JP2017184667A - 水処理方法、および水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】硝化菌を保持した担体を用いることなく、十分に硝化反応が行える水処理システムを提供する。【解決手段】取水口１１と排水口１２とが飼育水槽２０に接続された循環配管１０を有し、循環配管１０中に硝化菌を保持した担体を有さず、循環配管１０が酸素ガス供給装置を備える水処理システム１。【選択図】図１

Description

本発明は、廃水中のアンモニア態窒素を処理する水処理方法、および水処理システムに関する。

水槽で水棲生物を飼育すると、生物の排泄物や残餌からアンモニア態窒素やリン酸等が生じる。水族館や陸上養殖施設では、飼育水を浄化処理した後に水槽に戻す循環利用が行われているが、アンモニア態窒素は、硝化槽において、硝化菌と総称される微生物群により好気的条件下で酸化され、硝酸態窒素や亜硝酸態窒素に変換される。

硝化菌は、砂、木炭、活性炭、天然軽石、発泡コンクリート軽石、発泡ガラス、プラスチック、スポンジ等の担体に保持され、この担体を金網やネット等の内部に充填することにより、硝化槽からの流出を防いでいる。ここで、硝化処理は、廃水を硝化菌を保持した担体に接触させることにより行われるが、長期間使用しているうちに、廃水中の浮遊懸濁物質（以下、「ＳＳ」ともいう）が、担体表面や担体同士の間に蓄積し、目詰まりが発生してしまう。目詰まりが発生すると、廃水と担体との接触が悪くなり硝化能が低下するため、定期的に水を逆流させる逆洗を行い、目詰まりを解消することが行われているが、逆洗により硝化菌が流出して、硝化能が低下する場合がある。

特許文献１には、硝化処理を行う生物濾過槽に流入させた飼育水を、懸濁物を除去する泡沫分離装置に引き込み、懸濁物を除去するとともに溶存酸素量を高めた水を生物濾過槽に戻す飼育水処理方法が提案されている。特許文献１では、飼育水中の懸濁物が蓄積することを防ぐために、ＳＳを通過させる間隙を形成するサイズの粒状体を濾材とし、この濾材を硝化菌の担体として利用している。しかし、担体である粒状体同士の間に形成される間隙の大きさは様々であるから、小さな間隙は懸濁物で目詰まりしてしまう。また、粒状体のサイズを大きくすることにより、間隙を大きくして懸濁物を蓄積しにくくすることはできるが、粒状体のサイズが大きくなると、生物濾過槽内の粒状体の総表面積が小さくなり、硝化能が低下してしまう。

特開２００９−６０８７２号公報

硝化菌を保持した担体を用いることなく、十分に硝化反応が行える水処理システムを提供することを課題とする。

１．取水口と排水口とが飼育水槽に接続された循環配管を有し、
前記循環配管中に硝化菌を保持した担体を有さず、
前記循環配管が酸素ガス供給装置を備えることを特徴とする水処理システム。
２．前記循環配管の少なくとも一部が、並列に分岐した複数本のラインを備え、
前記複数本のラインの総断面積が、分岐する直前の前記循環配管の断面積よりも大きく、
前記酸素含有ガス供給装置が、前記ラインに分岐する箇所より上流、または、前記ラインの少なくとも一つに設けられていることを特徴とする１．に記載の水処理システム。
３．前記循環配管が、前記酸素ガス供給装置の下流にスタティックミキサーを備えることを特徴とする１．または２．に記載の水処理システム。
４．前記酸素ガス供給装置が、微細気泡発生装置であることを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の水処理システム。
５．飼育水槽から飼育水を取り出し、浄化処理を行った後に前記飼育水槽に戻す循環配管中に、
硝化菌を保持した担体が存在せず、酸素含有ガスを供給することを特徴とする水処理方法。
６．前記循環配管の少なくとも一部が、並列に設けられた複数本のラインに分岐し、
前記複数本のラインの総断面積が、分岐する直前の前記循環配管の断面積よりも大きく、
前記酸素含有ガスを、前記ラインに分岐する箇所より上流、または、前記ラインの少なくとも一つに供給することを特徴とする５．に記載の水処理方法。
７．前記酸素含有ガスが、空気であることを特徴とする５．または６．に記載の水処理方法。
８．前記酸素含有ガスを、溶存酸素濃度が５ｍｇ／Ｌ以上となるように供給することを特徴とする５．〜７．のいずれかに記載の水処理方法。

