(57)【要約】【課題】展示水槽水等の飼育水を高効率に循環浄化するのに適した方法を提供する。【解決手段】飼育水をろ過工程を通じて循環浄化、澄明化する方法であって、ろ過工程は上部に砂以外の生物付着担体を充填厚２００ｍｍ以上で充填した生物付着担体層と、下部に砂を充填厚４００ｍｍ以上充填した砂層とを有し、且つ、前記生物付着担体層の充填厚と砂層の充填厚の合計を６００ｍｍ〜１２００ｍｍとした複層ろ過層に、飼育水を下降流でろ過速度２０ｍ／時以上で通水することを含む方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
飼育水をろ過工程を通じて循環浄化する方法であって、ろ過工程は上部に砂以外の生物付着担体を充填厚２００ｍｍ以上で充填した生物付着担体層と、下部に砂を充填厚４００ｍｍ以上充填した砂層とを有し、且つ、前記生物付着担体層の充填厚と砂層の充填厚の合計を６００ｍｍ〜１２００ｍｍとした複層ろ過層に、飼育水を下降流でろ過速度２０ｍ／時以上で通水することを含む方法。
【請求項２】
砂層の充填厚に対する生物付着担体層の充填厚の比が０．２〜０．７である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記生物付着担体が活性炭及び／又はアンスラサイトである請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
飼育水を循環浄化するための装置であって、飼育水をろ過速度２０ｍ／時以上の下降流で通水するための複層ろ過層を備え、複層ろ過層は充填厚２００ｍｍ以上の上部の砂以外の生物付着担体層と充填厚４００ｍｍ以上の下部の砂層とを有し、且つ、前記生物付着担体層の充填厚と砂層の充填厚の合計が６００ｍｍ〜１２００ｍｍである装置。
【請求項５】
砂層の充填厚に対する生物付着担体層の充填厚の比が０．２〜０．７を満たす請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記生物付着担体が活性炭及び／又はアンスラサイトである請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
水槽と請求項４〜６の何れか一項に記載の装置とを備え、水槽から排出される飼育水が前記装置の複層ろ過層に流入し、前記装置から排出されるろ過水が水槽に送り返されるように両者が接続されている飼育水の循環浄化システム。
【請求項８】
水槽から排出される飼育水が曝気槽を介して前記装置の複層ろ過層に流入するように構成されている請求項７に記載の飼育水の循環浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飼育水、特に魚などの水生生物の水槽の水を浄化及び澄明化する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水族館などの展示水槽を浄化及び澄明化するため、砂等による緩速ろ過あるいは急速ろ過が採用されている。水深の浅い小型水槽は水槽底部に敷き詰めた砂層を介して水槽水を循環し、砂中の微生物による浄化作用、砂による物理的ろ過作用によって、浄化・澄明化を行っていた。
【０００３】
一方、水深のある大型水槽水は水槽近傍に配備された急速ろ過装置によって、浄化・澄明化されている。水族館では展示ゾーンの裏側に浄化装置が配備されているが、面積的な制約があるため、大型水槽に対しては設置面積当たりの処理水量を大きくできる急速ろ過を利用するのが一般的である。急速ろ過には縦型と横置きの方式があるが、空間的に高さ制限等の制約がある場合は１ユニット当たりのろ過面積を大きくできる横置き方式も採用されている。
【０００４】
