JP3925711B2

JP3925711B2 - 水中への酸素供給装置

Info

Publication number: JP3925711B2
Application number: JP2002356718A
Authority: JP
Inventors: 勇川島; 覺中村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP2004188263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海（港湾）、湖沼、河川、ダム、堀等の貧酸素水域に酸素を供給することにより水質の改善を図る水中への酸素供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海（港湾）、湖沼、河川、ダム、堀等には生活排水や産業排水等が流入しており、こうした排水中には有機物、栄養塩類が含まれている。これらの一部は水底に沈降して有機汚泥となる。
水中の微生物はこれらを分解するため溶存酸素を消費するので、底層の水への酸素供給が消費量より少ないと貧酸素状態となってしまう。
【０００３】
底層水が貧酸素状態に陥ると、底泥中の有機物は嫌気分解され、硫化物やメタンガス等の生物にとって有害な物質が生成される。
また、底泥が酸素不足になると底泥中の栄養塩が溶出し易くなり、水中の栄養塩濃度を高め、アオコの発生や赤潮を引き起こすなど環境悪化の原因となる。
【０００４】
図８は、港湾、湖沼、ダム湖等（以下総称して湖沼1という）において夏季は水面付近は温度Ｔが高く、水深が下がると急に温度が低下する温度躍層Ａが形成された状態を模式的に示すもので、水底は温度が一番低くなっている（実線Ｃは温度分布曲線を示している）。
【０００５】
こうした状態では下層の温度が低く密度が大きい水は水塊を形成しており、表層付近の水温が高く密度が小さい水との混ざり合いはほとんどない。
従って、表層付近の溶存酸素濃度の高い水は、底層へ供給されることはなく、底層の貧酸素状態は解消されない状態となっている。
【０００６】
このようなことは水温による場所だけでなく、汽水域のように塩分濃度の急激な変化が起きる塩分躍層の形成によっても同様な現象を生ずる。
【０００７】
図９はこのように劣化した底層の水質を改善する従来の装置を示すもので、散気装置によるもの、水流発生装置によるものなどの改善技術があり、図９では湖沼１の左側に散気装置による酸素供給技術を右側に水流発生装置による酸素供給技術を示している。
【０００８】
先づ、散気装置による酸素供給技術について説明する。散気装置はエア・コンプレッサ２により水底まで空気を送り、これを散気板３から水底に放出するもので、底層の溶存酸素増加、及び連行水による温度躍層の破壊によって上層からの溶存酸素を水底に供給するよう狙ったものである。
【０００９】
しかしながら、こうした方法では連行水による底泥の巻き上げが起こり、下層部から上層部へ栄養塩を供給してしまい水域全体の水質を悪化させてしまうという問題がある。また、半無限大に近い港湾、湖沼、大型ダムにおける温度躍層を破壊するには多大な動力を必要とし現実的ではない。
【００１０】
次に、水流発生装置による酸素供給技術について説明する。図９の右側に示すように、この酸素供給技術においては、水流発生装置を構成するポンプ４によって溶存酸素の豊富な表層の水を吸い、水底に放出することにより周囲の水を連行水とし、下層水と混合させ、底層へ溶存酸素供給を行うものである。
【００１１】
しかしながら、表層水は温度が高く密度が小さいため、低層水の温度が低く密度の高い水とは混ざることがないうえ、上述の場合と同様に底泥の巻き上げが起こり水域全体の水質を悪化させてしまうというという欠点があった。
【００１２】
図１０は貧酸素状態になっている底層の水を汲み上げ、その水に酸素溶解手段により酸素を溶かし込んで溶存酸素濃度を上昇させた後、元の底層に戻すように構成したものである。
この様に温度の低い水を元の温度の低い水域に戻す装置にすれば、密度の違いにより混ざり合わないと云うこともなく、また、温度が高いことによる上昇流の発生もないため底泥を掻き混ぜてしまうこともない。
【００１３】
しかしながら、図１０に示す場合は水底から水上まで水を吸い上げ、更に水上から水底まで送水するためのエネルギーが必要になることや送水距離が長い場合は酸素溶解のために用いているタンクの圧力が上昇してしまい多大なエネルギーを必要とするという問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、所望の水深に効率良く酸素を供給する装置を提供することを目的とする
