JP2016049526A - 省動力型曝気撹拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水槽内に空気の下降流や水流を発生させる際の電力量を削減すること。
【解決手段】曝気撹拌装置１は、水槽１１と、ドラフトチューブ１２およびコーン状部１２ａからなるケーシングの内部に設けた、微細気泡を放出する微細気泡散気部１３、および微細気泡散気部１３の上方に軸を中心として回転する撹拌翼１５と、を備える。微細気泡散気部１３が複数の柱状の散気筒１３−１〜１３−ｎから構成され、それぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎは長手方向が垂直方向になるように、かつ撹拌翼１５の外側端により描かれる円の半径Ｒ₀に対して５０％以上９０％以下の長さ寸法である半径を有する円と同心円の円周に沿って間欠的に列状に配置する。さらに、撹拌翼１５の下方に、面方向が、それぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎの長手方向に対して略平行になるように設置された複数の平板からなる静翼１４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性汚泥法に使用する省動力型曝気撹拌装置に関する。

従来、下水を浄化するための下水処理場においては、下水中の有機物を分解したり除去したりするために、活性汚泥法と呼ばれる生物処理を行う場合がある。活性汚泥法は、好気性微生物処理であって、活性汚泥法を行う場合には、微生物を含む活性汚泥に有機物を含む汚濁物質を吸収させるために、下水中に酸素を含む空気を供給する必要がある。この空気の供給が行われる槽が曝気槽であり、一般的な曝気槽は、水槽と水槽の底部に設けられた散気管とを備える。そして、この曝気槽において槽内において空気を撹拌する曝気撹拌装置が知られている。

曝気撹拌装置としては、特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載された曝気撹拌装置は、水槽と、水槽内に垂直に配設されたドラフトチューブと、このドラフトチューブ内に配設された散気筒と、散気筒の上側でドラフトチューブ内に配設された撹拌機であるインペラとを備える。そして、散気筒が複数の微細孔を有し、それらの微細孔から空気が噴出されることによって、汚水中に酸素が溶解される。

また、特許文献２，３には、処理槽内にドラフトチューブが設けられ、ドラフトチューブ内に回転する軸流インペラなどの撹拌手段と空気を供給する空気供給部とを備えた曝気撹拌装置が記載されている。特許文献２に記載された曝気撹拌装置は、撹拌手段が撹拌羽根の回転によりドラフトチューブ内に下降流を発生させ、ドラフトチューブの下端からその外部を経て上端に液を循環させる構成を有し、撹拌羽根の上流側に、撹拌羽根との間に気泡ガイドを備える散気板または散気管を設ける。一方、特許文献３に記載された曝気撹拌装置は、ドラフトチューブの外周面に隣接する位置に上面および周面が閉塞された空間をなすカバーと、一端が空間に連結されて他端に被処理液の水面近傍に位置する開口が設けられた空気排出路とを備えた構成を有する。

しかしながら、いずれの特許文献２，３に記載された従来の曝気撹拌装置においては、撹拌手段が撹拌羽根の回転により、曝気槽内に供給された大きな気泡を液体中において裁断しつつ、ドラフトチューブ内に下降流を発生させている。これにより、撹拌に要する動力は、主に下降流の発生と液体中での供給された空気の微細化とに費やされているために、使用電力量が大きくなるという問題があった。

