JP2022061956A - 水処理方法および水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理水に含まれる窒素を効率的に除去するとともに、被処理水からマイクロプラスチックを効率的に回収することができる技術を提供する。【解決手段】 本発明のある態様は、養殖槽２０および水処理槽３０を備える水処理システム１０である。養殖槽２０において水生生物が養殖される。水処理槽３０において、養殖槽２０から導入された被処理水中でマイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類が成長する。当該藻類により、被処理水に含まれるマイクロプラスチックが回収されるとともに、被処理水に含まれる窒素化合物が除去される。【選択図】 図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り （１）集会の開催日：令和２年１０月３日 エコテックグランプリ

特許法第３０条第２項適用申請有り （２）集会の開催日：令和２年１０月２９日 イッカクプロジェクト中間報告会

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特許法第３０条第２項適用申請有り （１２）集会の開催日：令和３年４月２８日 藤森科学技術振興財団授与式（オンライン）

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本発明は、水処理方法および水処理システムに関する。

近年、魚介類などの水生生物を陸上で養殖する陸上養殖が注目されている。陸上養殖では、魚介類の排泄物、残餌などが水中で微生物により分解されることによって生じる亜硝酸態窒素（ＮＯ_２－Ｎ）、アンモニア態窒素（ＮＨ_４ ^＋－Ｎ）などの窒素化合物が蓄積し、濃度が高くなると、水生生物の生息に悪影響をもたらす。このため、陸上養殖においては、窒素化合物の除去、換言すると脱窒素が不可欠である。

従来、脱窒素手段として、活性汚泥を用いた脱窒素手段（特許文献１参照）や、細菌を用いた脱窒素手段が知られている（特許文献２参照）。

一方、近年、プラスチックが砕ける等して生成したマイクロプラスチックが環境に与える影響が問題になっている。陸上養殖に用いられる水についても、マイクロプラスチックが混入することが避けられないため、養殖水からマイクロプラスチックを回収する技術が求められている。

特開２０１１－１３０６８５号公報 特開２０１５－０６１５１３号公報

従来知られた、陸上養殖で用いられる脱窒素手段は、マイクロプラスチックを回収または除去する機能を持たないため、マイクロプラスチックを回収または除去するための装置が別途必要となり、陸上養殖設備が複雑化することが避けられない。
そこで、本発明では、陸上養殖で使用される被処理水（養殖水）に含まれる窒素化合物を効率的に除去するとともに、当該被処理水からマイクロプラスチックを効率的に回収することができる技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、水処理方法である。当該水処理方法は、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水を浄化する水処理方法であって、マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を前記被処理水中に存在させ、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水から前記マイクロプラスチックを回収し且つ前記被処理水から前記窒素化合物を除去する工程を備える。
上記態様の水処理方法において、前記藻類が、粘着性物質を分泌する藻類であってもよい。前記粘着性物質が多糖類であってもよい。前記藻類が、珪藻、褐藻、渦べん毛藻、クロララクニオン藻、緑藻、紅藻、接合藻、ユーグレナ藻及び藍藻から選択される少なくとも一種であってもよい。前記被処理水の浄化に供された前記藻類を回収する工程と、新たな藻類を補充する工程と、を備えてもよい。前記藻類を回収するタイミングが、前記藻類の成長度合いに応じて設定されてもよい。重金属、放射性物質、リン化合物およびカリウム化合物からなる群から選ばれる１種以上が前記被処理水から除去されてもよい。アスタキサンチン、ベータカロテン、ルテイン、ＤＨＡ、ＥＰＡ、パラミロン、ワックスエステル、水素、バイオディーゼル、バイオエタノール、クロスタニン、スクワレンからなる群より選ばれる１種以上が生成されてもよい。

本発明の他の態様は、水処理システムである。当該水処理システムは、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水を浄化する水処理システムであって、前記被処理水から前記マイクロプラスチックを回収する際及び前記被処理水から前記窒素化合物を除去する際、マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を利用する。
上記態様の水処理システムにおいて、前記藻類が、粘着性物質を分泌する藻類であってもよい。前記粘着性物質が多糖類であってもよい。前記藻類が、珪藻、褐藻、渦べん毛藻、クロララクニオン藻、緑藻、紅藻、接合藻、ユーグレナ藻及び藍藻から選択される少なくとも一種であってもよい。前記被処理水の浄化に供された前記藻類を回収する手段と、新たな藻類を補充する手段と、を備えてもよい。重金属、放射性物質、リン化合物およびカリウム化合物からなる群から選ばれる１種以上が前記被処理水から除去されてもよい。アスタキサンチン、ベータカロテン、ルテイン、ＤＨＡ、ＥＰＡ、パラミロン、ワックスエステル、水素、バイオディーゼル、バイオエタノール、クロスタニン、スクワレンからなる群より選ばれる１種以上が生成されてもよい。

本発明によれば、被処理水に含まれる窒素を効率的に除去するとともに、被処理水からマイクロプラスチックを効率的に回収することができる。

図１は、第１の実施形態に係る水処理システムの概要を示す図である。 図２は、第１フィルタにより、マイクロプラスチックが付着した藻類が除去される様子を示す概念図である。 図３は、藻類の回収および補充に関する処理を示すフローチャートである。 図４は、第２の実施形態に係る水処理システムの概要を示す図である。 図５は、藻類が分泌する粘着性物質の量の測定手順を示した図である。 図６は、実施例における、マイクロプラスチック吸着後に沈殿物が確認された様子を示す図（写真）である。 図７は、実施例にて使用した各種藻類の拡大写真である。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、本明細書中、数値範囲の説明における「ａ～ｂ」との表記は、特に断らない限り、ａ以上ｂ以下であることを表す。

