JP2009220042A - 紫外線消毒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 処理槽内を通流する被処理水に対して紫外光が一様に照射される紫外線消毒装置を提供する。
【解決手段】 流入口41および流出口51を有し、少なくとも一部が円筒状の処理槽2,2Aと、導入した被処理水の流れが処理槽内で旋回流を形成するように被処理水を案内する整流機構8,8Aと、その端部が整流機構の端部よりも処理槽の内側に位置するようにその全体が処理槽の内部に入り込み、流入口から処理槽内に流れ込んだ被処理水に紫外光を照射する単数または複数の紫外線発光源6と、処理槽の軸方向端面に設けられ紫外線発光源が前記処理槽内に装入される実質的に平らな装入面2aとを有する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、浄水処理、下水処理、食品排水処理、薬品排水処理、遠洋船舶バラスト水処理等において紫外線を被処理水に照射して藻類、微生物、病原性原虫等を不活性化・無害化する紫外線消毒装置に関する。

紫外線消毒は、上下水処理、プールなどの殺菌消毒処理、食品工業における水処理など水処理全般における病原性の微生物、細菌、ウィルスの殺菌、消毒を目的としてその応用が進んでいる。

紫外線消毒は、浄水処理で問題となっている耐塩素性病原菌クリプトスポリジウム、ジアルジアの対策として非常に効果的な消毒方法である。クリプトスポリジウム、ジアルジアは、従来の消毒技術である塩素消毒で不活化できないが、紫外線を僅かに照射するだけで不活化が可能である。例えば、非特許文献１には、１０mJ/cm²以下の照射量でも、クリプトスポリジウム、ジアルジアの２log以上の不活化が実現できたと記載されている。

紫外線消毒性能は、紫外光の強さと照射時間との積（紫外線量）に依存している。紫外光の強さを増大させるためには光源から被処理水までの距離を短くすること、照射時間を長くするためには光源まわりの被処理水の行程を長くすることが有効であり、いずれにしても紫外線処理槽内部での被処理水の流れ方が消毒性能に大きく影響する。

例えば特許文献１の装置では、紫外線透過管の長手に直交する方向に流体を流入させる紫外線照射処理装置において、紫外線透過管の下流側に厚みのないフィン状または平板状の整流機構を設けることにより消毒性能の向上を図っている。

また、特許文献２の装置では、紫外線ランプを殺菌対象流体の流れに直交するように配置することで消毒性能の向上を図っている。
水道協会雑誌 第73巻 第6号 p.60（2004年6月） 特開平９−２７６８５９号公報 特開２００１−２９９４１号公報

しかしながら、従来の装置においては、処理槽内部の構造上の問題から新たに整流機構を設置することが困難な場合があり、また、整流機構を新たに取り付けたとしても大きな効果が望めず処理槽内部の流れの僅かな改善しか見込めないというおそれもある。このため、処理槽の内部で被処理水に対して紫外線ランプからの紫外光が一様に照射されるように被処理水の流れを構造上容易な手法で実現することがユーザーから強く要望されている。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、処理槽内を通流する被処理水に対して紫外光が一様に照射される紫外線消毒装置を提供することを目的とする。

本発明に係る紫外線消毒装置は、流入口および流出口を有し、少なくとも一部が円筒状の処理槽と、前記流入口から前記処理槽内に導入した被処理水の流れが前記処理槽内で旋回流を形成するように被処理水を案内する整流機構と、その端部が前記整流機構の端部よりも前記処理槽の内側に位置するようにその全体が前記処理槽の内部に入り込み、前記流入口から前記処理槽内に流れ込んだ被処理水に紫外光を照射する単数または複数の紫外線発光源と、前記処理槽の軸方向端面に設けられ、前記紫外線発光源が前記処理槽内に装入される実質的に平らな装入面と、を有することを特徴とする。

本発明の装置では、処理槽内に配置した整流機構により被処理水が処理槽の内部を旋回して流れ、この旋回流の被処理水に対して紫外光が一様に照射される。また、紫外線発光源は、上端部が整流機構の下端よりも下方に位置するように配置しているため、紫外線発光源の発光域全体を効率良く利用することができる。

