、前記内部において前記水と前記水質浄化資材とが嫌気的条件下で接触するように構成された還元槽とを備え、前記還元槽および前記酸化槽に順次通水するか交互に通水することにより、水質浄化処理を行うことを特徴とする。

この水質浄化システムにおいては、前記還元槽の内部に、微生物難分解性の有機物が前記水質浄化資材とともに配置されていてもよく、この場合、前記微生物難分解性の有機物が、生分解性樹脂と混合されて板状に成形されるか、生分解性樹脂の容器または袋に充填されて、前記還元槽の内部において、前記水質浄化資材と交互に積み重ねられていてもよい。

この水質浄化システムによれば、酸化槽では主にリン酸イオンが効率よく吸着され、還元槽では主に硝酸イオンが効率よく脱窒され、還元槽および酸化槽に順次通水するか交互に通水することで、リン酸イオンおよび硝酸イオンの双方が除去される。

また、酸化槽、還元槽では、上記の吸着や脱窒作用以外に、増殖微生物による排水中のリン酸イオンや窒素化合物の取り込みによる浄化が並行して行われ、リン酸イオンや硝酸イオンの除去に役立っている。

このような水質浄化システムは、家庭からの生活雑排水、畜産業からの畜舎排水、食品加工産業からの産業排水などの浄化、ため池などの水質浄化に利用できる。さらに、低廉な資材であるため、農業や畜産業などの面的汚染源から河川に流入する富栄養化汚濁水の浄化にも利用できる。

なお、上記製法で製造した水質浄化資材は、上記酸化槽および還元槽を備えた水質浄化システムで利用する他、河川や小水路の浄化を行うのであれば、水質浄化資材を入れた網袋や蛇籠を水路の底部や側部に配置するだけでも効果がある。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、リン酸イオンの除去能があるのはもちろんのこと、硝酸イオンの除去能をも発現させ得る水質浄化資材を、浄水ケーキから製造する方法と、その水質浄化資材を利用した水質浄化システムを提供することができる。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
（１）リン酸イオン及び硝酸イオン除去資材の製造
篩い分けた４．５ｍｍ以上の浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥させて乾燥粒状浄水ケーキを製造し、それを３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）酸化条件下で半焼成することによって半焼成粒状浄水ケーキを製造し、３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）還元条件下で半炭化することによって半炭化粒状浄水ケーキを製造した。

一方、上記の篩い分けによって選別した粒経４．５ｍｍ以下の粉粒状浄水ケーキを粉砕し、それに０．５〜１０．０％（重量比）のモミガラ粉末などを混練して造粒したのち１５０〜２００℃で乾燥させることによって有機物混練乾燥粒状浄水ケーキを製造した。なお、混練有機物として、上記のモミガラ以外にコーンフィード、コーヒーカス、オガクズ、およびラッカセイ殻などの微生物難分解性有機物資材を混練した有機物混練乾燥粒状浄水ケーキも同様に製造した。さらに、それらを３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）酸化条件下で半焼成することによって有機物混練半焼成粒状浄水ケーキを製造し、３００〜５００℃（望ましくは３００〜４００℃）還元条件下で半炭化することによって有機物混練半炭化粒状浄水ケーキを製造した。

これら水質浄化資材の製造フローを図１に示す。
（２）リン酸イオンの除去試験
（２．１）乾燥粒状浄水ケーキ及び半焼成粒状ケーキのリン酸イオン吸着試験
図１の乾燥粒状浄水ケーキ及び半焼成粒状浄水ケーキ２ｇを７１９ｍｇ／Ｌのリン酸イオンを含む水溶液５ｍｌを加え、３０分間振とうする。その後、ろ過して得たろ液中のリン酸イオン濃度を測定することによってリン酸吸着能（＝（供試液中のリン酸イオン濃度−処理液中のリン酸イオン濃度）／供試液中のリン酸イオン濃度×１００）を比較した。なお、本試験では、多くの浄水場から採取した浄水ケーキについて調査した。その結果を表１に示す。

