JP7036655B2

JP7036655B2 - 脱窒装置および脱窒方法

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Publication number: JP7036655B2
Application number: JP2018075338A
Authority: JP
Inventors: 剛梅津
Original assignee: 株式会社環境技術研究所
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: JP2019180292A; JP2022066374A

Description

本発明は、脱窒菌を利用した脱窒装置に関する。

魚介類の養殖は広く行われているが、一般に、魚介類等を水槽にて養殖する際、養殖水槽という閉鎖環境では、魚介類等の排泄物に含まれているアンモニア性の窒素の残留ないしは濃度の増大が問題となる。

養殖水中のアンモニアに対しては、微生物を利用して分解処理する生物処理方法によるものがあり、好気性のアンモニア硝化細菌によりアンモニアを亜硝酸、硝酸へと変えるが硝酸は分解されず、硝酸は通性嫌気性の脱窒菌により窒素ガスへと変化させて空気中へと放出させる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された水処理システムでは、養殖用の水槽に貯留されている水を曝気槽、硝化槽、脱窒槽、ナノバブル発生装置を有する循環経路にて循環させ、脱窒槽にて嫌気性バクテリアによる脱窒処理を行う。

特開２０１８－０１９６１４号公報

しかしながら、特許文献１で開示された水処理システムにおける脱窒槽は、１つの脱窒槽で一括して脱窒処理を行うようになっており以下の問題点を有している。まず、水面には泡汚泥の脱水化集積による腐敗臭、底部では攪拌効果が弱いところに閉塞域が生じ動かない高濃度汚泥の腐敗臭が発生しやすい。これらの腐敗臭は硫酸還元菌による硫酸呼吸によるものであり、脱窒槽内の撹拌力不足によるものである。

さらに、１つの脱窒槽で一括して脱窒処理を行おうとすると、水処理システムの循環系におけるポンプアップ槽は通常硝化槽と併用されるが、脱窒処理のため水位を著しく変動させることになる。この硝化槽からの水量移動が短時間に行なわれることになり、硝化槽の水位が急激に低下する。そのため、予備タンクの設置やポンプアップ槽の巨大化などの余分な対処が必要となる。このような問題を回避するためには、脱窒処理に伴う脱窒槽から下流側への１回当たりの移動水量を抑える必要がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、攪拌しても生じる閉塞域の発生を防ぎ、また、脱窒処理に伴う脱窒槽から下流側への１回当たりの移動水量を抑えつつ、充分な脱窒量を確保できる脱窒装置を提供することを目的とする。

本発明に係る脱窒装置は、上記目的を達成するため、魚介類を飼育するための養殖水槽に用いられる飼育水と、脱窒菌を含んだ活性汚泥と、が混合された汚泥水に水素供与体を供給して撹拌処理する第１の槽と、前記第１の槽で所定の間、撹拌処理された前記汚泥水をさらに撹拌処理する第２の槽と、前記第２の槽で撹拌処理された前記汚泥水を上澄み水と前記活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する第３の槽と、を備え、前記第３の槽は、前記沈殿処理後の前記上澄み水を後処理槽へ移動させ、かつ、前記撹拌処理後に前記第２の槽へ前記汚泥水を全量移動させて槽内が空となった前記第１の槽に前記活性汚泥を全量移動させることを特徴とする。

この構成により、本発明に係る脱窒装置は、脱窒槽として第１の槽と第２の槽と第３の槽の３つの槽を備えているので、１つの脱窒槽で脱窒処理する場合と比較して槽のサイズを小さくすることができるので槽内の撹拌力を容易に確保でき、また、脱窒槽から下流側への１回当たりの移動水量を抑えることができる。また、第１の槽による汚泥水の撹拌処理後に第３の槽内の活性汚泥を第１の槽へ全量移動するので、活性汚泥の全量移動による撹拌効果も得ることができ、槽の底部に活性汚泥による閉塞場が生じるのを防止できる。さらに、各槽における脱窒処理または沈殿処理の時間は、１つの脱窒槽で脱窒処理する場合と比較して短縮できるので、１つの脱窒槽で脱窒処理をする場合と比較して充分な脱窒量を確保できる。

本発明に係る脱窒装置は、前記水素供与体として、前記飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いるようにしてもよい。

この構成により、本発明に係る脱窒装置は、水素供与体として泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いるので、飼育水中の高濃度の有機物成分を除去することで飼育水の透視度を向上させるとともに、泡沫浮上分離廃液以外の水素供与体の使用量を削減することができる。

また、本発明に係る脱窒方法は、魚介類を飼育するための養殖水槽に用いられる飼育水と、脱窒菌を含んだ活性汚泥と、が混合された汚泥水に水素供与体を供給して第１の槽で撹拌処理する工程と、前記第１の槽で、撹拌処理された前記汚泥水をさらに第２の槽で撹拌処理する工程と、前記第２の槽で撹拌処理された前記汚泥水を第３の槽で上澄み水と前記活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する工程と、を備え、前記沈殿処理後の前記上澄み水を前記第３の槽から後処理槽へ移動させ、かつ、前記撹拌処理後に前記第２の槽へ前記汚泥水を全量移動させて槽内が空となった前記第１の槽に前記活性汚泥を全量移動させる工程を有するようにしてもよい。

