JP2002001321A

JP2002001321A - 水処理装置

Info

Publication number: JP2002001321A
Application number: JP2000179568A
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: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2002-01-08

Abstract

(57)【要約】【課題】水処理装置のキャビテーションの発生を
一層強化する。【解決手段】容器状のリアクタ３と、リアクタ内に挿
入されたノズル５と、ノズルに処理対象である水を供給
する被処理水供給手段１９と、リアクタ内にノズルと対
向して形成された邪魔板７とを備えてなる水処理装置に
おいて、邪魔板に凸部１１または凹部を形成することに
より、ノズルから噴出されたジェットによってキャビテ
ーションが発生されるとともに、邪魔板に衝突したジェ
ットは壁面噴流になって、凸部または凹部に衝突して渦
が生じ、渦の中心部の負圧および渦による圧力変動によ
って更にキャビテーションが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水処理装置に係
り、特にキャビテーションの作用によって不純物等を分
解し、また、微生物を殺滅する水処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地下水の汚染物質であるトリクロロエチ
レンやテトラクロロエチレンのような、水中に溶解して
いる有害な有機化合物を、キャビテーションの作用によ
って無害な物質に分解することが考案されている。ま
た、キャビテーションの作用によって、病原性大腸菌
や、耐塩素系の病原性微生物であり原虫の一種であるク
リプトスポリジウムの細胞を破壊して殺滅することもで
きる。

【０００３】このようなキャビテーションを発生させる
手段として、超音波法や、攪拌羽根のようなロータを水
中において高速回転させる方法が知られているが、水中
に、水をジェット状に噴出すると、連続的かつ強度の強
いキャビテーションを簡単に発生させることができる。
例えば、水を貯留する容器状のリアクタ内にノズルを設
置し、そのノズルからポンプによって高圧に加圧された
水をジェット状に噴出させることによって、ジェット内
に強力なキャビテーションを発生させることができる。
そして、ノズルの形状や噴出孔径、またはポンプの吐出
圧力を調整することによって、供給対象物質の処理量に
応じてキャビテーションの強度を簡単に制御することが
できる。

【０００４】また、リアクタの内部にジェットと対向す
る邪魔板を設けると、ジェットが邪魔板と衝突するとき
の衝突エネルギーによってキャビテーションの発生を助
長できるので、化合物の分解効果を向上でき、また、病
原菌や原虫の細胞破壊による殺滅効果に対しても一層効
果が高いことがわかっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、キャビテーシ
ョンの発生をさらに強化して、不純物等の分解効果およ
び微生物の殺滅効果を一層向上することが要望されてい
る。

【０００６】本発明の課題は、キャビテーションの発生
を一層強化することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、容器状のリア
クタと、リアクタ内に挿入されたノズルと、ノズルに処
理対象である水を供給する被処理水供給手段と、リアク
タ内にノズルと対向して形成された邪魔板とを有してな
る水処理装置を対象とし、邪魔板のノズルとの対向面に
凸部または凹部を形成することによって上述した課題を
解決する。

【０００８】ノズルから噴出された自由噴流のジェット
は、キャビテーションを発生しながら邪魔板に衝突し、
衝突噴流となる。さらに、衝突噴流は邪魔板の表面に沿
って放射状に進行する壁面噴流へと向きを変えられ、凸
部または凹部に衝突し、凸部および凹部の後流側に渦を
形成する。この渦の中心部における負圧、渦に起因する
不安定な圧力変動および周期的な負圧の発生によって、
さらにキャビテーションが発生する。また、周囲の水中
の気泡核が渦に巻き込まれ、これがキャビテーション核
(Cavitation Nuclei)となることによってキャビテーシ
ョンの発生が助長され、強力なキャビテーションを得る
ことができる。その結果、不純物等の分解効果および微
生物の殺滅効果を向上することができる。

