ホワイトリバー自然保護区におけるアトランティックサーモン・スモルトの生産を目的としたパーシャルウォーターリユースシステムの設計
要約
ホワイトリバー国立魚類孵化場（NFH）のパーシャルウォーターリユースシステムで利用された設計プロセスについて詳しく説明します。ホワイトリバー国立魚類孵化場の部分的な水再利用システムの設計は、復元または補充プログラムにおける魚の生産に関する重要な基準を満たし、水使用量の削減を達成し、廃棄物の回収と濃縮を効果的に行う技術を利用できることを説明している。また、この設計では、州、連邦、および商業孵化場の再利用システムへ転換するために、既存のインフラを利用する方法について説明しています。部分的な水の再利用システムの設計は、Summerfeltら（2004）が、与えられた水流に対してサケ科動物の生産量を増やし、廃棄物の回収効率を高め、培養タンク内の優れた水質を維持するために使用してきた設計に基づいています。しかし、ホワイトリバーNFHの部分的な水再利用システムの設計は、種の回復プログラムにとって重要な生物学的基準とは異なるセットに基づいています。今後、ホワイトリバーNFHでは、アトランティックサーモンのスモルトの放流プログラムを行い、前述の利点以外のシステムの有効性を判断する予定です。
1. プロジェクトの概要
アトランティックサーモン（Salmo salar）は、1800年代にコネチカット川から絶滅した（CRSA、2001年）。コネチカット川からアトランティック サーモンが絶滅した原因は、ダム建設、生息地の改変、乱獲、汚染であるとされている（Cipriano, 1999）。1967年、コネチカット川大西洋サケ委員会（CRASC）が設立され、他の連邦および州機関、産業界、一般市民と協力して、アメリカシャッド（Alosa sapidissima）と大西洋サケをコネチカット川流域の過去の生息域に回復させた（Cipriano、1999、CSRA、2001）。CRASCは、以下の6つの州および連邦政府機関から構成されている： 米国魚類野生生物局（USFWS）、米国海洋漁業局（NMFS）、コネチカット州環境保護局（CTDEP）、マサチューセッツ州魚類野生生物局（MAFW）、ニューハンプシャー州魚類狩猟局（NHFG）、バーモント州魚類野生生物局（VTFW）です（Cipriano、1999）。
ホワイトリバーNFHは、4つの州（VT、NH、CT、MA）にまたがる多くの地域関係者にサケを供給している。利害関係者には、4つの州、グリーンマウンテン国有林とホワイトマウンテン国有林が含まれる。CRASCは統括的な組織であり、多くの技術・政策分科会を包含しています。これらの小委員会は、プログラムの重要な目的を定義し、その目的をサポートするためにUSFWSを通じてサービスを要求します。関係する各州は独自の見解を持ち、独自のストッキングを決定しています。White River NFHは、CRASCを通じてストックされるアトランティックサーモンの稚魚の70％を提供しています。
White River NFHの現在の焦点は、稚魚の放流を通じた、コネチカット川流域におけるアトランティックサーモンの資源軽減と再確立である。この施設では、流域の640～720km（400～450マイル）の範囲で、パートナーや関係者に600～700万匹のアトランティックサーモンの稚魚を配布しています。このプロセスは、流域の野生サケ資源の遺伝的完全性を維持、強化、回復する必要性に強く影響されています。しかし、ホワイトリバーNFHの当初の任務では、ストック用に最大40万匹のスモルト（約85g）を生産することになっていたが、水供給の制限により、これは実現されていない（United States Fish and Wildlife Service (USFWS), 1982）。ホワイトリバーNFHは当初、0.82m3/s（13,000gpm）の総水量で運営するよう設計されており、そのうち約0.69m3/s（10,000gpm）はホワイトリバーからの供給とされていた（United States Fish and Wildlife Service (USFWS), 1982）。これは一度も達成されていない。現在、この施設は、平均約0.22m3/s（3500gpm）を生産する3つの井戸から水供給を受けている。レースウェイや円形タンクによるスモルトの生産にフロースルーのシナリオを用いることは、必要とされる大流量の河川原水の処理に問題があるため、高価かつ困難である。そこで、水の再利用システムの実現可能性を検討しました。協議の結果、水再利用システムを導入することに決定しました