表１に示すように乾燥粒状浄水ケーキにはリン酸吸着能があり、その吸着能は浄水場によって差異があることが明らかになった。また、ここには表示していないが、還元条件下で半炭化した半炭化粒状浄水ケーキも上記の半焼成粒状浄水ケーキと同様に乾燥粒状浄水ケーキに比べてリン酸吸着能が増強されていることが明らかになった。
（２．２）リン酸吸着に対するリン酸イオン溶液と除去資材との接触時間の関係
上記（２．１）の試験に用いた鍋屋上野浄水場の浄水ケーキより製造した乾燥粒状浄水ケーキを（２．１）の試験と同様にリン酸溶液に添加し、その後、２４時間にわたるリン酸吸着を調査した。その結果を図２に示す。リン酸吸着率は乾燥粒状浄水ケーキ、半炭化粒状浄水ケーキともに接触直後から１時間後にかけて急激に高まった。その後の吸着率の上昇は緩慢となったが、乾燥粒状浄水ケーキでは２４時間後に７８％程度、半焼成粒状浄水ケーキでは６時間後に９０％程度となった。このように、リン酸イオン水溶液と除去資材との接触時間を長くすれば、リン酸イオン吸着率は高まることが明らかになった。
（２．３）リン酸吸着能と焼成温度との関係
各浄水場から採取した浄水ケーキより調製した乾燥粒状浄水ケーキを焼成温度の異なる条件下で半焼成し、それら半焼成粒状浄水ケーキのリン酸吸着能を調査した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、リン酸吸着能は半焼成することによって増強され、大部分の浄水ケーキでは３００℃半焼成によって最も顕著に増強し、５００℃までの温度範囲内では比較的高い吸着能を維持していた。しかし、それ以上に高い温度での半焼成では、逆にリン酸吸着能を低下させ、１，０００℃半焼成では最高値の１０％程度まで低下した。したがって、乾燥粒状浄水ケーキのリン酸吸着能の増強には３００〜５００℃の範囲内の半焼成が有用であるといえる。
（２．４）乾燥粒状浄水ケーキ、半焼成粒状浄水ケーキ及び半炭化粒状浄水ケーキのリン酸吸着能の比較
金魚飼育水槽から採水した１８．９ｍｇ／Ｌのリン（Ｐ）を含む水槽水５０ｍＬに上記の各粒状浄水ケーキ５ｇを加えて３０分間振とうしたのち、上澄液のリン酸濃度を測定することによってリン酸吸着能を測定した。さらに、それを引き続いて１０日間、室温条件下インキュベーションすることによってリン酸吸着率を調査した。その結果を表３に示す。

表３に示すように、浄水ケーキの添加直後（３０分間振とう後）におけるリン酸吸着能は半炭化粒状浄水ケーキ＞半焼成粒状浄水ケーキ＞乾燥粒状浄水ケーキの順に強く、浄水ケーキの酸化条件下での半焼成あるいは還元条件下で半炭化が乾燥浄水ケーキのリン酸吸着能を増強することが再確認された。しかし、浄水ケーキとリン酸含有溶液との接触時間を長くすれば乾燥粒状浄水ケーキでもリン酸除去に利用できることを確認した。
（２．５）乾燥粒状浄水ケーキによる金魚飼育水槽水のリン酸浄化
金魚飼育水槽（４０Ｌ容）内に５００ｍＬの乾燥粒状浄水ケーキを加え、その後の水槽水中のリン酸濃度を測定した。その結果を表４に示す。

