JP2017154110A - 循環式トイレシステム及び循環式トイレ排水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】災害時等においてライフラインが断たれたとしても使用することができ、小規模な太陽光発電装置だけで必要な電力をまかなうことができる循環式トイレシステムを提供する。【解決手段】水洗式便器１００から排出された汚水を、固液分離槽２００において固液分離し、一次処理水としたのち、土壌処理槽６００で土壌処理して、水洗式便器１００で再び利用することができるようにした循環式トイレシステム１０において、一次処理水を一次貯留槽３００から土壌処理槽６００に送水するための汚水ポンプを、スクリュー式揚水ポンプ４００としたことにより、汚水ポンプの始動電流を低く抑えて、小規模な太陽光発電装置９００だけで必要な電力をまかなうことができるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、水洗式便器の排水を浄化処理して循環利用する循環式トイレシステムと、この循環式トイレシステムを用いて実施することができる循環式トイレ排水処理方法とに関する。

地震等の災害が発生した場合において、衛生的な排泄環境を確保することは、感染症の予防や被災者の精神的ストレスの軽減等の観点から非常に重要である。災害時においては上下水道や電気といったライフラインが断絶していることが多いため、これまでは工事現場等で使用される汲み取り式の仮設トイレが避難所に設置されることが多かった。しかし、汲み取り式仮設トイレには、（１）避難所に設置されるまでに一定の時間を要する、（２）頻繁に汲み取り作業を行う必要があり、道路が機能しないこと等によって汲み取りが間に合わない場合には、衛生的に使用し続けることができなくなる、（３）気温の高い季節には強い臭気を発生させる、等の問題点があった。

一方、水洗式便器の排水を浄化処理して循環利用することができる循環式トイレも提案されている。例えば、特許文献１には、屎尿を腐敗室２ａ，２ｂにおいて一次処理したのち、土壌処理槽３に浸透させることによって浄化し、水洗便器１の洗浄水として循環利用する屎尿処理装置が開示されている。特許文献１に記載の屎尿処理装置は、運転に必要な電力をソーラーパネル１３によって供給されるため、商用電源を利用できない場合にも運転可能なものとなっている。しかし、特許文献１に記載の屎尿処理装置のような従来の循環式トイレシステムは、主に水源地涵養林等の無放流を求められる地域において設置するためのものとなっており、都市部や住宅街での設置には不向きなものであった。というのも、従来の循環式トイレシステムは、固液分離処理（特許文献１においては、第１腐敗室２ａ及び第２腐敗室２ｂにおける腐敗処理）後の一次処理水を土壌処理槽へ送水するための汚水ポンプ（同文献の図１における水中ポンプ２ｃ）の始動電流が大きいために、大規模な太陽光発電装置を備える必要があり、スペースに制限のある都市部で設置することが難しかったからである。また、仮に設置できたとしても、太陽光発電装置の設置コストが高くなるという問題もあった。

特開２００５−２６２０７７号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、災害時等において電気や上下水道等のライフラインが正常に機能しなくなった場合においても使用することができ、小規模な太陽光発電装置のみで稼働に必要な電力をまかなうことができる循環式トイレシステムを提供する。本発明はまた、この循環式トイレシステムを用いて実施することができる循環式トイレ排水処理方法も提供する。

上記課題は、
水洗式便器と、
水洗式便器から排出された汚水を固液分離する固液分離槽と、
固液分離槽で処理された一次処理水を貯留する一次貯留槽と、
非水平方向に延びる外筒と、外筒内に配されたスクリューとを備えて、一次貯留槽に貯留された一次処理水を揚水するためのスクリュー式揚水ポンプと、
内部を土壌で充填されるとともに、土壌中に埋設された散水管と、土壌の下端部に設けられた集水部とを備えて、スクリュー式揚水ポンプで揚水された一次処理水を散水管に通水して土壌中に浸透させ、集水部より回収して二次処理水とする土壌処理槽と、
二次処理水を水洗式便器へ送水するための加圧ポンプと、
スクリュー式揚水ポンプ及び加圧ポンプを稼働する電力を供給する太陽光発電装置と、
を備えた循環式トイレシステム
を提供することによって解決される。

本発明の循環式トイレシステムにおいては、一次処理水を揚水する汚水ポンプとしてスクリュー式揚水ポンプを採用しているため、一般的に汚水ポンプとして使用されるノンクロッグポンプや渦流ポンプを採用した場合に比べて、ポンプの始動時に流れる始動電流を大幅に抑えることが可能となっている。このため、本発明の循環式トイレシステムは、小規模な太陽光発電装置のみでその稼働に必要な電力をまかなうことができるため、設置場所を問わないだけでなく、設置コストを抑えることもできるものとなっている。本発明の循環式トイレシステムにおけるスクリュー式揚水ポンプは、非水平方向に延びる外筒と、外筒内に配されたスクリューとを備えたものであり、スクリューを回転させることで、外筒内に一次処理水の流れを生じさせ、外筒の下端部付近の一次処理水を外筒の上端部付近まで揚水することができるものとなっている。なお、ここで言う「土壌」とは、赤玉土や黒土等の所謂「土」だけでなく、各種の礫類や、粒状の多孔性材料等も含むものとする。