展示水槽水は、水生生物の健康を保持するために浄化が重要であるが、水生生物の観賞のため水槽水の透視度を確保するための澄明化も極めて重要である。また養殖用水槽においても飼育水を澄明化することは、魚類の生育状態、斃死魚の早期発見を監視する上で重要である。急速ろ過は砂ろ過が多用されている。
【０００５】
近年、甚平ざめ、マグロなどの大型魚の展示、多種類多数の同一槽展示などで水槽が巨大化し、その分浄化施設設置面積・空間が制限されるため、一層高効率、高速の浄化装置が求められている。
【０００６】
魚類や貝類などの生き物の飼育水の処理などに使用される水処理装置に関しては、例えば特開２００９−１７２４６９号公報に記載されている。当該公報では微量のアンモニア性窒素等の有害成分を効率よく処理することを目的として、ろ過機能を有するろ材部近傍に第１マイクロナノバブル発生機を配置して、上記ろ材部で処理した水と、上記第１マイクロナノバブル発生機で発生させたマイクロナノバブルを含有する水とを混合して、生き物の飼育に使用する飼育水槽内に供給することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１７２４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１にはろ材自体の構成や運転条件の好適化については考察が不十分であり、展示水槽水の高効率な循環浄化に対しては未だ改善の余地が残されている。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、展示水槽水等の飼育水を高効率に循環浄化するのに適した方法を提供することを課題の一つとする。また、本発明は飼育水を高効率に循環浄化するのに適した装置を提供することも課題の一つとする。更に、本発明は水槽及び本発明に係る装置を備えた飼育水の循環浄化システムを提供することも課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究したところ、ろ材を上部に生物付着担体層、下部に砂層を充填する複層構造とした上でそれぞれの充填厚を最適化すると共に、濾過速度を高速化することが有効であることを見出した。
【００１１】
本発明は上記知見を基礎として完成したものであり、一側面において、飼育水をろ過工程を通じて循環浄化、澄明化する方法であって、ろ過工程は上部に砂以外の生物付着担体を充填厚２００ｍｍ以上で充填した生物付着担体層と、下部に砂を充填厚４００ｍｍ以上充填した砂層とを有し、且つ、前記生物付着担体層の充填厚と砂層の充填厚の合計を６００ｍｍ〜１２００ｍｍとした複層ろ過層に、飼育水を下降流でろ過速度２０ｍ／時以上で通水することを含む方法である。
【００１２】
本発明に係る方法の一実施形態においては、砂層の充填厚に対する生物付着担体層の充填厚の比が０．２〜０．７である。
【００１３】
本発明に係る方法の別の一実施形態においては、前記生物付着担体が活性炭及び／又はアンスラサイトである。
【００１４】
本発明は別の一側面において、飼育水を循環浄化するための装置であって、飼育水をろ過速度２０ｍ／時以上の下降流で通水するための複層ろ過層を備え、複層ろ過層は充填厚２００ｍｍ以上の上部の砂以外の生物付着担体層と充填厚４００ｍｍ以上の下部の砂層とを有し、且つ、前記生物付着担体層の充填厚と砂層の充填厚の合計が６００ｍｍ〜１２００ｍｍである装置である。
【００１５】
本発明に係る装置の一実施形態においては、砂層の充填厚に対する生物付着担体層の充填厚の比が０．２〜０．７である。
【００１６】
本発明に係る装置の別の一実施形態においては、前記生物付着担体が活性炭及び／又はアンスラサイトである。
【００１７】
本発明の更に別の側面においては、水槽と本発明に係る前記装置とを備え、水槽から排出される飼育水が前記装置の複層ろ過層に流入し、前記装置から排出されるろ過水が水槽に送り返されるように両者が接続されている飼育水の循環浄化システムである。
【００１８】
