(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸態窒素を含有する土壌浸透水から硝酸態窒素を除去する方法であって、
土壌中の下層の上に、電子供与体が混入された電子供与体混入層を直接接して設ける工程と、
前記電子供与体混入層の上のみに選択的に、低透水性土壌層を直接接して設ける工程と、
前記電子供与体混入層に向けて、前記低透水性土壌層の深さ方向に前記土壌浸透水を通過させ、前記土壌浸透水への酸素の供給を抑制する工程と、
前記酸素供給が抑制された土壌浸透水を、前記下層に向けて前記電子供与体層の深さ方向に通過させて前記電子供与体に接触させて脱窒を行なうことにより、前記硝酸態窒素の濃度を低減する工程と、
前記硝酸態窒素が低減された前記土壌浸透水を、前記下層に浸透させる工程と
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記低透水性土壌層上に、前記低透水性土壌層より一桁以上高い飽和透水係数を有するバッファ層を設ける工程をさらに具備し、前記土壌浸透水は、前記低透水性土壌層に浸透する前に前記バッファ層に浸透することを特徴とする請求項１に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項３】
前記電子供与体混入層における前記電子供与体の含有量は、質量で１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項４】
前記低透水性土壌層は、粘土質土壌と砂との混合物を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項５】
前記電子供与体は、硫黄を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項６】
前記電子供与体混入層は、炭酸カルシウムをさらに含有することを特徴とする請求項５に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項７】
前記低透水性土壌層の膜厚は、０．５〜５０ｃｍであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項８】
前記低透水性土壌層は、地表から０〜２００ｃｍの深さに設けられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項９】
前記低透水性土壌層における水分飽和度は、０．９以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項１０】
前記低透水性土壌層に収容される土壌は、その飽和透水係数が浸透水量に等しいことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項１１】
前記低透水性土壌層における飽和透水係数は、０．１ｍｄ-1以下であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項１２】
前記バッファ層の厚さは、前記低透水性土壌層の厚さの３〜１０倍であることを特徴とする請求項２ないし１１のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【請求項１３】
前記電子供与体の含有量は、質量で５％以上であることを特徴とする請求項３ないし１２のいずれか１項に記載の土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境保全、水処理に係り、特に土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、硝酸態窒素による地下水の汚染が世界各地で生じている。これは、農地（水田を除く）や排水の土壌浸透処理場など、硝酸態窒素が浸透する土壌において、その土壌が好気性に保たれることにより脱窒が生じないためである。
【０００３】
土壌浸透水から窒素を除去する方法としては、特開２０００−２９６３９４公報、および特開２０００−２８８５６３公報に記載された方法が知られている。いずれも、土壌中に不透水性の構造物を設置し、その内部に水がある程度溜まる形にすることによって、土壌内に嫌気性の部分を生じさせるものである。
【０００４】
また、土壌に有機物層を埋め込む、いわゆる多段土壌層法も開発されている（1993、T.Wakatsuki, H.Esumi, S.Omura, High performance and N&P removable on-site domestic waste water treatment system by multi-soil-layering method (In G.Ho and K.Mathew ed., Water Science and Technology, Volume 27, No.1, Appropriate Waste Management Technologies所収)、Pergamon Press, Oxford, pp 220(31-40)）。この方法は、ジュート袋などの有機物を多段状に入れておくもので、設置に手間がかかる。しかも、有機物が好気的に分解してロスが生じるおそれがあり、過度に嫌気性状態が続くのを防ぐために曝気が必要であるなどの問題点もある。
