JP6354025B2 - 汚水の土壌浄化処理装置及び土壌浄化処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、汚水の土壌浄化処理装置及び土壌浄化処理方法に関するものである。
地中に、散水装置、汚水拡散層、下部土壌層、砂利・礫層、集水管等を備えた汚水の土壌浄化処理装置が、広く使用されている（特許文献１）。
汚水は、外部から散水装置に断続的に供給され、散水装置から汚水拡散層に散水され、汚水拡散層の幅方向全体に行き渡った後、下部土壌層に拡散浸潤し、下部土壌層を通過して浄化処理される。この処理水は、砂利・礫層に下降し、集水管に集められ、集水管から排出される。排出された処理水は、消毒等の後処理をした後、放流されたり、再利用されたりする。
下部土壌層の土壌として、従来は目詰まり防止を主眼として、団粒構造を有する黒ボク土を使用してきた。また、黒ボク土は、屎尿中の色素成分を吸着する能力を有することが知られている。
特許文献２には、有色廃水、特に浄化処理した茶褐色の畜産廃水を黒ボク土に浸透させると、着色成分のフミン酸やメラノイジンが黒ボク土に効率良く吸着、除去されることが記載され、このように黒ボク土が吸着作用を発揮するのは、アロフェンを多く含み、アニオン交換体による吸着が活発に行われるためと推測されている。また、茶褐色の畜産廃水を黒ボク土を用いた所定の試験で脱色したところ、鳥取県の大山で採取した黒ボク土は脱色率７６．８％と最も優れており、熊本県の熊本市で採取した黒ボク土は脱色率５２．９％、大阪府の能勢で採取した黒ボク土では脱色率２１．９％であったことが報告されている。
処理水を再利用する上で重要な色素成分の除去機能について、上記のとおり特許文献２で、黒ボク土には着色成分の吸着作用があることは知られており、同作用がアロフェンに関わることも推測されているが、どの程度アロフェンを含むのが適当であるのかまでは知られていない。
また、特許文献２では、鳥取県の大山で採取した黒ボク土が、最も脱色率が高かったとされている。しかし、後述するとおり、本発明者らが、鳥取県の大山で採取した黒ボク土（アロフェン含有量１３．５質量％）を、地中に散水装置と土壌層と集水管とを備えた土壌浄化処理装置の該土壌層に用いて、汚水としてのトイレ排水の浄化処理をしたところ、その処理水は、処理開始時点では目視で無色透明であったが、６年経過した時点においては目視でごく薄い黄色となり、８年経過時点においてはその黄色がやや濃くなった。
このように、従来において、色素成分は長期間安定して除去できるものではなかった。そのため、処理水をトイレの洗浄水に再利用した場合には、最初は無色透明なので苦情は出ないが、次第に着色してくるため苦情が出てきて、やがては再利用できなくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、トイレの洗浄水等に再利用できるような無色透明な処理水を排出しうる汚水の浄化処理を、長期間にわたって維持することにある。
（１）本発明の汚水の土壌浄化処理装置は、地中に、外部から断続的に供給された汚水を散水する散水装置と、散水装置から散水された汚水を通過させて浄化処理する土壌層と、土壌層を通過した処理水を集めて取り出す集水管とを備えた汚水の土壌浄化処理装置において、栃木県鹿沼市で採取した黒ボク土、鳥取県大山町で採取した黒ボク土と鳥取県大山町で採取したみそ土との混合、又は、鳥取県大山町で採取した黒ボク土とアロフェン粉末との混合のいずれか１つからなる土壌であって、土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土であるとともに、有機物を含んだ絶乾状態の土壌における測定値でアロフェン含有量が２０〜３９質量％である土壌により、土壌層が形成されていることを特徴とする。
