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気泡の超微細化による下水処理効率向上の可能性の検討

システム創成学科知能社会システムコース 4 年応用流体工学研究室 指導教官 川村隆文

１０９０３　本宮　一

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発表の概要

1. 研究の背景・目的2. 微細気泡生成法について3. 気泡径と曝気効率の関係4. 下水処理施設に超微細気泡を導入した場合

の効果の検討5. 結論・今後の課題

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１．研究の背景• 現在下水処理には、全消費電力のおよそ 1% と

いう莫大な電力が使われており、下水処理の効率を上げることが重要である。

• 下水処理の効率向上には、処理場における曝気効率の向上が求められている。

平成 12 年度　東京都区部全処理場受電割合

汚泥処理30%

曝気37%

揚水他33%

東京都区域年間約 6.6億 kWh2

内訳

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散気の様子

活性汚泥（好気性微生物）が繁殖

散気（エアレーション）によって好気性微生物が呼吸　　→下水中の有機物の１／３は CO2 に　　→　　　　　〃　　　　の２／３は微生物の体に

有機物除去の仕組み

曝気槽を上から写した写真

約 1m

5

研究の目的

• 気泡を微細化することで曝気効率を上げることができるが、 1mm 以下の気泡の超々微細化はあまり例がない

　　　　　　　　　　　　　　　そこで• 超微細気泡がどれほど水に溶けるのかを計算に

よって求め、• 気泡の超々微細化によって曝気効率がどれほど

上がるのかを検討する

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２．微細気泡生成法

水面攪拌式

下水生物処理

散気式

噴出式

径の小さい気孔に通す

せん断力で砕く

キャビテーションで砕く

従来型 2,3 ミリ①超微細気泡 1 ミリ②

0.1 ～ 1.0 ミリ0.001 ～ 0.5 ミリ③

酸素の溶かし方 気泡の微細化方法 気泡径

超々微細気泡

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従来散気法（気孔を用いた気泡微細化）

① セラミックス散気装置・気泡径２～３ミリ・＋圧力損失小・－酸素移動効率小

② 膜状樹脂製散気板・気泡径１ミリ前後・－圧力損失大・＋酸素移動効率大

２．超微細気泡生成法 (1/2)

8

• ２液や気液の混合目的• 0.001 ～ 0.5 ミリに砕く• 本卒論ではアトマイ

ザーを使って検討する

２．超微細気泡生成法 (2/2)

③ アトマイザー( キャビテーションによる超微細化 )

本研究室では・アトマイザー形状の最適化・下水処理場への適用を研究している

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キャビテーションにより気泡が微細化する様子

流速

圧力

気泡径

気泡崩壊

気泡崩壊 気泡微細化

気泡成長

↑ キャビテーションによる気泡微細化の様子

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３．気泡径と曝気効率の関係• 超微細気泡による曝気の検討に必

要な、 1mm 以下の気泡の酸素移動効率データがほとんどないため、計算により求めた

記述すべき現象・気泡が水底から水面まで上昇する

　　並進運動・気泡内分子が水中内に移動する　

　　拡散現象

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計算準備(1)

気泡の上昇

富山ら、抗力係数に関する実験から

　　十分汚れている場合の式

３．気泡径と曝気効率の関係 (1/4)

( ')d

M Mdt

ｖ 浮力－抵抗力

2

1'

2

( )

1

2

w

w a

w

M

M

g

Cd

　 　質量

　付加質量 気泡体積

v　 速度　 　ｔ 時間浮力 気泡体積

抵抗力 気泡投影面積 ｖ

43

8),Re15.01(

Re

24max 687.0

o

o

E

ECd

2

Re

( )l go

gE

気泡径 ｖレイノルズ数

気泡径エトボス数

　 水の動粘性係数　 水の表面張力

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計算準備 (2)

３．気泡径と曝気効率の関係 (2/4)

気体の拡散

竹村ら、二酸化炭素の溶解実験から

　　　　　完全に水の汚れが影響する時の式

077.031

Re)1(1 PeSh

( )iD Sh P PFlux

H

気泡径i

D

p

p

H

　 気体拡散係数Sh　 シャーウッド数　 気体圧力　 水中（無限遠）圧力

　 ヘンリー定数

RePe Sc

DSc

ペクレ数

シュミット数

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計算確認• 竹村らの実験結果と計算の結果を比較し、計算が正

しいことを確認する

３．気泡径と曝気効率の関係 (3/4)

気泡半径の 実験結果と計算結果比較

気泡半径 0.38mm の二酸化炭素が水深 50cm の深さから上昇する時の半径の変化を計算する

→ ほぼ等しいことが分かる

実験

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0 1 2 3 4 5

計算

時間[秒]

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空気での計算下水処理場での空気曝気を想定して計算する

　　　以下のような範囲で、変数の値を変化させた

３．気泡径と曝気効率の関係 (4/4)

