JP5269768B2 - 曝気ユニット及びそれを備えた曝気装置と曝気方法 - Google Patents

曝気ユニット及びそれを備えた曝気装置と曝気方法 Download PDF

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Description

本発明は、主に湖沼・魚介類養殖場・汚水処理場等の水中の散気管から放出された酸素又は空気等の気泡を、液泡に変化させて液泡塊（シャボン玉状の液泡集合体）を生成することにより、水質を水生生物にとって気体溶存バランスのとれた好適なものにすることが可能な曝気ユニット及びそれを備えた曝気装置と曝気方法に係り、特に、化学工場内などの気液接触工程や、下水処理場内の汚水処理等にも用いることが可能な曝気ユニット及びそれを備えた曝気装置と曝気方法に関する。
従来、湖沼・魚介類養殖場・汚水処理場等の曝気装置及び曝気方法としては、電動モータを用いて水面を攪拌羽根で攪拌する水面攪拌式の曝気装置や、底部に配設した散気管から気体を放出して水中に気泡を生成することにより、水と気体とを接触させる散気装置や曝気装置及び曝気方法があり、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、発生させる気泡径をより小さくして気液接触面積を増大させ、酸素の溶解効率を向上させることを目的として散気面にメッシュクロスを使用した散気装置に関する発明が開示されている。また、特許文献２には、下水処理システムにおいて、曝気槽中に超微細気泡（直径１００μ以下）を発生させて汚水を撹拌させる曝気方法及び曝気装置に関する発明が開示されている。
特開２００６−３２６５２４号公報 特開２００４−１４１７３０号公報
しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２に記載の従来技術における散気装置や曝気装置及び曝気方法は、何れも気体をより小さくすることで、気体と液体との接触面積を増やし、気体と液体との接触時間を長くすることを基本とする気体溶解方法であるため、酸素の供給効率が非常に悪いという課題があった。また、水生生物が生息する水槽内において空気に圧力を加える従来方法の曝気を繰り返した場合、水生生物が水中に溶存している気体成分の内の酸素ガスを消費するので、水槽内の水は最終的に窒素ガス等の不要なガスが多く含まれた気体溶存バランスの悪いものとなる。すなわち、このような方法では水槽内の水質を水生生物にとって好適なものにすることができないという課題があった。
本発明は上記の課題を解決するもので、水中に配置された散気管から発生させた気泡を液泡に変化させて液泡魂を生成し、この液泡魂を水中内に貯留した気体に曝して破裂させることにより、最も効率良く被処理水をガス置換することが可能であり、又、接続した曝気ユニットの数だけ気泡から液泡魂へと変化させることにより、供給した気体を無駄なく利用し、河川や湖沼等の水質改善や化学工場内の気液接触工程や水生生物への酸素供給等を省エネで高効率に行うことが可能な曝気ユニット及びそれを備えた曝気装置と曝気方法を提供することを目的とする。
本発明の請求の範囲１項に記載の曝気ユニットは、水中に設置される曝気ユニットであって、気泡を発生させる散気装置と、この気泡が内部を上昇可能に散気装置の上方に設置される筒状の液泡生成路部と、この液泡生成路部の上部に接続される碗型の気体貯留室と、この気体貯留室の上方に設置されるとともに上面に開口部が形成された碗型の気泡集積部とを備え、液泡生成路部の上端は気体貯留室の内部に配置され、液泡生成路部内で気泡から生成される液泡塊（シャボン玉状の液泡集合体）は気体貯留室内で気体に曝されて破裂し、気体貯留室の下部側から水中に放出されて新たな気泡となり、この気泡は気泡集積部で集められて開口部から上方に送出されることを特徴とするものである。
この構成によって以下の作用を有する。
