JPH11128902A - 過剰窒素除去システム及びこのシステムの使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】土壌中に蓄積しつつある硝酸性窒素の地下水中
への漏出を、畑地のように用水量が少ない領域において
も抑止する手段を提供すること。 【解決手段】過剰の窒素成分で汚染された土壌の下に、
この窒素成分を浄化可能な担体を埋設して，この担体で
窒素汚染土壌と地下帯水層とを遮断することで、過剰の
窒素成分が特に硝酸性窒素の形態で帯水層中に漏れ出る
ことを防ぎ得ることを見出して、上記課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土壌中に蓄積する
過剰窒素を除去して地下水を保全する過剰窒素除去シス
テムに関する技術分野の発明である。より、具体的には
土壌中における環境汚染の主な原因になるアンモニア性
窒素及び／又は硝酸性窒素を除去し得る担体を汚染土壌
下に配置して、これらの過剰窒素の地下帯水層への漏出
を防御し得る、過剰窒素除去システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】集約的農業が行われている畑作地帯で
は、近年、地下水中の硝酸性窒素の濃度が高まる傾向が
見られる。その主な要因として、地質と地下水の特性
と、化学肥料等の多投入や不適切な使用、家畜の糞尿の
不適切な処理が指摘されている。一般に、地下水の移動
速度は極めて遅く、その循環には数十年から数百年かか
ることから、一旦地下水が汚染されてしまうと、その回
復には長い年月がかかることになる。また、一旦汚染さ
れた地下水や、この汚染された地下水が混入して汚染し
た河川を人為的に修復しようとすると、膨大な時間と費
用とがかかることになる。地下水は、生活用水，工業用
水，農業用水として貴重な水源である。硝酸性窒素によ
る地下水汚染が特に問題となるのは、特に飲料水とした
場合に、硝酸性窒素による人体への健康被害が懸念され
るからである。

【０００３】硝酸性窒素は、体内に入ると体内の嫌気的
条件下で、亜硝酸性窒素に還元され、酸素を運ぶ赤血球
のヘモグロビンと結合し、特に乳幼児が酸素欠乏症（メ
トヘモグロビン症）、いわゆるチアノーゼ症状を惹き起
こす原因となり得る物質である。また、硝酸や亜硝酸
は、強力な発癌物質であるニトロソアミン類の生成にも
関与するといわれている。日本の農業は、その土地事情
等から集約的であり、単位面積当りの施肥量は、世界で
も上位に位置づけられる。そのため、日本においては特
に硝酸性窒素による地下水汚染が深刻な問題となってい
る。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】第１図は、硝酸性窒素の地下
水への浸透の機構を表す概略図である。土壌に吸収され
る窒素化合物として主なものは、植物により固定される
有機態窒素、肥料や畜産廃棄物から供給される有機態窒
素及びアンモニア性窒素、降水により供給されるアンモ
ニア性窒素及び硝酸性窒素等である。

【０００５】一般に肥料や畜産廃棄物，降水等によって
土壌に供給される無機態窒素は、土壌中で微生物の作用
を受け、アンモニア性窒素，硝酸性窒素（硝化細菌によ
る），窒素ガス（脱窒細菌による）等の形態の変化を繰
り返しており、これらの中でも硝酸性窒素は、窒素化合
物が様々な酸化反応を経た最終生成物と考えられてい
る。

【０００６】これらの窒素化合物のうち、アンモニア性
窒素や硝酸性窒素等の一部は作物により吸収利用されて
おり、作物に吸収されない過剰の無機態窒素のうち、ア
ンモニア性窒素はその大部分が土壌粒子や土壌有機物に
吸着する。一方、作物吸収されない過剰の硝酸性窒素は
土壌にほとんど吸着せずに浸透水へと溶脱し、一旦浸透
水に溶脱した硝酸性窒素は、次第に深層へと浸透し、そ
の一部が帯水層まで到達する。

【０００７】硝酸性窒素が生ずる基となり得る過剰の窒
素成分を、土壌中から除去する方法として、土壌中を
浸透した汚染物質を集積するための暗渠を設けて，汚染
された暗渠廃水を特定の浄化施設で処理する「地上集積
処理法」や，帯水層に浸透した汚染物質で汚染された
地下水を，揚水井戸を用いて揚水して，これを浄化後に
帯水層に戻す「揚水処理法」が挙げられる。

【０００８】しかしながら、上記の「地上集積処理
法」による場合、用水を多く利用する水田では、暗渠を
設置することにより窒素成分を含む水を回収することが
できるが、畑地は水田に比べて窒素成分が残存しやすい
上に、年間を通じて使用する水の量が水田に比べて少な
いため、暗渠による回収が困難であり、この処理法を適
用するには必ずしも適当ではない面がある。

