WO2021153130A1 - 水質浄化装置 - Google Patents

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WO2021153130A1
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聡 安斎
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聡 安斎
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a technology of a water purification device, and more particularly to a technology of a water purification device that purifies water existing in the natural world such as lakes and seas.
  • ammonium nitrogen (NH4 + -N) is excreted by metabolism of aquatic organisms in water existing in the natural world such as lakes and seas.
  • Ammonia nitrogen is one of the environmental indicators, and if the value of ammonia nitrogen is high, the growth of living organisms will be adversely affected.
  • Ammonia nitrogen is oxidized by nitrifying bacteria to nitrite nitrogen, and further oxidized to nitrate nitrogen.
  • a series of nitrogen cycles are established in the natural environment by the process of denitrification in which these are reduced to nitrogen gas and nitrous oxide by denitrifying bacteria.
  • the present invention can perform denitrification without using electric power, and can activate highly aerobic denitrifying bacteria to efficiently perform water treatment.
  • the purpose is to provide the device.
  • the fine bubble generator includes a bubble generating medium that releases oxygen in a high pressure state as fine bubbles into water.
  • the bubble generating medium is formed of a carbon-based porous material.
  • the water flow generator and the fungus carrier transfer device are water turbines.
  • the fungus carrier may be stored and held in the bucket portion of the water turbine.
  • the water flow generator may be a positive displacement pump that generates a liquid flow by changing the volume by utilizing the pressure of oxygen in a high pressure state.
  • the atmospheric pressure of oxygen supplied from the storage container may be higher than the atmospheric pressure of oxygen supplied to the fine bubble generator.
  • the bacterial carrier may be stored in a bucket portion together with a carbon source containing cellulose.
  • the vaporization pressure of liquid oxygen can be used to generate a water stream to activate the bacterial carrier without using electric power. Further, when the bacterial carrier moving device moves alternately in water and air, the bacterial carrier is placed alternately in aerobic conditions and anaerobic conditions, and a nitrification reaction and a denitrification reaction are likely to occur. This makes it possible to achieve water purification even under conditions where electric power cannot be supplied, and to create conditions suitable for the growth of living organisms.
  • the front schematic view which shows the water quality purification apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention The front schematic view which shows the water quality purification apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • the water quality purification device 1 is a device for purifying the water existing in the natural environment, for example, the water quality used in the ocean, rivers, lakes and marshes. It is especially effective in semi-closed circulating water systems in natural environments such as inland seas and lakes. In developing countries and even in Japan, where the power supply network is not well established, it is not possible to prepare power to drive pumps and air compressors. It is an object of the present invention to supply a water quality purification device 1 that can be driven in such a place.
  • the water purification device 1 is driven by a storage container 2 that stores oxygen in a high pressure state, a water flow generator that generates a water flow using the vaporization pressure of oxygen in a high pressure state, and the bacterial carrier 21 while holding the bacterial carrier 21.
  • a fungus carrier moving device that alternately moves in water and in the air.
  • the water flow generator and the fungus carrier transfer device are composed of a water wheel 3.
  • a fine bubble generator 4 that supplies vaporized oxygen as fine bubbles
  • an air cylinder 5 that converts the vaporization pressure of liquid oxygen into a driving force for rotationally driving the water wheel 3, and oxygen vaporized into the air cylinder 5.
  • a switching valve 6 for switching the supply destination is provided when the supply destination is supplied.
  • the storage container 2 is composed of a transportable container such as a cylinder. Compressed liquid oxygen is stored in the storage container 2.
  • the liquid oxygen is filled with oxygen compressed at a pressure of, for example, 14.7 MPa.
  • the storage container 2 is not limited to a container for storing liquid oxygen, and may be a cylinder for storing gaseous oxygen in a high-pressure state.
  • the storage container 2 has an on-off valve 11.
  • the on-off valve 11 is a valve that opens and closes the discharge port of the storage container 2, and is directly connected to the decompressor 13.
  • the decompressor 13 is a device that reduces the high pressure inside the storage container and supplies low pressure oxygen to the device connected to the output side. Further, the output side of the decompressor 13 is connected to a gas passage 14 such as a rubber hose.
  • the gas passage 14 is connected to the switching valve 6, and when the switching valve 6 is in a communicating state, compressed oxygen is supplied to the air cylinder 5 side.
  • the pressure of the high-pressure gaseous oxygen when passing through the switching valve 6 is reduced to about 0.1-0.8 Mpa by the decompressor 13.
  • the switching valve 6 is a valve that supplies high-pressure oxygen to two spaces separated by a piston 17 of an air cylinder 5, and is formed by a valve having two positions and five ports in the present embodiment. Further, the switching valve 6 switches between opening and closing by periodically changing the position by the rotational force of the cam shaft 22. More specifically, the cam plate 22a provided on the cam shaft 22 rotates to repeatedly abut and separate from the changeover switch 6a of the changeover valve 6 to switch the block of the changeover valve 6 and switch the opening and closing. Is.
  • the air cylinder 5 includes a cylindrical cylinder tube 16, a piston 17 that slides inside the cylinder tube 16, and a piston rod 18 that is connected to the piston 17. Further, supply / discharge ports 19A and 19B are provided in each space partitioned by the piston 17 of the cylinder tube 16, and the piston 17 and the piston rod 18 reciprocate by alternately supplying oxygen to each space. I do. Further, the air cylinder 5 is configured to be swingable around the swing shaft 5a.
  • the water turbine 3 is a device that converts the reciprocating motion of the air cylinder 5 into a rotary motion to generate a water flow, and is a device that alternately moves the bacterial carrier 21 in the air and in the water.
  • the water turbine 3 is composed of a cam shaft 22 and a bucket portion 23 arranged on the circumference.
  • the cam shaft 22 is connected to the piston rod 18 of the air cylinder 5.
  • the distance between the connecting position of the tip of the piston rod 18 and the rotation center of the cam shaft 22 is configured to be larger than one half or one half of the sliding distance of the piston rod 18.
