JP5113552B2 - 水質浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川、池、湖沼、汽水域や海など、閉鎖水域や開放水域の水質を浄化する装置に関するものである。

上記のような水域の水質を浄化するために、水域の水中の溶存酸素量を増加させることが行なわれている。水中の溶存酸素量を増加させることによって、水域の水を好気性の生物で浄化することができるものである。

例えば特許文献１では、空気を圧縮空気として貯蔵し、通気性フィルムに圧縮空気を透過させて微細な気泡を含有する微細気泡含有水を生成させ、水域の水底に配置された送水管の吐出孔からこの微細気泡含有水を水中に放出させることによって、水域の溶存酸素量を増加させるようにしている。
特開２００７−３３０９０６号公報

上記の特許文献１のものでは、水底に配置された送水管の吐出孔から微細気泡含有水を水中に放出することによって、微細気泡含有水に含有される気泡を水圧で水中に溶解させて、溶存酸素量を増加させるようにしているものであるが、この水圧は水域の水深に依存するので、水深により酸素溶解量は変わることになる。例えば水深が１０ｍ以下であると水圧は０．１ＭＰａ以下であるので、気泡は容易に水中に溶解せずに水面まで浮上することになり、溶存酸素量の大きな増加を期待することはできない。従って、特許文献１のものは、水域の水深によっては水質浄化の効果を十分に得ることができないという問題を有するものであった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、水域の水深に関係なく、水域の水の溶存酸素量を増加して水質浄化することができる水質浄化装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る水質浄化装置は、水域Ａの水質を浄化する装置であって、水域Ａから汲み上げられた水を圧送する加圧部１と、水に酸素を注入する酸素注入部２と、酸素を注入された水が加圧部１で圧送されることによる加圧で水に酸素を溶解させる加圧溶解部３と、加圧溶解部３で酸素を溶解させた酸素溶解水の圧力を、酸素溶解水の流入側から流出側に向かって順次大気圧まで減圧する減圧部４とを備え、減圧部４は、加圧溶解部３から酸素溶解水を送り出す内径２〜５０ｍｍの流路６に設けられ酸素溶解水の圧力を大気圧にまで段階的に減圧する複数の圧力調整弁７で構成されており、加圧溶解部３から酸素溶解水を送り出す流路６の圧力損失とこの流路６に付加した延長流路８の圧力損失の和が、加圧部１で圧送される水と酸素の押し込み圧によって加圧溶解部３内で水と酸素を加圧するのに必要な圧力となるように、減圧部４に設けられた流路６の加圧溶解部３とは反対側の端部に延長流路８が付加され、加圧部１、酸素注入部２、加圧溶解部３の各部を連続的に運転させて、減圧部４に酸素溶解水を臨界レイノルズ数（Ｒｅ＝２３２０）より小さなレイノルズ数の層流状態で連続的に供給し、減圧部４の流出側から気泡の発生のない酸素溶解水を連続的に吐出させて水域Ａに返送するようにして成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、加圧部１による加圧によって水に酸素を溶解させるため、酸素を水に高濃度に溶解させることができるものであり、また酸素を高濃度で溶解した酸素溶解水の圧力を、減圧部４で流入側から流出側に向かって順次大気圧まで減圧するものであるため、酸素溶解水に気泡が発生することを防止して、高濃度で酸素が溶解した酸素溶解水をそのまま水域Ａに返送することができるものであり、酸素溶解水中に高濃度で溶解した酸素を水域Ａの水中に供給することができ、水域の水深に関係なく水域Ａの水の溶存酸素量を増加して水質浄化することができるものである。また、圧力調整弁７による圧力調整で酸素溶解水の圧力を下げることができ、加圧溶解部３における圧力に応じて圧力調整弁７で減圧調整することによって、酸素溶解水に気泡が発生することを安定して防ぐことができるものである。また、流路６に延長流路８を付加することによって、絞り弁を用いる必要なく、加圧部１からの押し込み圧で加圧溶解部３内の圧力を確保することができ、この圧力で水に酸素を溶解させることができるものである。