［用語の定義］
＜被処理水＞
本明細書において、被処理水は、亜硝酸態窒素（ＮＯ_２－Ｎ）、アンモニア態窒素（ＮＨ_４ ^＋－Ｎ）などの窒素化合物およびマイクロプラスチックが存在する水又は存在する可能性のある海水、淡水、汽水等の水である。当該被処理水の具体例として、養殖用海水、養殖用淡水が挙げられる。

＜マイクロプラスチック＞
本明細書において、「マイクロプラスチック」とは、０．１μｍ以上５０００μｍ以下の粒子を指す（最大長部分）。但し、処理の対象である被処理水中に存在する（又は存在する可能性のある）プラスチックとしては、マイクロプラスチックのみならず、０．１μｍ未満や５０００μｍを超えるプラスチック粒子を含んでいても構わない。また、マイクロプラスチックの実態としては、大半（例えば、全粒子個数の８０％以上、９０％以上、９５％以上）が、例えば、０．１μｍ以上、０．５μｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、３μｍ以上、４μｍ以上、５μｍ以上、６μｍ以上、７μｍ以上、１０μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上、５００μｍ以上、１０００μｍ以上、２５００μｍ以上；２５００μｍ以下、１０００μｍ以下、５００μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、７μｍ以下、６μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下である（最大長部分）。尚、周知のように、マイクロプラスチックとしては、一次マイクロプラスチック（マイクロサイズで製造されたプラスチック：例えば、洗顔剤・柔軟剤・緩効性肥料のカプセル等に利用）及び二次マイクロプラスチック（大きなプラスチックが、自然環境で破砕細分化されてマイクロサイズになったもの）とがある。

＜マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類＞
本明細書において、「マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類」とは、藻類を存在させた場合における被処理水中のマイクロプラスチック濃度が、藻類を存在させない場合における被処理水中のマイクロプラスチック濃度と比較し、所定量（例えば、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％）以上低下させることが可能な藻類を指す。ここで、このような性質を有する藻類としては、例えば、粘着性物質を分泌するストラメノパイルに属する珪藻・褐藻、アルベオラータに属する渦べん毛藻、リザリアに属するクロララクニオン藻、アーケプラスチダに属する緑藻・紅藻、接合藻、エクスカバータに属するユーグレナ藻、真正細菌に属する藍藻；マイクロプラスチックを捕捉する物理的構造（例えば、多孔質構造、凹凸構造）を有する藻類（例えば、珪藻）；マイクロプラスチックと逆電荷に帯電した藻類、を挙げることができる。例えば、微細藻類は形状もサイズも様々だが、表面積の大きな多孔性藻類や、糸状の群体を形成する物が存在する。このような構造にもマイクロプラスチックをからめとる機能がある。

「粘着性物質を分泌する藻類」として、例えば、ストラメノパイルに属する珪藻・褐藻、アルベオラータに属する渦べん毛藻、リザリアに属するクロララクニオン藻、アーケプラスチダに属する緑藻・紅藻、接合藻、エクスカバータに属するユーグレナ藻、真正細菌に属する藍藻が挙げられる。ここで、微細藻類は、細胞外に様々な粘着性物質を放出することが知られている。粘着性物質は、典型的には多糖類であり、例えばテングサ等の紅藻、接合藻類であればアガロースやポルフィラン、コンブ等の褐藻類であればアルギン酸やフコース含有多糖といった物質である。

ここで、藻類の大きさは、特に限定されない。但し、処理対象のマイクロプラスチックのサイズが０．１μｍ以上５０００μｍ以下であることを踏まえると、５０００μｍ以上であること（例えば、連なったり群がったりした藻類の場合、連なったり群がったりした藻類の大きさ）が好適である。但し、藻類の大きさを被処理水に存在するマイクロプラスチックの主たる大きさに依存させてもよく、この場合、想定される藻類の大きさは、例えば、０．１μｍ以上、１μｍ以上、２μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上、５００μｍ以上、１０００μｍ以上、２５００μｍ以上、５０００μｍ以下、２５００μｍ以下、１０００μｍ以下、５００μｍ以下、２５０μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下、１μｍ以下である。尚、ここでの「大きさ」は、最大径部分（例えば、棒状の藻類である場合には、長径部分）を指す。また、系内には様々な大きさの藻類が存在するが、ここでいう「大きさ」は、ランダムに取得した１００個の藻類の大きさの平均値を指す。

藻類が分泌する粘着性物質の量は、細胞サイズに比べて、細胞外に分泌した粘着性物質の容積が０.２５倍以上であることが好適である。尚、粘着性物質の容積の測定方法は下記の通りである。スライドガラス上に微細藻類培養液１０μＬを添加する。さらに５倍に希釈した墨汁を１０μＬ添加して、墨汁と微細藻類培養液をよく混ぜ、カバーガラスをかけて顕微環境下で微細藻類の細胞容積と細胞外粘質物の容積を測定する。Kishimoto et al.の手法｛Kishimoto N., Ichise S., Suzuki K., Yamamoto C.: Analysis of long-term variation in phytoplankton biovolume in the northern basin of Lake Biwa. Limnology 14: 117－128（2013）｝に則り、各藻類を楕円柱、楕円形、直方体及びこれらの組み合わせで近似し、細胞容積の算出を行う。細胞外粘質物の容積に関しては、墨汁で染色されなかった部分を含む容積を算出し、細胞容積を除算することによって細胞外粘質物の容積を求める。図５は、上記手順を示した図である。また、系内には様々な大きさの藻類が存在するが、ここでいう「量」は、ランダムに取得した１００個の藻類の大きさの平均値を指す。