特開２０１２−１２５６９１号公報 特開２００３−５３３７１号公報 特許第４８７５７７８号公報

そこで、本発明者は、空気の微細化を実現するために、特許文献１に記載された技術を提案した。特許文献１に記載の技術によれば、曝気槽である水槽内における空気の微細化という一方の問題は解決されたが、水槽内での空気の下降流や水流の発生に要する電力のより一層の低減という他方の問題が残存していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、水槽内に空気の下降流や水流を発生させる際の電力量を削減することができる省動力型曝気撹拌装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、汚水を貯留する槽の内部に設置可能に構成された省動力型曝気撹拌装置において、上部にコーン状部を有するドラフトチューブと、ドラフトチューブの内部に設けられ、汚水中に気泡を放出可能に構成された気泡散気手段と、ドラフトチューブの内部であって気泡散気手段の上側に、軸周りに回転可能に設けられた撹拌翼と、を備え、気泡散気手段が複数の柱状の散気筒から構成され、それぞれの散気筒のうちの少なくとも一部は、散気筒の長手方向が垂直方向になるように、かつ、撹拌翼の外側端により描かれる円の半径に対して５０％以上９０％以下の長さ寸法の半径を有する半径の、円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、上記の発明において、撹拌翼の下方に、気泡散気手段のそれぞれの散気筒の長手方向に対して、面方向が略平行になるように設置された複数の平板からなる静翼が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、汚水を貯留する槽の内部に設置可能に構成された省動力型曝気撹拌装置において、上部にコーン状部を有するドラフトチューブと、ドラフトチューブの内部に設けられ、汚水中に気泡を放出可能に構成された気泡散気手段と、ドラフトチューブの内部であって気泡散気手段の上側に、軸周りに回転可能に設けられた撹拌翼と、を備え、気泡散気手段が複数の柱状の散気筒から構成され、それぞれの散気筒のうちの少なくとも一部は、の長手方向が垂直方向になるように、かつ、撹拌翼の外側端により描かれる円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置され、撹拌翼の下方に、気泡散気手段のそれぞれの散気筒の長手方向に対して、面方向が略平行になるように設置された複数の平板からなる静翼が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、上記の発明において、撹拌翼は、複数の羽根から構成された主翼と、主翼の下部に設けられ、主翼を構成する羽根よりも短い複数の羽根から構成される補助翼とを有する二重翼であることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、上記の発明において、気泡散気手段を構成する円周ラインに沿って配置された複数の散気筒に対して水平面に沿った円周ラインの略中央部分に縮径部材が設けられ、コーン状部の下部の開口の水平面に沿った断面積に比して、縮径部材が設けられた領域の水流の通過面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、上記の発明において、散気筒が円柱形状のセラミック多孔質体またはメンブレン材質体から構成され、円周ラインに沿って配置された複数の散気筒の内側にさらに、複数の散気筒が、それぞれの散気筒の円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、撹拌翼の外側端により描かれる円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置は、上記の発明において、散気筒が円柱形状のセラミック多孔質体またはメンブレン材質体から構成され、円周ラインに沿って配置された複数の散気筒の内側にさらに、複数の散気筒が、それぞれの散気筒の円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、撹拌翼の外側端により描かれる円の内側に、間欠的で十字状に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る省動力型曝気撹拌装置によれば、水槽内に空気の下降流や水流を発生させる際の使用電力量を削減することが可能になる。

図１は、本発明の一実施形態による曝気撹拌装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による曝気撹拌装置の撹拌翼を示す上面図である。 図３は、本発明の一実施形態によるドラフトチューブ内の側面図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った水平断面図である。 図５は、図４におけるドラフトチューブ内の水平面での散気筒の配置領域を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態による曝気撹拌装置の撹拌翼による翼先端周速度に対する吐出速度の撹拌翼半径比率依存性を示すグラフである。 図７は、本発明の一実施形態の変形例１によるドラフトチューブおよびその周辺部の構成を示す側面図である。 図８は、本発明の一実施形態の変形例２によるドラフトチューブ、微細気泡散気部、および静翼を示す、図４に対応する水平断面図である。 図９は、本発明の一実施形態の変形例３によるドラフトチューブ、微細気泡散気部、および静翼を示す、図４に対応する水平断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の一実施形態による省動力型曝気撹拌装置について説明する。図１は、この一実施形態による曝気撹拌装置の構成図を示す。

図１に示すように、この一実施形態による曝気撹拌装置１は、水槽１１内に設置可能に構成されている。そして、曝気撹拌装置１は、上部にコーン状部１２ａを有するドラフトチューブ１２、微細気泡散気部１３、静翼１４、インペラと称される撹拌翼１５、キャッチャ１７、導水板１８、シャフト１９、および駆動部２０を備えて構成される。この曝気撹拌装置１は、水槽１１の外部に設けられた気体供給手段としてのブロワ２４から空気が供給され、例えば好気性の活性汚泥処理に使用される。水槽１１は、例えば直方体状を有する活性汚泥処理槽などであり、溶存酸素計（ＤＯ計）（図１中図示せず）などを設けられているのが好ましい。

ドラフトチューブ１２は、例えば１５００ｍｍ径の円筒形状の部分とコーン状部１２ａとを有して構成されている。そして、ドラフトチューブ１２の円筒形状の部分は、水槽１１内の水平面に沿った略中央に、長手方向が水槽１１の深さ方向に沿って平行になるように設けることができる。ドラフトチューブ１２は、例えば、水槽１１の架台２１に支柱によって吊り下げ可能に構成されている。また、ドラフトチューブ１２は、必要に応じて、水面より上方の床または水槽１１の底面に固定された３本以上の支柱（いずれも図示せず）により支持することも可能である。ドラフトチューブ１２内には、微細気泡散気部１３、静翼１４、および撹拌翼１５が設けられている。気泡散気手段としての微細気泡散気部１３にはブロワ２４から配管を通じて空気が供給される。

