4ハイブリッド伏流式 人工湿地による汚水浄化の 現地試験 1

ハ イ ラ イ ト
∼忙しいあなたのために∼
図1 人工湿地の種類
（エストニア、タルト大学、マンダー教授ゼミ資料より加工）
1 パーラー排水などの酪農雑排水は、将来的には規制
が厳しくなる可能性がある。
2 パーラー排水に混入する糞尿や廃棄乳の量をできる
限り少なくすることが、排水を処理する際にとても
大切な要因となる。
3 人工湿地は、A.表面流式、B.伏流式横型、C.伏流式
縦型に分けられる。『伏流式』とは、地下を水が流
れるという意味で、寒い冬でも水が凍らずに利用で
きる。
4 日本で最初のハイブリッド伏流式人工湿地システム（ハ
イブリッドリードベッドシステム）が平成17年秋に、
現地酪農家のパーラー排水処理用の汚水浄化施設と
して極寒の道東（根室管内別海町上春別）に施工さ
れた。
5 伏流式人工湿地（リードベッドシステム）は、パー
ラー排水に含まれる汚れ（牛乳や糞尿）やバイ菌、
いやな臭い、窒素、リンなどを永続的に浄化できる
低コスト、低エネルギー、かつ省力的な、自然に優
しい浄化システムである。
6 人工湿地にはヨシを植えるのが一般的であり、シス
テムがうまく機能するかどうかは、このヨシの生育
にかかっていると言っても過言ではない。
A. 表面流式
スゲ、
ガマなど
人
工
湿
地
の
種
類
B. 伏流式横型
嫌気的（還元的）
ヨシ、
リードカナリー
グラスなど
C. 伏流式縦型
好気的（酸化的）
ヨシ、
リードカナ
リーグラスなど
B → C の順に研究開発が進み、
図2 フランスのリードベッド浄化システム（縦型湿地）の
建設数（P.Molleら2004より）
実用化されてきました。
『伏流式』
とは、地下を水が流れるという
どがパーラー排水の濃度に大きく影響します。
根釧地域の酪農家のパーラー排水の営農管理に応じた性
1 はじめに
状の違いを調べた例を表 1 に示しました。ミルカーからの
意味で、寒い冬でも水が凍らず
に利用できるのが特長です。
『家畜排せつ物法』が 2004 年 11 月に完全施行され、糞尿
洗浄水だけの糞尿の混入しないタイプのパーラー排水は、
A の表面流式は、施工が容易
に関しては規制が厳しくなりました。しかし、糞尿とは別
糞尿が混入する排水に比べて有機物（BOD や SS）
、窒素、
で安いのですが、面積当たりの
に発生するパーラー排水などの酪農雑排水は、日量 50 ª 未
リンともに明らかに濃度が低いことがわかります。また、
浄化能力が小さく、とくに寒冷
満なら窒素やリンなどの濃度規制がなく、糞尿ほどには濃
廃棄乳は濃度が非常に高いため、その量によっては排水の
地では、冬期間の浄化能力が低
年
間
建
設
数
250
70
60
50
40
30
20
10
0
年間建設数
累
150 積
施
100 設
数
50
累積施設数
0
1990
1992
1995 1997 1999 2001 2003
度も濃くないため肥料としても利用されず、地下浸透また
性状が大きく変わります。営農管理においては、パーラー
下するという問題があります。
は表面流出して地下水や河川を汚染していることが多いの
排水に混入する糞尿や廃棄乳の量をできる限り少なくする
これに対してBとCの伏流式は、
が現状だと思います。
ように努めることが、排水を処理する際にとても大切な要
水が地下を流れるため冬期間でも凍らずに浄化能力が継続す
ブリッドシステム』と呼ばれ、1970 年代後半にドイツで開
因であることが理解できると思います。
る特長があり、主に生活排水や工場排水などの経済的な浄化
発され、窒素除去能力が高いシステムとして北欧を中心に
方法として、1970年代からヨーロッパで研究開発が行われ、
実用化されています。
欧米では、サケやマスなどを放流している河川流域で排
水基準をとくに厳しくしている例があり、直接的に魚の害
になるアンモニア態窒素濃度の排水基準を5
／º 未満など
に規制している場所もあります。
日本においても将来的には規制が厳しくなる可能性があ
りますが、現状では低コストで省力的な浄化方法もなく、
写真 1 フランスのリードベッド浄
化システム（縦型湿地）
近年になって普及してきた新しい方式です。
3 伏流式人工湿地とは？
B の横型は地下水位を深さ 15
●●●人工湿地の種類とその特徴●●●
人工湿地には地表面を水が流れる表面流式と地下を水が流
地域や場所の実情に応じた新しい浄化処理技術の開発が求
れる伏流式があり、図1に示されるように、A.表面流式、B.
