(57)【要約】【課題】  自然エネルギーを利用した実用的な浄水供給システム。【解決手段】  太陽電池や風力発電を電源にして揚水ポンプ２を用い原水１を高所に設けた流量調整槽３に貯留し、自然流下させた原水を移床式上向流急速ろ過器７に通水してろ過し、ろ過水に紫外線１４を照射して消毒し浄水を製造する。システムは、操業・待機の繰返しに対して各機器の作動時期を調整するシーケンス制御を行い、浄水に原水やろ過水が混入することを防止している。人里離れた山間地、離島、未開発地域などの輸送が不便で電力の未供給地域、大規模災害地域において消毒を施した安全な浄水を得るのに有用である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原水をろ過してろ過水を得る移床式上向流急速ろ過器と、前記急速ろ過器のろ材を連続逆洗するためのエアリフトに空気を吹き込む逆洗用空気供給ポンプと、前記ろ過水に紫外線を照射して消毒する紫外線照射装置と、本システムに動力を供給する太陽電池と、補助電力及び余剰電力を蓄積する蓄電池と、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定し発信する測定器と、前記測定の結果に基づいて機器類の作動開始・停止時期等を制御する制御装置とを含んで構成されている、ことを特徴とする自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項２】
さらに、原水を揚水する揚水ポンプと、揚水された原水を貯留して自然流下させ前記移床式上向流急速ろ過器に供給してろ過水にするため、高い位置に設けられた流量調整槽とを含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項３】
通常の操業時には、前記揚水ポンプの動力を太陽電池から直接供給することを特徴とする請求項２に記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項４】
前記の制御装置は、浄水製造の待機中において太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値を超えたことにより、揚水ポンプを起動させ流量調整槽に原水を送入して前記急速ろ過器に供給し、逆洗用空気供給ポンプを起動して急速ろ過器のエアリフトに空気を送り、得たろ過水を系外に排出してろ過操作を安定化させ、他方、前記原水の供給開始又はろ過水の排出から所定時間後に紫外線照射を作動させ、さらに紫外線照射から所定時間後にろ過水のバルブを操作してろ過水を紫外線照射装置に導入し消毒して、浄水の製造を開始するシーケンス制御系を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項５】
前記の制御装置は、浄水製造中において太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値に達しないことを受けて、ろ過水のバルブを操作し紫外線照射装置へ導入中のろ過水を系外に排水させて浄水の製造を停止し、揚水ポンプ及び空気供給ポンプの運転を停止し、さらに所定時間後に紫外線照射を中止して浄水製造システムを待機状態にする、シーケンス制御系を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項６】
前記の制御装置は、太陽電池に余剰電力を生じた際に蓄電池に充電するシーケンス制御系を含んで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項７】
太陽電池に替えて風力発電機を、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定し発信する装置に替えて、風力発電量又は風力を測定し発信する装置を含んで構成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の自然エネルギーを利用した浄水製造システム。
【請求項８】
太陽電池と、揚水用の原水ポンプ及び揚水された原水を高所に貯留する流量調整槽と、原水をろ過する移床式上向流急速ろ過器と、得られたろ過水を消毒する紫外線照射装置と、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定する装置と、システムのシーケンス制御装置とを含んで構成された自然エネルギーを利用した浄水製造システムを用い、
