(57)【要約】【課題】表面曝気の飛散汚水の水面に対する入射角度が適正になるようにすることで、汚水処理槽内の上下方向の循環水流を確保し、汚水処理槽底部に水流を発生させて、水深の大きな汚水処理槽においても効率的な曝気を行うことができるようにした曝気機を提供すること。【解決手段】電動機１により回転駆動される回転軸１２に取り付けた攪拌羽根１３と、回転軸１２の周囲を覆うように配設した筒体１５とを備え、回転軸１２を回転させることにより、汚水処理槽Ａの底部の汚水を吸い込み自由表面上部から散水させることにより曝気を行うようにした曝気機１において、飛散汚水が自由表面に対して入射する入射角度θが適正な角度となるように、その噴出角度β、噴出速度及び噴出高さになるように噴出口１６を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機により回転駆動される回転軸に取り付けた攪拌羽根と、前記回転軸の周囲を覆うように配設した筒体とを備え、回転軸を回転させることにより、汚水処理槽底部の汚水を吸い込み、噴出口から散水させることにより曝気を行うようにした曝気機において、噴出口からの飛散汚水が水面に対して入射する入射角度が、汚水処理槽底部に水流を発生させる適正な角度となるように、その噴出角度、噴出速度及び噴出高さを調整したことを特徴とする曝気機。
【請求項２】
飛散汚水の水面に対して入射する入射角度を、２０度〜４０度の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の曝気機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曝気機に関し、特に、表面曝気の飛散汚水の水面に対する入射角度が適正になるようにすることで、汚水処理槽内の上下方向の循環水流を確保し、汚水処理槽底部に水流を発生させて、水深の大きな汚水処理槽においても効率的な曝気を行うことができるようにした曝気機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、汚水処理槽内の汚水を水面上方に噴出させ、水面に落下させるようにして大気と接触させることで汚水表面部を曝気するようにした表面曝気機が提案されている。
【０００３】
ところで、この表面曝気機において、水面上方から汚水を水面に落下させると、その汚水は水面との衝突時に気泡を巻き込みながら噴流を発生し、汚水処理槽内を攪拌する効果がある。
【０００４】
しかしながら、従来の表面曝気機においては、曝気機からより遠くへ汚水を飛散させるようにするため、汚水の噴出高さを高く、かつ、噴出速度を速くなるように設定しているので、必然的にその汚水の噴出角度βが適正値よりも大きくなり、かつ汚水液面への突入角度、すなわち、入射角度θも適正値よりも大きくなっていることがわかった。
【０００５】
このように、汚水の噴出角度β及び入射角度θが大きい場合、汚水の水面への衝突時に巻き込む気泡量が多くなり、汚水処理槽内での循環水流の乱れ、汚水噴流と巻き込み気泡の相互干渉等の流体力学的現象によって、汚水処理槽底部の水流を含む汚水処理槽内の上下方向の循環水流が弱まり、特に、水深の大きな汚水処理槽では汚泥堆積を防止できないという問題があった。
【０００６】
また、反対に水深の小さな汚水処理槽においては、汚水処理槽底部の水流を確保するための投入動力が大き過ぎるという問題を有し、曝気量確保のために投入動力を増加させているときは、自ずとその動力により汚水処理槽底部の水流は確保されるが、例えば、低負荷に応じた適正な処理を行うために曝気量を減少させる目的で投入動力を減少させた場合には、その曝気中に汚水処理槽底部の水流を確保できないので、かかる場合でもやむを得ず、過曝気の運転をせざるを得ないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の汚水表面部を曝気する曝気機の有する問題点に鑑み、表面曝気の飛散汚水の水面に対する入射角度が適正になるようにすることで、汚水処理槽内の上下方向の循環水流を確保し、汚水処理槽底部に水流を発生させて、水深の大きな汚水処理槽においても効率的な曝気を行うことができるようにした曝気機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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の曝気機は、電動機により回転駆動される回転軸に取り付けた攪拌羽根と、前記回転軸の周囲を覆うように配設した筒体とを備え、回転軸を回転させることにより、汚水処理槽底部の汚水を吸い込み、噴出口から散水させることにより曝気を行うようにした曝気機において、噴出口からの飛散汚水が水面に対して入射する入射角度が、汚水処理槽底部に水流を発生させる適正な角度となるように、その噴出角度、噴出速度及び噴出高さを調整したことを特徴とする。
