(57)【要約】【目的】内水面の湖沼や、養殖場の海面において、ランニングコストが掛らない自然エネルギーや水生植物を大規模に利用して、底層から表層までの水域の全域に亘る効果的な水質浄化の新手法を編み出すことである。【構成】風車駆動の簡易型ポンプを、表層水を吸い込み底層に吐出すポンプと底層水を吸い込み水面上に散布するポンプの一対のセットにより循環水流を生み出すことを基本とし、これに富栄養化した水の浄化能力が高い水生植物等の大規模な人工植生浮島を組み合せて総合的な水質浄化システムとした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車により中心軸が回転駆動されるケースレスポンプにおいて、Ｙ字型流路を形成する出口部分を下方に向けると共に、回転軸を兼ねる垂直な中心の流路の水面近傍で周囲の水を取り入れる流入口を設ける一方で、水面に撒水する通常型のケースレスポンプを対を成すように併置し、逆向きのケースレスポンプは水域の底層付近で他方のケースレスポンプ方向に向け水流を導くダクトを備えると共に通常型のケースレスポンプはこの水流を受け入れるダクトを備えている水質浄化装置
【請求項２】
水生植物や水辺の植物を大面積で植生した植生浮島の周辺に、水面の水を吸入して底層付近に吐出す風車駆動ケースレスポンプと、底層付近の水を吸入し水面に散布する風車駆動ケースレスポンプとを組み合わせて配置したことにより底層水を強制循環させることを特徴とする水質浄化方法
【請求項３】
風車駆動ケースレスポンプとダクトとを支持する浮体を備えた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４】
対を成す風車駆動ケースレスポンプは底層で吐出し側と吸入側のダクトが互いに相手方向に向き、ダクトと共に自身を支持できる浮体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の水質浄化方法
【請求項５】
対を成す風車駆動ケースレスポンプは底層で吐き出し側と吸入側のダクトが互いに反対方向を向き、ダクトと共に自身を支持できる浮体を備えていることにより二つの前記ケースレスポンプが一つの底層の流れに関与することを特徴とする請求項２に記載の水質浄化方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海面や内水面を利用する養殖業や、不特定多数の住民のための水環境の改善事業に関与し、失われた自然を取り戻し地球環境改善の一環として人類全体で取組むべき大きな課題の解決策を提示する新技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水質改善のために利用されてきた主な技術は、鰻養殖池における電動式羽車がある程度で、水環境改善のための本格的な装置は殆ど見られなかった。本発明者の中の一人は、本年六月に風力利用のケースレスポンプを発明し特許出願を行っている。このケースレスポンプは風力を利用して水面に水を撒水し、水面の酸素溶存濃度を高めることができる低コストの環境対策用の新技術である。然し面積の広い大湖沼にも効果的な本格的システムとしての要素としては、未だ力不足の面があった。一般的に淡水の内水面では、山間部のダムの建設により洪水の発生が少なくなり、大洪水で根こそぎ循環されていた湖沼の水の移動は極めて少なくなった。その結果として、湖沼の内水面は一般に静水域となり、水面に近い好気性水域と、底の嫌気性水域とに別れてしまう傾向が強まってしまった。石ころを含む土砂に担持される珪藻類のような好気性の植物性プランクトン類は、水質浄化の役割と、食物連鎖の底辺をなす重要な役割を担ってきたが、静水域では生存できなくなり、当然ながら生物の多様性も著しく損なわれてしまっている。各地の河川や湖沼でもコンクリート護岸に改修された結果、水生植物の生育環境は著しく後退し、水質劣化や魚介類の生息数減少が生じ、湖沼のみならず一般的河川でも水質浄化対策の必要性が指摘されている。特に内水面では、水底に珪藻のような好気性の植物性プランクトンが活発に生息できる環境とすることが、環境回復の鍵を握ると考えられる。
【０００３】