また、本発明装置ではランプ挿入部のある処理槽の装入面が平らであることから、ランプ交換などのメンテナンスが容易となる。このように装入面を平らにすることにより、万が一結露などにより水分が処理槽の上面に付着した場合に、付着水が装入面に滞留しないで排除されやすくなる。

本発明に係る紫外線消毒装置は、流入口および流出口を有し、少なくとも一部が円筒状の処理槽と、前記流入口から前記処理槽内に流れ込んだ被処理水の流れが前記処理槽内で旋回流を形成するように被処理水を案内する整流機構と、その端部が前記整流機構の端部よりも前記処理槽の内側に位置するようにその全体が前記処理槽の内部に入り込み、前記流入口から前記処理槽内に流れ込んだ被処理水に紫外光を照射する単数または複数の紫外線発光源と、前記処理槽の軸方向端面に設けられ、前記紫外線発光源が前記処理槽内に装入される実質的に平らな装入面と、を有することを特徴とする。

本発明装置においては、整流機構を処理槽内に配置し、被処理水が処理槽の内部を旋回して流れるようにしているので、被処理水に対して紫外光が一様に照射されやすくなる。さらに本発明装置では、紫外線発光源の上端が整流機構の下端よりも下方に位置するように配置しているので、紫外線発光源（ランプ等）の発光域全体を効率良く利用することができ、細菌等を無害化する処理効率が向上する。

本発明装置において処理槽の装入面を平らにすることにより、処理槽に紫外線発光源を装入するときの取付け作業が大幅に軽減されるとともに、メンテナンス時においては紫外線発光源を処理槽から撤去するときの取外し作業が大幅に軽減される。また、処理槽の装入面を平らにすることにより、万が一結露などにより水分が処理槽の上面に付着した場合であっても、装入面上に付着水が滞留することなく排除されやすくなり、作業しやすい環境が常に保たれるという利点がある。

本発明において、流入口は、処理槽の長手軸に対して直交する方向に被処理水が流れ込むように開口し、整流機構は、流入口から流入した被処理水が旋回流となって案内されるように処理槽の内部に配置されていることが好ましい。処理槽に対する流入口と整流機構の位置関係および流入口と整流機構との相対位置関係をこのように規定すると、水流にＸ，Ｙ方向の旋回力が作用して水流の行程が長くなるので、その分だけ紫外光が水流に長くかつ均一に照射されるようになる。

さらに、本発明装置において、処理槽を縦型または横型の円筒形状とし、紫外線発光源を処理槽の長手軸と平行になるように配置することが好ましい。処理槽は、内部に水の滑らかな旋回流を形成するために円筒形状とする必要があるが、縦型または横型のいずれであってもよい。安定した旋回流の形成のためには、縦型の処理槽のほうが望ましい。この場合に、紫外線発光源を処理槽の長手軸と平行に配置することが肝要である。水流を処理槽の長手軸を中心とする旋回流とするほうが他のタイプの水流よりも紫外光が長くかつ均一に照射されるため、さらに処理効率が向上するからである。

また、本発明において、処理槽は円筒形状の上部および逆円錐形状の下部を有し、流入口は前記処理槽の上部の外周に開口し、流出口は前記処理槽の下部の中央に開口し、紫外線発光源は処理槽の長手軸と平行に、かつ、二次元平面視野内で実質的に等ピッチ間隔になるように配置され、かつ、光透過性の保護管で外周を覆われていることが望ましい。処理槽の形状をサイクロン型にすると、水流に作用する旋回力（Ｘ，Ｙ方向の力）が増強され、旋回する水流の１ピッチ回転当たりのＺ方向への下降距離が短くなるので、水流の行程が長くなり、その分だけ紫外光が水流に長くかつ均一に照射されるようになる。

また、本発明において、紫外線発光源に、紫外線波長領域の光を発光する発光ダイオードを用いることができる。紫外線発光源には紫外線ランプを用いることが一般的であるが、この代わりに紫外線発光源として発光ダイオードを用いると、装置が小型化するばかりでなく、省電力になりランニングコストの削減にもつながる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図７を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。

