JP6548220B2 - アクアポニックスシステム - Google Patents

Description

本発明は、アクアポニックスシステムに関する。

アクアポニックスシステムとは、アクアカルチャ（水産養殖）とハイドロポニックス（水耕栽培）との間を水流循環させる水流循環式エコシステムであり、微生物が魚の排泄物を植物の栄養素へと変える分解作用を利用することで、魚と植物とを同時に育成させるものである。

また、水耕栽培において、省スペース化を考慮して複数の植物用容器を積み重ねることがある。このように積み重ねた複数の植物用容器に給水する方法として、最上段より植物用容器に給水し、最上段の植物用容器において余剰な水を下段の植物用容器へ排水させ、順次下段の植物用容器の給水源とすることが知られている。

特許文献１には、５階建てのビルの最上階に観賞用の花栽培を含む水耕栽培システムを設け、下層階に複数の魚介類養殖システムを配置し、階層にまたがって水耕栽培システムと複数の魚介類養殖システムとの間をパイプで連通し、循環装置を用いて養殖水を循環させることが記載されている。

特開２００９−１３６１６４号公報

積み重ねた植物用容器に対しての一般的な潅水の場合、短時間での集中的な潅水のため植物用容器に収容される濾床の温度が下がり、濾床環境の急激な変化により植物の毛根に悪影響を与え、根腐れを起こす場合がある。また、アクアポニックスでは酸素供給のために飼育水槽においてバブリングが行われるので、かなりの電気エネルギーが使用されている。さらに、下段に設けた飼育水槽から濾床に給水する場合において水の浄化効率まで考慮されていない。

本発明の目的は、植物に適した水量を大気の呼吸を行いながら濾床に供給でき、飼育水槽の水を効率よく浄化して循環利用できるアクアポニックスシステムを提供することである。

本発明に係るアクアポニックスシステムは、微生物が魚の排泄物や餌を分解する分解作用を利用して、魚と植物とを育成するアクアポニックスシステムであって、微生物を有する濾床を含み植物を育成する複数段に配置された複数の植物用容器と、植物用容器の内部から分解作用が行われた処理水を吸水する吸水部と、植物用容器の外部へ吸水部より吸水された処理水を排水する排水部と、植物用容器より下側に位置し排水部より排水された処理水が給水収容されて魚を飼育する飼育水槽と、分解作用が行われる処理対象水が植物用容器に給水されたとき、植物用容器における水位を所定の呼吸期間周期で変動させ、処理水が植物用容器から吸水される水位下降の期間において空気を大気側から濾床に吸気させ、濾床において分解作用させる処理対象水が植物用容器に給水される水位上昇の期間において濾床に存在する空気を濾床から大気側へ呼気させる濾床呼吸機構と、を備え、濾床呼吸機構は、濾床の底面からの所定高さ位置を吸水水位とする吸水部を一方端に有し、吸水水位よりも下側の高さ位置を排水水位とする排水部を他方端に有し、濾床を浸透した処理対象水の水位が所定の動作基準水位に達するまでは吸水部と排水部とを結ぶ管路部を遮断し、処理対象水の水位が動作基準水位に達すると吸水部と排水部とを結ぶ管路部を開放する水位開放型の逆止弁を備える管路逆止開放機構であることを特徴とする。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、動作基準水位は、呼吸期間周期を満たすように、各植物用容器の内部の濾床の体積に応じた水位に設定されることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、複数段に配置される複数の植物用容器のそれぞれは、上面部の少なくとも一部が開放されるようにずらして配置されることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、飼育水槽に収容される処理水に魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の植物用容器の濾床に給水する原水給水部をさらに備えることが好ましい。

この場合、原水給水部は、飼育水槽から給水ポンプを介して延びる給水管であることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、吸水部には、濾材吸込みを抑制するフィルタが設けられることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、植物用容器を鉛直方向に沿って積層状に複数段配置して積層型アクアポニックスシステムとし、飼育水槽に収容される処理水に魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の植物用容器の濾床に給水する原水給水部を備え、積層型アクアポニックスシステムの隣接する２段の植物用容器についてそれぞれサイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器にサイフォン管機構の吸水部を配置し、上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方にサイフォン管機構の排水部を配置して下段側植物用容器に処理水を排水し、最下段の植物用容器の下側に飼育水槽を設けることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、植物用容器を階段状に複数段配置した階段型アクアポニックスシステムとし、飼育水槽に収容される処理水に魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の植物用容器の濾床に給水する原水給水部を備え、階段型アクアポニックスシステムの隣接する２段の植物用容器についてそれぞれサイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器にサイフォン管機構の吸水部を配置し、上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方にサイフォン管機構の排水部を配置して下段側植物用容器に処理水を排水し、最下段の植物用容器の下側に飼育水槽を設けることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、植物用容器を鉛直方向に沿って左右段違いに配置した階層型アクアポニックスシステムとし、飼育水槽に収容される処理水に魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の植物用容器の濾床に給水する原水給水部を備え、階層型アクアポニックスシステムの隣接する２段の植物用容器についてそれぞれサイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器にサイフォン管機構の吸水部を配置し、上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方にサイフォン管機構の排水部を配置し下段側植物用容器に処理水を排水し、最下段の植物用容器の下側に飼育水槽を設けることが好ましい。

本発明に係るアクアポニックスシステムは、濾床における水位を所定の呼吸期間周期で変動させる濾床呼吸機構を備える。濾床呼吸機構は、処理水が植物用容器から吸水される水位下降の期間において空気を大気側から濾床に吸気させ、処理対象水が供給される水位上昇の期間において濾床内に存在する空気を濾床から大気側へ呼気させる。このように、濾床の水位を変動させることができるので、バブリングを行わずとも濾床内に酸素を自動供給することができる。また、植物が必要とする水量に応じて呼吸期間周期を設定することで、所望の水位変動がなされ植物に最適な水量を給水することが可能になり、植物の根腐れを抑制できる。また、複数の植物用容器を複数段にすることで水の浄化効率を向上させることが可能となり、その結果、飼育水槽の水を植物潅水に用いて浄化した後に、飼育水槽の水として循環利用することができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、濾床呼吸機構はサイフォン管機構であることが好ましい。サイフォン管機構は、水位が一定の高さになるまで水位は上昇を続け、水位が一定の高さに達すると水位が下降し続けるので、例えば特別な水位変動調整弁とその制御装置等を要せずに、濾床の水位を変動させることができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、濾床呼吸機構は、管路逆止開放機構であることが好ましい。管路逆止開放機構は、濾床を浸透した処理対象水の水位が所定の動作基準水位に達するまでは吸水部と排水部とを結ぶ管路を遮断し、処理対象水の水位が動作基準水位に達すると吸水部と排水部とを結ぶ管路を開放する水位開放型の逆止弁を備える。管路に空気が残っているとサイフォン管機構は正常作動しないが、管路逆止開放機構によれば、水位が動作基準水位になれば逆止弁を開放させることが可能になる。例えば、濾床の水位の上昇が緩やかであっても、サイフォン管機構と同様の作用を行うことが可能になる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、サイフォン管機構の動作基準水位は、呼吸期間周期を満たすように、植物用容器の内部の濾床の体積に応じた水位に設定されてもよい。これにより、濾床の水位変動周期を目的に応じて設定することができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、複数の各植物用容器は、上面部の少なくとも一部が開放されるようにずらして配置した場合、植物に日光等の光を十分に当てることができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、魚の排泄物や餌を含む原水を濾床に給水する場合、濾床に存在する微生物が魚の排泄物や餌を分解し、植物の栄養源として変換することができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、飼育水槽から給水ポンプを介して延びる給水管により原水を濾床に供給すれば、新しく給水せずとも繰り返し循環して水を再利用することができる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、吸水部には、濾材吸込みを防止するフィルタを設ければ、吸水部における目詰まりを抑制できる。

