(57)【要約】【課題】動力に対する酸素溶解効率を高くすることができる酸素供給システム、水処理システム及び酸素供給方法を提供する。【解決手段】曝気対象水を保持する曝気槽と、曝気対象水に酸素を含む気泡を放出する散気装置と、散気装置よりも下方に設けられ、散気装置が放出した気泡を下降させることなく、酸素が溶解した水塊を曝気槽内で旋回させる旋回流生成装置とを有することを特徴とする。散気装置は、曝気対象水の自由界面における酸素溶解を促すように、自由界面付近に設置してもよい。【選択図】    図１
2019063734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曝気対象水を保持する曝気槽と、
前記曝気対象水に酸素を含む気泡を放出する散気装置と、
前記散気装置よりも下方に設けられ、前記散気装置が放出した気泡を下降させることなく、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させる旋回流生成装置と
を有することを特徴とする酸素供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素供給システムにおいて、
前記散気装置は、
前記曝気対象水の自由界面における曝気を促すように、酸素を含む気泡を上方に向けて放出すること
を特徴とする酸素供給システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の酸素供給システムにおいて、
前記旋回流生成装置は、
前記散気装置が放出する気泡よりも酸素溶解効率が低い粗大気泡を放出することにより、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させること
を特徴とする酸素供給システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の酸素供給システムにおいて、
前記旋回流生成装置は、
攪拌部材を回転させることにより、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させること
を特徴とする酸素供給システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の酸素供給システムにおいて、
前記旋回流生成装置は、
前記曝気槽の水深に対して、前記曝気対象水の水面からの距離が３分の２以下となるように配置されていること
を特徴とする酸素供給システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の酸素供給システムにおいて、
前記散気装置は、
前記曝気槽の水深に対して、前記曝気対象水の水面からの距離が２分の１以下となるように配置されていること
を特徴とする酸素供給システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の酸素供給システムを備え、
前記曝気対象水は、
有機物を分解する好気性生物を含む被処理水であること
を特徴とする水処理システム。
【請求項８】
曝気槽に保持された曝気対象水に酸素を含む気泡を散気装置から放出させる工程と、
前記散気装置から放出させた気泡を下降させることなく、酸素が溶解した水塊を旋回させる工程と
を含むことを特徴とする酸素供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素供給システム、水処理システム及び酸素供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在日本の下水処理場では、好気性微生物による有機物分解の代表的な処理法である活性汚泥法が主に採用されている。活性汚泥法では、好気性微生物への酸素供給と槽内攪拌のために曝気操作が不可欠である。従来、この曝気に使用される電力の消費量は、下水処理場で消費する電力全体の約４０〜５０％に及んでいる。曝気のための消費エネルギーを削減するためには、水中への酸素溶解効率を高めて、曝気用の送風量を減らすことが必要である。
【０００３】
曝気槽内の曝気対象水に酸素を溶解させる経路には、次の２つがある。第１の経路は、散気装置が発生させた気泡から曝気対象水に酸素が溶け込む経路である。第２の経路は、曝気対象水の自由界面から酸素が溶け込む経路である。
【０００４】
従来技術としては、例えば、曝気槽の底部に配設した粗気泡発生用散気装置によって、曝気槽内全体に亘って発生させた循環水流域内にて、水面に対し所定の角度となるようにして取り付けたスクリュー式曝気装置によって、曝気用の微細気泡を水面近傍の下向きの循環水流域に噴出させて、スクリュー式曝気装置のスクリューによって発生した水流が粗気泡発生用散気装置によって発生した循環水流と合流するようにして、微細気泡を下向きの循環水流に乗せるとともに循環水流中に滞留させる曝気方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
近年は、気泡を微細化して気液接触面積（気泡の比表面積）を拡大させ、酸素溶解効率を高めた散気装置の導入が進んでいる。このように、曝気対象水中の気泡による酸素溶解効率を高める検討は広く行われているが、自由界面からの酸素溶解効率を検討している例は少ない。しかし、曝気槽のように広い自由界面を有するシステムでは、自由界面からの酸素溶解は、全酸素溶解中の高い割合を占めることが知られている（例えば非特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３３３６３２６号公報
【特許文献２】特許第５１１０８７６号公報
【特許文献３】特開平６−９１２９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】DeMoyer,C.D.,E.L.Schierholz,J.S.Gulliver,&S.C.Wilhelms;“Impact of Bubble and Free Surface Oxygen Transfer on Diffused Aeration Systems.”Water Res.,37(8),1890-1904(2003).
