JP2005021869A - 水中プラズマによる水処理方法及びその水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 イ．プラズマによる紫外線やオゾンを発生させることによるラディカルの安定的な生成、ロ．プラズマの安定的な発生、ハ．発生装置や工程の煩雑化を解決することができる水処理技術の提供。
【解決手段】 被処理水中に相対配置された電極と、この電極にパルス状高電圧を印加させるパルス高電圧装置５と、被処理水中に酸素の微細気泡を混合させる微細気泡混合装置を備え、前記電極にパルス高電圧装置によってパルス状高電圧を印加し、発生したプラズマにより被処理水中の微細気泡の酸素を分解させて、オゾンやラディカルを安定的に生成させ、被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は被処理水中の窒素系、りん系、有機系の浮遊物や溶解した窒素系、りん系、有機系等の溶解物を分解や凝集させることを目的とし、畜産糞尿排水処理、工場排水処理、水産加工排水処理、下水道排水処理、ダム・湖沼浄化処理等に使用できる水中プラズマによる水処理方法及びその水処理装置に関する。

従来の排水処理は活性汚泥法による水処理が大半を占めるが、近年は新技術による高度な排水処理技術が数多く提案されている。これらは光触媒処理、オゾン処理、浸漬中空糸膜処理、酵素剤処理、電気分解処理等々であり、相応の差別化された技術として成果を得ている

その中でも、水中で相対する電極に高圧のパルス状電圧を印加して放電により発生するプラズマによって紫外線やオゾンを発生させ、そのラディカル生成により汚染物を処理する技術、およびプラズマによる破壊力を利用して汚染物を処理する技術が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
この方法は国際見本市にて公表されたり、大学や研究機関にて幅広く研究され、公表もされている。

特開２０００−１０７７５４号公報 特開２００１−２５２６６５号公報

しかしながら、かかる従来の技術は、イ．プラズマによる紫外線やオゾンを発生させることによるラディカルの安定的な生成、ロ．プラズマの安定的な発生、ハ．発生装置や工程の煩雑化等々に課題があり、これらの課題はいまだに解決できていない。
特に、プラズマによる紫外線やオゾンの発生によるラディカルの安定的な生成は、被処理水中の混合成分または溶解成分によって大きく影響されるため、再現性に乏しいことが多い。

本発明は上記課題である、イ．プラズマによる紫外線やオゾンを発生させることによるラディカルの安定的な生成、ロ．プラズマの安定的な発生、ハ．発生装置や工程の煩雑化を解決することができる水処理方法及びその水処理装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の水中プラズマによる水処理方法（請求項１）は、
被処理水中で相対する電極にパルス状高電圧を印加し、放電により発生するプラズマを利用した水処理方法であり、被処理水に酸素の微細気泡を混合させてプラズマによる酸素の分解を行い、オゾンやラディカルを安定的に生成して、被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させる構成とした。

請求項１記載の水処理方法において、被処理水中で相対する電極にパルス状高電圧を印加して発生させる放電がストリーマ状放電である態様がある（請求項２）。

又、請求項１又は２記載の水処理方法において、微細気泡が空気である態様がある（請求項３）。

又、請求項１又は２又は３記載の水処理方法において、微細気泡をラインミキサーとポンプの組合せによって被処理水に混合させるようにした態様がある（請求項４）。

又、請求項１〜４のいずれかに記載の水処理方法において、被処理水中で相対する電極が、平板電極又は線状電極又は円筒電極又は半円筒電極又は先端突起電極又はスパイラル電極又はこれらの組み合わせである態様がある（請求項５）。

又、上記の課題を解決するために、本発明の水中プラズマによる水処理装置（請求項６）は、
被処理水中に相対配置された電極と、この電極にパルス状高電圧を印加させるパルス高電圧装置と、被処理水中に酸素の微細気泡を混合させる微細気泡混合装置を備え、
前記電極にパルス高電圧装置によってパルス状高電圧を印加し、発生したプラズマにより被処理水中の微細気泡の酸素を分解させて、オゾンやラディカルを安定的に生成させ、被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させるように形成されている構成とした。

発明者はオゾンによるダム・湖沼の浄化、畜産排水の臭気除去・脱色処理、井戸水の鉄・マンガンの酸化処理、食品工場の有機物の酸化分解による汚泥の減少等々を行ってきた。
その技術は微細気泡を被処理水中に生成させて、その微細気泡により物理的処理、化学的処理、生物的処理を行うものである。
特に、化学的処理ではオゾンや酸素及び空気や二酸化炭素を利用した水質の浄化実績を多く持っているが、オゾンの化学的処理で課題として残っていることは、オゾン生成機が高価であること、及びランニングコストの低減化である。

