JP2024157354A - 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
The present invention provides an aquaponics system and a method for cultivating marine products and agricultural products, which can reduce the size of a biological filtration device, increase the nitrogen source for agricultural crops, and minimize the need for new water supply by minimizing backwashing and other operations.
[Solution] In an aquaponics system 1 that is equipped with an aquaculture tank 2 for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section 3 for cultivating agricultural crops by hydroponics, and that produces both marine and agricultural products by circulating circulating water within the system, the hydroponic cultivation section 3 is provided downstream of the flow of the circulating water in the aquaculture tank 2 and directly connected to it, and water containing feces, urine, and residual feed is continuously supplied from the aquaculture tank 2 for a predetermined period of time, causing naturally occurring organic matter decomposing microorganisms to proliferate in the hydroponic cultivation section 3, forming a plant rhizosphere.
[Selected Figure] 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, aquaponics systems have been known in which ammonia and nitrite derived from the excrement and leftover food of aquatic organisms are nitrified by microorganisms into nitrate, which is less toxic to fish, while agricultural products that can be used as fertilizer (mainly nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K)) are grown in parallel, producing both marine and agricultural products.
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, Patent Document 1 discloses a media bed for a hydroponic cultivation section of an aquaponics system in which aquatic organisms are cultivated in the aquaculture section and agricultural products are cultivated in the hydroponic cultivation section, the media bed having a purification tank for purifying water supplied from the aquaculture section, a solution intermittent device for discharging water until the vertical water level in the media bed reaches a second water level when the water level reaches a first water level, and a cultivation section including a water-absorbent sheet, a root-permeable sheet, and a culture medium from the vertically lower side, the first water level being set at the position of the water-absorbent sheet (see claim 1 of Patent Document 1, paragraphs [0018] to [0095] of the specification, and Figures 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）。
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 purifying the media bed for the hydroponic cultivation section through physical filtration and biological filtration (see paragraph [0030] of Patent Document 1, etc.). Also, 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), conventional aquaponics systems work by oxidizing almost 100% of the nitrogen contained in feces and leftover feed from the aquaculture tank (mainly ammonia nitrogen, NH4 + ) using nitrate bacteria in the direct biological filtration device to nitrate nitrogen ( NO3- ) , and then the plants in the hydroponic cultivation section absorb the nitrate nitrogen as a nitrogen source.As a result, the size of the biological filtration device (biological purification unit) is currently about 2 to 3 times larger than the capacity of the aquaculture tank, and there is a problem that frequent physical purification processes such as backwashing are required to prevent the system from becoming clogged with floating matter during use.
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。 In addition, in order to reduce the burden on the biological purification unit and make the biological filtration device smaller, a physical filtration device has been installed as shown in Figure 9 (b). However, even if the biological filtration device can be made small-scale, a separate physical filtration device is still required, which does not lead to a smaller device overall, and there is also the problem that the physical filtration device also requires purification processing.
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）。 Patent Document 3 also discloses a hydroponic and land-based aquaculture device and water quality management method that reuses closed circulation breeding water, without discarding any of it, in a manner similar to organic hydroponic cultivation that is safe for food (see paragraphs [0005] to [0023] of the specification of Patent Document 3, Figure 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 and land-based aquaculture equipment and water quality management method described in Patent Document 3 are not specifically described, and it is unclear how it is possible to reuse the closed circulation type breeding water like in hydroponic cultivation without discarding any of it.
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。 In addition, as shown in Figure 9, in conventional aquaponics systems, the only nitrogen source for crops grown hydroponically is NO 3 - . It is known that if crops that have absorbed NO 3 - are ingested by the human body, they will turn into harmful substances called nitroamines, which are carcinogenic. Therefore, there is also the problem that care must be taken to ensure that the NO 3 - concentration does not become too high in edible leaves of crops, especially leafy vegetables.
