海水の浸透ろ過方法及び浸透取水ユニット
【課題】砂ろ過層の表層のみならず、中間層に取り込まれた懸濁物質等を洗浄する。
【解決手段】砂ろ過層の深層を形成するための砂利層１３に取水配管１２を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層１５に逆洗浄管１４を埋め込み、砂層１５の上方に吸水管１６を設置した浸透取水ユニット１１をあらかじめ形成しておく海水の浸透ろ過方法である。海底の設置場所で所要の数の浸透取水ユニット１１を組み合わせて砂ろ過層を形成し、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管１２内に導入して海水を取水する。海水浸透速度を４００m／日以下の速度とする。砂ろ過層の中間層に取り込まれた懸濁物質等を、逆洗浄管１４から水又はエアーを噴出して撹拌し、砂ろ過層の表層の上部に巻き上げ、吸水管１６から撹拌水を吸入して回収する。
【効果】海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度に維持できる。
【解決手段】砂ろ過層の深層を形成するための砂利層１３に取水配管１２を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層１５に逆洗浄管１４を埋め込み、砂層１５の上方に吸水管１６を設置した浸透取水ユニット１１をあらかじめ形成しておく海水の浸透ろ過方法である。海底の設置場所で所要の数の浸透取水ユニット１１を組み合わせて砂ろ過層を形成し、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管１２内に導入して海水を取水する。海水浸透速度を４００m／日以下の速度とする。砂ろ過層の中間層に取り込まれた懸濁物質等を、逆洗浄管１４から水又はエアーを噴出して撹拌し、砂ろ過層の表層の上部に巻き上げ、吸水管１６から撹拌水を吸入して回収する。
【効果】海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度に維持できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底の砂層内を浸透してくる海水を取水する際のろ過方法、及びこのろ過方法を実施するために、砂層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除いて目詰まりを防止する逆洗浄管などを有した浸透取水ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水を取水する方法として、現在は、図１４に示すように、例えば海底に設けた取水口１から導水管２を介して海水を取水する直接取水法が多く採用されている。なお、図１４中の３は海水を取水するためのポンプ、４は逆浸透膜装置である。
【０００３】
しかしながら、直接取水法は、海水と同時にごみ、懸濁物、生物等を全て取水するので、クラゲや赤潮の異常発生時、油の流出事故時、高波による濁度の増大時には、取水を停止しなければならない場合がある。また、取水口や導水管へのフジツボ、イガイ等の海洋生物の付着が激しいので、定期的な清掃、付着防止の薬品（例えば塩素等）の添加、全管路における生物付着代を考慮した管径の増大等が必要である。さらに、取水した海水を逆浸透膜で処理する場合には、凝集剤を添加した海水をろ過する砂ろ過施設が必要となるので、砂ろ過施設に溜まった汚泥を処理する施設が必要になる。
【０００４】
そこで、近年、取水する海水の前処理として、凝集剤等の薬品を使用しないで、図１５に示すように、海底の砂層（以下、砂ろ過層という。）５内を浸透してくる海水を取水する間接取水法が注目されている。
【０００５】
この間接取水法は、汀線より数百m、水深十数mの沖合にて海底を掘削し、当該掘削部に、図１６に示すように、支持砂利層５ａ及び５ｂ、ろ過砂５ｃで構成された砂ろ過層５を形成しながら、再び同じ海底面まで埋め戻すことで、支持砂利層５ａ中に設置した取水配管６から、ろ過浸透して浄化された海水を取水する方法である。この間接取水法の場合、直接取水法の問題は一切発生しないが、イニシャルコストが高いことと、浸透面での目詰まりによる取水量の低下の問題により、普及拡大が遅れている。
【０００６】
そこで、このような浸透取水法において、海水を取水する海底の砂ろ過層の目詰まりを可及的に低減でき、また砂ろ過層の表面に堆積した懸濁物等を、手間をかけずに取り除くことができ、安定した取水を確保し得る方法が特許文献１で提案されている。
【０００７】
この特許文献１で提案された浸透取水法は、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、前記砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることを特徴としている。
【０００８】
しかしながら、この特許文献１で提案された浸透取水法は、海水の浸透取水速度が１〜８m／日という、非常に緩速なろ過速度であるため、短期間で大量の海水を取水するには広大な面積を必要とし、工事規模が大きくなる（課題１）。
【０００９】
加えて、特許文献１で提案された浸透取水法は、表面に堆積したシルト（泥分）による砂ろ過層の目詰まりを防止するために、最適な海水流動が促進される海域への設置が必要であり、波浪による海水流動がある場所に限定される（課題２）。
【００１０】
そこで、出願人は、上記課題１を解決するために、海水浸透速度を高速化することにより必要浸透面積を大幅に削減し、工事規模を格段に減少させることが可能な海水の浸透ろ過方法を提案した。但し、現実的な採用可能な速度としては上限を４００m／日以下としている。
【００１１】
また、出願人は、上記課題２を解決するために、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物又は懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止する海水の浸透ろ過方法を提案した。さらに、砂ろ過層の表層に取り込まれた前記懸濁物質等を取り除くために、例えば機械式、エアー式、噴流水式の何れかの装置を砂ろ過層の表面に設置する目詰まり防止装置を提案した。これにより、砂ろ過層を例えば潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置することも可能にした。
【００１２】
すなわち、この出願人が提案した海水の浸透ろ過方法によれば、海水浸透速度が４００m／日以下のできるだけ大きい速度とすることで、短期間での取水量が大量になり、従来に比べて取水面積を小さくすることができる。また、砂ろ過層の表面に目詰まり防止装置を設置する場合は、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、海水淡水化プラントの近くで取水できる。従って、工事規模や取水施設規模を格段に小規模化することができ、これに伴い、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。
【００１３】
しかしながら、海水流動を利用する方法や、砂ろ過層の表面に設置した目詰まり防止装置から水等を噴出させる方法では、砂ろ過層の表層に堆積した懸濁物質等を取り除くことができるのみで、砂ろ過層の表層よりも深い中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことはできない。特に、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度とする場合は、砂ろ過層の中間層にも目詰まりが進行しやすく、目詰まりの頻度も高くなる。そのため、砂ろ過層の表層に堆積した懸濁物質等を取り除くのみでは、海水浸透速度が低下するおそれがある。
【００１４】
また、例えば特許文献１の浸透取水法は、海底を掘削した掘削部に支持砂利層５ａを形成して取水配管６を埋設し、この支持砂利層５ａの上部に支持砂利層５ｂ、ろ過砂５ｃを形成しながら再び同じ海底面まで埋め戻す工事をすべて海底の現場で行うため、設置工事が大規模となる。また、運転開始後に取水配管６の一部に不具合が発生したときは、海底面を再び掘削して取水配管６の故障部位を補修する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３８９９７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の浸透取水法は、海水流動や砂ろ過層の表面に設置した目詰まり防止装置による洗浄であるため、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことができず、海水浸透速度が低下するおそれがある点である。加えて、従来の浸透取水法は、設置時の工事が大規模となる上、運転開始後に取水配管の一部に不具合が発生すると海底面を掘削して故障部位を補修する必要があり、メンテナンス性が悪い点である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記問題を解決し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質のみならず、中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質についても取り除くことが可能で、海底に設置する際の工事規模を小さくし、メンテナンスが容易に行える海水の浸透ろ過方法及び浸透取水ユニットを提供することを目的としてなされたものである。
【００１８】
本発明の海水の浸透ろ過方法は、
砂ろ過層の深層を形成するための砂利層に取水配管を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層に逆洗浄管を埋め込んだ浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを最も主要な特徴としている。
【００１９】
上記の本発明によれば、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管から噴出される水又はエアーによって撹拌され、表層に存在する懸濁物質等と共に砂ろ過層の上方に巻き上げられる。そして、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた懸濁物質等は、潮流や波浪による海水流動によって砂ろ過層の外部に拡散される。
【００２０】
また、上記の本発明では、あらかじめ形成しておいた浸透取水ユニットを海底の設置場所で組み合わせることにより、砂ろ過層を容易に形成することができる。また、運転開始後に取水配管の一部に不具合が発生した場合は、海底を掘削して故障部位を補修する必要はなく、配管等の故障部位を含む浸透取水ユニットをユニットの単位で切り離して交換できる。
【００２１】
上記本発明において、砂ろ過層を潮流や波浪による海水流動が少ない静穏海域に設置する場合は、