2. バイオロジカルデザイン
2.1. 孵化場生産要件
サケのスモルト生産のための魚類培養システムの設計は、1970年代後半に確立された当初の施設ミッションから始まり、1982年に詳細が決定された（表1）。このプロジェクトの初期概念設計作業は、表1に示した生物学的生産計画を用い、White River NFHにある既存の直径30ft（9.144ｍ）の円形養魚槽を使用して、40万匹のスモルトと20万匹のパールを生産するという目標を中心に進められました。しかし、60万匹のスモルトとパールを生産するために必要なシステムの規模は、既存の30フィート円形タンクの大部分を使用する必要があり、ホワイトリバーNFHの円形タンクで維持されている国内ブロードストックプログラムが置き去りにされることになるでしょう。妥協案として、直径30フィートの円形培養タンク8基をスモルト生産計画に利用できるようにし、154,000匹のスモルトを生産することが決定された。この8つのタンクは、4つのタンクの水再利用システム2つに分けられる。これにより、リスクをわずかに軽減し、生産シナリオに柔軟性を持たせることができました。
表1. 1年間のアトランティックサーモン・スモルト生産のための生物学的生産計画： スモルト40万尾、パー20万尾（米国魚類野生生物局（USFWS）、1982年）
月 水温 TU
発眼卵孵化
11月 40 135
12月 41 155
1月 43 189
2月 43 171
3月15日 41 75
稚魚の加温・給餌を開始：60万匹
3月16日 55. 204
4月 55. 384
5月 55 396
6月 52. 326
7月 58. 446
8月 58. 443
未成魚のパールを捕獲しストックする：20万パール
9月 57 423
10月 55 388
11月 49 282
12月 45 223
1月 41 152
2月 40 120
3月 40 146
4月1日 ストック 合計: 4,658TU
注意事項 孵化の概要：給餌まで135日、孵化場での孵化： 725TU;生育期： 月15日から4月1日（1TU＝24時間あたり0℃を1℃上回る温度）。
2.2. 生物学的パラメータの制限
White River NFHとCRASCは、コネチカット川とその支流におけるアトランティックサーモンの個体数の回復に取り組んでいる。彼らの復元活動は、アトランティックサーモンの持続可能な野生個体群を構築することに重点を置いている。そのため、遺伝的に多様で、できるだけ野生に近い個体群を生産するために、あらゆる努力が払われている。USFWSの北東地域における漁業と孵化場の経験により、この取り組みを最大化するための基本的な孵化場培養条件一式が確立されている。これらの生物学的設計パラメータはまだ成文化されていないが、Flaggら（2000年）が引用した保全型孵化場プロトコルと同様のものである。このプロジェクトで利用された生物学的設計パラメータは、表2に示されている。
表2. 魚類培養システムの設計に利用された生物学的設計パラメータ
パラメータ 数値
値最終飼育密度（kg/m3） 24
光周期 自然光
光強度 日光
水質 アトランティックサーモン基準
溶存酸素(mmHg) >90
溶存CO2（mg/L） <10
非イオン化アンモニア（mg/L） <0.0125
TSS（mg/L） ＜5
水流（体長／秒） <1～2
飼育密度、光周期、照明の種類、水質、水流を主に考慮した。さらに、飼料トレーニング、捕食者対策、不用意な遺伝的選択の最小化などの要因も、培養中に考慮する必要がある。
3. デザインアプローチ
3.1. マスバランス解析
魚類養殖システムの工学設計は、一般的なマスバランス解析の手法で行われた。この解析で使用したプロセスフロー図を図1に示す。
魚の養殖ユニット全体で制御量を設定し、定常的なマスバランスを導き出した：
定常状態のマスバランス方程式は、提案された魚類養殖システムの未知量について解かれました。この設計では、良好な養殖環境条件を確保するために達成しなければならない水質パラメータを既知の値として設定し、必要な再利用流量Qrを解くというアプローチをとった。使用した水質パラメータは、表2に示すとおりである。