【０００９】また、の「揚水処理法」の場合も、畑地
の場合には帯水層に浸透した窒素成分の揚水のみでは、
畑地に残存する窒素成分を十分には回収し切れないおそ
れが強い。

【００１０】そこで本発明が解決すべき課題は、この土
壌中に蓄積しつつある硝酸性窒素の、地下水中への漏出
を、畑地のように用水量が少ない領域においても抑止す
る手段を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、この課題の
解決に向けて鋭意検討を行った結果、過剰の窒素成分で
汚染された土壌の下に、この窒素成分を浄化可能な担体
を埋設して，この担体で窒素汚染土壌と地下帯水層とを
遮断することで、過剰の窒素成分が特に硝酸性窒素の形
態で帯水層中に漏れ出ることを防ぎ得ることを見出し、
本発明を完成した。

【００１２】すなわち、本発明者は以下の発明を本願に
おいて提供する。請求項１において、過剰窒素による汚
染領域の汚染土壌下に、窒素浄化用担体を、土壌中を浸
透する硝酸性窒素が地下帯水層に漏れ出ることのないよ
うに、上記汚染土壌下に配置してなる過剰窒素除去シス
テムを提供する。

【００１３】請求項２において、窒素浄化用担体が、生
物学的窒素浄化機能を有する担体，構造維持機能を有す
る担体又はこれらの担体を組み合わせである、前記請求
項１記載の過剰窒素除去システムを提供する。

【００１４】請求項３において、嫌気条件の土壌層に構
造維持機能を有する担体，あるいは構造維持機能を有す
る担体及び生物学的窒素浄化機能を有する担体を配置し
た、前記請求項１又は請求項２記載の過剰窒素処理シス
テムを提供する。

【００１５】請求項４において、嫌気条件の土壌層に構
造維持機能を有する担体，あるいは構造維持機能を有す
る担体及び生物学的窒素浄化機能を有する担体を配置
し、かつ好気条件の土壌層に生物学的窒素浄化機能を有
する担体を配置した、前記請求項１又は請求項２記載の
過剰窒素処理システム。

【００１６】請求項５において、生物学的窒素浄化機能
を有する担体が、以下の個別的特性を有する担体である
前記請求項２乃至請求項４のいずれかの請求項記載の過
剰窒素除去システムを提供する。 生分解性であること； 生物学的窒素浄化を行う微生物に必要な生育要素を供
給し得ること； 生物学的窒素浄化を行う微生物を固定し得ること；

【００１７】請求項６において、生物学的窒素浄化機能
を有する担体が、セルロースを基本的素材とする担体で
ある、前記請求項２乃至請求項５のいずれかの請求項記
載の過剰窒素除去システムを提供する。

【００１８】請求項７において、構造維持機能を有する
担体が、多孔質で微生物を保持することができる担体で
ある、前記請求項２乃至請求項６のいずれかの請求項記
載の過剰窒素除去システムを提供する。

【００１９】請求項８において、構造維持機能を有する
担体が廃棄物由来のリサイクル担体である、前記請求項
７記載の過剰窒素除去システムを提供する。

【００２０】請求項９において、土壌中を浸透する硝酸
性窒素を、窒素浄化用担体で捕捉し又は無害な物質に変
換して除去することにより、地下帯水層へのこの硝酸性
窒素の浸入を防ぐための、前記請求項１乃至請求項８の
いずれかの請求項記載の過剰窒素除去システムの使用を
提供する。

【００２１】本発明において「浄化」とは、おおよそ過
剰窒素〔土壌中で生物学的に消費されずに蓄積している
窒素化合物のこと（アンモニア性窒素，硝酸性窒素
等）〕を除去するすべての手段を含む概念であり、例え
ば過剰窒素を担体に捕捉させて除去することや、担体に
よって硝酸性窒素を無毒化すること等を当然に含む概念
である。

【００２２】本発明に関わる過剰窒素除去システムにお
いて用いる窒素浄化用担体は、土壌中の過剰窒素を浄化
することが可能な担体であれば特に限定されない。具体
的には、硝酸性窒素等を浄化する能力する微生物を固定
した「生物的機能性浄化用担体」や、硝酸性窒素等を捕
捉する能力を要する「汚染物質捕捉性担体」や、イオン
交換することにより電気化学的に硝酸性窒素等を浄化す
る能力を有する「イオン交換性浄化用担体」や、硝酸性
窒素等の透過を遮断する能力を有する「窒素遮断性浄化
用担体」等を用いることができるが、これらに限定され
るものではない。

