(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川より導入した汚濁水を浄化処理して当該河川に放流する方法において、沈殿、ろ過等の物理的作用による処理槽に曝気手段を付加した、物理的及び生物学的浄化装置を設置し、導入する汚濁水の温度が15〜20℃の間の所定値以上では、曝気を停止した状態にして浄化処理を行って放流し、また、汚濁水の温度が当該所定値以下では、曝気を行いながら浄化処理して放流することを特徴とする、河川水の浄化処理方法。
【請求項２】
処理槽の上下中間部に、礫、砂、プラスチック等のろ材を充填したろ床を設けるとともに、該ろ床の内部には、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置を配設し、また、処理槽には、そのろ床の下すなわち底部に汚濁水の流入管を接続し、ろ床の上すなわち処理槽上部に処理水の流出管を設けて上向流で通水するものとし、処理槽の底部には、逆洗用の噴気装置を配設し、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段を設けたことを特徴とする、物理的及び生物学的浄化処理機能を備えた、河川水の浄化処理装置。
【請求項３】
処理槽の上下中間部に、礫、砂、プラスチック等のろ材を充填したろ床を設けるとともに、該ろ床の内部には、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置を配設し、また、処理槽には、その底部に処理水の流出管を接続して下向流で通水するものとし、上部には洗浄用水となる汚濁水の供給手段を設け、処理槽の底部には、逆洗用の噴気装置を配設し、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段を設けたことを特徴とする、物理的及び生物学的浄化処理機能を備えた、河川水の浄化処理装置。
【請求項４】
横型に形成した処理槽の前後中間部に、礫等のろ材を充填したろ床を設けて、該ろ床の前側に流入部を後側に流出部を形成して横向流とするとともに、ろ床内の前部寄りの底部に、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置を配設し、上記流入部には汚濁水の供給手段を設け、上記流出部には排水管を設け、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段を設けたことを特徴とする、物理的及び生物学的浄化処理機能を備えた、河川水の浄化処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、河川の汚濁水を導入して浄化処理し、その処理水を再び河川に放流するにあたって行う河川の浄化方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川には、その周辺流域の人口の増加や産業の発展に伴い、家庭排水や畜産、工場排水等の汚濁排水が流入し、それが河川等の有する自然浄化（自浄）作用を上回るようになって、河川の水質が悪化し、悪臭の発生、利水水質としての不適合や水生生物の生息環境の悪化などをひきおこしている。そのため、河川等水質の保全が急務となっている。水質保全の方法としては、近年、河川水等を浄化施設に導き、浄化した水を河川に直接還流する、直接浄化による方法が多く行われている。
【０００３】
河川水の汚濁程度の指標としては、有機物による汚濁を表すＢＯＤ、濁質や固形物により汚濁を表すＳＳ、水域の富栄養化を招く栄養塩類としてＴ−Ｎ（全窒素）Ｔ−Ｐ（全リン）などがある。Ｔ−Ｎの中でもＮＨ4 −Ｎは、水中の硝化菌によって酸化される際に多量の酸素を消費し、Ｎ−ＢＯＤとしてＢＯＤ値を著しく増加させることがあるため、ＢＯＤの低減といった面からも河川等の浄化にあたっては重要な浄化対象項目である。
【０００４】
