JP3468725B2 - 水質浄化材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、河川や湖沼などの
開放水系における水質浄化に用いられて好適な水質浄化
材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記の開放水系の水質浄化に際して、開
放水路の流水中に礫や砂などを敷き詰めたり、ポリエス
テルなどの不織布を流水中に垂下げたりして、水質浄化
に有効な微生物をこれら礫や砂、不織布などに担持さ
せ、その微生物の働きにより、流水中のＢＯＤやＣＯＤ
などを除去または減少させるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の微生物を担持させるための水質浄化材は、表
面が平滑であって、微生物が付着し難く、不織布にして
も、これが一定の孔隙しか持っていないことから、流水
中の多様な微生物の一部の担持体としての機能しか持ち
合わせず、流水中の有効微生物の利用による水質浄化能
力が有効に発揮されないのであった。

【０００４】また、富栄養化の基である流水中の窒素や
リンなどの補足能力が低く、十分な水質浄化を期待し難
いのであった。

【０００５】本発明は、かかる実情に鑑みて成されたも
のであって、その目的は、多様な表面形状を有して、流
水中の多様な微生物を、それらが生息しやすい環境の下
で多く担持できる上に、富栄養化の基である窒素やリン
などの補足面でも好適な水質浄化材を提供する点にあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、開放水
系の流水中に配置される水質浄化材として、請求項１記
載の発明では、表面を薄く炭化して炭化層を形成して成
る天然繊維の表面及び孔隙にカルシュウムもしくはカル
シュウム系化合物粉体を担持させて成るものを水質浄化
材としている。

【０００７】天然繊維としては、例えばヤシ、綿、麻、
ジュート、ビンロウジュ、羊毛などが選択されるが、こ
のうちヤシの繊維が、繊維の内部に微細な孔隙を多数持
っており極めて複雑な形状をしているために、微生物と
の親和性にすぐれている。

【０００８】

【０００９】

【００１０】而して、天然繊維表面及び孔隙にカルシュ
ウム又はカルシュウム系の化合物粉体を担持させること
で、繊維表面あるいは繊維の孔隙にカルシュウム又はカ
ルシュウム系化合物粉体の薄層がポーラス状に形成され
ることになり、更には、カルシュウム又はカルシュウム
系化合物粉体がいびつな形状の大小様々な凹凸を形成す
ることになり、繊維表面は多様な形状を呈することにな
る。

【００１１】なかでもヤシ繊維は大小様々な連続孔隙を
中空状に有していることからその繊維表面は多様な形状
を呈することになるもので、繊維表面や孔隙に、カルシ
ュウムやカルシュウム化合物粉体が担持されやすく、微
生物にとって恰好の生息環境が繊維表面に形成されるこ
とになる。

【００１２】天然繊維の表面を、その形状及び柔軟性が
大幅に損なわれない程度に、薄く炭化して炭化層を形成
したものは、繊維の炭化により、その表面構造がより複
雑な形状を呈することに加えて、炭化により、繊維の微
生物親和性が増大し、より多様な微生物の生息環境を提
供することになる。また、このような炭化により、繊維
はその特有の柔軟性はほとんど失われず、流水中におい
て必要な強度と柔軟性を保持している。

【００１３】更に、表面炭化した天然繊維にの表面又は
孔隙に、カルシュウム又はカルシュウム化合物粉体を担
持させると、更に複雑な表面構造となり、水中の有用微
生物の生息環境をより好適にすることができる。

【００１４】具体的なカルシュウムもしくはカルシュウ
ム系の化合物としては、酸化物としてＣａＯ、水酸化物
としてCa(OH)2、炭酸塩としてはCaCO3、複合酸化物とし
てCa2TiO2、複合炭酸塩としてはCaMg(CO3)2などが使用
できる。

【００１５】請求項３記載の発明では、天然繊維の孔隙
に担持させたカルシュウムもしくはカルシュウム系化合
物粉体に有機官能基を導入させるためのカップリング剤
を結合させて成るものを水質浄化材としている。