  • the sliding motion of the piston rod 18 is converted into the rotational motion of the cam shaft 22.
  • play is generated, and the sliding motion of the piston rod 18 is easily converted into the rotational motion of the cam shaft 22.
  • the cam shaft 22 rotates due to the reciprocating movement of the piston rod 18 of the air cylinder 5.
  • one air cylinder is provided, but the present invention is not limited to this, and two air cylinders can be provided.
  • the rotational movement of the camshaft 22 may stop at top dead center or bottom dead center.
  • the cam shaft 22 can be continuously rotationally moved, so that the rotation direction of the cam shaft 22 is determined more stably. It is something that can be done.
  • the bucket portion 23 is a box-shaped container for storing the bacterial carrier 21, and the bacterial carrier 21 is stored in a net or the like so as not to scatter from the bucket portion 23.
  • the bacterial carrier 21 is made of a material in which porous bacteria can easily implant, and may be either an inorganic substance or an organic substance.
  • a carbon supply source containing cellulose for supplying carbon necessary for oxidation of ammoniacal nitrogen to aerobic nitrifying bacteria is arranged in the bucket portion 23. As a result, the nitrification reaction proceeds and the ammonia nitrogen can be oxidized by the nitrifying bacteria and converted into nitrite nitrogen.
  • the bacterial carrier 21 carries nitrifying bacteria that prefer aerobic conditions and denitrifying bacteria that prefer anaerobic conditions. As a result, the nitrification reaction is promoted when the bacterial carrier 21 in the bucket portion is in the air, and the denitrification reaction is promoted when the bacterial carrier 21 in the bucket portion 23 is in water.
  • the carbon supply source is not limited to cellulose, and may be composed of, for example, carbon fiber or the like.
  • cam shaft 22 is connected to a drive link mechanism 25 that drives the switching valve 6.
  • the rotary motion of the cam shaft 22 is converted into the reciprocating motion of the switching valve 6, and the switching valve 6 is periodically switched.
  • the fine bubble generator 4 is a device for releasing oxygen discharged from the supply / discharge ports 19A and 19B of the air cylinder 5 as fine bubbles into water.
  • a decompressor 30 is provided between the fine bubble generator 4 and the supply / discharge ports 19A and 19B.
  • the decompressor 30 is a device that reduces the pressure of oxygen discharged from the supply / discharge port and supplies it to a device connected to the output side. Oxygen is decompressed to about 0-0.3 Mpa by the decompressor 30.
  • the fine bubbles are fine bubbles having a diameter of several hundred nm to several ⁇ m, and do not float on the water surface and continue to exist in the liquid.
  • the fine bubbles have a property of generating a very high interfacial tension. Interfacial tension is generated between the fine bubbles and the liquid phase, and the fine bubbles tend to become smaller due to pressure.
  • the fine bubble generator 4 includes a bubble generating medium 31 that releases vaporized oxygen as fine bubbles into water.
  • the bubble generating medium 31 is made of a carbon-based porous material, and has a large number of fine holes 31A having a diameter of several ⁇ m to several tens of ⁇ m as shown in FIG. Further, the bubble generating medium 31 is a conductor, and the bubbles generated from the bubble generating medium 31 are negatively charged. In other words, a negative charge is charged by adding free electrons to the fine bubbles when passing through the bubble generation medium 31 which is a conductor. This negative charge prevents the bubbles from repelling each other and coalescing into large bubbles.
  • the carbon-based porous material is a composite material containing only carbon or carbon and ceramic, and is an inorganic material. Further, a film having a thickness of several nm is formed on the surface of the carbon-based porous material. The film is formed of an inorganic film containing silicon.
  • the rotation of the cam shaft 22 causes the water turbine 3 to rotate, and the bucket portion 23 moves in water and in the air. A water flow is generated in the water due to the movement of the bucket portion 23. Further, due to the rotation of the cam shaft 22, the switching valve 6 releases oxygen in the first space A1 to the fine bubble generator 4 side, and as shown in FIG. 2, to a position where oxygen is supplied to the second space A2. Moving.
  • the switching valve 6 releases oxygen in the second space A2 to the fine bubble generator 4 side, and moves to a position where oxygen is supplied to the first space A1. By repeating this, the water turbine 3 rotates and oxygen is released from the fine bubble generator 4.
  • the oxygen released to the fine bubble generator 4 side is decompressed to about 0-0.3 Mpa by the decompressor 30.
  • the fine bubbles released from the surface of the fine bubble generator 4 are separated from the surface by the water flow and discharged into the water.
  • the nitrification reaction is promoted as well as the denitrification reaction.
  • the water quality purification device 1 can be driven by using the vaporization pressure of the compressed liquid oxygen even in a place where electric power is not supplied.
  • the water purification device 1 By driving the water purification device 1, even if the concentration of nitrogen compounds and phosphorus in the water increases in a semi-closed circulating water system such as lakes and inland seas where sludge tends to accumulate, the denitrification reaction will occur. Water quality can be purified by artificially generating a nitrification reaction.
  • the water turbine 3 is adopted as the fungus carrier moving device, but the present invention is not limited to this.
  • it is a conveyor type pumping device that moves up and down according to the sliding of the piston rod 18. You may.
  • the storage container 2 for storing liquid oxygen
  • the water flow generator for generating a water flow using the vaporization pressure of the liquid oxygen
  • the fine bubble generator 4 for supplying the vaporized oxygen as fine bubbles, and the above.
  • a fungus carrier moving device that is driven by a water stream and alternately moves in water and air while holding the fungus carrier 21 is provided, and the water flow generator and the fungus carrier moving device are a water wheel 3 and a bucket of the water wheel 3.
  • the bacterial carrier 21 is stored and held in the portion 23, and the fine bubble generator 4 includes a bubble generating medium 31 that releases vaporized oxygen as fine bubbles into water, and the bubble generating medium 31 is carbon-based. It is made of the porous material of.