また、定常状態でのマスバランス解析の結果を表3に示す。
表3. ホワイトリバーNFHにおける部分水再利用システム設計のためのマスバランス解析スプレッドシートモデル
インプット
バイオプラン
タンク数 4
タンクの直径（フィート） 30
タンクの水深（ft） 3
最終密度（kg/m3） 24
ストック前のサイズ（g） 75
システム内の魚の数 76,920
手持ちの最大バイオマス（kg） 5,769
最大給餌量（BW/日） 0.015
溶存酸素
最高水温（Well #3、8月）（℃） 13.5
海抜標高（m） 172
入口DO(mg/L) 10.2
出口DO(mg/L) 7.2
ピークファクター DO (mg/L) 6.0
DO消費率（kg DO/kg feed） 0.40
アンモニア体窒素
pH 7.35
飼育タンク TANレベル（mg/L） 2.09
飼育タンク UIAレベル（mg/L） 0.0125
飼料タンパク質レベル(%) 44
TAN生成率（kg TAN/kg飼料） 0.040
炭酸ガス
培養タンク CO2濃度（mg/L） 10
CO2生産量（kg CO2またはTSS/kg飼料） 0.55
固形分
TSS生成率（kg TSS/kg フィード） 0.35
セルフクリーニングのためのタンク交換（分） 30
メークアップ水
補水流量（gpm） 320 → 1,215L/min
補給水DO濃度（mg/L） 10.2
補給水TAN濃度（mg/L） 0.1
メークアップ水 CO2 濃度（mg/L） 6
補水TSS濃度（mg/L） 0.5
処理効率（比率）
CO2除去効率 0.50
TAN除去効率 0.00
TSS除去効率 0.90
必要流量
DOに基づく必要再利用流量（gpm） 1,797 → 6,802L/min
DOに基づく必要総流量（gpm） 2,117→ 8,013L/min
TANに基づき必要とされる再利用流量（gpm）
TANに基づく必要総流量(gpm)
CO2(gpm)に基づいて必要とされる再利用流量 1,569 → 5,938L/min
CO2を基準とした所要総流量（gpm） 1,889 → 7,150L/min
TEXを基準とした必要総流量（gpm） 2,115 → 8,005L/min
設計
設計総流量(gpm) 2,117 → 8,013L/min
タンク1個あたりの戻り流量（gpm） 529 → 2,002L/min
サイドウォールドレン流量（gpm） 449 → 1,699L/min
1タンクあたりのメイクアップ流量 80 → 302L/min
流量再利用率（R） 0.85
飼育槽DO濃度（mg/L） 7.2
培養槽TAN濃度（mg/L） 2.02
飼育槽UIA濃度（mg/L） 0.0121
飼育槽CO2濃度（mg/L） 8.07
飼育槽TSS濃度（mg/L） 2.94
UIA：TAN比 0.0060
H.R.T.（分） 30
イタリック体の値は制限入力設計基準です。
3.2. 水再利用の決定
パーシャルウォーターリユースシステムで蓄積させることができる最適な水のpHと最大全アンモニア態窒素（TAN）濃度は、Summerfeltら（2001）によって説明されているノモグラフィー法（図2）を用いて見積もった。最適な水のpHと最大TAN濃度は、上水道のアルカリ度と、想定される溶存二酸化炭素と連合アンモニア態窒素の濃度の上限値によって設定されます。図2では、アルカリ度40mg/L（炭酸カルシウムとして）において、溶存二酸化炭素濃度の上限を10mg/L、結合性アンモニア態窒素濃度の上限を0.0125mg/Lとした場合、最低運転pHを約7.0、系内に蓄積するTAN濃度の最大許容値を約5.8mg/Lとしたことを太線で示しています（図2）。溶存二酸化炭素の除去量を増やすと水のpHは上昇し、溶存二酸化炭素の除去量を減らすと水のpHは下降する。二酸化炭素を除去しすぎると、有毒なユニオン化アンモニアの蓄積が問題になるほど、水のpHが上昇する可能性がある。したがって、pHコントロールは、水から剥奪する二酸化炭素の量と、魚が生成する二酸化炭素の量のバランスをとることになる。