【００１６】カルシュウム系化合物粉体と結合するカッ
プリング剤としては、チタネート系、フォスフェート系
のカップリング剤が使用でき、例えば、チタネート系で
あれば、イソプロピルトリ（ｎ−アミノエチル−アミノ
エチル）チタネートなどが使用できる。これらのカップ
リング剤は繊維表面に担持させたカルシュウムもしくは
カルシュウム系化合物粉体と結合し、繊維表面に有機官
能基を導入するもので、カップリング剤の選択によっ
て、繊維表面に様々な有機官能基を導入させることがで
きる。

【００１７】即ち、有機官能基としては、ビニル基、グ
リジドキシ基、アミノ基、カルボキシル基、メルカプト
基、アルキル基、エステル基等があり、これらのうち、
微生物の生息に適した官能基を選択することは容易に可
能であるが、どのようなカップリング剤を用いても、繊
維表面あるいは孔隙に微生物が集まりやすい状態、即
ち、生物親和性の状態を作ることができるのであって、
繊維表面に様々な有機官能基を導入させることは、請求
項１、２及び４記載の水質浄化材による微生物利用の水
質浄化能力を飛躍的にアップさせることに繋がるのであ
る。

【００１８】以上のように、繊維表面が多様な形状を呈
して、流水に対する水質浄化材の接触面積が膨大になる
ことから、本発明にかかる水質浄化材は、水質浄化に必
要な多様な微生物の多くを担持する機能を有するのであ
って、従来に比較して有効微生物の利用による水質浄化
能力がアップし、水中のＳＳ（浮遊物質）の吸着面でも
優れたものとなる。

【００１９】 特に、水質浄化材として、天然繊維を選
択したので、この水質浄化材使用済み後の廃棄に際し
て、これを焼却処理しても、公害を引き起こすことはな
く、或は、そのまま放置しても、年月を経ることで生分
解（例えばヤシ繊維は４〜６年で生分解する。）して、
その現場で自然消滅してしまうので、公害を生じること
はないのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は水質浄化材の担持単位体Ａ
を示し、図３は顕微鏡写真を図面化したヤシ繊維表面の
詳細を示すものであって、前記水質浄化材１の素材とし
て、天然繊維であるヤシ繊維（これの長さは１００〜２
００ｍｍ位で、直径は０．１〜１ｍｍ程度である。）ａ
を用いて、この繊維表面にカルシュウムもしくはカルシ
ュウム系化合物ｂを担持させている。

【００２１】この実施の形態では、調製されたヤシ繊維
ａの複数本（例えば５〜３０本）を、好ましくは同じヤ
シ繊維ａで束ねて、これを水質浄化材１とし、この水質
浄化材１の複数本を、それ自体が浮遊可能な板状部材２
の一側面に、３〜１０ｃｍの間隔で植え付け、必要に応
じて板状部材２の周部にフロート３を設け、かつ、板状
部材２の長手方向の両側に係止リング４を備えた係留紐
５を設けて、水質浄化材１の担持単位体Ａを構成してい
るのである。

【００２２】河川や湖沼などの開放水系の水質浄化に際
しては、例えば図２に示すように、河川や湖沼などから
浄化用の開放水路Ｗを分流させて、この水路Ｗの流水方
向と幅方向とに所定の間隔を隔てて杭６を打設し、か
つ、水質浄化材１を開放水路Ｗの流水中に垂れ下げるよ
うに、担持単位体Ａの表裏の向きを定めて、担持単位体
Ａ両側のリング４を杭６に係止させるのである。

【００２３】このようにして流水中に垂れ下げた水質浄
化材１のヤシ繊維ａは、顕微鏡写真を図面化した図３に
照らして明かなように、その表面には、いびつで複雑な
形状の筋状の凹溝ｄを多数有する上に、複雑な形状の大
小様々な窪みｅを有し、更に、図示はしないが、大小様
々な連続孔隙を中空状に有するのであり、加えて、この
複雑な形状の繊維表面にカルシュウムあるいはカルシュ
ウム系化合物粉体ｂを担持させたことで、繊維表面に
は、カルシュウムあるいはカルシュウム係化合物粉体ｂ
の薄層がポーラス状に形成されることになる。

