JP2014231042A

JP2014231042A - 水質改善用の人工湿地

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Publication number: JP2014231042A
Application number: JP2013113071A
Authority: JP
Inventors: 中野　和典; Kazunori Nakano; 和典中野; 純橋本; Jun Hashimoto
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: JP6112604B2

Abstract

【課題】人工湿地に必要な用地面積を縮小することである。
【解決手段】水質改善用の人工湿地１０は、有機物と栄養塩について微生物による分解作用を利用する水質改善用の人工湿地であって、バイオフィルムまたは植物根圏微生物群が形成される濾床２２，２４，２６，２８を、重力によって水が落下する鉛直方向に複数段積み重ねた積み重ね濾床部２０と、積み重ね濾床部２０において、各濾床２２，２４，２６，２８の間に設けられる濾床間管路４０と、積み重ね濾床部２０における最下段の濾床２８の底部側に配置され、最下段の濾床２８の底部からの水を排水する排水管路６０を備える。濾床間管路４０は、複数の空気供給管路４２，４４，４６で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水質改善用の人工湿地に係り、特に、有機物と栄養塩について微生物による分解作用を利用する水質改善用の人工湿地に関する。

下水道をはじめとする汚水処理施設によって事業所排水や生活排水の汚染対策が進んでいるが、人口の少ない市町村では依然として汚水処理率が低い。例えば、欧米諸国では、下水道の普及が難しい農村地域における小規模汚染対策として人工湿地の活用が進んでいる。人工湿地とは、汚水処理を主な目的として人工的に構築した湿地のことである。我が国でも人口減少の進む農村地域における汚水処理方法として、人工湿地が注目されている。

例えば、特許文献１には、伏流式人工湿地システムとして、汚水を浄化するように順次流通させるように配置した第１の伏流式縦型湿地と第２の伏流式縦型湿地と伏流式横型湿地を備えるものが開示されている。ここでは、第１と第２の縦型湿地は、上層に粒径の細かい軽石層を配置し、下層に粒径の粗い軽石層を配置し、上層から下層に向けて鉛直に配置される縦型暗渠を有し、下層の底部には縦型暗渠と接続する横型暗渠が配置され、酸化的汚水浄化を行う。横型湿地は、汚水が流れる横方向の入口と出口に粒径の粗い軽石層を配置し、それ以外の中間部には、上層に粒径の細かい軽石層、下層に火山灰性腐食土壌層が配置され、底部に横型暗渠を有し、還元的汚水浄化を行う。

特開２００８−６８２１１号公報

国土が狭く、用地確保が難しい我が国において、人工湿地に必要な用地面積を縮小することが望まれる。

本発明に係る水質改善用の人工湿地は、有機物と栄養塩について微生物による分解作用を利用する水質改善用の人工湿地であって、バイオフィルムまたは植物根圏微生物群が形成される濾床を、重力によって水が落下する鉛直方向に複数段積み重ねた積み重ね濾床部と、積み重ね濾床部において、積み重ねの互いに隣接する上段側の濾床と下段側の濾床の間にそれぞれ設けられ、上段側の濾床からの水を下段側の濾床に滴下することができる濾床間管路と、積み重ね濾床部における最下段の濾床の底部側に配置され、最下段の濾床の底部からの水を排水する排水管路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、大気に連通する空気連通管を備え、濾床間管路は、空気連通管に接続され、上段側の濾床と下段側の濾床とに空気を供給する空気供給層としての機能を有することが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、濾床間管路は、鉛直方向に沿った上段側の濾床の底部側に設けられる複数の貫通穴と、鉛直方向に沿った下段側の濾床の天井部側に設けられる複数の貫通穴と、を有し、水平方向に延伸する管路であることが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、濾床間管路は、網目を貫通穴とする網目構造を有する樹脂製パイプで構成されることが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、積み重ね濾床部は、２段以上の濾床を有し、下段側の濾床の厚さが上段側の濾床の厚さよりも厚いことが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、濾床に配置される濾材は、水受入側である上段側の濾材の粒径が水排出側である下段側の濾材の粒径よりも細かいことが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、空気連通管に空気を送り込む送風装置を備えることが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、大気に連通する空気連通管を備え、濾床間管路は、少なくとも２つ以上配置され、上段側に配置される濾床間管路は、下段側に配置される濾床間管路よりも空気連通管から供給される空気量が多いことが好ましい。

