JP5110876B2 - 曝気方法と曝気装置と曝気システム - Google Patents

Description

本発明は、汚水処理場やダム等に貯水されている液体に、空気及び酸素等の気体を効率良く接触させる曝気方法、曝気装置及び曝気システム、さらには、エアーポンプ又はブロア等で作られた圧力気体を用いて、湖沼・魚類養殖場・動植物の細胞培養槽・汚水処理場等の貯留水を、一旦液泡の集団（シャボン玉状の塊）に生成することにより貯留水を液泡の表面液膜にすることで、液泡内の気体（酸素又は空気等）と貯留水（表面液膜）とを高効率に接触させることができるが、この事により空気を用いた場合には貯留水への酸素富化作用だけではなく、酸素ガス及び窒素ガスの溶存バランスがとれ生物にとって生息しやすい水にすることができる曝気装置及び曝気システムに関する。

一般に、魚類養殖場・動植物の細胞培養槽・ダム・汚水処理場等の曝気方法としては、以下に列挙するように種々のものがあり、従来それぞれに対応策が取られていた。
例えば、特許文献１には、「曝気装置」として、被処理水の循環流量を増やし、空気の微細化性能を向上させた技術が開示されている。
また、特許文献２には、「閉鎖性水域の浄化装置及び浄化方法」として、閉鎖性水域内に停滞する水塊をエジェクタによって作られた水流によって曝気作用を高め、水塊の流動を促進させて酸素を供給する技術が開示されている。
しかしながら、これらの特許文献１及び２に開示された発明では、液中に気泡を発生させて気体と液体との接触する面積を増やすことや、気泡と液体との接触時間を長くすることなどを基本とする気体の溶解方法であって、気体溶解率が悪く、又、曝気された処理水とまだ曝気されてない被処理水とを分離することができず、既に曝気された処理水に対しても再び曝気エネルギーが加わり非効率であるという課題があった。
特開２０００−２７１５９１号公報 特開平１０−７３０９９号公報

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、被処理水中に配置された散気部から発生した気泡粒の集団の浮力を利用し、その気泡粒を水面より上の気泡粒上昇通路内を上昇させて液泡に変化させることで、被処理水を気体が最も溶解しやすい液泡表面の薄膜水の状態にすることができ、又、その液泡のままを大気圧下に少しでも長く曝し、又、溢流させる位置が水面より高いので水頭差を利用することで、液泡処理された処理水と被処理水を分離することができる。また、エアーポンプ及びブロア等を用いて圧縮空気を作り、被処理水中の散気部に供給することで気泡粒を連続的に発生させ、その気泡粒の浮力を利用して水面より上の気泡粒上昇通路内で液泡の集団（シャボン玉状の塊）に変化させることにより、被処理水を液泡の表面液膜に一旦変化させることで、被処理水中に気体が最も溶解しやすい状態にしたことになり、又、反対に被処理水中内に溶存している余分な気体を最も放出しやすい状態にしたことになる。この作用により被処理水中に生存する多くの生物により酸素だけが消費され窒素ガス量の多くなったバランスの悪い水を再生することができ、更に、生成される液泡が水面より高い位置なので、水頭差により処理水を所望の場所に移送できる。
すなわち、本発明は、高効率に気体を溶解することができ、又、処理水に再び無駄な曝気エネルギーが加わらない、省エネルギーで作動できる曝気方法、曝気装置及び曝気システムを提供することを目的とする。

請求項には記載されていない発明である曝気方法Ａは、水中に気泡粒を発生させる散気工程と、前記気泡粒が水面上に浮上する際に収束させて、水面の下部域に気泡粒を集めた気泡粒の集団を形成させる気泡粒収束工程と、前記気泡粒の集団の水面部分に気泡粒上昇通路部を設けることで、前記散気工程から連続的に発生する気泡粒により増加する前記気泡粒の集団の浮力によって、前記気泡粒の集団の上部分から前記気泡粒上昇通路部内に押上げられることで、気泡粒の周囲の液体は重力で下方に分離し、前記気泡粒上昇通路部内の上部付近で気泡粒は液泡（シャボン玉状の塊）に変化する液泡生成工程と、前記気泡粒上昇通路部の最上部に液泡のままの状態をなるべく長く保つ液泡曝し工程とを有するものである。
このような構成の曝気方法は、以下のような作用を有する。
（１）散気工程は気泡粒の生成ができれば、水面から２０ｃｍ位の浅い位置から発生させても作動でき、消費電力の大きい高圧力のエアーポンプを使用しなくても作動できる。
（２）気泡粒収束工程を有するので、水面の下部域に気泡粒の集団を形成させることができ、その事によって気泡粒を水面より上に上昇させる大きい浮力を作ることができる。
（３）液泡生成工程を有するので、水面より上に上昇した気泡粒の周囲の液体は重力で下方に分離する事で、気泡粒を液泡の塊に変化させることができる。
（４）液泡曝し工程を有するので、溢流した液泡状態（薄膜水）のままなるべく長い時間大気圧下に曝すことができ溶解率が高められる。
又、水面より高い位置で液泡処理された処理液を回収できるので、その水頭差を利用し処理水を別の場所に移動することができる。

請求項には記載されていない発明である曝気装置Ｂは、被処理水中に気泡粒を発生させる散気部と、前記被処理水の水面下部に前記気泡粒を集め気泡粒の集団を作る気泡粒収束部と、連続的に増加する前記気泡粒の集団の浮力により、前記気泡粒の集団が上部分から水面より上に押し上げられることで、前記気泡粒が液泡に変化することができる気泡粒上昇通路部と、前記気泡粒上昇通路部の最上部から溢流する液泡の状態をなるべく長く保つ液泡曝し部とを有するものである。
上記構成の曝気装置においては、以下の作用を有する。
（１）散気部（エアーストーン等）は、気泡粒が生成できれば被処理水の液面から20〜30ｃｍ位の浅い部分に配置しても作動させることができ、エネルギー効率に優れている。
（２）気泡粒収束部によって、水中で発生した気泡粒を水面下部に集めることによって、大きな浮力を作ることができる。
又、その浮力を狭い収束した面積に集中させることもできる。
（３）気泡粒上昇通路部を有するので、連続的に発生し増加する気泡粒の集団の浮力によって、上昇する気泡粒の周囲の液体は、重力で下方に分離させることで気泡粒を液泡の塊に変化させることができる。
この事によって、結果的に被処理水を液泡表面の薄膜水にすることができ、最も大気圧下で気体が溶解しやすい状態にしたことになる。
（４）液泡曝し部を有するので、液泡状態（薄膜水）を少しでも長い時間大気圧下に曝すことができることにより溶解率を上げることができる。
又、水面より高い位置から溢流させて回収できるので、その水頭差を利用し処理水を別の場所に移動することができることで、更に別の処理をすることもできる。
（５）例えば、被処理水中に生存している微生物及び動物により、被処理水中に溶解していた酸素ガスだけが消費され、窒素ガス過多のバランスの崩れている被処理水を、大気圧下において液泡表面の薄膜水にすることで、酸素ガスと窒素ガスとの溶解濃度のバランスがとれ、微生物及び動物にとって好適な処理水に再生することができる。

そして、請求項には記載されていない発明である曝気装置Ｃは、曝気装置Ｂにおいて、被処理水中の低層から上層に向かって配置された流通部内の上部分に前記散気部を備えて気泡粒を発生させることで、低層域の被処理水をエアーリフト効果により上層域に上昇させ、更にその被処理水を大気圧下で液泡表面の薄膜水にするものである。
本発明の曝気装置においては、曝気装置Ｂの作用に加えて、以下の作用を有する。
（１）流通部内の上部で気泡粒を発生させるエネルギーだけで、低層域の貧酸素水を上層域に吸い上げて酸素富化させ、更に、低層域の水と上層域の水との対流を促進させることができる。

