JP2006130410A - 液体処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ストリーマ放電を行いつつ処理効率も向上させることができる放電による液体処理方法およびその装置を提供する。
【解決手段】 管体を流れる被処理液に一対の電極５，６を浸漬させ、プラズマが陰極６に到達する前に印加電圧を低下させることによりプラズマが陰極６に届かない状態のストリーマ放電を電極５，６間に形成し、その電極間を通過する被処理液を改質する液体処理方法において、被処理液の流れがプラズマ形成領域内を通過するように被処理液の流れを一対の電極５，６の上流側で管体３の中心に向けて絞ることを特徴とする放電による液体処理方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機性汚泥の可溶化、廃水中のダイオキシン等の微量有害物質の分解、廃水中の有機物の分解、食品や飲料水の殺菌等に適用される液体処理方法およびその装置に関するものである。

従来、水の再利用や殺菌、廃水中の微量有害物質を除去する方法として、活性炭処理、オゾン処理、膜処理等の各種処理方法が実用化されている。

上記活性炭処理は有機性の汚濁物質の吸着除去に適しているが殺菌効果がなく、活性炭の交換が必要である。また、上記オゾン処理は脱色、脱臭、殺菌効果が優れている反面、残留オゾンを処理する必要がある。また、上記膜処理は水質浄化の観点から見れば優れているが、維持管理が繁雑でありランニングコストが高い。

そこで、殺菌、水質浄化が可能で且つ維持管理も比較的容易な処理方法として高電圧パルス放電処理方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載の液体処理方法は、図６に示すように、汚泥を導入するための入口と排出するための出口を備えた処理容器５０を有しており、その処理容器５０内に、針状の陽極５１とリング状の陰極５２からなる一対の電極が設けられている。

この電極対を汚泥に浸漬させ、電極間にパルス状の電力を高電圧電源５３から供給して放電状態を形成し電極間の処理液を改質するが、汚泥中に形成される放電がストリーマを維持する所定時間以下となるように放電を制御することにより、プラズマが陰極５２に到達した場合に発生するアーク放電を抑制するようにしている。

次にストリーマ放電とアーク放電の違いについて図７を参照しながら説明する。

同図(ａ)はストリーマ放電を、同図(ｂ)はアーク放電を発生させた場合のそれぞれのプラズマを垂直方向から見たものである。

各放電において、中心の陽極５１からリング状の陰極５２（図６参照）に向けてプラズマが発生する。これらの放電は二次元的、すなわち面状の放電状態を形成するため、一本の線状に形成される放電に比べ汚泥に対して広範囲にプラズマを作用させることが可能になり処理効率の向上が図れる。

ところが、アーク放電では制御されていない高電圧が印加され一定時間後にプラズマがリング状の陰極５２に到達するため、電気抵抗が急激に低下して一気に大電流が流れ、大エネルギが放出されることになる。このときの電圧と印加時間の関係は図８の線図中、実線Ｖ₁で示される。そして大エネルギが放出される際に衝撃波が発生して騒音となり、装置の耐久性をも低下させる原因になる。さらに、制御されない高電圧を印加するためエネルギ消費量が大きいという問題もある。

一方、ストリーマ放電では、図８の線図中、破線Ｖ₂で示されるように、高電圧の印加時間を意図的に制御している。具体的には、プラズマがリング状の陰極５２に到達する前に印加電圧を低下させているため、陰極５２にプラズマが届かない状態での面状の広がりを持つ放電が可能になる。それにより、アーク放電に特有な衝撃波の発生が防止される。
特開２００２−１３５０号公報

しかしながら、上記したストリーマ放電によれば衝撃波が防止されることによって騒音が解消され装置の耐久性も向上させることができるものの、プラズマが陰極５２まで到達しないことにより処理容器５０内の外周側はプラズマの存在しない領域が発生していることになる。