表４に示すように、無処理区では当初２．９３ｍｇ／Ｌであったリン酸（Ｐ）濃度が飼育を続けることによって７日後に７．８２ｍｇ／Ｌ、１４日後には１５．３２ｍｇ／Ｌとリン酸集積が生じている。これに対して、乾燥粒状浄水ケーキを添加した処理区では処理以降全くリンは検出されず、リン浄化が行われていることが確認された。
（２．６）乾燥粒状浄水ケーキによる生活雑排水の浄化
８Ｌの乾燥粒状浄水ケーキを充填した２基の水槽を酸化槽、還元槽として連結し、そこに単独浄化槽を備えた戸建住宅から排出する生活雑排水を１０Ｌ／分の流速で流入させ、その後、流入排水と装置からの流出水のリン濃度を経日的に測定した。その結果、図３に示すように、上記の装置からの流出水のリン酸濃度は生活雑排水の濃度に比べて顕著に低く推移し、乾燥粒状浄水ケーキが排水中のリン浄化に有益に働いていることが認められた。
（３）硝酸イオンの除去試験
（３．１）各種粒状浄水ケーキの硝酸イオン除去能の比較
乾燥粒状浄水ケーキ、半焼成粒状浄水ケーキ及び半炭化粒状浄水ケーキの３種の浄水ケーキを５ｇずつ５０ｍＬ容の試験管に入れ、それに硝酸態窒素を含む金魚飼育槽水５０ｍＬを加えて一定期間、室内でインキュベーションした。その後、上澄液中の硝酸態窒素濃度を測定した。その結果を表５に示す。

表５に示すように、溶液中の硝酸態窒素濃度は半焼成及び半炭化粒状浄水ケーキの添加によって顕著に低下し、それに比べて乾燥粒状浄水ケーキでの程度は少なかった。また、強度に硝酸態窒素が低下した処理区における溶液中の溶存酸素濃度が顕著に低下していることを認めた。これらのことから、乾燥粒状浄水ケーキに比べて半焼成粒状浄水ケーキや半炭化粒状浄水ケーキが高い硝酸イオン除去態を有することが明らかとなり、そのメカニズムが主に脱窒によるものと考えられた。

次に、２Ｌ容のアクリル容器に硝酸態窒素を含む金魚飼育水槽水１Ｌを入れ、そこに半焼成粒状浄水ケーキを０〜２０％（ｗ／ｗ）加えた後、一定期間、室内でインキュベーションした。浄水ケーキの添加量と硝酸態窒素の除去率（＝（浄水ケーキ無添加区の硝酸態窒素濃度−浄水ケーキ添加区の硝酸態窒素濃度）／浄水ケーキ無添加区の硝酸態窒素濃度×１００）との関係を表６に示す。

表６に示すように、その後の溶液中の硝酸態窒素濃度は半焼成粒状浄水ケーキの添加量の増加に伴って低下し、それに対応して溶液中の溶存酸素濃度が低下していることが確認された。また、図４の結果から、硝酸態窒素の除去率と溶存酸素濃度との間には高い負の有意な相関（相関係数：−０．８８４^**）があることが明確にできた。
（３．２）有機物資材の添加による浄水ケーキの硝酸イオン除去能の増強
硝酸態窒素を含む金魚飼育水槽水５０ｍＬを入れた５０ｍＬ容試験管に５ｇの乾燥粒状浄水ケーキと各種有機物資材を加え、一定期間、室内でインキュベーションした。その後、溶液中の硝酸態窒素濃度を測定した結果を表７に示す。

表７に示すように、溶液中の硝酸態窒素濃度は有機物資材の添加によって低下するが、その低下度合いは有機物資材の種類によって大きく異なっていた。すなわち、供試した有機物資材の中ではショ糖、ラッカセイ殻及びジュートでは顕著に低下し、ピートモスやモミガラくん炭ではごく僅かしか低下しなかった。ピートモスやモミガラくん炭で僅かしか低下しない理由としては、菌体の栄養源として利用可能な形態の有機物が他のものよりも少ないのではないかといった理由が推察される。

表８にはさらに食品加工産業から排出する数種の廃棄物を加えて、半焼成及び乾燥粒状浄水ケーキに対する添加効果を調べた結果を示す。なお、有機物資材の添加量は、浄水ケーキ１００ｇに対する添加量、供試金魚水飼育水１Ｌに対する添加量である。