本発明の水処理システムは、硝化菌を保持する担体を用いることなく、アンモニア態窒素を硝化することができる。担体が存在しないため、担体の補充、交換、逆洗等のメンテナンス作業が不要である。また、逆洗する必要が無いため、硝化能が低下せず、一定の性能を維持することができる。
循環配管を、並列に設けられた複数本のラインに分岐し、この複数本のラインの総断面積を、分岐する直前の循環配管の断面積よりも大きくすることにより、分岐したラインにおける流速を遅くすることができる。この分岐したラインの少なくとも一つに酸素を供給することにより、水と酸素との接触時間を長くすることができ、硝化をより進行することができる。
循環配管が、酸素ガス供給装置より下流にスタティックミキサーを備えることにより、気泡を細かく分散することができる。また、微細気泡発生装置を用いることにより、細かな気泡を導入することができる。気泡が細かいほど単位体積あたりの表面積が大きくなり、酸素を効率的に水に溶解させることができるため、硝化反応を促進することができる。さらに、ファインバブルを導入することにより、酸素を飽和溶解度以上に溶解させて過飽和とすることができる。

本発明の水処理システムは、巨大な硝化槽が不要なため、従来の硝化槽を備える水処理システムと比較してコンパクトである。また、イニシャルコスト、ランニングコストを減らすことができる。
本発明の水処理システムは、既設の硝化槽を備える循環配管にも適用することができる。硝化槽から担体を取り除き、酸素含有ガス供給装置を硝化槽に接続するだけでよいため、少ない設備投資で本発明の水処理システムを構築できる。

本発明の水処理システムの第一構成例を示す図。 本発明の水処理システムの第二構成例を示す図。 本発明の水処理システムの第三構成例を示す図。 実験１におけるアンモニア態窒素濃度の測定結果。 実験２におけるアンモニア態窒素濃度の測定結果。 実験３におけるアンモニア態窒素濃度の測定結果。

本発明は、硝化菌を保持した担体を用いない飼育水槽の水処理方法に関する。
図１に、本発明の水処理システムの第一構成例を示す。
第一構成例である水処理システム１は、飼育水槽２０に取水口１１と排水口１２とが接続された循環配管１０を有する。循環配管１０には、酸素含有ガス供給装置１３、スタティックミキサー１４、水温調整装置１５、殺菌装置１６とが順に設けられている。循環配管１０は、取水口１１から飼育水を取り込み、様々な処理を行った後、排水口１２から飼育水を飼育水槽２０に戻すものである。飼育水が、水処理され、循環利用されることにより、飼育水槽２０内の環境を一定の状態に保つことができる。

酸素含有ガス供給装置１３は、循環配管１０内に、酸素含有ガスを供給するものである。酸素含有ガス供給装置１３としては、特に制限されず、市販の泡発生装置を用いることができる。酸素含有ガスは、循環配管１０内に直接、または、循環配管１０に接続された分岐管から予め酸素含有ガスを供給した水として供給する。酸素含有ガスとしては、酸素、または空気が挙げられ、安価な空気を供給することが好ましい。

ここで、水中の気泡は、径が小さくなるほど単位体積あたりの表面積が大きくなるため、水に早く溶解する。酸素含有ガスが供給される地点より下流の循環配管１０内に、スタティックミキサー１４を設置することにより、気泡を小さく分散することができ、酸素の溶解を早めることができる。また、酸素含有ガス供給装置１３として、直径約０．１μｍ〜１０００μｍの微細気泡を発生する微細気泡発生装置を用いることもできる。

硝化菌は、好気性であるため、溶存酸素濃度が高くなるほど活性が高くなり、アンモニア態窒素を効果的に硝化する。水への気体の溶解は、圧力が高いほど、また、水温が低いほど多くなるが、水処理は常圧で行われるため、酸素の飽和溶解度は水温に依存し、２５℃の水で約８ｍｇ／Ｌ、５℃の水で約１２ｍｇ／Ｌである。しかし、直径約０．１μｍ〜１０００μｍの微細気泡、特に直径約０．１μｍ〜１００μｍのファインバブルは、表面張力により外部圧よりも気泡内圧力が高くなる自己加圧効果により収縮し、最終的に溶解、消滅する。そのため、酸素含有ガスをファインバブルとして供給することにより、酸素を飽和溶解度以上に溶解させ、過飽和とすることができる。溶存酸素濃度は、５ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましく、７ｍｇ／Ｌ以上であることがより好ましく、９ｍｇ／Ｌ以上であることがさらに好ましく、１２ｍｇ／Ｌ以上であることが最も好ましい。

