JP2011031151A - 水浄化装置および水浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、使用し続けてもろ過材の目詰まりによる浄化能力の低下を起こすことなく、長期間にわたって安定した浄化を継続することができる水浄化装置および水浄化方法を提供することを目的とする。
【解決手段】水浄化装置１は浄化を行うべき水の中に設置すべき水中モジュール２を有し、水中モジュール２は、濾材６と、濾材の下に設けられた吸水口８と、濾材６の下に設けられた空気供給口１０と、濾材６の上に所定の間隔を介して設けられた汚水収集板１２と、汚水収集板１２に設けられた汚水排出口１３を有し、所定の周期で空気供給口１２から濾材６に空気を供給して逆洗浄することによって汚染物質を濾材５から除去するとともに、この汚染物質を含む汚水を水中モジュール２から排出するようになしたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、水浄化装置および水浄化方法に関するもので、特に、河川や湖、池、城の周辺の堀など屋外の水の浄化に関するものである

城の周辺の堀や公園の池等は、都市部に多く存在しており、生活廃水等が流入することなどで汚濁が進みやすい。このような場所では、泳いでいる魚がはっきりと見えるような水の透明度や、不快な臭いの防止が強く求められている。しかし、城や多くの公園は文化財としての価値が高く、その価値や景観を損なわないようにしなければならないという制約があるので、そこに大規模な浄化設備を建設することは困難である。

河川など屋外の環境中の水を浄化することに関する発明が、たとえば特許文献１〜４に記載されている。特許文献１には、揚水ポンプで水を高所にくみ上げて、浄水する浄水供給システムが記載されている。また、特許文献２には、河川を移動可能な船型の浮遊体の中央部に処理室を設け、ポンプで河川の水を処理室にくみ上げて浄化する水浄化装置および水浄化方法が記載されている。

特許文献３には、ろ過材と、このろ過材を支持する浮きとを有し、ろ過材が水中に浸された状態と水中に浸されていない状態とに切替えることができるようになした水浄化装置および水浄化方法が記載されている。また、特許文献４には、濾過材が収容され軸心を中心として周方向に回転自在に構成された略円筒状の通液性容器を保持手段によって河川等の液体中に浮遊状態で保持し、該通液性容器内に流入する液体中の懸濁物質をその濾過材によって捕捉分離する一方、通液性容器を回転させて濾過材を流動させ、濾過材に捕捉された懸濁物質を通液性容器の外部に排出するようにすることが記載されている。

特開２００５−１５２７８７ 特開平６−６３５７７ 特開２００６−１２２７４４ 特開平１０−２６３３１６

特許文献１および特許文献２に記載されているように対象の水をポンプでくみ上げて浄化する方法では、水のくみ上げのために大きなエネルギーを消費する。特許文献１では、太陽電池や風力発電などの自然エネルギーを使用すると記載されているが、これらの自然エネルギーはクリーンなものであっても一般にその供給量は小さく、わずかな量の水しか浄化できない。大規模災害地域において必要最小限の生活用水の供給を行うことはできるかもしれないが、環境中の水を大量に浄化できるようなものではない。

一方、特許文献３では、ろ過材が水中に浸された状態で浄化を行うので、はるかに少ないエネルギーで水の浄化を行うことができる。しかし、ろ過材による浄化では、使用しているうちにろ過材が汚れ成分が付着して目詰まりを起こし、処理能力が低下してくる。そこで、ろ過材に水を逆流させて汚れ成分を取り除く必要がある。この逆洗浄によって、ろ過材は再び処理能力を取り戻す。しかし、ろ過材で捕捉した汚れ成分が流れ出せば周囲の水を汚してしまうので、結局、その環境の水浄化を十分に行うことはできない。

ろ過材を密閉しておき、その密閉空間に水が出入りするための配管を浄化用と逆洗浄用のそれぞれに独立して設けて、それを切替ながら使用すれば、逆洗浄によりろ過材から流れ出る汚れ成分が周囲の環境中に出ていくのを防ぐことはできる。しかし、これでは、装置が大規模で複雑となり、操作も煩雑となる。

この発明は、使用し続けてもろ過材の目詰まりによる浄化能力の低下を起こすことなく、長期間にわたって安定した浄化を継続することができる水浄化装置および水浄化方法を提供することを目的とする。