紫外線消毒装置は、河川採取水のような各種の異物を含む水を処理対象とし、内部に被処理水を通流させ、通流する被処理水に対して紫外光を照射し、消毒済みの浄化処理水を得るものである。図１には本発明の紫外線消毒装置の一例としてインライン型紫外線消毒装置を示す。ここでインライン型とは、紫外線消毒装置を配管の途中に挿入して使用する方式をいう。

図１に示すように、紫外線消毒装置１の処理槽２は円筒形状をなし、処理槽２の上部２ａに流入管４が接続され、図示しない原水供給源（例えば河川取水施設）から流入管４を通って被処理水が処理槽２内に流れ込むようになっている。一方、処理槽２の下部２ｂには流出管５が接続され、処理済みの水が流出管５を通って処理槽２から図示しない貯水槽またはタンクへ送り出されるようになっている。

これらの流入管４と流出管５は、導入した水が処理槽２の内部において旋回流を形成するように、図中のＸ方向にそれぞれ延び出している。図１に示すように、流入管４は、処理槽２の上部周壁に開口する流入口４１に連通している。流入管４は、処理槽２の中心軸から外れた向きに接続されている。すなわち、流入口４１は、図５に示すように円筒形状の処理槽２の内周面（二次元平面では内周円）に内接する接線方向（Ｘ方向）に開口している。同様に、流出管５は、処理槽２の下部周壁に開口する流出口５１に連通している。この流出口５は、図５に示すように円筒形状の処理槽２の内周面（二次元平面では内周円）に内接する接線方向（Ｘ方向）に開口している。

本実施形態では、紫外線発光源として汎用の紫外線ランプを用いた。紫外線ランプ６として、波長２５４ｎｍの紫外光を発光する市販の低圧水銀ランプや高出力低圧水銀ランプ、あるいは中圧水銀ランプのいずれも用いることができる。紫外線ランプは直径が２〜１０ｃｍ程度のものを用いることができる。ランプスリーブ７は、石英ガラスからなり、被処理水が各紫外線ランプ６に直接接触しないようにするために、各紫外線ランプ６を保護するための保護管である。そのため、ランプスリーブ７は、各紫外線ランプ６を包みこむように個別に設置される。

なお、紫外線ランプの代わりに、紫外線波長領域の光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）のような他の発光源を用いることもできる。紫外線発光源にＬＥＤを用いる場合は、保護管のなかに複数個のＬＥＤを所定ピッチ間隔に直列に並べて配置する。

処理槽２の内部には光透過性の円筒状のランプスリーブ７で保護された複数本、例えば４本の紫外線ランプ６がそれぞれ装入され、それらの相互間隙を被処理水が通流する間に紫外光が照射され、被処理水の無害化処理（消毒）が進行するようになっている。図２に示すように、紫外線ランプ６は、筒状のランプスリーブ７のなかに収納された状態で処理槽２のなかに装入されている。ランプユニット６，７を処理槽内に装入するための装入面２ａ（処理槽の上面）は、図１、図３、図５に示すように平らである。なお、図１、図５、図６、図７（ａ）に示すように、紫外線ランプ６は処理槽２の長手軸（Ｚ軸）と平行に配置されている。

図２に示すように、紫外線ランプ６の上端と下端にはランプホルダ６１，６２がそれぞれ取り付けられている。上下一対のランプホルダ６１，６２は、図示しない電源に接続された給電回路を含むユニット化された部品であり、外側が絶縁体で覆われている。ランプスリーブ７の中空部の最下部には緩衝スプリング７３が設けられ、紫外線ランプ６をランプスリーブ７内に挿入すると、下部ランプホルダ６２が緩衝スプリング７３に当たってランプ６に伝わる衝撃が少なくなるようにソフトに支持する構造になっている。

ランプスリーブ７の最下部は、処理槽の底部２ｂに形成された凹所（図示せず）にはまり込むようになっている。ランプスリーブ７の上部は、図３に示すようにキャップ７１がねじ込まれている。このキャップ７１のフランジ部はシール材７２が敷かれた座面に当接し、これによりランプユニット６，７の全体が処理槽の装入面２ａに支持されている。ランプユニット６，７を処理槽２に装入した状態では、図３に示すようにランプスリーブ７のキャップ７１が装入面２ａとほぼ面一になる。