撹拌翼１５は、微細気泡散気部１３の直上に配設されている。後述するように、撹拌翼１５の軸周りでの回転によって、ドラフトチューブ１２内の特に微細気泡散気部１３の周辺において強力な流速が発生して、微細気泡を水槽１１の底部まで搬送できる下降流が発生される。なお、撹拌翼１５は、空気をせん断することによって微細気泡を形成するものではないことから低速回転する構成でよく、具体的な回転数は、従来２３０〜２５０ｒｐｍであるのに対し、１００ｒｐｍ程度で良い。また、撹拌翼１５の下端と微細気泡散気部１３の上端との間隔は、５００ｍｍ以下が好ましく、１００ｍｍ以下がより好ましい。撹拌翼１５と微細気泡散気部１３との間隔を上述の間隔にすることによって、撹拌翼１５の撹拌エネルギーが高い状態で、微細気泡散気部１３から発せられた気泡を直ちに下方に供給できる。そのため、微細気泡どうしの会合を抑制して、微細気泡の状態で下方に供給されて水槽１１全体に拡散されるので、水中への酸素供給効率を向上することができる。なお、ドラフトチューブ１２、撹拌翼１５、および微細気泡散気部１３は、互いに分割した構造になっている。

図２は、撹拌翼１５を上方から俯瞰した上面図である。図１および図２に示すように、撹拌翼１５は、ドラフトチューブ１２の円筒内において、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる複数の主翼１５ａおよび複数の補助翼１５ｂを有した二重翼として構成される。この一実施形態において撹拌翼１５は、回転半径が大きい例えば４枚羽根の主翼１５ａと、主翼１５ａに比して回転半径が小さい例えば４枚羽根の補助翼１５ｂとを有した二重翼から構成される。また、図２において、撹拌翼１５は、矢印の方向に回転する。補助翼１５ｂの回転半径が主翼１５ａの回転半径より小さく、かつ補助翼１５ｂが主翼１５ａの下部に設けられた二重翼の作用により、主翼１５ａのみの回転では下降流が生じにくい領域において、弱い下降流を強化して、下降流を強く発生できる。

シャフト１９は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）からなり、その長手方向に対して直角の面内において自転するように回転可能に構成される。このシャフト１９は、撹拌翼１５の回転軸をなして、撹拌翼１５の主翼１５ａおよび補助翼１５ｂを、一端である下端において吊り下げ状態で支持している。さらに、シャフト１９の他端である上端は、撹拌翼１５を回転駆動させる駆動源としての駆動部２０に連結されている。

駆動部２０は、モータ２０ａと減速機２０ｂとを有して構成される。駆動部２０は、水槽１１の上部の架台２１に撹拌機フランジ２２を介して設けられる。この駆動部２０は、モータ２０ａに電力が供給されて得られた回転駆動のエネルギーを、減速機２０ｂによって減速してシャフト１９に伝達し、シャフト１９を自転させることによって、撹拌翼１５を回転可能に構成されている。

図３は、ドラフトチューブ１２内における静翼１４、撹拌翼１５、および微細気泡散気部１３を示す側面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図３および図４に示すように、微細気泡散気部１３は、例えば散気筒１３−１，１３−２，…，１３−ｉ，…，１３−ｎ（ｉ＝１〜ｎの自然数、ｎ≧５）から構成される。それぞれの散気筒１３−ｉは、径が例えば８０ｍｍの円柱形状を有するとともに気孔径が例えば約２００μｍのセラミック多孔質体またはメンブレン材質体からなる。また、１本の散気筒１３−ｉの微細気泡の放出量は、例えば２０〜８４Ｌ／ｍｉｎである。また、ｎ本の散気筒１３−１〜１３−ｎにおける総気泡発泡表面積は、ドラフトチューブ１２の水平面に沿った円筒断面積の２倍以上６倍以下の範囲に調整される。

そして、各散気筒１３−ｉは、ドラフトチューブ１２内において、それらの長手方向が垂直方向になるように、いわゆる縦置きに配設されている。また、各散気筒１３−ｉは、撹拌翼１５の外側端により描かれる円の半径に対して５０％以上９０％以下の長さ寸法の半径を有しつつ、撹拌翼１５の外側端により描かれる円と同心円の円周に沿って、間欠的で列状に配置されている。この散気筒１３−ｉはいずれも、複数段の散気領域が構成され、それぞれの段の散気領域からそれぞれ空気を放出可能に構成されている。また、微細気泡散気部１３を構成するそれぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎは、図１に示す送気源としてのブロワ２４に接続されている。これらの散気筒１３−１〜１３−ｎは、水槽１１に水が貯留された状態で、その周面の散気面から水中に向けて微細気泡を放出可能に構成されている。なお、図３において、矢印は気泡（空気）の放出状態を示す。

また、図３に示すように、撹拌翼１５は、主翼１５ａおよび補助翼１５ｂから構成された二重翼形状である。また、ドラフトチューブ１２の内径と撹拌翼１５の主翼１５ａの外半径Ｒ₀との差ｄ₀は、例えば１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、好適には５０ｍｍ以下であって、主翼１５ａとドラフトチューブ１２との間隙は極めて小さい。これにより、ドラフトチューブ１２内の全体において、撹拌翼１５によって強い下降流を形成できる。そして、撹拌翼１５の直下に配設されたそれぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎから放出される微細気泡を逆流させて上昇させることなく、ドラフトチューブ１２の下部から水槽１１の底付近に向けて放出可能になる。

