JP2006110429A - ダム湖などの底泥消滅法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダム湖や池などに溜まった底泥を消滅させ、藻類の繁殖を抑制し、水の透視度を改善し、カビ臭などの臭気を消する方法の提供。
【解決手段】 （１）少なくとも、気泡ポンプ、マイクロエアー発生器、及びマイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段を備えた装置を用い、気泡ポンプを水面に設置し、この気泡ポンプの揚水管にマイクロエアーを送り込むことを特徴とするダム湖などの底泥消滅法。
（２）マイクロエアー発生器がエアー磁化器であり、マイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段がブロワと送気配管からなることを特徴とする（１）記載のダム湖などの底泥消滅法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダム湖などの底泥消滅法に関する。

近年、山岳地にあるダム湖でも湖底に有機物が堆積し底泥となったり、湖水の富栄養化により藻類が異常発生したりしており、時にはそれらが水にカビ臭（ジオスミンなど）を付着させることもある。そのためダム湖を水源とする上水道施設では臭気除去が重大問題となっている。底泥や藻類は、生活廃水などの汚水が集まり水系の自然浄化能を越えたときに発生する。水系の浄化には藻や砂の中の小動物などが大きな役割を果たしているが、湖底などが底泥で覆われれば、これらの生物は全滅し水系の自然浄化能は失われる。底泥や藻類が発生する最大のポイントは酸素不足であるから、湖底などに酸素が殆ど又は全く存在しない状態（貧酸素状態又は無酸素状態）を改善すれば、自然浄化能が復活し問題を根本的に解決できる。しかし、相当の水深があり面積も大きいダム湖などの溶存酸素を増やすことは難事であるため、本発明者の知る限り実用されている有効な技術はない。
ダム湖などの底泥の処理は、環境や健康に密接に関係する重要な問題であるが、現状では有効な対策がない。また、マイクロエアーを底泥の消滅に利用した公知文献は、本発明者の知る限り皆無である。なお、本出願人は先願としてマイクロエアーを用いた養殖場などの底泥消滅法を出願したが（特願２００３−３９７９９８）、本発明はマイクロエアーを用いる点では共通するものの基本的構成が異なる。

本発明は、ダム湖や池などに溜まった底泥を消滅させ、藻類の繁殖を抑制し、水の透視度を改善し、カビ臭などの臭気を消す方法の提供を目的とする。

上記課題は、次の１）〜２）の発明によって解決される。
１） 少なくとも、気泡ポンプ、マイクロエアー発生器、及びマイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段を備えた装置を用い、気泡ポンプを水面に設置し、この気泡ポンプの揚水管にマイクロエアーを送り込むことを特徴とするダム湖などの底泥消滅法。
２） マイクロエアー発生器がエアー磁化器であり、マイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段がブロワと送気配管からなることを特徴とする１）記載のダム湖などの底泥消滅法。

以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明は、マイクロエアーと気泡ポンプを組み合わせ、マイクロエアーを曝気して効率よく水中の溶存酸素を増やすことにより、ダム湖や池などに溜まった底泥を消滅させ、藻類の繁殖を抑制し、水の透視度を改善し、カビ臭などの臭気を消す方法に係るものである。この方法は従来のエアーレーションとは異なり、マイクロエアーの作用により、水に溶け込んでいる栄養塩類が速やかに酸化されると共に、マイクロエアー中の酸素が水に対する極めて高い溶解力を有するため、水に溶け込んでいる臭気成分の置換が効率よく行われ、高い消臭力を発揮する。
例えば、マイクロエアー発生器、ブロア、気泡ポンプを１組のセットとし、マイクロエアー発生器とブロアを計画する曝気箇所に近い湖岸などに分散配置し、曝気箇所に気泡ポンプを設置する。図１に、ダム湖に１０組のセットを設置した場合のイメージ図を示したが、マイクロエアー発生器とブロワ（図示せず）はセット数に応じて適当な間隔を開けて湖岸に設置し、送気配管を介して気泡ポンプにマイクロエアーを送るようにし、気泡ポンプはマイクロエアー発生器と対応させて湖岸からあまり遠くないところに浮かせて設置する。これにより送気配管をなるべく短くし、ブロワの負荷を軽減することができる。但し、制御は集中制御とする。また、気泡ポンプが流動しないように、対向する位置に設置された気泡ポンプ同士を位置固定用ワイヤーなどで連結するとよい。
送気手段としてはブロワ以外にコンプレッサもあり、ダム湖の湖底水の循環装置に用いられているが、非常に高い圧力の圧縮空気を作れる代りに、極めて大きな電力を必要とする。本発明ではブロワでも十分に気泡ポンプを稼動させることができるので、少ない消費電力で効率よく湖底水の循環を行うことが可能である。

