WO2021009822A1

WO2021009822A1 - 微細気泡生成部材及びそれを用いた水中曝気撹拌装置

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Publication number: WO2021009822A1
Application number: PCT/JP2019/027820
Authority: WO
Inventors: 育馬尊田
Original assignee: 阪神動力機械株式会社
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-21
Also published as: CN111344259A; JP6651094B1; JPWO2021009822A1; TW202102114A; MY191107A; TWI714422B

Abstract

水中曝気撹拌装置のインペラのハブの空洞内に備えられる微細気泡生成部材であって、該微細気泡生成部材は、横断面が、４つの短辺と４つの長辺とが交互に配されてなる異八角形状であって、上面が閉塞される一方下面が開放されてなる筒状に形成されるとともに、前記４つの短辺に前記上面と下面との間に延びるスリットがそれぞれ形成され、前記ハブの空洞内に両者の軸心が一致するように設けられて前記インペラとともに回転される。

Description

微細気泡生成部材及びそれを用いた水中曝気撹拌装置

　本発明は、排水処理施設等の水槽内に設置され、水槽内の排水を曝気撹拌させる水中曝気撹拌装置の分野に関し、特に、微細気泡生成部材及びそれを用いた水中曝気撹拌装置に関する。

　排水処理施設等の水槽内の排水や河川の水の水質を改善するために、低層水に酸素を供給しつつ表層水との間で強制的に対流を生じさせる水中曝気撹拌装置が用いられる。この水中曝気撹拌装置としては、水流の減衰を極力小さくして広範囲に亘って水を撹拌できる性能が求められる。それに応えるものとして、本願の出願人は、水の吐出に関して創意を凝らした装置を提案した（特許文献１参照）。

　特許文献１に開示された水中曝気撹拌装置は、水を放射方向に吐出させる複数の吐出口を周方向に適当な間隔をあけて設けた短円筒状の吐出ケーシングを採用し、前記吐出口は、それぞれがほぼ放射方向に沿って延びる一対の隔壁部を有する隔壁部材によって周方向にそれぞれ分割されている。また、吐出ケーシングには、各隔壁部材のそれぞれの隔壁部の間が上方及び外方に開放されることにより、放射方向に延びるガイド溝が形成されている。

　上記の水中曝気撹拌装置にあっては、吐出ケーシングが隔壁部材によって複数の吐出口に分割された状態になっているため、各吐出口からは水が水流の束となって吐出される。これにより各吐出口から吐出される水流の減衰が抑制される。その結果、各水流は広範囲に亘って水を撹拌することができる。しかも、各吐出口から吐出される水流によって、該各水流にはガイド溝を通流する伴流が発生する。これにより、カルマン渦による各吐出口からの水流の減衰がなくなり、撹拌力がさらに向上する。

　ところで、近時、水中曝気撹拌装置には優れた撹拌力に加えてより高い曝気性能も求められる傾向にある。このような要請に応えるには、吐出される水流に混在する気泡をできるだけ微細化する手段を講じることが挙げられる。

　ここで、微細化された気泡、所謂微細気泡とは、マイクロバブル、マイクロナノバブル及びナノバブルの総称である。マイクロバブルとは、一般に気泡の直径が１０μｍ～数十μｍ以下の微細な気泡のことをいう。マイクロナノバブルとは、直径が数百ｎｍ～１０μｍの気泡のことをいう。ナノバブルとは、気泡の直径が数百ｎｍ以下の気泡をいう。マイクロバブルは時間の経過と共にマイクロナノバブル化するとされており、このサイズになると収縮速度が速くなり、急激に小さくなる。ナノバブルはこの過程で生じたものが多い
　マイクロバブルは、水中酸素濃度を高め、これにより水中の好気性微生物を活性化させる結果、水の浄化が促進される。

　上記の微細気泡を発生させる手段としては、従来、気体を加圧し大量に水中に溶解させた後減圧により再気泡化する加圧減圧法（例えば、特許文献２参照）や、気体を液中に導入し、液中でファンを毎秒数百回転させることにより気体を剪断して発生させる気液剪断法（例えば、特許文献３参照）や、微細孔を有するフィルムなどに高圧の空気を通すことにより微細気泡を発生させる微細気孔加圧法（例えば、特許文献４参照）等が知られている。

特許第３２０３３３６号公報特開２０１４－６９１６０号公報特開２０１２－２２８６４４号公報特開２００９－１１９４００号公報

　しかしながら、微細気泡を発生させる上記従来の手段は、いずれも大がかりな装置を必要とするものであるため、特許文献１に記載の水中曝気撹拌装置内に組み込むことは到底望めない。したがって、水中曝気撹拌装置の前段に別途微細気泡発生装置を設置せざるを得ない。そうすると、水の曝気撹拌に２種類の装置が必要となるため、その分装置の設置作業や保守作業が煩瑣となるうえに、水処理のための設備費や維持費が嵩むといった問題があった。

