(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流に設置して通過する水の水溶性燐酸を吸収除去するカートリッジであって、
腐植質火山灰土壌を希硫酸と混合して得られた酸性燐酸除去ろ過資材と、
腐植質火山灰土壌を石灰類と混合して得られた塩基性燐酸除去ろ過資材とを、
前記酸性燐酸除去ろ過資材及び塩基性燐酸除去ろ過資材を上流側に酸性燐酸除去ろ過資材、下流側に塩基性燐酸除去ろ過資材の順に２層に充填したことを特徴とする水溶性燐酸吸収除去カートリッジ。
【請求項２】
排水口に設置する燐酸を除去するろ過装置であって、
多数の小穴を有す集水溝板と、請求項１に記載の水溶性燐酸吸収除去カートリッジと、ろ過装置本体から構成され、
前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジは前記ろ過装置本体に収納され、
前記集水溝板は前記ろ過装置の上面を構成し、
前記排水口から前記集水溝板に導入された排水は、前記集水溝板の小穴からろ過装置本体に侵入し、ろ過装置本体内の前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジよりろ過され、排出されることを特徴とするろ過装置。
【請求項３】
閉鎖水系の水の燐酸を除去するろ過装置であって、
ろ過槽と排水ポンプとから構成され、
前記ろ過槽は、側壁部及び底部に複数の請求項１に記載の水溶性燐酸吸収除去カートリッジが配置されて前記ろ過槽の内と外が隔絶され、
前記ろ過槽の外側の水が前記側壁部及び底部の水溶性燐酸吸収除去カートリッジを通過して燐酸除去されて前記ろ過槽に侵入し、侵入した水を前記排水ポンプでろ過槽外に排出することを特徴とするろ過装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安価で各地に多産する透水性の高い腐植質火山灰土壌を加工した燐酸吸収材をベースとした燐酸除去フィルターシステムである。本技術は、水系の環境汚染物質になっている生活排水、産業排水から排出される水溶性燐酸の除去を河川、湖沼等への排水口の段階で低コストで効率良く、しかも安全な方法で長期にわたって継続的に燐酸除去を可能とするものである。また、最近特に問題の多い内水面、閉鎖水系の水質浄化を目指し、湖沼の循環式水流システムとフィルターシステムの組み合わせにより水系の低燐酸化の効率を高めることも可能とする技術である。
【０００２】
【従来の技術】
過去において産業における溶液の燐酸除去（５２件）や環境水系の燐酸除去による水質浄化技術は多くの特許と実用新案が提案されている。それらの技術の内容は、燐酸除去資材としてはリン酸カルシウム結晶種、リン酸カルシウム鉱物、アパタイト、ゼオライト、アルミナ、ニッケル・コバルト等重金属化合物が用いられ、その反応槽内において化学反応をさせる技術を基本としたものが多かった。一般的な環境浄化に関する技術としては、先の燐酸除去資材の利用に加えて生物による吸収除去、生物と汚泥と共に水圏から除去する技術、浸透式汚水処理のように処理槽内に砂、土、イオン交換樹脂等の各種のろ過層を通過させ処理する技術等がある。化学的処理、生物的処理は、それぞれ一長一短があって共通的難点はコストが高いこと、長期処理を継続する上で補修回数が多くメンテナンスに気を使うなど難点がある。また化学的処理では使用済資材の廃棄処理を必要としていること等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、腐植質化山灰土壌の資材が、珪酸アルミナのネットと腐植に由来する有機物が複雑に絡み合って構造的に中空性のポーラスな空洞を形成しているので、リン酸カルシウム鉱物、アパタイト、ゼオライト等の沈澱性資材と較べ著しく透水性が高く、長期にわたって大量の水のろ過に適しており、また通過溶液と固相の接触面積が非常に大きく、分子レベルでも珪酸アルミナの編み目内に高い固定機能を有するので従来除去資材として利用されている前述の各種資材より燐酸固定能力が高い性質を利用して、コストが安く、メンテナンスが容易で、廃材処理を必要としない水溶性燐酸吸収除去カートリッジ、及び、これを用いたろ過装置を提供することである。
