JP2007111573A - 曝気方法とその装置とそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】下水処理場及び湖沼・海洋等の閉鎖水域において、従来の曝気装置からを利用して水中に気泡粒を作り、水面下に気泡粒の集団を形成させることで、その塊の全体の気泡粒の浮力によって、気泡粒を水面より上に押し上げることで液泡に変化し、このことで結果的に被処理水を大気圧下で液泡表面の薄膜水にすることができ、従来と同じ曝気装置のエネルギーで高効率に気体を溶解することができる。又、曝気処理された処理水は水面より高い位置から回収できるので、その水頭差を利用して処理水を別の場所に移動できる曝気装置を提供する。
【解決手段】被処理水中に気泡粒を発生させる散気部と、前記被処理水の水面下部に前記気泡粒を集め気泡粒集団を作る気泡粒収束部と、連続的に増加する前記気泡粒集団の浮力により、気泡粒の集団の上側から水面より上部に押し上げられることで、気泡粒を液泡に変化させることができる気泡粒上昇通路部と、前記気泡粒上昇通路の最上部から溢流する液泡の状態をなるべく長い間保つ液泡曝し部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、汚水処理場やダム等に貯水されている液体に、空気及び酸素等の気体を効率良く接触させる曝気方法及び曝気装置に関する。

汚水処理場やダム等の曝気処理方法としては、以下に列挙するように種々のものがあり、従来それぞれに対応策が取られていた。
１．被処理水の循環流量を増やし、空気の微細化性能を向上させた曝気装置（例えば、特許文献１参照）。

２．閉鎖性水域内に停滞する水塊を、エジェクタによって作られた水流によって曝気作用を高め、水塊の流動を促進させて酸素を供給する曝気方法（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２７１５９１号公報 特開平１０−７３０９９号公報

しかしながら、上記の特許文献１・２に記載の従来技術は以下のような課題を有していた。
上記２例はもちろんのこと、他の曝気方法及び曝気装置も液中に気泡を発生させ気体と液体との接触する面積を増やすこと、及び気泡と液体との接触時間を長くすること、とを基本とする気体の溶解方法である。しかし、この従来方法を用いると、既に曝気され気体が溶解された処理水と、まだ気体が溶解されていない被処理水とが共に同所に存在し、分離することが不可能であった。
この事によって、従来方法は既に処理された処理水に対しても繰り返し曝気するエネルギーが加わっていることになり、エネルギーの無駄使いで非効率であるという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するもので、被処理水中に配置された散気部から発生した気泡粒の集団の浮力を利用し、その気泡粒を水面より上の気泡粒上昇通路内を上昇させて液泡に変化させることで、被処理水を気体が最も溶解しやすい液泡表面の薄膜水の状態にすることができ、又、その液泡のままを大気圧下に少しでも長く大気圧下曝し、又、溢流させる位置が水面より高いので水頭差を利用することで、液泡処理された処理水と被処理水を分離することができる。
この事によって、高効率に気体を溶解することができ、又、処理水に再び無駄な溶解エネルギーが加わらない、省エネルギーで作動できる曝気方法及び曝気装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の曝気方法は、水中に気泡粒を発生させる散気工程と、前記気泡粒が水面上に浮上する際に収束させて、水面の下部域に気泡粒を集めた気泡粒の集団を形成させる気泡粒収束工程と、前記気泡粒の集団の水面部分に気泡粒上昇通路を設けることで、前記散気工程から連続的に発生する気泡粒により増加する前記気泡粒の集団の浮力によって、前記気泡粒の集団の上部分から前記気泡粒上昇通路内に押上げられることで、気泡粒の周囲の液体は重力で下方に分離し、前記気泡粒上昇通路内の上部付近で気泡粒は液泡（シャボン玉状の塊）に変化する液泡生成工程と、前記気泡粒上昇通路の最上部に液泡のままの状態をなるべく長く保つ液泡曝し工程と、を備えて構成されている。
この構成によって以下の作用を有する。
（１）散気工程は気泡粒の生成ができれば、水面から２０ｃｍ位の浅い位置から発生させても作動でき、消費電力の大きい高圧力のエヤーポンプを使用しなくても作動できる。
（２）気泡粒収束工程を有するので、水面の下部域に気泡粒の集団を形成させることができ、その事によって気泡粒を水面より上に上昇させる大きい浮力を作ることができる。
（３）液泡生成工程を有するので、水面より上に上昇した気泡粒の周囲の液体は重力で下方に分離する事で、気泡粒をは液泡の塊に変化させることができる。
（４）液泡曝し工程を有するので、溢流した液泡状態（薄膜水）のままなるべく長い時間大気圧下に曝すことができ溶解率が高められる。
又、水面より高い位置で液泡処理された処理液を回収できるので、水頭差を利用し処理水を別の場所に移動することができる。

