JP7369412B1 - aquaponics system - Google Patents
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Abstract
【課題】生物ろ過装置を小さくし、農作物の窒素源を増やすとともに、逆洗洗浄等極力減らして新たな水の供給を最低限に抑えることができるアクアポニックスシステム及び水産物養殖・農産物栽培方法提供する。【解決手段】水棲生物を養殖する養殖槽2と水耕栽培で農作物を栽培する水耕栽培部3を備え、システム内で循環水を循環させて水産物と農産物の両方を生産するアクアポニックスシステム1において、水耕栽培部3を養殖槽2の循環水の流れる方向の下流に設けて直接接続し、養殖槽2から所定の期間糞尿や残餌を含んだ状態の水を供給し続け、水耕栽培部3に自然界に存在する有機物分解微生物群を増殖させて植物根圏を形成する。【選択図】図1[Problem] To provide an aquaponics system and method for cultivating aquatic products and agricultural products that can reduce the size of the biological filtration device, increase the nitrogen source for crops, and minimize the need for new water supply by reducing backwashing as much as possible. do. [Solution] An aquaponics system that includes an aquaculture tank 2 for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section 3 for cultivating crops using hydroponics, and that produces both marine products and agricultural products by circulating circulating water within the system. In 1, the hydroponic cultivation section 3 is provided downstream of the circulating water of the aquaculture tank 2 and directly connected to the aquaculture tank 2, and water containing excrement and leftover food is continuously supplied from the aquaculture tank 2 for a predetermined period. Organic matter decomposing microorganisms existing in nature are propagated in the cultivation section 3 to form a plant rhizosphere. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、アクアポニックスシステムに関する。 The present invention relates to an aquaponics system.
従来、水棲生物の糞尿や残餌に由来するアンモニアや亜硝酸を、微生物によって魚毒性の低い硝酸まで硝化するとともに、硝酸を肥料(主に、窒素N・リンP・カリウムK)として利用できる農産物を並行して栽培し、水産物と農産物の両方を生産するアクアポニックスシステムが知られている。 Conventionally, ammonia and nitrite derived from the excrement and leftover food of aquatic organisms are nitrified by microorganisms to nitric acid, which is less toxic to fish, and the nitric acid can be used as fertilizer (mainly nitrogen N, phosphorus P, and potassium K). Aquaponics systems are known that produce both marine products and agricultural products by cultivating them in parallel.
例えば、特許文献1には、水産養殖部で水棲生物を養殖し、水耕栽培部で農産物を栽培するアクアポニックスシステムの水耕栽培部用のメディアベッドにおいて、水産養殖部から供給された水を浄化する浄化槽と、メディアベッド内の水の鉛直方向の水位が第1の水位に達した場合に、第2の水位になるまで水を排出する溶液間歇装置と、鉛直方向下側から吸水シート、防根透水シート及び培地を含んで構成される栽培部と、を有し、第1の水位は、吸水シートの位置に設定されているメディアベッドが開示されている(特許文献1の特許請求の範囲の請求項1、明細書の段落[0018]~[0095]、図面の図1~図10等参照)。 For example, in Patent Document 1, in a media bed for the hydroponic cultivation section of an aquaponics system in which the aquaculture division cultivates aquatic organisms and the hydroponic cultivation division cultivates agricultural products, water supplied from the aquaculture division is used. a septic tank that purifies water, a solution intermittent device that discharges water until it reaches a second water level when the vertical water level in the media bed reaches a first water level, and a water absorbing sheet from the bottom in the vertical direction. , a cultivation section including a root-prevention water-permeable sheet and a culture medium, and a media bed in which the first water level is set at the position of the water-absorbing sheet is disclosed (Patent Document 1 claims (See claim 1 within the scope of , paragraphs [0018] to [0095] of the specification, and FIGS. 1 to 10 of the drawings, etc.).
また、特許文献2には、植物Ptを栽培する栽培槽100と魚類Fsを養殖する養殖槽200とを備え、栽培槽と養殖槽との間で水を循環させるものであって、養殖槽200は、第1の高さに位置するバルブ付き第1排水口210と、第1の高さより高い第2の高さに位置する第2排水口220とを備え、栽培槽は、植物を栽培するための栽培棚110を備え、栽培養殖システムは、バルブ付き第1排水口210からの排水を栽培槽100内において栽培棚110より低い位置に流すための第1配管1と、第2排水口220からの排水を栽培槽内において栽培棚より高い位置に流すための第2配管2と、養殖槽から栽培槽に流れる水を栽培槽から養殖槽に戻す第3配管3とを備えた栽培養殖システム1000が開示されている(特許文献2の特許請求の範囲の請求項1、明細書の段落[0012]~[0023]、図面の図1,図2等参照)。
Further,
しかし、特許文献1のアクアポニックスシステムには、物理ろ過及び生物ろ過によって水耕栽培部用のメディアベッドを浄化することが記載されている(特許文献1の段落[0030]等参照)。また、特許文献2のアクアポニックスシステム(栽培養殖システム1000)には、養殖槽から栽培槽内に流れる水を浄化する栽培槽側フィルターを設け、バクテリアによる水質浄化を行うことが記載されている(特許文献2の段落[0017]等参照)。
However, the aquaponics system of Patent Document 1 describes that a media bed for a hydroponic cultivation section is purified by physical filtration and biological filtration (see paragraph [0030] of Patent Document 1, etc.). Furthermore, in the aquaponics system (cultivation and aquaculture system 1000) of
つまり、従来のアクアポニックスシステムは、図9(a)に示すように、養殖水槽から発生する糞尿や残餌に含まれる(主にアンモニア態窒素、NH4 +)を直接生物ろ過装置の硝酸菌により、硝酸態窒素(NO3 -)へほぼ100%酸化処理し、次に水耕栽培部で植物が硝酸態窒素を窒素源として吸収する仕組みである。そのため、養殖水槽容量に対して、生物ろ過装置(生物浄化ユニット)の大きさは約2~3倍に大きくなるのが現状で、使用期間中に浮遊物が詰まることを防ぐため、頻繁に逆洗洗浄等の物理的な浄化処理が必要になるという問題があった。 In other words, as shown in Figure 9(a), in conventional aquaponics systems, the waste (mainly ammonia nitrogen, NH 4 In this system, almost 100% of nitrate nitrogen (NO 3 - ) is oxidized by bacteria, and then the plants absorb the nitrate nitrogen as a nitrogen source in the hydroponic culture section. Therefore, the current situation is that biological filtration devices (biological purification units) are about 2 to 3 times larger than the aquaculture tank capacity, and they are often reversed to prevent clogging with suspended matter during use. There was a problem in that physical purification treatment such as washing was required.
また、生物浄化ユニットの負担を低減し生物ろ過装置を小さくするため、図9(b)に示すように、物理ろ過装置を設置することも行われている。しかし、生物ろ過装置が小規模にできでも、別途物理ろ過装置が必要であり、全体として装置の小型化につながらない上、物理ろ過装置も浄化処理が必要であるという問題がある。 Furthermore, in order to reduce the burden on the biological purification unit and make the biological filtration device smaller, a physical filtration device is also installed as shown in FIG. 9(b). However, even if the biological filtration device can be made small-scale, a separate physical filtration device is required, which does not lead to miniaturization of the device as a whole, and there are problems in that the physical filtration device also requires purification treatment.
また、特許文献3には、閉鎖循環式の飼育水を一切捨てることなく、食品として安全な有機栽培の水耕栽培様に再利用する水耕栽培と陸上養殖装置及び水質管理方法が開示されている(特許文献3の明細書の段落[0005]~[0023]、図面の図1等参照)。 In addition, Patent Document 3 discloses a hydroponic cultivation and land aquaculture apparatus and a water quality management method that reuse the closed circulation rearing water for food-safe organic cultivation in hydroponic cultivation without discarding any of the rearing water. (See paragraphs [0005] to [0023] of the specification of Patent Document 3, FIG. 1 of the drawings, etc.).
しかし、特許文献3に記載の水耕栽培と陸上養殖装置及び水質管理方法は、具体的な記載が乏しくなぜ閉鎖循環式の飼育水を一切捨てることなく水耕栽培様に再利用することが実現できているのかが不明である。 However, the hydroponic cultivation, land-based aquaculture equipment, and water quality control method described in Patent Document 3 lack specific details, and it is possible to reuse the closed-circulation culture water for hydroponic cultivation without discarding it at all. It is unclear whether it is possible.
また、図9に示すように、従来のアクアポニックスシステムは、水耕栽培で栽培する農作物の窒素源はNO3 -のみである。これらのNO3 -が取り込まれた農作物が人体に摂取されると、発がん性物質であるニトロンアミンと呼ばれる有害物質に変化することが知られている。そのため、農作物、特に葉菜類では、可食の葉にNO3 -濃度が高くならないように注意しなければならないという問題もある。 Further, as shown in FIG. 9, in the conventional aquaponics system, NO 3 - is the only nitrogen source for crops grown hydroponically. It is known that when agricultural products containing NO 3 - are ingested by the human body, they turn into harmful substances called nitrone amines, which are carcinogenic substances. Therefore, when it comes to agricultural products, especially leafy vegetables, there is a problem in that care must be taken not to increase the concentration of NO 3 - in the edible leaves.
