JP7770514B2 - 培養液の製造方法及び培養液製造装置、並びに培養液製造装置を含む栽培システム - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、重炭酸イオンを含む水から重炭酸イオンを除去する方法、その方法を含む窒素肥料、培養液の製造方法に関する。また、本発明の一実施形態は、重炭酸イオンを含む水を処理して培養液を製造する培養液製造装置、及びその培養液製造装置を含む栽培システムに関する。

植物の水耕栽培は、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、銅といった植物の育成に必須の元素を肥料として施用することが必要とされている。水耕栽培ではこれらの必須元素を含む化成肥料を水に溶かしたものを培養液として用いている。培養液の作製に使用される原水に重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が多く含まれる場合、培養液のｐＨを上昇させるため、煩雑なｐＨ調整や頻繁な培養液の交換が必要となる。そこで、原水のｐＨ値を調整するために前処理として硝酸やリン酸で中和して、重炭酸イオンの濃度を２０～５０ｐｐｍ程度まで低下させておくと良いとされている（非特許文献１、２参照）。

"ＶＩＩ 養液栽培における肥料と養液管理"、インターネット<http://www.pref.shizuoka.jp/sangyou/sa-325/hiryou/documents/sehi16-dai3bu7.pdf> "養液栽培の計算方法"、インターネット<https://www.kaneyama.co.jp/image/technical_data/technical_sheet_04.pdf>

水耕栽培において、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム、水等に含まれる重炭酸イオンは、ｐＨ値を上昇させるばかりでなく、培養液に含まれるカルシウムイオン等の陽イオンと結合して析出し、培養液の水槽や水路の中での沈着、肥効率の低下、培養液の品質低下、開口部及び配管の目詰まりや閉塞、管理コストの増加の原因となるため前処理が必要とされている。

従来技術のように、前処理として原水に硝酸やリン酸を添加した場合には、添加された硝酸やリン酸塩の分を差し引いて肥料成分の調製をしなければならず複雑な肥料計算が必要となる。

このような問題に鑑み、本発明の一実施形態は、重炭酸イオンを含む水から重炭酸イオンを除去する方法を提供することを目的とする。また、本発明の一実施形態は、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム等の炭酸塩を培養液に使用する場合に、培養液の製造に用いる水に重炭酸イオンが含まれていても培養液中に析出物が生成されることを防ぎ、肥料調整の際に複雑な肥料計算を必要としない重炭酸イオンを含む水の処理方法および培養液の製造方法を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一実施形態は、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム等の炭酸塩を培養液に使用する場合に、培養液を製造する水に重炭酸イオンが含まれている場合でも析出物が生成されることを防ぐことのできる培養液の製造装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の一実施形態は、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム等の炭酸塩を培養液に使用する場合に、原水に重炭酸イオンが含まれていても析出物が生成されることを防ぎ、複雑な肥料計算を必要としない培養液の製造方法であって、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）及びアンモニアイオンを含む水を硝化させることで、アンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換することを含む。

本発明の一実施形態に係る重炭酸イオンを含む水の処理方法は、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれる水に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加し、硝化させることで、アンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換することを含む。

本発明の一実施形態は、炭酸アンモニウム、炭酸カリウム等の炭酸塩が添加された培養液、又は重炭酸イオンが含まれる水を硝化により処理した水（処理水）のｐＨ値を測定し、培養液又は処理水のｐＨ値が４．５未満に低下した場合、培養液又は処理水に、炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）と、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、および炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）等の炭酸塩との少なくとも一方を添加して、培養液又は処理水のｐＨ値を４．５以上６．５以内の範囲内に調整することを含む。重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）及び炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を含む水の硝化は硝化菌を用いて行うことができる。

本発明の一実施形態に係る培養液の製造方法は、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれる水、又は炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）等の炭酸塩が添加された培養液に、炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加し、硝化させることで、重炭酸イオンが含まれる水又は炭酸塩が添加された培養液に含まれるアンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換する第１の段階と、第１の段階を経た処理水に、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、および銅から選ばれた少なくとも１種の元素を含む肥料成分を添加する第２段階と、を含む。

