(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湖沼の底部に吸水管を埋設し、該吸水管の端部を排水ポンプの入口に接続し、該排水ポンプの出口を湖沼の水中に開放し、前記排水ポンプにより湖沼の水を循環させて浄化させるようにした富栄養化湖沼の水質浄化装置において、
前記吸水管を湖底の土壌中に突き刺すように埋設し、その下端近くに複数の吸水口を形成すると共に、薄い翼板を外周面に軸方向に沿って複数放射状に固着し、透水性が高く土壌を構成する土砂粒の通過を阻む薄い導水布を前記吸水管と翼板に被覆したことを特徴とする富栄養化湖沼の水質浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、農業の機械化が進むにつれて役畜の飼養が行われなくなったので堆肥の施行が困難となり、堆肥を使用しなくなった水田等の窒素濃度が大幅に増え、水田等と同じ水路で連絡している湖沼が富栄養化し、植物プランクトン等が繁殖して汚染が目立ってきている。本発明は、このような富栄養化湖沼の水質浄化装置にかかるものである。
【０００２】
【従来技術】
従来の水質浄化装置は、図５に示すように、湖沼１１の底部に透水性の土壌１２を設け、土壌１２に、浸透した水を吸水する吸水管１３を配置し、吸水管１３に設けた排水ポンプ１４により汲み上げた水を水中に放出するものである（特公平６ー８８０３６号公報参照）。なお、土壌１２の上層には脱窒を十分に行うためにメタノールを供与する散布管１５が備えられている。
【０００３】
また、図６に示すように、湖沼１１の底部に透水性の土壌１２を設け、土壌１２下層の周面に複数の孔を開口した吸水管１３を平面的に埋設し、吸水管１３の端部を排水ポンプ１４の入り口に接続し、排水ポンプ１４の出口を湖沼内の水中に位置させた装置も提案されている。この働きは、土壌中の水を汲み上げることにより、湖沼１１の水を底層に浸透させ、湖底の表層内の水の溶存酸素量を多くして、湖底に蓄積された燐の水中への溶出を防止するとともに、下層の嫌気的な土壌中において脱窒菌の硝酸呼吸により亞硝酸及び硝酸を分解させて、無機汚染を防止することを主目的とするものである。
また、前記の下層における硝酸呼吸に伴って水中の有機物が消費され、前記水の循環によって水中と湖底の表層の溶存酸素量が増加して、有機物の分解が活発に行われるので、有機汚染についても効果があることは勿論である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した浄化装置において、図５および図６に示す吸水管１３の埋設方法はそれぞれ異なり、図５に示す施工は湖沼の水を抜くことができない場合に吸水管を鉛直に埋設するものであり、図６に示す施工は湖沼の水を抜くことができる場合に吸水管を平面的に埋設するものである。
しかしながら、いずれの方法でも、現地地盤の透水性が低い場合には、土壌１２を砂で置換する必要があり、また置換工事による湖底の形状変化に伴って捨て石を行う必要があるので、著しく工事費が嵩むと云う課題があった。
また、吸水管１３を設置するために水を抜くことができない場合、図５に示す施工工事を行うが、これによって水質が汚濁すると云う課題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湖沼の底部に吸水管を埋設し、該吸水管の端部を排水ポンプの入口に接続し、該排水ポンプの出口を湖沼の水中に開放し、前記排水ポンプにより湖沼の水を循環させて浄化させるようにした富栄養化湖沼の水質浄化装置において、
前記吸水管を湖底の土壌中に突き刺すように埋設し、その下端近くに複数の吸水口を形成すると共に、薄い翼板を外周面に軸方向に沿って複数放射状に固着し、透水性が高く土壌を構成する土砂粒の通過を阻む薄い導水布を前記吸水管と翼板に被覆したことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
