JP6583447B2 - 気泡発生装置 - Google Patents

Description

本発明は液相に気泡を発生させる気泡発生装置に関する。

液中で間欠的に大気泡を発生させる気泡発生装置の用途は数多くある。

例えば、排水処理に供される分離膜の閉塞を防ぐため分離膜表面の被処理水を揺動させるスクラビングにより分離膜表面の懸濁物質を引き剥がす手法が採られている。分離膜面をスクラビングする気泡径は大きいほど気泡が持つ運動エネルギーの大きくなり、洗浄効果が高まり、特に、平型の分離膜が並列に設置される場合には、少なくとも膜面の間隔よりも大きな直径であることが好ましい。

気泡径の大きな気泡を発生できる装置として、これまでに気泡径の大きな気泡の発生できる装置またはこれを備えた膜分離装置が提案されている。例えば、膜分離装置での膜面洗浄のための間欠空気掃流装置、生物反応槽を無酸素条件で運転するための粗大気泡発生装置、嫌気性消化システムのタンク内の廃液の濃度と温度を均一化させる気泡発生装置などが挙げられる。

前記間欠空気掃流装置としては、例えば特許文献１〜３に開示された膜分離装置、逆洗装置が挙げられる。

特許文献１の膜分離装置は、従来の散気管に気泡滞留板（気泡集合手段）を併用することにより、洗浄効果が高い、粒子径の大きい気泡を分離膜に供する。

特許文献２の膜分離装置は、膜部材の下方に、逆サイフォン作用により大きな気泡となった気泡弾を間欠的に放出する気泡弾放出手段を設けて、膜部材内の流路内にて大きな気泡の上昇流を生じさせて膜面上への固体成分の堆積を抑える。

特許文献３の膜分離装置は、空気溜カップを上向きに開動させることで、内部の空気溜から空気がスムーズに大きな気泡が間欠的に放出させる。

前記粗大気泡発生装置としては、特許文献４の粗大気泡発生装置が挙げられる。本文献においては、微生物固定化担体を用いた循環式硝化脱窒法による廃水の処理装置での適用例が開示されている。本適用例では、粗大気泡発生装置を、無酸素条件で運転される反応槽に設置して反応槽を散気することにより、担体の撹拌、流動化を行う。この粗大気泡発生装置から吹き出される気泡の径は比較的大きく、反応槽への酸素の溶解量は少ないので、反応槽は脱窒反応が起こるに十分な無酸素状態が保たれる。

前記均一化のための気泡発生装置としては、特許文献５に開示された気泡発生器とこの気泡発生器に対してスタンドパイプを介して立設されるスタックパイプとを備えたものが挙げられる。

特開２０１１−２２４４５２号公報 特開２００３−３４０２５０号公報 特開平１０−１９２６６７号公報 特許第３４５１８４９号 米国特許第４１８７２６３号

特許文献１の膜分離装置は、発生気泡滞留板の水平方向の幅を調整することである程度の大きさの気泡径を発生させることは可能であるが、小気泡を集合することで大気泡化させるため、その大気泡を同時に大量に形成する点で限界がある。

特許文献２の気泡弾放出手段は、気体サイフォン室の内容積の大きさによって気体容積の調整が可能となっている。しかし、逆サイフォン作用により一挙に大容積の気体を放出することは可能であっても、気泡は一体ではなく、ある程度の大きさの気泡径に分割されて放出されることになる。そのため、特許文献１の装置と同様に、その大気泡を形成する点で限界がある。

特許文献３の逆洗装置では、空気溜カップの内容積の大きさで気泡の大きさを調整することが可能である。したがって、特許文献１，２の装置に比べ、大気泡径を形成が容易となっている。

しかし、気泡洗浄対象物の下方に、複数の空気溜カップを設置する場合、平面的に分散させることになるため、個々の空気溜カップの大きさによって、空気溜カップの間隔が制限受ける。これは、限定された特定域において大気泡を大量に形成するには適せず、例えば、平型や中空糸状の分離膜が接近して配置される場合、洗浄対象となる膜モジュールに対して大気泡の発生点の設定に制約を受けることになるため、均等に膜モジュールを洗浄する点で課題がある。

特許文献４の粗大気泡発生装置では、この粗大気泡発生装置から吹き込まれる気泡の径が大であるため、反応槽への酸素の溶解量は少なく、反応槽は脱窒反応が起こるに十分な無酸素状態が保たれるとしている。しかし、粗大気泡発生装置について具体的な構成については、本文献においては、記載がなく、単に、反応槽内に粗大径の気泡が発生する散気装置として開示されているのみである。

