JP5955745B2

JP5955745B2 - 旋回流曝気槽

Info

Publication number: JP5955745B2
Application number: JP2012240251A
Authority: JP
Inventors: 一栄柴田; 孝太朗重松
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014087763A

Description

本発明は、中央部に垂直方向に仕切壁を設けた好気性反応槽の一方側に散気装置を設置して成る旋回流曝気槽に関する。

下水、し尿、産業排水などの有機性汚水を好気性微生物により生物学的に処理して浄化する好気性生物処理においては、曝気槽内に、曝気槽内の被処理水中に気泡状の空気を吹き込んで曝気するための散気装置が設置されている。曝気槽へ供給する空気の送風に要する動力は、下水処理場で消費する電力の４割〜５割といわれており、下水処理場からのＣＯ₂排出量を削減するには送風動力の削減が必須である。
送風動力の削減方法の１つとして、近年導入が進んでいるのが超微細散気装置である。超微細散気装置の１つであるパネル型のメンブレン式散気装置は、反応タンクのエアレーションに使用する装置である（例えば、特許文献１参照）。

パネル型のメンブレン式散気装置の散気パネルは、平板状を為す金属製又は合成樹脂製のベースプレートの一面に散気膜を配置し、散気膜の四辺縁部とベースプレートの四辺縁部とをパッキンを介して金属製の枠体に固定している。散気膜は多数の小孔を有し、その材質は、ポリウレタン、シリコン、エチレンプロピレンゴムなどの適度の弾性を有する合成樹脂又は合成ゴムから成る。
パネル型のメンブレン式散気装置は、発生する気泡の直径が、例えば、１ｍｍ程度の微細気泡（超微細気泡）を発生することができるので、従来の散気装置に比べ小さく、比表面積が大きくなるため、水中への酸素移動効率が高く、同じ酸素移動を水中へ行うための曝気を行うなら好気反応槽への送風量が少なくなり、電力削減と同時に温室効果ガスの排出量を抑制することが期待できる。

また、パネル型のメンブレン式散気装置は、水中に多数設置される散気パネル毎にレベル差があると、それぞれの散気パネルに掛かる水頭差が生じ、掛かる水圧の低い、つまりレベルが高い箇所に設置される散気パネルから偏って気泡が吹き出されることが考えられる。微小な水圧差でも気泡発生度合いが異なると考えられ、従来、好気反応槽中で散気装置の各散気膜は、水平に且つレベルを揃えて全膜面が発泡に寄与するように設置されている。
ところで、下水処理設備などで用いられる好気性処理槽として、散気装置から吹き出される水中への溶存酸素供給のための微細気泡が、水中を上昇することで生じる力であるエアリフト効果も有することを利用し、被処理水に旋回流を発生させて、被処理水に添加した微生物を沈澱させることなく被処理水中に分散させ、被処理水を生物処理するようにした旋回流曝気槽が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２には、中央部に垂直方向に仕切壁を設けた好気性反応槽において、仕切りで分離された一方側にのみ散気面を水平（水面に平行）として散気装置を設置した旋回流曝気槽が示されている。
従来のパネル型のメンブレン式散気装置を用いた旋回流曝気槽では、槽内にメンブレン膜の細長い散気装置を配置し、その曝気空気により溶存酸素を付加しながら、その空気泡上昇力により槽内処理水を同伴流動させて槽内循環を行うように構成されている。

また、有効散気面積を大きく、ＳＳ（suspended solids：浮遊物質）の堆積が生じにくく、槽内の水流循環の妨げになりにくくするために、多数の気泡噴出孔を備えた散気膜を、その散気膜が水面に対して垂直になるように配置した旋回流曝気槽が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献３は、槽内で散気面を水面に対して垂直にすることによって、従来の水平設置型の散気装置に比べてＳＳの堆積が生じにくいうえ、水平投影面積が小さいので気泡の浮上力による槽内の水流循環を妨げにくいため、膜面近傍を通過する水流による洗浄効果も得ることができ、長期間使用しても通気抵抗の増加がないこと、このように垂直設置された散気膜は水圧の比較的小さい上半部からのみならず、比較的水圧の大きい下半部からも気泡を発生することを開示している。

特開２００４−３１３９３８号公報特開２００２−３５７８５号公報特許第４２６８７６８号公報

しかしながら、例えば、特許文献１に示す従来の旋回流曝気槽におけるパネル型のメンブレン式散気装置では、他の形式の散気装置より微細気泡となり酸素溶解効率は高まるものの、旋回流をエアリフト効果で与えることと必要酸素吹き込み量を確保するためには、水平設置する散気装置設置レベルでは設置密度が高くなって旋回流が流れる隙間が狭くなり、被処理水の循環力を与えながら酸素溶解効率を向上させるのは容易ではなかった。
また、従来の旋回流曝気槽におけるパネル型のメンブレン式散気装置では、発生する気泡の直径が小さくとも、旋回流を起こしつつ必要な酸素吹き込み量を確保するため、ブロワで送る全体空気量が多く、散気装置の上方の槽内で気泡同士が合体して直径が大きな気泡になってしまい、槽全体での気泡表面積が小さくなり酸素溶解効率が低下してしまうという問題があった。

