JPH06312196A - 河川等の水浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】人工水路１の内部に複数の生物膜槽ａを設置す
るとともに、生物膜槽の微生物接触材３、４と人工水路
１の底部に間隔をおいて配置した散気管５とにより上流
側から下流側にかけて好気的微生物環境と嫌気的微生物
環境とを交互に形成し、水路１の下流端には生物膜槽ａ
から剥離した汚泥を集積する汚泥枡７を設けた。 【効果】各生物膜槽に多種多様な微生物が活性となる生
態系が形成されて生化学反応が促進され、効率的な脱炭
素、脱窒が実現でき、さらに汚泥とリンを効率的に水圏
から除去することができ、管理や維持が楽である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、河川等の水圏の水から
汚濁原因物質を除去するだけでなく、富栄養化の原因と
なるリン及び窒素も除去することができる浄化装置に関
する。

【０００２】

【従来技術】最近、下水処理施設や合併浄化槽等が設置
されていない地方都市では生活排水が小さな川や用水路
に流入することによってこれらが流れ込む河川の富栄養
化が促進されて水質が汚濁し、環境を汚染することが問
題になっている。汚濁物質には過剰な窒素、リン等の無
機塩類や有機物質が含まれる。特に、生物にとって不可
欠な微量元素のうち最大のものであるリンは、炭素や窒
素と異なり、ガス化して水圏から大気圏に還元されるこ
とがなく、リン酸塩としてイオン化して水に溶解した状
態で水圏に留まる。したがって、これを物理的に除去す
ることは非常に困難であるとともに、ＡｌやＣａと化学
反応させて凝集させたり固定化させたりしても、水底に
堆積するから、水環境によっては厄介なだけであり、根
本的な解決にはならない。リンが過剰に河川に流入する
と、水草や藻の生産活動が突出したり、またらん藻や緑
藻類のような植物プランクトンが水の表面を覆ったりす
るので、湖沼等の水圏全域の生態系で生産ー消費ー分解
（還元）のサイクルの調和が壊れ、自浄作用が失われて
水質の汚濁がどんどん進行することになる。

【０００３】これに対し、浄化槽や池、沼等のように閉
鎖された水系の水を浄化する装置はいろいろと開発され
ているが、河川の水域は非常に広いので、本格的な装置
を設置しようとすると大掛かりになり装置自体に多大な
費用がかかるほか、メインテナンスのコストもかなりの
負担になる。このため、従来は川床を浚渫したり、礫間
で濾過処理したりすることより浄化していた。しかしな
がら、前者では効率が悪く、後者ではリンや窒素は除去
されないという欠点があった。

【０００４】また、一般に水質基準は目に見えるＢＯＤ
値、ＣＯＤ値、ＳＳ値等に対する評価によって決められ
ている。したがって、下水や浄化槽、処理水に多く含ま
れる窒素は水に溶けて目で確認することはできないの
で、現在の水質基準から除去されている。しかし、化学
肥料としての窒素が多く使われる現代では、窒素は水圏
に流入し、富栄養化をひきおこす原因と考えられ、最近
では、目に見えるものだけでなく窒素や溶存態有機物の
ように目に見えない物質も重要な水質汚濁原因とみて除
去する必要が認識されるようになっている。特に窒素の
除去は水環境の富栄養化を抑制するだけでなく、水資源
として再利用する際の高度処理に伴う強い殺菌処理等か
らも必要である。

【０００５】ところが、汚水の代表的な生物学的処理技
術である活性汚泥法によっても、窒素、リン等の無機栄
養塩類の除去率が２０〜３０％程度にすぎない。また、
濾過による水質浄化は、窒素リンの除去や溶存態有機物
の除去には適しない。

【０００６】

【発明の目的】本発明は前記事情に鑑みて成立したもの
で、設置費用も維持費用も低く、しかも浄化効率がよ
く、水資源としての再利用や水環境浄化に寄与すること
ができる河川の水浄化装置を提供することをその目的と
する。

