(57)【要約】【課題】省エネルギー化しつつ、液体と流体とを良く混ぜることができる混合装置を提供する。【解決手段】混合装置１Ａであって、貯留室１０を有する処理槽２を備えている。貯留室１０の内面には、上下方向に対峙した一対の端面１１，１２と、左右方向に対峙した一対の側面１３，１４と、が形成されている。上端面１１には、処理水および酸素を貯留室１０に吐出するための注入穴１５が開口している。また、下端面１２には、処理水および酸素を貯留室１０から排出するための排出穴１６が開口している。そして、下端面１２は、両側面１３，１４に対して非垂直に傾斜した部位を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に流体を混合するための混合装置であって、
前記液体および前記流体が貯留される貯留室を有する処理槽を備え、
前記貯留室の内面には、
一方向に対峙した一対の端面と、
前記一方向に直交する他方向に対峙した一対の側面と、が形成されており、
一方の前記端面には、前記液体および前記流体を前記貯留室に吐出するための注入穴が開口し、
他方の前記端面には、前記液体および前記流体を前記貯留室から排出するための排出穴が開口しており、
他方の前記端面は、前記両側面に対して非垂直に傾斜した部位を有することを特徴とする混合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の混合装置であって、
他方の前記端面は、円弧状に湾曲していることを特徴とする混合装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の混合装置であって、
一方の前記端面は、前記両側面に対して非垂直に傾斜していることを特徴とする混合装置。
【請求項４】
請求項３に記載の混合装置であって、
一方の前記端面は、円弧状に湾曲していることを特徴とする混合装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の混合装置であって、
前記注入穴の中心軸線と、前記排出穴の中心軸線とが前記他方向にずれていることを特徴とする混合装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の混合装置であって、
前記貯留室の前記一方向の長さは、前記貯留室の前記他方向の長さの１．５倍から２．５倍であることを特徴とする混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体に流体を混合するための混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
汚水処理において、活性汚泥による生物処理を行う場合には、有機物を分解する活性汚泥（微生物）に酸素を供給するために、処理水（汚水）に酸素を混合している。
処理水に酸素を混合するための混合装置１００としては、図６に示すように、処理槽２内に直方体の貯留室１０が形成されており、貯留室１０の上端面１１に注入穴１５が開口し、下端面１２に排出穴１６が開口しているものがある（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
このような混合装置１００では、処理水と高濃度の酸素とを注入穴１５から貯留室１０に吐出し、貯留室１０で処理水と酸素とを混合した後に、処理水および酸素を排出穴１６から曝気槽に排出している。
注入穴１５から貯留室１０に処理水および酸素を吐出すると、キャビテーション効果により、酸素が微細気泡化する。このように、処理水中の酸素を微細気泡化することで、処理水から大気中に気散する酸素の量を少なくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３７３４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した従来の混合装置１００では、注入穴１５から貯留室１０に処理水および酸素を吐出すると、コアンダ効果により、処理水および酸素が貯留室１０内で渦流する。このとき、貯留室１０内で処理水を十分に渦流して、処理水と酸素とを接触させることで、処理水の酸素濃度を高めることが好ましい。
【０００６】
このように、処理水などの液体に酸素などの流体を良く混ぜるためには、貯留室内で液体および流体を大きく渦流させ、液体および流体の挙動を大きく乱すことが好ましい。
