JP4488165B2 - 湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法及びアオコの殺藻・成長抑制装置 - Google Patents

Description

本願発明は、湖沼等閉鎖水域に発生するアオコの処理方法及び装置、特にアオコの殺藻・成長抑制方法及び装置に関するものである。

近年、生活排水や農業・畜産業廃水等に含まれる高ＢＯＤ、窒素、リン等により湖沼、池等の閉鎖水域の底質や水質の豊栄養化がすすみ、それを栄養源とするアオコがしばしば大量に発生している。
アオコは植物プランクトンの一種であり、ミクロキステスやアナベナに属し、その大きさは１０ミクロン前後である。アオコの急激な増殖は、魚介類を死に至らしめ、またアオコのもつ毒性が人間生活に与える影響も大きく、従って、大量に現地にて、安いコストでアオコを分解する新技術の提供が求められている。

アオコの毒は一般に肝臓毒といわれており、いずれも複数のアミノ酸が結びついたポリペプチドとされており、アオコは富栄養化した水中での光とＣＯ₂により光合成を行い、Ｏ₂を排出する有利面を持っているが、大量発生すると魚類を死滅させ、またアオコを含む水を人間が摂取すると、ガンになりやすく、特に肝臓ガンになりやすいと最近の研究にて明らかになりつつある。
ミクロキステスやアナベナは、Ｐを底質からとり、空気中から、Ｎをとるのではないかと言われている。そのために、自らの比重を変化させ水中を鉛直的に移動できるとされている。

従来のアオコの分解処理方法として、以下の方法があった。
１） 底質の土砂を浚渫し、アオコを含む土砂を陸上にあげ、土砂を処理する。
２） ゼオライト、木炭等によりアオコを吸着させ除去する方法。
３） フィルターにて濾過し、アオコを除去する。
４） アオコを含む水を撹拌処理する。
５） アオコを含む水に紫外線を照射する。
等の方法が用いられている。

しかしながら、上記１）の方法については、かなりの効果があるが、高い処理コストがかかり浚渫時にアオコが拡散しやすく完全な処理にはならない。
２）については、装置が簡単であり、環境にやさしい方法であるが、処理量が少なく、アオコの吸着にばらつきがある。
３）はアオコの大きさが１０ミクロン位であるので、濾過が困難であり、濾過に目詰まりがおこり現実的に処理が不可能である。
４）については、底質の土砂をまきあげかえってアオコの発生を助けることになる。
５）については、確実にアオコの細胞破壊ができるが、比較的コストが高くなり、大量処理が困難である。
等の問題があった。
以上のように、各処理方法には一長一短があり、アオコの大量増殖には対応できる処理方法とはなっていない。

そこで、本発明者は鋭意研究の結果、下記の構成により上記課題を解決した。
（１）生活排水や植物の肥料などを含んだ雨水が流入する湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法において、前記閉鎖水域から取水された被処理水にオゾンを添加混合した後、更に過酸化水素を添加混合し、かつ同時に超音波を照射することを特徴とする湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
（２）超音波照射と共に、紫外線を被処理水に照射することを特徴とする前記（１）記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
（３）被処理水に紫外線を照射することにより発生する活性酸素が、ヒドロキシラジカルであることを特徴とする前記（２）記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
（４）被処理水に超音波を照射することによるキャビテーション効果でアオコを殺藻・成長抑制することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
（５）生活排水や植物の肥料などを含んだ雨水が流入する湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置において、閉鎖水域から取水される被処理水を給送するための管路と、その途中に設けられた前記被処理水にオゾンを添加混合するオゾン供給装置、オゾンが添加混合された被処理水に過酸化水素を添加混合する過酸化水素供給装置（４）とオゾン及び過酸化水素が添加混合された被処理水に超音波を照射する超音波発振子、及び処理済み水を閉鎖水域へ返送するための管路とを備えてなることを特徴とする湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置。
（６）被処理水を給送するための管路の途中に、オゾン及び過酸化水素が添加混合された被処理水に紫外線を照射する紫外線照射装置を設けてなることを特徴とする前記（５）記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置。

本発明によれば、簡単な装置構成により、閉鎖水域のアオコを殆ど完全に殺藻でき、かつアオコの成長を抑制することができる。

図１は本発明の要部概説図を示し、また図２は被処理水の処理システムの概説図を示し、さらに図３は被処理水の処理工程図を示す。
まず、図１において、湖沼等閉鎖水域の上層から取水されたアオコを多量に含み、かつ後述のオゾン添加及び過酸化水素添加済みの被処理水１ａが管路２の左側から移送されてくる。すると、合成樹脂製の管壁２ａの外周に取り付けられた多数の超音波発振子５、・・から超音波が管路２内の被処理水１ａに照射され、管路２の右側からアオコが殺藻・成長抑制された処理済み水１ｂが導出される。
この際、超音波の照射を受けて被処理水１ａ中にキャビテーションが生じ、オゾン及び過酸化水素ガスによるラジカル反応による酸化とキャビテーションによる衝撃波によってアオコの成長体や未成長体が酸化・破壊され、殺藻・成長抑制される。

