(57)【要約】【課題】  物理的処理と生物浄化と水質維持管理との併用を可能にした水質浄化システムを提供する。【解決手段】  ミネラル供給による水質活性化のために人工ゼオライトを使用した水質急速浄化装置２と、好気性微生物による生物浄化として水面と水底との間で循環流を生じるバイオファン耕水装置３と、磁気活性化した３ミクロン以下の超微細気泡を発生して好気性微生物を育成する超微細気泡発生装置４とをそれぞれ併用設置して成る。【選択図】      図１
2007007603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミネラル供給による水質活性化のための人工ゼオライトによる水質活性剤を使用し、且つ汚濁水の瞬時フロック化のための非アルミ系の凝集促進剤を使用して成る水質急速浄化装置と、好気性微生物による生物浄化として水面と水底との間で循環流を生じさせるバイオファン耕水装置と、磁気活性化された３ミクロン以下の超微細気泡を発生させて好気性微生物を育成させる超微細気泡発生装置とをそれぞれ併用して成ることを特徴とした水質浄化システム。
【請求項２】
前記水質急速浄化装置は、汚濁水を汲み上げる吸水ポンプと、圧送攪拌ポンプおよび反応層と、汚濁水の瞬時フロック化のための凝集促進剤を使用した無機質活性剤自動供給装置と、フロック生成層と、ブロワーと、水中にある吹き流し形状のメッシュ樹脂製による内部に前記水質活性剤を投入して成る円筒状フィルターと、スラッジ吸引ポンプと、沈殿槽と、スラッジ脱水装置とから構成されている請求項１記載の水質浄化システム。
【請求項３】
前記バイオファン耕水装置は、太陽電池充電用のソーラーパネルを配設した中央の回転駆動部と、該回転駆動部に取り付けられて毎分当たりの回転数を低速の１回転から準高速の５回転とした水掻き羽根とから構成されている請求項１記載の水質浄化システム。
【請求項４】
前記超微細気泡発生装置は、圧送ポンプと、酸素吸引部と、排出口に強磁性体を具備したノズルとから構成されている請求項１記載の水質浄化システム。
【請求項５】
前記非アルミ系の瞬間凝集剤はシンデレライト（登録商標）Ｓである、請求項１または２記載の水質浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広範囲な水質改善を能率良く行なうための水質浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の浄化処理方式としては、微生物に汚濁物質を食べさせて分解する生物浄化処理方式（例えば特許文献１）、電荷を利用して汚濁物質を凝集沈殿させる物理的処理方式（例えば特許文献２）、水中溶存酸素を高めて微生物の活動を促す曝気処理方式（例えば特許文献３）、水性植物により汚染物質の吸収除去を行なう植物処理方式（例えば特許文献４）等がある。
【特許文献１】特開平５−２９６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１２８８号公報
【特許文献３】特開２００２−３５７８１号公報
【特許文献４】特開平１０−２６３５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の浄化処理方式において、生物浄化処理方式では、微生物処理のため、気候や水温に左右され、効果にムラが生じる。曝気処理方式では、水の攪拌が起こり浄化にあまり期待がもてない。例えば、従来のブロアー方式や気泡発生装置等によって作り出される気泡は径が大きく、水中での滞留時間が短時間で瞬時に大気に解放されてしまう。したがって、気泡は径が大きく水中での滞留時間が短い気泡は、空気と水との接触チャンスが短いため、酸素が水に溶け込む時間がない。また、従来の曝気方式だけでは単なる水の攪拌作用であり、殆ど酸素溶存に対する効果がないのである。また、植物処理方式では、自然浄化の安価な方法ではあるが冬季の間は機能できない。このうち、物理的処理方式だけが、急速浄化には効果的であり、工期短縮には最良である。
