JP5188997B2

JP5188997B2 - 曝気攪拌装置

Info

Publication number: JP5188997B2
Application number: JP2009009802A
Authority: JP
Inventors: 浩輔大出; 孝英長原; 知也岡村; 涼子伯井
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010167329A

Description

本発明は、曝気攪拌装置に関し、特に、水に酸素を溶かす曝気運転を高効率で行うとともに、水量に対して酸素を溶かす十分な酸素溶解速度を確保し、かつ給気孔の目詰まりを起こしにくくする曝気攪拌装置に関するものである。

汚水などを活性汚泥で好気的に処理する曝気攪拌装置として、例えば、下記特許文献１に記載のものがある。
この曝気攪拌装置は、図４に示すように、処理槽８内に垂直に配置されたドラフトチューブ８１と、ドラフトチューブ８１内に位置し、かつ電動機８２により駆動軸８３を介して回転されるインペラ８４と、インペラ８４の下に配置され、かつブロワ８５に接続された散気管８６と、散気管８６の下に配置された整流部材８７とを具備している。
そして、この曝気攪拌装置は、インペラ８４によりドラフトチューブ８１内に下向流を形成し、これに空気を吹き込むことにより、処理すべき水に散気しながら水を攪拌するようにしている。

このような曝気攪拌装置のインペラについて検討されているものとして、攪拌による汚水中の繊維の絡まりを防止するために、各翼を遠心方向から回転後方に所要角度傾斜させたインペラを取り付けた攪拌装置（特許文献２参照）や、振動や粗大気泡の吸い込み側への逆流（フラッディング）を防止する目的でボス比を大きくしたり、気泡の分散のためにインペラの下にさらに小円盤状の遠心インペラ取り付けけた攪拌装置（特許文献３参照）が知られている。

しかしながら、最近では、省エネルギーのニーズの高まりと下水の高度処理が推進されており、水に酸素を溶かす曝気効率のさらなる上昇、具体的には、省エネルギーが求められると同時に、酸素移動動力効率を既存の技術より１．２倍以上に増加させることが求められている。
この場合、曝気の気泡を細かくする必要があるが、空気を水中に供給する給気孔は、従来と同様に十分に大きく保つ必要がある。
すなわち、水に空気を吹き込むために設けた給気孔は水中にあるため、空気供給元のブロワを停止した際には、この給気孔にゴミが混在した汚水が入り込み、ブロワの運転再開時には、このゴミが給気孔の一部を塞ぎ、空気の排出を妨げるというような問題も発生する。

特許第３２３９１７０号公報特開昭６０−２２７８２１号公報特開平５−２５３５９２号公報

本発明は、上記従来の曝気攪拌装置が有する問題点に鑑み、水に酸素を溶かす曝気運転を高効率で行うとともに、水量に対して酸素を溶かす十分な酸素溶解速度を確保し、かつ給気孔の目詰まりを起こしにくくする曝気攪拌装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の曝気攪拌装置は、インペラを取り付けた攪拌軸の周囲に筒体を配設し、該インペラにより筒体の内部に下向き流を発生させるようにした曝気攪拌装置において、インペラの周囲を囲う筒体の外周に第１の空気室を設け、前記筒体の壁部のインペラの下流側の位置に直径３〜７ｍｍの第１の給気孔を設けて、前記第１の空気室と筒体の内部とを前記第１の給気孔により連通させるとともに、インペラの下流側にインペラによる旋回流を筒軸方向に整流する断面形状が楕円又は翼断面形状の中空の整流板を配設し、該整流板の下部のみに直径３〜７ｍｍの空気の排出孔を設け、かつ、前記中空の整流板の内部に空気を供給する第２の給気孔を筒体の壁部に設け、さらに、整流板の周囲を囲う筒体の外周に第２の空気室を設け、該第２の空気室と整流板の内部とを前記第２の給気孔により連通させ、前記第１の空気室及び第２の空気室に空気を供給するブロワ機構を設けたことを特徴とする。

この場合において、筒体の上部を喇叭状に拡径するとともに、該拡径部と対向するように所定間隔をあけて円板を配設し、周囲から筒体の半径内方向に水を流入させる流入口を設けることができる。

