JP2000189774A

JP2000189774A - 気体溶解装置

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Publication number: JP2000189774A
Application number: JP37422098A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Sawada; 善行澤田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-11
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP3354888B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構造で液体に様々な大きさの気
泡を溶解させることが可能であり、また気体を飽和状態
まで溶解させることが可能な気体溶解装置を提供する。【解決手段】攪拌羽根２を備えた回転軸３を内部に軸
支し液体吐出口１２を備えたタンク１と、同タンク１内
へ液体を吸い上げるポンプ６と、同ポンプ６により吸い
上げた液体を前記攪拌羽根２に吹き付ける吐出ノズル７
ａ及び攪拌羽根回転用ノズル７ｂと、気体吸入口９ａを
備えて吐出ノズル７ａ及び攪拌羽根回転用ノズル７ｂと
へ液体を供給する配管８とを備えた気体溶解装置とし、
気体吸入口９ａから気体を混合して気泡を含む液体を攪
拌羽根回転用ノズル７ｂから攪拌羽根２に吹き付けるこ
とにより攪拌羽根２を回転させ、この攪拌羽根の回転に
よって、吐出ノズル７ａから攪拌羽根２に吹き付けられ
た液体に含まれる気泡を剪断して微細化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排水処理における
曝気施設や、河川・湖沼における水中の溶存酸素不足を
補うために用いられる、空気などの気体を水などの液体
に溶解する気体溶解装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】排水処理施設や汚れた河川・湖沼等にお
いて、水中の溶存酸素不足を補うために、散気管、散気
板による曝気、全面曝気、表面曝気、深層曝気、酸素曝
気、循環曝気などを行い、微生物の活動を維持し汚水を
処理する様々な方法が採用され知られている。これらの
方法には、それぞれ特有な効率的利用範囲があるが、排
水のＢＯＤ成分、ＮＨ₃などの被酸化物の酸化に消費さ
れる曝気動力は極めて多大なものであり、排水処理に消
費されるエネルギーの大部分を占め、省エネルギーの観
点からこのエネルギーを節減することが排水処理の一大
目標となっており、曝気処理を有効に行うための種々の
提案がなされている。

【０００３】従来、その一つとして曝気法で多用されて
いる散気管による曝気では、気泡は圧入空気の吐出圧、
散気管の目開き、液の粘度などによって、被曝気液の混
合攪拌の程度、気泡の大きさが決定される。気泡を微細
化するためには散気管の目を細かくすればよいが、これ
によって散気管が閉塞しやすくなり、また散気管の通気
抵抗も増加するのでブロワーの消費動力も増加し省エネ
ルギーとはなっていない。

【０００４】また、この他にも曝気の方法として、バッ
キレーターを用いる方法、エジェクターを用いる方法や
散水法などがあるが、いずれも気泡の溶解効率が低く、
曝気する際に微生物の塊であるフロックを壊してしまう
という問題点が指摘されている。

【０００５】一方、気泡を効率的に微細化するために、
特開昭６０−６８０３７号公報には水中への空気の溶解
量が空気に加える圧力に依存することを利用して、加圧
した空気を加圧タンク内に供給して水と混合し、それを
大気中へ減圧吐出させることにより、水中に溶解してい
た空気を現出させ、微小気泡の分散した空気溶解水を得
るものが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この方法に
よれば、空気と水を混合するタンクは加圧に耐える構造
とする必要があるため、装置が大がかりなものとなり、
装置のコストも高くなる。また、加圧した空気を得るた
めにはコンプレッサなどの圧縮機を用いる必要があり、
この圧縮機を運転するための動力も相当に大きなものと
なる。

【０００７】また、空気を加圧してタンク内に吐出する
と、圧力を加えない状態で吐出するよりも時間当たりの
吐出量が減少してしまい、圧力を加えない状態と同じ吐
出量を得るためには、モーター出力またはポンプ出力を
上げる必要がある。すなわち、吐出空気の圧力を上げる
ためには、空気を加圧するエネルギーに加えてさらに必
要なエネルギーが増加し、無駄が多くなってしまう。

【０００８】そこで、本発明において解決すべき課題
は、比較的簡単な構造で省エネルギータイプであって、
液体に様々な大きさの気泡を溶解させることが可能であ
り、また気体を飽和状態まで溶解させることが可能な気
体溶解装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明の気体溶
解装置は、攪拌羽根を備えた回転軸を内部に軸支し液体
吐出口を備えたタンクと、同タンク内へ液体を吸い上げ
るポンプと、同ポンプにより吸い上げる液体に気体を混
入する気体吸入口と、同ポンプにより吸い上げた液体を
前記攪拌羽根に吹き付けるノズルとを備えたものであ
る。本発明の気体溶解装置でいう気体とは、空気、酸
素、二酸化炭素、窒素など溶解させる液体に溶解可能な
すべてのものを含む。