【０００４】
そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、広範囲な水質改善を能率良く行なうために、物理的処理と生物浄化と水質維持管理との併用を可能にした水質浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明による請求項１記載の水質浄化システムは、ミネラル供給による水質活性化のための人工ゼオライトによる水質活性剤を使用し、且つ汚濁水の瞬時フロック化のための非アルミ系の凝集促進剤を使用して成る水質急速浄化装置と、好気性微生物による生物浄化として水面と水底との間で循環流を生じさせるバイオファン耕水装置と、磁気活性化された３ミクロン以下の超微細気泡を発生させて好気性微生物を育成させる超微細気泡発生装置とをそれぞれ併用して成ることを特徴とする。
請求項２記載の水質浄化システムは、請求項１記載の発明において、前記水質急速浄化装置は、汚濁水を汲み上げる吸水ポンプと、圧送攪拌ポンプおよび反応層と、汚濁水の瞬時フロック化のための凝集促進剤を使用した無機質活性剤自動供給装置と、フロック生成層と、ブロワーと、水中にある吹き流し形状のメッシュ樹脂製による内部に前記水質活性剤を投入して成る円筒状フィルターと、スラッジ吸引ポンプと、沈殿槽と、スラッジ脱水装置とから構成することができる。
請求項３記載の水質浄化システムは、請求項１記載の発明において、前記バイオファン耕水装置は、太陽電池充電用のソーラーパネルを配設した中央の回転駆動部と、該回転駆動部に取り付けられて毎分当たりの回転数を低速の１回転から準高速の５回転とした水掻き羽根とから構成することができる。
請求項４記載の水質浄化システムは、請求項１記載の発明において、前記超微細気泡発生装置は、圧送ポンプと、酸素吸引部と、排出口に強磁性体を具備したノズルとから構成することができる。
請求項５記載の水質浄化システムは、請求項１または２記載の発明において、前記非アルミ系の瞬間凝集剤はシンデレライト（登録商標）Ｓであるものとできる。
【０００６】
以上のように構成された本発明に係る水質浄化システムにあって、水質急速浄化装置は、吸水ポンプで吸い込まれた汚濁水を反応層で、無機質活性剤としての非アルミ系のシンデレライトＳ等の凝集促進剤と共に攪拌されて清澄水とフロックとに瞬間的に分離される。この一次処理水はフロック生成層に送られて、さらに汚濁物質をより強いフロックに生成させ、生成されたフロックと清澄水は水中の吹き流し形状の円筒状フィルターに送り込まれる。この吹き流し形状の円筒状フィルターは、処理水をフロックと清澄水とに分離し、清澄水のみを当該円筒状フィルターを介して水中に放出させる。このとき、円筒状フィルター内に投入されている人工ゼオライトによる水質活性剤は、清澄水にミネラルを供給してこれを活性化させる。
【０００７】
バイオファン耕水装置は、水面方向に広げて浮かべた水掻き羽根を、毎分当たりの回転数を低速の１回転から準高速の５回転の範囲内で静かに回転させて水を耕すことで、水中に水掻き羽根の長さＲに比例した拡がりの流管が形成され、この流管の内部を水は流れて上昇し、水面方向に広がって太陽と風に晒される。水面で酸素を得た水は水底に還り、水掻き羽根の長さＲの４０倍以上の遠方から水底を這うように流れてもとの流れの起点に収束して循環を繰り返す。すなわち、水底に堆積したヘドロを覆っている無酸素水を水面に導き、デマンドオキシゲンＤＯの高い水面の水を水底に送るこの循環で水底には水の粘性による層流を生じさせる。
【０００８】
