JP5187760B2 - 小河川水質浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は小河川水質浄化装置、特に流路上で都市小河川の水質を処理する装置に関する。

人口集中と都市化による汚染の加重によって都市河川は飲料水源としての機能はもちろん他の用途にも用いることができない程度に都市の汚染排出口に転落することもある。下水管路の整備によって下水は遮集管に分流されて河川水とは別途に下水終末処理場へ移送されて処理されて放流される。したがって河川水は別途の大規模汚染源に露出しないように見えるが下水管路の誤接続による下水の流入、生活下水の流入及び汚染された地表水の流入と汚染物の無断投棄及び地表面のコンクリート化で雨水の集中排水による河川の乾川化などによって都市河川は自浄機能を喪失する程に水質の低下が起こる。都市河川の水質悪化は流量の減少、河川の整備による水辺地域減少、流路の減少と汚染の加重によって自浄作用の限界を越えたことに起因する。都市河川は数万または数十万人口が接する環境であるので市民の快適な環境に対する欲求を充足させて水資源を效果的に活用するために水質を相当な水準に改善しようとする努力が続いている。

河川の水質はＤＯ、ＢＯＤ、ＣＯＤ等のような生化学的方法を基準にして判定することもできて、棲息する生物（指標生物）を通じて水質等級を判定することもできる。河川水でＢＯＤとＣＯＤが増加するほど酸素消耗量は急激に増加してしたがって溶存酸素（ＤＯ）量が急激に減って河川の自浄能力が喪失される。自浄能力を喪失した河川は悪臭を漂わせるだけでなく生物の棲息も制限される。都市河川は自浄能力を喪失して４、５等級、あるいはＢＯＤ、ＣＯＤが数十ｐｐｍに至る場合には等級外となることもある。このような河川は汚染源流入防止と共に特別な処理をしないと水質が回復しない。河川特に都市河川の水質改善にはいくつかの考慮しなければならない点がある。

第一に、水質改善の目的によって生物生態環境と両立できる方法でなければならない。河川に棲息する生物例えば魚の棲息、遡上と降河のような棲息条件を満足させなければならない。

第二に、都市河川は施設の密集による空間の活用を目的とした河岸築造のような河川整備によって水質浄化設備を建設できる遊休空間が極度に制限されている。

第三に、降雨による水量の急増ひいては洪水のような状況でも設備を保全して容易に復旧できる耐久性を有する構造でなければならない。

第四に、河川の水質改善による直接的に算出できる経済的な効果が少ないため設置費用と維持費用が多く掛かっては困る。

第五に、河川の流路変更は最小化して、設備は自然河川の外観を大きく害しないながらも效果的でなければならない。

従来の河川水質改善方法は従来の汚水処理方式を選別して適用した方法が主流をなしている。日本特許公開第７０００９８３Ａ２号には河川の水処理方法で各種のタンクを配列して一般的な汚水処理工程と同様の方法で汚染された河川水を処理する方法を開示している。このような処理方法は別途の大規模水処理場を建設する必要があり、施設費と運転費が高価で大規模処理場が有する問題点をそのまま有している。日本特許公開第６１２３０７８７Ａ２号には河川の水流れを変換させる構造物を形成して構造物に閉じ込められているセラミック粒子によって河川水を処理する方法を開示している。また、日本特許公開第７０１６５８６Ａ２号には多孔性粒子性物質によって河川水等を浄化する方法を開示している。このような技術は水量が急に増加する時は装置や装備などが流失される可能性が濃厚でこれに対する根本対策がない。最も多く用いる方法は曝氣または非曝氣方式の固定床接触媒体を用いる例えば砂利接触酸化法のような技術がある。しかしこの方法は流路抵抗が大きくて十分な接触のためにはバッフルを設置するか設置槽が非常に長くなければならない。暴雨時には土砂によって砂利間の孔隙が詰まることがあり、媒体の抵抗によって曝氣も円滑でない。他の接触媒体を用いる方法を含む汚水処理援用方式はサンプル河川水を実験室で適用してみる程度以上の実質的に適用可能な手段がほとんどない。それだけでなく魚はこのような固定床接触媒体を含んだ処理施設を通過することができない。なぜなら、接触酸化方式は処理水と接触媒体間の隙間がない接触を必要条件にするためである。

