JP2011104534A - 微細気泡生成器、該発生器に使用する気泡微細化材及び気液反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細気泡生成器の気泡微細化材が浮遊物質による目詰まりを起こさないか、起こしにくい微細気泡生成器及びそれを備えた気液反応装置を提供する。
【解決手段】気液反応装置である色度除去装置は、微細気泡を含む気泡混合液を吐出する微細気泡生成器(1)を備えており、気泡混合液の流路(122)に、気泡混合液を通過させて気泡を微細化するバッファコイル(17)が設けられており、バッファコイル(17)は、可撓性又は弾性を有する毛(171)が、螺旋枠体(170)に内方に向かって密集状態に外周縁を固定して配置され、毛(171)の当接又は重なっている先端は自由端となっており、気液混合流の圧力によって変形するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細気泡生成器、該発生器に使用する気泡微細化材及び気液反応装置に関する。更に詳しくは、微細気泡生成器で形成される気泡粒径の分布を所要の範囲内に収めることができると共に、被処理液中の浮遊物質(SS)に起因する吐出部の目詰まりを防止したものに関する。

排水処理装置においては、例えば被処理液中の生物処理で除去できなかった色度成分を除去する目的でオゾンガスが使用されている。詳しくは、加圧下においてオゾンガスを被処理液に溶解させてから大気圧に解放し、これにより極めて微細なオゾンガスの気泡を発生させ、この微細なオゾンガスの気泡を被処理液に含ませてオゾンガスを溶存させることにより色度成分を除去することができる。

このような処理に使用される極めて微細な気泡を生成する生成器としては、例えば特許文献１に記載の微細気泡生成器がある。この生成器は、噴水ノズルの胴部内にてその管路に対し斜めに走る透水孔に水を通すことによって、流水に旋回力を与え、噴水ノズルの先端を管体の入水口に差込み、空気吸引間隙を設けた入水口の近傍で勢い良く流水を噴出させることで、流水に空気を取込み、これにより大気泡を生成し、該大気泡を旋回する流水の剪断力にて破裂させて、更に小さな微細気泡を生成するというものである。

特開２００７−１１７７９９

しかしながら、特許文献１に記載の微細気泡生成器には、次のような課題があった。
すなわち、オゾンガスは人体に有害であり環境にも悪影響を与えるので、できるだけ被処理液中で酸素に変化させるようにして、オゾンガス自体を大気中に放出するのを防止する必要がある。そのためには、オゾンガスを微細な気泡にして処理液中での浮上速度を遅くする必要があるが、流水に旋回力を与え、単に大気圧に解放しただけでは、微細気泡生成器で形成される気泡粒径の分布は広く、粒径にばらつきがあり、数マイクロメートル(μｍ)から数十マイクロメートルの範囲で分布する。

数十マイクロメートルの粒径の気泡は浮上速度が比較的速いため、オゾンガス反応槽中の被処理液の液面に短時間で浮上しやすく、液面からオゾンガスが大気中に放出され、人体や環境に悪影響を与えるおそれがある。これを防止するためには、オゾンガス気泡の粒径を１０マイクロメートル以下に抑える必要がある。

本発明者等は、微細気泡を安定して供給するための研究を重ね、微細気泡生成器の放出側に綿塊、微細な網目を有する網、通液・通気性を有する不織布等、気泡を微細化する微細化材を配置して、それらに気液混合液を通過させると、気泡微細化材を通過した気泡は気泡粒径の分布幅が狭く、細かい方に偏る傾向にあり、オゾンガス処理に必要な粒径の気泡が安定して得られることを知見した。

しかし、被処理水には浮遊物質が分散しており、浮遊物質を含む気液混合液が微細化材を通過する際に浮遊物質が溜まり、微細化材が目詰まりを起こすことが判明した。
微細化材が目詰まりを起こすと、色度成分除去装置（脱色装置）を停止させて、気泡微細化材の洗浄や交換を行う必要があり、装置の停止は以降の処理の停止、すなわち排水処理の効率の低下を招く結果となる。