本発明の一実施形態に係る培養液の製造方法は、硝化処理中の水のｐＨを測定し、処理水のｐＨ値が４．５未満に低下した場合、硝化処理中の水に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）と、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、および炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）等の炭酸塩との少なくとも一方を添加して、処理水のｐＨ値を４．５以上６．５以内の範囲内に調整することを含む。重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）及び炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を含む水の硝化は硝化菌を用いて行うことができる。

本発明の一実施形態に係る培養液製造装置は、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれる水、又は炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）等の炭酸塩が添加された培養液に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加し硝化させることで、処理水に含まれるアンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換する前処理部と、第１の段階を経た処理水に、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、および銅から選ばれた少なくとも１種の元素を含む肥料成分を添加する調整部を含む。

本発明の一実施形態に係る培養液製造装置は、前処理部に処理水のｐＨ値を計測するｐＨセンサと、処理水に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加する第１薬剤供給部とが含まれてもよい。また、本発明の一実施形態に係る培養液製造装置は制御部を含み、制御部が、前処理部のｐＨセンサの計測値が４．５未満であるとき、処理水のｐＨ値が４．５以上６．５以下となるように、第１薬剤供給部から炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加する機能を有していてもよい。前処理部は、処理水を攪拌する攪拌部及び処理水を曝気する曝気部の少なくとも一方又は両方を含んでいてもよい。

本発明の一実施形態に係る水耕栽培システムは、前処理部と調整部を含む培養液製造装置と植物を栽培する栽培槽とを含み、栽培槽に調整部から培養液が供給される。

本発明の一実施形態によれば、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれる水、又は炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）等の炭酸塩が添加された培養液に炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）を添加し硝化することで、ｐＨ値の上昇を抑制し、且つ重炭酸イオンを除去することができる。また、硝化処理された水を培養液に用いる場合に、肥料成分を加えて調整を行っても沈殿物の生成を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る培養液製造装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る水耕栽培システムの構成を示す図である。 実施例１で測定された、植物の栽培に用いられた培養液のｐＨ値の変化を示すグラフである。 実施例１で測定された、植物の栽培に用いられた培養液の析出物の状態を観察した写真を示す。

以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。さらに各要素に対する「第１」、「第２」と付記された文字は、各要素を区別するために用いられる便宜的な標識であり、特段の説明がない限りそれ以上の意味を有しない。

［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る培養液製造装置１００の構成を示す。培養液製造装置１００は前処理部１０２及び調整部１０４を含む。前処理部１０２は窒素肥料（又は培養液）を製造するための水（前処理水１１０）が溜められる前処理槽１０６を有する。調整部１０４は、前処理槽１０６で所定の処理がされた水（前処理水１１０）に肥料成分等が添加されて培養液１１２が生成される調整槽１０８を有する。

前処理槽１０６と調整槽１０８とは第１配管１１６で接続されている。第１配管１１６には溶液の流れを制御する第１バルブ１２０が設けられる。前処理槽１０６から調整槽１０８への前処理された水（前処理水１１０）の流れは第１バルブ１２０の開閉により制御される。前処理槽１０６から調整槽１０８への前処理水１１０の給水は、図示されないポンプを介して行われてもよいし、２つの槽の水位の高低差を利用して行われてもよい。培養液製造装置１００は制御部１１４を有し、第１バルブ１２０の開閉は制御部１１４から出力される信号によって行われてもよい。また、第１配管１１６には微粒子を除去するためのフィルタ１１８が設けられていてもよい。

前処理槽１０６には処理水供給部１２２から窒素肥料（又は培養液）を製造するための水（原水：処理を行う前の水）が供給される。処理水供給部１２２から供給される原水に限定はなく、河川水又は地下水をはじめ、生活排水の二次処理水、工場排水等様々な水が使用可能である。処理水供給部１２２から供給される原水には重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれていてもよい。処理水供給部１２２は図示されない原水を貯留する水槽又はタンクと接続されていてもよい。

処理水供給部１２２と前処理槽１０６とは配管で接続され、配管の経路に第１送水ポンプ１３４、第２バルブ１２８が設けられている。第１送水ポンプ１３４の駆動及び第２バルブ１２８の開閉で処理水供給部１２２から前処理槽１０６への原水の供給が制御される。第１送水ポンプ１３４の動作及び第２バルブ１２８の開閉は制御部１１４で制御される。

