本発明は、汚水処理の技術分野に関し、例えば、汚水処理装置、処理方法および処理システムに関する。

小規模の生活汚水の処理方法として、土壌浸透法は、近年、ますます普遍的に応用されている。土壌浸透法は、自然生態浄化の原理に基づき、通常の嫌気、好気の汚水処理プロセスを組み合わせて形成されたその場での汚水の生態処理技術である。すなわち、生活汚水を腐敗溝で沈殿、嫌気前処理した後、配水管を介して土壤浸透濾過溝に分配し、毛細管浸透および土壤浸透濾過の作用で汚水が各箇所へ拡散し、物理的エントラップメント、化学沈殿と吸着、および微生物分解等の作用により、水中の汚染物が除去される。

しかし、土壌浸透法にもいくつかの制約性の問題が存在し、そのうち、敷地面積が大きく、窒素とリンの除去効果が悪いことは突出した欠点である。また、土壤浸透濾過汚水処理施設は、表層に土壌層が配置されて植物が植え付けられたが、施設の構造、植物の品種に限られることにより、植物根系の特有の汚染物を除去する作用はごく僅かであるため、人工湿地植物による生態処理効果を達成しにくく、処理施設に対する外観緑化のみに限られている。

また、土壤浸透濾過池は、地面の地形に合わせて設計されることが多いため、地面に固定され、移動しにくく、且つ、土壤浸透濾過池のサイズは汚水処理量に応じて調節できず、土壌浸透法の汚水の生態処理分野での普及と応用を大きく制限する。長年にわたって、土壌浸透法の欠点に対して多くの改善、最適化対策が現れてきたが、経済性、適用性、および有効性の両立の角度から解決することはできなかった。

本発明の目的は、従来技術における土壌浸透法に存在する敷地面積が大きく、植物根系の生態作用が限られ、窒素とリンの除去効果が悪いという突出した問題を解決し、土壌浸透法技術の優位性を保持する上で、利点を発揮して短所を避け、汚水の処理効果および総合的コストパフォーマンスを向上させる汚水処理装置および処理方法を提供することである。

内部は上端が開口した収容空間である収容体と、 前記収容空間内に位置し、前記収容体を、上部に位置する囲い堰領域と下部に位置する閉鎖領域とに仕切り、前記収容体には、前記閉鎖領域に連通する給水管と、前記囲い堰領域に連通する出水管とが開設され、前記囲い堰領域には、材料濾過層と前記材料濾過層上に位置する土壌層とが敷設され、前記土壌層は、草本植物を植え付けるように設置され、前記閉鎖領域に浸透濾過フィラーが充填される仕切板と、 前記仕切板に分布され、水生植物を載置して植え付けるように設置される管体を含み、前記管体が前記仕切板を貫通し、前記閉鎖領域と前記囲い堰領域とを連通する複数の植物浄化カラムと、 を備える汚水処理装置。

好ましくは、前記管体は着脱可能に前記仕切板に取り付けられ、前記管体の上端口が前記土壌層以上であり、前記管体の下端口が前記浸透濾過フィラー内に位置し、前記管体の 内腔は、複数株の前記水生植物からなる集束根系柱芯で充満される。

好ましくは、前記管体には、前記閉鎖領域に連通する給水孔と、前記囲い堰領域に連通する出水孔とが開設されている。

好ましくは、前記管体の上部には、出水整流リングが回動可能に嵌設され、前記出水整流リングには、前記出水孔に対応する貫通孔が開設され、前記出水整流リングを回転することにより、前記出水孔の開閉を制御することができる。

好ましくは、前記管体の内部に可撓性曝気管が設けられ、前記可撓性曝気管の下端は、前記集束根系柱芯を差し込むように設置され、前記可撓性曝気管の上端はエアポンプに連結されている。

好ましくは、前記材料濾過層と前記土壌層との間に、メッシュ材が設けられている。

好ましくは、前記閉鎖領域内において前記給水管箇所に、配水管が連結され、前記配水管は前記閉鎖領域の底部に位置し、前記配水管は本管および支管で構成される分岐構造であり、前記支管に複数の透水孔が開設されている。