（本発明の目的）
本発明の目的は、微細気泡生成器の気泡微細化材が浮遊物質による目詰まりを起こさないか、起こしにくい微細気泡生成器、該発生器に使用する気泡微細化材及び微細気泡生成器を備えた気液反応装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明が講じた手段は次のとおりである。
（１）本発明は、
気液混合手段で被処理液中に気体を溶存させた気体溶存液をケーシングに導入し、該ケーシング内に設けられている流路面積を制限する絞り部を通過して発生した微細気泡を含む気泡混合液を吐出する微細気泡生成器であって、
気泡混合液の流路に、気泡混合液を通過させて気泡を微細化する気泡微細化材が設けられており、該気泡微細化材は、可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維が外周縁から内方に向かって密集状態に配置され、可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維は外周縁で固定され、当接又は重なっている先端は気液混合流の圧力によって変形する自由端となっている、
微細気泡生成器である。

（２）本発明は、
前記（１）の微細気泡生成器を構成する気泡微細化材であって、
可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維が外周縁から内方に向かって密集状態に配置され、可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維は外周縁が固定され、当接又は重なっている先端は気液混合流の圧力によって変形する自由端となっている、
気泡微細化材である。

（３）本発明は、
可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維が、流路に収めることができる螺旋枠体に固定されている、
前記（２）に記載の気泡微細化材である。

（４）本発明は、
被処理液を入れる処理槽と、
処理槽から被処理液を吸引し反応ガスと混合する気液混合ポンプと、
気液混合ポンプから気液混合液が送られる加圧タンクと、
加圧タンクから気液混合液が送られて、反応ガスの微細気泡を含む気泡混合液を処理槽に送る前記（１）の微細気泡生成器と、
を備えている、
気液反応装置である。

「可撓性又は弾性を有する毛及び/又は繊維」は、流路内壁に直接固定することもできるし、流路に収めることができる螺旋枠体や環状枠体に固定することもできる。

気液反応装置としては、例えば排水処理における曝気処理装置や色度除去装置、設備の脱臭装置，処理水の殺菌装置等があげられるが、これらに限定はされない。
また、本発明の気泡生成器は、例えば酸素、窒素、二酸化炭素、オゾン等の反応ガスを使用し、被処理液中にマイクロメートルオーダーのきわめて微細な反応ガスの気泡を生成することができ、様々な気液反応装置に対応できるものである。

例えば水に酸素を溶存させて水中に微細な酸素ガスの気泡を生成すると、高濃度酸素水をつくることができ、これを使用すれば活性汚泥処理の曝気等に効果がある。なお、高濃度酸素水を曝気槽に用いると、散気管では十分な溶解効率を得られない底浅な槽であっても活性汚泥内の微生物の活性化に大きく効果が上がる。

また、同様に水中に微細な窒素ガスの気泡を生成すると、脱酸素水（溶存酸素の低減）をつくることができ、これを使用すれば食品等の酸化防止や配管内部の腐食の低減等に効果がある。同様に水中に微細な二酸化炭素ガスの気泡を生成すると、高濃度炭酸水をつくることができる。さらに、水中にオゾンガスの気泡を生成すると、高濃度オゾン水溶液をつくることができ、脱臭、殺菌、脱色等に高い効果がある。

（作用）
本発明に係る微細気泡生成器及び気液反応装置の作用を説明する。なお、ここでは、気液反応装置が、排水処理における色度成分除去装置であり、反応ガスとしてオゾンガスを使用するものを例にとり説明する。また、説明で使用する各構成要件に、後述する実施の形態において各部に付与した符号を対応させて付与するが、この符号は、特許請求の範囲の各請求項に記載した符号と同様に、あくまで内容の理解を容易にするためであって、各構成要件の意味を上記各部に限定するものではない。