バイオフィルターを使用しない部分再利用の分析では、マスバランス分析の結果、溶存酸素と溶存二酸化炭素を制御するための必要流量が算出されます。タンク内の水理保持時間を設定することで、固形物の良好な除去を保証するための追加設計計算が行われる。これは、タンクの形状が一般的な設計値に適合していることと、スクリーンろ過がシステムの一部であることを前提としています。組合わせアンモニアの制約条件は、希釈計算によって算出されます。
マスバランス法と表3に定義した入力パラメータを使用して、ホワイトリバーNFHの部分水再利用システムを設計した結果、適切な溶存酸素レベルを維持するために必要な再利用流量は6802 L/min (1797 gpm)となりました。85%再利用の場合に必要な総流量は、8013 L/min (2117 gpm) です。溶存二酸化炭素のレベルを維持するために必要な再利用流量は、5939 L/min（1569 gpm）です。タンク交換速度30分を維持するために必要な総流量は、8005L/min（2115gpm）です。この場合の制御流量は、溶存酸素の必要量とタンク交換の必要量が一致したものである。これがシステム設計で使用された流量である。
TANの排出が州や連邦の規制によって制限されていないと仮定すると、アルカリ性レベルの高い水源では、TAN濃度をそれほど大きく蓄積することはできず、単位水量あたりの魚の生産強度を制限することになる。ホワイトリバーNFHでは、部分再利用システムの排出は、フロースルー・システムの大量の排出と組み合わされ、排出される前にTAN濃度を希釈することができます。
3.3. 期待される水質
水の再利用 85％、排水 15％のシナリオで再利用流量 6802 L/min、総流量 8013 L/minを使用すると、システム負荷が最も重い場合（すなわち、86.5 kg/d の飼料を必要とする 1 日当たり体重 1.5% の給餌体制）の水槽水質は 7.2 mg/L 溶存酸素、 8.1 mg/L 溶存二酸化炭素および 0.0121 mg/L 連合アンモニアと予想される。バイオマスおよび給餌量が最も重い負荷よりも少ない場合、システム内の予想される水質は、より良い品質、すなわち、より高い溶存酸素、より低い溶存二酸化炭素、およびより低い組合アンモニアになるはずである。
4. エンジニアリングの説明
4.1. 培養タンク
既存の培養タンクは、直径 9.1 m（30ft）、深さ 1.2 m（4ft）のコンクリート製円形タンクで、タンク中央部に1本のドレインを備えていた（図 3）。中央の排水口は、0.61m×0.61m角×0.46m深さの箱で、底が傾斜しており、直径0.20m（8インチ）のパイプに排水される構造になっています。水槽の水位は、2つの培養タンクからの排水を主排水管に接続する外部排水制御構造のダンパーで設定されました。改修前、これらのタンクでの通常の水使用量は、バイオマス負荷に応じて246～321L/min（65～85gpm）でした。
図4. 直径30フィート、深さ4フィートの円形培養タンクで、側壁ボックスの追加、新しいセンタードレン構造の設置、タンク表面のFRPコーティングを行った後。背景には水再利用のためのコンポーネントビルも写っている。
各培養タンクへの既存の注水は、レトロフィットでも維持されました。タンクの改修時に新しい注水構造を取り入れましたが、元の注水構造を維持することで、個々の培養タンクを水再利用システムから分離する柔軟性を持たせることができました。分離構成では、個々の培養タンクは元の注水ポイントからの井戸水をシングルパス構成で使用することができます。この柔軟性により、フロースルーまたはバスモードのいずれかの方法で、個々のタンクで病気治療のためのセラピュータントを使用することができます。
4.2. 水再利用コンポーネント
4.2.1. マイクロスクリーン濾過
6,802 L/分の再利用流のろ過は、マイクロスクリーンドラムフィルター、HydrotechモデルHDF 1603 1Aで行われました。再利用水は、4つのサイドウォール・ボックスのそれぞれからドラム・フィルター・サンプに排水され、入口水路に入り、その後フィルターに流れます。入口水路は、ドラムフィルターが故障した場合にシステム内の水を流し続けるための緊急オーバーフローとしても機能します。フィルターの逆洗は、固形物の分離と除去のために7,570L（2,000ガロン）の地下沈殿槽に流されます。60μmのスクリーンパネルを使用した場合のマイクロスクリーンフィルターのろ過能力は、10mg/L TSSで10,780L/min（2853gpm）、15mg/L TSSで1,070L/min（2663gpm）、25mg/L TSSで7,910L/min（2,092gpm）です。インレットチャネルとマイクロスクリーンフィルターは、図6にそのサンプで示されています。
