JP6480015B2 - 脱窒装置および水生生物飼育システム - Google Patents
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Description
本発明は、脱窒装置および水生生物飼育システム、より詳しくは、水生生物を飼育するために飼育水を好気条件下で効率的に脱窒処理するための脱窒装置、および、当該脱窒装置と、飼育水の硝化処理を行う硝化装置とを備える水生生物飼育システムに関する。
水生生物を飼育する際、飼育する水生生物の代謝によりアンモニア態窒素（ＮＨ４−Ｎ）が排出される。アンモニアの水生生物への毒性は高いため、アンモニアの除去が水生生物を健康に飼育するためのキーポイントの一つである。自然界では、アンモニア態窒素は自然脱窒により窒素ガスになり大気中に放出される。すなわち、アンモニア態窒素は、硝化細菌により酸化されて、亜硝酸態窒素（ＮＯ２−Ｎ）、さらに硝酸態窒素（ＮＯ３−Ｎ）となる。その後、亜硝酸態窒素、硝酸態窒素は脱窒細菌により還元されて窒素ガス（Ｎ２）となり、大気中に放出される。
しかしながら、閉鎖循環系では、自然脱窒のための環境を整えることが困難である。そこで、従来は、好気的条件下で硝化反応が起こる硝化槽と、嫌気的条件下で脱窒反応が起こる脱窒槽を用いてアンモニアを除去していた（例えば特許文献１参照）。
脱窒反応は、脱窒細菌の働きにより硝酸態窒素や亜硝酸態窒素を窒素ガスに還元する反応であり、一般的には嫌気状態で起こると言われている。一方、水生生物を飼育する飼育水槽では好気的条件が必須である。そのため、硝酸を除去するためには嫌気的脱窒槽を好気的な飼育水槽および硝化槽とは別に設ける必要がある。しかしながら、労力や経費、危険性（硫化水素の発生の恐れ等）を考慮すると、嫌気的脱窒槽と、好気的な飼育水槽および硝化槽とを長期にわたり並行して作動させることは大変困難であり、嫌気的脱窒槽は普及していない。
脱窒槽を設けない場合、飼育水槽内に硝酸が蓄積されることとなる。蓄積された硝酸は、飼育水のｐＨを低下させたり、弱いながらも生物への慢性毒性を有する。したがって、脱窒槽を設けない場合は飼育水を頻繁に交換する必要が生じ、結果として水生生物の飼育コストが上昇するという問題があった。
本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、その目的は、好気条件下で効率的に水生生物の飼育水の脱窒処理を行うことが可能な脱窒装置および水生生物飼育システムを提供することである。
本発明に係る脱窒装置は、
水生生物の飼育に用いられる飼育水の脱窒装置であって、
飼育水槽に貯留された飼育水が供給される濾過槽と、
前記濾過槽内に収容されており、前記飼育水中の硝酸態窒素を還元する脱窒細菌を定着させる濾材と、
前記濾過槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う間欠放水部と、
を備えることを特徴とする。
水生生物の飼育に用いられる飼育水の脱窒装置であって、
飼育水槽に貯留された飼育水が供給される濾過槽と、
前記濾過槽内に収容されており、前記飼育水中の硝酸態窒素を還元する脱窒細菌を定着させる濾材と、
前記濾過槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う間欠放水部と、
を備えることを特徴とする。
また、前記脱窒装置において、
前記濾過槽内に収容されており、前記濾過槽に供給される前記飼育水中のアンモニア態窒素を酸化する硝化細菌を定着させる別の濾材をさらに備えてもよい。
前記濾過槽内に収容されており、前記濾過槽に供給される前記飼育水中のアンモニア態窒素を酸化する硝化細菌を定着させる別の濾材をさらに備えてもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記濾材および前記別の濾材は、前記濾過槽内に上下に配置されているようにしてもよい。
前記濾材および前記別の濾材は、前記濾過槽内に上下に配置されているようにしてもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記濾材および前記別の濾材は、それぞれ異なるメッシュ袋に収容されているようにしてもよい。
前記濾材および前記別の濾材は、それぞれ異なるメッシュ袋に収容されているようにしてもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていてもよい。
前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていてもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記濾過槽および前記間欠放水部は樹脂製であるようにしてもよい。
前記濾過槽および前記間欠放水部は樹脂製であるようにしてもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に放出する流路を有する管路部と、前記管路部に設けられ、前記管路部の流路を間欠的に開閉するバルブとを有してもよい。
前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に放出する流路を有する管路部と、前記管路部に設けられ、前記管路部の流路を間欠的に開閉するバルブとを有してもよい。
また、前記脱窒装置において、
前記濾材は、多孔質セルロースを含んでもよい。