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。 Furthermore, ideally, water should only be supplied to an aquaponics system at the beginning, and only the amount of water that evaporates (about 10% of the total annual water volume) should be replenished. However, in conventional aquaponics systems, in addition to the water that evaporates, total solids (TS) accumulate, and the accumulated solids and organic matter must be removed. Furthermore, the water purification capacity of the biological filtration tank alone is insufficient, and backwashing and other procedures must be carried out in conjunction with physical filtration, meaning that more than 100% of the water is currently being 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。 The present invention was conceived in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an aquaponics system that can reduce the size of the biological filtration device, increase the nitrogen source for agricultural crops, and minimize the need for backwashing and other tasks, thereby minimizing 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て直接接続し、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いることを特徴とする。 The aquaponics system according to claim 1 is an aquaponics system that includes an aquaculture tank for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section for cultivating agricultural products by hydroponics, and produces both marine and agricultural products by circulating circulating water within the system, characterized in that the hydroponic cultivation section is provided downstream of the direction of flow of the circulating water in the aquaculture tank and directly connected to it, water containing feces and urine and residual food is continuously supplied from the aquaculture tank for a predetermined period of time, and organic matter decomposing microorganisms present in nature are proliferated in the hydroponic cultivation section to form a plant rhizosphere.
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
請求項３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 claim 3 is the aquaponics system according to claim 1, characterized in that the culture tanks are provided in multiple levels, one above the other, and different aquatic organisms are cultured in each level.
請求項４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、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、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ことを特徴とする。 The aquaponics system according to claim 4 is the aquaponics system according to claim 1, further comprising a biological filtration device that decomposes and purifies organic nitrogen with nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria, and the biological filtration device decomposes and purifies organic nitrogen using an entrapping immobilization carrier immobilized with a polymer after attaching nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria to powdered activated carbon particles.
請求項５に係るアクアポニックスシステムは、請求項４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 of
請求項６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、前記水耕栽培部の循環水が流れる方向の上流にｐＨ調整を行う調整槽をさらに備え、前記調整槽は、前記水耕栽培部で栽培する農産物に応じてｐＨ調整を行うことを特徴とする。 The aquaponics system of claim 6 is the aquaponics system of claim 1, further comprising an adjustment tank for adjusting pH upstream of the direction in which the circulating water of the hydroponic cultivation section flows, and the adjustment tank adjusts pH according to the agricultural products cultivated in the hydroponic cultivation section.
請求項７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、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と、前記物理ろ過装置でこし取った固形物を逆洗洗浄で洗い流した排水の有機物を嫌気性微生物で分解する嫌気槽をさらに備えていることを特徴とする。 The aquaponics system according to claim 7 is the aquaponics system according to claim 1, further comprising a physical filtration device that physically filters solid matter by filtering it out with a filter medium or filter, and an anaerobic tank that uses anaerobic microorganisms to decompose organic matter in the wastewater that has been washed away by backwashing the solid matter filtered out by the physical filtration device.
請求項８に係るアクアポニックスシステムは、請求項７に係るアクアポニックスシステムにおいて、好気性グラニュール汚泥を備えた浄化槽を備え、前記浄化槽では、逆洗洗浄で発生する固形物を含む廃水を浄化処理して循環水として再利用することを特徴とする。 The aquaponics system according to claim 8 is the aquaponics system according to claim 7, further comprising a septic tank containing aerobic granular sludge, and the septic tank purifies wastewater containing solids generated during backwashing and reuses it as circulating water.
請求項９に係るアクアポニックスシステムは、請求項８に係るアクアポニックスシステムにおいて、前記浄化槽は、好気性グラニュール汚泥に加え、電極版を備え、微生物燃料電池による生物処理及び電気化学処理を行うことを特徴とする。 The aquaponics system of claim 9 is the aquaponics system of claim 8, characterized in that the septic tank is equipped with an electrode plate in addition to aerobic granular sludge, and biological and electrochemical treatments are performed using a microbial fuel cell.
請求項１～９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 inventions of claims 1 to 9, a plant root zone is formed, which can replace the functions of a physical filtration device or a biological filtration device. Therefore, by making the biological filtration device or the physical filtration device smaller and reducing the size of the entire system, it is possible to improve the aquatic organism cultivation efficiency and agricultural product cultivation efficiency per site area of the system.
また、請求項１～９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。 Furthermore, according to the inventions of claims 1 to 9, unlike conventional aquaponics systems, the nitrogen source for crops grown hydroponically is mainly ammonia nitrogen NH4 +, so there is little risk of high concentrations of nitrate nitrogen NO3- in edible leaves, and there is also little risk of it being converted into nitroamines, which are carcinogenic substances, in the human body.