【００２３】ただし、例えば以下の理由から生物的機能
性浄化用担体、すなわち「生物学的窒素浄化機能を有す
る担体」を選択することが一般には好ましい： 過剰窒素除去システムの運転コストが安価で、維持管
理が容易である。 土着の脱窒細菌の作用を利用した硝酸性窒素除去法
は、実際には水田等に認められる自然界の浄化作用を応
用したものであり、環境への負荷が小さい。 畑地等において面的な広がりをもって供給される硝酸
性窒素の供給にも容易に対応可能である。

【００２４】この「生物学的浄化機能を有する担体」が
有する望ましい個別的特性としては、例えば以下の特性
を例示することができる。 1)生分解性（一定期間内に生物的に分解されて土壌中に
残存しない性質）であること。 2)生物学的窒素浄化を行う微生物に必要な生育要素（炭
素源，電子供与体，微量元素等）を固定し得ること。 3)生物学的窒素浄化を行う微生物（脱窒菌，硝化菌等）
を固定し得ること。

【００２５】このような生物学的窒素浄化機能を有する
担体としては、例えばセルロース担体，アガロース担
体，ＰＶＡ（ポリビニルアルコール），でんぷん担体，
ゼラチン担体，アルギン酸担体，カラギーナン担体等を
挙げることができる。

【００２６】また、「生物学的窒素浄化機能を有する担
体」として、上記のような個別的特性を有する機能性担
体の他に、分解されにくい「構造維持機能を有する担
体」を用いることもできる。

【００２７】この構造維持機能を有する担体の、構造維
持機能の他に有するべき個別的特性としては、多孔質で
上記生物学的窒素浄化を行う微生物（脱窒菌，硝化菌
等）を保持することができる担体であることが挙げられ
る。

【００２８】このような構造維持機能を有する担体とし
ては、例えば珪藻土焼成粒，粘土質焼成粒，真珠岩パー
ライト，黒曜石パーライト，ゼオライト，バーミキュラ
イト，ＰＶＦ（ポリビニルフォルマール）等を用いるこ
とが可能であり、さらに廃棄物由来のリサイクル担体
〔例えば，下水道処理汚泥を焼き固めた煉瓦状のリサイ
クル担体，焼却媒を用いた煉瓦状のリサイクル担体，焼
き物（窯業等）の廃棄物（不要になった焼きかす等）〕
を用いることも可能である。

【００２９】また、上記の「生物学的窒素浄化機能を有
する担体」と「構造維持機能を有する担体」とを組み合
わせて、「生物学的窒素浄化機能を有する担体」として
本発明システムにおいて用いることが可能であり、かつ
一般的にこの組み合わせ担体を用いることが好ましい。

【００３０】すなわち、上記「生物学的窒素浄化機能を
有する担体」において、生物学的窒素浄化を行う微生物
とその栄養分等の補給を図り、「構造維持機能を有する
担体」でシステム全体の構造維持を図ることが、一般的
により好ましい態様である。

【００３１】本発明システムは、上記の窒素浄化機能を
有する担体を、土壌中を浸透する硝酸性窒素が地下帯水
層に漏れ出ることのないように、過剰窒素で汚染された
土壌下に配置してなるシステムである。

【００３２】また、本発明においては、上記のように土
壌中を浸透する硝酸性窒素を、窒素浄化用担体で捕捉し
又は無害な物質に変換して除去することにより、地下帯
水層へのこの硝酸性窒素の浸入を防ぐための、この過剰
窒素除去システムの使用もまた提供される。土壌中を浸
透する硝酸性窒素の地下帯水層への浸潤を防ぐための、
上記の両種類の担体の組み合わせの具体的態様について
は後述する。

【００３３】

【発明の実施の態様】以下、本発明の実施の態様を図面
を用いつつ説明する。第２図は、本発明システムの一実
施態様２０を表した図面であり、第３図は本発明システ
ムの他実施態様２０’を表した図面である。

【００３４】第２図において、畑地，水田，牧場等のを
直接的に特徴付ける最表層部２１の直下に位置する好気
条件の表層土壌層２２は、原位置の土壌と機能性担体と
の混合物で構成されている。また、表層土壌層２２の下
層に位置する嫌気条件の硝酸性窒素処理層２３は、構造
維持担体あるいは構造維持担体と機能性担体との混合物
で構成されている。さらに、硝酸性窒素処理層２３の下
層に位置する土壌層２４の上部は水と土壌との不飽和帯
であり、下部は水と土壌との飽和帯（地下帯水層）であ
る。

【００３５】最表層部２１における施肥や降雨等により
蓄積した過剰窒素は、表層土壌層２２に配置されている
機能性担体における亜硝酸菌及び硝酸菌により、アンモ
ニア性窒素から，亜硝酸性窒素を経て硝酸性窒素に変換
される。

