(57)【要約】【課  題】水質浄化において、動物性プランクトンを活性・繁殖させて、植物性プランクトンの増殖を抑制するための従来の方法は、水の中に空気中の酸素を大気圧中の飽和溶存酸素濃度まで溶存させることは容易であるが、大気圧中の飽和溶存酸素濃度以上を溶存させることは高価な酸素発生装置を使用する以外にないため、無駄が多い問題があった。【解決手段】大気圧中の飽和溶存酸素濃度以上を効率良く溶存させる方法として、浄化しようとする水を気液混合装置内に給水噴射して、排出抵抗が大きいため高い流体圧力状態のところに、コンプレッサーから供給されたエアーの微小気泡が噴出されるため、エアー中の酸素溶存が多く、さらに気液混合流体が攪拌・流体運動される間に圧力に比例して酸素が溶存される。また、給水と排水を互いに端と端に配置することにより、浄化対象全水量の循環効率と気液混合割合が良い水質浄化システム方法と気液混合装置である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
当発明の気液混合装置は水中駆動ポンプの排出側に取付けて、水の中にコンプレッサーからの空気を多量に混合できる装置であって、その構造は、内管と外管で構成され、外周管の根元に、コンプレッサーからのエアーホースを配管にて連結しており、そのエアーは、内管直管の内側周囲に取付けたコーラストーン（多孔質石）を介して、水中に放出される。また、水中駆動ポンプからの配管と連結された装置は、逆流防止噴射管の先端で内部直管内の流体圧力が高い状態に高圧噴射され、コーラストーンを介して水中に放出されたエアーとが微小状態で気液混合される。その混合流体は整流管に連結され圧力混合タンクおよび排出管路内に噴出される。特徴は、浄化対象の形状・大きさ・容量に合わせて、コンプレッサーからのエアー圧力・量と水中駆動ポンプからの流体圧力・流量を自由に変更して、あらゆる池・湖などの水質浄化に対応できる気液混合装置。
【請求項２】
当発明の浄化システム方法は、浄化対象の水中に水中駆動ポンプをセットして、排出側に連結管を介して気液混合装置の吸込口を取付け、逆流防止噴射管の外側にエアーコンプレッサーからのエアー管を連結させ、気液混合装置の吐出口に圧力タンクあるいは比較的長い気液混合装置の効力が有効となる長い排出管を連結する。浄化対象の形状・大きさ・容量と水質・環境条件によって、水中駆動ポンプの台数・設置位置やエアーコンプレッサー・圧力タンクの容量・排出管の長さを変更することと、水中駆動ポンプの吸込口と気液混合機器からの排出管の排出口は、池などの水量全体を攪拌するために互いに端から端にして、適正な流量・流速を確保できることが特徴で、水中に溶存酸素濃度を大気圧中の飽和濃度以上に上げ、気液混合効果を最大限発揮させる技術方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
都市部などで生活排水と混合された閉鎖水域の窒素やリンを多く含む富栄養水質は、アオコ等の植物性プランクトンを異常発生させ、大量死滅・発生の繰返しによっていっそう水質が悪化することから、本発明のシステムは、植物性プランクトンを適正量まで減少させるために、植物性プランクトンを食用とする動物性プランクトンを増殖活性化させる方法として、水中の溶存酸素濃度を効果的に上げる気液混合装置を用いた水質浄化システムである。本発明システムの基本は気体溶解度の法則を利用している。空気中の酸素溶解度は春から夏などの温度が高い場合に小さくなるが、圧力を大きくすると溶解度は圧力に比例して大きくなる。
