JP2004033908A

JP2004033908A - オゾン散気装置

Info

Publication number: JP2004033908A
Application number: JP2002194401A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kato; 加藤　康弘; Takayuki Morioka; 森岡　崇行
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】被処理水にオゾンガスを導入して溶解、混合させる水質浄化処理用のオゾン散気装置において、省エネルギー、低コストで効率的にオゾンの溶解が可能な気泡を微細化する散気装置と、処理水量の変動によりオゾンガス量と被処理水量の比率が大きく変動した場合でも均一に気泡を微細化し、常にオゾン吸収効率を高く維持する散気装置とを提供する。
【解決手段】中心部に気体ノズル１、周辺に複数個の液体ノズル２を備え、気体ノズル１と液体ノズル２との２つの流路の噴出口側の延長線が交わるよう液体ノズル２の噴出口が中心部側に傾斜している構造のオゾン散気装置と、中心部に位置調節可能な気体ノズル、周辺部に液体ノズルを備え、気体ノズルの位置調節で液体ノズルの断面積を変化できる可動機構を備えたオゾン散気装置で実現できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾンのもつ強力な酸化作用を利用して水中の殺菌、脱臭、有機物などの酸化を行うオゾン処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オゾンがフッ素に次いで強力な酸化力を有するという特長を利用して、オゾンガスを水中に散気することにより殺菌、脱色、脱臭、有機物や無機物の酸化除去等を行う水処理が広く行われている。特に、都市近郊の水道では、取水源に起因する異臭味の被害が広がっており、オゾンの持つ強力な酸化力は、この異臭味除去に大きな効果を発揮することから、オゾン及び活性炭を用いた高度処理の導入が進められている。
【０００３】
このようなオゾンとオゾンによって処理される水（以下被処理水）とを反応させるオゾン処理装置は、電気エネルギーを用いてオゾンを発生させるオゾン発生装置、被処理水を供給する送水ポンプ、被処理水にオゾンガスを注入し接触・混合するオゾン接触槽、オゾンと被処理水の反応時間を確保するための滞留槽、接触槽から未反応のまま排出される排オゾンを分解する排オゾン処理設備などから構成されており、被処理水とオゾンガスとの接触方式には、接触槽下部からオゾンを気泡として吹出させる気泡塔方式がよく用いられている。
【０００４】
オゾン処理装置の効率を表わす指標としては、一般的にオゾン吸収率、および除去効率が用いられており、これらの指標が高いほど、オゾン処理装置は経済的かつ処理性能が高いことになる。
このオゾン吸収率ηは、注入したオゾンガスのうち反応槽内で被処理水に溶解、あるいは分解・消費されたオゾンの割合であり、（１）式で表される。
【０００５】
η＝（（Ｃ_ｉ−Ｃ_ｏ）／Ｃ_ｉ）×１００　　　　　　────（１）
ここで、η：オゾン吸収率（％）、Ｃ_ｉ：注入オゾンガス濃度、
Ｃ_ｏ：排オゾンガス濃度、である。
これらオゾン処理装置においては、このオゾン吸収率ηを常に高く保つ必要がある。
【０００６】
次に、オゾンが水中に溶解する際のドライビングフォースＦは、（２）式で表される。
Ｆ＝Ｋ_Ｌａ（Ｃ_Ｌ−Ｃ_＊）　　　　　　　　　　　　────（２）
ここで、Ｆ：オゾンが水中に溶解する際のドライビングフォース，
Ｋ_Ｌ：物質移動係数、ａ：単位断面積あたりの気液接触面積、
Ｃ_Ｌ：液相オゾン濃度、Ｃ_＊：飽和オゾン濃度、である。
また、飽和オゾン濃度Ｃ_＊は、（３）式で表される。
【０００７】
Ｃ_＊＝ｆ（Ｃ_Ｇ）　　　　　　　　　　　　　　　　────（３）
ここで、Ｃ_Ｇ：気泡中のオゾンガス濃度、である。
（２）式において、物質移動係数Ｋ_Ｌは接触装置の構造や水温により影響を受ける値であり、飽和オゾン濃度Ｃ_＊は導入するオゾンガス濃度に依存する値である。そこで、オゾン溶解効率向上の為には、単位断面積あたりの気液接触面積ａを高めることが有効であることがわかる。
