(57)【要約】【課題】人工の池などの半閉鎖的な淡水系で、底部にヘドロ様の汚泥層形成し、水の混濁化を起こす水質悪化の改善、あるいは防止に有効な水質環境改善または維持システムを提供する。【解決手段】水質悪化の起因となる、淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、水質の低下を防止する際、該淡水系の底部に据え置き可能な蓄水槽において、槽内底部の濾材層中に、酸素を水中に溶解、供給しつつ、好気環境下とし、硝化細菌群を含む好気性微生物複数種の生育層を形成し、水循環を行って、好気性微生物と接触させることによって、対象となる水溶性栄養物質を選択的に酵素酸化することで、水質環境改善または維持を行うシステムである。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
淡水系の水質環境を改善または維持する方法であって、
前記淡水系は、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系であって、
該淡水系内において、人為的影響に起因する富栄養化、ならびに、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下に対して、該水質環境低下の起因となる、前記淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、該水質環境低下を防止する工程を有し、
前記水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物への変換は、
該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、
該半閉鎖的な淡水系内の底部に据え置き可能であり、該淡水系内に滞留する総水量と比較して、有意に小さな内のり容量を有し、少なくともその底部ならびに側壁部に隔壁構造を設ける蓄水槽であり、少なくとも、該蓄水槽の上部において、該淡水系内に滞留する水と、該蓄水槽内の水との間で自由流通が可能な状態とされている蓄水槽を該淡水系内の底部に設置、または底部近傍に設置し、
設置された該蓄水槽の内部において、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該好気環境下において、該好気性微生物を該淡水系内に滞留する水と接触させ、前記酵素酸化反応を行わせることで行うことを特徴とする淡水系の水質環境改善または維持方法。
【請求項２】
前記好気性微生物と淡水系内に滞留する水との接触は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、
該蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該底部を経由する水の流通を介して行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化する際、微生物を固定化する基材として、濾材を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触は、
蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、
多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器の、該中空部に好気性微生物を保持、収納した状態で、
蓄水槽内において、該収納容器の中空部を経由する水の流通を介して行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記収納容器の中空部に好気性微生物を保持、収納する際、
濾材を、該好気性微生物とともに、収納し、
前記濾材の間隙に、該好気性微生物を分散させる状態で保持することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に空気または酸素を供給し、多孔質中空パイプ状の内隔壁と外側隔壁のそれぞれにおいて気泡化して、水に接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、また、濾材を収納し、
前記好気性微生物と水槽内に貯えられる水との接触は、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を介して行うことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に濾材を収納し、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触は、
水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を介して行うことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給する操作は、水槽の底部でなされ、
その際、前記気泡化された空気または酸素の気泡は、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触を図る水の流通を介して、該好気性微生物の存在域を通過させることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
その生育に際して、該酵素酸化反応により生成される、前記水溶性の無機化合物を栄養素として利用可能な水草を、蓄水槽内に貯えられる水中に配置して、
該水草に該無機化合物の吸収を行わせることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
淡水系の水質環境を改善または維持するシステムであって、
前記淡水系は、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系であって、
該淡水系内において、人為的影響に起因する富栄養化、ならびに、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下に対して、該水質環境低下の起因となる、前記淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、該水質環境低下を防止する機能を具えるシステムであり、
前記水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物への変換は、
該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、
該好気性微生物を、好気環境下において、該水溶性栄養物質を溶解する水と接触させ、前記酵素酸化反応を行わせることで行う形態を採用し、
該システムは、
該半閉鎖的な淡水系内の底部に据え置き、あるいは底部近傍に配置可能であり、該淡水系内に滞留する総水量と比較して、有意に小さな内のり容量を有し、少なくともその底部ならびに側壁部に隔壁構造を設ける蓄水槽であり、少なくとも、該蓄水槽の上部において、該淡水系内に滞留する水と、該蓄水槽内の水との間で自由流通が可能な状態とされている上開口部を有する蓄水槽と、
該蓄水槽内に、酸素を水中に溶解、供給する手段と、
水に溶解されている、該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、酸素を水中に供給して形成される好気環境下において、該好気性微生物を該蓄水槽内に貯えられる水と接触させる手段とを具え、
該好気性微生物の生産する前記酵素タンパク質に、酵素酸化反応を行わせる機構を構成していることを特徴とする淡水系内の水質環境改善または維持システム。
【請求項１１】
