JP2019084505A - 水処理装置及び水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の運転に掛かる電力消費量を抑えながら、砂ろ過より飼育水中の懸濁物質を効率的に除去することが可能な水処理装置及び水処理方法を提供する。【解決手段】水生生物を飼育する水槽２８からの飼育水を貯留する貯留槽１０、貯留槽１０からの飼育水を限外ろ過膜又は精密ろ過膜を用いてろ過する膜ろ過装置１２を有し、膜ろ過装置１２によりろ過した処理水の少なくとも一部を水槽２８に返送する水処理装置１であって、膜ろ過装置１２は、水槽２８より高い位置に設置され、貯留槽１０は、膜ろ過装置１２より高い位置に設置され、貯留槽１０からの飼育水を、重力により膜ろ過装置１２に通液する水処理装置１である。【選択図】図１

Description

本発明は、水生生物を飼育する水槽からの飼育水を処理する水処理装置及び水処理方法に関する。

水生生物が飼育されている水槽内の飼育水は、ランニングコスト低減等の観点から、飼育水を循環して用いられる場合がある。従来、飼育水を循環利用する場合、飼育水の循環経路に砂ろ過を設置して、飼育水を砂ろ過によりろ過処理して、飼育水中の懸濁物質等を除去することが行われている。

例えば、特許文献１には、飼育水をろ過工程を通じて循環浄化する方法であって、ろ過工程は、上部に砂以外の生物付着担体を充填した生物付着担体層と、下部に砂を充填した砂層とを有する複層ろ過層に、飼育水を下降流で通液する方法が開示されている。

特開２０１５−２３８４１号公報

ところで、飼育水の懸濁物質等を効率的に除去するには、砂ろ過より、ろ過膜を用いた膜ろ過処理が好適である。しかし、膜ろ過処理の場合、飼育水をろ過膜に通液するためのポンプ動力等が影響して、装置の運転に掛かる電力消費量が増大し、ひいてはランニングコストが増加する場合がある。

そこで、本発明の目的は、装置の運転に掛かる電力消費量を抑えながら、砂ろ過より飼育水中の懸濁物質を効率的に除去することが可能な水処理装置及び水処理方法を提供することである。

本発明は、水生生物を飼育する水槽からの飼育水を限外ろ過膜又は精密ろ過膜を用いてろ過する膜ろ過手段を有し、前記膜ろ過手段によりろ過した処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する水処理装置であって、前記飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液する水処理装置である。

また、上記水処理装置において、前記水槽からの前記飼育水を貯留する貯留槽を有し、前記膜ろ過手段は、前記水槽より高い位置に設置され、前記貯留槽は、前記膜ろ過手段より高い位置に設置され、前記貯留槽からの飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することが好ましい。

また、上記水処理装置において、前記膜ろ過手段を逆洗する逆洗手段を有し、前記貯留槽内の前記飼育水の水位が所定水位以上に達した際に、前記逆洗手段により前記膜ろ過手段を逆洗することが好ましい。

また、上記水処理装置において、前記水槽内の飼育水の一日当たりの循環回数は、６回／日以上であることが好ましい。

また、本発明は、限外ろ過膜又は精密ろ過膜を有する膜ろ過手段により、水生生物を飼育する水槽からの飼育水をろ過する膜ろ過工程を有し、前記膜ろ過工程によりろ過した処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する水処理方法であって、前記膜ろ過工程では、前記飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液する水処理方法である。

また、前記水処理方法において、前記膜ろ過手段を前記水槽より高い位置に設置し、前記水槽からの前記飼育水を貯留する貯留槽を前記膜ろ過手段より高い位置に設置し、前記膜ろ過工程では、前記貯留槽からの飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することが好ましい。