【０００９】
この場合において、飛散汚水の水面に対して入射する入射角度を、２０度〜４０度の範囲に設定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の曝気機によれば、電動機により回転駆動される回転軸に取り付けた攪拌羽根と、前記回転軸の周囲を覆うように配設した筒体とを備え、回転軸を回転させることにより、汚水処理槽底部の汚水を吸い込み、噴出口から散水させることにより曝気を行うようにした曝気機において、噴出口からの飛散汚水が水面に対して入射する入射角度が、汚水処理槽底部に水流を発生させる適正な角度となるように、その噴出角度、噴出速度及び噴出高さを調整することにより、汚水処理槽内の上下方向の循環水流を確保し、汚水処理槽底部に水流を発生させて、水深の大きな汚水処理槽においても効率的な曝気を行うことができる。
【００１１】
また、飛散汚水の水面に対して入射する入射角度を、２０度〜４０度の範囲に設定することにより、広範囲の容量及び形状の汚水処理槽において、効率的な曝気を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の曝気機の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１〜図４に、本発明の曝気機の一実施例を示す。
本発明の曝気機１が設置される汚水処理槽Ａは、特に限定されるものではないが、汚水処理を行うために汎用されている矩形形状をした所要容量を有するもので、汚水処理槽Ａの中央部に曝気機１が設置される。
この曝気機１は、特に限定されるものではないが、例えば、図１に示すように、フロートＦにより浮遊状態にして支持するようにするか、或いは汚水処理槽Ａに配設する架台等を介して固設する。これにより、汚水処理槽Ａ全体の汚水の曝気・攪拌を均一に行えるようにする。
なお、フロートＦにより浮遊状態にして曝気機１を支持するようにした場合には、汚水処理槽Ａの水位変動に対応することができる。
【００１４】
また、曝気機１には、水面上に配置された回転方向を曝気運転と嫌気運転などにより切り替えることができる電動機１１により駆動される回転軸１２を配設し、この回転軸１２を水中の所定深度に達する長さを有するようにし、この回転軸１２の周囲を、所定の間隔をあけて覆う円筒形状の筒体１５を、汚水の水面下から水面上方にかけて配設するようにする。
この円筒形状の筒体１５の上端は、汚水を周囲に飛散させることができるように、曝気機１の水上部との間に所定の間隔をあけるようにして噴出口１６を配設するとともに、筒体１５の下端部は、汚水処理槽内底部の汚水を揚水し易いようにストレート又は図示するように漏斗状にやや拡開するように形成するようにする。
【００１５】
また、回転軸１２には、２種類の攪拌羽根１３、１４を、少なくともその大部分が筒体１５内の水面上に位置する（その全部を筒体１５内の水面上に位置するように配設することもできる。）上部攪拌羽根１３と、筒体１５の下端より下方の水中に位置する下部攪拌羽根１４とに、分断して配設するとともに、汚水を周囲に飛散させることができるように、その上端部に逆円錐部１７を形成するようにしている。
この場合、攪拌羽根１３、１４は、水流を発生することができるものであれば、同じ構造としても、或いは異なる構造としてもよく、その構造は図示のものに限定されない。
また、回転軸１２の上端部に逆円錐部１７を形成することにより汚水を周囲に均等に飛散させることができるようにする。
そして、攪拌羽根１３、１４によって揚水された汚水は、逆円錐部１７から上プレート１８ａと下プレート１８ｂとの間に形成される噴出口１６を通って周囲に飛散する。
【００１６】
筒体１５の上端と曝気機１の水上部との間に配設する噴出口１６は、噴出口１６より汚水を周囲に飛散させるとき、飛散汚水の水面への入射角度θが予め定めた適正な角度となるように、その噴出角度β、噴出高さ、噴出速度のいずれか１つ或いは複数を組み合わせて調整できるようにする。
この場合、飛散汚水の水面への入射角度θは、２０度〜４０度、より好ましくは、２５度〜３５度の範囲に設定するようにし、これにより、広範囲の容量及び形状の汚水処理槽において、効率的な曝気を行うことができるものとなることが、以下に説明する実験の結果等から確認できた。
【００１７】