一方、汚濁の浄化方法には、微生物による浄化作用を主とした生物学的方法と、沈殿、ろ過等の物理的作用を主とした物理的方法がある。一般に、生物学的浄化法は、浄化能力が高いが、微生物を利用するため曝気が必要で、浄化に時間がかかる方法で、設置スペースに対し処理水量が少なく、曝気コストがかかる高級処理である。他方、物理的浄化法は、溶解性の汚濁は浄化できないため、生物学的浄化法に比べ、浄化能力が低いが、曝気を必要とせず、短時間で行うことができる方法で、設置スペースに対し、処理水量が多く、運転コストが安い簡易処理である。
【０００５】
それで、従来、河川に対する直接浄化の方法としては、一般的には、河川敷等に礫層を埋設して、これに汚濁水を導入して、生物学的浄化と物理的浄化を同時に行う礫間接触酸化法が実施されているが、この方法では、容積当りの有機性汚濁物質の除去効率が悪いことから、大きなスペースを要し、かつ、長期の使用により礫間に汚泥が詰り、汚泥の流出によって浄化効果（処理水質）が悪化するため、近頃では、設置スペースが小さく大水量の処理が可能な浄化方法の開発が進められつつある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、河川では、季節等自然の状況によって水量、水質や汚濁の状態が大きく変動するのが特徴であるから、河川水の浄化処理では、そのような変動に追随して年間を通し安定した浄化効果を得ることが求められるが、単に上記従来の各浄化法によるだけでは浄化の程度に過不足がでるため効果が不十分である。
【０００７】
本発明は、かかる状況にかんがみなされたもので、水量、水質に大きな変動のある河川水を直接に浄化する場合において、上記変動に対応して、年間を通じて安定した高い浄化効果を得ることができ、しかも低ランニングコストで浄化処理のできる新規な方法及び装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、河川水を直接浄化する方法の研究、開発を進めるにあたって、まず、河川や河川水の特徴につき種々の調査、研究を行った。その調査期間における対象河川では、河川水の汚濁濃度及び河川水量に大きな季節的変化のあるのが確認された。その河川水量と水質を表−１に示す。
【０００９】
〔表−１〕
【００１０】
すなわち、水温が高く降雨量が多い夏季には、河川流量は大きく、ＢＯＤ、ＮＨ4 −Ｎは低く、ＳＳは高く、逆に、水温が低く降雨量が少ない冬季には、河川流量は小さく、ＢＯＤ、ＮＨ4 −Ｎは高く、ＳＳは低いことが確認できた。それにより、河川に適した浄化方式は、夏季と冬季で異なり、夏季においては、ＳＳ除去を目的とした物理的処理で高速に大水量を簡易処理し冬季においては、ＢＯＤ、ＮＨ4 の浄化を目的とした生物学的処理を主体にして処理したほうが安価に十分な浄化効果が期待できる、ということを確心するに至った。
【００１１】
また、汚濁濃度は、水温、降雨量に応じ、河川の自浄作用、降雨の希釈効果により低下するが、汚濁負荷は、河川の自浄効果あるいは浄化施設の設置以外には削減されない。つまり、浄化施設は河川の自浄効果により削減されうる負荷量を越えた分について、浄化を補完する役割がある。水温が下がり河川の自浄作用が低下する冬季には、浄化施設で生物学的処理を行うようにすれば、年間を通じ安定した浄化水質を得ることができることになる。そのためには、効率のよい浄化を行う必要があり、従来より指摘されている、大水量処理が容易であり、かつ、処理水量当りの運転コストが安価であることに加えて、対象河川水の汚濁濃度、河川水量の変化に対応可能な浄化方法が不可欠である。
【００１２】
また、これまで行ってきた調査によれば、ＢＯＤ、ＳＳ、ＮＨ４−Ｎ濃度は、水温15〜20℃の間の所定値を境として大きく変化することが判った。これは、水温と直接関係する微生物活性、河川の自浄作用が、上記水温近くで大きく変化するだけでなく、気温を通じて間接的に関係する降雨量も、当該所定値をはさんで大きく変化するためである。気温と降雨量は密接な関係があるため、結果として水温と河川流量、希釈効果との相関が得られるものと考えられる。この調査期間における河川流量、水温と降雨量、気温の関係を表−２に示す。
【００１３】
〔表−２〕
【００１４】
そこで、水温15〜20℃の間の所定値以上では曝気を必要としない大水量の物理的処理を行う浄化方法とし、当該所定値以下では曝気を必要とする生物学的処理を行う浄化方法を採ることがよいとの考えに立ち、この方法について多くの実験を重ねた結果、年間を通じて安定した浄化効果を得ることができた。
