生物濾過装置および陸上養殖システム
【課題】制御装置を装備することなく処理槽内の水位を周期的に変化させることができ、浮上性の生物膜担体の流動性を維持して効率的に被処理水を浄化することができる生物濾過装置を提供する。
【解決手段】濾過槽２と、濾過槽２内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体５と、濾過槽２における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽８と、一方端が濾過槽２の配水口２ｃに接続され、他方端が濾過槽２から濾過水を供給する水槽８の水中に浸漬され、中間部７ｃが濾過槽２の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管７と、水槽８内の水を濾過槽２の上部から供給する水供給部とを備えてなることを特徴とする。
【解決手段】濾過槽２と、濾過槽２内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体５と、濾過槽２における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽８と、一方端が濾過槽２の配水口２ｃに接続され、他方端が濾過槽２から濾過水を供給する水槽８の水中に浸漬され、中間部７ｃが濾過槽２の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管７と、水槽８内の水を濾過槽２の上部から供給する水供給部とを備えてなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮上性担体に生物膜を形成した濾床を用いて生物処理と濾過を行う生物濾過装置およびそれを用いた陸上養殖システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、乱獲などによる海洋生物の減少や枯渇のおそれから、魚、貝、エビなどの養殖技術の開発が積極的に進められるようになってきている。また、稚魚や稚貝などを育てた上で放流する、いわゆる「育てる漁業」も盛んである。
【０００３】
これら海洋生物を養殖するに当たっては、海の中に生け簀を設けることもあるが、特に稚魚などまでの養殖段階においては、より高密度で効率的に養殖するために、水槽などを用いて陸上で育成を進める場合が多い。
【０００４】
ところが、哺乳類はアンモニアを尿素などに変換して排出する代謝経路を有するのに対して、海洋生物はそのような代謝経路を持たないためにアンモニアをそのまま体外に排出し、また、食べ残されたエサなどからもアンモニアが発生する。その結果、水槽内の飼育水において有害なアンモニアの濃度が高まると海洋生物に悪影響を及ぼすことになる。したがって、飼育水のアンモニア濃度を低減することは、海洋生物を水槽で養殖する場合において極めて重要である。その他、過剰な有機物や固形物を除去し、飼育水を清潔に維持する必要もある。
【０００５】
そこで、アンモニアを硝酸まで酸化する硝化菌などを担体に付着させ、かかる担体を使用して飼育水を浄化することが行われていた。
【０００６】
しかし、上記担体上で菌の生育が進むと担体が目詰まりし、飼育水を浄化できなくなる。よって、定期的に浄化装置の運転を停止して担体を洗浄したり、場合によっては担体を取り替える必要があった。また、有害物質を分解する有用細菌は好気性のものが多いが、担体は常に飼育水に浸漬されているため有用細菌が十分に働かないという問題もある。
【０００７】
そこで特許文献１〜２に記載の技術では、粒状で且つ浮上性の担体を用い飼育水を所定の流速でその担体に流通させたり、曝気することにより、担体に固着した余剰汚泥を適宜剥離除去することができるようになっている。かかる技術によれば目詰まりは起こらないため、担体交換が不要となる。また、担体同士の固着を防ぐことができることから、必要とされる、担体と飼育水との接触面積も維持することができ、浄化効率も低下し難い。
【０００８】
さらに特許文献３に記載の技術では、水槽内に上下に設けられた多孔板の間に上記担体を配し、浄化槽の水位を低下させることによりその担体を自重で浄化槽の底側に移動させ、再び、水位を上昇させることにより浮力によって担体を浄化槽の水面側に移動させて担体の流動性を高める水質浄化システムが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２９７５２６９号明細書
【特許文献２】特許第２９７５２７６号明細書
【特許文献３】国際公開第２００５／０３３０１８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した各特許文献に記載の技術によれば、処理槽内に浮上性の担体を充填し、水位を上下させることにより、担体に固着した余剰汚泥を剥離除去することができるものの、水位を変更するための手段が新たに必要になる。
【００１１】
水位変更手段として、例えば、処理槽内の水位を自動的に検出する水位検知手段を設け、この水位検知手段をコンピュータに接続し、そのコンピュータを介して流量調節弁を制御するように構成すれば、処理槽内に注入する水の流量を制御することが可能になるが、そのような制御装置を装備すると、水質浄化システムが複雑大型化するという問題がある。
【００１２】
本発明は上記した従来の水質浄化システムにおける課題を考慮してなされたものであり、上記制御装置を装備することなく処理槽内の水位を周期的に昇降させることができ、浮上性の生物膜担体の流動性を維持して効率的に飼育水を浄化することができる生物濾過装置および陸上養殖システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
(a) 本発明の生物濾過装置は、
濾過槽と、
上記濾過槽内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体と、
上記濾過槽における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽または装置と、
一方端が上記濾過槽の配水口に接続され、他方端が上記濾過槽からの濾過水を供給する上記水槽または装置の水中に浸漬され、中間部が上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管と、
被処理水を上記濾過槽の上部から供給する水供給部と、を備えてなることを要旨とする。
【００１４】
本発明の生物濾過装置によれば、水供給部から被処理水が濾過槽内に供給されると、生物膜担体を通過することによって濾過され、濾過槽内の水位が上昇し、上昇した水位がサイフォン管の中間部の高さを超えると、濾過槽と上記水槽または装置内の水がサイフォン管を通じて連通し、濾過槽内の濾過された水がサイフォン現象によって上記水槽または装置に一気に排出され、濾過槽内の生物膜担体は水位の低下とともに下降し、濾過槽に残された生物膜担体は空気に曝される。
【００１５】
水供給部からは濾過槽に被処理水が供給されているので、濾過槽内の水位が再び上昇する。それに伴って生物膜担体も上昇し、濾過槽内の水位がサイフォン管の中間部の高さを超えると、上記したサイフォン現象が起きて濾過槽内の水が排出される。このようにしてサイフォン現象が繰り返されることにより、濾過槽内で水位が繰り返し上下し生物膜担体が周期的に空気に曝される。
【００１６】
なお、上記濾過槽への被処理水の供給は常時供給することが好ましいが、断続的に供給することもできる。断続的に被処理水を供給する方法では生物膜担体に対して水と空気を交互に接触させることができる。また、濾過槽を２台以上並列に配置し、交互に被処理水を供給することもできる。
【００１７】
本発明において、上記濾過槽の槽内上部に、被処理水供給時における上記生物膜担体の上昇限界を規制する上側規制板を設けることが好ましい。
【００１８】
また、上記濾過槽の槽内下部には、サイフォン現象による排水時における上記生物膜担体の下降限界を規制する下側規制板を設けることが好ましい。
【００１９】
また、上記下側規制板より下側の上記濾過槽に、上記配水口を設けることが好ましい。
【００２０】
また、上記上側規制板と上記下側規制板との間に、塊状に集合している生物膜担体を解す担体解体手段を設けることが好ましく、上記担体解体手段として、上記濾過槽の内側側壁を径方向に連絡する棒状部材を設けることができる。また、その棒状部材は、上記濾過槽の上下方向に複数段設けることができ、その場合は、隣接する各棒状部材が平面から見て互いに交差する方向に配置されることが好ましい。
【００２１】
上記水供給部として、上記水槽に設けられている排水口と上記濾過槽上部とを接続する接続配管と、その接続配管に介設され上記水槽内の被処理水を上記濾過槽に汲み上げるポンプとを有することができる。この場合、上記ポンプの吐出流量は、サイフォン現象による排水時の流量よりも小さい値に設定することが必要となる。
【００２２】
(b) 本発明の陸上養殖システムは、
