(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水族館や陸上養殖施設の循環水あるいは飼育排水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素および硝酸態窒素を低減するための生物的処理装置であって、水中に好気性細菌を保持した流動担体を含み、底部の一部の領域に脱窒細菌を保持した脱窒固定床を、底部の他の領域に散気装置が具備され、該脱窒固定床は硝化担体１ｍ３に対して０．１〜０．３ｍ３であり、該脱窒固定床内部に炭素源が直接供給されて該固定床内部は脱窒処理のために嫌気的条件となっており、他の部分は散気装置による曝気のために好気的条件になっていることを特徴とする生物的硝化・脱窒一体型装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生物的硝化・脱窒一体型装置を用い、好気的な硝化処理と嫌気的な脱窒処理を同一槽内で行うことを特徴とする生物的水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉鎖循環式の水族館や陸上養殖施設の循環水あるいは飼育排水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素および硝酸態窒素を低減するための生物的処理装置であって、好気的な硝化処理と嫌気的な脱窒処理を同一槽内で行う一体型の生物的水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水族館および陸上養殖施設においては、魚類等飼育生物の排泄物、残餌に由来するＳＳ（浮遊懸濁物質）、アンモニア態窒素その他によって水質が著しく悪化する。水質悪化により飼育魚類に悪影響が生じるため、閉鎖循環式の水族館や陸上養殖施設においては水処理が必要となる。ＳＳは砂濾過槽等で分離・除去され、アンモニアおよびそれが酸化された亜硝酸は砂濾過槽内の砂や、硝化槽内の担体に付着したアンモニア酸化細菌、および亜硝酸酸化細菌の働きにより硝化され硝酸となる。硝酸は前者ほど魚類に対する毒性が高くない上、定期的な飼育水の交換の際に希釈されるため大きな問題にはならない。しかし海水の輸送コストがかかる都市部の大型水族館では、硝酸含有水を脱窒処理して得られる飼育海水を長期に亘って使用することが望まれる。一方、今後開発・普及が望まれる閉鎖循環式陸上養殖施設においても硝化・脱窒の一連の水処理が同じように要求されてくる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アンモニアが起点となる魚類飼育水処理の場合、まずアンモニアは好気的条件下で硝化細菌により亜硝酸を経て硝酸まで酸化される。そして硝酸を還元して窒素ガスにする場合は、嫌気的条件下で脱窒細菌が用いられる。全く逆の条件を必要とするこれらの２つの過程を並行して行う場合、処理槽を２基設けることが望ましいが、実際の現場ではよりコンパクトで単純な装置が要求される。また、硝酸が除去された後の処理水は嫌気的であるため、魚の飼育水槽に戻す前には曝気等を行い、これを好気的な状態に戻す必要もある。
【０００４】
本発明の課題は、上記の点に鑑み、好気的な硝化処理と嫌気的な脱窒処理を同一槽内で行う一体型の硝化・脱窒装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による一体型硝化・脱窒装置は、水族館や陸上養殖施設の循環水あるいは飼育排水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素および硝酸態窒素を低減するための生物的処理装置であって、水中に好気性細菌を保持した流動担体を含み、底部の一部の領域に脱窒細菌を保持した脱窒固定床を、底部の他の領域に散気装置が具備され、該脱窒固定床は硝化担体１ｍ３に対して０．１〜０．３ｍ３であり、該脱窒固定床内部に炭素源が直接供給されて該固定床内部は脱窒処理のために嫌気的条件となっており、他の部分は散気装置による曝気のために好気的条件になっていることを特徴とするものである。
【０００７】
生物的硝化・脱窒一体型装置は、通常、底部に散気装置を備え、これによって供給される空気（酸素）が硝化反応に用いられる。
【０００８】