【００１５】
本発明は、上記のような研究の結果に基づき形成されたもので、河川水の直接浄化では、施設に膨大な敷地を要さずに行えること、水量の大幅な変動に追随でき、年間を通して安定した高浄化効率が得られること、が必要であることから、物理的に処理能力及び効率のよい処理槽に曝気手段を付加した物理的及び生物学的浄化の併用できる浄化装置を設置して、水温15〜20℃の間の所定値以上と以下において、曝気の運転、停止の切換えを行って浄化処理するようにしたものである。
【００１６】
本発明の構成について、実施の態様を示した図面を参照して説明すると、請求項１の浄化処理方法は、河川より導入した汚濁水を浄化処理して当該河川に放流する方法において、沈殿、ろ過等の物理的作用による処理槽１に曝気手段５を付加した、物理的及び生物学的浄化装置を設置し、導入する汚濁水の温度が15〜20℃の間の所定値以上では、曝気を停止した状態にして浄化処理を行って放流し、また、汚濁水の温度が当該所定値以下では、曝気を行いながら浄化処理して放流することを特徴とするものである。
【００１７】
また、請求項２の浄化処理装置は、処理槽１の上下中間部に、礫、砂、プラスチック等のろ材を充填したろ床２を設けるとともに、該ろ床２の内部には、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置５を配設し、また、処理槽１には、そのろ床２の下すなわち底部に汚濁水の流入管12ａを接続し、ろ床２の上部すなわち処理槽１上部に処理水の流出管９を設けて上向流で通水するものとし、供給管12ａを接続した処理槽１の底部３ａ内には、逆洗用の噴気装置６を配設し、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段14を設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
また、請求項３の浄化処理装置は、処理槽１の上下中間部に、礫、砂、プラスチック等のろ材を充填したろ床２を設けるとともに、該ろ床２の内部には、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置５を配設し、また、処理槽１には、その底部に処理水の流出管９を接続して下向流で通水するものとし、上部には洗浄用水となる汚濁水の供給手段11を設け、処理槽１の底部３ａ内には、逆洗用の噴気装置６を配設し、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段14を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項４の浄化処理装置は、横型に形成した処理槽１の前後中間部に、礫等のろ材を充填したろ床２を設けて、該ろ床の前側に流入部３ａを後側に流出部３ａを形成して横向流とするとともに、ろ床２内の前部寄りの底部に、空気の供給と停止を選択して行うようにした曝気用の散気装置５を配設し、上記流入部には汚濁水の供給手段16を設け、上記流出部３ｂには排水管９を設け、そして、上記空気の供給、停止の選択に必要な、汚濁水の温度を計測する手段14を設けたことを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明方法を実施する物理的及び生物学的浄化処理機能を備えた装置の最も好ましい第１の実施例を示し、図２は同第２の実施例を示し、図３は同第３の実施例を示したものである。
【００２１】
図１において、１は上向流式の処理槽で、その上下中間部には、固定ろ材や礫、砂、繊維類、プラスチック材などのろ材を充填したろ床２が設けられており、このろ床２と処理槽１の下底との間には流入部３ａが形成されている。そして、上記ろ床２にはその上下中間部に多孔管や多孔質セラミック板等よりなる曝気用の散気装置５が配設され、ろ床内には、散気装置５より下部にろ過層ａが形成され、散気装置５より上部には好気性層ｂが形成されるようになっている。
【００２２】
