JP4324740B2 - Elution device for amorphous silica - Google Patents
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Description
本発明は、河川、湖沼、内湾海域等の水域のうちで、富栄養化赤潮等が原因で水質にシリカが不足する水域において、珪藻類の増殖促進を行うための、非晶質シリカの溶出装置に関する。 The present invention is an elution of amorphous silica for promoting the growth of diatoms in water areas such as rivers, lakes, inner bay sea areas, etc., where silica is insufficient in water quality due to eutrophication red tide etc. Relates to the device.
特開2001−258420号報には珪藻類増殖用の珪素溶出材料に関し、海水中で鉄分を溶出せずに珪素分を効率よく溶出する材料を開発したものがある。
特開平10−94341号報には有害赤潮の予防法に関し、海中にガラス質材 料を配置したものがある。また珪素分を溶出するガラス質材料を開発したものがある。
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-258420 has developed a material that efficiently elutes silicon without eluting iron in seawater with respect to a silicon-eluting material for diatom growth.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-94341 discloses a glassy material placed in the sea regarding a method for preventing harmful red tides. Some have developed a vitreous material that elutes silicon.
特開2003−82261号報には護岸、河床、堰堤、波消ブロック、漁礁等の構造体上に水生植物増殖塗膜を施しているものがある。また水生植物増殖塗料および塗膜の形成方法を開発したものがある。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-82261 includes an aquatic plant propagation coating on a structure such as a seawall, river bed, dam, wave-dissipating block, fishing reef and the like. Some have developed aquatic plant breeding paints and methods for forming coatings.
特開平8−215691号報には廃棄物埋め立て地盤内の地下水を浄化するシステムに関し、揚水井戸、シートパイル、噴水装置浸透池を配置している。 Japanese Patent Laid-Open No. 8-215691 relates to a system for purifying groundwater in waste landfill, and includes a pumping well, a sheet pile, and a fountain device seepage pond.
特開平10−151447号報については湖沼等の深層水の浄化装置に関するもので、装置の電源として水面上に太陽電池を配置している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-151447 relates to a deep water purification device such as a lake, and a solar cell is disposed on the water surface as a power source of the device.
「ゆたかな海の生態系を支える河川システムの研究」にはII.3〜4pかけて近海域のシリカは主に河川から供給されることまた河川水中のシリカの供給源は地下水である事が記述される。また III.2〜7pかけては河川より供給される栄養塩と沿岸でのプランクトン発生との関係、河川水量と栄養塩を直接摂取するのり、ワカメの収穫量と高い相関性、また牡蠣、帆立貝についても相関性が認められること、珪藻は植物プランクトン食性の魚介類にとって好ましい事、珪藻類の繁殖には栄養塩として珪素が必要な事、沿岸域での珪素の供給の多くは河川由来の事の記述がある。 II. “Studies on river systems that support the rich ecosystem of the sea” It is described that silica in the near sea area is mainly supplied from rivers over 3-4p, and that the source of silica in river water is groundwater. III. Between 2 and 7p, the relationship between nutrients supplied from rivers and coastal plankton generation, direct intake of river water and nutrients, high correlation with seaweed yield, oysters and scallops Diatoms are preferred for phytoplankton-eating fish and shellfish, diatoms require silicon as a nutrient for their breeding, and most of the supply of silicon in coastal areas is from rivers. is there.
「ダム湖のプランクトン種コントロールに関する研究」 水資源開発公団試験研究所年報(平成14年)には31〜39pにかけて従来の培地(CT改変培地)での珪藻増殖効果(競合特性)の不安定性について記載がある。 "Study on plankton species control in dam lakes" Instability of diatom growth effect (competitive characteristics) on conventional medium (CT modified medium) over 31-39p in Water Resources Development Corporation Testing Laboratory Annual Report (2002) There is a description.
「貯水池機能の保全施設 水質保全(富栄養化対策等)」ダム技術 No.212 2004.5には12〜20pにかけて曝気による貯水池水質改善技術についての紹介がある。 “Conservation facility for reservoir function Water quality conservation (eutrophication measures, etc.)” Dam Technology No. 212 2004.5 introduces reservoir water quality improvement technology by aeration over 12-20p.
河川整備基金事業「栄養塩濃度が河川水質環境に及ぼす影響に関する研究」には33〜34pにかけてシリカに関する半飽和定数Ksについて記載がある。また河川水質中のシリカ燐比について記載がある。(浅枝隆、藤本尚志 3.2.2付着藻類)
同報告書68〜70pにかけてはシリカ濃度が海域や湖沼の表層で低いことについて記載がある。(佐藤和明、事務局4.1.1全国河川の栄養塩類濃度の現況と推移)
同報告書113〜117pにかけては珪藻のAGP試験結果のついての紹介がある。(藤本尚志4.3河川水中の栄養塩濃度と付着藻類の増殖)
「ダム貯水池の水環境 Q&A」(財)ダム水源地環境整備センターには40〜41pにかけて貯水池内の水の流動について記載がある。また42〜43pにかけては貯水池の水温鉛直分布について記載がある。73pにかけては夏期のプランクトン活動の激しい時期に貯水池表層部においてpHが増大することについて記載がある。
The river maintenance fund project “Study on the Effect of Nutrient Concentration on River Water Quality Environment” describes the half-saturation constant Ks for silica from 33 to 34p. There is also a description of the ratio of silica phosphorus in river water quality. (Takashi Asae, Naoshi Fujimoto 3.2.2 Algae attached)
In the report 68-70p, there is a description that the silica concentration is low in the surface area of the sea area and lakes. (Kazuaki Sato, Secretariat 4.1.1 Current status and trends of nutrient concentrations in rivers nationwide)
About the report 113-117p, there is an introduction about the AGP test result of diatom. (Naoshi Fujimoto 4.3 Concentration of nutrients in river water and growth of attached algae)
“Water Environment Q & A of Dam Reservoir” The Dam Water Source Environment Improvement Center describes the flow of water in the reservoir from 40 to 41p. Moreover, from 42 to 43p, there is a description of the water temperature vertical distribution of the reservoir. There is a description that the pH increases in the surface layer of the reservoir during the summertime when plankton activity is intense.
「コンクリート構造物のアルカリ骨材反応骨材反応」には17〜19pにかけて非晶質シリカのアルカリ反応モデルについての記載がある。 "Alkali-aggregate reaction aggregate reaction of concrete structure" describes the alkali reaction model of amorphous silica over 17-19p.
「シリカの溶解に及ぼす亜硫酸ナトリウムの促進効果」日本地熱学会平成16年度学術講演会 講演要旨集B−14には亜硫酸ナトリウムがシリカと錯体を形成しこれによってシリカの溶解度がかなり高まる事、また電解質はシリカの溶解を妨げる事について記載がある。 "Promoting effect of sodium sulfite on silica dissolution" The Geothermal Society of Japan 2004 Annual Meeting Abstract B-14 shows that sodium sulfite forms a complex with silica, which significantly increases the solubility of silica. Describes that it prevents the dissolution of silica.
「九州地方土木地質図解説書」には104〜111pにかけて姶良カルデラを噴出源とするシラスなど第4紀大規模火砕流に関する記述が、また358〜359pにかけては温泉成分に関する記述がある。 The “Kyushu Regional Civil Geological Map Guidebook” describes the Quaternary large-scale pyroclastic flow such as Shirasu with Aira caldera from 104 to 111p, and the hot spring component from 358 to 359p.
「水質調査法」には54〜55pにかけて全国一級河川等の河川水質についての一覧表があり、この中で珪酸の含有量に関する記載がある。 The “Water Quality Survey Method” has a list of river water qualities such as first-class rivers nationwide from 54 to 55p, in which there is a description regarding the content of silicic acid.
Dorothy Carroll 著(松尾新一郎監・訳)「岩石の風化」には7〜8pにかけて風化作用により造岩鉱物よりシリカが溶脱することについて、また122pには図−23として非晶質シリカと石英のpHが変化した場合の溶解度の変化についての記載がある。 Dorothy Carroll (directed by Shinichiro Matsuo) “The weathering of rocks” describes the leaching of silica from rock-forming minerals by weathering from 7 to 8p. There is a description of the change in solubility when the pH changes.
「火砕流堆積層における複合的な止水処理−川辺ダム−」ダム技術 No.217 2004年10月号には24〜37pにかけてシラス台地にしばしば発達する溶蝕空洞についての記載がある。 “Complex water stoppage treatment in pyroclastic flow deposits-Kawabe Dam” 217 The October 2004 issue describes the erosion cavities that often develop in the Shirasu plateau from 24 to 37p.