【非特許文献２】K.Shibata, K.terasaka, S.Fujioka, & K.Kato;“Oxygen Transfer from a Free Surface and Dispersed Bubbles in an Aeration Tank.”Journal of Chemical Engineering of Japan.,49(5),391-398(2016).
【非特許文献３】徳永信之介、外４名、「液膜式酸素供給方法の導入による曝気槽における曝気量削減効果の検討に関する研究」、土木学会中国支部研究発表会発表概要集、２０１０年、Ｖｏｌ．６２、ＶＩＩ−１５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術において、例えば曝気用の気泡を下向きの循環水流域に噴出させて、気泡を下向きの循環水流に乗せる場合、気泡の浮力に逆らって気泡を下向きに流す必要があり、循環水流を発生させるために大きなエネルギーが必要になるという問題があった。一方、自由界面からの酸素溶解を積極的に利用することにより、省エネルギーで高い酸素溶解率の曝気をすることが可能となる。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、動力に対する酸素溶解効率を高くすることができる酸素供給システム、水処理システム及び酸素供給方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様にかかる酸素供給システムは、曝気対象水を保持する曝気槽と、前記曝気対象水に酸素を含む気泡を放出する散気装置と、前記散気装置よりも下方に設けられ、前記散気装置が放出した気泡を下降させることなく、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させる旋回流生成装置とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給システムにおいて、前記散気装置は、前記曝気対象水の自由界面における曝気を促すように、酸素を含む気泡を上方に向けて放出してもよい。
【００１１】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給システムにおいて、前記旋回流生成装置は、前記散気装置が放出する気泡よりも酸素溶解効率が低い粗大気泡を放出することにより、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させてもよい。
【００１２】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給システムにおいて、前記旋回流生成装置は、攪拌部材を回転させることにより、酸素が溶解した水塊を前記曝気槽内で旋回させてもよい。
【００１３】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給システムにおいて、前記旋回流生成装置は、前記曝気槽の水深に対して、前記曝気対象水の水面からの距離が３分の２以下となるように配置されてもよい。
【００１４】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給システムにおいて、前記散気装置は、前記曝気対象水の水面からの距離が２分の１以下となるように配置されてもよい。
【００１５】
また、本発明の一態様にかかる水処理システムは、上記の酸素供給システムを備え、前記曝気対象水が、有機物を分解する好気性生物を含む被処理水であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の一態様にかかる酸素供給方法は、曝気槽に保持された曝気対象水に酸素を含む気泡を散気装置から放出させる工程と、前記散気装置から放出させた気泡を下降させることなく、酸素が溶解した水塊を旋回させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、動力に対する酸素溶解効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態にかかる酸素供給システムの概要を示す図である。
【図２】酸素供給システムの変形例の概要を示す図である。
