JP2005087845A - オゾン散気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
オゾン接触槽内での過酸化水素の混合性を確保すると同時に、反応性の高いオゾン吸収効率の向上を可能とするオゾン散気装置を提供する。さらに、被処理水の量の変動に対して適切な対応を簡単な操作で行えることを可能にしたオゾン散気装置を提供する。
【解決する手段】
散気ノズルの中心部に気体ノズルを配置し、その周辺に液体噴出しノズルを配置し、かつ前記気体ノズルの周辺に過酸化水素噴出しノズルを配置する構成とし、さらに前記液体噴出しノズルの液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出しノズルの溶液噴出し口側の延長線が前記気体ノズルの気体噴出し口側の延長線と交差するオゾン散気装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体噴出しノズル、過酸化水素噴出しノズルおよび気体ノズルを配置し、効率的および省エネルギー的にオゾンガスを被処理水に溶解・混合することができるオゾン散気装置に関する。より詳しくは、オゾン単独では酸化分解することが困難な難分解性物質などの促進酸化処理を効率的かつ安全に行うために用いるオゾン処理装置に使用される、液体噴出しノズル、過酸化水素噴出しノズルおよび気体ノズルを配置したオゾン散気装置に関する。
また、本発明は、液体噴出し部、過酸化水素噴出し部および気体噴出し部を配置し、効率的および省エネルギー的にオゾンガスを被処理水に溶解・混合することができるオゾン散気装置に関する。より詳しくは、水中の殺菌、脱臭、有機物、難分解性物質などの促進酸化処理を効率的かつ安全に行うために用いるオゾン処理装置に使用される、液体噴出し部、過酸化水素噴出し部および気体噴出し部を配置したオゾン散気装置に関する。

近年、オゾンがフッ素に次いで強力な酸化力を有するという特長を利用して、オゾンガスを水中に散気することにより殺菌、脱色、脱臭、有機物もしくは無機物の酸化除去等を行う水処理が広く行われている。特に、都市近郊の水道では、取水源に起因する異臭味の被害が広がっており、先に述べたオゾンの持つ強力な酸化力は、この異臭味除去に大きな効果を発揮することから、オゾン及び活性炭を用いた高度浄水処理の導入が進められている。
このようなオゾンとオゾンによって処理される水（以下、被処理水という）とを反応させるオゾン処理装置は、電気エネルギーからオゾンを発生させるオゾン発生装置、被処理水を供給する送水ポンプ、被処理水にオゾンガスを注入し、接触・混合するオゾン接触槽、オゾンと被処理水の反応時間を確保するための滞留槽、接触槽から未反応のまま排出される排オゾンを分解する排オゾン処理設備などから構成されており、接触方式としては接触槽下部からオゾンを気泡として吹出させる気泡塔方式がよく用いられている。
オゾン処理装置の効率を表わす指標として、一般的にオゾン吸収率、及び除去効率が用いられる。これらの指標が高いほど、オゾン処理装置は経済的かつ処理性能が高いということになる。
ここでオゾン吸収率とは注入したオゾンガスのうち、反応槽内で被処理水に溶解、あるいは分解・消費されたオゾンの割合であり、下式で表される。
オゾン吸収率(%)
＝(注入オゾンガス濃度−排オゾンガス濃度)÷注入オゾンガス濃度×100
これらオゾン処理装置においては、上記オゾン吸収率を常に高く保つ必要がある。