本発明に係る水質改善用の人工湿地において、大気に連通する空気連通管を備え、濾床間管路は、少なくとも２つ以上配置され、上段側に配置される濾床間管路は空気連通管に接続され、下段側に配置される濾床間管路に接続されていないことが好ましい。

上記構成により、重力によって水が落下する鉛直方向に濾床を複数段積み重ねて人工湿地を構成する際に、積み重ねられる濾床の間に空気供給層を配置することで、有機物と栄養塩についての微生物による分解作用を十分に行わせることができる。これにより、人工湿地に必要な用地面積を縮小することができる。

本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地の構成を示す図である。図１の詳細図である。本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地に用いられる空気供給層を構成する樹脂製パイプの２つの例を示す図である。本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地の酸素濃度を従来技術の人工湿地と比較する図である。本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地において、水質が改善される進み方を示す模式図である。本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地において、積み重ね濾床部が酸化性領域と還元性領域とを有する例を示す図である。本発明に係る実施の形態における水質改善用の人工湿地において、積み重ね濾床部の上段側から下段に向かって、酸化性から還元性に次第に変化する構成の例を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる寸法、形状、濾材の種類、濾床の積み重ね段数等は、説明のための例示であって、人工湿地の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、水質改善用の人工湿地１０の構成を示す断面図である。水質改善用の人工湿地１０は、供給される汚水に含まれる有機物と栄養塩について微生物による分解作用を利用し、ＢＯＤ（ＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＯｘｙｇｅｎＤｅｍａｎｄ）を低減した処理済み水として排出する汚水処理施設である。ここで処理されるＢＯＤには、有機物ＢＯＤと窒素性ＢＯＤが含まれる。有機物ＢＯＤは炭化性ＢＯＤと呼ばれることがあり、窒素性ＢＯＤはＮ−ＢＯＤと呼ばれることがある。

以下では、水質改善用の人工湿地１０を、特に断らない限り人工湿地１０と呼ぶ。図１には、人工湿地１０の構成要素ではないが、人工湿地１０が敷設される施設の土壌２、人工湿地１０に植栽されるヨシ４、人工湿地１０に供給される汚水６、人工湿地１０から排出される処理済み水８が図示される。

人工湿地１０は、土壌２に汚水６や処理中の水が流出しないように区画するための防水枠体１２の内部に配置される。人工湿地１０は、バイオフィルムまたは植物根圏微生物群が形成される濾床２２，２４，２６，２８を、重力によって水が落下する鉛直方向に４段積み重ねた積み重ね濾床部２０を備える。また、積み重ね濾床部２０において、各濾床２２，２４，２６，２８の間にそれぞれ設けられる空気供給層としての機能を有する濾床間管路４０を備える。図１の例では、濾床２２と濾床２４との間に空気供給管路４２、濾床２４と濾床２６の間に空気供給管路４４、濾床２６と濾床２８の間に空気供給管路４６がそれぞれ設けられる。また、積み重ね濾床部２０における最下段の濾床２８の底部側に配置され、最下段の濾床２８の底部からの水を排水する排水管路６０を備える。また、空気供給管路４２，４４，４６には、大気に連通する空気連通管７０が接続される。なお、排水管路６０は、最下段の濾床２８に対して空気を供給する空気供給管路としての機能を合せ持つ。

バイオフィルムとは、濾床２２，２４，２６，２８に配置される礫、砂、土壌に付着する微生物の膜である。例えば、川の流れの中にある礫や砂には、ぬるぬるした層が付着しているが、この層は、水中に含まれる有機物や栄養塩とこれを食べる微生物からなる膜である。この膜がバイオフィルムである。植物根圏微生物群とは、図１におけるヨシ４の根の周りの有機物や栄養塩を食べる土壌中の微生物の群落である。

バイオフィルムまたは植物根圏微生物群に含まれる微生物には、ＢＯＤ酸化菌と硝化菌が含まれる。ＢＯＤ酸化菌は、糖類、有機酸を体内に取り込み、約４８時間以内にその大半を酵素反応によって酸化分解する。また、デンプン、タンパク質、脂質を加水分解によって低分子化した後、やはり酵素反応によって酸化分解する。この場合、低分子化する時間を要する。硝化菌は、水中のアンモニア態窒素を硝酸態窒素に酸化し、続く無酸素環境での脱窒細菌による脱窒工程に引き継ぐことで、アンモニアを窒素ガスに分解する。このように、バイオフィルムや植物根圏微生物群に含まれるＢＯＤ酸化菌、硝化菌、脱窒細菌を利用することで、汚水に含まれる有機物と栄養塩を分解し、ＢＯＤを低減した処理済み水とできる。

