JP2004188239A

JP2004188239A - 水処理装置

Info

Publication number: JP2004188239A
Application number: JP2002355625A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Okamoto; 幸彦岡本; Akira Kunugi; 亮功刀; Yoichiro Matsumoto; 洋一郎松本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP4102657B2

Abstract

【課題】管路系の圧力損失が少なく、有害物質の分解処理性能に優れ、且つ、短時間で高い分解処理が可能となる。
【解決手段】被処理液が流れる流水管路１にベンチュリ管２が配置された水処理装置において、ベンチュリ管２よりも上流側に酸化性溶液の注入口４を設けると共に、ベンチュリ管２よりも下流側に超音波チューブ３を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水処理装置、特に、水中に溶けた有害化学物質や汚染物質等の物質を分解して無害化したり、汚泥等の有機物を効率良く処理するため、および、病原性大腸菌等を滅菌処理するための水処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中に溶けた有害化学物質や汚染物質等の物質を分解して無害化したり、汚泥等の有機物を処理するための従来水処理装置として、特許２５７４７３６号（特許文献１）に開示されたものがある。この従来水処理装置は、連続的に効率良く水や廃液等の被処理液の無害化処理を行うためのものである。以下、この従来水処理装置を、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図４は、従来水処理装置を示す断面図である。
【０００４】
図４に示すように、従来水処理装置は、水や廃液等の被処理液が流入する液体流入部２１が設けられており、この液体流入部２１の下流側の流体流路の一部がベンチュリ管２２により絞られている。ベンチュリ管２２は、上流側から絞り部２２Ａ、のど部２２Ｂおよび広がり部２２Ｃが形成されている。
【０００５】
のど部２２Ｂのわずかに下流側には、廃液処理用の酸化性気体の流入口２３が設けられている。酸化性気体として、例えば、オゾンが使用される。以下、オゾンを例にとって説明する。広がり部２２Ｃの下流側には、加圧混合流器２４が設けられている。加圧混合流器２４は、箱形に形成され、内部に水平流路２５Ａと垂直流路２５Ｂとが交互に段階的に設けられた加圧混合流路２５が形成されている。加庄混合流路２５の出口には、ノズル孔２６が設けられ、このノズル孔２６から処理済液が加圧混合流器２４外に排出されるように構成されている。
【０００６】
この従来水処理装置においては、のど部２２Ｂのわずか下流側に設けられた流入口２３から、オゾンを被処理液の流れの中に流入させ、流れが遅くなる広がり部２２Ｃで、オゾンと被処理液とを混合させつつ流入したオゾンを、被処理液中に加圧溶解させ、さらに、加圧混合流路２５の流路上部を気体が流れ、流路下部を被処理液が流れる状態にして、オゾンと被処理液との接触面積を広くしている。
【０００７】
また、被処理液が上から下に流れ落ちる加圧混合流路２５の出口にノズル孔２６を設けて、出口側絞り部を形成することにより、この加圧混合流路２５内部の静圧を高め、反応や溶解効率を高めることができるようになっている。
【０００８】
さらに、被処理液流入口より被処理液流出口の方が低くなっているため、加圧混合流路２５内において、オゾンと被処理液との混合流が滞る状態になる。従って、密度の大きい被処理液の方がオゾンよりも流出が容易になるので、オゾンが被処理液より多く加圧混合流路２５内に滞る。従って、加圧混合流路２５に流入するオゾンと被処理液との混合流のオゾンの割合が少なくても、加圧混合流路２５内では、オゾンの割合が高くなる。この結果、オゾンによる被処理液の処理効率が高くなる。
【０００９】
【特許文献１】特許２５７４７３６号号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来水処理装置は、次のような問題点を有していた。
【００１１】
（１）ベンチュリ管２２ののど部２２Ｂからわずかに下流側の広がり部２２Ｃからオゾンを注入しているので、被処理液中の気泡が低圧であるのど部２２Ｂにおいて成長し、圧力が上昇する広がり部２２Ｃにおいて崩壊するまでの間の時間に比べて、オゾンが被処理液と接触する時間が短い。換言すれば、オゾンと被処理液との界面から被処理液中に、オゾンが十分拡散するのに必要な時間がとれない。