また、前記水処理方法において、前記貯留槽内の前記飼育水の水位が所定水位以上に達した際に、前記膜ろ過手段を逆洗する逆洗工程を有することが好ましい。

また、上記水処理方法において、前記水槽内の飼育水の一日当たりの循環回数を６回／日以上とすることが好ましい。

本発明によれば、装置の運転に掛かる電力消費量を抑えながら、砂ろ過より飼育水中の懸濁物質を効率的に除去することが可能となる。

本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。

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。

図１は、本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。図１に示す水処理装置１は、貯留槽１０、膜ろ過手段としての限外ろ過膜または精密ろ過膜を有する膜ろ過装置１２、処理水槽１４、循環ポンプ１６、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ、逆洗ポンプ２０、逆洗配管２２ａ，２２ｂ、制御部２４を備えている。図１に示す貯留槽１０には水位計２６が設置されている。

図１に示す水処理装置１では、水生生物が飼育される水槽２８より高い位置に処理水槽１４及び膜ろ過装置１２が設置され、膜ろ過装置１２より高い位置に貯留槽１０が設置されている。すなわち、膜ろ過装置１２と貯留槽１０との間には、膜ろ過装置１２と貯留槽１０との位置の差による水頭差が生じている。なお、図１に示す水処理装置１では、処理水槽１４（膜ろ過装置１２）と水槽２８との間には、処理水槽１４（膜ろ過装置１２）と水槽２８との位置の差による水頭差が生じている。

図１の水処理装置１において、水槽２８の出口と貯留槽１０の入口とが循環ポンプ１６を介して配管１８ａにより接続されている。また、貯留槽１０の出口と膜ろ過装置１２の一次側とが配管１８ｂにより接続され、膜ろ過装置１２の二次側と処理水槽１４の入口とが配管１８ｃにより接続されている。また、処理水槽１４の出口と水槽２８の入口とが配管１８ｄにより接続されている。また、処理水槽１４の逆洗用出口と膜ろ過装置１２の２次側とは逆洗ポンプ２０を介して逆洗配管２２ａにより接続され、膜ろ過装置１２の一次側には逆洗配管２２ｂが接続されている。

制御部２４は、水位計２６及び各ポンプと電気的に接続されている。制御部２４は、貯留槽１０の水位計２６により計測された水位に基づいて、各ポンプの稼働・停止を制御する機能を有する。

本実施形態に係る水処理装置１の動作について説明する。

水槽２８内では、魚類等の水生生物が飼育水中で飼育されている。飼育水は、水族館等に設置される展示水槽、養殖用水槽、活魚水槽等の水槽水等が挙げられ、淡水でも海水でもよい。飼育水は、水生生物の飼育に伴い、通常、懸濁物質等が含まれる。

水槽２８内の飼育水は、循環ポンプ１６により配管１８ａを通して貯留槽１０に貯留される。貯留槽１０内の飼育水は、重力（水頭差）により、配管１８ｂを通り、膜ろ過装置１２に通液され、飼育水中の懸濁物質等が限外ろ過膜や精密ろ過膜によりろ過される（膜ろ過工程）。懸濁物質等がろ過された処理水は、配管１８ｃを通して処理水槽１４に貯留される。また、処理水槽１４内の処理水の少なくとも一部は、配管１８ｄを通して水槽２８に返送され、水槽２８内の飼育水として循環利用される。図１に示す水処理装置１では、膜ろ過装置１２から処理水槽１４、処理水槽１４から水槽２８への処理水の供給も、水頭差により行われている。

このように、図１に示す水処理装置１では、水槽２８からの飼育水を限外ろ過膜や精密ろ過膜を有する膜ろ過装置１２により、水槽２８からの飼育水をろ過しているため、砂ろ過によるろ過と比べて、飼育水中の懸濁物質等を効率的に除去することが可能となる。

また、図１に示す水処理装置１のように、膜ろ過装置１２への飼育水の通液を重力（水頭差）により行うことで、膜ろ過装置１２への飼育水の通液を重力（水頭差）を利用せずに行った場合と比較して、以下に例示するように、循環ポンプ１６の電力消費量が削減される。

水槽２８からの飼育水を、重力（水頭差）を利用せずに、限外ろ過膜や精密ろ過膜を有する膜ろ過装置に通液する場合、飼育水が限外ろ過膜又は精密ろ過膜を通過する分のポンプ動力が必要となる。例えば、１０ｍ^３水槽に対し、循環回数を６回／日とした時、重力を利用しない場合の循環ポンプの電力消費量は、以下の通りとなる。

