JP6246610B2

JP6246610B2 - 散気装置

Info

Publication number: JP6246610B2
Application number: JP2014024634A
Authority: JP
Inventors: 淳大嶋; 正章清宮
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: JP2015150475A

Description

本発明は、下水処理施設等の生物反応タンク内などで液体内に空気や酸素など気体を供給する散気装置に関する。

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、曝気槽内の被処理液中に気泡状の空気または酸素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。
この曝気槽に設置される散気装置としては、近年、多数の微細気孔（微細気泡噴出孔）を有する散気膜（メンブレン）を備えたパネル型の散気装置が知られている。
このパネル型の散気装置には、例えば図９の斜視図、及び図９の装置を長手方向の中心軸に直行した断面で切った部位を示す断面図である図１０に示すものがある。但し、図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、メンブレンの曝気槽中の気孔（小孔）の挙動を解説するために、小孔が断面に１個とした説明用の図面であり、実際は小孔が多数ある。
この散気装置は、図１０（ａ）に示すように、ベースプレート３２の上面に散気膜３３が載置され、散気膜３３の一部を貫通するように図９に示すような給気口３４が設けられており、前記ベースプレート３２と前記散気膜３３との間と図示しない給気管とを給気口３４を介して連通する構造となっている。
前記ペースプレート３２は、金属製や合成樹脂製からなり、また散気膜３３は、例えば、合成樹脂膜製や合成ゴム膜製で、多数の小孔３５が穿設されてなる。
そして、前記散気膜３３は、その周囲を固定手段３６によってベースプレート３２に固定された構造をなしている。
曝気槽内に沈められた前記散気装置３１は、図１０（ａ）に示すように、稼働停止時には、散気膜３３は、曝気槽内の被処理液の水圧を受けてベースプレート３２の上面に当接しており、散気膜３３は萎んだ状態となって散気膜３３に穿設された小孔３５は閉じた状態となる。
一方、稼働時にはベースプレート３２と散気膜３３の間に給気口３４から圧縮空気が供給され、図１０（ｂ）に示すように、圧縮空気の圧力を受けて散気膜３３が膨らみ、ベースプレート３２の上面から離間し、図示のように散気膜３３の長手方向に直行する短手方向の膜長さが引き伸ばされ多数の小孔３５が縁を引っ張られて開くので、圧力を受けて開いた小孔３５を通して水中への空気の散気が行われる。
しかし、前記散気装置３１は、散気膜を、例えば金属枠状をしたクランプなどである固定手段３６で嵌め込んでベースプレート３２に固定しているので、稼働時に前記固定手段３６の縁付近の散気膜に応力がかかりやすく、この部分の散気膜には過度の摩耗が生じ、膜厚が薄くなり強度が低下するという問題がある。
図１０（ｃ）は、散気装置の長期間使用による引張り応力により、固定手段の近傍の散気膜が削れた状態を表す図であり、３７は削れにより生じた溝である。

このような、固定手段の近傍において応力集中が生じて散気膜が損傷するのを防止するために、シート状部材を接合してなる袋状体を備え、金属枠状をしたクランプ形状の固定手段を排除して、袋状体の少なくとも上面部を形成するシート状部材に散気領域を設けた散気装置が開示されている（特許文献１）。
上記特許文献１に記載された発明は、本体が帯状に長く延びる袋状体からなり、袋状体の一側の外縁に設けた給気口にノズルが装着してあり、ノズルを介して空気供給源（図示省略）に接続する構造となっている。
そして袋状体は、下面部が不通気性のシート状部材からなり、上面部が散気領域を形成する通気性のシート状部材を溶着により相互に接合してなり、さらに袋状体は、下面部の不通気性のシート状部材と、上面部の外周領域の不通気性のシート状部材とを気密に溶着してなる接合部を袋状体外縁に全周的に形成し、上面部の通気性のシート状部材と外周領域の不通気性のシート状部材とを気密に溶着してなる接合部を散気領域の全周に沿って形成してある。
さらに、袋状体は、幅方向の両側において散気領域の外周領域に袋状体の長手方向に延びる挿入孔を設けており、支持部材を挿入孔に挿入し、支持部材の両端に形成したねじ部を連結固定部に形成したＬ字形の切り込み口に挿入し、一対のナットの間に連結固定部を挟み込んで固定している。
しかし、上記特許文献１の散気装置は、散気膜が、下面部が不通気性のシート状部材と、上面部が散気領域を形成する通気性のシート状部材を溶着により相互に接合した袋状体からなり、固定部に固定するために幅方向の両側において散気領域の外周領域に袋状体の長手方向に延びる挿入孔を設けているため、上面部のシート全面に孔を設けることができず作動時に発生する発泡も少なく散気膜の表面積に対する散気効率が悪い。
そして、クランプ状の固定手段を排除するために、袋状体の散気膜とする必要があり、送気時にベースプレートに張り付いている側の散気膜は何ら散気に寄与せず、高価なメンブレン材料が無駄に使用される。
また、散気膜を取り替える場合には、袋状体の散気膜を取り替える必要があり手間と費用がかかる。