また、上記流入部３ａには逆洗用の噴気装置６が配設されている。散気装置５と噴気装置６とは管路７ａ，７ｂによりブロワ４に接続されており、ブロワ４と接続する各管路にはそれぞれに開閉弁８ａ，８ｂが設けられている。そして、処理槽１上部には処理水の流出管９が設けられている。
【００２３】
上記処理槽１に附随して汚濁水を導入する調圧槽10が設置されており、河川の汚濁水は取水経路11より一旦調圧槽10に流入する。貯留槽６の底部と処理槽１の流入部３ａとは供給管12ａで接続されているとともに、供給管12ａの中途には汚泥の排出管12ｂが接続されており、その接続部より貯留槽10寄りの個所及び排出管12ｂには開閉弁13ａ，13ｂが設けられている。そして、取水経路11には水温計14が設けられ、汚濁水の温度を計測するようになっている。
【００２４】
この装置においては、調圧槽10の水位が処理槽１の水位より高くなるように設計して、取水経路11と排出管９との水位差が２ｍ以上とれるようにする。それにより、汚濁水はその取り入れから放流まで、その水位差及びろ過を続けると濁質の補促によりろ床２がつまり入口側の水位が上昇することによって何の動力を要することなく流通し処理される。
【００２５】
汚濁水を処理するには、流入管12ａの弁13ａを開とし、排出管12ｂの弁を閉とするとともに、噴気管６の弁８ｂを閉として運転する。取水経路11より調圧槽10に導入された汚濁水は、取水経路11と流出管９との落差により流入管12ａより処理槽１の底部の流入部３ａに自然流入して、処理槽１内を矢印のように上向きに流れて行き、ろ床２を通過して処理され処理槽１の上部に至り、流出管９より出て再び河川に放流されることになる。
【００２６】
それで、さきにも説明したように、汚濁水の温度が15〜20℃の間の所定値以上においては、散気装置５の管路７ａの弁８ａを閉じてろ床２内への空気の供給を停止した非曝気状態にして汚濁水を流通させる。汚濁水はろ床２を通過することによってＳＳ分がろ材に補促されて浄化されるようになる。浄化された処理水は排水管９より放出されることになる。
【００２７】
また、水温が当該所定値以下においては、管路７ａの弁８ａを開き散気装置５の運転を行って空気を供給し曝気しながら汚濁水の処理を行う。空気の供給により、ろ床２の上部は好気状態（好気性層ｂ）となって接触ろ床としての機能を発揮することになり、それによって、汚濁水は生物学的な処理を受け、ＢＯＤやＮＨ４−Ｎの除去が行われることになる。なお、その際もろ床２の下部によりＳＳの除去が併せ行われることはいうまでもない。
【００２８】
上記汚濁水の浄化処理が進むにつれてろ床２のろ材にはＳＳや生物膜の付着が拡大するので、時期をみて運転を止め、逆洗を実施し、付着したＳＳや生物膜をはく離して排出する。逆洗にあたっては、取水経路11よりの汚濁水の導入を止める。そして、流入管12ａの弁13ａを閉じて排出管12ｂの弁13ｂを開くとともに、管路７ａの弁８ａを閉じて散気装置５よりの空気の供給を止め、管路７ｂの弁８ｂを開いて噴気装置６より空気を送入する。それにより、処理槽１内の水は下向きに逆流して排出管12ｂより排出されることになる。その際、噴気装置６よりの空気の噴出によって、下向きの水流が撹拌され、その撹拌力と噴気との作用でろ材に付着したＳＳ及び生物膜がはく離され、排出水とともに槽外に排出されることになる。
【００２９】
図２は、本発明に使用する浄化装置の他の実施例を示したものである。この実施例では、処理槽として下向流式の竪型の処理槽１を用いている。処理槽１の上下中間部にはさきの実施例におけると同様のろ床２が設けられているとともに、その上下中間部には散気装置５が配設されており、また、ろ床２と処理槽１の下底との間の底部に形成された流出部３ｂには噴気装置６及び流出管９が設けられている。
【００３０】
散気装置５と噴気装置６とは、さきの実施例におけると同様に、それぞれ開閉弁８ａ，８ｂを有する管路７ａ，７ｂによりブロワ４に接続されている。流出管９には開閉弁13ｂを有する汚泥の排出管12ｂが接続されているとともに、この接続位置より先側の流出管９の個所には開閉弁13ｃが設けられている。また、汚濁水は、取水経路11より直接的に処理槽１の上部に供給されるようになっており、取付経路には水温計14が設けられている。