その上、アクアポニックスシステムに利用する水は、初期のみ供給して、年間総水量に対して約10%程度の蒸発する分の水だけ補給するのが理想である。しかしながら、従来のアクアポニックスシステムでは、蒸発する水に加え、総固形物(TS:Total solids)の蓄積があるため貯まった固形物や有機物を取り除く必要がある。その上、生物ろ過槽による水浄化能力だけでは足りず、物理ろ過を併用するため逆洗洗浄等を行う必要があり、年間100%以上の水を交換しているのが現状である。 Moreover, the water used in an aquaponics system should ideally be supplied only at the initial stage, and should be replenished only for the amount of water that evaporates, which is approximately 10% of the total annual water volume. However, in conventional aquaponics systems, in addition to the water that evaporates, there is an accumulation of total solids (TS), which requires removal of accumulated solids and organic matter. Moreover, the water purification ability of the biological filtration tank alone is not enough; it is also necessary to perform backwashing, etc., in conjunction with physical filtration, and the current situation is that more than 100% of the water is replaced annually.
そこで、本発明は、前述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、生物ろ過装置を小さくし、農作物の窒素源を増やすとともに、逆洗洗浄等の作業を極力減らして新たな水の供給を最低限に抑えることができるアクアポニックスシステムを提供することにある。 Therefore, the present invention was devised in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to reduce the size of biological filtration equipment, increase the nitrogen source for crops, and minimize work such as backwashing. The objective is to provide an aquaponics system that can reduce and minimize the need for new water supply.
請求項1に係るアクアポニックスシステムは、水棲生物を養殖する養殖槽と水耕栽培で農作物を栽培する水耕栽培部を備え、システム内で循環水を循環させて水産物と農産物の両方を生産するアクアポニックスシステムであって、前記水耕栽培部を前記養殖槽の循環水の流れる方向の下流に設け、前記養殖槽と前記水耕栽培部との間の流路に生物ろ過装置を設けずに前記水棲生物が排出した排泄物や残餌などの固形物を含んだ状態の水をそのまま前記水耕栽培部に流入するように接続し、前記養殖槽から所定の期間糞尿や残餌を含んだ状態の水を供給し続け、前記水耕栽培部に、自然界に存在する有機物分解微生物群が増殖されて植物根圏が形成されており、前記水耕栽培部の循環水の流れる方向の下流に循環水中の有機窒素を硝化菌及び/又は脱窒菌で分解して浄化する生物ろ過装置をさらに備え、前記生物ろ過装置は、硝化菌及び/又は脱窒菌を高分子ポリマーにより固定化したMLVSS(混合液揮発性浮遊物質)で測定した濃度が2,000~30,000mg/Lの高密度の微生物群からなる包括固定化担体により、前記植物根圏を経由した前記循環水からPO
4
-
・K
+
・Ca
2+
・SO
4
-
等の硝化菌及び/又は脱窒菌の成長に必要なイオンを吸収しつつ、前記植物根圏で処理しきれなかった1mg/L程度以下の低濃度の残存アンモニア態窒素をさらに分解して浄化することを特徴とする。
また、請求項2に係るアクアポニックスシステムは、請求項1に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記包括固定化担体は、粉末活性炭粒子に硝化菌及び/又は脱窒菌を付着させた後、高分子ポリマーにより固定化した包括固定化担体であることを特徴とする。
そして、請求項3に係るアクアポニックスシステムは、請求項1又は2に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記植物根圏の前記有機物分解微生物群は、前記水耕栽培部から前記農作物を1ロッドごとに端から取り出して収穫し、他の端から1ロッドに植えられた苗を追加して定期的に入れ替えることで有害な微生物が増殖することが防止されていることを特徴とする。
The aquaponics system according to claim 1 includes an aquaculture tank for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section for cultivating crops by hydroponics, and produces both marine products and agricultural products by circulating circulating water within the system. An aquaponics system, wherein the hydroponic cultivation section is provided downstream in the direction in which circulating water of the aquaculture tank flows , and a biological filtration device is provided in a flow path between the aquaculture tank and the hydroponic cultivation section. The water containing solid matter such as excrement and leftover feed excreted by the aquatic organisms is connected to the hydroponic culture section so that it flows directly into the hydroponic culture section, and the excrement and leftover feed are removed from the aquaculture tank for a predetermined period of time. Containing water is continuously supplied, and a group of microorganisms that decompose organic matter that exist in nature are multiplied in the hydroponic culture section to form a plant rhizosphere. Further, a biological filtration device is provided downstream for decomposing and purifying organic nitrogen in the circulating water with nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria, and the biological filtration device is an MLVSS in which nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria are immobilized with a polymer. An entrapping immobilization carrier consisting of a high-density group of microorganisms with a concentration of 2,000 to 30,000 mg/L (mixed liquid volatile suspended solids) is used to remove PO 4 - from the circulating water that has passed through the plant rhizosphere. ・While absorbing ions necessary for the growth of nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria such as K + ・
Further, in the aquaponics system according to
In the aquaponics system according to claim 3, in the aquaponics system according to
請求項4に係るアクアポニックスシステムは、請求項1又は2に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記養殖槽には、酸素のマイクロナノバブルを発生させるMNB発生装置が設置されていることを特徴とする。
The aquaponics system according to claim 4 is the aquaponics system according to
請求項5に係るアクアポニックスシステムは、請求項1又は2に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記養殖槽は、上下に複数段設けられ、それぞれ異なる水棲生物が養殖されていることを特徴とする。
The aquaponics system according to
請求項6に係るアクアポニックスシステムは、請求項1又は2に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記生物ろ過装置は、前記養殖槽内に設けられていることを特徴とする。
The aquaponics system according to claim 6 is the aquaponics system according to
請求項1~6に係る発明によれば、植物根圏が形成されるので、物理ろ過装置や生物ろ過装置の機能を代替することができる。このため、生物ろ過装置や物理ろ過装置を小さくしてシステム全体の大きさ小さくすることで、システムの敷地面積あたりの水棲生物の養殖効率や農産物の栽培効率を向上させることができる。 According to the inventions according to claims 1 to 6 , since a plant rhizosphere is formed, the function of a physical filtration device or a biological filtration device can be replaced. Therefore, by reducing the size of the entire system by making the biological filtration device or the physical filtration device smaller, it is possible to improve the cultivation efficiency of aquatic organisms and the cultivation efficiency of agricultural products per site area of the system.
また、請求項1~6に係る発明によれば、従来のアクアポニックスシステムと相違して、水耕栽培で栽培する農作物の窒素源は、主にアンモニア態窒素NH4 +であるため、可食の葉に硝酸態窒素NO3 -濃度が高くなるおそれが少なく、人体内で発がん性物質であるニトロンアミンに変化するおそれも少ない。 Further, according to the inventions according to claims 1 to 6 , unlike conventional aquaponics systems, the nitrogen source for crops cultivated by hydroponics is mainly ammonia nitrogen NH 4 + , so it is possible to There is little risk that the nitrate nitrogen NO 3 - concentration in the edible leaves will increase, and there is also little risk that it will change into nitrone amines, which are carcinogenic substances, in the human body.
その上、請求項1~6に係る発明によれば、物理ろ過装置を設けなくてもよいので、逆洗洗浄等で固まった固形物を除去する必要がなく、循環水に蒸発する分の水量を補給すれば足りる。
また、請求項1~6に係る発明によれば、生物ろ過装置の包括固定化担体により、有機窒素を分解して浄化するので、増殖速度が遅い硝化菌及び脱窒菌の高密度な微生物群を早期に育成することができ、低濃度(1mg/L程度)のアンモニア態窒素の条件下でも安定してアクアポニックスシステムの運用が可能である。
Furthermore, according to the inventions according to claims 1 to 6 , there is no need to provide a physical filtration device, so there is no need to remove solidified solids by backwashing, etc., and the amount of water that evaporates into circulating water is reduced. It is sufficient to supply .
Furthermore, according to the inventions according to claims 1 to 6, since organic nitrogen is decomposed and purified by the entrapping immobilization carrier of the biological filtration device, a high-density microorganism group of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, which have a slow growth rate, can be removed. It can be grown quickly, and the aquaponics system can be operated stably even under conditions of low concentrations of ammonia nitrogen (about 1 mg/L).
