JP4979716B2 - 閉鎖水域の貧酸素改善装置 - Google Patents
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Description
この発明は、例えば、ダム、湖水、人工湖沼や自然湖沼などの閉鎖水域で出現する貧酸素状態を改善する閉鎖水域の貧酸素改善装置に関するものである。
例えば、ダム、湖水、人工湖沼や自然湖沼などの閉鎖水域では富栄養化に伴い、貧酸素状態が出現することが多い。貧酸素状態は通常、閉鎖水域例えば湖沼底部で発生するが、湖沼によっては中層付近まで広がることがある。この貧酸素状態を改善するのに図７（Ａ）（Ｂ）のように、湖水などの閉鎖水域の鉛直循環を起こす方法が用いられる。
原理は、鉛直方向の水循環を起こして水表面からとけ込む酸素を、湖水などの閉鎖水域全体に行き渡らせるというものである。図７（Ｂ）の空気を用いる方式は、気泡ａからの酸素のとけ込みも期待できるが、水面からのとけ込み量に較べ小さく、空気の上昇に伴い水を動かすことが目的である。
閉鎖水域例えば湖水の水量が小さい場合はこれらの方法が用いられるが、水量が膨大になると、湖水全体の循環を起こそうとすれば、多くの装置や電力が必要となる。そこで、貧酸素状態が最も激しい貧酸素改善領域ｂの底層水のみに酸素を供給する目的で図８（Ａ）〜（Ｃ）のような装置が用いられる。
原理は、鉛直方向の水循環を起こして水表面からとけ込む酸素を、湖水などの閉鎖水域全体に行き渡らせるというものである。図７（Ｂ）の空気を用いる方式は、気泡ａからの酸素のとけ込みも期待できるが、水面からのとけ込み量に較べ小さく、空気の上昇に伴い水を動かすことが目的である。
閉鎖水域例えば湖水の水量が小さい場合はこれらの方法が用いられるが、水量が膨大になると、湖水全体の循環を起こそうとすれば、多くの装置や電力が必要となる。そこで、貧酸素状態が最も激しい貧酸素改善領域ｂの底層水のみに酸素を供給する目的で図８（Ａ）〜（Ｃ）のような装置が用いられる。
しかしながら、この図８（Ａ）〜（Ｃ）の方式の問題は、散気管９３は底部にあるため、閉鎖水域の例えば深いダムでは大きな水圧に打ち勝つため圧縮空気発生装置で空気を送らねばならないことで、電力の消費量が大きくなることである。
また、広い範囲に酸素をおくるためには、多量の水量を循環させねばならないが、空気の上昇に伴い発生する水の動きでは不十分であり、結果的に多くの台数が必要となる。
また、広い範囲に酸素をおくるためには、多量の水量を循環させねばならないが、空気の上昇に伴い発生する水の動きでは不十分であり、結果的に多くの台数が必要となる。
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、プロペラによって閉鎖水域の底部の貧酸素水を水面近くまで送入管を通じて引き上げ、水面近くの曝気水槽に導き、曝気水槽内で散気管によって曝気を行い、その水を再び送出管で底部に送り込み、送入口と送出口の間の層の貧酸素状態を改善することのできる閉鎖水域の貧酸素改善装置を提供することにある。
以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、閉鎖水域の水面に曝気水槽を浮かべ、水面に浮かぶ曝気水槽の底部に酸素又は空気を気泡として吹き出す散気管を配管し、曝気水槽の一端側に閉鎖水域の底部に下端が開口され底部の貧酸素水の引き上げ水路となる送入管の上端を接続し、散気管が配管された側の底部側に曝気水槽内で曝気された曝気水を底部に送り出す水路となる送出管の上端を接続し、閉鎖水域の底部の貧酸素水を曝気水槽まで引き上げる水流を発生させるプロペラを送入管内の上端側に設け、散気管と送入管の上端が接続開口する流入口との間に越流仕切板を設けて仕切り、越流仕切板で仕切られた曝気水槽内の散気管が配管された側の水面近くに整流板を配置すると共に、送出管の上端が接続開口する流出口に向かって降下する曝気水槽内の水流降下速度を気泡上昇速度よりわずかに小さくした手段よりなるものである。
また、以上の課題を解決するために、請求項２の発明は、閉鎖水域の水面に曝気水槽を浮かべ、水面に浮かぶ曝気水槽の底部に酸素又は空気を気泡として吹き出す散気管を配管し、曝気水槽の一端側に閉鎖水域の底部に下端が開口され底部の貧酸素水の引き上げ水路となる送入管の上端を接続し、散気管が配管された側の底部側に曝気水槽内で曝気された曝気水を底部に送り出す水路となる送出管の上端を接続し、閉鎖水域の底部の貧酸素水を曝気水槽まで引き上げる水流を発生させるプロペラを送出管内の上端側に設け、散気管と送入管の上端が接続開口する流入口との間に越流仕切板を設けて仕切り、越流仕切板で仕切られた曝気水槽内の散気管が配管された側の水面近くに整流板を配置すると共に、送出管の上端が接続開口する流出口に向かって降下する曝気水槽内の水流降下速度を気泡上昇速度よりわずかに小さくした手段よりなるものである。