前記濾材は、多孔質セルロースを含んでもよい。
本発明に係る水生生物飼育システムは
水生生物を閉鎖循環系で飼育するための水生生物飼育システムであって、
水生生物を飼育するための飼育水を貯留する飼育水槽と、
硝化槽と、前記硝化槽内に収容された第１の濾材とを有し、前記飼育水中のアンモニア態窒素を前記第１の濾材に定着した硝化細菌により酸化する硝化装置と、
脱窒槽と、前記脱窒槽内に収容された第２の濾材と、前記脱窒槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第２の濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う間欠放水部と、を有し、前記飼育水中の硝酸態窒素を前記第２の濾材に定着した脱窒細菌により好気条件下で還元する脱窒装置と、
前記飼育水槽に貯留された飼育水を取水して前記硝化槽および前記脱窒槽に注水するポンプと、
を備えることを特徴とする。
水生生物を閉鎖循環系で飼育するための水生生物飼育システムであって、
水生生物を飼育するための飼育水を貯留する飼育水槽と、
硝化槽と、前記硝化槽内に収容された第１の濾材とを有し、前記飼育水中のアンモニア態窒素を前記第１の濾材に定着した硝化細菌により酸化する硝化装置と、
脱窒槽と、前記脱窒槽内に収容された第２の濾材と、前記脱窒槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第２の濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う間欠放水部と、を有し、前記飼育水中の硝酸態窒素を前記第２の濾材に定着した脱窒細菌により好気条件下で還元する脱窒装置と、
前記飼育水槽に貯留された飼育水を取水して前記硝化槽および前記脱窒槽に注水するポンプと、
を備えることを特徴とする。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記間欠放水部は、前記脱窒槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていてもよい。
前記間欠放水部は、前記脱窒槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていてもよい。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記脱窒槽および前記間欠放水部は樹脂製であってもよい。
前記脱窒槽および前記間欠放水部は樹脂製であってもよい。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記第２の濾材の体積は、前記第１の濾材の体積よりも大きいようにしてもよい。
前記第２の濾材の体積は、前記第１の濾材の体積よりも大きいようにしてもよい。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：３〜５であるようにしてもよい。
前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：３〜５であるようにしてもよい。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：４であるようにしてもよい。
前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：４であるようにしてもよい。
また、前記水生生物飼育システムにおいて、
前記硝化装置は、前記硝化槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第１の濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う別の間欠放水部をさらに有してもよい。
前記硝化装置は、前記硝化槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第１の濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う別の間欠放水部をさらに有してもよい。
本発明によれば、好気条件下で効率的に水生生物の飼育水の脱窒処理を行うことが可能な脱窒装置および水生生物飼育システムを提供することができる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る水生生物飼育システム１について、図１を参照して説明する。
第１の実施形態に係る水生生物飼育システム１について、図１を参照して説明する。
水生生物飼育システム１は、水生生物を閉鎖循環系で飼育するための水生生物飼育システムである。水生生物は、水中または水辺に生息する生物のことであり、例えば、魚介類、エビ、蟹等である。なお、ここでいう「水」は、海水または淡水であり、どちらか一方に限定されるものではない。
水生生物飼育システム１は、図１に示すように、飼育水槽２と、ポンプ３と、エアレーション４と、硝化装置１０と、脱窒装置２０とを備えている。
飼育水槽２は、水生生物が飼育される水槽であり、水生生物を飼育するための飼育水を貯留する。ポンプ３は、飼育水槽２に貯留された飼育水を取水して、後述の硝化槽１１および脱窒槽２１に連続的に注水する。なお、このポンプ３は、例えば、図１に示すように飼育水槽２内に配置された水中ポンプである。エアレーション４は、飼育水槽２に貯留された飼育水に空気を供給する。また、脱窒槽２１への飼育水の注水は、連続的な注水に限らず、間欠的な注水であってもよい。