（水処理システム）
図１は、第１の実施形態に係る水処理システム１０の概要を示す図である。図１に示すように、水処理システム１０は、養殖槽２０および水処理槽３０を備える、養殖システムとしての一例である。
養殖槽２０を用いて養殖される水生生物には特に制限がないが、たとえば、淡水を用いてニジマス、イワナ、サクラマス、ウナギ、チョウザメなどの淡水生物が養殖されてもよく、海水を用いて、ヒラメ、トラフグ、バナメイエビ、アワビ、サーモンなどの海水生物が養殖されてもよい。

養殖槽２０と水処理槽３０とは、導入管４０および排出管５０によって接続されている。
導入管４０を通じて、養殖槽２０内のマイクロプラスチックおよび窒素化合物を含む被処理水（淡水または海水）が水処理槽３０に流入するように構成されている。導入管４０には、流量制御用ポンプ４２が設けられている。流量制御用ポンプ４２により、導入管４０を流れる被処理水の流速が制御される。本実施形態では、流量制御用ポンプ４２が作動している間、養殖槽２０と水処理槽３０との間で、水が常時循環する。
なお、養殖槽２０に接続される導入管４０の吸入口を養殖槽２０の下部に設置することにより、養殖槽２０の下部に沈殿した窒素化合物を水処理槽３０に効率的に導入することができる。

水処理槽３０において、養殖槽２０から導入された被処理水中でマイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類が成長する。当該藻類により、被処理水に含まれるマイクロプラスチックが回収されるとともに、被処理水に含まれる窒素化合物が除去される。

具体的には、上記藻類が分泌する吸着性物質に、被処理水に含まれるマイクロプラスチックが吸着する。マイクロプラスチックが吸着した藻類をフィルタなどの除去手段を用いて除去することにより、被処理水からマイクロプラスチックが除去される。
また、アンモニア態窒素および亜硝酸態窒素などの窒素化合物は、藻類が成長するに伴って、藻類の細胞内に蓄積される。これにより、水処理槽３０内の被処理水における窒素化合物の濃度を低下させることができる。蓄積された藻類を除去することにより、被処理水から窒素化合物（アンモニア態窒素および亜硝酸態窒素）が除去される。

水処理槽３０には、藻類予備槽６０に収容された藻類を適宜添加することができるように構成されている。藻類予備槽６０に収容された藻類は、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去に供される前の藻類であり、発芽直後、または、成長初期段階の藻類が好ましい。

水処理槽３０には、以下に説明するように、藻類の成長に必要な環境を確保するための様々な機構が備えられている。

＜藻類へ光照射する機構＞
水処理槽３０内の藻類に光が照射されるように構成されている。水処理槽３０内の藻類に照射される光は、太陽光に限られず、藻類の成長に適した波長の光を含む、ＬＥＤ、蛍光灯、白熱灯などの人工照明であってもよい。
人工照明を用いる場合、光を常時（２４時間）照射してもよいが、藻類の成長や休息に合わせて、１日のうちの照射時間を適宜設定（たとえば、１０～１２時間）してもよい。人工照明の照射時間を調節することにより、藻類の種類に応じて、藻類の成長を一層促すことができる。
また、人工照明の設置場所は、水処理槽３０の上方に限られず、水処理槽３０の内部であってもよい。人工照明を水処理槽３０の内部に設置することにより、水処理槽３０外に人工照明を設置した場合に比べて、水処理槽３０内のより多くの藻類に対して、光を照射することができる。この結果、水処理槽３０において藻類の成長がより一層促進され、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去をより効率的に行うことができる。

＜水処理槽内の被処理水を撹拌する機構＞
水処理槽３０には、撹拌機構３２が設けられている。撹拌機構３２を作動させることにより、水処理槽３０内の藻類および被処理水が撹拌され、藻類が水処理槽３０内の被処理水全体に分散する。
撹拌機構３２による撹拌の具体例としては、ポンプ、プロペラ、撹拌子（たとえば、マグネチックスターラー）などによって生じる水流により藻類および被処理水を撹拌すること、空気や二酸化炭素などの気体により藻類および被処理水を撹拌すること、水処理槽３０全体を振盪させる振盪機を用いて藻類および被処理水を撹拌することが挙げられる。

＜水処理槽内の被処理水に二酸化炭素を供給する機構＞
水処理槽３０には、槽内の被処理水に二酸化炭素を供給するためのガス導入管３６が設置されている。ガス導入管３６には、ガス流量調節ポンプ３８が設けられている。ガス流量調節ポンプ３８により、水処理槽３０に収容された被処理水に二酸化炭素または二酸化炭素を含むガス（たとえば、空気）が供給される。
ガス導入管３６の吐出口を水処理槽３０の下部に設置することが好ましい。これによれば、ガス導入管３６から吐出された二酸化炭素によるバブリングにより、被処理水の二酸化炭素濃度を上昇させつつ、撹拌専用の機構を備えることなく、藻類および被処理水を撹拌する効果を奏することができる。
被処理水への二酸化炭素の供給は、連続して行ってもよいが、図１に示すように、水処理槽３０内の被処理水中の二酸化炭素濃度を測定可能なガスセンサ３４が設け、ガスセンサ３４によって測定された二酸化炭素濃度に応じて、ガス流量調節ポンプ３８を用いてガス導入管３６から吐出されるガス流量を調節してもよい。