課題を解決するための手段より明らかなように、請求項１〜請求項２の発明に係る閉鎖水域の貧酸素改善装置によれば、従来の方法は、流れ発生方法としては効率のわるい空気に、酸素供給だけでなく流れ発生機能をもたせたことが非効率の原因であったのを、流れの発生をプロペラで行うが、酸素の供給方法と流れの発生方法を分離したことで水流を自由にコントロールできるし、多量の流れを発生できる。
しかも、水圧が小さい水面近くに散気管を設置するため、圧縮空気発生装置でなく、低圧空気を発生する送風機で散気管に空気を供給でき、消費電力を小さくすることができる。プロペラを稼働させるために電力を要するが、送風機とプロペラの使用による方が、従来の圧縮空気発生装置の使用による場合に比べて消費電力をより小さくでき、省エネとなり、ランニングコストを安価にでき経済的である。
しかも、水圧が小さい水面近くに散気管を設置するため、圧縮空気発生装置でなく、低圧空気を発生する送風機で散気管に空気を供給でき、消費電力を小さくすることができる。プロペラを稼働させるために電力を要するが、送風機とプロペラの使用による方が、従来の圧縮空気発生装置の使用による場合に比べて消費電力をより小さくでき、省エネとなり、ランニングコストを安価にでき経済的である。
また、請求項１及び請求項２の発明にあっては、前記の効果に加えて、曝気水槽内の水流降下速度を気泡上昇速度よりわずかに小さくすることにより、気泡の水中滞在時間を極めて大きくすることができ、これよって、曝気効率を飛躍的に向上させることができる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
以下、図面に記載の発明を実施するための形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は全体概要図、図２は曝気水槽の概要図、図３は別の曝気水槽の概要図、図４は他例の全体概要図、図５は他例の曝気水槽の概要図、図６は他例の別の曝気水槽の概要図である。
ここで、図１は全体概要図、図２は曝気水槽の概要図、図３は別の曝気水槽の概要図、図４は他例の全体概要図、図５は他例の曝気水槽の概要図、図６は他例の別の曝気水槽の概要図である。
図において、貧酸素改善装置１は、例えば、ダム、湖水、人工湖沼や自然湖沼などの閉鎖水域の底部で発生する貧酸素状態を改善する装置で、閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水の引き上げ水路の送入管２、閉鎖水域の底部の貧酸素水を水面近くまで引き上げる水流を発生させるプロペラ３、貧酸素水に曝気を通じて酸素を溶解させる曝気水槽４、曝気水を底部に送り出す水路となる送出管５などから構成されている。
貧酸素改善装置１は、送入管２内のプロぺラ３（図１〜図３参照）、或いは送出管５内のプロぺラ３（図４〜図６参照）によって閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を水面近くまで送入管２を通じて引き上げ、水面近くの曝気水槽４に導き、曝気水槽４内で散気管４１によって曝気を行い、曝気により酸素を含んだ水を再び送出管５で底部に送り込み、送入口２１と送出口５１の間の層の貧酸素改善領域ｂの貧酸素状態を改善するものである。貧酸素改善装置１は図示しない係留索によって、所定水域から移動しないように係留されている。
送入管２は、閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を水面近くまで引き上げる際の水路となる管で、その下端側は閉鎖水域の底部の所定の深さまで下ろされている。送入管２の下端には送入口２１が開口されており、底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水はこの送入口２１から送入管２に吸引される。送入管２には、その下端の送入口２１を閉鎖水域の底部の所定の深さまで任意に下ろせるように、例えば蛇腹式管などの伸縮自在な管が使用される。
