JP6646300B2 - 汚水浄化用の気泡発生装置及び汚水浄化方法 - Google Patents

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Description

本発明は鉱物油や植物油などで汚れた水や汚泥水の排水時の浄化などにおいて、好気性菌を利用した浄化を行なう装置等に使用する汚水浄化用の気泡発生装置及び汚水浄化方法に関するものである。
水を使用する工場等において鉱物油や植物油などで汚れた水の浄化には、その汚れた水に好気性菌等を作用させ、この好気性菌等を繁殖させることで汚れた成分を消化させることにより処理する方法が一般的に使用されている。このような汚水の浄化装置においては、好気性菌等を繁殖させるために、汚水に微細な気泡を混合して酸素呼吸を促し、好気性菌等の生存環境を整えることが必要とされる。
このような汚水中への微細な気泡の混合や発生を行う従来の装置は、浄化しようとする汚水等の中に配置され、円柱等のパイプの中で下端部に設けた空気排出口から空気を排出して気泡の上昇流を生じさせる。そして当該気泡流によって生じる上方への水流を螺旋状の羽などで渦巻き状の水流とし、上昇水流中で気泡を混入し、また同時にパイプ内部に配置された多数の突起を有する気泡微細化手段で気泡を微細化し、汚水への浄化を促進するようにしている。
特許第３６７７５１６号公報
上記従来の気泡混合装置等においては、長年に亘り、渦巻き水流を形成することで水流の撹拌が促進されると共に、気泡の汚水への混合が促進され、汚水への気泡の発生と混合が効率よく行われると考えられていた。汚水等の浄化においては、水流中で空気（気泡）を突起物に衝突させ、これにより気泡を微細化する方法が一般的であるが、汚水を更に効果的に浄化するためには、汚水等の中においてキャビテーション等を発生させ、これを水圧の変化で気泡崩壊させることで、汚水等の浄化がより効果的で効率的に行なえることを発見した。汚水等の中でキャビテーション等を発生させるためには、渦巻き水流を利用したり、円筒の中を流れる水流を分散したりするのではなく、水流を早め、かつ水流中に圧力変化を起こす必要がある。このような観点でみると、従来の気泡混合装置等における渦巻き水流では、かえって水流が遅くなり汚水等における気泡の発生を阻害しているものである。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、汚水に対する気泡噴射を低運転コストで効率よく行なえる気泡発生装置及び汚水浄化方法を提供することを目的とする。
このような課題を解決するための本発明の気泡発生装置は、水中に垂直方向に配置される外筒と、前記外筒の下部中央に配設されて空気供給源から供給された空気を前記外筒の前記垂直方向の上方に噴射する噴射口と、前記噴射口から噴射する前記空気の気泡により発生する水流と気泡流との混在した流体を微細な前記気泡とする微細気泡発生手段と、前記噴射口から噴射する前記空気に伴って前記外筒の長手方向に発生する水流の流路を絞る絞り部を備えたスロート部と、を有する汚水浄化用の気泡発生装置であって、前記微細気泡発生装置は、円筒状の本体と、円筒状の前記本体から中心に向かって突き出た複数の突起部とから構成される円柱体を軸方向に複数個配置し、複数の前記突起部の先端が向かい合う中央部にキャビテーション発生用の開口を形成するよう複数の前記突起部が所定の長さに設定され、前記スロート部は、円錐状のテーパ面として形成された下端入口開口と上端出口開口とを有し、前記下端入口開口と前記上端出口開口との間に内径が絞られた断面円形の前記絞り部を有し、ノズルの前記噴射口が、前記スロート部の前記下端入口開口から、前記下端入口開口と前記絞り部の境界までの間に位置するように配置されるとともに、前記外筒内の閉じた領域内において前記絞り部の中心軸線と同軸上で垂直上向きに開口して配置され、さらに前記スロート部の前記絞り部の開口面積を前記ノズルの前記噴射口の開口面積より大きく構成し、前記閉じた領域内において前記噴射口から前記垂直方向の上方へ噴射される前記気泡が浮力により前記スロート部の前記絞り部に向かって上昇し流れ込むことで、前記ノズルの外側の水が前記スロート部の前記絞り部に引き込まれて水流が加速され、前記微細気泡発生装置の前記開口の中心へ至ることを特徴とする。