一方で、海面を利用する養殖業でも年月の経過と共に水質悪化の弊害を受けるようになってきた。大型藻類を利用した試みも模索されているが、山の落葉広葉樹の落ち葉が分解されて海に流入するフルポン酸鉄からしか鉄分吸収ができず、禿げ山になると海藻が激減し磯焼けとなって漁業資源激減となることが判り、漁業関係者も山に落葉広葉樹の苗を植える運動が広まってきたが、人工的な大型藻類の養殖は無理である。養殖場の海水は、糞や食べ残しの餌の有機物を分解する好気性腐敗菌の分解能力以上に、多量の糞等が海底の比較的狭い場所に集中することが問題を招いている。この場合においても、底層の海水の強制的な循環流が問題解決の糸口になると考えられるが、電力を消費するシステムではコスト競争で遅れをとってしまうことに繋がり、有効な低コスト解決手段が待たれていた。
【０００４】
海面を利用する養殖業者を悩ませてきたもう一つの問題は、赤潮の発生で養殖魚等が全滅してしまう問題である。原因となるラフィド藻類は好気性と嫌気性の中間の性質があり、水中の酸素溶存濃度が低くなっても活発に繁殖を重ね、全滅するまで異常増殖を繰り返す厄介者である。その異常増殖の結果は、海水の酸素溶存濃度が零に近くなり、高価な養殖魚の全滅を招く事態が生ずる。これに対処する有効な解決方法は未だ考案されておらず、お手上げの状態に過ぎない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、前記の風力利用のケースレスポンプの特徴を大いに活用し、大規模な底層を含む水流を生み出し、珪藻を初めとする好気性微生物の繁殖できる環境を作り出すことで、海水を含む水環境の改善を強力に推進できるシステムを構築することであり、これに加えて富栄養価された水の水質改善に大きな効果のある、水生もしくは水辺植物の植生浮島を組み合わせることで、総合的に高次元の水質改善を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では二組の風力駆動ケースレスポンプを組み合わせてセットとして応用することを考えた。その基本は、Ｙ字型の流路を有するケースレスポンプを逆さにし、吐出し口を底層近くまで延ばし、中心回転軸を兼ねた垂直通路は水面付近で水を取り入れる吸入口を設け、通常形態で水面に撒水するもう一組のケースレスポンプは底層で互いに水流をやり取りできるよう、互いに二組のケースレスポンプはダクトの向きを向き合わせた。反対にダクトの向きを背中合わせにすると、吐出される水流と吸い込まれる水流は同一の向きになるので、広範な水域にゆっくりした強制水流を生じさせるにはこの方が好適な組み合わせとなり、設置水域の実情に合わせて使い分けるようにする。このようなケースレスポンプの組み合せにより、水面に撒水することで酸素溶存濃度が高まった水を、逆向きのケースレスポンプで底層に多量に吐出して前記課題を解決する基本手段とする。これに富栄養価された水の浄化効果に優れる水生もしくは水辺植物の大面積植生浮島を組み合わせることで、水の高度な浄化システムを実現できる手段が完成されることになる。
【０００７】
【作用】
前記の課題解決手段の基本である二組のケースレスポンプの組み合せからなる基本構成では、底層に酸素含有濃度の高い大規模な水流を生み出すことが鍵となっている。一般的な湖沼の底層は、上下の水流が無くなると水面付近は好気性水域である一方で、溶存酸素濃度が極端に低い嫌気性水域となってしまうことになり、好気性の生物は一切生存できなくなっている。その結果として生物の多様性は失われたままとなっている。この状態で酸素含有濃度の高い底層の水流が生み出されると、好気性の微生物の生存環境が整えられ、多様な生物の食物連鎖の底辺にある珪藻のような植物性プランクトン類の増殖が可能となる。珪藻のような植物性プランクトンは水底の石ころや砂利等の表面に担持されて増殖するのであり、自由に水面に漂って生活している訳では無いから、水底が好気性水域に含まれるようになると初めて盛んに増殖が可能となる。鮎のような魚は直接珪藻を食料としているが、植物性プランクトンは一般的に動物性プランクトンの餌となり、動物性プランクトンは節足動物や海老類、貝類等や魚類の餌となる好ましい食物連鎖の実現と、失われた生物の多様性を復元することが容易となる。
【０００８】
養殖場がある海底域においても、前記同様の水質浄化作用が期待できる。この場合には限られた養殖水域に高密度の有機排泄物が蓄積されることが問題を引き起こしている。海底層に酸素含有濃度の高い海水のダイナミックな水流が生まれれば、未分解の有機排泄物をもっと広い海底面に分散させることが可能となるので、好気性腐敗菌による有機物の分解を速めることが期待できる。更に、富栄養価した海底層の海水を水面に散布するので、海面の酸素含有濃度も高まり、太陽エネルギーを取り込む好気性の植物性プランクトン増殖に絶好の環境を作り出すことができる。食物連鎖の底辺の植物性プランクトン増殖が、魚介類を含めた生物多様性の増大に大きく貢献できることは自明であろう。このようにして、豊富な風力が期待できる限り、常に海面と海底層に十分に高い酸素溶存濃度の水流を生み出す作用によって、ラフィド藻類の異常繁殖を防止できる環境を整える作用も生まれてくると考えられる。有機リン化合物を取り込むラフィド藻類は、水中の酸素溶存濃度の低下が異常増殖の引き金となる可能性が高いからである。