溶存酸素濃度　 　 0 ～ 100 %曝気水深　　　 0.25 ～ 10.0 m初期気泡径 0.3 ～ 3.0 mm

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深さを 4mとしたときの酸素移動効率　　（酸素の溶

解効率）

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 0.90.80.70.60.50.40.30.20.1 0

酸素移動効率

気泡径[mm]0.3 1.0 2.00.5 3.0

1.00.9

0.80.70.6

0.50.4

0.3

0.2

0.1

従来型最新 1 ミリ

本卒論対象

キャビテーションによる0.001 ～ 0.5 ミリの気泡は原則すべて溶けると考えてよい

　　　　　　　　酸素移動効率

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４．経済性評価

　 下水処理場に超微細気泡生成技術を導入した場合の消費電力削減効果について考える

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1 ミリ気泡コスト削減例

• 2.3 ミリの気泡から 1 ミリ気泡を導入することで　　 39% の削減を達成（町田市事例）

ｍ3/日

72,010(H13/2/8)

円／年 62,725,800

円／年 38,056,350

円／年 24,669,450

％ 39

放流水量

削減金額削減率

従来気泡1ミリ気泡

比較

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消費電力 W[kW]の推定式　

４．経済性評価 (1/8)

2O

p m

HQW

ｇ ただし、

Ｑ O2： 処理場全体に必要な酸素量 [m3/sec]

　 α ： 送気中の酸素割合　 β ： 気液比率　 γ ： 酸素移動効率

p m

HQW

ｇ

ただし、　 ρ ：水の密度 [kg/m3]　ｇ ：重力加速度 [m/sec2]　Ｈ　： 送水圧 [mAq] Ｑ　： 処理場全体の送水量 [m3/sec]　 ηp ： ポンプ効率　 ηm ： モーター効率

ただし、　 ρ ：水の密度 [kg/m3]　ｇ ：重力加速度 [m/sec2]　Ｈ　： 送水圧 [mAq] Ｑ　： 処理場全体の送水量 [m3/sec]　 ηp ： ポンプ効率　 ηm ： モーター効率

p m

HQW

ｇ

ただし、 Ｑ O2： 処理場全体に必要な酸素量 [m3/sec]

　 α ： 送気中の酸素割合　 β ： 気液比率　 γ ： 酸素移動効率

2O

p m

HW

Q

ｇ

これから超々微細気泡の導入の検討を行う　コストとして、消費電力のみを考える

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• 三河島処理場の浅草系曝気槽をモデルケースとする

４．経済性評価 (2/8)

曝気槽の想定

東京都下水道局事業年報三河島送風量・受電量資

料三河島曝気槽設備資料

より作成

三河島処理場の浅草系曝気層データ

有効容量 26,280 m3

処理水量 179.1 m3 /分

受電量 26,528 kWh /日通気量 1,133,877 Nm

3 /日

散気方式 全面曝気方式散気水深 4 m散気板枚数 4,998 枚気孔径 300 μ m

平均BOD変化流入108→流出4

104[mg/l]減

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必要酸素量の推定 実際に消費する酸素の求め方には① 計測した BOD の変化量から求める② 散気管の性能から溶ける酸素量を求めるの 2種類が考えられる

①ＢＯＤ変化量より求める

４．経済性評価 (3/8)

BOD （生物化学的酸素要求量）は水の汚れをはかる指標として用いられ、流入下水と処理後の流出下水の BOD の差を求めることで、処理に使用した酸素量が分かる

酸素量 [kg/分 ]＝処理流量 [m3/分 ] ・ＢＯＤ変化 [mg/l] /1,000　　　　　　　　　＝ 179.1 ・ 104 /1,000＝ 18.6

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② 散気管データから求める

散気管 1枚当りの通気量 [l/分 ] 　　　　　　　　＝全通気量 [m3/日 ] ・ 1,000/ 散気管数 [数 ] /24/60　　　　　　　　＝ 1,216,945 ・ 1,000/4,998 /24/60 ＝ 192.1

散気管の技術データ（気孔径 300μm ）と 1枚当りの通気量より酸素移動効率＝ 10.8%

酸素量 [l/分 ]＝全通気量・ 1,000 ・酸素割合・酸素移動効率 /24/60　　　　　　　　＝ 1,216,945 ・ 1,000 ・ 0.2 ・ 0.18/24/60 ＝ 18,254単位換算（ 20℃）　　酸素量 [kg/分 ] ＝ 24.3＞ 18.6

実際に消費する酸素量は BOD の変化量を上回る→ 散気管から求めた酸素量を必要な量と考える

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その他データの設定

• ポンプ効率– 三河島ポンプ効率 70%– キャビテーションに強いポンプの効率 66%

• モーター効率– 一般的には 90% 以上

• 酸素割合– 20%

• 酸素移動効率– 三河島（従来）散気管の 2.3 ミリ気泡　 　 10.8%– キャビテーションによる超々微細気泡　 100% 　

→66% に統一

→94% に設定

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アトマイザー導入評価　空気曝気

• キャビテーションに強い低 NPSHポンプの取りうる値では、コスト増となる

• 送水圧 15mAq 、気液比 30% ならばコストで並び、この時は余剰空気が出ない分新技術の方が有利ではある

４．経済性評価 (4/8)

