JPH08290162A - 河川の水からのリン酸イオンの選択的除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 懸濁質を含む河川の水からリンのみを選択的
に除去することが可能な新技術を提供すること。 【構成】 河川に、中空円筒形の粒状体を、８０％以上
の充填空隙率で、充填して構成してなる充填層を配設
し、第１鉄イオンを添加した後、懸濁質を含有する河川
の水を前記充填層に通水せしめることによって、懸濁質
はろ過除去することなく、リン酸イオンのみを前記中空
円筒形の粒状体の表面に付着させて除去する。好ましく
は、前記中空円筒形の粒状体の材質が水に浮上するもの
であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、懸濁質とリン酸イオン
を含む河川の水から、懸濁質はろ過除去することなく、
リン酸イオン（以下リンと略称する）を選択的に除去す
る新技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】河川及び河川が流入する湖沼、ダム湖、
海域等の富栄養化を防止するため、河川の水に含まれる
リンを除去する必要性が大きくなっている。例えば、富
栄養化に伴う現象の典型として、アオコ、赤潮の発生が
あるが、このような現象は、０．０５ｍｇ／リットル以
上のリン濃度で非常に起き易いといわれている。従来、
河川の水からリンを除去する方法は、凝集沈殿装置を陸
上に設置し、河川の水をポンプアップし硫酸アルミニウ
ムなどの凝集剤を添加してリンを凝集させた後、生成フ
ロックを沈殿分離する方法が知られている。しかし、こ
の方法は化学プラント的な凝集沈殿装置、ポンプ、配
管、大きなポンプ動力等が必要であり設備費、動力費が
高価であるほか、装置を設置する広いスペースが陸上に
必要であるという欠点があった。また凝集沈殿処理にと
もなって発生する難脱水性汚泥の処理処分が必要である
という欠点もあった。他の方法として、粒状の脱リン剤
（鹿沼土、アロフェンなどを粒径数ｃｍの粒状に成型し
たものなど）を河川中に充填し、河川の水をこの充填部
に流通させ河川の水からリンを除去しようとの試みも行
われている。

【０００３】以上説明したように、従来の河川の水から
リンを除去する諸方法のうち、粒状の脱リン剤を使用す
るリン除去方法の唯一の例は、粒状脱リン剤を河川の流
路に充填し、河川の水を粒状脱リン剤の充填部に流通さ
せリンを吸着除去しようとするものである。しかし、こ
の方法は、雨天時に河川の濁質量（土砂、シルト）の量
が増加し、脱リン材充填部を速やかに閉塞させてしまう
という欠点があった。また、脱リン剤が河川の水の流量
が増加した時に流出しないようにするため、脱リン剤を
数センチオーダーの大粒径にしなくてはならず、そのた
め脱リン剤の表面積が著しく小さく、充填部を河川の水
が通過する時間を一時間以上という長時間にしなければ
ならない、従って充填部に充填して使用する脱リン剤の
量が大量に必要であるという欠点もあった。大量の脱リ
ン剤は、これを製造する設備が大掛かりになり、さらに
造粒、乾燥、焼成等にも製造コストが高くつき、また大
量の脱リン剤を輸送し、河川中に充填する工事が煩雑で
あった。さらにまた廃脱リン剤の交換に関しては、新し
い脱リン剤に交換する作業が面倒なものである上に、従
来の脱リン剤ではリン吸着能力が飽和に達するまでに脱
リン剤の吸着効率が非常に悪くなりるので飽和に達する
までに交換することになる他、廃脱リン剤の処分が困難
である等多くの欠点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の諸欠点を根本的に解決することを課題とす
るものであり、懸濁質を含む河川の水からリンのみを選
択的に除去することが可能な新技術を提供するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、本
発明の河川の水から選択的にリンを除去する方法によっ
て解決される。すなわち、（１）河川に、中空粒状体を
８０％以上の充填空隙率で充填して構成してなる充填層
を配設し、第１鉄イオンを添加した後、懸濁質を含有す
る河川の水を前記充填層に通水せしめることによって、
懸濁質はろ過除去することなく、リン酸イオンのみを前
記中空粒状体の表面に付着させて除去することを特徴と
する河川の水からのリン酸イオンの選択的除去方法。好
ましくは、（２）前記中空粒状体の材質が水に浮上する
ものであることを特徴とする前記（１）に記載の河川の
水からのリン酸イオンの選択的除去方法である。