本発明の請求項２に記載の曝気装置は、被処理水中に気泡粒を発生させる散気部と、前記被処理水の水面下部に前記気泡粒を集め気泡粒の集団を作る気泡粒収束部と、連続的に増加する前記気泡粒の集団の浮力により、気泡粒の集団は上部分から水面より上に押し上げられることで、気泡粒は液泡に変化することができる気泡粒上昇通路部と、前記気泡粒上昇通路の最上部から溢流する液泡の状態をなるべく長く保つ液泡曝し部と、を備えて構成されている。
この構成によって以下の作用を有する。
（１）散気部（エヤストーン等）は、気泡粒が生成できれば被処理水の液面から２０〜３０ｃｍ位の浅い部分に配置しても作動させることができ、エネルギー効率に優れている。
（２）気泡粒収束部によって、水中で発生した気泡粒を水面下部に集めることによって、大きな浮力を作ることができる。
又、その浮力を狭い収束した面積に集中させることもできる。
（３）気泡粒上昇通路部を有するので、連続的に発生し増加する気泡粒の集団の浮力によって、上昇する気泡粒の周囲の液体は、重力で下方に分離させることで液泡の塊に変化させることができる。
この事によって、結果的に被処理水を液泡表面の薄膜水にすることができ、最も大気圧下で気体が溶解しやすい状態にしたことになる。
（４）液泡曝し部を有するので、液泡状態（薄膜水）を少しでも長い時間大気圧下に曝すことができることにより溶解率を上げることができる。
又、水面より高い位置から溢流させて回収できるので、水頭差を利用し処理水を別の場所に移動することができることで、更に別の処理をすることもできる。
（５）例えば、被処理水中に生存している微生物及び動物により、被処理水中に溶解していた酸素ガスだけが消費され、窒素ガス過多のバランスの崩れている被処理水を、大気圧下において液泡表面の薄膜水にすることで、酸素ガスと窒素ガスとの溶解濃度のバランスがとれ、微生物及び動物にとって好適な処理水に再生することができる。

本発明の請求項３に記載の曝気装置は、被処理水の低層から上層に配置されたパイプ内の上部分に前記散気部を備えて気泡粒を発生させることで、低層域の被処理水をエヤーリフト効果により上層域に上昇させ、更にその被処理水を大気圧下で液泡表面の薄膜水にすることができることを特徴とする曝気装置。
この構成によって、請求項２に記載の作用の他に以下の作用を有する。
（１）パイプ内の上部で気泡粒を発生させるエネルギーだけで、低層域の貧酸素水を上層域に吸い上げて酸素富化させ、更に、低層域の水と上層域の水との対流を促進させることができる。

本発明の請求項４に記載の曝気装置は、水面より高い位置にある前記液泡曝し部から排出される処理水を、水頭差を利用して低層域まで繋がったパイプ等に接続することで、低層域に酸素供給した処理水を送水できることを特徴とする曝気装置。
この構成によって、請求項２に記載の作用の他に以下の作用を有する。
（１）液泡曝し部から連続して排出される処理水は水面より高く、この水頭差を利用して処理水を別の場所へ移動できる。
（２）低層域まで繋がったパイプ内へ処理水を送水するだけで、処理水はパイプ内を自重で下降することができ、この事で酸素富化された処理水を低層域にエネルギーを使わずに送り込むことができる。

本発明の請求項５に記載の曝気装置システムは、水面上に配置されている請求項２記載の曝気装置と、前記曝気装置の底部分に配置された微細気泡発生器と、前記曝気装置の液泡曝し部から溢流する処理水を受け止めて、別の場所に移動させて各種の処理をすることができる受皿と、を備えて構成されている。
この構成によって、以下の作用を有する。
（１）曝気装置の下側に配置された微細気泡発生器から発生させた微細気泡は、水中に浮遊する汚濁物や底部分に堆積している汚濁物に付着させることによって、汚濁物は浮力増により水面上に向かって浮上させることができる。
（２）曝気装置の散気部から発生する気泡粒の上昇流に、浮上した汚濁物は吸い込まれて行き、更に汚濁物と気泡粒は気泡粒上昇通路を上昇し液泡曝し部から溢流させることができる。
（３）液泡曝し部から溢流した処理液と汚濁物を、水面との水頭差を利用した受皿で、別の場所に移動させることができる。
（４）この事によって、被処理水中の汚濁物を分離する事や、所望する各種の処理をすることもきる。

本発明の請求項６に記載の曝気装置システムは、加圧状態及び減圧状態に耐えられるタンクと、前記タンク内が加圧状態及び減圧状態にある時に、被処理水及び気体を前記タンク内へ供給することができるポンプと、前記被処理水を液泡に生成できる液泡生成容器と、前記タンク内が加圧状態及び減圧状態にある時の気体を吸引し、前記液泡生成容器内の底に配置された散気部に送ることができるエヤーポンプと、前記タンク内において上下多段に配列された上段の前記液泡生成容器から溢流した処理水を受け止めて、下段の液泡生成容器内へ送入することができる受皿管と、を備えて構成されている。
この構成によって、以下の作用を有する。
（１）加圧及び減圧に耐えられるタンクを有するので、例えばコンプレッサーの吐出し側から加圧された気体をタンク内へ供給することで、素早くタンク内を加圧状態にすることができ、又、真空ポンプ又はコンプレッサーの吸引側をタンク上部に接続し、タンク内の気体を抜くことでタンク内を減圧状態にすることができる。
（２）この事によって、タンク内の加圧気体をエヤーポンプで吸引し散気部から気泡粒を発生させれば、液泡内が加圧された気体の液泡が生成でき、液泡表面の薄膜水にその気体圧力に応じた気体が溶解することで、高濃度気体溶解水を作ることができる。
又は、減圧状態の時にタンク内の減圧気体をエヤーポンプで吸引し散気部から気泡粒を発生させれば、液泡内が減圧された液泡を生成することができ、その液泡表面の薄膜水に溶存している気体が、減圧度に応じて液泡内の空間に放出されることで脱気水を作ることができる。
（３）タンク内の上段に配置された液泡生成容器から溢流した高濃度気体溶解及び脱気された処理水を、下段の液泡生成容器内において再度又は再々度と液泡にすることができるので、例えば、水温や粘性等による気体の溶解率及び脱気率が悪くても、所望の値になった処理水を求めることができる。

