(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定径及び長さの中空円筒を立設し、その下端入口にエアーの吹出管を挿置し、中空円筒内には水流を螺旋状に案内するガイドベーンと、このガイドベーンで形成される旋回上昇流に作用してこの流れに含まれる気泡を微細化する気泡微細化手段とをこの順に設け、気泡微細化手段が中空円筒より小径の円柱体と、中空円筒と円柱体との間に設けた複数の突起とを備え、吹出管からのエアーによる旋回上昇流を突起に衝突させることにより気泡を微細化するようにして成る微細化気泡水生成装置。
【請求項２】
前記複数の突起を円柱体の軸方向に所定の間隔を置いた複数の円周上にそれぞれ所定角度配置でかつ、軸方向に見た複数の突起が互いに重ならないように配設したことを特徴とする請求項１に記載の微細化気泡水生成装置。
【請求項３】
前記複数の突起を円柱体の下から上への軸方向で見て互いに隣接する円周上の隣接する突起間で右ねじ又は左ねじの進む方向に所定角度ずつ異なる位置に配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の微細化気泡水生成装置。
【請求項４】
前記複数の突起を中空円筒と円柱体の間のスペースに円柱体の半径方向にかつ円柱体に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微細化気泡水生成装置。
【請求項５】
前記ガイドベーンが、複数の垂直ガイド板とこれに接続される複数の曲面ガイド板とから成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微細化気泡水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工場排水等の汚れを浄化するため微細化気泡水を生成する気泡水生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
河川や工場排水路が汚染された場合、その汚れを浄化するためにはその汚濁水に微生物を繁殖させて微生物に汚濁成分を消化させることにより処理する方法が最も一般的である。このような処理方法では、微生物を繁殖させるため汚濁水に曝気装置により微細な気泡を混合して微生物群の生存し易い環境を整えることが効果的である。この曝気装置としては、種々の形式のものが知られており、特にパイプ内に空気と水の流れを導き、内部で微細気泡水の流れを生じさせる形式のものはエアレータと呼ばれている。その代表的な例を図６、図７に示す。
【０００３】
従来のエアレータＡは、図示していないが浄化しようとする汚泥池、汚泥槽内の下底の適当な位置に設置されるものであり、その構成は図示のように、中空円筒状のパイプ１（１Ｂ、１ａ〜１ｆ）に対してその下端２から上方へエアーを送り出す吹出管３を設け、排出されるエアーの流れで水に上昇流れを生じさせると共にエアーの気泡を混入し、パイプ部分１Ｂの内部に設けたガイド４によりその上昇流に旋回動を付与し、パイプ部分１Ｂの上に多段にパイプ部分１ａ〜１ｆを積層して形成されている。
【０００４】
ガイド４はパイプ部分１Ｂ内で、２つの半月板を互いに逆向きの傾斜を以て取付け、上昇流に旋回動を付与する役目をする。多段に設けられたパイプ部分１ａ〜１ｆは、１つ置きに同一形状であり、それぞれのパイプ内周に６０°ピッチで半径方向中心側へ突出する複数（図示の例では６つ）の突起５がパイプ部材と一体に形成されたものから成り、そのパイプ部分を１段毎に３０°異なる突起配置となるように多段に積層されて成る。突起５・・・は丸棒の先端にボール５ａが形成されており、ボール５ａ・・・の中心を通る曲線が所定半径円となる位置まで延びており、中心部分は中空スペースとなっている。
【０００５】
パイプ部分１ａ〜１ｆのそれぞれは、図７に示すように、短いパイプの両端に四角形の鍔６が形成され、それぞれの鍔６の隅に設けた穴６ａに締付ボルト７が挿通される。そして、パイプ部分１Ｂの上端に形成された鍔６と同じ形状の鍔（図示せず）に締付ボルト７を挿通しその下端をナットで締結してパイプ部分１ａ〜１ｆをパイプ部分１Ｂに取付ける。
【０００６】