この構成により、本発明に係る脱窒の方法は、脱窒槽として第１の槽と第２の槽と第３の槽の３つの槽を備えて行われるので、１つの脱窒槽で脱窒処理する場合と比較して槽のサイズを小さくすることができるので槽内の撹拌力を容易に確保でき、また、脱窒槽から下流側への１回当たりの移動水量を抑えることができる。また、第１の槽による汚泥水の撹拌処理後に第３の槽内の活性汚泥を第１の槽へ全量移動するので、活性汚泥の全量移動による撹拌効果も得ることができ、槽の底部に活性汚泥による閉塞場が生じるのを防止できる。さらに、各槽における脱窒処理または沈殿処理の時間は、１つの脱窒槽で脱窒処理する場合と比較して短縮できるので、１つの脱窒槽で脱窒処理をする場合と比較して充分な脱窒量を確保できる。

また、本発明に係る脱窒方法は、前記水素供与体として、前記飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いその浄化を含めた工程を有するようにしてもよい。

この構成により、本発明に係る脱窒の方法は、水素供与体として泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いるので、飼育水中の高濃度の有機物成分を除去することで飼育水の透視度を向上させるとともに、泡沫浮上分離廃液以外の水素供与体の使用量を削減することができる。

本発明によれば、脱窒槽内の閉塞場を作らず、また、脱窒処理に伴う脱窒槽から下流側への１回当たりの移動水量を抑えつつ、充分な脱窒量を確保できる。

本発明の第１の実施の形態に係る水質浄化装置の概略構成を示す模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る脱窒装置を含む水質浄化装置の概略構成を示す模式図である。養殖水槽中の飼育水の窒素成分の推移を示すグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る脱窒装置の脱窒工程を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態に係る水質浄化装置の概略構成を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る脱窒装置を含む水質浄化装置の概略構成を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る脱窒装置の脱窒工程を示す説明図である。

まず、図１を参照して、本発明の実施の一形態に係る脱窒装置１０を含む水質浄化装置１の全体構成について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は水質浄化装置１の模式図である。水質浄化装置１は、養殖水槽２と好気処理装置３と脱窒装置１０と泡沫浮上分離装置４とを備えている。養殖水槽２は、魚介類を飼育するための水槽であり、アクリル製で透明性を有しており直方体状の形状であり、寸法は例えば、縦９００ｍｍ、横１８００ｍｍ、高さ６００ｍｍ程度であるが、必ずしもこれに限定されない。養殖水槽２は、コンクリート部材やプラスチック製部材との組合せであってもよいし、寸法についても、養殖する魚類の数や種類に応じて大サイズ化、或いは小サイズ化してもよい。

養殖水槽２では、例えば、ヒラメ、フグ、タイ等の海水魚を飼育し、飼育水として人工海水を用いる。人工海水は魚介類の種類によるが、天然の海水に近い範囲となるよう塩分濃度が２.０～４.０％のものを用いる。勿論、養殖水槽２は、淡水魚に適用することも可能であり、その場合は飼育水の成分は淡水成分に近くなるようにする。

養殖水槽２は、水温制御装置２１を有している。水温制御装置２１は、例えば、据置チラー型の冷却装置であり、養殖水槽２との間で飼育水を循環させ、所定の範囲に水温制御を行うようになっている。飼育水の水温は魚介類の種類に応じて適宜変更する。

泡沫浮上分離装置４は、飼育水に含まれるタンパク質を中心とした汚れの成分を除去する装置である。より具体的には、泡沫浮上分離装置４は、移動経路６ａを経由して養殖水槽２から流入した飼育水に対し、微細気泡を反応させ泡立ちの要因となるタンパク質や微細な糞カスを除去する。泡沫浮上分離装置４による処理後の液体は濁った茶褐色の生臭い高濃度の廃液である。

泡沫浮上分離装置４にて処理された廃液は水質浄化装置１の系外に排出されるようになっている。泡沫浮上分離装置４にて処理された廃液を除去した飼育水は、移動経路６ｂを経て養殖水槽２へ戻されるようになっている。

好気処理装置３は、移動用ポンプ３３にて循環経路５ａを経由して養殖水槽２より流入した飼育水中の溶存酸素を高めて好気性菌を用いて水処理を行う、すなわち、アンモニア成分の硝化と有機物の分解を行うようになっている。アンモニアは、魚介類から出る糞、体液、餌などから生成される。アンモニアは魚介類にとって毒性があり、特にアルカリ性では強い毒となる。酸性溶液中ではアンモニウムイオンＮＨ_４ ^＋となりやすく、毒性は緩和される。移動用ポンプ３３は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。移動用ポンプ３３は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっており、連続運転がなされている。移動用ポンプ３４および移動用ポンプ３８はタイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

ここでいう硝化は、菌によるアンモニアの無害化であり、より具体的には、水中に生息する亜硝酸菌がアンモニアを亜硝酸とし、さらに硝酸菌が亜硝酸を硝酸にする生物反応である。亜硝酸菌と硝化菌は好気性菌に分類される。硝化には溶存酸素が必要であるため、好気処理装置３内の飼育水が所定の値の溶存酸素濃度を保つよう留意する。

図２は、脱窒装置１０のより詳細な構成を示す模式図である。脱窒装置１０は３つの槽である脱窒槽１１と脱窒槽１２と脱窒槽１３と後処理槽１４と小型泡沫浮上分離装置１５とを含んで構成されている。脱窒装置１０は、水中に生息する嫌気性の脱窒菌を用いて、上流側の好気処理装置３で処理された飼育水中の硝酸イオンＮＯ_３ ^―から窒素を分離し気体化除去するようになっている。脱窒菌は、溶存酸素が低下すると硝酸の酸素分子を奪って呼吸を行なうが、これを硝酸呼吸という。

