(57)【要約】      （修正有）【課題】気体の溶解効率を向上させることができる気体溶解装置を提供する。【解決手段】気体は、気体溶解槽４内で被処理水に溶解される。被処理水は、被処理水流入管５を通して気体溶解槽４内に流入される。被処理水流入管５の下流側端部は、気体溶解槽４の側面下部に接続されている。気体は、気体供給管６を通して被処理水流入管５内に供給される。気体供給管６の下流側端部は、気体溶解槽４の近傍で被処理水流入管５の下部に接続されている。被処理水流入管５の気体溶解槽４への接続部近傍には、気体供給管６内に連通した気泡発生孔が設けられている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体溶解槽、及び
上記気体溶解槽に接続されており、かつ気体が供給されて気泡を発生する気泡発生孔が上記気体溶解槽との接続部近傍に設けられており、上記気体溶解槽に液体及び上記気泡を供給する液体流入管
を備えていることを特徴とする気体溶解装置。
【請求項２】
上記気泡発生孔は、上記液体流入管の上記気体溶解槽への接続部から所定の範囲内に設けられており、
上記所定の範囲は、上記気泡発生孔から上記液体流入管の天井までの高さと、上記気泡発生孔で発生する気泡の上昇角度とに基づいて設定されていることを特徴とする請求項１記載の気体溶解装置。
【請求項３】
上記液体流入管には、上記液体の流下方向に沿って複数の上記気泡発生孔が設けられており、
上記液体の流下方向に互いに隣接した上記気泡発生孔の間隔は、上記気泡の上昇角度に基づいて設定されていることを特徴とする請求項２記載の気体溶解装置。
【請求項４】
上記気泡の上昇角度は、上記液体流入管内の液体の流速に基づいて設定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の気体溶解装置。
【請求項５】
上記液体流入管には、上記液体流入管の幅方向に沿って複数の上記気泡発生孔が設けられており、
上記液体流入管の幅方向に互いに隣接した上記気泡発生孔の間隔は、上記気泡の水平方向への振動角度に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の気体溶解装置。
【請求項６】
上記気泡の水平方向への振動角度は、上記液体流入管内の液体の流速に基づいて設定されていることを特徴とする請求項５記載の気体溶解装置。
【請求項７】
液体を水平方向へ流す流路が形成された気体溶解槽、及び
上記流路よりも断面積が小さく上記液体を通す開口と、上記開口の内周面に設けられ、気体が供給されて気泡を発生する気泡発生孔とを有し、上記流路内に設けられた気泡発生孔形成部材
を備えていることを特徴とする気体溶解装置。
【請求項８】
液体の流れの中に気体の気泡を発生させて気体を液体に溶解させる気体溶解方法において、
液体の流速を０．５ｍ／秒〜５．０ｍ／秒とすることを特徴とする気体溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体を液体に溶解させる気体溶解装置及び気体溶解方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体を効率良く液体に溶解させるためには、気泡径を小さくして気泡表面積を大きくすることが有効である。また、気泡径を小さくすると、気泡の上昇速度も小さくなり、液体との接触時間が長くなるため、気体の溶解がより促進される。例えば、オゾンを含有する気体（以降オゾンガスとする）を水に溶解させる場合、オゾンガスの気泡を小さくすることによりオゾンの溶解速度が増し、オゾンと水中の有機物等との反応を効率的に進めることができる。
【０００３】
従来の気体溶解方法としては、散気管方式やエゼクタ方式があるが、気泡径を小さくする方法としてはエゼクタ方式が有効である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１２３５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の気体溶解方法では、気体と液体とが混合された瞬間は非常に微細な気泡が大量に発生するが（気泡径：数μｍ）、それらの気泡は直ちに合一して径の大きな気泡となり（気泡径：３ｍｍ以上）、その結果、気体の溶解効率が著しく低下する。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、気体の溶解効率を向上させることができる気体溶解装置及び気体溶解方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る気体溶解装置は、気体溶解槽、及び気体溶解槽に接続されており、かつ気体が供給されて気泡を発生する気泡発生孔が気体溶解槽との接続部近傍に設けられており、気体溶解槽に液体及び気泡を供給する液体流入管を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の気体溶解装置は、気泡発生孔が液体流入管の気体溶解槽との接続部近傍に設けられているため、気泡発生孔から剥離した気泡が液体流入管の天井にぶつかって合一するのを防止することができ、気体の溶解効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に、この発明の実施の形態の動作原理について説明する。