さらに、請求項には記載されていない発明である曝気装置Ｄは、曝気装置Ｂにおいて、水面より高い位置にある前記液泡曝し部から排出される処理水を、その水頭差を利用して低層域まで繋がった連通部に接続することで、低層域に酸素富化した処理水を送水できるものである。
上記構成の曝気装置においては、曝気装置Ｂの作用に加えて、以下の作用を有する。
（１）液泡曝し部から連続して排出される処理水は水面より高く、この水頭差を利用して処理水を別の場所へ移動できる。
（２）低層域まで繋がった連通部内へ処理水を送水するだけで、処理水は連通部内を自重で下降することができ、この事で酸素富化された処理水を低層域にエネルギーを使わずに送り込むことができる。

請求項には記載されていない発明である曝気装置システムＥは、水面上に配置されている曝気装置Ｂと、前記曝気装置Ｂの底部分に配置された微細気泡発生器と、前記曝気装置の液泡曝し部から溢流する処理水を受け止めて、別の場所に移動させて処理をすることができる受部とを有するものである。
本発明の曝気装置システムにおいては、以下の作用を有する。
（１）曝気装置の下側に配置された微細気泡発生器から発生させた微細気泡は、水中に浮遊する汚濁物や底部分に堆積している汚濁物に付着させることによって、汚濁物は浮力増により水面上に向かって浮上させることができる。
（２）曝気装置の散気部から発生する気泡粒の上昇流に、浮上した汚濁物は吸い込まれて行き、更に汚濁物と気泡粒は気泡粒上昇通路を上昇し液泡曝し部から溢流させることができる。
（３）液泡曝し部から溢流した処理液と汚濁物を、水面との水頭差を利用した受部で、別の場所に移動させることができる。
（４）この事によって、被処理水中の汚濁物を分離する事や、所望する各種の処理をすることもできる。

請求項には記載されていない発明である曝気装置システムＦは、加圧状態又は減圧状態に耐えられるタンクと、前記タンク内が加圧状態又は減圧状態にある時に、被処理水及び気体を前記タンク内へ供給することができるポンプと、前記被処理水を液泡に生成できる液泡生成容器と、前記タンク内が加圧状態又は減圧状態にある時の気体を吸引し前記液泡生成容器内の底に配置された散気部に送ることができるエアーポンプと、前記タンク内において上下多段に配列された上段の前記液泡生成容器から溢流した処理水を受け止めて、下段の液泡生成容器内へ送入することができる受部管とを有するものである。
本発明の曝気装置システムにおいては、以下の作用を有する。
（１）加圧又は減圧に耐えられるタンクを有するので、例えばコンプレッサーの吐出し側から加圧された気体をタンク内へ供給することで、素早くタンク内を加圧状態にすることができ、又は、真空ポンプ又はコンプレッサーの吸引側をタンク上部に接続し、タンク内の気体を抜くことでタンク内を減圧状態にすることができる。
（２）この事によって、タンク内の加圧気体をエアーポンプで吸引し散気部から気泡粒を発生させれば、液泡内が加圧された気体の液泡が生成でき、液泡表面の薄膜水にその気体圧力に応じた気体が溶解することで、高濃度気体溶解水を作ることができる。
又は、減圧状態の時にタンク内の減圧気体をエアーポンプで吸引し散気部から気泡粒を発生させれば、液泡内が減圧された液泡を生成することができ、その液泡表面の薄膜水に溶存している気体が、減圧度に応じて液泡内の空間に放出されることで脱気水を作ることができる。
（３）タンク内の上段に配置された液泡生成容器から溢流した高濃度気体溶解及び脱気された処理水を、下段の液泡生成容器内において再度又は再々度と液泡にすることができるので、例えば、水温や粘性等による気体の溶解率及び脱気率が悪くても、所望の値になった処理水を求めることができる。

請求項１に記載された発明である曝気装置は、エアーポンプ又はブロアを用いて、加圧気体を被処理水中に供給し気泡粒を発生させる散気部と、前記散気部を筒状に形成される内部に配置することで気泡粒の集団を上昇させる気泡上昇部と、前記気泡上昇部の上部に接続され，管を複数束ねた管状部を備えて前記気泡粒の集団を液泡の集団（シャボン玉状の塊）に変化させて前記被処理水を液膜化する気泡粒上昇通路部と、この気泡粒上昇通路部で生成された液泡の集団を液泡状態のまま移送し，上下に開口部を備えつつ下開口部から液泡を破壊させて処理液を回収する液泡送水部とを有するものである。
本発明の曝気装置においては、以下のような作用を有する。
（１）散気部（エアーストーン等）が気泡上昇部内の下部に配置されているので、発生した気泡粒の浮力エネルギーを全て気泡粒上昇通路部に集中させることができる。
（２）気泡粒上昇通路部内を上昇する気泡粒の周囲の液体は、重力により下方に分離するので、上昇した気泡粒の集団は気泡粒上昇通路部の上部付近で液泡の集団（シャボン玉状の塊）に変化する。このことによって、被処理水を液膜化したことになる。
（３）液泡送水部の下部（処理水排出部分）を、深さを調整しながら水中に浸けることで、液泡送水部内の液泡生成状態を調整することができる。
（４）液泡送水部は水面より高いので、処理水を水頭差により別の場所に移送できる。

請求項には記載されていない発明である曝気装置Ｇは、請求項１に記載の曝気装置において、前記液泡送水部の上開口部を閉じて、内部の気体をエアーポンプ及びブロア等に吸引させて循環させる為の気体吸引孔と、曝気装置内の圧力を調整できる気体量調整弁と、を取り付けて、更に、前記液泡送水部の下開口部に液泡が着水し破裂した時に前記液泡を受ける液泡受部とを備えたものである。
（１）気体吸引孔を有するので、製造コストの掛かった気体を大気に放出せずに、エアーポンプ又はブロアに吸引させて、再度、散気部（エアーストーン等）に供給することができる。
（２）気体量調整弁を有するので、調整しながら若干気体を排出することで、曝気装置内を液泡生成に適した圧力にすることができる。又、被液体中から放出された不用ガスの排出弁としても使用できる。

請求項２に記載された発明である曝気装置システムは、曝気処理槽において、被処理水の水面近傍の水中に気泡粒を発生させる散気部と、発生した前記気泡粒を上部に集める錐状の気泡粒収束部と、前記気泡粒収束部の上部に，管を束ねた管状部を備えて前記気泡粒の集団を液泡の集団に変化させて前記被処理水を液膜化し開口した上部から処理水を溢水させる気泡粒上昇通路と、を備えた曝気装置を複数用いて、この複数の前記曝気装置の前記気泡粒収束部の下部端を隙間なく接続して構成された集合曝気装置と、上端部を前記集合曝気装置の外周端部に設け、下端部を前記曝気処理槽の底層に配置するガイド壁と、を有するものである。
（１）気泡粒収束部の下部端を隙間なく複数連結されているので、曝気装置下部の被処理水と曝気装置上部の処理水を完全に分離させることができるので、再び処理水に曝気エネルギーが加わることがない。
（２）被処理中に配置される散気部が、水面近傍の水中で良いので、エアーポンプ又はブロア等のエネルギー容量が小さくても稼動できる。
（３）ガイド壁を備えているので、酸素供給された処理水は水頭差により、ガイド壁に沿って下降し汚水処理場等の底層域に自動的に送ることができる。

