JPH09510658A - 水濾過 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、有機成分および／または無機成分を含有する水の浄化に関し、その浄化中に水は、充填材（３、４）を入れた濾過装置（１）へ従来の仕方で供給される。水は、散水流を形成して装置内で浄化され、ついで流出目（１０）を通して取り出される。既知の濾過装置の効率を向上し、かつ濾過装置のサイズを最適化するために、水は、流出口上に生成される集水表面部（１４）へ供給され、供給される水の量は、装置を通して水が流れる間に散水流中に気泡を形成させ、かつ集水表面部（１４）上に泡を形成させるに足る量である。この浄化プロセス中、異物の大部分は結合され、またそれらの、すくい取られるという主な特性が少なくとも利用される。生成された泡（８）は、圧力平衡用空気（１３）により集水表面部上で放出される（９）。

Description

【発明の詳細な説明】 水濾過 本発明は、有機性粒子および無機性粒子のいずれか又は双方を含む浄化対象と なる水を充填材が充填される濾過装置内に送って、散水流として浄化し、ついで 少なくとも一つの流出口を通して排出する水を浄化する方法と、その方法を実施 するための装置に関する。 上記の方法およびその方法に従って機能する装置は、所謂散水濾過プラントに 関連して実際によく知られている。そのような装置において、少なくとも浄化又 は濾過する対象の水は、散水要素が配置された部分に導かれる。蛋白質および他 の有機化合物を水から分離し、かつ固有の代謝プロセスの手段によりそれらを分 解するバクテリアを、散水要素に定置させる。このようにして、水の細菌的浄化 が適切な程度まで行われるように、散水要素を非常に低速で水を通過させる。言 い換えれば、これは水を注ぐというようなものとは決して言えず、水を流すとい うより滴らせると言った方がよい。この方法の欠点は、水を濾過装置を通して非 常に低速でしか送ることができないので、十分な浄化結果を得るために、対応す る大きい寸法の装置が必要となるか、または、閉じた循環路での小さなプラント で水の処理の増大を図らなければならない。加えて水の浄化は、有機物質の細菌 的分解にだけに基づいている。自由に移動するガスと異なり、無機物質および有 機物質は水中に残り、閉じた循環路中に毒物の蓄積をもたらす可能性があり、こ のために淡水水槽での水の頻繁な交換が通常不可避となる。さらに、必要とされ る低い散水速度により、水の蒸発量が非常に多くなり、水中に塩の濃縮をもたら す可能性があることは不利である。散水濾過装置は、バクテリアを散水要素に定 置させて十分に使用できる前に、数週間の初期化期間を必要とする。最後に、有 機物質の細菌的分解のために、バクテリアが非常に多量の酸素を必要とし、その 酸素は水自体から抽出される。この酸素の供給のために別のエネルギーが必要で ある。最後に、排出される水は、バクテリアの排出物および代謝生成物により汚 染される恐れがある。 例えば栄養価豊かな生け簀などにおける淡水化装置による別の問題は、日射に より生じた藻類の形成がｐＨレベルのかなりの変動をもたらし、かつ水の透視度 を低下させることである。ＤＤ ２４１ ４０６は、ほぼ浮遊物の無い水から水 中に溶解している物質を連続的に除去する、バルブトレイを有しない散水膜反応 装置を開示し、その反応装置は、ほぼ１ｇ／ｃｍ³未満の密度を有する細かい粒 子の充填材が充填され、また堰式高さ調節機構を有する。この種の反応装置は、 水の浄化が細菌的に行われるので、同様にその流速が限定される。さらにこの反 応装置は、多量の浮遊物を含有する水の用途には、充填材の小粒子を詰まらせて 、反応装置を閉塞することがあるので、適していない。 さらに汚染した塩水を蛋白質および他の有機化合物を用いて浄化する方法が１ ９７０年代の始めから知られており、その方法は、蛋白質および他の有機物質の 泡を形成する特性を利用している。