JP5182837B2 - 高濃度酸素溶解水の製造方法及び製造装置、製造した高濃度酸素溶解水の使用方法 - Google Patents
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Description
例えば従来下水、食品排水、厨房排水又は工業用水等の被処理対象水の処理方法として、活性汚泥法が知られていて、この活性汚泥法では、好気性微生物である活性汚泥の浮遊する処理槽内に排水を供給し、空気で曝気することにより、活性汚泥の生物学的酸化作用で原水中の有機物を酸化分解処理している。
このような問題を解消するために、曝気対象水を衝突面に衝突させて空気を巻き込みやすくする方法が提案されている(特許文献1)。しかしこの方法では僅かな空気巻き込みしか起らず、曝気効果の上昇には十分寄与できない。
も余分な設備が必要になり、溶解効果の向上はさほどでもない。
このように現在の活性汚泥法では、空気曝気の際の酸素と被処理対象水中の微生物等の接触が不十分であり、この接触を十分行えるように改良できれば被処理対象水の処理効率が大幅に上昇する。
例えば湖沼やダム等の閉鎖水域、あるいは流量の少ない河川では、水流が停滞して微生物の繁殖による水質の悪化が大きな問題になっている。これらの水域に高濃度酸素の溶解水を供給すると、酸素の殺菌効果で微生物が死滅して顕著な水質改善が達成できる。しかしこの顕著な水質改善のためには、莫大な量の高濃度酸素溶解水が必要になり、従来法で製造された高濃度酸素溶解水を使用する前記水流改善は実質的に不可能である。
つまりこのための従来法として、陸上に設置したポンプにより底層水を汲み上げ、酸素溶解装置により酸素を溶解し、生成する溶解水を底層に返送する手法がある。しかしこの方法でも酸素溶解が不十分で満足できる殺菌効果は得られないとともに、底層水汲み上げのためのコスト負担が大きくなる。
従って本発明は、比較的簡単に高濃度酸素溶解水を製造できる方法と装置、及びこれにより得られた高濃度酸素溶解水により被処理対象水を処理する方法を提供することを目的とする。
本発明では、酸素含有気泡を有する2以上の水流を衝突させる。これにより前記気泡が破壊されて微細(細分)化されるとともに、気泡中の酸素の前記水流への溶解が促進される。
従来の曝気処理等において処理対象水を衝突面に衝突させて空気溶解を促進させる手法は、従来の特許文献では「空気を巻き込む」と表現され、気泡の破壊や空気や酸素の溶解が促進されるという記載はない。この処理対象水が衝突面に衝突することにより前記処理対象水中の気泡が微細化されるとしても、衝突面は大気と接触しているため、気泡が前記処理対象水から周囲に飛散してしまう可能性もあり、効果的な溶解方法とは言い難い。
本発明の水流は、通常はポンプで原水(例えば水道水)を送水することにより、酸素含有気泡、通常は空気泡を含む水として得られるが、用途によっては、前もって空気を吹き込んで空気濃度を増加させたり、水道水を浄化して不純物濃度を更に減少させておいても良い。
前記水流の本数や衝突角度はこれに限定されず、3本の水流を120°で衝突させたり、4本の水流を90°で衝突させたりすることも可能であり、更に2本の水流を180°以外の角度で衝突させることも可能である。いずれの場合でも、気泡を有する水流が静止面に衝突する場合よりかなり大きな衝撃が各水流に与えられ、気泡の破壊と酸素の水流への溶解が促進される。
本発明における2本以上の水流は可能な限り速い速度で衝突することが望ましい。そのためには、衝突直前に小径の孔やスリットを通過させることが望ましい。
しかし単に速度を最大限に増加させるのではなく、2本の水流の場合、両水流の性質に僅かに差異を生じさせても良く、例えば一方の流速を他方より遅くしたり、両水流中の気泡径を異ならせたりすることができる。大径の気泡と小径の気泡が衝突すると、小径の気泡が大径の気泡に衝突して大径の気泡の破壊速度を速めると推測できる。