また、本発明のシステムには、他にも様々な技術分野が複合している。先ず、気液混合装置と水質浄化システムにて、流体圧力水中に圧縮空気を効率良く多量に溶存させるための気液混合流の流体力学分野から、水中に溶存酸素を増やすことで植物性プランクトンを食用とする動物性プランクトンを活性化増殖し、自然の生態系を維持させるための生物科学の分野。また、浄化対象の水質（ＰＨ、塩素イオン、過マンガン酸カリウム）数値が変化することにより、化学分野の酸素濃度との関連を解明して、計画酸素濃度を決定することが必要である。付随する技術分野としては、緑色や褐色に濁った水をポンプで吸上げ循環させる時に、ポンプのインペラーや高圧噴射によって植物性プランクトンや藻類を破壊することの確認として、自然科学の分野がある。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水中の溶存酸素を多くする水質浄化装置として方式別に次の４つに分類される。１．コンプレッサーあるいはブロアーのみで水中にエアーを爆気。２．散水ポンプ、攪拌ポンプあるいは高圧ポンプ等各種ポンプのみで、噴射・攪拌・散水して水にエアーを混合。３．水中駆動ポンプを利用して流体中に自然のエアーを溶存。４．コンプレッサーあるいはブロアーと水中駆動ポンプで気液混合。
【０００３】
【分類１】
動力源としてコンプレッサーあるいはブロアーのみを使用したエアーを水中深い所から浅い所までの短い距離での爆気方式としては、水中にエアーを溶存させるとともに、エアーの上昇力で水の対流を起こし、水面近くの溶存酸素が多い水を下に混ぜ、上下層の水循環をする方式である。
【０００４】
【分類２】
動力源として散水・攪拌・高圧・特殊ポンプのみを使用した爆気・気液混合方式としても、水の散水・攪拌によって水中の溶存酸素濃度を上げることができるが、浄化対象の上下方向の水流方式を主にしており、表面水の散水により溶存酸素が高くなった水をいかに低層水と循環させるかの方式である。
【０００５】
【分類３】
水中駆動ポンプの水圧・水流のみを利用して自然のエアーを溶存させる気液混合方式である。
【０００６】
【分類４】
コンプレッサーあるいはブロアーと水中駆動ポンプ等の二つの動力で気液混合方式である。
【特許文献１】特開平９−２９２２５号公報でのフィルターにエアーを噴出。
【特許文献２】特開平９−５７２８６号公報での網体内部にエアーを拡散。
【特許文献３】特開平１２−７９３９８号公報での筒状装置内部にエアー上昇に伴い上昇水流を発生。
【特許文献４】特開平１２−３０８８９７での水導入管下部に取付けた推進機により、水面近くの水と空気を吸込み混合。
【特許文献５】特開平１３−１７０６７５での回転盤下部にエアーを放出対峙させる。
【特許文献６】特開平７−２７５８９３での爆気散水ポンプの揚水導管部から、低層の水を揚水して爆気散水
【特許文献７】特開平８−１０３７９８での表面水の散水により溶存酸素が高くなった水を導水管によって低層部に吐出
【特許文献８】特開平１０−２０２２９２での揚水中にある藻類を攪拌して、破砕。
【特許文献９】特開平１１−１２８９９０での大型の攪拌ポンプを使用するため、騒音を少なくする浮体で囲む。
【特許文献１０】特開平１２−１６７５９２での水中に沈めたノズルからの高速水噴流に生じるキャビテーションを利用してプランクトンを分解する方式で、植物性プランクトンと共に動物性プランクトンも破壊。
【特許文献１１】特開平９−２３４４８２では、特殊（イオン水発生）ポンプを使用して水中の上層、中層、下層の効果的な流動循環・エアーレーション。
【特許文献１２】特開平１４−９６０８９での、水中駆動ポンプからの排出管路の水面より高所に混合部を配置して、水勢を保持する。
【特許文献１３】特開平７−２３２１９４での、水中駆動ポンプ手前の排出管路の水面より高所に混合部を配置して、水吐出圧力・流量と空気量の調整等で、溶存空気高濃度。
【特許文献１４】特開平１１−３４２３９６においても、ポンプ吐出管先端に気泡発生筒を接続し、自然の外気が水流に負圧混入される。そして、発生した気泡を筒内で砕く構造。
【特許文献１５】特開平１１−３４７５８２においては、同様に高所に混入部を備えるのであるが、水中駆動ポンプは排出管の先端に備えて吸込みポンプとして、ポンプ圧力の高い状態に空気を溶存する。
【特許文献１６】特開平８−２２９５８９において、ポンプ吐出部の気液混合器にＯ３発生器からのＯ３とコンプレッサーからのＯ２を混合して、Ｏ１を混合させる方法。空気供給ではなく、酸素のみの供給で溶存酸素高効率。
【特許文献１７】特開平１０−２７７５９２において、水中に設置するダクト内にプロペラ型ポンプを備え、その噴流でブロワー等からのエアーを気泡放出板にて発生させた微細気泡を遠方まで拡散。