本発明によれば、気泡流の噴射口と微細気泡発生手段との間にスロート部を配設しているので、噴射口から噴射された気泡流が浮力と慣性力でスロート部に流れ込む勢いによって噴射口の周囲の水がスロート部に引き込まれ、当該水流と気泡流がスロート部内で混合流となってその流路が絞られることで、水流と気泡流の混合上昇流が加速する。そして加速した気泡群が上方の微細気泡発生手段に高速で衝突し、この衝突で気泡群が細かく破裂すると共に、この細かな破裂気泡が加速による圧力低下に伴ってさらに破裂して細かい微細気泡となる。この結果強力なキャビテーションが効率的に発生し、キャビテーションの水蒸気泡の発生と消滅に伴う機械的衝撃力によって細菌や微生物の細胞膜が破砕してこれらを死滅・殺菌することで、汚水などを効率よく浄化することができる。またスロート部の入口に向かって水流が加速するので噴射口の出口圧力が低下し、これにより噴射口に空気を供給するブロワの消費電力を低減することができる。
本発明の実施形態の気泡発生装置の側断面図である。 本発明の実施形態の気泡発生装置のスロート部の断面図である。 同装置の一部が破断された平面図である。 同装置の他の一部が破断された平面図である。 同装置の更に他の一部が破断された平面図である。 同装置の更に他の一部が破断された平面図である。 同装置の円柱体の平面図である。 同装置の円柱体の側断面図である。 同装置の円柱体の突起部の拡大側面図である。 同装置の円柱体の突起部の断面図である。 同装置の円柱体の突起部の断面図である。 同装置の内壁突起の正面図である。 本発明の実施形態における汚水などの水流と円柱体との関係を示す概略説明図である。 本発明の実施形態における汚水などの水流と円柱体との関係を示す説明図である。 ブロワのインバータ制御周波数とノズル配管内圧力の相関図である。 気泡径と気泡個数の相関図である。 気泡径と気泡個数の相関図である。 スロート部の有無による濁度の比較図である。
以下、図を参照しながら、本発明の実施形態の気泡発生装置について説明する。図１Ａは本発明の実施形態の気泡発生装置の側断面図で、図１Ｂは当該気泡発生装置のスロート部の断面図である。また図２から図５は同装置の一部が破断された平面図である。
気泡発生装置１は、送風ブロア等の公知の空気供給源（図示せず）に接続されるノズル２の噴射口２ａが下端部に設けられ、当該噴射口２ａより噴射される空気を微細化する微細気泡発生手段３が噴射口２ａより上方に配置されている。この気泡発生装置１は、汚水等の液体を保持・浄化する浄化槽４内に固定具５等で固定されており、汚水等の液体中で使用される。微細気泡発生手段３は、円筒状の外筒６の内部に円柱体７が外筒６の軸方向に複数個重ねて配置されている。
ノズル２と微細気泡発生手段３との間に、図１Ａ、図１Ｂのようにスロート部３０が配設されている。このスロート部３０は樹脂等で形成された円筒状部材を外筒６の内周面にネジ等で固定することで配設している。スロート部３０は円錐状のテーパ面として形成された下端入口開口３０ａと上端出口開口３０ｃとを有し、当該入口開口３０ａと出口開口３０ｃとの間に内径が絞られた断面円形の絞り部３０ｂを設けた構成としている。そして、前記ノズル２の噴射口２ａが入口開口３０ａと絞り部３０ｂの境界付近で絞り部３０ｂの中心軸線と同軸状で垂直上向きに開口して配置されている。
円柱体７は、円筒状の本体８と、本体８から中心に向かって突き出た複数の突起部９とから構成されている。図１Ａにおいては、円柱体７が噴射口２ａより噴射される空気が上昇する位置（噴射口２ａより上方）に複数個配置される構成に加え、さらに図２に示す形状の円柱体１０を積み重ねて配置している。
また、微細気泡発生手段３は円柱体７、１０を所定の間隔で配置するためのスペーサ１１をさらに備えている。スペーサ１１は、突起部９のない本体８のみで構成されている。このスペーサ１１は円柱体１０を積み重ねて配置する際の間隔の維持や、円柱体１０が多いと詰まりなどを起こす場合の詰まり防止、あるいは円柱体１０を積み重ねる数を少なくして、所定の全体の高さを維持する際に使用する。
