JP2018183728A - 拡散装置および拡散方法 - Google Patents

Abstract

【課題】底層へ微細気泡を広く拡散し、安定して供給することが可能な拡散装置および拡散方法の提供。【解決手段】水中に正多角形状に配置され、それぞれ連続的な上昇水流１５を発生させる複数の上昇水流発生手段２であり、それぞれの上方水面１０に連続的な上昇水流１５で生起される同心円状に拡散する連続的な拡散流１７を発生させ、隣り合う拡散流１７同士の相互干渉により正多角形状の中心部に水面１０から水底１３に向かう連続的な下降水流１８を誘起させて、連続的な上昇水流１５と連続的な下降水流１８とによる上下循環流を形成する複数の上昇水流発生手段２と、上下循環流の下降水流１８に向かって微細気泡を放出する被拡散物供給手段３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、水域の底層へ酸素、オゾン等の微細気泡、高濃度酸素、オゾン等の溶解水や、微粉末等の被拡散物を拡散するための拡散装置および拡散方法に関する。

生物の身体を構成する主要元素である窒素ＮやリンＰが過剰に供給され蓄積している水域は、富栄養化水域と呼ばれる。２０世紀後半以降に見られた経済活動の発達、都市化、人口増加等に伴って、ダム、湖沼、水源池、貯水池、運河、内湾、港湾、水産養殖場や溜池等の多くの水域が、先進国・途上国の別なく、富栄養化の傾向を示すようになっている。富栄養化した水域では、植物プランクトンが大増殖するなど、有機汚濁と呼ばれる水質汚濁現象が生じる。植物プランクトンの異常な増殖は、魚介類や養殖魚を窒息させたり、発がん性のある物質を放出したり、カビ臭を発生したりして、水源としての利用を難しくする。また、増殖した植物プランクトンが枯死した残滓は、有機物として大量に水底に沈降、堆積する。これが水中の好気性微生物により分解を受ける際に、底層の酸素が大量に消費されるため、水域内の底層貧酸素・底層無酸素層発生の原因となる。

水塊が停滞的で上下循環が滞る富栄養化水域では、このように底層の貧酸素化、無酸素化がしばしば発生する。この状況下で底層・水底が酸欠状態になると、底層水、底泥が嫌気分解を生じて黒色汚泥となり、硫化物を発生し、硫化水素臭を発するようになる。この段階に至ると、水域は底生魚介類が消失した死の水域となり、嫌気性分解を生じている水底の堆積層では、栄養塩類の水中への溶出が盛んとなる。これによって水質・底質のさらなる悪化、アオコの異常大発生あるいは大規模な“水の華”状態の発生等々、水域環境保全上不都合な状態が継続するようになり、水域環境がさらに悪化してゆく。

以上のように、水中の、とりわけ底層の溶存酸素が欠乏、逼迫する状態は、大量の水を人為的に貯留するダムや貯水地などでは、内外を問わず夏場・高水温期を中心に、ほとんど例外なく生じている。このことは、内湾、養殖場水域などでも水質保全上の大きな問題となっている。世界の閉鎖性水域、富栄養化水域では、全く同様な水質環境悪化の問題を抱えており、底層に対して酸素を補給するための対策を必要としている。