曝気方法Ａ及び曝気装置Ｂについては、以下のような効果を備える。
（ａ）この方法による散気工程（散気部）から発生した気泡粒は、水中内における気液接触に関しても、気泡粒収束工程（気泡粒収束部）内で水中に一時的ではあるが気泡粒の集団状態で長く貯留されるので効率良い。又、更にその気泡粒を液泡生成工程（気泡粒上昇通路部）で液泡に変化させることで、結果的に被処理水を気体が溶解しやすい液泡表面の薄膜水の状態にでき、エネルギー効率的に最も優れた曝気方法及び曝気装置である。
（ｂ）又、水中に配置する散気工程（散気部）は、水面から２０〜３０ｃｍ位の浅い場所に配置しても液泡を生成することができるので、散気工程（散気部）へ気体を送る圧送エネルギーが小さくて済み、省エネルギー性に優れている。
（ｃ）液泡曝し工程（液泡曝し部）から液泡の状態で溢流する処理水は、水面より高くこの水頭差を利用することで、処理された処理水に再び曝気エネルギーが加わらないようにでき、又、処理水を別の場所に移動させることができるので、効率良く被処理水に酸素富化することができ経済性に優れている。又、別の場所に処理水を移動できることにより、更に所望の各種の処理をすることもでき、制御性及び汎用性にも優れている。
（ｄ）大気圧下において液泡表面の薄膜水の状態は、前記（ａ）内に記載した気体が最も溶解しやすい状態だけではなく、閉鎖された水域中に微生物及び生物が多く生息していると酸素ガスだけが消費され、酸素ガスと窒素ガスとの溶解バランスの崩れた水質になる。この様な状態の水質の水を、液泡表面の薄膜水の状態にし、大気圧下に曝すことによって、酸素ガスと窒素ガスとの溶解バランスがとれ、微生物及び動物にとって好適な水質にすることができる。

また、曝気装置Ｃは、以下のような効果を有する。
（ａ）例えば、湖沼及び海洋等において、曝気装置Ｂと同じエネルギーを使用し、同時に低層域の被処理水を吸い上げて酸素供給することで、低層水域と上層水域の対流を促進し、水域全体の生態系を好適な環境にすることができる。

曝気装置Ｄは、以下のような効果を発揮することができる。
（ａ）湖沼及び海洋等において、水面より高い位置より酸素富化された処理水が排出されるので、自重で低層貧酸素水域に直接送ることで、生態系にとって好適な環境にすることができる。

また、曝気装置システムＥは、以下のような効果を奏する。
（ａ）養殖場等において、水域に浮遊する汚濁物や、底部に堆積する汚濁物や残餌・糞等に微細気泡を付着させることにより、浮遊物や汚濁物の浮力が増し水面に向かって浮上させることができ、その浮遊物や汚濁物を散気部から発生している気泡粒によって気泡粒上昇通路内を上昇させ、液泡曝し部から処理水と共に溢流させることで、受部を介して水域中の浮遊物及び汚濁物を回収除去、又は微生物処理槽で生物酸化させる事もでき、生態系にとって好適な水質を維持することができる。
（ｂ）工場等の循環水に含有する浮遊物を回収及び除去することができる。

曝気装置システムＦは、以下のような効果を奏する。
（ａ）タンク内の気体圧力に応じた高濃度の気体溶解水を製造でき、操作性や制御性及び経済性に優れている。
（ｂ）又は、タンク内の減圧度に応じた脱気処理水を製造でき、操作性や制御性及び経済性に優れている。
（ｃ）タンク内の圧力状態又は減圧状態を作るエネルギーを、多段に配置された液泡生成容器によって繰り返し利用することができるので、エネルギー効率に優れている。
（ｄ）この事によって、気体溶解又は脱気しにくい水質及び気体でも、前記エネルギーを繰り返し利用できるので効率良く処理できる。

また、請求項１記載の発明である曝気装置は、以下のような効果を備える。
（ａ）配置された散気部（エアーストーン等）が、水面近傍の水中に設置されるので、静圧の低いエアーポンプ又はブロアで稼動でき、省エネルギー性に優れている。
（ｂ）気泡上昇部や気泡粒上昇通路部及び液泡送水部に筒状又は管状の部材を用いているので、小型でコンパクトに製作することができ取り扱い性に優れている。
（ｃ）気泡粒上昇通路部内を上昇する気泡粒の周辺の液体は、重力によって下方に分離することによって、被処理水を液泡表面の液膜に変化させて気体が溶解しやすい状態にできるので、効率性及び省エネルギー性に優れている。

曝気装置Ｇは、以下のような効果を発揮することができる。
（ａ）気体吸引孔を有するので、製造コストの掛かったガスを、再度吸引して循環させて無駄を最小限に抑えることができるので、経済的に優れている。
（ｂ）気体量調整弁を有するので、曝気装置内の圧力を微調整することができ、液泡の生成状態を最適にできる。

また、請求項２記載の発明である曝気装置システムは、以下のような効果を有する。
（ａ）複数の曝気装置が隙間なく連結されているので、曝気装置下側の被処理水と曝気装置上側の処理水とを完全に分離することができるので、処理水に再び曝気エネルギーが加わることがなく、省エネルギー性及び経済性に優れている。
（ｂ）散気部に加圧気体を送るエネルギーは、水面近傍の水中に気体を送るエネルギーで良く、省エネルギーに設計することができる。
（ｃ）液泡の生成により酸素を富化された処理水は、水頭差によりガイド壁に沿って下降し底層域の貧酸素水域に送られ、微生物を活性化させることにより汚水浄化能力を上げることができる。
（ｄ）曝気装置が簡易な構造ので、コンクリート製、金属成形製等で安価に製作できる。
又、廃プラスチックを再利用して製品に成形することもできる。
（ｅ）既存にある汚水処理場等の基本構造を大幅に変える必要がなく、容易に設置することができ、メンテナンス性及び経済性に優れている。

第１の実施の形態に係る曝気装置の概念図であり、上側が立面図で、下側が側面図である。 第１の実施の形態の曝気装置を作動させた時の気泡粒及び液泡の動きを示した模式図である。 第１の実施の形態の曝気装置と、微細気泡発生器Ｍと、生物処理槽（Ｂ.Ｒ）を組み合わせて作動させた状態の模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３中における（Ｂ.Ｒ）内及び（Ｂ.Ｆ）周辺の、微細気泡Ｍ.Ｂ及び汚濁物Ｆの動きを示した模式図である。 第１の実施の形態の曝気装置を用い、上昇パイプ７内に配置された散気部２から発生した気泡粒２ａによるエヤーリフトの効果を利用した曝気装置の模式図である。 第１の実施の形態の曝気装置から排出される処理水２Ｗの水頭差を利用して、処理水２Ｗを別の場所に移動させることができることを示す模式図である。 （ａ）は、第１の実施の形態の曝気装置の気泡粒収束部の底端を複数接続させた場合の模式図であり、上側が立面図で下側が正面図である。また、（ｂ）は、浮かせ型曝気装置の模式図で、上側が立面図で下側が正面図である。 図２に示された液泡生成曝気装置１に対して水道水を用いて水面から散気部までの水深及び水面から液泡曝し部までの距離を変えて得られる処理水２Ｗの量をまとめた表である。 図２に示された液泡生成曝気装置１に対して水道水を用いて測定した総酸素溶解量を表にし、さらに、単に散気部を用いて曝気し測定した総酸素溶解量を表にしたものである。 本発明の第２の実施の形態に係る曝気システムの正面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ液泡表面の薄膜水ＷＦにタンク内の加圧Ｐ及び減圧度−Ｐに応じて、瞬間的に溶解及び脱気されている状態を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態における曝気装置の正面断面図である。 第３の実施の形態の曝気装置を作動させた時の気泡粒及び液泡の挙動を示した模式図である。 第４の実施の形態の曝気装置の模式図である。 （ａ）は、第５の実施の形態の曝気システムの模式図で、複数の曝気装置の下部端３Ａ部分を隙間なく接続して構成された曝気装置１Ｍの正面断面図ある。（ｂ）は、汚水処理場の処理水面の上部に曝気装置１Ｍが設置された正面断面図であり、（ｃ）は処理水２Ｗがガイド壁Ｗａに添って下降している様子を示した側面断面図であり、（ｄ）は、その立面図である。

