JPH0688036B2

JPH0688036B2 - 富栄養化湖沼の水質浄化装置

Info

Publication number: JPH0688036B2
Application number: JP4697790A
Authority: JP
Inventors: 国和荒ヶ田; 広司下見
Original assignee: Hokoku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hokoku Kogyo Co Ltd
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1990-02-27
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPH03249997A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、植物プランクトン等が繁殖した富栄養化湖沼
の水質浄化装置に関するものである。

（従来の技術）水質汚染といえば、普通の有機汚染の場合が考えられ、
水中の酸欠状態を改善するため瀑気を施しその後に燐ま
たは窒素を除去する対策が採られている。

ところで、近年、農業の機械化が進むにつれて役畜の飼
養が行われなくなったので堆肥の施行が困難となり、堆
肥を使用しなくなった水田等の窒素濃度が大幅に増え、
水田等と同じ水路で連絡している湖沼の富栄養化が進
み、いわゆる「アオコ」等の植物プランクトンの発生に
より汚染された湖沼が目立って増えてきた。この湖沼の
表面積は一般に大きく、表層においては、植物プランク
トンが盛んに繁殖し、酸素を水中に放出するとともに水
中の炭酸ガスを吸収するので、酸素濃度とアルカリ度は
十分に高くされている。

したがって、この湖沼を浄化するためには、湖沼中の有
機物を除去するため瀑気するだけでは効果はなく、先
ず、好気的条件化において、有機物をある程度分解し、
生成されたアンモニアを亜硝酸と硝酸に変える酸化過程
と、嫌気的条件化において細菌に硝酸呼吸を行わせて、
亜硝酸と硝酸を分離する過程が必要であるので、二次処
理と三次処理の二つの水処理過程が必要とされていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、富栄養化された湖沼の水質浄化を、従来
の技術を用いて行うとすれば、第一に瀑気槽が必要であ
り、また、脱窒は嫌気的条件化で行われるので、大きな
脱窒槽が必要となりその用地の確保、建設費用などの問
題があり、湖沼に設置されるまで時間、費用を要してい
た。

また、他の手段として活性汚泥等を利用したところの従
来技術を用いると、その過程において有機物が減少し過
ぎるので、三次処理の脱窒のための有機物を、メタノー
ル等の人為的な添加物によって全面的に依存しなければ
ならなかった。

そこで、富栄養化された湖沼に繁殖した植物プランクト
ンが吸収し得る、いわゆる可吸態の窒素はアンモニアと
亜硝酸と硝酸に限定されることから、このことを利用し
て、アンモニアを亜硝酸と硝酸にし、これを除去するよ
うにして植物プランクトンの異常発生を防止することの
できる装置の現出が望まれた。

本発明は自然界の有する浄化能力に着目し、これを利用
した富栄養化湖沼の水質浄化装置を提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するために、富栄養化された湖
沼の底部に脱窒層を有する透水性の土壌を設け、周面に
複数の孔を開口した吸水管を前記土壌の下部に複数、平
面的に埋設し、該複数の吸水管端部を連結して排水ポン
プの入口側に接続し、該排水ポンプの出口側に、前記湖
沼の表層付近に開口した排水管を接続したことを特徴と
する。

また、上記構成に加えて、前記土壌の上部に、周面に複
数の孔を開口した溶液散布管を複数、平面的に埋設し、
該溶液散布管に、メタノール等の有機物を送り込む送液
管を接続し、該送液管に送液量を可変できる加圧手段を
接続したことを特徴とする。

（作用）本発明は上記のように構成するので、以下に示すよう
に、富栄養化された状態の湖沼全体を浄化装置として貯
水を清浄にすることができる。まず、湖沼の貯水表層に
おいて、植物プランクトンが盛んに繁殖し、酸素を放出
して炭酸ガスを吸収しているため、酸素濃度とアルカリ
度が十分に高く、人為的に操作しなくても有機物の分解
とアンモニウム塩の亜硝酸化または硝酸化が促進され
る。また、湖沼の底部から滲透して地下水となった水に
は、亜硝酸、硝酸の他に溶存態の有機物が含まれ、地中
を通って吸水管に吸収される間に、嫌気的条件下で脱窒
菌の硝酸呼吸によって亜硝酸と硝酸の中の酸素が有機物
の分解に活用されて窒素ガスを放出する。

