(57)【要約】【課題】水中の好気性微生物が電極や有害物質などで死滅するのを防止し、簡素な構成で好気性微生物を増やして自然な浄化作用を補助し水中の生態系を容易に改善することができる水の生態系における水質浄化装置を提供する。【解決手段】水質浄化装置は、水中に沈められる酸素発生部４と、酸素発生部に電気を供給するための電気供給部とを有する。酸素発生部は、所定形状の筒状絶縁部１０と、筒状絶縁部の外周面に取付けられて電気供給部に電気的に接続された中空筒状の陽極部１１と、筒状絶縁部の内方に配置されて電気供給部に電気的に接続された陰極部１２と、筒状絶縁部に取付けられて陽極部と陰極部を覆う絶縁性の多孔質部１３とを備えている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中の生態系による自然な浄化作用を補助するために、水を電気分解して酸素を発生するように水中に沈められる酸素発生部と、
電源から酸素発生部に電気を供給するための電気供給部とを有する水質浄化装置であって、
酸素発生部は、
所定形状を有する筒状絶縁部と、
この筒状絶縁部の外周面に取付けられて電気供給部に電気的に接続された中空筒状の陽極部と、
筒状絶縁部の内方に配置されて電気供給部に電気的に接続された陰極部と、
筒状絶縁部に取付けられて陽極部と陰極部を覆う絶縁性の多孔質部とを備えたことを特徴とする水の生態系における水質浄化装置。
【請求項２】
筒状絶縁部は下部が底なしで上部にボトルネックが形成されたボトル形状を有し、陽極部は筒状絶縁部の外周面の周方向全周に取付けられ、陰極部は円筒状をなして筒状絶縁部の中心軸線の位置に同心状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水の生態系における水質浄化装置。
【請求項３】
酸素発生部は、
微生物が内部に生棲可能で生態膜としての機能を発揮する粗粒子部が多孔質部の周囲に設けられ、多孔質部の表面から出る酸素を粗粒子部の内部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水の生態系における水質浄化装置。
【請求項４】
水中の生態系による自然な浄化作用を補助するために、水を電気分解して酸素を発生するように水中に沈められる酸素発生部と、
電源から酸素発生部に電気を供給するための電気供給部とを有する水質浄化装置であって、
酸素発生部は、
所定形状を有し上部に貫通孔が穿設された筒状絶縁部と、
この筒状絶縁部の内周面に取付けられて電気供給部に電気的に接続された中空筒状の陰極部と、
筒状絶縁部の内方に配置されて電気供給部に電気的に接続された陽極部と、
陰極部と陽極部との間に配置された中空筒状のイオン交換膜部と、
イオン交換膜部の外周面と陰極部とを覆って筒状絶縁部に取付けられた絶縁性の多孔質部とを備えたことを特徴とする水の生態系における水質浄化装置。
【請求項５】
筒状絶縁部は、下部が底なしで上部にボトルネックが形成され絞り部に貫通孔が穿設されたボトル形状を有し、
陰極部は筒状絶縁部の内周面の周方向全周に取付けられ、
陽極部は円筒状をなしてイオン交換膜部の中心軸線の位置に同心状に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水の生態系における水質浄化装置。
【請求項６】
多孔質部は、絶縁性の複数の多孔質ブロックを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの項に記載の水の生態系における水質浄化装置。
【請求項７】
電源は、太陽光発電または風力発電のような自然エネルギーから電力を得るようにしていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの項に記載の水の生態系における水質浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の生態系における自然な浄化作用を補助するために水を電気分解して酸素を発生する、水の生態系における水質浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
池，河川，湖，海など自然界での水生動植物の生態系内では、通常は自然な浄化作用が働いて水質が浄化されている。ところが、空気と触れる水面の面積が小さかったり温度分布や生態系の密度が異常になると水中の酸素が不足することがあるので、エアレーション装置でエアレーションを行う場合が多い。このエアレーション装置は、空気をポンプで圧送して水中で気泡を発生させるのが一般的である。
エアレーション装置は、長期間にわたり自然の生態系を利用した水質浄化を行う必要がある場合に、各種の分野で使用されることが多く、たとえば、水槽，人工池，生け簀のほか、人的に汚染された河川，ビオトープ，湾内などにも適用される。
【０００３】
エアレーションと同等の効果を得るために、水を電気分解して酸素を発生させて水質を浄化する技術も提案されている。特許文献１（特開平８−１６８７７０号公報）には、対象水中に電極を浸して電気刺激的分解作用を行う水質改善方法が開示されている。