　本発明は、かかる問題を改善するためになされたもので、構成が極めてシンプルでありながらも、インペラを備えた従来の水中曝気撹拌装置に優れた撹拌力と高い曝気性能の両方を容易に付与することができる微細気泡生成部材を提供するものである。また、これ１台で優れた撹拌力と高い曝気性能の両方の要請に応えることができ、しかも経済性にも優れた水中曝気撹拌装置を提供するものである。

　上記課題を解決するため、本発明は、上部周面に空気吐出口を有するとともに下面に空気取入口を有する空洞のハブの周面に羽根が設けられたインペラと、このインペラを回転させるモータと、前記インペラのハブ内に前記空気取入口を介して空気を供給する空気供給管と、前記インペラの回転により生じる水流に前記ハブの空気吐出口から吐出される空気が混合された気液混合水流を放射方向に吐出させる吐出口と、を備えた水中曝気撹拌装置を前提としている。そのうえで、前記ハブの空洞内に備えられる微細気泡生成部材を備えたことを発明特定事項としている。すなわち、微細気泡生成部材は、横断面が、４つの短辺と４つの長辺とが交互に配されてなる異八角形状であって、上面が閉塞される一方下面が開放されてなる筒状に形成されるとともに、前記４つの短辺に前記上面と下面との間に延びるスリットがそれぞれ形成され、前記ハブの空洞内に両者の軸心が一致するように設けられて前記インペラとともに回転されることを特徴とするものである。

　本発明の発明特定事項によれば、インペラのハブの空洞内に上記構成の微細気泡生成部材を備えられ、この微細気泡生成部材がインペラとともに回転されることにより、次のような原理で流体内の気泡の微細化が行われることから、従来別途必要とされていた微細気泡発生装置が不要となる。

　微細気泡生成部材７０は、図５に示すように、横断面が、４つの短辺Ａと４つの長辺Ｂとが交互に配されてなる異八角形状とされ、上面Ｕが閉塞される一方下面Ｌが開放されてなる筒状に形成されるとともに、４つの短辺Ａに上面Ｕと下面Ｌとの間に延びるスリットＳがそれぞれ形成されているため、このようになる微細気泡生成部材７０がインペラとともに回転すると、２種類の辺Ａ，Ｂの長さの違いから差圧が生じ、この差圧により流体が膨張し、これに伴って流体内の気泡が微細化される。以下、この点について詳述する。

　微細気泡生成部材７０は上記したような異八角形であることから、図６に示すように、微細気泡生成部材７０の中心Ｏから短辺Ａの幅方向中心Ａ_Ｏまでの半径ｒ_Ａと、中心Ｏから長辺Ｂの幅方向中心Ｂ_Ｏまでの半径ｒ_Ｂとが異なり、ｒ_Ａ＞ｒ_Ｂとなる。短辺Ａの点Ａ_Ｏの速度をｖ_Ａ、長辺Ｂの点Ｂ_Ｏの速度をｖ_Ｂとし、それら各点Ａ_Ｏ，Ｂ_Ｏの圧力をそれぞれＰ_Ａ，Ｐ_Ｂとしたとき、速度ｖ（ｍ／ｓ）＝ｒ×ωであってωは両点Ａ_Ｏ，Ｂ_Ｏ共に一定であるため、ｖ_Ａ＞ｖ_Ｂとなる。上記点Ａ_ＯとＢ_Ｏのもつエネルギーの総和は、Ｚ_Ａ＋ｖ_Ａ ^２／２ｇ＋Ｐ_Ａ／γ＝Ｚ_Ｂ＋ｖ_Ｂ ^２／２ｇ＋Ｐ_Ｂ／γであって、双方の位置エネルギーが等しいことから、（ｖ_Ａ ^２－ｖ_Ｂ ^２）／２ｇ＝（Ｐ_Ｂ－Ｐ_Ａ）／γとなる。その速度差ｖ_Ａ ^２－ｖ_Ｂ ^２が微細気泡生成部材７０の内部に差圧Ｐ_Ｂ－Ｐ_Ａを生じさせる。微細気泡生成部材７０の内部に流入した空気と水の混合体を理想気体の一種と考えたとき、流体の圧力と容積はＰＶ＝ＲＴで表されるが、微細気泡生成部材７０内部の差圧Ｐ_Ｂ－Ｐ_Ａは、短辺ＡのスリットＳを抜けた後に減少し、この減少分のみ容積は膨張する。このように流体が膨張する勢いにより水中の空気（気泡）に打撃が加えられる結果、気泡の微細化が行われる。

　上記のようにして微細気泡生成部材により生成された微細気泡を含む流体は、ハブの上部周面に設けられた空気吐出口から吐出され、インペラの回転により生じる水流と混合されて吐出口から放射方向に吐出される。

　ここで、スリットＳは、その長辺が微細気泡生成部材７０の軸心に沿う長方形でもよいが、スリットＳの両端縁が、該スリットＳの幅寸法と等しい直径の半円状であるのが望ましい。以下、この点について詳述する。