また更なる発明は、加圧溶解部３で水に溶解しない余剰酸素を排出する余剰酸素排出部５を備えて成ることを特徴とするものである。

この発明によれば、水に溶解しない余剰酸素を加圧溶解部３から排出することによって、余剰酸素が残留することによる加圧溶解部３内の酸素と水の比率を安定させて圧力変動を防ぐことができ、酸素の溶解効率を高く維持することができるものである。

また更なる発明は、上記の減圧部４は、一つの流路で形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、複数の流路を設けて減圧部４を形成する場合のような、装置構成が複雑になることがないものである。

本発明によれば、加圧部１による加圧によって水に酸素を溶解させるようにしたので、酸素を水に高濃度に溶解させることができるものであり、また酸素を高濃度で溶解した酸素溶解水の圧力を、減圧部４で流入側から流出側に向かって順次大気圧まで減圧するようにしたので、酸素溶解水に気泡が発生することを防止して、高濃度で酸素が溶解した酸素溶解水をそのまま水域Ａに返送することができるものであり、酸素溶解水中に高濃度で溶解した酸素を水域Ａの水中に供給することができ、水域の水深に関係なく水域Ａの水の溶存酸素量を増加して水質浄化することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の実施の形態の一例を示すものであり、加圧溶解部３の流出側と流入側にそれぞれ配管で形成される流路１５，６が接続してある。流入側の流路１５は一端を加圧溶解部３に接続し、他端の導入口３０を水域Ａの水中に配置してある。この水域Ａは特定のものに限定されないものであり、河川、池、湖沼、汽水域や海など、閉鎖水域や開放水域の総てを含むものである。また流路１５の途中には加圧部１が設けてある。加圧部１は、例えば、水域Ａの水を吸い上げて加圧溶解部３に圧送するポンプ１８などで形成されるものである。

またこの流入側の流路１５に酸素注入部２が接続してある。酸素注入部２は酸素を流路１５に供給して注入するためのものである。酸素注入部２から注入される酸素としては、純酸素であってもよいが、空気など酸素を含むガス中の酸素であればよい。例えば空気中の酸素を供給して注入する場合には、一端を大気中に開放させた管体の他端を流路１５に接続して酸素注入部２を形成することができる。また純酸素を供給して注入する場合には、酸素を封入したボンベなどを流路１５に接続して酸素注入部２を形成することができる。流路１５への酸素注入部２の接続位置は、加圧溶解部３より上流側の位置であればよく、図１のように加圧部１より上流側の流路１５に接続するようにしても、あるいは加圧部１より下流側の流路１５に接続するようにしてもいずれでもよい。

一方、流出側の流路６は一端を加圧溶解部３に接続し、他端の吐出口３１は水域Ａの水底に配置してあり、この流路６には減圧部４が設けてある。また加圧溶解部３には余剰酸素排出部５が設けてある。余剰酸素排出部５は、例えば、一端を大気に開放した管体を、加圧溶解部３内の気圧が所定の圧力以上になると開口するガス抜き弁などを介して加圧溶解部３に接続することによって形成してある。

上記のように形成される水質浄化装置にあって、ポンプ１８で形成される加圧部１を作動させると、流路１５の端部の導入口３０から水域Ａの水が吸い上げられ、流路１５を通して加圧溶解部３へこの水が圧送して供給される。このように流路１５内を水が流れる際に、酸素注入部２から酸素が流路１５内に吸引されて水に酸素が注入される。そしてこのように酸素が注入された水を加圧部１で加圧溶解部３へ圧送して送り込むことによって、この圧送による押し込み力で加圧溶解部３内において水と酸素に圧力が加わって高圧になる。このように加圧溶解部３内で水と酸素を加圧することによって、水に酸素を効率高く飽和量以上に溶解させることができ、水に酸素が高濃度で溶解した酸素溶解水を得ることができるものである。

