福岡県保健環境研究所年報第28号，105−109，2001

原著論文
竹炭入りコンクリートによる水質浄化
土田大輔・中村融子・徳永隆司＊1・世利桂一＊2・倉富伸一＊3
竹炭を含有させたコンクリートブロックを作製し，その水質浄化能を，コンクリートから溶出してくる溶解物質と，付着微生物による有機物分解の両面から検討した．試験片による室内での浸漬実験の結果，竹炭入りコンクリートからは，カルシウムイオン，硫酸イオンといったセメントに由来するものは少なく，カリウムイオンなどの竹炭由来の無機物質が多く溶出することがわかった．また竹炭入りコンクリートは，竹炭の入っていないコンクリートに比べ，六価クロムの溶出量が少なく，吸着実験の結果，竹炭に吸着されていることがわかった．試験片を酸化池に 3 カ月間沈めて微生物を付着させた結果，普通コンクリートの 3 倍近い量が付着しているのが確認された．この微生物量の違いにより，BOD 除去速度も大きいことがわかった．
〔キーワード：竹炭，護岸ブロック，付着微生物，六価クロム〕
１化が可能である．

背景及び目的
竹類の需要の減少，海外からの竹材やタケノコの輸入

本研究では，①コンクリートからは種々の溶解物質が増加などにより，竹林が放置され，異常繁殖しているこ溶け出すことが知られている４）が，竹炭を含有させることが社会問題化している．そのため竹の新しい用途を開とにより溶出する物質にどのような違いが現れるか，②発し，これを有効利用することによって，竹林産業の活付着微生物による浄化作用５）６）に注目し，コンクリート性化を図ろうとする動きが全国の竹材生産地を中心に進表面の竹炭により，微生物の付着量が増加し，水質浄化められている．そのひとつとして炭焼きの技術を生かし能を高めるかどうかを明らかにすることを目的とした．

１）た竹炭の生産が行われている ．
これまで，竹炭などの炭化物には水質の浄化能があることが報告されている ２）．しかし，これらは炭化物が有

２

方法

２・１

実験試料

機汚濁物質を吸着する効果を利用したものであり，吸着本実験に使用した竹炭入りコンクリートの製造方法７）

量が有限であるため，実際の河川で浄化能を持続させるを以下に示す．竹炭はモウソウチクを原料として，ローのは困難である．そこで，表面に無数の細孔のある竹炭

タリーキルン式連続炭化炉で製造したものを用いた．竹を，コンクリートに含有させることで微生物の付着を促

炭の大きさは，長辺 5 −10 mm，短辺 2 − 3 mm の長粒し，水質浄化に役立たせることを目的としたコンクリー状である．竹炭の性状を表 1 に示す．セメントは竹炭

３）

トブロックを開発した ．コンクリートの表面を微生物を混合すると強度の低下が予想されることから，従来のの住処として利用すると，付着微生物が河川増水時に剥セメントに比べ圧縮強度，曲げ強度が大きくなる特殊セ離し，その後，新たな微生物が付着増殖することで，水メントを使用した．これらの竹炭とセメントを重量比 3

質浄化能を長期間維持できると考えられる．

： 7 で混合した後，水を加えてミキサーで撹拌した．

また，1997年の河川法の改正により，河川管理の目的

材 齢 7 及 び 28日 に お け る 圧 縮 強 度 は ， 21.3及 び20.1

として，治水，利水だけでなく環境の保全も含まれるよ(N/mm2 )で JIS 強度を満たした．また対照として竹炭のうになった．これに伴い，全国で自然石や植物を利用し入っていないコンクリート(普通コンクリート)も作製した護岸の施工例も多くなっているが，全ての河川で行うた．のは難しい．今回開発された竹炭入りコンクリートは，室内実験のために，竹炭入り，普通コンクリート両方大規模な工事を行うことなく設置が可能であり，維持管について，一辺 2 cm の立方体試験片を作製した．実際理も容易であることから，都市河川や人工水路でも実用のコンクリート製品では蒸気養生工程があるが，試験片

＊1
＊2＊3

福岡県保健環境研究所（ 〒 818 - 0135
現：リサイクル総合研究センター（ 〒 808 - 0135
現 ： 福 岡 県 商 工 部 新 産 業 ・ 技 術 振 興 課 （ 〒 812 - 8577
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については行っていない．試験片の外観を図 1 に示す．

