JP2005518933A - オゾンを用いた付着藻類ろ過用前処理兼後処理システム及び方法 - Google Patents

Abstract

水を付着藻類又はその他の水生植物による自然ろ過に曝す前又は後にオゾンを用いて、栄養素及び汚染物質の濃度を除去する水処理方法。システムは、処理すべき水を入れた深い水タンクを使用し、該水を濃オゾン化水と共に、タンク底部に噴射して、オゾンに曝す。処理された水は、タンクの頂部から出て、水生植物システム上に流れ、ここで殺虫剤のような不所望物質が除去される。この方法は、所望ならば、更に処理水を処理するため、連続的に繰り返す。

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２００２年２月２８日出願の米国暫定出願Ｎｏ．６０／３６１，６３２による利益を主張する。
発明の背景
本発明は、水質の改良システム及び方法に関し、特に、付着した藻類（ａｔｔｃｈｅｄ ａｌｇａｌ）の群落又はその他の水性植物により水を生体改善するためのシステム及び方法に関し、更に詳しくは、毒性化合物、微生物及びその他の水中汚染物に対し、オゾン（Ｏ_３）を用い、付着した藻の群落又はその他の水性植物と協力して水を処理することに関する。

藻類は、１８，０００種を超える水性植物の一群を含み、他の植物の底部に根付き、付着して成長する水性植物、浮いて成長する水性植物及びその両方の混合物が多数倍も多く存在する。陸生植物と同様、成長には、主養素である、炭素、窒素及び燐や、一揃いの微量養素を必要とする。藻類は、栄養素が多くの複雑で独特の生物学的通路により極めて不足している所で存在する能力を発展させてきた。

炭素、窒素及び燐、並びに微量養素の除去は、汚染水の品質を改良すると共に、生態学的均衡を回復させる鍵である。多くの水性植物が、当面必要としない金属を吸収し、こうして水性植物が水から金属を除去する際、植物細胞中に金属を生体濃縮する（ｂｉｏ−ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）ことは広く知られている。藻類及びその他の水性植物は、炭素、窒素、燐、カリウム、鉄、アルミニウム、カルシウム及びその他の物質等の、余分に含み得る主栄養素及び微量養素を取り込み、こうして生態系を改善するのに使用できる。好ましい実施態様は、以下、付着した藻類について述べるが、汚染水から栄養素を抽出すると共に、改良すべき水から収穫できる限り、いずれの水性植物も栄養素取込みに使用できる。

全ての植物と同様、炭素を必要とする静止藻類又は付着藻類（ｐｅｒｉｐｈｙｔｏｎ）上を水が流れると、大気の改善が起こり得る。付着藻類は、いずれの陸生植物よりも高い生産性を持っている。ガス法則の部分圧で手本を示したように、付着藻類は、二酸化炭素を大量に消費する。したがって、付着藻類では、同じ面積の成熟した森林地帯で吸収される量の２０倍も多くのＣＯ_２（バイカーボネートの形態で）が吸収される。付着藻類の極めて高い細胞生産性は、単位面積当り数倍も多いＯ_２を作るＯ_２生産に大いに影響を与える。

定期的に収穫した付着藻類による水の改善は、建設した湿地システムよりも単位面積当り５０〜１０００倍高いことが判った。水が静止藻類上を流れると、酸素を３倍高い飽和度で放出しながら、多量養素（炭素、窒素及び燐）及び微量養素を取込む改善が起こる。このように高い酸素及び水酸基環境では、有機堆積物を１年当り０．２５メートル低下させることが判った。長期の運転では、炭素の取込みにより、ｐＨを１１も高くすることが判った。吸着、吸収、物理的捕獲及びその他、更に複雑な手段により、ろ過が起こり得る。

このような取込みに使用されるシステムは、“付着藻類フィルター”として知られ、この付着藻類は、“付着した藻類”として知られる、新鮮で湿気のある及び又は塩水の植物の一族の栽培を含む。自由に浮揚するプランクトンのような有機体とは異なり、底生生物又は付着藻類は、広範囲の種類の面で成長する付着藻類の静止団である。流水路で起こると、この静止付着藻類及び関連有機体は、呼吸作用の結果として、次に光合成の結果として、二酸化炭素を吸収すると共に、酸素を放出しながら、通過する水から栄養素及びその他の化合物を除去する。いったん藻の群落又は一団が、確立されると、根又は付着根は、栽培面を覆う。植物本体が収穫されると、根を後に残して、植物本体に含まれる栄養素及びその他の汚染物は、水から除去される。植物バイオマス中及び周囲に捕獲されると、栄養素は、水流から連続的に運び出され、天然のろ過効果が得られる。

