(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溢流壁により区画された曝気部と液取出部とを備え、上部が蓋で覆われて実質的に密閉状態になっている水槽と、
液取出部の下部から液を取り出して曝気部に圧送するポンプを有する循環路と、
循環路の吐出端にガスを吸入して気液混相流を形成するように設けられ、かつスロート端部を水槽内の液中に突入させて気液混相流を液中に噴射するように設けられた液−気エゼクタと、
液−気エゼクタから吐出される気液混相流を利用して水槽内上部の液を吸入し、気液混相流と混合するように水没して設けられた液−液エゼクタと、
液−液エゼクタの吐出端に連結されて水槽の底部に向って延び、かつ混合流を下向流で通過させる筒状の下向管と、
溢流壁を溢流する曝気部上面の気泡を曝気処理液とともに排出するように液取出部内に設けられた流出口とを備える曝気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水処理装置等に使用される曝気装置、特に大量のガスを溶解するのに適した曝気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有機性排液の好気性処理では生物の作用により有機物を分解するために曝気が行われる。このような処理に用いられる曝気装置では、大量の酸素を効率よく溶解することが要求される。特に高負荷で好気性処理を行う場合、あるいは高濃度の有機性排液を処理する場合には、大量の酸素を短時間に効率よく溶解することが必要になる。
【０００３】
従来、液体に効率よく酸素含有ガスを溶解する手段として、エゼクタ等のガス吸引手段を用い、気液混相流を反応槽内に噴射する方式が各種提案されている。特に、反応槽内に両端を開口した反応室を設け、気液混相流の運動エネルギーを利用して反応槽内の被処理液を反応室内に吸引し、気液混相流と被処理液を混合させて酸素の分散、溶解を促進する方法は効率が高いとされている。
しかし従来の反応室形状では、高ガス吸入率で大量のガスを吸入した気液混相流を導入すると、反応室内で気泡の合一が起って相分離し易いため、低ガス吸入率または高溶解効率を指向せざるを得なかった。低ガス吸入率で大量の酸素を溶解するためには高酸素濃度ガスを用いる必要があるが、コスト高になる。また空気を用いて高溶解効率を得るための手段には通常１０〜１５ｍ以上の大水深を必要とし、建設コストの増加を招く問題があった。
【０００４】
高酸素濃度のガスを利用することを想定し、気液混相流内の溶解と反応室内の溶解の双方の効果を引き出そうとしたものとして、ベンチュリー管でガスを吸引した気液混相流を、長い流路を移動させて両端が開放した反応室にノズルから噴射し、酸素を溶解する装置が提案されている（特開昭５８−１２８１９４号）。この装置では気液混相流の移動中に気体が相分離するのを防止するために、高流速で移送するか、あるいは高酸素濃度ガスを用いることにより吸入するガスの容積を小さくすることが好ましいとされている。しかし高酸素濃度ガスは高価であり、また安価な通常濃度の空気を使用する場合には、吸入するガスの容量が大きくなって相分離するのを防止するために気液混相流を高流速で移送すると、移動経路における圧力損失が大きくなりやすく、またノズルから噴射する段階でも圧力損失があり、ポンプ必要揚程の増加を招く。
【０００５】