前処理槽１０６は第１薬剤供給部１２４と接続される。第１薬剤供給部１２４は第１薬剤を前処理槽１０６に供給する機能を有している。本実施形態において、第１薬剤は炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）であり、第１薬剤供給部１２４からは炭酸アンモニウム水溶液として供給されてもよい。第１薬剤供給部１２４は、図示されない第１薬剤槽と接続され、第１薬剤槽から第１薬剤を供給する構成を有していてもよい。

第１薬剤供給部１２４と前処理槽１０６は配管で接続される。配管の経路には第２送水ポンプ１３６、第３バルブ１３０が設けられている。第２送水ポンプ１３６の駆動及び第３バルブ１３０の開閉で第１薬剤供給部１２４から前処理槽１０６への第１薬剤の供給が制御される。第２送水ポンプ１３６の動作及び第３バルブ１３０の開閉は制御部１１４で制御される。なお、炭酸アンモニウム粉体を前処理槽１０６に供給する場合には第２送水ポンプ１３６は省略される。

前処理槽１０６には第２薬剤供給部１２６が接続されていてもよい。第２薬剤供給部１２６は第２薬剤を前処理槽１０６に供給する機能を有している。第２薬剤は、植物の肥料となる成分を含んでもよく、例えば、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）等が含まれ得る。第２薬剤供給部１２６は、一つ又は複数の薬剤の供給系統を有し、炭酸カリウム又は炭酸カリウム水溶液、炭酸カルシウム又は炭酸カルシウム水溶液、炭酸マグネシウム及び炭酸マグネシウム水溶液から選ばれた一種又は複数種の水溶液を前処理槽１０６に供給する。第２薬剤供給部１２６は、図示されない第２薬剤槽と接続され、第２薬剤槽から第２薬剤を供給する構成を有していてもよい。

第２薬剤供給部１２６と前処理槽１０６は配管で接続される。配管の経路には第３送水ポンプ１３８、第４バルブ１３２が設けられている。第３送水ポンプ１３８の駆動及び第４バルブ１３２の開閉で第２薬剤供給部１２６から前処理槽１０６への第２薬剤の供給が制御される。第３送水ポンプの動作及び第４バルブ１３２の開閉は制御部１１４で制御される。

前処理槽１０６には硝化菌が加えられる。硝化菌は前処理槽１０６の中に直接的に、硝化菌を含む担体と共に、汚泥、又は土壌の中に含ませて提供される。硝化菌は前処理水１１０との体積比で５～２０％、例えば１０％の割合で加えられる。図１は、前処理槽１０６に硝化菌を含む担体１４６が提供されている態様を示す。前処理槽１０６は、硝化菌を含むことにより前処理水１１０に含まれる重炭酸イオンや炭酸アンモニウムの硝化を行うことができる。すなわち、重炭酸イオンや炭酸アンモニウムが含まれる水を硝化菌により硝化させ、アンモニア態窒素を硝酸態窒素へ、重炭酸イオンを二酸化炭素へ変換して窒素肥料成分とすることができる。

前処理槽１０６には、前処理水１１０の中で硝化菌による反応が進むように攪拌機１４０が設けられる。攪拌機１４０の形式に限定はなく、例えば、プロペラ式の攪拌機用いることができる。攪拌機１４０で前処理水１１０を攪拌することにより、硝化反応を促進することができる。また、攪拌機１４０に代えて前処理槽１０６の中に水中ポンプを設置して、槽内で前処理水１１０が循環するようにしてもよい。

前処理槽１０６には曝気を行う曝気装置１４２が設置されてもよい。曝気装置１４２は空気を送るエアポンプ１４３とエアストーン又はマイクロナノバブルノズル等の微細孔体１４４で構成される。微細孔体１４４は前処理槽１０６の底部に設置されることが好ましい。曝気装置１４２により前処理槽１０６の底部から空気を送り込むことにより、アンモニア性窒素を硝酸性窒素に変え、重炭酸イオンを二酸化炭素に変え、有機物は水と二酸化炭素に酸化する反応を促進することができる。

前処理槽１０６には前処理水１１０の状態を検出するセンサが設けられる。図１は、前処理槽１０６に設けられるセンサとして、ｐＨセンサ１４８、ＥＣセンサ１５０、水位センサ１５２が設置される例を示す。ｐＨセンサ１４８は前処理水１１０のｐＨ値を測定するために設けられる。前処理槽１０６の前処理水１１０は継続的な硝化反応を維持するため、ｐＨ値が４．５以上６．５以下の範囲に制御されていることが好ましい。ｐＨセンサ１４８は前処理水１１０のｐＨ値をモニタリングすることで、硝化反応を適切な条件下で行うことができる。ｐＨセンサ１４８の計測値は制御部１１４に出力される。