（１）水中に配置された散気装置（散気管、散気板、散気膜、エアーストーン等）によって発生された気泡は浮力で上昇し、気泡の周辺水を伴って上昇する。
（２）液泡生成路部内を気泡が上昇する時に液泡塊が生成される。
（３）液泡生成路部から連続して生成される液泡塊は気体貯留室の気体に曝されて破裂し、新たな気泡が水中に放出される。
（４）水中に放出された新たな気泡は、気泡集積部によって集められ、開口部から放出される。
本発明の請求の範囲２項に記載の曝気ユニットは、請求の範囲１項の曝気ユニットにおいて、液泡塊の破裂により生成される分離水が内部を下降可能に気体貯留室の下方に設置されるサイホン部を備え、このサイホン部の上端は気体貯留室の内部において液泡生成路部の上端よりも上方に配置されることを特徴とするものである。
この構成によって、以下の作用を有する。
（１）液泡塊の破裂により生成される分離水がサイホン部を下降することにより気体貯留室内部の圧力が若干負圧になるため、液泡生成路部内を気泡が上昇する際に伴う周辺水の量が増える。これにより、液泡塊の発生量が増加する。
（２）サイホン部が接続される気体貯留室は、内部が多くの液泡塊で満たされるとともに、液泡塊から分離した気体が気体貯留室の上部から一旦下降した後に上部の気泡集積部に送られるため、曝気ユニット内のサイホン現象が連続的に維持される。
（３）水頭差による重力エネルギーによって、処理水が下流側に連続的に送水される。
本発明の請求の範囲３項に記載の曝気装置は、請求の範囲１項又は請求の範囲２項に記載の曝気ユニットを複数備え、一の曝気ユニットの気泡集積部の開口部に他の曝気ユニットの液泡生成路部の下端が接続されたことを特徴とするものである。
この構成によって、以下の作用を有する。
（１）接続した曝気ユニットの数ほど気泡から液泡塊に変化する。
（２）水中内で接続された各曝気ユニットは水深が異なるので水圧も異なり、液泡塊表面の水膜には、各水深に応じた圧力を有する気体が接触する。又、上段側へ気泡が上昇すれば気体膨張し、体積が徐々に増えるので気泡の発生量が増加する。
本発明の請求の範囲４項に記載の曝気方法は、水中で気泡を発生させる散気工程と、この気泡を上昇させながら液泡に変化させて液泡塊を生成する液泡塊生成工程と、この液泡塊を水中において貯留された気体に曝して破裂させ新たな気泡を発生させる液泡塊破裂工程と、この新たに発生した気泡を集めて上方に送出する気泡収集工程とを備えたことを特徴とするものである。
このような曝気方法においては以下の作用を有する。
（１）散気工程により水中に発生した気泡から液泡を経て連続的に液泡塊が生成される。
（２）水中内に貯留された水深に応じた圧力を有する気体に液泡塊が連続的に曝される。
本発明の請求の範囲５項に記載の曝気方法は、請求の範囲４項に記載の曝気方法において、散気工程を初回のみ行い、液泡塊生成工程と液泡塊破裂工程と気泡収集工程とからなる一連の工程をこの順に複数回繰り返して行うことを特徴とするものである。
このような曝気方法によれば、二段目以降からは散気工程がなくとも、請求の範囲４項に記載の発明の作用が繰り返し発揮される。
本発明の請求の範囲１項に記載の曝気ユニットによれば、以下のような効果を有する。
（ａ）散気装置から発生した気泡から液泡を経て液泡塊を生成することで、上昇する気泡の周辺水を液泡塊の表面の水膜とすることができる。また、この液泡塊を水中に貯留された気体に曝して破裂させることで、貯留された気体の圧力に応じて気体を水膜に溶解させることができる。従って、省エネルギー性に優れている。
（ｂ）気体貯留室内で気体溶解に使用した気体を、再び水中に放出して新たに気泡を生成することができるので、エネルギーを無駄にすることがなく経済性に優れている。
本発明の請求の範囲２項に記載の曝気ユニットによれば、以下のような効果を有する。（ａ）曝気ユニット内のサイホン現象が維持されることにより、液泡生成路部内を気泡が上昇する際に連行される水量が多くなり処理水量を増加させることができる。従って、省エネルギー性及び経済性に優れている。