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触させる手段は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給することで、該蓄水槽内の底部を好気環境に維持する手段と、
該蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該底部を経由する水の流通を介して、該固定化される好気性微生物と水との接触を継続させる手段とで構成されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化する際、
微生物を固定化する基材として、濾材を使用することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触させる手段は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給することで、該蓄水槽内の底部を好気環境に維持する手段と、
該蓄水槽内の底部に、多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器の、該中空部に好気性微生物を保持、収納した状態で、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該収納容器の中空部を経由する水の流通を介して、該固定化される好気性微生物と水との接触を継続させる手段とで構成されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
該収納容器の中空部に好気性微生物を保持、収納する際、
濾材を、該好気性微生物とともに、収納し、
前記濾材の間隙に、該好気性微生物を分散させる状態で保持することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に空気または酸素を供給し、多孔質中空パイプ状の内隔壁と外側隔壁のそれぞれにおいて気泡化して、水に接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、また、濾材を収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触のため、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を行う手段を設けることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に濾材を収納し、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触のため、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を行う手段を設けることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給する操作は、該蓄水槽の底部でなされ、
その際、前記気泡化された空気または酸素の気泡は、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触を図る水の流通を介して、該好気性微生物の存在域を通過させることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
その生育に際して、該酵素酸化反応により生成される、前記水溶性の無機化合物を栄養素として利用可能な水草を、蓄水槽内に貯えられる水中に配置して、
該水草に該無機化合物の吸収を行わせることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、淡水系の水質環境を改善または維持する方法ならびに、該水質環境改善または維持方法に基づく、淡水系の水質環境の改善または維持システムに関し、より具体的には、淡水系において、人為的影響に起因する富栄養化、ならびに、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下に対して、酵素的酸化反応を利用して、かかる水質環境低下の起因となる、淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、該水質環境低下を防止する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人為的に形成された淡水系湖沼は、通常、深度は大きくなく、大気開放水面を有するものの、かかる淡水系湖沼水系に滞留する総水量に対して、外部の流水系から流入し、また、外部の流水系へと流出する水量が少なく、半閉鎖的な水系を構成することが多い。例えば、農業用水用の溜池などでは、降水量の多い時期に流入する雨水を蓄積し、その後、蓄積する淡水を徐々に放出するものの、実質的には、半閉鎖的な水系を構成している。そのため、人為的な影響を受けなくとも、周囲から流入する栄養物質を蓄積して、次第に富栄養化を起こし、藻類などの植物プランクトンの繁殖により、水を濁らせ、さらには、多量に生産された有機物の分解に伴い溶存酸素の消費がなされると、底部にヘドロ様の汚泥層の堆積形成など、水質の悪化が生じることも少なくない。一方、天然の淡水系湖沼では、深度が３ｍより浅いの水際には、大形水生植物の繁殖相が形成され、かかる浅い植物繁殖領域の根部に周囲から流入する栄養物の蓄積とその消費がバランスされ、同時に、溶存酸素の低減も抑制する機能を果すため、急激な富栄養化は回避されている。周囲から流入する栄養物質、例えば、窒素は、藻類などの植物プランクトンの繁殖に利用され、タンパク質、核酸などの種々の有機窒素化合物として固定される。その後、植物プランクトンの死骸は、底部に沈降して、微生物による分解を受け、前記有機窒素化合物中の窒素は、水溶性を示すアミドやアンモニアに変換される。また、底部に存在する、種々の腐敗菌は、アミド、尿素、尿酸などの水溶性含窒素化合物から、アンモニアへと変換する。さらに、大形水生植物の繁殖相では、このアンモニアが、水生植物の生育に利用されることで、流入する栄養物の蓄積とその消費がバランスされる結果、淡水系湖沼全体としての、水質の維持が図られている。
【０００３】
一方、深度が浅く、水面面積もさほど広くない、半閉鎖的な水系を構成している沼や池などの周囲で、人間活動の急激な増大に伴い、生活廃水、農業廃水などから多量のリン・窒素などの栄養物質の流入が進むと、該人為的な要因によって急激な富栄養化が引き起こされる。この強富栄養化が誘因となって、日照の強い夏季には、表層では、植物プランクトンの繁殖に伴う、さかんな光合成のため、全体のアルカリ度が増す。一方、多量に生産される有機物の分解に伴い、溶存酸素の消費も増し、底層では、酸素の欠乏が生じ、底部には、低酸素環境下で生存可能な嫌気性細菌の繁茂層の形成、さらには、ヘドロ様の汚泥層形成を伴う、水質環境の悪化が進行する。
【０００４】
例えば、公園や緑地などに設ける人工的な池なども、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系であって、その周囲から、例えば、公園や緑地など木や花に供給されている肥料、あるいは、落ち葉等により生成する腐葉土層より、雨水に溶出して、多量のリン・窒素などの栄養物質の流入が進むと、人為的な起因を持つ、急激な富栄養化が引き起こされる。この人工的な池などは、天然の淡水系湖沼における水質保全機構を形成している、水際の大形水生植物繁殖相を有しておらず、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下が生じることが少なくない。
【０００５】