その上、請求項１～９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。 In addition, according to the inventions of claims 1 to 9, there is no need to install a physical filtration device, so there is no need to remove solid matter by backwashing or the like, and it is sufficient to replenish the circulating water with the amount of water that evaporates.
特に、請求項２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 of
特に、請求項３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 of claim 3, by providing multiple aquaculture tanks, it becomes possible to cultivate multiple types of aquatic organisms that are difficult to cultivate in the same aquaculture tank, and by providing multiple levels of aquaculture tanks one above the other, the aquaculture space can be reduced, improving the production efficiency of marine products per site area.
特に、請求項４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。 In particular, according to the invention of claim 4, the organic nitrogen is decomposed and purified by the entrapment immobilization carrier of the biological filtration device, so that a high-density microbial community of slow-growing nitrifying bacteria and denitrifying bacteria can be cultivated quickly, and the aquaponics system can be operated stably even under conditions of low concentrations (about 1 mg/L) of ammonia nitrogen.
特に、請求項５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 of
特に、請求項６に係る発明によれば、調整槽により水耕栽培部で栽培する農産物に応じてｐＨ調整を行うことができ、多種多様な農産物を生産することができる。 In particular, according to the invention of claim 6, the pH can be adjusted in the adjustment tank according to the agricultural products cultivated in the hydroponic cultivation section, making it possible to produce a wide variety of agricultural products.
特に、請求項７に係る発明によれば、物理ろ過装置と嫌気槽を備えているので、循環水の固形物をろ過できるとともに、嫌気槽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ことができる。また、嫌気槽の沈殿物は、水耕栽培部で栽培されている農作物の肥料として再利用することができる。 In particular, according to the invention of claim 7, since it is equipped with a physical filtration device and an anaerobic tank, it is possible to filter out solid matter from the circulating water, and the anaerobic microorganisms in the anaerobic tank can decompose organic matter to produce products such as methane gas and carbon dioxide. In addition, the sediment in the anaerobic tank can be reused as fertilizer for the crops grown in the hydroponic cultivation section.
特に、請求項８に係る発明によれば、好気性グラニュール汚泥を備えた浄化槽を備えるので、逆洗洗浄で発生する固形物（汚泥）を含む廃水を、浄化槽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。 In particular, according to the invention of claim 8, a septic tank containing aerobic granular sludge is provided, so that wastewater containing solids (sludge) generated during backwashing can be purified in the septic tank to a water quality level and reused as circulating water.
特に、請求項９に係る発明によれば、浄化槽は、好気性グラニュール汚泥に加え、電極版を備え、微生物燃料電池による生物処理及び電気化学処理を行うので、廃水に含まれる窒素及びリンをさらに効率よく除去することができる。 In particular, according to the invention of claim 9, the septic tank is equipped with an electrode plate in addition to the aerobic granular sludge, and biological and electrochemical treatments are carried out using a microbial fuel cell, so that nitrogen and phosphorus contained in the wastewater can be removed even more efficiently.
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。 Below, 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 the first embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1 to 4. As shown in Fig. 1, the aquaponics system 1 according to this 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。
(Farming tank)
The
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。
In addition, in the past, 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, by supplying oxygen micro-nano bubbles to 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, micro-nano bubbles refer to tiny bubbles of several tens of nanometers to the micron order (1-100 μm). Examples of methods for generating oxygen micro-nano bubbles include the "swirl flow method" in which oxygen gas is mixed with water and swirled at high speed to create oxygen bubbles, the "pressure dissolution method" in which oxygen gas is pressurized, dissolved in water, and then suddenly released to create oxygen bubbles, the "micropore method" in which oxygen gas is pressurized and passed through a micropore such as an orifice to create oxygen bubbles, and the "ultrasonic method" in which ultrasonic cavitation is used to expand the oxygen gas in water to create oxygen bubbles. However, the method for generating oxygen nanobubble water is not particularly limited, and any method that can generate micro-nano bubble water containing fine oxygen gas of the micron order (1-100 μm) can be used.