次に、水処理槽３０において、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水から当該マイクロプラスチックおよび当該窒素化合物を回収する方法における好適な回収条件を説明する。

水処理槽３０内における好適な藻類濃度は、被処理水におけるマイクロプラスチック濃度・マイクロプラスチックの大きさ、被処理水における窒素化合物濃度、および、使用する藻類の種類等により変動する。この条件設定は、例えば実施例に記載されたモデル実験を実行することにより決定可能である。

水処理槽３０内における好適な回収時間は、被処理水におけるマイクロプラスチック濃度・マイクロプラスチックの大きさ、被処理水における窒素化合物濃度、使用する藻類の種類、低減目標とするマイクロプラスチック濃度・窒素化合物濃度等により変動する。この条件設定は、例えば実施例に記載されたモデル実験を実行することにより決定可能である。

排出管５０を通じて、水処理槽３０においてマイクロプラスチックが回収され、かつ、窒素化合物が除去された処理水が養殖槽２０に流入するように構成されている。排出管５０には、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂが設けられている。

第１フィルタ５２ａは、被処理水中からマイクロプラスチックが付着した藻類を除去する機能を担う。第１フィルタ５２ａの目開きまたは孔径は、マイクロプラスチックが付着した藻類が除去できれば特に限定されないが、たとえば、５μｍである。
図２は、第１フィルタ５２ａにより、マイクロプラスチックが付着した藻類が除去される様子を示す概念図である。図２に示すように、目開きまたは孔径が調節された第１フィルタ５２ａを用いることにより、藻類が分泌する物質によってマイクロプラスチックが付着した藻類と、マイクロプラスチックが未付着の藻類とが選別される。被処理水を第１フィルタ５２ａに通過させることにより、マイクロプラスチックが除去された一次処理水が得られる。

第２フィルタ５２ｂは、第１フィルタ５２ａを通過した藻類を除去する機能を担う。第２フィルタ５２ｂの目開きまたは孔径は、使用する藻類の種類にもよるが、たとえば、５μｍである。第２フィルタ５２ｂにより、上記一次処理水に含まれる、窒素化合物が蓄積した藻類が選別される。換言すると、上記一次処理水を第２フィルタ５２ｂに通過させることにより、窒素化合物が蓄積した藻類が除去された二次処理水が得られる。

第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂで用いられるフィルタとしては、化学繊維系フィルタ、天然繊維系フィルタ、金属メッシュなどの金属製フィルタ、糸状や紙状の形態のフィルタなどが挙げられる。

＜撹拌制御＞
撹拌機構３２による、水処理槽３０内の藻類および被処理水の撹拌を、藻類が成長する過程において停止させることなく連続して実施してもよいが、以下に説明するように、藻類の成長や状態に合わせて撹拌を断続的に実施してもよい。

＜＜撹拌制御方法１＞＞
導入管４０から導入される被処理水の流量を測定する流量センサ（図示せず）を設け、流量センサで測定された流量に応じて、撹拌機構３２の撹拌速度を変化させる。この場合、当該撹拌速度を上記流量に比例させてもよい。また、上記流量に応じて、当該撹拌速度を段階的に設定してもよい。

＜＜撹拌制御方法２＞＞
カメラ（図示せず）を用いて、水処理槽３０内の藻類の分散度をモニタする。得られた画像に基づいて、藻類が水処理槽３０の底に沈殿しているか、否かを判定し、水処理槽３０の底に藻類が沈殿していると判定された場合に、撹拌速度を上昇させる。

＜藻類の回収および補充＞
浄化に供された藻類を回収および補充するタイミングとしては、藻類の成長度合いに応じて設定される場合、フィルタの能力に応じて設定される場合などが挙げられる。

＜＜藻類回収タイミング１＞＞
カメラ（図示せず）により水処理槽３０内の藻類の状態を撮像する。カメラを水処理槽３０の上方に設置し、水処理槽３０内の被処理水中の藻類を撮像してもよい。また、カメラを水処理槽３０内の被処理水内部に設置し、水処理槽３０内の被処理水中の藻類を水中撮像してもよい。

撮像した画像内の単位面積当たりにおいて、藻類が占める面積の割合を算出する。藻類が占める割合が基準値以上の場合には、藻類が十分に成長したと判断し、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を実施する。これによれば、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去の能力が低くなった藻類を水処理槽３０から除去することができる。

この他、カメラによる撮像を所定間隔で実施し、撮像した画像内の単位面積当たりにおいて、藻類が占める面積の割合から藻類の増殖曲線を描き、細胞増殖が終期に到達した時点（たとえば、増殖対数曲線がプラトーに達した時点）を藻類が十分に成長したと判断し、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を実施してもよい。これによれば、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去の能力が低くなった藻類を水処理槽３０から除去することができる。

＜＜藻類回収タイミング２＞＞
吸光度計（図示せず）を用いて、藻類の密度を示す指標として、水処理槽３０内の被処理水の濁度を測定してもよい。測定された濁度が基準値以上の場合には、藻類が十分に成長したと判断し、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を実施する。これによれば、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去の能力が低くなった藻類を水処理槽３０から除去することができる。

