JP4769325B1

JP4769325B1 - ダム湖、河川又は湖沼の水の水質改善装置

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Publication number: JP4769325B1
Application number: JP2010065766A
Authority: JP
Inventors: 徹三小田; 悟高森
Original assignee: 悟高森; 徹三小田
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: JP2011194354A

Abstract

【課題】
ダム湖と河川及び湖沼の閉鎖水域において、富栄養化によって起こるプランクトンの異常発生や貧酸素水塊の発生による水質悪化に対して、省エネルギーで効率よく行える水質改善方法がなかった。
【解決手段】
アオコ及び淡水赤潮を表層水域部より深層水域部に押し込め抑制すること、深層水域部の水の貧酸素水塊の水質改善を表層部で効率よく行うこと、深層水域部の富栄養化した冷水の下流放流を支障なく行うこと、更に濁水対策を行うこと、現地の水で熱交換できる熱交換器装置を使った省エネルギーで多機能なことを特徴とする水質改善装置である。

Description

本発明は、ダム湖と河川及び湖沼における貧酸素水塊の解消、富栄養化抑制のための水質改善及び植物プランクトン量の低減化を行う装置に関する。

ダム湖と河川及び湖沼の閉鎖水域で富栄養化が進行すると、アオコ及び淡水赤潮が発生するようになり水質を極度に悪化させる。また、アオコの原因種によっては発がん性物質を産生する場合があるため、人の健康に重大な影響を及ぼすようになる。

アオコ及び淡水赤潮をはじめ多量の植物プランクトンが死滅分解して湖底に沈降すると、底層部の酸素を消費する貧酸素水塊が発生し、酸素不足になった底泥から栄養塩類が溶出して、富栄養化が加速するなどの有害作用が起きる。

アオコが発生しているダム湖と河川及び湖沼の水を水道水源として利用している場合、アオコ類は粘性が高く、細胞内にガス胞を有するため、通常の浄水処理施設では凝集処理を行っても沈降せず、急速ろ過層を詰まらせアオコ類をうまく除去できない。また、浄化するのに二段凝集処理のような特殊な浄水処理が必要となり浄水処理費用が増大する。

更に、アオコが発生している水には、２-メチルイソボルネオールやジオスミンといったカビ臭物質が含まれる場合が多く、その異臭味対策に活性炭処理等の費用が別途掛っている。

更に、アオコには、ミクロシスティン等の発がん性物質を産生する種があるため、アオコが含まれていない水と比べ水質分析の増加他、浄水するのに多額の費用が必要となっている。

ダム湖と河川及び湖沼の水が富栄養化し水質が悪化すると、生態系のバランスが壊れ、水圏生物の生息環境に重大な影響を与える。

ダム湖と河川及び湖沼が、観光やレクリエーションの場として利用されている場合、アオコ及び淡水赤潮が発生すると景観を著しく害し、レクリエーション機能を低下させ、その価値を大きく減少させる。

このようなアオコ及び淡水赤潮の発生問題に対し、水質改善対策として多用されているのが曝気式循環装置である。特にレイクリフターが最も普及している。この装置は間欠式揚水筒とも呼ばれ、コンプレッサーからダム湖の湖底に設置された空気溜めに空気を送り、時々気泡弾にして放出し空気と触れさせることで深層水を曝気させる全層循環式の水質改善装置である。

また、他の水質改善装置の例としては、上昇管の下部にエアーを送りエアーの浮上力で発生する力を利用して深層水を表層まで汲み上げ、槽内で曝気した後、再び下降管を通じて深層部に移送し、貧酸素水塊の解消を行う方式がある。この方式も水質改善されて深層部に送り込まれた水は、曝気時に深層水が温度上昇しているので、深層部から徐々に浮上循環が起こる方式となる水質改善装置である。

特許文献１に代表されて記載されている、湖底に空気を送り込んで曝気する水質改善曝気装置は、全層循環を行って良いダム湖と河川及び湖沼の区域にしか利用できない水質改善方法である。この曝気装置は湖底に曝気用の圧縮空気を底部送り込むので大容量の巨大なコンプレッサーが必要であり、また、湖底の広範囲に貧酸素水塊がある場合、部分的な循環方式であるこの水質改善方法では効果が得られないため深層水全体を循環させる必要がある。また、空気に触れさせて酸素供給を行う曝気方式は、水質改善には有効な方法であるが、貧酸素水塊を解消するためには深層部まで莫大な空気を送り込むエネルギーの投入と設備が必要である。
当方が発明した装置は、低揚程のポンプを使い、熱交換器内の管より自噴により上がってくる水を取水し、深層水を表層域で水質改善し、水質改善送水装置内で発生した水頭差を利用して深層部に水を送る方式である。また、曝気した水は熱交換器を通して冷却するため温度上昇が起きず深層水が深層部に留まり浮上しない。このため全層循環が起きない方式となり、貧酸素水塊がある深層部の水だけが水質改善の対象水域となり小さなエネルギーで有効に水質改善を行うことができる。

特許文献２に代表されて記載されている、溶存酸素濃度が高い表層水を表層部に取り付けた冷却装置で冷却し、水中に取り付けたポンプで深層部に送り込む方式の水質改善方法では、夏季の高水温期に発生する貧酸素水塊の解消を行うには、高温となっている表層水を２０℃以下に冷却し湖底に留める必要があるため大掛かりな冷却装置と、冷却された水を深層部まで送り込むポンプが必要となっている。
当方の行う冷却方式は、表層の水温躍層以深にある冷水を冷媒として使うため、冷却にエネルギーを投入することがなく、また送水も水質改善送水装置に送り込んだ水の水頭差により深層部に送り込む方式なので、送水ポンプも必要とせず冷却と送水に電気エネルギーが不要となっている。