【０００７】

【目的を達成するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る河川等の水浄化装置は、河川等の水圏
の水を一端から引き込み他端から排水する人工水路の内
部に、篭形本体内に微生物接触材を充填してなる複数の
生物膜槽を設置するとともに、上記生物膜槽の微生物接
触材と上記人工水路の底部に間隔をおいて配置した散気
管とにより上流側から下流側にかけて好気的微生物環境
と嫌気的微生物環境とを交互に形成し、上記水路の下流
端には上記生物膜槽から剥離した汚泥を集積する汚泥枡
を設けたことを特徴とする。

【０００８】なお、前記生物膜槽の下流域の水を前記生
物膜槽の上流域に還流させる還流手段を設けてもよい。

【０００９】

【作用】以上の構成によれば、排気管からばっ気された
部分の溶存酸素量は増大するので、この部分の微生物環
境を好気的に、他の部分の微生物環境を嫌気的に制御す
ることができる。このため人工水路内には交互に好気的
微生物環境と嫌気的微生物環境が形成され、好気的環境
下では主に硝化と酸化分解を行なう微生物が集積、固定
化されて有機物の好気的分解と硝化作用が行なわれ、こ
れに対し、嫌気的環境下では主に脱窒を行なう脱窒菌が
集積、固定されて脱窒作用が行なわれる。

【００１０】また、接触材には汚泥が付着するので、と
きどき生物膜槽に水又は空気を噴射してこれらを剥離除
去すると、除去された微生物の死骸や剥離汚泥は下流端
の汚泥枡に流下して集積される。これらには多量のリン
が高濃度に濃縮されているから、汚泥枡を水路外に取り
出して系外除去することによって脱リンも行なわれる。

【００１１】なお、還流手段が設けられているときは、
生物膜槽の下流域の水が再び上流域に還流される。

【００１２】

【実施例】図１において符号Ａは河川であり、Ｂはその
浄化装置を示す。この浄化装置Ｂは、河川等の水圏の水
を一端から引き込み他端から排水するコンクリート製の
人工水路１の内部に複数の生物膜槽ａを設置するととも
に、各生物膜槽ａの上流側に散気管５と有用細菌投入部
６とを配置し、上記水路１の下流端には汚泥枡７を設け
たものである。なお、人工水路１の上流側には、導入し
た川水の砂、泥等を沈下させる沈砂ピット８が設置され
ている。人工水路１上には蓋をするのが好ましい。

【００１３】各生物膜槽ａは水の出入りが自由な篭状に
形成されているもので、格子状のガラス繊維製のネフマ
ック（ネフコム株式会社の商品名）を篭状に結合して形
成するのが好ましい。これは耐候性、耐薬品性、耐腐食
性に優れ、鉄筋の数倍の強度で数分の１の重量を有する
ものである。

【００１４】次に、図２に示すように、各生物膜槽ａの
上流側には微生物接触材３と散気管５と有用細菌を定期
的に供給する有用細菌投入部６とが配置され、また下流
側にも微生物接触材４が配置されている。

【００１５】各生物膜槽ａの上流側にはブロック状の微
生物接触材３ａと紐状の微生物接触材３ｂとを混合して
なる接触材３が充填されている（図３参照）。

【００１６】ブロック状の接触材３ａとしては、空隙率
と微生物の吸着率が高いものが好ましく、例えばバイオ
ス（日南産業株式会社製の商品名）等が適する。バイオ
スは板状体を組み合わせて直径が１００〜１５０ｍｍ程
度の球状ブロック体として形成したもので、空隙率が９
７パーセントもあるから、好気性の環境ができるととも
に、表面積が６０ｍ²／ｍ³ と大きいので、水に含まれ
る有機物、ＳＳ物質、ＢＯＤ（ＣＯＤ）物質、栄養塩類
等の水質汚濁物がよく吸着され、好気性の微生物が活性
化できる生活環境が形成される。