本発明者らは、超高速度カメラを用いて気泡の発生過程や挙動を撮影し、気泡の発生メカニズムを詳細に検討した。
【００１０】
気泡排出用の孔に気体が供給されると、孔上に１つの気泡が生じる。この後、気体がさらに供給されると、気泡径が徐々に大きくなり、ついには孔から剥がれて液体中を浮遊する。このとき、供給する気体流量が大きいほど気泡径が大きくなる。即ち、気体流量が大きいほど気体が気泡に供給される速度が大きくなるため、径の大きな気泡となってから液体中に供給される。これとは逆に、気体流量が小さいほど気泡径は小さくなる。
【００１１】
また、孔に接する液体の流速が大きいほど気泡径は小さくなる。即ち、液体流量が大きいほど孔から気泡を剥がす力が強くなるため、気泡径が大きくなる前に、径が小さいままの気泡が液体中に供給される。
【００１２】
図１は気泡が発生してから液体中に供給されるまでの気泡の変化を模式的に示す説明図、図２は図１の場合よりも気体流量が小さい場合の気泡の変化を模式的に示す説明図、図３は図２の場合よりも液体流速が小さい場合の気泡の変化を模式的に示す説明図である。なお、図１〜図３では、気泡の時間的な変化を図の左から右へ４段階に分けて示している。
【００１３】
図において、散気板１には、断面円形の孔１ａが設けられている。孔１ａの径は、０．１ｍｍである。液体（水）は、散気板１上を図の左から右へ向けて流されている。液体流速は、図１及び図２では１．０ｍ／秒、図３では０．１ｍ／秒である。
【００１４】
気体（空気）は、破線の矢印で示すように、孔１ａの下部から上方へ向けて供給される。これにより、孔１ａの上部には、気泡２が発生される。気泡２は、実際にはきれいな球形にはならないが、図では便宜上円で示す。気体流量は、図１では１．０Ｌ／分、図２及び図３では０．５Ｌ／分である。
【００１５】
気体流量が１Ｌ／分の場合、気体が気泡２に供給される速度が大きいため、気泡２は、図１に示すように、径が大きくなった状態で（例えば２ｍｍ）液体中に供給される。一方、気体流量が０．５Ｌ／分の場合、気泡２は、孔１ａ上で成長する前に孔から剥がれるため、図２に示すように、径が小さいままで（例えば１ｍｍ）液体中に供給される。
【００１６】
また、液体流速が０．１ｍ／秒の場合、気泡２が孔１ａ上に留まっている間に気体が次から次へと供給され、気泡２が孔１ａから剥がれるときには、図３に示すように、気泡径が大きくなっている（例えば４ｍｍ）。一方、液体流速が１．０ｍ／秒の場合、気泡２は、孔１ａ上で成長する前に孔から剥がれるため、図２に示すように、径が小さいままで（例えば１ｍｍ）液体中に供給される。
【００１７】
以上の結果をまとめると、孔１ａから剥がれるときの気泡径に対しては、気体流量よりも液体流速の方が支配的であることが分かった。
【００１８】
さらに、孔１ａから剥がれた後、気泡２は、水平方向に振動しながら液体中を上昇していく。気泡２の水平方向に対する振動角度に対しても、気体流量より液体流速が支配的で、液体流速が大きいほど振動角度は小さかった。
【００１９】
図４は上方から見たときの気泡２の振動角度を模式的に示す説明図（俯瞰図）、図５は図４の場合よりも液体流速が大きい場合の気泡２の振動角度を模式的に示す説明図である。気体流量は、図４、図５とも０．５Ｌ／分である。液体流速は、図４で０．３ｍ／秒、図５で１．０ｍ／秒である。孔１ａの径は、図４、図５とも０．１ｍｍである。気泡径は、図４で３ｍｍ、図５で１ｍｍである。
【００２０】
液体流速が０．３ｍ／秒の場合、液体中に浮遊した気泡２は、大きく振動しながら液体中を液体流下方向へ移動した。一方、液体流速が１．０ｍ／秒の場合、液体中に浮遊した気泡２は、小さく振動しながら液体中を液体流下方向へ移動した。即ち、液体流速が０．３ｍ／秒の場合の気泡２の振動角度θ１は、液体流速が１．０ｍ／秒の場合の気泡２の振動角度θ２よりも大きかった。
【００２１】
