(57)【要約】【課題】混濁した気泡含有液についても、気泡径を正確に測定でき、含有気泡の気泡径分布も容易に計測できる。【解決手段】先端を気泡含有液に混合液に接続した一定開口断面積を有する吸引管１と、この吸引管１と次の測定管選択弁Ｖ１に接続される混合液送給管１ａと、気泡径測定管２の種類を選択するための測定管選択弁Ｖ１、この測定管選択弁Ｖ１に接続された管内径の異なる複数の気泡径測定管２ａ、２ｂ、２ｃとを装備する。ついで、前記混合液を前記機器内に順次吸引して送給するための吸引ポンプＰを直列に配置するとともに、前記気泡径測定管２には、画像処理機能を有するデータ処理装置５に接続された映像撮影装置４を装備した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡含有液を一定開口断面積を有する吸引管を介して、一定速度で吸引して管直径が一定な気泡径測定管に導いた後、該測定管の投影映像を画像処理して該混合液内の気泡の直径を求めることを特徴とする気泡含有液の気泡径測定方法。
【請求項２】
前記吸引管の開口断面積が前記混合液中の最大直径気泡の相当断面積の１５倍以上であり、その混合液の吸引速度が、吸引管開口部分で気泡含有液における液上昇速度とスリップ速度の合計値の２倍以上である請求項１に記載の気泡含有液の気泡径測定方法。
【請求項３】
予め準備した複数個の管直径の異なる気泡径測定管から、前記混合液中の最小気泡の直径に応じて使用する気泡径測定管を選択する請求項１または２に記載の気泡含有液の気泡径測定方法。
【請求項４】
先端を気泡含有液に混合液に接続した一定開口断面積を有する吸引管と、この吸引管と次の測定管選択弁を接続される混合液送給管、気泡径測定管の種類を選択するための測定管選択弁と、この測定管選択弁に接続された管内径の異なる複数の気泡径測定管とを少なくとも装備し、前記混合液を前記機器内に順次吸引して送給するための吸引ポンプを直列に配置するとともに、前記気泡径測定管には、画像処理機能を有するデータ処理装置に接続された映像撮影装置を装備したことを特徴とする気泡含有液の気泡径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性汚泥処理装置のエアレーションタンク混合液など気泡含有液中の気泡径測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エアレーションタンク混合液など気泡含有液中の気泡径を測定する方法として従来は、その気泡含有液中に寸法を示す目盛り板を配置し、その目盛り板の手前を通過する気泡を直接に撮影し、その画像から直径を計測する写真法（非特許文献１を参照）がある。
【０００３】
ところが、この方法は透明度の高い清水中であれば適用可能であるが、活性汚泥など汚物が混入すると測定液が濁るため測定が困難になる欠点があり、また、物差しと比較できる気泡は、物差し近傍の気泡に限定されるためデータ数が不足して、分布を持った気泡径の測定には不適当であった。
【０００４】
【非特許文献１】
書名「環境装置ニュース」、発行：日本碍子株式会社、昭和５６年１２月、第７２頁〜７３頁
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、混濁した気泡含有液についても、気泡径を正確に測定でき、含有気泡の気泡径分布も容易に計測できる気泡含有液の気泡径測定方法および装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題は、気泡含有液を一定開口断面積を有する吸引管を介して、一定速度で吸引して管直径が一定な気泡径測定管に導いた後、該測定管の投影映像を画像処理して該混合液内の気泡の直径を求めることを特徴とする本発明の気泡含有液の気泡径測定方法によって、解決することができる。
【０００７】
また、本発明は、前記吸引管の開口断面積が前記混合液中の最大直径気泡の相当断面積の１５倍以上であり、その混合液の吸引速度が、吸引管開口部分で気泡含有液における液上昇速度とスリップ速度の合計値の２倍以上である形態の前記気泡含有液の気泡径測定方法として具体化できる。