ここで、飼育水の脱窒の必要性について説明する。図３は、飼育開始からの飼育水の窒素成分の推移を示すグラフである。毒性のあるアンモニアＮＨ３は、猛毒の亜硝酸ＮＯ_２ ^―を経て、毒性のない安定な硝酸ＮＯ_３ ^―になる。その連続によって硝酸は蓄積し続け、飼育水は酸性化する。硝酸は硫酸の次に強い酸イオンであり、飼育水のｐＨを低下させる。

健全な飼育環境で大量の魚介類を飼育した場合、硝酸体窒素濃度は一日当たり５ｍｇ／Ｌ程度増加する。したがって無換水養殖では、一ヶ月で１５０ｍｇ／Ｌ程度増加することになり、水換えをしなければやがては１，０００ｍｇ／Ｌ以上の濃度となる。

そのような状態になるとｐＨはｐＨ５から４程度にまで下降する。珊瑚石などの炭酸カルシウムが循環系に存在すれば、それが中和剤となってｐＨの低下を防ぐが、硝酸の除去にはならない。硝酸は依然として多量に存在し、その分だけカルシウムイオンが溶解しているに過ぎない。もし中和するものが無ければ、硝酸は魚介類のカルシウムを溶かすことになる。したがって魚介類にとっても飼育水の酸性化は障害である。

飼育水にカルシウムが多量に溶けると二酸化炭素や硫酸イオンと反応し、炭酸カルシウムや硫酸カルシウムという凝結塩が発生しやすくなる。これらは、エアストーンなどの著しい目詰まりを招く。また、ｐＨの低下は、アンモニアを分解しにくくする。ＰＨが６を下回るとその兆候が出初め、ｐＨ５以下では、硝化反応がほぼ停止状態となる。この状態ではアンモニアはアンモニウムイオンとして安定な状態となるが、その濃度が上昇するため魚介類には悪影響がでる。

以上のように、飼育水中に硝酸が蓄積するとｐＨを低下させ、アンモニアの分解を妨げ、カルシウムを溶かし、凝結塩を発生させる等魚介類に悪影響を与えるものとなり、また水換えも容易でないことから、硝酸成分の脱窒が必要となる。

本実施の形態では、脱窒槽１１、脱窒槽１２、脱窒槽１３として３００リットルのタンクを用いたが、タンクの容量は必ずしもこれに限られない。脱窒槽１１は本発明に係る第１の槽を、脱窒槽１２は本発明に係る第２の槽を、脱窒槽１３は本発明に係る第３の槽を構成する。

従来より行われてきた微生物を使って行なう脱窒等の水質浄化は、一つの槽で行うバッチ式脱窒処理であり、飼育水投与から始まり、脱窒処理を経て、沈殿を行い、上澄みを飼育循環系に返送する過程をひとつの容器中で行なうものであった。槽の低層に堆積した活性汚泥は撹拌しにくくなり、やがて局所的に閉塞場が生じて不動の汚泥となって、悪臭を放つ。これらの現象は運用期間において蓄積しつづけ、やがては脱窒装置の機能を劣化させる。それを防止するには水平方向だけではなく低層にも影響を与えるような鉛直方向の強い攪拌が必要となるが、攪拌を強化するには高額な設備とそれに相応する消費電力が求められることになる。

また、脱窒反応では、窒素ガスが微細気泡として発生する。微細気泡は菌群を核とする泡となって水表面に残留する。この泡は水表面に蓄積し続け、厚みのある泡の層は脱水症状を起こし閉塞場となり、水表面に嫌気層が形成される。底部では閉塞した完全嫌気状態の汚泥塊が硫化水素ガスを出し、上部では泡が弾けながら脱水状態となった浮上汚泥が閉塞場となって完全嫌気状態となり硫化水素ガスを発生させる。これらはいずれも、腐敗臭をもたらす。

以上の、問題を回避すべく、本実施の形態に係る脱窒装置１０は、３つの槽を用いた脱窒処理を行うようになっている。本実施の形態における脱窒処理は、飼育水と活性汚泥からなる汚泥水を３つの各槽の間で全量移動させる全量移動方式で行うようにしているが、そのようにした理由を以下で説明する。

一槽による処理では常に高濃度の活性汚泥水が槽内底部に残り、沈殿、脱窒処理を繰り返すのみでは、どのような攪拌器を用いても閉塞場が底部に生じ水表面の泡は残留してしまう。しかし、槽内の泡を含めた全汚泥水を他の槽に全て移すようにすれば、槽底部の汚泥の腐敗も水面泡汚泥の腐敗も生じることはない。

数時間に一度、攪拌では動かない槽内の汚泥を全量移動することができれば、硫化水素の発生を防ぐことができる。また、全量移動は、槽内の汚泥濃度の均一化をもたらし、汚泥中の脱窒菌による脱窒能力も向上する。さらに、汚泥水表面の泡汚泥も底部までの排出によって移動が行なわれ、泡ができる原因は菌の分解で発生した有機物であることから、浮遊する汚泥に混じれば、水素供与体として活用できる。

