(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飼育水槽から取得した飼育水に含まれる溶存酸素量を減少させる脱酸素過程と、
飼育水に二酸化炭素を溶解させる二酸化炭素溶解過程と、
濾材の集合体からなる微生物担体を充填した窒素固定槽に、前記脱酸素過程および前記二酸化炭素溶解過程を経ることで得られた溶存酸素量が２．５〜３ｍｇ／リットルの飼育水を通水する窒素固定過程と、
前記窒素固定過程を経た飼育水を前記飼育水槽に戻す飼育水供給過程と、を含むことを特徴とする飼育水浄化方法。
【請求項２】
前記脱酸素過程では、飼育水槽から取得した飼育水に飽和溶存二酸化炭素量以上の二酸化炭素を供給することで、前記飼育水に含まれる溶存酸素量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の飼育水浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飼育水槽中の飼育水に含まれる硝酸態窒素を除去する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
飼育水槽中の飼育水に含まれる硝酸態窒素（硝酸イオン）を除去（脱窒）する方法として、例えば、連続多孔質材料で覆われた生分解性プラスチック（炭素源）を飼育水に投入し、生分解性プラスチックの表面に通性嫌気性細菌である脱窒菌を着床・増殖させる方法（特許文献１参照）や、飼育水を循環させる循環ラインに硝化槽と脱窒槽とを並列に設け、硝化槽中の硝化菌（独立栄養細菌）を利用してアンモニア態窒素や亜硝酸態窒素を硝酸態窒素にまで酸化（硝化）するとともに、脱窒槽中の脱窒菌（従属栄養細菌）を利用して硝化で発生した硝酸態窒素を窒素にまで還元（脱窒）する方法（特許文献２参照）が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の飼育水浄化方法では、微生物の働きにより分解された生分解性プラスチックの成分が飼育水槽中に拡散する場合があるので、脱窒菌以外の従属栄養細菌（例えば、病原菌）が増殖する虞がある。また、特許文献１の飼育水浄化方法では、脱窒量の制御が難しいことから、飼育水槽中の硝酸濃度が安定するまでに時間を要する場合がある。さらに、不測の事態により、アンモニア、亜硝酸、硫化水素が、飼育生物に害を生ずる程度まで高まる虞もある。
【０００４】
特許文献２の飼育水浄化方法では、飼育水を脱窒槽に間歇通水することにより、脱窒槽内を脱窒の起こりやすい嫌気性雰囲気を創出しているが、間歇通水するための機構を具備させると、その制御が煩雑になるとともに、脱窒槽に導入される飼育水の量が制限される虞がある。
【０００５】
このような観点から、本発明は、生分解性プラスチックを利用せず、危険性が少なく簡単な操作で安定的・連続的に硝酸態窒素を除去することが可能な飼育水浄化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決する本発明に係る飼育水浄化方法は、飼育水槽から取得した飼育水に含まれる溶存酸素量を減少させる脱酸素過程と、飼育水に二酸化炭素を溶解させる二酸化炭素溶解過程と、濾材の集合体からなる微生物担体を充填した窒素固定槽に、前記脱酸素過程および前記二酸化炭素溶解過程を経ることで得られた溶存酸素量が２．５〜３ｍｇ／リットルの飼育水を通水する窒素固定過程と、前記窒素固定過程を経た飼育水を前記飼育水槽に戻す飼育水供給過程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る飼育水浄化方法によれば、窒素固定槽内に二酸化炭素を含んだ低溶存酸素雰囲気の飼育水が供給されるようになるので、窒素固定槽内の窒素固定菌（二酸化炭素を炭素源とする通性嫌気性細菌に分類される菌の一部）の活動・増殖が活発になり、硝酸体窒素が窒素固定菌の増殖に消費され、硝酸態窒素が菌体として固定されるので、飼育水中の硝酸態窒素濃度を減少させることが可能になる。しかも、本発明によれば、二酸化炭素を含んだ低溶存酸素雰囲気の飼育水が連続的に窒素固定槽内に供給されるようになるので、安定的・連続的に硝酸態窒素を除去することが可能となり、間歇通水するための装置等も不要になる。