山内豊聡 監修「九州・沖縄の特殊土」には153〜163pにかけてシラスに多量の火山ガラスが含まれることの記載がある。またシラスの物理的性質、透水係数、締め固め特性パイピング特性についての記載がある。 Supervised by Toyoji Yamauchi “Kyushu / Okinawa Special Soil” states that shirasu contains a large amount of volcanic glass from 153 to 163p. There are also descriptions about the physical properties, hydraulic conductivity, compaction characteristics and piping characteristics of shirasu.
「ADCP観測結果を用いた流量補正」ダム技術 No.197 2003年2月号39〜46pにはADCPは複雑な流況の把握が行える事、従来の浮子による観測より洪水時流量観測精度が向上できる事の記述がある。 “Flow correction using ADCP observation results” Dam Technology No. 197 February 2003 issue 39-46p describes that ADCP can comprehend complex flow conditions and that the flow rate observation accuracy during flooding can be improved compared to conventional observations using floats.
「H−ADCPを用いた河川流量観測システムの開発と現地試験観測結果について(3) 」土木学会第56回年次学術講演会論文集には水平方向に流速測定を行うことにより、河床変動にも対応可能なH−ADCPによる断面流量観測システムと同装置による断面流量観測結果ついて記述がある。 “Development of river flow monitoring system using H-ADCP and field test observation results (3)” The 56th Annual Scientific Lecture Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers The H-ADCP cross-sectional flow rate observation system and the cross-sectional flow rate observation result using the same device are also described.
新版地学辞典の383pに珪藻土に関する記述、また616pに真珠岩に関する記述、1084pにはピッチストーンに関する記述がある。 In the new edition of the Geographical Dictionary, there is a description of diatomite in 383p, a description of pearlite in 616p, and a description of pitchstone in 1084p.
東北地方土木地質図解説書には46〜47pにかけて石英安山岩質〜流紋岩質の火砕流について記載がある。 In the Tohoku Civil Engineering Geographic Map, there is a description of the pyroclastic flow of quartz andesite to rhyolite from 46 to 47p.
日本の地質1北海道地方 日本の地質北海道地方編集委員会編には166〜167pにかけて石英安山岩〜流紋岩質の支笏軽石流堆積物に関する記述がある。 Geology of Japan 1 Hokkaido Region The Geological Hokkaido Regional Editorial Board edition describes 166-167p on quartz andesite-rhyolite shikotsu pumice flow deposits.
「多目的ダムの建設第4巻」第31章 洪水吐の機能設計の104pには越流の場合の流入量についての記載がある。 104p of “Multipurpose Dam Construction Vol. 4” Chapter 31 Functional Design of Spillway has a description about the inflow in case of overflow.
山本荘毅・榧根 勇 監修、建設省水文研究グループ編訳「最新地下水学」調査と実務のガイドラインの156pには帯水層中を揚水井戸に向かい、流れる浸透流量ついて記載がある。 156p of “Latest Underground Hydrology” supervised and supervised by Ministry of Construction's Hydrological Research Group, supervised by Yamamoto Sogo and Sone Isao, describes osmotic flow that flows through the aquifer toward the pumping well.
千輝 淳二著 伝熱計算法 第7章定常熱伝導 7.3合成球殻の熱伝導の120pには球殻の間を流れる定常熱量を求める数式について記載がある。
Chiji Shinji, Heat Transfer Calculation Method
(株)電業社機械製作所 ポンプ設備計画資料2000年 1−1p、2−2〜3pにはポンプの形式能力について記載がある。 Electric Machinery Co., Ltd. Pump Equipment Planning Document 2000 1-1p, 2-2-3p describes the formal capacity of the pump.
太陽光発電モジュールに関する三洋電機HP、
太陽熱温水器に関するコロナ社HP、
「有害アオコ」あれ・これ 学士会報 2004 VINo.849の129〜135pには藍藻類のうちアオコの毒性についての紹介とヨーロッパ等における水道専用水源地での対策の紹介がある。
Sanyo Electric HP for photovoltaic modules
Corona HP for solar water heaters,
“Harmful Aoko” That ・ This Bulletin Bulletin 2004 VINo. 849, 129-135p, introduces the toxicity of blue-green algae, and measures at water sources dedicated to water supply in Europe.
「水循環に伴うシリカの収支と珪質堆積物」ダム技術No.164 2000年5月には3〜8pにかけて全国の河川から供給されるシリカの総量を求めた記載がある。
珪藻の繁殖により、生態的に競合する藍藻類や渦鞭毛藻類等の増殖を押え、富栄養化や赤潮の防止対策に資することが目指す課題である。また同時に珪藻繁殖技術の確立は非特許文献1にあるように沿岸域を含めた水域での生態系について豊かなものへの改善につながる。
The goal is to contribute to eutrophication and prevention of red tide by suppressing the growth of ecologically competing cyanobacteria and dinoflagellates by breeding diatoms. At the same time, the establishment of diatom breeding technology leads to an improvement in ecosystems in water areas including coastal areas, as described in Non-Patent
特許文献1,2にあるような従来の、海中で珪藻類等の繁殖を目指す技術では、電解質が多くシリカが溶出しにくい海水に対し、溶け易い非晶質シリカ材料の開発に力点が置かれ、海水中にシリカを拡散させる方法としては上記の開発材料を海水中に直接曝露し溶解させる方式を採用している。従って本発明とは溶出材料、溶出方法、補給拡散方法が異なっている。溶出しても補給が必要な水域にシリカが全体的に拡散し行き渡らないと珪藻はうまくこれを利用する事が出来ない。全体的に効率的な補給や適切な補給量あるいはコストに関する検討が十分ではない。
In the conventional technologies aiming at the propagation of diatoms and the like in the sea as described in
特許文献3の述べられる水生生物増殖塗膜はその組成の一部に特開平4−18338号公報記載の方法により製造される活性化されたシラス等を使用した活性化シリカを含む。
The aquatic organism propagation coating described in
しかしながらその目的は設置後短時間で、固着性の海草の繁殖やそれに伴う水生生物の増殖を目指すもので、本発明のようにプランクトンである珪藻類対するシリカ補給を目的としていない。 However, its purpose is to aim for the propagation of sticky seaweed and the accompanying aquatic life in a short time after installation, and not for the purpose of replenishing silica to planktonic diatoms as in the present invention.
特許文献4にあるシートパイルによる地盤の締め切りは水質浄化を行った水を締め切った地盤内において浸透させるためのもので、本発明のように原水へのシリカの補給を行う目的で大量の水処理が必要な場合、地盤をシートパイルで円筒状に締め切り、その内部を掘削して得られる空間を溶出材料で充填した浸透室として利用する目的、用途とは異なっている。また締め切りの形状も異なっている。
The deadline of the ground by the sheet pile in
特許文献5にある太陽電池は深層水の水質浄化のため、光源の電源を得る目的で設置されている。従って本発明の設置目的とは異なっている。本発明では装置内の水の循環を行うためのポンプを駆動するモーターの電源として太陽光発電装置を利用している。
The solar cell described in
非特許文献2に述べられるように、珪藻の培養試験を行う従来のAGP(Algal Growth Potential)試験の改変培地についてもpH調整は行われているものの、元来はアルカリ性の強い珪酸ナトリウムを用いている。培地中でのシリカの状態が珪藻にとって利用し易い状態なのか、などの吟味が必ずしも十分ではない。
As described in
非特許文献3に述べられるように、温度成層状態を緩和し、表層水中での流れを回復する浅層での曝気循環については、シリカを含む栄養塩の循環を復活し、特定の藻類のみが繁殖する環境条件を解消し、珪藻類の増殖も促す対策として富栄養化の顕著な一部のダム貯水池等では既に実施されている。しかしながら問題の藻類発生を抑制する対策として有効性は認められているが、すべてのケースで決定的な対策とはいえない。
As described in
溶出材料としては非特許文献8に示すような、酸性から一部中性にかかる火成岩成分を持ち、火山ガラスつまり非晶質シリカを多量に含有し、かつ多孔質であるシラスやシラスと類似する第4紀火砕流堆積物あるいは降下軽石堆積物を選定している。
As an elution material, as shown in
非特許文献9に示されるように全国の河川の中ではシラス等分布域が流域に多く含まれる河川でのシリカ(珪酸)の含有量が高いこと、また以下のようにシラス等には水に対する溶解性があると考えられることがその選定理由である。
As shown in
非特許文献7および10に示されるように非晶質シリカではpH8以下の領域でも100g/m3 近い溶解度があるといわれる。しかしながら平衡状態に達するまでには長時間を要する。非特許文献12によればシラスには多孔質の軽石などとして火山ガラスつまり非晶質シリカが重量比で70〜90%程度含まれる。
As shown in
非特許文献11によればシラスあるいはその前期の火砕流堆積物から構成される台地はしばしばドリーネ状の穴や横穴がその内部に発達する。これらは水みちとなってシラスの斜面崩壊に関係する事もある。これらの空洞の形態は石灰岩中に見られる溶蝕空洞に酷似しており、その表面も滑らかなことから、その成因としてパイピングと水の溶解作用に関係すると推察される。
According to
一般にシラスは未固結で、新鮮な地山状態のものでは一定の粒度分布範囲を示す。非特許文献12によれば間隙比を指定すれば透水性について推定することが出来る。これにより間隙比を求め、これから透水係数を算出すると1×10-5m/s程度と推定される。もし採取の過程で細粒分をカットすれば間隙比が上昇するので、透水係数について増加させる事も可能である。しかしながら透水係数を増大させると同時に溶出濃度が減少する可能性がある。
In general, shirasu is unconsolidated, and in a fresh ground state, it shows a certain particle size distribution range. According to
シラスとこれに類似する第4紀火山噴出物あるいは火砕流堆積物以外の代替材料には非特許文献15によれば、少量の水と多量のシリカを含む珪藻土、真珠岩、ピッチストーンあるいは松脂岩がある。しかしながら破砕等のプロセスが必要になる等コスト的に高い可能性もある。ただし地域によってはこれらを低コストで購入できる可能性がある。代替材料としてはガラス廃棄物系の材料もまた検討対象になりうる。
According to
高水頭と低水頭を溶出材料の外側を取り囲むように配置した加圧槽と中心部に配置した揚水装置の組み合わせで作り出し、その間に溶出材料で充填した部屋を配置し、そこで生ずる浸透過程の中で、溶出材料からの浸透水中へのシリカの溶出を効率的に行う事ができる。 A high water head and a low water head are produced by a combination of a pressurized tank placed around the outside of the elution material and a pumping device arranged in the center, and a room filled with the elution material is placed between them. Thus, silica can be efficiently eluted from the elution material into the permeated water.