【０００９】
大規模な植生浮島は、水質浄化のもう一方の富栄養価対策として極めて有効な手段である。植生浮島に好ましい植物の例として、水生植物では外来種であるホテイアオイがある。これは茎根部が肥大化して大きな浮力を有するので、自分の体重を十分に支えることができ、水面に浮かびながら旺盛に繁殖できる。従って人工的に植生浮島を作る上でも極めて容易であり利用しやすい特色がある。更に、我が国で昔から根付いてきた水辺植物として葦がある。葦は草丈が長く高密度に繁殖し、成長による体積増加も著しく大きいので、その分水中から吸収する富栄養価成分も前記の珪藻類の何倍も多く、酸性雨の原因物質を少なくするにも好都合であるが、昔は葦を土壁の心材に使用したりして人為的なリサイクルを活発にしてきたのに、新建材が使用されるようになり人為的リサイクルの輪が途切れてしまっている。成長した植生浮島の植物のリサイクルが確立できれば、富栄養価された水の水質浄化が容易に実現可能となる。従って、前記の酸素含有濃度を高めた底層の水流発生手段と組み合わせれば、お互いに異なる手段で異なる方向から水質の浄化を進めることが可能であり、互いに補いあって高度な水質の浄化作用を発揮することが可能となる。即ち、植生浮島は主として水面付近の、ケースレスポンプの循環水流は主として底層付近の水質浄化作用を分担する。
【００１０】
【実施例】
図１に示すのは、本発明の最も基本的な底層水流を生み出す風力駆動ケースレスポンプの基本構成の部分断面図である。水面近くから下の部分だけを断面で示している。左側の風車駆動ケースレスポンプ１と右側のケースレスポンプ２とは、Ｙ字型の流路の上下方向が逆になっており、ポンプ１ではＹ字が逆さまになっている。反対に右側のポンプ２では水面に撒水できる通常型形式であり、基本的に先の特許出願２００２−１９７９１６号と同一の形式である。水面１５に浮かんでいる中央の人工植生浮島１７を挟み、２基の風車駆動ケースレスポンプ１及び２は、装置全体を水面に浮上させるフロート２０及び２０’によって支持された浮きダクト３と浮きダクト４の内部で回転可能に取り付けられている。ポンプ１及び２の回転駆動軸５、５’は垂直上方に延び風車７及び７’に連結されている。風車７、７’の回転力は水平回転軸８、８’に伝えられ、歯車ケース９、９’に収容された歯車機構によって垂直下方に延びた前記の駆動軸５、５’を回転駆動する。歯車ケース９、９’は風向きの変化に応じて垂直の固定円柱６、６’の周りを旋回可能であり、固定円柱６、６’は下端のフランジを介して４本の支脚２４、２４’と二組のフロートを連結する枠２３、２３’とによってフロート２０、２０’に固定されている。風車７、７’の方向を定める役割は水平軸８、８’の延長上にある方向舵１０、１０’が果たしている。フロート２０、２０’は、図面の垂直方向手前側にあり図面には表れないもう一組のフロート２０、２０’と、ポンプ１及び２を挟んで二つが一組となり装置全体の安定的な支えになっているが、その下面は基板２１、及び２１’で連結され、浮きダクト３及び４はこの基板２１、２１’に溶接されている。基板２１及び２１’の植生浮島１７に接する側面は塞ぎ板２２、２２’で二つのフロート同志の間隙を塞いでいる。浮きダクト３と浮きダクト４は開口部が互いに相手方向に向き合っていることが特徴の一つであるが、極めて広い範囲に亘り底層にゆっくりした好気性の水流を生み出すような目的では、反対に背中合わせとなるようにダクト開口の向きを目的に応じて組み合わせることができる。背中合わせにすると、二つのポンプの駆動力が加算されて一つの大きな流れを生み出すからである。前記のように、風車駆動ケースレスポンプ１はＹ字を逆さまにした流路を有しており、一対のフロート２０で囲まれた水面付近にスリット形状の吸い込み口１９を有し、湖底１６の近くまで下方に延びた吐出し口１８は浮きダクト３内部で回転して図上の矢標Ｂで示す底層の水流を生み出すことができる。水面では、一対のフロート２０の間隙が解放されている左側から、矢標Ａで表す表層水流が発生し、前記の矢標Ｂの水流に連なっている。風車駆動ケースレスポンプ２の形式は通常型であり、水面で吐出し口１８’から撒水し、湖底１６の近くまで延びた垂直通路の下端の吸い込み口１９’から浮きダクト４内部の水を吸い込み、矢標Ｃで示した水流をダクト４内部に導き入れる。水面で吐出し口１８’から撒水された水は、左側が塞ぎ板２２で塞がれており、右側の解放側に向かう矢標Ｄで示した表層水流となる。
