(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼成されていない鋳物由来砂を１０ｃｍ以上積層させた育成床と、
該育成床において育成させたヨシと、を備え、
前記育成床は、河川の潮汐によって水に浸かったり、干上がったりする場所に設置されていることを特徴とする水質浄化装置。
【請求項２】
前記鋳物由来砂のPH４からPH10の範囲におけるゼータ電位は−10mＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の水質浄化装置。
【請求項３】
前記育成床は河川護岸デッキ上に設けられている請求項１又は請求項２に記載の水質浄化装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の水質浄化装置を河川護岸デッキ上に設置し、河川の潮汐によって河川水を浄化することを特徴とする水質浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヨシを利用して、河川に含まれる富栄養化成分を除去する、水質浄化装置及び水質浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市の富栄養化河川は感潮河川が多く、潮汐により富栄養化成分が移動し、攪拌され、拡散されて汚染が拡大する。河川に浮遊するゴミからは、POMと呼ばれる微粒子有機物が生じ、さらにPOMが分解して水への溶解成分となる。水への溶解成分としては、まず含窒素有機物が分解してNH4が生じ、環境に応じてより強毒性の非イオン化アンモニアが発生し、魚類などを麻痺させる。さらには、NH4が微生物コロニー及び溶存酸素によって硝酸化し、NO2やNO3となる。また、含リン有機物が分解してPO4となる。NO3が増加し、水温が上昇した場合、徐々に貧酸素状態となり、潮汐の海水成分SO4が還元され単体イオウが析出し青潮となる。このように都市河川の富栄養化は自然の力とあいまって魚類浮上、青潮発生となり水環境悪化の要因である。
NO3は毒性が低いことから、従来は放置されてきが、量が多くなると上記メカニズムによって汚染の主要原因となり、水環境を悪化させることとなる。従って、NO3の低減技術が、都市における富栄養化河川の水環境改善の重要な鍵となる。このため、NO3の低減装置としては、大きな機械装置で還元させNO3を窒素ガスまでに還元するものが開発されている。
【０００３】
ところで、イネ科ヨシ属の多年草であるヨシは、河川の下流域から汽水域上部、あるいは干潟の陸側に生育し、広大なヨシ原を作る。ヨシは河川中の富栄養化成分を吸収して生育する。したがって、ヨシは河川や干潟の富栄養化を防ぐための重要な役割を果たしているといえる。こうしたヨシの水質浄化能力を利用した水質浄化方法が提案されている（例えば特許文献１、２）。
【０００４】
一方、本発明に関連する技術として、本発明者は鋳物砂を原料とする水質浄化材を開発し、既に特許出願をしている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３２３６９０号公報
【特許文献２】特開平６−３３９３３０号公報
【特許文献３】特開２００８−１８８５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来のNO3の低減装置では、設備投資、操業、及びメンテナンスに多大なコストおよび電力が必要となる。また、特許文献３においては、廃鋳物砂（以下、鋳物由来砂という。）がNO3を吸着することは実証されているが、吸着量には限界があるため、河川水のNO3を減少させるということは困難である。
これに対し、ヨシによる浄化は、富栄養化成分の固定化と脱窒を伴い、設備投資に要する費用も少なく、操業やメンテナンスのための費用も低廉である。しかしながら、ヨシによる富栄養化成分の吸収が、周囲の環境の違いによってどのように変化するかについては、従来、あまり注意が払われていなかった。このため、ヨシが本来有している水質浄化能力が充分に発揮されないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ヨシを利用した水質浄化において、NO3等の富栄養化成分を効果的に除去することができる水質浄化装置及び水質浄化方法を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、ヨシによる水質浄化能力について鋭意研究を行った。その結果、焼成されていない鋳物由来砂をヨシの苗床として利用すれば、河川中の窒素成分の除去効果が顕著に高くなることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の水質浄化装置は、焼成されていない鋳物由来砂を１０ｃｍ以上積層させた育成床と、該育成床において育成させたヨシと、を備え、前記育成床は、河川の潮汐によって水に浸かったり、干上がったりする場所に設置されていることを特徴とする。
