(57)【要約】【課題】  被処理水槽の水中に微細気泡を発生するに当たり、電力を消費することなく、省エネ化を図る。【解決手段】  微細気泡発生装置１０は、水素吸蔵合金６の加熱、吸熱作用により、圧力容器１に内装させた伸縮可能部材２に水素ガス５を放出、吸蔵させ、前記伸縮可能部材２が伸張したときに、圧力容器１中に導入した水および空気を加圧する微細気泡発生手段により、微細気泡を空気溶解加圧水として得る。また、散気装置２０は、前記微細気泡発生手段により得た空気溶解加圧水を、水処理施設の被処理水槽の水中に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用により、圧力容器に内装させた伸縮可能部材に水素ガスを放出、吸蔵させ、前記伸縮可能部材が伸張したときに、圧力容器中に導入した水および空気を加圧する微細気泡発生手段により、微細気泡を空気溶解加圧水として得ることを特徴とする微細気泡発生装置。
【請求項２】
前記微細気泡発生手段は、圧力容器と、この圧力容器に内装された伸縮可能部材と、この伸縮可能部材が縮退状態で前記圧力容器内に水および空気を送給する給水・給気経路と、前記伸縮可能部材に水素ガスを導入し、この伸縮可能部材を伸張させ、前記加圧容器内の水および空気を加圧して空気溶解加圧水を生成させるための水素吸蔵合金と、からなることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生装置。
【請求項３】
前記伸縮可能部材は、ベローズである請求項１又は請求項２に記載の微細気泡発生装置。
【請求項４】
水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用により、圧力容器に内装させた伸縮可能部材に水素ガスを放出、吸蔵させ、前記伸縮可能部材が伸張したときに、圧力容器中に導入した水および空気を加圧する微細気泡発生手段により得た空気溶解加圧水を、水処理施設の処理水槽の水中に供給することを特徴とすることを特徴とする水処理施設における散気装置。
【請求項５】
前記微細気泡発生手段は、圧力容器と、この圧力容器に内装された伸縮可能部材と、この伸縮可能部材が縮退状態で前記圧力容器内に水および空気を送給する給水・給気経路と、前記伸縮可能部材に水素ガスを導入し、この伸縮可能部材を伸張させ、前記加圧容器内の水および空気を加圧して空気溶解加圧水を生成させるための水素吸蔵合金と、からなることを特徴とする請求項４に記載の水処理施設における散気装置。
【請求項６】
前記伸縮可能部材は、ベローズである請求項４又は請求項５に記載の水処理施設における散気装置。
【請求項７】
前記処理水槽が、活性汚泥法によるエアレーションタンク、膜ろ過処理設備における膜ろ過槽、浄水処理設備におけるオゾン処理の水槽、浮上濃縮設備における加圧浮上槽、又は、河川水、ダム・湖沼水、魚貝養殖用水の浄水処理を行うための水槽であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の水処理施設における散気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、微細気泡発生装置およびこの装置を用いた水処理施設における散気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  水処理施設、例えば下水中の有機物中心の汚濁物質を除去する活性汚泥法による処理施設における生物反応槽（エアレーションタンク）への空気の吹き込み（エアレーション）を行うためには散気装置が用いられる。【０００３】  エアレーションタンクへの酸素の供給手段として、一般的には、ブロワーなどを使い、空気を、槽底部などに設置した多孔性の散気管（筒）や、散気板から送る方法が用いられる。【０００４】  このような散気式エアレーションタンクにおいては、微生物の活動のためにモーターとブロワーにより大量の空気をエアレーションタンクに送り込むため、大きな電力を必要とした。【０００５】  これは、散気式エアレーションタンクに限らず、他の水処理施設においても同様である。図６は、従来の加圧浮上用装置における散気装置の例であって、圧力タンク１０１内に給水ポンプ１０２から加圧水を供給するとともに、コンプレッサー１０３から加圧空気を噴き込み、発生した微細気泡を含む空気溶解加圧水を供給経路１０４を介して処理水槽１０５に供給するものであって、給水ポンプ１０２およびコンプレッサー１０３は、それぞれモーターにより駆動されるため、大きな電力を要する。【０００６】  ２０１１年３月１１日東日本大震災以降国内の電力事情は深刻な状態となった。震災、津波とは直接関係のなかった地域の原子力発電所も停止状態となり日本全国が電力の被災地となった。今後電力事情が一気に好転するとは思えず、またこの機会にあらゆる機器や施設の省エネ化を見直すべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】  特開２００１−０７０７７３号公報