本発明の曝気攪拌装置によれば、インペラを取り付けた攪拌軸の周囲に筒体を配設し、該インペラにより筒体の内部に下向き流を発生させるようにした曝気攪拌装置において、インペラの周囲で筒体の壁部に給気孔を設け、該給気孔を介してインペラの外周部に空気を排出するブロワ機構を設けることから、給気孔から排出された気泡は、速度勾配の強いインペラ外周部の水流に入り込むことで細分化され微細気泡に変化する。
すなわち、本発明の曝気攪拌装置では、気泡を細かくするために給気孔を小さくする必要がないことから、給気孔を大径に設けて目詰まりの発生を防止するとともに、水深の浅いインペラ付近に設けたこの大径の給気孔から水中に空気を送り込むことにより、ブロワの動力を軽減して省エネルギー化を図ることができる。
そして、速度勾配の強い水流で細分化された微細気泡は、浮力を失っているため、水流と共に水槽の底部に運ばれ長い時間滞留するとともに、微細気泡は同じ体積の粗大気泡より表面積が大きく水との接触面積が大きいことから酸素の溶解速度を高めることができ、これにより、浮力が大きく少量の酸素が水に移動したときには水面に達する通常の気泡に比較し、微細気泡内の多くの割合の酸素を水に移動させることができる。

また、インペラの下流側の位置で筒体の周囲に空気室を設けるとともに、該空気室と筒体の内部とを給気孔で連通させることにより、複数の給気孔をインペラの周囲に容易に周設することができる。この場合、給気孔の半径位置は、中心から筒体の半径の０．５〜１．０倍の位置となるように設けられる。

また、インペラの下流側に、インペラによる旋回流を筒軸方向に整流する中空の整流板を配設し、該整流板の下部に空気の排出孔を設けるとともに、整流板の周囲で筒体の壁部に給気孔を設け、該給気孔を介して整流板の内部に空気を供給するブロワ機構を設けることにより、整流板を介して水中に気泡を排出するとともに、該気泡を整流板を通過する水流の乱れによって細分化することができる。
さらに、整流板は、インペラによる旋回流を筒軸方向に整流することにより、インペラの外周部より下流側で、かつ、整流板の上流側で形成された微細気泡が旋回流により合体して粗大化することを防止することができる。

また、整流板の位置で筒体の周囲に空気室を設けるとともに、該空気室と整流板の内部とを給気孔で連通させることにより、複数の給気孔を整流板の周囲に容易に周設することができる。

また、整流板の断面形状を、楕円又は翼断面形状とすることにより、整流板を通過した水流に小さな渦を発生させることができ、この渦流を通過した気泡を微細化することができる。

また、筒体の上部を喇叭状に拡径するとともに、該拡径部と対向するように所定間隔をあけて円板を配設し、周囲から筒体の半径内方向に水を流入させる流入口を設けることにより、流入口からの水流は、徐々に水流を上昇させ、インペラによる筒体からの下向き流を水槽の底部で外向き流とするとともに、該外向き流を水槽の側壁で上向き流となし、該上向き流を水面付近で略水平の内向き流として筒体に流入させることができ、これにより、低動力で水槽全体に微細気泡を含んだ水を循環させることができる。

本発明の曝気攪拌装置の一実施例を示す断面図である。同曝気攪拌装置を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は同Ｂ−Ｂ線断面図、（ｃ）はインペラと整流板を示す拡大断面図である。同曝気攪拌装置を示し、（ａ）は筒体と空気室を示す斜視図、（ｂ）は整流板と筒体を示す透視図、（ｃ）は整流板の作用を示す断面図である。従来の曝気攪拌装置を示す断面図である。

以下、本発明の曝気攪拌装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１〜図３に、本発明の曝気攪拌装置の一実施例を示す。
この曝気攪拌装置は、電動機１で回転する、インペラ２を取り付けた攪拌軸３の周囲に円筒の筒体４を配設し、インペラ２により筒体４の内部に下向き流を発生させるようにしている。
そして、この曝気攪拌装置は、インペラ２のやや下流側の周囲で筒体４の壁部に給気部５１ａを設け、給気部５１ａの給気孔５１を介してインペラ２の外周部に空気を供給するブロワ機構６を設けている。