このように、気泡２は、水平方向に振動しながら液体流下方向へ移動するため、図４及び図５に示すように、流れの幅方向に互いに隣接する２つの孔１ａから気泡２が放出される場合、振動角度が大きいほど気泡２が合一して気泡径が大きくなる確率が高くなる。逆に、気泡２の合一が無ければ、発生時の気泡径をほぼ維持できることも分かった。
【００２２】
さらにまた、水平方向に対する気泡２の上昇角度に対しても、気体流量より液体流速が支配的で、液体流速が大きいほど上昇角度は小さかった。
【００２３】
図６は気泡２の上昇角度を模式的に示す説明図、図７は図６の場合よりも液体流速が大きい場合の気泡２の上昇角度を模式的に示す説明図である。気体流量は、図６、図７とも０．５Ｌ／分である。液体流速は、図６で０．１ｍ／秒、図７で１．０ｍ／秒である。孔１ａの径は、図６、図７とも０．１ｍｍである。気泡径は、図６で４ｍｍ、図７で１ｍｍである。
【００２４】
図６及び図７に示すように、液体流速が０．１ｍ／秒の場合の気泡２の中心からの水平方向に対する上昇角度（θ３）は、液体流速が１．０ｍ／秒の場合の気泡２の中心からの水平方向に対する上昇角度（θ４）よりも大きいことが分かった。
【００２５】
実施の形態１．
図８はこの発明の実施の形態１による気体溶解装置を示す構成図、図９は図８のＩＸ部の断面図、図１０は図９の気泡発生孔の開口部を示す平面図である。図において、気体は、気体溶解槽４内で被処理水（液体）に溶解される。被処理水は、液体流入管としての被処理水流入管５を通して気体溶解槽４内に流入される。被処理水流入管５の下流側端部は、気体溶解槽４の側面下部に接続されている。また、被処理水流入管５は、水平に配置されている。
【００２６】
気体は、１本又は複数本（図では１本のみ示す）の気体供給管６を通して被処理水流入管５内に供給される。気体供給管６の下流側端部は、気体溶解槽４の近傍で被処理水流入管５の下部に接続されている。被処理水流入管５には、気体供給管６内に連通した１つ又は複数（図では１つのみ示す）の気泡発生孔５ａが設けられている。気泡発生孔５ａ及び気体供給管６の数は、供給するガス流量に応じて決定される。気泡発生孔５ａに発生した気泡は、被処理水流入管５を通して被処理水とともに気体溶解槽４内に供給される。
【００２７】
気体溶解槽４内で被処理水に気体を溶解することにより生成された処理水は、処理水流出管７を通して気体溶解槽４から流出される。処理水流出管７の上流側端部は、気体溶解槽４の側面上部に接続されている。被処理水に溶解されなかった気体は、気体排出管８を通して気体溶解槽４から排出される。気体排出管８は、気体溶解槽４の上部に接続されている。
【００２８】
次に、上記のように構成された気体溶解装置による気体溶解方法について説明する。まず、被処理水が被処理水流入管５に導入され、次いで、気体供給管６を通して被処理水流入管５内に気体が供給される。このとき、気泡発生孔５ａに発生した気泡は、他の気泡とは合一することなく、発生直後の気泡径を維持しつつ、被処理水とともに気体溶解槽４へと送り込まれる。
【００２９】
この後、気泡は、気体溶解槽４内で分散され、合一することなく気体溶解槽４内を上昇し、気体溶解槽４内で気液分離される。そして、処理水は処理水流出管７から気体溶解槽４外へ流出され、気体は気体排出管８から気体溶解槽４外へ排出される。また、気体がオゾンガスである場合、オゾンガスは、気体排出管８に接続された排オゾン分解塔で酸素に分解されてから大気へ放出される。
【００３０】
ここで、被処理水流入管５は、気体溶解槽４のできるだけ低い位置に接続するのが好適であり、気体溶解槽４内での気泡と被処理水との接触時間を長くして、気体を効率良く水に溶解させることができる。
【００３１】
また、供給する気体の流量（Ｇ）と被処理水の流量（Ｌ）との比（Ｇ／Ｌ）は、０．００１〜１、より好ましくは０．０１〜０．５以下の範囲とするのが好適である。Ｇ／Ｌが０．００１よりも小さいと、処理するのに必要な気体量を確保できなくなるため好ましくない。逆に、Ｇ／Ｌが１よりも大きいと、気体流量が大き過ぎ、気泡数の増加により気泡が合一し易くなるため好ましくない。
【００３２】
例えば気体がオゾンガスである場合、あるオゾン注入率（単位水量あたりに供給するオゾン量）を確保するために高濃度のオゾンガスを用いて気体流量を減らすことによって、上記のＧ／Ｌの条件を満たすことが可能となる。
【００３３】
さらに、図２４に示すように、被処理水の流速は、０．５ｍ／秒から５．０ｍ／秒の間とするのが良い。図２４は被処理水の流速に対する平均気泡径の変化をまとめた図である。被処理水の流速が０．５ｍ／秒よりも小さい場合は、気泡発生孔５ａから発生する気泡の径が大きくなり、気体の溶解効率が低下するため好ましくない。また、被処理水の流速が５．０ｍ／秒よりも大きい場合は、被処理水がかなりの乱流状態になり、発生した気泡同士が融合して気泡径が大きくなるため、好ましくない。