現在の一般的なオゾン生成方法は大気中の空気を利用して酸素発生装置（ＰＳＡ）で空気中の窒素を除き、高濃度酸素をオゾン生成機によって分解して、オゾンを生成するものである。
その生成方法として、無声放電法（コロナ放電）によって高濃度酸素を分解してオゾンを生成する方法が普及している。

微細気泡混合方法は、生成されたオゾンをラインミキサーやポンプを利用し、水槽内にて微細気泡として水中に混合させて、オゾンと被処理水との接触面積を多く取れるようにした処理方法であり、終局はオゾンと反応して生成されるラディカル（Ｏ^・、ＯＨ^・等）が水中の浮遊物や溶解物を分解することで浄化する水処理方法である。

これに対して、パルス状高電圧を印加してプラズマを発生させ、そのプラズマによって紫外線やオゾンを発生させ、ラディカル生成をすることによって浮遊物や溶解物を分解する方法は、発明者が行ってきた陸上でオゾンを生成して被処理水中に微細気泡として混合させる方法と比較して、イニシャルペイメント、ランニングペイメントが安価にできる方法として着目した。

しかし、冒頭に述べたイ．プラズマによる紫外線やオゾンの発生によるラディカルの安定的な生成は被処理水中の混合成分または溶解成分によって大きく影響されるため安定的なラディカル生成ができないことが、処理の再現性を乏しくしている。

本発明は被処理水中の混合成分または溶解成分の影響にかかわらず、安定的にラディカルを生成させるようにしたものである。

被処理水中にプラズマを発生することによって、ラディカルを生成し、そのラディカルによって処理する方法は、被処理水中にラディカル発生因子がいかに多く存在するかが大きく影響する。
従来の水中プラズマ発生による水処理は、被処理水中の混合または溶解した成分がまちまちであり、ラディカル生成もその再現性に乏しい。

被処理水中のプラズマによるラディカル生成は被処理水中の溶存酸素を分解してオゾンやラディカルを生成するため、溶存酸素濃度によって大きく左右される。
そのため、溶存酸素を多くすることにより、プラズマによるラディカル発生が安定的にできることは理解できる。つまり、陸上でのコロナ放電による酸素の分解を水中にて行うことになる。

ところが、酸素を液体に溶解及び混合させることは気泡の大きさによって溶存率が違う。酸素を水中に混合する方法は散気板方式〔エアーディヒューザー）、エジェクター方式、攪拌混合方式、ポンプサクション方式、加圧溶解方式等々、方法は多い。
しかし、ラインミキサーとポンプの組合せによって気液を混合する方法がもっとも微細気泡が発生できて、溶存酸素量も４０ｐｐｍを超えることができる。
へンリー定数を超えた溶存率は、酸素の溶解と微細化された気泡の混合が溶存酸素計でカウントされていることを確認している。

これにより、微細気泡を混合した被処理水中にプラズマを発生させて溶存酸素を分解することによって、オゾンやラディカルの生成を安定的に生成することが可能となる。
ＯＨラディカルやスーパーオキサイドアニオンは被処理水中の浮遊物や溶解物を分解すると同時に残留性がなく、特に、ＯＨラディカルは１２０ｋｃａｌ／ｍｏｌ相当の非常に大きなエネルギーを持ち、有機物を構成する分子中の炭素−炭素、炭素−窒素、炭素−水素、酸素−水素、窒素−水素等々の結合エネルギーは１００ｋｃａｌ／ｍｏｌ前後であり、ＯＨラディカルはこれらの結合を簡単に切断して分解することが出来るため、今後の水処埋に重要な役割を果たすものと考えられる。

次に、パルス状の高電圧を印加することによって、被処理水中で安定的にプラズマを発生させる装置の説明をする。

被処理水を収容した水槽内に線状電極を設け、水槽内下部に平板電極を設ける。その両電極にパルス状高電圧を印加してストリーマ状のプラズマを発生させる。
この場合、線状電極は電源の蓄積エネルギーおよび放電エネルギーを等しくして、電極表面の電解強度を強くするために、線状電極の長さを調整する。また、相対する電極間の位置空間を水槽の容量によって数センチ〜数十センチとして、十〜数百ｋｖ／ｃｍ以上のパルス状高電圧を３０〜５０ｎｓで印加すると、ストリーマ状にプラズマが発生する。

尚、水槽内下部の平板電極を円筒電極にしてもよく、又、電極は半円筒状電極又はスパイラル状電極又は先端突起状電極又はこれらの組み合わせでもよい。

本発明による方法や装置は煩雑にならないように、被処理水に微細気泡を混合させた気液混合水を水槽内に流入し、同じ水槽内の相対する電極にパルス状高電圧を間欠的に印加してプラズマを発生させ、ラディカルの生成により水中の浮遊物や溶解物の汚染物質を分解して行なう浄化、脱色、脱臭を連続して行うようにするのが好ましい。