円筒状の外筒６と、その内部に配置され、スペーサ１１を適宜挟んで外筒６の軸方向に複数個積み重ねられた円柱体７、１０とは、上下の２箇所（Ｘ，Ｙ）において、各４本のリベット１２によって相互に固定されている。そして、微細気泡発生手段３を通過する汚水（液体）の速度が毎秒５ｍ以上となるよう、噴射口２ａより噴射される空気の圧力が調整される構成とすることが望ましい。また、互いに隣接する円柱体７は、円柱体７、１０の軸方向に見た状態で、突起部９が互いに重ならないように、回転方向に２２．５度ずらせて配置される。
次に図６から図１１により、円柱体７の詳細な構造を説明する。円柱体７は、円筒状の本体８と、本体８から中心に向かって突き出た複数の突起部９とから構成されている。この突起部９はその各先端が向かい合う中央部Ｃにおいて、先端９ａが鋭角に成形され、複数の突起部９の先端９ａによって、この中央部Ｃにキャビテーション発生用の開口１３を形成するように、それぞれの突起部９が所定の長さに設定されている。
また、この開口１３は、突起部９の先端９ａが向かい合う中央部Ｃにおいて先端が鋭角に形成されているので、開口１３は、円柱体７の軸方向上方に向かってその径が小さくなる略円錐形（本実施形態では正確には多角円錐状となる、特に図７参照）を構成する。また、突起部９にはその外周に、半径方向の切欠き１４ａ、軸方向切欠き１４ｂおよび突起１５が形成されている。
さらに円柱体７の本体８には、本体８相互の位置を使用時に固定する位置決め穴１６と固定用の突起１７とが軸方向に対抗する二つの面に形成されている。本体８の内壁には、気泡発生をさらに促進する切欠き１４ｂを備えた内壁突起１８が形成されている。
次に、本実施形態における微細気泡発生手段３における気泡の発生作用を説明する。図１Ｂのようにノズル２の噴射口２ａから水中に気泡が上向き噴射されると、当該気泡がその浮力でスロート部３０の絞り部３０ｂに向かって上昇する。そしてこの気泡流が絞り部３０ｂに流れ込む作用で、ノズル２の外側の水がスロート部３０の絞り部３０ｂに引き込まれていく。したがって、気泡流が上昇水流の勢い（流速）を加速し、水流と気泡流が混在した流体が上昇しながら上方の微細気泡発生手段３に流れ込む。
図１２および図１３は、気泡を含んだ汚水などの水流（図では上方へ向かう）と円柱体７との関係を示すもので、図１２、１３の上方に向かう水流は、円柱体７によって形成される円筒状の水路を上方へと流れるが、円筒状の水路内では、中央部Ｃの開口１３に集まろうとする。
そして中央に集まる流体は、多角円錐状の開口１３に呼び込まれ、通過流速が、この開口１３を通過する際に早くなる。そして流速が早くなれば、その部分における圧力が低下する（ベルヌーイの定理による）。このように圧力の低下した流体中の空気の一部は、圧力の低下に伴い破裂してさらに細かい微細気泡となる。すなわちキャビテーションが発生する。
この場合、開口１３は、その直径が小さいほど通過する液体の流速が増加し、より効果的にキャビテーションが起こって気泡の発生が促進されるが、一方では汚水等には、ごみや泥が混入しているため、直径もしくは通過幅が小さいと詰まりが生じる。このため、この開口１３は最小で２ｍｍ程度必要である。また、通過する流体の局所の速度は毎秒５ｍ以上が必要である。
この後、開口１３を通過した水流は、一気に開放されて、気泡崩壊、すなわち多数の気泡Ｂが発生し、微細化される。また、中央部Ｃから周辺に逃げた流体は、突起部９と衝突する。図１３は、突起部９とこれを通過する流体との関係を示す。
突起部９の外周の半径方向の切欠き１４ａや軸方向切欠き１４ｂによって渦キャビテーションＴが発生し、また突起１５によって小さな乱流が起こり、渦キャビテーションＴおよびクラウドＫが発生する。このように、半径方向の切欠き１４ａや軸方向切欠き１４ｂを設けることで、図１２に示すように微細な気泡Ｂの発生が促進される。
図１４はノズル２に加圧空気を供給するブロワのインバータ制御周波数と、当該ブロワとノズル２とを接続する配管内の圧力との相関図である。ノズル２の噴射口２ａは水深１．７５ｍ（水圧１７．２ｋＰａ）に配置し、ブロワの周波数を４０Ｈｚから６０Ｈｚまで１０Ｈｚ刻みで５段階で変化させた。図中の●印がスロート部３０を装着しない場合の配管内圧力、□印がスロート部３０を装着した場合の配管内圧力である。
