JP3730665B2 - 排水を処理するための方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、流体を処理する為の曝気装置に関する。より詳細には、本発明は、効率的に撹拌を行い、流体内の溶解酸素含有量を高める空気補助式プロペラ曝気装置に関する。
撹拌を行うことにより流体内の溶解酵素(DO)の含有量を増加する為の流体処理においては、曝気処理が利用される。排水処理プロセスで使用される場合は、精製プロセスにおいてバクテリア及びその他の微生物に酸素が加えられ、排水中の有機物が分解される。他の用途において曝気処理は水処理に使用され、魚類の生命および他の水性生物を支援する為の溶解酸素要件を満足する。
公知の曝気装置としては、表面曝気装置、拡散器／ブロワ、およびロータ曝気装置が挙げられる。表面曝気装置は、揚水してから水を空中に放出するものである。表面曝気システムは、重力に抗して揚水を行う上で大きな馬力を要すると共に大量のエネルギを消費する。また、ブロワ／拡散器においては、容器の底部の拡散器を介して圧縮空気が導入される。水頭抵抗を克服するには、大きな馬力が必要とされる。酸素は垂直に上昇し、水への効率的な分散が生じ得る前にすぐに抜けてしまう。ロータ曝気装置は、処理を受ける水の表面に位置せしめられた回転曝気機構を備えている。ロータシステムの保持は費用が掛かる共にエネルギ消費も大きいことが知られている。それらの装置は水を空中に放出して噴霧質を形成し、そこから空中に悪臭を放出せしめるものである。
別の公知のタイプの曝気装置としては吸引型曝気装置がある。これらの装置は、処理されつつある物質の表面の下方に配設された電動機駆動式回転プロペラを使用する。このプロペラは、ドラフト管を貫通する吸気ポートから空気を吸引すると共に、例えば処理中の排水もしくは水性生物を含む水の中へ、この空気を放出するものである。プロペラ型の曝気装置は略水平にして作動せしめられ、処理用の容器内の垂直流れパターンでは無く水平流れパターンを生成する。
公知のプロペラ型曝気装置としては、インホフェル氏等（Inhofer et al.）に付与された米国特許第4,240,990号(曝気プロペラおよび装置)、ドルダ氏等(Durda et al.)に付与された米国特許第4,280,911号(水の処理方法)、シラ氏(Schiller)に付与された米国特許第4,741,825号(移動渦流シールド)、シュルツ氏(Schurz)に付与された米国特許第4,774,031号(曝気装置)、ドルダ氏(Durda)に付与された米国特許第4,806,251号(揺動プロペラ型曝気装置および方法)、フックス氏等(Fuchs et al.)に付与された米国特許第4,844,816号(特定の深度および圧力条件における曝気方法)、ラジェンドレン氏(Rajendren)に付与された米国特許第4,844,843号(回転圧縮ブレードを有する排水用曝気装置)、グロス氏(Gross)に付与された米国特許第4,741,870号(液体処理装置)、ドルダ氏(Durda)に付与された米国特許第4,954,295号(流体を周縁射出するプロペラ曝気装置および該曝気装置の使用方法)、が挙げられる。
以上の公知の曝気装置は、吸気ポートから空気を吸引して物質内に放出する為に真空を生成する高速プロペラを必要としている。従って、これらの公知の曝気装置は、真空を生成する上で大量のエネルギを使用する。
発明の概要
本発明は、流体の曝気／撹拌に使用される装置に関している。本発明は特に、効率的に撹拌を行い、流体内の溶解酸素含有量を高める空気補助式プロペラ(吸引)曝気装置に関する。
一実施形態において、上記装置は第１端および第２端を有する筒状駆動軸を含み、第１端は選択的に回転可能な動力源に連結される。上記筒状駆動軸に対しては、圧縮空気源が流体連通される。上記筒状駆動軸の第２端に対しては、プロペラシャフトを有する第１プロペラが連結される。該プロペラシャフトに隣接して、微泡化機構が配置される。
上記微泡化機構は、上記プロペラシャフトに連結されても良い。該微泡化機構はまた、上記プロペラシャフトの端部の回りで径方向に離間されると共に該シャフトの端部から長手方向外方に延伸する複数の略平坦部材を更に備えても良い。これらの略平坦部材は、上記シャフトの長手方向中心軸に向けて内方に延伸しても良い。
