JP2016168528A - 曝気撹拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低動力で、酸素溶解効率を向上する高効率曝気撹拌装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、処理液を貯留する槽と、該槽内に設けられた、微細気泡を吐出する散気部を有する散気手段と、該散気部の上方に設けられた、駆動装置により回転する撹拌翼と、該駆動装置を制御する制御手段とよりなり、前記散気部は、前記撹拌翼に対して、前記散気部の、前記底面に対する投影面と、前記撹拌翼の、前記底面に対する投影面とが重ならないように設けられ、前記制御手段は、前記散気部から微細気泡が槽内に吐出される時に、前記駆動装置を制御して前記撹拌翼を回転させることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、特に、活性汚泥処理（生物処理）を利用した下水（汚水）処理施設で用いられる、例えば、水深７ｍ以下の標準式反応タンクの好気・嫌気両用タンクや好気タンクに適用する曝気撹拌装置に関するものである。

下水の浄化を目的とする下水処理施設においては、下水中の有機物を分解・除去するため、活性汚泥法と呼ばれる生物処理を行う。この活性汚泥法は、好気性微生物処理であり、活性汚泥法の実施に際しては、活性汚泥（微生物）に汚濁物質（有機物）を吸収させるために、下水中に空気（酸素）を送り込むことを要する。そのために使用されるのが曝気槽である。かかる一般的な曝気槽は、通常、水槽と、その底部に全面から２／３程度の面積で配設された散気装置とからなる。

かかる活性汚泥法では、好気性微生物を維持すべく、連続的に水中に酸素を供給する必要があり、前記一般的な曝気槽を用いる場合には、酸素供給に必要な動力は、活性汚泥処理（生物処理）を含む水処理設備全体の動力の４０〜５０％程度を占めるほど多いもので、省エネが求められている。

なお、近年は、酸素溶解効率を高めるため、より微細な気泡を供給する各種散気装置（メンブレン等）が開発されているが、基本的な散気システムに変わりなく、より省エネ性が求められている。

また、下水処理施設では、処理水質向上のため、窒素・りん等の除去を目的とした高度処理が普及してきている。従来、水深７ｍ以下の好気・嫌気両用タンクや好気タンクでは、流入水質に対する必要酸素量に応じ、ＢＯＤ除去のための好気性生物処理（以下、「好気運転」という）と、窒素・りん除去のための嫌気性生物処理（以下、「嫌気運転」という）との切り替えができる水中撹拌式曝気装置が主に適用されている。

かかる水中撹拌式曝気装置は、前記の一般的な曝気槽に更に、撹拌翼（インペラ）を有する撹拌装置を設けて、該撹拌翼下部に配設された散気管から吐出された空気を、該撹拌翼によって機械式でせん断して、小さな気泡にすると共に、その小さな気泡を、前記撹拌翼により形成した吐出流により下方に押し込むと共に、該吐出流により形成した、水槽内の底部から水面に至る範囲の循環流に送り込み、槽内の撹拌をおこないつつ、酸素溶解を実現し、流入水質に対する必要酸素量に応じ、好気運転と嫌気運転との切り替え運転を実施している。

かかる撹拌装置を用いた前記水中撹拌式曝気装置は、気泡径を細かくして分散し、更に、気泡の水中へ押し込みにより、滞留時間を向上し、酸素溶解率を高めている。

しかしながら、該撹拌装置で消費する動力が増えるため、槽全体における消費動力が増大し、省エネとはなりにくい。これは、気泡の上昇する力を撹拌翼からの吐出作用で押し込むための動力が求められると同時に、気泡を細かくするためのせん断作用が求められるためである。また、上昇する気泡が撹拌翼に絡み付き、撹拌翼の吐出作用を低減することも問題となる。

また、撹拌翼によってせん断される気泡は、径が３〜７ｍｍ程度であり、比較的大きい。そのため、空気中の酸素が効率よく水中に溶け込まず、必要な酸素量を供給するために、多量の酸素を供給する必要があり、一般的な曝気槽を用いる場合と同様に、多大な動力が必要となる。

