JP2021529663A - 田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム及び方法を提供する。【解決手段】本発明のシステムは、土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池、及び畔道植物フェンスを含み、土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池は水流方向に沿って連続した溝渠に順次設置され、畔道植物フェンスは溝渠の片側又は両側にある畔道に設置される。本発明は、田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムを使用する農地排水の窒素・リン遮断方法を開示している【選択図】図１

Description

本発明は、農業非点源汚染制御や水環境管理などの技術分野に属する、田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム及び方法に関する。

生態学的溝渠技術は、現在広く利用されている人工湿地による廃水処理技術と類似しており、溝渠中の農地排水における窒素、リンの栄養物質が溝渠の水生植物と溝渠の底泥中の微生物との複合作用により、吸着、吸収、沈殿、濾過や微生物分解などのさまざまな形態で遮断される。水生植物の根系は、農地排水中のアンモニア性窒素、硝酸性窒素及びリン酸塩を直接吸収することができ、界面の平衡を破壊することで、界面での交換作用を促進し、底泥への汚染物の進入速度を高め、遮断能力を向上させる。

現在、中国にはすでに新築・改造された生態学的溝渠が大量あり、これらの生態学的溝渠は非点源汚水の遮断処理において巨大な役割を果たしているが、軽視できない問題も存在している。
１）一般的な生態学的溝渠は窒素・リン汚染物質への除去効率が低く、主に溝渠内の抽水植物及び微生物叢により窒素・リン汚染物の吸着と吸収を行っており、生物多様性が単一で、生態系の安定性が十分ではなく、外部環境の影響を受けやすく、しかも植物の量、接触面積、反応効率や滞留時間の制限により、窒素・リンの除去率は一般的に７０％前後に維持され、しかもシステムの吸着が飽和すると処理効率が低下する。
２）一般的な生態学的溝渠では、吸着・吸収された汚染物は有効に処理されず、豪雨、洪水が発生すると汚染物が溶出や異化の形で水体や農地に逆放出され、二次汚染を引き起こす。
３）一般的な生態学的溝渠は「田−畔−溝−池−道路」を一体化したものではなく、農地の生態的機能が有効に発揮されておらず、美しい田園やグリーン生態学的回廊の建設ニーズに合致していない。

本発明の目的は、従来の農地生態系の機能が十分ではなく、溝渠の遮断浄化能力が低いという欠点に対して、農地の正常な栽培機能に影響を与えることなく、さらにその生態学的作用を発揮させ、「田−畔−溝−池−道路」を一体化した田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断技術を提供することである。

本発明に使用される具体的な技術案は以下のとおりである。

田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムであって、
土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池、及び畔道植物フェンスを含み、前記土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池は水流方向に沿って連続した溝渠に順次設置され、前記畔道植物フェンスは溝渠の片側又は両側にある畔道に設置され、
前記土砂緩衝領域では、給水方向に沿った先端に下向きのスロープが設置されて落下水ゾーンとなり、落下水ゾーンの末端が溝渠の渠底に接続され、落下水ゾーンの下流において緩衝調整壁が水流方向に垂直に設置され、前記緩衝調整壁は溝渠の横断面全体に跨り、緩衝調整壁に複数の流通孔が配置され、この壁における流通孔の分布密度が上部から下部に向かうに従って徐々に小さくなり、
前記生態学的溝渠ユニットは、埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置と水生植物群落ユニットを含み、埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置は溝渠に埋め込まれて、農地排水を脱窒・脱リンするために使用され、前記水生植物群落ユニットは埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置の下流の溝渠に設置され、水生植物群落ユニットの位置する溝渠セクションの側壁に斜面保護ブラケットが固定され、斜面保護ブラケットには、抽水植物及び沈水植物を植えるためのブラケットグリッドが密に分布しており、
前記遮断変換池は溝渠内に嵌設され、遮断変換池の底部が渠底よりも低く、給水口と排水口が渠底と面一であり、遮断変換池の内部が水流方向に沿って集水ゾーン、吸着遮断ゾーン及び貯水排水ゾーンに順次分割され、前記吸着遮断ゾーンにおいて池本体の断面に跨った炭素系充填材壁が設けられ、集水ゾーンと貯水排水ゾーンとの間が炭素系充填材壁により離間され、直接連通しておらず、前記炭素系充填材壁のシェルとして多孔質枠が使用され、多孔質枠は内部が中空であり外壁が透水性を有し、そのキャビティにおいて水向き面、排水面及び底部のそれぞれにスポンジ層が敷設され、スポンジ層間の空洞内に２層の異なる充填材が充填されており、そのうち下層がパーコレーション層であり、上層が炭素系吸着充填材層であり、
前記畔道植物フェンスは前記溝渠の片側又は両側にある畔道に設置され、その底部が畔道の表面に敷設された丸石領域であり、丸石領域に抽水植物及び/又は湿地高低木が植えられている。

好ましくは、前記埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置の底部が溝渠の渠底よりも低く、この装置の給水口と排水口が渠底と面一であり、給水口の位置に凹字形落下水構造が形成されており、前記処理装置の池本体においてバッフルプレートA、バッフルプレートB、バッフルプレートC、バッフルプレートDが設けられ、４枚のバッフルプレートの表面がいずれも水流方向に垂直であり、各バッフルプレートと装置の側壁との間に流通チャンネルが残されており、隣り合う２枚のバッフルプレートと装置の側壁との間の流通チャンネルが装置の異なる側に位置し、処理装置の内部には４枚のバッフルプレートの導流により「弓」の字形の水流流路が形成され、バッフルプレートA、バッフルプレートB、バッフルプレートC、バッフルプレートDの側部の前記流通チャンネルには植生バッグモジュール、鉄マンガン複合酸化膜モジュール、脱窒モジュール、リン吸着媒体モジュールがそれぞれ設けられ、前記植生バッグモジュールはエコバッグに内蔵されたエココンクリート、砂礫を含み、バッグに抽水植物を植えるための穴が開けられ、前記鉄マンガン複合酸化膜モジュールはエコバッグに内蔵された鉄マンガン酸化膜が付着された多面中空球及び砂礫を含み、前記脱窒モジュールはエコバッグに内蔵された脱窒基質が付着又は充填された多面中空球及び砂礫を含み、前記リン吸着媒体モジュールはエコバッグに内蔵されたリン吸着媒体が付着又は充填された多面中空球及び砂礫を含む。

