(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖循環系において水棲生物を飼育した飼育水を硝化工程と脱窒工程に付すことにより該飼育水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素を除去する方法であって、前記硝化工程及び脱窒工程を並列に配置し、硝化工程には循環飼育水を常時通水しながら硝化菌により硝化反応を行わせ、且つ脱窒工程には弁の切替えにより循環飼育水を間歇通水することにより嫌気性雰囲気とするとともに、電極から電解水素を発生させて脱窒菌に取り込ませながら、もしくは電極からの電子を直接脱窒菌に供与しながら脱窒反応を行わせることを特徴とする水棲生物飼育水浄化法。
【請求項２】
閉鎖循環系で水棲生物を飼育するために飼育水槽、硝化槽及び脱窒槽が飼育水循環ラインで連通されてなる水棲生物飼育装置であって、前記硝化槽及び前記脱窒槽は並列に配置されており、該硝化槽には循環飼育水を常時通水しながら硝化菌によりアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素の硝化反応を行わせ、且つ該脱窒素槽は入口又は出口に設けた弁の切替えにより循環飼育水を間歇通水することにより嫌気性雰囲気とし、電極から電解水素を発生させて脱窒菌に取り込ませながらもしくは電極からの電子を直接脱窒菌に供与しながら硝酸態窒素の脱窒反応を行わせるように構成されたことを特徴とする水棲生物飼育装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水棲生物飼育装置及び飼育水浄化法に関し、例えば水棲生物の畜養・輸送設備、水族館水槽及びこのような閉鎖系循環水の浄化に適用して有利である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水棲生物飼育水の浄化対象は、飼育生物に対し毒性を持つアンモニア態窒素および亜硝酸態窒素であり、特に亜硝酸態窒素は低濃度でも非常に毒性があった。従来このような水中のアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素については、硝化菌のような微生物を利用して硝酸態窒素にまで酸化し、処理済水としていた。ここで、硝化菌とは好気的条件でアンモニアを酸化して亜硝酸を生成する亜硝酸菌、及び同様に好気的条件で亜硝酸を硝酸に酸化する反応を行なう硝酸菌の総称である。硝化菌は上述の反応から得られるエネルギーを利用して、炭酸固定を行い増殖する独立栄養細菌であり、一般的には増殖に有機物を必要としない。
【０００３】
硝化菌のような微生物を利用した浄化法では、アンモニア態窒素は硝酸態窒素に酸化されるのみであり、いぜん循環水には硝酸態窒素が含まれており、これが飼育水のｐＨ低下を招いている。しかし、硝酸態窒素はある程度高濃度（例えば１００〜２００ｐｐｍ程度、ただし飼育生物種により異なる）まで、飼育生物に悪影響を与えないため、これまで特に処理はなされていなかった。しかし、この硝酸態窒素も蓄積されるとｐＨ等への影響は無視できないものとなるため、より広範な生物の長期間飼育を可能にするためには、この硝酸態窒素も除去する必要がある。
水中の硝酸態窒素の処理方法としては、脱窒菌を利用して硝酸を窒素にまで還元する方法が、産業排水処理のような一般排水処理分野において知られている。脱窒菌とは、多くは嫌気条件で、硝酸もしくは亜硝酸を還元する反応を有する多種多様な種類の微生物の総称であり、この脱窒菌は増殖に有機物を必要とする従属栄養微生物及び独立栄養微生物である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
閉鎖循環系で長期間にわたり水棲生物を飼育しようとすると、上記の理由から飼育水中のアンモニア態窒素とともに硝酸態窒素も処理することが要求される。飼育水は飼育生物の生命維持のため、高い溶存酸素濃度を必要としており、高流速で循環させているのが現状である。
