(57)【要約】      （修正有）【課題】容器内に気体を供給して、気体の供給、排気に連動して液体を動かすことで、低コストで容器内の液体を交換する。また、バイオフィルターの効率を高める。【解決手段】液体の出入口があり、気体を蓄積することができる容器１と、容器１に気体を供給して、容器１に気体を蓄積させるための気体供給口と、前記容器に蓄積した気体が排気するための気体放出部２を備え、容器１に気体を供給、蓄積することで容器１内の液体が排出され、容器１内に蓄積した気体が気体放出部２のサイフォンの機構により容器１外に排気することで容器１内に液体が流入し、気体放出部２に液体が流入して気体放出部２を液封することで、容器１内の気体の排気と液体の流入が止まることを繰り返すことで、効率よく液体を交換する。また、容器１内に微生物保持用ろ材を充填し、ろ材が気中暴露と液中浸漬を繰り返すことで微生物を活性化させ、バイオフィルターの処理効率を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に気体を供給することで、前記容器内の液体を交換する装置であって、
液体の出入口があり、気体を蓄積することができる容器と、
前記容器に気体を供給して、前記容器に気体を蓄積させるための気体供給部と、
前記容器に蓄積した気体が排気するための気体放出部を備え、
前記容器の気体放出部の気体流入口は、交換する液体の液面よりも下に位置し、
前記容器に気体を供給、蓄積することで前記容器内の液体が排出され、前記容器内に蓄積した気体が前記気体放出部のサイフォンの機構により前記容器外に排気することで前記容器内に液体が流入し、前記気体放出部に液体が流入して前記気体放出部を液封することで、前記容器内の気体の排気と液体の流入が止まることを繰り返して、前記容器内の液体を交換する、
ことを特徴とする、気体注入式自動液体交換装置
【請求項２】
前記気体放出部が、下端を閉止し、上端もしくは上端近傍を前記容器内に開口する外管と、
下端を前記外管内に開口し、上端を前記外管の上端より上の位置で前記容器外に開口する内管で構成され、
前記内管が、前記外管下端との間に隙間を設けて配設されている、
請求項１記載の気体注入式自動液体交換装置
【請求項３】
前記容器に微生物を保持するためのろ材を収容し、生物飼育システムに組み込むことで、生物が排泄する物質を除去するバイオリアクターの反応塔に使用する、
請求項１記載の気体注入式自動液体交換装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、容器内の液体を交換するために、容器内に気体を供給して液体を排出し、容器内に蓄積した気体を排気することで液体が流入する装置であって、気体の排気にサイフォンの機構を用いることで、自動的に繰り返して容器内の液体を交換するための気体注入式自動液体交換装置および前記液体交換装置を備える反応塔に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般的に容器内の液体の交換は、液体をポンプなどを用いて容器に供給し、液体の水圧やポンプなどにより容器から排出することで行われる。
例えば、容器に液体を供給し、所定量の液体が蓄積したら液体の供給を停止し、容器のバルブを開くか容器に接続したポンプを運転することで容器内の液体を排出し、液体の排出が終わったらバルブを閉じるかポンプを停止する一連の工程を繰り返すことで、容器内の液体を別の液体と交換する回分式と、
液体で満たされた容器に、上部もしくは底部より液体を供給し、底部または上部より液体を排出することで、容器内の液体を別の液体と交換する連続通水式と、
液体を容器に供給し、所定量の液体が容器に満たされると、容器に接続してある液体排出管からサイフォンの働きで流入量を上回る液体が排出されて容器内の液体が減少し、液体排出管に空気が流入する位置まで容器内の水位が低下すると、サイフォンの働きが止まり液体の排出が停止し、再び容器内に液体が蓄積される一連の工程を繰り返すことで、容器内の液体を交換する間欠式がある。【０００３】  液体は粘性と重量があり、液体を動かすには多くのエネルギーが必要になり、大量の液体を交換するにはコストがかかる。また、液体は配管を通して移動させるが、液体は流れが複雑であり、キャビテーションの発生、配管内に懸濁物が堆積、摩擦抵抗によるエネルギーロスなどの問題が生じる。さらに、サイフォンを利用して液体の排出を行う間欠式は、サイフォン管内の流れが乱れると排水が不安定になり、液体の交換効率が低下する。