(57)【要約】【課題】寒地において高濃度の汚水を安定的かつ恒久的に浄化できるような伏流式人工湿地システムを提供する。【解決手段】汚水を浄化するべく順次流通させるように配設した第１の伏流式縦型湿地(3)と、第２の伏流式縦型湿地(4)と、伏流式横型湿地(7)とを備え、第１及び第２の伏流式縦型湿地において酸化的汚水浄化を行うとともに伏流式横型湿地において還元的汚水浄化を行う伏流式人工湿地システムである。自動サイフォン(2)をさらに備え、サイフォン貯水容器(21)と、吸入口(23a)と排出口(23b)の間にて上方に凸の湾曲部(23c)を形成されたサイフォン主管(23)と、サイフォン主管の湾曲部の下に取り付けられたフロート(25)とを具備し、フロートに１つの入水孔(25a)と１つの排水管(26)とを設けている。【選択図】図１
2008068211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚水を浄化するべく前記汚水を順次流通させるように配設した第１の伏流式縦型湿地(3)と、第２の伏流式縦型湿地(4)と、伏流式横型湿地(7)とを備え、前記第１及び第２の伏流式縦型湿地において酸化的汚水浄化を行うとともに前記伏流式横型湿地において還元的汚水浄化を行う、伏流式人工湿地システム。
【請求項２】
前記第１及び第２の伏流式縦型湿地の各々に対し前記汚水を間欠的に供給するべく該第１及び第２の伏流式縦型湿地の各々の流入側に設置された自動サイフォン(2)をさらに備え、
前記自動サイフォンは、サイフォン貯水容器(21)と、吸入口(23a)と排出口(23b)の間にて上方に凸の湾曲部(23c)を形成されたサイフォン主管(23)と、前記サイフォン主管の前記湾曲部の下側に取り付けられたフロート(25)とを具備し、
前記フロートに１つの入水孔(25a)と１つの排水管(26)とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項３】
前記サイフォン主管(23)が前記サイフォン貯水容器(21)に１本のみ設けられていることを特徴とする請求項２に記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項４】
前記第１及び／または第２の伏流式縦型湿地(3、4)における表面(31b1、41c1)と最下層(31a、41a)との間に亘るように、鉛直方向に、または鉛直方向に対して傾斜させて縦型暗きょ管(35a〜35f、45a〜45f)をさらに設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項５】
前記第１及び／または第２の伏流式縦型湿地(3、4)における前記縦型暗きょ管(35a〜35f、45a〜45f)の中に合成樹脂製の紐を挿通させたことを特徴とする請求項４に記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項６】
前記横型湿地(7)において、下層(71b)の粒度よりも上層(71a)の粒度を粗くしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項７】
前記横型湿地(7)においてさらに、流入管(73b)と連通しかつ入口側から出口側へ向かう方向に対し平行に配置された複数の横型暗きょ管(76b、76c)を前記下層に設置したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項８】
前記複数の横型暗きょ管(76b、76c)の各々の周囲に前記下層(71b)の粒度より粗い粒度の領域(79)を配置したことを特徴とする請求項７に記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項９】
前記横型湿地(7)において、前記下層の高さ範囲にて外部に取り出された流出管(78)の排出側開口(78b)の高さにより該横型湿地の水位を設定することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項１０】
前記第２の伏流式縦型湿地(4)と前記横型湿地(7)との間に、前記汚水中のリンを吸着するべくリン吸着桝(5)をさらに配設し、前記リン吸着桝は流入口(52)と流出口(55)との間で前記汚水が流通するための流路と、前記汚水が通過するように該流路上に設けたリン吸着資材(54)とを備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【請求項１１】
前記第２の伏流式縦型湿地(4)と前記横型湿地(7)との間に、前記汚水中に有機物を添加するための有機物添加桝(6)をさらに配設し、前記有機物添加桝は流入口(62)と流出口(65)との間で前記汚水が流通するための流路と、前記汚水が通過するように該流路上に設けた有機物添加資材(64)とを備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の伏流式人工湿地システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寒地でも低コストかつ低エネルギーにて省力的かつ恒久的に汚水を浄化できる伏流式人工湿地のシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工湿地には地表面を水が流れる表面流式と地下を水が流れる伏流式がある。伏流式の人工湿地は従来の表面流式に比べて面積当たりの浄化能が高いことに加えて、冬季も高い浄化能が持続できるという特長があり、主に生活排水や工場排水などの点源汚水の経済的な浄化方法として、ヨーロッパを始めとして世界中に普及しつつある。
【０００３】
伏流式人工湿地には、汚水を地表面に散布して縦方向に水を浸透させる酸化的な「縦型」と、地下水位を深さ１０〜３０cmほどに設定して、地中を横方向に水が流れる還元的な「横型」とがある。
【０００４】
さらに、酸化的な縦型湿地と還元的な横型湿地を組み合わせたハイブリッドシステムと呼ばれる伏流式人工湿地が1970年代後半にドイツで開発され、硝酸への酸化（硝化）と脱窒の組み合わせにより効率的に窒素を取り除く効果の高いシステムとして実用化されている（例えば、非特許文献１及び２）。
【０００５】
また、フランスでは、汚水を間欠的に散布するための重力を利用した自動サイフォンと縦型湿地との組み合わせを２回繰り返すシステムが開発され、縦型表面の目詰まりを回避しながら有機物やアンモニアを低減する機能に優れた省エネルギー型の汚水処理方式として1990年代から急速に普及してきた（例えば、非特許文献３）。  
【非特許文献１】Cooper P. (2004).The performance of vertical flow constructed wetland systems with special reference to the significance of oxygen transfer and hydraulic loading rates. Wetland Systems Vol. 1, 9th International conference on Wetland Systems for Water Pollution Control, Avignon, France, 2004., pp.153-160.