要するにこの装置ではガスを吸入して気流混相流を形成する工程と、この気液混相流中のガスを反応室内の液と混合して溶解する工程を別の工程としてとらえており、ガスの吸入により生成する混相液を長い経路を通して反応室に導くため、この間に圧力損失によって混相流の勢いが小さくなり、反応室におけるガス溶解効率が低下する。これを防止するためには高揚程のポンプを使用する必要があり、装置コストが増加するという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、低水深で低揚程のポンプを用いて大容量のガスを吸入して気液混相流を形成すると同時に、気液混相流の勢いをそのまま利用して大量の液を吸入して混合することができ、これにより大量のガスを大量の液中に効率よく溶解することができ、空気を用いる場合でも少ないエネルギー消費で効率よく大量の酸素を液中に溶解することができる曝気装置を得ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の曝気装置である。
（１）  溢流壁により区画された曝気部と液取出部とを備え、上部が蓋で覆われて実質的に密閉状態になっている水槽と、
液取出部の下部から液を取り出して曝気部に圧送するポンプを有する循環路と、
循環路の吐出端にガスを吸入して気液混相流を形成するように設けられ、かつスロート端部を水槽内の液中に突入させて気液混相流を液中に噴射するように設けられた液−気エゼクタと、
液−気エゼクタから吐出される気液混相流を利用して水槽内上部の液を吸入し、気液混相流と混合するように水没して設けられた液−液エゼクタと、
液−液エゼクタの吐出端に連結されて水槽の底部に向って延び、かつ混合流を下向流で通過させる筒状の下向管と、
溢流壁を溢流する曝気部上面の気泡を曝気処理液とともに排出するように液取出部内に設けられた流出口とを備える曝気装置。
【０００８】
本発明では低揚程ポンプを用い、低水深で、空気のようなガスを大容量で吸引して大量のガスを大容量の液に溶解するために、循環路の吐出端に液−気エゼクタを設けて大容量のガスを吸入する。そして液−気エゼクタと液−液エゼクタを直結して液−気エゼクタのスロートをそのまま液−液エゼクタのノズルとして用い、液−気エゼクタで生成する気液混相流を直接液−液エゼクタに送り込む。これにより気液混相流の勢いを利用して大容量の水槽上部の液を吸入して混合し、混合流を下向管に下向流で通過させて大量のガスを液に溶解する。
【０００９】
ガスとして空気を用い酸素を大量に液中に溶解するためには、まず可能なかぎり大容量のガスを循環流に吸入して気液混相流を生成し、次に可能なかぎり大容量の液を取り込んで気液混相流と混合することにより、混相流の大容量のガスが液中に溶解する。このようなガスおよび液の混入を低エネルギー消費率で行うためには、循環流の勢いを利用して大量のガスを吸入し、そして生成する気液混相流の勢いを低下させることなく、混相流生成直後の勢いをそのまま利用して液を吸入することが重要である。
【００１０】
このため本発明では循環路の吐出端に液−気エゼクタを設けて大量のガスを吸入して液中に微細気泡として分散させるとともに、この液−気エゼクタのスロートを液−液エゼクタのノズルとして用いることによりスロートから吐出される気液混相流の勢いを利用して大量の水槽上部の液を吸入して混合する。循環流中に液−気エゼクタを用いて空気を吸入すると、循環流の勢いと吸入された空気の勢いが合わさって強大な勢いの気液混相流が形成されるので、その混相流を液−気エゼクタのスロートから、これに直結した液−液エゼクタに直接噴出させると、生成直後の気液混相流の勢いをそのまま利用して液の吸入を行うことができる。これに対して生成した気液混相流を長い管路を通して移送すると気液相分離により勢いは減少し、しかも管路抵抗のため圧力損失が大きくなる。
【００１１】
本発明では気液混相流の勢いを利用して液を吸入することにより大量の液を吸入できるとともに、吸入される液の勢いを利用して気泡をさらに細分化することができる。このように気泡を細分化した状態でも緩やかな攪拌下におくと気泡が合一しやすいが、筒状の下向管を下向流で通過させると、気液の上昇力に反する方向に液が流れるため気泡が激しく攪拌され、合一を防ぐとともに酸素の溶解性が高くなる。