−17mg/l， T-N：0.3−12.6mg/l， T-P：0.13−1.4mg/l で竹炭入りコンクリートは表面に黒い竹炭が露出している．

あった．

pH

表1 竹炭の性状
灰分 揮発分 炭素 水素 酸素 嵩比重 比表面積32%%%%%
g/cm
m /g

10.2 6.4 11.2 87.2 0.9

5.50.23

微生物量の測定は以下の 2 つの方法で行った．付着
重量は一定面積から付着微生物をハブラシで落とし，105℃で乾燥して，単位面積あたりの乾重量として求めた．好気性従属栄養細菌数は PYG 寒天培地(ポリペプト226

ン1.0g，酵母エキス0.5g，グルコース0.2g）に，ハブラシで落としたものを希釈後に表面塗布し，20℃で14日間培養して計測した．
２・５

ＢＯＤ除去実験

酸化池で微生物を付着させた，竹炭入り，普通コンクリートの試験片 5 個をそれぞれ合成下水200 ml に入れ，20℃の恒温暗室内で振とうした．合成下水はペプトン20
図１ 竹炭入りコンクリート(左)と普通コンクリート(右)の外観

mg，サッカロース20 mg，リン酸二水素カリウム5 mg，炭酸水素カリウム10mg を蒸留水 1 ｌに溶解させることにより得た．

２・２

浸漬実験

竹炭入り，普通コンクリートの試験片 6 個を300ml トールビーカーにそれぞれ入れ，蒸留水250ml に浸し，ロ３

結果と考察

３・１

コンクリートから溶出する無機物質ータリーシェイカーにより振とう攪拌(80 rpm）した．

コンクリートが護岸ブロックとして，河川で使われる浸漬期間中，電気伝導度と pH を測定し，値が安定したことを想定し，コンクリートと水が接したときに溶出し後，浸漬させた水を採取し，溶出した無機物質の濃度をてくる無機物質を把握するために浸漬実験を行った．コ

測定した．実験は20℃の恒温室内で行った．

ンクリートから浸漬水に溶出したイオンと金属類の分析

無機物質の測定には，イオン項目についてはイオンク

結果を表 2 に示す．イオン項目についてみると，竹炭ロ マ ト グ ラ フ ィ ー ( 横 河 社 製 IC7 0 0 0 ) ， 金 属 類 は入りコンクリートからは，竹に多く含まれるカリウムイ

ICP-OES ( PERKIN ELMER 社 製 OPTIMA3000)をそれぞオンが350mg/l 溶出している．これは竹に含まれていたれ用いた．全リン(T-P)及びリン酸イオン(PO4 -P)はアスカリウムが炭化によって無機化し，溶出したものと思わ

コルビン酸還元吸光光度法，六価クロムはジフェニルカれる．植物体内のカリウムの挙動は十分には解明されてルバジド吸光光度法によって定量した．また，得られたいないが，カリウムイオンとして存在し，体内を移動す浸漬水を，0.1N 塩酸により滴定し，中和滴定曲線を求るとされる ９）．逆にセメント由来と思われる硫酸イオン，めた．

カルシウムイオンは少ない．また硝酸性窒素及び亜硝酸

２・３性窒素は普通コンクリートの半分ほどの濃度であった．

竹炭によるクロム吸着試験

濃度0.1mg/l に調製した六価クロム溶液 1 ｌを 2 ｌビ

金属類については，竹炭入りコンクリートからアルミーカーに入れ，竹炭入りコンクリートに使用したものと表2 コンクリートから溶出した無機物質同じ竹炭10g を添加した．これをスターラーで攪拌しつつ，数時間おきに駒込ピペットで溶液を採取した．採取した溶液中の六価クロム濃度は，0.45μ m のメンブレンフィルターで濾過した後，ジフェニルカルバジド吸光光度法によって定量した．また実験終了後の溶液の全クロム濃度を ICP-OES で定量した．
２・４

微生物付着実験

竹炭入り，普通コンクリートの試験片を酸化池に約3 カ月間浸漬し，付着した微生物量を測定した８）．
酸化池は，平均水深0.45 m，面積270 m2 であり，植物や藻類が繁茂している．水質は，水温： 5 −15℃，溶

竹炭入り
普通コンクリート コンクリート

FClBr
NO2‑N
NO3‑N
NH4‑N
PO4‑P
T‑P
SO4Na
K
Mg
Ca

存酸素飽和度：60−100％， pH：6.0−9.0， COD：5.9- 106 -<0.02
43.1
0.3
0.5
1.2
<0.02
<0.2
0.08
7.8
12.8
350
<0.02
2.6