【特許文献１８】特開平１２−１６７５７５では、水中に設置するノズルから高速水噴流とＯ３を噴射し、発生するキャビテーションによって水中のプランクトンを分解する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以下に従来各方式の問題点を列挙するが、各方式とも浄化しようとする池などの大きさ・形状・容量は様々であり、各方式ともそのすべてを浄化対象とすることは非常に困難である。コンプレッサー方式は空気圧力を高く、ブロアー方式は空気量を多く発生させることができ、これらはエアーの上昇力で水の対流を起こすことから、機械容量を大きくすれば、水中の溶存酸素濃度を大気中の飽和状態まで上げることは可能であるが、浄化対象に制約があり、スリバチ状で比較的深い形状のみ有効である。ポンプのみの気液混合装置はポンプ動力による大気圧での空気混合で、閉鎖性水域において全体の対流は遅く、自然の拡散作用が少ない場合には効果が少ない等、浄化対象に制約があるとともに浄化効率はあまり期待できない。ポンプと自然のエアーを溶存させる気液混合システムでは、ポンプの水圧と大気の差を利用した空気混合装置であって、ポンプからの水圧・水流を減じることになる。そのため、水圧を高く保持して空気混合率を大気圧中の飽和溶存酸素濃度以上にあげることや水域全体の対流は望めない。コンプレッサーあるいはブロアーと水中駆動ポンプ等の二つの動力で気液混合システムとしては、それぞれ一長一短があり、酸素のみの供給では効率は良いが、高価であることと、高圧力供給でないために流量が下がるもの。ダクトを長くすることにより気液の接触時間を多くできるが、気泡の大きさは微小とならないもの。キャビテーションで、植物性プランクトンと共に動物性プランクトンまで破壊してしまうものなどがある。
【０００８】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題をすべて解決しようとするものであり、水圧と空気圧との調節と高圧力で気液混合することで大気圧での飽和溶存酸素以上を溶存させることができ、浄化対象全体の溶存効率を良くできる。浄化対象として特に水深が浅い場合に全体の攪拌で非常に良い効果を発揮するが、全体の形状・大きさ・容量と水質・環境条件に合わせた気液混合装置・気液混合システム仕様でシステムを設置することで、水の中に空気中の酸素を無駄なく効率良く溶存させ、その状態を維持させる。そして、植物性プランクトンの異常発生を減じ、植物性プランクトンを食用とする動物性プランクトンを活性化増殖し、自然の生態系を活性化させることで水質を浄化する。また、その緑色や褐色に濁った水をポンプで吸上げ循環させる時に、ポンプのインペラーによって植物性プランクトンや藻類を動物性プランクトンが食用とする大きさに分解・破壊をすることも、有効となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
気液混合装置を含む水質浄化システムの方法としては、先ず、浄化対象の水表面の適切な位置（池などで深さがほとんど一定の場合は端部、中央がある程度深い場合は中央部）に作業台（台数は浄化対象の形状・容量・深さ・水質などの諸条件によって決定する）を浮かべる。そして、各作業台から水中駆動ポンプを水中に設置する。設置台数が多い場合は池全体の平均的な適性位置に設置する。水中駆動ポンプの吸込み位置は、浄化しようとする池において、深さによって、温度差（深い方が低い）や溶存酸素濃度差（深い方が低い）の変化がある場合、水中駆動ポンプの吸込み位置を深層部に設置し、排出管先端は中・浅層部に噴出、そして、作業台で水面より高い位置に気液混合装置を配置し、水中駆動ポンプと連結する。吸込口付近にはエアーコンプレッサーからのエアーホースを連結。気液混合装置の排出口には装置内部の流体圧力を保持するために、圧力タンクあるいは長い排出管を連結、また、排出管を長くすることは、吐出口を水中駆動ポンプの吸込み口から遠く離れた位置にとなり、浄化対象の水量全体を対流攪拌するために、溶存酸素を有効に増加。これらの特徴から浄化対象の形状・大きさ・容量に合わせて、浄化対象全体が浄化設備であり、気液混合装置およびシステムの仕様変更が可能で、気液混合効果を最大限発揮させる技術方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
