JP2005152829A

JP2005152829A - 水浄化用ユニット

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Publication number: JP2005152829A
Application number: JP2003397060A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Tanaka; 恒夫田中; Norihiko Hirano; 徳彦平野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP4376041B2

Abstract

【課題】
簡易かつ高効率な、地下水中又は排水・廃水中に含まれる硝酸性窒素の除去ユニットを提供すること。地下水中又は排水・廃水中に含まれる硝酸性窒素の除去方法を提供すること。
【解決手段】
電子供与体からなる中間部と、中間部の周囲に設けられた網状体と、網状体の外側に設けられた炭素繊維材と、を少なくとも備える水浄化用ユニットを提供する。また、水浄化用ユニットを複数備える水浄化ユニット集合体を提供する。この水浄化用ユニット集合体を排水流路等に複数配置することにより、硝酸性窒素を簡易かつ高効率に除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、脱窒菌を定着・生育させて硝酸性窒素を除去する水浄化用ユニットに関する。

近年、硝酸性窒素による水質汚染が問題となっている。硝酸性窒素は、農業排水中に含まれる窒素肥料、畜産排水中に含まれるし尿、生活排水等に含まれ、それらによって硝酸性窒素による水質汚染が発生する。また、それらの排水が地下に滲みこみ、地下水を汚染する。硝酸性窒素による地下水又は排水・廃水の汚染は、水質環境の悪化を招き、また、生態系を乱したり、公衆衛生を阻害したりする要因となる。従って、地下水又は排水・廃水を脱窒処理し、水質を浄化する必要がある。

排水・廃水の脱窒処理方法として、現在、一般的に利用されている方法は、脱窒細菌等の微生物を利用した生物学的脱窒処理法である。この方法は、脱窒細菌等の微生物を活性汚泥中に定着・生育させる方法で、それらの微生物が硝酸性窒素を窒素ガスに変換することにより、硝酸性窒素を処理する方法である。例えば、特許文献１、特許文献２は、この処理法を応用したものである。その他、炭素繊維材は、細菌等の担体として利用されている（例えば、特許文献３）。
特開平５−２６９４８９号公報。特開平８−３１８２９２号公報。特開２００２−８６１７８号公報。

しかしながら、従来の技術には、以下のような解決すべき課題があった。

従来の生物学的脱窒素法は、脱窒細菌等微生物の濃度を高く保つことが難しく、硝酸性窒素を十分に除去することができなかった。

また、脱窒細菌等の微生物を活性化するために、嫌気条件下で撹拌する等、大規模な装置を設置しなければならなかった。そのため、多大なスペースとコストが必要であった。

そこで、本発明は、簡易かつ高効率な硝酸性窒素除去ユニットを提供することを主な目的とする。また、簡易かつ高効率な硝酸性窒素除去方法を提供することを主な目的とする。

上記の技術的課題を解決するために、本発明では、電子供与体の存在する中間部と、中間部の周囲に設けられた網状体と、網状体の外側に設けられた炭素繊維材と、を少なくとも備える水浄化用ユニットを提供する。

前記中間部は、少なくとも電子供与体を有する。電子供与体は、炭素繊維材に定着した脱窒細菌等の微生物の脱窒反応を促進する機能を持つ。電子供与体は、中間部の周囲に設けられた網状体を通過して、徐々に炭素繊維材に達し、炭素繊維材に定着する脱窒細菌等に供給される。そのため、脱窒細菌等の微生物の脱窒反応は促進し、本発明に係る水浄化用ユニットは、処理対象水（排水・廃水、地下水を含む）中の硝酸性窒素を、持続的に高効率で除去することができる。

この電子供与体には、化学式１〜３のいずれかの酸化還元反応（硝酸を窒素ガスに変換する反応）の還元剤を用いる。脱窒細菌等の微生物に電子供与体を供給することにより、脱窒細菌等の脱窒素反応は促進する。そして、処理対象水中の硝酸性窒素は、無害な窒素ガスに高効率に変換される。

前記網状体は、中間部を保持・固定する機能を持つ。また、網状体は、電子供与体が通過する部分となる。電子供与体は、網状体を通過して、炭素繊維材に定着した微生物に供給され、脱窒反応を促進する。