浄化装置を設置しようとする湖沼においては、その底の土壌は、いわゆるヘドロと称される微細な粒子、および土砂で構成されている。このため、吸水管の吸水口は土砂粒の侵入を阻む透水性の高い導水布により被覆するので、ヘドロの侵入が阻止される。また、吸水管の下部に固着した翼板にも導水布が貼り付けられるので、土壌中の水が誘導されて吸水口に入るようになる。しかも、翼板の幅を大きくして導水布も大きくすれば土砂の接触面積が大きくなるので、現地地盤の透水性が低くても、小さな損失水頭で多量の水量を汲み出せる。
【０００７】
また、吸水管を振動パイルドライバを使用して打ち込んでも、翼板が放射状になっているので吸水管を支持し、打ち込み易い。また、導水布は翼板に貼り付けられているので強固になり、また、翼板と導水布が薄いので、打ち込み抵抗は小さくされている。
また、吸水管の下端はプラグによって閉塞、補強されるので振動パイルドライバの使用を可能にしている。
したがって、湖底を極力いじらずに、いわゆるヘドロ層の下の堅い砂地盤まで吸水管を打ち込むことができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図３、図４に示すように、湖沼１の湖底２には数列に並んだ吸水管３が一列ごとにずれて千鳥状に配置され、土壌中に突き刺すように鉛直に打ち込まれており、その吸水管３の上端は湖底２より突出し、ホース４を介して水平に配した一本の分岐管５ａに接続されている。ホース４は伸縮自在であり、十分に長く接続作業を容易にさせている。分岐管５ａは上向きに折り曲げられた集水管５を介して上方のポンプ６に接続され、また、ポンプ６の吐き出し口は湖沼１内の水中に開口している。
【０００９】
図１、図２に示すように、吸水管３の下端近くの外周面にスリット状の吸水口３ａが放射状（四方）に穿たれ、その間に薄い翼板３ｂが固着されている。本実施例においては、吸水管一本当たりの吸水口３ａと翼板３ｂの数は４個にされている。また、翼板３ｂの幅は、浸透のための損失水頭が過大にならないように、十分に大きくされている。なお、吸水口３ａの上下端は、翼板３ｂのそれよりも僅かに内側にされている。
【００１０】
吸水管３の下部と翼板３ｂは、透水性に優れて土砂の侵入を阻む薄い導水布３ｃが被覆されている。
導水布３ｃは便宜的に４枚とされ、一枚の導水布３ｃは、縦が翼板３ｂの高さ方向の長さの約２倍、横が放射方向の長さより長く、各々の導水布３ｃは、横の端部を翼板３ｂの放射方向先端に合わせ、各翼板３ｂの下端において折り曲げられ、吸水管３との境界線から内側の折り曲げ部分は切断され、吸水管３を覆っている。したがって、吸水口３ａ周辺では導水布３ｃの端部が相互に接触しているが、吸水口３ａを覆う部分は切除されている。
そして、翼板３ｂと翼板３ｂとの間には長尺の押さえ板３ｄが、その上下位置にスペーサ３ｅを介在させてねじによって吸水管３に固定され、導水布３ｃを過度に圧迫しないように支持し、吸水口３ａとの間に隙間を空けている。
【００１１】
また、吸水管３の下端は円錐形のプラグ３ｆにより閉塞され、吸水管３の上端の接続部３ｇ部分の径は、ホース４や付属品の外径が吸水管３よりも大きくならないように、十分に径が小さくされている。さらに、吸水管３の上端近くに円盤状のストッパ３ｈが固着されている。
【００１２】
次に、埋設方法について説明する。まず、吸水管３を湖底２に打ち込む場合、吸水管３、ホース４および集水管５内は、予め人為的に水で充満させる。吸水管３の四方に固着された翼板３ｂとプラグ３ｆは、打ち込む初期において吸水管３の位置ずれを解消し垂直に支持する。また、翼板３ｂと導水布３ｃが甚だ薄いので、振動パイルドライバを使用すれば、ヘドロ層の下の堅い砂層までも、簡単に打ち込むことができる。