【００１２】
（２）ベンチュリ管２２の低圧となるのど部２２Ｂで発生し、高圧となる広がり部２２Ｃで崩壊するキャビテーション気泡は、非常に多くの気泡群から構成されており、これらの相互作用により、ベンチュリ管２２の出口では、数多くの微細気泡となる。ところが、従来水処理装置では、キャビテーション気泡が崩壊段階に入る部分からオゾンを注入しているので、広がり部２２Ｃでのオゾンの気泡サイズは、前記微細気泡サイズに比べて過大となる。このことは、オゾン気泡と被処理液との気液界面の面積が小さくなることを意味し、オゾンによる酸化処理の効率が低下する原因となる。
【００１３】
（３）気泡崩壊部である広がり部２２Ｃの近傍においてオゾンを注入するので、キャビテーション気泡が崩壊する際の気泡内圧力および温度が低下する。従来水処理装置は、キャビテーション気泡崩壊時に生じる高温および高圧を利用して被処理液の酸化処理を行っているが、上記気泡内圧力および温度が低下によって、被処理液の酸化処理効率が低下する。
【００１４】
従って、この発明の目的は、従来水処理装置の上述のような問題点を解消するためになされたものであり、処理効率を向上させることのできる水処理装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被処理液が流れる流水管路に、上流側から絞り部、のど部および広がり部が形成されたベンチュリ管が取り付けられた水処理装置において、前記ベンチュリ管よりも上流側に設けた酸化性溶液の注入口と、前記ベンチュリ管よりも下流側に設けた、前記流水管路内を流れる被処理液に超音波を照射する超音波照射手段とを備えたことに特徴を有するものである。
【００１６】
この発明によれば、ベンチュリ管の絞り部より上流側に、酸化性溶液の注入口を設け、前記注入口から被処理液に過酸化水素水等の酸化性溶液を注入することができるように構成されているので、上述した従来水処理装置に比べて、微細な気泡核を多数被処理液中に発生させることができ、且つ、酸化性溶液と被処理液との界面から被処理液中に、酸化性溶液が十分拡散するのに必要な時間が十分にとれる。
【００１７】
また、ベンチュリ管の下流側に超音波照射手段を設けて、流水管路内を流れる被処理液に超音波を照射するように構成されているので、ベンチュリ管の広がり部で崩壊したキャビテーション気泡がさらに微細且つ多数の気泡核となって超音波照射手段に到達する。この結果、これらの気泡は、超音波振動（圧力変動）によって、その振動周波数に応じて、成長、崩壊を繰り返し、その際、発生する高温、高圧によって有害物質の分解効率がベンチュリ管のみの場合に比べて高くなる。
【００１８】
さらに、酸化剤として酸化性溶液を使用することによって、オゾン等の気体状酸化剤に比べて、被処理液中への酸化剤の混入効率が高まり、その分、高い酸化処理効率が得られる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、前記ベンチュリ管と前記超音波照射手段との間の前記流水管路に、別の酸化性溶液の注入口を設けたことに特徴を有するものである。
【００２０】
この発明によれば、ベンチュリ管と超音波照射手段との間の流水管路に、別の酸化性溶液の注入口を設けることによって、被処理液の酸化がさらに促進されるので、有害物質の分解効率をより高くすることができる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、前記超音波照射手段は、円筒状に形成され、前記流水管路の一部を構成することに特徴を有するものである。
【００２２】
この発明によれば、超音波照射手段を流水管路と同心円状に配することによって、超音波を効率良く流水管路内に被処理液に照射することができる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、前記注入口は、過酸化水素水の注入口であることに特徴を有するものである。
【００２４】
この発明によれば、酸化性溶液として過酸化水素水を使用することによって、被処理液の酸化処理が容易に行える。
【００２５】
請求項５記載の発明は、前記ベンチュリ管および前記超音波照射手段は、それぞれ複数個、交互に直列に配置されていることに特徴を有するものである。
【００２６】
この発明によれば、前記ベンチュリ管および前記超音波照射手段の設置数を増加させることによって、被処理液の酸化処理効率がさらに向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の水処理装置の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、この発明の水処理装置を示す概略断面図、図２は、別の超音波照射手段を配した、この発明の水処理装置を示す概略断面図である。