プロペラ３は、閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を水面近くまで送入管２を通じて引き上げる水流を発生させるもので、プロペラ３は送入管２の内部の上端の近く（図１〜図３参照）に、或いはプロペラ３は送出管５の内部の上端の近く（図４〜図６参照）に、上下軸回りに回転するように取り付けられている。
プロペラ３の回転によって、送入管２の内部には上向きの流れが発生し、下端の送入口２１から閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を吸引する。水圧の高い深い底部から貧酸素水を引き上げる場合、プロペラ３は圧縮空気発生装置を使用する場合に比べて消費電力が小さく、省エネを計ることができる。
プロペラ３は、上下方向に配置されたプロペラ回転軸３１の下端に取り付けられている。プロペラ回転軸３１は曝気水槽４内を上向きに取り付けられていて、プロペラ回転軸３１の上端は曝気水槽４の上部に取り付けられているモーター３２に連動連結されている。モーター３２の駆動によりプロペラ回転軸３１は回転してその下端のプロペラ３を回転させる。
曝気水槽４は、水面近くまで引き上げられた閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を曝気して酸素を溶解させて酸素を十分に含んだ水にするための水槽で、曝気水槽４の底部には散気管４１が配管されている。散気管４１には酸素又は空気を吹き出す多数の小孔が形成されている。散気管４１の多数の小孔から吹き出された酸素又は空気は多数の気泡ａとなって曝気水槽４内の水深Ｈの高さを貧酸素水を曝気しながら上昇し、その上昇の過程で酸素又は空気の一部は貧酸素水に溶解して、貧酸素水は酸素を含んだ酸素水に置き換えられる。
散気管４１の上流端はこの散気管４１に酸素又は空気を送り込むための図示しない送風機に接続されている。散気管４１が配管されている部分は水面の近くであり水圧が小さいので、酸素又は空気を送り込んで散気管４１から散気させる場合に大きな圧力を必要としない。このため、従来のように水圧の高い水深のある場所から酸素又は空気を散気させるために高圧気体を送り出すための圧縮空気発生装置を必要とせず、安価な送風機で酸素又は空気を送り込んで散気管４１から散気させることができる。
曝気水槽４は、例えば箱形の形状から構成され、４つの側面及び底面が塞がれ、上面は開放されている。曝気水槽４は水面に浮かんでおり、このため、曝気水槽４の外側の側面には、曝気水槽４を水面に浮かす浮体４２が取り付けられている。浮体４２は例えば内部が空洞になっていたり、或いは水より比重の小さな材料で造られている。
曝気水槽４の底部には散気管４１を挟んでその一端側に、送入管２の上端が接続される流入口４３が開口されている。送入管２を通じて引き上げられた貧酸素改善領域ｂの貧酸素水はこの流入口４３を通じて曝気水槽４内に流入する。
図１、図２及び図４、図５にあっては、散気管４１を挟んで流入口４３の反対側の底部には流出口４４が開口されている。この流出口４４には送出管５の上端が接続されていて、曝気された水は流出口４４を通じて送出管５内に排出される。また、図３及び図６にあっては、散気管４１下方の底部に流出口４４が開口されている。
また、図３及び図６に示す曝気水槽４には、散気管４１と送入管２の上端が接続開口する流入口４３との間には越流仕切板４５が設けられていて、この越流仕切板４５により曝気水槽４内は散気管４１が配管された側と流入口４３とが仕切られている。流入口４３から流入した閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は、越流仕切板４５を越えて散気管４１が配管された側に流入するようになっている。
さらに、越流仕切板４５で仕切られた曝気水槽４内の散気管４１が配管された側の水面近くには整流板４６が水平に配置されている。図では整流板４６は散気管４１が配管された側の水面の全面を覆うように配置されている。整流板４６の表面には平面方向に一定の等間隔で複数の小孔の通水孔４６ａが形成されている。
整流板４６は越流仕切板４５を越流して散気管４１側に流入する水流の流速を均一するもので、散気管４１側に流入する閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は、平面方向に等間隔に形成された整流板４６の各小孔の通水孔４６ａを通過することで、流速が均一になる。整流板４６としては、例えばガイドベーン（案内板）なども用いられる。