また、駆動部と撹拌翼が水中にあるため、保守・点検の際は、その都度、槽上に取り出しが必要であり、保守点検には多大な労力が必要である。

ここで、曝気槽とは異なるが、オキシデーションディッチ（ＯＤ）法を用いたＯＤ槽で、長いプール（無終端水路）内を循環させる際の液流と、上昇する気泡を翼に絡ませない手段として攪拌機を斜めに取り付ける技術があり、例えば、引用文献１、引用文献２が先行技術としてある。

特開２００１−７９５８９号公報 特開２００６−３２６５５８号公報

しかしながら、この技術を用いた場合、前記のような連続プール（無終端水路）であれば問題ないが、図８に示すように、一定の有限空間における槽ａ内に撹拌装置ｂの撹拌翼ｃを設置すると、散気装置ｄから吐出した気泡が、図中の矢印のように、気泡が抜けやすいフローを形成し、水上に抜けやすくなり、気泡の滞留時間が短くなると同時に、撹拌装置より消費される動力を補うほどの酸素溶解効率の向上は望めない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、生物処理（活性汚泥処理）に必要な酸素を水中に供給するに際して、動力エネルギーを抑制することであり、省エネルギー曝気手段を提供することである。そして、研究を重ねた結果、これらの問題を解決し、気泡の滞留時間を大幅に延ばし、且つ、撹拌翼に気泡を絡めることなく低動力で酸素溶解効率を向上する高効率曝気撹拌装置の開発に至った。

前記の目的を達成すべく、本発明は、処理液を貯留する槽と、該槽内に設けられた、微細気泡を吐出する散気部を有する散気手段と、該散気部の上方に設けられた、駆動装置により回転する撹拌翼と、該駆動装置を制御する制御手段とよりなり、前記散気部は、前記撹拌翼に対して、前記散気部の、前記底面に対する投影面と、前記撹拌翼の、前記底面に対する投影面とが重ならないように設けられ、前記制御手段は、前記散気部から微細気泡が槽内に吐出される時に、前記駆動装置を制御して前記撹拌翼を回転させることを特徴とする。

また、前記撹拌翼は、前記散気部に対して、回転する該撹拌翼により、該散気部が吐出した微細気泡を取り込むことができる位置に設けられ、前記制御手段は、前記回転する撹拌翼により、前記散気部から吐出した微細気泡を取り込み、下方に吐出できる回転数で回転させることを特徴とする。

また、前記散気手段の散気部は、環状に形成され、前記撹拌翼は、該環状に形成された散気部の内側の上方に設けられていることを特徴とする。

また、前記環状に形成された散気部の内側に挿入可能で、かつ、最大の大きさとなる、前記撹拌翼の軸と同軸の仮想円の径が、前記撹拌翼の径に対して、１．０以上４．０倍以下となるように、前記散気部が形成されていることを特徴とする。

また、前記撹拌翼は、水面から水深の１０％から５０％の間の位置に設けられることを特徴とする。

本発明においては、前記撹拌翼と前記散気部との位置関係を前記のように配置することにより、前記散気部から吐出されて上昇する微細気泡を、下方に押し込むのではなく、少なくとも、該撹拌翼の側方及び／又は上部の微細気泡を取り込んで（吸い込んで）、下方に吐出して、再循環させて、微細気泡を滞留させるようにしたので、従来の水中曝気装置のように、気泡をせん断することなく、上昇する気泡を押し込むこともなく、また、気泡の絡み付きもないので、低動力で、前記微細気泡を滞留させることができるようになる。

