JP4133045B2 - 気体溶解器及びそれらを備えた水処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体混合液中の気体を液体に高効率的に溶解させることのできる気体溶解器及び、ダムや海等の水底や水深のある場所に滞留する溶存酸素量の少ない、淡水・海水等に酸素等の活性ガスを供給して活性化させ、水中の微生物や動植物への酸素供給等に利用し、環境を再生することのできる気体溶解器を備えた水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体を液体中に溶解させる気体溶解器としては、圧力タンク上部からノズルで気体中に噴射し水滴を降らして溶解させる方法や、圧力タンク内で液体と気体をミキシングして溶解させる方法が知られている。又、液体中に直接微細気泡を発生させて、気体と液体の接触面積を増やし、溶解させる方法も研究開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は以下のような課題を有してした。
（１）液体を圧力タンク気体中に上部からノズルで降らす方法は、水滴の為溶解率が悪く低濃度である。又、適量の追加気体を圧力タンク内に注入させる事が難しく、溶存濃度を所定値に維持させる制御性に欠け、処理効率が悪いという課題があった。
（２）液体と気体を圧力タンク内でミキシングする方法は、気体を大量に使用し、未溶解気体を溶解器外部に排出しなければ連続運転できず、経済性に欠け処理コストが高く、効率が悪いという課題があった。
（３）液体中に微細気泡を発生させる方法は、液体と気体との接触面積増大による溶解の為、飽和以上の高濃度の溶解液を作る事が困難であり、又、気泡を含む為、水底にヘドロなどの汚染物質がある場所では、気泡が付着し上昇させるので使用できないという課題があった。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するもので、酸素ガス等の活性ガスの富化における制御性に優れた気体溶解器を提供し、処理液中に溶解させるガスの濃度を所定値に維持させ、気体使用量を最小限にでき、最小のエネルギーで稼動できる高効率気体溶解器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の気体溶解器は、円筒状の導入部と、この円筒状の導入部の下方に連設される円筒状の通水部と、この円筒状の通水部の下方に連設される円筒状の排液部と、前記導入部に外部より加圧された気液混合液を導く気液混合供給管を備えて、前記気液混合液中の気体を液体に効率的に溶解させる気体溶解器であって、
前記気液混合供給管は、前記円筒状の導入部の外部から加圧のためのポンプを介して内部に導かれ、
この導入部の内部に導かれた前記気液混合供給管の端部に設けられるエジェクターノズルと、
このエジェクターノズルの吐出口に一の端部を接続され、他の端部を前記円筒状の導入部の内部に開放する自吸パイプと、
前記円筒状の導入部の外部に被混合気体を吸入する孔部と、を備えるとともに、
前記円筒状の導入部の内部に導かれた前記気液混合供給管の端部に設けられるエジェクターノズルは、前記円筒状の導入部の円筒中心よりも内周面近傍に配置され、前記円筒状の導入部の内部で旋回流を形成可能に設けられ、
前記円筒状の排液部は、外部に前記気液混合液を導出する排出口と、前記気体溶解器の圧力を調整し前記溶解濃度を調節可能に設けられる圧力調整弁とを備えて構成されている。この構成によって以下の作用を有する。