電力供給を待機中の前記浄水製造システムは、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値を超えたことを検知して、揚水ポンプを起動させ流量調整槽に原水を送入して自然流下により急速ろ過器に原水を供給し、逆洗用空気供給ポンプを起動させてろ過水とし、得たろ過水を系外に排出させつつろ過操作を安定化させ、他方、前記原水の揚水開始又はろ過水の排出から所定時間後に紫外線照射装置を作動させ、さらに紫外線照射から所定時間後にろ過水のバルブを操作し、ろ過水を紫外線照射装置に導入して浄水の製造を開始し、
浄水製造中の前記浄水製造システムは、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値に達しないことを検知して、ろ過水のバルブを操作しろ過水の紫外線照射装置導入を中止して系外に排水させ、揚水ポンプ及び空気供給ポンプの運転を停止し、さらに所定時間後に紫外線照射を中止することにより浄水の製造を中止して待機状態に入り、
この間、太陽電池が発電する余剰電力を蓄電池に充電し、システムの制御装置を作動させ、太陽電池の発電に基づいて浄水の製造と待機とを繰り返しつつシステム全体を操作して浄水を製造する、ことを特徴とする自然エネルギーを利用した浄水の製造方法。
【請求項９】
太陽電池に替えて風力発電機を用い、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度に替えて風力発電量もしくは風力計を利用することを特徴とする請求項８に記載の自然エネルギーを利用した浄水の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギーを利用した浄水製造システム及び自然エネルギーを利用した浄水の製造方法に関する。詳しくは動力に太陽電池及び／又は風力発電機を用い、河川表流水、井戸水、雨水などを原水とし、これをろ過し消毒して浄水を得るための、簡易な浄水製造システム及び浄水製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からも簡易に飲料水用の浄水を得る手段として、ろ過と殺菌消毒とを組み合わせた浄水製造装置を利用することは多かった。前記浄水を製造するのには、比較的良好な水質の河川表流水、井戸水、雨水などを原水として利用し、ろ過性能が１００ｍ３／ｍ２・日以上の、通常は２００ｍ３／ｍ２・日程度の、いわゆる急速ろ過を行って混入する汚濁物質を取り除いた後、塩素剤を注入して殺菌消毒を行う浄水製造手段が有用であり、各方面で利用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、前記の浄水製造手段は、電力供給あるいは燃料、消毒剤などの供給が容易な地域では便利に利用できる。しかし、人里離れた山間地、離島、未開発地域などの運搬手段に問題のある、電力の未供給地域、あるいは大規模災害を受けた地域では、消毒を施した安全な浄水を得ることが難しく、また何らかの手段で得られるにしても極めて高価になることが多い。この様な地域では、自然エネルギーを利用して手近な河川表流水、井戸水、雨水などを手軽に浄水にすることができれば極めて有用である。
【０００４】
ところで、太陽光や風力などの自然エネルギー源の欠点は、昼間と夜間、あるいは昼間であっても天候の変化があり、また風の強弱等によって安定した発電が難しいことにある。従って前記のような自然エネルギーを利用する浄水製造装置は、消費電力が少ないことは勿論、頻繁な浄水の製造開始、停止があっても円滑に操作され、かつ、その際、製造した浄水に原水、ろ過水や洗浄水などの未処理水が混入しないことが必須の条件になる。これらの問題を解決しつつ、自然エネルギーを利用した簡易で実用的な浄水製造システム及び浄水製造方法を検討し研究した結果、本発明を完成することができたので、その内容を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決するための手段としてここに開示される本発明は、供給された原水をろ過してろ過水を得る移床式上向流急速ろ過器と、前記急速ろ過器のろ材を連続逆洗するためのエアリフトに空気を吹き込む逆洗用空気供給ポンプと、前記ろ過水に紫外線を照射して消毒する紫外線照射装置と、本システムに動力を供給する太陽電池と、補助電力及び余剰電力を蓄積する蓄電池と、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定し発信する測定器と、前記測定の結果に基づいて機器類の作動開始・停止時期等を制御する制御装置とを含んで構成されている、ことを特徴とする自然エネルギーを利用した浄水製造システムである。井戸水、河川水などの水位の低い原水を使用する場合には、前記の浄水製造システムに、さらに、原水を揚水する揚水ポンプと、揚水された原水を貯留して自然流下させ前記移床式上向流急速ろ過器に供給してろ過水にするため、高い位置に設けられた流量調整槽とを含んで構成するとよい。また、通常の操業時には、前記揚水ポンプの動力を太陽電池から直接供給することが好ましく効率的である。