しかし、従来の脱窒菌を利用した硝酸態窒素処理においては処理槽（脱窒槽）内を還元雰囲気にせねばならず、そのためシステム的にアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素を処理する硝化槽と脱窒槽を直列に配置すると、リアクターとして大容量を要求される。
【０００５】
これに対し、硝化槽と脱窒槽を並列に配置して処理する方法も試みられた。従来排水処理で脱窒工程における水素供与体として用いられているメタノールは可燃物であり、また飼育生物に対し毒性を持つものであるため、代替としてグルコース等を用いて処理を行ったが、硝酸態窒素処理はできるものの飼育水の汚濁を招いてしまい、好ましくない。
本発明の課題は、閉鎖循環系で広範な種類の水棲生物を長期間にわたり飼育できる水棲生物飼育水の浄化法であって、生物への毒性や水の汚濁の問題がなく、装置構成がコンパクトであり、しかも浄化処理能力が高く循環水の健全性の向上する方法及びこれを実現した水棲生物飼育装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、
(1) 閉鎖循環系において水棲生物を飼育した飼育水を硝化工程と脱窒工程に付すことにより該飼育水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素を除去する方法であって、前記硝化工程及び脱窒工程を並列に配置し、硝化工程には循環飼育水を常時通水しながら硝化菌により硝化反応を行わせ、且つ脱窒工程には弁の切替えにより循環飼育水を間歇通水することにより嫌気性雰囲気とするとともに、電極から電解水素を発生させて脱窒菌に取り込ませながら、もしくは電極からの電子を直接脱窒菌に供与しながら脱窒反応を行わせることを特徴とする水棲生物飼育水浄化法、
(2) 閉鎖循環系で水棲生物を飼育するために飼育水槽、硝化槽及び脱窒槽が飼育水循環ラインで連通されてなる水棲生物飼育装置であって、前記硝化槽及び前記脱窒槽は並列に配置されており、該硝化槽には循環飼育水を常時通水しながら硝化菌によりアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素の硝化反応を行わせ、且つ該脱窒素槽は入口又は出口に設けた弁の切替えにより循環飼育水を間歇通水することにより嫌気性雰囲気とし、電極から電解水素を発生させて脱窒菌に取り込ませながらもしくは電極からの電子を直接脱窒菌に供与しながら硝酸態窒素の脱窒反応を行わせるように構成されたことを特徴とする水棲生物飼育装置、及び
(3)閉鎖循環系において水棲生物を飼育した飼育水を硝化工程と脱窒工程に付すことにより、好気性雰囲気下において循環飼育水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素を除去する方法であって、前記硝化工程の後流に前記脱窒工程を設け、硝化工程は硝化菌により硝化反応を行わせ、且つ該脱窒工程においては光照射下で水草又は植物プランクトンにより脱窒反応させることを特徴とする水棲生物飼育水浄化法、である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、閉鎖循環系におけるアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素を含有する飼育水を硝化工程及び脱窒工程に付して浄化し再度飼育水として循環させることを特徴とする方法であって、特に硝酸態窒素処理工程（脱窒工程）を工夫して、生物学的処理法による硝化工程と組み合わせることにより高い浄化性能を得て、飼育水の健全性を向上し、長期間の水質維持を可能としたものである。
【０００８】
本発明の第一の発明は、好気性条件で行なう硝化工程は循環水（飼育水）を常時通水しながら硝化菌でアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素をそれぞれ亜硝酸及び硝酸に酸化する生物学的処理法で行い、硝化工程と並列に設けた脱窒工程では、飼育循環水を間歇通水することにより嫌気性雰囲気とするとともに生物学的処理法と電気化学的手法の組み合わせで処理することに特徴がある。