従来の河川水質改善方法で他のものは河川を可能な範囲で出来るだけ自然状態に近く維持して自浄機能を利用して水質を改善する方法である。例えば河床の高低を調整して早瀬や小さな滝などを形成して溶存酸素量を増加させて河川の自浄作用を高めるということである。河川水の溶存酸素の増加は滝のような渦流の形成によって促進されることはできるが既に河川の河床の勾配が定められているので一区間に早瀬や滝を形成すればその周囲区間は流速が遅くなって水量が増える区域が生じて早瀬や滝区間は数秒から長くて数分の間渦流形成で空気と接触を増加させる程度であるのでそれほど効果的でない。また、自然状態に近いとしても暴雨による堆積や流失によって容易にあらされて毀損される可能性が大きい。または水生植物や水辺植物地域の造成で植物の呼吸作用を利用して河川の溶存酸素を増やして自浄作用を高めるという方式もある。しかしこの方法も河川の整備事業で適用できる十分な効果のための広い敷地が確保されていないで暴雨などによる流失の危険が大きい。

また他の技術は集水井方式がある。河川底地下にスクリーンパイプを配置して河川地下水を集水井に集めてポンプで河川に放流する構造である。この方法では河川地下水を利用する以外に河床の土層をフィルター床で利用する。しかし、空気供給と光が遮断された土層が持続的にフィルターベッドで作用することができないことは自明である。

本発明の目的は魚の棲息、遡上と降河のような生物の棲息条件に邪魔にならず、別途の敷地が多く必要でなく、作動部位が少なくて構造が簡潔で厳しい自然環境にも耐久性があって、設置費用と維持費用が少なく自然河川の外観を大きく害しないながらも効果的な河川水質浄化装置を提供することである。

本発明の他の目的は低級水の河川水質を高い３級水以上の水質に改善できる河川水質浄化装置を提供するためである。

本発明は河川の流路上に設置されたピット型槽とこの槽に流入した河川水を曝氣しながら渦巻くようにする前記槽に装着された曝氣手段で構成される小河川水質浄化装置を提供する。

本発明は、望ましくは、河川流水有効幅の１／２以上の幅、河床で２ｍ以上の水深、平均１０分以上の長さの滞留時間を有して河川の流路上に設置されたピット型槽とこの槽に流入した河川水を曝氣しながら渦巻くようにする前記槽に装着された曝氣手段で構成される小河川水質浄化装置を提供する。

本発明の小河川水質浄化装置は都市河川に適用されることが望ましいが自浄能力を喪失した一般河川にもそのまま適用できる。

前記曝氣手段は望ましくは前記ピット型槽の底近所に配置された曝氣機、前記曝氣機に連結された配管と前記配管によって前記曝氣機に加圧空気を供給する加圧空気供給源で構成される。

本発明のピット型槽は最も望ましくは河川流水有効幅の２／３以上の幅、河床で３〜５ｍの水深、平均３０分以上の長さの滞留時間を有する。典型的な都市河川は、例えば、水深数１０ｃｍ、流速毎分数ｍ、河川幅数１０ｍ程度である。河川の平均水深を２０ｃｍ、流速を毎分５ｍ、河川幅３０ｍに仮定すれば前記ピット型槽の大きさは平均滞留時間を１時間にして槽の水深を４ｍにすれば３０ｍ＊１５ｍ＊４ｍの大きさになる。

前記ピット型槽は一般的には前壁、後壁、側壁と底で構成される。前記ピット型槽への河川水の流入流出はポンピング手段を用いず河川の流水によって行われる。前記ピット型槽は河床の勾配と同様に前壁と後壁の高さを合せれば河床の傾斜によって流入部と流出部は小さな滝を形成したり河床の高さと同様にすることができる。前記ピット型槽は望ましくは河床の傾斜が緩やかな地域に設置して既存河床と前壁、後壁との段差を小さくして流入部と流出部の流れを緩やかにして水棲生物の遡上と降河が許されるようにする。

前記ピット型槽における曝氣は流入河川水が上下方向の渦流を形成して流入水がすぐ流出しないように曝氣機を配置する。望ましくは前記ピット型槽の底に河川の流れ方向に複数列に配置して上下方向の渦流を複数個形成するようにする。曝氣手段はブロワーまたはコンプレッサーのような空気発生源を直接またはタンクに充填して配管を介してピット型槽の底近くに設置されたエアレーターに供給して行われる。エアレーターは多孔性板またはディスクタイプ等のような散気管やエアジェット形態であることができる。特別に形態に制限されない。前記ピット型槽に設置された配管に形成された単純に穴や配管がワイヤーを巻いて形成されるスクリーンパイプの場合にはスクリーンであることがある。