特に、請求項4に係る発明によれば、養殖槽にMNB発生装置が設置されているので、従来のエアーポンプによる酸素の供給と比べて、より多くの酸素を循環水に溶け込ませることができる。よって、循環水中の溶存酸素が増加し、より多くの水産物や農産物を生産することができる。また、曝気しなくてもMNB発生装置の圧力で養殖槽内の水をかき回すことができるため、エアレーション施設が不要となり、従来必要であった配管やポンプ、エアレーション及び電気代等の費用を削減することができる。 In particular, according to the invention according to claim 4 , since the MNB generator is installed in the aquaculture tank, more oxygen can be dissolved in the circulating water than when oxygen is supplied using a conventional air pump. . Therefore, dissolved oxygen in the circulating water increases, making it possible to produce more marine products and agricultural products. In addition, since the water in the culture tank can be stirred by the pressure of the MNB generator without aeration, aeration facilities are no longer required, reducing costs such as piping, pumps, aeration, and electricity costs that were previously required. be able to.
特に、請求項5に係る発明によれば、複数の養殖槽を設けることで同じ養殖槽で育成することが困難な複数種類の水棲生物を養殖することが可能となるとともに、養殖槽を上下に複数段設けけることで養殖スペースを削減することができ、敷地面積あたりの水産物の生産効率が向上する。
In particular, according to the invention according to
特に、請求項6に係る発明によれば、生物ろ過装置が養殖槽内に設けられているので、水槽の面積や水棲生物の飼育数及び成長バランスによって生物ろ過装置の能力を適宜変更することができ、飼育数や成長に対応したアクアポニックスシステムの安定的な運用が可能となる。 In particular, according to the invention according to claim 6 , since the biological filtration device is provided in the aquaculture tank, the capacity of the biological filtration device can be changed as appropriate depending on the area of the aquarium, the number of aquatic organisms reared, and the growth balance. This enables stable operation of the aquaponics system that corresponds to the number of animals and their growth.
以下、本発明に係るアクアポニックスシステムの一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, one embodiment of the aquaponics system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
先ず、図1~図4を用いて、本発明の第1実施形態に係るアクアポニックスシステム1について説明する。本実施形態に係るアクアポニックスシステム1は、図1に示すように、水棲生物を養殖する養殖槽2と、水耕栽培で農作物を栽培する水耕栽培部3と、有機窒素を硝化菌及び/又は脱窒菌で分解して浄化する生物ろ過装置4と、水中の細菌やウィルスなどの病原菌を殺菌消毒する殺菌消毒装置5を備え、水を循環させて養殖槽2で発生した有機物を水耕栽培部3で肥料として用い、水産物と農作物を生産する。また、養殖槽2と水耕栽培部3との間には、pH調整を行う調整槽6を設けられていることが望ましい。図1は、本発明の第1実施形態に係るアクアポニックスシステムの構成を示す模式図である。
[First embodiment]
First, an aquaponics system 1 according to a first embodiment of the present invention will be explained using FIGS. 1 to 4. As shown in FIG. 1, the aquaponics system 1 according to the present embodiment includes an
(養殖槽)
養殖槽2は、水棲生物やその卵などを養殖するための水槽であり、チョウザメ(キャビア)などの高級水産物となる水棲生物を養殖することを想定しているが、ティラピア、カープ、鯉、サケ、トラウトなどの魚類、エビ、カニ、ホタテなどの甲殻類、イカ、タコなどの頭足類などを養殖することもできる。養殖する水棲生物の種類にもよるが、養殖槽2のpH値は、6.8~7.5付近を維持することが望ましく、pH値をモニタリングするpHセンサ、水温を測定する温度センサ、水中の酸素濃度を計測する酸素センサなどのセンサ類を設け、これらのセンサから得られた情報を基に自動制御で水の温度や酸素濃度を維持するように構成することが好ましい。なお、符号21は、養殖槽2内の水棲生物に自動で餌を供給する自動餌やり装置21である。
(culture tank)
また、養殖槽2には、従来、多くの水棲生物を養殖可能にするために水中に十分な酸素を供給するエアーポンプが設けられることが一般的である。しかし、本実施形態に係る養殖槽2には、エアーポンプで曝気することに代えて、酸素のマイクロナノバブルを発生させるMNB発生装置20(MNB:マイクロナノバブル)を養殖槽2内に設けて酸素のマイクロナノバブルを供給している。酸素をマイクロナノバブルの状態で養殖槽2に供給することは、従来のエアーポンプによる酸素の供給と比べて、より多くの酸素が水に溶け込むため、水中の溶存酸素が増加し、より多くの水棲生物を生育することができる。また、曝気しなくてもMNB発生装置20の圧力で養殖槽2内の水をかき回すことができる。このように、養殖槽2内にMNB発生装置20を設けることにより、配管やポンプ、エアレーション及び電気代等の費用を削減することができる。
Furthermore, the
また、養殖槽2において酸素マイクロナノバブルを供給することは、餌を与えた際に、水棲生物が酸素マイクロナノバブルを餌と一緒に体内に取り込みことで、酸素を効率的に体内に吸収することができるとともに、餌をより効率的に消化吸収することができる。また、酸素が十分に供給されている環境では、水棲生物の免疫力が向上し、病気にかかるリスクが低下する。しかも、マイクロナノバブルは、細菌やウィルスを殺菌する効果もあるため、水棲生物の病気予防にも役立つ。
In addition, supplying oxygen micro-nano bubbles in the
ここで、マイクロナノバブルとは、数十ナノメートルからマイクロオーダー(1~100μm)の微小な大きさの気泡を指している。また、酸素のマイクロナノバブルの生成方法としては、酸素の気体と水を混合し、高速で旋回させることで酸素の気泡を作る「旋回流方式」、酸素の気体に圧力をかけ、水中に溶け込ませて、一気に開放することで酸素の気泡を作る「加圧溶解方式」、オリフィス等の微細孔へ酸素気体に圧力をかけて通すことで酸素の気泡を作る「微細孔方式」、超音波でキャビテーションを起こし水中の酸素気体を膨張させて酸素の気泡を作る「超音波方式」など、が例示される。しかし、酸素ナノバブル水の生成方法は、特に限定されるものではなく、マイクロオーダー(1~100μm)の微細酸素ガスを含有するマイクロナノバブル水を生成できる方法であればよい。 Here, the term "micro-nano bubble" refers to a small bubble in size ranging from several tens of nanometers to micro-order (1 to 100 μm). In addition, methods for generating oxygen micro-nano bubbles include the ``swirling flow method,'' which creates oxygen bubbles by mixing oxygen gas and water and swirling them at high speed. ``Pressure dissolution method'' which creates oxygen bubbles by opening them all at once, ``micropore method'' which creates oxygen bubbles by applying pressure to oxygen gas and passing it through microscopic holes such as orifices, and cavitation using ultrasonic waves. An example is the ``ultrasonic method,'' which creates oxygen bubbles by causing oxygen gas in the water to expand. However, the method for producing oxygen nanobubble water is not particularly limited, and any method may be used as long as it can produce micronanobubble water containing microscopic oxygen gas on the micro order (1 to 100 μm).
(水耕栽培部)
水耕栽培部3は、図2に示すように、土壌の代わりにココナッツファイバーやバーミキュライトなどからなる多孔質材(メディアベッド)に葉物野菜などの農作物が植えられたメディアカルチャー(Media culture)方式、詳しくは、DWC(Deep Water Culture)方式の水耕栽培で農作物を栽培する部位である。図2は、アクアポニックスシステム1の水耕栽培部3で栽培した葉物野菜を収穫する状況を示す模式図である。
(Hydroponic cultivation department)
As shown in Figure 2, the hydroponic cultivation section 3 uses a media culture method in which crops such as leafy vegetables are planted in a porous material (media bed) made of coconut fiber, vermiculite, etc. instead of soil. Specifically, it is a part where crops are grown using hydroponic cultivation using the DWC (Deep Water Culture) method. FIG. 2 is a schematic diagram showing a situation in which leafy vegetables grown in the hydroponic cultivation section 3 of the aquaponics system 1 are harvested.
勿論、水耕栽培の方式は、メディアカルチャー方式に限られず、空気中に霧状の水を噴霧して根に必要な水分や栄養素を与えるエアロポニックス(Aeroponics)方式、根を浸した水槽の底にエアレーション装置を設置して酸素を供給しながら根を浸すディープウォーターカルチャー(Deep water culture (DWC))方式、根元から水滴を滴下させて根に必要な水分と栄養素を供給するドリップシステム(Drip System)方式、斜面の板の上に植物を置き薄い水膜を流し込んで根に必要な水分や栄養素を供給するナイトリエントフィルムテクニック(Nutrient Film Technique (NFT))方式とすることもできる。 Of course, hydroponic cultivation methods are not limited to the media culture method, but include the aeroponics method, which sprays a mist of water into the air to provide the roots with the necessary moisture and nutrients, and the aquarium in which the roots are soaked. The deep water culture (DWC) method uses an aeration device installed at the bottom to supply oxygen while soaking the roots, and the drip system (Drip system) uses water droplets to drip from the roots to provide the roots with the moisture and nutrients they need. It is also possible to use the Nutrient Film Technique (NFT) method, in which plants are placed on a board on a slope and a thin film of water is poured in to provide the roots with the necessary moisture and nutrients.