＜重力利用しない場合＞
限外ろ過の圧力損失を０．２ＭＰａ（閉塞時考慮）、循環流量を２．５ｍ^３／ｈ（＝６回／日）、配管による圧力損失を０．１ＭＰａ、必要ポンプ能力として流量を２．５ｍ^３/ｈ及び揚程を３０ｍ（０．３ＭＰａ相当）とすると、循環ポンプ（例えば、グルンドフォス製ＣＲＮ１−８）の電力消費量は、０．７５ｋＷである。さらに、循環ポンプの稼働時間を２４（ｈ／日）、３６５（日／年）とすると、０．７５（ｋＷ）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）＝６．６ＭＷｈ／年となる。

一方、本実施形態のように、水槽２８からの飼育水を、重力（水頭差）により限外ろ過膜や精密ろ過膜を有する膜ろ過装置１２に通液する場合、循環ポンプ１６の動力は、所定の水頭差が生じるまで、飼育水を引き上げる分のポンプ動力で足りる。例えば、前述と同様に、１０ｍ^３水槽に対し、循環回数を６回／日とした時、重力を利用する場合の循環ポンプの電力消費量は、以下の通りとなる。

＜重力利用する場合＞
循環流量を２．５ｍ^３／ｈ（＝６回／日）、配管による圧力損失を０．１ＭＰａ、限外ろ過の圧力損失を水頭差にて充当し、必要ポンプ能力として流量を２．５ｍ^３/ｈ及び揚程１０ｍ（０．１ＭＰａ相当）とすると、循環ポンプ（例えば、グルンドフォス製ＣＲＮ１−８）の電力消費量は、０．５５ｋＷである。さらに、循環ポンプの稼働時間を２４（ｈ／日）、３６５（日／年）とすると、０．５５（ｋＷ）×２４（ｈ／日）×３６５（日／年）＝４．８ＭＷｈ／年となる。

このように、膜ろ過装置１２への飼育水の通液を重力（水頭差）により通液することで、循環ポンプの電力消費量が削減される。これにより、装置の運転に掛かる電力消費量が抑えられ、ひいてはランニングコストの増大を抑えることが可能となる。膜ろ過装置１２へ飼育水を通液する際の水頭差（図１で言えば、貯留槽１０と膜ろ過装置１２との位置の差）は、膜ろ過装置１２に用いられる限外ろ過膜や精密ろ過膜の性能等にもよるが、膜の圧力損失を考慮して、例えば、１ｍ〜３０ｍの範囲であることが好ましく、５ｍ〜２０ｍの範囲であることが好ましい。

また、図１に示す水処理装置１では、膜ろ過装置１２からの処理水を重力（水頭差）により水槽２８へ返送しているので、飼育水の循環に必要な循環ポンプ１６の電力消費量はさらに削減される。

ところで、図１に示す水処理装置１において、膜ろ過工程を継続すると、飼育水中の懸濁物質等が限外ろ過膜や精密ろ過膜の膜面に堆積して、ろ過膜の細孔が閉塞するファウリングが引き起こされる場合があるので、逆洗工程を実施することが好ましい。例えば、循環ポンプ１６を停止した後、逆洗ポンプ２０を稼働させて、処理水槽１４内の処理水の少なくとも一部を逆洗水として、逆洗配管２２ａを通して膜ろ過装置１２の２次側から１次側に通液させて、ろ過膜を洗浄する（逆洗工程）。そして、膜ろ過装置１２の一次側の逆洗排水を逆洗配管２２ｂから排出する。

通常、懸濁物質等が限外ろ過膜や精密ろ過膜の膜面に堆積していくと、ろ過膜を通過する飼育水量が減少するため、貯留槽１０内の飼育水の水位が上昇する。したがって、逆洗工程は、貯留槽１０内の飼育水の水位が所定水位以上に達した際に実施することが望ましい。図１に示す水処理装置１では、例えば、貯留槽１０に設置された水位計２６により計測された水位データが制御部２４に送信され、制御部２４により、送信された水位データと予め設定した所定値とが比較される。そして、水位データが所定値以上である場合に、制御部２４により、各ポンプの稼働・停止が制御され、前述した逆洗工程が実施される。なお、所定値は適宜設定されればよい。