ＥＣセンサ１５０は前処理水１１０の電気伝導度を測定するために用いられる。ＥＣセンサ１５０で前処理水１１０の電気伝導度を測定することでイオン濃度を評価することができる。また、硝酸イオンセンサ、アンモニアイオンセンサを設け、硝酸イオン、アンモニアイオンを直接的に計測するようにしてもよい。

水位センサ１５２は前処理槽１０６の水位を検出するために設けられる。水位センサ１５２の計測値は制御部１１４に出力される。原水を前処理槽１０６へ供給する場合には、制御部１１４が水位センサ１５２の信号に基づいて処理水供給部１２２の動作を制御し、所定の水位を超えないようにすることができる。

調整部１０４には、調整槽１０８の培養液１１２を攪拌する攪拌機１４１、培養液１１２へ肥料成分を添加する養液供給装置１５４、養液供給装置１５４の動作を制御する養液調整装置１５６、水位センサ１５３が設けられる。養液調整装置１５６は、センサ（ｐＨセンサ１４９、ＥＣセンサ１５１）を含む。養液調整装置１５６は、ｐＨセンサ１４９により培養液１１２のｐＨ値を検出し、ＥＣセンサ１５１により培養液１１２の電気伝導度を検出する。養液調整装置１５６は、これらのセンサの計測値に基づいて養液供給装置１５４から、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、及び銅等の成分を含む肥料成分を培養液１１２に添加する。調整槽１０８には送水口１５８が設けられ、貯留されている培養液１１２が外部に送水される。

制御部１１４は前処理部１０２及び調整部１０４の動作を制御し、前処理水１１０及び培養液１１２のデータを収集する機能を有する。また、制御部１１４は、収集されたデータに基づいて前処理水１１０の処理条件を制御し、培養液１１２の品質を管理する。

本実施形態に係る培養液製造装置１００によれば、前処理部１０２で窒素肥料（又は培養液）の製造に使用する水（原水）を硝化菌で処理することで様々な水質の原水を使用することができる。すなわち、原水に重炭酸イオンが含まれていてもこれを二酸化炭素に変換することができる。また、前処理水１１０に含まれる炭酸アンモニウムを硝酸態窒素へ変換して窒素肥料成分とすることができる。これにより、前処理水１１０のｐＨ値の上昇を抑制し、且つ調整部１０４で培養液に肥料成分を加えて調整を行っても沈殿物の生成を抑制することができる。それにより、培養液１１２のｐＨ値の上昇を抑制し、且つ調整槽１０８の中で析出物が生成し配管等の開口部に沈着し目詰まりや閉塞の発生を防ぐことができる。

［第２実施形態］
本実施形態は、第１実施形態に示す培養液製造装置１００の動作と、この装置を用いた重炭酸イオンを含む水の処理方法、この装置により製造される窒素肥料、及び培養液の製造方法について説明する。

培養液製造装置１００は、前処理部１０２で窒素肥料（又は培養液）の製造に使用する水（原水）の処理が行われ、調整部１０４で窒素肥料（又は培養液）の調整が行われる。最初に、処理水供給部１２２から前処理槽１０６へ、水が供給される。前処理層１０６へ供給される水は、窒素肥料（又は培養液）の製造に用いる水である。なお、この水は第１実施形態で説明したように様々な種類の水（排水等）を用いることができ、その水には重炭酸イオンが含まれていてもよい。

処理水供給部１２２から原水の供給と同時、又は供給後に、第１薬液供給部１２４から炭酸アンモニウム水溶液を前処理槽１０６へ供給する。前処理槽１０６に導入された炭酸アンモニウム及び重炭酸イオンを含む前処理水１１０に対し、硝化菌、硝化菌を含む担体、硝化菌を含む汚泥、又は土壌を体積比で１０％以上加える。なお、硝化菌、硝化菌を含む担体、硝化菌を含む汚泥、又は土壌は予め前処理槽１０６に入れられていてもよい。