筒体４は、その上部を喇叭状に拡径するとともに、該拡径部４１と対向するように所定間隔をあけて円板４２を水平に配設し、周囲から筒体４の半径内方向に水を流入させる流入口４３を設けている。

筒体４の拡径部４１の直径（内径）は、筒体４の直管部内径の２．５倍以上であり、その上側にインペラ直径の１／４程度の隙間を隔てて、拡径部４１の内径と同様の外径を持つ円板４２を配設している。
これにより、インペラ２による筒体４からの下向き流を水槽の底部で外向き流とするとともに、該外向き流を水槽の側壁で上向き流となし、該上向き流を水面付近で略水平の内向き流として筒体４に流入させることができ、これにより、低動力で水槽全体に微細気泡を含んだ水を循環させることができる。

インペラ２の下流側には、インペラ２による旋回流を筒軸方向に整流する中空の整流板７が配設されている。平面視が十字をなすこの整流板７の下部には、空気の排出孔７１が設けられている。
筒体４の壁部には、この整流板７の周囲で給気孔５２が設けられており、前記ブロワ機構６により該給気孔５２を介して整流板７の内部に空気を供給するようになっている。
整流板７は、図３（ｃ）に示すように、その断面形状が楕円又は翼断面形状に形成されており、該整流板７を通過した水流に整流板７の下流側で小さな渦を発生させることができる。

ブロワ機構６は、地上に設置したブロワ６１から、空気の導管６２を介して水中に空気を導入する。
ブロワ機構６は、インペラ２と整流板７の位置で、それぞれ筒体４の周囲に空気室６３を設けており、インペラ２側の空気室６３と筒体４の内部とを円周上の複数の給気孔５１により連通させるとともに、整流板７側の空気室６３と整流板７の内部とを整流板７との接合部で複数の給気孔５２により連通させている。

なお、インペラ側の給気孔５１及び排出孔７１は円形で、気孔径の大型化が図られており、具体的には気孔径を３〜７ｍｍ、好ましくは約５ｍｍかそれ以上としている。
また、給気孔５１の下限位置は、インペラ２の外周部の最下部の高さ（水深）より、インペラ直径の０．１倍から１倍の長さ分下側となるような高さ（水深）としている。

ところで、通常は給気孔５１又は排出孔７１を大きくすると、その付近で発生する気泡の径も大きくなり、そのことで空気流量あたりの気泡の表面積、すなわち気泡の総容積あたりの総表面積（気泡と水の境界の面積）が小さくなり、水への酸素溶解速度が小さくなってしまう。
それに加えて、大きな径の気泡は浮力が大きいため、水流の方向が上向以外の場合、すなわち下向きや横向き（水平方向）の場合においても、その気泡はほぼ上向きとなる傾向がある。
一例として、こうした気泡の滞留時間を保つために、気泡の発生位置を槽底部に設定する技術が古くからあるが、その場合においても、気泡の滞留距離は高々水深長さであり、発生してから大気へと開放されるまでの時間（滞留時間）は短く、供給する空気量に対する酸素溶解量の比が小さい（２０％程度）という課題が残る。

そこで、本実施例では、高効率曝気を行うための手段として、気泡を微細化し、気泡を長時間水中に滞留させる。
この気泡の微細化と、気泡の長時間の滞留とについて以下に述べる。

気泡の微細化については、気泡径を１ｍｍ以下、好ましくは、０．５ｍｍ以下に微細化することが望ましい。
上記のように、大径の給気孔５１から空気を排出し、排出後、瞬時に気泡が１ｍｍ以下の気泡に微細化するように、気泡がその発生直後に水流の速度勾配の大きな場所（乱れの強い場所）を通過するような構造とする。
気泡の微細化現象は、上記のように、水流の速度勾配の大きなところで顕著に発生するが、本実施例の曝気攪拌装置で水流の速度勾配の大きなところは２つある。