脱窒層を滲透した地下水は広域にわたるので平面上に配
置した吸水管の孔により全域にわたって吸収される。そ
して、この地下水は排水ポンプによって排水管を通り、
湖水中の表層に放出されるので、植物プランクトンの繁
殖を介助する窒素は総合的に減少し、植物プランクトン
の増殖を抑えると共に、湖水中の有機物が減少し清浄と
なる。

また、湖沼が中層から低層にわたってより好気的条件下
にある場合には、除去すべき亜硝酸態と硝酸態の窒素量
が多く、一方、有機物が分解されて不足するので、溶液
散布管によってメタノール等の有機物を地中に補給する
ことによって、脱窒のための有機物を補給することがで
きる。

（実施例）次に、本発明の一実施例を第１図および第２図に基づい
て説明する。図に示すように、湖沼１は掘削されて、そ
の底面は転圧されて不透水性にされ、その上に複数の吸
水管２が平面的に並列に設置されている。この吸水管２
は水の滲透が不均一にならないように管径は大きく長さ
は短くされ周面に小径の孔が万遍なく穿たれている。ま
た、湖沼１の底面に立設した循環装置３は集水管3a、吸
水槽3b、排水ポンプ3c、排水管3dからなっており、集水
管3aに複数の吸水管２が接続されている。吸水槽3bの上
端は水上に突出し内部には排水ポンプ3cが設けられ集水
管3aおよび排水管3dが接続されている。排水管3dは吸水
槽3bの上部に延出され湖沼１の表層に向け開口されてい
る。この開口については、通常は排水ポンプ3cの揚程を
節約して、その運転経費を節減するために、開口部分が
漸次拡大されて水中に開口されるが、特に噴水を作る場
合には空中に上向きに開口されることもある。また、排
水ポンプ3cの排水量については、富栄養化された湖沼１
内で生成された硝酸と亜硝酸と有機酸の残存量が均衡し
えるように決められる。

また、湖沼の底部には吸水槽3bを囲んで底部下側から順
に、砂利、砂からなる粗粒フィルター層4a、中粒フィル
ター層4bおよび細粒フィルター層4cが積層されてフィル
ター層４が形成されている。吸水管２および集水管3aは
最下層の粗粒フィルター層4a内に位置されている。ま
た、細粒フィルター層4cの上方には適当な透水性を有す
る土壌からなった脱窒層５が充填されている。脱窒層５
の上方は粗粒拡散層6aと細粒拡散層6bからなる溶液拡散
層６によって被覆され、粗粒拡散層6aの中に溶液散布管
７が複数並列に平面的に埋設されている。溶液散布管７
は溶液の散布が不均一にならないように管径は大きく長
さは短くされ周面に小径の孔が万遍なく穿たれており、
送液管8a、加圧ポンプ8bおよび溶液タンク8cからなる送
液装置８の送液管8aに接続されている。また、溶液拡散
層６の上方は適当な透水性を有する被覆層９によって覆
われている。

従って、吸水管２を取り巻く粗粒フィルター層4aと溶液
散布管７を取り巻く粗粒拡散層6aの透水性が十分に高く
されることは勿論である。なお、通常はこのように落水
をして湖沼１の底の掘削作業を行い吸水管２を設置する
が、落水が困難の場合には後述する施行手段がある。

次に、脱窒層５と被覆層９の透水性について説明する。
これらの用土は掘削された土を利用することもできる
が、透水性が余りに低いと、排水ポンプ3cの負荷が増加
し、不経済となるので砂利、砂等を混入して透水性を改
良することが望ましい。

被覆層９の厚さについては、余り厚いとメタノール等を
供与する以前に被覆層９の中で有機物が消耗され脱窒が
阻害されるので、なるべく薄くする必要があるが、波浪
によって洗掘され細粒拡散層6bが露出するおそれがある
場合には、玉石等を混入して洗掘に対する抵抗を強化す
る。