　微細気泡生成部材７０の下面開口から空気が供給されることにより、水と空気の混合流体は、図７に示すように、幅ｄのスリットＳを通過し、上記したように微細気泡生成部材７０の外部で空気の微細化が促進される。このとき、スリットＳの両端縁が矩形ではなく、スリットＳの幅ｄと等しい直径の半円状（幅がｄのとき、Ｒ＝１／２ｄ）であると、以下に述べる理由により空気の微細化が促進される。
（１）スリット通過流速の軽減による吐出圧力の上昇
　微細気泡生成部材７０を取り巻く流体には、原則的に位置エネルギーＺ、速度エネルギーｖ^２／２ｇ、圧力エネルギーＰ／γが作用し、それらの総計は常にＺ＋ｖ^２／２ｇ＋Ｐ／γ＝一定の関係が成立する。

　ここで、空気の微細化を促進するためには、微細気泡生成部材７０のスリットＳに生ずる圧力が減少しにくい形状にする必要がある。
（２）し渣の絡み付きの防止
　汚水中で微細気泡生成部材７０を使用する場合は、スリットＳの両端にし渣が絡み付く懸念があり、スリットの形状によってはスリット全体が閉塞する虞がある。そこで、スリットＳの両端縁が半円状（円弧状）である方が、矩形である場合よりもし渣がスリットＳに絡み付いた場合にスリットＳから剥離し易く、スリットＳに生じる圧力が減少しにくいため、し渣を吐出方向（微細気泡生成部材７０の内部から外方）に押し出すことが容易になる。
（３）結論
　微細気泡生成部材７０のスリットＳの両端縁の形状を矩形（スリットＳ全体として長方形）ではなく上記したような円弧状にした場合、スリットＳでの流速が軽減されることから微細気泡生成部材７０の入口から出口（スリットＳ）への圧力の減少を軽減することができる。その結果、空気の微細化の促進のみならず、微細気泡生成部材７０の内部から外方へ高い圧力でし渣を押し出すことで、し渣によるスリットＳの閉塞を防止することができる。よって、スリットＳの両端縁は、スリットＳの幅ｄを直径とする半円状とする。以下、スリットＳの両端縁の形状を矩形にした場合と半円状にした場合の圧力差についての原理を詳述する。

　―スリットＳの両端縁の形状を矩形にした場合と半円状にした場合の圧力差について―
　流れ方向の形状に対する流速は、マニングの式により、次式で定義される。

　　ここで、ｎ、Ｉは一定としたとき、流速ｖは、径深Ｒ（ｍ）に委ねられる。

　Ｒが小さいときｖも小さくなり高い圧力が保持できる傾向となる（但し、位置エネルギーＺは一定とする：次式参照）。なお、断面積Ａ及び流水の潤辺長Ｐについては図８参照。

　　よって、以降にスリットＳの両端縁の形状を半円状とした場合と矩形状とした場合の差を算出し、スリットＳの両端縁の形状が半円状であるときの方が径深Ｒが小さく、上記したように水理学上有利であることを証明する。
（１）スリットの両端縁の形状が半円状である場合
　図９に示すように、スリットＳの両端縁の形状が半円状でＲ＝１／２ｄとした場合、流水の断面積Ａと、それを形成する円の中心との角度θとの関係は次式により定義される。但し、θの範囲は、０°＜θ≦１８０°とする。

　ここで、ｓｉｎ２α＝２ｓｉｎαｃｏｓα（αは任意の角度）
　　　　　ｓｉｎαｃｏｓα＝１／２・ｓｉｎ２α
　これを代入すると、次式（１）となる。

　次に、流水の潤辺長Ｐは次式（２）となる。

　上記の式（１）、（２）より、径深Ｒを算出すると次のとおりとなる。

　よって、スリットＳの両端縁の形状が半円状でＲ＝１／２ｄとした場合の径深Ｒは上記の（３）式で表すことができる。
（２）スリットの両端縁の形状が矩形である場合
　スリットＳの両端縁の形状が矩形である場合は、流水の断面積Ａと、それを形成する中心の角度との関係は、以下により定義される。但し、θの範囲は、９０°＜θ≦１８０°とする。