本発明の実施形態に係るアクアポニックスシステム1の最大の特徴は、従来のアクアポニックスシステムと相違して、養殖槽2から水を直接、水耕栽培部3に流入させてメディアベッドに有機物分解微生物群(菌類)と植物の根とが共生する植物根圏を形成することにある。ここで、直接とは、養殖槽2の水棲生物が排出した糞尿などの排泄物や残餌などの固形物を含んだ状態の水をそのまま水耕栽培部3に流入させて供給することを指しており、図1に示すように、途中に調整槽6を設ける場合も含んでいる。
The biggest feature of the aquaponics system 1 according to the embodiment of the present invention is that, unlike conventional aquaponics systems, water is directly flowed from the
植物根圏の形成は、1か月~3か月の所定の期間糞尿や残餌を含んだ状態の水を供給し続け、水温やpH値を適正とすることにより、自然界に存在する有機物分解微生物群をメディアベッドに増殖させることにより行う。 The formation of the plant rhizosphere is achieved by continuously supplying water containing excreta and leftover food for a specified period of 1 to 3 months, and by adjusting the water temperature and pH value to the appropriate level, which allows for the decomposition of organic matter that exists in nature. This is done by growing microorganisms on a media bed.
このように、アクアポニックスシステム1では、水耕栽培部3を養殖槽2の循環水の流れる方向の下流に設けて直接接続することで、養殖槽2からの魚の大腸菌や乳酸菌等の腸内菌を含む排泄物や食べ残し等が含有する固形物(有機物)が水耕栽培槽3へ流れ沈み込む。また、植物根圏(単に、根圏ともいう)には、植物からさまざまなタンパク質(酵素)が分泌されている。特に、根圏には植物から分泌されるフォスファターゼ活性が高く、この酵素は有機物にエステル結合したリン酸を加水分解して植物の成長に利用可能なリン酸量を増やす。従って、根圏に生息する根圏細菌は、植物と共生しながら水耕栽培槽3の有機物中の栄養素の利用能を高めて、植物の成長を促進させる。
In this way, in the aquaponics system 1, the hydroponic cultivation section 3 is provided downstream in the flow direction of the circulating water of the
また、図2に示すように、水耕栽培で栽培した葉物野菜などの農作物をメディアベッドの1ロッドごとに端から取り出して収穫し、他の端からメディアベッドの1ロッドに植えられた苗を追加して入れ替える。このように定期的に農作物を収穫して入れ替えることで有害な微生物が増殖することを防止して有機物分解微生物群の生態系を常に安定して維持することができる。また、季節によらず年中一定の農作物を収穫して出荷することができる。 In addition, as shown in Figure 2, crops such as leafy vegetables grown hydroponically are harvested by taking them out from one end of the media bed, and the seedlings are planted in one rod of the media bed from the other end. Add and replace. By regularly harvesting and replacing crops in this way, it is possible to prevent the proliferation of harmful microorganisms and maintain a stable ecosystem of microorganisms that decompose organic matter. In addition, certain agricultural products can be harvested and shipped throughout the year regardless of the season.
また、アクアポニックスシステム1では、前述のように、上流の養殖槽2において、MNB発生装置20で酸素マイクロナノバブルが循環水に供給されている。酸素マイクロナノバブルは、長時間水中でブラウン運動をしながら浮遊し続けることができ、循環している水からでも農作物の根から酸素が吸収され易くなる。このため、水耕栽培でも水中に雑菌が発生しにくく、この点でも有用な植物根圏が形成され、有機物分解微生物群で有機物を分解できるとともに農作物が成長し易くなるというメリットがある。
Furthermore, in the aquaponics system 1, as described above, in the
(生物ろ過装置)
生物ろ過装置4は、アクアポニックスシステム1内を循環する水の水質を浄化するための装置で、担体やろ材に付着させた微生物を利用して有機物や窒素化合物を分解する機能を有した装置である。この生物ろ過装置4は、魚介類等の水棲生物の飼育数及び成長バランスによって容易に取り外し及び変更可能な小規模なユニット型の集合体とすることが好ましい。
(biological filtration device)
The biological filtration device 4 is a device for purifying the quality of water circulating within the aquaponics system 1, and has the function of decomposing organic matter and nitrogen compounds using microorganisms attached to a carrier or filter medium. It is. The biological filtration device 4 is preferably a small-scale unit-type assembly that can be easily removed and changed depending on the number and growth balance of aquatic organisms such as fish and shellfish.
本実施形態に係る生物ろ過装置4は、増殖速度が遅い硝化菌及び脱窒菌の高密度な微生物群を早期に育成するために、微生物を担体に取り付けた後、多孔性材料で包み込んで固定化する包括固定化法を応用して包括固定化担体を生成する。具体的には、本実施形態に係る生物ろ過装置4では、粉末活性炭粒子に硝化菌及び脱窒菌を付着させた後、高分子ポリマーにより固定化させ、平均3mm×3mm×3mmの立方体状のペレットにした高密度な微生物群が固定化された包括固定化担体(微生物活性炭固定化担体)を用いて有機物や窒素化合物を分解する。ここで、高密度(高濃度)とは、約2,000~30,000mg/Lの微生物群を指している。この微生物濃度は、MLVSS(混合液揮発性浮遊物質)の濃度で測定したものである。このような微生物(主に、硝化菌及び脱窒菌)固定化担体方式の三相流動生物浄化ユニットを用いることで、アンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素をほぼ100%除去することが可能となった。 In the biological filtration device 4 according to this embodiment, in order to quickly cultivate a high-density microorganism group of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, which have a slow growth rate, microorganisms are attached to a carrier and then wrapped in a porous material for immobilization. An entrapping immobilization carrier is produced by applying the entrapping immobilization method. Specifically, in the biological filtration device 4 according to the present embodiment, nitrifying bacteria and denitrifying bacteria are attached to powdered activated carbon particles, and then fixed with a polymer to form cubic pellets with an average size of 3 mm x 3 mm x 3 mm. Organic matter and nitrogen compounds are decomposed using an entrapping immobilization carrier (microbial activated carbon immobilization carrier) on which a high-density group of microorganisms is immobilized. Here, high density (high concentration) refers to a group of microorganisms of about 2,000 to 30,000 mg/L. This microorganism concentration was measured by the concentration of MLVSS (mixed liquid volatile suspended solids). By using a three-phase fluidized biological purification unit that uses microorganisms (mainly nitrifying bacteria and denitrifying bacteria) as immobilized carriers, it has become possible to remove almost 100% of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen. .
結合固定化法等による従来の生物ろ過装置に用いる微生物の固定化担体は、高濃度(100~600mg/L程度)のアンモニア態窒素を含む水処理には適しているが、次表での表1に示すように、非常に低濃度(1mg/L程度)のアンモニア態窒素を含む水には、微生物の生育に必要な窒素源不足でアクアポニックスシステム1が不安定になるため使用できないという問題があった。 Microbial immobilization carriers used in conventional biological filtration devices using the binding immobilization method are suitable for water treatment containing high concentrations of ammonia nitrogen (approximately 100 to 600 mg/L); As shown in Figure 1, water containing very low concentrations of ammonia nitrogen (approximately 1 mg/L) cannot be used because the aquaponics system 1 becomes unstable due to a lack of nitrogen source necessary for the growth of microorganisms. There was a problem.
これに対して、生物ろ過装置4は、高密度な微生物群が固定化された包括固定化担体(微生物活性炭固定化担体)を用いて窒素化合物を分解するので、高濃度(100~600mg/L程度)のアンモニア態窒素の条件下で使用できるだけでなく、低濃度(1mg/L程度)のアンモニア態窒素の条件下でも安定してアクアポニックスシステム1の運用が可能となる。 On the other hand, the biological filtration device 4 decomposes nitrogen compounds using an entrapping immobilization carrier (microbial activated carbon immobilization carrier) on which a high-density group of microorganisms is immobilized, so the nitrogen compounds are decomposed at high concentrations (100 to 600 mg/L). The aquaponics system 1 can be used not only under conditions of ammonia nitrogen at a low concentration (about 1 mg/L), but also stably under conditions of ammonia nitrogen at a low concentration (about 1 mg/L).