符号の説明

１ 曝気装置
１Ｐ 曝気装置
２ 散気部
２ａ 気泡粒
２ｂ 気体供給管
３ 気泡粒収束部
３ａ 気泡粒の集団
３ｂ ステー
３Ｐ 気泡上昇部
３Ａ 気泡粒収束部の下部端
４ 気泡粒上昇通路部
４ａ 変化した液泡
４Ａ ハニカム状
４Ｂ パイプ状
４Ｐ 気泡粒上昇通路部
４Ｐ１ パイプ管
４Ｐ２ 管状部分
５ 液泡曝し部
５ａ 溢流した液泡
６ 受皿
６Ｐ 液泡受皿
７ 上昇パイプ
７Ｐ 気体吸引孔
８ 下降パイプ
８Ｐ エアーポンプ又はブロア
９Ｐ 気体供給弁
１０Ｐ 気体量調整弁
１１ 曝気システム
１２ タンク
１２ａ 排出調整弁
１２ｂ 減圧バルブ
１２ｃ 回収バルブ
１２ｄ 圧力計センサー
１２ｅ 余分ガス排出弁
１３ ポンプ
１３ａ 吸引管
１３ｂ 気体自吸量調整弁
１３ｃ 供給弁
１３ｄ 液体自吸量調整弁
１４ 供給パイプ
１５ 液泡生成容器
１６ エヤーポンプ
１６ａ エヤー吸引管
１６ｂ エヤー供給管
１７ 受皿管
１８ 真空ポンプ
１９ 回収ポンプ
２０ 水位センサー
２２ 散気部
３２ 散気部
３３ 気泡粒収束部
３４ 気泡粒上昇通路部
Ａ 大気圧
Ｘ 気体
２Ｘ 排出気体
Ｓ.Ｗ 水面
ＡＬ 水面Ｓ.Ｗから散気部２までの距離
ＢＬ 水面Ｓ.Ｗから液泡曝し部５までの距離又は水面Ｓ.Ｗから気泡粒上昇通路部４Ｐ上部までの距離
Ｋ 気泡粒上昇通路４内の壁と壁の間隔
１Ｍ 気泡粒収束部３の下部端３Ａ部分を複数接続した曝気装置
ＵＶ 紫外線ランプ
１W 被処理水
２W 処理水
３Ｗ 高度処理水
Ｗａ ガイド壁
ＷＦ 液薄膜水又は液泡の表面液膜
Ｂ.Ｒ 生物処理槽内の汚濁物の動き
Ｂ.Ｆ 被処理水１Ｗの汚濁物の動き
Ｐ.Ｗ 気液混合の圧力水
Ｐ 気体圧力度又は気体圧
−Ｐ 減圧度
Ｑ 処理水の流れ
Ｒ.Ｗ 汚水処理場の流水方向
Ｍ 微細気泡発生器
Ｂ.Ｍ 微細気泡
Ｆ 汚濁物
Ｈ 槽仕切壁
ＦＬ 浮き
Ｙ 上限水位
Ｚ 下限水位
ｈ 上開口部
ｇ 下開口部

以下に、本発明に係る曝気方法、曝気装置及び曝気装置システムの実施の形態を図１乃至図１５に基づき説明する。
図１は第１の実施の形態に係る曝気装置の概念図であり、上側が立面図で、下側が正面図である。
図１において、１は実施形態１の曝気装置、２は散気部で２ｂは散気部２へ気体を供給する気体供給管、３は散気部２から発生した気泡粒を集める気泡粒収束部、４は集った気泡粒を水面Ｓ.Ｗより上に上昇させる気泡粒上昇通路部、５は気泡粒上昇通路４内で生成された液泡をなるべく長く大気圧下に曝すための液泡曝し部、Ｘは加圧された気体である。
第１の実施の形態における曝気装置１の作動方法について説明する。
まず、図１中の気体供給管２ｂを介してエアーポンプ等で気体Ｘを散気部２に送ることで、気泡粒収束部３の下側に気泡粒を連続的に発生させる。その気泡粒は浮力によって上昇するが気泡粒収束部３内の上側は収束しているので、発生した気泡粒は一度に浮上することができず気泡粒収束部３内に気泡粒の集団が形成される。
この気泡粒の集団は、散気部２から発生し水面に向かって加速上昇する浮力と、気泡粒の集団浮力と、を合わせた浮力によって、水面より上部に取り付けられた気泡粒上昇通路４内を上昇することができる。上昇する時に気泡粒の周囲の水は重力で下方に分離させることができることによって、気泡粒上昇通路４の上部域では気泡粒を液泡の塊の状態に変化させることができ、更に液泡のままの状態（薄膜水）を最上部から溢流させて液泡曝し部５によって少しでも長い時間大気圧下に曝すことができることによって、酸素ガスと窒素ガスとの溶解濃度バランスのとれた溶存酸素量の高い処理水を求めることができる。

図２は、第１の実施の形態の曝気装置を作動させた時の気泡粒及び液泡の動きを示した模式図で、１Ｗは被処理水、２ａは散気部２から発生した気泡粒、３ａは気泡粒収束部３内の気泡粒の集団、４ａは気泡粒が水面Ｓ.Ｗより上の気泡粒上昇通路４内を上昇することで変化した液泡、５ａは溢流した液泡の状態を少しでも長い間保って溢流した液泡である。６は水面S.Wより高い位置から溢流した処理水２Ｗを、水頭差を利用して別の場所に移動させることができる受皿である。
なお、図中、水面Ｓ．Ｗから気泡粒上昇通路部４Ｐの上部までの距離がＢＬで、散気部２から水面Ｓ．Ｗまでの距離がＡＬとして示されている。また、気泡粒上昇通路４の内径をＫとする。

図３は、第１の実施の形態の曝気装置と、微細気泡発生器Ｍと、生物処理槽（Ｂ.Ｒ）を組み合わせて作動させた状態の模式図である。図中右下に記載された微細気泡発生器Ｍから被処理水１Ｗ中に微細気泡Ｍ.Ｂを発生させることによって、微細気泡Ｍ.Ｂの特徴であるフローテション効果を利用し、浮遊及び底部に堆積している汚濁物Ｆに微細気泡Ｍ.Ｂを付着させ、浮力増により汚濁物Ｆは水面に向かって上昇させる。
この事によって散気部２から発生している気泡粒２ａと、上昇している汚濁物Ｆとを気泡粒収束部３内で合体さて気泡粒上昇通路４内を上昇させることができ、液泡曝し部５から溢流した汚濁物Ｆは受皿６から生物処理槽（Ｂ.Ｒ）に送られている。
もう一つの微細気泡Ｍ.Ｂの特徴を生かした利用方法に、下降水流内において微細気泡Ｍ.Ｂを汚濁物Ｆに付着させることで、汚濁物Ｆに浮力を付け下降水流に逆らうことで、汚濁物Ｆだけをゆっくりと下降させることができる利用方法がある。
図中左の生物処理槽（Ｂ.Ｒ）内に、前記の特徴を生かし上部に微細気泡発生器Ｍが配置され、その下流側には生物処理担体が充填され細菌や藻類及び原生動物等の微生物で構成された生物膜が形成されている。
この事によって、汚濁物Ｆは生物膜と接触時間が長くなり、生物処理槽（Ｂ.Ｒ）が小規模でも高効率に生物酸化処理することができ高度処理水３Ｗとして放出される。
又、紫外線管を用いて処理水２Ｗ中に含有している細菌等を殺菌したい場合、液泡曝し部５の上部に紫外線ランプＵＶを配置すれば、処理水２Ｗは液泡表面の薄膜水の状態なので、効果的に細菌等に紫外線を照射できる。
尚、汚濁物Ｆが生物分解処理できない物の場合、図中の生物処理槽（Ｂ.Ｒ）を回収除去装置に変えれば良く、又、これは請求項５に記載した曝気装置システムになる。図中の微細気泡発生器Ｍは旋回式で、Ｐ.Ｗは気液混合の圧力水である。