【特許文献２】  特開平１１−０８２３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明は、このような観点から、被処理水槽の水中に微細気泡を発生するに当たり、電力を消費することなく、これを実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明者は、上記課題の解決に当たり、水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用による水素ガスの放出、吸蔵作用を利用して空気溶解加圧水を得るとの新規な発想のもとに、本発明の完成に至ったものである。【００１０】  上記の課題を解決するための本発明の微細気泡発生装置は、水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用により、圧力容器に内装させた伸縮可能部材に水素ガスを放出、吸蔵させ、前記伸縮可能部材が伸張したときに、圧力容器中に導入した水および空気を加圧する微細気泡発生手段により、微細気泡を空気溶解加圧水として得ることを特徴とする。【００１１】  また、上記の課題を解決するための本発明の水処理施設における散気装置は、水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用により、圧力容器に内装させた伸縮可能部材に水素ガスを放出、吸蔵させ、前記伸縮可能部材が伸張したときに、圧力容器中に導入した水および空気を加圧する微細気泡発生手段により得た空気溶解加圧水を、水処理施設の被処理水槽の水中に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、圧力容器中に導入した水および空気を加圧して微細気泡を発生するに当たり、水素吸蔵合金の加熱、吸熱作用による水素ガスの放出、吸蔵作用を利用するため、微細気泡発生には熱源さえあればよく、電力消費の問題を解決し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】  本発明に係る微細気泡発生装置および水処理施設における散気装置の第１の実施形態について示す断面図である。
【図２】  本発明に係る微細気泡発生装置および水処理施設における散気装置の第２の実施形態について示す断面図である。
【図３】  本発明に係る微細気泡発生装置および水処理施設における散気装置の第３の実施形態について示す断面図である。
【図４】  本発明に係る微細気泡発生装置および水処理施設における散気装置の第４の実施形態について示す断面図である。
【図５】  （ａ）は、水素吸蔵合金の水素化反応を利用したエネルギ変換機能を説明するための模式図、（ｂ）は、反応熱からの熱エネルギと、水素圧を利用した機械的エネルギ間相互の変換の模式図である。
【図６】  従来の加圧浮上用装置における散気装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について以下に説明する。
【００１５】  図１は、本発明に係る微細気泡発生装置１０および水処理施設における散気装置２０の第１の実施形態について示す断面図である。
【００１６】  微細気泡発生装置１０は、圧力容器１と、この圧力容器１に内装された伸縮可能部材であるベローズ２と、前記圧力容器１内に水および空気を送給する給水経路３および給気経路４と、前記ベローズ２内と接続され、このベローズ２内に水素ガス５を供給して、ベローズ２を伸張させるための水素吸蔵合金（ＭＨ）６とにより構成される。微細気泡発生装置１０により生成された空気溶解加圧水は、空気溶解加圧水供給経路７から放水弁８を介して散気装置２０に供給される。
【００１７】  前記水素吸蔵合金（ＭＨ）６は、各種の技術文献に記載され公知である。一例として本発明者らが提案した特開平９−２５６４２５号公報を挙げることができ、以下その概要について説明する。
【００１８】  ある種の合金、金属水素化物は、水素吸蔵合金（ＭＨ）と称され、自己の体積の１０００倍以上もの水素を吸蔵する。水素吸蔵合金（ＭＨ）は水素を貯蔵する能力とともに、図５の（ａ）に示す水素化反応を利用したエネルギ変換機能を有する。すなわち、水素吸蔵合金（ＭＨ）に熱を加えると、水素吸蔵合金（ＭＨ）の水素平衡圧が上昇して水素ガスが放出され、水素吸蔵合金（ＭＨ）の温度を下げると平衡圧が下がり水素が吸蔵される。したがって、熱を駆動源にして水素ガス圧の機械的エネルギを取り出すことができる。図５の（ｂ）は、反応熱からの熱エネルギと、水素圧を利用した機械的エネルギ間相互の変換の模式図である。