一方、特許文献２（特開平８−８９９６９号公報）には、用水中に活性酸素を生成せしめるように電気分解する電気分解装置を設け、この電気分解装置により生成せしめられた活性酸素の酸化分解作用が及ぼされた用水を元の系に戻すようにした用水の浄化方法および浄化装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１６８７７０号公報
【特許文献２】
特開平８−８９９６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エアレーション装置を使用する場合、ビオトープなどの水深が浅いと、気泡が水中に溶けにくいので、エアレーション装置で発生させる気泡をなるべく小さくする必要がある。
そのために散気管の気孔を微細にすると、この気孔の目詰まりで曝気量が減少し、気付かないうちに処理能力が低下する恐れがあった。また、送気が停止すると気孔が目詰まりを起こして、保守に手間とコストが掛かってしまうという課題もあった。
【０００６】
一方、前記特許文献１に記載の技術では、水中の好気性微生物が、加熱された電極に直接触れるようになっているので死滅する恐れがあった。
また、特許文献２に記載の技術は、微生物にとっての有害物質たとえば活性酸素や次亜塩素酸などを電気分解で発生させることにより、微生物の繁殖を抑制して用水を浄化するものであり、本発明における水中の生態系の改善とは逆の考え方である。また、この技術では装置全体が大がかりな構成になっていた。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、水中の好気性微生物が電極や有害物質などで死滅するのを防止し、簡素な構成で好気性微生物を増やして自然な浄化作用を補助し水中の生態系を容易に改善することができる水の生態系における水質浄化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明にかかる水の生態系における水質浄化装置は、水中の生態系による自然な浄化作用を補助するために、水を電気分解して酸素を発生するように水中に沈められる酸素発生部と、電源から酸素発生部に電気を供給するための電気供給部とを有する水質浄化装置であって、酸素発生部は、所定形状を有する筒状絶縁部と、この筒状絶縁部の外周面に取付けられて電気供給部に電気的に接続された中空筒状の陽極部と、筒状絶縁部の内方に配置されて電気供給部に電気的に接続された陰極部と、筒状絶縁部に取付けられて陽極部と陰極部を覆う絶縁性の多孔質部とを備えている。
筒状絶縁部は下部が底なしで上部にボトルネックが形成されたボトル形状を有し、陽極部は筒状絶縁部の外周面の周方向全周に取付けられ、陰極部は円筒状をなして筒状絶縁部の中心軸線の位置に同心状に配置されているのが好ましい。
たとえば、酸素発生部は、微生物が内部に生棲可能で生態膜としての機能を発揮する粗粒子部が多孔質部の周囲に設けられ、多孔質部の表面から出る酸素を粗粒子部の内部に供給するように構成されているのが好ましい。
また、本発明にかかる別の水質浄化装置は、水中の生態系による自然な浄化作用を補助するために、水を電気分解して酸素を発生するように水中に沈められる酸素発生部と、電源から酸素発生部に電気を供給するための電気供給部とを有する水質浄化装置であって、酸素発生部は、所定形状を有し上部に貫通孔が穿設された筒状絶縁部と、この筒状絶縁部の内周面に取付けられて電気供給部に電気的に接続された中空筒状の陰極部と、筒状絶縁部の内方に配置されて電気供給部に電気的に接続された陽極部と、陰極部と陽極部との間に配置された中空筒状のイオン交換膜部と、イオン交換膜部の外周面と陰極部とを覆って筒状絶縁部に取付けられた絶縁性の多孔質部とを備えている。
この場合、筒状絶縁部は、下部が底なしで上部にボトルネックが形成され絞り部に貫通孔が穿設されたボトル形状を有し、陰極部は筒状絶縁部の内周面の周方向全周に取付けられ、陽極部は円筒状をなしてイオン交換膜部の中心軸線の位置に同心状に配置されているのが好ましい。
多孔質部は、絶縁性の複数の多孔質ブロックを組み合わせて構成されているのが好ましい。
電源は、太陽光発電または風力発電のような自然エネルギーから電力を得るようにするのが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる実施の形態の一例を、図１ないし図７を参照して説明する。
図１は、本発明の水質浄化装置を池に設置した適用例を示す説明図、図２は酸素発生部の外観部、図３は前記酸素発生部を示す片側断面図、図４，図５は、それぞれ第１の変形例，第２の変形例にかかる酸素発生部を示す片側断面図で、図３相当図である。
【００１０】
本発明の水質浄化装置では、従来は特許文献２のように微生物の殺菌などに利用されていた水の電気分解を、従来とは逆の発想で、水の生態系を増やすために必要な酸素を供給するのに利用している。
図１ないし図３に示すように、水生動植物の生態系を有する池（人工池または自然の池）２に水質浄化装置１が設置されている。なお、水質浄化装置１を、水槽，河川，湖，沼，ビオトープ，浄水場，下水処理場，魚介類の養殖場（たとえば、生け簀），海の湾などに設置してもよい。
【００１１】
