JP2008303088A - 溶存態ケイ酸補給ブロック - Google Patents

Abstract

【課題】珪藻類の増殖およびそれらを捕食する微小動物群の増殖ならびにこれらを通じ、水質の改善や水中生態系の維持発展の促進を図ることを目的とする。
【解決手段】シラスとセメントと水から構成され、且つ連続空隙を有する溶存態ケイ酸補給ブロックとした。
【選択図】図１

Description

本発明は付着性などの珪藻類がその殻の構成成分として、水中から取り込みやすい性質のケイ酸を効率的に補給することにより、珪藻類の増殖およびそれらを捕食する微小動物群の増殖ならびにこれらを通じ、水質の改善や水中生態系の維持発展の促進を図ることを目的としたシラスチップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロックとその構成材料、製造方法およびその使用方法に関するものである。

流域や周辺からの汚濁物質の流入量が多い河川、湖沼などでは水質の汚濁が問題となっている。

特に、停滞水域においてはラン藻類など単一種の植物プランクトンが異常に繁殖して、様々な水中生物の生息環境を悪化させてしまい、周辺に悪臭をもたらすなどの現象が起きている。

また、海域では沿岸域の磯焼けのような栄養塩の不足による問題と、大都市の立地する河川の河口周辺では逆に過剰な栄養供給に伴う赤潮の発生問題が同時に起こっている。

このような問題を解決し、多様な生物の生息に適した水圏環境を作るためには、表面に付着する生物膜を利用して、栄養塩や有機物の吸収を行うことでの栄養塩や汚濁負荷のコントロールを行い、さらには珪藻類の繁殖に不可欠なケイ酸の供給を行うことが必要になる。

このような方法のひとつとして、特許文献１の他に以下のようなもの（特願２００６−９４９２３号、本出願人による未公開の発明）がある。

これは所定の水域一部分を区切る、透水性を有する堤で、流入側に配置した沈木チップのろ過層と流出側に面して配置されたシラスと沈木チップの混合物のろ過層ならびに外側を覆う堤体部より構成され、上流から下流に向かう浸透流の通過時に、上流側の沈木チップろ過層では付着する微生物により有機物や窒素除去を行い、引き続き、流出側に面して配置されたシラスと沈木チップの混合物のろ過層においてシラスからケイ酸溶出を行うものである。
特開平０６−１９０３８６号公報

しかし、上記の浸透堤を築造するにはシラスの中でも同質（火山ガラス）で沈木チップと同粒径の礫（軽石）や粗砂を利用する必要がある。細粒分は網体中にあっても浸透流通過時に流されてしまう恐れが多分にある。

ところが、シラスの粒度分布は細粒分（砂やシルト）が多く、礫分は少ない。シラスと沈木チップの混合物を製造する際、網体の目の大きさをかなり小さくしないと、廃棄されるシラスが多くなり、経済的コスト的に問題が残る。

また、網体のサイズを極端に小さいものにすると流水との接触が悪くなり、溶出の効率が落ちる。

さらに、浸透堤のような構造は、停滞する水域で用いるのには適しているが、比較的流量の多い河川のうち、浅瀬のように水位が浅く、流速の大きな場所で用いるには不向きである。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、主に細粒のシラスを利用し、セメントやチップを混合し、コンクリートとして整形するより、より低コストで珪藻増殖に利用されやすいケイ酸の溶出が可能なシラスチップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロックを提供することを目的としている。特に浅い流れの中で広い面積にわたり、敷き詰められた、シラスチップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロックのようなケイ酸溶出材料との接触は、その溶出濃度を高めるのには有利になる。シラスチップコンクリートからのケイ酸の溶出はシラスのような火山ガラスにチップから供給される有機酸が作用し、溶出する場合とコンクリート中のアルカリ分が作用し、アルカリシリカ反応が起こる場合に分けられる。