前記砂層の上方に吸水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成すると共に、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止すれば良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことで目詰まりを防止し、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度で維持し、高速ろ過を継続的に実施できる。また、本発明の浸透取水ユニットを組み合わせて砂ろ過層を形成する場合は、設置時の工事規模が格段に小さくなる上、運転開始後は故障部位を含む浸透取水ユニットをユニットの単位で切り離して交換できるので、メンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニットをトラックに積載可能なサイズとした場合の一例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図２】本発明の浸透取水ユニットの各配管を平面の方向から見た図で、（ａ）は吸水管の平面図、（ｂ）は逆洗浄管の平面図、（ｃ）は取水配管の平面図である。
【図３】本発明の浸透取水ユニットの取水配管の配置例を示した図で、（ａ）は５ブロックの取水配管をバス型に接続する場合の配置例を示した図、（ｂ）は５ブロックの取水配管をそれぞれ集水ポンプピットに接続する場合の配置例を示した図である。
【図４】本発明の浸透取水ユニットの逆洗浄管の接続例を示した図で、（ａ）は水を噴出する構成を用いる場合のポンプとの接続例を示した図、（ｂ）はエアーを噴出する構成を用いる場合のエアコンプレッサーとの接続例を示した図である。
【図５】本発明の浸透取水ユニットの寸法及び配置の例を示した図で、（ａ）は取水量を１０万t／日とする場合の一例を示した図、（ｂ）と（ｃ）は取水量を４０万t／日とする場合の一例と、他の一例を示した図である。
【図６】排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの実施例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図７】排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの他の実施例を示した図で、（ａ）は逆洗浄管を平面の方向から見た図、（ｂ）は排水管の枝管を横断面の方向から見た概略図で、排水管から噴出する水の噴出角度を説明する図である。
【図８】本発明の浸透取水ユニットのユニット内における取水配管と逆洗浄管の高さ方向の配置の一例を示した図である。
【図９】吸水管や排水管を設けない本発明の浸透取水ユニットの実施例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図１０】海水の浸透ろ過方法の実験フロー図である。
【図１１】実験結果の一例を示した図で、（ａ）は濁度のデータを示した図、（ｂ）はシルト濃度指数（ＳＤＩ）のデータを示した図である。
【図１２】完全閉塞と標準閉塞の経過時間と圧力損失の関係を示した図である。
【図１３】本発明の海水の浸透ろ過方法のイメージ図である。
【図１４】従来の直接海水取水法の概略説明図である。
【図１５】海底浸透海水取水法の概略説明図である。
【図１６】海底浸透部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度に維持した高速ろ過を継続的に実施するために、砂ろ過層の目詰まりを防止するという目的を、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、逆洗浄管から噴出される水又はエアーによって撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げることで実現した。
【００２５】
砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質中に含まれる目詰まりの原因となる物質は、砂ろ過層の周囲の環境に悪影響を及ぼすことがないように、砂層の上方に設けた吸水管により回収することが望ましい。
【００２６】
もっとも、環境保全の必要性が比較的低い海域では、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質中に含まれる目詰まりの原因となる物質を、砂ろ過層の周囲に排出することが許される場合もある。かかる海域に砂ろ過層を設置する場合は、海水の流速に応じて、以下の何れかの構成を選択すれば良い。
【００２７】
すなわち、海水の流速が遅い海域に設置する場合は、砂層の上方に設けた排水管により人為的に目詰まりの原因となる物質を排出する構成を採用する。他方、海水の流速が速い海域に設置する場合は、潮流や波浪による海水流動によって目詰まりの原因となる物質を拡散できるので、吸水管や排水管を設けない構成を採用しても良い。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図１３を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニット１１の一例を示した図である。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）において、１２は、主管１２ａと、主管１２ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１２ｂからなり、海底の砂ろ過層の深層を形成するための砂利層１３に埋め込まれた取水配管を示している。砂ろ過層の中間層１５ｂ，１５ｃ及び表層１５ａを形成するための砂層１５には、主管１４ａと、主管１４ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１４ｂからなる逆洗浄管１４が埋め込まれている。
【００３０】
図１（ｃ）において、１６は、主管１６ａと、複数の枝管１６ｂからなる吸水管を示している。主管１６ａは、図１（ａ）に示すように、筐体１７の対向する側面１７ａ，１７ｃの間に架設されている。また、主管１６ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１６ｂの端部は、図１（ｂ）に示すように、筐体１７の側面１７ｂ，１７ｄに支持されている。このようにすることで、吸水管１６は、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置されている。
【００３１】
本実施例の浸透取水ユニット１１は、例えば縦１０m×横２．５m×高さ２．５mのサイズの筐体１７の内部に、高さ０．５mの砂利層１３の高さ方向の中間位置に埋め込まれた取水配管１２と、高さ２．０mの砂層１５の高さ方向の上部に埋め込まれた逆洗浄管１４と、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置された吸水管１６を収容したものである。よって、この浸透取水ユニット１１は、上記サイズの荷物を積載可能な荷台を有したトラックで輸送することができ、陸上における輸送が容易となる。なお、筐体１７は、砂ろ過層を設置する海域の水質や海水中に含まれる物質の成分等に応じて、例えばＦＲＰ、コンクリート、金属などの中から最適な素材を選定することができる。
【００３２】
図２は、浸透取水ユニット１１の各配管の一例を示したもので、各配管を平面の方向から見た図である。紙面下側は海水淡水化プラントが設けられる陸側を、紙面上側は海洋側を示している。
【００３３】
吸水管１６の枝管１６ｂには、図２（ａ）に示すように、陸側と海洋側に多数の噴出孔１６ｂａ，１６ｂｂが列設されている。本実施例においては、陸側の吸入孔１６ｂａについても海洋側の吸入孔１６ｂｂについても、主管１６ａの長手方向と平行に開口し、現地での設置時、噴出孔の噴出角度が水平面に対し平行の向きとなるようにしている。主管１６ａの陸側は海水淡水化プラントの集水ポンプと接続されている。吸入孔１６ｂａ，１６ｂｂから吸入された懸濁水は、各枝管１６ｂから主管１６に集められ、海水淡水化プラントに回収される。
【００３４】
逆洗浄管１４の枝管１４ｂには、図２（ｂ）に示すように、現地での設置時に天側となる位置に多数の噴出孔１４ｂａが列設されている。本実施例においては、噴出孔１４ｂａの噴出角度は、水平面に対し９０度の向きとなるようにしている。主管１４ａの陸側は海水淡水化プラントの給水ポンプ又はエアコンプレッサーと接続されている。主管１４ａから各枝管１４ｂに供給された水又はエアーは、噴出孔１４ｂａから、天側に垂直方向に噴出される。なお、本実施例では、一例として、現地での設置時に天側となる向きに噴出孔１４ｂａを設けているが、逆洗浄管１４の噴出孔１４ｂａは、現地での設置時に例えば下向きとなるように構成しても良い。
【００３５】
取水配管１２の枝管１２ｂには、表面全域に多数の取水孔が設けられている（図２（ｃ）では図示せず）。主管１２ａの陸側は海水淡水化プラントの集水ポンプと接続されている。砂ろ過層内を自然浸透してきた海水は、取水孔から枝管１２ｂに導入され、主管１２ａを通って海水淡水化プラントに取水される。
【００３６】
本発明の海水の浸透ろ過方法は、上記のような浸透取水ユニット１１をあらかじめ陸上で形成しておき、海底の設置場所で所要の数の浸透取水ユニット１１を組み合わせて砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管１２内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とするものである。そして、砂ろ過層の中間層１５ｂ，１５ｃのうち、逆洗浄管１４よりも上部の中間層１５ｂに取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管１４の噴出孔１４ｂａから水又はエアーを水平面に対し例えば＋９０度の角度で上向きに又は−９０度の角度で下向きに噴出することにより撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げた後、砂ろ過層の表層の上方に設置した吸水管１６により、生物又は懸濁物質を含んだ撹拌水を吸水する。このようにすることで、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質は、再び砂ろ過層の表面に堆積することなく回収されるので、砂ろ過層の目詰まりを確実に防止できる。
【００３７】
なお、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質の中には、目詰まりの原因となるシルト等の成分が含まれているほか、目詰まりの原因とはならず、むしろ、砂ろ過層における海水のろ過効果を維持するのに適した粒径の物質も含まれている。
【００３８】
そこで、本実施例では、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、吸入すべき目詰まりの原因となる物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで、吸水管１６から撹拌水を吸入するように構成した。よって、本実施例では、目詰まりの原因となる物質のみを吸引し、ろ過効果を維持するのに役立つ物質は砂ろ過層に残すことができる。
【００３９】
次に、本発明の浸透取水ユニット１１の配置や接続の方法、浸透取水ブロック１１０を組み合わせて構成される取水エリアのサイズについて、具体例を示して説明する。
【００４０】
図３は、浸透取水ユニット１１の取水配管１２の配置例を示した図である。この例では、取水配管１２を７個横並びに配置して取水配管ブロック１２０を構成している。このような構成とする場合、取水配管ブロック１２０は、例えば図３（ａ）に示すように、共通配管１８を使用して５つの取水配管ブロック１２０を１つにまとめて集水ポンプに接続しても良いし、あるいは図３（ｂ）に示すように、取水配管ブロック１２０をそれぞれ集水ポンプピット１９に個別に接続しても良い。