特許文献３に代表されて記載されている、表層水をポンプアップして深層部の貧酸素水塊に送水する方式では、高温で低密度な表層水を低温で高密度な底層の貧酸素水塊に送り込むため、送り込まれた表層水は浮上し全層にわたり混合する。そのため貧酸素水塊の解消にはつながり難く、この方式で水質改善を行えば全層循環となり限られた水域でしか使用できない水質改善方法である。
また、冷水域が形成されているダム湖などで全層循環を行うと、表層水温が極度に低下し冷水放流問題が起こるため、多目的ダムでは放流が行えないようになる。
当方の行う方式では、水質改善した水は熱交換器を通して冷却し深層部にとどめるため、送り込んだ水は低温で高密度となり深層部にとどまる。このため全層循環を起こさない水質改善方式となっている。

非特許文献1に記載されているエアリフト方式による深層曝気装置は、深層水の水だけを循環曝気する方式である。この方式で貧酸素化した深層水に底泥による酸素消費速度を上回る酸素供給を行うと、底泥からの栄養塩および金属類の溶出量が激減する効果が検証されている。しかし、深層まで曝気用の圧縮空気を送り込むためには多量のエアーの投入が必要であり、また送り込むエアー及び曝気装置が持つ熱エネルギーにより深層部の温度上昇が発生し、それにより全層循環が起こる。
当方の装置は、表層部の取水装置から深層水を低揚程のポンプで汲み上げ水質改善送水装置に送り水質改善する。この時水質改善送水装置内に発生する水頭差により水質改善後の水を深層部まで送水する方式で、エネルギーの投入量は取水槽にある低揚程ポンプの運転だけである、また表層部で水質改善を行うので、省エネルギーで高効率の水質改善方法が採用でき、さらに放流水は熱交換器を通して冷却した水を深層部に送るので、全層循環を防止できる水質改善装置である。

非特許文献２では深層曝気の運転条件に関する理論的な考察が述べられている。深層曝気による濃度境界層の厚さを減じるためには、過剰なほどの曝気による酸素の供給を行わないと、底泥の酸素消費速度が増加し、逆に底層水が貧酸素化しやすくなることが示されている。すなわち、中途半端な曝気を行えば、深層部の貧酸素水塊の水質は改善されないで悪化する可能性があることを示唆している。
当方が行う方式は、表層部で水質改善を行うのと水質監視装置を各所に設置して各水域における酸素消費メカニズムを解析し、マイクロナノバブルなどの先端技術による曝気方法等が導入できる方式なので、水質管理と水質改善が容易にまた適正に行える。

非特許文献３に代表されて記載されている、表層から中層において行う散気管方式の曝気式循環装置で藻類抑制効果を得るためには、十分な循環混合層を形成することが必要であることが示されている。また、散気管方式で表層循環を行うには、最適な空気量を十分に計算して行わないと効果が得られないことが示されている。この為多数の循環装置が必要となる。この方式は、中層水域及び表層水域にわたる貯水量のほとんどの水の水質管理と水質改善が必要なためコスト高な藻類抑制施設となっている。
当方の装置はアオコ及び淡水赤潮の対策が必要な場合のみ表層水を深層部に送り込み、不活性化させる方式で、通常は深層水の水質改善装置として機能しており藻類対策に関してはエネルギー投入量を必要最小限に押さえた低コストとなるアオコ及び淡水赤潮の水質改善装置である。

非特許文献4のレイクリフターは、湖底まで圧縮空気を送り、深層水を浮上させて循環を起こし、湖水の全層循環を行う曝気方式で、貧酸素水塊の解消や藻類の増殖を抑制する効果が期待される曝気方法である。
しかしながら、この装置では湖底まで圧縮空気を送り込む巨大なコンプレッサーが必要である。また、部分的な循環では十分な効果が得られないため、湖内の全域全層の水を循環させる必要がある、そのため膨大なエネルギーを要する。さらに、水深の深いダム湖などで全層循環を行うと、表層水温が極度に低下し冷水放流問題が起こる。このため適用できるダム湖が限られる水質改善装置である。
当方が行う方式は、深層水だけを汲み上げて表層で水質改善し、水質改善後深層部に送り込む深層水循環方式のため、全層循環及び冷水放流問題を起こさずに水質改善出来、また水質改善する水も深層水域部が循環するだけなので最小限の水の移動だけで済む。

非特許文献5の浮体式水質改善装置「みずすまし」は、アオコを含んだ表層水を、モーターを動力源としたプロペラで光の届かない深い層に送り込み、アオコを不活性化させる方式である。
この装置は、太陽光発電を動力源に利用しているためエネルギーの投入がいらない点では優れている。しかしながら、アオコを含んだ表層水の水温は高いので深層部に送り込まれた水は浮上し循環を起こす。また、アオコを含んだ水は栄養塩類を多量に含有するので深層部でアオコが死滅した際には、深層部の水質悪化と、富栄養化が促進する。
当方の装置では、アオコを含んだ表層水を深層水域に送り込む際に、熱交換器を通して低温にするため、深層部に送り込んだ水は浮上せず全層循環を起こさずに済む。また、アオコの衰退期には、深層水域に送り込まれたアオコの分解により悪化した深層水を放流することで、富栄養化した水の滞留の防止対策ができるようになっている。

特開２００８−２６４７１１公報特開平８−９８２２公報特開２００９−２２８４７

布目ダムにおける深層曝気装置の水質改善効果(中村悟他ダム技術 No.64，2000) 深層曝気の運転条件に関する理論的考察 (中村由行他海岸工学理論文集第42巻，1176−1180，1995) 曝気式循環施設の理論とその効果に関する考え方（関根秀明他ダム工学13(1)，5−18,2003）レイクリフターシステム有限会社テクノ海洋Homepage(http://www.techno-kaiyo.com/product/lake-lyfter.html) 浮体式水質改善装置「みずすまし」（馬場マルティンクリーンエネルギー，37−40，2007）

アオコ及び淡水赤潮を含んだ表層水の水温は高いので深層水域に送り込まれた水は浮上し循環を起こす。また、アオコ及び淡水赤潮を含んだ水は栄養塩類を多量に含有する。深層水域でアオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンが死滅した際には、深層水域の水質が悪化し、富栄養化が促進する。