本実施例の曝気攪拌装置の構造においては、まず、インペラ２の外周部において水流の速度勾配が大きい。そのため、インペラ２の外周部付近に給気孔５１を設けている。
インペラ２の外周部の速度勾配について以下に記す。
インペラ２の外周端部の速度（周速）は、インペラ２の回転速度と直径できまる。一例としてインペラ２の回転速度を１０００ｒｐｍ〜１２００ｒｐｍ、直径を０．２〜０．３ｍと設定した場合、インペラ外周部の速度は約１０〜１５ｍ／ｓ（以下、平均値をもって１２．５ｍ／ｓとする）になる。
このとき、インペラ２の羽根の外周部の表面には、インペラ２とほぼ同じ流速の水流が発生するため、インペラ２の外周部においては水流の速度は１２．５ｍ／ｓとなる。
インペラ２の直後では、同様に速度勾配が大きな水流が発生するため、この水流の中に気泡を投入すると、気泡発生部の給気孔５１が３〜７ミリ程度と大きくても、気泡径は、その発生部近傍で、水流により１ｍｍ以下に微細化される。

気泡の出口である給気孔５１は、筒体内壁の内壁より５ｍｍ以上内側で、中心より筒体の円筒半径の０．５倍より外側とし、インペラ２の外周部の最下部の高さ（水深）よりインペラ径の０．１倍から１倍の長さ分下流側とし、その給気部５１ａがある筒体４の周囲に空気室６３を設け、この空気室６３には、槽外部よりブロワ６１で空気の導管６２を介して空気を供給する。
給気孔５１又は排出孔７１は水深が浅いところとなるため、送風のためのブロワ６１の動力は小さくてすむ。

次に、水流の速度勾配が大きなところとして、上記以外に水流速度の絶対値が高い場所（２ｍ／ｓ以上）として、整流板７の下側があり、こうした箇所は水流の乱れが大きく、速度勾配が大きい。
本実施例の曝気攪拌装置においては、水平の旋回流を抑えるための整流板７の下側（下流側）は、水流の速度勾配が大きく、細かい渦が発生しているため、この整流板７の下部に空気の排出孔７１を設けておき、整流板７を中空としてその内部にブロワ６１にて空気を供給している。

次に、気泡の槽内での滞留時間の長期化について説明する。
微細化された気泡を槽内で長時間滞留させる手段として、長時間滞留するような水流、すなわち長い軌跡を描くような水流とともに流すようにする。
その水流とは、表層部で発生し表層部から水槽底部へと向かい、底部では外周部へ向かい壁面付近で上昇するというようなもので、水流はその長い距離を進むにつれて速度を減少させながら流れるため、平均的には水槽内を長時間滞留するものである。
このような水流とともに流すための気泡を発生させる位置、すなわち給気孔５１又は排出孔７１の位置は、巨視的にみて表層部とする。
こうすることにより、気泡は少なくとも水槽の表層から底部、底部から表面へ向かって大気開放という風に、水深分の長さの２倍以上は滞留距離を経ることになる。
また、気泡は水流とともに様々な軌跡を描いて流れるが、それらのなかには表層から底部、底部から表面に向かわずに表層の取水口へと向かい、再度下向きに流れるといった循環を何度も繰り返すものもあり、全気泡の平均滞留時間は長期化される。

また、従来の曝気攪拌装置で、水槽底部に空気を送る場合には高い圧力が必要であり、ブロワ６１の必要動力が大きいという問題を有するが、本実施例では、水槽の表層部で空気を送り込む構造のため、ブロワ動力が小さくてすみ、しかも、給気孔５１を大きくできるため、気泡出口部の抵抗が小さくなり、ブロワ６１の必要動力を抑えることができる。

かくして、本実施例の曝気攪拌装置は、上記の構造により下記の効果が得られる。
１．本実施例の曝気攪拌装置による微細気泡は、同じ体積の粗大気泡と比べて表面積が大きく、水との接触面積が大きいことから、酸素の溶解速度が高くなる。

２．直径が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の微細気泡は、浮力が小さいため、ほぼ全体が水流とともに流れるため、循環する水流とともに流れることにより、長時間水中に滞留することとなる。
この効果により、大気へ開放されるまでに気泡内の酸素のうち平均４０％以上の割合の酸素が水に溶ける。

