JP3239217B2

JP3239217B2 - 水濾過

Info

Publication number: JP3239217B2
Application number: JP50921396A
Authority: JP
Inventors: トローク，ベルント・シィエイチ
Original assignee: トローク，ベルント・シィエイチ
Priority date: 1994-09-10
Filing date: 1995-09-06
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: WO1996007618A1; US5910248A; DE59500396D1; EP0730562B1; ATE155440T1; ES2107316T3; DK0730562T3; JPH09510658A; EP0730562A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、有機性粒子および無機性粒子のいずれか又
は双方を含む浄化対象となる水を充填材が充填される濾
過装置内に送って、散水流として浄化し、ついで少なく
とも一つの流出口を通して排出する水を浄化する方法
と、その方法を実施するための装置に関する。

上記の方法およびその方法に従って機能する装置は、
所謂散水濾過プラントに関連して実際によく知られてい
る。そのような装置において、少なくとも浄化又は濾過
する対象の水は、散水要素が配置された部分に導かれ
る。蛋白質および他の有機化合物を水から分離し、かつ
固有の代謝プロセスの手段によりそれらを分解するバク
テリアを、散水要素に定置させる。このようにして、水
の細菌的浄化が適切な程度まで行われるように、散水要
素を通して非常に低速で水を通過させる。言い換えれ
ば、これは水を注ぐというようなものとは決して言え
ず、水を流すというより滴らせると言った方がよい。こ
の方法の欠点は、水を濾過装置を通して非常に低速でし
か送ることができないので、十分な浄化結果を得るため
に、対応する大きい寸法の装置が必要となるか、また
は、閉じた循環路での小さなプラントで水の処理の増大
を図らなければならない。加えて水の浄化は、有機物質
の細菌的分解にだけに基づいている。自由に移動するガ
スと異なり、無機物質および有機物質は水中に残り、閉
じた循環路中に毒物の蓄積をもたらす可能性があり、こ
のために淡水水槽での水の頻繁な交換が通常不可避とな
る。さらに、必要とされる低い散水速度により、水の蒸
発量が非常に多くなり、水中に塩の濃縮をもたらす可能
性があることは不利である。散水濾過装置は、バクテリ
アを散水要素に定置させて十分に使用できる前に、数週
間の初期化期間を必要とする。最後に、有機物質の細菌
的分解のために、バクテリアが非常に多量の酸素を必要
とし、その酸素は水自体から抽出される。この酸素の供
給のために別のエネルギーが必要である。最後に、排出
される水は、バクテリアの排出物および代謝生成物によ
り汚染される恐れがある。

例えば栄養価豊かな生け簀などにおける淡水化装置に
よる別の問題は、日射により生じた藻類の形成がpHレベ
ルのかなりの変動をもたらし、かつ水の透視度を低下さ
せることである。

DD 241 406は、ほぼ浮遊物の無い水から水中に溶解
している物質を連続的に除去する、バルブトレイを有し
ない散水膜反応装置を開示し、その反応装置は、ほぼ1g
/cm³未満の密度を有する細かい粒子の充填材が充填さ
れ、また堰式高さ調節機構を有する。この種の反応装置
は、水の浄化が細菌的に行われるので、同様にその流速
が限定される。さらにこの反応装置は、多量の浮遊物を
含有する水の用途には、充填材の小粒子を詰まらせて、
反応装置を閉塞することがあるので、適していない。

さらに汚染した塩水を蛋白質および他の有機化合物を
用いて浄化する方法が1970年代の初めから知られてお
り、その方法は、蛋白質および他の有機物質の泡を形成
する特性を利用している。多量の塩化ナトリウムを含有
する水（海水）は、下から空気を供給することにより動
き出し、蛋白質が上方へ泡立つ空気と共に引き出され、
表面上に強固な泡を形成する。表面上に蓄積した泡はす
くい取ることができ、窒素を含有する有機化合物も同時
に除去される。そのような装置では流入口が水表面の下
に位置決めされるので、流入する塩水は、形成された泡
層と接触しない。この種の装置は、濾過が濾過塔を通し
て行われるために、多量の塩化ナトリウムを含有する水
が流入口と流出口を通して連続的に交換されるような塩
水水槽の場合にだけに適している。この方法は淡水には
適用できない。と言うのは、淡水は塩化ナトリウムを含
有する水に比べて界面表面張力が高く、かつ密度が低い
からである。