本発明の請求項１及び請求項２に記載の曝気方法及び曝気装置によれば、以下のような効果を有する。
（ａ）この方法による散気工程（散気部）から発生した気泡粒は、水中内における気液接触に関しても、気泡粒収束工程（気泡粒収束部）内で水中に一時的ではあるが気泡粒の集団状態で長く貯留されるので効率良く。
又、更にその気泡粒を液泡生成工程（気泡粒上昇通路部）で液泡に変化させることで、結果的に被処理水を気体が溶解しやすい液泡表面の薄膜水の状態にでき、エネルギー効率的に最も優れた曝気方法及び曝気装置である。
（ｂ）又、水中に配置する散気工程（散気部）は、水面から２０〜３０ｃｍ位の浅い場所に配置しても液泡を生成することができるので、散気工程（散気部）へ気体を送る圧送エネルギーが小さくて済み、省エネルギー性に優れている。
（ｃ）液泡曝し工程（液泡曝し部）から液泡の状態で溢流する処理水は、水面より高くこの水頭差を利用することで、処理された処理水に再び曝気エネルギーが加わらないようにでき、又、処理水を別の場所に移動させることができるので、効率良く被処理水に酸素富化することができ経済性に優れている。
又、別の場所に処理水を移動できることにより、更に所望の各種の処理をすることもでき、制御性及び汎用性にも優れている。
（ｄ）大気圧下において液泡表面の薄膜水の状態は、前記（ａ）内に記載した気体が最も溶解しやすい状態だけではなく、閉鎖された水域中に微生物及び生物が多く生息していると酸素ガスだけが消費され、酸素ガスと窒素ガスとの溶解バランスの崩れた水質になる。
この様な状態の水質の水を、液泡表面の薄膜水の状態にし大気圧下に曝すことによって、酸素ガスと窒素ガスとの溶解バランスがとれ、微生物及び動物にとって好適な水質にすることができる。

本発明の請求項３に記載の曝気装置によれば、以下のような効果を有する。
（ａ）例えば、湖沼及び海洋等において、請求項２の曝気装置と同じエネルギーを使用し、同時に低層域の被処理水を吸い上げて酸素供給することで、低層水域と上層水域の対流を促進し、水域全体の生態系を好適な環境にすることができる。

本発明の請求項４に記載の曝気装置によれば、以下のような効果を有する。
（ａ）湖沼及び海洋等において、水面より高い位置より酸素富化された処理水が排出されるので、自重で低層貧酸素水域に直接送ることで、生態系にとって好適な環境にすることができる。

本発明の請求項５に記載の曝気装置システムによれば、以下のような効果を有する。
（ａ）養殖場等において、水域に浮遊する汚濁物や、底部に堆積する汚濁物や残餌・糞等に微細気泡を付着させることにより、浮遊物や汚濁物の浮力が増し水面に向かって浮上させることができ、その浮遊物や汚濁物を散気部から発生している気泡粒によって気泡粒上昇通路内を上昇させ、液泡曝し部から処理水と共に溢流させることで、受皿を介して水域中の浮遊物及び汚濁物を回収除去、又は微生物処理槽で生物酸化させる事もでき、生態系にとって好適な水質を維持することができる。
（ｂ）工場等の循環水に含有する浮遊物を回収及び除去することができる。

本発明の請求項６に記載の曝気装置システムによれば、以下のような効果を有する。
（ａ）タンク内の気体圧力に応じた高濃度の気体溶解水を製造でき、操作性や制御性及び経済性に優れている。
（ｂ）又は、タンク内の減圧度に応じた脱気処理水を製造でき、操作性や制御性及び経済性に優れている。
（ｃ）タンク内の圧力状態及び減圧状態を作るエネルギーを、多段に配置された液泡生成容器によって繰り返し利用することができるので、エネルギー効率に優れている。
（ｄ）この事によって、気体溶解又は脱気しにくい水質及び気体でも、前記エネルギーを繰り返し利用できるので効率良く処理できる。

以下、本発明の実施の形態１の曝気装置について、以下図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態１における曝気装置で、上側が立面図で下側が正面図である。
図１において、１は実施形態１の曝気装置、２は散気部で２ｂは散気部２へ気体を供給する気体供給管、３は散気部２から発生した気泡粒を集める気泡粒収束部、４は集った気泡粒を水面Ｓ．Ｗより上に上昇させる気泡粒上昇通路部、５は気泡粒上昇通路４内で生成された液泡をなるべく長く大気圧下に曝すための液泡曝し部、Ｘは加圧された気体である。

実施の形態１における曝気装置１の作動方法について説明する。
まず、図１中の気体供給管２ｂを介してエヤーポンプ等で気体Ｘを散気部２に送ることで、気泡粒収束部３の下側に気泡粒を連続的に発生させる。その気泡粒は浮力によって上昇するが気泡粒収束部３内の上側は収束しているので、発生した気泡粒は一度に浮上することができず気泡粒収束部３内に気泡粒の集団が形成される。
この気泡粒の集団は、散気部２から発生し水面に向かって加速上昇する浮力と、気泡粒の集団浮力と、を合わせた浮力によって、水面より上部に取り付けられた気泡粒上昇通路４内を上昇することができる。上昇する時に気泡粒の周囲の水は重力で下方に分離させることができることによって、気泡粒上昇通路４の上部域では気泡粒を液泡の塊の状態に変化させることができ、更に液泡のままの状態（薄膜水）を最上部から溢流させて液泡曝し部５によって少しでも長い時間大気圧下に曝すことができることによって、酸素ガスと窒素ガスとの溶解濃度バランスのとれた溶存酸素量の高い処理水を求めることができる。