また、動力装置が水槽より上又は、該水槽内の水面より上にあるため、日常点検を槽上で容易に行うことができ、維持管理も容易となる曝気撹拌装置である。

本発明の実施例１の曝気撹拌装置の縦断側面図である。 本発明の実施例１の曝気撹拌装置の横断平面図である。 図２のＡ−Ａ線截断面図である。 本発明の実施例１の他の曝気撹拌装置の横断平面図である。 本発明の実施例１の更に他の曝気撹拌装置の横断平面図である。 本発明の実施例１の曝気撹拌装置の好気運転中の水槽内の処理液の流れ、及び気泡の流れの状態を模式化して示す図である。 本発明の実施例１の曝気撹拌装置の嫌気運転中の水槽内の処理液の流れの状態を模式化して示す図である。 従来のＯＤ法を用いた撹拌装置の縦断側面図である。

本発明を実施するための形態の実施例を以下に示す。

本発明の実施例１を図１乃至図７によって説明する。

本発明の曝気撹拌装置１は、図１〜図３に示すように、水槽２と、該水槽２内の処理液（下水）を撹拌する撹拌手段３と、前記水槽２内の底部に配設されるヘッダー管４と、該ヘッダー管４に固定されると共に連通する散気手段５とよりなる。

前記水槽２は、例えば、水深が７ｍ以下で使用される有底の矩形又は円形状の標準槽よりなる。なお、前記水槽の上面は、上部が開放されたものや、天井部が設けられたものがあり、特に限定されない。

前記撹拌手段３は、例えば、前記水槽２上又は該水槽２内の水面より上に設けた、モーターなどの駆動装置６と、前記水槽２の中央に垂設された、前記駆動装置６に連結された回転軸（シャフト）７と、該回転軸７の下端に固定された、軸流型の撹拌翼８と、前記駆動装置６を制御して、前記撹拌翼８を所定量だけ回転させる制御手段９とより構成される撹拌装置からなる。

そして、前記制御手段９は、前記散気手段５より気泡が槽内に吐出される時に、前記駆動装置６を制御して前記撹拌翼８を回転させ、これにより、水槽内の処理液（下水）を所定量だけ下方に吐出するようにする。

また、前記撹拌翼８は、後の詳細に説明する前記散気手段５に対して、回転する該撹拌翼８により、該散気手段５が吐出した微細気泡を、少なくとも、該撹拌翼８の側方及び／又は上方から取り込むこと（吸い込む）ができる位置に設けられ、また、前記制御手段９は、該回転する撹拌翼８により、前記散気手段５から吐出した微細気泡を側方及び／又は上方から取り込み、下方に吐出できる回転数で回転させ、かかる下方への吐出流により循環流が形成され、該循環流により、前記微細気泡を再循環させるようにする。

なお、前記制御手段９により、前記撹拌翼８を回転させる回転数は、前記吐出流を、水槽の任意の深さに到達するまでの回転数に制御できるが、前記撹拌翼８の回転数は、前記吐出流を形成できる最低の回転数以上であればよい。

従って、前記撹拌手段３の動力は、散気手段５により気泡を水槽２内に吐出する時に、前記水槽２内の液を、前記槽の底部まで達させて、槽内全体を循環させる循環流を形成するまでの動力を必要とせず、該撹拌翼８の側方を通過する微細気泡を取り込んで、下方に吐出できるだけの低動力で、撹拌翼８を回転させることができるようになればよい。

なお、前記吐出流の下方への届く深さは、該撹拌翼８の位置よりも深く、前記水槽２の底面よりも高い位置の任意の深さに設定可能である。

また、前記撹拌手段３は、軸流型の撹拌翼８が好ましいが、下降流を生じさせるものであれば、これに限定されない。

前記ヘッダー管４は、例えば、円形の環状の中空の通気管であり、前記撹拌翼８の回転軸７に対して、例えば、同軸に、前記水槽２の底部に設けられている。

かかる底部とは、水槽の底面や、底面から所定の距離離れた位置も含む。

また、前記ヘッダー管４は、回転時の前記撹拌翼８の、前記水槽２の底面に対する投影面（投影面とは、真上から底面を見た時の投影面。以下同じ。）と、該ヘッダー管４の、前記底面に対する投影面とが重ならないように設けられ、例えば、前記撹拌翼８の径よりも外側に位置するよう配設される。

