JP2017201935A

JP2017201935A - 水産養殖と植物栽培とを結合する方法及びシステム

Info

Publication number: JP2017201935A
Application number: JP2016095697A
Authority: JP
Inventors: チ−ツェクオ; Chi Tse Kuo
Original assignee: Taiwan Water Recycle Technology Co Ltd
Current assignee: Taiwan Water Recycle Technology Co Ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16

Abstract

【課題】廃棄物を減らして再利用する、水産養殖と植物栽培とを結合する方法及びシステムを提供する。【解決手段】水産養殖と植物栽培とを結合するシステムは、養殖タンク１０、ブロア２０、第１のポンプ１３、たんぱく質分離装置３０、泡回収タンク５０、複数の円形平板限外濾過膜ユニット４０、収集バケット１１０、ナノフィルターユニット９０、リサイクル水タンク１００及び第２のポンプ１６を備える。水産養殖と植物栽培とを結合するシステムは、養殖タンク１０と植物工場８０との間に接続される。養殖タンク１０は、養殖水１２を収容する。ブロア２０は、養殖タンク１０内に空気を入れ、養殖水１２に十分な溶存酸素量を維持する。第１のポンプ１３は、養殖水１２の液面に位置する溢水管と、養殖タンク１０の底部まで延びて溢水管と連通する汚水管１５とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、養殖水処理方法に関し、特に、循環水の回収機能を高めて養殖水の補充量を減らすとともに、養殖廃水から高たんぱく濃縮液を分離し、植物栽培に必要な養分を得る、水産養殖と植物栽培とを結合する方法及びシステムを提供する。

台湾は土地面積が小さい上、地下水を汲み上げすぎると地盤沈下する可能性があるため、従来の水産養殖方式にとって非常に大きな障害となっていた。この問題点に鑑みて密閉式の循環水養殖システムが開発された。

例えば、本出願人が米国へ出願した特許文献１では、循環水養殖システムが開示されている。このシステムでは、まず、養殖水を養殖タンク内へ入れ、養殖タンク内には、十分な酸素を供給するために曝気設備が設けられ、溢水管が循環水浄化設備へ接続され、浄化濾過された液体を養殖タンク内へ還流させ、循環使用することができる。そのため、少量の養殖水を養殖タンク内へ毎週補充するだけで、連続した水循環使用することができる。

さらに、養殖水のアンモニア性窒素の濃度を下げて飼養生物の生存率を高めるために、本発明者は、循環水浄化設備の前に、元の包埋式硝化菌をたんぱく質分離装置により代替し、バブル吸着分離方式により、まず、水中のゼリー状粘液（たんぱく質）及び浮遊微粒子を除去し、魚体が分泌する粘液により濾過膜が詰まることを防ぎ、濾過膜が元々備えている固液分離効果を維持する一方、さらに多くの酸素を水中に補充することもできるため、循環水質が高まり、飼養生物の生存率を高めることができる。

しかし、従来の循環水の回収性能は不足気味であり、それには主に以下（１）及び（２）の原因があった。

（１）養殖水は、自然蒸発により少量が失われる上、たんぱく質分離装置により水中からたんぱく質を除去する際にも一緒に大量に排出されるため、少なくとも１０％の養殖水を毎週補充しなければならず、長期的に見るとコスト負担が大きかった。
（２）循環水浄化設備は、濾過膜を自動スプレーする機能を有するが、濾過膜を洗浄した洗浄水には大量の汚泥が含まれ、濁度及び浮遊物質濃度（ＳＳ：ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＳｏｌｉｄｓ）値が高すぎるため、通常は直接外界へ排出されるだけであり、相対的に養殖タンクの循環水量が大幅に減るため、養殖タンクに実際に補充しなければならない水も１０％を大きく超える上、排水する際、環境保護に関する法律を順守する必要もあるため、養殖業者にとって大きな問題となっていた。

また、さらに酷い問題としては、たんぱく質分離装置からのこれら水溶性養殖廃水中には、大量のアンモニア、窒素及びリンが含まれ、養殖水にとって大きな汚染源となる可能性があるが、植物栽培に必要な大量の元素でもあり、栄養源を含む可溶性廃水が直接排水されると、資源が無駄となる上、生態環境にも悪影響を及ぼす虞がある。