（ｂ）曝気ユニット内で液泡生成により曝気処理された処理水を、曝気ユニット内の水頭差による重力により所望する場所へ移動させることができる。
本発明の請求の範囲３項に記載の曝気装置によれば、以下のような効果を有する。
（ａ）水中において、被処理水を水深に応じた圧力を有する気体の中で液泡塊の水膜に変化させることにより、効率良く水膜に気体を接触させることができる。これにより、溶存酸素が豊富な所望量の水を簡単に作ることが可能である。
（ｂ）気泡から液泡塊への変化が接続された曝気ユニットの数ほど繰り返されるため、水中に供給した気体が最大限無駄なく利用される。従って、省エネルギー性や経済性に優れている。
（ｃ）曝気装置の構造が簡易なので、ステンレス等の金属製やプラスチック成型品等を用いて安価に製作することができる。
本発明の請求項４に記載の曝気方法によれば、発生した気泡を液泡塊生成工程において液泡塊に変化させることにより、被処理水を最も効率が良くガス交換が可能な状態にできるので、エネルギー効率性に優れている。
本発明の請求項５に記載の曝気方法によれば、散気工程に供給した気体を、複数回利用することができるので省エネルギー性及び経済性に優れている。
（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ本発明の第１の実施の形態に係る曝気ユニットの外観図、縦断面図及び上面図である。 図１の曝気ユニットの変形例であり、（ａ）及び（ｃ）は外観図、（ｂ）及び（ｄ）はそれぞれ（ａ）と(ｃ)に示される曝気ユニットの縦断面図である。 (ａ)は図２（ｂ）の曝気ユニット内における気泡の挙動を示した模式図であり、（ｂ）乃至（ｄ）は気体貯留室内で生成された液泡塊を模式的に示した拡大図である。 図１の曝気ユニットが多段に接続されて構成される曝気装置の内部へ散気装置の周辺水(被処理水)を水平方向から誘導した状態を示した図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ曝気装置の外観図及び縦断面図である。 （ａ）は図４の曝気装置において最下段の曝気ユニットに取り付けられたガイドによって既存の散気装置から発生した気泡が捕らえられる様子を示した模式図であり、（ｂ）は気体貯留室の内部で生成された液泡塊を模式的に示した拡大図である。 汚水処理場内の散気装置の上部側に固定棒によって図５の曝気装置を固定した状態を示す模式図である。 多段に接続された複数の曝気ユニットの気体貯留室に対してそれぞれ送水管が接続された状態を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ曝気装置の外観図及び縦断面図である。 （ａ）は図１の曝気ユニットの縦断面図であり、（ｂ）乃至（ｇ）は（ａ）に示される液胞の生成路の変形例を示す曝気ユニットの上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る曝気ユニットの内部における気泡の挙動を示した模式図である。 （ａ）は第１の実施の形態における曝気ユニットの上部側に、第２の実施の形態の曝気ユニットを接続させた曝気装置の模式図であり、（ｂ）は曝気装置を汚水処理場内の処理槽に設置した状態を示す模式図である。 図９の曝気ユニットの変形例を示した模式図である。 第１の実施の形態に係る曝気ユニットと図１１に示した第２の実施の形態に係る曝気ユニットとを交互に多段接続した状態を示す模式図である。 湖沼などの湖底に図１１に記載した曝気ユニットを多段接続して配置した曝気装置の模式図である。
符号の説明
１ａ 曝気ユニット
１ｂ 曝気ユニット
１ｃ 曝気ユニット
１Ｗ 周辺水
２ 散気装置
２Ｗ 処理水
２ＷＡ 分離水
２Ｗａ 分離気体
２ＷＢ 下降処理水
２Ｗｂ 下降気泡
３ 液泡生成路部
３ａ 生成路
３ｂ 下端
３ｃ サイホン部
３ｄ 上端
３ｅ 上端
３ｐ パイプ
３Ｗ 周囲の水
４ 気体貯留室
４ａ 孔