前記課題を解決するための、本発明に係るブロック構成材料とその配合を以下に示す。基本的な配合比はシラス：セメント：水＝５：１：１
シラスチップコンクリート配合（供試体寸法：縦横高さ比１０ｃｍ：１０ｃｍ：４ｃｍ当り）
シラス（１．４ｋｇ）＋セメント（０．２８ｋｇ）＋ＵＴ２０００（１１．２ｇ）＋木材チップ（１４０ｇ）＋水（０．２８ｋｇ）
ここで、ＵＴ２０００は、コンクリート中に連続した1ｍｍ以下の微細な空隙を増やす機能を有する無機質の添加剤である。連続空隙を有するシラスコンクリートやシラスチップコンクリートはケイ酸の早期溶出に有利となる。

材料として用いる木材チップは、杉や松などの針葉樹のほうが望ましい。針葉樹のほうがリグニンを多く含有するので、フミン酸などの有機酸の供給量が多くなる。

また木材チップは水に沈め、充分水になじませたものを用いないと、混合時あるいは打ち込み時など周辺のセメントミルクとのなじみが悪く、材料の強度低下をもたらす可能性がある。沈木化を急速に行うためには、チップを水中に沈め、容器全体を真空引きしてやる方法がある。

このシラスチップコンクリートは、粗骨材として木材チップのみ使用している。そのため、その強度は概ね１０Ｎ／ｍｍ² 程度また単位体積重量も通常のコンクリートよりも軽い。（２．４ｔ／ｍ³ に対し１．６ｔ／ｍ³ ）
木材チップのみの粗骨材でも、強度を必要としない覆土材、魚道水路の側壁タイル材、蛇籠の中込材料としての使用、あるいは流速の小さい浸透堤の築堤ブロックなどならば、アンカーを適切にとれば、珪藻繁殖に適したケイ酸を河川中に供給する手段として適応が可能である。

本発明は、珪藻類の生育・増殖に適したケイ酸供給を目的とするシラスコンクリートあるいはシラスチップコンクリートよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、珪藻類の生育・増殖に適したケイ酸の供給ができる。

また、本発明は、魚類の好む付着藻類が繁茂しやすい性質を利用した、魚道やその導入部側壁へ、タイル材として貼り付け、使用する溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、魚類の好む付着藻類が繁茂しやすい性質を利用した、魚道やその導入部側壁へ、タイル材として貼り付け、使用することができる。また、背面に通常のコンクリートを一体成形した溶存態ケイ酸補給ブロックを使用して同等のものを作ることができる。

さらに、本発明は、景観の修景目的で、地衣類繁茂を促進するため、コンクリート構造物表面にタイル材として貼り付けるシラスチップコンクリートブロックあるいはシラスコンクリートブロックよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートブロックはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートブロックはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、景観の修景目的で、地衣類繁茂を促進するため、コンクリート構造物表面にタイル材として貼り付けることができる。

さらにその上に、本発明は、蛇籠の中込材料として流木などの水を含んだ木材とシラスコンクリートブロックあるいはシラスチップコンクリートブロックを混合し、河川の中で護岸やその根固め工などの構造物上に設置する方法により、窒素除去と同時に流水中へケイ酸を供給するようにした溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、河川の中で護岸やその根固め工などの構造物上に設置する方法により、窒素除去と同時に流水中へケイ酸を供給することができる。

また、本発明は、アルカリ骨材反応問題が顕在化した、あるいはその恐れのある既存コンクリート構造物を、タイル材として本材料のうちシラスコンクリートで覆うことにより、雨水などアルカリ骨材反応の進行に関与する水分を、内部に進入する以前に不活性化するようにした溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、アルカリ骨材反応問題が顕在化した、あるいはその恐れのある既存コンクリート構造物を、タイル材として溶存態ケイ酸補給ブロックのうちシラスコンクリートで覆うことにより、雨水などアルカリ骨材反応の進行に関与する水分を、内部に進入する以前に不活性化することができる。

