JP4521384B2 - 窒素化合物除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素化合物除去装置に係り、特に、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水内に存在している窒素化合物を除去するものに関する。

沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の富栄養化による水質の悪化が頻発している。この水質の悪化は、前記水内に混入する家畜の飼料、糞尿、その他腐敗した動植物等の窒素成分によるものである。そこで、前記窒素成分を除去し浄化する方法として、イオン交換法、電気浸透法等が知られている。

なお、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の浄化に関する文献として、たとえば、特許文献１〜特許文献３を掲げることができる。
特開平５−３２７４９４号公報 特開平１１−３０９４８３号公報 特開平１１−２４４８７７号公報

ところで、前記従来の除去方法では、この除去方法に使用する装置の構成が煩雑であると共に、除去効率が良くないという問題がある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の窒素成分を効率良く除去することができる窒素化合物除去装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、第１の槽と、河川、沼、湖、地下水、湧水の少なくともいずれかの水を前記第１の槽内の底部に供給する第１のパイプと、第１の生分解性ポリカプロラクトンを収容し、前記第１の槽内に、前記第１のパイプの下端側よりも上側に位置させて設置される第１の容器と、この第１の容器内に収容されている前記第１の生分解性ポリカプロラクトンを攪拌する第１の攪拌装置とを備えた第１の反応装置と；第２の槽と、前記第１の槽内の前記第１の容器よりも上側から取水する第２のパイプと、この第２のパイプに接続され、前記第２の槽内に水を供給する第１のホースと、第２の生分解性ポリカプロラクトンを収容し、前記第２の槽内に、前記第１のホースの下端側よりも上側に位置させて設置される第２の容器と、この第２の容器内に収容されている前記第２の生分解性ポリカプロラクトンを攪拌する第２の攪拌装置とを備えた第２の反応装置と；第３の槽と、前記第２の槽内の前記第２の容器よりも上側から取水する第３のパイプと、この第３のパイプに接続され、前記第３の槽内に水を供給する第２のホースと、前記第３の槽内の水を攪拌する第３の攪拌装置とを備えた第３の反応装置と；を有し、前記第１のホース、前記第２のホースは、長手方向に径が大きくなったり小さくなる変化を繰り返す形状に形成されて対応する前記第２の槽内に側壁に沿ってまたは前記第３の槽内に側壁に沿ってらせん状に巻かれて設置され、全長にわたって設けられた貫通孔から対応する前記第２の槽内または前記第３の槽内に水を供給する窒素化合物除去装置である。

本発明によれば、簡素な構成で、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の窒素成分を効率良く除去することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係る窒素化合物除去装置１に使用される沈殿槽３の概略構成を示すブロック図であり、図２は、本発明の実施形態に係る窒素化合物除去装置１の概略構成を示すブロック図である。

窒素化合物除去装置１は、河川、沼、湖、地下水、湧水等の少なくともいずれかの水に含まれる窒素成分を除去するための装置であり、各反応装置５、７、９を備えている。

図２の左側に描かれている反応装置５には、河川、沼、湖、地下水、湧水等の少なくともいずれかの水であって沈殿槽３を通った水が、パイプ６を通って供給されるようになっている（図１の矢印Ａ７、符号Ｂ、図２の矢印Ａ７、符号Ｂ参照）。

沈殿槽３は、たとえば、３つの槽（容器）２Ａ、２Ｂ、２Ｃで構成されており、たとえば沼からポンプＰ１を用いて吸い上げられた水（図１の矢印Ａ１参照）がフィルターＦを通過した後に分離され、分離された一方の水が、矢印Ａ２や矢印Ａ３に示すように、再び沼に戻されるようになっている。この戻される際に沼の水に酸素を供給することになる。

