JP4224635B2 - 磁場による生物学的脱窒素促進方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水質・土壌などを浄化する環境修復技術と使用済みイオン交換樹脂をリサイクル使用する循環型社会システムに関わる技術であって、工場・家庭・屎尿処理場など各種廃水の一般的な浄化方法である活性汚泥法を効率化する技術であり、水族館・養魚場・観賞魚などの飼育水を浄化する新しい技術であり、生物化学的脱窒素法に磁場を作用させることで脱窒素作用を促進する方法及びその装置に関する．
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境汚染物質として社会問題となっている水に含まれる硝酸性窒素の蓄積を除去するために、処理水をイオン交換樹脂に通流して除去する方法や微生物による脱窒素作用効果を高めるために、メタノール等を添加する方法が一般化しているが、安価で効率的な方法であるとは言えない．
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
動物の死体や排泄物は、土壌微生物による分解と再合成を経て、土壌有機物となる．この有機物は、更に分解・無機化され、アンモニュウムイオン（ＮＨ４＋）になり、アンモニュウムは、亜硝酸菌・硝酸菌により酸化され、亜硝酸（ＮＯ2−）から硝酸（ＮＯ３−）になる．条件によってはこの硝酸（ＮＯ３−）が硝酸還元菌によって亜硝酸（ＮＯ2−）に、更に亜硝酸（ＮＯ2−）がアンモニュウム（ＮＨ４＋）に還元されることもある．酸素の少ない嫌気性下で、亜硝酸は脱窒素菌の働きにより、窒素ガス（Ｎ2）となって空気中に逃される．このようにバクテリアの働きによる窒素化合物の循環、所謂窒素サイクルによって自然環境が維持されている．しかしながら、近年、工場・家庭・屎尿処理場など各種廃水に含まれる硝酸性窒素の蓄積が、環境汚染の要因として大きな問題となっており、また水族館・養魚場・観賞魚などの飼育水に魚に有害な窒素化合物を増加させることなく、飼育水を長期間継続使用できる簡便な浄化技術が求められており、これら排水や飼育水に含まれる窒素化合物の低減対策が望まれている．
【０００４】
そこで、本発明は、微生物による環境浄化作用、特に窒素サイクルを有効に働かせて、有害な窒素化合物の蓄積を、安価で効率的に低減する方法と装置を提供することを課題とする．
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、生物学的脱窒素法において、磁場を作用させることで処理水の脱窒素作用を促進する方法及びその装置である．
また、請求項２の発明は、イオン交換樹脂吸着体に生物濾過膜を形成し、これに処理水を通流する生物学的脱窒素法において、磁場を作用させることで処理水の脱窒素作用を促進する方法及びその装置である．
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、生物による脱窒素作用が行われている環境下であればよく、特に使用して効果的な場所は、各種産業や生活用水の排水処理設備での活性汚泥や、生物濾過を基本とするバイオリアクターで、濾過床を有する環境が望ましく、さらに好ましくはイオン交換樹脂、特に微粒子状イオン交換樹脂よりなる濾過吸着体に窒素成分を含む被処理水を通流して浄化するシステムであり、これら生物学的脱窒素作用が行われている場所に、磁場を作用させることで、微生物による酵素作用、特に脱窒素作用を促進できる．
【０００７】
脱窒素菌は、通性嫌気性菌に属し、好気的条件下でも嫌気的条件下でも生存するが、嫌気性条件下では、硝酸性・亜硝酸性窒素に結合している結合酸素を利用して増殖し、結合酸素の一部は水素受容体として使われ、その結果、遊離窒素が生成し、空気中に逸散すると考えられている．
【０００８】
脱窒素菌によるこのような生理作用に、磁場が反応を促進する方向に作用するものと推定され、その作用機構については明らかでないが、観賞魚飼育水を処理水として、水槽に付着するスライム発生に対する磁場の影響を調べる試験を続ける過程で、処理水の硝酸性窒素が著しく減少するという、予期しない磁場の作用効果を見い出した．
【０００９】
本発明で言う生物学的脱窒素法とは、活性汚泥法で代表されるバクテリアや植物で代表される生物の酵素作用による脱窒素作用を意味し、ラジカル反応を基本にしていると推定される．
【００１０】
本発明のきっかけとなった観賞魚飼育水の循環型生物濾過床は、使用済みイオン交換樹脂を微粒子状に機械粉砕してリサイクル使用することに特徴があり、本濾過材の詳細については、本発明者の一人が既に特願平１１−３７６３７１で明らかにしている．
【００１１】
イオン交換樹脂吸着体を支持層とする生物濾過膜を利用することで、脱窒素作用が改善されることは既に知見していたが、その作用効果は、本発明で言う磁場を作用させた場合の効果とは比較にならない程小さく、本発明で開示する磁場の効果は甚大である．
