JP2001017956A

JP2001017956A - 殺菌装置

Info

Publication number: JP2001017956A
Application number: JP11191282A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Sato; 一教佐藤; Tadaaki Mizoguchi; 忠昭溝口; Kazunori Fujita; 一紀藤田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2001-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】細菌類の特徴を利用し、キャビテーションの
作用と組み合わせることにより、単純で新規な殺菌装置
を提供する。【解決手段】細菌を高密度に含む汚染原水１６はフィ
ードタンク１８に貯えられ、汚染原水１６に比べて細菌
数も栄養分も少ない希釈用水１９を加えて撹拌混合する
と、栄養分の不足と共存菌との隔絶により細菌は弱体化
し、細菌群全体の活性が低下する。この細菌を含む混合
水を加圧してノズル１へ送給し、キャビテーションを伴
う水中水噴流７としてリアクタ２５内部へ噴出する。水
中の細菌の大半はキャビテーション気泡の崩壊時の衝撃
圧により、細胞が破壊して死滅する。リアクタ２５内に
衝突板１３を設置し、水中水噴流７を衝突板１３に衝突
させると、衝突による衝撃とキャビテーション促進作用
によって殺菌効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は殺菌装置に係り、特
に、病原性細菌などで汚染された汚染原水を、キャビテ
ーションを利用して水質浄化するのに好適な殺菌装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】水中において高速で吹き出すウォーター
ジェットには激しいキャビテーションが発生する。キャ
ビテーションは、おびただしい数の小さな気泡が、成長
・圧縮・崩壊を、急速に繰り返す現象であって、特に気
泡の崩壊持には、断熱圧縮されることで次のような特異
な効果が生まれる。

【０００３】断熱圧縮によって高温・高圧状態が実
現し、熱分解作用が生まれる。局所的に生じる高温度場において、ラジカルや過酸
化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が発生し、これが強い酸化作用とな
る。気泡崩壊時に強力な衝撃圧が生じる。

【０００４】（ａ）上記、の作用によれば、ダイオ
キシン、ＰＣＢおよび農薬等の環境ホルモン（内分泌か
く乱作用物質）、あるいはトリクロロエチレン等発ガン
性の洗浄剤が溶出する水に対して（もちろん原液も）、
これらの有害物質の分解処理ができる。

【０００５】（ｂ）上記〜の作用で、ある種の大腸
菌に代表される病原性菌や、クリプトスポリジウムのよ
うに劇症下痢を引き起こす耐塩素性原中のような細菌類
に汚染された上、水中の水源や、アオコ等のプランクト
ンが異常繁殖した水域の浄化に対し、水中ウォータージ
ェット法を適用できる。

【０００６】特に（ａ）（ｂ）の両者に汚染された水域
の浄化に対しても、水中高速ウォータージェットのキャ
ビテーションを用いる方法には、両者を同時に処理でき
るという特徴がある。さらにこの方法には、特殊な薬剤
（例えば凝集剤など）が不要であるという利点もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のキャビテーショ
ンの作用のみでは、全ての細菌が一度に死滅するわけで
はなく、完全殺菌を行うためには、繰り返して反応処理
部いわゆるウォータージェット噴出部を通さねばならな
いという問題がある。繰り返し処理になれば、時間も動
力も費すことになって、結局コストも上昇する。

【０００８】水中の細菌類は、「活性」が維持される条
件では、周囲に栄養分（ＢＯＤ）が適度に存在し、異種
菌同士も相互に助け合いながら共存している（当然、競
合関係の組み合せもあるので全体的にはバランスす
る）。例えば栄養分の不足等によってバランスが崩れれ
ば、細菌類の「活力」が衰えて、一気に弱体化する。

【０００９】本発明の目的は、細菌類のこのような特徴
を巧みに利用し、キャビテーションの作用と組み合わせ
ることで、単純で新規な殺菌装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の殺菌装置は次の手段を採用した。病原性菌
をはじめとする多数の細菌を含む汚水を、飲料として摂
取が可能な浄水、あるいは細菌は含まないけれども細菌
に対する栄養分（ＢＯＤ）を含む水で希釈した上で、水
中高速ウォータージェットをはじめとするキャビテーシ
ョン発生手法で処理し、殺菌して浄水を造り出す。

【００１１】水中高速ウォータージェットの軸方向に対
する衝撃圧分布において、いわゆる第２ピークの位置に
設けた衝突板にジェットを衝突させれば、衝突による衝
撃と、衝突が引き金となることによる気泡核励起のキャ
ビテーション促進作用とによって、殺菌能率が高まる。

【００１２】すなわち、上記目的は、細菌を含む汚染原
水を希釈する希釈手段と、前記汚染原水中にキャビテー
ションを発生させるキャビテーション発生手段とを有し
てなる殺菌装置によって達成される。前記キャビテーシ
ョンは、前記希釈手段により希釈した水を、前記汚水原
水中に噴出して発生させることができる。