水域の貧酸素化状態を改善するものとして、例えば特許文献１には、（イ）浄化対象水域の水中に設置される曝気装置であって、多数の孔を有する板材からなる箱状のハウジング、（ハ）吸水口と吐水口とを有し、前記ハウジングの内部に収容されている水中ポンプ、（ニ）一端が前記水中ポンプの吐水口に接続され、他端側が前記ハウジングの外方に突出するように設けられており、且つブロワに接続された給気管が連通され、前記水中ポンプの吸水口から取り込まれた水と前記ブロワにて圧送された外部の空気とを混合して水中へ噴射させる気水混合ノズル、および（ホ）前記ハウジングの底面よりもやや大きく形成された底板と、前記底板の周縁部から立ち上げられた側板とを有し、前記ハウジングの底部に装着された防泥トレーを備え、（へ）前記気水混合ノズルが、その中心部に通水路が形成され、且つその一方端部が前記水中ポンプの前記吐水口に接続された本体部と前記本体部の他方端部に形成された挿入管とを有する吐水管と、前記本体部の他方端部に接続され、且つ前記挿入管が挿入された噴射ノズルとで構成され、（ト）前記本体部には、その他方端部の外面に設けられ且つ前記給気管が接続された接続穴からその他方端部の端面まで連通され、前記端面に向かうにつれて中心に近づくように前記本体部の軸に対して傾斜して給気孔が形成され、（チ）前記挿入管の外周面と前記噴射ノズルの内周面との間に、前記給気孔に連通し、且つ前記噴射ノズルの内部空間に連通する管状の空隙が形成されていることを特徴とする（リ）曝気装置が開示されている。

この曝気装置によれば、噴射ノズル内で水に空気を効率よく混入させることができ、空気を含んだ水を噴射ノズルから勢いよく噴射させることができるので、浄化対象水域の広い範囲に空気を一気に送り込むことができ、水に対する酸素の供給効率を高め、生物循環による浄化効果を飛躍的に高めることができるとされている。また、この曝気装置を用いた浄化システムの例として、非特許文献１には、この曝気装置により微細気泡を底層へ向けて噴射することにより、堆積したヘドロ（主に有機汚泥）への酸素供給を行い、悪臭発生の抑制と有機汚泥の好気分解を促すことが記載されている。

特許第４３０７８０３号公報 株式会社ＵＴＫ，"浄化システムのモデル概念図"，［online］，［平成２９年３月９日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.utkgrana.com/index.php＞

ところが、上記非特許文献１に記載のように、特許文献１のような曝気装置により微細気泡を底層へ向けて単に噴射したとしても、微細気泡は水よりも軽いため、噴射した瞬間から上昇してしまう。そのため、底層への安定した酸素供給が行われず、底層の改善を行うことは不可能である。

そこで、本発明においては、底層へ微細気泡等の被拡散物を広く拡散し、安定して供給することが可能な拡散装置および拡散方法を提供することを目的とする。

本発明の拡散装置は、水中に正多角形状に配置され、それぞれ連続的な上昇水流を発生させる複数の上昇水流発生手段であり、それぞれの上方水面に連続的な上昇水流で生起される同心円状に拡散する連続的な拡散流を発生させ、隣り合う拡散流同士の相互干渉により正多角形状の中心部に水面から水底に向かう連続的な下降水流を誘起させて、連続的な上昇水流と連続的な下降水流とによる上下循環流を形成する複数の上昇水流発生手段と、上下循環流の下降水流に向かって被拡散物を放出する被拡散物供給手段とを含むものである。

また、本発明の拡散方法は、水中に正多角形状に配置された複数の上昇水流発生手段によりそれぞれ連続的な上昇水流を発生させて、複数の上昇水流発生手段のそれぞれの上方水面に連続的な上昇水流により生起される同心円状に拡散する連続的な拡散流を発生させ、隣り合う拡散流同士の相互干渉により正多角形状の中心部に水面から水底に向かう連続的な下降水流を誘起させて、連続的な上昇水流と連続的な下降水流とによる上下循環流を形成すること、上下循環流の下降水流に向かって被拡散物を放出することを含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、水中に正多角形状に配置された複数の上昇水流発生手段で発生させた連続的な上昇水流により、水面に同心円状に拡散する連続的な拡散流をそれぞれ発生させ、各拡散流同士が、各上昇水流発生手段が配置された正多角形状の中心部に向かってその周囲から連続的に集まると、正多角形状の中心部にその全周囲から集まった水が行き場を失い、液体の連続性からその水面から水底に向かって流れるという相互干渉を利用して、各上昇水流発生手段が配置された正多角形状の中心部に、水面から水底に向かう連続的な下降水流を誘起させて、連続的な上昇水流と連続的な下降水流による上下循環流を発生させることで、この上下循環流の下降水流に向かって放出した被拡散物が、この下降水流に乗って水域の底層へ広く拡散する。

