JP2010110277A - 水監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】水耕栽培施設のような水利用施設において、水耕栽培などを効果的、永続的に行える水再生システムを提供すること。
【解決手段】水利用施設と、該水利用施設から排出される排出水を導入して微生物処理する微生物処理装置とを有する水再生システムにおいて、前記水利用施設から排出される排出水に接触又は浸漬する電極と、該電極に印加する電極電位の変化によって生じる溶出電流又は溶出電気量を計測する計測手段と、該計測手段で計測された信号を入力して、該溶出電流又は溶出電気量が所定値を超えたか否かを判断する判断手段と、該判断手段で、所定値まで到達していないと判断した場合には前記排出水を前記微生物処理装置に送液して再生処理することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は水監視システムに関し、詳しくは水資源の乏しい地域における水耕栽培施設のような水を循環利用する施設において、水耕栽培などを効果的、永続的に行える水監視システムに関する。

水資源の乏しい地域における水耕栽培施設では、使用する循環水を生育に適した状態に維持できるように管理する必要がある。

特許文献１では、水耕栽培において、培養液中に浸漬させた１対の分極性電極に印加する電圧を制御して、培養液中に含まれる電解質を吸脱着させて濃度制御を行う装置が記載されている。

しかし、電解質を吸脱着させても、水耕栽培が効果的であるとは限らない問題がある。
特開平１０−８０２３５号公報

水耕栽培施設で使用される水は、循環していることが多く、施設に戻す前段で、生物処理をしたり、オゾン等で滅菌したりしているが、目標とする水質は浄化されるが、それが水耕栽培に効果的か否かは必ずしも合致するわけではない。

本発明者らは、水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視して、一般的な水質浄化とは異なった観点から、植物栽培や魚介類の成育に適する水を循環せることができる手法を開発した。

即ち、本発明の課題は、水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視して水耕栽培などの植物栽培や魚介類を生育を効果的、永続的に行える水監視システムを提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかになる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

（請求項１)
水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視する水監視システムにおいて、
該水利用施設内で循環する水を検水とし、
該検水に浸漬する検出極と、
該検出極に印加する電極電位の変化によって生じる溶出電流又は溶出電気量を計測する計測手段を備え、
該計測手段で計測された溶出電流又は溶出電気量に基づいて前記循環水の状態を監視する水監視システム。

（請求項２）
前記計測手段で計測された溶出電流に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、該検出極に印加する電位を所定速度で変化させてボルタンメトリーを計測する手段を含み、該ボルタンメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質を該検出極に電着する際に出現する電流ピークと電着した被検出物質を溶出する際に出現する電流ピークを確認する確認手段を含むことを特徴とする請求項１記載の水監視システム。

（請求項３）
前記計測手段で計測された溶出電気量に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、該検出極に印加する電位を変化させてクーロメトリーを計測する手段を含み、該クーロメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質が該検出極に電着させた後に電着した被検出物質を溶出する際の電気量を算出する算出手段を含むことを特徴とする請求項１記載の水監視システム。

（請求項４）
前記検出極が、炭素電極であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の水監視システム。

（請求項５）
前記検水中の被検出物質が、前記検出極に電着されるキノン−ヒドロキノン対を有する芳香族有機化合物であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の水監視システム。

（請求項６）
前記水利用施設の循環水の初期状態に、腐植質土壌、炭素系素材（炭、骨炭など）、又は比表面積として１ｍ^２／ｇ以上の孔隙率の岩石類から選ばれる微生物担持体を充填した充填層を備えた微生物処理装置に好気性下で所望の水を透過させて得られた水を使用することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の水監視システム。

（請求項７）
前記水利用施設において、循環水を所定期間循環させた後の検水が、ボルタンメトリーに電流ピークが存在しない場合には、腐植質土壌、炭素系素材（炭、骨炭など）、又は比表面積として１ｍ^２／ｇ以上の孔隙率の岩石類から選ばれる微生物担持体を充填した充填層を備えた微生物処理装置に好気性下で該循環水を透過させて、ボルタンメトリーに電流ピークが出現することを確認して循環水として再使用することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の水監視システム。

本発明によれば、水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視して水耕栽培などの植物栽培や魚介類を生育を効果的、永続的に行える水監視システムを提供することができ、特に水資源の乏しい地域における水耕栽培施設のような循環水利用施設において、水耕栽培などを効果的、永続的に行える技術を提案することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の水監視システムは、水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視するシステムである。植物の栽培は、水を循環使用する栽培であれば特に限定されないが、本発明において好ましいのは、水資源が乏しい地域における水耕栽培（例えばカイワレダイコン、牧草などの栽培）が挙げられる。また魚介類の生育は、水を循環使用する魚や海老などの養魚介類施設などが挙げられる。以下の説明では、植物の水耕栽培を主に説明するが、魚介類の成育でも同様に考えることができるので、その説明は最小限に止める。