【００１２】
本発明の曝気装置では水槽から液をポンプにより取り出して、循環路を通して圧送するように構成するのが好ましい。水槽は上記の曝気を行えるように形成されるが、溢流壁により曝気部と液取出部とに区画し、循環路は液取出部から曝気部へ液を循環するように構成する。この混合液取出部には曝気部との水頭差で液を流出させるように、溢流壁より低い位置に流出口を設けると、曝気部上面の気泡を処理液とともに排出できるので好ましい。また曝気部および液取出部を含む水槽の上面を、液−気エゼクタを含めて蓋で覆って実質的に密閉構造にすると、吸入された空気の圧力を利用して気泡を排出できる。
【００１３】
液−気エゼクタは循環路の末端であって、水槽の特に曝気部の液面より上部に、スロートの端部が液面下に突入するように設けられる。液−気エゼクタは循環路の末端に設けられるノズルと、このノズルを囲むように設けられる吸入室と、吸入室に開口する吸気口と、吸気室の先端に液面に突入するように形成されるスロートとから構成することができる。
液−液エゼクタは液−気エゼクタのスロートをノズルとし、このノズルに対向するように液中に設けられるスロートと、ノズルおよびスロート間に形成される吸液口とから構成することができる。
【００１４】
液−気エゼクタは液を噴射することにより気体を吸入するエゼクタであり、液−液エゼクタは液を噴射することにより液を吸入するエゼクタである。液−気エゼクタのノズルはそのスロートに対向するように上下方向の直線上に設けると、循環流の勢いを減殺しないので好ましい。液−気エゼクタのスロートすなわち液−液エゼクタのノズルも液−液エゼクタのスロートに対向するように、上下方向の直線上に設けると気液混相流の勢いを減殺しないので好ましい。液−気エゼクタのスロートは先端を絞らないで管状の状態で開口させると、気液混相流の勢いを減殺しないので好ましい。液−液エゼクタのスロートは中間部を絞り、吸入側および吐出側を拡管したものが好ましい。吐出側には拡管した口径の下向管が水槽底部に開口するように接続される。
【００１５】
液−気エゼクタのノズルの口径をＤ１、液−気エゼクタのスロート（液−液エゼクタのノズル）の口径をＤ２、液−液エゼクタのスロート（最狭部）の口径をＤ３とするとき、Ｄ１／Ｄ２＝０．５〜０．８、Ｄ２／Ｄ３＝０．４〜０．７とするとそれぞれのガスおよび液の吸入量が大きくなり好ましい。液−気エゼクタのスロートの長さは直径の４〜１０倍にすると、気液混相流の勢いを保持してガスおよび液の吸入量を大きくできるので好ましい。また液−液エゼクタのスロート部（最狭部）の長さはその直径の５〜１５倍にすると、圧損を小さくして気泡を微細化できるため好ましい。
【００１６】
上記の曝気装置ではポンプを駆動して水槽の液を、好ましくは液取出部から取り出し、循環路を通して水槽の好ましくは曝気部に循環すると、循環流は液−気エゼクタのノズルから吸入室を通してスロートに噴射され、この時の吸引力によりガスが吸気口から吸入されて気液混相流が生成し、スロートから吐出される。このとき気液混相流は液−液エゼクタのスロートに向けて噴射することより、その勢いを利用して吸液口から水槽上部の液を吸入し、気液混相流と混合して気泡を細分化し酸素を溶解させる。液−液エゼクタのスロートから吐出される混合流はさらに下向管を下向流で通過することにより、気泡の上昇力を利用して気泡を細分化した状態で水槽内に放出する。気泡は水槽内を上昇する間にも液中に溶解し、液面から泡として液取出部に入り、処理液とともに流出部から流出する。泡を含む処理液は次段の低負荷活性汚泥装置における曝気槽の液面上に落下させるか、またはその液面下の浅い位置に送液管を開口し、水槽内の排ガスの排出を妨げないようにする。
【００１７】