分離された他方の水は、矢印Ａ４、矢印Ａ５、矢印Ａ６に示すように、各槽２Ａ、２Ｂ、２Ｃに次々に送られ、水の中のゴミ等が沈殿により取り除かれるようになっている。

なお、フィルターＦを通過した水を分離している理由は、窒素化合物除去装置１の処理能力とポンプＰ１の吐出量とのバランスをとるためである。したがって、窒素化合物除去装置１の処理能力に比べてポンプＰ１の吐出量が少ない場合には、前述した水の分離は不要であり、ポンプＰ１が吸い上げた水の総てを、窒素化合物除去装置１に供給してもよい。

なお、窒素化合物除去装置１の処理能力は、沼の水の性状（含んでいる窒素の量や微生物の量）によって変化するので、図１に示すような絞り弁４を設け、窒素化合物除去装置１へ供給する水の量を適宜調整してもよい。

図２の右側に描かれている反応装置５は、沈殿槽３を通った水が入る槽（容器）１１と、この槽１１内のほぼ中央部に設置され多数の粒状の生分解性ポリカプロラクトン（以下、「ＰＣＬ」という場合がある。）を内部に収容する容器１３と、この容器１３内に収容されているＰＣＬを撹拌する（磨ぐ）撹拌装置１５とを備えて構成されている。

槽１１は、たとえば市販されている大型の樹脂製のバケツで構成されており、容器１３も、たとえば市販されている小型の樹脂製のバケツで構成されている。したがって、槽１１、容器１３は、円筒状の側壁部材と、この円筒状の側壁部材の下部が閉じている円板状の底部材とで構成されており、上部が開口している。

また、パイプ６が槽２Ｃから槽１１の底部まで延びており、底部に位置しているパイプ６の上部には、小さい貫通孔が多数設けられている。そして、図２の矢印Ａ８で示すように、上方に向かって水を噴出するようになっている。

撹拌装置１５は、槽１１の上方に設けられたモータＭ１と、槽１１や容器１３内に延びていると共にモータＭ１によって回転する軸部材１７と、軸部材１７に一体的に設けられた撹拌翼１９、２１を備えて構成されている。撹拌翼１９は、軸部材１７の下部に設けられており、軸部材１７の回転によって容器１３内に収納されているＰＣＬ（水に浸っているＰＣＬ）を撹拌するようになっている。撹拌翼２１は、軸部材１７の中間に設けられており、軸部材１７の回転によって槽１１内の水を上昇させる方向に撹拌するようになっている。

槽１１の側壁の上部には、パイプ２３が設けられており、槽１１内の水がパイプ２３を通り矢印Ａ９で示すように、図２の中央に描かれている反応装置７に供給されるようになっている。槽１１内では、槽１１の下方から上方に向かう水の流れが生じるようになっている。

図２の中央に描かれている反応装置７は、図２の左側に描かれている反応装置５とほぼ同様に構成され、槽２５と容器２７と撹拌装置２９とを備えて構成されている。ただし、反応装置７では、容器２７内に収容されるＰＣＬの密度が、反応装置５の容器１３内のＰＣＬの密度よりも小さくなっていることが望ましい。この理由は、図２の左側に描かれている反応装置５によって、水の中の窒素成分がある程度除去されているからである。

また、反応装置７では、撹拌装置２９の撹拌翼１９が、軸部材１７の下端にのみ設けられており、容器２７内のＰＣＬと水とを撹拌するようになっている。この撹拌によって、容器２７内のＰＣＬが容器２７内で舞い上がるようになっている。

図２の左側に描かれている反応装置５からパイプ２３を通って出た水は、槽２５の内側で上部に設けられている集水器（ロート）３１と、パイプ３３（ホース３５の一部で構成されているパイプ）と通って、槽２５内に設けられているホース３５内に供給されるようになっている。

ホース３５は、たとえば樹脂製のホースをらせん状に巻いて構成されており、槽２５の内部で槽２５の側壁に沿い槽２５の上部から下部にわたって設けられている。ホース３５には、このほぼ全長にわたって、小さな貫通孔が多数設けられており、パイプ３３から供給された水が、前記各小さな孔を通って、たとえば、矢印Ａ１０で示すごとく、槽２５内に供給されるようになっている。