（２）本発明の汚水の土壌浄化処理装置の改良方法は、地中に、外部から断続的に供給された汚水を散水する散水装置と、散水装置から散水された汚水を通過させて浄化処理する土壌層と、土壌層を通過した処理水を集めて取り出す集水管とを備えた汚水の土壌浄化処理装置において、土壌層の土壌が、有機物を含んだ絶乾状態の土壌における測定値でアロフェン含有量が２０質量％未満である場合に、同アロフェン含有量が３０質量％以上である浄化用資材を該土壌に混合することにより、該土壌の同アロフェン含有量を２０〜５０質量％にするとともに、土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土である土壌とすることを特徴とする。
（３）本発明の汚水の土壌浄化処理方法は、地中に散水装置と土壌層と集水管とを備え、汚水を外部から散水装置に断続的に供給し、散水手段から散水された汚水を土壌層を通過させて浄化処理し、土壌層を通過した処理水を集水管に集めて取り出す汚水の土壌浄化処理方法において、栃木県鹿沼市で採取した黒ボク土、鳥取県大山町で採取した黒ボク土と鳥取県大山町で採取したみそ土との混合、又は、鳥取県大山町で採取した黒ボク土とアロフェン粉末との混合のいずれか１つからなる土壌であって、土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土であるとともに、有機物を含んだ絶乾状態の土壌における測定値でアロフェン含有量が２０〜３９質量％である土壌により形成されている土壌層に、前記汚水を通過させることを特徴とする。
アロフェンを含む土壌には、次の作用がある。
・アロフェンにより、屎尿中に含まれる色素成分（ウロビリン、ステルコビリンなど血液由来の老廃物）を吸着できる。
・吸着した色素成分は、土壌微生物によって分解除去される。
・色素成分は難分解性物質であり、ＢＯＤ源の有機物のように短時間で分解されないため、土壌層の土壌中に吸着させ、そのものを時間かけて微生物で分解する必要がある。
・アロフェンにより、屎尿中に含まれる色素成分（ウロビリン、ステルコビリンなど血液由来の老廃物）を吸着できる。
・吸着した色素成分は、土壌微生物によって分解除去される。
・色素成分は難分解性物質であり、ＢＯＤ源の有機物のように短時間で分解されないため、土壌層の土壌中に吸着させ、そのものを時間かけて微生物で分解する必要がある。
そして、アロフェン含有量が２０質量％未満の土壌では、長期間の安定した脱色ができない。一方、アロフェン含有量が５０％質量を超える土壌では、相対的に有機物の含有量が少なくなり、土壌の団粒構造を維持できないため、微生物による処理が安定せず、目詰まりを生じやすくなる。
汚水の処理水をトイレの洗浄水として再利用するには、処理水の透視度を５０以上、色度を３０以下にすることが好ましく、本発明によれば、それが可能であるだけでなく長期間にわたって維持できる。
本発明によれば、トイレの洗浄水等に再利用できるような無色透明な処理水を排出しうる汚水の浄化処理を、長期間にわたって維持することができる。
上記（２）において、浄化用資材は、土壌でもよいし、市販のアロフェン製品でもよい。また、アロフェン含有量を２０〜５０質量％にした土壌は、目詰まり防止のために、上記のとおり土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土である土壌とする。
汚水の浄化用資材として、表１に示すものを用いて、汚水の脱色試験を行うとともに、アロフェン含有量を調べた。
すなわち、浄化用資材の黒ボク土としては、栃木県鹿沼市、鳥取県大山町、群馬県前橋市、三重県鈴鹿市、熊本県阿蘇市の各産地で採取した５種を実験対象とした。以下、これらの黒ボク土を、それぞれ「黒ボク土鹿沼」、「黒ボク土大山」、「黒ボク土前橋」、「黒ボク土鈴鹿」、「黒ボク土阿蘇」の略称で記す。
また、黒ボク土以外の「その他」の浄化用資材として、次の６種を実験対象とした。
・活性炭（フタムラ化学工業社の商品名「太閤ＣＷ１３０Ａ」）