本発明に係るアクアポニックスシステムにおいて、各植物用容器を鉛直方向に沿って積層状に複数段配置して積層型アクアポニックスシステムとすることで、上部の植物用容器に給水するだけで、順次下方の植物用容器に自動的に給水され、水の浄化効率が向上し、省スペース化が可能となる。

本発明に係るアクアポニックスにおいて、各植物用容器を階段状に複数段配置した階段型アクアポニックスシステムとすることで、植物用容器の上面全体が開放され、日光等の光を十分に当てることができる。また、上部の植物用容器に給水するだけで、順次下方の植物用容器に自動的に給水され、水の浄化効率が向上する。

本発明のアクアポニックスにおいて、各植物用容器を鉛直方向に沿って左右段違いにずらして配置した階層型アクアポニックスシステムとすることで、植物用容器の上面全体が開放され、日光等の光を十分に当てることができる。また、上部の植物用容器に給水するだけで、順次下方の植物用容器に自動的に給水され、水の浄化効率が向上し、省スペース化が可能となる。

本発明の第１の実施形態である積層型アクアポニックスシステムについての概略図である。 図１における積層型アクアポニックスシステムを示す（ａ）上面図および（ｂ）側面図である。 第１の実施形態で用いられる吸水部フィルタを示す図である。 第１の実施形態で用いられるサイフォン管機構の原理を説明する図である。 サイフォン管機構の他の構成例を示す図である。 第１の実施形態におけるアクアポニックスシステムの植物用容器について、水位の時間的変動を示す図である。 図６における水位の時間的変動について、横軸に時間を取り、縦軸に水位を取って示す図である。 本発明の第２の実施形態である階段型アクアポニックスシステムを示す図である。 本発明の第３の実施形態である階層型アクアポニックスシステムを示す図である。 本発明に係る実施の形態におけるアクアポニックスシステムにサイフォン管機構を設けたときの課題を示す図である。 他の濾床呼吸機構としての管路逆止開放機構の構成図である。 管路逆止開放機構を用いることで図１０における課題解決を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下で述べる寸法、形状、濾材の種類、植物用容器の積み重ね段数等は、説明のための例示であって、アクアポニックスシステムの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態である積層型アクアポニックスシステム１０ａの概略図である。図２は、図１に示す積層型アクアポニックスシステム１０ａの（ａ）上面図および（ｂ）側面図である。図１および図２には、ＸＹＺ軸を併記した。Ｘ方向は直方体である飼育水槽２０を上面側から見た場合の水平面内での長手方向に沿う方向であり、Ｙ方向は上記飼育水槽２０を上面から見た場合の上記Ｘ方向と直行する方向であり、Ｚ方向は高さ方向、−Ｚ方向は水が重力によって落下する鉛直方向である。

積層型アクアポニックスシステム１０ａは、魚２２と植物３４とを同時に育成する水流循環システムである。飼育水槽２０の内部に存在する魚２２の排泄物と食べ残した餌を水の循環によって植物用容器３０へと移動させ、上記排泄物や餌を微生物の分解作用によって植物３４の栄養源として変換させると同時に水を浄化させる。

積層型アクアポニックスシステム１０ａは、飼育水槽２０と、微生物を有する濾床３２を含み植物３４を育成する複数段に配置される植物用容器３０と、サイフォン管機構４０と、飼育水槽２０から給水ポンプ２４を介して延びる給水管４８とを備える。鉛直方向に沿って飼育水槽２０は各植物用容器３０より下側に位置する。給水管４８は、原水給水部５０である。本実施形態では、５つの植物用容器３０を上段側植物用容器３０に対して下段側植物用容器３０が完全に重なり合わないよう積み重ねた例を示すが、これに限定されるものではなく２つ〜４つ、または６つ以上であってもよい。

飼育水槽２０は、魚２２と、飼育水槽２０に収容される原水８と、原水８を汲み上げる給水ポンプ２４とが収容される。植物用容器３０は、濾床３２と、濾床３２に存在する図示されない微生物と、植物３４とが収容される。サイフォン管機構４０は、濾床３２の内部に吸水部４２を有し植物用容器３０の外部に排水部４４を有する逆Ｕ字形管路４６を用いた干潟式水供給法を実現する。

飼育水槽２０は、原水８を収容し、魚２２を育成するための容器状の構造物である。飼育水槽２０の材質は、例えばプラスチック、ガラス、金属などを用いることができ、上記材質を明度など魚２２が好む環境状態や、軽量化、作業性など目的に応じて適宜用いることができる。また、飼育水槽２０の外形は、直方体、立方体、円柱体、お椀型など適宜目的に応じて用いることができる。例えば、飼育水槽２０の外形を直方体とすると、その寸法を縦３００ｍｍ、横６４０ｍｍ、高さ１６０ｍｍとすることができる。

飼育水槽２０は、周壁部と底面部が防水構造で、上面部が大気側に解放されていることが好ましい。なお、上面部は、外敵から魚２２を保護するため網目構造の蓋などを適宜設けてもよい。

魚２２は、メダカ、金魚、鮎、香魚、テラピア、鯉、ドジョウ、その他の淡水魚を観賞用として飼育する場合や食用とする場合など目的に応じて適宜用いることができる。また、飼育水槽２０の内部にヒータを設置することによりグッピーなどの熱帯魚を用いてもよい。飼育水槽２０内の魚２２には、適した餌が適宜与えられる。

原水８は、飼育水槽２０の内部に魚２２と共に収容される。また、原水８は微生物によって分解作用が行われた水に魚２２の食べ残した餌及び魚２２の排泄物を含む。排泄物には尿と固形排泄物とが含まれる。尿には、アンモニア態窒素やアンモニウム態窒素が含まれ、固形排泄物には有機態窒素と、植物３４の栄養源としての無機態窒素、リン、カリウム等とが含まれる。尿や固形排泄物は、その量が水中で上昇すると魚２２にとって有害であり、水質を低下させることになる。よって、本実施形態では、植物用容器３０内の濾床３２において原水８を浄化して飼育水槽２０の水として再利用する。

原水８は、植物用容器３０内の濾床３２に供給することで、微生物による分解作用が行われた処理水４となる。また、処理水４は、下段に位置する植物用容器３０内の濾床３２においてさらに分解作用が行われるが、このように分解作用させる水を処理対象水６と呼ぶことにする。

給水ポンプ２４は、飼育水槽２０から原水８を汲み上げて給水管４８を介して最上段の植物用容器３０の上方に設けられる原水給水部５０に原水８を供給する機能を有する。給水ポンプ２４の機能により、水を循環利用することができる。給水ポンプ２４の動かし方としては、間欠運転とすることが好ましく、原水８が最上段の植物用容器３０に適切量供給されるまで運転を行い、その後は運転を一時停止する。給水ポンプ２４によって最上段の植物用容器３０に供給された原水８は、サイフォン管機構４０によって順次下段の植物用容器３０内の濾床３２を通過するにつれて水が浄化され、最終的に最下段に位置する飼育水槽２０に最終の処理水４が排水される。給水ポンプ２４の運転が再び開始され、上記動作が繰り返される。

植物用容器３０は、有底の枠体であって、その内部に濾床３２を収容するための外形を形成し、濾床３２を外部から分離し、濾床３２に含まれる処理対象水６等を外部に流出しないようにする容器状の構造物である。

植物用容器３０は、周壁部と底面部が完全な遮液構造でなくてもよいが略防水構造で、上面部が大気側に開放される。底面部において濾床３２が接する位置を基準位置として、周壁部の基準位置からの鉛直方向の高さは、基準位置からＺ方向に沿って測った濾床厚さよりも大きい値に設定される。

植物用容器３０の材質は、濾床３２を構成する濾材がこぼれ落ちたり処理対象水６が漏水や浸潤することなく収容される材質であればよく、軽量で内部観察が容易であるという観点からポリプロピレン、アクリル等の透明性プラスチック材料を用いることができる。植物用容器３０の寸法は、例えばその寸法を縦１８０ｍｍ、横３００ｍｍ、高さ１７０ｍｍとすることができる。