多量の塩化ナトリウムを含有する水（海水） は、下から空気を供給することにより動き出し、蛋白質が上方へ泡立つ空気と共 に引き出され、表面上に強固な泡を形成する。表面上に蓄積した泡はすくい取る ことができ、窒素を含有する有機化合物も同時に除去される。そのような装置で は流入口が水表面の下に位置決めされるので、流入する塩水は、形成された泡層 と接触しない。この種の装置は、濾過が濾過塔を通して行われるために、多量の 塩化ナトリウムを含有する水が流入口と流出口を通して連続的に交換されるよう な塩水水槽の場合にだけに適している。この方法は淡水には適用できない。と言 うのは、淡水は塩化ナトリウムを含有する水に比べて界面表面張力が高く、かつ 密度が低いからである。 この方法の別の欠点は、空気供給が下から、すなわち水中への空気の吹込みに より行われ、消費されるエネルギーが増加するということである。 さらにＵＳ ４，９８８，４３６は、二つの浄化ステップ、すなわち従来の散 水フィルタを経る生物学的濾過ステップと、およびすくい取りステップとを有す る水槽用の濾過システムを開示している。先ず水は散水フィルタ上に導かれ、そ こにおいてバクテリアにより浄化される。ついで水は一つの部屋へ送られ、そこ において下から、すなわち水の流れ方向に対向して水中に吹き込まれた空気によ りすくい取りが行われる。中に不純物が沈積した泡層は、室内の水の表面に形成 される。 この方法の欠点は、ここでもまた、水の流速、したがって装置の水通過量は散 水フィルタを通しての浄化に依存するということである。有効な生物学的浄化の ために、水は散水フィルタ上へ非常に低速で供給しなければならない。加えて空 気を下向きに流れる水に対向して吹き込むために、第２の浄化ステップにおいて 空気を吹き込むエネルギーが必要となる。 これに対して、本発明の目的は、最適の浄化または濾過効果を得ることにより 高速の水処理を達成できる、主として淡水の浄化／濾過の方法と装置を提供する ことにあり、それにより、装置が著しく小さくなり、またそのために製造コスト 、運転コストおよび維持コストが低くなる。 この目的は、流出口の上方に形成される集水表面部へ供給され、散水流が装置 を通して流れる間に散水流中に気泡を形成させるに足る量の水が供給され、かつ これらの気泡を用いて、その間に有機物と無機物の成分の大部分を結合させ、か つそれらがすくい取られるという主な特性を少なくとも利用して集水表面部に泡 を形成させ、更にここに形成される泡は、圧力補償の手段により集水表面部上方 の一部の領域に引き出されるようになっている上述したタイプの方法によって達 成される。 水は、非常に速い流速でフィルタ上へ供給されるので、充填要素により「激し く打たれ」、すなわち水の表面積が拡大されて、いっそう空気と混合し、気泡が 形成される。水中に存在する疎水性粒子すなわち撥水性粒子は、選択的に水表面 すなわち気泡上に沈着する。これらの粒子は互いに結合して比較的安定した所謂 白膜を形成する。白膜により囲まれる気泡は、集水表面部を形成する水表面へ達 するまで、水と共に下方へ運ばれる。白膜により安定化された気泡は、集水表面 部へ沈降し、泡層を形成する。また集水受けが適切に満たされると水表面の下へ 引っ張られる気泡は、揚力の結果として再び上昇し、集水表面部上へ同様に集め られる。そのような白膜気泡は、３ｃｍの径までになることがあり、また数時間 空気中で安定していることがある。 このようにして形成された泡層は、非常に有効なフィルタとして機能し、無機 と有機の不純物の他に、最小なバクテリアから例えばハエなどの昆虫までのサイ ズの有機物を捕捉し、水から除去する。一般の散水フィルタとは対照的に、これ らの不純物は、泡を除去することにより水から恒久的に引き出され、循環路へ戻 ることはできない。空気が水により同伴されるので、空気を吹き込むために別の エネルギーを必要としない。 