CN1840231A - 超微细气泡的生成方法、生成装置、及利用其的杀菌·消毒设备 - Google Patents

Abstract

提供生成可长期保存的超微细气泡的方法和装置以及将其适用于下水处理水的杀菌、消毒设备的水处理装置。设置杀菌消毒槽(1)、低压容器(2)、微细气泡生成装置(3)。在杀菌消毒槽(1)注入下水处理水，将受到处理的水从下水再生水排出管排出。由微细气泡生成装置(3)生成微细气泡，注入到低压容器(2)。注入到低压容器(2)的微细气泡由升压泵(4)加压、压缩，通过急剧的体积缩小，形成可长期保存的超微细气泡。将该超微细气泡注入到杀菌消毒槽(1)，通过超微细气泡(15)的破坏所产生的压力波和由氢氧游离基产生的氧化反应进行杀菌处理。超微细气泡的一部分长期保持，逐渐破坏，从而提高消毒效果。

Description

超微细气泡的生成方法、生成装置、 及利用其的杀菌·消毒设备

技术领域

本发明涉及自来水、下水、河川水、湖泊水、工业废水等的净化、杀菌、消毒的装置和杀菌、消毒设备。

背景技术

作为示出净化、杀菌、消毒的微细气泡的利用和效果的文献，具有非专利文献1。另外，作为示出用臭氧水杀菌的效果的文献，具有非专利文献2。

首先，根据非专利文献1的记载，示出本说明书中说明的微细气泡和超微细气泡的定义。微细气泡为被称为微泡(マイクロバブル)的直径约50微米以下的气泡。一般该尺寸的气泡通过气泡内气体溶入到周围流体而在液体中缩小，最终在约2分钟完全溶解。另一方面，超微细气泡为被称为纳米泡的、直径100纳米～200纳米的气泡。纳米泡在微泡缩小、完全溶解的过程中存在，但通常继续缩小、完全溶解。

如在非专利文献1中示出的那样，通过对微细气泡(微泡)施加流体力学的刺激，使气泡直径急速缩小，从而可生成不溶解地长期稳定存在的气泡，即具有长期保持性的超微细气泡(纳米泡)。对微细气泡(微泡)施加物理刺激、使气泡直径急速缩小的过程被称为压坏。

另外，按照非专利文献1，随着微细气泡溶入到周围液体，直径减小，所以，由表面张力的效果使内部成为高压、高温，消灭时产生压力波。由该压力波可分解细菌、有机物，所以，可获得净化、杀菌、消毒效果。另外，在气泡的溶解中，相对体积的表面积比较大，所以，微细气泡具有提高在液体的溶解速度的效果。

按照非专利文献2，溶入了臭氧气体的臭氧水的氧化还原电位高，具有强力杀菌效果。如在臭氧水的制造中使用微细气泡，则溶解速度高，所以，不溶解地从液面跑掉的气泡减少，臭氧的利用效率提高。然而，液体中的臭氧容易分解，所以，存在短时间浓度下降的问题。

非专利文献1所示的超微细气泡(纳米泡：直径约1微米以下)由于浮力小，所以，不易从液面跑掉。另外，通常的微细气泡在比较平衡的状态下逐渐溶入到液体而消灭，但压坏的超微细气泡具有长期保持性。通过在液体中大量地压坏生成超微细气泡，从而例如可长期保持较高的臭氧水的浓度。另外，由于直径小，所以，消灭时的压力波大，净化、杀菌、消毒效果也高。这样，可获得能够长期维持杀菌、消毒功能的效果。

如非专利文献1所示那样，为了生成可长期保存的超微细气泡，需要在微细气泡溶入到液体的过程中施加被称为压坏的液体力学的刺激。

[非专利文献1]“水的特性和新利用技术”，株式会社L·T·S(エヌ·テイ一·エス)，142-146页，2004年。

[非专利文献2]“新版臭氧利用的新技术”，三优(サンユ一)书房，74-83页，1988年。

在非专利文献1的已有技术中，虽然记述了超微细气泡的效果和长期保存的可能性，但未示出施加用于生成可长期保存的超微细气泡的压坏即流体力学的刺激的方法。

在非专利文献2记载的已有技术中，考虑到臭氧的分解，需要增加设备容量，设备建设的经济性下降。另外，在设备运行时，下水处理水的杀菌消毒使用生成成本高的臭氧，而且，液体中的臭氧容易分解，浓度在短时间下降。为此，为了杀菌、消毒，需要长期供给大量的臭氧，存在经济性降低的问题。