この技術の更なる利点は、豊富な藻類が収穫でき、また栄養素を食物連鎖に戻すのに役立つ魚又は動物の食物として使用できることである。
付着藻類（ＰＦ）は、各種の用途に使用できる可能性を有する。例えば付着藻類は、Ｓｔｏｒｋにより開拓され、Ａｄｅｙにより発展したような養魚タンク中で、生物又は細菌フィルターの代りに使用できる。前述のように、天然の付着藻類は、汚染水から栄養素及びその他の汚染物を除去するのに使用できる。更に、藻類の塊を収穫することにより、種々の方法を用いて、メタン又はエタノールのようなバイオマスエネルギー源、肥料、人間又は動物用の食品添加物又はサプリメント、化粧品、或いは医薬品を製造できる。

収穫した藻類は、木の繊維よりも何倍も強く、しかも製造が容易なので、藻類の繊維形態での高い生産性は、紙及び紙製品産業での利用も生じた。多くの紙製造ラインでの制限要因は、濡れ強さである。藻類繊維は、非常な濡れ強さを有し、紙プラントの廃棄物流から栄養素を除去し、こうして製品の環境上の好ましさを高めながら、紙の製造速度を上げることができる。殆どの紙プラントは、高栄養度の廃棄物流を生成するが、付着藻類培養システムにより、このような廃棄物流は、きれいな水を流出し、かつ、プラントにより製造された製品の向上に使用できる繊維を作りながら、大いに向上できる。このような能力により、経済的にも、社会的にもまた環境的にも支持できる、水生生態系に対する人間の影響を管理する方法が得られる。

３原子の酸素又はＯ_３（オゾン）は、暴風の稲妻又は太陽の紫外光によるコロナ放電力で作られる天然産のガスである。Ｏ_３が大気の上層で生じ、地球上の温度バランスに重要であることは常識である。

大気下層のＯ_３は、汚染物と見られるが、人が作ったＯ_３システムは、人のＯ_３使用についての関係を完全に取り除く簡単な破壊技術と一致する。このようなシステムは、飲用及び廃棄物処理や空気ろ過用に健康上安全なファクターを持った配合量で広く使用されている。

Ｏ_３は、酸素の１．５倍の密度で、また水に１２．５倍も溶解し、高配合量では、酸素及び最小量の二酸化炭素、痕跡量の元素及び水以外の残査又は副生物を残さない。オゾンは、乾燥空気又は酸素のようなガスを、電極間に“コロナ”放電が発生するのに十分な高電位の電場に通すことにより製造できる。このコロナ放電は、完全には自動車スパークプラグのエネルギーではなく、この水準の直下のエネルギーである。紫外光又はこれよりも短い波長の光も、酸素をＯ_３に転化させる。このＯ_３は、工業廃水に使用できる（Ｂｅｌｅｗ，１９６９）。Ｏ_３は、次亜塩素酸よりも１０〜１００倍のファクターほど効力のある殺菌剤であり、また塩素よりも３１２５倍も速く消毒する（Ｎｏｂｅｌ，１９８０）。

Ｏ_３は、非常に不安定で、現場で発生させなければならない。有機及び無機材料を酸化する酸化剤の尺度及び能力は、酸化電位（電気エネルギーのボルトで測定）である。Ｏ_３の酸化電位（−２．０７Ｖ）は、次亜塩素酸（−１．４９Ｖ）又は塩素（−１．３６Ｖ）よりも大きい。特に塩素は、慣用の水処理に広く使用されている。

オゾンガスは、粒子と接触して酸化するので、水中のオゾンガスには水を使いきるまで滞留時間が必要である。通常、接触は、大きい混合室及び混合ポンプで行われる。付着藻類フィルターの位置は、処理すべき水とは若干離れていることが多い。混合が、単一又は多数静的混合機の供給ポンプ又はパイ（ｐｉｅ）入口の丁度下流で起こることにより、パイプには、集積物（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含むことができ、次いでパイプでの滞留時間により、水は、付着藻類フィルターに移行する際、処理可能となる。こうして長くなった接触時間は、処理を向上できる。最適効率を得るため、多数の静的混合機及びオゾン噴射点を使用してもよい。接触時間を増やすため、覆いを付けた経済的な池も使用できる。