上記の構成のエアレータでは、吹排出管３から吐出されるエアーで上昇流が形成され、エアーと水が混合された上昇流がガイド４の作用で旋回流となり、上半部のパイプ部分１ａ〜１ｆを通過する際に多数の突起５・・・と衝突することにより上昇流に含まれるエアーの気泡が細かく砕かれて微細気泡となり、上端のパイプ部分１ｆからさらに上昇して汚泥池や汚泥槽内で旋回し、汚泥水内に生息する微生物に酸素を供給してこれら微生物を活性化する。活性化された微生物は汚泥中の各種物質を分解して汚染物質が除去されることとなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したエアレータ方式の曝気装置は、他の形式のもの、例えば混合気泡をノズルから噴出するノズル形式、あるいは混合羽根をモータ等により回転させて攪拌する攪拌形式のものに比して種々の点で優れているとされる。一般に、上記エアレータ方式のものは、汚泥池や汚泥槽全域に対し均一に攪拌ができ、水への酸素溶解効率が大きく、微生物群の生息域を破壊しないなどの点で他の形式のものより優れている。又、目詰りが起き難く、間欠運転ができ、装置が頑強で耐用性があり、メンテナンスが容易で、運転コストが安いなどの利点もある。
【０００８】
しかしながら、上記エアレータは中心側へ向う突起の中心部分は中空スペースとなっており、このため旋回流の大部分が中空スペース内を旋回しながら上昇する可能性があり、旋回流の外側部分は突起と衝突して水と気泡の混合流れが細かく砕かれるとしても、この外側部分の旋回流に占める割合が小さいため、気泡流れを微細気泡流れとなるように砕く作用には一定の限界がある。従って、さらに微細気泡流れを効率よく発生させることができるエアレータ方式が望まれている。
【０００９】
この発明は、上記の種々の問題に留意して、旋回流を有効に突起と衝突させ気泡の微細化効率を改善し、微生物の生存環境をより溶存酸素の高い状態にし得る気泡水生成装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、所定径及び長さの中空円筒を立設し、その下端入口にエアーの吹出管を挿置し、中空円筒内には水流を螺旋状に案内するガイドベーンと、このガイドベーンで形成される旋回上昇流に作用してこの流れに含まれる気泡を微細化する気泡微細化手段とをこの順に設け、気泡微細化手段が中空円筒より小径の円柱体と、中空円筒と円柱体との間に設けた複数の突起とを備え、吹出管からのエアーによる旋回上昇流を突起に衝突させることにより気泡を微細化するようにして成る微細化気泡水生成装置としたのである。
【００１１】
上記の構成とした微細化気泡水生成装置は、汚泥池又は汚泥槽などの水底に設置され、工場排水や、河川の汚れによる汚水を浄化するために使用される。この気泡水生成装置には、水底に別途配設される配管に外部からエアーポンプ等でエアーが送り込まれ、そのエアーが吹出管を介して吹出される。このため、エアーによって上昇流が生じ、この上昇流は中空円筒の下端開口から汚水を吸入し、これにエアーが吹出されると気泡となって混合される。
【００１２】
上記気泡を含む汚水の上昇流は中空円筒内で上方へ押し上げられ、ガイドベーンを介して旋回上昇流となり気泡微細化手段の方へと進む。気泡微細化手段まで旋回上昇流が進むと、その流れは円柱体と中空円筒との間の環状スペース内で旋回しながら上昇するが、中心側に円柱体が存在するため、旋回上昇流内の圧力が中心側で大きく低下し、外側では圧力が高いというような大きな圧力勾配とならず、環状スペース内での圧力の分布が内、外で大きく変化しない。
【００１３】
このような圧力分布状態で旋回上昇流が進み、多数の突起に激しく衝突すると、突起により気泡が砕かれて微細化されるため、微細化気泡が流れに均一に混合されて上方へと旋回移動し、中空円筒の上部開口から放出される。この旋回上昇流は、無数の微細化気泡を含んで槽内等に放出されるため、周辺の汚水に旋回しながら合流し、高い酸素溶存性の微細気泡水が混合されることにより、汚水中に好気性微生物が生存し易い環境を作る。このため、汚水池あるいは汚水槽の全体がかかる微生物の作用で浄化されることとなる。
【００１４】