表８から明らかなように、乾燥粒状浄水ケーキのみならず半焼成粒状浄水ケーキに対しても有機物資材の添加は溶液中の硝酸態窒素濃度の低下に効果的に働き、コーングルテンフィードやコーンフィード及びモミガラは上記のラッカセイ殻と同程度の高い低下効果を示した。しかし、図５に示すように、モミガラによる低下効果の発現にはラッカセイ殻などに比べてインキュベーション期間を長くする必要があるものとみなされた。また、表示していないが、硝酸態窒素濃度の低い処理区の溶液中の溶存酸素濃度はいずれも低い値を示していた。これらの結果から、乾燥及び半焼成粒状浄水ケーキへの有機物資材の添加は硝酸イオンの除去に有効に作用することが明らかにできた。また、半炭化粒状浄水ケーキに対しても同様であると推察される。
（３．３）乾燥粒状浄水ケーキによる硝酸イオン除去に対する通気の効果
表９は硝酸態窒素を含む金魚飼育水槽水１Ｌに乾燥粒状浄水ケーキ１００ｇとラッカセイ殻１０ｇを加え、通気条件を変えてインキュベーションし、溶液中の硝酸態窒素濃度の経日的変化を調べたものである。

表９から明らかなように、無通気条件下では上記と同様に硝酸態窒素濃度に顕著な低下を示したが、連続通気下では高い硝酸態窒素濃度を持続していた。また、３〜１２時間の間断通気があってもインキュベーション期間を長くすると無通気の場合と同様に顕著な硝酸態窒素の低下をもたらしていた。

表１０は有機物資材としてラッカセイ殻１０ｇを添加、あるいは無添加条件下で一日当たり１時間あるいは３時間通気したときの硝酸態窒素濃度の変化を調べた結果を示す。

表１０から明らかなように、３時間通気の場合では有機物資材の添加の有無にかかわらず高い硝酸態窒素濃度を示した。これに対して、１時間通気の場合、有機物資材無添加の場合では３時間通気と同様に高い硝酸態窒素濃度を示したが、有機物資材添加の場合は無通気のものと同様に顕著に低い硝酸態窒素濃度を示した。これらの結果から、硝酸イオンの除去効果の低い乾燥粒状浄水ケーキでも、有機物資材の添加と通気の制限によって溶液中の溶存酸素濃度を低下させれば硝酸イオン除去資材として有効に利用できる可能性が示唆された。
（４）リン酸イオンと硝酸イオンの同時除去試験
（４．１）２本のアクリル円筒を還元槽、酸化槽として連結した装置によるリン酸イオンと硝酸イオンの同時除去
図６に示すように、アクリル円筒（径８ｃｍ，長さ４０ｃｍ）内に乾燥粒状浄水ケーキ１Ｌとコーンフィード５０ｇを層状に充填したものを還元槽１とし、底部にエアーレーション用のエアーストーンを配置した上に上記と同量の乾燥粒状浄水ケーキを充填したものを酸化槽２とした。両アクリル円筒の間に配置したロータリーポンプ３でリン酸イオン及び硝酸イオンを含む金魚飼育水４を５ｍＬ／分の流速で液送し、酸化槽２から流出する排出液５の両イオン濃度を経日的に測定した。その結果、図７に示すように、リン酸濃度は当初５．４ｍｇ／Ｌであったものが、１日後より０．１ｍｇ／Ｌ以下に低下し、それ以降大きく濃度上昇することはなかった。

一方、硝酸態窒素濃度は当初２３．７ｍｇ／Ｌであったが、３日後には２．３ｍｇ／Ｌまで低下した。その後、一旦、８日日にかけて１４．７ｍｇ／Ｌまで上昇したが、それ以降、急激な濃度低下を生じ、１０日以後２０日にかけて０．２ｍｇ／Ｌ以下に収練した。このように、本装置により、リン酸及び硝酸イオンは処理２週間後には完全に浄化できることが明らかとなった。
（４．２）２個の塩ビ製容器を還元槽、酸化槽として連結させた装置によるリン酸イオンと硝酸イオンの同時除去
図８に示す塩ビ製容器（４７ｃｍ×３５ｃｍ，高さ２６ｃｍ，４２．７７Ｌ容）に乾燥粒状浄水ケーキ２５Ｌを入れ、一方を還元槽１１、他方を酸化槽１２とし、新堀川より採水した排水（Ｔ−Ｎ：２２．８ｍｇ／Ｌ，Ｔ−Ｐ：６．１ｍｇ／Ｌ，ＮＯ₃−Ｎ：０ｍｇ／Ｌ，ＰＯ₄−Ｐ：０．７ｍｇ／Ｌ）で満たし７７０ｍＬ／分の流速で循環させた。なお、酸化槽１２にはエアーストーンを通して常時エアーレーションした。図９は処理後のリン酸及び硝酸態窒素濃度の経日的推移を示す。