また、都市化が進み、道路舗装などによって、雨水の地表面下に吸収、蓄積ができない地域では、かかる都市空間の雨水を、舗装道路の側溝により集め、雨水集合水路を経由して、河川へと放出する専用水路を設けている。この雨水専用水路は、その底部と側壁部は、コンクリート構造物となっており、さらに、河川への放水量の調節を図る目的で、一時貯水が可能な調整池を付設する場合も多い。晴天時にも、かかる雨水専用水路や調整池は、一定の水量が残留しており、流れのほとんどない半閉鎖的な水系となっている。この雨水専用排水路に滞留する淡水系においても、残余する雨水とともに、周辺からリン・窒素などの栄養物質の流入が進み、人為的な起因を持つ、富栄養化が引き起こされ、それに付随して、流れの停滞する水路部では、ヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下が生じることが少なくない。
【０００６】
あるいは、下水道網の完備していない住宅地では、個々の家庭で生じた生活廃水は、一応の浄化処理を施したのち、生活廃水専用水路へと排出されている。通常、その底部と側壁部は、コンクリート構造物となっており、この生活廃水専用水路にも、部分的には一定の水量が残留しており、流れのほとんどない半閉鎖的な水系を構成している領域が存在する。一応の浄化処理を施しているものの、排出される生活廃水は、水溶性、あるいは、微細な粒子状の残渣が混入し、例えば、リン・窒素などの栄養物質も含まれることが多い。それに付随して、流れの停滞する水路部では、その底層には、ヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下が生じることが少なくない。すなわち、その底に沈降する有機物の分解に伴い、溶存酸素の消費も増し、底層では、酸素の欠乏が生じ、低酸素環境下で生存可能な嫌気性細菌の繁茂層の形成、さらには、ヘドロ様の汚泥層形成を伴う、水質環境の悪化が進行する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述する公園や緑地などに設ける人工的な池など、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系において、人為的な起因を持つ富栄養化、さらには、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境の悪化が生じている場合には、美観を損ねるのは勿論であるが、底層に一旦形成された低酸素環境下では、嫌気性細菌の繁茂層が継続的に形成され、ヘドロ様の汚泥層のさらなる拡大が進む。この嫌気性細菌による嫌気的代謝、すなわち、腐敗的発酵に伴い、悪臭の要因となる含イオウ化合物の生成も進行する。
【０００８】
前記するヘドロ様の汚泥層形成に達した場合には、これまでは、水質を再び改善して、汚濁にない清浄な水環境に復するためには、一旦、ヘドロ様の汚泥層を機械的に除去し、全体的に半閉鎖的な淡水系内に滞留する水を入れ替えるしかなかった。但し、かかる水質環境の悪化を誘起する、人為的な富栄養化の原因を排除しない限り、再び、水質環境の悪化が生じることは勿論である。従って、水質環境の悪化を誘起する、人為的な富栄養化の原因を本来的に有する際にも、上述するような強富栄養化と、それに付随するヘドロ様の汚泥層形成を回避できる、半閉鎖的な淡水系の水質環境を改善または維持する方法の開発が望まれている。
【０００９】
本発明は前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、水質環境の悪化を誘起する懸念のある、人為的な富栄養化の原因を本来的に有している、人工的な池など、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な淡水系において、酵素的酸化反応を利用して、かかる水質環境低下の起因となる、淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を継続的に除去でき、該水質環境の悪化に進行を防止することが可能な方法、ならびに、該水質環境の改善または維持方法の実施に適合する、淡水系の水質環境の改善または維持システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく、先ず、人工的な池など、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な淡水系において、強富栄養化と、それに付随するヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化の一連の過程を詳細に研究、検討したところ、強富栄養化に伴い、底層に溶存酸素の低減した低酸素環境が形成され、その低酸素環境の拡大が、ヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化を律速する過程であることを見出した。すなわち、周辺から流入するリン・窒素などの栄養物質によって、例えば、藻類などの植物プランクトンが繁殖し、それにより生産される有機物の微生物的な分解、例えば、嫌気性細菌による嫌気的代謝によるアンモニアの蓄積段階に達すると、藻類などの植物プランクトンの繁殖が加速度的に進行し、底層における、溶存酸素の低減した低酸素環境の拡大も加速度的に進行することを見出した。さらに、本発明者らは、研究を進めたところ、かかる過程に伴い、通性嫌気性細菌の繁茂層が底層に拡大し、通性嫌気性細菌が底層部における溶存酸素を消費する結果、低酸素環境の拡大が進むため、ヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化を促進させることも見出した。その際、半閉鎖的な淡水系の水を攪拌し、溶存酸素を供給すると、一旦、水質の改善は見られるものの、底層部において、好気性細菌の存在率が極端に低下してしまっており、天然の淡水系湖沼における、水際の大形水生植物繁殖相のように、好気性細菌と嫌気性細菌との共存する底層の有する、バランスを保った水浄化環境を達成できないことが判明した。これらの知見に基づき、本発明者らは更なる検討を進め、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な淡水系においても、天然の淡水系湖沼における、水際の大形水生植物繁殖相のように、好気性細菌と嫌気性細菌との共存する底層を部分的に維持できれば、全体として、強富栄養化と、それに付随するヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化を回避できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の淡水系の水質環境改善または維持方法は、淡水系の水質環境を改善または維持する方法であって、
前記淡水系は、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系であって、
該淡水系内において、人為的影響に起因する富栄養化、ならびに、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下に対して、該水質環境低下の起因となる、前記淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、該水質環境低下を防止する工程を有し、
前記水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物への変換は、
該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、
該半閉鎖的な淡水系内の底部に据え置き、あるいは底部近傍に設置可能であり、該淡水系内に滞留する総水量と比較して、有意に小さな内のり容量を有し、少なくともその底部ならびに側壁部に隔壁構造を設ける蓄水槽であり、少なくとも、該蓄水槽の上部において、該淡水系内に滞留する水と、該蓄水槽内の水との間で自由流通が可能な状態とされている蓄水槽を該淡水系内の底部に設置し、
