JP4854942B2

JP4854942B2 - 微細気泡発生装置

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Publication number: JP4854942B2
Application number: JP2004243123A
Authority: JP
Inventors: 智也増田
Original assignee: Aquaintec Corp
Current assignee: Aquaintec Corp
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: JP2005095877A

Description

この発明は微細気泡発生装置に関し、被処理水に空気若しくは酸素若しくはオゾンを含有した微細気泡を作用せしめるためのものであり、下水汚泥削減化、下水処理水の消毒、合流式下水道雨天時越流水(CSO)における大腸菌の殺菌、浄水場におけるクリプトスポリジウムの殺菌などに特に適したものである。

空気若しくは酸素若しくはオゾン、特に、オゾンを含有した気泡を利用した水処理は汚水における曝気槽や加圧浮上装置、浄水場における殺菌などにおいて使用されている。この場合、気泡はその径が微細なほど浮上速度が低下するため水処理の効率化の観点から微細なほど好ましい。従来の微細気泡発生装置として、圧力調整弁によるものと水流混合器によるものとがある。

圧力調整弁を使用したもの（特許文献１参照）においては加圧ポンプの下流側に圧力調整弁が設けられており、圧力調整弁により通常は流路が絞られるため、その上流は圧力が高くなっている。そのため、圧力調整弁を通過時に圧力が急激に低下するため溶解度が下がり、余剰分がオゾンを含んだ気泡として分離され、気泡の上昇中に被処理水中の大腸菌などの雑菌と接触しこれを分解せしめる。加圧浮上方式においては圧力降下が大きい（流速が大きい）ほど多量の気泡が得られるが、通常の下水処理としては圧力降下は0.4〜0.5MＰaの程度である。

水流混合器によるものは特許文献２などに開示されており、この種の水流混合器においては、注入水が通過する流路に長手方向に間隔をおいて複数の邪魔板が設けられ、邪魔板により流路を絞ることにより圧力降下を生じさせ流速を高めると共に、邪魔板により流れの撹乱を惹起させ、微細気泡を発生せしめている。圧力制御弁の代りに水流混合器を加圧浮上装置において代替使用したとしても必要な微細気泡量は不変であるから水流混合器においても圧力調整弁に準じた0.4〜0.5MＰa（流速としては４〜７m/s）の圧力降下が生ずるように水流混合器の設計を行う必要がある。

特開平７−１７１５８５号公報特許第２９２３４０２号公報

従来の圧力調整弁を使用した微細気泡発生装置においては空気若しくは酸素若しくはオゾンを注入水に加圧下で溶解させ、圧力調整弁を通過後の圧力降下による過剰溶解分を微細気泡として処理槽中に生成せしめるものである。圧力調整弁の上流側で未溶解の空気若しくは酸素若しくはオゾンは粗大気泡化し、そのまま圧力調整弁を通過してしまうため、圧力調整弁の上流側には未溶解の空気若しくは酸素若しくはオゾンの放出のための手段を設ける必要があり、その分、設備コストが嵩む結果となる。特に、オゾンを使用した場合は、大気汚染の対策上排オゾン処理のための高価な設備が必須である。

また、微細気泡発生装置においては微細気泡の浮上距離を長くとるため処理槽に対する注入水の注入配管は処理槽にその深い部位において開口させる必要がある。他方、圧力調整弁は注入水配管に設けられため、圧力調整弁を被処理水中に直接開口させることは加圧浮上槽のように地面から直立している場合は圧力調整弁を側壁に設置する設計が容易なため大した問題とはならないが、曝気槽等で地下に埋設された場合は困難である。即ち、曝気槽の場合は地上に設置された圧力調整弁からの注入水配管を曝気槽中の底面付近まで導く構造となる。この場合、圧力調整弁から注入水配管の開口端までの部分が長大なものとなる。注入水は圧力調整弁を通過すると即座に圧力が降下するため溶解しきれなくなった余剰気体は気泡となり、この気泡は被処理水中に放散されるまでに圧力調整弁からの注入水配管の長大部分を通過することになり、狭隘な注入水配管の長大部分を通過する間に気泡は相互に接触し粗大化してしまい所期の効果が得られなくなる恐れがあった。

他方、水流混合器を使用した処理装置においては未溶解の空気若しくは酸素若しくはオゾンの気泡があっても水流混合器において破砕されるため、粗大な気泡のまま処理槽に導入されるということはない。即ち、圧力調整弁を使用した方式と相違して余剰な空気若しくは酸素若しくはオゾンの排出設備が不要であり、しかも注入水に対する見かけのオゾン溶解量を高めることができ、より多量の微細気泡を発生せしめることができる。しかしながら、水流混合器の場合においても所望量の微細気泡を得るためには圧力調整弁の場合と同様な0.4〜0.5MＰaの圧力降下（流速としては４〜７m/s）を生成させる必要はある。このような圧力降下を生じせしめる流路径は、異物を必ず含む汚水の場合は狭隘に過ぎ、異物による閉塞の問題が避けられない。即ち、圧力調整弁の場合は異物による閉塞が生じたときは圧力調整弁を強制的に全開とすることにより流路径を一時的に大きくし、異物による閉塞状態を解消させることで異物による閉塞に対し対策が容易であるが、水流混合器の場合は流路径が固定であるため異物による閉塞が一旦生ずると、設備を停止し、解体する必要があり、そのため汚水処理用としては実質的に採用不可能であった。

また、水流混合器の構造そのものを見ても特許文献２の構造では邪魔板を長手方向に交互に１８０度対称に配置し、かつ邪魔板の先端を中心に向けて凸の形状としている。そのため、汚水を処理した場合、汚水中に含まれる髪の毛等の異物が邪魔板に絡み易い問題があった。