図２では、最上段の植物用容器を符号３０ａとし、以下同様に下側に位置する植物用容器を順に符号３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅとする。図１および図２に示すように植物用容器３０を積層化にする場合は、各植物用容器３０に供給する水量を一定にする目的で植物用容器３０の寸法を同一にすることが好ましい。サイフォン管機構４０が維持され、植物３４に適切に給水することができれば異なる寸法でもよい。また、積層化する場合は、各植物用容器３０の上面部の一部が開放されるようにずらして配置されることが好ましい。具体的には、植物用容器３０ａ，３０ｃ，３０ｅは長手方向がＹ方向に沿い、植物用容器３０ｂ，３０ｄは長手方向がＸ方向に沿うようにして交互に積み重ねられている。このように鉛直方向に沿って上から順に植物用容器３０の配置を交互にすることで上面部の約半分が開放され植物３４に日光等の光を十分当てることができる。

濾床３２は、濾材を植物用容器３０の内部空間に敷き詰めたものである。また、場合によっては、異なる種類の濾材を層状に敷き詰めたものでもよい。濾床３２は、濾材と微生物とを有し、微生物によってバイオフィルムまたは植物根圏微生物群が形成される。植物用容器３０に収容される濾床３２の体積Ｖは、濾床厚さＤと濾床底面積Ｓとを用いて、Ｖ＝Ｓ×Ｄで示される。ただし濾床３２の底面が平面でない場合には、体積は適宜その形状にあった算出式にて求めるものとする。

濾材は、軽石、溶岩、小石、砂、ガラスカレット、ハイドロコーン等を目的に合わせて適宜用いることができる。特に、再利用可能である等の観点からガラスカレットを用いることが好ましい。濾材について積層型に用いる際、上段ほど粒径の大きな濾材を用い下段になるに従い小さな粒径の濾材を用いることにより、上段において体積の大きな排泄物や餌を濾過し、水が下段に進むにつれて体積の小さな排泄物や餌を濾過させる。これにより、飼育水槽２０より汲み上げられた原水８に含まれる魚２２の排泄物や餌を効率よく濾床３２内に回収することができる。濾床３２において、大きな固形物は濾過され、小さな固形物は微生物によって低分子化される。

バイオフィルムとは、濾床３２の濾材に付着する微生物の膜である。例えば、水中にある礫や砂には、ぬるぬるした層が付着しているが、この層は、有機物や栄養塩とこれを食べる微生物を含む膜である。この膜がバイオフィルムである。植物根圏微生物群とは、濾材に生育する水生植物の根の周りの有機物や栄養塩を食べる微生物の群落である。

ここで、微生物によって分解可能な有機物指標としてＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）がある。ＢＯＤは、水中の有機物等の量を、その酸化分解のために微生物が必要とする溶存酸素の量で表したものである。ＢＯＤの値が大きいほど、その水質は汚泥していると言える。ＢＯＤについては、有機物の分解に伴う酸素消費量（Ｃ−ＢＯＤ）とアンモニア性窒素等、窒素の硝化に伴う酸素消費量（Ｎ−ＢＯＤ）とを区別することもある。

水質改善を行うには、濾床３２においてＢＯＤ酸化菌、硝化菌、脱窒菌の３種の細菌がそれぞれ活発に働く必要がある。バイオフィルムまたは植物根圏微生物群に含まれる微生物には、ＢＯＤ酸化菌、硝化菌、および脱窒菌が含まれる。ＢＯＤ酸化菌は、糖類、タンパク質等の有機物を体内に取り込み、その大半を酵素反応によって酸化分解（有機物＋Ｏ₂→ＣＯ₂↑＋Ｈ₂Ｏ）する。硝化菌は、水中のアンモニア態窒素およびアンモニウム態窒素を亜硝酸態窒素に、さらには硝酸態窒素に硝化する。硝化された排泄物は植物３４の栄養源となる。また嫌気的環境においては、栄養塩としての硝酸態窒素や亜硝酸態窒素の一部は脱窒菌の働きで窒素ガスとして大気中に揮散されることで富栄養化を抑制する。

このように、バイオフィルムや植物根圏微生物群に含まれるＢＯＤ酸化菌、硝化菌および脱窒菌を利用することで、原水８および処理対象水６に含まれる魚２２の排泄物や餌を分解し、植物３４の栄養源を含む処理水４とでき、結果として水を浄化することができる。以下では、微生物による低分子化、酸化、硝化等の反応を単に分解作用と呼ぶ。

植物３４は、レタス、キャベツ、トマト、胡瓜、青梗菜、イチゴ、メロン、唐辛子、クレソン、バジル、ミント、球根および草花等目的に応じて適宜育成することができる。特に、複数段積み重ねられる最下段の植物用容器３０には、分解作用が複数回行われ、植物３４の栄養源となる排泄物や餌を多く含まない浄化率の高い処理水４が供給されることから、栄養源を多く必要としない球根を育成することが好ましい。

サイフォン管機構４０は、干潟式水供給法を実現するものであり、一方端に吸水部４２を有し、他方端に排水部４４を有する逆Ｕ字形管路４６を用いる。サイフォン管機構４０は、吸水部４２が植物用容器３０の中にあって、排水部４４に至る管路が植物用容器３０の底面部を貫通している。底面部を貫通する箇所で植物用容器３０から漏水するのを防ぐため、底面部と管路との間にシールパテやＯリング等を用いることが好ましい。

吸水部４２は、濾床３２の内部にあって各植物用容器３０の内部から微生物による分解作用が行われた処理水４を吸い出して吸水する吸出口である。

また、吸水部４２には、濾材吸込みを抑制する吸水部フィルタ７０が設けられる。図３は、吸水部フィルタ７０を示す図である。図３に示すように、吸水部フィルタ７０は、外周が網目状の籠の中に、濾材の粒径よりも数倍大きい粒径を有するフィルタ材、あるいは濾材の粒径より小さい孔径を有するスポンジ材を収容したものである。フィルタ材の材質としては、頁岩、ガラスカレット等を用いることができる。籠の網目と、フィルタ材あるいはスポンジ材の粒径の作用によって、濾材がサイフォン管機構４０の管路内径に入り込むことを防止でき、サイフォン管機構４０の吸水部４２における目詰まりを抑制できる。

排水部４４は、濾床３２の外部にあって各植物用容器３０の外部へ吸水部４２より吸水された処理水４を排水する排水口であり、かつ隣接する植物用容器３０に対しての給水口としての機能を有する。最下段に位置する植物用容器３０に形成される排水部４４は、処理水４が飼育水槽２０へ排水される処理口部である。

次に、図４を参照し、サイフォン管機構４０の原理を説明する。サイフォン管機構４０は、基準位置から測った吸水水位Ｈ₁に開口する吸水部４２を一方端に有し、基準位置から測って吸水水位Ｈ₁よりも下側の排水水位−Ｈ₂に開口する排水部４４を他方端に有する。吸水部４２と排水部４４とを結ぶ管路の一部が、吸水水位Ｈ₁より高い所定位置に配置される。逆Ｕ字形管路４６を水で満たすことにより容器Ａにある高さｈに対応する水の容積Ｖを容器Ｂに移動させることができる。吸水水位Ｈ₁に濾床底面積Ｓを乗じた体積分の水は植物用容器３０に維持されるので、吸水部４２を高さ方向において高い位置に設けることで吸水水位Ｈ₁が高く設定され、吸水水位Ｈ₁に濾床底面積Ｓを乗じて求められる体積分の水を維持することができる。