設置された該蓄水槽の内部において、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該好気環境下において、該好気性微生物を該淡水系内に滞留する水と接触させ、前記酵素酸化反応を行わせることで行うことを特徴とする淡水系の水質環境改善または維持方法である。
【００１２】
その際、前記好気性微生物と淡水系内に滞留する水との接触は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、
該蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該底部を経由する水の流通を介して行うことが好ましい。例えば、前記蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化する際、微生物を固定化する基材として、濾材を使用することが望ましい。
【００１３】
また、前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触は、
蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、
多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器の、該中空部に好気性微生物を保持、収納した状態で、
蓄水槽内において、該収納容器の中空部を経由する水の流通を介して行うことも可能である。かかる収納容器の中空部に好気性微生物を保持、収納する際、
濾材を、該好気性微生物とともに、収納し、
前記濾材の間隙に、該好気性微生物を分散させる状態で保持することが望ましい。また、前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に空気または酸素を供給し、多孔質中空パイプ状の内隔壁と外側隔壁のそれぞれにおいて気泡化して、水に接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、また、濾材を収納し、
前記好気性微生物と水槽内に貯えられる水との接触は、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を介して行うこともできる。さらには、前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に濾材を収納し、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触は、
水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を介して行うこともできる。
【００１４】
本発明では、蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給する操作は、蓄水槽の底部でなされ、
その際、前記気泡化された空気または酸素の気泡は、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触を図る水の流通を介して、該好気性微生物の存在域を通過させることは好ましい。
【００１５】
加えて、その生育に際して、該酵素酸化反応により生成される、前記水溶性の無機化合物を栄養素として利用可能な水草を、蓄水槽内に貯えられる水中に配置して、
該水草に該無機化合物の吸収を行わせることもできる。
【００１６】
さらには、本発明は、上述の本発明にかかる淡水系の水質環境改善または維持方法に適合する、淡水系内の水質環境改善または維持システムの発明をも提供し、
すなわち、本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システムは、淡水系の水質環境を改善または維持するシステムであって、
前記淡水系は、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な水系であって、
該淡水系内において、人為的影響に起因する富栄養化、ならびに、該富栄養化に付随するヘドロ様の汚泥層形成あるいは水中の浮遊混濁を誘起する水質環境低下に対して、該水質環境低下の起因となる、前記淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換して、該水質環境低下を防止する機能を具えるシステムであり、
前記水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物への変換は、
該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、
該好気性微生物を、好気環境下において、該水溶性栄養物質を溶解する水と接触させ、前記酵素酸化反応を行わせることで行う形態を採用し、
該システムは、
該半閉鎖的な淡水系内の底部に据え置き、あるいは底部近傍に配置可能であり、該淡水系内に滞留する総水量と比較して、有意に小さな内のり容量を有し、少なくともその底部ならびに側壁部に隔壁構造を設ける蓄水槽であり、少なくとも、該蓄水槽の上部において、該淡水系内に滞留する水と、該蓄水槽内の水との間で自由流通が可能な状態とされている上開口部を有する蓄水槽と、
該蓄水槽内に、酸素を水中に溶解、供給する手段と、
水に溶解されている、該水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を利用し、酸素を水中に供給して形成される好気環境下において、該好気性微生物を該蓄水槽内に貯えられる水と接触させる手段とを具え、
該好気性微生物の生産する前記酵素タンパク質に、酵素酸化反応を行わせる機構を構成していることを特徴とする淡水系内の水質環境改善または維持システムである。
【００１７】
本発明のシステムでは、前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触させる手段は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給することで、該蓄水槽内の底部を好気環境に維持する手段と、
該蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該底部を経由する水の流通を介して、該固定化される好気性微生物と水との接触を継続させる手段とで構成されることが好ましい。前記蓄水槽内の底部に、前記好気性微生物を固定化する際、
微生物を固定化する基材として、濾材を使用することが望ましい。
【００１８】
さらには、前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触させる手段は、
前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給することで、該蓄水槽内の底部を好気環境に維持する手段と、
該蓄水槽内の底部に、多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器の、該中空部に好気性微生物を保持、収納した状態で、前記好気性微生物を固定化した上で、
蓄水槽内において、該収納容器の中空部を経由する水の流通を介して、該固定化される好気性微生物と水との接触を継続させる手段とで構成されることも好ましい。該収納容器の中空部に好気性微生物を保持、収納する際、
濾材を、該好気性微生物とともに、収納し、
前記濾材の間隙に、該好気性微生物を分散させる状態で保持することもできる。
【００１９】