【非特許文献２】Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M. (2003). The removal of nitrogen compounds in constructed wetlands in Poland, Polish Journal of Environmental Studies, 12(6), 739-746
【非特許文献３】Molle P., Lienard A., Boutin C., Merlin G., Iwema A. (2004). How to treat raw sewage with constructed wetlands: An overview of the French systems. Wetland Systems Vol. 1, 9th International conference on Wetland Systems for Water Pollution Control, Avignon, France, 2004. , pp.11-18.
【非特許文献４】Winter K. J., Goetz D. (2003). The impact of sewage composition on the soil clogging phenomena of vertical flow constructed wetlands. Wat. Sci. Tech., 48 (5), 9-14.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の技術については、下記のような問題点を指摘することができる。
ドイツで開発された伏流式のハイブリッドシステムの場合、懸濁物質濃度の高い汚水処理では縦型湿地の表面の目詰まりが問題となることがあり、特に寒地では有機物の分解が進みづらいためこの問題は避けがたい（例えば、非特許文献４）。
【０００７】
フランス方式の縦型湿地を連結するシステムであれば目詰まりは回避できるが、硝酸態窒素が十分に低減できないという問題がある。また、長期間の高濃度の汚水処理ではシステムに蓄積するリンが徐々にリン酸として流出してくる問題や、横型湿地での脱窒の際に消費される炭素源が不足すると温室効果ガスである亜酸化窒素が発生するという問題がある。
【０００８】
さらに、寒地で冬季に目詰まりによる閉塞が生じると、システム全体が稼働しなくなる危険性がある。
【０００９】
有機物や窒素、リン濃度の高い酪農雑排水や食品工場排水などの農業関連汚水は地下水や河川の水質汚染源として問題になっており、低コストで省力的な汚水処理技術の開発が求められている。我が国でもこのような汚水が大量に発生しているが、適切な処理が施されているとは言い難い状況にある。
【００１０】
以上まとめると、人工湿地による汚水浄化技術は省エネルギーではあるが、日本における従来の表面流式人工湿地は高濃度の汚水についての処理能力が低いため広大な面積が必要であり、特に寒地では冬季の処理能力の低下に問題がある。
一方、近年ヨーロッパで開発された伏流式人工湿地システムは、面積当たりの浄化能が高く、冬季も浄化機能が維持される特長があるが、寒地での高濃度汚水処理技術として実用化するためには、有機物の分解が遅いことによる目詰まりやリン酸流出及び炭素源不足の問題点がある。
【００１１】
そこで本発明は、寒地において高濃度の汚水を安定的かつ恒久的に浄化できるような伏流式人工湿地システムを提供することにより、低コストで省力的な汚水処理技術を実現し、水環境の保全に資することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述のような問題を解決するため、下記のようになるものである。かっこ内の数字は、後述する実施例を示した図面中の符号であり、参考のために付したものである。
（１）請求項１に記載の伏流式人工湿地システムは、汚水を浄化するべく前記汚水を順次流通させるように配設した第１の伏流式縦型湿地(3)と、第２の伏流式縦型湿地(4)と、伏流式横型湿地(7)とを備え、前記第１及び第２の伏流式縦型湿地において酸化的汚水浄化を行うとともに前記伏流式横型湿地において還元的汚水浄化を行うものである。
（２）請求項２に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１において、前記第１及び第２の伏流式縦型湿地の各々に対し前記汚水を間欠的に供給するべく該第１及び第２の伏流式縦型湿地の各々の流入側に設置された自動サイフォン(2)をさらに備え、前記自動サイフォンは、サイフォン貯水容器(21)と、吸入口(23a)と排出口(23b)の間にて上方に凸の湾曲部(23c)を形成されたサイフォン主管(23)と、前記サイフォン主管の前記湾曲部の下側に取り付けられたフロート(25)とを具備し、前記フロートに１つの入水孔(25a)と１つの排水管(26)とを設けたことを特徴とする。
（３）請求項３に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項２において、前記サイフォン主管(23)が前記サイフォン貯水容器(21)に１本のみ設けられていることを特徴とする。
（４）請求項４に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記第１及び／または第２の伏流式縦型湿地(3、4)における表面(31b1、41c1)と最下層(31a、41a)との間に亘るように鉛直方向に、または鉛直方向に対して傾斜させて縦型暗きょ管(35a〜35f、45a〜45f)をさらに設置したことを特徴とする。
（５）請求項５に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項４において、前記第１及び／または第２の伏流式縦型湿地(3、4)における前記縦型暗きょ管(35a〜35f、45a〜45f)の中に合成樹脂製の紐を挿通させたことを特徴とする。