また効率的な浸透と溶出材料の溶解を行うため、1次元浸透流の場合は円筒座標系z軸方向に平行な流れ、2次元浸透流は円筒座標系r方向で、かつ中心に向かう流れ、3次元の場合は球座標系r方向で、かつ中心に向かう流れを利用している。このような浸透流を生じさせるため溶出材料を包み込む部屋の形状は円筒形または球形となる。 In order to efficiently infiltrate and dissolve the elution material, in the case of a one-dimensional osmotic flow, a flow parallel to the z-axis direction of the cylindrical coordinate system, a two-dimensional osmotic flow flows in the direction of the cylindrical coordinate system r and toward the center, In the case of the three-dimensional case, a flow toward the center in the direction of the spherical coordinate system r is used. In order to generate such an osmotic flow, the shape of the chamber enclosing the elution material is cylindrical or spherical.
シリカ濃度を高めるには、シリカの溶出処理の終わった水を溶出装置内に再送し、浸透を繰り返す事が有効である。 In order to increase the silica concentration, it is effective to retransmit the water after the silica elution treatment into the elution apparatus and repeat the permeation.
対象とする水域にどれくらいの速度で、どれくらいの量、どれくらいの濃度のシリカを含む水を供給すべきなのか検討し、その必要量に基づきシリカを補給する装置の規模を決定するのが合理的である。 It is reasonable to consider how much, how much, and how much silica-containing water should be supplied to the target water area, and to determine the scale of the equipment that replenishes silica based on the required amount It is.
AGP試験の培地に用いるシリカ溶液の供給など培養試験には小規模な装置が適している。 A small-scale apparatus is suitable for a culture test such as supply of a silica solution used as a medium for an AGP test.
本装置を大規模化する場合には底面として地盤中の粘土層を利用し、容器外壁として円筒形を形成するように打ち込んだシートパイルを利用するなどすれば規模の変化にも柔軟な対応が可能である。 When this equipment is scaled up, it is possible to respond flexibly to changes in scale by using a clay layer in the ground as the bottom surface and using a sheet pile driven to form a cylindrical shape as the outer wall of the container. Is possible.
加圧槽への送水、揚水のためのポンプアップが必要となるがその揚程や流量は小さく、ポンプ能力として大きなものを必要としない。 Pumping up for water supply and pumping to the pressurized tank is required, but the head and flow rate are small, and a large pump capacity is not required.
このためその電源としては太陽光発電装置を使用する事が十分可能である。 For this reason, it is possible to use a photovoltaic power generator as the power source.
シリカを溶出させる原水は表面付近の水が適している。 Water near the surface is suitable as raw water for eluting silica.
非特許文献4では湖沼や貯水池等ではシリカが失われ易い傾向が指摘されている。また非特許文献5にあるように温度成層期には、循環期とは異なり水の動きが少なくなることも指摘される。この現象は水の動きが少ない温度成層期に表面付近から沈殿等によりシリカが失われ易い事を意味している。また非特許文献7によれば表面付近では水温が上昇し易く、さらに日照が連続すると活発に光合成が行われ、藍藻類等が繁殖し易く、水中からCO2 が消費されるため、pHが上昇し易い。このような状況から見て、温度成層の形成される時期には表面付近の水は高水温、高pH、低シリカ濃度になりやすい。
本装置においては温度成層期において水温が高く、pHの高くなった表面付近の水を選択的に取水が可能な手段として表面取水設備を配置している。 In this apparatus, the surface water intake equipment is arranged as a means capable of selectively taking water near the surface where the water temperature is high and the pH is high during the temperature stratification period.
非特許文献6あるいは7のように水酸化ナトリウムあるいは亜硫酸ナトリウム等の薬品に依存せず、水中へのシリカの溶出効率を高めるには、非特許文献8に示すように温泉には多量のシリカが含まれるのを見てもわかる通り、水温を高める事が有効である。シリカ溶出プロセスの前処理方法として、取水後の水を一定時間太陽熱温水器の集熱部中に通して、さらに水温を高める工夫をしている。小型装置の場合はヒーターによる加温を行うことが適切な方法である。また熱が周囲に奪われ水温低下が生じないように装置の周辺を断熱効果のある材料で覆うことも必要である。
To increase the elution efficiency of silica into water without depending on chemicals such as sodium hydroxide or sodium sulfite as in
海水に含まれる電解質はシリカの溶解を妨害する可能性が指摘されているので、このような材料では海水に対する溶解度は通常の水温では淡水より落ちる可能性がある。 Since it is pointed out that the electrolyte contained in seawater may hinder the dissolution of silica, the solubility of seawater in such a material may be lower than that of fresh water at normal water temperature.
海域へシリカ補給する場合、対策としては「0045」〜「0047」で述べたように浸透を繰り返すか、特許文献1にあるような材料の採用あるいはシリカ溶出プロセスの前段階で浸透膜等を利用して電解質を除去する方法あるいは水温の高い海水を利用する方法も考えられる。
When replenishing silica to the sea area, as measures, repeat the infiltration as described in “0045” to “0047”, or use a material as in
シリカの溶出処理の終わった水の放流先としても表面が適している。
その理由としては、非特許文献5にあるように温度成層形成期には表層においても水の動きが少なくなるが、表面付近では風の影響等により内部とは別の流れが生じ易く、水に溶けたシリカの拡散には有利になる。
The surface is also suitable as a water discharge destination after the silica elution treatment.
The reason for this is that, as described in
また非特許文献4からも推定されるように湖沼や貯水池等では温度成層期におけるシリカ挙動として沈殿傾向が強いと考えられ、水塊全体への供給を考えても表面付近での放流が可能な設備を設置することが適している。
In addition, as estimated from
湖沼や貯水池等の表面において取水と放流が同時に行う場合、取水口、放流口の配置についてもシリカが不足し、珪藻類の生育しにくい条件の水域をその間に挟み込む配置が効率的なシリカの拡散をおこなうため最も有効な配置となる。この際あらかじめ非特許文献13にあるようにADCP(AcousticDoppler Current Profiler),あるいは非特許文献14にあるH−ADCP(水平方向に超音波を発射する方式のADCP)を用いて、流れの潜り込み位置などあらかじめ表層の3次元流速分布を計測し、表面付近の流れの状況を把握あるいは認識しておくと、効果的な配置を決めるのに役立つ。
When water intake and discharge are performed simultaneously on the surface of lakes, reservoirs, etc., silica is insufficient for the arrangement of intake and discharge outlets, and it is efficient to place silica in the area where diatoms are difficult to grow. This is the most effective arrangement to perform. At this time, as described in
特に風によって引き起こされる吹送流に対しては風上側での設置は不利で、シリカが不足し、珪藻類の生育しにくい条件の水域が移動してくるのを風下側で取り逃がさない位置で待ちうける方が有利になる。また風下側であっても流れの潜り込み位置に近ければそこでの設置は効果的でない。 In particular, it is disadvantageous to install on the windward side for insufflation caused by the wind, and wait in a position where it will not be missed on the leeward side when the water area under conditions where it is difficult for diatoms to grow is insufficient. Those who receive it will be more advantageous. Even on the leeward side, if it is close to the flow dive position, installation there is not effective.