米国特許出願第１４／３１７８０３号明細書

本発明の目的は、たんぱく質分離装置及び濾過膜により生成された養殖廃水に対して２つの膜濾過処理を行い、生成されたリサイクル水を補充水源として用い、養殖システムに必要な循環水の補充量を減らし、膜濾過により捕捉した高たんぱく濃縮液が植物工場で引き取られ、植物栽培床の栄養液として用いられ、廃棄物を減らして再利用することができる、水産養殖と植物栽培とを結合する方法及びシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、養殖タンクを準備し、養殖タンク内に養殖水を収容するステップ（Ａ）と、前記養殖タンク内の前記養殖水を曝気し、前記養殖水に十分な溶存酸素量を供給するステップ（Ｂ）と、前記養殖タンクの上層にあるオーバーフロー及び底層にある汚水を、円形平板限外濾過膜ユニット及びたんぱく質分離装置へ汲み上げ、限外濾過膜ユニットにより前記養殖水を循環濾過し、ポンピングして前記養殖タンクへ還流して循環水を得て、前記たんぱく質分離装置内の気泡発生ユニットから噴射気体を吸入し、前記噴射気体が速やかに液体と気液混合されて大量の微細気泡を形成し、水中のたんぱく質、残り餌、排泄物及び大きめの分子コロイドが気泡表面に集まって気泡液が浮上し、気泡が分離界面へ達してから液体が下方へ流動し、前記養殖タンクへ還流する他方の循環水を生成するステップ（Ｃ）と、前記気泡液と、前記限外濾過膜ユニットにより捕捉された濃縮廃液とを泡回収タンク内に集めて放置して発酵させ、養殖廃水を生成するステップ（Ｄ）と、もう一つの前記円形平板限外濾過膜ユニット内で前記養殖廃水に対して１回目の膜濾過処理を行い、水中の粘液及び浮遊物質を前記限外濾過膜により捕捉し、濾過流体と混濁高たんぱく濃縮液とに分離するステップ（Ｅ）と、前記混濁高たんぱく濃縮液を収集バケットへ排出し、植物工場の植物栽培床の肥料栄養剤又は生物餌培養液として用いるステップ（Ｆ）と、前記限外濾過膜により透析された前記濾過流体をナノフィルターユニット内へポンピングして２回目の濾過膜処理を行い、ナノフィルターにより前記濾過流体中のアンモニア性窒素を除去し、アミノ酸を多く含むリサイクル水を得て、捕捉した液体を清澄高たんぱく濃縮液に生成し、水耕植物又は海草・シダ類培養液として用いるステップ（Ｇ）と、前記ナノフィルターを介して生成されたリサイクル水を前記養殖タンク内へ還流させて再利用するステップ（Ｈ）と、を含むことを特徴とする水産養殖と植物栽培とを結合する方法が提供される。