【作用】
本発明の使用季節は、冬の１２月から２月以外の春先３月から秋１１月までの生態系中の微生物が活発化している間が特に望ましく、作用効果が大きいが、その他の季節でも水温が５℃以上あれば、底部のヘドロ（腐植有機物表面部）を攪拌し、酸素供給することでヘドロを減少させていくことも可能である。最初に、浄化対象の池において、水質調査（溶存酸素含有量、ＰＨ、塩素イオン、過マンガン酸カリウム等）をして、生態系を均衡にするためにコストを含めた各数値の目標を掲げ、浄化システムの仕様を決定する。その気液混合装置を含む水質浄化システムは、先ず、水中駆動ポンプを駆動させる。やがて給水された水は、連結された気液混合装置および排出管内の空気を押し出し、水が排出管の先端から放出され流量が安定してくる。その時に気液混合装置内の流体圧力として、気液混合装置に取付けている圧力計を確認。次にコンプレッサーを稼動させ、気液混合装置に送る適正な空気圧と空気量の調節をする。空気圧は気液混合装置内の水圧より大きくする。空気量は気液混合装置内コーラストーンの大きさからの適切な空気量を吐出させる。コンプレッサーのエアー圧と量をバルブと減圧弁で調節してから、気液混合装置に配管されたエアー管のバルブを開く。しばらくして気液混合装置に連結した排出管の先端からエアーの気泡が噴出してくる。その噴出状態を見ながら、気泡の大きさが最も微小で多く出る微調整を行う。浄化システムの稼働時間としては、浄化開始前に調査し、目標数値とした項目を一定時間稼動ごとに再調査して稼働時間を算出する。計画数値が合わない場合は、気液混合装置・気液混合システム仕様を変更して実施する
【００１１】
【実施例】
本実施例の水質浄化のための気液混合装置（７）は、請求項１の図１，図２，図３で示すエアー管（１）、混合装置吸込口（２）  （口径２インチ）、気泡発生多孔質ストーン（３）、逆流防止噴射管（４）、整流管（５）、混合装置外管（６）で構成されている。気液混合装置の主構造は、内管と外管（鉄やステンレス鋼製）である。気液混合装置外周管（６）の根元に、コンプレッサーからのエアー管（１）を配管にて連結しており、そのエアーは、直管の内側に配置したコーラストーン（多孔質石）（３）を介して、水中に放出される。また、水中駆動ポンプからの配管と連結された装置は、逆流防止噴射管（４）の先端で混合装置内部の流体圧力が高い状態に高圧噴射され、コーラストーンを介して水中に放出された微小状態のエアーが気液混合される。その混合流体は再び整流管（５）にて圧力調整タンクおよび管路内に噴出する。
【００１２】
当発明の水質浄化のための浄化システムは、請求項２の図４で示す気液混合装置（７）、水中駆動ポンプ（８）、エアーコンプレッサー（９）、連結管▲１▼（１０）、連結管▲２▼（１１）、排出管（１２）  、圧力タンク（１３）、設置架台（１４）で構成されている。浄化システムの方法は、池の端に水中駆動ポンプ（８）をセットして、排出側に連結管▲１▼（１０）を介して気液混合装置（７）の吸込口（２）を取付け、逆流防止噴射管（４）外側にエアーコンプレッサー（９）からのエアー管（１）を連結させる。気液混合装置（７）の連結管▲２▼（１１）に圧力タンク（１３）を介して排出管（１２）、あるいは直に排出管（１２）を連結する。浄化対象池等の形状・大きさ・容量と水質・環境条件によって、水中駆動ポンプ（８）やエアーコンプレッサー（９）等の台数・容量・設置位置は変更することと、水中駆動ポンプ（８）の吸込口と気液混合装置（７）からの排出管（１２）の排出口は、池の水量全体を攪拌するために池の端から端になるように、適正な流量・流速を確保できる限界まで長くして使用することを特徴とする。
【００１３】