（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。
(Hydroponics Department)
The hydroponic cultivation section 3 is a section for cultivating crops by media culture method, more specifically, DWC (Deep Water 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, as shown in Fig. 2. Fig. 2 is a schematic diagram showing the situation in which leafy vegetables cultivated 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, and can also include the aeroponics method, in which a mist of water is sprayed into the air to provide the roots with the moisture and nutrients they need; the deep water culture (DWC) method, in which an aeration device is installed at the bottom of a tank in which the roots are immersed, to supply oxygen while the roots are immersed; the drip system method, in which water drips from the base to provide the roots with the moisture and nutrients they need; and the nutrient film technique (NFT) method, in which a plant is placed on a sloping board and a thin film of water is poured in to provide the roots with the moisture and nutrients they need.
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 greatest feature of the aquaponics system 1 according to the embodiment of the present invention is that, unlike conventional aquaponics systems, water is allowed to flow directly 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 root zone is achieved by continuously supplying water containing excrement and residual food for a set period of one to three months, and by adjusting the water temperature and pH value appropriately, allowing naturally occurring organic matter decomposing microorganisms to proliferate in the 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 of the direction of the flow of the circulating water in 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。 As shown in Figure 2, crops such as leafy vegetables grown hydroponically are harvested by removing them from one end of each rod of the media bed, and the seedlings planted in one rod of the media bed are added and replaced from the other end. By periodically harvesting and replacing the crops in this way, it is possible to prevent the proliferation of harmful microorganisms and maintain a stable ecosystem of organic matter decomposing microorganisms. It is also possible to harvest and ship a consistent amount of crops all year round, 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。
In addition, as described above, in the aquaponics system 1, oxygen micro-nano bubbles are supplied to the circulating water by 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 water quality circulating in the aquaponics system 1, and has the function of decomposing organic matter and nitrogen compounds using microorganisms attached to a carrier or filter medium. This biological filtration device 4 is preferably a small-scale unit-type assembly that can be easily removed and changed depending on the number of aquatic organisms such as fish and shellfish to be bred and the growth balance.
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 microbial group of slow-growing nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, an entrapping immobilization method is applied to generate an entrapping immobilization carrier, in which microorganisms are attached to a carrier and then wrapped in a porous material to immobilize them. Specifically, in the biological filtration device 4 according to this embodiment, nitrifying bacteria and denitrifying bacteria are attached to powdered activated carbon particles, and then immobilized with a polymer polymer to form cubic pellets of average size 3 mm x 3 mm x 3 mm. The entrapping immobilization carrier (microbial activated carbon immobilization carrier) in which a high-density microbial group is immobilized is used to decompose organic matter and nitrogen compounds. Here, high density (high concentration) refers to a microbial group of approximately 2,000 to 30,000 mg/L. This microbial concentration is measured using the concentration of MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids). By using a three-phase flow biological purification unit that uses immobilized carriers of microorganisms (mainly nitrifying and denitrifying bacteria), it is now 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。 The microbial immobilization carriers used in conventional biological filtration devices using the bond immobilization method, etc., are suitable for treating water containing high concentrations (approximately 100 to 600 mg/L) of ammonia nitrogen, but as shown in Table 1 below, there was a problem that they could not be used for water containing very low concentrations (approximately 1 mg/L) of ammonia nitrogen, as the aquaponics system 1 becomes unstable due to a lack of the nitrogen source necessary for microbial growth.
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。 In contrast, the biological filtration device 4 breaks down nitrogen compounds using an entrapment immobilization carrier (microbial activated carbon immobilization carrier) in which a high-density group of microorganisms is immobilized. This allows the aquaponics system 1 to be operated stably not only under conditions of high concentrations of ammonia nitrogen (approximately 100 to 600 mg/L), but also under conditions of low concentrations of ammonia nitrogen (approximately 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 decomposes the very low concentration of residual ammonia nitrogen (NH 4 + -N: approximately 1 mg/L or less) that could not be completely processed in the plant root zone of the hydroponic cultivation section 3 described above into NO 3 - , while the nitrifying bacteria and other microorganisms themselves absorb NH 4 + and NO 3 - as well as ions such as PO 4 - , K + , Ca 2+ and SO 4 - as nutrients necessary for their growth. Therefore, in the aquaponics system 1, water that has been purified to a neutral pH level (similar to tap water or groundwater) is returned 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。
The biological filtration device 4 can also be installed in 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。
(Disinfection equipment)
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。
(Adjusting tank)
The adjustment tank 6 functions as a sump tank, automatically adjusting the pH value and water temperature within the tank, and also functions as a sedimentation tank to remove suspended matter and fine particles from the water. As described 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)
As shown in FIG. 3, the aquaponics system 1' according to the first modification is provided with a physical filtration device 7 that physically filters the circulating water by filtering solids with a filter or a filter downstream of the biological filtration device 4 in the direction of flow of the circulating water. This physical filtration device 7 has the function of suppressing the proliferation of microorganisms in the water and maintaining good water quality of the circulating water by removing suspended matter and fine particles in the water with a filter or a bottom bed such as shells, crab shells, or sand, and a fine fiber filter such as polyester fiber. In particular, in the case of aquaponics plants in large-scale agricultural facilities, there are cases where the hydroponic cultivation section 3 and the biological filtration device 4 cannot completely process the water, and it is desirable to filter the solids and the like by filtering out dirt, pigments, and turbidity with a filter or a bottom bed using the physical filtration device 7.