【００３１】
この装置で汚濁水を浄化処理するには、散気装置５の管路７ａの弁８ａを開とし、噴気装置６の管路７ｂの弁８ｂを閉とし、また、流出管９の弁13ｃを開とし、排出管12ｂの弁13ｂを閉として運転する。取水経路11より処理槽１の上部に流入した処理水は、槽１内を下降して槽底へと流れ、流出管９より出て河川へと放流されることになる。
【００３２】
それで、さきの実施例におけると同様に、汚濁水の温度が15〜20℃の間の所定値以上では散気装置５よりの空気の供給を停止した状態にする。それにより、汚濁水は全体がろ過層となったろ床２を通過してＳＳ分が除去、浄化されて流出管９より出ることになる。また、汚濁水の温度が当該所定値以下では散気装置５から空気を供給し曝気しながら処理を行う。それにより、汚濁水はろ床に形成された好気性層ｂにおいて生物学的処理と物理的処理を受けた後、その下側のろ過層ａで物理的処理を受け、ＢＯＤやＮＨ４−Ｎの除去とＳＳの除去とが併せて行われることになる。
【００３３】
この装置で逆洗をするには、散気装置５の管路７ａの弁８ａを閉とし、噴気装置６の管路７ｂの弁８ｂを開とし、また、排出管９の弁13ｃを閉とし、排出管12ｂの弁13ｂを開とし、噴気装置６から空気を送入しながら行う。槽１内の水は下向きに流れながら噴気装置６よりの噴気で撹拌され、ろ材に付着したＳＳ及び生物膜がはく離され、排出水とともに槽外に排出されることになる。
【００３４】
図３は、本発明に使用する浄化装置のさらに他の実施例を示したものである。この実施例においては、横長に形成した横向流式の処理槽１を使用し、ろ床２は処理槽１の前後に形成された流入部３ａと流出部３ｂとの間に横長に形成されている。このろ床２にも上記同様、礫、砂、繊維類、プラスチック材などのろ材が充填されているとともに、ろ床２の前部寄りの底部にはブロワー４に接続された散気装置５が設けられており、散気装置５より前部には好気性層ｂが、後部にはろ過層ａが形成できるようになっている。また、この処理槽１に附随して取水経路11からの汚濁水を一旦貯留する調圧槽10が設置されており、その中には揚水ポンプ15が設けられ、揚水ポンプ15には、処理槽１の流入部３ａ上に開口する流入管16が取り付けられ、水温計はこの流入管16に設けられている。そして、流出管９は流出部３ａの上部に設けられている。
【００３５】
この実施例の装置では、取水経路11よりの汚濁水は、一旦貯留槽10に導入され、それより揚水ポンプ15により流入管16から処理槽１へと流入する。流入した汚濁水は、流入部３ａから流出部３ｂへと横方向（水平方向）に流れ、その間、ろ床２によって浄化処理され、処理水は流出管９より出て河川へと放流されることになる。この場合も、汚濁水の温度が15〜20℃の間の所定値以上のときには散気装置５からの空気の供給を停止した状態での浄化処理とし、汚濁水の温度が当該所定値以下のときには散気装置５から空気を供給して浄化処理を行う。この実施例の場合は、処理槽１へは揚水による供給手段を採っているので、特に、取水と放水との間であまり水位差がないようなときに好適である。なお、この装置では、ろ床にＳＳや生物膜の付着、堆積が多くなった場合は、汚濁水の流入を止めて処理槽１内の水を排出させてろ床を洗浄することになる。
【００３６】
【実施例】
本発明について実験を行った。実験対象とした浄化方法の概要を表−３に示す。生物学的浄化法には、従来法として曝気付き礫間接触酸化法、新技術として生物膜ろ過法を対象に選んだ。また、物理的浄化法は高速ろ過とした。
【００３７】
〔表−３〕
【００３８】
河川の浄化では、浄化対象水量が0.01〜10ｍ3/ｓ程度に及ぶため、運転コストの削減は実用上の重要な課題である。物理的浄化法は、一般に生物学的方法に比べて安価であるが、それでも高速ろ過を小規模河川（0.1 ｍ3/ｓ）の浄化に適用した場合、毎分12.6円、毎年約 660万円の運転費が必要となる。
【００３９】
本実験例により得られた平均処理水質を表−４、表−５に示す。対象河川の水質は夏季に比べ冬季に大きく悪化したが、曝気を行う生物学的浄化方式である曝気付き礫間接触酸化法、生物膜ろ過法では、低水温期にも良好な処理水質が得られ、年間を通してＢＯＤ10mg／ｌ以下であった。さらに、生物学的処理と物理的処理浄化を組み合わせた場合（Ｄ方式）では、年間を通じてＢＯＤ５mg／ｌ以下であった。