【００３４】
さらにまた、気泡発生孔５ａの孔径は、０．０１〜１ｍｍとするのが良い。発生する気泡の径は孔径の数倍から１０倍程度となるため、孔径が１ｍｍよりも大きいと、気泡径が大きくなり、気泡の合一が起こり易くなって好ましくない。また、気泡発生孔５ａの孔径が０．０１ｍｍよりも小さいと、気泡を発生させるために気体の供給圧力を高く保つ必要があり好ましくない。
【００３５】
また、被処理水流入管５内の圧力は正圧とするのが良い。正圧とすることにより、気泡の挙動の乱れをより少なくし、気泡の合一を避けることができ、径の小さい気泡を気体溶解槽４内へと送り出すことができる。
【００３６】
次に、気泡発生孔５ａの位置、即ち気体供給管６の被処理水流入管５への接続位置について説明する。気泡発生孔５ａは、上記のように被処理水流入管５の気体溶解槽４への接続部近傍に設けられている。より詳細には、気泡発生孔５ａは、気泡発生孔５ａから剥がれた気泡が被処理水流入管５の天井にぶつからないような位置に設けられている。
【００３７】
図１１は図８の気体供給管６の被処理水流入管５への接続位置を被処理水の流れの方向に変化させた場合の気泡２の挙動を模式的に示す説明図である。気泡発生孔５ａから剥がれた気泡２は、被処理水の流速に応じた上昇角度で斜め上方へ移動しながら、気体溶解槽４内へ運ばれる。
【００３８】
このため、気体溶解槽４の近傍で発生した気泡２は被処理水流入管５の天井にぶつからずに気体溶解槽４内に入るが、気体溶解槽４から離れた位置で発生した気泡２は被処理水流入管５の天井にぶつかってしまう。図１１では、被処理水流入管５の気体溶解槽４への接続端から上流側へ距離Ｌまでの範囲内に気泡発生孔５ａがあれば（気体供給管６ａ〜６ｃ）、気泡２が被処理水流入管５の天井にぶつからない。
【００３９】
これに対して、距離Ｌよりも遠い位置に気泡発生孔５ａがあると（気体供給管６ｄ）、気泡２が被処理水流入管５の天井にぶつかってしまう。気泡２が被処理水流入管５の天井に接触すると、そこで気泡２が滞留して気泡２の合一が生じてしまう。従って、気泡発生孔５ａは、気体溶解槽４の近傍、即ち距離Ｌの範囲内に設けるのが好適である。
【００４０】
なお、気泡発生孔５ａを気体溶解槽４に設けることも可能ではあるが、気泡生成時の気泡径が遙かに大きくなるため、好ましくない。
【００４１】
また、図１１の気体供給管６ａ〜６ｃのように、被処理水の流れの方向（Ｘ軸方向）に互いに間隔をおいて複数箇所から気体を供給する場合、上流側の気泡発生孔５ａで発生した気泡２と下流側の気泡発生孔５ａで発生した気泡２とが合一しないように、気泡発生孔５ａの間隔Ｄを所定寸法以上確保する必要がある。
【００４２】
さらに、図１２は図８の被処理水流入管５の幅方向（被処理水の流れに直角かつ水平な方向：Ｙ軸方向）に沿って複数の気泡発生孔５ａを設けた場合の気泡２の挙動を示す説明図（俯瞰図）である。この場合、気泡２が水平方向へ振動しながら移動することを考慮し、互いに隣接する気泡発生孔５ａで発生した気泡同士が合一しないように、気泡発生孔５ａの間隔Ｗを所定寸法以上確保する必要がある。また、被処理水流入管５の内壁（側壁）と気泡発生孔５ａとの間の間隔Ｔも所定寸法以上確保することが好ましい。
【００４３】
さらにまた、気泡発生孔５ａの位置は、被処理水流入管５の上下方向（図１１のＺ軸方向）の半分以下が好ましく、特に最下部が好適である。
【００４４】
また、図１１に示すように、気泡発生孔５ａ（材料：ＳＵＳ３０４）から発生した気泡２は、被処理水流下方向（Ｘ軸方向）に対して一定の角度（気泡上昇角度θＡ）で上昇するが、上記のような好ましい条件、即ち被処理水の流速：０．５〜５．０ｍ／秒、Ｇ／Ｌ：０．００１〜０．５、気泡発生孔５ａの孔径：０．０１〜１ｍｍの条件において、気泡上昇角度θＡは、被処理水の流速によってほぼ決まることを本発明者らは明らかにした。さらに、被処理水の流速が０．５〜５．０ｍ／秒で、気泡発生孔径が０．１ｍｍの場合、発生する気泡の径ｄが１ｍｍであることも分かった。なお、被処理水流入管５の材料は透明アクリルである。
【００４５】
図１３は被処理水の流速と気泡上昇角度（θＡ）との関係を示すグラフである。この図に示すように、被処理水の流速から気泡上昇角度（θＡ）が決まるため、図１１に示す気泡発生孔５ａから被処理水流入管５の天井までの高さＨを被処理水の流速、流量、被処理水流入管５の断面積及び断面形から求めれば、距離Ｌは、Ｌ＝Ｈ／ｔａｎθＡから求められる。
【００４６】
また、被処理水流下方向（Ｘ軸方向）に隣接する気泡発生孔５ａから発生する気泡２同士が合一しないようにする必要があるため、気泡発生孔５ａの間隔ＤがＤ＝ｄ／ｔａｎθＡから求められる。これによって求められた間隔Ｄは最小値であり、間隔Ｄはこれ以上の値であればよい。以上から、被処理水流下方向（Ｘ軸方向）に設置できる気泡発生孔５ａの数が決定される。
