JP2016214175A - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】水族館や養殖等に用いられる飼育水の有機物の処理を効率よく行い、色度が低減された清澄な飼育水を安定して供給することができる水処理装置および水処理方法を提供する。
【解決手段】水中生物の飼育水の少なくとも一部を循環させ、飼育水中に含まれる有機物の処理を行う水処理装置1であって、水中生物を飼育する水槽10からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定装置14と、飼育水の有機物処理を行うオゾン発生装置24を備えるオゾン処理装置16と、有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を水槽10に返送する返送配管48と、測定した可視部吸光度とオゾン処理装置16における処理強度とを連動させる制御部30とを備える水処理装置1である。
【選択図】図1

Description

本発明は、水族館や養殖等、水中生物を飼育する際に用いられる飼育水を処理する水処理装置および水処理方法に関する。
水族館や養殖等、水中生物を飼育する際に用いられる飼育水は、ランニングコスト低減等の観点から、少なくとも一部の水を循環して用いる場合が多い。飼育水を循環利用する場合、残餌や生物代謝等により有機物が発生し、飼育水を循環利用していくうちに有機物濃度が高くなることがある。飼育水の有機物濃度が上昇するに従い、色度も上昇する。
水族館の場合、色度が高い水は観賞に不適切であり、有機物濃度や色度の上昇を抑制するため、飼育水の循環経路にオゾン処理装置や紫外線処理装置等を設けることがある。オゾン処理を行うと、オゾン発生にかかる電気代がランニングコストを膨らませる要因となっている。
水道水源等の変動する水質に対して適切なオゾン処理を行い、オゾン処理の効率を向上させるため、例えば特許文献1のように、波長254nmの紫外部吸光光度を測定して水の有機物濃度を推定し、推定した有機物濃度とオゾン注入率を連動させる制御方法が用いられることがある。
しかし、特許文献1の方法を飼育水に適用して紫外部吸光光度による制御を行った場合、飼育水中のアンモニア態窒素が酸化されて生じる硝酸が紫外線を吸収してしまうため、オゾン注入率の制御に問題が生じる可能性がある。飼育水中の硝酸の分、過剰のオゾンが注入されると、オゾン処理で排出されるオゾンガスの除去処理や、オゾン処理水中のオゾンの除去処理にかかる負荷が大きくなるという問題がある。また、循環して用いる飼育水の場合、飼育水を循環利用していくうちに硝酸が濃縮され、硝酸の影響がより顕著になる。
特開平9−010782号公報
本発明の目的は、水族館や養殖等に用いられる飼育水の有機物の処理を効率よく行い、色度が低減された清澄な飼育水を安定して供給することができる水処理装置および水処理方法を提供することにある。
本発明は、水中生物の飼育水の少なくとも一部を循環させ、前記飼育水中に含まれる有機物の処理を行う水処理装置であって、水中生物を飼育する水槽からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定手段と、前記飼育水の有機物処理を行う有機物処理手段と、前記有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する返送手段と、測定した前記可視部吸光度と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させる制御手段とを備える水処理装置である。
前記水処理装置において、前記可視部吸光度測定手段は前記飼育水の可視部の吸光スペクトルを測定し、その吸光スペクトルの可視部吸光度の積算値と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させることが好ましい。
前記水処理装置において、前記可視部吸光度測定手段により測定する可視部吸光度の波長範囲が、少なくとも400〜600nmの範囲を含むことが好ましい。
前記水処理装置において、前記有機物処理手段が、オゾン処理手段であることが好ましい。
また、本発明は、水中生物の飼育水の少なくとも一部を循環させ、前記飼育水中に含まれる有機物の処理を行う水処理方法であって、水中生物を飼育する水槽からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定工程と、前記飼育水の有機物処理を行う有機物処理工程と、前記有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する返送工程と、を含み、測定した前記可視部吸光度と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させる水処理方法である。