また、図３および図４に示すように、静翼１４は、例えば複数の平板から構成され、静翼１４を構成する平板の面方向が略垂直方向になるように、ドラフトチューブ１２内に配置される。この一実施形態において静翼１４は、例えば４枚の平板から構成され、それぞれの平板の面がドラフトチューブ１２の長手方向に沿って平行に配置されている。また、静翼１４は、４枚の平板の面が互いに９０°の角度をなして、水平面に沿った断面形状が十字状になるように配置されている。このように静翼１４を４枚の平板から構成して十字状に配置しているとともに、直上に設置された撹拌翼１５の４枚の羽根の水平面に沿った配置が十字状である。これにより、撹拌翼１５の開店時において、静翼１４の各平板と撹拌翼１５の各羽根とがそれぞれ、４箇所で同時に一致する瞬間が得られるため、撹拌翼１５の回転を安定させることができる。

また、図４に示すように、微細気泡散気部１３を構成するそれぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎ（ｎは５以上の整数）は、互いに離間して水平面に沿って円周ラインかつ間欠的に配置されているとともに、水深が１〜５ｍの領域に設置される。さらに、上述したように、それぞれの散気筒１３−１〜１３−ｎを、その長手方向がドラフトチューブ１２の長手方向に平行である。これにより、微細気泡散気部１３の上方の撹拌翼１５の回転によって形成される水流（下降流）の抵抗になるのは、各散気筒１３−１〜１３−ｎの上側断面のみになるため、撹拌翼１５によって形成される水流の抵抗を最小限にできる。具体的には、ドラフトチューブ１２の上方開口面積に対して、各散気筒１３−１〜１３−ｎの水平面に沿った断面積（投影面積）は１５％以下であり、ドラフトチューブ１２内の空隙率が８５％以上である。これにより、撹拌翼１５により形成される水流を阻害することなく、汚濁物の生物処理に必要な大量の酸素量を効率よく水槽１１内に供給できる。また、散気筒１３−１〜１３−ｎはそれぞれ、面積を真円に換算したときの径が５０μｍφ以上５００μｍφ以下からなる微細孔を複数有するか、または幅が５０μｍ以上５００μｍ以下で長さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下のスリットからなる微細孔を複数有する。そして、散気筒１３−１〜１３−ｎはそれぞれ、このように構成された微細孔から空気が放出される。

図５は、散気筒１３−１〜１３−ｎの設置領域を示す水平面に沿った断面図である。図４および図５に示すように、散気筒１３−１〜１３−ｎの円周ラインの配置における中心である所定の軸としての軸芯Ｏからの半径ｒ₀は、上述した撹拌翼１５の外半径Ｒ₀に対して、好適には４９％を超えて５０％以上かつ９４％未満である９０％以下、より好適には８０％以下、さらに好適には５５％以上７５％以下とするのが好ましい。すなわち、散気筒１３−１〜１３−ｎを、図５に示す設置領域Ｑ内に、好適には間欠的で円周ライン（円周上）に配置するのが好ましい。また、図４および図５に示すように、撹拌翼１５の外半径Ｒ₀については、以下の（１）式が成立する。なお、図４においてドラフトチューブ１２の半径は（ｒ₀＋ｒ₁＋ｄ₀）である。
Ｒ₀＝ｒ₀＋ｒ₁ ……（１）

ここで、散気筒１３−１〜１３−ｎが配置される円周ラインの半径ｒ₀を、撹拌翼１５の外半径Ｒ₀に対して上述の範囲にする理由について説明する。まず、本発明者は、主翼１５ａおよび補助翼１５ｂを有する撹拌翼１５を水中で回転させた状況に着目して、撹拌翼１５の先端周速度に対する吐出流速について種々計測を行った。図６は、撹拌翼１５によって形成される水流の、撹拌翼１５の先端周速度に対する吐出流速における撹拌翼半径比率依存性を示すグラフである。

図６から、本発明者は、撹拌翼１５により形成される水流の吐出流速が、撹拌翼１５の回転面の全体にわたって均等ではなく、半径方向に沿った位置によって種々変化していることを知見した。上述したように、微細気泡散気部１３を構成する各散気筒１３−１〜１３−ｎは、その長手方向が垂直方向になるように設けられている。そのため、各散気筒１３−１〜１３−ｎから放出される気泡を効率良く水槽１１の下方に供給するには、各散気筒１３−１〜１３−ｎの周辺における水流の吐出流速を大きくする必要がある。本発明者はこのような検討を行って、撹拌翼１５の先端周速度に対する吐出流速の比率が大きくなる領域、具体的には０．２５より大きくなる領域を採用するに至った。すなわち、微細気泡散気部１３を構成する各散気筒１３−１〜１３−ｎの設置位置を、撹拌翼１５の外側端により描かれる円の外半径Ｒ₀に対して５０％以上９０％以下にするのが好ましいことを想起した。さらに撹拌翼１５による下降流を形成しつつ、各散気筒１３−１〜１３−ｎから放出された気泡を浮力に逆らいつつ水槽１１の下部に供給するためには、各散気筒１３−１〜１３−ｎを撹拌翼半径比率が５０％以上８０％以下の領域に設置するのが好ましい。また、撹拌翼半径比率が５５％以上７５％以下の領域に各散気筒１３−１〜１３−ｎを設置することによって、微細気泡をより強力に水槽１１の下部に輸送できる。さらに、微細気泡散気部１３に上述した静翼１４を設けていることにより、微細気泡を下方に供給する輸送力をより一層向上させることができ、静翼１４を設けない場合に比して微細気泡をより効率良く水槽１１の下部に輸送可能となる。