【００１９】  次に、微細気泡発生装置１０による微細気泡発生手段の作動について説明する。図１において、放水弁８を閉止し、ベローズ２が縮退したＺの位置で、給水経路３および給気経路４にそれぞれ介在させた給水弁３ａおよび給気弁４ａを開放し、圧力容器１内に水および空気を送給する。その後、ベローズ２内と接続された水素吸蔵合金（ＭＨ）に熱を加え、水素ガスを放出させると、ベローズ２は伸張して、圧力容器１内が加圧され、徐々に圧力が上昇し、加圧容器１内の中間位置Ｙに達する。この間、圧力容器１内の水中に空気が過飽和溶解される。
【００２０】  加圧容器１内を、ベローズ２が中間位置にある所定の圧力に保持しながら、放水弁８を開放するとともに、水素吸蔵合金（ＭＨ）６を更に加熱し、水素ガスを放出させると、ベローズ２は伸張し、加熱容器１内の底部近傍位置Ｘまで達する。微細気泡発生装置１０で発生した空気溶解加圧水は、空気溶解加圧水供給経路７から放水弁８を通して被処理水槽２１の被処理水（大気圧水）中に放出され、微細な気泡を発生し、散気装置２０を構成する。
【００２１】  上記を１サイクルとした行程を終了すると、放水弁８を閉止し、水素吸蔵合金（ＭＨ）の温度を下げて水素を吸蔵することにより、ベローズ２はＺの位置まで縮退する。以降、同様の行程を反復継続することにより、被処理水槽２１内には、空気溶解加圧水供給経路７を経由して微細気泡が発生し続け、水処理を効率的に行うことができる。この間、必要とする電力は、給水弁３ａおよび給気弁４ａを開閉するためのモーター駆動のみで、最小限の消費で済む。この方式により得られる気泡は極めて微細であり、水との接触効率が高い。また、微細気泡が水中に滞留する時間が長く、結果として省エネルギで、当初の目的を達成することができる。
【００２２】  図２は、本発明に係る微細気泡発生装置１０Ａおよび水処理施設における散気装置２０の第２の実施形態について示す断面図である。
【００２３】  微細気泡発生装置１０Ａは、圧力容器１０１と、この圧力容器１０１内の液面下に給水経路３の一端が接続された給水タンク１１と、圧力容器１０１の液面上方に給気経路４の一端が接続された給気タンク１２と、給水タンク１１および給気タンク１２のそれぞれに内装された伸縮可能部材であるベローズ２Ａ，２Ｂと、このベローズ２Ａ，２Ｂ内と接続され、このベローズ２Ａ，２Ｂの内部に水素ガス５Ａ，５Ｂをそれぞれ供給して、ベローズ２Ａ，２Ｂを伸張させるための水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ａ，６Ｂとにより構成される。
【００２４】  給水経路３および給気経路４には、圧力容器１０１からの逆流を防止するために、図示しない逆止弁がそれぞれ設けられる。また、給水タンク１１の上端付近には、一般的な水道用空気弁が設けられており、給水タンク１１内を充水するときに内部の空気を排出するとともに、伸張したベローズが縮退する際に給水タンク１１内が負圧になることを防止するために吸気する。
【００２５】  給水タンク１１（充水状態）と、給気タンク１２の各ベローズ２Ａ，２Ｂが縮退した状態で、給水タンク１１の給水弁３ｂおよび給気タンク１２の給気弁４ｂを開放し、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ａ，６Ｂを加熱してベローズ２Ａ，２Ｂ内に水素ガス５Ａ，５Ｂを供給すると、ベローズ２Ａ，２Ｂは伸張し、給水経路３および給気経路４を介して圧力容器１０１内に加圧された水および空気が送給される。この行程を複数回繰り返すと、次第に圧力容器１０１内の圧力が高まり、水中に空気が過飽和溶解される。圧力容器１０１中の空気溶解加圧水は、空気溶解加圧水供給経路７から放水弁８を通して被処理水槽２１に導かれ、微細な気泡を発生する。なお、給水タンク１１に水を供給するための給水経路３の他端は、被処理水槽２１の水中に延びており、モーター付の給水ポンプ１４を作動させて給水タンク１１に向かって水を汲み上げている。電力消費を抑えるために、このモーター付の給水ポンプ１４の作動に代えて、別途設置した高架タンクからの自然流下による給水としてもよい。
【００２６】  加圧された水および空気が圧力容器１０１内に送給された後は、給水タンク１１の給水弁３ｂおよび給気タンク１２の給気弁４ｂをそれぞれ閉止し、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ａ，６Ｂの温度を下げて水素を吸蔵することにより、ベローズ２Ａ，２Ｂは原位置に縮退する。
【００２７】  以降、上記を１サイクルとした行程を反復継続することにより、被処理水槽２１内には、空気溶解加圧水供給経路７を経由して微細気泡が発生し続け、水処理を効率的に行うことができる。