マイクロエアーについて説明すると、その発生機構は模式的には図２のようになる。
空気は１５００ガウス程度以上の強い磁力線の中を２０〜３０ｍ／ｓｅｃ程度の高速度で通過させると、空気中の酸素分子と単分子の水（水蒸気）のポテンシャルエネルギーが高くなり、分子運動も加速される。このように強い磁力線でポテンシャルエネルギーを高めた空気をマイクロエアーと呼ぶことにする。磁力線強度は、磁性体の飽和磁束密度の制限から最大でも希土類のネオジム磁石で１万ガウス程度であり、空隙に通過させ得る最大磁束密度は、磁路を構成する磁気抵抗で減衰するため凡そ５０００ガウス程度となる。マイクロエアー発生で好ましい磁力線強度は２０００〜５０００ガウスである。
このマイクロエアーを水中に曝気すると、運動性の高まった酸素分子と単分子の水が、離合集散を繰り返す水分子集団（クラスター）の中に高速度で浸透していき、クラスターを形成する会合分子数を小さくすると同時に水の中に閉じ込められている気体を押し出すので、酸素分子の溶存量（溶存酸素量）が著しく増加する。その結果、水は次の（ａ）〜（ｅ）のような物性を示すようになる。
（ａ）クラスターが小さくなる。
（ｂ）二酸化炭素・遊離塩素ガスが除去される。
（ｃ）溶存酸素が増える。
（ｄ）浸透性・濡れ性が高まる。
（ｅ）粘性が下がる。

図３に、磁路の長さ２００ｍｍ、１５００ガウスの強さの磁力線の中を２０ｍ／ｓｅｃの速度で通過させたマイクロエアーについて、曝気時間と溶存酸素濃度との関係を調べた結果を示す。曝気条件は、水量１５０リットル、水温２６℃、曝気量４０リットル／分とした。図２の結果について数値的に説明すると、次の（１）〜（３）の通りである。
（１）曝気開始後、ＤＯ（溶存酸素濃度）が３ｍｇ／ｌ（リットル）に達するのに、マイクロエアーでは１．７分、普通の空気では４分かかった。
（２）曝気開始後、好気性環境として必要なＤＯである６ｍｇ／ｌに達するのに、マイクロエアーでは５．２分、普通の空気では１０．２分かかった。
（３）到達飽和ＤＯは、マイクロエアーが９．６ｍｇ／ｌ、普通の空気が８ｍｇ／ｌであった（この点は図示せず）。
上記の結果から、マイクロエアーを水中に曝気した場合、普通の空気を水中に曝気した場合に比べて２倍以上の速さで酸素を供給できることが分る。

本発明で用いる気泡ポンプとは、水中に挿入した揚水管の下部に圧縮空気を送り、揚水管内の水を外部の水よりも密度の小さい気液混合物とし、その密度差を利用して揚水するポンプであるが一般化された技術ではない。図４に気泡ポンプの概要を示すが、その主要部分は揚水管と圧縮空気輸送管である。
図６には本発明で好適に用いられる気泡ポンプの構造を示す。図中の散気管はマイクロエアーを管全体に効率よく曝気するための空気穴を設けた部材であり、フロートは気泡ポンプを水面に浮べておくための浮きである。この気泡ポンプを湖に設置した場合の水流のイメージを図７に示す。曝気部は気泡ポンプの駆動用気泡発生部を兼ねるようにし、マイクロエアー曝気を行うと同時に、湖底などから無酸素水を汲み上げて湖水などに垂直水流を発生させる。気泡ポンプの上部から溢れ出たマイクロエアーを豊富に含む高酸素溶存水は、垂直水流の影響で生じた対流などにより湖底に向かって下りて行き、湖底の無酸素状態を解消する。また、この水流でプランクトンの異常発生を抑制する事が出来る。

次に、図４に基づいて、気泡ポンプの特性について説明する。
揚水管内を上昇するにつれて気泡の外圧は減少し体積は増大する。従って気液混合体の密度は変わるが、その密度の平均値をρｍ、単位時間に送られる空気の体積（密度ρｍにおける）をＱｍ、水の密度をρ、揚水量をＱとすると、ρｍは近似的に式（１）のようになる。揚水管内を気液混合体が上昇する際の損失水頭をｈι、揚水管の浸水深さをＨｓ、吐出揚程をＨ、重力加速度をｇとすると、式（２）が成立し、Ｈは式（３）で表されることになる。次いで、式（３）に式（１）を代入すると、式（４）が得られる。

ここでｈι＝０と仮定すると、揚程Ｈは、Ｈｓが大きいほど、またＱｍが大きいほど、即ち、ρｍが小さいほど増大する。Ｑｍを大きくするには、圧縮空気の送気量を多くする必要がある。しかし実際には空気量が多くなると管内摩擦損失が増大し、かつ気液混合体の密度が不均一となって流動状態も不連続となる。従って、ポンプを効率よく作動させる為には、空気量を連続的に吐き出し得る量としなければならない。