【００４７】
さらに、図１２に示すように、気泡発生孔５ａから発生した気泡２は水平方向（Ｙ軸方向）に一定の範囲内で振動しながら被処理水流下方向へと移動する。この範囲を被処理水流下方向（Ｘ軸方向）に対する気泡振動角度（θＢ：気泡の広がる方向の気泡の外側と気泡発生孔５ａとを結ぶ線と被処理水流下方向に平行な線とで生じる角度）とすると、上記のような好ましい条件、即ち被処理水の流速：０．５〜５．０ｍ／秒、Ｇ／Ｌ：０．００１〜０．５、気泡発生孔５ａの孔径：０．０１〜１ｍｍの条件において、気泡振動角度θＢは、被処理水の流速によってほぼ決まることを本発明者らは明らかにした。
【００４８】
図１４は被処理水の流速と気泡振動角度（θＢ）との関係を示すグラフである。この図に示すように、被処理水の流速から気泡振動角度（θＢ）が決まるため、被処理水流入管５の幅方向の気泡発生孔５ａの間隔Ｗは、Ｗ＝２ＬｔａｎθＢから求められる。
【００４９】
また、被処理水流入管５の内壁と気泡発生孔５ａとの間の間隔Ｔは、Ｔ＝ＬｔａｎθＢから求められる。図１２に示す被処理水流入管５の幅方向両側の内壁間寸法Ｓを、被処理水の流速、流量、被処理水流入管５の断面積及び断面形から求めれば、被処理水流入管５の出口からＬの距離にある気泡発生孔５ａの数ＰＬは、Ｓ＝２Ｔ＋（ＰＬ−１）×Ｗ、即ちＰＬ＝｛（Ｓ−２Ｔ）／Ｗ｝＋１から求めることができる。
【００５０】
さらに、上記のようにＸ軸方向の気泡発生孔５ａの数も求められているため、Ｌ→Ｌ−Ｄ、Ｌ−２Ｄ、Ｌ−３Ｄ、・・・・・としてＬの値が０になるまでの範囲でＷとＴとを算出し、各Ｌ−Ｄ、Ｌ−２Ｄ、Ｌ−３Ｄ、・・・・・のＹ軸方向の気泡発生孔５ａの数を求め、それらを合算することによって、気泡２を合一させることのない気泡発生孔５ａの総数が求められる。
【００５１】
その際、Ｗ及びＴも、Ｌ、Ｌ−Ｄ、Ｌ−２Ｄ、Ｌ−３Ｄ、・・・・・の値によって変化するため、各Ｌ、Ｌ−Ｄ、Ｌ−２Ｄ、Ｌ−３Ｄ、・・・・・の値のＷ及びＴを計算する。しかし、実際には、上記で求めたＹ軸方向の気泡発生孔５ａの範囲は、ＷとＴと気泡発生孔５ａの数の算出結果とからさらに制限されることになる（気泡発生孔５ａの数が１未満になるＬの範囲が存在するため）。
【００５２】
また、被処理水流入管５の気体溶解槽４との接続部（気体溶解槽４との接点よりもほんの僅かに被処理水流入管５側、より正確には気泡径ｄだけ被処理水流入管５側）には、（Ｓ／ｄ）−１の数だけ気泡発生孔５ａを設置できる。なお、気泡径ｄは予め測定しておくことが望ましいが、被処理水の流速が０．５〜５．０ｍ／秒で、気泡発生孔径が０．０１〜０．５ｍｍの場合、気泡径ｄは大きくてもおよそ１ｍｍ程度である。
【００５３】
図１３及び図１４に示した関係は、上記のような条件、即ち被処理水の流速：０．５〜５．０ｍ／秒、Ｇ／Ｌ：０．００１〜０．５、気泡発生孔５ａの孔径：０．０１〜１ｍｍの条件において成立するものである。しかし、気泡２の合一抑制の効果を高めるためには、被処理水の流速と気泡上昇角度θＡ及び気泡振動角度θＢとの関係を予め把握しておくことが望ましい。
【００５４】
例えば、被処理水流量ＱＬが１２Ｌ／分で、気体流量ＱＧが０．１Ｌ／分の条件において、被処理水流入管５内の流路の断面形状が長方形でＨ＝１ｃｍ、Ｓ＝２ｃｍ（断面積：２ｃｍ２）であるとすると、被処理水の流速Ｖ＝１．０ｍ／秒となる。
【００５５】
そこで、気泡径ｄ＝１ｍｍとして、図１３及び図１４からＬ、Ｄ、Ｗ、Ｔ、ＰＬ、（Ｓ／ｄ）−１を求めると、以下のように計算され、Ｌ−６Ｄ、Ｌ−７Ｄ、Ｌ−８Ｄ、Ｌ−９ＤのＰＬがそれぞれ１、１、２、４の計８個となり、最終的な気泡発生孔５ａの数は８＋１９＝２７個となる。
【００５６】
Ｌ＝Ｈ／ｔａｎθＡ＝３８．２
Ｄ＝ｄ／ｔａｎθＡ＝３．８
Ｗ＝２ＬｔａｎθＢ＝４．８、４．３、・・・・・
Ｔ＝ＬｔａｎθＢ＝２．４、２．２、・・・・・
ＰＬ＝｛（Ｓ−２Ｔ）／Ｗ｝＋１＝１、１、２、４（Ｌ−６Ｄ〜Ｌ−９Ｄ）
（Ｓ／ｄ）−１＝１９
【００５７】
また、被処理水流入管５の流路の断面形状については、Ｈをできるだけ小さくし、Ｓをできるだけ大きくすることが好ましい。これによって、気泡発生孔５ａの数を大きくすることができる。例えば、被処理水流量ＱＬが１２Ｌ／分で、気体流量ＱＧが０．１Ｌ／分の条件において、被処理水流入管５の流路の断面形状が長方形でＨ＝０．５ｃｍ、Ｓ＝４ｃｍ（断面積２ｃｍ２）であるとすると、被処理水の流速Ｖ＝１．０ｍ／秒となる。上記同様Ｌ、Ｄ、Ｗ、Ｔ、ＰＬ、（Ｓ／ｄ）−１を求めると、以下のように計算され、Ｌ、Ｌ−１Ｄ、Ｌ−２Ｄ、Ｌ−３Ｄ、Ｌ−４Ｄ、Ｌ−５ＤのＰＬがそれぞれ１、２、２、４、８の計１７個となり、最終的な気泡発生孔５ａの数は１７＋３９＝５６個となる。