【００４１】
図４は、浸透取水ユニット１１の逆洗浄管１４の接続例を示した図である。この例では、逆洗浄管１４を７個横並びに配置して逆洗浄管ブロック１４０を構成している。本発明では、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を撹拌し、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げるために、逆洗浄管１４から水を噴出させても良いし、エアーを噴出させても良い。水を噴出する構成を用いる場合は、図４（ａ）に示すように、逆洗浄管ブロック１４０を給水ポンプ２０と接続する。他方、エアーを噴出する構成を用いる場合は、図４（ｂ）に示すように、逆洗浄管ブロック１４０をエアコンプレッサー２１と接続する。
【００４２】
図５は、浸透取水ユニット１１の寸法及び配置の例を示した図である。図５（ａ）の例では、主管１２ａ，１４ａ，１６ａの長手方向の長さが１０mの浸透取水ユニット１１を８又は９個横並びに配置して浸透取水ブロック１１０を構成し、この浸透取水ブロック１１０をさらに４個横並びに配置して、１０m×１０５m（筐体の板厚を含まず）のサイズの取水エリア１１００を形成している。
【００４３】
本発明では、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とするが、仮に、海水浸透速度を１００m／日とし、浸透取水ユニット１１の１ユニットあたりの浸透面積３０m2とした場合、浸透取水ユニット１１の１ユニットあたりの集水量は３０００m3／日となる。図５（ａ）の例のように、約３５個の浸透取水ユニット１１で構成された取水エリア１１００の場合、全体での集水量は約１０万t／日となる。これは現在、福岡県に設置されている「まみずピア」と同程度の取水規模である。
【００４４】
また、さらに１日の取水量を例えば４０万t／日に増加する必要がある場合は、図５（ａ）の取水エリア１１００を、例えば図５（ｂ）又は（ｃ）のように配置して４エリア分設ければ良い。この場合、図５（ｂ）の例では２５m×約２７０m、図５（ｃ）の例では２１０m×約２５mの、従来の浸透取水方法と比較すると格段に小さい取水エリアで、１日あたり４０万tの取水量が得られる。
【００４５】
また、本発明では、砂ろ過層を形成する取水配管１２、砂利層１３、逆洗浄管１４、砂層１５、吸水管１６をユニット化したので、設置海域の地形に応じて最適な配置を選択することができる。また、上記のように組み合わせるユニット数を変更することで、必要とされる１日あたりの取水量に対応できる。
【００４６】
また、本発明によれば、一部の浸透取水ユニット１１に故障が発生しても、故障した浸透取水ユニット１１のみ交換すればよいため、システム全体に与える影響を小さくできる。また、浸透取水ユニット１１の交換に際して海底面を掘削する必要がないため、メンテナンス工事が小規模となり、保守のコストを低減できる。
【００４７】
図６は、海中に巻き上げた生物又は懸濁物質を取り除く手段として排水管を用いた場合の本発明の浸透取水ユニットの一例を示した図である。以下の説明では、吸水管１６を用いた図１の実施例の構成と異なる点のみを説明する。
【００４８】
図６において、２２は、主管２２ａと複数の枝管２２ｂからなる排水管を示している。主管２２ａは、図６（ａ）に示すように、筐体１７の対向する側面１７ａ，１７ｃの間に架設されている。また、主管２２ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管２２ｂの端部は、図６（ｂ）に示すように、筐体１７の側面１７ｂ，１７ｄに支持されている。このようにすることで、排水管２２は、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置されている。
【００４９】
枝管２２ｂには、海洋側に多数の噴出孔が列設されている（図２（ｂ）は陸側から見た図のため不図示）。噴出孔は、主管２２ａの長手方向と平行に開口しており、現地での設置時、噴出孔の噴出角度が水平面に対し平行の向きとなるようにしている。主管２２ａの陸側は、海水淡水化プラントの給水ポンプと接続されており、主管２２ａから各枝管２２ｂに供給された水は、噴出孔から海洋側に水平方向に噴出される。
【００５０】
このように、本実施例は、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、前記表層の上方に巻き上げた後、排水管２２から噴出する水によって砂ろ過層の外部に排出するものである。
【００５１】
図７（ａ）は、排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの他の実施例の説明図で、排水管２３を平面の方向から見た状態を示している。紙面に向かって右側は海水淡水化プラントが設けられる陸側を、紙面に向かって左側（矢印の方向）は海洋側を示している。なお、この実施例では、海洋側に他の浸透取水ユニットが隣接していないものとする。
【００５２】
排水管２３の枝管２３ｂには、図７（ａ）に示すように、海洋側にのみ多数の噴出孔２３ｂｂが列設されている。図７（ｂ）は排水管２３の枝管２３ｂを横断面の方向から見た概略図で、噴出孔２３ｂｂから噴出する水の噴出角度θを説明する図である。本実施例においては、噴出孔２３ｂｂにノズルを装着することで、噴出角度θは、水平面に対し３０〜６０度の範囲に設定している。主管２３ａの陸側は海水淡水化プラントの給水ポンプと接続されている。例えば、噴出孔２３ｂｂの噴出角度を４５度とした場合、主管２３ａから各枝管２３ｂに供給された水は、噴出孔２３ｂｂから海洋側に、水平面に対して上向き４５度の角度で噴出される。
【００５３】
このように、本実施例では、排水管２３は、他の浸透取水ユニットが隣接していない方向に水を噴出すると共に、前記水の噴出角度は水平面に対して３０〜６０度の範囲となるように構成した。
【００５４】
よって、本実施例では、排水管２３によって排出した目詰まりの原因となる懸濁物質等が他の浸透取水ユニットの砂ろ過層の上部に沈降することはない。また、本実施例では、噴出孔２３ｂｂから噴出される水が放物線状になって、目詰まりの原因となる懸濁物質等をより遠方に排出することができる。
【００５５】
ところで、海底に堆積した生物又は懸濁物質を不必要に周囲に排出すると、周辺の自然環境に何らかの影響を及ぼすおそれがある。
【００５６】
そこで、本実施例では、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、外部に排出すべき目詰まりの原因となる物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで排水管２３から水を噴出するように構成した。よって、本実施例では、目詰まりの原因となる物質のみを外部に排出することで、周辺の自然環境への影響を極力小さくすることができる。
【００５７】
図８は、本発明の浸透取水ユニット１１のユニット内における取水配管１２と逆洗浄管１４の高さ方向の配置の一例を示した図である。本発明では、取水配管１２は、ろ過能力が低下しないように、浸透取水ユニット１１の筐体１７の底面１７ｅからあまり離れ過ぎない方が良い。具体的には、取水配管１２の管外径をＤとするとき、取水配管１２のＣＯＰ（パイプ中心）高さは、底面１７ｅから上方に０．７５Ｄ〜１，２５Ｄの範囲とすれば良い。
【００５８】
また、逆洗浄管１４は、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた懸濁物質等を広範囲に逆洗浄するためには、できるだけ深い位置に設置する方が有利であるが、設置位置が深すぎると水圧を高くする必要があるので、両者のバランスを考慮する必要がある。具体的には、逆洗浄管１４の管外径をｄとするとき、逆洗浄管１４のＣＯＰ（パイプ中心）高さは、砂ろ過層の砂層１５の表面１５ｄから下方に１．０ｄ〜５．０ｄの範囲とすれば良い。
【００５９】
図９は、海中に巻き上げた生物又は懸濁物質を取り除く手段として、海水流動を利用する場合の本発明の浸透取水ユニットの一例を示した図である。図９の構成は、吸水管１６または排水管２２が存在しない点を除き、図１の実施例と同じである。この実施例では、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げられ、潮流又は波浪による海水流動によって砂ろ過層の外部に拡散される。
【００６０】
次に、本発明の海水の浸透ろ過方法において、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とする理由について説明する。
【００６１】
図１０は本発明の海水の浸透ろ過方法の実験フローを示した図である。図１０において、３１は海底から５０cm、水面から３．３mの位置に沈めた取水ポンプ、３２はこの取水ポンプ３１によって汲み上げた海水を溜める原水タンクである。原水タンク３２に溜められた海水は、原水ポンプ３３によって汲み上げられ、カラム装置３４に供給される。カラム装置３４には砂層３４ａと砂利層３４ｂからなるろ過層が設けられており、このろ過層を通ったろ過水は、処理水タンク３５に導かれる。
【００６２】
図１０に示した実験フローでは、処理水タンク３５のろ過水をカラム装置３４に逆送する逆送ポンプ３６を介設した逆送配管３７と、カラム装置３４に供給された海水がオーバーフローしないように処理水タンク３５に案内するオーバーフロー管３８を設けている。
【００６３】
図１０に示したフローの実験装置の取水ポンプで取水した海水を、カラム装置のろ過層を通過させたろ過水の濁度及びシルト濃度指数ＳＤＩを測定した。この測定に使用したろ過層は上方から、φ０．４５mmの砂層（厚さ９００mm）、φ２〜４mmの砂利層（厚さ７５mm）、φ４〜８mmの砂利（厚さ７５mm）、φ６〜１２mmの砂利（厚さ１５０mm）である。
【００６４】
測定結果を図１１に示す。ここで、濁度のデータを得た原水には、図１１（ａ）の浸透取水速度が０m／日で示した濁度となるような量のシルトを予め添加している。図１１の結果より、浸透取水速度を５０〜４００m／日としても、濁度やシルト濃度指数ＳＤＩは浸透取水速度を従来の１〜８m／日とした場合と変わらず、同等の処理性能を示すことが確認された。
【００６５】
ところで、前記特許文献１の発明では、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることとしている。
【００６６】
この特許文献１の発明において、海水の前記浸透取水速度を実現する条件として、砂ろ過層の水深を、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くする理由は、以下の通りである。
【００６７】
波によって海底面にある砂粒子がある程度移動することが確認される最大水深である表層移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が１cm以上移動することは海底の砂が洗われる程度であって、この水深よりも深ければ、砂ろ過層表層の砂粒子の移動は殆どないからである。
【００６８】
一方、波の作用によって海底の砂ろ過層が侵食されることが確認される最大水深である完全移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が５０cm以上移動することは海底の砂ろ過層の侵食が認められることになるからである。
