JP4343045B2 - 汚水浄化装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、汚水特に下水や屎尿の一次，二次処理水や生活雑廃水或いは養豚場その他からの酪農廃水等を、土壌を利用して高度に浄化する土壌浄化装置の改良に関する。

土壌浄化法は、土壌動物や土壌微生物の消化・分解機能や土壌コロイドの持つ吸着機能を積極的に利用して汚水を浄化するものである。従って、汚水中のＳＳ分やＢＯＤ，ＣＯＤ分、アンモニアその他の有機物の吸着や分解除去は勿論のこと、従来広く用いられている撒水濾床法や活性汚泥法では除去し難い燐や窒素分の除去や脱臭も容易に行えしかも省エネルギー省コストに優れている。

しかし、従来実施されている土壌浄化法は完全に理想的なものとは言い難い。これは、理想的な汚水浄化方法であるために土壌に要求される諸条件が相矛盾しているにも拘わらず、それらの諸条件について十分な考察や検討がなされていないことに起因する。そこで本発明者は鋭意研究した結果、土壌浄化装置に用いる土壌に要求される性質は以下の３点に要約できるとの知見を得た。
（１） 透水性が十分高く、目詰りが起こりにくいこと。これは、汚水処理能力を決定する。土地の有効利用の見地から重要な性質である。
（２） 活性アルミニウムや活性鉄等の燐酸を吸着できる化合物の含量が高いこと。これは、汚水からの燐の除去能力を決定する。
（３） アンモニア態窒素の硝化や亜硝酸化に必要な好気的な土壌層と、微生物による脱窒作用に必要な炭素源の供給が可能でしかも相対的に嫌気的な土壌層が共存し、汚水は両層を十分な速さで通過し且つ両層に十分接触浸透できる構造になっていること。これは、汚水中の汚濁物質の分解浄化だけでなく、汚水中の窒素除去能力を決定する。

これら相矛盾する条件を共に満足させうるものとして、通気性及び透水性に優れた土壌層（以下「透水・好気性土壌層」と言う）と、通気性・透水性は劣るが活性アルミニウムや活性鉄それに炭素源に富む土壌層（以下「難透水・嫌気性土壌層」と言う）を組み合わした、多段土壌層法とでもいうべき土壌浄化方法及び装置が開発された。

図３に示す装置（イ）はその一例で、マサ土からなる被覆土壌層中に配設した汚水撒水管の下方に、黒ボク土壌からなる難透水・嫌気性土壌集団（ロ）とマサ土からなる透水・好気性土壌集団（ハ）から構成される層と、マサ土からなる透水・好気性土壌層（ニ）を交互に積み重ねた浄化層（ホ）を設けたものである（特許文献１）。かくすると、汚水は下方に流下する間に難透水・嫌気性土壌集団（ロ）に十分に接触・浸透する。その他、難透水・嫌気性土壌層と水・好気性土壌層を階段状に積み重ねる等種々な構造のものが考えられる。透水・好気性土壌としてはその他ゼオライト等、難透水・嫌気性土壌としては赤土等が用いられるが、これら各土壌の種類とその組合せ、更には積層や充填構造を種々変えることによって、敷地面積や被処理汚水の量、性質に応じた浄化装置を作ることができる。

ところが上記した多段土壌層法による装置は、設計通りに施工されていなければ所期の効果を発揮し難く、例えば図３の如く簡単な構造のものでも一つの水平な層の中に各土壌集団（ロ）・（ハ）がモザイク状に組み込まれるため、実際に施工するとなると極めて手間がかかる。また、層の厚みや面積を設計通りに仕上げることは実際上困難であるし、締め固めの程度によって層の厚みや透水性も変わる。そして単に施工が困難であるというだけではなく、両種の土壌が混じり合った箇所では所定の効果が生じないという問題も発生する。

そこで更に研究を進め、設計に合わせて一つの層或いは集団を構成するに必要な量の土壌を、予め透水性のある容器や袋体に詰めておき、これを並べたり積み重ねることによって容易に多段土壌層法による汚水浄化装置を施工することが出来るようにした汚水浄化装置を開発した。

これは、一つの考え方としては、図４の如く、難透水・嫌気性土壌（ヘ）のみを例えば袋体（ト）に詰め、この一種の土壌ブロックを透水・好気性土壌層（チ）の間に介在させて浄化層を形成させるものである。また他の考え方としては、難透水・嫌気性土壌のブロックと透水・好気性土壌のブロックを、適宜間隔を置いて所定の位置に敷設・積層し、空隙はそのままにするか或いは透水・好気性土壌を充填することにより浄化層を形成するものである（特許文献２）。
特開昭６１−２１２３８６号 特開昭６３−２４０９９１号