本発明によれば、底層へ被拡散物を広く拡散し、安定して供給することが可能となる。

本発明の実施の形態における拡散装置の全体概念図である。 図１の拡散装置の平面図である。 図２の拡散装置の正面図である。 図２の上昇水流発生手段の詳細を示す斜視図である。 ３つの上昇水流発生手段を正三角形状に配置した拡散装置の例を示す平面図である。 ４つの上昇水流発生手段を正方形状に配置した拡散装置の例を示す平面図である。

図１は本発明の実施の形態における拡散装置の全体概念図、図２は図１の上昇水流発生手段の詳細を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における拡散装置１は、閉鎖水域の水中１２に平面視で正多角形状（図示例では正六角形状）に配置された複数の上昇水流発生手段２と、複数の上昇水流発生手段２が配置された正多角形状の中心部に向かって被拡散物としての微細気泡（マイクロバブル）を放出する被拡散物供給手段３とを有する。

各上昇水流発生手段２は、正多角形状の各頂点位置に配置され、その内側に配置された平面視で正六角形状のフレーム４に連結されている。拡散装置１は水中浮揚型であり、フレーム４には、上昇水流発生手段２および付属部材の水中重量を支えて水中に浮揚させるための浮力材４０が設けられ、水底１３に設置された例えば円盤形のシンカー４１に係留索４２を介して水中に係留されている。

各上昇水流発生手段２は、図２に示すように、上端開口部２３ａが上向きに配置された筒体２３と、筒体２３内に上端開口部２４ａが筒体２３の中心軸に向かって斜め上向きに配置された複数のノズル２４とを備える。ノズル２４は中空筒状であり、その中途部の内側に、例えば陸岸に置かれた空気圧縮機（図示せず。）から圧縮空気管２５により圧縮空気が送られる。

各ノズル２４の中途部内側に、それぞれ圧縮空気管２５により送られた圧縮空気が連続的に噴出されることで、ノズル２４の下端開口部２４ｂから吸引される周囲の水と混合され、上端開口部２４ａから筒体２３の中心軸に向かって斜めに混気噴流が噴出される。そして、各ノズル２４から筒体２３の中心軸に向かって噴出された混気噴流が集合し、筒体２３内に上向きの混気噴流が発生する。

これにより、筒体２３の下端開口部２３ｂから周囲の水が筒体２３内へ吸い込まれつつ、上端開口部２３ａからは、真上の水面１０の方向に向かって水と気泡の混気水塊１６が出て、混気水塊１６による連続的な上向きの流れ、つまり上昇水流１５が発生する。各上昇水流発生手段２の真上の水面１０には、水中１２を上昇した混気水塊１６が現れて、水面１０は波立つ。

水面１０に現れた混気水塊１６は、同心円状にその周囲に拡散する。これにより、水面１０には、水中１２から現れた混気水塊１６による連続的な上昇水流１５によって、同心円状の拡散流１７が生起される。各上昇水流発生手段２の真上の水面１０で発生した同心円状の拡散流１７は、その周囲に同心円状を保った状態で拡がる。同心円状に拡がった各拡散流１７は、隣り合う拡散流１７同士がぶつかり合って相互干渉する。相互干渉する各拡散流１７は、各同心円状の拡散流１７の中心を結ぶ線を中心に左右方向に分かれる。そのうちの一方の拡散流１７は、相互干渉によって、上昇水流発生手段２が配置された正多角形状の中心部の真上の水面１０の中心部１１に向かって流れる。

