陸上型工業化循環水養殖システム (RAS) プロセスおよびパラメータ設計 (第3部): 水質パラメータ

再循環水質パラメータ

水質パラメータと設計基準は、再循環水処理システムの設計および運用管理の基礎となります。以下は、一般的に使用される参考図およびパラメータです。  エンジニアリングチーム :

1. 固形粒子除去システムの設計

総浮遊固体 (TSS) は、循環型水産養殖システム (RAS) における固体微粒子を測定するための一般的なパラメーターです。主にこれは、1単位の水における1マイクロメートルを超える粒子サイズを持つ全固体粒子の量を指します。循環水システムにおいて、TSSには魚のふん、残りエサ、生物絮状物（死んだ細菌と生きている細菌）などが含まれます。これらの浮遊粒子のサイズは、マイクロメートルからセンチメートルレベルまで大きく異なります。浮遊粒子は魚の健康や成長（特に冷水魚）に直接影響を与え、またバイオフィルターの負担を増加させる可能性があります。したがって、循環水内の浮遊粒子濃度を適切な範囲内に維持することが必要です。

EUの一部の国々の循環型水産養殖システム（RAS）においては、浮遊粒子状物質の管理が比較的厳格です。例えば、循環型水産養殖システム（RAS）に使用される水については、浮遊粒子状物質（総浮遊固体物質 TSSで測定）の濃度を通常15mg/L以下に抑えることが求められ、これにより良好な水質と生態環境が維持されます。

アメリカ合衆国でも、水産養殖や水処理分野において関連する水質規制があります。循環型水産養殖システム（RAS）では、濁度やその他の関連指標によって換算された浮遊粒子状物質の含有量にも一定の制限があります。浮遊粒子状物質の理想的な濃度範囲は約8-12 mg/Lであり、これは水生生物の生存と繁殖を確保するために用いられます。

中国の工場ベースの循環水養殖システム（RAS）の実際の運用では、一般的に懸濁粒子濃度（懸濁固体SS）を10mg/L以下に制御することが求められています。高品質な水が必要なサケなどの貴重な種の場合には、さらに5mg/L以下に制御する必要があります。

2. 溶解した汚染物質の除去パラメータ

水溶性物質には、無機物と有機物が含まれます。その中で、水溶性の有害物質としては主にアンモニア窒素（NH3-N）と亜硝酸窒素（NO2--N）があります。アンモニア窒素は魚の鰓や皮膚を通じて血液中に侵入し、正常な三羧酸サイクルを妨げ、浸透圧を変え、水中からの酸素吸収能力を低下させ、その結果として正常な成長や生存に影響を与えます。

循環型水産養殖システム（RAS）で一般的に使用される固定膜硝化バイオフィルターは、特定の生物充填材の表面に成長するアンモニア窒素変換細菌群です。アンモニア窒素は拡散によって固定バイオフィルムに移動し、変換されます。バイオフィルターのプロセス設計の主な目的は、フィルターに魚が排泄するアンモニア窒素を除去するのに十分な硝化細菌があり、養殖システム内のアンモニア窒素濃度を予定された範囲内に維持し、魚の安全と効果的な成長を確保することです。

2.1 アンモニア窒素 (NH₃-N) の管理

アンモニア窒素は、循環型水産養殖システム（RAS）における水中に溶け込んだ主要な汚染物質の一つです。これは主に養殖生物の排せつ物や残餌から発生します。アンモニア窒素の濃度が高いと、養殖生物に毒性をもたらし、その成長、免疫機能、繁殖能力に影響を与える可能性があります。バイオフィルターでは、アンモニア窒素の除去は主に硝化細菌などの微生物による硝化作用に依存しており、この過程でアンモニア窒素が亜硝酸塩および硝酸塩に変換されます。

バイオフィルターを設計する際には、硝化細菌が成長し繁殖するのに十分なスペースを確保するために、フィルター材の表面積と体積を考慮する必要があります。同時に、流入液中のアンモニア窒素負荷を管理し、過剰なアンモニア窒素濃度による生物フィルターへの影響を避ける必要があります。例えば、自動給餌機を使用して少量多食の給餌戦略を採用することで、流入液中のアンモニア窒素濃度を低下させることができます。養殖生物のアンモニア耐性と飼育密度に基づいて、バイオフィルターに許容されるアンモニア窒素濃度を決定します。一般的に、ほとんどの淡水養殖魚においては、総アンモニア窒素濃度を1mg/L以下に、非イオン性アンモニアは0.025mg/L以下に制御する必要があります。