本発明に係るシステムの一実施形態においては、水槽から排出される飼育水が曝気槽を介して前記装置の複層ろ過層に流入するように構成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る飼育水の循環浄化方法及び装置を利用することで、飼育水を高効率に循環浄化することが可能となる。そのため、例えば、浄化装置をコンパクトにしながらも、飼育水のアンモニア性窒素濃度を低く、透視度の良好な水質に維持することが可能となるため、本発明は設置スペースの限られている水族館などにおいて極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る飼育水の循環浄化システムのフローシートの一例を示す。
【図２】実施例における砂層の厚みと透視度の関係を示すグラフである。
【図３】実施例におけるろ過速度と硝化量の関係を示すグラフである。
【図４】実施例におけるろ過速度と流入水及び流出水のアンモニア性窒素濃度の関係を示すグラフである。
【図５】実施例における活性炭層の厚みと展示水槽水のアンモニア性窒素濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜１．循環浄化方法＞
本発明は一側面において、飼育水をろ過工程を通じて循環浄化する方法を対象とする。飼育水としては、限定的ではないが、例えば展示水槽、養殖用水槽、活魚水槽等の水槽水が挙げられ、高い澄明性の要求される展示水槽水を飼育水とするのが典型的である。展示水槽は水族館などで飼育している水生生物を来場者が観察するための設備である。飼育する水生生物としては特に制限はないが、例えば、魚介類、甲殻類、海水哺乳類、水生植物、海草等が挙げられる。また、淡水に住む水生生物でも海水に住む水生生物でもよい。そのため、循環する飼育水は淡水でも海水でもよい。
【００２２】
ろ過工程では飼育水槽から流出した水生生物が排泄する尿素や残餌が分解されて発生したアンモニアを含む水を浄化し、飼育水槽に返送するという工程を行う。飼育水槽水は飼育水槽とろ過工程を循環する。本発明者は、このようなろ過工程を通じた飼育水槽水の循環浄化を効率よく実施する方法を鋭意検討したところ、ろ過工程におけるろ過層の構造及びろ過速度を特定条件で組み合わせることが非常に有効であることを見出すに至った。
【００２３】
まず、ろ過層としては砂以外の生物付着担体層及び砂層を有する複層ろ過層とすることが重要である。これら以外のろ過層を組み込むことを排除するわけではないが、典型的にはこれら二層が上下に隣接配置される。生物付着担体層には硝化菌が付着しており、飼育水槽水が生物付着担体層を通過する間に水中のアンモニア性窒素が好気的条件下で亜硝酸、更には硝酸に酸化される。しかし、生物付着担体には水を澄明化する能力は低い。一方、砂層は主に物理的ろ過作用によって水を澄明化する能力が高いが、微生物による硝化能力は限定的である。
【００２４】
そのため、飼育水槽水を澄明化及び浄化するという観点だけ考えれば、生物付着担体層及び砂層の厚みをそれぞれ可及的に大きくすればよいのであるが、厚みを大きくすると損失水頭が大きくなるため、飼育水槽水を循環させるためのポンプに対する負荷が過大となるという問題が生じる。また、飼育水槽水の典型的な設置場所である水族館では展示ゾーンの裏側に浄化装置が配備されているが、設置可能なスペースに制約があるため、ろ過層の厚みにも限界がある。そこで、生物付着担体層及び砂層の厚みの合計は小さい方が好ましい。
【００２５】
生物付着担体としては、当業者に公知の生物付着担体が制限なく使用可能であるが、例えばアンスラサイト、活性炭（特に球状や粒状の活性炭）、セラミック、合成樹脂、ゼオライト等の鉱物などが挙げられる。生物付着担体は表面積を増大させるべく、球状、粒状、管状、ハニカム状、ポーラス状といった種々の形状を取り得る。これらの中でも、生物付着能力が高い点で、アンスラサイト、活性炭及びゼオライトが好ましく、容易に逆洗することができる粒状あるいは球状の担体形状が好ましい。粒状又は球状の担体の場合、粒径が０．４〜１．２ｍｍが好ましく、０．５〜０．８ｍｍがより好ましい。