また、前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に空気または酸素を供給し、多孔質中空パイプ状の内隔壁と外側隔壁のそれぞれにおいて気泡化して、水に接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給しつつ、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、また、濾材を収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触のため、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を行う手段を設けることも可能である。
【００２０】
あるいは、前記多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器は、
その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造とし、
前記二重中空構造の中心中空部に濾材を収納し、かつ内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に好気性微生物を保持、収納し、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触のため、
蓄水槽内において、該収納容器の中心中空部および外部中空部を経由する水の流通を行う手段を設けることも可能である。
【００２１】
一方、本発明のシステムでは、前記蓄水槽内に貯えられる水に対して、空気または酸素を気泡化して、接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給する操作は、該蓄水槽の底部でなされ、
その際、前記気泡化された空気または酸素の気泡は、
前記好気性微生物と蓄水槽内に貯えられる水との接触を図る水の流通を介して、該好気性微生物の存在域を通過させることが望ましい。
【００２２】
加えて、本発明のシステムでは、その生育に際して、該酵素酸化反応により生成される、前記水溶性の無機化合物を栄養素として利用可能な水草を、蓄水槽内に貯えられる水中に配置して、
該水草に該無機化合物の吸収を行わせることも可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をより詳しく説明する。
【００２４】
本発明にかかる淡水系の水質環境改善または維持方法では、人工的な池など、あるいは、雨水専用排水路、生活廃水専用排水路などにおける流れの滞留する領域のように、大気開放水表面を有し、該水系に滞留する総水量に対する、水の流入、流出に伴う水循環量の少ない、半閉鎖的な淡水系において、強富栄養化と、それに付随するヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化に対して、部分的に好気的環境を維持し、かかる好気的環境下において、好気性微生物の生育領域を設け、該好気性微生物の産生する酵素によって、かかる淡水系内に蓄積される水溶性栄養物質を酸化し、水溶性無機化合物へと変換する処理を行って、悪化した水質の改善を図るものである。また、上記の水質悪化を起こりうる状況に対して、予め、前記の部分的に好気的環境を維持し、かかる好気的環境下において、好気性微生物の生育領域を設ける措置を行うことで、水質悪化に移行することを抑制して、水質の維持を図るものである。
【００２５】
上述するヘドロ様の汚泥層形成過程では、半閉鎖的な淡水系において、その底部に沈降、堆積する、有機体由来の有機窒素を含んだ有機物質や、各種の高分子物質は、先ず、微生物の作用により、加水分解酵素で低分子化を受ける。さらに、かかる底層が、酸素の供給が不十分な環境となっている場合には、前記低分子化によって生成される有機化合物は、各種の嫌気性微生物により、完全な酸化分解ではなく、不完全な分解がなされる。さらに、かかる不完全な分解で生成される、水溶性栄養物質を利用可能な各種の嫌気性微生物も、かかる低酸素域で生育し、嫌気性微生物の共生的な繁茂層を形成していく。さらに、嫌気性微生物群が凝集体を形成して、浮遊性のフロックとなり、ヘドロ様の汚泥層を構成する。
【００２６】
本発明では、前記の嫌気性微生物による不完全な分解で生成される水溶性栄養物質を、好気性微生物を利用して、完全酸化して、水溶性無機化合物に変換する。その際、好気性微生物は、ヘドロ様の汚泥層中の溶存酸素が低下した環境下では、生育できないため、少なくとも、その底部ならびに側壁部に隔壁構造を設ける蓄水槽内において、継続的に酸素を水中に溶解、供給することで、局所的に好気性微生物の生育に適する好気環境を形成、維持する。この蓄水槽内に継続的に形成されている好気環境下で、該半閉鎖的な淡水系の水中に溶解・含有される、炭素源、エネルギー源となる有機栄養物質を資化可能な好気性微生物複数種を生育させる。一般に、有気的代謝によるエネルギー生産は、無気的代謝によるエネルギー生産よりも、高いエネルギー産生効率を示し、かかる好気環境下で生育される好気性微生物複数種によって、炭素源、エネルギー源となる有機栄養物質の消費が優先的に進む。かかる好気環境下で生育される好気性微生物複数種のうちに、少なくとも、上記水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を含めておくことで、該半閉鎖的な淡水系内に蓄積されている該水溶性栄養物質濃度の低減が進む。
【００２７】
ヘドロ様の汚泥層内で生育している、各種の嫌気性微生物のうち、前記水溶性栄養物質、あるいは、炭素源、エネルギー源となる有機栄養物質を利用して生育するものは、その濃度低下とともに、その生育量は減少していく。加えて、蓄水槽内において、継続的に酸素を水中に溶解、供給することで、少なくとも、かかる蓄水槽内と、その周囲の淡水系との間で、水の自由流通が確保されており、次第に、周囲の淡水系においても、溶存酸素濃度が上昇していく。結果的に、半閉鎖的な淡水系の底層において、酸素の供給が不十分な環境、すなわち、嫌気環境となっている領域は次第に縮小され、また、前記水溶性栄養物質の枯渇と相俟って、かかる嫌気環境で生育した嫌気性微生物群が凝集体を形成して、浮遊性のフロックとなっている、ヘドロ様汚泥層の加速度的な縮小がもたらされる。最終的には、該蓄水槽の周囲は勿論のこと、かかる半閉鎖的な淡水系で、ヘドロ様汚泥層が存在していた領域全体にわたって、その底層からヘドロ様汚泥層は払拭され、水質の改善が達成される。
【００２８】
さらには、一度、悪化した水質の回復がなされた後も、前記蓄水槽を設置し、その槽底部から酸素を水中に溶解、供給しつつ、この槽内の好気環境下において、好気性微生物の生育層を維持しつつ、該淡水系内に滞留する水と接触させる状態を継続することで、かかる淡水系の回復された水質環境を維持することができる。その際には、該淡水系内に外部から流入してくるリン・窒素などの栄養物質によって、例えば、藻類などの植物プランクトンが繁殖し、それにより生産される有機物の微生物的な分解過程でも、かかる蓄水槽内で維持されている好気性微生物生育層中の好気性微生物が主要な寄与を果す結果、有機物の完全酸化が達成される。また、対象となる水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物の機能によって、水溶性栄養物質の該淡水系内への蓄積が事前に回避されている。
【００２９】
一方、蓄水槽は、すくなくとも、その上部において、該淡水系内に滞留する水と、該蓄水槽内の水との間で自由流通が可能な状態とされるが、少なくとも、その底部ならびに側壁部に隔壁構造を設け、該蓄水槽内に形成される好気性微生物生育層が、該淡水系内に滞留する水の内部に偶然に生じた急な流れによって、蓄水槽の槽外へと流出して、消失することを防止している。すなわち、蓄水槽の底部ならびに側壁部に設ける隔壁構造は、淡水系内で偶々生じる急な流れを遮る機能を達成できればよく、例えば、かかる隔壁構造は、液体や気体の透過は可能であるものの、急激な水流に対しては、それを遮蔽する機能を発揮する形態とすることもできる。