（１）円筒状の導入部を有するので、加圧供給された気液混合液は、エジェクターノズルで噴射旋回運動をすることで発生する圧力損失で、減圧になった気体溶解器内へ噴射さえた気液混合液中の気体は膨張し３ｍｍ〜１０ｍｍ位の泡になる。（以下、この泡を水泡といい、水泡と水泡が分離し液中にある泡は気泡という）その水泡内は圧力気体なので、水泡と水泡の薄い表面水に瞬間的に溶解する。又、液体の旋回運動で、円筒状部中心部に水泡及び気泡を集め、泡塊を形成することで余分な水泡や気泡を噴射力・旋回力で破壊し、気体を円筒状部の最上部に集め、その気体をエジェクター自吸パイプを通して溶解するまで繰り返し多量に自吸させ、エジェクターノズルで水泡化させる事で、気体溶解度を更に高める事ができる。又、円筒状通水部を有するので、円筒状の導入部で破壊されなかった気泡及び浮力の小さい微細な気泡は、旋回流により中心部に集める事で合体し、浮力増大による上昇で円筒状の導入部内に戻し、溶解液は排液部へ分離することで無駄なく気体を溶解させることができ、また、排液部の前記圧力調整弁によって、気体溶解器内の圧力を調整できる事で、水泡内の気体の圧力を変え所望の溶解濃度を求めることができる。
【０００６】
請求項２に記載の気体溶解器は、請求項１記載の発明において、前記圧力調整弁に代えて、前記排出口に吸引ポンプを備える事で構成されている。この構成によって請求項１に記載の作用の他に以下の作用を有する。
（１）排液部からポンプで吸引する事で、エジェクターノズル噴射圧力と気体溶解器内の圧力差が広がり、多量の水泡が発生し、溶解液排出量を増やす事ができる。
（２）圧力調整弁が不要なので、細孔閉塞部分がなく異物混入水でも目詰まりがなく連続安定稼動できるので、汚水処理場などの酸素補充に適する。
【０００７】
請求項３に記載の水処理装置は、請求項２に記載の気体溶解器の前記気液混合供給管において、前記円筒状の導入部の外部側の端部にストレーナーを備えるとともに、前記孔部に配管を介して被混合気体を供給する気体供給装置を接続し、記気体溶解器を被処理水源に沈降させて、この被処理水源へ沈降させることによる水圧によって前記ストレーナーより被処理水源内の液体を導入して処理するように構成されている。この構成により以下の作用とする。
（１）水深静圧のある所で気体溶解器にストレーナーを取り付け、又、圧力調整弁を除いた排出口から吸引ポンプで吸引する事で、気体溶解器内が減圧になり水深静圧液体を加圧液体として利用する事ができる。又、圧力調整弁が不要で、閉塞細孔部分がなく、水底のヘドロがある場所でも効率良く処理するのに適し、作動性や操作性に優れている。
（２）所定水深の水温で滞留している死水等に、酸素などの活性ガスで活性再生し、同水温に排出することができるので、定着率が高く効率的に浄化できる。
（３）酸素水によって水底のヘドロ層に定着している嫌気性菌を死滅させて、有毒ガスの発生を防止することができ、また、好気性菌を死滅させて、有毒ガスの発生を防止することができ、また、好気性菌を繁殖させヘドロ等を減少させる事で、環境を良好に維持させることもできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の気体溶解器について以下の図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１の気体溶解器の平面図であり、図１（ｂ）はその正面図であり、図１（ｃ）は圧力調整弁を除き、吸引ポンプを取り付けた正面図である。