更に固定された燐酸は酸性条件下で資材内の珪酸とアルミナの結合を切断するので新たな燐酸固定サイトを供給し、燐酸吸収の持続延命効果も有する。本ろ材は重金属等による環境の再汚染の心配がないことから残渣の再処理を削除することが可能でコストが低減されるだけでなく、使用済交換廃材は土壌の改良資材として再利用できる資材である。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る水溶性燐酸吸収除去カートリッジは、水流に設置して通過する水の水溶性燐酸を吸収除去するカートリッジであって、
腐植質火山灰土壌を希硫酸と混合して得られた酸性燐酸除去ろ過資材と、腐植質火山灰土壌を石灰類と混合して得られた塩基性燐酸除去ろ過資材とを、前記酸性燐酸除去ろ過資材及び塩基性燐酸除去ろ過資材を上流側に酸性燐酸除去ろ過資材、下流側に塩基性燐酸除去ろ過資材の順に２層に充填したことを特徴とする。
【０００５】
また、本発明に係るろ過装置は、排水口に設置する燐酸を除去するろ過装置であって、多数の小穴を有す集水溝板と、前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジと、ろ過装置本体から構成され、前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジは前記ろ過装置本体に収納され、前記集水溝板は前記ろ過装置の上面を構成し、前記排水口から前記集水溝板に導入された排水は、前記集水溝板の小穴からろ過装置本体に侵入し、ろ過装置本体内の前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジよりろ過され、排出されることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る他のろ過装置は、閉鎖水系の水の燐酸を除去するろ過装置であって、ろ過槽と排水ポンプとから構成され、前記ろ過槽は、側壁部及び底部に複数の前記水溶性燐酸吸収除去カートリッジが配置されて前記ろ過槽の内と外が隔絶され、前記ろ過槽の外側の水が前記側壁部及び底部の水溶性燐酸吸収除去カートリッジを通過して燐酸除去されて前記ろ過槽に侵入し、侵入した水を前記排水ポンプでろ過槽外に排出することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明では、酸処理及びアルカリ処理した二種類の腐植質火山灰土壌を組み合わせて水溶性燐酸吸収除去資材の交換が簡便なようにろ過用カートリッジに充填した水溶性燐酸吸収除去カートリッジ（カートリッジろ過土層）を開発し、これを排水に対しては排水用のろ過装置に、湖沼等閉鎖水系に対しては湖沼用のろ過装置に組み込んでそれぞれの水中の燐酸を吸収除去する。
【０００８】
即ち、水溶性燐酸吸収除去カートリッジは燐酸吸収係数２，０００以上の腐植質火山灰土壌を原料とし、これに酸、アルカリ処理を加えて加工した酸性燐酸除去ろ過資材と塩基性燐酸除去ろ過資材との二種類のろ過資材からなる。
【０００９】
酸性燐酸除去ろ過資材は燐酸吸収係数２，０００〜３，０００の腐植質火山灰土壌に稀硫酸等の薄い酸を混合し、全体の資材が均一に成るようにｐＨ１〜６．５に調整する。通常は、ｐＨ４以下に調整した場合には遊離のアルミナを多く発生させるので望ましくない。ＫＣｌ侵出ｐＨ４．５〜５．５の範囲が最適である。しかし、Ｐ２Ｏ５が４０ｐｐｍ以上の高濃度の燐酸を含む水を処理する場合はｐＨを低く調整して吸収資材の吸収力を高めることも必要である。
