(57)【要約】【課題】木炭式水質浄化装置により高い脱窒効果が得られるようにする。【解決手段】水質浄化装置２０は、木炭２４からなる浄化槽２５を収容する本体容器２２と、被処理水を浄化槽２５に通過させるための水中ポンプ３４と、水中ポンプ３４を制御する制御装置４４とを備える。制御手段４４は、水中ポンプ３４を間欠的に運転する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木炭で構成された浄化手段と、この浄化手段に被処理水を通過させるための給水手段とを備える木炭式水質浄化装置であって、前記給水手段を間欠運転させる制御手段を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
木炭で構成された浄化手段と、この浄化手段に被処理水を通過させるための給水手段とを備える木炭式水質浄化装置の運転方法であって、前記供給手段を間欠運転させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水質浄化装置に係り、特に、木炭を用いて水質を浄化する木炭式水質浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特許文献１に開示される如く、木炭を用いた水質浄化装置が知られている。この水質浄化装置は、図７にその概略構成を示すように、集水孔１を有する外体２と、通水孔３を有する集水管４とを備えている。外体２と集水管４との間には木炭５を詰めた処理層６が設けられている。集水管４の中にはリフト管７が配設されており、このリフト管７の中には第１の空気導入管９が配設されている。第１の空気導入管９の先端部にはノズル８が設けられており、空気導入管９は、このノズル８がリフト管７の下部近傍に位置するように配置されている。また、外体２の底面１０には、ノズル１１を有する第２の空気導入管１２が設けられている。第１の空気導入管９および第２の空気導入管１２には、切替弁１７を介して空気圧縮機１６，１８が接続されている。
【０００３】
以上の構成によれば、第１の空気導入管９へ圧縮空気が送られると、この空気がノズル８から噴出してリフト管７内を上昇する。かかる空気の流れに伴って、被処理水が外体２の集水孔１から吸い込まれて処理層６を通過することで浄化され、さらに、集水管４の通水孔３を通って、リフト管７の流入口１４から吸い込まれて、流出口１３から吐出される。また、第２の空気導入管１２に圧縮空気が送られると、この空気はノズル１１から処理層６へ向けて上向きに噴出される。
こうして噴出された空気により処理層６の木炭５に付着した汚泥が落とされ、外体２から外部へ放出される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１８７４９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の水質浄化装置は、被処理水を、木炭５からなる処理層６に通過させることにより浄化している。すなわち、木炭に生息する好気性微生物の働きにより、被処理水に含まれるアオコや各種有機物を分解することで被処理水を浄化するのである。
【０００６】
ところで、本願発明者等が木炭に生息する微生物について研究を行ったところ、木炭には好気性微生物のほか、シュードモナス等の通性嫌気性微生物も多数生息していることが判明した。通性嫌気性微生物は、嫌気雰囲気下でＮＯ２−やＮＯ３−の窒素化合物が与えられると、これら窒素化合物を分解する性質を有する。したがって、木炭式水質浄化装置において、木炭に生息する通性嫌気性微生物の上記性質を利用できれば、アオコや有機物のみならず、窒素化合物の除去（脱窒）も可能となる。
【０００７】
しかしながら、従来の木炭式水質浄化装置では、被処理水を処理層へ連続的に供給しているため、木炭には常に被処理水に溶け込んだ酸素が供給されて好気雰囲気が保たれ、通性嫌気性微生物による脱窒効果を得ることは難しかった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、木炭式水質浄化装置により高い脱窒効果を得られるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、木炭で構成された浄化手段と、この浄化手段に被処理水を通過させるための給水手段とを備える木炭式水質浄化装置であって、前記給水手段を間欠運転させる制御手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載された発明は、木炭で構成された浄化手段と、この浄化手段に被処理水を通過させるための給水手段とを備える木炭式水質浄化装置の運転方法であって、前記給水手段を間欠運転させることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、浄化手段に水を通過させるための給水手段を間欠的に運転させることにより、給水手段の停止状態では浄化手段を構成する木炭を嫌気雰囲気にできる。このため、木炭に生息する通性嫌気性細菌の脱窒作用により、被処理水に含まれる窒素化合物を分解することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態である水質浄化装置２０の断面図であり、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。図１に示すように、水質浄化装置２０は、被処理水の水面Ｓに浮かべられたフロート５０により、水面Ｓ近傍の水中に保持されている。
