JP2023157031A - 水浄化方法及び水浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】硝化槽の温度を上げることなく硝化菌の活性化を低温で行うことができ、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができ、脱窒素槽のＤＯ値を下げることができると共に、脱窒素槽においてモータによる駆動を行うことなく水流を発生させることができ、さらに、硝化菌が必要とする無機炭素を常に硝化槽に供給することができる水浄化方法及び水浄化システムを提供する。【解決手段】浄化すべき水を硝化槽に送り込んで硝化菌により硝化処理した後、脱窒素槽において脱窒素菌により脱窒素還元処理する水浄化方法が提供される。特に、硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込み、硝化処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば飼育水等の水を浄化する水浄化方法及び水浄化システムに関する。

水浄化システム、例えば、閉鎖循環型陸上養殖装置における飼育水浄化システムでは、飼育水槽の水を循環し浄化して再利用しているが、その際には、餌の食べ残しや魚の排泄物によって発生する毒性の高いアンモニア態窒素の浄化を行なう必要がある。

従来の飼育水浄化システムにおいては、飼育水槽に連結された硝化槽にアンモニア態窒素を循環させることにより、硝化菌（ニトロソモナス系細菌）によってアンモニア態窒素を亜硝酸態窒素に変化させ、硝化菌（ニトロスピラ系細菌）によって亜硝酸態窒素を硝酸態窒素に変化させている。なお、この種の硝化菌は好気性細菌であるため、硝化槽には、エアレーションにより外気を常時挿入することが行われている。また、硝化槽にエアレーション等で酸素を送り込み、硝化菌の活性化を図ることも行われている。

硝化槽で硝酸態窒素まで分解された水は、この硝化槽に連結された脱窒素槽に送り込まれ、嫌気性細菌である脱窒素菌によって硝酸態窒素を無害な脱窒ガスに還元して浄化される。

しかしながら、上述したごとき従来の飼育水処理システムによると、硝化槽における硝化処理を短時間で実施することが難しく、硝化菌の活性化を図るために、硝化槽の温度を上げることが必要であった。その結果、硝化槽では温度を上げ、飼育水槽では温度を下げるという、非効率的なシステム運転を行う必要があった。

硝化菌は独立栄養細菌であり、アンモニア又は亜硝酸を酸化することでエネルギーを得ている。アンモニア酸化細菌の場合、生育に必要な要素が十分に揃っていれば、最短２４時間で一分裂が行われる。亜硝酸酸化菌の場合には、最短４８時間で一分裂が行われる。１モルのアンモニア態窒素を酸化する時に得られるエネルギーは３９．５ｋｃａｌであり、１モルの亜硝酸態窒素を酸化して得られるエネルギーは２１．６ｋｃａｌであり、これは好気的細菌が呼吸によってブドウ糖１モル（１８０ｇ）から得られるエネルギーである６８６ｋｃａｌと比べると非常に少ない。このように硝化菌の増殖速度は、大腸菌などのバクテリアが１時間以内に一分裂する速度と比べると極端に遅く、この増殖の遅さが硝化菌を利用する上での大きな問題点であった。この問題を解消するためには、硝化槽の温度を、活性化が最も大きい温度とされる（３０℃～３５℃）に近い温度とすることが必要であった。

一方、脱窒素菌は有機物を利用して増殖する従属栄養細菌であり、通性嫌気性細菌であることから、嫌気状態で硝酸態窒素を利用して脱窒素還元を行う必要がある。脱窒素槽を嫌気状態にするためには、そのＤＯ（溶存酸素濃度）値を下げることが必要であった。

また、硝化菌は、無機炭素（ＣＯ_２）を炭素源にする独立栄養細菌であり、通常、水槽内の水に溶け込んでいる二酸化炭素を利用しているが、硝化槽において酸素を投入するためのエアレーションを行うと、溶け込んでいる二酸化炭素も外へ排出されてしまうという問題もあった。

従って本発明の目的は、硝化槽の温度を上げることなく硝化菌の活性化を低温で行うことができ、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる水浄化方法及び水浄化システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、脱窒素槽のＤＯ値を下げることができると共に、脱窒素槽においてモータによる駆動を行うことなく水流を発生させることができる水浄化方法及び水浄化システムを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、硝化菌が必要とする無機炭素を常に硝化槽に供給することができる水浄化方法及び水浄化システムを提供することにある。

本発明によれば、浄化すべき水を硝化槽に送り込んで硝化菌により硝化処理した後、脱窒素槽において脱窒素菌により脱窒素還元処理する水浄化方法が提供される。特に、本発明によれば、硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込み、硝化処理を行う。

硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことによって、硝化菌の活性化（アンモニア態窒素酸化）を効果的に行うことができる。即ち、ナノバブル化した高濃度酸素を供給するため、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることが可能となる。また、酸素の溶解時間が長く、外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となる。その結果、低温においても硝化促進を図ることができ、硝化槽の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。

浄化すべき飼育水槽の水を硝化槽に送り込み、硝化槽の温度を飼育水槽の温度に保った状態で、硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことが好ましい。

硝化槽に高濃度酸素と共に高濃度二酸化炭素を送り込むことも好ましい。これにより、硝化菌が必要とする無機炭素が常に補充されることとなり、その結果、ナノバブル化した高濃度酸素の供給と相まって低温での硝化促進をより有効に行うことができる。

硝化槽に水分補給を行うことも好ましい。外気より抽出された水分が硝化槽に投入されるので、自然蒸発する水分を常に補填することができるので、水足し操作が不良となる。

少なくとも脱窒素槽にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み、溶存酸素を外気へ排出させることも好ましい。これにより、脱窒素槽内のＤＯ値が低下するのでこの脱窒素槽が嫌気状態となり、また、脱窒素槽内に水流を発生させることができるため、モータによる攪拌装置が不要となる。その結果、部品の削減及び使用電力量の削減を図ることができる。

本発明によれば、さらに、浄化すべき水が送り込まれ、硝化菌により硝化処理する硝化槽と、硝化槽において硝化処理された水が送り込まれ、脱窒素菌により脱窒素還元処理する脱窒素槽と、硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込む気体分離装置とを備えた水浄化システムが提供される。

硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことによって、硝化菌の活性化（アンモニア態窒素酸化）を効果的に行うことができる。即ち、ナノバブル化した高濃度酸素を供給するため、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることが可能となる。また、酸素の溶解時間が長く、外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となる。その結果、低温においても硝化促進を図ることができ、硝化槽の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。

浄化すべき水を収容している飼育水槽をさらに備えており、飼育水槽の水を硝化槽に送り込むことによって硝化槽の温度を飼育水槽の温度に保った状態で、気体分離装置より、硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むように構成されていることが好ましい。

気体分離装置は、硝化槽に高濃度二酸化炭素を送り込むように構成されていることも好ましい。これにより、硝化菌が必要とする無機炭素が常に補充されることとなり、その結果、ナノバブル化した高濃度酸素の供給と相まって低温での硝化促進をより有効に行うことができる。

気体分離装置は、硝化槽に水分補給を行うように構成されていることも好ましい。気体分離装置によって外気より抽出された水分が硝化槽に投入されるので、自然蒸発する水分を常に補填することができるので、水足し操作が不良となる。

気体分離装置は、少なくとも脱窒素槽にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み溶存酸素を外気へ排出させるように構成されていることも好ましい。これにより、脱窒素槽内のＤＯ値が低下するのでこの脱窒素槽が嫌気状態となり、また、脱窒素槽内に水流を発生させることができるため、モータによる攪拌装置が不要となる。その結果、部品の削減及び使用電力量の削減を図ることができる。

本発明によれば、ナノバブル化した高濃度酸素を供給するため、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることが可能となる。また、酸素の溶解時間が長く、外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となる。その結果、低温においても硝化促進を図ることができ、硝化槽の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。

本発明の一実施形態として、水浄化システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。 図１の実施形態における気体分離装置の一例の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の実施形態における飼育水槽及び外気回収部を概略的に示す説明図である。 図１の実施形態における硝化槽及びナノバブル発生器を概略的に示す説明図である。 図１の実施形態における経路槽及びナノバブル発生器を概略的に示す説明図である。 図１の実施形態における脱窒素槽及びナノバブル発生器を概略的に示す説明図である。 本発明の他の実施形態における気体分離装置の一例の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態における気体分離装置の一例の構成を概略的に示すブロック図である。

図１は本発明の一実施形態として、水浄化システムの全体構成を概略的に示している。本実施形態は、例えば、閉鎖型循環型の陸上養殖システムにおける水浄化システムである。

図１において、１０は陸上養殖システムの飼育水槽、１１はこの飼育水槽１０に連結されており、飼育水槽１０から飼育水が送り込まれる硝化槽、１２はこの硝化槽１１から硝化処理された処理水が送り込まれると共に浄化された処理水を飼育水槽１０に戻す脱窒素槽、１３は硝化槽１１及び脱窒素槽１２間を連結する経路に挿入された水槽である経路槽、１４は硝化槽１１、経路槽１３及び脱窒素槽１２に連結されており、外気から生成した高濃度酸素と高濃度窒素とを分離生成して供給する気体分離装置、１５は気体分離装置１４から硝化槽１１に供給される高濃度酸素をナノバブル化するナノバブル発生器、１６は気体分離装置１４から経路槽１３に供給される高濃度窒素をナノバブル化するナノバブル発生器、１７は気体分離装置１４から脱窒素槽１２に供給される高濃度窒素をナノバブル化するナノバブル発生器をそれぞれ示している。気体分離装置１４で生成された高濃度酸素はナノバブル発生器１５を介して硝化槽１１に送り込まれ、気体分離装置１４で生成された高濃度窒素はナノバブル発生器１６を介して経路槽１３に送り込まれると共に、ナノバブル発生器１７を介して脱窒素槽１２に送り込まれるように構成されている。