つまり比較的大径の円筒体の先端側を半球状に成形しその中央に小孔を形成した供給管2本を、前記2個の小孔を対向させて直線状に配置し、前記2本の供給管のそれぞれの基端側に接線方向から、酸素含有気泡を有する水流を供給することが望ましい。これらの水流は旋回しながら供給管の内壁に接触し先端側に向けて加速しながら移動して前記小孔から高速で噴出し、対向する小孔から噴出した2本の水流が両小孔間の空間で衝突して、互いに激しい衝撃を与え合う。
この衝撃により前述した通り、水流中の気泡が破壊されて更に小径の多数の気泡に微細化される。これにより気泡の表面積が増加して水流中への酸素溶解が促進されて高濃度酸素溶解水が得られる。
これとは逆に、邪魔板を設置した前記水流取出口からポンプ等で吸引して高濃度酸素溶解水を取出しても良い。
このような構成の装置を使用すると、前述した通りの濃度の酸素が溶解した溶解水が得られ、本発明における高濃度酸素溶解水とは、この範囲の酸素が溶解した溶解水を意味する。
このような好ましい構成を有する本発明の高濃度酸素溶解水の製造装置は大別して3種類の使用形態がある。第1は、装置全体を被処理対象水中に浸漬する形態であり、第2は、装置を大気中で使用し、生成する高濃度酸素溶解水を装置外に取り出し、取り出した溶解水を必要な用途に使用する形態であり、第3は、被処理対象水を本装置を使用して高濃度酸素溶解水とした後に当該装置から取り出して、この溶解水を必要な用途に使用後、前記装置に循環して再使用する形態である。但し本発明の用途はこれらに限定されない。
この形態、例えば活性汚泥法による排水処理では、処理ライン中の曝気槽に前記高濃度酸素溶解水製造装置本体を沈めておき、水流供給のためのポンプは槽外に設置しておくことが望ましい。前記曝気槽に供給される排水(廃水)には、微生物、カビ、廃薬品などが含まれているが、装置本体で製造される高濃度酸素溶解水は、水流取出口から曝気槽内に噴出し、被処理対象水である前記排水に、前記微生物等と接触しやすい形態の十分な酸素を供給して微生物等を酸化し死滅させる。なおこの形態では微生物を含む排水が水流として前記装置内に供給され、2本の水流が激しく衝突することになるが、当該衝突は水流中の微生物にも大きな衝撃を与え、この衝撃によって一部の微生物は損傷しあるいは場合によっては死滅すると推測できる。
本発明の高濃度酸素溶解水製造装置をプール中に沈めておけば、僅かなエネルギーで高濃度酸素溶解水によりプール水の消毒殺菌ができ、しかも使用する酸素は無害であるため、プールの使用者に対する安全性が万全である。
湖沼や河川ではエネルギー供給が通常より困難であるため、水流を太陽エネルギー及び/又は風力エネルギーを利用して生成させても良い。
例えば水耕栽培水の前処理を行うと、水耕栽培水に含まれる微生物類を死滅させるとともに水に酸素を溶解させ、処理後の水耕栽培水を培地へ供給することにより、栽培対象に適度の酸素を付与できる。
又カップ式自動販売機は使用頻度が少ないと原料水が長く自動販売機内に留まり、しかも缶入り飲料と異なり、密封されていないため、汚染が起こりやすい。本発明装置で製造された高濃度酸素溶解水をそのまま原料水として使用すると汚染のない飲料を提供できる。本発明を本形態の他の用途に関しても、殺菌と酸素富化による水質改善が達成できる。
なお浸漬型として説明した前記第1の形態の各用途の場合も、装置を浸漬せずに大気中で使用し、生成する高濃度酸素溶解水を装置外に取り出し、取り出した溶解水を各用途で使用するようにしても良い。
浴場水の場合は、浴槽から抜き出した浴場水を浴槽から離れた処理槽に導き、この処理槽で本発明装置により浄化し、浄化した浴場水を前記浴槽に循環させて浴槽内の水を清浄な状態に維持できる。
このような酸素含有気泡を有する複数の水流を衝突させると、衝突角度にもよるが、各水流が最大で各水流の流速の和に等しい速度で衝突する。その際の衝撃は、単に1本の水流が衝撃面に衝突する際の2倍になるのではなく、衝突速度の増加に応じて指数級数的に増大して各水流に最大限の衝撃が与えられる。これにより水流中の気泡が破壊され、気泡中の酸素の水流中への溶解が促進される。
図1は、本発明に係る高濃度酸素溶解水製造装置の一例を示す部分縦断面図、図2は、図1の装置の部分分解斜視図、図3は図1の装置の3枚の案内板と3枚のスペーサーの側面図(ボルト孔は省略)である。