硝化装置１０は、飼育水槽２の上方に配置された硝化槽１１と、硝化槽１１内に収容された濾材１２と、間欠放水部１３とを有する。この硝化装置１０は、硝化槽１１に供給される飼育水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素を濾材１２に定着した硝化細菌により酸化する。濾材１２は、例えば、角形セラミック濾材、多孔質セラミックキューブである。なお、濾材１２のことを、硝化反応基質、あるいは単に硝化基質ともいう。
間欠放水部１３は、硝化槽１１に溜まった飼育水を飼育水槽２に放出して濾材１２を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う。この間欠放水部１３は、後述の脱窒装置２０の間欠放水部２３と同様に、例えばサイフォンにより構成される。なお、硝化装置１０の間欠放水部１３は必須の構成ではない。しかし、間欠放水部１３により濾材１２が間欠的に空中に暴露されるため、硝化細菌に高濃度の酸素を供給することができ、好気条件下で起こる硝化反応を促進することができる。
脱窒装置２０は、飼育水槽２の上方に配置された脱窒槽（濾過槽）２１と、脱窒槽２１内に収容された濾材２２と、脱窒槽２１に設けられた間欠放水部２３と、を有する。この脱窒装置２０は、脱窒槽２１に供給される飼育水中の硝酸態窒素、亜硝酸態窒素を濾材２２に定着した脱窒細菌により好気条件下で還元する。なお、濾材２２のことを、脱窒反応基質、あるいは単に脱窒基質ともいう。脱窒細菌の種類は特に限定されるものではなく、一般的なものでもよい。濾材２２である多孔質セルロースに固定された菌を分離したところ、複数の菌が分離され、優占種について分離同定（１６ＳリボソーマルＲＮＡ遺伝子の配列による種の同定）を行ったところ、従来嫌気条件で脱窒反応を生じると言われていたＴｈａｌａｓｓｏｓｐｉｒａ ｓｐ．であることが判明している。
濾材２２は、多孔質セルロースを含むことが好ましく、例えば粒状、ブロック状、層状などの多孔質セルロースである。セルロースが脱窒細菌の餌になることで、脱窒細菌の数が増え、脱窒能力を向上させることができる。
間欠放水部２３は、脱窒槽２１に溜まった飼育水を飼育水槽２に放出して濾材２２を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う。間欠放水部２３により脱窒槽２１の飼育水を間欠的に放出することで、濾材２２が間欠的に空中に暴露される。空中に暴露された後、ポンプ３から注水された飼育水により濾材２２は再び水没する。このように濾材２２が間欠的に空中に暴露されることにより、脱窒細菌に高濃度の酸素を供給することができる。その結果、後ほど実験結果を示して詳しく説明するように、好気条件下で脱窒細菌による脱窒反応を促進し、効率的に飼育水の脱窒処理を行うことができる。
間欠放水部２３は、図１に示すようにサイフォンにより構成されており、サイフォンの原理により、脱窒槽２１内の高水位の飼育水を低水位の飼育水槽２内に移動させる。すなわち、所定量の飼育水が脱窒槽２１内に溜まると自動的に飼育水が放出される。
間欠放水部２３をサイフォンで構成することにより、動作電力やバルブの制御部を設ける必要がない。このため、間欠放水部２３を低コストかつ簡易な構成とすることができる。さらに、脱窒槽２１内の飼育水はサイフォンにより一気に勢いよく排水される。このため、ポンプ３により脱窒槽２１内に長期間連続注水する場合であっても、水生生物の残餌や糞などの水中懸濁物が濾材２２の隙間に詰まることが抑制される。その結果、脱窒槽２１内を常に好気的環境に保つことができるとともに、脱窒槽２１内の掃除などのメンテナンス回数を減らすことができる。
なお、脱窒槽２１および間欠放水部２３は、金属部分を含まず、全て樹脂製であることが好ましい。これにより、耐塩性を向上させることができ、飼育水として海水を使用する場合でも脱窒装置２０の錆や腐食を防止することができる。また、硝化槽１１および間欠放水部１３についても、金属部分を含まず、全て樹脂製であることが好ましい。
なお、水生生物飼育システム１は、泡沫分離機（図示せず）を備えてもよい。この泡沫分離機は、元来、ナノバブルにより海水中の有機物や微生物などを除去する装置であるが、飼育水中の溶存酸素量を高く保つために使用することも可能である。
上記のように、本実施形態によれば、間欠的に濾材２２を空中に暴露して脱窒細菌に高濃度の酸素を供給することにより好気条件下で起こる脱窒反応を促進し、水生生物の飼育水の脱窒処理を効率的に行うことができる。その結果、従来の嫌気的脱窒槽を設ける場合に比べて、水生生物飼育システムの低コスト化を図ることができるとともに、メンテナンス性や安全性を向上させることができる。
次に、上記の水生生物飼育システム１による実施例を説明する。
硝化槽１１および脱窒槽２１として、ピペット洗浄器（株式会社池田理化製、容積１０リットル）を用いた。また、濾材（硝化基質）１２として、角形セラミック濾材を用い、濾材（脱窒基質）２２として、多孔質セルロース粒子（レンゴー株式会社製、ビスコパールＡ（登録商標）、直径３ｍｍ）を用いた。濾材１２および濾材２２はナイロン製のメッシュ袋に収容し、硝化槽１１および脱窒槽２１にそれぞれ装填した。