３．水深の浅い位置（水深１ｍ程度、深槽に対しては１０％程度の水深）に給気孔５１又は排出孔７１を設けることができ、この給気孔５１又は排出孔７１より空気を水中へ送り込めるため水圧の影響が小さく、そのため、ブロワ６１の必要動力が、水深５ｍ程度の位置に吹き込む従来からの水中曝気式に比べて小さくてすむ。
運転条件としての水圧だけをみると、従来機の１／５程度、深槽においては１／１０程度と極めて小さくなる。

４．給気孔５１又は排出孔７１の径を３ｍｍ〜７ｍｍと大きくできるため、目詰まりがし難いという効果がある。また、空気の排出抵抗が小さく、ブロワ動力が小さくできる効果がある。

５．筒体４の上部を喇叭状に拡径するとともに、該拡径部４１と対向するように所定間隔をあけて円板４２を水平に配設し、周囲から筒体４の半径内方向に水を流入させる流入口４３を設けることにより、流入する水は、なだらかな縮小管内を流れる場合と同様に徐々に流路面積が減少する流路内で加速するので損失が少なく、低動力で大きな流量の水流を発生させる水流発生構造としているため、低動力で水槽内全体にその気泡と水を循環させることができる。

６．下記の構成により、微細化した０．５ｍｍ以下の気泡が再び合体により粗大化することを防止しており、微細気泡はそのまま槽内全体に拡がる。
インペラ２の回転によりインペラ２の下流側の水流は攪拌軸３の回りに旋回する速度成分を含んだスパイラル状の流れとなる。
このインペラ２の下流側の水流は、図３（ｂ）に示すように、整流板７により、旋回成分が抑制されるため軸方向に流れる。そのため、旋回流により発生する遠心力により、気泡が旋回中心に集まり合体するといったことを防止できる。

７．整流板７の断面は楕円型や翼型であるため、その整流板７を通過した水流は、下流側で小さな渦をともなうが、この場所に発生した気泡は、上記水流により微細化される。

以上、本発明の曝気攪拌装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。

本発明の曝気攪拌装置は、水に酸素を溶かす曝気運転を高効率で行うとともに、水量に対して酸素を溶かす十分な酸素溶解速度を確保し、かつ給気孔の目詰まりを起こしにくくするという特性を有していることから、下水処理の曝気攪拌装置の用途に好適に用いることができるほか、例えば、染色や食品の曝気攪拌装置の用途にも用いることができる。

１電動機
２インペラ
３攪拌軸
４筒体
４１拡径部
４２円板
４３流入口
５１給気孔
５１ａ給気部
５２給気孔
６ブロワ機構
６１ブロワ
６２導管
６３空気室
７整流板
７１排出孔

Claims

インペラを取り付けた攪拌軸の周囲に筒体を配設し、該インペラにより筒体の内部に下向き流を発生させるようにした曝気攪拌装置において、インペラの周囲を囲う筒体の外周に第１の空気室を設け、前記筒体の壁部のインペラの下流側の位置に直径３〜７ｍｍの第１の給気孔を設けて、前記第１の空気室と筒体の内部とを前記第１の給気孔により連通させるとともに、インペラの下流側にインペラによる旋回流を筒軸方向に整流する断面形状が楕円又は翼断面形状の中空の整流板を配設し、該整流板の下部のみに直径３〜７ｍｍの空気の排出孔を設け、かつ、前記中空の整流板の内部に空気を供給する第２の給気孔を筒体の壁部に設け、さらに、整流板の周囲を囲う筒体の外周に第２の空気室を設け、該第２の空気室と整流板の内部とを前記第２の給気孔により連通させ、前記第１の空気室及び第２の空気室に空気を供給するブロワ機構を設けたことを特徴とする曝気攪拌装置。
筒体の上部を喇叭状に拡径するとともに、該拡径部と対向するように所定間隔をあけて円板を配設し、周囲から筒体の半径内方向に水を流入させる流入口を設けたことを特徴とする請求項１記載の曝気攪拌装置。