図より明らかなように、ブロワ周波数が増大するにつれて配管内圧力も増大するが、スロート部３０を装着することで、スロート部３０非装着の場合に比べて配管内圧力が低下する。例えばブロワ周波数５０Ｈｚでは水圧（１７.２ｋＰａ）よりも低い配管内圧力となる。これは前述したように絞り部３０ｂに水が引き込まれていくことで水流が加速した結果、ノズル２の噴射口２ａの出口圧が低下したためであり、本装置の見かけの圧力損失がゼロまたはそれ以下となっていることを表す。よって、当該圧力低下によりブロワの消費電力を低減することができる。
なお、スロート部３０の装着と非装着の圧力差は、噴射口２ａの開口面積Ｆｎとスロート部３０の絞り部３０ｂの開口面積Ｆｔの比率Ｆｎ／Ｆｔによって変わる。スロート部３０の装着により圧力低下を稼ぐには、比率Ｆｎ／Ｆｔを０．１〜０．４の範囲（望ましくは０．３前後）に調整するとよい。比率Ｆｎ／Ｆｔ＝０．３程度で、最も大きい圧力低下を実現することができ、ブロワの消費電力を最小限にして運転コストを低減することができる。
図１５Ａと図１５Ｂは、微細気泡発生手段３によって発生した気泡の径と個数を、スロート部３０の有無で比較したグラフ図である。この図から明らかなように、スロート部３０を装着することで確実に気泡発生数が増大することが分かる。特に気泡径７μｍのものは３倍以上もの気泡発生数を実現することができることが分かる。
気泡発生数が増大すると、浄化槽４内の濁度も増大する。図１６はスロート部３０の有無で濁度を比較した図であり、本発明のスロート部３０を装着することで濁度が２倍以上に増大することが分かる。このように大量の気泡発生と強力なキャビテーションによる水蒸気泡の発生・消滅で機械的衝撃力を発生させ、これによって細菌や微生物の細胞膜を破砕して、死滅、殺菌する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えばスロート部３０の形状は必ずしも絞り部３０ｂが図示するよう比較的短いものである必要はなく、その長さは必要に応じて種々変更可能である。またノズル２の噴射口２ａはスロート部３０の下端入口開口３０ａの付近に配置すればよく、必ずしも図示するように入口開口３０ａと絞り部３０ｂの境界付近に配置する必要はない。また噴射口２ａの開口面積Ｆｎとスロート部３０の絞り部３０ｂの開口面積Ｆｔの比率Ｆｎ／Ｆｔは、必ずしも０．３程度である必要はなく、０．１〜０．４の範囲で適宜変更可能である。また、スロート部３０は樹脂等の円筒状部材を外筒６内に固定して構成する他、当該円筒状部材を使用せずに外筒６自体に絞り加工を施したり、外筒６自体を絞り部を有する形状に鋳造したり、外筒６を太い管と細い管とをテーパ面や滑らかな異径継手でつなぎ合わせて製造したりする等の方法で形成することも可能である。
１ 気泡発生装置
２ ノズル
２ａ 噴射
３ 微細気泡発生手段
４ 浄化槽
５ 固定具
６ 外筒
７、１０ 円柱体
８ 本体
９、１９ 突起部
１０ 円柱体
１１ スペーサ
１２ リベット
１３、２０ 開口
１４ａ 半径方向の切欠き
１４ｂ 軸方向切欠き
１５ 突起
１６ 位置決め穴
１７ 固定用の突起
１８ 内壁突起
２１ エッジ
３０ スロート部
３０ａ 入口開口
３０ｂ 絞り部
３０ｃ 出口開口
Ｃ 中央部
Ｋ クラウド
Ｔ 渦キャビテーション

Claims (6)

  1. 水中に垂直方向に配置される外筒と、
    前記外筒の下部中央に配設されて空気供給源から供給された空気を前記外筒の前記垂直方向の上方に噴射する噴射口と、
    前記噴射口から噴射する前記空気の気泡により発生する水流と気泡流との混在した流体を微細な前記気泡とする微細気泡発生手段と、
    前記噴射口から噴射する前記空気に伴って前記外筒の長手方向に発生する水流の流路を絞る絞り部を備えたスロート部と、
    を有する汚水浄化用の気泡発生装置であって、