　中心角θを持つ流水の断面積Ａは、図１０に示すように、四角形ａｂｃｄで表すことができる。

　よって、以下のとおりとなる。

　次に、流水の潤辺長Ｐは以下のとおりとなる。

　上記式４、５より径深Ｒ´を算出すると以下のとおりとなる。

（３）比較検討
　スリットＳの両端縁の形状が半円状である場合の径深Ｒは、前記式（３）より、０°＜θ≦１８０°の範囲ではＲ＜ｄ／４になる。

　一方、スリットＳの両端縁の形状が矩形である場合の径深Ｒ´は、前記式（６）より９０°＜θ≦１８０°の範囲では必ずＲ´≧ｄ／４となる。

　つまり、径深は、スリットＳの両端縁の形状が半円状である場合は、矩形の場合よりも小さく、中心角度θが同一の場合は常にＲ´－Ｒ＞０の関係が成り立つ。

　よって、流れ方向の形状に対する流速は、マニングの式により次式のとおりであることから、

径深Ｒが小さい方が流速が小さく、流体がスリットＳを通過する際に高い圧力を保持できる。

　スリットＳの両端縁の形状が矩形の場合と半円状である場合との流速差は、

となり、スリットＳの両端縁の形状を半円状にした場合、この速度差分、両端縁の形状が矩形とした場合のスリットＳより高い圧力を得ることができる。

　以上のことから、本発明に係る微細気泡生成部材７０のスリットＳの形状は、その両端縁がスリットＳの幅ｄを直径とする半円状（Ｒ＝１／２ｄ）とするのが好ましい。

　さらに、図１１を参照しつつ補足すると、スリットＳの両端縁の形状が矩形である場合の流速ｖと、半円状である場合の流速ｖ´の速度差は、

となり、その速度差分だけ、それぞれに生じる圧力にも格差が生じる。

　上記Ｐ－Ｐ´が、微細気泡生成部材７０に高い圧力を供給するための格差となり、空気の微細化の促進と、し渣の絡み付きの防止とに有利な要素となるのである。

　ところで、本発明に係る微細気泡生成部材は、インペラのハブに対して着脱可能とされていてもよい。

　この発明特定事項によれば、既存の水中曝気撹拌装置のインペラにも微細気泡生成部材を装着することができるため、既存の水中曝気撹拌装置を流用することができる。

　本発明に係る水中曝気撹拌装置は、上記の微細気泡生成部材を備えるものであるから、構成が極めてシンプルでありながらも、優れた撹拌力と高い曝気性能の両方の要請にこれ１台で応えることができる。

　以上説明したように、本発明によれば、構成が極めてシンプルでありながらも、優れた撹拌力と高い曝気性能の両方の要請にこれ１台で応えることができ、しかも経済性にも優れた水中曝気撹拌装置を提供することができる。

図１は、水中曝気撹拌装置を示す斜視図である。図２は、水中曝気撹拌装置の一部破断正面図である。図３は、水中曝気撹拌装置の一部破断斜視図である。図４は、微細気泡生成部材の装着状態を示すインペラの断面図である。図５は、微細気泡生成部材の斜視図である。図６は、微細気泡生成部材による気泡の微細化の原理を説明する図である。図７は、微細気泡生成部材のスリットの両端縁の形状を説明する図である。図８は、微細気泡生成部材のスリットの両端縁の形状を説明する図である。図９は、微細気泡生成部材のスリットの両端縁の形状が半円状である場合を説明する図である。図１０は、微細気泡生成部材のスリットの両端縁の形状が矩形である場合を説明する図である。図１１は、微細気泡生成部材のスリットの両端縁の形状の相違について説明する図である。図１２は、微細気泡生成部材を備えた水中曝気撹拌装置Ａと微細気泡生成部材を備えていない水中曝気撹拌装置の性能差を示すグラフ図である。図１３は、微細気泡生成部材を備えた水中曝気撹拌装置Ｂと微細気泡生成部材を備えていない水中曝気撹拌装置の性能差を示すグラフ図である。

　以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下では初めに水中曝気撹拌装置について説明し、そのあとに微細気泡生成部材について説明する。

　図１は、本発明の一実施形態に係る水中曝気撹拌装置１を示す斜視図、図２は、水中曝気撹拌装置１の一部破断正面図、図３は、水中曝気撹拌装置１の一部破断斜視図、図４は、微細気泡生成部材の装着状態を示すインペラの断面図、図５は、微細気泡生成部材の斜視図である。

　水中曝気撹拌装置１は、図１及び図２に示すように、軸心が鉛直状態になって上部に配置された回転動力機構１０と、この回転動力機構１０にて回転されるようにその下側に取り付けられたインペラ２０とを備える。インペラ２０は、円筒状に形成されたポンプケーシング３０内に配置され、ポンプケーシング３０の上側には、放射方向に沿って延びる複数の吐出口４１１が設けられた吐出ケーシング４０が取り付けられる。以下、上記の各構成要素について、回転動力機構１０から詳述する。

　－回転駆動機構－
　回転動力機構１０は、図２に示すように、軸心が鉛直状態になったモータ１１と、モータ１１の下方に延出する出力軸に取り付けられた減速機１２とを有する。

　モータ１１は、吐出ケーシング４０の上方に配置される。モータ１１の上方には、回転動力機構１０に電力を供給するキャブタイヤケーブル１３が連結される。

　減速機１２は、吐出ケーシング４０に支持されるように、吐出ケーシング４０内に配置される。減速機１２の出力軸は、吐出ケーシング４０の中心部を貫通して、ポンプケーシング３０内に達する。ポンプケーシング３０内に位置する減速機１２の出力軸には、インペラ２０が取り付けられる。