4.2.2. ポンピング
マイクロスクリーンろ過後にサイドウォールボックスから排出される6802 L/minの再利用には、二酸化炭素ストリッピング、低揚程酸素化、およびタンク水入口注入のためのユニットプロセスによるポンプが必要です。再利用水の汲み上げには、10馬力の垂直タービンポンプ3台（Goulds Pumps Inc. モデル14RJLOを使用しています。通常運転では2台のポンプが必要で、3台目のポンプはバックアップとして機能します。個々のポンプは、全動水頭10.6m（34.8フィート）で3400L/min（900gpm）を供給する定格であり、ポンプ効率は80%以上となっています。
ポンプアレイとポンプサンプの設計は、Hydraulic Institute Standard for Design of Pumping Array and Pump Sumps (Goulds Pumps Inc., 1995)に従って完了した。考慮された重要な要素は、ポンプ吸込ベル間の間隔、ポンプ吸込ベルと壁との間隔、吸込ベルの水没深度、吸込ベルへの流れの導入でした。システムへ送液可能なサンプの水量は、定常流状態を実現するためにシステム起動時に追加しなければならない水量を考慮して決定しました。この水量は、システムのアップセット後にも重要であり、定常流の状態に戻すために同じ水量が必要になる場合があります。この設計では、システムの始動時やアプセット時に定常流状態を実現するために必要なポンプ使用量を、フルフロー状態と静止した非フロー状態との間のシステム体積の差として決定しました。この容積は、標準的な水理学解析を用いて、システム内の水が流れている箇所（堰やスタンドパイプなど）の水位を決定することで算出することができる。次に、水が流れていないときの標高を決定する。それぞれの水位に投影される水位差は、揚水が可能な水位となります。この量は、システム起動時に追加できる補給水の量を計算することで相殺できますが、補給水がポンプサンプの揚水可能量に与える影響を十分に考慮するためには、定常状態に達するまでに必要な時間も決定しなければなりません。ホワイトリバーNFHのサンプの設計では、システムが定常流状態を達成するために必要な水量は約17.0 m3（4500ガロン）でした。ポンプサンプは、ポンプの最小水没に必要な水量を超える17.0m3を含むように設計されていました。補水量は、システム全体の活力を向上させるための安全係数のための追加量としてのみ考慮されました。その結果、ポンプサンプの平面積は14.3 m2（153.6 ft2）となり、平面積1 m2あたり0.476 m3/s（11.7 gpm/ft2）のポンプ水力負荷となった。ポンプサンプに適用されるもう一つの工学的指標である、ポンプの最小水深を侵す前の水理保持時間は、2.5分と計算される（図7）。
4.2.3. 二酸化炭素のストリッピング
二酸化炭素ストリッピングユニットは、6,802 L/minの再循環流全体を処理するように設計された。物質収支分析では、二酸化炭素ストリッパー全体の処理効率が50％であると仮定された。二酸化炭素ストリッパーの設計パラメータには、Summerfelt et al. (2001)の記述にあるように、40gpm/ft2以下の水力負荷、少なくとも1mの充填高、5-10以上の体積気液比、およびストリッパー上部の良好な水分配が含まれている。最終的なストリッパーの設計は、直径2.44 m (8 ft)のFRPタワーに225個の重力流ノズル（XF Crown Nozzles, LS Enterprises, FL）、および2セクションの0.61 m (2 ft) 深さのクロスフロー充填媒体 (AccuPac 3000, Brentwood Industries, PA) で合計 1.22 m (4 ft) に及ぶ充填深さを持つ。強制換気は、インライン遠心ファンを使用して、体積ガス/液体比が11になるように設計されました。最終的に選択した機器は、Polymil Products Inc. Model ILC53-12インチFRP製インラインファンを採用しました。この1馬力のファンは、静水圧2.54cmで1.1m3/s（2400SCFM）の定格を有しています。図8は、ストリッパーのノズルプレートとパッキングメディアの上部を示し、図9は、低濃度酸素供給装置（LHO）に接続されたストリッパーを示す。
