WO2012081632A1

WO2012081632A1 - 曝気撹拌装置

Info

Publication number: WO2012081632A1
Application number: PCT/JP2011/078941
Authority: WO
Inventors: 一水立川; 勝美藤田; 好一加藤
Original assignee: メタウォーター株式会社; 佐竹化学機械工業株式会社
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-06-21
Also published as: JP2012125691A; JP5728218B2

Abstract

　曝気撹拌装置１は、水槽１０、その水槽１０内に垂直に配設されるドラフトチューブ１１、そのドラフトチューブ１１内に配設される散気筒１２、及び、その散気筒１２の上側であり且つドラフトチューブ１１内に配設されるインペラ１３ａ（撹拌機１３）を備えている。曝気撹拌装置１では、散気筒１２が、複数の微細孔を有し、その微細孔から空気が吐出されるものである。この曝気撹拌装置１は、動力エネルギーを抑制した、省エネルギーの曝気手段である。

Description

曝気撹拌装置

　本発明は、活性汚泥法に使用可能な、機械式の曝気撹拌装置に関する。

　下水の浄化を目的とする下水処理場においては、下水中の有機物を分解・除去するため、活性汚泥法と呼ばれる生物処理を行う。この活性汚泥法は、好気性微生物処理である。活性汚泥法の実施に際しては、活性汚泥（微生物）に汚濁物質（有機物）を吸収させるために、下水中に空気（酸素）を送り込むことを要する。そのために使用されるのが、曝気槽である。一般的な曝気槽は、通常、水槽と、その底部に配設された散気管と、からなるものである。

　又、特許文献１～３に開示されているような、曝気撹拌装置も知られている。この曝気撹拌装置は、水槽と、その中に垂直に配設されたドラフトチューブと、そのドラフトチューブ内に配設されたインペラ（撹拌機）及び散気管と、からなる装置である。上記一般的な曝気槽は、水槽の底部一面に配設された散気管から散気して、汚水中に酸素を溶解させようとする。これに対し、特許文献１～３に開示されている曝気撹拌装置では、水槽の中心に配設された散気管から吐出された空気をインペラによって（機械式で）せん断して、小さな気泡とする。そして、その小さな気泡を、ドラフトチューブを通じて水槽全体に送り込み、併せて、水流を形成することによって、酸素溶解を実現している。

特開平８－３３８９５号公報特開平８－３３８９６号公報特開平８－３３８９７号公報

　活性汚泥法では、好気性微生物を維持すべく、連続的に水中へ酸素を供給する必要がある。一般的な曝気槽を用いる場合に、酸素供給に必要な動力は、活性汚泥処理（生物処理）を含む水処理設備全体の動力の４０～５０％程度を占める程、多いものである。特に、活性汚泥法を行う水槽の水深が深い場合（例えば、約７ｍ程度）には、その水圧に対抗して必要な空気量（酸素）を吐出させる必要があるので、浅い場合より多大な動力が必要となる。

　上記の曝気撹拌装置を用いる場合、インペラによって気泡をせん断することから、多大な撹拌動力を必要とする。又、インペラによってせん断されて得られる気泡は、径が３～７ｍｍ程度であり、比較的大きい。そのため、空気中の酸素が、効率よく、水中へ溶け込まない。そうすると、水中の酸素を所望の濃度（溶解量）とするためには、効率よく溶解する場合より、多量の空気が必要となる。従って、一般的な曝気槽を用いる場合と同様に、より多大な動力が必要となる。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。本発明の課題とするところは、生物処理（活性汚泥処理）に必要な酸素を水中へ供給するに際して動力エネルギーを抑制することであり、省エネルギー曝気手段を提供することである。研究が重ねられた結果、水槽の水深の中間に、直接、微細な気泡を発生させ得る散気手段を設ける。そして、その微細な気泡を、極力、せん断作用を有さず、整流した吐出流を形成する撹拌手段（インペラ（撹拌機））によって、水槽下方に押し込み、水槽全体に拡散させる。曝気撹拌装置における、このような手段によって、上記課題が解決されることが見出され、以下に示す本発明の完成に至った。