【００１３】本発明によれば、殺菌作用のない水で、単
なる希釈を行っても、水中の栄養が希薄になり、また共
存他種菌との絶離によって、水中の細菌は弱体化する。
さらにこれを、例えば水中ウォータージェットに発生す
るキャビテーションに曝すことで、希釈水中で弱体化し
ている細菌類は容易に死滅する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。病原性菌をはじめとする多数の細菌を含む汚水
を、飲料として摂取が可能な浄水で希釈したり、あるい
は細菌は含まないけれども細菌に対する栄養分（ＢＯ
Ｄ）を含む水で希釈した後、水中高速ウォータージェッ
トをはじめとするキャビテーション発生手段で処理し、
殺菌して浄水を造り出す。

【００１５】水中高速ウォータージェットの軸方向に対
する衝撃圧分布において、いわゆる第２ピークの位置に
設けた衝突板にジェットを衝突させれば、衝突による衝
撃と、衝突が引き金となることによる気泡核励起のキャ
ビテーション促進作用によって、殺菌効率が向上する。

【００１６】殺菌作用のある塩素化合物を含まない水で
あっても、そのような水で単なる希釈を行うことにより
水中の栄養が希薄になり、また、共存他種菌との絶離に
よって水中の細菌は弱体化する。ここで弱体化というの
は、増殖が衰退したりして単位体積当たりの細菌数が減
少するなど、細菌群の生命力が弱まることであって、完
全に死滅することではない。

【００１７】これに対して、水中ウォータージェットに
発生するキャビテーションにさらされることで、希釈水
中で弱体化している細菌類は容易に死滅する。このよう
にして、本発明になるシステムによれば、薬剤を使うこ
となく完全殺菌が実現する。

【００１８】上記した共存菌との絶離（空間的に距離が
拡大すると、実質的に相互作用の無い状態になる）につ
いてであるが、栄養分のみを残して殺菌を行った水、例
えば一度ウォータージェット処理した水を混合して希釈
することによっても、細菌が弱体化することがわかって
いる。

【００１９】以下、本発明の具体的な殺菌装置につい
て、図面を参照して説明する。図１は、本発明になる殺
菌装置の一実施形態の全体系統を示す構成図である。細
菌を高密度に含む汚染原水１６は、汲み上げポンプ１７
により汲み上げられ、フィードタンク１８に貯えられ
る。

【００２０】このフィードタンク１８の汚染水には、希
釈用水タンク２０から希釈用水１９が加えられて混合す
る。両水の混合は撹拌機２１により行う。この希釈用水
１９は、汚染原水１６に比べて、細菌の数も栄養分も無
視できる程度に少ないものである。

【００２１】本実施形態では、汚染原水１６と希釈用水
１９とを、おおむね１：１の割合に混ぜ合わせた。この
ようにして混合した水の中においては、栄養分の不足と
共存菌との隔絶によって細菌は弱体化し、細菌群全体の
「活性」は低下する。

【００２２】この混合水は、プランジャポンプ２２へ送
られ、所定の圧力（例えば５００kgf／cm^２（５０ＭＰ
ａ））まで加圧されて、高圧ホース２３を通じて、リア
クタ２５の内部に設けたノズル１へと送給される。

【００２３】キャビテーション発生手段としては、ノズ
ル１から細菌を含む希釈した混合水を、リアクタ２５内
部の汚染原水中に高圧で噴出することにより、その噴流
７にキャビテーションを発生させる。水中の細菌の大半
は、キャビテーション気泡の崩壊時に生じる衝撃圧によ
って、細胞が破壊されて死滅する。

【００２４】本実施形態では、リアクタ２５内に衝突板
１３を設置し、水中水噴流７を衝突板１３に衝突させ
る。これは、衝突による衝撃の利用と、衝突によってキ
ャビテーションが促進することを狙ったものである。

【００２５】こうして、衝突板１３に衝突した水は、リ
アクタ２５内を流下し、リアクタ２５の下流端に設けた
オーバーフロー管を通じて、殺菌処理済み浄水２６とし
て系外へ持ち出されて利用される。

【００２６】図２および図３は、同様に本発明を具体化
した殺菌装置の構成を描くものである。図２には、側方
からの視図的な全体系統を示す図である。また、図３
は、下流側からノズル部を視る構成図である。

【００２７】この実施形態においては、希釈用水１９が
希釈用水タンク２０に貯えられており、給水ポンプ２７
によって、ノズル１の周りに設置されているドーナツ形
の給水環状ヘッダ２８へと送られる。