超微細気泡発生装置は、圧送ポンプの作動によって酸素吸引部から酸素が吸引されてノズルの排出口から３ミクロン以下の超微細気泡を発生させる。このとき、ノズルの排出口に具備した強磁性体の磁気効果により水のクラスターを単分子化させて、溶解力や浸透力の高い活性水を生じさせ、水に気泡が良く溶け込み溶存酸素濃度を高めさせる。このノズルから発生する３ミクロン以下の超微細気泡は、比表面積が大きく、また、浮上速度は例えば１２ｍｍ／ｍｉｎと非常に遅く、水中での滞留時間が長く、効率良く酸素を水に溶け込ませる。このため、溶存酸素を増やし、好気性微生物の繁殖を促進することができ、この微生物で有機物を無機質に分解させる。しかも、超微細気泡自体の分極作用によって帯電状態とされ、静電気力でウイルスを引き付けてから気泡消滅時に発生するフリーラジカルにより当該ウイルスを破壊させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、広範囲な水質改善を能率良く行なうために、物理的処理と生物浄化と水質維持管理との併用を可能にした水質浄化システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の一形態を説明すると、図において示される符号１は、本発明に係る水質浄化システムの構成を示すもので、本システムは、酸化珪素および酸化アルミニウムを組成分とする人工ゼオライト等の水質活性剤を使用した例えば吹き流し方式により水中にミネラルを供給すると共に、水底から吸引された汚濁水を清澄水とフロックおよびスラッジとに分離するための非アルミ系のシンデレライトＳ等の瞬間凝集剤を使用して成る水質急速浄化装置２と、自浄作用に基づく好気性微生物による生物浄化として、水面と水底との間で循環流を生じさせる層流原理を利用して水底に酸素を供給することで好気性微生物の濾過床に変えて水質を改善するためのバイオファン耕水装置３と、磁気活性化された直径約０．５〜１０ミクロン程度でこのうち多量の３ミクロン以下の超微細気泡（マイクロバブル）を発生させて好気性微生物を育成することにより水質維持管理を行なうための超微細気泡発生装置４とをそれぞれ併用することによりシステム構成されている。
【００１１】
この吹き流し方式による水質急速浄化装置２は、図２に示すように、汚濁水を汲み上げる吸水ポンプ２Ａと、圧送攪拌ポンプ２Ｂおよび反応層２Ｃと、瞬間フロック化のための無機質活性剤自動供給装置２Ｄと、フロック生成層２Ｅと、ブロワー２Ｆと、水中にある吹き流し形状のメッシュ樹脂製による円筒状フィルター２Ｇと、スラッジ吸引ポンプ２Ｈと、沈殿槽２Ｉと、スラッジ脱水装置２Ｊとから概ね構成されている。このとき、円筒状フィルター２Ｇは、両端に装備された例えば数個のジョイント用バックル等によって吹き流し形状に直列連結され、これらを並列に設置させると共に、これら円筒状フィルター２Ｇ内には、ミネラル供給による水質活性化のための例えば人工ゼオライト等の水質活性剤を投入してある。
【００１２】
次に、水質急速浄化装置２の使用、動作について説明すると、例えば水底での沈殿汚泥堆積量が多い場合には、吸引ポンプ２Ａにより汲み上げられた汚濁水は、反応層２Ｃに送られ、無機質活性剤自動供給装置２Ｄにより無機質活性剤として例えば硫酸塩・硫酸アルミニウムをいっさい使わない非アルミ系のシンデレライトＳ等の瞬間凝集剤を投入すると同時に圧送攪拌ポンプ２Ｂによって攪拌される。このとき、一次処理として汚濁水は清澄水とフロックとに瞬間的に分離される。この一次処理水はフロック生成層２Ｅに送られ、さらに汚濁物質をより強いフロックに生成する。生成されたフロックと清澄水は水中の吹き流し形状の円筒状フィルター２Ｇに圧送ポンプにより送り込む。水中にある円筒状フィルター２Ｇは処理水をフロックと清澄水とに分離し、清澄水のみを円筒状フィルター２Ｇを介して水中に放出する。この際、円筒状フィルター２Ｇ内に投入されている人工ゼオライト等の水質活性剤により、清澄水に大量なミネラルが供給される。また、フロックは円筒状フィルター２Ｇの中を水流により後部まで運ばれ、後部に運ばれたフロックと一部の排水はスラッジ吸引ポンプ２Ｈにより脱水装置２Ｊに送られて脱水され、スラッジケーキとして回収された後、廃棄処分または二次製品として再加工される。
【００１３】