還元状態にある底泥の影響を受けた深層水に対し、酸素消費速度を上回る酸素供給を行えば、底泥からの栄養塩および金属類の溶出量が激減する効果が検証されている。しかし、深層水域まで酸素供給用の圧縮空気を送り込むためには多量のエネルギーの投入が必要であり、また送り込むエアーが持つ熱エネルギーと浮力により深層水域部の温度上昇と循環が発生する。

コンプレッサーを使い湖底に空気を送り込んで曝気する曝気方式は、水質改善には有効な方法であるが、貧酸素水塊を解消するためには全層循環させる必要があり、膨大な電気エネルギーの投入と曝気設備が必要である。

酸素を多く含んだ表層水域の水を深層水域部にある貧酸素水塊にポンプで送水する方式では、高温で低密度な表層水を低温で高密度な深層水域部に送り込むため、送り込まれた表層水は浮上する。この方式で水質改善を行えば全層にわたり混合が起こる全層循環となる、この為利用できるダム湖と河川及び湖沼は限られてくる。また、水深の深いダム湖などで全層循環を行うと、表層水温が極度に低下し冷水放流問題が起こるため、多目的ダムでは維持放流すら行えないようになることがある。

表層水域から中層水域において行う散気管方式の曝気式循環施設で藻類抑制効果を得るためには、十分な循環混合層を形成することが必要である。また、散気管方式で表層循環を行うには、最適な空気量を十分に計算して行わないと効果が得られない。この方式はコスト高な藻類抑制施設となる場合が多い。

アオコ及び淡水赤潮を含んだ表層水を深層水域部に送りこんでも、深層水域部に送り込んだ表層水が浮上せず、全層循環を起こさない水質改善方法。

ダム湖と河川及び湖沼の貧酸素水塊及び富栄養化した水の水質改善を、低コスト省エネルギーで行う方法。

深層水域部の貧酸素水塊を深層水域循環方式で、低コストで水質改善を行う方法。

栄養分を多く含む富栄養化した低温な深層水域の水を低コストで昇温して、下流域の生物生息環境に支障を与えることなく放流する方法。

出水時や渇水時等の水面変化に容易に対応でき、濁水発生の対策他前項の課題に対応できる水質改善装置を作ること。

本発明は、以上の点に鑑みて創案された、ダム湖と河川及び湖沼の水質の改善を行うための装置の提供を目的とする。

ダム湖、河川または湖沼の水質改善装置１は、深層水域と表層水域をつなぐ通水管３と通水管４を備えるダム湖、河川又は湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２と、各水域の水を吸引出来る水中ポンプ７を有する取水槽８と、水質改良装置２７と送水機能とが組み込まれた送水槽５と、各水域の水質の状況が把握できる水質監視装置２９と、水質改善と取水及び放水装置の運転制御ができる運転管理装置３０からなることを特徴とするダム湖、河川及び湖沼の水の水質改善装置。

前記ダム湖、河川、または湖沼の水質改善装置１において、ダム湖、河川または湖沼の深層部と表層部をつなぎ、深層水域部から深層水域の水を吸い上げる通水管３と、送水槽５から水質改善された水を深層水域部に送水する通水管４（各通水管の水は水質改善の対象物により通水の動きが逆転する）を有する熱交換器装置２と、表層水域部に取水槽８を備え、取水槽内の水を、水中ポンプ７で汲み上げることで深層水域の水を、通水管３を通して吸い上げ、水中ポンプ７で汲み上げた取水槽内の水を水質改善ができる装置が設置されている送水槽５に送り、水質改良装置２７により水質改良を行い、水質改良された水を、通水管４を通して通水管３又は熱交換器装置２の外部の周囲の水と熱交換しながら、深層水域又は任意の場所に送水することにより、ダム湖、河川又は湖沼の水の水質を改善することを特徴とするダム湖、河川又は湖沼の水質改善装置である。

前記ダム湖、河川、または湖沼の水質改善装置１において、水質監視装置２９と取水口及び放水口を各所に多数設置し、水質監視装置２９のデーターによりバルブの開閉操作を行い、任意の位置からの取水と放水と水質改良を容易に行う、又水質改善改良操作を行うだけでなくダム湖、河川又は湖沼内の水の全体の水質管理を遠隔操作及び自動操作を行うこともできる省エネルギーで高効率のダム湖、河川又は湖沼の水質改善装置である。

前記ダム湖、河川、または湖沼の水質改善装置１の吸引方法は、取水槽８に設置されている水中ポンプ７及び取水槽放水装置２２で取水槽８内の水を汲みだすと内部の水位が下がり、水面と取水槽８内の水位差により圧力差が発生し取水予定口から表層水域の水又は深層水域の水などが取水槽８内に入り込み、又、取水槽８に設置されている水中ポンプ７で送水槽５に水を送り込むと、送り込まれた水で内部の水位が上昇し水面との水位差により圧力差が発生し、各所に設置された放水予定口から放水できる構造であることを特徴とするダム湖、河川または湖沼の水質改善装置である。

前記ダム湖、河川、または湖沼の水質改善装置１で貧酸素状態となっている深層水域の水を取水槽８内の水中ポンプ７を動かして取水槽の水を汲み上げ、熱交換器装置２の通水管４を通して通水管３の水と熱交換を行わせながら取水槽８に流入させ、取水槽８に入ってきた深層水域の水を、取水槽８に設置されている水中ポンプ７で送水槽５に送り、送水槽５内で水質改良装置２７により水質改善を行ない、深層水域に送りだす、水質が改善された深層水域の水は通水管３通過時、通水管４及び周囲の水と熱交換を行い深層水域の水に近い水温になって深層水域２６に放水され、貧酸素状態の深層水域の水は深層水域から他の水域に出ることなく水質改善が行えることを特徴とするダム湖、河川または湖沼の水質改善装置である。

前記ダム湖、河川、又は湖沼の水質改善装置１で、富栄養化した深層水域の水を、熱交換装置２を通じて取水槽８に引き込み、昇温及び混合による水質改善を行い、サイホンの原理を使う取水槽放水装置２２及び取水槽８に設置された水中ポンプ７を使って放流できることを特徴とするダム湖、河川または湖沼の水質改善装置である。