【００２８】給水環状ヘッダ２８には、６本の給水ノズ
ル２９が配設されていて、この給水ノズル２９を通じ
て、希釈用水が、キャビテーションを伴う水中水噴流７
の中へ供給（３０）されるようになっている。

【００２９】キャビテーションを伴う水中水噴流７は激
しく乱れていて、周囲から供給される希釈用水１９は容
易に噴流７の中へ巻き込まれる。汚染原水１６中の細菌
は、噴流７の中で、希釈による弱体化とキャビテーショ
ンの衝撃という２つの作用の相乗効果によって死滅す
る。

【００３０】図４は、本発明の実施形態において用いる
ノズルの一例を断面構造部として描いたものである。高
圧水２は、高圧水供給流路３を通じて導かれ、径収縮部
４において急激に減圧・加圧され、噴出孔５から吹き出
し、キャビテーションを伴う水中水噴流７となる。

【００３１】噴出孔４の先端には、吊り鐘形をした拡大
空洞部６を設けている。この拡大空洞部６の内部では、
キャビテーションを伴う水中水噴流７のまわりに循環渦
９が生じていて、循環渦９の圧力変動が水噴流７のキャ
ビテーションを促進する。

【００３２】図５も、本発明の実施形態になる殺菌装置
において用いるノズルの一例である。図４のノズルとは
異なる発想で構成されている。すなわち、図４のノズル
１は循環渦９を発生するが、図５のノズル１’ は縮流
を発生することにより、同様にキャビテーションを促進
する。

【００３３】図５に示すように、高圧水２は、高圧水供
給流路３を通じて導かれ、急激に減圧・加速されて噴出
孔５の中へ入るが、噴出孔５の内部には、かなり強い縮
流１０が生じる。この縮流１０がキャビテーションを伴
う水中水噴流７の中へ断続的に気泡核（Ｎｕｃｌｅｉ）
を供給し、キャビテーションを促進する。

【００３４】図８は、細菌を高密度に含む供試汚染原水
をウォータージェット処理（リアクタ２５を一回通過）
したときの生体菌の変化を示したものである。単位容積
当たりの生体菌の個数ｑを、原水中の生体菌の個数ｑ^＊
で割ることにより無次元化した。

【００３５】この実施形態における試験結果の菌は、特
定の病原性菌ではなく、一般細菌を指している。水中の
高速ウォータージェットに生じるキャビテーションの衝
撃圧の作用によって、生体菌は１６〜１７％まで減少す
ることがわかる。しかしながら、活性の強い菌の場合に
は完全に死滅するわけではなく、１６〜１７％が生き残
ったわけである。

【００３６】一方、図９は、細菌を高密度に含む供試原
水に対して、浄水によって希釈したあとの生体菌の個数
変化を調べた結果である。単位容積水当たりの生体菌の
個数ｑを、希釈前すなわち原水の生体菌の個数ｑ^＊で割
ることにより無次元化した。前述したように、たいてい
の菌は、希釈によって栄養が希薄になって不足し、ある
いは共存菌との相互作用が断ち切られることで著しく弱
体化する。

【００３７】図９にもその結果が明瞭にあらわれてい
て、細菌の密度が半分になるように希釈したはずである
のに、生体菌はさらにその半分まで減少している。これ
が希釈のみを行った場合における細菌の弱体化、言い換
えれば細菌全体の活性の低下を実証したものである。

【００３８】図１０に、希釈による細菌弱体化の作用
と、水中ウォータージェットに発生するキャビテーショ
ンによる細胞破壊の作用を組み合わせた本発明の実施形
態における結果を示す。希釈した原水を供試水として、
ウォータージェット処理することで、処理済みの水の中
における生体菌数は“０”となり、完全殺菌が達成され
た。これが、本発明を実施したことによる効果を実証し
たものである。

【００３９】本発明の実施形態においては、図１〜３に
示すように、水中の高速水噴流を衝突板に衝突させる。
その際、図６に示すように、噴流軸方向に生じる衝撃圧
分布における下流側の第２ピークの位置に衝突板１３を
設けて、水中水噴流を衝突させる。

【００４０】このようにして長時間使用すると、キャビ
テーションによる壊食作用によって、図１２に示すよう
に、衝突板１３に壊食痕１４が生じる。第２ピークを利
用すると、第１ピークに比べてこの壊食が著しく少な
い。

【００４１】図１１は、両ピークにおける壊食痕１４の
深さδｅを比較したものである。第１ピークにおける壊
食痕の深さδｅ^＊を用いて無次元化しているので、第１
ピーク利用時にはδｅ／δｅ^＊＝１と表現される。

【００４２】第１ピークにおける壊食は、衝突板を深く
掘孔するかのように進展するため、短時間のうちに、例
えば数十時間以内のうちに衝突板に穴が開く、というよ
うな問題が生じる。