送水圧を 10 ～ 50mAq 、気液比 10 ～ 100% の範囲で幅をもって任意のパラメータとして計算する。すべてキャビテーションが起こると仮定

mAq送水圧 気液比 kWh消費電力 コスト比三河島 5.3 100% 1,179 1

NPSH低 ポンプ 27 10% 6,486 5.525 15% 4,004 3.420 20% 2,402 2.0415 30% 1,201 1.0210 50% 480 0.41

計算の一例

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送水圧、気液比とコスト比の関係

コストの削減ができるかどうかは無事キャビテーションが起こるかどうかによる　→流量が 5分の 1 になる酸素曝気を考えてみる

0

10

20

30

40

50

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

気液比

[m

Aq]

送水

圧コスト比

コスト減0.5

13

10

25

アトマイザー導入評価　酸素曝気（１）

４．経済性評価 (5/8)

動力原単位をＵとすると、

　　　消費電力＝曝気電力＋酸素製造電力 　 　　　　　＝Ｗ＋ ( Ｑ O2× Ｕ ) と表すことができる

処理場、実験でのデータには攪拌装置の電力量も含まれ、回転制御によって攪拌装置の効率を上げている。

(kWh/ m動力原単位 3)

0.36

1.471.692.22.31

高速一定回転 2.25回転数制御 1.83高速一定回転 2.53回転数制御 1.73高速一定回転 2.14回転数制御 1.5高速一定回転 2.33回転数制御 1.78

企業内部資料 最新減圧２塔式

郡津下水処理場

6平成 年度7平成 年度8平成 年度9平成 年度

下水道事業団

低水温実験４塔式

３塔式

高水温実験４塔式

３塔式

動力原単位には 0.36 [kWh/m3]を用いる

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アトマイザー導入評価　酸素曝気（２）

• 酸素曝気のほうが導入しやすく、送水圧 25mAｑ、気液比 15%でコストが並び、十分現実的な数値である。

• 送気コストは空気曝気のときの 5分の 1だが、酸素代がかかるため、揚程を下げたり気液比を上げたりしたときのコスト比の下がり方が小さい。

• 効率を最大に見て、やっと 1 ミリ気泡の成果を超えることができる

４．経済性評価 (6/8)

mAq送水圧 気液比 kWh送水電力 kWh酸素製造電力 コスト比5.3 100% 1,179 0 1.000

NPSH低 ポンプ 27 10% 1,297 393 1.43425 15% 801 393 1.01320 20% 480 393 0.74115 30% 240 393 0.53710 50% 96 393 0.415

三河島

酸素製造動力原単位0.36kWh/ m3

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考察（１）　コスト比較

コスト比が1以下　　　　　　　　　　　になる条件

• 空気曝気 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [mAq]

• 酸素曝気　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [mAq]

４．経済性評価 (7/8)

49.01送水圧気液比

164.5送水圧気液比

酸素曝気のほうがコストが下がりやすい

0

10

20

30

40

50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

気液比

[m

Aq]

送水

圧

コスト減領域

空気曝気

酸素曝気

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考察（２）アトマイザー・酸素曝気による効果

• 噴流が曝気送内の DO を均一化させ、汚泥の沈降を防ぐ

• BOD容積負荷が 2~6倍に設備縮小化で維持費、減価償却、人件費の大幅削減

• 高価な酸素を逃すまいと曝気槽に蓋をし、逃げ場を失った CO2 が下水に溶けこみ、 pH値を下げて微生物の育成に影響を及ぼすことがなくなる

など

４．経済性評価 (8/8)

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結論

• 超々微細気泡の酸素移動効率を求め、導入に関して気液比や送水圧の関係を求め、以下の結論を得た

• 今のコストに並ぶためには空気曝気で送水圧 15mAq、気液比30％ほどする必要があり、現実的に困難な数字である

• 酸素曝気ならば、十分にコストの削減が見込め導入が可能である（送水圧 25mAｑ、気液比 15% ）　　　　　　　　　　　　　　　→しかし、すでにコストの 4割削減が達成されている 1 ミリ気泡のほうが、現状ではやや優位にある。

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今後の課題

• 高い気液比・低い送水圧での運転が可能な装置の開発が重要

• 詳しく調べる必要のあるデータは– 気泡径・気液比、等と酸素移動効率の関係データ– 実ポンプの性能（キャビテーションによる性能の変

化）

• 今後さらに検討すべきものは– 消費電力以外の効果の定量的な比較– アトマイザー形状の最適化– キャビテーションが微生物に及ぼす影響