前記ダム湖、河川または湖沼の水質改善装置１は、表層水域部のアオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンの抑制対策と、深層水域部の貧酸素水の冷水塊の水質改善と富栄養化した深層水域の水の放流と、濁水対策と、水質改善装置に設置された水質監視装置のデーターにより取水と放水と水質改善と水質管理が行え、またこの操作が遠隔及び自動操作とすることができることを特徴とするダム湖、河川または湖沼の水質改善装置である。

本水質改善装置１の熱交換器装置２は、アオコ及び淡水赤潮の発生時にはそれらの原因プランクトンを含んだ温度の高い表層水を冷却して底層に送り込み、不活性化させることができるのでアオコ及び淡水赤潮の抑制・制御が行える。

本水質改善装置１は、アオコ及び淡水赤潮が衰退し、ダム湖、河川及び湖沼が全層循環期に入る前に富栄養化となった深層水を汲み上げ放流することができるので、内部生産性の栄養塩類付加の軽減と夏季に発生する藻類の異常発生の抑制を行うことができる。

本水質改善装置１は、ダム湖、河川または湖沼の閉鎖水域の水を水質監視装置で監視し、濁水が発生した場合バルブ操作により、濁度の高い層の水及び濁度の低い層の水の移動・汲み上げ・混合放流が出来るので、濁水の長期化を防ぐ放流システムに寄与できる。

ダム湖と河川及び湖沼の閉鎖水域は、観光やレクリエーションの場として利用されている。観光資源としての価値、レクリエーションの場としての価値を維持でき、経済的効果が得られる。

本発明では、全層循環を行うことなく貧酸素水塊の解消を図ることが可能なため、冷水放流問題等から従来実施が困難であった多目的ダム湖においても深層水域部の水質改善を行うことができるようになる。

本水質改善装置１は、アオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンの深層水域部封じ込めによる制御抑制対策と濁水対策と深層水域の水の水質改善と貧酸素水塊の解消とが同じ装置でできるので、費用対効果においても従来の装置に比べ優れている。

深層水域が無循環となったダム湖で深層水域の水が酸素不足で嫌気的な環境状態になり、栄養塩類だけでなく砒素等の重金属が高濃度に溶出して環境基準値を超過している場合、本水質改善装置１を導入すれば深層水域の水を好気的な環境に効率よく改善することができるため、大きな水質改善効果となる。

熱交換器装置を備えた水質改善装置の概念図熱交換器装置を備えた水質改善装置の水位変化対応の概念図熱交換器装置を備えた水質改善装置の水中部設置断面状況の概念図熱交換器装置を備えた水質改善装置の水中部設置平面状況概念図熱交換器装置を備えた水質改善装置の稼働状況例水温躍層による水の動きの概念図アオコ及び淡水赤潮対策時の水の動きの概念図熱交換器装置の実施例、水槽実験資材概念図熱交換器装置の実施例、水槽実験によるまとめ

ダム湖、河川または湖沼の閉鎖水域の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１を、水深30ｍ以上ある西日本地区の代表的なダム湖を例にして説明する。

図１はダム湖、河川または湖沼の閉鎖水域の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１の概念図である。深層水域と表層水域が熱交換器装置２で繋がっており表層水域部の取水槽８内の水を、水中ポンプ７で汲み上げ、送水槽５に送り、水質改良装置２７で水質改善を行い、水質改善された水を深層水域部又は任意の場所に送水できる装置の例の概念図である。（表層水域部の水質改善装置は表層水域の水温躍層の下の中層水域上部に設置することも想定している概念図でもある）

図１の水質改善装置１の動作状況を、深層水域部で、貧酸素状態で冷水塊となっている深層水域の水の水質改善の例で説明する。（表層水域にある装置類は断熱構造などにより表層水域の水温の影響を受けないものとする）本水質改善装置１に設置されている深層水域２６にある深層水域の水を１１と１２と１３と１９のバルブ（取水・放水・遮断バルブをバルブとだけ記して説明する）を開放し、９と１０と１４と１５と１６と１７と１８と２０のバルブを閉鎖して、熱交換器装置２の通水管４を通じて取水槽８に入ってきた深層水域の水を、取水槽８に設置されている水中ポンプ７で汲みあげて送水槽５に送る。通水管４を深層水域の水が通るとき深層水域の水は通水管３の水と熱交換を行い取水槽８内に入る。貧酸素状態の深層水は送水槽５内で、様々な水質改善方式を利用できる効率的な水質改良装置２７で水質改善が行われる。また送水槽５に水中ポンプ７で送り込まれた水は、流入量及び通水管３の径を検討することにより、送水槽５より水が溢れることなく深層水域に送りだされる。改善された深層水域の水は通水管３通過時、通水管４及び周囲の水と熱交換を行いながら深層水域部に近い水温になって深層水域２６に放水される。放水された水は中層水域２５より低い温度で高密度となっているので浮上しても深層水域２６の上部までしか浮上できず深層水域にとどまるようになり、貧酸素状態の深層水は深層水域２６から他の水域に出ることなく水質改善が行える。

図１の水質改善装置１の動作状況を、アオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンの深層水域部封じ込めの例で説明する。本水質改善装置１に設置されている９と１６と１７と１８と１９のバルブを開放し、１０と１１と１２と１３と１４と１５と２０のバルブを閉鎖し、バルブ９より流入してきた水を取水槽８に設置されている水中ポンプ７で送水槽５に送る。表層水域の水の水質改善が必要であれば水質改良装置２７で水質改善を行いその後表層水域の水は通水管３に送りだされる。通水管３の中の表層水は熱伝導材で作られている熱交換器装置２の内部を通ることにより通水管４及び熱交換器装置２の外部の周囲の水と熱交換を行う。表層水は深層水域２６の放水口まで運ばれる間に深層水域２６の温度近くまで水温を下げ、深層水域２６に放水される。通水管４には１７のバルブから水が入り込み、通水管３の中の表層水との熱交換により温度が上昇する。これにより管の中で内部上昇流が発生し、１６のバルブより熱交換が終わった暖かい水が放水される。放水された水は温度が上がっても表層水温以下なので表層水域部までは上昇せず中層水域２５の上部に滞留する。また深層水域２６にある通水管４には深層水域２６にある深層水域部取水及び放水口２３の流入口から水が入り込み、深層水域２６にある通水管３を通る水と熱交換してバルブ１８から暖かい水が放流され深層水域２６の上部に滞留するようになる。この熱交換器の作用によりアオコ及び淡水赤潮の含まれた水は深層水域の温度近くまで冷却され高密度・低温度の水となり深層水域２６に封じ込められる。