【００１０】
塩基性燐酸除去ろ過資材は燐酸吸収係数２，０００〜３，０００の腐植質火山灰土壌に炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸苦土石灰等の石灰類を混合し、全体の資材が均一になるようにｐＨ６．５〜１１に調整する。この塩基性燐酸除去ろ過資材は同時に酸性燐酸除去ろ過資材で生じた遊離のアルミナを捕捉し、ろ過水にカルシウムを供給してｐＨを中性に保つ役割を有する。そこで通常は塩基性燐酸除去ろ過資材のｐＨをＫＣｌ侵出ｐＨで７〜８に調整するのが望ましい。
【００１１】
実用化に当たっては酸性燐酸除去ろ過資材の層と塩基性燐酸除去ろ過資材の層との二層になるように組み合わせ図１の１又は２に示したようにカートリッジに充填する。１は横方向の水流に対応するようにカートリッジに充填した縦型カートリッジ、２は縦方向の水流に対応するようにカートリッジに充填した横型カートリッジである。カートリッジの大きさは図１の１及び２に示した通り、交換時の取り扱いを容易にするため、縦横各々５０ｃｍ厚さ２５ｃｍの規格を１つの単位とし、装置の規模に応じてカートリッジの個数の増減で対応する構造がろ過資材の設置・交換の作業上最も省力的である。
充填に当たってろ過資材の配置は、図２の１及び２に示した通り、水の侵入側（水流の上流）に多孔粗大資材６、酸性燐酸除去ろ過資材７、塩基性燐酸除去ろ過資材８が位置するようにセットする。ろ過資材の厚さはそれぞれほぼ同じ程度が望ましい。９はろ過資材の土壌がカートリッジ外に漏出するのを防ぐ多孔質のマットである。４は全ろ過資材を保持する堅牢なネットである。ここには強い水圧、重圧が掛かるので強靭な素材が必要である。ろ過資材の使用量は排水の量、濃度及び水系の大きさ、濃度によって加減する。
上記の水溶性燐酸吸収除去資材の燐酸除去能力を見積もれば、計算上では原料土壌の燐酸吸収係数３，０００の場合、燐酸吸収資材１ｔで、Ｐ２Ｏ５が４０ｐｐｍと極めて高濃度含まれる排水１，０００〜１，５００ｔ以上をＰ２Ｏ５０．５ｐｐｍ以下の濃度まで低下させる能力を有し、湖沼ではＰ２Ｏ５が４０ｐｐｍの濃度を湖沼水１，０００〜１，５００ｔ以上をほぼ１．０ｐｐｍ以下の濃度まで、同じく４０ｐｐｍの湖沼水２，０００〜３，０００ｔ以上を２０ｐｐｍ以下の濃度まで低下させる能力を有している。
【００１２】
工場排水、生活排水、その他の排水中の燐酸除去装置については、図３に示す排水出口にプラスチック、ステインレス、セラミック、コンクリート等の素材を用いて製造したボックス型のろ過装置を開発した。このろ過装置内には水溶性燐酸吸収除去カートリッジ２が収納され、排水出口１０に設置される。このボックス型のろ過装置の上面は排水口１０の底部と同一水準以下となる様に調整し、通常の排水処理時は排水が集水溝板１２上面の集水溝と小孔を通って装置内へ侵入する構造である。特に河川等への排水開口部位に設置する場合は、常時排水がこの装置内を通じて排出される構造で、ろ過装置の末端に小止水堰１４を設けた。豪雨等で水量が激増した場合は、増水で希釈された排水が装置末端の小止水堰上部１４を素通りして河川等へ直接通過する構造にする。これは増水によってもろ過装置を破損しない構造である。カートリッジの交換は設置場所の足場条件によって上部の集水溝板１２を取り外し上下交換する場合とろ過処理した水のろ過水出口１６へカートリッジをスライドさせて交換する場合の２種類が可能である。
【００１３】
