固体粒子除去プロセス（III）：プロセスパラメータ設計および実際のケーススタディ

（1）循環水システムにおける浮遊粒子除去プロセスの設計パラメータ

1. 垂直流沈殿槽のパラメータ設計

コーネル方式の二重排水システムは広く利用されており、実用上良好な成果を上げています。コーネル方式の二重排水システムを使用する養殖池では、水量の10～25％が底面排水管を通じて垂直流沈殿槽に流れ込み、残りの大部分の水は魚池の側面排水口から排出されます。二重排水構造を採用することで、垂直方向への緩やかな水流を通じて底面からの排水および汚染物質の回収能力が大幅に向上します。この低流量による方法では、従来の主流式測定・排水方法と比較して粒子状物質の濃度を10倍に高めることができます。

垂直流沈殿槽を通過する流量と側面排水部に入る流量の比率は、魚トイレ底部の下水パイプの断面積に基づいて計算できます。一般的に、側面排水部に入るパイプ径は110であり、垂直流沈殿槽に入るパイプ径は50であるため、その断面積の比率は5:1です。つまり、約17%の水が垂直流沈殿槽へ流れ込みます。垂直流沈殿槽へ流入する懸濁粒子の濃度は、側面排水部へ流入する濃度の10倍であることを考慮すると、この計算により、垂直流沈殿槽で処理される懸濁粒子の割合は約70％であると算出されます。具体的な使用においては、側面排水部に入るパイプ径と垂直流沈殿槽に入るパイプ径の比率を、対象となる養殖種や養殖密度に応じて調整することで、マイクロろ過機および垂直流沈殿槽に入る流量の比率をそれぞれ調整することが可能です。

垂直流沈殿槽の設計において重要な指標は、水力滞留時間です。水力滞留時間とは、水が垂直流沈殿槽内で平均して滞留する時間のことです。十分な水力滞留時間を持つことは、懸濁粒子が十分に沈殿するために必要な要因の一つです。この時間は沈殿槽の容積と処理水量に関係があります。再循環式養殖システムにおいては、垂直流沈殿槽の水力滞留時間が少なくとも30秒以上あることが推奨されます。水力滞留時間が短すぎると、懸濁粒子が沈む前に槽から流出してしまう可能性があり、一方で長すぎると装置のサイズやコストが増加します。

設計においては、一般的に経験則に基づいて設計を行います：

垂直流沈殿槽：6メートルの養殖池には直径600mmの垂直流沈殿槽を、8メートルの養殖池には直径800mmの垂直流沈殿槽を設置します。

垂直流沈殿槽の高さ：1メートル

テーパー：30度

垂直流沈殿槽をスマート垂直流沈殿槽にアップグレードする方法は？

従来の垂直流沈殿槽は、パイプを引き抜いて槽内の排水を行うしかない。通常、パイプを引き抜くと槽内の水が一度にすべて排出される。循環式水産養殖池の数が多いことから、手動作業は一日に1～2回程度しか行えないのが一般的である。しかし、垂直流沈殿槽内に残った餌や糞は約半時間かけてゆっくり崩れ、水中に溶ける浮遊粒子となり、さらに上昇して槽上部からあふれ出し、マイクロろ過機へと流れ込み、マイクロろ過機およびタンパク質分離装置の負荷を増加させることになる。

したがって、垂直流沈殿槽の排水管にスマート排水弁を設置し、毎時数秒間ずつ排水することで、少量多頻度の排水方式を採用することができます。これにより、残餌や糞便を kịp切に排出してマイクロフィルターおよびタンパク質分離装置の負荷を軽減できます。同時に、少量多頻度の排水方式は水の使用量を抑えることができ、水交換率を大幅に低下させることで、節水効果があるだけでなくエネルギー消費も抑えることができます。

排水弁を選ぶ際には、IP68防水等級の弁を選定しなければなりません。さもなくば弁が簡単に錆びつき故障を引き起こし、不要な損失を生じさせます。海水養殖の場合には、海水による腐食を防ぐためにUPVC材質のものを選ぶことが推奨されます。

バングバングは市場にスマート下水バルブを投入しました。これは垂直流沈殿槽専用に設計されたもので、UPVC素材で作られており、IP68の防水性能を備えています。また、IoT設計を採用し、インターネット接続機能を搭載しています。スマートフォンによる遠隔操作が可能で、一括計画制御も発行できるため、真の無人運転を実現します。バルブが閉じられなかった場合、電話によるアラーム通知が行われます。このバルブミニホストはモジュール式設計で、1台のホストが4つのバルブを同時に制御でき、クラウドネットワークとの連携も非常に簡単で設置が容易です。