【００１０】
焼成されていない鋳物由来砂は、PH４からPH10の範囲におけるゼータ電位が−10mＶ以下であることが好ましい。水中の有機物を分解や酸化する微生物コロニーのゼータ電位はマイナスの電位を有している（集菌技術に関する研究（複合減菌装置の開発）、栗原英紀、近藤康人、埼玉県産業技術総合センター研究報告  第2巻（2004））。
このため、微生物コロニーはゼータ電位が−10mＶ以下の焼成されていない鋳物由来砂の表面に静電的に吸着されずに自由に動き大幅に増殖する。その結果、焼成されていない鋳物由来砂表面に生物膜を形成し、固定化される。こうして焼成されていない鋳物由来砂に固定化された微生物コロニーは、水中の有機物を酸化・分解し、アンモニウムイオンや硝酸イオンや亜硝酸イオンなどからなる窒素成分はNO3となり、またリン酸イオン等のリン成分となり、ヨシによって吸収され、ヨシの生体の構成成分となって固定化される。また過剰なNO3はヨシにより窒素ガスとして脱窒される。
【００１１】
また、育成床は、河川護岸デッキ上に設置されていることが好ましい。こうであれば、河川護岸を利用して効率的に水質浄化を行うことができる。
【００１２】
本発明の水質浄化装置を河川護岸デッキ上に設置すれば、河川の潮汐によって何らの動力を用いずに河川水を浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１において育成床に使用した洗砂の製造工程図である。
【図２】実施例１において育成床に使用した洗砂、及び活性炭粉、アルミナ粉、天然砂粉のゼータ電位の測定結果を示すグラフである。
【図３】実施例１の水質浄化装置における２月，５月及び９月におけるヨシの育成状態を示す写真である。
【図４】実施例１の育成床の砂中の河川水、及び育成床上方で採取した河川水のNO3の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】実施例１の育成床の砂中の河川水、及び育成床上方で採取した河川水のNO2の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】実施例１の育成床の砂中の河川水、及び育成床上方で採取した河川水のNH4の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図７】実施例１の育成床の砂中の河川水、及び育成床上方で採取した河川水のPO4の濃度の経時変化を示すグラフである。
【図８】実施例１及び比較例１における全窒素の低減率の経時変化を示すグラフである。
【図９】実施例１及び比較例１におけるヨシの高さの経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の水質浄化装置に用いるヨシは、イネ科ヨシ属の植物である。イネ科ヨシ属の植物にはいろいろな品種が知られているが、特に限定されることはなく、いずれの品種であっても用いることができる。
【００１５】
また、ヨシを育成する育成床は、焼成されていない鋳物由来砂を用いる。これは、次の理由による。
発明者の試験結果によれば、ヨシによる窒素成分の吸収はアンモニアの形態よりも硝酸イオンの形態の方が吸収し易い。一方、焼成されていない鋳物由来砂は、硝酸化バクテリアコロニーの繁殖に適した環境を提供し、河川水中のアンモニア成分を硝酸化バクテリアコロニーによって効率的に硝酸イオンに変化させる。このため、焼成されていない鋳物由来砂からなる苗床でヨシを育成すれば、河川中のアンモニアが硝酸化バクテリアコロニーによってヨシが吸収し易い硝酸イオンに変化し、固定化、脱窒により窒素成分の除去効果を飛躍的に高められ、結果的に水質浄化されるからである。
【００１６】