なお、ホース３５は、微生物の増殖壁（微生物が成長するための礁）として作用するものである。すなわち、ホース３５を設けていないとすると、槽２５内に存在する固体の表面積は、槽２５の底面の面積と側面の面積との和ということになるが、ホース３５を設けたことによって、槽２５内に存在する固体の表面積が、ホース３５の表面積分だけ増加し、この表面積の増加によって、微生物が成長しやすくなっているのである。したがって、ホース３５として、この長手方向で径が大きくなり小さくなるという変化を繰り返しているもの（断面が波型になっているもの）を採用することが望ましい。

ホース３５に代えて、表面積の大きな物体（多くの凹凸を備えた固体物）を、槽２５内に設置してもよい。ただし、増殖壁としてホース３５のようなものを用いれば、槽２５内の固体の表面積を増加させることができるだけでなく、水の流れる経路の長さをある程度長くすることができるので、水の中の窒素成分を一層確実に除去することができる。

槽２５内の水は、槽２５の側壁の上部に設けられたパイプ３７を通って、矢印Ａ１１で示すように、図２の右側に設けられている反応装置９に供給されるようになっている。図２の右に描かれている反応装置９は、図２の中央に描かれている反応装置７とほぼ同様に構成され、槽３９と撹拌装置４１とロート３１とパイプ３３と排出用のパイプ４３とを備えて構成されている。そして、たとえば、矢印Ａ１２で示すように、槽３９内に水が供給され、矢印Ａ１３で示すように水が排出され、この排出された水は、沼に戻されるようになっている。

ところで、槽１１、２５、３９内にヒータ（図示せず）を設け、槽１１、２５、３９内の水を、気温が低下する冬季等に、２０℃〜２５℃の温度まで加熱し微生物の活動を活発化させるようにしてもよい。また、前記各撹拌翼１９に代えてまたは加えて、容器１３、２７内のＰＣＬに流速の速い水流をあてて、ＰＣＬを撹拌するように構成してもよい。

また、沈殿槽３の液面Ｑ１（図１参照）の高さに比べて、反応装置５の槽１１の液面Ｑ２（図２参照）の高さは低くなっており、反応装置７の槽２５の液面Ｑ３の高さは、液面Ｑ２よりも低くなっており、反応装置９の槽３９の液面Ｑ４の高さは、液面Ｑ３よりも低くなっている。したがって、沈殿槽３から反応装置９等を経て排出されるまでの水の流れは、ポンプを用いることなく、重力によってなされるようになっている。

窒素化合物除去装置１には、図２の中央の槽２５内の水の一部を、図２の左の槽１１内に戻す水回送手段４５が設けられている。より詳しく説明すると、槽２５内に差し込まれた配管４７を介してポンプＰ２で水が吸引され、この吸引された水が槽１１内に注入されるようになっている（図２の矢印Ａ１４参照）。配管４７で、槽２５の高さ方向のほぼ中間部から水を吸引し、槽１１内の底部で、配管４９から矢印Ａ１５で示すように水を注入するようになっている。なお、水回送手段４５として、槽１１の上部から水を吸引する構成であってもよいし、図２の右の槽３９内の水を吸引する構成であってもよい。すなわち、容器１３の下流側から水を吸い込む構成であればよい。

また、図２の左の槽１１内に設けられている撹拌装置１５は、ＰＣＬをたとえば、間欠的に撹拌するようになっている。一方、図２の中央の槽２５内の撹拌装置２９や図２の右の槽３９内の撹拌装置４１は、連続して水を撹拌するようになっているが、これらの撹拌装置２９、４１が、間欠的に撹拌するようになっていてもよい。

次に、窒素化合物除去装置１の動作について説明する。

図示しない制御装置の制御の下、ポンプＰ１を稼動し、沈殿槽３を経由して、窒素化合物除去装置１の槽１１内に水を供給すると、この供給された水は、槽２５、槽３９を通って排出される。また、前記制御装置の制御の下、各撹拌装置１５、２９、４１やポンプＰ２が適宜稼動する。

