による水 - 立命館大学

藍寧ξ
黎ギー・I鍵
微細気泡 による水質浄化技術
吉岡 修哉
立命館大学
(よ
しおか しゅうや
)
理工学部
機械工学科
准教授
― そして水環境 の再生へ
湖沼 や沿岸 部 の水 質悪化 は、水 中 の 酸素不足 に よ り進行 します。 ここで は、微
細気泡 に よる酸 素供 給手 法 を用 い て水 質 を改善 し、水 環境 を再生 させ る取 り組
み につ いて紹介 します。
改
で
る
理
善
き
由
晟
警
楊
⑬
鯰
量
量
暑
なるので 、気泡内部 の気体 を効率
池や ダムの場合 で も、数十万か ら
良 く水 中に溶解す る ことがで きま
数百万 m3程 度 の水量 があ ります。
す。加 えて、微細気泡 には作用す
これだ けの水 に酸 素供給す るわ け
近年の人為的な環境負荷 は、湖
る浮力が小 さいので なかなか浮上
です か ら、や は り大量 の微細気泡
沼や沿岸部の水中か ら酸素 を奪 っ
ています。
しませ ん。 長 い ものでは数時間以
上水 中に滞留 し、気体 の溶解 を継
が必要です。 ただ し、 これは大量
のエ ネ ルギ ーが必要 とい う意味 で
続す ることがで きます。
はあ りませ ん。
酸素不足 の水中には、金属類や
有機物 など、多 くの有害物質が残
って しまい ます。 ここに酸素 を溶
解すれ ば、金属類 は酸化 させて除
去する ことがで きます。また、酸
素に よ り微生物が活性化 し、 これ
らが有機物 を分解除去 して くれま
す。 このようにして水質が全般的
に改善 します。微細気泡には、こ
の酸素供給 を効率良 く行 う能力が
あ ります。
がで きるのですか
撤
饗曇Fi何
微細気泡 とは、直径 がμm(マ イ
クロメー トル)程 度 の気泡 で、「マ
イクロバ ブル」とも言 われます。
気体 を水中で無数の微細気泡 に
分割することで、気液界面の面積
を広 くす ることがで きます。 また
気泡は小 さい程、内部圧力 は高 く
図 1 ダム湖内の水流シミュレーション
2
2011・
02 0HM
巾鮨
こしで作はの
肇どのよう‡
現在、多孔質素材や旋 回水流 を
前述 の とお り、微細気泡 は無駄
な く気体 を溶解す るので、用意す
る気体 は少量 で済み ます。例 えば、
我 々が 行 っている実証 フイー ル ド
利用す る方法 な ど数多 く提案 され
て い ます。
実験 で は、 100万 m3の 水 に対 し
我 々 は、空 気 を混入 した水 を高
速で攪拌す る機械 的な手法 を用 い
供給 して い ません。それで も、 こ
て い ます。 この方法 は、安価 で大
い る事 を確認 して い ます。実験装
量 の気泡 を生成 す る能力があ りま
すが、 一 方 で気泡 の直径が ば らつ
置 は冷蔵庫程度 の大 きさで、消費
いて しまい ます。そのため、 自然
kW程 度 です。
相手 の環境技術 には適 して い ます
が、例 えば ドラ ッグデ リバ リー の
よ うに、 高 い精度が必要 な医療技
術 な どには不 向 きです。
↓
な
ザ
ま
毅
I響 撃
藝
[咆 穣
事
馨
尋
饉
は
広 大 な 自然 が相 手 で あ る た め、
写真
1
て、 毎分 2∼
5L程 度 の空気 しか
の酸素供給 によ り水質が改善 して
電 力 は補 機 類 も入 れ て 10∼ 20
大鷲 等鞭欝 験や、鐵爾 フィール ト
て 教 えて くが い
欝饉
策摯
大学内では、気体溶解技術 の基
礎 的な研 究 と、 数値 シミュ レー シ
ョンによる実験支援 を行 ってい ま
す。基礎 的な実験 は、 実験室内に
用意 した 200∼ 500L程 度 の小 型
実証 フ ィール ド実験 の様子
水槽 で 行 ってい ます。 ここで は、
微細気泡 の生 成技術 の研究や温度
図 2に 示す よ うに有害物質 を有効
に除去する ことに成功 しました。
変化、 日射が溶解効率 に与 える影
響 な どを検討 して い ます。
こつい て畿 えて くだ
鐘‡
数値 シ ミュ レー シ ョンによる実
警靡鶉囃露
験支援 では、 手 間 のかか る実証 フ
ィール ド実験 をなるべ く効率良 く
浄化 とは、 汚染物質 を除去す る
か、対象 地域外 へ 移動 させ ること
行 うための事前検討 な どを行 って
い ます。 ここでは、対象 となる水
力 を発揮で きる環境 に戻す ことで