図１において、１は実施の形態１の気体溶解器、２は加圧された気体混合液を供給するための加圧ポンプ部、３は加圧ポンプ部２を介して加圧された気体混合液が、その周壁下部の接線方向に配置された気液混合供給管３ａのエジェクターノズル吐出口３ｂから供給される全体が円筒状に形成された内径Ｄ、高さＬの円筒状部、３ｃは円筒状部の最上部に開口してエジェクターノズル吐出口に取り付けられたエジェクター自吸パイプ、４は円筒状部３の最下部に縮径したテーパ部３Ｄに連設された内径ｄ、高さｌの円筒状通水部、５は円筒状通水部４の下部に連設され、その側壁部に配置された排出口５ａと、底部に突出して形成された円筒状気体止め部５ｂとを備えた排液部、６は排液部５からの処理液の流量及び溶解器内圧力を制御する圧力調整弁、７は圧力計、２Ａは圧力調整弁６を除き、取り付けた吸引ポンプである。
例えば、所定気体量を含む気液混合液を加圧ポンプ部２（ゲージ圧０．２ＭＰａの噴射圧力）で、気体溶解器内圧力を０．１ＭＰａに圧力調整弁６で調整する。この時、エジェクターノズル３ｂで噴射された気液混合液中の気体は、減圧によって膨張し水泡化（水泡の中の気体圧力は０．１ＭＰａになる）し、その表面水に溶解させることができる。また、同筒状部３や円筒状通水部４によって集められた、未溶解気体を円筒状部最上部からエジェクター自吸パイプ３ｃによって、エジェクターノズル３ｂに多量（気体供給量の６〜１２倍）に自吸させ水泡化させる事で、更に溶解度を高める事ができる。尚、エジェクターノズル３ｂの替りに負圧軸を形成し気体を自吸する旋回噴射ノズルを用いても良い。
【０００９】
なお、気液混合液に供給する空気や酸素等の気体分は、加圧ポンプ部２の吸引側２ａや吐出側２ｂから供給できるが、２ａはポンプに自吸させる場合、２ｂは気体を混入できないポンプ又は、圧力水（水道水など）を利用する時に、圧力気体を供給して気液混合液を作る。
また、この円筒状部３の天井付近や排液部５に内部の圧力を検知する圧力計７を設け、これによって加圧ポンプ部２及び圧力調整弁６を制御して気体溶解器内圧力を所定に維持するようにしてもよい。
【００１０】
ここで表１はモノフックスポンプ４００Ｗで、気体溶解器内圧力を変動させた実験条件のもとで得られた処理水の溶存酸素濃度（ＤＯ：単位ｐｐｍ）、処理水の量（毎分リットル）のそれぞれの測定データを示しており、液体（水道水）に混合させる気体として酸素と空気を用いた実験例を示している。なお、この実験例において、エジェクターノズル３ｂは８ｍｍから１５ｍｍ径に広径したノズルを用い、円筒状部内径（Ｄ）１００ｍｍ、高さ（Ｌ）１８０ｍｍ、円筒状通水部内径（ｄ）４５ｍｍ、高さ（１）４００ｍｍ、円筒状気体止め部内径（Ｅ）２５ｍｍである。尚、円筒状部、円筒状通水部及び排出口５ａは、溶解を確認する目的で透明管を用い、目視で無駄なく完全溶解できる気体量と圧力と溶存量を求める為に、観察した結果である。また、気液混合液の液体分として用いた水道水の水温は、１２．３℃、溶存酸素濃度（ＤＯ）は９．８ｐｐｍである。
【００１１】
【表１】

【００１２】
表１のデータ等から大気圧下で高効率溶解酸素水を得るには、気体溶解器内圧が０．１〜０．１５ＭＰａ前後有り、加圧ポンプ供給圧力との差が最低０．０６ＭＰａ以上有る事が望ましい。又、気体溶解器内圧が０．２ＭＰａになると一旦は透明管排出口５ａ通過時は透明液体であり完全溶解を確認できるが、圧力調整弁６を過ぎると超過飽和状態の為、減圧発泡し白濁するが、時間と共にその白濁した気泡内に、超過飽和液中に溶解している気体が放出する事で、更に気泡が拡大し白濁することによって溶存酸素濃度が下がるので大気圧下では不利であるが、水深静圧のある所では減圧発泡しないので使用できる。又、圧力調整弁６を過ぎて減圧発泡した直後の溶解液と気体溶存量の低い液体とを混ぜて放流すると周辺液体が過飽和ではないので、減圧発泡した気泡内への気体放出が止まる。よって、微細気泡として利用できる。又、気泡径も圧力調整弁６から近づいて混ぜる程小さく、離れる程大きくなるので所望に合わせて利用できる。
【００１３】