另外，在使用微细气泡、超微细气泡的杀菌消毒设备中，当不适当地控制流入的处理水流量和气泡供给量时，根据气泡供给的过或不足的情况，在过剩的场合，经济性下降，在不足的场合，杀菌性能下降，存在杀菌消毒设备的可靠性下降的问题。

发明内容

为了达到上述目的，本发明在压力比气氛压力低的容器内液体，即减压环境下，生成微细气泡，对上述低压的容器内液体加压，压缩微细气泡，生成超微细气泡。另外，具有这样的特征：将具有上述超微细气泡的液体加压到气氛压力，排出到气氛中。

按照本发明，具有使利用可长期保存的超微细气泡的杀菌·消毒设备的功能扩大的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

图2为杀菌消毒回路的压力分布图。

图3为在实施例1的杀菌消毒设备使用臭氧的场合的构成图。

图4为示出实施例1的变形例的杀菌消毒设备的构成图。

图5为本发明实施例2的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

图6为本发明实施例2的杀菌消毒设备的流量控制流程图。

图7为本发明实施例3的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

图8为本发明实施例4的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

图9为本发明实施例4的超微细气泡吹入的过程图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种在气泡溶入到液体中时施加超过其溶解速度的非平衡的压力刺激、生成可长期保存的超微细气泡的方法和装置。

本发明在压力比气氛压力低的容器内液体，即减压环境下，生成微细气泡，对上述低压的容器内液体加压，压缩微细气泡，生成超微细气泡。另外，具有这样的特征：将具有上述超微细气泡的液体加压到气氛压力，排出到气氛中。

具体地说，低压的容器由泵或吸引装置保持低压状态，从微细气泡生成装置将气体注入到压力比气氛压力低的容器内液体，生成微细气泡，由泵对该容器内液体进行加压，压缩微细气泡，生成超微细气泡，在由泵进行压缩的过程中，从低压力容器将具有超微细气泡的液体排出到气氛中。作为对上述减压环境下的流体进行加压、排出到气氛中的泵，使用升压泵有效，特别是最好使用涡流型泵、涡卷型泵、高压柱塞型泵等。

在本发明中，与微细气泡溶入到液体时的平衡的缩小举动相比，可急剧而且非平衡地压缩气泡，所以，可施加用于形成可长期保存的超微细气泡的流体力学的刺激即压坏刺激。

这样，可生成能够长期保存的超微细气泡，可持续保持杀菌、消毒功能的效果。例如，通过使用本方法和装置生成臭氧超微细气泡，适用于自来水、下水、河川水、湖泊水、工业废水的水处理，从而可长期抑制细菌的繁殖，供给高水质的水。

特别是关于下水处理水的杀菌、消毒，设置投入处理水的处理水槽，在处理水中注入超微细气泡。与超微细气泡的上升速度平衡地调整处理水的流量，在水槽内形成超微细气泡的带状区域。

处理水在通过超微细气泡的带状区域时，通过上述作用进行杀菌、消毒。为了维持杀菌、消毒作用，根据使用光学的或水力的差压测量等进行测量获得的上述带状区域的位置，防止从上述带状区域的液面的脱离或与处理水一同的排出等，控制处理水的流量有效。

按照本发明，具有扩大可长期保存超微细气泡的杀菌·消毒设备的功能的效果。

另外，由于在利用了超微细气泡的杀菌消毒设备中不利用气泡即可进行下水处理水的杀菌·消毒，所以，可使设备容量最佳化，具有提高关于下水处理设备的制作的经济性的效果。

另外，由于在利用超微细气泡的杀菌消毒设备中可减少气泡使用量，所以，具有提高关于下水处理设备的运行经费的经济性的效果。

另外，由于可按良好的精度控制超微细气泡的生成量，所以，具有提高下水处理设备的可靠性和经济性的效果。

下面，根据附图说明本发明的实施形式。图1为实施例1的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图，图2为压力分布的示意图，图3为利用臭氧超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