好ましくは、前記田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムは、機械耕作道路をさらに含み、前記生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムは機械耕作道路の片側又は両側に敷設され、機械耕作道路の沿道に景観植物が植えられている。

好ましくは、前記落下水ゾーンのスロープの勾配が1:1〜1:2である。

好ましくは、前記緩衝調整壁は、厚さが20〜30cmであり、高さが溝渠の高さの三分の二であり、幅が溝渠の幅と同じである。

好ましくは、前記斜面保護ブラケットは柳枝又は作物のわらで編まれたものであり、そのブラケットグリッドの辺長が20〜30cmである。

好ましくは、前記遮断変換池の容積が1.5〜3m³であり、池の縁部及び底部にセメントが硬化されている。

好ましくは、前記炭素系充填材壁は、厚さが40〜60cmであり、トップが溝渠のトップよりも高く、幅が溝渠の幅と同じであり、炭素系吸着充填材層は、粒子径3〜5mmの籾殻炭及び/又は粒子径5〜10mmの竹炭を含み、前記パーコレーション層は粒子径3〜5mmの配合砂利である。

好ましくは、前記丸石領域は、幅が0.3〜0.5mであり、粒子径3〜10cmの丸石を使用して敷設されており、且つ溝渠の一側へ傾斜する3〜10%の勾配を保持する。

本発明の別の目的は、上記窒素・リン遮断システムを用いた農地排水の窒素・リン遮断方法を提供することである。
農地において排水溝渠を介して流体を合流して収集した後、土砂緩衝領域から窒素・リン遮断システムに送るステップ1）と、
水流が落下水ゾーンを流れるようにし、水深さの増加及び緩衝調整壁による離間を利用して、農地排水の落下による運動エネルギーを消費し、水流の流速を低下させ、土砂を徐々に沈降させるステップ2）と、
水流を継続的に流動させて、埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置に入り、その給水口で高低差により落下水による曝気をしながら、エネルギーをさらに消費し、農地排水が落下水による曝気をした後植生バッグモジュールを経て、抽水植物により水中の有機物及び栄養塩を栄養素として吸収し、同時に酸素に対する植物根系の輸送・放出によって、植物の周囲の微小環境が順に好気性-無酸素性-嫌気性となり、硝化-脱窒作用及び微生物によるリンの過剰蓄積作用により、窒素・リン汚染物の一部が遮断され除去され、農地水が植生バッグモジュールで処理された後、鉄マンガン複合酸化膜モジュールに入り、鉄マンガン複合酸化膜の酸化能及び吸着能により、水中のアンモニア性窒素が接触酸化されて除去され、吸着されていないアンモニア性窒素が後で硝酸塩や亜硝酸塩に酸化されて水中に入り、農地排水が鉄マンガン複合酸化膜モジュールで処理された後、脱窒モジュールに入り、脱窒モジュールに濃縮された脱窒菌群を利用して前の段階でに発生した硝酸塩及び亜硝酸塩を電子供与体として脱窒作用を行って、硝酸性窒素を窒素ガスに還元し、農地排水が脱窒モジュールを通過した後、リン吸着媒体モジュールを経て、水中のリン酸塩がさらに吸着除去され、リン吸着媒体モジュールで処理された農地排水が前記処理装置の出口から排出され、溝渠に沿って流れ続けて水生植物群落ユニットに入るステップ3）と、
農地排水が水生植物群落ユニットを流れる際に、渠底や渠壁に植えた抽水植物及び沈水植物による堰き止め粘着作用により、水流の流動を遅らせることにより、水中の懸濁顆粒物がさらに顆粒状有機汚染物を持って沈殿し、渠底や側壁の水生植物群落及び底泥上に凝集し、底泥中や水中の微生物、水生植物により窒素、リン、有機汚染物を吸着して分解するステップ4）と、
水生植物群落ユニットを経た農地排水は、さらに遮断変換池の集水ゾーンに入り、炭素系充填材壁により吸着及び沈降し、農地排水は流れている過程において炭素系吸着充填材層と接触し、水中の窒素、リン及び有機物が炭素系吸着充填材で吸着され、充填材に付着した微生物により新陳代謝を通じて変換除去され、炭素系吸着充填材層での農地排水は炭素系充填材壁に沿って下方へ流れて鉛直流となり、パーコレーション層を経て貯水排水ゾーンに入り、パーコレーション層を経る過程において、汚染物がさらに濾過・吸収されるステップ5）と、
遮断変換池で処理された廃水が、さらに溝渠に沿って流れて、他の水環境に入るステップ6）とを含む、農地排水の窒素・リン遮断方法。