（６）請求項６に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記横型湿地(7)において、下層(71b)の粒度よりも上層(71a)の粒度を粗くしたことを特徴とする。
（７）請求項７に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記横型湿地(7)においてさらに、流入管(73b)と連通しかつ入口側から出口側へ向かう方向に対し平行に配置された複数の横型暗きょ管(76b、76c)を前記下層に設置したことを特徴とする。
（８）請求項８に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項７において、前記複数の横型暗きょ管(76b、76c)の各々の周囲に前記下層(71b)の粒度より粗い粒度の領域(79)を配置したことを特徴とする。
（９）請求項９に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜８のいずれかにおける前記横型湿地(7)において、前記下層の高さ範囲にて外部に取り出された流出管(78)の排出側開口(78b)の高さにより該横型湿地の水位を設定することを特徴とする。
（１０）請求項１０に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜９のいずれかにおいて、前記第２の伏流式縦型湿地(4)と前記横型湿地(7)との間に、前記汚水中のリンを吸着するべくリン吸着桝(5)をさらに配置し、前記リン吸着桝は流入口(52)と流出口(55)の間で前記汚水が流通するための流路と、前記汚水が通過するように該流路上に設けたリン吸着資材(54)とを備えたことを特徴とする。
（１１）請求項１１に記載の伏流式人工湿地システムは、請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記第２の伏流式縦型湿地(4)と前記横型湿地(7)との間に、前記汚水中に有機物を添加するための有機物添加桝(6)をさらに配置し、前記有機物添加桝は流入口(62)と流出口(65)の間で前記汚水が流通するための流路と、前記汚水が通過するように該流路上に設けた有機物添加資材(64)とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
（Ａ）本発明の伏流式人工湿地システムは、汚水を浄化するべく汚水を順次流通させるように配置した第１の伏流式縦型湿地と、第２の伏流式縦型湿地と、伏流式横型湿地とを備え、第１及び第２の伏流式縦型湿地において酸化的汚水浄化を行うとともに伏流式横型湿地において還元的汚水浄化を行う。伏流式縦型湿地を２段としたことにより、懸濁物質濃度の高い汚水処理であっても、また有機物の分解の遅い寒地であっても目詰まりを回避して、有機物の削減・分解及びアンモニアの硝化、大腸菌の除去等を行うことができる。加えて、伏流式横型湿地を組み合わせたことにより、脱窒により硝酸態窒素を十分に低減できる。このように、本発明の伏流式人工湿地システムは、縦型湿地と横型湿地の利点を兼ね備えたものである。
【００１４】
（Ｂ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、第１及び第２の伏流式縦型湿地の各々に対し汚水を間欠的に供給するべく各々の流入側に配置された自動サイフォンをさらに備える。本発明における自動サイフォンは、サイフォン主管に取り付けられたフロートが１つの入水孔と１つの排水管とを設けられることにより、複数の入水孔及び排水管を備えた従来技術に比べて目詰まりを低減できる。
【００１５】
（Ｃ）さらに、自動サイフォンにおけるサイフォン主管を１本のみとすることにより、サイフォン主管の径を従来より大きくして凍結し難い寒地用とすることができ、またこの結果、目詰まりを低減でき清掃も容易となる。
【００１６】
（Ｄ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、第１及び／または第２の伏流式縦型湿地において、その表面と最下層との間に亘るように暗きょ管を配置する。この暗きょ管は、鉛直方向に、または鉛直方向に対して傾斜させている。これにより、縦型湿地の表面において有機物の堆積等により目詰まりが生じた場合にも、この縦方向に設置した暗きょ管に汚水が流れ込むことで、汚水が滞留することなく緩やかに流下することができる。これにより、冬季におけるシステムの閉塞を回避できる。縦方向の暗きょ管を鉛直方向に対して傾斜させて設置した場合は、内部に種々の閉塞物質が蓄積したときに既存の器具を用いて除去しやすいため好適である。
【００１７】
（Ｅ）さらに、第１及び／または第２の伏流式縦型湿地における縦方向の暗きょ管の内部に合成樹脂製の紐を挿通させることにより、鉄集積による目詰まりの状況を確認することができる。
【００１８】
（Ｆ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、横型湿地において下層よりも上層の粒度を粗くすることにより、冬季に地下水位を下げれば上層への空気の侵入が促進され、断熱層を形成することができる。また、夏季に地下水位を上げれば、上層の透水性が高く下層よりも多くの水が流れるため、植物根による養分の吸収が促進されるとともに、表面に蓄積された有機物が脱窒において効果的に利用される。
【００１９】
（Ｇ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、横型湿地において流入管と連通しかつ下層にて汚水の流通方向に対し平行に延在する複数の暗きょ管を配置する。これにより、横型湿地の流入口から内部へ円滑にかつ満遍なく汚水を誘導することができ、流入口近傍における目詰まりを低減できる。
【００２０】