水利用施設で循環水を使用して水耕栽培を行うには、初期状態において、その水利用施設内に植物の栽培に適する水が準備されていることが好ましい。また栽培が進行する過程でも栽培に適する水が循環していることが好ましい。このために本発明では栽培に適するか否かを特定の酸化還元性物質に着目している。

酸化還元性物質を計測する手段には、ボルタンメトリー、クーロメトリー又は光学的手段があるが、中でもボルタンメトリー、クーロメトリーが好ましい。

ボルタンメトリーを計測する手段は、サイクリックボルタンメトリーなどとして一般に知られている手法であるが、検水となる水によって様々であり、純水の場合には、検出極に電着する際に出現する電流ピークと電着した被検出物質を溶出する際に出現する電流ピークは確認できない（図１参照）。酸化還元性物質が存在しないからである。

これに対して、活性汚泥処理水サンプルについて、サイクリックボルタンメトリーを計測すると、図２のような検出曲線が得られている。この曲線を見ると、電極電位が＋側において、酸化波と還元波のいずれおいても、電流ピークが認められる。この分析条件は、検出極がグラッシーカーボン電極（１８℃）、電位掃引速度１０secＶ^−１で、液−電極静止系である。なお白金電極ではで電流ピークが認められない。この電流ピークは検出極に酸化還元性物質が電着及び溶出した際のものである。

本発明者は、この酸化還元性物質がいかなる化合物であるかの解析を行うことを試み、吸収スペクトルと、紫外線及び電気化学的検出器を用いる液体クロマトグラフィー（ＬＣ）を採用した。図３には吸収スペクトルが示され、図４には液体クロマトグラフィー（ＬＣ）の結果が示されている。

その分析の結果から、サイクリックボルタングラムで検出される酸化還元性物質は分子量１００程度（ＬＣにおいて、原核生物などが有するユビキノン（分子量１０００程度）よりは、かなり分子量が小さく２００〜３００程度と考えられる。）のキノン系物質と考えられる。これは微生物燃料電池において微生物と電極間の電荷移動（エレクトロンシャトル）を担う、いわゆる細胞外キノンとも考えられる。

サイクリックボルタンメトリーによる酸化還元性物質の検出において、例えば嫌気性の強いメタン発酵消化液では、酸化還元波はともに電極電位がマイナス側に、一方、好気性の十分に生物処理された活性汚泥処理水（上澄水）は酸化還元波がともにプラス側に検出される。このように水系の酸化還元状態によって観察される酸化還元性物質の種類は異なってくる。これは微生物叢が異なる当然の結果と考えられる。

水を循環使用するか、長期に作物を浸漬して使用する水耕栽培を行うにあたり、その水中に上述の酸化還元性物質がボルタンメトリー、クーロメトリー又は光学的手段などによって検出できる場合は、長期（１カ月以上）の使用にかかわらず水耕栽培における作物の成長に支障は生じていない。

しかし、酸化還元性物質の検出ができなくなった水、あるいは、検出量が初期の良好な状態の１／１０以下になった水などは水耕栽培における作物成長率が大きく低下（上述の良好な成長状態の７０％程度など）あるいは枯死等を起こす現象が発生した。養魚においても、このような水は生存率が１／２〜１／３に低下した。

酸化還元性物質の検出法としては、電気化学的な検出手段の他に近紫外線領域の吸光度をモニタリングしていくこともできる。しかし、非常に微量の酸化還元性物質を良好に検出する場合、いずれの方法においても濃縮することが求められ、このとき、炭素を検出極とするモニタリングは次の点で優れている。

低温で焼成（１５００〜２０００℃程度）した炭素電極、高温焼成（２０００〜２５００℃）のグラファイト質電極ともに、酸化還元性物質をその表面に電着、濃縮できるので、高感度の検出が可能になる。一方、光学的方法は溶媒抽出や吸着処理など、別途の濃縮操作が必要になる。

このような酸化還元性物質を水質の維持するレベルにまで水中に溶存させるためには、微生物担体をもつバイオリアクターを用いることが有効と考えられる。水田は連作障害を起こすことなく稲の育成に有効な水質が維持されている例であり、この水田土壌の上澄水からは、電位的に卑側、及び電位的に貴側の領域において複数の酸化還元性物質が検出されている。（図５参照）
水田土壌そのものがバイオリアクターの微生物担体になっているものと考えられる。そのような微生物担体をもたない水耕栽培システムなどでは、水の生物処理を行うリアクターを設置し、さらにそこで十分な生物処理が行われ、水耕栽培や養魚に適した水質になっていることを確認する手段として、例えば炭素電極を用いた検出システムが重要になる。