本発明は、農地の正常な栽培機能に影響を与えることなく、さらにその生態学的作用を発揮させ、農地を環境における窒素やリンの消化・吸収場所とすることにより、排水の水質最適化、農地生態系改善の目的を図る。本発明では、従来の農地の生態学的機能が十分ではなく、溝渠の遮断浄化能力が低いという問題を解決するために、複合システム全体における「田−畔−溝−池−道路」の役割を最適化し、農地の生物多様性を豊かにし、畔による緩衝、美化、経済化機能を高め、水環境の景観効果及び汚染自浄能力を高めると同時に、美しい田園建設のニーズに応え、農地のグリーン生態学的回廊の構築に努め、農業のグリーン開発を促進する。

本発明の前記生態学的溝渠の断面図である。 図１の緩衝調整壁の部分拡大模式図である。 図１の斜面保護ブラケットの模式図である。 図３の斜面保護ブラケットの部分拡大模式図である。 図１の遮断変換池の断面図である。 図１の遮断変換池の上面図である。 図５の炭素系充填材壁の縦断面図である。 畔道植物フェンスの断面図である。 埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置の断面図である。 埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置の上面図である。

以下、図面及び特定実施形態を参照しながら本発明をさらに説明する。本発明では、互いに矛盾しない限り、各実施形態の技術的特徴はすべて組み合わせることができる。

本発明の一好適実施例では、田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムは図１に示される。該田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムの基本機能ユニットは、土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池、及び畔道植物フェンスに分割され得る。土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池は、水流方向に沿って連続した溝渠に順次設置され、畔道植物フェンスは溝渠の片側又は両側にある畔道に設置される。各機能ユニットは、従来の農地排水溝渠に基づいて掘削し構築されたものであってもよく、完全に新しく掘削して対応する構造を形成するものであってもよいが、その本質は、いずれも溝渠による窒素・リン遮断能力を有する生態学的溝渠である。本システムでは、各機能ユニットは異なる機能を有し、以下、各機能ユニットの構造及び作用について詳述する。

土砂緩衝領域は溝渠の上流に配置され、システムに入る水流の速度を低下させ、土砂を沈積させて、後方の機能ユニットの詰まりを防止することに用いられる。土砂緩衝領域の先端には下向きのスロープが給水方向に沿って設置されて落下水ゾーン１となり、落下水ゾーンのスロープが実際の溝渠のサイズ及び水流の状況に応じて勾配１：１〜１：２に設定され、落下水ゾーン１の後方の末端が溝渠の渠底２に接続され、溝渠の底部と面一である。落下水ゾーン１の下流には、溝渠の横断面全体に跨った緩衝調整壁３が水流方向に垂直して設置される。水は落下水ゾーンを流れた後、水深さが大きくかつ流速が緩やかであるため、緩衝が達成され、これは土砂の沈降をより助長し、落下水ゾーン１の後方には緩衝調整壁３が水流方向に垂直に設置され、緩衝調整壁３は、厚さが２０〜３０ｃｍであり、高さが実際の溝渠の高さの三分の二であり、幅が実際の溝渠の幅との同じである。図２に示すように、緩衝調整壁３には、流通孔４が均一に配置され、流通孔４は、分布密度が上部から下部に向かうに従って減小するような構造に設置され、それにより、土砂をより効果的に離間して排水の浄化度を確保するという効果を図る。緩衝調整壁は、落下水ゾーンからの落下流によって一時的に加速された水流と衝突することにより、落下流により生じる運動エネルギーを解消することにより、緩衝調整壁を経る水流の速度を緩め、流速を均一にし、このように、落下水ゾーン１と緩衝調整壁３との総合的な作用で、水流が深くゆっくりとした特性を有し、それにより、土砂の沈降効果が大幅に向上し、沈降して蓄積した土砂が実際の状況に応じて定期的に除去され、溝渠の水流の流通性を邪魔することを防止する。

生態学的溝渠ユニットは埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置５と水生植物群落ユニットを含み、埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置５は上流にあり、水生植物群落ユニットは下流にある。

埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置５は溝渠に埋め込まれて、農地排水を脱窒・脱リンするために使用される。その具体的な構造は図９及び１０に示され、埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置５は溝渠を基礎として下向きに掘削して形成された立方体状の凹溝であり、したがって、装置の底部が溝渠渠底２よりも低く、装置の給水口と排水口が渠底２と面一であり、給水口位置には凹字形落下水構造が形成されている。落下水構造の位置は、水が垂直に落下してもよいし、一定の傾斜角を有するスロープをもって落下してもよい。水流方向に沿う装置底部全体の勾配、つまり傾斜度が０．３〜０．５％であり、これにより、水流がこの勾配により重力の作用で自流し、追加のエネルギーを必要としない。

