(57)【要約】      （修正有）【課題】閉鎖循環型飼育の飼育水の浄化システムに関し、浄化効率向上に伴う装置構成の複雑化と設備費および運転費および清掃コストの増大といった課題を解決し、簡潔でコンパクトかつ、低コストのシステムを提供する。【解決手段】内部に硝化および脱窒菌担持粒子が充填された粒子流動型濾過槽９、１０と、液膜式気体溶解装置８と、再曝気槽１１からなる閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムを用いることで、飼育水の浄化効率と酸素溶解速度を向上させ、濾過装置のダウンサイジングと処理水循環量の低減により、装置の所要面積と所要エネルギー、および清掃コストの削減を達成することができる。【選択図】図２
2015202102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に硝化および脱窒菌担持粒子が充填された粒子流動型濾過槽１と、液膜式気体溶解装置２と、再曝気槽３からなる閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システム
【請求項２】
前記閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムの濾過槽内充填粒子が、直径２ｍｍ以上８ｍｍ以下かつ、比重１．００ｇ／ｃｍ３以上１．０５ｇ／ｃｍ３以下かつ、径５μｍ以上４０μｍ以下の孔が粒子の中心部まで貫通している構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システム
【請求項３】
前記閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムの液膜式気体溶解装置が、飼育水の吸引部と、空気注入ノズルと、飼育水と空気の混合部と、飼育水の排出部とからなり、飼育水と空気の混合比が１：１から３：１であることを特徴とする請求項２に記載の閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システム
【請求項４】
前記閉鎖循環型飼育養用の飼育水浄化システムの内、液膜式気体溶解装置を設置する槽の水深が０．１ｍ以上１．５ｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、閉鎖循環型飼育用の飼育水循環システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  飼育の分野においては、飼育水の水質管理が重要であり、アンモニア、亜硝酸イオン、硝酸イオンなど生体に悪影響を与える汚染物質の上昇は飼育魚介類の生死に直結する。特にアンモニアは酸素に比べ、血液の成分の一つで全身の細胞に酸素を運搬する役目を担うヘモグロビンと結合し易く、このためアンモニアが増加すると、魚介類は窒息状態となり死に至る。上記汚染物質は飼育魚介類の残餌、または排泄物からなる残滓をバクテリアが分解した際に生じる。
残滓はタンパク質を始めとした有機窒素化合物からなり、この有機窒素は、不溶性と水溶性に分かれる。酵素などの働きにより、不溶性有機窒素である残渣は水溶性有機窒素である尿素等へ分解され、水溶性有機窒素はアンモニアに分解される。例えば排泄物の内、水溶性有機窒素である尿素は尿素分解酵素であるウレアーゼによって二酸化炭素とアンモニアに分解される。アンモニアは、水溶性であり、水中ではアンモニウムイオンとして存在する。アンモニウムイオンは、好気性雰囲気においてアンモニア酸化菌により、亜硝酸イオンを生成する。次いで、亜硝酸イオンは、好気性雰囲気で亜硝酸酸化菌により、硝酸イオンを生成する。
亜硝酸イオンおよび硝酸イオンの処理方法としては、大別して物理学的方法と生物学的方法の２種類がある。このうち、物理学的方法としては、イオン交換法、電気透析法、逆浸透膜法、触媒脱窒法が知られており、一方、生物学的方法としては、従属栄養性脱窒法、独立栄養性脱窒法等が知られている。
イオン交換法は、イオン交換樹脂中のイオンと交換することにより水中から亜硝酸イオン、硝酸イオンを除去する方法である。しかし、設備費が高く、イオン交換樹脂の再生に多量の塩化ナトリウムを必要とするため、その処理が問題となる。