このように加圧溶解部３内において水と酸素を加圧して強制的に効率良く溶解させ、高濃度で酸素が溶解した酸素溶解水を短時間で生成することができるため、加圧溶解部３内で生成された酸素溶解水を流路６を通して送り出しながら、加圧溶解部３内で水に酸素を溶解させるようにすることができるものである。従って、加圧溶解部３をタンクのような容積の大きなもので形成する必要がなくなるものであり、装置規模を小さくして装置のコストを低減することが可能になるものである。

ここで、酸素注入部２から注入される酸素の全量が水に溶解しないと、加圧溶解部３内で水に溶解しない余剰酸素が生じるが、加圧溶解部３に余剰酸素排出部５を設け、酸素の溶解飽和量以上の溶解できない余剰酸素を加圧溶解部３から排出することによって、余剰酸素が残留することによる加圧溶解部３内の酸素と水の比率を安定させて圧力変動を防ぐことができ、酸素の溶解効率を高く維持することができるものである。

そして、上記のように加圧溶解部３で生成された酸素溶解水は、流路６を通して送り出されるが、加圧溶解部３内で酸素溶解水は高圧に加圧された状態にあるので、そのまま水域Ａに返送されると、急激な圧力低下によって、酸素溶解水中に気泡が発生するおそれがあり、酸素溶解量が減少し、またキャビテーションが発生することがある。このために本発明では、流路６に減圧部４を設け、加圧溶解部３内で加圧された状態の酸素溶解水を流路６を通して送り出す際に、減圧部４で大気圧まで気泡を発生させることなく減圧をした後に吐出するようにしてある。

ここで、加圧溶解部３内で生成されるのと同じ濃度の酸素溶解水について、加圧溶解部３内で加圧されている圧力と同じ圧力から大気圧まで減圧する際に、気泡が発生しない減圧度を、予め計算や測定で求めておき、減圧部４をこの予め求めた減圧度で、酸素溶解水が流入側する側から流出側に向かって、酸素溶解水の圧力を段階的に、あるいは連続的に、徐々に大気圧まで減圧できるように設定してある。従って、加圧溶解部３内で加圧された酸素溶解水を、減圧部４において気泡が発生しない減圧度で徐々に大気圧まで減圧した後に、流路６の先端から吐出することによって、酸素溶解水に気泡が発生することなく酸素溶解水を吐出することができるものであり、加圧溶解部３で飽和量以上に酸素が溶解された酸素溶解水を、安定した高濃度の状態のまま送り出して利用することが可能になるものである。

図２は、減圧部４の具体的な実施の形態の一例を示すものであり、加圧溶解部３に接続される流路６に、水の流れ方向に沿って複数の圧力調整弁７（７ａ，７ｂ，７ｃ）を設けることによって、減圧部４を形成するようにしてある。このように減圧部４を複数の圧力調整弁７を備えて形成することによって、気泡が発生しない減圧度で酸素溶解水の圧力を段階的に徐々に下げることができるものである。

各圧力調整弁７ａ，７ｂ，７ｃは、酸素溶解水に気泡発生が生じない減圧度で減圧するように設定されているものであり、この減圧度は予め計算や測定で求めた数値に設定されるものである。例えば、加圧溶解部３から流路６に送り出された酸素溶解水の加圧圧力が０．５ＭＰａであるとき、気泡が発生しない減圧量が０．１２ＭＰａであると測定によって判明しているとすると、圧力調整弁７ａで酸素溶解水の圧力を０．１２ＭＰａ減圧して、０．３８ＭＰａに落とす。また酸素溶解水の加圧圧力が０．３８ＭＰａであるとき、気泡が発生しない減圧量が０．１６ＭＰａであると測定によって判明しているとすると、次の圧力調整弁７ｂで酸素溶解水の圧力を０．１６ＭＰａ減圧して、０．２２ＭＰａに落とす。さらに酸素溶解水の加圧圧力が０．２２ＭＰａであるとき、気泡が発生しない減圧量が０．２２ＭＰａ以上であると測定によって判明しているとすると、次の圧力調整弁７ｃで酸素溶解水の圧力を０．２２ＭＰａ減圧して、加圧圧力を０ＭＰａに落とし、大気圧まで減圧することができるものである。尚、圧力調整弁７による減圧量は、水温、酸素の溶解濃度、加圧溶解部３内の圧力、流路６の径などに応じて変動するものであり、装置毎に、計算や測定をして、適宜設定されるものである。