また、特許文献３では、槽内で水面に対して散気膜を垂直に設置するので、例えば、図２９（１）〜（３）に示すように、散気膜の発泡面の無数の気孔ａ，ｂ，ｃから発生する気泡は、散気膜の発泡面の上部側にある気孔ａから発生する気泡よりもその下部側にある気孔ｂから発生する気泡の方が先に離脱、上昇する場合もある。そのため、図２９（２）から図２９（３）へ移行する過程で、散気膜の発泡面の上部側にある気孔ａで成長途中の気泡Ｘに散気膜の発泡面の下部側にある気孔ｂから発生する気泡Ｙが接触して合体し、図２９（３）の上部に示すように、図２９（２）に示す離脱した気泡Ｙの径に比し大きな径となった気泡Ｚになるという問題が生じる。つまり、特許文献１の問題点であった、多量の全体空気吹き込み量の場合に散気装置の上方の槽内で気泡同士が合体して直径が大きな気泡になる事柄と似た現象を引き起こしている。

さらに、特許文献３は、高価な散気膜をパネル両面に張っているにもかかわらず、槽内に吹き出される気泡は、平面視で散気膜の膨らみ分である小さな平面積を立ち上ることとなり、槽内に気泡が均一に分散されにくい方式である。折角の大きな散気膜面で微細気泡を生じても有効に利用されず、大きな気泡に合体され、且つ分散が不良で旋回流の発生力も偏りが生じやすいので、槽内に滞留域が生じやすく、且つ気液接触も不良な部分が生じやすい方式である。当然、槽全体での良好な酸素溶解効率を望めないやり方である。
このように、特許文献３では、槽内で水面に対して散気膜を垂直に設置するため、気泡の径が大きくなりやすく、酸素溶解効率が悪くなるという課題がある。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、散気膜で発生する微細気泡を、槽内での気泡同士の合体を抑制し、且つ旋回流を生じさせながら、槽内全体の酸素溶解効率の向上が達成可能な旋回流曝気槽を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理水を保持する水槽と、前記水槽の中央部に水槽下部は仕切らずに垂直方向に水没して設置される導流壁と、前記導流壁によって分けられる前記水槽内の一方の側の前記導流壁があるレベルに設置され、前記水槽内に空気を散出するパネル型のメンブレン式散気装置とを備え、前記パネル型のメンブレン式散気装置は、前記水槽内の一方の側の所定の同一水平レベルに、散気パネルの長さ方向を前記導流壁の水平幅方向と同方向に延長して複数の散気パネルを等間隔に配置すると共に、前記複数の散気パネルの前記導流壁側の端部側を前記水槽の水平方向から持ち上げ傾けて設置して成ることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の旋回流曝気槽において、前記複数の散気パネルの設置角度は、１５度〜６０度であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の旋回流曝気槽において、前記複数の散気パネルの設置角度は、３０度であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の旋回流曝気槽において、前記散気パネル１枚の幅は、０．１ｍ〜０．３ｍであることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の旋回流曝気槽において、前記散気パネル１枚の幅は、０．１５ｍであることを特徴とする。

本発明によれば、パネル型のメンブレン式散気装置を構成する複数の散気パネルの導流壁側の端部側を、水槽の水平方向から持ち上げ傾けて設置することによって、各散気パネルの気孔から発生する気泡の合体を抑制し、酸素溶解効率を向上させることが可能となった。
また、本発明によれば、各散気パネルの気孔から発生する気泡の槽内分散が良好で旋回流の発生力も偏りが生じず、槽内に滞留域が生じず気液接触の不良な部位が生じにくい装置を提供できる。
また、本発明によれば、酸素溶解効率の向上に伴い、送風量が削減されて溶存酸素供給に必要な電力の削減が可能となった。

本発明の一実施形態に係る旋回流曝気槽を示す説明図である。図１に示す旋回流曝気槽内に配置するパネル型のメンブレン式散気装置の散気パネルの設置角度を示す説明図である。流体シミュレーションによる検証のための深槽曝気槽の形状、寸法を示す図である。図３に示す１０枚の散気パネルの設置角度を水平（０度）から１５度ずつ６０度まで変化させたときのΚ_Lａ（２０）を示すグラフである。散気パネルを水平設置時の気泡径分布を示す分析図である。散気パネルを１５度設置時の気泡径分布を示す分析図である。散気パネルを３０度設置時の気泡径分布を示す分析図である。散気パネルを４５度設置時の気泡径分布を示す分析図である。散気パネルを６０度設置時の気泡径分布を示す分析図である。水槽形状の影響検証のための深槽曝気槽の形状、寸法を示す図である。散気パネルを水平設置時の気泡状態を示す図である。散気パネルを３０度設置時の気泡状態を示す図である。散気パネルを６０度設置時の気泡状態を示す図である。深槽曝気槽内の平均気泡径が変化した要因を調査するために、散気パネルの気孔から空気が噴出して、球形になり、気泡として離脱するまでの過程（１）〜（５）を、高速度ビデオカメラで撮影した結果を示す図である。発泡面に平行な水流を与えると、（１）〜（４）に示す過程によって気泡が発生することを高速度ビデオカメラで撮影した結果を示す図である。通気流量５．０ｍＬ／ｍｉｎ時のせん断流速と気泡径との関係を示すグラフである。散気パネルを水平設置した場合のせん断流を示す図である。散気パネルを１５度傾斜設置した場合のせん断流を示す図である。散気パネルを３０度傾斜設置した場合のせん断流を示す図である。散気パネルを４５度傾斜設置した場合のせん断流を示す図である。散気パネルを６０度傾斜設置した場合のせん断流を示す図である。通気流量５．０ｍＬ／ｍｉｎ時のせん断流速と気泡離脱角度との関係を示すグラフである。実験に用いた水槽を示す図である。図２３の実験に使用した水槽の形状を示す図である。図２３の実験における旋回流エアレーション方式の概念図である。図２３の実験におけるＤＯ（溶存酸素濃度）測定場所を示す図である。シミュレーションにおける曝気槽の形状、寸法を示す図である。散気パネルを３０度の傾斜で設置した場合について、シミュレーンによって算出したΚ_Lａ（２０）と実測によるΚ_Lａ（２０）とを示す図である。散気膜の発泡面を水面に対して垂直に設置した場合に気泡の合体が生じる原理を説明する図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る旋回流曝気槽１を示す。
本実施形態に係る旋回流曝気槽１は、水槽２内のほぼ中央部に垂直方向に導流壁３が設置され、水槽２内を二分している。導流壁３は、上端部３ａが水槽２の水面位置Ｌよりも下方になるように配置され、下端部３ｂは水槽２の底面２ｃに達しておらず、仕切られた二つの区分７，８は上下でそれぞれ連通している。
水槽２の一方の壁面２ａと導流壁３との間の区分７にパネル型のメンブレン式散気装置４が設置されている。