本発明により閉鎖水域のアオコを現場において殺藻・成長抑制するには、例えば図２に示す処理システムを採用する。
まず、湖沼等閉鎖水域Ｗから管路２に被処理水１ａが送給される。管路２の途中前方部には、送水ポンプＰ１が設けられ、次いでオゾン供給装置３、過酸化水素添加装置４により、オゾン及び過酸化水素が管路２内の被処理水１ａに各々添加・混合される。また、管路２の途中の管壁２ａの外周に取り付けられた超音波発振子５から超音波が発振され、被処理水１ａに照射される。
超音波照射処理済み水１ｂは、第１アオコ分解沈殿槽６ａ、第２アオコ分解沈殿槽６ｂへ移送されて、アオコが完全に分解され、殺藻・成長抑制され、最後に第２ポンプＰ２を経由して、湖沼等閉鎖水域Ｗへ返送される。
以上を繰り返すことにより、湖沼等閉鎖水域Ｗからアオコが除去され閉鎖水域が浄化される。
なお、以上の工程で採用された超音波発振装置の仕様は表１の通りである。

また、上記において超音波の照射は、超音波発振子１０個をステンレス製角パイプに取付けて行った。その径が３０ｃｍの角パイプからなる管路中に一定の流量で被処理水を流すと、角パイプ中を通過して行く時に、キャビテーションにより、アオコは振動により分解される。
角パイプからなる管路中の被処理水の流量及び処理量等は表２に示すとおりである。

以上により閉鎖水域のアオコを処理すると、アオコは完全に分解・殺藻され、その後は何も残存しなかった。分解直後は、分解したアオコの死骸が下に沈殿するが、２日後には全ての沈殿物もなくなってしまい、透明な液体となっていた。
処理コストは、３７円／ｍ³程度であり、従来法に比して非常に低コストなものである。
なお、本発明においては、Ｏ₃を含んだ水にＨ₂Ｏ₂の過酸化水素を少量添加することによりＯのＯＨ（ヒドロキシラジカル）への変化及びキャビテーション効果が大幅に促進され、アオコの殺藻・成長抑制が良好に達成されるものである。

次に、図３の処理工程図によって、湖沼等閉鎖水域から取水された被処理水１ａに本願発明の殺藻．生長抑制方法を適用する一例の工程を説明する。
すなわち、下記ａ〜ｊ工程を採用することで、閉鎖水域Ｗの上層から取水されたアオコを含む被処理水１ａを浄化して、閉鎖水域Ｗに返送して閉鎖水域Ｗを清浄化することができる。
ａ 閉鎖水域中の被処理水のクロロフィルａ他を分析する。
ｂ 閉鎖水域から被処理水をポンプによりくみ上げる。
ｃ オゾナイザーによるオゾン溶解水を被処理水に添加混合する。
ｄ 過酸化水素を被処理水に添加混合する。
ｅ 被処理水に超音波を照射する。
ｆ 被処理水に紫外線を照射する。
ｇ アオコの細胞が分解される。
ｈ クロロフィルの分析をする。
ｉ アオコの細胞分解を確認する。
ｊ 処理済み水をもとの閉鎖水域へ戻す。
なお、上記においてｆ工程は必ずしも必要ではない。
また、上記において処理対象のアオコの緑色度（クロロフィルａ）により、オゾン水添加量と濃度、Ｈ₂Ｏ₂の添加量、紫外線照射時間、超音波放射の周波数と時間等、処理の組み合わせも含めて決定される。