以上説明したように、本発明の水処理方法及びその水処理装置によれば、イ．プラズマによる紫外線やオゾンを発生させることによるラディカルの安定的な生成、ロ．プラズマの安定的な発生、ハ．発生装置や工程の煩雑化を解決することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例により説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の種類、材質、相対する装置等は特定的な記載がない限り、本発明の範囲を限定する趣旨ではなく、単なる実施例に過ぎない。

図１は本発明の１実施例である水処理装置の全体概略図、図２は電極部分の拡大図、図３は図２のＡ一Ａの断面図、図４は図２のＢ−Ｂの断面である。又、図５は水処理装置に設けた円筒状水槽の底部を示す斜視図、図６は円筒状水槽の概略図、図７はスカム回収装置の概略斜視図、図８はスカム回収装置の概略平面図である。

図において、１は酸素発生装置で、酸素吸入管２からポンプ４の自給力によりラインミキサー３に酸素が入り、入口配管９から流入した被処理水中に微細気泡が混合される。この場合、ラインミキサー３及びポンプ４が微細気泡混合装置として機能する。
また、ポンプ４の吸引圧力及び渦流により、更に混合されて円筒状水槽７内に気液混合水が流入する。
気液混合水が流入した円筒状水槽７内では、パルス高電圧装置５から送電線６を経て供給される電力によってプラズマが発生し、被処理水中に混合していた酸素を分解して、オゾンやラディカルを生成する。
生成されたオゾンやラディカルは、被処理水中の浮遊物や溶解物と反応して汚染物の分解を行う。

円筒状水槽７は、図５及び図６に示すように、内側円筒状水槽１８と二重構造になっており、絶縁体基盤１７を内側円筒状水槽１８の底面に固定するために、内側円筒状水槽１８の底面に絶縁体基盤支持板１９を取り付けている。この絶縁体基盤支持板１９はパンチング円板であり、内側円筒状水槽１８内にて処理された処埋水が通過できるようになっている。なお、図中１０はドレンである。

又、図中８で示す電極部分は、図２で示すように、線状電極１４と平板電極１６を相対配置したもので、この線状電極１４と平板電極１６は、絶縁体支柱１５と絶縁体基盤１７によって固定されている。
絶縁体支柱１５は図４のように横に穴が開いており、線状電極１４を上下にスライドして、相対する平板電極１６との距離を調整でき、ストリーマ状プラズマの発生に理想的な位置空間を作るようにする。
なお、絶縁体支柱１５および絶縁体基盤１７はセラミックスやゴム等々を利用しているが、絶縁できるものであれば性状は問わない。

円筒状水槽７と内側円筒状水槽１８との間には、２〜５センチの隙間があり、処理された処理水は円筒状水槽７と内側円筒状水槽１８の隙間を通して出口配管１１より排出される。
つまり、内側円筒状水槽１８の外側を処理水が通過することになる。

また、被処理水はラインミキサー３とポンプ４を通過して内側円筒状水槽１８内に入り、微細気泡を混合した被処理水はプラズマによってオゾンやラディカルの生成が行われて浮遊物や溶解物の分解がなされる。
内側円筒状水槽１８内で処理された処理水は循環ライン１２によって、再度微細気泡が混合され、再度プラズマによって分解処理を行うため、被処理水の汚染濃度によって調整弁１３を調整することにより処理程度や処理時間の調整ができるようになっている。

このように、円筒状水槽７を内側円筒状水槽１８と二重構造に形成し、その内部に気液混合水を供給しながら電極間の放電によるプラズマによって処理するようにすると、１つの水槽内で連続処理を行うことができ、処理能力を向上させることができる。

又、ＳＳ濃度の高い被処理水は、ＳＳ成分が分解された後に微細気泡のゼータ電位や表面張力による付着で、微細気泡の浮上と同時に内側円筒状水槽１８内にスカムとして浮上することが多い。
図７および図８はスカム回収装置の概略図であり、浮上するスカムは内側円筒状水槽１８の水位の上部に泡のように溜まる。そのため、支持板２１に設けた回転モーター２２によりスカム回収板２３を回転させて、水位の上部を回転させ、スカムをスカム排出口２４より排出して、貯留槽に貯留する。
円筒状水槽７と内側円筒状水槽１８の水位は同じであるため、スカムの回収を効率よく行うために、スカム排出口２４は出口配管１１の真上の円周上に配置している。