本発明の循環式トイレシステムにおいては、スクリュー式揚水ポンプを駆動するためのインバーター装置を更に備えることもできる。これによって、周波数と電圧をコントロールしながらスクリュー式揚水ポンプを始動することができるため、始動電流が大きくならないよう調節しながらポンプを始動することができ、循環式トイレシステムの稼働に必要な電力を更に低く抑えることができる。

本発明の循環式トイレシステムにおいて、スクリュー式揚水ポンプのスクリューの外半径と外筒の内半径との差を大きくしすぎると、その隙間から一次処理水が漏れ落ちやすくなり、効率的に揚水することができない虞がある。このため、スクリュー式揚水ポンプにおけるスクリューの外半径と外筒の内半径との差は、１０ｍｍ以下とすると好ましい。スクリューの外半径と外筒の内半径との差は、７ｍｍ以下とするとより好ましく、５ｍｍ以下とすると更に好ましい。一方、スクリューの外半径と外筒の内半径との差を小さくしすぎると、スクリューの回転抵抗が大きくなり、電力を余分に消費しやすくなる。このため、スクリュー式揚水ポンプにおけるスクリューの外半径と外筒の内半径との差は、１ｍｍ以上とすると好ましい。スクリューの外半径と外筒の内半径との差は、２ｍｍ以上とするとより好ましく、２．５ｍｍ以上とすると更に好ましい。これにより、少ない電力で効率的に一次処理水を揚水することができる。

本発明の循環式トイレシステムにおいては、土壌処理槽に充填される土壌の表層に、植栽可能な土質を有する植栽層を設けると好ましい。というのも、土壌処理槽においては、好気性微生物による一次処理水の好気性処理が行われるため、その表層に植栽を行うと、植栽層に植物の根が張り巡らされて土壌中に微細な空間ができ、土壌の深い位置までが好気的環境となって、一次処理水の好気性処理が効率的に行われるようになるからである。一般的な汚水処理における好気性処理としては、曝気を行う活性汚泥法が挙げられるが、連続的に曝気を行うためには相当の電力を要する。この点、表層に植栽を施した土壌処理槽による好気性処理は、電力を使用することなく効率的な好気性処理を実現することができる。また、土壌中に浸透した一次処理水の一部が毛細管現象によって植栽層に移動し、植物の成長に利用されることによって、土壌処理槽における一次処理水の処理速度を上昇させることもできる。

本発明の循環式トイレシステムにおいては、土壌処理槽に充填される土壌を、散水管を含む散水層と、散水層の下方に隣接して配された透過層とを備えた層構造を有するものとし、散水層の透水係数Ｐ_ｄと透過層の透水係数Ｐ_ｐとの比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐが１０〜１０^４となるようにすると好ましい。これによって、散水管から散水層中へ浸透した一次処理水が、すぐに透過層へ移動するのではなく、散水層中で水平方向に広がったのちに透過層へ降下するようにすることができる。このため、一次処理水が透過層の広い範囲を満遍なく通過するようにして、透過層における一次処理水の浄化処理をより効率的なものとすることができる。

上記課題はまた、
水洗式便器から排出された汚水を固液分離する固液分離工程と、
固液分離工程で処理された一次処理水を貯留する一次貯留工程と、
一次貯留工程で貯留された一次処理水をスクリュー式揚水ポンプによって揚水する揚水工程と、
スクリュー式揚水ポンプで揚水された一次処理水を土壌中に埋設された散水管に通水して土壌中に浸透させ、下端の集水部より回収して二次処理水とする土壌処理工程と、
二次処理水を水洗式便器へ送水する加圧工程と、
スクリュー式揚水ポンプ及び加圧ポンプを稼働する電力を供給する太陽光発電工程と、
を備えた循環式トイレ排水処理方法
を提供することによっても解決される。

これにより、少ない電力でトイレ排水の浄化処理を行って循環利用することが可能になる。このため、小規模な太陽光発電装置のみでその稼働に必要な電力をまかなうことができ、設置場所を問わないだけでなく、設置コストも抑えた循環式トイレシステムを提供することが可能になる。

以上のように、本発明によって、災害時等において電気や上下水道等のライフラインが正常に機能しなくなった場合においても使用することができ、小規模な太陽光発電装置のみで稼働に必要な電力をまかなうことができる循環式トイレシステムを提供することが可能になる。また、この循環式トイレシステムを用いて実施することができる循環式トイレ排水処理方法も提供することができるようになる。

本実施態様の循環式トイレシステムの全体を示す模式図である。 本実施態様の循環式トイレシステムにおけるスクリュー式揚水ポンプの側面図である。 本実施態様の循環式トイレシステムにおけるスクリュー式揚水ポンプにおける、スクリューと外筒とを、揚水方向に垂直な面で切断した断面図である。 本実施態様の循環式トイレシステムにおける土壌処理槽を、散水管に略垂直な鉛直面で切断した断面図である。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながらより詳しく説明する。ただし、本発明の循環式トイレシステムは以下に記述する形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能なものとする。

１． 循環式トイレシステム
図１は、本実施態様の循環式トイレシステム１０の全体を示す模式図である。図１においては、一次貯留槽３００の一部を破断させて、中に設置されたスクリュー式揚水ポンプ４００を露出させている。本実施態様の循環式トイレシステム１０は、図１に示すように、水洗式便器１００と、固液分離槽２００と、一次貯留槽３００と、スクリュー式揚水ポンプ４００と、流量調整槽５００と、土壌処理槽６００と、二次貯留槽７００と、余剰槽７１０と、加圧ポンプ８００と、太陽光発電装置９００と、インバーター装置９１０とを備えたものとなっている。固液分離槽２００は、第一分離槽２１０と、第二分離槽２２０と、第三分離槽２３０とを備えた三槽式となっている。