図２は、人工湿地１０の詳細構成図である。図２では、図１における土壌２、ヨシ４、汚水６、外部に排出される処理済み水８の図示を省略し、代わって、人工湿地１０の内部における処理途中水７と処理済み水８を図示した。

防水枠体１２は、人工湿地１０の外形を形成し、上方に開口部を有する直方体の箱体である。防水枠体１２の内部に人工湿地１０を構成する各要素が収容される。かかる防水枠体１２としては、コンクリートで所望の形状に成形し、内壁に防水性樹脂をコーティングし、または防水性樹脂シートを貼付または敷設したものを用いることができる。

濾床間管路４０を介して４段に積み重ねられた濾床２２，２４，２６，２８は、バイオフィルムまたは植物根圏微生物群を形成することができる濾材を敷設した汚水処理層である。図２の紙面の上方から下方に向かう方向が重力によって水が落下する鉛直方向である。

この鉛直方向に沿って、最上段の濾床２２は、濾材として、粒径が粗い礫が用いられる。具体的には、粒径が約５ｍｍから約１０ｍｍの頁岩の礫３０が用いられる。濾床２２は、頁岩の礫３０が厚さ方向にも平面内でも、均一に配置される。濾床２２の厚さの一例を挙げると、約５０ｍｍから約６００ｍｍ程度である。例えば、濾床２２の厚さを約３５０ｍｍとすることができる。

上から２段目の濾床２４は、濾材の厚さ方向の構成が２層である。下層側には、上から１段目の濾床２２の濾材と同じように、粒径が粗い礫が用いられる。すなわち、粒径が約５ｍｍから約１０ｍｍの頁岩の礫３０が用いられる。上層側には、下層側に比較して粒径が細かい礫または砂が用いられる。具体的には粒径が約１ｍｍから５ｍｍの頁岩の礫３２が用いられる。礫３０の厚さよりは礫３２の厚さの方を厚くすることが好ましい。例えば、礫３０の厚さに対し礫３２の厚さを３倍以上とすることがよい。一例として、濾床２４の総厚さを約３５０ｍｍとして、礫３０の厚さを約５０ｍｍ、礫３２の厚さを約３００ｍｍとする。

上から３段目の濾床２６は、濾材の厚さ方向の構成が３層である。最下層側には、１段目の濾床２２の濾材と同じように、粒径が粗い礫が用いられる。すなわち、粒径が約５ｍｍから約１０ｍｍの頁岩の礫３０が用いられる。中間層には、下層側に比較して粒径が細かい礫または砂が用いられる。具体的には粒径が約１ｍｍから５ｍｍの頁岩の礫３２が用いられる。最上層側には、中間層よりもさらに粒径が細かい砂または土壌が用いられる。具体的には粒径が約１ｍｍ未満の細砂３４が用いられる。礫３０の厚さよりは礫３２の厚さの方を厚くし、礫３２の厚さよりも細砂３４の厚さを厚くすることが好ましい。例えば、礫３０の厚さと礫３２の厚さを合わせた厚さに対し細砂３４の厚さを３倍以上とすることがよい。

最下段の濾床２８は、上から３段目の濾床２６と同様に、濾材の厚さ方向の構成が３層である。最下段の濾床２８は、上から３段目の濾床２６と同じものとしてもよいが、嫌気環境として脱窒細菌による脱窒工程を効果的に行わせるために、最下段の濾床２８の濾床総厚さを３段目の濾床２６の濾床総厚さよりも厚くすることがよい。

積み重ね濾床部２０においては、上側の段から下側の段に向かって汚水が流れるに従い、ＢＯＤ酸化菌の活動によって有機物ＢＯＤが低減する。有機物ＢＯＤがある程度低減すると、やはり酸化によりアンモニア態窒素を硝酸態窒素に分解する硝化菌が活動できるようになる。そこで、有機物ＢＯＤが十分に低減される下段側においても酸素供給が十分な環境とすることがよい。