この方法の別の欠点は、空気供給が下から、すなわち
水中への空気の吹込みにより行われ、消費されるエネル
ギーが増加するということである。

さらにUS 4,988,436は、二つの浄化ステップ、すな
わち従来の散水フィルタを経る生物学的濾過ステップ
と、およびすくい取りステップとを有する水槽用の濾過
システムを開示している。先ず水は散水フィルタ上に導
かれ、そこにおいてバクテリアにより浄化される。つい
で水は一つの部屋へ送られ、そこにおいて下から、すな
わち水の流れ方向に対向して水中に吹き込まれた空気に
よりすくい取りが行われる。中に不純物が沈積した泡層
は、室内の水の表面に形成される。

この方法の欠点は、ここでもまた、水の流速、したが
って装置の水通過量は散水フィルタを通しての浄化に依
存するということである。有効な生物学的浄化のため
に、水は散水フィルタ上へ非常に低速で供給しなければ
ならない。加えて空気を下向きに流れる水に対向して吹
き込むために、第２の浄化ステップにおいて空気を吹き
込むエネルギーが必要となる。

同じく水槽用の２つの別の濾過システムが、US 5,07
8,867およびUS 5,084,164に開示されている。両方のシ
ステムは、２つの浄化ステップ、すなわち生物的ステッ
プと、すくい取りステップとから成る。上記のUS 4,98
8,436におけるようにUS 5,084,164において、すくい取
りのために空気を下から吹き込まなければならないの
で、空気供給用のエネルギーが必要となる。またこのシ
ステムにおいて、泡層は水表面上に形成される。US 5,
087,867において空気は、水から離れおよび水に戻るよ
うに回転する回転輪を通して供給される。輪の回転のた
めに、システムへ供給しなければならない別のエネルギ
ーが必要となる。両方の装置は、浄化対象の水の供給お
よび経路変更用の大きい部屋とチューブシステムをとり
わけ必要とするので、技術的にかつ構造的にコスト高と
なる。さらに水の曝気用のエネルギーの導入が別に必要
となる。

これに対して、本発明の目的は、最適の浄化または濾
過効果を得ることにより高速の水処理を達成できる、主
として淡水の浄化又は濾過の方法と装置を提供すること
にあり、それにより、装置が著しく小さくなり、またそ
のために製造コスト、運転コストおよび維持コストが低
くなる。

この目的は、流出口の上方に形成される集水表面部へ
水を供給するにあたり、散水流が装置を通して流れる間
に散水流中に気泡が形成されるに足る量の水を供給し、
これらの気泡を用いて、（有機成分および無機成分の大
部分が相互に結合されて気泡ですくい取られるという特
性を利用しつつ）集水表面部に泡層を形成し、形成され
た泡層は、圧力補償の手段により集水表面部上方の一部
の領域において除去すること、によって達成される。水
は、非常に速い流速でフィルタ上へ供給されるので、充
填要素により「激しく打たれ」、すなわち水の表面積が
拡大されて、より空気と混合し、気泡が形成される。水
中に存在する疎水性粒子すなわち撥水性粒子は、選択的
に水表面すなわち気泡上に沈着する。これらの粒子は互
いに結合して比較的安定した所謂頂膜（crest film）ま
たは頂皮（crest skin）を形成する。頂膜により囲まれ
る気泡は、集水表面部を形成する水表面へ達するまで、
水と共に下方へ運ばれる。頂膜により安定化された気泡
は、集水表面部へ沈降し、泡層を形成する。また集水受
けが適切に満たされると水表面の下へ引っ張られる気泡
は、揚力の結果として再び上昇し、集水表面部上へ同様
に沈降する。そのような頂膜気泡は、3cmの径までにな
ることがあり、また数時間空気中で安定していることが
ある。

このように形成された泡層は、非常に有効なフィルタ
として機能し、無機と有機の不純物の他に、最小なバク
テリアから例えばハエなどの昆虫までのサイズの有機物
を捕捉し、水から除去する。一般の散水フィルタとは対
照的に、これらの不純物は、泡を除去することにより水
から恒久的に引き出され、循環路へ戻ることはできな
い。空気が水により同伴されるので、空気を吹き込むた
めに別のエネルギーを必要としない。