図１の水質改善装置１の動作状況を、富栄養化した水が深層水域に溜まることを防ぐ深層水域の水の放水の例で説明する。（この富栄養化した深層水域の水は冬場の循環期に、ダム湖、河川または湖沼の水域全体に広がり、夏場にアオコ及び淡水赤潮の原因性プランクトンの栄養源となり更なる発生を促す要因となる）本水質改善装置１に設置されている９と１１と１２と１３と１９のバルブを閉鎖する。１０と１４と１５と１６と１７と１８と２０のバルブを開放し吸引槽８内の水を水中ポンプ７で送水槽５に送ることにより取水槽８内の水位が低下し通水管３を通じて熱交換をしながら富栄養化した深層水域の水が温度を上げて取水槽８内に流入してくる。送水槽５に送り込まれた水は必要に応じて水質改良装置２７で曝気などの水質改善が加えられ、送水槽５に送り込まれた水の圧力で任意の位置（下流に）に放流することができる。また水温が放流水として低過ぎる場合取水出来るバルブを調整して取水し、混合などすることにより温度調整することもできる。また水質改善する必要がない場合は取水槽にある水中ポンプ７又は、取水槽８に設置されている取水槽放水装置２２からサイホンの原理を使い直接放流することもできる。

図１の水質改善装置１は、ダム湖の水と熱交換できる熱交換器装置２と水質監視装置２９と取水口及び放水口を各所に多数設置しており、水質監視装置２９のデーターによりバルブの開閉操作を行い、任意の位置からの取水と放水が容易に行え、水質改善操作を行うだけでなくダム湖の水の全体の管理を遠隔操作及び自動操作で行うこともできる。また取水と送水が一台の低揚程ポンプで行える省エネルギーで高効率の水質改善装置１である。

図１の符号1は水質改善装置である。熱交換器装置２を装備し深層水域の水の昇温及び混合による水質改善を行い、サイホンの原理により取水槽放水装置２２及び取水槽８に設置された水中ポンプ７を使って水質改良装置２７で水質改善を行い放流し、表層水を冷却して深層水域部に送り、更に表層水、濁水、中層水域の水、深層水域の水を任意の位置から取水又は任意の位置に送水ができる選択取水機能の装置を備え、更に取水及び放水を自動操作とすることが出来る装置である。

図１の符号２は熱交換器装置である。水が通水管を通過時に、ダム湖の水を利用して熱交換出来る装置で、熱交換器装置２の内部だけでなく外側部も熱交換部として利用することができる構造としている。また熱交換器装置２の各所に取水と放水ができるバルブ装置を装備することにより、全水域層の水が熱交換に利用出来るようになっている。更に表層水域部での熱交換が不要の場合は表層水域部にある装置類を断熱状態にするか、中層水域２６の上部に設置するなど、表層温度の影響を受けない構造及び機構にできるようになっている。

符号２の熱交換器装置は水冷式熱交換器なので安価で熱伝導率の高い材質のものが使用でき熱交換器装置の構造も様々なものが利用できる。例えば細い管を使って表面積を多くして熱交換する方法、放熱板を使って表面積を多くして熱交換する方法、熱交換器装置を長くし表面積を多くして熱交換する方法、熱交換器装置の周りの水が動くのを利用して熱交換する方法など、いろいろな熱交換方法を併用して採用することができる水冷式熱交換装置である。

図１の符号３は熱交換器装置内にある通水管である。この中を水が通過する間に周囲の水及び通水管４にある水と熱交換され、放流位置の水温に近い温度まで通水管３の中で熱交換できる通水管である。

図１の符号４は熱交換器装置２内にある通水管である。バルブ操作により深層水が通過する場合と、熱交換器装置２の外部の水が熱交換水として入りこみ通過する場合とがあり、通水管３の内部を通る水とも熱交換できる通水管である。

図１の符号５は送水槽である。水中ポンプ７で送られてくる水を受け入れ、水質改良装置２７で水質改善などを行い熱交換器装置２及び送水槽放流装置２１に水を送り込む装置である。必要に応じ表層水域２４または中層水域２５の上部に設置されている。

図１の符号６は通水管である。送水槽５と通水管３を繋ぎ、送水槽５の水が熱交換器装置２へ移動する設備である。

図１の符号７は水中ポンプである。取水槽８に設置され取水槽８内にある水を送水槽５に送水するか送水槽放水装置２１に直接繋ぎ放流出来る水中ポンプ７である。
（この送水ポンプはエネルギー効率の良い大容量・低揚程の水中ポンプが利用できる）

図１の符号８は水面に浮く機能を持った取水槽である。水中ポンプ７で取水槽８内の水をくみ出すと内部の水位が下がる。水面と取水槽８内の水位差により圧力差が発生し取水予定口から表層水域の水又は深層水域の水などが取水槽８内に入り込む構造となっている。この取水槽８は水中ポンプ７の送水能力以上の流入水が確保できる取水性能を有している。例えば水中ポンプ能力が４ｍ³／分程度の場合導入管(取水管)径が直径１００ｃｍ×１００ｃｍ以上あれば流速が遅くなり内部抵抗がほとんどかからないため１００ｍ離れている場所からの取水でも数十センチ内外の水頭差で水が流入する。（図５の（Ｂ）に参考資料添付）また表層水域にある諸設備は熱伝導と断熱ができる両方の性能を有し切り替えが行える構造にもでき、また必要に応じ中層水域部上部にも設置できる構造である。