水洗式便器１００から排出された汚水は、固液分離槽２００の第一分離槽２１０へと流れ落ち、固液分離槽２００において嫌気性処理を受けながら多段階に固液分離されて一次処理水となる。一次処理水は、一次貯留槽３００に貯留され、日に数回程度スクリュー式揚水ポンプ４００によって土壌処理槽６００へと揚水圧送される。本実施態様の循環式トイレシステム１０においては、一次貯留槽３００と土壌処理槽６００との間に、土壌処理槽６００への送水量を調節するための流量調整槽５００が設けられている。土壌処理槽６００に送水された一次処理水は、土壌処理槽６００に充填された土壌内を通過することによって土壌処理され、二次処理水として回収される。回収された二次処理水は二次貯留槽７００に貯留され、加圧ポンプ８００によって水洗式便器１００の洗浄水を貯留しておくための先浄水タンク１１０へと圧送されて、水洗式便器１００を洗浄するために使われる。

本実施態様の循環式トイレシステム１０の稼働に必要な電力は、平常時においては、商用電源からの供給電量と太陽光発電装置９００によって発電される電力とを組み合わせてまかなわれるが、災害時等において商用電源からの電力供給が停止した際には、そのすべてを太陽光発電装置９００による電力でまかなうことができるようになっている。太陽光発電装置９００とスクリュー式揚水ポンプ４００とを繋ぐ送電回路にはインバーター装置９１０が設けられており、スクリュー式揚水ポンプ４００に送電される電気の周波数と電圧をコントロールすることができるようになっている。

本実施態様の循環式トイレシステム１０においては、図１に示すように、固液分離槽２００と、一次貯留槽３００と、流量調整槽５００と、土壌処理槽６００と、二次貯留槽７００と、余剰槽７１０とが地面に埋められた状態で設置されている。固液分離槽２００、一次貯留槽３００、流量調整槽５００、二次貯留槽７００及び余剰槽７１０には、メンテナンスのための点検口が、地表に露出するように設けられ、蓋でふさがれている。しかし、本発明の循環式トイレシステム１０は、その各構成の設置場所を特に限定されない。本発明の循環式トイレシステム１０においては、土壌処理槽６００を含むすべての構成を、地上や建物内部や屋上等に設置することもできるが、本実施態様に示すように、その一部の構成を地面に埋まった状態で設置すると、地震や火事等の災害時にも破損しにくくなるため好ましい。また、景観上の観点からも、循環式トイレシステム１０の一部構成を地面に埋まった状態で設けると好ましい。

このように、本発明の循環式トイレシステム１０は、汚水を浄化循環させて便器の洗浄水として再利用することができるとともに、災害時等において商用電源の電力供給が断たれた場合でも、太陽光発電装置９００による電力だけで稼働し続けることができるものとなっている。加えて、本発明の循環式トイレシステム１０は、大規模な太陽光発電装置を必要とせず、小規模な太陽光発電装置９００だけでその稼働電力をまかなうことができるものとなっているため、その設置箇所を問わず、コスト的にも優れたものとなっている。というのも、本発明の循環式トイレシステム１０は、一次貯留槽３００から一次処理水を揚水するポンプとしてスクリュー式揚水ポンプ４００を採用するとともに、太陽光発電装置９００からスクリュー式揚水ポンプ４００への送電回路にインバーター装置９１０を備えているため、従来大きな電力を必要としていた汚水ポンプの始動を、低電力で行うことができるようになっているからである。以下、本発明の循環式トイレシステム１０の各構成について、具体的に説明する。

２． 水洗式便器
水洗式便器１００は、その種類や形状を特に限定されず、一般的な水洗式便器を採用することができる。しかし、災害時等に利用者が多くなった場合にも対応可能とするためには、水洗式便器１００は、少量の水で洗浄可能なタイプの便器とすると好ましい。本実施態様においては、土壌処理槽６００で土壌処理され、加圧ポンプ８００によって圧送された二次処理水を、水洗式便器１００の洗浄に利用するまでの間貯留しておく洗浄水タンク１１０を設けている。

３． 固液分離槽及び一次貯留槽
本実施態様の循環式トイレシステム１０における固液分離槽２００は、図１に示すように、第一分離槽２１０と、第二分離槽２２０と、第三分離槽２３０とを備えたものとなっており、水洗式便器１００からの汚水を３段階で固液分離するものとなっている。一次貯留槽３００は、固液分離槽２００において処理された一次処理水を貯留しておくためのものとなっている。第一分離槽２１０から第二分離槽２２０、第二分離槽２２０から第三分離槽２３０、及び、第三分離槽２３０から一次貯留槽３００への処理水の移動は、オーバーフローした処理水が自然流入することによって行われる。

