JP2003285085A - 水質浄化装置および水質浄化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オゾンを紫外線と光触媒により形成される反
応場へ効率良く導くとともに、オゾンガスの気泡によっ
て紫外線の光強度が減衰したり、透過範囲が狭められた
りすることなく、十分な溶存オゾン量を確保して効率的
に被分解物を分解できる水質浄化装置を提供すること。 【解決手段】 水質浄化装置１１は、光触媒分解反応を
行う光触媒２３と、光触媒２３まで到達可能な紫外線を
照射する紫外線照射ランプ２１と、互いに近接配備され
た光触媒２３と紫外線照射ランプ２１との間に形成され
る反応場３０から離間した位置にオゾンガスを気泡５０
として導入する散気ノズル２５と、反応槽内の被処理水
６０に水流を生じさせて反応場３０までオゾンを誘導す
る水流発生手段２６とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、化学工
業、食品加工業などの工場排水、下水、貯水槽、農林水
産業関連の廃水等を対象とした水質浄化処理に利用でき
る水質浄化装置および水質浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外線照射と光触媒とオゾンとを組み合
わせて水質浄化を行うシステムとしては、例えば特開２
００１−２５９６６４号公報、特開２００１−１６２２
７３号公報、特開２００１−４７０９０号公報、特開２
０００−３２５９７１号公報、特開２０００−７０９６
８号公報、特開平１１−２２６５６６号公報、特開平１
１−９９３８４号公報、特開平１１−４７７７１号公
報、特開平１１−６７５号公報、特開平１０−２７２４
６２号公報、特開平１０−１２８３７７号公報、特開平
１０−１５１４５０号公報、特開平９−２３４２３７号
公報等数多くの提案がなされている。

【０００３】特にバッチ式の処理方式としては、図３に
概要を示すように、反応槽２０に、紫外線ランプ２１を
囲むように光触媒２３を配備して反応場３０を形成する
とともに、散気機構としての散気ノズル２５を通じてオ
ゾンガスの気泡５０を被処理水６０中に導入する方式が
一般的に採用されてきた。また、反応槽２０には、攪拌
翼２６を有する攪拌手段が配備され、反応槽２０内の被
処理水６０を攪拌できるように構成されている。紫外線
ランプ２１により照射される紫外線は、光触媒２３に到
達して光触媒反応による有機物の分解作用を生じさせる
とともに、オゾンを反応性の高いラジカルに変化させ
て、単なるオゾンのままでは困難な総有機炭素量（ＴＯ
Ｃ）を減少させるとともに、難分解性物質を分解させる
ように作用する。

【０００４】図３のような方式の水質浄化装置１００に
おいて、オゾンガスを気泡５０として導入する散気ノズ
ル２５を反応場３０に直接導入すると、大小の気泡５０
によって紫外線ランプ２１からの紫外線が遮られ、光触
媒２３へ到達する紫外線量が減少して光触媒分解の効率
を低下させてしまう。また、紫外線とオゾンとの反応に
よってラジカルを生成させるには、ガス状（気泡状態）
より液体に溶解した分子状のオゾンの方がラジカル生成
率がよいことが知られているが、反応場３０に直接オゾ
ンガスの気泡を導入すると、オゾンが被処理水６０に十
分溶解しない状態で反応場３０を上昇するため、添加オ
ゾン量に対するラジカル生成率が低くなり、分解反応に
おけるオゾンの利用効率が悪くなる。しかも、気泡５０
に直接紫外線を照射すると、気泡５０中のオゾンが分解
してしまうため、オゾンの損失を招き、分解反応に寄与
できるオゾンが減少してしまう。したがって、紫外線ラ
ンプ２１と光触媒２３で囲まれた反応場３０からある程
度離間した位置にオゾンガスの気泡５０を導入する必要
がある。

【０００５】しかし、反応場３０を形成している紫外線
ランプ２１と光触媒２３との間隙は、通常数ミリ程度
（例えば２〜５ｍｍ）と狭く、この反応場３０までオゾ
ンガスの気泡５０を到達させるのは困難であった。