（Ｈ）さらに、横型湿地における流入口に連通する複数の暗きょ管の周囲領域の粒度を下層の粒度より粗くしたことにより、これらの暗きょ管の目詰まりを低減できる。
【００２１】
（Ｉ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、横型湿地における流出管が下層の高さ範囲にて外部に取り出され、流出管の排出側開口の高さにより横型湿地の水位を設定することができる。例えば、冬季には水位を低下させて上層部分を断熱層として凍結を回避し、夏季には水位を上昇させて植物根の働きを活発としまた表面に蓄積された有機物の脱窒への利用を促進するなどの調整を行うことができる。
【００２２】
（Ｊ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、第２の伏流式縦型湿地と横型湿地との間にリン吸着マスを配置することにより、汚水中のリンを吸着することができる。これにより、長期間の高濃度の汚水処理においてシステムに蓄積したリンの流出を防止できる。リン吸着桝においては、流入口と流出口との間の流路に汚水を流通させ流路上に設けたリン吸着資材を通過させることにより、効率的にリンを除去できる。リン吸着資材は、リンを吸着した後は農地等に散布して再利用することができる。
【００２３】
（Ｋ）さらに、本発明の伏流式人工湿地システムは、第２の伏流式縦型湿地と横型湿地との間に有機物添加桝を配置することにより、汚水に対して有機物を補充することができる。これにより、横型湿地での脱窒の際に消費される炭素源の不足を補い、温室効果ガスである亜酸化窒素の発生を防止できる。有機物添加桝においては、流入口と流出口との間の流路に汚水を流通させ流路上に設けた有機物添加資材を通過させることにより、効率的に有機物を添加できる。
【００２４】
本発明の伏流式人工湿地システムによる汚水処理システムは、既存のヨーロッパの伏流式人工湿地システムよりも面積当たりの水質浄化機能が高く、恒久的かつ安定的に有機物や窒素、リンを浄化でき、同時に、耐寒性も高い画期的な伏流式人工湿地システムとなっている。従って、本システムは、農業関連の汚水に限らず、工業廃水や生活排水などのあらゆる汚水の浄化に利用でき、また、寒冷地だけでなくどのような気候の土地でも普及実用化できる技術である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図面を参照して本発明の実施の形態の詳細を説明する。
図１は、本発明による伏流式人工湿地システム１０の概略的な全体構成図である。本発明の伏流式人工湿地システム１０は、寒地でも恒久的に汚水を浄化できるものである。
【００２６】
その主要な構成要素として、汚水の流れにおける上流から下流へ順次配設された３つの人工湿地を備えており、それらは第１の伏流式縦型湿地（以下、「第１縦型湿地」と略称する）３、第２の伏流式縦型湿地（以下、「第２縦型湿地」と略称する）４、及び伏流式横型湿地（以下、「横型湿地」と略称する）７である。この伏流式人工湿地システム１０は、従来の２段の縦型湿地方式と、従来の縦型湿地と横型湿地の併合方式とを効果的に組み合せたものであり、前者における目詰まりし難いという長所と、後者における窒素除去効果が高いという長所を併せ持つシステムである。
【００２７】
さらに、好適には、第１縦型湿地３及び第２縦型湿地４の各々の流入側には、自動サイフォン２がそれぞれ設置され、第１縦型湿地３及び第２縦型湿地４に対してそれぞれ汚水を間欠的に供給する。さらに、好適には、第２縦型湿地４と横型湿地７との間に、リン吸着桝７及び有機物添加桝８を配設する。
【００２８】
なお、本システムの入口には、通常、浄化対象とする汚水を貯留する貯留槽１が適宜設けられている。貯留槽１では、本システムへの汚水の流入に先立って予め大きな有機物を沈殿させて除去する。これにより、自動サイフォン２や第１縦型湿地における目詰まりの虞をできる限り低減する。
【００２９】
なお、横型湿地７の出口８が本システムの出口となる。また、各湿地３、４及び／または７には必要に応じてヨシ９が植えられる。
【００３０】
図１に示した伏流式人工湿地システム１０は、入口から出口まで所定の標高差を設けられている。例えば、水平方向全長が約１３０〜１５０ｍに対し、標高差は８〜１０ｍ程度とする。この標高差は必要に応じて設定される。本システムは基本的に重力を利用して汚水を高所から低所へ流下させる過程で浄化を行うものである。
【００３１】
以下、各構成要素について詳細に説明する。
図２(Ａ)は、第１縦型湿地３の概略的な縦断面図であり、図２(Ｂ)は平面図である。なお、図２(Ｂ)の平面図において上下対称な構成要素については上半分の構成要素にのみ符号を付している。第１縦型湿地３は、例えば略直方形状の空間を形成するように掘削した凹所の内側に遮水シート３２を敷設して形成される。遮水シート３２により汚水が周囲の土壌に漏出することを防止している。なお、縦型湿地では、汚水が表面から下層へ移動する過程で浄化を行う構成上、凹所の深さ方向の長さについては浄化効果が十分達成できる長さに設定する。平面図における縦横の長さは処理量によって適宜設定する。
【００３２】
汚水の良好な流通性を確保するために、第１縦型湿地３の底面には入口側から出口側へ向かって１％程度の勾配を設けることが好適である。凹所内部には、汚水浄化のための複数の土壌層が充填されている。複数の土壌層は、下層の第１軽石層３１ａと上層の第２軽石層３１ｂの２層構成である。第１軽石層は粒径が２０〜４０mmであり、第２軽石層は粒径が５〜２０mmであり、第１軽石層は第２軽石層より粒度が粗い。各軽石層の粒径は、一例であり、対象とする汚水の成分により適宜設定される。
【００３３】