【００４０】
〔表−４〕
【００４１】
〔表−５〕
【００４２】
曝気を行わない物理的浄化方式では、処理水量当たりの運転コストは、曝気を行う方式に比べ30〜50％安く、高水温期には良好な処理水質が得られたが、低水温期に処理水質が著しく悪化しＢＯＤ10mg／ｌ以上となった。これでは環境基準Ｄ類型も満足できない。これに対し、低水温期のみ生物学的浄化を付加する本発明の方法では、運転コストは曝気を行わない物理的浄化法よりも若干高いものの、曝気とポンプ取水を常時行う方式に比べ20％程度安く、処理水質は年間を通じてＢＯＤ 5mg／ｌ以下であった。
【００４３】
また、本試験での放流点における浄化効果を表６に示す。８月と１月の試験成績を夏季、冬季における代表例として挙げた。８月には固形物（ＳＳ）由来の汚濁が高く、曝気を行わない物理的浄化方法により良好な処理水質が得られた。１月には汚濁濃度が高く、アンモニア性窒素濃度も高いため、曝気を行う生物学的浄化を物理的浄化に付加することで、浄化水質が確保された。
【００４４】
また、河川の環境基準との比較を表−７に示す。対象河川は環境基準Ｄ類型に指定されているが、そこのＢＯＤ値は17.8mg／ｌであって、水質が向上する夏季においても基準を満足していなかったが、実験の結果から、本発明によれば、上記基準を十分満すことができるものであった。
【００４５】
〔表−７〕
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によれば、河川の汚濁水の直接浄化において、水温の高いときには、水量が大で有機物などによる汚染が少ないがＳＳが増大し、また、水温が低いときには、水量が小で有機物などによる汚染が大となるがＳＳが減少する、という河川水の特徴を把握し、処理槽に付加した散気装置の運転、停止の切換え操作により、汚濁水の浄化処理を、物理的処理を主体とする方法と、生物学的処理を主体とする方法とに選択して行うことができ、したがって、膨大な敷地や施設を要さずに、水量や汚染度の変動に追随して、年間を通して安定して浄化効率のよい処理が経済的に行えることができることとなる。
【００４７】
また、本発明方法を実施するための各装置は、処理槽のろ床に配設した散気装置により、ろ床内への空気の供給、停止を切り換えることにより、ろ床が物理的浄化処理機能と物理的及び生物学的浄化機能とに選択して汚濁水を処理できるようになるため、水量の多い温度の高い時期及び水量が少なく温度の低い時期に適合した河川汚濁水の浄化処理が、簡易かつ効果的に行えることになる。特に逆洗手段を設けた装置では、付着、堆積したＳＳや生物膜の除去が短時間で簡易に行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する装置の一例を示す概略図である。
【図２】同他の実施例を示す概略図である。
【図３】同さらに他の実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  処理槽
２  ろ床
３ａ  流入部
３ｂ  流出部
４  ブロワー
５  散気装置
６  噴気装置
７ａ，７ｂ  管路
８ａ，８ｂ  開閉弁
９  流出管
10  調圧槽
11  取水経路
12ａ  流入管
12ｂ  排出管
13ａ，13ｂ  開閉弁
14  水温計
15  揚水ポンプ
16  供給管
【表−１】0003676575.tif 000002
【表−２】0003676575.tif 000003
【表−３】0003676575.tif 000004
【表−４】0003676575.tif 000005
【表−５】0003676575.tif 000006
【表−６】0003676575.tif 000007
【表−７】0003676575.tif 000008
【図１】
0003676575.tif 000009
【図２】
0003676575.tif 000010
【図３】
0003676575.tif 000011