このようにして本発明の目的が満足されるが、窒素化
合物（蛋白質、繊維素）のようなすくい取ることができ
る化合物、藻類の最小のもの、プランクトン甲殻類の皮
などの非湿潤性粒子、および水に存在する魚の寄生虫と
微生物は、最短時間に水から除去できる。さらに本発明
に従う方法を魚を入れた淡水池の浄化に使用すると、本
発明に従う浄化方法が非常に効果的に機能し、かつ非常
に早い流速にできるので、日射が多くても藻類の成長が
減少する。泡層はフィルタとして機能し、水が流れると
水から粒子を濾過除去する。さらにこれにより、バクテ
リア個体数がかなり少なくでき、それに対応する汚染お
よび水中の酸素使用量が減少する。加えて本発明に従っ
て機能する濾過装置は、非常に短期間に形成する泡層の
形成後に直ちに使用できる。さらに生成される泡層は、
その層を通過する水の流下速度を減少するので、泡形成
を増加する。さらに浄化中に蓄積するすくい取られた泡
は、収集されて、肥料として使用できる。

水が充填材へ達する前に、例えば多孔板を通して散水
されるので、流入水は、散水要素または充填要素上へ均
一に分散され、この散水手段により充填要素層の厚さを
減少できる。

本発明の他の好適な実施態様においては、水が濾過装
置を流過する間に空気を水へ付加的に供給する。これに
より気泡の形成が促進される。発泡剤も水へ添加するこ
とができ、同様に気泡と泡の形成を増加させる。

空気に対する水の割合は、フィルタ内の充填要素の形
式に左右される。水培養用に使用される粘土粒状物のよ
うな密閉表面を有する中実体が充填要素として使用され
る場合に非常に良好なすくい取りが生じる。その時の空
気に対する水の割合は、約１対１である。

単一の粒状粒子間に空気の部屋が形成され、それを通
して浄化対象の水が流れる。水が流れるにつれて、一部
の空気の部屋は水と共に引き出されて、泡層へ沈降する
気泡がさらに形成される。

他の好ましい実施態様においては、細菌的分解とすく
い取りとが一つのステップで水の浄化が行われる。つま
り、充填要素上のバクテリアの手段による細菌的浄化、
および泡層の手段による浄化との両方が行われる。所要
のバクテリア個体数が形成されるために、初期化周期が
必要である。本発明に従う濾過装置が運転に入ると、最
初の約10日間、泡層の手段だけにより浄化が行われる。
その後に始めて十分なバクテリア個体数が形成され、水
浄化の役目を分担する。

しかしながら、生成された泡層が水滴の落下エネルギ
ーにより破壊されてはならないので、流速には限度があ
る。個別のケースで選択される流速の大きさは、濾過装
置の寸法および使用される充填要素の形式により決ま
る。適切に設定すると、生成された泡層は数センチメー
トルの厚さで安定したままとなり、その厚さは20cmを超
えることがある。上記のパラメータは、落下する水滴ま
たは水流が、それらの落下エネルギーの結果として生成
された泡層を破壊しないように調節する必要がある。

上述の目的は、充填要素が充填される、水浄化用の濾
過装置の手段により達成され、その濾過装置は、有機性
成分および無機性成分のいずれか又は双方を含有し、浄
化対象となる水用の少なくとも一つの供給装置と、浄化
した水を取り出す少なくとも一つの流出口を含み、また
濾過装置は、流出口の上方に配置され集水表面部を形成
する領域を、泡を除去するための流出口の上に設けられ
る放出口とを有する。

不純物の除去に加えて、泡を除去する放出口９によ
り、水の動圧を逃がす圧力補償も行われてフィルタ内で
の圧力が平衡化される。放出口がない場合には圧力補償
が他の方法で行われない限り、水の動圧のために泡層が
破壊されることがある。

有利な点として、濾過装置は塔のような構造にでき、
すなわちその高化さをその幅／長さよりも大きくでき
る。このようにして本発明に従う濾過装置は、例えば2m
の高さおよび0.16m²のベース面積を有することができ
る。そのような濾過装置により、毎時約5,000の水を
浄化処理することが可能である。この値は、散水機能だ
けを有する、同等なサイズの従来式濾過装置のものと比
べてかなり高い。