次に、攪拌機１４０を動作させて前処理水１１０を攪拌して硝化菌による硝化反応を促進する。攪拌に変えて曝気装置１４２による曝気を行ってもよい。曝気装置１４２により前処理水１１０を曝気することで硝化菌による硝化反応を促進することができる。また、前処理水１１０を硝化菌と反応させる処理は、攪拌と曝気を同時に、又は攪拌と硝化を交互に行ってもよい。炭酸アンモニウムと重炭酸イオンを含む前処理水１１０に対し、攪拌又は曝気、若しくは攪拌及び曝気を行い、硝化により前処理水１１０に含まれるアンモニウムイオンを硝酸イオンへ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換することができる。

前処理水１１０のｐＨ値はｐＨセンサ１４８で測定し、ｐＨ値が４．５以上６．５以下の範囲内になるように管理する。ｐＨ値が４．５以下になった場合には、第１薬剤供給部１２４から炭酸アンモニウム水溶液を前処理水１１０に加えてｐＨ値を上昇させる。ｐＨ値が６．５以上になった場合は炭酸アンモニウムの添加を中断する。

前処理水１１０の硝化反応はＥＣセンサ１５０（又は硝酸イオンセンサ、アンモニアイオンセンサ）によりモニタリングしてもよい。前処理水１１０の電気伝導度をＥＣセンサ１５０で測定しながら炭酸アンモニウムの添加を行い、ＥＣセンサ１５０の計測値（ＥＣ値）が所定の値になった場合に炭酸アンモニウムの添加を中断することで前処理水１１０の水質を管理することができる。ＥＣセンサ１５０による電気伝導度の管理水準は培養液に設定されるＥＣ値によって決められる。例えば、培養液１１２のＥＣ値を１．５以上２．０以下とする場合には、前処理槽１０６の前処理水１１０のＥＣ値が０．４ｄＳ／ｍになった時点で炭酸アンモニウムの添加が中断される。

以上のような処理により、重炭酸イオンが含まれている水から、重炭酸イオンを除去することができる。この水の処理方法では、重炭酸イオンが除去された水のｐＨ値を調整することもできる。別言すれば、重炭酸イオンを除去する水に炭酸アンモニウムを添加する際に、炭酸アンモニウムの添加量が過剰にならないように制御することができる。

前処理槽１０６の前処理水１１０の水位は水位センサ１５２によりモニタリングする。前処理槽１０６の水位が低下した場合には、処理水供給部１２２から原料となる水（原水）が所定の水位となるまで供給される。

前処理槽１０６でｐＨ値が４．５以上６．５以下に調整された前処理水１１０は調整槽１０８へ移される。調整槽１０８の水位は水位センサ１５３で測定され、所定の水位以下になると前処理水１１０が供給される。第１バルブ１２０の開閉は制御部１１４から出力される信号によって制御される。前処理槽１０６から調整槽１０８への前処理水１１０の給水は第１配管１１６を通して行われる。前処理水１１０の給水は、例えば、前処理槽１０６と調整槽１０８との水位差を利用して行われる。前処理槽１０６と調整槽１０８と間に水位差がある場合、第１バルブ１２０を開くことで、第１配管１１６を通して前処理槽１０６から調整槽１０８へ前処理水１１０が流れ込む。また、ポンプ（図示されない）を用いて前処理槽１０６から前処理水１１０を汲み出す方式を用いてもよい。調整槽１０８は所定の水位になるまで前処理水１１０が供給される。調整槽１０８の水位は水位センサ１５３によりモニタリングされる。

前処理槽１０６から調整槽１０８へ前処理水１１０を給水する場合には、攪拌又は曝気若しく攪拌及び曝気の処理が５分から１０分程度停止され、前処理水１１０の中に浮遊する固形物が沈殿した後に行われる。すなわち、攪拌又は曝気若しく攪拌及び曝気処理後の前処理水１１０の上澄みが調整槽１０８に移される。第１配管１１６には第１フィルタ１１８が設けられているが、前処理水１１０の浮遊物が沈殿しないまま給水すると第１フィルタ１１８が直ぐに目詰まりするので、前述のように所定時間経過した後に行うことが好ましい。