このようにして本発明の目的が満足されるが、窒素化合物（蛋白質、繊維素） のようなすくい取ることができる化合物、藻類の最小のもの、プランクトン甲殻 類の皮などの非湿潤性粒子、および水に存在する魚の寄生虫と微生物は、最短時 間に水から除去できる。さらに本発明に従う方法を魚を入れた淡水池の浄化に使 用すると、本発明に従う浄化方法が非常に効果的に機能し、かつ非常に早い流速 にできるので、日射が多くても藻類の成長が減少する。泡層はフィルタとして機 能し、水が流れると水から粒子を濾過除去する。さらにこれにより、バクテリア 個体数がかなり少なくでき、それに対応する汚染および水中の酸素使用量が減少 する。加えて本発明に従って機能する濾過装置は、非常に短期間に形成する泡層 の形成後に直ちに使用できる。さらに生成される泡層は、その層を通過する水の 流下速度を減少するので、泡形成を増加する。さらに浄化中に蓄積するすくい取 られた泡は、収集されて、肥料として使用できる。 水が充填材へ達する前に、例えば多孔板を通して散水されるので、流入水は、 散水要素または充填要素上へ均一に分散され、この散水手段により充填要素層の 厚さを減少できる。 本発明の他の好適な実施態様においては、水が濾過装置を流過する間に空気を 水へ付加的に供給する。これにより気泡の形成が促進される。発泡剤も水へ添加 することができ、同様に気泡と泡の形成を増加させる。 空気に対する水の割合は、フィルタ内の充填要素の形式に左右される。水培養 用に使用される粘土粒状物のような密閉表面を有する中実体が充填要素として使 用される場合に非常に良好なすくい取りが生じる。その時の空気に対する水の割 合は、約１対１である。 単一の粒状粒子間に空気の部屋が形成され、それを通して浄化対象の水が流れ る。水が流れるにつれて、一部の空気の部屋は水と共に引き出されて、泡層へ沈 降する気泡がさらに形成される。 他の好ましい実施態様においては、細菌的分解とすくい取りとが一つのステッ プで水の浄化が行われる。つまり、充填要素上のバクテリアの手段による細菌的 浄化、および泡層の手段による浄化との両方が行われる。所要のバクテリア個体 数が形成されるために、初期化期間が必要である。本発明に従う濾過装置が運転 に入ると、最初の約１０日間、泡層の手段だけにより浄化が行われる。その後に 始めて十分なバクテリア個体数が形成され、水浄化の役目を分担する。 しかしながら、生成された泡層が水滴の落下エネルギーにより破壊されてはな らないので、流速には限度がある。個別のケースで選択される流速の大きさは、 濾過装置の寸法および使用される充填要素の形式により決まる。適切に設定する と、生成された泡層は数センチメートルの厚さで安定したままとなり、その厚さ は２０ｃｍを超えることがある。上記のパラメータは、落下する水滴または水流 が、それらの落下エネルギーの結果として生成された泡層を破壊しないように調 節する必要がある。 上述の目的は、充填要素が充填される、水浄化用の濾過装置の手段により達成 され、その濾過装置は、有機性成分および無機性成分のいずれか又は双方を含有 し、浄化対象となる水用の少なくとも一つの供給装置と、浄化した水を取り出す 少なくとも一つの流出口を含み、また濾過装置は、流出口の上方に配置され集水 表面部を形成する領域を、泡を除去するための流出口の上に設けられる放出口と を有する。 不純物の除去とは別に、泡を除去する放出口により、フィルタ内での圧力が平 衡化される。そうでない場合には圧力補償が他の方法で行われない限り、水の動 圧のために泡層が破壊されることがある。 有利な点として、濾過装置は塔のような構造にでき、すなわちその高さをその 幅／長さよりも大きくできる。このようにして本発明に従う濾過装置は、例えば ２ｍの高さおよび０．１６ｍ²のベース面積を有することができる。そのような 濾過装置により、毎時約５，０００ｌの水を浄化処理することが可能である。