汚水の固液分離処理は、一般的に、固体成分と液体成分とを分ける物理学的処理と、微生物による生物学的処理とを組み合わせたものとされることが多い。生物学的処理には、大きく分けて好気性処理と嫌気性処理とがあるが、本発明の循環式トイレシステム１０における固液分離槽２００は、嫌気性処理を行うものとなっている。というのも、固液分離処理と同時に好気性処理を行う場合には、一般的には曝気を必要とするため、連続的に曝気を行うための相当の電力を要し、本発明の目的に反するからである。この点、本発明において採用している嫌気性処理は、曝気を必要としない。また、汚水のＢＯＤ値がばらついても処理能力が低下しにくいため、利用者数が大幅に変化しがちな災害時にも安定的に処理を行うことが可能となっている。

固液分離槽２００は、建築基準法の「屎尿浄化槽構造基準」及び浄化槽法に準拠するものであって、水洗式便器１００からの汚水を嫌気性環境下において固液分離できるものであれば、その固液分離方式や構造を限定されない。本実施態様における固液分離槽２００は、第一分離槽２１０と、第二分離槽２２０と、第三分離槽２３０とを備えた三槽式となっているが、固液分離槽２００は一槽式や二槽式としてもよく、４つ以上の分離槽を備えたものとしてもよい。また、固液分離槽２００は、本実施態様のように各分離槽間を通水管で接続するようにしてもよいが、固液分離槽２００の内部に分離壁を設けて段階的に固液分離するようにしてもよい。固液分離槽２００で処理された一次処理水を、次の処理工程である土壌処理槽６００で効率的に処理するためには、固液分離槽２００は、一次処理水のＢＯＤを１００〜１５０ｍｇ／Ｌ程度まで低下させることができるものとすると好ましい。ただし、一次処理水のＢＯＤが低くなりすぎると、後述する土壌処理槽６００における一次処理水の好気性処理が効率的に行われなくなる虞があるため、固液分離槽２００は、一次処理水のＢＯＤを５０〜７０ｍｇ／Ｌ程度よりは低下させないものとすると好ましい。

４． スクリュー式揚水ポンプ
図２は、本実施態様の循環式トイレシステム１０におけるスクリュー式揚水ポンプ４００の側面図である。図２においては、外筒４３０の一部を破断させてスクリュー４２０を露出させている。また、スクリュー式揚水ポンプ４００と一次貯留槽３００との位置的関係を示すために、一次貯留槽３００を破線で表示している。本実施態様において、スクリュー式揚水ポンプ４００は、図２に示すように、スクリュー４２０と、スクリュー４２０の周囲を覆う外筒４３０と、スクリュー４２０を回転させるための駆動手段４４０と、駆動手段４４０の駆動力をスクリュー４２０に伝達するためのシャフト４５０とを備えたものとなっており、一次貯留槽３００の内部に設けられている。

スクリュー式揚水ポンプ４００は、駆動手段４４０によってスクリュー４２０を一の方向に回転することで、外筒４３０の下部に設けられた開口部（図示省略）から外筒４３０内に一次処理水を吸入して外筒４３０の上端付近まで揚水することができるものとなっている。揚水された一次処理水は、流量調整槽５００（図１を参照）を経て土壌処理槽６００（図１を参照）へと送られる。流量調整槽５００は、スクリュー式揚水ポンプ４００による揚水速度と、土壌処理槽６００への一次処理水の取り込み速度に差があった場合に、これを緩衝するために一次処理水を一時的に貯留するためのものとなっている。スクリュー式揚水ポンプ４００による一次処理水の揚水は、連続的に行ってもよいが、断続的に行うと好ましい。具体的には、日に数回程度、一度に大量に一次処理水を土壌処理槽６００へと送水するようにすると好ましい。これにより、後述するように、土壌処理槽６００における好気性処理を効率的なものとすることができるからである。

本実施態様におけるスクリュー式揚水ポンプ４００は、一次貯留槽３００の内部に設けられているが、スクリュー式揚水ポンプ４００は、一次貯留槽３００に貯留された一次処理水を揚水して土壌処理槽６００に送ることができるようになっていれば、その設置箇所を特に限定されない。本実施態様において、スクリュー式揚水ポンプ４００による揚水高さＬ_１は、０．５〜１ｍ程度となっているが、揚水高さＬ_１は、循環式トイレシステム１０の設計に応じて適宜変更することができる。しかし、揚水高さＬ_１が高すぎると、スクリュー４２０にかかる負荷が増大しやすい。このため、揚水高さＬ_１は、４ｍ以下とすると好ましく、２ｍ以下とすると更に好ましい。

本実施態様におけるスクリュー式揚水ポンプ４００は、一次処理水を略鉛直に揚水するものとなっているが、所望の揚水高さＬ_１を実現でき、非水平であれば、スクリュー式揚水ポンプ４００の揚水方向は特に限定されず、鉛直方向に対して傾斜させてもよい。外筒４３０は、通常スクリュー４２０の外面全体を覆う円筒状とされるが、外筒４３０を鉛直方向に対して傾斜させる場合には、スクリュー４２０の下側のみを覆う半筒状とすることもできる。スクリュー４２０は、外筒４３０の中心軸に対して偏心して設けてもよい。本実施態様において、外筒４３０は、スクリュー４２０の回転軸と、外筒４３０の中心軸とが略一致する円筒状に形成されている。