<0.02
34.5
0.2
1.1
2.1
<0.02
<0.20.01
299
82.2
33.9
0.5
75.7

竹炭入り
普通コンクリート コンクリート

T‑Cr
Cr(Ⅵ)
ZnCdPbCoNiFeMnCuAl

0.06
0.06
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01<0.01
0.01<0.01<0.01
140

0.80
0.99
0.02
<0.01
0.01
<0.01
0.03
<0.01
<0.01
<0.01
0.08

(単位:mg/l,浸漬期間:8日間,n=2)

ニウムが140mg/l 溶出した．これは竹炭入りコンクリー

３・２

六価クロムの吸着トの製造過程で，竹炭とセメントの結合を高めるため，竹炭入りコンクリートの，竹炭部分による六価クロムバインダーとしてシリカアルミナセメントが使用されたの吸着を確認するため，竹炭による吸着実験を行った．

ことによると考えられる．アルミニウムは非常に高濃度

この結果を図 4 に示す．時間の経過とともに六価クロであったため，今後は溶出機構の解明と用いるバインダ

ム濃度が減少し，260時間経過後には検出下限値(0.02ーの工夫が必要である．

mg/l)以下となり，竹炭が六価クロムを効果的に吸着すまた普通コンクリートから，有害物質である六価クロることがわかった.また実験終了後の溶液の全クロム濃ムが0.99 mg/l 溶出した．六価クロム濃度が全クロム濃度は0.01 mg/l 以下であり，三価クロムも存在していな度よりも高くなっているが，これは六価クロムを定量すいことが確認できた．

るときの発色過程で正の妨害があると考えられる．

0.12

普通コンクリートに比べ，竹炭入りコンクリートから0.10mg/lの六価クロム溶出量が少ない理由としては，竹炭によるCr(Ⅵ）

吸着と三価クロムへの還元の二つの要因が考えられ
る １０） が，今回の実験では，三価クロムは浸漬水中にほとんど存在しないことから，吸着によって減少したもの

0.08
0.06
0.040.02と考えられる．

0.00

浸漬水の六価クロム濃度の経時変化を図 2 に示す．

0100

六価クロムの濃度は，普通コンクリートでは経過時間とともに徐々に高くなったが，竹炭入りコンクリートでは，

図4200
経過時間 (hr)

300

400

竹炭による六価クロムの吸着0.1mg/l 前後で推移し，その後わずかではあるが減少した．このことから，一度コンクリート部分から水に溶け

３・３

微生物付着量の比較

コンクリート表面の違いによる付着微生物量の差異を出した六価クロムが，竹炭部分に吸着されたと考えられ把握するため，酸化池で付着させた微生物量を測定した

る．
また浸漬水の中和滴定曲線を図 3 に示す．竹炭入り

結果を表 3 に示す．竹炭入りコンクリートには普通コ

コンクリート浸漬水は，普通コンクリート浸漬水に比べンクリートに比べ，約 3 倍量の付着微生物と好気性従て pH 9 前後での緩衝能が大きいことがわかる．

属栄養細菌が存在していた．表面に竹炭が露出することで表面積が増し，微生物の増殖に好都合になっている１）

Cr（Ⅵ）

mg/l

1.0２)

竹炭入りコンクリート

0.8ためと考えられる．

普通コンクリート

表3 微生物の付着量0.6

竹炭入りコンクリート

普通コンクリート

付着重量mg/cm2

1.220.42好気性従属栄養細菌数×106CFU/cm214.55.200.40.20.0050
経過時間図2100(hr）150

浸漬水中の六価クロム濃度

実験期間 （1998/12〜1999/3）

３・４

微生物付着実験で得られた試験片を人工下水に入れ，1110pH

ＢＯＤ除去効果の比較

竹炭入りコンクリート
普通コンクリート

987BOD 残存率の経時変化を測定した結果を図 5 に示す．
最終的な BOD 濃度には大きな違いはみられないが，竹炭入りコンクリートの方がより速く減少した． BOD が6開始時の50％以下になるのに要する時間は，竹炭入りコ540.0

ンクリートの方が 4 時間近く速かった．
0.5

図31.01.5
HCl添加量(ml)

浸漬水の中和滴定曲線

2.0

実際の河川は流水系であるため，付着藻類と水が接す

2.5る時間は短く， BOD 除去速度の大きい方が水質浄化には効果的であると考えられる．

- 107 -

かった．この付着微生物量の違いは竹炭を入れたことでBOD残存率(%)