【００１３】
図１および図２に示すように、水質浄化装置２０は本体容器２２を備えている。本体容器２２には、多数の木炭２４が詰められており、浄化槽２５を構成している。木炭２４は、例えば、粒径１０〜５０ｍｍ程度の多孔質（例えば１ｇ当りの表面積が３００ｍ２程度）の木炭であり、その表面に生息する好気性微生物の働きにより、被処理水に含まれるアオコ等の有機物を分解することで被処理水を浄化する。さらに、後述するように、本実施形態の水質浄化装置２０は、木炭に生息する通性嫌気性微生物を利用して、被処理水の脱窒を行う機能も有している。
【００１４】
本体容器２２の上面２２ａは、例えば通水孔が設けられ、あるいは、メッシュ材で構成されることなどにより、水を通過させ得るようになっている。また、本体容器２２の底部には、上向きのノズル孔２６を有する空気導入管２８が設けられている。空気導入管２８は、送風機３０に接続されており、送風機３０から送り込まれた空気がノズル孔２６から噴出される。さらに、本体容器２２の底部には、水中ポンプ３４が設けられている。水中ポンプ３４の吸入口には、集水管３６が接続されている。集水管３６には集水孔３８が設けられている。また、水中ポンプ３４の吐出口には、放水管４０が接続されている。放水管４０は上向きに延びて水面から突き出し、その先端部には、例えばＴ字型に分岐された放水口４２が設けられている。
【００１５】
送風機３０および水中ポンプ３４は、制御装置４４により制御される。送風機３０および制御装置４４は例えばフロート５０あるいはこれとは別のフロートで支持された架台上に設置されてもよいし、あるいは、陸地上に設置されていてもよい。
【００１６】
上記した水質浄化装置２０において、制御装置４４により水中ポンプ３４を作動させると共に、送風機３０を停止させると、被処理水が水中ポンプ３４に吸入されて集水孔３８から集水管３６へ流入し、ポンプ３４から吐出された被処理水は、放水口４２から本体容器２２の周囲の水面へ放出される。これにより、図１に矢印で示すように。被処理水が本体容器２２の上面２２ａから浄化槽２５へ流入し、浄化槽２５を下向きに通過して、本体容器２２の底部の集水管３６に吸入される。こうして被処理水が浄化槽２５を通過することにより浄化される。
【００１７】
上述の如く、浄化槽２５による被処理水の浄化は、木炭２４に付着した好気性細菌が被処理水中のアオコ等の有機物を分解することにより行われるが、有機物シルト等の無機微粒成分が核となって形成されている。このため、有機物が分解されると、その核であった無機微粒成分が汚泥となって木炭２４の表面に蓄積し、浄化性能が次第に低下する。そこで、上記のような浄化処理を一定時間行った後、木炭２４に付着した汚泥を除去する処理（以下、逆洗処理という）を行う。
この逆洗処理は、水中ポンプ３４を停止させると共に、送風機３０を作動させることにより行われる。送風機３０を作動させると、空気導入管２８のノズル孔２６から空気が上向きに噴出され、この空気により木炭２４内の汚泥が除去されて、本体容器２２の上面２２ａから排出されるのである。
【００１８】
ところで、本願発明者等は、木炭に生息する微生物について実験を行い、その結果、木炭に通性嫌気性微生物が生息していることが判明した。この実験の手順は次の通りである。
【００１９】
ａ）普通寒天培地を所定の方法で溶かしてオートクレイブ滅菌した後、滅菌シャーレに１０〜１５ｍｌずつ培地を注ぎ、平板培地を作製する。
【００２０】
ｂ）水質浄化装置の木炭表面から採取したコケ状物質を洗い流して得られた試料水を、滅菌した普通ブイヨンに１０％の割合で加え、３０℃の孵卵器にて好気的に培養する。
【００２１】
ｃ）増殖が見られたものについて、ａ）の普通寒天平板培地に塗抹し、コロニーを作らせて分離培養を行う。
【００２２】
ｄ）分離培養された各菌株について、Ｇｒａｍ染色を行い、その形態を光学的顕微鏡で観察後、ブドウ糖を用いたＯＦテスト（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｔｅｓｔ）を用い、菌株の基本的な分類を行う。Ｇｒａｍ染色は細菌の分類に用いる基準の一つであり、細胞壁の性状により染色結果が異なるとされている。また、ＯＦテストは、細菌によって糖が酸化的に分解されるのか、発酵的に分解されるのかによって細菌を分類するための基となる試験である。
【００２３】
ｅ）ブドウ糖を非発酵的に分解する菌株について、ＩＤ  ＴＥＳＴ（ＮＦ−１８）を用いて、硝酸塩還元テストを行う。通性嫌気性微生物は、嫌気性雰囲気下では硝酸あるいは亜硝酸を電子受容体とした硝酸呼吸を行うことができるので、硝酸塩還元テストにより、通性嫌気性微生物が分離されることになる。
【００２４】
ｆ）硝酸塩還元テストにより分離された菌、すなわち、通性嫌気性微生物を顕微鏡で観察し、微生物の量を目視で判定する。
【００２５】
以上の実験の結果、木炭表面に多数の通性嫌気性微生物が生息していることが明らかとなった。
【００２６】
上述のように、通性嫌気性微生物は、嫌気性条件下で硝酸あるいは亜硝酸を与えられると脱窒を行うが、その反応は次の式で表される。
ＮＯ２−  ＋  ３Ｈ＋    →  １／２Ｎ２  ＋    Ｈ２Ｏ  ＋  ＯＨ−
ＮＯ３−  ＋  ５Ｈ    →  １／２Ｎ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ  ＋  ＯＨ−