・鹿沼土（栃木県鹿沼市産）
・赤玉土（栃木県鹿沼市産）：火山灰土である。
・みそ土（鳥取県大山町産）：黒ボク土の下層（風化軽石層）に堆積する火山灰土である。
・アロフェン粒状製品（品川化成株式会社の商品名「セカードＯＷ」）： 水分、臭い成分、色成分等の吸着剤である。以下「アロフェン粒状」の略称で記す。
・アロフェン粉末製品（品川化成株式会社の商品名「セカードＰ１」）： 水分、臭い成分、色成分等の吸着剤である。以下「アロフェン粉末」の略称で記す。
・活性炭（フタムラ化学工業社の商品名「太閤ＣＷ１３０Ａ」）
・鹿沼土（栃木県鹿沼市産）
・赤玉土（栃木県鹿沼市産）：火山灰土である。
・みそ土（鳥取県大山町産）：黒ボク土の下層（風化軽石層）に堆積する火山灰土である。
・アロフェン粒状製品（品川化成株式会社の商品名「セカードＯＷ」）： 水分、臭い成分、色成分等の吸着剤である。以下「アロフェン粒状」の略称で記す。
・アロフェン粉末製品（品川化成株式会社の商品名「セカードＰ１」）： 水分、臭い成分、色成分等の吸着剤である。以下「アロフェン粉末」の略称で記す。
上記の各浄化用資材は、吸着実験における微生物の影響を排除するため、１０５℃で２４時間加熱してから用いた（以下、同じ）。
１．浄化用資材による汚水の脱色実験
上記の各浄化用資材を用いて、汚水の脱色実験を行った。汚水としては、某物流倉庫に設置されている大型浄化槽（し尿系の排水）の処理水を用いた。この処理水は有色水（茶色）であり、水質は表２に示すとおりである。
上記の各浄化用資材を用いて、汚水の脱色実験を行った。汚水としては、某物流倉庫に設置されている大型浄化槽（し尿系の排水）の処理水を用いた。この処理水は有色水（茶色）であり、水質は表２に示すとおりである。
ここで、、生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）、浮遊物（ＳＳ）、総窒素量（Ｔ−Ｎ）、総窒素量（Ｔ−Ｐ）は、何れも日本工業規格に規定された方法により測定したものである。アンモニア態窒素量（Ｎ−ＮＨ4）はネスラ−法により測定したものである。硝酸態窒素量（Ｎ−ＮＯ3）は、ブルシン法により測定したものである。色度は、笠原理化工業社製の色度センサーＣＲ−３０により測定したものである。
図１に示すように、容積３００ｍｌの三角フラスコに、汚水と浄化用資材とを入れた。配合割合は、汚水１００ｍｌに対し、浄化用資材を有機物を含んだ絶乾状態の質量比で１％とした。これを、スターラーにより３０分撹拌した後、１時間静置した。その後、沈殿物を取り除き、上澄み液を、ガラス繊維ろ紙で吸引ろ過してから、色度を測定し、色度除去率（％）（＝（実験前の色度−実験後の色度）÷実験前の色度×１００）を算出した。
各浄化用資材による色度除去率を、上掲の表１に示す。
アロフェン粉末、アロフェン粒状、みそ土、赤玉土は、色度除去率が一様に高かった。
黒ボク土鹿沼、黒ボク土阿蘇、鹿沼土は、次いで色度除去率が高かった。
黒ボク土大山、黒ボク土前橋は、色度除去率が低く、活性炭も、同様に低かった。
黒ボク土鈴鹿は、攪拌による濁りが発生し、色度がマイナスとなった。
アロフェン粉末、アロフェン粒状、みそ土、赤玉土は、色度除去率が一様に高かった。
黒ボク土鹿沼、黒ボク土阿蘇、鹿沼土は、次いで色度除去率が高かった。
黒ボク土大山、黒ボク土前橋は、色度除去率が低く、活性炭も、同様に低かった。
黒ボク土鈴鹿は、攪拌による濁りが発生し、色度がマイナスとなった。
２．アロフェン含有量の分析