硝化槽１１は、飼育水槽１０からの飼育水に含まれる餌の食べ残し、排泄物から発生するアンモニア態窒素の浄化を行うため、アンモニア態窒素（ＮＨ_４－Ｎ）→亜硝酸態窒素（ＮＯ_２－Ｎ）→硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）の反応処理を行う。即ち、まず、ＮＨ_４＋３／２Ｏ_２→ＮＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（アンモニア→亜硝酸）の反応処理を行い、ＮＯ_２＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_３（亜硝酸→硝酸）の反応処理を行う。また、ＮＨ_４＋２Ｏ_２→ＮＯ_３＋２Ｈ＋Ｈ_２Ｏの反応処理も行う。硝化槽１１では、１つのアンモニアを硝酸に参加させるには２つの酸素が必要となることから、高濃度酸素の供給が必須となる。逆に、硝化槽１１の水溶液内に充分な酸素が無いと硝化菌のアンモニア酸化が行われないこととなる。本実施形態では、ナノバブル化された高濃度酸素が硝化槽１１に供給される。硝化菌に高濃度酸素を供給する場合、酸素（エネルギー）を過剰供給するのではなく、酸素分子の衝突回数を増加させ反応速度を速くしている。高い活性エネルギーを酸素分子に持たせるため、酸素投入する場合には、ナノバブル化して一定の突出圧を持たせている。供給する高濃度酸素の濃度をより高めること及び供給流量を高めることにより、より高い硝化活性化を図ることが可能である。

経路槽１３は、硝化槽１１から送り込まれる硝化された水にナノバブル化された高濃度窒素を供給することによって、硝化された水内の溶存酸素を外部へ排出する。

脱窒素槽１２は、硝化槽１１から経路槽１３を介して送り込まれる硝化された水に含まれる硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）を脱窒素菌の硝酸呼吸によって脱窒素還元処理（２ＮＯ_３＋５Ｈ_２→Ｎ_２＋２ＯＨ＋４Ｈ_２Ｏ）を行い、最終的に無害な窒素ガスに還元する。脱窒素菌は有機物を利用して増殖する従属栄養細菌であり、通性嫌気性細菌であるから、脱窒素槽１２に高濃度窒素を供給することによって、嫌気状態とし、硝酸態窒素を利用して脱窒素還元を行う。脱窒素菌の有機物としては、エタノールを使用している。本実施形態においては、ナノバブル化された高濃度窒素が脱窒素槽１２に供給される。

ナノバブル発生器１５は、硝化槽１１内の下方に設けられ、数百ナノメートル以下の径の気泡（ナノバブル）を発生する市販のノズルである。このナノバブル発生器１５は、気体分離装置１４からの高濃度酸素をナノバブル化し、硝化槽１１内の水に向けて噴射するように構成されている。ナノバブル発生器１６は、経路槽１３内の下方に設けられ、１μｍ以下の径の気泡（ナノバブル）を発生する市販のノズルである。このナノバブル発生器１６は、気体分離装置１４からの高濃度窒素をナノバブル化し、経路槽１３内の水に向けて噴射するように構成されている。ナノバブル発生器１７は、脱窒素槽１２内の下方に設けられ、数百ナノメートル以下の径の気泡（ナノバブル）を発生する市販のノズルである。このナノバブル発生器１７は、気体分離装置１４からの高濃度窒素をナノバブル化し、脱窒素槽１２内の水に向けて噴射するように構成されている。

気体分離装置１４は、外気から高濃度酸素及び高濃度窒素を分離生成するように構成されている。図２は本実施形態における気体分離装置１４の一例の構成を概略的に示している。この気体分離装置１４は、ゼオライトの窒素吸着作用を利用して外気から高濃度酸素及び高濃度窒素を圧縮生成する気体分離器である。