次に、図９は本発明の他の実施例である水処理装置の要部を示す概略図、図１０は図９のＣ−Ｃの断面図である。

この実施例では、水槽２８と、この水槽２８に至る配管ライン２９との間にプラズマ発生装置として円筒状プラズマ発生管２５を配置している。
この円筒状プラズマ発生管２５は、中心部分に線状電極１４を配置させると共に、この線状電極１４に相対する円筒状電極２６を管内周に配置している。
従って、被処理水中に酸素発生装置１で発生させた酸素をラインミキサー３に送り込んで、ポンプ４で攪拌混合させた気液混合水は、水槽２８に流入する手前において、円筒状プラズマ発生管２５により発生するプラズマによってオゾンやラディカルの生成が行われ、浮遊物や溶解物の分解がなされた処理水として水槽２８内に流入する。
この水処理方法は、水槽２８内に流入する前に処理する方法であり、ダム・湖沼や既存の処理槽で利用する場合は、新たに水槽やタンクを設けなくとも、循環処理が可能になる。

次に、図１１は本発明の他の実施例である水処理装置の全体概略図である。
この実施例では、微細気泡混合装置として気液混合ポンプ２７を用いたもので、図１で示したように、ラインミキサー３とポンプ４の組合せによって気液混合させるものに比べて、装置をコンパクトにできる。

なお、図１２は発明者が微細気泡混合の実験に使用した水槽２０を示している。
約１．２立米の水槽２０内に水道水を入れて、ポンプ４で循環できるようになっており、循環する水道水はラインミキサー３によって気体と液体が混合されると同時にポンプ４の混合力によっても気液が混合される。ポンプ４は渦巻きポンプまたはタービンポンプが効率の良い混合を示した。水槽２０内の水道水は微細気泡が混合されると、乳白色に白濁して、気泡は１０〜５０ミクロンの気泡径が確認された。ストークスの式を逆算して気泡の浮上時間を計ると、３０ミクロンの気泡は２０ｃｍ浮上するのに８分かかることが判り、反応に十分な時間であることが確認できた。
また、気泡は空気の場合でも溶存酸素濃度が４０ｐｐｍを超えるため、酸素を混合すると、高濃度の酸素溶解気液混合水を作ることができる。

本発明の１実施例である水処理装置の全体概略図である。 電極部分の拡大図である。 図２のＡ一Ａの断面図である。 図２のＢ−Ｂの断面である。 水処理装置に設けた円筒状水槽の底部を示す斜視図である。 円筒状水槽の概略図である。 スカム回収装置の概略斜視図である。 スカム回収装置の概略平面図である。 本発明の他の実施例である水処理装置の要部を示す概略図である。 図９のＣ−Ｃの断面図である。 本発明の他の実施例である水処理装置の全体概略図である。 発明者が微細気泡混合の実験に使用した水槽の斜視図である。

符号の説明

１ 酸素発生装置
２ 酸素吸入管
３ ラインミキサー（微細気泡混合装置）
４ ポンプ（微細気泡混合装置）
５ パルス高電圧装置
６ 送電線
７ 円筒状水槽
８ 電極部分
９ 入口配管
１０ ドレン
１１ 出口配管
１２ 循環ライン
１３ 調整弁
１４ 線状電極
１５ 絶縁体支柱
１６ 平板電極
１７ 絶縁体基盤
１８ 内側円筒状水槽
１９ 絶縁体基盤支持板
２０ 水槽
２１ 支持板
２２ 回転モーター
２３ スカム回収板
２４ スカム排出口
２５ 円筒状プラズマ発生管
２６ 円筒状電極
２７ 気液混合ポンプ（微細気泡混合装置）
２８ 水槽
２９ 配管ライン

Claims (6)

1. 被処理水中で相対する電極にパルス状高電圧を印加し、放電により発生するプラズマを利用した水処理方法であり、被処理水に酸素の微細気泡を混合させてプラズマによる酸素の分解を行い、オゾンやラディカルを安定的に生成して、被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させることを特徴とする水中プラズマによる水処理方法。
2. 請求項１記載の水処理方法において、被処理水中で相対する電極にパルス状高電圧を印加して発生させる放電がストリーマ状放電である水中プラズマによる水処理方法。
3. 請求項１又は２記載の水処理方法において、微細気泡が空気である水中プラズマによる水処理方法。
4. 請求項１又は２又は３記載の水処理方法において、微細気泡をラインミキサーとポンプの組合せによって被処理水に混合させるようにした水中プラズマによる水処理方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の水処理方法において、被処理水中で相対する電極が、平板電極又は線状電極又は円筒電極又は半円筒電極又は先端突起電極又はスパイラル電極又はこれらの組み合わせである水中プラズマによる水処理方法。
6. 被処理水中に相対配置された電極と、この電極にパルス状高電圧を印加させるパルス高電圧装置と、被処理水中に酸素の微細気泡を混合させる微細気泡混合装置を備え、
   前記電極にパルス高電圧装置によってパルス状高電圧を印加し、発生したプラズマにより被処理水中の微細気泡の酸素を分解させて、オゾンやラディカルを安定的に生成させ、被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させるように形成されていることを特徴とする水中プラズマによる水処理装置。
   

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