ところで、鋳物由来砂には鋳物用樹脂等に起因する有機成分が含まれており、鋳物由来砂を鋳物砂として再利用する場合には、廃鋳物品を焼成して有機成分を除去することが行われている。しかしながら、本発明で用いる鋳物由来砂は、あえて有機成分を含有したままで用いる。本発明において「焼成されていない鋳物由来砂」とは、「鋳物由来砂中の有機成分が分解される温度以上に加熱されることなく」という意味であり、好ましいのは４００℃以上の加熱処理をされていない鋳物由来砂であり、さらに好ましいのは３００℃以上の加熱処理をされていない鋳物由来砂である。焼成されていない鋳物由来砂は、pH４からpH10の範囲におけるゼータ電位が−10mＶ〜−60mＶという負側に大きなゼータ電位を有する。水中の有機物を分解するバクテリアコロニーはマイナスのゼータ電位を有しているため、バクテリアコロニーを静電的に凝集させないため、バクテリアコロニーの生息増殖に適した環境となる。このため、バクテリアコロニーによる被処理水の生物処理にとって極めて都合が良いと考えられる。
【００１７】
また、鋳物由来砂の粒子径範囲は０．０５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であることが好ましく、さらに好ましいのは０．１５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲である。粒子径が０．１５ｍｍ未満では、水に流され易くなる。また、粒子径が５ｍｍを越えると、比表面積が小さくなり、バクテリアの生息面積が小さくなり、脱窒効果が低下する。
【００１８】
（実施形態）
＜廃鋳物砂の調製方法＞
本発明の水質浄化装置において利用される鋳物由来砂については、鉄鋳物、アルミ鋳物、銅合金鋳物等に用いられた鋳物由来砂を用いることができる。この中でも鉄鋳物が特に好ましい。アルミ鋳物や銅合金鋳物では、アルミや銅合金が吸着材に混入するおそれがある。また、銅合金には鉛等の有害な重金属を含むこともあるからである。
【００１９】
また、鋳物砂型には、ケイ砂、粘土、デンプン、植物性油、炭素等を含む生砂型や、ケイ砂、フェノール樹脂やフラン樹脂等の有機バインダー樹脂を含む有機砂型があるが、そのどちらも原料として用いることができる。
【００２０】
鋳物工場から回収された上記の鋳物由来砂は、まず大きな固形物をスクリーン等により除去される。除去された固形物はロッドミル等で粉砕し、再度スクリーンで分級してもよい。こうして大きな固形物を除去された鋳物由来砂は、スパイラル洗浄機等で水洗され、磁選機によって鉄類が除去される。さらに分級機によって篩い分けされ、粒子径が０．１５〜５ｍｍの洗砂が得られる。
【００２１】
＜育成床の調製方法＞
育成床は、河川の潮汐により水に浸かったり、干上がったりする河川護岸デッキ上に鋳物由来砂を積層させて形成することが望ましい。必要とする幅（通常1ｍ）にブロック（鋳物由来砂を利用した建築用コンクリートブロックの使用が生物膜生成時によい）を並べて区画形成し、砂が流されないようにすることが好ましい。鋳物由来砂の厚さは圧密後で10〜30ｃｍとなるようにするのが好ましく、通常は20ｃｍ程度とする。ヨシは、泥中で下方にまっすぐ50〜60cmに茎が成長する性質を有するため、本発明の育成床においても、鋳物由来砂を50〜60cmを超える厚さに積層させてもよい。しかしながら、本発明の育成床では、コンクリート上に積層した鋳物由来砂において、ヨシの茎を横方向に縦横無尽に成長させることもできる（発明者の試験結果によれば、ヨシの成長には砂圧密厚さ10ｃｍ以上であれば、茎を成長させることができる）。したがって、ヨシの育成と、育成床の形成に要する経費とを勘案し、コンクリート上のヨシ育成は10ｃｍ以上30ｃｍ以下の砂圧密層であることが好ましい。この程度の砂圧密層であれば、コンクリート上でも厚さの薄い砂干潟にてヨシが数ｍ以上に成長でき、効率的に水質浄化することができる。
【００２２】
＜育成床へのヨシの移植＞
ヨシの移植時期は3月中旬〜4月中旬が好ましい。ヨシは4月頃の1カ月で約1ｍ成長する。そのため余り大きく成長しないうちに越冬したヨシ茎の芽の20〜30ｃｍ径の大きな株茎を砂ごと移植することが好ましい。このようにすればヨシは横方向に茎を成長させ、多くの芽を発芽させヨシが平面に均等に成長する。
【００２３】
以下、本発明をさらに具体化した実施例について、比較例と比較しつつ説明する。
（実施例１）
＜焼成されていない鋳物由来砂の調製＞
・固形物除去工程Ｓ１
図１に示すように、まず固形物除去工程Ｓ１として、鉄鋳物工場から廃棄された鋳物由来砂を収集し、５０ｍｍ及び５ｍｍの２段階のスクリーンに通してガラス、金属、レンガ等の夾雑物を除去し、５ｍｍ未満の粒子径の部分を分取する。５〜５０ｍｍの分級部分については、ロッドミルで５ｍｍ未満の粒子径に破砕して５ｍｍ未満の粒子径とする。
【００２４】
・洗浄工程Ｓ２
次に洗浄工程Ｓ２として、固形物除去工程Ｓ１で分取された５ｍｍ未満の粒子をスパイラル洗浄機に送り、水洗浄を行う。
【００２５】
・鉄除去工程Ｓ３