図２において、２０は外気の取込みフィルタ、２１はバッファタンク、２２はモータによって駆動される圧縮ポンプ、２３は圧力安全弁、２４は放熱器、２５は気水分離機、２６は酸素及び窒素生成用電磁弁、２７は高濃度窒素用バッファタンク、２８及び２９は窒素吸着作用を有するゼオライトモジュール、３０は高濃度酸素用バッファタンク、３１は圧力調整弁をそれぞれ示している。ゼオライトモジュール２８及び２９における吸着を高圧、脱着を大気圧以下とする圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用し、抽出した酸素は高濃度酸素用バッファタンク３０に送り込まれて高濃度に圧縮され、抽出した窒素は高濃度窒素用バッファタンク２７に送り込まれて高濃度に圧縮されてそれぞれ出力される。また、パージガスストリッピング法を用い、低吸着性のガスについて、被吸着物質の分圧を下げて、脱着を促進させるように構成しても良い。

本実施形態の気体分離装置１４で吸着剤として用いているゼオライトは、分子レベルの微細な細孔径を有数する結晶化合物であり、Ｓｉ（ケイ素）＋４価、Ａｌ（アルミニウム）＋３価、Ｏ（酸素）－２価で構成されているため、Ａｌが－１価となり、この補償により、陽イオンのカチオン種が存在している。分子レベルのふるい分けがなされカチオン種（陽イオン）の静電気引力が生じて吸着が行われる。このため、ゼオライトにおける吸着順位は、分子の極性の違いに基づき、Ｈ_２Ｏ（双極子モーメント）→二酸化炭素（四重極子）→窒素（四重極子）→酸素（無極子）となる。本実施形態では、リチウムイオンを担持したゼオライトを使用している。リチウムイオンは１価であるが、イオン半径が小さいため、静電気引力が強く、低圧力下における吸着力が高いので、効率の良い気体圧縮が可能である。

次に、本実施形態における水浄化システムの動作及び作用効果を説明する。図３は本実施形態における飼育水槽１０及びその外気回収部４０を概略的に示しており、図４は本実施形態における硝化槽１１及びナノバブル発生器１５を概略的に示しており、図５は本実施形態における経路槽１３及びナノバブル発生器１６を概略的に示しており、図６は本実施形態における脱窒素槽１２及びナノバブル発生器１７を概略的に示している。

図３に示すように、飼育水槽１０の上方に設けられた外気回収口４０によって、気体と、飼育水槽１０からの蒸発水蒸気とが回収され、気体分離装置１４の入力に送り込まれる。

図４に示すように、気体分離装置１４によって分離生成された高濃度酸素は、硝化槽１１内のナノバブル発生器１５に送り込まれ、ナノバブル化されて硝化槽１１内の処理水に向けて噴射され、高濃度酸素ナノバブル４１が発生する。単なる一例であるが、この場合の濃度酸素は９０％、流量は９Ｌ／ｍｉｎである。

高濃度酸素ナノバブル４１は、１μｍ以下の径であるナノバブル化された気泡であるため、液中でブラウン運動（不規則運動）を行い、長時間溶解することが可能となる。気泡径が小さいほど浮力が小さくなるため、溶液中により長く滞在する。気泡内部圧力は、表面張力σの影響で、ヤング・プラスの式から、気泡周囲の圧力より△Ｐ＝４σ／ｄだけ高くなる。ここで、ｄは気泡の径（μｍ）、水の表面張力σは７２．８ｍＮ/ｍ（２０℃）、気泡周囲の圧力は１ａｔｍである。気泡が小さくなるほど、気泡内部圧力は高くなり、気体が溶解し易くなる。気泡の滞在時間は、気泡径に比例して下記のように高くなる。
１００μｍ径：５．４ｍｍ／秒 （気泡内部圧力：１．０３ａｔｍ）
１０μｍ径：５４μｍ／秒 （気泡内部圧力：１．２９ａｔｍ）
１μｍ径：０．５４μｍ／秒 （気泡内部圧力：３．８７ａｔｍ）
ただし、ナノバブル化した水中の気泡径を実際に測定することは困難であり、ナノバブル化した気泡が小さければ小さいほど滞在時間が長くなるという理論的な知見から、本実施形態では、ナノバブル化した高濃度酸素を、常時、連続的に送り込んでいる。これにより、滞在時間をより長くし、硝化菌に対する酸素の供給量をより多くする効果により硝化を促進させている。なお、１μｍ以下の酸素ナノバブルで、溶液内に１か月滞在したという一般的なエビデンスが存在する。

本願発明者等は高濃度酸素をナノバブル化することなく水道水にそのまま溶かした場合と、高濃度酸素をナノバブル化して水道水に溶かした場合との高濃度酸素の滞在時間を実際に測定した。
（１）高濃度酸素濃縮器から高濃度酸素（９０％、３Ｌ）をエアレーションで通常の水道水に挿入した場合、高濃度酸素は、水道水約９ｐｐｍに対して５分注入で２８．８２ｍｇ／Ｌとなり、注入後１０分で２５．７７ｍｇ/Ｌとなり、注入後３０分で２５．３８ｍｇ/Ｌとなり、注入後２時間で２５．２６ｍｇ/Ｌとなり、注入後３時間で１７．６６ｍｇ/Ｌとなった。
（２）ナノバブル化した高濃度酸素を通常の水道水に注入した場合、水道水約９ｐｐｍに対し４０ｐｐｍの酸素を溶解可能であり、数回開封検査し、１カ月で溶存酸素は３７ｐｐｍとなり、数回開封検査し、４カ月で、溶存酸素は３０ｐｐｍとなった。