本実施形態では、パネル型のメンブレン式散気装置４は、例えば、１０枚の散気パネル５を水平方向に等間隔に配置することによって構成されている。各散気パネル５の寸法は、例えば、幅０．１５ｍ×長さ２ｍである。この散気パネル５の寸法のうち、幅寸法については、傾けた場合の均一発泡を担保するためにはあまり大きくすることは好ましくなく、０．５ｍ以下であるべきで、散気パネル５の強度や散気膜の膨らみ自由度などから実用的な幅寸法は０．１ｍ〜０．３ｍ程度が好ましい。散気パネル５の長さ寸法は、旋回流曝気槽１の旋回流の駆動や水槽２内の均一な気泡拡散などの面から、旋回流曝気槽１の図１紙面奥行き長さに略同じ長さ寸法が望ましい。水槽２の形状によっては旋回流曝気槽１の奥行きよりも短い場合もある。

実際の下水処理場などでは、この長さは数十ｍ乃至６０ｍ〜７０ｍなど長きに亘ることが常であり、曝気槽長さを、パネル型のメンブレン式散気装置４の１０ｍ以下の最大長さで分割し、長さ方向へほぼ均一な気泡拡散を行うこととなる。
各散気パネル５の散気膜は、例えば、特殊ポリウレタン膜を使用し、発生する気泡の直径が１ｍｍ程度としてある。
パネル型のメンブレン式散気装置４の各散気パネル５は、平板状を為す金属製又は合成樹脂製のベースプレートの一面に散気膜を配置し、散気膜の四辺縁部とベースプレートの四辺縁部とをパッキンを介して金属製の枠体に固定している。散気膜は多数の小孔を有し、その材質は、ポリウレタン、シリコン、エチレンプロピレンゴムなどの適度の弾性を有する合成樹脂又は合成ゴムから成る。従って、各散気パネル５の散気面は、片面である。そして、各散気パネル５は、散気面を水面側に向けて設置される。

また、各散気パネル５は、図２に示すように、各散気パネル５の一方の壁面２ａ側の端部５ａ側を固定した状態で各散気パネル５の導流壁３側の端部５ｂ側を水槽２の水平面に対して設置角度αが１５度〜６０度となるように持ち上げ傾け移動（回転）して設置されている。
なお、各散気パネル５は、送気管６に接続され、送気管６には系外に設置した圧縮空気供給装置が接続されている。なお、図１では、１つの散気パネル５に送気管６を接続して示したが、残りの散気パネル５にも同様に送気管６が接続されている。

本実施形態によれば、図示しない圧縮空気供給装置から送気管６を介して圧縮空気が各散気パネル５に供給されると、各散気パネル５の散気膜の無数の気孔から超微細気泡となって被処理水中に散気され、気泡として浮上させられる。
この際、図１に示すように、パネル型のメンブレン式散気装置４の各散気パネル５の無数の気孔から吹き出される微細気泡のエアリフト効果により、区分７から区分８へ被処理水に旋回流を発生させて、微生物を被処理水中に分散させ、被処理水を生物処理する。
なお、本発明において、旋回流曝気槽１の水槽２としては、水深４ｍ〜１５ｍ、パネル型のメンブレン式散気装置４の水深は３ｍ〜７ｍが望ましい。

本実施形態では、各散気パネル５は、図２に示すように、各散気パネル５の一方の壁面２ａ側の端部５ａ側を固定した状態で各散気パネル５の導流壁３側の端部５ｂ側を水槽２の水平面に対して設置角度αが１５度〜６０度となるように持ち上げ傾け移動（回転）して設置されているので、導流壁３の下端部３ｂを潜り区分７で広がった後、導流壁３の上端部３ａを乗り越える旋回流の大きな流れに対して、各散気パネル５の間に大きな隙間を提供するので、旋回流の流れが各散気パネル５に沿って少ない抵抗で移動することができる。