【００１２】
磁場の作用効果を知るために、観賞魚を飼育している水槽で、配管挟込式磁気処理装置の商品名ハドーコージＭ型を用いて、イオン交換樹脂吸着体を支持層とする生物濾過膜に対する磁石の取付位置を変えることで磁場の作用効果を試みた結果、前記生物濾過膜の入口配管・出口配管の何れでも効果は認められたが、図１に示すように前記磁気処理装置９ａを生物濾過膜３への被処理水入口配管７に取り付けて通流した場合の方が、図２のように前記磁気処理装置９ａを生物濾過膜３の処理水出口配管８に取り付けて通流した場合よりも、脱窒素作用効果が大きいことを知った．前記磁気処理装置９ａを前記生物濾過膜３の処理水出口配管８に取り付けた場合は、通流した磁気処理水が観賞魚飼育水槽内の水と混合希釈されるために、前記生物濾過膜３に達する時には脱窒素作用効果が減少するものと推定される．
【００１３】
更に、図３に示すように磁力が弱く且つ寸法が小さい永久磁石９ｂを、生物濾過膜３の内部に設置して試験した結果、著しく脱窒素作用効果を高めることが認められた．
【００１４】
従って、磁場の強さは、脱窒素作用効果に決定的なものではなく、図３・図４・図５・図６の永久磁石９ｂように、磁力が弱くても磁場を作用させる場所が重要で、脱窒素作用が行われる生物濾過膜に近いところで磁場を働かせるほど脱窒素作用効果が高まるものと思われる．
【００１５】
これら磁場の脱窒素作用効果を、人間の体内における作用に置き換えて考えると、人間が磁気処理された水を飲用する時、人間体内の口腔・胃・腸内などのバクテリアに働き、脱窒素作用が促進され、正の効果があるものと推定されるが、人間の生理作用については単純でなく、共存する食物成分によって作用効果も違ってくるものと思われる．
【００１６】
また、飲料水の水質基準に適する硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素の含有量は、１０ｍｇ／ｌ以下と定められているが、飲用すると胃内バクテリアの作用で亜硝酸になり、特に乳幼児にとって有害であることが知られており、硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素は、飲用水から忌避されるべきものである．しかしながら、このような窒素酸化物を効率的に除去する方法はなかっただけに、本発明による環境修復効果は重要である．
【００１７】
磁場を作用させる方法は、コイルに通電して作る電磁石の磁場を使用しても、永久磁石の磁場を使用してもよく、脱窒素作用を促進させる生物濾過膜の規模・形状・場所に適する方を採用すればよい．電磁石を使用する場合には、磁場の磁力をコントロールできる利点があり、永久磁石を使用する場合は、一度設置することで電源を要することなく半永久的に使用できる利点がある．電磁石・永久磁石の何れを使用する場合でも、磁気処理効果を得るために、磁場の中を被処理水が移動するよう、磁場を固定して被処理水を動かすか、被処理水を固定して磁場を動かす必要がある．
【００１８】
例えば、被処理水を動かす場合の装置としては、イ．図１・図２のように生物濾過膜に被処理水又は処理水が通流するパイプに電磁石９ａによる磁場を作用させる．ロ．図７・図８のように生物濾過膜全体または一部に対して、上下・左右・周囲の何れかの方向から電磁石９ｃの磁場を作用させる．ハ．図１・図２のように生物濾過膜に被処理水が通流するパイプに、永久磁石を有する磁気処理装置９ａを設置して磁場を作用させる．ニ．図３・図４・図５のように被処理水が通流する生物濾過膜の外面、あるいは内部に必要数の永久磁石９ｂを設置して磁場を作用させる．ホ．前記ニ項において、生物濾過膜の表面または内部に必要数の永久磁石を埋設して作用させる場合、図６のように予め生物濾過膜３に設置する間隔で必要数の永久磁石９ｂを位置決め用網状シート１１に固定しておくと取り扱いや再利用が容易となり、大規模な生物濾過膜にも使い易い．
【００１９】
被処理水を固定して磁場を動かす場合は、磁場を動かす仕掛けが必要となり、前述の磁場を働かせる被処理水を動かす場合よりも装置が複雑となる．
【００２０】
以下、磁場を固定して被処理水を動かす場合の実施例について説明するが、本発明を限定するものではない．
【００２１】
【実施例１】
容積６００リットル、温度２５℃の水槽に、金魚大小３０匹を給餌量３ｇ／日，窒素量０．２７ｇで飼育して６ヶ月以上経過し、水槽に藻が発生している飼育水を用いて、磁場の作用効果を試みた．飼育水は、既に硝酸性窒素が３０ｍｇ／ｌ蓄積しているが、アンモニュウムと亜硝酸性窒素の蓄積はない水で、この水をポンプにより、毎時２００リットルの流速で循環し、イオン交換樹脂吸着体による生物濾過膜により浄化処理されている．
【００２２】