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３中における（Ｂ.Ｒ）内及び（Ｂ.Ｆ）周辺の、微細気泡Ｍ.Ｂ及び汚濁物Ｆの動きを示した模式図で、図４の（ａ）は、上部に配置した微細気泡発生器Ｍから発生させている微細気泡Ｍ.Ｂを、受皿６から連続的に処理水２Ｗと共に送られてくる汚濁物Ｆに付着させて浮力を付けることで、処理水２Ｗの下降流速（下向きの矢印）と汚濁物Ｆの浮力（上向きの矢印）とが差し引かれることによって、処理水２Ｗが下方に流れるのに比べ、微細気泡が付着した分ほど汚濁物Ｆは浮力が増し、生物膜の周辺に長く留まることができ、汚濁物Ｆと生物膜との接触時間が大幅に増やすことができる生物処理槽（Ｂ.Ｒ）内の微細気泡Ｍ.Ｂと汚濁物Ｆの動きである。
一方、図４の（ｂ）は、図３中の被処理水１Ｗ中に配置されている微細気泡発生器Ｍから発生した微細気泡Ｍ.Ｂが、被処理水１Ｗ中の汚濁物Ｆに付着し浮力増により、散気部２から発生した気泡粒２ａに向かって浮上している様子を示している。

図５は、第１の実施の形態の曝気装置を用い、流通部である上昇パイプ７内に配置された散気部２から発生した気泡粒２ａによるエアーリフトの効果によって、低層水域の被処理水１Ｗを上昇パイプ７から上昇させ、低層水域の被処理水１Ｗを液泡に変化させ曝気処理している請求項３に記載された曝気装置の模式図である。
なお、図５中の気泡粒収束部３は、本実施の形態においては上昇パイプ７の上部に設置されているが、気泡粒収束部３は上昇パイプ７の上部に接続して作動させても良い。

図６は、第１の実施の形態の曝気装置から排出される処理水２Ｗの水頭差を利用して、処理水２Ｗを別の場所に移動させることができることを示す模式図である。本図において、散気部２から発生した気泡粒２ａは気泡粒収束部３内で気泡粒の集団３ａになり、連続的に散器部２から発生する気泡粒２ａの浮力と気泡粒の集団３ａの浮力とで、気泡粒の集団３ａの上側からより水面Ｓ.Ｗより上に上昇し液泡に変化させることができる。この事によって気泡粒２ａの周囲の被処理水１Ｗは、気泡粒上昇通路部４の上部域で液泡表面の薄膜水ＷＦになり、液泡曝し部５から受皿６へ処理水２Ｗとして溢流する。なお、薄膜水ＷＦは、図１１（ａ），（ｂ）に概念が示されている。
受皿６を流れる処理水２Ｗは槽仕切壁Ｈを越えて別の水槽へ送られ、低層域まで繋がった連通部である下降パイプ８内に処理水２Ｗを送り込むことで下降パイプ８内を自重で下降する。この実施の形態は、請求項４に記載された曝気装置に関する。

図７の（ａ）は、上側に丸いハニカム状の気泡粒上昇通路部４が４つ有り流れ方向Ｑが記載されている部分が立面図で、下側が正面図である。複数の気泡粒収束部３の下部端を連結させ隙間をなくすことによって、散気部２から発生してくる気泡粒を複数の気泡粒収束部３内で全て捕らえることができるので、大量の被処理水１Ｗを液泡に変化させて処理できる。
又、気泡粒収束部３の下部端が連結させているので被処理水１Ｗと処理水２Ｗが混合されることがなく、例えば、回収・移動目的に処理水２Ｗの流れ方向Ｑにすることができる。
図７の（ｂ）は、ステー３ｂを用いて散気部２を気泡粒収束部３に固定し、又、液泡曝し部５から最適な液泡が得られるような位置になるように、気泡粒収束部３に浮きＦＬを装着し、簡易に液泡曝気できる水面に浮かせ型曝気装置で、上側が立面図で下側が正面図である。尚、気泡粒上昇通路部４の構造は、図１のように気泡粒の上昇通路がドーナツ状のものだけではなく、図７中の４Ａのようにハニカム状の通路やパイプを束状にしたものでも良く、又、水面がゆれ平行が保てない場所は、４Ａのように液泡曝し部５が付いてないものでも液泡生成曝気はできる。
淡水等の粘性がない液体でも気泡粒上昇通路４内の壁と壁との間隔Ｋが５ｍｍ〜２０ｍｍ位までの範囲であれば液泡は生成でき、又、下水等のように粘性があれば更にその間隔Ｋを広げても液泡は生成できる。又、図７の（ｂ）中の４Ｂのように、内径を２０ｍｍ位の1本のパイプを用いても、気泡から液泡に変化させることができる。

図８は水道水を使用し、液泡生成曝気装置１を用いて図２に記載された作動方法で、散気部２は焼入型分散器（エアーストーン）を用いて気泡粒収束部３内の下部に配置し、水深20ｃｍ及び30ｃｍと水面Ｓ.Ｗからの距離（ＡＬ）を変え、又、水面Ｓ.Ｗから液泡曝し部５まで距離（ＢＬ）を10ｃｍ・12ｃｍ・14ｃｍと変えて、それぞれ１分間に液泡曝し部５から回収できた処理水２Ｗの量を表にしたものである。
尚、気泡粒上昇通路４の壁と壁の間隔Ｋが15ｍｍで、散気部２に空気を送るブロワは世晃産業製の形式ＤＦ-406を用い、消費電力は45Ｗであった。
上記図８から水面から気泡粒を発生させる場所（散気部２）が深いほど、液泡曝し部５から回収できる処理水２Ｗの量が多いことが理解できる。
これは深い場所から発生した気泡粒の浮力が加速され、気泡粒収束部３内に集って塊になっている気泡粒の集団に衝突することで浮力が大きくなり、気泡粒上昇通路４内を上昇する気泡粒が多くなることによって、液泡曝し部５から溢流する処理水２Ｗの量が多くなるためである。

図９中の液泡生成曝気ＤＯ値は、水道水に溶存している酸素を、東亜ＤＫＫ製・形式ＤＯ−２１Ｐの溶存酸素計を用いて測定しながら約ＤＯ2.80ppmまで脱気した基準水を作り、前記図８内の水面Ｓ.Ｗから散気部２までの水深（距離：ＡＬ）が20ｃｍ、水面Ｓ.Ｗから液泡曝し部５までの距離（ＢＬ）が10ｃｍの設定で固定し作動させて、毎分10.2Ｌ（リットル）液泡曝し部５から溢流された処理水のＤＯ値を測定し、合計4分間の処理量40.8Ｌと総酸素溶解量を表にしたものである。
もう一方の水中散気曝気ＤＯ値は、容器（直径20ｃｍ高さ3８ｃｍの円筒容器）に10.2Ｌの脱気した基準水（ＤＯ2.80ppm）を入れ、前記の液泡生成曝気方法と同じブロワ・同じ散気部２（エアーストーン）を用いて容器内の水面から20ｃｍの位置で４分間水中散気曝気し、1分経過ごとにＤO値を測定した。
このようにして総酸素溶解量及び処理量を測定することで、両曝気方法のエネルギー効率を比較することができる。
上記図９の液泡生成曝気による１分間の酸素溶解増量は8.05−2.80＝5.25ppmで、４分間の合計増量は5.25ppm×４分＝21.0ppmになり、水中散気曝気の酸素溶解増量は10.2Ｌの脱気水中での連続４分間の散気曝気をして8.41−2.80＝5.61ppmの増量となる。又、液泡生成曝気方法は曝気処理される処理水の酸素溶解増量（ＤＯ8.05ppm）が、水中散気曝気の約２分間（ＤＯ8.11ppm）に相当し、４分間の総処理量及び酸素溶解合計増量から見ても優れていると言える。
又、水中散気曝気による酸素溶解効率は、３分間及び４分間のＤＯ値の上昇は僅かで、ＤＯ飽和値に近づいた処理水への水中散気曝気は、エネルギー的に非効率で不経済であることがわかる。尚、脱気する前の水道水のDO値（溶存酸素濃度）は9.3ppmで水温は18.2℃であった。
又、上記の実験とは別に、消費電力の少ないジェックス（株）製・形式ＧＸ400Ｎの観賞魚用エアーポンプを用いて、液泡粒収束部３（水面）から下側３０ｃｍに配置した小さなエアーストーンから気泡粒を発生させ、水面Ｓ.Ｗから液泡曝し部５までの距離を気泡粒上昇通路４（12ｍｍ径のパイプ1本）部分の長さを変えて実験をした結果、毎分0.9Ｌの処理水を求めることができた。しかし、水面Ｓ.Ｗから液泡曝し部５まで高さは約３ｃｍであった。
このエアーポンプの消費電力は前記のブロワの２５分の１の1.8Ｗで、消費電力当りの処理水量は前記ブロワより多いが、水面より上に上昇する高さが低いために液泡表面の薄膜水が厚いようである。
以下、本発明の第２の実施の形態に係る曝気システムについて、以下図面を参照しながら詳細に説明する。