【図３】一実施形態にかかる酸素供給システムが有する機能を備えた実験用の酸素供給システムの概要を示す図である。
【図４】（ａ）は、曝気槽、散気装置及び旋回流生成装置の断面を示す図である。（ｂ）は、曝気槽、散気装置及び旋回流生成装置を上方から見た平面図である。
【図５】（ａ）は、ＤＯ計の配置を示す曝気槽の断面図である。（ｂ）は、ＤＯ計の配置を示す曝気槽の平面図である。
【図６】散気装置のみから曝気した場合と、散気装置及び旋回流生成装置から曝気した場合の曝気エネルギーに対するＫＬａを示すグラフである。
【図７】（ａ）は、全面エアレーション方式を示す図である。（ｂ）は、旋回流エアレーション方式を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、本発明を利用可能である下水処理場で広く採用されている技術について説明する。
下水処理場で広く採用されている活性汚泥法は、好気性微生物による有機物分解を利用する処理法であり、微生物への酸素供給が必要である。微生物に酸素を供給するためには、散気装置によって空気を曝気する方法が主に用いられている。酸素を水に溶解する効率は、酸素溶解効率（ＯＴＥ：Oxygen Transfer Efficiency）と呼ばれている。そして、ＯＴＥが高いほど、気泡を発生させるための空気送風量を削減することができ、省エネルギーとなる。ＯＴＥは、下式（１）によって表される。
【００２０】
【数１】
2019063734.tif 000003
上式（１）においては、ＫＬａのみが、変数とされ、酸素供給能力の指標の一つとなっている。すなわち、同一の曝気槽において、気泡を発生させる散気装置への送風量、水温に影響を受けるＣｓ（平衡状態における溶存酸素濃度）、及び、送風温度に影響を受けるρ（空気密度）が同一である場合、ＫＬａが大きいほどＯＴＥが高くなり、省エネルギーとなる。
【００２１】
また、上述したように、曝気槽内の曝気対象水に酸素を溶解させる経路には、散気装置が発生させた気泡から曝気対象水に酸素が溶け込む経路と、曝気対象水の自由界面から酸素が溶け込む経路の２つがある。これら２つの経路から溶け込む酸素に対し、曝気槽全体の総括物質（酸素）移動容量係数ＫＬａは、下式（２）によって表される。
【００２２】
【数２】
2019063734.tif 000004
また、曝気槽のように広い自由界面を有するシステムでは、自由界面からの酸素溶解（酸素移動）は、無視できない程度に多くなっている。上述した非特許文献１には、直径７．６ｍ、水深９．２５ｍの円筒形エアレーションタンクを用いて実験を行い、自由界面における総括物質移動容量係数（ＫＬａ）ｓを算出した結果が示されている。ここでは、（ＫＬａ）ｓの値は、水と気泡の間の総括物質移動容量係数（ＫＬａ）ｂに対して、５９〜８５％であったと報告されている。
【００２３】
また、上述した非特許文献２においては、自由界面における物質移動は、自由界面付近の流動状態（乱流）の影響を受けているとされており、自由界面における総括物質移動容量係数（ＫＬａ）ｓが下式（３）に表されたように修正されている。
【００２４】
【数３】
2019063734.tif 000005
ｕＬＳＷ／νＬは、レイノルズ数に相当し、自由界面付近の流動状態を表している。よって、自由界面付近がより乱れてＵＬＳが増加すれば、総括物質移動容量係数の修正値（ＫＬａ）ｓ，Ｍｏｄの値は大きくなる。
【００２５】
また、非特許文献２には、幅５ｍ、奥行５ｍ、水深５ｍの曝気槽において、（ＫＬａ）ｓ，Ｍｏｄの値が、曝気槽全体の総括物質移動容量係数ＫＬａの４０〜７０％であったことが報告されている。このように、広い自由界面を有する曝気槽などでは、自由界面での酸素移動が大きな割合を占め、自由界面付近がより乱れていれば、さらに自由界面での酸素移動が大きくなる。
【００２６】
曝気槽においては、水が張られ、静置させられている場合、酸素溶解が進むのは水と空気が接触している界面近傍のみである。そして、水に溶解した酸素の濃度は、水面近傍で高く、水面から深くなるにつれて低くなる。したがって、酸素が溶解した水を曝気槽内に行き渡らせるためには、曝気槽内の水を攪拌する必要がある。曝気槽内の水を攪拌するためには、例えば散気装置が発生させた気泡の上昇に伴って生じる水流や、機械的な攪拌によって生じる水流が利用される。
【００２７】
ここで、図７を用いて比較例にかかる散気方式について説明する。
【００２８】