シリカが不足し、珪藻類の生育しにくい条件の水域であるかどうかの具体的判定については別途に水質分析やプランクトン調査などを行って判定を行う必要がある。また対象水域において温度成層期などに卓越する風の方向や流速をあらかじめ調査しておく必要がある。 It is necessary to conduct a separate water quality analysis, plankton survey, etc. to make a specific determination as to whether the water area is in a condition where the silica is insufficient and diatoms are difficult to grow. In addition, it is necessary to investigate in advance the wind direction and flow velocity that prevail during the temperature stratification period in the target water area.
非特許文献6に述べられるような化学的には効率のよい溶出手段であるアルカリを添加してない。非特許文献10で述べられるように風化作用より地下水にミネラルが溶出してくる自然の地下水浸透プロセスに共通した、大小の粒径の粒子として浸透室中に充填されているシラス等多孔質の非晶質シリカ中を水が浸透する方法により、シリカの溶出を行っている。
No alkali, which is a chemically efficient elution means as described in
従来の方法より珪藻の増殖に適したシリカの水中への溶出を行う事が出来る。 Elution of silica suitable for diatom growth into water can be performed by conventional methods.
本装置はシリカが不足する水域からの取水を行い、溶出処理によりシリカが添加された水シリカ濃度として数g/m3 から数十g/m3 オーダーを同水域に還元することにより、シリカを供給し、珪藻類の増殖促進を行う。 This equipment takes water from the water area where silica is insufficient, and reduces the silica concentration to several g / m 3 to several tens g / m 3 as the concentration of water silica to which silica is added by elution treatment. Supply and promote the growth of diatoms.
非特許文献4によれば珪藻類の繁殖に最低限必要なシリカ濃度あるいはシリカに関する半飽和定数Ksは淡水産珪藻に対し0.04〜0.08g/m3 オーダーであり、本装置により繁殖に必要な濃度のシリカを水溶液として供給可能である。
According to
海水については電解質が多く含まれるため、シリカの溶解度は下がると予想され、「0058」〜「0060」で述べたような対策が必要になる事も考えられる。しかしながら海産珪藻類の繁殖に必要な最低限のシリカ濃度あるいはシリカに関する半飽和定数Ksも淡水産珪藻類に比べて下がる可能性が高い。海産珪藻には中心目に属するものが多く羽状目に属するものの多い淡水産に比べると単位体積当たりのシリカ殻の重量は小さいと推定される。 Since seawater contains a large amount of electrolyte, the solubility of silica is expected to decrease, and measures such as those described in “0058” to “0060” may be required. However, the minimum silica concentration necessary for the breeding of marine diatoms or the half-saturation constant Ks related to silica is likely to be lower than that of freshwater diatoms. It is estimated that the weight of silica shells per unit volume is small compared to freshwater products where many marine diatoms belong to the central eye and many belong to the pterygium.
したがって従来の方法では問題視してきた低濃度であっても海域に対するシリカ補給は有効であると考えられる。 Therefore, it is considered that silica replenishment to the sea area is effective even at a low concentration which has been regarded as a problem in the conventional method.
「0036」〜「0037」で述べるように温度成層期において高い水温のもとで藍藻類等が繁殖すると表層水のpHが10程度までに上昇する。このような原水の水質の場合、表面取水設備を用いてこれを取水し、浸透室に導入すると水温やpHの影響でシリカの溶出は増大する。pHの影響をより有利に使え、シリカの溶出がより容易になる。 As described in “0036” to “0037”, the pH of the surface water rises to about 10 when cyanobacteria and the like are propagated under a high water temperature in the temperature stratification period. In the case of such raw water quality, if the water is taken using the surface water intake equipment and introduced into the infiltration chamber, the elution of silica increases due to the influence of the water temperature and pH. The effect of pH can be used more advantageously and silica elution becomes easier.
「0068」に述べる原水を取水後加熱して浸透室に供給しており、これによりシリカの溶出を更に促進している。 The raw water described in “0068” is taken and then heated and supplied to the infiltration chamber, thereby further promoting silica elution.
シリカの溶出材料としてシラスやシラスと同質の第4紀火山噴出物あるいは火砕流堆積物を選定し、球形あるいは円筒形の浸透室を持つ本装置内で温度を高めた原水を浸透させる事により、自然に近い状態でのシリカを溶出させている。 Silica and Quaternary volcanic eruptions or pyroclastic flow deposits of the same quality as Shirasu are selected as silica elution materials, and natural water with increased temperature is permeated in this device with a spherical or cylindrical infiltration chamber. The silica in the state close to is eluted.
このような材料を使う方法は、製造に手間やコストのかかる特殊な材料を使用するより材料に関してはコスト的な優位性がある。シラス等の国内における分布は広い面積を占め、非特許文献8,非特許文献16,非特許文献17から見ると、その賦存量は非常に大きく、コストも輸送コストが大部分を占めると考えられる。
The method using such a material has a cost advantage in terms of material rather than using a special material that is laborious and expensive to manufacture. The distribution in Japan such as Shirasu occupies a wide area. From the viewpoint of
必要補給量を考慮し、これに基づいて装置の規模を決定しているなど従来よりも対象とする水域に合理的にシリカを補給する事が出来る。 Considering the required replenishment amount, the scale of the apparatus is determined based on this, and it is possible to replenish silica to the target water area more reasonably than before.
本装置を大規模化する場合には底面として地盤中の粘土層を利用し、容器外壁として円筒形を形成するように打ち込んだシートパイルを利用するなどすれば規模の変化にも柔軟な対応が可能である。これは保温や壁の自立性の点からも有利である。これらにより従来の方法よりも対象とする水域に効率的に大量のシリカを供給するのに適している。 When this equipment is scaled up, it is possible to respond flexibly to changes in scale by using a clay layer in the ground as the bottom surface and using a sheet pile driven to form a cylindrical shape as the outer wall of the container. Is possible. This is also advantageous in terms of heat insulation and wall independence. These are suitable for supplying a large amount of silica more efficiently to the target water area than the conventional method.
植物プランクトンの増殖上、表面付近は光合成を行うのに最も有利な場所なので、表面付近にシリカを含む水を放水口より供給し、そこで珪藻類の増殖に有利な条件を作ってやる事は珪藻を水域全体で繁殖させ、反対に藍藻類等の繁殖を押え込む上でも有利になる。 Because of the growth of phytoplankton, the surface area is the most advantageous place for photosynthesis, so water containing silica is supplied from the outlet near the surface, and it is important to create conditions that are advantageous for diatom growth. It is also advantageous in that it propagates in the whole water area and conversely suppresses the growth of cyanobacteria and the like.
温度を高め溶出させたシリカを水溶液として含む水を、液体の状態として供給するのでシリカが不足する水域において広く拡散させ、効率的な補給を行う上で水中に溶出材料を直接曝露する従来の方法より有利になる。 Conventional method of directly exposing the eluted material to the water for efficient replenishment by widely diffusing water containing silica that has been eluted at an elevated temperature as an aqueous solution in a liquid state so that the silica is insufficient. Become more advantageous.
一定の距離を置いて配置する取水口と放水口については、表面付近の流れの状況を考慮ながら、シリカの補給をおこなうべき水域を挟み込んだ位置が有利となる。特に吹送流に対し、風上側への配置は有効である。この水域の形状は吹送流等に長時間乗っていると帯状になる。この帯の幅が広い場合取水口放流口の配置としては両者を結ぶ線を風の方向に対し直角方向に配置するか、また狭い場合は両者を結ぶ線を風の方向に対し平行方向に配置して、風の方向に対し取水口を先に、放水口を後に持ってくるのがよい。取水口と放水口の配置によって拡散の効率をより高める事が出来る。 With regard to the intake port and the water discharge port arranged at a certain distance, it is advantageous to sandwich the water area where silica should be replenished in consideration of the flow conditions near the surface. The arrangement on the windward side is particularly effective for the blowing flow. The shape of this water area becomes a belt-like shape when riding on an insufflation flow for a long time. If the width of this strip is wide, the arrangement of the intake outlet will be perpendicular to the wind direction, or if it is narrow, the line connecting them will be parallel to the wind direction. It is better to bring the water intake first and the water outlet later to the direction of the wind. Diffusion efficiency can be further increased by the arrangement of the intake and outlet.