そして、後述する流体シミュレーション及び実機による実験結果から明らかなように、パネル型のメンブレン式散気装置４の散気パネル５を水槽２の水平面に対して設置角度αが１５度〜６０度で設置してあり、散気面に沿った水流により膜面近傍に一時的に滞留する発生気泡をうまく流すので、各散気パネル５の無数の気孔から発生する気泡の合体が抑制される。
また、パネル型のメンブレン式散気装置４の上方水面下までの領域に微細気泡が満たされれば満たされるほど、気液接触機会が増加し酸素溶解効率も向上するのは、気泡が旋回流に乗って下方へ回るのが少ないことから理解しやすいのだが、このパネル型のメンブレン式散気装置４の上方水面下までの領域の気泡径が微細であることも流体シミュレーションの結果でも明らかで、旋回流曝気槽１全体の総括物質移動容量係数を向上させることができる。

その結果、パネル型のメンブレン式散気装置４の散気パネル５を水槽２の水平面に対しする設置角度α＝０度と比較して、水槽２内の流動状態が最適化され、水槽２内の平均気泡径が小さくなり、酸素溶解効率が向上した。
また、酸素溶解効率の向上に伴い、送風量が削減されて溶存酸素供給に必要な電力の削減が可能となった。

なお、パネル型のメンブレン式散気装置４の散気パネル５を水槽２の水平面に対する設置角度αが９０度になると、図２９で説明したように、例えば、図２９（１）〜（３）に示すように、散気膜の発泡面の無数の気孔ａ，ｂ，ｃから発生する気泡は、散気膜の発泡面の上部側にある気孔ａから発生する気泡よりもその下部側にある気孔ｂから発生する気泡の方が先に離脱、上昇する場合もある。そのため、図２９（２）から図２９（３）へ移行する過程で、散気膜の発泡面の上部側にある気孔ａで成長途中の気泡Ｘに散気膜の発泡面の下部側にある気孔ｂから発生する気泡Ｙが接触して合体し、図２９（３）の上部に示すように、図２９（２）に示す離脱した気泡Ｙの径に比し大きな径となった気泡Ｚになる。
このように、パネル型のメンブレン式散気装置４の散気パネル５を水槽２の水平面に対して設置角度αを９０度にすると、気泡の径が大きくなり易く、酸素溶解効率が悪くなる。

次に、本発明に係る旋回流曝気槽の各散気パネルの傾斜設置の効果を流体シミュレーションによる計算結果によって検証する。
（Ａ）シミュレーション条件
（ａ）解析形状
図３は、流体シミュレーションによる検証のための深槽曝気槽１０の形状、寸法を示す。
図３において、深槽曝気槽１０を構成する水槽１１は、幅１０．０ｍ、水深１２．０ｍである。水槽１１内にはほぼ中央部に垂直方向に導流壁１２が設置され、水槽１１内を二分している。

導流壁１２は、上端部１２ａが水槽１１の水面位置Ｌよりも下方に成るように配置され、下端部１２ｂは水槽１１の底面１１ｃに達しておらず、仕切られた二つの区分１５，１６は上下でそれぞれ連通している。
水槽１１の図３紙面奥行き方向の長さは、単位長さとして１．０ｍに設定されている。
水槽１１の一方の壁面１１ａと導流壁１２との間の区分１５にパネル型のメンブレン式散気装置１３が水深５．５ｍの位置（散気水深）に散気面を水面側にして設置されている。
ここで、パネル型のメンブレン式散気装置１３は、１０枚の散気パネル１４を水平方向に等間隔に配置することによって構成されている。各散気パネル１４の寸法は、幅０．１５ｍ×長さ１ｍである。

また、散気パネル１４の設置角度αは、図２に示す散気パネル５と同様に、各散気パネル１４の一方の壁面１１ａ側の端部側を固定した状態で各散気パネル１４の導流壁１２側の端部側を水槽１１の水平面に対して設置角度αが０度、１５度、４５度、６０度となるように持ち上げ傾け移動（回転）して設置されている。
なお、各散気パネル１４は、図示しない送気管に接続され、送気管には系外に設置した圧縮空気供給装置が接続されている。

（ｂ）解析条件（初期条件）
解析モデル：２次元、倍精度、非定常解析
混相流モデル：Euler-Eulerモデル
乱流モデル：Standard Κ-ε乱流モデル（水相のみ）、標準壁関数
流体：空気、水
気泡径：気泡の合体・分裂を考慮して０．６３ｍｍ〜６．３ｍｍの範囲で分布と仮定
気泡抵抗則：気泡径と形状を考慮したIshii-Zuberモデルを適用
メッシュサイズ：５０ｍｍ角（水面付近とパネル近傍はより精細）
タイムステップ：０．００２秒

入口条件（Velocity-inlet）
風量：４０Ｎｍ³／ｍ²・ｈｒ×１／３６００×１０ｍ／（１０ｍ＋５．５ｍ）
＝０．００７１７ｍ／ｓｅｃ
気泡体積分率：１．０（１００％）
気泡径：１．０ｍｍ
出口条件（Pressure-outlet）
圧力：大気圧
逆流時の空気体積分率：１．０（１００％）
気泡径：６．３ｍｍ
壁面条件：水→非すべり壁、空気→すべり壁
収束判定：水槽の底部から０．１ｍ高さ部分での流速の時間変化及びΚ_Lａ（２０）の時間変化がなくなり、ほぼ一定値となったとき。
なお、Ishii-Zuberモデルは、Ishii,M., Zuber,N."Drag Coefficient and Relative Velocity in Bubbly, Droplet or Particulate Flows"AIChE J.,25,843-855(1979)の記載に基づく。