【００１７】紐状の接触材３ｂとしては、レーヨン、コ
ットン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの繊維より
なる多孔質の不織布の表面に、ハロゲン化されたピリジ
ニウム基を分子内に有する不溶性ピリジニウム型樹脂を
コーティング処理して紐又は紐状に形成したものが好ま
しい。不溶性ピリジニウム型樹脂としては、架橋性ポリ
−Ｎ−ベンジル−４−ピリジニウムプロミド（以下ＢＶ
Ｐと略す）が好適である。表面のピリジニウム基は電気
的にプラスに帯電しているのに対し、水路１中の微生物
の表面はマイナスに帯電しているから、多種多様な微生
物は上記不織布の表面に電気的に吸着しやすくなるから
である。実験的には通常の接触材の１００倍以上の微生
物が吸着されて固定化され、集積化されることが確かめ
られている。

【００１８】また、下流側の微生物接触材４としては上
記紐状の接触材でもよいが、これと同じ材質のものを図
４のように断面星形に形成して表面積を大きくしたもの
を利用するのが好ましい。

【００１９】さらに、散気管５は放流時に健全な状態の
水（通常は溶存酸素８ｍｇ／ｌの状態）に戻して積極的
に好気的微生物環境を作るとともに、水中の栄養負荷、
接触スピード等の諸条件に応じて微生物環境を嫌気的に
する位置がちょうど微生物接触材４の位置になるように
制御するもので、通常は人工水路１の底部に配置すれば
よい。なお、そのほかにフラッシンブノズル（図示せ
ず）を配置して、生物膜槽に水を吹きかけるようにする
のが好ましい。

【００２０】次に、有用細菌投入部６から投入される有
用細菌としてはＢＳＫ菌（微生物登録済）を利用するの
が好ましい。ＢＳＫ菌は好気、嫌気の両環境で活性であ
り、高い有機物分解機能と脱窒素機能を有するほか、リ
ンの除去機能も有する（図５参照）ので、脱炭素、脱窒
を高効率で行なうことが可能であるとともに、分解酵素
を生産し、環境を良好に保持する機能も併せ持っている
からである。また、ＢＳＫ菌はリン酸塩の取り込み、脱
臭、農薬等の化学物質の分解等にも優れている。さら
に、水圏においては、有機態窒素の無機化が先行するた
め、脱窒菌のエネルギー源としての炭素供給が遅れるこ
とが予想され、有機物を迅速に分解するＢＳＫ菌の役割
は大きい。

【００２１】ＢＳＫ菌のほかに脱窒菌やリン酸蓄積菌を
適宜選択して供給してもよい。なお、有用細菌投入部６
からは有用細菌を種菌とし、これに酵素を混合させて液
状にしたものが取り扱いやすい。

【００２２】なお、生物膜槽ａの数は、水の汚濁状態、
流速等を勘案して決めればよい。

【００２３】９は還流用パイプで、一度すべての生物膜
槽ａを通過した下流域の水が再び上流域の生物膜槽ａに
還流させる手段である。

【００２４】前記構成において、河川水を沈砂ピット８
を経て人工水路１に一定速度で連続的に廃水又は処理水
を通水させる。流速は０．２〜２cm/sec程度が好まし
い。さらに散気管５からばっ気することにより、溶存酸
素を含んだ水が上流側の生物膜槽ａに供給され、上流側
の微生物接触材３に接触する。この接触材３は水が自由
に通るので、ここには閉塞することのない好気性水圏が
形成される。そして、有用細菌投入部６から有用細菌が
供給されると、これらは接触材９に吸着される。河川水
の汚濁物質に含まれた固形有機物、ＳＳ物質、ＢＯＤ
（ＣＯＤ）物質や栄養塩類は接触材上に吸着、捕捉さ
れ、生物膜を形成する有用細菌を始めとする微生物群
（原生動物、微小後生動物等）の栄養源として摂取さ
れ、その排泄物が細菌により分解される。有用細菌は上
記エネルギー源を多量に消費しながら活発な増殖活動を
行なう。このときの生化学反応によって汚濁有機物質は
炭酸ガスと水に生分解され、汚濁物質中の炭素は炭酸ガ
スとなって大気圏に除去される。