４ｂ 送水管
４Ｇ サイホン気体貯留室部の範囲
５ 気泡集積部
５ａ 開口部
５ｂ 孔
６ａ 曝気装置
６ｂ 曝気装置
６ｃ 曝気装置
６ｄ 曝気装置
ａ．Ｘ 気泡
ｂ．Ｘ 液泡塊
Ｂ 固定棒
Ｃ 連結部材
Ｃ．Ｆ エアーブロア
D 液泡生成路部の径
Ｇ ガイド
H 曝気ユニットの長さ
Ｈｄ 水頭差
Ｌ 分離水２ＷＡと分離気体２Ｗａとに分離させる高さ
Ｐ 配管
Ｐ１ 気泡上昇パイプ
Ｐ２ パイプ
Ｑ 基点
Ｓ ステイ
Ｕ．Ｂ 湖底
Ｘ 気体
ＷＴ 処理槽
Ｗｃ 下降対流
Ｗｒ 上昇流
ｇ ガス
ｆ 水膜
ｍ 水霧
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る曝気ユニットを備えた曝気装置について、図１乃至図８を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ本発明の第１の実施の形態に係る曝気ユニットの外観図、縦断面図及び横断面図である。
図１において、１ａは曝気ユニット、２は水中で気泡を発生させる散気装置、３は気泡がその内部を上昇可能に形成された筒状の液泡生成路部、３ａは水中を上昇する気泡から液泡塊が生成し易くする為の生成路である。３ｂは液泡生成路部３の下端であり、別の曝気ユニットを接続する場合に使用されるジョイント部が形成されている。４は水中内で気体を貯留できるように内部に空間を有する碗型の気体貯留室、５は気体貯留室４の下部側から新たに放出された気泡を捕集可能に碗型に形成されるとともに別の液泡生成路部３が接続された場合に上部側に気泡を送出する開口部５ａが上面に形成された気泡集積部、Ｓは液泡生成路部３と気体貯留室４と気泡集積部５とを接続しているステイ、Ｘは散気装置２に送り込まれる気体である。なお、液泡生成路部３の上端３ｅは気体貯留室４の内部に配置されている。また、気泡集積部５の開口部５ａの内壁面には別の曝気ユニット１の液泡生成路部３を接続するために下端３ｂに形成されたジョイント部をはめ込む受けジョイント部が形成されている。
図２は図１の曝気ユニット１ａの変形例であり、（ａ）及び（ｃ）は外観図、（ｂ）及び（ｄ）はそれぞれ（ａ）と(ｃ)に示される曝気ユニットの縦断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は気体貯留室４の下部側に孔４ａを複数設け、水中に気泡が放出する時に気泡径が大体均一になるようにしたものであり、図２(ｃ)及び（ｄ）は、気泡集積部５内に孔５ｂを設けたものである。孔４ａは碗型に形成された気体貯留室４の水平方向に略同レベルで周設されており、その水平レベルは液泡生成路部３の上端３ｅの水平レベルよりも下方に設定されている。なお、この孔４ａの水平レベルは、気泡集積部５の下端の水平レベルよりも下方となっているものの、この孔４ａから放出される気泡が碗型に形成される気泡集積部５の下端から溢れて、その碗型の内部に流入する量が減る場合には、気泡集積部５の下端を延ばして、孔４ａの水平レベルよりも下げるなどして気泡集積部５の内部に流入する気泡量を調整してもよい。なお、本願発明及び実施の形態において「筒状」とは完全な「筒状」のみならず「略筒状」も含む概念を表しており、「碗型」とは完全な「碗型」のみならず「略碗型」も含む概念を表している。
図１及び図２に示す構造の曝気ユニット１ａにおいては、水中に設けられた液泡生成路部３の内部を気泡が上昇する際に液泡に変化し、この液泡から液泡塊が生成される。この液泡塊は気体貯留室４の内部で気体に曝されて破裂し、気体貯留室４の下部側から水中に放出されて新たな気泡となる。そして、この気泡は気泡集積部５で捕集されて開口部５ａから上方に送出される。このような気泡の挙動について図３及び図４を用いて説明する。又、既に散気装置２が設置されている施設等について図５及び図６を用いて説明する。なお、図中の曝気ユニットは全て図２の（ａ）のタイプを用いている。