使用した飼育水槽２の容積は、２００リットルである。この飼育水槽２に１５０リットルの人工海水（株式会社日本海水製）を張った。また、実験期間中はエアレーション４により飼育水にエアレーションを十分に行った。これにより、飼育水槽２、硝化槽１１および脱窒槽２１内の飼育水のいずれについても、水温２２±１℃、塩分３．０〜３．２％、ｐＨ８．４〜８．６、ＤＯ（溶存酸素量）６〜８ｐｐｍに保った。なお、濾材２２で使用したセルロースの分解によって炭素が供給されることから、脱窒反応に必要な炭素源としてのメタノールなどの添加は行わなかった。
ポンプ３により、飼育水槽２の海水を硝化槽１１および脱窒槽２１に連続的に供給した。供給水量は、硝化槽１１および脱窒槽２１ともに、３リットル／分であった。また、間欠濾過（酸素取込動作）は、硝化槽１１および脱窒槽２１ともに、約２分に１回の割合（約７２０回／日）で行われた。
定期的に飼育水を採水し、飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度（ＮＨ４−Ｎ）、亜硝酸態窒素濃度（ＮＯ２−Ｎ）および硝酸態窒素濃度（ＮＯ３−Ｎ）をそれぞれ測定した。ここでは、水質測定用試薬セット（共立理化学研究所製、ＬＲ−ＮＨ３，ＬＲ−ＨＮＯ２，ＬＲ−ＨＮＯ３）を用いた。正確な数値が必要な場合には、セットに添付のマニュアルに従って分光光度計により濃度を測定した。
次に、実施した実験１〜４について説明する。
実験１ 硝化装置の硝化能力
本実験では、硝化装置１０の硝化能力を把握するために、硝化装置１０のみを作動させて（すなわち、脱窒装置２０は作動させずに）、飼育水中の窒素濃度を測定した。
本実験では、硝化装置１０の硝化能力を把握するために、硝化装置１０のみを作動させて（すなわち、脱窒装置２０は作動させずに）、飼育水中の窒素濃度を測定した。
まず、飼育水槽２の飼育水に塩化アンモニウムを添加して、飼育水のアンモニア濃度を所期の値に設定した。そして、ポンプ３により硝化槽１１にのみ飼育水を注水しながら、１２時間ごとに飼育水を採水した。採水した飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度をそれぞれ測定した。測定結果を図２に示す。
図２に示すように、アンモニア態窒素濃度は時間が経過するにつれて急速に低下し、３６時間後には検出されなくなった。アンモニア態窒素濃度の減少とともに、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度が増加した。このことから、硝化装置１０により硝化作用が起きていることが確認された。
実験２ 脱窒装置の脱窒能力
本実験では、脱窒装置２０の脱窒能力を把握するために、脱窒装置２０のみを作動させて（すなわち、硝化装置１０は作動させずに）、飼育水中の窒素濃度を測定した。
本実験では、脱窒装置２０の脱窒能力を把握するために、脱窒装置２０のみを作動させて（すなわち、硝化装置１０は作動させずに）、飼育水中の窒素濃度を測定した。
まず、飼育水槽２の飼育水に硝酸カリウムを添加して、飼育水中の硝酸濃度を所期の値に設定した。そして、ポンプ３により脱窒槽２１にのみ飼育水を注水しながら、１２時間ごとに飼育水を採水した。採水した飼育水に含まれる硝酸態窒素濃度を測定した。測定結果を図３に示す。なお、図３において、「１回目」および「２回目」の測定では溶存酸素量を６ｐｐｍに設定し、「３回目」の測定では泡沫分離機を作動させて溶存酸素量を８ｐｐｍに設定した。
そして、ポンプ３により脱窒槽２１にのみ飼育水を注水しながら、１２時間ごとに飼育水を採水した。採水した飼育水に含まれる硝酸態窒素濃度を測定した。測定結果を図３に示す。図３に示すように、いずれの濃度設定でも、硝酸態窒素濃度は時間が経過するにつれて減少していった。特に溶存酸素量を６ｐｐｍに設定した場合において、硝酸態窒素が大きく減少した。このことは、溶存酸素量が多い方が脱窒反応が促進されることを示している。
実験３ 間欠濾過の場合における硝化能力および脱窒能力
本実験では、間欠濾過の場合における硝化能力および脱窒能力を把握するために、硝化装置１０および脱窒装置２０の両方を作動させ、飼育水中の各種窒素濃度を測定した。
本実験では、間欠濾過の場合における硝化能力および脱窒能力を把握するために、硝化装置１０および脱窒装置２０の両方を作動させ、飼育水中の各種窒素濃度を測定した。
まず、飼育水槽２の飼育水に塩化アンモニウムを添加して、飼育水のアンモニア濃度を所期の値に設定した。そして、ポンプ３により硝化槽１１と脱窒槽２１の両方に飼育水を注水しながら、１２時間ごとに飼育水を採水した。採水した飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度をそれぞれ測定した。測定結果を図４に示す。なお、図４において、「１回目」および「２回目」の測定では溶存酸素量を６ｐｐｍに設定し、「３回目」の測定では泡沫分離機を作動させて溶存酸素量を８ｐｐｍに設定した。
水生生物に対する硝酸の慢性毒性の影響を考慮すると、硝酸態窒素濃度および亜硝酸態窒素濃度の許容量は特に感受性の高い種でも約２ｐｐｍとされているが（Camargo et al., 2005）、間欠濾過による好気的脱窒処理により、その許容量に近づけることができた。