この水平フランジ3の上面にはやや小径で4個(1個のみを図示)の通孔4を有する邪魔板5が位置し、この邪魔板5上には水平フランジ6付きの高濃度酸素溶解水取出(噴出)口7が設置され、前記両水平フランジ3、6をボルト8で締め付けることにより、前記高濃度酸素溶解水取出口7を前記外筒1に固定している。
この第2案内板24の外側には、前記通孔23の下部の水平孔の一部と重なるように円孔25が形成された第3スペーサー26が接触している。この第3スペーサー26の外側には、前記円孔25に対応する個所に、酸素含有気泡水流の供給口27を有する第3案内板28が接触している。
なお31は旋回内筒14の周囲に接合され、かつその外縁が前記外筒1内壁に密着するよう構成した遮蔽板である。
ポンプ等で生成させた酸素含有気泡、通常は空気含有気泡を有する2本の水流32、32´を図1の左右の第3案内板28のそれぞれの供給口27から供給する。これらの水流のうち左方の水流32は、第3スペーサー26の円孔25を通って第2案内板24の通孔23に達し、ここで図3に示したように左右に分かれてこの通孔23の両側の縦方向の溝に供給される。これらの水流は第2スペーサー22の切り欠き21を通って第1案内板18の両切り込み19の先端部に供給される。両水流はこの切り込み19の先端部から旋回流形成孔20にその接線方向から高速供給され、第1スペーサー16の円孔17から旋回内筒14内に達し、旋回内筒14の内壁に沿って気泡33を有する旋回流34を形成する。
右方の供給口から供給された水流も同様にして旋回流として噴出孔15´に達し、噴出孔15´から他方の噴出孔15に向けて噴出する。
左右の旋回流34は直線状の水流として、内筒14内の両噴出孔15、15´の中間で衝突する。この衝突の衝撃は2本の旋回流34の速度の倍になるのではなく、指数級数的に増大する。従って両水流中に含まれる気泡33は水流衝突による衝撃で更に微細化し、微細気泡35となるとともに、気泡としての表面積が幾何級数的に増大し、水との接触機会が増加して空気中の酸素が水に溶解してその溶解度が最大になる。
しかも内筒14から外筒1内空間に移行した水流が、邪魔板5及び遮蔽板31により狭い空間内に閉じ込められるため、気泡の微細化が促進される。
更に図示の例とは異なり、半球状の噴出部13以外の内筒14の内壁を噴出部13方向に向けて内向き傾斜させて噴出孔15、15´から噴出する水流の速度を増大させても良い。
なお前述の邪魔板5は使用しなくても良く、邪魔板により生成する高濃度酸素溶解水の装置内での滞留を促進するのとは逆に、高濃度酸素溶解水取出口7からポンプ等で吸引して高濃度酸素溶解水の取出しを促進しても良い。
図示の例では、図1に示した高濃度酸素溶解水製造装置41を湖沼42の底面43に設置してある。
湖沼の水面44には筏45を浮かべてあり、この筏45には水流生成ポンプ46が搭載されている。このポンプ46には湖沼水汲上げ管47と水流供給管48が接続され、当該水流供給管48の先端は分岐されて、前記装置41の左右1対の気泡水流の供給口27に接続されている。
本装置は常時作動させる必要はなく、間欠的に運転させても良い。特に得られる水力及び風力エネルギーが常時作動に不足する場合は、間欠運転とすることが好ましい。
又図示の例と異なり、ポンプを湖底に沈めずに筏45の上に設置し、このポンプに湖沼水を供給して高濃度酸素溶解水を生成し、この溶解水を筏の板の間から湖沼に噴出させても良い。
前記旋回内筒取付孔54の中央上面には、高濃度酸素溶解水取出(噴出)口56が穿孔されている。前記水流供給孔55の中央には外側(図5の前後)に向けて1対の水流供給口57が穿孔されている。
先端側が半球状の噴出部59として成形された円筒状の旋回内筒60基端部外縁に溶接されかつ前記段部58の内方形状と同じ外形を有するよう成形された内筒取付板(フランジ)61が接合され、更に前記噴出部59先端中央には小径の噴出孔62が形成されている。
前記内筒取付板61には、旋回内筒60の基端の開口と同じ径の円孔を有するパッキン63が密着している。このパッキン63の外面には、前記旋回内筒取付孔54の空間と前記水流供給通孔55の空間を連結する凹部65が内面に形成された前記端面部材53が密着し、前記装置本体52、前記内筒取付板61、前記パッキン63及び前記端面部材53が複数のボルト66で締着され一体化している。