図７は、比較例にかかる散気方式の一例を示す図である。図７（ａ）は、全面エアレーション方式を示す図である。図７（ｂ）は、旋回流エアレーション方式を示す図である。
【００２９】
図７（ａ）に示した全面エアレーション方式においては、曝気槽１に水（曝気対象水）２が張られ、曝気槽１の槽底面近くの略全範囲に渡って複数の散気装置３が等間隔で配置されている。散気装置３それぞれは、圧縮空気が送り込まれると、気泡を放出させて曝気槽１内の水２と気泡を接触させることにより、水２に酸素を供給する。全面エアレーション方式では、曝気槽１の槽底面近くの略全範囲に渡って配置された複数の散気装置３により、気泡の分散性がよくなるようにされている。
【００３０】
また、散気装置３が曝気槽１の槽底面近くに配置されることにより、散気装置３が散気した気泡の水２内での滞留時間を長くされ、気液の接触時間が長くされて酸素溶解効率が上げられている。しかし、散気装置３が水深の深い位置に配置されることにより、散気装置３に圧縮空気を送り込むために大きな動力が必要になっている。
【００３１】
図７（ｂ）に示した旋回流エアレーション方式においては、曝気槽１に水２が張られ、曝気槽１の槽底面近くの一方の壁側に複数の散気装置３が配置されている。複数の散気装置３は、それぞれ圧縮空気が送り込まれると、気泡を放出させて曝気槽１内の水２と気泡を接触させつつ、気泡の上昇に伴って旋回流となる水流を生じさせる。複数の散気装置３が生じさせた旋回流は、曝気槽１内の水２を攪拌することとなる。
【００３２】
また、水に酸素を供給する曝気方式には、曝気槽の水面に設置した攪拌羽根を回転させ、大量の水を空中に飛散させて水面に散布する表面曝気方式もある。この表面曝気方式において、攪拌羽根は、水面の激しい乱れによる酸素移動と、空中に飛散した水滴への酸素移動とを生じさせて水に酸素を供給しつつ、曝気槽内の水を攪拌する。
【００３３】
また、気泡によって水の液膜を積極的に形成し、水の液膜の内外をそれぞれ同時に空気に接触させることにより、水と酸素の接触面積を増大させて、酸素溶解効率を向上させる液膜式酸素供給方式も知られている（例えば非特許文献３、特許文献２参照）。しかしながら、従来は、動力に対する酸素溶解効率を高くすることが困難であった。
【００３４】
次に、図面を用いて本発明にかかる酸素供給システム、水処理システム及び酸素供給方法の一実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
図１は、一実施形態にかかる酸素供給システム１００の概要を示す図である。酸素供給システム１００は、曝気槽１０に曝気の対象となる水又は処理対象水などの曝気対象水２０を保持し、曝気対象水２０の水面に近い水深の浅い位置に散気装置３０が配置されている。また、曝気槽１０内の一方の壁側には、曝気槽１０の水深に対して、曝気対象水２０の水面からの距離が例えば約２分の１となる位置に旋回流生成装置４０が配置されている。旋回流生成装置４０は、曝気槽１０の水深に対して、曝気対象水２０の水面からの距離が３分の２以下となるように配置されてもよい。このように、旋回流生成装置４０は、散気装置３０よりも下方に設けられている。
【００３６】
より具体的には、散気装置３０は、曝気槽１０の水深に対して、曝気対象水２０の水面からの距離が２分の１以下となるように配置され、外部から供給される圧縮空気を受け入れて、酸素を含む多くの気泡３００を例えば上方に向けて放出する。例えば、散気装置３０は、曝気対象水２０の水面からの距離が約０．１〜０．２ｍとなるように配置される。散気装置３０は、曝気対象水２０の水面の広い範囲に多くの気泡３００が放出されるように、例えば曝気対象水２０の水面近くに複数個が並べて配置されてもよい。
【００３７】
気泡３００は、曝気対象水２０の中で上昇中に曝気対象水２０へ酸素を移動させるとともに、曝気対象水２０の水面に激しい乱れを起こし、大気から曝気対象水２０への酸素移動を促す。例えば、気泡３００は、曝気対象水２０の水面に液膜を形成し、多くの飛沫を生じさせる。なお、気泡３００は、気液接触面積（比表面積）が大きくなるように微細気泡にされてもよい。例えば、気泡３００は、散気装置３０からの発泡直後の直径が２〜３ｍｍ以下であってもよい。
【００３８】
