(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水生植物が群生され上面に汚濁水が供給される土壌層と、
この土壌層の下側に敷設された排水層と、
前記土壌層及び排水層と周囲の地盤との水の流通を規制すると共に前記土壌層上に適当な深さの湛水領域を画成する遮水材と、
からなり、
前記土壌層の底面及び前記排水層に勾配が与えられ、
前記排水層が底面勾配の低位側の端部で高く形成され、この排水層の高く形成された端部に集水管が埋設され、
前記湛水領域から排水層へ向けて前記土壌層に汚濁水を鉛直方向及び水平方向に浸透させ前記排水層で集水して前記遮水材の外側へ排出することを特徴とする水処理用人工湿地。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機物、窒素、リン等により汚濁された生活廃水、工業廃水、河川水あるいは湖沼水等を処理し、かつ自然生態系を創造するのに有用な人工湿地に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生活廃水等による河川や湖沼の汚濁が深刻な地域、特に人口密度が低く下水道の未普及の地域では、汚濁水を小規模で低コストのオンサイト処理（排出された汚濁水をその場で処理する方法）に近い水処理技術が要求されている。そして、自然浄化技術の多くが、生態系を復元するといった副次的な効果を生む点を考慮し、本件発明者らは、従来から、有機物、窒素、リン等により汚濁された水の浄化処理を、人工湿地を利用して行う方法の開発に取り組んで来た。図４は、人工湿地による従来の水処理方法の例を示すもので、（Ａ）は表面流方式によるもの、（Ｂ）は浸透方式によるものである。
【０００３】
このうち、図４（Ａ）に示す表面流方式によるものは、人工湿地１００が、ヨシ等の水生植物１０２を群生させた土壌層１０１と、この土壌層１０１の充填領域を周囲の地盤Ｇに対して遮水するための遮水シートあるいは粘性土等の遮水材１０４とによって構成される。有機物等の浮遊懸濁物や可溶性汚濁物を含有する汚濁水Ｗｄは、この人工湿地１００の上流側から前記土壌層１０１上に供給され、湛水深さ５〜１５ｃｍで土壌層１０１の表面上を滞留している間に、有機性の浮遊懸濁物が動物プランクトンや底生生物に捕食されたり沈殿することによって除去され、可溶性汚濁物が水中に没した水生植物１０２の茎表面や土壌表面に棲息する微生物によって分解され、窒素やリンが水生植物１０２に養分として吸収され、これらの浄化作用により清水Ｗｃとなって当該人工湿地１００の下流側へ溢出される。
【０００４】
また、図４（Ｂ）に示す浸透方式によるものは、人工湿地１００が、ヨシ等の水生植物１０２が群生された土壌層１０１と、その上流側の端部に充填された砕石等からなる排水層１０３Ａと、前記土壌層１０１の下流側の端部に埋設された砕石等からなる排水層１０３Ｂと、これら土壌層１０１及び排水層１０３Ａ，１０３Ｂの充填領域を周囲の地盤Ｇに対して遮水するための遮水シートあるいは粘性土等の遮水材１０４と、前記下流側の排水層１０３Ｂから外部へ導出された集水管１０５によって構成される。汚濁水Ｗｄは、上述の表面流式と同様、土壌層１０１Ａの表面を滞留している間にプランクトン等による浄化作用を受けるほか、土壌層１０１Ａの表面及び上流側排水層１０３Ａから土壌層１０１Ａ内を下流側排水層１０３Ｂへ向けて略水平方向に浸透していく過程で、土中の硝化菌による硝化及び脱窒菌による脱窒作用等を受けて窒素が除去され、粘土鉱物によるリンの吸着が行われ、これらの浄化作用により清水Ｗｃとなって下流側排水層１０３Ｂで集水管１０５へ集水され排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、それぞれ次のような問題が指摘される。すなわち図４（Ａ）に示す表面流方式によるものは、比較的低濃度の汚濁水を大量に処理する場合に利用されるが、単位面積当たりの汚濁負荷の除去率が小さい。また、図４（Ｂ）に示す水平浸透方式によるものは、比較的高濃度の汚濁水を少量処理する場合に利用されるが、土壌層１０１中での水流がほぼ水平方向であるため、土壌層１０１の層厚を厚くしないと処理面積を大きくできない（一般には６０ｃｍ以上の層厚が必要とされる）。このため、例えば人工湿地１００を多段に造成して水処理を行う場合に各人工湿地間の高低差が大きくなるので、その造成コストが高くなってしまう。しかもある程度の処理流量を確保するには土壌材にかなり透水性の良い材料を使用しなければならない。
