JP6762467B2

JP6762467B2 - 曝気装置

Info

Publication number: JP6762467B2
Application number: JP2016098280A
Authority: JP
Inventors: 嗣光松井
Original assignee: 嗣光松井
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-04-21
Also published as: JP2017192931A

Description

本発明は、水流の発生を兼ね備えた曝気装置に関し、とくに湖沼などの汚濁水中に微細気泡（マイクロナノバブル）を効率良く発生させて撹拌し、その浄化を図ると共に、供給する水に磁気を作用させて養魚貯水用として有用な微細気泡磁化水を生成する曝気装置に関する。

従来、河川や湖沼などの汚濁水の浄化方法としては、接触酸化法あるいは浸漬濾床法などと呼ばれる浄水処理が知られている。これらの浄水処理においては、とくにバクテリアによる酸化分解作用が浄化に大きく貢献することから生物曝気法と呼ばれる。この浄水処理は濾材として、ハニカムチューブ、ナイロン帯、プラスチック成形濾材、木炭、あるいは活性炭、セラミック、砂などの粒状濾材を曝気槽に充填し、この曝気槽内に汚濁水を通水させて原水中の汚濁物質（ＳＳ）や有機物などを除去するものである。そして原水中に自生していたバクテリアが次第に濾材表面上に繁殖し、生物膜と呼ばれる膜が形成されることにより、汚物の除去効果を促進する。

近年、微細気泡濃度の高い水が、河川、湖沼等の水質浄化や洗浄、また生物の生理活性、代謝促進、殺菌など多方面に利用されている。しかしながら、従来の微細気泡生成器は、気泡生成のために、電動ポンプ等の動力エネルギーが過大になる。また、その配管やホース等の装置、部品も必要で複雑且つコストが嵩むという課題がある。

また、空気等の気体を液体に導入する曝気装置が、活魚水槽、汚水槽及び湖沼等の活性化を目的として広く使用されている。しかしながら、水槽が小型の場合、すなわち、曝気水域が極小の場合には、曝気装置のみで水槽内の撹拌はある程度行われるが、曝気水域が広大になると撹拌を十分に行うことができず、また水流も発生しない。そこで、現在実用化されている生簀等の水槽においては、酸素供給のための曝気装置の他に水槽内の液体の循環、圧送のための水流発生装置を別個に備え付けている。

また、有機産業廃棄物や汚水処理などの浄化を目的として、古くからこれまで世界的に最も幅広く行われてきた微生物処理法としては、活性汚泥法等がある。しかし、実際は殆ど（９５％以上）の活性汚泥法の廃水処理装置がうまく行っていない。活性汚泥はそれを構成する種々の微生物による混合培養系であることから、その装置や管理技術上にあまりにも多くの問題を抱えている。

これらは処理プロセスに使用する反応器やＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）負荷量のコントロール、栄養源に対する微生物の投入比、ＭＬＳＳ（曝気槽内混合液浮遊物質）維持、ＭＬＳＳの曝気槽内平均滞留時間の選択、また、廃水処理場建設費が高くその削減が難しい。

つまり、微細気泡槽や湖沼の浄化装置として用いられる従来の微細気泡発生装置は、ポンプで液体を吸い込みながら循環させるものであったから、高揚程のポンプを必要とし、ポンプ駆動のための電源も必要となるので、イニシャルコスト、ランニングコストともに高価になると共に、接続管等が必要となるので、大規模な装置になるという課題があった。

例えば、エビ等の水産生物の養殖池において、その糞等により貯水が直ぐに汚れてしまうため、短時間で貯水を曝気して透明度の高い水質を維持する必要があった。このような貯水の浄水処理として、上述したバクテリアを用いた生物曝気法又は曝気フィルター等を用いた機械的浄化法が考えられる。

機械的な曝気システムとしては、例えば、液体中に気体が加圧溶解された気液溶解流体を減圧弁で圧力開放し、微細気泡を発生させながら吐出孔から液槽内に噴出吐出させるようにした微細気泡発生装置がある（特許文献１参照。）。また、原水の流れにより濾材層を流動化させながら曝気を行うもので、水の比重よりもやや大きな比重の粒径の濾材を用いて原水を上向きに通水し、濾材層を流動化させる流動床式曝気装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