【００６９】
また、特許文献１では、シルト粒子の粒径は、一般におおよそ０．００５mm〜０．０７４mmとし、シルトが動き出さない海水の流速、すなわち移動限界流速を求めている。この移動限界流速は、シルト粒子の限界実流速に対して面積空隙率（＝０．３５）を乗じた値となる。粒径と限界実流速の関係を表すグラフを使って求めたシルト粒子の限界実流速は、粒径が０．０８mmのシルト粒子の場合、０．０２６cm／sとしている。
【００７０】
従って、シルトの移動限界流速の上限は、０．０２６×０．３５×２４×３６００＝７８６．２４cm／日で、約８m／日となる。この結果から、砂ろ過層内に巻き込んだシルトによる目詰まりを生じさせないためには、最大でも海水浸透流速は、８m／日以下に設定すべきであるとしている。
【００７１】
また、砂ろ過層に十分な酸素を供給して生物膜を死滅に至らせないようにするためには、少なくとも１m／日の海水浸透流速が必要であるとしている。
【００７２】
これらより、特許文献１の発明では、前記の条件において海水の浸透取水速度を１〜８m／日とすることで、砂ろ過層の表層は海中に発現する波や流れなどにより適度に攪拌され、砂ろ過層表面に堆積したごみ、シルト等の懸濁物を除去することができ、安定した取水を確保できるとしている。
【００７３】
このように特許文献１の発明で規定された海水の浸透取水速度の上限は、海底の表層の砂ろ過層にシルトが進入または混入しないための条件である。この特許文献１におけるシルト吸収抑制の限界となる８m／日の求め方を踏襲すれば、発明者らが１〜８m／日の浸透取水速度の場合と同等の処理性能を示すことを確認した、例えば４００m／日の浸透取水速度とした場合は、シルトを吸収する傾向となる。
【００７４】
つまり、シルトを攪拌もしくは運ぼうとする流れ場がないものとすれば、浸透取水速度を４００m／日とした場合のシルトの砂ろ過層への吸収速度は、（海水の浸透取水速度cm／s）×（砂粒径による空隙率）になると推察できる。従って、４００m／日の浸透取水速度の場合、シルトの砂ろ過層への吸収速度は、｛４００００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．１６cm／sとなる。また、酸素を供給するための限界流速１．０m／日以上を実現するためには、｛１００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．０００４cm／sとなる。
【００７５】
計算上では、海水の浸透取水速度を４００m／日とした場合は、目詰まりの要因となるシルト粒子が１時間当り約６m（≒０．１６×３６００／１００）も砂ろ過層に浸入することになって、実現性のある洗浄は困難である。
【００７６】
しかしながら、シルト粒子はろ過砂の空隙に比べて非常に小さいことから、いわゆる標準閉塞の形式をとり、シルトが水と共に移動する際に、ろ過砂との分子間力（物理吸着、静電気）によって捕捉されて堆積するため、表層付近にて付着滞留していく。
【００７７】
先に説明した図１１（ａ）に示す、シルト成分を添加した実験においては、４００m／日の条件下では、２時間後にシルトはほぼ表層に堆積し、砂ろ過層の内部には１cm程度しか侵入しないことを確認した。
【００７８】
また、標準閉塞は空隙よりも大きな粒子に対しても起こる完全閉塞と異なり、粒子が空隙孔を完全に密閉するために、図１２に示すように、シルト粒子の吸着によって空隙孔が時間をかけて狭くなる。これは、空隙の保持閾値まで緩やかに圧力損失が生じるために、シルトを除去し続けた場合でも長時間の浸透が可能であることを意味する。この経過時間は、ろ過材の条件や海水条件（シルト濃度）によっても異なり、この時間が強制洗浄の間隔となる重要な要素となる。
【００７９】
本発明は、発明者らの実験結果と上記の知見に基づき、従来の常識であり、タブーであったろ過材の海水浸透速度の高速化を実現することで、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化を実現したものである。
【００８０】
海水よりも浸透性が高い地下水を使用した試験を発明者らが行った結果によれば、６００m／日の浸透速度までは正常に連続運転することができた。但し、浸透速度を７００m／日とした場合は、必要な浄化水量が取水量よりも多くなって、砂ろ過層で連続的に水が流れない状態となり、正常な取水ができなかった。従って、海水の浸透取水する際のろ過方法を対象とする本発明では、安全率を約１．５として、４００m／日の海水浸透速度を上限とした。
【００８１】
以上の理由により、本発明の海水の浸透ろ過方法では、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を浸透取水する際、海水浸透速度を４００m／日以下の速度としている。
【００８２】
本発明において、海水浸透速度を４００m／日とした場合は、例えば海水浸透速度が８m／日の従来に比べて取水量が５０倍となるので、取水エリアの面積を１／５０にすることができる。また、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、図１３に示すように、海水淡水化プラント４１の近くに浸透取水施設４２を設置できて、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化が可能になって、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。
【００８３】
そして、本発明の海水の浸透ろ過方法では、砂ろ過層の表層のみならず、中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことで目詰まりをより確実に防止するので、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度で維持し、高速ろ過を継続的に実施できる。
【００８４】
本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００８５】
例えば、上記の実施例では、浸透取水ユニット１１をあらかじめ形成しておく場合の例を開示したが、本発明の海水の浸透ろ過方法は、浸透取水ユニット１１を使用せずに、海底の設置場所で取水配管１２や逆洗浄管１４を埋め込んで砂ろ過層を形成する方法でも良い。
【００８６】
具体的には、海底の砂ろ過層内の深層に取水配管を埋め込み、前記砂ろ過層の中間層に水又はエアーを噴出する逆洗浄管を埋め込み、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止する海水の浸透ろ過方法である。
【００８７】
また、上記のように浸透取水ユニットを使用しない場合についても、砂ろ過層の表層の上方に、吸水管をさらに設置し、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することで、周辺環境に悪影響を及ぼすことなく砂ろ過層の目詰まりを防止できる。
【００８８】
あるいは、砂ろ過層の表層の上方に、排水管をさらに設置し、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出することで、海水流動の少ない静穏な海域においても砂ろ過層の目詰まりを防止できる。
【００８９】
また、上記の実施例では、逆洗浄管１４から水又はエアーを噴出させて砂ろ過層の中間層を洗浄する構成を開示したが、逆洗浄管１４による中間層（砂層）の洗浄に加え、取水配管１２に対し所要のタイミングで水を逆流させて枝管１２ｂの取水孔から水を噴出させることにより、砂ろ過層の深層（砂利層）を洗浄するように構成しても良い。
【００９０】
また、上記の実施例では、吸水管１６を用いる実施例と、排水管２２，２３を用いる実施例を別々に説明したが、例えば海水淡水化プラントに設置するポンプの集水と給水を切り換えることにより、１つの装置で吸水管の機能と排水管の機能を兼ね備えるように構成しても良い。
【００９１】
また、本発明の浸透取水ユニットの砂利層及び砂層に用いるろ過材は、自然の砂利や砂に限らず、材質は問わない。例えば、環境に影響の少ない人工粒体セラミックや人工ガラスを砂利層又は砂層のろ過材として用いても良い。このような人工のろ過材を用いると、一般にはコストが高くなるという問題があるが、本発明の海水の浸透ろ過方法は、従来の方法とは異なり、取水エリアの面積を格段に小さくできるので、上記のような人工のろ過材も採用が容易となる。
【符号の説明】
【００９２】
１１ 浸透取水ユニット
１２ 取水配管
１３ 砂利層
１４ 逆洗浄管
１５ 砂層
１６ 吸水管
２２ 排水管
２３ 排水管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底の砂層内を浸透してくる海水を取水する際のろ過方法、及びこのろ過方法を実施するために、砂層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除いて目詰まりを防止する逆洗浄管などを有した浸透取水ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水を取水する方法として、現在は、図１４に示すように、例えば海底に設けた取水口１から導水管２を介して海水を取水する直接取水法が多く採用されている。なお、図１４中の３は海水を取水するためのポンプ、４は逆浸透膜装置である。
【０００３】
しかしながら、直接取水法は、海水と同時にごみ、懸濁物、生物等を全て取水するので、クラゲや赤潮の異常発生時、油の流出事故時、高波による濁度の増大時には、取水を停止しなければならない場合がある。また、取水口や導水管へのフジツボ、イガイ等の海洋生物の付着が激しいので、定期的な清掃、付着防止の薬品（例えば塩素等）の添加、全管路における生物付着代を考慮した管径の増大等が必要である。さらに、取水した海水を逆浸透膜で処理する場合には、凝集剤を添加した海水をろ過する砂ろ過施設が必要となるので、砂ろ過施設に溜まった汚泥を処理する施設が必要になる。
【０００４】
そこで、近年、取水する海水の前処理として、凝集剤等の薬品を使用しないで、図１５に示すように、海底の砂層（以下、砂ろ過層という。）５内を浸透してくる海水を取水する間接取水法が注目されている。
【０００５】
この間接取水法は、汀線より数百m、水深十数mの沖合にて海底を掘削し、当該掘削部に、図１６に示すように、支持砂利層５ａ及び５ｂ、ろ過砂５ｃで構成された砂ろ過層５を形成しながら、再び同じ海底面まで埋め戻すことで、支持砂利層５ａ中に設置した取水配管６から、ろ過浸透して浄化された海水を取水する方法である。この間接取水法の場合、直接取水法の問題は一切発生しないが、イニシャルコストが高いことと、浸透面での目詰まりによる取水量の低下の問題により、普及拡大が遅れている。
【０００６】
そこで、このような浸透取水法において、海水を取水する海底の砂ろ過層の目詰まりを可及的に低減でき、また砂ろ過層の表面に堆積した懸濁物等を、手間をかけずに取り除くことができ、安定した取水を確保し得る方法が特許文献１で提案されている。
【０００７】
この特許文献１で提案された浸透取水法は、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、前記砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることを特徴としている。