【０００６】
本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、その技術的課題とするところは、汚濁水を効率良く浄化することができ、かつ安価に造成可能な人工湿地を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題は、本発明によって有効に解決することができる。
すなわち本発明に係る水処理用人工湿地は、水生植物が群生され上面に汚濁水が供給される土壌層と、この土壌層の下側に敷設された排水層と、前記土壌層及び排水層と周囲の地盤との水の流通を規制すると共に前記土壌層上に適当な深さの湛水領域を画成する遮水材とからなり、前記土壌層の底面及び前記排水層に勾配が与えられ、前記排水層が底面勾配の低位側の端部で高く形成され、この排水層の高く形成された端部に集水管が埋設され、前記湛水領域から排水層へ向けて前記土壌層に汚濁水を鉛直方向及び水平方向に浸透させ前記排水層で集水して前記遮水材の外側へ排出するものである。
【０００８】
本発明に係る人工湿地の土壌層表面に供給された汚濁水は、前記土壌層の表面上に湛水されて滞留している間に、有機性の浮遊懸濁物が動物プランクトンや底生生物に捕食されたり沈殿することによって除去され、可溶性汚濁物が水中に没した水生植物の茎表面や土壌表面に棲息する微生物によって分解され、窒素やリンが水生植物に養分として吸収される。また、土壌層をその表面から排水層へ向けて主に鉛直方向に浸透していく過程で、土中の硝化菌による硝化及び脱窒菌による脱窒作用等を受けて窒素が除去され、粘土鉱物によるリンの吸着が行われる。そしてこれらの作用により浄化された水は、排水層で集水され排出される。
【０００９】
本発明によれば、土壌浸透水は鉛直流と水平流との複合流となるため、同規模の人工湿地であっても、従来の表面流方式や水平浸透流方式のものに比較して単位面積当たりの水処理量を増大することができる。また、鉛直浸透流によって、排水層までの土壌中の浸透距離を水平浸透流方式のものに比較して短くでき、しかもこのため土壌層には透水性の低い土壌材料を使用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る水処理用人工湿地１０の好適な一実施形態を概略的に示すものである。すなわちこの人工湿地１０は、水生植物１２を群生させた土壌層１１と、この土壌層１１の下面全域に敷設され一端部１３ａを高く形成した排水層１３と、これら土壌層１１及び排水層１２の充填領域と周囲の地盤Ｇとの水の流通を規制すると共に土壌層１１上に適当な深さの湛水領域Ｐを画成する遮水材１４とからなり、前記排水層１３の一端部１３ａ内に埋設された集水管１５から延びる配管１６が前記遮水材１４の外部へ導出されている。
【００１４】
人工湿地１０の造成においては、まず地盤Ｇを所要の面積（例えば１００ｍ２）及び所要の深さ（例えば平均６０ｃｍ程度）で湿地造成領域を掘削する。この場合、掘削部の底面に僅かな勾配（例えば２％程度）を与え、すなわち下流側となる図中右側の端部に向かって掘削深さが徐々に深くなるようにする。
【００１５】
地盤Ｇの掘削終了後は、その掘削面全体を遮水シートあるいは透水性の著しく低い粘性土等からなる遮水材１４で覆い、その底部全域に例えば砕石あるいは礫を１０ｃｍ程度の層厚で敷設して排水層１３を形成する。この排水層１３は、底面勾配の低位側（下流側）で鉛直方向に高く形成する。集水管１５は多数の小孔１５ａが開設された多孔管からなるもので、前記排水層１３の高く形成された端部１３ａに埋設し、この集水管１５からＴ字形をなすように延びる配管１６を前記遮水材１４を貫通して下流側（図中右側）へ導出させる。