図５は、異なる仕様のサイフォン管機構４０を示す図である。場合によっては、吸水部４２を植物用容器３０の底面部に設けることによって処理水４を全量排水することができる。例えば、図５に示すように容器Ａ、容器Ｂ、容器Ｃの３つがあり、容器Ｂには逆Ｕ字形管路４６が設けてある。図５(ａ)に示す容器Ｂにおいて水位Ｈ、容器Ｂの水が容器Ｃに流れ出す水位を動作基準水位ｈ₀とする。Ｈ＜ｈ₀の場合、容器Ｂの水は容器Ｃに移動することができないので、容器Ｂには流入する水により水位Ｈが上昇する。しかし図５(ｂ)に示すようにＨ≧ｈ₀になると管路に水が満たされるので、サイフォンの原理により容器Ｂ内の水が容器Ｃに流出し、最終的に水位Ｈ＝０となる。このように吸水部４２を植物用容器３０の底面部に設けることによって処理水４を全量排水できる。

図６は、サイフォン管機構４０による濾床呼吸作用を示す図である。図６（ａ）〜（ｆ）の各図は、図１の積層型アクアポニックスシステム１０ａにおける、ある一段の植物用容器３０と、濾床３２と、処理対象水６と、処理水４とを示し、時間経過と共に植物用容器３０における水位Ｈの変化を示す断面図である。図７は、横軸に時間、縦軸に水位Ｈを取って、図６における水位Ｈの時間変化を示す推移図である。

図６（ａ）は、植物用容器３０に初めて処理対象水６が供給された時間ｔａの状態を示す図である。濾床３２の上面に処理対象水６が供給されるが、濾床３２の内部には水が含まれておらず、水位Ｈ＝基準位置（容器底面位置）である。

図６（ｂ）は、時間ｔａから時間が経過した時間ｔｂの状態を示す図で、処理対象水６が濾床３２の内部に浸透しつつある。この時点では、水位Ｈ＝基準位置のままである。

図６（ｃ）は、時間ｔｂから時間がさらに経過した時間ｔｃの状態を示す図である。ここでは、処理対象水６が濾床３２の内部に浸透し、濾床３２における魚２２の餌の食べ残しや排泄物等の分解作用が行われながら、植物用容器３０の底面に達し、そこから水位が上昇して、吸水水位Ｈ₁となった状態である。

図６（ｄ）は、時間ｔｃから時間がさらに経過した時間ｔｄの状態を示す図である。ここでは、濾床３２の上面に処理対象水６が無くなり、濾床３２が大気に露出する。そして、濾床３２の内部では、浸透していた処理対象水６が濾床３２の内部に広がって拡散し、濾床３２における魚２２の排泄物等の分解作用が行われながら、水位Ｈが次第に上昇する。

このように、処理対象水６が拡がることで、濾床３２の体積Ｖの広い範囲で魚２２の排泄物等の分解作用が行われ、水が浄化される。また、濾床３２の内部で水位Ｈが上昇することで、魚２２の排泄物等の分解作用後に存在する酸素、二酸化炭素、窒素等の空気が、濾床３２の上面の大気に露出する部分から大気に吐出される。これが濾床３２の呼気作用である。図７に示すように、呼気作用は、時間ｔｃと時間ｔｄの間で、濾床３２が大気に露出した時間から開始する。

図６（ｅ）は、時間ｔｄから時間がさらに経過した時間ｔｅにおいて、水位Ｈが動作基準水位ｈ₀に到達した状態を示す図である。このとき、サイフォン管機構４０においても水位Ｈが動作基準水位ｈ₀に到達するので、濾床３２内の処理水４は、サイフォン管機構４０の排水部４４から外部に排水される。

図６（ｆ）は、時間ｔｅから時間がさらに経過した時間ｔｆの状態を示す図である。ここでは、サイフォン管機構４０の作用によって濾床３２の内部の処理水４が外部に排水され尽くして、水位Ｈが吸水水位Ｈ₁まで低下する。この水位Ｈの低下によって、濾床３２の内部には、濾床３２の上面の大気に露出する部分から酸素が吸い込まれる。これが濾床３２の吸気作用である。図７に示すように、吸気作用は、時間ｔｅと時間ｔｆの間で、濾床３２が大気に露出していて水位Ｈが低下する期間の間継続する。

時間ｔｆの状態において、さらに排水部４４は隣接する下段の植物用容器３０へ処理水４を処理対象水６として供給することで、図６（ｃ）とほぼ同様の状態となり、再び水位Ｈが上昇し、以後、図６（ｄ），（ｅ），（ｆ）で説明した状態が繰り返される。これを図７で説明すると、時間ｔｆまたはその前後の時間において処理対象水６の再供給を行うことで、植物用容器３０の濾床３２は吸気と呼気とを繰り返す。これによって、濾床３２の水位Ｈの変動が繰り返されるので濾床３２内に酸素が自動供給され、濾床３２内の処理水４は酸素を豊富に含む水となり、水質浄化効率が向上する。

呼気と吸気の繰り返しの周期である呼吸期間周期Ｔ₀は、（時間ｔｆ−時間ｔｃ）である。呼吸期間周期Ｔ₀は、植物用容器３０の濾床３２の体積Ｖと、濾材の種類、サイフォン管機構４０の動作基準水位ｈ₀設定で調整できる。サイフォン管機構４０の呼吸期間周期Ｔ₀は水耕栽培する植物３４に適した水位となるよう予め定めることが好ましく、呼吸期間周期Ｔ₀を満たすように、植物用容器３０の内部の濾床３２の体積Ｖに応じた水位に設定される。また、サイフォン管機構４０の動作基準水位ｈ₀は、濾床３２の体積Ｖを呼吸期間周期Ｔ₀で除した単位時間当たり平均呼吸速度が遅いほど高い水位に設定することが好ましい。

例えば、事例１として、植物３４の根腐れ等を考慮する場合、水を多く必要としない植物３４は呼吸期間周期Ｔ₀（１）を短くする必要がある。これに対し、水を多く必要とする植物３４は呼吸期間周期Ｔ₀（２）を長くする必要がある。両者濾床３２の体積Ｖが同じであるとすると、サイフォン管機構４０は、水を多く必要としない植物３４における動作基準水位ｈ₀（１）よりも水を多く必要とする植物３４における動作基準水位ｈ₀（２）の方を高くする。これにより、水を多く必要とする植物３４における呼吸期間周期Ｔ₀（２）を、水を多く必要としない植物３４における呼吸期間周期Ｔ₀（１）よりも長くできる。

事例２として、同じ植物３４を寸法の異なる植物用容器３０に収容する場合において、処理対象水６を同じ時間で処理したいとする。ここで、大きい寸法Ｍ₁の濾床３２の体積Ｖ₁＝（濾床底面積Ｓ₁×濾床厚さＤ₁）、小さい寸法Ｍ₂の濾床３２の体積Ｖ₃＝（濾床底面積Ｓ₁×濾床厚さＤ₃）、濾床底面積Ｓ₁＝濾床底面積Ｓ₂、濾床厚さＤ₃＞濾床厚さＤ₁とする。この場合、寸法Ｍ₁の呼吸期間周期Ｔ₀（１）と寸法Ｍ₂の呼吸期間周期Ｔ₀（３）を同じにすればよい。しかし、体積Ｖ₃＞体積Ｖ₁であるので、サイフォン管機構４０において、寸法Ｍ₁における動作基準水位ｈ₀（１）よりも寸法Ｍ₂における動作基準水位ｈ₀（３）の方を高くする。

このように、植物用容器３０の濾床３２の体積Ｖ、濾床底面積Ｓ、濾床厚さＤに応じて、サイフォン管機構４０の動作基準水位ｈ₀の設定を行うことで、濾床３２の水位変動の周期を植物用容器３０の目的に応じて設定できる。

なお、上記の水位変動と濾床呼吸作用の説明は、比較的粒径の粗い濾材を用いる場合である。比較的粒径の粗い濾材は、処理対象水６が濾床３２の上面に滞留せず、濾床３２内を浸透する。すなわち、（濾床３２における単位時間当たり浸透流量）＞（処理対象水６の単位時間当たり給水流量）である。また、これとは逆に（濾床３２における単位時間当たり浸透流量）＜（処理対象水６の単位時間当たり給水流量）となる粒径の細かい濾材を用いた場合には、処理対象水６は、給水と同時には濾床３２内に全部が浸透しきれず、濾床３２の上面に一部が滞留する。滞留する水量が多いと、植物用容器３０から水が溢れ出す可能性がある。また、滞留が長時間であると、植物３４の毛根に悪影響を与え、根腐れを起こす可能性が考えられる。そのため、（濾床３２における単位時間当たり浸透流量）と（処理対象水６の単位時間当たり給水流量）とのバランスを考慮して濾材が選定されることが好ましい。