上記装置は更に、上記第１プロペラと上記筒状駆動軸の上記第２端との間に位置せしめられた、プロペラシャフトを有する第２プロペラを含んでも良い。上記第２プロペラは上記第１プロペラより大寸でも良い。また、上記第１プロペラと上記第２プロペラとの間にはスペーサが配置されても良い。
上記微泡化機構は、上記第１プロペラと一体に構成されても良い。上記筒状駆動軸を略筒状ハウジングがカバーしても良い。該略筒状ハウジングは開口を有しても良い。上記圧縮空気源は該開口に連結されても良い。上記筒状駆動軸に沿い、上記開口と流体連通する空気取入孔が配置されても良い。
更なる実施形態において、本発明は曝気装置を支持する浮遊支持装置を含んでいる。該浮遊支持装置は、デッキ領域を有する略Ｕ形状の浮遊基体と、該浮遊基体から曝気装置を支持する支持フレームとを含んでも良い。
上記浮遊基体は、相互に接続された２個の対称形状側部から構成されても良い。浮遊基体は、発泡体が充填された金属フレームから構成されても良い。上記支持フレームは、上記Ｕ形状浮遊基体内の上記開口に亘り上記曝気装置を調節可能に吊下する取付ブラケットを含んでも良い。
【図面の簡単な説明】
本発明に付随する多くの利点は、図示内容を通して同様の部材には同様の参照番号が付された添付図面を考慮した以下の詳細な説明を参照することにより本発明をより良く理解すれば明らかとなろう。
図１は、本発明に係る曝気装置の上面図である。
図２は、図１に示された曝気装置の側面図である。
図３は、図１の曝気装置のモータ／シャフト・アセンブリを示す部分的斜視図である。
図４は、図１の曝気装置のプロペラ機構の拡大側面図である。
図５は、作動中の図１の曝気装置を示す側面図である。
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、本発明に係る曝気システム10を示している。該曝気システム10は、圧縮空気源14に連結された曝気装置12を含んでいる。該曝気装置12および圧縮空気源14は、浮遊支持構造16に連結されて該浮遊支持構造16により支持されている。曝気システム10は、水に対して効率的に撹拌および／または曝気を行い、水処理システムにおける水の溶解酸素含有量を高める為のものである。
一実施形態において浮遊支持構造16は、開放端20および閉塞端22を有する略U形状の浮遊基体24を含んでいる。この特徴的な形状の支持構造により曝気装置12の作用が許容される一方、作業員が上記曝気システムのメンテナンスおよびテストを行う間の足場が提供される。
上記浮遊基体24は、発泡体が充填された金属製もしくは非金属製のフレームにより構成される。一実施形態においては、該フレームは金属製である。上記浮遊基体24は、第１半体26および第２半体28として示された複数の半体で製造されても良い。第１半体26および第２半体28は寸法および形状に関して略対称的であり、ボルト接続部30において相互に固定されて略U形状の浮遊基体24を形成しても良い。
浮遊基体24は、曝気機器の試験もしくはメンテナンスを行う間の作業員を安定して支持するのに適した面積を有するデッキ32を含んでいる。このデッキ32は、該デッキ32から立ち上がると共に、該デッキ32の外側周縁部回りに配置された比較的短寸の膝壁34により囲繞されている。上記デッキ32の形状は浮遊基体24の形状に対応することにより、支持構造16により支持された機器への自由な接近を許容している。
デッキ32には、支持構造16に曝気機器を取付る為の取付フレーム36が固定される。詳細には、該取付フレーム36は、デッキ32に固定された取付ブラケット38、取付ブラケット40、取付ブラケット42および取付ブラケット44を含んでいる。筒状支持部材46は取付ブラケット38と取付ブラケット40との間に延在すると共にその各端においてこれらのブラケットに固定的に取付けられている。筒状支持部材48は取付ブラケット42と取付ブラケット44との間に延在すると共にその各端においてこれらのブラケットに固定的に取付けられている。安定ブラケット50は、支持構造16の開放端20の近傍で筒状支持部材46と筒状支持部材48との間に接続され、取付フレーム36に対して構造的一体性を与えている。支持構造16の閉塞端22の近傍においては、筒状支持部材46と筒状支持部材48との間にコンプレッサ取付プレート52が接続される。該コンプレッサ取付プレート52は圧縮空気源14を支持すると共に、支持構造16に対して更なる安定化を提供する。