一方、近年ではオゾン処理に酸化促進剤を付加し、より酸化力を高めた促進酸化法（AOP； Advanced Oxidation Process）が注目されている。酸化促進剤としては過酸化水素（H₂O₂）、紫外線（UV）照射などが用いられるが、いずれもオゾンより強い酸化力を有するヒドロキシラジカル（・OH）を生成させ、効率的に対象物質を酸化分解するものである。（たとえば特許文献1参照）
浄水処理において高度処理プロセスは重要な役割を担ってきているが、より高効率な処理への要求や、オゾン難分解性の物質の汚染が懸念されている昨今、促進酸化法の適用性の検討が必要とされている。
たとえば特許文献２では、オゾン化ガスの被処理液への溶解率を高めることができるオゾン接触槽であって、促進酸化処理可能なオゾン接触槽が開示されており、特許文献３では、装置の大型化を伴わずにオゾン吸収率を高め、コストの低廉化を図った、改良された加圧型下方注入式多段オゾン接触槽が開示されている。これらの方式はいずれも過酸化水素注入のための注入口、あるいは注入管をオゾン接触槽の底部に設置する必要がある。
これらの場合、オゾンガス、および被処理水の混合流体中に、液体である過酸化水素溶液を注入混合するということ、そして過酸化水素の添加量は、たとえば特許文献３に基いて試算すると、被処理水の流入水量に比べて、十万分の１程度の極めて少ない水量となることなどを考慮すると、その注入装置の形状や設置位置によっては、十分な過酸化水素溶液の混合・分散が行われず、いわゆる混合不良の状態になる可能性があり、溶解・混合が不十分となる恐れがある。

オゾン接触槽内の気液混合強度を高める手法としては、十分な気体風量を与え、気泡の上昇力を利用して混合性を保つ方法が考えられる。しかし、この方法では、気体供給動力の増加を招くと同時に、オゾン吸収効率の低下を招く懸念が生じる。また、オゾンの吸収効率を高く保つためには、水中にオゾンガスを注入する際の気泡径を小さくし、単位断面積あたりの気液接触面積を高めることが非常に有効である。そこで、機械的攪拌機構を設け、気泡を細かく破砕する方法や高圧下で強制的に気液混合する方法も知られているが、これらの方法は所要動力増加の観点から、効率的な手法であるとはいえない。
その点、比較的動力増加が少ない気液混合方法として、特許文献４に、液体を斜めに噴出させるよう、角度をつけた噴出口を有する仕切り板を管内に配置させ、仕切り板を通過した液体は相互に衝突され、混合される気液混合流の発生装置が開示されている。その技術では、液体と混合される気体は、周壁に設けられた外気導入孔から気体が噴射側に自吸式で導入されるか、仕切り板を通過する前にすでに液体内に含有した状態であることが開示されている。しかしながら、前者の場合では、導入される気体は、噴出される液体などによる自吸式であり、気体導入量を制御することは大幅に制限されるほか、導入される気体の気泡径の分布が広がること、すなわち、径の大きな気泡が形成されやすくなるうえ、導入される気体が微細化されるまでに時間がかかることとなり、導入される気体が反応性の高いオゾンのときには不都合である。また、後者の場合では、導入される気体が反応性の高いオゾンのときには不都合である。さらに、比較的動力増加が少ない気液混合方法であるとはいえ、省エネルギー的に見ると未だ改善される余地が残されている。

特公昭６０−６７１８号公報 特開平２−２１４５９４号公報 特開平１０−１６５９７１号公報 特開２０００−３２５７６７号公報

本発明は、オゾン接触槽内での過酸化水素の混合性を確保すると同時に、反応性の高いオゾン吸収効率の向上を可能とする、新規なオゾン散気装置を提供するものである。しかも、オゾン気泡の径の分布が狭く、小さい径を持つ気泡が生成されるうえに、このオゾン散気装置は省エネルギー的な意味からも改善されている。また、オゾン処理に過酸化水素添加を組み合わせた促進酸化処理装置に使用されるオゾン散気装置において、オゾン接触槽内での過酸化水素の混合性を確保すると同時に、オゾン吸収効率の向上を可能とする、新規なオゾン散気装置を提供するものである。さらに、被処理水の量の変動に対して適切な対応を簡単な操作で行えることを可能にしたオゾン散気装置を提供するものである。