【０００９】上記凸部は、邪魔板から突出して形成され
た柱状の突起であってもよい。例えば角柱状や円柱状の
突起を形成してもよい。この突起は、ノズルの軸芯と邪
魔板との交点を中心とする１または同心円状の２以上の
円周上に、それぞれ複数配列することが好ましい。ま
た、２以上の円周上に配置する場合、それぞれの周上の
突起を、他の周上の突起に対して周方向にずらして設け
ることが好ましい。これによれば、効果的にキャビテー
ションを発生させることができる。

【００１０】また、ノズルの軸芯と邪魔板との交点を中
心にして環状の突条または環状の溝を設けてもよい。こ
のような構成とすれば、邪魔板を比較的簡単な旋盤加工
によって製作することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用してなる水処
理装置の第１ないし第４の実施形態について、図１ない
し図１１を参照して説明する。

【００１２】（第１の実施の形態）図１は、第１の実施
形態における構成を示す図である。図２は、図１の水処
理装置の邪魔板であるターゲットプレートをノズル側か
らみた立面図である。図３は、図２のIII−III矢視図で
ある。図１に示すように、水処理装置１は、容器状のリ
アクタ３と、リアクタ３に挿入されたノズル５と、リア
クタ３の中にノズル５と対向して配置された邪魔板とし
てのターゲットプレート７とを有してなる。リアクタ３
は、円筒状の胴部の両端を円盤状の端面によって閉塞さ
れて形成され、ノズル５はその一方の端面から挿入され
ている。ノズル５は、供給された高圧水を縮径された噴
出孔から加速してジェット状に噴出する周知のノズルで
あって、その噴出孔の軸心、すなわち噴出方向をリアク
タ３の筒状部の筒軸と略同一にして固定されている。タ
ーゲットプレート７は、円板状に形成され、その中心が
ノズル５の軸芯上となるように配置されている。このタ
ーゲットプレート７は、リアクタ３のノズル５と反対側
の端面から挿入されている柱状のステー９によって支持
されている。

【００１３】ターゲットプレート７には、図２に示すよ
うに、角柱状の突起１１が略垂直に突出して多数形成さ
れている。この突起１１は、ターゲットプレート７と中
心が同一である３つの同心円の周上に、それぞれ４個ず
つ等間隔に、つまり９０度ピッチで設けられている。そ
して、中央の周上の突起１１は、最内周上および最外周
上の突起１１に対し、円周上において中心からみて４５
度位置をずらして設けられている。また、それぞれの突
起１１は、それぞれの円周の中心に対向する面を有する
ように配置されている。

【００１４】以下、このような水処理装置の動作につい
て説明する。被処理水１５は、タンク１３に貯留された
後、配管１７を通って高圧ポンプ１９に送入される。被
処理水は、高圧ポンプ１９において例えば500kgf/cm²と
いった高圧に加圧され、配管２１を通してノズル５に供
給される。そして、被処理水はノズル５の噴出孔におい
て加速され、リアクタ３の内部に貯留されている水の中
に自由噴流のジェット２３として噴出させられる。ジェ
ット２３の内部およびその周辺では、強力なキャビテー
ションが発生する。そして、キャビテーション気泡の崩
壊による衝撃圧や、ＯＨラジカルの生成による強力な酸
化作用によって、水中の化合物等の不純物は分解され、
病原性の細菌や原虫といった微生物は細胞を破壊され、
殺滅される。そして、ジェット２３はターゲットプレー
ト７と衝突し、衝突噴流２５が形成される。衝突噴流２
５内においても、衝突のエネルギーによってさらにキャ
ビテーションが発生する。また、キャビテーションは衝
突噴流２５の内部における流れの、強い速度勾配に起因
して発生する渦によっても発生する。そして、渦が周囲
の水中の気泡核を巻き込み、気泡核がキャビテーション
核となってキャビテーションの発生が一層助長される。
その後、衝突噴流２５は、ターゲットプレート７の表面
に沿って放射状に進行する壁面噴流２７へと向きを変え
られる。なお、ターゲットプレート７は、ジェット２３
の衝突によるキャビテーションの発生効果を高めるた
め、ステー９のリアクタ３への差込量を調節してジェッ
ト２３の進行方向に沿った圧力分布の第２のピーク部付
近に配置されることが好ましい。

