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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
1
発表の概要
1.
2.
3.
4.
5.
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
2
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
汚泥
処理
30%
平成12年度 東京都区部
全処理場受電割合
内訳
揚水他
33%
曝気
37%
3
有機物除去の仕組み
約1m
活性汚泥（好気性
微生物）が繁殖
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
4
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
5
２．微細気泡生成法
酸素の溶かし方
下水
生物処理
気泡の微細化方法
気泡径
水面攪拌式
従来型2,3ミリ①
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
0.001～0.5ミリ③
キャビテーションで砕く
6
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
7
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
8
キャビテーションにより
気泡が微細化する様子
気泡崩壊
気泡微細化
成長
泡
気
圧力
流速
気泡径
気泡崩壊
9
↑キャビテーションによる気泡微細化の様子
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
10
３．気泡径と曝気効率の関係(1/4)
計算準備(1)
M 質量　付加質量　M ' 
気泡の上昇
( M  M ')
dｖ
1
2
w  気泡体積
v　速 度
 浮力－抵抗力
dt
ｔ 時間　浮 力  (w  a )  g  気 泡 体 積
抵抗力 
1
2
富山ら、抗力係数に関する実験から
 24
Cd  max 
(1  0 . 15 Re
 Re
十分汚れている場合の式
0 . 687
  w  C d  気 泡 投 影 面 積 ｖ
レ イ ノ ル ズ 数 Re 
気 泡 径 ｖ
g (  l   g )気 泡 径

エ ト ボ ス 数 Eo 
),

3 Eo  4 
 水の動粘性係数
8
Eo

 水の表面張力

11
2
2
３．気泡径と曝気効率の関係(2/4)
計算準備(2)
D　気体拡散係数
気体の拡散
F lu x 
Sh　シ ャ ー ウ ッ ド 数
D  S h  ( P  Pi )
気泡径  H
p　気 体 圧 力
pi 水 中 （ 無 限 遠 ） 圧 力
H ヘン リ ー定数
竹村ら、二酸化炭素の溶解実験から
Sh  1  ( Pe  1)
1
3
Re
0 . 077
完全に水の汚れが影響する時の式
ペ ク レ 数 P e  Sc  R e
シ ュ ミ ッ ト 数 Sc 
D

12
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
0.40
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
0.35
実験
0.30
計算
→ほぼ等しいことが分かる
0.25
0.20
0
1
3
2
時間 [秒 ]
4
5
気泡半径の 実験結果と
計算結果比較
13
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
曝気水深
初期気泡径
0 ～ 100 %
0.25 ～ 10.0 m
0.3 ～ 3.0 mm
14
酸素移動効率
深さを4mとしたとき
の酸素移動効率
（酸素の溶解効率）
酸素移動効率
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0.9
0.1
0.8
本卒論対象
0.7
0.6
0.5
0.4
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
従来型
最新1ミリ
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
1.0
0.3
0.2
0.1
0
0.3
0.5
1.0
気泡径 [mm]
2.0
3.0
15
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
16
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）
3
放流水量
ｍ /日
従来気泡
1ミリ気泡
削減金額
比較
削減率
円／年
円／年
円／年
％
72,010
(H13/2/8)
62,725,800
38,056,350
24,669,450
39
17
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
W 
W 
ｇ H Q
 p m
ｇ H Q O 2
   p m
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
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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
三河島処理場の浅草系曝気層データ
モデルケースとする
有効容量
処理水量
受電量
通気量
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
散気方式
散気水深
散気板枚数
気孔径
平均BOD変化
3
26,280 m
179.1 m3 /分
26,528 kWh /日
3
1,133,877 Nm /日
全面曝気方式
4m
4,998 枚
300 μm
流入108→流出4
104[mg/l]減
19
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
20
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
21
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%
→66%に統一
• モーター効率
– 一般的には90%以上
→94%に設定
• 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%
22
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
送水圧mAq
三河島
低NPSHポンプ
5.3
27
25
20
15
10
気液比
100%
10%
15%
20%
30%
50%
消費電力kWh
1,179
6,486
4,004
2,402
1,201
480
コスト比
1
5.5
3.4
2.04
1.02
0.41
計算の一例
• 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
23
送水圧、気液比とコスト比の関係
50
コスト比
送水圧 [mAq]
40
10
3
30
1
コスト減
0.5
20
10
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
気液比
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
24
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(kW h / m 3 )
企業内部資料
最新減圧２塔式
平成6年度
平成7年度
郡津下水処理場
平成8年度
動力原単位には0.36
平成9年度
[kWh/m3]を用いる
高速一定回転
４塔式
回転数制御
低水温実験
高速一定回転
３塔式
下水道
回転数制御
処理場、実験でのデータ 事業団
高速一定回転
４塔式
には攪拌装置の電力量も
回転数制御
高水温実験
含まれ、回転制御によっ
高速一定回転
３塔式
て攪拌装置の効率を上げ
回転数制御
ている。
0.36
1.47
1.69
2.2
2.31
2.25
1.83
2.53
1.73
2.14
1.5
2.33
1.78
25
４．経済性評価(6/8)
アトマイザー導入評価 酸素曝気（２）
送水圧 mAq 気液比 送水電力kWh 酸素製造電力kWh コスト比
三河島
低NPSHポンプ
酸素製造
動力原単位
0.36kWh/m3
5.3
27
25
20
15
10
100%
10%
15%
20%
30%
50%
1,179
1,297
801
480
240
96
0
393
393
393
393
393
1.000
1.434
1.013
0.741
0.537
0.415
• 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
26
４．経済性評価(7/8)
考察（１） コスト比較
50
送水圧 [mAq]
40
コスト比が1以下
になる条件
酸素曝気
30
コスト減領域
20
空気曝気
10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
気液比
• 空気曝気
送水圧
気液比
• 酸素曝気
送水圧
気液比
 49.01 [mAq]
酸素曝気のほうがコストが
下がりやすい
 164.5
[mAq]
27
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
28
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
30