ボックス型のろ過装置は、図３に示しすように集水溝板上面１３から排水を取り入れ、開口部の下位置のろ過水出口１６からろ過した水を排出する。ろ過装置は上面の集水溝板１２、水溶性燐酸吸収除去カートリッジ２、ろ過装置本体１１、１５からなっている。構造は上面を集水溝板上面１３で覆われ、ろ過装置本体に排水を導入する。集水溝板１２は細かい溝を有し、溝に沿って小孔を多数設け、装置内へ排水を導入する。集水溝板１２の構造は排水が一箇所に集中して侵入せず全面から侵入し、ろ過効率を高める構造になっている。また、集水溝板１２上面の末端に小止水堰１４を設け、通常は前面から装置内に排水が通過するが、豪雨等で増水時は希釈排水となるので流水が小止水堰１４の上を流去させる。集水溝板は豪雨時の増水で強い力を受けるので、素材は厚手の鉄板、鉄筋コンクリート板、強化セラミック板、強化プラスチック板、鉄筋入りプラスチック板等が望ましい。
ろ過はろ過装置本体に挿入される水溶性燐酸吸収除去カートリッジ２によって行われ、ロ過水はろ過装置本体末端の下部のろ過水出口１６に排出される。
小止水堰上部１４を除去した構造は図４に、上面の集水溝板１２を除去した構造は図５に示した。また、装置全体の各部分配置を図６に示した。図７に示すようにろ過装置本体（上部ボックス１１と下部ボックス１５）はコンクリート工事により全体を支える役割を有し、固定される。このろ過装置の設置場所は工場、家庭等の敷地外への排出口、地域の集水溝、下水溝、暗渠、側溝、下水道等から河川等へ開口する出口の設置が望ましい。
【００１４】
ボックス型のろ過装置の各部位の大きさは一例を図８、図９、図１０に示した。ろ過装置の規模は対象の排水量、燐酸含有量に応じてその都度設計する。特に排水量によってろ過装置本体の大きさ（長さ）は決定されるが、内蔵する水溶性燐酸吸収除去カートリッジを１単位としてその必要個数に応じて長さを加減すると規格を統一することができる。
【００１５】
湖沼等閉鎖水系の燐酸除去に対しては、燐酸除去装置を水系内に一カ所乃至数カ所設置し、水系の水を淀ませない様に一定方向に移動循移動させ、湖沼全域の水を水溶性燐酸吸収除去カートリッジへ連続して通過させ燐酸除去処理をし、全体の汚染燐酸濃度が次第に減衰する連続除去法を採用した。循環型の燐酸除去ろ過装置には水位差を利用した浸透ろ過方式と吸引ポンプを利用したヴァッキュームろ過方式の２種類の方法があるが、ここでは浸透ろ過方式を採用した。
【００１６】
水位差を利用した浸透ろ過方式のろ過装置を図１１に示す。ろ過槽は湖沼の規模に応じて深さ７５ｃｍ〜５ｍ、縦横１ｍ〜５０ｍに設定できる。側壁部及び底部にそれぞれ水溶性燐酸吸収除去カートリッジ１、２を有し、槽の内と外を隔絶している。閉鎖水系の燐酸除去を行うには本ろ過槽内の水を排水ポンプ１８で槽外に排出し、槽の外側の水が槽底と側壁の水溶性燐酸吸収除去カートリッジ１，２通じて侵入する際にろ過する方法である。この際、槽内から排出される水流によって、停滞水を動かしその継続によって循環流水系を創出する。図１２には槽内部構造を示した。図１３はろ過槽の横の外観とサイズの一例である。図１４はろ過槽横断面図を示し、カートリッジ１、２の配置は支柱２４並びに燐酸除去装置の底部１７に支えられている。図１５はろ過槽を上から見た上面外観図とサイズの一例を示す。図１６は横断面図の内カートリッジの配置とカートリッジ断面のろ過資材の配置を示す。水溶性燐酸吸収除去カートリッジは水の侵入側（上流）から酸性燐酸除去ろ過資材７、塩基性燐酸除去ろ過資材８の順に配置する。
【００１７】
湖沼ではしばしば足場の悪い所が多く、ろ過資材の交換や搬入搬出が困難な場所が想定される。そのような場合は足場のしっかりした導水槽と導水路を設ける（図１７）。導水槽は湖沼の水を常にろ過装置に供給する施設で、一方が湖沼水面に向って開口し、湖沼水の導入を行う。導水槽は、ろ過層カートリッジ、鉄製の密閉型吸引室の重量、加えてカートリッジ交換に際して用いる運搬トラックやクレーンの重量を支えることができるプラットホームを有する水路である。湖沼の規模に応じて、縦５〜２０ｍ、横１〜５ｍの広さに加減する。図１８に示すように、深さは１ｍ程度でも良いが、渇水期に水面が低下する事を考慮すれば、常時作動可能な状態を維持する為、湖底の深さまでの変化調節できる深さが適当と考えられる。