【０００８】
しかしながら、この特許文献１で提案された浸透取水法は、海水の浸透取水速度が１〜８m／日という、非常に緩速なろ過速度であるため、短期間で大量の海水を取水するには広大な面積を必要とし、工事規模が大きくなる（課題１）。
【０００９】
加えて、特許文献１で提案された浸透取水法は、表面に堆積したシルト（泥分）による砂ろ過層の目詰まりを防止するために、最適な海水流動が促進される海域への設置が必要であり、波浪による海水流動がある場所に限定される（課題２）。
【００１０】
そこで、出願人は、上記課題１を解決するために、海水浸透速度を高速化することにより必要浸透面積を大幅に削減し、工事規模を格段に減少させることが可能な海水の浸透ろ過方法を提案した。但し、現実的な採用可能な速度としては上限を４００m／日以下としている。
【００１１】
また、出願人は、上記課題２を解決するために、砂ろ過層の表層に取り込まれた生物又は懸濁物質を人為的に取り除いて目詰まりを防止する海水の浸透ろ過方法を提案した。さらに、砂ろ過層の表層に取り込まれた前記懸濁物質等を取り除くために、例えば機械式、エアー式、噴流水式の何れかの装置を砂ろ過層の表面に設置する目詰まり防止装置を提案した。これにより、砂ろ過層を例えば潮流や波浪の水粒子速度がない静穏海域に設置することも可能にした。
【００１２】
すなわち、この出願人が提案した海水の浸透ろ過方法によれば、海水浸透速度が４００m／日以下のできるだけ大きい速度とすることで、短期間での取水量が大量になり、従来に比べて取水面積を小さくすることができる。また、砂ろ過層の表面に目詰まり防止装置を設置する場合は、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、海水淡水化プラントの近くで取水できる。従って、工事規模や取水施設規模を格段に小規模化することができ、これに伴い、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。
【００１３】
しかしながら、海水流動を利用する方法や、砂ろ過層の表面に設置した目詰まり防止装置から水等を噴出させる方法では、砂ろ過層の表層に堆積した懸濁物質等を取り除くことができるのみで、砂ろ過層の表層よりも深い中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことはできない。特に、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度とする場合は、砂ろ過層の中間層にも目詰まりが進行しやすく、目詰まりの頻度も高くなる。そのため、砂ろ過層の表層に堆積した懸濁物質等を取り除くのみでは、海水浸透速度が低下するおそれがある。
【００１４】
また、例えば特許文献１の浸透取水法は、海底を掘削した掘削部に支持砂利層５ａを形成して取水配管６を埋設し、この支持砂利層５ａの上部に支持砂利層５ｂ、ろ過砂５ｃを形成しながら再び同じ海底面まで埋め戻す工事をすべて海底の現場で行うため、設置工事が大規模となる。また、運転開始後に取水配管６の一部に不具合が発生したときは、海底面を再び掘削して取水配管６の故障部位を補修する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３８９９７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の浸透取水法は、海水流動や砂ろ過層の表面に設置した目詰まり防止装置による洗浄であるため、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことができず、海水浸透速度が低下するおそれがある点である。加えて、従来の浸透取水法は、設置時の工事が大規模となる上、運転開始後に取水配管の一部に不具合が発生すると海底面を掘削して故障部位を補修する必要があり、メンテナンス性が悪い点である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記問題を解決し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質のみならず、中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質についても取り除くことが可能で、海底に設置する際の工事規模を小さくし、メンテナンスが容易に行える海水の浸透ろ過方法及び浸透取水ユニットを提供することを目的としてなされたものである。
【００１８】
本発明の海水の浸透ろ過方法は、
砂ろ過層の深層を形成するための砂利層に取水配管を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層に逆洗浄管を埋め込んだ浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを最も主要な特徴としている。
【００１９】
上記の本発明によれば、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管から噴出される水又はエアーによって撹拌され、表層に存在する懸濁物質等と共に砂ろ過層の上方に巻き上げられる。そして、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた懸濁物質等は、潮流や波浪による海水流動によって砂ろ過層の外部に拡散される。
【００２０】
また、上記の本発明では、あらかじめ形成しておいた浸透取水ユニットを海底の設置場所で組み合わせることにより、砂ろ過層を容易に形成することができる。また、運転開始後に取水配管の一部に不具合が発生した場合は、海底を掘削して故障部位を補修する必要はなく、配管等の故障部位を含む浸透取水ユニットをユニットの単位で切り離して交換できる。
【００２１】
上記本発明において、砂ろ過層を潮流や波浪による海水流動が少ない静穏海域に設置する場合は、
前記砂層の上方に吸水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成すると共に、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止すれば良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことで目詰まりを防止し、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度で維持し、高速ろ過を継続的に実施できる。また、本発明の浸透取水ユニットを組み合わせて砂ろ過層を形成する場合は、設置時の工事規模が格段に小さくなる上、運転開始後は故障部位を含む浸透取水ユニットをユニットの単位で切り離して交換できるので、メンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニットをトラックに積載可能なサイズとした場合の一例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図２】本発明の浸透取水ユニットの各配管を平面の方向から見た図で、（ａ）は吸水管の平面図、（ｂ）は逆洗浄管の平面図、（ｃ）は取水配管の平面図である。
【図３】本発明の浸透取水ユニットの取水配管の配置例を示した図で、（ａ）は５ブロックの取水配管をバス型に接続する場合の配置例を示した図、（ｂ）は５ブロックの取水配管をそれぞれ集水ポンプピットに接続する場合の配置例を示した図である。
【図４】本発明の浸透取水ユニットの逆洗浄管の接続例を示した図で、（ａ）は水を噴出する構成を用いる場合のポンプとの接続例を示した図、（ｂ）はエアーを噴出する構成を用いる場合のエアコンプレッサーとの接続例を示した図である。
【図５】本発明の浸透取水ユニットの寸法及び配置の例を示した図で、（ａ）は取水量を１０万t／日とする場合の一例を示した図、（ｂ）と（ｃ）は取水量を４０万t／日とする場合の一例と、他の一例を示した図である。
【図６】排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの実施例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図７】排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの他の実施例を示した図で、（ａ）は逆洗浄管を平面の方向から見た図、（ｂ）は排水管の枝管を横断面の方向から見た概略図で、排水管から噴出する水の噴出角度を説明する図である。
【図８】本発明の浸透取水ユニットのユニット内における取水配管と逆洗浄管の高さ方向の配置の一例を示した図である。
【図９】吸水管や排水管を設けない本発明の浸透取水ユニットの実施例を示した図で、（ａ）は平面図のＡ−Ａ’線における断面を示した図、（ｂ）は平面図のＢ−Ｂ’線における断面を示した図、（ｃ）は平面の方向から見た図である。
【図１０】海水の浸透ろ過方法の実験フロー図である。
【図１１】実験結果の一例を示した図で、（ａ）は濁度のデータを示した図、（ｂ）はシルト濃度指数（ＳＤＩ）のデータを示した図である。
【図１２】完全閉塞と標準閉塞の経過時間と圧力損失の関係を示した図である。
【図１３】本発明の海水の浸透ろ過方法のイメージ図である。
【図１４】従来の直接海水取水法の概略説明図である。
【図１５】海底浸透海水取水法の概略説明図である。
【図１６】海底浸透部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度に維持した高速ろ過を継続的に実施するために、砂ろ過層の目詰まりを防止するという目的を、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、逆洗浄管から噴出される水又はエアーによって撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げることで実現した。
【００２５】
砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質中に含まれる目詰まりの原因となる物質は、砂ろ過層の周囲の環境に悪影響を及ぼすことがないように、砂層の上方に設けた吸水管により回収することが望ましい。
【００２６】
もっとも、環境保全の必要性が比較的低い海域では、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質中に含まれる目詰まりの原因となる物質を、砂ろ過層の周囲に排出することが許される場合もある。かかる海域に砂ろ過層を設置する場合は、海水の流速に応じて、以下の何れかの構成を選択すれば良い。
【００２７】
すなわち、海水の流速が遅い海域に設置する場合は、砂層の上方に設けた排水管により人為的に目詰まりの原因となる物質を排出する構成を採用する。他方、海水の流速が速い海域に設置する場合は、潮流や波浪による海水流動によって目詰まりの原因となる物質を拡散できるので、吸水管や排水管を設けない構成を採用しても良い。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図１３を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニット１１の一例を示した図である。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）において、１２は、主管１２ａと、主管１２ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１２ｂからなり、海底の砂ろ過層の深層を形成するための砂利層１３に埋め込まれた取水配管を示している。砂ろ過層の中間層１５ｂ，１５ｃ及び表層１５ａを形成するための砂層１５には、主管１４ａと、主管１４ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１４ｂからなる逆洗浄管１４が埋め込まれている。