（ｃ）総括物質移動容量係数（Κ_Lａ（２０））算出式

数式（１）〜数式（３）において、
Κ_Lａ：総括物質移動容量係数（１／ｓｅｃ）
Κ_L：総括物質移動係数（ｍ／ｓｅｃ）
ａ：単位体積当たり気泡表面積（ｍ²／ｍ³）
κ：補正係数（−）
ε_L：水の乱流エネルギー拡散率（ｍ²／ｓｅｃ³）
ρ_L：水の密度（ｋｇ／ｍ³）
μ_L：水の粘度（Ｐａ・ｓｅｃ）
π：円周率（−）
ｄ_B：気泡径（ｍ）
φ：気泡の体積分率（−）

ここで、κ＝１．２４（実験値）、Ｄ_L ⁰²＝２．０×１０^-9ｍ²／ｓｅｃ(文献値）とした。
それぞれの計算格子ごとにΚ_Lａを算出して、水槽全体について計算格子の体積加重平均したΚ_Lａを水槽全体のΚ_Lａとした。
なお、Κ_Lａ算出式に使用した物性値は、２０℃での値としたので、ここで算出したΚ_LａがΚ_Lａ（２０）となる。
Κ_Lａの算出式は、Lamont,J.C., Scott,D.S."An Eddy Cell Model of Mass Transfer into the Surface of a Turbulent Liquid" AIChE J.,16,513-519(1970)の記載に基づく。

（Ｂ）パネル設置角度の影響
図３に示す１０枚の散気パネル１４の設置角度αを水平（０度）から１５度ずつ６０度まで変化させたときのΚ_Lａ（２０）を表１、図４に示す。
表１、図４から明らかなように、１０枚の散気パネル１４の設置角度αが３０度のときにΚ_Lａ（２０）が最も高くなっている。
表１は、散気パネル１４の設置角度とΚ_Lａ（２０）との関係を示す。
図４は、散気パネル１４の設置角度とΚ_Lａ（２０）及び平均気泡径との関係を示すグラフである。
総括物質移動容量係数Ｋ_Lａ（２０）は、移動速度と類似の総括物質移動係数に、単位体積当たりの気液接触面積を乗じた値でさらに水槽全体について体積加重平均した、つまり水槽を代表する単位体積での物質移動度合いを表す値である。よって、酸素溶解効率と比例関係になっているべきもので、この値が大きいということは、酸素溶解効率が良いということに読み替え可能である。

水槽１１内の平均気泡径を算出すると、散気パネル１４の設置角度αが３０度、４５度のときに最も小さくなっていることがわかった。
数式（１）で示されるＫ_Lａ（２０）＝Ｋ_L（２０）・ａのうち、ａ：単位体積当たり気泡表面積と比例関係であることが自明の平均気泡径と、Ｋ_Lａ（２０）が、図４を見て判るとおり、反比例的関係にあり、つまり、設置角度αで変化する平均気泡径で大きくＫ_Lａが変化し、他のＫ_Lａを変化させる要因は、設置角度の変化ではほとんど寄与していないことがわかる。
そこで、図３の水槽１１内に設けた区分１５の上部の気泡径分布を確認するために、図３に示す１０枚の散気パネル１４の設置角度αを水平（０度）から１５度ずつ６０度まで変化させた。その結果を図５〜図９に示す。

図５は、散気パネル１４を水平設置時の気泡径分布を示す。
図６は、散気パネル１４を１５度設置時の気泡径分布を示す。
図７は、散気パネル１４を３０度設置時の気泡径分布を示す。
図８は、散気パネル１４を４５度設置時の気泡径分布を示す。
図９は、散気パネル１４を６０度設置時の気泡径分布を示す。

図５〜図９から明らかなように、散気パネル１４の設置角度αによって気泡径の分布に差異が認められた。
そして、水槽１１内の平均気泡径は、上述の算出結果と同様に、散気パネル１４の設置角度αが３０度、４５度の場合が最も小さくなっているのは表１に示されているが、図５〜図９からもその小さい気泡径の分布とその面積により明白にわかる。
散気パネル１４の設置角度αが０度、つまり水平設置の場合、散気パネル１４の上方の水面下領域で、散気装置の気孔部分で径１ｍｍで発生された発生気泡が、水面までの中間レベル領域で気泡径３．８ｍｍ部分が大部分となり、水面近くでは大部分が気泡径４．５ｍｍにまで会合して大きくなっているところ、散気パネル１４の設置角度αが３０度では、水面近くでも気泡径３．８ｍｍの領域が迫っていること、散気パネル１４の水面までの領域において、明らかに気泡径３．５ｍｍ以下の領域が明白に大きいことがわかる。

（Ｃ）水槽形状の影響
以上から、散気パネル１４を斜めに設置することで、水槽１１内の平均気泡径が小さくなり、Κ_Lａ（２０）が向上する効果が得られることを確認した。
次に、この効果が他の水槽形状でも得られるか否かについて確認した。

（ａ）水槽形状
図１０は、水槽形状の影響検証の流体シミュレーションにおける曝気槽２０の形状、寸法を示す。比較的浅い曝気槽２０を構成する水槽２１は、幅８．７５ｍ、水深６．９７ｍである。図１０紙面奥行き方向の槽長さは、単位長さの１ｍとする。水槽２１内にはほぼ中央に導流壁２２を設置した。導流壁２２の上部には梁２３を設けた。水深３．７２ｍの位置（散気水深）で導流壁２２の一方側と水槽２１の一側壁２１ａとの間の区分２７に５枚の散気パネル２５を設置すると共に、導流壁２２の他方側と水槽２１の他側壁２１ｂとの間の区分２８に１枚の散気パネル２６を設置することで、散気装置２４を構成した。