【０００６】
前記の制御装置としては、浄水製造の待機中において太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値を超えたことにより、揚水ポンプを起動させ流量調整槽に原水を送入して前記急速ろ過器に供給し、逆洗用空気供給ポンプを起動して急速ろ過器のエアリフトに空気を送り、得たろ過水を系外に排出してろ過操作を安定化させ、他方、前記原水の導入開始又はろ過水の排出から所定時間後に紫外線照射を作動させ、さらに紫外線照射から所定時間後にろ過水のバルブを操作してろ過水を紫外線照射装置に導入し消毒して、浄水の製造を開始するシーケンス制御系を含んで構成されていることが望ましい。さらに、浄水製造中においては、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値に達しないことを受けて、ろ過水のバルブを操作し紫外線照射装置へ導入中のろ過水を系外に排水させて浄水の製造を停止し、揚水ポンプ及び空気供給ポンプの運転を停止し、さらに所定時間後に紫外線照射を中止して浄水製造システムを待機状態にする、シーケンス制御系を含んで構成することが望まれる。さらに望ましくは、太陽電池に余剰電力を生じた際に蓄電池に充電するシーケンス制御系を含んで構成する。
【０００７】
また、本発明は、自然エネルギーに風力を利用する目的をもって、前記した浄水製造システムにおいて、太陽電池に替え風力発電機を、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定し発信する装置に替えて、風力発電量又は風力を測定しこれを発信する装置を含んで構成されている、ことを特徴とする自然エネルギーを利用した浄水製造システムを提供する。
【０００８】
前記した浄水製造システムに加えて本発明は、太陽電池と、原水の揚水ポンプ及び揚水された原水を高所に貯留する流量調整槽と、原水をろ過する移床式上向流急速ろ過器と、得られたろ過水を消毒する紫外線照射装置と、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度を測定する装置と、システムのシーケンス制御装置とを含んで構成された自然エネルギーを利用した浄水製造システムを用い、
電力供給を待機中の前記浄水製造システムは、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値を超えたことを検知して、揚水ポンプを起動させ流量調整槽に原水を送入して自然流下により急速ろ過器に原水を供給し、逆洗用空気供給ポンプを起動させてろ過水とし、得たろ過水を系外に排出させつつろ過操作を安定化させ、他方、前記原水の揚水開始又はろ過水の排出から所定時間後に紫外線照射装置を作動させ、さらに紫外線照射から所定時間後にろ過水のバルブを操作し、ろ過水を紫外線照射装置に導入して浄水の製造を開始し、
浄水製造中の前記浄水製造システムは、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値に達しないことを検知して、ろ過水のバルブを操作しろ過水の紫外線照射装置導入を中止して系外に排水させ、揚水ポンプ及び空気供給ポンプの運転を停止し、さらに所定時間後に紫外線照射を中止することにより浄水の製造を中止して待機状態に入り、
この間、太陽電池が発電する余剰電力を蓄電池に充電し、システムの制御装置を作動させ、太陽電池の発電に基づいて浄水の製造と待機とを繰り返しつつシステム全体を操作して浄水を製造する、ことを特徴とする自然エネルギーを利用した浄水の製造方法を提供する。
【０００９】
そして本発明は、太陽電池に替えて風力発電機を用い、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度に替えて風力発電量もしくは風力計を利用することを特徴とする請求項８に記載の自然エネルギーを利用した浄水の製造方法を開示する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る自然エネルギーを利用した浄水製造システム及び浄水製造方法は、使用装置がコンパクトであって消費電力が小さく、天候等により浄水の製造と停止とを頻繁に繰り返すことがあっても、製造された浄水に原水、洗浄水、ろ過水等が混入することはない。小規模給水用にも好適であり、自然エネルギーを動力源にするので、交通・運搬が至難な電力未供給地であっても容易に生活用水は勿論飲料水用の浄水を安定して製造し供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面を参照して本発明実施形態例につき具体的に説明する。図１は本発明に係る浄水製造システムの代表的な実施形態の一例を示すフローシートであり、図２は動力源に太陽電池を利用した場合の結線関係を示す接続図である。図３は、本発明において太陽電池が発電が可能になって浄水製造をスタートする際の、図４は太陽電池の発電量が不足になって浄水製造を停止する際のシーケンス制御の一例を概略で示すフローチャートである。