【００３０】
図１（ｃ）において、１６は、主管１６ａと、複数の枝管１６ｂからなる吸水管を示している。主管１６ａは、図１（ａ）に示すように、筐体１７の対向する側面１７ａ，１７ｃの間に架設されている。また、主管１６ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管１６ｂの端部は、図１（ｂ）に示すように、筐体１７の側面１７ｂ，１７ｄに支持されている。このようにすることで、吸水管１６は、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置されている。
【００３１】
本実施例の浸透取水ユニット１１は、例えば縦１０m×横２．５m×高さ２．５mのサイズの筐体１７の内部に、高さ０．５mの砂利層１３の高さ方向の中間位置に埋め込まれた取水配管１２と、高さ２．０mの砂層１５の高さ方向の上部に埋め込まれた逆洗浄管１４と、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置された吸水管１６を収容したものである。よって、この浸透取水ユニット１１は、上記サイズの荷物を積載可能な荷台を有したトラックで輸送することができ、陸上における輸送が容易となる。なお、筐体１７は、砂ろ過層を設置する海域の水質や海水中に含まれる物質の成分等に応じて、例えばＦＲＰ、コンクリート、金属などの中から最適な素材を選定することができる。
【００３２】
図２は、浸透取水ユニット１１の各配管の一例を示したもので、各配管を平面の方向から見た図である。紙面下側は海水淡水化プラントが設けられる陸側を、紙面上側は海洋側を示している。
【００３３】
吸水管１６の枝管１６ｂには、図２（ａ）に示すように、陸側と海洋側に多数の噴出孔１６ｂａ，１６ｂｂが列設されている。本実施例においては、陸側の吸入孔１６ｂａについても海洋側の吸入孔１６ｂｂについても、主管１６ａの長手方向と平行に開口し、現地での設置時、噴出孔の噴出角度が水平面に対し平行の向きとなるようにしている。主管１６ａの陸側は海水淡水化プラントの集水ポンプと接続されている。吸入孔１６ｂａ，１６ｂｂから吸入された懸濁水は、各枝管１６ｂから主管１６に集められ、海水淡水化プラントに回収される。
【００３４】
逆洗浄管１４の枝管１４ｂには、図２（ｂ）に示すように、現地での設置時に天側となる位置に多数の噴出孔１４ｂａが列設されている。本実施例においては、噴出孔１４ｂａの噴出角度は、水平面に対し９０度の向きとなるようにしている。主管１４ａの陸側は海水淡水化プラントの給水ポンプ又はエアコンプレッサーと接続されている。主管１４ａから各枝管１４ｂに供給された水又はエアーは、噴出孔１４ｂａから、天側に垂直方向に噴出される。なお、本実施例では、一例として、現地での設置時に天側となる向きに噴出孔１４ｂａを設けているが、逆洗浄管１４の噴出孔１４ｂａは、現地での設置時に例えば下向きとなるように構成しても良い。
【００３５】
取水配管１２の枝管１２ｂには、表面全域に多数の取水孔が設けられている（図２（ｃ）では図示せず）。主管１２ａの陸側は海水淡水化プラントの集水ポンプと接続されている。砂ろ過層内を自然浸透してきた海水は、取水孔から枝管１２ｂに導入され、主管１２ａを通って海水淡水化プラントに取水される。
【００３６】
本発明の海水の浸透ろ過方法は、上記のような浸透取水ユニット１１をあらかじめ陸上で形成しておき、海底の設置場所で所要の数の浸透取水ユニット１１を組み合わせて砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管１２内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とするものである。そして、砂ろ過層の中間層１５ｂ，１５ｃのうち、逆洗浄管１４よりも上部の中間層１５ｂに取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管１４の噴出孔１４ｂａから水又はエアーを水平面に対し例えば＋９０度の角度で上向きに又は−９０度の角度で下向きに噴出することにより撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げた後、砂ろ過層の表層の上方に設置した吸水管１６により、生物又は懸濁物質を含んだ撹拌水を吸水する。このようにすることで、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質は、再び砂ろ過層の表面に堆積することなく回収されるので、砂ろ過層の目詰まりを確実に防止できる。
【００３７】
なお、砂ろ過層の上方に巻き上げた生物又は懸濁物質の中には、目詰まりの原因となるシルト等の成分が含まれているほか、目詰まりの原因とはならず、むしろ、砂ろ過層における海水のろ過効果を維持するのに適した粒径の物質も含まれている。
【００３８】
そこで、本実施例では、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、吸入すべき目詰まりの原因となる物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで、吸水管１６から撹拌水を吸入するように構成した。よって、本実施例では、目詰まりの原因となる物質のみを吸引し、ろ過効果を維持するのに役立つ物質は砂ろ過層に残すことができる。
【００３９】
次に、本発明の浸透取水ユニット１１の配置や接続の方法、浸透取水ブロック１１０を組み合わせて構成される取水エリアのサイズについて、具体例を示して説明する。
【００４０】
図３は、浸透取水ユニット１１の取水配管１２の配置例を示した図である。この例では、取水配管１２を７個横並びに配置して取水配管ブロック１２０を構成している。このような構成とする場合、取水配管ブロック１２０は、例えば図３（ａ）に示すように、共通配管１８を使用して５つの取水配管ブロック１２０を１つにまとめて集水ポンプに接続しても良いし、あるいは図３（ｂ）に示すように、取水配管ブロック１２０をそれぞれ集水ポンプピット１９に個別に接続しても良い。
【００４１】
図４は、浸透取水ユニット１１の逆洗浄管１４の接続例を示した図である。この例では、逆洗浄管１４を７個横並びに配置して逆洗浄管ブロック１４０を構成している。本発明では、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を撹拌し、砂ろ過層の上方の海中に巻き上げるために、逆洗浄管１４から水を噴出させても良いし、エアーを噴出させても良い。水を噴出する構成を用いる場合は、図４（ａ）に示すように、逆洗浄管ブロック１４０を給水ポンプ２０と接続する。他方、エアーを噴出する構成を用いる場合は、図４（ｂ）に示すように、逆洗浄管ブロック１４０をエアコンプレッサー２１と接続する。
【００４２】
図５は、浸透取水ユニット１１の寸法及び配置の例を示した図である。図５（ａ）の例では、主管１２ａ，１４ａ，１６ａの長手方向の長さが１０mの浸透取水ユニット１１を８又は９個横並びに配置して浸透取水ブロック１１０を構成し、この浸透取水ブロック１１０をさらに４個横並びに配置して、１０m×１０５m（筐体の板厚を含まず）のサイズの取水エリア１１００を形成している。
【００４３】
本発明では、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とするが、仮に、海水浸透速度を１００m／日とし、浸透取水ユニット１１の１ユニットあたりの浸透面積３０m2とした場合、浸透取水ユニット１１の１ユニットあたりの集水量は３０００m3／日となる。図５（ａ）の例のように、約３５個の浸透取水ユニット１１で構成された取水エリア１１００の場合、全体での集水量は約１０万t／日となる。これは現在、福岡県に設置されている「まみずピア」と同程度の取水規模である。
【００４４】
また、さらに１日の取水量を例えば４０万t／日に増加する必要がある場合は、図５（ａ）の取水エリア１１００を、例えば図５（ｂ）又は（ｃ）のように配置して４エリア分設ければ良い。この場合、図５（ｂ）の例では２５m×約２７０m、図５（ｃ）の例では２１０m×約２５mの、従来の浸透取水方法と比較すると格段に小さい取水エリアで、１日あたり４０万tの取水量が得られる。
【００４５】
また、本発明では、砂ろ過層を形成する取水配管１２、砂利層１３、逆洗浄管１４、砂層１５、吸水管１６をユニット化したので、設置海域の地形に応じて最適な配置を選択することができる。また、上記のように組み合わせるユニット数を変更することで、必要とされる１日あたりの取水量に対応できる。
【００４６】
また、本発明によれば、一部の浸透取水ユニット１１に故障が発生しても、故障した浸透取水ユニット１１のみ交換すればよいため、システム全体に与える影響を小さくできる。また、浸透取水ユニット１１の交換に際して海底面を掘削する必要がないため、メンテナンス工事が小規模となり、保守のコストを低減できる。
【００４７】
図６は、海中に巻き上げた生物又は懸濁物質を取り除く手段として排水管を用いた場合の本発明の浸透取水ユニットの一例を示した図である。以下の説明では、吸水管１６を用いた図１の実施例の構成と異なる点のみを説明する。
【００４８】
図６において、２２は、主管２２ａと複数の枝管２２ｂからなる排水管を示している。主管２２ａは、図６（ａ）に示すように、筐体１７の対向する側面１７ａ，１７ｃの間に架設されている。また、主管２２ａと交差する方向に分岐させた複数の枝管２２ｂの端部は、図６（ｂ）に示すように、筐体１７の側面１７ｂ，１７ｄに支持されている。このようにすることで、排水管２２は、砂層１５の表面との間に一定の間隔を空けた状態で砂層１５の上方に設置されている。
【００４９】
枝管２２ｂには、海洋側に多数の噴出孔が列設されている（図２（ｂ）は陸側から見た図のため不図示）。噴出孔は、主管２２ａの長手方向と平行に開口しており、現地での設置時、噴出孔の噴出角度が水平面に対し平行の向きとなるようにしている。主管２２ａの陸側は、海水淡水化プラントの給水ポンプと接続されており、主管２２ａから各枝管２２ｂに供給された水は、噴出孔から海洋側に水平方向に噴出される。
【００５０】
このように、本実施例は、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって撹拌し、砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に、前記表層の上方に巻き上げた後、排水管２２から噴出する水によって砂ろ過層の外部に排出するものである。
【００５１】
図７（ａ）は、排水管を用いた本発明の浸透取水ユニットの他の実施例の説明図で、排水管２３を平面の方向から見た状態を示している。紙面に向かって右側は海水淡水化プラントが設けられる陸側を、紙面に向かって左側（矢印の方向）は海洋側を示している。なお、この実施例では、海洋側に他の浸透取水ユニットが隣接していないものとする。
【００５２】