発明者等は、反応性の高いオゾンを被処理水に溶解・混合する装置を提供するなどの上記課題を解決するため、一連の研究を通じて、散気ノズルの中心部にオゾン噴出しノズルを配置し、その周辺に被処理水噴出しノズルと過酸化水素ノズルとを配置するオゾン散気装置は、従来の装置よりも、効率的なオゾン溶解・混合を可能とするオゾン散気装置であり、しかも省エネルギー的であることを突き止め、さらに研究を重ね本発明に到達した。
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、散気ノズルの中心部に気体ノズルを配置し、その周辺に液体噴出しノズルを配置し、かつ前記気体ノズルの周辺に過酸化水素噴出しノズルを配置する構成とし、さらに前記液体噴出しノズルの液体噴出し口側の延長線（以下、液体噴出し口側の延長線ということがある）および前記過酸化水素噴出しノズルの過酸化水素噴出し口側の延長線（以下、過酸化水素噴出し口側の延長線ということがある）が前記気体ノズルの気体噴出し口側の延長線（以下、気体噴出し口側の延長線ということがある）と平行ないし発散していないこと、すなわち前記液体噴出しノズルの液体噴出し口から噴出する液体および前記過酸化水素噴出しノズルの過酸化水素噴出し口から噴出する過酸化水素は前記気体ノズルの気体噴出し口から噴出する気体と短時間に接触でき、それらが十分に混合されることを特徴とするオゾン散気装置である。

本発明の請求項２に係る発明は、過酸化水素噴出しノズルを気体噴出しノズルと液体噴出しノズルとの間に配置することを特徴とするオゾン散気装置である。
本発明の請求項３に係る発明は、前記液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体噴出し口側の延長線と交差していること、すなわち前記液体噴出しノズルの液体噴出し口から噴出する液体および前記過酸化水素噴出しノズルの過酸化水素噴出し口から噴出する過酸化水素は前記気体ノズルの気体噴出し口から噴出する気体とさらに短時間に接触でき、それらが十分に混合されることを特徴とするオゾン散気装置である。

本発明によるオゾン散気装置によれば、導入されたオゾンは極めて短い時間の間に小さい気泡に処理され、被処理水に十分溶解・混合されることができ、省エネルギーで、効率よく、かつ高いオゾン吸収率を保つ被処理水を得ることが可能となる。また、過酸化水素と被処理水を効率的に混合することも可能となる。さらに、オゾンの高い酸化力と過酸化水素の添加による促進酸化処理プロセスの適用が容易となり、効率的なオゾン処理プロセスの提供に寄与することができる。

発明の実施の形態

以下、本発明を詳細に説明する。
上記散気ノズルは、前記散気ノズルの中心部に気体ノズルを配置し、その気体ノズルの周辺に液体噴出しノズルを配置し、かつ前記気体ノズルの周辺に過酸化水素噴出しノズルを配置する構成としているが、前記散気ノズルの中心部に気体噴出し部を配置し、その気体噴出し部の周辺に液体噴出し噴出し部を配置し、かつ前記気体噴出し部の周辺に過酸化水素噴出し部を配置する構成としてもよい。気体噴出し部は１つあるいは数本とすることができるが一つが好ましい。液体噴出し部および過酸化水素噴出し部の設置数は任意であり、この他の例として、液体噴出し部および過酸化水素噴出し部が細幅な連続環状であってもよい。この場合には噴出し部の液体通過量を制御しやすいという長所がある。なお、気体噴出し部を中心とし、その周辺に液体噴出し部および過酸化水素噴出し部を同心円状に配置すること、および過酸化水素噴出し部は液体の噴出し部よりも中心側に設置する構造が最も効果的である。