【００２４】更には、カルシュウムあるいはカルシュウ
ム系化合物ｂがいびつな形状に大小様々な凹凸を形成す
ることに加えて、カルシュウムあるいはカルシュウム系
化合物粉体ｂが複雑に絡まって枝状に広がることから、
繊維表面は一層多様な形状を呈することになり、微生物
にとって恰好の生息環境が形成されることになる。

【００２５】天然繊維の表面を、その形状が大幅に損な
われない程度に、薄く炭化して炭化層を形成したもの
は、繊維の炭化により、その表面構造がより複雑な形状
を呈することに加えて、炭化により、繊維の微生物親和
性が増大し、より多様な微生物の生息環境を提供するこ
とになる。天然繊維の表面を炭化するには、例えば天然
繊維を濃硫酸中をくぐらせた後、風乾させたり、繊維を
１〜１０ｖｏｌ％の硫酸に５分程度浸漬した後取りだ
し、１１０℃で１時間乾燥する等の方法で、繊維表面が
薄く炭化して炭化層ｇを形成する。この場合、このよう
な炭化により、繊維はその特有の柔軟性はほとんど失わ
れず、流水中において必要な強度と柔軟性を保持してい
る。繊維表面に炭化層ｇが形成された摸式的図面を図４
に示す。

【００２６】更に、表面炭化した天然繊維にの表面又は
孔隙に、カルシュウム又はカルシュウム化合物粉体を担
持させると、更に複雑な表面構造となり、水中の有用微
生物の生息環境をより好適にすることができる。

【００２７】加えて、繊維表面に担持させたカルシュウ
ムあるいはカルシュウム系化合物粉体にカップリング剤
ｃを結合させて、繊維表面及び孔隙に有機官能基を導入
させているので、かつ、有機官能基として、微生物の生
息に適したものを選択することが容易に可能であること
から、繊維表面及び孔隙に微生物が集まりやすい状態が
作られるようになり、微生物にとって一層好適な生息環
境が繊維表面に形成されることになる。

【００２８】そして、表面形状が多様になることは即
ち、流水に対する水質浄化材１の接触面積が極めて大き
くなることであり、かつ、ヤシ繊維ａが植物性であっ
て、微生物との親和性が高いことも相乗して、水質浄化
材１には水質浄化に必要な多様な有効微生物の多くが、
恰好の生息環境下に置かれて担持されるようになり、し
たがって、多様な微生物の働きによる流水中のＢＯＤや
ＣＯＤなどの除去能力が、従来に比較して飛躍的にアッ
プするのであり、水中のＳＳ（浮遊物質）の吸着面でも
優れたものとなる。

【００２９】一方、繊維表面とか孔隙中に担持されたカ
ルシュウムあるいはカルシュウム系化合物粉体ｂは、流
水中のリンや窒素を捕捉するので、リン濃度や窒素濃度
を下げることができる。そして、使用済み後の水質浄化
材１の廃棄に際して、この水質浄化材１を自然界に存す
る植物性のヤシ繊維ａとしていると、これを焼却処理し
ても、公害を引き起こすことはなく、あるいは、そのま
ま放置しても、ヤシ繊維ａは４年〜６年を経ることで生
分解して、その現場で自然消滅してしまうので、公害は
生じることがないのである。

【００３０】上記の担持単位体Ａの水質浄化材１を流水
中に垂れ下げるのではなく、図６に示すように、担持単
位体Ａの水質浄化材１を流水中に立錐させるようにして
もよいのであり、即ち、図６に示すように、上記のヤシ
繊維ａの複数本を束ねて成る水質浄化材１を、例えばコ
ンクリート製の沈降部材７の上面部に３〜１０ｃｍの間
隔で植えつけて、水質浄化材１の担持単位体Ａを構成
し、この担持単位体Ａを開放水路Ｗの水底に配置し、か
つ、必要に応じてアンカーで固定するようにしてもよい
のである。

【００３１】このように、流水中に垂れ下げたり立錐さ
せたりする水質浄化材１として、上記の各実施の形態で
は、ヤシ繊維ａの複数本を束ねているが、ヤシ繊維ａの
１本ずつを水質浄化材１として、これを板状部材２や沈
降部材７に植え付けて、担持単位体Ａとしてもよいので
ある。