図３は、本実施態様の循環式トイレシステム１０におけるスクリュー式揚水ポンプ４００における、スクリュー４２０と外筒４３０とを、揚水方向に垂直な面で切断した断面図である。本実施態様において、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２は、約３ｍｍとなるように調節されており、これによって、一次処理水を効率的に揚水できるようになっている。

本発明の循環式トイレシステム１０において、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２は、特に限定されない。しかし、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２を大きくしすぎると、その隙間から一次処理水が漏れ落ちやすくなり、効率的に揚水することができなくなる虞がある。このため、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２は、１０ｍｍ以下とすると好ましく、７ｍｍ以下とするとより好ましく、５ｍｍ以下とすると更に好ましい。一方、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２を小さくしすぎると、スクリュー４２０の回転抵抗が大きくなって、電力を余分に消費してしまう虞がある。このため、スクリュー４２０の外半径と外筒４３０の内半径との差Ｌ_２は、１ｍｍ以上とすると好ましく、２ｍｍ以上とするとより好ましく、２．５ｍｍ以上とすると更に好ましい。

スクリュー４２０の内径Ｌ_３は、スクリュー４２０の強度を保つことができるのであれば特に限定されない。スクリュー４２０の外径Ｌ_４も特に限定されないが、スクリュー４２０の外径Ｌ_４を大きくしすぎると、スクリュー４２０を回転させるために大きな力が必要となって、電力を多く消費してしまう虞がある。このため、スクリュー４２０の外径Ｌ_４は、１５０ｍｍ以下とすると好ましく、１３０ｍｍ以下とするとより好ましい。一方、スクリュー４２０の外径Ｌ_４を小さくしすぎると、効率よく一次処理水を揚水することができない虞がある。このため、スクリュー４２０の外径Ｌ_４は、５０ｍｍ以上とすると好ましく、７０ｍｍ以上とするとより好ましい。本実施態様において、スクリュー４２０の外径Ｌ_４は、約１００ｍｍとなっている。

スクリュー式揚水ポンプ４００における、スクリュー４２０のブレード４２１のピッチＬ_５（図２を参照）は、特に限定されない。しかし、ブレード４２１のピッチＬ_５が広すぎると、効率よく一次処理水を揚水することができない虞がある。このため、ブレード４２１のピッチＬ_５の、スクリュー４２０の外径Ｌ_４に対する比Ｌ_５／Ｌ_４は、２．０以下とすると好ましく、１．５以下とするとより好ましい。一方、ブレード４２１のピッチＬ_５が狭すぎても、効率よく一次処理水を揚水することができない虞がある。このため、ブレード４２１のピッチＬ_５の、スクリュー４２０の外径Ｌ_４に対する比Ｌ_５／Ｌ_４は、０．５以上とすると好ましく、０．７以上とするとより好ましい。本実施態様において、ブレード４２１のピッチＬ_５の、スクリュー４２０の外径Ｌ_４に対する比Ｌ_５／Ｌ_４は、約１．０となっている。スクリュー４２０は、図２においては右巻きに描かれているが、左巻きとしてもよい。

本発明におけるスクリュー式揚水ポンプ４００は、災害時などにおいて商用電源からの電力供給が停止した場合にも、太陽光発電装置９００から供給される電力だけで始動し、稼働することができるものとなっている。しかし、悪天候が続く等すると、太陽光発電装置９００が十分な電力を供給できない虞がある。このため、本実施態様の循環式トイレシステム１０には、図１に示すように、一次貯留槽３００に貯留された一次処理水を手動で揚水するための手動ポンプ４６０も備えている。手動ポンプ４６０は、電力を使用せずに一次処理水を揚水することができるものであれば、その種類を限定されず、手以外の体の部位で操作するものであってもよい。

５． 土壌処理槽
図４は、本実施態様の循環式トイレシステム１０における土壌処理槽６００を、散水管６２１に略垂直な鉛直面で切断した断面図である。本実施態様における土壌処理槽６００は、図４に示すように、土壌処理槽６００の表層に配されて植栽可能な土質を有する植栽層６１０と、散水管６２１を埋設された散水層６２０と、散水層６２０の下方に配された透過層６３０と、透過層６３０の下方に配されて陽イオン交換性の多孔性材料を含有する吸着層６４０と、集水管６５１を備え、土壌内を通過してきた処理水を集水する集水部として機能する集水層６５０と、から成る層構造を有している。土壌処理槽６００の地中部分の外壁面には、処理水が外部に漏れないようにするための遮水シート６０１が備えられている。図４においては、植栽層６１０に植えることのできる植物の例として葉物野菜を破線で示している。

本発明の循環式トイレシステム１０における土壌処理槽６００は、土壌を通過させることによって、一次処理水を浄化処理するためのものとなっている。すなわち、スクリュー式揚水ポンプ４００で揚水圧送されて、土壌処理槽６００に埋設された散水管６２１に通水された一次処理水は、その側壁が透水性とされた散水管６２１から散水層６２０に滲出する。散水層６２０に滲出した処理水は、その一部が毛細管現象によって散水層６２０の上方に設けられた植栽層６１０へ移動するとともに、残りの部分は重力に従って透過層６３０へと浸透降下する。透過層６３０を通過した処理水は、更に吸着層６４０を通過したのち、集水層６５０に設けられた集水管６５１によって集水されて、二次処理水として二次貯留槽７００（図１を参照）に貯留される。