リン酸濃度は処理直後より急激な濃度低下が生じ、その効果は試験期間中を通じて持続していた。一方、硝酸態窒素濃度は試験開始直後、一旦、供試水よりも高い値を示したが、処理後日数の経過に伴って低下し、処理１週間後には顕著に低下した。その原因は、供試水や乾燥粒状浄水ケーキに含まれる易分解性有機態窒素化合物の微生物分解による硝酸放出に基づくものであり、その放出が１週間程度で収練し、それ以降に放出される硝酸態窒素が脱窒や微生物菌体への取り込みによって除去されるために、低い水準で推移したものと推察した。

これらの結果から、浄水ケーキを満たした容器を２基連結させ、前者を還元状態、後者を酸化状態に置くことによって汚水中のリン酸イオンや硝酸イオンが同時に除去できることが明らかとなった。
（４．３）リン酸イオンと硝酸イオンの同時除去性能と焼成温度との関係
鍋屋上野浄水場から採取した浄水ケーキを原料とする半焼成浄水ケーキを焼成温度の異なる条件下で半焼成し、それら半焼成粒状浄水ケーキのリン酸イオンと硝酸イオンの同時除去性能を調査した。その結果、図１０に示すように、リン酸イオンの除去率は、焼成温度２００〜８００℃の広範囲で１００％を示し、焼成温度１０００℃でも著しい低下は見られなかったが、硝酸イオンの除去率は３００〜４００℃で高くなり、焼成温度が高くなると急激に低下することが明らかになった。したがって、半焼成浄水ケーキの硝酸吸着能の増強には３００〜４００℃の範囲内の半焼成が最も効果的であるといえる。
（４．４）各浄水場の浄水ケーキを原料とする半焼成粒状浄水ケーキの硝酸、リン酸除去能の比較
金魚飼育水槽から採水した水槽水５０ｍＬ（ＮＯ₃−Ｎ：５２．０ｍｇ／Ｌ、ＰＯ₄−Ｐ：１２．７ｍｇ／Ｌ）に、表１１に示す半焼成粒状浄水ケーキまたは半炭化粒状浄水ケーキ５ｇを加え、６日間にわたってインキュベーションし、リン酸および硝酸の除去率を調査した。また、比較のため、浄水ケーキを加えないものについても、６日間にわたってインキュベーションし、リン酸および硝酸の量を測定した。その結果を表１１に示す。

表１１に示すように、焼成温度３００〜４００℃で半焼成処理を施した半焼成粒状浄水ケーキにより、リン酸および硝酸の除去ができることを確認した。
（５）使用済み浄水ケーキの植物に対する効果
生活雑排水の浄化に用いた使用済みの浄水ケーキをフラワーポットに充填し、５０粒のコマツナ種子を播種し、その後の出芽と初期生育を調査した。その結果を表１２に示す。なお、同試験では使用前の乾燥粒状浄水ケーキと市販の肥料入り園芸用培土を対照として用いた。

表１２に示すように、一週間後の出芽率はいずれの処理区とも良好であったが、使用前の乾燥浄水ケーキ区では播種した種子が浄水ケーキ間の隙間の深い位置まで落ち込んでいたために出芽が遅れ、やや低い出芽率を示した。