【０００６】すなわち、攪拌翼２６により生ずる水流に
より僅かな量が反応場３０に到達するが、多くは上昇し
て反応場３０以外の水面６１から揮散してしまい、有効
利用されない。その結果、紫外線照射、光触媒およびオ
ゾンによる促進酸化による分解反応の効率が低くなる、
という問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、オゾ
ンを紫外線と光触媒により形成される反応場へ効率良く
導くとともに、オゾンガスの気泡によって紫外線の光強
度が減衰したり、透過範囲が狭められたりすることな
く、十分な溶存オゾン量を確保して効率的に被分解物を
分解できる水質浄化装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の水質浄化装置の発明は、光触媒に
よる分解反応を行う触媒反応手段と、前記光触媒まで到
達可能な紫外線を照射する紫外線照射手段と、互いに近
接配備された前記触媒反応手段と前記紫外線照射手段と
の間に形成される反応場から離間した位置にオゾンガス
を気泡として導入するオゾン導入手段と、反応槽内の被
処理水に水流を生じさせて前記反応場まで前記オゾンを
誘導する水流発生手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００９】この水質浄化装置の発明によれば、水流発
生手段によって反応槽内の被処理水に水流を生じさせて
反応場までオゾンを誘導するようにしたので、紫外線照
射を受けて生成するラジカルが、被処理液中の有機物の
分解反応に寄与する。従って、反応場では紫外線、光触
媒およびオゾンの作用による分解が効率良く進行する。
また、反応場から離間した位置に気泡として導入された
オゾンガスは、反応場まで到達する過程で十分に溶存し
た状態になる。この溶解状態の分子状オゾンは、気泡状
態のオゾンよりも効率良くラジカルを生成するため、い
っそう分解率が向上する。さらに、紫外線が直接気泡に
照射されることが少なくなるので、導入気体の気泡によ
って紫外線の光強度が減退したり、透過距離が低下した
りするという問題や、オゾンが紫外線の作用で分解する
という問題は生じ難い。

【００１０】また、請求項２に記載の水質浄化装置の発
明は、請求項１において、前記水流発生手段が攪拌機で
あり、該攪拌機を前記反応場の上方に設けたことを特徴
とする。この特徴によれば、水流発生手段としての攪拌
機を反応場の上方に設けることにより、請求項１の作用
がより効果的に得られる。

【００１１】すなわち、水流発生手段としての攪拌機を
反応場の上方に設けることにより、オゾン導入手段から
導入されたオゾンは、渦流（螺旋流）によって反応場に
吸い上げられるようにして誘導されるようになる。この
ように渦流を形成させることにより、オゾンガスの気泡
と被処理液との接触機会が増大し、被処理液へのオゾン
の溶解が十分に進行する。その結果、反応場におけるラ
ジカルの生成が促され、紫外線、光触媒およびオゾンを
用いた促進酸化による有機物等の分解が高い効率で行わ
れる。