散水層６２０、植栽層６１０及び透過層６３０において、処理水は、土壌中に生息する微生物によって好気的に生物処理されるとともに、土壌を通過することによって物理的にろ過される。また、処理水に含まれるリン酸が土壌に吸着除去される。処理水に含まれていたアンモニア態窒素は、微生物による好気性処理によって硝酸態窒素となり、処理水に含まれるカリウムと、土壌に吸着されたリン酸と共に、植栽層６１０に植えられた植物の根から吸収されて、肥料として植物の成長に利用される。吸着層６４０は、ゼオライトを含んでおり、処理水に含まれるアンモニア等の臭気性物質や色素性成分を吸着して、処理水の脱臭と脱色を行うことができるものとなっている。このように、土壌処理槽６００における土壌処理によって、一次処理水に含まれる有機物や窒素やリン酸や不溶物等を取り除いて、一次処理水を多面的に浄化することができるようになっている。本実施態様の循環式トイレシステム１０において、土壌処理槽６００での土壌処理を経て得られる二次処理水のＢＯＤは、５ｍｇ／Ｌ程度かそれ以下となっている。

植栽層６１０は、土壌処理槽６００の表層に位置しており、植栽に適した土質を有している。本実施態様においては、図４に示すように、植栽層６１０に葉物野菜を植えている。というのも、植栽層６１０に植物を植えると、土壌処理槽６００における好気性処理を効率的なものとすることができるからである。すなわち、植栽層６１０に植物の根が張り巡らされることによって、植栽層６１０の土壌中に微細な空間を生じさせることができ、微生物による好気性処理に必要な酸素を、土壌中に豊富に供給することができるようになる。このため、植栽層６１０に植える植物は、特に限定されないが、地中深くまで根を張り、好硝酸性である野菜類とすると好ましい。具体的には、法蓮草や小松菜が適している。加えて、一次処理水が土壌処理槽６００に送られると、窒素やリン酸、カリウム等といった肥料成分と水が植栽層６１０に供給されるため、植栽層６１０に植物を植えると、水やりや追肥を行わなくとも、植物を元気に育てることができ、災害時等には食料として役立てることもできる。

植栽層６１０の土壌は、所望の植物を植えるのに適したものであれば特に限定されない。本実施態様においては、植栽層６１０に、もみ殻粉炭を混在させた土を用いている。というのも、もみ殻粉炭は、好気性処理に適した微生物を多く含有するとともに、土壌の通気性を向上させ、処理水の脱臭や脱色も行うことができるからである。植栽層６１０の鉛直方向厚みは、通常１５０〜３００ｍｍとされ、本実施態様においては、約２２０ｍｍとなっている。

散水層６２０は、埋設した散水管６２１から滲出する一次処理水を土壌処理槽６００の水平方向へ広く行き渡らせるためのものとなっている。このため、散水管６２１から散水層６２０へ滲出した一次処理水は、すぐに透過層６３０へ降下するのではなく、散水層６２０内を水平方向へ広がってから徐々に透過層６３０へ移動するようにすると好ましい。具体的には、散水層６２０の透水係数Ｐ_ｄと、透過層６３０の透水係数Ｐ_ｐとの比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐが、１０以上となるようにすると好ましい。比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐは、１０^２以上とするとより好ましい。しかし、比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐを大きくしすぎると、処理水が散水層６２０から透過層６３０へなかなか浸透せず、散水層６２０が水浸しの状態となって嫌気的環境となり、好気性処理の効率が低下する虞がある。このため、比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐは、１０^４以下となるようにすると好ましい。比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐは、５ｘ１０^３以下とするとより好ましい。本実施態様において、比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐは、約１０^３となっている。

散水層６２０の土壌は、所望の透水係数Ｐ_ｄを有するものであれば特に限定されないが、本実施態様においては、腐葉土又は枯葉を含んだものとしている。これらは好気性処理に適した微生物を多く含むため、散水層６２０における好気性処理を効率的なものとすることができる。散水層６２０の鉛直方向厚みは、通常８０〜２００ｍｍとされ、本実施態様においては、約１２０ｍｍとなっている。散水管６２１は、その上端が、土壌処理槽６００の植栽層６１０の上端から鉛直方向に３００ｍｍ〜３５０ｍｍの位置となるように埋設すると好ましい。というのも、散水管６２１の埋設位置が浅すぎると、散水管６２１から滲出した一次処理水が直接植物の根に当たってしまい、植物が根腐れを起こす虞があり、散水管６２１の埋設位置が深すぎると、散水管６２１から滲出した一次処理水が植物の根に十分供給されない虞があるからである。

散水管６２１は、通水させた一次処理水を散水層６２０に滲出させることができるようになっていれば、その構造や素材を特に限定されない。本実施態様における散水管６２１は、可撓性の樹脂を螺旋状に配した骨格を備えた管であって、透水性の不織布でその骨格を裏打ちした構造を有することにより、その側面の全方向へ一次処理水を滲出させることができるものとなっている。一次処理水は、散水管６２１から滲出したのち、散水管６２１の直下に下降するのではなく、散水層６２０内において水平方向に広く浸透してから、植栽層６１０や透過層６３０へ移動するようにすると好ましい。このため、本実施態様においては、図４に示すように、散水管６２１を受けるようにして散水管６２１の下部に配された非透水性の樋状部材６２２と、散水管６２１に接触して水平方向に広がるように配された導水部材６２３とを設けている。