水の酸素含有量を増加するために、濾過装置の中間領
域に空気流入口と流出口を追加して設けることができ
る。これにより浄化能力が向上する。

浄化対象の水への酸素供給を増加するために、充填要
素は、拡大した表面積を有する散水要素として設けるこ
とができる。これも、バクテリアが散水要素上に形成で
き、既知の仕方で有機化合物用のフィルタとしてさらに
機能するという利点を有する。この機械的な構成部材上
に存在するバクテリアは、泡層への寄与に加えて、好ま
しくない有機化合物用の分解に寄与する。

下向きに流れる水のエネルギーは泡層へ達する前に減
少させ、泡層の破壊を防止するようにすることが望まし
い。

この目的のために下向きに流れる水の落下速度は、泡
層へ達する前に抑制しなければならない。これは、泡層
へ達する前に機械的な構成部材の手段により流入口から
出る浄化対象の水の落下速度を調整することにより達成
される。この機械的な構成部材自体は、勿論水または泡
に対して透過性でなければならない。

泡層へ達する前に水の落下速度を減少するそのような
機械的な構成部材は、好ましくは篩状の多孔板または格
子板として、例えば小石、粘土粒状物のような粒状体と
して、もしくは既知の散水要素として設けることができ
る。また破損したボール、プラスチックチューブ、ブラ
シ、篩またはヘアカール状の部材のような充填要素も容
易に設けることができる。これに不可欠な機能は、水の
落下速度を減少し、且つ水を通過させることである。

さらに水の乱れを減少するために、例えば散水要素、
多孔板、または篩などの機械的な構成部材を、泡層の中
または下に配置できる。

濾過装置の上部領域に配置される流入口は、篩のよう
に形成し、水をシャワーのように濾過装置中に噴霧する
ことにより、水中の酸素含有量を増加させるのが望まし
い。浄化対象の水のそのような噴霧手段により、濾過能
力を向上できる。篩状構造部材は、複数の水流出口また
は同様な構造を有する格子篩、多孔板の手段により達成
できる。

この装置は、開水路、例えば落水に採用できる。その
ような用途において装置は、落水に直接挿入されるので
追加エネルギー無しに機能する。このようにして、比較
的僅かな労力で河川を浄化できる。泡は、放出口を通し
て連続的に放出されて、受入れ装置内に収集される。最
初、ややかさばった泡は時間と共に崩壊し、また残留物
は、ある間隔で除去できる。

本発明の利点と実施例は、略図で示される例の下記の
説明において開示される。

略図は、魚がいる淡水池を浄化する濾過装置の形態を
有する、本発明に従う装置の縦断面を示す。

本発明の方法に従って機能する装置は、塔状濾過装置
１として形成される。浄化対象の水は、流入口２を通
り、水の流れを均一に分散させる篩状の桶を経て機械的
要素３として形成される散水要素４上へ噴霧される。そ
の散水要素は、格子状部材上に層状に置かれ、集水受け
12の所まで互いに上下に積み重ねられる。ついで水は、
球形又は水滴状の散水要素上を流下し、空気と混合す
る。空気不足を防止するために、付加空気を数字７の所
において供給、すなわち吹き込むことができる。

空気対水の比率は充填要素の形式により決まる。バイ
オボール例えばデュプラ・ボール（商品名）を使用する
場合この比率は10対１から15対１になる。粘土粒状物を
使用すれば、空気対水の比率が約１対１のときに特に良
好なすくい取りができる。

載置された散水要素４により、水流または水滴の流速
すなわち流下速度は減少し、水の表面積は拡大される。
気泡６が生成される。水中に存在する疎水性粒子すなわ
ち撥水性粒子、および浮遊粒子の最小のものは、選択的
に水表面上、従って気泡６上にも沈着する。これらの粒
子は互いに結合して比較的安定な所謂白膜を形成する。
白膜により囲まれる気泡は、濾過装置１の集水受け12に
収容される水の表面へ達するまで、水と共に下方へ引き
ずられる。白膜により安定化された気泡は、その水表面
に落ち着き、泡層８を形成する。水表面の下へ引っ張ら
れた気泡は、揚力により再び上昇し、集水表面部14へ同
様に沈着する。下向へ流れる特定の選択された水量の流
下速度の減少の結果、泡層８は損なわれることもなく、
また過大な水の乱れは泡領域において防止される。加え
て例えば散水要素、または破損した板などの構成部材
は、泡層８自体内に配置できる。有機不純物も、散水要
素上のバクテリア層により部分的に分散される。散水要
素４の下端部において水は、格子状部材を通り、生成さ
れた泡層８中に流入し、そこにおいて水の流下速度はさ
らに減少し、泡層がさらに強化される。水が泡層を通過
するとき、水に存在する不純物は泡により吸収される。