水位が低下した前処理槽１０６には処理水供給部１２２から水（原水）が補充される。補充される水（原水）の量は水位センサ１５２によって制御される。水（原水）が補充された後、前処理槽１０６に溜められる前処理水１１０の水質は、ｐＨセンサ１４８、ＥＣセンサ１５０によってモニタリングされ、必要に応じて第１薬剤供給部１２４から炭酸アンモニウムが添加される。ｐＨ値が４．５以下の場合は第１薬剤供給部１２４から炭酸アンモニアが添加され、ｐＨ値が６．５以上になった時点で炭酸アンモニアの添加が中断される。攪拌又は曝気、若しくは攪拌及び曝気の処理は適宜行われる。

調整槽１０８に移された前処理水１１０には炭酸アンモニウムが硝化されて変換された硝酸態窒素が含まれている。したがって、この水溶液を窒素肥料として、又は窒素肥料の原料として用いることができる。

また、調整槽１０８へ移された前処理水１１０へ肥料成分を添加することで植物の栽培に用いる培養液１１２を製造することができる。培養液１１２のｐＨ値やＥＣ値は、養液調整装置１５６に接続されたｐＨセンサ１４９及びＥＣセンサ１５１により計測される。調整槽１０８への肥料成分の添加は、養液供給部１５４により行われる。肥料成分としては窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、
亜鉛、モリブデン、ニッケル、銅から選ばれた一種又は複数種の成分が含まれる。

本実施形態に示す培養液製造装置１００を用いることで、重炭酸イオンを含む水に炭酸アンモニウムを添加し、硝化菌により硝化することで炭酸アンモニウムを硝酸態窒素に変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換し、ｐＨ値を４．５から６．５の範囲内に調整することができる。別言すれば、炭酸アンモニウムを含む水を硝化菌で硝化することで、硝酸態窒素を含む窒素肥料を製造することができ、さらに肥料成分を加えて培養液１１２を製造することができる。また、本実施形態に示す培養液製造装置１００を用いることで、培養液中の陽イオンと結合して析出しやすい炭酸イオン、重炭酸イオンを含む水（原水）から簡易な方法で重炭酸イオンを除去することができ、硝酸やリン酸塩等を使用しないことにより複雑な肥料計算を不要にすることができる。

前処理槽１０６から移された前処理水１１０は硝化菌で処理されていることにより重炭酸イオンが除去されているので、カルシウム等の肥料成分を添加しても析出物が生成され沈着することを防ぐことができる。また、炭酸アンモニウムが硝酸態窒素に変換されていることで、培養液１１２のｐＨ値を４．５以上６．５以下の範囲内に調整することができ肥効率を維持することができる。また、炭酸アンモニウムを硝酸イオンに変換することにより、アンモニアイオン濃度を低減することができ、アンモニア濃度が高い養液を好まない植物の栽培が可能となる。

［第３実施形態］
図２は、本発明の一実施形態に係る水耕栽培システム１６０を示す。水耕栽培システム１６０は、第１実施形態に示す培養液製造装置１００と植物が栽培される栽培部１６１とを含む。水耕栽培の方式は、大別して湛液型水耕法と薄膜型水耕法の二種類が知られている。図２は、水耕栽培システム１６０の栽培部１６１として湛液型水耕法が適用された一例を示す。勿論、水耕栽培システム１６０として薄膜型水耕法を適用することもできる。第１実施形態で培養液製造装置１００について、第２実施形態で培養液の製造方法について説明されているので、本実施形態では栽培槽１６２に関連する部分を中心に説明を行う。

栽培槽１６２には調整槽１０８から培養液１１２が供給される。培養液１１２は調整槽１０８から栽培槽１６２へポンプ１５７によって供給される。培養液１１２は供給管１６６を通して栽培槽１６２へ供給される。栽培槽１６２の上には栽培用パネル１６４が設置される。栽培する植物２００は、根が栽培槽１６２の中に伸びるように栽培用パネル１６４に並べて栽培される。

図２は、水耕栽培システム１６０が循環型である場合を示す。栽培槽１６２にはオーバーフロー管１６８が設けられており、所定の水位に達した培養液はオーバーフロー管１６８から流れ出し調整槽１０８に循環する水路が形成されている。図示されないが、水路にはオーバーフロー管１６８から流れ出た培養液を一時的に貯留する貯留タンクが設けられていてもよい。なお、図２は、栽培槽１６２が一段である例を示すが、これに限定されず栽培槽１６２が多段に配置されていてもよい。