導水部材６２３は、散水管６２１の上部に接触して設けられた上側導水部材６２３ａと、散水管６２１と樋状部材６２２との間に挟まれて設けられた下側導水部材６２３ｂとで構成されている。上側導水部材６２３ａは、一次処理水が植栽層６１０の広い範囲に移動しやすくするためのものとなっており、下側導水部材６２３ｂは、一次処理水が散水層６２０内において水平方向に広がりやすくするためのものとなっている。下側導水部材６２３ｂは、樋状部材６２２の内底部付近にある一次処理水を吸い上げるという、サイフォンのような機能も有している。樋状部材６２２は、散水管６２１の直下へ一次処理水が移動することを防ぐことができるものであれば、その素材や形状を限定されない。導水部材６２３は、散水管６２１から滲出した一次処理水を水平方向に広がるように導水することができれば、どのような素材で形成してもよいが、本実施態様においては、厚手の不織布で形成している。

スクリュー式揚水ポンプ４００によって一次処理水を揚水し、散水管６２１へ通水させる工程は、低速で連続的に行うこともできるが、日に数回程度、一度に大量の一次処理水を揚水して散水管６２１へ通水するようにすると好ましい。というのも、一度に大量の一次処理水を散水管６２１へ通水すると、土壌処理槽６００の土壌の全域に渡って処理水が浸透したのち、集水層６５０へ向かって一気に降下するため、これに伴って表層から土壌中に空気が引き込まれ、土壌をより好気的な環境にして、好気性処理を効率的なものとすることができるからである。

透過層６３０の土壌は、所望の透水係数Ｐ_ｐを有し、好気性処理を行う微生物の生育に適したものであればその種類を特に限定されない。本実施態様においては、透過層６３０の土壌を、アルミニウム成分を豊富に含み、リン酸の吸着能を有する黒ボク土と、ろ過性能に優れた真砂土と、好気性微生物を多く含み、土壌の通気性を向上させるとともに脱臭や脱色を行うことができるもみ殻粉炭とを含むものとしている。透過層６３０の鉛直方向厚みは、通常２００〜４５０ｍｍとされ、本実施態様においては、約３４０ｍｍとなっている。

本実施態様においては、透過層６３０と集水層６５０との間に、陽イオン交換性の多孔性材料であるゼオライトを含有する吸着層６４０を設けている。これによって、吸着層を通過する処理水に含まれる臭気性物質を多孔性材料に吸着させて、処理水の脱臭を行うことができる。また、処理水に含まれる色素性物質も吸着させて、処理水の脱色も行うことができる。吸着層６４０に含有させる多孔性材料は、陽イオン交換性ものに限定されないが、陽イオン交換性ものとすると、アンモニア等の陽イオン性の臭気性物質を効率的に吸着することができる。吸着層６４０の下端部には、高い透水性を有しながらも多孔性材料等は通過させない割布６４１を設けており、集水層６５０に多孔性材料等が侵入するのを防いでいる。吸着層６４０の鉛直方向厚みは、通常５０〜１５０ｍｍとされ、本実施態様においては、約１２０ｍｍとなっている。

本実施態様において、集水管６５１は透水性の素材で形成されており、集水層６５０における集水管６５１以外の部分には砂利等が充填されている。集水層６５０の構造は、土壌処理槽６００の下端部に位置して処理水を漏れなく回収できるものであれば、特に限定されない。土壌処理槽６００の底部の形状は、図４に示すように平らなものとしてもよいが、集水管６５１に向かって狭くなる断面略Ｖ字状としてもよい。

６． 二次貯留槽及び加圧ポンプ
土壌処理槽６００において土壌処理された二次処理水は、二次貯留槽７００に貯留される（図１を参照）。二次貯留槽７００は、土壌処理槽６００において処理された二次処理水を貯留することができれば、その具体的な大きさや構造を問わない。本実施態様においては、大雨などによって二次貯留槽７００がオーバーフローした際に備えて、余剰の二次処理水を一時的に貯留するための余剰槽７１０を設けている。二次貯留槽７００に貯留された二次処理水は、加圧ポンプ８００によって圧送されて、再び水洗式便器１００の洗浄水として循環利用される。本実施態様においては、加圧ポンプ８００も、スクリュー式揚水ポンプ４００の手動ポンプ４６０と同様の手動ポンプ（図示省略）を備えており、太陽光発電装置９００から十分な電力が供給されないときにも、二次処理水を圧送して水洗式便器１００の洗浄に利用できるようになっている。

７． 太陽光発電装置
本実施態様の循環式トイレシステム１０は、災害時等において商用電源からの電力供給が停止した際にも、その全ての必要電力をまかなうことができる太陽光発電装置９００を備えている。太陽光発電装置９００は、循環式トイレシステム１０の規模や設置箇所に応じて、所望の電力量を供給することができるものであれば、その大きさや種類を特に限定されない。本実施態様の循環式トイレシステム１０においては、水洗式便器１００一つあたりの太陽光発電装置９００の発電電力は、約０．０７５ｋＷもあればよい。図には示していないが、循環式トイレシステム１０には、太陽光発電装置９００で発電された電気を蓄電可能な蓄電装置を備えてもよい。

