JP4724588B2 - 微細気泡発生システムおよび酸素溶解システム - Google Patents

Description

本発明は、微細気泡発生システムに係り、特に例えば水質汚染の進んだ河川、ダム、池または沼等の水に空気や酸素などの気体を微細気泡として発生させる微細気泡発生システムに関するものである。また、本発明は、酸素を含む気体を水に溶解させたまま放出する酸素溶解システムに関するものである。

例えば、水質汚染の進んだ河川、ダム、池、沼などにおける水は、例えば硫化水素によって悪臭を発生したり、貧酸素状態となり、魚類が生息できない環境となったりしているため、浄化することが求められている。ここで、水中に空気または酸素を注入（曝気）し、水中の溶存酸素量を増加させ、好気性条件とすることによって生態系への環境改善や硫酸塩還元細菌の活動を抑制し、硫化水素等の発生を防止できることが知られている。このような水中への空気または酸素の供給は、水に空気や酸素などの気体を微細気泡として発生させる微細気泡発生システムや、かかる微細気泡発生システムにより気体を水に溶解させたまま放出する酸素溶解システムを用いて行われる。

図１は、従来の微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）の一例を示す模式図である。図１に示す微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、原動機１００により水Ｗを加圧および撹拌するポンプ１０１と、ポンプ１０１の吸込側に接続される吸込管１０２と、ポンプ１０１の吐出側に接続される吐出管１０３と、例えばノズルやオリフィスやバルブからなる減圧部１０５とを備えている。吸込管１０２の下端の吸込口１０６および吐出管１０３の下端の吐出口１０７は、例えば河川等を流れる水Ｗの中に水没されている。吸込管１０２にはポンプ１０１の上流側に気体供給口１０８が設けられており、この気体供給口から吸込管１０２内に空気が吸入される。

このような微細気泡供給システム（または酸素溶解システム）においては、原動機１００によってポンプ１０１が駆動され、河川等の水が吸込管１０２を通ってポンプ１０１の内部に吸い込まれる。このとき、ポンプ１０１の吸込側に発生する負圧によって、上述した気体供給口１０８から空気が吸入され、ポンプ１０１に吸い込まれる水の中に空気が混入する。この空気が混入した水をポンプ１０１で加圧し、この圧力で空気を水に溶け込ませる。すなわち、水の圧力を高めると空気の飽和量が増えるので、気体供給口１０８から吸入した空気はポンプ１０１で加圧された水に溶解する。

ポンプ１０１で加圧された高圧水は、ノズルやオリフィスやバルブなどからなる減圧部１０５に送られ、この減圧部１０５で高圧水を例えば大気圧に急激に減圧することにより、過飽和水から発泡して水中に微細な気泡が生成される。なお、酸素溶解システムはポンプ１０１の加圧を低く抑え、水に溶解させる気体量を大気圧での飽和値程度とすることで微細気泡を発生させない酸素溶解水が生成される。これらの微細気泡を含む水は、吐出管１０３の吐出口１０７から河川等を流れる水Ｗの中に戻され（供給され）、これにより河川等の水Ｗの溶存酸素量を増加させる。

なお、図１に示す微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）では、ポンプ１０１の吸込圧力を利用して空気を水中に注入しているが、図２に示すように、原動機１１０によりコンプレッサ１１１を駆動して空気を圧縮し、コンプレッサ１１１により圧縮された空気を、ポンプ１０１により加圧された水に圧入する微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）も知られている。

ここで、ノズルやオリフィスやバルブなどを利用して高圧水から微細な気泡を生成するシステムの場合、これらのノズルやオリフィスやバルブの部分では水が通過する管断面積が小さくなっているため、ノズルやオリフィスに高圧水を供給するポンプ１０１の必要動力が大きくなってしまう。また、従来の微細気泡供給システム（または酸素溶解システム）においては、ノズルやオリフィスやバルブにおいてエネルギーを回収することができなかった。

また、減圧部１０５で高圧水を急激に減圧して、その差圧を利用して微細な気泡を生成するシステムの場合、吸込口１０６から吸い込んだ水を高い圧力まで加圧する必要があり、加圧するためのポンプ１０１の必要動力が大きくなってしまう。また、従来の微細気泡供給システム（または酸素溶解システム）においては、水を減圧する部分でエネルギーを回収することができなかった。

また、図２に示すように、コンプレッサ１１１を用いて空気を水に圧入するシステムでは、コンプレッサ１１１を駆動するための外部動力（原動機１１０の動力）が余計に必要となってしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、必要な動力を最小限にして、効率のよい運転を行うことができる微細気泡発生システムを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、必要な動力を最小限にして、効率のよい運転を行うことができる酸素溶解システムを提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一参考例によれば、河川、ダム、池または沼等の水に空気や酸素などの気体を微細気泡として発生させる微細気泡発生システムおよび酸素溶解システムが提供される。この微細気泡発生システムおよび酸素溶解システムは、取水する吸込管と、前記吸込管から水を吸引して加圧するポンプと、前記水に酸素を含む気体を供給する気体供給口と、前記気体が供給され、加圧された水のエネルギーを動力として回収する水車とを備えている。