調整槽１０８では、養液供給部１５４から水耕栽培に必要な肥料成分が培養液に添加される。また、調整槽１０８では、ｐＨセンサ１４９でｐＨ値が計測され、ＥＣセンサ１５１でＥＣ値が計測され、培養液１１２として適した範囲内になるように水質が管理される。調整槽１０８の水位が低下した場合には、前処理槽１０６から処理済みの前処理水１１０が供給される。このように、調整槽１０８で培養液１１２の水量が管理され、減少分が前処理槽１０６から供給されることで、水耕栽培を連続的に行うことができる。

本実施形態に係る水耕栽培システム１６０によれば、培養液の製造に使用する水（原水）を硝化菌で処理することで様々な水質の原水を使用することができる。すなわち、原水に重炭酸イオンが含まれていてもこれを二酸化炭素に変換することができる。また、前処理水１１０に含まれる炭酸アンモニウムを硝酸態窒素へ変換して窒素肥料成分とすることができる。調整部１０４で培養液に肥料成分を加えて培養液１１２製造しても沈殿物の生成を抑制することができる。それにより、調整槽１０８、供給管１６６等の水路の中で析出物が沈着し目詰まりや閉塞の発生を防ぐことができる。

第２実施形態に示す製造方法で製造された培養液と、通常の培養液を用いて植物を育成したときの培養液のｐＨ値の変化を示す。

水耕栽培は灌液水耕方式により行った。栽培場所は屋内であり、人工照明付きの栽培ラックで行われた。植物としてコンテナレタスを栽培した。培養液として４種類の培養液を用いた。

培養液と内訳は以下の通りである。
試料Ａ：炭酸アンモニウムから硝酸イオンを生成したものを培養液の調整に使用した培養液
試料Ｂ：最初に炭酸アンモニウムから硝酸イオンを生成したものを用いて培養液の調整を行い、追肥の際は、炭酸アンモニウムを培養液の調整に使用した培養液
試料Ｃ：比較例であり、化成肥料から作製した培養液
試料Ｄ：比較例であり、炭酸アンモニウムを培養液の調整に使用した培養液

図３に示すグラフは、試料Ａ及び試料Ｂを用いてコンテナレタスを栽培したときの培養液のｐＨ値の変化を示す。図３に示すグラフは、比較例の試料Ｃ及び試料Ｄの結果も同時に示す。栽培期間４３日間に２回の栽培が行われて、第１期は１日から２２日迄、第２期は２２日から４３日迄である。

試料Ａ及び試料Ｂの培養液を用いた場合、コンテナレタスを栽培した第１期及び第２期の期間中においてｐＨ値は５から７の範囲内に収まっており、大幅な変動は確認されていない。一方、比較例である試料Ｃの培養液を用いた場合には、第１期から第２期に移った後にｐＨ値が大幅に増加していることが確認される。また、比較例である試料Ｄの培養液でもｐＨ値の大幅な増加が確認されている。

比較例の試料ＣにおけるｐＨ値の大幅な変化は、育成したコンテナレタスが培養液に含まれる特定の成分を多く吸収し、培養液中のイオンバランスが初期の状態から変化した結果であると考えられる。比較例の試料ＣのｐＨ値が７以上に増加する変化は、例えば、培養液中に含まれる硝酸態窒素のような成分が吸収され、根からＯＨ^－が排出された結果であると推測される。なお、アンモニア態窒素のような成分が吸収された場合には、根からＨ^＋が排出され、ｐＨ値は低下する。一方、実施例の試料Ａ及び試料Ｂの培養液は、硝化菌による硝化によりｐＨ値は４．５以上６．５以下で安定化され、且つ適度なアンモニア態窒素が培養液中に存在することで、植物への硝酸態窒素とアンモニア態窒素の吸収バランスが良いためｐＨ値の急激な変化を防いでいると考えられる。さらに、残留する硝化菌がアンモニア態窒素を硝化およびバッファーとして働くことでｐＨ値の急激な変化を防いでいると考えられる。