【００２９】
この発明の水処理装置は、ポンプ（図示せず）によって被処理水が送られる流水管路１の途中に、ベンチュリ管２と超音波照射手段としての超音波チューブ３を設けたものから構成されている。
【００３０】
流水管路１は、直管路１ａ、１ｂおよび１ｃを有している。ベンチュリ管２は、絞り部２ａ、のど部２ｂおよび広がり部２ｃから構成され、これらは、上流側からこの順序で形成されている。超音波チューブ３は、円筒状に形成され、ベンチュリ管２の下流側の直管路１ｃの一部を構成している。ベンチュリ管２よりも上流側の直管路１ａには、酸化性溶液としての過酸化水素水の注入口４が設けられている。
【００３１】
直管路１ａとベンチュリ管２ののど部２ｂとを結ぶ絞り部２ａは、その最大径部が直管路１ａの径と同じで、最小径部がのど部２ｂの径と同じであり、途中の径は、管路方向断面形状が１／４円弧となるような形状で縮径されている。すなわち、絞り部２ａは、直管路１ａとは直角に交わり、のど部２ｂとは滑らかに接続されている。
【００３２】
ベンチュリ管２と超音波チューブ３との間の直管路１ｂに、酸化性溶液としての過酸化水素水のさらに別の注入口５を設ければ、被処理液の酸化処理効果がさらに高まる。この場合、直管部１ｂの長さは、ベンチュリ管２の広がり部２ｃの出口４において生成された微細気泡群が、再結合、合体しないような長さとするべきである。
【００３３】
図１に示した例は、ベンチュリ管２と超音波チューブ３とをそれぞれ１本ずつ配置したものであるが、別のベンチュリ管と超音波チューブとを、交互に直列に並べても良い。また、この場合、別のベンチュリ管と超音波チューブとの間の直管部に、さらに過酸化水素水の別の注入口を設けても良いが、ベンチュリ管２の本数が増加するほど、必要となる送水ポンプヘッドが増加し、送水に必要なエネルギーも増加するので、実用的には２〜３本程度が適切と考えられる。さらに、複数本のベンチュリ管を直列に配置し、最下流側のベンチュリ管の下流側に超音波チューブを配置しても良い。
【００３４】
次に、上述した、この発明の水処理装置による水処理方法を、使用するベンチュリ管２と超音波チューブ３とがそれぞれ１本ずつである場合を例にとって説明する。
【００３５】
ベンチュリ管２の絞り部２ａの入口よりも上流側の直管路１ａに設けた注入口４から、直管路１ａを流れる被処理液中に、キャビテーション気泡核を生成し、ＯＨラジカルや酸化力の強いオゾン等を発生させることができる過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）を、圧力をかけて注入する。
【００３６】
このようにすることにより、注入された過酸化水素水は、キャビテーションが発生するベンチュリ管２のど部２ａに達するまでに管路内で均一に拡散する。
【００３７】
ベンチュリ管２に流入した被処理液は、絞り部２ａにおける流速の急上昇に伴って静圧が急激に低下する。そして、この部分の静圧が飽和水蒸気圧以下に低下すると、被処理液中に含まれていた微細な数多くのキャビテーション気泡核は、のど部２ｂの低圧に曝されて急激に成長する。
【００３８】
のど部２ｂの平行部の長さ（Ｌ）は、のど部２ｂの直径ｄの３倍以上の長さ取ることが望ましい。これによりキャビテーション気泡と被処理液中に溶解している有害化学物質との接触時間を長く取ることができるからである。さらに広がり部２ｃにおける流速の低下に伴う急激な圧力上昇により、成長したキャビテーション気泡は、急激に崩壊する。
【００３９】
水溶液中に含まれる有害物質のうち、揮発性のあるものは、キャビテーション気泡の成長過程において、気泡と液体の気液界面を通して気泡中に取り込まれ、キャビテーション気泡崩壊時に発生する高温、高圧とＯＨラジカルの作用によって分解される。一方、揮発性のない物質は、気泡中にはあまり取り込まれず、気液界面で高温、高圧に曝されることによって、分解されるものと考えられる。
【００４０】
さらに、有機物等の分子量の大きい物質や、細胞膜等を持つ大腸菌等の微生物は、キャビテーション気泡が近傍で崩壊することによる大きな乱れや衝撃圧、高温と、酸化力が強いＯＨラジカルの作用等により破壊、分解され、低分子化や可溶化、死滅に至るものと考えられる。
【００４１】
また、上流側のベンチュリ管２で発生し、成長、崩壊したキャビテーション気泡群は、ベンチュリ管２の広がり部２ｃの出口６においては、無数の微細気泡群になっており、これらの微細気泡群が、下流側に配置された超音波チューブ３に流入して、超音波キャビテーションを発生させるための新たな気泡核となる。
【００４２】