水質浄化装置１は、複数（または、一つ）の酸素発生部４と、電源５から酸素発生部４に電気を供給するための電気供給部６とを有している。酸素発生部４は、水中の生態系による水３の自然な浄化作用を補助するために、水３を電気分解して酸素（Ｏ２）を発生するように水中に沈められる。
電源５は、太陽光発電または風力発電のような自然エネルギーから電力を得るようにしており、電気供給部６は、電源５で発生した直流電流をそのまま供給している。なお、電源５としては、自然エネルギーによる発電に代えて、電力会社などから供給される一般用電気でもよい。
【００１２】
酸素発生部４は、ケーブル６により電気供給部６に並列に接続されている。電源５で得た電力を即時に酸素発生部４で利用するようになっており、酸素発生部４の能力は、電源５の最大の発電能力に対応する機能を有して、過電圧を避けるようになっている。
酸素発生部４は、所定形状を有する筒状絶縁部１０と、筒状絶縁部１０の外周面に取付けられて電気供給部６に電気的に接続された中空筒状の陽極部１１と、筒状絶縁部１０の内方に配置されて電気供給部６に電気的に接続された陰極部１２と、筒状絶縁部１０に取付けられて陽極部１１と陰極部１２を覆う絶縁性の多孔質部１３とを備えている。
酸素発生部４は、水３を電気分解して酸素を発生することにより、水中の生態系による自然な浄化作用を補助している。そして、酸素発生部４は、水中の好気性微生物が電極（陽極部１１，陰極部１２）や有害物質で死滅するのを防止し、簡素な構成で好気性微生物を増やして自然な浄化作用を補助し、水中の生態系を改善している。
好気性微生物は、たとえば、ミトコンドリア，アオミドロ，ゾウリムシ，アメーバなどであり、有害物質は、たとえば、活性酸素，次亜塩素酸などである。
【００１３】
筒状絶縁部１０は、下部が底なしで上部にボトルネック１４が形成されたボトル形状をなしており、絶縁性と耐腐食性を有する材料、たとえば、ガラスまたは合成樹脂などにより一体的に形成されている。
筒状絶縁部１０は、円筒状をなす円筒部２０と、瓶の首のような形状の細いボトルネック１４と、円筒部２０からボトルネック１４までの間で次第に径が小さくなるように絞られている絞り部２１とを有して、全体が一体的に形成されている。
【００１４】
陽極部１１と陰極部１２は、それぞれケーブル６に電気的に接続されている。陽極部１１は、筒状絶縁部１０の外周面の周方向全周に取付けられている。すなわち、陽極部１１は、中空円筒状をなして円筒部２０の外周面全周に固着されている。
陽極部１１は、酸素発生に伴う腐食を防止するために、マンガン系セラミックス材（たとえば、ＳｉＭｎ（珪素，マンガン）系のセラミックス材）により構成されている。
陰極部１２は、円筒状をなして筒状絶縁部１０の中心軸線ＣＬの位置に同心状に配置されている。陰極部１２の軸線方向の長さ寸法は、陽極部１１の軸線方向の長さ寸法とほぼ同じである。陰極部１２は、たとえばアモルファスニッケルにより形成されていれば、これが水中に溶け出すことがないので好ましい。
【００１５】
ボトルネック１４の開口部には、電気供給部６を構成して防水性および可撓性を有するチューブ（たとえば、ゴムホース，ビニールホース）２２が接続されている。ケーブル６は、チューブ２２内を通り、筒状絶縁部１０の内部を通って陽極部１１と陰極部１２にそれぞれ電気的に接続されている。
筒状絶縁部１０，多孔質部１３およびチューブ２２は、保持部材２３により支持されている。保持部材２３は、防水性を有して熱収縮する材料（たとえば、合成樹脂）により形成されており、酸素発生部４をチューブ２２から離脱しないように保持している。
【００１６】
多孔質部１３は、筒状絶縁部１０の円筒部２０の外部側に円筒状に形成されるとともに、円筒部２０の内部側にも充填され、円筒部２０の下端部２３を覆って下方まで延びており、全体的に円筒状に形成されている。陽極部１１と陰極部１２は、多孔質部１３の内部に埋没した状態になっている。
多孔質部１３は、三次元網目構造をなしており、ほぼ均一な多数の開気孔（空隙部）を全体的に有するポーラス状になっている。多孔質部１３内の開気孔には、微小な好気性微生物が棲息可能である。また、多孔質部１３は、アンモニア分解系の微細なバクテリアも棲む棲家になることが可能である。
このように、多孔質部１３は陽極部１１と陰極部１２を覆っている。したがって、多孔質部１３は、陰極部１２で発生した活性酸素が直接水中に溶け出すことを防止する機能と、ＳＳ（浮遊物質または懸濁物質）が直接電極部１１，１２を覆って電気分解が抑制されてしまうのを防止する機能と、直接電極部１１，１２に接触しておくことで、電極部１１，１２の過熱を抑える機能とを発揮する。
【００１７】
酸素発生部４は、筒状絶縁部１０，陽極部１１，陰極部１２および多孔質部１３の全体が組み合わされた簡素な構成になっている。酸素発生部４は、水中に吊り下げるかまたは水底に置くのが一般的である。酸素発生部４が水中に沈められていると、多孔質部１３内の開気孔も水３で満たされている。
電気供給部６の電源５からケーブル６を介して酸素発生部４に電気を供給すると、陽極部１１と陰極部１２は、それぞれ＋（プラス）の電荷と−（マイナス）の電荷を帯びて、矢印Ａに示すように、陽極部１１から陰極部１２に電流が流れる。水質浄化装置１は、連続運転が好ましいが間欠運転でもよい。
【００１８】