　－インペラ－
　インペラ２０は、ポンプケーシング３０に囲繞され、減速機１２の出力軸が上側に挿通するように取り付けられた円筒状のハブ２１と、ハブ２１の周方向に等間隔に配置された複数枚の羽根２２と、を有する。モータ１１の駆動による動力が、モータ１１の出力軸、減速機１２及び減速機１２の出力軸を介してハブ２１に伝達されることにより、インペラ２０が回転する。インペラ２０は、その回転動作により、水をポンプケーシング３０の下方から吸い上げて吐出ケーシング４０内に送り込む役割を持つ。

　ハブ２１及び羽根２２は、ともに、オーステナイト系のステンレス鋼からなるが、耐久性に優れるものであれば、これに限らない。

　ハブ２１は、底部に開口部２３を有し、その開口部２３には、水中曝気撹拌装置１内に空気を供給する空気供給管５０の先端部が挿通される。ハブ２１の上部周面には、複数の空気吐出口２１ａが、周方向に等しい間隔をあけて配置される。空気供給管５０からハブ２１内に供給された空気は、各空気吐出口２１ａを通って、ポンプケーシング３０内に吐出される。

　各羽根２２は、インペラ２０の回転によって、上方への強い水流を発生するように、大きなピッチ角度を有してハブ２１の周面から放射方向に延出するように形成される。

　－ポンプケーシング－
　ポンプケーシング３０は、下側になるにつれて順次拡径した円筒状のポンプケーシング本体３１と、ポンプケーシング本体３１の下方に延出するように形成された複数の脚部３２と、を有する。

　ポンプケーシング本体３１は、上面及び下面が開放されるように形成される。ポンプケーシング本体３１の外周面は、周方向に等しい間隔をあけて配置された上下方向に延びる複数の補強リブ３１ａにて補強される。ポンプケーシング本体３１は、加工性に優れる鋳鉄材からなるが、勿論のこと、これに限らない。

　脚部３２は、周方向に等しい間隔をあけて配置される。水中曝気撹拌装置１は、脚部３２により、水槽内で直立するように支持される。例えば、水中曝気撹拌装置１は、３本の脚部３２により支持されるが、脚部３２の本数はこれに限らない。また、脚部３２の長さは、ポンプケーシング本体３１の下方から水中曝気撹拌装置１が据え付けられる底面までの間に、空気供給管５０を配管するに十分なクリアランスを確保できるように設定される。

　－吐出ケーシング－
　吐出ケーシング４０は、ポンプケーシング３０の上側に取り付けられており、放射方向に沿って延びる複数の吐出口４１１が設けられた吐出ケーシング本体４１と、周方向に等しい間隔をあけて吐出ケーシング本体４１の基端部に配置された複数の冷却ノズル４２と、ポンプケーシング３０と締結されたフランジ４３と、吊具６０が係止されたフック部材４４と、を有する。

　吐出ケーシング本体４１は、上面及び下面が開放されるように形成される。吐出ケーシング本体４１は、ポンプケーシング本体３１と同じく、加工性に優れる鋳鉄材からなるが、勿論のこと、これに限らない。

　各吐出口４１１は、インペラ２０から吐出ケーシング４０内に送り込まれた水を吐出するために設けられたものであり、円環状の下ガイド板４１３と、下ガイド板４１３に対して上方に適当な間隔をあけて配置された円環状の上ガイド板４１２と、上ガイド板４１２と下ガイド板４１３とを連結する複数の隔壁４１４と、から形成された開口部である。

　下ガイド板４１３は、軸心部に開口部を有しており、５～４０度程度の角度で、外側になるにつれて順次下方に傾斜するように形成される。

　上ガイド板４１２は、中心部に貫通孔を有しており、下ガイド板４１３の上方に、一定の間隔をあけてほぼ平行に配置される。上ガイド板４１２の内周側部分は、下方に向かうように、円弧状に緩やかに湾曲し、その内周縁は、下ガイド板４１３の開口部内に同心状態で位置する。

　上ガイド板４１２は、図３に示すように、周方向の六等分位置にて、放射方向に延びる６つの一対の隔壁４１４によって、六等分される。この分割数は機種等に応じて適宜変更してもよい。

　各隔壁４１４は、上ガイド板４１２とは一体となって、下方に屈曲されることにより構成され、下側縁が下ガイド板４１３の上面に突き当てられるように形成される。隔壁４１４の内周側部分には、各隔壁４１４の内周側部分同士を連結する連結部４１５が設けられている。この連結部４１５は、内周側に突出するように、比較的大きな曲率で円弧状に湾曲し、内周側になるにつれて上方に位置するように３０～６０度程度に傾斜するように形成される。

　各隔壁４１４の間は、上方および径方向に開放されて、放射方向に延びるガイド溝４１６になっている。

　上ガイド板４１２における内周側の湾曲部分には、円錐台状のステイ４１７の下端縁が支持されている。ステイ４１７は、上ガイド板４１２の貫通孔とは同心状態になっており、また、隔壁４１４の連結部４１５に連続するように、周面が４５度程度に傾斜するように形成される。ステイ４１７の上面および下面は開放され、減速機１２が、上ガイド板４１２の内周側部分とステイ４１７との間に内蔵される。