しかしながら、従来の混合装置において、貯留室内の液体および流体を大きく渦流させるためには、吐出量の大きなポンプを用いる必要があるため、消費エネルギーが大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記した問題を解決し、省エネルギー化しつつ、液体と流体とを良く混ぜることができる混合装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、液体に流体を混合するための混合装置であって、前記液体および前記流体が貯留される貯留室を有する処理槽を備えている。前記貯留室の内面には、一方向に対峙した一対の端面と、前記一方向に直交する他方向に対峙した一対の側面と、が形成されている。一方の前記端面には、前記液体および前記流体を前記貯留室に吐出するための注入穴が開口している。また、他方の前記端面には、前記液体および前記流体を前記貯留室から排出するための排出穴が開口している。そして、他方の前記端面は、前記両側面に対して非垂直に傾斜した部位を有している。
【０００９】
本発明の混合装置では、一方の端面側から貯留室に流入した液体および流体（気体または液体）は、両側面に対して非垂直に傾斜した他方の端面に当接して流れが変化するため、液体および流体を貯留室内で大きく渦流させることができる。
これにより、本発明の混合装置では、注入する液体および流体の流量を抑えても、液体および流体の挙動を大きく乱すことができ、液体と流体とを良く混ぜることができるため、液体処理を省エネルギー化することができる。
【００１０】
また、前記した混合装置では、一方の前記端面も前記両側面に対して非垂直に傾斜させてもよい。
また、前記した混合装置では、一方の前記端面および他方の前記端面の少なくとも一方を円弧状に湾曲させてもよい。
また、前記した混合装置では、前記注入穴の中心軸線と、前記排出穴の中心軸線とを前記他方向にずらしてもよい。
また、前記した混合装置では、前記貯留室の前記一方向の長さを、前記貯留室の前記他方向の長さの１．５倍から２．５倍に形成してもよい。
前記した各構成のいずれか一つまたは複数を適用することで、貯留室内の液体および流体をより効果的に渦流させて、液体と流体とを良く混ぜることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の混合装置では、省エネルギー化しつつ、液体と流体とを良く混ぜることができるため、液体および流体を効率良く処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る混合装置を示した斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る混合装置を示した断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る混合装置を示した断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る混合装置を示した断面図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る混合装置を示した断面図である。
【図６】従来の混合装置を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、生活排水などの処理水（汚水）を浄化する汚水処理に用いられる混合装置について説明する。
本実施形態の混合装置は、活性汚泥による生物処理において、有機物を分解する活性汚泥（微生物）に酸素を供給するために、処理水（特許請求の範囲における「液体」）に酸素（特許請求の範囲における「流体」）を混合するものである。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
【００１４】
［第一実施形態］
第一実施形態の混合装置１Ａは、図１に示すように、貯留室１０を有する処理槽２と、処理槽２の上面に設けられた注入管３と、処理槽２の下面に設けられた排出管４と、を備えている。
混合装置１Ａでは、注入管３から貯留室１０に処理水および酸素を注入し、貯留室１０内で処理水に酸素を混合した後に、貯留室１０から排出管４を通じて処理水および酸素を曝気槽（図示せず）に排出する。
【００１５】
処理槽２は、内部に貯留室１０が形成された箱体であり、上板２０および下板３０と、左側壁４０および右側壁５０と、前壁６０および後壁７０と、を備えている。
【００１６】
処理槽２は、正面視で長円形に形成されている。処理槽２の左側壁４０、右側壁５０、前壁６０および後壁７０は鉛直方向に延びている平板部であり、上板２０および下板３０は半円形状に湾曲している。
上板２０、下板３０、左側壁４０および右側壁５０によって形成された外周壁の前面および後面が前壁６０および後壁７０によって塞がれている。
【００１７】
貯留室１０は、上板２０、下板３０、左側壁４０および右側壁５０によって外周が囲まれるとともに、前壁６０および後壁７０によって前面および後面が塞がれた空間である。
第一実施形態の貯留室１０は、正面視で長円形に形成されている。貯留室１０の上下方向の中間部は、正面視で長方形に形成されており、貯留室１０の上部および下部は半円形状に形成されている。