また、図１に示すように、コーン状部１２ａは、ドラフトチューブ１２の上部開口側に設けられ、ドラフトチューブ１２の円筒形状の部分から上端部に向けて広くなるように開口したテーパ状に構成されている。なお、コーン状部１２ａをドラフトチューブ１２の円筒形状とは別体で構成する場合には、コーン状部１２ａの下端部をドラフトチューブ１２の上端に取り付ける際にコーン状部１２ａの上端部が開口し、かつ下端部の開口周辺に隙間が生じることなく上端部に向かって拡がるように、ドラフトチューブ１２の上部に固定するのが好ましい。

また、コーン状部１２ａの上端部の上方に、水槽１１内の酸素を多く含有した汚水を、コーン状部１２ａ内およびドラフトチューブ１２内に案内するための導水板１８が設けられている。この導水板１８によって、水槽１１内において溶解した酸素を豊富に含む汚水がドラフトチューブ１２の上部のコーン状部１２ａに効率良く吸い込まれる。

さらに、コーン状部１２ａの外周部には、キャッチャ１７が設けられている。キャッチャ１７は、ドラフトチューブ１２のコーン状部１２ａの上端部の外周から張り出したひさし状部分（上面部）と、このひさし状部分の外周部に設けられた筒状部分（側面部）とを有して構成され、下端部が開口している。そのため、キャッチャ１７においては、テーパ状のコーン状部１２ａのテーパ状の外周面部とひさし状部分および筒状部分とから空間が形成される。キャッチャ１７の空間には、水槽１１内において、空気を貯留可能に構成される。また、キャッチャ１７の上面の水平面に沿った形状は、ドラフトチューブ１２の直径に対して、２〜３倍の幅寸法の矩形状、または２〜３倍程度の径寸法の円形状などが望ましいが、その他の形状であっても良い。具体的に、ドラフトチューブ１２の直径が例えば１５００ｍｍ程度である場合、キャッチャ１７の水平面に沿った寸法は３０００〜４５００ｍｍ程度にするのが好ましい。さらに、キャッチャ１７は、その上面が水面からの深さとして例えば９００ｍｍ程度の位置に設置されている。

また、キャッチャ１７のひさし状部分には、キャッチャ１７の空間に連通したスカム粉砕ノズル２５が設けられている。スカム粉砕ノズル２５は、例えばＵ字形状のノズル管から構成されている。スカム粉砕ノズル２５の一端部は、キャッチャ１７のひさし状部分に連通して、キャッチャ１７に捕集された空気を排出可能に構成されている。一方、スカム粉砕ノズル２５のダクト開放端である他端部は、水槽１１の水面より例えば１００〜１０００ｍｍ上方、または水面より例えば１００〜１０００ｍｍ下方水面下近傍のいずれかに位置するように設けられる。ここで、スカム粉砕ノズル２５の他端部は、この他端部からの水および空気の混合物（エアーリフト混合物）の噴射方向が、水面内下方に向かうように構成されている。そして、スカム粉砕ノズル２５のダクト開放端である他端部は、このエアーリフト混合物を水面より上側まで浮上させるように、水面から離間した水中位置から水槽１１の底面側に向かって開口するように構成されている。

そして、キャッチャ１７における空間内にかかる水圧および空気圧に起因したエアーリフト効果（エアーリフトポンプの原理）によって、空気と水とが混合状態となってスカム粉砕ノズル２５の他端部から、例えば、撹拌翼１５のシャフト１９に向かって激しく噴射される。これにより、シャフト１９の軸芯Ｏに向かう表面流に輸送されてドラフトチューブ１２およびコーン状部１２ａの吸い込み部分に集積したスカムが消泡され、吸い込み水流によって除去される。すなわち、水槽１１の水面下に向かう強い水流が形成されて、水面上のスカムを粉砕した沈降させたりして泡を消泡できる。なお、スカム粉砕ノズル２５の他端部が水面より上方に位置している場合にも同様に、スカム粉砕ノズル２５の他端部からの空気および水の混合物は、水面下に向かう方向に噴射させる。また、このスカム粉砕ノズル２５のダクト開放端である他端部は、スカムの性状によって本数や吐出位置を決定することができる。