この発明は以上の問題点を解決するためになされたものである。また、この発明はコストを押えつつそして被処理水槽の設置態様に係わらず微細気泡を効率的に発生させると共に、汚水中に含まれる異物による閉塞、特に、髪の毛などの絡み付きが起こり難いようにすることを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、水処理系における被処理水槽に開口された注入水配管と、注入水配管内における水流中に酸素含有気体を導入する酸素含有気体導入手段と、前記注入水配管中に設置され、酸素含有気体が導入された水流を加圧する加圧ポンプと、注入水配管に配置された水流混合器と、前記注入水配管中に位置された圧力調整弁と、圧力調整弁を開放するべく駆動する駆動手段とを具備し、前記水流混合器における圧力降下の値より圧力調整弁での圧力降下の値が大きく、前記圧力調整弁は被処理水槽の水面から所定深さに位置させかつ被処理水槽に直接に開口される排出口を備え、水流混合器より下流において注水配管は下向き延びつつ圧力調整弁に接続され、前記駆動手段は、前記圧力調整弁を開閉駆動する電動駆動手段と、前記圧力調整弁の上流における注入水配管に設置され、注入水配管の閉塞状態の有無を検出する検出手段と、前記検出手段により注入水配管の閉塞が有りと検出時に閉塞状態の解消のため前記圧力調整弁を開放するべく電動駆動手段を制御する制御手段とから成ることを特徴とする微細気泡発生装置が提供される。

ここに酸素含有気体とは空気若しくは酸素若しくはオゾンなどのその中に酸素が含まれた気体のことをいう。
ここで、実質的に直接的にとは圧力調整弁の排出口がそのまま若しくは極めて短い配管（最大１．５ｍ）にて被処理部に開口した状態をいうものとする。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記水流混合器は、加圧された流水が通過する筒状本体と、筒状本体の長手方向に沿って間隔をおいて配置された複数の邪魔板とを備え、各邪魔板は筒状本体側の固定部から実質的に半径方向に流路の途中まで延びて流路の実質的全幅にわたる自由端縁を形成しており、各邪魔板の前記自由端縁はその全長において直線状をなすか若しくは流路中心に向けて凹んでいることを特徴とする微細気泡発生装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１若しくは２に記載の発明において、前記酸素含有気体はオゾンを含有していることを特徴とする微細気泡発生装置が提供される。

請求項１の発明の作用・効果を説明すると、酸素含有気体は注入水配管における水流中に導入され、加圧ポンプにて加圧される。気体注入量が注入水の圧力により定まる溶解度を超えると、余剰気体は粗大気泡状のまま被処理部に導入されてしまうが、水流混合器を設置することにより粗大気泡を微細に破砕することができる。そして、微細気泡を含んだ水流は圧力調整弁を通過することにより第２段階の圧力降下を受け、その際の余剰溶解分により微細気泡が発生し、被処理部に放散される。この発明では水流混合器と圧力調整弁とを併用することにより、水流混合器による撹乱効果で余剰気体を微細気泡化しているため、微細気泡量を増やすことができると共に、余剰気体の排出のための高額な設備（オゾンを使用した場合の排オゾン処理装置等）が不要であり、しかも水流混合器は低圧力降下で済ますことができるため、汚水に使用した場合にも異物による閉塞の恐れを排除することができる。

水流混合器において水流に付される圧力降下と比較して圧力調整弁により付される圧力降下を大きくすることにより水流混合器側での異物による閉塞の恐れを可及的に少なくすることができ、圧力調整弁における異物による閉塞に対しては圧力調整弁の開放により容易に対処することができる。
圧力調整弁の排出口はそのまま若しくは最大１．５ｍの短い配管を介して被処理部に開口している。そのため、圧力調整弁通過の際の圧力低下により注入水中に生じた微細気泡は実質的にそのまま被処理部において放散される。そのため、気泡の粗大化が起こらないため、浮上時間を可及的に長くとり、最大限の効果を達成することができる。
圧力調整弁からの絞られた注入水の流れは実質的に直接的に被処理水槽に放散されるため、気泡は相互に凝集粗大化することなく微細な状態に留まるため被処理水収容槽における浮上速度が遅くなり、気泡による殺菌や活性汚泥減容化などの効果を最大限役立てることができる。
注入水配管の閉塞状態の有無を検出し、閉塞有りの場合は電動駆動手段により圧力調整弁を開放することができ、圧力調整弁の開放により通過抵抗が減るため、閉塞した異物を流通せしめ、閉塞状態を自動的に解消することができる。

請求項２の発明の作用・効果を説明すると、水流混合器を夫々が半径方向に延び、筒状本体の長手方向に間隔を置いた複数の邪魔板から構成することにより、邪魔板の数若しくは個々の邪魔板の半径方向の長さを最適に設定することにより、所期の通過抵抗に設定しつつ所望の攪拌効果を得ることができ、効率的に微細気泡を発生しつつ閉塞を防止することができ、汚水の処理を最適化することができる。また、水流混合器の邪魔板の自由端縁を直線状若しくは流路の中心に向けて凹んだ形状とすることにより、汚水中によく含まれる髪の毛等の絡み付きが起こり難くなり、汚水の処理に適合させることができる。

請求項３の発明の作用・効果を説明すると、気体中にオゾンを含有させることにより気泡中にはオゾンが含有され、しかも気泡は微細であるため、オゾンによる殺菌などの効果を最大限利用することができる。