生物ろ過装置4では、前述の水耕栽培部3の植物根圏で処理しきれなかった非常に低濃度の残存アンモニア態窒素(NH4
+-N:1mg/L程度以下)をNO3
-へ分解する一方、硝化菌等の微生物群自体が成長に必要な栄養素としてNH4
+及びNO3
-をはじめ、PO4
-・K+・Ca2+・SO4
-等のイオンも吸収する。そのため、アクアポニックスシステム1は、pHの値が中性程度の用水レベル(水道水や地下水程度)まで浄化された水が再び養殖槽2へ戻ることとなる。
The biological filtration device 4 converts the extremely low concentration of residual ammonia nitrogen (NH 4 + -N: about 1 mg/L or less) that could not be completely processed in the plant rhizosphere of the hydroponic cultivation section 3 into NO 3 - . While it is decomposed, microorganisms such as nitrifying bacteria themselves also absorb ions such as NH 4 + and NO 3 - as well as PO 4 - , K + , Ca 2+ and SO 4 - as nutrients necessary for growth. Therefore, in the aquaponics system 1, water that has been purified to a level of water with a neutral pH value (such as tap water or underground water) returns to the
なお、この生物ろ過装置4は、前述の養殖槽2内に設けることもできる。生物ろ過装置4を前述のように複数の小規模なユニット型の集合体とすることにより、水槽の面積や水棲生物の飼育数及び成長バランスによって適宜変更することができ、飼育数や成長に対応したアクアポニックスシステム1の安定的な運用が可能な点で有効である。さらに、生物ろ過装置4をユニット型とすることで、生物ろ過装置4内に後述の殺菌消毒装置5等も組み込むことが可能であり、1台の装置で多くの役割をこなすことができる。
Note that this biological filtration device 4 can also be provided within the
(殺菌消毒装置)
殺菌消毒装置5は、紫外線を照射して水中の細菌やウィルスを殺菌するUV殺菌灯や電気放電を用いて酸素分子をオゾンに変換するオゾン発生器、ろ過媒体に銀を含ませて銀イオンにより殺菌する殺菌フィルターなど、を備え、水中の有害な微生物を殺菌する装置である。図1に示すように、アクアポニックスシステム1では、前述の生物ろ過装置4での窒素化合物等の分解に加え、殺菌消毒装置5により水棲生物の生存に悪影響を及ぼす細菌やウィルスが殺菌・除去された循環水が綺麗な浄化水となって養殖槽2に戻る仕組みとなっている。
(Sterilization device)
The
(調整槽)
調整槽6は、サンプタンクとしての機能を有し、タンク内でpH値及び水温を自動調整するとともに、水中の浮遊物や微粒子を取り除く沈殿槽としても機能する。前述のように、多くの水棲生物にとっては養殖槽2のpH値は6.8~7.5付近を維持することが望ましいため、栽培する農作物に応じてpHや水温を調整することにより、多様な植物を栽培することが可能となる点で好ましい。
(adjustment tank)
The adjustment tank 6 has a function as a sump tank, automatically adjusting the pH value and water temperature within the tank, and also functions as a settling tank to remove suspended matter and fine particles from the water. As mentioned above, it is desirable for many aquatic organisms to maintain the pH value of the
例えば、図3に示すように、養殖槽2からの循環水を分岐し、複数の水耕栽培部3,3’を設け、その中間点にそれぞれ調整槽6を設けることにより、栽培する植物に応じて最適な水のpH値に調整することができる。例えば、DWC(Deep Water Culture)方式の水耕栽培で水耕栽培部3に葉物野菜を栽培し、他の水耕栽培部3’には、一般のメディアカルチャー(Media culture)方式で水温などの栽培環境が特殊な本わさび等の栽培を行うことが可能となる。図3は、第1実施形態の変形例1に係るアクアポニックスシステム1’の構成を示す模式図である。
For example, as shown in FIG. 3, by branching the circulating water from the
(物理ろ過装置)
また、図3に示すように、変形例1に係るアクアポニックスシステム1’には、生物ろ過装置4の循環水の流れる方向の下流にろ材やフィルターで固形物を漉し取って物理的にろ過する物理ろ過装置7が設けられている。この物理ろ過装置7は、貝殻、蟹殻、砂などのろ材や底床、ポリエステル繊維などの微細繊維のフィルターで水中の浮遊物や微粒子を取り除くことにより、水中の微生物の増殖を抑え、循環水の水質を良好に保つ機能を有している。特に、大型施設農業のアクアポニックスプラントの場合には、水耕栽培部3と生物ろ過装置4にて処理し切れない場合があり、物理ろ過装置7により、固形物等を物理的にろ材や底床で汚れや色素及び濁りを漉しとってろ過することが望ましい。
(Physical filtration device)
In addition, as shown in FIG. 3, the aquaponics system 1' according to modification 1 includes physical filtration by straining out solid matter with a filter material or filter downstream in the flow direction of the circulating water of the biological filtration device 4. A physical filtration device 7 is provided. This physical filtration device 7 suppresses the growth of microorganisms in the water by removing suspended matter and particulates in the water using filter media such as shells, crab shells, and sand, as well as a substrate and a filter made of fine fibers such as polyester fibers. It has the function of maintaining good water quality. In particular, in the case of aquaponics plants for large-scale agricultural facilities, the hydroponic culture section 3 and biological filtration device 4 may not be able to completely process the solids, and the physical filtration device 7 physically removes solids, etc. It is desirable to filter dirt, pigments, and turbidity using a substrate.
(嫌気槽)
そして、図3に示すように、アクアポニックスシステム1’では、物理ろ過装置7でこし取った固形物を逆洗洗浄で洗い流し、嫌気槽8のサンプタンクに貯蔵する。この嫌気槽8では、サンプタンク内の嫌気性微生物で有機物を分解してメタンガスや二酸化炭素などの生成物を生成する。また、分解された後の嫌気槽8には、沈殿物が発生し、この沈殿物は、水中の微生物が排泄物や死骸などを含んだ汚泥を含んでいる。この汚泥を含んだ沈殿物は、水耕栽培部3で栽培されている農作物の肥料として再利用される。
(anaerobic tank)
As shown in FIG. 3, in the aquaponics system 1', the solids filtered by the physical filtration device 7 are washed away by backwashing and stored in the sump tank of the anaerobic tank 8. In this anaerobic tank 8, anaerobic microorganisms in the sump tank decompose organic matter to produce products such as methane gas and carbon dioxide. In addition, a precipitate is generated in the anaerobic tank 8 after decomposition, and this precipitate includes sludge containing excrement and dead bodies of microorganisms in the water. This sludge-containing sediment is reused as fertilizer for the crops grown in the hydroponic cultivation section 3.
以上説明した本発明の第1実施形態に係るアクアポニックスシステム1及び変形例1に係るアクアポニックスシステム1’によれば、水耕栽培部3に植物根圏の生態系が作られ、その植物根圏で物理的及び生物的な浄化処理を約70%代替して従来の物理ろ過装置や生物ろ過軽減することができる。このため、従来のアクアポニックスシステムの生物ろ過装置や物理ろ過装置を小さくしてシステム全体の大きさを小さくすることで、システムの敷地面積あたりの水棲生物の養殖効率や農産物の栽培効率を向上させることができる。 According to the aquaponics system 1 according to the first embodiment of the present invention and the aquaponics system 1' according to the first modification example described above, a plant rhizosphere ecosystem is created in the hydroponic cultivation section 3, and the The plant rhizosphere can replace about 70% of physical and biological purification processes, reducing the need for conventional physical filtration devices and biological filtration. For this reason, by reducing the size of the entire system by making the biological filtration device and physical filtration device of conventional aquaponics systems smaller, the efficiency of cultivating aquatic organisms and cultivating agricultural products per unit area of the system can be improved. can be done.
また、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、図1に示したように、従来のアクアポニックスシステムと相違して、水耕栽培で栽培する農作物の窒素源は、主にアンモニア態窒素NH4 +であるため、可食の葉に硝酸態窒素NO3 -濃度が高くなるおそれが少なく、人体内で発がん性物質であるニトロンアミンに変化するおそれも少ない。また、農作物がアンモニア態窒素NH4 +及び硝酸態窒素NO3 -の窒素源から選択的にバランス(NO3 -:NH4 +=50mg/L:0.1~1.5mg/L)よく吸収するため、多種多様な農作物を栽培することができる。 Furthermore, according to the aquaponics system 1 and the aquaponics system 1', as shown in FIG. 1, unlike the conventional aquaponics system, the nitrogen source for crops grown by hydroponics is Since it is ammonia nitrogen NH 4 + , there is little risk that nitrate nitrogen NO 3 - concentration will increase in the edible leaves, and there is also little risk that it will change into nitrone amine, a carcinogenic substance, in the human body. In addition, crops can selectively absorb well-balanced nitrogen sources (NO 3 - : NH 4 + = 50 mg/L: 0.1 to 1.5 mg/L) from ammonia nitrogen NH 4 + and nitrate nitrogen NO 3 - . Therefore, a wide variety of crops can be cultivated.