脱窒層５の厚さについては、これを大きくすれば排水ポ
ンプ3cの揚程が大きくなり、小さくすれば吸水管２、溶
液散布管７等の経費が嵩むので、専ら経済的見地から決
定されるが、脱窒層５と被覆層９の容積が脱窒のための
時間が十分となるように決定されることは勿論である。

また、溶液拡散層６に流すメタノール等は溶液散布管７
を出てから水平方向に十分に拡散するよう多量に流すの
で、溶液タンク8c内に希釈されて収容されている。ま
た、排水ポンプ3cの排水量については湖内の水が十分に
好気的となって除去すべき窒素量に応じた亜硝酸と硝酸
の量が生成されるように決定される。

次に富栄養化した湖沼１を利用した、有機物の亜硝酸化
および硝酸化について説明する。湖沼１は表層におい
て、植物プランクトンが繁殖し前述したように酸素濃度
とアルカリ度は極めて高く有機物の分解によるアンモニ
アの生成とアンモニアの亜硝酸化、硝酸化が進行してい
る。また、アンモニアは植物プランクトンが利用し得る
可吸態であるので、亜硝酸と硝酸に変えて脱窒する必要
がある。そこで、湖水から滲透した地下水を汲み上げて
湖沼の表層に排出し、ある程度水を循環させて表層と底
層の温度を少なく表層と底層が混合し易くし、また、水
中の有機物が地下で分解されて少なくなるので、湖水は
より好気的となって有機物の分解とその結果生成された
アンモニアの亜硝酸化、硝酸化が促進される。湖沼の表
面では、下記の（１）式および（２）式でそれぞれ示す
ような亜硝酸化と硝酸化が進行する。

2NH₄ ⁺＋3O₂→2NO₂ ^-＋2H₂O＋4H⁺ …（１） NO₂ ^-＋1/2O₂→NO₃ ^- …（２）（１）式ではアンモニアの亜硝酸化は、硝化細菌であ
る、ニトロソモナス（Nitrosomonas），ニトロソコッカ
ス（Nitrosococcus），ニトロソスピラ（Nitrosospir
a），ニトロソシスティス（Nitrosocystis），ニトログ
ロエア（Nitrogloea）等が関与する。また、（２）式で
は同じく、ニトロバクター（Nitrobacter）等が関与す
る。また、（３）式で示す反応も起こる。

NH₄ ⁺＋2O₂→NO₃ ^-＋H₂O＋2H⁺ …（３）このようにして生成された亜硝酸と硝酸は負の電荷を有
しているので、土壌粒子に補足されることなく水と共に
地下に滲透する。

次に湖内における有機物の生産の問題について説明す
る。上記のように表層において増殖した植物プランクト
ンとこれを捕食した動物は、いずれは死亡し、沈降して
分解される。その結果これらの有機物は一部は菌体に取
り込まれるがいずれは菌体も分解され、非常に大量の有
機物が水中に溶存することになる。一例をあげると宝月
欣二著、「水界生態系」78頁には「ウェーバー湖におい
ては生物を含めた全有機物の中で溶存有機物が60パーセ
ントを占めていた。」と記されている。このことは湖内
において、絶え間なく植物プランクトンと動物から有機
物が体外に排出され供給し続けられている周知の事実か
らもうなずけるところであって、数字は別として、いず
れの湖沼１においても多量の溶存有機物が水中に存在す
ることは間違いない。従って、これらの大量の溶存態の
有機物は脱窒のために有効に利用されるので、メタノー
ル等の補給は必要がないか、あるいは補給をするとして
もその量は少なくて済む。

次に脱窒の作用について説明する。上記の溶存有機物と
亜硝酸と硝酸は水と共に被覆層内に滲透して侵入すれば
表層においては残存する酸素を消費しながら有機物が分
解されるが、水田の一例によれば底から深さ2cm以上の
地中では嫌気的条件化にあるといわれている。従って地
中にいる脱窒細菌によって亜硝酸、硝酸に含まれている
酸素が呼吸に利用され、いわゆる硝酸呼吸によって亜硝
酸と硝酸が水と窒素ガスに分解される。その反応は次の
各式に示され、式中の水素はメタノール等の有機物が持
っているものである。