処理装置の池本体には、バッフルプレートＡ（５−７）、バッフルプレートＢ（５−８）、バッフルプレートＣ（５−９）、バッフルプレートＤ（５−１０）が設けられ、各バッフルプレートの長さが凹溝の横断面の幅よりも小さく、このように、各バッフルプレートと装置の側壁との間に流通チャンネルが残されている。隣り合うバッフルプレートは凹溝の異なる側の側壁に設置され、隣り合う２枚のバッフルプレートと装置の側壁との流通チャンネルはそれぞれ装置の両側に位置する。したがって、図から分かるように、該処理装置の中央段の凹溝では、４枚のバッフルプレートの導流により「弓」の字形の水流流路が形成される。バッフルプレートＡ（５−７）、バッフルプレートＢ（５−８）、バッフルプレートＣ（５−９）、バッフルプレートＤ（５−１０）の側部の流通チャンネルには植生バッグモジュール５−２、鉄マンガン複合酸化膜モジュール５−３、脱窒モジュール５−４、リン吸着媒体モジュール５−５がそれぞれ設けられる。水流に洗われて流失しないように、各モジュールはすべてエコバッグで包まている。エコバッグは、麻袋やジオテキスタイルなどの目開き付き透水性材料で製造されるバッグであり、異なる機能モジュール材料がバッグに詰められて異なる機能を実行する。以下、各モジュールの具体的な構成について詳述する。
植生バッグモジュール５−２はエコバッグに内蔵されたエココンクリート、砂礫、及び挺水景観植物で構成され、砂礫は、一定の種類を有し、エコバッグに充填されるとバッグの位置を安定化させる役割を有し、水流に伴う変位を防止することができ、下記のほかのバッグ中の砂礫も類似した役割を果たす。挺水景観植物５−６はエココンクリートに栽植され、そのトップがエコバッグの開口を介してバッグ外に延びており、水平面５−１よりも高くなり、太陽光で照射され得る。挺水景観植物としては、トリメジア・ステーヤーマーキーやビジンショウなどが好ましく、植物根系は水中の汚染物を吸着・吸収することができ、また良好な観賞性がある。水田排水が土砂を含んだ状態で、まず抽水植物を容れた窒素・リン高速結合植生バッグを経て、水中の有機物やＮ、Ｐなどの元素がまず植物により栄養基質として遮断・利用され、また、後続の処理モジュールの負荷が低減される。植物根系は、酸素を輸送・放出することで、その周囲の微小環境を順次好気性−無酸素性−嫌気性にし、硝化−脱窒作用及び微生物によるリンの過剰蓄積作用により除去することにより、汚染物の一部が遮断・除去されるという目的及び効果が達成される。鉄マンガン複合酸化膜モジュール５−３はエコバッグに内蔵された多面中空球を含み、エコバッグ内には砂礫が必要に応じて収容されている。多面中空球には鉄マンガン複合酸化膜が付着又は充填されている。鉄マンガン複合酸化膜は、従来技術の任意の方法によって多面中空球に塗布されてもよし、市販材料を用いて多面中空球の表面に複合してもよい。鉄マンガン複合酸化膜はアモルファス構造であり、主な構成元素が鉄、マンガン、カルシウム、酸素などであり、大きな比表面積及びヒドロキシル基の官能基を有するため、良好な酸化性や吸着能を持ち、水中のアンモニア性窒素を効果的に接触酸化して除去するという効果を果たすことができる。しかし、鉄マンガン酸化膜の酸化と吸着能が限られているので、吸着されていないアンモニア性窒素は硝酸塩や亜硝酸塩に酸化されて水に入り、さらに人間に害を及ぼす「発がん性・催奇形性・変異原性」の物質に変換される。したがって、さらなる処理が必要である。脱窒モジュール５−４はエコバッグに内蔵された多面中空球を含み、エコバッグ内にも必要に応じて砂礫が収容されている。多面中空球には脱窒基質が付着されている。脱窒基質は脱窒菌を有する一層の生物膜又は汚泥であり、多面中空球を、馴養された脱窒菌含有汚泥に所定の時間放置して、それが成膜後に取り出してエコバッグに入れることができる。本実施例では、脱窒汚泥の一部と多面中空球を直接混合してバッグに入れると、汚泥は球体の隙間に付着・充填され、処理中に多面中空球の表面に徐々に成膜する。別の実施例では、反応器又は汚水処理施設の脱窒ゾーン内に成膜している多面中空球をバッグに直接充填することができる。リン吸着媒体モジュール５−５はエコバッグに内蔵された多面中空球を含み、エコバッグ内には必要に応じて砂礫を置くことができる。多面中空球にはリン吸着媒体が付着又は充填されており、リン吸着媒体は主に方解石及びそのリン酸塩変性生成物からなり、吸着作用によりリン酸塩を除去する。方解石は三方晶系の結晶の炭酸塩鉱物であり、コストが低く、入手しやすく、しかもリン酸塩を吸着した生成物が再度水中のリン酸塩の除去に用いることができる。方解石は粉末化した後、球状にして多面中空球のキャビティに詰めるか、又は粉末化した後多面中空球の表面にスプレーすることができる。

本実施例の装置では、各モジュールに使用されるエコバッグは、容積が０．００３〜０．００５ｍ^３であり、高さが渠底２の高さを超えない。４枚のバッフルプレートは、トップの高さがいずれも渠底２と面一であり、厚さが１〜２ｃｍである。処理装置の中央段の底部及び凹溝壁は、成膜しやすさから、いずれも表面が粗く、それによって、排水に対する処理が強化される。

水生植物群落ユニットは埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置５の下流の溝渠内に設置され、溝渠自体に基づいて改造したものである。水生植物群落ユニットの位置する溝渠セクションの側壁には斜面保護ブラケット６が固定されており、斜面保護ブラケット６にブラケットグリッド７が密に分布している。ブラケットグリッド及び渠底内に抽水植物８及び沈水植物９を植えて、溝渠における動植物の多様性を高めることができるため、該ユニットは「水生植物−微小水生動物−微生物群落」の完全な生態圏となる。水田水が水生植物群落ユニットを流れる際に、渠底の抽水植物及び沈水植物による堰き止め粘着作用により、水流が緩くて均一になる。水田水中の懸濁顆粒物ＳＳは沈殿作用により顆粒状有機汚染物を持った状態でさらに沈殿し、渠底及び側壁の水生植物群落や底泥に凝集する。底泥中や水中の活性菌ミセル、水生微生物は大きな比表面積で有機汚染物を吸着し、好気性環境下で新陳代謝を通じて有機汚染物を吸収して変換し、バイオマスに同化して、生物化学的酸素要求量ＢＯＤを除去し、一方、水生植物及びそれに付着して成長する根圏生物圏は根系による吸着、相乗作用により水中の窒素含有汚染物及び一部のリン含有汚染物を吸着し、硝化反応、脱窒反応、リン吸着・放出反応のそれぞれによって窒素ガスや有機リンに変換して除去を完了する。