本水質改善装置１は、図１以外にも取水と放水ができるバルブおよび水質監視装置２９を設置することができ、そのバルブの操作により、各水域の水質・水温の変化に合わせて取水及び放水位置の変更が可能で、水質変化に応じた取水及び放水操作ができ、また水質監視装置２９などと組み合わせることにより、ダム湖内の水の全域の水の管理も行え、更に自動操作装置などを組み合わせることで遠隔でコントロールすることもできる

図１の符号９は表層水取水バルブである。主な目的はアオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンを取り込む時に使用するバルブである。表層水取水バルブ９を開放する場合は、バルブ１０と１１を閉鎖するが、使用目的及び水質の状況によっては取水バルブ１０および熱交換器装置２についている各バルブを調整して開閉し深層水域の水及び他の層の水と同時に取水することもできる。

図１の符号１０は取水バルブ１である。取水槽８と熱交換器装置２の間に取り付けらており主に深層水域部の水の取水時に操作するバルブである。

図１の符号１１は取水バルブ２である。取水槽８と熱交換器装置２の間に取り付けらており主に深層水域の水又は各層からの取水時に操作するバルブである。

図１の符号１２は中層水域部遮断バルブである。主に熱交換された水が表層水域に行かないように遮断するバルブである。

図１の符号１３は深層水域部遮断バルブである。主に熱交換された水が中層水域に行かないように遮断するバルブである。

図１の符号１４は表層水域部上部バルブである。主に表層水域２４の水を熱交換器に利用するのに使用するバルブである。

図１の符号１５は表層水域部下部バルブである。主に表層水域２４の水を熱交換器に利用するのに使用するバルブである。

図１の符号１６は中層水域部上部バルブである。主に中層水域２５の水を熱交換器装置２で利用するのに使用するバルブである。また中層水域の任意の位置にバルブを増設することもできる

図１の符号１７は中層水域部下部バルブである。主に中層水域２５の水を熱交換器装置２で利用するのに使用するバルブである。また中層水域の任意の位置にバルブを増設することもできる

図１の符号１８は深層水域部バルブである。主に深層水域２６の水を熱交換器装置２で利用するのに使用するバルブである。

図１の符号１９は送水槽５と熱交換器装置２の間に取り付けられた下降管放水バルブである。送水槽５の水を、熱交換装置へ水を送る送水装置６に水を送るバルブである。

図１の符号２０は送水槽５に取り付けられた放流水放水バルブである。送水槽５の水を、送水槽放水装置２１におくるバルブである。

図１の符号２１は送水槽放水装置である。送水槽５の水を、表層水域若しくは任意の位置(下流部)に放流することができる装置である。

図１の符号２２は取水槽放水装置である。取水槽８内の水を、水中ポンプ７を使わずに取水槽８の水面より低い位置に設置された放水口から放水する装置である。（サイホンの原理を使い主に深層水域の水の汲み上げ放流時に使用する）

図1の符号２３は深層水域部の取水及び放水口である。この深層水域部の取水口と放水口とはお互いに干渉されにくい構造となっている。

図１の符号２４は表層水域である。水温躍層形成期に水温躍層（一般には10ｍ付近に形成される）の上に出来る水域で、温度が高く、アオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンが増殖する水域である。なお、水温躍層とは、表層水が春先に気温上昇によって温められ、密度が低下して表層水域に留まるのに対し、中層水域と深層水域は冬季とあまり変わらない水温状態で滞留する。この為表層水域水と中層水域水、中層水域水と深層水域水の各層の間に水温が著しく変化する場所が発生する部分である。

図１の符号２５は中層水域である。表層水域２４と深層水域２６との間の水域で、水温は西日本地区のダム湖では通常１３度〜１７度程度の低い温度である。

図１の符号２６は深層水域である。底部付近の水域で、水温は中層水域２５よりも低く、西日本地区のダム湖では通常７度程度の温度の水域である。この水域に沈んでくる有機物が分解する際、酸素を多量に消費するため貧酸素化が起こり酸素不足状態となる。酸素不足状態になった底泥からは栄養塩類や重金属が溶出し深層水域の水は他の水域と比べ富栄養化が顕著に進むことになる。

図１の符号２７は水質改良装置である。表層部の送水槽５に設置することで各種曝気装置及び最先端の水質改良装置２７が採用できる装置でありダム湖の水状況により水質改良に適した装置が選べる。

図１の符号２８は水位変化可動部である。熱交換器装置２に設置された水位変化可動部２８で、浮力により水面にある送水槽５と取水槽８が満水水位から排水水位までの水位変化に対して常に支障なく水平に設置された状態を維持できる装置である。

図１の符号２９は水質監視装置である。ダム湖の水質改善装置１の各所に取り付けられ、水質管理と水質改善装置１を効率的に、また省エネルギーで効果的に運転できるデーターなどを収集する装置である。

図１の符号３０は運転管理装置である。水中ポンプ７とバルブと水質監視装置２９と水質改良装置２７の操作が行え、遠隔操作もできる設備で、陸上よりケーブルを通じて電源の電力を供給する場合と、運転管理装置３０の設置位置に発電設備(例として風力、太陽光発電など)を設置して運転管理装置に必要な電力を供給することができる装置である

図２はダム湖、河川または湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１が水位変化に対応している概念図である。水位変化可動部２８の動きにより満水水位から排水水位までの水位変化に対応できる例である。また、一部が稼働するのではなく熱交換器装置２をフレキシブルの材質にすることにより、熱交換器装置２全体で水位変化に対応する構造とすることもできる。

図３はダム湖、河川または湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１の水中部設置状況の概念図である。図１には表記していないがバランス用浮力体３１を熱交換器装置２に取り付けることにより、熱交換器装置２の水中重力を軽減し、たとえば人力でも、移動設置及び取り扱いが容易にできる構造となっている例の概念図である。