【００２６】
本発明者は飼育水槽水に要求される水の透視度及びアンモニア性窒素濃度を必要最小限のろ過層厚みで達成するための条件を検討したところ、上側に生物付着担体層、下側に砂層を配置した複層ろ過層に飼育水槽水を下降流で通水することを条件として、生物付着担体層については充填厚２００ｍｍ以上、好ましくは３００ｍｍ以上、砂層について充填厚４００ｍｍ以上、好ましくは５００ｍｍ以上あれば、循環浄化によって良好な水質が保持できることを見出した。
【００２７】
また、複層ろ過層の全体の厚みを抑制しながらも、良好なろ過性能を維持する上では、砂層の厚みに対する生物付着担体層の厚みが０．２〜０．７を満たすことが重要となることも分かった。
【００２８】
飼育水槽水のアンモニア性窒素濃度を望ましい状態に維持する上では、ろ過速度（ＬＶ）を高くして十分な硝化量を確保することが重要である。具体的には、ろ過工程は飼育水槽水を複層ろ過層にろ過速度２０ｍ／時以上の下降流で通水することが重要である。飼育水槽水は循環浄化のため、一過性の処理水質よりも循環浄化システムの総浄化能力が鍵となるからである。硝化量はろ過速度を大きくすることで更に増大するため、ろ過速度は好ましくは２５ｍ／時以上であり、より好ましくは３０ｍ／時以上である。
【００２９】
しかしながら、ろ過速度が２０ｍ／時以上ではろ過速度の増加割合に対する硝化量の増加割合はそれほど大きくない。すなわち速度増大による効果が飽和してくる。また、ろ過速度を大きくすると水循環用のポンプに対する負荷も増大する。従って、ろ過速度は好ましくは５０ｍ／時以下であり、より好ましくは４０ｍ／時以下である。
【００３０】
本発明に係る循環浄化方法によれば、生物付着担体層及び砂層の厚みの合計を１２００ｍｍ以下としながらも飼育水槽水の良好な水質を維持可能である。損失水頭を考慮すれば１０００ｍｍ以下とすることが好ましく、８００ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００３１】
飼育水槽から流出した飼育水槽水はろ過工程を通過する前に、曝気槽を通過するなどして溶存酸素濃度を高めておくことが硝化に必要な酸素を十分供給するうえで好ましい。
【００３２】
＜２．循環浄化システム＞
図１には、本発明に係る飼育水槽水の循環浄化システムの一例のフローシートが示されている。当該循環浄化システムは飼育水槽１及び循環浄化装置５を備え、飼育水槽１から排出される飼育水槽水が循環浄化装置５の複層ろ過層１２に流入し、前記装置５から排出されるろ過水が飼育水槽１に送り返されるように両者が接続されている。
【００３３】
循環浄化装置５の構成態様としては特に制限はないが、例えば槽、塔、カラム、筒などが考えられる。より具体的には、形状として直方体型、立方体型、円筒形、塔型など公知の形状、壁材料としてコンクリート、ＦＲＰ、鋳鉄等公知材料を適宜選択することができる。循環浄化装置５は一実施形態において、飼育水槽水をろ過速度２０ｍ／時以上の下降流で通水するための複層ろ過層を備え、複層ろ過層は充填厚２００ｍｍ以上の上部の生物付着担体層と充填厚４００ｍｍ以上の下部の砂層とを、砂層の厚みに対する生物付着担体層の厚みの比が０．２〜０．７を満たすように有する。
【００３４】
海水で満たされている飼育水槽１には飼育魚用の餌が適宜投入され、魚から排出される尿素と残餌の分解によるアンモニアが発生する。飼育水槽１から流出する飼育水槽水は飼育水槽水排出ライン２を通って曝気槽３に流入する。また、曝気槽３には送風機１０から空気供給ライン１１を通って空気が送気され、曝気が行われる。
【００３５】