【００１１】
前記のような、従来は嫌気性バクテリア以外は生存出来なかった湖底付近の底層水に、表層の好気性の水による水流を積極的に生み出すことができることが、本発明の最大の特徴である。自然エネルギーの風力が続く限り、嫌気性であった湖沼の底層に酸素溶存量が高まった表層水によるダイナミックな強制循環水流がもたらされれば、昔のように湖沼底面の土砂には好気性の植物性プランクトンの代表である珪藻類を自然に呼び戻すことが容易な環境を整えることができる。このことは、従来の死の世界に多様な生物の生存可能な水環境を再現させることに繋がる。更に、内水面の湖沼のような淡水ばかりか、海面を利用する養殖業の世界においても、有用な水質浄化技術となる。図１で示す植生浮島１７を、周りを網で囲う養殖場と見立てればよい。養殖魚のための餌は、完全に養殖魚に食べ尽くされる訳で無く、食べ残しの餌が海底に蓄積される。これに養殖魚の糞が加わり、狭い生け簀の底面には未分解有機物が層を成すようになってしまいがちである。好気性の腐敗菌がこれを分解する役割を担うが、狭い生け簀の海底に有機物が集中して集まることで、腐敗菌の分解速度が間に合わず、水質を悪化させてい
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な表層海水の強制的な循環流を生み出すことは、第一に海底の有機物を広い範囲に分散させる作用が期待できるので好気性腐敗菌の活性化が予想され、次いで富栄養価した海底水を海面に酸素含有濃度を高めて散布するので、単藻類を初めとする植物性プランクトンの増殖にもってこいの水環境を整えることができる。風力駆動のケースレスポンプ１と２とは数十ｍの距離であっても何の不都合も無く、図１の左側の底層流Ｂに近い海面を魚介類の養殖場とし、底層流Ｃに近い海面を海苔の養殖場として使い分けて、波の静かな湾内等の海水の浄化効果を一層高めるような新しい構成方法も考えられる。
【００１２】
図２に示すのは、大規模な人工植生浮島と図１に示した風力駆動ケースレスポンプの対を２組組み合せた、湖沼の水質浄化を目指す本格的なシステムの部分断面正面図であり、風力駆動ケースレスポンプは合計４基使用されている。水面１５に浮かべられた人工の大規模な植生浮島１７は長手方向が１００ｍ、幅が１０ｍ程度の大きさである。湖底１６には、コンクリートブロック２５が上部を残して埋設され、フロート２０’、２０’の底面を連結する基板２１’の隅でロープ２６により繋がれており、浮島１７とケースレスポンプを含む全体装置を湖面に係留している。ケースレスポンプ２は、図からも判るように、一対のフロート２０’、２０’の間に設けられている。人工の植生浮島１７には葦のように富栄養化した淡水の浄化効果が極めて高い水辺植物や、ホテイアオイのような水生植物が浮かべられている。その根２８はめだかや子魚等の隠れ場にも利用でき、多種類の生物の住み着きやすい水面環境を提供している。本発明では、何よりも全く手法の異なる植物を利用した水質浄化方法と、風車駆動のケースレスポンプによる高酸素含有水の底層を含む強制循環水流に依る水質浄化方法とを組み合せて、湖沼の水全体を総合的に浄化できる全く新しい浄化方法を提案することに大きな意義がある。
【００１３】
図３に示すのは、図１で示したケースレスポンプ２の浮きダクト４周辺の拡大断面図である。但し、水流方向を示すＣとＤの向きが左右反対になっている。一対のフロート２０’、２０’は底面を基板２１’で連結される一方、上面はチャンネルを四角の枠に溶接して、支脚２４’の固定枠を兼ねた枠２３’によって連結されている。固定円柱６’内部に回転自在に設けられるポンプ駆動軸５’は、下端がケースレスポンプ２の本体に螺子結合され、ロックナットで固く固定されている。固定円柱６’はフランジ３１が溶接されており、このフランジ３１を４本の支脚２４’に溶接された固定板３０にビス止めして風車駆動ケースレスポンプ２の全体がフロート２０’に支えられる。ポンプ駆動軸５’は上端が図１の歯車ケース９’に軸止されているが、下方は固定板３０で支持された軸受３２で軸止されている。風車により駆動軸５’が回転駆動されると、底層に開口した吸い込み口１９’から底層水を取り込み吐出し口１８’から水面に撒水する。