  • the atmospheric pressure of oxygen supplied from the storage container 2 is higher than the atmospheric pressure of oxygen supplied to the fine bubble generator 4.
  • the vaporization pressure of the high-pressure oxygen stored in the storage container 2 can be efficiently used for driving the water turbine 3.
  • oxygen can be generated as fine bubbles in water by using the pressure of oxygen after being used for driving the water turbine 3, it is possible to omit the need to provide an air compressor or the like.
  • the bacterial carrier 21 is stored in the bucket portion together with the carbon supply source containing cellulose.
  • the water quality purification device 101 uses a diaphragm type pump 102 as a water flow generating means.
  • the same reference numerals are used for the same configurations as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the water purification device 101 is driven by a storage container 2 for storing liquid oxygen, a water flow generator that generates a water flow using the vaporization pressure of liquid oxygen, and the water flow, and holds the bacterial carrier 21 in water and air. It is provided with a fungus carrier moving device that moves alternately in the inside.
  • the water flow generator is configured by a diaphragm pump 102, which is an example of a positive displacement pump.
  • the fungus carrier transfer device is composed of a floating buoy 105 that rises and falls up and down using wave power. Further, it includes a fine bubble generator 4 that supplies vaporized oxygen as fine bubbles, and a switching valve 6 that switches the supply destination when the vaporized oxygen is supplied.
  • the positive displacement pump may be any pump that generates a liquid flow by changing the volume by utilizing the vaporization pressure, and may be configured by, for example, a scroll pump.
  • the storage container 2 is composed of a transportable container such as a cylinder. Compressed liquid oxygen is stored in the storage container 2.
  • the liquid oxygen is filled with oxygen compressed at a pressure of, for example, 14.7 MPa.
  • the storage container 2 has an on-off valve 11.
  • the on-off valve 11 is a valve that opens and closes the discharge port of the storage container 2, and is directly connected to the decompressor 13.
  • the decompressor 13 is a device that reduces the high pressure inside the storage container and supplies low pressure oxygen to the device connected to the output side. Further, the output side of the decompressor 13 is connected to a gas passage 14 such as a rubber hose.
  • the gas passage 14 is connected to the switching valve 6, and when the switching valve 6 is in a communicating state, compressed oxygen is supplied to the diaphragm pump 102 side.
  • the pressure of the high-pressure gaseous oxygen when passing through the switching valve 6 is reduced to about 0.1-0.8 Mpa by the decompressor 13.
  • the switching valve 6 is a valve that supplies high-pressure oxygen to the two air chambers Ra1 and Ra2 of the diaphragm pump 102, and is formed by a valve having two positions and five ports in the present embodiment. Further, the switching valve 6 switches between opening and closing by periodically changing its position in response to the reciprocating movement of the shaft 111 of the diaphragm pump 102.
  • the diaphragm type pump 102 includes two air chambers Ra1 and Ra2.
  • the shaft 111 connected to the diaphragm 112 moves to the first liquid chamber Rr1 side, so that the second liquid chamber Rr2 becomes a negative pressure and the second suction side ball.
  • 114b opens and sucks the liquid into the second liquid chamber Rr2.
  • the second discharge side ball 114a is closed by the discharge pressure of the liquid chamber.
  • the first liquid chamber Rr1 is pressurized by the movement of the diaphragm 112, the first suction side ball 113b is closed, the first discharge side ball 113a is opened, and the liquid is discharged.
  • the air in the second air chamber Ra2 is exhausted to the switching valve 6 side through the passage.
  • the switching valve 6 moves in conjunction with the movement of the shaft 111, the flows of oxygen and liquid are reversed, the second liquid chamber Rr2 becomes the discharge side, and the first liquid chamber Rr1 becomes the suction side. The movement of each ball is also reversed. Since this is repeated alternately, the diaphragm type pump 102 repeats suction and discharge.
  • the fungus carrier transfer device is composed of a floating buoy 105, and the fungus carrier 21 is supported on each floating buoy 105.
  • the fungal carrier 21 can move between water and air by floating and sinking in response to the natural wave force or the water flow from the diaphragm pump 102.
  • the bacterial carrier 21 is made of a material containing cellulose.
  • the shaft 111 connected to the diaphragm 112 moves to the first liquid chamber Rr1 side, so that the second liquid chamber Rr2 becomes a negative pressure and the second suction
  • the side ball opens and sucks the liquid into the second liquid chamber Rr2.
  • the liquid is supplied to the second liquid chamber Rr2 side.
  • the water accumulated in the first liquid chamber Rr1 is pressed by the movement of the shaft 111, and the first discharge-side ball 113a opens, so that the water is discharged to the discharge side and discharged into the water.
  • the air accumulated in the second air chamber Ra2 is compressed by the movement of the shaft 111, discharged to the discharge side, and discharged to the fine bubble generator 4 through the switching valve 6.
  • the switching valve 6 is switched by the movement of the shaft 111, and moves to a position where high-pressure oxygen is supplied to the second air chamber Ra2.
  • the shaft 111 connected to the diaphragm 112 moves to the second liquid chamber Rr2 side, so that the first liquid chamber Rr1 becomes a negative pressure, and the first liquid chamber Rr1 becomes a negative pressure.
  • One suction side ball 113b opens and liquid is supplied to the first liquid chamber Rr1.
  • the water accumulated in the second liquid chamber Rr2 is pressed by the movement of the shaft 111, and the second discharge side ball 114a opens, so that the water is discharged to the discharge side and discharged into the water.
  • the air accumulated in the second air chamber Ra2 is compressed by the movement of the shaft 111, discharged to the discharge side, and discharged to the fine bubble generator 4 through the switching valve 6.
  • pressurized water is released into the water from the diaphragm type pump 102, and oxygen is released from the fine bubble generator 4.
  • a water flow is generated by the water discharged from the diaphragm type pump 102.
  • the oxygen released to the fine bubble generator 4 side is decompressed to about 0-0.3 Mpa by the decompressor 30.
