JP2009190003A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 通水量が大きく信頼性の高い水処理装置を提供する。
【解決手段】 本発明の水処理装置は、本体２と、ノズル２ａと、高圧側電極３と接地側電極４とからなる放電部を有し、ノズル側から被処理水１を一定の圧力で送給し微小キャビテーション気泡を発生させこれに放電プラズマを形成させて、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行うもので、放電部を高圧側電極に平行かつ等間隔に配置した接地側電極とからなる組電極とし、組電極８を本体の内壁から中心部に向けて突出させこれを円周方向に少なくとも３組設けるとともに、組電極の高圧側電極に３相の高電圧電源からそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相を接続する構成にしたものである。

【選択図】 図１

Description

本発明は、上水、下水、産業排水、ゴミ処理場浸出水、畜産排水、工業用排水、食品加工用排水、半導体等洗浄用排水、プール用水、船舶用バラスト用排水、河川・湖沼等の汚染水等における有機物、微生物、細菌類もしくはアンモニア含有水の処理を行う水処理装置に関する。

近年、用・廃水中に含まれる有害あるいは不快な要因となる、有機物や細菌類の処理に、放電等により生成されるオゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を利用して水を浄化する処理方式が定着しつつある。
オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種は、それ自身がもつ強力な酸化力で水中に溶解している溶存性の有機物を酸化分解する作用があり、上下水のみならず産業用廃水、プール用水、船舶用バラスト用廃水等の各種用廃水のＣＯＤ、脱色、脱臭、殺菌、有害な難分解性有機物等の除去手段として導入が広がりつつある。
オゾンを利用した一般的な処理方法としては、空気または高濃度酸素を放電空間に通気して気体オゾンを生成し、これを散気等により水中に溶解して除去対象物質に接触反応させるといったものである。しかし、この方法は電力効率が低いこと、大型の装置、高いコスト等の問題がある。この対策として、水中に設置した電極間で空気や酸素を積極的且つ効率的に曝気することによって微細気泡を発生させ、こうした水中内の気泡空間で放電を発生させるといった方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、放電空間を形成するための微細気泡を生成するために、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備が付随されている。同時に水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備が必要であることが容易に予測されるなど、コンパクト化、低コスト化は極めて困難である。また、微細化された気泡中の圧力は、ほぼ大気圧と同等か、それよりも高い圧力となっている。このため、放電空間を形成するときの放電開始電圧が高く、高電圧印加が必要であるため受電設備が大規模になる。なお、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を主とする化学的な作用のみに期待できる方法であり、被処理水中に浮遊物等が混在する場合には効果が制限されるといったようなことも懸念されている。
このようなことから、通水管路内にキャビテーション気泡を発生させ、この微細な気泡を利用して放電プラズマを形成し、水処理を行う装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このときの水処理装置は図６のようになっている。
図６は、従来の水処理装置を示す概略構成図である。図において、１は被処理水、２は本体、３は高圧側電極、４は接地側電極、５は放電部、６は高周波を発生する高電圧電源、７は処理水である。
本体２は、ノズル２ａを有しており、通常、絶縁体からなるが、導電体からなる場合は高圧側電極３を絶縁体で浮かせる。
被処理水１はポンプや高低差等を利用して一定の圧力で本体２に加圧送給される。本体２の管路内に設置されたノズル２ａはベンチュリ−構造を有しており、ノズル２ａの後部先端の最縮小部を通過直後、この後段近傍では急激な圧力低下が生じる。そのとき液体の飽和蒸気圧以下になった領域では沸騰現象が生じ、無数の小さなキャビテーション気泡が発生する。ノズル２ａの後段近傍には、高圧側電極３と接地側電極４を対向させた放電部５がある。この放電部５には該キャビテーション気泡が発生しており、高電圧電源６から正弦状波形、パルス波形もしくは矩形等の高電圧を印加することにより、放電部５の通水管路空間には放電プラズマが形成される。この放電空間では、キャビテーション気泡中に含まれる蒸気や酸素が高密度の電気エネルギーによって励起され、ヒドロキシラジカルやオゾン等の活性種が生成される。これらは速やかに被処理水１の中に溶け込み、被処理有機物等と効果的に反応してこれを分解することにより清浄な処理水７が得られる。また、キャビテーション気泡は流速が減じて圧力が増加した箇所で消滅するが、急激に気泡が縮むため、気泡内に衝撃力が生じる。この衝撃力により被処理水中の被処理有機物等を粉砕等の相乗作用を得ることができるといったものである。
特開平５−３１９８０７ ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０５４８７