前記ピット型槽の河川水の流入または流出にはポンプを基本的には用いないが整備時に排水をするためにポンプに連結される配管を設置することができる。

本発明で前記ピット型槽は特別に制限されないが前記前壁と後壁を含んで特に壁はコンクリート槽で製造されることが施工上または耐久性で望ましい。底も不透性コンクリートにすることが一般的だが河川地下水流入を可能にするように透水性底構造を有することができる。前記ピット型槽の前壁上部には岩や石のような大きい重量物質の流入を防止するために流路を大きく妨害しない程度でスクリーンを設置することができるが特別に推奨しない。
前記ピット型槽の後壁の近隣部または後壁傾斜部には堆積される粒子を渦流地域に分散するためにエジェクトやエアジェットまたはウォータージェットを装着して間歇的に作動させることができる。
前記ピット型槽は後壁が垂直で６０°以下望ましくは１５°〜４５°に傾くようにすることができる。前記ピット型槽の後壁近くには槽の底に曝気槽を配置せずに曝氣強度を落としたり後壁の傾けによって後壁傾斜部には渦流が緩和されて渦流によって浮遊された粒子が沈降して壁面に沿って渦流部に混入されてピット型槽内の浮遊粒子（主に砂）を一定水準維持することができる。前記ピット型槽の後壁近隣底には粒子が集まることができるサンプを有することができる。このサンプにはポンプ配管を設置して間歇的にポンプやエジェクターによって沈降粒子を吸入して渦流地域に送出したりポンプによって吸入して分離することができる。他の方法では前記ピット型槽の下流に粒子沈降用別途のホッパー型ピットを設置して沈降された粒子をポンプを用いて連結配管を介して前記ピット型槽に返送したり定期的に浚渫したりできる。前記ポンプは望ましくはピット型槽の後壁上部に築造された橋のガイドに沿って移動してサンプに堆積された粒子を吸入して分離する。回収された粒子は河川の縁に臨時に堆積して別途に処理したり前記ピット型槽の前半部に返送して流動性媒体で用いられることができる。

本発明のピット型槽にはまた流動状の接触媒体を装入することができる。前記流動状の接触媒体は渦流領域では浮遊が可能であって渦流緩和領域には沈降する粒子型接触媒体が望ましい。多孔性天然または人造型のセラミック粒子または鉱物粒子例えば素焼きセラミックボールまたはゼオライト粒子を用いることができる。本発明で用いられる流動状の接触媒体は消耗性でなく流失されない程度の高い比重を有するものが良い。また本発明では砂のような重量性粒子も用いることができる。このような重量性粒子は渦流緩和地域で沈降して回収することができるので損失分のみ供給すればよい。

本発明の小河川水質浄化装置は、
ｉ）小河川の河床に設置されるため追加的な大規模空間を必要としない。

ｉｉ）ピット型槽に装着されたエアレーターとこれに加圧空気を供給する配管を除いては作動メカニズムがほとんどなくて加圧空気を生成するブロワーのほかはユーティリティ費や薬品費がほとんど掛からないしブロワーによる渦流形成でピット底への土砂の堆積も全くないし定期的に洪水後に岩石の堆積のみ除去すれば良いため補修維持費が低廉である。

ｉｉｉ）河川の外観を大きく変更しなくて魚を含む河川棲息生物の棲息、遡上と降河と棲息環境を妨害しなくて自然親和的である。

ｉｖ）溶存酸素の効率的な増加と設備内に自然に流入し浮遊する粒子状の媒体の利用により、河川水を効率的に処理し河川の自浄能力を向上させる。

発明を実施する為の最良の形態

以下図面によって本発明の実施形態に対して補充的に説明する。

図１は本発明の一実施形態を概括的に説明する側断面図であり、前記ピット型槽（１０）は河床（１）の勾配と同様に前壁と後壁の高さを合せれば河床の傾斜（１）によって流入部は小さな滝を形成して流出部は河床の高さと同様にすることができる。前記ピット型槽における曝氣は流入河川水が上下方向の渦流を形成して流入水がすぐ流出しないように曝氣機（２２）を配置する。望ましくは前記ピット型槽の底に河川の幅方向に複数列に配置して上下方向の渦流を複数個形成するようにする。ブロワーまたはコンプレッサーのような空気発生源（２１）が配管を介してエアレーター（２２）に圧縮空気を供給する。エアレーターは多孔性板またはディスクタイプ等のような散気管やエアジェット形態であることができる。