液体噴出し部から流出する液体の噴出し方向および過酸化水素噴出し部から流出する過酸化水素の噴出し方向は気体噴出し部からの噴出し方向と平行ないし発散になっていなければ、どういう方向に向かっていてもよい。これを言い換えれば、前記液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体噴出し口側の延長線と平行していなければ、あるいは、液体噴出し口側の延長線および過酸化水素噴出し口側の延長線が気体噴出し口側の延長線に少しも近づかずに離れていく方向でないのであれば、とくに制限されない。たとえば、液体噴出し口側の延長線および過酸化水素噴出し口側の延長線が気体噴出し口側の延長線と極々短い時間内には交差しないようにしてもよいし、液体噴出し口側の延長線および過酸化水素噴出し口側の延長線が気体噴出し口側の延長線と交差するようにしてもよい。このように調整することで、噴出された気体と、噴出された液体や過酸化水素とが衝突し、あるいは噴出された液体が過酸化水素と衝突し、さらには液体や過酸化水素がオゾン接触槽の内壁と衝突するなどの他、回転流など複雑な流れが生じ、それら発生する乱流によるせん断力を利用して、過酸化水素の液体への十分なる溶解・混合、気体の短時間での液体への十分なる溶解・混合、気体の小さな径の気泡生成などがもたらされる。とくに、液体噴出し口側の延長線および過酸化水素噴出し口側の延長線が気体噴出し口側の延長線と交差するようにすると、好ましい結果が得られる。
本発明ではとくに規定していない限り、液体とは被処理水をいい、気体とはオゾンガスをいう。過酸化水素は通常水溶液として供給する。また、溶解・混合とは、溶解、混合のどちらか、あるいは両方である場合を意味する。
上記オゾン散気装置を構成する素材はオゾンにより劣化されず安定であり、適用される圧力に耐えることができる素材であればとくに限定されないのであるが、具体的には金属やセラミックスを素材とすることが好ましい。このオゾン散気装置は常法により製造される。このオゾン散気装置はオゾン接触槽５などオゾンを供給する必要のある部位に設置すればよいのであって、とくに設置場所は制限されない。その設置方法は常法を採用すればよい。
本発明の散気ノズルは、気体と過酸化水素とを液体に接触させ、溶解・混合させることが求められる部位であれば、どのような部位にも適用可能である。とくに、オゾンと過酸化水素とを被処理水に接触させ、溶解・混合させることが求められる部位であれば、どのような部位にも適用可能である。たとえば、オゾン接触層、オゾン反応槽、送信酸化処理槽の底部あるいは下部などを例示できる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されない。
（実施例１）
図１は本発明によるオゾン散気装置の平面図と断面図である。散気ノズルの中心部に気体導入口（１）とつながり、気体噴出し口を有する気体噴出し部を配置し、その周辺に過酸化水素溶液導入口（６）とつながり、過酸化水素溶液噴出し口を有する過酸化水素溶液噴出し部（３）および液体導入口（４）とつながり、液体噴出し口を有する液体噴出し部（２）を同心円状に配置している。この液体噴出し部（２）および過酸化水素溶液噴出し部（３）を各４本設置している。
被処理水はポンプ（図示されていない）により液体導入口（４）から液体噴出し部（２）を経て接触・反応槽（５）内に噴出される。また、過酸化水素溶液は、ホンプ（図示されていない）により過酸化水素溶液導入口（６）から供給され、過酸化水素溶液噴出し部（３）を経て接触・反応容器（５）内に噴出される。

具体的な条件は次のとおりである。被処理水の水量が６．９４Ｌ/分を想定し、気体噴出し部の直径(内径)を２．７ｍｍ、液体噴出し部の直径(内径)を１．４ｍｍ、過酸化水素溶液噴出し部の直径(内径)を０．７ｍｍとしている。また、液体噴出し口側の延長線および過酸化水素溶液噴出し口側の延長線が気体噴出し口側の延長線に対して（以下、傾斜ということがある）なす角度は１５度である。
被処理水および過酸化水素溶液は高速で接触・反応槽（５）内に流入する。しかも、大量の被処理水はオゾンガスと交差するように流入するので、オゾンガスは被処理水と衝突し、微小な気泡となる。このように本オゾン散気装置は、液体の噴出しに伴い発生する、乱流によるせん断力を利用している。そのためこの各導入口からの液流速（液流量÷液導入口断面積）および気体流速（気体流量÷気体導入口総断面積）に応じて、気泡の微細化効果が変化をする。図３には、被処理水（液体）流速とオゾンガス（気体）流速の比率と、観測された平均気泡径の関係を示した。これより、液体流速／気体流速の値は３５程度であれば５００μｍ程度の微細な気泡生成が可能であることがわかる。換言すれば、液体流速／気体流速の値は３５程度のときが、最もせん断力が大きいということであり、このときオゾン散気装置の上方（出口付近）には、強力なせん断領域が存在している。その領域に向けて過酸化水素溶液を供給してやることで、被処理水と過酸化水素の混合が効率的になされる。