【実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態の気泡水生成装置（エアレータ）の概略縦断面図、図２はその要部の主縦断面である。図示のように、気泡水生成装置１０は、所定径、長さで上下端が開放された中空円筒１１の下端１２からエアーの吹出管１３をその一部が円筒内に入るよう挿置して備えている。この吹出管１３より少し上方位置にガイドベーン１４が設けられ、さらにその上方には気泡微細化手段１６が設けられている。ガイドベーン１４は、上端が所定径に拡がり逆円錐体１４ｃの外周に複数（図示の例では４つ）の垂直ガイド板１４ａと、このガイド板に接続され、かつ曲線状にねじられた形状の曲面ガイド板１４ｂから成る。
【００１５】
図示の逆円錐体１４ｃはその垂直方向の中間で２つに分割したものを嵌合して一体に組立、分離自在な構成とされ、その下半部分に垂直ガイド板１４ａが、上半部分に曲面ガイド板１４ｂがそれぞれの半部分と一体に成形されている。図示の垂直ガイド板１４ａは軸方向からの断面視では十字状に４つのガイド板１４ａがクロスするように半径方向に形成されている。この垂直ガイド板１４ａに接続するように上半部分の曲面ガイド板１４ｂの下端の１部が垂直であり、その立上り部を過ぎるとガイド板１４ｂは螺旋状に曲面を成して上方へ延び上端で終る。
【００１６】
気泡微細化手段１６は、多段（図示の例では６段）に嵌合、組立自在な短い円柱体部分１６ａ〜１６ｆを嵌合して１つの円柱体１６’を形成し、それぞれの円柱体部分１６ａ〜１６ｆにはその外周に所定の角度ピッチで複数の突起１５が円柱体１６’の半径方向に外向きに突出するよう設けられている（図示の例では突起１５は１つの円柱体部分に７つ）。
【００１７】
突起１５は、図示の例では断面が逆三角形状で、エッジ部分で鋭く気泡を微細化できるものとし、長さは中空円筒１１の内面との隙間に相当する長さである。突起１５の形状は、図示の例以外にも四角、五角・・・多角形、円形、楕円形など種々の断面形状のものを使用できる。円柱体部分１６ａ〜１６ｆはそれぞれ互いの嵌合のための突起と嵌合孔の配置のみ異なる（６種類）が、その他の形状は突起１５を含んで同一に形成されている。
【００１８】
前述したガイドベーン１４の中心部の逆円錐体１４ｃの上端は、上記円柱体１６’の下端に同一径で接続されるように設定され、円柱体１６’とガイドベーン１４のそれぞれの中心には貫通孔が形成されており、その貫通孔にねじ棒１７を挿通し、上端側をナットで締結することにより円柱体１６’とガイドベーン１４の両者は一体に組立てられる。最上段の円柱体部分１６ｆとナットの間には取付フレーム１７ａが挟まれ、この取付フレーム１７ａは中空円筒１１の上端に予め両端が溶接により固定されているため、このフレーム１７ａにもねじ棒１７を挿通して締結することにより一体に組立てられた円柱体１６’とガイドベーン１４とが中空円筒１１に取付けられる。
【００１９】
取付フレーム１７ａは、中空円筒１１の上端開口から上方へ流出する旋回上昇流れに大きな邪魔とならない程度の細いバーであればよく、又形状、取付方法もこの取付フレーム１７ａ以外に、円柱体１６’を中空円筒１１に取付けることができる手段であればどんなものでもよい。
【００２０】
上記複数段の円柱体部分１６ａ〜１６ｆを中空円筒１１内に組立てて収納する場合、各円柱体部分の中心に設けたボス部１８とその裏側に設けた凹部、及び円柱体部分の一端面に設けた小突起１９（図３に示すように図示の例では６０°ピッチで６つ）と、これに対応して他端面に設けた小孔（小突起１９と同数）とにより嵌合、組立てできるように形成されている。複数段の円柱体部分１６ａ〜１６ｆを組立てる際には、互いに隣接する例えば円柱体部分１６ａのボス部１８を１６ｂの凹部に対応させ、かつ１６ａの小突起１９を１６ｂの小孔にその円周方向の配置ピッチを合せて押込み、圧入嵌合し、同様な嵌合を円柱体部分１６ｂと１６ｃ、１６ｃと１６ｄ、・・・というようにそれぞれ実施すると円柱体１６’が形成される。
【００２１】
こうして形成された円柱体１６’を図１又は図２のように中空円筒１１内に収納し、組立てると装置の主要部が形成される。円柱体１６’を収納した中空円筒１１の下端外側には予めリブ２１、２１が取付けられており、このリブ２１、２１を接続板２２、２２にボルト止めする。接続板２２、２２は吹出管１３へエアーを送る配管部２３に固定されており、これによりリブ２１、２１、接続板２２、２２を介して配管２３に装置の主要部が取付けられている。
【００２２】