濾床間管路４０は、積み重ね濾床部において、積み重ねの互いに隣接する上段側の濾床と下段側の濾床の間にそれぞれ設けられる管路であって、少なくとも、上段側の濾床からの水を下段側の濾床に滴下することができる機能を有する。また、濾床間管路４０は、積み重ね濾床部２０がそのままでは全体の濾床の厚さが厚くなって、濾床内の酸素が欠乏し、ＢＯＤ酸化菌、硝化菌の活動が弱くなるので、中間に酸素が供給されるようにした空気供給層としての機能を有する。図１、図２では、積み重ね濾床部２０が４段の濾床２２，２４，２６，２８で構成されるので、鉛直方向に隣接する濾床の間にそれぞれ空気供給管路４２，４４，４６が配置される。

空気供給管路４２，４４，４６は、外周に穴あき構造を有する樹脂製パイプ５０で構成される。樹脂製パイプ５０は、円筒形断面または楕円形断面を有するパイプ本体５２と、両端の開口部５４，５６と、外周に設けられる開口穴で、鉛直方向に沿った上段側の濾床の底部側に設けられる複数の貫通穴５８と、鉛直方向に沿った下段側の濾床の天井部側に設けられる複数の貫通穴５９とを有する。貫通穴５８，５９は、空気を上段側の濾床と下段側の濾床に供給する機能と、上段側の濾床からの処理途中水７を通してパイプ本体５２の管路部に滴下させ、その水を下段側の濾床に供給する機能を有する。すなわち、貫通穴５８，５９は、空気供給穴であり、水通し穴である。

空気供給管路４２，４４，４６は、この樹脂製パイプ５０を、水平方向に延伸させた管路である。傾斜角度を付けずに水平方向に延伸させるのは、貫通穴５８を介して滴下してくる水が管路の延伸方向に沿って不均等になることを防止し、濾床に供給される空気量を管路の延伸方向に沿って均一化するためである。

図３（ａ）に、空気供給管路４２，４４，４６に用いられる樹脂製パイプ５０を示す。この樹脂製パイプ５０は、高密度ポリエチレン樹脂を網目状に成形したプラスチック製品で、網目の開口率が約７〜１５％である。網目は、外周に均等に分布するので、この樹脂製パイプ５０を用い、下段に相当する濾床の上に隙間なく複数個横並びに配置し、その上に上段に相当する濾床を配置することで、図１、図２の濾床間管路４０付きの積み重ね濾床部２０を形成することができる。

かかる樹脂製パイプ５０としては、三井化学製の暗渠用パイプＮＥＴＲＯＮ（登録商標）を用いることができる。この他の例を挙げると、図３（ｂ）に示す樹脂製パイプ５１は、三井化学製の暗渠用パイプＮＥＯＤＲＡＩＮ（登録商標）で、螺旋状に肉厚部が設けられるコルゲート有孔管路である。螺旋状に肉厚部が設けられるので、管路としての剛性が高い。

再び図２に戻り、積み重ね濾床部２０を構成する各段の濾床２２，２４，２６，２８の間にそれぞれ空気供給管路４２，４４，４６を設けることで、各段の濾床２２，２４，２６，２８は、積み重ね濾床部２０の最上部の表層が接する大気からの空気供給に加えて、積み重ね濾床部２０の内部からも空気供給を受けることができる。例えば、１段目の濾床２２は、表層が接する大気からと、底部層が接する空気供給管路４２の天井側の貫通穴５８の両側から空気供給を受ける。２段目の濾床２４は、表層が接する空気供給管路４２の底部の貫通穴５９と、底部層が接する空気供給管路４４の天井側の貫通穴５８の両側から空気供給を受ける。同様に３段目の濾床２６は、表層が接する空気供給管路４４の底部の貫通穴５９と、底部層が接する空気供給管路４６の天井側の貫通穴５８の両側から空気供給を受ける。最下段である４段目の濾床２６は、表層が接する空気供給管路４６の底部の貫通穴５９からと、次に述べる排水管路６０の天井側の貫通穴６６からの双方から空気供給を受ける。

