JP3735707B2 - Removal of nitrate nitrogen from soil seepage water - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境保全、水処理に係り、特に土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、硝酸態窒素による地下水の汚染が世界各地で生じている。これは、農地(水田を除く)や排水の土壌浸透処理場など、硝酸態窒素が浸透する土壌において、その土壌が好気性に保たれることにより脱窒が生じないためである。
【0003】
土壌浸透水から窒素を除去する方法としては、特開2000−296394公報、および特開2000−288563公報に記載された方法が知られている。いずれも、土壌中に不透水性の構造物を設置し、その内部に水がある程度溜まる形にすることによって、土壌内に嫌気性の部分を生じさせるものである。
【0004】
また、土壌に有機物層を埋め込む、いわゆる多段土壌層法も開発されている(1993、T.Wakatsuki, H.Esumi, S.Omura, High performance and N&P removable on-site domestic waste water treatment system by multi-soil-layering method (In G.Ho and K.Mathew ed., Water Science and Technology, Volume 27, No.1, Appropriate Waste Management Technologies所収)、Pergamon Press, Oxford, pp 220(31-40))。この方法は、ジュート袋などの有機物を多段状に入れておくもので、設置に手間がかかる。しかも、有機物が好気的に分解してロスが生じるおそれがあり、過度に嫌気性状態が続くのを防ぐために曝気が必要であるなどの問題点もある。
【0005】
さらに、排水の土壌浸透水からの窒素除去では、特開平5−104085号公報に記載されているように植物による吸収を期するものが挙げられる。一般に植物の吸収による窒素除去は、脱窒よりも効率が悪いのみならず、冬季の吸収が期待できない。
【0006】
その他、土壌浸透水からの窒素除去としては、湿地などに水を浸透させ、土壌と植物との作用で窒素を除去する方法が特開平9−47779号公報に記載されている。この方法は、湿地、休耕田、あるいは水田など湛水状態での土壌を利用した技術であり、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場には適用することができない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場に適用することができ、構造物を設けることなく、効率よく簡便に脱窒を行なうことが可能な、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、硝酸態窒素を含有する土壌浸透水から硝酸態窒素を除去する方法であって、土壌中の下層の上に、電子供与体が混入された電子供与体混入層を直接接して設ける工程と、前記電子供与体混入層の上のみに選択的に、低透水性土壌層を直接接して設ける工程と、前記電子供与体混入層に向けて、前記低透水性土壌層の深さ方向に前記土壌浸透水を通過させ、前記土壌浸透水への酸素の供給を抑制する工程と、前記酸素供給が抑制された土壌浸透水を、前記下層に向けて前記電子供与体層の深さ方向に通過させて前記電子供与体に接触させて脱窒を行なうことにより、前記硝酸態窒素の濃度を低減する工程と、前記硝酸態窒素が低減された前記土壌浸透水を、前記下層に浸透させる工程とを具備することを特徴とする方法を提供する。
【0009】
本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法は、従来の窒素除去方法とは異なり、土壌浸水量が大きいほど土壌含水率が高くなるという性質を利用し、特に構造物を設けずとも窒素除去効果を得ることを可能とした。
【0010】
特に、土壌の物理性(透水性、保水性、および気体の拡散)を利用しているので、本発明の硝酸態窒素の除去方法においては、土壌に水が浸透している場での酸素供給を抑制して、脱窒による窒素除去を促進することが可能である。また、土壌に水が浸透しない場合には、土壌は好気性を回復し、土壌の嫌気化による害を防ぐことができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【0012】
図1に本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法の一例の概念図を示す。図示するように、土壌11中に低透水性の土壌層12を設置し、この低透水性土壌層12の下方には、脱窒のための電子供与体となる物質である硫黄などを混入した層13が設けられる。硝酸態窒素を含有した水が低透水性土壌層12に浸透すると、この低透水性土壌層12での含水率が上昇して地表からの酸素供給が抑制される。酸素供給が抑制された硝酸態窒素含有水がさらに電子供与体混入層13に浸透すると、ここでは無酸素条件が達せられて、脱窒菌の働きにより窒素が除去される。その結果、下層14に浸透する水の硝酸態窒素濃度は、層11を浸透する水のそれよりも低いものとなる。