【０００４】  容器内の液体を交換する動作は基本的なことであり、液体中のアンモニアや有機物などの物質を容器内に充填したろ材に繁殖する微生物で除去するバイオリアクターや、液体中の有機物やアンモニアなどの物質を容器内に充填した活性炭などのろ材で除去する吸着ろ過装置や、液体中の物質を容器内に充填された光触媒などのろ材で酸化する装置など多くの装置で行われている。【０００５】  魚介類飼育システムに用いられる間欠式バイオフィルターの一例を、図５の概略図に示す。図中の符号９は飼育水槽、１１は間欠式のろ過槽、８はろ過槽内に配設されたろ材、４２はサイフォン管、１０は間欠ろ過槽に液体を供給するためのポンプである。飼育水は、飼育水槽よりろ過槽１１に連続送水され、ろ過槽１１の水位が上昇する。ろ過槽１１の水位がサイフォン管４２の上端を超えるとサイフォンが働き、ろ過槽１１の液体が排出されて水位が低下する。ろ過槽底部のサイフォン管接続口４３まで水位が低下するとサイフォン管４２に空気が供給されてサイフォンが停止し、ろ過槽１１の水位が再上昇する。ろ過槽内の液体が上昇、下降を繰り返し、液体が均一にろ材と接触するため滞留域が発生しない。また、定期的に液体が排出されるため、ろ過槽内に懸濁物が堆積しにくく、目詰まりが起こりにくい。さらに、ろ材が一定間隔で気中暴露するため、嫌気状態になることが無く、また、微生物が酸素を効率よく取り込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許４６７００８７号公報
【特許文献１】特許２９６５８３９号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  連続通水式装置は、容器内にろ材が充填されているバイオフィルターなどの場合、容器内を液体が均一に通過することができないため、場所によって流速が異なり、ろ材との接触時間、通過量が異なる。そのため、液体の流れの少ない場所では接触効率が低下する。また、懸濁物も堆積しやすく、目詰まりによる滞留域が発生する。そのため、液体中のアンモニアなどの物質の除去効率が低下するだけではなく、ろ材に付着する微生物により酸素が消費されて嫌気状態となり、有毒な硫化水素が発生することがある。また、処理効率の低下は、装置の大型化につながるためイニシャルコストが高くなる。
【０００８】  間欠ろ過式装置は、サイフォンの機構で容器内の液体を排出するため、装置は排出される液体を受ける水槽よりも上部に設置しなくてはならず、架台が必要となりコストがかかる。また、送水する液体の量が変わるとサイフォン機構内の液体の流れが乱れ、サイフォンの作動が不安定になるため、送水する液体量が変動する環境では、安定した液体の交換が行えない。さらに、配管内に液体中の懸濁物が付着、堆積することで送水量が減すると、サイフォンが作動しなくなり、液体の交換効率が悪くなるだけでなく、液体浸漬と気体暴露を繰り返して行うことができないので、バイオフィルターの処理効率も低下する。
【０００９】  また、間欠ろ過装置は上部が開放されているので、流入量の大幅な変動やろ材などの閉塞などが起こると、間欠ろ過容器から液体が溢れ、液体貯水槽が空になることでポンプが破損するだけでなく、漏水によって装置を設置している環境に被害を与える。
【００１０】  本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を鑑みて、液体を直接動かすことで容器内の液体を交換するのではなく、粘性の少ない気体を動かすことで間接的に液体を動かし、さらに気体の排出にサイフォンの機構を用いることで自動的に液体が交換することで、イニシャルコストおよびランニングコストの低減化を図り、さらに直接水槽内に設置することを可能にすることで、安全性高い気体注入式自動液体交換装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、気体の供給とサイフォンによる排気と連動して液体の排出と流入が起こる気体注入式自動液体交換装置の容器にろ材を充填し、ろ材の液体浸漬と気体暴露を交互に繰り返すことで処理効率を高め、装置の小型化、設置の簡素化、イニシャルコストおよびランニングコストの低減化を図るバイオフィルターなどの反応塔を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明は、上記した目的を達成するために次の構成を備える。すなわち、本発明に係わる気体注入式自動液体交換装置は、液体の出入口があり、気体を蓄積することができる容器と、前記容器に気体を供給して、前記容器に気体を蓄積させるための気体供給部と、前記容器に蓄積した気体が排気するための気体放出部を備える。