電気透析法は、イオン選択性のある膜で処理水を仕切り、電極電荷による誘導によって亜硝酸イオンおよび硝酸イオンを分離する方法である。逆浸透膜法は、水を通しイオンや塩類など水以外の不純物は透過しない性質を持つ膜を利用し、亜硝酸イオンおよび硝酸イオンと水とを分離する方法である。これらいずれの方法も設備費、維持費が高く、分離した高濃度の亜硝酸イオン、硝酸イオンの処理が別途必要という問題がある。
脱触媒窒法は水素供与体として水素ガスを直接用いて、触媒の存在下で硝酸性窒素を窒素ガスにまで還元方法であるが、水素ガスの使用コストが高い。
従属栄養性脱窒法は、従属栄養性脱窒菌が付着、増殖した粒状濾層に、亜硝酸イオンおよび硝酸イオンを含有する水を通水させ、窒素ガスに還元する方法であり、独立栄養性脱窒法は、独立栄養菌である硫黄脱窒菌を付着、増殖した濾層を用いて、前記方法と同様に処理する方法である。これらの処理方法では、処理効率の水温への依存性が高く、特に独立栄養性脱窒法では顕著である。さらには副産物として硫酸が生成し易く、装置の運転管理に当り高度な技術が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】  汚染水の処理方法としては様々な方法が考案されているが、例えば特許文献１〜５に記載の方法として循環式硝化脱窒法と呼ばれるものがある。これは酸素を利用してアンモニアを含む有機窒素を亜硝酸イオンまたは硝酸イオンに分解する硝化菌と、０．５〜１．０ｐｐｍ以下程度の貧酸素の状態で炭素源を利用して亜硝酸イオンまたは硝酸イオンを窒素に分解する脱窒菌の２種の微生物の生物化学的性質を利用している。
装置は脱窒菌を含む脱窒槽と硝化菌を含む硝化槽からなり、脱窒槽では貧酸素状態とするために、汚染水に空気を吹き込まず撹拌のみを行い、硝化槽では汚染水に空気を吹き込み溶解させる。装置に投入された汚染水は脱窒槽および硝化槽に貯められる。まず硝化槽でアンモニアを含む有機窒素が亜硝酸イオンまたは硝酸イオンに分解される反応が生じ、この処理された汚染水の一部は脱窒槽に戻される。このとき処理された汚染水中の酸素は硝化菌の分解反応によって消費されており、貧酸素かつ亜硝酸イオンまたは硝酸イオンを含む汚染水が脱窒槽に供給されることになる。脱窒槽に亜硝酸イオンまたは硝酸イオンが供給されると、これらは窒素と酸素に分解され、汚染水から汚染物質が取り除かれた状態となる。この浄化された水を硝化槽に送ることで酸素を供給することができ、硝化槽に送る酸素を低減できる。以上の操作を繰り返すことで汚染水中の汚染物質を所定の濃度まで低下させることが可能となる。【０００４】  しかしながら、上記処理方法は、汚泥や下水など汚染物質が高濃度かつ処理量が大量である場合には、高効率かつ低コストであるものの、閉鎖循環型飼育の飼育水に対してはむしろ処理能力が過大であり、硝化槽と脱窒槽との循環用ポンプを必要とするため、単位汚染物質処理量当たりの設備費および運転費が甚大となる。また、浄化効率を維持するためにｐＨ変動抑制を必要とするが、処理量が微量であるため中和剤の添加量調整に高度な制御技術が要求される。さらに、前記処理方法では硝化槽の底から空気を供給しており、水への酸素溶解量は水深に比例して増加するため、通常４ｍ以上の水深を確保する必要があるが、閉鎖循環型飼育では建物の高さの制約やコストの点から、水深４ｍ以上の水槽や硝化槽を使用することは現実的ではない。
従って、閉鎖循環型飼育の飼育水の浄化方法には、例えば特許文献６に記載の間歇濾床方式が用いられている。これは排水管にサイフォンがかかる装置を備えており、間歇的かつ急激に処理水が排水されることにより、自動的に濾過槽の水位が上下し、濾材の浸漬と干出の繰り返しにより効率的な濾材と処理水との接触および酸素供給を実現している。このような閉鎖循環型飼育の飼育水浄化システムは濾材部とサイフォン部をそれぞれ設ける必要があり、装置の所要面積が過大となる問題がある。また、処理水が濾材空隙部に全通しないため、処理水と濾材の接触状態に偏りが生じ、浄化効率が不安定であるといった問題や、汚染物質の付着により徐々に濾材やサイフォン部が目詰まりすることによる所要動力の増加や、１〜２年周期の清掃が必要となるといった問題がある。