図１はこの発明の実施形態における微細気泡発生装置を概略的に示しており、この実施形態は汚泥の処理システムにおける被処理水収容槽１０（この発明における被処理部）への応用に向けられたものである。被処理水収容槽１０としては、例えば、汚水処理における曝気槽や加圧浮上槽が挙げられるが、この発明は浄水場におけるクリプトスポリジウムの殺菌等のためにも使用可能である。被処理水収容槽１０中にオゾン含有微細気泡を生成し、微細気泡が表面浮上する間に汚泥を微細気泡に付着せしめると共に気泡に含まれるオゾンによって殺菌・消毒を図るものである。気体（酸素＋オゾン）は注入水中において溶解されており、注入水が被処理水収容槽１０に放出される際に圧力が降下し、その分溶解度が下がるため余剰の酸素＋オゾンを数〜数１０μｍの径の微細気泡として被処理水収容槽１０に生成することができる。１２は注入水のための配管を示し、上流端は下水処理システムにおける適当な取水部位（例えば汚水処理の場合は最終沈殿池の下流側など）からの水を溜めるための注入水タンク１４に接続され、下流端は被処理水収容槽１０の底部付近に開口される。注入水配管１２には上流側より順次流量計１６（この発明の検出手段）、加圧ポンプ１８、水流混合器２０及び圧力調整弁２２が配置される。加圧ポンプ１８の吸入側にはオゾン発生器２４（この発明の酸素含有気体導入手段）が配置される。

この発明の構成は加圧浮上式の通常の微細気泡発生装置と比較して水流混合器２０と圧力調整弁２２とを併用することにより汚水に適合させた点が相違する。水流混合器を利用した微細気泡発生装置では圧力損失と撹乱作用とにより微細気泡を発生させている。即ち、高速で水流混合器を通過させることにより注入水中の未溶解の気泡を破砕させることができ、粗大化しないため、ガス状の余剰空気を排出する必要がない利点がある上、見かけ上溶解度を上げることができ、被処理水収容槽１０中に生成される微細気泡量を増大させうるが、このような高圧損及び高流速での微細気泡の生成は異物があると水流混合器が閉塞し易く、大量の異物を含んだ汚水への使用には適さないと考えられていた。そこで、この発明では水流混合器２０はそこでの圧力損失が高くなく、低流速として設計することにより、異物による閉塞の懸念なく水流混合器による微細気泡化を行いつつ、水流混合器における気泡不足分を高圧損で高流速の圧力調整弁での気泡発生により補充し、トータルとして効率的な微細気泡の発生を行いうるようにしたものである。そして、高圧損の圧力調整弁の部位での異物の閉塞の問題に対しては圧力調整弁を自動弁とし、異物の閉塞があった場合には圧力調整弁を強制的に開放することにより異物の流通を促すことで対処している。即ち、水流混合器単独で所期の量の微細気泡を得るためには0.5MＰa程度の圧力損失（≒加圧ポンプ１８の吐出圧力）は必要といわれているが、この発明では水流混合器２０においては0.1MＰa程度の低圧力降下のものを使用し、圧力調整弁２２において残りの0.4MＰaの圧力損失を分担させることで微細気泡量の増大と異物の閉塞に対する容易対応との相矛盾する要求に対処している。

オゾン発生器２４は、オゾンを所定割合で含有した空気が加圧ポンプ１８の上流において注入水配管１２中に導入される。オゾン発生器２４としては、原料となる空気をゼオライトのような吸着剤を用いPSA(Pressure Swing Adsorption)により加圧減圧を繰り返すことにより、高純度の酸素ガスとなし、酸素ガスを放電型のオゾナイザによってオゾンを生成することにより高濃度のオゾンが含まれたオゾン／酸素混合ガスを発生せしめる方式のものを採用することができる。オゾン発生器２４からは加圧下のオゾン／酸素の混合ガスが取出され、加圧ポンプ１８の吸入側での注入水に混入される。

圧力調整弁２２は図１に示すように電動モータ２６（この発明の電動駆動手段）により自動駆動され、図２に模式的に示すようにボールバルブとして構成される。即ち、圧力調整弁２２は弁ハウジング２８と、弁ハウジング２８の内部の球形空洞に回転可能に収容される球状弁体３０と、球状弁体３０に連結される回転軸３２とを具備する。回転軸３２は電動モータ２６の出力軸に連結され、電動モータ２６は図示されていないマイクロコンピュータを備えた制御回路（この発明の制御手段）によって制御される。電動モータ２６の出力軸の回転運動によって球状弁体３０は所定角度範囲内において回転運動し、流量を制御することができる。即ち、球状弁体３０は半径方向に延びる弁通路３４を形成しており、他方、弁ハウジング２８は図１の注入水配管１２側に接続される吸入口３６と、被処理水収容槽１０に開口した排出口３８とを備えている。弁通路３４、吸入口３６及び排出口３８の流路径は殆ど同一径であるが、異物による閉塞が生じていない通常状態においては図２に示すように球状弁体３０の回転位置では弁通路３４は絞られている。球状弁体３０のこの状態を圧力調整弁２２の絞り位置と称し、図３は圧力調整弁２２のこの絞り位置における吸入口、排出口36, 3８に対する弁通路３４の位置関係(図２のIII方向より見た図)を示し、球状弁体３０の回転により弁通路３４が絞られていることが分かる。圧力調整弁２２の絞り位置では、注入水は圧力調整弁２２の通過時に大きな圧力低下を受け、上述のように被処理水収容槽１０中に微細気泡を生成せしめることができる。そして、異物による閉塞が生じた場合においては、球状弁体３０は図２の位置から矢印ｆのように反時計方向に回動せしめられ、弁通路３４を２点鎖線３４Ａに示すように吸入口、排出口36, 38に整列位置させることができる（球状弁体３０のこの状態を圧力調整弁２２の開放位置と称する）。この開放位置では弁通路３４は絞られないため、異物を強制的に排出し、閉塞状態を解消し、球状弁体３０を図２の矢印ｆと反対方向に回転させ、圧力調整弁２２を閉鎖位置（絞り状態）とし、再び圧力調整弁２２による本来の圧力降下を惹起させ、被処理水収容槽１０中に微細気泡を発生せしめる本来の運転状態に復帰せしめることができる。