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を解決するために本発明の水中への酸素供給装置は、請求項１においては、
海，湖沼，河川，ダム，堀を含む環境中に存在する水の溶存酸素の増加を図る水中への酸素供給装置であって、温度躍層および／または塩分躍層以下の水域に配置されたポンプと、このポンプの近傍の水域に配置されたタンクと、空気中に配置された気体送出手段からなり、前記ポンプで吸引した水を前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりに注入するとともに、前記ポンプの前段又は後段又は前記タンクの少なくとも一箇所に前記気体送出手段から気体を送出することにより前記ポンプで吸引した水に前記気体を混合し、前記タンク内を水圧を利用して加圧することにより前記気体を前記タンク内で前記ポンプで吸引した水に溶解させ、この気体溶解水を前記タンクの底部付近から水中に放出するように構成したことを特徴としている。
【００１６】
請求項２においては、請求項１記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりに前記ポンプからの吐出水を注入するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３においては、請求項１又は２に記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクの気体溜まりの圧力とタンク外の水圧の差を測定することにより、タンク内の水位を測定し、前記タンク内の水位を所定の高さに維持するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４においては、請求項１乃至３何れかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記気体送出手段からの気体送出量を調節することにより、前記タンク内の水位を調節することを特徴とする。
【００１９】
請求項５においては、請求項１乃至４何れかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりの気体を前記タンク外に放出することにより、前記タンク内気体溜まりの酸素濃度の低下を防ぐと共に水位を調節することを特徴とする。
【００２０】
請求項６においては、請求項５に記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりの気体を導管により水上へ放出することを特徴とする。
【００２１】
請求項７においては、請求項１乃至６何れかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクに水を注入するに際しては先端にノズルを設け、このノズルから噴出する水がタンク内の水に渦を発生させるように配置したことを特徴とする
【００２２】
請求項８においては、請求項１乃至６いずれかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンクに水を注入するに際しては先端にノズルを設け、このノズルをタンクの頂部付近に配置してノズルから噴出した水がタンク内に配置した邪魔板に衝突するように構成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項１０においては、請求項１乃至８いずれかに記載の水中への気体供給装置において、
前記タンクの底面から水が水平方向に排出されるように構成したことを特徴とする。
【００２４】
請求項１１においては、請求項１乃至１０いずれかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンク内に流路延長手段を設け、タンクに供給された水が排出口に達するまでの流路長を延長し、前記注入された水への気体の溶解度を向上させるとともに水排出口から未溶解気体の流出を抑制したことを特徴とする。
【００２５】
請求項１２においては、請求項１乃至１１いずれかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記タンク上部の気体溜まりの気体を、前記ポンプの前段または後段の少なくとも一方に注入する循環ラインを設けたことを特徴とする。
【００２６】
請求項１３においては、請求項１乃至１２いずれかに記載の水中への酸素供給装置において、