【０００８】
なお、前記脱酸素過程では、飼育水槽から取得した飼育水に飽和溶存二酸化炭素量以上の二酸化炭素を供給することで、前記飼育水に含まれる溶存酸素量を減少させることもできる。このようにすると、脱酸素過程および二酸化炭素溶解過程が同時並行的に行われることになるので、簡略化した装置で溶存酸素を減少させることが可能となる。
【０００９】
前記飼育水供給過程では、前記窒素固定過程を経た飼育水に酸素を供給してもよい。このようにすると、飼育水槽に戻される飼育水中の溶存酸素量を増やすことができるので、飼育水槽中の飼育水の水質を良好な状態に維持することが可能になる。なお、酸素を含む混合気体（例えば、大気等）を供給することで飼育水に酸素を供給してもよい。
【００１０】
なお、窒素固定菌は、硝酸態窒素を体内に取り込んで同化するので、飼育水槽中の飼育水から除去された硝酸態窒素の大部分は、窒素固定菌に同化された状態で系内に残留することになる。したがって、何らかの要因によって窒素固定槽内のバランスが崩れると、窒素固定菌に同化されていた窒素化合物が再び飼育水槽内に供給され、飼育水の水質を悪化させる虞がある。このような問題が懸念される場合には、窒素固定槽を逆洗するか、あるいは、前記窒素固定槽から前記微生物担体を取り出し、前記微生物担体に坦持されている窒素固定菌を洗い流すとよい。このようにすると、窒素固定菌に同化された硝酸態窒素が窒素固定菌とともに系外に取り出されることになるので、アンモニアや亜硝酸イオンが再発生するリスクを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生分解性プラスチックや嫌気槽を必要とせず、また、複雑な過程を経ることなく、簡単な操作で安全・安定的・継続的に硝酸態窒素を除去することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態の一例を詳細に説明する。
【００１５】
本実施形態に係る飼育水浄化装置Ａは、飼育水槽Ｔ中の飼育水Ｗ1を循環させる循環ライン１と、この循環ライン１に設けられた水質調整手段２、窒素固定手段３および酸素供給手段４とを備えている。
【００１６】
なお、飼育水槽Ｔには、硝化菌による硝化を行うための硝化手段（循環ラインＢ１、循環ポンプＢ２、底面濾過層Ｂ３）、タンパク質を除去するタンパク質除去手段（循環ラインＣ１、循環ポンプＣ２、プロテインスキマーＣ３）、飼育水Ｗ1の温度調節を行う温度調節手段（温度センサＤ１、サーモコントローラＤ２、ヒータＤ３、クーラーＤ４）などが付設されている。
【００１７】
循環ライン１は、飼育水槽Ｔに設けられた取水口１１から出水口１２に至る流路（配管）であって、水質調整手段２、窒素固定手段３および酸素供給手段４を直列に繋いでいる。なお、循環ライン１には、飼育水Ｗ1〜Ｗ5を循環させるための循環ポンプ１３や流量調節を行うためのバルブ１４が介設されている。
【００１８】
水質調整手段２は、窒素固定手段３の上流側に設けられるものであって、飼育水槽Ｔから取得した飼育水Ｗ2に含まれる溶存酸素量を減少させる機能と、飼育水Ｗ2に二酸化炭素を溶解させる機能（すなわち、飼育水Ｗ2中の溶存二酸化炭素量を増加させる機能）とを兼ね備えている。すなわち、本実施形態の水質調整手段２は、飼育水Ｗ2に含まれる溶存酸素量を減少させる脱酸素手段として機能するとともに、飼育水Ｗ2に二酸化炭素を溶解させる二酸化炭素溶解手段として機能する。
【００１９】
水質調整手段２の構成に制限はないが、本実施形態のものは、上面が開口した開放容器２１と、二酸化炭素を供給する炭酸ガスボンベ（二酸化炭素供給源）２２と、この炭酸ガスボンベ２２から開放容器２１に至る配管２３とを備えている。
【００２０】
なお、本実施形態では、開放容器２１内における飼育水Ｗ2の流れが下向きとなるように、開放容器２１の上部に流入口を設け、下部に流出口を設けているが、飼育水Ｗ2の流れの向きを限定する趣旨ではない。
【００２１】
窒素固定手段３は、水質調整手段２の下流側に設けられるものであって、水質調整手段２を通過した飼育水Ｗ3に含まれる硝酸態窒素（硝酸イオン）を固定する機能を備えている。本実施形態の窒素固定手段３は、直列に設けられた二つの窒素固定槽３Ａ，３Ａからなる。窒素固定槽３Ａは、密閉容器３１と、この密閉容器３１内に充填された微生物担体３２とを備えている。