図４は、本実施形態の第１の変形例を示している。なお、第１，第２，第３の各変形例において、前記実施形態，他の変形例と同一または相当部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図４に示す第１の変形例にかかる酸素発生部４ａでは、粒子の粗い粗粒子部３０を多孔質部１３の周囲に設け、多孔質部１３の表面から出る酸素を粗粒子部３０の内部（すなわち、空隙部３２）に供給するようにしている。図４に示す酸素発生部４ａでは、図３に示す酸素発生部４をそのまま使用し、この酸素発生部４の周囲に粗粒子部３０を設けている。
粗粒子部３０は、多孔質部１３より空隙率が大きくなっており、図３に示す酸素発生部４の多孔質部１３の周囲に固定されている。粗粒子部３０は、粒子（たとえば、砂）３１により構成され、粒子３１同士が固着されている。
粗粒子部３０は、微生物が内部に棲息可能な生態膜としての機能を発揮している。すなわち、粒子３１間の空隙部３２に好気性微生物を棲まわせて、多孔質部１３から粗粒子部３０に酸素を供給すれば、粗粒子部３０内の空隙部３２で好気性微生物の活動が活発化する。粗粒子部３０の空隙率が大きいので、生態膜としての粗粒子部３０内には各種の微生物が生息することができる。
【００１９】
図５に示す第２の変形例にかかる酸素発生部４ｂでは、多孔質部１３ｂが、絶縁性の複数（ここでは、二つ）の多孔質ブロック１３ｂ１，１３ｂ２を組み合わせて構成されている。
酸素発生部４ｂは、筒状絶縁部１０と、筒状絶縁部１０の外周面に取付けられて電気供給部６に電気的に接続された中空筒状の陽極部１１と、筒状絶縁部１０の内方に配置されて電気供給部６に電気的に接続された陰極部１２ｂと、筒状絶縁部１０に取付けられ、陽極部１１と陰極部１２ｂを覆う絶縁性の多孔質部１３ｂとを備えている。
酸素発生部４ｂは、水３を電気分解して酸素を発生することにより、水中の生態系による自然な浄化作用を補助している。そして、酸素発生部４ｂは、好気性微生物が電極（陽極部１１，陰極部１２ｂ）や有害物質で死滅するのを防止し、簡素な構成で好気性微生物を増やして自然な浄化作用を補助し、水中の生態系を改善している。
【００２０】
陽極部１１と陰極部１２ｂは、多孔質部１３ｂの内部に埋没した状態になっており、それぞれケーブル６に電気的に接続されている。ケーブル６は、チューブ２２内を通り、筒状絶縁部１０の内部を通って陽極部１１と陰極部１２ｂにそれぞれ電気的に接続されている。
陽極部１１は、筒状絶縁部１０の外周面の周方向全周に取付けられている。すなわち、陽極部１１は、中空円筒状をなして円筒部２０の外周面全周に固着されている。
陰極部１２ｂは、円筒状をなして筒状絶縁部１０の中心軸線ＣＬの位置に同心状に配置されている。陰極部１２ｂの下部中心位置には、雄ねじ２４が突出して設けられている。
陰極部１２ｂの軸線方向の長さ寸法は、陽極部１１の軸線方向の長さ寸法とほぼ同じである。陰極部１２ｂは、たとえばアモルファスニッケルにより形成されていれば、これが水中に溶け出すことがないので好ましい。
【００２１】
多孔質部１３ｂの材質，内部構造は、前記多孔質部１３と同じである。多孔質部１３ｂは、筒状絶縁部１０の円筒部２０の外部側に円筒状に形成されるとともに、円筒部２０の内部側にも充填され、円筒部２０の下端部２３を覆って下方まで延びており、全体的に円筒状に形成されている。
多孔質部１３ｂは、有底中空円筒状の第１の多孔質ブロック１３ｂ１と、円筒状の第２の多孔質ブロック１３ｂ２とを組み合わせて構成されている。
第１の多孔質ブロック１３ｂ１は、筒状絶縁部１０の外周側に形成される円筒部１６と、円筒部１６と一体化して下部に形成される底部１７とを有し、有底中空部を形成している。底部１７の上面の中心位置には、雌ねじ２５が形成されている。
【００２２】
第２の多孔質ブロック１３ｂ２は、第１の多孔質ブロック１３ｂ１の有底中空部の内部側に配置されており、第２の多孔質ブロック１３ｂ２の外周面は、筒状絶縁部１０の円筒部２０の内周面に密着している。
第２の多孔質ブロック１３ｂ２の上面の中心位置には、絶縁性と防水性を有するボルト２６がねじ込み可能になっている。ボルト２６内にはケーブル６が通っており、ケーブル６の端部が、接点Ｐ１で陰極部１２ｂの電極棒に電気的に接続されている。
第２の多孔質ブロック１３ｂ２の下面の中心位置から、陰極部１２ｂの雄ねじ２４が突出している。底部１７の雌ねじ２５に雄ねじ２４を螺合させた状態で、第２の多孔質ブロック１３ｂ２の下面が、第１の多孔質ブロック１３ｂ１の底部１７の上面と密着している。
第２の多孔質ブロック１３ｂ２の外周面には、ケーブル６を通すための一つの溝１８が、中心軸線ＣＬと平行な方向（図５の縦方向）に形成されている。ケーブル６は、筒状絶縁部１０の内部で溝１８に沿って配線され、円筒部２０の下端部２３で筒状絶縁部１０の内周部側から外周部側に出て、接点Ｐ２で陽極部１１に電気的に接続されている。
【００２３】
このようにして、多孔質部１３ｂは陽極部１１と陰極部１２ｂを覆っている。したがって、多孔質部１３ｂは、陰極部１２ｂで発生した活性酸素が直接水中に溶け出すことを防止する機能と、ＳＳ（浮遊物質または懸濁物質）が直接電極部１１，１２ｂを覆って電気分解が抑制されてしまうのを防止する機能と、直接電極部１１，１２ｂに接触しておくことで、電極部１１，１２ｂの過熱を抑える機能とを発揮する。