従来の方法では溶出材料の補給にコストがかかる。しかしながら本発明による方法では溶出材料の補給頻度は材料の溶解度は「0064」〜「0065」に述べるようにそれほど高くないので補給の回数は少ない。 In the conventional method, replenishment of the eluted material is costly. However, in the method according to the present invention, the replenishment frequency of the elution material is not so high as described in “0064” to “0065”, so the replenishment frequency is small.
「0070」〜「0071」で述べるように材料の価格も大きくないと考えられる。またポンプ動力のエネルギー源についても太陽光発電に依存でき、最も藍藻類が出現し易い時は最も発電効率が良い時でもある。また系全体としてはポンプの汲み上げる高さはゼロになるが、配管内の損失水頭と溶出材料を充填した浸透室内での水頭損失を考慮する必要がある。 As described in “0070” to “0071”, it is considered that the price of the material is not large. The energy source of the pump power can also depend on solar power generation, and when the cyanobacteria are most likely to appear, it is also the time when the power generation efficiency is the best. In addition, the pumping height of the entire system is zero, but it is necessary to consider the head loss in the piping and the head loss in the infiltration chamber filled with the elution material.
「0056」〜「0057」で述べるようにポンプ動力として太陽光発電の採用は充分可能である。 As described in “0056” to “0057”, it is possible to sufficiently adopt solar power generation as pump power.
河川においては非特許文献4に示すように水質中のシリカ燐比87より低く、珪藻以外の藻類が発生し易い状況の河川については本発明に基づきシリカを補給してやれば珪藻類の繁殖により河川中の生態を富栄養化する以前の姿に近づけるなどの改善ができる。
In rivers, as shown in
以下に本発明の実施の形態を説明する。説明は図1〜図8および装置設計に関する基本条件検討による。 Embodiments of the present invention will be described below. The description is based on FIGS. 1 to 8 and examination of basic conditions related to device design.
装置規模と適応対象については小型の装置がAGP試験の培地等の作成用に、シリカ供給能力の大きい大型装置では側壁部、浸透室は水深が充分深い場合図1のように水面下に設置する。また現場条件で陸上に設置する場合には、図7のように側壁部5、浸透室10については地下に設置するものとし、必要に応じた規模で対象水域にシリカ溶液を供給する事が可能である。
As for the scale of the equipment and the target of application, the small equipment is used to create the AGP test medium, etc. In the case of the large equipment with a large silica supply capacity, the side wall and the permeation chamber are installed below the water surface as shown in FIG. . In addition, when installed on land under on-site conditions, the
装置規模は「0093」〜「0096」に述べる浸透室の容量による。小型のものは1m3 以下程度、大型のものは10m3 以上のものを考えている。小型のものは室内で用いられるため原水は事前に採取したものを処理する。また大型のものでは原水は水域からの取水による。 The scale of the apparatus depends on the capacity of the permeation chamber described in “0093” to “0096”. A small one is about 1 m 3 or less, and a large one is 10 m 3 or more. Since small ones are used indoors, raw water is collected in advance. In the case of large-sized ones, the raw water comes from water.
本装置の基本構成についてはまず図面1「台船に搭載したシリカ補給装置全体図」により説明する。その後各図面について順を追って説明を行う。 The basic configuration of this apparatus will be described first with reference to FIG. 1 “Overall view of silica replenishing apparatus mounted on a carriage”. Thereafter, each drawing will be described in order.
「取水部」
中〜大規模のシリカ溶出装置の場合、原水を取水する設備が必要になる。図1においては、1は取水口で、表面の水を有効に集水可能な装置とする。取水口には水面に浮かぶ木の葉等の大型ごみの吸入防止のためスクリーンBを設置する。また微細な物質による浸透室での目詰まり防止のため傾斜板フィルターAを設置する。取水口に対し必要な越流水深を確保する目的でフロートCを設置する。
"Intake Department"
In the case of a medium to large-scale silica elution apparatus, a facility for taking raw water is required. In FIG. 1,
取水された水は延伸用可撓管19を通じ、貯留水槽2にいったん貯えられ、微細なごみ等をさらに沈殿除去し、その後ポンプ3により、保温・加圧水槽4に送られる。
The taken water is once stored in the
「保温・加圧水槽」
保温・加圧水槽4については図1に示す通り、次の側壁部5に対し、高水頭の水(静水圧)を供給するため数m 上の位置に設置する。
"Heat insulation and pressurized water tank"
As shown in FIG. 1, the heat retaining /
また水温を下げないようにその周囲は断熱材料6で取り囲むものとする。
Further, the surroundings are surrounded by a
側壁部5とは配管7で連結される。この配管にも断熱性の被覆が必要となる。
The
パイピングの発生を防止するために保温・加圧水槽は側壁部に対して与える事の出来る水頭に上限値がある。 In order to prevent the occurrence of piping, the heat retaining / pressurized water tank has an upper limit on the water head that can be given to the side wall.
ポンプ3から配管Kを通じ、太陽熱温水器集熱部9へ送り込まれた水はここで水温を上昇させた後、保温・加圧槽に送られる。
The water sent from the
「側壁部」
側壁部5は図1および図2に断面として示すような2次元浸透流対応の浸透室の場合は内外の円筒状殻に囲まれた空間となる。側壁部5内側の壁には浸透部に通じる孔が数多く開き、浸透室との通水性が保たれている。外側の壁は外界に対し遮水性があり、かつ側壁部空間を保持できる機能を持つ。図1のように外壁はまた保温のため断熱材6で取り囲むものとする。断熱材としてはシラスを乾燥させたものを用いる。また上下端部は浸透室と共に端面壁Dにより覆われる。
"Sidewall"
In the case of a permeation chamber corresponding to a two-dimensional permeation flow as shown in cross section in FIGS. 1 and 2, the
「浸透室」
浸透流のモードとして2次元流の場合、図1、2に示すような円筒形の浸透室10となる。浸透室10の中心部には2次元流対応の場合図1に示すような有孔軸管11を設置する。浸透室の外側は上記の側壁部である。浸透室の内部はシラスなどの溶出材料で密に充填する。
"Penetration chamber"
In the case of a two-dimensional flow as an osmotic flow mode, a cylindrical
溶出材料の粒度組成は透水性と密接に関連する。 The particle size composition of the eluting material is closely related to water permeability.
昇温・加圧水槽4より与えられる水圧に連動した浸透室10外側の高水頭と揚水ポンプ12の汲み上げにより強制的に生ずる中心部付近の低水頭状態との間において、動水勾配および溶出材料の透水性に応じた2 次元放射状の浸透流を生じさせ、この浸透流により溶出材料の溶出と輸送を同時に行うものである。この透水性については溶出材料の粒度分布や間隙比などに依存する。
Between the high water head outside the
水頭差については溶出材料のパイピング特性を考慮し、その上限を決定する。
非晶質シリカの溶出が進行し、溶出材料の量が不足する場合は図1 に示すように上方の材料補給口13を通じ浸透室10に対し、材料の補給を行う。
The upper limit of the water head difference is determined in consideration of the piping characteristics of the eluted material.
When elution of the amorphous silica proceeds and the amount of the eluted material is insufficient, the material is supplied to the
「揚水ポンプおよび吸上管」
浸透室形状が円筒形で2次元浸透流の場合、図1に示す有孔軸管11の内側にそれぞれ吸上管14を設置し、ポンプ12と結合する。
"Pumping pump and suction pipe"
When the permeation chamber has a cylindrical shape and is a two-dimensional permeate flow,
揚水ポンプ12および吸上管14は目詰まり防止のため逆洗浄が可能な構造とする。
The pumping
「吐出管および放流口」
上記の過程によりシリカを溶出した水は図1に示すようにポンプ3から吐出管15を経て排出される 循環により更にシリカ濃度を高めるには、この水を還元水槽16や還元管17を介して、太陽熱温水器の集熱部9へ接続し、水温を高めた後、保温・加圧水槽4へ戻す。循環させない場合はバルブHを閉じておく。
"Discharge pipe and outlet"
As shown in FIG. 1, the water from which the silica is eluted by the above process is discharged from the
放流する場合は還元水槽16から配管K、可撓管19を通じ放流口18へ、この水を供給する。
In the case of discharging, this water is supplied from the reducing
「その他の付帯設備」
図1に示す、その他の付帯設備としてポンプ動力関係、台船関係、モニター設備関係、補給関係があげられる。
"Other incidental facilities"
As other ancillary equipment shown in FIG. 1, there are pump power relation, trolley relation, monitor equipment relation, and replenishment relation.