すなわち、硝酸態窒素処理槽（脱窒槽）の出口側あるいは入口側に電磁弁等の弁を設置することによって間歇通水し、脱窒槽内に一定時間保持することにより槽内を嫌気性雰囲気とする。該脱窒槽内に電極を設置し、例えば電極表面に脱窒菌を付着させるなどして、槽内に脱窒菌を充填し、この電極に電流を流すことにより電解水素を発生させ、脱窒菌に取り込ませるか、あるいは電子を直接脱窒菌に供与することにより脱窒素処理を行わせる。このように従来の生物学的脱窒素処理に水素供与体として用いられたメタノール或いはグルコース等の有機物は必要としないので、毒性や水の汚濁の問題はない。
本発明の生物学的硝化工程に用いる硝化菌としてはこの種の硝化菌として公知のもの、例えばニトロソモナス属 Nitrosomonas sp. 、ニトロバクター属 Nitrobacter sp.等を用いることができる。
また、電気化学的手法に組み合わせる生物学的脱窒工程に用いる脱窒菌としては、この種の脱窒菌として公知のもの例えば下水処理場由来活性汚泥等が挙げられる。
硝化菌や脱窒菌の固定，担持に用いる担体も、この種技術分野で公知のものを用いることができる。
【０００９】
図１は第一発明の一実施態様を示すものであり、装置は飼育水槽（ａ）、センサホルダ（ｂ）、循環ポンプ（ｃ）、硝化槽（ｄ）、脱窒槽（ｅ）、人工肺（ｆ）、流量計（ｇ）、電磁弁（ｏ）及び飼育水循環ラインから構成される。センサホルダ（ｂ）には、ｐＨセンサ，溶存酸素計を設置できる。硝化槽（ｄ）には、例えばガラスビーズなどの担体（ｈ）を用いて硝化菌を固定する。脱窒槽（ｅ）には、例えば陰極（ｉ）には炭素（カーボン）製の電極を、陽極（ｊ）には炭素電極あるは白金電極を設置し、かつ、導電性の良い担体（ｋ）を充填し脱窒菌を固定する。電磁弁（ｆ）はタイマーにより一定時間毎に開閉を制御する。
このようにアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素処理槽〔硝化槽（ｄ）〕と硝酸態窒素処理槽〔脱窒槽（ｅ）〕は並列に設置し、かつ脱窒槽（ｅ）の出口ラインには電磁弁（ｏ）を設けて、硝化槽（ｄ）へのラインは常時通水状態であるのに対し、脱窒槽（ｅ）へは間歇通水とする。脱窒槽（ｅ）への循環水の供給を間歇とし、一定時間保持することで、脱窒槽（ｅ）内を嫌気状態にでき、硝酸態窒素を処理することができるようになる。図１では電磁弁（ｏ）の例を示したが、弁は手動のものであってもかまわない。また、弁は脱窒槽（ｅ）の出口ライン及び／又は入口ラインに設けることができる。
なお、人工肺（ｆ）とは外部から酸素を取り込み、循環水中の二酸化炭素と交換する機能をもつ装置であり、これを設置することにより、循環水中の溶存酸素濃度を高く維持することができる。
【００１０】
本発明装置における脱窒槽（ｅ）は、機械的撹拌等によって槽内の被処理水を均一化できる槽（完全混合槽）ではない。したがって陽極反応によって酸素が発生するとしても陽極（ｊ）に面した部分のみが好気的雰囲気になるだけであって、脱窒槽（ｅ）全体に影響を及ぼすものではない。従って、陽極で発生する酸素に対する特別な対策は必要としない。また、酸素発生電位より炭素の酸化電位のほうが低いため、炭酸ガスのほうがより生じ易い可能性がある。さらに、本発明者らが試験したところでは、電流値が低いため電極反応は脱窒槽（ｅ）全体に悪影響を及ぼす程活発ではないと考えられる。本発明を実施した結果が良好であったことからも、この推察が正しいと思われる。
【００１１】
本発明の第二の発明は、生物学的にアンモニア態窒素，亜硝酸態窒素を酸化して亜硝酸態窒素、硝酸態窒素とする硝化工程は第一発明と同様であり、この硝化工程に直列に配置する硝酸態窒素処理工程（脱窒工程）として、植物又は植物プランクトンの窒素化合物吸収能を利用するものである。硝酸態窒素処理槽（脱窒槽）内に、水質にあった水草あるいは微細藻等の植物プランクトンを固定，担持しておき、循環水中の硝酸態窒素を吸収させ、処理する。植物又は植物プランクトンは窒素化合物を窒素源として細胞中に取り込み、体合成成分として処理するので、脱窒素のために嫌気性雰囲気とする必要はなく好気性で行えること、そのために両工程は直列に配置できること、さらに淡水だけでなく、海水のような塩濃度の高い水に対しても適用可能であるため、飼育できる生物種が広くなること等の利点がある。