好ましくは、前記囲い堰領域内において前記出水管箇所に、集水管が連結され、前記集水管は前記囲い堰領域の底部に位置し、前記集水管は本管および支管で構成される分岐構造であり、前記支管に複数の透水孔が開設されている。

以上のような汚水処理装置に適用する汚水の処理方法であって、 前処理された汚水を給水管を介して閉鎖領域に排出し、閉鎖領域は通性嫌気および嫌気の反応条件であり、浸透濾過フィラーおよび付着微生物の作用で、汚水の初期浄化を実現することと、 初期浄化された水流は、動力または差圧の作用で上昇して植物浄化カラムに入り、植物の根域の環境および微生物の作用により、汚水の中間浄化を実現することと、 中間浄化された水は囲い堰領域に流れ込み、材料濾過層、土壌層、および草本植物の根域の環境の作用および好気の反応条件で、汚水の最終浄化を実現し、最終浄化された水を、出水管から流出させることと、 を含む、汚水処理方法。

従来技術における土壤浸透濾過池に存在する調節に不利で、使用しにくく、普及と適用が限られている技術的課題を解決する汚水処理システム。

上述したような汚水処理装置を含む汚水処理システム。

好ましくは、少なくとも2つの前記汚水処理装置は、管路を介して直列接続および並列接続のうちの少なくとも1つの形態により接続される。

本発明に係る汚水処理装置は、土壌浸透法の汚水処理効果を大きく強化することができることにより、単位処理量に必要な施設の敷地面積を縮小することができるとともに、窒素とリンの除去効果も明らかに改善されるため、汚水の土壤浸透濾過処理技術の経済性、適用性および有効性を向上させることができる。

本発明に係る汚水処理システムは、各汚水処理装置の植物浄化カラムの数を調節することができるとともに、汚水処理装置の数も調節できる。汚水処理装置は直列接続されても よく、並列接続されてもよく、定格処理量を有する一体化施設を構成する。また、汚水処理の特殊なニーズにより、他の異なる処理プロセスと組み合わせ、複合型汚水処理施設を構成することもできる。

一実施例に係る汚水処理装置の構造模式図である。

一実施例に係る汚水処理装置の平面図である。

一実施例に係る汚水処理装置の植物浄化カラムの部分断面構造模式図である。

一実施例に係る汚水処理装置の植物浄化カラムの部分分解構造模式図である。

一実施例に係る汚水処理システムの構造模式図である。

1−汚水処理装置、2−管路、11−収容体、12−仕切板、13−囲い堰領域、14−閉鎖領域、15−植物浄化カラム、16−配水管、17−集水管、18−給水管、19−出水管、131−材料濾過層、132−土壌層、133−草本植物、134−メッシュ材、141−浸透濾過フィラー、151−水生植物、152−管体、153−集束根系柱芯、154−出水整流リング、155−可撓性曝気管、1521−給水孔、1522−出水孔、1541−貫通孔。

図1〜図4に示すように、本実施例は、土壤浸透濾過と植物根系機能との相乗作用を利用して生活汚水を処理し、収容体11、仕切板12および植物浄化カラム15を備える汚水処理装置1を提供する。

収容体11の内部は上端が開口した収容空間であり、収容体11は土構築物であってもよく、地下、地面または架空に設置された溝体、缶体構造であってもよく、ここで、収容体11の形状、材料を制限しない。収容体11は必要に応じて移動することができ、柔軟に使用でき、適応範囲が広い。

仕切板12は収容空間内に位置し、収容体11を、上部に位置する囲い堰領域13と、下部に位置する閉鎖領域14とに仕切り、囲い堰領域13は仕切板12の上にあるため、囲い堰領域13の上端が開放式である。囲い堰領域13は下から上まで材料濾過層131、メッシュ材134および土壌層132が順に敷設され、材料濾過層131は異なる材質、粒状の水浸透媒体で配設され、メッシュ材134は透水性および濾過機能を有し、材料濾過層131と土壌層132とを隔離するように設置され、土壌層132には、根系が発達し、耐湿かつ耐寒の常緑草本植物133が植え付けられ、草本植物133の根系が土壌層132に入り込んで材料濾過層131内に達することができる。閉鎖領域14に浸透濾過フィラー141が充填され、浸透濾過フィラー141は、異なる形状、材質、性状の複数種の浸透濾過フィラー141を組み合わせて配設したものであってもよい。