＜＜藻類回収タイミング３＞＞
藻類の成長に伴い脂肪酸（オイル）が生成される場合には、水処理槽３０内の被処理水における脂肪酸の濃度を測定してもよい。測定された濃度が基準値以上の場合には、藻類が十分に成長したと判断し、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を実施する。これによれば、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去の能力が低くなった藻類を水処理槽３０から除去することができる。

＜＜藻類回収タイミング４＞＞
藻類の成長とともに藻の色が変色する場合には、藻類の色に応じて成長度合いを判断することができる。具体的には、上記と同様に、カメラにより水処理槽３０内の藻類の状態を撮像し、撮像された藻類の色が成長途上（増殖期）の色（たとえば、緑色）から、成長末期の色（たとえば、茶褐色）になったかどうかを判断し、成長末期の色と判断されたときに、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を実施する。これによれば、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去の能力が低くなった藻類を水処理槽３０から除去することができる。

＜＜藻類回収タイミング５＞＞
第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂの交換を、導入管４０または排出管５０を流れる水流の速度が所定値未満になったときに実施することにより、藻類を回収してもよい。これによれば、第１フィルタ５２ａおよび第２フィルタ５２ｂのフィルタリング効率を一定以上に保った状態で、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去を実施することができる。

＜藻類補充＞
所定のタイミングにおいて、一定程度まで成長した藻類を除去した後、藻類予備槽６０から、除去された藻類の数に相当する発芽直後、または、成長初期段階の藻類を補充することが好ましい。これによれば、マイクロプラスチック回収および窒素化合物除去の効率が藻類の成長に伴って徐々に低下する場合に、当該効率を回復することができる。

図３は、藻類の回収および補充に関する処理を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、導入管４０に設置された流量制御用ポンプ４２を起動し、養殖槽２０から水処理槽３０に被処理水を導入する（Ｓ１０）。被処理水が導入された水処理槽３０において、藻類の成長に伴う脱窒素および藻類が分泌する粘着性物質によるマイクロプラスチックの回収が実施される（Ｓ２０）。続いて、起動開始後、所定時間が経過したことなどにより、システムの停止が必要か否かが判定される（Ｓ３０）。システム停止が必要な場合には（Ｓ３０のｙｅｓ）、導入管４０に設けられた流量制御用ポンプ４２を停止する。一方、システムの動作を継続する場合には（Ｓ３０のｎｏ）、カメラで撮影された画像に基づいて、藻類の成長度合いを判定する。藻類の成長度合いの判定は、上述したように、撮像した画像内の単位面積当たりにおいて、藻類が占める面積の割合に基づいて行われてもよく、撮像した藻類の色に基づいて行われてもよい。判定された藻類の成長度合いにより、藻類の回収が必要と判断される場合には（Ｓ５０のｙｅｓ）、フィルタ５２ａを交換することで藻類を回収した後、回収された藻類に相当する新たな藻類を水処理槽３０に補充し（Ｓ６０）、Ｓ２０の処理に戻る。一方、藻類の回収が必要ないと判断される場合には（Ｓ５０のｎｏ）、Ｓ２０の処理に戻る。

≪藻類組成物≫
本実施形態で用いられる藻類は、藻類組成物であってもよい。具体的には、同種又は異種の藻類の群れである。ここで、該藻類の群れは、例えば、該藻類が生存可能な状態（例えば液体培地内）にて容器等に収納されていることが好適である。また、フリーズドライしても生存可能な藻類については、乾燥形態で取り扱ってもよい。尚、必要に応じ、該藻類組成物は、藻類以外の成分を含有していてもよい。

＜温度管理＞
本実施形態では、養殖槽２０と水処理槽３０との間で水が循環するため、水処理槽３０における水温は、養殖槽２０における水温と同等になる。この場合、水処理槽３０で培養される藻類を、養殖槽２０における水温が成長に適した水温範囲にある藻類から選択してもよい。水温が０～２０℃の低温領域の場合には、たとえば、低温耐性を持つ藍藻のクロオコッカス属やユレモ属やネンジュモ目など、低温耐性を持つ緑藻のクラミドモナス属やクロロモナス属などの藻類を用いることができる。また、水温が２０～３０℃の中高温領域の場合には、たとえば、一般的な珪藻、藍藻、接合藻、ユーグレナ、褐藻などの藻類を用いることができる。

養殖槽２０内の水温と、水処理槽３０で培養される藻類の生育適温とが異なる場合には、養殖槽２０から水処理槽３０に流入する被処理水の温度を調節するとともに、水処理槽３０から養殖槽２０に流入する処理済水の温度を調節してもよい。
具体的には、養殖槽２０における水温を測定する温度センサを設け、当該温度センサによって測定された温度に基づいて、被処理水の温度を藻類の成長に適した所望の温度になるように加温または冷却する。一方、水処理槽３０における水温を測定する温度センサを設け、当該温度センサによって測定された温度に基づいて、水処理槽３０から養殖槽２０に流入する処理済水の温度が養殖槽２０の水温となるように加温または冷却する。
加温する手段としては、太陽光、地熱、ゴミ焼却場などの余剰排熱との熱交換や、ヒータによる加熱が挙げられる。一方、冷却する手段としては、河川などの環境水とのエネルギー・電力消費を伴わない熱交換、またはエネルギー・電力などを利用した冷却（たとえば、冷媒との熱交換）が挙げられる。