さらに、予め準備した複数個の管内径の異なる気泡径測定管から、前記混合液中の最小気泡の直径に応じて使用する気泡径測定管を選択する形態の前記気泡含有液の気泡径測定方法として、好ましく具体化される。
【０００８】
また、上記の問題は、先端を気泡含有液に混合液に接続した一定開口断面積を有する吸引管と、この吸引管と次の測定管選択弁を接続される混合液送給管、気泡径測定管の種類を選択するための測定管選択弁と、この測定管選択弁に接続された管内径の異なる複数の気泡径測定管とを少なくとも装備し、前記混合液を前記機器内に順次吸引して送給するための吸引ポンプを直列に配置するとともに、前記気泡径測定管には、画像処理機能を有するデータ処理装置に接続された映像撮影装置を装備したことを特徴とする本発明の気泡含有液の気泡径測定装置によって、解決することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の気泡含有液の気泡径測定方法およびその装置に係る実施形態について、図１〜５を参照しながら説明する。
先ず、図１のフロー図によって、本発明の気泡含有液の気泡径測定装置について説明すると、先端を気泡含有液である混合液に接続した一定開口断面積を有する吸引管１と、この吸引管１と次の測定管選択弁Ｖ１に接続される混合液送給管１ａと、気泡径測定管２の種類を選択するための測定管選択弁Ｖ１、この測定管選択弁Ｖ１に接続された管内径の異なる複数の気泡径測定管２ａ、２ｂ、２ｃとを装備する。
【００１０】
そしてこれには、前記混合液を前記機器内に順次吸引して送給するための吸引ポンプＰを直列に配置するとともに、前記気泡径測定管２には、画像処理機能を有するデータ処理装置５に接続された映像撮影装置４を装備したことを特徴とする。そして、図１の事例では、前記この単数の複数気泡径測定管２ａ、２ｂ、２ｃの後に気泡径測定管内の圧力を大気圧に開放するための圧力開放弁Ｖ２と、測定終了した混合液から気泡気体を分離するための気液分離装置３とが付設され、その後に吸引ポンプＰを配置している。
【００１１】
次に、この装置の機能を、本発明の気泡含有液の気泡径測定方法とともに、エアレーションタンクの気泡を含む混合液を事例にして説明するが、本発明はこれに限定されないのは言うまでもない。
【００１２】
図１の本発明のフローにおいて、エアレーションタンク（図示せず）の混合液は吸引ポンプＰに吸引されて吸引管１へ吸入される。吸引管１の入口開口部１１は円形をしており、開口断面積は吸引する最大気泡の相当断面積の１５倍以上、また吸引速度は、入口開口部１１において混合液上昇速度とスリップ速度の合計値（理論速度）の２倍以上とする必要である。その理由は、この条件を下回ると、吸引管１内で複数の気泡が合一して個数が減少するとともに求めた気泡の直径が実際より大きくカウントされるためである。
ここで、混合液上昇速度とは、吸引管１の入口開口部１１へ向かう混合液そのものの速度、また、スリップ速度とは、液静止時の気泡上昇速度のことで気泡径によって決まる値を意味し、また理論速度とは、混合液の流れに乗った気泡そのものの速度を意味する用語である。
【００１３】
図２は、吸引速度を理論速度の２倍とし、吸引管の入口開口部１１の断面積（図では最大気泡断面積に対する倍数で表示してある）を変化させたときの吸引管直下に存在した１０個の気泡の挙動を示したものである。開口部断面積が小のときは、１０個の気泡を吸引しきれないばかりか、吸引した気泡も吸引管１内で気泡同士が合併して１個の気泡に変化する（以下、合一という）ことが分る。しかし、開口部断面積が最大気泡断面積の１５倍程度以上からは１０個の気泡は全数吸引でき、気泡の合一現象も見られなくなる。
【００１４】
一方、図３は、入口開口部１１の断面積を気泡断面積の１６倍一定の条件で、図２と同様な要領で入口開口部における吸引速度を変化させたときの気泡の挙動を示したものである。実験した開口部断面積の条件では、吸引速度は理論速度の２倍あれば合一することなく、全量吸引できることがわかった。この吸引管開口部１１の吸引速度と適正開口部断面積は密接な関係があり、吸引速度を大きくとれば開口部断面積も大きくすることができる。