次に、図１および図２を参照して、積層型アクアポニックスシステム１０ａにおける水の移動について説明する。まず、給水ポンプ２４の運転を開始し、飼育水槽２０内の原水８が第１の処理対象水６として最上段の植物用容器３０ａに満たされたら運転を停止する。最上段の植物用容器３０ａに収容される第１の処理対象水６は、分解作用後に第１の処理水４として、図１には示したが図２では図示されない吸水部４２ａより吸水され、植物用容器３０ａの一段下側にある植物用容器３０ｂに排水部４４ａより排水される。その後、植物用容器３０ｂに収容される第２の処理対象水６は、分解作用後に第２の処理水４となり吸水部４２ｂより吸水され、植物用容器３０ｂの一段下側にある植物用容器３０ｃに排水部４４ｂより排水される。このように排水された処理水４は、順次下段の植物用容器３０に処理対象水６として排水される。以下同様のことが行われ、最終的には、植物用容器３０ｅに収容される分解作用後の第５の処理水４は図示されない吸水部４２ｅより吸水され、飼育水槽２０に処理口部である排水部４４ｅより最終の処理水４として排水される。

このようにサイフォン管機構４０によって水は順次下段の植物用容器３０へと自動的に鉛直方向へ落下し、最終的には、最下段にある飼育水槽２０に魚２２の排泄物等が取り除かれて浄化された最終の処理水４が排水される。飼育水槽２０に排水された最終の処理水４は、時間を経て魚２２の排泄物等を含む原水８となる。

最上段の植物用容器３０ａ内の水が枯渇すると給水ポンプ２４を再び運転させる。給水ポンプ２４の運転により原水８を汲み上げ、最上段の植物用容器３０ａに供給することで水が循環される。水は、気化あるいは植物３４より蒸散することがあるため、その減量分として適宜水道等から潅水することも可能である。

上述した本実施形態の積層型アクアポニックスシステム１０ａによれば、植物用容器３０ａ，３０ｃ，３０ｅを長手方向がＹ方向に沿うように、植物用容器３０ｂ，３０ｄを長手方向がＸ方向に沿うようにして交互にずれて積み重ねられている。これにより、植物用容器３０ａの全面および植物用容器３０ｂ〜３０ｅの上面部の約半分が大気側に開放され植物３４に日光等の光を十分当てることができ省スペース化される。また、各植物用容器３０の底面部に逆Ｕ字形管路４６の管路の一部が貫通できる穴を設け、鉛直方向に沿って上から順に植物用容器３０の配置を交互にすることで複数のサイフォン管機構４０の設置が容易になり水の浄化効率が向上する。

次に、図８を参照して、本発明の第２の実施形態である階段型アクアポニックスシステム１０ｂについて説明する。図８は、階段型アクアポニックスシステム１０ｂの（ａ）上面図および（ｂ）側面図である。植物用容器３０は、例えば、直径１００ｍｍ、高さ６５ｍｍのプラスチック製円柱容器を用いる。植物用容器３０が階段型となるように高さの異なる２つの台座を用いるのが好ましい。サイフォン管機構４０には逆Ｕ字形管路４６を用いることができる。飼育水槽２０は、例えば、直径３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍのアクリル製円柱型容器を用いる。魚２２には、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。

濾材としては、水耕栽培用ハイドロコーン（有限会社三浦園芸製）を用いることができる。ハイドロコーンは、多孔質構造であり適度の水分と空気とを保持する。また低密度で水に浮かぶものもあるほど軽量である。ハイドロコーンは、植物３４が根から出す酸を吸収し根を活性化するので、水だけで栽培するよりも多様な植物３４を栽培することができる。

植物用容器３０の配置について、例えば、直径３６０ｍｍ、厚さ３ｍｍの扇形のアクリル板６０の上に高さ１４０ｍｍの台座６２と高さ７０ｍｍの台座６４とを設け３つの植物用容器３０が階段状となるように配置することができる。例えば、高さ１４０ｍｍの台座６２の上に最上段としての植物用容器３０ａを配置し、植物用容器３０ａに隣接して高さ７０ｍｍの台座６４の上に植物用容器３０ｂを配置し、さらに植物用容器３０ｂに隣接してアクリル板６０の上に植物用容器３０ｃを配置する。植物用容器３０を階段状に配置したアクリル板６０は飼育水槽２０の上に設置する。

サイフォン管機構４０は、植物用容器３０の底面部に管路が貫通する穴を設けず、最上段の植物用容器３０ａと２段目の植物用容器３０ｂとの間に跨ぐようにサイフォン管機構４０ａを配置してもよい。また、２段目の植物用容器３０ｂと３段目の植物用容器３０ｃとの間にサイフォン管機構４０ｂを配置し、さらに３段目の植物用容器３０ｃと最下段の飼育水槽２０との間にサイフォン管機構４０ｃを配置することができる。

最上段の植物用容器３０ａへの給水法としては、コップや杓子にて飼育水槽２０から最上段の植物用容器３０ａに魚２２の排泄物等が混入した原水８を潅水することができる。その後は上述したサイフォン管機構４０によって自動的に順次鉛直方向へ落下し水が効率的に浄化されるが、飼育水槽２０において水の減量が見られた場合、最上段の植物用容器３０ａに適宜潅水すればよい。

上述した本実施形態の階段型アクアポニックスシステム１０ｂによれば、植物用容器３０を階段状に配置して植物用容器３０ａ，３０ｂ，３０ｃの上面部全体を開放する。これにより、植物３４に日光等の光を十分当てることができ、且つサイフォン管機構４０の設置が容易になる。

次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態である窓掛け用の階層型アクアポニックスシステム１０ｃについて説明する。図９は、階層型アクアポニックスシステム１０ｃの斜視図である。図９には、図１と同様にＸＹＺ軸を併記した。窓掛け用の階層型アクアポニックスシステム１０ｃは、例えば、横６６０ｍｍ、高さ８００ｍｍの透明板６６に植物用容器３０を鉛直方向に沿って左右段違いに配置した階層型となるよう配置することができる。植物用容器３０は、例えば、縦１２０ｍｍ、横３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍのプラスチック製容器を用いる。飼育水槽２０には、例えば、直径４５０ｍｍ、高さ１６０ｍｍの陶器製お椀型容器を用いる。サイフォン管機構４０、濾材および魚２２は、第２の実施形態と同じものを用いてもよい。また、本実施形態では、窓掛け用としたが壁掛け用でもよい。

植物用容器３０の配置について、最上段と３段目と５段目の植物用容器３０ａ，３０ｃ，３０ｅはＸ方向において同じ位置にあり、２段目と４段目の植物用容器３０ｂ，３０ｄはＸ方向において同じ位置にある。つまり、Ｘ方向において、植物用容器３０は奇数段と偶数段とが交互にずれて配置されている。

上述した本実施形態の階層型アクアポニックスシステム１０ｃによれば、鉛直方向に沿って上から順に植物用容器３０の配置を交互にすることで植物３４に日光等の光を十分与えることができ省スペース化され、サイフォン管機構４０の設置が容易になる。また１段から５段までの植物用容器３０の容量が同一であるので、最上段から最下段の植物用容器３０に供給される水の量はほぼ等しい。

なお、上述した積層型、階段型、および階層型のアクアポニックスシステム１０において、飼育水槽２０が設置されない場合にはそれぞれの植物用容器３０が花壇となりうる。したがって積層型、階段型、および階層型花壇への応用が可能であり、水の供給法として本実施形態のサイフォン管機構４０を利用することにより、上部花壇にのみ散水することで順次それ以降の花壇に給水ができる。