従って、通常の超音波発振子のみにより超音波処理する場合に比べて、非常に多くのキャビテーション気泡核（キャビテーションの発生原因である）が存在する場で、超音波照射を受けることになる。この結果、キャビテーションの頻度が飛躍的に増大する。
【００４３】
また、超音波チューブ３の中では、その中心部に向かって超音波エネルギーの収束が起こるので、通常の平板状の超音波発振子が発生する超音波エネルギーよりも、大幅に強い超音波エネルギーに曝される。従って、キャビテーション気泡核の周囲で、大きな正圧負圧が繰り返し発生することになり、この圧力変動に応じてキャビテーション気泡も成長、崩壊を繰り返す。この結果、水中に含まれる有害物質の処理効率も、ベンチュリ管２のみあるいは超音波チューブ３のみを使う場合に比べて大幅に増加する。
【００４４】
また、ベンチュリ管２と超音波チューブ３との間に、別の酸化性溶液の注入口５を設け、ここから過酸化水素水を被処理液に注入することにより、さらに有害物質の処理効率を高めることができる。
【００４５】
図２に示すように、上述した円筒型の超音波チューブ３に代えて、ドーナツ状の平板型の超音波発振子７を多数平行に並べたものにより超音波照射手段を構成し、その中空部を被処理水の流水管路の一部としても良い。この場合の超音波照射手段の方が、超音波の周波数を設定する自由度が多くなるが、必要とするパワーが大きくなる。
【００４６】
【実施例】
次に、この発明を実施例によりさらに説明する。
【００４７】
１本のベンチュリ管と１本の超音波照射手段とを備え、酸化性溶液の注入口は、ベンチュリ管の上流側のみとした水処理装置を使用して、揮発性のある有害化学物質であるｍ−クロロフェノールについて分解実験を実施した。
【００４８】
そのときの実験開始からの経過時間と被処理液中のｍ−クロロフェノールの濃度（ｍｇ／ｌ）との関係を、１本のベンチュリ管のみで同じ実験を行った結果と比較して図３に示す。
【００４９】
この場合、両者とも流水管路内を流れる被処理液の流量は、２１０（ｌ／ｍｉｎ）とし、ベンチュリ管２の上流側の直管部１ａから注入する過酸化水素水の量は、被処理液中の過酸化水素水の濃度が１０００ｐｐｍとなる量とした。
【００５０】
図３から明らかなように、この発明の水処理装置を使用した方が、ベンチュリ管のみを使用した場合に比較して、ｍ−クロロフェノールの分解が速く進んでいることが分かる。
【００５１】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、被処理液が流れる流水管路にベンチュリ管が配置された水処理装置において、ベンチュリ管よりも上流側に酸化性溶液の注入口を設けると共に、ベンチュリ管よりも下流側に超音波照射手段を設けることによって、管路系の圧力損失が少なく、有害物質の優れた分解処理性能が得られ、且つ、短時間で高い分解処理が可能となるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の水処理装置を示す概略断面図である。
【図２】別の超音波照射手段を配した、この発明の水処理装置を示す概略断面図である。
【図３】経過時間と被処理液中のｍ−クロロフェノールの濃度との関係を示すグラフである。
【図４】従来水処理装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１：流水管路
１ａ、１ｂ、１ｃ：直管路
２：ベンチュリ管
２ａ：絞り部
２ｂ：のど部
２ｃ：広がり部
３：超音波チューブ
４：過酸化水素水の注入口
５：過酸化水素水の注入口
６：ベンチュリ出口
７：超音波振動子
２１：液体流入部
２２：ベンチュリ管
２２Ａ：絞り部
２２Ｂ：のど部
２２Ｃ：広がり部
２３：酸化性気体の流入口
２４：加圧混合流器
２５：加圧混合流路
２５Ａ：水平流路
２５Ｂ：垂直流路
２６：ノズル孔

Claims

被処理液が流れる流水管路に、上流側から絞り部、のど部および広がり部が形成されたベンチュリ管が取り付けられた水処理装置において、
前記ベンチュリ管よりも上流側に設けた酸化性溶液の注入口と、前記ベンチュリ管よりも下流側に設けた、前記流水管路内を流れる被処理液に超音波を照射する超音波照射手段とを備えたことを特徴とする水処理装置。
前記ベンチュリ管と前記超音波照射手段との間の前記流水管路に、別の酸化性溶液の注入口を設けたことを特徴とする、請求項１記載の水処理装置。
前記超音波照射手段は、円筒状に形成され、前記流水管路の一部を構成することを特徴とする、請求項１または２記載の水処理装置。
前記注入口は、過酸化水素水の注入口であることを特徴とする、請求項１から３の何れか１に記載の水処理装置。
前記ベンチュリ管および前記超音波照射手段は、それぞれ複数個、交互に直列に配置されていることを特徴とする、請求項１から４の何れか１つに記載の水処理装置。