ところが、従来の水処理装置では被処理水の通水量を増大する場合、通水管の管径を拡大する必要があり、これに伴って放電空間を拡大することや、放電部の距離を広げることが要求される。放電部の距離を広げると放電開始電圧が上昇するので、高圧側電極への印加電圧を増大させる必要がある。
印加電圧の増大を抑制する手段として、送給する被処理水の圧力を高めてノズル後段における管路内の圧力を低下させることにより、キャビテーション気泡の密度を増大することや、放電部の設置場所を最適化する方法等がある。しかしながら、処理効率上これらの運用には限界がある。このように従来技術では、通水量が制限されるため、単位装置の処理規模を拡大することが困難である。
また、放電プラズマの形態がアーク放電となる場合、処理時間の進行につれて金属製放電部の電界が集中する先端部が高熱により溶融して欠損するため、長期安定性が得られないといった問題がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放電部の電極間隔を広げることなく放電空間を拡大して単位装置における処理規模を大幅に拡大するとともに、放電部の欠損による影響を抑制して長期安定性を確保することのできる水処理装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、筒状の本体と、その前段に設けたベンチュリ形状のノズルと、前記ノズル後段のキャビテーション気泡空間に設けた高圧側電極と接地側電極とからなる放電部とを有し、前記ノズル側から被処理水を一定の圧力で送給して微小キャビテーション気泡を発生させ、前記放電部近傍を通過するキャビテーション気泡空間に放電プラズマを形成させて、前記被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行う水処理装置において、前記放電部は、高圧側電極に平行かつ等間隔に配置した接地側電極とからなる組電極とし、前記組電極を前記本体の内壁から中心部に向けて突出させこれを円周方向に少なくとも３組設けるとともに、前記組電極の高圧側電極に３相の高電圧電源からそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相を接続する構成にしたものである。
請求項２に記載の発明は、前記組電極を３の倍数組設け、それぞれの組電極の高圧側電極に３相の高電圧電源からＲ相、Ｓ相、Ｔ相を接続する構成にしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記被処理水が前記組電極の放電空間近傍を流れるように、前記本体の中央部に略同心円状に整流スペーサを設けたものである。
請求項４に記載の発明は、前記整流スペーサを前記被処理水が外周方向への回転流れを形成するように回転翼を施した形状とするものである。

請求項１に記載の発明によると、高圧側電極と平行に接地側電極を配置することにより、キャビテーション気泡の通過する流れの状態に応じて高圧側電極と接地側電極の対向する側の広い範囲に分散されて放電が形成されることになる。また、高圧側電極と接地側電極を一対のみでなく、複数の接地側電極を配置することにより、高圧側電極の電界が集中して放電が形成される面を多方向に分散させることができる。このように、３次元方向に広く放電場を形成するとともに、本体２の管路内の３箇所に各々の組電極を配置して３相の高電圧を供給することにより、放電形成空間が拡大し、通水量の増加に伴う単位装置当りの処理規模の拡大に寄与することができる。
また、放電場を広く分散することにより、局所への電界の集中を緩和し、金属の高熱溶融による欠損を大幅に軽減することが可能となる。
請求項２に記載の発明によると、処理水量に応じて３相の放電部をｎ数倍設けることにより、さらなる単位装置当りの処理規模の拡大が可能になる。
請求項３に記載の発明によると、放電形成空間からの距離が長くなる中心部付近には整流スペーサを設けることにより、単位装置当りの処理規模の拡大に伴う処理効率の低下を防止することができる。
請求項４に記載の発明によると、整流スペーサに回転翼を施すことにより、被処理水が外周方向に攪拌される。このため、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質は放電により生じるラジカルや電界、あるいは紫外線と一様に接触することになり処理効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１を示す水処理装置の概略構成図、図２は図１電極部分の断面図、図３は図２の電極部分の拡大断面図である。
図において、８は組電極である。それ以外の各部の符号は従来例と同じである。配置や構造が異なる電極及び構成について説明する。
組電極８は、棒状の高圧側電極３と、これと同形状の接地側電極４からなり、高圧側電極３を中心として平行かつ等間隔に２本対称に配置している。この組電極８を、本体２の管路内壁から中心部に向けて突出させこれを円周方向に略等間隔で３組設けるとともに、３相高電圧電源６ｂから前記組電極の高圧側電極にそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相の高電圧を供給するように構成している。