【００３０】
また、蓄水槽内において、効果的に酸素を水中に溶解、供給しつつ、この槽内に好気環境を形成するため、通常、その槽底部から、空気または酸素を気泡化して放出し、槽内の水と接触させることにより、酸素を水中に溶解、供給する形態とする。従って、放出される気体状の空気または酸素を、より細かな気泡の形態とし、水と接触する時間の延長を図るため、槽底部に濾材層を設け、かかる濾材層内の無秩序な隙間を介して、放出される空気または酸素が細かな気泡となり、横方向へも拡がりつつ、濾材層を通過する形態とすることが好ましい。一方、蓄水槽内に形成される好気性微生物の生育層は、前記槽底部に設ける濾材層の内部に形成することが望ましい。例えば、前記濾材層は、少なくとも、二層の濾材層で構成し、下層部で空気または酸素を気泡化して放出し、好気性微生物の生育層は、上層部の濾材層が、その表面を被覆し、好気性微生物を固定化、保護する形態とする。その際、この好気性微生物と該淡水系内に滞留する水との接触は、蓄水槽の槽底部に設ける、下層部濾材層から上層部の濾材層へと水の流通をなして、かかる槽底部の好気環境下に固定化、維持されている好気性微生物の生育層に、かかる水に溶解している、対象の水溶性栄養物質を接触させる。
【００３１】
この蓄水槽内の底部に、好気性微生物を固定化する際、微生物を固定化する基材として濾材を使用し、前記濾材層を構成する際、空気または酸素を気泡化して放出する下層部の濾材層の上に、前記微生物を固定化する基材用の濾材層を置き、更に、上層部の濾材層を積層することも望ましい。また、好気性微生物を固定化する基材として、多孔質材料からなる濾材を利用し、予め、かかる多孔質性濾材上に好気性微生物の固定化を施した、担体固定化菌体を利用することが好ましい。あるいは、多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器を利用して、その中空部に好気性微生物を保持、収納した状態で固定化を行うこともできる。その際には、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該収納容器の中空部を経由する水の流通を介して、好気性微生物の生育層に、対象の水溶性栄養物質を接触させる。この収納容器の中空部に好気性微生物を保持、収納する場合、菌の固定化の基材として、濾材を該好気性微生物とともに収納し、かかる濾材表面に好気性微生物が固定化され、この濾材の間隙の何れにも、固定化される好気性微生物が分散している状態で保持する形態とすることが望ましい。従って、濾材の間隙を流通する間に、対象の水溶性栄養物質は、流路に緻密に分散されている、固定化好気性微生物との確実な接触が達成される。
【００３２】
多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器として、その内部に多孔質中空パイプ状の内隔壁をさらに具えた、多孔質二重中空パイプ状構造をとるものを用いて、前記二重中空構造の中心中空部に空気または酸素を供給しつつ、内隔壁と外側隔壁とで構成される外部中空部に、その固定化用基材となる濾材と、好気性微生物とを保持、収納し、その際、中心中空部に供給される空気または酸素は多孔質中空パイプ状の内隔壁を通過して、細かな気泡状となって外部中空部に達し、さらに、多孔質中空パイプ状の外側隔壁を超えて、最終的に、収納容器外へも気泡状で放出する形態とすることもできる。その際、好気性微生物と水槽内に貯えられる水との接触は、収納容器の外部中空部を経由する水の流通を介して行う。なお、上述する多孔質中空パイプ状の外側隔壁を具えた収納容器に利用される、多孔質中空パイプは、液体または気体は透過できるものの、該好気性微生物の菌体群は通過することが困難な微細な孔径の多孔質材料を利用する。
【００３３】
この蓄水槽は、その底部ならびに側壁部に隔壁構造を設けるものの、上部には開口部を有しているが、その内のり容量は、底部と側壁部で区切られる容積を指す。この蓄水槽の内のり容量は、淡水系内に滞留する総水量と較べて、十分に小さなものとすることができる。対象となる淡水系が、広い面積を有する際には、各蓄水槽の内のり容量を所定の値として上で、複数の蓄水槽を均等な間隔で分散配置することが望ましい。その際、複数の蓄水槽の内のり容量総和は、淡水系内に滞留する総水量の１／５〜１／１０，０００の範囲に選択でき、好ましくは、１／２０〜１／１００程度の範囲に選定する。具体的には、対象となる淡水系は、深度が浅く、単位面積当たりの水量は多くなく、例えば、この滞留している単位面積当たりの水量毎に、その単位面積当たり水量の１／２０〜１／１００程度の内のり容量を有する蓄水槽各一基が設置される形態とすることができる。すなわち、該淡水系内の底部において、対象となる水溶性栄養物質は、嫌気性微生物群によって産生されるものの、その産生量に対して、該蓄水槽内において、好気性微生物が酵素的酸化により、水溶性無機化合物へと変換する量が有意に優れば、水質の改善が開始する。その後、ヘドロ様の汚泥層の後退が生じると、加速度的に水質の改善が進むため、蓄水槽自体の内のり容量は、前記の範囲であっても、好気性微生物の生育層が維持される限り、一定期間を掛けて、淡水系内に滞留する水量が該蓄水槽における処理を受けることができる。その場合、蓄水槽内において、好気性微生物の生育層と水との接触を起こさせる、水の流通速度は、この蓄水槽自体の内のり容量に応じて、選択される。通常、この水の流通速度は、蓄水槽自体の内のり容量を循環させるために、１〜３０分間程度を要する流量に設定される。同時に、蓄水槽内の、好気性微生物の生育層を、好気環境下に維持するため、蓄水槽自体の内のり容量に応じた、空気または酸素の供給速度を設定される。この空気または酸素の供給によって、溶存酸素濃度を好気状態に維持するが、その維持すべき溶存酸素濃度の範囲は、蓄水槽内での平均として、６〜１５  ｍｇＯ２／Ｌに選択する。さらには、蓄水槽内における、好気性微生物の生育層では、局所的により高い溶存酸素濃度とすることが望ましく、具体的には、１０〜１５  ｍｇＯ２／Ｌの範囲に選択する。
【００３４】
空気または酸素を微細気泡化して、水との延べ接触時間を延長するため、積層される濾材層を介して放出することで、溶解効率を高くすることが望ましい。また、空気または酸素の微細気泡化を達成する上では、図１に例示する構造の多孔質材料からなるエアレーション・システムを利用することも有効である。加えて、上述する二重中空パイプ状構造をとる収納容器を利用して、好気性微生物の生育層を収納する外部中空部に、直接的にエアレーションを施すことで、好気性微生物の生育層における高い溶存酸素濃度を維持することがより簡単に行える。
【００３５】
また、本発明の水質環境の改善または維持方法では、かかる蓄水槽内に形成されている好気環境下で生育される好気性微生物複数種によって、淡水系内に滞留する水中に含まれる、炭素源、エネルギー源となる有機栄養物質の消費を優先的に進めるとともに、かかる好気環境下で生育される好気性微生物複数種のうちに、少なくとも、上記水溶性栄養物質の選択的な酵素酸化反応が可能な酵素タンパク質を生産する好気性微生物を含めておくことで、該半閉鎖的な淡水系内に蓄積されている該水溶性栄養物質濃度の低減を行う。従って、蓄水槽の底部に形成される好気性微生物複数種の生育層に対して、微細気泡化した空気または酸素を供給するとともに、淡水系内に滞留する水を蓄水槽外からかかる槽内の底部に流通、循環する流路を設けることが望ましい。例えば、図２に例示するように、蓄水槽の底部に、上記のエアレーション・システムを利用するエア注入パイプと、槽の外内の水循環流路に利用する水循環パイプとを配置し、その周囲と上方を覆うように、積層される濾材層を設ける構成とすることができる。かかる図２に示す例では、蓄水槽の底部に設ける、積層される濾材層として、下層に、所定の粒子径に整形したゼオライト粒子層、上層に、良好な吸着能を示すモミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層を積層している。なお、粒子径の大きなゼオライト粒子層上に、モミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層を層状に積層するため、モミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層部は、別途に通水性を示すシート材で作製する袋体中に封入して、積層する形態とされている。また、通水性を示すシート材で作製する袋体の利用に代えて、積層される濾材層において、ゼオライト粒子層と、モミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層を層状に積層する際、各層間を通水性を示すシート材によって、区画する形態とすることもできる。