図７の（ａ）に示すように、整流機構を構成する円筒形状の整流板８が処理槽２の上部に取り付けられている。整流板８は、図７の（ｂ）に示すように、処理槽２内に導入された水を旋回流とするために処理槽２の内周面との間に所定の間隙スペースを形成するものである。すなわち、被処理水は、上部の流入口４１から処理槽２内に流れ込み、処理槽２の内周面と整流板８との間に形成された狭いスペースに沿って流れ、図６に示すように下部の流出口５１に向かう旋回流Ｆとなる。このようにして形成された旋回水流は、整流板８の内側スペースに設けられた紫外線ランプ６から照射される紫外光を受けて消毒された後に、流出口５１から流出管５を通って処理槽２の外部へ流出する。

図７の（ａ）に示すように、整流板８は、円筒形状をなし、処理槽上部の挿入面２ａの内壁に取り付けられている。整流板８は、少なくとも流入口４１が開口する位置よりも下方の位置までの長さをもつものであることが望ましい。整流板８は、例えば材質がステンレス鋼（SUS304等）からなり、処理槽上面２ａの内壁に溶接により接合されている。整流板８の円筒の直径の大きさは、紫外線ランプ６の全体を包み込むような大きさであることが望ましい。これにより、流入口４１から処理槽２内に流入した被処理水は処理槽内壁と整流板８とにより案内され、旋回流となって処理槽２の内部を流れ、紫外線ランプ６からの紫外光を照射され、流出口５１から処理槽２の外部へ流出していく。なお、処理槽２は、長手がＺ軸に沿って延び出す縦型のみに限定されることなく、本発明では長手がＸ軸またはＹ軸に沿って延び出す横型であってもよい。

紫外線ランプ６は、ランプスリーブ７の内部に設置されるが、ランプ交換などのメンテナンスを考えると処理槽上部２ａをランプ装入面とすることが望ましい。図７（ａ）に示すように、ランプユニット６，７は、処理槽２の内部で処理対象水に対して、紫外光を照射する役割があるため、紫外線ランプ６の発光部の上端を整流板８の下端よりも下方に位置させる。

このとき、装入面となる処理槽の上部２ａは、図３に示すように平らになるようにする。すなわち、処理槽内を通流する水を整流する整流板８は、処理槽２から外側に構造的に張り出したりせず、あくまでも処理槽２の内部に配置されるべきものである。

ちなみに、図１１に示す従来装置１００の処理槽１０２は、装入面１２０を構成する部材１２２が周囲の部材１２１よりも凹んだところに位置するため、万一、大気中の水分が結露した場合は、その結露水の逃げ場がなく、装入面１２０の凹みに溜まりやすいという不都合がある。

これに対して、本発明装置の処理槽２では、装入面２ａが平らであることから、ランプ交換などのメンテナンス作業が容易になる。このように処理槽のランプ装入面２ａを平らにすることにより、万が一結露などにより水分が処理槽の上面に付着した場合であっても、付着水が装入面２ａに滞留しないで排除されやすい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図８〜図１０を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

図８に示すように、本実施形態の紫外線消毒装置１Ａは、サイクロン型の処理槽２Ａを備えている。このサイクロン型の処理槽２Ａは、上側から順に拡径部２４、円筒本体部２３、円錐部２５を有し、拡径部２４に連通する流入管４Ａを通って被処理水が導入され、円錐部２５に連通する流出管５Ａを通って紫外線照射処理後の水が外部へ送り出されるようになっている。

図９に示すように、拡径部２４の上部には蓋部材２１がフランジ継手により接続されている。蓋部材２１は、処理槽２Ａの上部２ａの全体を覆い、上面（外面）が平らであり、下面（内面）に円筒形状の整流板８Ａが溶接等により取り付けられている。図８に示すように、流出管５Ａが蓋部材２１の中央部を貫通して上方に延び出している。流出管５Ａの下端部は円錐部２５の上部において開口している。