図２は、実施の形態１の曝気装置を作動させた時の気泡粒及び液泡の動きを示した模式図で、１Ｗは被処理水、２ａは散気部２から発生した気泡粒、３ａは気泡粒収束部３内の気泡粒の集団、４ａは気泡粒が水面Ｓ．Ｗより上の気泡粒上昇通路４内を上昇することで変化した液泡、５ａは溢流した液泡の状態を少しでも長い間保っている溢流した液泡である。６は水面Ｓ．Ｗより高い位置から溢流した処理水２Ｗを、水頭差を利用して別の場所に移動させることができる受皿である。

図２ａは、実施の形態１の曝気装置と、微細気泡発生器Ｍと、生物処理槽（Ｂ．Ｒ）を組み合わせて作動させた状態の模式図である。図中右下に記載された微細気泡発生器Ｍから被処理水１Ｗ中に微細気泡Ｍ．Ｂを発生させることによって、微細気泡Ｍ．Ｂの特徴であるフローテション効果を利用し、浮遊及び底部に堆積している汚濁物Ｆに微細気泡Ｍ．Ｂを付着させ、浮力増により汚濁物Ｆは水面に向かって上昇させる。
この事によって散気部２から発生している気泡粒２ａと、上昇している汚濁物Ｆとを気泡粒収束部３内で合体さて気泡粒上昇通路４内を上昇させることができ、液泡曝し部５から溢流した汚濁物Ｆは受皿６から生物処理槽（Ｂ．Ｒ）に送られている。
もう一つの微細気泡Ｍ．Ｂの特徴を生かした利用方法に、下降水流内において微細気泡Ｍ．Ｂを汚濁物Ｆに付着させることで、汚濁物Ｆに浮力を付け下降水流に逆らうことで、汚濁物Ｆだけをゆっくりと下降させることができる利用方法がある。
図中左の生物処理槽（Ｂ．Ｒ）内に、前記の特徴を生かし上部に微細気泡発生器Ｍが配置され、その下流側には生物処理担体が充填され細菌や藻類及び原生動物等の微生物で構成された生物膜が形成されている。
この事によって、汚濁物Ｆは生物膜と接触時間が長くなり、生物処理槽（Ｂ．Ｒ）が小規模でも高効率に生物酸化処理することができ高度処理水３Ｗとして放出される。
又、紫外線管を用いて処理水２Ｗ中に含有している細菌等を殺菌したい場合、液泡曝し部５の上部に紫外線ランプＵＶを配置すれば、処理水２Ｗは液泡表面の薄膜水の状態なので、効果的に細菌等に紫外線を照射できる。
尚、汚濁物Ｆが生物分解処理できない物の場合、図中の生物処理槽（Ｂ．Ｒ）を回収除去装置に変えれば良く、又、これは請求項５に記載した曝気装置システムになる。
図中の微細気泡発生器Ｍは旋回式で、Ｐ．Ｗは気液混合の圧力水である。

図２ｂは、図２ａ中における（Ｂ．Ｒ）内及び（Ｂ．Ｆ）周辺の、微細気泡Ｍ．Ｂ及び汚濁物Ｆの動きを示した模式図で、図２ｂの（Ｂ．Ｒ）は、上部に配置した微細気泡発生器Ｍから発生させている微細気泡Ｍ．Ｂを、受皿６から連続的に処理水２Ｗと共に送られてくる汚濁物Ｆに付着させて浮力を付けることで、処理水２Ｗの下降流速（下向きの矢印）と汚濁物Ｆの浮力（上向きの矢印）とが差し引かれることによって、処理水２Ｗが下方に流れるのに比べ、微細気泡が付着した分ほど汚濁物Ｆは浮力が増し、生物膜の周辺に長く留まることができ、汚濁物Ｆと生物膜との接触時間が大幅に増やすことができる生物処理槽（Ｂ．Ｒ）内の微細気泡Ｍ．Ｂと汚濁物Ｆの動きである。
又、図２ｂの（Ｂ．Ｆ）は、図２ａ中の被処理水１Ｗ中に配置されている微細気泡発生器Ｍから発生した微細気泡Ｍ．Ｂが、被処理水１Ｗ中の汚濁物Ｆに付着し浮力増により、散気部２から発生した気泡粒２ａに向かって浮上している模式図である。

図３は、実施の形態１の曝気装置を用い、上昇パイプ７内に配置された散気部２から発生した気泡粒２ａによるエヤーリフトの効果によって、低層水域の被処理水１Ｗを上昇パイプ７から上昇させ、低層水域の被処理水１Ｗを液泡に変化させ曝気処理している請求項３に記載された曝気装置の模式図である。
又、図３中の気泡粒収束部３の部分と上昇パイプ７を接続して作動させても良い。

図４は、実施の形態１の曝気装置から排出される処理水２Ｗの水頭差を利用して、処理水２Ｗを別の場所に移動させることができる模式図で、散気部２から発生した気泡粒２ａは気泡粒収束部３内で気泡粒の集団３ａになり、連続的に散器部２から発生する気泡粒２ａの浮力と気泡粒の集団３ａの浮力とで、気泡粒の集団３ａの上側からより水面Ｓ．Ｗより上に上昇し液泡に変化させることができる。この事によって気泡粒２ａの周囲の被処理水１Ｗは、気泡粒上昇通路部４の上部域で液泡表面の薄膜水ＷＦになり、液泡曝し部５から受皿６へ処理水２Ｗとして溢流する。
受皿６を流れる処理水２Ｗは槽仕切壁Ｈを越えて別の水槽へ送られ、低層域まで繋がった下降パイプ８内に処理水２Ｗを送り込むことで下降パイプ８内を自重で下降する請求項４に記載された曝気装置である。