次に、本願発明におけるオゾン、過酸化水素、超音波の挙動、作用等について説明する。
（１）オゾンはＯ₃であり、酸素原子３個が化学的に結合した物質であり、原子同士を結びつけている結合エネルギーは２４ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、窒素の２２２ｋｃａｌ／ｍｏｌや酸素の１１７ｋｃａｌ／ｍｏｌよりも小さく、１．５ｅｖ（電子ボルト）のエネルギーを与えてやれば解離が可能であり、従って、非常に分解しやすい性質をもっている。
分解すれば、きわめて反応性の高い酸素原子が生まれる。この酸素原子は活性酸素の一種であり、強力な酸化力を有す。
Ｏ₂にくらべ、Ｏは、１０³⁵倍程度の酸化力を有するとされている。
（２）オゾンの発生装置は、無声放電方式により現在では、経済的に高濃度のオゾンの発生が可能になり、水に溶けるため現在水の浄化システムとして広く使われるようになってきている。例えば、処理水量１００，０００ｍ³／日、オゾン注入率３ｇ／ｍ³の場合、オゾン必要量は処理水量×オゾン注入率で決められるので、１００，０００ｍ³／日×３ｇ／ｍ³＝３００ｋｇ／日→１２．５ｋｇ／Ｈとなり１０万ｍ³の処理水を処理するのに、１３ｋｇ／Ｈのオゾンにより一般的に処理が可能となり、装置も大容量タイプから小容量タイプまで広く製作されている。
（３）水の中に溶けこんだＯ₃は、結合エネルギーが小さく、酸素原子となり水と反応してＯＨ（ヒドロキシラジカル）となり、ＯＨの反応速度定数はＯ₂に比べ、１０³⁸程度になるとされている。従って、強力な酸化力を持ち合わせている。
（４）このＯ₃を含んだ水にＨ₂Ｏ₂の過酸化水素を少量添加することによりＯのＯＨへの変化が促進される。
（５）オゾンに波長３１０ｎｍ以下の紫外線を照射すると酸素分子の解離に有効ではない。
解離エネルギーに必要な紫外線の波長は１３５〜１７５ｎｍと、１７５〜２４２ｎｍである。
紫外線の光の中では、これらの波長は短い方に位置する。
波長が短いということはエネルギーが高いということである。したがって、ここに示している波長の範囲の紫外線をオゾンとＨ₂Ｏ₂が溶けこんだ水に照射することが好ましい。
以上述べたようにアオコの細胞破壊はオゾンと過酸化水素の併用による分解及び更に紫外線照射を加えることにより確実にアオコの細胞破壊を可能となる。

（６）超音波は一般に人間の耳に聞こえないほど周波数の高い音をいい、２０ヘルツ以下の音と２０キロヘルツ以上の音を指し、気体でも液体でも固体によく伝搬する。
そこで超音波は小さな振動変化でも高い音圧と強力なパワー密度をもつことである。
液体中に超音波を放射するとキャビテーション（空洞現象）を容易につくることができる。例えば、５０キロヘルツ（振動変異０．１６ミクロン）の超音波を水中に放射すると簡単に水中での音圧は１気圧以上になる。
超音波の放射は水中に正圧と負圧の激しい繰り返しにより媒質が引きちぎられ空洞が発生する現象をキャビテーションと呼んでいるが、正圧は負圧の倍以上となり、気化した小さな泡がつぶされて強い衝撃波を伴う高圧（数百気圧〜数千気圧）が発生する。
キャビテーションは、酸化、粒子の破壊、撹拌、発熱が生じ乳化や分散などがおこるが、アオコはこれらの力に耐えきれず分解する。
以上述べたように、請求項記載の方法によりアオコの殺藻・成長抑制が可能となる。
一般にアオコを含む湖沼や池の水は大量であるので、経済的でなければならないが本技術発明は十分なコスト競争力を有していると考えられる。

本発明の要部概説図。 被処理水の処理システムの概説図。 被処理水の処理工程図。

符号の説明

１ａ：被処理水、
１ｂ：アオコが殺藻・成長抑制された処理済み水、
２：管路、
２ａ：管壁、
３：オゾン供給装置、
４：過酸化水素添加装置、
５：超音波発振子、
６ａ：第１アオコ分解沈殿槽、
６ｂ：第２アオコ分解沈殿槽、
Ｗ：湖沼等閉鎖水域、
Ｐ１：第１ポンプ、
Ｐ２：第２ポンプ、

Claims (6)

1. 生活排水や植物の肥料などを含んだ雨水が流入する湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法において、前記閉鎖水域（Ｗ）から取水された被処理水（１ａ）にオゾンを添加混合した後、更に過酸化水素を添加混合し、かつ同時に超音波を照射することを特徴とする湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
2. 超音波照射と共に、紫外線を被処理水（１ａ）に照射することを特徴とする請求項１記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
3. 被処理水（１ａ）に紫外線を照射することにより発生する活性酸素が、ヒドロキシラジカルであることを特徴とする請求項２記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
4. 被処理水（１ａ）に超音波を照射することによるキャビテーション効果でアオコを殺藻・成長抑制することを特徴とする請求項１又は２記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制方法。
5. 生活排水や植物の肥料などを含んだ雨水が流入する湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置において、閉鎖水域（Ｗ）から取水される被処理水（１ａ）を給送するための管路（２）と、その途中に設けられた前記被処理水（１ａ）にオゾンを添加混合するオゾン供給装置（３）、オゾンが添加混合された被処理水に過酸化水素を添加混合する過酸化水素供給装置（４）とオゾン及び過酸化水素が添加混合された被処理水（１ａ）に超音波を照射する超音波発振子（５）、及び処理済み水（１ｂ）を閉鎖水域（Ｗ）へ返送するための管路（２）とを備えてなることを特徴とする湖沼等の閉鎖水域中で発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置。
6. 被処理水（１ａ）を給送するための管路（２）の途中に、オゾン及び過酸化水素が添加混合された被処理水（１ａ）に紫外線を照射する紫外線照射装置を設けてなることを特徴とする請求項５記載の湖沼等閉鎖水域に発生・生存するアオコの殺藻・成長抑制装置。