こうして研究を進めてきたが、万全且つ理想的な汚水浄化装置の開発を目指す者にとって従前の装置は、施工の困難性の改善については未だ充分とは言い難く、また長期使用による機能の低下についても看過できないものであった。

施工が困難である理由について本発明者らは、これまでの装置は例え難透水・嫌気性土壌と透水・好気性土壌のどちらをもブロック化したとしても相互は適宜間隔を置いて配置されるものであるが、この「間隔」が存在するためであると結論した。即ち、該間隔部分を空隙として残す場合には長期使用によっていくつかの土壌ブロックが沈下して構造が変化し所期の目的が果たせなくなる可能性があるし、該間隙部分に透水・好気性土壌を充填する場合には敷き並べ作業とは別途に土壌の投入充填作業が存在することとなり効率性に欠ける工事となるからである。

長期使用による機能の低下の理由について本発明者らは、既に述べた土壌ブロックの沈下に代表される言わば「構造の剛性の破綻」以外に、透水力の低下があると考えた。そもそも浄化装置による汚水浄化能力は装置を通過した水の質と量によって決定されるわけであるが、透水力が低下すると当然ながら処理量が減少し能力の劣る装置となってしまう。そして土壌ブロックを配設する形式の装置の場合に透水力が低下するのは、土壌ブロックを構成するための容器或いは袋の構造が、容器の場合には透水性確保のために透孔を設けたものであるため難透水・嫌気性土壌と汚水の接触面積が減少しがちであるし、袋の場合には「袋の厚み」がせいぜい数ｍｍ程度であるので難透水・嫌気性土壌を包み込む袋自体の保水量が小さいが故に、例えば難透水・嫌気性土壌ブロックが階段状に配置される場合を想定してもほとんどの汚水は難透水・嫌気性土壌の上表面を伝わるだけで十分に接触することができず処理能力は大きくなり得ない。

そこで本発明者らは、研究試作実験を繰り返し遂に理想的な汚水浄化装置及び汚水浄化方法を完成させたものであり、その特徴とするところは、装置にあっては、リン吸着材を含む難透水性の土壌を充填した透水性コンクリート容器を、平面的に隙間なく敷き並べ、且つ敷き並べられた複数の透水性コンクリート容器の上には、一の透水性コンクリート容器を跨らせて隙間なく敷き並べ積層した浄化層が形成されている点、また汚水浄化方法にあっては、リン吸着材を含む難透水性の土壌を充填した透水性コンクリート容器を、平面的に隙間なく敷き並べ、次いで敷き並べられた複数の透水性コンクリート容器の上に、一の透水性コンクリート容器を跨らせて隙間なく敷き並べて積層し、浄化層を形成した点、及びこのような構造の浄化装置の上方から汚水を供給する点、にある。

ここで「リン吸着材」とは、文字通りリンを吸着する機能を有する材料を指すが、リンは単体としてではなく通常はリン酸などの有機化合物として汚水中に存在している。リン吸着材の好適な例としては、活性アルミニウム、活性鉄等が挙げられる。土壌中に含まれる活性アルミニウムや活性鉄の量は、水はけ・通気性の良い「まさ土」の場合極端に少なく、火山灰土壌、褐色又は黄褐色森林土壌、赤黄色土壌、灰色又は褐色低地土壌に多く含まれている。そしてこれらは全て粘土含量が高く、通気性・透水性に劣る。そしてこれらを「リン吸着材を含む難透水性の土壌」と呼ぶものとする。「難透水性」という語句自体は、粘土のみの土壌のような「非透水性」のものよりも透水性はあるが、粗粒で通気性の良好なマサ土のような水はけのものでは断じてない、という程度の透水性、という意味で使用しているものである。例えば透水係数で述べてみると、「れき」が約１．０×１０^{3 ｃｍ／ｓｅｃ以上、「砂」が約１．０×１０3} 〜１．０ｃｍ／ｓｅｃ、「粘土」が約１．０×１０^-4ｃｍ／ｓｅｃ以下、でり、「微細砂」や「シルト」或いは「砂、シルト、粘土の混合物」の透水係数は一般に１．０〜１．０×１０^-4ｃｍ／ｓｅｃ程度であるとされている。従って「難透水性土壌」であるということは、その透水係数が１．０×１０^-4ｃｍ／ｓｅｃ程度、或いはこれよりも少し大きい程度である、ということができる。