旋回内筒60に供給された水流は図1〜3の装置の場合と同様にして旋回内筒60の内壁に沿って気泡33を有する旋回流34を形成し、更に前記噴出孔62から他方の噴出孔に向けて噴出し、他方の水流と衝突し、水流衝突による衝撃で水流中の気泡は更に微細化し、気泡としての表面積が幾何級数的に増大し、水との接触機会が増加して空気中の酸素が水に溶解してその溶解度が最大になる。
外形が直方体状の高濃度酸素溶解水製造装置71は、中央部の装置本体72とその両側面に固定された左右各3対の第1案内板73、第2案内板74及び第3案内板75、及び第3案内板75に接触する左右1対の端面部材76から成っている。
前記第1〜第3気液混合流供給孔は、気液混合流供給路を形成し、前記気液混合流供給口85から供給される気液混合流を、前記気液混合流供給路から端面部材76へ供給する。ここで気液混合流は、前記溝84に沿って第3補助孔81に接線方向から供給されて、第3案内板75の第3補助孔81から前記旋回内筒83内壁に向けて旋回流を形成する。
この旋回流は前記旋回内筒83の先端の半球部の噴出孔から噴出し、両噴出孔から噴出する気液混合流が衝突して衝撃を生じさせ、前述した通り、高濃度酸素溶解水が得られ、この高濃度酸素溶解水が高濃度酸素溶解水取出(噴出)口86から取り出される。
図1〜3に示した高濃度酸素溶解水製造装置を使用した。
外筒の直径53mm、長さ130mm、案内管及び高濃度酸素溶解水取出口の内径23mm、邪魔板の通孔4個で通孔径は各3mm、内筒の内径32mm、内筒の基端から先端(噴出孔)までの長さ55mm、半球状の噴出部の長さ10mm、噴出孔径2mmとし、スペーサー以外はステンレス製とした(図1と異なり両噴出孔径は同一にした)。この装置を、縦2m、横1.5m、深さ0.7mで水道水を深さ0.5mまで満たした硬質プラスチック製の容器に沈めた。この水道水中の酸素濃度は0.1ppm以下であった。
噴出水は外観上、白濁していて、これは超微細な空気気泡が懸濁しているからと推測できる。1分後の容器内の水道水の酸素濃度は12ppmに上昇し、更に上昇して3分後に、16ppm以上で飽和した。
縦2m、横1.5m、深さ0.7mで水道水を深さ0.5mまで満たした硬質プラスチック製の容器中の水を攪拌し、その中に空気を20リットル/分で吹き込んだ。
1分後の容器内の水の酸素濃度は3ppm、3分後は5ppm以下であった。
5 邪魔板
7 高濃度酸素溶解水取出口
9 支持板
11 内筒取付板
13 噴出部
14 旋回内筒
15、15´ 噴出孔
16、22、26 スペーサー
18、24、28 案内板
20 旋回流形成孔
27 酸素含有気泡水流供給口
32、32´ 水流
33 気泡
34 旋回流
35 微細気泡
41 高濃度酸素溶解水製造装置
42 湖沼
45 筏
46 水流生成ポンプ
51 高濃度酸素溶解水製造装置
52 装置本体
53 端面部材
54 旋回内筒取付孔
56 高濃度酸素溶解水取出口
57 水流供給口
59 噴出部
60 旋回内筒
61 内筒取付板
62 噴出孔
71 高濃度酸素溶解水製造装置
72 装置本体
76 端面部材
83 旋回内筒
86 高濃度酸素溶解水取出口
Claims (3)
- 酸素含有気泡を有する2以上の水流を、円筒状の室の中で旋回流とした後に、室の孔を通過させて噴出させた直後に直線状の水流として衝突させ、衝突した上記2以上の水流に含まれる気泡をその衝撃で微細化し、更に、衝突した水流を狭い空間内に閉じ込めることにより気泡の微細化を促進して前記気泡中の酸素を前記水流中に溶解させることを特徴とする酸素溶解水の製造方法。
- 2つの水流を180°の角度で衝突させる請求項1記載の酸素溶解水の製造方法。
- 太陽エネルギー及び/又は風力エネルギーを利用して生成させた水流を使用する請求項1又は2に記載の酸素溶解水の製造方法。
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