【００１０】これによって、気体吸入口から気体を混合
して気泡を含む液体とし、この液体をノズルから攪拌羽
根に吹き付けることにより攪拌羽根を回転させ、この攪
拌羽根の回転によって、ノズルから攪拌羽根に吹き付け
られた液体に含まれる気泡を剪断して微細化する。また
は、ノズルからの液体が液面に叩きつけられることによ
って乱流が起こり、この乱流の作用でタンク内の液体に
混合された気泡を微細化することができるようになる。
また、タンク内は加圧されていないため、液体に叩きつ
けられた気体は液体中に溶け込み、飽和状態まで溶解さ
せることができる。

【００１１】ここで、ポンプにより吸い上げる液体に気
体を混入する気体吸入口は、ノズルへ液体を供給する配
管の途中にオリフィスやノズルなどの絞り機構とこの絞
り機構に気体を供給するバイパス配管とを設け、ポンプ
によって吸い上げる配管内の液体を絞ることによって負
圧とし、バイパス配管内の気体を混入するものなどが用
いられる。この液体に混入する気体としては、汚水浄化
装置用として用いる気体溶解装置の場合、酸素を含んだ
空気がもっとも一般的であるが、浄化能力を上げるため
には、高濃度の酸素が望ましい。

【００１２】攪拌羽根に液体を吹き付けるノズルは、攪
拌羽根の上方から下向きに設置し、液体を攪拌羽根に吹
き付けることによって攪拌羽根を回転させる。このノズ
ルは、鉛直方向から５〜１０°傾斜させて設置しておけ
ば、攪拌羽根がより回転しやすくなり、かつ、液体が液
面に叩きつけられたときに、乱流が起こりやすくなる。
また、タンクの上部に別のノズルを攪拌羽根の上方から
下向きに設置し、回転する攪拌羽根に液体を吹き付け
て、この液体に含まれる気泡を攪拌羽根の回転によって
剪断し、微細化することもできる。

【００１３】攪拌羽根は、ノズルから吹き付ける液体に
よって回転でき、液体に含まれる気泡を微細化する剪断
作用が起こりやすいように突起や凹凸をもつ断面形状と
すればよい。例えば、コウモリ傘の骨のように、複数の
棒状部材を回転軸を中心として放射状に形成するのがよ
い。また、この攪拌羽根を同軸に複数形成すれば、回転
する攪拌羽根による剪断作用がよりいっそう強くなり、
液体に混合された気泡がさらに微細化されるようにな
る。

【００１４】また、攪拌羽根は、水平方向から５〜１０
°下向きに傾斜して放射させたほうがよい。これによ
り、液体中に含まれるゴミなどが付着せずにタンク下方
へ落ちやすくなり、攪拌羽根のメンテナンス作業が省力
化される。この傾斜角は、５°未満とすればゴミが落ち
にくくなって攪拌羽根に固着することもあり、１０°超
とすれば回転時に攪拌羽根に加わる力が大きくなりすぎ
てしまい、攪拌羽根に無理が生じてくる。

【００１５】ところで、ポンプとノズルの間に、ノズル
からの液体の吐出量を調整するためのバルブを設けてお
けば、このバルブの絞り開度を調整することによってノ
ズルからの液体の吐出量と共に攪拌羽根の回転速度を調
整することが可能となり、攪拌羽根による気泡の微細化
の度合いを調整して様々な大きさの気泡を得ることがで
きるようになる。このとき、圧力が加わるのはポンプと
ノズルの間までの配管だけであるから、耐圧構造とする
のはこの配管だけでよく、鉄管などを用いればよい。

【００１６】このようにして得られた様々な大きさの気
泡を例えば水中に吐出すれば、この気泡は水中を上昇す
るにしたがって水圧が低くなるため膨張して、気泡内部
の圧力が空気中に溶存している酸素よりも低くなる。そ
のため、水中に溶存している酸素はこの気泡中に取り込
まれずに、水中に溶存している気泡内部よりも圧力の高
いガスだけが気泡中に取り込まれ、この取り込んだガス
を大気中に放出して脱ガス作用を向上させることができ
る。

【００１７】一方、タンクに、タンク内の液面を検知す
る液面検知手段を備えることにより、この液面検知手段
が液面の上限を検知したときには気体吸入口から吸入す
る気体の量を増やして液面を下げ、液面の下限を検知し
たときには気体吸入口から吸入する気体の量を減らして
液面を上げることができるようになる。すなわち、タン
ク内の液面を設定範囲内に維持することができるように
なる。

