JP2007054708A - 雪冷熱エネルギを利用した富栄養化現象及び水質汚濁の改善システム並びに方法 - Google Patents

Abstract

【課題】雪の冷熱エネルギを有効利用して、水底の水質、土壌、生態系を改善する。
【解決手段】融雪水槽３４には排雪等が集積された雪山２の融雪水が貯められ、該水槽内に配置された熱交換装置３５によって、表層水取得装置３１により得られた湖沼等からの表層水を冷却する。冷却水は、湖沼等の底層部に放流装置３６を介して放流される。表層水取得装置３１により取水した水から浮遊物を濾過して熱交換装置３５に供給する濾過装置３３を具備させても良く、取水した表層水に含まれる藻類の活性を低下させるために、該水を加圧状態で停留させる圧力タンクを具備させても良い。これにより、大規模土木工事を行うことなく、ＤＯ濃度が高い表層水を冷却して底層に返還させて底層水及び底部土壌を浄化することができ、藻類及び水草の異常繁殖を抑制することができる。藻類及び水草の刈取除去処理が不要となるので、これらの廃棄物処理も不要となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、雪冷熱エネルギを利用した富栄養化現象及び水質汚濁の改善システム並びに方法に関し、より詳細には、排雪され集積された雪の冷熱エネルギを利用して、湖沼等の表層から取りだした水（表層水）を冷却し、冷却した表層水を湖沼等の停滞水域の底層に薄層で拡散放流することにより、湖沼等の停滞水域における水質、土壌、及び水性生物の生態系を改善することができるようにしたシステム並びに方法に関する。

湖沼等の停滞水域においては、夏季を中心に温度躍層が形成され、表層水温が上昇し、表層水の溶存酸素は飽和から過飽和状態となることが多い。一方、躍層以下に貧酸素水塊（溶存酸素（ＤＯ）濃度が低い水塊）が形成される。このような状態が生じると、底泥から溶出するリン等の栄養塩溶出量が増大し、藻類や水草の異常繁茂等の富栄養化現象が生じる。
このような富栄養化現象対策として、底泥の溶出を抑制する方法、並びに、藻類及び水草の異常繁茂対策が取られている。しかしながら、従来例の底泥溶出抑制方法においては、実施規模が大きく、かつ余水処理等の周辺環境に配慮する必要がある。また、従来例の藻類及び水草異常繁茂対策においては、例えば、船等に大型の除去設備（水塊から藻類を濾過する遠心分離式の脱水装置等）を載せて実施する必要があり、水草異常繁茂対策においては、個体体積が大きいために処理量が多く、実施規模が大きくなってしまう。さらに、従来例の藻類及び水草対策では、その実施により除去された藻類及び水草からなるゴミ（廃棄物）が発生し、その廃棄物処理にも多大な労力と費用が必要となっている。

また、以下の特許文献には、液化天然ガス（ＬＮＧ）の冷熱を利用して、水底土壌を浄化する方法が記載されている。この文献の浄化方法においては、海水を液化天然ガスの貯蔵タンクから供給される液化天然ガスの冷熱によって冷却して高密度海水とし、該高密度海水に空気又は酸素を溶解し、このようにして得られた高密度高酸素濃度の海水を、海の汚染水域の水底に供給し拡散させることにより、海の水底に酸素を供給するよう構成されている。そして、これにより、海の水底近傍の水質を改善し、かつ水底土壌を浄化することができるようにしたものである。
特開２０００−１２６７９７号公報

しかしながら、上記した特許文献に記載されている水底土壌の浄化方法においては、海の水質及び土壌を改善することを意図しているものであり、湖沼等の停滞水域を対象としているものではなく、また、湖沼等に水圏生体系の改善を図ることができるものでない。さらに、上記した従来例の水底土壌の浄化方法においては、液化天然ガスの冷熱を利用して海水を冷却し、冷却海水に酸素又は空気を混入してから海の底層に戻しているため、例共用のエネルギとして自然エネルギを用いているものではなく、また、酸素（又は空気）混入のための設備投資を必要としている。さらにまた、取水した海水を冷却した後に酸素又は空気を混入させて溶存酸素を付加しているが、この方法では、酸素付加時に水温が上昇してしまい効率が悪い。
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、今まで有効利用されていない自然エネルギの１つである雪の冷熱エネルギを有効利用して、停滞水域の水底の水質及び土壌のみならず水性生物の生態系を改善させるための改善システムを提供することである。