　即ち、本発明によれば、水槽と、その水槽内に垂直に配設されるドラフトチューブと、そのドラフトチューブ内に配設される散気手段と、その散気手段の上側であり且つ前記ドラフトチューブ内に配設される撹拌手段（インペラ）と、を備え、散気手段が、複数の微細孔を有し、その微細孔から空気が吐出されるものである曝気撹拌装置が提供される。

　撹拌手段は、具体的には撹拌機である。この撹拌機は、主に、インペラ（撹拌翼ともいう）と、それを回転させるモーター（電動機又は駆動源ともいう）と、それらを接続するシャフト（回転軸ともいう）で構成される。撹拌機は、インペラが回転することによって、水槽に貯められた水（例えば下水）に、ドラフトチューブ内において、所定の流速（下降流速）の、下降流を生じさせるものである。従って、ドラフトチューブ内に配設されるものは、実際に撹拌を行う部分である、インペラである。そして、水の流れで考えると、上流側にインペラが位置し、下流側に散気手段が位置することになる。散気手段が複数の微細孔を有し、とは、散気手段の一部の面が、複数の微細孔を有する散気面であることを意味する。散気手段は、その微細孔から空気が吐出されるものであれば、その材質や形状は、限定されない。例えば、セラミック製のもの、合成樹脂製のもの、微細孔が形成された布を張って形成されたもの等でよい。形状としては、板状であってその両表面が散気面となるものや、筒状であってその周面が散気面となるもの等を、挙げることが出来る。尚、本明細書における微細孔は、面積を真円に換算したときの径が５０～５００μｍφ程度となる孔や、幅が５０～５００μｍ程度であって長さが０．５～２ｍｍ程度のスリットを、指す。

　本発明に係る曝気撹拌装置においては、散気手段が、その長手方向が垂直方向になるように、配設されることが好ましい。

　長手方向が垂直方向になるように散気手段を配設するとは、例えば散気手段が、円筒形の散気筒である場合に、その軸方向が垂直方向になるように配設する、ということである。これを、本明細書において、単に、縦置き、ということがある。

　本発明に係る曝気撹拌装置は、水槽の底までの水深が７ｍ以上、好ましくは１０ｍ以上であり、散気手段の配設位置の水深が５ｍ以下であることが、好ましい。これは、換言すれば、本発明に係る曝気撹拌装置は、底までの水深が７ｍ以上、好ましくは１０ｍ以上の水槽の場合に好適に用いられ、そのときに、散気手段の配設位置の水深を５ｍ以下とすることが好ましい、ということである。底までの水深の好ましい範囲は、７～２０ｍ程度である。

　尚、本発明に係る曝気撹拌装置において、散気手段には、それに空気を送る送気源（ブロワ等）及び送気管が接続されているものとする。

　本発明に係る曝気撹拌装置は、水槽と、その水槽内に垂直に配設されるドラフトチューブと、そのドラフトチューブ内に配設される散気手段と、その散気手段の上側であり且つ前記ドラフトチューブ内に配設されるインペラ（撹拌手段）を備える。そして、散気手段が、複数の微細孔を有し、その微細孔から空気が吐出されるものである。微細孔から吐出される空気は、微細な気泡となる。この曝気撹拌装置では、使用時において、水槽に（例えば）下水が貯められ、インペラが回転し、散気手段から、その微細な気泡として放出される。そうすると、インペラの回転で生じた下降流によって、微細な気泡は、下方に押し込まれる。そして、微細な気泡は、ドラフトチューブの下部開口から、水槽の底付近に向けて放出され、それから自然に上昇することによって、水槽全体に広がる。そして、この過程の中で、気泡中の（例えば）酸素が、水中に溶解する。

　本発明に係る曝気撹拌装置では、散気手段から生じる気泡は、最初から微細なものである。インペラによって空気をせん断して、微細な気泡を生じさせるものではない。インペラには、気泡を細分化する役割を持たせていない。空気をせん断するためには、インペラの回転数を上げる必要があるが、本発明では不要である。従って、撹拌のためのモーターに要する動力エネルギーは、少なくて済む。