その上、アクアポニックスシステム1によれば、物理ろ過装置7を設けなくてもよいので、逆洗洗浄等で固まった固形物を除去する必要がなく、循環水に蒸発する分の水量を補給すれば足りる。また、アクアポニックスシステム1’のように、物理ろ過装置7を設けた場合でも、植物根圏や生物ろ過装置4で効率的に浄化できるので、失われる水が極力少なくて済む。 Furthermore, according to the aquaponics system 1, there is no need to install the physical filtration device 7, so there is no need to remove solidified solids by backwashing etc., and the amount of water that evaporates is replenished into the circulating water. It's enough. Further, even when a physical filtration device 7 is provided as in the aquaponics system 1', water loss can be minimized because the water can be efficiently purified by the plant rhizosphere or the biological filtration device 4.
さらに、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、養殖槽2には、酸素のマイクロナノバブルを発生させるMNB発生装置20が設置されているので、従来のエアーポンプによる酸素の供給と比べて、より多くの酸素を循環水に溶け込ませることができる。よって、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、循環水中の溶存酸素が増加し、より多くの水産物や農産物を生産することができる。また、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、曝気しなくてもMNB発生装置20の圧力で養殖槽2内の水をかき回すことができるため、エアレーション施設が不要となり、従来必要であった配管やポンプ、エアレーション及び電気代等の費用を削減することができる。
Furthermore, according to the aquaponics system 1 and the aquaponics system 1', the
また、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、粉末活性炭粒子に硝化菌及び/又は脱窒菌を付着させた後、高分子ポリマーにより固定化した包括固定化担体により、有機窒素を分解して浄化するので、増殖速度が遅い硝化菌及び脱窒菌の高密度な微生物群を早期に育成することができ、低濃度(1mg/L程度)のアンモニア態窒素の条件下でも安定してアクアポニックスシステム1の運用が可能であり、植物根圏で処理しきれなかったアンモニア態窒素及び亜硝酸態窒素を略100%除去することができる。 In addition, according to the aquaponics system 1 and the aquaponics system 1', after nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria are attached to powdered activated carbon particles, organic nitrogen is Because it decomposes and purifies ammonia nitrogen, it is possible to quickly grow a high-density microbial group of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, which have slow growth rates, and is stable even under conditions of low concentrations (about 1 mg/L) of ammonia nitrogen. The aquaponics system 1 can be operated in this way, and approximately 100% of the ammonia nitrogen and nitrite nitrogen that cannot be treated in the plant rhizosphere can be removed.
それに加え、アクアポニックスシステム1及びアクアポニックスシステム1’によれば、調整槽6で水耕栽培部3において栽培する農産物に応じてpH調整を行うので、栽培する植物に応じて最適な水のpH値に調整することができ、多様な植物を栽培することが可能となる。 In addition, according to the aquaponics system 1 and the aquaponics system 1', the pH is adjusted in the adjustment tank 6 according to the agricultural products to be cultivated in the hydroponic cultivation section 3, so that the optimum water can be used according to the plants to be cultivated. The pH value can be adjusted to , making it possible to cultivate a variety of plants.
[第2実施形態]
次に、図4を用いて、本発明の第2実施形態に係るアクアポニックスシステム10について説明する。本実施形態に係るアクアポニックスシステム10が、前述の変形例1に係るアクアポニックスシステム1’と相違する点は、主に、好気性グラニュール汚泥(AGS)を備えたSBR(半回分式反応槽:sequencing batch reactor)法の浄化槽9を設けた点であるので、その点について説明し、同一構成は同一符号を付し、説明を省略する。図4は、本発明の第2実施形態に係るアクアポニックスシステムの構成を示す模式図である。
[Second embodiment]
Next, an aquaponics system 10 according to a second embodiment of the present invention will be described using FIG. 4. The aquaponics system 10 according to this embodiment differs from the aquaponics system 1' according to the above-mentioned modification 1 mainly in that the SBR (semi-batch system) equipped with aerobic granule sludge (AGS) Since the septic tank 9 of the sequencing batch reactor method is provided, this point will be explained, and the same components will be given the same reference numerals and the explanation will be omitted. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an aquaponics system according to a second embodiment of the present invention.
前述の物理ろ過装置7の逆洗洗浄で発生する固形物(汚泥)を含む廃水は、物理ろ過装置のろ過タンクの大きさによって異なる。また、逆洗洗浄によって発生する廃水量は、ろ過タンクの総体積水量の約50%である。そこで、アクアポニックスシステム10では、好気性グラニュール汚泥(AGS)を備えたSBR法の浄化槽9を設けることにより、逆洗洗浄で発生する固形物(汚泥)を含む廃水を、図4に示すように、浄化槽9で用水レベルまで浄化処理して循環水として再利用する。 The wastewater containing solid matter (sludge) generated during the backwashing of the physical filtration device 7 described above differs depending on the size of the filtration tank of the physical filtration device. Further, the amount of waste water generated by backwashing is approximately 50% of the total volume of water in the filtration tank. Therefore, in the aquaponics system 10, by providing an SBR method septic tank 9 equipped with aerobic granule sludge (AGS), wastewater containing solids (sludge) generated during backwashing can be removed as shown in FIG. In this way, the water is purified to the level of industrial water in the septic tank 9 and reused as circulating water.
浄化槽9は、好気性グラニュール汚泥(AGS:Aerobic Granular Sludge)を備えている。ここで、グラニュール汚泥とは、担体ではなく細胞外に産出するポリマー(EPS)を足掛かりとして高密度に細菌同士が付着凝集して自己造粒した汚泥である。また、グラニュール汚泥は、嫌気性グラニュール汚泥が一般的であるが、好気性微生物もグラニュール汚泥を形成する。さらに、好気性グラニュー汚泥と電極版を組み合わせた構成、即ち、生物処理と電気化学処理を組み合わせた微生物燃料電池(MFC:Microbial Fuel Cell)としてもよい。電極版には、チタン及び/又はニッケル、即ち、チタン及びニッケルのいずれか一方又は両方用いられる(以下、及び/又は、いずれか一方又は両方を指す)。 The septic tank 9 includes aerobic granular sludge (AGS). Here, granule sludge is sludge in which bacteria adhere to each other at a high density and coagulate using polymers (EPS) produced outside cells instead of carriers as footholds to form self-granules. Moreover, although anaerobic granule sludge is generally used as granule sludge, aerobic microorganisms also form granule sludge. Furthermore, a configuration in which aerobic granulated sludge and an electrode plate are combined, that is, a microbial fuel cell (MFC) that combines biological treatment and electrochemical treatment may be used. For the electrode plate, titanium and/or nickel, that is, either one or both of titanium and nickel is used (hereinafter, and/or refers to either one or both).
図6に、この好気性グラニュー汚泥(AGS)の生物処理による水質浄化項目毎の除去率と、好気性グラニュー汚泥(AGS)と電極版を組み合わせた微生物燃料電池による水質浄化項目毎の除去率を比較した棒グラフを示す。図6に示すように、アンモニア態窒素(NH4-N)、亜硝酸態窒素(NO2-N)、及び総固形物(TS:Total Solids)は、好気性グラニュー汚泥(AGS)の生物処理及び好気性グラニュー汚泥(AGS)と電極版を組み合わせた微生物燃料電池による生物・電気化学処理いずれも100%除去できた。一方、全窒素(TN:Total Nitrogen)、全リン(TP:Total Phosphorus)は、微生物燃料電池による生物・電気化学処理の方が、好気性グラニュー汚泥(AGS)の生物処理のみより約4%高い除去率であった。 Figure 6 shows the removal rate for each water purification item by biological treatment of this aerobic granulated sludge (AGS) and the removal rate for each water purification item by a microbial fuel cell that combines aerobic granulated sludge (AGS) and an electrode plate. A comparative bar graph is shown. As shown in Figure 6, ammonia nitrogen (NH 4 -N), nitrite nitrogen (NO 2 -N), and total solids (TS) are significantly reduced by biological treatment of aerobic granulated sludge (AGS). Both biological and electrochemical treatments using a microbial fuel cell that combines aerobic granulated sludge (AGS) and an electrode plate were able to remove 100%. On the other hand, total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) are approximately 4% higher in biological/electrochemical treatment using microbial fuel cells than in biological treatment alone of aerobic granulated sludge (AGS). removal rate.
このように、アクアポニックスシステム10では、浄化槽9により、逆洗洗浄で発生する固形物(汚泥)を含む廃水からアンモニア、亜硝酸、固形物、窒素、リンをそれぞれ除去して用水レベルまで浄化処理した上、殺菌消毒装置5で殺菌して循環水として再利用する。また、浄化槽9で発生した残り滓は、廃棄物であるもみ殻灰と混ぜて水耕栽培部3のメディアとして再利用する。
In this way, in the aquaponics system 10, the septic tank 9 removes ammonia, nitrous acid, solids, nitrogen, and phosphorus from the wastewater containing solids (sludge) generated during backwashing, purifying it to the level of drinking water. After the treatment, the water is sterilized by the
また、アクアポニックスシステム10の嫌気槽8で発生した沈殿物は、アクアポニックスシステム1’と同様に、水耕栽培部3で栽培されている農作物の肥料として再利用される。 Further, the sediment generated in the anaerobic tank 8 of the aquaponics system 10 is reused as fertilizer for the crops grown in the hydroponic cultivation section 3, similarly to the aquaponics system 1'.