また、水槽１１の底部には、山状の水流案内部２３が設けられている。この水流案内部２３により、撹拌翼１５により発生された下降流、および微細気泡散気部１３から放出された微細気泡が、水槽１１の底部で効率良く反転されて水槽１１の上部に循環される。

本発明者は、以上のように構成された曝気撹拌装置１と、従来の曝気撹拌装置とにおいて、酸素移動効率を測定した。その結果、従来の曝気撹拌装置においては酸素移動効率が２０〜４０％であったのに対し、曝気撹拌装置１においては酸素移動効率が４０％を超えて７２％まで向上することが確認された。また、撹拌翼１５の回転に要する撹拌動力においても、従来の曝気撹拌装置においては３０Ｗ／ｍ³以上必要であったのに対し、上述した曝気撹拌装置１においては１０Ｗ／ｍ³と、１／３に低減できることが確認された。さらに、この一実施形態による曝気撹拌装置１によれば、従来の曝気撹拌装置に比して、騒音が低く環境に与える影響も極めて低くすることができ、維持管理工数を削減できる。

次に、上述のように構成された曝気撹拌装置１の運転方法について説明する。この一実施形態による曝気撹拌装置１は、例えば活性汚泥処理に使用されるため、活性汚泥槽としての具体的な立上げ方法は従来公知の方法を採用することができる。ここで、図１に示す曝気撹拌装置１において、水中に酸素を溶解させる運転方法について説明する。

図１に示すように、曝気撹拌装置１において、水槽１１に貯留された汚水中に酸素を溶解させる際には、まず水槽１１に汚水を貯めた後、駆動部２０によって撹拌翼１５を回転させる。そして、ドラフトチューブ１２内の水流（下降流）が安定した状態で、ブロワ２４から微細気泡散気部１３に空気を供給する。これにより、微細気泡散気部１３から微細気泡が放出される。さらに、水槽１１に設けられたＤＯ計（図示せず）の測定結果に基づいて、散気筒１３−１〜１３−ｎへの空気の送気量を制御したり、撹拌翼１５の回転数を制御したりすることも可能である。なお、散気筒１３−１〜１３−ｎへの空気の送気量は、例えば、ブロワ２４に接続された配管に制御弁を設け、ＤＯ計の測定結果に基づいて制御弁の開度を調節することで制御可能である。また、撹拌翼１５の回転数は、例えば、駆動部２０に電気制御回路を設けて、ＤＯ計の測定結果に基づいた可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）制御などを行うことが可能である。

そして、微細気泡散気部１３から放出された微細気泡、具体的に５００μｍ以上４０００μｍ（４ｍｍ）以下程度の微細気泡は、撹拌翼１５の回転により形成される下降流によって、ドラフトチューブ１２の下部開口から水槽１１の底部に向けて、矢印Ｂに示すように輸送される。この水流は、コーン状部１２ａの上部の開口からドラフトチューブ１２内に向かって形成されて、微細気泡はドラフトチューブ１２の下部開口から水槽１１の底付近に向けて放出される。そして、これらの循環が繰り返し行われることによって、微細気泡中の例えば酸素（Ｏ₂）が水中に溶解する。他方、微細気泡に比して比較的大きな気泡、具体的に４ｍｍ程度以上の大きい粗大気泡は、矢印Ｃに示すように、それ自体の浮力によってドラフトチューブ１２の周辺で自然に上昇してキャッチャ１７に供給される。

また、ドラフトチューブ１２の上部開口側においては、上側に拡がったテーパ状のコーン状部１２ａが気液分離機能を発現して、キャッチャ１７の外側の領域における汚水中の微細気泡の多くが、そのまま水面から大気中に放出される。一方、キャッチャ１７の内側の領域に到達した粗大気泡は、キャッチャ１７の空間内に貯留される。そして、この空気が汚水と混合されてエアーリフト混合物となって、スカム粉砕ノズル２５を通じて水面に噴射され、スカムなどを汚水中に沈降させて粉砕する。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、散気筒１３−１〜１３−ｎのそれぞれの配置における円周ラインの半径ｒ₀を、撹拌翼１５の外半径Ｒ₀に対して所定範囲内にしているとともに、ドラフトチューブ１２の微細気泡散気部１３の設置領域に、各散気筒１３−ｉの長手方向に略平行に静翼１４を設けていることにより、微細気泡散気部１３から放出された微細気泡を効率良く水槽１１の下方に供給することができるので、撹拌翼１５の回転による酸素移動効率を大幅に向上させることができ、駆動部２０による撹拌翼１５の回転に要する電力量を大幅に低減することができる。また、微細気泡散気部１３を構成する散気筒１３−１〜１３−ｎを、その長手方向が垂直方向になるように設置していることにより、従来技術の散気板を使用する場合の問題を回避することができる。すなわち、この一実施形態によれば、散気板によって微細気泡を下方に輸送するための下降流の形成が阻害され、水流が下方に向かわずに吹き上がり、水平方向に渦を形成するのみになって、水槽が生物反応槽として機能しなくなるという問題を回避することができる。