【００３２】或は図示はしないが、水質浄化材１とし
て、表皮を取り除いたヤシ殻そのものを繊維の方向で細
長くなるように複数個に分割したものとし、具体的に
は、ヤシ殻を長さ１０〜２０ｃｍ、太さ０．５〜５ｃｍ
の細長状に破砕して、これの表面とか、孔隙にカルシュ
ウムあるいはカルシュウム系の化合物を充填・担持させ
たものを水質浄化材１として、これを３〜１０ｃｍ間隔
で板状部材２や沈降部材７に植え付けるようにしてもよ
いのである。

【００３３】図７は別の実施の形態による水質浄化材１
を示しており、この水質浄化材１は、上記のような繊維
表面や孔隙にカルシュウム系粉体を担持させたり、表面
を炭化させたり、カルシュウム系粉体にカップリング剤
を結合させる等の表面改質させたヤシ繊維ａを数本束ね
て紐状体８を形成し、この紐状体８を粗い目合い（３〜
５ｃｍ程度）の網状体９に構成してなるもので、開放水
系の水質浄化に際しては、例えば図８に示すように、網
状体９の複数枚を、それらの一側辺を係留紐１０によっ
て連結すると共に、他側辺の両隅に垂下錘１１を設けた
ものを担持単位体Ａとして、この担持単位体Ａの複数
を、それの水質浄化材１が流水を遮るように、開放水路
Ｗの流水方向に多段的に吊り下げ配置するのである。

【００３４】或は図９に示すように、網状体９の複数枚
を、それらの一側辺と他側辺をそれぞれ係留紐１０で連
結したものを担持単位体Ａとし、この担持単位体Ａの複
数を、それの水質浄化材１が流水に沿うように、開放水
路Ｗの深さ方向に多段的に配置してもよいのである。

【００３５】図１０は更なる別の実施の形態による水質
浄化材１を示しており、この実施の形態では、１〜３ｃ
ｍ程度のヤシ殻の破砕物ｆと、ヤシ殻から取り出したヤ
シ繊維ａと、２〜５ｃｍ程度に裁断したヤシ繊維の裁断
物ｈの少なくとも一種を上記のような表面改質し、これ
を好適には、同じく表面改質させたヤシ繊維製の網状体
による袋１２に収容して、水質浄化材１を細長い棒状の
ものに構成している。

【００３６】尚、網状袋１２を短くしたり、球形に形成
したりしてもよく、或いは、座布団のように扁平に形成
してもよいのである。

【００３７】開放水系の水質浄化に際しては、例えば図
１１に示すように、水質浄化材１を開放水路Ｗの水底に
敷き詰めるように配置するのであるが、上下に複数段に
わたって積み重ねたり、水質浄化材１の複数個を互いに
連結して、水中に漂わせるようにしてもよいのであり、
何れにしても、図示はしないがアンカーや係留紐などを
設けて、水質浄化材１を所定位置に保持させることが肝
要である。

【００３８】上記の各種実施の形態では、開放水系の水
質浄化に際して、河川や湖沼などから浄化用の開放水路
Ｗを分流させるようにしているが、河川や湖沼などの開
放水系に、直接的に水質浄化材１を配置する水質浄化の
形態をとるようにしてもよいのであり、また、各種実施
の形態による水質浄化材を、担持単位体Ａの構成単位ご
とに開放水路Ｗに配置しているが、例えば図２と図５と
に示す水質浄化の態様を組み合わせる等の複合形態をと
ったり、更に、例えば図８に示す水質浄化の態様を複合
させたりするなど、各種の水質浄化の態様を任意に複合
させる実施が可能であることは言うまでもない。

【００３９】 また、上記の各実施の形態において、水
質浄化材１の素材として、天然繊維であるヤシ繊維ａを
用いているが、綿、麻、ジュート、ビンロウジュ、羊
毛、木質繊維等の天然繊維がヤシ繊維と同様に使用でき
る。