【００１８】また、このようにタンク内の液面を設定範
囲内に維持し、タンク内の液面よりも上の空間に酸素を
充満させることによって、攪拌羽根によって微細化させ
た気泡の表面より酸素が気泡内に取り込みやすくなり、
気泡への酸素の溶解効率を向上させることができる。

【００１９】タンク内の水を外部に放出する液体吐出口
としては、タンクに接続されたパイプやホースなどの配
管と、配管の途中に設けられた開閉バルブと、配管の先
端に設けられたノズルとによって構成することができ
る。ノズルは公知のものを使用することができ、配管か
ら直接汚染水域に放流するようにすることもできる。ま
たは、ノズルの先にエジェクターポンプ等を設けること
により、水圧の高い深層へ放流することができるように
なる。

【００２０】本発明の装置は、特に急速濾過装置や活性
炭濾過装置の前処理装置として使用することで、ＢＯＤ
除去、窒素成分の除去を効率よく行うことが可能とな
る。すなわち、本装置内でＤＯ改善された処理水を急速
濾過装置や活性炭濾過装置へ流入させることで、濾過砂
層や活性炭内層に好気性生物層を形成させることができ
る。この生物層には好気性及び通性嫌気性脱窒菌などを
多量に含んでいることから、濾過砂と活性炭濾過を通過
する間にＢＯＤ除去、窒化成分の硝化及び脱窒を効率良
く進行させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態におけ
る気体溶解装置を示す概略図、図２は攪拌羽根の拡大
図、図３は攪拌羽根の積層状態を示す図である。

【００２２】図において、液体を貯留するタンク１は、
その内部に攪拌羽根２を備えた回転軸３をベアリング４
によって回転自在に垂直に軸支している。このタンク１
は、酸素などの気体を溶解した液体を貯留するととも
に、攪拌羽根２によって内部の液体を攪拌し、気体を溶
解させるものである。材質としては、鉄やステンレス鋼
を用いることができるが、タンク内の圧力は、タンク内
に貯留する液体の自重による圧力以上にはならないた
め、特に圧力に耐える構造とする必要はなく、プラスチ
ックスなどを用いることもできる。

【００２３】回転軸３を同軸として積層した３つの攪拌
羽根２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれ、複数の棒状部材を回
転軸３を中心として放射状に形成したものであり、本実
施形態においては、金属性の角棒を２０本使用してい
る。また、これらの攪拌羽根２ａ，２ｂ，２ｃは、水平
方向（垂直に軸支した回転軸３に直角方向）からの角度
θを１０°として下向きに傾斜して放射させており、液
体に含まれるゴミなどが付着しにくくしている。これら
の攪拌羽根２ａ，２ｂ，２ｃは、図３の矢印で示す攪拌
羽根回転方向に回転するときに、攪拌羽根２ａ、攪拌羽
根２ｂ、攪拌羽根２ｃの順序で後述する攪拌羽根回転用
ノズル７ｂからの液体が吹き付けられるようにオフセッ
トさせて積層している。

【００２４】タンク１内への液体の供給は、外部の液体
中に挿入された逆止弁１３付きストレーナ５を通して、
ポンプ６により液体を吸い上げ、吐出ノズル７ａ及び攪
拌羽根回転用ノズル７ｂより吐出することにより行われ
る。このストレーナ５から吐出ノズル７ａ及び攪拌羽根
回転用ノズル７ｂへ液体を供給する配管８の途中には、
ポンプ６により吸い上げる液体に気体を混入する気体吸
入口９ａが備えられており、ポンプ６によって液体を吸
い込むときの負圧によって酸素などの気体を吸い込み、
液体中に気泡として混入する。なお、本実施形態におい
てはポンプ６を気体吸入口９ａとタンク１の間に設けて
いるが、このポンプ６は水中ポンプなどを用いてストレ
ーナ５の位置に設けても良い。

【００２５】タンク１の周壁に攪拌羽根２ａの上方から
下向きとして設置した攪拌羽根回転用ノズル７ｂは、攪
拌羽根２にポンプにより吸い上げた液体を吹き付け、そ
の後、液面に叩きつけて乱流を起こすためのものであ
る。また、タンク１の上部に下向きとして設置した吐出
ノズル７ａは、回転する攪拌羽根２に液体を吹き付ける
ためのものである。