曝気槽３から流出した曝気水は曝気水供給ライン４を通って循環浄化装置５上部から流入する。循環浄化装置５は、上部に生物付着担体、下部に砂が充填された複層ろ過層１２を有しており、曝気水は下降流として複層ろ過層１２を通過する。循環浄化装置５下部から流出するろ液は飼育水槽１に循環のために返送ライン６を通って返送される。
【００３６】
循環浄化装置５の運転を継続すると、ろ材に捕捉された浮遊物（濁質）とろ材表面上に増殖した微生物などによって通水抵抗が上昇するため、これに対応して随時曝気水の注入を停止し、バルブ８を開放し、水生生物の生息環境に応じた海水又は淡水の貯留槽７から海水又は淡水を循環浄化装置５の底部から注入し、逆洗を行ってもよい。逆洗排水はバルブ８を経由して排出することができる。また水逆洗ではろ材の洗浄が不十分な場合は送風機１０から空気を循環浄化装置５の底部から送気してろ材の空気洗浄を行うこともできる。洗浄排ガスは循環浄化装置５上部から排出することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を示すが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
＜１．予備試験：生物付着担体の選定＞
実験に先立ち濾過塔に充填する硝化菌の付着担体を選定するに当たり、生物付着担体を内径２０ｍｍのカラムに厚さ４００ｍｍで充填し、水道水でアンモニア性窒素濃度１〜２ｍｇ／Ｌに調整した原水（水温１８〜２５℃）で約３ヶ月間通水試験した。生物付着担体としては、粒状活性炭（粒径１ｍｍ及び粒径２〜３ｍｍ）、アンスラサイト（粒径３〜４ｍｍ）、ゼオライト（粒径１〜２ｍｍ）、粒状セラミック（粒径１〜２ｍｍ）を選択して、それぞれ生物付着性能を試験した（粒径範囲は最小値及び最大値を指す。）。付着性能は処理水のアンモニア性窒素濃度により判定した。その結果、生物付着性能はほぼ同等であったが、展示水槽の浄化試験には有機物吸着能もある粒状活性炭を用いることにした。
【００３９】
＜２．展示水槽の浄化試験＞
図１のフローシートに示した展示水槽水の循環浄化システムによって実験を行った結果について説明する。展示水槽水の循環浄化システムの稼働条件は以下である。
展示水槽水：海水
展示水槽容積：幅500ｍｍ×長さ1800ｍｍ×深さ800ｍｍ
水生生物の種類及び数：真鯛×２、黒鯛×２、メジナ×３
循環浄化装置５：濾過塔（ろ過面積０．０２ｍ2）
複層ろ過層１２：上部に粒状活性炭層、下部に砂層
逆洗：水逆洗及び空気逆洗（随時）
【００４０】
当初は硝化性能を重視して、上層に活性炭を厚み４００ｍｍ、下層に砂を厚み２００ｍ充填した。活性炭層と砂層の総充填厚（合計厚：ろ材全体の充填厚さｍｍ）を６００ｍｍにしたのは濾過塔に高さ制限があったからである。展示水槽水をろ過速度３６ｍ／時で下降流として通水した結果、澄明度が上昇しないので透視度を測定しながら順次総充填厚は変えないで砂層を厚くした結果、図２に示すように砂層の厚み４００ｍｍ以上で透視度が４ｍ以上となった。なお透視度測定には自作の４ｍ透視度計を用いたため４ｍが測定限界値であったことから、図２では４ｍを「４ｍ以上」と記載した。
【００４１】
次に硝化量について測定した。展示水槽水は循環浄化のため、一過性の処理水質よりも循環浄化システムの総浄化能力が重要となる。上層の活性炭の高さ４００ｍｍ、下層の砂の高さ２００ｍの条件として、ろ過速度（ＬＶ）を変化させたときの硝化量の変化を調べた。
【００４２】
その結果、図３に示したようにろ過速度（ＬＶ）２０ｍ／時以上まで急激に硝化量が増加し、その後増加率が低下するので、ろ過速度２０ｍ／時以上が一定の硝化量を確保できる数値であると判断された。硝化量は単位容積あたり１日に硝化した量であり式（１）に従って計算する。
硝化量（ｇ／Ｌ・日）＝ろ過工程流入水量（Ｌ／日）×（流入ＮＨ3−Ｎ−流出ＮＨ3−Ｎ）ｇ／Ｌ÷充填材容積（Ｌ）・・・・・・・・・（１）