2NO₃ ^-＋10H→N₂＋4H₂O＋2OH^- …（４） 2NO₂ ^-＋6H→N₂＋2H₂O＋2OH^- …（５）このような硝酸呼吸を行う細菌はミクロコッカス（Micr
ococcus），アクロモバクター（Achromobacter），バチ
ラス（Bacillus）等が知られている。

上記のように被覆層９内に侵入すると、直ちに有機物の
消費が始まるので被覆層９内において有機物がなくな
り、脱窒が行われなくなるおそれがあるが、このため被
覆層９が極力薄くされている。また、後に説明するよう
に、メタノール等の有機物を供与し補給しても良い。

また、本発明においては、脱窒のために湖内の有機窒素
化合物を利用するので、脱窒層５等において、アンモニ
アが発生するが、その一部は地下水と一緒に湖内に排出
されて亜硝酸または硝酸になって、次に再び滲透した段
階で除去される。なお、付言すれば、別に除去すべき窒
素量が多くなる訳ではなく、ただ窒素を含んだ有機物が
有効に脱窒に利用されるに過ぎない。

次にメタノール等の有機物の供与に付いて説明する。先
ず、湖水中の酸素濃度は瀑気槽等と比べると低いので、
有機物の分解には長時間を要する。従って、水中にはな
お多量の有機物が溶存していることになる。これが地下
における脱窒に利用されるので、除去すべき亜硝酸、硝
酸の生成が少なければ、上記の湖内の有機物だけで十分
に脱窒出来るが、亜硝酸、硝酸の生成が多い場合には有
機物の分解も盛んであるので、脱窒に要する有機物が不
足することになる。従って、メタノール等の有機物を人
為的に供与する必要が生ずる。メタノール等を供与する
ときは、加圧ポンプ8bの吐出力が可変とされ、また、湖
面の変動に関係なく吐出量が一定となるようにされてい
るので、ほぼ過不足なく有機物を供給することができ、
従って、過剰のメタノールのために湖水が酸欠状態とな
ることはない。また、溶液散布管７から吐き出される量
は均一であり、また、粗粒拡散層6aの透水性が高くされ
ているので、メタノール等は管と管との間にほぼ均一に
拡散し、水と共に脱窒層５内に滲透し、脱窒に預かるこ
とができる。

また、有機物の供与量は、例えば、メタノールを用いた
場合には次式で表される。

Mg＝2.47N₁＋1.53N₂＋0.87Do …（６） Mg:メタノール濃度 N₁:硝酸濃度 N₂:亜硝酸濃度 Do:溶存酸素濃度しかしながら厳密にメタノール等を所要量だけ供与する
ことは不可能であり、若干余裕をもって供与することに
なるが、脱窒に使われなかったメタノール等は、好気的
条件化にあっては水中の溶存酸素、嫌気的条件下にあっ
ては水の組織中の水素と結合した酸素を用いて分解され
て炭酸ガスとなる。

このようにして、湖沼１から滲透してきた地下水は被覆
層９と脱窒層５とを通り、吸水管２に吸入され、循環装
置３を介して湖水中に排出される。

また、本発明においては、脱燐を行わないので、窒素固
定能力を持った藍藻類の発生が考えられるが、有機物が
減少して底層が好気的に保たれるので底層から水中への
燐の溶出が抑制されて水中の燐の量も少なくなり、した
がって窒素固定能力を有する藍藻類の発生も抑制され
る。

また、本発明においては、下水処理の瀑気のように空気
を圧力のかかった水中に圧入する必要はなく、水を循環
させるだけであるので、脱窒層５と被覆層９の透水性を
高くしその平面積を大きくすれば、極めて排水ポンプ3c
の動力を少なくすることができる。また、メタノール等
の圧入も送液管8a内における高低差を利用するので加圧
する動力は小さくて済む。