貯留室１０の内面には、図２に示すように、上下方向に対峙した上端面１１および下端面１２と、左右方向に対峙した左側面１３および右側面１４とによって内周面が形成されている。
【００１８】
左側面１３および右側面１４は、いずれも鉛直方向に延びている長方形の平面である。左側面１３および右側面１４は、左右方向に間隔を空けて対峙している。
また、左側面１３および右側面１４は平行に配置されている。左側面１３および右側面１４の上縁部は同じ高さに配置され、左側面１３および右側面１４の下縁部も同じ高さに配置されている。
【００１９】
上端面１１（特許請求の範囲における「一方の端面」）は、左側面１３の上縁部と右側面１４の上縁部との間に形成された頂面である。
第一実施形態の上端面１１は、円弧状に湾曲しており、前後方向の軸線回りに形成された円周面の上半分の形状である。
上端面１１は、左側面１３および右側面１４の上縁部を含む仮想平面Ｓ１に対して、上向きに凸形状となるように、上端面１１全体が円弧状に湾曲している。
すなわち、上端面１１は、上下方向を法線方向とする仮想平面Ｓ１に対して上方に突出するように半円形状に窪んでいる。
【００２０】
上端面１１の左半分の部位は、左側面１３に対して、貯留室１０の内方に向けて右斜め上向きに傾斜している。また、上端面１１の右半分の部位は、右側面１４に対して、貯留室１０の内方に向けて左斜め上向きに傾斜している。つまり、上端面１１は、左側面１３および右側面１４に対して非垂直に傾斜した部位を有している。
このように、上端面１１が傾斜しているため、貯留室１０の上部空間は、仮想平面Ｓ１から上方に向かうに従って、左右方向の間隔が漸次狭くなっている。
【００２１】
上端面１１の左右方向の中央部は、上端面１１において最も高い位置（半円形状に窪んだ湾曲面の最も深い位置）である。
上端面１１の左右方向および前後方向の中央部には、注入穴１５が開口している。注入穴１５は、軸断面が円形の穴であり、上板２０を上下方向に貫通している。
【００２２】
下端面１２（特許請求の範囲における「他方の端面」）は、左側面１３の下縁部と右側面１４の下縁部との間に形成された底面である。
第一実施形態の下端面１２は、円弧状に湾曲しており、前後方向の軸線回りに形成された円周面の下半分の形状である。
下端面１２は、左側面１３および右側面１４の下縁部を含む仮想平面Ｓ２に対して、下向きに凸形状となるように、下端面１２全体が円弧状に湾曲している。
すなわち、下端面１２は、上下方向を法線方向とする仮想平面Ｓ２に対して下方に突出するように半円形状に窪んでいる。
【００２３】
下端面１２の左半分の部位は、左側面１３に対して、貯留室１０の内方に向けて右斜め下向きに傾斜している。また、下端面１２の右半分の部位は、右側面１４に対して、貯留室１０の内方に向けて左斜め下向きに傾斜している。つまり、下端面１２は、左側面１３および右側面１４に対して非垂直に傾斜した部位を有している。
このように、下端面１２が傾斜しているため、貯留室１０の下部空間は、仮想平面Ｓ２から下方に向かうに従って、左右方向の間隔が漸次狭くなっている。
【００２４】
下端面１２の左右方向の中央部は、下端面１２において最も低い位置（半円形状に窪んだ湾曲面の最も深い位置）である。
下端面１２の左右方向および前後方向の中央部には、排出穴１６が開口している。排出穴１６は、軸断面が円形の穴であり、下板３０を上下方向に貫通している。
第一実施形態では、注入穴１５と排出穴１６とが同径であるとともに、注入穴１５の中心軸線と、排出穴１６の中心軸線とが同一軸線上に配置されている。
【００２５】
第一実施形態の貯留室１０は、上下方向の最大高さＬ１が、左右方向の最大幅Ｌ２の２倍に形成されている。
【００２６】
上板２０の上面（外面）には、注入穴１５に連通する注入管３が突設されている。注入管３は、供給装置（図示せず）に連結されており、供給装置から注入管３に処理水および酸素が供給される。
第一実施形態では、処理水と高濃度の酸素とが一緒に供給装置から注入管３および注入穴１５を通じて貯留室１０内に注入される。
【００２７】
下板３０の下面（外面）には、排出穴１６に連通する排出管４が形成されている。排出管４は、曝気槽（図示せず）に連結されている。貯留室１０内の処理水および酸素は、排出穴１６および排出管４を通じて曝気槽に注入される。
【００２８】
次に、第一実施形態の混合装置１Ａを用いて、処理水と酸素とを混合する処理について説明する。
第一実施形態では、処理水と高濃度の酸素とを一緒に注入穴１５から貯留室１０に供給する。なお、貯留室１０は予め処理水で満たされている。
【００２９】
注入穴１５から貯留室１０に処理水および酸素を吐出すると、コアンダ効果により、処理水および酸素は注入穴１５から左側または右側に定期的に方向を変えながら流れる。