図１に示すように、この実施形態においては、圧力調整弁２２及びその駆動用の電動モータ２６は被処理水収容槽１０の液面Ｗの上方よりいわば投げ込み型に設置され、圧力調整弁２２及びその駆動用の電動モータ２６は被処理水収容槽１０中に没するように位置している。そして、電動モータ２６は、圧力調整弁２２及び圧力調整弁２２への配管部分も含めて筐体４０によって完全に被覆されており、これにより投げ込み構造であるにも係わらず電動モータ２６及び電動モータ２６から圧力調整弁２２への連結部を防水するようにしている。図４及び図５によってこの投げ込み型の防水構造（本発明の流密構造）について説明すると、フランジにて連結された複数のパイプ42, 42', 42"は図１の水流混合器２０からの注入水配管の一部を構成するもので、被処理水収容槽１０にその液面の上方から導入される。図２に示す圧力調整弁２２の吸入口３６は下端側のパイプ４２'の端部にフランジ接続されている。パイプ４２'の端部は被処理水収容槽１０の底面との角度を緩めるように幾分曲折され、圧力調整弁２２の排出口３８は出口ホーン４４を介して被処理水収容槽１０に開口している。出口ホーン４４の開口部位は液面からＤの深さの部位となっている。上端側のパイプ４２″は９０度曲折され、水流混合器２０からのパイプにフランジ接続される。筐体４０は上端部40-1より上側移行部40-2、中間部40-3,40-4及び下側移行部40-5を介して下端部40-6に接続され、これらの部分40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5, 40-6は近接した端部同士がフランジにて一連に接続されており、これにより内部に防水(密閉)された空洞を形成し、この空洞中にパイプ４２及び圧力調整弁２２及び電動モータ２６を収容することができる。図４において、垂直支柱４６は上端が被処理水収容槽１０の側壁の上端からの張出部10-1に固定され、垂直支柱４６の下端は被処理水収容槽１０の底面10-2に固定されており、筐体４０はその下端側における下側移行部40-5においてブラケット５０により垂直支柱４６に固定されている。そのため、投げ込み構造に係わらず被処理水収容槽１０中での筐体４０及びその内部空洞に収容された圧力調整弁２２及び電動モータ２６の安定姿勢を確保することができる。図４に示すように、出口ホーン４４は筐体４０の下端部40-6を介して被処理水収容槽１０中に少し突出している。圧力調整弁２２の球状弁体３０（図２）から出口ホーン４４の開口端までの距離は短く、圧力調整弁２２の流路径の絞り部を流出する瞬間に形成される気泡はこの絞り部から実質的に直接的に被処理水収容槽１０に放散される。そのため、圧力調整弁２２の流路径の絞り部から被処理水収容槽１０までを長大なパイプにて接続した場合に起こりうる気泡の凝集及び粗大化を防止し、微細気泡のまま被処理水収容槽１０中を浮上させることができる。

この実施形態では圧力調整弁２２及び電動モータ２６及び水面から圧力調整弁２２の配管の部分は筐体により流密保持された投げ込み構造とし、この投げ込み構造を曝気槽や加圧浮上槽などの被処理水収容槽１０に設置した例を説明している。しかしながら、本発明はこれに限らず、上記投げ込み構造を水路に設置し、オゾンガスにより殺菌するなどに応用することができる。また、以上説明の実施形態では上記投げ込み構造は水流混合器２０と組み合わせた形で使用されているが、水流混合器２０を設けない配置もこの発明に包含される。即ち、加圧ポンプからの加圧された注入水は直接圧力調整弁２２に導入され、被処理水収容槽１０に微細気泡を放散させる。