（変形例１）
次に、上述した本発明の一実施形態の変形例１について説明する。図７は、この一実施形態の変形例１による曝気撹拌装置のドラフトチューブ１２、およびその周辺を示す側面図である。図７に示すように、変形例１による曝気撹拌装置においては、ドラフトチューブ１２の水平面に沿った略中央部分に、ラグビーボール形状の縮径部材３１が設置されている。この縮径部材３１の設置によって、縮径部材３１とドラフトチューブ１２の内側の領域における水流の通過面積が、ドラフトチューブ１２の上側開口の水平面に沿った断面積に比して小さくなり、水流の通過領域が縮径される。そのため、ベルヌーイの定理（ベンチュリ効果）に従って、撹拌翼１５により形成される水流の流速を、縮径部材３１とドラフトチューブ１２の内径との間において増加させることができる。これにより、微細気泡散気部１３から放出される微細気泡を、さらに効率良く水槽１１の下方に供給できる。また、この変形例２における曝気撹拌装置において静翼３２は、縮径部材３１と干渉しない大きさの複数枚、例えば４枚の平板が、縮径部材３１に干渉しない位置にそれぞれ配置されて設けられている。その他の構成は、上述した一実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

（変形例２）
次に、上述した本発明の一実施形態の変形例２について説明する。図８は、この一実施形態の変形例２による曝気撹拌装置のドラフトチューブ１２、微細気泡散気部１３、および静翼１４を示す、図４に対応する断面図である。図４に示すように、変形例２による曝気撹拌装置においては、上述した一実施形態による散気筒１３−ｉ（ｉ：１〜ｎの自然数）および静翼１４に対して、さらに水平断面に沿った十字状に散気筒１３−ｊ（ｊ：ｎより大きい自然数）が互いに離間しつつ並べて設けられている。換言すると、それぞれの散気筒１３−ｊは、それぞれの散気筒１３−ｊの円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、撹拌翼１５の外側端により描かれる円の内側に、間欠的で十字状に配置されている。また、散気筒１３−ｊには散気筒１３−ｉと並列に、外部のブロワ２４から空気を供給可能に構成される。上述のように散気筒１３−ｊを配置することによって、微細気泡をより一層効率良く水槽１１の下部に輸送できる。その他の構成は、上述した一実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

（変形例３）
次に、上述した本発明の一実施形態の変形例３について説明する。図９は、この一実施形態の変形例３による曝気撹拌装置のドラフトチューブ１２、微細気泡散気部１３、および静翼１４を示す、図４に対応する断面図である。図４に示すように、変形例２による曝気撹拌装置においては、上述した一実施形態による散気筒１３−ｉおよび静翼１４に対して、水平断面に沿った散気筒１３−ｉの配置における円周に対してさらに内側に、複数の散気筒１３−ｊ（ｊ：ｎより大きい自然数）が互いに離間しつつ円周状に並べて設けられている。換言すると、複数の散気筒１３−ｊは、それぞれの散気筒１３−ｊの円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、撹拌翼１５の外側端により描かれる円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置されている。また、散気筒１３−ｊには散気筒１３−ｉと並列に、外部のブロワ２４から空気が供給される。このように、散気筒１３−ｊを配置することによって、より効率良く微細気泡を水槽１１の下部に供給することができる。なお、これらの散気筒１３−ｉより内側に円周ラインに沿って間欠的に並べられた散気筒１３−ｊも、上述した図５に示す設置領域Ｑ内に設置するのが好ましい。その他の構成は、上述した一実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。

上述の一実施形態においては、静翼１４を４枚の平板から構成しているが、必ずしも４枚に限定されるものではなく、４枚以外の２枚、３枚、または５枚以上の複数枚の平板から構成することも可能である。また、静翼１４を例えばセラミック多孔質体またはメンブレン材質から構成することで、微細気泡を放出する散気体としてもよく、静翼１４を微細気泡散気部１３の少なくとも一部としても良い。

また、上述の一実施形態においては、撹拌翼１５の主翼１５ａおよび補助翼１５ｂを、４枚の羽根から構成しているが、必ずしも４枚に限定されるものではなく、４枚以外の２枚、３枚、または５枚以上の複数枚の羽根から構成することが可能である。