さらに、本発明は、流水中で付着藻類を繁殖させるため、コンクリート構造物表面にタイル材として貼り付けるシラスコンクリートあるいはシラスチップコンクリートを利用する溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、流水中で付着藻類を繁殖させるため、コンクリート構造物表面にタイル材として貼り付けることができる。

また、背面に通常のコンクリートを一体成形した溶存態ケイ酸補給ブロックを使用して同等のものを作ることができる。

さらにその上に、本発明は、水中にケイ酸を溶出させることにより植物プランクトンのうち特に珪藻類を増殖させるため、シラスコンクリートあるいはシラスチップコンクリートを利用する溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスコンクリートはシラスとセメントと水とよりなり、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、水中にケイ酸を溶出させることにより植物プランクトンのうち特に珪藻類を増殖させることができる。

また、本発明は、珪藻類を餌とする繊毛虫類を増殖させて、バクテリア、ウイルスなどより微小な微生物を駆逐するためにシラスチップコンクリートを利用するようにした溶存態ケイ酸補給ブロックにおいて、シラスチップコンクリートはシラスとセメントと水と木材チップとよりなる溶存態ケイ酸補給ブロックであるので、珪藻類を餌とする繊毛虫類を増殖させて、バクテリア、ウイルスなどより微小な微生物を駆逐することができる。

以下、本発明を適応したシラスチップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロックの実施の形態を、図表に基づいて説明する。

現在まで試験の終えている木材チップのみの単位体積重量の小さい、軽いシラスチップコンクリートを用いた場合、魚道水路の側壁タイル材としての使用、特に登り口として魚類を誘導したい場所での設置、蛇籠の中込材料として軽いコンクリート片と沈木とを混合し、この蛇籠を護岸ブロックや護床ブロックに固定することで、ケイ酸の溶出等の水質改善効果を行うものである。

また、このように造られた蛇籠は、水位差や流速の小さい浸透堤の築堤ブロックなどへの適応ならば充分使用可能である。

図１は、中込材料として軽いシラスチップコンクリート片と沈木片を混合させた、ケイ酸補給・窒素吸収機能を持つ蛇籠である。

この蛇籠は、通常の目の大きな番線を縒って作る網カゴ網目１００〜２００ｍｍのカゴを使用する場合とさらにその内部の繊維で編んだ細かい目網目１０〜５０ｍｍで構成される。これによりケイ酸の溶出、沈木の腐食が進んでも、大きな目の隙間からの材料流出を防止する機能を持つ。

河川においては堤防を保護する役割を持つ護岸の基礎部の洗掘防止のために、特に根固工が設置されることがある。

根固め工には、捨石、ブロック層積み、乱積み、粗朶沈床、木工沈床、籠工などの種類がある。これらは水際部に設置される。

図２に示すように、シラスチップコンクリート片と沈木片を混合させた蛇籠を、根固め工を構成するブロック等の上部に設置することにより、水際部では水が通過する際、窒素分が吸収され、ケイ酸分が河川中に溶出される。このような栄養塩の調整機能は河川の多様な自然環境を保全するためには特に重要な機能である。蛇籠の他にフトン籠やカゴマット等のあらゆる籠体の中詰材として設置することができる。

以上のような蛇籠の作用について図３を参照しながら説明する。

シラスチップコンクリートの表面で溶出したケイ酸と河川水中の窒素などと共に付着性珪藻類に吸収されることにより、流水中のシラスチップコンクリートの表面では付着性の珪藻を増殖させることが出来る。

同時にケイ酸濃度が上昇した下流近傍の河川ブロックや河川中の礫などにも付着性の珪藻が発生しやすくなり、周辺の付着性珪藻の総数は増加する。また沈木の表面ではバクテリアにより有機物分解、脱窒などが行われる。

珪藻類は１次生産者として知られ、珪藻類の増加は原生動物などの動物プランクトンやより高次の動物の捕食を活発化させる。このようなプロセスにより、河川や下流海域などにおける水質の浄化や従前の水中生態系の維持への貢献、魚類の増加への貢献などを行うものである。