以上の理由により、本実施の形態に係る脱窒装置１０は、複数の槽を用いて脱窒を行い、脱窒プロセスの所定の段階において各槽間で槽内の汚泥水を全量移動させるようにした。全量移動の過程で槽の水深が低下すると攪拌効率は増大し、流動しなかった汚泥も混じることができなかった泡も全て別の槽に流れていくので撹拌効率が高い。なおこの全量移動によって混入する大気中酸素の溶解は脱窒反応を著しく阻害するほどのものとはならず、脱窒槽１１で生じ始めた脱窒反応は、脱窒槽１２においても継続される。

脱窒槽１１は、脱窒装置１０内における最上流側の槽であり、好気処理装置３から移動用ポンプ３４にて循環経路５ｂを経由して飼育水が流入するようになっている。また、脱窒槽１１には、後述する脱窒槽１３より、脱窒菌を含んだ活性汚泥が移動用ポンプ４０にて移動経路１６ｅを経由して流入するようになっている。脱窒槽１１は飼育水と活性汚泥が流入されると脱窒処理を開始するようになっている。即ち、脱窒槽１１は、魚介類を飼育するための養殖水槽に用いられる飼育水と脱窒菌を含んだ活性汚泥とが混合された汚泥水に後述する砂糖水を供給して撹拌処理する。

ここでいう脱窒処理は、脱窒槽１１内に設置された水中撹拌用ポンプ３１により、飼育水と活性汚泥の混合体である汚泥水を撹拌し、活性汚泥中の脱窒菌が汚泥水中の硝酸イオンＮＯ_３ ^―から窒素を分離することで行われる。移動用ポンプ３４および移動用ポンプ４０は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

活性汚泥（土壌菌群）の中に存在する脱窒菌は、有機物を食べて自己増殖を行なう従属栄養生物である。活性汚泥を用いた脱窒のプロセスは、１番目に溶存酸素を減少させる高濃度の活性汚泥と飼育水の準備、２番目に汚泥濃度を均一化し脱窒菌との接触性を向上させる攪拌、３番目に脱窒菌の餌となるアルコールや糖類の有機物（水素供与体）の添加、４番目に硝酸がなくなるまで所定時間の脱窒反応、５番目に活性汚泥と混和した飼育水を分離する沈殿による固液分離、の５つのプロセスで実行される。

本実施の形態では各脱窒槽の１回当たりの飼育水の処理量は１４０リットルとし、活性汚泥の量は１５０リットルとし、硝酸塩５０ｍｇ／Ｌの飼育水を３槽による全量移動式で脱窒処理を行なうようにしたが、これらの量は適宜変更するようにしてもよい。脱窒処理の１サイクルにかかる時間の例としては、例えば、脱窒処理時間を約７時間、沈殿処理時間を約３時間、水移動時間を２時間とすると１２時間後に脱窒処理の１サイクルが完了する。

本実施の形態のように脱窒菌を用いた脱窒には脱窒菌の餌となるアルコールや糖類の有機物（水素供与体）が必要である。本実施の形態では、水素供与体として上白糖を水で溶かした砂糖水を用いた。攪拌された汚泥中に水素供与体が混入すると脱窒菌は活発になり溶存酸素が急激に減少し、脱窒反応が始まる。

水素供与体としては、砂糖水以外にも例えば、エチルアルコールが考えられるが、その定量投与には高額な定量薬液注入機が必要となる。揮発性の高いアルコールはメンテナンス性に難がある。したがって、本実施の形態では水素供与体として安価でメンテナンス性のよい砂糖水を用いている。

脱窒槽１１における汚泥水が所定の時間、水中撹拌用ポンプ３１により撹拌されると、汚泥水は、移動用ポンプ３５にて移動経路１６ａを経由して脱窒槽１２へと全量移動される。水中撹拌用ポンプ３１は小型のポンプであり、揚程０ｍでの噴出流量は２０Ｌ／ｍｉｎ程度である。また、移動用ポンプ３５は、中型の水中ポンプであり、２０分間で脱窒槽１１内の汚泥水３００Ｌを脱窒槽１２へ全量移動させることができる。移動用ポンプ３５としてより時間当たりの送量の多いものを用いてもよく、槽内の汚泥水の移動時間が短いほど脱窒反応時間を長くとることができる。水中撹拌用ポンプ３１および移動用ポンプ３５は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

脱窒槽１２に流入した汚泥水は、脱窒槽１２内に設けられた水中撹拌用ポンプ３２により撹拌される。水中撹拌用ポンプ３２は水中撹拌用ポンプ３１と同様に小型のポンプであり、揚程０ｍでの噴出流量は２０Ｌ／ｍｉｎ程度である。そして、活性汚泥中の脱窒菌が汚泥水中の硝酸イオンＮＯ_３ ^―から窒素を分離することで脱窒処理が行われる。

脱窒槽１２内での脱窒処理が所定時間行われ、窒素濃度が予め定めた値以下になると、槽内の汚泥水は、移動用ポンプ３６にて移動経路１６ｂを経由して脱窒槽１３へと全量移動される。また、移動用ポンプ３６は、移動用ポンプ３５と同様の中型の水中ポンプであり、２０分間で脱窒槽１２内の汚泥水３００Ｌを脱窒槽１３へ全量移動させることができる。移動用ポンプ３６としてより時間当たりの送量の多いものを用いてもよく、槽内の汚泥水の移動時間が短いほど脱窒反応時間を長くとることができる。水中撹拌用ポンプ３２および移動用ポンプ３６は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