　微細な気泡であると、微細ではない気泡の場合に比して、水（液体）との接触面積は、より多くなる。従って、空気中の酸素が水中（液中）に溶解し易い。よって、所望とする水中溶存酸素量あたりの送風量（酸素を溶解させるために水中へ送り込む空気量）は、微細ではない気泡の場合に比して、より少なくて済む。そのため、送気源に要する動力エネルギーは、少なくて済む。

　微細な気泡は、浮力が小さいので、水流とともに、水槽の底付近に運ばれる。そして、ドラフトチューブを出て、槽内を上昇する速度が小さく、水槽全体に、長い間、滞留する。よって、この観点からも、浮力が大きい粗大な気泡に比して、より多くの酸素を水に移動させることが、可能である。

　微細な気泡であることから、インペラで押し込もうとする気泡の量は、少なくなる。そのため、その気泡に基づく浮力は低下する。従って、撹拌のためのモーターに要する動力エネルギーは、少なくて済む。

　本発明に係る曝気撹拌装置においては、散気手段の空気吐出部分がセラミック多孔質体からなるので、放出される（例えば）空気は、微細な気泡となる。この微細な気泡は、同じ体積の粗大な気泡より、表面積が大きい。そのため、水との接触面積も大きくなり、酸素の溶解速度が速くなる。既述の通り、本発明に係る曝気撹拌装置は、インペラには、気泡を細分化する役割は持たせないが、この好ましい態様によれば、高い酸素移動効率を実現する。

　本発明に係る曝気撹拌装置は、その好ましい態様において、散気手段が、その長手方向が垂直方向になるように、配設される（縦置きにされる）。そのため、インペラが起こす下降流に対する散気手段の抵抗が、小さくなる。従って、一定の下降流速を得ようとした場合に必要な、撹拌のためのモーターに要する動力エネルギーは、横置きの場合に比して、より小さくなる。そして、本発明に係る曝気撹拌装置は、既述の通り、散気手段から放出した気泡を、ドラフトチューブを通じて、水槽の底付近から、水槽全体に広げようとするものであるから、散気手段を縦置きにしても、酸素移動効率は維持出来、低下しない。

　本発明に係る曝気撹拌装置は、底までの水深が７ｍ以上、より好ましくは１０ｍ以上の水槽の場合に好適に用いられ、そのときに、散気手段の配設位置の水深を５ｍ以下とする。そのため、下水道処理における既設の送気源（ブロワ）を、そのまま利用することが出来、更新コストを低減することが可能である。又、送気源に要する動力エネルギーは、水槽の底部（例えば水深７ｍ）に散気手段を配設する場合に比して、より少なくて済む。

本発明に係る曝気撹拌装置の一の実施形態を示す図であり、内部を透視して表す正面図である。本発明に係る曝気撹拌装置の他の実施形態を示す図であり、内部を透視して表す正面図である。図１ＡにおけるＡＡ断面矢視図である。図１ＢにおけるＢＢ断面矢視図である。本発明に係る曝気撹拌装置を構成する散気手段の一例を示す斜視図である。本発明に係る曝気撹拌装置を構成する散気手段の他例を示す斜視図である。本発明に係る曝気撹拌装置を構成する散気手段の他例を示す斜視図である。

　以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。

　先ず、本発明に係る曝気撹拌装置の一の実施形態における構造について、説明する。図１Ａ及び図２Ａに示される曝気撹拌装置１は、水槽１０、ドラフトチューブ１１、２つの散気筒１２（図３Ａを参照）、撹拌機１３、及びコーン１４を備える。曝気撹拌装置１において、水槽１０は、（例えば）直方形を呈している。この曝気撹拌装置１は、（例えば）活性汚泥処理に使用される。撹拌機１３は、（例えば）２枚羽根のインペラ１３ａ（撹拌翼）と、それを回転させる（駆動する）モーター１３ｃ（電動機（駆動源））と、それらを接続するシャフト１３ｂ（回転軸）で、構成される。

　ドラフトチューブ１１は、円筒形を呈する。このドラフトチューブ１１は、水槽１０内の中央に、垂直に、配設されている。ドラフトチューブ１１は、（例えば）水槽１０の天板から吊着して、取り付けられている。そして、散気筒１２及びインペラ１３ａが、このドラフトチューブ１１内に、配設されている。