【００１５】
このようにして、吸引管１に吸入された気泡は合一することなく気泡含有混合液とともに、吸引管１と同口径以上の流路１ａを通って測定管選択弁Ｖ１に到達する。ここでは、測定対象気泡の最小値を勘案して使用する気泡径測定管２ａ、２ｂ、２ｃを選定する。この理由は次で述べるように、最小気泡でも気泡径測定管２の内壁に少なくとも接することが必要であるからである。ここで、使用する気泡径測定管２が決まれば、選択弁Ｖ１から当該測定管２に気泡含有混合液は連続的に流入する。
【００１６】
気泡径の測定は、気泡を選択した気泡径測定管２に流入させた時点において内部の流体を停止させ、かつ吸引ポンプＰによる吸引圧力を大気開放してから行う。すなわち、吸引ポンプＰの作動に連動して気泡径測定管〜吸引ポンプの流路を形成していた圧力開放弁Ｖ２によって、吸引ポンプ停止と同時にこの流路を遮断した後、気泡径測定管２を大気圧の流路に解放することで、気泡径測定管内を大気圧下に置く。この場合、圧力開放弁Ｖ２から吸引ポンプＰまでの流路も解放して吸引圧を開放しておくのがよい。
【００１７】
このように気泡径測定管２内が大気圧に開放されたときに、気泡径測定管２の投影画像をデジタルカメラで撮影すると、気泡部分が明るく、液体部分が暗い、図４に示すような画像が得られ、気泡部分が明確に識別できる。この画像は、気泡径ｄＢが気泡径測定管内径φに等しいケース（Ａ）、気泡径ｄＢが気泡径測定管内径φより圧倒的に大きいケース（Ｂ）、その中間のケース（Ｃ）区別される。
【００１８】
このような気泡径測定管２の投影画像の明るい部分である気泡部分の長さ（Ｌａ）を、図５に示す（Ａ）（Ｂ）（この（Ｂ）は、図４の（Ｃ）を含むケースである）について、画像上から計測し、撮影倍率を考慮して実際の気泡長さＬａに補正するという、画像処理を行う。同時に混合液の水温ｔを測定して基礎データとする。
【００１９】
ここで、エアレーションタンク内の気泡の形状を真球と、気泡径測定管内の気泡部分の両端部を半球と仮定すれば、前記で得られた各気泡の気泡長さＬａのデータから次のような計算式（１）（２）（３）によって、単一気泡の体積、単一気泡の直径を求めることができ、さらに、平均気泡直径（式４）、気泡体積基準平均気泡直径（式５）、気泡表面積基準平均気泡直径（式７）などの各基準の平均気泡直径を求めることができる。
【００２０】
（単一気泡の体積計算）
Ｖａ＝４π・（φ／２）３／３  ＋  π・（φ／２）２（Ｌａ−φ）  （１）
（但し、Ｌａ≧φ）
Ｖｓ＝Ｖａ・（２７３＋２０）／（２７３＋ｔ）                  （２）
ここに    Ｖａ：気泡の実体積（ｍｍ３）
Ｖｓ：２０℃，大気圧下の気泡の体積（ｍｍ３）
φ：気泡径測定管直径（ｍｍ）
Ｌａ：気泡長さ（測定値）（ｍｍ）
ｔ：混合液水温≒気泡温度（℃）
【００２１】
（単一気泡の直径計算）
ｄＢ＝（６Ｖｓ／π）１／３                                    （３）
ここに    ｄＢ：２０℃、大気圧下の各気泡の直径（ｍｍ）
【００２２】
（平均気泡直径）
ｄＢｕ  ＝  （ｄＢ１＋ｄＢ２＋ｄＢ３＋・・・＋ｄＢｎ）／ｎ      （４）
ここに  ｄＢｕ  ：  ２０℃、大気圧下の平均気泡直径（ｍｍ）
ｄＢ１〜ｄＢｎ  ：  各単一気泡直径（ｍｍ）
【００２３】
（気泡体積基準平均気泡直径）
Ｖｓ  ＝  （Ｖｓ１＋Ｖｓ２＋Ｖｓ３＋・・・＋Ｖｓｎ）／ｎ      （５）
ｄＢｖ  ＝  （６Ｖｓ／π）１／３                              （６）
ここに  Ｖｓ  ：２０℃，大気圧下の単一気泡の平均体積（ｍｍ３）
Ｖｓ１〜Ｖｓｎ  ：２０℃，大気圧下の単一気泡の体積（ｍｍ３）
ｄＢｖ  ：  気泡体積基準平均気泡直径（ｍｍ）
【００２４】
（気泡表面積基準平均気泡直径）
Ａｓ  ＝  （３６π・Ｖｓ２）１／３                            （７）
Ａｓ’  ＝  （Ａｓ１＋Ａｓ２＋Ａｓ３＋・・・＋Ａｓｎ）／ｎ    （８）