水槽と、この水槽からの排水に含まれる固形物をフィルタにより分離除去する固形物除去装置と、蛋白質や微細なゴミ等を泡沫により分離除去する泡沫分離装置と、表面に微生物膜が形成されている多数の担体が水を介して移動自在に充填され水中のアンモニアや有機物を除去する濾過槽と、気液接触させることによりＣＯ２を除去する気液接触装置と、処理水を上記水槽に帰還させる帰還流路とを有し、
上記固形物除去装置からの水を、上記泡沫分離装置、上記濾過槽、上記気液接触装置に対し任意の順序で処理させて処理水を得るとともに、上記濾過槽に対してはその上部から被処理水を供給し、上記濾過槽とその下流側に配置される装置との間にサイフォン管が介設され、このサイフォン管は、その一方端が上記濾過槽における水位の下限を定める配水口に接続され、他方端は上記配水口の高さよりも低い位置に水面がある上記水槽または上記装置の水中に浸漬され、中間部は上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されていることを要旨とする。
【００２３】
また、上記帰還流路に、酸素供給装置と殺菌装置をさらに設けることができる。
【００２４】
また、上記システムに、ｐＨ、ＤＯ、温度を測定する水質センサと、上記殺菌装置および上記帰還流路に設けられたポンプの各運転状態を検出するセンサと、各センサによって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、温度情報、各運転情報を有線または無線で送信する送信装置と、この送信装置から送信される各情報を受信し、上記陸上養殖システムの運転状態を監視する遠隔監視装置とをさらに備えることができる。
【００２５】
本発明において生物濾過とは、前処理においてゴミ等が除去された水槽内の飼育水を細菌の力を借りて浄化する濾過を意味し、例えば、硝化菌により、魚の排泄物等から生成されるアンモニアを硝酸イオンに変え、その硝化作用によって水槽内の飼育水を浄化する濾過が示される。
【００２６】
本発明において浮上性とは、被処理水の比重とほぼ同等で水中に浮遊するか、被処理水の比重以下で被処理水の水面側に浮くか或いは水面上に浮く性質を意味する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の生物濾過装置および陸上養殖システムによれば、制御装置を装備することなく処理槽内の水位を周期的に変化させて生物膜担体を空気に曝すことができるため、空気の吹き込みによって生物膜担体を撹拌（分散化）することなく担体上の微生物に効率的な酸素供給が可能になり、微生物の活性およびアンモニア除去性能を向上させることができる。
【００２８】
また、水位を昇降させるための装置や動力、さらには高価な電動弁、水位センサが不要となるため、イニシャルコストの他、メンテナンス等のランニングコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る生物濾過装置の全体構成を示した正面図である。
【図２】図１に示す濾過槽の要部を拡大した斜視図である。
【図３】(ａ)は図１に示す下側格子をストレーナに代えた変形例を示す正面図、(ｂ)はそのストレーナの拡大図である。
【図４】図１に示す下側格子をサイフォンブレーカ構造に代えた変形例を示す正面図である。
【図５】(ａ)〜(ｄ)は図１に示すグリッドの変形例を示す平面図である。
【図６】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図７】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図８】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図９】本発明に係る陸上養殖システムの構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明に係る生物濾過装置の構成を詳細に説明する。
【００３１】
1 生物濾過装置の原理
図１は、本発明に係る生物濾過装置の原理を説明する説明図である。
【００３２】
同図において、生物濾過装置１は、合成樹脂を例えば有底筒状に成形した生物濾過槽（以下、濾過槽と略称する）２を備えておりその内部上方に、後述する生物膜担体の浮上高さを規制する上側格子（上側規制板）３が水平方向に設けられ、内部下方に生物膜担体の流出を防止する下側格子（下側規制板）４が水平方向に設けられている。
【００３３】
両格子３，４間には、所定の空間を確保した状態で、表面に微生物膜が形成されている粒状の担体（以下、生物膜担体と呼ぶ）５が多数充填されている。
【００３４】
なお、上記生物膜担体５は、微生物膜を形成することができ、且つ浮上性と流動性が損なわれない範囲であれば例えば、球形や筒形等の任意の形状および任意の大きさのものを使用することができる。
【００３５】
また、上記両格子３，４の間には塊状に集合した生物膜担体５を解すためのグリッド（担体解体手段）６が設けられている。
【００３６】
上記濾過槽２の横断面は円形であることが好ましいが、これに限らず、八角形等の多角形や正方形であってもよい。
【００３７】
濾過槽２の頂部には、後述する水槽内の被処理水を供給するための水供給部２ａが設けられ、下部にはドレン口２ｂが設けられ、そのドレン口２ｂと対向するようにして濾過槽２の反対側にはサイフォン入口（配水口）２ｃが設けられている。
【００３８】
上記サイフォン入口２ｃにはサイフォン管７の入口部（一方端）７ａが接続されている。
【００３９】
サイフォン管７は上記入口部７ａと、その入口部７ａから立ち上げられた立ち上がり部７ｂと、その立ち上がり部７ｂの上端から水平方向に延設された中間部７ｃと、その中間部７ｃの出口側から立ち下げられた立ち下がり部７ｄとから構成されており、その立ち下がり部７ｄの下端（他方端）７ｅは水槽８の水中に浸漬されている。上記水槽８は、配水口の高さよりも低い位置に水面がある。
【００４０】
なお、上記水供給部２ａと上記水槽８とは接続配管を介して接続されており、水槽８内の被処理水をその接続配管に設けたポンプ（後述する）で汲み上げることにより、濾過槽２内に被処理水を供給することができるようになっている。
【００４１】
また、本実施形態において、浄化処理のために濾過槽２に供給される水を被処理水と呼び、生物膜担体５を通過することによって処理された水を濾過水と呼ぶ。
【００４２】
図１に付された各符号の説明を以下に列記する。
【００４３】
ａ：水槽の水位
ｂ：サイフォン管の立ち下がり部７ｄの出口高さ
ｃ：サイフォン管の最上高さ（中間部７ｃの高さ）
ｄ：サイフォン管の中間部７ｃの長さ
ｅ：サイフォン管の入口部７ａの高さ
ｆ：濾過槽２の最上位置
ｇ：濾過槽２の最下位置
ｈ：濾過槽２の水位
ｉ：濾過槽２の径
ｊ：濾過槽２の高さ
ｋ：下側格子４の高さ
ｌ：上側格子３の高さ
ＢＬ：高さ説明のための仮想のベースライン
【００４４】
ａ）水槽の水位ａと入口部７ａの高さｅとの関係は、ａ≦ｅを基本とする。ただし、サイフォンブレーカ構造（図４参照）を他に設ける場合等のように濾過槽の構造によってはａ≧ｅでも可能となる。
【００４５】
ｂ）立ち下がり部７ｄの出口高さｂは、ｂ≦ａを基本とする。ただし、濾過槽２への被処理水導入流速条件等によってはｂ≧ａでも可能な場合もある。
【００４６】
ｃ）サイフォン管の最上高さｃは、ｅ＜ｃ＜ｆを基本とする。ただし、濾過槽２の構造によってはｃ＞ｆとなる場合もある。
【００４７】
ｄ）中間部７ｃの長さｄは任意に設定することができるが、長くなればなるほど配管抵抗が大きくなるため、配管抵抗を検討することが必要となる。
【００４８】
ｅ）入口部７ａの高さｅは、ｅ≧ｇを基本とする。ただし、濾過槽２の底部から下向きに入口部７ａを設けた場合は、ｅ≦ｇとすることも可能になる。
【００４９】
ｆ）濾過槽２の最上位置ｆはｆ≧ｃを基本とする。ただし、濾過槽２の構造によってはｆ＜ｃとなる場合もある。
【００５０】
ｇ）濾過槽２の最下位置ｇは、ｇ≦ｅを基本とする。ただし、上記ｅ）で説明したように、その逆も有り得る。
【００５１】
ｈ）濾過槽２の水位ｈは、ｈ≧ｅ、ｈ≦ｃを基本とする。
【００５２】
ｉ）濾過槽２の径ｉは必要とされる濾過槽の容量に応じて任意に設定することが可能である。
【００５３】
ｊ）濾過槽２の高さｊは、ｊ＝ｆ−ｇの範囲で設定することが可能である。
【００５４】
ｋ）下側格子４の高さｋは、ｋ＞ｅとする。
【００５５】
ｌ）上側格子３の高さｌは、生物膜担体が昇降し得る距離を確保した状態でｌ＞ｋであり、且つｌ≦ｃを基本とする。
【００５６】
2 生物濾過装置の各部の構成
次に、生物濾過装置１を構成している各部の構成について説明する。
【００５７】
図２は上記上側格子３、下側格子４およびそれらの格子間に設けられるグリッド６の配置を示した斜視図である。
【００５８】
2.1 上側及び下側格子
同図において、上側格子３および下側格子４は同じ構成からなり、上側格子３を代表してその構成を説明する。
【００５９】
上側格子３は、ＦＲＰ、塩化ビニル樹脂等の合成樹脂材料を円盤状に成形したものからなり、生物膜担体５の径よりも小さいサイズからなる網目が格子状（平面から見て）に形成されている。