4.2.4. LHOでの酸素供給
マスバランス分析は、最低溶存酸素を 90mmHg または 6mg/L に維持することを前提に完了した。最低溶存酸素は、魚の呼吸が増加する期間（例：摂食）を考慮し、ピーキング係数を使用して計算された。ピークファクターは、ベースラインレベルから140％の酸素の変化を想定しています。6mg/Lから逆算すると、当然ながらスタート地点や入口の溶存酸素を考慮しなければならない。ホワイトリバーNFHの設計では、純酸素は使用せず、二酸化炭素ストリッピングカラムで溶存酸素飽和レベルの95％まで曝気すると仮定しています。これは、表3の「入口DO」値が10.2mg/Lであることからもわかる。したがって、この部分再利用システム設計は、適切な溶存酸素を維持するために純粋な酸素供給には依存しない。しかし、将来のシステムの柔軟性を確保するため、安全係数として、また実験目的で、剥離装置から出る水を処理する低揚程酸素化装置が設計・設置された。低濃度酸素供給装置は、標準的な低濃度酸素供給装置である。このLHOの設計では、水力負荷が2.0 m3/s/m2（平面積50 gpm/ft2）、スプレーゾーン落下高さが0.61 m（2.0 ft）、水没ゾーン0.76 m（2.5 ft）である。酸素ガス輸送ラインやバルク酸素タンクのサイズなど、純酸素を添加するためのすべての付帯設備がシステムの設計で作られています。LHOは図9に示すように、FRP製のトランジションチャンネルを介して炭酸ガスストリッパーに接続されていることがわかる。
4.2.5. 培養タンクへの水注入
コーネルデュアルドレンタイプのタンクで固形物を良好に分画するために、適切なタンク水理学を確保するためには、処理した再利用水を飼育タンクに戻すことが重要である（Timmons他、1998、Davidson and Summerfelt、in press）。各飼育タンクの水注入構造は、直径0.20m（8インチ）の注入マニホールドを通して2000L/min（530gpm）を通す。水の回転速度は、培養期間中、1秒間に1～2体長の範囲を想定しており、0.09～0.4 m/s（0.3～1.3 ft/s）の回転速度が必要となる。設計の目安として、以下の式でインレットインジェクションを設計した：
ここで、υrotaはタンク内の回転速度、υorifはインレットマニホールドの開口部を通る速度、αは比例定数（通常0.15～0.20）である（Timmons他、1998）。この設計指針に加え、インレットオリフィスを横切る摩擦エネルギー損失が最低0.30mになるように設計した。これらの方法を組み合わせることで、タンク水面下に沈められた7つの等間隔6.4cmのネジ式開口部を実現した。初期設計では、6.4 cm × 5.1 cm の縮小カップリングを使用してノズルサイズを 5.1 cm に縮小し、タンクの回転速度を調整できるように 3 つの 45° エルボを備えています。前方への噴射に加えて、後方への噴射でタンクの回転速度を下げることができるように、前側から180度の位置に同じノズルが2つあります。より高い回転速度が必要な場合は、この後方噴射ノズルの一方または両方をキャップすることができます。設置前のタンクインレットマニホールドを図10に示す。
4.3. プロセス配管
P.W.R.システムのプロセス配管には、高圧・低流量の水ラインから低圧・高流量の重力排水水ラインまで、さまざまな種類の配管システムがありました。重力排水路の場合、配管は最低0.5％の傾斜をつけ、配管径は0.6～0.9m/s（2～3フィート/s）の流速を確保するように選定された。これは生物学的固形物が蓄積される可能性のある再利用システムで遵守すべき重要な設計パラメータです。重力排水路の配管材料は、場所と用途に応じて選択しました。すべての地下配管は、AWWA C151に準拠したセメントモルタル内張りダクタイル鉄管で厚さはクラス52です。