【0013】
低透水性土壌層12は、例えば、地表から0〜200cm程度の深さに、0.5〜50cm程度の層厚で設けることができる。この場合の低透水性土壌層における水分飽和度を、図2のグラフに示す。低透水性土壌層12における水分飽和度は、図2のグラフに示されるように0.9程度であり、その上下の層よりも低透水性であることがわかる。なお、低透水性土壌層12における水分飽和度は、土壌に水が浸透している状態で、土壌の有効水分飽和度がほぼ1となることが好ましい。有効水分飽和度が低くなると、酸素供給を十分抑制することが困難となる。
【0014】
こうした低透水性土壌層12には、その飽和透水係数が浸透水量にほぼ等しいものを収容することが好ましい。飽和透水係数は、粘度質土壌に砂を混合するなどによって調整することができる。図3のグラフには、低透水性土壌における粘土質土壌の割合と飽和透水係数との関係を示す。例えば、粘土質土壌が含有されない場合には、飽和透水係数は1程度であり、粘土質土壌を100%とすることによって、飽和透水係数は0.01程度に減少する。こうした関係に基づいて、低透水性土壌を適切に調製することができる。なお、混合される粘土質土壌の径が10mmおよび50mmの場合でも、図3に示されるように飽和透水係数に大きな違いは生じない。
【0015】
低透水性土壌層12は、図4に示すように低透水性層22とバッファ層21との二つの層に分けることもできる。バッファ層21には、低透水性層22よりも一桁以上高い飽和透水係数を有する土壌を収容する。この方法により、低透水性層土壌の飽和透水係数よりも大きな浸透水量となった場合でも、溢流を生じずに、また土壌層11下層が飽和になるのを避けることができる。なお、バッファ層21の厚さは、低透水性層22の厚さの3〜10倍程度とすることが好ましい。
【0016】
バッファ層21の飽和透水係数が十分高い場合、具体的には、低透水性層22の飽和透水係数よりも10倍程度以上大きい場合には、低透水性土壌層の飽和透水係数に等しい浸透水量から、飽和透水係数の約a/b倍までの浸透水量に対応することができる。ここで、aはバッファ層厚さを表わし、bは低透水性土壌層厚さを表わす。
【0017】
また、低透水性土壌層12の下方に設けられる電子供与体混入層13には、例えば、硫黄が電子供与体物質として含有される。この場合、中和のためにほぼ同重量の炭酸カルシウム等の中和剤を混入することが好ましい。硫黄の含有量は、収容される土壌全体に対して質量で5%程度とすることが好ましい。10%程度となると、温暖化ガスである亜酸化窒素を発生する懸念がある。一方、投入量が少なくなると、耐用年数あるいは硫黄補給までの期間が短くなる。
【0018】
硫黄および炭酸カルシウムに加えて、稲わら、おがくず、および生分解性プラスチック等を電子供与体物質として用いることもできる。
【0019】
電子供与体混入層13の厚さは、処理すべき浸透水量、浸透水中の硝酸態窒素濃度、および期待する耐用年数等に応じて適宜決定することができる。
【0020】
なお、図示していないが、低透水性土壌層12中に硫黄および炭酸カルシウムなどの電子供与体物質を混入してもよい。この場合には、土壌浸透水への酸素供給の抑制と土壌浸透水からの脱窒との両方を、単一の層で行なうことが可能となる。低透水性土壌層中に混入する場合においても、硫黄および炭酸カルシウム等の電子供与体物質の含有量は、前述と同様の理由から質量で0〜10%程度とすることが好ましく、5%程度とすることがより好ましい。
【0021】
次に、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
【0022】
実験に用いる装置の構成を表わす概略図を、図5に示す。本発明の方法を行なうカラムA1においては、試料土壌層A3(埼玉県農業試験場の圃場から採取)の下方に、低透水性土壌層A4および電子供与体混入層A5が順次設けられている。具体的には、層A4には、飽和透水係数が1md-1の土壌と0.01md-1の土壌とを混合して調製した飽和透水係数0.1md-1の土壌を収容し、層A5には、硫黄および炭酸カルシウムをそれぞれ質量で5%となるようにA3土壌に混合したものを収容した。層A5の下方には前述と同様のA3土壌層を配置し、カラムの底部には礫層A6を設けた。さらに、各土壌層にはFRD式土壌水分計A7を設置した。
【0023】
なお、図5中の数値は、カラムのサイズ(cm)を表わしている。
【0024】
一方、低透水性土壌層A4を設けない以外は前述のA1と同様の構成のカラムを、対照カラムA2として用意した。
【0025】
水道水に硝酸カリウムを加えた溶液A8をカラムA1およびA2に供給して、出口における溶液の硝酸態窒素濃度の変化を調べた。
【0026】
20mg/L硝酸カリウム溶液を0.05ml/日で供給した場合の出口の硝酸態窒素濃度を、図6のグラフに示す。図示するように、対照カラムA2では窒素除去効果が得られなかったのに対して、低透水性土壌層を設けたカラムA1では、出口の窒素濃度が実験開始後10日程度で1〜5mg/L程度と著しく減少している。
【0027】
このように、低透水性土壌層を設けた本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法の効果が確認された。
【0028】