本実施例では、斜面保護ブラケットは柳枝又は作物のわらで編まれたものであり、そのブラケットグリッドの辺長が２０〜３０ｃｍである。

農地排水中の汚染物は植物生態系において遮断されて消化・吸収されてもよいが、沈殿、植物が吸収する過程が相対的に遅く、処理量が大きい場合、排水要件を満足できず、したがって、排水効果を確保するために他の処理工程と協力して補助する必要がある。本実施例では、溝渠の末端に遮断変換池１０が設置されることにより実現される。遮断変換池１０は溝渠に配置され、溝渠に接続され、遮断変換池１０の底部が渠底２よりも低く、給水口と排水口が渠底２と面一である。遮断変換池の容積が溝渠の実際の状況に応じて１．５〜３ｍ^３に設定され、池底部が溝渠の底部よりも低く、池の縁部及び底部にはセメントが硬化されている。図５及び図６に示すように、池において３つのシステムがあり、すなわち、水流方向に沿って集水ゾーン１１、吸着遮断ゾーン１２及び貯水排水ゾーン１３に順次分割される。吸着遮断ゾーン１２には池本体の断面に跨った炭素系充填材壁１４が設けられ、集水ゾーン１１と貯水排水ゾーン１３との間は炭素系充填材壁１４によって離間されて連通していない。遮断変換池１０は、吸着作用、窒素・リン変換作用により水田水径流中の窒素・リンを吸着し消化・吸収し、それにより、その過程において遮断して窒素・リンの流失を減らすという目的を達成できる。

炭素系充填材壁は、長さが５０ｃｍであり、幅が溝渠の幅と同様であり、高さが溝渠のトップよりもわずかに高いようなサイズを有し、それによって、水田水が炭素系充填材壁と十分に接触し、水中の汚染物を吸着・沈降する。炭素系充填材壁は、定期的に取り出して交換できるように、硬度の大きいプラスチックで製造された移動式多孔質枠１５をシェルとする。多孔質枠１５は、内部が中空であり、外壁にに穴を開けて透水構造になる。枠の内部の構造については、図７に示すように、そのキャビティにおいて水向き面、排水面及び底部のそれぞれに２〜３ｃｍのスポンジ層１６が敷設され、小さな充填顆粒が流失しないように、必要に応じてキャビティの各面にスポンジ層を被覆してもよい。スポンジ層１６間の空洞には２層の異なる充填材が充填されており、このうち下層はパーコレーション層１８であり、上層は炭素系吸着充填材層１７である。パーコレーション層１８は非透水性の粒子濾過材を積層したものであり、排水をパーコレーションすることに用いられる。炭素系吸着充填材層１７は、炭素系の吸着材料、たとえば従来の活性炭などを用いる。本実施例では、パーコレーション層１８は粒子径３〜５ｍｍの配合砂利が充填されており、充填高さが炭素系充填材壁の高さの四分の一である。配合砂利は、好ましくはセラムサイト、砂石及び丸石を１：１：１の充填体積比で混合したものであり、パーコレーションして汚染物を除去する効果が高い。炭素系吸着充填材層１７は、粒子径３〜５ｍｍの籾殻炭又は粒子径５〜１０ｍｍの竹炭を用い、充填高さが炭素系充填材壁の高さの四分の三である。２種類の炭は単独に使用してもよく、組み合わせて使用してもよく、好ましくは籾殻炭と竹炭を混合し、充填体積比が１：２である。もちろん、２層の充填材層では、具体的な充填材も必要に応じて調整してもよい。パーコレーション層は、水中の懸濁汚染物を沈降・吸着することができ、炭素系吸着充填材層は、水中の窒素やリンなどの富栄養化汚染物を効果的に吸収することができ、且つ炭素系充填材壁に留まった窒素・リンが微生物の作用で変換され、農地排水に対する処理効果を向上させる。

炭素系充填材壁１４では、パーコレーション層１８が底部にあるため、農地排水は吸着遮断ゾーンにおいて水平、垂直の複合伏流状態を示す。炭素系充填材壁１４の上部の水流が壁に沿って下方へ流れ、汚染物が流動中に炭素系充填材により吸着され、パーコレーション層１８に入ると水平流の形態で通過して後続の貯水排水ゾーン１３に入る。農地排水中の汚染物は、まず、濾過材による遮断及びスクリーニング・除去作用によって、それぞれ異なる粒子径の有機汚染物顆粒が遮断され、次に、濾過材及び濾過材に付着した微生物によって吸着されて微生物の新陳代謝で変換除去される。飽和後の炭素系材料は、窒素やリンなどの栄養素を吸着しているので、肥沃度が高まり、農業で非食用植物の肥料や土壤改良剤として使用し続け、資源利用の目的を達成することができる。