【００２２】
密閉容器３１内における飼育水Ｗ3の流れの向きを限定する趣旨ではないが、本実施形態では、上流側の窒素固定槽３Ａにおいては下向きになっており、下流側の窒素固定槽３Ａにおいては上向きになっている。すなわち、上流側の窒素固定槽３Ａにおいては、密閉容器３１の上部に流入口を設けるとともに下部に流出口を設けており、下流側の窒素固定槽３Ａにおいては、密閉容器３１の下部に流入口を設けるとともに上部に流出口を設けている。
【００２３】
微生物担体３２は、濾材の集合体からなる。濾材の材質に制限はなく、多孔質ガラス、多孔質セラミック、サンゴ砂、天然樹脂製または合成樹脂製のスポンジ、活性炭などの多孔質材料や、天然岩石やガラスなどの無孔質材料を使用することができる。また、濾材の寸法・形状にも制限はなく、例えば、球状、多面体状、柱状、筒状、リング状、平板状、砂状、砂利状、礫状等の形態に成形されたものを使用することができるが、その内部が嫌気性状態（溶存酸素や結合性酸素がほとんど存在しない状態）にならないように、粒径または肉厚が５ｍｍ以下のものを使用することが望ましい。このようにすると、水生生物に対して毒性の強いアンモニア、亜硝酸イオン、硫化水素等の発生を抑制することが可能となる。
【００２４】
酸素供給手段４は、窒素固定手段３の下流側に設けられるものであって、窒素固定手段３を通過した飼育水Ｗ4に酸素を溶解させる機能（すなわち、飼育水Ｗ4中の溶存酸素量を増加させる機能）を備えている。
【００２５】
酸素供給手段４の構成に制限はないが、本実施形態のものは、上面が開口した開放容器４１，４１と、大気を送り出すエアブロア（酸素供給源）４２と、このエアブロア４２から開放容器４１，４１に至る配管４３，４３とを備えている。
【００２６】
なお、本実施形態では、開放容器４１内における飼育水Ｗ4の流れが下向きとなるように、開放容器４１の上部に流入口を設けるとともに下部に流出口を設けているが、飼育水Ｗ4の流れの向きを限定する趣旨ではない。
【００２７】
エアブロア４２は、配管４３，４３を介して開放容器４１，４１に大気を供給するものであるが、本実施形態のものは、配管４４を介して飼育水槽Ｔ中の飼育水Ｗ１にも大気（酸素）を供給する。
【００２８】
次に、本実施形態に係る飼育水浄化方法を説明する。本実施形態に係る飼育水浄化方法は、脱酸素過程と、二酸化炭素溶解過程と、窒素固定過程と、飼育水供給過程とを備えるものである。なお、飼育水槽Ｔ内の飼育水Ｗ１は、溶存酸素量が７ｍｇ／リットル程度、ｐＨが８〜８．５に維持されているものとする。
【００２９】
脱酸素過程は、飼育水槽Ｔから取得した飼育水Ｗ2に含まれる溶存酸素量を減少させる過程である。本実施形態では、水質調整手段２を利用して脱酸素過程を行っていて、開放容器２１中の飼育水Ｗ2に飽和溶存二酸化炭素量以上の二酸化炭素を供給することで、飼育水Ｗ2に含まれる溶存酸素量を減少させている。なお、本実施形態の脱酸素過程では、開放容器２１の流出口から流出する飼育水Ｗ3（脱酸素過程を経た飼育水Ｗ3）の溶存酸素量が、３．０ｍｇ／リットル程度となるように炭酸ガスボンベ２２の放出量を設定している。なお、脱酸素過程を経た飼育水Ｗ3の溶存酸素量が脱酸素過程前の飼育水Ｗ2の飽和溶存酸素量が少なくなり過ぎると、窒素固定槽３Ａ内の一部分が嫌気性状態になる虞がある（偏性嫌気性細菌が繁殖する虞がある）ので、脱酸素過程を経た飼育水Ｗ3の溶存酸素量は、所定値以上であることが望ましい。この所定値は、濾材の種類、充填度合、送水量、水質等によって変化するので、亜硝酸等の発生量を測定しながら下限値を決めることになるが、２．５〜３ｍｇ／リットル程度が好ましい。
【００３０】
二酸化炭素溶解過程は、飼育水槽Ｔから取得した飼育水Ｗ2に二酸化炭素を溶解させる過程である。すなわち、二酸化炭素溶解過程は、飼育水槽Ｔから取得した飼育水Ｗ2の溶存二酸化炭素量を増加させる過程である。本実施形態では、脱酸素過程において二酸化炭素を供給しているので、二酸化炭素溶解過程は、脱酸素過程と同時並行的に行われることになる。二酸化炭素がほぼ飽和状態にある飼育水のｐＨは、６程度になっている。
【００３１】