この発明においては図１に示すように注入水配管１２に圧力調整弁２２に加えて水流混合器２０を設けることにより効率よく微細気泡を発生しうるようにしている。即ち、オゾン発生器からのオゾン／空気混合ガスは加圧ポンプ１８により加圧されているため大気圧下と比較して多量のガスを溶解することができる。しかしながら、過剰分については溶解しないため、そのままでは粗大気泡化してしまう。そこで、従来から水流混合器によって高圧損及び高流速下で気泡を破砕し微細気泡化するものは知られていた。しかしながら、従来構造では高圧損及び高流速とするため水流混合器の場合は有効径を絞らざるを得ず、汚水の処理に利用した場合、避け得ない異物による閉塞の問題に対応できなかった。そこで、この発明においては圧力調整弁２２に加えて水流混合器２０を設け、水流混合器２０は低圧力降下及び低流速で気泡の破砕を行いうる構造のものとし、不足の部分を圧力調整弁２２で補うことにより微細気泡の発生効率が高いにも係わらず異物による閉塞にも対応しうるようにしている。図６〜図８によって水流混合器の構造について説明すると、水流混合器２０は加圧された流水が通過する筒状本体６０と、夫々が筒状本体の内周面より流路の途中まで延び、筒状本体の長手方向に沿って間隔をおいて配置された複数の邪魔板６２とを備える。筒状本体６０の端部はフランジ６４を備え、図１の注入水配管１２を構成するパイプ66, 68のフランジ部66', 68'に接合されている。図６及び図７に示すように各邪魔板６２は対応の筒状部材７０の内周面に溶接固定されることにより邪魔板組立体７２を構成している。そして、この邪魔板組立体７２における筒状部材７０が筒状本体６０に順次挿入されることで複数の邪魔板６２を長手方向に間隔をおいた配置とすることができる。図９に示すように、邪魔板６２は筒状部材７０の内周面からその中心線を幾分越えた自由端縁６２Ａまで延びており、筒状本体６０の対抗面との距離Ｌがこの筒状本体の有効径となっている。自由端縁６２Ａはこの実施形態においては直線状に延びている（図１０参照）。図９に示すように注入水の流れ方向（矢印ａ）において邪魔板６２の前面は下流側に傾斜しており、筒状本体６０内における注入水のスムースな流れを得ることができ、汚水中の異物の堆積を防止することができる。また、邪魔板６２の前面及び後面には夫々多数の溝62-1, 62-2が形成されており、注入水がこれらの溝62-1, 62-2と衝突することにより注入水の流れが撹乱され、気泡の粉砕に寄与させることができる。図６の実施形態においては、複数の邪魔板６２は隣接長手方向において交互に位相を１８０度転じて配置される。しかしながら、必ずしもこの配置に限らず、任意の配置が可能であり、この実施形態では各邪魔板６２は0, 90, 180, 270度の４種類の角度位置をとることができる。即ち、邪魔板組立体７２における筒状部材７０はその長手方向における一端面における円周方向の一箇所に図１０に示すように断面三角形の位置決め用の突起７３(図１２も参照)を有し、他端面に円周方向に図１１に示すように９０度づつ離間した４個の断面三角形の切欠７４(図１３も参照)を有し、これらの位置決め用の突起７３と切欠７４とは相互に実質的に遊びなく嵌合しうる寸法となっている。従って、長手方向に隣接する一対の邪魔板組立体７２において一方の筒状部材７０の突起７３を形成した端面と切欠７４を形成した端面とを対抗させ、この対抗面において位置決め用の突起７３を４個の切欠７４のうちの適当な一つの切欠７４とを嵌合させることにより長手方向に隣接する一対の邪魔板６２の相対角度位置を0, 90, 180, 270度の４種類の相対角度位置の内の任意の相対角度位置を取ることができる。例えば、図１４は別実施形態の水流混合器１２０を示しており、複数の邪魔板６２を筒状本体６０の長手方向に間隔をおいて配置した点は図６と同様であるが、同一角度位置の２枚の隣接した邪魔板６２からなる複数の邪魔板が１８０度対称位置に配置されている。このような構成でも同様に作用せしめることができ、また、図６及び図１４以外にも長手方向に複数の邪魔板を任意の角度位置で配置することができる。

水流混合器２０は加圧ポンプ１８からのオゾン含有注入水に撹乱を付与し、注入水中のオゾン含有気泡を破砕する機能を達成するものである。即ち、加圧ポンプ１８（図１）により、例えば0.5MＰa、といった圧力の注入水が得られ、このとき大気圧(0.0MPa)と比較して溶解度が大きくなりより大量のオゾンを溶解させることができる。しかしながら、過剰分があるので過剰分についてはオゾン含有気泡となる。このオゾン含有気泡は水流混合器２０の通過時に邪魔板６２が抵抗となり、流れが撹乱を受け、気泡を破砕することができる。水流混合器を使用した通常の加圧浮上装置では水流混合器が配管を介して加圧浮上槽に連結され、加圧ポンプで0.5MPaの注入水を生成する例の場合には水流混合器の圧力降下は0.5MPaとなる。この場合に邪魔板の流路抵抗を大きくすることにより邪魔板通過時における高圧損及び高流速を得ている。しかしながら、このように微細気泡の発生を水流混合器のみに依拠した従来の構成では水流混合器での高圧損を得るため邪魔板の開口面積が小さくなり、汚水の処理の場合には汚水中の異物が邪魔板に引っかかり、閉塞が起こり易く、実用には供し難かった。この発明では水流混合器２０としては圧力降下の小さいものとし、水流混合器２０の圧力降下として例えば0.1MPa程度のものとしている。即ち、水流混合器の有効径を定める邪魔板６２の部位で流路間隙の寸法Ｌはこの0.1MPaの設定圧力降下が得られるように設計されている。水流混合器２０で賄うことができない、残りの0.5MPa-0.1MPa=0.4MPaの分の圧力降下は圧力調整弁２２で賄うようにし、換言すれば、図３に示す、圧力調整弁２２の絞り位置での弁通路３４の有効面積は前記の0.4MPaの圧力降下が得られるようにしている。従って、通常時の圧力調整弁２２による絞り開度は汚水処理の場合汚水中の異物による閉塞の懸念があるが、圧力調整弁２２が異物による閉塞を起こした場合は、圧力調整弁２２を全開とすることにより絞り状態を解消することにより異物の流通を促し、異物による閉塞を解消せしめている。この発明の実施形態において水流混合器２０は汚水処理システムにおける加圧浮上槽においてオゾン含有微細気泡の形成のため使用されているため、汚水中に必ず含まれる異物による閉塞の対策として水流混合器２０は0.1MPa程度の低圧力降下で低流速となるように邪魔板６２の開口面積を設計しているが、この発明の水流混合器２０の構造は汚水以外の例えば浄水の処理にも使用可能であり、この場合は異物による閉塞の恐れを考慮しなくて良いので高圧損・高流速となるように設計することが可能である。