また、導水布３ｃの下端が、翼板３ｂの下端と下方のスペーサ３ｅに押えられているので、翼板３ｂを土中に打ち込めば、導水布３ｃが翼板３ｂに密着する。なお、導水布３ｃの上端が、上下のスペーサ３ｅにより、堅く押えられているので、押さえ板３ｄから外れることもない。
また、湖底２からの翼板３ｂの上端の深さは、吸水管３からの距離による浸透速度の違いが著しく大きくならない程度に、波浪による洗掘により翼板３ｂが水中に露出しないように十分深くする。
【００１３】
打ち込みによってストッパ３ｈが湖底２に圧着されれば、打ち込みの速度が鈍るので、打ち込みが終了したことを知ることができる。この工事では、穴を掘ることや、水を噴射することは必要がないので、水が全く濁らない。
また、吸水管３の接続部３ｇの径が小さくされているので、吸水管３にホース４を接続したまま、吸水管３を振動パイルドライバのチャックに噛ませることができる。また、ホース４が十分に長くされているので、空中においてホース４と集水管５を接続するとともに、集水管５、ホース４および吸水管３内に水を充満させて、空気を追い出すことができる。
なお、ホース４が伸縮自在であり、集水管５を水中に沈めれば、自動的にホース４が縮む。したがって、集水管５を吸水管３の近傍においても、ホース４が弛むことがないので、波浪に煽られたり、船舶の航行の邪魔になるようなことがない。
【００１４】
そして、吸水管３等の設置が完了した時点でポンプ６を運転する。これにより、吸水管３内の圧力が低下して直ちに導水布３ｃ内の圧力が低下し、湖底２の土壌内に充満している水が導水布３ｃに吸着され、吸水口３ａを介して吸水管３内に流入し、ホース４と集水管５を介して、ポンプ６により湖沼１内の水中に排出される。
【００１５】
次に損失水頭について説明する。まず、土壌中の浸透過程における損失水頭を水の流れに逆らって説明する。
吸水管３の周囲に導水布３ｃを直接に巻き付けると、導水布３ｃおよび翼板３ｂを固着したものより、湖底２と導水布３ｃとの接触面積が極めて小さくなる。したがって、翼板３ｂがなければ、流線と等ポテンシャル線の密度が著しく大きくなり、損失水頭が非常に大きくなる。
一方、翼板３ｂの幅を大きくして、導水布３ｃと湖底２の土壌との接触面積を十分に大きくすると、導水布３ｃ付近の土壌中における流線網の密度が小さくなり、現地地盤の透水性が小さくても、導水布３ｃの付近における損失水頭が大きくならない。また、市販の導水布３ｃは粘土地盤においても土粒子を吸い込まないようにできているが、さらに、流線網の密度が小さくなると浸透速度が十分に小さくなるので、導水布３ｃ内にヘドロが吸い込まれることはほとんどない。
【００１６】
翼板３ｂの外端を結ぶ円筒面付近における損失水頭について説明する。翼板３ｂの外端を結ぶ円筒面の単位高さ当たりの面積は、円筒面の直径に円周率を乗じた値である。一方、単位高さ当たりの導水布３ｃの面積は、吸水管３の存在を無視すれば、前記直径に翼板３ｂの枚数を乗じた値に等しい。
したがって、翼板３ｂの枚数が余りに多ければ、前記円筒面付近における損失水頭が大きくなるが、前述した通り、翼板３ｂの枚数が４枚であるので、特に前記円筒面付近において、流線の密度が過密になり、損失水頭が大きくなることがない。
【００１７】
また、前記円筒面外における水の移動は以下のように行われる。翼板３ｂの上端が十分に深くされているので、流線の密度が比較的に均一になる。即ち、吸水管３の付近においては、鉛直方向の浸透だけで済むので、浸透路長が短いが、中間付近においては、水平方向の浸透が加わるので、浸透距離が長い。
また流線網は、浸透距離が短い部分は密になり、浸透距離が長い部分は粗になると云う性質があるので、流線が吸水管３の付近において密になり、中間付近において粗になることは避けられない。
しかしながら、翼板３ｂの上端が十分に深くされ、鉛直方向の浸透路長が十分に大きくされているので、鉛直方向の浸透路長に対する水平方向の浸透路長の割合が小さい。したがって、吸水管３の付近と中間付近の流線の密度に著しい差がないので、湖底２の表面から、ほぼ均一に湖水が浸透する。