【０００８】
気液接触面積ａは当然のことながら、オゾンガスの送気量に依存するが、同一のオゾンガス量であれば、気泡径を小さくすることにより、その値を高めることが可能である。
一般的な気泡塔方式では、金属やセラミックスの多孔体からなる散気装置によりオゾンガスを水中に拡散させるが、その場合の気泡径は３ｍｍから５ｍｍ程度である。
【０００９】
また、気泡径を小さくする手法として、機械的攪拌により気泡を破砕する方法や、高圧力下で強制的に気液混合する方法などが用いられている。
最近では、この気泡を微細化する目的で、ガス噴出ノズルおよび液噴出ノズルから構成された微細気泡生成ノズルが開発されている。
図３には、従来技術の微細気泡生成ノズルの構成図を示す。この図に示した例では、微細気泡生成ノズルは被処理水容器１６の中に中心部に気体ノズル１４、その周辺に液体ノズル１５を複数本設置した構成からなり、被処理水の噴出に伴うせん断力を用いて気泡を微細化している。この微細気泡生成用の気体ノズル１４は、管状のノズルを配置した単純な構造であることから、動力が少なくて済み、その上に製作コストも安く効率的にオゾンを溶解させることが可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
オゾンガスを水中に効率的に溶解させるために、気泡径を小さくするための次に示す種々の有効な手段が利用されている。
前記の機械的攪拌により気泡を破砕する散気装置や、高圧力下で強制的に混合する散気装置では、当然のことながら気泡微細化のためのエネルギーが必要であり、それだけ溶解のための動力コストが増大する。また、機械的に攪拌する散気装置では、オゾンの強力な酸化力に耐える材質や構造を有していることが必須条件であり、この散気装置は初期費用の増大を招く。
【００１１】
従って、本発明の第１の課題は、従来の気泡微細化の手段にかえて、省エネルギーで効率的なオゾンの溶解が可能な、より低コストで効率的に気泡を微細化する散気装置を提供することにある。
次に、一般的な微細気泡生成ノズルを利用する際には、被処理水の噴出に伴い発生する乱流によるせん断力を利用しているために、この各導入口からの被処理水の液流速（＝液流量／液導入口断面積）とガス流速（＝ガス流量／ガス導入口総断面積）との比率に最適範囲が存在する。
【００１２】
図４は、本発明者らが測定した微細気泡生成ノズルにおける液流速／ガス流速の比率と、観測された平均気泡径との関係を示す。この図より、液流速／ガス流速の比率の値は３５以上確保すれば５００μｍ程度の微細な気泡生成が可能であることがわかる。
しかし、実際の浄水処理においては、原水の流況（取水源の水量など）に応じて、処理水量は大きく変動する。特に、夏期の高水温期では、処理水量が低下し、その差は最も大きい場合で、５０％程度の変動がある。一方、オゾンガスの注入制御は、オゾンガスの流量を一定とし、オゾンガスの濃度を電気的に制御する方法が一般的である。
【００１３】
従って、オゾン溶解用の散気装置として前記微細気泡生成ノズルを用いると、特に水量が変動した時に最適な液流速／ガス流速から大きく外れてくる可能性がある。そのため、期待した気泡の微細化の効果が得られずに、気泡径の増加やそれに伴うオゾン吸収率の低下を招くこともあり、処理特性を維持するという観点からは、全く好ましいことでは無い。また、最低水量において液流速を確保するような設計を行うと、通常処理水量時にはノズルにおける圧力損失の影響が大きくなり、運転コストの増大を招くなどの不利益がある。
【００１４】
従って、本発明の第２の課題は、処理水量の変動によりオゾンガス量と被処理水量の比率が大きく変動した場合においても、均一に気泡を微細化し、常にオゾン吸収効率を高く維持する散気装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の課題については、本発明者等の一連の研究を通じて、従来の装置よりも、省エネルギー、かつ効率的なオゾン溶解を行うための散気装置を発明した。
それは、被処理水にオゾンガスを導入して溶解、混合させるオゾン散気装置において、中心部に１個の気体ノズルを、その周辺に複数個の液体ノズルを備えて構成し、前記気体ノズルの流路の噴出口側の延長線と前記液体ノズルの流路の噴出口側の延長線とが交わるよう、前記液体ノズルの噴出口が中心部側に傾斜している構造であるオゾン散気装置である。