本実験の測定データから、水生生物飼育システム１のアンモニア除去能力は、硫黄カルシウムによる従来の嫌気的脱窒槽（ＤＯ約２ｐｐｍ、２０ｍｇＮ／Ｌ／日）とほぼ同程度である。この理由として以下が考えられる。従来の嫌気的脱窒の場合、脱窒槽内の酸素量を抑制する必要がある。このため、飼育水の注水量を低く維持しなければならない。これに対し、脱窒装置２０による好気的脱窒の場合は、このような制限がなく、飼育水の注水量を大きくすることができる。このため、脱窒装置２０は、嫌気的脱窒槽に比べて容積あたりの脱窒能力は低いものの、濾過回数を多くすることができるため、総脱窒量（容積あたりの脱窒能力×濾過回数）を嫌気的脱窒槽と同等にすることができる。
なお、実験結果から、脱窒反応は硝化反応と比べて明らかに遅く進行していることが分かる。したがって、アンモニアの負荷が継続的に多く存在する場合には、硝酸の蓄積が大きくなるものと考えられる。よって、濾材（脱窒基質）２２の体積は、濾材（硝化基質）１２の体積よりも大きいことが好ましい。より具体的には、硝化反応によるアンモニア態窒素濃度の低下速度と、脱窒反応による硝酸態窒素濃度および亜硝酸態窒素濃度の低下速度との比較から、濾材１２の体積と濾材２２の体積との比率は１：３〜５であることが好ましく、より好ましくは１：４である。これにより、硝化反応の反応速度と脱窒反応の反応速度を適切なバランスにすることができる。
実験４ 通常濾過の場合における硝化能力および脱窒能力
本実験では、実験３（間欠濾過）との比較として、通常濾過の場合におけるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度の測定を行った。本実験では、以下の２つの水生生物飼育システムを構成した。
本実験では、実験３（間欠濾過）との比較として、通常濾過の場合におけるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度の測定を行った。本実験では、以下の２つの水生生物飼育システムを構成した。
一つ目のシステムでは、脱窒槽２１からサイフォン（間欠放水部２３）を取り外した。飼育水槽２の飼育水に硝酸カリウムを添加して、飼育水中の硝酸濃度を所期の値に設定した。その後、ポンプ３により脱窒槽２１に飼育水を注水しながら（３リットル／分）、２４時間ごとに飼育水を採水した。測定結果を図５（ＮＯ３−Ｎ（硝酸カリウム添加））に示す。図５に示すように、硝酸態窒素濃度は、わずかに低下するにとどまった。この結果と実験３の結果から、間欠濾過が脱窒反応の促進に効果的であると言える。
二つ目のシステムでは、硝化槽１１および脱窒槽２１からサイフォン（間欠放水部１３，２３）を取り外した。また、濾材１２と濾材２２の体積比を１：４に調整し、硝化槽１１および脱窒槽２１にそれぞれ充填した。飼育水槽２の飼育水に塩化アンモニウムを添加して、飼育水のアンモニア濃度を所期の値に設定した。
ポンプ３により硝化槽１１および脱窒槽２１に飼育水を注水しながら、２４時間ごとに飼育水を採水した。採水した飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度をそれぞれ測定した。測定結果を図５に示す。図５に示すように、アンモニア態窒素濃度は低下したものの、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度は上昇した。
上記２つの通常濾過システムの実験結果から、通常濾過の場合は、脱窒槽２１への酸素供給量が少ないために、脱窒反応が十分に起きていないことが推察される。通常濾過の場合には、脱窒反応が全く起こらないわけではないが、その能力は非常に低いことが分かった。
これに対して、間欠濾過の場合には、濾材（脱窒基質）２２が完全に空気中に暴露される時間があるため、脱窒基質に高濃度の酸素が供給される。これにより、脱窒槽２１内全体を好気的に保つことができるため、脱窒能力を増大させることができる。
また、好気条件下で脱窒反応を進めるようにしたことで、従来の嫌気的脱窒反応に比べて、脱窒反応が起きるまでの時間をずっと短くすることができる。例えば水温２２℃の場合、３〜４日程度で脱窒反応が起き始める。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ａについて説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、硝化装置と脱窒装置が一つに統合されていることである。第１の実施形態で説明したように、本発明の水生生物飼育システムでは、硝化反応のみならず、脱窒反応も好気的環境で進行するため、硝化装置と硝化装置を一体化させることが可能である。
次に、第２の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ａについて説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、硝化装置と脱窒装置が一つに統合されていることである。第１の実施形態で説明したように、本発明の水生生物飼育システムでは、硝化反応のみならず、脱窒反応も好気的環境で進行するため、硝化装置と硝化装置を一体化させることが可能である。
図６は、第２の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ａの概略的な構成を示している。なお、図６では、第１の実施形態で説明した図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。
水生生物飼育システム１Ａは、図６に示すように、飼育水槽２と、ポンプ３と、エアレーション４と、濾過装置３０とを備えている。飼育水槽２、ポンプ３およびエアレーション４については、第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