続いて、黒ボク土鹿沼、黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿、みそ土、アロフェン粉末の各浄化用資材について、有機物を含んだ絶乾状態の浄化用資材におけるアロフェン含有量（質量％）を分析した。その分析は、「北川靖夫；土壌中のアロフェンおよび非晶質無機成分の定量に関する研究、農技研報２９、１〜４８頁（１９７７）」の３３頁に掲載の方法により行った。すなわち、浄化用資材１ｇを秤取し、重量既知のガラス製ふた付遠心管に入れ、８Ｎ・ＨＣｌを５０ｍｌ加えて３０分間振とうし、遠心分離（２０００ｒｐｍ、５分間）して上澄みを捨て、沈殿を１度蒸留水で洗浄した後、０．５Ｎ・ＮａＯＨを５０ｍｌ加えて、煮沸した湯浴中に遠心管ごと５分間浸し、遠心分離後上澄みを捨てる。以上の処理を必要な回数繰り返して最後に０．５Ｎ・ＮａＯＨ処理後の沈殿を水洗して１０５℃で２４時間乾燥後秤量して減量を求める。処理回数に対する減量をｘ軸、ｙ軸にそれぞれプロットして溶解曲線を描き、その直線部分を延長してｙ軸との交点を求め、その値をアロフェン含有量とした。
続いて、黒ボク土鹿沼、黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿、みそ土、アロフェン粉末の各浄化用資材について、有機物を含んだ絶乾状態の浄化用資材におけるアロフェン含有量（質量％）を分析した。その分析は、「北川靖夫；土壌中のアロフェンおよび非晶質無機成分の定量に関する研究、農技研報２９、１〜４８頁（１９７７）」の３３頁に掲載の方法により行った。すなわち、浄化用資材１ｇを秤取し、重量既知のガラス製ふた付遠心管に入れ、８Ｎ・ＨＣｌを５０ｍｌ加えて３０分間振とうし、遠心分離（２０００ｒｐｍ、５分間）して上澄みを捨て、沈殿を１度蒸留水で洗浄した後、０．５Ｎ・ＮａＯＨを５０ｍｌ加えて、煮沸した湯浴中に遠心管ごと５分間浸し、遠心分離後上澄みを捨てる。以上の処理を必要な回数繰り返して最後に０．５Ｎ・ＮａＯＨ処理後の沈殿を水洗して１０５℃で２４時間乾燥後秤量して減量を求める。処理回数に対する減量をｘ軸、ｙ軸にそれぞれプロットして溶解曲線を描き、その直線部分を延長してｙ軸との交点を求め、その値をアロフェン含有量とした。
各浄化用資材のアロフェン含有量（質量％）を、上掲の表１に示す。
アロフェン粉末は、最もアロフェン含有量が高かった。
みそ土、黒ボク土鹿沼は、次いでアロフェン含有量が高かった。
黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿は、アロフェン含有量が黒ボク土鹿沼の１／３程度と少なかったが、全く含有してないわけではなかった。
アロフェン粉末は、最もアロフェン含有量が高かった。
みそ土、黒ボク土鹿沼は、次いでアロフェン含有量が高かった。
黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿は、アロフェン含有量が黒ボク土鹿沼の１／３程度と少なかったが、全く含有してないわけではなかった。
３．色度除去率とアロフェン含有量との関係
上記１．で求めた色度除去率と、上記２．で分析したアロフェン含有量（質量％）との関係を、図２に示す。
アロフェン含有量が高いアロフェン粉末、みそ土、黒ボク土鹿沼は、色度除去率も高い。
アロフェン含有量が低い黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿は、色度除去率も低い。
図２に近似曲線を加えると、アロフェン含有量が２０質量％以上であると、特に色度除去率が高くなることが分かる。
上記１．で求めた色度除去率と、上記２．で分析したアロフェン含有量（質量％）との関係を、図２に示す。
アロフェン含有量が高いアロフェン粉末、みそ土、黒ボク土鹿沼は、色度除去率も高い。
アロフェン含有量が低い黒ボク土大山、黒ボク土鈴鹿は、色度除去率も低い。
図２に近似曲線を加えると、アロフェン含有量が２０質量％以上であると、特に色度除去率が高くなることが分かる。
４．カラムでの汚水の土壌浄化処理実験
続いて、次に示す比較例１及び実施例１〜３の各土壌を用いて、カラムでの汚水の土壌浄化処理実験を行った。
・比較例１：黒ボク土大山であり、アロフェン含有量は１３．５％である。