筒状絶縁部１０，多孔質部１３ｂおよびチューブ２２は、保持部材２３（図２）により支持されている。
【００２４】
酸素発生部４ｂは、筒状絶縁部１０，陽極部１１，陰極部１２ｂおよび多孔質部１３ｂの全体が組み合わされた簡素な構成になっている。酸素発生部４ｂは、水中に吊り下げるかまたは水底に置くのが一般的である。酸素発生部４ｂが水中に沈められていると、多孔質部１３ｂ内の開気孔も水３で満たされている。
電気供給部６の電源５からケーブル６を介して酸素発生部４ｂに電気を供給すると、陽極部１１と陰極部１２ｂは、それぞれ＋（プラス）の電荷と−（マイナス）の電荷を帯びて、矢印Ａに示すように、陽極部１１から陰極部１２ｂに電流が流れる。
この酸素発生部４ｂでは、複数の多孔質ブロック１３ｂ１，１３ｂ２を組み合わせて多孔質部１３ｂを構成したので、酸素発生部４ｂの製造，組み立てが容易である。
【００２５】
次に、図１ないし図６を参照して本発明の原理について説明する。図６は、本発明における物質の移動を示す説明図である。
軟水，硬水にかかわらず、自然に放置された水３は、式（１）（または、式（１ａ））に示すように、二酸化炭素を溶け込ませて炭酸水素塩または炭酸塩を含んでいる。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  →  Ｈ＋＋ＨＣＯ３−  ………（１）
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ  →  ２Ｈ＋＋ＣＯ３２−  ………（１ａ）
硬水の場合には、さらにＣａ２＋，Ｍｇ２＋といったミネラルが溶存していることになる。なお、酸素発生部４，４ａ，４ｂを海水中に沈める場合に、海水中にはＣｌ−，Ｎａ２＋が溶存しているので自然の状態で電解水が形成されている。
【００２６】
酸素発生部４，４ａ，４ｂに電気を供給して、陽極部１１と陰極部１２（または、１２ｂ）が、それぞれ＋の電荷と−の電荷を帯び、陽極部１１から陰極部１２（または、１２ｂ）に電流が流れると（矢印Ａ）、陰極部１２（または、１２ｂ）における反応は式（２）〜（６）となる。
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２ＯＨ−    ………（２）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ２＋２ＯＨ−  ………（３）
Ｈ２Ｏ２＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−    ………（４）
２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２    ………（５）
Ｃａ２＋＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｃａ（ＯＨ）２＋Ｈ２    ………（６）
【００２７】
一方、陽極部１１における反応は式（７）〜（１０）となる。なお、式（９）の反応の代わりに式（９ａ）の反応が起こる場合もある。
２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−    ………（７）
４ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ−    ………（８）
２ＨＣＯ３−  →  ２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋ｅ−＋↑Ｈ２  ………（９）
ＣＯ３２−  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＋↑Ｈ２  ………（９ａ）
Ｈ２Ｏ＋Ｃｌ−  →  ＨＯＣｌ＋Ｈ＋＋２ｅ−    ………（１０）
【００２８】
池２（または、水槽など）のサイズが比較的小さく、水面の面積が小さい場合には、水３に対する酸素や二酸化炭素の溶け込み量が少ないので、式（２），（７），（８）が主な反応になる。
溶存酸素中で電圧レベルが高いときは、式（３）の反応が起きて活性酸素（この場合には、過酸化水素Ｈ２Ｏ２）が発生する。ところが、多孔質部１３（または、１３ｂ）が陽極部１１と陰極部１２（または、１２ｂ）を覆っているので、電極（陽極部と陰極部）付近で水流が起こり難い。したがって、式（３）の反応が起きると直ちに式（４）の反応が連鎖して起きるので、水中の好気性微生物が活性酸素により死滅することはない。
【００２９】
また、水３に二酸化炭素が溶存しているので、式（５），式（９）（または、式（９ａ））の反応を伴う。さらに、水３にミネラルが溶存している場合、ミネラルとしてカルシウムを例にとると、式（６）の反応が起きる。その結果、陰極部１２（または、１２ｂ）付近はアルカリ化するが、これは自然に存在する硬水の程度であり、滅菌作用を発揮するほどアルカリ性になることはない。
水３が海水の場合には、式（１０）の反応も起こり殺菌力のある酸性になるが、多孔質部１３（または、１３ｂ）が陽極部１１と陰極部１２（または、１２ｂ）を覆っているので、塩素イオンは、直接電極部１１，１２（または、１２ｂ）に触れ難い。
【００３０】