前記した瞬間凝集剤は、凝集速度の向上や強度なフロック生成を目的として、特殊母剤とした物質に強制的に高圧にて電荷を付与させて補助剤としたシンデレライトＳを微量添加する。このシンデレライトＳとしては、例えばｐＨ６．７で、高比重、水不溶性を有し、その成分および含有量は、三酸化硫黄が４１．４％、酸化カルシウムが２９％、二酸化珪素が１５．１％、三酸化二アルミニウムが９．２％、三酸化第二鉄が２．１％、酸化ナトリウムが１．３％、酸化カリウムが０．９％、酸化マグネシウムが０．５％、二酸化チタンが０．２％のものを使用している。
【００１４】
また、円筒状フィルター２Ｇ内に投入される無機質による水質活性剤としては、酸化珪素および酸化アルミニウムを組成分とする人工ゼオライトを使用する。この人工ゼオライトは、石炭灰をアルカリと反応させることで多孔質で比表面積が大きく、様々な物質を吸着保持する性質を有し、しかもこれ自体の有するイオン交換機能により発生するミネラルを水中に供給させることで水質の活性化が図れるものとしている。この人工ゼオライトは、ミネラルリッチなものとして、例えばナトリウム型、カルシウム型、カリウム型、マグネシウム型、アルミニウム型、鉄型等のものが知られている。
【００１５】
バイオファン耕水装置３の具体的な構成としては、図４に示すように、太陽電池充電用のソーラーパネル３Ｃを配設した中央の回転駆動部３Ａから角度１２０°毎に取り付けられた３つの水掻き羽根３Ｂが水面上でゆっくりと回転するように構成される。このとき、水掻き羽根３Ｂの回転による反作用でバイオファン耕水装置３自体が逆回転しないように当該バイオファン耕水装置３の下部中央に横長の支持棒を突出させ、該支持棒の両端をロープを介して、水底に設置されているアンカーに連結しておく。このバイオファン耕水装置３に超微細気泡発生装置４を併設する場合には、例えばアンカー部分に沿って超微細気泡発生装置４の後述する複数のノズル４Ｃを取り付ける。
【００１６】
また、水域面積が大きい場合には、図５に示すように、水上デッキの屋根上に太陽電池充電用のソーラーパネルＳを配設し、水上デッキの下側水没部分中央の回転駆動部３Ａから角度１２０°毎に取り付けられた３つの水掻き羽根３Ｂが配されて成るバイオファン耕水装置３と、水上デッキの周辺側に設置された吹き流し形状の円筒状フィルター２Ｇによる複数の水質急速浄化装置２とを併用させた構成とする。このとき、数十メートル以上と水深がかなり深く且つデマンドオキシゲンＤＯ量の大きな場合には超微細気泡発生装置４は威力を発揮しないため、これを使用しないものとしているが、例えば数メートル程度と水深が浅くて且つデマンドオキシゲンＤＯ量の少ない場合には、水掻き羽根３Ｂの下方側に超微細気泡発生装置４を併設することも可能である。
【００１７】
次に、バイオファン耕水装置３による浄水原理について説明すると、水面方向に広げて浮かべた水掻き羽根３Ｂを低速または準高速で静かに回転させて水を耕すと、水面付近の水は周辺に退けられ、この退けられた水を補うように水底から水が押上げられる所謂人工湧昇効果により、水中には水掻き羽根３Ｂの長さＲ（回転半径）に比例した拡がりの流管が形成され、略富士山の形をしたこの流管の内部を水は流れて上昇し、水面方向に広がって太陽と風に晒される。水面で酸素を得た水は水底に還り、水掻き羽根３Ｂの長さＲの４０倍以上の遠方から水底を這うように流れてもとの流れの起点に収束して循環を繰り返すものとなる。すなわち、水底に堆積したヘドロを覆っている無酸素水を水面に導き、デマンドオキシゲンＤＯの高い水面の水を水底に送るこの循環で水底には水の粘性による層流が生じる。
【００１８】
このように、水面に波を起こして表層の水を鉛直方向に回転させ、風と水との接触を高め、微生物の働きで低分子化された臭い等の有機成分を、回転で水面に露出した水から拡散させて水の悪臭を除去する。また、回転で水面に露出した水と空気との接触により、表層水の溶存酸素濃度が高められる。さらに、回転で水面に露出した水は、太陽光の可視光線の照射により、植物性プランクトンの増殖による窒素とリンの除去、光合成による酸素の生産が行なわれ、また太陽光の紫外線の照射により、汚濁物質の凝集フロック化と大腸菌、悪玉菌等の排除が行なわれる。