前記水処理方法における前記可視部吸光度測定工程において前記飼育水の可視部の吸光スペクトルを測定し、その吸光スペクトルの可視部吸光度の積算値と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させることが好ましい。
前記水処理方法における前記可視部吸光度測定工程において測定する可視部吸光度の波長範囲が、少なくとも400〜600nmの範囲を含むことが好ましい。
前記水処理方法における前記有機物処理工程において、オゾン処理を行うことが好ましい。
本発明により、水族館や養殖等に用いられる飼育水の有機物の処理を効率よく行い、色度が低減された清澄な飼育水を安定して供給することが可能となる。
本発明の実施形態に係る水処理装置の一例を示す概略構成図である。 比較例で用いた水処理装置を示す概略構成図である。 実施例のオゾン注入率の決定における吸光度の測定結果を示す図である。 実施例および比較例における、飼育日数における排オゾン濃度と硝酸態窒素濃度の変化を示す図である。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係る水処理装置の一例の概略を図1に示し、その構成について説明する。水処理装置1は、水中生物を飼育する水槽10からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定手段として、可視部吸光度測定装置14と、飼育水の有機物処理を行う有機物処理手段として、オゾン発生装置24を備えるオゾン処理装置16と、を備える。水処理装置1は、原水貯槽12と、オゾン処理水槽18と、オゾン分解手段として活性炭処理装置20と、処理水槽22とを備えてもよい。
図1の水処理装置1において、水槽10のオーバーフロー出口と原水貯槽12の入口とが原水配管38により接続されている。原水貯槽12の出口とオゾン処理装置16の入口とがポンプ32およびストレーナ26を介して原水供給配管40により接続され、原水供給配管40におけるストレーナ26の後段側には可視部吸光度測定装置14が設置されている。オゾン処理装置16の出口とオゾン処理水槽18の入口とがオゾン処理水配管42により接続され、オゾン処理水槽18の出口と活性炭処理装置20の入口とがポンプ34を介してオゾン処理水供給配管44により接続されている。活性炭処理装置20の出口と処理水槽22の入口とが処理水配管46より接続されている。処理水槽22の出口と水槽10とがポンプ36を介して返送配管48により接続されている。オゾン処理装置16の下部にはオゾン発生装置24がオゾン供給配管50により接続されている。オゾン処理装置16の上部にはオゾン排出配管52が接続され、オゾン排出配管52にはオゾンガス計28が設置されている。可視部吸光度測定装置14およびオゾン発生装置24は、それぞれ制御部30と電気的接続等により接続されている。
本実施形態に係る水処理方法および水処理装置1の動作について説明する。
水槽10において魚類等の水中生物が飼育水中で飼育されている。飼育水には、水中生物の飼育に伴い、通常、有機物、懸濁物質およびアンモニア態窒素等が含まれる。水中生物を飼育する水槽10内の飼育水は、原水配管38を通して必要に応じて原水貯槽12に貯留される。原水貯槽12内の飼育水は、ポンプ32により原水供給配管40を通してオゾン処理装置16に供給される。必要に応じて原水供給配管40の途中にストレーナ26を設置し、飼育水中の比較的大きめの固形物が除去されてもよい。ここで、原水供給配管40を通る飼育水の可視部吸光度が可視部吸光度測定装置14により測定される(可視部吸光度測定工程)。
オゾン処理装置16には、一方で、オゾン発生装置24で発生させたオゾンがオゾン供給配管50を通して供給される。オゾン処理装置16において、オゾンにより、飼育水中の有機物処理(ここでは主に有機物の分解処理)が行われる(有機物処理工程)。排オゾンは、オゾン排出配管52を通して排出され、必要に応じてオゾンガス計28によりオゾン量が計測される。排オゾンはオゾン除去装置により処理されてもよい。
有機物処理が行われたオゾン処理水は、オゾン処理水配管42を通して必要に応じてオゾン処理水槽18に貯留された後、ポンプ34によりオゾン処理水供給配管44を通して活性炭処理装置20に供給される。活性炭処理装置20において、オゾン処理水中の残オゾンが活性炭により分解処理される(オゾン分解工程)。
残オゾンが分解処理された処理水は、処理水配管46を通して必要に応じて処理水槽22に貯留された後、ポンプ36により返送配管48を通して水槽10に返送され、飼育水に添加される(返送工程)。ポンプ36および返送配管48が、有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を水槽10に返送する返送手段として機能する。