畔道植物フェンスは窒素・リン遮断システムの位置する溝渠の片側又は両側にある畔道に設置され、その底部が畔道の表面に敷設された丸石領域１９であり、丸石領域１９には抽水植物８及び湿地高低木２０が植えられている。畔道植物フェンスは溝渠の状況に応じて設置され、好ましくは大規模溝渠の片側又は両側の畔道に丸石領域、抽水植物及び湿地高低木が設置され、小規模溝渠の片側又は両側の畔道に丸石領域及び抽水植物だけが敷設されている。丸石領域の幅は、実際の溝渠の畔道の幅に応じて０．３〜０．５ｍに設定され、丸石領域は、粒子径３〜１０ｃｍの丸石で敷設され、３〜１０％の勾配を保持し、斜面が溝渠の一側へ傾斜し、植物フェンスの丸石領域では、必要に応じて外部に向かうに従って植物が密に栽植されている。畔道植物フェンスは生態学的な斜面保護溝渠とすることができ、同時に溝渠で水が満たされる又は洪水が発生するときに、畔道植物フェンスは溝渠とともに湿地緩衝領域となり、土壌を固定して洪水を防御し、汚水が外部へ流れることによる二次汚染を回避することができ、豪雨の場合は、畔道植物フェンスは丸石領域及び植物の根系や茎葉による堰き止め作用によって、豪雨が溝渠に異物を巻き込んで詰まりや汚染を引き起こすことを防ぐだけでなく、豪雨の水量を均一に緩衝し、溝渠システムを保護することができる。畔道植物フェンスと生態学的溝渠ユニットとからなるコンパニオンシステムは、比較的高等の生態学的コミュニティを形成し、水田水の処理を強化するとともに、両側で良好な生態学的景観を作り、美しい田園や農地のグリーン生態回廊の建設ニーズに合致している。

農地排水は、上記の各ユニットを経ると、その中の土砂が効果的に沈降し、窒素・リン即ち有機物などの富栄養化しやすい物質も効率的に除去され、排水はさらに溝渠に沿って他の水環境に入ることができる。

もちろん、別の実施例では、生態学的溝渠の両側には、道路として使用される機械耕作道路も建設してもよい。機械耕作道路の両側又は片側には生態学的回廊が作られ、生態学的回廊の植物タイプ、個体群構造、植物間隔、ゾーンの幅、ゾーン間隔パラメータは地域に応じて設定され、高木の場合は、間隔が一般には１．５〜２ｍであり、２本の高木間に低木が配置され、低木の下に草帯が栽培され、草帯の幅は、０．５〜１ｍであり、具体的には、機械耕作道路の幅に応じて決まり、高木、低木、草本植物を組み合わせて植えることにより、生物多様性を実現し、窒素・リンの濃縮と植物景観の経済的効果を両立させる。

本発明では、システム全体に植える植物は必要に応じて決まる。抽水植物は、ヨシ、ガマ、アヤメ、ビジンショウを含むが、これらに制限されず、沈水植物は、セキショウモ、金魚藻、フサモ、トリゲモを含むが、これらに制限されず、草本植物はヨシ、ガマ、アヤメ、ビジンショウを含むが、これらに制限されず、湿地高低木は、蒲、ムクゲ、アツバキミガヨラン、フジを含むが、これらに制限されない。物種を選択するときに在来植物の割合をできるだけ増加し、湿地植物の導入による既存の地域の生態学的バランスの破壊を回避し、植える割合は地域の条件に応じて決まる。

生態学的溝渠ユニット及び畔道での植物は、毎年秋に刈り取り、嫌気性堆肥、家禽や家畜の飼育、経済植物の高度加工などにより処置する必要があり、このように、窒素・リン汚染物の放出による二次汚染を防止しながら、環境の経済的利益を人々に与える。

上記窒素・リン遮断システムによれば、農地排水を遮断・変換することができる。さらに、該窒素・リン遮断システムでは、各ユニットは図１に示すように１個設置されてもよく、農地排水溝渠の異なる位置に道路に沿って複数設置されてもよい。以下、上記窒素・リン遮断システムによって農地排水を遮断・変換する方法について詳述し、そのステップは、以下のとおりである。
１）農地において排水溝渠を介して流体を合流して収集した後、土砂緩衝領域から窒素・リン遮断システムに送る。
２）水流が落下水ゾーンを流れるようにし、水深さの増加及び緩衝調整壁3による離間を利用して、農地排水の落下による運動エネルギーを消費し、水流の流速を低下させ、土砂を徐々に沈降させる。
３）水流を継続的に流動させて、埋め込み式硝化-脱窒-脱リン一体化処理装置5に入り、その給水口で高低差により落下水による曝気をしながら、さらにエネルギーを消費し、農地排水が落下水による曝気をした後植栽バッグモジュール5-2を経て、抽水植物により水中の有機物及び栄養塩を栄養素として吸収し、同時に酸素に対する植物根系の輸送・放出によって、植物の周囲の微小環境が順に好気性−無酸素性−嫌気性となり、硝化-脱窒作用及び微生物によるリンの過剰蓄積作用により、窒素・リン汚染物の一部が遮断されて除去され、農地水が植栽バッグモジュール5-2で処理された後、鉄マンガン複合酸化膜モジュール5-3に入り、鉄マンガン複合酸化膜の酸化能及び吸着能力により、水中のアンモニア性窒素が接触酸化されて除去され、吸着されていないアンモニア性窒素が後で硝酸塩や亜硝酸塩に酸化されて水中に入り、農地排水が鉄マンガン複合酸化膜モジュール5-3で処理された後、脱窒モジュール5-4に入り、脱窒モジュールに濃縮された脱窒菌群を利用して前の段階でに発生した硝酸塩及び亜硝酸塩を電子供与体として脱窒作用を行って、硝酸性窒素を窒素ガスに還元し、農地排水が脱窒モジュール5-4を通過した後、リン吸着媒体モジュール5-5を経て、水中のリン酸塩がさらに吸着除去され、リン吸着媒体モジュール5-5で処理された農地排水が前記処理装置の出口から排出され、溝渠に沿って流れ続けて水生植物群落ユニットに入る。
４）農地排水が水生植物群落ユニットを流れる際に、渠底や渠壁に植えるた抽水植物及び沈水植物による堰き止め粘着作用により、水流の流動が遅くなり、水中の懸濁顆粒物がさらに顆粒状有機汚染物を持って沈殿し、渠底や側壁の水生植物群落及び底泥上に凝集し、底泥中や水中の微生物、水生植物により、窒素、リン、有機汚染物を吸着して分解する。
５）水生植物群落ユニットを経た農地排水は、さらに遮断変換池10の集水ゾーン11に入り、炭素系充填材壁14により吸着及び沈降し、農地排水は流れている過程において炭素系吸着充填材層17と接触し、水中の窒素、リン及び有機物が炭素系吸着充填材で吸着され、さらに充填材に付着した微生物により新陳代謝を通じて変換除去され、炭素系吸着充填材層17での農地排水は炭素系充填材壁14に沿って下方へ流れて鉛直流となり、パーコレーション層18を経て貯水排水ゾーン13に入り、パーコレーション層18を経る過程において、汚染物がさらに濾過・吸収される。
６）遮断変換池10で処理された廃水が、さらに溝渠に沿って流れて、他の水環境に入り、たとえば、灌漑に使用されるか、川や湖に排出される。