【００１８】
本発明の装置を設置したときの全体的な作用を水の流れに沿って説明する。大気中から酸素が供給されるので、湖沼１の表層付近の水は豊富に酸素を含んでいる。したがって、表層付近においてはアンモニアが酸化されて亞硝酸および硝酸が生成され、また未分解の有機物が分解されてデトリタスが生成されるので、湖沼の表層水には亞硝酸、硝酸、および硝酸が豊富に溶存されている。
しかし、自然状態においては、表層と底層の水の循環が不十分であるので、酸素が水中の微生物の呼吸によって消費され、湖底２が酸欠状態となるので、湖底に蓄積された燐が水中に溶出するが、前記のように水を循環すれば、浸透水に豊富に酸素が含まれるので、湖底２の表層内の水の溶存酸素量が増加する。
また、都留信也著「環境と微生物」等に記されているように、底層水の溶存酸素量が２ｐｐｍ程度以上になれば、底層に蓄積された燐の水中への溶出が止まることが広く知られているので、第一に燐の供給を遮断することによって、いわゆるアオコ等の発生を防止できるが、前記のとおり、浸透がほぼ均一に行われるので、前記の効果が湖底２の全面に亘って期待できる。
【００１９】
また、本発明の装置による脱窒作用については、まず、浸透水に含まれた酸素が湖底２の表層において微生物に消費されるので、数ｃｍよりも深い部分は酸欠状態となる。したがって、脱窒菌の硝酸呼吸によって、亞硝酸および硝酸が分解され、ＴＮ値を低下させることによってアオコの発生を防止できる（特願平２ー４６９７７号参照）。そして、前記の通り、浸透がほぼ均一に行われるので、湖底２の全層に亘って、前記脱窒の効果を期待できる。
【００２０】
さらに、本発明の装置によれば、有機汚染の防止効果も得られるものである。すなわち、前記の硝酸呼吸に伴って有機物が無機化され、水の循環によって、水中の全部と湖底の表層において、溶存酸素量が増加し、微生物の有機物の分解が活発になる。
したがって、無機汚染と有機汚染の両方について、従来技術と同様の効果を発揮できるので、湖底２の土壌を透水性の土壌で置換する必要がない。また、湖底２の地形は従来のままであり、また必要に応じて翼板３ｂの上端の深さを十分に大きくできるので、捨て石の必要もない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成し、唯一の湖沼の無機汚染対策および有機汚染に対しても効果がある浄化装置の吸水管に、導水布を貼り付けた薄い翼板を固着することで吸水性を良くし、土壌に打ち込み易くしたので、従来の土壌の置換や捨て石をすることの必要がなくなり、極めて簡単に埋設できるので、工事費を節約することができる。
また、埋設・置換工事等により湖底をいじくることがないので、湖底の形状を変化させることがなく、また、水を濁らせることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例の浄化装置の吸水管部分の側面図である。
【図２】図１に示す吸水管部分のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図１に示す吸水管部分を備えた浄化装置の配置を示す平面図である。
【図４】図３に示す浄化装置の配置を示す側断面図である。
【図５】従来の、水を抜いて施工することのできない浄化装置の側断面図である。
【図６】従来の、水を抜いて施工することのできる浄化装置の側断面図である。
【符号の説明】
１  湖沼
２  湖底
３  吸水管
３ａ  吸水口
３ｂ  翼板
３ｃ  導水布
３ｆ  プラグ
【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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