図３は、水質浄化のための気液混合装置内部のエアーと水の流れる方向を矢印で表している。混合装置吸込口（２）からの水流は逆流防止噴射管（４）で気泡発生多孔質ストーン（３）を配した気液混合装置内部に噴射される。エアー管（１）からのエアーは気液混合装置外管（６）の後部に連結され、逆流防止噴射管（４）との間を介して気泡発生多孔質ストーン（３）に供給される。装置内部の流体圧力が高い状態に気泡発生多孔質ストーン（３）から微細気泡を発生させ、整流管（５）から連結管▲２▼（１１）に噴出して、圧力タンク（１３）および排出管（１２）にて流体輸送する。図４は、水質浄化システムの実施配置例であり、設置架台（１４）下部に設置した水中駆動ポンプ（８）から吸入された水は、連結管▲１▼（１０）を介してコンプレッサー（９）からのエアーと設置架台（１４）上部に設置した気液混合装置（７）で気液混合流となり、排出管を通り噴出され再びポンプに循環される水の流れを示す。図５は、浄化システムをセットして気液混合された水循環状況の平面図で、図６はその断面図を示す。
【００１４】
上記のように構成された気液混合装置・気液混合システムの材質・容量や仕様例を記す。本実施例の場合、気液混合装置として、水中駆動ポンプからの連結管と排出管の間に取付ける関係上、交換が可能なジョイント方式で、気液混合装置の主材質は鋼製が多い。水中駆動ポンプとして、縦型軸流駆動式の汎用型水中ポンプを使用する。全体として用語を統一し理解を容易にするために、本実施例でも「水中駆動ポンプ」という用語を使用している。コンプレッサーとして、気液混合装置が必要とする空気量は、余裕を含めた容量で低音型を使用する。
【００１５】
【発明の効果】
本発明で水質浄化しようとする対象場所として、以下の多くの場所がある。都市部などで雨水と混合された生活雑排水が流れ込む農業用水池・公園内の景観池・ゴルフ場の調整池・防火用水池・養魚池などの水深が比較的浅い閉鎖的水域。また、水深が深い湖・ダム。河川では流量が少なく滞留している場所。あるいは、下水処理場では放流前の最終処理過程に追加する。これらの窒素やリンを多く含む富栄養水質では、自然状態でアオコ等の植物性プランクトンを異常発生させる。そして、異常発生のため透視度が悪くなって、太陽光が届かない水中の植物性プランクトンは光合成ができず死滅して沈殿しヘドロ状態となる。それら異常発生と死滅沈殿の繰返しによってさらに水質が悪化する。本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果がある。本発明の気液混合装置はポンプから排出された近くで給水し、装置からの排出抵抗が大きく、内部の流体圧力が高く保持しているところに、コンプレッサーからの高いエアー圧力を混合する。また、ポンプやエアーの流量および圧力を調整することで、気泡の有効な大きさと発生量で、水中に空気を無駄なく、大気圧中の飽和溶存酸素以上に酸素溶存することができる。浄化しようとする水中の溶存酸素を高く保持することは、水中に異常発生した植物性プランクトンを食用とする動物性プランクトンが活性化して増殖する。動物性プランクトンが増殖することは、動物性プランクトンを食用とする小生物や小魚も増殖して自然の生態系が大きく形成される。形成された生態系の循環が大きくなれば、水質が自然に浄化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】気液混合機器とシステムの排出方向断面図
【図２】図１気液混合機器のＡ−Ａ断面図
【図３】気液混合機器とシステムの気体と流体の流れ状況図
【図４】浄化システムをセットした状態と気液循環状況の断面図
【図５】循環状況の平面図
【図６】循環状況の断面図
【符号の説明】
１．エアー管
２．混合装置吸込口
３．気泡発生多孔質ストーン
４．逆流防止噴射管
５．整流管
６．混合装置外管
７．気液混合装置
８．水中駆動ポンプ
９．エアーコンプレッサー
１０．連結管▲１▼
１１．連結管▲２▼
１２．排出管
１３．圧力タンク
１４．設置架台
【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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