連作障害等を起こさない水耕栽培や、生存率、成長性の良い養魚（魚の養殖）の条件として、十分に生物処理されていることが重要であり、その結果として、処理水中にある濃度以上の酸化還元性物質が存在することになる。

これをモニタリングすることによって、水質を容易に監視することが可能になる。

本発明の水監視システムにおいて、計測手段で計測された溶出電流に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、検出極に印加する電位を所定速度で変化させてボルタンメトリーを計測する手段を含む場合は、該ボルタンメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質を該検出極に電着する際に出現する電流ピークと電着した被検出物質を溶出する際に出現する電流ピークを確認する確認手段を含むことが好ましい。

また計測手段で計測された溶出電気量に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、該検出極に印加する電位を変化させてクーロメトリーを計測する手段を含む場合は、該クーロメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質が該検出極に電着させた後に電着した被検出物質を溶出する際の電気量を算出する算出手段を含むことが好ましい。

本発明において、好ましく採用できる微生物処理装置は、腐植質土壌、炭素系素材（炭、骨炭など）、又は比表面積として１ｍ^２／ｇ以上の孔隙率の岩石類から選ばれる微生物担持体を充填した充填層を備えることが好ましく、かかる処理装置に好気性下で所望の水を透過させて得られた水を水耕栽培や養魚などの初期水あるいは循環水として使用することが好ましい。

比表面積１ｍ^２／ｇ以上の微生物担持体とは、通常の岩石をサブｍｍ以下に破砕したもの、あるいは本来、比表面積１ｍ^２／ｇ以上の材料であり、たとえば活性炭では数１００ｍ^２／ｇ、表面酸化処理した炭素繊維フェルトでは数ｍ^２〜数１０ｍ^２／ｇ程度の比表面積をもつ。比表面積が１ｍ^２／ｇ未満では良好な微生物担持体にならず、本発明における充填層に使用することはできなかった。

次に、図６に基づいて、本発明の水監視システムの構成例を説明する。

図６において、１は電極部、２は計測部であり、３は表示部である。電極部１は、検出極１０、検出極１０と対をなす対極１１、図示しない参照極によって構成される。１２、１３は、リード線である。

検出極を構成する物質としては、酸化還元性物質を電着して濃縮できることから炭素材が好ましく用いられる。炭素材としては、炭素、グラファイト、導電性炭化物（カーバイト）繊維などの炭素材からなる板状（例えば円盤状）、ワイヤー状又は網状電極を用いることができる。

対極１１には、例えば白金やその他の陽極として安定な金属やグラファイト芯などが用いられる。また、参照電極としては例えばＡｇ／ＡｇＣｌ電極などが用いられる。

計測部２は、ボルタンメトリー又はクーロメトリーを計測できる構成が採用される。

計測部２は、例えば電極に電圧を印加する電源部２１と、電解電流を計測する電解電流計測部２２と、電解電流計測部２２で測定された電流値を出力する電流値出力部２３からなる。

電源部２１が電極に印加する電圧は、ボルタンメトリー計測の場合は、所定の掃引速度で電位を変化せて印加し、クーロメトリー計測の場合は極性（＋、−）を一定時間毎に反転させる交番電圧を印加する。

クーロメトリー計測の場合、印加方法（波形）としては、矩形波、のこぎり波、ｓｉｎ曲線が挙げられるが、中でも矩形波が好ましい。例えば陽極に引きけられていた物質は、極性を反転させると、反対に放出されるため電流が流れる。この電流（出力電流）又は溶出電気量を、電解電流計測部２２において計測する。

電流値出力部２３は電解電流計測部２２において計測された電流値又は溶出電気量をモニターなどの表示部３へ出力する。

図７に基づいて、クーロメトリー計測例を説明する。

電極材として、キノン−ヒドロキノン系有機化合物のような酸化還元性物質を電着し、表面に濃縮していくことができる炭素、グラファイトなどを用いる。

同図に示すように、−０．８ｖで印加していた電圧を＋０．３ｖにすると、極性が反転する。反転によって、例えば陽極に引きけられていた物質は、極性を反転させると、反対に放出されるため、溶出電流が流れる。

図７において、溶出電流は、符号ａで示されている。溶出電気量は、再び反転するまでに測定された電流量であり、図形の三角部分の面積（積算電気量）に相当する。

図７において、実線は水耕栽培において、栽培作物の生育に適する水質の水の溶出電流値を測定したものであり、破線は、生育に適さない水質の水を測定したものである。この高さが高いほど水質が良好な水と判断できる。