【００６０】
上側格子３および下側格子４は、それらの間に充填された生物膜担体５が濾過槽２から流出するのを防止する目的で配設されており、上側格子３については網目を通して被処理水のみを通過させることができるようになっている。
【００６１】
なお、下側格子４については生物膜担体５の流出を防止でき且つ濾過水のみを通過させることができるものであれば、例えば、ストレーナに代えることも可能である。
【００６２】
詳しくは、図３(ａ)に示すように、濾過槽２の下部にストレーナ支持板１０を設け、そのストレーナ支持板１０に、図３(ｂ)の拡大図に示すストレーナ１１を複数設ければ、上記下側格子４と同様に、生物膜担体５の流出を防止しながら濾過水のみを通過させることができる。この種のストレーナ１１としては、例えばヤンマー（株）製の耐海水仕様のストレーナを使用することができる。
【００６３】
また、下側格子４は、図４に示すようなサイフォンブレーカ構造に代えることもできる。
【００６４】
同図に示すように、サイフォン管１２の頂部に空気抜きパイプ１３の一方端１３ａを接続し、この空気抜きパイプ１３を濾過槽２内に垂下させ、空気抜きパイプ１３の他方端１３ｂを、濾過槽２の底面から所定の高さに保持する。
【００６５】
この構成では、濾過槽２の水位が、空気抜きパイプ１３の他方端１３ｂの位置よりも低下すると、その空気抜きパイプ１３を通じてサイフォン管１２内に空気が入りサイフォン作用が停止する。それにより、濾過槽２内の水位は他方端１３ｂの位置より下がることはないため、生物膜担体５の流出を防止することができる。ただし、本実施形態で使用する生物膜担体５は、水面上に浮くことができる比重の小さいもの使用することが必要となる。
【００６６】
2.2 グリッドの構成
グリッド６は耐食性を備えた棒状部材からなり、図２に示したように、上側格子３と下側格子４の間に４段設けられている。
【００６７】
最も上側に位置する１段目のグリッド６ａは、濾過槽２の直径方向に配置され、２段目のグリッド６ｂは、１段目のグリッド６ａに対し平面から見て直交する状態で配置され、３段目のグリッド６ｃは上記１段目のグリッド６ａと平行に配置され、最も下側に位置する４段目のグリッド６ｄは上記２段目のグリッド６ｂと平行に配置されている。
【００６８】
上記グリッド６は、濾過槽２内の水を排出する際に、塊状に集合している生物膜担体５を解して分散させるためのものであり、本実施形態では４段で構成したが、これに限らず、それ以上の段数で構成することもでき、また、それ以下の段数で構成することもできる。
【００６９】
また、上記グリッド６に例示した担体解体手段は、生物膜担体５を解して分散させることができれば上記した棒状部材に限らず、図５に示すように、各種形態のものを使用することができる。
【００７０】
同図(ａ)は、濾過槽２内に、複数の棒状部材２０を平行に配置したものである。
【００７１】
同図(ｂ)は、平行に配置された複数の棒状縦部材２１と、同じく平行に配置された複数の棒状横部材２２とを格子状に組み合わせたものである。
【００７２】
同図(ｃ)は、濾過槽２の中心で交わるように、複数の棒状部材２３を放射状に配置したものである。
【００７３】
同図(ｄ)は、複数の貫通孔２４を備えた多孔板２５で構成したものである。
【００７４】
2.3 生物膜担体
生物膜が形成される担体は、粒径が０．５〜１０ｍｍ程度の浮上性担体、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン粒状物から構成されており、担体の比重は被処理水とほぼ同等かそれ以下とする。
【００７５】
上記担体の表面には、好気性または嫌気性の微生物を含んだ汚泥を付着させて生物膜を形成し、この生物膜担体５を多数、濾過槽２内に充填することにより、濾過槽２内に導入された被処理水中の有機性汚濁物質の処理と浮遊物質の分離とを同時に行うようになっている。
【００７６】
生物膜担体５の充填量は、上側格子３と下側格子４によって区画される容積に対し、４０〜８０％程度充填することが好ましい。生物膜担体５の充填量が４０％を下回ると、効率的な濾過機能を発揮することができず、また、８０％を上回ると生物膜担体５の移動が緩慢になり、生物膜担体５に付着した有機物等の除去効率が低下する。
【００７７】
濾過槽２に多数充填された生物膜担体５は水中に分散、または水面側に浮上して濾床を形成するようになっている。
【００７８】
3 生物濾過装置の動作
次に、上記構成を有する生物濾過装置の浄化処理について、図６〜図８を参照しながら説明する。
【００７９】
なお、図６〜図８において、図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８０】
図６において、濾過槽２は濾過槽支持台３０上に固定されており、水槽８は水槽支持台３１上に固定されている。
【００８１】
水槽８の底部には排水口８ａが設けられ、この排水口８ａは接続配管３２を介して濾過槽２の頂部に設けられた水供給部２ａと接続されている。
【００８２】
また、上記接続配管３２には被処理水の流れ方向において、ポンプ３３、流量計３４、バルブ３５がそれぞれ介設されている。なお、上記ポンプ３３は、所定の流量を吐出することができるものであれば定吐出量形であっても可変吐出量形であってもよい。
【００８３】
上記所定の流量とは、サイフォン管７を介してサイフォン現象が起きた際に、濾過槽２に被処理水が供給されている状態で濾過槽２内の濾過水を排出することができるような流量であり、サイフォン管７を通じて濾過槽２から排出される濾過水の流量よりも一定量少ない流量を意味する。
【００８４】
なお、生物濾過装置１の運転時には、バルブ３５が開かれポンプ３３が駆動されることにより、水槽８内の被処理水が吸い上げられ濾過槽２の頂部から濾過槽２内に常に一定の流量で被処理水が導入されるようになっている。
【００８５】
3.1 被処理水の供給
まず、ポンプ３３が駆動されることにより、水槽８内の被処理水が汲み上げられ、濾過槽２の頂部からその槽内に被処理水が供給される（矢印Ａ参照）。
【００８６】
濾過槽２内の水位が徐々に上昇すると（矢印Ｂ参照）、水位の上昇につれて生物膜担体５も上昇する。なお、生物膜担体５の上昇限界は、上側格子３によって規制される。
【００８７】
濾過槽２内の水位上昇とともに、サイフォン管７における立ち上がり部７ｂ内においても濾過槽２内の水位と同じ高さで水位が上昇する（矢印Ｃ参照）。
【００８８】
3.2 サイフォン現象による処理水の移動
図７において、濾過槽２内の水位が立ち上がり部７ｂの最上部まで達しサイフォン管７内が水で満たされるとサイフォン現象が起き、濾過槽２と水槽８とが連通状態になる。それにより、濾過槽２から水槽８へ濾過水が一気に流れ出し（矢印Ｃ１→Ｃ２→Ｃ３参照）、濾過槽２の水位が中間部７ｃの高さより低くなっても水槽８への濾過水の移動は継続される。
【００８９】
濾過槽２の水位が低下し続け、濾過槽２の底面まで低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、その結果、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【００９０】
また、濾過槽２内の水位の低下につれて生物膜担体５が下降する際、生物膜担体５は複数段配置されている各グリッド６ａ〜６ｄ（図２参照）を通過するたびに塊状が細かく解されて流動性が付与され、最終的に下側格子４上に堆積する。
【００９１】
生物濾過では魚介類から多量のアンモニアが排泄され、そのアンモニア性窒素を除去（硝化）するために酸素を消費する。本実施形態では、濾過槽２内の水位をその底面まで低下させて生物膜担体５を一時的に空気中に曝すように構成している。それにより、濾過槽２においてアンモニアを除去する際に消費する酸素を供給することが可能になり、生物膜担体５におけるアンモニアの除去性能を向上させることができる。また、酸素を供給することによって生物膜担体５の表面に付着している微生物も活性化することができる。
【００９２】
3.3 被処理水の再供給
図８に示すように、上述した動作によって濾過槽２内の処理水は排水されるが、ポンプ３３は運転を継続しているため、水槽８内の被処理水は引き続き、濾過槽２内に供給される。
【００９３】
それにより、濾過槽２内の水位は徐々に上昇していき、水位がサイフォン管７の中間部７ｃの高さまで達すると、図７で説明したように、再び、サイフォン管７を通じて濾過槽２から水槽８へ濾過水が流れ出す。
【００９４】
濾過槽２の底面まで水位が低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【００９５】
ポンプ３３の運転を停止させない限り、濾過槽２内で水位が上下し、その結果、生物膜担体５が水中に浸漬する状態と、生物膜担体５が空気中に曝される状態とが繰り返される。
【００９６】
なお、上記実施形態では一つの濾過槽２によって生物濾過装置１を構成したが、濾過槽２を複数配置することもできる。例えば濾過槽を２基配置し、いずれか一方の濾過槽内の水位がサイフォン現象によって下降するとき、いずれか他方の濾過槽には被処理水を供給して水位を上昇させるように構成すれば、濾過に要する時間を短縮することができるため濾過効率をさらに向上させることができる。