他にも、養魚水が流入される浄化槽と、この浄化槽内に、浄化槽内底面とは所定の空間が存在するように、かつ養魚水中に没するように配置された反応筒と、反応筒内下部に配置され、エアレーションパイプに接続されて反応筒内にエアーを噴出するディフーザーと、反応筒内にフェノール露出基のある化合物を含む微生物代謝産物もしくは腐植物からなる溶出充填材が充填された充填層と、安山岩質、流紋岩質等の活性化した珪酸分が含まれる砕石からなる溶出充填材が充填された充填層と、浄化槽内に沈積した汚泥を引き抜く汚泥引抜管を備えた魚飼育用浄水装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

一方、飲水に永久磁石の磁界を作用させて、健康増進に役立てるといったことは、古来より行われていた。例えば天然の磁鉄鉱の塊を井戸水に入れ、暫く放置した後にその水を飲み、病気の治療に役立てるといったことが行われていた。本発明者は、地球自体が磁性体であり、その自転と共に宇宙空間を磁界が転動し、それらの環境下で生物は地磁気に反応する羅針盤的機能を持ち合わせていることに着目した。例えば、１９６０年に磁気感知細菌が発見されているように、磁気細菌はマグネタイト微粒子を体内に保持している。そして、北半球に生息する磁気細菌はＳ極を指標として、南半球に生息する磁気細菌はＮ極を指標として行動することが判明している。そして、人や動物などの生体機能も内在する磁気物質が関与しているものと考察できる。

水の構造は、水分子が水素によって互いに引きつけあった結合体（クラスター）から成っており、水道水のクラスターは、例えば、平均１２個の水分子からできている。水は、磁気（磁力）の影響を受けると活性化するという性質を有しており、このため、水道水を磁力が働いている磁場を通過させると、例えば平均６個の水分子クラスターからなる磁化水が生成されるといった報告がある。水に磁界を作用させた場合の水の物理的変化だけでなく、水に含まれる活性水素といった化学的変化にも着目すると、永久磁石のＳ極とＳ極を対向させた環境下で活性水素が安定に存在しやすい。ここで、活性水素とは原子状水素原子のことで、活性酸素と容易に結合して水に変わることから、活性酸素の除去に効果があり、そのことが結果として、健康増進に働くことが報告されている。

磁化水を飲料水として使用すると、一般に腸の吸収率が高まり、粘性が上がるため、バクテリア等の悪性細菌の活動性を低下させるといった効果や、野菜等の洗浄に磁化水を使用すると、保水効果が高まって、野菜の鮮度が高まる等の効果を併せ持つ。

水の中には水素イオン（Ｈ＋）、水酸イオン（ＯＨ−）が含まれていて、水素イオンは水酸イオンから電子を受け取り容易に原子状水素を生成するが、生成した活性水素は水中の溶存酸素及びカルシウム、ナトリウム、マグネシウムなどの陽イオンと接触することにより水や水素イオンになってしまうため非常に不安定である。しかし、原子状水素が生成したときにＳ極とＳ極あるいはＮ極とＮ極の同極同士を対向させた環境下にあると、原子状水素は磁気モーメントの方向が定まらない磁性原子と言っても良いため、本発明装置のＳ極とＳ極を対向させた環境下では活性水素は磁気モーメントの方向が定まらずに、水中をフラフラ動くことになるが、結果的には活性水素にとっては安定した環境であり、このことが磁化水中に活性水素が多く存在する結果となり磁化水の健康増進効果が発揮される旨の報告がある。

水に磁気を作用させて磁化水を製造する装置は公知である。例えば、流体が流れる配管を挿通可能な挿通孔を有するホルダ部材と、このホルダ部材に組み込まれる複数の磁界発生器とからなる磁化水器（特許文献４参照。）、磁化室を複数個具備するとともに、それら複数の磁化室を通路により連通することによって内側磁化流路をなす内部ケーシングを形成し、磁化室に永久磁石とそれに磁気吸着するヨーク板とを組み合わせた磁化器を配置し、内部ケーシングの外側を外部ケーシングにより覆うことによって、内部ケーシングから流出した磁化水を履行させるとともに、その間に再度磁化作用を受ける外部磁化流路を形成して、管路を流れる水に磁気を作用させる水の磁化装置（特許文献５参照。）、水道管や供給管の通水路のまわりに磁力を着磁した磁気ブロックを水の流れ方向に位置と角度をずらして配設し、通過する水を磁気ブロックの磁力で旋回運動させて磁化水にするもの（特許文献６参照。）、右側半体と左側半体とを開閉すべくそれらを略枢着回転自在に連結する連結部と、右側半体に対し摺動自在に内設された左側超強力磁石とを備えた磁化水製造器（特許文献７参照。）等が提案されている。