配管挟式で配管側の表面磁力０．７テスラの永久磁石磁気処理装置の商品名ハドーコージＭ型を図１のようにイオン交換樹脂吸着体による生物濾過膜３の被処理水入口配管７に設置した場合と図２のように処理後の処理水出口配管８に設置した場合で、作用効果にどのような差があるかを調べた．最初に、直径３ｃｍの前記処理水出口配管に設置し、８日間実施後、設置個所を前記被処理水入口配管に移して硝酸性窒素の消長を調べた．硝酸性窒素の測定は、カドミウム還元法により比色定量した．その結果を、硝酸性窒素（ＮＯ３ーＮ）の推移を、単位ｍｇ／ｌで表１に示す．
【００２３】
表１に示すように、出口配管で磁場を作用させた場合、１日当たり０．１ｍｇ／ｌ前後の硝酸性窒素（ＮＯ３ーＮ）が増加しているが、生物濾過膜への被処理水入口配管で磁場を作用させた場合、磁気処理装置設置時の硝酸性窒素（ＮＯ３ーＮ）が３６．２ｍｇ／ｌであったものが、設置後８日で１４．４ｍｇ／ｌ低下し、２１．８ｍｇ／ｌとなった．このことは、生物濾過膜への被処理水入口配管で磁気処理した方が、作用効果が強いことを示している．
【００２４】
【実施例２】
水槽の下部にイオン交換樹脂繊維の生物濾過膜を有し、エアーポンプとエアーリフト配管によるエアーリフト現象を利用して水を循環させるシステムを持つ水量１０リットルの観賞魚飼育用水槽で、エアーリフト配管に配管挟式で配管側の表面磁力０．４テスラの永久磁石磁気処理装置の商品名ハドーコージＳ型を設置した．前記磁気処理装置設置時は、水替え後１ヶ月以上経過し、イオン交換樹脂繊維には生物濾過膜が形成されており、硝酸性窒素は既に９ｍｇ／ｌ存在していたが、アンモニウム及び亜硝酸性窒素の蓄積はなかった．この水槽に、体調１０ｃｍの金魚３匹を入れて、１日当たり０．３ｇ（窒素量０．０２７ｇ）の餌を与えながら飼育し、硝酸性窒素（ＮＯ３ーＮ）の濃度の推移を測定した．その結果を単位ｍｇ／ｌで表２に示す．
【００２５】
表２で明らかなように、磁気処理することで、通常は徐々に増加傾向にある硝酸性窒素が日数の経過に伴って低下しており、アンモニウムと亜硝酸性窒素の蓄積もなく、窒素サイクルが順調に進んでいることを認めた．
【００２６】
【実施例３】
表面磁力０．１テスラの小型永久磁石の商品名マグネピースＭ−２型３個を２００ｍｌのイオン交換樹脂繊維吸着体の中に埋め込み、硝酸菌と脱窒素菌の懸濁液を通流し、イオン交換樹脂吸着体に生物濾過膜を形成し、硝酸性窒素が８．２ｍｇ／ｌ.蓄積している飼育水を用いて、実施例２と同様に金魚を飼育し、硝酸性窒素（ＮＯ３ーＮ）の消長を調べた．その結果を単位ｍｇ／ｌで表３に示す．
【００２７】
表３で明らかなように、磁力は実施例２より弱いにも拘わらず脱窒素作用効果は高く、磁石は生物濾過膜に直接埋め込み、磁力線を水が通流するように工夫することが重要であることが判った．
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような方法と装置によって、以下に記載するような効果を奏する．工場・家庭・屎尿処理場など各種廃水に含まれ及び又は生成される、人体に有害な硝酸性窒素・亜硝酸性窒素が蓄積して、水質汚染の大きな要因となっているが、本発明による効率的な方法と安価な装置によって、硝酸性窒素・亜硝酸性窒素の蓄積を抑制するばかりではなく、容易に低減することができ、水質改善に寄与することができる．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図２】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図３】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図４】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図５】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図６】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図７】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【図８】本発明の一実施形態を示す装置断面図である．
【符号の説明】
１ 処理槽
２ａ 被処理水
２ｂ 処理水
３ 通常の生物濾過膜又はイオン交換樹脂吸着体の生物濾過膜
４ 上部支持体
５ 下部支持体
６ ポンプ
７ 被処理水入口配管
８ 処理水出口配管
９ａ 電磁石又は永久磁石の配管挟込式磁気処理装置
９ｂ 永久磁石
９ｃ 電磁石
10 水の通流方向を示す矢印
11 永久磁石位置決め用網状シート

Claims (2)

1. 生物学的脱窒素法において、生物濾過膜を形成した濾過吸着体を充填した濾過床の入口及び又は濾過床内部に永久磁石又は電磁石を具備し、磁場を作用させることで、被処理水の脱窒素作用を促進することを特徴とする装置
2. イオン交換樹脂吸着体に生物濾過膜を形成し、これに被処理水を通流する生物学的脱窒素法において、吸着体を充填した濾過床の入口及び又は濾過床内部に永久磁石又は電磁石を具備して脱窒素作用を促進することを特徴とする方法。