【００９７】
図９は上記構成を有する生物濾過装置１を適用した陸上養殖システムの構成を示す正面図である。
【００９８】
同図において、陸上養殖システム４０は、水槽４１と、この水槽４１の排出口から排出された被処理水が導入され、１０〜２００μｍ程度のゴミをフィルタにより分離除去する固形物除去装置４２と、この固形物除去装置４２によって前処理された被処理水について、水中の蛋白質や微細なゴミを泡沫により分離除去する泡沫分離装置４３と、この泡沫分離装置４３から排出される被処理水が導入される、上述した構成からなる濾過槽２と、この濾過槽２によって水中のアンモニア性窒素や有機物が除去された処理水について水中のＣＯ２を気液接触させることにより除去する気液接触装置４４と、この気液接触装置４４からの処理水をポンプ４５を介して上記水槽４１に帰還させる帰還流路４６と、この帰還流路４６に介設された酸素供給装置４７および殺菌装置４８とを備えている。
【００９９】
魚が出した糞や食べ残した残餌を速やかに除去しなければアンモニア等に変化してしまうため、上記固形物除去装置４２は、水槽４の後段に配置することが好ましい。
【０１００】
また、被処理水中の固形物や蛋白質も放置するとアンモニアに変化してしまうため、上記泡沫分離装置４３は、上記固形物除去装置４２の後段に配置することが好ましい。
【０１０１】
上記濾過槽２では、水中の固形物がおおよそ除去された状態、水中に溶解しているアンモニア、溶解性有機物を、濾過槽内の担体に付着している微生物が除去するようになっているが、アンモニアの硝化や有機物の除去のために酸素が消費され、ＣＯ２が排出される。
【０１０２】
そこで、上記濾過槽２の後段に気液接触装置４４を配置している。ＣＯ２は濃度が高い方が除去しやすいことから、その発生源である水槽４１や濾過槽２の後段に配置することが好ましい。また、それにより、水槽４１や濾過槽２で消費した酸素を供給することもできる。
【０１０３】
上記水槽４１と上記濾過槽２で水中の溶存酸素が消費され、気液接触装置４４で酸素を飽和値近くまで供給した後、さらに、上記酸素供給装置４７によって高濃度の酸素を供給すれば、飽和値以上に溶存酸素濃度を高めることができる。
【０１０４】
上記殺菌装置４８を浄化装置の最も後段に配置しているのは、浄化した水を水槽４１に戻す直前に殺菌を行うのが最も安全であるからである。
【０１０５】
また、上記濾過槽２と気液接触装置４４はサイフォン管７を介して接続されており、サイフォン管７の一方端は濾過槽２における水位の下限を定める配水口２ｃに接続され、他方端はその配水口２ｃの高さよりも低い位置に水面がある気液接触装置（配水口の高さよりも低い位置に水面がある装置）４４の水中に浸漬されている。中間部７ｃは上記濾過槽２の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されている。
【０１０６】
濾過槽２内の水位が立ち上がり部７ｂの最上部まで達しサイフォン管７内が濾過水で満たされるとサイフォン現象が起き、濾過槽２と気液接触装置４４とが連通状態になる。それにより、濾過槽２から気液接触装置４４へ濾過水が一気に流れ出し、濾過槽２の水位が中間部７ｃの高さより低くなっても気液接触装置４４への濾過水の移動は継続される。
【０１０７】
濾過槽２の水位が低下し続け、濾過槽２の底面まで低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、その結果、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【０１０８】
なお、上記構成に限らず、例えば、水槽４１→固形物除去装置４２→濾過槽２→泡沫分離装置４３→気液接触装置４４→酸素供給装置４７→殺菌装置４８の順で処理する場合や、水槽４１→固形物除去装置４２→濾過槽２→気液接触装置４４→泡沫分離槽４３→酸素供給装置４７→殺菌装置４８の順で処理する場合のように、ＣＯ２除去の効率を高めるような処理順序も考えられる。
【０１０９】
また、水槽４１には、ｐＨ、液中の溶存酸素濃度（以下、ＤＯと呼ぶ）、水温を同時に連続測定できるマルチ水質計（水質センサ）４９が浸漬されており、このマルチ水質計４９によって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、水温情報は、送信器５０ａを介して遠隔監視装置５１に送信されるようになっている。
【０１１０】
さらに、酸素供給装置４７およびポンプ４５にはそれぞれセンサが備えられ、各センサによって検出された、例えば正常時、過負荷時の電流値情報は送信器５０ｂおよび５０ｃを介して上記遠隔監視装置５１に有線または無線で送信されるようになっている。
【０１１１】
それにより、上記遠隔監視装置５１は、陸上養殖システム４０が設置されている現場から離れた位置でその運転状態を監視することができ、センサの検出情報が異常を示した場合は警報を報知することができるようになっている。
【符号の説明】
【０１１２】
１ 生物濾過装置
２ 濾過槽
２ａ 水供給部
２ｂ ドレン口
２ｃ サイフォン入口（配水口）
３ 上側格子
４ 下側格子
５ 生物膜担体（粒状担体）
６ グリッド
７ サイフォン管
７ａ 入口部（一方端）
７ｂ 立ち上がり部
７ｃ 中間部
７ｄ 立ち下がり部
７ｅ 下端（他方端）
８ 水槽
１０ ストレーナ支持板
１１ ストレーナ
１２ サイフォン管
１３ 空気抜きパイプ
２０ 棒状部材
２１ 棒状縦部材
２２ 棒状横部材
２３ 棒状部材
２４ 貫通孔
２５ 多孔板
３２ 接続配管
３３ ポンプ
３４ 流量計
３５ バルブ
４０ 陸上養殖システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮上性担体に生物膜を形成した濾床を用いて生物処理と濾過を行う生物濾過装置およびそれを用いた陸上養殖システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、乱獲などによる海洋生物の減少や枯渇のおそれから、魚、貝、エビなどの養殖技術の開発が積極的に進められるようになってきている。また、稚魚や稚貝などを育てた上で放流する、いわゆる「育てる漁業」も盛んである。
【０００３】
これら海洋生物を養殖するに当たっては、海の中に生け簀を設けることもあるが、特に稚魚などまでの養殖段階においては、より高密度で効率的に養殖するために、水槽などを用いて陸上で育成を進める場合が多い。
【０００４】
ところが、哺乳類はアンモニアを尿素などに変換して排出する代謝経路を有するのに対して、海洋生物はそのような代謝経路を持たないためにアンモニアをそのまま体外に排出し、また、食べ残されたエサなどからもアンモニアが発生する。その結果、水槽内の飼育水において有害なアンモニアの濃度が高まると海洋生物に悪影響を及ぼすことになる。したがって、飼育水のアンモニア濃度を低減することは、海洋生物を水槽で養殖する場合において極めて重要である。その他、過剰な有機物や固形物を除去し、飼育水を清潔に維持する必要もある。
【０００５】
そこで、アンモニアを硝酸まで酸化する硝化菌などを担体に付着させ、かかる担体を使用して飼育水を浄化することが行われていた。
【０００６】
しかし、上記担体上で菌の生育が進むと担体が目詰まりし、飼育水を浄化できなくなる。よって、定期的に浄化装置の運転を停止して担体を洗浄したり、場合によっては担体を取り替える必要があった。また、有害物質を分解する有用細菌は好気性のものが多いが、担体は常に飼育水に浸漬されているため有用細菌が十分に働かないという問題もある。
【０００７】
そこで特許文献１〜２に記載の技術では、粒状で且つ浮上性の担体を用い飼育水を所定の流速でその担体に流通させたり、曝気することにより、担体に固着した余剰汚泥を適宜剥離除去することができるようになっている。かかる技術によれば目詰まりは起こらないため、担体交換が不要となる。また、担体同士の固着を防ぐことができることから、必要とされる、担体と飼育水との接触面積も維持することができ、浄化効率も低下し難い。
【０００８】
さらに特許文献３に記載の技術では、水槽内に上下に設けられた多孔板の間に上記担体を配し、浄化槽の水位を低下させることによりその担体を自重で浄化槽の底側に移動させ、再び、水位を上昇させることにより浮力によって担体を浄化槽の水面側に移動させて担体の流動性を高める水質浄化システムが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２９７５２６９号明細書
【特許文献２】特許第２９７５２７６号明細書
【特許文献３】国際公開第２００５／０３３０１８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した各特許文献に記載の技術によれば、処理槽内に浮上性の担体を充填し、水位を上下させることにより、担体に固着した余剰汚泥を剥離除去することができるものの、水位を変更するための手段が新たに必要になる。