収容体11には、閉鎖領域14に連通する給水管18と、囲い堰領域13に連通する出水管19とが開設されている。閉鎖領域14内において給水管18箇所に、配水管16が連結され、配水管16は閉鎖領域14の底部に位置し、配水管16は本管および支管で構成される分岐構造であり、支管に複数の透水孔が開設され、透水孔は密集して均一に設置されることで、給水が十分で均一であることを確保する。囲い堰領域13内において出水管19箇所に、集水管17が設けられ、集水管17は囲い堰領域13の底部に位置し、集水管17は本管および支管で構成される分岐構造であり、支管に複数の透水孔が開設され、透水孔は密集して均一に設置されることで、給水が十分で均一であることを確保する。

複数の植物浄化カラム15が仕切板12に分布され、植物浄化カラム15は、水生植物151を載置して植え付けるように設置される管体152を含み、管体152が仕切板12を貫通し、閉鎖領域14と囲い堰領域13とを連通する。管体152は着脱可能に仕切板12に取り付けられ、必要に応じて管体152の数を設けることができる。管体152の上端口が土壌層132以上であり、管体152の下端口が浸透濾過フィラー141内に位置し、複数の水生植物151が集束根系柱芯153を構成し、集束根系柱芯153が管体152の内腔に充満する。水生植物151の根系が発達し、葦、ガマまたは菖蒲であってもよい。

集束根系柱芯153は事前に育成する必要があり、すなわち、専用容器内に水生植物の苗を植え付け、且つ、水生植物の根系が最終的に集束、密集した柱状体に形成するように、水生植物の根系の発育を調整・制御し、集束根系柱芯153の根系の密度、直径、長さが要求に達した後、管体152内に移植し、浄化機能を発揮する。その後、集束根系柱芯153は管体152の軸方向に沿って下へ延伸して発育し続ける。管体152内の水生植物151は、定期的に刈り込み、茎葉を刈り取る必要があるほか、水生植物151の良好な生長環境および根系分布を確保し、集束根系柱芯153の生態浄化作用を最大限に発揮するように、根系をリアルタイムに養生する必要がある。

管体152には、閉鎖領域14に連通する給水孔1521と、囲い堰領域13に連通する出水孔1522とが開設されている。給水孔1521は仕切板12以下に位置し、集束根系柱芯153と閉鎖領域14内の水との接触面積を大きくさせ、水が管体152に流れ込みやすくなる。出水孔1522は仕切板12以上に位置し、且つ材料濾過層131に位置し、集束根系柱芯153の水が囲い堰領域13に流れやすくなる。

管体152の仕切板12以上に位置する部分には、出水整流リング154が回動可能に嵌設され、出水整流リング154には、出水孔1522に対応する貫通孔1541が開設され、貫通孔1541は出水孔1522と1対1で対応して設けられ、出水整流リング154を回転することにより、出水孔1522の開閉を制御することができる。貫通孔1541と出水孔1522とがずれ、出水孔1522が閉じた場合、管体152から出た水は、上端口から溢れて落下した後、囲い堰領域13で流れ、下へ浸透し、汚水が囲い堰領域13に入る前に酸素を増加させ、好気反応を促進することができる。貫通孔1541と出水孔1522とが重なり、出水孔1522が開いた場合、管体152から出た水は、貫通孔1541を介して直接材料濾過層131に入り、北方地域の施設の冬の運転に適用し、水の凍結を回避する。

管体152の内部に可撓性曝気管155が設けられ、可撓性曝気管155の下端が集束根系柱芯153に差し込み、可撓性曝気管155の上端がエアポンプに連結され、集束根系柱芯153の内部の酸素を増加するように外部の気体を集束根系柱芯153に充填することができ、水生植物151の根域の再酸素化環境および成長条件を改善し、生態浄化効果、特に窒素とリンの除去率を向上させる。