【００１２】  ブロワなどにより容器に気体が供給されると、容器内に気体が蓄積し、供給される気体の体積分の液体が、液体交換部より容器外に排出され、容器の水位が低下する。気体放出部のサイフォンの機構が作動する位置よりも容器の水位が下になったときに、サイフォンの機構が作動し、容器内の気体が気体放出部より排気され、液体交換部より容器内に液体が流入する。容器内の水位が上昇し、気体放出部に液体が流入すると、気体が排気する流路が液封されて気体の排気が停止する。同時に、液体の流れが流入から排出へと転換され、再び液体の排出が開始する。
【００１３】  容器は、容器に流入する液体に沈めて設置することが好ましいが、気体放出部の気体流入口が、前記液体の液面より下になる位置に取り付けられていれば、容器上部が気中に露出するように設置したり、重りなどで容器の自重を調整し、容器を固定することなく、容器が液没と気中露出を繰り返すように設置してもよい。また、容器の液体交換部を容器に流入する液体が入っている水槽と連通し、前記水槽に水没させることなく、前記水槽外に設置することもできる。
【００１４】  液体交換部は、気体の動きと連動して、容器内の液体を排出し、容器外から液体を流入することができれば、面積、個数、形状など、別段、制限されるものではない。また、液体交換部の位置も、気体放出部下端よりも下で、サイフォンの機構が作動するときの容器内水位よりも下の位置に開口していれば、容器底部を開放したり、容器底部を閉止し容器底部や側面に液体交換口を設けることもできる。
【００１５】  容器に供給される気体は、空気に限られず、用途に応じて種々の気体の選択が可能である。また、気体を供給するための方法も、ブロワなどの機械式気体供給方式に限られず、気体貯留圧力容器などの差圧式気体供給方式でもよい。
【００１６】  気体放出部は、容器内に供給された気体がサイフォンの機構で外部に排気することができれば、形状、取り付け位置など、別段、制限されるものではない。例えば、容器側面から下方向に延び、容器の液体交換部よりも上の位置で折り曲げられて上方向に向きを変え、折り曲げられた水平部が扁平状になっている通路や、下端が閉止し、上端が開口している、もしくは、上端近傍が開口しており、開口部が容器と連通している外管と、下端を前記外管内に開口し、上端を前記外管の上端より上の位置で前記容器外に開口する内管で構成され、外管が内管開口部との間に隙間を設けて配設されるものでもよい。
【００１７】  また、容器に微生物を保持するためのろ材を収容し、生物飼育システムに組み込むことで、生物の排泄物を除去するバイオフィルターとして使用することができる。ブロワなどの気体供給装置を用いて容器内に空気を供給すると、容器内に空気が蓄積して水位は低下し、ろ材が空気に暴露される。気体放出部のサイフォンの機構が作動する位置よりも容器内の水位が下になったときに、容器内の空気が気体放出部より自動的に排気される。容器内の空気が排気されることで、液体交換部より容器内に飼育水が流入し、水位が上昇することによりろ材が飼育水に浸漬するので、ろ材は均一に飼育水と接触し、滞留域が生じないので、効率よく水中の生物の排泄物を微生物が取り込むことができる。さらに、空気中の酸素濃度は液中の酸素濃度より高いので、ろ材が気中暴露している間に十分量の酸素を取り込むことができ、生物の体内に取り込まれた排泄物の分解が促進されることで、効率よく飼育水中からアンモニア性窒素などの生物の排泄物が除去される。
【００１８】  容器内に充填されるろ材は、微生物によるアンモニアや有機物の除去においては紐状接触材、サンゴ、セラミックス、牡蠣殻、樹脂製ろ材、多孔質ろ材などが用いられ、微生物による硝酸の除去においてはセルロース、硫黄含有ろ材、生分解性プラスチックなどが用いられるが、前記種類に限定されるものではない。また、容器内に充填するろ材に、活性炭、キレート樹脂などの吸着材を用いたり、光触媒などの酸化剤を用いたりすることで、液中の物質を吸着除去する吸着ろ過塔や、液体中の有機物を酸化分解する酸化反応塔に用いることもできる。さらに、容器に充填したろ材の成分を液中に溶出させる固形物溶解装置、例えば、液中のカルシウム濃度を高めるための、ろ材が炭酸カルシウム、気体が炭酸ガスであるカルシウム溶解装置に用いることもできる。
【発明の効果】