特許文献５の気泡発生手段は、特許文献２の装置と同じく逆サイフォン作用を利用したものであるので、一挙に大容積の気体を放出することは可能であっても、気泡は一体ではなく、ある程度の大きさの気泡径に分割されて放出される。そのため、特許文献５の気泡発生手段は、特許文献１の装置と同様に、その大気泡を形成する点で限界がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、液相に大気泡を間欠的且つ効果的に発生することを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、液相に大気泡を間欠的に発生させる気泡発生装置であって、空気を連続供給する気体供給部材と、この気体供給部材により液相に生じた気泡を貯留する気泡貯留容器と、この気泡貯留容器を旋回させる旋回軸と、前記気泡貯留容器の内部に前記旋回軸の軸方向に設置されて当該内部を分割する隔壁とを備える。

本発明の一態様は、前記気体供給部材には、前記気泡貯留容器の縁部を受け止める一対の縁部受けを備える。

本発明の一態様は、前記旋回軸は、前記隔壁の下端付近にて当該隔壁に設けられる。

本発明の一態様は、前記気泡貯留容器の内部には、前記旋回軸の軸方向に対して垂直に配置されて前記内部をさらに分割する複数の隔壁が備えられる。

本発明の一態様は、前記気泡貯留容器の長手方向に複数分割された内部は気泡貯留容器内の頂部にて連通している。

本発明の一態様は、前記気泡発生装置は、前記気泡が供される膜分離装置の下端側に配置される気泡拡散防止壁または気泡導入壁、または、前記液相を循環的に供給するドラフトチューブと併用される。

以上の本発明によれば、液相に大気泡を間欠的且つ効果的に発生できる。

本発明の実施形態１の水槽に適用された気泡発生装置の概略構成図。 前記気泡発生装置の平面図。 （ａ）は前記気泡発生装置の一方の気泡貯留室に気泡が貯留される過程の説明図、（ｂ）は当該一方の気泡貯留室から気泡が放出される過程の説明図、（ｃ）は当該気泡発生装置の他方の気泡貯留室に気泡が貯留される過程の説明図、（ｄ）は当該他方の気泡貯留室から気泡が放出される過程の説明図。 前記気泡発生装置が適用される膜分離装置の態様例の概略構成図。 本発明の実施形態２の膜分離装置に適用された気泡発生装置の動作例の説明図。 本発明の実施形態３の膜分離装置に適用された気泡発生装置の動作例の説明図。 本発明の実施形態４のドラフトチューブに適用された気泡発生装置の動作例の説明図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された本実施形態の気泡発生装置１は、転倒室式間欠気泡発生方式を採用し、水槽１０内の液相に大気泡ａ２を間欠的に発生させる。

気泡発生装置１は、気体供給ノズル２と、この気体供給ノズル２により液相に生じた気泡ａ１を貯留する気泡貯留容器３と、この気泡貯留容器３を旋回させる旋回軸４と、気泡貯留容器３の縁部を受け止める一対の縁部受け５ａ，５ｂとを備える。

気体供給ノズル２は、気体供給部材の一態様であって、図２に例示されたように、水槽１０内に設置された枠体７において、旋回軸４にてその軸方向に配置された配管６に略等間隔に備えられる。

気泡貯留容器３の内部は、図１に示されたように旋回軸４の方向に設置された隔壁３０により気泡貯留室３１ａ，３１ｂに分割されている。

旋回軸４は隔壁３０の下端付近に具備される。特に、旋回軸４を中心とする気泡貯留容器３の往復旋回により、気体供給ノズル２からの空気の連続供給により生じた気泡の気泡貯留室３１ａ，３１ｂへの確実な振り分けが可能である。

縁部受け５ａ，５ｂは、気泡貯留容器３の縁部を受け止めて気泡貯留容器３の往復旋回を制限する。縁部受け５ａ，５ｂは、図１に示したように水槽１０の底部１１において気泡貯留容器３の真下に配置される底が浅い断面略Ｕ字の部材５の縁部からなる。

部材５は、気泡貯留容器３の往復旋回を所定の位置で停止させればよいので、上記の気体供給部材を固定する板状部材や気泡発生装置１の設置面を利用してもよい。

気泡貯留容器３の容器材質及び内容積は、被処理水中での気泡貯留容器３の浮力（気泡貯留容器３の片側が１００％空気で満たされた状態）と容器材質の質量とのバランスを考慮して選択及び設計される。