このように、本実施例によれば、硝化菌を用いて前処理がされた培養液を用いた場合にｐＨ値の急激な変動が抑制されることが確認された。

実施例１で用いた試料Ａ、Ｂの培養液と、比較例である試料Ｃ、Ｄの培養液を４３日間使用した後の析出物の有無を観察した。

試料Ａ、Ｂの培養液では析出物が確認されずクリアな状態であった。一方、比較例である試料Ｃ、Ｄの培養液には析出物が確認された。この結果より、前処理水を硝化菌で処理することで、炭酸イオンや重炭酸イオンが除去されており、肥料成分との反応による析出物の発生を防ぐことができることが確認された。

以上、実施例１及び実施例２によれば、硝化菌を用いて前処理水に含まれる炭酸アンモニウムや重炭酸イオンを除去することで、培養液のｐＨ値を安定化させ、析出物の生成を防ぐ効果があることが確認された。

１００：培養液製造装置、１０２：前処理部、１０４：調整部、１０６：前処理槽、１０８：調整槽、１１０：前処理水、１１２：培養液、１１４：制御部、１１６：第１配管、１１８：第１フィルタ、１２０：第１バルブ、１２２：処理水供給部、１２４：第１薬剤供給部、１２６：第２薬剤供給部、１２８：第２バルブ、１３０：第３バルブ、１３２：第４バルブ、１３４：第１送水ポンプ、１３６：第２送水ポンプ、１３８：第３送水ポンプ、１４０：攪拌機、１４１：攪拌機、１４２：曝気装置、１４３：エアポンプ、１４４：微細孔体、１４６：硝化菌を含む担体、１４８：ｐＨセンサ、１４９：ｐＨセンサ、１５０：ＥＣセンサ、１５１：ＥＣセンサ、１５２：水位センサ、１５３：水位センサ、１５４：養液供給部、１５６：養液調整装置、１５７：ポンプ、１５８：送水口、１６０：水耕栽培システム、１６１：栽培部、１６２：栽培槽、１６４：栽培用パネル、１６６：供給管、１６８：オーバーフロー管、２００：植物

Claims (10)

1. 重炭酸イオンと炭酸アンモニウムとを含む水を硝化して、前記水に含まれるアンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換する第１の段階と、
   前記第１の段階を経た水に、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、および銅から選ばれた少なくとも１種の元素を含む肥料成分を添加する第２の段階と、を含む培養液の製造方法。
2. 前記水のｐＨを測定し、前記水のｐＨ値が４．５未満に低下した場合、前記水に炭酸アンモニウム、および炭酸カリウムの炭酸塩の少なくとも一以上を添加して、前記水のｐＨ値を４．５～６．５の範囲内に調整する、請求項１に記載の培養液の製造方法。
3. 前記硝化を硝化菌が行う、請求項１又は２に記載の培養液の製造方法。
4. 前記第１の段階を第１の処理槽で行い、前記第１の段階を経た水を第２の処理槽に供給し、前記第２の処理槽で前記第２の段階を行う、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の培養液の製造方法。
5. 重炭酸イオンと炭酸アンモニウムとを含む水を硝化して、前記水に含まれるアンモニア態窒素を硝酸態窒素へ変換し、重炭酸イオンを二酸化炭素に変換する前処理部と、
   前記前処理部から供給された水に、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄、ホウ素、鉄、マンガン、亜鉛、モリブデン、ニッケル、および銅から選ばれた少なくとも１種の元素を含む肥料成分を添加する調整部と、を含む培養液製造装置。
6. 前記前処理部は、前記水のｐＨ値を計測するｐＨセンサと、前記水に炭酸アンモニウムを添加する第１薬剤供給部と、を含む請求項５に記載の培養液製造装置。
7. 前記ｐＨセンサの計測値が４．５未満であるとき、前記水のｐＨ値が４．５以上６．５以下となるように、前記第１薬剤供給部から炭酸アンモニウムを添加する制御部を含む、請求項６に記載の培養液製造装置。
8. 前記前処理部は、前記水に炭酸塩を添加する第２薬剤供給部をさらに含む、請求項６に記載の培養液製造装置。
9. 前記前処理部は、前記水を攪拌する攪拌部及び前記水を曝気する曝気部の少なくとも一方又は両方を含む、請求項５乃至８のいずれか一項に記載の培養液製造装置。
10. 請求項５乃至９のいずれか一項に記載の培養液製造装置と、
    植物を栽培する栽培槽と、
    を含み、
    前記栽培槽に前記調整部から培養液が供給される、ことを特徴とする栽培システム。