図５のＴ．１中は、上側に丸いハニカム状が４つ有り流れ方向Ｑが記載されている部分が立面図で、下側が正面図である。複数の気泡粒収束部３の下部端を連結させ隙間をなくすことによって、散気部２から発生してくる気泡粒を複数の気泡粒収束部３内で全て捕らえることができるので、大量の被処理水１Ｗを液泡に変化させて処理できる。
又、気泡粒収束部３の下部端が連結させているので被処理水１Ｗと処理水２Ｗが混合されることがなく、例えば、回収・移動目的に処理水２Ｗの流れ方向Ｑにすることができる。
図５中のＴ．２は、ステー３ｂを用いて散気部２を気泡粒収束部３に固定し、又、液泡曝し部５から最適な液泡が得られるような位置になるように、気泡粒収束部３に浮きＦＬを装着し、簡易に液泡曝気できる水面に浮かせ型曝気装置で、上側が立面図で下側が正面図である。尚、気泡粒上昇通路部４の構造は、図１のように気泡粒の上昇通路がドーナツ状のものだけではなく、図５中の４Ａのようにハニカム状やパイプを束状にしたものでも良く、又、水面がゆれ平行が保てない場所は、４Ａのように液泡曝し部５が付いてないものでも液泡生成曝気はできる。
淡水等の粘性がない液体でも気泡粒上昇通路４内の壁と壁との間隔Ｋが５ｍｍ〜２０ｍｍ位までの範囲であれば液泡は生成でき、又、下水等のように粘性があれば更にその間隔Ｋを広げても液泡は生成できる。又、図５のＴ．２中の４Ｂのように、内径を２０ｍｍ位の１本のパイプ状を用いても、気泡から液泡に変化させることができる。

表１は水道水を使用し、液泡生成曝気装置１を用いて図２に記載された作動方法で、散気部２は川商式の焼入型分散器（エヤーストーン）を用いて気泡粒収束部３内の下部に配置し、水深２０ｃｍ及び３０ｃｍと水面Ｓ．Ｗからの距離（ＡＬ）を変え、又、水面Ｓ．Ｗから液泡曝し部５まで距離（ＢＬ）を１０ｃｍ・１２ｃｍ・１４ｃｍと変えて、それぞれ１分間に液泡曝し部５から回収できた処理水２Ｗの量を表にしたものである。
尚、気泡粒上昇通路４の壁と壁の間隔Ｋが１５ｍｍで、散気部２に空気を送るブロワは世晃産業製の形式ＤＦ−４０６を用い、消費電力は４５Ｗであった。

上記表１から水面から気泡粒を発生させる場所（散気部２）が深いほど、液泡曝し部５から回収できる処理水２Ｗの量が多い。
これは深い場所から発生した気泡粒の浮力が加速され、気泡粒収束部３内に集って塊になっている気泡粒の集団に衝突することで浮力が大きくなり、気泡粒上昇通路４内を上昇する気泡粒が多くなることによって、液泡曝し部５から溢流する処理水２Ｗの量が多くなるのである。

表２中の液泡生成曝気ＤＯ値は、水道水に溶存している酸素を、東亜ＤＫＫ製・形式ＤＯ−２１Ｐの溶存酸素計を用いて測定しながら約ＤＯ２．８０ｐｐｍまで脱気した基準水を作り、前記表１内の水面Ｓ．Ｗから散気部２までの距離（ＡＬ）が２０ｃｍ、水面Ｓ．Ｗから液泡曝し部５までの距離（ＢＬ）が１０ｃｍの設定で固定し作動させて、毎分１０．２Ｌ液泡曝し部５から溢流された処理水のＤＯ値を測定し、合計４分間の処理量４０．８Ｌと総酸素溶解量を表にしたものである。
もう一方の水中散気曝気ＤＯ値は、容器（直径２０ｃｍ高さ３８ｃｍの円筒容器）に１０．２Ｌの脱気した基準水（ＤＯ２．８０ｐｐｍ）を入れ、前記の液泡生成曝気方法と同じブロワ・同じ散気部２（エヤーストーン）を用いて容器内の水面から２０ｃｍの位置で４分間水中散気曝気し、１分経過ごとにＤＯ値を測定した。
このようにして総酸素溶解量及び処理量を測定することで、両曝気方法のエネルギー効率を比較することができる。

上記表２の液泡生成曝気による１分間の酸素溶解増量は８．０５−２．８０＝５．２５ｐｐｍで、４分間の合計増量は５．２５ｐｐｍ×４分＝２１．０ｐｐｍになり、水中散気曝気の酸素溶解増量は１０．２Ｌの脱気水中での連続４分間の散気曝気をして８．４１−２．８０＝５．６１ｐｐｍの増量となる。
又、液泡生成曝気方法は曝気処理される処理水の酸素溶解増量（ＤＯ８．０５ｐｐｍ）が、水中散気曝気の約２分間（ＤＯ８．１１ｐｐｍ）に相当し、４分間の総処理量及び酸素溶解合計増量から見ても優れていると言える。
又、水中散気曝気による酸素溶解効率は、３分間及び４分間のＤＯ値の上昇は僅かで、ＤＯ飽和値に近づいた処理水への水中散気曝気は、エネルギー的に非効率で不経済であることが解かる。
尚、脱気する前の水道水のＤＯ値（溶存酸素濃度）は９．３ｐｐｍで水温は１８．２℃であった。