【００１１】
水位変更手段として、例えば、処理槽内の水位を自動的に検出する水位検知手段を設け、この水位検知手段をコンピュータに接続し、そのコンピュータを介して流量調節弁を制御するように構成すれば、処理槽内に注入する水の流量を制御することが可能になるが、そのような制御装置を装備すると、水質浄化システムが複雑大型化するという問題がある。
【００１２】
本発明は上記した従来の水質浄化システムにおける課題を考慮してなされたものであり、上記制御装置を装備することなく処理槽内の水位を周期的に昇降させることができ、浮上性の生物膜担体の流動性を維持して効率的に飼育水を浄化することができる生物濾過装置および陸上養殖システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
(a) 本発明の生物濾過装置は、
濾過槽と、
上記濾過槽内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体と、
上記濾過槽における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽または装置と、
一方端が上記濾過槽の配水口に接続され、他方端が上記濾過槽からの濾過水を供給する上記水槽または装置の水中に浸漬され、中間部が上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管と、
被処理水を上記濾過槽の上部から供給する水供給部と、を備えてなることを要旨とする。
【００１４】
本発明の生物濾過装置によれば、水供給部から被処理水が濾過槽内に供給されると、生物膜担体を通過することによって濾過され、濾過槽内の水位が上昇し、上昇した水位がサイフォン管の中間部の高さを超えると、濾過槽と上記水槽または装置内の水がサイフォン管を通じて連通し、濾過槽内の濾過された水がサイフォン現象によって上記水槽または装置に一気に排出され、濾過槽内の生物膜担体は水位の低下とともに下降し、濾過槽に残された生物膜担体は空気に曝される。
【００１５】
水供給部からは濾過槽に被処理水が供給されているので、濾過槽内の水位が再び上昇する。それに伴って生物膜担体も上昇し、濾過槽内の水位がサイフォン管の中間部の高さを超えると、上記したサイフォン現象が起きて濾過槽内の水が排出される。このようにしてサイフォン現象が繰り返されることにより、濾過槽内で水位が繰り返し上下し生物膜担体が周期的に空気に曝される。
【００１６】
なお、上記濾過槽への被処理水の供給は常時供給することが好ましいが、断続的に供給することもできる。断続的に被処理水を供給する方法では生物膜担体に対して水と空気を交互に接触させることができる。また、濾過槽を２台以上並列に配置し、交互に被処理水を供給することもできる。
【００１７】
本発明において、上記濾過槽の槽内上部に、被処理水供給時における上記生物膜担体の上昇限界を規制する上側規制板を設けることが好ましい。
【００１８】
また、上記濾過槽の槽内下部には、サイフォン現象による排水時における上記生物膜担体の下降限界を規制する下側規制板を設けることが好ましい。
【００１９】
また、上記下側規制板より下側の上記濾過槽に、上記配水口を設けることが好ましい。
【００２０】
また、上記上側規制板と上記下側規制板との間に、塊状に集合している生物膜担体を解す担体解体手段を設けることが好ましく、上記担体解体手段として、上記濾過槽の内側側壁を径方向に連絡する棒状部材を設けることができる。また、その棒状部材は、上記濾過槽の上下方向に複数段設けることができ、その場合は、隣接する各棒状部材が平面から見て互いに交差する方向に配置されることが好ましい。
【００２１】
上記水供給部として、上記水槽に設けられている排水口と上記濾過槽上部とを接続する接続配管と、その接続配管に介設され上記水槽内の被処理水を上記濾過槽に汲み上げるポンプとを有することができる。この場合、上記ポンプの吐出流量は、サイフォン現象による排水時の流量よりも小さい値に設定することが必要となる。
【００２２】
(b) 本発明の陸上養殖システムは、
水槽と、この水槽からの排水に含まれる固形物をフィルタにより分離除去する固形物除去装置と、蛋白質や微細なゴミ等を泡沫により分離除去する泡沫分離装置と、表面に微生物膜が形成されている多数の担体が水を介して移動自在に充填され水中のアンモニアや有機物を除去する濾過槽と、気液接触させることによりＣＯ２を除去する気液接触装置と、処理水を上記水槽に帰還させる帰還流路とを有し、
上記固形物除去装置からの水を、上記泡沫分離装置、上記濾過槽、上記気液接触装置に対し任意の順序で処理させて処理水を得るとともに、上記濾過槽に対してはその上部から被処理水を供給し、上記濾過槽とその下流側に配置される装置との間にサイフォン管が介設され、このサイフォン管は、その一方端が上記濾過槽における水位の下限を定める配水口に接続され、他方端は上記配水口の高さよりも低い位置に水面がある上記水槽または上記装置の水中に浸漬され、中間部は上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されていることを要旨とする。
【００２３】
また、上記帰還流路に、酸素供給装置と殺菌装置をさらに設けることができる。
【００２４】
また、上記システムに、ｐＨ、ＤＯ、温度を測定する水質センサと、上記殺菌装置および上記帰還流路に設けられたポンプの各運転状態を検出するセンサと、各センサによって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、温度情報、各運転情報を有線または無線で送信する送信装置と、この送信装置から送信される各情報を受信し、上記陸上養殖システムの運転状態を監視する遠隔監視装置とをさらに備えることができる。
【００２５】
本発明において生物濾過とは、前処理においてゴミ等が除去された水槽内の飼育水を細菌の力を借りて浄化する濾過を意味し、例えば、硝化菌により、魚の排泄物等から生成されるアンモニアを硝酸イオンに変え、その硝化作用によって水槽内の飼育水を浄化する濾過が示される。
【００２６】
本発明において浮上性とは、被処理水の比重とほぼ同等で水中に浮遊するか、被処理水の比重以下で被処理水の水面側に浮くか或いは水面上に浮く性質を意味する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の生物濾過装置および陸上養殖システムによれば、制御装置を装備することなく処理槽内の水位を周期的に変化させて生物膜担体を空気に曝すことができるため、空気の吹き込みによって生物膜担体を撹拌（分散化）することなく担体上の微生物に効率的な酸素供給が可能になり、微生物の活性およびアンモニア除去性能を向上させることができる。
【００２８】
また、水位を昇降させるための装置や動力、さらには高価な電動弁、水位センサが不要となるため、イニシャルコストの他、メンテナンス等のランニングコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る生物濾過装置の全体構成を示した正面図である。
【図２】図１に示す濾過槽の要部を拡大した斜視図である。
【図３】(ａ)は図１に示す下側格子をストレーナに代えた変形例を示す正面図、(ｂ)はそのストレーナの拡大図である。
【図４】図１に示す下側格子をサイフォンブレーカ構造に代えた変形例を示す正面図である。
【図５】(ａ)〜(ｄ)は図１に示すグリッドの変形例を示す平面図である。
【図６】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図７】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図８】生物濾過装置の処理動作を説明する説明図である。
【図９】本発明に係る陸上養殖システムの構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明に係る生物濾過装置の構成を詳細に説明する。
【００３１】
1 生物濾過装置の原理
図１は、本発明に係る生物濾過装置の原理を説明する説明図である。
【００３２】
同図において、生物濾過装置１は、合成樹脂を例えば有底筒状に成形した生物濾過槽（以下、濾過槽と略称する）２を備えておりその内部上方に、後述する生物膜担体の浮上高さを規制する上側格子（上側規制板）３が水平方向に設けられ、内部下方に生物膜担体の流出を防止する下側格子（下側規制板）４が水平方向に設けられている。
【００３３】
両格子３，４間には、所定の空間を確保した状態で、表面に微生物膜が形成されている粒状の担体（以下、生物膜担体と呼ぶ）５が多数充填されている。
【００３４】
なお、上記生物膜担体５は、微生物膜を形成することができ、且つ浮上性と流動性が損なわれない範囲であれば例えば、球形や筒形等の任意の形状および任意の大きさのものを使用することができる。
【００３５】
また、上記両格子３，４の間には塊状に集合した生物膜担体５を解すためのグリッド（担体解体手段）６が設けられている。
【００３６】