水温調整装置１５としては、ヒーター、クーラー、熱交換器等を適宜利用することができる。
殺菌装置１６は、病原菌を死滅させ、飼育生物の病気を防ぐためのものであるが、硝化菌も死滅させてしまう。そのため、本発明の水処理システムにおいて、硝化は、循環配管１０における酸素含有ガス供給装置１３から殺菌装置１６までの間で行われる。硝化が行われる時間を長くするために、酸素含有ガス供給装置１３を通過した水が、殺菌装置１６に到達するまでの時間は長いほうが好ましい。酸素含有ガス供給装置１３を通過した水が殺菌装置１６に到達するまでの時間は、取水量、酸素含有ガス供給装置１３から殺菌装置１６までの配管長、配管径等により調整することができる。酸素含有ガス供給装置１３を通過した水が殺菌装置１６に到達するまでの時間は、１０分以上であることが好ましく、１５分以上であることがより好ましく、２０分以上であることがさらに好ましく、３０分以上であることが最も好ましい。

図２に、本発明の水処理システムの第二構成例を示す。なお、第二構成例において、第一構成例と同一部材には同一符号を付す。
第二構成例である水処理システム２は、硝化菌が保持された担体により硝化を行うための硝化槽１７を有する循環配管を利用する例である。
硝化槽１７は、内部に担体を有さない。硝化槽１７には、酸素含有ガス供給装置１３が接続されており、酸素含有ガス、または酸素含有ガスが供給された水が、硝化槽の内部に供給される。硝化槽は、一定の容積を有しており、硝化槽内で、水は一定時間滞留する。硝化槽内に酸素含有ガスを供給することにより、酸素含有ガスが供給された水が殺菌装置１６に到達するまでの時間を長くすることができ、硝化反応をより進行することができる。既設の担体を備えた硝化槽から担体を取り除いて、第二構成例の硝化槽１７とすることもできる。

図３に、本発明の水処理システムの第三構成例を示す。なお、第三構成例において、第一構成例と同一部材には同一符号を付す。
第三構成例である水処理システム３は、循環配管１０の一部が、並列に設けられた三本のライン１０１、１０２、１０３に分岐した後、合一する。なお、分岐するラインの本数は特に制限されない。
水処理システム３において、酸素含有ガス供給装置１３は、循環配管１０が三本のラインに分岐する箇所より上流に酸素含有ガスを供給する。なお、酸素含有ガス供給装置１３は、ラインの少なくとも一つに酸素含有ガスを供給することもできる。
水処理システム３において、複数本のライン１０１、１０２、１０３の総断面積（Ｓ１）は、分岐する直前の循環配管の断面積（Ｓ０）よりも大きい。複数本のラインの総断面積（Ｓ１）は、循環配管の断面積（Ｓ０）の３倍以上であることが好ましく、５倍以上であることがより好ましく、１０倍以上であることが最も好ましい。ラインの総断面積（Ｓ１）が、循環配管の断面積（Ｓ０）のｎ倍となると、ライン内での流速（ｖ１）は、循環配管内での流速（ｖ０）の１／ｎ倍となる。
第三構成例の水処理システムは、ラインの内部を酸素含有ガスが供給された水が流れ、このラインにおける流速が遅いため、酸素含有ガスが供給された水が、殺菌装置１６に到達するまでの時間を長くすることができ、硝化反応をより進行することができる。

本発明の水処理システムにおいて、飼育水槽２０で飼育する水棲生物の種類としては特に制限されず、魚類、イカ、タコ等の頭足類、エビ、カニ、カブトエビ、シャコ、ヤドカリ、グソクムシ等の甲殻類、イソギンチャク、クラゲ、サンゴ等の刺胞動物、ウニ、ナマコ、ヒトデ等の棘皮動物、カエル、サンショウウオ等の両生類、カメ、ヘビ、ワニ等の爬虫類、ペンギン、エトピリカ等の鳥類、カワウソ、アシカ、ラッコ、オットセイ、ジュゴン、マナティー、イルカ等の哺乳類等を挙げることができる。また、淡水に生息する水棲生物、海水に生息する水棲生物のどちらの飼育にも用いることができる。
本発明の水処理システムは、これら水棲生物を飼育する水族館、陸上養殖施設等に用いることができる。

また、図１〜３に示す水処理システムは構成例であり、本発明の水処理システムはこれらに限定されない。例えば、脱窒菌（従属栄養細菌）の作用により硝酸態窒素や亜硝酸態窒素を窒素にまで還元（脱窒）する脱窒層、有機物を酸、アルカリ、酵素、可溶化菌等により可溶化する分解槽、プロテインスキマー、フィルター等の物理ろ過装置等を設けることができる。また、スタティックミキサー、既設の硝化槽、複数並列に分岐したラインのうち、複数を備えることもできる。