前記ポンプで吸引する領域の水の密度と前記タンクが排出する領域の水の密度との差が10kg／m³以内の範囲の水深であるように前記ポンプの吸い込み口と前記タンクの排出口を設置することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の請求項1および７に係る実施形態の一例を示すもので、ポンプ４ａを水中の温度躍層（図８参照）以下の水域に配置する。同様に、この水中ポンプ４ａの近傍の水域にタンク７を配置する。水中ポンプ４ａの前段と後段及びタンク７（いずれか一箇所でもよい）には水上から空気又は高濃度酸素（以下、単に気体という）等が送出される。ポンプ後段の気体送出部以降にラインミキサ１０を設けてより多くの気体が溶解するようにしている。８はタンク７内への水の噴出口に設けられたノズルである。
【００２８】
上記の構成において、水中ポンプ４ａで周辺水を吸引しタンク７内に注入する。このとき、水中ポンプ４ａの前段，後段及びタンク７内（何れかの一箇所でも良い）には空中から気体が送出されるので周辺水には気体が混入した状態となる。なお、タンク７への注入に際しノズル８の噴出口を水に渦を発生させるように配置しておけば水面の表面積が増加するため効果的に気体が溶解する。
また、渦の遠心力により、未溶解の気体が効率良く溶解する。
【００２９】
上記の構成によれば、水底から水上まで水を吸い上げ、更に水上から水底まで送水するためのエネルギーを節約することができる。
【００３０】
図２は本発明の請求項２および７に係る実施形態の一例を示すもので、この実施例においてはポンプ４ａの前段に気体を送出するとともに後段にラインミキサ１０を設けてここにも水上から気体を送りより多くの気体が水に混入するようにしている。また、タンク７内にも水上から気体を送り（何れか１箇所でも良い）、タンク７の上部の気体溜まり7ａにポンプで吸引した周辺水を注入する。この場合はノズル８の噴出口を気体溜まり部に水に渦を発生させるように配置しておけばノズルから噴出した水が水面と衝突する時に多くの気泡を発生させ気体と水の接触面積が増大し、さらに水面の表面積が増加するため、効果的に気体が溶解する。
また、渦の遠心力により、未溶解の気体が効率良く溶解する。
【００３１】
図３は本発明の請求項２乃至６および８に係る実施形態の一例を示すもので、この実施例においても図２と同様、タンク７の上部の気体溜まり７ａに前記周辺水を注入する。
【００３２】
図において、２０はタンク７の頂部空間の圧力とタンク外の水圧の差を測定するための差圧計、２１はタンク７内の気体を排出するためのバルブ、９はタンク７内の水の表面付近に配置された邪魔板である。
【００３３】
上記の構成おいて、邪魔板９は水面より上か僅かに水没した状態で配置されるがタンク７内の水位には最適値があるため、差圧計２０の出力に基づいてタンク７内の水を所定の水位に維持するようにタンク内の気体圧力が調整される。
【００３４】
上記の構成において、水中ポンプ４ａで吸引された水はタンク７の頂部に配置されたノズル８から噴出し邪魔板９に衝突する。邪魔板９に衝突し霧化した水は気体溜まり７ａの気体を溶かし込んで高濃度気体溶解水としてタンク７の底部付近から水中に排出される。通常、タンク７の頂部には未溶解の気体が溜まるためだんだん水位が下がってくるが、所定の水位に達した時点で気体の供給を止めて水位の上昇を図る。
【００３５】
また、水に含まれていた窒素が脱気されたり、供給気体（空気）に含まれていた窒素ガスのために、タンク内の気体溜まり７ａの窒素濃度が上昇してくる（酸素濃度は減少する）。その場合、タンク内の気体溜まり７ａの酸素をバルブ２１を開として、タンク外に放出し気体溜まりの酸素濃度低下を防止するとともに水位の調節を行う。
【００３６】
図４は本発明の請求項２乃至６，８，１１に関する実施例を示す構成図である。図４において、図３と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。２３ａはタンク７の中に縦方向に形成された内管であり、この内管２３ａの上部および下部は開放され、タンク７に固定された状態となっている。この例ではノズル８はタンク７の頂部付近に水面に対してほぼ直角方向に設けられ、内管の２３ａのほぼ中央に噴射する。このノズル噴射方向の真下に略水平に邪魔板９が配置されている。
【００３７】
２３ｂは内管２３ａの外側とタンク７の内周の間に配置された中管で、この中管２３ｂの上方はタンク1の頂部付近に固定され、下方はタンク７の底部付近と接して閉塞された状態となっている。この中管２３ｂの内側が第１室７ｂ、外側が第２室７ｃを構成している。
【００３８】
上記の構成において、ノズル８を介して内管２３ａの上方から噴出する水は邪魔板９に衝突し泡を発生する。そしてタンク７に供給されている気体を溶解してこの内管２３ａの下方からＡ方向に流れる。このとき、大きな気泡は水の流れに逆らいａ方向に浮上しタンク７上部の気体溜りに放出される。