上記した目的を達成するために、本発明は、雪冷熱エネルギを利用した富栄養化現象及び水質汚濁の改善システムであって、
湖沼等の表層水を取水する取水手段と、
排雪等により集積された雪山から溶け出した融雪水を収集する融雪水収集手段であって、収集された融雪水を貯める融雪水槽を含んでいる融雪水収集手段と、
融雪水槽内に配置され、該水槽内の融雪水の冷熱エネルギにより、取水手段により取得された水を冷却する熱交換手段と、
熱交換手段により冷却された水を、湖沼等の底層部に放流する放流手段と
からなることを特徴とするシステムを提供する。

上記した本発明に係るシステムにおいて、取水手段は、１又は複数のフロートにより、取水口が湖沼等の表層に保持されるように構成されていることが好ましい。また、取水手段により取水した水から浮遊物を濾過して熱交換手段に供給する濾過手段をさらに備えていることが好ましい。さらに、融雪水収集手段の融雪水槽は、雪山で被覆される位置に配置されることが好ましい。さらにまた、システムは、取水手段により取水した水に含まれる藻類の活性を低下させるために、該水を加圧状態で停留させる圧力タンクを備えていることが好ましい。

上記した目的を達成するために、本発明はまた、雪冷熱エネルギを利用して富栄養化現象及び水質汚濁を改善する方法であって、
湖沼等の表層水を取水する取水ステップと、
排雪等により集積された雪山から溶け出した融雪水を収集し、収集された融雪水を融雪水槽に貯めるステップと、
融雪水槽内の融雪水の冷熱エネルギを用い、取水手段により取得された水を冷却するステップと、
冷却された水を、湖沼等の底層部に放流するステップと
からなることを特徴とする方法を提供する。
上記した本発明に係る方法において、該方法はさらに、取水した水を冷却するステップの前に、該水から浮遊物を濾過するステップを備えていることが好ましい。また、更に、取水手段により取水した水に含まれる藻類の活性を低下させるために、該水を加圧状態で停留させるステップを備えていることが好ましい。

本発明は、上記したように構成されているので、集積された雪山の雪を効率よく冷熱エネルギに変換することができ、大規模な追加土木工事等を必要とせずに、湖沼等の停滞水域における水質・土壌の汚濁を改善することができ、また、低温水により藻類及び水草等の異常繁茂等の富栄養化現象も改善することができる。また、雪の冷熱エネルギは自然エネルギであり環境負荷が小さく、雪冷熱エネルギを積極的に使用することは、環境に対する社会的認識が高くなっている今日において、社会のニーズに合致している。さらに、藻類及び水草等の刈り取り等による除去を行っていないので、刈り取り等により収集された廃棄物の処理を行う必要もない。

図１は、本発明に係る雪冷熱エネルギ利用システムの概略構成を示す説明図である。図１において、１は、湖沼等の停滞水域であり、２は都市等（主に、都市部の道路）から除雪した雪を排雪のために集積した雪山である。また、３は本発明にかかる雪冷熱エネルギ利用システムであり、該システム３は、表層水取得装置（フロート）３１、取水ポンプ３２、スクリーン（濾過装置）３３、融雪水槽３４、熱交換装置３５、放流装置３６、並びに、これら構成要素の間を連接する配水管３７ａ〜３７ｄで構成されている。

図２は、図１に示した表層水取得装置３１の構成を示している。該表層水取得装置３１は、例えば３個のフロート（浮き）３１１とロート状の取水口３１２とで構成されており、取水口３１２は、フロート３１１によって湖沼の表層に保持され、表層に集積する性質を有する藻類を効率よく収集する構造となっている。取水口３１２に入水した水は、取水ポンプ３２により、スクリーン３３で濾過されて熱交換装置３５に供給される。
ポンプ３２は、湖沼等の表層水を取水し、表層水をスクリーン３３を通過させ、熱交換装置３５を通過させる圧力を発生させる能力を持つ。また、ポンプ３２の後段に圧力タンクを設置し、圧力タンクの流出部のバルブを調整することにより、表層水を一定の圧力下に滞留させ藻類の活性を低下させる装置を設けても良い。