められています。
伏流式横型、C.伏流式縦型に分けられます。歴史的にはA→
2 パーラー排水の性状
一般的にパーラー排水の濃度は糞尿の約
10 分の 1、生活排水の約 10 倍程度と言われ
ています。しかし、パーラー排水の濃度や
量は、施設の構造や営農管理に大きく左右
されます。具体的には、パーラー内での牛
の糞尿を洗い流すときの床洗浄水が混ざる
かどうか、床洗浄の前に糞を取り除くかど
うか、廃棄乳が排水に混ざるかどうか、な
2006.9
表1 パーラー排水の性状と水質汚濁防止法の排水基準
床洗浄水 パーラーの 廃棄乳の混合 BOD
SS
T-N
T-P
採取場所
混入
除糞
(º／ 日） ( ／º ） ( ／º ） ( ／º ） ( ／º ）
（糞尿混合）
しない
40
あり
あり
しない
0
K牧場
あり
する
40
あり
する
0
一般農家＊
あり
一般農家＊
なし
根釧農試＊
なし
水質汚濁防止法の規制値（50t／日以上、
日間平均）
2947
2664
1728
1444
2125
511
502
120
1940
1841
828
730
1696
324
221
150
BOD:生物化学的酸素要求量、SS：懸濁物質、T-N：全窒素、T-P：全リン、-：不明
＊道立根釧農業試験場、2002年度試験成績書より
193
180
105
92
145
19
19
60
56
54
31
28
23
2
7
8
1980年代にはフランスで、縦型湿地の地表面に水を効果的
ほどに設定する嫌気的
に広げながら間欠的に供給するための重力を利用した自動サ
（還元的）なタイプで、表面流式よりも面積当たりの浄化能
イホンが開発されました。このサイホンと縦型湿地の組み合
力は高いのですが、濃度の高い汚水処理では有機物の分解
わせを2回繰り返す画期的なシステムが1980年代にフランス
が進まずに目詰まりしてしまう問題があります。
で開発され、5
それに対して C の縦型は汚水を地表面に散布して縦方向
に水を浸透させる好気的（酸化的）なタイプで、有機物や
24
200
程度の標高差があれば電気エネルギーなど
を使わずに濃度の高い汚水を浄化できる方法として、図2に
示すように1990年代後半から急速に普及してきました。
アンモニアの分解性能に優れた人工湿地です。BやCの伏流
写真 1 は、フランスのリードベッド浄化システム（1200
式人工湿地には、ヨシ
人分の生活排水浄化用）の1層目です。ヨシがよく生育し
（Reed）を植えること
ています。
が多く、
『リードベッ
ドシステム（Reed Bed
4 ハイブリッド伏流式
人工湿地による汚水浄化の
現地試験
System）
』とも呼ばれ
ています。
好気的なCと嫌気的
な B を組み合わせたシ
ステムはとくに『ハイ
26 Oct.2005 photo by H.letsugu
写真2 別海町のリードベッド浄化システムの全景
（各湿地面積は手前から約250 、250 、500 ）
写真 2 は、平成 17 年秋に現地酪農家のパーラー排水処
理用の汚水浄化施設として極寒の道東（根室管内別海町上
2006.9
25
写真3 重力を利用する自動サイホン
図3 別海町のハイブリッドリードベッドシステムによるパーラー排水処理の流れ図
貯留槽
自動
サイホン
縦型A
酸化的
カラマツチップの
断熱層（厚さ5㎝）