以上に記載の実施例は、本発明の好適な形態に過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、さまざまな変化や変形を行うことができる。したがって、同等置換又は同等変換の方式により得る技術案はすべて本発明の特許範囲に属する。

本発明の符号の説明は、以下のとおりである。
１−落下水ゾーン
２−渠底
３−緩衝調整壁
４−流通孔
５−埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置
６−斜面保護ブラケット
７−ブラケットグリッド
８−抽水植物
９−沈水植物
１０−遮断変換池
１１−集水ゾーン
１２−吸着遮断ゾーン
１３−貯水排水ゾーン
１４−炭素系充填材壁
１５−多孔質プラスチック枠
１６−スポンジ
１７−炭素系吸着充填材層
１８−パーコレーション層
１９−丸石領域
２０−湿地高低木。

Claims (10)

1. 田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムであって、
   土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池、及び畔道植物フェンスを含み、前記土砂緩衝領域、生態学的溝渠ユニット、遮断変換池は水流方向に沿って連続した溝渠に順次設置され、前記畔道植物フェンスは溝渠の片側又は両側にある畔道に設置され、
   前記土砂緩衝領域では、給水方向に沿った先端に下向きのスロープが設置されて落下水ゾーン（１）となり、落下水ゾーン（１）の末端が溝渠の渠底（２）に接続され、落下水ゾーン（１）の下流において緩衝調整壁（３）が水流方向に垂直に設置され、前記緩衝調整壁（３）は溝渠の横断面全体に跨り、緩衝調整壁（３）には複数の流通孔（４）が配置され、且つ、壁における流通孔（４）の分布密度が上部から下部に向かうに従って徐々に小さくなり、
   前記生態学的溝渠ユニットは、埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置（５）と水生植物群落ユニットを含み、埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置（５）は溝渠に埋め込まれて、農地排水を脱窒・脱リンするために使用され、前記水生植物群落ユニットは埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置（５）の下流の溝渠に設置され、水生植物群落ユニットの位置する溝渠セクションの側壁には斜面保護ブラケット（６）が固定され、斜面保護ブラケット（６）には、抽水植物（８）及び沈水植物（９）を植えるためのブラケットグリッド（７）が密に分布しており、
   前記遮断変換池（１０）は溝渠内に嵌設され、遮断変換池（１０）の底部が渠底（２）よりも低く、給水口と排水口が渠底（２）と面一であり、遮断変換池（１０）の内部が水流方向に沿って集水ゾーン（１１）、吸着遮断ゾーン（１２）及び貯水排水ゾーン（１３）に順次分割され、前記吸着遮断ゾーン（１２）において池本体の断面に跨った炭素系充填材壁（１４）が設けられ、集水ゾーン（１１）と貯水排水ゾーン（１３）が炭素系充填材壁（１４）により離間され、直接連通されておらず、前記炭素系充填材壁（１４）のシェルとして多孔質枠（１５）が使用され、多孔質枠（１５）は内部が中空であり外壁が透水性を有し、そのキャビティにおいて水向き面、排水面及び底部のそれぞれにスポンジ層（１６）が敷設され、スポンジ層（１６）間の空洞内に２層の異なる充填材が充填されており、そのうち下層がパーコレーション層（１８）であり、上層が炭素系吸着充填材層（１７）であり、
   前記畔道植物フェンスは前記溝渠の片側又は両側にある畔道に設置され、その底部が畔道の表面に敷設された丸石領域（１９）であり、丸石領域（１９）で抽水植物（８）及び／又は湿地高低木（２０）が植えられている、ことを特徴とする田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
2. 前記埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置（５）の底部が溝渠の渠底（２）よりも低く、この装置の給水口と排水口が渠底（２）と面一であり、給水口の位置に凹字形落下水構造が形成されており、前記処理装置の池本体においてバッフルプレートＡ（５−７）、バッフルプレートＢ（５−８）、バッフルプレートＣ（５−９）、バッフルプレートＤ（５−１０）が設けられ、４枚のバッフルプレートの表面がいずれも水流方向に垂直であり、各バッフルプレートと装置の側壁との間に流通チャンネルが残されており、隣り合う２枚のバッフルプレートと装置の側壁との間の流通チャンネルが装置の異なる側に位置し、処理装置の内部には４枚のバッフルプレートの導流により「弓」の字形の水流流路が形成され、バッフルプレートＡ（５−７）、バッフルプレートＢ（５−８）、バッフルプレートＣ（５−９）、バッフルプレートＤ（５−１０）の側部の前記流通チャンネルには植生バッグモジュール（５−２）、鉄マンガン複合酸化膜モジュール（５−３）、脱窒モジュール（５−４）、リン吸着媒体モジュール（５−５）がそれぞれ設けられ、前記植生バッグモジュール（５−２）はエコバッグに内蔵されたエココンクリート、砂礫を含み、このバッグに抽水植物を植えるための穴が開けられ、前記鉄マンガン複合酸化膜モジュール（５−３）はエコバッグに内蔵された鉄マンガン酸化膜が付着された多面中空球及び砂礫を含み、前記脱窒モジュール（５−４）はエコバッグに内蔵された脱窒基質が付着又は充填された多面中空球及び砂礫を含み、前記リン吸着媒体モジュール（５−５）はエコバッグに内蔵されたリン吸着媒体が付着又は充填された多面中空球及び砂礫を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