図９に示すように、整流板８Ａは、拡径部２４におけるランプ保護管７の全体を囲うように蓋部材２１の直下に配置される円筒形状の部材であり、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼などのような金属で形成されている。整流板８Ａは、例えば材質がステンレス鋼（SUS304等）からなり、処理槽上面２ａの内壁に溶接により接合されている。整流板８Ａの円筒の直径の大きさは、紫外線ランプ６の全体を包み込むような大きさであることが望ましい。また、整流板８Ａは、少なくとも流入口４１が開口する位置よりも下方の位置までの長さをもつものであることが望ましい。整流板８Ａの上端部は処理槽２Ａの上端部と面一である。整流板８Ａは、流入口４１に流れ込む水流が接線となるように配置されている。

さらに、円錐部２５の下部にはトラップ２６がフランジ継手により接続されている。トラップ２６には沈降室２７が形成され、本体部２３から沈降してくる重い成分の粒子Ｐが沈降室２７に捕捉・収容されるようになっている。トラップ２６には排出弁２８が取り付けられ、沈降室２７に沈降した粒子Ｐの堆積物が排出弁２８を介して定期的に外部へ排出されるようになっている。

図８および図１０に示すように、流出管５Ａを中心としてその周囲に６つのランプユニット７Ａが均等割り付け配置されている。ランプユニット７Ａは紫外線ランプ６とランプスリーブ７からなるものである。ランプスリーブ７によるランプ６の保持構造および装入面２ａに対するランプスリーブ７の支持構造は、それぞれ上記第１の実施形態のものと実質的に同じである。

図９および図１０に示すように、円筒状の整流板８Ａと円筒状の処理槽拡径部２４の内周面との間には一定間隔のスペースが全周にわたり形成され、流入管４Ａから処理槽拡径部２４に流れ込む被処理水が整流板８Ａと拡径部２４とで当該スペースに案内されることによって旋回流Ｆが形成されるようになっている。

図８および図１０に示すように、流入管４Ａは、拡径部２４の内周面に内接する接線方向（Ｘ方向）に延び出している。図９および図１０に示す流入口４１において流入管４Ａが処理槽拡径部２４にて開口している。

紫外線ランプ６は、保護管７に挿入され、処理槽２Ａの中心軸と平行な向きになるように処理槽２Ａ内に装入されている。本実施形態の紫外線ランプ６には両端に電極を取り付けた棒状の石英管をＵ字状に曲げたものを用いた。石英管の内部はほぼ真空状態にあり、水銀蒸気が充填されている。このような状態の石英管の両電極間に高電圧を印加すると、放電を生じて電子が水銀蒸気を励起させて紫外線を放射する。本実施形態では、波長帯域が２００〜３００ｎｍの紫外線を出射する紫外線ランプを用いることができるが、特に２５４ｎｍ波長の紫外線を出射するランプを用いることが望ましい。ランプ６から放射される紫外線に被処理水を暴露することにより、被処理水中に含まれる消毒対象物（細菌など）を無害化する。なお、紫外線ランプは直径が２〜１０ｃｍ程度のものを用いる。

保護管７は、石英ガラスからなり、被処理水が各紫外線ランプ６に直接接触しないようにするために、各紫外線ランプ６を保護するためのものである。そのため、各紫外線ランプ６を包むように個別に設置される。

次に、本実施形態に係る装置の作用を説明する。

本実施形態の紫外線消毒装置１Ａの処理槽２Ａには、導入水が旋回流を生じるように円筒状の整流機構８Ａが上部に備え付けられている。この整流機構８Ａにより紫外線ランプ６からの紫外光を一様に照射されるように工夫されている。被処理水は、流入管４Ａから処理槽２Ａの拡径部２４に導入され、整流板８Ａと拡径部２４との間の狭いスペースに流れ込み、これが旋回流Ｆとなって円筒状本体部２３を流下する間にランプ６から紫外線の照射をうけて無害化処理（消毒）され、さらに円錐部２５に流下する。被処理水の旋回流が円錐部２５に到達すると、軽い成分は流出口５１から流出管５Ａを上昇して外部へ送り出される一方で、重い成分の粒子Ｐなどは沈降室２６に沈降する。