根固め工のうち、特に粗朶沈床、木工沈床などは木材を多用しており、ここで述べる沈木の効果を有している。この場合シラスチップコンクリートを中込め材料として使用すれば根固め工自身で、シラスチップコンクリート- 沈木蛇籠の機能を持たせることが出来る。

図４に示すように、シラスコンクリート、ＵＴ２０００を含むシラスコンクリート、シラスチップコンクリートなどの溶存態ケイ酸溶出ブロックを護岸、根固めブロック、魚道や水路側壁にタイル状に付着させることにより、これらの河川構造物に対し、ケイ酸溶出または窒素の吸収などの水質浄化に役立つ機能を付与することが出来る。

表１には、コンクリート試料、シラスコンクリート、シラス＋ＵＴ２０００コンクリート、シラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロック試料の各種コンクリートの配合内訳を示す。

図５に、コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料の溶出効果を示す実験結果を示す。図５の実験では水道水を使用し、５Ｌのバケツ中でエアレ−ションによる水循環、水温１４℃〜２０℃という条件での１０ｃｍ×１０ｃｍ×４ｃｍの試料から溶出実験結果で、ケイ酸濃度の経時変化で示される。

水道水（ブランク）では、濃度は長期的に上昇せず、ほぼ一定の値約５．５ｍｇ／Ｌを示す。コンクリート試料では１０時間から２０時間後にかけて濃度は低下し、その後８０時間後にかけて上昇するが、最大約１２ｍｇ／Ｌまでで、その後は緩やかに低下し、１０ｍｇ／Ｌとなった。

シラスコンクリート、シラス＋ＵＴ２０００コンクリート、シラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロック試料では共に初期の濃度増加が大きい。シラス＋ＵＴ２０００コンクリート、シラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートは共に２０時間から８０時間後にかけて濃度増加が大きい。特にシラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートは濃度増加が大きく、約１９ｍｇ／Ｌまで増加する。

シラスコンクリートは８０時間後から濃度増加が大きくなり、１７０時間後には約１９ｍｇ／Ｌまで増加する。

図５では、シラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートのケイ酸溶出効果が特に高いことが示される。

図６には、上記配合でのコンクリート、シラスコンクリート、シラス＋ＵＴ２０００コンクリート、シラス＋ＵＴ２０００木材チップコンクリートの２８日強度（空中養生）を示す。この時の供試体の寸法は直径１００ｍｍ、長さは２００ｍｍである。

また、図７には単位体積重量を示す。

図８および図９には、宇治および小国で行った、それぞれコンクリート試料及びシラスコンクリート、シラス＋ＵＴ２０００コンクリート、シラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートなどの溶存態ケイ酸補給ブロック試料よりなる１０ｃｍ×１０ｃｍ×４ｃｍの小ブロック試料を用いて行った生物膜付着試験の結果を示す。小国での実験では河川中に２０日程度、設置し、試験を行った。

図７に示す単位面積当たり有機物含有量では、コンクリート試料で１．４程度の値を示す。これに対し溶存態ケイ酸補給ブロック試料ではいずれも６倍から１５倍も高い値を示し、有機物生産性が大きいことを示す。

シラスチップコンクリートではもともと有機物である木片を含んでいるのに対し、ＵＴ２０００を含むシラスコンクリートは有機物を元来含まないが、最も高い値を示す。

また図８には生物膜に含まれる単位重量あたりのクロロフィルａ濃度を示す。これもコンクリート試料では０．３程度に対し、シラスコンクリートでは５割程度大きな値を示す。

しかしながら、シラス＋ＵＴ２０００コンクリートとシラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートでは０．０１とかなり小さな値を示す。

顕微鏡観察によりプランクトン種を調べたところ、小さな値を示すこの両者については緑藻より珪藻が卓越し、また動物プランクトンの活発な活動が観察された。

単位重量あたりのクロロフィルａ濃度がかなり小さな値す原因については、動物プランクトンの好む珪藻などの植物プランクトンが動物プランクトンに捕食されたためと考えられる。