【００１６】
この散気装置によれば、効率的にオゾンガスを微細化することで、オゾン接触槽内における溶解性を高めることができる。
第２の課題については、本発明者等の一連の研究を通じて、被処理水の流量が大きく変動した場合でも、均一に気泡を微細化し、オゾン吸収率を常に高く保つ散気調整装置を発明した。
【００１７】
それは、被処理水にオゾンガスを導入し、溶解および／または混合させるオゾン散気装置において、オゾンガス噴出口を有する気体ノズルと、前記気体ノズル噴出口の周囲に被処理水噴出口を有する液体ノズルとを有し、前記被処理水噴出口の開口面積が可変であるオゾン散気装置である。
この際に、前記液体ノズルがその内部空間に前記気体ノズルを収納し、前記液体ノズル内壁と前記気体ノズル外壁との間の空間により被処理水流路と被処理水噴出口が形成され、前記気体ノズルは先端部が噴出口に向かって細く形成されるとともに噴出口の断面垂直方向に可動であるオゾン散気装置である。
【００１８】
この気体ノズルの位置を噴出口の断面垂直方向に調節して液体ノズルの断面積を変化できる可動機構を備えることにより、被処理水容器内で被処理水流速／ガス流速の比率を変化でき、被処理水の時間的な変動に対して、常に最適な気泡に制御可能になる。従ってこの散気装置によれば、常にオゾンガス気泡を微細化することで、オゾン接触槽内における溶解性を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の携帯について２つの例を図に基づき説明する。
〔実施例１〕
図１は、第１の課題を解決した、従来の装置よりも省エネルギー、効率的なオゾン溶解を行うための、本発明の実施例のオゾン散気装置の構成図である。
【００２０】
この図では中心部に気体ノズル１を設け、その周辺に液体ノズル２を配置している。本実施例では丸穴の液体ノズル２を４本設置している。被処理水は液体導入口３から流入し、液体ノズル２を経て接触・反応容器４内に流入する。この例では、このように、本発明による散気装置は管状ノズルを複数本配置する単純な構成であることから、製作コストも抑えられ、その上に大容量化が容易である。また、液体導入口３の液体ノズル２が、ガス導入口の噴出し方向に向けて傾斜しているのが大きな特長である。
【００２１】
本散気装置においては、液噴出しにともない発生する乱流によるせん断力を利用している。そのため、この各導入口からの液流速（＝液流量／液導入口断面積）およびガス流速（＝ガス流量／ガス導入口総断面積）に応じて、気泡の微細化効果が変化をする。図４は、本発明者らが行った液流速／ガス流速の比率と観測された平均気泡径との関係を示す図である。この図より、液流速／ガス流速の比率の値は３５程度であれば５００μｍ程度の微細な気泡生成が可能であることがわかり、ノズルの設計に適用される。
【００２２】
【表１】

次に、本発明の特長である液体ノズル流路の傾斜効果について説明する。
表１は本発明者らが行った中心部の気体ノズルに対する液体ノズルの角度が０°（気体ノズルと液体ノズルの流路が平行）の場合と、１５°、３０°の場合における平均気泡径の測定値の比較表である。この結果より、液噴出し角度を傾斜させない（０°）場合に比べてガス導入口の鉛直線上に向けて１５°傾斜させることで８５〜９５％、３０°傾斜させることで８０％程度に気泡が微細化されていることがわかる。液体導入口を傾斜させない場合には、導入された気泡のせん断が均一に行われておらず、部分的に大きな気泡が混在している様子が観察された。これは、導入されたガスが一部、液噴出しに伴う乱流域から外れて流動していることを意味しており、オゾン吸収効率向上の観点から望ましくない。本発明のように液導入口付近の乱流を、ガス側に向けてより中心部に収束させることで、よりせん断力を高めると同時に、均一に気泡をせん断することが可能となり、平均気泡径をより小さく制御することが可能である。
【００２３】
図１の実施例では、被処理水の処理水量が６．９４Ｌ／ｍｉｎ即ち一日当たり１０ｍ^３程度の処理水量を想定し、気体ノズルの直径を２．７ｍｍ、液体ノズルの直径をを１．４ｍｍとしている。また、液体導口の噴出し部は、気体導入口の噴出し部の鉛直線上に向けて１５°傾斜したもので測定を行っている。