流動担体は好気性独立栄養細菌を付着したものであり、好ましくは、比重１以下のもの、例えば、直径３〜１０ｍｍのサイズに整形した天然軽石または発泡コンクリート軽石、木炭等である。また、好気性独立栄養細菌付着担体は、親水性ポリマーの溶液に種菌を懸濁させ、該ポリマーを担体表面にコーティングしてゲル化させることで担体上へ細菌を接種・固定化させたものであってもよい。好気性細菌（硝化細菌）を保持した流動担体は、上記散気装置による曝気で水中を流動される。
【００１１】
まず、硝化反応について詳述する。
【００１２】
多孔質で鉱物質の軽石担体は細砂と同じく硝化細菌の付着に適している。また担体自体が水に浮くことで、特に構造的工夫をしなくても収容槽を立体的に効率よく利用できるほか、曝気だけによる撹拌効率も良く好気的条件が必要な硝化細菌の増殖に非常に適している。砂濾過槽の場合のように、濾過砂の表層を中心に硝化能力があり、深部の砂は硝化にはあまり貢献していないといった現象も見られない。また、目詰まりやそれに伴う有機物の蓄積による増殖阻害、或いは部分的な嫌気条件の発生も回避できる。
【００１３】
本発明を実際の水族館および陸上養殖施設の循環式水槽で実施する場合は、軽石担体の一部をアンモニア態窒素約２００ｍｇ／リットル以下を添加した循環装置内で前培養し、これに硝化細菌を予め付着させておく。得られた種担体を実際の循環式水槽内の硝化装置に前述の軽石担体とともに収容する。担体の量、硝化槽の容量、および数量は飼育水槽に収容される魚類等の数量から予測される総アンモニア態窒素量より決定する。
【００１４】
硝化担体１ｍ３  あたりの硝化能力は最大約２００〜３００ｇＮＨ３  −Ｎ／ｄａｙである。これに対し、脱窒固定床１ｍ３  あたりの脱窒能力は最大約１０００ｇＮＨ３  −Ｎ／ｄａｙである。一方、水族館での魚類飼育密度は３ｋｇ／３ｍ３  で、１日あたりに発生するアンモニア濃度は１．５ｍｇ／リットル、養殖では欧米型高密度飼育だと１００ｋｇ／ｍ３  で、発生するアンモニア濃度はこの場合３０ｍｇ／リットルにもなる。
【００１５】
毒性の強いアンモニアは常時０．１ｍｇ／リットル以下に保たなければならないのに対し、硝酸の毒性は低く２００〜３００ｍｇ／リットル程度でも特に支障は起こらない。また、担体容積あたりの窒素処理効率は硝化の約３倍であることから、よりコンパクトな容量で硝酸濃度は安全な濃度で維持することが可能である。
【００１６】
つぎに、脱窒反応について詳述する。
【００１７】
本発明の一体型硝化・脱窒装置では、硝化に必要な曝気量だけで処理槽内の好気的条件が維持できるよう、硝化担体１ｍ３に対し脱窒固定床は０．１〜０．３ｍ３程度が望ましい。また、必要に応じて脱窒固定床を追加することも可能である。
【００１８】
本発明の一体型硝化・脱窒装置では、処理槽中に流動担体に保持された好気性細菌（硝化細菌）の存在下に好気的条件下でアンモニアの硝化反応により生成した硝酸は、脱窒細菌を保持した脱窒固定床に取り込まれ、脱窒細菌により窒素ガスまで還元される。
【００２０】
このようにして、本発明の生物的硝化・脱窒一体型装置を用い、好気的な硝化処理と嫌気的な脱窒処理を同一槽内で行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２２】
実施例１
魚の飼育水槽から出る飼育排水の処理フローを図１に示す。処理すべき飼育排水は、魚の飼育水槽(1) から砂濾過装置(2) 、あるいはプロテインスキマー等を通過し、これらでＳＳ除去が行われた後、原水として処理槽本体(3) 内にポンプ(4) により給送する。処理槽本体(3) の底部に設置された散気装置(5) によりそのエアポンプ(9) で槽内の軽石担体(6) と排水が撹拌される。処理槽本体(3) から出る処理水は、ポンプ(8) によって飼育水槽(1) へ循環される。
【００２３】
硝化は以下の反応式により好気的条件下で行われる。
【００２４】
ＮＨ４＋  ＋３／２Ｏ２  →ＮＯ２  ＋Ｈ２Ｏ＋２Ｈ＋  ＋３９．５kcal
ＮＯ２−  ＋１／２Ｏ２  →ＮＯ３  ＋２１．６kcal
（ＨＣＯ３  が存在する場合、反応は、式
ＮＨ４ ＋  ＋２Ｏ２  ＋２ＨＣＯ３ −  →ＮＯ３  ＋Ｈ２  Ｏ＋２Ｈ２  ＣＯ３
で表され、消費されたＨＣＯ３ −  はアルカリ度として表される。このアルカリ度はＮＯ３ −  −Ｎまで酸化されたＮＨ４ ＋  −Ｎ１ｍｇあたりＣａＣＯ３  換算量として７．１４ｍｇである。）
【００２５】