上記濾過槽２の横断面は円形であることが好ましいが、これに限らず、八角形等の多角形や正方形であってもよい。
【００３７】
濾過槽２の頂部には、後述する水槽内の被処理水を供給するための水供給部２ａが設けられ、下部にはドレン口２ｂが設けられ、そのドレン口２ｂと対向するようにして濾過槽２の反対側にはサイフォン入口（配水口）２ｃが設けられている。
【００３８】
上記サイフォン入口２ｃにはサイフォン管７の入口部（一方端）７ａが接続されている。
【００３９】
サイフォン管７は上記入口部７ａと、その入口部７ａから立ち上げられた立ち上がり部７ｂと、その立ち上がり部７ｂの上端から水平方向に延設された中間部７ｃと、その中間部７ｃの出口側から立ち下げられた立ち下がり部７ｄとから構成されており、その立ち下がり部７ｄの下端（他方端）７ｅは水槽８の水中に浸漬されている。上記水槽８は、配水口の高さよりも低い位置に水面がある。
【００４０】
なお、上記水供給部２ａと上記水槽８とは接続配管を介して接続されており、水槽８内の被処理水をその接続配管に設けたポンプ（後述する）で汲み上げることにより、濾過槽２内に被処理水を供給することができるようになっている。
【００４１】
また、本実施形態において、浄化処理のために濾過槽２に供給される水を被処理水と呼び、生物膜担体５を通過することによって処理された水を濾過水と呼ぶ。
【００４２】
図１に付された各符号の説明を以下に列記する。
【００４３】
ａ：水槽の水位
ｂ：サイフォン管の立ち下がり部７ｄの出口高さ
ｃ：サイフォン管の最上高さ（中間部７ｃの高さ）
ｄ：サイフォン管の中間部７ｃの長さ
ｅ：サイフォン管の入口部７ａの高さ
ｆ：濾過槽２の最上位置
ｇ：濾過槽２の最下位置
ｈ：濾過槽２の水位
ｉ：濾過槽２の径
ｊ：濾過槽２の高さ
ｋ：下側格子４の高さ
ｌ：上側格子３の高さ
ＢＬ：高さ説明のための仮想のベースライン
【００４４】
ａ）水槽の水位ａと入口部７ａの高さｅとの関係は、ａ≦ｅを基本とする。ただし、サイフォンブレーカ構造（図４参照）を他に設ける場合等のように濾過槽の構造によってはａ≧ｅでも可能となる。
【００４５】
ｂ）立ち下がり部７ｄの出口高さｂは、ｂ≦ａを基本とする。ただし、濾過槽２への被処理水導入流速条件等によってはｂ≧ａでも可能な場合もある。
【００４６】
ｃ）サイフォン管の最上高さｃは、ｅ＜ｃ＜ｆを基本とする。ただし、濾過槽２の構造によってはｃ＞ｆとなる場合もある。
【００４７】
ｄ）中間部７ｃの長さｄは任意に設定することができるが、長くなればなるほど配管抵抗が大きくなるため、配管抵抗を検討することが必要となる。
【００４８】
ｅ）入口部７ａの高さｅは、ｅ≧ｇを基本とする。ただし、濾過槽２の底部から下向きに入口部７ａを設けた場合は、ｅ≦ｇとすることも可能になる。
【００４９】
ｆ）濾過槽２の最上位置ｆはｆ≧ｃを基本とする。ただし、濾過槽２の構造によってはｆ＜ｃとなる場合もある。
【００５０】
ｇ）濾過槽２の最下位置ｇは、ｇ≦ｅを基本とする。ただし、上記ｅ）で説明したように、その逆も有り得る。
【００５１】
ｈ）濾過槽２の水位ｈは、ｈ≧ｅ、ｈ≦ｃを基本とする。
【００５２】
ｉ）濾過槽２の径ｉは必要とされる濾過槽の容量に応じて任意に設定することが可能である。
【００５３】
ｊ）濾過槽２の高さｊは、ｊ＝ｆ−ｇの範囲で設定することが可能である。
【００５４】
ｋ）下側格子４の高さｋは、ｋ＞ｅとする。
【００５５】
ｌ）上側格子３の高さｌは、生物膜担体が昇降し得る距離を確保した状態でｌ＞ｋであり、且つｌ≦ｃを基本とする。
【００５６】
2 生物濾過装置の各部の構成
次に、生物濾過装置１を構成している各部の構成について説明する。
【００５７】
図２は上記上側格子３、下側格子４およびそれらの格子間に設けられるグリッド６の配置を示した斜視図である。
【００５８】
2.1 上側及び下側格子
同図において、上側格子３および下側格子４は同じ構成からなり、上側格子３を代表してその構成を説明する。
【００５９】
上側格子３は、ＦＲＰ、塩化ビニル樹脂等の合成樹脂材料を円盤状に成形したものからなり、生物膜担体５の径よりも小さいサイズからなる網目が格子状（平面から見て）に形成されている。
【００６０】
上側格子３および下側格子４は、それらの間に充填された生物膜担体５が濾過槽２から流出するのを防止する目的で配設されており、上側格子３については網目を通して被処理水のみを通過させることができるようになっている。
【００６１】
なお、下側格子４については生物膜担体５の流出を防止でき且つ濾過水のみを通過させることができるものであれば、例えば、ストレーナに代えることも可能である。
【００６２】
詳しくは、図３(ａ)に示すように、濾過槽２の下部にストレーナ支持板１０を設け、そのストレーナ支持板１０に、図３(ｂ)の拡大図に示すストレーナ１１を複数設ければ、上記下側格子４と同様に、生物膜担体５の流出を防止しながら濾過水のみを通過させることができる。この種のストレーナ１１としては、例えばヤンマー（株）製の耐海水仕様のストレーナを使用することができる。
【００６３】
また、下側格子４は、図４に示すようなサイフォンブレーカ構造に代えることもできる。
【００６４】
同図に示すように、サイフォン管１２の頂部に空気抜きパイプ１３の一方端１３ａを接続し、この空気抜きパイプ１３を濾過槽２内に垂下させ、空気抜きパイプ１３の他方端１３ｂを、濾過槽２の底面から所定の高さに保持する。
【００６５】
この構成では、濾過槽２の水位が、空気抜きパイプ１３の他方端１３ｂの位置よりも低下すると、その空気抜きパイプ１３を通じてサイフォン管１２内に空気が入りサイフォン作用が停止する。それにより、濾過槽２内の水位は他方端１３ｂの位置より下がることはないため、生物膜担体５の流出を防止することができる。ただし、本実施形態で使用する生物膜担体５は、水面上に浮くことができる比重の小さいもの使用することが必要となる。
【００６６】
2.2 グリッドの構成
グリッド６は耐食性を備えた棒状部材からなり、図２に示したように、上側格子３と下側格子４の間に４段設けられている。
【００６７】
最も上側に位置する１段目のグリッド６ａは、濾過槽２の直径方向に配置され、２段目のグリッド６ｂは、１段目のグリッド６ａに対し平面から見て直交する状態で配置され、３段目のグリッド６ｃは上記１段目のグリッド６ａと平行に配置され、最も下側に位置する４段目のグリッド６ｄは上記２段目のグリッド６ｂと平行に配置されている。
【００６８】
上記グリッド６は、濾過槽２内の水を排出する際に、塊状に集合している生物膜担体５を解して分散させるためのものであり、本実施形態では４段で構成したが、これに限らず、それ以上の段数で構成することもでき、また、それ以下の段数で構成することもできる。
【００６９】
また、上記グリッド６に例示した担体解体手段は、生物膜担体５を解して分散させることができれば上記した棒状部材に限らず、図５に示すように、各種形態のものを使用することができる。
【００７０】
同図(ａ)は、濾過槽２内に、複数の棒状部材２０を平行に配置したものである。
【００７１】
同図(ｂ)は、平行に配置された複数の棒状縦部材２１と、同じく平行に配置された複数の棒状横部材２２とを格子状に組み合わせたものである。
【００７２】
同図(ｃ)は、濾過槽２の中心で交わるように、複数の棒状部材２３を放射状に配置したものである。
【００７３】
同図(ｄ)は、複数の貫通孔２４を備えた多孔板２５で構成したものである。
【００７４】
2.3 生物膜担体
生物膜が形成される担体は、粒径が０．５〜１０ｍｍ程度の浮上性担体、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン粒状物から構成されており、担体の比重は被処理水とほぼ同等かそれ以下とする。
【００７５】
上記担体の表面には、好気性または嫌気性の微生物を含んだ汚泥を付着させて生物膜を形成し、この生物膜担体５を多数、濾過槽２内に充填することにより、濾過槽２内に導入された被処理水中の有機性汚濁物質の処理と浮遊物質の分離とを同時に行うようになっている。
【００７６】
生物膜担体５の充填量は、上側格子３と下側格子４によって区画される容積に対し、４０〜８０％程度充填することが好ましい。生物膜担体５の充填量が４０％を下回ると、効率的な濾過機能を発揮することができず、また、８０％を上回ると生物膜担体５の移動が緩慢になり、生物膜担体５に付着した有機物等の除去効率が低下する。
【００７７】
濾過槽２に多数充填された生物膜担体５は水中に分散、または水面側に浮上して濾床を形成するようになっている。
【００７８】
3 生物濾過装置の動作
次に、上記構成を有する生物濾過装置の浄化処理について、図６〜図８を参照しながら説明する。
【００７９】
なお、図６〜図８において、図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８０】
図６において、濾過槽２は濾過槽支持台３０上に固定されており、水槽８は水槽支持台３１上に固定されている。
【００８１】
水槽８の底部には排水口８ａが設けられ、この排水口８ａは接続配管３２を介して濾過槽２の頂部に設けられた水供給部２ａと接続されている。