融雪水槽３４は、雪山２の真下すなわち集積箇所の地面等に設けた窪みの内面に遮水シート（不図示）を皮膜することにより形成される。該融雪水槽３４の内部には、伝熱管で構成された熱交換装置３５が収納され、融雪水槽３４に集められた融雪水の冷熱エネルギにより、伝熱管を通過する水を冷却する。なお、場合によっては、融雪水槽３４を設けなくてもよい。
放流装置３６は、図１に示すように、湖沼の底層に配置され、配水管３７ｄを介してＤＯ濃度が高く冷却された低温水が熱交換装置３５から供給される。放流装置３６は、複数の吐出バーを備え、それぞれの吐出バーには複数の吐出用の開口（不図示）が設けられている。それぞれの開口は、吐出量がほぼ均一となるように開口率が設定されている。複数の吐出バーは、２次元的に配置してもよく、また３次元的に配置しても良い。

スクリーン３３は、熱交換装置３５における管閉塞および放流装置３６の開口閉塞を生じさせる浮遊物を除去するために設置している。したがって、表層水取得装置３１から収集された水に混入されている浮遊物を濾過するが、藻類の殆どはそのまま通過するように構成してもよい。この場合、藻類は、熱交換装置３５を通過するときに冷却され、また放流装置３６から湖沼の底層に薄層放流された後も低温状態がある程度持続されるために、その活性が抑制される。したがって、必ずしも、スクリーン３３又は他の濾過手段により、藻類を除去する必要がないが、必要に応じて、藻類の濾過手段を、熱交換装置３５の前段に設けても良い。

図１に示した水質浄化システムにおいては、融雪水槽３４及び熱交換装置３５が雪山２の真下すなわち雪山２により被覆される位置に配置されているが、これらを、雪山２の真下ではなく、図３に示すように、雪山の近傍で雪山２から融けて流れ出る融雪水が自動的に蓄水される位置に配置してもよい。図３の例においては、雪山２からの融雪水を効率的に蓄水するために、例えば、雪山２の集積箇所には、融雪水槽３４に向かって下がる傾斜を設けるとともに、遮水シート４１で被膜している。集積箇所に融雪水槽３４に繋がる導水路を設けても良い。

熱交換装置３５は、上記したように伝熱管で構成され、熱交換装置３５に入来する湖沼の表層水から排熱して冷却し、これにより、水の比重を高くして、放流装置３６に供給する。なお、溶存酸素（ＤＯ）濃度は表層水の方が底層水に比べて高く、高いＤＯ濃度の表層水を冷却して湖沼の底層部に供給すると、供給される高ＤＯ濃度の水は高比重であるために底層で薄層拡散する。

図４を参照して、本発明のシステムの動作原理をより詳細に説明する。図４の（Ａ）に示すように、湖沼等の停滞水域の表層水は、底層水と対比して、水温が高くかつＤＯ濃度が高い。一方、富栄養化した湖沼等の停滞水域の表層水には、通常、藻類（及び水草）が高密度で生育している。また、湖沼の底泥は、藻類のシスト（胞子）が底泥に分布しており、成長すると、藻類として表層へ浮き上がっていく。底泥には、さらに、窒素（Ｎ）及びリン（Ｐ）等が含まれており、これらが底層水に溶出している。その結果、底層水には、栄養塩類や有機物が含まれており、これらが汚濁すなわち富栄養化の原因となっている。

そして、図４の（B）に示すように、湖沼の表層水を取水し、取得した表層水を雪冷熱エネルギを利用して冷却すると、水温低下により水の比重が大きくなる。しかも、取水した表層水は、スクリーン３３で濾過されて浮遊物等が取り除かれており、水の濁りの程度も低くなっている。
このように処理された水を湖沼の底層に吐出すると、この吐出水は比重が大きいために、図４の（Ｃ）に示すように、徐々に低層内で薄層拡散される。また温度が低いために、底層水の温度を下げて藻類のシスト及び水草の増殖を抑制する。さらに、この吐出水はＤＯ濃度が高いために、底層水のＤＯ濃度を向上させて底泥からのＮ、Ｐ等の溶出を抑制する。これは、底層水のＤＯ濃度が増大することにより、底泥およびその直上水の酸化還元電位を変化させ、溶出物質の再沈殿を促し、または溶出速度を抑制するからである。
その結果、底層水のＤＯ濃度の増大により富栄養化の抑制を図ることができ、図４の（Ｄ）に示すように、表層水の藻類が低減される。