濾過装置３０は、飼育水槽２の上方に配置された濾過槽３１と、濾過槽３１内に収容された濾材（硝化基質）３２ａおよび濾材（脱窒基質）３２ｂと、間欠放水部３３とを有する。この濾過装置３０は、ポンプ３により濾過槽３１に供給される飼育水中のアンモニア態窒素、亜硝酸態窒素を濾材３２ａに定着した硝化細菌により酸化する。さらに、濾過装置３０は、飼育水中の硝酸態窒素、亜硝酸態窒素を濾材３２ｂに定着した脱窒細菌により好気条件下で還元する。
濾材３２ａは、第１の実施形態で説明した濾材１２と同様に、例えば角形セラミック濾材または多孔質セラミックキューブである。濾材３２ｂは、第１の実施形態で説明した濾材２２と同様に、例えば粒状、ブロック状、層状などの多孔質セルロースである。
濾材３２ａおよび濾材３２ｂは、濾過槽３１内に上下に配置されている。例えば、まず、濾過槽３１内に多孔質セルロース粒を所定の体積分充填し、その後、多孔質セラミックキューブを所定の体積分充填する。充填順序は逆でもよい。なお、濾材３２ａおよび濾材３２ｂは、濾過槽３１内に上下でなく左右に並置してもよい。その他、濾材３２ａおよび濾材３２ｂはそれぞれメッシュ袋に収容されてもよい。例えば、多孔質セルロース粒を第１のメッシュ袋に収容し、多孔質セラミックキューブを第２のメッシュ袋に収納し、濾材を収容した第１および第２のメッシュ袋を濾過槽３１内に入れてもよい。また、濾過槽３１内で濾材３２ａおよび濾材３２ｂを、仕切り部材により分離して配置してもよく、あるいは分離せずに濾過槽３１内に混在させてもよい。
間欠放水部３３は、飼育水槽２から濾過槽３１に注水され、濾過槽３１に溜まった飼育水を飼育水槽２に放出して濾材３２ａおよび濾材３２ｂを暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う。間欠放水部３３は、図６に示すように、サイフォンにより構成されており、所定量の飼育水が濾過槽３１内に溜まると自動的に飼育水が放出される。間欠放水部３３により濾過槽３１の飼育水を間欠的に放出することで、濾材３２ａおよび濾材３２ｂが間欠的に空中に暴露される。このため、硝化細菌および脱窒細菌に高濃度の酸素を供給することができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、第２の実施形態では、硝化装置と脱窒装置が一つの濾過装置に統合されるため、水生生物飼育システムの低コスト化および小型化を図ることができる。
次に、上記の水生生物飼育システム１Ａによる実施例２および実施例３について説明する。
濾過槽３１として、ピペット洗浄器（株式会社池田理化製、容積１０リットル）を用いた。また、濾材（硝化基質）３２ａとして、角形セラミック濾材を用い、濾材（脱窒基質）３２ｂとして、多孔質セルロース粒子（レンゴー株式会社製、ビスコパールＡ、直径３ｍｍ）を用いた。濾材３２ａおよび濾材３２ｂはナイロン製のメッシュ袋に収容し、濾過槽３１に装填した。
使用した飼育水槽２の容積は、２００リットルである。この飼育水槽２に１５０リットルの人工海水（株式会社日本海水製）を張った。
実験期間中はエアレーション４により飼育水にエアレーションを十分に行った。また、泡沫分離機（株式会社プレスカ製、ＦＳ−００２Ｐ型）を作動させて飼育水中の溶存酸素量を高く維持した。これにより、飼育水槽２の飼育水の水質を、水温２２℃、塩分３％、ｐＨ８．６、ＤＯ８ｐｐｍに保った。なお、濾材３２ｂで使用したセルロースの分解によって炭素が供給されることから、脱窒反応に必要な炭素源としてのメタノールなどの添加は行わなかった。
ポンプ３により飼育水槽２の海水を濾過槽３１に供給した。供給水量は、３リットル／分であった。また、間欠濾過は、約２分に１回の割合で行われた。
次に、実施した実験５について説明する。
実験５ 水生生物の飼育時におけるアンモニア除去能力
本実験では、水生生物の飼育時における水生生物飼育システム１Ａのアンモニア除去能力を把握するために、濾過装置３０を作動させて、飼育水中の窒素濃度を測定した。濾材３２ａと濾材３２ｂの体積比を１：４に調整して濾過槽３１に充填した。
本実験では、水生生物の飼育時における水生生物飼育システム１Ａのアンモニア除去能力を把握するために、濾過装置３０を作動させて、飼育水中の窒素濃度を測定した。濾材３２ａと濾材３２ｂの体積比を１：４に調整して濾過槽３１に充填した。
２つの水生生物飼育システム１Ａを用意した。一方のシステムでは、アコヤガイ９個体（殻つき湿重量約８０ｇ）を飼育し、他方のシステムでは、イシガキダイ１尾（体重約４００ｇ）を飼育した。アコヤガイおよびイシガキダイのいずれも無給餌で飼育した。
アコヤガイについては、飼育開始から１日間は濾過槽３１を作動させず、アンモニア濃度の上昇が確認された２日目から濾過槽３１および泡沫分離機を作動させた。ポンプ３により濾過槽３１に飼育水を注水しながら、２４時間ごとに飼育水を採水し、飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度および硝酸態窒素濃度をそれぞれ測定した。測定結果を図７に示す。図７に示すように、硝酸態窒素濃度およびアンモニア態窒素濃度は飼育開始当初は増加するものの、その後減少に転じ、硝酸態窒素濃度は約１ｐｐｍ程度まで低減された。