伝統的な垂直流沈殿槽は、この装置を取り付けることにより本当にスマートな垂直流沈殿槽へとアップグレードされ、知能化・無人化運転を実現します。これにより水質改善だけでなく、節水・省電力も同時に達成できます。

2. マイクロフィルターのパラメータ設計

マイクロフィルターは30～100マイクロンの浮遊固体粒子を取り除くために使用されます。マイクロフィルターの処理能力とは、装置の水流量のことを指します。フィルターメッシュのサイズによって処理効果が決まり、通常200メッシュで十分です。では、マイクロフィルターのパラメータをどのように設計すべきでしょうか。

まず、実務での参考としてエンジニアの経験値をご説明します：

水流量 ＝ 養殖水量 ／ 循環回数 × 1.2

1.2は安全マージンであり、循環回数とは水を循環させるのに要する時間（時）のことです。循環回数は、飼育対象となる魚種や生物の収容能力に応じて決定されます。例えば、1000立方メートルの循環水でスズキを飼育する場合、循環時間を2時間に設定するのが最適です。したがって、マイクロフィルターの水流量は次のようになります：1000／2×1.2＝600トン

実際には、600トンのマイクロフィルターを1台設置するか、300トンのマイクロフィルターを2台設置することができます。2台のマイクロフィルターを設置する利点は、一方のマイクロフィルターが停止している間でも、もう一方が正常に作動し続けることができる点です。ただし、小型のマイクロフィルター2台の価格は、大型のマイクロフィルター1台の価格よりも高くなります。

3プロテインスキマーのパラメーター設計

プロテインスキマーは、30ミクロンより大きい浮遊粒子を処理するために使用されます。プロテインスキマーの処理能力とは、1時間あたりに通過する水量を指します。各プロテイン処理装置メーカーの機器には、1時間あたりに通過する水量が明記されています。例えば、1,000立方メートルの循環水槽でスズキを養殖する場合、システムの循環量は1時間あたり600トンになります。この場合、処理能力が1時間あたり600トンのプロテインスキマーを選択できます。

（2）、循環水システムの循環量を計算する

ここでは循環量に関する経験則について説明しました。次に、厳密な導出および計算方法について説明します。

まず、システム内で発生する浮遊固体（TSS）の量を算出する必要があります。これは次の式を使用して計算できます：

RTSS = 最大日間給餌量 × 0.25

次に、総浮遊粒子状物質（TSS）に基づいてシステムの循環率を計算します。使用する式は以下の通りです：

QTSS=

ただし、QTSSはTSSに基づいて算出されたシステム循環量で、単位はm³/h；

TSSinは循環水のTSS管理の目標値です;

TSSoutは養魚池排水におけるTSSの目標管理濃度で、単位はmg/L；

ETSSは物理ろ過プロセスでのTSS除去効率で、%表示；

1000は質量換算係数であり、mgをgに変換するものです。

三、 実際の導入事例

1,000立方メートルの海水魚循環式養殖用水槽を建設中のプロジェクトがあります。プロジェクト設計技術指標は以下の通りです：

飼育密度：50kg／立方メートル

日給餌率：2%

懸濁粒子システムの目標除去率は70％です

循環水のTSS管理目標値は：10mg/Lです

上記指標に基づき、循環水システムの循環量を算出します：

まず、毎日発生する懸濁性粒子の重量を計算しましょう：

RTSS = 0.25×最大一日給餌量 = 50×1000×2 ％×0.25= 250 kg/day

上記分析によると、垂直流沈降装置により、固体粒子（主に余剰餌料および糞便）の70％が排出され、懸濁粒子の30％のみが循環システムへ流入します

これに基づいて、循環水システムの循環量を計算します：

QTSS = = 600.96 m³/h

この計算結果より、養殖池におけるTSS濃度を10 mg/L以下に維持するために、懸濁粒子除去率52％の条件下で、約600m³/hの循環量を設計する必要があります

実際の運用では、これらのパラメーターに応じて再循環式水産養殖システム内の水循環を調整し、水質が養殖のニーズを満たすことを保証できます。例えば、TSS濃度が基準を超えた場合、次の2つの可能性が考えられます。

マイクロろ過およびタンパク質スキマー設備の処理能力が52％未満

垂直流沈殿槽の処理能力が70％未満