圧力が最大の場合、閉じた底部を有する、十分に覆った（ｃａｓｅｄ）大きいウエル内の供給管を下降する水をポンプ送りし、次いでこのウエルの底部にオゾンを噴射すると、水塔での分散を一層良好にすることも可能である。水がウエルを上昇する際、水中のオゾンと粒子間で必要な接触時間が得られる。

本発明で述べたように、オゾンと付着藻類ろ過とを組合せると、いずれの技術的アプローチを別々に用いても多くの利点が得られる。付着藻類により迅速に取込むため、結合した栄養素を作る水中で、オゾンは、この結合栄養素を破壊する。この現象に対する処理性の研究が、幾つかの中央フロリダ湖で行われてきた。例えばＡｐｏｐｋａ湖には、非常に高く立っている植物プランクトン群落がある。Ａｐｏｐｋａ湖の水は、２ＰＰＢ ＳＲＰ及び３５２ＰＰＢ ＴＰを示し、また１ｍｇ／１用量及び１分の接触時間後、ＳＲＰは、１４７ＰＰＢに上昇した。この上昇は、主としてプランクトン細胞壁の酸化及びＰＰＢを含有する水に細胞質がこぼれることによるものである。

毒性のシアノバクテリアは、藻細胞の内側及び外側に毒素が存在する可能性がある点で、ろ過について特に挑戦的な１組の課題を提起する。両者の場合、オゾンを使用して、このような物質を解毒できるが、付着藻類フィルターも解毒能力を持っている。ＵＳＰ ５，５２７，４５６及び同５，５９１，３４１に記載されるＪｅｎｓｅｎの教示のとおり、付着した藻類の培地を通過する水は、藻類により多量の炭素が除去されるため、ｐＨの上昇を生じる。藻類は、多量養素として炭素、窒素及び燐、並びに微量養素として他の多くの化合物及び元素を除去する。マイルドな酸である炭素を除去すると、ヒドロキシイオン（ＯＨ＋）の数が増えるが、これは、通常、ｐＨの上昇として対数的に測定される。このような環境は、シアノバクテリアにより解放された藻類毒素のような他の化合物に対し攻撃的である。それ故、ヒドロキシイオンの生成により敵対的環境を作る付着藻類と共に、毒素を破壊し、かつ付着藻類に有用な結合栄養素を作るため、オゾンの前処理及び後処理の相乗的組合せは、源水を解毒するためにも、また栄養を除去する（ｄｅｎｕｔｒｉｆｙ）ためにも共同で働く。

オキソ化プロセスは、ｐＨが増大した水中で促進されるので、組合せシステム内の再循環ループは、水処理を促進する。本実施態様では、次に、付着藻類フィルター又はその他の植物ろ過システムによりｐＨの増大が生じた水は、前記水生植物の仲介で増大したｐＨにより向上した効率で、オキソ化に曝される。

活性化された炭素は、毒素及びその他の物質を束縛する多数の部位を有する。水生植物の酸化を避けるため、更には、紫外光を用いて、流出液中の全てのオゾンを還元することができる。水は、オゾン及び付着藻類ろ過により処理した後、活性炭を用いて精製することができる。

付着藻類及びその他の水生植物によるろ過の前、間及び後に使用するオゾンは、幾つかの相乗効果を有する。
１．オゾンは、付着藻類の成長に有用で、水から除去するための栄養素を作る湖水中のプランクトン性藻類をばらばらに解体する。
２．付着藻類により栄養素を入手し、除去した後、水は、毒性藻類が再び成長できず、したがって改善効果の向上を示さないような状態で水本体に戻すことができる。
３．オゾンは、シアノバクテリア（青緑藻類）中に見られ、近年、人間及び動物にとって危険であることが判った特定形態の毒性化合物を破壊する。これらの毒性化合物や無毒化合物は、次に、紙製品工業において工業的に使用するために成長させた繊維状藻類中に取込むのに役立つ。
４．所望の付着藻類を消費すると、多くの場合、住み着き、ふ化し、成長し、こうしてろ過効果を低下させる微小無脊椎動物もその卵もオゾンは破壊する。
５．Ｗｅｓｔｆａｌｌ社やＫＯＭＡＸ社で使用されているような新機軸の静的混合技術が使用できる。
６．オゾン接触時間を長くするため、覆い付きの池や供給パイプを使用できる。
７．オゾン噴射に、ネジ切りした壁を用いて、壁底部を高圧にすることにより、オゾン処理を促進する。
８．付着藻類ろ過及び連続的又は再循環によるオゾンは、ｐＨ／オゾン性能を向上することにより、処理を促進できる。
９．活性炭ろ過は、オゾン・付着藻類処理水を後処理精製する。