イシガキダイについては、飼育開始から濾過槽３１および泡沫分離機を作動させた。ポンプ３により濾過槽３１に飼育水を注水しながら、２４時間ごとに飼育水を採水し、飼育水に含まれるアンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度をそれぞれ測定した。測定結果を図８に示す。図８に示すように、硝酸態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度およびアンモニア態窒素濃度はいずれも、飼育開始当初から低い値に維持された。
濾過装置３０として、角形の水槽（容積４５リットル）を用いた。また、濾材（硝化基質）３２ａとして、角形セラミック濾材を用い、濾材（脱窒基質）３２ｂとして、多孔質セルロース粒子（レンゴー株式会社製、ビスコパールＡ、直径３ｍｍ）を用いた。濾材３２ａ（３リットル）および濾材３２ｂ（１０リットル）をそれぞれ別のナイロン製メッシュ袋に収容し、２つのメッシュ袋を濾過槽３１に入れた。
使用した飼育水槽２の容積は、２００リットルである。この飼育水槽２に１５０リットルの淡水を張った。ポンプ３により飼育水槽２の淡水を濾過槽３１に供給した。供給水量は、６リットル／分であった。また、間欠濾過は、約３分に１回の割合で行われた。飼育水のｐＨおよびＤＯはそれぞれ、７．６および７ｐｐｍであった。
次に、実施した実験６について説明する。
実験６ 水生生物の飼育時におけるアンモニア除去能力
本実験では、キンギョ５０尾（全長３〜５ｃｍ、総体重２４５ｇ）に適当量の餌を毎日２，３回与え、２か月間飼育した。
本実験では、キンギョ５０尾（全長３〜５ｃｍ、総体重２４５ｇ）に適当量の餌を毎日２，３回与え、２か月間飼育した。
濾材（脱窒基質）３２ｂが飼育開始から約１．５ヶ月で体積が半分になったので、２リットルの脱窒基質を追加した。飼育水の水温については、飼育開始後２か月間は２２℃としたが、その後、全換水して１３〜１４℃に低下させた。水温を低下させてから２週間、給餌しながら飼育した。その後、飼育水の水温を２２℃に戻した。
飼育開始後２ヶ月（水温２２℃）にわたり、アンモニア態窒素濃度が２ｐｐｍ未満、亜硝酸態窒素濃度が０．２ｐｐｍ未満、硝酸態窒素濃度が１０ｐｐｍ未満に保つことができた。低水温（１３〜１４℃）での飼育では、水温を下げてから最初の１０日間は、アンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度はそれぞれ５ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、２０ｐｐｍに一時的に上昇した。しかし、その後は、アンモニア態窒素濃度が２ｐｐｍ未満、亜硝酸態窒素濃度が０．１ｐｐｍ未満、硝酸態窒素濃度が１０ｐｐｍ未満に維持された。
水温を低下させてから２週間後、飼育水の水温を再度２２℃に上昇させると、アンモニア態窒素濃度、亜硝酸態窒素濃度および硝酸態窒素濃度はそれぞれ２ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、２ｐｐｍに減少して安定した。
このように、低水温の場合でも好気条件下で硝化反応および脱窒反応が起きることが確認された。低水温下では、高水温時に比べるとアンモニア除去能力が少なくとも一時的に低下する可能性がある。しかし、低水温下ではキンギョのアンモニア排泄量も減るので、飼育水中の各種窒素濃度を低く保つことができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ｂについて説明する。第３の実施形態と第２の実施形態との相違点の一つは、間欠放水部の構成である。本実施形態の間欠放水部は、バルブを用いて構成されている。
次に、第３の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ｂについて説明する。第３の実施形態と第２の実施形態との相違点の一つは、間欠放水部の構成である。本実施形態の間欠放水部は、バルブを用いて構成されている。
図９は、第３の実施形態に係る水生生物飼育システム１Ｂの概略的な構成を示している。なお、図９では、第２の実施形態で説明した図６と同一の構成要素には同一の符号を付している。
水生生物飼育システム１Ｂは、図９に示すように、飼育水槽２と、ポンプ３と、エアレーション４と、濾過装置３０とを備えている。飼育水槽２、ポンプ３およびエアレーション４については、第１および第２の実施形態と同様なので説明を省略する。
濾過装置３０は、飼育水槽２の上方に配置された濾過槽３１と、濾過槽３１内に収容された濾材（硝化基質）３２ａおよび濾材（脱窒基質）３２ｂと、間欠放水部３３Ａとを有する。
間欠放水部３３Ａは、管路部３４およびバルブ３５を有する。管路部３４は、濾過槽３１内の飼育水を飼育水槽２内に放出する流路を有する。バルブ３５は、管路部３４に設けられ、管路部３４の流路を間欠的に開閉する。これにより、第２の実施形態と同様に、濾過装置３０は、飼育水中の硝酸態窒素、亜硝酸態窒素を濾材３２ｂに定着した脱窒細菌により好気条件下で効率的に還元することができる。
なお、本発明に係る間欠放水部は、濾過槽に溜まった飼育水を飼育水槽に放出して濾材を暴露させる酸素取込動作を間欠的に行うものであればよく、上述の間欠放水部２３，３３，３３Ａやポンプ３の構成に限定されるものではない。また、酸素取込動作として、濾過槽の濾材（脱窒基質）を飼育水で水没させた後、濾過槽に空気ポンプで空気を送り込むことにより濾材２２を暴露させてもよい。