在图1中，设有下水处理水的杀菌消毒槽1、低压容器2、微细气泡生成装置3。在杀菌消毒槽1中，从下水处理水注入管21注入下水处理水，将处理后的水从下水再生水排出管22排出。

从微细气泡装置循环流路8取出低压容器2的水，在气相混合器12中与从气相管17通过流量调整阀13流入的气相进行混合，送到微细气泡生成装置3。在由本实施例示出的微细气泡生成装置3中，按照通过高压泵11的气液二相剪切方式生成微细气泡，从喷嘴19注入到低压容器2。微细气泡的产生量由流量调整阀17和流量调整阀18进行调整。

注入到低压容器2的微细气泡由升压泵4加压、压缩，通过急剧的体积缩小，形成可长期保存的超微细气泡。该超微细气泡被注入到接近气氛压力的杀菌消毒水槽1。加压不使所有的微细气泡变化成超微细气泡，有时以与一部分微细气泡混合的状态从低压容器2通过气相管14排出到气氛中。

注入的超微细气泡15，通过其破坏产生的压力波和氢氧自由基产生的氧化反应进行杀菌处理，一部分长期保持而逐渐地破坏，从而具有消毒效果。受到杀菌消毒处理的水(再生水)从下水再生水排出管22取出。

从低压容器2注入到杀菌消毒槽1的超微细气泡的流量由流量调整阀9进行调整。由于泵4的吸引压力为负压，所以，低压容器2的压力比气氛压力低，当要成为更低的压力时，使用真空泵5，废弃低压容器气相部16的气相。另外，低压容器2的压力由流量调整阀6也可调整。

图2示出从低压容器2沿杀菌消毒槽1、处理水循环流路7的回路的系统的压力分布的一例。在被调整为0.4个大气压的低压容器2内，由微细气泡生成装置3生成微细气泡。低压容器2内的微细气泡由升压泵4吸引，排出到杀菌消毒槽1。此时，流量调整阀9的压力损失使压力稍下降。升压泵4的出口的压力比与大气压高出与流动的动压量相当的量，但放出到大气开放的杀菌消毒槽1，静定为大气压。此后，包含超微细气泡的处理水通过处理水循环流路7，按从大气压与水头的和减去管路的压力损失量后的压力，通过流量调整阀6，返回到低压容器2。在流量调整阀6中，产生与阀的开度对应的压力损失。

在该处理水回路中，由于从升压泵4按较低的压力损失连接到杀菌消毒槽1，所以，加压压缩后的超微细气泡基本上没有减压、膨胀地送到杀菌消毒槽1。

升压泵4在其吸入部具有流量调整阀9，由于产生压力损失，所以，容易产生空化作用。为此，使用耐空化(キヤビテ一シヨン)性能高的涡流型泵、涡卷型泵、高压柱塞型泵等。另外，不产生空化地调整流量调整阀9的开度。

图3示出使用臭氧的杀菌消毒设备。在使用臭氧作为在本实施例的杀菌消毒设备中使用的气相的场合，需要臭氧产生装置23和废臭氧处理装置24，杀菌消毒槽1也需要密闭。然而，臭氧根据其强力的氧化作用和微细气泡化的溶解效率具有获得高杀菌力的效果。

在使用氧作为在本实施例的杀菌消毒设备中使用的气相的场合，虽然氧化力比臭氧低，但可获得足够的杀菌力。另外，不需要设置杀菌消毒槽1的密闭、臭氧产生装置23、及废臭氧处理装置24。另外，即使在使用空气的场合，也可通过超微细气泡破坏时的压力波和氢氧游离基的氧化反应，获得杀菌作用。