ここで、各散気パネル２５，２６の寸法は、幅０．１５ｍ×長さ１ｍである。
また、散気パネル２５，２６の設置角度αは、水平面に対して０度、１５度、４５度、６０度とした。
なお、各散気パネル２５，２６は、図示しない送気管に接続され、送気管には系外に設置した圧縮空気供給装置が接続されている。

（ｂ）解析結果
シミュレーション結果を表２に示す。
比較的浅い曝気槽２０でも深槽曝気槽１０と同様に散気パネル２５，２６の設置角度αが３０度のときＫ_Lａ（２０）が最も高くなり、平均気泡径が最も小さくなっている。
このことから、旋回流曝気槽２０において、散気パネル２５，２６の設置角度αを３０度や４５度のような斜めに傾けて設置することで、Ｋ_Lａ（２０）が水平設置より向上する効果は、水槽形状の多少の変化に関係なく得られると考えられる。

（ｃ）散気パネルを斜めに設置した場合の発泡状況
散気パネル１４，２５，２６を斜めにすると、水圧の影響によって水深の深い部分からの発泡が減少して、水深の浅い部分からの発泡が多くなると予測された。
しかし、図１１〜図１３に示すように、実際には散気パネル１４，２５，２６の設置角度αが３０度の場合も、６０度の場合も、水平に設置した場合と同様に、散気パネル１４，２５，２６の全面から発泡していることがわかった。

図１１は、散気パネル１４，２５，２６を水平設置時の気泡状態を示す。
図１２は、散気パネル１４，２５，２６を３０度設置時の気泡状態を示す。
図１３は、散気パネル１４，２５，２６を６０度設置時の気泡状態を示す。
なお、図１１〜図１３の撮影時の風量はいずれも２５Ｎｍ³／ｍ²／ｈｒで、使用したパネルは幅０．１５ｍ、長さ２．０ｍの同一パネルである。３０度の傾斜設置時には、水深の浅い発泡部分と深い発泡部分の水深差は約５０ｍｍであり、６０度の傾斜設置時には約１２０ｍｍの水深差となっている。

（Ｄ）考察
（ａ）Κ_Lａ（２０）が向上した理由
散気装置１３の散気パネル１４を斜めに設置することでΚ_Lａ（２０）が大きくなる要因を調査するために、表面更新説に基づくΚ_Lａ（２０）算出式を使って、各種パラメータを抽出した。その結果を表３に示す。
表３は、深槽曝気槽１０におけるΚ_Lａ（２０）と各種パラメータの散気パネル１４の設置角度αとによる変化を示す。
その結果、総括酸素移動係数Κ_Lは散気パネル１４の設置角度αによらずほぼ一定であるのに対して、比表面積ａは大きく変化している。さらに、比表面積ａの変化は気泡の平均径の変化が大きく影響していることがわかった。

（ｂ）気泡の発生過程
深槽曝気槽１０内の平均気泡径が変化した要因を調査するために、散気パネル１４の気孔から空気が噴出して、球形になり、気泡として離脱するまでの過程を、高速度ビデオカメラで撮影した。その結果を、図１４に示す。
図１４は、水平に設置した散気パネル１４から発生する気泡を示す。
図１４（１）〜（５）に示すように、水平に設置した散気パネル１４から発生する気泡は、以下のような過程を経ていることがわかった。

（１）気孔から押し出された空気が、表面張力によって球形を形成する。
（２）球形になった空気が離脱して気泡となる。また、気孔から押し出された空気が山を形成する。
（３）気孔部分にできた空気の山が成長して、先にできた気泡に接近する。
（４）空気の山と先にできた気泡が接触する。（２）〜（４）を繰り返し、気泡は大きくなる。
（５）先にできた気泡と接触しなくなった空気の山が、球形を形成する。
なお、気孔からの通気速度が小さい場合は、離脱した気泡に空気の山が接触することはない。

また、発泡面に平行な水流を与えると、図１５（１）〜（４）に示す過程によって気泡が発生することを高速度ビデオカメラでの撮影によって確認した。
（１）気孔から押し出された空気が、表面張力によって球形を形成する。
（２）球形になった空気が離脱して気泡となる。また、気孔から押し出された空気が山を形成する。
（３）気孔部分にできた空気の山が成長して、先にできた気泡に接近（ただし、気泡は横に移動）する。
（４）先にできた気泡が水流によって押し流されるため、空気の山と接触せずに上昇する。

このとき、図１５に示す水流がある場合は、図１４に示す水流がない場合とを比べると、図１６に示すように、気泡径は６割〜８割に縮小しており、流速が大きいほど気泡径が小さくなる傾向にあった。
図１６は、通気流量５．０ｍＬ／ｍｉｎ時のせん断流速と気泡径との関係を示すグラフで、発泡面と平行の水流と気泡気泡径（単一気孔）との関係を示す。
シミュレーション結果において、深層曝気槽１０内の流速分布（水）のうち散気パネル１４に平行な角度の速度成分のみを抽出した。その結果を図１７〜図２１に示す。
図１７〜図２１に示すように、平均気泡径が最も小さくなった３０度傾斜時の水流が、最も高くなっていることが確認できる。