100表面積が増したことによると思われる．

8060文献401)池嶋庸元：竹炭は効く，183−184，至知出版社，1999.
竹炭入りコンクリート

202)田中淳夫：伐って燃やせば森は守れる，108−114，洋普通コンクリート

泉社，1999．

005

1015

経過時間(hr)

図53)世利桂一，徳永隆司，中村融子，野田和孝，倉富伸一：植物系炭化物を混合した機能性コンクリートの調製と生物付着コンクリートによるBOD除去

水質浄化特性，第50回日本木材学会研究発表要旨集，542，2000．

４まとめ

4)小林一輔：コンクリートが危ない，19−24，岩波書店，

本研究で得られた知見を以下にまとめる．

1999.

コンクリートブロックを河川の護岸ブロックに使用す

5)玉井信行・水野信彦・中村俊六

編：河川生態環境工ることを想定し，水中に浸漬する実験を行った結果，竹学，27−28，東京大学出版会，1993.

炭入りコンクリートからは，セメントに含まれるカルシ

6)桜井善雄・市川新

ウムイオンや硫酸イオンの溶出は少なく，カリウムイオ75−77，信山社出版，1996.

ン，アルミニウムが多く溶出することがわかった．カリ7)世利桂一，平野吉男，倉富伸一，徳永隆司，中村融子

ウムは竹に多く含まれるため，竹炭から溶け出したと考：木質系炭化物を混合した多機能コンクリートの調製とえられる．またアルミニウムは，竹炭入りコンクリート

キャラクタリゼーション，第 5 回日本木材学会九州支の製造過程で，バインダーとして使われたシリカアルミ部大会講演集，67−68，1998.

ナセメントに由来すると考えられた．アルミニウムは非8)中村融子・緒方健・志水信弘・徳永隆司：シュロガヤ

常に高濃度であったため，今後，溶出機構の解明とバイツリによる池の水質浄化と水生昆虫の定着，水環境学会ンダーの工夫が必要であると思われる．

誌，22(12)，1010−1015，1999．

また有害物質である六価クロムの溶出量が，普通コン

9)畑野健一・佐々木恵彦：樹木の生長と環境，331−335，クリートに比べ少なかった．竹炭のみによる六価クロム

養賢堂，1987．

吸着実験の結果，コンクリート表面の竹炭へ吸着されて10) Hanいることがわかった．

Hexavalent

酸化池でコンクリート試験片に微生物を付着させたところ，普通コンクリートに比べ，竹炭入りコンクリート

監修：都市の中に生きた水辺を，I, Schlautman
Chromium

M, Batchelor

B： Removal offrom Groundwater by

Granular

Activated Carbon， Water Environ. Res. ，Vol.72，No.1，29−39，2000．には， 3 倍近くの微生物が付着していた．付着微生物量が多いことにより， BOD 除去速度も大きいことがわ
A Study on the Water Purification Ability of Concrete containing Bamboo Charcoal
Daisuke TSUCHIDA,Takashi TOKUNAGA,Yuko NAKAMURA,Kei-ichi SERI,Shin-ichi KURATOMIFukuoka Institute of Health and Environmental Sciences,
39 Mukaizano,Dazaifu,Fukuoka 818-0135,Japan
Concrete blocks containing bamboo charcoal were manufactured to enhance their water purification ability at the river bank.
The mechanisms of purification were considered from two aspects, one was the water soluble matter leached from concrete, andthe other was the microbial degradation by periphyton of its surface. We made 2cm cubic test pieces of "charcoal concrete" and"normal concrete" for the laboratory scale experiment.
First,the test pieces were submerged in distilled water to leach soluble inorganic matter and then this water was analyzed.
It was found that the potassium concentration in charcoal concrete water was higher than that in normal concrete water, and thatpotassium in charcoal concrete water was derived from bamboo charcoal. On the other hand,calcium,sulfate ions and hexavalentchromium levels in the charcoal concrete water were much lower than normal. As a result of the adsorption experiment with- 108 -bamboo charcoal,it was suggested that hexavalent chromium was adsorbed in charcoal effectively.
Second,the test pieces were submerged in an oxidation pond for three months, after which their surfaces were covered withperiphyton.The amount of periphyton on the charcoal concrete was three times as much as that of normal concrete. The BOD
removal rate of periphyton clinging to charcoal concrete was greater than that of normal concrete.

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