【００１９】  本発明に係わる気体注入式自動液体交換装置によれば次の効果を奏する。液体の交換を粘性の少ない気体を供給して行うことで、少ない動力で液体の交換頻度を多くすることができるだけでなく、安定して液体の交換ができるので、少ない電力消費量で大量の液体を交換でき、ランニングコストを低減することができる。さらに、簡単な構造であり、設置も架台を用いることなく直接水槽内に設置できるので、イニシャルコストを低減することができる。
本発明に係わる気体注入式自動液体交換装置にろ材を配設し、水生生物飼育システムのバイオフィルターの反応塔として用いると次の効果を奏する。反応塔に充填されるろ材に飼育水を均一に接触させることができるだけでなく、滞留域が生じないので、処理効率が高くなる。また、ろ材が気中暴露と液体浸漬を交互に繰り返すので、嫌気状態になることが無く、有毒な硫化水素発生の危険性が無い。直接水槽内に設置することができるので、空きスペースを有効に利用することができ、少ないコストで装置を導入することができる。また、反応塔から飼育水が溢れても、水槽外に漏水することが無く、安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】  本発明の実施形態に係わる気体注入式液体交換装置の概略構成図
【図２】  本発明の他の実施形態に係る気体注入式液体交換装置の概略構成図
【図３】  気体放出部の一例を示す気体注入式液体交換装置の概略構成図
【図４】  本発明の実施形態に係わるバイオリアクターの概略構成図
【図５】  従来の間欠ろ過式バイオリアクターを示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２１】  以下、本発明の実施の形態について、図示した例とともに詳説するが、本発明は下記の実施形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。図１は、本発明の実施形態に係わる気体注入式自動液体交換装置の概略構成図である。本発明の装置は、底部が開放している液体を交換するための容器１、容器１に気体を供給するための気体供給部３、容器に蓄積した気体を容器外に排気するための気体放出部２からなる。
【００２２】  受水槽５は、気体注入式自動液体交換装置を設置する水槽であり、前記装置に供給される液体を貯留する。ブロワ７は、容器１に気体を連続的に供給し、容器内の液体を受水槽５に排出する。
【００２３】  気体放出部２は、サイフォンの機構を作動させて自動的に容器内の気体を排気するため、容器側面から下方向に延び、容器の液体交換部４よりも上の位置で折り曲げられて上方向に向きを変えるＵ字管構造となっており、Ｕ字管底部２３はサイフォンの機構が作動しやすくするため扁平形状になっている。気体を容器に供給する前は、Ｕ字間内部に液体が入っている。容器１に気体が供給されると、容器１に連通している気体放出部２の気体流入口２１から気体が供給され、容器内及び気体放出部気体流入口側の下方向に延びる流入流路２４内の液体の水位が低下する。気体放出部２のＵ字管下底部２３まで水位が低下すると、サイフォンの機構が作動し、Ｕ字管底部２３及び気体放出部気体排気口側の排気流路２５の液体を伴って容器内の気体が排気されると同時に、容器底部開口部より液体が容器内に流入する。
【００２４】  容器内の水位が気体放出部２の気体流入口２１まで上昇すると、気体放出部２の気体流入口２１より液体が流入して気体を排気するための流路が塞がれ、気体の排気が停止する。気体はブロワ７により連続して容器１に供給されているので、再び気体が容器内に蓄積すると同時に、液体の容器内への流れが流入から排出へと転換され、再び液体交換部４から液体の排出が開始する。
【００２５】  容器１に気体が蓄積し容器内の液体が排出されると、容器１にかかる浮力が増加する。容器１は受水槽５の底部に設置しているが、容器１の重さが軽いと、浮力によって液面に向かって浮上する。そのため、容器１は気体が蓄積しても、浮上しないようにするための自重が必要になる。例えば、図１に図示しているように、重り６を容器に取り付けて気体注入式自動液体交換装置全体を重くすることで、気体が蓄積しても浮上することがない。また、重しを取り付けずに容器自体を重くしても、容器１を受水槽５にボルトなどで固定しても、気体が蓄積することで増加する浮力を上回る力を容器の上端から加えてもよい。