【００３６】
水質の悪化した該半閉鎖的な淡水系の底層において、その低酸素域では、腐食循環によって、嫌気性微生物の共生的な繁茂層が、ヘドロ様の汚泥層を構成している。本発明にかかる水質環境の改善または維持方法では、すなわち、腐敗過程で生成する水溶性の炭素源、エネルギー源有機栄養物質を、好気性微生物複数種によって完全に酸化分解することで、嫌気性微生物の共生的な繁茂層内での前記腐食循環におけるエネルギー流の遮断を行っている。さらには、嫌気性微生物は、タンパク質・核酸の分解によって、含まれる窒素をアミドやアンモニアに変換し、さらに、腐敗菌は、アミド、尿素、尿酸として存在する窒素を、アンモニアに変換している。ヘドロ様の汚泥層では、窒素源として、このアンモニア態窒素を利用する嫌気性微生物群が構成されるが、本発明にかかる水質環境の改善または維持方法で利用する好気性微生物複数種は、硝化細菌群、具体的には、好気的にアンモニアを酸化して亜硝酸に変換する亜硝酸細菌と亜硝酸を酸化して硝酸とする硝酸細菌とを含んでおり、水溶性栄養物質の一つであるアンモニア態窒素を、硝酸態窒素に効率よく変換する。その結果、窒素源として、アンモニア態窒素を利用する嫌気性微生物の群生層の急速な後退が進む。
【００３７】
前記硝化細菌群は、栄養的には、化学合成無機酸化無機栄養細菌であり、好気的環境、アンモニア態窒素の存在下、亜硝酸細菌と硝酸細菌は相伴って棲息する生態系を形成する。これら硝化細菌群は、その硝化作用で得るエネルギーを利用して、炭酸同化を行うため、炭素源として、二酸化炭素しか必要とせず、本発明にかかる水質環境の改善または維持方法には適している。例えば、好適に利用可能な硝化細菌として、硝酸細菌であるＳｐｅｒｏｔｅｒｉｕｓ  Ｎａｕｔａｕが挙げられる。
【００３８】
本発明にかかる水質環境の改善または維持方法では、好気的環境下、種々の水溶性有機物を、炭素源、エネルギー源として利用する、化学合成有機酸化生物である、種々の好気性微生物をも共存させることで、これら好気性微生物に水溶性有機物から二酸化炭素を生産させ、この二酸化炭素を、前記の硝化細菌群に対する炭素源とすることで、好気性微生物複数種が相伴って棲息する共存生態系を維持することができる。かかる好気性微生物複数種のうち、必然的に相伴って棲息する生態系を構成する亜硝酸細菌と硝酸細菌の硝化細菌群は、担体表面に付着し易く、また、一旦、担体表面上に付着、固定化すると安定に維持できるため、該好気性微生物群を固定化する基材として、多孔質材料からなる濾材を利用し、予め、かかる多孔質性濾材上に好気性微生物群の固定化を施した、担体固定化菌体群を利用することが好ましい。より具体的には、上記硝酸細菌であるＳｐｅｒｏｔｅｒｉｕｓ  Ｎａｕｔａｕを主体とする硝化細菌群を含む、混合培養した好気性微生物複数種混合物を、基材の多孔質性濾材パーライト上に付着固定化してある形態の、アオバオーガニクス・ナウ（商品名：株式会社  エーオーエー・アオバ）が、好適に利用することができる。なお、本発明にかかるシステムにおいて、当初投入される好気性微生物複数種混合物量としては、該蓄水槽の内のり容量１ｍ３当たり、アオバオーガニクス・ナウを３００ｍＬ〜５００ｍＬの比率に選択することが望ましい。
【００３９】
さらには、ヘドロ様の汚泥層中においては、腐敗過程で含イオウ化合物が生成することもある。かかる水溶性の含イオウ化合物に対しては、好気性環境下で良好な生存が達成される、イオウ細菌をも、好気性微生物群に加え、最終的に、含イオウ化合物中のイオウを硫酸（塩）に変換することが望ましい。一方、無酸素条件下、硫酸塩を還元して硫化水素を生成する硫酸塩還元細菌は、偏性嫌気性細菌であるため、その存在域は限定されており、該半閉鎖的な淡水系の底層部における溶存酸素濃度が徐々に回復するとともに、ヘドロ様の汚泥層の消滅に先立ち、かかる硫酸塩還元細菌の存在が減少する。
【００４０】
本発明にかかる水質環境の改善または維持方法は、対象となる半閉鎖的な淡水系が、強富栄養化に伴い、底層に溶存酸素の低減した低酸素環境が形成され、その低酸素環境の拡大が、ヘドロ様の汚泥層形成を伴う水質悪化において、嫌気的代謝によるアンモニアの蓄積に付随し、アルカリ度が増している場合にも、上述する硝化細菌群の作用によって、アンモニア態窒素が硝酸態窒素へと変換される結果、少なくとも、蓄水槽内、その槽底部に設けられる、かかる硝化細菌群を含む好気性微生物群の生育層部分は、中性または弱アルカリ性の環境となる。好気性微生物群の生育には、前記中性または弱アルカリ性が適しており、急速に菌体数の増加、増殖が進み、対象となる半閉鎖的な淡水系の水質環境の改善も、さらに加速を受ける。
【００４１】
本発明にかかる水質環境の改善または維持方法は、以上に説明するように、少なくとも、化学合成無機酸化無機栄養細菌である、硝化細菌群を含む好気性微生物群を利用して、対象となる半閉鎖的な淡水系の底に据え置きされる蓄水槽内で、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該好気環境下において、その槽底部に設けられる、かかる硝化細菌群を含む好気性微生物群の生育層を維持し、該好気性微生物群に該淡水系内に滞留する水と接触させることで、少なくとも、上記水溶性栄養物質、例えば、アンモニア態窒素などの選択的な酵素酸化反応が可能な、好気性微生物が産生する酵素タンパク質によって、酵素酸化反応を行わせることで、水溶性無機化合物に変換する過程が、水質改善の主要な機構である。
【００４２】
加えて、かかる蓄水槽の槽底部に、濾材層を設けることに伴い、該淡水系内に滞留する水中に混濁、浮遊している集積体などの、微細な浮遊固形物を、かかる濾材層を利用して、物理的濾過する効果もある。その物理的濾過に伴い、蓄水槽の槽中の水は、透明度が改善される。その場合、アンモニア態窒素から変換される硝酸塩態窒素など、上述の酵素酸化反応によって生成される、水溶性の無機化合物を栄養素として利用可能な水草を、蓄水槽内に貯えられる水中に配置して、該水草に該無機化合物の吸収を行わせることもできる。つまり、蓄水槽の槽中の水は、透明度が改善され、また、大気開放の水表面を有するので、水中に配置する水草の光合成が可能な光照射量が確保でき、また、槽中の水には、好気性微生物が発生する二酸化炭素が含まれており、光合成過程による炭酸同化、同時に、窒素同化が進み、硝酸塩態窒素は、水草に吸収させることができる。
【００４３】
一方、対象となる半閉鎖的な淡水系の底に据え置きされる蓄水槽内で維持される、硝化細菌群を含む好気性微生物群は、いずれも化学合成細菌であり、蓄水槽内の底部、濾材層中の暗部において、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該好気環境を維持するのみで、永続的に維持することが可能である。すなわち、本発明の水質環境改善または維持システムは、エアレーションにおける空気供給量、ならびに、水循環流量を調整、維持することで、その水質環境改善または維持機能を半永続的に維持することも可能である。