また、図１及び図２に示した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図３（ａ）は図２（ｂ）の曝気ユニット１ａの内部における気泡ａ．Ｘの挙動を示した模式図であり、（ｂ）乃至（ｄ）は気体貯留室４の内部で生成された液泡塊ｂ．Ｘを模式的に示した拡大図である。図４は図１の曝気ユニット１ａが多段に接続されて構成される曝気装置６ａの内部へ散気装置２の周辺水（被処理水）１Ｗを水平方向から誘導した状態を示した図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ曝気装置６ａの外観図及び縦断面図である。また、図５（ａ）は図４の曝気装置６ａにおいて最下段の曝気ユニット１ａに取り付けられたガイドＧによって既存の散気装置２から発生した気泡ａ．Ｘが捕らえられる様子を示した模式図であり、（ｂ）は気体貯留室４の内部で生成された液泡塊ｂ．Ｘを模式的に示した拡大図である。
図３（ａ）に示すように、散気装置２から発生した気泡ａ．Ｘは、周辺水（被処理水）１Ｗを伴って液泡生成路部３内を上昇し、生成路３ａを通過する際に液泡へと変化する。この液泡は、液泡生成路部３の最上域の気体貯留室４内で集団となり、液泡塊ｂ．Ｘが生成される。そして、図３（ｂ）に示すように、水深に応じた水圧を受ける気体Ｘが液泡塊ｂ．Ｘの水膜ｆに接触することにより、水膜ｆに気体Ｘ中のガス成分が分圧に応じて吸収され、又は、ガス成分の分圧に応じて水膜ｆ内に余分に溶解していたガスｇが空間へ放出される。すなわち、水膜ｆ中に酸素ガスが不足している場合、酸素ガスは水膜ｆ中に吸収され、水膜ｆ中に窒素ガスや硫化水素ガスが余分に溶存している場合、それらのガスは水膜ｆ中から放出される。
気体貯留室４内において液泡塊ｂ．Ｘが破裂する様子を高速度カメラで撮影した場合、図３（ｃ）及び（ｄ）に示すように液泡は端から水霧（ミスト）ｍとなって崩壊する。これにより、気体貯留室４内において気体Ｘの水霧ｍ中への吸収が分圧に応じて促進され、又は水霧ｍ中に溶存するガスｇの放出が分圧に応じて更に促進される。また、気体貯留室４内で破裂した液泡塊ｂ．Ｘ中の気体Ｘは孔４ａから水中に放出され、新たな気泡ａ．Ｘは上昇して気泡集積部５によって集められる。また、液泡塊ｂ．Ｘの液泡の表面を形成していた水膜ｆは、処理水２Ｗとして気体貯留室４の下部から排出される。そして、孔４ａから放出された新たな気泡ａ．Ｘは、周囲の水３Ｗを伴って気泡集積部５内を上昇し、上部側に接続される液泡生成路部３内において再び液泡塊ｂ．Ｘが生成される。なお、この一連の動作は、接続された曝気ユニットの数だけ繰り返される。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数の曝気ユニット１ａを多段に接続し、散気装置２の下部側に水平方向にパイプＰ２等を接続した場合、周辺水(被処理水)１ＷはパイプＰ２を介して、水平方向から連続的に誘導され、曝気装置６ａの内部に供給される。例えば、湖沼中の底域にパイプＰ２を配置し、各方面から周辺水１Ｗを導き曝気処理すれば、湖沼内の水を対流させることができる。
このように多段に接続された曝気ユニット１ａを連結部材Ｃで連結して既存の散気装置２に取り付けた場合、図５に示すように散気装置２で発生した気泡ａ．ＸはガイドＧによって捕らえられ、液泡生成路部３内に導かれる。そして、液泡塊ｂ．Ｘが生成され、水中内の気体空間内で曝されて破裂し、新たな気泡ａ．Ｘが放出される。この一連の動作は曝気ユニットの数ほど繰り返されるため、溶存酸素を豊富に含んだ多量の水を簡単に作ることができる。
図６は汚水処理場内の散気装置２の上部側に固定棒Ｂによって図５の曝気装置６ａを固定した状態を示す模式図である。なお、Ｃ．Ｆは気体Ｘを散気装置２に供給するエアーブロアである。図７は多段に接続された複数の曝気ユニット１ａの気体貯留室４に対してそれぞれ送水管４ｂが接続された状態を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ曝気装置６の外観図及び縦断面図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、各曝気ユニット１ａの気体貯留室４をそれぞれ囲うとともに送水管４ｂを接続した場合、気体貯留室４の下部側から排出される処理水２Ｗは送水管４ｂを通って配管Ｐに流入する。その後、処理水２Ｗは水頭差によって配管Ｐの下部側へと送られる。