このように、高濃度酸素をナノバブル化することにより、その滞在時間が長期化するので、溶存酸素濃度を効率よく上昇させることができ、硝化菌の活性化を低温で行うことができ、省電力化を図ることができる。また、気泡分解による活性化エネルギーの上昇も期待することができる。

図５に示すように、気体分離装置１４によって分離生成された高濃度窒素は、硝化槽１１及び脱窒素槽１２の間に設けられた経路槽１３内のナノバブル発生器１６に送り込まれ、ナノバブル化されて経路槽１３を通過する処理水に向けて噴射され、高濃度窒素ナノバブル４２が発生する。単なる一例であるが、この場合の高濃度窒素ナノバブル４２の流量は５Ｌ／ｍｉｎである。このように高濃度窒素ナノバブル４２を投入することにより、経路槽１３からは溶存酸素４３が外部に排出される。

図６に示すように、気体分離装置１４によって分離生成された高濃度窒素は、脱窒素槽１２内に設けられたナノバブル発生器１７に送り込まれ、ナノバブル化されて脱窒素槽１２内の処理水に向けて高速で噴射され、高濃度窒素ナノバブル４４が発生する。単なる一例であるが、この場合の高濃度窒素ナノバブル４４の流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。このように高濃度窒素ナノバブル４４を噴射することにより、脱窒素槽１２の水に水流を発生させ、溶存している酸素を排出してその処理水を嫌気状態にする。脱窒素槽１２において、処理水中の硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）は脱窒素菌の硝酸呼吸によって脱窒素還元処理（２ＮＯ_３＋５Ｈ_２→Ｎ_２＋２ＯＨ＋４Ｈ_２Ｏ）され、最終的に無害な窒素ガスに還元される。脱窒素槽１２において浄化された処理水は飼育水槽１０に戻される。

以上説明したように、本実施形態によれば、硝化槽１１にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことによって、硝化菌の活性化が効果的に行われる。即ち、ナノバブル化した高濃度酸素を供給することによって、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることができる。また、溶解時間が長くかつ外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となり、低温においても硝化促進を図ることができる。このため、硝化槽１１の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。また、脱窒素槽１２にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み、溶存酸素を外気へ排出させているため、脱窒素槽１２内のＤＯ値が低下するのでこの脱窒素槽１２の雰囲気が嫌気状態となる。その結果、脱窒素槽１２において、硝酸態窒素を利用した脱窒素還元が行われる。さらに、高濃度窒素の送り込みにより、脱窒素槽１２内に水流を発生させることができるため、モータによる攪拌装置が不要となるから、部品の削減及び使用電力量の削減を図ることができる。

図７は本発明の他の実施形態における気体分離装置の一例の構成を概略的に示している。本実施形態の気体分離装置５０は、外気から高濃度窒素を分離生成すると共に、外気から高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分とを分離生成するように構成されている。本実施形態において、気体分離装置５０以外の飼育水槽１０、硝化槽１１、脱窒素槽１２及び経路槽１３の構成は図１の実施形態の気体分離装置１４の構成とほぼ同様であり、従って、その説明は省略する。

図７に示す気体分離装置５０は、外気から高濃度窒素と、高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分とを分離生成するように構成されている。同図において、５１はモータによって駆動される圧縮ポンプ、５２は気体の経路を絞ることにより突出気体に対して内圧を上昇させるためのスピードコントローラ、５３は酸素富化膜や中空糸膜等の高分子ポリマー膜を有する高分子ポリマー膜モジュールをそれぞれ示している。圧縮ポンプ５１は、飼育水槽１０の上方に設けられた外気回収口によって飼育水槽１０からの蒸発水蒸気が入力される第１の入力５１ａと、高分子ポリマー膜モジュール５３の第２の出力５３ｃに連結されている第２の入力５１ｂと、スピードコントローラ５２を介して高分子ポリマー膜モジュール５３の入力５３ａに連結されている第１の出力５１ｃと、高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分が出力される第２の出力５１ｄとを有している。高分子ポリマー膜モジュール５３は、スピードコントローラ５２を介して圧縮ポンプ５１の第１の出力５１ａに連結されている入力５３ａと、高濃度窒素が出力される第１の出力５３ｂと、圧縮ポンプ５１の第２の入力５１ｂに連結されており、高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分が出力される第２の出力５３ｃとを有している。