圧力配管の場合、配管は必ずしも勾配をつけず、可能な限りクリーンアウトを設けるレイアウトとしました。フルフロー圧力配管の直径は、流速が1.2〜1.5m/s（4〜5フィート/s）になるように選定しました。この範囲の流速は、摩擦エネルギー損失を最小限に抑え、プラスチックパイプメーカーが推奨する最大流速1.5 m/s (5 ft/s) 以下での運転を保証します (Harvel Plastics Inc., 2001). 圧力配管のパイプ材料は、これらの配管がすべて屋内で露出していたため、非可塑化ポリ塩化ビニル（PVC）を選択しました。PVCパイプは、内面が滑らかなため摩擦によるエネルギー損失を最小限に抑え、追加や変更にも柔軟に対応することができます。
4.4. モニタリングと制御
養魚システムのモニタリングは、設計段階での重要な検討事項である。モニタリングすべき重要なパラメータを前もって検討し、それらを含む比較的簡単な方法を設計することで、計測器の長期的な利用が可能になります。この部分水再利用システムには、システムpH、個々の培養槽の溶存酸素、培養槽供給ラインのヘッド圧、培養槽供給内の溶存酸素、ポンプサンプ内の水位、炭酸ガス剥離器へのメインポンプマニホールドの水流、メイクアップ水ラインの水流、培養槽供給内の温度を継続的に監視する計測器が装備されていました。このモニタリング設計を実現するための計装設備は、表4に示すとおりである。
表4. 部分水再利用システムごとの計装機器
機器 単位 位置 GLI International P63 PIDコントローラー付 pH 1タンク/システムGLI International Ryton pHDシリーズ差動式 pH センサー
GP:50モデル311圧力変換器 圧力 LHOヘッドタンク
レッドライオンコントロール ディスプレイ/
入力モジュール/リレーボード/リモート/
エンクロージャー
Point four systems モデルPT4酸素 DO 各タンク+LHOヘッドタンク
モニタリングシステム（5 DOと1温度、
オキシガード固定式プローブType II）
パナメトリックス社製 DF868 デュアル 流量 循環水および新水
チャンネル超音波流量計
重要なパラメータの監視に加え、ストリッパーで除去される溶存二酸化炭素の量を操作することで、システム内のpHを望ましい範囲に維持する制御ループが設計されています。pHアナライザーは、それぞれのpHセンサーからpH信号を受信します。pHアナライザーはpH測定値を表示するとともに、比例積分微分（PID）コントローラーを介してpH測定値に比例した4-20mA信号をインライン遠心式二酸化炭素ストリッパーファンを制御するための可変周波数ドライブコントローラーに出力します。pHが低い測定値はストリッパーファンの回転数を上げ、pHが高い測定値はストリッパーファンの回転数を下げる。PIDコントローラーは当初、pHを7.1に維持するようにプログラムされています。このpHにより、溶存二酸化炭素濃度が10mg/L未満、結合アンモニア濃度が0.0125mg/L未満になる。
5. まとめ
ホワイトリバー孵化場の部分的な水の再利用システムの設計は、水の使用量を減らし、廃棄物の回収と濃縮をうまく行いながら、復元または補充プログラムにおける魚の生産に関する重要な基準を満たすことができることを示している。また、この設計は、州、連邦、および商業孵化場の再利用システムへ転換するために、既存のインフラを利用する方法についても説明している（図11）。
Summerfelt et al. (2004)は、冷水魚の集中生産（密度120 kg/m3以上）に部分的に水を再利用するシステムの成功を記録しています。Summerfeltら（2004）の設計は、水質と廃棄物の回収において同様の結果を得るためにここで適用されましたが、種の回復プログラムにとって重要な生物学的基準については異なる設定になっています。今後、White River NFHでアトランティックサーモンのスモルトのストックプログラムを行い、前述の利点以外のシステムの有効性を判断する予定です。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144860904000573
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