排水管２３の枝管２３ｂには、図７（ａ）に示すように、海洋側にのみ多数の噴出孔２３ｂｂが列設されている。図７（ｂ）は排水管２３の枝管２３ｂを横断面の方向から見た概略図で、噴出孔２３ｂｂから噴出する水の噴出角度θを説明する図である。本実施例においては、噴出孔２３ｂｂにノズルを装着することで、噴出角度θは、水平面に対し３０〜６０度の範囲に設定している。主管２３ａの陸側は海水淡水化プラントの給水ポンプと接続されている。例えば、噴出孔２３ｂｂの噴出角度を４５度とした場合、主管２３ａから各枝管２３ｂに供給された水は、噴出孔２３ｂｂから海洋側に、水平面に対して上向き４５度の角度で噴出される。
【００５３】
このように、本実施例では、排水管２３は、他の浸透取水ユニットが隣接していない方向に水を噴出すると共に、前記水の噴出角度は水平面に対して３０〜６０度の範囲となるように構成した。
【００５４】
よって、本実施例では、排水管２３によって排出した目詰まりの原因となる懸濁物質等が他の浸透取水ユニットの砂ろ過層の上部に沈降することはない。また、本実施例では、噴出孔２３ｂｂから噴出される水が放物線状になって、目詰まりの原因となる懸濁物質等をより遠方に排出することができる。
【００５５】
ところで、海底に堆積した生物又は懸濁物質を不必要に周囲に排出すると、周辺の自然環境に何らかの影響を及ぼすおそれがある。
【００５６】
そこで、本実施例では、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の上方の海中に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、外部に排出すべき目詰まりの原因となる物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで排水管２３から水を噴出するように構成した。よって、本実施例では、目詰まりの原因となる物質のみを外部に排出することで、周辺の自然環境への影響を極力小さくすることができる。
【００５７】
図８は、本発明の浸透取水ユニット１１のユニット内における取水配管１２と逆洗浄管１４の高さ方向の配置の一例を示した図である。本発明では、取水配管１２は、ろ過能力が低下しないように、浸透取水ユニット１１の筐体１７の底面１７ｅからあまり離れ過ぎない方が良い。具体的には、取水配管１２の管外径をＤとするとき、取水配管１２のＣＯＰ（パイプ中心）高さは、底面１７ｅから上方に０．７５Ｄ〜１，２５Ｄの範囲とすれば良い。
【００５８】
また、逆洗浄管１４は、砂ろ過層の表層に堆積し、かつ中間層に取り込まれた懸濁物質等を広範囲に逆洗浄するためには、できるだけ深い位置に設置する方が有利であるが、設置位置が深すぎると水圧を高くする必要があるので、両者のバランスを考慮する必要がある。具体的には、逆洗浄管１４の管外径をｄとするとき、逆洗浄管１４のＣＯＰ（パイプ中心）高さは、砂ろ過層の砂層１５の表面１５ｄから下方に１．０ｄ〜５．０ｄの範囲とすれば良い。
【００５９】
図９は、海中に巻き上げた生物又は懸濁物質を取り除く手段として、海水流動を利用する場合の本発明の浸透取水ユニットの一例を示した図である。図９の構成は、吸水管１６または排水管２２が存在しない点を除き、図１の実施例と同じである。この実施例では、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質は、逆洗浄管１４から噴出される水又はエアーによって砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げられ、潮流又は波浪による海水流動によって砂ろ過層の外部に拡散される。
【００６０】
次に、本発明の海水の浸透ろ過方法において、海水浸透速度を４００m／日以下の速度とする理由について説明する。
【００６１】
図１０は本発明の海水の浸透ろ過方法の実験フローを示した図である。図１０において、３１は海底から５０cm、水面から３．３mの位置に沈めた取水ポンプ、３２はこの取水ポンプ３１によって汲み上げた海水を溜める原水タンクである。原水タンク３２に溜められた海水は、原水ポンプ３３によって汲み上げられ、カラム装置３４に供給される。カラム装置３４には砂層３４ａと砂利層３４ｂからなるろ過層が設けられており、このろ過層を通ったろ過水は、処理水タンク３５に導かれる。
【００６２】
図１０に示した実験フローでは、処理水タンク３５のろ過水をカラム装置３４に逆送する逆送ポンプ３６を介設した逆送配管３７と、カラム装置３４に供給された海水がオーバーフローしないように処理水タンク３５に案内するオーバーフロー管３８を設けている。
【００６３】
図１０に示したフローの実験装置の取水ポンプで取水した海水を、カラム装置のろ過層を通過させたろ過水の濁度及びシルト濃度指数ＳＤＩを測定した。この測定に使用したろ過層は上方から、φ０．４５mmの砂層（厚さ９００mm）、φ２〜４mmの砂利層（厚さ７５mm）、φ４〜８mmの砂利（厚さ７５mm）、φ６〜１２mmの砂利（厚さ１５０mm）である。
【００６４】
測定結果を図１１に示す。ここで、濁度のデータを得た原水には、図１１（ａ）の浸透取水速度が０m／日で示した濁度となるような量のシルトを予め添加している。図１１の結果より、浸透取水速度を５０〜４００m／日としても、濁度やシルト濃度指数ＳＤＩは浸透取水速度を従来の１〜８m／日とした場合と変わらず、同等の処理性能を示すことが確認された。
【００６５】
ところで、前記特許文献１の発明では、海底の砂ろ過層内に発現される海水浸透流速を１〜８m／日とし、砂ろ過層の水深は、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くすることとしている。
【００６６】
この特許文献１の発明において、海水の前記浸透取水速度を実現する条件として、砂ろ過層の水深を、当該砂ろ過層の表層部分の砂が５０cm以上移動する完全移動限界水深よりも深く、かつ１cm以上移動する表層移動限界水深よりも浅くする理由は、以下の通りである。
【００６７】
波によって海底面にある砂粒子がある程度移動することが確認される最大水深である表層移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が１cm以上移動することは海底の砂が洗われる程度であって、この水深よりも深ければ、砂ろ過層表層の砂粒子の移動は殆どないからである。
【００６８】
一方、波の作用によって海底の砂ろ過層が侵食されることが確認される最大水深である完全移動限界水深における砂ろ過層の表層の砂が５０cm以上移動することは海底の砂ろ過層の侵食が認められることになるからである。
【００６９】
また、特許文献１では、シルト粒子の粒径は、一般におおよそ０．００５mm〜０．０７４mmとし、シルトが動き出さない海水の流速、すなわち移動限界流速を求めている。この移動限界流速は、シルト粒子の限界実流速に対して面積空隙率（＝０．３５）を乗じた値となる。粒径と限界実流速の関係を表すグラフを使って求めたシルト粒子の限界実流速は、粒径が０．０８mmのシルト粒子の場合、０．０２６cm／sとしている。
【００７０】
従って、シルトの移動限界流速の上限は、０．０２６×０．３５×２４×３６００＝７８６．２４cm／日で、約８m／日となる。この結果から、砂ろ過層内に巻き込んだシルトによる目詰まりを生じさせないためには、最大でも海水浸透流速は、８m／日以下に設定すべきであるとしている。
【００７１】
また、砂ろ過層に十分な酸素を供給して生物膜を死滅に至らせないようにするためには、少なくとも１m／日の海水浸透流速が必要であるとしている。
【００７２】
これらより、特許文献１の発明では、前記の条件において海水の浸透取水速度を１〜８m／日とすることで、砂ろ過層の表層は海中に発現する波や流れなどにより適度に攪拌され、砂ろ過層表面に堆積したごみ、シルト等の懸濁物を除去することができ、安定した取水を確保できるとしている。
【００７３】
このように特許文献１の発明で規定された海水の浸透取水速度の上限は、海底の表層の砂ろ過層にシルトが進入または混入しないための条件である。この特許文献１におけるシルト吸収抑制の限界となる８m／日の求め方を踏襲すれば、発明者らが１〜８m／日の浸透取水速度の場合と同等の処理性能を示すことを確認した、例えば４００m／日の浸透取水速度とした場合は、シルトを吸収する傾向となる。
【００７４】
つまり、シルトを攪拌もしくは運ぼうとする流れ場がないものとすれば、浸透取水速度を４００m／日とした場合のシルトの砂ろ過層への吸収速度は、（海水の浸透取水速度cm／s）×（砂粒径による空隙率）になると推察できる。従って、４００m／日の浸透取水速度の場合、シルトの砂ろ過層への吸収速度は、｛４００００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．１６cm／sとなる。また、酸素を供給するための限界流速１．０m／日以上を実現するためには、｛１００cm／（２４×３６００）｝×０．３５＝０．０００４cm／sとなる。
【００７５】
計算上では、海水の浸透取水速度を４００m／日とした場合は、目詰まりの要因となるシルト粒子が１時間当り約６m（≒０．１６×３６００／１００）も砂ろ過層に浸入することになって、実現性のある洗浄は困難である。
【００７６】
しかしながら、シルト粒子はろ過砂の空隙に比べて非常に小さいことから、いわゆる標準閉塞の形式をとり、シルトが水と共に移動する際に、ろ過砂との分子間力（物理吸着、静電気）によって捕捉されて堆積するため、表層付近にて付着滞留していく。
【００７７】
先に説明した図１１（ａ）に示す、シルト成分を添加した実験においては、４００m／日の条件下では、２時間後にシルトはほぼ表層に堆積し、砂ろ過層の内部には１cm程度しか侵入しないことを確認した。
【００７８】
また、標準閉塞は空隙よりも大きな粒子に対しても起こる完全閉塞と異なり、粒子が空隙孔を完全に密閉するために、図１２に示すように、シルト粒子の吸着によって空隙孔が時間をかけて狭くなる。これは、空隙の保持閾値まで緩やかに圧力損失が生じるために、シルトを除去し続けた場合でも長時間の浸透が可能であることを意味する。この経過時間は、ろ過材の条件や海水条件（シルト濃度）によっても異なり、この時間が強制洗浄の間隔となる重要な要素となる。
【００７９】
本発明は、発明者らの実験結果と上記の知見に基づき、従来の常識であり、タブーであったろ過材の海水浸透速度の高速化を実現することで、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化を実現したものである。
【００８０】
海水よりも浸透性が高い地下水を使用した試験を発明者らが行った結果によれば、６００m／日の浸透速度までは正常に連続運転することができた。但し、浸透速度を７００m／日とした場合は、必要な浄化水量が取水量よりも多くなって、砂ろ過層で連続的に水が流れない状態となり、正常な取水ができなかった。従って、海水の浸透取水する際のろ過方法を対象とする本発明では、安全率を約１．５として、４００m／日の海水浸透速度を上限とした。
【００８１】
以上の理由により、本発明の海水の浸透ろ過方法では、海中から砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を取水配管内に導入して海水を浸透取水する際、海水浸透速度を４００m／日以下の速度としている。
【００８２】