前記炭素繊維材は、脱窒細菌等の微生物を定着・生育させる担体として機能する。炭素繊維材に定着した脱窒細菌等の微生物は、硝酸性窒素を還元し、窒素ガスに変換する性質を持つため、本発明に係る水浄化用ユニットは、処理対象水中の硝酸性窒素を除去することができる。

この炭素繊維材は、例えば、フェルト状の炭素繊維を用いることができる。フェルト状炭素繊維材は、以下の特質を持つ。（１）フェルト状炭素繊維材は、炭素繊維が交互に絡み合っているため、適度な空間を持つ。そのため、脱窒細菌等微生物の生育に適切な生活空間を提供することができる。（２）フェルト状炭素繊維材は圧縮回復性（形状保持性能）に優れるため、本発明に係る水浄化ユニットを乱雑に扱ったり、水流の強い場所で長期間に用いたりした場合にも、衝撃を吸収し、形状を保持することができる。そのため、水浄化用ユニットの設置・運搬等の作業性を向上し、また、長期間使用することができる。（３）フェルト状炭素繊維材は、三次元の網目構造を形成するという特質を持つ。そのため、フェルト状炭素繊維材それ自体が、処理対象水中の不純物を除去するろ過機能を持つ。（４）フェルト状炭素繊維材は炭素からなるため、炭素の持つ生物親和性、耐腐食性を持つ。そのため、フェルト状炭素繊維材は、脱窒細菌等の微生物を定着・生育させる担体として有効である。（５）フェルト状炭素繊維材は、炭素の有する耐腐食性、長期耐久性を持つ。そのため、脱窒細菌等の微生物を定着・生育させる担体として長期間持続的に使用することができる。このことは、本発明に係る水浄化用ユニットの硝酸性窒素除去機能を長期間持続させる上で、有効である。（６）フェルト状炭素繊維材は、現在、車両用防音断熱材やクッション材等に用いられているため、産業廃棄物として、安価に手に入れることができる。また、リサイクルの観点から、これらの産業廃棄物を、再利用できる利点がある。

次に、本発明では、水浄化用ユニットを複数備える水浄化ユニット集合体を提供する。水浄化ユニット集合体は、例えば、複数の水浄化用ユニットを網等に入れることにより、作製することができる。この集合体を、処理対象水の流路等に直接配置することにより、簡易かつ高効率に、処理対象水中の硝酸性窒素を除去することができる。

この集合体は、例えば、水処理施設の水槽内に、複数の集合体を直接配置したり、水処理施設内の流路に、処理対象水が集合体を通過するように配置したりすることができる。また、地下水路のように、水処理設備を設置できない場合にも、簡易かつ高効率に、硝酸性窒素を除去することができる。

本発明によって、農業排水、畜産排水、産業排水、生活排水等の排水・廃水や、地下水等に含有する硝酸性窒素を、簡易、低コスト、省スペース、高効率に、除去することができる。

以下、本発明を実施するための好適な形態について、添付図面を参照にしながら説明する。

図１は本発明に係る水浄化用ユニットＵの外観斜視図、図２は同ユニットＵの上面図、図３は同ユニットＵの断面図である。図１〜図３の水浄化用ユニットＵは、上面（下面）の直径５〜１０ｃｍ、高さ３〜１０ｃｍ程度のものを図示した水浄化ユニットＵの一例である。但し、水浄化用ユニットＵの大きさは、目的に応じて適宜決めることができる。また、水浄化用ユニットＵの形状も、略円柱形状に限られず、略直方体、略球体等、目的等に応じて適宜決めることができる。

水浄化用ユニットＵは、電子供与体からなる中間部１と、中間部１の周囲に設けられた網状体２と、網状体２の外側に設けられた炭素繊維材３と、を少なくとも備える。また、炭素繊維材３の周囲には、水浄化ユニットＵの形状を保持する形状保持部４を備える。