陽極部１１で発生した酸素は、多孔質部１３（または、１３ｂ）を通り、微細な気泡となって水中に供給される。実際上は、多孔質部１３（または、１３ｂ）から出る酸素の気泡は極めて微細なので、ほとんど気泡の形になることなく直ちに水に溶け込む。したがって、池２（または、ビオトープなど）の水深が浅い場合でも、酸素を水中に容易に溶け込ませることができる。
こうして、酸素発生部４，４ａ，４ｂの周囲では、酸素の供給と、電極部の加熱による水温上昇とがあるので、好気性微生物が活発に活動して水質の浄化を行う。
好気性微生物は負の電荷を帯びていることが多いが、電極部１１，１２（または、１２ｂ）が多孔質部１３（または、１３ｂ）で覆われているので、好気性微生物は、陽極部１１の方向に吸引されてもこの陽極部１１に直接触れることはなく死滅する恐れはない。
陽極部１１と陰極部１２（または、１２ｂ）は円筒状をなして表面積が大きいので、イオンが容易に移動して電気分解が効果的に行われる。
酸素発生部４，４ａ，４ｂから酸素が供給され気泡が上昇するので、水中に自然に水流が起こり、池２の広い範囲に酸素を供給することができる。
なお、陰極部１２（または、１２ｂ）で発生する水素は、多孔質部１３（または、１３ｂ），筒状絶縁部１０の内部，チューブ２２の順に通って外部に排出される（矢印Ｂ）。
【００３１】
図６に示すように、酸素発生部４，４ａ，４ｂで発生した酸素は、水生の動物（魚，貝など）や好気性微生物に消費され（矢印ａ）、微細な細菌にも消費される（矢印ｂ）。動物や好気性微生物は細菌も餌としている（矢印ｃ）。こうして、動物や好気性微生物が増えるので自然な浄化作用が促進され、水中の生態系が改善される。
植物は二酸化炭素を消費し（矢印ｄ）、やがて枯れ（矢印ｅ１）、好気性微生物や動物もやがて死滅する（矢印ｅ２）。この枯れた植物や動物の死骸は、蛋白質やアミノ酸として動物や好気性微生物の餌となる（矢印ｆ，ｇ）。
【００３２】
水生植物や植物プランクトンが少ない状態で、蛋白質やアミノ酸を食物とし酸素を消費する動物や好気性微生物が多すぎると、アンモニアが発生するので（矢印ｈ）、アンモニアの除去が必要になる。
アンモニアは、水中でＮＨ４＋イオンの状態で溶存している。このアンモニアを酸化して亜硝酸や硝酸に分解するのが、亜硝酸菌（たとえば、ニトロソモナス，ニトロソコッカス），硝酸細菌（たとえば、ニトロバクター）などの細菌である（矢印ｉ，ｊ，ｋ）。
【００３３】
亜硝酸菌によるアンモニアの酸化は式（１１）により行われる。
ＮＨ４＋＋３／２Ｏ２  →  ＮＯ２−＋２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ  ………（１１）
硝酸細菌による亜硝酸の酸化は式（１２）の通りである。
２ＮＯ２−＋Ｏ２  →  ２ＮＯ３−    ………（１２）
【００３４】
亜硝酸塩，硝酸塩の一部は脱窒素細菌（たとえば、シュードモナス）などの細菌により、式（１３）のように窒素ガスに還元される（矢印ｌ）。
２ＮＯ３−＋５Ｈ２  →  Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−    ………（１３）
亜硝酸塩，硝酸塩の残部は、陽極部１１に引き寄せられて、式（１４）の反応により酸素ガスと窒素ガスになる。なお、アンモニアの一部は水生植物により消費される（矢印ｍ）。
２ＮＯ３−  →  Ｎ２＋３Ｏ２＋２ｅ−    ………（１４）
このように、酸素発生部４，４ａ，４ｂで発生した溶存酸素の存在の下に、さまざまな好気性微生物，動物，細菌が関与し、有機性物質，アンモニア性窒素，臭気，鉄などを酸化分解して除去することができる。
【００３５】
図４に示す酸素発生部４ａでは、周囲の粗粒子部３０の内部（空隙部３２）に好気性微生物が棲みついているので、溶存酸素の存在により、好気性微生物の活動がさらに活性化して水質浄化が進む。
たとえば、本発明の水質浄化装置１を新設の池（または、人的に汚染された池）２などに設置する際、水中に好気性微生物が自然に発生するまでには時間がかかる。ところが、図４に示すように、生体膜としての機能を発揮する粗粒子部３０を設けてそこにあらかじめ微生物を棲まわせておけば、短期間のうちに水質の浄化が進行する。
なお、酸素発生部４ａ（図４）と酸素発生部４ｂ（図５）は、図３に示す酸素発生部４と同じ作用効果も奏する。
【００３６】
図７は、第３の変形例にかかる酸素発生部４ｃを示す片側断面図で、図３相当図である。
図１，図２，図７に示すように、水質浄化装置１は、複数（または、一つ）の酸素発生部４ｃと電気供給部６とを有している。酸素発生部４ｃは、水中の生態系による自然な浄化作用を補助するために、水を電気分解して酸素を発生するように水中に沈められる。
酸素発生部４ｃは、所定形状を有し上部に複数の貫通孔４０が穿設された筒状絶縁部１０ｃと、筒状絶縁部１０ｃの内周面に取付けられて電気供給部６に電気的に接続された中空筒状の陰極部１２ｃと、筒状絶縁部１０ｃの内方に配置されて電気供給部６に電気的に接続された陽極部１１ｃと、陰極部１２ｃと陽極部１１ｃとの間に配置された中空筒状のイオン交換膜部４１と、イオン交換膜部４１の外周面と陰極部１２ｃとを覆って筒状絶縁部１０ｃに取付けられた絶縁性の多孔質部１３ｃとを備えている。