本実施形態に係る水処理装置および水処理方法では、飼育水を循環利用していくうちに上昇する有機物濃度および色度に対して、飼育水の可視部吸光度を測定し、測定した可視部吸光度と有機物処理手段であるオゾン処理装置16の処理強度とを連動させる。例えば、制御部30は、可視部吸光度測定装置14により測定された飼育水の例えば400〜600nmの可視部の波長範囲の吸収スペクトルの吸光度の積算値を算出し、算出した吸光度の積算値からオゾン発生装置24によるオゾンの注入率を決定する。この方法を用いれば、水族館や養殖等に用いられる飼育水をオゾン処理にて効率よく処理し、色度が低減された清澄な飼育水を安定して供給することが可能となる。また、飼育水を循環利用していくうちに濃縮される硝酸等による阻害を低減して、オゾン処理にかかるランニングコストを最適化することができる。飼育水として、特に、水族館のような観賞用水の処理用途には最適である。
オゾンの注入率が過剰になると、排オゾン量が多くなり、排オゾンの除去装置が大型化してしまい、また、オゾン分解手段である活性炭処理装置20への負荷が大きくなる可能性がある。オゾンの注入率が低すぎると、有機物の適切な処理が行われなくなる可能性がある。本実施形態に係る水処理装置および水処理方法では、これらの可能性を低下し、効率よく処理することができる。
飼育水の色度、いわゆる黄ばみが増加する原因は、飼育水中に含まれる有機物等が、黄色の補色にあたる青色(波長:450〜500nm付近)を吸収するためである。また、飼育水中のアンモニア態窒素が酸化されて生じる硝酸の吸収波長は、220〜275nmの範囲である。よって、測定する可視部吸光度の波長範囲としては、硝酸の吸収波長範囲外である少なくとも400〜600nmの範囲を含むことが好ましく、少なくとも450〜500nmを含むことがより好ましい。
飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定装置14としては、少なくとも可視部(400〜800nm)の吸光度を測定することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、オーシャンオプティクス社製ファイバマルチチャンネル分光器USB2000+等が挙げられる。この装置を用いた場合、飼育水の吸光スペクトルが連続監視できるため、タイムラグを抑えたオゾン注入率の制御が可能となる。
図1の例では、可視部吸光度測定装置14は、オゾン処理装置16の前段側である原水供給配管40に設置されているが、これに限らず、オゾン処理装置16の後段側であるオゾン処理水配管42、返送配管48等に設置されてもよいし、オゾン処理装置16の前段側である原水供給配管40等と、オゾン処理装置16の後段側であるオゾン処理水配管42、返送配管48等の両方に設置されてもよい。オゾン処理装置16の後段側で可視部吸光度を測定することにより、オゾン処理が適切に行われているかどうかを判断することもできる。
オゾン注入率を決定する手法の一例を以下に記すが、この限りではない。
まず、前試験にて、オゾン注入率と吸光度の変化を確認する。すなわち、どのくらいのオゾン注入量で、飼育水中の有機物が分解されるかを、吸光度を測定して確認する。
目標とする飼育水の吸光スペクトルを測定し、例えば400〜600nmの波長範囲の任意の複数の波長における吸光度を測定し、測定した吸光度の積算値を求める(=初期吸光度:Ea)。次に、同様に被処理水の吸光度を測定し積算する(=被処理水吸光度:Eb)。被処理水吸光度(Eb)から初期吸光度(Ea)を引いた値(Eb−Ea)が処理対象物質の吸光度(=処理対象吸光度:Ec)となる。被処理水に対しオゾン注入率(mg/L)を変化させた処理実験を行い、処理対象吸光度(Ec)を処理するのに必要なオゾン注入率を示すX値(オゾン注入率/Ec)を算出する。目標とする飼育水は、用途(水族館、養殖等)、飼育する生物種や、飼育密度(単位水量当たりの生物重量)等により任意に決定することができる。例えば、飼育に使用する前の水であるが、循環して水槽10に返送されてくる前の水であってもよい。また、吸光度の測定は、例えば400〜600nmの波長範囲を一定間隔の波長(例えば20nmごと)で吸光度を測定し、測定した吸光度の積算値を求めることで、より適切な処理対象吸光度を算出することができる。さらに、400〜600nmの波長範囲の吸収スペクトルを積分して算出してもよい。
実運転において、飼育水の被処理水吸光度(Eb)より算出した処理対象吸光度(Ec)から、オゾン注入率を決定する。生物の飼育を開始すると生物や餌等に由来する色度が発生するため、Ebが変動し、その結果Ecも変動する。変動するEcにX値を掛けることで、必要なオゾン注入率を決定することができる。よって、変動するEcに対して最適なオゾン注入率を維持することが可能となる。水槽に対して循環する水量が一定の場合、オゾン処理装置に注入するオゾンガス濃度を調整することで、オゾン注入量を制御することができる。被処理水吸光度(Eb)の測定頻度としては、連続測定が望ましいが、許容される有機物濃度の変化によっては、測定頻度を少なくしてもよい。
水槽10において飼育される水中生物の種類、餌の種類等が変更され、飼育水中に含まれる有機物の種類、オゾンによる分解のしやすさ等に変化がある場合には、上記前実験を再度実施すればよい。