また、上述の一実施形態において、ドラフトチューブ１２は、円筒形状を有しているが、水槽１１の下方側に向かってテーパ状に縮径させることも可能である。

また、上述の一実施形態においては、１本のスカム粉砕ノズル２５が１箇所に設けられた構成としているが、必ずしも１本に限定されるものではなく、複数本を複数箇所に設けることも可能である。また、スカム粉砕ノズル２５の一端を複数に分割させてキャッチャ１７のひさし状部分の複数箇所に連通させ、水面に向かって噴射するように設けられたスカム粉砕ノズル２５の他端部を１つとして、複数箇所から供給された水と空気の混合状態を１箇所から噴射させるようにしても良い。さらに、スカム粉砕ノズル２５の他端部を、水面より上方の空間位置に配置させて、水面と離間した空間位置から水面に向かって開口するように構成しても良い。この場合にも、スカム粉砕ノズル２５の他端部からエアーリフト混合物を水面下に向かう方向に噴射させることにより、スカム等を粉砕させて、上述と同様のスカム等の除去効果が得られる。

また、上述の一実施形態においては、撹拌翼１５を、所定の中心軸を回転軸とした軸周りに回転させているが、この撹拌翼１５の回転軸を偏芯させても良い。

１ 曝気撹拌装置
１１ 水槽
１２ ドラフトチューブ
１２ａ コーン状部
１３ 微細気泡散気部
１３−１，…，１３−ｉ，…，１３−ｎ，…，１３−ｊ 散気筒
１４，３２ 静翼
１５ 撹拌翼
１５ａ 主翼
１５ｂ 補助翼
１７ キャッチャ
１８ 導水板
１９ シャフト
２０ 駆動部
２０ａ モータ
２０ｂ 減速機
２１ 架台
２２ 撹拌機フランジ
２３ 水流案内部
２４ ブロワ
２５ スカム粉砕ノズル
３１ 縮径部材

Claims (7)

1. 汚水を貯留する槽の内部に設置可能に構成された省動力型曝気撹拌装置において、
   上部にコーン状部を有するドラフトチューブと、
   前記ドラフトチューブの内部に設けられ、前記汚水中に気泡を放出可能に構成された気泡散気手段と、
   前記ドラフトチューブの内部であって前記気泡散気手段の上側に、軸周りに回転可能に設けられた撹拌翼と、を備え、
   前記気泡散気手段が複数の柱状の散気筒から構成され、
   それぞれの前記散気筒のうちの少なくとも一部は、前記散気筒の長手方向が垂直方向になるように、かつ、前記撹拌翼の外側端により描かれる円の半径に対して５０％以上９０％以下の長さ寸法の半径を有する半径の、前記円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置されている
   ことを特徴とする省動力型曝気撹拌装置。
2. 前記撹拌翼の下方に、前記気泡散気手段のそれぞれの散気筒の長手方向に対して、面方向が略平行になるように設置された複数の平板からなる静翼が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の省動力型曝気撹拌装置。
3. 汚水を貯留する槽の内部に設置可能に構成された省動力型曝気撹拌装置において、
   上部にコーン状部を有するドラフトチューブと、
   前記ドラフトチューブの内部に設けられ、前記汚水中に気泡を放出可能に構成された気泡散気手段と、
   前記ドラフトチューブの内部であって前記気泡散気手段の上側に、軸周りに回転可能に設けられた撹拌翼と、を備え、
   前記気泡散気手段が複数の柱状の散気筒から構成され、
   それぞれの前記散気筒のうちの少なくとも一部は、前記散気筒の長手方向が垂直方向になるように、かつ、前記撹拌翼の外側端により描かれる円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置され、
   前記撹拌翼の下方に、前記気泡散気手段のそれぞれの散気筒の長手方向に対して、面方向が略平行になるように設置された複数の平板からなる静翼が設けられている
   ことを特徴とする省動力型曝気撹拌装置。
4. 前記撹拌翼は、複数の羽根から構成された主翼と、前記主翼の下部に設けられ、前記主翼を構成する羽根よりも短い複数の羽根から構成される補助翼とを有する二重翼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の省動力型曝気撹拌装置。
5. 前記気泡散気手段を構成する円周ラインに沿って配置された複数の散気筒に対して水平面に沿った前記円周ラインの略中央部分に縮径部材が設けられ、前記コーン状部の下部の開口の水平面に沿った断面積に比して、前記縮径部材が設けられた領域の水流の通過面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の省動力型曝気撹拌装置。
6. 前記散気筒が円柱形状のセラミック多孔質体またはメンブレン材質体から構成され、前記円周ラインに沿って配置された複数の散気筒の内側にさらに、複数の散気筒が、それぞれの散気筒の円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、前記撹拌翼の外側端により描かれる円と同心円の円周ラインに沿って間欠的で列状に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の省動力型曝気撹拌装置。
7. 前記散気筒が円柱形状のセラミック多孔質体またはメンブレン材質体から構成され、前記円周ラインに沿って配置された複数の散気筒の内側にさらに、複数の散気筒が、それぞれの散気筒の円柱形状の長手方向が垂直方向、かつ、前記撹拌翼の外側端により描かれる円の内側に、間欠的で十字状に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の省動力型曝気撹拌装置。

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