このように液体噴出し部（２）、および過酸化水素溶液噴出し部（３）が気体導入口の噴出し方向に向けて傾斜していると優れた効果をもたらす。
ここで、本発明の特長である液体噴出し口の傾斜効果について説明する。表１は液体噴出し口での噴出し角度が０°の場合と、１５°、３０°の場合における平均気泡径の比較である。これより、液体噴出し口の噴出し角度を気体噴出し口の鉛直線上に向けて傾斜させることで、傾斜させない場合に比べて１９.４％程度気泡が微細化されており、せん断、混合力が高まっていることがわかる。液体噴出し口を傾斜させない場合には、導入された気体（気泡）のせん断が均一に行われておらず、部分的に大きな気泡が混在している様子が観察された。これは、導入された気体が一部、液噴出しに伴う乱流域から外れて流動していることを意味しており、本発明の大きな作用である、混合性確保、およびオゾン吸収効率向上の観点から望ましくない。本発明のように液体噴出し口付近の乱流を、気体側に向けてより中心部に収束させることで、よりせん断力を高めると同時に、均一に気泡をせん断することが可能となり、平均気泡径をより小さく制御することが可能であると言える。

表１ 気体噴出し口の噴出し角度と平均気泡径
単位(μm)

（実施例２）
図２は本発明による上記と異なるオゾン散気装置の平面図と斜視図である。
散気ノズルの中心部に気体噴出し口を有する気体噴出し部を配置する。気体の噴出し方向は図２の矢印７のとおりであり、上記実施の態様でのオゾン散気装置での気体噴出し方向と同じ方向である。その気体噴出し部の周辺に過酸化水素溶液噴出し部（３）を配置する。過酸化水素溶液の噴出し方向は図２の矢印９のとおりである。その気体噴出し部の周辺であって、過酸化水素溶液噴出し部（３）の外側に液体噴出し部（２）を配置する。液体の噴出し方向は図２の矢印８のとおりである。
被処理水はポンプ（図示されていない）により液体噴出し部（２）を経て接触・反応槽（図示されていない）内に噴出される。また、過酸化水素溶液は、ホンプ（図示されていない）により過酸化水素溶液噴出し部（３）を経て接触・反応容器内に噴出される。
接触・反応槽内では過酸化水素溶液と被処理水は、高速で矢印に沿った方向に噴出され、噴出された気体と混合される。図１との差異は、図１が全ての過酸化水素溶液の噴出し方向が一点で交差し、それが気体噴出し方向の直線上であって、さらに液体噴出し方向もその全てが気体方向上の線で交差する構成に対して、図２においては、過酸化水素溶液および液体が気体噴出しの周囲から噴出される点では同じであるが、噴出しの方向が気体噴出し上の方向に傾きつつ周方向にも傾斜して噴出すため、気体噴出し方向上の一点で交差することなく周囲方向の流れを引き起こし、攪拌する作用を有する構成である。このため、被処理水同士、過酸化水素溶液同士が衝突し、さらに被処理水と過酸化水素溶液と気体とが衝突し、気体は微小な気泡となる。このように、本オゾン散気装置は被処理水と過酸化水素溶液の噴出しに伴い発生する乱流によるせん断力を利用している。