【０００６】本発明の技術思想の骨子は、河川の水流中
に中空粒状体を充填した充填層を設け、この充填層の上
流側において、河川の水流中に第１鉄イオンを添加し、
本発明の充填層に充填されている中空粒状体の間を第１
鉄イオンを含む水が通過する間に、河川の水自体に含ま
れている溶存酸素によって第１鉄イオンが水酸化第二鉄
に酸化され、その水酸化第二鉄が中空粒状体に付着する
ことにより、極めてリンを効率良く吸着する脱リン剤と
なること。しかして、該脱リン剤が８０％以上の充填空
隙率をもって充填されていることによって、河川の水流
が含んでいる懸濁質を除去することなくリンのみを選択
的に除去することを可能にすることにある。

【０００７】本発明の技術において重要な点は、河川の
水流中に配備する充填層に充填する中空粒状体の大きさ
及び材質である。先ず粒状体の大きさについて述べる
と、中空物体を粒状体としたのはそのサイズが小さい物
体であることを表したのである。中空粒状体のサイズ
は、小さいけれども、通常河川の水流と共に流下する小
物体や水流が含んでいる懸濁質は容易に通過させるよう
な空孔を有しており、かつ、「中空粒状体の内部を通過
している時の河川の水の流速は中空粒状体の外部での流
速よりかなり減速されており、従って河川の水に含まれ
ているリンは粒状体の表面から少し距離をおいた位置か
らも粒状体の表面に付着している水酸化第二鉄に吸着さ
れ得る。」ようなサイズである。このサイズは中空粒状
体の粒径がセンチメートル・オーダーのものであり、か
つ例えば図５から図８までに示すような内部に構造を有
する粒状体が適当なものである。また、中空粒状体の材
質は、粒状体が水に浮上性となるものを材質とし、かつ
第１鉄イオンを含む水が粒状体中を通過する間に、河川
の水に含まれている溶存酸素によって酸化されて水酸化
第二鉄となった状態で化学的に付着するような材質のも
のである。

【０００８】この本発明の原理を図１によって説明す
る。図１において、ダム湖などの湖沼に流入する河川の
河床７の上、水の流れ１の中に、粒径が前記センチメー
トル・オーダーの中空粒状体を充填してなる充填層２
（充填時の空隙率が８０％以上になるもの）を形成す
る。充填層２の形成方法は、護岸構造体の利用、ジャカ
ゴ、多孔性ワク体、小規模ダムその他公知の構造体をい
ずれも適宜に利用して形成することができる。充填層２
の下流側には網３が設けられ、中空粒状体の流出を防い
でいる。充填層２の上流側には木の葉などの粗大異物が
充填層２に進入しないように網などの目開きの大きなス
クリーン４が設置されていることが好ましい。充填層２
はその上部５が水面６より高い位置にあるように中空粒
状体が充填され、水が充填層２の上をショートパスする
ことを防いでいる。

【０００９】中空粒状体を充填層２中に充填する時、中
空粒状体充填層の空隙率は極めて重要であり、空隙率は
８０％以上、好ましくは９０％以上になるものを選択す
る必要がある。空隙率が８０％未満になると、河川の懸
濁質が充填層２に捕捉され、充填層２の閉塞を招くので
好ましくない。なお、中空粒状体の粒径は１〜３ｃｍと
大粒径にすると空隙サイズが大きくなり、さらに懸濁質
を通過させ易くするので好ましい。本発明に好適な中空
粒状体の外観の例を図５から図８までに示した。充填層
２内を河川の水が通過し、水が充填剤と接触する時間
は、脱リン剤のリンの除去速度が大きいので、５〜１０
分間程度の短時間で充分である。中空粒状体の材質は、
ポリプロピレン、ポリエチレンなどの水に浮上するもの
を使用する。このように比重が軽い充填剤を使用する
と、豪雨時などの河川の水位上昇時に充填材が水位の上
昇につれて充填層が浮上し、図２に示すように河床７と
充填層２の間に空間部８が形成され、土砂がこの空間部
８を通過し下流側に流出するようにできるので極めて好
ましい。