こうして、各拡散流１７は、水面１０の正六角形状の中心部１１に向かって、その周囲から連続的に集まってくる。正六角形状では、１基の上昇水流発生手段２で発生した混気水塊１６の１／３、つまり６基の上昇水流発生装置５からは合計で２倍（１基の上昇水流発生手段２で発生する混気水塊１６による上昇水流１５の２倍）相当の混気水塊１６の拡散流１７が、水面１０の正六角形状の中心部１１に向かって連続的に集まる。正六角形状の中心部１１にその全周囲から集まった水は行き場を失い、流体の連続性からその水面１０から水底１３に向かって流れる。このようにして、拡散流１７の相互干渉によって正六角形状の中心部１０には、下向きの連続的な下降水流１８が発生することになる。

つまり、正多角形状の各頂点位置に対応する箇所の各上昇水流発生手段２によって強制的に生じさせた連続的な上昇水流１５は、水面１０で同心円状の拡散流１７となって周囲に拡がる。そして、隣り合う拡散流１７同士が相互干渉することで、正多角形状の中心部１１に連続的な下降水流１８が誘起されるのである。連続的な下降水流１８は、あたかも見えない下向きダクトが設けられているかのように下向き流れの区画域１９内を流れ、ここを通過する明確な下向きの集中的かつ加速的な流れとして形成される。これらの連続的な上昇水流１５と連続的な下降水流１８とにより、閉鎖された水域の水中１２には上下循環流が生じる。

被拡散物供給手段３は、複数の上昇水流発生手段２が配置された正多角形状の中心部に向かって、すなわち、上述のように複数の上昇水流発生手段２により形成された上下循環流の下降水流に向かって被拡散物としての微細気泡３０を放出するものである。なお、被拡散物供給手段３としては、様々な種類の公知の微細気泡発生装置を使用することが可能であるが、各上昇水流発生手段２に供給される圧縮空気を利用して微細気泡３０を生成するものであることが好ましい。

被拡散物供給手段３により上下循環流の下降水流１８に向かって放出された微細気泡３０は、集中的かつ加速的な流れである下降水流１８に乗って水底１３へ向かって押し付けられ、図１に示すように、水底１３に沿って底層へ広く拡散する。このとき、各上昇水流発生手段２の筒体２３の下端開口部２３ｂからは周囲の水が吸引されているが、この吸引量は僅かであり、微細気泡３０が吸い込まれるような吸引力はなく、微細気泡３０は水底１３に沿って底層へ広く拡散する。

これにより、底層へ微細気泡３０を安定して供給することができるため、底層の溶存酸素が増加し、水生生物の育成や好気性菌の活性化を図り、底層の劇的改善を行うことが可能となる。また、溶存酸素の増大により栄養塩の溶出の抑制を図り、水質改善を行うことが可能となる。なお、本実施形態における拡散装置１により拡散可能な被拡散物としては、酸素、オゾン等の微細気泡の他、高濃度酸素、オゾン等の溶解水や、微粉末等がある。また、複数の上昇水流発生手段２が配置された正多角形状の中心部に向かって複数箇所から同時に放出したり、複数種類の被拡散物を放出したりすることも可能である。

次に、本発明の拡散装置の別の実施形態について説明する。図３は本発明の拡散装置の別の実施形態を示す平面図、図４は図３の拡散装置の正面図である。なお、上述の拡散装置１と同一の構成要素については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図３および図４に示す拡散装置１ａは、各上昇水流発生手段２は正六角形状２０の各頂点位置に配置され、その内側に配置された平面視で円形状のフレーム４ａに連結されている。円形状のフレーム４ａは上下２列に配置され、連結部材４ｂにより連結されている。また、フレーム４の下方には連結部材４ｃにより連結された底板４ｄが設けられている。拡散装置１ａは水底設置型であり、フレーム４は底板４ｄにより水底１３上に設置される。

このような水底設置型の拡散装置１ａにおいても、前述の水中浮遊型の拡散装置１と同様に、連続的な上昇水流と連続的な下降水流による上下循環流が発生し、この上下循環流の下降水流に向かって放出した被拡散物が、この下降水流に乗って水域の底層へ広く拡散する。