【００４０】更には、水質浄化材１として、それの繊維
表面及び孔隙にカルシュウムもしくはカルシュウム系の
化合物粉体ｂを担持させるだけの表面改質であっても、
有効微生物の利用による水質の浄化能力が極めて優れた
ものになることから、カップリング材ｃによる有機官能
基の導入を省略してもよいのであり、かつ、表面改質を
一切しない繊維を併用してもよいのである。

【００４１】即ち、表面及び孔隙にカルシュウムあるい
はカルシュウム系の化合物粉体ｂのみを担持させた天然
繊維と、表面を炭化させた天然繊維、更に炭化させた繊
維の表面及び孔隙にカルシュウムあるいはカルシュウム
系化合物粉体ｂを担持させたもの、及びこれらのカルシ
ュウム系の粉体ｂにカップリング剤を結合した繊維を２
種以上組み合わせて水質浄化材１としたり、それぞれ単
独で水質浄化材１としたり、更には、表面改質をしない
天然繊維や化学繊維等と上記の表面改質した繊維と組み
合わせて水質浄化材１とすることもある。

【００４２】繊維表面の改質に際して、その際に用いる
カルシュウムあるいはカルシュウム系化合物粉体ｂの平
均粒径は、それが有機金属化合物以外の酸化物、水酸化
物等の場合、１０ｎｍ〜１０μｍが適していおり、それ
らのカルシュウムあるいはカルシュウム系化合物粉体ｂ
を水または有機溶媒に分散させた後、天然繊維を浸漬
し、常圧または減圧下で所定時間静置し、その後乾燥さ
せるものとする。

【００４３】上記のカルシュウム等の粉体ｂなどの繊維
ａへの付着性を高めるために、アクリル等の樹脂やポリ
ビニールアルコール等の糊剤などを添加してもよいので
あり、また、浸漬によるカルシュウム等の粉体ｂの担持
に代えて、カルシュウム等の粉体ｂを分散させたスラリ
ーを繊維表面に噴霧させる担持態様をとってもよいので
あり、いずれにしてもカルシュウム等の粉体ｂの付着厚
さは、その粒子径にもよるが、０．１μｍ〜１００μｍ
程度であることが望ましい。

【００４４】天然繊維にカルシュウムまたはカルシュウ
ム系化合物粉体を繊維の表面或いは孔隙に充填する具体
例として、ヤシ繊維とCa(OH)2 水酸化カルシュウムの例
で説明する。Ca(OH)2 は過飽和の０．１６％溶液を２５
０ｍｌ調製し、これに、１０ｇのヤシ繊維を３時間浸漬
する。その結果、ヤシ繊維の表面及び孔隙に、カルシュ
ウムあるいはカルシュウム系化合物粉体が、ヤシ繊維重
量に対して、３〜４％導入できた表面改質された水質浄
化用ヤシ繊維を得た。

【００４５】このカルシュウムあるいはカルシュウム系
化合物粉体を導入したヤシ繊維を用いて、水質浄化のテ
スト及びその結果を説明する。水質浄化のテストのため
に、下水処理場の活性汚泥を採取して、ＳＳ（活性汚泥
固形物濃度）が２０００ｍｇ／ｌになるように希釈す
る、一方上記の表面改質されたヤシ繊維を５０ｍｍの長
さに切断して、それの０．５ｇを３００ｍｌのビーカー
に入れ、かつ、希釈した汚泥の２００ｍｌを加えて、人
工排水を毎日加えながら、バイオシェーカーにて攪拌す
ることを１週間継続した。