筒状支持部材46の中央近傍からはモータ取付ブラケット54が延出すると共に、筒状支持部材48の中央近傍からはモータ取付ブラケット56が延出している。これらのモータ取付ブラケット54およびモータ取付ブラケット56は、浮遊基体24のほぼ長方形の開口に亘り曝気装置12が移動可能に吊下されるのを許容する。
図２を参照すると、曝気システム10の側面図が示されている。曝気装置12は、(モータ取付ブラケット54およびモータ取付ブラケット56を用いて)支持構造16に対して回動可能に連結されている。この配置構成において曝気装置12は、略垂直位置Aと略水平位置(図示せず)との間を移動可能／選択的に取付けられ得る。曝気装置12はまた、中間位置Bにおいても示されている。曝気装置12は上記略水平位置に引上げら(れると共に安定ブラケット50により支持さ)れて、曝気装置12に関するメンテナンスを許容し得るものである。
曝気装置12は概略的に、作動の間に支持構造16の下方に延伸するシャフト機構64に連結されたモータ62を含んでいる。シャフト機構64の端部にはプロペラ機構66が連結されている。一実施形態においてモータ62は、電力源(図示せず)に対して位置69で接続される電気ボックス68を有する電動モータである。シャフト機構64は、可撓エアホース70を用いて圧縮空気源14に連結される。この可撓接続により、曝気装置12は圧縮空気源14に対する接続を保持し乍ら、略垂直位置Aと略水平位置との間を移動せしめられ又はこれらの位置間に配置され得る。一実施形態において圧縮空気源14は、モータ72と該モータ72の上方に延伸するエア機構74とを有する電気動力式エアコンプレッサである。エアコンプレッサ・モータ72は、電力源(図示せず)に連結される。
図３を参照すると、モータ62および対応するシャフト機構64の斜視図が示されている。一実施形態においてモータ62は電動モータであり、典型的には１馬力乃至100馬力のパワーを有している。但し、モータ62が100馬力を遥かに超え得ることも理解される。モータ62は、自身から延在する回転可能な動力軸82を有している。
シャフト機構64は、ハウジング86内に位置せしめられた駆動軸84を含んでいる。ハウジング86は、組立時に可撓エアホース70を介して圧縮空気源14と連通される圧縮空気用開口88を含んでいる。駆動軸84はハウジング86内に回動可能に位置せしめられている。駆動軸84は略筒状の部材であると共に、第１端90および第２端92を含んでいる。第１端90には自在継手93が配置されている。また、軸84の内部には空気取入孔94が延在する。ひとつの好適な実施形態においては、空気取入孔94は駆動軸の第１端90に隣接して配置される。また、軸84が数個の空気取入孔94を含み得ることも理解されよう。駆動軸の第２端92は、プロペラ機構66への接続の為の螺条96を含んでいる。
シャフト機構ハウジング86は、取付プレート100を介してモータ62のケーシングにボルト接続されたフランジ98を含んでいる。駆動軸84の第１端90は取付プレート100の開口102を貫通して延伸すると共に、モータ回転動力軸82に連結されている。取付プレート100は更に、モータ取付ブラケット54に回動可能に接続する為の延長部104と、モータ取付ブラケット56に回動可能に接続する為の延長部106とを含んでいる。
組立てた状態において、駆動軸の空気取入孔94はハウジングの圧縮空気用開口88と略一直線上に配置される。駆動軸84が自身の長手軸心回りに回転されるとき、圧縮空気は圧縮空気用開口88を通過し、取入孔94を介して駆動軸84の中空軸を通って、駆動軸の第２端92から出て行く。
図４を参照すると、プロペラ機構66の拡大組立図が示されている。該プロペラ機構66は、主要プロペラ108、補助プロペラ110およびアトマイザ112を含んでいる。主要プロペラ108は、中空主要プロペラシャフト116から外方に延伸する主要ブレード114を含んでいる。該主要プロペラシャフト116は、駆動軸の第２端92上に嵌装すべき寸法とされている。一実形態において、主要プロペラ108は標準的な船舶用プロペラと同様である。