上記課題を解決するために、本発明の第２の形態によれば、養殖タンク、ブロア、第１のポンプ、たんぱく質分離装置、泡回収タンク、複数の円形平板限外濾過膜ユニット、収集バケット、ナノフィルターユニット、リサイクル水タンク及び第２のポンプを備えるとともに、前記養殖タンクと植物工場との間に接続された水産養殖と植物栽培とを結合するシステムであって、前記養殖タンクは、養殖水を収容し、前記ブロアは、前記養殖タンク内に空気を入れ、前記養殖水に十分な溶存酸素量を維持し、前記第１のポンプは、前記養殖水の液面に位置する溢水管と、前記養殖タンクの底部まで延びて前記溢水管と連通する汚水管と、を有し、前記たんぱく質分離装置は、前記汚水管と連通する筒状タンクと、前記筒状タンク内に設置された気泡発生ユニットと、前記筒状タンクから前記養殖タンクまで延びる吐出管と、泡流出管と、を有し、前記気泡発生ユニットが噴射気体を吸入し、前記噴射気体を速やかに前記筒状タンク内の液体と気液混合されて大量の微細気泡が形成され、水中のたんぱく質、残り餌、排泄物及び大きめの分子コロイドが気泡表面に集まり、気泡液が浮上し、前記泡流出管から排出され、気泡が分離界面へ達した液体が下方へ流動し、前記吐出管から前記養殖タンクへ還流し、前記泡回収タンクは、前記泡流出管から排出された気泡液を受け、放置した後に養殖廃水が生成され、前記円形平板限外濾過膜ユニットは、その中に前記養殖廃水がポンピングされ、前記複数の限外濾過膜ユニットが等間隔で垂直に配列された前記限外濾過膜を有し、水圧が作用すると前記限外濾過膜により水中の粘液及び浮遊物質が捕捉され、濾過流体と混濁高たんぱく濃縮液とに分離され、前記収集バケットは、前記混濁高たんぱく濃縮液を受け、植物工場の植物栽培床の肥料栄養剤又は生物餌培養液として用い、前記ナノフィルターユニットは、前記限外濾過膜ユニットの一側へ接続され、前記ナノフィルターユニット内へ前記濾過流体をポンピングし、前記ナノフィルターにより前記濾過流体中のアンモニア性窒素を除去し、アミノ酸を多く含むリサイクル水を得て、捕捉された液体が清澄高たんぱく濃縮液に生成され、前記リサイクル水タンクは、前記ナノフィルターユニットにより生成されたリサイクル水を受け、前記第２のポンプは、前記リサイクル水をポンピングして前記養殖タンク内へ還流させて再利用することを特徴とする水産養殖と植物栽培とを結合するシステムが提供される。

図１は、本発明の一実施形態に係る水産養殖及び植物栽培で使用する設備システムを示す模式図を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る水産養殖と植物栽培とを結合する方法を示す流れ図である。図３は、養殖タンク、越流堰、第１のポンプを互いに接続した状態を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本発明が限定されるものではない。

図１及び図２を参照する。図１及び図２に示すように、本発明の一実施形態に係る水産養殖と植物栽培とを結合する方法及びシステムは、以下のステップ（Ａ）〜（Ｈ）を含む。

ステップ（Ａ）：養殖タンク１０を準備する。養殖タンク１０には、越流堰１１が設けられ（図３を参照する）、内部に養殖水１２が収容される。養殖水１２は、養殖水質の要求を満たすことができるように、ＰＨ値、固体物濃度を調整して食塩及び様々な化学塩を加える。

ステップ（Ｂ）：養殖タンク１０内の養殖水１２を曝気し、養殖水１２に十分な溶存酸素量が供給される。本ステップ中において、養殖タンク１０の一側に取り付けたブロア２０によりタンク本体内に空気を入れ続け、養殖水１２に十分な溶存酸素量を維持するとともに、養殖タンク１０内の残留飼料及び排泄物を浮上させ、越流堰１１を介して養殖タンク１０外へ溢れ出る。

ステップ（Ｃ）：養殖タンク１０の上層にあるオーバーフロー及び底層にある汚水を、たんぱく質分離装置３０及び円形平板限外濾過膜ユニット４０へ汲み上げる。図３に示すように、本実施形態において、第１のポンプ１３により汚水をたんぱく質分離装置３０へ汲み上げる。第１のポンプ１３は、越流堰１１に隣り合う溢水管１４と、養殖タンク１０の底部まで延びて溢水管１４と連通する汚水管１５とを有する。

たんぱく質分離装置３０は、汚水管１５と連通する筒状タンク３１と、筒状タンク３１内に設置された超微細気泡発生ユニット３２と、筒状タンク３１の底部から養殖タンク１０まで延びる吐出管３３と、筒状タンク３１の頂部に取り付けられた泡流出管３４と、を有する。

円形平板限外濾過膜ユニット４０は、等間隔で垂直に配列された限外濾過膜を有し、その細部構造は、台湾特許第Ｉ３１２７６７、第Ｉ３１８２３３号、第Ｉ３４８３８９号で開示されており、膜濾過された水が循環水となり、第２のポンプ１６によりポンピングされて養殖タンク１０内へ還流して循環使用することができ、捕捉した濃縮廃液を泡回収タンク５０内へ排出し、次の段階の処理を行う。