【００２６】このように、攪拌羽根回転用ノズル７ｂか
らの液体の吹き付けによって攪拌羽根２を回転させ、吐
出ノズル７ａからの液体に含まれる気泡をこの攪拌羽根
２によって剪断し、微細化する。そして、この微細化さ
れた気泡を含む液体は液面へ落ち、微細化された気泡は
攪拌羽根回転用ノズル７ｂによって起こされた乱流によ
って、タンク１の底の方へと押し下げられる。あるい
は、回転軸３の液体中に当たる部分にプロペラやスクリ
ューなどを設けておき、乱流を起こすようにすることも
できる。

【００２７】なお、ポンプ６と吐出ノズル７ａ及び攪拌
羽根回転用ノズル７ｂとの間に、ノズルからの液体の吐
出量を調整するためのバルブ１０ａ，１０ｂをそれぞれ
設けている。バルブ１０ｂの絞り開度を調整して攪拌羽
根２の回転速度を調整して剪断作用の大小を調整し、バ
ルブ１０ａの絞り開度を調整して攪拌羽根２によって剪
断される気泡を含む液体量を調整する。すなわち、バル
ブ１０ａ，１０ｂの絞り開度を調整することによって吐
出ノズル７ａ及び攪拌羽根回転用ノズル７ｂからの液体
の吐出量と共に攪拌羽根２の回転速度を調整することが
可能となり、攪拌羽根２による気泡の微細化の度合いを
調整して様々な大きさの気泡を得ることができるように
なる。

【００２８】ここで、例えば、液体が水であって気体が
酸素の場合、このようにして得られた様々な大きさの気
泡を河川・湖沼などの水中に吐出すれば、この気泡は水
中を上昇するにしたがって水圧が低くなるため膨張し
て、気泡内部の圧力が空気中に溶存している酸素よりも
低くなる。そのため、水中に溶存している酸素はこの気
泡中に取り込まれずに、水中に溶存している気泡内部よ
りも圧力の高いガスだけが気泡中に取り込まれ、この取
り込んだガスを大気中に放出して脱ガス作用を向上させ
ることができる。

【００２９】また、バルブ１０ｂの絞り開度を小さくす
れば、攪拌羽根２の回転速度は遅くなり、本装置によっ
て得られる気泡の径は大きくなる。こうして得られた直
径０．０５〜０．５ｍｍの比較的大きな気泡は、液体中
に溶存しているアンモニアなどのガスをこの気泡に閉じ
込めて排出する脱臭、脱気などの用途に用いられる。一
方、バルブ１０ｂの絞り開度を大きくすれば、攪拌羽根
２の回転速度は速くなり、本装置によって得られる気泡
の径は小さくなる。こうして得られた直径０．０１〜
０．０５ｍｍの比較的小さな気泡は、液体中に溶存する
ようになる。例えば、液体が水であって気体が酸素であ
れば、ＤＯ改善された水が得られることになる。また、
タンク１内は加圧されていないため、液体に叩きつけら
れた気体は液体中に溶け込むため、気泡の状態でなくて
も飽和状態まで溶解させることもできる。

【００３０】液面ゲージ１１はタンク１内の液面を検知
する液面検知手段であり、液面の上限を検知する上限セ
ンサ１１ａと下限を検知する下限センサ１１ｂとによっ
て構成されている。上限センサ１１ａは液面が最下段の
攪拌羽根２ｃよりも下方に保たれるように設定してお
り、最下段の攪拌羽根２ｃが液体に浸かることがないよ
うに液面を制御する。下限センサ１１ｂはタンク内に貯
留しておくべき液体量に合わせて設定する。開閉弁付き
気体吸入口９ｂはこの液面ゲージ１１の検知結果に基づ
いて開閉弁付き気体吸入口９ｂからの気体の吸入量を制
御する。これは、攪拌羽根２が液体中に浸かってしまう
と、攪拌羽根２に液体の抵抗が加わって、攪拌羽根２が
回転しにくくなるのを防止するためと、液面よりも上の
空間を確保して酸素を充満させ、攪拌羽根２によって微
細化させた気泡の表面より酸素が気泡内に取り込みやす
くなり、気泡への酸素の溶解効率を向上させるためであ
る。

【００３１】なお、気体吸入口９ａ及び開閉弁付き気体
吸入口９ｂへの気体の供給は、供給する気体が酸素の場
合、図１に示すように、純酸素発生装置１４と、この純
酸素発生装置１４によって生成した酸素を貯留しておく
リザーバタンク１５を介して行われる。液体が水の場
合、このように溶解させる気体を純酸素とすることによ
って、水中に多くの酸素が溶解するようになる。酸素で
なく他の気体を溶解させる場合は、純酸素発生装置１４
に代えて、溶解させる気体を生成する装置を設けておけ
ばよい。