【００１０】しかして図１に示すように、充填層２の上
流側に第一鉄イオンを添加した後、河川の水を充填層２
に通過させると、河川の水の中に含まれている溶存酸素
によって第一鉄イオンが充填層２を通過していく間に水
酸化第二鉄に酸化される。第一鉄イオンが酸化された直
後の水酸化第二鉄は著しく付着性が高く、充填層２の中
空粒状体の表面に化学的作用によって強固に付着し（物
理的なろ過作用ではない。）中空粒状体に鉄サビが付着
したように褐色に変色し、この水酸化第二鉄にリンが吸
着されて除去されることが認められた。水中の第一鉄イ
オンが溶存酸素によって酸化された場合に、水酸化第二
鉄がポリプロピレンなどの疎水性の有機素材粒状体の表
面に強固に付着する詳しいメカニズムは不明であるが、
おそらくポリプロピレンの表面に河川中の微生物が微量
付着して表面が親水性に変わり、この微生物膜に第一鉄
イオンが吸着し、この粒状体の表面において、第一鉄イ
オンが水酸化第二鉄に酸化されるためと考えられる。一
方、自然由来の懸濁質（シルト）は付着性が少なく、本
発明の充填層２の空隙率、空隙サイズが大きいことも相
まって、充填層２内で捕捉されることなくそのまま下流
側に流出させることができる。なお、第一鉄イオンでは
なく、第二鉄イオンを添加すると、同様に水酸化第二鉄
が生成するが、この水酸化第二鉄は付着性が少なく、中
空円筒体の表面に付着することなく下流側に流出してし
まうことが判明した。以上の機構によって、自然由来の
懸濁質はろ過除去されることなく、リンのみを除去する
ことができる。

【００１１】図３には、小規模ダムの越流堰を利用して
設けた本発明の充填層２の例を示す。図３において、河
川の水流１は、越流堰９の上流側に堰９の面に接して設
けた充填層２に、その底部に設けた網を通して充填層２
の内部に流入し、内部を通り、越流堰９を越えて下流に
流出する。充填層２の上流側Ａ点で第一鉄イオンを添加
すると、河川の水流１によって充填層２の内部に運ば
れ、充填層２の内部を通過する間に河川の水流１中の溶
存酸素によって水酸化第二鉄に酸化される。充填層２の
内部には粒径がセンチメートル・オーダーの中空円筒形
の粒状体が充填されており、水酸化第二鉄はこれら中空
円筒形の粒状体に付着する。以下充填層２の内部の水酸
化第二鉄が付着した中空円筒形の粒状体による河川の水
流１中のリンが吸着されリンが選択的に除去されること
は、図１で説明した機構と同じである。また、豪雨時な
どでは、河川の水位上昇と共に充填層２が浮上し、越流
堰９との間に空間部８が生成する状況を図４に示した。
空間部８の作用は図２においてそれを説明したのと同じ
である。

【００１２】

【実施例】表面に強固に付着した水酸化第二鉄を有する
中空円筒体が充填されている充填層を利用した本発明の
河川の水からリン酸イオンを選択的に除去する方法につ
いての実施例を以下に示す。ただし、本発明の実施態様
はこの説明によって限定されるものではない。