図３の符号３１は熱交換器装置２に取り付けられたバランス用浮力体である。水深変化に耐えられ、水深変化があっても浮力が変化しない機能を持っている浮力体であり必要に応じて設置出来る。

図３の符号３２は水質改善装置１のメンテナンス装置である。熱交換器装置２を吊り下げる浮力を有し、水質改善装置１の移動又はメンテナンスをする場合、水面近くで保持できる浮力を有する装置であり必要に応じて設置できる。

図３の符号３３は水質改善装置固定アンカーである。メンテナンス装置３２及び水質改善装置１全体を固定するアンカーで、水底に設置されており、水質改善装置１を水底に繋いで固定している。

図３の符号３４は係留装置である。水質改善装置１を水底からロープ及びワイヤー類を用いて水質改善装置固定アンカー３３に係留し、固定させている係留装置である。

図４はダム湖、河川または湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１の水中部設置状況の例の概念図を上から見た図である。
水質改善装置１を水質改善装置固定アンカー３３と係留装置３４とロープ及びワイヤーの配置と、バランス用浮力体３０及びメンテナンス装置３２の位置関係を現したものである。

図５の（Ａ）はダム湖、河川及び湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１の稼働時期の一般例で、水中部の水質の状況と水質改善装置１がどのように稼働するかの概念の説明図である。１２月から３月まではダム湖と河川または湖沼の水は循環期となり、全層循環状態となって水質及び水温が均等化している。この時期水質改善を行うには、全水域層の水の水質改善を行わなければならず、水質改善が効率よく行えない。４月から９月は貧酸素水塊及び富栄養化した水が深層水域部に溜まるので、この深層水域部の水を改善することにより効率よく水質改善が行える。また８月、９月はアオコが発生することが予測されるので、アオコを含んだ表層水を優先して深層水域部に封じ込めることにより、アオコの発生量を押さえる水質改善が図れる。同様のことが淡水赤潮の発生時（一般的には低水温期に発生）にも行える。１０月、１１月は富栄養化した水を下流に放流し、富栄養化したダム湖、河川または湖沼の水の富栄養化を減衰させる水質改善ができることを現した水質改善装置１の運営状況の例の図である。

図５の（Ｂ）は水質改善装置１の送水量及び吸引量を決定するポンプ能力を決める参考資料で、熱交換器装置２の通水部の管の断面の抵抗による流速が与える影響と１ヶ月あたりの処理水量とを表したものである。例えばポンプ能力が毎分４ｍ³の場合熱交換器装置２の断面は２ｍ×２ｍと小さく、流速は３．３ｃｍ／秒とゆっくりとした速度なので十分熱交換ができ、また１７２．８００トンの悪化した深層水の改良が一か月で行える。この小さな設備で底部に溜まっている少ない量の深層部の水の改良を行うことでダム湖、河川または湖沼全体の改善が行える。

図６と図７はダム湖、河川または湖沼の水を熱交換源とする熱交換器装置２を備えた水質改善装置１を運転した際の水の動きを示した例の概念図である。水質改善装置１の熱交換器装置２により冷却された水の動き、温められた水の滞留の動き、流入河川水の動き及び濁水の動きを矢印で示してある。

例えば図６の流入水が濁水となり中層水域部に濁水が発生した場合、水質監視装置２９で濁水水域３５を感知し、濁水水域３５のバルブを操作し、取水槽８で取水し、熱交換器装置２を通して温度調整を行い深層水域２６もしくは任意の位置に放流又は滞留させる濁水対策を講じることができる選択取水設備の機能を現している。また熱交換器装置２を使って水質改善を行った場合の温度上昇した水が中層水域２５及び深層水域２６の水温躍層下部に発生する滞留水域３７となっている例の概念図でもある。

図６の符号３５は濁水水域である。流入水が濁水となってダム湖に流れ込んで、温度及び密度の加減により表層水域２４から中層水域２５の部分でゆっくり移動しながら滞留している水域である。

図６の符号３６は流入水域である。夏場は表層温度が高いため、表層水域の下部に流入水が潜り込んでできる水域である。

図６の符号３７は滞留水域である。各水域で、熱交換器装置２内で温度上昇した湖内の水が各水域の上部で放流され水温躍層の下部に滞留している水域である。

図６の符号３８の矢印は深層水域での水の動きである。主に深層水域で深層水域の水が冷却水として循環している水の動きを表している。

図６の符号３９の矢印は冷却水の動きである。主に中層水域で中層水域の水が外部の冷却水として動いているのを表している。

図６の符号４０の矢印は流入水の水の動きである。主に河川上流より入り込んできた水の動きを表している。

図６の符号４１の矢印は滞留水の動きである。主に熱交換されて温まった冷却水又は各水域層部に送り込まれた、熱交換が終わった処理水が滞留する動きを表している。

図６の符号４２の矢印は濁水の動きである。主に流入してきた濁水を通水管の取水バルブで取水する場合の動きを表している。

例えば図７はアオコ及び淡水赤潮の原因プランクトンを含む表層水域２４の水を深層水域部に移送した場合の状況図で、取水槽８に設置された水中ポンプ７で吸い込まれた表層水域の水は、送水槽５に送られ、熱交換器装置２により冷却されて深層水域２６に送られる。その際冷却に使われる水は、各水域層の熱交換器装置２内の下部バルブから周囲の水が吸い込まれ、通水管の中で熱交換された水が上昇して上部のバルブから放出される、また熱交換器装置２の外部に触れる部分の水も温度が上がるので上昇流を起こすようになり各水域層の上部に滞留するようになる。深層水域２６に送り込まれた表層水域の水は低温になっているため、上昇することなく深層水域２６の上部に留まる状態を現した例の概念図である。