＜栄養、ｐＨなどの調節＞
水処理槽３０内の被処理水に、リン・窒素・カリウム、珪酸ナトリウムなどの栄養塩などのミネラルやビタミン類などの藻類の成長に資する添加成分を適宜投入してもよい。各添加成分の投入タイミングとしては、各添加成分の濃度を測定し、当該濃度が所定値未満になった時点が挙げられる。被処理水に上記添加成分を適宜投入することにより、水処理槽内の藻類の成長をより一層促進させることができ、ひいては、マイクロプラスチックの回収効率および窒素化合物の除去効率を向上させることができる。

また、水処理槽３０内の被処理水にｐＨを調整するための酸（たとえば、酢酸）またはアルカリ（たとえば、水酸化ナトリウム）を適宜添加してもよい。具体的には、被処理水のｐＨを測定し、測定されたｐＨ値が所定の範囲、たとえば、５～９になるように、適量の酸またはアルカリを添加してもよい。この結果、水処理槽３０において藻類の成長がより一層促進され、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去をより効率的に行うことができる。

図４は、第２の実施形態に係る水処理システム１０の概要を示す図である。本実施形態の水処理システム１０に関して、第１の実施形態の水処理システム１０と同様な構成については、同様な符号を付し、説明を適宜省略する。

本実施形態の水処理システム１０では、導入管４０の経路および排出管５０の経路に、それぞれ第１開閉弁４４、第２開閉弁５４が設置されている。第１開閉弁４４および第２開閉弁５４は、手動式の弁でもよく、電磁弁のような電動式の弁でもよい。
本実施形態では、第１開閉弁４４および第２開閉弁５４の開閉が所定のタイミングで実施される。たとえば、第１開閉弁４４および第２開閉弁５４を閉状態とした状態で、養殖槽２０において養殖を一定期間実施する。次に、養殖槽２０内の窒素化合物の濃度が上昇したタイミングで、第１開閉弁４４および第２開閉弁５４を開状態とするとともに、流量制御用ポンプ４２を作動させ、養殖槽２０と水処理槽３０との間の水循環を開始させる。

養殖槽２０内の水と水処理槽３０内の水との入れ替えが完了したタイミングで、第１開閉弁４４および第２開閉弁５４を閉状態とするとともに、流量制御用ポンプ４２の動作を停止させる。この状態で、水処理槽３０において、所定の期間が経過するまで藻類を成長させることにより、藻類による、水処理槽３０内の被処理水からマイクロプラスチックの回収および窒素化合物の蓄積を実行する。所定の期間経過後、第１開閉弁４４および第２開閉弁５４を開状態とするとともに、流量制御用ポンプ４２を作動させることにより、マイクロプラスチックおよび窒素化合物の濃度が低減された処理水を養殖槽２０に供給することができる。

（水処理システムの他の態様）
水処理システムの他の態様は、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水が導入される水処理槽を備える。前記水処理槽に収容された前記被処理水に光が照射されるように構成され、前記水処理槽において、マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を利用して、前記被処理水に含まれる前記マイクロプラスチックが回収されるとともに、前記藻類の生育により、前記被処理水に含まれる前記窒素化合物が当該窒素化合物のまま、または、窒素を含む炭化水素あるいはタンパク質として前記藻類に蓄積される。

≪有用性≫
上述した実施形態に係る水処理システム１０は、陸の無農薬(オーガニック)農産物に相当する、ＮｏｎＭｉｃｒｏＰｌａｓｔｉｃ水産物・ｓａｆｅ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｅ ｓｅａｆｏｏｄを作る点で有用である。特に、水処理システム１０は、環境中のマイクロプラスチックを摂取しないために、陸上養殖施設へ導入が好適である。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

＜藻類を回収する手段＞
上述した実施形態では、フィルタを利用して藻類を回収しているが、藻類の回収手段はこれに限られない。
被処理水の比重と藻類の比重との差を利用し、被処理水より軽い藻類を、被処理水の上部から回収してもよい。また、被処理水より重い藻類を被処理水の下部より回収してもよい。
また、袋状のネットに水処理槽３０内の被処理水を通過させることにより水処理槽３０内の被処理水に含まれる、マイクロプラスチックが付着した藻類および十分に成長しサイズが大きくなった藻類を捕集するようにしてもよい。
この他、水処理槽３０内の藻類をタモ網などを用いて掻き出してもよい。

＜被処理水＞
上述した実施形態では、水処理槽３０で処理される被処理水として、養殖槽２０に用いられる養殖水が例示されているが、被処理水はこれに限られず、下水処理水、工業排水、生活排水、農業排水、ごみ処理場の排水、発電所の排水などを被処理水としてもよい。

＜窒素化合物以外の水質浄化＞
上述した実施形態では、藻類の成長に伴い被処理水から窒素化合物が除去されるが、藻類の細胞内に取り込める化合物であれば、被処理水から除去される化合物に限定はない。たとえば、カドミウム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、マンガンなどの重金属、放射性セシウム、放射性ストロンチウム、放射性ヨウ素などの放射性物質、還元型リン化合物やリン酸エステル化合物などのリン化合物、塩化カリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウムなどのカリウム化合物からなる群から選ばれる１種以上を被処理水から除去し、水質浄化を図ることが可能である。