  • the fine bubbles released from the surface of the fine bubble generator 4 are separated from the surface by the water flow and discharged into the water.
  • the floating buoy 105 floating on the water surface floats and sinks due to the water flow. By supplying oxygen to the bacterial carrier 21 housed in the floating buoy 105 submerged in water, the nitrification reaction is promoted as well as the denitrification reaction.
  • the water quality purification device 101 can be driven by using the vaporization pressure of the compressed liquid oxygen even in a place where electric power is not supplied.
  • the water purification device 101 By driving the water purification device 101, even if the concentration of nitrogen compounds and phosphorus in the water increases in a semi-closed circulating water system such as lakes and inland seas where sludge tends to accumulate, the denitrification reaction will occur. Water quality can be purified by artificially generating a nitrification reaction.
  • the water purification device 101 uses the storage container 2 for storing liquid oxygen, the diaphragm pump 102 which is an example of a positive displacement pump that generates a water flow by using the vaporization pressure of liquid oxygen, and the vaporized oxygen.
  • a fine bubble generator 4 supplied as fine bubbles and a floating buoy 105 which is a fungus carrier moving device which is driven by a water stream and alternately moves in water and air while holding a fungus carrier are provided to generate fine bubbles.
  • the device 4 includes a bubble generating medium 31 that releases vaporized oxygen as fine bubbles into water, and the bubble generating medium 31 is made of a carbon-based porous material.
  • the floating buoy 105 which is a fungus carrier moving device, moves alternately in water and air, so that the fungus carrier 21 is alternately placed in aerobic conditions and anaerobic conditions, and a nitrification reaction and a denitrification reaction. Is more likely to occur. This makes it possible to achieve water purification even under conditions where electric power cannot be supplied, and to create conditions suitable for the growth of living organisms.
  • the present invention can be used in the technology of a water purification device, and more specifically, in the technology of a water purification device that purifies water existing in the natural world such as lakes and seas.
  • Water purification device 2 Storage container 3 Water wheel 4 Fine bubble generator 5 Air cylinder 6 Switching valve 6a Switching switch 11 On / off valve 13 Decompressor 16 Cylinder tube 17 Piston 18 Piston rod 19A / 19B Supply / discharge port 21 Bacterial carrier 22 Camshaft 22a Camplate 23 Bucket part 25 Drive link mechanism 30 Decompressor 31 Bubble generating medium 31A Hole 101 Water purification device 102 Diaphragm pump 105 Floating buoy 111 Shaft 112 Diaphragm 113a First discharge side ball 113b First suction side ball 114a Second Discharge side ball 114b Second suction side ball

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Abstract