パーラー排水に
含まれる汚れ（牛
ヨシ
沈澱
混合
間欠的
供給
軽石
5∼20
菌、いやな臭い、
リ
ン
吸
着
マ
ス
ヨシ
2
20∼40
n
乳や糞尿）やバイ
縦型A
酸化的
自動
サイホン
1
窒素、リンなどを
横型
還元的
写真4 冬の風景（2005年12月23日）
永続的に浄化でき
D ヨシの地上部分は冬の凍結を回避するための断熱層に
る低コスト、低エネルギー、かつ省力的な、自然に優しい
浄化システムです。
E 湿地の生物のエサや住み家などとして生態系を総合的
に支えます。
●●●ヨシの役割は？●●●
軽石
5∼20
20∼40
人工湿地にはヨシを植えるのが一般的です。植物の養分
軽石5∼20
3
有機物の削減・分解および
アンモニアの硝化、
大腸菌の除去など
リ
ン
除
去
脱
窒
促
進
Org-C↓→CO2↑
Org-N↓→NH4-N→NO3-N
脱窒除去
（脱窒）
+Org-C
吸収による窒素やリンの浄化は、伏流式人工湿地における
このヨシの生育にかかっていると言っても過言ではありま
水質浄化の 10 ％未満であることが多くの研究から明らかに
せん。
4
には分解して養分が放出されます。
ネ科の多年草で主に地下茎で増えるのが特色です。そのヨ
NO3-N → N2↑
(↑Org-C)
別海のリードベッド浄化システムにより処理されたパー
シに期待する主な役割は以下の五つです。
脱窒のメカニズムと主要な環境条件
があり、一時的に貯めた汚水をパルス状に縦型湿地の表面
地システム（ハイブリッドリードベッドシステム）です。こ
に効率的に配分しており、まさに心臓のように大切な役割
の施設は、2005 年に（独）農研機構の資金援助を受けて、
をしています。
たすくが施工しました。18 年度から
究のなかで連携協力して現地検証試験を続けています。
アンモニアなどの窒素成分は、好気性微生物の働きで硝酸
型湿地（500
）と還元的な横
）をつなげたもので、湿地の総面積は約 10a
です。汚水の入り口から出口までの標高差は約 10
に変化（硝化）します。
を窒素ガスに変化（脱窒）させて空気中に放出します。
冬期間に濾過や吸着により蓄積した窒素成分は、微生物的
力などの自然エネルギーを使い電気エネルギーを使わずに
な硝化と脱窒の組み合わせで夏場に効率的に除去されます。
システムに蓄積して次第に放出されるリン酸は、炭酸カ
図 3 に、その別海の浄化システムの処理の流れを示しま
ルシウムなどで吸着して削減できる仕組みになっていま
した。汚水は2段の縦型湿地と3段目の横型湿地を通して主
す。吸着したリン酸は肥料として農地に還元することが可
に浄化されます。二つの縦型湿地の手前には自動サイホン
能です。
2006.9
けました。
的）環境を保持して、好気性微生物の働きを助けます。
12∼3月までは、写真4のようにシステムは雪に包まれま
C 嫌気的（還元的）な横型湿地では、枯れたヨシの根が、
した。各採水地点（図 3 の 1-4）の温度は図 4 に示したよう
嫌気性微生物による窒素除去（脱窒）の際に消費され
に推移し、最終出口（図 4 の 4）の温度は 2 ∼ 3 月にかけて
る炭素源として利用されます。
約3℃に低下したものの、冬期間を通じて凍結の恐れはあり
遬苉
靄芵芭
腀讍苉靄芵芭 腀 諂
靄
讫苉
芵芭
迚芵芭苍荺腛莀荹腛荗苖
苍苁苒腛苈讍苍