高分子ポリマー膜モジュール５３は、高分子鎖が重なり合って形成され固有の熱運動によって振動している高分子ポリマー膜を有している。気体がこの膜の界面に接すると、濃度勾配が駆動力となって、非結晶部分の高分子鎖の間隙を押し広げるように溶解、拡散が行われて他面に到達、脱着が行われる。気体の透過係数は、透過係数＝（溶解係数）×（拡散係数及び気体透過量）×（膜厚）／（（圧力差）×（透過面積）×（時間））で与えられ、気体によって高分子ポリマー膜の透過速度に違いのあることが分かる。即ち、透過速度が速い気体から遅い気体に表記すると、Ｈ_２Ｏ（水分）→ＣＯ_２（二酸化炭素）→Ｏ_２（酸素）→Ｎ_２（窒素）となる。高分子ポリマー膜は、この透過速度の差を利用して気体を分離する。その結果、（高濃度酸素＋高濃度二酸化炭素＋水分）と（高濃度窒素）とが分離生成されることとなる。

本実施形態においては、気体分離装置５０によって分離生成された高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分が硝化槽１１に供給され、気体分離装置５０によって分離生成された高濃度窒素が経路槽１３及び脱窒素槽１２に供給される。ただし、高濃度酸素はナノバブル発生器１５によってナノバブル化された後に硝化槽１１に供給される。また、高濃度窒素は、ナノバブル発生器１６によってナノバブル化された後に経路槽１３に供給されると共にナノバブル発生器１７によってナノバブル化された後に脱窒素槽１２に供給される。

硝化槽１１は、飼育水槽１０からの飼育水に含まれる餌の食べ残し、排泄物から発生するアンモニア態窒素の浄化を行うため、アンモニア態窒素（ＮＨ_４－Ｎ）→亜硝酸態窒素（ＮＯ_２－Ｎ）→硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）の反応処理を行う。即ち、まず、ＮＨ_４＋３／２Ｏ_２→ＮＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（アンモニア→亜硝酸）の反応処理を行い、ＮＯ_２＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_３（亜硝酸→硝酸）の反応処理を行う。また、ＮＨ_４＋２Ｏ_２→ＮＯ_３＋２Ｈ＋Ｈ_２Ｏの反応処理も行う。硝化槽１１では、１つのアンモニアを硝酸に参加させるには２つの酸素が必要となることから、高濃度酸素の供給が必須となる。逆に、硝化槽１１の水溶液内に充分な酸素が無いと硝化菌のアンモニア酸化が行われないこととなる。本実施形態においては、ナノバブル化された高濃度酸素が硝化槽１１に供給される。本実施形態においては、さらに、高濃度二酸化炭素と水分とが硝化槽１１に供給される。硝化槽１１に高濃度二酸化炭素を供給することにより、硝化菌の活性化を上昇させることができる。また、飼育水槽１０で自然蒸発した水分を回収して硝化槽１１に供給することにより、水の補給量を削減することができる。

脱窒素槽１２は、硝化槽１１から送り込まれる硝化された水に含まれる硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）を脱窒素菌の硝酸呼吸によって脱窒素還元処理（２ＮＯ_３＋５Ｈ_２→Ｎ_２＋２ＯＨ＋４Ｈ_２Ｏ）を行い、最終的に無害な窒素ガスに還元する。脱窒素菌は有機物を利用して増殖する従属栄養細菌であり、通性嫌気性細菌であるから、脱窒素槽１２に高濃度窒素を供給することによって、嫌気状態とし、硝酸態窒素を利用した脱窒素還元を行う。脱窒素菌の有機物としては、エタノールを使用している。

ナノバブル発生器１５は、気体分離装置５０からの高濃度酸素をナノバブル化し、硝化槽１１内の水に向けて噴射するように構成されている。ナノバブル発生器１６は、気体分離装置５０からの高濃度窒素をナノバブル化し、経路槽１３内の水に向けて噴射するように構成されている。ナノバブル発生器１７は、気体分離装置５０からの高濃度窒素をナノバブル化し、脱窒素槽１２内の水に向けて噴射するように構成されている。

次に、本実施形態における水浄化システムの動作及び作用効果を説明する。

飼育水槽１０の上方に設けられた外気回収口によって、気体と、飼育水槽１０からの蒸発水蒸気とを回収し、気体分離装置５０の第１の入力５１ａに送り込む。

気体分離装置５０によって分離生成された高濃度酸素と、同時に形成された高濃度二酸化炭素及び水分は、硝化槽１１内のナノバブル発生器１５に送り込まれ、ナノバブル化されて硝化槽１１内の水に向けて噴射され、高濃度酸素ナノバブルが発生する。