図６に示した装置において、処理容器５０の流心部を流れる流れＡについては放電が発生しているプラズマに接触するが、外周部を流れる流れＢおよびＣについてはプラズマと十分に接触しないことになる。プラズマと接触しない汚泥は未処理のまま処理容器５０から排出されるため、結果として処理効率が低下する原因となる。

本発明は以上のような従来のストリーマ放電による液体処理方法における課題を考慮してなされたものであり、ストリーマ放電を行いつつ処理効率も向上させることができる液体処理方法およびその装置を提供するものである。

本発明に係る液体処理方法は、管体を流れる被処理液に一対の電極を浸漬させ、電極間に高電圧を印加して放電を行う際、プラズマが陰極に到達する前に印加電圧を低下させ、プラズマが陰極に届かない状態のストリーマ放電を電極間に形成し、その電極間を通過する被処理液を改質する液体処理方法において、被処理液の流れがプラズマ形成領域内を通過するように、被処理液の流れを一対の電極の上流側で管体の中心に向けて絞ることを要旨とする。

本発明に係る液体処理装置は、管体を流れる被処理液に一対の電極を浸漬させ、電極間に高電圧を印加して放電を行う際、プラズマが陰極に到達する前に印加電圧を低下させ、プラズマが陰極に届かない状態のストリーマ放電を電極間に形成し、その電極間を通過する被処理液を改質する液体処理装置において、一対の電極における被処理液流れ方向の上流側に、被処理液の流れがプラズマ形成領域内を通過するように被処理液の流れを管体の中心に向けて絞る絞り手段を備えてなることを要旨とする。

本発明の液体処理方法および液体処理装置に従えば、管体を流れる被処理液は一対の電極の間を通過する前に管体の中心に向けて絞られるため、管体中心側には被処理液が積極的に流れ、例えばリング状の陰極が配置されている管体内の外周側には被処理液が流れにくくなる。それにより、被処理液はプラズマ形成領域に効率良く案内される。

上記液体処理装置において、管体として被処理液を導入する入口と排出する出口を備えた筒状の処理容器を有する場合、この処理容器内に一対の電極として、処理容器の筒軸上に針状の陽極を配置し、この陽極に直交する状態でリング状の陰極を配置することができる。

また、上記絞り手段として処理容器内の内周面に円環状の絞り板を設ければ、処理容器内の外周側を流れる被処理液はその絞り板によって堰き止められるとともに絞り板の下流側に渦が発生するため、被処理液の流れは専ら処理容器の中心側を流れるようになる。

また、上記絞り手段として上記処理容器における一対の電極の上流側に、針状の陽極まわりに被処理液を旋回させる旋回流形成部を設ければ、例えば粘度の低い被処理液については渦流にすることによって処理容器の中心側を流れるようにすることができる。

また、一対の電極の上流側に絞り手段として絞り板と旋回流形成部の両方を設ければ、高粘度の被処理液でも確実に処理容器の中心側を通過させることができるようになる。

また、上記旋回流形成部は、上流側に向けて径が拡大する円錐部と、拡径された円錐部に対しその接線方向に被処理液を導入する導入部とから構成することができる。

本発明によれば、ストリーマ放電を行いつつ被処理液の処理効率を向上させることができるという長所を有する。

以下、図面に示した一実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

なお、本実施形態では被処理液として有機性廃液である汚泥を例に取って説明する。

図１は、本発明の液体処理方法に使用される装置の構成を示したものである。

同図において、液体処理装置１は、沈殿装置（図示しない）から汚泥を導入するための入管２と、その入管２を介して送られてくる汚泥の流れに旋回力Ｆを与える筒状の処理容器３と、この処理容器３によって処理された汚泥を排出する出管４とを有し、処理容器３内の筒軸上に針状の陽極５が設けられ、この陽極５と直交する状態で上記出管４内にリング状の陰極６が設けられている。上記針状の陽極５とリング状の陰極６からなる一対の電極は高電圧電源７に接続されている。