図２は本発明の他の実施形態を概括的に説明する側断面図であり、前記ピット型槽（１０）は後壁の壁が垂直から流路方向へ傾斜している。前記ピット型槽の後壁近くには槽の底に曝気槽を配置せず、曝氣強度が落ちて渦流が緩和されて渦流によって浮遊された粒子が沈降して壁面に沿って渦流部に混入されてピット型槽内の浮遊粒子（主に砂）を一定水準維持することができる。図３には堆積する粒子を分散する手段が具備されたピット型槽（１０）を見せている。前記ピット型槽の後半部には堆積される粒子を渦流地域に分散するためにエジェクトやエアジェット（２５）またはウォータージェットを下または前方向に装着して間歇的に作動させることができる。

図４と図５はピット型槽（１０）の後壁近隣底にサンプ（１５）を設置した構造を見せている。図４ではサンプ（１５）にエジェクター（２７）を設置して集まった粒子をピット型槽の前半部に送出する。図５ではピット型槽の後壁上部に築造された橋（４０）のガイドレール（４２）に沿って移動するポンプ（３０）によってサンプ（１５）に集まった粒子を吸入管（３１）を介して吸入して濾過された水は排出管（３２）を介して流出する。回収された粒子は河川の縁に臨時に堆積したりピット型槽（１０）の前半部に返送されることができる。

本発明の精神と範囲の内部で多様な調整および変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の真の範囲が請求項によって定義されることは明らかである。

本発明の一実施形態を概括的に説明する側断面図である。 本発明の他の実施形態を概括的に説明する側断面図である。 本発明のまた他の実施形態を概括的に説明する側断面図である。 本発明のまた他の実施形態を概括的に説明する側断面図である。 本発明のまた他の実施形態を概括的に説明する側断面図である。

符号の説明

１：河床の傾斜面
２：水面
１０：ピット型槽
２０：曝氣手段
２１：ブロワー
２２：エアレーター

Claims (10)

1. 河川の流路上に設置されたピット型槽とこの槽に流入した河川水を曝氣しながら渦巻くようにする前記槽に装着された曝氣手段で構成され、
   前記ピット型槽は前壁、後壁、側壁及び底を備え、前記側壁間の幅は、前記河川の流水有効幅の１／２以上の幅を有し、前記底における水深は２ｍ以上を有し, 前記底の上方は全面が開口され、
   前記曝気手段は前記ピット型槽の底付近に配置された曝氣機、前記曝氣機に連結された配管と前記配管によって前記曝氣機に加圧空気を供給する加圧空気供給源で構成され、
   前記ピット型槽への河川水の流入流出はポンピング手段を用いず河川の流水によって行われ、
   前記ピット型槽を通じて水棲生物の遡上と降河が許され、
   前記ピット型槽の前壁と後壁は既存河床との段差を小さくして前記ピット型槽の流入部と流出部は水の流れがスムーズな流れあるいは小さな滝を形成する程度である小河川水質浄化装置。
2. 前記前壁および後壁の段差が大きな滝を形成しないように、前記ピット型槽が河床の傾斜が緩慢な地域に設置される請求項１に記載の小河川水質浄化装置。
3. 前記曝氣機は前記ピット型槽の底付近で複数列で配置されて複数の渦流を形成する請求項２に記載の小河川水質浄化装置。
4. 前記後壁が傾斜している請求項３に記載の小河川水質浄化装置。
5. 前記ピット型槽の後壁が垂直から６０°以下傾いた請求項４に記載の小河川水質浄化装置。
6. 前記ピット型槽の後壁が垂直から１５°〜４５°流路方向に傾いた請求項５に記載の小河川水質浄化装置。
7. 前記ピット型槽の後壁近くの底には沈降される粒子を収集するサンプが形成される請求項６に記載の小河川水質浄化装置。
8. 前記サンプに収集される粒子はポンプ、エアジェットまたはエジェクターによって吸入される請求項７に記載の小河川水質浄化装置。
9. 前記ポンプは前記ピット型槽の後壁上に設置されたガイドレールに沿って移動してサンプに収集された粒子を吸入して除去する請求項８に記載の小河川水質浄化装置。
10. 前記吸入されて除去される粒子が前記ピット型槽の前半部に投入される請求項９に記載の小河川水質浄化装置。

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