電力を用いずに脱窒を行うことができ、また、高好気性脱窒菌を活性化して効率よく水処理を行うことができる水質浄化装置を提供する。液体酸素を貯蔵する貯蔵容器（２）と、水流を発生させる水流発生装置と、気化した酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置（４）と、菌担体（２１）を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備え、水流発生装置及び菌担体移動装置は、水車（３）であり、水車（３）のバケット部（２３）に、菌担体（２１）を収納することで保持しており、微細気泡発生装置（４）は、気化した酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体（３１）を備え、気泡発生媒体（３１）は、炭素系の多孔質素材で形成されている。

Description

水質浄化装置
　本発明は、水質浄化装置の技術に関し、より詳しくは、湖沼や海などの自然界に存在する水の浄化を行う水質浄化装置の技術に関する。
　従来、湖沼や海などの自然界に存在する水中に水生生物の代謝によりアンモニア態窒素（ＮＨ４＋－Ｎ）が排出される。アンモニア態窒素は環境指標の一つであり、アンモニア態窒素の数値が高いと、生物の生育に悪影響が出る。
　アンモニア態窒素は、硝化細菌により酸化され亜硝酸態窒素に、さらに酸化されて硝酸態窒素となる。また、これらが脱窒細菌により窒素ガスや一酸化二窒素へ還元される脱窒の過程により、自然環境では一連の窒素の循環が成立している。
　しかし、湖沼や内海のような半閉鎖循環系では、自然脱窒のための環境を整えることが困難であった。そこで、従来は、硝化反応が起こる好気性条件と、脱窒反応が起こる嫌気性条件とを交互に人工的に実現することで、アンモニアを除去していた。硝化反応が起こる好気性条件と、脱窒反応が起こる嫌気性条件とを交互に人工的に実現させるためには、水を汲み上げるポンプ、酸素を供給するためのエアコンプレッサなどが必要となり、ポンプやエアコンプレッサを駆動するための電力が必要となっていた。しかし、湖沼や内海のような場所に水質浄化装置を設置する際には、周囲に電力を供給するための手段を用意することが困難な場合があった。また、発展途上国のような電力供給網が発達していない地域では、人工的な脱窒を行うことは困難であった。
国際公開第２０１７／１１０２９６号
　そこで、本発明は、以上に示したかかる課題に鑑み、電力を用いずに脱窒を行うことができ、また、高好気性脱窒菌を活性化して効率よく水処理を行うことができる水質浄化装置を提供することを目的とする。
　本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
　即ち、本発明においては、高圧状態の酸素を貯蔵する貯蔵容器と、
　前記高圧状態の酸素の圧力を用いて水流を発生させる水流発生装置と、
　高圧状態の酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置と、
　前記水流によって駆動され、菌担体を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備え、
　前記微細気泡発生装置は、高圧状態の酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体を備え、
　前記気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　また、本発明においては、前記水流発生装置及び菌担体移動装置は、水車であり、
　水車のバケット部に、菌担体を収納することで保持するものであってもよい。
　また、本発明においては、前記水流発生装置は、高圧状態の酸素の圧力を利用して容積を変化させることで液流を発生させる容積式ポンプであるものであってもよい。
　また、本発明においては、前記貯蔵容器から供給される酸素の気圧は、前記微細気泡発生装置に供給される酸素の気圧よりも高いものであってもよい。
　また、本発明においては、前記菌担体は、セルロースを含む炭素供給源とともにバケット部に収納されるものであってもよい。
　本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
　本発明においては、電力を用いずに液体酸素の気化圧を利用して、水流を発生させて菌担体を活性化することができるものである。さらに、菌担体移動装置が水中と空気中を交互に移動することで、菌担体が好気性条件と嫌気性条件に交互に置かれることとなり、硝化反応および脱窒反応が起こりやすくなる。これにより、電力が供給できない条件下でも水質浄化を達成し、生物の生育に好適な条件を作成することが可能となる。
本発明の第一の実施形態に係る水質浄化装置を示す正面概略図。 本発明の第一の実施形態に係る水質浄化装置を示す正面概略図。 本発明の第二の実施形態に係る水質浄化装置を示す正面概略図。 本発明の第二の実施形態に係る水質浄化装置を示す正面概略図。
　次に、発明の実施の形態を説明する。
　まず、本発明の一実施形態にかかる水質浄化装置の全体構成について図１を用いて説明する。
　水質浄化装置１は、自然環境に存在する水、例えば、海洋や河川、湖沼などで用いられる水質を浄化するための装置である。特に、内海や湖沼などの自然環境における半閉鎖循環水系で効果を奏する。発展途上国や、日本国内であっても電力供給網が整っていない環境下においては、揚水ポンプやエアコンプレッサを駆動するための電力が準備できない。このような場所において、駆動させることのできる水質浄化装置１を供給することが本発明の目的である。
　水質浄化装置１は、高圧状態の酸素を貯蔵する貯蔵容器２と、高圧状態の酸素の気化圧を用いて水流を発生させる水流発生装置と、前記水流によって駆動され、菌担体２１を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備える。本実施形態においては、水流発生装置及び菌担体移動装置は水車３によって構成されている。また、気化した酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置４と、液体酸素の気化圧を、水車３を回転駆動させるための駆動力に変換するエアシリンダ５と、エアシリンダ５へ気化した酸素を供給する際に、供給先を切り換える切換弁６と、を備える。
　貯蔵容器２は、例えばボンベなどの運搬可能な容器で構成されている。貯蔵容器２には、圧縮された液体酸素が貯蔵されている。液体酸素は、例えば、１４．７ＭＰａの圧力で圧縮された酸素が充填されている。なお、貯蔵容器２は液体酸素を貯蔵する容器に限定されるものではなく気体の高圧状態の酸素を貯蔵するボンベであってもよい。
　貯蔵容器２は、開閉弁１１を有している。開閉弁１１は、貯蔵容器２の吐出口の開閉を行う弁であり、減圧器１３に直結されている。減圧器１３は、高い貯蔵容器内圧力を減圧して、出力側に接続された機器に低圧力酸素を供給する機器である。また、減圧器１３の出力側は、ゴムホース等の気体通路１４と連結されている。