図１７は、散気パネル１４を水平設置した場合のせん断流を示す。
図１８は、散気パネル１４を１５度傾斜設置した場合のせん断流を示す。
図１９は、散気パネル１４を３０度傾斜設置した場合のせん断流を示す。
図２０は、散気パネル１４を４５度傾斜設置した場合のせん断流を示す。
図２１は、散気パネル１４を６０度傾斜設置した場合のせん断流を示す。

発泡面に平行な水流の速度が高いほうが、気泡径は小さくなることがシミュレーション及び実験で確認できた。
しかし、速度が大きいほど気泡離脱時の進行方向が水流と平行に近づく。図２２は、流速５ｍＬ／ｍｉｎ時のせん断流速と気泡離脱角度との関係を示すグラフで、発泡面と平行な水流と気泡離脱角度（単一気孔）との関係を示す。
このため、先行する気泡や隣接した気孔から発生した気泡とが合体して、気泡径は大きくなる。
散気装置１３を垂直及び垂直に近い角度で設置した場合も同様に、散気装置１３の表面付近での気泡の合体によって気泡径が大きくなる。また、円筒形の散気装置においても同様の現象が発生すると予測される。

（Ｅ）シミュレーション結果の妥当性検証
（ａ）酸素溶解効率の測定
（ｉ）実験装置
本実験では、「標準槽」と呼ばれる水深５ｍ、幅５ｍ、長さ５ｍの水槽３０を用いて、旋回流エアレーション方式によって酸素を水中へ供給した。
図２３は、実験に使用した水槽３０の形状を示す。
図２４は、水槽３０内に旋回流エアレーションのパネルとして６枚の散気パネル３２が配置されている。６枚の散気パネル３２が散気装置３１を構成する。
図２５は、旋回流エアレーション方式の概念図を示す。

（ii）測定条件
酸素溶解効率測定条件を表４に示す。

表４における非定常法による酸素溶解効率の測定方法について説明する。
１．測定要領
清水における酸素溶解効率は、非定常法（日本上下水道協会発行：下水試験方法上巻Ｐ２７６）により求めた総括酸素移動容量係数（Κ_Lａ）より算出する。

1.1 実測での酸素溶解効率の測定方法
（１）所定の条件となるように散気パネルを設置する。
（２）試験槽が所定の水深となるよう清水を張る。
（３）校正を行ったＤＯ（溶存酸素濃度）計を水槽内に設置する。
（４）水槽内の溶存酸素濃度をＮ₂ガスにより０ｍｇ／Ｌ付近に低下させる。
（５）所定風量にて曝気を開始し、溶存酸素の経時変化を連続記録する。同時に水温、曝気空気温度、圧力も記録する。
（６）溶存酸素がほぼ飽和に達したら測定を終了する。
（７）得られたΚ_Lａより酸素溶解効率を算出する。

1.2 実測による総括酸素移動容量係数（Κ_Lａ）及び酸素溶解効率の算出方法
（ａ）実測でのΚ_Lａの算出
酸素の水への溶解速度は、次数式（４）で表される。
数式（４）において、
Κ_Lａ：総括酸素移動容量係数（１／ｈｒ）
Ｃ_S ：液相の飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）
Ｃ：液相の溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）
数式（４）を積分すると、数式５となる。

数式（５）において、
Ｃ₁：ｔ₁時間後の液相の溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）
Ｃ₂：ｔ₂時間後の液相の溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）
曝気開始後の各時間における（Ｃ_S−Ｃ）と時間ｔとの関係を片対数グラフに図示すると直線が得られ、この直線の傾きがΚ_Lａとなる。
清水の基準状態（２０℃、ＤＯ＝０ｍｇ／Ｌ）における酸素溶解効率（Ｅａ）は、以下の数式（６）を用いて算出する。

数式（６）において、
Κ_Lａ（２０）: 水温２０℃における総括酸素移動容量係数（１／ｈｒ）
Ｃ_S（２０） : 水温２０℃における液相の飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／Ｌ）
Ｖ : 試験槽の容積（ｍ³）
Ｇ_S: 送風量（Ｎｍ³／ｈｒ）
ρ : 空気密度（＝１．２９３ｋｇ／Ｎｍ³）
Ｏ_W: 空気中の酸素含有重量（＝０．２３２ｋｇＯ₂／ｋｇ空気）

Κ_Lａ（２０）及びＣ_S（２０）は、以下の数式（７）より求める。
数式（７）において、
Ｔ：Κ_Lａ測定時の水温（℃）
Ｃ_S（２０）は、下記に示すO1dshueの式（数式（８））より算出する。

数式（８）において、
Ｈ：散気水深（ｍ）
Ｃ_sa（２０）：大気圧下、２０℃における飽和溶存酸素濃度＝８．８４ｍｇ／Ｌ
送風量（Ｇ_S）は、流量計読み値より、数式（９）で求めた実風量を用いる。

数式（９）において、
Ｇ_S':風量計指示値
Ｐ₁:圧力計指示値
Ｔ₁:温度計指示値

1.3 ＤＯ測定場所
ＤＯ（溶存酸素濃度）の測定は４点で行い。４点での測定結果の平均値を最終結果とした。測定場所を図２６に示す。
酸素溶解効率は数式（６）において、Κ_Lａ（２０）より算出されるが、水槽容量、送風量などの運転条件と空気密度や空気中の酸素濃度などの物性値が、実験中にほとんど変わらないと考えられるので、以下においては酸素溶解効率の評価は、Κ_Lａ（２０）で行なうものとする。