窒素固定過程は、脱酸素過程および二酸化炭素溶解過程を経た飼育水Ｗ3を窒素固定槽３Ａに通水する過程である。すなわち、窒素固定過程は、二酸化炭素を多く含んだ低溶存酸素雰囲気の飼育水Ｗ3を窒素固定槽３Ａ内に供給する過程である。飼育水Ｗ3を窒素固定槽３Ａ内に供給すると、窒素固定槽３Ａ内の窒素固定菌（二酸化炭素を炭素源とする通性嫌気性細菌に分類される菌の一部）の活動・増殖（同化型硝酸還元）が活発になる。つまり、硝酸イオンが窒素固定菌の増殖に消費され、硝酸イオンが菌体として固定されるので、飼育水Ｗ3中の硝酸イオン濃度が減少することになる。
【００３２】
飼育水供給過程は、窒素固定過程を経た飼育水Ｗ4を飼育水槽Ｔに戻す過程であるが、本実施形態では、窒素固定過程を経た飼育水Ｗ4に大気を供給した後に、飼育水槽Ｔに戻している。本実施形態では、酸素供給手段４を利用して大気の供給を行っていて、開放容器４１中の飼育水Ｗ4にエアブロア４２から大気を供給することで、飼育水Ｗ4の溶存酸素量を増加させるとともに、溶存二酸化炭素量を減少させている。なお、本実施形態では、下流側の開放容器４１の流出口から流出する飼育水Ｗ5の溶存酸素量およびｐＨが飼育水槽Ｔ中の水生生物に適したものとなるようにエアブロア４２の放出量や開放容器４１の個数等を設定している。
【００３３】
以上説明した本実施形態に係る飼育水浄化装置Ａおよび飼育水浄化方法によれば、二酸化炭素を含んだ低溶存酸素雰囲気の飼育水Ｗ3が連続的に窒素固定槽３Ａ内に供給されるようになるので、安全・安定的・連続的に硝酸態窒素を除去することが可能となり、間歇通水するための装置等も不要になる。
【００３４】
また、飼育水浄化装置Ａを硝化手段やタンパク質除去手段と併用すれば、水換えや水補給の回数を少なくした場合であっても、飼育水槽Ｔ中の飼育水Ｗ1の硝酸イオン濃度を１０ｐｐｍ程度に維持することが可能になる。
【００３５】
また、本実施形態に係る飼育水浄化装置Ａによれば、脱酸素過程と二酸化炭素溶解過程とが同時並行的に行われることになるので、簡略化した装置で溶存酸素量を減少させ、さらに、溶存二酸化炭素量を増加させることが可能となる。
【００３６】
なお、窒素固定槽３Ａ内に生息する窒素固定菌は、硝酸イオンを体内に取り込んで同化するので、飼育水Ｗ3から除去された硝酸イオンの大部分は、窒素固定菌に同化された状態で系内に残留することになる。したがって、何らかの要因によって窒素固定槽３Ａ内のバランスが崩れると、窒素固定菌に同化されていた窒素化合物が再び飼育水槽Ｔ内に供給され、飼育水Ｗ1の水質を悪化させる虞がある。このような問題が懸念される場合には、窒素固定槽３Ａを定期的に逆洗するか、あるいは、窒素固定槽３Ａから微生物担体３２を取り出し、微生物担体３２に坦持されている窒素固定菌を定期的に洗い流すとよい。このようにすると、窒素固定菌に同化された硝酸イオンが窒素固定菌とともに系外に取り出されることになるので、アンモニアや亜硝酸イオンが再発生するリスクを低減することが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態では、窒素固定過程を経た飼育水Ｗ4の溶存酸素量を増加させているので、飼育水槽Ｔ中の飼育水Ｗ1の水質を良好な状態に維持することが可能になる。
【００３８】
図１に示す飼育水槽Ｔの総飼育水量を７２０リットル、窒素固定槽３Ａの容量を３０リットル（合計６０リットル）、酸素供給手段４の開放容器４１の容量を３０リットル（合計６０リットル）、水生生物を２．５ｋｇ（０．５ｋｇの真鯛を５匹）として、本実施形態に係る飼育水浄化方法の効果を確認する実験を行った。表１に、実験条件および実験結果を示す。
【００３９】
【表１】