ここで説明したこれらの処理工程は、帯水層再装入及び貯蔵前に使用できる。
藻類芝土及び付着藻類ろ過の研究は、当該技術分野で知られている。藻類芝土技術は、ＡｄｅｙのＵＳＰ ４，３３３，２６３及び本発明者のＵＳＰ ５，１３１，８２０、同５，５２７，４５６、同５，５７３，６６９、同５，５９１，３４１、同５，８４６，４２３及び同５，９８５，１４７に開示されている。これらの開示は、ここに援用した。しかし、後者の特許は、本発明のシステム及び方法を開示している。
ＵＳＰ ５，５２７，４５６ ＵＳＰ ５，５９１，３４１ ＵＳＰ ４，３３３，２６３ ＵＳＰ ５，１３１，８２０ ＵＳＰ ５，５２７，４５６ ＵＳＰ ５，５７３，６６９ ＵＳＰ ５，５９１，３４１ ＵＳＰ ５，８４６，４２３ ＵＳＰ ５，９８５，１４７

発明の概要
本発明の主な目的は、水を付着藻類培養面と接触させて、前処理及び／又は後処理するシステム及び方法を提供することである。
本発明の他の目的は、生物学的、化学的又はこれら手段の組合せにより結合した栄養素を解放し、こうして栄養素を付着藻類又はその他の水生植物中で再結合できる方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、生物学的、化学的又はこれら手段の組合せにより結合した栄養素を解放し、こうして栄養素を石灰岩のような天然又は人工の基体上で再結合できる方法を提供することである。
本発明のなお更なる他の目的は、望ましくない微小無脊椎動物の個体数を付着藻類ろ過床中で減少させるようなシステム及び方法を提供することである。
本発明の別の目的は、流入水の毒素や収穫した藻類の塊の毒性水準を解毒し、こうして毒素を減少させるか、除去するようなシステム及び方法を提供することである。

これらの目的及びその他の目的は、本発明のシステム及び方法により達成される。このシステムは、流入液に、また幾つかの場合には流出液に、強力な酸化剤を添加する手段を備える。特定の実施態様は、水をオゾン化する工程を含む。

水処理方法は、処理が望ましい水を該水中の微生物濃度を低下させるのに十分な量のオゾンで曝す工程、及び該水を、付着した藻類の群落上に流して、これから、限定を意図するものではないが、栄養素のような望ましくない物質を除去する工程を含む。

本発明の更なる目的及び利点と共に、操作の組織化に関しても操作の方法に関しても、本発明を特徴付ける特徴は、添付の図面と共同で使用した以下の説明から一層良く理解されよう。図面は、例示及び説明の目的であって、本発明の限界を定義するものとして意図したのではないことを明確に理解すべきである。本発明により達成されるこれらの目的及び他の目的は、以下に続く説明を添付の図面と共同で読めば、一層十分に明白となろう。

図面の簡単な説明
以下の詳細な説明において、添付図面を参照する。
図１は、大きな流れの処理に使用できるオゾン接触室の一部切欠け側断面図である。
図２は、本発明のオゾンと付着藻類ろ過とを組合せた水処理列の概略図である。

好ましい実施態様の説明
好ましい実施態様を説明する目的で、図中の番号を付けた部品について用いた用語は、次のとおりである。
９． 深さ １８．放出ノズル
１０．土壌 １９．沈殿
１１．処理タンク ２０．水本体
１２．沈殿ライン ２１．オゾン処理システム
１３．副流パイプ ２２．付着藻類フィルター
１４．主流れパイプ ２３．第二オゾン処理システム
１５．タンク底部 ２４．第二付着藻類フィルター
１６．副流パイプ放出部（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）
１７．水面