排水管路６０は、最下段の濾床２８の底部からの水を排水する排水路である。排水管路６０は、矩形断面を有する管路本体６２と、管路本体６２の一方側の開口部である排水口６４、天井部に設けられる複数の貫通穴６６とを有する。管路本体６２の他方側の開口部は防水枠体１２で塞がれる。貫通穴６６は、最下段の濾床２８からの処理済み水８を通して管路本体６２の管路部に滴下させ、その水を排水口６４に導く機能を有する。なお、排水管路６０にある空気は、貫通穴６６を通して、最下段の濾床２８の底部層は排水管路６０中の空気に接することになる。このように、排水管路６０は、最下段の濾床２８に対して空気供給機能を有する。

かかる排水管路６０は、矩形断面の管路本体６２の天井部に適当な貫通穴６６を複数設けたものを、防水枠体１２の底部に配置して用いることができる。これに代えて、防水枠体１２の底部の内周壁に沿って支え板を配置し、その支え板の上に複数の貫通穴６６を有するスノコ板を乗せる構造としてもよい。この場合には、支え板とスノコ板の組み合わせが管路本体６２となる。排水管路６０の断面は、矩形形状以外であっても構わない。例えば、図３（ａ），（ｂ）で説明した樹脂製パイプ５０，５１を排水管路６０に用いてもよい。この場合は、例えば、防水枠体１２の底部に、樹脂製パイプ５０，５１を並列に複数並べて配置する。

空気連通管７０は、人工湿地１０において、鉛直方向に配置された管である。空気連通管７０は、空気供給管路４２，４４，４６の両端の開口部５４，５６の側にそれぞれ配置される。図２の例では、防水枠体１２の内部で、空気供給管路４２，４４，４６を紙面上の左右方向に沿って配置するので、空気連通管７０は、紙面上で、防水枠体１２の内部の左端と右端にそれぞれ配置される。それぞれの空気連通管７０は、管路本体７２と、その鉛直方向の上方側の開口部７４と下方側の開口部７６とを有する。上方側の開口部７４は、大気に開放される。図２では、開口部７４は空側にむけて完全開口しているが、雨や周囲の土砂が空気連通管７０に入り込まないように、開口部７４に適当な覆いが設けられる。覆いは、気体は連通するが、液体や固体は流入を防ぐ構造とする。下方側の開口部７４は、排水管路６０に設けられる開口穴に接続される。

さらに、空気連通管７０は、その側壁に鉛直方向に沿って間隔を空けて複数の開口穴が設けられ、その開口穴と空気供給管路４２，４４，４６のそれぞれの両端の開口部５４，５６が接続される。

すなわち、図２の紙面の左側に配置される空気連通管７０においてその側壁に鉛直方向に設けられる開口穴が空気供給管路４２，４４，４６のそれぞれの左端の開口部５４と接続される。同様に、図２の紙面の右側に配置される空気連通管７０においてその側壁に鉛直方向に設けられる開口穴が空気供給管路４２，４４，４６のそれぞれの右端の開口部５６と接続される。

空気連通管７０の上方に設けられるファン７８は、空気連通管７０に空気を送り込む送風装置である。これによって、空気連通管７０の上方側の開口部７４と各空気供給管路４２，４４，４６の開口部５４を介して、各空気供給管路４２，４４，４６に空気を送り込むことができる。ファン７８は、モータによって駆動するものとしてもよく、大気の流れである風を受けて回転し、それによって風を空気連通管７０に送り込む風車であってもよい。

上記構成の作用効果を図４、図５を用いてさらに説明する。図４は、上記構成の場合と従来技術の場合の比較を、濾床における酸素濃度について行った結果を示す図である。これらの図で、縦軸は、１つの濾床における鉛直方向の位置で、紙面の上方がその濾床の上層側、紙面の下方がその濾床の下層側である。横軸は１つの濾床における水平方向の位置である。これらの図において、濾床内の酸素濃度の大小を、斜線と縦横線の密度で示した。斜線と縦横線の密度が大ほど、酸素濃度が高い。つまり、これらの図は、１つの濾床の断面図において、酸素濃度がどのような分布をしているかを、斜線と縦横線の密度で示す図である。

図４（ａ）は、図１，２で説明した濾床２２，２４，２６の場合である。濾床２２は、上層側が大気に接触しており、下層側が空気供給管路４２に接触している。濾床２４は、上層側が空気供給管路４２に接触しており、下層側は空気供給管路４４に接触している。濾床２６は、上層側が空気供給管路４４に接触しており、下層側は空気供給管路４６に接触している。このように、図１，２で説明した濾床２２，２４，２６は、その上層側と下層側の両側が空気に接触し、酸素の供給を受けている。そこで、図４（ａ）では、濾床の上層側と下層側で酸素濃度が最大となり、濾床の鉛直方向に沿った中間部で酸素濃度が最小となることが示されている。