図８（ａ）は図１の曝気ユニットの縦断面図であり、（ｂ）乃至（ｇ）は（ａ）に示される液胞の生成路の変形例を示す曝気ユニットの上面図である。
なお、液泡生成路部３内を気泡ａ．Ｘとともに上昇する被処理水の状態は、その粘性によって異なり、また、異物の混入などによっても影響を受ける。従って、本実施の形態における曝気ユニットは図１に示したものに限らず、例えば、生成路３ａの構造や形状を被処理水の状態に応じて図８に示すように変更することもできる。また、特に粘性や異物混入の影響を受け易い下水処理場等の被処理水に対しては、図８（ｃ）に示す様に生成路３ａを単純な構造にすると良い。
ただ、基本的には液泡生成路部３及び生成路３ａは、筒状に形成されていればよく、図８（ｂ）乃至（ｇ）に示されるように、その水平断面形状は円形状や扇状、多角形状などあるいはそれらの組み合わせなど特に限定するものではない。
次に、図５に示したものとほぼ同形状の曝気装置を、実際に下水処理場に設置して溶存酸素量DOを測定した結果について説明する。
この曝気装置は直径Ｄが５０ｍｍの丸い筒状の液泡生成路部３を備えた長さHが１７０ｍｍの曝気ユニット１ａが５段に接続された構造となっており、最下段の曝気ユニット１ａにはガイドＧが取り付けられている。このような構造の曝気装置を宇部市東部下水処理場に設置し、処理水２Ｗが排出される箇所における溶存酸素量ＤＯを測定した。
ＤＯ溶存酸素計を用いて曝気槽内の原水（水温は１８．４℃）の溶存酸素量ＤＯを測定したところ、溶存酸素量ＤＯは０．７ｐｐｍであった。これに対し、上記曝気装置から排出された処理水２Ｗの溶存酸素量ＤＯは約３．７ｐｐｍであった。すなわち、周囲の原水に比べて溶存酸素量ＤＯを５倍以上に増やすことができた。なお、目視で確認したところ、上昇してくる気泡量は少なかった。また、気泡供給量の調整はしていない。
次に、防府市の水産加工会社内において、この曝気装置を図４に示すように設置して、地下から汲み上げられた地下海水の溶存酸素量ＤＯを上昇させる実験を行った。
地下から汲み上げられた地下海水（水温は１７．６℃）をＤＯ溶存酸素計で測定したところ、溶存酸素量ＤＯはほぼ０ｐｐｍを示し、酸素ガスは殆ど溶存していなかった。
この地下海水に２０Ｗのダイヤフラムブロアを用い、ホームセンター等で市販されているエアーストーン（散気装置２）へ気体Ｘを供給した。そして、連続的に排出される処理水２Ｗを測定したところ溶存酸素量DOはワンパスで６．７ｐｐｍを示した。
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る曝気ユニット及び曝気装置について、図９乃至図１３を参照しながら詳細に説明する。
図９は本発明の第２の実施の形態に係る曝気ユニット１ｂの内部における気泡の挙動を示した模式図である。
１Ｗは液泡生成路部３内を上昇する気泡ａ．Ｘに連行される周辺水（被処理水）、３ａは水中を上昇する気泡から液泡塊ｂ．Ｘが生成し易くするための生成路、４は水中内で気体を貯留できるように内部に空間を有する碗型の気体貯留室、４Ｇはサイホン気体貯留室部の範囲、３ｃは液泡塊ｂ．Ｘの破裂により生成される分離水２ＷＡが内部を下降するように気体貯留室４の下方に設置されるサイホン部、２Ｗは水を液泡に変化させることで曝気した処理水、３Ｗは下降気泡２Ｗｂが上部の気泡集積部５に向かって上昇する時に連行される周囲の水である。３ｂは液泡生成路部３の下端であり、別の曝気ユニットを接続する場合に使用されるジョイント部が形成されている。５ａは別の液泡生成路部３が接続された場合に上部側に気泡ａ．Ｘを送出するための開口部であり、開口部５ａの内壁面には別の曝気ユニットの液泡生成路部３を接続するために液泡生成路部３の下端３ｂのジョイント部をはめ込む受けジョイント部が形成されており、液泡生成路部３の上端３ｅは気体貯留室４の内部に配置されている。そして、サイホン部３ｃの上端３ｄは液泡生成路部３の上端３ｅよりも高さＬだけ上方に配置されている。すなわち、Ｌはサイホン気体貯留室部の範囲４Ｇ内において、重力により分離水２ＷＡと分離気体２Ｗａとに分離させる高さを示している。