【００１８】
水溶性燐酸の吸収除去資材の製造にはモデル実験による酸性燐酸除去ろ過資材、塩基性燐酸除去ろ過資材の処理技術とその組み合わせ試験が必要である。本試験では酸性燐酸除去ろ過資材と塩基性燐酸除去ろ過資材を１：１の割り合いで行った。
【００１９】
酸性燐酸除去ろ過資材を作るために燐酸吸収係数２，７００の腐植質火山灰土壌５００ｇに１ｎ／１０の硫酸６５ｍｌを加え均一になる様によく撹拌して、ｐＨ４．５に調整した。
【００２０】
塩基性燐酸除去ろ過資材の作るために、燐酸吸収係数２，７００の腐植質火山灰土壌５００ｇに対し、７５ｇの炭酸カルシウムを加え、均一になる様によく撹拌して、ｐＨ７．５に調整した。
【００２１】
ろ過装置のモデルとして、内径５ｃｍ、深さ３０ｃｍの塩化ヴィニール製の円筒を用いて、底に鋼製の網を張り、網の内側に布を貼って土壌が下側から漏れない様にセットし、燐酸除去カラムを作った。カラムの上側から、まず塩基性燐酸除去ろ過資材１００ｇを入れて上面を平らに慣した。次に酸性燐酸除去ろ過資材１００ｇを入れて上面を平らに慣した。即ち、土層は上が酸性燐酸除去ろ過資材下が塩基性燐酸除去ろ過資材となる様にセットした。この時の土層の厚さは約１０ｃｍであった。土壌の上面を布で覆って保護し、その上にシュロの皮を被せ保護した。
【００２２】
作成した燐酸除去カラムを立て、下からの排水をロートで集め、採水できる装置にした。カラムの上からＰ２Ｏ５として燐酸カリを０．６ｇに成る様に計算してシュロの皮の上に設置し、水を連続してカラム内に流入した。下から流出して来るろ過水を時々採水して、水に含まれる燐酸濃度を測定した。ろ過水中の燐酸濃度は当初から、測定不能の低い水準で推移し、カラムへの通水量が約１２０ｌの時点でも浸透水の燐酸濃度が測定限界の１ｐｐｍ程度にも達しなかった。
【００２３】
また、上記と同じ装置を用い、カラムの上からＰ２Ｏ５濃度２０ｐｐｍの燐酸カリ溶液を連続してカラム内に流入し、下から浸透流出して来る「ろ過水」を時々採水して、そこに含まれる燐酸濃度を測定した。「ろ過水」中の燐酸濃度は当初から、測定不能の水準を保ち、燐酸濃度が１ｐｐｍ以上に測定できる範囲に至ったのは、カラムに流入を開始後約８９ｌの時点であった。
【００２４】
また、上記と同じ装置を用い、カラムの上からＰ２Ｏ５濃度４０ｐｐｍの燐酸カリ溶液を連続してカラム内に流入し、下に流出して来るろ過水を時々採水して含まれる燐酸濃度を測定した。ろ過水中の燐酸濃度は当初から、測定不能の水準が持続され、燐酸濃度が２０ｐｐｍ以上の半減水準範囲に至ったのは、カラムへの通水量が約８２ｌの時点であった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は以上のようにまず、工場、住宅地等から河川等への排出される汚染水をろ過装置内を通過させ、燐酸を除去して河川の汚染を防止する効果を有する。湖沼等の閉鎖水系に対しては、燐酸除去装置を水系内に一カ所乃至数カ所設置し、水系の水を一定方向に移動循環させ、水流ポンプにより水系の汚染水をろ過装置内に通過させ、再度水系へ戻す循環型の燐酸除去を繰り返し、水系の燐酸濃度を徐々に低減させる効果を有する。このため、燐酸を除去する目的で、透水性に優れ燐酸吸収力が強い吸収資材を開発した。開発には多孔質、透水性並びに燐酸吸収力が高い腐植質火山灰土壌を用いた。また、本資材は酸処理を行って燐酸吸収力を一層高め、カルシウム処理した資材と組み合わせるので、ろ過水のカルシウム補給、ｐＨ調整を行い、動植物に対して安全で、有害重金属の一部を除去する効果がある資材である。次に吸収資材を収納するカートリッジを考案し、吸収資材の吸収能力を失効した時点で資材交換を容易にし、作業性に優れている。