また、地中に滲透する湖の底層は水の水温の変化が少な
く、また、地中において脱窒されるので気温の影響がほ
とんどなく季節による能力の変動が少なく安定してい
る。無論、脱窒作用は冬期において低下するが、亜硝酸
化および硝酸化の作用も低下するので実用上支障がな
い。

次に、落水が困難な場合についての実施例を第３図に参
照して説明する。まず、吸水管10の設置については、ポ
ンプ船で湖底を浚渫し、砂を投入して多数の井戸枠とな
る管を鉛直に打ち込んで、その各上端に排水ポンプ11を
取り付けることがなされる。この場合、吸水管10の下部
に複数の孔が開口され、この下部の位置が互いに平面的
に配置される。そしてこの中間部は第１の実施例で示し
た集水管3aと兼用した状態にある。また、排水ポンプ11
は水中駆動式とされその排出口は湖沼の表層に位置して
いる。また、落水が出来ないため、その直上方に溶液散
布管７を全面的に付設することが困難であるので、溶液
散布管７は吸水管10と吸水管10の中間に敷設して格子状
に設けられている。また、散布したメタノールがすぐに
吸水管10に吸収されるのではメタノールの効率が低下す
るので、その間隔は大きくされている。

上記のように構成されたとき、その硝化作用は第一の実
施例と変わらないので省略する。そこで、脱窒に関与す
るメタノールについて説明すると、メタノールを散布す
る溶液拡散層６の透水性は大きくその中の圧力はほぼ均
一であるので、その上方の水の滲透はほぼ均一である。
しかるに、その下方の滲透は吸水管10の周辺で密で、外
側に行くほど滲透量は少ない。従って溶液拡散層６内に
おいては周辺から吸水管10に向かう水流を生ずるので、
溶液散布管７を吸水管10とその隣の吸水管10の真ん中に
配置すれば、若干不均一になるが十分に拡散し得ること
となる。

以上のように、富栄養化の湖沼を利用して吸水管２、10
および溶液散布管７を湖沼１の中に埋設して湖沼１の浄
化を計ることができたので、従来技術において必要であ
った瀑気槽、脱窒槽を要せず、建設費の節減が達成さ
れ、また、瀑気するための動力も入らないので経費の節
減となった。

（発明の効果）本発明は、以上説明したように構成したものであるか
ら、湖沼の底の脱窒層を通った地下水を汲み上げ湖沼の
表層に排出すると、植物プランクトンの増殖を介助する
窒素濃度が低下し植物プランクトンの増殖を抑えること
ができる。

排水ポンプは吸水管に回収された地下水を汲み上げるだ
けで良いので、動力を節減でき、運転費のコストを安く
することができる。また、湖沼の周辺に脱窒槽を設ける
必要がなく、用地の調達が不必要であり、建設費が安く
なるとともに景観を損ねることがない。

また、脱窒に関与する有機物はほとんど足りるが、供与
する場合には溶液散布管によってメタノールを散布する
ので、浄化機能も充実され浄化作用の効率も良いものと
なった。また、メタノールを散布するための加圧手段の
動力はそれを促進するだけの力でいいので運転費は軽減
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における湖沼の断面図、第２図
は第１図の平面図、第３図は他の実施例による湖沼の断
面図である。１……湖沼 2,10……吸水管 3c,11……排水ポンプ 3d……排水管７……溶液散布管 8a……送液管 8b……加圧手段（加圧ポンプ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】富栄養化された湖沼の底部に脱窒層を有す
る透水性の土壌を設け、周面に複数の孔を開口した吸水
管を前記土壌の下部に複数、平面的に埋設し、該複数の
吸水管端部を連結して排水ポンプの入口側に接続し、該
排水ポンプの出口側に、前記湖沼の表層付近に開口した
排水管を接続したことを特徴とする富栄養化湖沼の水質
浄化装置。
【請求項２】前記土壌の上部に、周面に複数の孔を開口
した溶液散布管を複数、平面的に埋設し、該溶液散布管
に、メタノール等の有機物を送り込む送液管を接続し、
該送液管に送液量を可変できる加圧手段を接続したこと
を特徴とする第１項記載の富栄養化湖沼の水質浄化装
置。