図１は、特に大規模の利用に適した経済的かつ効率的オゾン接触室を示す。深さ９の高い円錐形処理タンク１１は、砂土１０中に十分な穴を掘ることにより、或いは現場の砂にポリマーを混合し、次いでタンクを所定位置に固定し、バラスト用の水を満たしながら、前記砂をポンプで送り出すことにより、砂土１０中に設置される。この方法は、通常、Ｆｌｏｒｉｄａ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる大動力ポールコンクリート土台用に使用される。主流れパイプ１４は、処理すべき水を容器の底部１５に運ぶ。副流パイプ１３は、オゾンを付与した水をパイプ放出部１６に運び、ここでオゾン付与水は、主流水と混合する。水は、オゾンによる所望の酸化水準に必要な接触時間を与える低速度でタンクを垂直に水面１７まで上昇、進行し、ここで水は、下流での栄養素除去のため、ノズル１８から放出される。タンク１１の底部に落下する沈殿はいずれも、沈殿ライン１２により減圧排出（ｅｖａｃｕａｔｅ）される。

図２は、本発明方法を示す。水を引き入れるための湖又はその他の水本体２０から水が出て、図１に示すようなオゾン処理システム２５に供給される。化学凝集又は紫外線処理システム２５を使用して、オゾン処理を促進するため、水をオゾンに曝す前処理ができる。次いで、オゾン化された水は、付着藻類フィルター２２のような植物取込みシステムに供給される。更に水処理が必要ならば、この方法は、第二オゾンシステム２３及び第二付着藻類フィルター２４で繰り返し、次いで水を湖又は水本体２０に戻すことができる。
以上、本発明の二、三の実施態様だけ詳細に説明したが、特許請求の範囲及び均等物の範囲内にある本発明の改良及び変形は全て、本発明の一部として含まれる。

大きな流れの処理に使用できるオゾン接触室の一部切欠け側断面図。 本発明のオゾンと付着藻類ろ過とを組合せた水処理列の概略図。

符号の説明

９． 深さ
１０．土壌
１１．処理タンク
１２．沈殿ライン
１３．副流パイプ
１４．主流れパイプ
１５．タンク底部
１６．副流パイプ放出部
１７．水面
１８．放出ノズル
１９．沈殿
２０．水本体
２１．オゾン処理システム
２２．付着藻類フィルター
２３．第二オゾン処理システム
２４．第二付着藻類フィルター

Claims (13)

1. 水中の栄養素及び汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量のオゾンに該水を曝す手段、及び
   前記水を水性植物システム上に流して、該水から不所望物質を除去するための該水性植物システム、
   を備えた、水性植物の使用による栄養素及び汚染物質の除去用水処理システム。
2. 前記水をオゾンに曝すための手段が、該水を入れる深いタンクを備え、該タンクは、タンクの底部に噴射されたオゾン化水の副流を有し、処理すべき水を除去できるタンク面まで該水が上昇すると、オゾン化水を高圧下で、処理すべき水と混合して、処理すべき水との接触時間を十分に与えるものである請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記水性植物システムが、付着藻類フィルターである請求項１に記載の水処理システム。
4. （ａ）水中の栄養素及び汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量のオゾンに該水を曝す工程、及び
   （ｂ）前記水を水性植物システム上に流して、該水から不所望物質を除去する工程、
   を含む水処理方法。
5. 前記工程（ａ）及び（ｂ）が繰り返される請求項４に記載の方法。
6. 前記水性植物システムが、付着藻類フィルターである請求項４に記載の方法。
7. 前記処理すべき水が、工程（ａ）の前に化学凝集に曝される請求項４に記載の方法。
8. 前記処理すべき水が、紫外光に曝される請求項４に記載の方法。
9. 水中の栄養素及び汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量のオゾンに該水を曝す手段を有するシステムを用いた水処理方法であって、該手段は、該水を入れる深い水タンクを備え、該タンクは、タンクの底部に噴射されたオゾン化水の副流を有し、処理すべき水を除去できるタンク面まで該水が上昇すると、オゾン化水を高圧下で、処理すべき水と混合して、処理すべき水との接触時間を十分に与えるものであり、該方法は、
   （ａ）水中の栄養素及び汚染物質の濃度を低下させるのに十分な量のオゾンに該水を曝す工程、及び
   （ｂ）前記水を水性植物システム上に流して、該水から不所望物質を除去する工程、
   を含む水処理方法。
10. 前記工程（ａ）及び（ｂ）が繰り返される請求項９に記載の方法。
11. 前記水性植物システムが、付着藻類フィルターである請求項９に記載の方法。
12. 前記処理すべき水が、工程（ａ）の前に化学凝集に曝される請求項９に記載の方法。
13. 前記処理すべき水が、紫外光に曝される請求項９に記載の方法。