つぎに、本実施例の動作について説明する。
まず、被処理水１を本体２に通水すると、従来例と同様にキャビテーション気泡が発生する。
ついで３箇所の組電極８に３相の高電圧を印加すると、キャビテーション気泡の通過する流れの状態に応じて高圧側電極と接地側電極の対向する側の広い範囲に分散されて放電空間が形成される（図３）。キャビテーション気泡は激しい攪拌により本体２の管路内に広く形成された放電に接触することにより、キャビテーション気泡中に含まれる蒸気や酸素が高密度の電気エネルギーによって励起され、ヒドロキシラジカルやオゾン等の活性種が生成される。これらは速やかに被処理水中に溶け込み、キャビテーション気泡やキャビテーション気泡の消滅に伴う激しい乱流により均一に拡散され、被処理有機物等と効果的に反応してこれを分解することにより清浄な処理水が得られる。また、キャビテーション気泡は流速が減じて圧力が増加した箇所で消滅するが、急激に気泡が縮むため、気泡内に衝撃力が生じる。この衝撃力により被処理水中の被処理有機物等を粉砕等の相乗作用を得ることができる。
このように、組電極８を高圧側電極３と接地側電極４を一対ではなく、二対としたことにより、高圧側電極３の電界が集中して放電が形成される面を二方向に分散させることができ、広く放電場を形成することができる。さらに、本体２の管路内の３箇所に組電極８を配置して３相の高電圧を供給したことにより、放電形成空間が拡大する。これらにより、本体２の管路の断面積の拡大が容易にできるようになり、通水量の増加に伴う単位装置当りの処理規模を拡大することが可能になる。
一方、放電場を広く分散したことにより、局所への電界の集中を緩和し、金属電極の高熱溶融による欠損を大幅に軽減することが可能となる。
なお、ポンプや高低差等を利用して圧送するときの水圧は被処理水１の水質等にもよるが、概ね０．１〜１．５ＭＰａの範囲で設定するのが良い。

図４は本発明の実施例２を示す水処理装置の概略構成図、図５は図４の電極部分の断面図である。図において、９は整流スペーサ、１０は回転翼である。
その他の符号は実施例１と同じである。本実施例では、組電極８を６箇所に配置するとともに、本体２の管路の中心部に管壁から一定の間隔を保って整流スペーサ９を配置したものである。本構成により、さらなる単位装置当りの処理規模の拡大が可能になるとともに、処理規模の拡大に伴う処理効率の低下を防止することができる。さらに、整流スペーサに施した回転翼１０により、被処理水１が外周方向に攪拌される。これにより、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質は放電により生じるラジカルや電界、あるいは紫外線と一様に接触することになり処理効率が向上する。
なお、本実施例ではステンレスやタングステン等金属製の電極としたが、この表面を高圧側電極、及び接地側電極に、耐アーク放電及び耐磨耗性を有する非絶縁または絶縁性皮膜を施すことにより、アーク放電やキャビテーションの影響による電極の欠損をさらに防止し、長期安定性及び信頼性の向上を実現することができる。

本発明の水処理装置は、微生物や細菌類の不活化に絶大な効果が見込まれる。特にオゾン等の化学的な処理のみでは大きな効果が期待できなかった、クリプトスポリジウム等のオゾン耐性微生物や、近年問題視されているバラスト水の殺菌処理などにも有効である。
また、水処理に限定せず、ＰＣＢの分解や薬品の無害化処理等、その他多用な液体について、キャビテーション発生ノズルの後段において被処理液体の飽和蒸気圧以下まで圧力を低下させ、キャビテーションが発生するものについては処理することができ、幅広い分野での適用が可能である。

本発明の実施例１を示す水処理装置の概略構成図 図１の電極部分の断面図 図２の電極部分の拡大断面図 本発明の実施例２を示す水処理装置の概略構成図 図２の電極部分の断面図 従来の水処理装置を示す概略構成図

符号の説明

１ 被処理水
２ 本体
２ａ ノズル
３ 高圧側電極
４ 接地側電極
５ 放電部
６ａ 単相高電圧電源
６ｂ ３相高電圧電源
７ 処理水
８ 組電極
９ 整流スペーサ
１０ 回転翼

Claims (4)

1. 筒状の本体と、その前段に設けたベンチュリ形状のノズルと、前記ノズル後段のキャビテーション気泡空間に設けた高圧側電極と接地側電極とからなる放電部とを有し、前記ノズル側から被処理水を一定の圧力で送給して微小キャビテーション気泡を発生させ、前記放電部近傍を通過するキャビテーション気泡空間に放電プラズマを形成させて、前記被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行う水処理装置において、
   前記放電部は、高圧側電極に平行かつ等間隔に配置した接地側電極とからなる組電極とし、前記組電極を前記本体の内壁から中心部に向けて突出させこれを円周方向に少なくとも３組設けるとともに、前記組電極の高圧側電極に３相の高電圧電源からそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相を接続する構成にしたことを特徴とする水処理装置。
2. 前記組電極は３の倍数組設けられ、それぞれの組電極の高圧側電極に３相の高電圧電源からＲ相、Ｓ相、Ｔ相を接続する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
3. 前記被処理水が前記組電極の放電空間近傍を流れるように、前記本体の中央部に略同心円状に整流スペーサを設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
4. 前記整流スペーサは、前記被処理水が外周方向への回転流れを形成するように回転翼を施した形状とすることを特徴とする請求項３記載の水処理装置。

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