（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 solid matter filtered by the physical filtration device 7 is 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 the organic matter to produce products such as methane gas and carbon dioxide. In addition, after decomposition, a sediment is generated in the anaerobic tank 8, and this sediment contains sludge containing excrement and dead bodies of the microorganisms in the water. This sediment containing sludge is reused as fertilizer for the crops cultivated 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 root system is created in the hydroponic cultivation section 3, and the plant root system can replace approximately 70% of the physical and biological purification processes, reducing the need for conventional physical filtration devices and biological filtration. Therefore, by reducing the size of the biological filtration device and physical filtration device of the conventional aquaponics system and reducing the size of the entire system, the cultivation efficiency of aquatic organisms and the cultivation efficiency of agricultural products per site area of the system can be improved.
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, in the aquaponics system 1 and the aquaponics system 1', unlike conventional aquaponics systems, the nitrogen source for crops grown hydroponically is mainly ammonia nitrogen NH4 + as shown in Fig. 1, so there is little risk of nitrate nitrogen NO3- concentration becoming high in edible leaves and there is also little risk of it turning into nitroamine, a carcinogenic substance, in the human body. In addition, because crops selectively absorb a good balance (NO3-:NH4+ = 50 mg / L : 0.1 to 1.5 mg/ L ) from the nitrogen sources of ammonia nitrogen NH4 + and nitrate nitrogen NO3- , a wide variety of crops can be grown.
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。 In addition, with aquaponics system 1, there is no need to install a physical filter 7, so there is no need to remove solidified matter by backwashing or the like, and it is sufficient to replenish the amount of water that evaporates into the circulating water. Even if a physical filter 7 is installed, as in aquaponics system 1', water can be efficiently purified by the plant root zone and biological filter 4, so the amount of water lost is minimized.
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', since 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 attaching nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria to powdered activated carbon particles, the organic nitrogen is decomposed and purified by the entrapping immobilization carrier immobilized with a high molecular weight polymer, so that a high-density microbial group of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria, which have a slow growth rate, can be cultivated quickly, and the aquaponics system 1 can be operated stably even under conditions of low concentration (about 1 mg/L) of ammonia nitrogen, and almost 100% of the ammonia nitrogen and nitrite nitrogen that could not be completely processed in the plant root zone 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 being cultivated in the hydroponic cultivation section 3, so that the pH value of the water can be adjusted to an optimum value according to the plant being cultivated, 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 with reference to Fig. 4. The aquaponics system 10 according to this embodiment differs from the aquaponics system 1' according to the above-mentioned modified example 1 mainly in that a septic tank 9 using a sequencing batch reactor (SBR) method equipped with aerobic granular sludge (AGS) is provided, so this point will be described, and the same components will be given the same reference numerals and will not be described. Fig. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the aquaponics system according to the 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 amount of wastewater containing solids (sludge) generated by the backwash cleaning of the physical filtration device 7 described above varies depending on the size of the filtration tank of the physical filtration device. The amount of wastewater generated by the backwash cleaning is about 50% of the total volume of water in the filtration tank. Therefore, in the aquaponics system 10, by providing a septic tank 9 using the SBR method equipped with aerobic granular sludge (AGS), the wastewater containing solids (sludge) generated by the backwash cleaning is purified to a water level in the septic tank 9 as shown in Figure 4 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 is equipped with aerobic granular sludge (AGS). Granular sludge is a self-granulated sludge formed by bacteria attaching and aggregating to each other at high density using a polymer (EPS) produced outside the cells as a foothold, rather than a carrier. Granular sludge is generally anaerobic granular sludge, but aerobic microorganisms also form granular sludge. Furthermore, aerobic granular sludge may be combined with an electrode plate, i.e., a microbial fuel cell (MFC) that combines biological treatment and electrochemical treatment. Titanium and/or nickel, i.e., either or both of titanium and nickel, are used for the electrode plate (hereinafter, and/or refers to either 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。 