気液混合ポンプ(320)は反応槽(31)から、色度成分等を含む原水等の被処理水を吸引すると共に、被処理水にオゾンガスを混合し、加圧タンク(322)に送る。
加圧タンク(322)内では、加圧された被処理液中にオゾンガスが溶解してオゾン水溶液となり、オゾン水溶液は微細気泡生成器(1)に送られる。微細気泡生成器(1)に送られてきたオゾン水溶液は、絞り部(13)を通過する。これにより、オゾン水溶液は減圧されて大気圧に戻り、その際に微細気泡を発生し気泡混合液となる。気泡混合液は、気泡微細化材(17)を通過し、その後、反応槽(31)に送られ、残っている被処理液と混合される。色度成分除去装置(3)においては、前記処理が繰り返されることにより、被処理液中の色度成分はオゾンガスと接触し、除去される。

気泡混合液は、気泡微細化材(17)を通過する際に、径が大きい気泡は密集している毛(171)によって破裂して***し、極めて微細な気泡となる。この微細気泡は、被処理液と混じった気泡混合液中での浮上速度が比較的遅いために、反応槽(31)内の液中に長時間止まり、その間に液中の色素成分はオゾンガスと接触して除去され、これにより脱色される。また、反応槽(31)内では、オゾンは化学変化を起こして酸素となり、液面から大気中に放出される。このため排オゾン分解装置が不必要か、小型のもので済む。

また、被処理液中の浮遊物質は、気泡微細化材(17)を通過する際に、密集状態の毛(171)に絡み、目詰まり状態を起こす場合があるが、密集状態の毛(171)は気泡混合液が流れる圧力によって撓んで下流側に向かうように変形し、その際には絡んだ浮遊物質が密集状態の毛(171)から離脱し、その結果、気泡を破裂させて微細化する機能は維持しながら、目詰まりは防止される。

本発明は、微細気泡生成器によって微細気泡にすることで、被処理液と気泡との接触面積が増すとともに、形成される気泡粒径の分布を所要の範囲内に収めることができるので、気液反応効率が良くなる。このことによりオゾン等の反応ガスを過剰に注入する必要がなくなり、少ない量でも殺菌・脱色等の効果が上がる。また、気泡微細化材は、被処理液中の浮遊物質(SS)に起因する吐出部の目詰まりを起こさないか、起こしにくいので、従来のように例えば色度成分除去装置等を停止させて、気泡微細化材の洗浄や交換を行う等、以降の処理を停止させて排水処理の効率の低下を招くことを防止できる。

本発明に係る微細気泡生成器の構造を示し、（ａ）は外観を示した説明図、（ｂ）はＡ−Ａ断面を示した説明図。 本発明に係る気泡微細化材であるバッファコイルの構造を示す斜視図。 本発明に係る色度成分除去装置の構成を示す説明図。 本発明に係る気泡微細化材の他の実施形態の構造を示す斜視図。 微細気泡生成器により生成された微細気泡の大きさの一例を示す説明図。 養豚場における排水処理において、色度成分除去装置と同等の構成で、使用する反応ガスのみ酸素に置換した気液反応装置による高濃度酸素水の生成能力を示し、（ａ）は気液反応装置の運転時を示すグラフ、（ｂ）は気液反応装置の停止時を示すグラフ。

本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。

図１に示すように、微細気泡生成器１は、一端側に導入口１１０を、他端側に排出口１２０を備えているケーシング１０を有する。ケーシング１０は、導入口１１０を有する導入側部材１１と排出口１２０を有する排出側部材１２を備え、導入側部材１１と排出側部材１２の間には、オリフィス１３が挟持されている。導入側部材１１と排出側部材１２は、オリフィス１３を挟持した状態で連結具１４で締め付けられて連結されている。

符号１００は、導入側部材１１と排出側部材１２の当接面の水密を図るためのＯリングである。また、導入側部材１１とオリフィス１３の間には、水密を図るためのＯリング１３０が介在させてあり、排出側部材１２とオリフィス１３の間には、同じく水密のためのＯリング１３１が介在させてある。

導入側部材１１の導入口１１０には、雌ねじ部１１１が形成してあり、雌ねじ部１１１に続いて旋流室１１２が形成されている。旋流室１１２の内部には、螺旋板状の旋流羽根１５が収められている。旋流羽根１５は、雌ねじ部１１１に螺合されている固定具１６により旋流室１１２端壁との間で挟むようにして締め付け固定されている。固定具１６の中心には、六角穴状でレンチ孔を兼ねた通水孔１６０が形成されている。