泡８を連続的に放出する、すなわち抽出する放出口９
は、濾過装置１の泡層８の領域内に位置決めされる。集
水受け12に収容される浄化された水は、流出口10を通し
て、淡水池と濾過装置とから成る水循環路中に戻され
る。ほぼ均一な水位は、分離構成部材11の手段により達
成される。勿論水は、装置のサイズに対応した望ましい
水位に適切な量だけが引き出される。

最後に空気流入口13は、本発明に従う濾過装置の集水
受け12領域内に位置決めされ、流出口付近での水面上空
気の圧力補償を行うためにある。

濾過装置１の壁は、硬質スチロポール製にでき、また
組立と分解を容易にするように互いに分離可能な構成部
材から構成できる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】有機性粒子および無機性粒子のいずれか又
は双方を含有する浄化対象となる水を、充填材が充填さ
れた濾過装置（１）内に供給し、散水流を形成すること
により浄化し、ついで少なくとも一つの流出口（10）を
通して排出する、水を浄化する方法において、水を前記流出口（10）の上方に形成される集水表面部へ
供給するにあたり、散水流が濾過装置（１）を通して流
れる間に散水流中に気泡が形成されるに足る量の水を供
給し、それらの気泡との作用により有機成分および無機
成分の大部分が相互に結合されて気泡ですくい取られる
という特性を利用しつつ、それらの気泡を用いて前記集
水表面部に泡層を形成し、形成された泡層が放出口
（９）を通して前記集水表面部上方の一部領域において
除去されることを特徴とする方法。
【請求項２】前記水は、前記充填材に達する前に散水さ
れることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記水には、前記濾過装置の通過中に、空
気が付加的に加えられる請求項１または２に記載の方
法。
【請求項４】前記水には、発泡剤が付加的に添加される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
方法。
【請求項５】前記充填材として粘土粒状物のような密閉
表面を有する中実体を使用する場合に、空気に対する水
の割合は、約１対１であることを特徴とする請求項１〜
４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】細菌的分解と、有機成分および無機成分の
気泡でのすくい取りとを、一つのステップで行うことに
より水の浄化を行うことを含む請求項１〜５のいずれか
１項に記載の方法。
【請求項７】有機性粒子および無機性粒子のいずれか又
は双方を含有する浄化対象となる水用の少なくとも一つ
の供給装置（２）と、浄化した水を取り出す少なくとも
一つの流出口（10）とを備えた、充填材（３、４）が充
填された水浄化用の濾過装置（１）において、前記流出口（10）の上方に配置され集水表面部（14）を
形成する領域と、前記流出口の上方に設けられ、前記集水表面部を形成す
る領域上の泡層（８）を除去する放出口（９）とを有することを特徴とする濾過装置。
【請求項８】散水手段（５）が、流れの方向に向かって
前記充填材（３、４）の手前に配置されていることを特
徴とする、請求項７に記載の濾過装置。
【請求項９】前記濾過装置（１）は、塔状であり、その
高さがその径よりも大きいことを特徴とする請求項７ま
たは８に記載の濾過装置。
【請求項１０】空気の流入口と流出口（７）が前記濾過
装置（１）に設けられることを特徴とする請求項７〜９
のいずれか１項に記載の濾過装置。
【請求項１１】前記充填材が拡大された表面積を有する
散水要素（３）として設けられることを特徴とする請求
項７〜10のいずれか１項に記載の濾過装置。
【請求項１２】前記泡層の中および／または下には、水
の乱れを減少するために、機械的要素（４）が配置され
る、ことを特徴とする請求項７〜11のいずれか１項に記
載の濾過装置。