（ｂ）測定結果
標準槽旋回流エアレーション時の散気パネル３１の単位面積当たりの散気風量をパラメータとしてΚ_Lａ（２０）を測定した測定結果を表５に示す。
これまで述べてきたシミュレーション結果で良好であった３０度傾斜して曝気した場合のデータを実際に測定した結果である。

（ｃ）シミュレーション
散気パネルの傾斜設置の状況を数値流体シミュレーションで解析した。
（１）シミュレーション条件
（ｉ）解析形状
図２７は、曝気槽の形状、寸法を示す。曝気槽を構成する水槽４０内には散気装置４１が配置されている。散気装置４１は、６枚の散気パネル４２を水平配置したとして０．４ｍ間隔で配置し、図２７の紙面で右上がりに３０度持ち上げて傾けて配置することによって構成されている。

水槽：５ｍ×５ｍ
水深：５．０ｍ
散気水深：４．０ｍ
散気装置：０．１５ｍ×１ｍ
６枚
設置幅：６０％
上部空間高さ：０．６ｍ

（ii）解析条件（初期条件）
解析モデル：２次元、倍精度、非定常解析
混相流モデル：Euler-Eulerモデル
乱流モデル：Standard Κ-ε乱流モデル（水相のみ）、標準壁関数
流体：空気、水
気泡径：気泡の合体・分裂を考慮して０．６３ｍｍ〜６．３ｍｍの範囲で分布と仮定
気泡抵抗則：気泡径と形状を考慮したIshii-Zuberモデルを適用
メッシュサイズ：５０ｍｍ角（水面付近とパネル近傍はより精細）
タイムステップ：０．００２秒

入口条件（Velocity-inlet）
風量：０．００４８ｍ／ｓｅｃ〜００１２３ｍ／ｓｅｃ
気泡体積分率：１．０（１００％）
気泡径：１．０ｍｍ
出口条件（Pressure-outlet）
圧力：大気圧
逆流時の空気体積分率：１．０（１００％）
気泡径：６．３ｍｍ
壁面条件：水→非すべり壁、空気→すべり壁
収束判定：水槽の底部から０．１ｍ高さ部分での流速の時間変化及びΚ_Lａ（２０）の時間変化がなくなり、ほぼ一定値となったとき。

（ｄ）シミュレーション結果と実測結果の比較
散気パネルを３０度の傾斜で設置した場合に、シミュレーションによって算出したΚ_Lａ（２０）について、散気パネル３１の単位面積当たりの散気風量をパラメータとして振った算出結果を表５の下段に示す。
また、シミュレーションによって算出したΚ_Lａ（２０）の値を縦軸に、実測によるΚ_Lａ（２０）の値を横軸に、散気風量をパラメータとして振った計算結果の３点をプロットした図が図２８である。
図２８に示すように、実測値とシミュレーションによる算出結果とが良く一致している。この結果から、シミュレーション結果の妥当性は十分に確保できていると考える。

以上のように、本発明は、水平で同レベル設置が常識であったパネル型のメンブレン式散気装置を、１５度〜６０度傾けて設置することで、散気の不具合が発生せずに、旋回流曝気槽内の空気と水の接触度合いが向上することを、実機及びシミュレーションで解析できた。
なお、上記説明では、パネル型のメンブレン式散気装置は、水槽の水平方向に複数の散気パネルを配置すると共に、複数の散気パネルの導流壁側の端部側を水槽の水平方向に対して傾けて設置した場合について説明した。
しかし、複数の散気パネルの導流壁側とは反対側の端部側を水槽の水平方向に対して傾けて設置した場合には、各散気パネルが水流の流れに合わせることができず、散気の不具合が発生し、旋回流曝気槽内の空気と水の接触度合いが低下することが確認された。

１旋回流曝気槽
２，１１，２１水槽
３，１２，２２導流壁
４，１３，２４パネル型のメンブレン式散気装置
５，１４，２５，２６散気パネル
６送気管
７，８，１５，１６，２７，２８区分
１０，２０深槽曝気槽

Claims

被処理水を保持する水槽と、
前記水槽の中央部に水槽下部は仕切らずに垂直方向に水没して設置される導流壁と、
前記導流壁によって分けられる前記水槽内の一方の側の前記導流壁があるレベルに設置され、前記水槽内に空気を散出するパネル型のメンブレン式散気装置と
を備え、
前記パネル型のメンブレン式散気装置は、
前記水槽内の一方の側の所定の同一水平レベルに、散気パネルの長さ方向を前記導流壁の水平幅方向と同方向に延長して複数の散気パネルを等間隔に配置すると共に、前記複数の散気パネルの前記導流壁側の端部側を前記水槽の水平方向から持ち上げ傾けて設置して成る
ことを特徴とする旋回流曝気槽。
請求項１に記載の旋回流曝気槽において、
前記複数の散気パネルの設置角度は、１５度〜６０度である
ことを特徴とする旋回流曝気槽。
請求項１又は請求項２に記載の旋回流曝気槽において、
前記複数の散気パネルの設置角度は、３０度である
ことを特徴とする旋回流曝気槽。
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の旋回流曝気槽において、
前記散気パネル１枚の幅は、０．１ｍ〜０．３ｍである
ことを特徴とする旋回流曝気槽。
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の旋回流曝気槽において、
前記散気パネル１枚の幅は、０．１５ｍである
ことを特徴とする旋回流曝気槽。