【００４３】これに対して、第２ピークを用いる場合
は、δｅ／δｅ^＊＝０.０２であり、壊食がきわめてわ
ずかであることがわかる。以上のように、本発明になる
方法を利用すれば、長時間にわたり安定した殺菌処理を
達成することができる。

【００４４】図７は、本発明の他の実施形態を示す図
で、ウォータージェット（ＷＪ）によって一度処理し、
リアクタ２５から出る水を希釈用水として用いる系統を
示すものである。

【００４５】リアクタ２５からオーバーフローした水
を、処理済水循環ライン３１を通じて処理済水バッファ
タンク３２に貯え、一部をフィードタンク１８内の汚染
原水１６に混入する。

【００４６】ＷＪ処理した水で汚染原水を希釈すると、
共存する細菌が激減する。また、栄養分も分解している
ために、混合水中の細菌群の「活性」は衰えて弱体化す
る。本実施形態では、要するに、処理済み水を循環して
用いることになるが、切り替えバルブを随時操作するこ
とにより、殺菌処理した浄水２６を得る。

【００４７】以上、本発明を実施することによって生ま
れる効果をまとめると、次のようになる。（１）細菌をあらかじめ弱体化させてからキャビテーシ
ョンによる処理を行うので、殺菌処理の効率が高まる。
したがって、短時間で大量の水を殺菌処理することが可
能になる。

【００４８】（２）薬剤をいっさい使わない殺菌処理が
実現する。そのため、二次汚染や体に対する副作用の問
題が解消する。（３）コンパクトな可搬型装置にすることが可能である
ので、清浄な上水の入手が困難な状況あるいは特殊な地
域においても、可搬型装置によって殺菌した水を提供す
ることができる。

【００４９】

【発明の効果】上述のとおり、本発明の殺菌装置によれ
ば、病原性細菌などで汚染された汚染原水を、キャビテ
ーションの作用と組み合わせることにより、汚染原水の
水質浄化を安全確実に且つ効率的に実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した殺菌装置の系統を示す系統
図である。

【図２】本発明を具体化した殺菌装置の系統を示すもの
で、図１に示した装置の応用例を示す系統図である。

【図３】図２に示した本発明になる殺菌装置の具体化例
で下流側からノズル部を視た構成図である。

【図４】本発明において使用するノズルの一例を示す断
面図である。

【図５】本発明において使用するノズルの別の例を示す
断面図である。

【図６】水中水噴流の特性を示す説明図である。

【図７】本発明の他の実施形態になる殺菌装置の系統を
示す系統図である。

【図８】本発明の効果を説明するための試験結果の説明
図である。

【図９】本発明の効果を説明するための試験結果の説明
図である。

【図１０】本発明を実施することによる効果を実証した
試験結果の説明図である。

【図１１】本発明になる殺菌装置の特性を示す図であ
る。

【図１２】本発明になる殺菌装置の特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１、１’ ノズル２高圧水７キャビテーションを伴う水中水噴流１１第１ピーク１２第２ピーク１３衝突板１６汚染原水１７汲み上げポンプ１８フィードタンク１９希釈用水２０希釈用水タンク２１撹拌機２２プランジャポンプ２５リアクタ２６殺菌処理済水２８給水環型ヘッダ２９給水ノズル３０希釈用水供給３１処理済水循環ライン３２処理済水バッファタンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細菌を含む汚染原水を希釈する希釈手段
と、前記汚染原水中にキャビテーションを発生させるキ
ャビテーション発生手段とを有してなる殺菌装置。
【請求項２】請求項１に記載の殺菌装置において、前
記キャビテーション発生手段は、前記希釈手段により希
釈した水を、前記汚水原水中に噴出して前記キャビテー
ションを発生させることを特徴とする殺菌装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記希釈手段は、前記汚染原水よりも細菌数が少
ない水で希釈することを特徴とする殺菌装置。
【請求項４】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記希釈手段は、前記汚染原水よりも栄養分が少
ない水で希釈することを特徴とする殺菌装置。
【請求項５】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記希釈手段は、飲料として摂取可能な浄水で希
釈することを特徴とする殺菌装置。
【請求項６】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記希釈手段は、前記キャビテーションにより少
なくとも一回以上処理した水で希釈することを特徴とす
る殺菌装置。
【請求項７】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記キャビテーション発生手段は、前記汚染原水
中にウォータージェットを噴出してキャビテーションを
発生させることを特徴とする殺菌装置。
【請求項８】請求項１または２に記載の殺菌装置にお
いて、前記キャビテーション発生手段は、前記ウォータ
ージェットの軸方向に対する衝撃圧分布の２番目のピー
クに、前記ウォータージェットが衝突する衝突板を備え
てなることを特徴とする殺菌装置。