高濃度酸素をナノバブル化することにより、その滞在時間が長期化するので、溶存酸素濃度を効率よく上昇させることができ、硝化菌の活性化を低温で行うことができ、省電力化を図ることができる。また、気泡分解による活性化エネルギーの上昇も期待することができる。

一方、気体分離装置５０によって分離生成された高濃度窒素は、硝化槽１１及び脱窒素槽１２の間に設けられた経路槽１３内のナノバブル発生器１６に送り込まれ、ナノバブル化されて経路槽１３を通過する処理水に向けて噴射され、高濃度窒素ナノバブルが発生する。このように高濃度窒素ナノバブルを投入することにより、経路槽１３からは溶存酸素４３が外部に排出される。

また、気体分離装置５０によって分離生成された高濃度窒素は、脱窒素槽１２内に設けられたナノバブル発生器１７に送り込まれ、ナノバブル化されて脱窒素槽１２内の処理水に向けて高速で噴射され、高濃度窒素ナノバブルが発生する。このように高濃度窒素ナノバブルを噴射することにより、脱窒素槽１２の水に水流を発生させ、溶存している酸素を排出してその処理水を嫌気状態にする。脱窒素槽１２において、処理水中の硝酸態窒素（ＮＯ_３－Ｎ）は脱窒素菌の硝酸呼吸によって脱窒素還元処理（２ＮＯ_３＋５Ｈ_２→Ｎ_２＋２ＯＨ＋４Ｈ_２Ｏ）され、最終的に無害な窒素ガスに還元される。脱窒素槽１２において浄化された処理水は飼育水槽１０に戻される。

以上説明したように、本実施形態によれば、硝化槽１１にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことによって、硝化菌の活性化が効果的に行われる。即ち、ナノバブル化した高濃度酸素を供給することによって、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることができる。また、溶解時間が長くかつ外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となり、低温においても硝化促進を図ることができる。このため、硝化槽１１の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。また、硝化槽１１に高濃度二酸化炭素を供給することにより、硝化菌の活性化を上昇させることができる。さらに、飼育水槽１０で自然蒸発した水分を回収して硝化槽１１に供給することにより、水の補給量を削減することができる。脱窒素槽１２にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み、溶存酸素を外気へ排出させているため、脱窒素槽１２内のＤＯ値が低下するのでこの脱窒素槽１２の雰囲気が嫌気状態となる。その結果、脱窒素槽１２において、硝酸態窒素を利用した脱窒素還元が行われる。さらに、高濃度窒素の送り込みにより、脱窒素槽１２内に水流を発生させることができるため、モータによる攪拌装置が不要となるから、部品の削減及び使用電力量の削減を図ることができる。

図８は本発明のさらに他の実施形態における気体分離装置の一例の構成を概略的に示している。本実施形態の気体分離装置６０は、図２に示した気体分離装置１４と図７に示した気体分離装置５０とを組合せたものである。本実施形態の気体分離装置６０は、外気から高濃度窒素を分離生成すると共に、外気から高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分とを分離生成するように構成されている。本実施形態において、気体分離装置６０以外の飼育水槽１０、硝化槽１１、脱窒素槽１２及び経路槽１３の構成は図１の実施形態の気体分離装置１４及び図７の実施形態の気体分離装置５０の構成とほぼ同様であり、従って、その説明は省略する。

本実施形態によれば、硝化槽１１にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことによって、硝化菌の活性化が効果的に行われる。即ち、ナノバブル化した高濃度酸素を供給することによって、エアレーションなどによる酸素投入の場合に比して、酸素の溶解時間が長くなるのでＤＯ値を効率良く上昇させることができる。また、溶解時間が長くかつ外気への排出が緩やかとなるため、溶け込んでいる二酸化炭素の排出を抑止することが可能となり、低温においても硝化促進を図ることができる。このため、硝化槽１１の温度を上げることが不要となるので、効率的なシステム運転を可能とし省電力化を図ることができる。また、硝化槽１１に高濃度二酸化炭素を供給することにより、硝化菌の活性化を上昇させることができる。さらに、飼育水槽１０で自然蒸発した水分を回収して硝化槽１１に供給することにより、水の補給量を削減することができる。脱窒素槽１２にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み、溶存酸素を外気へ排出させているため、脱窒素槽１２内のＤＯ値が低下するのでこの脱窒素槽１２の雰囲気が嫌気状態となる。その結果、脱窒素槽１２において、硝酸態窒素を利用した脱窒素還元が行われる。さらに、高濃度窒素の送り込みにより、脱窒素槽１２内に水流を発生させることができるため、モータによる攪拌装置が不要となるから、部品の削減及び使用電力量の削減を図ることができる。