【０００５】
さらに、排水の土壌浸透水からの窒素除去では、特開平５−１０４０８５号公報に記載されているように植物による吸収を期するものが挙げられる。一般に植物の吸収による窒素除去は、脱窒よりも効率が悪いのみならず、冬季の吸収が期待できない。
【０００６】
その他、土壌浸透水からの窒素除去としては、湿地などに水を浸透させ、土壌と植物との作用で窒素を除去する方法が特開平９−４７７７９号公報に記載されている。この方法は、湿地、休耕田、あるいは水田など湛水状態での土壌を利用した技術であり、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場には適用することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場に適用することができ、構造物を設けることなく、効率よく簡便に脱窒を行なうことが可能な、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、硝酸態窒素を含有する土壌浸透水から硝酸態窒素を除去する方法であって、土壌中の下層の上に、電子供与体が混入された電子供与体混入層を直接接して設ける工程と、前記電子供与体混入層の上のみに選択的に、低透水性土壌層を直接接して設ける工程と、前記電子供与体混入層に向けて、前記低透水性土壌層の深さ方向に前記土壌浸透水を通過させ、前記土壌浸透水への酸素の供給を抑制する工程と、前記酸素供給が抑制された土壌浸透水を、前記下層に向けて前記電子供与体層の深さ方向に通過させて前記電子供与体に接触させて脱窒を行なうことにより、前記硝酸態窒素の濃度を低減する工程と、前記硝酸態窒素が低減された前記土壌浸透水を、前記下層に浸透させる工程とを具備することを特徴とする方法を提供する。
【０００９】
本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法は、従来の窒素除去方法とは異なり、土壌浸水量が大きいほど土壌含水率が高くなるという性質を利用し、特に構造物を設けずとも窒素除去効果を得ることを可能とした。
【００１０】
特に、土壌の物理性（透水性、保水性、および気体の拡散）を利用しているので、本発明の硝酸態窒素の除去方法においては、土壌に水が浸透している場での酸素供給を抑制して、脱窒による窒素除去を促進することが可能である。また、土壌に水が浸透しない場合には、土壌は好気性を回復し、土壌の嫌気化による害を防ぐことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法の一例の概念図を示す。図示するように、土壌１１中に低透水性の土壌層１２を設置し、この低透水性土壌層１２の下方には、脱窒のための電子供与体となる物質である硫黄などを混入した層１３が設けられる。硝酸態窒素を含有した水が低透水性土壌層１２に浸透すると、この低透水性土壌層１２での含水率が上昇して地表からの酸素供給が抑制される。酸素供給が抑制された硝酸態窒素含有水がさらに電子供与体混入層１３に浸透すると、ここでは無酸素条件が達せられて、脱窒菌の働きにより窒素が除去される。その結果、下層１４に浸透する水の硝酸態窒素濃度は、層１１を浸透する水のそれよりも低いものとなる。
【００１３】
低透水性土壌層１２は、例えば、地表から０〜２００ｃｍ程度の深さに、０．５〜５０ｃｍ程度の層厚で設けることができる。この場合の低透水性土壌層における水分飽和度を、図２のグラフに示す。低透水性土壌層１２における水分飽和度は、図２のグラフに示されるように０．９程度であり、その上下の層よりも低透水性であることがわかる。なお、低透水性土壌層１２における水分飽和度は、土壌に水が浸透している状態で、土壌の有効水分飽和度がほぼ１となることが好ましい。有効水分飽和度が低くなると、酸素供給を十分抑制することが困難となる。
【００１４】
こうした低透水性土壌層１２には、その飽和透水係数が浸透水量にほぼ等しいものを収容することが好ましい。飽和透水係数は、粘度質土壌に砂を混合するなどによって調整することができる。図３のグラフには、低透水性土壌における粘土質土壌の割合と飽和透水係数との関係を示す。例えば、粘土質土壌が含有されない場合には、飽和透水係数は１程度であり、粘土質土壌を１００％とすることによって、飽和透水係数は０．０１程度に減少する。こうした関係に基づいて、低透水性土壌を適切に調製することができる。なお、混合される粘土質土壌の径が１０ｍｍおよび５０ｍｍの場合でも、図３に示されるように飽和透水係数に大きな違いは生じない。
【００１５】
低透水性土壌層１２は、図４に示すように低透水性層２２とバッファ層２１との二つの層に分けることもできる。バッファ層２１には、低透水性層２２よりも一桁以上高い飽和透水係数を有する土壌を収容する。この方法により、低透水性層土壌の飽和透水係数よりも大きな浸透水量となった場合でも、溢流を生じずに、また土壌層１１下層が飽和になるのを避けることができる。なお、バッファ層２１の厚さは、低透水性層２２の厚さの３〜１０倍程度とすることが好ましい。
【００１６】
バッファ層２１の飽和透水係数が十分高い場合、具体的には、低透水性層２２の飽和透水係数よりも１０倍程度以上大きい場合には、低透水性土壌層の飽和透水係数に等しい浸透水量から、飽和透水係数の約ａ／ｂ倍までの浸透水量に対応することができる。ここで、ａはバッファ層厚さを表わし、ｂは低透水性土壌層厚さを表わす。