また、上記浄化方法で取り扱われているのは硝化槽のみであり、例えば特許文献７に記載の閉鎖循環型飼育の飼育水浄化システムでは飼育水が水槽と硝化槽を循環する主経路と間歇的に脱窒槽に飼育水を流す補助経路からなる設備構成が採用されており、閉鎖循環型飼育において標準的なシステムとなっている。しかし、このシステムでは脱窒槽を間歇的に使用するための別ラインと、飼育水中の亜硝酸イオンまたは硝酸イオン濃度の管理により飼育水の処理経路を切り替える機構が必要となり、設備費が過大となる。【０００５】  一方、飼育魚介類の生育および硝化能力の維持の点から、飼育水または処理水への酸素溶解が重要となる。水への酸素の溶解量は温度や圧力によって決まり、常温常圧では１０ｐｐｍ程度が限度である。しかしながら、この溶解反応は水と酸素の間の境界層（以下境膜）における酸素の移動が律速となっているため、水と酸素の接触面積を増加させることにより、より短時間で所定の酸素溶解量を得ることができる。標準的な閉鎖循環型飼育システムではマイクロバブルやナノバブルといったような空気を小径の気泡として水中に注入する方式をとっており、同じ量の空気を扱う場合、気泡の径が小さいほど気泡の数が多く水との接触面積が大きくなるため、気泡の小径化が志向されている。例えば特許文献８に記載の方法では数μｍ程度の気泡を用いており、良好な酸素溶解性能が得られているが、このような小さな気泡を生成するためには径の小さなノズルや多孔質材に空気を通気させるか、気泡を解砕する必要があり、いずれも所要動力の増加につながる。また特にノズルや多孔質材を使用する場合、飼育水中の汚染物質の付着により目詰まりを起こし易く、設備トラブルにつながる。【０００６】  上記の設備の複雑化の問題に対し改善を図ったものとして、例えば特許文献９および１０の方法がある。前者では硝化槽と脱窒槽を並列ではなく同一ライン上に設けることで設備の簡素化を図っているが、飼育水の密度に応じた生物担体を用いなければ、担体が浮上または沈降した状態が維持されるため、担体の詰まりや飼育水偏流により、十分な浄化性能が得られない恐れがある。
後者では、硝化槽と脱窒槽を一体化することで設備の簡素化を図っているが、硝化菌と脱窒菌で反応が進行する酸素濃度条件が異なるため、十分な浄化性能を得るには硝化菌担体と脱窒担体の存在領域を槽の内部で区切る必要があり、大きな設置面積削減にはならない。また安定的な浄化性能を得るためには、槽の形状や処理水量に応じた水流と酸素濃度分布を詳細に制御するシステムが別途必要となるため現実的ではない。【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２６３６８７
【０００８】
【特許文献２】特開平９−４７７８０
【０００９】
【特許文献３】特開平８−１１７７９３
【００１０】
【特許文献４】特開平９−１０７９６
【００１１】
【特許文献５】特開平８−３２３３９３
【００１２】
【特許文献６】特許第４６７００８７号
【００１３】
【特許文献７】特開２０１３−１８８７１９
【００１４】
【特許文献８】特開２０１０−５７３６６
【００１５】
【特許文献９】特開２０１３−２４７２５５
【００１６】
【特許文献１０】特開２００２−１７７９８７
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】  本発明は閉鎖循環型飼育の飼育水の浄化システムに関し、上記の浄化効率向上に伴う装置構成の複雑化と設備費および運転費および清掃コストの増大といった課題を解決し、簡潔でコンパクトかつ、低コストのシステムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明の目的は安定的な浄化効率の向上と装置構成の簡素化および低コスト化の両立である。そこで本発明では内部に硝化および脱窒菌担持粒子が充填された粒子流動型濾過槽と、液膜式気体溶解装置と、再曝気槽からなる閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムを用いることで、飼育水の浄化効率と酸素溶解速度を向上させ、濾過装置のダウンサイジングと処理水循環量の低減により、装置の所要面積と所要エネルギー、および清掃コストの削減を達成することができる。