上記の曝気装置では循環路の末端に液−気エゼクタを設けて気液混相流を生成させ、その吐出流を直接液−液エゼクタに噴射して水槽上部の液を吸入して混合するため、圧力損失が少なく、気液混相流の勢いを利用して液を大量に吸入して混合して酸素を溶解することができる。これによりエネルギー消費率が低く、効率よくガスを液中に溶解することができる。
【００１８】
本発明において曝気を行う被処理液としてはガスを溶解するものであれば制限はないが、有機性排液などの酸素を溶解して処理を行うものが好ましい。このような被処理液の曝気は活性汚泥法のような好気性生物処理に利用されるものが典形的であり、ＢＯＤ除去、窒素除去等の水処理に利用される。好気性処理としては特に高ＢＯＤ負荷で曝気を行う装置に適しており、ＢＯＤ槽負荷が２〜４０ｋｇ−ＢＯＤ／ｋｇ−ＶＳＳ／ｄで処理を行う場合に大量の酸素を効率よく溶解して処理を行うことができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、循環路の吐出端に液−気エゼクタ、液−液エゼクタおよび下向管を直結するように設けたので、低水深で低揚程のポンプを用いて大容量のガスを吸入して気液混相流を形成すると同時に、気液混相流の勢いをそのまま利用して大量の液を吸入して混合することができ、これにより大量のガスを大量の液中に効率よく溶解することができ、空気を用いる場合でも少ないエネルギー消費で効率よく大量の酸素を液中に溶解することができる。また水槽を溢流壁により曝気部と液取出部とに区画し、上部を蓋で覆って実質的に密閉状態にし、液取出部の下部から液を取り出して曝気部に圧送し、溢流壁を溢流する曝気部上面の気泡を曝気処理液とともに流出口から排出するようにしたため、泡の排出を促進することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は実施形態の曝気装置の垂直断面図である。
図１において、１は水槽であって、溢流壁４により曝気部２と液取出部３に区画されており、ポンプＰを有する循環路５が液取出部３の下部から曝気部２の上部に連絡している。循環路５の吐出端に液−気エゼクタ６、液−液エゼクタ７および筒状の下向管８が垂直方向下向に直結するように設けられている。
【００２１】
液−気エゼクタ６は循環路５の末端であって、水槽１の曝気部２の液面より上方に、スロート１１の先端部が液面下に突入するように設けられる。液−気エゼクタ６は循環路５の末端に設けられるノズル１２と、このノズル１２を囲むように設けられる吸入室１３と、吸入室１３に開口する吸気口１４と、吸気室の先端に液面に突出するように形成されるスロート１１とから構成され、吸気口１４には吸気路１５が連絡している。
液−液エゼクタ７は液−気エゼクタ６のスロート１１をノズルとし、このノズルに対向するように液中に設けられるスロート１６と、ノズルおよびスロート間に形成される吸液口１７とから構成されている。
【００２２】
液−気エゼクタ６は循環流を噴射することにより気体を吸入するように構成され、液−液エゼクタ７は気液混相流を噴射することにより水槽１上部の液を吸入するように構成されている。液−気エゼクタ６のノズル１２はスロート１１に対向するように上下方向の直線上に設けられ、循環流の勢いを減殺しないようにされている。液−気エゼクタ６にスロート（すなわち液−液エゼクタ７のノズル）１１もスロート１６に対向するように、上下方向の直線上に設けられ、気液混相流の勢いを減殺しないようにされている。液−気エゼクタ６のスロート１１は先端を絞らないで管状の状態で開口させ、気液混相流の勢を減殺しないようにされている。液−液エゼクタ７のスロート１６は中間部に最狭部１６ａ、吸入側および吐出側に拡管部１６ｂ、１６ｃが形成されている。拡管部１６ｃの吐出側には拡管した口径の下向管８が水槽１の底部に開口するように接続される。
【００２３】