土壌層の表面（すなわち第２軽石層３１ｂの表面）の上方空間には、流入管３３ａ〜３３ｄが配設されている。図２には図示しないが、図１に示した貯留槽１から第１の自動サイフォン２により主幹流入管３３ａに間欠的に汚水が供給される。図２(Ｂ)に示すように、主幹流入管３３ａは第１縦型湿地３の表面中心部上方まで延在し、ここで垂直方向両側に延びる分岐流入管３３ｂに分岐し、さらに各分岐流入管３３ｂの先端が垂直方向両側に延びる分岐流入管３３ｄに分岐している。合計４本の分岐流入管３３ｄの先端は、第１縦型湿地３の表面に載置された４枚の水受け板３４ａ、３４ｂの各々の上方に開口している。水受け板３４ａ、３４ｂはそれぞれ第１縦型湿地３を縦横４区画に分けた各区画の中央にて土壌層の表面に載置されている。水受け板３４ａ、３４ｂ上に落下した汚水は、図２(Ａ)に示すように第１縦型湿地３の表面上を流れて拡がり、その後土壌中に浸透して流下していく。
【００３４】
下層の第１軽石層３１ａ内には、入口側から出口側へ向かう方向に平行に複数の横型暗きょ管３６ａ、３６ｂが配設されている（なお、本システムでは、後述する「縦型暗きょ管」を設けるのでこれと区別するために従来の暗きょ管を「横型暗きょ管」と称することとする）。横型暗きょ管３６ａ、３６ｂもまた、第１縦型湿地３の底面と同様の勾配（１％程度）を以て配設される。これらの横型暗きょ管３６ａ、３６ｂの出口側の端部は、集水管３７に接続されている。さらに、集水管３７の中央に接続された流出管３８が、第１縦型湿地３から取り出され、図１に示した第２の自動サイフォン２の流入管へ接続される。
【００３５】
第１縦型湿地３の表面に拡がった汚水は、土壌中に浸透した後、２層の土壌層を流下して横型暗きょ管３６ａ、３６ｂ内に流れ込み、集水管３７を経て流出管３８から流出される。この過程において、汚水中の有機物の削減・分解およびアンモニアの硝化による酸化、大腸菌の除去などが行われる。すなわち、第１縦型湿地は酸化的化学反応が行われる湿地である。主たる反応の概略は次のようなものである（「Org-」は有機物に含まれることを意味する、以下同じ）。
Org-Ｃ↓→ＣＯ２↑
Org-Ｎ↓→ＮＨ４-Ｎ→ＮＯ３-Ｎ
Org-Ｐ↓→ＰＯ４-Ｐ
【００３６】
なお、縦型湿地では有機物が表面に堆積しやすい。特に、第１縦型湿地は初段であるので比較的大きな有機物が流入する割合が多くこれらが堆積しやすい。有機物が表面に堆積すると目詰まりが生じて汚水の土壌への浸透が阻害され、表面に滞留する。冬季では滞留水が凍結するとシステム全体が閉塞することとなる。これを防止するために、本システムでは、縦型湿地に縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆを配設している。縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆは、従来の暗きょ管と同様の孔開き集水管であるが、その軸方向が鉛直方向または、鉛直方向からやや傾斜した方向となるように設置される。縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆの上端は縦型湿地の表面３１ｂ１より上方に突出し、その上端はステンレスの網などで覆うことが好適である。縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆの下端は、下層（この場合、最下層である）３１ａに位置する横型暗きょ管３６ａ、３６ｂまたは集水管３７に接続されている。すなわち縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆは、縦型湿地の表面と最下層との間に亘るように設けられている。これにより、縦型湿地の表面に滞留した余剰の汚水を縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆに徐々に流入させバイパスさせて、縦型湿地から排出することができ、表面の目詰まり及び凍結等を防止する。
【００３７】
好適例では、縦型暗きょ管３５ａ〜３５ｆの各々の中にナイロン等の合成樹脂製の紐を挿通させておく。暗きょ管は、二価鉄が三価鉄となって集積し目詰まりの原因となることがあるが、合成樹脂製の紐を挿通させておくことでその目詰まり状況をチェックすることができる。なお、麻紐では劣化することがあるので、劣化せず強度がある点でナイロン等の合成樹脂製の紐の方が良い。
【００３８】
図３(Ａ)は、第２縦型湿地４の概略的な縦断面図であり、図３(Ｂ)は平面図である。なお、図３(Ｂ)の平面図において上下対称な構成要素については上半分の構成要素にのみ符号を付している。第２縦型湿地４は、第１縦型湿地３と同程度の大きさであり、同様に構築される。例えば略直方形状の空間を形成するように掘削した凹所の内側に遮水シート４２を敷設し、汚水が周囲の土壌に漏出することを防止している。また、汚水の良好な流通性を確保するために、第２縦型湿地４の底面には入口側から出口側へ向かって１％程度の勾配を設けることが好適である。凹所内部には、汚水浄化のための複数の土壌層が充填されている。複数の土壌層は、下層から上層へ順に第１軽石層４１ａと第２軽石層４１ｂと砂層４１ｃとの３層構成である。第１軽石層は粒径が２０〜４０mmであり、第２軽石層は粒径が５〜２０mmであり、第１軽石層は第２軽石層より粒度が粗い。砂層は粒径が０．２〜２mm程度である。各層の粒径は、一例であり、対象とする汚水の成分により適宜設定される。
【００３９】
図１に示したように、第２縦型湿地４は、前述の第１縦型湿地３を通過した汚水が第２の自動サイフォン２により間欠的に供給される。既に初段の縦型湿地を通過した汚水であるので通常は大きな有機物は含まれておらず、砂層のように粒度の小さい層が表面にあっても目詰まりは生じ難い。
【００４０】
