JP2005102591A

JP2005102591A - 水域底層の貧酸素防止装置

Info

Publication number: JP2005102591A
Application number: JP2003340174A
Authority: JP
Inventors: Haruyasu Kimura; 晴保木村; Hideki Sato; 秀輝佐藤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することによって、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消すること。
【解決手段】本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結した。
また、本発明では、前記吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成し、或いは、前記吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、水域底層の貧酸素防止装置に関するものである。

池や湖や内湾などの閉鎖性水域では、水の流れが少ないことに起因して、特に底層での水中の溶存酸素が不足し、魚介類の成育に多大な悪影響を与えるとともに、水の腐敗によって悪臭が発生するといった社会問題が生じている。

かかる問題を解決するために、従来においては、水域に水の流れを生起させるための水路を新たに建設したり、水底から水を汲み上げて曝気を行う大型の曝気装置を建設したりといった大規模な対策を施していた。

一方、簡易に水域の浄化を行う装置としては、水面に回転翼を配設した構造の装置が考案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−１０２７９６号公報

ところが、上記した従来の対策では、水路や曝気装置の建設のために多大な労力と時間と費用とを要するものであった。

一方、特許文献１に開示された装置では、水面付近を撹拌させることによって水面付近の水に酸素を供給するものであり、水域全体を撹拌するものではなかったために、水域の底層にまで酸素を供給することができず、問題の抜本的な解決を行うものではなかった。

そのため、従来から水域底層における貧酸素状態を改善する効率的な装置の開発が望まれていた。

そして、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、２枚の平行円板間に複数の翼体を中心から半径方向に向けて放射状に設けるとともに、下側の円板の中心に吸入管を設け、全体を水域の水面近傍で回転させることによって、水域全体が撹拌され、これにより、水面から水中に取り込んだ空気を水域の底層にまで供給して、底層での貧酸素状態を解消できることがわかった。

そこで、上記知見に基づいて、本発明者が様々な実験を重ねた結果、以下に説明する本発明をなすに至ったのである。

すなわち、請求項１に係る本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結したことを特徴とする水域底層の貧酸素防止装置を提供するものである。

また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項１又は請求項２に係る本発明において、前記吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成することにした。

そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。

すなわち、請求項１に係る本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結しているため、水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することができ、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消することができる。

また、請求項２に係る本発明では、吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成しているため、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。

また、請求項３に係る本発明では、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成しているため、これによっても、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。

本発明に係る水域底層の貧酸素防止装置は、水域内部の水面近傍に配置して、水域を撹拌させながら、水面から水中に取り込んだ空気を水域の底層にまで供給して、底層での貧酸素状態を解消する装置である。

この貧酸素防止装置の構造は、駆動装置に上下一対の円板状の回転平行板（回転平行円板）を連動連結し、この２枚の回転平行板の間に複数枚の矩形状の翼体を回転中心から半径方向外方へ向けて放射状に配設し、下側の回転平行板の回転中心位置に円形貫通状の吸入口を穿設し、この吸入口に水域底層へ向けて直線状に伸延させた円筒状の吸入管を連通連結したものである。

そして、貧酸素防止装置は、駆動装置を駆動することによって回転平行板及び翼体を回転させ、これにより、吸入管から吸い込んだ底層の水を翼体で水面近傍に噴射させ、水域内部に循環流を発生させ、かかる循環流によって水面から水中に取り込んだ空気を底層にまで供給し、底層での貧酸素状態を解消するようにしている。

このように、本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結しているために、水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することができ、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消することができる。

特に、吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したり、或いは、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した場合には、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。

以下に、本発明に係る水域底層の貧酸素防止装置の具体的な構造について図面を参照しながら説明する。

貧酸素防止装置１は、図１に示すように、駆動装置２の駆動軸３の下端に円板（上側の回転平行板４）の上側中心部を取付け、この上側の回転平行板４の下側に６枚の矩形板状の翼体５を回転中心位置から半径方向に向けて放射状に取付け、この翼体５の下側に円板（下側の回転平行板６）を上側の回転平行板４と平行に取付けている。