この発明では水流混合器２０は圧力降下としては0.1MPa程度と小さいものであり、汚水を流通させてもその中に含まれる異物の閉塞は起こし難いものであるが、汚水中によく含まれる髪の毛などの絡みやすい異物については閉塞を起こす懸念がある。その対策として、この図７に示す実施形態においては、邪魔板６２の自由端縁６２Ａは端から端まで直線状に形成しており、直線状の自由端縁６２Ａとすることにより汚水処理に使用しても汚水中に含まれることが多い、髪の毛のような絡みやすい異物があっても停滞することなくスムースに通過しうるため閉塞を起こり難くすることができる。邪魔板６２の構造としては図７のような端から端まで直線的な直線状の自由端縁６２Ａの代りに、髪の毛のような異物に対して絡みつきを少なくしうる別の自由端縁形状として、図１５の如きものを採用することができる。図１５(イ)の実施形態では邪魔板１６２は一端が筒状部材７０の内周面に溶接され、半径方向に延びる構造となっているのは同様であるが、邪魔板１６２の自由端縁162Aは中心に向けて凹んだ実質的にＶ字形状をなしている。邪魔板１６２の自由端縁162Aのこの形状によって、汚水中の毛髪などを邪魔板１６２に絡み付き難くすることができる。図１５(ロ)は別の実施形態の邪魔板２６２を示しており、この実施形態では邪魔板２６２の自由端縁262Aは中心に向けてアーチ状に凹んだ形状をなしている。また、図１５(ハ)に示す別実施形態においては邪魔板３６２の自由端縁362Aは中央では直線状であるが、両端が直線状に曲折しており、この実施形態においても邪魔板３６２の自由端縁362Aは中央で凹んだ形状をなしている。

以下、この発明のオゾン含有微細気泡発生装置の作動を説明する。即ち、この発明の基本的動作のアウトラインは次の通りで、圧力調整弁２２は通常運転にあってはその開度は例えば0.4MPaといった大きな圧力降下を生ずる開度（絞り状態）に設定され、そのため、0.1MPaといった低圧力降下での水流混合器２０における気泡の破砕と高圧損の圧力調整弁２２からの実質的に直接的な注入水流出とによって、被処理水収容槽１０における効率的な微細気泡形成作用を得ることができる。そして、汚水中の異物は圧力降下の大きい圧力調整弁２２の絞り部に閉塞しうるが、閉塞発生時にはこれを検出し、閉塞状態を回避せしめ圧力調整弁２２を自動的に全開とすることにより異物を流出せしめ、閉塞状態が回避された場合は、圧力調整弁２２を本来の絞られた開度とする。他方、閉塞状態が解消しない場合は各機器を停止せしめ、必要な対応を促すようにしている。このような機器制御はマイクロコンピュータ等を有した図示しない制御回路によって行われる。以下、図１６のフローチャートを参照しながら、この発明の実施形態のオゾン含有微細気泡発生装置の動作を詳細に順を追って説明すると、装置起動時にブロック１００の処理により弁閉塞検出回数Ｎの設定が行われる。即ち、この実施形態においては、圧力調整弁２２の絞り部への異物の閉塞を検出した場合、圧力調整弁２２の開閉が弁閉塞検出回数(N)繰り返され、弁閉塞検出回数の圧力調整弁２２の開閉の繰り返しに係わらず、閉塞状態が解消しない場合に、故障と判断して運転停止を行うようにしている。この実施形態ではこの弁閉塞検出回数Ｎを３回としている。次のブロック１０２の処理では定常運転開始のための圧力調整弁２２の開度設定が行われる。即ち、装置停止時には圧力調整弁２２は全閉状態にあり、弁通路３４(図２)は完全閉鎖位置にあるが、定常運転の開始のため電動モータ２６に駆動信号が送られ、圧力調整弁２２の球状弁体３０は図２の実線の所定開度位置（絞り状態）まで回動される。この所定開度位置における球状弁体３０の位置は図３にて示され、球状弁体３０により絞られた弁通路３４の開口面積は上述の例では圧力調整弁２２を通過時に0.4MPaの圧力降下を惹起するように設定されたものである。次のブロック１０４の処理では流量計１６による注入水配管１２内の流量の計測値所定値Ｌより小さいか否かの判断が行われる。即ち、定常運転時は圧力調整弁２２は上記の所定開度に絞られており、異物による閉塞が生じない限りは、注入水配管１２における汚水の流量はこの所定開度に応じたものである。従って、異物による閉塞がない限りは流量≧Ｌの判定結果となり、処理ブロック１０４の判断結果はNoであり、ブロック１０２に戻り、圧力調整弁２２は設定開度を維持され、定常運転が継続される。

処理ブロック１０４で注入水配管１２の流量値≧Ｌであり、圧力調整弁２２の閉塞が生じていないとの判断が継続する限りは、圧力調整弁２２はブロック１０２の処理により得られた所定開度位置（圧力調整弁２２は絞り状態）に保持される。この定常運転においては、オゾン発生器２４からのオゾンを含有した酸素は注入水配管１２に導入され、加圧ポンプ１８により加圧され、溶解度の範囲内の気体は注入水中に溶解され、余分な気体は気泡となるが、邪魔板６２による撹乱作用により気泡の破砕が行われる。そして、水流混合器２０により破砕された微細気泡を含んだ注入水は圧力調整弁２２を通過し、被処理水収容槽１０に放出せしめられる。そして、圧力調整弁２２の通過時の圧力降下により注入水中に溶け込んだ気体は余剰分が気泡となる。被処理水収容槽１０に放出された気泡には余剰分としてもともと注入水配管１２に含まれていたものと圧力調整弁２２の通過時に生じたものとが混在している。そして、被処理水収容槽１０に放出される気泡は微細なものとなっている。即ち、注入水配管１２にもともと含まれていた気泡は水流混合器２０の通過により破砕されており、また、圧力調整弁２２はその排出口３８が長さの極度に短縮された出口ホーン４４を介して被処理水収容槽１０に開口しているため、圧力調整弁２２の絞り部を通過することにより生じた気泡は狭隘な配管内に実質的に留まることなく直接的に被処理水収容槽１０に放出されるため、気泡同士の凝集が起こる余地がなく微細気泡の状態を保つのである。そのため、オゾン及び酸素の混合気泡は配管中を実質的に通らずそのまま実質的に直接に被処理水収容槽１０に放出され、微細気泡の状態を維持する。そのため、被処理水収容槽１０には浮上速度が低い大量の微細気泡（数〜数１０μｍの径）が生成せしめれ、微細気泡の浮上速度は遅いため、被処理水収容槽１０における汚水中の雑菌との充分な接触時間が得られるため、所望の殺菌効果を得ることができる。そして、気泡が被処理水収容槽１０中を浮上する間にオゾンを実質的に使い尽くすことができるため大気中へのオゾンの排出が行われず若しくは排出量が少なくなり、排オゾン設備を省略若しくは排オゾン処理装置を軽微なもので済ませることができ、コスト削減を図ることができる。