土壌層の表面（すなわち砂層４１ｃの表面）の上方空間には、入口側に流入管４３ａ〜４３ｃが配設されている。主幹流入管４３ａは、図１に示した第２の自動サイフォン２により接続されている。図３(Ｂ)に示すように、主幹流入管４３ａは第２縦型湿地４の入口近傍にて垂直方向両側に延びる分岐流入管４３ｂに分岐し、さらに各分岐流入管４３ｂの先端にて同方向両側に延びる分岐流入管４３ｃに分岐している。合計４本の分岐流入管４３ｃの各々の先端から、出口側に向かって平行に４本の孔開き散水管４３ｄ、４３ｅが延在している。各孔開き散水管４３ｄ、４３ｅの途中の複数箇所から垂直方向にさらに孔開き散水分岐管４３ｆ〜４３ｋが延びている。孔開き散水管４３ｄ、４３ｅ及び４３ｆ〜４３ｋとしては例えば塩化ビニル管を用い、各々の先端は塞がれている。これらの孔開き散水管４３ｄ、４３ｅ及び４３ｆ〜４３ｋにより、第２縦型湿地４の表面に汚水が満遍なく散水される。その後、汚水は土壌中に浸透して流下していく。
【００４１】
下層の第１軽石層４１ａ内には、入口側から出口側へ向かう方向に平行に複数の横型暗きょ管４６ａ、４６ｂが配設されている。横型暗きょ管４６ａ、４６ｂもまた、第２縦型湿地４の底面と同様の勾配（１％程度）を以て配設される。これらの横型暗きょ管４６ａ、４６ｂの出口側の端部は、集水管４７に接続されている。さらに、集水管４７の中央に接続された流出管４８が、第２縦型湿地４から取り出され、図１に示したリン吸着桝５の流入管へ接続される。
【００４２】
第２縦型湿地４の表面に拡がった汚水は、土壌中に浸透した後、３層の土壌層を流下して横型暗きょ管４６ａ、４６ｂ内に流れ込み、集水管４７を経て流出管４８から流出される。この過程において、汚水中の有機物の削減・分解およびアンモニアの硝化による酸化、大腸菌の除去などが行われる。すなわち、第２縦型湿地もまた第１縦型湿地と同様に、酸化的化学反応が行われる湿地であり、その主たる反応式は上記の第１縦型湿地で記載した通りである。
【００４３】
なお、第２縦型湿地４においても、上記の第１縦型湿地と同様に縦型暗きょ管４５ａ〜４５ｆを配設している。縦型暗きょ管４５ａ〜４５ｆの上端は縦型湿地の表面４１ｃ１より上方に突出し、さらに上端はステンレスの網などで覆うことが好適である。縦型暗きょ管４５ａ〜４５ｆの下端は、最下層４１ａに位置する横型暗きょ管４６ａ、４６ｂまたは集水管４７に接続されている。すなわち、縦型暗きょ管４５ａ〜４５ｆは、縦型湿地の表面と最下層との間に亘るように設けられている。これにより、第２縦型湿地４の表面に滞留した余剰の汚水を縦型暗きょ管４５ａ〜４５ｆに徐々に流入させバイパスさせて、第２縦型湿地４から排出することができ、表面の目詰まり及び凍結等を防止する。
【００４４】
図４(Ａ)は、横型湿地７の概略的な縦断面図であり、図４(Ｂ)は平面図である。なお、図４(Ｂ)の平面図において上下対称な構成要素については上半分の構成要素にのみ符号を付している。横型湿地７は、例えば略直方形状の空間を形成するように掘削した凹所の内側に遮水シート７２を敷設して形成される。遮水シート７２により汚水が周囲の土壌に漏出することを防止している。なお、横型湿地７では、汚水が入口から出口へ横方向へ移動する過程で浄化を行う構成上、入口から出口へ向かう水平方向の長さについては浄化効果が十分達成できる長さに設定する。その他の長さについては処理量によって適宜設定する。
【００４５】
汚水の良好な流通性を確保するために、横型湿地７の底面には入口側から出口側へ向かって１％程度の勾配を設けることが好適である。凹所内部には、汚水浄化のための複数の土壌層が充填されている。入口近傍及び出口近傍にはそれぞれ比較的粗い２０〜４０mmの粒径の第１軽石層７１ａ、７１ｄが表面から底面まで充填されているが、それ以外の主要部分は下層の黒ボク土（火山灰性腐植土壌）層７１ｂと上層の第２軽石層７１ｃとで構成されている。上層の第２軽石層７１ｃの粒径は５〜２０mmである。上層の第２軽石層７１ｃは、下層の黒ボク土層７１ｂよりも粒径を粗くしている。これにより、冬季に水位を下げることにより上層への空気の進入が促進されて断熱層の役割を果たし凍結を防止する。また、夏季に水位を上昇させることにより、上層が下層よりも透水性が良好となり、植物根による養分の吸収が促進されるとともに、表面に蓄積した有機物が脱窒作用により効果的に利用されることになる。各軽石層の粒径は、一例であり、対象とする汚水の成分により適宜設定される。
【００４６】
横型湿地７の入口側の第１軽石層７１ａ内の表面近傍において流入管７３ａが導入され、さらに流入管７３ｂが下方へ折れて延び、流入管７３ｂの下端から垂直方向両側に横型暗きょ管７６ａが分岐して延びている。さらに、横型暗きょ管７６ａの途中の複数箇所から出口側へ向かって複数の横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄが分岐しており、これらは黒ボク土層７１ｂ内において互いに平行に延在している。複数の横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄの互いの間隔は適宜であるが均等に配置されることが好適である。これら複数の横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄは、図示の例では、横型湿地７の中央付近まで延びている。また、横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄもまた、横型湿地７の底面と同様の勾配（１％程度）を以て配設される。
【００４７】
従って、本発明の横型湿地７では、入口近傍に配設された横型暗きょ管７６ａから汚水が供給されるのみでなく、中央付近まで延びる複数の横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄによってもその周囲に汚水が供給される。これにより、入口近傍における目詰まりを低減できるとともに、横型湿地７全体に満遍なく汚水を供給できる。
【００４８】
さらに好適には、互いに平行な複数の横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄの各々の周囲には軽石充填領域７９が設けられる。軽石充填領域の粒度は、下層７１ｂを構成する黒ボク土よりも粗い。これにより、横型暗きょ管７６ｃ、７６ｄの目詰まりを低減できる。