こ の値は、散水機能だけを有する、同等なサイズの従来式濾過装置のものと比べて かなり高い。 水の酸素含有量を増加するために、濾過装置の中間領域に空気流入口と流出口 を追加して設けることができる。これにより浄化能力が向上する。 浄化対象の水への酸素供給を増加するために、充填要素は、拡大した表面積を 有する散水要素として設けることができる。これも、バクテリアが散水要素上に 形成でき、既知の仕方で有機化合物用のフィルタとしてさらに機能するという利 点を有する。この機械的な構成部材上に存在するバクテリアは、泡層への寄与に 加えて、好ましくない有機化合物用の分解に寄与する。 下向きに流れる水のエネルギーは泡層へ達する前に減少させ、泡層の破壊を防 止するようにすることが望ましい。 この目的のために下向きに流れる水の落下速度は、泡層へ達する前に抑制しな ければならない。これは、泡層へ達する前に機械的な構成部材の手段により流入 口から出る浄化対象の水の落下速度を調整することにより達成される。この機械 的な構成部材自体は、勿論水または泡に対して透過性でなければならない。 泡層へ達する前に水の落下速度を減少するそのような機械的な構成部材は、好 ましくは篩状の多孔板または格子板として、例えば小石、粘土粒状物のような粒 状体として、もしくは既知の散水要素として設けることができる。また破損した ボール、プラスチックチューブ、ブラシ、篩またはヘアカール状の部材のような 充填要素も容易に設けることができる。これに不可欠な機能は、水の落下速度を 減少し、且つ水を通過させることである。 さらに水の乱れを減少するために、例えば散水要素、多孔板、または篩などの 機械的な構成部材を、泡層の中または下に配置できる。 濾過装置の上部領域に配置される流入口は、篩のように形成し、水をシャワー のように濾過装置中に噴霧することにより、水中の酸素含有量を増加させるのが 望ましい。浄化対象の水のそのような噴霧手段により、濾過能力を向上できる。 篩状構造部材は、複数の水流出口または同様な構造を有する格子篩、多孔板の手 段により達成できる。 この装置は、開水路、例えば落水に採用できる。そのような用途において装置 は、落水に直接挿入されるので追加エネルギー無しに機能する。このようにして 、比較的僅かな労力で河川を浄化できる。泡は、放出口を通して連続的に放出さ れ て、受入れ装置内に収集される。最初、ややかさばった泡は時間と共に崩壊し、 また残留物は、ある間隔で除去できる。 本発明の別の利点と実施例は、略図で示される例の下記の説明において開示さ れる。 略図は、魚がいる淡水池を浄化する濾過装置の形態を有する、本発明に従う装 置の縦断面を示す。 本発明の方法に従って機能する装置は、塔状濾過装置１として形成される。浄 化対象の水は、流入口２を通り、水の流れを均一に分散させる篩状の桶を経て機 械的要素３として形成される散水要素４上へ噴霧される。その散水要素は、格子 状部材上に層状に置かれ、集水受け１２の所まで互いに上下に積み重ねられる。 ついで水は、球形又は水滴状の散水要素上を流下し、空気と混合する。空気不足 を防止するために、付加空気を数字７の所において供給、すなわち吹き込むこと ができる。 空気対水の比率は充填要素の形式により決まる。ＢｉｏｂａｌｌまたはＤｕｐ ｌｅｒを使用する場合、この比率は１０対１から１５対１になる。粘土粒状物を 使用すれば、空気対水の比率が約１対１のときに特に良好なすくい取りができる 。 載置された散水要素４により、水流または水滴の流速すなわち流下速度は減少 し、水の表面積は拡大される。気泡６が生成される。水中に存在する疎水性粒子 すなわち撥水性粒子、および浮遊粒子の最小のものは、選択的に水表面上、従っ て気泡６上にも沈着する。これらの粒子は互いに結合して比較的安定な所謂白膜 を形成する。白膜により囲まれる気泡は、濾過装置１の集水受け１２に収容され る水の表面へ達するまで、水と共に下方へ引きずられる。