　吐出ケーシング本体４１の下面開放部の内周縁部にフランジ４３が全周にわたって設けられている。フランジ４３は、ポンプケーシング本体３１の上面に全周にわたって載置され、ポンプケーシング本体３１上面にボルト等で固定される。

　全てのガイド溝４１６における一つ置きに配置されたガイド溝４１６の一方の側方に位置する上ガイド板４１２の上面には、フック部材４４がそれぞれ取り付けられる。各フック部材４４には、図１および図２に示すように、吊具６０の下端部が係止される。この吊具６０にワイヤーロープ等が係止されて、水中曝気撹拌装置全体が水処理反応槽等の内部に下降されてその底面に据え付けられる。

　－微細気泡生成部材－
　ハブ２１の空洞２１ｂ内には、該空洞２１ｂよりも容積の小さい微細気泡生成部材７０が設けられている。この微細気泡生成部材７０は、インペラ２０の回転により空洞２１ｂ内に吸引される水と空気供給管５０から供給される空気との混合流体に対して、前述した原理により、混合流体中の気泡を微細気泡と化すものである。

　微細気泡生成部材７０は、図５に示すように、横断面が、４つの短辺Ａと４つの長辺Ｂとが交互に配されてなる異八角形状とされ、上面Ｕが閉塞される一方下面Ｌが開放されてなる筒状に形成されている。４つの短辺Ａには、上面Ｕと下面Ｌとの間に延びるスリットＳがそれぞれ形成されている。スリットＳはその上下両端が円弧状とされているが、全体形状はこれに限らず単なる長方形であってもよい。また、下面Ｌの外周縁にはフランジ７１が設けられており、このフランジ７１を介してインペラ２０のハブ２１に、ボルト（不図示）により着脱可能に取り付けられる。詳細には、図４に示すように、ハブ２１の下面に設けられた空気取入口２１ｃの内周縁には内フランジ２１ｄが設けられており、この内フランジ２１ｄに４つのネジ孔２１ｅが９０度間隔で設けられている。一方、微細気泡生成部材７０のフランジ７１には、上記ネジ孔２１ｅに対応して４つのボルト挿通孔７２が設けられている。微細気泡生成部材７０の取付は、ハブ２１の空洞２１ｂ内に空気取入口２１ｃを介して微細気泡生成部材７０の頭部を挿入し、ハブ２１の内フランジ２１ｄの下面と微細気泡生成部材７０のフランジ７１の上面とを、ネジ孔２１ｅとボルト挿通孔７２とが合致するようにして当接させ、フランジ７１の下面側からボルトをボルト挿通孔７２を介してネジ孔２１ｅに螺入することにより、上記フランジ２１ｄ，７１同士を締結する。これにより、ハブ２１の空洞２１ｂ内に微細気泡生成部材７０が、両者の軸心が一致するように着脱可能に取り付けられる。

　ここで、微細気泡生成部材７０の容積は、ハブ２１の空洞２１ｂのそれよりも小さく設定されている。すなわち、図４に示すように、空洞２１ｂ内において、微細気泡生成部材７０の周囲には、微細気泡生成部材７０内の流体が短辺ＡのスリットＳを抜けた後に膨張し、この膨張する勢いにより水中の空気（気泡）に打撃が加えられて気泡の微細化が円滑に行われる程度の空間が設けられる。また、微細気泡生成部材７０の上面Ｕの上方には、上記空間で微細気泡が生成された気液混合水流が、ハブ２１の空気吐出口２１ａに円滑に流れる程度の空間が設けられる。上記した微細気泡生成部材７０の周囲及び上方の空間の大きさは、インペラ２１の大きさに応じて適宜決定される。また、短辺Ａと長辺Ｂの幅寸法の差、スリットＳの幅寸法及び長さ寸法についても、上記空間と同様、インペラ２１の大きさに応じて適宜決定される。

　－実施例－
　以下、本発明の実施例について説明する。

　送気性能が異なる２種類の水中曝気撹拌装置Ａ，Ｂを用いて、それぞれに微細気泡生成部材を装着した場合の水槽内における酸素移動速度について測定し、微細気泡生成部材を装着しない場合の酸素移動速度と比較した。