【００４９】
横型湿地７の出口側の第１軽石層７１ｄ内の底面近傍には横型暗きょ管７７が配設され、その中央に接続された流出管７８が横型湿地７から取り出されている。出口側の横型暗きょ管７７の周囲にも、目詰まり低減のために軽石充填領域７９を設けることが好適である。流出管７８は、下層７１ｂの存在する高さ範囲にて外部に取り出され、その後、流出管７８は鉛直上方に向かって延び、その端部に排出側開口７８ａを備えている。この排出側開口７８ａの高さを調整することにより、横型湿地７の水位を調整することができる。
【００５０】
横型湿地７では、型暗きょ管７６ａ、７６ｃ、７６ｄにより供給された汚水は、下層７１ｂ及び上層７１ｃを出口側へ向かって移動する。そして、横型暗きょ管７７により集水されて流出管７８から流出される。この過程において、上記の第１縦型湿地３及び第２縦型湿地４において硝化された汚水中の窒素成分が除去される。横型湿地は、還元的化学反応が行われる湿地であり、この反応では有機物が消費される。反応の概略は次のようなものである。
ＮＯ３-Ｎ＋Org-Ｃ→Ｎ２↑
【００５１】
図５は、本発明による自動サイフォン２の平面図である。図６(Ａ)〜(Ｃ)は、図５のＸ断面及びＹ断面におけるサイフォン動作を示す図である。自動サイフォン２は、図１に示すように第１縦型湿地及び第２縦型湿地に汚水を間欠的に供給するために各湿地の流入側に設けられる。
【００５２】
図５の平面図及び図６の断面図に示すサイフォン２において、汚水は、向かって左側の流入管２２から流入し、向かって右側の排出口２３ｂ及びフロート排水管２６から流出する。サイフォン２は、汚水を貯留するためのサイフォン貯水容器２１を備え、通常動作中は流入管２２から汚水が断続的または連続的に供給される。サイフォン貯水容器２１内には、平面図においてサイフォン主管２３が左右方向に配置され、サイフォン主管２３の吸入口２３ａは、サイフォン貯水容器２１内にあって下方を向いて開口している。なお、吸入口２３ａの開口端は水平ではなく傾斜して設けられている。これは、吸入口２３ａが最下位置にあるときサイフォン貯水容器２１内の汚水を吸入し易くするためである。サイフォン主管２３の中間部はサイフォン貯水容器２１内において上方に凸の湾曲部２３ｃを形成されてサイフォン貯水容器２１の右側側面から外部に取り出され、その先端の排出口２３ｂはサイフォン貯水容器２１の底面より低位置にて下方に向いて開口している。
【００５３】
さらに、サイフォン主管２３の湾曲部２３ｃの下にフロート２５が取り付けられている。フロート２５は図示の例では両端の閉じた空洞円筒体であり、図５の平面図においてサイフォン主管２３と直交するように配置されている。円筒体ののフロート２５の下面の両端近傍には一対の棒状のフロート支持具２８ａ、２８ｂがそれぞれ取り付けられ、棒状のフロート支持具２８ａ、２８ｂのもう一方の端部は、サイフォン貯水容器２１の適宜の内壁に取り付けられている。フロート支持具２８ａ、２８ｂの両端部は、フロートの上下動に伴い回動自在に固定されており、フロート支持具２８ａ、２８ｂはフロートの上下動に伴い旋回運動することができる。
【００５４】
フロート２５の上面には１つの入水孔２５ａが穿設されフロート内部の空洞と連通している。さらに、フロート２５の上面においては、入水孔２５ａとは別の箇所に１本のフロート排水管２６が接続され、やはりフロート内部の空洞と連通している。フロート排水管２６は、その接続部分においてフロート内部に貫入し、空洞を横断して下方に延びており、その下端に開口した吸入口２６ａは水平ではなく傾斜して設けられている。フロー排水管２６は、図５の平面図においてサイフォン主管２３と平行して延び、サイフォン貯水容器２１の右側側面から外部に取り出され、その先端の排出口２６ｂはサイフォン貯水容器２１の底面より低位置にて下方に向いて開口している。
【００５５】
さらに、円筒体のフロート２５の両端部の上方位置において、サイフォン貯水容器２１の内壁にフロート押下部２９ａ、２９ｂが突設されている。フロート押下部２９ａ、２９ｂは、フロート２５の上下動の上限位置を規定するために設けられ、フロート２５の上面がフロート押下部２９ａ、２９に当たるとそれ以上上昇することはできない。
【００５６】
図６を参照して、自動サイフォン２の動作を説明する。図６(Ａ)に示すように、流入管２２から汚水が流入してサイフォン貯水容器２１内の水位が上昇していくと、フロート２５が浮き上がり、それに伴ってサイフォン主管２３の凸湾曲部２３ｃ及びフロート排水管２６の入口も上昇する。このとき、フロート２５内、サイフォン主管２３内、及びフロート排水管２６内はほぼ空洞であり、空気が存在する。
【００５７】
図６(Ｂ)は、フロート２５の両端部がフロート押下部２９ａ、２９ｂにより上昇を制限された状態である。この状態でサイフォン貯水容器２１の水位がさらに上昇すると、フロート２５の上面に穿設したフロート入水孔２５ａからフロート２５内の空洞に汚水が流入する。そして、フロート２５の浮力が次第に低下してフロート２５及びサイフォン主管２３等の重量が上回ると、図６(Ｃ)に示すようにフロート２５がサイフォン主管２３及びフロート排出管２６と共にサイフォン貯水容器２１の底面まで落下する。
【００５８】
これにより、図６(Ｃ)のＸ断面図に示すように、サイフォン主管２３内の空気が排出されて吸入口２３ａと排出口２３ｂの間の水路が連通し、サイフォン貯水容器２１内の汚水を吸入口２３ａから吸い込み、排出口２３ｂから排水する。こうして、サイフォン貯水容器２１内の水位が黒矢印で示すように低下する。同時に、図６(Ｃ)のＹ断面図に示すように、フロート排出管２６内の空気が排出されて吸入口２６ａと排出口２６ｂの間の水路が連通し、フロート２５内の汚水を排出口２６ｂから排水する。以上の動作により、サイフォン貯水容器２１内及びフロート２５内の汚水をほぼ全て排出することができる。この動作を繰り返すことにより、汚水を間欠的に供給することができる。