　気体通路１４は、切換弁６に連結されており、切換弁６が連通状態となれば、エアシリンダ５側へ圧縮された酸素が供給される。切換弁６を通過する際の高圧気体酸素の圧力は、減圧器１３によって０．１－０．８Ｍｐａ程度に減圧されている。
　切換弁６は、高圧の酸素をエアシリンダ５のピストン１７によって区切られた二つの空間に供給する弁であり、本実施形態においては、２位置５ポートのバルブによって形成されている。また、切換弁６は、カム軸２２の回転力によって位置を周期的に変化させることで開閉を切り換えるものである。より詳細には、カム軸２２に設けられたカムプレート２２ａが回転することにより、切換弁６の切替スイッチ６ａと当接、離間を繰り返すことで、切換弁６のブロックを切り換えて開閉を切り換えるものである。
　エアシリンダ５は、円筒状のシリンダチューブ１６と、シリンダチューブ１６の内部で摺動するピストン１７と、ピストン１７に連結されたピストンロッド１８と、を備える。　また、シリンダチューブ１６のピストン１７で仕切られた各空間には、給排ポート１９Ａ・１９Ｂが設けられており、各空間に交互に酸素を供給することにより、ピストン１７及びピストンロッド１８が往復動を行う。また、エアシリンダ５は揺動軸５ａを中心に揺動可能に構成されている。
　水車３は、エアシリンダ５の往復動を回転運動に変えて水流を発生させる装置であり、また、菌担体２１を空気中及び水中に交互に移動させる装置である。水車３は、カム軸２２と、円周上に配置されたバケット部２３とから構成される。
　カム軸２２は、エアシリンダ５のピストンロッド１８と連結されている。ピストンロッド１８の先端の連結位置とカム軸２２の回転中心との間の距離は、ピストンロッド１８の摺動距離の２分の１または２分の１より大きくなるように構成されている。これにより、ピストンロッド１８の摺動運動が、カム軸２２の回転運動へと変換される。また、ピストンロッド１８の摺動距離の２分の１より大きくすることにより、遊びが生まれて、ピストンロッド１８の摺動運動がカム軸２２の回転運動に変換されやすい。このように構成することにより、エアシリンダ５のピストンロッド１８の往復動により、カム軸２２は回転運動を行う。
　なお、本実施形態においては、エアシリンダを一つ設ける構成としたがこれに限定されるものではなく、二つ設けることも可能である。例えばエアシリンダを一つ設けた場合に、カム軸２２の回転運動が上死点または下死点で止まることがある。二つのピストンロッドが９０度移相を変えてカム軸２２と連結されることで、カム軸２２を連続的に回転運動させることができるため、より安定してカム軸２２の回転方向を決定することができるものである。
　バケット部２３は、菌担体２１を収納する箱状の容器であり、菌担体２１は、バケット部２３から飛散することの無いようにネット等に収納されている。菌担体２１は、多孔質の菌が着床しやすい材質でできており、無機物、有機物どちらであってもかまわない。また、バケット部２３には、好気性の硝化細菌に対してアンモニア態窒素の酸化に必要な炭素を供給するためのセルロースを含む炭素供給源が配置されている。これにより、硝化反応が進みアンモニア態窒素は、硝化細菌により酸化され亜硝酸態窒素に変化させることができるのである。菌担体２１には、好気性条件を好む硝化細菌と、嫌気性条件を好む脱窒細菌とを担持させている。これにより、バケット部の菌担体２１が空気中にある場合は硝化反応が、バケット部２３の菌担体２１が水中にある場合は脱窒反応が促進される。なお、炭素供給源は、セルロースに限られるものではなく、例えば、カーボン繊維等で構成することも可能である。
　また、カム軸２２には、切換弁６の駆動を行う駆動リンク機構２５と連結されている。これによりカム軸２２の回転運動が切換弁６の往復運動に変換され、周期的に切換弁６が切り換わる。
　微細気泡発生装置４は、エアシリンダ５の給排ポート１９Ａ・１９Ｂから排出された酸素を微細気泡として水中に放出するための装置である。微細気泡発生装置４と給排ポート１９Ａ・１９Ｂとの間には、減圧器３０が設けられている。減圧器３０は、給排ポートから排出された酸素の圧力を減圧して、出力側に接続された機器に供給する機器である。減圧器３０によって、酸素は、０－０．３Ｍｐａ程度に減圧されている。微細気泡は、直径数百ｎｍ～数μｍの細かい気泡であり、水面へと浮上せず液体中に存在し続ける。また、微細気泡は、非常に高い界面張力を生じさせる性質を有する。微細気泡と液相との間には界面張力が発生し、微細気泡は圧力により一層小さくなり易い。
　微細気泡発生装置４は、気化した酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体３１を備える。
　気泡発生媒体３１は、炭素系の多孔質素材で構成されており、図２に示すように、直径数μｍ～数十μｍの細かな孔３１Ａを多数有している。また、気泡発生媒体３１は導電体であり、気泡発生媒体３１から発生する気泡は負の電荷が帯電される。言い換えれば、導電体である気泡発生媒体３１を通過する際に微細気泡に自由電子が付加されることにより、負の電荷が帯電するものである。この負の電荷により、気泡同士が互いに反発し、合体して大きな気泡になることを防ぐことができる。
　炭素系の多孔質素材とは、炭素のみ若しくは炭素及びセラミックを含む複合素材であり、無機質の素材である。また、炭素系の多孔質素材の表面には、厚さ数ｎｍの膜が形成されている。前記膜はケイ素を含む無機質の膜で形成されている。
　次に、液体酸素の気化圧を利用した水質浄化について図１及び図２を用いて説明する。
　まず、貯蔵容器２の開閉弁１１を開状態にして、貯蔵されている液体酸素を放出する。高圧の気体状態の酸素は、減圧器１３によって０．１－０．８Ｍｐａ程度に減圧され切換弁６側へ供給される。図１に示すように、切換弁６は、高圧の酸素をピストン１７で区切られた第一の空間Ａ１に供給する位置にあるので、高圧の酸素は、第一の空間Ａ１へと供給される。
　第一の空間Ａ１に酸素が供給されると、ピストン１７が第二の空間Ａ２側へと移動し、ピストンロッド１８の摺動及びエアシリンダ５の揺動によって、カム軸２２が回動する。
　カム軸２２の回動によって、水車３は回転し、バケット部２３が水中及び空気中を移動する。バケット部２３の移動により水中に水流が発生する。
　またカム軸２２の回動により、切換弁６が第一の空間Ａ１の酸素を微細気泡発生装置４側へ放出し、図２に示すように、第二の空間Ａ２へ酸素を供給する位置へ移動する。
　第二の空間Ａ２に酸素が供給されると、ピストン１７が第一の区間Ａ１側へ移動し、ピストンロッド１８の摺動及びエアシリンダ５の揺動によって、カム軸２２が回動する。カム軸２２の回動によって、水車３は回転し、バケット部２３が水中及び空気中を移動する。バケット部２３の移動により水中に水流が発生する。
　またカム軸２２の回動により、切換弁６が第二の空間Ａ２の酸素を微細気泡発生装置４側へ放出し、第一の空間Ａ１へ酸素を供給する位置へ移動する。これを繰り返すことで、水車３が回転し、酸素が微細気泡発生装置４から放出される。