白膜により安定化され た気泡は、その水表面に落ち着き、泡層８を形成する。水表面の下へ引っ張られ た気泡は、揚力により再び上昇し、集水表面部１４へ同様に沈着する。下向へ流 れる特定の選択された水量の流下速度の減少の結果、泡層８は損なわれることも なく、また過大な水の乱れは泡領域において防止される。加えて例えば散水要素 、または破損した板などの構成部材は、泡層８自体内に配置できる。有機不純物 も、散水要素上のバクテリア層により部分的に分解される。散水要素４の下端部 において水は、格子状部材を通り、生成された泡層８中に流入し、そこにおいて 水の 流下速度はさらに減少し、泡層がさらに強化される。水が泡層を通過するとき、 水に存在する不純物は泡により吸収される。 泡８を連続的に放出する、すなわち抽出する放出口９は、濾過装置１の泡層８ の領域内に位置決めされる。集水受け１２に収容される浄化された水は、流出口 １０を通して、淡水池と濾過装置とから成る水循環路中に戻される。ほぼ均一な 水位は、分離構成部材１１の手段により達成される。勿論水は、装置のサイズに 対応した望ましい水位に適切な量だけが引き出される。 最後に空気流入口１３は、本発明に従う濾過装置の集水受け１２領域内に位置 決めされ、流出水における圧力補償を行う。 濾過装置１の壁は、硬質スチロポール製にでき、また組立と分解を容易にする ように互いに分離可能な構成部材から構成できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年３月１４日 【補正内容】 補正明細書 同じく水槽用の２つの別の濾過システムが、ＵＳ ５，０７８，８６７およ びＵＳ ５，０８４，１６４に開示されている。両方のシステムは、２つの浄化 ステップ、すなわち生物的ステップと、すくい取りステップとから成る。上記の ＵＳ ４，９８８，４３６におけるようにＵＳ ５，０８４，１６４において、 すくい取りのために空気を下から吹き込まなければならないので、空気供給用の エネルギーが必要となる。またこのシステムにおいて、泡層は水表面上に形成さ れる。ＵＳ ５，０８７，８６７において空気は、水から離れおよび水に戻るよ うに回転する回転輪を通して供給される。輪の回転のために、システムへ供給し なければならない別のエネルギーが必要となる。両方の装置は、浄化対象の水の 供給および経路変更用の大きい部屋とチューブシステムをとりわけ必要とするの で、技術的にかつ構造的にコスト高となる。さらに水の曝気用のエネルギーの導 入が別に必要となる。 これに対して、本発明の目的は、最適の浄化または濾過効果を得ることにより 高速の水処理を達成できる、主として淡水の浄化又は濾過の方法と装置を提供す ることにあり、それにより、装置が著しく小さくなり、またそのために製造コス ト、運転コストおよび維持コストが低くなる。 この目的は、流出口の上方に形成される集水表面部へ供給され、散水流が装置 を通して流れる間に散水流中に気泡を形成させるに足る量の水が供給され、かつ これらの気泡を用いて、その間に有機物と無機物の成分の大部分を結合させ、か つそれらがすくい取られるという主な特性を少なくとも利用して集水表面部に泡 を形成させ、更にここに形成される泡は、圧力補償の手段により集水表面部上方 の一部の領域に引き出されるようになっている上述したタイプの方法によって達 成される。水は、非常に速い流速でフィルタ上へ供給されるので、充填要素によ り「激しく打たれ」、すなわち水の表面積が拡大されて、より空気と混合し、気 泡が形成される。水中に存在する疎水性粒子すなわち撥水性粒子は、選択的に水 表面すなわち気泡上に沈着する。これらの粒子は互いに結合して比較的安定した 所謂頂膜（crest film）または頂皮（crest skin）を形成する。頂膜により囲ま れる気泡は、集水表面部を形成する水表面へ達するまで、水と共に下方へ運ばれ る。 頂膜により安定化された気泡は、集水表面部へ沈降し、泡層を形成する。