中間部１は、電子供与体で構成する。電子供与体は、還元剤を用いる。還元剤は、例えば、硫黄含有物、有機化合物（メタノール、酢酸、エタノール、アセトン、グルコース、メチルエチルケトン、イソプロピルアルコール等）等を用いることができる。硫黄含有物は特に好ましい還元剤である。硫黄含有物は、有機化合物等他の還元剤と比較して、水の二次汚染が無く、環境負荷が少ない点で、本発明に係る電子供与体として、特に好ましい。また、電子供与体として硫黄含有物を用いることには、後述する炭素繊維材３の目詰まり・閉塞等を防止するという利点がある。以下、具体的に説明する。

脱窒細菌は、大きく他栄養細菌と自栄養細菌に分けられる。他栄養細菌は、前記有機化合物等を電子供与体として利用し、硝酸性窒素を還元する。自栄養細菌は、水素・硫黄等を電子供与体として利用し、硝酸性窒素を還元する。

他栄養細菌は、電子供与体（有機化合物）を供与すると、酸化還元反応を促進するとともに、有機化合物自体も栄養となる。そのため、他栄養細菌は、電子供与体（有機化合物）を供与すると、生育・増殖をも促進される。細菌の過剰な増殖は、後述する炭素繊維材３の目詰まり・閉塞等を起こすという問題があった。

それに対し、自栄養細菌は、電子供与体（水素・硫黄等）を供与しても、酸化還元反応を促進するだけで、電子供与体自体はあまり栄養とはならず、生育・増殖は促進されない。そのため、電子供与体の供与は、細菌の過剰な増殖を惹起せず、炭素繊維材３の閉塞等の問題は起きない。

従って、脱窒細菌の過剰な増殖による炭素繊維材３の閉塞の問題は、電子供与体として硫黄含有物を用い、かつ、自栄養細菌の脱窒細菌を使用することにより、防止することができるという利点がある。

硫黄含有物としては、鉱物粉、ゼオライト、石灰、炭酸カルシウム等の粉体に硫黄を混ぜ、造粒又は製粒したり、ペレット、グラニュール、タブレット等にしたりしたものを用いることができる。

網状体２は、中間部１を保持・固定する。材質は特に限定されないが、網状（ネット状）のものが好ましい。網状にすることにより、処理対象水が中間部１と炭素繊維材３の間を通過することができ、また、中間部１の電子供与体を炭素繊維材３に供給することができる。

炭素繊維材３は、脱窒細菌等の微生物を定着・生育させる担体として機能する。炭素繊維材３に定着した脱窒細菌等の微生物は、中間部１の電子供与体から電子供与体を供給され、硝酸性窒素分解反応を促進する。炭素繊維材３は、例えば、フェルト状の炭素繊維を主原料とするものを用いる。

形状保持部４は、炭素繊維材３を保持・固定し、また、水浄化用ユニットＵ全体の形状を保持・固定する。材質は特に限定されないが、網状（ネット状）のものが好ましい。網状にすることにより、処理対象水が通過できる。なお、形状保持部４は、網状体２と同様の材質のものを用いてもよいし、目的等に応じて違う材質のものを用いてもよい。

図４、図５は、それぞれ、本発明に係る水浄化用ユニット集合体Ｓの実施形態の一例である。

図４は、細長い形状の水浄化用ユニットＵを複数用いた水浄化用ユニット集合体Ｓである。図４では、各水浄化用ユニットＵは、上面（下面）の直径５〜３０ｃｍ、高さ０．５〜３ｍ程度のものを想定している。複数の水浄化用ユニットＵを、大きな網５に入れたり、縛ったり、ビス等で固定したり等して、水浄化用ユニット集合体Ｓを作製する。この形態の水浄化用ユニット集合体Ｓは、例えば、排水・廃水等既存の浄化槽に配置することにより、新たな設備を設置することなく、簡易に利用することができる。

図５は、複数の水浄化用ユニットＵを、大きな網５に入れた水浄化用ユニット集合体Ｓ’である。水浄化用ユニット集合体Ｓ’は、目的に応じた形状・大きさの水浄化用ユニットＵを複数用意し、それらを大きな網等に充填することにより、簡易に作製することができる。この水浄化用ユニット集合体Ｓ’は、排水・廃水等既存の浄化槽等に配置することができるほか、例えば、地下水路等、大規模な設備を設置できない場合や簡易に硝酸性窒素を除去する設備を配置したい場合等にも、有効である。