脱窒槽１３に流入した汚泥水は、所定の時間だけ沈殿処理されるようになっている。すなわち、脱窒槽１３内の汚泥水は、脱窒槽１１、脱窒槽１２内の汚泥水のように撹拌処理はなされず、汚泥水が上澄み水と汚泥とに固液分離されるようになっている。

脱窒槽１３において固液分離された汚泥水のうち上澄み水は、移動用ポンプ３７にて移動経路１６ｃを経由して後処理槽１４へ移動される。一方、固液分離された汚泥水のうち活性汚泥は、移動用ポンプ４０にて移動経路１６ｅを経由して脱窒槽１１へ移動される。即ち、脱窒槽１３は、沈殿処理後の上澄み水を後処理槽１４へ移動させ、かつ、撹拌処理後に脱窒槽１２へ汚泥水を全量移動させて槽内が空となった脱窒槽１１に活性汚泥を全量移動させるようになっている。移動用ポンプ３７は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

後処理槽１４には、上澄み水に含まれるタンパク質と残留した汚泥を中心とした汚れの成分を除去する小型泡沫浮上分離装置１５が設けられている。小型泡沫浮上分離装置１５は、微細気泡を反応させ泡立ちの要因となる脱窒で生じた汚泥からのタンパク質を除去するものであり、その廃液は汚泥の混じった黄色の廃液である。

小型泡沫浮上分離装置１５にて処理された廃液は水質浄化装置１の系外に排出されるようになっている。小型泡沫浮上分離装置１５にて処理された廃液を除去した上澄み水は、移動用ポンプ３８にて循環経路５ｃを経て養殖水槽２へと移動されるようになっている。移動用ポンプ３８は、タイマーを用いてプログラムされた時間に動作するようになっている。

次に図４を用いて、脱窒装置１０を用いた脱窒の工程について説明する。

図４におけるステップ１の状態は脱窒槽１１が空の状態であり、上流側の好気処理装置３で処理された飼育水の流入および脱窒槽１３からの活性汚泥の流入を待っている状態である。脱窒槽１２は水中撹拌用ポンプ３２により、槽内の汚泥水が撹拌され、汚泥水に含まれる脱窒菌による脱窒処理がなされている。脱窒槽１３は汚泥水の沈殿処理を行い汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに分離した状態である。

続いて、ステップ２において脱窒槽１１は、好気処理装置３からの飼育水の流入および脱窒槽１３からの活性汚泥の流入を開始する。この際、脱窒菌の餌となる水素供与体として、砂糖水も外部から投与させる。本実施の形態では１００ｇ／Ｌの濃度の砂糖水を用いたが、脱窒槽１１の規模や汚泥水の量、及び硝酸濃度によって変更してもよい。

砂糖水の投与量には上限下限があり、砂糖水の投与量が少ないと脱窒が未完了状態となって亜硝酸が発生するが、砂糖水の投与量が多いと硝酸がなくなって硫酸呼吸に移行し硫化水素ガスが発生する。硫化水素ガスの発生は高濃度汚泥による腐敗臭をもたらし、汚泥が劣化し多量の泡の発生を生む。

ステップ２において、脱窒槽１２は、ステップ１より引き続いて水中撹拌用ポンプ３２による槽内の汚泥水の撹拌がなされ、汚泥水に含まれる脱窒菌による脱窒処理が進行している。

ステップ２において、脱窒槽１３は沈殿処理により固液分離された汚泥水の上澄み水を
移動用ポンプ３７にて移動経路１６ｃを経由して後処理槽１４へ移動させる。脱窒槽１３は、上澄み水の移動を終えると沈殿処理により固液分離された汚泥水の活性汚泥を移動用ポンプ４０にて移動経路１６ｅを経由して脱窒槽１１へ移動させ、最終的に脱窒槽１３を空の状態にする。

続いて、ステップ３において脱窒槽１１は、ステップ２において流入された飼育水と活性汚泥の混合体である汚泥水と砂糖水を水中撹拌用ポンプ３１により撹拌し、溶存酸素を低下させ、脱窒処理を進行させる。脱窒処理は、活性汚泥中の脱窒菌が汚泥水中の硝酸イオンＮＯ_３ ^―から窒素を分離することで行われる。

ステップ３において、脱窒槽１２は、ステップ２に引き続いて水中撹拌用ポンプ３２による撹拌処理を進行させながら、移動用ポンプ３６にて移動経路１６ｂを経由して脱窒槽１３への汚泥水の移動を開始する。なお、脱窒槽１３への汚泥水の移動開始前において、脱窒槽１３はステップ２での処理を完了し、空の状態である。脱窒槽１２から脱窒槽１３への汚泥水の移動は、脱窒槽１２内の汚泥水が全てなくなるまで行われ、汚泥水の全量が移動される。

ステップ３において、脱窒槽１３は、空となった状態で脱窒槽１２から移動経路１６ｂを経由して汚泥水を流入する。汚泥水の流入は、脱窒槽１２内の汚泥水の全量がなくなるまで行われる。

ステップ４において、脱窒槽１１は、ステップ３より引き続き、槽内の汚泥水を水中撹拌用ポンプ３１により撹拌し、脱窒処理を進行させる。ステップ４において、脱窒槽１２は、ステップ３における脱窒槽１３への汚泥水の全量移動を完了して、空の状態となっている。ステップ４において、脱窒槽１３は、ステップ３において脱窒槽１２より流入した汚泥水の沈殿処理を開始する。