曝気量は、処理槽本体(3) のサイズ、担体の量により変動するが、１ｍ３  容量の処理槽本体(3) に０．５ｍ３  の軽石担体を投入した場合、５０〜２００リットル／ｍｉｎが好ましい。
【００２６】
槽内底部の空き領域に脱窒細菌を接種・包括した０．０５ｍ３  の脱窒固定床(7) が設置されている。脱窒固定床(7) は、ポリエチレン、セルロース等市販品で構成され、主要な脱窒細菌Bacillus属は通性嫌気性細菌であり、固定床表面では酸素を消費して有機物の分解を行う一方、固定床内部は嫌気的条件となる。脱窒固定床(7) に、アンモニアの硝化反応で生じた硝酸や亜硝酸が供給されると、これらの物質の脱窒反応が誘導される。脱窒に必要な炭素源（グルコース、メタノール、酢酸ナトリウム等）は処理水中への拡散と飼育水中への流入を防止するため、炭素源タンク(10)から内径３ｍｍチューブ(11)とチューブポンプ(12)で脱窒固定床(7) 内部に直接必要量供給される。例えば、メタノールをベースに調整した炭素源含有海水（１０ｇ  Carbon／ｍｌ）を７０ｍｌ／ｈ流量で連続的にあるいは間欠的に供給する。脱窒固定床(7) では嫌気的条件下で前培養により脱窒能を予め立ち上げておくのがよい。
【００２７】
脱窒固定床(7) において、脱窒細菌は嫌気性条件下（無酸素状態）で亜硝酸、硝酸を水素受容体として吸収し、これらを窒素ガスに還元する。
【００２８】
（これらの反応の際にはＯＨ−  が生成し、ＨＣＯ３ −  が液中に供給される。
【００２９】
２ＨＯ２ −  ＋３Ｈ２  ＋２Ｈ２  ＣＯ３  →Ｎ２  ↑＋２ＨＣＯ３ −  ＋４Ｈ２  Ｏ
２ＨＯ３ −  ＋５Ｈ２  ＋２Ｈ２  ＣＯ３  →Ｎ２  ↑＋２ＨＣＯ３ −  ＋６Ｈ２  Ｏ
供給されたＨＣＯ３ −  のアルカリ度はＮＯ２ −  −Ｎ，ＮＯ３ −  −Ｎ１ｍｇあたりＣａＣＯ３  換算量として３．５７ｍｇである。）
【００３０】
参考例１
図２において、処理槽本体(3) の内部一側に脱窒細菌フロック（ＭＬＳＳｍｇ／リットル）を収容したポリカーボネイト製の脱窒槽（０．１ｍ３  ）(13)を垂直状に配置する。脱窒槽(13)の槽璧側部の一部をポリエチレン製等の精密濾過膜(14)で構成し、処理槽本体(3) と脱窒槽(13)を精密濾過膜(14)を介して連通させる。これによって、両槽間の物質やアルカリ度の交換を可能にする。脱窒に必要な炭素源（グルコース、メタノール、酢酸ナトリウム等）は処理水中への拡散と飼育水中への流入を防止するため、炭素源タンク(10)から内径３ｍｍチューブ(11)とチューブポンプ(12)で脱窒固定床(7) 内部に直接必要量供給される。例えば、炭素源供給は、メタノールをベースに調整した炭素源含有海水（２０ｇ  Carbon／ｍｌ）を３０ｍｌ／ｈの流量で連続的にあるいは間欠的に供給する。脱窒槽(13)の気相部分は閉鎖系とし、硝酸が還元されて発生した窒素ガスをブロワポンプ(15)で脱窒槽(13)の頂部から底部へ循環して散気体(16)を経て曝気しフロックを嫌気的に撹拌する。これにより脱窒槽(13)の嫌気度が維持され、脱窒効率が向上する。脱窒槽(13)の底部から出る処理水は、ポンプ(8) によって飼育水槽(1) へ循環される。
【００３１】
その他の構成は、図１に示す実施例１のものと同じである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、好気的な硝化処理と嫌気的な脱窒処理を同一槽内で行う一体型の硝化・脱窒装置を提供することができる。
【００３３】
また、アルカリ度を消費する硝化反応とアルカリ度を発生する脱窒反応を同一槽で行うことで装置のコンパクト化を図ることができ、硝化部と脱窒部を別体にした場合に必要なｐＨコントロール（酸、アルカリの添加）も省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  魚の飼育水槽から出る飼育排水の処理フローを示す実施例１のフローシートである。
【図２】  魚の飼育水槽から出る飼育排水の処理フローを示す参考例１のフローシートである。
【符号の説明】
(1) ：魚の飼育水槽
(2) ：砂濾過装置
(3) ：処理槽本体
(5) ：散気装置
(6) ：軽石担体
(7) ：脱窒固定床
(10)：炭素源タンク
(13)：脱窒槽
(14)：精密濾過膜
【図１】
0004143748.tif 000002
【図２】
0004143748.tif 000003