又、上記の実験とは別に、消費電力の少ないジェックス（株）製・形式ＧＸ４００Ｎの観賞魚用エヤーポンプを用いて、液泡粒収束部３（水面）から下側３０ｃｍに配置した小さなエヤーストーンから気泡粒を発生させ、水面Ｓ．Ｗから液泡曝し部５までの距離を気泡粒上昇通路４（１２ｍｍ径のパイプ１本）部分の長さを変えて実験をした結果、毎分０．９Ｌの処理水を求めることができた。しかし、水面Ｓ．Ｗから液泡曝し部５まで高さは約３ｃｍであった。
このエヤーポンプの消費電力は前記のブロワの２５分の１の１．８Ｗで、消費電力当りの処理水量は前記ブロワより多いが、水面より上に上昇する高さが低いために液泡表面の薄膜水が厚いようである。

以下、本発明の実施の形態２の曝気装置について、以下図面を参照しながら詳細に説明する。
図６は本発明の実施の形態２における曝気装置システムの正面図である。
図６中の１１は請求項６に記載された曝気装置システム、１２は加圧及び減圧に耐えられるタンク、１２ａはタンク１２内の処理水２Ｗの排出量を調整する排出調整弁、１２ｂはタンク１２内を減圧状態にする時に開放する減圧バルブ、１２ｃはタンク１２内の脱気水を回収する時に開放する回収バルブ、１２ｄはタンク１２内の圧力を感知し、その情報を電気的に各弁及びポンプ等に伝えることのできる圧力計センサー、１２ｅは例えば酸素ガス溶解等においてタンク１２内に溜まってくる余分なチッソガス等を抜くことで、酸素溶解濃度を上げることできる余分ガス排出弁、１３はタンク１２内へ被処理水１Ｗを供給する供給ポンプ、１３ａは供給ポンプ１３を作動させて被処理水１Ｗを吸引する吸引管、１３ｂは吸引管１３ａ内に発生する負圧を利用して気体を自吸させ、又、その気体自吸量を調整する気体自吸量調整弁、１３ｃは供給ポンプ１３を作動させた後に開放する供給弁、１３ｄはタンク１２内が減圧状態の時に被処理液１Ｗがタンク１２内へ吸引される量を調整する液体自吸量調整弁、１４は被処理水１Ｗをタンク１２内に供給する供給パイプ、１５は被処理水１Ｗを液泡に生成することができる液泡生成容器、１６はタンク１２内の気体Ｘ（加圧及び減圧）をエヤー吸引管１６ａで吸引し、エヤー供給管１６ｂを介して液泡生成容器１５内の底部に配置された散器部２に供給するエヤーポンプ、１７は上段の液泡生成容器１５から溢流した処理水を受け止めて、下段の液泡生成容器１５内へ送入することができる受皿管、１８はタンク１２内の気体を抜き減圧状態にすることができる真空ポンプ、１９はタンク１２内が減圧状態で脱気された処理水２Ｗを回収する回収ポンプ、２０はタンク１２内の下部に一時的に貯留されている処理水２Ｗの水位を感知し、その水位情報を電気的に各弁及びポンプ等に伝え適正に作動させる為の水位センサーである。
尚、この曝気装置システムはタンク１２内が加圧状態又は減圧状態で作動させるので、液泡曝し部５がなくても液泡表面の薄膜水に圧力に応じて十分に気体を溶解させることができ、又、液泡表面の薄膜水から減圧度に応じて十分に気体を脱気をすることができます。

実施の形態２における曝気装置システム１１の作動方法について説明する。
この曝気装置システムは、気体を液体に高濃度に溶解すること、液体中に既存に溶解している気体を脱気することができるが、解かりやすく説明するために別々に説明する。
まず、気体を液体中に高濃度に溶解させる方法から図６を用いて説明する。
尚、図６中に記載された全ての弁やバルブは、最初は閉じているものとする。
最初にポンプ１３を作動させて、吸引管１３ａから被処理水１Ｗを吸引し供給弁１３Ｃを開放することによって、供給パイプ１４の端が図中のように気泡粒上昇通路４内の中心部に向いて曲がっているので、被処理水１Ｗは液泡生成容器１５内に供給される。
この時に吸引管１３ａ内に発生している負圧を利用して接続されている気体自吸量調整弁１３ｂから適量に設定された気体Ｘが自吸され、気液混合水のかたちでタンク１２内に供給される。
連続的に気液混合水がタンク１２内へ供給されることにより、徐々にタンク１２の圧力が上昇する。
例えば、排出調整弁１２ａを閉じたまま作動させ、所望に予め設定した圧力タンク１２内の圧力が０．２ＭＰａの場合には、タンク１２内の処理水２Ｗの水位が約３分の２になり、０．１Ｍｐａの場合は約２分の１の水位になる。
このように作動させると、タンク１２内の処理水２Ｗの水位が高い状態になるので、圧力計センサー１２ｄから詳細な情報を排出調整弁１２ａに伝えて、予め設定したタンク１２内の圧力より低い状態の時から、徐々にタンク１２内の処理水２Ｗの排出させて、気体を気体自吸量調整弁１３ｂから自吸供給することで水位を下げることができ、又、タンク１２内の圧力も予め設定した圧力に徐々に近づけることができる。
このことで下限水位Ｚを水位センサー２０によって感知するまでは、気体自吸量調整弁１３ｂから気体が自吸供給されることになる。
（例えば、早くタンク１２内の水位を下限水位Ｚまで下げるために、初作動時だけコンプレッサーを用いてタンク１２内を所望の設定圧力にすることで、素早く正常に作動させることもできる。）
水位センサー２０が下限水位Ｚを感知した時点で、その情報を電気的信号によって気体自吸量調整弁１３ｂに伝え気体Ｘの自吸を停止される。
このことによってタンク１２内へは、新たな気体は供給されずにタンク１２内の気体Ｘが徐々に溶解されることで、徐々にタンク１２内の処理水２Ｗの水位が上昇する。
水位が上昇し水位センサー２０の上限水位Ｙを感知した時点で、再び気体自吸量調整弁１３ｂからタンク１２内へ気体の自吸供給が開始される。この作動を交互に繰り返すことによって連続的に作動できる。
次に、エヤーポンプ１６を作動させて、液泡生成容器１５内の底部に配置された散気部２から気泡粒を発生させることによって、その気泡粒は気泡粒上昇通路４内の外周部分から上昇し上部域で液泡に変化させることによって、被処理水１Ｗを液泡表面の薄膜水ＷＦにできる。
液泡生成容器１５内での液泡の生成方法は、実施の形態１の曝気装置１とほぼ同様であるが、圧力が高い気体Ｘを用いて散気部２から気泡粒を発生させるので、当然、生成される液泡内は圧力が高い気体であり、図７（Ａ）に記載した液泡が集って塊になった模式図のように、液泡表面の薄膜水ＷＦに圧力Ｐに応じて瞬間的に気体が溶解され、液泡生成容器１５の最上部から溢流し、受皿管１７によって下段に配置された液泡生成容器１５に送入され、再度、再々度、又は液泡生成容器１５が下段に配置された数ほど、処理水２Ｗを繰り返し液泡の薄膜水ＷＦにすることができるので、溶解しにくい気体又は溶解しにくい液体の状態の場合でも、高濃度に気体溶解できる。
又、例えば空気に比べ純酸素ガス等の比較的溶解しやすい気体を溶解させた場合には、被処理水に元々溶存していたチッソガスがタンク１２内に放出されるので、徐々に回収される処理水２Ｗの酸素溶解濃度が下がる。この時、センサーやタイマー等を用いて間欠的に、余分ガス排出弁１２ｅからタンク１２内に溜まったチッソガスを抜くことで、酸素溶解濃度上げることができる。