【００２６】  図２は、本発明の他の実施形態を示すもので、この実施形態では、気体放出部２が内管２６と外管２７の２重管構造となっている。気体放出部２の２重管は、外管２７は両端が閉止しており、上端近傍に設けられた開口部で容器と連通している。内管２６は両端が開口しており外管上端より外部に貫通している。外管２７は、サイフォンの機構が作動するように、内管との隙間２８を開けて内管２６を覆うように取り付けられている。
【００２７】  気体放出部２は、容器外でなく、図３のように容器内に配設してもよい。その場合は、気体放出部２の排気流路２５は、容器１の上端を貫通して、気体放出部２の排気口２２が容器外に位置するように配設される。また、気体放出部２の気体流入２１口は、容器内に配設される。
【００２８】  図４は、本発明の気体注入式自動液体交換装置を水生生物飼育システムに組み込んで、バイオフィルターの反応塔と使用するときの概略構成図である。反応塔は、ろ材８に付着している微生物によって、水中に含まれる水生生物の排泄物を除去するためのものであり、微生物保持用のろ材８、ろ材を充填するためのろ過槽１１、ろ過槽１１に気体を供給するための気体供給部３、ろ過槽１１に蓄積した気体を外部に自動的に排気するための気体放出部２、ろ材を保持するためのパンチング板８１、液体が流入、排出するための液体交換部４からなる。
【００２９】  受水槽は５、反応塔を設置する水槽であり、ポンプ１０により水生生物の飼育槽９より飼育水が受水槽５に送水される。受水槽５に送水された飼育水は、気体注入式自動液体交換装置に流入し、ろ材８に付着している微生物で処理され、再び受水槽５に排水される。
【００３０】  気体注入式自動液体交換装置の、飼育水の交換と飼育水中の生成生物排泄物の除去機構について、詳細に説明する。ブロワ７で空気がろ過槽１１に供給されると、ろ過槽１１の水位が低下してろ材が気中暴露する。ろ材８に付着している微生物は、ろ材８が気中暴露している間に、十分量の酸素を体内に取り入れる。そのためにろ材８は、空気供給時に完全に気中暴露するために、気体放出部２の下端よりも上で、パンチング板８１などにより保持される。ろ過槽１１の水位が低下し、気体放出部２の空気が扁平しているＵ字管底部２３に到達するとサイフォンの機構が作動し、ろ過槽１１の空気が外部に排気されると同時に、ろ過槽１１に飼育水が流入してろ材８が液中浸漬する。ろ材８に付着している微生物は、ろ材８が液中浸漬する間に、飼育水中の水生生物の排泄物を体内に取り入れる。ろ過槽１１の水位が気体放出部２の気体流入口２１まで上昇すると、気体放出部２の気体流入口２１より飼育水が流入して流路が塞がれ、空気の排気が停止する。同時に、飼育水の流れが流入から排出へと転換され、ろ材８で処理された飼育水がろ過槽１１から受水槽５に排出される。前記工程を自動的に繰り返して行い、ろ材の気中暴露と液中浸漬が交互に行われることで、飼育水中より効率よく水生生物の排泄物が処理される。
【００３１】  ろ過槽１１に充填されるろ材８は、アンモニア、有機物を除去する場合は、構造は多孔質ろ材や紐状ろ材、材質はセラミックスや樹脂が適しているが、微生物を保持できるものであれば、用途に応じて種々のろ材を選択できる。例えば、硝酸を除去する脱窒装置として用いる場合は、セルロースや硫黄カルシウム剤などを用いることができる。
【００３２】  ろ過槽反応塔内部には、ろ過槽１１に充填されたろ材８を保持しながら、ろ材部に液体が出入りすることができるパンチング板８１が設けられている。パンチング板の穴の大きさ、形状、数、ろ過槽内の設置位置は、ろ過槽１１のろ材充填部に液体が出入りすることができれば、別段、制限されるものではない。また、ろ過槽１１にろ材８を保持することができれば、ろ材８を網に入れてろ過槽内に吊してもよい。
【符合の説明】
【００３３】１  容器
１１  ろ過槽
２  気体放出部
２１  気体流入口
２２  排気口
２３  Ｕ字管底部
２４  流入流路
２５  排気流路
２６  内管
２７  外管
２８  隙間
３  気体供給部
４  液体交換部
４１  液体交換口
４２  サイフォン管
４３  サイフォン管接続口
５  受水槽
６  重り
６１  架台
７  ブロワ
８  ろ材
８１  パンチング板
９  飼育水槽
１０  ポンプ
【図１】
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【図２】
2018027069.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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