す。「再生」は自然へ のアシス トを
意味 してい ます。 このようにして
自然 の再生能力が戻れば、あ とは
自然が 自らの力 で良好な環境 を保
つ、持続可能な社会が拓 けます。
麟
型等ρ
吻
鰈
麓
下さ
予
域 で起 きる環境 関連 の現象 (流 体、
です。現在、水処理 プラン トな ど
で、 資金 とエ ネ ル ギ ー を投入 して
熱、化学反応、物質拡散 )の 予測
を試みて い ます。 これ らの現象 の
行 われてい ます。 もちろん、 きれ
い になることは良 い ことなのです
害物 質 の 除去 に成功 しただ け で、
水 中に溶解す る酸素量 は増 えて い
支配方程式 はすべ て異 な ります の
が、最終的な環境 へ の収支 は どう
ませ ん。 これは酸素がす べ て除去
で、それぞれ を連成 させ て同時 に
で しょうか。水 を浄化す るための
予測す る必 要があ ります。 これ に
エ ネル ギ ー を化石燃料 の燃焼 か ら
のために消費 されて しまい 、水 中
に残 らないためで あ り、実験終了
よ り、微細気泡 を投入す る場所 や
得 て い た ら意味が な く、我 々 はこ
深度、そ の速度 な どの決 定 に役 立
てて い ます (図 1)。 また、実験 が
の よ うな一 方的 な
「浄化 Jは 目指 し
後、水質 は元 に戻 って しまい まし
「浄化 Jし て
た。 つ ま り、現状 では
て い ませ ん。
い るだ けで、環境 の「再生 Jま では
上 手 くいかなか った際 の原 因究明
前述 の とお り、水 中 の酸素 は水
に も利用 して い ます。
実証 フイー ル ド実験 は、 宮城県
をきれ い に します が、そ もそ も自
現在 の フイール ド実験 では、有
実現 で きて い ませ ん。そ こで、 よ
り効率良 く酸素 を供 給す る技術 の
研 究 をさらに進める必要があ りま
惣 の 関 ダ ムで、NPO環 境 生 態 工
然 の水 には豊富 な酸素が含 まれて
いたのです。 つ ま り、多少 の 自然
学研 究所 と共 同 で 行 って い ます
災害や短期 的な気候変動 によって
近 い将来、世界的 に水不足 が深
ここでは、大型 の実験
水 中に汚染物質 が入って も、豊富
装置 を用 い て酸素供給 の実証試験
を行 って い ます。 フィール ド実験
な酸素 によ り自動 的に除去 されて
刻 に な る こ とが 予 想 され て い ま
す。我 々の技術 は、少 ない消費 エ
いたのです。 これが、 自然 自らが
ネ ルギ ー で専用設備 を建設 す るこ
本来持 つ 、環境再生能力です。
近年 の人為的負荷 は、 この環境
とな く、現地 にお いて水 質改善 を
(写 真 1)。
は大掛 か りですが、宮城県 の 自治
体 関係者 の協力 によ り、順調 に推
移 して い ます。
2009∼ 2010年 、貯水 量 100万
再生能力 の処理量 を超 える化学物
質 を水環境 に投入 して い ます。そ
m3の 満水 時 に約 1か 月 間、酸 素
のため、水 中 の酸素が消費 されて
減 少 して い ま
40
30
濃
度
20
[mg/L]
00
P04-P
D― Mn
D― Fe
物質名
(NH4 N:ア ンモニア性窒素、P04P:リ ン酸態リン、
D― Fe:溶 解性鉄、D― Mn:溶 解性マンガン
)
図2
酸 素供 給 による有 害 物 質 の減 少 (2009年 実 証 試験 結 果 )
そ のために も、 一 日も早 い実用化
を 目指 して い ます。
また、安価 で大量 の気泡 を生成
で きる我 々の技術 は、見方 を変 え
単 に環境水 に酸
素供給 して一 時
献 で きる技術 とも言 えます。近年、
る と、気泡 生成 の低 コス ト化 に貢
洗浄技術 や水処理技術 な ど、微細
気泡が活躍す る分野が増 えて い ま
水 中 の酸素濃度
す ので、その コス トを下 げ る新 し
い技術 シーズ としての展 開 も考 え
その もの を大幅
て い ます。
こ とで は な く、
NH4-N
実施 で きる ことか ら、 この 問題解
決 に貢献 で きる と考 えて い ます。
す。
我 々の 目標 は、
的な浄化 を行 う
10
す。
にナ
曽カロさせ、 自
然が環境再生能
3
2011・
02 0HM
胤器≫善〓軍鐸 一一Ｉ■■
吉岡 修哉
供給実験 を行 い ま した。その結果、