さらに、洗浄工程Ｓ２によって洗浄された５ｍｍ未満の粒子中の鉄類を湿式磁選機を用いて除去する。
【００２６】
・分取工程Ｓ４
そして、バイブル分級機を用いて０．１５ｍｍφ以上の洗砂と０．１５ｍｍφ未満の洗土品とに分ける。
【００２７】
・ゼータ電位測定工程Ｓ５
さらに、分取工程Ｓ４によって得られた洗砂のゼータ電位をｐＨ４〜１０の範囲で測定を行い、ゼータ電位が−１０ｍＶ以下であることを確認する。ゼータ電位は鋳物由来砂の種類によって多少変動するため、原料となる鋳物由来砂の種類を変える毎に、このゼータ電位測定工程Ｓ５を行うことが好ましい。
【００２８】
原料の鋳物由来砂、及び上記方法によって得られた洗砂について化学成分の分析を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
上記のようにして得た洗砂について、ＪＩＳ  Ｒ１６３８「ファインセラミックス粉末の等電点測定方法」に準じた方法により、ゼータ電位の測定を行った。すなわち、試料（０．０１ｇ）を超純粋（１００ｍｌ）に加え、１０分間超音波による分散を行った分散液について、電気泳動光散乱法に基づくゼータ電位測定装置（大塚電子株式会社製  ＥＬＳ−８０００）により、２５°Ｃ下で測定を行った。なお、測定は２回行い、その平均値を測定値とした。同様の方法により、市販の活性炭、アルミナ粉及び天然砂についても、ゼータ電位の測定を行った。
【００３１】
その結果、図２に示すように、実施例１の洗砂はｐＨ４〜１０の範囲でゼータ電位は−１９ｍＶ〜−４０ｍＶという負のゼータ電位を有することが分かった。また、洗土品及び活性炭についても実施例１の洗砂とほぼ同様の負のゼータ電位を示した。これに対して、天然砂粉では−２ｍＶ〜−６ｍＶの範囲であり、アルミナ粉ではｐＨ５〜７において＋４５ｍＶ〜＋３５ｍＶという大きな正のゼータ電位を示した。
【００３２】
以上のゼータ電位測定結果から、実施例１の洗砂は、活性炭と同様、マイナスのゼータ電位を有する微生物コロニーを静電的に吸着しないため、微生物コロニーの活動が活発になり生息増殖に適した環境となることが分かった。
【００３３】
＜育成床の調製＞
育成床は名古屋市の堀川下流の護岸コンクリート平面上に形成した。この護岸コンクリートは、河川の潮汐により水に浸かったり、干上がったりする位置に存在する。この河川護岸デッキ上に1m×30mの広さとなるようにコンクリート製ブロックで囲い、その囲いの中に上記のようにして調製した洗砂を積層させて圧密した後の厚さが20cmとなるようにし、これを育成床とした。
【００３４】
＜育成床へのヨシの移植＞
上記育成床へ、平成26年12月27日にヨシの苗を移植した。
【００３５】
（比較例１）
比較例１として育成床にケイ酸質の多い山砂を用いた。山砂の成分は下記表２の通りである。また、育成床の形成方法及びヨシの移植方法は実施例１と同様である。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
＜評  価＞
その後、育成床の観察を続けた。実施例１の育成床の２月、５月及び９月の様子を図３に示す。この図から分かるように、ヨシが日を追って成長し続けていることが分かる
【００３８】
実施例１及び比較例１における育成床の砂中の河川水、及び育成床よりも上にある河川水のNO3、NH4、NO2及びPO4の濃度を経時的に測定した。測定方法は以下のとおりである。
・育成床の砂中の河川水の成分分析
育成床から河川水によって湿潤した砂を採取し、乾燥前後の重量を測定し、含水量を算出した（100℃乾燥水分／湿潤試料の重量×100（％））。また、乾燥試料に対して同重量の水分量となるように水を添加して調整し、「細骨材中の塩化物含有量試験JIS A 5002:2003」の抽出操作に準じて被測定成分の抽出を行った。すなわち、500ｍｌ容器に100℃乾燥試料500ｇと蒸留水500ｇ入れ、24時間室温にて静置、攪拌、上澄水を用いて測定用試料とした。懸濁している場合は2号ろ紙にてろ過して測定用試料とした。
NO3、NH4、NO2及びPO4の濃度の測定は、（株）共立理化学研究所社製のλ-9000により行った（下記表３参照）。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
＜浄化率について＞
育成床の砂中の河川水、及び育成床の上に存在する河川水のNO3、NO2 、NH4、及びPO4の濃度の浄化率を求めた。ここで浄化率とは、以下の式によって定義される値をいう。
【００４１】
【数１】
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【００４２】