Fig. 6 shows a bar graph comparing the removal rate of each water purification item by the biological treatment of this aerobic granulated sludge (AGS) with the removal rate of each water purification item by the microbial fuel cell combining the aerobic granulated sludge (AGS) and the electrode plate. As shown in Fig. 6, ammonia nitrogen ( NH4 -N), nitrite nitrogen ( NO2 -N), and total solids (TS: Total Solids) were 100% removed by both the biological treatment of the aerobic granulated sludge (AGS) and the biological/electrochemical treatment by the microbial fuel cell combining the aerobic granulated sludge (AGS) and the electrode plate. On the other hand, the removal rate of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) was about 4% higher by the biological/electrochemical treatment by the microbial fuel cell than by the biological treatment of the aerobic granulated sludge (AGS) alone.
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, nitrite, solids, nitrogen, and phosphorus from the wastewater, including the solids (sludge) generated during backwashing, and purifies the water to a level suitable for use as water. 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。 In addition, the sediment generated in the anaerobic tank 8 of the aquaponics system 10 is reused as fertilizer for the crops being cultivated in the hydroponic cultivation section 3, just like in 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 the microalgae. The microalgae absorb carbon dioxide through photosynthesis and are used to produce organic matter, etc. Furthermore, the microalgae are introduced 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 with reference to 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 in that the biological filtration device 4 and the sterilization and
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 is returned 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, the 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 a unit type, and the
［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 with reference to Fig. 7. The aquaponics system 12 according to this embodiment differs from the aquaponics system 1 according to the first embodiment 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 cultivated 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。
In the aquaponics system 12 according to the fourth embodiment, similar to the aquaponics system 1, water containing solids (organic matter) such as waste containing intestinal 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。
In addition, 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。
Figure 8 is a schematic diagram showing the configuration of an aquaponics system 13 according to a modified example of the fourth embodiment of the present invention. The aquaponics system 13 differs from the aquaponics system 12 in that a biological filtration device 4 and a sterilization and
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
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) of the embodiments of the present invention described above, in addition to the above-mentioned effects, the SBR method septic tank equipped with aerobic granular sludge (AGS) can purify wastewater containing solids (sludge) generated by backwashing in the septic tank 9 to a water level suitable for use, and reuse it as circulating water. Therefore, all water other than water that evaporates and water absorbed by plants, etc. in an artificial environment that is approximately similar to the natural environment 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。 According to the aquaponics systems 1 to 13 of the embodiments of the present invention, the nitrogen sources (NH 4 + and NO 3 - ) required by each plant are selectively absorbed as nutrients, and therefore, more plants have been successfully cultivated than in conventional aquaponics systems. Conventional systems allow for the cultivation of mainly leafy vegetables, but the aquaponics systems 1, 1', 10, and 11 of the embodiments of the present invention allow for the cultivation of strawberries, melons, cucumbers, and other plants that preferentially absorb NH 4 + by adding extra nutrients. When ammonium ions (NH 4 + ) and nitrate ions (NO 3 - ) are mixed, most plants preferentially use NH 4 + .
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。 In addition, because plant roots are negatively charged, NH 4 + tends to be attracted to the roots, but both ions are taken up into the roots via transporters on the plasma membrane. NO 3 - absorbed by plants is reduced to NH 4 + before being assimilated, whereas NH 4 + is assimilated as it is if 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。 Both types of nitrogen have 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 in equal concentrations, the property of which one is absorbed preferentially varies depending on the type of plant (vegetable or fruit). Plants that preferentially absorb NH 4 + regardless of the culture solution include lettuce, strawberries, celery, melon, Japanese parsley, cucumber, mitsuba, and crown chrysanthemum.