これにより、酸素発生部４ｃは、図３〜図５に示す酸素発生部４，４ａ，４ｂの作用効果に加え、イオン交換膜部４１で重金属（たとえば、クロム化合物，水銀）を除去している。
【００３７】
筒状絶縁部１０ｃは、下部が底なしで上部にボトルネック１４が形成され、絞り部２１に貫通孔４０が穿設されたボトル形状を有している。陰極部１２ｃは、筒状絶縁部１０ｃの内周面の周方向全周に取付けられている。陽極部１１ｃは、円筒状をなしてイオン交換膜部４１の中心軸線ＣＬの位置に同心状に配置されている。
陽極部１１ｃは、筒状絶縁部１０ｃの内方で且つイオン交換膜部４１の内方に配置されている。陽極部１１ｃとイオン交換膜部４１との間は、水が満たされた空間Ｓになっている。
【００３８】
多孔質部１３ｃは、絶縁性の複数（ここでは、三つ）の多孔質ブロック１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｃ３を組み合わせて構成されている。
多孔質部１３ｃの材質，内部組織の構造は前記多孔質部１３と同じである。多孔質部１３ｃは、筒状絶縁部１０ｃの円筒部２０の内部側に形成され、全体的に円筒状に形成されている。
多孔質部１３ｃは、中空円筒状の第１の多孔質ブロック１３ｃ１と、小径で円筒状の第２の多孔質ブロック１３ｃ２と、小径で円筒状の第３の多孔質ブロック１３ｃ３とを有し、これらを組み合わせて構成されている。
【００３９】
第１の多孔質ブロック１３ｃ１は、筒状絶縁部１０ｃの円筒部２０とイオン交換膜部４１との間に形成されている。すなわち、第１の多孔質ブロック１３ｃ１の外周面には陰極部１２ｃが設けられ、内周面には、円筒状のイオン交換膜部４１が設けられている。
イオン交換膜部４１の下方と上方における第１の多孔質ブロック１３ｃ１の内周面には、下部雌ねじ４５，上部雌ねじ４６がそれぞれ形成されている。第２の多孔質ブロック１３ｃ２は、下部雌ねじ４５に螺合可能な雄ねじ４７とヘッド部５０からなるボルトとしての機能を有している。第３の多孔質ブロック１３ｃ３も、上部雌ねじ４６に螺合可能な雄ねじ４８とヘッド部５１からなるボルトとしての機能を有している。
【００４０】
陽極部１１ｃが、前記酸素発生部４，４ａ，４ｂにおける陰極部１２，１２ｂと同じ（または、類似の）形状であり、陰極部１２ｃが、前記陽極部１１と同じ（または、類似の）形状である。
筒状絶縁部１０ｃ，陽極部１１ｃ，陰極部１２ｃ，多孔質部１３ｃの各材質は、上述の筒状絶縁部１０，陽極部１１，陰極部１２（または、１２ｂ），多孔質部１３（または、１３ｂ）とそれぞれ同じ（または、類似）である。
陽極部１１ｃと陰極部１２ｃは、それぞれケーブル６に電気的に接続されている。ケーブル６は、チューブ２２内を通り、筒状絶縁部１０ｃの内部を通って陽極部１１ｃと陰極部１２ｃにそれぞれ電気的に接続されている。
第３の多孔質ブロック１３ｃ３内にはケーブル６が通っており、ケーブル６の端部が、接点Ｐ１で陽極部１１ｃの電極棒に電気的に接続されている。
第１の多孔質ブロック１３ｃ１の外周面には、ケーブル６を通すための一つの溝５２が、中心軸線ＣＬと平行な方向（図７の縦方向）に形成されている。ケーブル６は、筒状絶縁部１０ｃの内部で溝５２に沿って配線され、接点Ｐ２で陰極部１２ｃに電気的に接続されている。
【００４１】
陽極部１１ｃでは前記陽極部１１と同じ反応が起こり、陰極部１２ｃでは前記陰極部１２（または、１２ｂ）と同じ反応が起こる。
陽極部１１ｃで発生した酸素は、空間Ｓから多孔質部１３ｃを通って、絞り部２１の内部空間を流れ、貫通孔４０を通過して酸素発生部４ｃの外部に気泡となって流出する。
【００４２】
水中に溶解している重金属４４は、陽極部１１ｃに対して反発するので、イオン交換膜部４１の内周面に次第に皮膜状に付着していく。イオン交換膜部４１に重金属４４の皮膜が付着すると、陽極部１１ｃのまわりの電解質濃度も高くなるので、抵抗値が下がる。
この抵抗値が一定値以下（すなわち、低電圧で一定以上の電流値）になったら酸素発生部４ｃを水中から引き上げて、メンテナンスを行うことになる。このように、電極１１ｃ，１２ｃ間の抵抗値を観察することで、イオン交換膜部４１に付着した重金属４４の量（または、濃度）を知ることができる。
メンテナンス時には、第２の多孔質ブロック１３ｃ２を取り外すことにより、イオン交換膜部４１の内周面に付着した重金属４４を取り除くことができる。この場合、イオン交換膜部４１自体を交換できるようにしてもよい。
この酸素発生部４ｃでは、複数の多孔質ブロック１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｃ３を組み合わせて多孔質部１３ｃを構成したので、酸素発生部４ｃの製造，組み立て，メンテナンスが容易である。
【００４３】
酸素発生部４ｃは、前記酸素発生部４，４ａ，４ｂと同じ作用効果を奏するとともに、重金属４４を除去することができる。水中に重金属があると微生物が育ちにくいが、酸素発生部４ｃで重金属４４を除去することにより、微生物を増やすことができる。
また、池や海の底などに汚泥やヘドロが溜まって重金属の濃度が高くなったような場合に、この酸素発生部４ｃを、汚泥やヘドロの内部に埋め込んで重金属を除去することもできる。
陽極部１１ｃは、多孔質部で覆われていないが多孔質部１３ｃで囲まれた空間Ｓ内にあるので、微生物が負の電荷を帯びていても、陽極部１１ｃに直接触れて死滅する恐れは少ない。