【００３２】このように本実施形態の液体溶解装置にお
いては、ポンプ６による吸い込みによって液体に気体を
混合し、攪拌羽根回転用ノズル７ｂから攪拌羽根２に吹
き付けることで攪拌羽根２を回転させ、この攪拌羽根２
の回転による剪断作用によって液体中に含まれる気泡を
微細化することが可能となる。また、攪拌羽根回転用ノ
ズル７ｂからの液体が液面に叩きつけられることによっ
て起こる乱流作用によって、この微細化された気泡はタ
ンク１の底の方へ押し下げられ、液体の圧力によってこ
の気泡はさらに微細化し、酸素溶解効率が良くなる。す
なわち、ポンプ６の動力のみによって微細化した気泡を
含む液体を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏すること
ができる。

【００３４】（１）攪拌羽根を備えた回転軸を内部に軸
支し液体吐出口を備えたタンクと、同タンク内へ液体を
吸い上げるポンプと、同ポンプにより吸い上げる液体に
気体を混入する気体吸入口と、同ポンプにより吸い上げ
た液体を前記攪拌羽根に吹き付けるノズルとを備えるこ
とによって、気体を加圧することなく液体に効率よく溶
解させることが可能となり、これによって、比較的簡単
な構造で大小様々な大きさの気泡を溶解させることがで
きる気体溶解装置を得ることができる。また、タンク内
は加圧しないため、気泡の状態でなくとも気体を液体中
に飽和状態まで溶解させることができる気体溶解装置で
もある。例えば、この気体溶解装置によって得られた気
泡を河川・湖沼などの水中に吐出すれば、水中の溶存酸
素量を増加させることができ、同時に脱ガスも行われ
る。

【００３５】（２）攪拌羽根は、複数の棒状部材を回転
軸を中心として放射状に形成したものとすることによっ
て、液体に混合された気泡をさらに微細化することが可
能となる。したがって、このさらに微細化させた気泡を
用いれば、無駄なエネルギー消費をすることなく曝気を
効率的に行うことができる。

【００３６】（３）攪拌羽根は、水平方向から５〜１０
°下向きに傾斜して放射させることによって、液体中に
含まれるゴミなどが付着せずにタンク下方へ落ちやすく
なり、攪拌羽根のメンテナンス作業が省力化される。

【００３７】（４）ポンプとノズルの間に、ノズルから
の液体の吐出量を調整するためのバルブを設けることに
よって、攪拌羽根の回転速度を調整することが可能とな
り、攪拌羽根による気泡の微細化の度合いを調整するこ
とができるようになる。

【００３８】（５）タンクに、タンク内の液位を検知す
る液位検知手段を備えることによって、タンク内の液面
を設定範囲内に維持することが可能となる。また、タン
ク内の液面よりも上の空間を確保して酸素を充満させ、
攪拌羽根によって微細化させた気泡の表面より酸素が気
泡内に取り込みやすくなり、気泡への溶解効率をさらに
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における気体溶解装置を
示す概略図である。

【図２】攪拌羽根の拡大図である。

【図３】攪拌羽根の断面形状を示す図である。

【符号の説明】

１タンク２，２ａ，２ｂ，２ｃ攪拌羽根３回転軸４ベアリング５ストレーナ６ポンプ７ａ吐出ノズル７ｂ攪拌羽根回転用ノズル８配管９ａ気体吸入口９ｂ開閉弁付き気体吸入口１０ａ，１０ｂバルブ１１液面ゲージ１１ａ上限センサ１１ｂ下限センサ１２液体吐出口１３逆止弁１４純酸素発生装置１５リザーバタンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０２Ｆ 7/00 Ｃ０２Ｆ 7/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】攪拌羽根を備えた回転軸を内部に軸支し
液体吐出口を備えたタンクと、同タンク内へ液体を吸い
上げるポンプと、同ポンプにより吸い上げる液体に気体
を混入する気体吸入口と、同ポンプにより吸い上げた液
体を前記攪拌羽根に吹き付けるノズルとを備えた気体溶
解装置。
【請求項２】前記攪拌羽根は、複数の棒状部材を回転
軸を中心として放射状に形成したものである請求項１記
載の気体溶解装置。
【請求項３】前記攪拌羽根は、水平方向から５〜１０
°下向きに傾斜して放射させた請求項２記載の気体溶解
装置。
【請求項４】前記ポンプとノズルの間に、前記ノズル
からの液体の吐出量を調整するためのバルブを設けた請
求項１から３のいずれか記載の気体溶解装置。
【請求項５】前記タンクに、タンク内の液面を検知す
る液面検知手段を備えた請求項１から４のいずれか記載
の気体溶解装置。