また、逆洗工程は、所定時間毎に行ってもよい。すなわち、膜ろ過工程を所定時間行った後に、逆洗工程を所定時間行うというサイクルを繰り返してもよい。また、このサイクルの膜ろ過工程中に、貯留槽１０内の飼育水の水位が所定水位以上に達した際には、逆洗工程を実施することが好ましい。

水槽２８内の飼育水の一日当たりの循環回数は、６回／日以上であることが好ましく、６回／日〜２４回／日であることがより好ましい。水槽２８内の飼育水の循環回数とは、１日当たりに、水槽２８内の飼育水が循環経路（配管１８ａ〜ｄ）を通る回数であり、以下の式により表される。
循環回数（回／日）＝２４ｈ/日×循環流量（ｍ^３/ｈ）÷水槽容積（ｍ^３）

水槽２８内の飼育水の一日当たりの循環回数を６回／日以上とすることで、飼育水中の懸濁物質等を効率的に除去することが可能であり、水槽２８内の飼育水を清澄な状態に維持することが容易となる。一般的に、懸濁物質の除去には砂ろ過装置が用いられ、清澄な状態を維持するためには循環回数を２４回以上とする必要があるが、本願では、砂ろ過装置よりもろ過精度が高い膜ろ過装置であるので、従来の砂ろ過装置よりも少ない循環回数で清澄な状態を維持することが可能となる。さらに、膜ろ過装置１２への飼育水の通液を重力（水頭差）により行う図１に示す水処理装置１では、水槽２８内の飼育水の一日当たりの循環回数を６回／日以上としても、循環ポンプ１６の電力消費量が抑えられる。

図１に示す水処理装置１では、膜ろ過装置１２を水槽２８より高い位置に設置し、貯留槽１０を膜ろ過装置１２より高い位置に設置する設置形態としたが、膜ろ過装置１２への飼育水の通液を重力（水頭差）により通液することが可能な設置形態であれば、上記に制限されるものではない。図での説明は省略するが、例えば、水生生物が飼育される水槽２８より低い位置に貯留槽１０が設置され、貯留槽１０より低い位置に膜ろ過装置１２及び処理水槽１４が設置される設置形態でもよい。このような構成によっても、膜ろ過装置１２と貯留槽１０との間には、膜ろ過装置１２と貯留槽１０との位置の差による水頭差が生じるため、貯留槽１０内の飼育水は、重力（水頭差）により、膜ろ過装置１２に通液され、飼育水中の懸濁物質等が限外ろ過膜や精密ろ過膜によりろ過される（膜ろ過工程）。なお、懸濁物質等が除去された処理水は、水槽２８より低い位置にあるため、循環ポンプ１６により水槽２８に返送する必要がある。

貯留槽１０及び膜ろ過装置１２の設置形態としては、膜ろ過装置１２を水槽２８より高い位置に設置し、貯留槽１０を膜ろ過装置１２より高い位置に設置する設置形態の方が、貯留槽１０を水槽２８より低い位置に設置し、膜ろ過装置１２を貯留槽１０より低い位置に設置する設置形態より、建築躯体への過重負荷軽減の点で好ましい。近年、水族館等が商業施設などのテナントとして運営されることがあり、水処理設備が高層階へ分配される場合がある。貯留槽１０を水槽２８より低い位置に設置し、膜ろ過装置１２を貯留槽１０より低い位置に設置する設置形態では、飼育水槽などの容積が大きい水槽２８を、容量の小さい貯留槽１０や膜ろ過装置１２より高層階に設置せざるを得ない場合がある。この場合には、建築躯体への過剰負荷を考慮し、設計強度を強化する必要があり、建築躯体へのコストアップが生じる虞がある。