ところで、サイフォン管機構４０は、一方端に吸水部４２、他方側に排水部４４を有する逆Ｕ字形管路４６である。一方端の吸水部４２から吸水された水の管路内水位は上昇し、管路から空気を追い出しながら水位が逆Ｕ字形管路４６の最高点である動作基準水位ｈ₀に達すると吸水水位Ｈ₁と排水水位−Ｈ₂との間の水位差によって排水が行われ水位が下降する（図４及び図５参照）。サイフォン管機構４０を濾床３２の排水に適用することで、簡単に水位を変動させることができる。仮に、サイフォン管機構４０において、水位上昇速度が緩やかであって、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀近傍になっても、まだ管路に空気が残っていると、水位を変動させることができず、サイフォンの原理が働かない。水位上昇速度が緩やかな例は、濾床３２における水の浸透速度が小さいときである。また、広い底面積を有する濾床３２において給水量に対し濾床体積Ｖが大きいときも水位上昇速度が緩やかになる。

図１０は、濾床３２における水位上昇速度が緩やかな場合に、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀近傍に留まってしまう例を示す図である。図１０（ａ）は、濾床３２の水位Ｈ₁₁がまだサイフォン管機構４０の逆Ｕ字形管路４６の最大高さに達していないときである。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の水位Ｈ₁₁からゆっくりと水位が上昇して水位Ｈ₁₂となる直前の状態のときである。水位Ｈ₁₂は、逆Ｕ字形管路４６の最大高さにおける管の下側高さである。水位Ｈ₁₂は、水位上昇速度が適当に速いときにサイフォン管機構４０が動作する動作基準水位ｈ₀に相当する。図１０（ａ），（ｂ）においては、排水部４４から排水がまだ行われない。

図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）状態からゆっくりと水位が上昇して水位Ｈ₁₂を越えた水位Ｈ₁₃となったときである。このとき、濾床３２の水位がゆっくりと上昇するために、逆Ｕ字形管路４６の最大高さの部分には、まだ空気が追い出されないで残っている。そこで、水位Ｈ₁₂を越えた分の処理水４は滴下水７として、逆Ｕ字形管路４６の内壁を伝って少しずつ滴下される。これにより、濾床３２の水位は低下し、水位Ｈ₁₂まで下がると、滴下水７の排水が止まる。

図１０（ｄ）は、一旦濾床３２の水位が水位Ｈ₁₂まで下がった後に、給水等によって再上昇して水位Ｈ₁₃となったときである。このときも図１０（ｃ）のときと同様に、水位がゆっくりと上昇するために、逆Ｕ字形管路４６の最大高さの部分には、まだ空気が追い出されないで残る。そこで、水位Ｈ₁₂を越えた分の処理水４は滴下水７として、逆Ｕ字形管路４６の内壁を伝って少しずつ滴下される。これにより濾床３２の水位は低下し、水位Ｈ₁₂まで下がると、滴下水７の排水が止まる。

図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に示すように、逆Ｕ字形管路４６の最大高さの部分に空気が残った状態で、水位の上昇と排水が繰り返されるので、濾床３２の水位は、水位Ｈ₁₂近傍に留まったままとなり、サイフォンの原理が働かない。

図１１は、濾床３２の水位がゆっくりと上昇する場合でも、水位変動が可能な濾床呼吸機構としての管路逆止開放機構１００の構成図である。管路逆止開放機構１００は、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀に達するまでは、吸水部７２と排水部７４とを結ぶ管路部を遮断し、水位が動作基準水位ｈ₀に達すると吸水部７２と排水部７４とを結ぶ管路部を開放する。

管路逆止開放機構１００は、植物用容器３０に接続して設けられる機構で、中間水槽１０２、中間水槽１０２を支持する支持台１２０、支持台１２０の下部に設けられる排水台１２２を含む。

中間水槽１０２は、濾床３２の水位に応じた処理水４を一時的に収容する水槽である。中間水槽１０２の内容積は、植物用容器３０の内容積よりも小さい。一例を示すと、中間水槽１０２の内容積は、植物用容器３０の内容積の１％以下である。好ましくは、０．１％〜１％程度とすることがよい。

連通管１０４は、植物用容器３０の底面に設けられる吸水部７２を一方端に有し、中間水槽１０２の底面に設けられた給水部７６を他方端に有する管路である。中間水槽１０２の底面の位置は、基準位置Ｏよりも下方の−Ｈ₃である。このように、吸水部７２は、給水部７６よりも＋Ｈ₃高い位置に設けられるので、植物用容器３０に処理水４が含まれるとき、連通管１０４によって、中間水槽１０２には植物用容器３０内に収容される濾床３２の水位と同じ水位で処理水４が収容される。

中間水槽１０２の中に高さ方向に立設される水位管１０６は、動作基準水位ｈ₀の高さ位置に上部開口８０を有し、下部開口８２が排水台１２２の内部に向けて設けられる管路である。水位管１０６は、濾床３２の水位がゆっくりと上昇して動作基準水位ｈ₀を越えたときに、越えた分の処理水４を上部開口８０に導入し、管路内壁を伝わらせて滴下水７として下部開口８２から排水台１２２の内部に向けて滴下させる。

中間水槽１０２の中に高さ方向に立設される逆止管１０８は、ロート状に開口する上部弁座１１０を一方端に有し、他方端に下部開口７８を有する管路である。上部弁座１１０は、中間水槽１０２の内部空間に配置され、下部開口７８は、排水台１２２の内部に向かって開口する。

逆止弁体１１２は球体状外形を有し、自重により上部弁座１１０のロート状に開口する円錐状斜面に受け止められる。逆止管１０８の上部弁座１１０と逆止弁体１１２とで逆止弁を構成する。逆止弁体１１２の球体状の外形が上部弁座１１０のロート状の円錐状斜面に受け止められて接触しているときは、逆止管１０８の管路が遮断される。遮断状態のときは、中間水槽１０２の内部空間に処理水４が満たされていても、逆止弁の作用によって、処理水４は排水台１２２の内部空間に流れることがない。逆止弁体１１２の球体状の外形が上部弁座１１０のロート状の円錐状斜面から離間するときは、逆止管１０８の管路が開放される。開放状態のときに、中間水槽１０２の内部空間に処理水４が満たされていると、上部弁座１１０のロート状の開口から逆止管１０８に処理水４が流れ込み、下部開口７８から排水台１２２の内部空間に向かって流れ落ちる。

上部弁座１１０のロート状の円錐状斜面において逆止弁体１１２である球体が接触する高さ位置は、基準位置Ｏよりも下方の−Ｈ₄である。球体が接触する高さ位置−Ｈ₄は、中間水槽１０２の底面位置の−Ｈ₃よりも上方の位置である。したがって、逆止管１０８が開放状態になって中間水槽１０２の内部空間にある処理水４が排水台１２２の内部空間に流れ落ちても、中間水槽１０２の水位は−Ｈ₄よりは低くならないが、基準位置Ｏよりは低い水位となる。これにより、逆止管１０８が開放状態になって中間水槽１０２の内部空間にある処理水４が排水台１２２の内部空間に流れ落ちると、濾床３２の水位は、基準位置Ｏまで下がる。

中間水槽１０２と排水台１２２との間の支持台１２０は、連通管１０４を配置し、水位管１０６と逆止管１０８を貫通させて支持する台部材である。支持台１２０は、中間水槽１０２の一部、あるいは排水台１２２の一部としてもよい。

排水台１２２は、中間水槽１０２の下方に設けられる防水構造の箱体である。排水台１２２の上面は支持台１２０に覆われているが、水位管１０６の下部開口８２と逆止管１０８の下部開口７８とが開口する。また、排水台１２２の一側面の下方側に排水部７４が設けられる。排水台１２２は、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀に到達したときに、中間水槽１０２から水位管１０６または逆止管１０８を経由して流れてくる処理水４を受け止め、その後、排水部７４から外部に排水する防水箱体である。