按照本实施例的利用超微细气泡的杀菌消毒设备，不多用氯即可对下水处理水进行杀菌消毒，所以，具有提高下水处理设备的经济性的效果和提高杀菌消毒性能的效果。

下面说明本实施例的变型例。图4为实施例1的变型例的杀菌消毒设备的构成图。相对图1所示杀菌消毒设备，取消了基于离心分离法和加压溶解法的微细气泡生成装置，设置利用超声波空化的微细气泡生成装置。

利用超声波空化的装置由超声波振子31、电缆32、及超声波送信机33构成。通过使用超声波振子31，从而可产生均匀直径的气泡。另外，通过向超声波振子31的电输出，可控制微细气泡的产生，容易调整气泡量。

按照本实施例的变形例的杀菌消毒设备，可按良好的精度控制超微细气泡的生成量，所以，具有提高下水处理设备的可靠性的效果。

下面，说明本发明的实施例2。图5为实施例2的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图，图6为实施例2的基于空隙率检测的杀菌消毒设备的流量控制流程图。

在由实施例1示出的杀菌消毒设备中，设置控制器44，在下水处理水注入管21安装流量调整阀42和流量计47，在下水再生水排出管22安装流量调整阀43和流量计48。另外，在杀菌消毒槽1的中央部安装空隙率计35，在上方安装空隙率计73，在空隙率计35的下方安装空隙率计74，将这些空隙率计的检测用线连接到控制器44。另外，将流量计47和流量计48的检测用线连接到控制器44。在控制器44用控制线连接流量调整阀42、流量调整阀43，根据控制信号进行阀的遥控操作。

在控制器44中，用空隙率计35测量杀菌消毒槽1的空隙率，将超微细气泡存在的区域作为输入信号，在超微细气泡朝上方移动的场合，一边监视流量计47的测量信号，一边增加流量调整阀42的开度，进行使处理水流入量增加的控制。同样，一边监视流量计48的测量信号，一边增加流量调整阀43的开度，进行使再生水排出量增加的控制。另一方面，在超微细气泡与处理水一起朝下方移动的场合，减小流量调整阀42和流量调整阀43的开度，进行减少处理水流入量和再生水排出量的控制。

下面，根据图6说明相对空隙率计的测量值的流量控制的流程图。在微细气泡集中带状区域41处于通常水深的场合，空隙率计35检测到气泡的存在。

在空隙率计35、空隙率计73、及空隙率计74全部检测到气泡的场合，气泡为以通常水深为中心存在于从上方到下方的状态。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都保持现在的开度的信号。

在空隙率计35和空隙率计73检测到、空隙率计74未检测到的场合，气泡以通常水深为中心处于上方。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都微增开度的信号。这样，处理水的下降流速稍增加，微细气泡集中带状区域41逐渐下降，在通常水深附近停滞。

在空隙率计35和空隙率计74检测到、空隙率计73未检测到的场合，气泡以通常水深为中心处于下方。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都微减开度的信号。这样，处理水的上升流速稍增加，微细气泡集中带状区域41逐渐上升，在通常水深附近停滞。

在空隙率计35检测到、空隙率计73和空隙率计74未检测到的场合，气泡存在于通常水深。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都保持现在的开度的信号。

在空隙率计35未检测到、空隙率计73和空隙率计74检测到的场合，气泡夹住通常水深存在于上方和下方2个部位。在该场合，要将下方的微细气泡集中带状区域41转移到通常水深进行杀菌消毒。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都减小开度的信号。这样，处理水的下降流速减小，微细气泡集中带状区域41上升，在通常水深附近停滞。

在空隙率计73检测到、空隙率计35和空隙率计74未检测到的场合，气泡存在于通常水深的上方。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都增加开度的信号。这样，处理水的下降流速增加，微细气泡集中带状区域41下降，在通常水深附近停滞。

在空隙率计74检测到、空隙率计35和空隙率计73未检测到的场合，气泡存在于通常水深的下方。因此，从控制器44送出流量调整阀42、流量调整阀43都减小开度的信号。这样，处理水的下降流速减小，微细气泡集中带状区域41上升，在通常水深附近停滞。