【００１５】図４および５は、壁面噴流２７がターゲッ
トプレート７の表面付近を流れるときの水の流れと、キ
ャビテーションの発生を模式的に示した図である。図４
は、ターゲットプレート７をノズル側からみた図であ
り、図５は、図４のV−V矢視断面図である。これらの図
に示すように、壁面噴流２７は突起１１と衝突し、突起
１１の後流側、すなわちターゲットプレート７の径方向
の外側において、不安定な渦２９が形成される。そし
て、渦２９の中心部における負圧や、渦２９に起因する
圧力変動によって、さらにキャビテーション３１が発生
する。また、周囲の水中の気泡核が渦２９に引き込ま
れ、キャビテーション核となって、キャビテーションの
発生を助長するので、強力なキャビテーション３１が発
生する。このように衝突噴流２５や、壁面噴流２７にお
いて発生したキャビテーションも、ジェット２３におい
て発生したキャビテーションと同様に、不純物等の分解
効果および微生物の殺滅効果を発揮する。

【００１６】なお、突起１１は、ターゲットプレート７
表面の径方向において、ジェット２３の衝突によって発
生したキャビテーションが、壁面噴流２７の中で進行し
ながら発達する領域に設けられると、キャビテーション
を発生させる効果が高まるので好ましい。このような領
域は、ターゲットプレート７の表面付近にリング状に形
成される。例えば、噴出孔の径が1mmのノズルを用い
て、噴射圧力Ｐｊ＝700kgf/cm²でジェットを噴出し、噴
出孔からターゲットプレート７までの距離であるスタン
ドオフ距離Ｘｓを130mmとした場合、このようなキャビ
テーション発達領域３２の内径ｒ_１は3ないし6mmであ
り、外径ｒ_２は、15ないし40mm程度であるから、突起１
１はこの範囲に設けられるとよい。

【００１７】そして、リアクタ３に噴出された水は、リ
アクタ３内に滞留した後、処理済み水として配管３３か
ら排出される。配管３３から排出される処理済み水の中
の不純物等の分解または微生物の殺滅が不十分なとき
は、切替弁３５および配管３７を通じてタンク１３に還
流され、再びキャビテーションジェットによる処理に供
される。一方、不純物等の分解または微生物の殺滅が十
分になされているときには、処理済み水は切替弁３５か
ら配管３７に送入され、装置外に排出されて処理は終了
する。

【００１８】以下、本実施形態によって得られる効果に
ついて説明する。本実施形態においては、ターゲットプ
レート７の表面に突起１１を設けているので、壁面噴流
２７が突起１１に衝突し、突起１１の後流側に渦が形成
され、渦の中心部における負圧、渦に起因する不安定な
圧力変動および周期的な負圧の発生によってキャビテー
ションが発生する。また、周囲の水中の気泡核が渦に巻
き込まれ、気泡核がキャビテーション核となるのでキャ
ビテーションの発生が助長され、強力なキャビテーショ
ンを得ることができる。このためキャビテーションの発
生効果は、突起を持たない既存のターゲットプレートに
比べて非常に強力となり、その結果、不純物等の分解効
果および微生物の殺滅効果を向上することができる。

【００１９】また、ターゲットプレート７を、ジェット
２３の進行方向に沿った衝撃圧の圧力分布における第２
のピーク位置に設けたことによって、強力なキャビテー
ションを得ることができる。ここで、第２のピークとし
たのは、キャビテーションの発生効果を最大化すること
ができるからである。ちなみに第１のピークはノズルの
近傍に位置する。