＜有用物質の生成＞
本実施形態では、マイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去が図られるだけでなく、有用物質が生成される。藻類の成長に伴って生成される有用物質としては、アスタキサンチン、ベータカロテン、ルテイン、ＤＨＡ、ＥＰＡ、パラミロン、ワックスエステル、水素、バイオディーゼル、バイオエタノール、クロスタニン、スクワレンからなる群より選ばれる１種以上が挙げられる。当該有用物質を分離・精製することにより、各種用途への適用を図ることができる。

本発明の一態様は、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水を浄化する水処理方法である。当該水処理方法は、マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を前記被処理水中に存在させ、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水から前記マイクロプラスチックを回収し且つ前記被処理水から前記窒素化合物を除去する工程を備える。
上記態様において、前記藻類が、粘着性物質を分泌する藻類であってもよい。前記粘着性物質が多糖類であってもよい。前記藻類が、珪藻、褐藻、渦べん毛藻、クロララクニオン藻、緑藻、紅藻、接合藻、ユーグレナ藻及び藍藻から選択される少なくとも一種であってもよい。前記被処理水の浄化に供された前記藻類を回収する工程と、新たな藻類を補充する工程と、を備えてもよい。また、前記藻類を回収するタイミングが、前記藻類の成長度合いに応じて設定されてもよい。

以下、本発明を実施例および比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

≪藻類の培養≫
実験に使用する藻類（表１参照）を１Ｌスケールで培養した。この際、濁度計（ＣＯ８０００ Ｂｉｏｗａｖｅ）を使用し、濁度を測定、記録した。例えば、スケルトネマ属又は５～１０μｍ程度の藻類は、７０００ｃｅｌｌｓ／ｍｌを目安とした。尚、藻類細胞数が７０００ｃｅｌｌｓ／ｍｌより多い場合は、培地等で希釈した。他方、藻類細胞数が７０００ｃｅｌｌｓ／ｍｌより少ない場合は、２～３時間後に上静を取り除き調整した。その後、よく懸濁した１９．６４８ｍｌの培養液を７０ｍｌ細胞培養フラスコに入れた（３個用意）。また、コントロールとして１９．６４８ｍｌの培地を新しい７０ｍｌ細胞培養フラスコに入れた｛４個用意（４個の内１つは検量線作成用）｝。更に、紫外可視光分光光度計で吸光度を測定する際のベースライン補正用として、よく懸濁した培養液を２０ｍｌ程度用意した。次に、培養液の入った７０ｍｌ細胞培養フラスコに２μｍのビーズ液（マイクロプラスチックを模したＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製のビーズが分散された水溶液）３５２μｌ（５．６８×１０^８ビーズ／ｍｌ）を入れた。その後、ピペッティングにより混合し、２０℃人工気象器に入れ静置培養を行った（１日間）。尚、図７は、使用した各種藻類の拡大写真である。図中、点線が細胞表面を示しており、実線が粘着性物質の界面を示している。また、表２は、一般的記載にて記載した手法にて算出した粘着性成分の量である。

≪マイクロプラスチック回収試験≫
上述した≪藻類の培養≫で得られたフラスコ｛上記各藻類が培養された、終濃度１×１０^７ビーズ（２μｍ）／ｍｌの液｝を揺らさないように、人工気象器から該フラスコを取り出した。この際、図６に示すように、沈殿物が確認された。この後、旋回とピペッティングにより懸濁させた。次に、５０ｍｌチューブに５０μｍセルストレーナー（ｐｌｕｒｉＳｔｒａｉｎｅｒ ５０μｍ）を、コネクターリングを使いセット・ラベルした（検量線用以外の細胞培養フラスコの数用意）。そして、全培養フラスコを各セルストレーナーでシリンジを使い減圧濾過した（検量線用は濾過しない）。その後、一次濾過したサンプルは蓋をして実験台に保管した。そして、検量線を作成し、藻類によるビーズ回収率を推定するため、検量線用のビーズ希釈系列を作成した。具体的には、ビーズ未添加の培地をビーズ濃度０として、ストック濃度１．００×１０^７ビーズ／ｍｌから１／２希釈を繰り返して３．１３×１０^５ビーズ／ｍｌ、６．２５×１０^５ビーズ／ｍｌ、１．２５×１０^６ビーズ／ｍｌ、２．５０×１０^６ビーズ／ｍｌ、５．００×１０^６ビーズ／ｍｌを調製した。

≪マイクロプラスチック回収測定試験≫
紫外可視光分光光度計ＢｉｏＳｐｅｃ－Ｍｉｎｉ（島津製作所）を使用してビーズの蛍光である２６７ｎｍの吸光度測定を行った。この際、藻類のビーズ回収率を推定するため、検量線用のビーズ希釈系列を測定し、検量線を作成して一次回帰式を得た。そして、藻類培養培地＋ビーズ溶液の５０μｍセルストレーナー透過液をサンプルとして吸光度測定を行い、検量線によって得られた一次回帰式から透過液中のビーズ濃度を算出した。同様の作業を培養していない培地＋ビーズ溶液の５０μｍセルストレーナー透過液をコントロールとして吸光度測定を行い、検量線によって得られた一次回帰式から透過液中のビーズ濃度を算出した。そして、サンプル中のビーズ濃度とコントロール中のビーズ濃度からビーズの回収率を算出した。その結果を表３に示す。