　ドラフトチューブ１１の上部開口側には、コーン１４が取り付けられている。コーン１４は、それ自体では、上側と下側が開口したテーパー管である。取り付け時には、上側のみが開口する。このコーン１４は、下側の開口において隙間が生じないように、且つ、上側に拡がるように、ドラフトチューブ１１に固定されている。

　図３Ａにも示される２つの散気筒１２は、円筒形を呈する。この散気筒１２は、気孔径が２００μｍの、セラミック多孔質体からなるものである。散気筒１２は、図示しないブロワ（送気源）に、配管２１を通して、接続されている。散気筒１２は、ドラフトチューブ１１内において、長手方向が水平方向になるように、横置きに、配設されている。この散気筒１２は、水槽１０に水が貯められた状態において、その周面（散気面）から水中へ、直接、微細な気泡（空気）を放出可能なものである。尚、図１Ａ及び図２Ａ中において、白抜矢印は、空気ないし気泡の流れを示す。

　インペラ１３ａは、散気筒１２の直ぐ上側に、配設されている。インペラ１３ａは、空気をせん断して微細な気泡を作り出すものではないので、その回転は低速でよい。低速回転でも、ドラフトチューブ１１の水平断面全体に均一な流速を発生させ、微細な気泡を水槽の底部まで搬送する水流を起こすことが出来るものを、撹拌機１３（インペラ１３ａ）として、用いる。

　曝気撹拌装置１では、散気筒１２の、直ぐ上側に、インペラ１３ａが配設され、そのインペラ１３ａと、散気筒１２と、の間隔が１００ｍｍ以下となっている。インペラ１３ａと散気筒１２の間隔は、１００ｍｍ以下、１０ｍｍ以上であることが、より好ましい。そして、８０ｍｍ以下、２０ｍｍ以上であることが、特に好ましい。尚、インペラと散気筒との間隔は、インペラの下端から散気筒の上端までの距離とする。このような間隔であるため、撹拌機１３（インペラ１３ａ）の撹拌エネルギーの高いゾーンで、散気筒１２から発せられた気泡を、直ぐに、下方へ押し込むことが、可能となる。従って、気泡どうしが会合し難く、微細な気泡のままの状態で、下方へ押し込まれ、やがては水槽全体に拡散する。従って、水中への酸素供給効率が高い。

　曝気撹拌装置１では、ドラフトチューブ１１の内径と、インペラ１３ａの外径と、の差ｄが１００ｍｍ以下である。インペラ１３ａと、ドラフトチューブ１１（内側）との間に、殆ど隙間がない。インペラ１３ａはドラフトチューブ１１内に配設されるものであるから、当然にドラフトチューブ１１の内径の方が大きい。ドラフトチューブ１１の内径とインペラ１３ａの外径との差ｄは、１００ｍｍ以下、１０ｍｍ以上であることが、より好ましい。そして、５０ｍｍ以下、１０ｍｍ以上であることが、特に好ましい。このような態様であると、ドラフトチューブ１１内の全体において、インペラ１３ａ（撹拌機１３）による均等な下降流が形成される。そして、インペラ１３ａの真下に配設される散気筒１２から放出される気泡を、逆流させることなく（上昇させることなく）、ドラフトチューブの下部開口から、水槽の底付近に向けて、放出することが可能となる。又、気泡が微細であることから、その浮力は弱い。従って、微細な気泡の上昇が始まる前に、気泡を効果的に下降流に乗せることが、可能である。

　次に、本発明に係る曝気撹拌装置の他の実施形態における構造について、説明する。図１Ｂ及び図２Ｂに示される曝気撹拌装置１００は、曝気撹拌装置１と同様に、水槽１０、ドラフトチューブ１１、散気筒１２、撹拌機１３、及びコーン１４を備える。但し、曝気撹拌装置１００においては、４つの散気筒１２（図３Ａを参照）が、ドラフトチューブ１１内において、長手方向が垂直方向になるように、縦置きに、配設されている点が、曝気撹拌装置１とは異なる。これ以外は、曝気撹拌装置１と同様であるので、説明を省略する。