上記水車により回収した動力を上記ポンプの動力として用いてもよく、水に供給する気体を圧縮するコンプレッサの動力として用いてもよい。

このように、本参考例によれば、ポンプで加圧された高圧水のエネルギーを水車で回収してポンプの動力として、あるいは、コンプレッサの動力として利用できるので、ポンプまたはコンプレッサの必要動力を小さくすることができる。したがって、効率のよい運転が可能となる。

本参考例の好ましい一態様によれば、上記気体供給口を上記ポンプの上流側に設ける。このようにすれば、ポンプにより形成される負圧により空気や酸素などの気体を自然吸引することができる。

本参考例の好ましい一態様によれば、上記水車により回収した動力により発電を行う発電機をさらに備える。このように、水車により回収した動力を発電機により電力に変換し、電気エネルギーとして利用することもできる。

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、取水する吸込管と、上記吸込管から水を吸引して加圧するポンプおよび該ポンプを駆動する原動機と、上記水に酸素を含む気体を供給する気体供給口と、上記気体が供給され、加圧された水のエネルギーを動力として回収する水車と、上記水車よりも高い位置に設置された高架水槽と、上記水車と上記原動機との間に設けられたクラッチとを備え、上記ポンプの起動時に、上記高架水槽からの水の水圧により上記水車を回転させ、上記クラッチを接続することによって上記原動機により上記ポンプを起動することを特徴とする酸素溶解システムが提供される。このような構成によれば、動力を回収するとともにポンプの起動時に必要な駆動機のトルクを低減することができる。したがって、ポンプの原動機の定格出力を低減することができる。

本発明によれば、運転に必要な動力を最小限にしつつ、水質汚染の進んだ河川、ダム、池または沼等の水に空気や酸素などの気体を微細気泡または酸素溶解水として発生させることができる。

以下、本発明に係る微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）の実施形態について図３から図７を参照して詳細に説明する。なお、図３から図７において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第１の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。図３に示す微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、原動機１０により河川等の水Ｗを吸引して加圧するポンプ１１と、ポンプ１１の吸込側に接続される吸込管１２と、ポンプ１１の吐出側に接続される吐出管１３と、吐出管１３に設けられた水車１４とを備えている。吸込管１２の下端の吸込口１５および吐出管１３の下端の吐出口１６は、例えば河川等を流れる水Ｗの中に水没されている。吸込管１２にはポンプ１１の上流側に気体供給口１７が設けられており、この気体供給口１７から吸込管１２内に空気または酸素などの気体がポンプ１１により形成される負圧により吸入される。

水車１４は、ポンプ１１により加圧された高圧水を大気圧まで減圧する。すなわち、水車１４を回転させることにより加圧水が大気圧程度まで減圧され回転により加圧水のエネルギーが動力として回収される。水車１４はポンプ１１の原動機１０に連結されており、水車１４で回収された動力は原動機１０に供給されてポンプ１１の動力として用いられる。

従来の微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）では、ポンプで加圧された高圧水のエネルギーを減圧部の抵抗でほとんど消費していたが、本実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）によれば、ポンプ１１で加圧された高圧水のエネルギーを水車１４で回収してポンプ１１の動力として利用できるので、ポンプ１１の動力として用いる駆動機１０の必要動力を小さくすることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。本実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、図３に示す微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）にポンプ１１の起動時のトルクを低減する機構を加えたものである。すなわち、この微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、高い位置に設置された水源（高架水槽）１８を備えており、この高架水槽１８は、水供給管１９および第１の弁２０を介して吐出管１３に接続されている。水供給管１９と吐出管１３との接続部分の上流の吐出管１３には第２の弁２１が設けられている。また、水車１４と原動機１０とはクラッチ２２を介して連結されている。

このような微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）において、ポンプ１１の起動時には、第１の弁２０および第２の弁２１をともに閉じ、クラッチ２２を切っておく。この状態で、第１の弁２０を開き、高架水槽１８から吐出管１３に導入された水の水圧により水車１４を回転させる。これにより、高架水槽１８内の水のエネルギーを水車１４で回収し、この回収された動力を、クラッチ２２を接続することによって原動機１０に供給してポンプ１１を起動する。ポンプ１１の起動後は、第２の弁２１を開き、第１の弁２０を閉じることで定常運転に移行することができる。

このように、本実施形態では、高架水槽１８内の水のエネルギーをポンプ１１の起動時の補助動力として利用することができ、通常必要な原動機１０の定格出力を低減することができる。なお、高架水槽１８に代えて、圧力タンクなど各種の水エネルギー源を用いることもできる。

図５は、本発明の第３の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。本実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、並列に接続された複数の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備えている。なお、図５では３つの微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）を備えた例を示しているが、微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）の数はいくつであってもよい。