以上のように設置すると、囲い堰領域13の上の平面配置は、主に水生植物151および草本植物133で構成され、両者とも春、夏、および秋に正常に成長でき、人工湿地に類似する汚水の生態処理機能を発揮するとともに、良好な植生生態景観を創り出すこともできる。北方地域の冬の水生植物151の上部の葉茎が枯れたが、根域の環境は依然として一定の生態作用を保持するため、補助措置を採用すると、気候条件の施設の処理効果への悪影響を回避することができる。それと同時に、土壌層132には、ライグラス、ジャノヒゲ、およびタマリュウ等のような根系が発達し、耐湿かつ耐寒の多年生常緑草本植物133が植え付けられたため、冬における生態作用は依然として保持でき、更に、常緑習 性は水生植物151の枯れによる冬の景観性への悪影響を補う。

上記汚水処理装置を採用して汚水処理を行う汚水処理方法は、以下のステップを含む。

前処理された汚水が給水管18を介して配水管16に流れ込み、閉鎖領域14に散布し、浸透濾過フィラー141および付着微生物の作用、および嫌気、通性嫌気の反応条件で、物理、化学、微生物プロセスにより、水中の汚染物を濾過、吸着、沈殿、分解し、汚水の初期浄化を実現する。

初期浄化された水流は、動力または差圧の作用で上昇して植物浄化カラム15に入り、管体152内の集束根系柱芯153が活性水生植物の根域の環境を構成し、物理、植物、および微生物プロセスにより、水中の汚染物を更に吸収、吸着、富化および分解し、汚水の中間浄化を実現する。

植物浄化カラム15の中間浄化で出た水は、管体152の上端口から溢れて落下し、囲い堰領域13に流れ込み、材料濾過層131、土壌層132および草本植物133の根域の環境作用および好気の反応条件で、物理、微生物、および植物プロセスにより、水中の汚染物を吸収、吸着、分解し、汚水の最終浄化を実現する。最終浄化された水が基準を達成し、集水管17を介して出水管19から流出される。

汚水に対して三段階の浄化を行い、嫌気、通性嫌気、好気を主とする反応フローを順に完成する。ここで、植物浄化カラム15で構成された活性水生植物の根域の環境により、土壌浸透法による汚水処理施設は、完全な「土壤−植物−微生物」という生態浄化システムを確立し、特に、発達して集束した水生植物の根系は、直接汚水の浄化プロセスに参加し、土壤浸透濾過と植物根系との相乗作用で、土壌浸透法の汚水処理効果を大きく強化することができ、単位処理量に必要な施設の敷地面積を縮小することができるとともに、窒素とリンの除去効果も明らかに改善されるため、汚水の土壤浸透濾過処理技術の経済性、適用性および有効性を向上させることができる。

図5に示すように、本発明は、関連技術における土壤浸透濾過池に存在する調節に不利で、使用しにくく、普及と適用が限られている技術的課題を解決する汚水処理システムを更に提供する。上記汚水処理装置1を含み、汚水処理装置1の数は、実際の汚水処理量に応じて設置することができ、1つであってもよく、複数であってもよい。少なくとも2つの汚水処理装置1は、管路2を介して直列接続および並列接続の少なくとも1つを利用して接続することができる。並列接続の形態は施設の汚水処理能力を増大させることができるが、直列接続の形態は汚水処理効果を向上させることができるため、この形態は比較的強い柔軟性、適用性を有する。

収容体11の規模は、汚水処理量に応じて設置することができ、1つの大型の収容体11に対応する数の植物浄化カラム15を配設し、定格処理量を有する一体化施設を構成してもよく、複数の単一の収容体11を組み立て、定格汚水処理量を有する1セットの施設を組み合わせて構成してもよい。また、汚水処理の特殊なニーズにより、他の異なる処理プロセスと組み合わせ、複合型汚水処理施設を構成してもよい。

本実施例において、4つの単一の収容体11を採用し、2つずつ並列接続した後、前後に直列接続する形態で1セットの2段階の汚水処理施設として組み合わせ、それぞれの収容体11に合計10個の2列の植物浄化カラム15が配設され、前処理された汚水は同時に2つの収容体11の給水管18に入り、それぞれの収容体11の出水管19は、更に次の収容体11の給水管18に連結されるため、汚水に対して2回の高次処理を行う。

本発明の汚水処理装置、処理方法および処理システムは、関連技術における土壌浸透法に存在する敷地面積が大きく、植物根系の生態作用が限られ、窒素とリンの除去効果が悪いという突出した問題を解決する。