その結果は矢標Ｃから矢標Ｄに連なる底層から水面への水流となり、撒水により表面張力のブロックを破って能率的な空中酸素分子の水面近くの水中への溶け込み作用が実現する。吸い込み口１９’から吐出し口１８’までの長さが長くなっても、流量の低下は極めて少ない。その長さの間の管路抵抗による圧力低下が流量を少なくするが、管路抵抗自体が小さな値なので流量低下も少ない。因にこの風車駆動ケースレスポンプは、直径１．６５ｍの風車で駆動することとし、ポンプの吐出し口付近の直径が０．４ｍのサイズとし、定格風速毎秒６ｍとした時のポンプ流量は、一日当り２，０００トンなので、必要に応じて設置台数を増加すれば大量の流量の水を循環処理することが可能となる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、受益者が特定できず、不特定多数の住民のために行う環境改善事業において、ランニングコストが全く掛らない安価な風車駆動簡易ポンプと、水生植物や水辺植物を大規模に利用した人工植生浮島とを組み合せ、準閉鎖水域となって著しく汚染され、底層の嫌気性水域のために生物の多様性が失われてしまった湖沼においても、酸素溶存量の多い水面の水を豊富に底層に流し、嫌気性水域を無くして珪藻類を復活させ、動物性プランクトンから魚介類までの豊富な生物の多様性の回復と、大面積の植生浮島の植物による富栄養価水の浄化作用が組み合わされることで、住民にとっての癒し空間ともなれる良好な水環境を昔のように取り戻すことが強力に推進できる。酸素溶存量の多い水面の水を豊富に底層に流し込んでも、同時に底層から汲み上げた嫌気性の水を水面上に散布させているから、極めて能率良く嫌気性水の酸素溶存量を高めており、嫌気性の水域を風力の続く限り強力に低減させる役割を果たしている。特に本発明では、従来解決手段が見つからなかった湖沼の底層に広がる死の世界の嫌気性水域そのものを、無くしてしまうことが可能と成る画期的な発明であり、人類全体で取組むべき地球環境改善に向けて、有力な水質浄化システムを示すことができる効果は計り知れない。本発明では底層流と表層流のダイナミックな強制循環流が自然エネルギーによって実現できるので、海面を利用した養殖業における海水浄化システムにも積極的に応用することができる。この結果はコストが殆ど掛らない海水浄化システムを可能として、養殖業を盛んにする基礎技術たる礎とすることができる。本発明によれば、食物連鎖の底辺を占める好気性の植物性プランクトンを増殖する効果が高く、これによって魚介類を含む海中の生物の多様性をもたらすことになり、現在は低下の一途を辿る人類が活用できる漁業資源量を、再び増大させる大きな経済的効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の、植生浮島を中間に挟んで水面の水を底層に送り込む風車駆動ケースレスポンプと、底層水を吸い上げて水面に撒水する風車駆動ケースレスポンプとを組み合せた基本循環水流を生み出す基本構成の部分断面側面図である。
【図２】湖沼の浄化のための大面積の人工の植生浮島と、図１に示した風力駆動ケースレスポンプのセットを二組組み合せた大規模な水質浄化システムの部分断面正面図である。
【図３】ケースレスポンプの浮きダクト付近の拡大断面図である。
【符号の説明】
１            下向き水流を生み出す風車駆動ケースレスポンプ
２            上向き水流を生み出す風車駆動ケースレスポンプ
３            ポンプ１の浮きダクト
４            ポンプ２の浮きダクト
５、５’      ポンプの駆動軸
６、６’      垂直固定柱
８、８’      水平回転軸
９、９’      歯車ケース
１０、１０’  方向舵
１５          水面
１６          湖底
１７          植生浮島
１８、１８’  ポンプの吐出し口
１９、１９’  ポンプの吸い込み口
２０、２０’  フロート
２１，２１’  基板
２２、２２’  塞ぎ板
２３、２３’  枠
２４、２４’  支脚
２５          コンクリートブロック
２６          ロープ
２７          植生植物
２８          植生植物の根
３０          固定板
３１          フランジ
３２          軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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