本発明において、海水浸透速度を４００m／日とした場合は、例えば海水浸透速度が８m／日の従来に比べて取水量が５０倍となるので、取水エリアの面積を１／５０にすることができる。また、最適な海水流動が促進される海域への設置が不要になり、図１３に示すように、海水淡水化プラント４１の近くに浸透取水施設４２を設置できて、工事規模や取水施設規模の格段の小規模化が可能になって、周囲環境への工事時の影響も各段に緩和できる。
【００８３】
そして、本発明の海水の浸透ろ過方法では、砂ろ過層の表層のみならず、中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を取り除くことで目詰まりをより確実に防止するので、海水浸透速度を４００m／日以下のできるだけ大きい速度で維持し、高速ろ過を継続的に実施できる。
【００８４】
本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００８５】
例えば、上記の実施例では、浸透取水ユニット１１をあらかじめ形成しておく場合の例を開示したが、本発明の海水の浸透ろ過方法は、浸透取水ユニット１１を使用せずに、海底の設置場所で取水配管１２や逆洗浄管１４を埋め込んで砂ろ過層を形成する方法でも良い。
【００８６】
具体的には、海底の砂ろ過層内の深層に取水配管を埋め込み、前記砂ろ過層の中間層に水又はエアーを噴出する逆洗浄管を埋め込み、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止する海水の浸透ろ過方法である。
【００８７】
また、上記のように浸透取水ユニットを使用しない場合についても、砂ろ過層の表層の上方に、吸水管をさらに設置し、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することで、周辺環境に悪影響を及ぼすことなく砂ろ過層の目詰まりを防止できる。
【００８８】
あるいは、砂ろ過層の表層の上方に、排水管をさらに設置し、砂ろ過層の中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出することで、海水流動の少ない静穏な海域においても砂ろ過層の目詰まりを防止できる。
【００８９】
また、上記の実施例では、逆洗浄管１４から水又はエアーを噴出させて砂ろ過層の中間層を洗浄する構成を開示したが、逆洗浄管１４による中間層（砂層）の洗浄に加え、取水配管１２に対し所要のタイミングで水を逆流させて枝管１２ｂの取水孔から水を噴出させることにより、砂ろ過層の深層（砂利層）を洗浄するように構成しても良い。
【００９０】
また、上記の実施例では、吸水管１６を用いる実施例と、排水管２２，２３を用いる実施例を別々に説明したが、例えば海水淡水化プラントに設置するポンプの集水と給水を切り換えることにより、１つの装置で吸水管の機能と排水管の機能を兼ね備えるように構成しても良い。
【００９１】
また、本発明の浸透取水ユニットの砂利層及び砂層に用いるろ過材は、自然の砂利や砂に限らず、材質は問わない。例えば、環境に影響の少ない人工粒体セラミックや人工ガラスを砂利層又は砂層のろ過材として用いても良い。このような人工のろ過材を用いると、一般にはコストが高くなるという問題があるが、本発明の海水の浸透ろ過方法は、従来の方法とは異なり、取水エリアの面積を格段に小さくできるので、上記のような人工のろ過材も採用が容易となる。
【符号の説明】
【００９２】
１１ 浸透取水ユニット
１２ 取水配管
１３ 砂利層
１４ 逆洗浄管
１５ 砂層
１６ 吸水管
２２ 排水管
２３ 排水管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂ろ過層の深層を形成するための砂利層に取水配管を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層に逆洗浄管を埋め込んだ浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透ろ過方法。
【請求項２】
前記砂層の上方に吸水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項１に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項３】
前記砂ろ過層の上方に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、吸入すべき物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで前記吸水管から前記攪拌水を吸入することを特徴とする請求項２に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項４】
前記砂層の上方に排水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出して前記砂ろ過層の外部に排出することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項１に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項５】
前記砂ろ過層の上方に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、外部に排出すべき物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで前記排水管から水を噴出することを特徴とする請求項４に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニットであって、前記排水管は、他の浸透取水ユニットが隣接していない方向に水を噴出すると共に、前記水の噴出角度は水平面に対して３０〜６０度の範囲としたことを特徴とする浸透取水ユニット。
【請求項７】
海底の砂ろ過層内の深層に取水配管を埋め込み、前記砂ろ過層の中間層に水又はエアーを噴出する逆洗浄管を埋め込み、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透ろ過方法。
【請求項８】
前記砂ろ過層の表層の上方に、吸水管をさらに設置する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項７に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項９】
前記砂ろ過層の表層の上方に、排水管をさらに設置する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出して前記砂ろ過層の外部に排出することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項７に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項１】
砂ろ過層の深層を形成するための砂利層に取水配管を埋め込み、砂ろ過層の中間層及び表層を形成するための砂層に逆洗浄管を埋め込んだ浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成し、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透ろ過方法。
【請求項２】
前記砂層の上方に吸水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項１に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項３】
前記砂ろ過層の上方に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、吸入すべき物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで前記吸水管から前記攪拌水を吸入することを特徴とする請求項２に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項４】
前記砂層の上方に排水管をさらに設置した浸透取水ユニットをあらかじめ形成しておき、海底の設置場所で所要の数の前記浸透取水ユニットを組み合わせて前記砂ろ過層を形成する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出して前記砂ろ過層の外部に排出することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項１に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項５】
前記砂ろ過層の上方に巻き上げられた生物又は懸濁物質の沈降速度差を利用して、外部に排出すべき物質が前記砂ろ過層に沈降するタイミングで前記排水管から水を噴出することを特徴とする請求項４に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の海水の浸透ろ過方法に用いる浸透取水ユニットであって、前記排水管は、他の浸透取水ユニットが隣接していない方向に水を噴出すると共に、前記水の噴出角度は水平面に対して３０〜６０度の範囲としたことを特徴とする浸透取水ユニット。
【請求項７】
海底の砂ろ過層内の深層に取水配管を埋め込み、前記砂ろ過層の中間層に水又はエアーを噴出する逆洗浄管を埋め込み、海中から前記砂ろ過層内を自然浸透してきた海水を前記取水配管内に導入して海水を取水する海水の浸透ろ過方法であって、
海水浸透速度を４００m／日以下の速度とし、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げることにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする海水の浸透ろ過方法。
【請求項８】
前記砂ろ過層の表層の上方に、吸水管をさらに設置する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記吸水管から生物又は懸濁物質を含んだ攪拌水を吸入することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項７に記載の海水の浸透ろ過方法。
【請求項９】
前記砂ろ過層の表層の上方に、排水管をさらに設置する海水の浸透ろ過方法であって、
前記中間層に取り込まれた生物又は懸濁物質を、前記逆洗浄管から水又はエアーを噴出して撹拌し、前記砂ろ過層の表層に堆積した生物又は懸濁物質と共に前記表層の上方に巻き上げた後、前記排水管から水を噴出して前記砂ろ過層の外部に排出することにより、前記砂ろ過層の目詰まりを防止することを特徴とする請求項７に記載の海水の浸透ろ過方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−７５２６８（Ｐ２０１３−７５２６８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７３８８（Ｐ２０１１−２１７３８８）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（３０５０１１０５３）株式会社ナガオカ (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【出願人】（３０５０１１０５３）株式会社ナガオカ (8)
【Ｆターム（参考）】
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