なお、図１〜図４に示す例では、６つの上昇水流発生手段２を正六角形状の各頂点位置に配置しているが、最小単位の正多角形状としては、正三角形状（例えば、図５参照。）である。正多角形状としては、正方形状（例えば、図６参照。）や正五角形状などと順次、増やしたものが含まれる。また、正三角形状の単位を複数組み合わせたり、正三角形状と正方形状のように異なる正多角形状同士を複数組み合わせたりすることも可能である。さらに、正多角形状には、多角形の各辺および各頂点の内角が同一である他に、各辺および各頂点の内角の製作誤差が±２０％までが含まれる。

なお、上述の拡散装置１，１ａにおいては、各上昇水流発生手段２の筒体２３の直径Ｄは１００ｍｍ以上、５００ｍｍ以下、好ましくは２００ｍｍ以上、４００ｍｍ以下、より好ましくは３００ｍｍ以上、３５０ｍｍ以下であり、筒体２３の間隔（スパン）Ｌは１０００ｍｍ以上、６０００ｍｍ以下、好ましくは１５００ｍｍ以上、５０００ｍｍ以下、より好ましくは２０００ｍｍ以上、４０００ｍｍ以下、正多角形状の中心２１から各上昇水流発生手段２の中心までの距離（正多角形の外接円の半径）Ｒは５００ｍｍ以上、６０００ｍｍ以下、好ましくは１０００ｍｍ以上、４０００ｍｍ以下、より好ましくは１５００ｍｍ以上、２０００ｍｍ以下である（図３参照。）。上昇水流１５によって生じる水面１０の同心円状の拡散流１７の相互干渉とこれによる下降水流１８の発生は、筒体２３の間隔（スパン）Ｌのかなり広い範囲にわたって生じるものではあるが、同心円状の拡散流１７の半径が大となるに従って、干渉によって生じる下降水流１８の流路断面積も大となり、下降水流１８の流速も低下するため、実用上考えられるＤ，Ｌ，Ｒは上記範囲と考えられる。

本発明の拡散装置および拡散方法は、ダム、湖沼、水源池、貯水池、運河、内湾、港湾、水産養殖場や溜池等の水域、特に閉鎖性水域の底層へ酸素、オゾン等の微細気泡、高濃度酸素、オゾン等の溶解水や、微粉末等の被拡散物を拡散するための装置および方法として有用である。

１ 拡散装置
２ 上昇水流発生手段
３ 被拡散物供給手段
４ フレーム
２２ 上端開口部
２３ 筒体
２４ ノズル
２５ 圧縮空気管

Claims (3)

1. 水中に正多角形状に配置され、それぞれ連続的な上昇水流を発生させる複数の上昇水流発生手段であり、それぞれの上方水面に前記連続的な上昇水流で生起される同心円状に拡散する連続的な拡散流を発生させ、隣り合う拡散流同士の相互干渉により前記正多角形状の中心部に水面から水底に向かう連続的な下降水流を誘起させて、前記連続的な上昇水流と前記連続的な下降水流とによる上下循環流を形成する複数の上昇水流発生手段と、
   前記上下循環流の下降水流に向かって被拡散物を放出する被拡散物供給手段と
   を含む拡散装置。
2. 前記複数の上昇水流発生手段は、開口部が上向きに配置された筒体と、前記筒体内に開口部が前記筒体の中心軸に向かって斜め上向きに配置された複数のノズルであり、その中途部の内側に圧縮空気が噴出される複数のノズルとを備えたものである請求項１記載の拡散装置。
3. 水中に正多角形状に配置された複数の上昇水流発生手段によりそれぞれ連続的な上昇水流を発生させて、前記複数の上昇水流発生手段のそれぞれの上方水面に前記連続的な上昇水流により生起される同心円状に拡散する連続的な拡散流を発生させ、隣り合う拡散流同士の相互干渉により前記正多角形状の中心部に水面から水底に向かう連続的な下降水流を誘起させて、前記連続的な上昇水流と前記連続的な下降水流とによる上下循環流を形成すること、
   前記上下循環流の下降水流に向かって被拡散物を放出すること
   を含む拡散方法。

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