【００２８】  この第２の実施形態においては、電気エネルギとして、給水タンク１１に水を供給する低揚程の給水ポンプ１４を作動させるための一つの駆動モーターを設置するのみでよいので、エネルギー効率の低減を図ることができる。
【００２９】  図３は、本発明に係る微細気泡発生装置１０Ａおよび水処理施設における散気装置２０の第３の実施形態について示す断面図である。
【００３０】  微細気泡発生装置１０Ａは、圧力容器１０１と、この圧力容器１０１内の液面下に給水経路３の一端が接続されるとともに、給水弁３ａ、給気弁４ａおよび給水・給気兼用弁３ｃを有する給水・給気兼用タンク１３と、この給水・給気兼用タンク１３に内装された伸縮可能部材であるベローズ２Ｃと、このベローズ２Ｃ内と接続され、このベローズ２Ｃの内部に水素ガス５Ｃを供給して、ベローズ２Ｃを伸張させる水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃとにより構成される。
【００３１】  給水・給気兼用タンク１３（充水状態）のベローズ２Ｃが縮退した状態で、給水・給気兼用弁３ｃを開放し、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃを加熱してベローズ２Ｃ内に水素ガス５Ｃを供給すると、ベローズ２Ｃは伸張し、送給経路３１を介して圧力容器１０１内に加圧された水が送給される。次いで、給水・給気兼用弁３ｃを閉じ、給水弁３ａおよび給気弁４ａを開放し、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃを冷却してベローズ２Ｃを縮退させた後、給水弁３ａおよび給気弁４ａを閉じ、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃを加熱してベローズ２Ｃ内に水素ガス５Ｃを供給すると、ベローズ２Ｃは伸張し、送給経路３１を介して圧力容器１０１内に加圧された空気が送給される。この間、圧力容器１０１内の水中に空気が過飽和溶解される。圧力容器１０１中の空気溶解加圧水は、空気溶解加圧水供給経路７から放水弁８を通して被処理水槽２１に導かれる。なお、給水・給気兼用タンク１３に水を供給するための給水経路３の一端は、被処理水槽２１の水中に延びており、モーター付の給水ポンプ１４を作動させて給水・給気兼用タンク１３に向かって水を汲み上げている。高架タンクからの自然流下による給水としてもよいことは、前述のとおりである。このように、この第３の実施形態では、ポンプによる給水とコンプレッサーによる給気とを、圧力容器１０１の圧力水の状況に応じて任意に選択し、一台の水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃにより運転する。
【００３２】  加圧された水および空気が圧力容器１０１内に送給された後は、給水・給気兼用弁３ｃを閉止し、給水弁３ａおよび給気弁４ａを開放した状態で、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃの温度を下げて水素を吸蔵することにより、ベローズ２Ｃは原位置に縮退する。
【００３３】  以降、上記を１サイクルとした行程を反復継続することにより、被処理水槽２１内には、空気溶解加圧水供給経路７を経由して微細気泡が発生し続け、水処理を効率的に行うことができる。
【００３４】  この第３の実施形態においては、第２の実施形態と同じ効果が奏されるとともに、微細気泡発生装置１０Ａへの給水および給気を兼用することができる。
【００３５】  図４は、本発明に係る微細気泡発生装置１０Ａおよび水処理施設における散気装置２０の第４の実施形態について示す断面図である。
【００３６】  微細気泡発生装置１０Ａは、圧力容器１０１と、この圧力容器１０１内の液面下に送給経路３１の一端が接続されるとともに、被処理水槽２１の水面下に給水弁３ａおよび給水・給気兼用弁３ｃを、また、水面上方に給気弁４ａを有する給水・給気兼用タンク１３と、この給水・給気兼用タンク１３に内装された伸縮可能部材であるベローズ２Ｃと、このベローズ２Ｃ内と接続され、このベローズ２Ｃの内部に水素ガス５Ｃを供給して、ベローズ２Ｃを伸張させる水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃとにより構成される。
【００３７】  給水・給気兼用タンク１３のベローズ２Ｃが縮退した状態で、給水弁３ａ、給気弁４ａおよび給水・給気兼用弁３ｃを開放し充水、給気した後水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃを加熱してベローズ２Ｃ内に水素ガス５を供給すると、ベローズ２Ｃは伸張し、給水経路３および給気経路４を介して圧力容器１０１内に加圧された水および空気が送給され圧力容器１０１内の水中に空気が過飽和溶解される。圧力容器１０１中の空気溶解加圧水は、空気溶解加圧水供給経路７から放水弁８を通して被処理水槽２１に導かれる。