なお、前記ヘッダー管４は、円形の環状の他に、図４に示すように、多角形の環状であってもよい。また、該環状のヘッダー管４は、一部を切り欠いたものであってもよい（図示せず）。

また、前記ヘッダー管４は、図５に示すように、複数の直線状のヘッダー管素子４ａを、互いに離間して、環状に配設したものであってもよい。なお、該ヘッダー管素子４ａは、直線状以外に、曲線状又は折れ曲り状のヘッダー素子であってもよく、異なる形状のヘッダー管素子４ａを組み合わせて環状としたものであってもよい。

前記散気手段５は、例えば、複数の同形状の筒状長尺散気体１０よりなり、該散気体１０の一部の面には、微細気泡を放出する複数の微細孔を有する散気部を有する。

また、前記複数の散気体１０は、その接続部１０ａが、例えば、前記中空のヘッダー管４の内周面４ｂ及び外周面４ｃに、それぞれ所定の間隔、例えば、等間隔で、互いに離間して連通接続し、前記散気体１０が、前記撹拌翼８の回転軸７に対して放射状に延びるように配設され、かかる複数の散気体１０が一つの散気体を形成し、かかる散気体の散気部が、環状に形成されるようになる。

なお、前記ヘッダー管４及び各散気体１０は、水平に配設されることが好ましい。

なお、前記散気体１０の散気部は、微細孔から空気が吐出されるものであれば、材質や形状は限定されず、例えば、該散気部の材質としては、セラミック製のもの、合成樹脂製のもの、微細孔が形成された布を張って形成したものなどがある。

また、前記散気体１０の形状は、水槽の底面に対して、少ない投影面積で、多くの散気面積を有するものであれば好ましく、筒状以外に、例えば、長尺状の中空の矩形板状であってもよい。

また、前記散気体１０の散気部は、該散気体１０が板状のものであれば、例えば、その表面及び裏面が散気部となるものや、前記散気体１０が筒状のものであれば、例えば、その全周面が散気部となるものなどがある。

なお、裏面が散気部となる場合、該散気部から放出された微細気泡は、該散気部の散気体の周面を沿って上方するが、かかる周面も散気部に含まれ、即ち、散気部は、かかる微細気泡が該散気体から離れる場所までを含む概念である。

なお、前記微細孔は、例えば、開口面積を真円に換算した時の直径が５０〜５００μｍ程度となる孔や、幅が５０〜５００μｍ、長さが０．５〜２ｍｍ程度のスリットがある。

そして、前記散気手段５の散気体１０の散気部は、該散気体１０から吐出された、真上に上昇する微細気泡が、前記回転翼８の回転により生ずる真下への軸流により、下方に押し込まれないように、前記散気手段５の散気体１０の散気部は、回転時の前記撹拌翼８の、前記水槽２の底面に対する投影面と、該散気部の、前記底面に対する投影面とが重ならないように配設され、即ち、該散気部は、前記撹拌翼８の径よりも外側に位置するよう配設され、例えば、前記環状に形成された散気部の内側の上方に前記撹拌翼８が設けられるようにする。

なお、前記ヘッダー管４の内周面４ｂに接続された、環状に形成された複数の散気体１０の他端（内端）１０ｂで囲まれた内側に挿入可能で、かつ、最大の大きさとなる、前記撹拌翼の軸と同軸の仮想円１１の径が、前記撹拌翼８の径に対して、１．０倍以上４．０倍以下（又は１．０倍よりも大きく４．０倍以下）となるように、特に、好ましくは、３．０倍となるように、前記散気体１０が形成されることにより、微細気泡の滞留時間を延ばし、撹拌翼への絡み付きを抑制することができるようになる。

また、前記撹拌翼８の水面からの設置位置を、槽水深の１０％から５０％、特に好ましくは２５％の位置になるように配設することにより、前記散気手段５からの空気が撹拌翼への絡み付きが抑制されるようになる。