また集 水受けが適切に満たされると水表面の下へ引っ張られる気泡は、揚力の結果とし て再び上昇し、集水表面部上へ同様に沈降する。そのような頂膜気泡は、３ｃｍ の径までになることがあり、また数時間空気中で安定していることがある。 補正請求の範囲 ８． 散水手段（５）が前記充填剤（３、４）の前に流れの方向に向かって配 置されていることを特徴とする請求項７に記載の濾過装置。 ９． 前記濾過装置（１）は、塔状であり、その高さがその径よりも大きいこ とを特徴とする請求項７または８に記載の濾過装置。 １３． 請求項７〜１２のいずれかに記載の濾過装置の落水における用途。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 有機性粒子および無機性粒子のいずれか又は双方を含有する浄化対象とな る水を、充填材が充填される濾過装置（１）内に供給し、散水流を形成すること により浄化し、ついで少なくとも一つの流出口（１０）を通して排出する、水を 浄化する方法において、水は、前記流出口（１０）の上方に形成される集水表面 部へ供給され、散水流が装置（１）を通して流れる間に散水流中に気泡を形成さ せるに足る量の水が供給され、かつその気泡の作用により有機成分と無機成分の 大部分を結合させると同時に、それらのすくい取られるという主な特性を少なく とも利用して、集水表面部に泡を形成させ、更に、ここに形成される泡は、圧力 補償の手段により集水表面部上方の一部の領域に引き出されることを特徴とする 方法。 ２． 前記水は前記充填材に達する前に散水されることを特徴とする請求項１に 記載の方法。 ３． 前記水が前記濾過装置を通過するとき空気を該水に付加的に加えられる請 求項１または２に記載の方法。 ４． 前記水に発泡剤が付加的に添加されることを特徴とする請求項１〜３のい ずれかに記載の方法。 ５． 粘土粒状物のような密閉表面を有する中実体を前記充填要素として使用す る場合に空気に対する水の割合は、約１対１であることを特徴とする請求項１〜 ４のいずれかに記載の方法。 ６． 細菌的分解とすくい取りとを一つのステップで行うことにより水の浄化を 行うことを含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。 ７． 有機性粒子および無機性粒子のいずれか又は双方を含有する浄化対象とな る水用の少なくとも一つの供給装置（２）と、浄化した水を取り出す少なくとも 一つの流出口（１０）とを備えた、充填剤（３、４）が充填された水浄化用の濾 過装置（１）において、前記流出目（１０）の上方に配置され集水表面部（１４ ）を形成する領域と、泡を（８）除去するための、前記流出口の上に設けられる 放出口（９）とを有することを特徴とする濾過装置。 ８． 前記水は、前記充填剤（３、４）へ達する前に散水されることを特徴とす る、請求項７に記載の濾過装置。 ９． 前記濾過装置（１）は、塔状、すなわちその高さがその径よりも大きいこ とを特徴とする請求項７または８に記載の濾過装置。 １０． 空気の流入口と流出口（７）が前記濾過装置（１）に設けられて、すく い取り能力を向上することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の濾過装 置。 １１． 前記充填材が拡大された表面積を有する散水要素（３）として設けられ ることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の濾過装置。 １２． 機械的要素（４）は、水の乱れを減少するために前記泡層の中および／ または下に配置されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の濾過 装置。 １３． 前記濾過装置（１）が落水内に組み込まれることを特徴とする、請求項 ７〜１２のいずれかに記載の濾過装置。