【００１６】
排水層１３の上には、例えば腐葉土と砂とを適当な比率で混合した土壌材料を充填して土壌層１１を形成し、水生植物１２の植栽を施する。土壌層の平均層厚は３０ｃｍ程度とし、その上面は略水平に形成する。水生植物１２としては、例えば深く根を張り良く水を通すヨシなどが好適に植生される。また、遮水材１４で遮水された湿地造成領域の掘削深さは排水層１１の層厚と土壌層１２の層厚との和よりも大きいため、土壌層１２の上には周囲を前記遮水材１１で囲まれた湛水領域Ｐが形成され、適当な湛水深さ（例えば５〜１５ｃｍ）で水が滞留されるようになっている。
【００１７】
有機物等の浮遊懸濁物や可溶性汚濁物を含有する生活廃水等の汚濁水Ｗｄは、給水用の配管１７によって人工湿地１０の湛水領域Ｐに供給される。汚濁水Ｗｄは、その供給量と土壌層１１の透水性との関係において前記湛水領域Ｐに湛水深さ５〜１５ｃｍで湛水され、その間に、アオコなど有機性の浮遊懸濁物が動物プランクトンや底生生物に捕食されたり沈殿し、可溶性汚濁物が水中に没した水生植物１２の茎表面や土壌表面に棲息する微生物によって分解される。
【００１８】
また、湛水領域Ｐに滞留している水は土壌層１１に徐々に浸透して行き、その浸透過程で、窒素やリンの一部が養分として水生植物１２に吸収され、更に土中の硝化菌による硝化及び脱窒菌による脱窒作用や、粘土鉱物の吸着作用によって、富栄養化の要因である窒素やリンが除去される。これらの浄化作用を受けながら排水層１３に達した水Ｗは、集水管１５から配管１６を介して排出される。
【００１９】
この人工湿地１０内では小生態系による食物連鎖が成立しており、すなわち例えば有機性の汚濁物を捕食あるいは分解する土壌表面や土壌中の微生物は原生動物に捕食され、この原生動物は水中に棲息する昆虫の幼虫などに捕食され、更にこれらがカエルなどの小動物あるいは小鳥に捕食される。そしてこのような連鎖によって、汚濁物質の再生産物が湿地生態系の外部へ運び出されることになり、汚泥等の蓄積が少ない。しかも水生植物１２の繁茂によって湛水領域Ｐは日陰となっていてアオコなど藻類の増殖が抑えられる。このため土壌層１１の目詰まりが起こりにくい。
【００２０】
土壌層１１内の浸透流は、排水層１３がこの土壌層１１の下側全域に分布しているので主に鉛直方向に生じるが、前記排水層１３の下流側の端部１３ａが高く形成されていること、及び土壌層１１の底面に勾配が与えられていることによって、水平方向の流れの成分も生じており、すなわち鉛直流と水平流との複合流となる。このため単位面積当たりの水処理量が大きくなり、土壌層１１には透水係数の低い材料を使用することができる。
【００２１】
また、先に説明した図４（Ｂ）に示す従来の水平浸透流方式では、雑草の発生による水生植物（ヨシ）の成育阻害を抑制する等の目的で湛水させる場合、下流側の排水層１０３Ｂの近傍で土壌層１０１の表層からの浸透が著しく多くなるが、上記実施形態の構成によれば、排水層１３が土壌層１１の下側全域に敷設されているので、土壌層１１の全域で浸透流量を均一化し、処理効率を向上させることができる。その結果従来の水平浸透方式による人工湿地では６０ｃｍ以上必要であるとされていた土壌層１１の層厚を３０ｃｍ程度にしても、後述する実施例で詳述するように、充分な水処理能力を得ることができる。したがって図２に示すように人工湿地１０を多段に造成する場合、各人工湿地１０の高低差ｈが小さくなり、造成高さが小さくなって、造成コストを低減することができる。
【００２２】
土壌層１１内での浸透流を鉛直流と水平流の複合流とするには、上記実施形態のほか、例えば図３に第二の実施形態を示すように、集水管１５をその両端が底面勾配の高位側（上流側）の端部近傍まで延びる形状とし、排水層１３を、この集水管１５の周囲にのみ敷設した構成としても良い。すなわちこのようにすることによって、当該人工湿地１０底部付近では土壌層１１と排水層１３とが水平方向に分布するので、鉛直流のほか、図中矢印で示すような水平流が惹起されることになる。