ところで、飛散汚水の水面への入射角度θが予め定めた適正な角度となるようにするためには、その噴出角度β、噴出高さ、噴出速度のいずれか１つ或いは複数を組み合わせて調整するようにようにするが、それぞれの調整は、次のようにして行った。
【００１８】
（１）噴出角度β
噴出角度βの調整は、攪拌羽根１３、１４によって揚水された汚水が衝突する上プレート１８ａの直径を変更することにより行うことができる。
より具体的には、本実施例においては、上プレート１８ａの直径を、筒体１５の内径の３．０〜３．５倍程度となるように、従来の２．５倍程度より大きく設定するようにする。
【００１９】
（２）噴出高さ
噴出高さの調整は、攪拌羽根１３、１４によって揚水された汚水が衝突する上プレート１８ａの下面と水面との距離を変更することにより行うことができる。
より具体的には、本実施例においては、上プレート１８ａの下面と水面との距離を、４００ｍｍ以下、好ましくは、３５０〜４００ｍｍ程度となるように、従来の４５０ｍｍ程度より小さく設定するようにする。
【００２０】
（３）噴出速度
噴出速度の調整は、攪拌羽根１３、１４の形状や電動機１１により駆動される回転軸１２の回転数を変更することにより行うことができる。
より具体的には、本実施例においては、攪拌羽根のうちの上部攪拌羽根１３の回転軸１２に対する巻き角度を、３６０度未満、好ましくは、１８０〜２７０度程度となるように、従来の３６０度程度より小さく設定するようにする。
【００２１】
前記構成の曝気機１を用いて、効率の良い表面曝気を行うためには、汚水処理槽底部の低酸素濃度の汚水を揚水し、空中を飛散させて空気中の酸素を効率よく吸収し、水面から流入させることにより汚水処理槽内深層部まで効率よく循環させること、また汚水処理槽底部に汚泥が堆積することなく常に循環させるのに十分な底部攪拌流速を確保することが求められる。
このため、飛散汚水が着水するときに発生する気泡の巻き込み、汚水処理槽内での循環水流の誘起、乱れの発生、汚水噴流と気泡の相互干渉等の流体力学的現象を考量する必要があり、このため、効率的な循環水流誘起のための飛散汚水の水面への入射角度θについて実験した。
【００２２】
次に、本発明の曝気機の実験結果について説明する。
汚水噴流の汚水表面への突入速度を、実機の流速と同じ程度の２．６ｍ／ｓとして、汚水表面への入射角度θを、１８°、２７°、４４°と変化させて汚水面下の汚水流速をそれぞれ計測し、比較した。
また、入射位置から流線に沿った距離と汚水流速の減衰率の関係に及ぼす入射角度の影響を図２に示すグラフで比較して示す。図２において、横軸は、入射位置からの流線に沿った距離を示しており、縦軸は入射時の速度に対する速度の減少分の比を減衰率として示した。
【００２３】
図２より、入射角度θが１８°の場合には、入射位置から約１０ｍｍの位置で既に減衰率が高くなっており、減衰率の勾配は比較的小さく一定である。しかし、入射角度θが４４°の場合には、入射位置から約１５ｍｍから約４０ｍｍまでの位置で、距離の増加に伴い、急勾配で減衰率が上昇している。また、入射角度θが約２７°の場合には、入射位置から７０ｍｍまでは減衰率の上昇勾配が大きいが、その後１８°の場合とほぼ等しくなった。これらの現象変化の原因は、汚水噴流と巻き込まれた気泡との相互干渉によるものと考えられる。
【００２４】
また、１８°、２７°、４４°の各入射角度において、ボイド率分布と流速の減衰率分布を比較した。
入射角度θが１８°の場合には、入射位置から約３０ｍｍのところにボイド率が最大となっているが、速度の減衰率分布には、ボイド率分布との相関は見られない。また、入射位置近傍で、既に速度が急勾配で減衰しているので、速度減衰の原因は入射角度が小さいことによる突入時の界面の影響が大きかったためと考えられる。
入射位置からの距離が１０ｍｍ以降のところでも流線が表層付近のため、あまり大きな抵抗を受けなかったため、速度があまり減衰しなかった。
また、入射角度θが２７°の場合は、ボイド率が高いところでは減衰率が大きな割合で増加するが、距離が７０ｍｍより離れた位置では高いボイド率にもかかわらず距離の増加に対する減衰率増加勾配は小さい。このことから気泡の影響はあまり大きく受けていないと考えられる。
一方、入射角度θが４４°の場合では、入射位置から距離が大きくなるにつれて急勾配で速度の減衰が急上昇する。この原因は入射位置近傍でのボイド率が高いためと考えられる。これの原因を分析すると、測定範囲内で最も入射位置に近い深さ位置で、幅方向の平均流速分布とボイド率分布を各入射角度θ毎に比較すると４４°の場合は、平均流速のピーク位置とボイド率のピーク位置の幅方向の距離が近いため汚水流の方向が比較的高いボイド率の気泡の上昇と対向し、ボイド率の高さの影響を顕著に受けている。