注入穴１５から下方に向けて吐出された処理水および酸素は、円弧状に湾曲した下端面１２に当接して上向きに流れが変化する。また、上向きに流れた処理水および酸素は、円弧状に湾曲した上端面１１に当接して下向きに流れが変化する。これにより、処理水および酸素は貯留室１０内で大きく渦流する。
【００３０】
このように、貯留室１０内の処理水および酸素の挙動が大きく乱れることで、処理水と酸素とが十分に接触するため、処理水と酸素とを良く混ぜることができる。これにより、処理水の酸素濃度が高くなるため、活性汚泥による有機物の分解能力を高めることができる。
【００３１】
第一実施形態の混合装置１Ａにおいて、貯留室１０の三次元モデルに処理水および酸素を２００Ｌ／ｍｉｎの流量で注入したときの処理水の流れをコンピュータによって三次元モデルシミュレーション解析し、貯留室１０内の処理水の渦粘性係数を求めた。その結果、第一実施形態の貯留室１０内の処理水における渦粘性係数の平均値は１．５０Ｐａ・ｓであった。
処理水の渦粘性係数が大きい程、処理水に大きな渦流が生じて、処理水の挙動が大きく乱れていることになる。
なお、正面視で長方形の貯留室１０（図６参照）において、前記第一実施形態の貯留室１０と同様に、処理水の流れを三次元モデルシミュレーション解析すると、渦粘性係数の平均値は１．１０Ｐａ・ｓであった。
また、正面視で円形の貯留室において、前記第一実施形態の貯留室１０と同様に、処理水の流れを三次元モデルシミュレーション解析すると、渦粘性係数の平均値は０．９０Ｐａ・ｓであった。
【００３２】
なお、三次元モデルシミュレーション解析は、非圧縮性粘性流体を仮定して実施した。一般的に、流体解析は現象を表す数理モデルの偏微分方程式を離散化（解析領域を格子状に分割）して数値的に解く手法である。離散化近似の方法として有限体積法を用いた。
乱流の計算方法には、時間平均モデルであるRANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）を採用し、渦粘性係数を求める乱流モデルには標準k-ε方程式を用いた。
【００３３】
前記した解析結果により、長方形や円形の貯留室に比べて、第一実施形態の長円形の貯留室１０の方が、処理水および酸素の挙動が大きく乱れるため、処理水と酸素とを良く混ぜることができることが分かった。
【００３４】
また、第一実施形態の混合装置１Ａでは、処理水と高濃度の酸素とを注入穴１５から貯留室１０に吐出すると、キャビテーション効果により、処理水中の酸素が微細気泡化する。これにより、処理水から大気中に気散する酸素の量を少なくすることができる。
【００３５】
また、第一実施形態の混合装置１Ａでは、処理水中の汚泥に微細気泡が衝突したときのエローション効果により、処理水中の汚泥質が破壊されるため、汚泥を減容化することができる。
【００３６】
以上のような第一実施形態の混合装置１Ａでは、貯留室１０に注入する処理水および酸素の流量を抑えても、処理水および酸素の挙動が大きく乱れるため、処理水と酸素とを良く混ぜることができ、汚水処理を省エネルギー化することができる。
【００３７】
以上、本発明の第一実施形態について説明したが、本発明は前記第一実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
第一実施形態では、汚水処理に用いた混合装置について説明したが、本発明の混合装置を用いて混合可能な液体および流体の種類は限定されるものではない。例えば、液体に他の液体を混合してもよい。
【００３８】
第一実施形態の混合装置１Ａでは、貯留室１０の上端面１１および下端面１２が円弧状に湾曲しているが、下端面１２のみを円弧状に湾曲させてもよい。
【００３９】
第一実施形態の混合装置１Ａにおいて、貯留室１０の上端面１１を仮想平面Ｓ１に対して、下向きに凸形状となるように湾曲させ、下端面１２を仮想平面Ｓ２に対して、上向きに凸形状となるように湾曲させてもよい。
【００４０】
第一実施形態の混合装置１Ａでは、上端面１１および下端面１２の全体が湾曲しているが、上端面１１および下端面１２の少なくとも一部が左側面１３および右側面１４に対して非垂直に傾斜しているように構成してもよい。
【００４１】
第一実施形態の混合装置１Ａにおいて、貯留室１０の最大高さＬ１および最大幅Ｌ２の比率は限定されるものではない。
しかしながら、処理水と酸素とを良く混ぜるためには、貯留室１０の最大高さＬ１が最大幅Ｌ２の１．５倍から２．５倍であることが好ましい。なお、貯留室１０の最大高さＬ１が最大幅Ｌ２の１．８倍から２．２倍であることがより好ましい。さらに、貯留室１０の最大高さＬ１が最大幅Ｌ２の２倍であることが特に好ましい。
【００４２】
第一実施形態の混合装置１Ａでは、注入穴１５は単独の穴部であり、注入穴１５から処理水および酸素を吐出しているが、注入穴１５を二重管に構成し、処理水の吐出口の周囲から酸素を吐出するように構成してもよい。
【００４３】