【００３８】  加圧された水および空気が圧力容器１０１内に送給された後は、給水・給気兼用弁３ｃを閉止し、給水弁３ａおよび給気弁４ａを開放した状態で、水素吸蔵合金（ＭＨ）６Ｃの温度を下げて水素を吸蔵することにより、ベローズ２Ｃは原位置に縮退する。
【００３９】  以降、上記を１サイクルとした行程を反復継続することにより、被処理水槽２１内には、空気溶解加圧水供給経路７を経由して微細気泡が発生し続け、水処理を効率的に行うことができる。
【００４０】    なお、この第４の実施形態において、給水・給気兼用タンク１３は、被処理水槽２１の水中に半没水させた例について示したが、場合によっては没水状態としてもよいし、また、給水・給気兼用タンク１３を設置させる水槽も、被処理水槽２１に代えて空気溶解加圧水の原水槽としてもよい。
また、この第四の実施形態において圧力容器１０１を省略し給水・給気兼用タンク１３から送給経路３１を被処理水槽２１に導き給水・給気兼用弁３ｃを開放してもよい。
【００４１】  この第４の実施形態においては、給水・給気兼用タンク１３がポンプ作用を行うため、ベローズ２Ｃの伸張・縮退を繰り返すことにより、電力を一切使用することなく、圧力容器１０１内の水中に空気が過飽和溶解される。
【００４２】  以上、第１ないし第４の実施形態で説明したように、微細気泡発生装置１０（１０Ａ）における微細気泡発生手段は、水素吸蔵合金（ＭＨ）の加熱、吸熱作用による水素ガスの放出、吸蔵作用を利用するため、熱源を準備するのみでよく、従来の装置のようなモーター駆動のための大きな電力は不要である。
【００４３】  水素ガスを放出するための水素吸蔵合金（ＭＨ）の加熱手段としては、電気ヒータによる加熱はもちろん、集熱器により太陽熱を利用するもの、ヒートポンプにより大気、水中からの熱を利用するもの等が具体的に挙げられる。また、下水処理場では、場内で発生する汚泥を焼却処理する場合が多く、この焼却熱を利用することも有効である。さらに、ゴミ焼却施設や工場内のボイラー排熱、地熱、温泉熱等も利用でき、要は、継続して供給可能なものであれば熱源の種類は問わない。一方、水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金（ＭＨ）の吸熱手段としては、水処理施設の処理水や冷風等を利用でき、これらを組み合わせて利用してもよい。
【００４４】  次に、本発明の微細気泡発生手段により得た空気溶解加圧水を供給する水処理施設の被処理水槽２１の具体例について説明する。
【００４５】  １）下水処理場におけるエアレーションタンクへの適用
活性汚泥中に生息する微生物の働きにより生物学的に水質浄化を行うエアレーションタンクの散気に対する本発明の適用は特に有効である。
２）膜ろ過による膜の洗浄への適用
膜によりろ過を行う場合、膜面の閉塞を検知し洗浄を行う。この膜の洗浄として空気、水、空気溶解加圧水を膜の下流側から通気通水するいわゆる逆洗の方法がとられる。この際、本発明の手段によれば、空気、水、空気溶解加圧水が一つの装置で選択運転することが可能である。空気溶解加圧水で逆洗すると、大気圧状態の膜表面で空気溶解加圧水の気泡が発生するが、その際、あたかも破裂状態となるため、異物を膜面から剥離させる作用が期待できる。
３）オゾンによる消毒への適用
浄化処理された水にオゾンガス（気泡）を接触させて消毒を行う。この場合にも本発明の微細気泡発生手段が効力を発揮する。
４）河川水、ダム・湖沼水、魚貝養殖用水の浄化処理への適用
河川水、ダム・湖沼水、魚貝養殖用水の浄化のための散気装置として、本発明の微細気泡発生手段を適用すれば極めて有効である。
【００４６】  以上、本発明に係る微細気泡発生装置および水処理施設における散気装置の好適な実施形態について説明した。なお、実施形態においては圧力容器中に内装された伸縮可能部材として、効率の良いベローズに限定して説明したが、代替部材として一般的なシリンダを採用することも、もちろん可能である。
【符号の説明】
【００４７】    １    圧力容器
２    ベローズ
３    給水経路
３ａ  給水弁
４    給気経路
４ａ  給気弁
５    水素ガス
６    水素吸蔵合金（ＭＨ）
７    空気溶解加圧水供給経路
８    放水弁
１０    微細気泡発生装置
２０    散気装置
２１    被処理水槽
【図１】
2015171701.tif 000003
【図２】
2015171701.tif 000004
【図３】
2015171701.tif 000005
【図４】
2015171701.tif 000006
【図５】
2015171701.tif 000007
【図６】
2015171701.tif 000008