　微細気泡発生装置４側へ放出された酸素は、減圧器３０によって、０－０．３Ｍｐａ程度に減圧されている。微細気泡発生装置４の表面から放出された微細気泡は、水流によって表面から離間して水中に放出される。水中にあるバケット部２３に収納された菌担体２１に酸素を供給することにより、脱窒反応とともに硝化反応も促進される。
　このように構成することにより、電力が供給されない場所であっても、圧縮液体酸素の気化圧を用いて、水質浄化装置１を駆動することができる。水質浄化装置１が駆動することにより、湖沼や内海などのような汚泥が滞留しやすい半閉鎖循環水系において、水中の窒素化合物やリンなどの濃度が上昇した場合であっても、脱窒反応とともに硝化反応を人工的に発生させることで、水質を浄化することができるのである。
　なお、本実施形態においては、菌担体移動装置として水車３を採用したがこれに限定されるものではなく、例えば、ピストンロッド１８の摺動に合わせて上下移動を行うコンベア型の汲み上げ装置であってもよい。
　上記のように、液体酸素を貯蔵する貯蔵容器２と、前記液体酸素の気化圧を用いて水流を発生させる水流発生装置と、気化した酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置４と、前記水流によって駆動され、菌担体２１を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備え、水流発生装置及び菌担体移動装置は、水車３であり、水車３のバケット部２３に、菌担体２１を収納することで保持しており、微細気泡発生装置４は、気化した酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体３１を備え、気泡発生媒体３１は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　このように構成することにより、電力を用いずに液体酸素の気化圧を利用して、水流を発生させて菌担体２１を活性化することができるものである。詳しくは、液体酸素の気化圧を利用して、水車３を駆動することにより、電力を用いずに水流を発生させることができる、また、水車３の駆動によって、菌担体２１が水中及び空気中を交互に移動することにより、菌担体２１が好気性条件と嫌気性条件に交互に置かれることとなり、硝化反応および脱窒反応が起こりやすくなる。これにより、電力が供給できない条件下でも水質浄化を達成し、生物の生育に好適な条件を作成することが可能となる。また、微細気泡発生装置４から酸素が微細気泡として供給されることにより、水中にあるバケット部２３に収納された菌担体２１に酸素を供給することにより、脱窒反応とともに硝化反応も促進される。
　また、貯蔵容器２から供給される酸素の気圧は、微細気泡発生装置４に供給される酸素の気圧よりも高いものである。
　このように構成することにより、貯蔵容器２に貯蔵された高圧酸素の気化圧を効率よく水車３の駆動に利用することができる。また、水車３の駆動に利用した後の酸素の圧力を用いて、酸素を微細気泡として水中に発生させることができるため、エアコンプレッサ等を設ける必要を省くことができるのである。
　また、菌担体２１は、セルロースを含む炭素供給源とともにバケット部に収納されるものである。このように構成することにより、硝化細菌及び脱窒細菌を担持しやすくなり、また、長期間の使用後には自然分解されるため廃棄処理を容易にすることができる。
　次に、第二の実施形態に係る水質浄化装置１０１について図３を用いて説明する。
　第二の実施形態においては水流発生手段として、ダイヤフラム式ポンプ１０２を用いた水質浄化装置１０１である。なお、本実施形態において、第一の実施形態と同様の構成については同一の符号を用いて説明を省略するものである。
　水質浄化装置１０１は、液体酸素を貯蔵する貯蔵容器２と、液体酸素の気化圧を用いて水流を発生させる水流発生装置と、前記水流によって駆動され、菌担体２１を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備える。本実施形態においては、水流発生装置は、容積式ポンプの一例であるダイヤフラム式ポンプ１０２によって構成されている。また、菌担体移動装置は、波力を利用して上下へ浮き沈みする浮きブイ１０５によって構成されている。また、気化した酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置４と、気化した酸素を供給する際に、供給先を切り換える切換弁６と、を備える。なお、容積式ポンプは、気化圧を利用して容積を変化させることで液流を発生させるポンプであればよく、例えば、スクロールポンプで構成してもよい。
　貯蔵容器２は、例えばボンベなどの運搬可能な容器で構成されている。貯蔵容器２には、圧縮された液体酸素が貯蔵されている。液体酸素は、例えば、１４．７ＭＰａの圧力で圧縮された酸素が充填されている。
　貯蔵容器２は、開閉弁１１を有している。開閉弁１１は、貯蔵容器２の吐出口の開閉を行う弁であり、減圧器１３に直結されている。減圧器１３は、高い貯蔵容器内圧力を減圧して、出力側に接続された機器に低圧力酸素を供給する機器である。また、減圧器１３の出力側は、ゴムホース等の気体通路１４と連結されている。
　気体通路１４は、切換弁６に連結されており、切換弁６が連通状態となれば、ダイヤフラム式ポンプ１０２側へ圧縮された酸素が供給される。切換弁６を通過する際の高圧気体酸素の圧力は、減圧器１３によって０．１－０．８Ｍｐａ程度に減圧されている。
　切換弁６は、高圧の酸素をダイヤフラム式ポンプ１０２の二つのエア室Ｒａ１・Ｒａ２に供給する弁であり、本実施形態においては、２位置５ポートのバルブによって形成されている。また、切換弁６は、ダイヤフラム式ポンプ１０２のシャフト１１１の往復動に対応して位置を周期的に変化させることで開閉を切り換えるものである。
　ダイヤフラム式ポンプ１０２は、二つのエア室Ｒａ１・Ｒａ２を備えている。第一のエア室Ｒａ１に酸素が入ると、ダイヤフラム１１２と連結しているシャフト１１１が第一の液室Ｒｒ１側に移動するため第二の液室Ｒｒ２が負圧となり、第二の吸引側ボール１１４ｂが開き第二の液室Ｒｒ２に液を吸引する。そのとき、第二の吐出側ボール１１４ａは液室の吐出圧により閉じられる。一方、第一の液室Ｒｒ１はダイヤフラム１１２の移動により加圧され、第一の吸引側ボール１１３ｂは閉じ、第一の吐出側ボール１１３ａが開き、液が吐出される。このとき、第二のエア室Ｒａ２内の空気は通路を通り切換弁６側へ排気される。シャフト１１１の移動に連動して切換弁６が移動し、酸素と液体の流れが逆になり、第二の液室Ｒｒ２が吐出側、第一の液室Ｒｒ１が吸入側となる。各ボールの動きも逆となる。これが交互に繰り返されるので、ダイヤフラム式ポンプ１０２は吸入・吐出を繰り返すこととなる。
　菌担体移動装置は、浮きブイ１０５で構成されており、各浮きブイ１０５には菌担体２１が担持されている。自然界の波力もしくはダイヤフラム式ポンプ１０２からの水流を受けて浮沈することにより、菌担体２１が水中及び空気中の間を移動することが可能となっている。菌担体２１は、セルロースを含む材質で構成される。