・実施例１：黒ボク土鹿沼であり、アロフェン含有量は３１．７％である。
・実施例２：黒ボク土大山とみそ土とを質量比２：１で混合した土であり、混合後のアロフェン含有量は２０％である。
・実施例３：黒ボク土大山とアロフェン粉末とを質量比２：１で混合した土であり、混合後のアロフェン含有量は３９％である。
続いて、次に示す比較例１及び実施例１〜３の各土壌を用いて、カラムでの汚水の土壌浄化処理実験を行った。
・比較例１：黒ボク土大山であり、アロフェン含有量は１３．５％である。
・実施例１：黒ボク土鹿沼であり、アロフェン含有量は３１．７％である。
・実施例２：黒ボク土大山とみそ土とを質量比２：１で混合した土であり、混合後のアロフェン含有量は２０％である。
・実施例３：黒ボク土大山とアロフェン粉末とを質量比２：１で混合した土であり、混合後のアロフェン含有量は３９％である。
図３に示すように、直径（内径）６５ｍｍ、長さ２７０ｍｍの樹脂製の円筒形カラム管を立て、その内部に、一番下に粒径３〜５ｍｍの砂利を厚さ１０ｍｍの砂利層となるように入れ、その上に比較例・実施例の土壌を厚さ３０ｍｍの土壌層となるように入れ、さらにその上にケイ酸カルシウム系ろ材（粒径１〜４ｍｍ）を厚さ３０ｍｍのろ材層となるように入れて、実験用カラムを製作した。この実験用カラムは、土壌層の厚さが、後述する実規模の土壌浄化処理装置の約１／１０規模のものであり、実規模よりも色度の飽和を早期に発現させる目的で行った。
汚水としては、上記「１．浄化用資材による汚水の脱色実験」で説明した大型浄化槽の処理水（有色水、水質は表２のとおり）を用いた。この汚水を、１日に４回（６時間毎）、１回あたり４５ｍｌ、定量ポンプで、実験用カラムの最上部のろ材層の上に散水し、砂利層から処理水を流出させた。散水開始して１日経過する毎に、砂利層から流出する処理水をビーカーに回収し、この処理水の色度を測定し、色度除去率（％）を算出した。
比較例１及び実施例１〜３の経過日数に対する色度除去率の変化を、図４に示す。
比較例１では、散水開始して６日目から色度除去率が急激に低下した。
実施例１〜３では、色度除去率の低下が抑えられ、散水開始して１０日目においても十分な色度除去率が得られており、安定処理できていた。上記のとおり、このカラム実験は実規模よりも色度の飽和を早期に発現させる目的で行ったものであり、実規模ではさらに長期にわたって安定処理できると推定される。
比較例１では、散水開始して６日目から色度除去率が急激に低下した。
実施例１〜３では、色度除去率の低下が抑えられ、散水開始して１０日目においても十分な色度除去率が得られており、安定処理できていた。上記のとおり、このカラム実験は実規模よりも色度の飽和を早期に発現させる目的で行ったものであり、実規模ではさらに長期にわたって安定処理できると推定される。
５．実規模での汚水の土壌浄化処理
比較例１の土壌と実施例１の土壌をそれぞれ、図５及び図６に示す実規模の土壌浄化処理装置に用いて、実規模での汚水の土壌浄化処理を行った。
比較例１の土壌と実施例１の土壌をそれぞれ、図５及び図６に示す実規模の土壌浄化処理装置に用いて、実規模での汚水の土壌浄化処理を行った。
この土壌浄化処理装置は、上述した特許文献１記載の装置と基本的に同一構造であり、大きく分けて土壌浸潤槽１と多室型腐敗槽４０と分水桝４１と消毒槽４２とから構成されている。土壌浸潤槽１は、地中に、外部から断続的に供給された汚水を散水する散水装置８と、散水装置８から散水された汚水を通過させて浄化処理する土壌層９と、土壌層９を通過した処理水を集めて取り出す集水管４とを備えている。より詳しくは、土壌浸潤槽１は、大地に掘られた溝２内に形成されており、溝２の内側に張りめぐらされた遮水槽３と、該遮水槽３の底部の幅方向中央部に配設された集水管４と、該遮水槽３の底部から順に積層された厚さ約１００ｍｍの砂利・礫層５、厚さ約２７０ｍｍの下部土壌層６、ケイ酸カルシウム系ろ材を用いた厚さ３０〜４０ｍｍの汚水拡散層７、散水装置８及び厚さ３２０〜４００ｍｍの上部土壌層９とから構成されている。