　次に、本発明に係る曝気撹拌装置を構成する散気手段の他の形態について、説明する。円筒形の散気筒１２に対して、図３Ｂに示される散気筒３２は厚板形状である。散気筒３２では、２つの表面が散気面となる。又、図３Ｃに示される散気筒４２は、先端切断円錐形状である。散気筒４２では、テーパー状をなす面が散気面となる。散気筒３２，４２は、何れも、散気筒１２と同様に、直接、微細な気泡（空気）を放出可能なものである。

　次に、本発明に係る曝気撹拌装置の使用方法について、説明する。本発明に係る曝気撹拌装置は、例えば、活性汚泥処理に使用される。活性汚泥槽としての、具体的な立上げ手段は、公知の方法に従えばよい。ここでは、図１Ａ及び図２Ａに示される曝気撹拌装置１を用いて、水中に酸素を溶解させる場合を例にして、説明する。

　水中に酸素を溶解させるにあたっては、先ず、水槽１０に、水を貯める。次いで、インペラ１３ａを回転させ、ドラフトチューブ１１内の水流（下降流）が安定したら、散気筒１２へ送気し（空気を送り）、散気筒１２から微細な気泡を放出させればよい。水槽１０に溶存酸素計を設けることが、好ましい。更に、その溶存酸素計の測定結果を基に、散気筒１２への送気量を調節したり、インペラ１３ａの回転数を調節することも、好ましい。散気筒１２への送気量の調節は、例えば、配管２１に調節弁を設け、その調節弁の開度を、溶存酸素計の測定結果を基に調節することによって、行うことが出来る。インペラ１３ａの回転数は、溶存酸素計の測定結果を基にして、ＶＶＶＦ制御を行えばよい（そのような制御を可能な電気制御回路を、撹拌機１３に設ければよい）。

　散気筒１２から放出された微細な気泡は、インペラ１３ａの回転で生じた下降流によって、ドラフトチューブ１１の下部開口から、水槽１０の底付近に向けて、放出される。そして、自然に上昇し、水槽１０全体に広がる。水は、ドラフトチューブ１１の上部開口から（ドラフトチューブ１１へ）入り、再び、ドラフトチューブ１１の下部開口から、水槽１０の底付近に向けて、放出される。これが繰り返され、この過程の中で、気泡中の（例えば）酸素は、水中に溶解する。このとき、曝気撹拌装置１では、ドラフトチューブ１１の上部開口側に、上側に拡がるコーン１４を有するので、これが、気液分離機能を発現する。従って、水槽１０の底から上昇した水に残った気泡の多くは、そのまま、水面から気中へ放出される。即ち、水は循環し、ドラフトチューブ１１外における水には、多くの微細な気泡が含まれる。一方、ドラフトチューブ１１内においてインペラ１３ａで撹拌される水には、気泡は含まれ難い。尚、図１Ａ及び図２Ａ中において、黒塗りつぶし矢印は、水の流れを示す。

　本発明に係る曝気撹拌装置は、液中に特定の気体を溶解させるために、利用することが出来る。特に、下水処理における生物処理において、水中に、空気中の酸素を溶解させる用途に、好適に利用可能である。

１，１００：曝気撹拌装置
１０：水槽
１１：ドラフトチューブ
１２，３２，４２：散気筒
１３：撹拌機
１３ａ：インペラ（撹拌翼）
１３ｂ：シャフト（回転軸）
１３ｃ：モーター（電動機、駆動源）
１４：コーン
２１：配管

Claims

　水槽と、その水槽内に垂直に配設されるドラフトチューブと、そのドラフトチューブ内に配設される散気手段と、その散気手段の上側であり且つ前記ドラフトチューブ内に配設される撹拌手段と、を備え、
　前記散気手段が、複数の微細孔を有し、その微細孔から空気が吐出されるものである曝気撹拌装置。
　前記散気手段が、その長手方向が垂直方向になるように、配設される請求項１に記載の曝気撹拌装置。
　前記水槽の底までの水深が７ｍ以上であり、前記散気手段の配設位置の水深が５ｍ以下である請求項１又は２に記載の曝気撹拌装置。