1腀貒赎苅軨諔芪芩芩苨苜芹英腂
2腀苠苨苠苨遈苗苜芷
3腀邢顢苰芷苩遬苰荮荢荳腛苉芵苄芭苪苜芷
三つ目の横型湿地では、嫌気性微生物の働きにより硝酸
で、重
汚水を浄化しています。
が 1 日に 4 ∼ 7 回動いて縦型湿地に間欠的に汚水を供給し続
縦型湿地では、レキや砂などの資材による濾過や吸着、
どのバイ菌、いやな臭い成分などを取り除きます。また、
このシステムの主な構成は、自動サイホンによる汚水供
り、水分を吸収したりして、縦型湿地の好気的（酸化
酸化的分解などにより、牛乳や糞などの有機物や大腸菌な
は北海道大学が事務局として実施している農林水産省の研
給システムを持つ二つの縦型湿地（各250
B イネ科植物であるヨシの根は、地下に酸素を供給した
▽
▽
春別）に施工した、日本で最初のハイブリッド伏流式人工湿
たすく、および北海道立根釧農業試験場と筆者らが共同
26
脱窒の進行（嫌気性微生物：脱窒菌による還元）
2NO3-⇒2NO2-⇒2NO⇒N2O↑⇒N2
（x） （O）
（O）十分に炭素があるとき
6(CH2O)+4NO3-⇒6CO2-+2N2↑+6H2O（硝酸→窒素）
（x）十分に炭素がない場合
4(CH2O)+4NO3-⇒4HCO3-+2N2O↑+2H2O（硝酸→亜酸化窒素）
主要な環境条件
できるだけ多くの有機炭素源：1.29gC/gN 以上
温度 5℃以上（最高温度25∼30℃）
6.5≦pH≦8.0（中性∼弱アルカリ性）
ラー排水の量は、1日約16tでした。1回に約3tの汚水を流す
エネルギーのいらないフランス方式の自動サイホン（写真3）
いて透水性を確保します。
で開発したもので、
5 初めの冬のパーラー排水
処理の結果
では、ヨシに期待する役割は何でしょうか？ ヨシはイ
A 地下茎で増えるヨシの芽や茎が、縦型の目詰まりを貫
硝化のメカニズムと主要な環境条件
以上のように、ヨシにはとても大切な役割があります。
リードベッド浄化システムがうまく機能するかどうかは、
なっています。また、ヨシは刈り取りませんので、長期的
黒ぼく土
PO4-P↓
Org-P↓→PO4-P
1 アンモニア酸化細菌（Nitrosomonasなど）による酸化
NH4-+1.5O2⇒NO2-+2H++H2O（アンモニア→亜硝酸）
2 亜硝酸酸化細菌（Nitrobacterなど）による酸化
NO2-+0.5O2⇒NO3-（亜硝酸→硝酸）
●合わせると
NH4-+2O2⇒NO3-+2H++H2O（アンモニア→硝酸）
主要な環境条件
好気的環境（溶存酸素：4.57gO2/gN 以上）
温度 5℃以上
7≦pH≦9（中性∼弱アルカリ性）
もなります。
ヨシ
砂
間欠的
供給
採水および
流量計測
有
機
物
添
加
マ
ス
腵苅苠芻苌芽苟苉苍雊鍼苈花苆苰芵芽苨腁釲蹒芨诠芪芩芩苩苌苅芵若芤芩腈腶
芽芷芭苍遖讌苌鞏鑟譚轰迮闱苰苈苩苗芭鋡荒荘荧苅軀費芷苩芽苟苉鍷韍芵苄芢苜芷腂
辭苈芢鎊躑苅鏺腘苌顊鎭閉鉓芪辭苈芭苈苪苎鞏鑟视芪荮荢荳腛苉苈苨苜芷苋腂
鞏鑟视芪荮荢荳腛苉苈苪苎讍苠苍苁苒腛苉苈苨苜芷腂
陫詃鎹镗鋃豓銆镗鋃銬韎銬鏬2-8
TEL 01537-2-2361 FAX 01537-2-3143 E-MAIL [email protected]
2006.9
27
図5 最初の越冬時の処理水質（2005年11月∼2006年5月の平均値）
除去率
3000