前記複数の円柱体部分１６ａ〜１６ｆに形成されている複数の突起１５、１５・・・と互いの嵌合のための小突起１９と小孔の配置については、複数の円柱体部分１６ａ〜１６ｆが全て同じである。例えば、小突起１９、小孔と突起１５を基準となる半径位置上の同一位置に置き、他の小突起１９、小孔を６０°ピッチで配置し、突起１５については他の突起１５を５１．４３°のピッチで同じ回転方向に配置されている。そして、このような形状で複数の円柱体部分１６ａ〜１６ｆの全てを同じ配置構成で形成したから、円柱体部分１６ａ〜１６ｆのそれぞれを互いに嵌合させ、組立てる際に、全ての円柱体部分の突起１５を円柱体の軸方向に見たときに互いに同一位置に完全に重ならないように互いに必ず少しずつ角度位置がずれた位置に嵌合して組立てられる。このような角度位置関係とするためには、上記以外にも例えば突起１５の数を１１、１３又は１７のような素数とし、円柱体部分の分割数をその素数より１つ少ない数とすれば、突起１５が重ならない配置構造とすることができる。
【００２３】
上記のような複数の突起１５を有する円柱体部分１６ａ〜１６ｆを互いに嵌合して組立てる場合、小突起１９と小孔への嵌合位相位置を種々に選択すると、７のかい乗通りの組合せがあり得る。
【００２４】
このような組合せのうち、図１に示すように、隣接する円柱体部分１６ａと１６ｂ、１６ｂと１６ｃ・・・のそれぞれの突起１５が互いに接近して軸方向にわずかにずれた（８．５７°）位相位置となり、かつそれらの突起１５、１５・・・を連ねた曲線が円柱体１６’の軸方向で下から上に見たときに左ねじの進む方向とするのが最も気泡の微細化効率が良い組合せとされる。但し、この場合、ガイドベーン１４の曲面ガイド板１４ｂが右ねじの進む方向の螺旋状であることが前提となる。つまりガイドベーン１４のねじれの向きと突起１５、１５・・・のねじれの向きが互いに逆向きであればよい。従って、ガイドベーン１４が左ねじの進む方向の螺旋状であれば突起１５、１５・・・は右ねじの進む方向の螺旋状となる。
【００２５】
又、図示の円柱体１６’は、突起１５、小突起１９、ガイドベーン１４を含めて硬質の合成樹脂材で形成され、中空円筒１１はステンレス製のパイプが使用されている。但し、合成樹脂材に代えてステンレス等の材料で円柱体等を形成してもよい。
【００２６】
上記構成の気泡水生成装置を使用する場合、工場内等の汚泥池、あるいは汚泥槽内の水底に没入させて使用する。汚泥池あるいは汚泥槽の外に設置されたエアーポンプ（図示せず）からエアーを送り出し、配管部２３を介して吹出管１３からエアーを吹き出すと、そのエアーの圧力で中空円筒１１内に水の流れが生じ、その水流が中空円筒１１の下端１２の開口から周辺の汚水を吸収（エゼクタ効果）して水流は上昇流れとなって上方へ流れる。
【００２７】
上記上昇流れは、中空円筒１１の開口から少し上方で吹出管１３からのエアーの吹出しによりエアーが混合される際にある程度エアーが小さく砕かれてできる気泡を含んだ流れとして上昇する。この上昇流れは、ガイドベーン１４の垂直ガイド板１４ａで複数列の流れに分割されて曲面ガイド板１４ｂの位置へと進み、この曲面ガイド板１４ｂとその中心部の逆円錐体１４ｃの外周面とにより半径方向へ少しずつ拡がりながら螺旋状にねじられて上昇する。
【００２８】
このとき、吹出管１３からのエアーの吹出圧力が大きく、上昇流の流速が大きい場合は上昇流の直進性の影響が強いため、螺旋状の上昇流となってもそのねじれ率が小さく、例えば図１の符号Ｌ1 で示す螺線流れとなって上昇する。しかし、吹出圧力が小さくなると直進性の影響より曲面ガイド板１４ｂによるねじれが大きくＬ2 の示すような螺線流れとなって上昇する。いずれの螺旋流れであっても、ガイドベーン１４を過ぎると気泡微細化手段１６の円柱体１６’と中空円筒１１との間の環状スペースＳ内を螺旋状に大きく回転（ねじれ）しながら上昇して中空円筒１１の上端の開口から外へと流出する。
【００２９】
上記螺旋流れは環状スペースＳ内を回転しながら上昇する際に円柱体１６’の外周の多数の突起１５・・・に衝突して、この水流に含まれる気泡がさらに微細に砕かれる。このとき、図示の例の突起１５は断面が三角形であるため、そのエッジ部分が気泡に激しく衝突すると小さな気泡がさらに細かく微細になり、流れに混合されて上昇する。
【００３０】