在空隙率计35、空隙率计73、及空隙率计74全部未检测到气泡的场合，气泡不存在于空隙率计的测量范围。因此，为了使气泡积蓄到通常水深，从控制器44发送流量调整阀42、流量调整阀43都保持现在的开度的信号。

以上的控制通过组合在水位下降的场合增加流量调整阀42的开度的操作和在水位上升的场合增加流量调整阀43的开度的操作加以实施。

通过以上的控制，可将超微细气泡集中到杀菌消毒槽1的中央部，集中成带状进行配置。在该微细气泡集中带状区域41中，超微细气泡的间隔缩小，基本上超微细气泡不会从上方跑出，而是在微细气泡集中带状区域41破坏。这样，可增加微细气泡破坏时的压力波和氢氧游离基产生的氧化反应的密度，所以，杀菌消毒性能提高，同时，气泡的利用效率提高，可减小产生气泡量。

按照利用本实施例的超微细气泡的杀菌消毒设备，除了实施例1的效果外，还具有可提高下水处理设备的经济性和杀菌消毒性能的效果。

下面，说明本发明的实施例3。图7为实施例3的利用超微细气泡的杀菌消毒设备的构成图。

在实施例2所示杀菌消毒设备中，将板状超声波振子45设于杀菌消毒槽1中，由超声波发信机46驱动振子45。超声波发信机46用控制线连接到控制器44，根据控制器44的控制信号使超声波振子45按低频振动。在这里，以超声波振子45对气泡施加振动、使气泡破坏和溶解为目的。超声波发信机46的频率使用20kHz～100kHz左右。

在控制器44中，用空隙率计35测量杀菌消毒槽1的空隙率，在空隙率达到预定值的时刻，对微细气泡集中带状区域41施加超声波振动。由低频的超声波的作用在短时间使超微细气泡破坏，可对处理水施加大量的压力波和由氢氧游离基产生的氧化反应。在本实施例中，集中压力波和氧化反应作用于菌，所以，可杀灭耐性更高的菌。一旦气泡消灭后，通过第2实施例所示的控制，形成下一微细气泡集中带状区域41。

按照本实施例的利用超微细气泡的杀菌消毒设备，除了第2实施例的效果外，还具有可提高杀菌消毒性能的效果。

下面，说明本发明的实施例4。图8为实施例4的超微细气泡生成装置的示意图。

由柱塞型的升压泵51代替图1、图3～图7所示杀菌消毒设备的低压容器，生成超微细气泡。在杀菌消毒水槽51由下水处理水注入管61流入处理水，通过下水再生水排出管62流出再生水。杀菌消毒水槽51的处理水从处理水循环流路57通过流量调整阀56、单向阀58，进入到升压泵52的缸53。

在升压泵52内，由活塞驱动杆66、活塞驱动机构67使活塞65往复运动，控制缸53内的压力。当缸53内为负压时，从微细气泡生成装置63将微细气泡吹入到缸53内。通过根据压力计74的测量信号由控制器73驱动流量调整阀56、流量调整阀59、流量调整阀64，从而控制升压泵52的缸53内的压力。

在本实施例中，按喷嘴的气相吹入形式表现微细气泡生成装置63，但也可使用气液二相剪切方式或加压溶解液体的减压方式等其它微细气泡产生方式。

下面，根据图9说明超微细气泡吹入的过程。在图9(a)中，由活塞驱动杆66朝图中的箭头方向拉活塞65，缸53内由流量调整阀56的压力损失而成为负压。此时，减压使溶入水中的气相的一部分气化，在缸53内的上部形成气相部。

在活塞到达最低点(完全拉出)的时刻，开放流量调整阀64地进行控制，从微细气泡生成装置63将微细气泡吹入到负压的缸53内。

预定的微小时间经过后，或将活塞65压入预定的微小行程量后，如图9(b)所示那样，进行关闭流量调整阀64的控制。由活塞驱动杆66继续朝图中箭头方向压入活塞65，对缸53内的微细气泡加压，通过单向阀60送到杀菌消毒水槽。由此时的加压作用非平衡地压缩微细气泡，生成超微细气泡。