また、旋流室１１２には、絞流路１１３が連設されている。絞流路１１３は、オリフィス１３に通じるように、かつオリフィス１３に近付くにつれて口径が徐々に径小となるように形成されている。オリフィス１３は、導入側部材１１側が径小で、排出側部材１２側が径大であり、オリフィス１３を通過する気液混合液は、排出側部材１２側で大気圧に解放される。

排出側部材１２は、オリフィス１３を通った気液混合液が大気圧に戻るときに気泡を発生する気泡発生室１２１を有し、気泡発生室１２１からは気泡発生室１２１より径大の気泡微細化室１２２が連設されている。気泡微細化室１２２は、排出口１２０につながっており、排出口１２０には雌ねじ部１２３が形成されている。

気泡微細化室１２２には、気泡微細化材であるバッファコイル１７が収められている。
図１、図２に示すように、バッファコイル１７は、ステンレススチール製の螺旋枠体１７０を有している。本実施例では、螺旋枠体１７０の巻き数は３．５であるが、これに限定されるものではなく、適宜設定することができる。

螺旋枠体１７０には、可撓性又は弾性を有する合成樹脂製（本実施例では、オゾンガスにより劣化しにくいフッ素系樹脂(ＰＦＡ)を採用しているが、反応ガスの特性に合わせて適宜選択ができる）の多数の毛１７１が、毛列の外周縁から中心に向かって集束するよう密集状態に配置され、外周縁が螺旋枠体１７０の内周部に、厚み方向両側で挟まれ圧着されて固定されている。密集している毛１７１の先端部は、互いに当接するか又は重なっており、気液混合流である気泡混合液の圧力によって撓んで変形することができる自由端となっている。

バッファコイル１７は、雌ねじ部１２３に螺合されている固定具１８により気泡微細化室１２２端壁との間で螺旋枠体１７０を挟むようにして締め付け固定されている。固定具１８の中心には、六角穴状でレンチ孔を兼ねた通水孔１８０が形成されている。

なお、図１に示した前記導入側部材１１と排出側部材１２は、それぞれ二つの部材を螺合して組み合わせたものであるが、前記説明ではそれぞれを一体物として説明している。
また、前記オリフィス１３は、連結具１４による締め付けを解除して導入側部材１１と排出側部材１２を分離することにより、他のオリフィスに交換することができる。これにより、オリフィスを通る気液混合液の流量を調節することができる。

図３には、排水処理における原水の色度成分を除去するものであり、気液反応装置である色度成分除去装置３を示している。色度成分除去装置３は、原水槽３０、オゾン反応槽３１、装置本体３２及び処理水槽３３を備えている。
装置本体３２は、オゾン反応槽３１内の被処理液である原水を吸引し、オゾンガス発生装置であるオゾナイザー３２１から供給されるオゾンガスを原水と混合して気液混合液をつくり、加圧タンクであるミキシングタンク３２２に送る気液混合ポンプ３２０を備えている。

ミキシングタンク３２２は、気液混合ポンプ３２０から送られてきた気液混合液を加圧し、オゾンガスを高濃度で溶解させて、気体溶存液であるオゾン水溶液をつくるものである。ミキシングタンク３２２の排出側は、前記微細気泡生成器１の導入口１１０と配管１１８（図１（ｂ）参照）でつながっている。また、微細気泡生成器１の排出口１２０に接続された配管１２４はオゾン反応槽３１内に導入されている。色度成分除去装置３は、オゾン反応槽３１内の被処理液を循環させながら脱色処理を行うようになっている。