このような構造の曝気ユニット１ｂにおいては、散気装置等から発生した気泡ａ．Ｘが液泡生成路部３内を上昇する際に周辺水１Ｗを連行する。そして、生成路３ａを通過する時に気泡ａ．Ｘと周辺水１Ｗとは液泡に変化し、気体貯留室４内で液泡塊ｂ．Ｘが生成される。気体貯留室４に連続的に供給された液泡塊ｂ．Ｘは同時に破裂して、ほぼ水と気体に分離され、周囲の液泡より重くなった分離水２ＷＡは水頭差Ｈｄによる重力によってサイホン部３ｃ内を下降処理水２ＷＢとして下降し、処理水２Ｗとなってサイホン部３ｃの下部から排出される。また、軽い液泡も分離気体２Ｗａと一緒に、気体貯留室４の上部から一旦下降して下降気泡２Ｗｂとして気体貯留室４の下部から放出される。
気体貯留室４から溢れ出た下降気泡２Ｗｂは上部の気泡集積部５によって集められる。
なお、碗型に形成された気泡集積部５の下端は、図９では気体貯留室４の下端の水平レベルよりも高くなっているが、気泡集積部５から溢れてその内部に流入する下降気泡２Ｗｂの量が少ない場合には、気泡集積部５の下端を例えば気体貯留室４の下端の水平レベルよりも下げて、下降気泡２Ｗｂの流入量を調整するとよい。
図１０（ａ）は第１の実施の形態における曝気ユニット１ａの上部側に、第２の実施の形態の曝気ユニット１ｂを接続させた曝気装置６ｂの模式図であり、（ｂ）は曝気装置６ｂを汚水処理場内の処理槽に設置した状態を示す模式図である。なお、ＷＴは被処理水などを貯留できる処理槽、Ｗｒは上昇流であり、Ｗｃは上昇流Ｗｒが水面に到達し反転した下降対流、１Ｗは処理槽ＷＴの底の周辺水である。
汚水処理場で有機物を効率良く分解させるためには、微生物に酸素を供給し活性化させることと、同時に被処理水を対流させて微生物と有機物との接触を効率良く行うことが重要であるが、図１０（ａ）に示す曝気装置６ｂを用いれば両方の目的を達成することができる。また、図１０（ｂ）に示すように、散気装置２を備えた汚水処理場内の処理槽に曝気装置６ｂを設置した場合、散気装置２から発生する気泡がガイドＧによって捕らえられるため、直ちに装置を稼動状態にすることが可能である。
図１１は図９の曝気ユニットの変形例を示した模式図である。なお、Ｌは分離水２ＷＡと分離気体２Ｗａとに分離させる高さ、Ｑは水頭差Ｈｄによる下降処理水２ＷＢへの重力の大きさが決まる基点である。
図１１に示すように、曝気ユニット１ｃは図９の場合と同様にサイホン現象を利用しており、液泡生成路部３、サイホン部３ｃ、開口部５ａの部材を、それぞれパイプ形状にして並列接続したことを特徴としている。
このように、液泡生成路部３、サイホン部３ｃ、開口部５ａの部材をパイプ形状にして、液泡生成路部３の下端３ｂにジョイント部を形成し、開口部５ａの上端に受けジョイント部を形成することで、曝気ユニット１ｃを多段に接続する（図１３参照）あるいは曝気ユニット１ａと混合させながら多段に接続する構成が可能である（図１２参照）と同時に、サイホン部３ｃの端部分にはパイプ３ｐ（図１３参照）を接続することができる。これにより、サイホン気体貯留室部の範囲４Ｇ内の水頭差Ｈｄによって作られた下降処理水２ＷＢを処理水２Ｗとしてパイプ３ｐによって所望の場所へ送水することが可能となる。また、曝気ユニット１ｃは樹脂射出成形機で生産できるため、安価なものとすることができる。
図１２は第１の実施の形態に係る曝気ユニット１ａと図１１に示した第２の実施の形態に係る曝気ユニット１ｃとを交互に多段接続した曝気装置６ｃの模式図である。