図４（ｂ）は、従来技術の濾床の場合である。例えば、引用文献１に記載される伏流式人工湿地の濾床は、上層側が大気に接触しているが、下層側は排水を行う横型暗渠に接している。したがって、上層側から酸素の供給を受けているが、下層側はほとんど酸素の供給を受けていない。他の従来技術では、下層側から排出される処理済み水をそのまま人工湿地が埋め込まれている土壌に浸み込ませる例がある。この場合は、上層側から酸素の供給を受けているが、下層側から酸素の供給を受けない。そこで、図４（ｂ）では、濾床の上層側で酸素濃度が最大となり、濾床の下層側で酸素濃度が最小となることが示されている。

図５は、人工湿地の濾床を複数並べて、汚水を順次処理する場合のＢＯＤの変化を示す概念図である。横軸は濾床の段数で、汚水が濾床を流れる距離に相当する。流入側は、汚水が流入される箇所で、１段目の濾床の最上層に汚水が流入した箇所である。１段目を汚水が流れ終わると、２段目の濾床の最上層に流入する。これを繰り返して、流出側は、４段目の濾床から排出される処理済み水となる個所である。上段側の図の縦軸は、有機物ＢＯＤの量で、下段側の図の縦軸は、Ｎ−ＢＯＤの量である。

汚水が濾床の最上層側に供給されると、重力によって濾床を上層側から下層側に汚水が流れる。濾床の鉛直方向の距離である濾床深さを例えば６５ｃｍとすると、濾床がどのような礫、砂、土壌等で構成されているかによって相違があり、また、温度によっても相違があるが、一例を挙げると、夏季は約５分、冬季は約３０分、春または秋は約１５分で汚水は、濾床を通過する。この通過のときに、濾床のバイオフィルム、または植物根圏に汚水のＢＯＤが付着する。そして、ＢＯＤ酸化菌、硝化菌の活動によって時間をかけて有機物、窒化物の分解が行われる。分解に要する時間は、濾床の構成、温度等によって相違するが、例えば４８時間程度である。

したがって、継続的に汚水が供給されるとすると、濾床を通過した汚水に含まれるＢＯＤは低下する。図４の模式図では、汚水が、１つの濾床を通過するごとに、有機物ＢＯＤの量が半減するものとして示されている。人工湿地に流入する汚水の当初の有機物ＢＯＤが１０００（ｍｇ／１０００ｃｍ³）すると、１段目の濾床を通過後は５００（ｍｇ／１０００ｃｍ³）となり、２段目の濾床を通過後は２５０（ｍｇ／１０００ｃｍ³）となり、３段目の濾床を通過後は１２５（ｍｇ／１０００ｃｍ³）となり、４段目の濾床を通過後は６２．５（ｍｇ／１０００ｃｍ³）となる。

一般的な下水の汚水では、有機物ＢＯＤの量にくらべ、Ｎ−ＢＯＤの量は少ない。図５では、当初汚水の有機物ＢＯＤの量を１０００（ｍｇ／１０００ｃｍ³）、Ｎ−ＢＯＤの量を２００（ｍｇ／１０００ｃｍ³）として示した。Ｎ−ＢＯＤを処理する硝化菌は酸化ＢＯＤ菌よりも活動力が弱いので、有機物ＢＯＤの量がＮ−ＢＯＤの量よりも多いと、供給された酸素はほとんどが酸化ＢＯＤ菌に取られ、硝化菌に回らない。有機物ＢＯＤが酸化ＢＯＤ菌によって分解されて減少し、Ｎ−ＢＯＤの量と同じくらいになると、硝化菌によるＮ−ＢＯＤの分解等が始まる。図５の例では、３段目の濾床において有機物ＢＯＤの量がＮ−ＢＯＤの量と同じ程度になるので、この当りからＮ−ＢＯＤの量が減少し始める。

図５のモデルのように、有機物ＢＯＤの量がＮ−ＢＯＤの量の数倍あるときは、汚水はまず酸化ＢＯＤ菌の活動によって有機物ＢＯＤの量が減少し、その後に硝化菌の活動によってＮ−ＢＯＤの量が減少を始める。Ｎ−ＢＯＤの分解は、酸素を要する酸化段階と、その後の酸素を要しない還元段階とで行われる。したがってＮ−ＢＯＤの量を順調に減少させるには、図５のモデルの場合では、４段目位から還元性を有する濾床であることが好ましい。