本実施形態の水処理装置１において、貯留槽１０は必須の構成ではないが、貯留槽１０内の飼育水の水位から、膜ろ過装置１２に対する逆洗工程の実施タイミングを決定する点等において、貯留槽１０を設置することが望ましい。なお、貯留槽１０が無くても、配管１８ａにより水頭差が形成される位置まで飼育水を引き上げれば、重力（水頭差）により膜ろ過装置１２に飼育水を通液することは可能である。

本実施形態の水処理装置１において、処理水槽１４は必須の構成ではないが、膜ろ過装置１２に対する逆洗工程を実施する点等において、処理水槽１４を設置することが望ましい。

膜ろ過装置１２としては、限外ろ過膜（ＵＦ膜）または精密ろ過膜（ＭＦ膜）を有するものであればよく、特に制限はない。

本実施形態に係る水処理装置１は、オゾン発生装置を備えるオゾン処理装置や活性炭処理装置を循環経路中（配管１８ａ〜１８ｄ）に設置してもよい。水槽２８内の飼育水には、水生生物の飼育に伴い、懸濁物質以外にも有機物やアンモニア態窒素等が含まれる場合があるが、上記オゾン処理装置や活性炭処理装置等を設置することで、有機物やアンモニア態窒素等を効率的に処理することができるため、より清澄な飼育水を水槽２８に返送することが可能となる。

本実施形態の水処理装置１は、水生生物を飼育する際に用いられる飼育水を処理するために、水族館や養殖場等で使用されるものであるが、特に、内陸型水族館での使用が好適である。内陸型水族館は、複数階からなる建物である場合が多いため、貯留槽１０や膜ろ過装置１２を各階に分散させて配置すれば、膜ろ過装置１２へ飼育水を通液するための水頭差を容易に形成することができる。なお、貯留槽１０や膜ろ過装置１２を各階に分散させて配置することができない場合には、例えば、所定の高さを有する台座等に貯留槽１０を載置して、膜ろ過装置１２へ飼育水を通液するための水頭差を確保すればよい。

１ 水処理装置、１０ 貯留槽、１２ 膜ろ過装置、１４ 処理水槽、１６ 循環ポンプ、１８ａ〜１８ｄ 配管、２０ 逆洗ポンプ、２２ａ，２２ｂ 逆洗配管、２４ 制御部、２６ 水位計、２８ 水槽。

Claims (8)

1. 水生生物を飼育する水槽からの飼育水を限外ろ過膜又は精密ろ過膜を用いてろ過する膜ろ過手段を有し、前記膜ろ過手段によりろ過した処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する水処理装置であって、
   前記飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することを特徴とする水処理装置。
2. 前記水槽からの前記飼育水を貯留する貯留槽を有し、
   前記膜ろ過手段は、前記水槽より高い位置に設置され、前記貯留槽は、前記膜ろ過手段より高い位置に設置され、前記貯留槽からの飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記膜ろ過手段を逆洗する逆洗手段を有し、
   前記貯留槽内の前記飼育水の水位が所定水位以上に達した際に、前記逆洗手段により前記膜ろ過手段を逆洗することを特徴とする請求項２に記載の水処理装置。
4. 前記水槽内の飼育水の一日当たりの循環回数は、６回／日以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
5. 限外ろ過膜又は精密ろ過膜を有する膜ろ過手段により、水生生物を飼育する水槽からの飼育水をろ過する膜ろ過工程を有し、前記膜ろ過工程によりろ過した処理水の少なくとも一部を前記水槽に返送する水処理方法であって、
   前記膜ろ過工程では、前記飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することを特徴とする水処理方法。
6. 前記膜ろ過手段を前記水槽より高い位置に設置し、前記水槽からの前記飼育水を貯留する貯留槽を前記膜ろ過手段より高い位置に設置し、
   前記膜ろ過工程では、前記貯留槽からの飼育水を、重力により前記膜ろ過手段に通液することを特徴とする水処理方法。
7. 前記貯留槽内の前記飼育水の水位が所定水位以上に達した際に、前記膜ろ過手段を逆洗する逆洗工程を有することを特徴とする請求項６に記載の水処理方法。
8. 前記水槽内の飼育水の一日当たりの循環回数を６回／日以上とすることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の水処理方法。

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