植物又は植物プランクトンを利用する場合、光合成のために脱窒槽を光照射する必要がある。また、植物又は植物プランクトンを例えばネット、ガラスビーズやハニカム形状の担持体、などに固定して用いることが好ましい。固定に用いる材料は上記に限定されるところはなく、この種技術分野で公知のものを用いることができる。
利用できる植物としては、例えばキンギョソウ、アヌビアスナナ、アマゾンソード等の水草が挙げられる。また植物プランクトンとしては例えば微細藻等が挙げられる。
硝化工程において利用できる硝化菌は第一の発明の場合と同様である。
【００１２】
図２は本発明の第二発明の一実施態様を示すものであり、飼育水槽（ａ）、センサホルダ（ｂ）、循環ポンプ（ｃ）、硝化槽（ｄ）、脱窒槽（ｅ）、人工肺（ｆ）、流量計（ｇ）、照明（ｌ）及び飼育水循環ラインから構成される。センサホルダ（ｂ）には、ｐＨセンサ、溶存酸素計を設置できる。硝化槽（ｄ）には、例えばガラスビーズなどの担体（ｈ）を用いて、硝化菌を固定し、アンモニア態窒素、亜硝酸態窒素を処理できる。脱窒槽（ｅ）には、脱窒槽（ｅ）の底にネット（ｍ）を張り、これに例えばキンギョソウなどの水草を固定し、脱窒槽（ｅ）内に保持することにより、循環水内の硝酸態窒素化合物を除去処理することができる。
【００１３】
本発明の第二発明の他の実施態様においては、アンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素処理槽（硝化槽）は上記と同様であり、アンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素をそれぞれ亜硝酸態窒素、硝酸態窒素に酸化する。硝酸態窒素処理槽（脱窒槽）内には、水質にあった植物プランクトンを固定しておき、植物プランクトンの窒素化合物吸収能を利用して循環水中の硝酸態窒素を吸収させ、処理する。処理装置は図３に示すように飼育水槽（ａ）、センサホルダ（ｂ）、循環ポンプ（ｃ）、硝化槽（ｄ）、脱窒槽（ｅ）、人工肺（ｆ）、流量計（ｇ）、照明（ｌ）および飼育水循環ラインから構成されており、センサホルダ（ｂ）には、ｐＨセンサ、溶存酸素計を設置できる。硝化槽（ｄ）には、例えばガラスビーズなどの担体（ｈ）を用いて、硝化菌を固定する。脱窒槽（ｅ）には、例えばハニカムろ材などの担持体（ｎ）を充填し、これに例えば微細藻類など植物プランクトンを固定させ、脱窒槽（ｅ）内に保持することにより、循環水内の硝酸態窒素化合物を除去処理することができる。脱窒槽（ｅ）としては、照射光を有効に利用するために平べったい偏平な形状が好ましい。十分量の植物プランクトンを利用することで、水草よりも速い処理速度を得ることができる。この理由は、植物プランクトンも水草と同様に窒素化合物を窒素源として細胞中に取り込み体合成成分として処理するが、植物プランクトンの方がその合成速度が速いためである。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するがこれに限定されるところはない。
〔実施例１〕
図１の装置を用いて、硝化菌としてニトロソモナス属 Nitrosomonas sp. およびニトロバクター属 Nitrobacter sp.を３０００ｐｐｍ、ガラスビーズを担体として固定して用いた。また脱窒菌としては下水処理場由来活性汚泥を粒状炭素を担体として固定したものを用いた。電極は炭素電極を用い通電条件は５ｍＡの定電流で行った。弁としては電磁弁を用い、開閉間隔は６時間とし、飼育水は１リットル／ｍｉｎの流速で循環使用して浄化を行った。日々、３．４ｐｐｍのアンモニア態窒素を飼育水槽（ａ）内に添加し、循環水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素の濃度を測定、その処理性能を検討した。その結果、本装置によりアンモニア態窒素を０．１ｐｐｍ以下、亜硝酸態窒素を０．１ｐｐｍ以下、硝酸態窒素は１５ｐｐｍ以下、ｐＨ８前後、循環水中ＴＯＣ（全有機炭素）濃度を１０ｍｇ／リットル程度の水質を９０日以上維持することができた。この結果を図４に示す。
【００１５】