0004966905.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、窒素固定槽３Ａ及び酸素供給手段４における流量を２．０リットル／分として水質調整手段２に二酸化炭素を供給することなく６０日間（１〜６０日目）、餌を与え続けながら水生生物を飼育したところ、飼育開始時に９ｐｐｍであった硝酸イオン濃度が６０ｐｐｍまで増加したが、６１日目以降、窒素固定槽３Ａ及び酸素供給手段４における流量を１．０リットル／分に下げたところ、硝酸イオン濃度は６０ｐｐｍ前後の値で推移した。６８日目に、窒素固定槽３Ａ及び酸素供給手段４における流量を０．５リットル／分に下げるとともに、本実施形態に係る飼育水浄化方法となるように水質調整手段２に二酸化炭素を供給し、二酸化炭素を含んだ低溶存酸素雰囲気の飼育水Ｗ3を窒素固定槽３Ａ内に供給したところ、二酸化炭素の供給開始直後から窒素固定槽３Ａ内の溶存酸素濃度が３ｍｇ／リットル程度になり、その後、硝酸イオン濃度は徐々に低下した。二酸化炭素の供給を開始してから５日後（７２日目）には、硝酸イオン濃度が７〜８ｐｐｍ程度の一定の範囲にとどまるようになり、その後３０日間（７３〜１０２日目）維持された。なお、６８日目から１０２日目までの間、窒素固定槽３Ａの入口と出口とで溶存酸素量に差は認められず、２．５〜３ｍｇ／リットルであった。上記現象は、（１）窒素固定槽３Ａ及び酸素供給手段４の流量を１．０リットル／分に下げたことにより、密閉容器３１に充填されている一部の濾材又は濾材間の隙間で溶存酸素が低下し、通性嫌気性細菌が繁殖し始め、（２）この状態で二酸化炭素を供給したことにより、通性嫌気性細菌に分類される菌のうち、二酸化炭素を炭素源に利用できる菌が急速に繁殖した、とすると説明することができる。
【００４１】
なお、この後、二酸化炭素の供給を止め、替わりに窒素ガスを供給し、窒素固定槽３Ａ内の溶存酸素濃度を２．５〜３ｍｇ／リットルに保持したところ、飼育水槽Ｔ内の硝酸イオン濃度が徐々に上がり始め、窒素ガスに替えてから２３日目に３０ｐｐｍに達し、翌２４目には１６０ｐｐｍとなった。この値は本件発明を適用しないで１２６日間飼育をした場合に達すると予想される濃度(飼育開始から６０日間の傾向から推定)とほぼ一致する。この現象は、（１）二酸化炭素が供給されなくなったことにより、通性嫌気性細菌が増殖できなくなり、硝酸イオンが固定化されなくなった、（２）繁殖していた通性嫌気性細菌が栄養不足から死滅し、分解された、とすると説明することができる。
【００４２】
なお、前記した飼育水浄化方法の手順等は、適宜変更してもよい。
例えば、前記した実施形態においては、脱酸素過程と二酸化炭素溶解過程を同時並行的に行う場合（水質調整手段２が脱酸素手段と二酸化炭素溶解手段とを兼ねている場合）を例示したが、別々に行ってもよい。すなわち、飼育水槽Ｔから取得した飼育水Ｗ2に含まれる溶存酸素量を減少させる脱酸素手段と、飼育水Ｗ2に二酸化炭素を溶解させる二酸化炭素溶解手段とを別々に設けてもよい。この場合、二酸化炭素溶解手段は、脱酸素手段の下流側に設け、脱酸素過程を行った後に、二酸化炭素溶解過程を行うことが望ましい。なお、脱酸素過程と二酸化炭素溶解過程を別々に行う場合には、二酸化炭素以外の不活性ガス（例えば、窒素ガス）によるバブリングや真空脱気装置を利用して脱酸素過程を行ってもよい。
【００４３】
また、前記した飼育水浄化装置の構成を変更してもよい。
例えば、前記した実施形態では、窒素固定槽３Ａを二つ備える形態を例示したが、窒素固定槽３Ａの個数を限定する趣旨ではない。図示は省略するが、窒素固定槽３Ａを一つとしてもよいし、三つ以上としてもよい。なお、前記した実施形態では、複数の窒素固定槽３Ａを直列に設けた場合を例示したが、並列に設けても差し支えない。
【００４４】
また、前記した実施形態では、開放容器４１を二つ備える酸素供給手段４を例示したが、開放容器４１の個数を限定する趣旨ではない。図示は省略するが、開放容器４１を一つとしてもよいし、三つ以上としてもよい。なお、前記した実施形態では、複数の開放容器４１を直列に設けた場合を例示したが、並列に設けても差し支えない。
【００４５】
また、飼育水槽Ｔ内で行うエアレーションだけで飼育水Ｗ1の溶存酸素量を適切な状態に維持できる場合には、酸素供給手段４を省略してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る飼育水浄化装置の構成を説明するための循環ろ過系統図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    循環ライン
２    水質調整手段（脱酸素手段、二酸化炭素溶解手段）
３    窒素固定手段
３Ａ  窒素固定槽
４    酸素供給手段
Ｔ    飼育水槽
Ｗ1〜Ｗ5  飼育水
【図１】
0004966905.tif 000003