図７の符号４３の矢印は表層水域の水の動きである。主に表層水域で取水され深層水域に送り込まれる動きを表している。

図８は水深５ｍのプールで行った熱交換器装置２の実施例で、水槽実験を行った装置の概念図である。図８の（Ａ）は実験装置を上から見た図であり、図８の（Ｂ）はその断面を示す。
実験装置は受枠４４と底板４８と外枠４６と熱交換パイプ４７のアルミ材８本で出来ており、上部にある受枠４４と下部に設置されている底板４８と囲いとなっている外枠４６で温水の貯留部を作り下部の底板４８の上に放流用のビニールパイプ５１で放流口を設置し、受枠４４の下部には熱交換パイプ４７と繋いだ放出塩ビ管４５を設置した室内温水プールで実験した熱交換器実験装置の概念図である。

図８の実験は流入口５０より受枠４４の中に温水を注ぎ放流口５１から出てくるまでに外枠４６の外部の水と熱交換パイプ４７の中の水と熱交換して温度がどの程度変化するのかの実験を行った。その結果熱交換パイプ４７の中で下部より流入した水が熱交換により温度上昇が起こり低密度となって上昇流を作り放出塩ビ管４５より熱交換を行った水が放出されるのが確認できた。

図８の符号４４は温水の受枠である。断熱シートが張り付けられ外部の温度の影響が少ない構造で、幅５０ｃｍ×５０ｃｍ×厚み１．２ｍｍ×高さ２０ｃｍの鋼板の箱で作られている。

図８の符号４５は放出塩ビ管である。熱交換パイプ４７とつながっており下部より吸い込まれた熱交換用の水が外部に放出される直径１００ｍｍの塩ビ管で作られた装置である。

図８の符号４６は外枠である。大きさは幅０．４ｍ×０．４ｍ×厚み１ｍｍ×長さ２ｍのアルミ材で作られており、外部を覆うだけでなく熱交換器の役割も行うものである。

図８の符号４７は熱交換パイプである。１００ｍｍφ×厚さ３ｍｍ×長さ２ｍのアルミの丸パイプで作られており、熱交換用として８本設置されている。

図８の符号４８は底板である。受枠４４と外枠４６と底板４８で閉鎖部を作り温水を囲んでいる。またこの底板４８を突き抜けるように熱交換パイプ４７の下部が外部につきだしこの部分より熱交換水が入るようになっている。

図８の符号４９は浮力体である。実験装置を水面に浮かべるため、受枠４４に取り付けられている。

図８の符号５０は流入口である。受枠４４内に実験水を注ぐ部分である。

図８の符号５１は放流口である。底板の上に設置され、３０ｍｍφビニールパイプで作られ熱交換が終わった実験水が出てくるところである。

本水質改善装置はダム湖と河川及び湖沼の閉鎖水域の水のアオコ対策と富栄養化抑制対策と貧酸素水の改善と濁水対策と冷水放流の問題の解決が行え、水の有効利用量を増やす水質改善装置である。

１水質改善装置
２熱交換器装置
３通水管
４通水管
５送水槽
６通水管
７水中ポンプ
８取水槽
９表層水取水バルブ
１０取水バルブ１
１１取水バルブ２
１２中層水域部遮断バルブ
１３深層水域部遮断バルブ
１４表層水域部上部バルブ
１５表層水域部下部バルブ
１６中層水域部上部バルブ
１７中層水域部下部バルブ
１８深層水域バルブ
１９下降管放水バルブ
２０放流水放水バルブ
２１送水槽放水装置
２２取水槽放水装置
２３深層水域部の取水及び放水口
２４表層水域
２５中層水域
２６深層水域
２７水質改良装置
２８水位変化可動部
２９水質監視装置
３０運転管理装置
３１バランス用浮力体
３２メンテナンス装置
３３水質改善装置固定アンカー
３４係留装置
３５濁水水域
３６流入水域
３７滞留水域
３８深層水域での水の動き
３９冷却水の動き
４０流入水の水の動き
４１滞留水の動き
４２濁水の動き
４３表層水の動き
４４受枠
４５放出塩ビ管
４６外枠
４７熱交換パイプ
４８底板
４９浮力体
５０流入口
５１放流口

Claims

表層水域に取水槽設備、送水槽設備、水質改良装置とが設置され、取水槽と送水槽には深層水域まで達する通水管が取り付けられ、深層水域部に水質改善装置の固定設備が設置されている水質改善装置で、表層水域に設けられた取水槽設備は取水槽と水中ポンプと取水口と取水槽放水装置からなり、取水槽内に設置された水中ポンプまたは取水槽放水装置を作動させることにより取水槽内に水頭差を発生させ、深層水域に達する通水管の取水口から取水槽内に水を取り込める機能を有し、送水槽設備は送水槽と受水部と送水口からなり、送水槽内に受水した水により水頭差を発生させ、深層水域に達する通水管の放水口から放水できる機能を有する設備で、前記水質改良装置は送水槽内で稼動し、前記通水管は、通水管内を水が流れるときダム湖、河川または湖沼などの閉鎖水域内の周囲の水と熱交換ができる水冷式の熱交換器装置と通水管の外部から取水・放水及び通水管の水の動きを一部止めることができる遮断バルブを備え、深層水域部には取水口、放水口、及び熱交換器装置の各所に外部水域の取水・放水ができるバルブを備えることで全水層域の水が熱交換に利用できるようになっており、遮断バルブ及び前記バルブを開または閉と操作し特定した水域層の水を取水槽に設けられた水中ポンプ又は取水槽放水装置で取水し、特定した水域層または下流域に放水できることで、深層水域の水を水質改善装置と深層水域内で循環させて貧酸素水塊の解消が行え、富栄養化した水を放流でき、アオコなどの植物性プランクトンの封じ込めができ、閉鎖水域内で全層循環を起こさないで水質改善ができることを特徴とする、ダム湖、河川、または湖沼などの閉鎖性水域の水質改善装置。
本水質改善装置の取水槽に取り付けられた取水槽放水装置は、取水槽放水装置の放水口を取水槽の水面より低い位置設置された放水口でサイホン原理を使い水頭差を発生させ、取水槽に繋がる通水管内の水を取水して水頭差だけで放流が行えることを特徴とする請求項１に記載の、ダム湖、河川、または湖沼などの閉鎖性水域の水質改善装置。