外界の噴射気体３５が超微細気泡発生ユニット３２により吸入されると、噴射気体３５は速やかに水と気液混合されて大量の微細気泡が形成され、水中のたんぱく質、残り餌、排泄物及び大きめの分子コロイド（例えば、エビの殻、魚鱗）が気泡表面に集まり、気泡液が浮上し、泡流出管３４から泡回収タンク５０内へ搬送され、気泡が分離界面へ達した後の水が下方へ流動し、吐出管３３から養殖タンク１０の他方の循環水へ還流される。さらに、噴射気体３５中に高濃度のオゾン３６が混入され、養殖水１２に全面的に有効な殺菌消毒作用が発生する。このときたんぱく質分離装置３０は、オゾン反応室の機能を兼備え、オゾンの吸気量を適宜調整し、余分なオゾンが水中でアンモニア性窒素及び亜硝酸性窒素を酸化させ、硝酸窒素又は窒素が水中から析出され、たんぱく質分離装置３０がアンモニア性窒素を除去する効率が高まる。

ステップ（Ｄ）：たんぱく質分離装置３０から排出される気泡液と、円形平板限外濾過膜ユニット４０が捕捉した濃縮廃液（又は限外濾過膜を洗浄することにより発生する汚水）とを泡回収タンク５０内に集めて放置して発酵させると、高濃度のアンモニア性窒素及び浮遊物質を含む養殖廃水が生成される。

ステップ（Ｅ）：もう一つの円形平板限外濾過膜ユニット６０内で養殖廃水に対して１回目の膜濾過処理を行い、限外濾過膜を利用し、水中の固体浮遊物質及び大きめの分子物質を捕捉し、濾過流体（ｆｉｌｔｅｒｅｄｆｌｕｉｄ）と混濁高たんぱく濃縮液とを分離する。

ステップ（Ｆ）：混濁高たんぱく濃縮液を収集バケット７０へ排出し、混濁高たんぱく濃縮液内には、たんぱく質、アミノ酸、脂肪及び炭水化物が含まれ、常態下で濃縮液体又は高含水率のペースト状物であるため、混濁高たんぱく濃縮液を培養土へ混入して堆肥処理し、植物工場８０で植物栽培床（ｐｌａｎｔｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｂｅｄ）の有機肥料栄養剤を提供するか、直接淡水８１で希釈した後に養殖業者の生物餌培養液（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｂａｉｔｂｒｏｔｈ）８２として用いる。

ステップ（Ｇ）：限外濾過膜により透析された濾過流体をナノフィルターユニット９０内へポンピングし、２回目の濾過膜処理を行い、ナノフィルターを利用して濾過流体中のアンモニア性窒素、水溶性有機物、亜硝酸塩を除去し、アミノ酸を多く含むリサイクル水を得て、リサイクル水タンク１００内に貯蔵し、ナノフィルターは、捕捉された水が清澄高たんぱく濃縮液１１１が生成されて収集バケット１１０内に取り付けられ、この清澄高たんぱく濃縮液１１１を植物工場８０の植物性有機肥料又は海草・シダ類培養液１２０として用いてもよい。

ステップ（Ｈ）：リサイクル水タンク１００内のリサイクル水を養殖タンク１０内へ還流させて再利用する。

ここで、植物工場８０で植物栽培に適切な栄養液の濃度を提供するために、ステップ（Ｆ）及びステップ（Ｇ）で生成する混濁、清澄高濃度たんぱく濃縮液の濃度を調整するが、この方式は、収集バケット７０，１１０内に淡水８１を加えて希釈し、植物工場８０に必要な濃度を得る。

ここで、植物工場８０が栽培した後に植物栽培床から漏出流体８３を排出してから収集バケット７０内に還流させて混濁高たんぱく濃縮液と混合希釈するステップを繰り返すと、植物工場８０で栽培に必要な水量及び栽培コストを減らすことができる。