「透水性コンクリート容器」とは、透水性コンクリートにて形成された容器であり、透水性コンクリートとは、いわゆるポーラスコンクリート（高空隙コンクリート）若しくはこれに類するものであって、躯体としての剛性は大きいが砂層程度の透水性しかないため容器とはいえ水はほぼ自由に通過できるという性質を持っている。透水性能について透水係数で示すと、通常のコンクリートが約１．０×１０^-7〜１．０×１０^-11 ｃｍ／ｓｅｃといった極めて小さな値であるのに対し、透水性コンクリートは１．０×１０² 〜１．０ｃｍ／ｓｅｃといった値を示している。そして本発明においてもこの程度の透水性のものが好適である。この透水性を空隙率で述べると、概ね２０〜３０％程度のものが最適である。更にこの透水性は、容器の壁板と底板とで等しくせず、壁板に対し底板の空隙率を高くしたものを使用すると、汚水が装置内を移動する際、落下してゆくのに比して平面的に広がる傾向が強くなるので、投入された汚水と難透水性土壌との接触時間が長くなり浄化効果が高くなり好適である。

またこの透水性コンクリート容器は、平面的に隙間なく敷き並べることで本発明の目的を達成する。この場合の「隙間」は施工の実際における意識としての隙間であり、意識してわざわざ間隔を空けておくようなことをしない、というものである。

更に、本発明に係る透水性コンクリート容器の材質中に「鉄」を含有しているとより好ましいものとなる。これを鉄粒或いは鉄粉末状態（これらの鉄は銑鉄でも鋳鉄でも良くカーボン含有量を特に低減させておく必要はない）でコンクリート内に散在するようにしておくと、コンクリート固化時に酸化鉄或いは水酸化鉄になり、このうち水酸化鉄が汚水中のリンと反応することになる。コンクリート容器の材質中に入れる鉄の量は、１〜２０重量％が適している。これ以上であると容器成形それ自体が阻害され充分な強度のコンクリート容器とはなりにくいし、これ以下であるとリン除去効果が劣ることとなる。但し透水性コンクリート容器の材質中に「鉄」を含有させることは本発明に必須の要件ではなく、全く含有していなくとも本発明の目的は充分達成されるものである。なお透水性コンクリート容器に採用される骨材の詳細についても限定するものではないが、通常用いられる砂の代わりに、或いは砂と共に、廃ガラス粒（できれば２〜３ｍｍの粒径に揃えたもの）や焼却灰を用いると好適である。

本発明に係る汚水浄化装置及び方法は、以下述べる如き効果を有する極めて高度な発明である。

（１） 難透水性土壌を充填したコンクリート容器を敷き並べ積層するという手法は、易透水部と難透水部の配置が予め定められているので、非常に簡便である。
（２） 積層がコンクリート容器の積み重ねであるので、汚水が通過することで土壌が流出したとしても水平の平坦は保持され、設計通りの汚水の移動となりやすい。

以下図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。

図１は、本発明に係る汚水浄化装置（以下本発明装置１という）の一例を概略的に示すものである。図より明らかなように本発明装置１は、多数の透水性コンクリート容器２を積層して成るものであって、各透水性コンクリート容器２には難透水性土壌３が充填されている。また透水性コンクリート容器２は直方体で、これを隙間なく平面的に並べ、それらの透水性コンクリート容器２の突き合わせ部分を跨ぐように、同じく隙間なく平面的に上の段の容器２を並べるという手法で構築してゆく。また汚水の供給と排出は、礫層４によって囲まれた汚水撒水管５及び排水管６とによって行う。両管５、６は有孔（本例ではコルゲート管）であり、またこの礫層４は、目詰まり防止と作業性を良好にするために、汚水撒水管５側の礫層４は円筒状の網（図示せず）に覆われており、排水管６側の礫層４はその上面が平面状の網（図示せず）に覆われている。そして、装置全体は天面を除き、鉄製の槽７内に収まっている。

難透水性土壌３は、本例の場合黒ボク土壌を使用した。しかしこれ以外に、例えば、赤黄色土壌、褐色・黄褐色森林土壌或いは灰色低地土壌など、活性アルミニウムや活性鉄が１〜２重量％（対乾土）以上含まれているものならば使用できる。場合によっては、活性アルミニウム含量を高めるために、活性アルミニウム含有資材を混合して用いてもよい。また炭素源として、木の葉その他の動植物体、余剰活性汚泥等炭素率（Ｃ／Ｎ比）の高い物質を混入しておいてもよい。
なお、この難透水性土壌３は予め透水性コンクリート容器２に充填しておき、これを敷き並べ積み重ねてゆけば自然に本発明装置１が構築されてゆく、という作業方法でも良いし、或いは、まず空の該容器２を平面的に敷き並べ、その後各該容器２に該土壌３を充填して一段を作る、という作業を繰り返すという方法でも良い。

