JP2896333B2 - 微細気泡形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曝気装置などで微
細気泡を形成するための微細気泡形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、汚水に空気を送り込んで酸素を
効率良く汚水に溶解させるには、送り込む気泡を小さく
して接触面積を大きくしたり、あるいは、接触時間を長
くすることが効果的である。これに関し、例えば、特公
平２−３２９５７号公報に記載の曝気装置が開示されて
いる。すなわち、この曝気装置は、軸流ポンプのインペ
ラーの直下に空気を供給する環状の散気管を設け、この
散気管の内周面から吐出された空気をインペラーが起こ
した水流でせん断し、微細気泡を形成するものである。

【０００３】ところで、図９（ａ）に示すように吐出孔
４を介して水流の中に供給された空気５は引き伸ばされ
た後、端部がくびれて気泡６を形成する。このため、こ
の伸びを短くするほど、つまり、より大きな剪断力を与
えるほど、空気５は細く短かくなり、これから形成され
る気泡６が小径化することは周知である。また、表面張
力に対して相対的に剪断力を大きくする手段として、
（１）水流の流速を速くする、（２）空気の供給量を少
なくする、（３）空気の吐出孔を小さくすることが知ら
れている。これらの手段を施した際の効果を図７，図８
に示す。なお、図７，図８は、いずれも図９（ｂ）に示
す断面円形の散気管７を使用するとともに、この散気管
７の前縁Ｘを基準とし、これから４５度離れた位置に空
気の吐出孔８を穿設した。

【０００４】一方、図９（ｂ）およびこれを部分的に拡
大した図９（ｃ）に示すように、水流の中に散気管７を
配置した場合、散気管７の廻りには境界層と乱流域とが
形成され、前記境界層は下流ほど層厚が厚いことが知ら
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、前述の曝気装
置についてみてみると、インペラの直下に配設された環
状の散気管の内周面には、境界層が形成され、前記散気
管に設けた吐出孔から供給された空気は前記境界層で引
き伸ばされ、乱流域で大きな剪断力を受け気泡を形成す
る。そこで、前述の曝気装置において供給された空気に
対して大きな剪断力を付与するために前述の（１），
（２），（３）の手段を適用した場合、（１）水流の流
速を上げると、剪断力は大きくなるが気泡が汚水中に滞
留する時間（汚水と気泡との接触時間）が短かくなり、
気泡を小さくした効果がなくなる。しかも、流速を上げ
るために大型のポンプが必要となり、装置全体が大型化
し、エネルギー効率が低下する。また、（２）空気の供
給量は汚水の処理量から必要量が決まるので、その必要
量より少なくすることはできない。さらに、（３）空気
の吐出孔を小さくすると、頻繁に目詰まりを起こす。よ
って、前述の曝気装置で目詰まりを起こさず、所定の滞
留時間を確保するようにすると、気泡径は４〜６ｍｍ程
度にするのが限界であり、これより小径の気泡を得るの
は困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するためになされたもので、散気管の廻りに形成さ
れる境界層は、前記のように散気管の場所によって厚さ
が異なることに着目し、空気の吐出孔を境界層の薄い部
分に設けることにより、従来の曝気装置と同程度の流速
あるいは吐出孔の大きさで従来の気泡（直径４〜６ｍ
ｍ）より小径の気泡（直径１．５〜３ｍｍ）を得るよう
にしたものである。

【０００７】すなわち、本発明にかかる微細気泡装置
は、水中に配設したポンプからの吐出水流を囲むケーシ
ングの中に断面円形または断面流線形の複数の散気管
を、該散気管と前記吐出水流とが直交し、隣り合う散気
管相互間の流速を増大させる間隔で、かつ、前記散気管
が互いに平行となるよう並設固定するとともに、前記散
気管の外周面のうち、前記吐出水流の上流側に気体の吐
出孔を穿設したものである。

【０００８】

【作用】本発明は、散気管の廻りに形成される境界層の
うち、この境界層の薄い部分に気体の吐出孔を設けたの
で、供給された気体が乱流域に到達しやすくなり、剪断
力の弱い境界層での気体の伸び（境界層での滞在時間）
が短くなる。しかも、複数本の散気管を、隣り合う散気
管相互間の流速を増大させる間隔でケーシング内に互い
に平行となるよう並設固定することにより、吐出水流の
剪断力が増大する。特に、散気管の断面を流線形とする
ことにより、散気管後方での渦の発生を防止できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる実施の形態
を図１および図２の添付図面に従って説明する。図１に
示すように、本実施形態にかかる曝気装置１０は、汚水
２を溜めた曝気槽１の底面に設置され、空気供給ホース
３を介して供給された空気から微細気泡を形成し、好気
状態を維持するものである。