河川の燐酸汚染に対しては、工場、住宅地等から排出される出口又は下水口から河川への開口部にろ過装置を設置する。装置内にこのカートリッジを収納して排水通過させ、排水の燐酸を除去する。吸収資材が効力を失った時点でカートリッジを交換し、燐酸除去能率を維持すると同時に定期的に排水施設の管理が徹底される。湖沼等の閉鎖水系に対しては、カートリッジで底面、側面を囲った槽を作り、槽内の水と槽外水系との間を燐酸吸収資材で仕切り、これを透して燐酸除去を行うが、ポンプで水流を作ることにより、水系の水が停滞することなく循環し、水系全体に酸素の供給が行われるので生物生態系の総合的な環境浄化も併せた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る水溶性燐酸吸収除去カートリッジの外観を示す斜視図である。
【図２】  本発明に係る水溶性燐酸吸収除去カートリッジの断面図である。
【図３】  本発明に係るボックス型のろ過装置全体の外観図である。
【図４】  本発明に係るボックス型のろ過装置の小止水堰を取り外した時の外観図である。
【図５】  本発明に係るボックス型のろ過装置の集水溝板を取り外した時の外観図である。
【図６】  本発明に係るボックス型のろ過装置の側壁を透視した装置全体の部品の配置図である。
【図７】  本発明に係るボックス型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジを除いた収納ボックスの図である。
【図８】  本発明に係るボックス型のろ過装置の最奥部の断面図である。
【図９】  本発明に係るボックス型のろ過装置の最前部の断面図である。
【図１０】  本発明に係るボックス型のろ過装置の中心部の横断面図である。
【図１１】  本発明に係る循環型のろ過装置全体の外観図である。
【図１２】  本発明に係る循環型のろ過装置の手前障壁を取り除いた状態で斜め上方から透視した図である。
【図１３】  本発明に係る循環型のろ過装置の側面図である。
【図１４】  本発明に係る循環型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジの収納位置を示す図である。
【図１５】  本発明に係る循環型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジの収納位置を示す図である。
【図１６】  本発明に係る循環型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジの収納位置を示す図である。
【図１７】  本発明に係る循環型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジのパイプの配置と水流の流動方向を示す図である。
【図１８】  本発明に係る循環型のろ過装置の水溶性燐酸吸収除去カートリッジのパイプの配置と水流の流動方向を示す図である。
【符号の説明】
１    水溶性燐酸吸収除去カートリッジ（縦型カートリッジ）
２    水溶性燐酸吸収除去カートリッジ（横型カートリッジ）
３    カートリッジケース
４    ネット
５    カートリッジ交換用捕手
６    多孔質粗大資材
７    酸性燐酸除去ろ過資材
８    塩基性燐酸除去ろ過資材
９    多孔質マット
１０  排水出口
１１  上部ボックス
１２  集水溝板
１３  集水溝板上面
１４  小止水堰
１５  下部ボックス
１６  ろ過水出口
１７  ろ過槽基底
１８  排水ポンプ
１９  モータ
２４  支柱
３１  プラッとホーム
３２湖沼水面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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