主要プロペラ108と同様に、補助プロペラ110は、補助プロペラシャフト120から外方に延伸する補助プロペラブレード118を含んでいる。補助プロペラブレード118は、主要プロペラブレード114よりも小寸である。また、アトマイザ112は補助プロペラ110に隣接して配置されている。一実施形態において、アトマイザ112は、補助プロペラ110の一端から長手方向に延伸すると共にシャフト120の回りで径方向に離間されたアトマイザ・フィン122、アトマイザ・フィン124、アトマイザ・フィン126、および、アトマイザ・フィン128(図示せず)を含んでいる。アトマイザ・フィン122乃至128はプロペラシャフト120を越えて延伸することから、これらのアトマイザ・フィンはシャフト120の中央長手軸心に向けて内方に延伸し、補助プロペラシャフト120の内部開口よりも更に内方の箇所に至っている。
組立時に主要プロペラ108は駆動軸第２端92上に位置せしめられると共に、該駆動軸84と連結される。スペーサ130はその一部分が駆動軸第２端92上に位置せしめられると共に、主要プロペラシャフト116に対して締着される。一実施形態において、スペーサ130は主要プロペラシャフト116を挟むようにして、駆動軸第２端92に強固に螺着される。駆動軸84と同様にスペーサ130は筒状部材であって、駆動軸84の内径と略等しい内径と、主要プロペラシャフト116の外径と略等しい外径とを有している。スペーサ130の反対端には補助プロペラ110が連結される。スペーサ130の長さは、補助プロペラと主要プロペラ108の所望離間距離に対応し、所望のプロペラ性能を得ることができるように決定される。一実施形態においては、補助プロペラシャフト120をスペーサ130の端部に結着することにより、補助プロペラ110はスペーサ130に連結されている。
アトマイザ112は、補助プロペラ110の反対端に配置されている。一実施形態においてアトマイザ112のアトマイザ・フイン122乃至128は補助プロペラ110と一体的に形成されている。また、補助プロペラ110の寸法およびプロペラ機構の所望の性能特性に対応して、アトマイザ112を分離ユニットとして形成すると共に補助プロペラシャフト120の端部に固定し得ること、または、付加的なスペーサにより補助プロペラシャフト120の端部から離間し得ることは理解される。
図５を参照すると、本発明に係る曝気システム10の作動状態が示されている。該曝気システム10は、水容器内に含まれた水132を処理すべく水容器内に配置されている。浮遊支持構造16は水132の表面に浮遊し、曝気装置12および圧縮空気源14を支持している。曝気装置12のプロペラ機構66は、所望の角度にて水132内に配設される。曝気装置12が作動位置に在るとき、所望の処理を実行する作動モードを選択して作動させることができる。例えば、窒素固定／脱窒素プロセス用の攪拌装置、または、空気補助式曝気装置などとして作動させることができる。
一つの好適な作動モードにおいて、本発明に係る曝気システム10は、空気補助式プロペラにより駆動される吸引曝気装置として作動する。曝気装置12は、最大限の曝気および酸素供給効率が得られるように圧縮空気源14と共に作動する。曝気装置12は、浮遊支持構造16に対して所望の作動角度に調節される。モータ62は励起されて、比較的低い速度にて(駆動軸84を介して)主要プロペラ108を回転させる。比較的低い速度で主要プロペラ108が回転すると、矢印136により示された如く主要プロペラ108は水132の攪拌装置として作動する。圧縮空気源14は駆動軸84を介し、曝気処理用の空気を提供する。圧縮空気源14から受ける空気の量は、完全に調節可能である。詳細には、圧縮空気源14は可撓エアホース70を介して曝気装置12に圧縮空気を提供する。空気は開口88にてハウジング86を通過する。駆動軸84が回転するとき、空気は空気取入孔94を介して中空駆動軸84に進入すると共に、空気吐出口134からプロペラ機構66を出て行く。