このように、散気装置３０は、曝気対象水２０の自由界面を乱したり、水滴の飛散・飛沫を自由界面で起こさせて曝気を促すことができるように配置されている。また、散気装置３０は、例えば単に上面に複数の孔が設けられて酸素を含む気泡を上方に向けて放出する構成であってもよく、気泡を下降させたり（特許文献１参照）、気泡を水平方向へ放出する構成（特許文献３参照）でなくてもよい。
【００３９】
さらに、散気装置３０は、曝気対象水２０の水面に近い水深の浅い位置に配置されているので、槽底面近くの水深が深い位置に配置される場合に比べて、外部から供給される圧縮空気の圧力が少なくても気泡３００を放出することができる。すなわち、散気装置３０は、気泡３００を放出させるために必要な外部の送風機（又は空気圧縮機）の動力を削減することができる。
【００４０】
また、散気装置３０は、水質条件によっては、散気孔に目詰まりを生じる場合がある。酸素供給システム１００は、散気装置３０を自由界面付近に設ける場合には、散気装置３０の目詰まり解消のために、散気装置３０を吊り上げることなく洗浄することが可能である。
【００４１】
旋回流生成装置４０は、例えば散気装置３０が放出する気泡３００よりも酸素溶解効率が低い粗大気泡４００を放出する。そして、旋回流生成装置４０は、散気装置３０が放出した気泡３００を下降させることなく、酸素が溶解した曝気対象水２０の水塊を曝気槽１０内で旋回させる。
【００４２】
例えば、旋回流生成装置４０は、図１に示すように、曝気槽１０内の一方の壁側で粗大気泡４００を上昇させることにより水流を生じさせ、曝気槽１０内の対向する他の壁側で下降する水流を生じさせて、曝気槽１０内に攪拌流Ａを発生させる。ここで、旋回流生成装置４０は、散気装置３０から供給される酸素が溶け込む前の曝気対象水２０の水塊を散気装置３０に向けて供給し、気泡３００によって酸素が溶け込んだ曝気対象水２０の水塊を曝気槽１０の下方へ移動させるように、散気装置３０からの距離が設定されている。
【００４３】
このように、酸素供給システム１００は、散気装置３０が放出した気泡３００を浮力に逆らわせて下降させるほどの攪拌流を旋回流生成装置４０によって発生させる必要がないため、旋回流生成装置４０の動作に必要なエネルギーが抑制される。また、酸素供給システム１００は、複雑な構成や、多くの部材を要しないため、従来よりも施工性がよくなっている（例えば非特許文献３参照）。
【００４４】
なお、酸素供給システム１００は、曝気対象水２０が有機物を分解する好気性生物を含む被処理水である場合は、下水処理場などに設置される水処理システムとして用いられる。曝気対象水２０が好気性生物を含む被処理水である場合、旋回流生成装置４０は、曝気槽１０内の活性汚泥を槽底に沈降させない程度に粗大気泡４００を放出してもよい。
【００４５】
また、酸素供給システム１００は、曝気対象水２０が例えば淡水であり、曝気対象水２０に魚などの水中生物が放たれている場合には、水中生物に酸素を供給するシステムとして用いられる。
【００４６】
図２は、酸素供給システム１００の変形例（酸素供給システム１００ａ）の概要を示す図である。図２に示すように、酸素供給システム１００ａは、曝気槽１０に曝気の対象となる水又は処理対象水などの曝気対象水２０を保持し、曝気対象水２０の水面に近い水深の浅い位置に散気装置３０が配置されている。また、曝気槽１０の例えば中央には、旋回流生成装置４２が設けられている。以下、図１に示した酸素供給システム１００の構成と実質的に同一の構成には同一の符号が付してある。
【００４７】
旋回流生成装置４２は、例えば駆動部４２０、攪拌部材４２２及び支持部４２４を有する。駆動部４２０は、例えば曝気対象水２０の水面中央の上方に支持部４２４によって支持され、攪拌部材４２２を回転させることによって曝気対象水２０を攪拌する。例えば、攪拌部材４２２は、駆動部４２０によって回転させられることにより、曝気槽１０内の中央付近から底面側を通って壁面側に向かう攪拌流Ｂを生じさせる。なお、攪拌部材４２２が設けられる位置は、散気装置３０よりも下方であれば他の位置であってもよい。
【００４８】
以上説明したように、一実施形態にかかる酸素供給システム１００（又は酸素供給システム１００ａ）によれば、動力に対する酸素溶解効率を高くすることができる。すなわち、酸素供給システム１００は、同じ酸素溶解効率であれば、図７に示した比較例よりも小さい動力で実現することができ、省エネルギーとなる。
【００４９】
次に、酸素供給システム１００における酸素溶解効率の優位性を示す実験例について説明する。
【００５０】