また、前記原水槽３０の内部には下限用液位センサ３００が設けられており、処理水槽３３の内部には上限用液位センサ３３０が設けられている。下限用液位センサ３００が液位を感知すると原水槽３０に原水が供給され、上限用液位センサ３３０が液位を感知すると処理水槽３３から処理済み液が外部へ放流される。
なお、色度成分除去装置３は、下限用液位センサ３００がＯＮ、上限用液位センサ３３０がＯＦＦで作動し、下限用液位センサ３００がＯＦＦ又は上限用液位センサ３３０がＯＮで装置が止まるように制御される。

（作用）
図１乃至図３及び図５を参照して、色度成分除去装置３の作用を説明する。
気液混合ポンプ３２０はオゾンガス反応槽３１から、色度成分等を含む原水（排水）を吸引すると共に、原水にオゾナイザー３２１から送られてきたオゾンガスを混合し、ミキシングタンク３２２に送る。
ミキシングタンク３２２内では、加圧された気液混合液中にオゾンガスが溶解してオゾン水溶液となり、微細気泡生成器１に送られる。微細気泡生成器１に送られてきたオゾン水溶液は、旋流室１１２内に送られ、旋流羽根１５によって旋回し、旋回流となって絞流路１１を通りオリフィス１３に向かう。

オリフィス１３を通過したオゾン水溶液は、減圧されて大気圧に解放され、その際に微細気泡を発生し気泡混合液となる。気泡混合液は、バッファコイル１７を通過した後、オゾン反応槽３１に送られ、残っている原水（または原水と気泡混合液の混合液）と混合される。色度成分除去装置３によって、前記処理が繰り返されることにより、原水中の色度成分はオゾンガスと接触し、除去される。

なお、気泡混合液は、バッファコイル１７を通過する際に、径が大きい気泡は密集している毛１７１によって破裂して***し、図５に示すように平均径が１０マイクロメートル程度の極めて微細な気泡となる。
図５において、中心部にあらわれているスケールの長さは、０．１ｍｍ（１００マイクロメートル）である。液中に分散している各気泡は、スケールと比較して分かるように、大きいもので１０マイクロメートル程度であり、さらに小さいものでは１〜２マイクロメートル程度のものも認められるが、気泡の径はおおむね平均化されている。

このような微細気泡は、原水または原水と気泡混合液の混合液と混じった液中での浮上速度が比較的遅いために、オゾン反応槽３１内の液中に長時間止まり、その間に液中の色素成分はオゾンガスと接触して除去され、これにより効率的に脱色される。また、オゾン反応槽３１内では、オゾンは化学変化を起こして酸素となり、液面から大気中に放出される。このため排オゾン分解装置が不必要か、小型のもので済む。

また、原水中の浮遊物質は、バッファコイル１７を通過する際に、密集状態の毛１７１に絡み、目詰まり状態を起こす場合があるが、密集状態の毛１７１は気泡混合液が流れる圧力によって撓んで下流側に向かうように変形し、その際には絡んだ浮遊物質が密集状態の毛１７１から離脱し、結果、気泡を破裂させて微細化する機能は維持しながら、目詰まりは防止される。

図４に示すバッファリング１９は、ステンレススチール製の環状枠体１９０を有している。環状枠体１９０には、可撓性又は弾性を有する合成樹脂製の多数の毛１９１が、毛列の外周縁から中心に向かって集束するよう密集状態に配置され、外周縁が環状枠体１９０の内周部に、厚み方向両側で挟まれ圧着されて固定されている。密集している毛１９１の先端部は、互いに当接するか又は重なっており、気液混合流の圧力によって撓んで変形することができる自由端となっている。

バッファリング１９は、各種固定手段によって気泡微細化室１２２内部に単独で、または複数を所要間隔で配置して固定される。なお、バッファリング１９の作用については、前記バッファコイル１７とほぼ同様であるので、説明は省略する。

図６を参照し、養豚場における排水処理において、前記色度成分除去装置３と同等の構成で、使用する反応ガスのみ酸素に置換した気液反応装置（図示省略）による高濃度酸素水の生成能力について説明する。
本実施例においては、気液反応装置を図３に記載したものと同様に使用し、酸素反応槽（図３でオゾン反応槽３１に対応）と処理水槽の間に曝気槽（何れも図示省略）を配置して排水処理を行うようにし、酸素反応槽内の被処理液の溶存酸素濃度を測定した。
なお、溶存酸素濃度については、データに確実性を持たせるために二台のセンサを使用して計測した(DO1,DO2)。