なお、充填材容量は活性炭層と砂層の双方の合計である。
図３に示す硝化量は同一ろ過速度でそれぞれ２日間試験したときの硝化量の各平均値である。
【００４３】
なお、このときの濾過塔の入口、出口のアンモニア性窒素（ＮＨ3−Ｎ）濃度は、図４に示したようにろ過速度が２０ｍ／時以上で、硝化量が増加するため、濾過塔流入水（展示水槽水）のアンモニア性窒素濃度が低下傾向になることが分かる。
【００４４】
総充填厚６００ｍｍ、ろ過速度２０ｍ／時で、砂層厚を厚くし、活性炭層厚を薄くした結果、活性炭層厚が２００ｍｍを下回った付近から、図５に示すように展示水槽水（＝ろ過工程流入水）のアンモニア性窒素濃度が急激に上昇する傾向が見られた。すなわち、活性炭層厚を２００ｍｍ以上にすることが重要であることが確認された。
【００４５】
＜３．長期実験＞
（３−１：活性炭層／砂層厚比の検討）
以上の結果を踏まえ、図１のフローシートに示した展示水槽水の循環浄化システムを用いて、上述した稼働条件と同じとして、展示水槽水をろ過速度２０ｍ／時で、以下の実験１〜４の充填条件でそれぞれ長期間（３ヶ月間）の浄化試験を行った。
実験１：活性炭充填厚２００ｍｍ、砂充填厚４００ｍｍ（活性炭層／砂層厚比０．５）
実験２：活性炭充填厚２００ｍｍ、砂充填厚１０００ｍｍ（活性炭層／砂層厚比０．２）
実験３：活性炭充填厚３５０ｍｍ、砂充填厚５００ｍｍ（活性炭層／砂層厚比０．７）
実験４：活性炭充填厚１００ｍｍ、砂充填厚４００ｍｍ（活性炭層／砂層厚比０．２５）
その結果、実験１、実験２及び実験３のいずれにおいても澄明でアンモニア性窒素濃度の低い飼育水を確保することができた。しかしながら、実験２では損失水頭が大きく、逆洗頻度が高くなったので、逆洗による時間ロスを短くするため総充填厚を１０００ｍｍ以下にすることが好ましいことが確認された。また実験４ではアンモニア性窒素が実験１，２，３に比較して多く残留した。
【００４６】
ろ過を継続していくと、浮遊物（濁質）の捕捉とろ材表面上に増殖した微生物により空隙率が低下し、損失水頭が上昇するため適宜逆洗操作により、捕捉物質、付着微生物を濾過塔外に洗い出すことが必要である。逆洗操作終了後は付着微生物が剥離、洗出するため、一時的に硝化能が低下して濾過塔流出液のアンモニア性窒素濃度が上昇する。
【００４７】
（３−２：逆洗による影響の検討）
逆洗の影響と活性炭の硝化能力の関係を把握するため、図１のフローシートに示した展示水槽水の循環浄化システムを用いて、展示水槽水（ＳＳ濃度：２〜３ｍｇ／Ｌ）をろ過速度３６ｍ／時として、以下の実験１及び４の充填条件でそれぞれ長期間（３ヶ月間）の浄化試験を行った。試験中は、ろ過層全体の損失水頭が１４００〜１７００ｍｍに達した時点で逆洗（空気洗浄２分、水洗浄３分）を行った。
実験１：活性炭充填厚２００ｍｍ、砂充填厚４００ｍｍ（活性炭／砂充填厚比０．５）
実験４：活性炭充填厚１００ｍｍ、砂充填厚５００ｍｍ（活性炭／砂充填厚比０．２）
その結果、実験１及び実験４の何れにおいても、濾過塔流出液のろ過水アンモニア性窒素濃度が上昇したが、アンモニア性窒素濃度が逆洗直前の濃度に回復するのに要した平均日数は、実験１は４日間、実験４では１１日間であった。これより、逆洗後の硝化能力を保持する観点からも、活性炭厚を２００ｍｍ以上にすると効果的であることが確認された。
【符号の説明】
【００４８】
１  飼育水槽
２  飼育水槽水排出ライン
３  曝気槽
４  曝気水供給ライン
５  循環浄化装置（濾過塔）
６  返送ライン
７  貯留槽
８  バルブ
１０  送風機
１１  空気供給ライン
１２  複層ろ過層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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