【００４６】このテストによる処理水の、ｐＨ、及びＣ
ＯＤ、リン、窒素の除去率として測定結果を、表１に示
す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１から明らかなように、カルシュウムあ
るいはカルシュウム系化合物粉体を担持させて表面改質
した天然繊維のヤシ繊維と、表面改質を施さないヤシ繊
維とを処理水の除去率で比較すると、ＣＯＤで２０％、
リンで２倍、窒素で１５％向上した。本発明による水質
浄化材は、水質の浄化能力が極めて高いと評価される。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、水質浄化
材として、これを表面を薄く炭化して炭化層を形成して
成る天然繊維製にし、かつ、その表面及び孔隙に、カル
シュウムあるいはカルシュウム系の化合物粉体を担持さ
せたのであって、繊維表面が多様な形状を呈して、微生
物にとって恰好の生息環境が繊維表面に形成されること
に加えて、流水に対する接触面積が膨大になることか
ら、本発明による水質浄化材によれば、水質浄化にとっ
て必要な多様な微生物の多くを、恰好の生息環境の下で
担持させ得るもので、有効微生物の利用による水質浄化
能力が格段にアップし、水中のＳＳ（浮遊物質）の吸着
面でもすぐれたものとなる。

【００５０】特に植物性等の天然繊維を選択したので、
使用済み後に焼却処理しても、公害を引き起こすことは
なく、あるいはそのまま放置しても、年月を経ることで
生分解して、その現場で自然消滅してしまうので、公害
が生じることはない。

【００５１】また、繊維表面あるいは孔隙中に担持させ
たカルシュウムあるいはカシュウム系化合物粉体は、富
栄養化の基である窒素やリン等の補足能力を有するので
あって、本発明による水質浄化材は、流水中のリン濃度
や窒素濃度を低下させる上でも頗る好適である。

【００５２】また、繊維表面をその形状や柔軟性が大幅
に失われない程度に薄く炭化して炭化層を形成したの
で、炭化により、その表面構造がより複雑な形状を呈す
ることに加えて、炭化により繊維表面が微生物親和性が
増大し、より多様な微生物の生息環境を提供できた。ま
た、このような炭化により、繊維はその特有の柔軟性は
ほとんど失われず、流水中において必要な強度と柔軟性
を保持している。

【００５３】これに加えて、上記の繊維に担持させたカ
ルシュウムあるいはカルシュウム系化合物の粉体に各種
のカップリング剤を結合させれば、繊維表面に様々な有
機官能基を導入させることができるのであって、この有
機官能基は、繊維表面に微生物が集まりやすい状態を作
ることから、微生物利用の水質浄化能力を更にアップさ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水質浄化材を垂れ下げるように備えた担持単位
体の斜視図である。

【図２】水質浄化材を開放水路に垂れ下げさせた水質浄
化の説明図である。

【図３】顕微鏡写真を図面化し、かつ、その一部を取り
出して拡大図示したヤシ繊維表面の模式図である。

【図４】図３の図面にある顕微鏡写真の図面化におい
て、繊維表面が炭化している状況を示す模式図である。

【図５】水質浄化材を開放水路に立錐させた水質浄化の
説明図である。

【図６】水質浄化材を立錐させるように備えた担持単位
体の斜視図である。

【図７】別の実施の形態による水質浄化材の部分斜視図
である。

【図８】水質浄化材を開放水路の流水方向に多段的に吊
り下げ配置した水質浄化の説明図である。

【図９】水質浄化材を水路の深さ方向に多段的に配置し
た水質浄化の説明図である。

【図１０】更なる別の実施の形態による棒状の水質浄化
材の部分斜視図である。

【図１１】棒状の水質浄化材を水底に配置した水質浄化
の説明図である。

【符号の説明】

ａ・・・ ヤシ繊維、ｂ・・・ カルシュウムあるいはカルシュ
ウム系化合物、Ａ・・・ 担持単位体、１・・・ 水質浄化材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−220497（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−155479（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−219952（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−49921（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−221590（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 3/02 - 3/10 C12N 11/00 - 13/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開放水系の流水中に配置される水質浄化
   材であって、表面を薄く炭化して炭化層を形成して成る
   天然繊維の表面及び孔隙に、カルシュウムもしくはカル
   シュウム系化合物粉体を担持させて成ることを特徴とす
   る水質浄化材。
2. 【請求項２】 天然繊維がヤシ繊維である請求項１記載
   のの水質浄化材。
3. 【請求項３】 天然繊維の表面及び孔隙に担持させたカ
   ルシュウムまたはカルシュウム系化合物粉体に有機官能
   基を導入するためのカップリング剤を結合させて成るこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の水質浄化材。