【００２５】水中の窒素も原生動物、微小後生動物等に
摂取され、排泄された窒素を含む有機物は水中の微生物
により分解されてアンモニア態になる。アンモニアは更
に好気性細菌である硝化細菌により酸化されて硝酸、亜
硝酸に変換される。また、各種の分解細菌は懸濁態有機
物を摂取し、これをさらに分子量の小さい溶存態有機物
質（多糖類・アミノ酸・核酸等）に変える。

【００２６】このように、生物膜槽ａの上流側には好気
的微生物環境が形成され、河川水の汚濁物質に含まれた
固形有機物、ＳＳ物質、ＢＯＤ（ＣＯＤ）物質や栄養塩
類は有用細菌等により摂取され、分解されて浄化され
る。

【００２７】ところで、水の流下に従い溶存酸素は消耗
されるとともに、下流側の接触材４にも多種多様の多量
の微生物が吸着されて固定化され、さらに集積化され、
高密度の微生物のバイオマスが形成されるので、溶存酸
素は盛んに消耗され、嫌気的な微生物環境が恒常的に保
たれる。嫌気条件下では、硝酸あるいは亜硝酸が存在
し、適当な炭素源が存在すれば、脱窒菌の増殖活動に伴
って硝酸呼吸が盛んに行なわれ、硝酸、亜硝酸を窒素ガ
スにまで還元する生化学反応を起こす。

【００２８】すなわち、脱窒菌は基本的には絶対的好気
性細菌で、常に呼吸系によって生活している。酸素があ
れば旺盛に増殖する。酸素がない嫌気的条件でも、硝酸
があれば硝酸を酸素の代りに使って依然として呼吸系で
生活する。この硝酸呼吸により硝酸又は亜硝酸は瞬間的
連続的に窒素ガスか亜酸化窒素ガスに変えられる。有機
物が懸濁状態ではなく硝酸態及び亜硝酸態窒素が溶存さ
れた溶存態有機物に変化し、充分な量（Ｃ／Ｎ＝４以
上）が供給されたときに脱窒の活性が発現する。なお、
硝化には１．０ｍｇＯ₂・ｇＣＯＤ^-1以上の条件が、脱
窒には１．３ｍｇＯ₂ ・ｇＣＯＤ^-1以下の条件が必要で
ある。

【００２９】以上のように、生物膜槽ａの上流側では主
に硝化と酸化分解を行なう微生物が、下流側では主に脱
窒を行なう脱窒菌が集積、固定されるから、生物膜槽ａ
の前半においては有機物の好気的分解と硝化作用が、後
半においては嫌気的微生物環境の形成と脱窒作用が行わ
れ、一つの生態系を備えた生物膜が形成される。

【００３０】さらに、上流側の生物膜槽ａで発生する微
生物の死骸や難分解・未分解有機物質や剥離汚泥は徐々
に次の微生物膜槽ａに供給され、ここでも、散気管５か
らばっ気が行なわれ、有用細菌が投入されることによ
り、同様にして有機物の分解、脱窒が行なわれ、水の浄
化はさらに促進される。