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。 Also, plants that preferentially absorb NH4 + when the pH is high and absorb NO3- and NH4 + almost equally when the pH is low include edamame and eggplant. Spinach and Chinese cabbage preferentially absorb NO3- regardless of the pH of the culture solution. On the other hand, bell peppers preferentially absorb NO3- when the pH is low and NH4+ 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 susceptible to inhibition by NH 4 + , while vegetables that are easily harmed by NH 4 + tend to preferentially absorb NO 3 - . In other words, it is known that the growth of vegetables is often better when NH 4 + and NO 3 - are used in combination than when NO 3 - is used alone (All about Solution Cultivation, 2014). For example, in the case of hydroponic liquid fertilizer cultivation in a plant factory, it has been revealed that, as long as the NH 4 + concentration is not too high, the growth of vegetables is better when NH 4 + and NO 3 - are used in combination than when the same concentration of nitrogen is given only with NO 3 - . Incidentally, 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。 Aquaponics systems 1, 1', 10, 11, 12, and 13 according to the embodiments of the present invention have been described in detail above, but each of the embodiments described above and illustrated in the drawings merely shows one embodiment realized in carrying out the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be interpreted in a limiting manner based on 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 device 6: Adjustment tank 7: Physical filtration device 8: Anaerobic tank 9: Septic tank
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て直接接続し、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、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包括固定化担体により、有機窒素を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 is an aquaponics system that includes an aquaculture tank for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section for cultivating agricultural crops by hydroponics, and produces both marine products and agricultural products by circulating circulating water within the system, the hydroponic cultivation section is provided downstream of the direction in which the circulating water of the aquaculture tank flows and is directly connected to the aquaculture tank, water containing feces and residual food is continuously supplied from the aquaculture tank for a predetermined period of time, organic matter decomposing microorganisms present in nature are proliferated in the hydroponic cultivation section to form a plant rhizosphere, and the aquaponic cultivation system further includes a biological filtration device that decomposes and purifies organic nitrogen with nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria, and the biological filtration device decomposes and purifies organic nitrogen using an entrapping immobilization carrier in which nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria are immobilized by a polymer .
The aquaponics system according to
The aquaponics system of claim 3 is the aquaponics system of
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 characterized in that, in 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。 An aquaponics system according to a sixth aspect of the present invention is the aquaponics system according to the first or second aspect, characterized in that the biological filtration device is provided within the aquaculture tank.
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 of claims 1 to 6 , a plant root zone is formed, which can replace the functions of a physical filtration device or a biological filtration device. Therefore, by making the biological filtration device or the physical filtration device smaller and reducing the size of the entire system, the aquaculture efficiency of aquatic organisms and the cultivation efficiency of agricultural products per site area of the system can be improved.
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。 Furthermore, according to the inventions of claims 1 to 6 , unlike conventional aquaponics systems, the nitrogen source for crops grown hydroponically is mainly ammonia nitrogen NH4 +, so there is little risk of high concentrations of nitrate nitrogen NO3- in edible leaves, and there is also little risk of it being converted into nitroamines, 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 of claims 1 to 6 , since there is no need to provide a physical filtration device, there is no need to remove solid matter by backwashing or the like, and it is sufficient to replenish the amount of water that evaporates into the circulating water.
In addition, according to the inventions of claims 1 to 6, the organic nitrogen is decomposed and purified by the entrapment immobilization carrier of the biological filtration device, so that a high-density microbial population of slow-growing nitrifying bacteria and denitrifying bacteria can be cultivated quickly, and the aquaponics system can be stably operated even under conditions of low concentrations (about 1 mg/L) of ammonia nitrogen.
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 of claim 4 , since an MNB generator is installed in the aquaculture tank, more oxygen can be dissolved in the circulating water compared to the supply of oxygen by a conventional air pump. Therefore, the dissolved oxygen in the circulating water increases, and more marine and agricultural products can be produced. In addition, since the water in the aquaculture tank can be stirred by the pressure of the MNB generator without aeration, aeration facilities are not required, and the costs of piping, pumps, aeration, electricity, etc. that were previously required can be reduced.
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 of
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 of claim 6 , since the biological filtration device is installed inside the aquaculture tank, the capacity of the biological filtration device can be appropriately changed depending on the area of the aquarium and the number and growth balance of aquatic organisms being bred, enabling stable operation of the aquaponics system in accordance with the number and growth of organisms being bred.