【００１２】請求項３に記載の水質浄化方法の発明は、
光触媒による分解反応を行う触媒反応手段と、前記光触
媒まで到達可能な紫外線を照射する紫外線照射手段と、
を互いに近接配備することによって、これらの間に反応
場を形成した反応槽内に、オゾンガスを前記反応場から
離間した位置に気泡として導入するとともに、反応槽内
の被処理水に発生させた水流を利用して、前記反応場ま
でオゾンを誘導するようにしたことを特徴とする。この
水質浄化方法の発明によれば、被処理水に発生させた水
流によって反応場までオゾンを誘導するようにしたの
で、紫外線照射を受けて生成するラジカルが、被処理液
中の有機物の分解反応に寄与する。従って、反応場では
紫外線、光触媒およびオゾンの作用による分解が効率良
く進行することになる。また、反応場から離間した位置
に気泡として導入されたオゾンガスは、十分に溶存した
状態で反応場に到達し、溶解状態の分子状オゾンによっ
てラジカル生成率が高まるので、分解反応に寄与するオ
ゾンの利用効率も高くなる。また、紫外線が直接気泡に
照射されることが少ないので、導入気体の気泡によって
紫外線の光強度が減退したり、透過距離が低下したりす
るという問題や、オゾンが紫外線の作用で分解するとい
う問題は生じ難い。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
る水質浄化装置１０の断面構造を説明する図である。こ
の水質浄化装置１０は、促進酸化法を利用したものであ
り、紫外線による作用、オゾンによる酸化作用、溶解オ
ゾンと紫外線による作用および紫外線と光触媒との作用
によって、被処理液中の被分解物を分解、除去する。例
えば、生活排水等に含まれる各種有機物の分解やＴＯＣ
の低減のほか、トリクロロエチレン、テトラクロロエチ
レン、ダイオキシン類等の有機塩素化合物、ニューコク
シン（色素）などの難分解性物質の分解も可能である。

【００１４】図１の反応槽１０では、紫外線照射手段と
しての紫外線ランプ２１の周囲を囲むように筒体２２が
配備され、その内面に触媒反応手段としての光触媒２３
が担持されている。紫外線ランプ２１は、光触媒２３ま
で到達可能な強度の紫外線を照射する。互いに近接配備
された紫外線ランプ２１と光触媒２３との間は反応場３
０を形成している。ここで、光触媒２３としては、例え
ば酸化チタン等を用いることができる。酸化チタンとし
ては、ルチル型の結晶構造を持つものも使用可能である
が、高い光触媒活性を有するアナターゼ型またはブルッ
カイト型の結晶構造を持つ酸化チタンを使用することが
好ましい。

【００１５】オゾンガスを気泡５０として導入するオゾ
ン導入手段して、図示しないオゾン発生装置に接続した
導入管２４と、該導入管２４の先端に設けられた散気ノ
ズル２５が配備されている。

【００１６】水流発生手段としては、攪拌機２９が配備
されている。攪拌機２９は、反応槽２０内の被処理水６
０に水流を生じさせて反応場３０までオゾンを誘導する
ように作用する。この攪拌機２９は、駆動モータ２７に
接続された攪拌軸２８の先端に、攪拌翼２６を備えてお
り、攪拌軸２８により伝達される駆動モータ２７の動力
により太矢印の方向に回転して水流を生じさせる。な
お、図１における水流発生手段としては攪拌機２９に限
らず、一定量の水流を発生させ得るものであればよく、
例えば、ジェットポンプなどを使用することもできる。

【００１７】次に、図１の水質浄化装置１０における浄
化機構について説明する。図１から見て取れるように、
紫外線ランプ２１と光触媒２３とにより規定される反応
場３０と、太い矢印の方向に回転する攪拌翼２６との間
に、散気ノズル２５が位置するように配備される。この
ような位置関係に配備することにより、散気ノズル２５
から被処理液６０中に導入された気泡５０は、図１中、
細い矢印で示すような流れを形成し、反応場３０へ向け
て誘導されていく。この過程でオゾンガスの気泡５０と
被処理液６０とが接触し、オゾンの溶解が進行する。溶
存オゾン量が増大した水流は、反応場３０へ到達して紫
外線の作用を受けてラジカルを生成し、ＴＯＣの減少や
難分解性物質の分解に寄与する。

【００１８】また、反応場３０では、紫外線照射による
細菌などの殺菌、促進酸化に加え、光触媒２３に到達し
た紫外線による光触媒分解反応が効率よく行われる。つ
まり、反応場３０に到達した水流中では、オゾンが被処
理液中に溶解した結果として気泡５０の体積が減少して
いることから、散気ノズル２５を直接反応場３０に導入
する方法に比べ、紫外線の透過を妨害して光触媒作用を
損なうという弊害が各段に少なくなっている。したがっ
て、紫外線ランプ２１からの紫外線は、気泡５０によっ
て散乱することなく被処理液６０中を通過し、対面の光
触媒２３に到達する。よって、反応場では、紫外線の作
用、オゾンの作用、紫外線と溶解オゾンとの作用、およ
び紫外線照射された光触媒２３の作用が複合的に起こ
り、ヒドロキシラジカル等のラジカルが効率良く生成し
て、被処理液６０中に含まれる有機物等の酸化分解反応
が進行する。