液−気エゼクタ６のノズル１２の口径をＤ１、液−気エゼクタ６のスロート（液−液エゼクタ７のノズル）１１の口径をＤ２、液−液エゼクタ７のスロート１６の最狭部１６ａの口径をＤ３とするとき、Ｄ１／Ｄ２＝０．５〜０．８、Ｄ２／Ｄ３＝０．４〜０．７とされており、それぞれのガスおよび液の吸入量が大きくされている。液−気エゼクタ６のスロート１１の長さは直径の４〜１０倍とされ、気液混相流の勢いを保持してガスおよび液の吸入量を大きくされている。
また液−液エゼクタ７のスロート１６の最狭部１６ａの長さはその直径の５〜１５倍とされ、圧損を小さくして気液を微細化できるようにされている。
【００２４】
液取出部３の下部には被処理水路２１が連絡し、また上部には溢流壁４の上端より若干低い位置に開口する流出口２２が設けられ処理水路２３に連絡している。水槽１は上部に液−気エゼクタ６を含めて覆う蓋２４が設けられて実質的に密閉構造となっている。Ｖ１、Ｖ２は弁である。
【００２５】
上記の曝気装置ではポンプＰを駆動して水槽１の液を液取出部３から取り出し、循環路５を通して水槽１の曝気部２に循環すると、循環流は液−気エゼクタ６のノズル１２から吸入室１３を通してスロート１１に噴射され、この時の吸引力によりガスが吸入路１５から吸入口１４を通して吸入されて気液混相流が生成しスロート１１から吐出される。このとき気液混相流は液−液エゼクタ７のスロート１６に向けて噴射することにより、その勢いを利用して吸液口１７から水槽上部の液を吸入し、気液混相流と混合して気泡を細分化して酸素を溶解させる。液液エゼクタ７のスロート１６から吐出される混合流はさらに下向管１７を下向流で通過することにより気泡の上昇力を利用して気泡を強く攪拌し、気泡の細分化状態で水槽１内に放出する。気泡は水槽１内を上昇する間にも液中に溶解し液面から泡として液とともに溢流壁４を越えて液取出部３に流れる。液取出部３では液面付近の処理水が泡とともに流出部２２から処理水路２３を通って流出する。処理水路２３は、その出口において、液封部を持たないか、または液封部深さが、水槽１内のガス（泡）の排出を妨げない範囲に制限されていることが好ましい。この場合水槽１全体の上部が蓋２４で覆われて実質的に密閉状態になっているので、吸込まれるガスにより加圧状態となり、泡の排出が促進される。被処理水は被処理水路２１から液取出部３に導入され、ポンプＰにより循環路５から曝気部２に送られ、吸入されるガスにより曝気を受け有機物等の被酸化成分が酸化される。
【００２６】
上記の曝気装置では循環路５の末端に液−気エゼクタ６を設けて気液混相流を生成させ、その吐出流を直接液−液エゼクタ７に噴射して水槽上部の液を吸入して混合するため、圧力損失が少なく、気液混相流の勢いを利用して液を大量に吸入して混合できる。さらに混合流は下向管８で気泡の上昇力に反する方向に流れるため気泡は強く攪拌され、さらに酸素を溶解することができる。下向管８を出た混合流は大量の微細な気泡を含んで上昇する間にガスが液中に溶解する。これによりエネルギー消費率が低くて効率よくガスを液中に溶解することができる。下向管８の下向流は５００〜２５００ｍｍ／ｓが微細気泡からの酸素溶解促進に良好であった。水槽１として水深３．０ｍのものを用いポンプＰの吐出圧を１０ｍ−Ｈ２Ｏで循環を行ったところ、吸入空気の３８容量％の溶解効率が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の曝気装置の垂直断面図である。
【符号の説明】
１ 水槽
２ 曝気部
３ 液取出部
４ 溢流壁
５ 循環路
６ 液−気エゼクタ
７ 液−液エゼクタ
８ 下向管
１１、１６ スロート
１２ ノズル
１３ 吸入室
１４ 吸気口
１５ 吸気路
１７ 吸液口
２１ 被処理水路
２２ 流出口
２３ 処理水路
２４ 蓋
【図１】
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