また、水道水が介在するように対の電極を配置し、両電極に電圧を印加する電源を設け、さらに電極間電場に晒された水道水に気泡を生じさせる気泡発生手段を設け、水道水の塩素成分を除去する浄水器（特許文献８参照。）。噴出ノズルの胴部内にて、その管路に対して斜めに走る透水孔に水を通すことによって、流水に旋回力を与え、噴出ノズルの先端を管体の入水口に差込み、空気吸引間隙を設けた入水口の近傍で勢い良く流水を噴出させることで、流水に空気を取込み、これにより大気泡を生成し、この大気泡を旋回する流水のせん断力に応じて破裂させて、さらに小さな微細気泡を生成する微細気泡生成器（特許文献９参照。）。水道の蛇口部のネジに合わせて、微細気泡生成器本体にネジを施し、二次処理室導入口部に突起を施し、さらに永久磁石を置くことで気泡の微細化と比率を上げるようにされた微細気泡生成器（例えば、特許文献１０参照。）等も提案されている。

特開２００１−３４７１４５号公報特開平３−３８２８９号公報特公平７−４１２４６号公報特開２００５−１６９３５８号公報特開２００５−４０６９４号公報特開平１１−１６５２７８号公報特開２００３−２４９４９号公報特開２００１−２３２３６５号公報特開２００７−１１７７９９号公報実用新案登録第３１４５９１４号公報

本発明は上記のような従来技術の課題に鑑み、目的とする水槽あるいは水域内に効率良く微細気泡を発生させると共に磁化水を生成することができ、貯水の曝気と磁化水流の発生を簡便にかつ経済的に行うこと曝気装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の曝気装置は、水槽又は水域の貯水中に設置される流水ポンプ（１）と、この流水ポンプ（１）の通水管（３）に接続され、永久磁石（６）を組み込んだ吸気部（５）を備え、大気を吸入する吸気管（４）と、前記通水管（３）の先端に取り付けられた曝気水噴出ノズル（８）とからなり、前記通水管（３）は、吸気部（５）から吸入した大気を減圧及び加圧するベンチュリ管構造を利用したもので、上流側から下流側に向かって拡径したテーパ部（３ａ）が形成され、このテーパ部（３ａ）の吐出側端部が外向きラッパ状に形成されると共に、前記曝気水噴出ノズル（８）は、外筒となるイジェクター管（２）と前記通水管（３）と連通する内筒となるからなる二重管構造とされ、イジェクター管（２）の外周面に複数の吸水孔（２ａ）が設けられ、これら複数の吸水孔（２ａ）から流入した水は内筒の外周面に水の流出方向に向かって刻設された複数の溝条又は砂地粗面（１１）に衝突しながら乱流を発生させると共に、内筒内部にスタティックミキサー（１３）を配置して旋回流を発生させると共に、発生した旋回流によって発生する減圧作用によるキャビテーション効果及び大気が加圧溶解された水流を減圧手段で圧力開放するベンチュリ効果により微細気泡を発生させ、磁界を付与しながら磁化微細気泡含水流を吐出させることを第１の特徴とする。また、溝条又は砂地粗面（１１）が曝気水噴出ノズル（８）の内筒内周面に刻設されていることを第２の特徴とする。さらに、スタティックミキサー（１３）が、少なくとも２本直交して配置されることを第３の特徴とする。さらにまた、スタティックミキサー（１３）に発生する負圧を利用して空気を微細気泡として導入する自吸式の吸気装置を備えていることを第４の特徴とする。

本発明によれば、以下の優れた効果がある。
（１）微細気泡曝気により汚濁物質を酸化分解できる。また、磁化水を供給し、水中微生物を活性化できるばかりでなく、水中の溶存酸素濃度を高め水産生物の生存率を高めることができる。
（２）酸素が十分に供給されることで、有機物の分解及び増殖作用が促進され湖沼における有機物分解が促進される。
（３）ベンチュリ管の曝気水吐出側の端部に、側面視で略Ｕ字状断面の凹条又は砂地粗面を形成することにより、渦流との相互作用により微細気泡がさらに細分化され微細気泡の発生量を大幅に増加させることができる。
（４）水域内の流体の循環、圧送のために別途液流発生装置を設ける必要がなく、小型、軽量、省スペース化を図ることができる。
（５）１台の装置で酸素供給及び水流の発生が同時にでき、発生する気泡の泡沫により水中の有害ガス、懸濁物、有機物、有害菌等の除去が可能になる。
（６）吸気又は流水により自ずと交番磁界が付与されるので、磁界を発生させるために特段の動力を要しない。