槽１１内に供給される水の中には、有機系窒素化合物が含まれている。この有機系窒素化合物は、微生物である栄養好気性細菌によりアンモニウムイオンに変化した後、微生物であるアンモニア酸化菌により、図４の（１）式で示すようにアンモニウムイオンから亜硝酸イオンに変化し、さらに、微生物である亜硝酸酸化菌により、図４の（２）式で示すように亜硝酸イオンから硝酸イオンに変化する。

なお、前述した各菌は、沼等の水の中に存在しているものであり、さらに、前述した化学反応は、沈殿槽３の内部等においてもなされている。

続いて、反応装置５の槽１１内のＰＣＬのまわりでは、微生物である脱窒菌（沼等の水の中に存在している菌）により、図４の（３）式で示すように、硝酸イオンとＰＣＬとが窒素や二酸化炭素に変化する。反応装置７の槽２５や反応装置９の槽３９内でも、槽１１内と同様な化学変化がおこり、窒素や二酸化炭素が生成される。なお、反応装置９の槽３９内には、ＰＣＬが存在していないが、僅かに水に溶けたＰＣＬの分子を用いて、脱窒菌が窒素や二酸化炭素が生成されるのである。なお、前記各反応により黒色の微細な懸濁物も生成される。

次に、窒素化合物除去装置１を用いた試験結果を、図３を用いて説明する。

図３の横軸は、窒素化合物除去装置１を稼動してからの日数を示し、縦軸は、硝酸性窒素（硝酸イオン）の除去率を示している。なお、硝酸性窒素の除去率は、沈殿槽３に供給される水（所定質量の水）の中に含まれる硝酸イオンのたとえばモル数（当初モル数）から槽３９から排出される水（所定質量の水）の中に含まれる硝酸イオンのたとえばモル数を差し引いて、この引いた値を前記当初モル数で除して得られるものである。窒素化合物除去装置１は、１日に約１０００ｋｇの質量の沼の水を流しているものとし、ＰＣＬは、適宜補充されているものとする。

試験の結果、運転７日目から、硝酸性窒素（硝酸イオン）の除去率が８０％以上になっていることがわかる。この理由は、各槽１１、２５、３９内で、脱窒菌が繁殖するのにある程度の時間を要するからである。

窒素化合物除去装置１によれば、槽とＰＣＬを収容している容器と撹拌装置とを用いた簡素な構成で、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の窒素成分（アンモニウムイオンや硝酸イオンや亜硝酸イオン等）を除去することができる。また、撹拌装置で撹拌することによって、ＰＣＬの周囲に生成される二酸化炭素や窒素の薄膜を除去することができるので、脱窒菌がＰＣＬの周囲に取り付きやすくなり、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水の窒素成分（アンモニウムイオンや硝酸イオンや亜硝酸イオン）を効率良く除去することができる。そして、沼、河川、湖、地下水、湧水等の水にアオコ等が発生することを防止することができる。さらに、槽や容器として市販品を採用することで、窒素化合物除去装置１の製造コストを低減することができる。

なお、ＰＣＬの代わりに、アルコールや酢酸のような液体の有機化合物を用いることも考えられるが、これらの液体は槽内に留まっている時間が短い。したがって、図４に示す（３）式の反応が十分になされないおそれがある。さらに、アルコールや酢酸のような液体は排水に混じってそのまま排出されるおそれがある。しかし、固体であって水に溶け難いＰＣＬを用いれば、ＰＣＬが、長時間槽内に留まり、図４に示す（３）式の反応が十分になされると共に、ＰＣＬが排水に混じって排出されるおそれを極力防止することができる。

また、窒素化合物除去装置１によれば、複数の反応装置（本実施形態では３つ）５、７、９を直列的に並べて窒素成分を除去しているので、窒素成分の除去率を上げることができる。

さらに、窒素化合物除去装置１によれば、水回送手段４５で、水の一部を戻しているので、脱膣菌が多い水が槽１１内に戻されることになり、窒素成分の除去効率を一層上げることができる。