本実施態様においては、太陽光発電装置９００によって発電された電力をスクリュー式揚水ポンプ４００へ送電する送電回路において、電気の周波数と電圧をコントロールすることができるインバーター装置９１０を設けている。これによって、スクリュー式揚水ポンプ４００を、より省電力で稼働することができるようになっている。すなわち、スクリュー式揚水ポンプ４００を稼働させるうえで、最も大きな電力を必要とするのは始動時であるところ、本実施態様においては、インバーター装置９１０によって、太陽光発電装置９００の供給電力の周波数と電圧とを最適化しながら徐々にスクリュー式揚水ポンプ４００を始動させることによって、スクリュー式揚水ポンプ４００の始動電流を大幅に抑えることができる。このため、太陽光発電装置９００を小規模なものとしても、スクリュー式揚水ポンプ４００を始動させることができるようになっている。インバーター装置９１０は、上記の目的を達成することができるものであれば、その種類や容量を特に限定されない。

８． その他
本実施態様の循環式トイレシステム１０においては、図１に示すように、処理槽間の継手にゴム製の耐震用継手１１を使用している。本発明において、処理槽間を連結する継手の素材は特に限定されないが、ゴム製の耐震用継手１１とすると、地震等によって地面が変形して処理槽の位置関係がずれたとしても、継手が外れたり破損したりすることを防ぐことができるため好ましい。また、循環式トイレシステム１０における固液分離槽２００、一次貯留槽３００、流量調整槽５００、二次貯留槽７００及び余剰槽７１０は、その素材を特に限定されないが、震災時等に多少撓んだりゆがんだりした場合でも破損しにくいものとするため、本実施態様においては樹脂製としている。

１０ 循環式トイレシステム
１１ 耐震用継手
１００ 水洗式便器
１１０ 先浄水タンク
２００ 固液分離槽
２１０ 第一分離槽
２２０ 第二分離槽
２３０ 第三分離槽
３００ 一次貯留槽
４００ スクリュー式揚水ポンプ
４２０ スクリュー
４２１ ブレード
４２２ 軸
４３０ 外筒
４４０ 駆動手段
４５０ シャフト
４６０ 手動ポンプ
５００ 流量調整槽
６００ 土壌処理槽
６０１ 遮水シート
６１０ 植栽層
６２０ 散水層
６２１ 散水管
６２２ 樋状部材
６２３ 導水部材
６２３ａ 上側導水部材
６２３ｂ 下側導水部材
６３０ 透過層
６４０ 吸着層
６４１ 割布
６５０ 集水層
６５１ 集水管
７００ 二次貯留槽
７１０ 余剰槽
８００ 加圧ポンプ
９００ 太陽光発電装置
９１０ インバーター装置
Ｌ_１ 揚水高さ
Ｌ_２ スクリューの外半径と外筒の内半径との差
Ｌ_３ スクリューの内径
Ｌ_４ スクリューの外径
Ｌ_５ ブレードのピッチ

Claims (6)

1. 水洗式便器と、
   水洗式便器から排出された汚水を固液分離する固液分離槽と、
   固液分離槽で処理された一次処理水を貯留する一次貯留槽と、
   非水平方向に延びる外筒と、外筒内に配されたスクリューとを備えて、一次貯留槽に貯留された一次処理水を揚水するためのスクリュー式揚水ポンプと、
   内部を土壌で充填されるとともに、土壌中に埋設された散水管と、土壌の下端部に設けられた集水部とを備えて、スクリュー式揚水ポンプで揚水された一次処理水を散水管に通水して土壌中に浸透させ、集水部より回収して二次処理水とする土壌処理槽と、
   二次処理水を水洗式便器へ送水するための加圧ポンプと、
   スクリュー式揚水ポンプ及び加圧ポンプを稼働する電力を供給する太陽光発電装置と、
   を備えた循環式トイレシステム。
2. スクリュー式揚水ポンプを駆動するためのインバーター装置を更に備えた請求項１の循環式トイレシステム。
3. スクリュー式揚水ポンプにおける、スクリューの外半径と外筒の内半径との差が１〜１０ｍｍである請求項１又は２に記載の循環式トイレシステム。
4. 土壌処理槽に充填される土壌の表層に、植栽可能な土質を有する植栽層を設けた請求項１〜３に記載の循環式トイレシステム。
5. 土壌処理槽に充填される土壌が、散水管を埋設された散水層と、散水層の下方に隣接して配された透過層とを備えた層構造を有し、散水層の透水係数Ｐ_ｄと透過層の透水係数Ｐ_ｐとの比Ｐ_ｄ／Ｐ_ｐが１０〜１０^４である請求項１〜４に記載の循環式トイレシステム。
6. 水洗式便器から排出された汚水を固液分離する固液分離工程と、
   固液分離工程で処理された一次処理水を貯留する一次貯留工程と、
   一次貯留工程で貯留された一次処理水をスクリュー式揚水ポンプによって揚水する揚水工程と、
   スクリュー式揚水ポンプで揚水された一次処理水を土壌中に埋設された散水管に通水して土壌中に浸透させ、下端の集水部より回収して二次処理水とする土壌処理工程と、
   二次処理水を水洗式便器へ送水する加圧工程と、
   スクリュー式揚水ポンプ及び加圧ポンプを稼働する電力を供給する太陽光発電工程と、
   を備えた循環式トイレ排水処理方法。

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