以上の説明から本発明は次のように記載することもできる。
（１）被処理水に散気ノズルを介してオゾンガスを導入して溶解・混合せしめるオゾン散気装置において、前記散気ノズルの中心部に気体噴出し部を配置し、その気体噴出し部の周辺に液体噴出し部を配置し、かつ前記気体噴出し部の周辺に過酸化水素噴出し部を配置する構成とし、さらに前記液体噴出し部の液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出し部の過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体部の気体噴出し口側の延長線と平行ないし発散していないことを特徴とするオゾン散気装置。
（２）過酸化水素噴出し部を気体噴出し部と液体噴出し部の間に配置することを特徴とする上記（１）１記載のオゾン散気装置
（３）前記液体噴出し部の液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出し部の過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体噴出し部の気体噴出し口側の延長線と交差していることを特徴とする上記（１）または（２）記載のオゾン散気装置。

（４）被処理水に散気ノズルを介してオゾンガスを導入し、溶解・混合せしめるオゾン導入方法において、前記散気ノズルの中心部に配置した気体ノズルから気体を噴出し、その気体ノズルの周辺に配置した液体噴出しノズルから液体を噴出し、かつ前記気体ノズルの周辺に配置した過酸化水素噴出しノズルから過酸化水素を噴出すと共に、前記液体の噴出し方向および前記過酸化水素の噴出し方向が前記気体の噴出し方向と平行ではなく、一時的にも収束傾向にあることを特徴とするオゾンおよび過酸化水素の導入方法。
（５）前記液体の噴出し方向および前記過酸化水素の噴出し方向が前記気体の噴出し方向と交差していることを特徴とする上記（４）記載のオゾンおよび過酸化水素の導入方法。
（６）被処理水に散気ノズルを介してオゾンガスを導入し、溶解・混合せしめるオゾン導入方法において、前記散気ノズルの中心部に配置した気体噴出し部から気体を噴出し、その気体噴出し部の周辺に配置した液体噴出し部から液体を噴出し、かつ前記気体噴出し部の周辺に配置した過酸化水素噴出し部から過酸化水素を噴出すと共に、前記液体の噴出し方向および前記過酸化水素の噴出し方向が前記気体の噴出し方向と平行ではなく、一時的にも収束傾向にあることを特徴とするオゾンおよび過酸化水素の導入方法。
（７）前記液体の噴出し方向および前記過酸化水素の噴出し方向が前記気体の噴出し方向と交差していることを特徴とする上記（６）記載のオゾンおよび過酸化水素の導入方法。

図１は本発明のオゾン散気装置の平面図と断面図である。 図２は本発明の上記と異なるオゾン散気装置の平面図と斜視図である。 図３は液流速と気体流速の比率と平均気泡径の関係を示す。

符号の説明

１…気体導入口
２…液体噴出し部
３…過酸化水素溶液噴出し部
４…液体導入口
５…接触・反応容器
６…過酸化水素溶液導入口
７…気体の噴出し方向
８…液体の噴出し方向
９…過酸化水素溶液の噴出し方向

Claims (3)

1. 被処理水に散気ノズルを介してオゾンガスを導入して溶解・混合せしめるオゾン散気装置において、前記散気ノズルの中心部に気体ノズルを配置し、その気体ノズルの周辺に液体噴出しノズルを配置し、かつ前記気体ノズルの周辺に過酸化水素噴出しノズルを配置する構成とし、さらに前記液体噴出しノズルの液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出しノズルの過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体ノズルの気体噴出し口側の延長線と平行していないことを特徴とするオゾン散気装置。
2. 過酸化水素噴出しノズルを気体ノズルと液体噴出しノズルの間に配置することを特徴とする請求項１記載のオゾン散気装置。
3. 前記液体噴出しノズルの液体噴出し口側の延長線および前記過酸化水素噴出しノズルの過酸化水素噴出し口側の延長線が前記気体ノズルの気体噴出し口側の延長線と交差していることを特徴とする請求項１または２記載のオゾン散気装置。
   

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