【００１０】前記曝気装置１０は、水中に配設され、図
２（ａ）に示すように、モータ１１に連結されたインペ
ラー１２を回転させて水流を起こす軸流ポンプ１３と、
この軸流ポンプ１３が起こした水流の下流側に配置され
るケーシング１５とで構成されている。なお、水中に水
流を起こすための手段としては、前記軸流ポンプ１３に
限らず、例えば、他の渦巻ポンプ等のポンプであっても
よく、必ずしも水平方向に配置する必要はなく、その軸
心が上下方向となるように配置してもよい。また、曝気
装置の設置位置も曝気槽の底部である必要はなく、任意
の深さに設けて良い。

【００１１】ノズルボックス１４は、図２（ｂ）に示す
ように、ケーシング１５内に前記軸流ポンプ１３の吐出
水流と直交するように所定の間隔で並設した複数本の散
気管１６を空気供給管１７に接続したものである。そし
て、空気供給ホース３から送られてきた空気を、前記空
気供給管１７を介して散気管１６に供給し、この散気管
１６の吐出孔１８から空気を吐出させる（図３）。な
お、前記ケーシング１５は軸流ポンプ１３の起こした水
流を同一方向に流れさせるものである。

【００１２】さらに、前記散気管１６は断面円形に限ら
ず、例えば、断面流線形，断面楕円形であってもよい
が、空気の吐出孔１８は、境界層が形成される表面のう
ち、境界層の厚さが薄い部分、すなわち、散気管１６の
上流側の面に設ける必要がある。この領域外に吐出孔１
８を設けると、境界層が厚くなり、この境界層内で供給
された空気が長く伸ばされ、境界層内に長時間滞溜する
ため、所望の微細気泡が得られず、気泡径が大きくなる
からである。なお、散気管１６の上流側の面において吐
出孔１８を設ける位置，ピッチ，直径，個数を必要に応
じて適宜選択できることは勿論である。

【００１３】並設する散気管１６相互の間隔は、例え
ば、散気管１６が断面円形である場合、その直径の０．
３倍以上、１．５倍以下であることが好ましい。また、
散気管１６が断面流線形である場合も、その最大翼厚の
０．３倍以上、１．５倍以下であることが好ましい。
０．３倍未満であると、散気管と散気管との間が狭くな
りすぎて圧力損失が大きくなり、流速も上がりにくくな
るからであり、１．５倍を越えると、流速が遅くなって
気泡径が大きくなるからである。

【００１４】

【実施例】次に、本発明にかかる曝気装置について微細
気泡を形成できる最適条件を知るため、以下のような実
験を行った。なお、図３（ａ）に示すように、散気管１
６が断面円形である場合、吐出孔１８を設ける位置は前
縁Ａを基準とし、これから２２．５度、４５度、６７．
５度、９０度、１３５度、および、１８０度離れた位置
をそれぞれＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ＦおよびＧとした。また、
図３（ｂ）に示すように、散気管１６が断面流線形であ
る場合、吐出孔１８を設ける位置は前縁Ａを基準とし、
これから約４５度離れた位置をＢとし、さらに離れた位
置を順次Ｃ、Ｄとした。

【００１５】（実施例１） 本実施例は、断面円形の散気管にて微細気泡を形成でき
る吐出孔の最適な位置を見い出すために行った実験であ
り、外径１７ｍｍ，内径１３ｍｍ，長さ２１０ｍｍの散
気管を使用した。そして、この散気管に直径０．５ｍｍ
の吐出孔をピッチ４ｍｍで合計２６個設けた。ついで、
空気量を毎分２リットル、水の流速１ｍ／ｓとし、吐出
孔の位置をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇと変えて生じた
気泡の直径を測定し、その平均直径から気泡の体積を求
めた。実験結果を図４に示す。

【００１６】図４から明らかなように、前縁Ａから約９
０度離れた位置Ｅまでの間に吐出孔を設ければ、ほぼ最
小の気泡を得られることが判明した。

【００１７】（実施例２） 本実施例は、断面流線形の散気管にて微細気泡を形成で
きる吐出孔の最適な位置を見い出すために行った実験で
あり、翼弦長さ２４ｍｍ，最大翼厚１２ｍｍ，長さ２１
０ｍｍの散気管を使用した。そして、この散気管に直径
０．５ｍｍの吐出孔をピッチ４ｍｍで合計２６個設け
た。ついで、空気量を毎分１０リットル、水の流速１ｍ
／ｓとし、その平均直径から気泡の体積を求めた。実験
結果を図５に示す。図５から明らかなように、前縁Ａか
ら位置Ｃまでの間に吐出孔を設ければ、ほぼ最小の気泡
を得られることが判明した。