また、処理容器３と出管４との境界部分には上記針状の陽極５の先端部を挿通させた状態で絞り手段としての絞り板８が設けられている。

以下、各部の構成について説明する。

処理容器３は、図２の斜視図に示すように、出管４から上方に向けて拡径された円錐部３ａと、この円錐部３ａの上部に一体に形成された筒部３ｂとを有し、この筒部３ｂに対しその接線方向に導入部としての入管２が接続されている。なお、上記入管２、円錐部３ａおよび筒部３ｂは旋回流形成部として機能するようになっている。

また、図１に示したように絞り板８は円環状に形成されており、処理容器３内を流れる汚泥をその中心側に案内するようになっている。それにより、処理容器３内の外周側を流れる被処理液はその絞り板８によって堰き止められるとともに絞り板８の下流側に渦が発生するため、被処理液の流れは専ら処理容器３の中心側を流れるようになる。

上記筒部３ｂの筒軸Ｘ上には針状の陽極５が配置されており、この陽極５の先端部５ａは絞り板８を通過してリング状の陰極６の中心近くまで垂下されている。従って針状の陽極５は旋回しながら流れる汚泥の中心に位置することになる。

この処理容器３によって処理される汚泥は電気的にある所定の誘電率を示す誘電体とみなすことができ、上記電極５，６間に誘電体が満たされた状態で高電圧電源７によって高電圧を加え、電極５，６にそれぞれ正負の電荷を搬送すると、誘電体には電界が形成され、この電界の強さがある程度以上になると絶縁破壊を生じ、電極５，６間に放電が発生する。

通常、液体中に浸漬した電極間に高電圧を印加していくと、その電極間には相応の高電界が形成され、この高電界によっていわゆる一次なだれが形成される。この一次なだれの経路では電子と正イオンとの付着作用によっていくらかの残留負イオンが発生する。液体中の電荷量はその残留イオンとそれ以前から存在している電荷の総和、すなわち空間電荷量となり、液体中の電界は、その空間電荷からなる電界と、電極間に印加される高電圧による印加電界との合成電界となる。

この合成電界が十分大きくなれば一次なだれの発展中に光電離で生じた電子が上記残留イオン群の重心に向かって流れ、二次なだれが形成される。上記一次なだれとこの二次なだれとによって細いプラズマが形成される。これがストリーマ放電と呼ばれる現象である。

本発明はこのストリーマ放電を利用して液体処理を行うものであるが、プラズマが陰極６に到達する前に印加電圧を低下させることによりプラズマが陰極６に届かない状態のストリーマ放電を電極５，６間に形成している。

そのため、従来の液体処理装置では陰極６近傍である出管４の外周側では汚泥が処理されずに通過してしまうことがあり、処理効率を低下させる原因となっていた。

そこで、本実施形態では処理容器３について、直線的に導入される被処理液を旋回流に変え得る構成とし、具体的には筒部３ｂに対して汚泥をその接線方向から導入することにより、処理装置３内の汚泥の流れを旋回流に変え、円錐部３ａに沿って降下させることにより汚泥の流れを収束させ、さらに、絞り板８によって大部分の汚泥を出管４の中心部を流れるようにしている。

その結果、処理容器３内を旋回しながら降下する汚泥の流れの中心は周辺側よりも流速が速められた状態で一対の電極５，６間に導入される。一方、処理容器３内の外周側の流れは絞り板８に堰き止められるため、図１の矢印Ｄに示すように絞り板８の下流側には渦が発生し汚泥が流れずに滞留する。

なお、上記した実施形態は、流れを制御することが困難であるような粘度が高く且つＳＳ（Suspended substance）濃度の高い下水汚泥の改質処理を行うため、処理容器３内で汚泥の流れに旋回力を与えるとともに絞り板８を設けているが、粘度の低い排水または濃度の低い汚泥を処理する場合には必ずしも旋回流形成部と絞り板８の両方を具備する必要はなく、どちらか一方の手段のみで十分である。また、処理する対象によっては円錐部３ａの傾斜角と処理容器３内を流れる汚泥の速度を制御するだけで流れを絞ることも可能である。