ポンプに付随する電動機Lに対する電力供給の目的で、太陽光発電装置20、制御部、インバーター部、蓄電池等21、電力ケーブル22などの設備が必要。
For the purpose of supplying power to the electric motor L attached to the pump, facilities such as a solar
図1の場合側壁部、浸透部が水中に設置されるので台船23上に取水部、保温・加圧水槽、揚水ポンプ、上記の電力供給設備等が配置される。
In the case of FIG. 1, since the side wall portion and the permeation portion are installed in the water, a water intake portion, a heat retaining / pressurizing water tank, a pumping pump, the above-described power supply equipment, and the like are arranged on the
モニター設備関係としては側壁部5内部の水頭(水圧)をモニターする圧力計I、補給関係では補給口13に対する補給口バルブGおよびバルブ反力サポートJが挙げられる。
As for the monitoring equipment, there are a pressure gauge I for monitoring the water head (water pressure) inside the
図2は図1におけるA−A線水平断面図である。 FIG. 2 is a horizontal sectional view taken along line AA in FIG.
図2において隔壁Eは浸透室10における放射状の流れを妨げず、空間を保持するための4 枚の壁である。中心部付近では有孔壁となっている。また13で示される点線は補給口の投影位置を示す。
In FIG. 2, partition walls E are four walls for maintaining a space without disturbing the radial flow in the
側壁部隔壁Fも側壁部空間を保持するためのもので8枚の有孔壁である。 The side wall partition wall F is also for holding a side wall space and is a perforated wall of eight sheets.
図3は小型のシリカ溶出装置を示す。実験用の装置を想定しているので保温・加圧水槽4ではヒーター8による加温を行っている。
FIG. 3 shows a small silica elution apparatus. Since an experimental device is assumed, the warming /
図3では実験に使用する原水の供給配管K1、シリカ溶出溶液の供給バルブN、シリカ溶出溶液の回収容器Qを示す。 FIG. 3 shows a raw water supply pipe K1, a silica elution solution supply valve N, and a silica elution solution recovery container Q used in the experiment.
浸透室10の形状は円筒形であるが図3では内部を見やすくするため半割の状態として図示している。温度低下を防止するために浸透室は乾燥したシラスを利用した断熱材6で取り囲む。図1の場合と同様に浸透室の内部はシラスなどの溶出材料で密に充填する。
Although the shape of the
浸透室内部の浸透流は円筒軸に平行な1次元流となる。この浸透の過程でシリカの溶出を行うものである。端面壁D付近ではフィルターとして機能するように粒度の荒いシラスを用いたほうがよい。 The osmotic flow inside the osmotic chamber is a one-dimensional flow parallel to the cylindrical axis. Silica is eluted during this permeation process. In the vicinity of the end wall D, it is better to use a shirasu having a coarse particle size so as to function as a filter.
図4では側壁部5および浸透室10の形状がそれぞれ球殻、球となる場合を示す。装置の上部については図1と同様であるのでここでは図示していない。
FIG. 4 shows a case where the shapes of the
この時浸透室内部で生ずる浸透流は3次元放射状の流れとなる。図1の場合と同様に浸透室の内部はシラスなどの溶出材料で密に充填する。この浸透の過程でシリカの溶出を行うものである。 At this time, the permeate flow generated in the permeation chamber is a three-dimensional radial flow. As in the case of FIG. 1, the inside of the permeation chamber is tightly filled with an elution material such as shirasu. Silica is eluted during this permeation process.
球状の浸透室の中心部にはポンプアップにより低水頭となる有孔コア部11を設置する。有孔コア部から伸びる吸い上げ管14は浸透室内では下方を向いている。
At the center of the spherical infiltration chamber, a
これは補給口13からシラス等の溶出材料を補給する際に邪魔にならないためである。図4では材料補給口バルブGに必要な反力サポートは省略している。
This is because it does not get in the way when the elution material such as shirasu is supplied from the
図5は図4におけるB−B線水平断面図である。 FIG. 5 is a horizontal sectional view taken along line BB in FIG.
図5において隔壁の設置は放射状の浸透流と調和しないため、浸透室内部に隔壁を設置することが出来ない。側壁部や断熱材料を納める部分で隔壁Fを設置し, 全体的な空間の保持を図っている。隔壁Fは側壁部では水圧を均一化するために有孔としている。 In FIG. 5, the installation of the partition walls is not in harmony with the radial osmotic flow, so that the partition walls cannot be installed inside the infiltration chamber. A partition wall F is installed at the side wall and the part where the heat insulating material is stored to maintain the overall space. The partition wall F is perforated to make the water pressure uniform at the side wall.
また13で示される点線は図4における補給口の投影位置を示す。 A dotted line indicated by 13 indicates a projection position of the supply port in FIG.
図6は側壁部および浸透室を大型化し、これらを地中に設置した場合を想定している。装置の上部については図1と同様であるのでここでは図示していない。 FIG. 6 assumes the case where the side wall and the permeation chamber are enlarged and installed in the ground. Since the upper part of the apparatus is the same as that of FIG. 1, it is not shown here.
側壁部5、浸透室10の機能は図1の場合と基本的に同じである。保温・加圧水槽からの高水頭の水が断熱材被覆付配管7を通じ側壁部に供給される。図1の場合と同様に中心部に設置した有孔軸管11の内部でポンプアップを行い、シラスなどの溶出材料で密に充填された浸透室内部を通じ2次元放射状の浸透流を生じさせこの過程でシリカの溶出を行うものである。
The functions of the
側壁部5の外側壁24は地盤中においてシートパイルを円筒形に打ち込み作成する。
この場合図6中に示すように透水性の高い砂質地盤Uを通して下部の粘土層Sまで打ち込む。内側の壁25についてもシートパイルを同軸の円筒形に同様に打ち込む。浸透室に隣接する部分は有孔とする。
The
In this case, as shown in FIG. 6, the clay layer S is driven through the sandy ground U having high water permeability. Similarly, for the
アースアンカーT等でシートパイルの自立性を確保した後、浸透室部分の地盤の掘削を行い、そこへシラスなどの溶出材料を埋め戻し、密に充填する。同時に中心部には有孔軸管11や吸上管14を設置する。またシラス等の溶出材料の上端下端には端部粘土シール26を設置する。側圧部および浸透室には高い水圧が供給されるので、これに対抗する目的で止水プラグRおよび掘削残土を利用した抑え盛り土27を設置する。
After securing the self-supporting property of the sheet pile with an earth anchor T or the like, the ground in the infiltration chamber is excavated, and the elution material such as shirasu is backfilled there and densely filled. At the same time, a
側壁部に供給される水頭(水圧)をモニターする目的でモニター用圧力計Iを設置する。 A monitoring pressure gauge I is installed for the purpose of monitoring the water head (water pressure) supplied to the side wall.
図7は図6のC−C断面である。 FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
図2と同様に隔壁Eおよび側壁部隔壁Fを有する。図中で直線の破線はアースアンカー部のC−C断面への投影、また円形の破線はモニター用圧力計につながる配管のC−C断面への投影である。 Similar to FIG. 2, a partition wall E and a side wall partition wall F are provided. In the figure, a straight broken line is a projection onto the CC cross section of the earth anchor portion, and a circular broken line is a projection onto the CC cross section of the pipe connected to the monitor pressure gauge.
図8は水質中にシリカが不足するなど溶出させたシリカを補給すべき水域28が、海流や潮流あるいは湖内の循環流に乗り移動している場合、取水口1、放水口18の配置例を示す。
FIG. 8 shows an arrangement example of the
このよう配置例では上方から流下する補給対象水域28のうち取水口に取り込まれる領域Wと放水口からシリカを含んだ水の補給とシリカの水中での拡散のためシリカの含有状態が改善される領域Xをうまく分離することが出来る。これらの配置を行うには図1に示す可撓管19等を延伸できるものとしておくことまた取水口および放水口が容易に移動可能なことが必要である。
In this arrangement example, the silica content is improved due to the replenishment of silica-containing water from the region W taken into the intake port and the region W taken into the intake port of the supply
以下においては装置設計に関する基本条件を検討した。 In the following, the basic conditions related to device design were examined.