≪ＭＰ除去および窒素除去試験≫
藻類種として、珪藻 ｓ．ｔｏｒｏｐｉｃｕｍを用い、培地（ｆ／２、ただし、硝酸ナトリウムを通常の１０倍濃度である７５０ｍｇ／Ｌに変更）２００ｍｌ中で培養を実施し、窒素除去効果を調べた。表４に培地（ｆ／２）の成分を示す。また、表５に培地（ｆ／２）に含まれるｆ／２ ｍｅｔａｌｓの成分を示す。

以下の各試料について、培養実験を実施し、培養時間の経過に伴う、アンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸窒素濃度の各濃度の経時変化を調べた。
・上述した培地に、終濃度１×１０^７ビーズ（２μｍ）／ｍｌのビーズを添加し、さらに、細胞数が対数増殖期の細胞数に相当する５．０×１０^５セルである珪藻を添加したもの（以下。「珪藻＋ＭＰ」試料とよぶ）
・上述した培地に、細胞数が対数増殖期の細胞数に相当する５．０×１０^５セルである珪藻を添加したもの（以下、「珪藻」試料とよぶ）
・コントロール（水）
具体的には、静置培養を行っているフラスコの上清を取り、共立理化学研究所製のキット（デジタルパックテスト）を用いて測定を行った。培養０時間は珪藻を加える前の培地とし、その後は１日１回（ＡＭ１１：００頃）のペースで測定を行った。表６、７および８に、それぞれ、アンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および亜硝酸窒素濃度の測定結果（Ｎ＝２の平均値）を示す。なお、「珪藻＋ＭＰ」試料については、マイクロプラスチックの除去効率を調べた。

以上の結果より、アンモニア態窒素および亜硝酸態窒素については「珪藻＋ＭＰ」試料、「珪藻」試料ともに、２４時間で十分な脱窒素効果がみられた。硝酸態窒素については、「珪藻＋ＭＰ」試料では、４８時間で十分な脱窒素効果がみられ、「珪藻」試料では、２４時間で十分な脱窒素効果がみられた。また、藻類を用いることにより、被処理水からマイクロプラスチックの回収および窒素化合物の除去が可能であることが確認された。

１０ 水処理システム、２０ 養殖槽、３０ 水処理槽、３２ 撹拌機構、３４ ガスセンサ、３６ ガス導入管、３８ ガス流量調節ポンプ、４０ 導入管、４２ 流量制御用ポンプ、４４ 第１開閉弁、５０ 排出管、５４ 第２開閉弁、６０ 藻類予備槽

Claims (16)

1. マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水を浄化する水処理方法であって、
   マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を前記被処理水中に存在させ、マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水から前記マイクロプラスチックを回収し且つ前記被処理水から前記窒素化合物を除去する工程を備える、水処理方法。
2. 前記藻類が、粘着性物質を分泌する藻類である、請求項１記載の水処理方法。
3. 前記粘着性物質が多糖類である、請求項２に記載の水処理方法。
4. 前記藻類が、珪藻、褐藻、渦べん毛藻、クロララクニオン藻、緑藻、紅藻、接合藻、ユーグレナ藻及び藍藻から選択される少なくとも一種である、請求項１～３のいずれか一項に記載の水処理方法。
5. 前記被処理水の浄化に供された前記藻類を回収する工程と、
   新たな藻類を補充する工程と、
   を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の水処理方法。
6. 前記藻類を回収するタイミングが、前記藻類の成長度合いに応じて設定される請求項５に記載の水処理方法。
7. 重金属、放射性物質、リン化合物およびカリウム化合物からなる群から選ばれる１種以上が前記被処理水から除去される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水処理方法。
8. アスタキサンチン、ベータカロテン、ルテイン、ＤＨＡ、ＥＰＡ、パラミロン、ワックスエステル、水素、バイオディーゼル、バイオエタノール、クロスタニン、スクワレンからなる群より選ばれる１種以上が生成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水処理方法。
9. マイクロプラスチックおよび窒素化合物を含有する被処理水を浄化する水処理システムであって、
   前記被処理水から前記マイクロプラスチックを回収する際及び前記被処理水から前記窒素化合物を除去する際、マイクロプラスチック吸着回収能を有する藻類を利用する、水処理システム。
10. 前記藻類が、粘着性物質を分泌する藻類である、請求項９に記載の水処理システム。
11. 前記粘着性物質が多糖類である、請求項１０に記載の水処理システム。
12. 前記藻類が、珪藻、褐藻、渦べん毛藻、クロララクニオン藻、緑藻、紅藻、接合藻、ユーグレナ藻及び藍藻から選択される少なくとも一種である、請求項９～１１のいずれか一項に記載の水処理システム。
13. 前記被処理水の浄化に供された前記藻類を回収する手段と、
    新たな藻類を補充する手段と、
    を備える、請求項９～１２のいずれか一項に記載の水処理システム。
14. 前記藻類を回収するタイミングが、前記藻類の成長度合いに応じて設定される請求項１２に記載の水処理システム。
15. 重金属、放射性物質、リン化合物およびカリウム化合物からなる群から選ばれる１種以上が前記被処理水から除去される、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の水処理システム。
16. アスタキサンチン、ベータカロテン、ルテイン、ＤＨＡ、ＥＰＡ、パラミロン、ワックスエステル、水素、バイオディーゼル、バイオエタノール、クロスタニン、スクワレンからなる群より選ばれる１種以上が生成される、請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の水処理システム。
    

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