なお、１２は、送気管１３を介して、前記散気手段５に連通したヘッダー管４に空気を送る送気源（ブロワ）である。

次に本実施例の曝気撹拌装置１の作用と効果を説明する。

本発明においては、例えば、処理液が貯められた前記水槽２において、前記送気源１２から、送気管１３、ヘッダー管４を介して、前記散気手段５の各散気体１０に空気を送り、該散気体１０の散気部に形成された微細孔から前記処理液中に空気を吐出させると共に、前記制御手段９を制御して、駆動装置６により撹拌翼８を回転させ、該回転する撹拌翼８により、前記散気手段８から吐出した微細気泡を、少なくとも、側方及び／又は上方から取り込み、下方に吐出させる。

かかる下方への吐出流により、前記撹拌翼８の周りに、循環流が形成され、該循環流により、前記微細気泡が再循環するようになる。

そして、かかる撹拌翼８の回転は、前記制御手段により制御されて、前記撹拌翼の吐出により、下降流が形成され、該撹拌翼付近において、取り込んだ微細気泡をその周囲で循環させる循環流が形成できる程度の回転数で回転させればよい。

従って、槽内の処理液を水面から底面に至る循環流を形成させるために、撹拌翼８を回転させる必要がないので、低動力とすることができる。

なお、図６は、前記撹拌翼８が、該撹拌翼８の側方及び上方の微細気泡を取り込み、下方に吐出し、前記撹拌翼８付近で気泡を再循環させた図を示す。

なお、図６は、図中右側が、水槽２内の処理液の流れの状態を示し、図中左側が、微細気泡の流れの状態を模式化して示した図である。

かかる撹拌翼８は、上昇する微細気泡を下方に押し込むものではなく、上昇する気泡の前記撹拌翼への絡み付きもなく、撹拌翼の吐出作用を低減することもなく、低動力にもかかわらず、微細気泡の滞留時間を延ばすことができるようになる。

本発明の曝気撹拌装置１は、撹拌翼８と散気手段５とを、散気手段からの気泡により形成される自然の流れ（特に、散気手段から微細気泡が放出される際に生ずる上昇流）を阻害しないように、前記撹拌翼を回転できるようにし、そして、該撹拌翼８により、該撹拌翼付近において循環流を形成させて、該散気手段５からの微細気泡をこの循環流に乗せることにより滞留させて、気泡の滞留時間を延ばして、酸素溶解率を上げたもので、極めて低い撹拌動力にて、酸素溶解効率を高めることができるものである。

即ち、従来の水中撹拌式曝気装置とは異なり、本願発明の曝気撹拌装置は、微細な気泡を生じさせるために、撹拌翼をせん断、分散させるものとして使用するものではなく、また、曝気時において、水槽の全体に循環流を形成させるために、高動力で撹拌翼を回転させるものではなく、また、上昇する気泡を抑え込むことがなく、また、上昇する気泡の絡み付きもないので、該撹拌翼を高速回転させる必要がなく、従って、撹拌のためにモーターに要する動力エネルギーは少なくてすむようになる。

そして、装置のコンパクト化、設置コスト削減を図ることができるようになる。

また、微細な気泡であるため、微細でない気泡に比べて、水との接触面積はより多くなるため、空気中の酸素が水中に溶解しやすく、必要酸素量を供給するための送気量が少なくてすむようになり、送気源に要する動力エネルギーを小さくすることができる。

また、微細な気泡は、浮力が小さいため、撹拌翼からの水流で水槽内に滞留しやすく、水槽全体に長い間滞留するようになり、浮力が大きい粗大気泡に対して、多くの酸素を水に溶解させることができるようになる。