図２は気液混合液の処理において、気体溶解器の円筒状部と円筒状通水部に形成される。旋回泡塊と下降旋回する未溶解気泡が向心力によって中心部に集まるパターンを示す。模式図であり、円筒状通水部の外周部の溶解液体は下降旋回して排水部へ送られるが、円筒状気体止め部の上部液体は、停滞旋回をして気泡を中心部に集め合体し、浮力で円筒状部へ戻り、気体を無駄なく溶解する。又、図３（ａ）は水泡化によって表面液体中に気体が溶解するパターンを示す模式図であり、気泡径は約３ｍｍ〜１０ｍｍ程度で、連続的に圧力気体で作られる水泡と水泡の薄い表面液体に瞬間的に溶解される。尚、請求項２記載の気体溶解器の溶解パターンも、図３（ａ）と同じであるが、図３（ｂ）は気液混合液を供給する、加圧ポンプ出力よりも吸引ポンプ出力が大きい場合、気体溶解器が大気圧以下になり水泡の表面液体から溶存気体が放出され脱気になる模式図である。
【００１４】
実施の形態１の気体溶解器は以上のように構成されているので以下の作用を有する。
（ａ）加圧気液混合液は、エジェクターノズルを通り噴射旋回運動による圧力損失で気体溶解器内は減圧になり、気液混合液中の気体は膨張し水泡化するが、水泡内は圧力気体なので、水泡と水泡の薄い表面水に水泡内の圧力に比例して、瞬間的に溶解することができる。
（ｂ）エジェクターノズルの噴射力及び旋回流で破壊された、水泡・気泡の未溶解気体が、円筒状部の最上部に集められ、エジェクター自吸パイプによって気体を溶解するまでエジェクターノズルで繰り返し自吸させる事で、連続的に多量の圧力水泡を作れ、安定的に高効率溶解させる事ができる。
（ｃ）円筒状通水部で未溶解気泡を円筒中心部に集め、合体させ、円筒状部へ浮上させる事で、排液部から気体を出すことがないので無駄がない。
（ｄ）超過飽和溶解液を作ることもできるので、大気圧下で気体溶存量の低い液体を圧力調整弁からパイプなどで距離を調整し混ぜると、所望の径の微細気泡を作れ、微細気泡発生器としても使用できる。
（ｅ）圧力調整弁を除き、吸引ポンプを取り付ける事で気液混合液噴射圧力と気体溶解器内の圧力差が広がり、処理量を増やす事ができ、細孔閉塞部分がないので異物混入水でも目詰まりがなく安定稼動できる。
【００１５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における水処理装置について、以下図面を参照しながら説明する。
図４は実施の形態２における水処理装置の構造図である。
図４において、１０は実施の形態２の水処理装置、１１は水処理装置１０を水面上から所望水深に吊り下げ維持するための浮き構造体、１２はダムや海等の水底や水深のある場に配置された気体溶解器１の気液混合供給管に取り付けられたストレーナー、１２ａはストレーナー１２から処理水を気体溶解器内へ供給するための吸引ポンプ、２Ｂは気液混合供給管の圧力気体供給孔２ｂに取り付けられた圧力気体供給管、１３ａは処理水を排出する排出部、１４は陸上ポンプを使用する場合の耐圧囲い容器、１５ａは気体溶解器内の圧力を感知する溶解器内圧センサー、１５ｂは水深の水圧を感知する水圧センサー、１５ｃは処理水の溶存酸素量を感知するＤＯセンサー、１６はポンプ電源及び各種センサー情報を上部のコントロール部発電機などへ繋がる電線束、１７は気液混合供給管へ酸素などの圧力気体を作り送る気体供給装置、１８は気液混合供給管へ送る気体量を調整する気体量調整部、１９は各種センサーからの情報で最適稼動する為のコントロール部、２０はポンプや気体製造機などの電源を作る発電機、２１は浮き構造体１１と耐圧囲い容器１４をパイプやホースで繋ぎ吊り支え、又、電線類や各種管路及びポンプモーター熱の放出管として使用する吊り下げ管。
【００１６】