次に、図６、図７は、本発明に係る水浄化方法の実施形態を例示した図面である。

図６は、図４に示した水浄化用ユニット集合体Ｓを排水流路Ｆに配置した場合の実施形態を例示した外観斜視模式図である。排水流路Ｆ中を処理対処水が矢印Ｗ方向に流れている。既存の排水流路Ｆ等に本発明に係る水浄化用ユニット集合体Ｓを複数配置することにより、処理対象水に含有する硝酸性窒素を除去することができる。この水浄化方法を用いる場合、水浄化用ユニット集合体Ｓは、細長い複数の水浄化用ユニットＵより構成される。この水浄化用ユニット集合体Ｓは、排水流路Ｆ等に整列して配置することができ、また、集合体Ｓの状態管理・交換を容易にすることができる。

図７は、排水流路Ｆに網５を設置して、その中に複数の水浄化ユニットＵを配置し、水浄化用ユニット集合体Ｓ’を構成した場合の水浄化方法を例示した模式図である。処理対象水は、排水流路Ｆを矢印Ｗ方向に流れ、水浄化用ユニット集合体Ｓ’を通過する。処理対象水が水浄化用ユニット集合体Ｓ’を通過する際に、硝酸性窒素は除去・分解される。この水浄化方法は、浄化槽等のある水処理施設だけでなく、排水管・廃水管・ドブ・河川等のような水処理施設を設置していない場所、地下水路のように水処理施設を設置しにくい場所でも、容易に設置することができる。

その他、本発明に係る水浄化方法は、例えば、網状の袋に多数の水浄化用ユニットＵを入れて、水浄化用ユニット集合体Ｓ’の一単位とし、その水浄化用ユニット集合体Ｓ’を土嚢のように排水流路Ｆに積み上げること等によっても行うことができる。

本発明は、硝酸性窒素に汚染された処理対象水（排水・廃水、地下水を含む）を浄化する手段を提供する点で、産業上利用性がある。

一般的な排水処理法である活性汚泥法は、有機物等の除去率は高いが、硝酸性窒素の除去率は低く、また、硝酸性窒素の処理には、有機物等に比べて長時間かかるという問題があった。本発明は、簡易、省スペースかつ高効率に硝酸性窒素を除去でき、また、既存の設備内にも容易に設置することができるため、産業上利用性がある。

窒素肥料が地下に滲出することによる地下水汚染が深刻である。地下水は、涌き出る場所が分散し、また、流量が限られることから、既存の水浄化設備は設置しにくい。本発明は、地下水路のように、水浄化設備を設置しにくい流路においても利用することができるため、産業上利用性がある。

水浄化ユニットＵの外観斜視図。水浄化ユニットＵの上面図。水浄化ユニットＵの断面図。水浄化ユニット集合体Ｓの一例。水浄化ユニット集合体Ｓ’の一例。図４の水浄化ユニット集合体Ｓを配置した水浄化方法の外観斜視模式図。図５の水浄化用ユニット集合体Ｓ’を配置した水浄化方法の模式図。

符号の説明

１中間部
２網状体
３炭素繊維材
４網部
５網
Ｆ排水流路
Ｓ水浄化用ユニット集合体
Ｕ水浄化用ユニット
Ｗ処理対象水の流れる方向を示す矢印

Claims

電子供与体の存在する中間部と、
前記中間部の周囲に設けられた網状体と、
前記網状体の外側に設けられた炭素繊維材と、を少なくとも備える水浄化用ユニット。
前記電子供与体は、硫黄含有物であることを特徴とする請求項１記載の水浄化用ユニット。
前記炭素繊維材は、フェルト状の炭素繊維材であることを特徴とする請求項１記載の水浄化用ユニット。
請求項１から３のいずれか一項に記載の水浄化用ユニットを複数備える水浄化ユニット集合体。
電子供与体の存在する中間部と、前記中間部の周囲に設けられた網状体と、前記網状体の外側に設けられた炭素繊維材と、を少なくとも備える水浄化用ユニットからなる水浄化用ユニット集合体を排水流路に配置する水浄化方法。
前記排水流路は地下水路である請求項５記載の水浄化方法。