各種イオン濃度の浄化率を表４及び表５に示す。これらの表から、実施例１では、NO3、NH4、NO2及びPO4の浄化率は極めて高いことが分かった。これに対して、比較例１では、ヨシの生育が著しい８月〜１２月において、浄化率の変動が大きく、浄化率が著しく低くなることもあった。また、表５に示すように、各イオン成分及び全窒素（T-N）の浄化率の平均は、比較例１に比べて実施例１がはるかに優れており、特にリンの浄化率に関しては、比較例1ではかえって増加していることが分かった。以上の結果から、山砂を用いた比較例１では、浄化するヨシの根（根圏）が育たず、ヨシの成長だけに寄与し、脱窒までに至らないことから、川水までの浄化作用に大きく貢献していないことが分かった。一方、鋳物由来の砂を用いた実施例１では、ヨシの成長以外に脱窒を伴い水浄化にも寄与し、ヨシの根（根圏）の発達に寄与していることが分かった。以上の結果から、ヨシと鋳物由来砂とを組み合わせて浄化装置とすることで、潮汐を利用して河川の浄化を自動的に効率よく行うことが可能であることが分かった。
【００４３】
【表４】
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【００４４】
【表５】
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【００４５】
実施例１における、育成床の砂中の河川水及び育成床よりも上に存在する河川水のNO3、NO2、NH4、及びPO4の濃度の経時変化を図４〜図７に示す。
【００４６】
・NO3及びNO2について
図４及び図５に示すように、まだヨシの芽が出ていない２月では、砂中のNO3やNO2のイオン濃度が高い。これは、砂表面で微生物コロニーが効率的にNH4からNO3イオンやNO2イオンを生成しているからであると推測される。しかしながら、ヨシが成長し始めた4月には、砂中のNO3やNO2のイオン濃度は顕著に低下した。これは、微生物コロニーによって生成されたNO3イオンやNO2イオンを、ヨシが栄養分として吸収し固定化、脱窒したからであると推測される。
【００４７】
・NH4について
図６に示すように、まだヨシの芽が出ていない２月では、砂中のNH4のイオン濃度が高いが多かった。これは、砂表面で微生物コロニーが活発に活動し、有機成分を分解してNH4を効率的に生成しているからであると推測される。しかしながら、ヨシが成長し始めた5月には、砂中のNH4のイオン濃度が顕著に低下した。これは、NH4が微生物コロニーによってNO3イオンやNO2イオンとし、さらにこのNO3イオンやNO2イオンをヨシが栄養分として吸収し、固定化、脱窒したからであると推測される。
【００４８】
・PO4について
図７に示すように、まだヨシの芽が出ていない２月では、砂中のPO4のイオン濃度が高かった。これは、砂表面で微生物コロニーが活発に活動し、リン成分を分解してPO4を効率的に生成しているからであると推測される。しかしながら、ヨシが成長し始めた5月には、砂中のPO4のイオン濃度は顕著に低下した。これは、PO4イオンをヨシが栄養分として吸収し固定化したからであると推測される。実施例１及び比較例１における全窒素の低減率を図８に示す。この図から、脱窒により全窒素（T-N）が減少する割合は、実施例１（すなわち、焼成されていない鋳物由来砂とヨシとの組み合わせ）が、比較例１（すなわち、山砂とヨシとの組み合わせ）よりも、はるかに勝っていることがわかる。
【００４９】
また、実施例１及び比較例１におけるヨシの成長について、記録した結果を図９に示す。この図から、焼成されていない廃鋳物砂を積層させた育成床を用いた実施例１では、ケイ酸質の多い山砂を育成床に用いた比較例１よりも、早く成長し、高さも高くなることが分かった。
【００５０】
以上の結果から、焼成されていない廃鋳物砂を積層させた育成床と、育成床において育成させたヨシとを組み合わせることにより、河川中の有機成分を育成床中の微生物コロニーによってNO3、NH4、NO2及びPO4に分解し、さらには、それらのイオンをヨシによって効率的に吸収し、固定化、脱窒でき、ひいては河川の浄化が可能となることが分かった。
【００５１】
この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【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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