さらに、気泡貯留容器３は、図２に示したように側面方向を長尺とすることにより、図４に例示の膜分離装置２０であって特に奥行きのある態様においても適用が可能となる。

この場合、図２に示すように、気泡貯留容器３の内部において、旋回軸４の軸方向に対して垂直に配置された状態で気泡貯留室３１ａ，３１ｂの空間を分割させる複数の隔壁３２がさらに備えられることにより、一対の気泡貯留室３１ａ，３１ｂが気泡貯留容器３の長手方向に沿って複数形成される。そして、一つの一対の気泡貯留室３１ａ，３１ｂに対して少なくとも一つの気体供給ノズル２が配置される。このように、気泡貯留容器３がさらに分割することにより、気泡供給の平面的な均一化が図れる。

また、気泡貯留容器３の長手方向に複数分割された内部の気泡貯留室３１ａ，３１ｂは気泡貯留容器３内の頂部にて連通している。すなわち、前記長手方向に隣り合う気泡貯留室３１ａが気泡貯留容器３内の頂部にて隔壁３２に形成された図示省略の孔により連通している。同様に、前記長手方向に隣り合う気泡貯留室３１ｂが気泡貯留容器３内の頂部にて隔壁３２に形成された図示省略の孔により連通している。このような態様により、各一対の気泡貯留室３１ａ，３１ｂにて均等な気泡の貯留が可能となり、さらに、気泡供給の平面的な均一化が図れる。

図３を参照して本実施形態の気泡発生装置１の動作例について説明する。

先ず、図３（ａ）のように、気体供給ノズル２からの空気の供給により水槽１０内の液相に生じた気泡ａ１が一方の縁部受け５ａに受け止め支持された気泡貯留容器３の気泡貯留室３１ａ内に導入されて気泡が貯まり始める。

次いで、気泡貯留室３１ａ内に気泡ａ１が充満すると、同図（ｂ）に示したように、気泡貯留容器３は、気泡貯留室３１ａに生じる浮力と気泡貯留室３１ｂの自重により他方の縁部受け５ｂ側に旋回する。この過程で気泡貯留室３１ａ内に貯まった気泡ａ１はこの気泡ａ１よりも大径な大気泡ａ２として気泡貯留室３１ａから放出される。

気泡発生装置１からの大気泡ａ２の放出による流動の強度と頻度は、気泡貯留容器３の容量選択と気体供給ノズル２からの気体供給の速度で調整が可能である。

一方、気体供給ノズル２からの空気の供給により生じた気泡ａ１は気泡貯留室３１ｂに供給される。そして、同図（ｃ）に示したように、他方の縁部受け５ｂに受け止め支持された気泡貯留容器３の気泡貯留室３１ｂ内に気泡ａ１が貯まり始める。

次いで、同図（ｄ）に示したように、気泡貯留室３１ｂ内に気泡ａ１が充満すると、気泡貯留容器３は、気泡貯留室３１ｂに生じる浮力と気泡貯留室３１ａの自重により一方の縁部受け５ａ側に旋回する。この過程で気泡貯留室３１ｂ内に貯まった気泡ａ１はこの気泡ａ１よりも大径な大気泡ａ２として気泡貯留室３１ｂから放出される。一方、気体供給ノズル２からの空気の供給により生じた気泡ａ１は気泡貯留室３１ａに供給される。

そして、同図（ａ）に示したように、一方の縁部受け５ａに受け止め支持された気泡貯留容器３の気泡貯留室３１ａ内に気体供給ノズル２からの気泡ａ１が貯まり始める。やがて、気泡貯留室３１ａ内に気泡ａ１が充満すると、上述のように、気泡貯留容器３が他方の縁部受け５ｂ側に旋回する。この過程で同図（ｂ）に示されたように気泡貯留室３１ａ内に貯まった気泡ａ１はこの気泡ａ１よりも大径な大気泡ａ２として気泡貯留室３１ａから放出される。

以上のように本実施形態の気泡発生装置１によれば液相に比較的大径な大気泡ａ２を間欠的且つ効果的に発生できる。特に、気泡貯留容器３内の空間が複数に分割されることにより、平面的な気泡発生点の設定が容易となる。さらに、このことにより、大気泡ａ２を間欠的、かつ、均等に供給できる。そして、その効果は、他の部材、例えば、後述の気泡拡散防止壁、気泡導入壁、ドラフトチューブ等との組合せにより、さらに高まる。