有機物処理手段としては、オゾン発生装置を備えるオゾン処理装置の他に、紫外線酸化処理装置等が挙げられる。処理性能等の観点から、オゾン発生装置を備えるオゾン処理装置が好ましい。オゾン処理により有機物が分解処理される。オゾン処理の場合、処理強度としては、オゾンの注入率の他に、例えば、滞留時間等が挙げられる。紫外線酸化処理の場合、処理強度としては、紫外線照射量(mJ/cm)等が挙げられる。
オゾン分解手段としては、活性炭を充填した活性炭充填塔等の活性炭処理装置20の他に、Pd担持担体、酸化チタン、白金等の過酸化物分解触媒を充填した充填塔等が挙げられ、コスト等の観点から活性炭充填塔等の活性炭処理装置が好ましい。また、過酸化物分解触媒を充填した充填塔への通水方向は、下向流と上向流のどちらでもよいが、過酸化物の分解率を高めるためには下向流が好ましい。
図1の例では、処理水の全てが水槽10に返送されて飼育水に添加されているが、処理水の少なくとも一部が水槽10に返送されて飼育水に添加されればよく、処理水の一部が水槽10に返送されて飼育水に添加されてもよいし、処理水の全てが水槽10に返送されて飼育水に添加されてもよい。使用する水量を低減する等の観点から、処理水の一部が水槽10に返送されることが好ましく、処理水の全てが水槽10に返送されることがより好ましい。処理水の全てが水槽10に返送される閉鎖循環系とすることにより、使用する水量を低減することができる等の利点がある。また、循環は、常時循環してもよいし、定期的に循環してもよい。通常は、水槽10中の水質をできるだけ保つために、常時循環すればよい。
本実施形態に係る水処理装置1および水処理方法は、水族館や養殖等、水中生物を飼育する際に用いられる飼育水の処理に適用され、飼育水は海水であっても、淡水であってもよい。特に、アンモニア態窒素を含む海水の処理に適しており、魚類等の水中生物の養殖や水族館等の魚類等の水中生物の飼育水処理に用いられる閉鎖系循環処理により適している。
飼育水中の有機物濃度は、例えば、1〜10mg/Lの範囲である。飼育水中のアンモニア態窒素濃度は、例えば、0.1〜10mg/Lの範囲である。
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
[実験方法]
実施例では、図1に示す水処理装置1を用い、比較例では、図1の水処理装置1における可視部吸光度測定装置14の代わりに紫外部吸光度測定装置60を用いた水処理装置を用いた。実験条件を表1に示す。実験条件は実施例と比較例とで統一し、オゾン注入率の制御方法のみを変更した。なお、可視部吸光度測定装置14としてはオーシャンオプティクス社製ファイバマルチチャンネル分光器USB2000+を用い、紫外部吸光度測定装置60としては、笠原理化工業株式会社製、UVD−502型を用いた。
実施例および比較例の水処理装置を並列運転し、水槽10からの飼育水の色度を色度計(日本電色工業株式会社製、WA−2000N型)により測定し、オゾン処理装置16からの排オゾン濃度をオゾンガス計28(セキアオイデクノ株式会社製、SOZ−6000型)により測定した。本実験において、オゾン処理装置16の後段の活性炭処理装置20は、オゾン処理により生じるオキシダント除去を目的としたものであるが、通水初期において活性炭による色度吸着が生じるため、活性炭が破過した時点をスタートとした。
なお、実施例において、オゾン注入率は以下のようにして決定した。
[実施例におけるオゾン注入率の決定]
目標とする色度の水を用意(今回は人工海水(人工海水作製用粉末(富田製薬株式会社製、マリンアートSF−1)を濃度38g/Lとなるように水に溶解したもの)で、飼育に使用する前のもの)を用いた)・・・A
飼育に伴い色度が上昇した水(有機物濃度:5mg/L、アンモニア態窒素濃度:1mg/L)を用意・・・B
分光光度計(日立製、U−2900型)、石英セル50mmを用いて、上記A,Bそれぞれの吸光光度を400〜600nmの範囲で20nmおきに測定した。結果を表2、図3に示す。
目標とする色度の水Aの各吸光光度の合計値を「初期吸光度:Ea」とし、飼育に伴い色度が上昇した水Bの各吸光光度の合計値を「被処理水吸光度:Eb」とした。被処理水吸光度(Eb)から初期吸光度(Ea)を引いた値(Eb−Ea)を「処理対象吸光度:Ec」とした。
飼育に伴い色度が上昇した水Bに対して、オゾン注入率(mg/L)を変化させた処理実験を行った。結果を表3に示す。処理対象吸光度(Ec)を処理するのに必要なオゾン注入率を示すX値(オゾン注入率/Ec)を算出したところ、以下の通りとなった。
X=[オゾン注入率/Ec]=50/0.872=57.3mg/L
制御部における制御を以下の通りとした。
(1)飼育水の400〜600nmの吸光度を連続測定し、上記と同様にして「被処理水吸光度:Eb」を求める。
(2)「被処理水吸光度:Eb」から「初期吸光度:Ea」引いた値「処理対象吸光度:Ec=Eb−Ea」を求める。
(3)上記EcとXから処理に必要な「オゾン注入率:CWo3(=Ec×X)」を求める。