排水台１２２の内部空間に設けられる三角バケツ１２４は、回転中心１２６の周りに回転可能な貯水バケツである。三角バケツ１２４の開口する上面は、水位管１０６の下部開口８２に対向して配置される。水位管１０６の管路内壁を伝って下部開口８２から滴下する滴下水７は、三角バケツ１２４によって受け止め貯水される。

中間水槽１０２の上部縁に固定されて立設される支持柱１３０は、先端側の回転中心１３２でレバー体１３４を回転可能に支持するレバー支持体である。レバー体１３４は、回転中心１３２を挟んで、一方端に引張ロープ１３６の一方端が接続され、他方端に錘吊りロープ１３８を介して錘１４０が吊下げられる。レバー体１３４の他方端側において、回転中心１３２と他方端との間の中間位置に球体吊りロープ１４２の一方端が接続される。球体吊りロープ１４２の他方端は、逆止弁体１１２である球体に接続される。

錘１４０は、引張ロープ１３６からの引張力により、レバー体１３４を回転中心１３２周りに回転させ、他方端を下方に引き下げる下方復帰錘である。レバー体１３４が下方にある状態を下方安定状態と呼ぶ。レバー体１３４の下方安定状態では、球体吊りロープ１４２がやや弛み状態となって、逆止弁体１１２の球体状の外形が上部弁座１１０のロート状の円錐状斜面に受け止められて接触する。図１１では、下方安定状態における各要素の状態を実線で示した。

引張ロープ１３６の他方端は、三角バケツ１２４における回転中心１２６とは反対側の先端部に接続される。三角バケツ１２４に滴下水７が貯水されていない空状態のときは、三角バケツ１２４の先端部は、引張ロープ１３６によって引っ張り上げられる。よって、三角バケツ１２４は、水位管１０６の下部開口８２から滴下する滴下水７を貯水し得る状態である。

上記構成の作用について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）〜（ｄ）は、濾床３２の水位と、管路逆止開放機構１００の作用の関係を示す図である。

図１２（ａ）は、サイフォン管機構４０における図１０（ａ）に対応する図で、濾床３２の水位がＨ₁₁のときを示す。水位管１０６の上部開口８０の高さは、動作基準水位ｈ₀に設定され、Ｈ₁₁＜ｈ₀である。したがって、水位管１０６に処理水４は流れ込まず、三角バケツ１２４は空状態である。三角バケツ１２４が空状態のときは、レバー体１３４は下方安定状態にあり、球体吊りロープ１４２はやや弛み、逆止弁体１１２である球体は、逆止管１０８の上部弁座１１０の上部開口を塞ぐ。これにより、逆止管１０８は遮断状態となり、中間水槽１０２の処理水４は排水台１２２へ流れない。

図１２（ｂ）は、サイフォン管機構４０における図１０（ｂ）に対応する図で、濾床３２の水位が上昇し、水位Ｈ₁₂に達する直前のときを示す。水位Ｈ₁₂は、水位管１０６の上部開口の高さに対応する水位で動作基準水位ｈ₀と同じ、Ｈ₁₂＝ｈ₀である。この状態では、まだ水位管１０６に処理水４が流れ込まない。

図１２（ｃ）は、サイフォン管機構４０における図１０（ｃ）に対応する図で、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀を超えて水位Ｈ₁₃となったときを示す。Ｈ₁₃＞ｈ₀＝Ｈ₁₂であるので、中間水槽１０２において動作基準水位ｈ₀を越える処理水４は、水位管１０６の管路内壁を伝って滴下水７として下部開口８２から滴下し、排水台１２２の内部の三角バケツ１２４によって受け止め貯水される。この段階では、三角バケツ１２４に溜まった滴下水７の質量がまだ少なく、引張ロープ１３６の引張力が不十分で、レバー体１３４は下方安定状態を維持する。

処理水４が水位管１０６の管路内壁を伝って滴下水７として下部開口８２から継続して滴下すると、三角バケツ１２４に貯水された滴下水７の質量が次第に増加する。三角バケツ１２４に貯水された滴下水７の質量が閾値質量以上になると、回転中心１２６周りに三角バケツ１２４が回転する。三角バケツ１２４が回転すると、これに伴い、引張ロープ１３６、レバー体１３４、錘吊りロープ１３８、錘１４０、球体吊りロープ１４２、逆止弁体１１２の位置状態等が変わる。図１１に示すように、三角バケツ１２４が回転した後のこれらの要素の変化後の状態を二点鎖線で示し、変化後の要素の符号を引張ロープ１３７、レバー体１３５、錘吊りロープ１３９、錘１４１、球体吊りロープ１４３、逆止弁体１１３とした。

三角バケツ１２４に貯水された滴下水７の質量が閾値質量以上になると、図１２（ｄ）に示すように、三角バケツ１２４が三角バケツ１２５の状態となる。引張ロープ１３６は三角バケツ１２５側に引っ張られ、引張ロープ１３７の状態になる。引張ロープ１３６が引張ロープ１３７の状態になると、錘１４０の質量に抗してレバー体１３４が回転中心１３２の周りに回転し、レバー体１３５の状態となる。これに伴い、錘吊りロープ１３８は錘吊りロープ１３９の状態となり、錘１４０は高さ方向に上昇して錘１４１の状態となる。

レバー体１３４がレバー体１３５の状態になると、球体吊りロープ１４２は高さ方向に引っ張り上げられて球体吊りロープ１４３の状態となり、逆止弁体１１２である球体は、逆止弁体１１３である球体の状態となる。この状態で、逆止弁体１１３である球体は逆止管１０８の上部弁座１１０から離間する。これにより、逆止管１０８の上部弁座１１０は開放状態となり、処理水４が逆止管１０８を経て排水台１２２に向かって流れ込む。排水台１２２に流れ込んだ処理水４は、排水台１２２の排水部７４から処理水４として排水される。

これに伴い、中間水槽１０２の水位が低下し、連通管１０４を介して濾床３２の水位も低下する。図１２（ｄ）では低下した濾床３２の水位をＨ₁₄で示した。逆止管１０８からは引き続き排水台１２２に向かって処理水４が流れるので、時間が経過するに従い、濾床３２の水位はさらに低下する。このようにして、濾床３２の水位を変動させることができる。

三角バケツ１２４に貯水された滴下水７の質量が閾値質量以上となって三角バケツ１２５の状態になるまでの間は、濾床３２の水位はほとんど変動せず、滞留状態である。この滞留状態の継続期間である滞留期間Ｔ_Sは、三角バケツ１２４の貯水容量、三角バケツ１２４における回転中心１２６の偏心位置、レバー体１３４における後述のレバー比、錘１４０の質量等によって設定できる。なお、レバー体１３４におけるレバー比とは、レバー体１３４の長手方向に沿って、錘吊りロープ１３８が接続される位置と回転中心１３２との間の長さをＬ１とし、引張ロープ１３６が接続される位置と回転中心１３２との間の長さをＬ２として、Ｌ１／Ｌ２である。

濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀である状態から基準位置Ｏまで低下するのに要する期間である排水期間は、図６で説明した吸気期間（時間ｔｆ−時間ｔｅ）に相当する。呼吸期間周期Ｔ₀を短くしたいときには、吸気期間に対し滞留期間を短くする。例えば、滞留期間は、吸気期間の１％から１０％程度とすることがよい。