上記の目的を解決するために、この発明の水浄化装置は浄化を行うべき水の中に設置すべき水中モジュールを有する水浄化装置であり、
水中モジュールは、濾材と、濾材の下に設けられた吸水口と、濾材の下に設けられた空気供給口と、濾材の上に所定の間隔を介して設けられた汚水収集板と、汚水収集板に設けられた汚水排出口を有し、
吸水口は循環水ポンプに接続されており、空気供給口はブロワーに接続されており、汚水排出口は排出ポンプに接続されており、
所定の周期でブロワーにより空気供給口から濾材に空気を供給して逆洗浄することによって汚染物質を濾材から除去するとともに、この汚染物質を含む汚水を排出ポンプによって水中モジュールから排出するようになしたことを特徴とする。濾材が複数の部分に分割されており、それぞれの部分ごとに異なるタイミングで逆洗浄を行うことが好ましく、たとえば、濾材が３つの部分に分割されており、それぞれの部分が周期の３分の１だけずれたタイミングで逆洗浄を行う。

上述の構成に加えて、水上に設置すべき水上モジュールと、水中モジュールの汚水排出口と水上モジュールを接続する通水管を有し、水上モジュールは水中モジュールから導入された水を蓄える貯水槽と、貯水槽の壁部に交換可能に設けられたカートリッジ式フィルタを有し、カートリッジ式フィルタを通して貯水槽の水を外部に排出するようになしてもよい。このカートリッジ式フィルタは水上モジュールが設置される場所の水面より上に設けられていることが好ましい。

この発明の水浄化方法は、浄化を行うべき水の中に設置すべき水中モジュールと水上に設置すべき水上モジュールと水中モジュールの汚水排出口と水上モジュールを接続する通水管を有する水浄化装置により水を浄化する方法であり、水中モジュールは、濾材と、濾材の下に設けられた吸水口と、濾材の下に設けられた空気供給口と、濾材の上に所定の間隔を介して設けられた汚水収集板と、汚水収集板に設けられた汚水排出口を有し、
吸水口を循環水ポンプに接続し、空気供給口をブロワーに接続し、汚水排出口を排出ポンプに接続し、
循環水ポンプで吸水口より濾材の下から水を吸い込むことによって濾材に水を導入して汚染物質を濾材で収集し、
所定の周期でブロワーにより空気供給口から濾材に空気を供給して逆洗浄することによって汚染物質を濾材から除去するとともに、この汚染物質を含む汚水を排出ポンプによって水中モジュールから水上モジュールの貯水槽に送り込み、汚染物質を貯水槽に沈殿させるとともに貯水槽の壁部に設けられた交換可能なカートリッジ式フィルタを介して水を設置された環境中に排出する。濾材が複数の部分に分割されており、それぞれの部分ごとに異なるタイミングで逆洗浄を行うことが好ましい。

この発明の水浄化装置および水浄化方法は、陸上に大きな設備を設置する必要がないので、周囲の環境に影響を与えないという効果を有する。簡単に、設置および撤去することができる。濾材を含む装置の主要な部分は水中に設置されるので目に触れにくく、設置場所の美観を損なうことはない。ろ過材の目詰まりを防止し、長期間にわたって安定した水の浄化を行うことができる。

水浄化装置を示す模式図である。 水中モジュールを模式的に示す断面図である。 水中モジュールの濾材を模式的に示す平面図である。 水上モジュールを模式的に示す断面図である。 同平面図である。 使用時間と濾材を通過する水量の関係を模式的に示した概念図である。 濾材を３分割した場合の逆洗浄のサイクルを示す概念図である。

この発明を実施するための形態について図面に基づいて説明する。図１は水浄化装置を示す模式図である。水浄化装置１は水中に設置されるべき水中モジュール２と、水上に設置されるべき水上モジュール３を有する。また、陸上には、ブロワー４と制御装置５が設置されている。

水中モジュール２について説明する。図２は水中モジュールを模式的に示す断面図、図３は水中モジュールの濾材を模式的に示す平面図である。

水中モジュール２は、濾材６を備える。濾材は、水が通過でき、しかも水中の汚れ成分を捕捉できるようなものである。この例では、発泡ガラスを使用しており、比重は０．４程度である。この発泡ガラスの濾材は、耐久性に優れ、汚染物質を分解する微生物が生息できる。さらに、主に使用済みのガラス瓶などから作られるものであり、資源のリサイクルとしても意義がある。

この濾材６は分割された９個のブロック６ａ，６ｂ，…６ｉより構成されていて、縦横に３×３の形で配置されている。濾材６の大きさは、ここでは、縦横が２ｍ×２ｍ、高さが１．５ｍとなっている。高さは水の深さに合わせて増減させてもよい。