【００２０】また、突起１１をキャビテーション発達領
域３２の内部に配置したことによって、キャビテーショ
ンの発生が一層強力になる。

【００２１】（第２の実施の形態）図６は、本発明を適
用してなる第２の実施形態におけるターゲットプレート
の正面図である。図７は、図６のターゲットプレートの
VI−VI矢視断面図である。以下、第1の実施形態と異な
る点について説明する。本実施形態においては、角柱状
の突起１１の代わりに、円柱状の突起１１ａが、ターゲ
ットプレート７ａのノズルと対向する面から略垂直に突
出して設けられている。これらの突起１１ａは、ターゲ
ットプレート７ａと中心が同一であって同心円をなす４
つの円周上に、内側の円周上から順にそれぞれ４個、８
個、８個、８個ずつ、計２８個が設けられている。これ
らの突起１１ａはそれぞれの周上に、それぞれ等間隔に
配置されている。すなわち、最内周上の突起は９０度ピ
ッチ、それ以外の円周上の突起はそれぞれ４５度ピッチ
で設けられている。また、内側から２番目および最外周
の円周上のそれぞれ８個の突起１１ａは、最内周上の４
個の突起１１ａと１つおきに円周の径方向において整列
する。また、内側から３番目の円周上の突起１１ａは、
最外周および内側から２番目の円周上の突起１１ａに対
して、２２．５度位置をずらして設けられている。

【００２２】第２の実施形態によっても、上述した第１
の実施形態の効果と同様な効果が得られる。以下、従来
技術に係る水処理装置と、上述した第２の実施形態との
分解効果を比較した試験結果について説明する。比較の
対象となる従来技術の水処理装置ＡおよびＢは、以下の
点を除き上述した第２の実施形態のものと同様のもので
ある。まず、水処理装置Ａは、ターゲットプレートおよ
びステーが設けられていないものである。また、水処理
装置Ｂは、ターゲットプレートおよびステーを有する
が、ターゲットプレートの表面は平滑なものである。

【００２３】まず、有害な化合物であるトリクロロエチ
レンを対象としたときの分解効果について比較する。水
処理装置Ａにおける分解率(大きいほど良)を100とする
と、水処理装置Ｂの分解率は109であり、第２の実施形
態によれば分解率は127まで向上する。次に、大腸菌類
の病原性菌を処理したときの、処理後に生き残った菌の
割合である生体残存率(小さいほど良)を比較する。水処
理装置Ａにおける生体残存率を100とすると、水処理装
置Ｂの生体残存率は41であり、第２の実施形態によれば
生体残存率は9まで低減される。このように、本実施形
態によれば、不純物等の分解効果が大幅に向上し、特に
菌類に対する分解効果が著しく向上することが実証され
ている。

【００２４】以上のように、本実施形態によれば、ポン
プ等の出力を増やさずに、より強力なキャビテーション
を発生させて、水中の不純物等の分解効果および微生物
の殺滅効果を高めることができる。これによって、処理
量の増大、処理時間の短縮または処理にかかるコストの
低減といったメリットが得られる。また、従来法では分
解効果が不足して適用できなかった難分解性の物質も処
理できるようになり、より広い用途に適用することがで
きるようになる。

【００２５】（第３の実施の形態）図８は、本発明を適
用してなる水処理装置の第３の実施形態におけるターゲ
ットプレート７ｃをノズル側からみた図である。図９
は、図８のIX−IX矢視断面図である。本実施形態によれ
ば、ターゲットプレート７ｃのノズルと対向する面を凹
ませて、ターゲットプレート７ｃの外周縁と同心円をな
す環状に延在し、かつ矩形断面の溝３５が形成されてい
る。これによれば、ジェット２３は環状の溝３５の略中
心に衝突し、衝突噴流を経てターゲットプレート７ｃの
表面にそって放射状に進行する壁面噴流へと向きを変え
られる。そして、壁面噴流が溝３５の付近を通過すると
きに、溝３５の内部および後流側に渦が形成され、渦の
負圧および圧力変動によってキャビテーションが発生す
る。また、溝３５の中や、周囲の水中にトラップされて
いる気泡核が渦に巻き込まれ、キャビテーション核とな
ってキャビテーションの発生が助長される。