【００５８】
Ｌ＝Ｈ／ｔａｎθＡ＝１９．１
Ｄ＝ｄ／ｔａｎθＡ＝３．８
Ｗ＝２ＬｔａｎθＢ＝２．４、１．９、・・・・・
Ｔ＝ＬｔａｎθＢ＝１．２、１．０、・・・・・
ＰＬ＝｛（Ｓ−２Ｔ）／Ｗ｝＋１＝１、２、２、４、８（Ｌ〜Ｌ−５Ｄ）
（Ｓ／ｄ）−１＝３９
【００５９】
ここで、図１５は実施の形態１によるオゾン吸収率を２つの比較例と比較して示すグラフである。比較例１は被処理水流入管５の代わりにエゼクタを用いた場合、比較例２は気体溶解槽４の底部に散気板を置いた場合である。また、オゾン吸収率は、定常状態のオゾン吸収率（注入オゾン濃度と排出オゾン濃度との差を注入オゾン濃度で割って％表示したもの）である。
【００６０】
なお、条件としては、被処理水流量ＱＬが１２Ｌ／分、気体流量ＱＧが０．１Ｌ／分、気体溶解槽４の滞留時間が５分、気体溶解槽４の水深が５０ｃｍ、オゾン濃度１００ｇ／ｍ３Ｎ（Ｎは標準状態、即ち０℃、１気圧換算であることを表す）、水温２０度、被処理水ｐＨ６．９である。また、実施の形態１の装置における被処理水流入管５内の被処理水流速は１ｍ／秒である。
【００６１】
図１５に示すように、実施の形態１の装置のオゾン吸収率が７２％と最も高く、実施の形態１の装置によりもオゾンを効率的に溶解させることができることが分かった。
【００６２】
このように、気体を液体に溶解させる際に気泡の合一を抑制して気体溶解槽４へ送りこむことによって、気体の溶解効率を高めることができる。これにより、気体溶解槽４の水深を低くすることが可能となり、装置全体の小型化を図ることもできる。
【００６３】
なお、被処理水流入管５は、気体溶解槽４の下方にスペースを確保できれば、気体溶解槽４の底部に垂直又は斜めに接続してもよい。
また、被処理水は、ポンプで圧送しても、気体溶解槽４との水頭差を利用して供給してもよい。
さらに、被処理水流入管５の断面形状は、例えば長方形、正方形、円又は楕円など、任意の形状でよい。
さらにまた、被処理水流入管５の断面積は、被処理水の流下方向に一様としても、被処理水の流下方向に沿って変化（例えばテーパ状）させてもよい。
【００６４】
また、適用する気体及び液体は特に限定されるものではない。例えば、気体としては、オゾン、空気、酸素、窒素又は塩素等を適用することができ、液体としては、水道水、湖沼水、河川水、地下水、下水又は工場排水等を適用することができる。
さらに、気泡発生孔５ａを形成する材料はステンレス鋼に限定されるものではなく、例えばコンクリート、又は焼結金属等を適用することができる。
さらにまた、気体供給管６の材料も特に限定されるものではなく、例えばステンレス鋼、コンクリート又は焼結金属等を適用することができる。
また、気泡発生孔５ａの断面形状は円形に限定されるものではなく、例えば楕円形、長方形、正方形又は菱形等であってもよい。
【００６５】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２では、実施の形態１の気体溶解装置の構造を利用して下水処理を行う。
【００６６】
現在の下水処理場では、下水処理された処理水は、最終的には塩素消毒されて河川や海域へ放流されている。また、塩素による殺菌効果を保つために（下水放流基準：大腸菌３０００個／ｍＬ未満）、塩素注入後に十分な接触時間を保つ必要があり、水深が２〜３ｍの非常に長い流路を持つ塩素混和池を経由して放流される。
【００６７】
しかし、塩素消毒にはいくつか問題点、例えば、生物多様性の低下、遊離塩素と有機物との反応によるトリハロメタンの生成、結合塩素の残留性大、放流水の臭いや色の残留、放流水域の下流に浄水場取水口又は漁場等がある場合の安全性の懸念等がある。そこで、残留性がなく、臭いや色も除去でき、トリハロメタンを低減できるオゾンに注目が集まっている。
【００６８】
オゾン処理を効率的に行うためには、オゾンを効率的に溶解させることが必須である。しかし、通常は、オゾンを効率的に溶解させるために、オゾン反応塔の高さを５〜１０ｍと高くする必要があるため、下水処理水の消毒には新たにオゾン反応槽を設ける必要があった。これに対し、実施の形態２では、塩素混和池をオゾン反応槽として利用する。
【００６９】
図１６は塩素混和池を示す平面図（俯瞰図）、図１７は図１６の塩素混和池の断面図である。図において、塩素混和池本体１１には、塩素が混和された下水二次処理水を蛇行させる処理水流路１１ａが設けられている。処理水流路１１ａの入口部には、下水二次処理水に塩素を混合する塩素混合部１２が設けられている。
【００７０】