透水性コンクリート容器２の透水性能は、コンクリートの空隙率に依存するが、壁板２１部分の空隙率に比して底板２２の空隙率を大きくすると、汚水は鉛直方向への移動に比して水平方向に移動しやすくなり、浄化能力の高い装置となる。

図２（ａ）（ｂ）は、透水性コンクリート容器２の一例を示すものである。これらの図より明らかなように本例の透水性コンクリート容器２は、四つの凹部２３を有する浅い容器であり、各凹部２３の寸法は縦約９５ｃｍ、横約２０ｃｍ、深さ約５ｃｍの大きさであり、容器全体の大きさは、縦約１００ｃｍ、横約１００ｃｍ、高さ約１０ｃｍのものである。これを積層することで、全面に広がる水平透水ゾーンを有し、断続的に透水落下域が出現し、それでいながら任意の垂直線で必ず約５ｃｍ厚の難透水層と透水層とが交互に現れるという構造の装置が簡単に構築できる。なお本例では凹部２３の個数を四個としたがこれ以外の個数のものを採用しても良い（図示略）。なお本例の透水性コンクリート容器２は、その材質中に鉄粒（粒径は最大でも１ｍｍ程度）を含んでおり、また、骨材として砂利以外に廃ガラス粒（粒径は約２〜３ｍｍ程度）を使用している。鉄粒の配合比率は、全材料（但し水を除く）の約１０％とし、また骨材として使用する廃ガラスの比率は、全骨材の約５０％とした。

ところで、本発明装置による浄化の程度や処理可能量は、透水性コンクリート容器の透水率やその構造、更には用いる土壌の種類や含有成分等により変化する。従って、汚水の量や質及び目的とする浄化水の質等により最適な土壌層の組合せを夫々具体的に決定するとよい。また、より実際的な装置の大きさ特に巾と長さは、汚水の処理量，装置の構造，敷地面積等により決まるが、最大で巾３ｍ長さ２０ｍ程度とし、より大量の処理のためにはこのような装置を多数並列すればよい。

なお図示した例では、装置を通過し浄化された汚水は、排水管６に集水されて排出されているが、例えば槽７の底面を省略して地下浸透式としてもよい。また槽７の素材は鉄に限らず、コンクリート、プラスチック、粘土、木材等透水性の低い素材も用いられ、時には石積みや岩盤等も利用可能である。

本発明に係る汚水浄化装置の一例を示す縦断面図である。 （ａ）（ｂ）は、本発明に係る汚水浄化装置に用いる透水性コンクリート容器の一例を示すものであり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。 汚水浄化装置の従来例の一つを示す縦断面図である。 汚水浄化装置の従来例の他の一つを示す縦断面図である。

符号の説明

１ 本発明に係る汚水浄化装置
２ 透水性コンクリート容器
２１ 壁板
２２ 底板
２３ 凹部
３ 難透水性土壌
４ 礫層
５ 汚水撒水管
６ 排水管
７ 槽

Claims (6)

1. リン吸着材を含む難透水性の土壌を充填した透水性コンクリート容器を、平面的に隙間なく敷き並べ、且つ敷き並べられた複数の透水性コンクリート容器の上には、一の透水性コンクリート容器を跨らせて隙間なく敷き並べ積層した浄化層が形成されているものであって、該透水性コンクリート容器は、ポーラスコンクリート製であり、且つ、壁板に対し底板の空隙率を高くしたものであることを特徴とする汚水浄化装置。
2. 透水性コンクリート容器は、鉄を混合したものである請求項１記載の汚水浄化装置。
3. 土壌は、炭素源を混入したものである請求項１又は２記載の汚水浄化装置。
4. リン吸着材を含む難透水性の土壌を充填した、ポーラスコンクリート製であって壁板に対し底板の空隙率を高くした透水性コンクリート容器を、平面的に隙間なく敷き並べ、次いで敷き並べられた複数の透水性コンクリート容器の上に、一の透水性コンクリート容器を跨らせて隙間なく敷き並べて積層し、浄化層を形成した汚水浄化装置の上方から汚水を供給することを特徴とする汚水浄化方法。
5. 透水性コンクリート容器は、鉄を混合したものである請求項４記載の汚水浄化方法。
6. 土壌は、炭素源を混入したものである請求項４又は５記載の汚水浄化方法。

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