圧縮空気の圧力をＰｓ、体積流量をＱｓとし、これが膨張して揚水流出口で圧力Ｐａ、体積流量Ｑａとなるとする。空気は水と接触しているので、その状態が等温変化するものと仮定すると、圧縮空気が周囲の水に対してする仕事Ｗａｉｒは、式（５）で表される。一方、仕事Ｗａｉｒは、式（６）でも表されるから、式（５）と式（６）から式（７）が得られる。そして、この式（７）と前記式（４）から式（８）が得られる。更に式（９）の関係があるから、式（８）は式（１０）に変換される。
ここで、Ｐａ／ρｇ＝１０ｍ（水中）とすると、式（１１）が得られるから、この式により、Ｈｓ、Ｈ、Ｑが与えられれば、Ｑａ、即ち所要空気量を求めることができる。

空気ポンプの効率ηは式（１２）で与えられる。通常、η＝２５〜６５％である。

所要空気量Ｍａ（ｋｇ／ｓ）を横軸に、揚水量Ｍ（ｋｇ／ｓ）を縦軸にとり、揚水管の浸水比ε（＝Ｈｓ／Ｈ）をパラメーターとした気泡ポンプの特性図を図５に示す。図中の原点からε＝一定の各曲線に接線を引いた接点は揚水量と空気量の比が最大になる状態を表す。

本発明によれば、マイクロエアーと気泡ポンプの組み合わせにより、短期間でダム湖や池などの底泥を完全に消滅させることができる。また、本発明の底泥処理施設を設置すれば、二度と底泥が堆積することはない。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

実施例１
本発明の底泥処理施設を貯水量約１００万ｔのダム湖に設置することを想定して設計を行った。ブロワにはルーツ式ロータリーブロワ（１５ｋｗ）、マイクロエアー発生器にはネオジ高速磁化器（１６ｍ^３／ｍｉｎ）、気泡ポンプには図６に示すような構造の揚水管式エアーリフトポンプ（１３ｍ^３／ｍｉｎ）を使用し、これら三つの装置からなるセット１０組を図１に示すように設置するという前提で、下記のような計算を行った。
揚水管の浸水深さＨｓを２ｍ、吐出揚程Ｈを０．１ｍ、揚水管の直径を９００ｍｍ、マイクロエアー輸送管（＝送気配管）の直径を１６５ｍｍとする。前記式（１１）を導く過程の式におけるＱｍは単位時間に送られるマイクロエアーの体積、Ｐｓは吹き込まれるマイクロエアーの圧力、即ち揚水管の下端の圧力、Ｑｓはマイクロエアーの吹き込み点での体積流量、Ｐａは大気圧、Ｑａは気泡ポンプ上部の放出点でのマイクロエアーの体積流量となる。
そして、式（１１）におけるＨｓ＝２ｍ、Ｈ＝０．１ｍ、ｈι＝２．１ｍとして計算を行った。Ｈｓは、ルーツ式ロータリーブロワの吐出圧力ではマイクロエアー発生器と送気管の圧力損失があるため２ｍとした。Ｈは、湖底と湖面の水の入れ替えであるから最小値で０．１ｍとした。ｈιについては揚程管の損失水頭を極力低く抑える目的で口径を大きく取り、揚水速度を２ｍ／ｓｅｃ以下、損失水頭を１．９ｍ以下と想定して、式（１３）により揚水速度を水頭に変換すると、ｈι′＝０．２ｍとなるから、損失水頭１．９ｍと併せて２．１ｍと多めに設定した。

この式中、Ｖは揚水速度、γωは水の比重であり、Ｖ＝２ｍ／ｓｅｃとすれば、ｈι′は２^２÷１９．６≒０．２（ｍ）となる。
上記Ｈｓ、Ｈ、ｈιの値を式（１１）に代入すると、式（１４）のようになる。
マイクロエアー発生器の能力１６ｍ^３／ｍｉｎは、秒速に換算すると約０．２７ｍ^３／ｓｅｃとなるから、この値を体積流量Ｑａとして式（１４）に代入すると、式（１５）のような揚水量Ｑとなり、これを日量に換算すると、０．２２×６０×６０×２４≒１９０００ｍ^３となる。従って、１０組のセットでは約１９万ｍ^３揚水されるから、貯水量１００万ｔが５日で１回転される事になる。

ダム湖への気泡ポンプセットの設置イメージ図。 マイクロエアーの発生機構を模式的に示す図。 マイクロエアー曝気時間と溶存酸素量との関係を調べた結果を示す図。 気泡ポンプの概要を示す図。 気泡ポンプの特性図。 好ましい気泡ポンプの構造を示す図。 図５の気泡ポンプを湖に設置した場合の水流のイメージを示す図。

Claims (2)

1. 少なくとも、気泡ポンプ、マイクロエアー発生器、及びマイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段を備えた装置を用い、気泡ポンプを水面に設置し、この気泡ポンプの揚水管にマイクロエアーを送り込むことを特徴とするダム湖などの底泥消滅法。
2. マイクロエアー発生器がエアー磁化器であり、マイクロエアー発生器から気泡ポンプにマイクロエアーを送るための手段がブロワと送気配管からなることを特徴とする請求項１記載のダム湖などの底泥消滅法。
   

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