図３は円環状の絞り板８を設け、旋回流を形成せずに汚泥の流速のみを制御した場合の流動解析結果を示し、図４は絞り板８を備えていない従来の液体処理装置による流動解析結果を比較のために示したものである。なお、図中、１０ａ，１０ｂは円錐状の電極カバーであり、この電極カバーの先端から針状の陽極の先端部５ａが突出し、その先端部５ａよりさらに１０ｍｍ下方に外径５０ｍｍのリング状陰極６が配置されている。また、出管４の内径は５０ｍｍ、絞り板８の開口径は３６ｍｍ、円錐部３ａの傾斜角は３３°に設定している。

本実施形態の液体処理装置と従来のそれとは、出管４と出管１１の径が同じであり、針状の陽極５と針状の陽極１３の配置、及びリング状陰極６とリング状の電極１２の配置が同じである。

図３(ａ)において、処理容器３に導入される汚泥は絞り板８の上流側で容器外周側の流れが制限され、出管４の中心から距離Ｓ₁の位置で流速が最大（図中、流速０．９ｍ／ｓの領域Ｒ１参照）になり、出管４の外周側に向けて次第に流速が低下し（図中、領域Ｒ２〜Ｒ５参照）、領域Ｒ６〜Ｒ８については領域Ｒ１の略１／４まで流速が低下している。

上記汚泥の流速が低下している領域Ｒ６〜Ｒ８、すなわち図中、Ｓ₃で示した環状の範囲は、絞り板８を管軸方向に投影した投影面積とほぼ対応しており、さらに環状の範囲Ｓ₃における領域Ｒ９では最も流速が遅く、実質的に流れの溜まりを形成し流速は略ゼロとなっている。従って、領域Ｒ１と領域Ｒ９の流速差は０．９ｍ／ｓとなり大きな差がある。

リング状の陰極６は図３(ｂ)に示すように、上記流れが溜まる領域Ｒ９内に配置されているため、ストリーマ放電が形成された際にプラズマが陰極７まで到達しない範囲については汚泥が流れず、従って処理容器３に導入され電極５，６間を通過する汚泥については出管４の中心部で流速が速められているため流量が増加し、確実にプラズマと接触させることができるようになる。

一方、比較例として示した従来の液体処理装置では、図４(ｂ)に示すように、絞り板８が存在しないため、リング状の陰極１２付近の流速は針状の陽極１３に近い出管１１中心側の領域Ｒ１０で０．４ｍ／ｓと最も速く、リング状の陰極１２寄りすなわち出管１１の外周側の領域Ｒ１１で最も遅く０．３ｍ／ｓとなる（図４(ａ)参照）が、その差は０．１ｍ／ｓと少ない。

このように、従来の液体処理装置では出管１１の中心側と外周側において流れる汚泥の流速に大きな差はないため、ストリーマ放電が形成された場合に、プラズマが陰極１２に到達しない範囲についても汚泥が流れてしまい、処理効率の低下が避けられない。

次に、図５は本実施形態において形成される放電範囲と汚泥流速との関係を示したものであり、横軸は放電中心（針状の陽極５）からの距離ｍを示し、縦軸は出管４内をその管軸方向に流れる汚泥の流速ｍ／ｓを示している。