【００８２】
また、上記接続配管３２には被処理水の流れ方向において、ポンプ３３、流量計３４、バルブ３５がそれぞれ介設されている。なお、上記ポンプ３３は、所定の流量を吐出することができるものであれば定吐出量形であっても可変吐出量形であってもよい。
【００８３】
上記所定の流量とは、サイフォン管７を介してサイフォン現象が起きた際に、濾過槽２に被処理水が供給されている状態で濾過槽２内の濾過水を排出することができるような流量であり、サイフォン管７を通じて濾過槽２から排出される濾過水の流量よりも一定量少ない流量を意味する。
【００８４】
なお、生物濾過装置１の運転時には、バルブ３５が開かれポンプ３３が駆動されることにより、水槽８内の被処理水が吸い上げられ濾過槽２の頂部から濾過槽２内に常に一定の流量で被処理水が導入されるようになっている。
【００８５】
3.1 被処理水の供給
まず、ポンプ３３が駆動されることにより、水槽８内の被処理水が汲み上げられ、濾過槽２の頂部からその槽内に被処理水が供給される（矢印Ａ参照）。
【００８６】
濾過槽２内の水位が徐々に上昇すると（矢印Ｂ参照）、水位の上昇につれて生物膜担体５も上昇する。なお、生物膜担体５の上昇限界は、上側格子３によって規制される。
【００８７】
濾過槽２内の水位上昇とともに、サイフォン管７における立ち上がり部７ｂ内においても濾過槽２内の水位と同じ高さで水位が上昇する（矢印Ｃ参照）。
【００８８】
3.2 サイフォン現象による処理水の移動
図７において、濾過槽２内の水位が立ち上がり部７ｂの最上部まで達しサイフォン管７内が水で満たされるとサイフォン現象が起き、濾過槽２と水槽８とが連通状態になる。それにより、濾過槽２から水槽８へ濾過水が一気に流れ出し（矢印Ｃ１→Ｃ２→Ｃ３参照）、濾過槽２の水位が中間部７ｃの高さより低くなっても水槽８への濾過水の移動は継続される。
【００８９】
濾過槽２の水位が低下し続け、濾過槽２の底面まで低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、その結果、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【００９０】
また、濾過槽２内の水位の低下につれて生物膜担体５が下降する際、生物膜担体５は複数段配置されている各グリッド６ａ〜６ｄ（図２参照）を通過するたびに塊状が細かく解されて流動性が付与され、最終的に下側格子４上に堆積する。
【００９１】
生物濾過では魚介類から多量のアンモニアが排泄され、そのアンモニア性窒素を除去（硝化）するために酸素を消費する。本実施形態では、濾過槽２内の水位をその底面まで低下させて生物膜担体５を一時的に空気中に曝すように構成している。それにより、濾過槽２においてアンモニアを除去する際に消費する酸素を供給することが可能になり、生物膜担体５におけるアンモニアの除去性能を向上させることができる。また、酸素を供給することによって生物膜担体５の表面に付着している微生物も活性化することができる。
【００９２】
3.3 被処理水の再供給
図８に示すように、上述した動作によって濾過槽２内の処理水は排水されるが、ポンプ３３は運転を継続しているため、水槽８内の被処理水は引き続き、濾過槽２内に供給される。
【００９３】
それにより、濾過槽２内の水位は徐々に上昇していき、水位がサイフォン管７の中間部７ｃの高さまで達すると、図７で説明したように、再び、サイフォン管７を通じて濾過槽２から水槽８へ濾過水が流れ出す。
【００９４】
濾過槽２の底面まで水位が低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【００９５】
ポンプ３３の運転を停止させない限り、濾過槽２内で水位が上下し、その結果、生物膜担体５が水中に浸漬する状態と、生物膜担体５が空気中に曝される状態とが繰り返される。
【００９６】
なお、上記実施形態では一つの濾過槽２によって生物濾過装置１を構成したが、濾過槽２を複数配置することもできる。例えば濾過槽を２基配置し、いずれか一方の濾過槽内の水位がサイフォン現象によって下降するとき、いずれか他方の濾過槽には被処理水を供給して水位を上昇させるように構成すれば、濾過に要する時間を短縮することができるため濾過効率をさらに向上させることができる。
【００９７】
図９は上記構成を有する生物濾過装置１を適用した陸上養殖システムの構成を示す正面図である。
【００９８】
同図において、陸上養殖システム４０は、水槽４１と、この水槽４１の排出口から排出された被処理水が導入され、１０〜２００μｍ程度のゴミをフィルタにより分離除去する固形物除去装置４２と、この固形物除去装置４２によって前処理された被処理水について、水中の蛋白質や微細なゴミを泡沫により分離除去する泡沫分離装置４３と、この泡沫分離装置４３から排出される被処理水が導入される、上述した構成からなる濾過槽２と、この濾過槽２によって水中のアンモニア性窒素や有機物が除去された処理水について水中のＣＯ２を気液接触させることにより除去する気液接触装置４４と、この気液接触装置４４からの処理水をポンプ４５を介して上記水槽４１に帰還させる帰還流路４６と、この帰還流路４６に介設された酸素供給装置４７および殺菌装置４８とを備えている。
【００９９】
魚が出した糞や食べ残した残餌を速やかに除去しなければアンモニア等に変化してしまうため、上記固形物除去装置４２は、水槽４の後段に配置することが好ましい。
【０１００】
また、被処理水中の固形物や蛋白質も放置するとアンモニアに変化してしまうため、上記泡沫分離装置４３は、上記固形物除去装置４２の後段に配置することが好ましい。
【０１０１】
上記濾過槽２では、水中の固形物がおおよそ除去された状態、水中に溶解しているアンモニア、溶解性有機物を、濾過槽内の担体に付着している微生物が除去するようになっているが、アンモニアの硝化や有機物の除去のために酸素が消費され、ＣＯ２が排出される。
【０１０２】
そこで、上記濾過槽２の後段に気液接触装置４４を配置している。ＣＯ２は濃度が高い方が除去しやすいことから、その発生源である水槽４１や濾過槽２の後段に配置することが好ましい。また、それにより、水槽４１や濾過槽２で消費した酸素を供給することもできる。
【０１０３】
上記水槽４１と上記濾過槽２で水中の溶存酸素が消費され、気液接触装置４４で酸素を飽和値近くまで供給した後、さらに、上記酸素供給装置４７によって高濃度の酸素を供給すれば、飽和値以上に溶存酸素濃度を高めることができる。
【０１０４】
上記殺菌装置４８を浄化装置の最も後段に配置しているのは、浄化した水を水槽４１に戻す直前に殺菌を行うのが最も安全であるからである。
【０１０５】
また、上記濾過槽２と気液接触装置４４はサイフォン管７を介して接続されており、サイフォン管７の一方端は濾過槽２における水位の下限を定める配水口２ｃに接続され、他方端はその配水口２ｃの高さよりも低い位置に水面がある気液接触装置（配水口の高さよりも低い位置に水面がある装置）４４の水中に浸漬されている。中間部７ｃは上記濾過槽２の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されている。
【０１０６】
濾過槽２内の水位が立ち上がり部７ｂの最上部まで達しサイフォン管７内が濾過水で満たされるとサイフォン現象が起き、濾過槽２と気液接触装置４４とが連通状態になる。それにより、濾過槽２から気液接触装置４４へ濾過水が一気に流れ出し、濾過槽２の水位が中間部７ｃの高さより低くなっても気液接触装置４４への濾過水の移動は継続される。
【０１０７】
濾過槽２の水位が低下し続け、濾過槽２の底面まで低下すると、サイフォン管７内に空気が流入し、その結果、サイフォン現象が壊れて濾過水の排水が停止する。
【０１０８】
なお、上記構成に限らず、例えば、水槽４１→固形物除去装置４２→濾過槽２→泡沫分離装置４３→気液接触装置４４→酸素供給装置４７→殺菌装置４８の順で処理する場合や、水槽４１→固形物除去装置４２→濾過槽２→気液接触装置４４→泡沫分離槽４３→酸素供給装置４７→殺菌装置４８の順で処理する場合のように、ＣＯ２除去の効率を高めるような処理順序も考えられる。
【０１０９】
また、水槽４１には、ｐＨ、液中の溶存酸素濃度（以下、ＤＯと呼ぶ）、水温を同時に連続測定できるマルチ水質計（水質センサ）４９が浸漬されており、このマルチ水質計４９によって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、水温情報は、送信器５０ａを介して遠隔監視装置５１に送信されるようになっている。
【０１１０】
さらに、酸素供給装置４７およびポンプ４５にはそれぞれセンサが備えられ、各センサによって検出された、例えば正常時、過負荷時の電流値情報は送信器５０ｂおよび５０ｃを介して上記遠隔監視装置５１に有線または無線で送信されるようになっている。
【０１１１】
それにより、上記遠隔監視装置５１は、陸上養殖システム４０が設置されている現場から離れた位置でその運転状態を監視することができ、センサの検出情報が異常を示した場合は警報を報知することができるようになっている。
【符号の説明】