　次に、液体酸素の気化圧を利用した水質浄化について図３及び図４を用いて説明する。
　まず、貯蔵容器２の開閉弁を開状態にして、貯蔵されている液体酸素を放出する。高圧の気体状態の酸素は、減圧器１３によって０．１－０．８Ｍｐａ程度に減圧され切換弁６側へ供給される。切換弁６は、図３に示すように高圧の酸素を第一のエア室Ｒａ１に供給する位置にあるので、高圧の酸素は、第一のエア室Ｒａ１へと供給される。
　第一のエア室Ｒａ１に酸素が供給されると、ダイヤフラム１１２と連結しているシャフト１１１が第一の液室Ｒｒ１側に移動するため第二の液室Ｒｒ２が負圧となり、第二の吸引側ボールが開き第二の液室Ｒｒ２に液を吸引する。これにより、第二の液室Ｒｒ２側に液体が供給される。一方、第一の液室Ｒｒ１に溜まっていた水は、シャフト１１１の動きにより押圧され、第一の吐出側ボール１１３ａが開くため、吐出側へ排出され、水中へと放出される。また、第二のエア室Ｒａ２に溜まっていた空気は、シャフト１１１の動きにより圧縮され、吐出側へと排出され、切換弁６を通って、微細気泡発生装置４へと放出される。
　図４に示すように、シャフト１１１の移動によって切換弁６が切り換えられ、高圧の酸素を第二のエア室Ｒａ２に供給する位置に移動する。第二のエア室Ｒａ２に高圧の酸素が供給されることにより、ダイヤフラム１１２と連結しているシャフト１１１が第二の液室Ｒｒ２側に移動するため第一の液室Ｒｒ１が負圧となり、第一の吸引側ボール１１３ｂが開き第一の液室Ｒｒ１に液体が供給される。一方、第二の液室Ｒｒ２に溜まっていた水は、シャフト１１１の動きにより押圧され、第二の吐出側ボール１１４ａが開くため、吐出側へ排出され、水中へと放出される。また、第二のエア室Ｒａ２に溜まっていた空気は、シャフト１１１の動きにより圧縮され、吐出側へと排出され、切換弁６を通って、微細気泡発生装置４へと放出される。
　これを繰り返すことにより、ダイヤフラム式ポンプ１０２から、加圧された水が水中に放出されるとともに、酸素が微細気泡発生装置４から放出される。
　また、ダイヤフラム式ポンプ１０２から放出される水によって水流が発生する。
　微細気泡発生装置４側へ放出された酸素は、減圧器３０によって、０－０．３Ｍｐａ程度に減圧されている。微細気泡発生装置４の表面から放出された微細気泡は、水流によって表面から離間して水中に放出される。また、水面に浮遊した浮きブイ１０５が水流によって浮沈する。水中に沈んだ浮きブイ１０５に収納された菌担体２１に酸素を供給することにより、脱窒反応とともに硝化反応も促進される。
　このように構成することにより、電力が供給されない場所であっても、圧縮液体酸素の気化圧を用いて、水質浄化装置１０１を駆動することができる。水質浄化装置１０１が駆動することにより、湖沼や内海などのような汚泥が滞留しやすい半閉鎖循環水系において、水中の窒素化合物やリンなどの濃度が上昇した場合であっても、脱窒反応とともに硝化反応を人工的に発生させることで、水質を浄化することができるのである。
　以上のように、水質浄化装置１０１は、液体酸素を貯蔵する貯蔵容器２と、液体酸素の気化圧を用いて水流を発生させる容積式ポンプの一例であるダイヤフラム式ポンプ１０２と、気化した酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置４と、水流によって駆動され、菌担体を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置である浮きブイ１０５と、を備え、微細気泡発生装置４は、気化した酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体３１を備え、気泡発生媒体３１は、炭素系の多孔質素材で形成されているものである。
　このように構成することにより、電力を用いずに液体酸素の気化圧を利用して、水流を発生させて菌担体２１を活性化することができるものである。詳しくは、菌担体移動装置である浮きブイ１０５が水中と空気中を交互に移動することで、菌担体２１が好気性条件と嫌気性条件に交互に置かれることとなり、硝化反応および脱窒反応が起こりやすくなる。これにより、電力が供給できない条件下でも水質浄化を達成し、生物の生育に好適な条件を作成することが可能となる。
　本発明は、水質浄化装置の技術に利用可能であり、より詳しくは、湖沼や海などの自然界に存在する水の浄化を行う水質浄化装置の技術に利用可能である。
　１　　　水質浄化装置
　２　　　貯蔵容器
　３　　　水車
　４　　　微細気泡発生装置
　５　　　エアシリンダ
　６　　　切換弁
　６ａ　　切換スイッチ
　１１　　開閉弁
　１３　　減圧器
　１６　　シリンダチューブ
　１７　　ピストン
　１８　　ピストンロッド
　１９Ａ・１９Ｂ　　給排ポート
　２１　　菌担体
　２２　　カム軸
　２２ａ　カムプレート
　２３　　バケット部
　２５　　駆動リンク機構
　３０　　減圧器
　３１　　気泡発生媒体
　３１Ａ　孔
　１０１　水質浄化装置
　１０２　ダイヤフラム式ポンプ
　１０５　浮きブイ
　１１１　シャフト
　１１２　ダイヤフラム
　１１３ａ　第一の吐出側ボール
　１１３ｂ　第一の吸引側ボール
　１１４ａ　第二の吐出側ボール
　１１４ｂ　第二の吸引側ボール 

Claims (5)

  1. 　高圧状態の酸素を貯蔵する貯蔵容器と、
    　前記高圧状態の酸素の圧力を用いて水流を発生させる水流発生装置と、
    　高圧状態の酸素を微細気泡として供給する微細気泡発生装置と、
    　前記水流によって駆動され、菌担体を保持しつつ、水中及び空気中を交互に移動する菌担体移動装置と、を備え、
    　前記微細気泡発生装置は、高圧状態の酸素を微細気泡として水中へ放出する気泡発生媒体を備え、
    　前記気泡発生媒体は、炭素系の多孔質素材で形成されている、
    　水質浄化装置。
  2. 　前記水流発生装置及び菌担体移動装置は、水車であり、
    　水車のバケット部に、菌担体を収納することで保持する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の水質浄化装置。
  3. 　前記水流発生装置は、高圧状態の酸素の圧力を利用して容積を変化させることで液流を発生させる容積式ポンプである、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の水質浄化装置。
  4. 　前記貯蔵容器から供給される酸素の気圧は、前記微細気泡発生装置に供給される酸素の気圧よりも高い、
    　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水質浄化装置。
  5. 　前記菌担体は、セルロースを含む炭素供給源とともにバケット部に収納される
    　ことを特徴とする請求項２に記載の水質浄化装置。 
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