また、貧酸素防止装置１は、下側の回転平行板６の中心位置に円形貫通状の吸入口７を形成するとともに、回転平行板６の下側の中心位置に水域底層へ向けて直線状に伸延させた円筒状の吸入管８を取付けて、これらの吸入口７と吸入管８の上端開口部とを連通連結している。

さらに、貧酸素防止装置１は、隣接する翼体5,5の基端部（内方部）の間に流入口９を形成する一方、隣接する翼体5,5の先端部（外方部）の間に噴出口10を形成している。

そして、貧酸素防止装置１は、図２に示すように、駆動装置２を駆動することによって上下の回転平行板4, 6、翼体５、及び吸入管８を一体的に回転させると、吸入管８の下端開口部から吸い込んだ水域底層の水が吸入口７、流入口９を経て噴出口10から水面近傍に向けて噴射される。

かかる噴射によって水面近傍に乱流の水面放射噴流が形成され、これによって、水面から水中に空気が取り込まれ、さらには、水面放射噴流によって周囲の水が巻き込まれ（連行され）、水域内部に鉛直循環が誘発され、水域内部に循環流が発生して、その循環流によって水面から水中に取り込んだ空気が底層にまで供給され、底層での貧酸素状態が解消される。

ここで、吸入管８は、図３に示すように、上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた略アサガオ形状に形成してもよく、また、下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた略ベルマウス形状に形成してもよい。

このように、吸入管８の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したり、或いは、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した場合には、流出入損失係数を著しく小さくすることができ、水域底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができる。

上記構成の貧酸素防止装置１は、基本的には渦巻きポンプのケーシングを取り除いた構造となっていることから、２枚の回転平行板4,6の間隔Ｂ、直径Ｄ（＝２Ｒ（Ｒは半径））、回転角速度ωを変えることによって、鉛直循環流を効率的に誘発する水面放射噴流の噴出流速ｕ_Jや流量Ｑ_Jを設定することができる。

具体的には、噴出口10での遠心力Ｆは、

（(1)式）と表せる。ここで、ρは流体密度である。

この遠心力Ｆで噴出口10から水面放射噴流が噴出されることになるため、噴出速度ｕ_Jは、運動量則２πＲＢρｕ_J ²＝Ｆに基づいて、

（(2)式）と表せる。

よって、噴出流量Ｑ_Jは、

（(3)式）と表せる。

また、水面放射噴流を形成するために必要なエネルギーＥは、

（(4)式）と表せる。

たとえば、直径１ｍ、間隔０．１ｍ、毎分１０回転とした場合には、噴出速度が０．３０２m/s、噴出流量５，７m³/minとなり、必要な正味エネルギーが８．６７９Ｗと１０Ｗ以下に抑えられる。

次に、上記構成の貧酸素防止装置１を用いて行った実験結果について説明する。

実験は、図４に示すように、一辺が１ｍの透明アクリル製直方体水槽11と回転数の制御可能な撹拌機1 2と被接触型３方向超音波流速計を用いて行った。

また、実験には、６枚の翼体５の貧酸素防止装置１を用い、図５及び表１、２に示すように、直径、翼体５の長さを異ならせた３種類の貧酸素防止装置１を設置する水深、回転数を異ならせて１０種類行った。なお、流速は、１測点を１／１０秒間隔で２分間測定したときの平均流速を用いている。また、空間座標には水槽11の底面中央を原点とした鉛直上向きの円筒座標（ｒ、θ、ｚ）を用い、それぞれの方向の流速をｖ_r、ｖ_θ、ｖ_zとする。

図６は、表１の実験No.２１の流速分布を示し、図７は、表１の実験No.２２の流速分布を示し、図８は、表１の実験No.４１の流速分布を示し、図９は、表１の実験No.４２の流速分布を示している。

これらの実験結果から、水槽11の水深Ｈが同じであれば、貧酸素防止装置１の回転数や直径が異なっていても、流速成分の空間分布は類似することがわかる。

また、図10は、水深２０ｃｍに設置した場合（実験No.２１、２２）の流速ベクトルを示し、図11は、水深３０ｃｍに設置した場合（実験No.３１、３３、３５）の流速ベクトルを示し、図12は、水深４０ｃｍに設置した場合（実験No.４１、４２、４３）の流速ベクトルを示している。