【００５９】
本発明の自動サイフォンでは、フロート２５に対し１つの入水孔２５ａと１本の排水管２６のみが設けられているため、フロート内の流れが一定方向となり目詰まりを回避できる。また、サイフォン主管２３も、サイフォン貯水容器２１に１本のみ設けられているため管径を太く（従来の約１．４倍）することができ、目詰まりを回避できるので清掃の必要がほとんどなくなる。また管径が太くなることで凍結し難く、耐寒性も向上した。これに対し、従来の自動サイフォンは、フロートに対し複数の入水孔及び複数の排水管が設けられていたため目詰まりし易く、またサイフォン主管も複数であったので１本当たりの管径が細くなり目詰まりし易く凍結し易かった。
【００６０】
図７は、第２縦型湿地と横型湿地の間に配置されるリン吸着桝５の平面図である。リン吸着桝５は、例えば、耐水性コンクリート枠５１により略直方形状の空間として形成される。耐水性コンクリート枠５１により汚水が周囲の土壌に漏出することを防止している。図７の向かって左側の側壁に設けた流入管５２から汚水が流入し、リン吸着桝５内に立設した複数の通路壁５３により形成される流路に沿って汚水が流れ、向かって右側の側壁に設けた流出管５５から流出していく。流路の途上には、リン吸着資材を充填したコンテナ５４が配置される。図７では、配置例としてコンテナ５４の外殻を破線で示している。コンテナ５４は、リン吸着資材を保持することができかつ汚水が通過できる構造であればどのような形状であってもよい。例えば、駕籠状、網状の容器である。複数のコンテナ５４を流路の高さ方向及び幅方向全体に亘るように配置し、汚水が確実に通過するように配置することが好ましい。
【００６１】
リン吸着資材としては、リン酸として流出してくるリンを吸着できるものであればよい。例えば、炭酸カルシウムである。これにより、本システムに蓄積されるリンがリン酸として流出すること並びに本システムのリンが飽和することによりリン浄化能力が低下することを防止できる。また、リン吸着資材は、本システムにおいてリンを吸着した後、農地などに散布して肥料として再利用することができる。
【００６２】
図８は、第２縦型湿地と横型湿地の間に配置される有機物添加桝６の平面図である。有機物添加桝６は、耐水性コンクリート枠６１により略直方形状の空間として形成される。耐水性コンクリート枠６１により汚水が周囲の土壌に漏出することを防止している。図８の向かって左側の側壁に設けた流入管６２から汚水が流入し、有機物添加桝６内に立設した複数の通路壁６３により形成される流路に沿って汚水が流れ、向かって右側の側壁に設けた流出管６５から流出していく。流路の途上には、有機物添加資材を充填したコンテナ６４が配置される。図８では、配置例としてコンテナ６４の外殻を破線で示している。コンテナ６４は、有機物添加資材を保持することができかつ汚水が通過できる構造であればどのような形状であってもよい。例えば、駕籠状、網状の容器である。複数のコンテナ６４を流路の高さ方向及び幅方向全体に亘るように配置し、汚水が確実に通過するように配置することが好ましい。
【００６３】
有機物添加資材としては、Ｃ／Ｎ比の高い易分解性有機物（例えば、小麦ワラやオガクズでもよい）の添加が、後段の還元的な横型湿地７における脱窒促進に好適である。これにより、横型湿地における窒素除去機能の低下を回避し、炭素源不足による亜酸化窒素発生を防止することができる。
【００６４】
上記のように本システムでは、縦型湿地と横型湿地の間にリン吸着桝５及び有機物添加桝６の双方を配置することにより、従来システムにおけるリン飽和によりシステムのリン浄化能力が低減する問題を回避すると同時に、窒素除去機能の向上と亜酸化窒素の発生回避の両方を実現することが可能となった。特に、有機物添加桝による窒素除去機能の向上機構は、従来全く行われていなかったものである。
【実施例】
【００６５】
・入口から出口までの標高差８ｍ
・自動サイフォン（容量約３３００リットル／回）
・第１縦型湿地（横１６ｍ×縦（流入口と流出口間距離）１６ｍ×高さ１ｍ）
・第２縦型湿地（横１６ｍ×縦（流入口と流出口間距離）１６ｍ×高さ１ｍ）
・リン吸着桝６ｍ３
・有機物添加桝６ｍ３
・横型湿地（横１６ｍ×縦（流入口と流出口間距離）５０ｍ×高さ１ｍ）
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】伏流式人工湿地システムによる寒地の汚水浄化の流れ図である。
【図２】(Ａ)は、第１縦型湿地３の概略的な縦断面図であり、(Ｂ)は平面図である。
【図３】(Ａ)は、第２縦型湿地４の概略的な縦断面図であり、(Ｂ)は平面図である。
【図４】(Ａ)は、横型湿地７の概略的な縦断面図であり、(Ｂ)は平面図である。
【図５】本発明による自動サイフォン２の平面図である。
【図６】(Ａ)〜(Ｃ)は、図５のＸ断面及びＹ断面におけるサイフォン動作を示す図である。
【図７】第２縦型湿地と横型湿地の間に配置されるリン吸着桝５の平面図である。
【図８】第２縦型湿地と横型湿地の間に配置される有機物添加桝６の平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  貯留槽
２  自動サイフォン
３  第１の伏流式縦型湿地
３５ａ〜３５ｆ  縦型暗きょ管
４  第２の伏流式縦型湿地
４５ａ〜４５ｆ  縦型暗きょ管
５  リン吸着桝
６  有機物添加桝
７  伏流式横型湿地
７６ｂ、７６ｃ  横型暗きょ管
８  横型湿地出口
９  ヨシ
１０  伏流式人工湿地システム
【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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