図３は、減圧部４の具体的な実施の形態の他の一例を示すものであり、加圧溶解部３に接続される流路６を流路断面積が異なる複数の管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えて形成し、この流路断面積の異なる複数の管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃで減圧部４が形成されるようにしてある。

図３（ａ）の実施の形態では、流路断面積が異なる、つまり内径の異なる複数の管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃを一体に連ねるようにしてあり、酸素溶解水の流れの上流側から下流側へと、徐々に管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃの径が小さくなるようにしてある。また図３（ｂ）の実施の形態では、内径の異なる複数の管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃをレジューサ２１を介して接続して連ねるようにしてあり、酸素溶解水の流れの上流側から下流側へと、徐々に管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃの径が小さくなるようにしてある。さらに図３（ｃ）の実施の形態では、酸素溶解水の流れの上流側から下流側へと連続的に径が小さくなる管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃを一体に連ねるようにしてある。

この図３のものにあって、各管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃの内径はφｄ_１＞φｄ_２＞φｄ_３であるので、各管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃ内の酸素溶解水の流速はＶ_１＜Ｖ_２＜Ｖ_３となり、各管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃ内の酸素溶解水の圧力はＰ_１＞Ｐ_２＞Ｐ_３となる。従って、加圧溶解部３から送り出される酸素溶解水の圧力Ｐ_１を気泡が発生しない減圧度で、図３（ａ）（ｂ）のものでは段階的に減圧して、また図３（ｃ）のものでは連続的に減圧して、Ｐ_３の大気圧まで徐々に下げることができるものである。

図４は、減圧部４の具体的な実施の形態の他の一例を示すものであり、加圧溶解部３に接続される流路６を通して酸素溶解水を排出する際に、流路６内を酸素溶解水が流れる際の圧力損失によって、酸素溶解水に気泡が発生しない減圧速度で酸素溶解水の圧力を徐々に連続的に低下させ、酸素溶解水の圧力を大気圧にまで低下させるようにしてある。従って図４（ａ）の実施の形態では、加圧溶解部３内での圧力がＰ_１の酸素溶解水を、流路６内を通過させる際にＰ_２〜Ｐ_ｎ−１へと、酸素溶解水に気泡が発生しない減圧速度で徐々に連続的に圧力を低下させ（Ｐ_１＞Ｐ_２＞Ｐ_ｎ−１）、流路６の終端では酸素溶解水の圧力Ｐ_ｎが大気圧にまで低下するように、流路６の流路断面積と管路長さＬを設定するようにしてあり、このような流路断面積と管路長さＬを有する流路６によって減圧部４が形成されるものである。

この管路長さＬは、次の式から設定することができる。すなわち、
流体の関係式Ｐ＝λ・（Ｌ／ｄ）・（ｖ^２／２ｇ）
［Ｐは加圧溶解部３内の圧力、λは管摩擦係数、ｄは内径、ｖは流速、ｇは加速度]
から、Ｌ＝（Ｐ・ｄ・２ｇ）／（λ・ｖ^２）を導くことができ、この式から計算して流路６の管路長さＬを求めることができるものである。このように、流路６の管路長さＬを所定長さに形成するだけで減圧部４を形成することができるものであり、装置の構造をより簡単なものに形成することができるものである。このような管路長さＬが長い流路６で形成される減圧部４は、例えば図４（ｂ）のような長いホース４ａで形成することができる。

上記のように本発明では加圧部１によって水と酸素を加圧溶解部３に圧送し、この際の押し込み圧によって加圧溶解部３内で水と酸素を加圧して酸素を溶解させるようにしているが、この押し込み圧を受けて加圧溶解部３内に必要な圧力が発生するようにする必要がある。このように加圧部１からの押し込み圧を受ける圧力を確保するために、加圧溶解部３の流出側の流路６に絞り弁などの絞り部を設けることが考えられるが、このように絞り部を流路６に設けると、加圧溶解部３で生成された酸素溶解水を流路６に送り出して排出する際に、絞り部の前後で大きな圧力差が生じ、酸素溶解水が急激に減圧されることになり、酸素溶解水に気泡が発生するおそれがある。

