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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

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. 発表の概要. 研究の背景・目的 微細気泡生成法について 気泡径と曝気効率の関係 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 結論・今後の課題. 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。. 東京都区域

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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

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  1. 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

  2. 発表の概要 • 研究の背景・目的 • 微細気泡生成法について • 気泡径と曝気効率の関係 • 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 • 結論・今後の課題

  3. 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。 東京都区域 年間約6.6億kWh2 内訳 汚泥 処理 30% 揚水他 33% 曝気 37% 平成12年度　東京都区部全処理場受電割合

  4. 有機物除去の仕組み 活性汚泥（好気性微生物）が繁殖 約1m 曝気槽を上から写した写真 散気の様子 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

  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

  6. ２．微細気泡生成法 酸素の溶かし方 気泡の微細化方法 気泡径 水面攪拌式 従来型2,3ミリ① 下水 生物処理 散気式 径の小さい気孔に通す 超微細気泡1ミリ② 噴出式 せん断力で砕く 0.1～1.0ミリ 超々微細気泡 キャビテーションで砕く 0.001～0.5ミリ③

  7. ２．超微細気泡生成法(1/2) 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

  8. 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) • 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 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

  9. キャビテーションにより気泡が微細化する様子キャビテーションにより気泡が微細化する様子 ↑キャビテーションによる気泡微細化の様子

  10. 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

  11. ３．気泡径と曝気効率の関係(1/4) 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

  12. ３．気泡径と曝気効率の関係(2/4) 計算準備(2) 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

  13. ３．気泡径と曝気効率の関係(3/4) 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 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 気泡半径の 実験結果と計算結果比較

  14. ３．気泡径と曝気効率の関係(4/4) 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 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

  15. 酸素移動効率 本卒論対象 従来型 最新1ミリ 深さを4mとしたときの酸素移動効率　　（酸素の溶解効率） 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

  16. 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

  17. 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）

  18. 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 ただし、 ＱO2：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 ただし、 ＱO2：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 ４．経済性評価(1/8) 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 消費電力W[kW]の推定式

  19. ４．経済性評価(2/8) 曝気槽の想定 • 三河島処理場の浅草系曝気槽をモデルケースとする 三河島処理場の浅草系曝気層データ 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

  20. ４．経済性評価(3/8) 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 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

  21. 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 ②散気管データから求める 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

  22. 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

  23. ４．経済性評価(4/8) アトマイザー導入評価　空気曝気 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 • 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 計算の一例

  24. コスト比 10 1 3 コスト減 0.5 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

  25. ４．経済性評価(5/8) アトマイザー導入評価　酸素曝気（１） 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＋(ＱO2×Ｕ) と表すことができる 動力原単位には0.36 [kWh/m3]を用いる 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。

  26. ４．経済性評価(6/8) 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

  27. ４．経済性評価(7/8) 考察（１）　コスト比較 コスト減領域 コスト比が1以下　　　　　　　　　　　になる条件 • 空気曝気 　　　　　　　　 [mAq] • 酸素曝気　　　　 　 [mAq] 酸素曝気 空気曝気 酸素曝気のほうがコストが下がりやすい

  28. ４．経済性評価(8/8) 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

  29. 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。

  30. 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

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