上記のことは、図１、図２で説明したように複数の濾床を鉛直方向に配置する積み重ね濾床部２０の構造であっても、従来技術のように平面的に複数の濾床を配置する構造であっても同じである。特許文献１の従来技術では、酸化的汚水浄化を行う濾床を２段接続し、その次に還元的汚水浄化を行う濾床を配置している。このように、従来技術では酸素を供給する酸化的汚水浄化用の濾床の構造と、無酸素状態の還元型汚水浄化用の濾床の構造を別個のものとしている。

図１、図２の構造では、図４で説明したように、濾床の中間部において酸素濃度が最低となる。したがって、濾床の鉛直方向の寸法である濾床厚さを適切に設定することで、１つの濾床で、酸素を十分に供給して酸化ＢＯＤ菌と硝化菌の活動を活発にできる酸化性領域と、無酸素状態にして脱窒細菌の活動を活発にできる還元性領域とを作りこむことができる。特に、脱窒細菌の活動をより活発にするには、還元性領域を広げることがよいので、濾床厚さをより厚くすることがよい。図５のモデルで説明したように、硝化菌の活動が始まりこれに続いて脱窒細菌の活動が始まるのは、複数の濾床の中で下流側に配置される濾床である。したがって、複数の濾床の中で上流側に配置される濾床の厚さをより薄くし、下流側に配置される濾床の厚さをより厚くすることで、酸化ＢＯＤ菌の活動と、硝化菌と脱窒細菌の活動とを両立させることができる。図１、図２の例では、積み重ね濾床部２０を２段以上の濾床とし、下段側の濾床の厚さが上段側の濾床の厚さよりも厚くすることがよい。

１つの積み重ね濾床部２０において、酸化性環境と還元性環境をさらに積極的に両立させて構成するには、還元性環境としたい濾床の部分に対する酸素の供給を絞るか遮断すればよい。図５のモデル特性を有する積み重ね濾床部２０の例では、４段目の濾床２８に対する酸素供給を絞るか遮断すればよい。例えば、空気連通管７０の底部で排水管路６０に通じる開口部７６を閉じて、排水管路６０から４段目の濾床２８に対する酸素供給を遮断するものとする。また、３段目の濾床２６と４段目の濾床２８と間に配置される樹脂製パイプ５０が空気連通管７０と連通する開口部５４を小さな開口面積に絞るか完全に閉じるものとする。

図５のモデルは、人工湿地１０における浄化特性の一例であって、人工湿地１０に供給される汚水６は、様々な有機ＢＯＤとＮ−ＢＯＤの構成を有する。例えば、ほとんどが有機ＢＯＤでＮ−ＢＯＤを少ししか含まない汚水６の場合もあり、逆に、Ｎ−ＢＯＤが圧倒的に多くて有機ＢＯＤが少ない汚水６の場合もある。したがって、汚水６における有機ＢＯＤとＮ−ＢＯＤの構成に合わせて、積み重ね濾床部２０の酸化性環境と還元性環境の配置設計をすることが好ましい。図６と図７は、汚水６の特性に応じて酸化性環境と還元性環境との配置設計を行う人工湿地１１の２つ例を示す図である。

図６は、Ｎ＝ｎ段の濾床を有する積み重ね濾床部２０において、上段側の数段が酸化性領域で、下段側の数段が還元性領域となるように設計する例を示す図である。ここでは、酸化性領域の濾床を代表して、最上段の濾床２１（Ｎ＝１）とその下の段の濾床２１（Ｎ＝２）と、還元性領域の濾床を代表して、最下段の濾床２１（Ｎ＝ｎ）とその上の段である濾床２１（Ｎ＝ｎ−１）を示した。ここでは、空気連通管７１と排水管路６０とを接続する部分は開口部が塞がれて閉部７７とされる。また、還元性領域の濾床２１に面する樹脂製パイプ５０（Ｎ＝ｎ−２），樹脂製パイプ５０（Ｎ＝ｎ−１），樹脂製パイプ５０（Ｎ＝ｎ）ｔと空気連通管７１とを接続する部分も開口部が塞がれて閉部５５とされる。