なお、敷地が大きく浸透水がそのごく一部を浸透する場合、低透水性層が一様にぬれないことが想定される。このような場合は、例えば図7に示されるように深さ隔壁15を設置することができる。これにより、側方からの酸素供給を可能にすることができる。隔壁15の深さは、設置する位置により変ってくるが、概ね1〜2m程度となる。
【0029】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場に適用することができ、構造物を設けることなく、効率よく簡便に脱窒を行なうことが可能な、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法が提供される。
【0030】
本発明を用いることによって、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去、特に排水の土壌浸透処理場や畑からの浸透水から窒素を効率よく除去することが可能となり、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例にかかる方法の概念を説明する図。
【図2】水分飽和度と地表からの深さとの関係を説明する図。
【図3】粘土質土壌の割合と飽和透水係数との関係を説明するグラフ図。
【図4】本発明の他の例における概念を説明する図。
【図5】実験装置の概略を説明する図。
【図6】カラム出口における硝酸態窒素濃度の経時変化を説明するグラフ図。
【図7】本発明の他の例における概念を説明する図。
【符号の説明】
11…土壌
12…低透水性土壌層
13…電子供与体混入層
14…下層
15…隔壁
21…バッファ層
22…低透水性層
A1…低透水性土壌層を設けたカラム
A2…対照カラム
A3…土壌層
A4…低透水性土壌層
A5…電子供与体混入層
A6…礫層
A7…FDR式土壌水分計
A8…硝酸カリウム溶液[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to environmental protection and water treatment, and more particularly to a method for removing nitrate nitrogen from soil permeated water.
[0002]
[Prior art]
In recent years, contamination of groundwater by nitrate nitrogen has occurred around the world. This is because denitrification does not occur because the soil is kept aerobic in soil infiltrated with nitrate nitrogen, such as farmland (excluding paddy fields) and drainage soil infiltration treatment plants.
[0003]
As a method for removing nitrogen from soil permeated water, methods described in JP 2000-296394 A and JP 2000-288563 A are known. In either case, an anaerobic part is generated in the soil by installing an impermeable structure in the soil and forming water in the interior to some extent.
[0004]
A so-called multi-stage soil layer method has also been developed, in which organic layers are embedded in soil (1993, T. Wakatsuki, H. Esumi, S. Omura, High performance and N & P removable on-site domestic waste water treatment system by multi- soil-layering method (In G. Ho and K. Mathew ed., Water Science and Technology, Volume 27, No. 1, Appropriate Waste Management Technologies), Pergamon Press, Oxford, pp 220 (31-40)). In this method, organic substances such as jute bags are placed in multiple stages, and installation takes time. In addition, there is a possibility that organic substances may be decomposed aerobically to cause loss, and aeration is necessary to prevent excessive anaerobic conditions from continuing.