塩素混和池本体１１の有効深さ、即ち処理水流路１１ａにおける水深は、２ｍしかない。そこで、実施の形態２では、塩素混合部１２を実施の形態１で示した気体溶解装置（図８）に置き換え、塩素混和池本体１１を気体溶解槽４として利用する。これにより、塩素混和池本体１１を、長さ数十ｍのオゾン溶解槽として機能させることができる。また、図８の被処理水流入管５は下水二次処理水流入管として、気体供給管６はオゾンガス供給配管として、処理水流出管７は下水処理水流出管として、気体排出管８はオゾンガス排出管としてそれぞれ機能させる。
【００７１】
次に、実施の形態２のオゾン溶解方法について説明する。まず、下水二次処理水が被処理水流入管５に導入され、次いで、気体供給管６を通して被処理水流入管５内にオゾンガスが供給される。このとき、気泡発生孔５ａから発生した気泡は、他の気泡とは合一することなく、発生直後の気泡径を維持しつつ、下水二次処理水とともに気体溶解槽４、即ち塩素混和池本体１１へと送り込まれる。
【００７２】
この後、気泡は、塩素混和池本体１１内で分散され、合一することなく塩素混和池本体１１内を上昇し、塩素混和池本体１１内で気液分離される。この過程で、オゾンガスが下水処理水中に効率良く溶解され、大腸菌等の微生物が殺菌される。そして、処理水は処理水流出管７、即ち出口１１ｂから塩素混和池本体１１外へ流出され、気体は気体排出管８から塩素混和池本体１１外へ排出される。
【００７３】
ここで、処理水量４３０００ｍ３／日、オゾン注入率を５ｍｇ／Ｌ、発生オゾン濃度１５０ｇ／ｍ３Ｎとすると、必要なオゾンガス流量は、１４３３ｍ３／日、即ち９９５Ｌ／分である。下水二次処理水の被処理水流入管５内での流速を１．０ｍ／秒となるようにするには、被処理水流入管５の断面形状を長方形でＨ＝６ｃｍ、Ｓ＝２７ｃｍ（断面積１６２ｃｍ２）とする。また、気泡径ｄ＝１ｍｍとして、図１３及び図１４からＬ、Ｄ、Ｗ、Ｔ、ＰＬ、（Ｓ／ｄ）−１を求めると、以下のように計算され、Ｌ−４、Ｌ−５、・・・・・、Ｌ−５９のＰＬがそれぞれ１、１、・・・・・、５６の計２３９個となり、最終的な気泡発生孔５ａの数は２３９＋２６９＝５０８個となる。
【００７４】
Ｌ＝Ｈ／ｔａｎθＡ＝２２９．１
Ｄ＝ｄ／ｔａｎθＡ＝３．８
Ｗ＝２ＬｔａｎθＢ＝２８．８、２８．４、・・・・・
Ｔ＝ＬｔａｎθＢ＝１４．４、１４．２、・・・・・
ＰＬ＝｛（Ｓ−２Ｔ）／Ｗ｝＋１＝１〜５６（Ｌ−４〜Ｌ−５９Ｄ）
（Ｓ／ｄ）−１＝２６９
【００７５】
このように、塩素混和池の流入口を実施の形態１と同様の気体溶解装置に交換し、そこからオゾンガスを注入することによって、塩素混和池をオゾン反応槽として利用することが可能となる。その結果、塩素を用いずに、大腸菌３０００個／ｍＬ未満というオゾン下水放流基準を達成することができる。なお、オゾンガス流量を小さくするため、オゾン濃度はできるだけ高くするのが好ましく、その結果、より多くのオゾンを溶解させることが可能となる。
【００７６】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。塩素混和池をオゾン反応槽として利用する場合、既存の塩素混和池の流入部に気体溶解装置を設置することが困難な場合や気泡発生量が不足する場合も想定される。実施の形態３は、このような問題に対処可能な装置である。
【００７７】
図１８はこの発明の実施の形態３による下水処理装置の断面図、図１９は図１８の要部を拡大して示す断面図、図２０は図１９の気泡発生孔形成部材を矢印ＸＸ方向から見た正面図、図２１は図１９のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面図である。
【００７８】
図において、塩素混和池を利用した気体溶解槽２１には、被処理水（下水二次処理水）が流入される流入部２１ａと、処理水が流出される流出部２１ｂとが設けられている。気体溶解槽２１内の流入部２１ａ近傍には、気泡発生孔形成部材（筐体）２２が設置されている。気泡発生孔形成部材２２には、被処理水の流路となる断面円形の開口２２ａが設けられている。開口２２ａの断面積は、気体溶解槽２１における被処理水の流路の断面積よりも小さくなっている。
【００７９】
開口２２ａの底面には、気泡発生孔２２ｂが設けられている。気泡発生孔２２ｂには、オゾンガス供給配管２３が接続されている。
【００８０】
上述のように、気泡径は、被処理水の流速が大きいところに気泡発生孔５ａを設けることにより小さくできる。そこで、実施の形態３では、気体溶解槽２１内に気泡発生孔形成部材２２を設置するとともに、気泡発生孔形成部材２２に開口２２ａを設けることにより、被処理水流路の断面積を絞り、その絞った部分に気泡発生孔２２ｂを設けている。
【００８１】