3. 機械耕作道路をさらに含み、前記生態学的溝渠における窒素・リン遮断システムは機械耕作道路の片側又は両側に敷設され、機械耕作道路の沿道に景観植物が植えられている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
4. 前記落下水ゾーン（１）のスロープの勾配が１：１〜１：２である、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
5. 前記緩衝調整壁（３）は、厚さが２０〜３０ｃｍであり、高さが溝渠の高さの三分の二であり、幅が溝渠の幅と同じである、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
6. 前記斜面保護ブラケット（６）は柳枝又は作物のわらで編まれたものであり、そのブラケットグリッド（７）の辺長が２０〜３０ｃｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
7. 前記遮断変換池（１０）の容積が１．５〜３ｍ^３であり、この池の縁部及び底部にセメントが硬化されている、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
8. 前記炭素系充填材壁（１４）は、厚さが４０〜６０ｃｍであり、トップが溝渠のトップよりも高く、幅が溝渠の幅と同じであり、炭素系吸着充填材層（１７）は、粒子径３〜５ｍｍの籾殻炭及び／又は粒子径５〜１０ｍｍの竹炭を含み、前記パーコレーション層（１８）は粒子径３〜５ｍｍの配合砂利である、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
9. 前記丸石領域（１９）は、幅が０．３〜０．５ｍであり、粒子径３〜１０ｃｍの丸石を使用して敷設されており、且つ溝渠の一側へ傾斜する３〜１０％の勾配を保持する、ことを特徴とする請求項１に記載の田園景観型生態学的溝渠における窒素・リン遮断システム。
10. 請求項３に記載の窒素・リン遮断システムを用いた農地排水の窒素・リン遮断方法であって、
    農地において排水溝渠を介して流体を合流して収集した後、土砂緩衝領域から窒素・リン遮断システムに送るステップ１）と、
    水流が落下水ゾーンを流れるようにし、水深さの増加及び緩衝調整壁（３）による離間を利用して、農地排水の落下による運動エネルギーを消費し、水流の流速を低下させ、土砂を徐々に沈降させるステップ２）と、
    水流を継続的に流動させて、埋め込み式硝化−脱窒−脱リン一体化処理装置（５）に入り、その給水口で高低差により落下水による曝気をしながら、さらにエネルギーを消費し、農地排水が落下水による曝気をした後植生バッグモジュール（５−２）を経て、抽水植物により水中の有機物及び栄養塩を栄養素として吸収し、同時に、酸素に対する植物根系の輸送・放出によって、植物の周囲の微小環境が順に好気性−無酸素性−嫌気性となり、硝化−脱窒作用及び微生物によるリンの過剰蓄積作用により、窒素・リン汚染物の一部が遮断されて除去され、農地水が植生バッグモジュール（５−２）で処理された後、鉄マンガン複合酸化膜モジュール（５−３）に入り、鉄マンガン複合酸化膜の酸化能及び吸着能により、水中のアンモニア性窒素が接触酸化されて除去され、吸着されていないアンモニア性窒素が後で硝酸塩や亜硝酸塩に酸化されて水中に入り、農地排水が鉄マンガン複合酸化膜モジュール（５−３）で処理された後、脱窒モジュール（５−４）に入り、脱窒モジュールに濃縮された脱窒菌群を利用して前の段階で発生した硝酸塩及び亜硝酸塩を電子供与体として脱窒作用を行って、硝酸性窒素を窒素ガスに還元し、農地排水が脱窒モジュール（５−４）を通過した後、リン吸着媒体モジュール（５−５）を経て、水中のリン酸塩がさらに吸着除去され、リン吸着媒体モジュール（５−５）で処理された農地排水が前記処理装置の出口から排出され、溝渠に沿って流れ続けて水生植物群落ユニットに入るステップ３）と、
    農地排水が水生植物群落ユニットを流れる際に、渠底や渠壁に植えた抽水植物及び沈水植物による堰き止め粘着作用により、水流の流動を遅らせることにより、水中の懸濁顆粒物がさらに顆粒状有機汚染物を持って沈殿し、渠底や側壁の水生植物群落及び底泥上に凝集し、底泥中や水中の微生物、水生植物により、窒素、リン、有機汚染物を吸着して分解するステップ４）と、
    水生植物群落ユニットを経た農地排水は、さらに遮断変換池（１０）の集水ゾーン（１１）に入り、炭素系充填材壁（１４）により吸着及び沈降し、農地排水は流れている過程において炭素系吸着充填材層（１７）と接触し、水中の窒素、リン及び有機物が炭素系吸着充填材で吸着され、さらに充填材に付着した微生物により新陳代謝を通じて変換除去され、炭素系吸着充填材層（１７）での農地排水は炭素系充填材壁（１４）に沿って下方へ流れて鉛直流となり、パーコレーション層（１８）を経て貯水排水ゾーン（１３）に入り、農地排水はパーコレーション層（１８）を経る過程において、汚染物がさらに濾過・吸収されるステップ５）と、
    遮断変換池（１０）で処理された廃水が、さらに溝渠に沿って流れて、他の水環境に入るステップ６）とを含む、ことを特徴とする農地排水の窒素・リン遮断方法。

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