2.2 ニトライト (NO₂⁻-N) の管理

亜硝酸塩は、循環型水産養殖システム（RAS）においても密接に監視すべき水質パラメーターの一つです。これはアンモニア窒素の硝化過程における中間生成物であり、水産養生物に対しても毒性があります。亜硝酸塩は養殖生物の血液における酸素輸送を妨げ、息切れ、浮頭、さらには死亡に至るような低酸素症状を引き起こします。

設計上、バイオフィルターが亜硝酸塩を硝酸塩にさらに効果的に変換できるよう確保する必要があります。これには、バイオフィルター内の脱窒細菌の活性を維持し、適切な溶解酸素などの適切な環境条件を与えることが必要です。一般的には、亜硝酸塩濃度を0.5mg/L以下に制御することが求められます。

2.3 海水養殖に関する考慮事項

海水の塩分濃度は比較的高く、ナトリウムイオン（Na ⁺ ）、塩素イオン（Cl ⁻ ）、マグネシウムイオン（Mg ² ⁺ ）、カルシウムイオン（Ca ² ⁺ など。海洋養殖生物は、長期間の高塩環境への適応を通じて、複雑なイオン調整システムを進化させました。亜硝酸が海洋生物に侵入すると、これらの生物は独自のイオン調整システムを利用して亜硝酸の生理的影響を部分的に和らげることができます。循環型養殖システム（RAS）では、塩素イオン（Cl -）が競合抑制によって亜硝酸（NO2-）の養殖生物に対する毒性を低減します。具体的には、塩素イオンと亜硝酸の両方が鰓蓋上の塩類細胞を通じて魚体に入る必要があります。塩素イオンの存在により、亜硝酸が魚体に入る難易度が上がり、その毒性が減少します。一般的に、水中の塩素イオン濃度が亜硝酸の6倍の場合、効果的に亜硝酸の毒性を抑制できます。淡水養殖に比べて、海水養殖では亜硝酸による毒性の危険が少なく、これは海水に含まれる塩素イオン濃度が高いことに起因しています。したがって、循環型養殖システム（RAS）においては、適切な塩分濃度を調整することで亜硝酸の毒性を効果的に低減し、養殖生物の健康と安全性を保護することができます。

3. 溶存酸素 (DO)

循環型水産養殖システム (RAS) では、溶存酸素 (DO) が重要な水質パラメーターです。魚や他の水中生物は、代謝活動を維持するために鰓呼吸を通じて水中から溶存酸素を取り込みます。多くの温帯魚の正常な成長に必要な溶存酸素濃度は通常、約5-8mg/Lです。溶存酸素濃度が臨界値以下になると、水中生物の呼吸が妨げられ、成長率が低下し、免疫力が下がり、病気にかかりやすくなります。例えば、溶存酸素が2mg/L未満の場合、多くの魚が浮上行動を示し、長期間低酸素状態にさらされると魚が死に至る可能性があります。

再循環型水産養殖システム（RAS）では、溶解酸素を8-10 mg/Lに保つことが推奨されています。より高い溶解酸素は、給餌量の増加と飼料効率の向上に有利です。

4. pH制御

再循環型水産養殖システム（RAS）において、魚にとって適切なpH範囲は通常7.0-8.5の間です。例えば、多くの淡水魚はpH7.2-7.8の環境でよく成長します。これは、このpH範囲内では魚の生理機能、例えば呼吸や浸透圧調節が比較的正常に行えるためです。気体交換は鰓を通じて行われ、水の適切な酸性またはアルカリ性は酸素と二酸化炭素の正常な交換プロセスを促進します。

南米白エビなどのエビの養殖において、適切なpH範囲は約7.8〜8.6です。これは、甲殻類の生理的構造と活動特性により、やや高いpH環境に適応しやすいからです。適切なpHは、エビの脱皮成長に有利です。

しかし、循環型水産養殖システム（RAS）の過程では、養殖が進むにつれてpH値が継続的に低下しますので、水のpH値を調整する必要があります。自動pH調整装置を使用し、pHセンサデータに基づいて水体のpH値を自動的に調整できます。