定常運転の継続により注入水配管１２における最も絞られた部位である圧力調整弁２２(弁通路３４を絞る球状弁体３０の部位)に汚水中の異物による閉塞が生じうるが、異物の閉塞が生ずると流量計１６により計測される注入水配管１２中の注入水流量は低下し、注入水流量＜所定値Ｌとなる。この場合、図１６のブロック１０４の判断はYesとなり、処理ブロック１０６に進み、閉塞状態が記憶され、ディスプレイに必要な表示がされ、場合によっては警報を鳴らすなどの処理が行われる。次のブロック１０８では弁閉塞検出回数Ｎ＜１か否かが判定され、閉塞発生の当初においてはブロック１００によりＮ＝３にセットされていることから、ブロック１０８での判断はNoであり、ブロック１１０に流れ、圧力調整弁２２をその開度を全開とするべく制御が行われる。即ち、電動モータ２６に球状弁体３０を図２の矢印ｆ方向に回動すべき信号が送られ、球状弁体３０はその弁通路３４が２点鎖線３４Ａにて示すように全開となり、弁通路３４の有効開口面積＝吸入口・排出口36, 38の開度となる。ブロック１１２では弁閉塞検出回数Ｎの現在値から１引かれたものが弁閉塞検出回数Ｎの新規値とされ、ブロック１１４では時間待ちタイマに１秒が設定され、電動モータ２６への圧力調整弁２２の全開信号の供給が継続される。次のブロック１１６では注入水流量が所定値Ｌより小さいか否か判別され、ブロック１１６の判断がNoの場合は圧力調整弁２２の全開によって通過流量が増大し、換言すれば、閉塞状態が解消したことを意味する。この場合はブロック１１８でタイマにより２０秒の待機を行い、その後ブロック１２０で所定流量が確保されているか否か(即ち流量≧Ｌ)が確認され、流量≧Ｌの場合は定常運転に復帰可能と判断し、ブロック１２２では閉塞検出記憶がリセットされ、ディスプレイに必要な表示がされ、警報が出ていたらそれは解除される。そして、ブロック１２４では弁閉塞検出回数Ｎが初期値３に設定され、ブロック１２６では定常運転時の復帰が行われる。即ち、この時点では圧力調整弁２２の球状弁体３０は全開位置(弁開口は２点鎖線３４Ａの状態)にあるが、電動モータ２６には球状弁体３０を矢印ｆと反対方向に図２の実線で示す所定開度位置まで回転せしめる信号が送られる。その結果、注入水配管１２を絞ることにより所期の圧力降下を惹起せしめる圧力調整弁２２の通常動作へ復帰される。

ブロック１１６での判断がNOの場合は、圧力調整弁２２を全開とするべく電動モータ２６に信号を出力してから１秒経過したが、注入水流量は所定値まで達せず、換言すれば圧力調整弁２２は開かれず圧力調整弁の閉塞状態が依然解消していないことを意味し、このときはブロック１０８に戻り、圧力調整弁２２を全開とするための電動モータ２６への駆動信号を形成するための２回目若しくは３回目の処理が実施され、この処理により流量が所定値Ｌまで増大するとブロック１１６の判断がＮＯとなるため前述のブロック118, 120, 122を通過し、定常運転に復帰する。

圧力調整弁２２を全開とするための３回目の操作にも係わらず流量が戻らず閉塞状態が解消しない場合はＮ＝０となっているためブロック１０８での判断がYESとなり、ブロック１２８に進み、低流量故障と判断し、必要な表示若しくは警告等を行い、ブロック１３０では連動運転解除し、ブロック１３２で各機器への停止信号を出力する。フローチャートにおけるブロック１０８〜１２０及びブロック１２８の部分がこの発明の故障判定手段を構成する。

図１７及び図１８はこの発明の別実施形態を示しており、この実施形態においては第１の実施形態における圧力調整弁２２が省略され、その代わりに注入水タンク２１４からの注入水配管２１２の端部に水流混合器２２０が直列に二個設けられ、二個の水流混合器２２０における下流側の水流混合器２２０が直接若しくは比較的短い出口管２２１を介し、即ち、実質的に直接に被処理水収容槽２１０に開口している。水流混合器２２０の構造は基本的には図６若しくは図１４に関連して記載されたものと同一構造であり、相違点を中心に図１８について説明すると、各水流混合器２２０はそれぞれが邪魔板２６２（邪魔板の自由端縁の形状自体は図７、図１０、図１１、図１５に記載のものと同様直線状をなすか若しくは流路中心に向けて凹んでいる）を備えた８個の筒状部材２６０を備え、８個の筒状部材２６０は通しボルト２８０とナット２８２とにより直列に（一連に）連結され、最上流から最下流まで筒状部材２６０が固定された構造となっている。また、水流混合器２２０は底部に被処理水収容槽２１０への固定するための脚部２８３を備えると共に、一端に相互連結用の連結管２８４が設けられ、連結管２８４の端部には接続用フランジ２８６が設けられる。即ち、この実施形態における二つの水流混合器２２０が接続用フランジ２８６同士でボルト２８８及びナット２９０により直列に連結されている。そのため、オゾン発生器２２４からのオゾンを混入された、注入水タンク２１４からの注入水は加圧ポンプ２１８で加圧後に一連の２個の水流混合器２２０を通過後に被処理水収容槽２１０に噴出される。