図３は、酸素供給システム１００が有する機能を備えた実験用の酸素供給システム１００ｂの概要を示す図である。
【００５１】
図３に示すように、酸素供給システム１００ｂは、例えば曝気槽１０ｂに曝気の対象となる水又は処理対象水などの曝気対象水２０ｂを保持している。曝気対象水２０ｂの水面に近い水深の浅い位置には、複数の散気装置３０ｂが配置されている。例えば、酸素供給システム１００ｂは、４つの散気装置３０ｂが並べて配置されている（図４参照）。
【００５２】
また、曝気槽１０ｂ内の一方の壁側には、曝気対象水２０ｂの水面からの距離を可変にされた旋回流生成装置４０ｂが配置されている。そして、複数の散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂは、例えば空気圧縮機５０が供給する圧縮空気が供給されるように配管５００が接続されている。
【００５３】
空気圧縮機５０は、配管５００を介して酸素を含む圧縮空気を供給する。また、配管５００には、窒素ガス供給装置５１０が切替弁５１２を介して接続されている。切替弁５１２は、配管５００に対する接続先を空気圧縮機５０と窒素ガス供給装置５１０との間で切り替える。窒素ガス供給装置５１０は、切替弁５１２の切替え動作に応じて、配管５００を介して窒素を供給する。制御弁５１は、配管５００の空気圧縮機５０近傍に設けられ、空気圧縮機５０が供給する圧縮空気（又は窒素ガス供給装置５１０が供給する窒素ガス）の送風量を調節する。ニードル弁５２は、空気圧縮機５０から旋回流生成装置４０ｂに供給される圧縮空気の流量（送風量）を調整する。４つのニードル弁５３は、それぞれ散気装置３０ｂに供給される圧縮空気の流量を調整する。
【００５４】
制御弁５１、ニードル弁５２及びニードル弁５３の近傍には、圧縮空気の送風量（ｍ３／ｍｉｎ）を測定するフローインジケータ５４がそれぞれ設けられている。また、ニードル弁５２及びニードル弁５３の近傍には、圧縮空気の圧力（ｋＰａ）を計測する圧力ゲージ５５がそれぞれ設けられている。そして、散気装置３０ｂは所定の気泡３００を放出し、旋回流生成装置４０ｂは所定の粗大気泡４００を放出する。
【００５５】
なお、曝気槽１０ｂ内には、溶存酸素濃度を計測する複数のＤＯ（Dissolved Oxygen）計６０（図５参照）が設けられている。
【００５６】
図４は、曝気槽１０ｂ、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂの配置例を示す図である。図４（ａ）は、曝気槽１０ｂ、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂの断面を示す図である。図４（ｂ）は、曝気槽１０ｂ、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂを上方から見た平面図である。
【００５７】
曝気槽１０ｂは、例えば幅１４００ｍｍ、奥行１４００ｍｍ、水深１４００ｍｍの水槽である。散気装置３０ｂは、例えば気泡３００を放出する膜寸法が６００ｍｍ×１５０ｍｍにされた散気パネルである。また、４つの散気装置３０ｂは、縦横２列に並べて配置されることにより、曝気対象水２０ｂの水面の面積に対する設置面積が１５％になるようにされている。
【００５８】
具体的には、２つの散気装置３０ｂは、長手方向に並べられた列の中心が曝気槽１０ｂの壁から３５０ｍｍ離されている。また、散気装置３０ｂは、長手方向の間隔が１００ｍｍとなるように並べられ、端部が曝気槽１０ｂの壁から５０ｍｍ離されている。さらに、散気装置３０ｂは、それぞれ曝気対象水２０ｂの水面からの距離ｈｄが可変にされている。例えば、散気装置３０ｂは、曝気対象水２０ｂの水面からの距離ｈｄが２００ｍｍ、４００ｍｍ、６００ｍｍ及び１３００ｍｍに設定可能にされている。
【００５９】
旋回流生成装置４０ｂは、例えば直径が４０ｍｍ、長さが６００ｍｍの塩化ビニール管であり、孔径が４ｍｍの孔が２０個設けられた多孔管である。旋回流生成装置４０ｂは、曝気槽１０ｂの壁から１００ｍｍ離され、曝気対象水２０ｂの水面からの距離ｈｐが可変にされている。例えば、旋回流生成装置４０ｂは、曝気対象水２０ｂの水面からの距離ｈｐが３００ｍｍ、８００ｍｍ及び１３００ｍｍに設定可能にされている。
【００６０】