そのため、本発明は、たんぱく質分離装置３０が排出した気泡液と、養殖タンク１０内の養殖水を循環濾過させて捕捉した濃縮廃液と、限外濾過膜に噴射した噴射水とを集めて放置して養殖廃水を生成し、養殖廃水を限外濾過膜（ＵＦ膜）で固液分離処理し、分離して混濁高たんぱく濃縮液及び濾過流体を生成し、濾過流体が特殊なナノフィルターで濾過処理された後、養殖水質の基準を満たし、養殖タンクの補充水源として用いるリサイクル水を生成し、リサイクル水の回収効率を高め、これにより外界へ排出される養殖廃水及び噴射水を効率的に回収して再利用することができる。そのため水資源が無駄とならず、廃水が環境を汚染することを防ぎ、水産養殖のコストを節減し、養殖の経済性を高めることができる。

また、上述した膜濾過処理を行って生成される混濁、清澄高濃度たんぱく濃縮液は、植物工場８０により引き取られ、植物栽培床の栄養液として用いられ、廃棄物を減らしてリサイクルすることができる。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１０養殖タンク
１１越流堰
１２養殖水
１３第１のポンプ
１４溢水管
１５汚水管
１６第２のポンプ
２０ブロア
３０たんぱく質分離装置
３１筒状タンク
３２超微細気泡発生ユニット
３３吐出管
３４泡流出管
３５噴射気体
３６オゾン
４０円形平板限外濾過膜ユニット
５０泡回収タンク
６０円形平板限外濾過膜ユニット
７０収集バケット
８０植物工場
８１淡水
８２生物餌培養液
８３漏出流体
９０ナノフィルターユニット
１００リサイクル水タンク
１１０収集バケット
１１１清澄高たんぱく濃縮液
１２０海草・シダ類培養液