原則的適合条件として
呑み口部流入量=浸透部浸透量=揚水ポンプ排水量
ただし取水量に対し浸透量が小さい場合は、取水した水を一時貯留し、調節することもありうる。
In principle, as the conditions for conformity, the amount of inflow at the mouth of the stool = the amount of seepage at the osmosis part = the amount of discharge from the pumping pump.
「対象流量の検討」
具体的には水面積(1000m2 )貯水容量(2000m3 )の規模を設定
特に表層(深度0.5m)の水塊(500m3 )について30日間程度で本装置により循環させることを想定する。これは単位時間あたりの流量では約10l/min(11.6l/min)となる。また施設規模としては中規模に相当する。
“Examination of target flow rate”
Specifically, the scale of the water area (1000 m 2 ) and the water storage capacity (2000 m 3 ) is set. In particular, it is assumed that the water layer (500 m 3 ) of the surface layer (depth 0.5 m) is circulated by this apparatus in about 30 days. This is about 10 l / min (11.6 l / min) at a flow rate per unit time. The facility scale is equivalent to the medium scale.
以下この流量を中心に検討を進める。 In the following, the investigation will proceed focusing on this flow.
「取水口流量」
非特許文献18によると、表面取水時に越流の場合、流入量は次式で与えられる。
According to
ここでQsは流量、bは流入部断面の幅、Csは流量係数でMS単位では1.8から2.0、またHは断面の底面を基準とする全エネルギーである。 Where Qs is the flow rate, b is the width of the cross section of the inflow portion, Cs is the flow coefficient, 1.8 to 2.0 in MS units, and H is the total energy with reference to the bottom of the cross section.
毎分10l(リットル)の流量に対しては、越流水深が20mmの時、必要な越流幅はわずか30mmになる。また毎分100lに対して越流幅は300mmとなる。 For a flow rate of 10 liters per minute, when the overflow depth is 20 mm, the required overflow width is only 30 mm. Further, the overflow width is 300 mm for 100 l per minute.
「浸透室の浸透流量」 2次元浸透流を考える場合非特許文献19によれば、下記の式が適応される。
Tは透水量係数であり、k×mで与えられる。 T is a water permeability coefficient and is given by k × m.
kは透水係数、mは帯水層厚 ここでは浸透部厚さに相当するので以後はhで表記する。 k is the hydraulic conductivity, and m is the thickness of the aquifer.
Qw は揚水量、s1 は揚水管からr1 だけ離れた点で観測した水位低下、s2 は距離 r2 の点の水位低下を示す。(r2 >r1 )
揚水量を求めるには下記の式による
Use the following formula to calculate the amount of pumped water
また3次元浸透流を考える場合は下記の式が適応される。非特許文献20によると、この式は本来熱伝導を表現する式であるが、定常状態では熱と水の浸透を表す式は同一式で表現される。
The following formula is applied when considering a three-dimensional osmotic flow. According to
ただしここではQ3w は球の中心点における揚水量、s1 は球の中心からr1 だけ離れた点で観測した水位低下、s2 は中心から距離r2 の点の水位低下を示す。(r2 >r1 )
上式を透水係数同一、同一の浸透距離半径、またhについては2r2 として比較を行うと
上式から透水係数同一、同一の浸透距離半径の場合、r2 /r1 比で揚水量の大小が決まる。下記のr1 /r2 比について具体的に比較を行った。 In the case of the same permeability coefficient radius and the same penetration distance radius from the above formula, the amount of pumped water is determined by the ratio r 2 / r 1 . The following r 1 / r 2 ratio was specifically compared.
この時の流量比をみると上記のr1 /r2 比の範囲内で2次元(円筒)形状容器の採用が有利になる
この時の2次元(円筒形)3次元(球形)の体積を比較すると球については4π/3・r2 3また円筒形についてはπr2 2×2r2 となり、同一体積について比較すると1 .5倍体積あたり、球が有利になってくる。
Looking at the flow rate ratio at this time, it is advantageous to use a two-dimensional (cylindrical) shaped container within the range of the above r 1 / r 2 ratio. The two-dimensional (cylindrical) three-dimensional (spherical) volume at this time is In comparison, the sphere is 4π / 3 · r 2 3 and the cylindrical shape is πr 2 2 × 2r 2 . A sphere becomes advantageous per 5 times volume.
1.5×Q3w /Q2w を見ると、r1 /r2 比で0.5よりやや小さな値で流量比の逆転が生ずる。 Looking at 1.5 × Q3 w / Q2 w , the flow rate ratio is reversed at a value slightly smaller than 0.5 in the ratio r 1 / r 2 .
r1 /r2 比を大きく取る事は空間の使い方に無駄が出る事、大型施設ほどr1 /r2 比は小さくなる事、球形より2次元浸透流に対応する円筒形の方が製作あるいは施工が楽な事、2次元の方がいろいろな形状、ディスク状、短柱の円筒、長柱の円筒を採用でき、いろいろ変化のある現場条件に対応し易い事など総合的に見て2次元浸透流方式の採用が有利になると考えられる。 r 1 / r 2 ratio greater take things that come out waste in the use of space, large-scale facilities as r 1 / r 2 ratio to become smaller, production is more of cylindrical corresponding to the two-dimensional flow than spherical or Easy to install, 2D can adopt various shapes, disc shape, short column cylinder, long column cylinder, and can easily cope with various changing site conditions. Adopting the osmotic flow method will be advantageous.
流量から見た効率性は2次元の浸透流の採用が有利になるが、時間をかけてシリカの溶出を行う場合には3次元浸透流がよいこともありうる。この場合浸透室内の球殻側と中心コア側で透水係数を変えるゾーニングの採用もありうる。 In terms of efficiency from the viewpoint of flow rate, the use of a two-dimensional osmotic flow is advantageous. However, when silica is eluted over time, a three-dimensional osmotic flow may be good. In this case, it is possible to adopt zoning that changes the hydraulic conductivity between the spherical shell side and the central core side in the infiltration chamber.
次に2次元浸透流に対応し、浸透室が円筒形形状を持つ装置の規模と浸透流量の関係を検討する。 Next, the relationship between the scale and the permeate flow rate of a device having a cylindrical permeation chamber corresponding to two-dimensional permeation flow will be examined.
流量は0.5l/minから200l/minまで変化させた範囲とする。 The flow rate is in a range changed from 0.5 l / min to 200 l / min.
水位低下量についてはパイピング防止の観点から非特許文献12を参照して(s1 −s2 )< 4r2 とする。
The amount of water level reduction is set to (s 1 −s 2 ) <4r 2 with reference to
透水係数についてはシラスに関する既存データの値からk=1×10-5m/sとする。 The hydraulic conductivity is assumed to be k = 1 × 10 −5 m / s from the value of the existing data on the shirasu.
ここで
(s1 −s2 )=3r2
r1 /r2 =0.1と設定
これから次式が導かれる。
Setting the r 1 / r 2 = 0.1
From this, the following equation is derived.
以下の表に揚水量Qとr2 ・h(m2 )の関係を示す。 The following table shows the relationship between the pumped amount Q and r 2 · h (m 2 ).
次に浸透部の規模つまり円筒の諸元について具体的に検討を行う。 Next, the scale of the penetration part, that is, the specifications of the cylinder will be examined specifically.
たとえば浸透量が10リットル/分の場合、浸透部の高さ、面積、体積の組み合わせは次のようになる。 For example, when the penetration amount is 10 liters / minute, the combination of the height, area, and volume of the penetration portion is as follows.
従って円筒面積より円筒高さを増加させる方が同じ効果を発揮する上で有利になる。 Therefore, increasing the cylinder height over the cylinder area is more advantageous for achieving the same effect.
つまり体積が小さく出来る。実験段階としては円筒高さを大きくした方が有利である。 That is, the volume can be reduced. As an experimental stage, it is advantageous to increase the cylinder height.
しかしながらr2 (浸透室の円筒半径)が0.5mより小さいとr1 /r2 =0.1からはr1 は50mm以下、つまり有孔軸管直径は100mm以下となりその中に設置する吸い上げ管の管径が小さくなるので限界がある。また浸透室の円筒半径があまり小さくなることは浸透距離が小さくなる事なのでシリカの溶出濃度を上げるためには望ましくない。 However, when r 2 (cylindrical radius of the permeation chamber) is smaller than 0.5 m, r 1 is 50 mm or less from r 1 / r 2 = 0.1, that is, the diameter of the perforated shaft tube is 100 mm or less, and the suction installed therein There is a limit because the pipe diameter is small. Also, it is not desirable to increase the elution concentration of silica because the cylindrical radius of the permeation chamber is too small because the permeation distance is small.