また、散気手段５の散気部を、例えば、セラミック多孔体より形成することにより、放出される空気を微細な気泡とすることができるようになる。

以上より、酸素溶解効率は、従来装置（水中撹拌式曝気装置）が２０％であったところ、本発明においては、２５％〜３３％となり、効率良く酸素を供給することができた。

また、撹拌動力は、上記従来装置において、５〜６Ｗ／ｍ^３に対して、本発明においては、４Ｗ／ｍ^３以下とすることができ、高い省エネ効果が得られた。

また、種々実験検討の結果、前記各ヘッダー管４の内周面４ｂに接続された筒状の散気体（又は散気部）の内端で囲まれた内側に挿入される前記仮想円１１の径を、前記撹拌翼の径に対して、１．０倍以上４．０倍以下（又は１．０倍よりも大きく４．０倍以下）となるように、特に好ましくは、３．０倍となるように、前記散気体１０を形成することにより、微細気泡の滞留時間を延ばし、撹拌翼への絡み付きを抑制することができるようになる。

また、前記撹拌翼の水面からの位置を、槽水深の１０％から５０％の間、特に好ましくは２５％の位置になるように配設することにより、前記散気手段５からの空気が撹拌翼への絡み付きが抑制されるようになる。

また、水深７ｍ以下の標準式反応タンクの好気・嫌気両用タンクや好気タンクに適用する場合、既設の送気源（ブロワ）を利用できる水深に散気手段を配設するため、前記送気源の更新は不要であり、コストを低減させることができる。

また、前記散気手段５からの供給する空気を停止することで、図７に示すように、好気運転から嫌気運転への切り替えを容易にすることができるようになる。なお、曝気がない場合には、撹拌動力はわずか１Ｗ／ｍ^３以下で、水槽内を循環させる循環流を形成することができ、低動力で、嫌気運転を行うことができる。

なお、図７は、水槽２内の処理液の流れの状態を模式化して示した図である。

また、撹拌手段３の駆動装置６を、水槽より上又は、該水槽内の水面より上に設けたため、日常点検を水槽上で容易に行うことができ、従来の水中撹拌曝気装置に比べて、保守・点検の作業項目が少なく、維持管理が容易となる。

また、散気手段５の内側は、撹拌翼８よりも大きいため、維持管理上、水槽の水抜き無しで、水上へのつり上げができる、保守・点検の作業項目が少なく、維持管理が容易となる。

本発明の撹拌装置は、下水処理施設、汚水処理施設等に利用される。

１ 曝気撹拌装置
２ 水槽
３ 撹拌手段
４ ヘッダー管
４ａ ヘッダー管素子
４ｂ 内周面
４ｃ 外周面
５ 散気手段
６ 駆動装置
７ 回転軸
８ 撹拌翼
９ 制御手段
１０ 散気体
１０ａ 接続部
１０ｂ 内端
１１ 仮想円
１２ 送気源
１３ 送気管

Claims (5)

1. 処理液を貯留する槽と、
   該槽内に設けられた、微細気泡を吐出する散気部を有する散気手段と、
   該散気部の上方に設けられた、駆動装置により回転する撹拌翼と、
   該駆動装置を制御する制御手段とよりなり、
   前記散気部は、前記撹拌翼に対して、前記散気部の、前記底面に対する投影面と、前記撹拌翼の、前記底面に対する投影面とが重ならないように設けられ、
   前記制御手段は、前記散気部から微細気泡が槽内に吐出される時に、前記駆動装置を制御して前記撹拌翼を回転させることを特徴とする曝気撹拌装置。
2. 前記撹拌翼は、前記散気部に対して、回転する該撹拌翼により、該散気部が吐出した微細気泡を取り込むことができる位置に設けられ、
   前記制御手段は、前記回転する撹拌翼により、前記散気部から吐出した微細気泡を取り込み、下方に吐出できる回転数で回転させることを特徴とする請求項１に記載の曝気撹拌装置。
3. 前記散気手段の散気部は、環状に形成され、前記撹拌翼は、該環状に形成された散気部の内側の上方に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の曝気撹拌装置。
4. 前記環状に形成された散気部の内側に挿入可能で、かつ、最大の大きさとなる、前記撹拌翼の軸と同軸の仮想円の径が、前記撹拌翼の径に対して、１．０以上４．０倍以下となるように、前記散気部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の曝気撹拌装置。
5. 前記撹拌翼は、水面から水深の１０％から５０％の間の位置に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の曝気撹拌装置。

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