また、無作為にサンプリングした１０個体の地上部新鮮重で測定した植物体生育量は処理間で大きな差異がみられ、使用済み浄水ケーキ区では他の処理区に比べて高い値を示した。その中でも、生育初期段階では酸化槽に用いた使用済み浄水ケーキ区の生育が最も良好であり、生育後期には還元槽に用いた使用済み浄水ケーキにおける生育が最も良好となった。このように、使用済みの浄水ケーキ区における生育が園芸用培土と同程度か、それ以上の生育を示した原因は水処理により肥料養分が富化されていることによるものであり、特に酸化槽ではエアーレーションにより植物生育と密接に関係する硝酸態窒素の生成が早く生じるために初期生育が促され、還元槽ではアンモニア態窒素や有機体窒素が酸化状態となる畑条件下で多くの硝酸態窒素が徐々に放出されるために生育後期において植物生育が良好になるものと考えられた。

これらの結果から、使用済み浄水ケーキは農耕他の培土資材として再生利用できるものとみなされた。なお、未使用の乾燥粒状浄水ケーキ区における生育が顕著に低かった原因は養分富化がなかった以外に、同資材の高いリン酸固定による植物へのリン酸供給の制限が大きく関与しているものと推察される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

水質浄化資材の製造フローを示す図である。乾燥粒状浄水ケーキおよび半焼成粒状浄水ケーキのリン酸吸着能を示すグラフである。乾燥粒状浄水ケーキによる生活雑排水の浄化状態を示すグラフである。硝酸態窒素の除去率と溶存酸素濃度との関係を示すグラフである。インキュベーション日数と硝酸態窒素濃度との関係を示すグラフである。水質浄化システムの一形態を示す構成図である。図６に示したシステムの硝酸態窒素除去能、リン酸除去能を示すグラフである。水質浄化システムの別の一形態を示す構成図である。図８に示したシステムの硝酸態窒素除去能、リン酸除去能を示すグラフである。リン酸イオンと硝酸イオンの同時除去性能と焼成温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１，１１・・・還元槽、２，１２・・・酸化槽、３・・・ロータリーポンプ。

Claims

水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、前記水質浄化資材となる乾燥粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥した後、酸化条件下３００〜５００℃で半焼成することにより、前記水質浄化資材となる半焼成粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５〜３０ｍｍの粒状浄水ケーキとし、該粒状浄水ケーキを１５０〜２００℃で通風乾燥した後、還元条件下３００〜５００℃で半炭化することにより、前記水質浄化資材となる半炭化粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練乾燥粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥した後、酸化条件下３００〜５００℃で半焼成することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練半焼成粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化資材の製造方法であって、
浄水ケーキを粉砕、篩い分けして粒径４．５ｍｍ未満の粉粒状浄水ケーキとし、該粉粒状浄水ケーキに、微生物難分解性の有機物資材を０．５〜１０．０重量％混練した後、該混練物を造粒して粒径４．５〜３０ｍｍの造粒物とし、該造粒物を１５０〜２００℃で通風乾燥した後、還元条件下３００〜５００℃で半炭化することにより、前記水質浄化資材となる有機物混練半炭化粒状浄水ケーキを製造する
ことを特徴とする水質浄化資材の製造方法。
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の製造方法で製造された水質浄化資材を利用した、水中の硝酸イオンおよびリン酸イオンの双方を除去可能な水質浄化システムであって、
浄化対象となる水が入口側から流入して内部を通って出口側から流出するとともに、前記内部において前記水と前記水質浄化資材とが好気的条件下で接触するように構成された酸化槽と、
浄化対象となる水が入口側から流入して内部を通って出口側から流出するとともに、前記内部において前記水と前記水質浄化資材とが嫌気的条件下で接触するように構成された還元槽とを備え、
前記還元槽および前記酸化槽に順次通水するか交互に通水することにより、水質浄化処理を行う
ことを特徴とする水質浄化システム。
前記還元槽の内部に、微生物難分解性の有機物が前記水質浄化資材とともに配置されている
ことを特徴とする請求項７に記載の水質浄化システム。
前記微生物難分解性の有機物が、生分解性樹脂と混合されて板状に成形されるか、生分解性樹脂の容器または袋に充填されて、前記還元槽の内部において、前記水質浄化資材と交互に積み重ねられている
ことを特徴とする請求項８に記載の水質浄化システム。