【００３９】
一方、小さな気泡は水の流れと同じ方向に漂いながら溶解が更に進む。そして、水に含まれる気泡はｂ方向に浮上し、溶解タンク上部の気体溜りに放出される。
【００４０】
気体が溶解した水は調節弁２４を介して排出される。この実施例では大きな気泡がｂ方向に流れてしまった場合は、気体溜りの方向に浮上するので第２室７ｃに流入する水には大きな気泡が含まれない高濃度の気体溶解水となる。この実施例においても、図示のようにポンプ４ａの前段に気体を注入したり、後段にラインミキサ１０やインジェクタ（図示省略）を取付けて予め気体を注入しておくことにより効率的に気体を取り込むことが可能である。
【００４１】
図５は本発明の請求項２乃至６，８，９に関する実施例形態の一例を示すものである。この実施例はタンク７の底部を全面開放した例を示すものである。通常、気体の溶解度を向上させるため、タンク内は加圧された状態にしておくが、この場合は、タンク底部を開放することにより、水圧を利用して気体の溶解度の向上を図っている。この実施例においても、図示のようにポンプ４ａの前段に気体を注入したり、後段にラインミキサ１０やインジェクタ（図示省略）を取付けて予め気体を注入しておくことにより効率的に気体を取り込むことが可能である。
【００４２】
図６は本発明の請求項２乃至６，８，１０に関する実施例形態の一例を示すものである。
図５に示したタンクの形状では湖底に対して垂直方向に酸素溶解水が放出されるため底泥を巻き上げる恐れがある。
図６はタンク７の底面を底板で覆い酸素溶解水が横方向に排出されるようにしたものである。この形状によれば酸素溶解水が底泥を巻き上げるのを防止することができる。
【００４３】
なお、図５,６では水上からの気体をポンプ４ａの前段に送出するとともに、後段に設けたラインミキサ１０とタンク７内に供給している例を示しているが、いずれか一箇所でもよい。また、図４に示したような流路延長手段を設けてもよい。
【００４４】
図７は本発明の請求項２乃至６，８，１２に関する実施形態の一例を示すもので、この実施例が図３と異なる点はポンプ４ａの前段や後段に供給していた気体をタンク7内の気体溜まり７ａから循環ライン２２を介して供給するようにしたものである。このように循環ライン２２を設けることによりタンクの頂部に溜まった未溶解の酸素ガスを再利用することができる。
【００４５】
ところで、図１乃至図７に示す水中ポンプ４ａとタンク７の水中における位置関係は必ずしも同じ位置に据え付けられない場合がある。その場合にはポンプが吸引する水の密度とタンク７から排出される水底付近の水の密度差が１０kg／m^３以内の範囲での設置とする。例えば、海水の場合、塩分濃度はおよそ３．５ｗｔ．％程あるため、この程度の密度差であれば水の上昇がなく効率良く溶存酸素を増加させることができる。
【００４６】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本実施例では溶解する気体を酸素として説明したが、水に溶解させる気体は例えばオゾンであってもよく、目的に応じて種々の気体を用いることができる。
【００４７】
なお、邪魔板の表面に凹凸を形成すれば飛沫の発生を増加させることができる。また、周辺水をタンクに供給するに際しては、ノズルの先端を水面に対して接線方向に噴出するように配置するとよい。
【００４８】
本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、温度躍層および／または塩分躍層以下の水域に配置されたポンプと、このポンプの近傍の水域に配置されたタンクと、空気中に配置された気体送出手段からなり、前記ポンプで吸引した水を前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりに注入するとともに、前記ポンプの前段又は後段又は前記タンクの少なくとも一箇所に前記気体送出手段から気体を送出することにより前記ポンプで吸引した水に前記気体を混合し、前記タンク内を水圧を利用して加圧することにより前記気体を前記タンク内で前記ポンプで吸引した水に溶解させ、この気体溶解水を前記タンクの底部付近から水中に放出するように構成したので、従来のように水を汲み上げた後、元の水深まで水を戻すことが必要なく、また、水圧を利用してタンクを加圧することがでるため、エネルギーを節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項1および７に係る実施形態の一例を示す図である。
【図２】本発明の請求項２および７に係る実施形態の一例を示す図である。