そこで図５の実施の形態では、流路６の圧力損失を利用して、流路６に絞り部を設ける必要なく、押し込み圧を受ける圧力を確保するようにしている。このとき、上記各実施形態の流路６の長さでは、流路６の圧力損失で押し込み圧を受ける圧力を確保することは難しいので、流路６の加圧溶解部３と反対側の端部に延長流路８を付加するようにしてある。すなわち、流路６の減圧部４も含めた全体の圧力損失を算出し、加圧部１からの押し込み圧によって加圧溶解部３内で水と酸素を加圧するのに必要な圧力と、この流路６の圧力損失との差を算出し、さらにこの差の圧力損失が生じる管路の長さを上記の式から算出して、この管路長さの延長流路８を流路６に付加するようにしてある。このように、流路６の圧力損失と延長流路８の圧力損失の和が、加圧部１で圧送される酸素と水の押し込み圧によって加圧溶解部３内で水と酸素を加圧するのに必要な圧力となるように、流路６に延長流路８を付加することによって、絞り弁などの絞り部を用いる必要なく、加圧部１からの押し込み圧で加圧溶解部３内の加圧力を確保して、水に酸素を溶解させることができるものである。

図６は水質浄化装置の具体的な一例を示すものであり、水域Ａの水は流路１５に導入口３０から導入される。流路１５には酸素が導入される酸素注入部２が接続してあり、酸素が注入された水はポンプで形成される加圧部１によって、小容量のタンクで形成される加圧溶解部３に圧送される。このように酸素が注入された水が加圧溶解部３に圧送されることによって、加圧溶解部３内で水に酸素が溶解された酸素溶解水が生成される。そしてこの酸素溶解水は加圧溶解部３から流路６に送り出され、流路６の先端の吐出口３１から送り出される。この流路６には減圧部４が設けてあり、加圧溶解部３から送り出された酸素溶解水は大気圧まで減圧された後に流路６の端部の吐出口３１から吐出され、気泡が発生しない状態で酸素溶解水を送り出すことができる。図６の実施の形態では、減圧部４は、図３（ａ）の内径が異なる管体２０ａ，２０ｂ，２０ｃを連ねたもので形成してある。

この装置にあって、ポンプで形成される加圧部１を連続運転することによって、酸素注入部２、加圧溶解部３を連続的に運転させて、減圧部４に酸素溶解水を連続的に供給するようにすることができるものであり、減圧部４の流出側である吐出口３１から気泡の発生のない酸素溶解水を連続的に吐出させることができるものである。また、減圧部４は加圧溶解部３から酸素溶解水を送り出す流路６の一部として設けられており、そしてこの減圧部４は酸素溶解水の圧力を流入側から流出側に向かって順次大気圧まで減圧するものであるため、減圧部４を例えば内径２〜５０ｍｍ程度の比較的大きい流路として形成することができるものであり、異物が混入しても減圧部４内が詰まるようなことがないものである。さらにこのような構成の減圧部４を設けることによって、減圧部４を流れる酸素溶解水のレイノルズ数が臨界レイノルズ数（Ｒｅ＝２３２０）より小さなレイノズル数である層流状態だけではなく、臨界レイノルズ数より大きなレイノルズ数である乱流状態でも対応することが可能になるものである。さらに、減圧部４をこのように内径の大きな流路として形成することによって、酸素溶解水の供給量を多くすることができ、減圧部４を一つの流路のみで形成することが可能になるものであり、装置構成を簡単なものに形成することができるものである。