[0005]
Further, nitrogen removal from drained soil permeated water includes those which are expected to be absorbed by plants as described in JP-A-5-104085. In general, nitrogen removal by plant absorption is not only less efficient than denitrification, but it cannot be expected to absorb in winter.
[0006]
In addition, as a method for removing nitrogen from soil permeated water, JP-A-9-47779 discloses a method of permeating water into a wetland and removing nitrogen by the action of soil and plants. This method is a technique that uses soil in flooded conditions such as wetlands, fallow fields, or paddy fields, and it can be applied to drainage soil infiltration treatment plants that need to maintain aerobic tens of centimeters of soil and soil surface. Can not.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a drainage soil infiltration treatment plant that needs to keep an aerobic field and several tens of centimeters of soil surface, and can perform denitrification efficiently and simply without providing a structure. An object of the present invention is to provide a method for removing nitrate nitrogen from soil seepage water.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is a method for removing nitrate nitrogen from soil permeated water containing nitrate nitrogen , wherein the electron donor is mixed with an electron donor on a lower layer in the soil. A step of providing a body-mixed layer in direct contact, a step of providing a low-permeability soil layer in direct contact only on the electron donor-mixed layer, and Passing the soil permeated water in the depth direction of the permeable soil layer, suppressing the supply of oxygen to the soil permeated water, and the soil permeated water in which the oxygen supply is suppressed toward the lower layer, The step of reducing the concentration of nitrate nitrogen by passing through the electron donor layer in the depth direction and contacting the electron donor to perform denitrification, and the soil infiltration with reduced nitrate nitrogen water, by including the step of infiltrating the lower layer To provide a method for the butterflies.
[0009]
Unlike the conventional nitrogen removal method, the method for removing nitrate nitrogen according to the present invention utilizes the property that the soil moisture content increases as the amount of soil inundation increases. Made it possible to get.
[0010]
In particular, since the physical properties of the soil (water permeability, water retention, and gas diffusion) are utilized, in the method for removing nitrate nitrogen according to the present invention, oxygen is supplied in a place where water penetrates the soil. It is possible to suppress nitrogen and promote nitrogen removal by denitrification. Moreover, when water does not permeate into the soil, the soil recovers aerobic and can prevent harm caused by soil anaerobic.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 shows a conceptual diagram of an example of a method for removing nitrate nitrogen according to the present invention. As shown in the figure, a low-
[0013]
The low water
[0014]
In such a low water
[0015]
The low water
[0016]
When the saturated hydraulic conductivity of the buffer layer 21 is sufficiently high, specifically, when the saturated hydraulic conductivity of the low-permeable layer 22 is about 10 times or more, the amount of osmotic water equal to the saturated hydraulic conductivity of the low-permeable soil layer Therefore, it is possible to cope with the amount of permeated water up to about a / b times the saturated hydraulic conductivity. Here, a represents the buffer layer thickness, and b represents the low water permeability soil layer thickness.
[0017]
The electron donor mixed
[0018]
In addition to sulfur and calcium carbonate, rice straw, sawdust, biodegradable plastics and the like can also be used as electron donor materials.
[0019]
The thickness of the electron donor mixed
[0020]
Although not shown, an electron donor substance such as sulfur and calcium carbonate may be mixed in the low water
[0021]
Next, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
[0022]
A schematic diagram showing the configuration of the apparatus used in the experiment is shown in FIG. In the column A1 for performing the method of the present invention, a low-permeability soil layer A4 and an electron donor-mixed layer A5 are sequentially provided below the sample soil layer A3 (collected from the field of Saitama Agricultural Experiment Station). Specifically, the layer A4, saturated hydraulic conductivity accommodate soil 1Md -1 soil and 0.01Md -1 saturated hydraulic conductivity 0.1Md -1 which was prepared by mixing the soil, the layer A5 In this case, a mixture of sulfur and calcium carbonate in A3 soil so as to be 5% by mass was accommodated. Below the layer A5, an A3 soil layer similar to the above was disposed, and a gravel layer A6 was provided at the bottom of the column. Furthermore, FRD type soil moisture meter A7 was installed in each soil layer.