本発明に係る曝気装置の一実施例を示す模式図である。吸気部の一例を示す模式図である。吸気部の他の例を示す模式図である。イジェクター管の一例を示す（ａ）は側面断面図、（ｂ）は正面図である。イジェクター管への溝条の刻設例を示す斜視図である。本発明に係る曝気装置の他の実施例を示す模式図である。曝気水噴出ノズルを示す斜視図である。曝気水噴出ノズルを示す（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。従来装置を示す模式図である。従来装置を示す模式図である。

図１に示すように、本発明の曝気装置は、水中に設置される流水ポンプ１と、水上に設けられた磁石６を組み込んだ吸気部５と、流水ポンプ１に接続された吸水管７と減圧部として機能する通水管（ベンチュリ管）３と、この通水管３に接続された吸気管４と、イジェクター管２を備えた曝気水噴出管８とからなることを基本的な構成としている。図１０に従来装置の一例を示すが、流水ポンプ１の排水管３は気泡発生器２に連通され、通水管３の中間部分に直上から送気管４が連通され、送気管４は送気ファン５から送られてくる大気Ａを通水管３中の水流Ｗに噴出する。その結果、水流Ｗには大量の空気が含有され、気泡発生槽２から上昇する際に曝気効果が得られる点においては同様である。

吸気部５は、図２に示すように、両端部が潰された扁平な吸気口５ａを持つものや、図３に示すように、磁石６を内蔵したプロペラ１０を備え、吸入した大気Ａを吸気管４に送出する。通水管３は、吸気部５から吸入した大気Ａを減圧及び加圧するベンチュリ効果を利用したもので、上流側から下流側に向かって拡径した長いテーパ部３ａが形成され、このテーパ部３ａの吐出側の端部（出口部分）が外向きラッパ状に形成されている。そして、外気Ａを取り込んで気泡が混合された気液混合水ＡＷを生成する。

通水管３では、流水中に発生した気泡がテーパ状管内を通過する際に流速が速くなると共に減圧されて膨張し、その後は断面積が増加するにしたがって加圧されて収縮するが、この時に生じるせん断力によって気泡が細分化され微細気泡が発生する。

図４乃至図５に示すように、さらに、水流はイジェクター管２を備えた曝気水噴出管８に導入され、その内壁面に沿って旋回流となり、発生した遠心力によりその中心部には吸引力が発生し、イジェクター管２の吸水口２ａから貯水を吸引する。同時に旋回水流が大気を吸引し、管内部に突設された４本のスタティックミキサー１３の流水誘導溝１４により、水流が出口方向に下降、出口付近は下からの逆の吸引力とのせめぎ合いによってせん断され微細気泡となる。さらに、曝気水噴出管８出口周りの内外周面に形成した溝条１１や砂地粗面１２に旋回流を衝突させることで発生する乱流等で空洞現象（キャビテーション）が発生し、さらに微細化発泡を促進する。

すなわち、水槽又は水域の貯水Ｗ中に設置される流水ポンプ１と、この流水ポンプ１の通水管３に接続され大気を吸入する吸気管４と、この通水管３の先端に取り付けられた曝気水噴出ノズル８とからなり、この曝気水噴出ノズル８外部から内部へ貯水を吸引する吸水部２ａが設けられ、曝気水噴出ノズル８内部で旋回流を発生させると共に、発生した旋回流によって発生するよる減圧作用によるキャビテーション効果及び大気が加圧溶解された水流を減圧手段で圧力開放するベンチュリ効果により微細気泡を発生させ磁界を付与しながら磁化微細気泡含水流を吐出させる。

また、図６乃至図８に示すように、供給水にＮ、Ｓの交番磁界を創出するための複数の永久磁石６とスタティックミキサー１３を付し、吸気孔２ｂから大気を吸入して、そのキャビテーション作用により微細気泡を発生させる曝気水噴出ノズル９を貯水外部に取り付ける形式のものでもよい。この場合、水の磁化と同時に曝気を行って溶存酸素を補うことができ、とくに養殖池への供給水ノズルとして使用して有益である。尚、スタティックミキサー１３に換えて図１０に示すように、プロペラ１０を使用して曝気を行ってもよく、所期の効果を得ることができる。