又、図示の例では、上記螺旋流れのねじれの方向は、中心軸を下から上方に向って見た時、右ねじの進む方向であるが、多段状の円柱体部分１６ａ〜１６ｆの互いに隣り合う部分の突起１５、・・・のうち互いに接近して配置された突起１５、１５、・・・の先端を通るように想像線で結ぶと、その螺旋曲線が左ねじの進む方向となるようにそれらの突起が配置されているため、螺旋流れが多数の突起１５、１５・・・と衝突する確率が高く、微細気泡を効率よく流れに混合することができる。
【００３１】
上記のように形成される上昇螺旋流れは、仮りに円柱体１６’を設けずに生じさせたとすると回転上昇速度が大きくなるにつれて中心側の圧力が低く、外側の圧力が高くなるが、図示の例では中心側に円柱体１６’が存在するため、上昇螺旋流れは軸と直角な断面で見ると環状の流れであり、円柱体１６’の外周と中空円筒１１の内径との間の環状スペースＳ内では圧力差が大きくないため、微細気泡は半径位置の内、外いずれでもより均一に流れに混合され、このため酸素溶存効率も高くなる。
【００３２】
図５に多段状の円柱体部分１６ａ〜１６ｆを組立てる際に、突起１５、１５・・・の配列が種々の形態となり得る可能性を示している。（ａ）図は上下に隣り合う円柱体部分の突起１５、１５・・・が右ねじの進む方向に螺旋状をなすよう配列した組合せを示している。（ｂ）図は上下に隣り合う円柱体部分の突起１５、１５・・・が右ねじの進む方向に中間位置まで進むとそこから左ねじの進む方向に変化した配列の組合せを示している。この他にも図示の例では突起１５、１５・・・は１つの円柱体部分につき７つ設けているから、その組合わせは７のかい乗通り、即ち５０４０通り存在する。いずれの組合わせであっても、軸方向に見た突起１５の配列は隣接するもの同士が重ならないように組合わせることができる。
【００３３】
上記実施形態では、複数の突起１５、１５・・・は円柱体１６’の外周にその半径方向に突出するように設けたものを示したが、これらの突起１５、１５・・・は必ずしも円柱体１６’に固定しなくてもよく、例えば中空円筒１１の内周に上記実施形態と同様に固定するようにしてもよい。但し、その場合は、円柱体１６’は複数の円柱体部分を嵌合して形成するのではなく、全体を一体に形成し、反対に中空円筒１１を複数のパイプ部分に分割し、これらを小突起と小孔により嵌合して中空円筒１１を形成するようにしてもよい。又、突起１５、１５・・・は円柱体１６’の半径方向に固定しているが、必ずしも半径方向でなくても、例えば半径方向と少し斜めに形成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、この発明の微細化気泡水生成装置は、中空円筒の下端に設けたエアーの吹出管と、中空円筒内に設けたガイドベーンと、半径方向に設けた複数の突起及び中空円筒より小径の円柱体を有する気泡微細化手段とを備えたから、ガイドベーンで生じる旋回上昇流が円柱体と中空円筒の間のスペースを進む間に多数の突起と衝突して気泡が微細化され、この微細化気泡が均一に旋回上昇流に混合されることにより高効率で高い酸素溶存性の旋回上昇流を生じさせることができ、微生物の生存環境を好適な条件下に改善できるという極めて顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の気泡水生成装置の全体概略構成図
【図２】同上の要部の主縦断面図
【図３】図１の矢視 IIIａ− IIIａ、 IIIｂ− IIIｂから見た断面図
【図４】円柱体部分とガイドベーンの分解斜視図
【図５】円柱体部分の突起の組立変形例の説明図
【図６】従来例のエアレータの（ａ）主縦断面図、及び（ｂ）（ａ）図の矢視Ｂ−Ｂからの断面図
【図７】従来例のエアレータのパイプ部分の外観斜視図
【符号の説明】
１０  気泡水生成装置
１１  中空円筒
１２  下端
１３  吹出管
１４  ガイドベーン
１５  突起
１６  気泡微細化手段
１６’  円柱体
１７  ねじ棒
【図１】
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【図２】
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【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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