これらの実験結果から、水槽11の水深Ｈが異なると、流速ベクトルの分布形は異なるが、いずれの場合も水槽11の中央部で上昇し、壁面近くで下降する明瞭な鉛直循環流が確認されることがわかる。

また、ｚ層の半径ｒの円断面を上向きに流れる流量（上昇流量Ｑ_zr）は、実測流速ｖ_zを用いると、

（(5)式）と表せる。

一方、水面放射噴流の噴出流量Ｑ_Jは、前記（３)式と同様に、

（(6)式）と表せる。

そして、上記２式でＱ_zrとＱ_Jとを求め、縦軸にＱ_zr／Ｑ_J、横軸にr/(bd/2)^1/2をとって、ｚをパラメータとして図示したものを図13〜図15に示す。なお、図13は、水深２０ｃｍに設置した場合（実験No.２１、２２）を示し、図1 4は、水深３０ｃｍに設置した場合（実験No.３１、３３、３５）を示し、図1 5は、水深４０ｃｍに設置した場合（実験No.４１、４２、４３）を示している。

これらの実験結果から、いずれの水深の場合であっても、各ｚ層のＱ_zr／Ｑ_Jはr/(bd/2)^1/2に対して極大値Ｑ_zm／Ｑ_Jをとる。

図1 6は、極大値Ｑ_zm／Ｑ_JのときのＱ_zmとＱ_Jとの関係を示している。

これにより、ｚ層の極大値Ｑ_zmは、いずれの水深の場合であっても、ほぼＱ_Jに比例することがわかる。また、水深毎のｚの変化に伴うＱ_zmの最大値は水深のほぼ１／２層で形成され、その大きさは、水深２０ｃｍではＱ_Jの約５倍、水深３０ｃｍではＱ_Jの約２倍、水深４０ｃｍではＱ_Jの約６倍となっている。

以上の実験結果から、水域の流速分布は幾何学相似が成り立つことがわかる。したがって、縦２０ｍ、横２０ｍ、深さ４〜８ｍの水域中央の水面で、直径１ｍ、間隔０．１ｍの貧酸素防止装置１を毎分１０回転させると、放射噴流流量Ｑ_Jは５m³/ minとなり、その約４倍の２０m³/ minもの最大上昇流量が水域内部に形成され、これにより、水塊は２〜３時間で水域内部を一巡することになる。しかも、それに必要な正味のエネルギーはわずかに１０Ｗ以下である。

このように、上記貧酸素防止装置１は、簡単な構造でありながら、わずかなエネルギーで水域底層の貧酸素状態を解消することができ、実用性の極めて高いものといえる。

本発明に係る貧酸素防止装置を示す斜視図。貧酸素防止装置の使用状態を示す説明図。吸入管を示す斜視図。実験装置を示す説明図。実験装置を示す拡大説明図。実験No.２１の流速分布を示すグラフ。実験No.２２の流速分布を示すグラフ。実験No.４１の流速分布を示すグラフ。実験No.４２の流速分布を示すグラフ。水深２０cmに設置した場合（実験No.21,22）の流速ベクトルを示すグラフ。水深３０cmに設置した場合（実験N o.31,33,35）の流速ベクトルを示すグラフ。水深４０cmに設置した場合（実験No.41,42,43）の流速ベクトルを示すグラフ。水深２０cmに設置した場合（実験No.21,22）のＱ_zr／Ｑ_Jと横軸にr/(bd/2)^1/2との関係を示すグラフ。水深３０cmに設置した場合（実験No.31,33,35）のＱ_zr／Ｑ_Jと横軸にr/(bd/2)^1/2との関係を示すグラフ。水深４０cmに設置した場合（実験No.41,42,43）のＱ_zr／Ｑ_Jと横軸にr/(bd/2)^1/2との関係を示すグラフ。極大値Ｑ_zm／Ｑ_JのときのＱ_zmとＱ_Jとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１貧酸素防止装置
２駆動装置
３駆動軸
4,6 回転平行板
５翼体
７吸入口
８吸入管
９流入口
10 噴出口
11 水槽
12 撹拌機

Claims

水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結したことを特徴とする水域底層の貧酸素防止装置。
前記吸入管は、上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の水域底層の貧酸素防止装置。
前記吸入管は、下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水域底層の貧酸素防止装置。