表２は、コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料に付着した生物膜より採取し、観察された藻類や動物プランクトンの一覧表である。

このうち繊毛虫類については、シラス＋ＵＴ２０００コンクリートおよびシラス＋ＵＴ２０００＋木材チップコンクリートで検出された。繊毛虫類は、この繊毛触手使って、１／１００サイズのバクテリア・ウイルスなども取り込み、餌としている。繊毛虫類の増加は衛生上、河川水の安全化の望ましいものである。

本発明は、河川、湖沼、海等の水域の水質を改善するために、珪藻類の増殖やこれを捕食する微小動物の増殖を行うことの出来る溶存態ケイ酸補給ブロック提供するものであるが、水道用水および農業用水の水質の改善に利用することが可能である。

本発明の実施の形態１における蛇籠の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１の河川における蛇籠の設置位置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における蛇籠の複合的な水質浄化機能を示す図である。 本発明の実施の形態１の河川におけるタイル状ケイ酸補給ブロックの設置位置を示す断面図である。

コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料を用いたケイ酸溶出試験結果を示す図である。 コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料の一軸圧縮強度（28日強度）を示す図である。 コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料の単位体積重量を示す図である。 コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料に付着した生物膜に含まれる単位面積当たりの有機物含有量を示す図である。 コンクリート試料及び溶存態ケイ酸補給ブロック試料に付着した生物膜の単位乾燥重量当たりのクロロフィルａ量を示す図である。

符号の説明

１…番線
２…シラスチップコンクリート
３…沈木
４…タイル状の溶存態ケイ酸補給ブロック
１１…シラスコンクリート
１２…チップ
２１…護岸工
２２…根固めブロック
２３…シラスチップコンクリート−沈木蛇籠
２４…アンカー
３０…魚道または水路

Claims (13)

1. シラスとセメントと水から構成され、且つ連続空隙を有する溶存態ケイ酸補給ブロック。
2. 請求項１に木材チップを混入させた溶存態ケイ酸補給ブロック。
3. 請求項１と請求項２のシラスの配合が、重量比で５０〜８０％であり、水セメント比で１００％以下の水の配合で、且つ連続空隙を有する溶存態ケイ酸補給ブロック。
4. 請求項１から請求項３の溶存態ケイ酸補給ブロックを用意し背面にコンクリートを一体成形した溶存態ケイ酸補給ブロック。
5. 請求項１から請求項３の溶存態ケイ酸補給ブロックを既存の土木構造物の表面にあとから貼り付けた溶存態ケイ酸補給ブロック。
6. 請求項１から請求項５の溶存態ケイ酸補給ブロックを使用して河川の護岸、堤防、魚道、根固工などを構築する溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
7. 請求項１から請求項３の溶存態ケイ酸補給ブロックを、籠の中詰材として使用する溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
8. 請求項７の溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物の中詰材は、径５０mm〜３００mm位の大きさの溶存態ケイ酸補給ブロック。
9. 請求項７の中詰材料として溶存態ケイ酸補給ブロックに加えて木材を使用する溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
10. 請求項６から請求項９の溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物は、珪藻類の生育・増殖に適したケイ酸供給を目的とした溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
11. 請求項６から請求項９の溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物は、珪藻類を餌とする繊毛虫類を増殖させて、バクテリア、ウイルスなどより微小な微生物を駆逐する溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
12. 請求項６から請求項９の溶存態ケイ酸補給ブロックを取り付けた土木構造物は、景観の修景を目的として、地衣類繁殖を促進する溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。
13. 請求項１から請求項３の溶存態ケイ酸補給ブロックを取り付けた土木構造物は、アルカリ骨材反応問題が顕著化した、あるいはその恐れのある既存コンクリート構造物を覆うことにより雨水などのアルカリ骨材反応の進行に関与する水分を、内部に進入する以前に不活性化するようにしたことを目的として溶存態ケイ酸補給ブロックを使用した土木構造物。

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