【発明の効果】
【００１９】  本発明によれば、閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムの装置構成を簡素化することができ、また濾過槽のダウンサイジングとポンプ電力の削減が期待できる。また、装置の簡素化と縮小化、および所要電力の削減により、装置の初期費用と運転費を従来の閉鎖循環型飼育のものと比べ５０％以上低減することが可能となる。これにより、小規模の会社でも閉鎖循環型飼育に参入し易くなり、雇用の創出と食物自給率の向上、および技術開発レベルの向上につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  図１に示すように、標準的な閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムは、飼育水が飼育水槽（１）、曝気槽（６）、硝化槽（７）を循環する主経路（４）と、飼育水を間歇的に脱窒槽（５）に通水させる補助回路（３）と循環ポンプ（２）からなる。まず飼育槽から曝気槽に送られた飼育水は、曝気槽への空気注入と撹拌により硝化菌が硝化反応を起こすのに十分な酸素を供給される。次に飼育水は曝気槽から硝化槽に送られ、飼育水中の有機窒素およびアンモニアは亜硝酸イオンまたは硝酸イオンまで分解される。この亜硝酸イオン、硝酸イオン濃度が上限の１００ｍｇ／Ｌ未満である場合は処理した飼育水を再び飼育槽に戻し、１００ｍｇ／Ｌを越えた場合は脱窒槽に送る。脱窒槽に送られた飼育水は脱窒槽内の脱窒菌の働きにより、その亜硝酸イオンと硝酸イオンを窒素に変えられ、有害物質の濃度が上限未満に低減されるまで飼育槽と脱窒槽の循環を繰り返される。このシステムでは脱窒槽を間歇的に使用するための別ラインと、飼育水中の亜硝酸イオンまたは硝酸イオン濃度の管理により飼育水の処理経路を切り替える機構が必要となる。
上記に対し、図２に示す本発明の飼育水浄化システムは、飼育水と液膜式気体溶解装置（８）、再曝気槽（１１）、硝化菌担持粒子（１４）を内部に充填した粒子流動型硝化槽（９）、脱窒菌担持粒子（１８）を内部に充填した粒子流動型脱窒槽（１０）と循環ポンプ（２）及びブロワ（１２）からなる。飼育水槽では魚介類の飼育に十分な酸素が供給される必要があるが、液膜式気体溶解装置を用いることで、飼育水中への酸素溶解速度は標準的なシステムの約２倍となるため、必要な溶解酸素濃度が一定である場合、単位時間当たりに処理する飼育水量は２分の１となり、所要動力も２分の１となる。この飼育水は浄化処理のため再曝気槽に送られ、曝気ノズル（１３）からの空気の吹き込みにより魚介類の飼育により消費された酸素を補うとともに残渣を浮遊させ、次の硝化槽へと輸送される。硝化槽に送られた飼育水は標準的なシステムと同様、硝化菌の作用により含有する有機窒素とアンモニアが亜硝酸イオンと硝酸イオンへと分解されるが、粒子流動を利用することで、硝化反応速度が３〜４倍となるため、標準的なシステムと同じ硝化効率を目標とした場合、処理水の処理量つまり硝化槽の貯蔵容量を標準的なシステムの２分の１から３分の１まで低減することができ、硝化槽の所要面積を低減できる。また、流動化した充填層は充填層に比べ通液時の抵抗が少ないため所要動力を低減できる。さらに流動化した充填層には残滓が付着し難く、付着したとしてもすぐに剥離するため、濾材の目詰まりが生じない。従って、安定した硝化効率が得られ、清掃が不要となる。硝化槽にて処理された飼育水は次に脱窒槽に送られる。ここでも硝化槽と同様に図１のシステムに比べ反応速度が２倍程度と高いため、所要動力と所要面積の低減が可能となる。さらに安定した脱窒効率が得られ、清掃が不要となる。脱窒槽では飼育水中の溶存酸素濃度が０．５〜１．０ｐｐｍ以下程度の貧酸素条件である必要があるが、この酸素濃度は再曝気槽および硝化槽に具備された曝気ノズルからの空気吹き込み量により調整可能である。【００２１】  前記の菌担持充填粒子は、粒子径が小さいほど粒子と飼育水の接触面積が増加し反応速度が増加するため、粒子径が小さい方が望ましいが、充填粒子が小さ過ぎると配管への流出や配管の詰まりを生じる恐れがあるため、直径２ｍｍ以上８ｍｍ以下程度が適当である。また飼育水の比重は１．