図６（ａ）のグラフから分かるように、気液反応装置の運転開始から約１０分後には、被処理液中の溶存酸素濃度はほぼ飽和状態にまで上昇した。
なお、図６（ｂ）のグラフから分かるように、溶存酸素濃度が飽和している状態から気液反応装置の運転を停止すると、被処理液中の溶存酸素濃度は急激に低下し、約３０分後からは、０（ゼロ）にきわめて近い値で推移した。
このように、気液反応装置を使用することにより、短時間の運転で水中の溶存酸素濃度を飽和状態にすることができ、活性汚泥処理における曝気処理等をより効果的に行うことができる。

本明細書で使用している用語と表現は、あくまでも説明上のものであって、なんら限定的なものではなく、本明細書に記述された特徴およびその一部と等価の用語や表現を除外する意図はない。また、本発明の技術思想の範囲内で、種々の変形態様が可能であるということは言うまでもない。

１ 微細気泡生成器
１０ ケーシング
１００ Ｏリング
１１ 導入側部材
１１０ 導入口
１１１ 雌ねじ部
１１２ 旋流室
１１３ 絞流路
１１８ 配管
１２ 排出側部材
１２０ 排出口
１２１ 気泡発生室
１２２ 気泡微細化室
１２３ 雌ねじ部
１２４ 配管
１３ オリフィス
１３０、１３１ Ｏリング
１４ 連結具
１５ 旋流羽根
１６ 固定具
１６０ 通水孔
１７ バッファコイル
１７０ 螺旋枠体
１７１ 毛
１８ 固定具
１８０ 通水孔
３ 色度成分除去装置
３０ 原水槽
３００ 下限用液位センサ
３１ オゾン反応槽
３２ 装置本体
３２０ 気液混合ポンプ
３２１ オゾナイザー
３２２ ミキシングタンク
３３ 処理水槽
３３０ 上限用液位センサ
１９ バッファリング
１９０ 環状枠体
１９１ 毛

Claims (4)

1. 気液混合手段(320,322)で被処理液中に気体を溶存させた気体溶存液をケーシング(10)に導入し、該ケーシング(10)内に設けられている流路面積を制限する絞り部(13)を通過して発生した微細気泡を含む気泡混合液を吐出する微細気泡生成器であって、
   気泡混合液の流路(122)に、気泡混合液を通過させて気泡を微細化する気泡微細化材(17)が設けられており、該気泡微細化材(17)は、可撓性又は弾性を有する毛(171)及び/又は繊維が外周縁から内方に向かって密集状態に配置され、可撓性又は弾性を有する毛(171)及び/又は繊維は外周縁で固定され、当接又は重なっている先端は気液混合流の圧力によって変形する自由端となっている、
   微細気泡生成器。
2. 請求項１に記載の微細気泡生成器を構成する気泡微細化材(17)であって、
   可撓性又は弾性を有する毛(171)及び/又は繊維が外周縁から内方に向かって密集状態に配置され、可撓性又は弾性を有する毛(171)及び/又は繊維は外周縁が固定され、当接又は重なっている先端は気液混合流の圧力によって変形する自由端となっている、
   気泡微細化材。
3. 可撓性又は弾性を有する毛(171)及び/又は繊維が、流路(122)に収めることができる螺旋枠体(170)に固定されている、
   請求項２記載の気泡微細化材。
4. 被処理液を入れる処理槽(31)と、
   処理槽(31)から被処理液を吸引し反応ガスと混合する気液混合ポンプ(320)と、
   気液混合ポンプ(320)から気液混合液が送られる加圧タンク(322)と、
   加圧タンク(322)から気液混合液が送られて、反応ガスの微細気泡を含む気泡混合液を処理槽(31)に送る請求項１記載の微細気泡生成器と、
   を備えている、
   気液反応装置。