そして、気泡発生装置１は、膜分離装置での膜面洗浄のための間欠空気掃流装置や、生物反応槽を無酸素条件で運転するために槽内を撹拌する装置や、嫌気槽内の濃度と温度を均一にするための撹拌する装置などに利用できる。

［実施形態２］
気泡発生装置１は、図５に示されたように、膜分離装置２０の気泡拡散防止壁２４と併用して利用することも可能である。

膜分離装置２０は、例えば、特許文献１に基づく膜分離装置であって、図４に示されたように複数の膜モジュール２１を高さ方向に積層配置する。

膜モジュール２１は、並列に配置される複数の平型の分離膜２２と、この複数の分離膜２２のうち最も外側の分離膜２２に並列に配置される一対の水流ガイド２３とを備える。

膜分離装置２０の最下層に配置された膜モジュール２１の下端には、気泡拡散防止壁２４が一対に備えられている。気泡拡散防止壁２４は、膜分離装置２０内の下端付近の気泡発生装置１から放出された大気泡ａ２の膜分離装置２０の外側への拡散を防止する。また、膜分離装置２０は、気泡拡散防止壁２４の下端側の開口部２５からも液相を導入する。

本実施形態の気泡発生装置１は、図５に示されたように、気泡拡散防止壁２４の下端付近における膜分離装置２０の開口部２５付近の水槽１０の底部１１に配置される。

以上のように気泡発生装置１を膜分離装置２０の気泡拡散防止壁２４と併用することにより、気泡発生装置１から放出された大気泡ａ２の散逸を防止し、膜分離装置２０内の特定域に間欠的および交互に気泡を集中させることが可能となる。したがって、膜分離装置２０において、大気泡ａ２をより効果的に発生することができるので、分離膜２２の洗浄効果が高まる。

実施形態２の気泡発生装置１による大気泡ａ２の放出による流動の強度と頻度も、気泡貯留容器３の容量選択と気体供給ノズル２からの気体供給の速度で調整が可能である。

尚、気泡発生装置１は、従来の膜分離装置の散気装置に換えて適用されるものであるが本発明は、この態様に限定されることなく、無酸素条件で運転される反応槽に設置して反応槽を散気する場合、嫌気性消化システムの槽内撹拌する場合にも適用が可能である。

［実施形態３］
図６に示された本実施形態の気泡発生装置１は、実施形態１の態様において、さらに、気泡導入壁２６と併用することにより、大気泡ａ２を膜分離装置２０内の特定領域への間欠的且つ交互に集中的に供給させる。

すなわち、本実施形態の膜分離装置２０は、膜モジュール２１の積層体２７を並列に備える。この並列された積層体２７の外側面の下端には、気泡拡散防止壁２４が一対に具備されている。一方、膜分離装置２０内の並列された積層体２７の側面の下端には、気泡発生装置１から放出された大気泡ａ２を積層体２７の下端側に案内する気泡導入壁２６が一対に具備されている。尚、気泡導入壁２６は気泡拡散防止壁２４よりも全長が短小に形成されている。

本実施形態の気泡発生装置１は、同図に示されたように、気泡導入壁２６の下端付近における膜分離装置２０の開口部２５付近の水槽１０の底部１１に配置される。

以上のように気泡発生装置１を備えた膜分離装置２０によれば、気泡発生装置１から放出された大気泡ａ２の散逸が気泡拡散防止壁２４により防止される。

また、大気泡ａ２は気泡導入壁２６により膜分離装置２０内の特定領域に案内されるので、間欠的及び交互の集中的な大気泡ａ２の供給が可能となる。さらに、大気泡ａ２の流動が互い影響しない領域が形成されるので、気泡発生装置１を単一に備えれば、２セットの散気対象への散気が可能となる。

尚、実施形態２と同様に、気泡発生装置１による大気泡ａ２の放出による流動の強度と頻度は、気泡貯留容器３の容量選択と気体供給ノズル２からの気体供給の速度で調整が可能である。

［実施形態４］
気泡発生装置１は下水処理場の嫌気槽や無酸素槽の撹拌装置として適用できる。

図７に例示された実施形態４の気泡発生装置１は嫌気槽や無酸素槽に配置されるドラフトチューブ８内の水流発生手段として適用されている。

ドラフトチューブ８は、嫌気槽や無酸素槽の底部９１に直立に配置される。気泡発生装置１はドラフトチューブ８内のドラフトチューブ８の下端側に形成された開口部８１付近の底部９１に配置される。気泡発生装置１は、ドラフトチューブ８内に設置されるのであれば、設置高さなどの制限はない。