【００１７】
また、低透水性土壌層１２の下方に設けられる電子供与体混入層１３には、例えば、硫黄が電子供与体物質として含有される。この場合、中和のためにほぼ同重量の炭酸カルシウム等の中和剤を混入することが好ましい。硫黄の含有量は、収容される土壌全体に対して質量で５％程度とすることが好ましい。１０％程度となると、温暖化ガスである亜酸化窒素を発生する懸念がある。一方、投入量が少なくなると、耐用年数あるいは硫黄補給までの期間が短くなる。
【００１８】
硫黄および炭酸カルシウムに加えて、稲わら、おがくず、および生分解性プラスチック等を電子供与体物質として用いることもできる。
【００１９】
電子供与体混入層１３の厚さは、処理すべき浸透水量、浸透水中の硝酸態窒素濃度、および期待する耐用年数等に応じて適宜決定することができる。
【００２０】
なお、図示していないが、低透水性土壌層１２中に硫黄および炭酸カルシウムなどの電子供与体物質を混入してもよい。この場合には、土壌浸透水への酸素供給の抑制と土壌浸透水からの脱窒との両方を、単一の層で行なうことが可能となる。低透水性土壌層中に混入する場合においても、硫黄および炭酸カルシウム等の電子供与体物質の含有量は、前述と同様の理由から質量で０〜１０％程度とすることが好ましく、５％程度とすることがより好ましい。
【００２１】
次に、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
【００２２】
実験に用いる装置の構成を表わす概略図を、図５に示す。本発明の方法を行なうカラムＡ１においては、試料土壌層Ａ３（埼玉県農業試験場の圃場から採取）の下方に、低透水性土壌層Ａ４および電子供与体混入層Ａ５が順次設けられている。具体的には、層Ａ４には、飽和透水係数が１ｍｄ-1の土壌と０．０１ｍｄ-1の土壌とを混合して調製した飽和透水係数０．１ｍｄ-1の土壌を収容し、層Ａ５には、硫黄および炭酸カルシウムをそれぞれ質量で５％となるようにＡ３土壌に混合したものを収容した。層Ａ５の下方には前述と同様のＡ３土壌層を配置し、カラムの底部には礫層Ａ６を設けた。さらに、各土壌層にはＦＲＤ式土壌水分計Ａ７を設置した。
【００２３】
なお、図５中の数値は、カラムのサイズ（ｃｍ）を表わしている。
【００２４】
一方、低透水性土壌層Ａ４を設けない以外は前述のＡ１と同様の構成のカラムを、対照カラムＡ２として用意した。
【００２５】
水道水に硝酸カリウムを加えた溶液Ａ８をカラムＡ１およびＡ２に供給して、出口における溶液の硝酸態窒素濃度の変化を調べた。
【００２６】
２０ｍｇ／Ｌ硝酸カリウム溶液を０．０５ｍｌ／日で供給した場合の出口の硝酸態窒素濃度を、図６のグラフに示す。図示するように、対照カラムＡ２では窒素除去効果が得られなかったのに対して、低透水性土壌層を設けたカラムＡ１では、出口の窒素濃度が実験開始後１０日程度で１〜５ｍｇ／Ｌ程度と著しく減少している。
【００２７】
このように、低透水性土壌層を設けた本発明にかかる硝酸態窒素の除去方法の効果が確認された。
【００２８】
なお、敷地が大きく浸透水がそのごく一部を浸透する場合、低透水性層が一様にぬれないことが想定される。このような場合は、例えば図７に示されるように深さ隔壁１５を設置することができる。これにより、側方からの酸素供給を可能にすることができる。隔壁１５の深さは、設置する位置により変ってくるが、概ね１〜２ｍ程度となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、畑や土壌表層数十センチを好気性に保つ必要のある排水土壌浸透処理場に適用することができ、構造物を設けることなく、効率よく簡便に脱窒を行なうことが可能な、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去方法が提供される。
【００３０】
本発明を用いることによって、土壌浸透水からの硝酸態窒素の除去、特に排水の土壌浸透処理場や畑からの浸透水から窒素を効率よく除去することが可能となり、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる方法の概念を説明する図。
【図２】水分飽和度と地表からの深さとの関係を説明する図。
【図３】粘土質土壌の割合と飽和透水係数との関係を説明するグラフ図。
【図４】本発明の他の例における概念を説明する図。
【図５】実験装置の概略を説明する図。
【図６】カラム出口における硝酸態窒素濃度の経時変化を説明するグラフ図。
【図７】本発明の他の例における概念を説明する図。
【符号の説明】
１１…土壌
１２…低透水性土壌層
１３…電子供与体混入層
１４…下層
１５…隔壁
２１…バッファ層
２２…低透水性層
Ａ１…低透水性土壌層を設けたカラム
Ａ２…対照カラム
Ａ３…土壌層
Ａ４…低透水性土壌層
Ａ５…電子供与体混入層
Ａ６…礫層
Ａ７…ＦＤＲ式土壌水分計
Ａ８…硝酸カリウム溶液
【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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