【００２５】
入射角度θが異なる場合の、流線に沿った速度変動成分の変化を比べると、入射角度θが２７°の場合は、入射位置から距離が５０ｍｍ以上大きくなった場所でも速度変動成分が比較的大きい。この原因はボイド率が高く、流線に対して横方向から気泡を伴う流れが影響したためと考えられる。入射角度θが１８°の場合には、速度変動が距離の増加に従ってなだらかに減少する。これは平均速度と同様の変化と考えられる。入射角度θが４４°の場合には、距離の増加に伴い速度変動成分が急勾配で減少する。
【００２６】
以上のとおり、入射角度θを１８°、２７°、４４°の３種に変化させた実験結果から適正な入射角度を考えた場合、速度の減衰率が極力小さくなる場合の入射角度と評価できる。その判定は、速度の減衰率の勾配がほぼ一定になる位置で行うこととし、入射位置から流線に沿った距離７０ｍｍの位置での減衰率で判定した。
これらの減衰率を、異なる３つの入射角度θ(１８°、２７°、４４°)について比較した結果を図３に示す。図３の線図は異なる３点の角度の減衰率から２次曲線で変化すると仮定して結んだ線である。この線図から、本実験条件での液体自由噴流の液面突入後に、汚水流速の減衰が抑制可能な入射角度は、約２５°程度であると考えられる。
【００２７】
また、水深の違いによる槽内流動構造への影響についても実験し、その結果を図４に示す。
水深が５．０ｍの場合における適正な入射角度が、水深が変化した場合も同様に適応できるかどうかを明らかにするために、水深３．０ｍと４．５ｍの場合の底部流速分布について、解析の入射角度２７°と４４°の場合及び実測の１８°の場合も合わせて比較した。
図４から、水深を変化させた場合において、入射角度２７°の場合では入射角度が１８°、４４°の場合よりも同様に底部流速が大きくなることが検証できた。
また、水深が４．５ｍから３．０ｍに変化した場合、実測と解析では同程度の底部流速の増加が見られた。
【００２８】
したがって、水深の変化が及ぼす底部流速分布へ影響を解明するために、水深を３．０ｍから７．０ｍで変化させて行った数値シミュレーション結果から、入射角度２７°の流入条件であれば、水深が７．０ｍの高水深の場合においても底部流速分布は高い水準にあり、入射角度の改善により曝気機の高水深化への可能性が期待できる。
【００２９】
このように、飛散汚水の水面への入射角度を予め定めた適正な角度とすることにより、水上から入射する飛散汚水の流速に対しても、その汚水により誘起される汚水処理槽内既存の汚水の流速があまり減少することなく、かつその着水した汚水が汚水表層部を壁面に向かった後、壁面に沿って下降流となって底部に到達するようになる。
このため十分な底部流速が得られ、汚水処理槽底部の低酸素濃度の汚水も十分に攪拌されるとともに、さらにこの汚水処理槽底部の汚水が筒体１５下部より吸引、揚水されて筒体１５上部より飛散される。このように、汚水処理槽底部の低酸素濃度の汚水も水面上方に飛散されることにより酸素が高濃度の大気と接触して酸素溶解の効率を向上させることができる。
【００３０】
以上、本発明の曝気機について、実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の曝気機は、表面曝気の飛散汚水の水面に対する入射角度が適正になるようにすることで、汚水処理槽内の上下方向の循環水流を確保し、汚水処理槽底部に水流を発生させて、水深の大きな汚水処理槽においても効率的な曝気を行うことができることから、水深の大きな汚水処理槽に設置する曝気機に好適に用いることができるほか、例えば、下水や集落排水等の汚水処理の用途にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の曝気機の第１実施例を示す説明図である。
【図２】入射時速度の減衰率の変化を示すグラフ図である。
【図３】速度の減衰率の変化を示すグラフ図である。
【図４】水深の違いによる槽内流動構造への影響を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ    汚水処理槽
θ    入射角度
β    噴出角度
１    曝気機
１１  電動機
１２  回転軸
１３  攪拌羽根
１４  攪拌羽根
１５  筒体
１６  噴出口
１７  逆円錐部
１８ａ  上プレート
１８ｂ  下プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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