Claims

養殖タンクを準備し、養殖タンク内に養殖水を収容するステップ（Ａ）と、
前記養殖タンク内の前記養殖水を曝気し、前記養殖水に十分な溶存酸素量を供給するステップ（Ｂ）と、
前記養殖タンクの上層にあるオーバーフロー及び底層にある汚水を、円形平板限外濾過膜ユニット及びたんぱく質分離装置へ汲み上げ、限外濾過膜ユニットにより前記養殖水を循環濾過し、ポンピングして前記養殖タンクへ還流して循環水を得て、前記たんぱく質分離装置内の気泡発生ユニットから噴射気体を吸入し、前記噴射気体が速やかに液体と気液混合されて大量の微細気泡を形成し、水中のたんぱく質、残り餌、排泄物及び大きめの分子コロイドが気泡表面に集まって気泡液が浮上し、気泡が分離界面へ達してから液体が下方へ流動し、前記養殖タンクへ還流する他方の循環水を生成するステップ（Ｃ）と、
前記気泡液と、前記限外濾過膜ユニットにより捕捉された濃縮廃液とを泡回収タンク内に集めて放置して発酵させ、養殖廃水を生成するステップ（Ｄ）と、
もう一つの前記円形平板限外濾過膜ユニット内で前記養殖廃水に対して１回目の膜濾過処理を行い、水中の粘液及び浮遊物質を前記限外濾過膜により捕捉し、濾過流体と混濁高たんぱく濃縮液とに分離するステップ（Ｅ）と、
前記混濁高たんぱく濃縮液を収集バケットへ排出し、植物工場の植物栽培床の肥料栄養剤又は生物餌培養液として用いるステップ（Ｆ）と、
前記限外濾過膜により透析された前記濾過流体をナノフィルターユニット内へポンピングして２回目の濾過膜処理を行い、ナノフィルターにより前記濾過流体中のアンモニア性窒素を除去し、アミノ酸を多く含むリサイクル水を得て、捕捉した液体を清澄高たんぱく濃縮液に生成し、水耕植物又は海草・シダ類培養液として用いるステップ（Ｇ）と、
前記ナノフィルターを介して生成されたリサイクル水を前記養殖タンク内へ還流させて再利用するステップ（Ｈ）と、を含むことを特徴とする水産養殖と植物栽培とを結合する方法。
前記ステップ（Ｃ）において、前記気泡発生ユニットが吸入する噴射気体内に含まれるオゾンにより、前記たんぱく質分離装置がアンモニア性窒素を除去する効率を高めることを特徴とする請求項１に記載の水産養殖と植物栽培とを結合する方法。
前記ステップ（Ｆ）において、前記混濁高たんぱく濃縮液に淡水を加えて希釈することを特徴とする請求項１に記載の水産養殖と植物栽培とを結合する方法。
前記希釈した後の混濁高たんぱく濃縮液が前記植物栽培床へ供給されて吸収された後、前記栽培床から漏出流体が排出され、前記漏出流体が濾過された後、前記収集バケット内へ還流して再利用することを特徴とする請求項１に記載の水産養殖と植物栽培とを結合する方法。
前記ステップ（Ｇ）において、前記捕捉した清澄高たんぱく濃縮液内に淡水を加えて希釈することを特徴とする請求項１に記載の水産養殖と植物栽培とを結合する方法。
養殖タンク、ブロア、第１のポンプ、たんぱく質分離装置、泡回収タンク、複数の円形平板限外濾過膜ユニット、収集バケット、ナノフィルターユニット、リサイクル水タンク及び第２のポンプを備えるとともに、前記養殖タンクと植物工場との間に接続された水産養殖と植物栽培とを結合するシステムであって、
前記養殖タンクは、養殖水を収容し、
前記ブロアは、前記養殖タンク内に空気を入れ、前記養殖水に十分な溶存酸素量を維持し、
前記第１のポンプは、前記養殖水の液面に位置する溢水管と、前記養殖タンクの底部まで延びて前記溢水管と連通する汚水管と、を有し、
前記たんぱく質分離装置は、前記汚水管と連通する筒状タンクと、前記筒状タンク内に設置された気泡発生ユニットと、前記筒状タンクから前記養殖タンクまで延びる吐出管と、泡流出管と、を有し、前記気泡発生ユニットが噴射気体を吸入し、前記噴射気体を速やかに前記筒状タンク内の液体と気液混合されて大量の微細気泡が形成され、水中のたんぱく質、残り餌、排泄物及び大きめの分子コロイドが気泡表面に集まり、気泡液が浮上し、前記泡流出管から排出され、気泡が分離界面へ達した液体が下方へ流動し、前記吐出管から前記養殖タンクへ還流し、
前記泡回収タンクは、前記泡流出管から排出された気泡液を受け、放置した後に養殖廃水が生成され、
前記円形平板限外濾過膜ユニットは、その中に前記養殖廃水がポンピングされ、前記複数の限外濾過膜ユニットが等間隔で垂直に配列された前記限外濾過膜を有し、水圧が作用すると前記限外濾過膜により水中の粘液及び浮遊物質が捕捉され、濾過流体と混濁高たんぱく濃縮液とに分離され、
前記収集バケットは、前記混濁高たんぱく濃縮液を受け、植物工場の植物栽培床の肥料栄養剤又は生物餌培養液として用い、
前記ナノフィルターユニットは、前記限外濾過膜ユニットの一側へ接続され、前記ナノフィルターユニット内へ前記濾過流体をポンピングし、前記ナノフィルターにより前記濾過流体中のアンモニア性窒素を除去し、アミノ酸を多く含むリサイクル水を得て、捕捉された液体が清澄高たんぱく濃縮液に生成され、
前記リサイクル水タンクは、前記ナノフィルターユニットにより生成されたリサイクル水を受け、
前記第２のポンプは、前記リサイクル水をポンピングして前記養殖タンク内へ還流させて再利用することを特徴とする水産養殖と植物栽培とを結合するシステム。
前記限外濾過膜ユニットは２つであり、
一方の前記限外濾過膜ユニットは、前記養殖タンクと前記第２のポンプとの間に接続され、直接的に前記養殖タンク内の養殖水に対して膜濾過して循環水を生成し、他方の前記限外濾過膜ユニットは、前記泡回収タンクと前記ナノフィルターユニットとの間に接続されることを特徴とする請求項６に記載の水産養殖と植物栽培とを結合するシステム。