そして、アクアポニックスシステム10の嫌気槽8で発生した汚泥は、微細藻類の栄養分として利用される。微細藻類は、光合成によって二酸化炭素を吸収し、有機物等を生産するのに利用される。さらに、微細藻類は、養殖槽2に投入され、水棲生物の餌としても利用できる。
The sludge generated in the anaerobic tank 8 of the aquaponics system 10 is used as nutrients for microalgae. Microalgae absorb carbon dioxide through photosynthesis and are used to produce organic matter. Furthermore, the microalgae can be put into the
[第3実施形態]
次に、図5を用いて、本発明の第3実施形態に係るアクアポニックスシステム11について説明する。本実施形態に係るアクアポニックスシステム11が、前述の第2実施形態に係るアクアポニックスシステム10と相違する点は、物理ろ過装置7と嫌気槽8の配置と、生物ろ過装置4及び殺菌消毒装置5が養殖槽2内に設けられている点である。よって、同一構成は同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図5は、本発明の第3実施形態に係るアクアポニックスシステムの構成を示す模式図である。
[Third embodiment]
Next, an aquaponics system 11 according to a third embodiment of the present invention will be described using FIG. 5. The aquaponics system 11 according to this embodiment differs from the aquaponics system 10 according to the second embodiment described above in the arrangement of the physical filtration device 7 and the anaerobic tank 8, and the arrangement of the biological filtration device 4 and sterilization. The point is that the
アクアポニックスシステム11では、物理ろ過装置7は、水耕栽培部3の下流に設けられ、物理ろ過装置7で浄化した水は、養殖槽2に戻る。物理ろ過装置7の逆洗洗浄で発生する固形物(汚泥)を含む廃水は、アクアポニックスシステム10と同様に、嫌気槽8の嫌気性微生物で有機物が分解された上、浄化槽9で用水レベルまで浄化処理して循環水として再利用する。
In the aquaponics system 11, the physical filtration device 7 is provided downstream of the hydroponic cultivation section 3, and the water purified by the physical filtration device 7 returns to the
アクアポニックスシステム11では、生物ろ過装置4が養殖槽2内に設けられている。生物ろ過装置4を複数の小規模なユニット型の集合体とすることにより、水槽の面積や水棲生物の飼育数及び成長バランスによって適宜変更することができ、飼育数や成長に対応したアクアポニックスシステム11の安定的な運用が可能な点で有効である。
In the aquaponics system 11, a biological filtration device 4 is provided in the
さらに、アクアポニックスシステム11では、生物ろ過装置4をユニット型とすることで、生物ろ過装置4内に後述の殺菌消毒装置5も組み込まれている。このため、生物ろ過装置4や殺菌消毒装置5の設置スペースを省略することができる。
Furthermore, in the aquaponics system 11, the biological filtration device 4 is of a unit type, so that a
[第4実施形態]
次に、図7を用いて、本発明の第4実施形態に係るアクアポニックスシステム12について説明する。本実施形態に係るアクアポニックスシステム12が、前述の第1実施形態に係るアクアポニックスシステム1と相違する点は、複数の養殖槽2,2が上下に複数段設けられ、異なる水棲生物を養殖している点である。よって、同一構成は同一符号を付し、詳細な説明を省略する。図7は、本発明の第4実施形態に係るアクアポニックスシステムの構成を示す模式図である。
[Fourth embodiment]
Next, an aquaponics system 12 according to a fourth embodiment of the present invention will be described using FIG. 7. The aquaponics system 12 according to this embodiment is different from the aquaponics system 1 according to the first embodiment described above in that a plurality of
図6に示すように、第4実施形態に係るアクアポニックスシステム12では、上段の養殖槽2でエビを養殖することを想定しており、下段の養殖槽2でカニを養殖している。このように、複数の養殖槽2,2を設けることで同じ養殖槽で育成することが困難な複数種類の水棲生物を養殖することが可能となる。また、養殖槽2を上下二段に設けることで養殖スペースを削減することができ、敷地面積あたりの水産物の生産効率が向上する。
As shown in FIG. 6, in the aquaponics system 12 according to the fourth embodiment, it is assumed that shrimp are cultured in the
また、第4実施形態に係るアクアポニックスシステム12は、アクアポニックスシステム1と同様に、ポンプ(PUMP)を介して、養殖槽2,2内の魚の大腸菌や乳酸菌等の腸内菌を含む排泄物や食べ残し等が含有する固形物(有機物)を含んだ水が水耕栽培槽3へ流れ沈み込む構成となっている。このため、水耕栽培部3には、前述の有機物分解微生物群(菌類)と植物の根とが共生する植物根圏が形成される。
Also, like the aquaponics system 1, the aquaponics system 12 according to the fourth embodiment contains enteric bacteria such as E. coli and lactic acid bacteria from the fish in the
また、アクアポニックスシステム12では、前述のアクアポニックスシステム11と同様に、養殖槽2内にエアレーション機構及び生物ろ過装置4が設けられている。このため、それぞれの養殖槽2の水槽の面積や水棲生物の飼育数及び成長バランスによって適宜変更することができ、飼育数や成長に対応したアクアポニックスシステム12の安定的な運用が可能となる。なお、符号5は、前述の殺菌消毒装置5である。
Further, in the aquaponics system 12, an aeration mechanism and a biological filtration device 4 are provided in the
図8は、本発明の第4実施形態の変形例に係るアクアポニックスシステム13の構成を示す模式図である。アクアポニックスシステム13は、生物ろ過装置4及び殺菌消毒装置5が水耕栽培槽3の下流側に設けられ、生物ろ過装置4及び殺菌消毒装置5でろ過・殺菌されて浄化された水が養殖槽2,2へ流入する構成となっている点でアクアポニックスシステム12と異なる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of an aquaponics system 13 according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. In the aquaponics system 13, a biological filtration device 4 and a
アクアポニックスシステム12、13によれば、複数の養殖槽2,2を設けることで同じ養殖槽2で育成することが困難な複数種類の水棲生物を養殖することが可能となる。また、養殖槽2を上下二段に設けけることで養殖スペースを削減することができ、敷地面積あたりの水産物の生産効率が向上する。
According to the aquaponics systems 12 and 13, by providing a plurality of
以上説明した本発明の実施形態に係るアクアポニックスシステム1~13(アクアポニックスシステム1,1’,10,11,12,13)によれば、前述の作用効果に加え、好気性グラニュール汚泥(AGS)を備えたSBR法の浄化槽により、逆洗洗浄で発生する固形物(汚泥)を含む廃水を、浄化槽9で用水レベルまで浄化処理して循環水として再利用することができる。このため、自然環境と略同様な人工環境下での蒸発する水や植物等が吸収する水以外のすべての水を再利用することができる。 According to the aquaponics systems 1 to 13 (aquaponics systems 1, 1', 10, 11, 12, 13) according to the embodiments of the present invention described above, in addition to the above-mentioned effects, aerobic granules With the SBR method septic tank equipped with sludge (AGS), wastewater containing solids (sludge) generated during backwashing can be purified to the level of industrial water in the septic tank 9 and reused as circulating water. Therefore, all water other than water that evaporates in an artificial environment that is substantially similar to the natural environment and water that is absorbed by plants and the like can be reused.
なお、本発明の実施形態に係るアクアポニックスシステム1~13によれば、植物毎に必要とする窒素源(NH4 +とNO3 -)を選択的に栄養分として吸収することから、従来のアクアポニックスシステムより数多い植物栽培に成功した。従来のシステムであれば、葉物野菜がメインで栽培可能だが、本発明の実施形態に係るアクアポニックスシステム1,1’,10,11により、NH4 +を優先的に吸収するイチゴ、メロン、キュウリ等余分の栄養素を足すことで栽培可能である。多くの植物は、アンモニウムイオン(NH4 +)と硝酸イオン(NO3 -)が混在した場合は、NH4 +を優先的に利用する。 In addition, according to the aquaponics systems 1 to 13 according to the embodiments of the present invention, the nitrogen sources (NH 4 + and NO 3 - ) required by each plant are selectively absorbed as nutrients. We have succeeded in cultivating many more plants than with an aquaponics system. With conventional systems, it is possible to mainly cultivate leafy vegetables, but with the aquaponics systems 1, 1', 10, and 11 according to the embodiments of the present invention, strawberries and melons that preferentially absorb NH 4 + can be cultivated. , cucumbers, etc. can be cultivated by adding extra nutrients. Many plants preferentially utilize NH 4 + when ammonium ions (NH 4 + ) and nitrate ions (NO 3 - ) coexist.