【００１９】以上のように、反応槽２０内に、散気ノズ
ル２５から反応場３０へ向う水流を形成させることによ
って、オゾンを効率よく反応場３０へ誘導し、分解反応
を十分に進行させることができる。なお、図１では、導
入されたオゾンの全てが反応場３０へ誘導されるわけで
はないが、攪拌機２９による水流は、反応槽２０内の被
処理液６０に対流を起こさせて全体的に攪拌する作用を
もつため、オゾンが反応場３０に到達しなかった場合で
も、水流によって被処理中に拡散して溶存オゾン量を向
上させ、オゾン酸化の効率が高められる。また、水流に
より反応場３０内の被処理液６０は、外部の被処理液６
０との間で順次循環が行われる。

【００２０】図２は、本発明の別の実施形態に係るバッ
チ式水質浄化装置１１の断面構造を説明する図である。
図２における基本的構成は、図１と同様であるため、同
一の構成には同一の符号を付して説明を省略し、ここで
は相違点を中心に説明する。

【００２１】図２の反応槽１１では、紫外線照射手段と
しての紫外線ランプ２１は、反応槽２０の底部から被処
理液６０中に突出するように配備されており、この紫外
線ランプ２１の周囲を囲むように反応槽２０の上部から
筒体２２が配備されている。筒体２２の内面には、図１
と同様に触媒反応手段としての光触媒２３が担持されて
いる。この図２においても、互いに近接配備された紫外
線ランプ２１と光触媒２３との間は反応場３０を形成し
ている。

【００２２】オゾン導入手段してのオゾン発生装置に接
続した導入管２４と、その先端に設けられた散気ノズル
２５は、前記反応場３０の斜め下方位置に配備されてい
る。

【００２３】水流発生手段としての攪拌機２９は、反応
場３０の上方位置に配備されている。このように、水流
発生手段としての攪拌機２９を反応場３０の上方に設け
ることにより、散気ノズル２５から導入されたオゾンガ
スの気泡５０は、渦流（螺旋流）によって紫外線ランプ
２１の回りを周回しながら反応場３０に吸い上げられる
ようにして誘導されるようになる。この渦流により、被
処理液６０との接触機会が増加して被処理液６０へのオ
ゾンの溶解が十分に進行する。その結果、反応場３０に
おけるラジカルの生成が促され、紫外線、光触媒２３お
よびオゾンを用いた促進酸化による有機物等の分解が高
い効率で行われる。

【００２４】図２のような構成とすることによって、被
処理液６０とオゾンガスは、反応場３０に到達するまで
に十分に混合されるので、オゾンの溶解量を飛躍的に高
めることができ、反応場３０の大きさ（容積）は図１と
同じでも、酸化分解反応を一層効率的に行うことができ
る。

【００２５】

【実施例】次に、実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説
明するが、本発明はこれらに制約されるものではない。

【００２６】実施例１ 図１に示した本発明の水質浄化装置１０を用い、以下に
示すような条件でニューコクシン（赤色１０２号）を含
む被処理液を６０分間処理し、総有機炭素量（ＴＯＣ）
を測定することによって、水質浄化性能を試験した。ま
た、比較のため、図３に示す従来型の装置においても同
様の条件で処理を行った。