【００１２】
さて、図１及び図２に示される本発明浄水製造システムの代表的な実施形態例についてその作用等を説明する。原水１は、高所の貯水池等を利用できる場合を除き、通常は揚水ポンプ２を用いて井戸、河川等から汲み上げられ、高所に設けた流量調整槽３に送入されて貯留される。揚水ポンプ２の動力は、電力の利用効率を高めるために望ましくは蓄電池４を介することなく直接太陽電池５から供給し、発電量に応じて原水を流量調整槽３に送入する。蓄電池４を併用し、余剰電力が発生すれば短期的な発電量の不足に備え蓄電してバックアップさせるとよい。別途、揚水槽等を設けて原水を高所水として貯留し利用してもよい。流量調整槽３には溢流堰６を設けて原水面の高さを一定に保つことが望ましい。流量調整槽３は、少なくとも原水が動力を用いないで自然流下し急速ろ過器７のろ過床８を通過し、ろ過されて急速ろ過器上部の溢流堰９からろ過水１０として溢流し導出できる高さに設ける。原水はほぼ一定の流量もしくは圧力によりろ過される。なお、本発明は、条件が許せば、揚水ポンプ２及び流量調整槽３に替えて定量性に優れた動力効率の高いポンプを用いることを排除するものではない。
【００１３】
自然エネルギーを利用して浄水を製造するには、不安定な動力源に原因する制限、設置の容易さ、設置面積の大きさ、操業性、費用などの数多くの制約がある。原水中に混入する懸濁固形物を分離除去するために必要なろ過器についてこれらの問題点を総合的に検討した。一般的に急速ろ過器は連続操業が有利でありコンパクトに構成されている。しかし、本発明のように使用する動力源が安定しておらず操業の開始・停止の切替えの頻繁なケースでは利用しにくい。また、ろ過器の運転・休止を繰り返すと、浄水に原水、ろ過水、洗浄水などが混入し易く、製造した浄水が十分な消毒を実施されないおそれがある。検討の結果、本発明の課題を解決するに当たっては、高性能で連続自動逆洗を備える移床式上向流急速ろ過器が多くの点で有利であることが判った。
【００１４】
急速ろ過器には固定床式と移動床式とがある。固定床式の利点は、構成がシンプルなことにある。しかし、ろ過床を逆洗するために逆洗用送水ポンプの所要動力が大きい上、大きな逆洗排水槽が必要になる。消費される電力が大きいとそれに見合う容量の大きな発電装置や蓄電池が必要になって太陽電池や風力発電機を利用することは容易ではない。この点、移床式上向流急速ろ過器はコンパクトで消費電力が小さい。ろ過の操業・停止を繰り返しても、ろ過操作に切替えた直後に若干量のろ過水を系外に排出させ、あるいは前記の排出ろ過水が規定量よりも少ない場合であっても逆洗用空気供給ポンプを作動し続ければろ床中の水は良好なろ過水に置換されることが判った。
【００１５】
代表的形態の移床式上向流急速ろ過器７について簡潔に説明する。ろ過器の下部にはろ材の砂が充填されてろ過床８を形成している。原水１はろ過床８の下部に供給され、ろ過床８中を上向きに流れてろ過され、ろ過水１０となって上部溢流堰９から器外に溢流する。ろ過床８の逆洗は、逆洗用空気供給ポンプ１１を用いエアリフト管１２下部から空気を吹き込んで行われる。ろ過床８の下部に向かって逆洗用空気供給ポンプ１１を駆動源とする空気を送入し、ろ過床８上部から下部に移動した使用済のろ材（砂）を吸い込んで洗浄しつつ上昇させ、エアリフト管１２上部先端から排出する。排出されたろ材は、ろ過水１０の一部に向流接触されながら下降し混在する異物が分離される。洗浄されたろ材はろ過床８上に沈降して下向きに移動し、再びエアリフト管１２に吸い込まれて循環され、ろ過床８は連続的に洗浄される。ろ材洗浄を終えた水やエアリフト７中に同伴された原水などの逆洗排水１３は急速ろ過器７の外に排出される。空気供給ポンプ１１は蓄電池４に接続し安定した条件で使用することが好ましいが、揚水ポンプ２に較べ通常消費電力が小さいので直接太陽電池４から電力供給してもよい。
【００１６】
急速ろ過器７によって固体異物を除去されたろ過水１０は、紫外線照射装置１４に導かれ紫外線の照射を受けて消毒されて浄水１５、あるいは安全な飲料水にされる。得られた浄水１５は、一旦浄水貯槽１６に貯留して利用してもよいが、飲料水用等には法の定めに従い安全に配慮して使用する。浄水製造時にはろ過水排出配管の閉止弁１７ａを閉じ紫外線照射装置供給配管の閉止弁１７ｂを開いておく。ろ過操作を停止し待機させるする際には、まず、閉止弁１７ａを開き閉止弁１７ｂを閉じておくことで汚濁物質や未消毒水が紫外線照射装置１４に流入し消毒効果が低下するのを防止できる。紫外線照射装置１４並びに前記閉止弁１７ａ及び１７ｂは、蓄電池４に接続して安定し確実な操作をすることが望ましい。