気泡発生装置１が嫌気槽に適用される場合、気体供給ノズル２への供給ガスは、嫌気槽で発生する消化ガスまたは同質のガスが使用される。気泡発生装置１の気泡貯留容器３から放出された前記消化ガスの大気泡ａ２は、ドラフトチューブ８の開口部８１から循環的に供給される点線で示した液相９の流れに乗って、ドラフトチューブ８内を上昇してドラフトチューブ８の上端開口部から排出される。

気泡発生装置１が無酸素槽の撹拌装置として適用される場合、気体供給ノズル２への供給ガスは空気であるが、この空気は気泡発生装置１の気泡貯留容器３にて貯留された後に間欠的に気泡貯留容器３から大気泡ａ２として放出される。この大気泡ａ２はドラフトチューブ８の開口部８１から循環的に供給される点線で示した液相９の流れに乗ってドラフトチューブ８の上端開口部から放出される。このような気泡発生装置１を備えたドラフトチューブ８を介した液相９の循環的な供給により反応槽への酸素の溶解量は少なく反応槽は脱窒反応に最適な無酸素状態を保つことができる。

実施形態２，３と同様に本実施形態の気泡発生装置１による大気泡ａ２の放出による流動の強度と頻度は、気泡貯留容器３の容量選択と気体供給ノズル２からの気体供給の速度で調整が可能である。

本実施形態はドラフトチューブ８を利用しているが、気泡発生装置１の気泡貯留容器３の容量及び個数の選択と気体供給ノズル２からの気体供給の速度を調整することにより、要求される液相の流れが得られるのであれば、ドラフトチューブ８は不要となる。

１…気泡発生装置
２…気体供給ノズル
３…気泡貯留容器、３０，３２…隔壁、３１ａ，３１ｂ…気泡貯留室、ａ１…気泡、ａ２…大気泡
４…旋回軸
５ａ，５ｂ…縁部受け
８…ドラフトチューブ
９…液相
１０…水槽
２０…膜分離装置、２４…気泡拡散防止壁、２６…気泡導入壁

Claims (6)

1. 液相に大気泡を間欠的に発生させる気泡発生装置であって、
   空気を連続供給する気体供給部材と、
   この気体供給部材により液相に生じた気泡を貯留する気泡貯留容器と、
   この気泡貯留容器を往復旋回させる旋回軸と、
   前記気泡貯留容器の内部に前記旋回軸の軸方向に設置されて当該内部を前記往復旋回により前記気泡が振り分けられる一対の気泡貯留室に分割する第一の隔壁と、
   前記往復旋回する気泡貯留容器の縁部を受け止める一対の縁部受けと
   を備えたことを特徴とする気泡発生装置。
2. 液相に大気泡を間欠的に発生させる気泡発生装置であって、
   空気を連続供給する気体供給部材と、
   この気体供給部材により液相に生じた気泡を貯留する気泡貯留容器と、
   この気泡貯留容器を往復旋回させる旋回軸と、
   前記気泡貯留容器の内部に前記旋回軸の軸方向に設置されて当該内部を前記往復旋回により前記気泡が振り分けられる一対の気泡貯留室に分割する第一の隔壁と、
   前記気泡貯留容器の内部にて前記旋回軸の軸方向に対して垂直に配置されて前記内部をさらに分割する複数の第二の隔壁と
   を備え、
   前記気泡貯留容器の長手方向に複数分割された内部は、気泡貯留容器内の頂部にて連通したこと
   を特徴とする気泡発生装置。
3. 前記気泡貯留容器の内部には、前記旋回軸の軸方向に対して垂直に配置されて前記内部をさらに分割する複数の第二の隔壁が備えられたことを特徴とする請求項１に記載の気泡発生装置。
4. 前記気泡貯留容器の長手方向に複数分割された内部は気泡貯留容器内の頂部にて連通したことを特徴とする請求項３に記載の気泡発生装置。
5. 前記旋回軸は、前記第一の隔壁の下端付近にて当該第一の隔壁に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
6. 前記気泡が供される膜分離装置の下端側に配置される気泡拡散防止壁または気泡導入壁、または、前記液相を循環的に供給するドラフトチューブと併用されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の気泡発生装置。