さらにまた、散気管４１側に流入した閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は、曝気水槽４の底部の流出口４４に向かって降下する曝気水槽内の水流降下速度Ｖ０が散気管４１から吹き出す気泡上昇速度Ｖよりわずかに小さくなるように調整されている。この調整はプロペラ３の回転による貧酸素水の流入量を調整することにより行われる。
送出管５は、曝気水槽４で曝気されて酸素が溶解した酸素水を閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂまで送り出す際の水路となる管で、その下端側は閉鎖水域の底部の所定の深さまで下ろされている。送出管５の下端には送出口５１が開口されており、曝気されて酸素が溶解した酸素水はこの送出口５１から閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂに送り出される。送出管５には、その下端の送出口５１を閉鎖水域の底部の所定の深さまで任意に下ろせるように、例えば蛇腹式管などの伸縮自在な管が使用される。
次に、上記発明を実施するための形態の構成に基づく作用について以下説明する。
プロペラ３のモーター３２を作動させると、モーター３２に連動連結されているプロペラ回転軸３１は回転し、プロペラ回転軸３１の下端に取り付けられているプロペラ３を軸回りに回転させる。プロペラ３が送入管２内に設けられている場合（図１〜図３参照）にはプロペラ３は送入管２の内部の水を上向きに引き上げる方向に回転して、またプロペラ３が送出管５内に設けられている場合（図４〜図６参照）にはプロペラ３は送出管５の内部の水を下向きに押し出す方向に回転して、送入管２内部には上向きの水流が発生する。
プロペラ３のモーター３２を作動させると、モーター３２に連動連結されているプロペラ回転軸３１は回転し、プロペラ回転軸３１の下端に取り付けられているプロペラ３を軸回りに回転させる。プロペラ３が送入管２内に設けられている場合（図１〜図３参照）にはプロペラ３は送入管２の内部の水を上向きに引き上げる方向に回転して、またプロペラ３が送出管５内に設けられている場合（図４〜図６参照）にはプロペラ３は送出管５の内部の水を下向きに押し出す方向に回転して、送入管２内部には上向きの水流が発生する。
プロペラ３によって送入管２内に上向きの水流が発生すると、送入管２の下端の送入口２１は負圧状態となって、閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は送入口２１に吸引される。吸引された底部の貧酸素水は送入管２内部を上昇し、送入管２の上端から曝気水槽４の流入口４３を通って曝気水槽４内に流入する。
曝気水槽４内では、図示しない送風機を作動させて、散気管４１に低圧で酸素又は空気を送り込む。散気管４１は水面近くにあるので、水圧が低く送風機でも十分に酸素又は空気は送り込まれる。消費電力の小さな送風機が使用できるので、電力コストを安価にすることができる。図示しない送風機の作動により、曝気水槽４の底部に配管された散気管４１の多数の小孔から酸素又は空気が吹き出し、気泡ａとなって曝気水槽４内を上昇しながら曝気水槽４内の貧酸素水を曝気してその一部は貧酸素水に溶解し、貧酸素水を酸素を十分に含んだ酸素水に置き換える。
曝気水槽４内では流入口４３から底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水が流入して水量が増大すると、散気管４１を挟んで流入口４３の反対側に設けられた流出口４４からは流入量に相当する水量が排出される。このため、曝気水槽４内では、流入口４３から流出口４４に向かって流れ生じる。曝気水槽４内では、曝気によって水の比重が少し小さくなるため、外部の水位に比べて少しだけ水位が高くなる。
図１、図２及び図４、図５に示す構成では、流入口４３から流入した底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は底部の散気管４１の上を通過しながら流出口４４に向けて移動するが、この間に上述したように散気管４１から発生する気泡ａによって曝気されるのである。このとき、曝気効率（気泡の中の酸素のとけ込む比率）は、気泡が水中に滞在する時間にほぼ比例する。曝気水槽４の水深Ｈ、気泡上昇速度をＶとすると、貧酸素水の水中滞在時間ｔ１＝Ｈ／Ｖとなる。
また、図３及び図６に示す構成では、流入口４３から流入した底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は、越流仕切板４５を越流して散気管４１が配管された側の水面近くに取り付けられた整流板４６の各通水孔４６ａを通過するが、この各通水孔４６ａを通過する過程で流速の均一化が計られ、均一の流速になって散気管４１が配管された側に流入し、散気管４１の下方の底部に開口された流出口４４に向かって降下する。