気体溶解器１は実施形態１で説明としたものとほぼ同様の構成を有しているが、図４では、ポンプ部２を除きストレーナー１２を取り付け、更に圧力調整弁も除き排出口にポンプ１２ａの吸引部を取り付ける事で、ポンプ１２ａが気体溶解器１の圧力調整弁６の働きもするので調整弁等を取り付ける必要がない。
図４の吸引ポンプ１２ａは陸上ポンプを使用しているが、耐圧水中ポンプを使用すれば、耐圧囲い容器１４を省くこともできる。
【００１７】
以上のように構成された水処理装置１０に適用される水処理方法について説明する。
まず、吸引ポンプ１２ａをコントロール部１９を介して稼動させる事で、気体溶解器内が減圧となりストレーナーを介してダムや海等の所望の水深や水底から、静圧の処理水が、気体溶解器内へ供給される。
次に、気体供給装置１７よりコントロール部を介して、適正な気体量が圧力気体供給管２Ｂを介して気液混合供給管に供給され、気液混合液になり、エジェクターノズルより気体溶解器内へ噴射され水泡化し、実施形態１で説明したものとほぼ同様の方法で溶解させ、同水深に溶解処理水を排出する。
【００１８】
実施の形態２の水処理装置及び水処理方法は以上のように構成されているので以下の作用を有する。
（ａ）吸引ポンプ１２ａを稼動する事で気体溶解器内が減圧になり、ストレーナー１２から水深静圧が加わっている液体が、気体溶解器のエジェクターノズルから噴射され気体は膨張し水泡化し、又、それを破壊する事で連続的に溶解される。例えば、水面下３０ｍでゲージ圧０．３ＭＰａとする、気体溶解器内が減圧されてゲージ圧０．２ＭＰａの場合、ポンプ出力は、減圧分０．１ＭＰａと排出圧力約０．０５ＭＰａあれば稼動でき、省エネルギー性に優れている。
（ｂ）バブル等の閉塞、細孔部分がないので、異物混入による目詰まり等による故障も少なく、又、ストレーナーなどの綱目も大きくでき、長期に渡る作動性や操作性に優れている。
（ｃ）浮き構造体である為移動する事ができ、又、ストレーナー（吸引口）と排出部が同じ水深で、ほぼ同水温なので処理水の定着率が高く効率性に優れている。
（ｄ）溶解器内圧力センサー、水圧センサー、ＤＯセンサーが備えられているので、その圧力変化に応じて供給する酸素ガス等の流量を調整して、溶存活性ガスの濃度を所望適正レベルにすることができる。
（ｅ）ダムや海などの動植物へ効率的な酸素補給や、水底のヘドロ層等の嫌気性菌を死滅させて有毒ガスの発生を防止し、好気性菌を繁殖させヘドロ層等を減少させることなどができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の気体溶解器によれば、以下の効果を有する。
（１）加圧気液混合液を噴射旋回させる事で発生した圧力損失で、気体溶解器内は減圧になり、噴射された気液混合液中の気体は膨張し水泡になり、水泡と水泡の表面水に瞬間的に気体を溶解させ、高濃度溶解液を作る事ができる。
（２）気液混合液は連続的に噴射供給される為、水泡を発生させるだけでなく、噴射力及び旋回流で水泡及び気泡を破壊し気体を再利用する。
（３）円筒状の導入部内のエジェクターノズルによって最上部の未溶解気体を、無駄なく溶解するまで繰り返し自吸させ多量に水泡化する事で、更に溶解効率を上げる事ができる。
（４）超過飽和溶解液を作ることもできるので、大気圧下で気体溶存量の低い液体を圧力調整弁からパイプなどで距離を調整し混ぜると、所望の径の微細気泡を作れ、微細気泡発生器としても使用できる。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の気体溶解器によれば、請求項１に記載の発明の効果の他に以下の効果を有する。
（１）圧力調整弁の代わりに吸引ポンプを取り付ける事で汚水などの異物混入水でも、連続稼動できる。