「実験１」
熱帯魚を飼育している水槽（海水）から飼育海水１Ｌ、硝化槽から硝化菌が保持されている担体（スポンジ：３３ｍｍ×３３ｍｍ×３３ｍｍ、７個）を取り出し、２Ｌ容ビーカーに入れた。飼育海水のアンモニア態窒素濃度が低かったため、塩化アンモニウムを添加してアンモニア態窒素の初期濃度を２．７ｍｇ／Ｌとした。

ビーカー内の飼育海水にエアレーション（排気量９．２Ｌ／分）を行った。エアレーションにより、試験中の溶存酸素濃度は８．２ｍｇ／Ｌで維持された。試験開始時を０時間として、１．５、３．５、６、２４時後に飼育海水をサンプリングしてアンモニア態窒素濃度を測定した。測定結果を図４に示す。
アンモニア態窒素は、徐々に減少し、６時間後には濃度がゼロとなった。これは、エアレーションにより、飼育海水が好気的環境下となり、担体に棲みついている硝化菌が活性化して硝化反応が進行したためである。

「実験２」
実験１と同条件下において、エアレーションをした場合としない場合との比較試験を実施した。２４時間後にアンモニア態窒素濃度を測定した結果を図５に示す。
エアレーションをした場合は、実験１と同様にアンモニア態窒素濃度はゼロとなったが、エアレーションをしない場合は、逆にアンモニア態窒素濃度が上昇した。これは、酸素不足により硝化菌の活性が低下してアンモニア態窒素を硝化できず、また、水中の微生物が残存するタンパク質等を代謝して新たなアンモニア態窒素が生じたためであると推測される。

「実験３」
実験１と同様に、担体（スポンジ：３３ｍｍ×３３ｍｍ×３３ｍｍ、７個）がある場合と担体がない場合の比較試験を実施した。なお、アンモニア態窒素の初期濃度は、塩化アンモニウムを添加して０．９ｍｇ／Ｌとした。１、４時間後にアンモニア態窒素濃度を測定した結果を図６に示す。
試験開始後１時間では担体がある場合の方が硝化性能は大きかったが、４時間ではいずれの場合もアンモニア態窒素濃度はゼロとなった。実験開始時の系に存在する硝化菌の量は、担体がない場合は、水中に単独またはＳＳに付着して浮遊しているのみであり、担体がある場合と比較しておよそ１００分の１以下であると推測される。担体がない場合であっても、飼育海水中に生息している僅かな硝化菌をエアレーション（排気量９．２Ｌ／分）により活性化することにより、アンモニア態窒素濃度をゼロにすることができた。

１〜３ 水処理システム
１０ 循環配管
１１ 取水口
１２ 排水口
１３ 酸素含有ガス供給装置
１４ スタティックミキサー
１５ 水温調整装置
１６ 殺菌装置
１７ 硝化槽
１０１〜１０３ ライン
２０ 飼育水槽

Claims (8)

1. 取水口と排水口とが飼育水槽に接続された循環配管を有し、
   前記循環配管中に硝化菌を保持した担体を有さず、
   前記循環配管が酸素ガス供給装置を備えることを特徴とする水処理システム。
2. 前記循環配管の少なくとも一部が、並列に分岐した複数本のラインを備え、
   前記複数本のラインの総断面積が、分岐する直前の前記循環配管の断面積よりも大きく、
   前記酸素含有ガス供給装置が、前記ラインに分岐する箇所より上流、または、前記ラインの少なくとも一つに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記循環配管が、前記酸素ガス供給装置の下流にスタティックミキサーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の水処理システム。
4. 前記酸素ガス供給装置が、微細気泡発生装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水処理システム。
5. 飼育水槽から飼育水を取り出し、浄化処理を行った後に前記飼育水槽に戻す循環配管中に、
   硝化菌を保持した担体が存在せず、酸素含有ガスを供給することを特徴とする水処理方法。
6. 前記循環配管の少なくとも一部が、並列に設けられた複数本のラインに分岐し、
   前記複数本のラインの総断面積が、分岐する直前の前記循環配管の断面積よりも大きく、
   前記酸素含有ガスを、前記ラインに分岐する箇所より上流、または、前記ラインの少なくとも一つに供給することを特徴とする請求項５に記載の水処理方法。
7. 前記酸素含有ガスが、空気であることを特徴とする請求項５または６に記載の水処理方法。
8. 前記酸素含有ガスを、溶存酸素濃度が５ｍｇ／Ｌ以上となるように供給することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の水処理方法。
   

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