次に、この曝気装置システムを用いて、液体に既存に溶解している気体を脱気する方法を図６で説明する。
最初に減圧バルブ１２ｂを開けて真空ポンプ１８を作動させることによりタンク１２内の気体を抜き、所望の減圧度を圧力計センサー１２ｄによって感知した時点で、液体自吸量調整弁１３ｄによって自吸される被処理水１Ｗの量を調整することで、適量の被処理水１Ｗがタンク１２内へ吸い込まれ、供給パイプ１４の端が気泡粒上昇通路４内の中心部に向いているので、液泡生成容器１５内に被処理水１Ｗを供給することができる。
又、この時点でエヤーポンプ１６を作動させることで、液泡生成容器１５内の底部分に減圧された気体Ｘの気泡粒を発生させることができ、その気泡粒は気泡粒上昇通路４内の外周部分を上昇し、上部域で液泡に変化し溢流することで、図７（Ｂ）に記載した液泡の塊になった模式図のように、液泡表面の薄膜水ＷＦに溶存している気体が、液泡内の減圧−Ｐの空間に放出されることで、被処理水１Ｗを脱気処理することができる。
又、このように脱気された処理水２Ｗを、前記した高濃度の気体溶解水を製造する時と同様に、受皿管１７で下段の液泡生成容器１５に送られることによって、再度、再々度、処理水２Ｗは繰り返し液泡表面の薄膜水ＷＦにできるので、脱気しにくい気体が溶解されている場合や、気体が放出しにくい液体から脱気する場合でも、高度に脱気処理をすることができる。
上記のようにタンク１２内の減圧状態を繰り返し利用することで、脱気に使われるエネルギーの無駄を最小限にでき、又、真空ポンプ１８から脱気した気体Ｘも簡単に回収することもできる。
タンク１２内に貯留される処理水２Ｗの水位を、水位センサー２０の上限水位Ｙで感知した時点で、回収ポンプ１９を作動させてから、回収バルブ１２ｃを開放することでタンク１２内の処理水２Ｗを回収でき、下限水位Ｚを感知した時点で回収バルブ１２ｃを閉めて回収ポンプ１９を停止する。
この作動を繰り返してタンク１２内に貯留される処理水２Ｗを回収するか、又は液体自吸量調整弁１３ｄの調整によって液泡生成容器１５内に吸い込まれる被処理水１Ｗの量と、回収ポンプ１９から回収される量とを、タンク１２内の水位センサー２０で水位を感知しながら連動調整することで連続的に作動させることもできる。
又、液体自吸量調整弁１３ｄからの吸い込み量が少ない場合は、ポンプ１３を作動させて被処理水１Ｗの供給量を供給弁１３ｃで調整しながら供給しても良い。

（１）既存の下水処理場において、既に設置してある曝気装置から発生する気泡粒を液泡に変化させるだけで、処理水中に酸素を高効率に供給できるので、微生物が更に活性し下水処理能力を高めることができ、又、大半の既存設備をそのまま活用できるので経済的である。
（２）湖沼や海洋等の閉鎖水域、又はその水域における養殖場等への酸素供給、又、その水底域及び水中域に浮遊する汚濁物（残餌、糞も含む）の回収除去。
（３）観賞用水槽においての酸素供給、及び残餌や糞の回収除去。
（４）工業用の循環水中に含有する浮遊物等の回収除去。
（５）高濃度の気体溶解水及び脱気水の製造。
（６）高濃度気体溶解処理及び脱気処理を組み合わせて、各種機能水の製造。
例えば、被処理水中に既存に溶解している気体を抜き脱気処理水を製造、その脱気処理水に所望の気体を高濃度に溶解させることによって、特殊な作用を持つ機能水を作る。