〔実施例２〕
図２は、第２の課題を解決した、被処理水の流量が大きく変動した場合でも、均一に気泡を微細化し、効率的なオゾン溶解を行うための、本発明の実施例のオゾン散気装置の構成図である。
【００２４】
この図に示すように、被処理水は液体導入口７と液体ノズル６を有した被処理水容器８内に貫通する形で、可動気体ノズル管９が位置している。この可動気体ノズル管９には駆動装置１０が備えてあり、ノズル位置制御装置１１に応じて可動気体ノズル管９全体をこの実施例では上下方向に移動、調節できる。可動気体ノズル管９の気体ノズル５は、液体ノズル６の内側中心部に設けられ、可動気体ノズル管９の移動に応じて液体ノズル６の有効断面積が変化するよう構成されている。
【００２５】
ノズル位置制御装置１１は気体流量検出器１２および被処理水流量を測定する液体流量検出器１３の信号に応じて、可動気体ノズル管９の位置を調節する。
次に動作原理を説明する。ノズル位置制御装置１１は常に気体流量検出器１２、液体流量検出器１３の信号を監視し、常に最適な流速比になるように、可動気体ノズル管９の位置を決定している。例えば、ここで被処理水流量が減少し、それに伴って排出口における液流速が低下した場合には、可動気体ノズル管９をより液体ノズル６の方向へ移動させ、液体ノズル６の有効断面積を減少させることで、液流速を高めるように制御する。逆に、液流量が増大した場合には可動気体ノズル管９を液体ノズル６から遠ざけることで、液流速を低下させ最適な気液比を保つようにする。このような制御を行うことで、常に適正な気液比を保つことが可能であると同時に、流速が必要以上に高めることがないので、運転コストの低下にも大きく寄与する。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の実施例１によるオゾン散気装置によれば、常にオゾンガスの気泡を均一に微細化することができる。その結果、オゾン吸収効率を高く保つことができ、処理性の維持や、運転コストの低減などが可能となる。
また、本発明の実施例２によるオゾン散気装置によれば、処理水量が大きく変動した場合でも常にオゾンガスの気泡を均一に微細化することができる。その結果、オゾン吸収効率を高く保つことが、処理性の維持や、運転コストの低減などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のオゾン散気装置構成図
【図２】本発明の実施例２のオゾン散気装置構成図
【図３】従来技術の微細気泡生成ノズルの構成図
【図４】液流速／ガス流速の比率と平均気泡径との関係を示す図
【符号の説明】
１：　　　　気体ノズル
２：　　　　液体ノズル
３：　　　　液体（被処理水）導入口
４：　　　　接触・反応容器
５：　　　　気体ノズル
６：　　　　液体ノズル
７：　　　　液体（被処理水）導入口
８：　　　　被処理水容器
９：　　　　可動気体ノズル管
１０：　　　　駆動装置
１１：　　　　ノズル位置制御装置
１２：　　　　気体流量検出器
１３：　　　　液体（被処理水）流量検出器
１４：　　　　気体ノズル
１５：　　　　液体ノズル
１６：　　　　被処理水容器

Claims

被処理水にオゾンガスを導入して溶解および／または混合させるオゾン散気装置において、中心部に１個の気体ノズルを、その周辺に複数個の液体ノズルを備えて構成し、前記気体ノズルの流路の噴出口側の延長線と前記液体ノズルの流路の噴出口側の延長線とが交わるよう、前記液体ノズルの噴出口が中心部側に傾斜している構造であることを特徴とするオゾン散気装置。
被処理水にオゾンガスを導入し、溶解および／または混合させるオゾン散気装置において、オゾンガス噴出口を有する気体ノズルと、前記気体ノズル噴出口の周囲に被処理水噴出口を有する液体ノズルとを有し、前記被処理水噴出口の開口面積が可変であることを特徴とするオゾン散気装置。
前記液体ノズルがその内部空間に前記気体ノズルを収納し、前記液体ノズル内壁と前記気体ノズル外壁との間の空間により被処理水流路と被処理水噴出口が形成され、前記気体ノズルは先端部が噴出口に向かって細く形成されるとともに噴出口の断面垂直方向に可動であることを特徴とする請求項２に記載のオゾン散気装置。