このように、樹脂製パイプ５０や排水管路６０と、空気連通管７１との接続関係を所定の段のところで連通状態から閉状態へ切り替えることで、１つの積み重ね濾床部２０について、上段側の所定の段数の濾床２１を酸化性領域とし、それより下段側の濾床２１を還元性領域とすることができる。

図７は、Ｎ＝ｎ段の濾床を有する積み重ね濾床部２０において、積み重ね濾床部２０の上段側から下段に向かって、酸化性から還元性に次第に変化する構成の例を示す図である。ここでは、空気連通管７１と各段の樹脂製パイプ５０とが接続される部分の開口部８０の開口面積が、上段側から下段側に行くに従って小さく設定される。また、排水管路６０と空気連通管７１とが接続される部分の開口部８２の開口面積も適当に小さく設定される。最下段の濾床（Ｎ＝ｎ）に関する開口部８０（Ｎ＝ｎ−１）と開口部８２は閉じるものとしてもよい。

このように、樹脂製パイプ５０と空気連通管７１とが接続される部分の開口部８０の開口面積を上段側から下段側に向かってより小さく設定することで、１つの積み重ね濾床部２０を構成する複数の濾床２１について、上段側から下段側に向かって、酸化性が大の状態から還元性が大の状態に次第に変化するようにできる。

２土壌、４ヨシ、６汚水、７処理途中水、８処理済み水、１０，１１人工湿地、１２防水枠体、２０積み重ね濾床部、２１，２２，２４，２６，２８濾床、３０，３２礫、３４細砂、４０濾床間管路、４２，４４，４６空気供給管路、５０，５１樹脂製パイプ、５２パイプ本体、５４，５６，７４，７６，８０，８２開口部、５５，７７閉部、５８，５９，６６貫通穴、６０排水管路、６２管路本体、６４排水口、７０，７１空気連通管、７２管路本体、７８ファン。

Claims

有機物と栄養塩について微生物による分解作用を利用する水質改善用の人工湿地であって、
バイオフィルムまたは植物根圏微生物群が形成される濾床を、重力によって水が落下する鉛直方向に複数段積み重ねた積み重ね濾床部と、
積み重ね濾床部において、積み重ねの互いに隣接する上段側の濾床と下段側の濾床の間にそれぞれ設けられ、上段側の濾床からの水を下段側の濾床に滴下することができる濾床間管路と、
積み重ね濾床部における最下段の濾床の底部側に配置され、最下段の濾床の底部からの水を排水する排水管路と、
を備えることを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１に記載の水質改善用の人工湿地において、
大気に連通する空気連通管を備え、
濾床間管路は、空気連通管に接続され、上段側の濾床と下段側の濾床とに空気を供給する空気供給層としての機能を有することを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１または２に記載の水質改善用の人工湿地において、
濾床間管路は、
鉛直方向に沿った上段側の濾床の底部側に設けられる複数の貫通穴と、
鉛直方向に沿った下段側の濾床の天井部側に設けられる複数の貫通穴と、
を有し、水平方向に延伸する管路であることを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１または２に記載の水質改善用の人工湿地において、
濾床間管路は、
網目を貫通穴とする網目構造を有する樹脂製パイプで構成されることを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１または２に記載の水質改善用の人工湿地において、
積み重ね濾床部は、２段以上の濾床を有し、
下段側の濾床の厚さが上段側の濾床の厚さよりも厚いことを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１に記載の水質改善用の人工湿地において、
濾床に配置される濾材は、
水受入側である上段側の濾材の粒径が水排出側である下段側の濾材の粒径よりも細かいことを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項２に記載の水質改善用の人工湿地において、
空気連通管に空気を送り込む送風装置を備えることを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１に記載の水質改善用の人工湿地において、
大気に連通する空気連通管を備え、
濾床間管路は、少なくとも２つ以上配置され、上段側に配置される濾床間管路は、下段側に配置される濾床間管路よりも空気連通管から供給される空気量が多いことを特徴とする水質改善用の人工湿地。
請求項１に記載の水質改善用の人工湿地において、
大気に連通する空気連通管を備え、
濾床間管路は、少なくとも２つ以上配置され、上段側に配置される濾床間管路は空気連通管に接続され、下段側に配置される濾床間管路に接続されていないことを特徴とする水質改善用の人工湿地。