気泡発生孔形成部材２２には、気体溶解槽２１内に設置するためのボルト貫通孔、及び運搬のための取手等が設けられている。また、気泡発生孔形成部材２２の材料としては、例えばステンレス鋼、プラスチック、又はコンクリート等を用いることができる。
【００８２】
このような下水処理装置によれば、開口２２ａの内周面に気泡発生孔２２ｂが設けられた気泡発生孔形成部材２２を気体溶解槽２１内に設置したので、既存の塩素混和池の流入部に気体溶解装置を設置することが困難な場合であっても、実施の形態２と同様に径の小さい気泡を多量に発生させることができ、より多くのオゾンを溶解させることが可能となる。
【００８３】
実施の形態４．
次に、図２２はこの発明の実施の形態４による下水処理装置の断面図である。この例では、複数の気泡発生孔形成部材２２が被処理水の流下方向に沿って並べて設置されている。オゾンガス供給配管２３の先端部は、複数に分岐され、それぞれ気泡発生孔２２ｂに接続されている。他の構成は、実施の形態３と同様である。
このような構成によって、さらに多くのオゾンを被処理水に溶解させることができる。
【００８４】
実施の形態５．
次に、図２３はこの発明の実施の形態５による下水処理装置の要部断面図であり、図１９のＸＸＩ−ＸＸＩ断面に相当する。この例では、複数の気泡発生孔形成部材２２が気体溶解槽２１内の被処理水流路の幅方向に並べて設置されている。オゾンガス供給配管２３の先端部は、複数に分岐され、それぞれ気泡発生孔２２ｂに接続されている。他の構成は、実施の形態３と同様である。
このような構成によって、さらに多くのオゾンを被処理水に溶解させることができる。
【００８５】
なお、実施の形態２〜４では、塩素混和池を気体溶解槽２１として利用したが、液体を水平方向に流す流路を持つ槽であれば種々の槽を気体溶解槽２１として利用することができる。
また、実施の形態４、５を組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】気泡が発生してから液体中に供給されるまでの気泡の変化を模式的に示す説明図である。
【図２】図１の場合よりも気体流量が小さい場合の気泡の変化を模式的に示す説明図である。
【図３】図２の場合よりも液体流速が小さい場合の気泡の変化を模式的に示す説明図である。
【図４】上方から見たときの気泡の振動角度を模式的に示す説明図である。
【図５】図４の場合よりも液体流速が大きい場合の気泡の振動角度を模式的に示す説明図である。
【図６】気泡の上昇角度を模式的に示す説明図である。
【図７】図６の場合よりも液体流速が大きい場合の気泡の上昇角度を模式的に示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１による気体溶解装置を示す構成図である。
【図９】図８のＩＸ部の断面図である。
【図１０】図９の気泡発生孔の開口部を示す平面図である。
【図１１】図８の気体供給管の被処理水流入管への接続位置を被処理水の流れの方向に変化させた場合の気泡の挙動を模式的に示す説明図である。
【図１２】図８の被処理水流入管の幅方向に沿って複数の気泡発生孔を設けた場合の気泡の挙動を示す説明図である。
【図１３】被処理水の流速と気泡上昇角度との関係を示すグラフである。
【図１４】被処理水の流速と気泡振動角度との関係を示すグラフである。
【図１５】実施の形態１によるオゾンガスの吸収率を２つの比較例と比較して示すグラフである。
【図１６】塩素混和池を示す平面図である。
【図１７】図１７は図１６の塩素混和池の断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態３による下水処理装置の断面図である。
【図１９】図１８の要部を拡大して示す断面図である。
【図２０】図１９の気泡発生孔形成部材を矢印ＸＸ方向から見た正面図である。
【図２１】図１９のＸＸＩ−ＸＸＩ線に沿う断面図である。
【図２２】この発明の実施の形態４による下水処理装置の断面図である。
【図２３】この発明の実施の形態５による下水処理装置の要部断面図である。
【図２４】被処理水の流速に対する平均気泡径の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
２  気泡、４，２１  気体溶解槽、５  被処理水流入管（液体流入管）、５ａ，２２ｂ  気泡発生孔、２２  気泡発生孔形成部材、２２ａ  開口。
【図１】
2010029743.tif 000003
【図２】
2010029743.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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