[0023]
The numerical values in FIG. 5 represent the column size (cm).
[0024]
On the other hand, a column having the same configuration as A1 described above was prepared as the control column A2 except that the low water permeability soil layer A4 was not provided.
[0025]
A solution A8 obtained by adding potassium nitrate to tap water was supplied to the columns A1 and A2, and changes in the nitrate nitrogen concentration of the solution at the outlet were examined.
[0026]
The graph of FIG. 6 shows the nitrate nitrogen concentration at the outlet when the 20 mg / L potassium nitrate solution was supplied at 0.05 ml / day. As shown in the figure, in the control column A2, the nitrogen removal effect was not obtained, whereas in the column A1 provided with the low water permeability soil layer, the nitrogen concentration at the outlet was about 1 to 5 mg / day after about 10 days from the start of the experiment. Remarkably reduced to about L.
[0027]
Thus, the effect of the removal method of nitrate nitrogen concerning this invention which provided the low-permeability soil layer was confirmed.
[0028]
In addition, when a site is large and permeated water permeates a small part thereof, it is assumed that the low water permeability layer is not uniformly wetted. In such a case, for example, as shown in FIG. 7, a
[0029]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it can be applied to a drainage soil infiltration treatment plant that needs to maintain aerobic fields and several tens of centimeters of soil surface, and can be efficiently and easily performed without providing a structure. A method for removing nitrate nitrogen from soil infiltrated water that can be denitrified is provided.
[0030]
By using the present invention, it is possible to remove nitrate nitrogen from soil infiltrated water, in particular, nitrogen efficiently from the infiltrated water from soil infiltration treatment plants and fields of drainage, and its industrial value is tremendous. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between moisture saturation and depth from the ground surface.
FIG. 3 is a graph illustrating the relationship between the clay soil ratio and the saturated hydraulic conductivity.
FIG. 4 is a diagram illustrating a concept in another example of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an outline of an experimental apparatus.
FIG. 6 is a graph for explaining the temporal change of nitrate nitrogen concentration at the column outlet.
FIG. 7 is a diagram for explaining a concept in another example of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (13)
土壌中の下層の上に、電子供与体が混入された電子供与体混入層を直接接して設ける工程と、
前記電子供与体混入層の上のみに選択的に、低透水性土壌層を直接接して設ける工程と、
前記電子供与体混入層に向けて、前記低透水性土壌層の深さ方向に前記土壌浸透水を通過させ、前記土壌浸透水への酸素の供給を抑制する工程と、
前記酸素供給が抑制された土壌浸透水を、前記下層に向けて前記電子供与体層の深さ方向に通過させて前記電子供与体に接触させて脱窒を行なうことにより、前記硝酸態窒素の濃度を低減する工程と、
前記硝酸態窒素が低減された前記土壌浸透水を、前記下層に浸透させる工程と
を具備することを特徴とする方法。A method for removing nitrate nitrogen from soil seepage water containing nitrate nitrogen,
A step of directly contacting an electron donor mixed layer mixed with an electron donor on a lower layer in the soil;
Selectively providing only a low water-permeable soil layer on the electron donor-mixed layer; and
Passing the soil permeated water in the depth direction of the low water permeability soil layer toward the electron donor mixed layer, and suppressing the supply of oxygen to the soil permeated water;
By passing the soil permeated water in which the oxygen supply is suppressed toward the lower layer in the depth direction of the electron donor layer and bringing it into contact with the electron donor to perform denitrification , Reducing the concentration ; and
A step of infiltrating the lower layer of the permeated water with reduced nitrate nitrogen into the lower layer .
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