【００２６】第３の実施形態によれば、キャビテーショ
ンの発生を助長して水中の不純物等の分解効果および微
生物の殺滅効果を、第１および第２の実施形態に比較す
ると若干効果は劣るが高めることができる。また、旋盤
を用いて比較的簡単な機械加工によってターゲットプレ
ートを製作でき、製作性が向上する。

【００２７】（第４の実施の形態）また、図１０は、本
発明を適用してなる水処理装置の第４の実施形態におけ
るターゲットプレート７ｄをノズル側からみた図であ
る。図１１は、図１０のXI−XI矢視断面図である。本実
施形態によれば、ターゲットプレート７ｄのノズルと対
向する面から突出して、ターゲットプレート７ｄの外周
縁と同心円をなす環状に延在し、かつ矩形断面の突条３
７が形成されている。これによれば、ジェット２３は環
状の突条３７の略中心に衝突し、衝突噴流を経てターゲ
ットプレート７ｄの表面にそって放射状に進行する壁面
噴流へと向きを変えられる。そして、このような壁面噴
流が突条３７に衝突するときに、突条３７の周囲に渦が
形成され、渦の負圧および圧力変動によってキャビテー
ションが発生する。また、周囲水中にトラップされてい
る気泡核が渦に巻き込まれるので、これらがキャビテー
ション核となってキャビテーションの発生が助長され
る。

【００２８】第４の実施形態によっても、上述した第３
の実施形態の効果と同様な効果を得ることができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、キャビテーションの発
生を一層強化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用してなる水処理装置の第１の実施
形態の構成図である。

【図２】図１の水処理装置のターゲットプレートの正面
図である。

【図３】図２のIII−III矢視図である。

【図４】図２のターゲットプレート上における渦および
キャビテーションの発生を示す模式図であって、ターゲ
ットプレートをノズル側からみた図である。

【図５】図４のV−V矢視断面図である。

【図６】本発明を適用してなる水処理装置の第２の実施
形態のターゲットプレートをノズル側からみた図であ
る。

【図７】図６のVII−VII矢視図である。

【図８】本発明を適用してなる水処理装置の第３の実施
形態のターゲットプレートをノズル側からみた図であ
る。

【図９】図６のIX−IX矢視断面図である。

【図１０】本発明を適用してなる水処理装置の第４の実
施形態のターゲットプレートをノズル側からみた図であ
る。

【図１１】図６のXI−XI矢視断面図である。

【符号の説明】

１水処理装置３リアクタ５ノズル７ターゲットプレート９ステー１１突起

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田一紀広島県呉市宝町３番36号バブコック日立株式会社呉研究所内Ｆターム(参考） 4D037 AA05 AA11 AB03 AB14 BA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器状のリアクタと、前記リアクタ内に
挿入されたノズルと、前記ノズルに処理対象である水を
供給する被処理水供給手段と、前記リアクタ内に前記ノ
ズルと対向して形成された邪魔板とを有してなり、前記
邪魔板の前記ノズルとの対向面に凸部または凹部が形成
されなる水処理装置。
【請求項２】前記凸部は、前記邪魔板から突出して形
成された柱状の突起であることを特徴とする請求項１に
記載の水処理装置。
【請求項３】前記凸部は、前記ノズルの軸芯と前記邪
魔板との交点を中心とする環状の突条であることを特徴
とする請求項１に記載の水処理装置。
【請求項４】前記凹部は、前記ノズルの軸芯と前記邪
魔板との交点を中心とする環状の溝であることを特徴と
する請求項１に記載の水処理装置。