(4)上記(3)の「オゾン注入率:CWo3」となるように、処理水量:Q(オゾン処理装置16の入口側の原水供給配管40における流量、または、オゾン処理装置16の出口側のオゾン処理水配管42における流量)とオゾンガス流量:QO3(オゾン発生装置24からのオゾン供給配管50におけるガス流量)とから、オゾン濃度:CgO3(=CWo3×Q/QO3)を決定する。これにより、Ecの変動に連動してオゾン濃度を決定することができる。
[実験結果]
オゾン処理装置16からの排オゾン濃度の変化を図4に示す。また、実施例および比較例において、連続飼育中の水槽からの飼育水の色度を測定したところ、いずれも1度未満であった。
比較例において、飼育日数の経過に伴って排オゾン濃度が上昇していった。これは、硝酸態窒素の増加に伴い紫外部吸光度が上昇するため、オゾン注入率が過剰になったためと考えられる。それに対し、実施例は飼育日数が経過しても排オゾン濃度の上昇はほとんど見られなかった。
この結果から、実施例の水処理装置の方が比較例の水処理装置に比べて排オゾン濃度を低減することができ、オゾン発生に掛かるランニングコストを低減できると考えられる。
このように、実施例の水処理装置により、飼育水の有機物の処理を効率よく行い、色度が低減された清澄な飼育水を安定して供給することができることがわかった。
1 水処理装置、10 水槽、12 原水貯槽、14 可視部吸光度測定装置、16 オゾン処理装置、18 オゾン処理水槽、20 活性炭処理装置、22 処理水槽、24 オゾン発生装置、26 ストレーナ、28 オゾンガス計、30 制御部、32,34,36 ポンプ、38 原水配管、40 原水供給配管、42 オゾン処理水配管、44 オゾン処理水供給配管、46 処理水配管、48 返送配管、50 オゾン供給配管、52 オゾン排出配管、60 紫外部吸光度測定装置。

Claims (8)

  1. 水中生物の飼育水の少なくとも一部を循環させ、前記飼育水中に含まれる有機物の処理を行う水処理装置であって、
    水中生物を飼育する水槽からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定手段と、
    前記飼育水の有機物処理を行う有機物処理手段と、
    前記有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する返送手段と、
    測定した前記可視部吸光度と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させる制御手段と、
    を備えることを特徴とする水処理装置。
  2. 請求項1に記載の水処理装置であって、
    前記可視部吸光度測定手段は前記飼育水の可視部の吸光スペクトルを測定し、その吸光スペクトルの可視部吸光度の積算値と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させることを特徴とする水処理装置。
  3. 請求項1または2に記載の水処理装置であって、
    前記可視部吸光度測定手段により測定する可視部吸光度の波長範囲が、少なくとも400〜600nmの範囲を含むことを特徴とする水処理装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の水処理装置であって、
    前記有機物処理手段が、オゾン処理手段であることを特徴とする水処理装置。
  5. 水中生物の飼育水の少なくとも一部を循環させ、前記飼育水中に含まれる有機物の処理を行う水処理方法であって、
    水中生物を飼育する水槽からの飼育水の可視部吸光度を測定する可視部吸光度測定工程と、
    前記飼育水の有機物処理を行う有機物処理工程と、
    前記有機物処理を行った処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する返送工程と、
    を含み、
    測定した前記可視部吸光度と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させることを特徴とする水処理方法。
  6. 請求項5に記載の水処理方法であって、
    前記可視部吸光度測定工程において前記飼育水の可視部の吸光スペクトルを測定し、その吸光スペクトルの可視部吸光度の積算値と前記有機物処理手段の処理強度とを連動させることを特徴とする水処理方法。
  7. 請求項5または6に記載の水処理方法であって、
    前記可視部吸光度測定工程において測定する可視部吸光度の波長範囲が、少なくとも400〜600nmの範囲を含むことを特徴とする水処理方法。
  8. 請求項5〜7のいずれか1項に記載の水処理方法であって、
    前記有機物処理工程において、オゾン処理を行うことを特徴とする水処理方法。
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