吸気期間は、濾床３２内の処理水４の水位が低下して排水されるのに要する期間である。これに対し、呼気期間は、濾床３２に処理対象水６が浸透し、その後濾床３２内で水位が動作基準水位ｈ₀に上昇するまでの期間である。この水位変化の相違によって、同じ濾床厚さＤであっても、一般的には、呼気期間＞吸気期間である。一例として、呼気期間＝（吸気期間×２）とすると、呼気期間＝４８時間として、吸気期間＝２４時間である。滞留期間は、吸気期間の１％とすると、０．２４時間で、約１５分である。さらなる例として、呼気期間において、約１５分の間に濾床３２の水位が１５ｍｍ上昇するとして、濾床３２の面積１ｍ²に約１５ｍｍを乗じた体積０．０１５ｍ³の処理水４が水位管１０６を通って滴下水７として三角バケツ１２４に滴下する。この体積の滴下水７の質量が三角バケツ１２４の閾値質量となるように他の条件を定めれば、所望の滞留期間とできる。

このように、管路逆止開放機構１００は、濾床３２の水位に依存して、吸水部７２から排水部７４の間に設けられる逆止管１０８の管路を遮断状態から開放状態に遷移する水位開放型の逆止弁を備える。上記の例では、濾床３２の水位が動作基準水位ｈ₀から約１５ｍｍ上昇したタイミングで、逆止弁が遮断状態から開放状態に遷移する。管路逆止開放機構１００は、滞留期間が経過すれば濾床３２の水位を低下させるので、サイフォン管機構４０のように滞留期間がずっと継続して水位が固定したままにならない。

滞留期間は、呼気期間から吸気期間へ遷移する期間でもある。滞留期間中は、濾床３２水位は、動作基準水位ｈ₀に固定したままで、大気から濾床３２への空気供給が行われない。したがって、滞留期間を長くすれば、嫌気性の分解作用が行われる呼気期間を実質上延長することができる。一例を挙げると、呼気期間を４８時間、吸気期間を２４時間に設定された濾床３２において、滞留期間を長くして５時間に設定すると、実質上の呼気期間は５３時間となる。

水位開放型の管路逆止開放機構１００としては、三角バケツ１２４の貯水水量の検出を電気的に行い、その信号によって電気式の逆止弁を動作させる構成とすることもできる。この場合には、電気式計測装置と電気式逆止弁と電気式制御装置等を要し、これらを動作させる電源が必要となる。図１１の管路逆止開放機構１００は、電源を必要としない機構で構成されるので、電源供給が困難な環境等でも利用が可能である。

４ 処理水、６ 処理対象水、７ 滴下水、８ 原水、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ アクアポニックスシステム、２０ 飼育水槽、２２ 魚、２４ 給水ポンプ、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ 植物用容器、３２ 濾床、３４ 植物、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ サイフォン管機構、４２ 吸水部、４４ 排水部、４６ 逆Ｕ字形管路、４８ 給水管、５０ 原水給水部、６０ アクリル板、６２，６４ 台座、７０ 吸水部フィルタ、７２ （管路逆止開放機構の）吸水部、７４ （管路逆止開放機構の）排水部、７６ 給水部、７８ （逆止管の）下部開口、８０ （水位管の）上部開口、８２ （水位管の）下部開口、１００ 管路逆止開放機構、１０２ 中間水槽、１０４ 連通管、１０６ 水位管、１０８ 逆止管、１１０ 上部弁座、１１２，１１３ 逆止弁体、１２０ 支持台、１２２ 排水台、１２４，１２５ 三角バケツ、１２６ （三角バケツの）回転中心、１３０ 支持柱、１３２ （レバー体の）回転中心、１３４，１３５ レバー体、１３６，１３７ 引張ロープ、１３８，１３９ 錘吊りロープ、１４０，１４１ 錘、１４２，１４３ 球体吊りロープ。

Claims (9)

1. 微生物が魚の排泄物や餌を分解する分解作用を利用して、魚と植物とを育成するアクアポニックスシステムであって、
   前記微生物を有する濾床を含み前記植物を育成する複数段に配置された複数の植物用容器と、
   前記植物用容器の内部から前記分解作用が行われた処理水を吸水する吸水部と、
   前記植物用容器の外部へ前記吸水部より吸水された前記処理水を排水する排水部と、
   前記植物用容器より下側に位置し前記排水部より排水された前記処理水が給水収容されて前記魚を飼育する飼育水槽と、
   前記分解作用が行われる処理対象水が前記植物用容器に給水されたとき、前記植物用容器における水位を所定の呼吸期間周期で変動させ、前記処理水が前記植物用容器から吸水される水位下降の期間において空気を大気側から前記濾床に吸気させ、前記濾床において分解作用させる前記処理対象水が前記植物用容器に給水される水位上昇の期間において前記濾床に存在する空気を前記濾床から大気側へ呼気させる濾床呼吸機構と、
   を備え、
   前記濾床呼吸機構は、
   前記濾床の底面からの所定高さ位置を吸水水位とする前記吸水部を一方端に有し、
   前記吸水水位よりも下側の高さ位置を排水水位とする前記排水部を他方端に有し、
   前記濾床を浸透した前記処理対象水の水位が所定の動作基準水位に達するまでは前記吸水部と前記排水部とを結ぶ管路部を遮断し、前記処理対象水の水位が前記動作基準水位に達すると前記吸水部と前記排水部とを結ぶ前記管路部を開放する水位開放型の逆止弁を備える管路逆止開放機構であることを特徴とするアクアポニックスシステム。
2. 請求項１に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記動作基準水位は、前記呼吸期間周期を満たすように、前記各植物用容器の内部の前記濾床の体積に応じた水位に設定されることを特徴とするアクアポニックスシステム。
3. 請求項１または２に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   複数段に配置される前記複数の前記植物用容器のそれぞれは、上面部の少なくとも一部が開放されるようにずらして配置されることを特徴するアクアポニックスシステム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記飼育水槽に収容される前記処理水に前記魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の前記植物用容器の前記濾床に給水する原水給水部をさらに備えることを特徴とするアクアポニックスシステム。
5. 請求項４に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記原水給水部は、前記飼育水槽から給水ポンプを介して延びる給水管であることを特徴とするアクアポニックスシステム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記吸水部には、濾材吸込みを抑制するフィルタが設けられることを特徴とするアクアポニックスシステム。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記植物用容器を鉛直方向に沿って積層状に複数段配置して積層型アクアポニックスシステムとし、
   前記飼育水槽に収容される前記処理水に前記魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の前記植物用容器の前記濾床に給水する原水給水部を備え、
   前記積層型アクアポニックスシステムの隣接する２段の前記植物用容器についてそれぞれ前記サイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器に前記サイフォン管機構の前記吸水部を配置し、前記上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方に前記サイフォン管機構の前記排水部を配置して前記下段側植物用容器に前記処理水を排水し、
   最下段の前記植物用容器の下側に前記飼育水槽を設けることを特徴とするアクアポニックスシステム。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記植物用容器を階段状に複数段配置した階段型アクアポニックスシステムとし、
   前記飼育水槽に収容される前記処理水に前記魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の前記植物用容器の前記濾床に給水する原水給水部を備え、
   前記階段型アクアポニックスシステムの隣接する２段の植物用容器についてそれぞれ前記サイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器に前記サイフォン管機構の前記吸水部を配置し、前記上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方に前記サイフォン管機構の前記排水部を配置して前記下段側植物用容器に前記処理水を排水し、
   最下段の前記植物用容器の下側に前記飼育水槽を設けることを特徴とするアクアポニックスシステム。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載のアクアポニックスシステムにおいて、
   前記植物用容器を鉛直方向に沿って左右段違いに配置した階層型アクアポニックスシステムとし、
   前記飼育水槽に収容される前記処理水に前記魚の排泄物や餌を含む原水を最上段の前記植物用容器の前記濾床に給水する原水給水部を備え、
   前記階層型アクアポニックスシステムの隣接する２段の前記植物用容器についてそれぞれ前記サイフォン管機構を配置し、上段側植物用容器に前記サイフォン管機構の前記吸水部を配置し、前記上段側植物用容器に対し下段側植物用容器の上方に前記サイフォン管機構の前記排水部を配置して前記下段側植物用容器に前記処理水を排水し、
   最下段の前記植物用容器の下側に前記飼育水槽を設けることを特徴とするアクアポニックスシステム。

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