このとき、前記したように、散気管４１側に流入した閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水は、曝気水槽４の底部の流出口４４に向かって、曝気水槽４の水深Ｈを降下する曝気水槽内の水流降下速度Ｖ０が散気管４１から吹き出す気泡上昇速度Ｖよりわずかに小さくなるように調整されている。
このため、図１、図２及び図４、図５の構成の場合に比べて図３及び図６の構成では、曝気水槽４の散気管４１側での貧酸素水の水中滞在時間ｔ２＝Ｈ／（Ｖ−Ｖ０）となり長くなる。特に水流降下速度Ｖ０を気泡上昇速度Ｖよりわずかに小さくすると、貧酸素水の水中滞在時間ｔ２は極めて大きな値となり、曝気効率は飛躍的に向上する。
因みに、気泡上昇速度Ｖを、０．３ｍ／秒とし、水流降下速度Ｖ０を０．４ｍ／秒、水深Ｈを２．０ｍとすると、貧酸素水の水中滞在時間ｔ１は約７秒に対し、水中滞在時間ｔ２は２０秒になり、約３倍の曝気効率になる。
酸素水に置き換えられた水は流出口４４から送出管５内に排出され、送出管５内を降下してその下端に開口された送出口５１から閉鎖水域の底部に送り出されて、底部の貧酸素改善領域ｂの貧酸素水を徐々に酸素水に置き換えて、閉鎖水域の底部の貧酸素改善領域ｂの水質改善を計ることが可能となる。
なお、この発明は上記発明を実施するための形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。
１ 貧酸素改善装置
２ 送入管
２１ 送入口
３ プロペラ
３１ プロペラ回転軸
３２ モーター
４ 曝気水槽
４１ 散気管
４２ 浮体
４３ 流入口
４４ 流出口
４５ 越流仕切板
４６ 整流板
４６ａ 通水孔
５ 送出管
５１ 送出口
ａ 気泡
ｂ 貧酸素改善領域
Ｈ 曝気水槽の水深
Ｖ０ 水流降下速度
Ｖ 気泡上昇速度
９１ 送水管
９２ プロペラ
９３ 散気管
９４ 気泡抜き
２ 送入管
２１ 送入口
３ プロペラ
３１ プロペラ回転軸
３２ モーター
４ 曝気水槽
４１ 散気管
４２ 浮体
４３ 流入口
４４ 流出口
４５ 越流仕切板
４６ 整流板
４６ａ 通水孔
５ 送出管
５１ 送出口
ａ 気泡
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Ｈ 曝気水槽の水深
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Ｖ 気泡上昇速度
９１ 送水管
９２ プロペラ
９３ 散気管
９４ 気泡抜き
Claims (2)
- 閉鎖水域の水面に曝気水槽を浮かべ、水面に浮かぶ曝気水槽の底部に酸素又は空気を気泡として吹き出す散気管を配管し、曝気水槽の一端側に閉鎖水域の底部に下端が開口され底部の貧酸素水の引き上げ水路となる送入管の上端を接続し、散気管が配管された側の底部側に曝気水槽内で曝気された曝気水を底部に送り出す水路となる送出管の上端を接続し、閉鎖水域の底部の貧酸素水を曝気水槽まで引き上げる水流を発生させるプロペラを送入管内の上端側に設け、散気管と送入管の上端が接続開口する流入口との間に越流仕切板を設けて仕切り、越流仕切板で仕切られた曝気水槽内の散気管が配管された側の水面近くに整流板を配置すると共に、送出管の上端が接続開口する流出口に向かって降下する曝気水槽内の水流降下速度を気泡上昇速度よりわずかに小さくしたことを特徴とする閉鎖水域の貧酸素改善装置。
- 閉鎖水域の水面に曝気水槽を浮かべ、水面に浮かぶ曝気水槽の底部に酸素又は空気を気泡として吹き出す散気管を配管し、曝気水槽の一端側に閉鎖水域の底部に下端が開口され底部の貧酸素水の引き上げ水路となる送入管の上端を接続し、散気管が配管された側の底部側に曝気水槽内で曝気された曝気水を底部に送り出す水路となる送出管の上端を接続し、閉鎖水域の底部の貧酸素水を曝気水槽まで引き上げる水流を発生させるプロペラを送出管内の上端側に設け、散気管と送入管の上端が接続開口する流入口との間に越流仕切板を設けて仕切り、越流仕切板で仕切られた曝気水槽内の散気管が配管された側の水面近くに整流板を配置すると共に、送出管の上端が接続開口する流出口に向かって降下する曝気水槽内の水流降下速度を気泡上昇速度よりわずかに小さくしたことを特徴とする閉鎖水域の貧酸素改善装置。
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