ステップ５において、脱窒槽１１は、ステップ４より引き続き槽内の汚泥水を水中撹拌用ポンプ３１により撹拌させつつ、ステップ４において空の状態となった脱窒槽１２へ汚泥水の移動を行うが、溶存酸素が十分に低下した汚泥水は、この処理によって脱窒反応を阻害ほどの酸素の混入には至らない。脱窒槽１２への汚泥水の移動は、移動用ポンプ３５により移動経路１６ａを経由して行われ、脱窒槽１１の槽内が空の状態となるまで行われる。

ステップ５において、脱窒槽１２は、脱窒槽１１より流入した汚泥水を水中撹拌用ポンプ３２により撹拌する。ステップ５において、脱窒槽１３は、ステップ４に引き続き、槽内の汚泥水の沈殿処理を行い、汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに固液分離させる処理を進行させる。

ステップ５における、脱窒槽１１、脱窒槽１２、脱窒槽１３の各処理が完了すると各脱窒槽はステップ１における状態に戻る。即ち、脱窒槽１１は空の状態であり、脱窒槽１２は、槽内の汚泥水を撹拌させ脱窒処理を行っており、脱窒槽１３は、槽内の汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに固液分離させる沈殿処理を行っている。以上、説明したステップ１～ステップ５が脱窒装置１０における脱窒処理の１サイクルである。

以上のように、本実施の形態に係る脱窒装置１０は、魚介類を飼育するための養殖水槽２に用いられる飼育水と脱窒菌を含んだ活性汚泥とが混合された汚泥水に砂糖水を供給して撹拌処理する脱窒槽１１と、脱窒槽１１で所定の間、撹拌処理された汚泥水をさらに撹拌処理する脱窒槽１２と、脱窒槽１２で撹拌処理された汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する脱窒槽１３と、を備え、脱窒槽１３は、沈殿処理後の上澄み水を後処理槽へ移動させ、かつ、撹拌処理後に脱窒槽１２へ汚泥水を全量移動させて槽内が空となった脱窒槽１１に活性汚泥を全量移動させるよう構成されている。

この構成により、脱窒装置１０は、脱窒槽１１、脱窒槽１２、脱窒槽１３の３つの槽で汚泥水の脱窒処理を工程を分けて行うようになっており、１つの脱窒槽で脱窒処理を行う場合と比較して、各脱窒槽１１、脱窒槽１２、脱窒槽１３のサイズを小さくすることができるので、槽内の撹拌力を確保できるとともに、脱窒装置１０から下流側への１回当たりの移動水量を抑えることができる。また、脱窒装置１０は、脱窒処理の工程を３つの脱窒槽で行っており、１つの工程にかかる時間は、１つの脱窒槽で脱窒処理を行う場合と比較して短いため、トータルでは一定時間当たりの脱窒量を確保できる。

また、脱窒槽１１から脱窒槽１２へ、脱窒槽１２から脱窒槽１３へと汚泥水を全量移動させ、脱窒槽１３から脱窒槽１１へ活性汚泥を全量移動させるようになっているので、脱窒槽の底部に高濃度の活性汚泥水が常に残り閉塞域が生じることによる脱窒の阻害を回避し、硫化水素の発生を防ぐことができる。

本実施の形態に係る水質浄化装置１は、魚介類を養殖するための養殖水槽２と、養殖水槽２中の飼育水中のアンモニアを分解する好気処理装置３と、好気処理装置３で処理した飼育水を処理し、処理後の飼育水を養殖水槽２へと移動させる脱窒装置１０と、養殖水槽２中の飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離し、汚れ成分を除去した飼育水を養殖水槽２へ移動させる泡沫浮上分離装置４と、を備える。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、泡沫浮上分離装置４と小型泡沫浮上分離装置１５から排出される廃液を脱窒槽１１にて再利用するよう構成したが、他の構成は第１の実施の形態と略同一である。第２の実施の形態に係る脱窒装置において、第１の実施の形態におけるものと同一の構成要素については、図１ないし図４に示した第１の実施の形態と同一の符号を用いて説明し、特に相違点についてのみ詳述する。

図５は、本実施の形態に係る水質浄化装置１の模式図である。泡沫浮上分離装置４と脱窒装置１０は移動経路７ａを介して連結されており、後述するように泡沫浮上分離装置４の廃液を脱窒装置１０で利用できるようになっている。また、図６に示すように、小型泡沫浮上分離装置１５と脱窒槽１１は移動経路７ｂを介して連結されており、後述するように小型泡沫浮上分離装置１５の廃液を脱窒装置１０で利用できるようになっている。

泡沫浮上分離装置４は、飼育水に含まれるタンパク質を中心とした汚れの成分を除去する装置である。より具体的には、泡沫浮上分離装置４は、移動経路６ａを経由して養殖水槽２から流入した飼育水に対し、微細気泡を反応させ泡立ちの要因となるタンパク質や微細な糞カスを除去する。泡沫浮上分離装置４による処理後の液体は濁った茶褐色の生臭い高濃度の廃液である。小型泡沫浮上分離装置１５も同様に、上澄み水に含まれるタンパク質を中心とした汚れの成分に微細気泡を反応させることで除去する装置である。即ち、ここでいう廃液は、飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置４または、小型泡沫浮上分離装置１５により排出された泡沫浮上分離廃液である。