以上、本発明に係る３つの実施形態について説明した。本発明に係る脱窒装置は、例えば、陸上での畜養、観賞用魚の飼育、鮮魚の輸送等に伴う飼育水の脱窒処理に適用可能である。また、本発明に係る脱窒装置は、水生生物の飼育に用いられる飼育水以外の未処理水、例えば畜産排水や農業排水等の未処理水の脱窒処理にも適用することが可能である。
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。
１，１Ａ，１Ｂ 水生生物飼育システム
２ 飼育水槽
３ ポンプ
４ エアレーション
１０ 硝化装置
１１ 硝化槽
１２ 濾材（硝化基質）
１３ 間欠放水部
２０ 脱窒装置
２１ 脱窒槽
２２ 濾材（脱窒基質）
２３ 間欠放水部
３０ 濾過装置
３１ 濾過槽
３２ａ 濾材（硝化基質）
３２ｂ 濾材（脱窒基質）
３３，３３Ａ 間欠放水部
３４ 管路部
３５ バルブ
２ 飼育水槽
３ ポンプ
４ エアレーション
１０ 硝化装置
１１ 硝化槽
１２ 濾材（硝化基質）
１３ 間欠放水部
２０ 脱窒装置
２１ 脱窒槽
２２ 濾材（脱窒基質）
２３ 間欠放水部
３０ 濾過装置
３１ 濾過槽
３２ａ 濾材（硝化基質）
３２ｂ 濾材（脱窒基質）
３３，３３Ａ 間欠放水部
３４ 管路部
３５ バルブ
Claims (14)
- 水生生物の飼育に用いられる飼育水の脱窒装置であって、
飼育水槽に貯留された飼育水が供給される濾過槽と、
前記濾過槽内に収容されており、前記飼育水中の硝酸態窒素を還元する脱窒細菌を定着させる濾材と、
前記濾過槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記濾材を空中に暴露させる酸素取込動作を間欠的に行い、それにより、好気条件下での前記脱窒細菌による脱窒反応を促進する間欠放水部と、
を備えることを特徴とする脱窒装置。 - 前記濾過槽内に収容されており、前記濾過槽に供給される前記飼育水中のアンモニア態窒素を酸化する硝化細菌を定着させる別の濾材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の脱窒装置。
- 前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の脱窒装置。
- 前記濾過槽および前記間欠放水部は樹脂製であることを特徴とする請求項３に記載の脱窒装置。
- 前記間欠放水部は、前記濾過槽内の飼育水を前記飼育水槽内に放出する流路を有する管路部と、前記管路部に設けられ、前記管路部の流路を間欠的に開閉するバルブとを有することを特徴とする請求項１または２に記載の脱窒装置。
- 前記濾材は、多孔質セルロースを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脱窒装置。
- 水生生物を閉鎖循環系で飼育するための水生生物飼育システムであって、
水生生物を飼育するための飼育水を貯留する飼育水槽と、
硝化槽と、前記硝化槽内に収容された第１の濾材とを有し、前記飼育水中のアンモニア態窒素を前記第１の濾材に定着した硝化細菌により酸化する硝化装置と、
脱窒槽と、前記脱窒槽内に収容された第２の濾材と、前記脱窒槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第２の濾材を空中に暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う間欠放水部と、を有し、前記飼育水中の硝酸態窒素を前記第２の濾材に定着した脱窒細菌により好気条件下で還元する脱窒装置と、
前記飼育水槽に貯留された飼育水を取水して前記硝化槽および前記脱窒槽に注水するポンプと、
を備えることを特徴とする水生生物飼育システム。 - 前記間欠放水部は、前記脱窒槽内の飼育水を前記飼育水槽内に移動させるサイフォンにより構成されていることを特徴とする請求項７に記載の水生生物飼育システム。
- 前記脱窒槽および前記間欠放水部は樹脂製であることを特徴とする請求項８に記載の水生生物飼育システム。
- 前記第２の濾材の体積は、前記第１の濾材の体積よりも大きいことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の水生生物飼育システム。
- 前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：３〜５であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の水生生物飼育システム。
- 前記第１の濾材の体積と前記第２の濾材の体積との比率は、１：４であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の水生生物飼育システム。
- 前記硝化装置は、前記硝化槽に溜まった前記飼育水を前記飼育水槽に放出して前記第１の濾材を空中に暴露させる酸素取込動作を間欠的に行う別の間欠放水部をさらに有することを特徴とする請求項７〜１２のいずれかに記載の水生生物飼育システム。
- 水槽に貯留された未処理水が供給される濾過槽と、
前記濾過槽内に収容されており、前記未処理水中の硝酸態窒素を還元する脱窒細菌を定着させる濾材と、
前記濾過槽に溜まった前記未処理水を前記水槽に放出して前記濾材を空中に暴露させる酸素取込動作を間欠的に行い、それにより、好気条件下での前記脱窒細菌による脱窒反応を促進する間欠放水部と、
を備えることを特徴とする脱窒装置。
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