同図において、実線Ｌは絞り板８を配置した本実施形態による流速を示し、破線Ｌ′は従来装置による流速を示している。

同図から分かるように、本実施形態では管軸方向流速は最大で０．９ｍ／ｓとなり、従来例の管軸方向平均流速０．４ｍ／ｓの略２．３倍となっている。

次に、本実施形態による液体処理装置と従来の液体処理装置との改質効果を実験で比較した。

汚泥の改質処理効果は下水中の一般細菌数の殺菌率で比較した。

汚泥として下水処理場の重力濃縮汚泥、１０，０００ｍｇ／Ｌを用いた。高電圧電源７による印加電圧は７０ｋＶ、周波数は５００Ｈｚに設定した。

１００Ｌの濃縮汚泥に対し、６分間のストリーマ放電による液体処理を行った。なお、汚泥は入管２と出管４とを接続して循環路を形成し、その循環路にポンプ（図示しない）を介設することにより、汚泥を循環させた。なお、ポンプ流量は３０Ｌ／分に設定した。

表１に実験結果を示す。

なお、本発明において、電極の上流側で被処理液の流れを絞るに当たり、上記実施形態では絞り板８を用いたが、管体の外周側を流れる被処理液を堰き止めてオリフィスとして機能するものであれば、絞り板に限らず任意の形状のものを使用することができる。

本発明の液体処理装置の構成を示す断面図である。 図１の処理容器の構成を示す斜視図である。 (ａ)は本発明の液体処理装置による被処理液の流速分布を示す説明図、(ｂ)はその装置の構成図である。 (ａ)は従来の液体処理装置による被処理液の流速分布を示す説明図、(ｂ)は従来の装置の構成図である。 放電中心からの距離と被処理液の流速との関係を示すグラフである。 従来の液体処理装置の構成を示す説明図である。 (ａ)はストリーマ放電を示す模式図、(ｂ)はアーク放電を示す模式図である。 放電時の印加電圧と印加時間の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 液体処理装置
２ 入管
３ 処理容器
３ａ 円錐部
３ｂ 筒部
４ 出管
５ 針状の陽極
５ａ 先端部
６ リング状の陰極
７ 高電圧電源
８ 絞り板
１０ａ，１０ｂ 電極カバー
１１ 出管
１２ リング状の陰極
１３ 針状の陽極

Claims (6)

1. 管体を流れる被処理液に一対の電極を浸漬させ、電極間に高電圧を印加して放電を行う際、プラズマが陰極に到達する前に印加電圧を低下させ、プラズマが陰極に届かない状態のストリーマ放電を上記電極間に形成し、その電極間を通過する被処理液を改質する液体処理方法において、
   上記被処理液の流れがプラズマ形成領域内を通過するように、被処理液の流れを上記一対の電極の上流側で上記管体の中心に向けて絞ることを特徴とする液体処理方法。
2. 管体を流れる被処理液に一対の電極を浸漬させ、電極間に高電圧を印加して放電を行う際、プラズマが陰極に到達する前に印加電圧を低下させ、プラズマが陰極に届かない状態のストリーマ放電を電極間に形成し、その電極間を通過する被処理液を改質する液体処理装置において、
   上記一対の電極における被処理液流れ方向の上流側に、上記被処理液の流れがプラズマ形成領域内を通過するように上記被処理液の流れを管体の中心に向けて絞る絞り手段を備えてなることを特徴とする液体処理装置。
3. 上記管体として被処理液を導入する入口と排出する出口を備えた筒状の処理容器を有し、この処理容器内に上記一対の電極として、上記処理容器の筒軸上に針状の陽極が配置され、この陽極に直交する状態でリング状の陰極が配置されている請求項２記載の液体処理装置。
4. 上記絞り手段として上記処理容器の内周面に円環状の絞り板が設けられている請求項３記載の液体処理装置。
5. 上記絞り手段として上記処理容器における上記一対の電極の上流側に、上記針状の陽極まわりに被処理液を旋回させる旋回流形成部が設けられている請求項３または４記載の液体処理装置。
6. 上記旋回流形成部として上流側に向けて径が拡大する円錐部と、拡径された円錐部に対しその接線方向に被処理液を導入する導入部とを有する請求項５記載の液体処理装置。

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