また、窒素化合物除去装置１によれば、撹拌装置１５で間欠的に撹拌するようにしているので、窒素成分の除去効率を、さらに一層上昇させることができる。すなわち、撹拌装置１５が停止しているときには、ＰＣＬの周囲に脱膣菌が取り付きやすく、したがって、図４に示す（３）式の化学反応が促進される。しかし、撹拌装置１５を停止したままの状態にしておくと、ＰＣＬの周囲に気体の二酸化炭素（二酸化炭素分子）や窒素（窒素分子）の薄い膜ができて、脱膣菌がＰＣＬの周囲に取り付くことが困難になり、図４に示す（３）式の化学反応が抑制されてしまう。そこで、撹拌装置１５で一時的にＰＣＬを撹拌することにより、ＰＣＬの周囲の二酸化炭素や窒素の薄い膜を除去し、ＰＣＬの周囲へ脱膣菌が取り付きやすくしているのである。なお、撹拌装置１５でＰＣＬから除去された二酸化炭素や窒素は、泡となって大気中に発散される。

窒素化合物除去装置１では３つの反応装置５、７、９を備えているが、１つの反応装置（たとえば、反応装置５）のみで、窒素化合物除去装置を構成してもよいし、２つもしくは４つ以上の複数の反応装置で窒素化合物除去装置を構成してもよい。

さらには、槽を削除し、たとえば、容器１３と撹拌装置１５とを直接沼等の水の中に沈めた構成であってもよい。

すなわち、窒素化合物除去装置を、多数の粒状の生分解性ポリカプロラクトンを収容する容器と、前記容器内に収容されている生分解性ポリカプロラクトンを撹拌する撹拌装置とで構成してもよく、必要に応じて、前記容器内の水を温めるヒータを設けて構成してもよい。

本発明の実施形態に係る窒素化合物除去装置に使用される沈殿槽の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る窒素化合物除去装置の概略構成を示すブロック図である。 窒素化合物除去装置を用いた試験結果を示す図である。 窒素化合物の化学反応を示す図である。

符号の説明

１ 窒素化合物除去装置
５、７、９ 反応装置
１１、２５、３９ 槽
１３、２７ 容器
１５、２９、４１ 撹拌装置
４５ 水回送手段

Claims (1)

1. 第１の槽と、河川、沼、湖、地下水、湧水の少なくともいずれかの水を前記第１の槽内の底部に供給する第１のパイプと、第１の生分解性ポリカプロラクトンを収容し、前記第１の槽内に、前記第１のパイプの下端側よりも上側に位置させて設置される第１の容器と、この第１の容器内に収容されている前記第１の生分解性ポリカプロラクトンを攪拌する第１の攪拌装置とを備えた第１の反応装置と；
   第２の槽と、前記第１の槽内の前記第１の容器よりも上側から取水する第２のパイプと、この第２のパイプに接続され、前記第２の槽内に水を供給する第１のホースと、第２の生分解性ポリカプロラクトンを収容し、前記第２の槽内に、前記第１のホースの下端側よりも上側に位置させて設置される第２の容器と、この第２の容器内に収容されている前記第２の生分解性ポリカプロラクトンを攪拌する第２の攪拌装置とを備えた第２の反応装置と；
   第３の槽と、前記第２の槽内の前記第２の容器よりも上側から取水する第３のパイプと、この第３のパイプに接続され、前記第３の槽内に水を供給する第２のホースと、前記第３の槽内の水を攪拌する第３の攪拌装置とを備えた第３の反応装置と；
   を有し、
   前記第１のホース、前記第２のホースは、長手方向に径が大きくなったり小さくなる変化を繰り返す形状に形成されて対応する前記第２の槽内に側壁に沿ってまたは前記第３の槽内に側壁に沿ってらせん状に巻かれて設置され、全長にわたって設けられた貫通孔から対応する前記第２の槽内または前記第３の槽内に水を供給する、
   ことを特徴とする窒素化合物除去装置。

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