【００２３】
【実施例１】
発明者は、面積が１００ｍ２、流下距離（図１における長さＬ）が１０ｍ、底面勾配２％、湛水深さが１０ｃｍであって、従来の水平浸透流方式（土壌層の層厚６０ｃｍ）としたモデル湿地と、本発明の構造（土壌層の層厚３０ｃｍ）としたモデル湿地について、各種の試算を行った。その結果、湛水領域での汚濁水の滞留期間を２４時間、土壌層の透水係数を１０−３ｃｍ／ｓとした場合、従来の水平浸透流方式では、水処理量が０．１０４ｍ３/ｄａｙ、水面積負荷が０．００１ｍ３/ｍ２/ｄａｙであったのに対し、本発明による湿地では１４４ｍ３/ｄａｙ、であり、水面積負荷が１．４４ｍ３/ｍ２/ｄａｙであり、すなわち単位面積当たりの水処理量が著しく増大することがわかった。また、１日当たりの水処理量を例えば２５ｍ３とするには、従来の水平浸透流方式では土壌層の透水係数を０．２４ｃｍ／ｓとする必要があるのに対し、本発明による湿地では土壌層の透水係数が１．７４×１０−４ｃｍ／ｓと著しく低いものでも良いことがわかった。
【００２４】
【実施例２】
また、土壌材料に黒ボク土を用い、層厚の異なる土壌層による水処理能力の比較を行ったところ、次のような結果が得られた。なお、土壌層の層厚１５ｃｍ及び３０ｃｍのものは本発明による人工湿地構造とし、層厚６０ｃｍのものは従来の水平浸透方式の人工湿地とした。
土壌層の層厚（ｃｍ）                  １５        ３０        ６０
窒素除去量（ｍｇＴＮ/ｍ２/ｄａｙ）  ３９４      ６３４      ５０３
窒素除去率（％）                      １８．３    ２９．２    ２０．８
リン除去量（ｍｇＴＰ/ｍ２/ｄａｙ）  １６９      １８８      ２２０
リン除去率（％）                      ５５．４    ６０．８    ９０．４
株分れしたヨシの茎密度（本／ｍ２）  ４４０      ６３０      ６８０
【００２５】
上記比較結果から明らかなように、リンの除去能力は土壌層の層厚が大きいほど向上するが、窒素除去能力は層厚６０ｃｍの土壌層よりも３０ｃｍの土壌層の方が優れており、層厚１５ｃｍでも６０ｃｍの場合に比較してそれほどの能力低下は認められない。また、ヨシの株分れした茎の密度は土壌層の層厚が大きいほど大きくなるが、層厚３０ｃｍの場合と６０ｃｍの場合とではそれほどの差がなく、すなわち層厚３０ｃｍでも水生植物の充分な生育環境が得られることがわかる。したがって、以上の結果から総合的に判断すると、本発明の構成によれば、土壌層の層厚を６０ｃｍ未満としても優れた水浄化能力が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る水処理用人工湿地によると、単位面積当たりの処理水量が増大する。このため、湿地造成に要する用地面積を小さくしたり、土壌層を造成するのに必要な土壌材量を少なくしたり、あるいは透水性の低い土壌材料を用いることができ、したがって人工湿地を安価な造成コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水処理用人工湿地の第一の実施形態を概略的に示すもので、（Ａ）は鉛直断面図、（Ｂ）は下部の水平断面図である。
【図２】上記実施形態の人工湿地を多段式に設けたものを概略的に示す鉛直断面図である。
【図３】本発明に係る水処理用人工湿地の第二の実施形態を概略的に示す下部水平断面図である。
【図４】従来技術に係る水処理用人工湿地を示す鉛直断面図で、（Ａ）は表面流方式のもの、（Ｂ）は水平浸透流方式のものである。
【符号の説明】
１０  人工湿地
１１  土壌層
１２  水生植物
１３  排水層
１４  遮水材
１５  集水管
Ｐ  湛水領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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