【０１１２】
１ 生物濾過装置
２ 濾過槽
２ａ 水供給部
２ｂ ドレン口
２ｃ サイフォン入口（配水口）
３ 上側格子
４ 下側格子
５ 生物膜担体（粒状担体）
６ グリッド
７ サイフォン管
７ａ 入口部（一方端）
７ｂ 立ち上がり部
７ｃ 中間部
７ｄ 立ち下がり部
７ｅ 下端（他方端）
８ 水槽
１０ ストレーナ支持板
１１ ストレーナ
１２ サイフォン管
１３ 空気抜きパイプ
２０ 棒状部材
２１ 棒状縦部材
２２ 棒状横部材
２３ 棒状部材
２４ 貫通孔
２５ 多孔板
３２ 接続配管
３３ ポンプ
３４ 流量計
３５ バルブ
４０ 陸上養殖システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濾過槽と、
上記濾過槽内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体と、
上記濾過槽における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽または装置と、
一方端が上記濾過槽の配水口に接続され、他方端が上記濾過槽から濾過水を供給する上記水槽または装置の水中に浸漬され、中間部が上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管と、
被処理水を上記濾過槽の上部から供給する水供給部と、を備えてなることを特徴とする生物濾過装置。
【請求項２】
上記濾過槽の槽内上部に、水供給時における上記生物膜担体の上昇限界を規制する上側規制板が設けられている請求項１記載の生物濾過装置。
【請求項３】
上記濾過槽の槽内下部に、サイフォン現象による排水時における上記生物膜担体の下降限界を規制する下側規制板が設けられている請求項１または２記載の生物濾過装置。
【請求項４】
上記下側規制板より下側の上記濾過槽に、上記配水口が設けられている請求項３記載の生物濾過装置。
【請求項５】
上記上側規制板と上記下側規制板との間に、塊状に集合している上記生物膜担体を解す担体解体手段が設けられている請求項３または４記載の生物濾過装置。
【請求項６】
上記担体解体手段として、上記濾過槽の内側側壁を径方向に連絡する棒状部材が設けられている請求項５記載の生物濾過装置。
【請求項７】
上記棒状部材が、上記濾過槽の上下方向に複数段設けられるとともに、隣接する各棒状部材が平面から見て互いに交差する方向に配置されている請求項６記載の生物濾過装置。
【請求項８】
上記水供給部として、上記水槽に設けられている排水口と上記濾過槽上部とを接続する接続配管と、その接続配管に介設され上記水槽内の被処理水を上記濾過槽に汲み上げるポンプとを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の生物濾過装置。
【請求項９】
上記ポンプの吐出流量が、サイフォン現象による排水流量よりも小さい値に設定されている請求項８記載の生物濾過装置。
【請求項１０】
水槽と、この水槽からの排水に含まれる固形物をフィルタにより分離除去する固形物除去装置と、蛋白質や微細なゴミ等を泡沫により分離除去する泡沫分離装置と、表面に微生物膜が形成されている多数の担体が水を介して移動自在に充填され水中のアンモニアや有機物を除去する濾過槽と、気液接触させることによりＣＯ２を除去する気液接触装置と、処理水を上記水槽に帰還させる帰還流路とを有し、
上記固形物除去装置からの水を、上記泡沫分離装置、上記濾過槽、上記気液接触装置に対し任意の順序で処理させて処理水を得るとともに、上記濾過槽に対してはその上部から被処理水を供給し、上記濾過槽とその下流側に配置される装置との間にサイフォン管が介設され、このサイフォン管は、その一方端が上記濾過槽における水位の下限を定める配水口に接続され、他方端は上記配水口の高さよりも低い位置に水面がある上記水槽または上記装置の水中に浸漬され、中間部は上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されていることを特徴とする陸上養殖システム。
【請求項１１】
上記帰還流路に、酸素供給装置と殺菌装置がさらに設けられている請求項１０記載の陸上養殖システム。
【請求項１２】
上記システムに、ｐＨ、ＤＯ、温度を測定する水質センサと、上記殺菌装置および上記帰還流路に設けられたポンプの各運転状態を検出するセンサと、各センサによって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、温度情報、各運転情報を有線または無線で送信する送信装置と、この送信装置から送信される各情報を受信し、上記陸上養殖システムの運転状態を監視する遠隔監視装置とがさらに備えられている請求項１１記載の陸上養殖システム。
【請求項１】
濾過槽と、
上記濾過槽内に多数充填され、水を介して移動自在であり表面に微生物膜が形成されている浮上性の生物膜担体と、
上記濾過槽における水位の下限を定める配水口の高さよりも低い位置に水面がある水槽または装置と、
一方端が上記濾過槽の配水口に接続され、他方端が上記濾過槽から濾過水を供給する上記水槽または装置の水中に浸漬され、中間部が上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するサイフォン管と、
被処理水を上記濾過槽の上部から供給する水供給部と、を備えてなることを特徴とする生物濾過装置。
【請求項２】
上記濾過槽の槽内上部に、水供給時における上記生物膜担体の上昇限界を規制する上側規制板が設けられている請求項１記載の生物濾過装置。
【請求項３】
上記濾過槽の槽内下部に、サイフォン現象による排水時における上記生物膜担体の下降限界を規制する下側規制板が設けられている請求項１または２記載の生物濾過装置。
【請求項４】
上記下側規制板より下側の上記濾過槽に、上記配水口が設けられている請求項３記載の生物濾過装置。
【請求項５】
上記上側規制板と上記下側規制板との間に、塊状に集合している上記生物膜担体を解す担体解体手段が設けられている請求項３または４記載の生物濾過装置。
【請求項６】
上記担体解体手段として、上記濾過槽の内側側壁を径方向に連絡する棒状部材が設けられている請求項５記載の生物濾過装置。
【請求項７】
上記棒状部材が、上記濾過槽の上下方向に複数段設けられるとともに、隣接する各棒状部材が平面から見て互いに交差する方向に配置されている請求項６記載の生物濾過装置。
【請求項８】
上記水供給部として、上記水槽に設けられている排水口と上記濾過槽上部とを接続する接続配管と、その接続配管に介設され上記水槽内の被処理水を上記濾過槽に汲み上げるポンプとを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の生物濾過装置。
【請求項９】
上記ポンプの吐出流量が、サイフォン現象による排水流量よりも小さい値に設定されている請求項８記載の生物濾過装置。
【請求項１０】
水槽と、この水槽からの排水に含まれる固形物をフィルタにより分離除去する固形物除去装置と、蛋白質や微細なゴミ等を泡沫により分離除去する泡沫分離装置と、表面に微生物膜が形成されている多数の担体が水を介して移動自在に充填され水中のアンモニアや有機物を除去する濾過槽と、気液接触させることによりＣＯ２を除去する気液接触装置と、処理水を上記水槽に帰還させる帰還流路とを有し、
上記固形物除去装置からの水を、上記泡沫分離装置、上記濾過槽、上記気液接触装置に対し任意の順序で処理させて処理水を得るとともに、上記濾過槽に対してはその上部から被処理水を供給し、上記濾過槽とその下流側に配置される装置との間にサイフォン管が介設され、このサイフォン管は、その一方端が上記濾過槽における水位の下限を定める配水口に接続され、他方端は上記配水口の高さよりも低い位置に水面がある上記水槽または上記装置の水中に浸漬され、中間部は上記濾過槽の上端または上端寄りの高さに位置するように構成されていることを特徴とする陸上養殖システム。
【請求項１１】
上記帰還流路に、酸素供給装置と殺菌装置がさらに設けられている請求項１０記載の陸上養殖システム。
【請求項１２】
上記システムに、ｐＨ、ＤＯ、温度を測定する水質センサと、上記殺菌装置および上記帰還流路に設けられたポンプの各運転状態を検出するセンサと、各センサによって検出されたｐＨ情報、ＤＯ情報、温度情報、各運転情報を有線または無線で送信する送信装置と、この送信装置から送信される各情報を受信し、上記陸上養殖システムの運転状態を監視する遠隔監視装置とがさらに備えられている請求項１１記載の陸上養殖システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１８４１７７（Ｐ２０１０−１８４１７７Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７８４（Ｐ２００９−２８７８４）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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