そして上記のように加圧部１で気泡を発生することなく大気圧にまで減圧された酸素溶解水は、水域Ａの水底に配置された流路６の吐出口３１から水域Ａ内に返送されるものである。酸素溶解水は高濃度で水が溶解しているので、この酸素溶解水が水域Ａの水中に返送されると、酸素溶解水が水域Ａの水中に拡散するに従って、酸素溶解水に溶解した酸素も水域Ａの水中に拡散して溶解し、水域Ａの溶存酸素量を増大させることができるものである。ここで、本発明において得られる酸素溶解水は、特許文献１の場合のように微細気泡を含有させるようにしたものではなく、上記のように加圧部１による加圧によって加圧溶解部３で水に酸素を高濃度に溶解させるようにしたものであるため、水域Ａの水深に関係なく、酸素溶解水に溶解した酸素を水中に直接的に供給して溶存酸素量を増大させることができるものである。そしてこのように水域Ａの溶存酸素量を増大させることによって、水域Ａを好気性雰囲気にして好気性細菌による浄化作用で、水や汚泥を浄化することができるものである。

図７（ａ）は、本発明の装置において加圧溶解部３で水に酸素を溶解し、酸素溶解水を減圧部４で大気圧にまで減圧したときの、水温と酸素濃度の関係を示すものである。例えば水域Ａの水の温度が２５℃であると、４０ｍｇ／Ｌ以上の高い濃度で酸素が溶解しており、この酸素溶解水を水域Ａに返送することによって、水域Ａの水中の溶存酸素濃度を容易に高めることができることがわかる。また図７（ｂ）は、本発明の装置において加圧溶解部３で１０℃の水に酸素を溶解し、酸素溶解水を減圧部４で大気圧にまで減圧した後に、２５℃で放置したときの、溶存酸素濃度と経過時間との関係を示すものである。７００時間を経過しても、３０ｍｇ／Ｌ程度の高い溶存酸素濃度を維持しており、この酸素溶解水を水系Ａに返送することによって、水域Ａの水中の溶存酸素濃度を長期に亘って高く維持できることがわかる。

本発明の実施の形態の一例を示す概略図である。 同上の一部の一例を示す概略図である。 同上の一部の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ概略図である。 同上の一部の他の一例を示すものであり、（ａ）は概略図、（ｂ）は斜視図である。 同上の一部の他の一例を示す概略図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態の一例を示す斜視図である。 （ａ）は酸素溶解水の酸素濃度と温度との関係を示すグラフ、（ｂ）は酸素溶解水の酸素濃度と経過時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 加圧部
２ 酸素注入部
３ 加圧溶解部
４ 減圧部
５ 余剰酸素排出部
６ 流路
７ 圧力調整弁
８ 延長流路

Claims (3)

1. 水域の水質を浄化する装置であって、水域から汲み上げられた水を圧送する加圧部と、水に酸素を注入する酸素注入部と、酸素を注入された水が加圧部で圧送されることによる加圧で水に酸素を溶解させる加圧溶解部と、加圧溶解部で酸素を溶解させた酸素溶解水の圧力を、酸素溶解水の流入側から流出側に向かって順次大気圧まで減圧する減圧部とを備え、減圧部は、加圧溶解部から酸素溶解水を送り出す内径２〜５０ｍｍの流路に設けられ酸素溶解水の圧力を大気圧にまで段階的に減圧する複数の圧力調整弁で構成されており、
   加圧溶解部から酸素溶解水を送り出す流路の圧力損失とこの流路に付加した延長流路の圧力損失の和が、加圧部で圧送される水と酸素の押し込み圧によって加圧溶解部内で水と酸素を加圧するのに必要な圧力となるように、減圧部に設けられた流路の加圧溶解部とは反対側の端部に延長流路が付加され、
   加圧部、酸素注入部、加圧溶解部の各部を連続的に運転させて、減圧部に酸素溶解水を臨界レイノルズ数（Ｒｅ＝２３２０）より小さなレイノルズ数の層流状態で連続的に供給し、減圧部の流出側から気泡の発生のない酸素溶解水を連続的に吐出させて水域に返送するようにして成ることを特徴とする水質浄化装置。
2. 加圧溶解部で水に溶解しない余剰酸素を排出する余剰酸素排出部を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の水質浄化装置。
3. 減圧部は、一つの流路で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水質浄化装置。

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