図１０は本発明の第２の実施の形態に係る曝気システムの正面図である。
図１０中の１１は請求項６に記載された発明に係る曝気システム、１２は加圧及び減圧に耐えられるタンク、１２ａはタンク１２内の処理水２Ｗの排出量を調整する排出調整弁、１２ｂはタンク１２内を減圧状態にする時に開放する減圧バルブ、１２ｃはタンク１２内の脱気水を回収する時に開放する回収バルブ、１２ｄはタンク１２内の圧力を感知し、その情報を電気的に各弁及びポンプ等に伝えることのできる圧力計センサー、１２ｅは例えば酸素ガス溶解等においてタンク１２内に溜まってくる余分なチッソガス等を抜くことで、酸素溶解濃度を上げることできる余分ガス排出弁、１３はタンク１２内へ被処理水１Ｗを供給する供給ポンプ、１３ａは供給ポンプ１３を作動させて被処理水１Ｗを吸引する吸引管、１３ｂは吸引管１３ａ内に発生する負圧を利用して気体を自吸させ、又、その気体自吸量を調整する気体自吸量調整弁、１３ｃは供給ポンプ１３を作動させた後に開放する供給弁、１３ｄはタンク１２内が減圧状態の時に被処理液１Ｗがタンク１２内へ吸引される量を調整する液体自吸量調整弁、１４は被処理水１Ｗをタンク１２内に供給する供給パイプ、１５は被処理水１Ｗを液泡に生成することができる液泡生成容器、１６はタンク１２内の気体Ｘ（加圧及び減圧）をエアー吸引管１６ａで吸引し、エアー供給管１６ｂを介して液泡生成容器１５内の底部に配置された散気部２に供給するエアーポンプ、１７は上段の液泡生成容器１５から溢流した処理水を受け止めて、下段の液泡生成容器１５内へ送入することができる受皿管、１８はタンク１２内の気体を抜き減圧状態にすることができる真空ポンプ、１９はタンク１２内が減圧状態で脱気された処理水２Ｗを回収する回収ポンプ、２０はタンク１２内の下部に一時的に貯留されている処理水２Ｗの水位を感知し、その水位情報を電気的に各弁及びポンプ等に伝え適正に作動させる為の水位センサーである。
尚、この曝気システムはタンク１２内が加圧状態又は減圧状態で作動させるので、液泡曝し部５がなくても液泡表面の薄膜水に圧力に応じて十分に気体を溶解させることができ、又、液泡表面の薄膜水から減圧度に応じて十分に気体を脱気することができる。

第２の実施の形態における曝気システム１１の作動方法について説明する。
この曝気システムは、気体を液体に高濃度に溶解すること、液体中に既存に溶解している気体を脱気することができるが、解かりやすく説明するために別々に説明する。
まず、気体を液体中に高濃度に溶解させる方法から図１０を用いて説明する。
尚、図１０中に記載された全ての弁やバルブは、最初は閉じているものとする。
最初にポンプ１３を作動させて、吸引管１３ａから被処理水１Ｗを吸引し供給弁１３Ｃを開放することによって、供給パイプ１４の端が図中のように気泡粒上昇通路４内の中心部に向いて曲がっているので、被処理水１Ｗは液泡生成容器１５内に供給される。
この時に吸引管１３ａ内に発生している負圧を利用して接続されている気体自吸量調整弁１３ｂから適量に設定された気体Ｘが自吸され、気液混合水のかたちでタンク１２内に供給される。
連続的に気液混合水がタンク１２内へ供給されることにより、徐々にタンク１２の圧力が上昇する。
例えば、排出調整弁１２ａを閉じたまま作動させ、所望に予め設定した圧力タンク１２内の圧力が0.2MPaの場合には、タンク１２内の処理水２Ｗの水位が約3分の２になり、0.1Mpaの場合は約２分の１の水位になる。

このように作動させると、タンク１２内の処理水２Ｗの水位が高い状態になるので、圧力計センサー１２ｄから詳細な情報を排出調整弁１２ａに伝えて、予め設定したタンク１２内の圧力より低い状態の時から、徐々にタンク１２内の処理水２Ｗを排出させて、気体を気体自吸量調整弁１３ｂから自吸供給することで水位を下げることができ、又、タンク１２内の圧力も予め設定した圧力に徐々に近づけることができる。
このことで下限水位Ｚを水位センサー２０によって感知するまでは、気体自吸量調整弁１３ｂから気体が自吸供給されることになる。例えば、早くタンク１２内の水位を下限水位Ｚまで下げるために、初作動時だけコンプレッサーを用いてタンク１２内を所望の設定圧力にすることで、素早く正常に作動させることもできる。
水位センサー２０が下限水位Ｚを感知した時点で、その情報を電気的信号によって気体自吸量調整弁１３ｂに伝え気体Ｘの自吸を停止させる。
このことによってタンク１２内へは、新たな気体は供給されずにタンク１２内の気体Ｘが徐々に溶解されることで、徐々にタンク１２内の処理水２Ｗの水位が上昇する。
水位が上昇し水位センサー２０の上限水位Ｙを感知した時点で、再び気体自吸量調整弁１３ｂからタンク１２内へ気体の自吸供給が開始される。この作動を交互に繰り返すことによって連続的に作動できる。
次に、エアーポンプ１６を作動させて、液泡生成容器１５内の底部に配置された散気部２から気泡粒を発生させることによって、その気泡粒は気泡粒上昇通路４内の外周部分から上昇し上部域で液泡に変化させることによって、被処理水１Ｗを液泡表面の薄膜水ＷＦにできる。

液泡生成容器１５内での液泡の生成方法は、第１の実施の形態の曝気装置１とほぼ同様であるが、圧力が高い気体Ｘを用いて散気部２から気泡粒を発生させるので、当然、生成される液泡内は圧力が高い気体であり、図１１（ａ）に記載した液泡が集って塊になった模式図のように、液泡表面の薄膜水ＷＦに圧力Ｐに応じて瞬間的に気体が溶解され、液泡生成容器１５の最上部から溢流し、受皿管１７によって下段に配置された液泡生成容器１５に送入され、再度、再々度、又は液泡生成容器１５が下段に配置された数ほど処理水２Ｗを繰り返し液泡の薄膜水ＷＦにすることができるので、溶解しにくい気体又は溶解しにくい液体の状態の場合でも、高濃度に気体溶解できる。
又、例えば空気に比べ純酸素ガス等の比較的溶解しやすい気体を溶解させた場合には、被処理水に元々溶存していたチッソガスがタンク１２内に放出されるので、徐々に回収される処理水２Ｗの酸素溶解濃度が下がる。この時、センサーやタイマー等を用いて間欠的に、余分ガス排出弁１２ｅからタンク１２内に溜まったチッソガスを抜くことで、酸素溶解濃度上げることができる。