濾材６の下には空間７が形成されており、さらにこの空間７から水が吸い出される吸水口８が設けられている。この吸水口８には循環水ポンプ９が接続されており、空間７の水を外部へ排出できるようになっている。

また、濾材６の下には空気供給口１０が設けられている。この空気供給口１０は陸上のブロワー４に接続されており、このブロワー４から送られた空気が空気供給口１０より濾材６に供給される。空気供給口１０は複数個設けられており、それぞれの空気供給口は濾材６の異なる部分へ空気を供給する。

さらに、空間７の水を吸い出して、水上モジュールに送るための底部排水ポンプ１１も備えている。

濾材６の上には、汚水収集板１２が設けられている。汚水収集板１２は濾材６の上面を覆う広さを有する。さらに、この例では、周辺に側壁１３が設けられており、略正方形の底面の箱型容器を逆向きにしてかぶせたような形状となっていて、水を収集できる空間が形成されている。また、汚水収集板１２の形状は四角錘状あるいは多角錘状、円錐状などにしてもよい。そして、濾材６と汚水収集板１２の間には水が通れるだけの所定の間隔が設けられている。汚水収集板１２の中心部には汚水排出口１３およびこれに接続された排出ポンプ１４が備えられている。

つぎに、水上モジュールについて説明する。図４は水上モジュールを模式的に示す断面図、図５は同平面図である。

水上モジュール３は、貯水槽１５とこの貯水槽１５の下に設けられたフロート１６を備える。貯水槽１５の底には、逆洗水導入口１７が設けられており、この逆洗水導入口１７は通水管１９によって水中モジュール２の汚水排出口１３や底部排水ポンプ１１に接続されている。この例では貯水槽の大きさは、縦横２〜６ｍ程度、深さ４０ｃｍ程度である。

貯水槽１５の側壁部にはカートリッジ式フィルタ１８が交換可能に設けられている。カートリッジ式フィルタ１８は貯水槽１５の側壁部のほぼ全面をカバーするように設けられている。カートリッジ式フィルタ１８としては、たとえばこの例では厚さ４ｍｍ程度の不織布を使用している。貯水槽１５は下に設けられたフロート１６によって側壁部が水面より上に設置されるようになっている。このようにして、カートリッジ式フィルタ１８が水面より上に設置されることが好ましい。

水上モジュール３は、図４のようにフロート１６で水面に浮かべる構造のほか、公園や城の周辺の堀などに設置されている水鳥飼育用の小屋に併設することもできる。

ついで、水浄化装置１の作用および水浄化装置１を使用した水浄化方法について説明する。まず、水浄化を行うべき場所に水浄化装置１を設置する。河川や湖沼など、屋外で水がある環境に広く適用できるが、公園内の池や城の周辺の堀などの水の浄化に使用することもできる。ここでは、城の周辺の堀で使用する例について説明する。

水浄化装置１の大きさや設置密度は、堀の幅や水の汚れ具合などでよって選択すればよい。多くの場合、堀の幅は４０ｍ程度であり、水の汚れ具合は浮遊物質量（ＳＳ）４０ｍｇ／リットルであるので、このような環境では、上述の水中モジュール２を２０ｍ程度の間隔で設置するのがよい。水の深さは２．３ｍ程度なので、水中モジュール２が堀の底に置かれるように設置する。

水上モジュール３は、水中モジュール２と同数設置してもよいが、図１の例では、２基の水中モジュール２に対して１基の水上モジュール３を設置している。このように水浄化装置１の主要な構成部材である水中モジュール２および水上モジュール３は水中および水面上に設置される。したがって、設置および撤去は容易であり、しかも陸上の施設や環境に影響をほとんど与えない。ブロワー４と制御装置５は陸上に設置されるが小さな部材であり、小さなボックスなどに収納し、周囲の施設に影響を与えないように設置できる。

はじめに、循環水ポンプ９を作動させる。一方、排出ポンプ１４と底部排水ポンプ１１およびブロワー４は停止した状態である。循環水ポンプ９によって空間７の水は吸水口８より吸い込まれる。これによって、堀の水は、濾材６の上面または側面より取り込まれ、濾材６を通過して、濾材６の下面より出て行く。

堀の水が濾材６を通過することによって、水中の汚染物質は濾材６に捕捉され、浄化された水が堀に戻される。また、この水の循環によって濾材６に酸素が供給されるので、汚れ成分を分解する好気性微生物が濾材６の中で繁殖する。この例では、４台の循環水ポンプ９によって１０００〜１１００トン／日の水を１基の水中モジュール２の濾材６に送り込んで浄化する。