【００１７】
つぎに、浄水に原水やろ過水が混入することを防止するための、操業中における浄水製造開始、停止の手順について例をあげ、図２、図３、図４を参照して具体的に説明する。これらの操作は、操作手順、機器の作動開始や停止時期の設定入力、太陽電池の発電量や太陽光照射強度等の測定機器類１８からの測定結果等に基づいて、制御装置１９、通常はマイクロコンピュータを利用したシーケンス制御により操作手順、所定値等を入力して遂行する。なお、本発明は図に示された手順等に限定されるものではない。
【００１８】
例えば、夜間は太陽電池の発電量又は太陽光照射強度は所定値に達しないので、本発明の浄水製造システムは浄水製造を停止し待機している。制御バルブ１７ａは開、制御バルブ１７ｂは閉の状態にある。夜明けになって太陽電池の発電量が予め設定した値を超えたことを測定装置１８が検知し確認することによって、制御装置１９は揚水ポンプを起動し送水を開始して原水を急速ろ過器に供給する。急速ろ過器への吸水開始又はろ過水の溢流開始から所定の時間を経た後に紫外線照射装置を作動させ、さらに前記作動開始から別途設定した所定の時間後に制御バルブ１７ａを閉じ、制御バルブ１７ｂを開いて、ろ過水を急速ろ過器から紫外線照射装置に導入して浄水の製造を開始させる。発電の開始は、例えば前記の発電量が所定値を超え一定時間を持続したことをもって確認することができる。太陽電池等の余剰電力は無駄にしないように蓄電池等に充電しもしくは原水を高所に貯めておく。
【００１９】
浄水の製造中に測定装置が太陽電池の発電量又は太陽光照射強度が所定値以下に低下したことを検知したときには、一旦蓄電池でバックアップし、発電状態が復帰しない場合には、制御バルブ１７ａを閉じ制御バルブ１７ｂを開いて、急速ろ過器から紫外線照射装置へのろ過処理水の送水を停止して系外に排水し、浄水製造を停止する。さらに所定の時間後に紫外線照射装置の紫外線照射を停止して発電の回復を待って待機させる。上記の所定値は、滞留水の量、処理状態、太陽電池の発電能力、システムの消費電力、蓄電池容量、立地環境、等を勘案して設定する。
【００２０】
以上は、主に太陽エネルギーを動力源とするケースについて説明したが、この他の利用効率の高い自然エネルギーについても、太陽光エネルギーの場合に準じて利用することができる。たとえば、風力発電を利用する際には、太陽電池に替えて風力発電機を、太陽電池の発電量又は太陽光照射強度の測定・発信装置に替えて風力発電量又は風力の測定・発信装置を用い、太陽電池を利用する場合に準じて実施する。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、人里離れた山間地、離島、未開発地域などの輸送が不便で電力の未供給地域、あるいは不幸にして大規模災害を受けた地域において、消毒を施した安全な浄水を得るのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明簡易浄水製造システムの代表的実施形態の一例を示すフローシート
【図２】駆動源に太陽電池を利用した場合の接続関係を示す接続図
【図３】浄水製造をスタートする際のシーケンス制御例を示す概略フローチャート
【図４】浄水製造を停止する際のシーケンス制御例を示す概略フローチャート
【符号の説明】
【００２３】
１：原水（配管）                      ２：揚水ポンプ
３：流量調整槽                        ４：蓄電池
５：太陽電池                          ６：流量調整槽の原水溢流堰
７：移床式上向流急速ろ過器            ８：ろ過床
９：ろ過器のろ過水溢流堰            １０：ろ過水（配管）
１１：逆洗用空気供給ポンプ            １２：エアリフト管
１３：ろ材の逆洗排水（配管）          １４：紫外線照射装置
１５：浄水（配管）                    １６：浄水貯槽
１７ａ：ろ過水排出配管閉止バルブ
１７ｂ：ろ過水紫外線照射装置供給配管閉止バルブ
１８：太陽電池の発電量や太陽光照射強度等の測定機器類
１９：制御装置（マイクロコンピュータ、遅延タイマー等）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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