图9(c)示出活塞65完全压入的状态。此后，由活塞驱动杆66朝图9(a)中的箭头方向拉活塞65，返回到图9(a)的状态，反复一连串的动作。在本实施例中，可将升压泵自身用作超微细气泡生成的低压容器，所以，具有可简化设备的优点。

按照本实施例的利用超微细气泡的杀菌消毒设备，除了第1～第3实施例的效果外，还具有提高设备制作的经济性的效果。

按照以上说明的本实施例的生成方法的超微细气泡不仅可用于下水处理，而且也可用于上水杀菌消毒、上下水膜处理、健康·医疗器械领域、湖泊或养殖场的水质净化，工厂·畜产等的各种废水处理，及功能水制造等。

Claims (12)

1.一种超微细气泡的生成方法，其特征在于：在压力比外部压力低的低压容器内的液体中产生微细气泡，对上述液体加压，压缩微细气泡，生成超微细气泡，将上述被加压的具有超微细气泡的液体排出到上述低压容器外的空间。

2.一种超微细气泡的生成装置，其特征在于：设置用于充填压力比外部压力低的液体的低压容器、将微细气泡注入到上述低压容器的微细气泡供给装置、及连通上述低压容器与外部空间的泵，构成为：上述微细气泡供给装置在上述低压容器的液体中产生微细气泡，上述泵对上述低压的液体加压，压缩上述微细气泡，生成超微细气泡，将上述受到加压的具有超微细气泡的液体从上述泵的排出侧排出到外部空间。

3.根据权利要求2所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：设有用于由负压将上述低压容器内保持为低压状态的吸引装置。

4.根据权利要求3所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：上述吸引装置，第1利用上述泵的吸入压力，第2在上述低压容器连接真空泵。

5.根据权利要求2所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：上述微细气泡供给装置对气体加压，溶解到液体中，然后对该液体进行减压，产生微细气泡。

6.根据权利要求2所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：上述微细气泡供给装置为剪切气液二相流方式的。

7.根据权利要求2所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：上述微细气泡供给装置为利用高频超声波方式的。

8.根据权利要求2所述的超微细气泡的生成装置，其特征在于：上述微细气泡的原气体为臭氧、氧或空气。

9.一种下水处理水的杀菌·消毒设备，具有取入下水处理水进行杀菌·消毒的杀菌·消毒水槽；其特征在于：

具有低压容器和微细气泡生成装置；该低压容器通过升压泵与上述杀菌·消毒水槽连通，收容压力比气氛压力低的液体；该微细气泡生成装置将微细气泡注入到上述低压容器的液体；注入到上述低压容器的微细气泡由上述升压泵加压、压缩，形成超微细气泡，注入到上述杀菌·消毒水槽。

10.根据权利要求9所述的下水处理水的杀菌·消毒设备，其特征在于：在上述杀菌·消毒水槽内形成下水处理水的下降流，通过与上述超微细气泡的上升速度平衡，从而设置超微细气泡集中了的带状区域，在该带状区域对通过带状区域的处理水实施杀菌、消毒作用。

11.根据权利要求10所述的下水处理水的杀菌·消毒设备，其特征在于：在上述杀菌·消毒水槽的上述带状区域的中央部、上部、及下部设置空隙率计，在上述杀菌·消毒水槽的取入下水处理水的入口部和排出再生下水处理水的出口部分别设置流量调整阀，设置根据这些空隙率计的指示控制上述流量调整阀的控制装置。

12.一种下水处理水的杀菌·消毒设备，具有取入下水处理水进行杀菌·消毒的杀菌·消毒水槽；其特征在于：

设置柱塞型的升压泵、使上述杀菌·消毒水槽的处理水回流到上述升压泵的缸的具有第1单向阀的第1处理水循环流路、使上述升压泵的活塞往复运动的活塞驱动机构、在拉出上述活塞时将微细气泡注入负压的缸的微细气泡生成装置，及在上述活塞压入时对上述微细气泡加压而生成的超微细气泡通过第2单向阀被压出到上述杀菌·消毒水槽的第2处理水循环流路。

Images