【００３１】最下流側の生物膜槽ａを通過した水をポン
プと還流パイプにより再度上流側の生物膜槽ａに環流さ
せることにより、浄化をより完全にすることができる。

【００３２】次に、リンは生物の増殖やエネルギー物質
の生産に不可欠な元素で、微生物は一般にリンを過剰摂
取することが報告されている。したがって、各生物膜槽
ａの接触材で増殖した好気性微生物がリンを摂取するほ
か、従属栄養細菌である脱窒菌も炭素及びリンを取り込
み、これによってリンの一部が微生物に固定される。リ
ンを取り込んだ微生物はさらに大きな原生動物等の栄養
源となり、原生動物等はさらに大きな生物に消化吸収さ
れるという食物連鎖によって同化、異化される。その死
骸は汚泥として残留し、この汚泥にはリンが濃縮される
ことになる。ところで、接触材には上記汚泥が付着する
ので、ときどきフラッシングノズル等により生物膜槽ａ
に水又は空気を噴射してこれらを剥離除去する。除去さ
れた微生物の死骸や剥離汚泥は下流端の汚泥枡７に流下
して集積される。これらには多量のリンが高濃度に濃縮
されているから、汚泥枡７を水路１外に取り出して除去
することにより脱リンも行なわれる。

【００３３】なお、実験的には、窒素、リン等の無機栄
養塩類の除去率が８０〜９０％程度であることが確かめ
られた。

【００３４】

【効果】本発明に係る水浄化装置によれば、複数の生物
膜槽により好気性と嫌気性の微生物環境を作ることによ
り、多種多様な微生物が活性となる生態系が形成されて
生化学反応が促進され、効率的な脱炭素、脱窒が実現で
き、さらに汚泥とリンを効率的に水圏から除去すること
ができ、河川等の水を良好に浄化することができる。し
かも、上記生物膜槽を河川等の水圏の水を一端から引き
込む人工水路に形成したので、設置費用が安くてすむほ
か、河川等の水の自然の流速を人工的にコントロールし
て、水の汚濁状態に応じて最良の微生物環境を作り出す
ことができる。

【００３５】上記微生物環境では共生、寄生、捕食とい
った長い食物連鎖によって有機物質がエネルギー化さ
れ、浄化効率が非常に高くなり、汚泥の量が少なくなる
から、管理や維持が非常に楽である。したがって、特に
上記水浄化装置を汚濁発生源に近い、地方都市の中小河
川や用水路等の要所に設置することにより、生活排水の
流入により汚濁化が恒常化した河川の有機汚濁物質だけ
でなく無機栄養塩類の生物学的除去によって、河川水圏
の自浄作用の回復につなげる。特に富栄養化による生態
系の調和の喪失状況を改善する効果が期待できる。

【００３６】さらに、脱窒に必要な炭素源として有機物
質が生物膜上に捕捉されるので、脱窒による全窒素量の
削減と同時に、ＢＯＤ値、ＣＯＤ値、ＳＳ値も低くする
ことができ、さらに脱窒に伴って溶存態有機物も削減す
ることができるから、水資源の再利用や水環境浄化に寄
与することができる。

【００３７】なお、還流手段が設けられているときは、
生物膜槽の下流域の水が再び上流域に還流されるので、
浄化効率がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水浄化装置の概要を示す斜視図

【図２】生物膜槽の概要の斜視図

【図３】上流側の微生物接触材の混合状態を示す斜視図

【図４】下流側の微生物接触材の斜視図

【図５】ＢＳＫ菌の脱窒、脱リン試験データ表

【符号の説明】

ａ 生物膜槽 Ｂ 水浄化装置 １ 人工水路 ３ 微生物接触材 ４ 微生物接触材 ５ 散気管 ７ 汚泥枡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 河川等の水圏の水を一端から引き込み他
   端から排水する人工水路の内部に、篭形本体内に微生物
   接触材を充填してなる複数の生物膜槽を設置するととも
   に、上記生物膜槽の微生物接触材と上記人工水路の底部
   に間隔をおいて配置した散気管とにより上流側から下流
   側にかけて好気的微生物環境と嫌気的微生物環境とを交
   互に形成し、上記水路の下流端には上記生物膜槽から剥
   離した汚泥を集積する汚泥枡を設けたことを特徴とする
   河川等の水浄化装置。
2. 【請求項２】 前記生物膜槽の下流域の水を前記生物膜
   槽の上流域に還流させる還流手段が設けられている請求
   項１記載の河川等の水浄化装置。