上述した実施形態においては、高濃度酸素及び高濃度窒素等の気体生成に、ゼオライトを吸着剤として使用するＰＳＡ方式の気体分離装置、高分子ポリマー膜を使用する気体分離装置、及びそれらを組合せた気体分離装置を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＰＳＡ方式の気体分離装置の吸着剤として、ゼオライト以外の種々の吸着剤を使用可能である。また、各気体は、気体分離装置を使用することなく、専用のボンベから供給することも可能である。さらに、上述した実施形態においては、高濃度酸素及び高濃度窒素のみをナノバブル化して供給しているが、高濃度二酸化炭素についてもナノバブル化して供給しても良い。

飼育水槽、硝化槽及び脱窒素槽を備えた水浄化システムを使用し、通常（比較例）の稼働条件の場合と、本発明（実施例）の稼働条件の場合との硝酸態窒素の数値を測定した。
比較例の稼働条件
硝化槽のヒータ稼働、水温は２６度、
脱窒素槽のモータ攪拌実施、
硝化槽のエアレーション実施。
実施例の稼働条件
硝化槽のヒータ停止、水温は１７～２０℃、
脱窒素槽のモータ攪拌停止、
硝化槽のエアレーション実施、高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分をナノバブル化供給（酸素濃度：９０％、流量：９Ｌ／ｍｉｎ）。
比較例及び実施例の水浄化システムについて、この稼働条件を維持して、３か月間の試験稼働を行った結果が表１及び表２に示されている。

比較例

実施例

表１及び表２より、実施例における硝化槽の硝酸態窒素値は、水温が１６．８～１９．３℃と低温でありかつＤＯ値が１４．３と充分高いにもかかわらず、水温が２６．１～２６．９℃と高くかつＤＯ値が８．６と低い比較例における硝化槽の硝酸態窒素値とほぼ同等となっている。従って、水温が低温であっても、硝化槽に高濃度酸素、高濃度二酸化炭素及び水分をナノバブル化供給することにより硝化活性化が図れることが証明された。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１０ 飼育水槽
１１ 硝化槽
１２ 脱窒素槽
１３ 経路槽
１４、５０、６０ 気体分離装置
１５、１６、１７ ナノバブル発生器
２０ 取込みフィルタ
２１ バッファタンク
２２、５１ 圧縮ポンプ
２３ 圧力安全弁
２４ 放熱器
２５ 気水分離機
２６ 酸素及び窒素生成用電磁弁
２７ 高濃度窒素用バッファタンク
２８、２９ ゼオライトモジュール
３０ 高濃度酸素用バッファタンク
３１ 圧力調整弁
４０ 外気回収口
４１ 高濃度酸素ナノバブル
４２、４４ 高濃度窒素ナノバブル
４３ 溶存酸素
５１ａ 第１の入力
５１ｂ 第２の入力
５１ｃ、５３ｂ 第１の出力
５１ｄ、５３ｃ 第２の出力
５２ スピードコントローラ
５３ 高分子ポリマー膜モジュール
５３ａ 入力

Claims (10)

1. 浄化すべき水を硝化槽に送り込んで硝化菌により硝化処理した後、脱窒素槽において脱窒素菌により脱窒素還元処理する水浄化方法であって、
   前記硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込み、硝化処理を行うことを特徴とする水浄化方法。
2. 浄化すべき飼育水槽の水を前記硝化槽に送り込み、該硝化槽の温度を前記飼育水槽の温度に保った状態で、前記硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むことを特徴とする請求項１に記載の水浄化方法。
3. 前記硝化槽に高濃度酸素と共に高濃度二酸化炭素を送り込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の水浄化方法。
4. 前記硝化槽に水分補給を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水浄化方法。
5. 少なくとも前記脱窒素槽にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み、溶存酸素を外気へ排出させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の水浄化方法。
6. 浄化すべき水が送り込まれ、硝化菌により硝化処理する硝化槽と、該硝化槽において硝化処理された水が送り込まれ、脱窒素菌により脱窒素還元処理する脱窒素槽と、前記硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込む気体分離装置とを備えたことを特徴とする水浄化システム。
7. 浄化すべき水を収容している飼育水槽をさらに備えており、該飼育水槽の水を前記硝化槽に送り込むことによって前記硝化槽の温度を前記飼育水槽の温度に保った状態で、前記気体分離装置より、前記硝化槽にナノバブル化した高濃度酸素を送り込むように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の水浄化システム。
8. 前記気体分離装置は、前記硝化槽に高濃度二酸化炭素を送り込むように構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の水浄化システム。
9. 前記気体分離装置は、前記硝化槽に水分補給を行うように構成されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の水浄化システム。
10. 前記気体分離装置は、少なくとも前記脱窒素槽にナノバブル化した高濃度窒素を送り込み溶存酸素を外気へ排出させるように構成されていることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の水浄化システム。

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