尚、大気の吸気部としてはスタティックなインペラーに発生する負圧に向って空気が吸込まれる方式のものも利用でき、上記実施例のほか、インペラーに沿う円筒パイプの孔から空気が吸込まれるもの、パイプの通気口と通気可能に固定した中空箱型のインペラーの背面に気体噴出孔を穿設したもの、パイプに螺旋状に取付けたインペラーの回転方向の背面に沿う円筒パイプに螺旋状に気体噴出口を取付けたもの等も利用できる。

このような自吸式の吸気部は、多量の大気Ａを極微細気泡として流水中に発生させることができる。すなわち、流水中に強力な真空圧を発生させ、小さなエネルギーで大気を流水中に吸引させることができる。また、空気が極微細化されるため酸素の溶解効率を高めることができる。さらに、気泡は湖沼中の有機物等を表面に吸着する。

本発明で使用する永久磁石としては、例えば、ネオジウム系磁石、サマリウム系磁石などの表面３０００ガウス以上の永久磁石が好ましい。

本発明装置は、例えば、池や養殖場、下水、畜産廃水、広範囲な産業廃水に対する浄化処理を行うものである。すなわち、大気中のＣＯ_２を強制吸引して水中で溶解させ、海草や海藻、水草や水藻等の水生植物の炭酸同化作用を促進すると共に溶存酸素を増加させる。また、常磁性酸素による活性促進作用。磁石の同極同士を対向させることで生じる斥力により、大気中の酸素帯の無秩序磁性をさらに無秩序にして水中へ放出することで、溶存酸素を増大させ、好ましくは、７〜１０ＰＰＭを確保することができる。さらに、窒素を強制的に水中に取り込むことで、水棲生物の窒素循環・代謝活性を促し、窒素同化作用を発生させ、水産生物の生体に必要な有機窒素成分（例えば、タンパク質・核酸）などの生成を促進する。

１流水ポンプ
２イジェクター管
２ａ吸水孔
２ｂ吸気孔
３通水管（ベンチュリ管）
４吸気管
５吸気部
５ａ吸気口
６永久磁石
７吸水管
８曝気水噴出管
９曝気水噴出ノズル
１０磁石内蔵プロペラ
１１溝条
１２砂地粗面
１３スタティックミキサー
１４流水誘導溝
Ｗ水流
Ａ大気

Claims

（Ａ）水槽又は水域の貯水中に設置される流水ポンプ（１）と、この流水ポンプ（１）の通水管（３）に接続され、永久磁石（６）を組み込んだ吸気部（５）を備え、大気を吸入する吸気管（４）と、前記通水管（３）の先端に取り付けられた曝気水噴出ノズル（８）とからなり、前記通水管（３）は、吸気部（５）から吸入した大気を減圧及び加圧するベンチュリ管構造を利用したもので、上流側から下流側に向かって拡径したテーパ部（３ａ）が形成され、このテーパ部（３ａ）の吐出側端部が外向きラッパ状に形成されると共に、前記曝気水噴出ノズル（８）は、外筒となるイジェクター管（２）と前記通水管（３）と連通する内筒となるからなる二重管構造とされ、イジェクター管（２）の外周面に複数の吸水孔（２ａ）が設けられ、これら複数の吸水孔（２ａ）から流入した水は内筒の外周面に水の流出方向に向かって刻設された複数の溝条又は砂地粗面（１１）に衝突しながら乱流を発生させると共に、内筒内部にスタティックミキサー（１３）を配置して旋回流を発生させると共に、発生した旋回流によって発生する減圧作用によるキャビテーション効果及び大気が加圧溶解された水流を減圧手段で圧力開放するベンチュリ効果により微細気泡を発生させ、磁界を付与しながら磁化微細気泡含水流を吐出させることを特徴とする曝気装置。
溝条又は砂地粗面（１１）が曝気水噴出ノズル（８）の内筒内周面に刻設されていることを特徴とする請求項１記載の曝気装置。
スタティックミキサー（１３）が、少なくとも２本直交して配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の曝気装置。
スタティックミキサー（１３）に発生する負圧を利用して空気を微細気泡として導入する自吸式の吸気装置を備えていることを特徴とする請求項３記載の曝気装置。