図５は、曝気槽１０ｂ内に設けられた複数のＤＯ計６０の位置を示す図である。図５（ａ）は、ＤＯ計６０の配置を示す曝気槽１０ｂの断面図である。図５（ｂ）は、ＤＯ計６０の配置を示す曝気槽１０ｂの平面図である。ＤＯ計６０は、水深３００ｍｍ、６００ｍｍ、９００ｍｍ及び１２００ｍｍの位置で溶存酸素濃度を計測するように曝気槽１０ｂ内に例えば４個配置されている。また、ＤＯ計６０それぞれは、図５（ｂ）に示すように、曝気槽１０ｂ内の一方の壁から３５０ｍｍ離れ、直交する他の壁から２５０ｍｍ離れるようにされている。
【００６１】
次に、酸素供給システム１００ｂを用いて必要な曝気エネルギーを算出し、従来技術に対する省エネルギー効果を比較によって評価する方法について説明する。ここで、作業者は、酸素供給システム１００ｂを用いて以下の操作を行う。
【００６２】
まず、作業者は、窒素ガス供給装置５１０から窒素ガスを曝気槽１０ｂ内に供給し、溶存酸素濃度を０ｍｇ／Ｌ程度まで低下させる。
【００６３】
その後、空気圧縮機５０から所定風量の圧縮空気を供給して曝気を開始し、溶存酸素の経時変化を記録する。溶存酸素濃度が略平衡に達したら測定を終了する。
【００６４】
そして、測定結果と下式（４）を用いてＫＬａを算出する。
【００６５】
【数４】
2019063734.tif 000006
次に、下式（５）、（６）を用いて、曝気エネルギーＰを算出する。下式（５）は、各散気装置３０ｂ（散気パネル）及び旋回流生成装置４０ｂ（多孔管）の曝気エネルギーＷｉを表している。下式（６）は、酸素供給システム１００ｂの全体の曝気エネルギーＰを表している。
【００６６】
【数５】
2019063734.tif 000007
【００６７】
【数６】
2019063734.tif 000008
なお、作業者は、散気装置３０ｂの距離ｈｄ及び旋回流生成装置４０ｂの距離ｈｐをそれぞれ順次に変更して上述した操作を行う。
【００６８】
図６は、上述した酸素供給システム１００ｂを用いて散気装置３０ｂ（散気パネル）のみから曝気した場合と、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂ（多孔管）から曝気した場合の曝気エネルギーに対する総括物質移動容量係数ＫＬａを示すグラフである。図６において、白色丸印は、散気装置３０ｂのみから曝気し、曝気エネルギーを変化させた場合の総括物質移動容量係数ＫＬａを示している。また、黒色丸印は、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂから曝気し、曝気エネルギーを変化させた場合の総括物質移動容量係数ＫＬａを示している。
【００６９】
散気装置３０ｂのみから曝気した場合と、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂから曝気した場合のいずれも、直線近似によって示されているように、曝気エネルギーとＫＬａとは比例関係にある。また、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂに対する送風量と設置水深は、この比例関係にはあまり影響を与えていない。
【００７０】
しかし、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂから曝気した場合は、散気装置３０ｂのみから曝気した場合に比べて、比例関係の傾きが大きくなっている。すなわち、散気装置３０ｂ及び旋回流生成装置４０ｂから曝気した場合は、散気装置３０ｂのみから曝気した場合に比べて、同じ曝気エネルギーであればより高いＫＬａを得られており、省エネルギーとなっている。
【符号の説明】
【００７１】
１０，１０ｂ・・・曝気槽、２０，２０ｂ・・・曝気対象水、３０，３０ｂ・・・散気装置、４０，４０ｂ・・・旋回流生成装置、４２・・・旋回流生成装置、５０・・・空気圧縮機、５２，５３・・・ニードル弁、５４・・・フローインジケータ、５５・・・圧力ゲージ、６０・・・ＤＯ計、１００，１００ａ，１００ｂ・・・酸素供給システム、３００・・・気泡、４００・・・粗大気泡、４２０・・・駆動部、４２２・・・攪拌部材、５００・・・配管、５１０・・・窒素ガス供給装置、５１２・・・切替弁
【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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