【００２７】
したがって、本実施形態の水質浄化装置２０において、浄化槽２５を構成する木炭２４を嫌気雰囲気にできれば、通性嫌気性微生物が上記の反応によりＮＯ２−，ＮＯ３−を分解することで、脱窒効果を期待できる。そこで、本実施形態では、図３に示すように、浄化槽２５へ被処理水を供給する水中ポンプ３４を、制御装置４４により作動状態と休止状態とが繰り返されるように間欠運転させて、嫌気雰囲気を作り出せるようにしている。すなわち、水中ポンプ３４の作動状態では酸素が溶け込んだ被処理水が浄化槽２５に供給され続けるため木炭２４は好気雰囲気となるが、水中ポンプ３４の停止状態では、新たな被処理水が供給されなくなるため、嫌気雰囲気となるのである。
【００２８】
水中ポンプ３４の間欠運転により脱窒効果が得られることを確認するため、次の実験を行った。すなわち、水質浄化装置２０を実験水槽内に設置し、アオコの一種であるクロレラを実験水槽に点滴しながら、先ず、水中ポンプ３４を約２日間連続運転し、その後、間欠運転に切り替えて、その間の被処理水中の窒素およびリンの濃度変化を測定した。なお、水中ポンプ３４の間欠運転は、一例として、３分間の停止と３分間の作動を繰り返すことにより行った。
【００２９】
図４は上記の実験結果を示す図であり、同図（ａ）は、被処理水中の窒素濃度の変化を、同図（ｂ）は被処理水中のリン濃度の変化を、同図（ｃ）は、（ａ），（ｂ）の結果から求められる（窒素濃度／リン濃度）の変化を、夫々示す。各図において横軸の「１／１８」「１／１９」等の表示は日付を表している。なお、図４（ａ）〜（ｃ）において各日付の濃度を表す２本の棒グラフのうち、左側の白抜きのグラフは実験水槽内のある点で採取された被処理水についての測定結果を示し、右側のハッチング付きのグラフは浄化槽２５を通過して水中ポンプ３４によって汲み上げられた被処理水についての測定結果を示している。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、水中ポンプ３４の運転状態を連続運転から間欠運転に切り替えることで、被処理水の窒素濃度は低下する。一方、木炭浄化ではリンの除去はできないため、図４（ｂ）に示すように連続運転・間欠運転にかかわらず、リン濃度は次第に増加する。その結果、図４（ｃ）に示すように、（窒素濃度／リン濃度）の値は、間欠運転にすることで大幅に減少し、高い脱窒効果が得られていることが分かる。
【００３１】
また、水中ポンプ３４を間欠運転することにより、ポンプの作動期間中には木炭２４に酸素が供給されることで好気性微生物による浄化作用が持続するので、アオコや有機物の除去効果を維持することもできる。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、水質浄化装置２０の水中ポンプ３４を間欠運転するだけで、木炭２４を嫌気雰囲気にして通性嫌気性微生物による脱窒効果を得ることができる。すなわち、好気性微生物によるアオコや有機物の除去に加えて、窒素化合物の除去も可能な高い浄化能力を有する水質浄化装置２０を実現できる。
【００３３】
なお、上記実施形態の水質浄化装置２０では水中ポンプ３４が本体容器２２の内側の底部近傍に設置されるものとしたが、これに限らず、例えば図５に示すように上部近傍に設置して被処理水を本体容器２２の底面２２ｂから浄化槽２５へ供給するようにしてもよい。この構成では、逆洗された汚泥は排出管３９から上方へ排出される。また、図６に示すように、水中ポンプ３４を本体容器２２の外側に設置して、浄化槽２５の上方から水を供給するようにしてもよい。さらに、本発明は、水中ポンプ３４により被処理水を浄化槽２５に供給する構成に限らず例えば、上記図７に示す従来例のように、リフト管７へ空気を供給することにより被処理水を処理層６に通過させる構成にも適用が可能であり、その場合には、リフト管７へ圧縮空気を供給する空気圧縮機を間欠運転させればよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る木炭式水質浄化装置によれば、被処理水の脱窒処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である水質浄化装置の断面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】本実施形態の水質浄化装置の水中ポンプの運転状態を示す図である。
【図４】本実施形態の水質浄化装置による脱窒効果を確認するための実験結果を示す図である。
【図５】本発明の水質浄化装置の別の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の水質浄化装置の更に別の実施形態を示す図である。
【図７】従来の水質浄化装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
２０  水質浄化装置
２４  木炭
２５  浄化槽（浄化手段）
３４  水中ポンプ（給水手段）
３６  集水管
３８  集水口
４０  放水管
４２  放水口
４４  制御装置（制御手段）
【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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