【００４４】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、かかる実施例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明は、かかる具体例の形態に限定されるものではない。
【００４５】
（実施例１）
本実施例１には、本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システムの一例を示す。
【００４６】
人工の池などの半閉鎖的な淡水系の底部に据え置きし、水質悪化した汚濁水処理用の水質環境改善システムの構成を、図２に示す。蓄水槽は、底部ならびに側部は、ＡＢＳ樹脂製のパネル材で構成される隔壁構造を有し、その内のりは、１０００ｍｍ（Ｗ）×２０００ｍｍ（Ｌ）×１０００ｍｍ（Ｈ）である。図１に示すエアレーション・システムは、多孔質パイプの二重構造管筒で構成され、肉厚５ｍｍの外筒（内径９０ｍｍ）と内筒（内径２５ｍｍ）の両端を封じ、内筒には、その内部へ空気を導入する注入ジョイントを設け、多孔質パイプの内筒内から、外筒内、さらには、多孔質パイプの外筒外へと、導入された空気の流通がなされる構造とされる。この図１に示すエアレーション・システムに対して、二重構造管筒の外筒と内筒との間に、多孔質性濾材と、硝化細菌群を含む好気性微生物複数種混合物をパーライトに付着固定されている、アオバオーガニクス・ナウ（商品名：株式会社  エーオーエー・アオバ）とを充填する。なお、該蓄水槽に対して、エアレーション・システムを二基配置し、そのアオバオーガニクス・ナウの充填量の総和は、１０００ｍＬとする。
【００４７】
蓄水槽の底部に、水循環用パイプと、前記好気性微生物群を内部に充填したエアレーション・システムを設置し、これらを埋め込む層厚１２０ｍｍの所定の粒子径に整形したゼオライト濾材粒子層、その上層に、良好な吸着能を示すモミガラ燻炭層を層厚２０ｍｍ、ブルカミア粒子層を層厚２００ｍｍ、それぞれ積層している。なお、粒子径の大きなゼオライト粒子層上に、モミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層を積層した際、ゼオライト粒子層中へ、モミガラ燻炭層、ブルカミア粒子層が混入することを回避するため、別途に通水性を示すシート材で作製する袋体中に封入して、積層する形態とされている。該エアレーション・システムに対して、外部より通気管を接続し、毎分１００Ｌのエアを供給する。また、水循環用パイプを経由して、毎分１５０Ｌの流量で循環がなされる。
【００４８】
この水質環境改善または維持システムでは、前記のエアレーション・システムによって、槽内の平均溶存酸素濃度は、７ｍｇＯ２／Ｌとし、また、その際、エアレーション・システム中、二重構造管筒の外筒と内筒との間における、溶存酸素濃度を、１０ｍｇＯ２／Ｌ程度に維持する。水質悪化した汚濁水を循環する間に、浮遊している固形物成分は、上記層状の濾材層において、物理的に濾過がなされる。一方、水溶性成分は、透過して、エアレーション・システム内に充填される好気性微生物群と接触する。
【００４９】
なお、かかる内容積、２ｍ３を有する蓄水槽は、対象とする水質悪化した汚濁水８０ｍ３当たり、１基の比率で設置される。
【００５０】
（実施例２）
本実施例２では、本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持方法が、人工の池などの半閉鎖的な淡水系で生じた、底部にヘドロ様の汚泥層形成し、滞留する水が浮遊物で混濁化した状態となった水質悪化の改善に有効であることを検証する。
【００５１】
平均的な水深  ６０ｃｍ、貯水量２５０ｍ３の池に対して、本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システム、具体的には、上記実施例１に記載する構成のシステムを、水量約８０ｍ３当たり１基の比率で等間隔に設置して、連続稼動させて、水質悪化の改善効果を検証する。この池の水質は、その底部には、見かけの層厚３０ｃｍ〜４０ｃｍにわたってヘドロ様の汚泥層が形成され、また、表層部の水も混濁化しており、透明度はほとんどない状態まで悪化していた。なお、前記ヘドロ様の汚泥層は、有機物がその主体であるものであった。
【００５２】
上記実施例１に記載する稼動条件で、該システムを連続稼動させ、１４日経過した時点で、表層部の水の混濁化した状態は大幅に改善され、透明度が５０ｃｍ以上となった。混濁が無くなった池全体について、その底部の状況を詳しく調査した結果、底部において、ヘドロ様の汚泥層はほとんど消滅していることが確認された。
【００５３】
対比のため、上記実施例１に記載する構成のシステムに対して、エアレーション・システム中にアオバオーガニック・ナウの充填を行っていない、酸素供給と水循環に伴う、積層濾材層による物理的濾過機能のみを具えるダミー・システムを、上記の池と同程度の水質悪化状況を示す別の池において、連続稼動させて、水質の変化を観察した。このダミー・システムにおいても、１４日経過した時点で、表層部の水の混濁化した状態は改善され、透明度は増すものの、その底部状況を詳しく調査した結果、底部のヘドロ様の汚泥層に対する、顕著な低減作用は確認されなかった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システムは、人工の池などの半閉鎖的な淡水系で生じた、底部にヘドロ様の汚泥層形成し、滞留する水が浮遊物で混濁化した状態となった水質悪化に対して、少なくとも、化学合成無機酸化無機栄養細菌である、硝化細菌群を含む好気性微生物群を利用して、対象となる半閉鎖的な淡水系の底に据え置きされる蓄水槽内で、酸素を水中に溶解、供給しつつ、該好気環境下において、その槽底部に設けられる、かかる硝化細菌群を含む好気性微生物群の生育層を維持し、該好気性微生物群に該淡水系内に滞留する水と接触させることで、少なくとも、上記水溶性栄養物質、例えば、アンモニア態窒素などの選択的な酵素酸化反応が可能な、好気性微生物が産生する酵素タンパク質によって、酵素酸化反応を行わせることで、水溶性無機化合物に変換することで、水質の悪化を引き起こす要因物質を低減することで、水質の抜本的な改善が達成できる。この水質環境改善または維持システムは、利用する硝化細菌群を含む好気性微生物群の生育層を、その周囲に存在しているヘドロ様の汚泥層と隔壁で区分された蓄水槽内で、その環境を制御した状態で維持するため、長期にわたった、その水質悪化の抑制機能を維持できる。
【００５５】
最終的には、ヘドロ様の汚泥層は消失し、その後は、天然の適正な水の流入、流出によって、その水質が維持される淡水系湖沼と同様に、腐食循環において、嫌気性微生物群と、好気性微生物群とがバランスを保って関与する状況を、蓄水槽内で保持されている硝化細菌群を含む好気性微生物群の生育層を利用することで達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システムにおいて、溶存酸素濃度維持のため、空気の供給に利用可能なエアレーション・システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明にかかる淡水系内の水質環境改善または維持システムにおいて、蓄水槽の底部に、エアレーション・システムを利用するエア注入パイプと、槽の外内の水循環流路に利用する水循環パイプとを配置し、その周囲と上方を覆うように、積層される濾材層を設ける構成の一例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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