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 is an aquaponics system that includes an aquaculture tank for cultivating aquatic organisms and a hydroponic cultivation section for cultivating agricultural products by hydroponics, and produces both marine products and agricultural products by circulating circulating water within the system, the hydroponic cultivation section being provided downstream in the direction of flow of the circulating water in the aquaculture tank, and no biological filtration device being provided in the flow path between the aquaculture tank and the hydroponic cultivation section, and water containing solids such as excrement and residual food discharged by the aquatic organisms is connected so that it flows directly into the hydroponic cultivation section , and excrement and residual food are collected from the aquaculture tank for a predetermined period of time. The hydroponic cultivation section continues to supply water in a state in which organic matter-decomposing microorganisms present in nature are proliferated in the hydroponic cultivation section to form a plant rhizosphere, and the hydroponic cultivation section further includes a biological filtration device downstream in the direction in which the circulating water flows, which decomposes and purifies the organic nitrogen in the circulating water using nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria, and the biological filtration device is characterized in that it absorbs ions such as PO4-, K +, Ca2+ , and SO4- necessary for the growth of nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria from the circulating water that has passed through the plant rhizosphere , while further decomposing and purifying the remaining ammonia nitrogen at a low concentration of about 1 mg/ L or less that was not completely processed in the plant rhizosphere, using an entrapment immobilization carrier consisting of a high - density microbial group having a concentration of 2,000 to 30,000 mg/L measured using MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids) in which nitrifying bacteria and/ or denitrifying bacteria are immobilized using a polymer.
The aquaponics system according to
The aquaponics system of claim 3 is the aquaponics system of
Claims (9)
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て直接接続し、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いること
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 agricultural products by hydroponic cultivation, and produces both aquatic products and agricultural products by circulating circulating water within the system,
The hydroponic cultivation section is provided downstream in the direction of flow of the circulating water of the aquaculture tank and directly connected thereto, and water containing feces and residual food is continuously supplied from the aquaculture tank for a predetermined period of time, so that organic matter decomposing microorganisms present in nature are proliferated in the hydroponic cultivation section to form a 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 aquaponics system according to claim 1, wherein the aquaculture tank is provided with an MNB generator that generates oxygen micro-nano bubbles.
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 aquaponics system according to claim 1, wherein the culture tanks are provided in a plurality of levels, one above the other, and different aquatic organisms are cultured in each level.
前記生物ろ過装置は、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により、有機窒素を分解して浄化すること
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。 Further provided is a biological filtration device that decomposes and purifies organic nitrogen using nitrifying bacteria and/or denitrifying bacteria;
The aquaponics system according to claim 1, characterized in that the biological filtration device decomposes and purifies organic nitrogen using 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.
を特徴とする請求項４に記載のアクアポニックスシステム。 The aquaponics system according to claim 4, wherein the biological filtration device is provided in the aquaculture tank.
前記調整槽は、前記水耕栽培部で栽培する農産物に応じてｐＨ調整を行うこと
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。 Further, an adjustment tank for adjusting pH is provided upstream of the direction in which the circulating water of the hydroponic cultivation section flows,
The aquaponics system according to claim 1 , wherein the adjustment tank adjusts pH according to the agricultural products cultivated in the hydroponic cultivation section.
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 aquaponics system according to claim 1, further comprising a physical filtration device that physically filters solid matter by filtering out solid matter with a filter medium or filter, and an anaerobic tank that uses anaerobic microorganisms to decompose organic matter in the wastewater that has been washed away by backwashing the solid matter filtered by the physical filtration device.
前記浄化槽では、逆洗洗浄で発生する固形物を含む廃水を浄化処理して循環水として再利用すること
を特徴とする請求項７に記載のアクアポニックスシステム。 Equipped with a septic tank equipped with aerobic granular sludge,
The aquaponics system according to claim 7, wherein in the septic tank, wastewater containing solids generated during backwashing is purified and reused as circulating water.
を特徴とする請求項８に記載のアクアポニックスシステム。 The aquaponics system according to claim 8, wherein the septic tank is provided with an electrode plate in addition to the aerobic granular sludge, and performs biological treatment and electrochemical treatment using a microbial fuel cell.
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