【００１９】
浄化効果が得られる水域の面積は、浄化の対象となる水域の面積をＳ平方メートル、その平均水深をＨメートル、使用するバイオファン耕水装置３の耕水量をＭ立方メートル毎分、浄水効果が得られた水深をＨｏメートル、使用したバイオファン耕水装置３の耕水量をＭｏ立方メートル毎分とすると、Ｓ＝｛Ｓｏ（Ｈｏ／Ｍｏ）2 ｝（Ｍ／Ｈ）2 で表される。
【００２０】
また、バイオファン耕水装置３の設置条件は、第１条件として、設置は一番深い所を基準にして行なうこと。第２条件として、浄化対象水域の平均水深Ｈメートルは、８πＥσρεｎηＰ／３ｇＳ以下であること。第３の条件として、浄化の対象となる水域の面積Ｓ平方メートルは、Ｋ（ｎＭ／Ｈ）2 以下であること。但し、ｎはバイオファン耕水装置３の使用台数、Ｐは駆動モータ出力、σは水の比熱、ρは水の平均密度、ｇは重力加速度、Ｍはバイオファン耕水装置３の耕水量、ηは減速機構の効率、εは水掻き羽根３Ｂの構造係数で、β2 （１−α3 ）：α＝ｒ／Ｒ、β＝Ｗ／Ｒ（図４参照）である。
【００２１】
バイオファン耕水装置３における３枚の水掻き羽根３Ｂの具体的な回転数としては、例えばＲ＝７５０ｍｍ、Ｐ＝２５Ｗの場合では、回転数は５回転／ｍｉｎとなり、Ｒ＝１５００ｍｍ、Ｐ＝６０Ｗの場合では、回転数は３回転／ｍｉｎとなり、Ｒ＝１９００ｍｍ、Ｐ＝９０Ｗの場合では、回転数は２．５回転／ｍｉｎとなる。また、浄化の対象となる水域の面積Ｓ平方メートルが、例えば琵琶湖等の大きな面積を有している場合には、Ｒ＝２．５ｍの水掻き羽根３Ｂの枚数を水に対する抵抗力を最小限に抑えるべく、少なくとも３枚とする。また、Ｐ＝２００〜３００Ｗの駆動モータ出力により、回転数を１．６４回転／ｍｉｎとすることが好ましい。尚、水掻き羽根３Ｂの枚数は、本発明を何等限定するものではなく、３枚以上使用しても良いことは言うまでもない。
【００２２】
また、バイオファン耕水装置３を使用した場合と使用しない場合との水質検査による比較実験例によれば、ＢＯＤの３ｍｇ／ｌが、使用した場合には２．２ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−２１）となり、ＣＯＤの１１ｍｇ／ｌが８ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−１７）となり、ＰＨ８．４がＰＨ８．５（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−１２−１）となり、ＳＳ１３ｍｇ／ｌが２ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−１４−１）となり、全窒素の０．８４ｍｇ／ｌが０．５２ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−４５−２）となり、全リンの０．３３ｍｇ／ｌが０．１４ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−４６−３）となり、鉄の３．９８ｍｇ／ｌが１．４０ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−５７−２）となり、マンガンの０．１２ｍｇ／ｌが０．０４ｍｇ／ｌ（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−５６−２）となる。また、透明度は１０度から２０度（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０２−９）となり、濁度は２４度から１２度（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０１−９−４）となり、色度は６４度から３３度（計量方法ＪＩＳ  Ｋ０１０１−１０−１）となり、水底の腐敗が解消されている。