ｄＢａ  ＝  （Ａｓ’／π）１／２                              （９）
ここに  Ａｓ：２０℃，大気圧下の単一気泡の表面積（ｍｍ２）
Ａｓ’：２０℃，大気圧下の単一気泡の平均表面積（ｍｍ２）
Ａｓ１〜Ａｓｎ：２０℃，大気圧下の単一気泡の表面積（ｍｍ２）
ｄＢａ：気泡表面積基準平均気泡直径（ｍｍ）
【００２５】
本発明では、このように、画像上で気泡長さを計測するという画像解析によって、各基準平均気泡直径を算出する操作をデータ処理装置５で行うのである。
この場合、気泡径測定管２の管内径は、通常の水処理プラントの散気装置であれば、内径でφ＝０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの４種程度を用意すれば十分であることが経験的に知られている。
【００２６】
また、気泡径測定管２の測定部分の長さは測定すべき気泡の個数，気泡存在密度などにより異なるが、０．５〜１．０ｍ程度で十分である。なお、測定すべき気泡の個数は多いほど測定精度は向上するが、通常、１００個／１試料当たり、程度あればよく、この程度の採取個数であれば、測定部分の長さが前記程度であれば、１試料あたり５回程度の繰り返し測定で済む。さらに、この測定部分の材質は、シリコンチューブ，タイゴンチューブ等の市販のものを用いてもよいが、望ましくは、ガラス管がよい。これは、他の材質に比べて汚れが付着しにくく、また、汚れても洗浄しやすいためである。
【００２７】
以上説明したように、気泡径測定管内の気泡長さを測定しつつ、測定すべき気泡の個数に達するまで混合液採取、画像撮影、気泡長さ測定を繰り返し、設定した気泡個数に達したら、（１）式〜（９）式に従って各基準の平均気泡直径を算出する。
【００２８】
この場合、データ処理装置５に計算ソフトを付加して、平均気泡直径以外にも気泡直径の標準偏差も計算でき、また、気泡径測定管２の測定部分の体積と存在気泡の関係から、エアレーションタンク内の気泡存在密度（ｖ／ｖ％）、気泡表面積密度（ｍ２／ｍ３混合液）など、酸素移動効率を理論的にもとめる諸データも得ることができる。
【００２９】
【実施例】
本発明を体積１Ｌのエアレーションタンク実験槽に適用した結果を次の表１に示す。散気装置はウレタン性メンブレンディフューザー、測定時の通気率は１３．９ｓＬａｉｒ／Ｌ．Ｈｒ、水温は２３．２℃である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
【発明の効果】
本発明の気泡含有液の気泡径測定方法および装置は、以上説明したように構成されているので、次のような優れた効果が得られる。よって本発明は、従来の問題点を解消したものとして、技術的、実用的価値はきわめて大なるものがある。▲１▼気泡採取個数が任意に設定できるとともに、多数の気泡採取が可能なことから測定精度が従来に比べて格段によい。
▲２▼測定が自動化できるので、測定作業の負荷が軽減できる。
▲３▼データ処理装置への計算ソフトの追加により、エアレーションタンクの酸素移動効率を理論的に求められる諸データを採取できる。
▲４▼従来のエアレーションタンク内の写真法とは異なり、活性汚泥などを含む混濁液の場合でも測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置を示す要部フロー図。
【図２】吸引管の開口部大きさを変化させ、吸引管直下から吸引した１０個の気泡の挙動を示したグラフ。
【図３】吸引管の吸引速度を変化させ、吸引管直下から吸引した１０個の気泡の挙動を示したグラフ。
【図４】測定管内の気泡の代表的状態を示すグラフ。
【図５】気泡画像における気泡の長さを示すグラフ。
【符号の説明】
１  吸引管、１ａ  混合液送給管、２、２ａ、２ｂ、２ｃ  気泡径測定管、３気液分離装置、４  映像撮影装置、５  データ処理装置、Ｖ１  測定管選択弁、Ｖ２  圧力開放弁、Ｐ  吸引ポンプ。
【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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