図６は使用時間と濾材を通過する水量の関係を模式的に示した概念図である。堀の水が濾材６を通過することによって堀の水は浄化されるが、時間とともに濾材６の目詰まりが進行し、濾材６を通過する水量が低下してくる。浮遊物質を捕捉する作用はほぼ水の通過量に対応する。そこで、所定の基準水量に達したら、逆洗浄を行って濾材６にたまった汚染物質を除去する必要がある。たとえば、この例であれば、夏場など浮遊物質量（ＳＳ）３０〜５０ｍｇ／リットル程度の汚れ具合のとき、５日間程度の間隔で逆洗浄するのが好ましい。

濾材６の逆洗浄について説明する。逆洗浄の工程が開始時に循環水ポンプを静止させる。そして、ブロワー４および排出ポンプ１４を作動させる。ブロワー４によって空気が空気供給口に送り込まれ、空間７の水中を上昇し、濾材６へ送り込まれる。これによって、濾材６の下から入り、上へ抜けていく水の流れも発生する。この下から上へ上昇する空気と水によって、濾材６にたまった汚染物質は剥離し、濾材６の上の汚染水収集板１２へ移動する。この高濃度の汚染物質を含む水は、汚水排出口１３より吸い出され、通水管１９を通って水上モジュール３の貯水槽１５へ送られる。

ブロワー４と排出ポンプを１２分程度の時間作動させた後、停止させる。つぎに、底部排水ポンプ１１を５〜１０分間作動させる。これによって、水中モジュール２の底部にたまった汚染物質を水上モジュール３の貯水槽１５へ送る。

こうして、汚染物質が濾材６から取り除かれ、再び多量の水が濾材６を通過できるようになる。濾材６から離脱した汚染物質は周囲の環境中に流れ出さない。逆洗浄が終了したら、循環ポンプ９を作動させて、堀の水の浄化を再開する。これらの工程は、制御装置５によって管理される。

逆洗浄を行うことによって、濾材６の総合的な処理能力は回復するが、その後、再び低下していくので、浄化と逆洗浄のサイクルを繰り返す必要がある。しかし、このサイクル中において、濾材６の処理能力は単純に低下するのではないことが判明した。すなわち、逆洗浄直後の所定期間Ｔ１においては、水中のリンを効果的に捕捉できるが、窒素成分はあまり捕捉することができない。サイクルの終わりの期間Ｔ３においてはその逆で、窒素成分を効果的に捕捉できるが、リンはあまり捕捉することができない。中間の期間Ｔ２ではその中間的な作用が現れる。したがって、全ての濾材を同時に逆洗浄すると、窒素成分を捕捉できない期間や、リンを捕捉できない期間が生じることとなる。

そこで、濾材を複数の部分に分割し、それぞれの部分ごとに異なるタイミングで逆洗浄を行うことが好ましい。たとえば、ブロック６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇ、６ｉと第１部とし、ブロック６ｂ、６ｄ、６ｆ、６ｈと第２部として、２分割する。そして、第１部と第２部を周期の２分の１ずつずらしたタイミングで逆洗浄することによって、特定の汚れ成分が捕捉できない期間が生じないようにすることができる。さらに、浮遊物質の除去力の時間的変動も小さくなる。

２分割に限らず、３分割、４分割…とすることも可能である。しかし、あまりに分割数が大きくなると、装置構成や制御が複雑になる。そこで、濾材を３分割にすることが特に好ましい。図７は濾材を３分割した場合の逆洗浄のサイクルを示す概念図である。たとえば、ブロック６ａ、６ｂ、６ｃを第１部、ブロック６ｄ、６ｅ、６ｆを第２部、ブロック６ｇ、６ｈ、６ｉを第３部とし、それぞれの部分に空気を供給するように独立した３系統の空気供給口を設ける。そして、それぞれの部分を周期の２分の１ずつずらしたタイミングで逆洗浄する。こうすることによって、ほぼどの時間においても、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の状態にある濾材が存在することになり、均質な浄化を行うことができる。

濾材６を分割して逆洗浄することによって、逆洗浄時におけるブロワーの負担を軽減することもできる。３分割の場合、一回の逆洗浄において供給すべき空気は３分の１になるので、小さなブロワーを選択することもできる。

水上モジュール３の作用について説明する。水中モジュール２より送られた高濃度の汚れ成分を含む水は貯水槽１５にためられる。ここで、多くの汚染物質は、貯水槽１５の底に沈殿していく。浮遊物質量（ＳＳ）４０ｍｇ／リットル程度の環境であると、一年に３ｃｍほど堆積していく。したがって、ある程度の堆積量になれば、これをとりだすこととなる。