また、植物の根はマイナスに帯電しているため、NH4 +が根に引きつけられやすい傾向であるが、いずれのイオンも原形質膜上の輸送担体を介して根の中に取り込まれる。植物に吸収されたNO3 -は、NH4 +に還元されてから同化されるのに対し、NH4 +は作物に吸収されればそのまま同化される。 Furthermore, since plant roots are negatively charged, NH 4 + tends to be attracted to the roots, but both ions are taken into the roots via transport carriers on the plasma membrane. NO 3 - absorbed by plants is reduced to NH 4 + and then assimilated, whereas NH 4 + is assimilated as is when absorbed by crops.
いずれの窒素にも長所と短所があり、また、両窒素に対する反応が植物の種類、環境条件(pH、温度)、生育段階等により異なることから、栽培に適した窒素施与を行わなければならない。NO3 -はNH4 +が等しい濃度で存在する場合、どちらを優先して吸収するかという性質は、植物(野菜や果物)の種類によって異なる。培養液と無関係にNH4 +を優先的に吸収するものは、レタス・イチゴ・セロリ・メロン・セリ・キュウリ・ミツバ・シュンギクである。 Each type of nitrogen has its advantages and disadvantages, and the reaction to both types of nitrogen differs depending on the type of plant, environmental conditions (pH, temperature), growth stage, etc., so nitrogen application must be appropriate for cultivation. . When NO 3 - and NH 4 + are present at equal concentrations, which one is preferentially absorbed differs depending on the type of plant (vegetables or fruits). Plants that preferentially absorb NH 4 + regardless of the culture medium are lettuce, strawberries, celery, melons, Japanese parsley, cucumbers, Japanese apricots, and Japanese chrysanthemums.
また、pHが高い場合にはNH4 +を優先的に、低い場合にはNO3 -とNH4 +をほぼ同等に吸収するものは、エダマメ、ナス等がある。そして、培養液のpHと無関係にNO3 -を優先的に吸収するものは、ホウレンソウ・白菜がある。一方、pHが低い場合にはNO3 -を、高い場合にはNH4 +を優先的に吸収するピーマン等がある。 In addition, edamame, eggplant, and the like absorb NH 4 + preferentially when the pH is high, and NO 3 - and NH 4 + almost equally when the pH is low. Spinach and Chinese cabbage preferentially absorb NO 3 - regardless of the pH of the culture solution. On the other hand, there are green peppers and the like that preferentially absorb NO 3 - when the pH is low, and preferentially absorb NH 4 + when the pH is high.
NH4 +を優先的に吸収する野菜はNH4 +の阻害を受けにくく、逆に、NH4 +の害を受けやすい野菜はNO3 -を優先的に吸収する傾向が強い。つまり、野菜の生育は、NH4 +とNO3 -の併用でNO3 -単用よりもよくなることが多いと知られている(溶液栽培のすべて、2014)。例えば、植物工場における水耕液肥栽培の場合、NH4 +濃度が高すぎなければ、NH4 +とNO3 -を併用ですることで、同じ濃度の窒素をNO3 -のみで与えるよりも生育がよくなることが明らかになっている。尚、従来のアクアポニックスシステムでは、窒素原としてNO3 -を吸収して野菜を栽培するのが現状である。 Vegetables that preferentially absorb NH 4 + are less likely to be inhibited by NH 4 + , and conversely, vegetables that are susceptible to the damage of NH 4 + tend to preferentially absorb NO 3 - . In other words, it is known that vegetable growth is often improved by using NH 4 + and NO 3 - in combination than by using NO 3 - alone (All About Solution Cultivation, 2014). For example, in the case of hydroponic liquid fertilizer cultivation in a plant factory, if the NH 4 + concentration is not too high, using a combination of NH 4 + and NO 3 - will result in better growth than applying the same concentration of nitrogen only with NO 3 - . It is clear that it improves. In addition, in conventional aquaponics systems, vegetables are currently grown by absorbing NO 3 - as a nitrogen source.
以上、本発明の実施形態に係るアクアポニックスシステム1,1’,10,11,12,13について詳細に説明したが、前述した又は図示した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたって具体化した一実施形態を示したものに過ぎない。よって、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。 Above, the aquaponics systems 1, 1', 10, 11, 12, 13 according to the embodiments of the present invention have been described in detail, but the embodiments described above or illustrated are all specific in carrying out the present invention. This is merely an illustration of one embodiment. Therefore, the technical scope of the present invention should not be construed as being limited by these.
1,1’,10,11,12,13:アクアポニックスシステム
2:養殖槽
20:MNB発生装置
21:自動餌やり装置
3,3’:水耕栽培部
4:生物ろ過装置
5:殺菌消毒装置
6:調整槽
7:物理ろ過装置
8:嫌気槽
9:浄化槽
1, 1', 10, 11, 12, 13: Aquaponics system 2: Aquaculture tank 20: MNB generator 21: Automatic feeding device 3, 3': Hydroponic cultivation section 4: Biological filtration device 5: Sterilization and disinfection Device 6: Adjustment tank 7: Physical filtration device 8: Anaerobic tank 9: Septic tank
Claims (6)
前記水耕栽培部を前記養殖槽の循環水の流れる方向の下流に設け、前記養殖槽と前記水耕栽培部との間の流路に生物ろ過装置を設けずに前記水棲生物が排出した排泄物や残餌などの固形物を含んだ状態の水をそのまま前記水耕栽培部に流入するように接続し、前記養殖槽から所定の期間糞尿や残餌を含んだ状態の水を供給し続け、前記水耕栽培部に、自然界に存在する有機物分解微生物群が増殖されて植物根圏が形成されており、
前記水耕栽培部の循環水の流れる方向の下流に循環水中の有機窒素を硝化菌及び/又は脱窒菌で分解して浄化する生物ろ過装置をさらに備え、
前記生物ろ過装置は、硝化菌及び/又は脱窒菌を高分子ポリマーにより固定化したMLVSS(混合液揮発性浮遊物質)で測定した濃度が2,000~30,000mg/Lの高密度の微生物群からなる包括固定化担体により、前記植物根圏を経由した前記循環水からPO 4 - ・K + ・Ca 2+ ・SO 4 - 等の硝化菌及び/又は脱窒菌の成長に必要なイオンを吸収しつつ、前記植物根圏で処理しきれなかった1mg/L程度以下の低濃度の残存アンモニア態窒素をさらに分解して浄化すること
を特徴とするアクアポニックスシステム。 An aquaponics system that includes an aquaculture tank for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section for cultivating crops using hydroponics, and that produces both marine products and agricultural products by circulating water within the system,
Excretion discharged by the aquatic organisms without providing a biological filtration device in the flow path between the aquaculture tank and the hydroponic culture section, by providing the hydroponic cultivation section downstream in the direction in which circulating water of the aquaculture tank flows. The water containing solid substances such as food and leftover feed is connected so as to flow directly into the hydroponic culture section , and the water containing excrement and leftover feed is continuously supplied from the aquaculture tank for a predetermined period of time. , in the hydroponic culture section, a group of organic matter decomposing microorganisms existing in nature are propagated to form a plant rhizosphere,
Further comprising a biological filtration device that decomposes and purifies organic nitrogen in the circulating water with nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria downstream in the flowing direction of the circulating water of the hydroponic cultivation section ,
The biological filtration device has a high density microorganism group with a concentration of 2,000 to 30,000 mg/L as measured by MLVSS (mixed liquid volatile suspended solids) in which nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria are immobilized with a polymer. The entrapping immobilization carrier , which is made of _ _ _ At the same time, the aquaponics system further decomposes and purifies residual ammonia nitrogen at a low concentration of about 1 mg/L or less that could not be completely processed in the plant rhizosphere .
を特徴とする請求項1に記載のアクアポニックスシステム。 The aquapolyte according to claim 1, wherein the entrapping immobilization carrier is an entrapping immobilization carrier in which nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria are attached to powdered activated carbon particles and then immobilized with a polymer. knicks system.
を特徴とする請求項1又は2に記載のアクアポニックスシステム。 The organic matter decomposing microorganism group in the plant rhizosphere harvests the crops from the hydroponic cultivation section by taking them out from one end of each rod, and periodically adding seedlings planted in one rod from the other end. The aquaponics system according to claim 1 or 2, characterized in that harmful microorganisms are prevented from multiplying by replacing the aquaponics system.
を特徴とする請求項1又は2に記載のアクアポニックスシステム。 The aquaponics system according to claim 1 or 2, wherein the aquaculture tank is equipped with an MNB generator that generates micro-nano bubbles of oxygen.
を特徴とする請求項1又は2に記載のアクアポニックスシステム。 The aquaponics system according to claim 1 or 2, wherein the aquaculture tank is provided in a plurality of upper and lower stages, and different aquatic organisms are cultured in each of the tanks.
を特徴とする請求項1又は2に記載のアクアポニックスシステム。 The aquaponics system according to claim 1 or 2, wherein the biological filtration device is provided within the aquaculture tank.
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