    前記微細気泡発生装置は、円筒状の本体と、円筒状の前記本体から中心に向かって突き出た複数の突起部とから構成される円柱体を軸方向に複数個配置し、複数の前記突起部の先端が向かい合う中央部にキャビテーション発生用の開口を形成するよう複数の前記突起部が所定の長さに設定され、
    前記スロート部は、円錐状のテーパ面として形成された下端入口開口と上端出口開口とを有し、前記下端入口開口と前記上端出口開口との間に内径が絞られた断面円形の前記絞り部を有し、ノズルの前記噴射口が、前記スロート部の前記下端入口開口から、前記下端入口開口と前記絞り部の境界までの間に位置するように配置されるとともに、前記外筒内の閉じた領域内において前記絞り部の中心軸線と同軸上で垂直上向きに開口して配置され、さらに前記スロート部の前記絞り部の開口面積を前記ノズルの前記噴射口の開口面積より大きく構成し、前記閉じた領域内において前記噴射口から前記垂直方向の上方へ噴射される前記気泡が浮力により前記スロート部の前記絞り部に向かって上昇し流れ込むことで、前記ノズルの外側の水が前記スロート部の前記絞り部に引き込まれて水流が加速され、前記微細気泡発生装置の前記開口の中心へ至る、ことを特徴とする、汚水浄化用の気泡発生装置。
  2. 前記噴射口の前記開口面積をＦｎ、前記スロート部の前記開口面積をＦｔとして、Ｆｎ／Ｆｔの値を０．１〜０．４の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１に記載の汚水浄化用の気泡発生装置。
  3. 前記開口は最小直径もしくは最小通過幅を２ｍｍとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の汚水浄化用の気泡発生装置。
  4. 前記微細気泡発生手段は、互いに隣接する前記円柱体においては、軸方向に見た前記突起部が互いに重ならないように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の汚水浄化用の気泡発生装置。
  5. 空気供給源から供給された空気を噴射口から汚水中において垂直方向の上方に噴射し、噴射された前記空気により発生する水流と気泡流との混在した流体を前記汚水中に配置された微細気泡発生装置に導入し、前記流体を前記微細気泡発生装置により微細気泡とすることで、前記汚水中に存在する好気性菌により汚れ成分を浄化させる汚水浄化方法であって、
    前記噴射口と前記微細気泡発生装置との間の閉ざされた領域にスロート部を配置し、
    前記微細気泡発生装置は、円筒状の本体と、円筒状の前記本体から中心に向かって突き出た複数の突起部とから構成され、複数の前記突起部の先端が向かい合う中央部にキャビテーション発生用の開口を形成するよう設定し、
    前記スロート部を、円錐状のテーパ面として形成された下端入口開口と上端出口開口とを有し、前記下端入口開口と前記上端出口開口との間に内径が絞られた断面円形の絞り部を有する構成とし、ノズルの前記噴射口が、前記スロート部の前記下端入口開口から、前記下端入口開口と前記絞り部の境界までの間に位置するように配置するとともに、前記外筒内の閉じた領域内において前記絞り部の中心軸線と同軸上で垂直上向きに開口して配置し、さらに前記スロート部の前記絞り部の開口面積を前記ノズルの前記噴射口の開口面積より大きくし、前記閉じた領域内において前記噴射口から前記垂直方向の上方へ噴射される前記気泡が浮力により前記スロート部の前記絞り部に向かって上昇し流れ込むことで、前記ノズルの外側の水が前記スロート部の前記絞り部に引き込まれて水流が加速されるように構成し、前記噴射口から噴射する前記垂直方向の上方の前記気泡により前記水流と前記気泡流との混在した前記流体を、前記閉ざされた領域内で前記微細気泡発生装置の前記開口の中心部に供給し、前記微細気泡発生装置において前記キャビテーション発生を促進することを特徴とする、汚水浄化方法。
  6. 前記噴射口より噴射される前記気泡流によって、前記微細気泡発生装置を通過する前記液体の局所的な速度が毎秒５ｍ以上としたことを特徴とする請求項５に記載の汚水浄化方法。
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