　＜水中曝気撹拌装置Ａ＞
　　モータ出力：５．５ｋＷ
　　送気量範囲：最小：Ｑ＝２．１ｍ^３／ｍｉｎ
　　　　　　　　最大：Ｑ＝９．７ｍ^３／ｍｉｎ
　水中曝気撹拌装置Ａに装着した微細気泡生成部材の各部の寸法
　　全高：１７８ｍｍ
　　短辺の幅寸法：４５．１ｍｍ（外寸）、４１．７ｍｍ（内寸）
　　長辺間の寸法：１４５ｍｍ（外寸）、１３７ｍｍ（内寸）
　　スリットの幅寸法：２６ｍｍ
　　スリットの長さ寸法：１４６ｍｍ
　　スリットの上端側及び下端側の各半円状部の半径：１３ｍｍ
＜水中曝気撹拌装置Ｂ＞
　　モータ出力：７．５ｋＷ
　　送気量範囲：最小：Ｑ＝３．２ｍ^３／ｍｉｎ
　　　　　　　　最大：Ｑ＝１２．９ｍ^３／ｍｉｎ
　水中曝気撹拌装置Ｂに装着した微細気泡生成部材の各部の寸法
　　全高：２０７ｍｍ
　　短辺の幅寸法：５７．４ｍｍ（外寸）、５４．１ｍｍ（内寸）
　　長辺間の寸法：１８２ｍｍ（外寸）、１７４ｍｍ（内寸）
　　スリットの幅寸法：３４ｍｍ
　　スリットの長さ寸法：１６９ｍｍ
　　スリットの上端側及び下端側の各半円状部の半径：１７ｍｍ
　＜試験条件＞
　水中曝気撹拌装置Ａの送気量：６．０ｍ^３／ｍｉｎ
　水中曝気撹拌装置Ｂの送気量：８．０ｍ^３／ｍｉｎ
　水槽容量：１８０ｍ^３（長さ６ｍ、奥行６ｍ、水深５ｍ）
　水槽内の水：清水
　水中曝気撹拌装置の設置位置：水槽の底面中心
＜酸素移動性能の評価＞
　酸素移動性能を評価するにあたり、単位容積当たりの水中曝気撹拌装置の基準曝気性能（酸素移動性能）は、清水に対する水温が２０℃で溶存酸素＝０の条件での次式（１－）で表される。

　Ｎ（２０）＝ＫＬａ（２０）・Ｃｓ（２０）・Ｖ　・・・（１－１）
　　ここで、
　　　Ｎ（２０）：水温２０℃における酸素移動速度（ｋｇ・Ｏ_２／ｈ）
　　　Ｖ：反応タンク（水槽）容積（ｍ^３）
　　　ＫＬａ（２０）：２０℃時の総括酸素移動容量係数（ｌ／ｈ）
　　　Ｃｓ（２０）：設定水深及び水温２０℃における液中の飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
水温ｔ℃時の単位容積当たりの酸素移動速度Ｎ（ｔ）は次式（１－２）で表される。
Ｎ（ｔ）＝ＫＬａ（ｔ）・（Ｃｓｔ－Ｃ）・Ｖ　・・・（１－２）
　ここで、
　Ｎ：ｔ℃時の酸素移動速度（ｋｇ・Ｏ_２／ｈ）
　Ｖ：反応タンク（水槽）容積（ｍ^３）
　ＫＬａ（ｔ）：ｔ℃時の総括酸素移動容量係数（ｌ／ｈ）
　Ｃｓｔ：ｔ℃時、大気圧下の場合の清水の飽和溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
　Ｃ：液中の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
　式（１－２）を積分して整理すると式（１－３）が得られる。

　　ここで、Ｃ１：Ｔ１時間後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
　　　　　　Ｃ２：Ｔ２時間後の溶存酸素濃度（ｍｇ／ｌ）
　式（１－３）よりＤＯ濃度の時間変化を対数グラフにプロットするとその直線勾配よりＫＬａ（ｔ）が得られる（非定常状態試験）。また、ｔ℃で測定したＫＬａ（ｔ）を次式を使用して２０℃に換算して基準値とする。

　　　　　　ＫＬａ（２０）＝ＫＬａ（ｔ）・θ^{（２０－ｔ）}　・・・式（１－４）
　　ここで、ＫＬａ（２０）：２０℃時の総括酸素移動容量係数（ｌ／ｈ）
　　　　　　θ：温度係数（１．０２４）
　設定水深及び２０℃における液中の飽和溶存酸素濃度Ｃｓ（２０）は次式により水深補正を行い算出する。

　　ここで、Ｃｓ（２０）´：２０℃時、大気圧下の場合の清水の飽和溶存酸素濃度（＝８．８４ｍｇ／ｌ）
　　　　　　Ｈ：水深（ｍ）
　これらの上式を使用し、微細気泡生成部材を備えていない水中曝気撹拌装置の性能と比較を行うため、各実験条件におけるＮ（２０）：水温２０℃における酸素移動速度（ｋｇ・Ｏ_２／ｈ）を算出し、微細気泡生成部材の性能検証を行った。
＜試験方法＞
　　試験は、「下水道試験法　第２章　反応タンク特性試験　第１節　総括酸素移動量係数」に従い、性能確認試験を行った。
（１）脱酸素
　試験の脱酸素は、溶存酸素の還元物質である工業用等級９８％の亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_３）と亜硫酸ナトリウムの脱酸素反応の触媒として塩化コバルト水和物（ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ）を使用して脱酸素を行った。ここで、水中に存在する全ての溶存酸素を除去することから、溶解注入時の損失等を考慮して化学量論量にプラスして亜硫酸ナトリウムの濃度＝１００ｍｇ／ｌ、塩化コバルト水和物＝０．５ｍｇ／ｌとした。各脱酸素溶液は予め個別に調整し添加し、試験では水中曝気装置の撹拌機能を使用して槽内完全混合での反応を行い脱酸素を行った。
（２）溶存酸素濃度の測定
　溶存酸素濃度（ＤＯ）の測定は、水槽の一辺の中央から１ｍ離れた水深０．５ｍの位置に設置した第１のセンサと、水槽の他辺の中央から１ｍ離れた水深２．５ｍの位置に設置した第２のセンサとにより行った。センサには米国ＹＳＩ（Ｙｅｌｌｏｗ　Ｓｐｒｉｎｇｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）社製のＹＳＩ５８を用いた。
（３）送風量の測定
　試験測定値であるブロワ送風量（流量計の読み）、送気圧力、送気温度から式（１－６）より空気流量計換算を行い実送風量を算出した。