（２）排液部からポンプで吸引する事で、エジェクターノズル噴射圧力と気体溶解器内の圧力差が広がり、多量の水泡が発生し、溶解液排出量を増やす事ができる。
【００２１】
請求項３の記載の気体溶解器を備えた水処理装置によれば、請求項２に記載の発明の効果の他に以下の効果を有する。
（１）水深静圧を利用する為、ポンプ出力を低減する事ができ、ほぼ同水温に排出するので、所定の水深に処理水を定着させる事が容易である。
（２）バルブ等が不要なので、閉塞細孔部分がなく、ストレーナーを取り付ける事で水底のヘドロ水などによる目詰まり等により故障もなく、連続稼動に適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）実施の形態１の気体溶解器の平面図
（ｂ）その正面図
（ｃ）圧力調整弁を除き吸引ポンプを取り付けた正面図
【図２】発泡し旋回して泡塊形成を示す模式図
【図３】（ａ）泡と泡の表面水に瞬間的に溶解する模式図
（ｂ）加圧ポンプよりも吸引ポンプの出力を大きくした場合脱気する模式図
【図４】実施の形態２における水処理装置の構造図
【符号の説明】
１ 気体溶解器
２ 加圧ポンプ部
２Ａ 吸引ポンプ
２Ｂ 圧力気体供給管
２ａ 自吸気体供給孔
２ｂ 圧力気体供給孔
３ 円筒状部
３ａ 気液混合供給管
３ｂ エジェクターノズル吐出口
３ｃ エジェクター自吸パイプ
３Ｄ テーパ部
４ 円筒状通水部
５ 排液部
５ａ 排出口
５ｂ 円筒状気体止め部
６ 圧力調整弁
７ 圧力計
１０ 水処理装置
１１ 浮き構造体
１２ ストレーナー
１２ａ 吸引ポンプ
１３ａ 排出部
１４ 耐圧囲い容器
１５ａ 溶解器内圧力センサー
１５ｂ 水圧センサー
１５ｃ ＤＯセンサー
１６ 電線束
１７ 気体供給装置
１８ 気体量調整部
１９ コントロール部
２０ 発電機
２１ 吊り下げ管

Claims (3)

1. 円筒状の導入部と、この円筒状の導入部の下方に連設される円筒状の通水部と、この円筒状の通水部の下方に連設される円筒状の排液部と、前記導入部に外部より加圧された気液混合液を導く気液混合供給管を備えて、前記気液混合液中の気体を液体に効率的に溶解させる気体溶解器であって、
   前記気液混合供給管は、前記円筒状の導入部の外部から加圧のためのポンプを介して内部に導かれ、
   この導入部の内部に導かれた前記気液混合供給管の端部に設けられるエジェクターノズルと、
   このエジェクターノズルの付け根に一の端部が接続され、他の端部が前記円筒状の導入部の内部に開放される自吸パイプと、
   前記円筒状の導入部の外部に被混合気体を吸入する孔部と、を備えるとともに、
   前記円筒状の導入部の内部に導かれた前記気液混合供給管の端部に設けられるエジェクターノズルは、前記円筒状の導入部の円筒中心よりも内周面近傍に配置され、前記円筒状の導入部の内部で旋回流を形成可能に設けられ、
   前記円筒状の排液部は、外部に前記気液混合液を導出する排出口と、前記気体溶解器の圧力を調整し前記溶解濃度を調節可能に設けられる圧力調整弁とを備えることを特徴とする気体溶解器。
2. 前記圧力調整弁に代えて、前記排出口に吸引ポンプを備えることを特徴とする請求項１記載の気体溶解器。
3. 請求項２に記載の気体溶解器の前記気液混合供給管において、前記円筒状の導入部の外部側の端部にストレーナーを備えるとともに、前記孔部に配管を介して被混合気体を供給する気体供給装置を接続し、記気体溶解器を被処理水源に沈降させて、この被処理水源へ沈降させることによる水圧によって前記ストレーナーより被処理水源内の液体を導入して処理することを特徴とする水処理装置。

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