次に、この曝気システムを用いて、液体に既存に溶解している気体を脱気する方法を図１０で説明する。
最初に減圧バルブ１２ｂを開けて真空ポンプ１８を作動させることによりタンク１２内の気体を抜き、所望の減圧度を圧力計センサー１２ｄによって感知した時点で、液体自吸量調整弁１３ｄによって自吸される被処理水１Ｗの量を調整することで、適量の被処理水１Ｗがタンク１２内へ吸い込まれ、供給パイプ１４の端が気泡粒上昇通路４内の中心部に向いているので、液泡生成容器１５内に被処理水１Ｗを供給することができる。
又、この時点でエアーポンプ１６を作動させることで、液泡生成容器１５内の底部分に減圧された気体Ｘの気泡粒を発生させることができ、その気泡粒は気泡粒上昇通路４内の外周部分を上昇し、上部域で液泡に変化し溢流することで、図１１（ｂ）に記載した液泡の塊になった模式図のように、液泡表面の薄膜水ＷＦに溶存している気体が、液泡内の減圧−Ｐの空間に放出されることで、被処理水１Wを脱気処理することができる。
又、このように脱気された処理水２Ｗを、前記した高濃度の気体溶解水を製造する時と同様に、受皿管１７で下段の液泡生成容器１５に送られることによって、再度、再々度、処理水２Ｗは繰り返し液泡表面の薄膜水ＷＦにできるので、脱気しにくい気体が溶解されている場合や、気体が放出しにくい液体から脱気する場合でも、高度に脱気処理をすることができる。
上記のようにタンク１２内の減圧状態を繰り返し利用することで、脱気に使われるエネルギーの無駄を最小限にでき、又、真空ポンプ１８から脱気した気体Ｘも簡単に回収することもできる。
タンク１２内に貯留される処理水２Ｗの水位を、水位センサー２０の上限水位Ｙで感知した時点で、回収ポンプ１９を作動させてから、回収バルブ１２ｃを開放することでタンク１２内の処理水２Ｗを回収でき、下限水位Ｚを感知した時点で回収バルブ１２ｃを閉めて回収ポンプ１９を停止する。
この作動を繰り返してタンク１２内に貯留される処理水２Ｗを回収するか、又は液体自吸量調整弁１３ｄの調整によって液泡生成容器１５内に吸い込まれる被処理水１Ｗの量と、回収ポンプ１９から回収される量とを、タンク１２内の水位センサー２０で水位を感知しながら連動調整することで連続的に作動させることもできる。
又、液体自吸量調整弁１３ｄからの吸い込み量が少ない場合は、ポンプ１３を作動させて被処理水１Ｗの供給量を供給弁１３ｃで調整しながら供給しても良い。

以下、本発明の第３の実施の形態の曝気装置について、以下図１２乃至図１５及び図１１を参照しながら詳細に説明する。
図１２は本発明の第３の実施の形態における曝気装置の正面断面図であり、図１３はエアーポンプ等を作動させて気体Ｘを散気部２２に供給し、気泡粒を発生させて液泡を生成し、処理水２Ｗを別の水槽に移送している模式図である。図１３において、１Ｐは実施の形態１の曝気装置、２２はエアーストーン等の散気部、２ｂは散気部２２へ加圧気体を供給する気体供給管、３Ｐは散気部２２から発生した気泡粒を上昇させる筒状の気泡上昇部と、４Ｐは集った気泡粒を水面Ｓ.Ｗより上に上昇させて液泡に変化させる気泡粒上昇通路部、５Ｐは液泡の生成状態を保持することと、その液泡を別の場所に移送する役目を持つ液泡送水部であり、Ｈは槽仕切壁である。

第３の実施の形態における曝気装置１Ｐの作動方法を図１３で説明する。
まず、被処理水１Ｗ中の水面近傍（例えば２０ｃｍ〜６０ｃｍ程度）に配置された散気部２２に、気体供給管２ｂを介してエアーポンプ又はブロア等で加圧された気体Ｘを供給することで、気泡上昇部３Ｐ内に連続的に気泡粒を発生させる。筒状の気泡上昇部３Ｐ（実験装置では内径４０ｍｍの透明塩化ビニール管を使用。）の上部に、小さくなった内径５〜２０ｍｍ位で高さ３０〜１００ｍｍ程度のパイプ管４Ｐ１を複数束ねた管状部分４Ｐ２（実験装置では内径１３ｍｍで高さ７０ｍｍの透明塩化ビニール管を使用。）を備えた気泡粒上昇通路４Ｐが接続されている。気泡上昇部３Ｐ内で連続的に発生する気泡粒は上昇し、気泡粒上昇通路部４Ｐ内を上昇する時には気泡粒の周囲の水は重力で下方に分離されるので、気泡粒上昇通路部４Ｐの上部ではシャボン玉状の塊（図１１（ａ）の液泡の集団の模式図で、Ｐは気体圧で、右は拡大図でＷＦは液泡の表面液膜を表す。）に変化させることができる。
又、この時に水面Ｓ．Ｗから気泡粒上昇通路部４Ｐの上部までの距離ＢＬが長ければ、液泡送水部５Ｐ内を流れる液泡通過量（処理量）は少なく、短ければ液泡通過量（処理量）は多くなる。又、散気部２２から水面Ｓ．Ｗまでの距離ＡＬが長ければ、気泡粒が上昇する浮力エネルギーが大きく、短ければ小さくなる。

液泡送水部５Ｐは、気泡粒上昇通路部４Ｐの上部で生成された液泡の状態を、少しでも長い時間保つ為に上下に開口されていて、上開口部ｈから大気圧Ａが掛かり、下開口部ｇ端を液泡送水部５Ｐ内の液泡の生成状態に応じて水中に浸けて微弱な水圧を掛け、連続的に生成される上開口部ｈ〜下開口部ｇまでの液泡質量により、下開口部ｇ部分で液泡の表面水が着水した圧により破壊され処理液２Ｗになる。
今回、散気部２２に市販のエアーストーンを用いて実験した結果、ＡＬが２０〜３０ｃｍ前後位の距離が液泡の生成に適したが、散気部２２に取り付けられる製品メーカーの違いにより発生する気泡粒の大きさや量、及び気体Ｘを供給するエアーポンプ又はブロア等の風圧によっても変わる。
例えば、動植物の細胞を培養する場合等は、細胞に衝撃を与えない様に水面からの散気部までの距離ＡＬを短くして、なるべくソフトに液泡を生成させても良い。又、魚介類養殖場等において大量に早く曝気処理したい場合は、装置をスケールアップすることや、散気部から大量に気泡粒を発生させること等や、又は水面Ｓ．Ｗからの散気部２２までのＡＬを離して気泡粒の浮力エネルギーを増大させても良い。
異物が多く混入した被処理水１Ｗの場合は、散気部２２付近又は被処理水吸引口を網等で囲うことでストレーナーの働きをする。又、気泡上昇部３Ｐの下端部分にパイプやホース等を接続して深部の被処理水１Ｗを汲み上げても良く、又、下開口部ｇの端にパイプやホースを接続して処理水２Ｗを深部に送っても良い。