本実施の形態においては、泡沫浮上分離装置４にて処理された廃液は、第１の実施の形態とは異なり、脱窒槽１１へ移動経路７ａを経由して移動されるようになっている。廃液の移動のタイミングは後述する脱窒工程におけるステップ２のタイミングで行う。泡沫浮上分離装置４にて処理された廃液を除去した飼育水は、移動経路６ｂを経て養殖水槽２へ戻されるようになっている。

また、本実施の形態においては、小型泡沫浮上分離装置１５にて処理された廃液は、第１の実施の形態とは異なり、脱窒槽１１へ移動経路７ｂを経由して移動されるようになっている。廃液の移動のタイミングは後述する脱窒工程におけるステップ２のタイミングで行う。

ここで、泡沫浮上分離装置４と小型泡沫浮上分離装置１５により廃液の処理を行う理由について説明する。水中の有機物濃度が増加すると飼育水はぬるぬるとした感じになる。それが魚介類の体皮に付着し、菌が生息する要因となり病気の大きな原因となる。また、有機物濃度の高い飼育水は、菌が水中に漂う結果となり、飼育水は濁って透視度が悪化する。この原因は、体皮から分泌される水中のたんぱく質成分と微細に溶けた糞である。泡沫浮上分離装置４と小型泡沫浮上分離装置１５はこれらを泡水の廃液として排除し水質を向上させている。

泡沫浮上分離装置４は、排出水位の調節によって、廃液の濃度と量をコントロールできる。本実施の形態では、泡沫浮上分離装置４の廃液の量を１日当たり４００Ｌ程度とした。これにより養殖水槽２内の飼育水の透視度は２ｍ程度となった。なお、泡沫浮上分離装置４の廃液の量を１日当たり１０Ｌ程度とした場合の養殖水槽２内の飼育水の透視度は５０ｃｍ程度であった。

泡沫浮上分離装置４および小型泡沫浮上分離装置１５の廃液は破棄してしかるべき高濃度の有機物を含み、その水分は飼育水であって水素供与体として利用可能であるので、脱窒装置１０で水素供与体として用いられるようになり、さらにその廃液は脱窒過程で浄化され養殖水槽に戻される。

次に図７を用いて、脱窒装置１０を用いた脱窒の工程について説明する。

図７におけるステップ１の状態は脱窒槽１１が空の状態であり、上流側の好気処理装置３で処理された飼育水の流入および脱窒槽１３からの活性汚泥の流入を待っている状態である。脱窒槽１２は水中撹拌用ポンプ３２により、槽内の汚泥水が撹拌され、汚泥水に含まれる脱窒菌による脱窒処理がなされている。脱窒槽１３は汚泥水の沈殿処理を行い汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに分離した状態である。

続いて、ステップ２において脱窒槽１１は、好気処理装置３からの飼育水の流入および脱窒槽１３からの活性汚泥の流入を開始する。この際、脱窒菌の餌となる水素供与体として、砂糖水も外部から投与させるとともに、泡沫浮上分離装置４および小型泡沫浮上分離装置１５より廃液を流入させる。高濃度の汚泥処理によって、砂糖水と泡沫浮上分離装置の廃液の成分分解が行われ、溶存酸素が低下していく。本実施の形態では１００ｇ／Ｌの濃度の砂糖水を用いたが、脱窒槽１１の規模や汚泥水の量、及び硝酸濃度によって変更してもよい。

続いて、ステップ３において脱窒槽１１は、ステップ２において流入された飼育水と泡沫浮上分離装置４の廃液と砂糖水と活性汚泥の混合体である汚泥水を水中撹拌用ポンプ３１により撹拌し、溶存酸素を低下させながら廃液の成分分解と共に脱窒処理を進行させる。脱窒処理は、活性汚泥中の脱窒菌が汚泥水中の硝酸イオンＮＯ_３ ^―から窒素を分離することで行われる。

ステップ５において、脱窒槽１１は、ステップ４より引き続き槽内の汚泥水を水中撹拌用ポンプ３１により撹拌させつつ、ステップ４において空の状態となった脱窒槽１２へ汚泥水の移動を行う。脱窒槽１２への汚泥水の移動は、移動用ポンプ３５により移動経路１６ａを経由して行われ、脱窒槽１１の槽内が空の状態となるまで行われる。

以下で、泡沫浮上分離装置４および小型泡沫浮上分離装置１５の泡廃液を脱窒装置１０に混入させる量を変化させた場合の相違点について説明する。

（実施例１）
本実施例では、泡廃液を混入せずに脱窒装置１０における脱窒処理を行った。脱窒装置１０による脱窒処理開始前における養殖水槽２の飼育水の硝酸体窒素濃度は６０ｍｇ／Ｌ程度であった。脱窒装置１０は、１日当たり６サイクルの脱窒処理を行い、１サイクルで１４０リットルの飼育水の硝酸濃度を０まで下げた。３ヶ月間処理を継続し、養殖水槽２における全水量１８ｍ^３の硝酸体窒素濃度は、４０ｍｇ／Ｌ程度にまで減少した。

（実施例２）
本実施例では、脱窒処理の１サイクルの飼育水１４０リットルのうち３０リットル程、泡廃液を脱窒処理水に混入させて全量移動式の脱窒処理を行った。泡廃液投与後は脱窒槽１１で高速に溶存酸素が低下し飼育水の硝酸体窒素濃度がほぼ０となり脱窒処理が高速化した。脱窒槽１１への砂糖水投与量を１サイクルで７０ｇとした場合硫化水素ガスが発生した。脱窒槽１１への砂糖水投与量を１サイクルで５０ｇとすると硫化水素ガスは発生しなくなった。