特開２０１０−１０４９００号公報

本発明は、上記問題を考慮して、固定部材と散気膜の摩耗による劣化を防止し散気膜の寿命をより長くすることができる散気装置を得ることを目的とする。

本発明者らは上記課題を下記の手段により解決した。
（１）平板状のベースプレートに対面配置されるシート状の散気膜の四辺縁部が、前記ベースプレートに固定枠により前記ベースプレート共々挟持されて定着されてなる散気装置において、
前記散気膜が、多数の小孔が形成された有孔膜体部と、前記有孔膜体部に形成された小孔数より少ない小孔が形成された少数孔膜体部とから構成され、前記固定枠との接触部近傍に配置される部分の散気膜が少数孔膜体部でなることを特徴とする散気装置。
（２）前記散気膜の少数孔膜体部に設けられた孔数が、有孔膜体部に設けられた小孔の数の単位面積当たりの１／３以下であることを特徴とする前記（１）に記載の散気装置。
（３）前記散気膜の少数孔膜体部が、前記固定枠の接触部から１〜５ｍｍの幅を有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の散気装置。
（４）前記散気膜の少数孔膜体部が、散気膜の長手方向にのみ設けられていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の散気装置。

前記（１）〜（４）記載の本発明の散気装置によれば、散気装置を長時間使用しても固定枠との接触部近傍の散気膜の摩耗による溝の削れ量が少なくなるため散気膜の耐久性を向上させることができる。

本発明の散気装置の斜視図本発明の散気装置の斜視図のＩ−Ｉ断面図。本発明の散気装置における散気膜と小孔の関係を示す図本発明の散気装置における散気膜の引張り試験の結果を示す図本発明の散気装置の長期間の使用により散気膜に生じた摩耗長さと摩耗深さを示す図本発明の散気装置の使用年数と散気膜に生じた摩耗長さとの関係を示す図本発明の散気装置の使用年数と散気膜に生じた摩耗深さとの関係を示す図本発明の散気装置の使用状態（通気状態）における散気膜に作用する引張応力を示す図従来の散気装置を示す斜視図従来の散気装置の長手方向の中心軸に直行した断面で切った部位を示す断面図で送気による固定手段近傍の削れ作用を示す模式図

本発明の散気装置を実施するための形態を実施例の図に基づいて説明する。
図１は、散気装置の斜視図、図２は、散気装置の斜視図のＩ−Ｉ断面図である。
本実施の形態においては、散気装置１は、図１、図２に示すように、平板状をなす金属製又は合成樹脂製のベースプレート２の上面に、ポリウレタン、シリコン、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）などの適度の弾性を有する合成樹脂又は合成ゴムからなるシート状の散気膜３を張るようにして対面配置し、固定枠４により前記ベースプレート２共々散気膜３は挟持されて定着される。
前記散気膜３は、多数の小孔３ａが形成された有孔膜体部３ｂと小孔３ａが形成されていない無孔膜体部３ｃから構成される。なお、４は断面コ字状の固定枠、５は樹脂からなる断面コ字状の押さえ部材である。押さえ部材５はあることが望ましいが、あってもなくても固定枠４により散気膜３が定着されていればよい。
本実施の形態においては、前記無孔膜体部３ｃの幅は、前記固定枠４から１〜５ｍｍに構成されている。
これは、前記固定枠４から１〜５ｍｍ迄の位置において、送気される際に散気膜３が膨れてこの位置の膜が固定枠４から立ち上がり、曝気槽中の砂や汚泥成分が固定枠４の縁と膜の立ち上がり部に溜り、多数の小孔３５からの気泡噴出による膜の振動によってその砂や汚泥成分が膜表面を移動して剥離や堆積を繰り返し、砥粒で削るような作用を起こして、散気膜の摩耗が生じるためである。さらに、固定枠４の縁近傍の応力集中が起きがちな前記固定枠から１〜５ｍｍの範囲は、応力が大きいので散気膜３が伸ばされる量も多く、そこを砥粒で削るように砂や汚泥成分が働くので散気膜の摩耗量が多くなる。
この前記無孔膜体部３ｃの幅が１ｍｍ以下では、その短くなった分の有孔膜体部３ｂの部分で散気膜が同様に削れてしまい、長期使用により散気膜の表面に生じる摩耗深さにより散気膜の寿命を長くすることができない場合が考えられる。また、前記無孔膜体部３ｃの幅が５ｍｍを超えてしまうと散気膜に形成する小孔の数が少なくなり散気効率が低下してしまうためであるが、全体の大きさや、使用状況等を考慮して、適宜無孔膜体部３ｃの幅を調整することができる。
本実施の形態においては、前記ベースプレート２の上面に散気膜３を対面配置し、散気膜の４辺をベースプレート２の裏面まで折り込み、この状態のベースプレート２及び散気膜３を押さえ部材５の溝に嵌め込み固定し、さらにこの押さえ部材５を固定枠４の溝に嵌め込み前記ベースプレート２の上面に散気膜３を定着している。
なお、前記断面コ字状の押さえ部材５は、硬い樹脂でコ字状の上下部分に少しテーパーがあり、バネ状になっており、散気膜３とベースプレート２の定着を強固にしている。
６は空気供給口で、ベースプレート２と散気膜３との間と図示しない給気管とに自身を介して連通して配設されている。