００ｇ／ｃｍ３以上１．０５ｇ／ｃｍ３以下であるため、これより粒子の密度が小さいと水面に浮きあがって飼育水との接触面積が低下し、逆にこれより密度が大きいと底面に沈んでしまい飼育水との接触面積が低下する。従って粒子の密度は１．００ｇ／ｃｍ３以上１．０５ｇ／ｃｍ３以下が適当である。また、これが単純な球形粒子である場合、担持された菌が粒子の流動により剥離する恐れがあるため、粒子の中心部まで貫通している孔が設けられていることが望ましい。この孔の径は小さすぎると表面張力により内部に飼育水が浸透せず、逆に大きすぎると担持された菌が剥離する恐れがあるため、径５μｍ以上４０μｍ以下が適当である。これらの条件を満たす粒子であれば何を用いても良いが、菌との親和性の良いセラミック、プラスチック、樹脂などを用いるのが望ましい。【００２２】  脱窒槽では反応促進と脱ガスのため、撹拌羽（１７）と撹拌モーター（１６）が設けられており、モーター回転数が高い程反応と脱ガスの効率は向上するが、回転数の上昇に伴い所要電力も増加するため、１０〜１２０ｒｐｍが望ましい。また脱窒反応には炭素を必要とするため、炭素源供給装置が設けられている。この炭素源は炭素を含んでいるものなら何でも良いが、菌は細胞から炭素を取り込むため、炭素源は水溶性であることが望ましい。さらに菌の多くは炭素元素が一つであるような化合物、例えばメタンやメタノールしか分解できないため、これらの炭素元素が一つであるような化合物を用いることが望ましい。固体の炭素源としては、ポリヒドロキシ酪酸などの生体分解性プラスチックを用いるのが望ましい。これらの炭素源の供給速度は菌による消費速度と同等であることが望ましいが、菌による消費速度を上回り飼育水に残存した炭素源は再曝気槽に送られた際に分解され無害化されるため問題ない。【００２３】  前記の液膜式気体溶解装置は液をシャボン玉状としており、膜の内と外両側で気体と接触しているため、通常の気泡を用いた気体溶解装置に対し、液と気体の接触面積が大きくできることが特徴である。液膜式気体溶解装置は、飼育水の吸引部と、空気注入ノズル（２１）と、飼育水と空気の混合部（２３）と、飼育水の排出部（２６）とからなる。吸引部から吸引された飼育水はノズルから注入された空気と混合され、エアーポンプ（２０）による押圧と装置外部の飼育水との密度差により気泡壊砕部まで上昇する。この密度差は飼育水と注入する空気の比率によって定まり、飼育水の比率が高すぎると所要動力が増大し、逆に飼育水の比率が低すぎると酸素の溶解量が不足するため、この比率は１：１〜３：１であることが望ましい。【００２４】  標凖的なシステムに対する前記液膜式気体溶解装置の酸素溶解速度の有意性は、飼育水槽および再曝気槽の水深が低い程高くなるが、飼育魚介類体高０．１ｍ以上は確保する必要がある。従って液膜式気体溶解装置を設置する槽の水深は０．１ｍ以上１．５ｍ以下とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】標準的な閉鎖循環型飼育用の飼育水浄化システムである。
【図２】本発明の設備構成図である。
【図３】粒子流動型濾過槽の概略図である。
【図４】液膜式気体溶解装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２５】１    飼育水槽
２    ポンプ
３    飼育水浄化の補助経路
４    飼育水浄化の主経路
５    脱窒槽
６    曝気槽
７    硝化槽
８    液膜式気体溶解装置
９    粒子流動型硝化槽
１０  粒子流動型脱窒槽
１１  再曝気槽
１２  ブロワ
１３  曝気ノズル
１４  硝化菌担持粒子
１５  液抜き
１６  攪拌機用モーター
１７  撹拌羽
１８  脱窒菌担持粒子
１９  炭素源供給装置
２０  エアーポンプ
２１  ノズル
２２  飼育水の吸引方向
２３  酸素溶解処理前飼育水と空気の混合物
２４  ガス排出方向
２５  酸素溶解処理後の飼育水
２６  飼育水の排出方向
【図１】
2015202102.tif 000003
【図２】
2015202102.tif 000004
【図３】
2015202102.tif 000005
【図４】
2015202102.tif 000006