散水装置８は、複数のプラスチック製のユニット１０を長さ方向に連結して形成され、外部から供給された汚水を長さ方向に流す吐水孔３０付きの通水管２５を備える。また、散水装置８はろ材受け２６を備え、その上にはケイ酸カルシウム系ろ材２７が厚さ約８０ｍｍに敷かれている。ろ材２７の上には透水性シート２８が被せられている。その他、外部の空気を自然に取り込む給気管３８、給気管３８に時折強制的に空気を送るブロアー３９、取り込んだ空気をろ材２７及び下部土壌層６に送り込む通気管２９、通気管２９に取り込んだ汚水を汚水拡散層７に散水するための左右の散水口３２等を備える。
上記の土壌浄化処理装置は、比較例１の土壌を下部土壌層６に用いたものと、実施例１の土壌を下部土壌層６に用いたものの２つを構築した。なお、何れも上部土壌層９には真砂土を用いた。
それぞれの土壌浄化処理装置において、汚水としてのトイレ排水を、多室型腐敗槽４０と分水桝４１を経て、土壌浸潤槽１の散水装置８にポンプにより断続的に供給した。散水装置８から散水された汚水は、汚水拡散層７の幅方向全体に行き渡った後、下部土壌層６に拡散浸潤し、下部土壌層６を通過して浄化処理される。この処理水は、砂利・礫層５に下降し、集水管４に集められ、集水管４から排出される。
比較例１の土壌を下部土壌層６に用いた土壌浄化処理装置では、集水管４から排出される処理済水の色度が、処理開始時点で１０以下と推定されたが（目視で無色透明）、６年経過した時点においては１０を超えたと推定され（目視でごく薄い黄色）、８年経過時点においては３２であった（目視で薄い黄色）。
実施例１の土壌を下部土壌層６に用いた土壌浄化処理装置では、集水管４から排出される処理済水の色度が、処理開始時点で１０以下と推定され（目視で無色透明）、６年経過時点においては５であった（目視で無色透明）。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で任意に変更して具体化することもできる。
１ 土壌浸潤槽
６ 下部土壌層
７ 汚水拡散層
８ 散水装置
６ 下部土壌層
７ 汚水拡散層
８ 散水装置
Claims (2)
- 地中に、外部から断続的に供給された汚水を散水する散水装置と、散水装置から散水された汚水を通過させて浄化処理する土壌層と、土壌層を通過した処理水を集めて取り出す集水管とを備えた汚水の土壌浄化処理装置において、栃木県鹿沼市で採取した黒ボク土、鳥取県大山町で採取した黒ボク土と鳥取県大山町で採取したみそ土との混合、又は、鳥取県大山町で採取した黒ボク土とアロフェン粉末との混合のいずれか１つからなる土壌であって、土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土であるとともに、有機物を含んだ絶乾状態の土壌における測定値でアロフェン含有量が２０〜３９質量％である土壌により、土壌層が形成されていることを特徴とする汚水の土壌浄化処理装置。
- 地中に散水装置と土壌層と集水管とを備え、汚水を外部から散水装置に断続的に供給し、散水手段から散水された汚水を土壌層を通過させて浄化処理し、土壌層を通過した処理水を集水管に集めて取り出す汚水の土壌浄化処理方法において、栃木県鹿沼市で採取した黒ボク土、鳥取県大山町で採取した黒ボク土と鳥取県大山町で採取したみそ土との混合、又は、鳥取県大山町で採取した黒ボク土とアロフェン粉末との混合のいずれか１つからなる土壌であって、土壌全体の半分以上の量が団粒構造を有する黒ボク土であるとともに、有機物を含んだ絶乾状態の土壌における測定値でアロフェン含有量が２０〜３９質量％である土壌により形成されている土壌層に、前記汚水を通過させることを特徴とする汚水の土壌浄化処理方法。
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