【００２３】
また、バイオファン耕水装置３による表層と底層水の温度・溶存酸素の一様化に関しては、実験の結果、バイオファン耕水装置３を使用した場合では、使用しない場合に比べて水温（約３０℃）および酸素濃度（約１０ｐｐｍ）が水深に依らずに略一定である。
すなわち、平均水深２．５ｍ面積１万ｍ2 の池で、バイオファンを使用しない場合では、水深が１０ｃｍから２５ｃｍで急に水温が３０℃から３２℃近くまで上がり、２５ｃｍから７０ｃｍ近くまでは略一定の３２℃となる。そして、１００ｃｍから次第に温度が低下して行き、水深２５０ｃｍでは温度２９℃となる。また、水深１５０ｃｍより深くなると酸素濃度の方も１４ｐｐｍから次第に減少する。
【００２４】
これに対し、バイオファンを３台使用した場合では、水深に依らずに水温が略一定の約３０℃となり、酸素濃度の方も水深に依らずに略一定の８ｐｐｍとなる。
また、平均水深５ｍ，面積７１０００ｍ2 の池でバイオファンを５台使用した場合、１台のバイオファン直下の水深０．２ｍ〜４．５ｍの間では水温が３０℃と変わらず、ＰＨも８．７〜８．６と変わらず、デマンドオキシゲンＤＯも、７．０〜６．８ｍｇ／Ｌと略一定である。
【００２５】
１台のバイオファンから５．６ｍの地点では、水深０．２ｍ〜５．８ｍの間では、水温が３０℃，ＰＨが８．６〜８．５と殆ど変わらず、デマンドオキシゲンＤＯは、７．３ｍｇ／Ｌから６．２ｍｇ／Ｌと若干減少する。
【００２６】
最大水深が６．６ｍとなる場合では、水深５．７ｍではＰＨ８．８であるが、水深６．２ｍで急に減少しＰＨ７．３となり，水深６．６ｍではＰＨ７．２と若干減少する。また、ＤＯは水深５．７ｍでは６．８ｍｇ／Ｌであるが、水深６．２ｍで０．３ｍｇ／Ｌと急に減少する。
【００２７】
超微細気泡発生装置４は、図３に示すように、圧送ポンプ４Ａと、酸素吸引部４Ｂと、排出口に約４５００ガウスの強磁性体４Ｄを具備したノズル４Ｃとから概ね構成されている。このとき発生する３ミクロン以下の所謂マイクロバブルと称する超微細気泡は、この比表面積が大きく、また、浮上速度は例えば１２ｍｍ／ｍｉｎと非常に遅く、水中での滞留時間が長く、効率良く酸素を水にとけ込ませるものである。このため、溶存酸素を増やし、好気性微生物の繁殖を促進することができる。しかも、この強磁性体４Ｄの磁気効果により水のクラスターを単分子化させて、溶解力や浸透力の高い活性水を生じさせ、水に気泡が良く溶け込み溶存酸素濃度を高めるものとなり、これにより好気性微生物を増殖させると共に、この微生物で有機物を無機質に分解する。
【００２８】
特に、好気性微生物は底泥を分解し、窒素は気体として放出し、リン酸は不溶解の個体として固定する。また、このような３ミクロン以下の超微細気泡は、自体の分極作用によって帯電した状態となり、静電気力でウイルスを引き付けてから気泡消滅時に発生するフリーラジカルにより当該ウイルスを破壊することができる。尚、超微細気泡発生装置４を使用する替わりに、ナノバブル発生装置を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実施するための最良の形態を示す構成図である。
【図２】同じく水質急速浄化装置のフロー構成図である。
【図３】同じく超微細気泡発生装置のシステム構成図である。
【図４】同じくバイオファン耕水装置の側面図である。
【図５】同じくバイオファン耕水装置と水質急速浄化装置とを併用した場合の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  水質浄化システム  
２  水質急速浄化装置
３  バイオファン耕水装置
４  超微細気泡発生装置
【図１】
2007007603.tif 000003
【図２】
2007007603.tif 000004
【図３】
2007007603.tif 000005
【図４】
2007007603.tif 000006
【図５】
2007007603.tif 000007