これに対して、本発明装置の処理槽２Ａでは、装入面２ａが平らであることから、ランプ交換などのメンテナンス作業が容易になる。このように処理槽のランプ装入面２ａを平らにすることにより、万が一結露などにより水分が処理槽の上面に付着した場合であっても、付着水が装入面２ａに滞留しないで排除されやすい。

以上の結果より明らかなように、本発明の装置は図８に示すように，紫外線処理槽内の整流機構により、処理対象水は紫外線処理槽内部を旋回流を起こして流れ、紫外線ランプからの紫外光が一様に照射される。また、紫外線ランプは、ランプ上端部が整流機構の下端よりも下部になるよう配置されているため、ランプの発光域全体を効率良く利用することができる。そして、ランプ挿入部のある紫外線処理槽上面が平であることから、ランプ交換などのメンテナンスが容易となり、また万が一結露などにより水分が紫外線処理槽上面に発生した場合、それが溜まることなく排除しやすい構造となる。

本発明の第１の実施形態に係る紫外線消毒装置を模式的に示す内部透視図。 紫外線ランプとランプスリーブを示す内部透視図。 ランプスリーブの支持構造の部分を示す拡大断面図。 紫外線消毒装置の断面模式図。 紫外線消毒装置の側面模式図。 紫外線消毒装置内での処理対象水の旋回流を模式的に示す内部透視図。 （ａ）は整流機構を有する紫外線消毒装置を模式的に示す内部透視図、（ｂ）は同装置を整流機構のところで切り欠いて示す横断面図。 本発明の第２の実施形態に係る紫外線消毒装置を示す斜視図。 第２の実施形態の装置内における整流機構とランプの配置を示す内部透視側面図。 第２の実施形態の装置内における整流機構とランプの配置を示す内部透視平面図。 従来の装置を示す内部透視図。

符号の説明

１，１Ａ…紫外線消毒装置、
２，２Ａ…処理槽、２ａ…装入面（上部）、２ｂ…底面（下部）、
２１…蓋部材、２３…円筒本体部、２４…拡径部、２５…円錐部、
２６…トラップ、２７…沈降室、２８…排出弁、
４，４Ａ…流入管、４１…流入口、
５，５Ａ…流出管、５１…流出口、
６，６Ａ…紫外線ランプ、６１，６２…ランプホルダ、
７…ランプスリーブ（保護管）、７１…キャップ、７２…シール材、７３…緩衝スプリング、
８，８Ａ…整流板（整流機構）。

Claims (5)

1. 流入口および流出口を有し、少なくとも一部が円筒状の処理槽と、
   前記流入口から前記処理槽内に導入した被処理水の流れが前記処理槽内で旋回流を形成するように被処理水を案内する整流機構と、
   その端部が前記整流機構の端部よりも前記処理槽の内側に位置するようにその全体が前記処理槽の内部に入り込み、前記流入口から前記処理槽内に流れ込んだ被処理水に紫外光を照射する単数または複数の紫外線発光源と、
   前記処理槽の軸方向端面に設けられ、前記紫外線発光源が前記処理槽内に装入される実質的に平らな装入面と、
   を有することを特徴とする紫外線消毒装置。
2. 前記流入口は、前記処理槽の長手軸に対して直交する方向に被処理水が流れ込むように開口し、前記整流機構は、前記流入口から流入した被処理水が旋回流となって案内されるように前記処理槽の内部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記処理槽が縦型または横型の円筒形であり、前記紫外線発光源が前記処理槽の長手軸と平行に配置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の装置。
4. 前記処理槽は、円筒形状の上部および逆円錐形状の下部を有し、
   前記流入口は、前記処理槽の上部の外周に開口し、
   前記流出口は、前記処理槽の上部の中央に開口し、
   前記紫外線発光源は、前記処理槽の長手軸と平行に、かつ、二次元平面視野内で実質的に等ピッチ間隔になるように配置され、かつ、光透過性の保護管で外周を覆われていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の装置。
5. 前記紫外線発光源が、紫外線波長領域の光を発光する発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。

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