【００１８】（実施例３） 本実施例は、散気管の間隔と水の流速との関係から微細
気泡を形成できる最適条件を知るために行った実験であ
り、実施例２の散気管と同一外形寸法を有する断面流線
形の散気管を使用した。そして、この散気管に直径０．
５ｍｍの吐出孔を位置Ｂにピッチ４ｍｍで合計２６個設
けた。ついで、散気管相互の間隔を、散気管の最大翼厚
寸法の１．５倍、１．０倍、０．６６倍、０．３３倍と
した場合、および、相互に接触させた場合につき、空気
量を毎分１０リットルとし、水の流速を０ｍ／ｓから１
ｍ／ｓまで変化させて生じた気泡の直径を測定し、その
平均直径から気泡の体積を求めた。実験結果を図６に示
す。

【００１９】図６から明らかなように、水の流速が早け
れば早いほど、気泡が小さくなることが判明した。ま
た、散気管相互の間隔が、散気管の最大翼厚寸法の０．
６６倍である場合に気泡が最も小さくなることがわかっ
た。

【００２０】以上の実施例から、散気管の前面、すなわ
ち境界層内の前縁あるいは前縁から少し離れた境界層の
薄い領域内に吐出孔を設け、特に、散気管が断面流線形
である場合に、散気管相互の間隔が散気管の最大翼厚寸
法よりも若干狭い場合に微細気泡が得られることがわか
った。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の微細気泡形成装置によれば、散気管の廻りに形成され
る境界層のうち、その薄い部分、つまり、ポンプからの
吐出水流の上流側に面する散気管の外周面に気体の吐出
孔を設けてある。このため、水中に供給された気体は、
剪断力の弱い境界層での滞在時間が短くなり、剪断力の
大きい乱流域へ短時間で到達する。この結果、境界層に
おける気体の移動量（気体の伸び）が短くなり、微細な
気泡が得られる。また、複数本の散気管を、隣り合う散
気管相互間の流速を増大させる間隔でケーシング内に互
いに平行となるよう並設固定することにより、ポンプを
大型化することなく散気管間の流速を上げて剪断力を増
加させているため、気泡径をより一層小さくできるとい
う効果がある。なお、散気管の断面形状を流線形にし、
散気管背面での渦の発生を防止するようにすれば、気泡
同志が衝突して合体し、気泡径が大きくなることを防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる微細気泡形成装置を備えた曝
気装置の使用状態を示す断面図である。

【図２】 本発明にかかる微細気泡形成装置を示し、図
（ａ）は正面図、図（ｂ）はノズルボックスの側面図で
ある。

【図３】 本発明の微細気泡形成装置の散気管を示し、
図（ａ）は断面円形の散気管の断面図、図（ｂ）は断面
流線形の散気管の断面図である。

【図４】 本発明にかかる実施例１の実験結果を示すグ
ラフ図である。

【図５】 本発明にかかる実施例２の実験結果を示すグ
ラフ図である。

【図６】 本発明にかかる実施例３の実験結果を示すグ
ラフ図である。

【図７】 空気量と水の流速との関係を示すグラフ図で
ある。

【図８】 吐出孔径と供給空気量との関係を示すグラフ
図である。

【図９】 気泡が形成されるメカニズムを説明するため
の説明図であり、図（ａ）はノズルから空気を吐出した
場合の説明図、図（ｂ）は散気管に水流が衝突した場合
に境界層が形成される場合を示す説明図、図（ｃ）は図
（ｂ）の部分拡大図である。

【符号の説明】

１０…曝気装置、１１…モータ、１２…インペラー、１
３…軸流ポンプ、１４…ノズルボックス、１５…ケーシ
ング、１６…散気管、１８…吐出孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 明 大阪府大阪市西区京町堀２丁目４番７号 中外炉工業株式会社内 (72)発明者 西田 和善 大阪府大阪市西区京町堀２丁目４番７号 中外炉工業株式会社内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中に配設したポンプからの吐出水流を
   囲むケーシングの中に断面円形または断面流線形の複数
   の散気管を、該散気管と前記吐出水流とが直交し、隣り
   合う散気管相互間の流速を増大させる間隔で、かつ、前
   記散気管が互いに平行となるよう並設固定するととも
   に、前記散気管の外周面のうち、前記吐出水流の上流側
   に気体の吐出孔を穿設したことを特徴とする微細気泡形
   成装置。