本散気装置１を、下水処理に使用する場合を例に挙げ使用方法を説明する。
本散気装置１は、下水処理の処理槽（図示せず）に設置され、空気供給源（図示せず）から空気給気口６を通して所定圧力の空気がベースプレート２と散気膜３との間に供給される。
散気膜３は、前記供給された空気により枕状に膨らみ、前記散気膜３の小孔３ａから空気が噴出され、その噴出した空気が処理槽の内部の処理対象水中に散気する。
そして、運転停止時に空気の供給が停止されると、散気膜３は周囲の処理対象水の水圧を受けてベースプレート２に圧接され、散気膜３に設けられた小孔３ａは閉じられる。

図３は、散気装置１における散気膜３と小孔３ａとの関係を示す図である。
図３（ａ）は、散気膜３の全面が有孔膜体部３ｂで形成された散気装置を示す図である。
図３（ｂ）は、散気膜３が、固定枠４との接触部近傍に配置される部分を長手方向全体に無孔膜体部３ｃで形成された散気装置を示す図である。
図３（ｃ）は、他の実施例で、散気膜３が、固定枠４との接触部近傍に配置される部分を長手方向全体に、有孔膜体部３ｂに設けられた単位面積当たりの小孔数より少ない小孔が形成された少数孔膜体部３ｄで形成された散気装置を示す図であり、具体的には、少数孔膜体部３ｄは、有孔膜体部３ｂに設けられた単位面積当たりの小孔数の１／３の数の小孔を設けている。
このように散気膜３が、固定枠４との接触部近傍を少数孔膜体部３ｄで形成された場合、散気装置の運転停止時に空気の供給が停止され、散気膜３が周囲の水圧を受けてベースプレート２に圧接された際、少数孔膜体部３ｄに設けられた小孔３ａを通して固定枠の際（端の部分）の水を容易に抜くことができる。
それにも拘らず、固定枠４の縁近傍の応力集中が起きがちな前記固定枠から１〜５ｍｍの範囲は、少数孔膜体部３ｄの応力による伸び量は図３（ａ）の場合より小さくなり、削るように働く砂や汚泥成分の散気膜の摩耗量は小さくできる。

図４は、JISK6251試験法（加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方）に則り引張り試験を行った結果を表す図で、散気装置における散気膜３と該散気膜３に設けた小孔３ａの割合による散気膜の引張強さの関係を示す図である。
同図に示す孔数１／１は、散気膜３全体を有孔膜体部３ｂで構成し、全面に小孔３ａを設けた場合である。同様に孔数１／３、１／４．７、１／６．２は、それぞれ散気膜３に設けられた孔数が、１／１の有孔膜体部３ｂに設けられた単位面積当たりの小孔数に対する割合を表す。
従って、孔無しは、散気膜３の全体を無孔膜体部３ｃで構成した場合である。
表１は、図４のJISK6251試験法に則り行った引張り試験の結果を表す。
ｄ＝０．６ｍｍとは、引っ張り試験する前の試験に供した膜厚さである。
図４及び表１に示すように、孔数が減るほど引張強さが増し、孔数１／１の散気膜と孔無しの散気膜を比較すると、約３．３倍の差が見られた。