2795
2500
Ｂ
Ｏ 2000
Ｄ
1500
／ 1000
º
500
0
／
º
除
60 去
率
40 ％
515
0
2
45 120
3
4 基準
除去率
86
79
70
TN
45
27
0
／
º
20
78
129
1
浮
遊 2000
物
質 1500
SS 1000
80
BOD
1
2500
60
0
0
100
全
リ
ン
Ｔ
Ｐ
80
除
60 去
率
40 ％
20
17
／
º
0
2
3
500
-
-
全
窒
素
Ｔ
Ｎ
140
120
100
80
60
40
20
0
99
97
83
除去率
100
4 基準
35
30
25
20
15
10
5
0
2073
99
97
90
80
除
60 去
率
40 ％
SS
202 59
0
1
2
3
31.2
6.9
0
31 150
20
0
4 基準
除去率
91
78
17.0
45
1
100
TP
8.0
100
80
除
60 去
率
40 ％
20
2.9
0
2
3
4 基準
大
腸
菌
群
数
個
／
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
塩
素
イ
オ
ン
CI
／
º
80
70
60
50
40
30
20
10
0
除去率
100
99
91
80
3000
除
60 去
2200
率
46
大腸菌群
40 ％
4100
20
350 50
1
0
2
3
CI
62
希釈率
57
7
1
0
0
4 基準
53
52
14
16
3
4
100
80
希
60 釈
率
40 ％
20
0
2
初めの冬の浄化はまるで冷蔵庫の中のよう
図4 温度変化（日平均）
な温度で資材の中を汚水が流れることにより、
25
1
20
濾過や吸着などの物理化学的な作用によって
15
日
平 10
均
温 5
度
℃ 0
排水が浄化されたと考えられます。春になり
-15
気温
-20
21-Aug
2-Jul
13-May
な分解に伴って流出してきました。さらに、
24-Mar
3
2-Feb
14-Dec
-10
次第に温度が上昇するに従って、システムに
蓄積した有機物やアンモニアなどが微生物的
25-Oct
-5
2
4
硝化や脱窒などの生物的な浄化効果が働くの
を観察し、浄化効果を検証するとともに、必
要に応じて窒素、リン削減のための資材添加
試験を行う予定です。
ヨシの成長と働きなどを含めて、これから
ませんでした。
がとても楽しみです。
処理開始から約半年間の水質浄化は良好で、水質汚濁防
止法の監視項目となっている BOD、懸濁物質、大腸菌、全
（筆者＝北海道農業研究センター・寒地温暖化研究チーム）
窒素、全リンの除去率は86∼99％で、処理水質は水質汚濁
防止法の排水基準を大きく下回りました（図 5）
。また、資
材に吸着されない塩素イオンの減少率（希釈率）は約 16 ％
でしたので、水質浄化は雨や雪による希釈によるものでな
いことが示されました。
扇風機に細霧装置を取り付け暑熱対策
つなぎ牛舎で30頭を飼養する花房牧場は暑熱対策に細
霧装置を利用しているが、装置を扇風機に取り付けて、
細霧と送風を組み合わせて効果をあげている。また、省
エネ効果をねらって、インバーターを自分で取り付けた。
インバーターは換気扇1台1台に取り付けている。
28
2006.9