補助プロペラ110は、水132の主要流を、アトマイザ112へ向けて矢印138により示された穏やかな指向流へと拡散すべく使用される。アトマイザ112は、該指向流を、空気吐出口134から出てくる圧縮空気と混合させる。アトマイザ112は空気吐出口134より排出される空気から微細化気泡を形成し、水132内の溶解酸素含有量を効率的に増加させる。微泡雲140により示された微細化気泡は水132内での気泡持続時間を延長することにより水132の表面に抜ける空気を少なくし、これと対応して、水132への酸素転移速度の増大を許容する。
圧縮空気源14の空気圧および／または体積、プロペラ機構66の速度、並びに、曝気装置12の取付角度は、曝気システム10の最大の効率および酸素供給性能を達成すべく、完全に調節可能である。更に、アトマイザ112、補助プロペラ110および主要プロペラ108の位置を流れに沿った所定距離に調節してプロペラ機構66の性能を最大化し、これと対応して酸素転移速度を最大化しても良い。
本発明に係る曝気システムの特徴的な設計態様は、酸素の撹拌および／または転移を効率的に行い、処理を受けつつある水の溶解酸素含有量を増大するものである。本発明の曝気装置は所望の酸素転移速度に対応するエネルギ消費が少ない。これは、本発明のプロペラ機構により、従来型式の曝気システムのように、曝気装置シャフトを超高速で作動させて空気吸引用の真空生成をする必要性が無くなったからである。更に、本発明に係る曝気システム10は流体処理制御システムと接続されて作動せしめられ、支持構造16に対する曝気装置12の角度の自動的調節と、圧縮空気源14により供給される空気の調節と、プロペラ機構66の作動速度を調節とを介し、性能特性を完全自動で調節可能としても良い。
プロペラ機構66の速度を増大してアトマイザ12の近傍に真空を生成し、圧縮空気の補助無しで、当業界で公知の如き従来の吸引型曝気装置として曝気装置12を使用可能としても良い。駆動軸84内部の空気の圧力が空気吐出口１３４における圧力と略等しくても良いことは理解されよう。代替的に、特定の曝気装置性能に対して選択的に所望される如く、駆動軸84内部の空気の圧力が空気吐出口134における圧力より大きくても又は小さくても良い。
別の作動モードにおいては、外気もしくは圧縮空気を導入すること無く、曝気装置12は窒素固定／脱窒素プロセスにおける攪拌装置としてのみ使用される。モータ62の励起により、駆動軸84は所望の速度および角度にて主要プロペラ108を回転し、窒素固定／脱窒素プロセスに対する水132の所望量の撹拌および移動を提供する。
尚、本開示内容は多くの見地において例示的なものに過ぎないことは理解されよう。その詳細に関しては、特に、各部材の形状、寸法、材料および配置構成は本発明の範囲を越えること無く変更され得る。従って、本発明の範囲は添付の請求の範囲の文言により定義される。

Claims (5)

1. 排水を処理するための方法において、
   第１の端部及び第２の端部を有するとともに前記第１の端部が選択的に回転可能な出力源に連結されている細長い駆動軸と、筒状シャフトに流体連通可能である圧縮空気源と、前記駆動軸に連結されるとともに前記第１の端部から第１の距離にて配置される第１プロペラと、前記第１プロペラより小さく、かつ前記駆動軸に連結されるとともに前記第１の端部から第２の距離にて配置される第２プロペラと、を含む曝気装置／撹拌装置を提供する工程と、前記第２の距離は前記第１の距離より大きいことと、
   前記駆動軸の第２の端部と前記プロペラとを排水中に沈める工程と、
   前記プロペラを回転させて排水を曝気する場合には前記圧縮空気源から前記駆動軸の第２の端部へ空気を送達する工程と、
   前記プロペラを回転させて排水を撹拌する場合には圧縮空気源から前記駆動軸の第２の端部への空気の送達を低減する工程と、
   からなる方法。
2. 前記プロペラを回転させて排水を撹拌する場合には圧縮空気源から前記駆動軸の第２の端部へ空気が送達される請求項１に記載の方法。
3. 前記第２プロペラは、前記第１プロペラと前記駆動軸の第２の端部との間にて該駆動軸に連結されている請求項１に記載の方法。
4. 前記第２プロペラはスペーサに取り付けられており、かつ該スペーサは前記第１プロペラに取り付けられている請求項１に記載の方法。
5. 前記駆動軸を、前記排水の表面に対して鋭角をなすように配置させる工程を更に含む請求項１に記載の方法。

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