図７に示す印加電圧は、例示的に示したものであり、−１．０〜＋１．０ｖ（vsAg/ AgCl）で任意に選択可能である。印加時間（極性反転の間隔）は、１０分〜１０秒程度までが好ましく、より好ましくは、例えば電着が５分、溶出が３０秒程度あるいは電着および溶出共に２０秒程度などである。

次に、図８、図９に基づいて、本発明の水監視システムを具体的に説明する。

図８において、１００は水監視モニターであり、２００は水耕栽培施設である。

なお、循環水には、施設の用途に応じて、窒素、リン酸等の養分を添加することが可能である。

施設２００から排出された水は、返送管２０１によって施設２００へ導入されるが、返送管２０１の途上で水監視モニター１００により返送水の状態を評価する。

評価の際には、例えばボルタンメトリー又はクーロメトリーによって酸化還元性物質の存在を確認して、確認できれば水耕栽培に適する良好な状態が維持されていると考えることができるので、そのまま施設２００へ導入し、確認できない場合は返送された水は好気性微生物処理装置３００へ導入される。

好気性微生物処理装置３００としては、前述の装置を使用できる。水質が改善された水は供給管３０１により施設２００へ導入される。

別の態様として、図９のように返送管２０１によって返送された水をすべて好気性微生物処理装置３００へ導入し、好気性微生物処理装置３００の出口で水監視モニター１００により水を評価することもできる。

本発明の酸化還元性物質による監視は、飲料水にも適用可能である。本発明者は、飲料水サンプルにおいて、図１０に示すような、サイクリックボルタンメトリーも得ている。この図において、極端なピークを示しているのは、−0.5ｖ電着後の溶出液を示している。このように通常使用している飲料水においても、微量な酸化還元性物質が存在し、いわゆるおいしく、健康的な水の原因となっているのではないかと推測される。

純水のサイクリックボルタンメトリーを示す図 活性汚泥処理水サンプルのサイクリックボルタンメトリーを示す図 吸収スペクトルを示す図 液体クロマトグラフィー（ＬＣ）の結果を示す図 水田土壌の上澄水のサイクリックボルタンメトリーを示す図 本発明の水監視システムの構成例を示す図 クーロメトリー計測例を示す図 本発明の水監視システムの一例を示す図 本発明の水監視システムの他の例を示す図 飲料水サンプルのサイクリックボルタンメトリーを示す図

符号の説明

１：電極部
１０：検出極
２：計測部
３：表示部
１００：水監視モニター
２００：水耕栽培施設
３００：好気性微生物処理装置

Claims (7)

1. 水を循環させて植物を栽培するか、又は魚介類を生育する水利用施設の循環水の状態を監視する水監視システムにおいて、
   該水利用施設内で循環する水を検水とし、
   該検水に浸漬する検出極と、
   該検出極に印加する電極電位の変化によって生じる溶出電流又は溶出電気量を計測する計測手段を備え、
   該計測手段で計測された溶出電流又は溶出電気量に基づいて前記循環水の状態を監視する水監視システム。
2. 前記計測手段で計測された溶出電流に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、該検出極に印加する電位を所定速度で変化させてボルタンメトリーを計測する手段を含み、該ボルタンメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質を該検出極に電着する際に出現する電流ピークと電着した被検出物質を溶出する際に出現する電流ピークを確認する確認手段を含むことを特徴とする請求項１記載の水監視システム。
3. 前記計測手段で計測された溶出電気量に基づいて前記循環水の状態を監視する手段は、該検出極に印加する電位を変化させてクーロメトリーを計測する手段を含み、該クーロメトリーにおいて、前記検水中の被検出物質が該検出極に電着させた後に電着した被検出物質を溶出する際の電気量を算出する算出手段を含むことを特徴とする請求項１記載の水監視システム。
4. 前記検出極が、炭素電極であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の水監視システム。
5. 前記検水中の被検出物質が、前記検出極に電着されるキノン−ヒドロキノン対を有する芳香族有機化合物であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の水監視システム。
6. 前記水利用施設の循環水の初期状態に、腐植質土壌、炭素系素材（炭、骨炭など）、又は比表面積として１ｍ^２／ｇ以上の孔隙率の岩石類から選ばれる微生物担持体を充填した充填層を備えた微生物処理装置に好気性下で所望の水を透過させて得られた水を使用することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の水監視システム。
7. 前記水利用施設において、循環水を所定期間循環させた後の検水が、ボルタンメトリーに電流ピークが存在しない場合には、腐植質土壌、炭素系素材（炭、骨炭など）、又は比表面積として１ｍ^２／ｇ以上の孔隙率の岩石類から選ばれる微生物担持体を充填した充填層を備えた微生物処理装置に好気性下で該循環水を透過させて、ボルタンメトリーに電流ピークが出現することを確認して循環水として再使用することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の水監視システム。

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