【００４４】
第１〜第３の変形例を含む本実施形態で説明したように、本発明によれば、酸素発生部４，４ａ〜４ｃで酸素が供給されるので、好気性微生物が育ちやすい環境を容易に形成することができる。
電源５が太陽光発電や風力発電で電圧が一定でない場合には、電源５を大型化してもよいが、その構成部材を安価にするために、複数の電源を並列に設置し、酸素発生部４，４ａ〜４ｃが過熱しない程度に抵抗値を上げるのが好ましい。
これは、酸素発生部４，４ａ〜４ｃが過熱すると、多孔質部１３，１３ｂ，１３ｃで棲息する微生物が死滅するばかりか、生態系にとって有害な活性酸素などの物質が発生する恐れがあるからである。
【００４５】
水３が海水の場合、海水は抵抗値が低く電気分解が起こりやすい。したがって、水３が淡水の場合よりも、多孔質部１３，１３ｂ，１３ｃの厚みを厚くし、且つ酸素発生部４，４ａ〜４ｃの電極部に印加される電圧が一定レベルを超えないようにするのが好ましい。
本発明によれば、長期間の利用を前提にしたランニングコストを低減することができ、また、騒音を発生せず自然環境に良好である。
【００４６】
自然エネルギーで得た電力を効果的に活用し、従来水質浄化に必要であった施設や電力を削減することができる。また、自然の象徴である水を、自然の力を利用して浄化するというクリーンなイメージが形成される。
特に、太陽光発電を利用した場合には、昼間太陽が出ているときは水温が上昇するので、微生物が活発に動いて溶存酸素が不足気味になる。このとき、太陽光発電の発電量は多いので、酸素発生部４，４ａ〜４ｃから電気分解で十分な酸素が供給される。一方、夜間は水温が低下して微生物はそれほど活動しないので、太陽光発電が停止して酸素が供給されない場合でもそれほど悪影響はない。
このように、太陽光発電の場合には、その発電量と必要溶存酸素の量の経時変化が所定の相関関係にあるので好ましい。
【００４７】
都市開発を行う場合、公園に池やビオトープなどを造成することが多いが、これをそのまま放置しておくと良好な水の生態系は形成され難い。そこで、本発明の水質浄化装置１を設置すれば、良好な水の生態系が容易に形成されて水質を浄化することができる。
簡素な構成の酸素発生部４，４ａ〜４ｃは、電気供給部６で供給される電気の電流，電圧の大小にかかわらず正常に動作し、また直流をそのまま使用することができる。したがって、電流，電圧のコントロールは不要で、コンバータも不要である。
池２などの規模に対応させて酸素発生部４，４ａ〜４ｃの設置数を決めればよいので、池２などの規模に容易に対応することができる。また、池２などが既設のものであっても、後から水質浄化装置１を容易に増設することができる。
本発明では、酸素と同時に発生する水素を集めれば、この水素を燃料電池の燃料として使用することも可能である。
【００４８】
以上、本発明の実施形態（各変形例を含む）を説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲で種々の変形，付加などが可能である。
なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、水中の好気性微生物が電極や有害物質などで死滅するのを防止し、簡素な構成で好気性微生物を増やして自然な浄化作用を補助し水中の生態系を容易に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ないし図７は本発明の実施形態の一例を示す図で、図１は、水質浄化装置を池に設置した適用例を示す説明図である。
【図２】酸素発生部の外観図である。
【図３】前記酸素発生部を示す片側断面図である。
【図４】第１の変形例にかかる酸素発生部を示す片側断面図で、図３相当図である。
【図５】第２の変形例にかかる酸素発生部を示す片側断面図で、図３相当図である。
【図６】本発明における物質の移動を示す説明図である。
【図７】第３の変形例にかかる酸素発生部を示す片側断面図で、図３相当図である。
【符号の説明】
１      水質浄化装置
３      水
４      酸素発生部
４ａ〜４ｃ            酸素発生部
５      電源
６      電気供給部
１０，１０ｃ          筒状絶縁部
１１，１１ｃ          陽極部
１２，１２ｂ，１２ｃ    陰極部
１３，１３ｂ，１３ｃ    多孔質部
１３ｂ１，１３ｂ２        多孔質ブロック
１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｃ３  多孔質ブロック
１４    ボトルネック
２１    絞り部
３０    粗粒子部
４０    貫通孔
４１    イオン交換膜部
ＣＬ    中心軸線
【図１】
2004283682.tif 000003
【図２】
2004283682.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004283682.tif 000007
【図６】
2004283682.tif 000008
【図７】
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