　ここで、Ｑ：実送風量（ｍ^３／ｍｉｎ　２０℃、１０１．３ｋＰａ、６５％ＲＨ）
　　　　　Ｑ０：送風量（流量計読み値）（ｍ^３／ｍｉｎ　０℃、１０１．３ｋＰａ、０％ＲＨ）
　　　　　Ｐ１：測定圧力（ｋＰａ）
　　　　　Ｐ０：流量計設定圧力（ｋＰａ）
　　　　　Ｔ１：測定温度（℃）
　　　　　Ｔ０：流量計設定温度（℃）
　＜実験結果＞
　実験結果を表１に示す。酸素移動速度Ｎ（２０）は、水中曝気撹拌装置Ａで平均２７．７（ｋｇ・Ｏ_２／ｈ）、水中曝気撹拌装置Ｂで平均３５．２（ｋｇ・Ｏ_２／ｈ）であり、微細気泡生成部材を装着していない場合に比べて、水中曝気撹拌装置Ａでは１９％、水中曝気撹拌装置Ｂでは１７％と向上しているのがわかる。

　図１２は、水中曝気撹拌装置Ａについての上記実験による酸素移動速度曲線を示すグラフであり、図１３は、水中曝気撹拌装置Ｂについての上記実験による酸素移動速度曲線を示すグラフである。各グラフにおいて、上側の曲線が微細気泡生成部材を装着した場合を、下側の曲線が微細気泡生成部材を装着していない場合を示す。これからも、微細気泡生成部材を装着した場合は、酸素移動速度が向上、すなわち溶存酸素量が増加していることがわかる。
なお、上記の実施形態及び実施例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明は、排水処理施設等の水槽内や河川における水の水質改善に好適に用いることができる。

１　　水中曝気撹拌装置
１１　モータ
２０　インペラ
２１　ハブ
２１ａ　空気吐出口
２１ｂ　空洞
２１ｃ　空気取入口
２２　羽根
２３　開口部
３０　ポンプケーシング
４０　吐出ケーシング
４１１　吐出口
５０　空気供給管
７０　微細気泡生成部材
Ａ　長辺
Ｂ　短辺
Ｌ　下面
Ｓ　スリット
Ｕ　上面

Claims

　上部周面に空気吐出口を有するとともに下面に空気取入口を有する空洞のハブの周面に羽根が設けられたインペラと、
　このインペラを回転させるモータと、
　前記インペラのハブ内に前記空気取入口を介して空気を供給する空気供給管と、
　前記インペラの回転により生じる水流に前記ハブの空気吐出口から吐出される空気が混合された気液混合水流を放射方向に吐出させる吐出口と、
を備えた水中曝気撹拌装置の前記ハブの空洞内に設けられる微細気泡生成部材であって、
　該微細気泡生成部材は、横断面が、４つの短辺と４つの長辺とが交互に配されてなる異八角形状であって、上面が閉塞される一方下面が開放されてなる筒状に形成されるとともに、前記４つの短辺に前記上面と下面との間に延びるスリットがそれぞれ形成され、前記ハブの空洞内に両者の軸心が一致するように設けられて前記インペラとともに回転されることを特徴とする微細気泡生成部材。
　請求項１に記載の微細気泡生成部材であって、
　前記スリットは、その両端縁が、該スリットの幅寸法と等しい直径の半円状であることを特徴とする微細気泡生成部材。
　請求項１又は２に記載の微細気泡生成部材であって、
　前記インペラのハブに対して着脱可能とされたことを特徴とする微細気泡生成部材。
　上部周面に空気吐出口を有するとともに下面に空気取入口を有する空洞のハブの周面に羽根が設けられたインペラと、
　このインペラを回転させるモータと、
　前記インペラのハブ内に前記空気取入口を介して空気を供給する空気供給管と、
　前記インペラの回転により生じる水流に前記ハブの空気吐出口から吐出される空気が混合された気液混合水流を放射方向に吐出させる吐出口と、
を備えた水中曝気撹拌装置であって、
　さらに、前記ハブの空洞内に請求項１又は２に記載の微細気泡生成部材を備えたことを特徴とする水中曝気撹拌装置。