実施の形態１の曝気装置の正面図 実施の形態１の曝気装置を作動させた時の気泡粒及び液泡の挙動を示した模式図 実施の形態１の曝気装置と微細気泡発生器と生物処理槽を組み合わせた模式図 図２ａ中における（Ｂ．Ｒ）内及び（Ｂ．Ｆ）周辺の、微細気泡及び汚濁物の挙動を示した模式図 実施の形態１の曝気装置とエヤーリフト効果を利用した正面図 実施の形態１の曝気装置から排出される処理水の水頭差を利用して、処理水を別の場所に移動させることができる正面図 実施の形態１の曝気装置の気泡粒収束部の底端を複数接続させたＴ．１と水面浮き型Ｔ．２の正面図 実施の形態２の曝気装置システムの正面図 液泡表面の薄膜水ＷＦにタンク内の加圧Ｐ及び減圧度−Ｐに応じて、瞬間的に溶解及び脱気されている模式図

符号の説明

１ 実施の形態１の曝気装置
２ 散気部
２ａ 気泡粒
２ｂ 気体供給管
３ 気泡粒収束部
３ａ 気泡粒の集団
３ｂ ステー
４ 気泡粒上昇通路部
４ａ 変化した液泡
４Ａ ハニカム状
４Ｂ パイプ状
５ 液泡曝し部
５ａ 溢流した液泡
６ 受皿
７ 上昇パイプ
８ 下降パイプ
１１ 実施の形態２の曝気装置システム
１２ タンク
１２ａ 排出調整弁
１２ｂ 減圧バルブ
１２ｃ 回収バルブ
１２ｄ 圧力計センサー
１２ｅ 余分ガス排出弁
１３ ポンプ
１３ａ 吸引管
１３ｂ 気体自吸量調整弁
１３ｃ 供給弁
１３ｄ 液体自吸量調整弁
１４ 供給パイプ
１５ 液泡生成容器
１６ エヤーポンプ
１６ａ エヤー吸引管
１６ｂ エヤー供給管
１７ 受皿管
１８ 真空ポンプ
１９ 回収ポンプ
２０ 水位センサー
Ｘ 気体
Ｓ．Ｗ 水面
ＡＬ 水面Ｓ．Ｗから散気部２までの距離
ＢＬ 水面Ｓ．Ｗから液泡曝し部５までの距離
Ｋ 気泡粒上昇通路４内の壁と壁の間隔
ＵＶ 紫外線ランプ
１Ｗ 被処理水
２Ｗ 処理水
３Ｗ 高度処理水
ＷＦ 液薄膜水
Ｂ．Ｒ 生物処理槽内の汚濁物の動き
Ｂ．Ｆ 被処理水１Ｗの汚濁物の動き
Ｐ．Ｗ 気液混合の圧力水
Ｐ 気体圧力度
−Ｐ 減圧度
Ｍ 微細気泡発生器
Ｂ．Ｍ 微細気泡
Ｆ 汚濁物
Ｈ 槽仕切壁
ＦＬ 浮き
Ｙ 上限水位
Ｚ 下限水位

Claims (6)

1. 水中に気泡粒を発生させる散気工程と、前記気泡粒が水面上に浮上する際に収束させて、水面の下部域に気泡粒を集めた気泡粒の集団を形成させる気泡粒収束工程と、前記気泡粒の集団の水面部分に気泡粒上昇通路を設けることで、前記散気工程から連続的に発生する気泡粒により増加する前記気泡粒の集団の浮力によって、前記気泡粒の集団の上部分から前記気泡粒上昇通路内に押上げられることで、気泡粒の周囲の液体は重力で下方に分離し、前記気泡粒上昇通路内の上部付近で気泡粒は液泡（シャボン玉状の塊）に変化する液泡生成工程と、前記気泡粒上昇通路の最上部に液泡のままの状態をなるべく長く保つ液泡曝し工程と、を備えたことを特徴とする曝気方法。
2. 被処理水中に気泡粒を発生させる散気部と、前記被処理水の水面下部に前記気泡粒を集め気泡粒の集団を作る気泡粒収束部と、連続的に増加する前記気泡粒の集団の浮力により、気泡粒の集団は上部分から水面より上に押し上げられることで、気泡粒は液泡に変化することができる気泡粒上昇通路部と、前記気泡粒上昇通路の最上部から溢流する液泡の状態をなるべく長く保つ液泡曝し部と、を備えたことを特徴とする曝気装置。
3. 被処理水の低層から上層に配置されたパイプ内の上部分に前記散気部を備えて気泡粒を発生させることで、低層域の被処理水をエヤーリフト効果により上層域に上昇させ、更にその被処理水を大気圧下で液泡表面の薄膜水にすることができることを特徴とする請求項２に記載の曝気装置。
4. 水面より高い位置にある前記液泡曝し部から排出される処理水を、水頭差を利用して低層域まで繋がったパイプ等に接続することで、低層域に酸素供給した処理水を送水できることを特徴とする請求項２に記載の曝気装置。
5. 水面上に配置されている請求項２記載の曝気装置と、前記曝気装置の底部分に配置された微細気泡発生器と、前記曝気装置の液泡曝し部から溢流する処理水を受け止めて、別の場所に移動させて各種処理をすることができる受皿と、を備えたことを特徴とする曝気装置システム。
6. 加圧状態及び減圧状態に耐えられるタンクと、前記タンク内が加圧状態及び減圧状態にある時に、被処理水及び気体を前記タンク内へ供給することができるポンプと、前記被処理水を液泡に生成できる液泡生成容器と、前記タンク内が加圧状態及び減圧状態にある時の気体を吸引し前記液泡生成容器内の底に配置された散気部に送ることができるエヤーポンプと、前記タンク内において上下多段に配列された上段の前記液泡生成容器から溢流した処理水を受け止めて、下段の液泡生成容器内へ送入することができる受皿管と、を備えたことを特徴とする曝気装置システム。

Images