水中に浮遊する汚れ成分等は、カートリッジ式フィルタを通過するときに取り除かれて、浄化された水が掘りに戻される。ここで、カートリッジ式フィルタは、設置場所の水面より上に設けられることが好ましい。カートリッジ式フィルタが水中に設けられていると、短時間で全体が目詰まりするので、頻繁に交換する必要があることが判明した。一方、水面より上に設けられると、目詰まりはカートリッジ式フィルタの下から起こり、徐々に上に進行する。したがって、全体が目詰まりするまでの時間は長くなり、カートリッジ式フィルタの交換回数を少なくすることができる。カートリッジ式フィルタは水洗いをすることによって、繰り返し使用することができる。

なお、貯水槽１５の中では、植物を栽培することもできる。リンのようにフィルタのみでは除去しきれない汚染物質を植物に吸収されることができる。植物を栽培することによって、美観もよくなる。たとえば、睡蓮などは日本に固有の植物であるので栽培しやすく、また区域外に流出しにくい上、仮に外部に流出しても生態系に影響を与えにくい。

水中モジュール２基と水上モジュール１基の組合せを７セット程度設置することによって２万トンの水を処理することができる。４月中旬から５月あたりで使用を開始して、１０月終わりまで続けることが好ましい。

１．水処理装置
２．水中モジュール
３．水上モジュール
４．ブロワー
６．濾材
８．吸水口
９．循環水ポンプ
１０．空気供給口
１２．汚水収集板
１３．汚水排出口
１４．排出ポンプ
１５．貯水槽
１８．カートリッジ式フィルタ
１９．通水管

Claims (7)

1. 浄化を行うべき水の中に設置すべき水中モジュールを有する水浄化装置であり、
   水中モジュールは、濾材と、濾材の下に設けられた吸水口と、濾材の下に設けられた空気供給口と、濾材の上に所定の間隔を介して設けられた汚水収集板と、汚水収集板に設けられた汚水排出口を有し、
   吸水口は循環水ポンプに接続されており、空気供給口はブロワーに接続されており、汚水排出口は排出ポンプに接続されており、
   所定の周期でブロワーにより空気供給口から濾材に空気を供給して逆洗浄することによって汚染物質を濾材から除去するとともに、この汚染物質を含む汚水を排出ポンプによって水中モジュールから排出するようになした水浄化装置。
2. 濾材が複数の部分に分割されており、それぞれの部分ごとに異なるタイミングで逆洗浄を行う請求項１に記載の水浄化装置。
3. 濾材が３つの部分に分割されており、それぞれの部分が周期の３分の１だけずれたタイミングで逆洗浄を行う請求項２に記載の水浄化装置。
4. 水上に設置すべき水上モジュールと、水中モジュールの汚水排出口と水上モジュールを接続する通水管を有し、水上モジュールは水中モジュールから導入された水を蓄える貯水槽と、貯水槽の壁部に交換可能に設けられたカートリッジ式フィルタを有し、カートリッジ式フィルタを通して貯水槽の水を外部に排出するようになした請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水浄化装置。
5. 水上モジュールが設置される場所の水面より上にカートリッジ式フィルタが設けられている請求項４に記載の水浄化装置。
6. 浄化を行うべき水の中に設置すべき水中モジュールと水上に設置すべき水上モジュールと水中モジュールの汚水排出口と水上モジュールを接続する通水管を有する水浄化装置により水を浄化する方法であり、水中モジュールは、濾材と、濾材の下に設けられた吸水口と、濾材の下に設けられた空気供給口と、濾材の上に所定の間隔を介して設けられた汚水収集板と、汚水収集板に設けられた汚水排出口を有し、
   吸水口を循環水ポンプに接続し、空気供給口をブロワーに接続し、汚水排出口を排出ポンプに接続し、
   循環水ポンプで吸水口より濾材の下から水を吸い込むことによって濾材に水を導入して汚染物質を濾材で収集し、
   所定の周期でブロワーにより空気供給口から濾材に空気を供給して逆洗浄することによって汚染物質を濾材から除去するとともに、この汚染物質を含む汚水を排出ポンプによって水中モジュールから水上モジュールの貯水槽に送り込み、汚染物質を貯水槽に沈殿させるとともに貯水槽の壁部に設けられた交換可能なカートリッジ式フィルタを介して水を設置された環境中に排出する水浄化方法。
7. 濾材が複数の部分に分割されており、それぞれの部分ごとに異なるタイミングで逆洗浄を行う請求項６に記載の水浄化方法。

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