本発明の第４の実施の形態の曝気装置について、以下図面を参照しながら詳細に説明する。
図１４は、第４の実施の形態の曝気装置を稼動させた時の気泡粒及び液泡の動きを示した模式図で、１Ｗは被処理水、２２は散気部、２ｂは気体供給管、３Ｐは気泡上昇部、４Ｐは気泡粒上昇通路部で、ここまでは図１２の第３の実施の形態の曝気装置と機能はほぼ同じである。
第３の実施の形態と相違するのは、液泡送水部５Ｐの上開口部ｈ部分に気体吸引孔７Ｐと気体量調整弁１０Ｐを取り付け、下開口部ｇ部分に液泡が着水し破裂して液体になる時に、液泡中の気体が液泡送水部５Ｐの外部に漏れるのを防ぐ目的を備えた点と、液泡送水部５Ｐ内に若干の圧が加わるようにして、液泡の生成状態が良くなるように取り付けられた液泡受皿６Ｐが存在する点である。
まず、エアーポンプ又はブロア８Ｐを作動させ、気体供給弁９Ｐから製造コストの掛かっている酸素ガスや水素ガス等の気体１Ｘを適量供給し、液泡送水部５Ｐ内に液泡を生成させる。
この時、上開口部ｈ部分には処理水２Ｗ中に溶解できなかった気体１Ｘが集るので、気体吸引孔７Ｐ部分から気体吸引管２ｃを介してエアーポンプ又はブロア８Ｐに吸引させ、気体供給弁９Ｐから新しく供給される気体１Ｘと共に再利用している。
液泡受皿６Ｐ内に下開口部ｇの端を浸けることによって、液泡送水部５Ｐ内を適圧に維持でき、適した液泡の生成状態を保つことができる。
又、上開口部ｈ部分に取り付けられた気体量調整弁１０Ｐは、若干、余るように気体供給弁９Ｐから供給された気体１Ｘを、若干気体２Ｘとして排出することによって、液泡送水部５Ｐ内の内圧を微調整できる。なお、液泡受皿６Ｐは、皿状のものでなくともよく、どのような容器形態でもよい。

次に、本発明の第５の実施の形態の曝気システムについて、以下図面を参照しながら詳細に説明する。
図１５（ａ）は第５の実施の形態に係る曝気システムの正面断面図である。図１５（ａ）において、曝気装置１Ｍは、ＡＬが２０〜６０ｃｍ程度の深さに気体を送り気泡粒を発生させる散気部３２と、発生させた気泡粒を上部に集める四角錐状の気泡粒収束部３３と、気泡粒収束部３３の上部に接続された直径１０〜２０ｍｍ位で高さ３０〜１００ｍｍ程度のパイプ管状を束ねた部分の気泡粒上昇通路３４と、を備えた複数の曝気装置の下部端３Ａ部分を、隙間なく接続して構成されるものである。
図１５（ｂ）は、汚水処理場等の曝気処理槽内の水面上部に曝気装置１Ｍが設置され、エアーポンプ又はブロア等で気体Ｘを散気部３２に供給している正面断面図で、Ｒ．Ｗは汚水処理場の流水方向である。図１５（ｃ）は、（ｂ）の側面断面図であり、被処理水１Ｗ中に散気部３２から気泡粒を発生させることによって、被処理水１Ｗは液泡の液膜に変化し、気泡粒上昇通路３４から溢流し酸素の豊富な処理水２Ｗとして、ガイド壁Ｗａに添って下降し、底層部分の貧酸素域に送られる処理水２Ｗの流れＱを示している。また、図１５（ｄ）は、（ｂ）の立面図である。
被処理水１Ｗの種類や粘性及び日量の処理量に応じて、ＡＬの距離を調整することもでき、長ければ気泡粒の浮力が増大し処理量を増やすことができる。又、通常の曝気に比べ液泡に変化させるだけで酸素の溶解効率が高いので、若干溶解効率は下がりますがＢＬの距離を短くして処理水を多量に増やすこともできる。

第３の実施の形態の曝気装置１Ｐを用い、図１２中の気泡上昇部３Ｐの内径は４０ｍｍで、気泡粒上昇通路部４Ｐ部分に１３ｍｍのパイプを４本束にして内着し、ＡＬの距離は２０ｃｍ、ＢＬの距離は５ｃｍで、ブロアは世晃産業製の型式ＬＬ４０・消費電力は３６Ｗを使用し、散気部２２に加圧空気を供給することで液泡送水部５Ｐ内に液泡を生成することができ、下開口部ｇから毎分10.3Ｌの空気で良く曝気された処理水２Ｗを得ることができた。
又、気泡上昇部３Ｐ部分と気泡粒上昇通路部４Ｐ部分は、第３の実施の形態の曝気装置１Ｐと同じものを用い、又、ＡＬ、ＢＬの距離も同じにして、液泡送水部５Ｐの下開口部ｇ部分に液泡受皿６Ｐを取り付け、上開口部ｈ部分気体吸引孔７Ｐと気体量調整弁１０Ｐを取り付けて、図１２記載の第４の実施の形態の曝気装置を製作し、気体供給弁９Ｐから気体１Ｘとして純酸素を供給して作動させた。この実験に使用した被処理水１Ｗは水道水で、水温17.2℃・溶存酸素量ＤＯ9.25ppmであり、液泡受皿６Ｐから溢流した処理水２Ｗは毎分10.3Ｌの処理量でＤＯ37.5ppmの高濃度酸素水であった。

産業上の利用の可能性

（１）既存の下水処理場において、既に設置してある曝気装置から発生する気泡粒を液泡に変化させるだけで、処理水中に酸素を高効率に供給できるので、微生物が更に活性し下水処理能力を高めることができ、又、大半の既存設備をそのまま活用できるので経済的である。
（２）湖沼や海洋等の閉鎖水域、又はその水域における養殖場等への酸素供給、又、その水底域及び水中域に浮遊する汚濁物（残餌、糞も含む）の回収除去に有用である。
（３）観賞用水槽においての酸素供給、及び残餌や糞の回収除去に有用である。
（４）工業用の循環水中に含有する浮遊物等の回収除去に有用である。
（５）高濃度の気体溶解水及び脱気水の製造に有用である。
（６）高濃度気体溶解処理及び脱気処理を組み合わせて、各種機能水の製造に有用である。例えば、被処理水中に既存に溶解している気体を抜き脱気処理水を製造、その脱気処理水に所望の気体を高濃度に溶解させることによって、特殊な作用を持つ機能水を作ることが考えられる。
（７）液体を液膜化して気体を高効率に溶解させる機能と、同時に、その液体を別の場所に移動できるポンプとしての機能を兼ね備えた曝気装置に有用である。
（８）汚水処理場等の被処理水に高効率に酸素を富化させる曝気装置に有用である。
（９）オゾンガスを用いた処理水に残った不用オゾンガスの放散処理等に有用である。

Claims (2)

1. エアーポンプ又はブロア（８Ｐ）を用いて、加圧気体を被処理水（１Ｗ）中に供給し気泡粒を発生させる散気部（２２）と、前記散気部（２２）を筒状に形成される内部に配置することで前記気泡粒の集団を上昇させる気泡上昇部（３Ｐ）と、前記気泡上昇部（３Ｐ）の上部に接続され，管（４Ｐ１）を複数束ねた管状部（４Ｐ２）を備えて前記気泡粒の集団を液泡の集団に変化させて前記被処理水（１Ｗ）を液膜化する気泡粒上昇通路部（４Ｐ）と、この気泡粒上昇通路部（４Ｐ）で生成された液泡の集団を液泡状態のまま移送し，上下に開口部（ｈ，ｇ）を備えつつ下開口部（ｇ）から液泡を破壊させて処理液（２Ｗ）を回収する液泡送水部（５Ｐ）と、を備えたことを特徴とする曝気装置。
2. 曝気処理槽において、被処理水（１Ｗ）の水面（Ｓ．Ｗ）近傍の水中に気泡粒を発生させる散気部（３２）と、発生した前記気泡粒を上部に集める錐状の気泡粒収束部（３３）と、前記気泡粒収束部（３３）の上部に，管（４Ｐ１）を束ねた管状部（４Ｐ２）を備えて前記気泡粒の集団を液泡の集団に変化させて前記被処理水（１Ｗ）を液膜化し開口した上部から処理水（２Ｗ）を溢水させる気泡粒上昇通路（３４）と、を備えた曝気装置を複数用いて、この複数の前記曝気装置の前記気泡粒収束部（３３）の下部端（３Ａ）を隙間なく接続して構成された集合曝気装置と、上端部を前記集合曝気装置の外周端部に設け、下端部を前記曝気処理槽の底層に配置するガイド壁（Ｗａ)と、を有することを特徴とする曝気装置システム。