【００２７】＜装置条件＞ （１）反応槽： ガラス製円筒容器、体積５ ｌ（リットル） （２）被処理液： ニューコクシン（赤色１０２号）を初期濃度１００ｍｇ
／ｌ（ＴＯＣとして、３８．０ｍｇ／ｌ） （３）紫外線ランプ： 波長２５４ｎｍ （４）散気ノズル（オゾンガス） ガス流量３ ｌ／分、オゾン濃度 ８ｍｇ／ｌ （５）光触媒： 二酸化チタン （６）攪拌機： 直径７０ｍｍ、３枚刃、回転数 ２００ｒｐｍ ＜結果＞結果を表１に示す。表１から明らかなように、
本発明水質浄化装置１０は、従来型の水質浄化装置に比
べてニューコクシンの分解速度が大きく、処理効率が高
いことが示された。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例２ 図２の水質浄化装置１１に準じた模擬装置を用い、散気
ノズル２５から導入した気泡の流れ（渦流の発生）の状
態を確認した。この試験では、被処理液６０として純水
を用い、オゾンガスに替えて空気を導入し、また紫外線
ランプ２１は用いず、替わりにガラス製円柱を使用し
た。他の構成は図３と同様のものである。また、反応槽
２０、光触媒２３、攪拌機２９、散気ノズル２５の構成
は、試験例１と同様にした。

【００３０】その結果、攪拌機２９の回転による水流が
反応槽２０内に発生すると、遠心力により水は反応槽２
０の内壁に沿って周回するとともに、気泡は反応槽２０
の中央部付近に集められて渦流により反応場３０へ向け
て移動することが確認できた。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、水流発生手段によって
反応槽内の被処理水に水流を生じさせて反応場までオゾ
ンを誘導するようにしたので、反応場から離間した位置
に気泡として導入されたオゾンガスが十分に溶存した状
態で反応場に到達し、溶解状態の分子状オゾンによって
効率良くラジカルが生成され、分解反応に寄与する。ま
た、紫外線が直接気泡に照射されることが少ないので、
導入気体の気泡によって紫外線の光強度が減退したり、
透過距離が低下したりするという問題や、オゾンが紫外
線の作用で分解するという問題が生じ難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る水質浄化装置を示
す図面。

【図２】 本発明の別の実施形態に係る水質浄化装置を
示す図面。

【図３】 従来技術の水質浄化装置を示す図面。

【符号の説明】

１０、１１ 本発明水質浄化装置 ２０ 反応槽 ２１ 紫外線ランプ ２２ 筒体 ２３ 光触媒 ２４ 導入管 ２５ ノズル ２６ 攪拌翼 ２７ 駆動モータ ２８ 攪拌軸 ５０ 気泡 ６０ 被処理水 ６１ 水面 １００ 従来技術の水質浄化装置

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D037 AA11 AB03 AB05 AB14 BA18 BB04 CA12 4D050 AA12 AB03 AB06 AB07 AB19 BB02 BC06 BC09 BD02 BD03 4G069 AA03 BA04B BA48A CA05 CA19

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光触媒による分解反応を行う触媒反応手
   段と、 前記光触媒まで到達可能な紫外線を照射する紫外線照射
   手段と、 互いに近接配備された前記触媒反応手段と前記紫外線照
   射手段との間に形成される反応場から離間した位置にオ
   ゾンガスを気泡として導入するオゾン導入手段と、 反応槽内の被処理水に水流を生じさせて前記反応場まで
   オゾンを誘導する水流発生手段と、 を備えた、水質浄化装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記水流発生手段が
   攪拌機であり、該攪拌機を前記反応場の上方に設けたこ
   とを特徴とする、水質浄化装置。
3. 【請求項３】 光触媒による分解反応を行う触媒反応手
   段と、前記光触媒まで到達可能な紫外線を照射する紫外
   線照射手段と、を互いに近接配備することによって、こ
   れらの間に反応場を形成した反応槽内に、オゾンガスを
   前記反応場から離間した位置に気泡として導入するとと
   もに、 反応槽内の被処理水に発生させた水流を利用して、前記
   反応場までオゾンを誘導するようにしたことを特徴とす
   る、水質浄化方法。