図１２に示すように、曝気装置６ｃは、図１１に記載の曝気ユニット１ｃにおいてサイホン部３ｃの下端に、パイプ３ｐを接続することで処理水２Ｗを所望の場所に送る構造となっている。
図１３は湖沼などの湖底Ｕ．Ｂに図１１に記載した曝気ユニット１ｃを多段接続して配置した曝気装置６ｄの模式図である。
図１３に示すように、水中において湖底Ｕ．Ｂの水を曝気処理し、その処理水２Ｗをパイプ３ｐによって送水することによれば、そのまま処理水２Ｗを湖底Ｕ．Ｂに戻すことができる。この場合、水温の変動が極めて小さいため、処理水２Ｗを湖底Ｕ．Ｂに定着させることが可能である。また、一端が水面付近に開口する気泡上昇パイプＰ１の他端を開口部５ａに形成された受けジョイント部に接続すれば、湖沼内の低層水と中・上層水とが混ざることなく、低層水域だけを曝気処理することができる。さらに、低層水に溶存しているガスを放出させたい場合は、気泡上昇パイプＰ１を水面より上に出せば、低層水域に溶存している不要ガスを大気に放出することができる。
本願発明は以下のような曝気装置として利用可能である。
（１）水生生物への酸素供給を目的とした曝気装置。
（２）水生生物にとって、気体溶存バランスがとれた生息しやすい好適な水を生成する曝気装置。
（３）化学工場内などの気液接触工程や汚水処理等に用いる曝気装置。
（４）下水処理場等の被処理水中に高効率に酸素を富化させる曝気装置。
（５）生物濾過槽内へ効率良く酸素を供給する曝気装置。

Claims (5)

  1. 水中に設置される曝気ユニット（１ａ）であって、気泡（ａ．Ｘ）を発生させる散気装置（２）と、この気泡（ａ．Ｘ）が内部を上昇可能に前記散気装置（２）の上方に設置される筒状の液泡生成路部（３）と、この液泡生成路部（３）の上部に接続される碗型の気体貯留室（４）と、この気体貯留室（４）の上方に設置されるとともに上面に開口部（５ａ）が形成された碗型の気泡集積部（５）とを備え、前記液泡生成路部（３）の上端（３ｅ）は前記気体貯留室（４）の内部に配置され、前記液泡生成路部（３）内で前記気泡（ａ．Ｘ）から生成される液泡塊（シャボン玉状の液泡集合体）（ｂ．Ｘ）は前記気体貯留室（４）内で気体に曝されて破裂し、前記気体貯留室（４）の下部側から水中に放出されて新たな気泡（ａ．Ｘ）となり、この気泡（ａ．Ｘ）は前記気泡集積部（５）で集められて前記開口部（５ａ）から上方に送出されることを特徴とする曝気ユニット（１ａ）。
  2. 前記液泡塊（ｂ．Ｘ）の破裂により生成される分離水（２ＷＡ）が内部を下降可能に前記気体貯留室（４）の下方に設置されるサイホン部（３ｃ）を備え、このサイホン部（３ｃ）の上端（３ｄ）は前記気体貯留室（４）の内部において前記液泡生成路部（３）の上端（３ｅ）よりも上方に配置されることを特徴とする請求の範囲１項に記載の曝気ユニット（１ｂ，１ｃ）。
  3. 請求の範囲１項又は請求の範囲２項に記載の前記曝気ユニット（１ａ〜１ｃ）を複数備え、一の前記曝気ユニット（１ａ〜１ｃ）の前記気泡集積部（５）の前記開口部（５ａ）に他の前記曝気ユニット（１ａ〜１ｃ）の前記液泡生成路部（３）の下端（３ｂ）が接続されたことを特徴とする曝気装置（６ａ〜６ｄ）。
  4. 水中で気泡（ａ．Ｘ）を発生させる散気工程と、この気泡（ａ．Ｘ）を上昇させながら液泡に変化させて液泡塊（ｂ．Ｘ）を生成する液泡塊生成工程と、この液泡塊（ｂ．Ｘ）を水中において貯留された気体に曝して破裂させ、水中に放出して新たな気泡（ａ．Ｘ）を発生させる液泡塊破裂工程と、この新たに発生した気泡（ａ．Ｘ）を集めて上方に送出する気泡収集工程とを備えたことを特徴とする曝気方法。
  5. 前記散気工程を初回のみ行い、前記液泡塊生成工程と前記液泡塊破裂工程と前記気泡収集工程とからなる一連の工程をこの順に複数回繰り返して行うことを特徴とする請求の範囲４項に記載の曝気方法。
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