【図３】本発明の請求項２乃至６および８に係る実施形態の一例を示す図である。
【図４】本発明の請求項２乃至６，８，１１に係る実施例を示す図である。
【図５】本発明の請求項２乃至６，８，９に係る実施例形態の一例を示す図である。
【図６】本発明の請求項２乃至６，８，１０に係る実施例形態の一例を示す図である。
【図７】本発明の請求項２乃至６，８，１２に係る実施形態の一例を示す図である。
【図８】湖沼などに形成される温度躍層の説明図である。
【図９】従来の水中への酸素供給装置の一例を示す説明図である。
【図１０】従来の水中への酸素供給装置の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１湖沼
２エア・コンプレッサ
３散気板
４ポンプ
５酸素溶解手段
７タンク
８ノズル
９邪魔板
１０ラインミキサ
２０差圧計
２１バルブ
２４調節弁

Claims

海，湖沼，河川，ダム，堀を含む環境中に存在する水の溶存酸素の増加を図る水中への酸素供給装置であって、温度躍層および／または塩分躍層以下の水域に配置されたポンプと、このポンプの近傍の水域に配置されたタンクと、空気中に配置された気体送出手段からなり、前記ポンプで吸引した水を前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりに注入するとともに、前記ポンプの前段又は後段又は前記タンクの少なくとも一箇所に前記気体送出手段から気体を送出することにより前記ポンプで吸引した水に前記気体を混合し、前記タンク内を水圧を利用して加圧することにより前記気体を前記タンク内で前記ポンプで吸引した水に溶解させ、この気体溶解水を前記タンクの底部付近から水中に放出するように構成したことを特徴とする水中への酸素供給装置。
前記タンクの気体溜まりの圧力とタンク外の水圧の差を測定することにより、タンク内の水位を測定し、前記タンク内の水位を所定の高さに維持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水中への酸素供給装置。
前記気体送出手段からの気体送出量を調節することにより、前記タンク内の水位を調節することを特徴とする請求項１または２に記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりの気体を前記タンク外に放出することにより、前記タンク内気体溜まりの酸素濃度の低下を防ぐと共に水位を調節することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクの内部上方に形成された気体溜まりの気体を導管により水上へ放出することを特徴とする請求項４に記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクに水を注入するに際しては先端にノズルを設け、このノズルから噴出する水がタンク内の水に渦を発生させるように配置したことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクに水を注入するに際しては先端にノズルを設け、このノズルをタンクの頂部付近に配置してノズルから噴出した水がタンク内に配置した邪魔板に衝突するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクの底面を開放し水が水底に向かって排出されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記タンクの底面から水が水平方向に排出されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の水中への気体供給装置。
前記タンク内に流路延長手段を設け、タンクに供給された水が排出口に達するまでの流路長を延長し、前記注入された水への気体の溶解度を向上させるとともに水排出口から未溶解気体の流出を抑制したことを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記タンク上部の気体溜まりの気体を、前記ポンプの前段または後段の少なくとも一方に注入する循環ラインを設けたことを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の水中への酸素供給装置。
前記ポンプで吸引する領域の水の密度と前記タンクが排出する領域の水の密度との差が１０ｋｇ／ｍ^３以内の範囲の水深であるように前記ポンプの吸い込み口と前記タンクの排出口を設置することを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の水中への酸素供給装置。