第一実施形態の混合装置１Ａでは、注入穴１５および排出穴１６が上下に配置されているが、注入穴１５および排出穴１６が横方向に配置されるように、第一実施形態の処理槽２を傾けてもよい。
【００４４】
第一実施形態の混合装置１Ａでは、上端面１１の左右方向の中央部に注入穴１５が開口しているが、上端面１１の左右方向の中央部に対して左側または右側に注入穴１５をずらしてもよい。
【００４５】
［第二実施形態］
第二実施形態の混合装置１Ｂは、図３に示すように、第一実施形態の混合装置１Ａ（図２参照）と略同じ構成であり、排出穴１６の位置が異なっている。
【００４６】
第二実施形態の混合装置１Ｂは、注入穴１５の中心軸線に対して、排出穴１６の中心軸線が左側にずれている。第二実施形態では、下端面１２の左端部に排出穴１６が開口している。
この構成では、注入穴１５から貯留室１０に流入した処理水および酸素は、正面視で左回りに大きく渦を巻くことになり、処理水および酸素の挙動を大きく乱すことができるため、処理水と酸素とを良く混ぜることができる。
【００４７】
以上、本発明の第二実施形態について説明したが、第一実施形態と同様に、本発明は前記第二実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
第二実施形態の混合装置１Ｂでは、下端面１２の左端部に排出穴１６が開口しているが、下端面１２の右端部に排出穴１６を開口してもよい。また、下端面１２の左右方向の中央部と、下端面１２の左右の端部との間に排出穴１６を開口してもよい。
【００４８】
［第三実施形態］
第三実施形態の混合装置１Ｃは、図４に示すように、第一実施形態の混合装置１Ａ（図２参照）と略同じ構成であり、上端面１１および下端面１２の形状が異なっている。
【００４９】
第三実施形態の混合装置１Ｃの上端面１１は、正面視で逆Ｖ字形状に傾斜している。つまり、第三実施形態の上端面１１には、左右二つの傾斜面が形成されている。
第三実施形態の混合装置１Ｃの下端面１２は、上端面１１に対して上下対称な形状であり、正面視でＶ字形状に傾斜している。
【００５０】
第三実施形態の混合装置１Ｃにおいて、貯留室１０の三次元モデルに処理水および酸素を２００Ｌ／ｍｉｎの流量で注入したときの処理水の流れをコンピュータによって三次元モデルシミュレーション解析し、貯留室１０内の処理水の渦粘性係数を求めた。その結果、第三実施形態の貯留室１０内の処理水における渦粘性係数の平均値は１．４３Ｐａ・ｓであった。
【００５１】
以上、本発明の第三実施形態について説明したが、第一実施形態と同様に、本発明は前記第三実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
第三実施形態の混合装置１Ｃでは、下端面１２の左右方向の中央部に排出穴１６が開口しているが、下端面１２の左右方向の中央部に対して左側または右側に排出穴１６をずらしてもよい。
【００５２】
［第四実施形態］
第四実施形態の混合装置１Ｄは、図５に示すように、第三実施形態の混合装置１Ｃ（図４参照）と略同じ構成であり、上端面１１の形状が異なっている。
【００５３】
第四実施形態の混合装置１Ｄの上端面１１は、平坦面に形成されている。なお、第四実施形態の下端面１２は、前記第三実施形態の下端面１２（図４参照）と同様に正面視でＶ字形状に傾斜している。
【００５４】
第四実施形態の混合装置１Ｄにおいて、貯留室１０の三次元モデルに処理水および酸素を２００Ｌ／ｍｉｎの流量で注入したときの処理水の流れをコンピュータによって三次元モデルシミュレーション解析し、貯留室１０内の処理水の渦粘性係数を求めた。その結果、第三実施形態の貯留室１０内の処理水における渦粘性係数の平均値は１．３２Ｐａ・ｓであった。
【００５５】
以上、本発明の第四実施形態について説明したが、第三実施形態と同様に、本発明は前記第四実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１Ａ    混合装置（第一実施形態）
１Ｂ    混合装置（第二実施形態）
１Ｃ    混合装置（第三実施形態）
１Ｄ    混合装置（第四実施形態）
２      処理槽
３      注入管
４      排出管
１０    貯留室
１１    上端面
１２    下端面
１３    左側面
１４    右側面
１５    注入穴
１６    排出穴
２０    上板
３０    下板
４０    左側壁
５０    右側壁
６０    前壁
７０    後壁
【図１】
2018079452.tif 000003
【図２】
2018079452.tif 000004
【図３】
2018079452.tif 000005
【図４】
2018079452.tif 000006
【図５】
2018079452.tif 000007
【図６】
2018079452.tif 000008