図１７及び図１８の実施形態ではオゾンを含有した加圧された注入水は一連の２個の水流混合器２２０の８×２＝１６枚の邪魔板２６２を通過する。第１の実施形態における図６に関連して既に説明したように水流混合器２２０での圧力損失自体は比較的小さい。しかしながら、二つの水流混合器２２０の直列配置により所望の数の邪魔板２６２を設けることで、オゾン含有気泡の所望の微細化が行うことができ、かつ水流混合器２２０を実質的に直接被処理水収容槽２１０に開口させることで、長い出口管を使用したとすると起こりうる気泡の相互凝集を起こさせることなく、微細気泡の状態のままで被処理水収容槽２１０に噴出させることができ、所期の殺菌・消毒性能を得ることができる。

夫々邪魔板２６２を内臓した筒状部材２６０を直列させボルト２８０及びナット２８２により一体に組み立てた図１８の連結構造は、異物の詰まりがあった場合に、ボルト２８０及びナット２８２を弛緩させることにより水流混合器２２０の分解を容易に行うことができ、水流混合器のメンテナンス上有利である。

尚、水流混合器２２０は２個に限らず、所望の数の水流混合器２２０を直列配置することができ、また、水流混合器２２０を１個とし、そこに内臓する邪魔板２６２を所期の気泡微細化を実現できる枚数（上記例では８枚）に増大させることで、同等の作用効果を奏することができる。

図１はこの発明の実施形態における微細気泡発生装置の概略構成図である。図２は図１の微細気泡発生装置における圧力調整弁の概略的断面図である。図３は図２のIII方向から見た矢視図であり、注入水配管の絞り状態における球状弁体と弁通路との位置関係を説明するものである。図４は微細気泡発生装置において圧力調整弁及び駆動用の電動モータ及び水面から圧力調整弁の配管の部分までよりなる投げ込み型組立体の側面図である。図５は図４の投げ込み型組立体の正面図である。図６は図１における水流混合器の長手方向に沿った断面図である。図７は図６におけるVII−VII線に沿って表される矢視断面図である。図８は図６におけるVIII−VIII線に沿って表される矢視図である。図９は邪魔板とその固定用の筒状部材とから成る組立体の縦断面図（図１０のIX−IX線に沿って表される矢視断面図）である。図１０は図９の組立体の左側面図である。図１１は図９の組立体の右側面図である。図１２は図９におけるXII−XII線に沿って表される矢視断面図である。図１３は図９におけるXIII−XIII線に沿って表される矢視断面図である。図１４は別実施形態における水流混合器の長手方向に沿った断面図である。図１５（イ）（ロ）(ハ)はそれぞれ別実施形態における邪魔板の自由端縁形状を示す図である。図１６はこの発明の微細気泡発生装置の動作を示すフローチャートである。図１７はこの発明の別の実施形態における微細気泡発生装置の概略構成図である。図１８は図１７における水流混合器の詳細側面図である。

符号の説明

10, 210…被処理水収容槽（被処理部）
12, 212…注入水配管
14, 214…注入水タンク
１６…流量計（検出手段）
18, 218…加圧ポンプ
20, 220…水流混合器
２２…圧力調整弁
24, 224…オゾン発生器（酸素含有気体導入手段）
２６…電動モータ（電動駆動手段）
２８…弁ハウジング
３０…球状弁体
３２…回転軸
３４…弁通路
３６…吸入口
３８…排出口
４０…筐体
４４…出口ホーン
４６…垂直支柱
６０…筒状本体
62, 262…邪魔板
６２Ａ…邪魔板の自由端縁
70, 260…筒状部材
７２…邪魔板組立体
７３…突起
７４…切欠
Ｗ…液面

Claims

水処理系における被処理水槽に開口された注入水配管と、注入水配管内における水流中に酸素含有気体を導入する酸素含有気体導入手段と、前記注入水配管中に設置され、酸素含有気体が導入された水流を加圧する加圧ポンプと、注入水配管に配置された水流混合器と、前記注入水配管中に位置された圧力調整弁と、圧力調整弁を開放するべく駆動する駆動手段とを具備し、前記水流混合器における圧力降下の値より圧力調整弁での圧力降下の値が大きく、前記圧力調整弁は被処理水槽の水面から所定深さに位置させかつ被処理水槽に直接に開口される排出口を備え、水流混合器より下流において注水配管は下向き延びつつ圧力調整弁に接続され、前記駆動手段は、前記圧力調整弁を開閉駆動する電動駆動手段と、前記圧力調整弁の上流における注入水配管に設置され、注入水配管の閉塞状態の有無を検出する検出手段と、前記検出手段により注入水配管の閉塞が有りと検出時に閉塞状態の解消のため前記圧力調整弁を開放するべく電動駆動手段を制御する制御手段とから成ることを特徴とする微細気泡発生装置。
請求項１に記載の発明において、前記水流混合器は、加圧された流水が通過する筒状本体と、筒状本体の長手方向に沿って間隔をおいて配置された複数の邪魔板とを備え、各邪魔板は筒状本体側の固定部から実質的に半径方向に流路の途中まで延びて流路の実質的全幅にわたる自由端縁を形成しており、各邪魔板の前記自由端縁はその全長において直線状をなすか若しくは流路中心に向けて凹んでいることを特徴とする微細気泡発生装置。
請求項１若しくは２に記載の発明において、前記酸素含有気体はオゾンを含有していることを特徴とする微細気泡発生装置。