【００１３】（実施例１）自然の河川を模擬して人工水
路（水深３０ｃｍ、長さ４ｍ、幅１０ｃｍ）に、前記図
３に示した白色のポリプロピレン製の中空円筒粒状体
（直径１２ｍｍ、長さ１５ｍｍ、比重０．９）を空隙率
９０％で充填した充填層を設け、この充填層内を、０．
５ｍｇ／リットルの濃度のリン酸イオンと２０ｍｇ／リ
ットルの濃度のカオリン粘土からなる懸濁質を含む水道
水（溶存酸素８ｍｇ／リットル）を流速３０ｃｍ／ｍｉ
ｎで通過させながら、前記充填層に水道水が流入する直
前に第一鉄イオンを２ｍｇ／リットル注入した。また、
前記充填層内に水道水が滞留する時間は１０分間とし
た。この条件で３週間運転を続けたところ、ポリプロピ
レン製中空円筒粒状体の表面が褐色に変色した。この後
一週間に一回、充填層流出水の水質分析を行いながら６
ヵ月間運転を続けた。その結果充填層流出水の水質は、
リンは０．０６〜０．１１ｍｇ／リットル、ＳＳは１８
〜２５ｍｇ／リットルであった。この結果、懸濁質は除
去されることなく、リンのみが選択的に除去されること
が確認された。リンがカオリンへ吸着して除去された可
能性をチェックするため、カオリンを添加せずに同様の
実験を行ったところ、充填層流出水のリンの濃度は０．
０８〜０．１４ｍｇ／リットルであり、リンのカオリン
へ吸着量は無視できる位少ないものであった。

【００１４】（比較例１）実施例１と同じ実験装置を用
いて、原水に第１鉄イオンを添加せずに第２鉄イオンを
２ｍｇ／リットル添加した。第２鉄イオンとしては塩化
第２鉄を使用した。この条件で３週間運転を続けたがポ
リプロピレン製中空円筒粒状体の表面は白色のままであ
り、水酸化鉄が付着しなかった。この後一週間に一回、
充填層流出水の水質分析を行ったがリン濃度は０．４１
〜０．４３ｍｇ／リットル（ＳＳ性リンを含んだ値）で
ありほとんどリンが除去されていなかった。

【００１５】

【発明の効果】

１．本発明の河川の水からのリン酸イオンのみを選択的
に除去できるので、充填層が河川の水に含まれている懸
濁質によって閉塞されることがない。 ２．雨天時、懸濁質が急速に増加する場合にも充填層に
懸濁質が堆積することがない。 ３．従来の粒状脱リン剤によるリン酸イオン除去方法と
異なり、脱リン剤の必要量が遙に少なくてすむので、脱
リン剤の製造、輸送などに要する費用が著しく少なくて
すむ。 ４．従来の粒状脱リン剤の場合のように、リン吸着容量
に限界がなく、本発明の脱リン剤は半永久的に使用でき
るので、脱リン剤や充填材の交換が不要である。 ５．本発明の脱リン剤はリンの除去速度が大きいので、
充填層の長さが短くて良く、充填材の使用量が少なくて
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】河川の水からリンを除去する本発明の方法の１
例を示す説明図である。

【図２】増水時に図１の充填層が示す状況の説明図であ
る。

【図３】河川の水からリンを除去する本発明の方法の別
の１例を示す説明図である。

【図４】増水時に図３の充填層が示す状況の説明図であ
る。

【図５】本発明のリン除去剤担体である中空粒状体（中
空円筒形）の１例の外観を示す図である。

【図６】本発明のリン除去剤担体である中空粒状体（中
空円筒形）の別の１例の外観を示す図である。

【図７】本発明のリン除去剤担体である中空粒状体（中
空角形）の１例の外観を示す図である。

【図８】本発明のリン除去剤担体である中空粒状体（中
空球形）の１例の外観を示す図である。

【符号の説明】

１ 河川の水流 ２ 中空円筒体充填層 ３ 網 ４ 網 ５ 充填層上部 ６ 河川の水面 ７ 河床 ８ 空間部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高田 正英 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 浅井 良紀 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 河川内に、中空粒状体を８０％以上の充
   填空隙率で充填して構成してなる充填層を配設し、懸濁
   質を含有する河川の水に第１鉄イオンを添加した後、前
   記充填層に通水せしめることによって、懸濁質はろ過除
   去することなく、リン酸イオンのみを前記中空粒状体の
   表面に付着させて除去することを特徴とする河川の水か
   らのリン酸イオンの選択的除去方法。
2. 【請求項２】前記中空粒状体の材質が水に浮上するもの
   であることを特徴とする請求項１に記載の河川の水から
   のリン酸イオンの選択的除去方法。