「揚水設備」
表面取水した水は取水後、貯留水槽へ流入する。そこからの昇温・加圧水槽へのポンプアップの揚程は図1のポンプ3のように小さく、数m程度と考えられる。またその能力は毎分10リッターを基準とすると取水能力との関連から毎分200リットル程度の能力があれば十分と思われる。
"Pumping equipment"
The water taken from the surface flows into the reservoir after taking water. From there, the head for raising the temperature and raising the pressure to the pressurized water tank is as small as the
図1のポンプ12に示すように浸透部中心にすえつける揚水ポンプの能力は毎分10リットルから2ないし3倍の能力で充分と考えられる。ただし浸透の連続によりシリカの溶解が進み、透水係数が増加する事態も想定すると能力は毎分100リットル程度の能力があれば十分と思われる。
As shown in the
またその揚程は再循環を考えても5から6m程度と考えられる。非特許文献21によればポンプの種類:横軸片吸い込み単段渦巻ポンプないしは水封式水中モーターポンプ単段渦巻ポンプの場合、ポンプ選定図から吸い込み口径は40mm60Hzの場合でポンプ口径42mmとなる。また電動機Cの出力として0.4kWが求められる。
Moreover, the head is considered to be about 5 to 6 m even considering recirculation. According to
吸い込み口径40mmは中心部直径100mmに対応する吸い込み管口径と整合する。 The suction port diameter of 40 mm matches the suction pipe diameter corresponding to the central part diameter of 100 mm.
ただし全体の揚程はほぼゼロなのでサイホンを通じ、管路内の損失水頭を少なくして、水を循環すれば通常は動力の使用量は少なくなる。 However, since the total head is almost zero, the amount of power used is usually reduced if water is circulated through the siphon through the siphon to reduce the head loss.
「吸上管」
非特許文献20によれば、吸上管の外径は中心部内径の1/2程度に押さえる必要がある。また中心部の底部より余裕を持った高さに吸い込み管の下限を設定する。
"Suction pipe"
According to
「側壁部」
側壁部内部の空間は側壁部の内外壁を構成する内外の球状殻あるいは円筒状殻に囲まれた部分で、加圧槽から一定の水頭で供給された水を浸透室部内に浸透させるための貯留槽でその厚みは加圧槽からの供給が中断した場合でもある程度の期間浸透部に水を供給可能な能力から決められる。
側壁部の内側は浸透室に水を供給するため有孔壁となっている。外側壁は外界と水の出入りを遮断する機能内部空間を保持する機能を持つものとする。
"Sidewall"
The space inside the side wall is a portion surrounded by the inner and outer spherical shells or cylindrical shells that make up the inner and outer walls of the side wall, and is used to infiltrate the water supplied from the pressure tank with a certain head of water into the permeation chamber. The thickness of the storage tank is determined from the ability to supply water to the infiltration part for a certain period even when the supply from the pressure tank is interrupted.
The inside of the side wall is a perforated wall for supplying water to the permeation chamber. The outer wall has a function of retaining a function internal space that blocks the outside and water from entering and exiting.
「太陽光発電装置に必要な面積」
非特許文献22によれば小規模発電モジュールの大きさは一台当たり1m×0.5mで発生電力は63Wといわれる。所要電力はポンプ能力から0.4kW×2 台とすると0.8kW程度となる。
"Required area for solar power generation equipment"
According to
これから図1の発電装置20として13台の小規模発電モジュールが必要となる。その面積は一台当たり0.5m2 なので電源として太陽光発電を行う場合、6.5m2 の面積を最小限確保する必要がある。
From now on, 13 small-scale power generation modules are required as the
「加圧水槽の容積と太陽熱温水器の規模」
非特許文献23によれば既製品としてUSH−281W−3がある。
"Volume of pressurized water tank and scale of solar water heater"
According to
一台当たりのタンク容量は280リッター、集熱部面積は3m×2.1m
装置の処理能力を毎分10リットルとすると、1時間分として600リットルの容量が必要になる。成層期の日中の日照を考慮すると1時間分あれば充分に温度上昇は計れるものと考えられる。必要台数は2.1台となり、これに対応する図1の集熱部9については面積規模が13.5m2 となる。
The tank capacity per unit is 280 liters, and the heat collecting area is 3m x 2.1m
If the processing capacity of the apparatus is 10 liters per minute, a capacity of 600 liters is required for one hour. Considering the daytime sunshine during the stratification period, it can be considered that the temperature rise can be sufficiently measured in one hour. The required number is 2.1, and the area size of the
「取水口および排水口配置のための移動手段」
取水口と放水口は風による吹送流その他の原因で生ずる表面の水の流れを考慮し適切な位置で行うものとする。
"Movement means for the arrangement of intakes and drains"
The intake and discharge outlets shall be installed at appropriate positions in consideration of the surface water flow caused by wind blowing and other causes.
流れが無い状態の場合、取水口と放水口は対象水域を挟み込んだ形で配置する。に示す流れのある場合は「0075」〜「0076」で述べたようにシリカの補給対象水域の形状は図9の28に示すように幅の広い帯になって帯の延長方向に流れている事が多い。このような場合図9に示すように取水口と放水口の配置は帯の中心を挟んで図9に示す流れの方向29に直交するような配置をとれば補給対象水域にシリカを含んだ水を放水口からの拡散をおこなうことで下流側に行けば、補給対象水域の中で補給よりシリカ含有状態が改善された領域の割合をかなり上げる事が出来る。
When there is no flow, the intake and discharge outlets are placed with the target water area in between. In the case where there is a flow shown in FIG. 9, the shape of the water replenishment target water area becomes a wide band as shown in 28 of FIG. 9 and flows in the extending direction of the band as described in “0075” to “0076”. There are many things. In such a case, as shown in FIG. 9, if the water intake and the water outlet are arranged so as to be perpendicular to the
このための移動作業は作業船等を使って行か、または別途追加する自走可能な設備による。 The moving work for this purpose is carried out by using a work boat or the like, or by a self-propelled facility that is added separately.
処理量毎分10リットルに対応できる図1に示す可撓管19の内径は100mm以下程度、また縦長の取水口では2方向の越流部を考えると越流幅は100mm程度になる。
The inner diameter of the
放流口については口径300mm程度の朝顔型のものを想定している。 As for the outlet, a morning glory type having a diameter of about 300 mm is assumed.
湖沼あるいは内湾などに対する自然のプロセスとしてのシリカの供給は流域の地質地形、風化状況を反映しながら、河川を通じて行われるのが一般的である。
しかしながら富栄養化した湖沼や河川利用の盛んな都市圏を後背地として持つ内湾等ではN,Pの過剰供給に対し、シリカ不足の傾向にある。
The supply of silica as a natural process to lakes and inner bays is generally done through rivers, reflecting the geological topography and weathering conditions of the basin.
However, inner bays with eutrophic lakes and urban areas where rivers are actively used as a hinterland tend to have a shortage of silica against excessive supply of N and P.
本装置の運転により不足領域にシリカを補給すれば珪藻類の増殖を図る事が出来るので、非特許文献24に示されるようなアオコなど問題藻類のコントロールは水道以外の目的で設置されたダム貯水池管理の問題解決だけでなく、水道原水の水質改善にも寄与できる。また珪藻類は生態系上一次生産者であり、生態系保全に留まらず、食物連鎖上上位に位置する水産魚種等の水生生物の増殖にも寄与できる。
If silica is replenished to the shortage area by operation of this device, diatoms can be proliferated, so the control of problem algae such as blue-green algae as shown in
さらに農業分野では珪素肥料の供給手段としても寄与が可能である。 Furthermore, it can also contribute as a means of supplying silicon fertilizer in the agricultural field.
非特許論文25によれば年間を通じた河川によるシリカ供給量はかなり大きいので、赤潮対策などスポット的なシリカ補給は効果的であるが、供給量全体の増加に寄与するには大型の装置が必要になる。
According to
光合成の結果として珪藻類の沈殿した死骸が循環期でも容易に溶出しない条件で貯蔵可能であればCO2 を固定する温暖化対策としても利用可能となる。 If the carcass in which diatoms are precipitated as a result of photosynthesis can be stored under conditions that do not easily elute even in the circulation period, it can be used as a countermeasure against global warming by fixing CO 2 .
1…取水口
4…保温・加圧水槽
5…側壁部
9…太陽熱温水器集熱部
10…浸透室
11…有孔軸管
12…揚水ポンプ
14…吸上管
18…放流口
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