図５は、散気装置の使用年数における固定枠近傍に配置される散気膜３に生じた摩耗長さｔ_１（削れ量）と摩耗深さｔ_２（削れ量）を表す図である。
この摩耗長ができる原因として、前述のように、送気される際に散気膜３が膨れてこの位置の膜が固定枠４から立ち上がり、曝気槽中の砂や汚泥成分が固定枠４の縁と膜の立ち上がり部に溜り、多数の小孔３５からの気泡噴出による膜の振動によってその砂や汚泥成分が膜表面を移動して剥離や堆積を繰り返し、砥粒で削るような作用を起こすことが膜厚の減少に関係すると考えられる。さらに、固定枠４の縁近傍の応力集中が起きがちな前記固定枠から１〜５ｍｍの範囲は、応力が大きいので散気膜３が伸ばされる量も多く、そこを砥粒で削るように砂や汚泥成分が働くので、さらに膜厚の減少に関係することが考えられる。
図６は、散気装置の使用年数における固定枠との接触部近傍に配置される散気膜３と、該散気膜３に設ける小孔３ａの割合における散気膜に生じた摩耗長さｔ_１（削れ量）の関係を示す図であり、同図に示す孔数は、前記図４と同じである。
ここで使用年数は、散気装置を１日２４時間の運転（空気供給源から空気給気口６を通して所定圧力の空気をベースプレート２と散気膜３との間に２４時間供給し、その後運転を数分間停止する）を３６５日繰り返して１年とする。
図６から明らかなように、１０年経過時の孔数１／１の散気膜と孔無しの散気膜の摩耗長さを比較すると、孔数１／１の散気膜の摩耗長さは、孔無しの散気膜のおよそ１．３倍の摩耗長さとなる。
このことから、散気膜に設けられた小孔が少ない程長期使用時における散気膜に生じる摩耗長ｔ_１（削れ量）が少なく、散気膜の寿命を長くすることができることが分かる。

図７は、散気装置の使用年数と、散気装置の固定枠との接触部近傍における散気膜３に生じた摩耗深さｔ_２（削れ量）の関係を示す図である。同図に示す線形（系列１）は、実際に使った散気膜の摩耗深さｔ_２（削れ量）と使用年数の関係をプロットし求めた回帰直線である。
ここで、ｙは摩耗深さｔ_２（削れ量）、ｘは使用年数、Ｒは近似曲線の決定係数を表す。
同図から明らかなように、使用年数が経過するにつれて摩擦深さｔ_２（削れ量）が増加することが分かる。
なお、同図に使用した散気膜のなかで使用１０年後に最も大きかった散気膜の摩耗深さｔ_２（削れ量）は、０．３ｍｍであった。
従って、線形から２０年後の散気膜の摩耗深さｔ_２（削れ量）は、０．６ｍｍとなる。

図８は、本散気装置の運転時における散気時の散気膜の曲率の状態を仮定した図である。このような仮定に基づくと、引張応力（σ）を下記式１で表すことができる。
σ＝ｐ×ｒ／ｔ・・・・(1)
〔式中、ｐは散気膜の内外の圧力差、ｒは散気膜の曲率半径、ｔは散気膜の膜厚を示す。〕
例えば、１／１孔数の膜が破断する時の厚みは、引張強さ１６．４ＭＰａ(図４、表１より)、散気膜の内外の圧力差ｐを２０ｋＰａの応力が掛かると仮定し、運転時の膜の曲率半径ｒを８０ｍｍとすると、０．０９７６ｍｍとなる。ここで、膜厚は０．６であることから、摩耗してもよい分の厚みは０．５０２４ｍｍとなる。同様に、孔無膜の場合は引張強さ５４ＭＰａであることから、破断時の厚みが０．５７０４ｍｍとなる。従って、図より、年間で摩耗長が伸びることが明らかなように、無孔膜を用いることで、１／１孔数膜より約２年間長く継続して利用することができる。

以上のように本発明の実施の態様によれば、平板状のベースプレートに対面配置される多数の小孔が形成されたシート状の散気膜の四辺縁部が、前記ベースプレートに固定枠を介して定着されてなる散気装置において、前記固定枠との接触部近傍の散気膜の削れ量を少なくすることができ、散気膜の寿命をより長くすることができる。
本実施の態様は、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種々の水浄化槽に適用することができる。

１：散気装置
２：ベースプレート
３：散気膜
３ａ：小孔
３ｂ：有孔の膜体
３ｃ：無孔の膜体
３ｄ：半無孔の膜体
４：固定枠
５：押さえ部材
６：給気口
３１：散気装置
３２：ベースプレート
３３：散気膜
３４：給気口
３５：小孔
３６：固定部
３７：溝

Claims

平板状のベースプレートに対面配置されるシート状の散気膜の四辺縁部が、前記ベースプレートに固定枠により前記ベースプレート共々挟持されて定着されてなる散気装置において、
前記散気膜が、多数の小孔が形成された有孔膜体部と、前記有孔膜体部に形成された小孔数より少ない小孔が形成された少数孔膜体部とから構成され、前記固定枠との接触部近傍に配置される部分の散気膜が少数孔膜体部でなることを特徴とする散気装置。
前記散気膜の少数孔膜体部に設けられた孔数が、有孔膜体部に設けられた小孔の数の単位面積当たりの１／３以下であることを特徴と請求項１に記載の散気装置。
前記散気膜の少数孔膜体部が、前記固定枠の接触部から１〜５ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の散気装置。
前記散気膜の少数孔膜体部が、散気膜の長手方向にのみ設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の散気装置。