処理後の飼育水を再度泡沫浮上分離したところ泡廃液の排出は１リットル以下であり、泡成分の大部分は１２時間の脱窒処理で分解された。脱窒処理後の泡廃液の色は飼育水よりも薄く、茶褐色の色素も取れた結果を得た。養殖水槽２の透視度は１ｍ以上であった。養殖水槽２におけるヒラメの死亡数が、飼育数５００匹のうち週１匹から月１匹に減少した。

（実施例３）
本実施例では、脱窒処理の１サイクルの飼育水１４０リットルのうち８０リットル程、泡廃液を脱窒処理水に混入させて全量移動式の脱窒処理を行った。脱窒槽１１への砂糖水投与量は１サイクルで５０ｇとした。泡沫浮上分離装置４および小型泡沫浮上分離装置１５により１時間当たり２０リットルの泡廃液の処理を行った。養殖水槽２の透視度は、３ｍ以上となり、魚介類の排糞出が多い時間帯でも透視度は２ｍ以上を維持するようになった。脱窒における硝酸の除去は実施例２と同様に脱窒槽１１でほぼ完了した。

養殖水槽２の飼育水の硝酸体窒素濃度は、３０ｍｇ／Ｌまで減少した。養殖水槽２中のひらめの死亡数は３ヶ月間で１匹のみに減少した。

以上のように、本実施の形態に係る脱窒装置１０は、魚介類を飼育するための養殖水槽２に用いられる飼育水と脱窒菌を含んだ活性汚泥とが混合された汚泥水に砂糖水および飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を供給して撹拌処理する脱窒槽１１と、脱窒槽１１で所定の間、撹拌処理された汚泥水をさらに撹拌処理する脱窒槽１２と、脱窒槽１２で撹拌処理された汚泥水を上澄み水と活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する脱窒槽１３と、を備え、脱窒槽１３は、沈殿処理後の上澄み水を後処理槽へ移動させ、かつ、撹拌処理後に脱窒槽１２へ汚泥水を全量移動させて槽内が空となった脱窒槽１１に活性汚泥を全量移動させるよう構成されている。

また、水素供与体として泡沫浮上分離廃液を用いるので、水素供与体としての砂糖水の使用量を削減できる。また、泡沫浮上分離装置４の処理により排出される廃液の量を増やすことで、飼育水の透視度を向上させることができる。泡廃液は難分解性のたんぱく質を多量に含む茶褐色の臭気のある液体だが、それを脱窒の水素供与体の一部として活用すると共に、廃液自体の浄化となり再生させることができる。

本発明によれば、長期運用に伴う槽内の閉塞域が生じることなく、また、１サイクル当たりの脱窒処理量を抑えつつ、一定の時間当たりの脱窒処理量を確保することができ脱窒装置全般に有用である。

１水質浄化装置
２養殖水槽
３好気処理装置
４泡沫浮上分離装置
５ａ、５ｂ、５ｃ循環経路
６ａ、６ｂ移動経路
７ａ、７ｂ移動経路
１０脱窒装置
１１、１２、１３脱窒槽
１４後処理槽
１５小型泡沫浮上分離装置
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ移動経路
２１水温制御装置
３１、３２水中撹拌用ポンプ
３３、３４、３５、３６、３７、３８、４０移動用ポンプ

Claims

魚介類を飼育するための養殖水槽に用いられる飼育水と、脱窒菌を含んだ活性汚泥と、が混合された汚泥水に水素供与体を供給して撹拌処理する第１の槽と、
前記第１の槽で、撹拌処理された前記汚泥水をさらに撹拌処理する第２の槽と、
前記第２の槽で撹拌処理された前記汚泥水を上澄み水と前記活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する第３の槽と、を備え、
前記第３の槽は、前記沈殿処理後の前記上澄み水を後処理槽へ移動させ、かつ、前記撹拌処理後に前記第２の槽へ前記汚泥水を全量移動させて槽内が空となった前記第１の槽に前記活性汚泥を全量移動させることを特徴とする脱窒装置。
前記水素供与体として、前記飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いることを特徴とする請求項１に記載の脱窒装置。
魚介類を飼育するための養殖水槽に用いられる飼育水と、脱窒菌を含んだ活性汚泥と、が混合された汚泥水に水素供与体を供給して第１の槽で撹拌処理する工程と、
前記第１の槽で、撹拌処理された前記汚泥水をさらに第２の槽で撹拌処理する工程と、
前記第２の槽で撹拌処理された前記汚泥水を第３の槽で上澄み水と前記活性汚泥とに固液分離させ沈殿処理する工程と、を備え、
前記沈殿処理後の前記上澄み水を前記第３の槽から後処理槽へ移動させ、かつ、前記撹拌処理後に前記第２の槽へ前記汚泥水を全量移動させて槽内が空となった前記第１の槽に前記活性汚泥を全量移動させる工程を有することを特徴とする脱窒の方法。
前記水素供与体として、前記飼育水中に含まれるタンパク質を主成分とする汚れ成分に対し微細気泡を反応させることで汚れ成分を分離する泡沫浮上分離装置により排出された泡沫浮上分離廃液を用いその浄化を含めた工程を有することを特徴とする請求項３に記載の脱窒の方法。