第１の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａは、原動機３０Ａにより水Ｗを高圧で圧送するポンプ３１Ａと、ポンプ３１Ａの吸込側に接続される吸込管３２Ａと、ポンプ３１Ａの吐出側に接続される吐出管３３Ａと、吐出管３３Ａに設けられた水車３４Ａとを備えている。第２の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｂは、原動機３０Ｂにより水Ｗを高圧で圧送するポンプ３１Ｂと、ポンプ３１Ｂの吸込側に接続される吸込管３２Ｂと、ポンプ３１Ｂの吐出側に接続される吐出管３３Ｂと、吐出管３３Ｂに設けられた水車３４Ｂとを備えている。第３の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｃは、原動機３０Ｃにより水Ｗを高圧で圧送するポンプ３１Ｃと、ポンプ３１Ｃの吸込側に接続される吸込管３２Ｃと、ポンプ３１Ｃの吐出側に接続される吐出管３３Ｃと、吐出管３３Ｃに設けられた水車３４Ｃとを備えている。

ここで、第１の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａの水車３４Ａは第２の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｂのポンプ３１Ｂに連結され、第２の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｂの水車３４Ｂは第３の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｃのポンプ３１Ｃに連結され、第３の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｃの水車３４Ｃは第１の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａのポンプ３１Ａに連結されている。

このように、本実施形態では、第１の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａの高圧水のエネルギーを水車３４Ａで回収して隣接する第２の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｂのポンプ３１Ｂの動力として利用し、第２の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｂの高圧水のエネルギーを水車３４Ｂで回収して隣接する第３の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｃのポンプ３１Ｃの動力として利用し、第３の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ｃの高圧水のエネルギーを水車３４Ｃで回収して第１の微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）１Ａのポンプ３１Ａの動力として利用することができる。

図６は、本発明の第４の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。本実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、空気や酸素などの気体を圧縮して、ポンプ１１の下流側に設けられた気体供給口４７から水に圧縮気体を圧入するコンプレッサ４８を備えている。このコンプレッサ４８は水車１４に連結されており、水車３４で回収した動力がコンプレッサ４８の動力として利用される。このように、本実施形態によれば、コンプレッサ４８のための外部動力を低減あるいはなくすことができる。

図７は、本発明の第５の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。本実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）は、空気や酸素などの気体を圧縮して、ポンプ１１の下流側に設けられた気体供給口５７から水に圧縮気体を圧入するコンプレッサ５８と、コンプレッサ５８を駆動する原動機５９と、水車１４により回収した動力により発電を行う発電機６０とを備えている。

すなわち、本実施形態の水車１４には発電機６０が連結されており、水車１４により回収された水エネルギーが電気エネルギーに変換される。この発電機６０は、コンプレッサ５８の原動機５９に電力を供給する。このように、本実施形態によれば、高圧水のエネルギーを水車１４で回収し、発電機６０で電気エネルギーに変換し、コンプレッサ５８の電力として利用することができるので、コンプレッサ５８のための外部動力を低減あるいはなくすことができる。

なお、本実施形態では、発電機６０により得られた電力をコンプレッサ５８に供給する例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、発電機６０により得られた電力をポンプ１１の原動機１０に供給してもよく、あるいは他の原動機に供給してもよい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

従来の微細気泡発生装置（または酸素溶解装置）の一例を示す模式図である。 従来の微細気泡発生装置（または酸素溶解装置）の他の例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態における微細気泡発生システム（または酸素溶解システム）を示す模式図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 微細気泡発生ユニット（または酸素溶解ユニット）
１０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 原動機
１１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ ポンプ
１２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 吸込管
１３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ 吐出管
１４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ 水車
１５ 吸込口
１６ 吐出口
１７，４７，５７ 気体供給口
１８ 高架水槽
１９ 水供給管
２０ 第１の弁
２１ 第２の弁
２２ クラッチ
４８，５８ コンプレッサ
５９ 原動機
６０ 発電機
Ｗ 水

Claims (3)

1. 取水する吸込管と、
   前記吸込管から水を吸引して加圧するポンプおよび該ポンプを駆動する原動機と、
   前記水に酸素を含む気体を供給する気体供給口と、
   前記気体が供給され、加圧された水のエネルギーを動力として回収する水車と、
   前記水車よりも高い位置に設置された高架水槽と、
   前記水車と前記原動機との間に設けられたクラッチとを備え、
   前記ポンプの起動時に、前記高架水槽からの水の水圧により前記水車を回転させ、前記クラッチを接続することによって前記原動機により前記ポンプを起動することを特徴とする酸素溶解システム。
2. 前記高架水槽は、水供給管および第１の弁を介して前記ポンプの吐出管に接続され、
   前記水供給管と前記吐出管との接続部分の上流の前記吐出管には第２の弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の酸素溶解システム。
3. 請求項１または２に記載の酸素溶解システムを用いて酸素溶解水を生成し、該酸素溶解水から微細気泡を生成することを特徴とする微細気泡発生システム。

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