【００３６】次いで、この硝酸性窒素は、硝酸性窒素処
理層２３に移行し、本層２３に配置された構造維持担
体，または構造維持担体及び機能性担体における脱窒菌
により脱窒されて窒素ガスに変換されることで、硝酸性
窒素が土壌層へ浸潤することが妨げられ、所望のとおり
硝酸性窒素が浄化される。

【００３７】なお、表層土壌層２２及び硝酸性窒素処理
層２３は、予め所定の土木工事をすることによって配置
することができる。この土木工事の方式は、例えば過剰
窒素を浄化する領域の土壌を掘り起こして、所望する担
体層をその部分に配置する方式とすることも可能である
が、例えば過剰窒素を浄化する領域下に、実質上汚染領
域における土壌面に対して漏れなく設けて、ここに所望
する担体を充填することにより工事の手間を簡略化する
ことも可能である（図示せず）。

【００３８】また、機能性担体としてセルロース担体等
の生分解性の担体を用いる場合、この機能性担体は経時
的に分解する。機能性担体の分解後も、継続して過剰窒
素の浄化を行う場合には、例えば表層土壌層２２を機能
性担体と共に鋤込むこと等により、再び機能性担体を表
層土壌層２２に配置することができる。また、この表層
土壌層２２及び／又は硝酸性窒素処理層２３に、過剰窒
素を浄化する細菌の栄養分等を注入すること等により、
補給することもできる。

【００３９】第３図においては、硝酸性窒素処理層２３
及び土壌層２４は、第２図と同様であるが、最表層部２
１’及び表層土壌層２２’においては、表層土壌層２２
のごとく機能性担体をに対して均等に配置せずに、表層
土壌に機能性担体２５を、矢印方向に一定距離を置いて
打ち込んでいる。このようにすることにより、システム
２０’設定時の土木工事及び機能性担体の経時における
取替の手間を簡略化することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明により、土壌中に蓄積しつつある
硝酸性窒素の地下水中への漏出を、畑地のように用水量
が少ない領域においても抑止する手段が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】硝酸性窒素の地下水への浸透の機構を表す概略
図である。

【図２】本発明システムの一実施態様を示した図面であ
る。

【図３】本発明システムの他実施態様を示した図面であ
る。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】過剰窒素による汚染領域の汚染土壌下に、
   窒素浄化用担体を、土壌中を浸透する硝酸性窒素が地下
   帯水層に漏れ出ることのないように、上記汚染土壌下に
   配置してなる過剰窒素除去システム。
2. 【請求項２】窒素浄化用担体が、生物学的窒素浄化機能
   を有する担体，構造維持機能を有する担体又はこれらの
   担体を組み合わせである請求項１記載の過剰窒素除去シ
   ステム。
3. 【請求項３】嫌気条件の土壌層に構造維持機能を有する
   担体，あるいは構造維持機能を有する担体及び生物学的
   窒素浄化機能を有する担体を配置した、請求項１又は請
   求項２記載の過剰窒素処理システム。
4. 【請求項４】嫌気条件の土壌層に構造維持機能を有する
   担体，あるいは構造維持機能を有する担体及び生物学的
   窒素浄化機能を有する担体を配置し、かつ好気条件の土
   壌層に生物学的窒素浄化機能を有する担体を配置した、
   請求項１又は請求項２記載の過剰窒素処理システム。
5. 【請求項５】生物学的窒素浄化機能を有する担体が、以
   下の個別的特性を有する担体である請求項２乃至請求項
   ４のいずれかの請求項記載の過剰窒素除去システム： 生分解性であること； 生物学的窒素浄化を行う微生物に必要な生育要素を供
   給し得ること； 生物学的窒素浄化を行う微生物を固定し得ること。
6. 【請求項６】生物学的窒素浄化機能を有する担体が、セ
   ルロースを基本的素材とする担体である、請求項２乃至
   請求項５のいずれかの請求項記載の過剰窒素除去システ
   ム。
7. 【請求項７】構造維持機能を有する担体が、多孔質で微
   生物を保持することができる担体である請求項２乃至請
   求項６のいずれかの請求項記載の過剰窒素除去システ
   ム。
8. 【請求項８】構造維持機能を有する担体が、廃棄物由来
   のリサイクル担体である請求項７記載の過剰窒素除去シ
   ステム。
9. 【請求項９】土壌中を浸透する硝酸性窒素を、窒素浄化
   用担体で捕捉し又は無害な物質に変換して除去すること
   により、地下帯水層へのこの硝酸性窒素の浸入を防ぐた
   めの、請求項１乃至請求項８のいずれかの請求項記載の
   過剰窒素除去システムの使用。