図４は実施例１における循環水質の変移を示すグラフであって、横軸は経過日数、縦軸は循環水中ＴＯＣ濃度（ｍｇ／リットル）、ｐＨ値及び循環水中の窒素量（ｍｇ／リットル）であり、■はアンモニア態窒素（ＮＨ4 −Ｎ）、▲は亜硝酸態窒素（ＮＯ2 −Ｎ）、●は硝酸態窒素（ＮＯ3 −Ｎ）を示すが、アンモニア態窒素■と亜硝酸態窒素▲は０．１ｐｐｍ以下であるため、Ｘ軸に重なって表示されている。
【００１６】
〔実施例２〕
まず実験として、硝酸態窒素処理のみを対象にビーカースケールで行った。１０ｍｇ／リットルの硝酸態窒素を含む被処理水中に水草としてキンギョソウを入れ、被処理水中の残存硝酸態窒素濃度を測定することにより、その処理性能を評価した。その結果、今回の実験では１．０ｍｇ−Ｎ／リットル・ｄａｙの処理速度を得ることができた。すなわち、一日あたり脱窒槽１リットル当たり１ｍｇの硝酸態窒素を処理できることがわかった。
そこで、図２の構成において、硝化槽には硝化菌を固定したガラスビーズ３００ｍｌ（硝化菌ニトロソモナス属 Nitrosomonas sp. およびニトロバクター属 Nitrobacter sp.３０００ｐｐｍに相当する量を担持）を入れ、脱窒槽にはキンギョソウをネットで固定し、光照射６０００ルクスの条件で、アンモニア態窒素を飼育槽に３．４ｐｐｍ／ｄａｙの割合で添加した。飼育水を１リットル／ｍｉｎの流速で循環使用したが、残存アンモニア濃度０．１ｐｐｍ以下、亜硝酸態窒素０．１ｐｐｍ以下、硝酸態窒素５０ｐｐｍ以下、ｐＨ７．５の水質に９０日間維持できた。
【００１７】
〔実施例３〕
まず実験として、硝酸態窒素処理のみを対象にビーカースケールで行った。１０ｍｇ／リットルの硝酸態窒素を含む被処理水中に植物プランクトン（微細藻）を入れ、被処理水中の残存硝酸態窒素濃度を測定することにより、その処理性を評価した。その結果、今回の実験系では、植物プランクトン乾燥重量として３０ｍｇ／リットルで１．０ｍｇ・Ｎ／リットル・ｄａｙの処理速度を得ることができた。すなわち、３０ｐｐｍの植物プランクトンが固定されている槽１リットルあたり１ｍｇの窒素を１日で処理できる。
そこで、図３の装置において、硝化槽には硝化菌を固定したガラスビーズ３００ｍｌ（硝化菌ニトロソモナス属 Nitrosomonas sp. およびニトロバクター属 Nitrobacter sp.３０００ｐｐｍに相当する量を担持）を入れ、脱窒槽には微細藻をハニカムろ材に固定して入れ、光照射６０００ルクスの条件で、アンモニア態窒素を飼育槽に３．４ｐｐｍ／ｄａｙの割合で添加した。飼育水を１リットル／ｍｉｎの流速で循環使用したが、残存アンモニア濃度０．１ｐｐｍ以下、亜硝酸態窒素０．１ｐｐｍ以下、硝酸態窒素５０ｐｐｍ以下、ｐＨ７．５の水質に９０日間維持できた。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明のように本発明の第一又は第二の発明によれば、脱窒槽ではメタノールやグルコース等を用いることなく脱窒反応を行なうので、毒性や汚濁の問題なく循環水中の硝酸態窒素を低減できる。特に本発明の第一の発明によれば、硝化槽と脱窒槽を並列に配置したコンパクトな装置構成によりアンモニア態窒素及び硝酸態窒素の両者の高速処理が可能となり、閉鎖循環系の飼育水質を非常に良好な状態に保持することができる。
また、本発明の第二の発明では脱窒工程として好気条件で脱窒反応を行なう植物、植物プランクトンを用いるので、硝化工程後の循環水をそのまま脱窒工程に流入させることができる。また淡水のみならず海水での飼育にも適用でき、閉鎖循環系の飼育水質を非常に良好な状態に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施態様を説明する概略図である。
【図２】  本発明の他の実施態様を説明する概略図である。
【図３】  本発明のさらに他の実施態様を説明する概略図である。
【図４】  本発明の実施例１における循環水質の変移を示すグラフである。
【図１】
0003794838.tif 000002
【図２】
0003794838.tif 000003
【図３】
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【図４】
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