なお、実験によれば、藻類は、培養水温を増殖にとって適正な水温（２０℃）でほぼ一定に保持した場合に比べて、水温を比重が最大となる4℃に０．２５日〜３日間、暴露させただけで、最大細胞数に達するまでの日数が２〜４日程度遅くなり、最大細胞数もほぼ半減するという結果が得られている。したがって、一時的であっても、停滞水域の取水した表層水及び底泥直上水の温度を低下させることにより、藻類の増殖を抑制することができることが分かる。
また、取水する表層水は、必ずしも停滞水域のものである必要が無く、例えば、近傍の水域の表層水を取水してもよい。この場合も、ＤＯ濃度が高くかつ低温の水を底層に吐出するため、上記したように藻類の繁殖を低減させることができる。

以上説明したように、本発明のシステムによれば、大がかりな土木工事を行うことなく、自然エネルギである集積貯蔵した雪山の雪冷熱エネルギを利用して、ＤＯ濃度が高い表層水を冷却して底層に返還させることにより、底層水及び底部土壌を浄化することができ、しかも、藻類及び水草の異常繁殖を抑制することができる。また、本発明によれば、藻類及び水草を刈り取る等の除去処理を必要しないので、これらを廃棄物として処理する必要がない。したがって、極めて実用的なシステムである。

本発明に係る、雪冷熱エネルギを利用した富栄養化現象及び水質汚濁の改善システムを説明するための図である。 図１に示したシステムの取水装置の構成を示す図である。 本発明に係るシステムにおいて採用可能な雪山、融雪水槽及び熱交換装置の関係を示す図である。 本発明に係るシステムの動作原理を説明するための図である。

Claims (8)

1. 雪冷熱エネルギを利用した富栄養化現象及び水質汚濁の改善システムにおいて、
   湖沼等の表層水を取水する取水手段と、
   排雪等により集積された雪山から溶け出した融雪水を収集する融雪水収集手段であって、収集された融雪水を貯める融雪水槽を含んでいる融雪水収集手段と、
   融雪水槽内に配置され、該水槽内の融雪水の冷熱エネルギにより、取水手段により取得された水を冷却する熱交換手段と、
   熱交換手段により冷却された水を、湖沼等の底層部に放流する放流手段と
   からなることを特徴とするシステム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、取水手段は、１又は複数のフロートにより、取水口が湖沼等の表層に保持されるように構成されていることを特徴とするシステム。
3. 請求項１又は２記載のシステムにおいて、該システムはさらに、
   取水手段により取水した水から浮遊物を濾過して熱交換手段に供給する濾過手段
   を備えていることを特徴とするシステム。
4. 請求項１〜３いずれかに記載のシステムにおいて、融雪水収集手段の融雪水槽は、雪山で被覆される位置に配置されることを特徴とするシステム。
5. 請求項１〜４いずれかに記載のシステムにおいて、該システムはさらに、
   取水手段により取水した水に含まれる藻類の活性を低下させるために、該水を加圧状態で停留させる圧力タンク
   を備えていることを特徴とするシステム。
6. 雪冷熱エネルギを利用して富栄養化現象及び水質汚濁を改善する方法において、
   湖沼等の表層水を取水する取水ステップと、
   排雪等により集積された雪山から溶け出した融雪水を収集し、収集された融雪水を融雪水槽に貯めるステップと、
   融雪水槽内の融雪水の冷熱エネルギを用い、取水手段により取得された水を冷却するステップと、
   冷却された水を、湖沼等の底層部に放流するステップと
   からなることを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、該方法はさらに、
   取水した水を冷却するステップの前に、該水から浮遊物を濾過するステップ
   を備えていることを特徴とする方法。
8. 請求項６又は７記載の方法において、該方法は更に、
   取水手段により取水した水に含まれる藻類の活性を低下させるために、該水を加圧状態で停留させるステップ
   を備えていることを特徴とする方法。

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