JP2010005612A - 排水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汚水中の汚染原因物質を分解する際に、従来品よりもオゾンを効率よく利用可能な排水処理装置を提供すること。
【解決手段】排水処理装置は、汚染原因物質を含有する原水を原水タンク１から加圧ポンプ５へと導入するとともに、気体供給装置３から供給されるオゾンを加圧ポンプ５へ導入して、原水に対してオゾンを加圧溶解させることにより、汚染原因物質の含有率が原水よりも低下した一次処理水を生成する。そして、加圧ポンプ５での加圧溶解時に圧力が上昇した状態にある一次処理水を、ノズル９から反応槽１１内へと噴出させて、噴出前の液相中で溶解した状態にあったオゾンを、噴出後の液相中でマイクロバブル化することにより、汚染原因物質の含有率が一次処理水よりも低下した二次処理水を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水処理装置、および排水処理装置用のノズルに関する。

従来、工場排水や下水の処理方法としては、活性汚泥法が一般的であり、多くの産業分野で使用されている。活性汚泥法では、下水中に存在していた微生物が、有機物の分解、酸素の曝気により爆発的に繁殖・増殖することにより下水中の有機性汚濁が減少し、汚水が処理される。活性汚泥中では細菌、原生動物、後生動物など多様な生物種が互いに共生・捕食関係にあると考えられている。これらの微生物の代謝に有機物や一部の無機塩類が必要となることを利用し、水中汚濁物質としてのそれら有機物や無機塩類を、酸化分解または吸収分離することで汚水を浄化する。しかし、活性汚泥法は微生物処理であるため、微生物で分解できない難分解性の有機物の分解には不向きであるという問題がある。

こうした問題に対し、従来、排水槽の底部付近に導入された散気管から、オゾンを数ミリレベルの気泡として発生させて、汚水の浄化を図る技術は提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２８５０８５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術のように、散気管からオゾン気泡を発生させる技術の場合、気泡のごく表層に存在するオゾンは、汚水との接触に伴って汚染原因物質の分解に寄与するものの、気泡の内部に存在するオゾンは、汚水と接触しないまま汚水の水面に到達し、そのまま汚水の外へ放出されてしまう。

そのため、上記従来技術では、オゾンを十分に有効利用することが難しく、汚染原因物質を十分に分解するには、一部のオゾンが無駄になるのは承知の上で、どうしても過剰に大量のオゾンを使用せざるを得ない、という問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、汚水中の汚染原因物質を分解する際に、従来品よりもオゾンを効率よく利用可能な排水処理装置と、その排水処理装置用のノズルを提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
請求項１に記載の排水処理装置は、
汚染原因物質を含有する原水に対し、オゾンを加圧溶解させることにより、前記汚染原因物質の含有率が前記原水よりも低下した一次処理水を生成する一次処理部と、
前記一次処理部での加圧溶解時に圧力が上昇した状態にある前記一次処理水を、ノズルから反応槽内へと噴出させて、噴出前の液相中で溶解した状態にあったオゾンを、噴出後の液相中でマイクロバブル化することにより、前記汚染原因物質の含有率が前記一次処理水よりも低下した二次処理水を生成する二次処理部と
を備えたことを特徴とする。

この排水処理装置によれば、一次処理部では、汚染原因物質を含有する原水に対し、オゾンを加圧溶解させている。そのため、この一次処理部では、汚染原因物質を含有する原水中に散気管方式でオゾンの気泡を通じる場合に比べ、格段に大量のオゾンが原水中に溶
解し、その結果、汚染原因物質とオゾンとの接触機会が増え、汚染原因物質とオゾンとの化学反応が促されることになる。

また、一次処理部において、原水中に溶解したオゾンは、一部が汚染原因物質との反応によって消費されるものの、一部はオゾンのまま溶存する状態になる。このような溶存したオゾン（以下、溶存オゾンと称する。）を含有する一次処理水は、二次処理部においてノズルから反応槽へと噴出される。

このとき、噴出前の液相中に含まれる溶存オゾンは、噴出後の液相中における減圧に伴ってマイクロバブル化する。ここでいうマイクロバブルとは、ミクロンオーダーの直径を持つ微細な気泡のことであり、一般的には、直径１００μｍ以下程度の気泡、あるいは直径５０μｍ以下程度の気泡のことをマイクロバブルと称することが多い。また、一般に、直径１μｍ未満の気泡をナノバブルと称する場合もあるが、マイクロバブルは液相中への溶解に伴ってナノバブルになることがあり、また、減圧に伴ってマイクロバブルが発生する液相中には、同時にナノバブルも発生しているものと考えられるので、本発明においては、マイクロバブル中にナノバブルが混在するケースも含めて、単にマイクロバブルと称する。

このようなマイクロバブルを二次処理部において発生させると、一次処理部で分解できないまま一次処理水中に残留していた汚染原因物質が、さらにマイクロバブル化したオゾン（以下、マイクロバブルオゾンとも称する。）と反応し、汚染原因物質の分解が促される。

一次処理水中の溶存オゾンがマイクロバブルオゾンになることで、汚染原因物質の分解が促される理由は、現時点では明確には解明されていない。ただし、この点は本件発明者らによる実験により裏付けられた事実であり、溶存オゾンでは分解されなかった汚染原因物質がマイクロバブルオゾンによって分解されたという事実から推察すれば、マイクロバブルが持つ何らかの特異な性質が、汚染原因物質との化学反応を促す上で役立っているものと考えられる。

以上のような一次処理部および二次処理部を備えた排水処理装置によれば、溶存オゾンとマイクロバブルオゾンとの二段構えで、系内の汚染原因物質を分解し、汚染原因とはならない、より低分子量の化合物にすることができる。

したがって、散気管方式で系内にミリオーダー以上の大きな気泡を通じる従来技術とは異なり、汚水中の汚染原因物質を分解する際に、オゾンを効率よく利用することができるようになる。

なお、本発明においては、さらに次のような構成を採用していてもよい。
まず、請求項２に記載の排水処理装置は、請求項１に記載の排水処理装置において、
前記二次処理部で生成された二次処理水を、再び前記一次処理部による処理対象とするため、前記一次処理部へと循環させる循環流路
を備えたことを特徴とする。

このような排水処理装置によれば、二次処理部で生成された二次処理水を、循環流路を介して一次処理部へと循環させることができる。したがって、一次処理部および二次処理部での処理を何度も繰り返すことができ、これにより、汚染原因物質のより一層の分解を促すことができる。

また、請求項３に記載の排水処理装置は、請求項１または請求項２に記載の排水処理装
置において、
前記一次処理部は、前記原水に対してオゾンを加圧溶解させた後、前記原水に溶解しなかった一部のオゾンを含むガス分と、前記原水にオゾンが溶解してなる前記一次処理水とを気液分離装置で分離して、分離された前記一次処理水を、前記二次処理部において前記ノズルから前記反応槽内へと噴出させる
ことを特徴とする。

このように構成された排水処理装置によれば、ガス分を一次処理水から分離した上で、分離された一次処理水を、二次処理部においてノズルから反応槽内へと噴出させているので、一次処理部で生じたガス分がそのまま二次処理部においてノズルから反応槽内へと噴出されてしまう場合に比べ、より均一なマイクロバブルオゾンを発生させることができ、これにより、汚染原因物質のより一層の分解を促すことができる。

また、請求項４に記載の排水処理装置は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の排水処理装置において、
前記一次処理部は、前記原水に対して加圧溶解させる気体として、オゾンの他に酸素および空気を利用可能で、オゾン、酸素、および空気の内、いずれの気体を利用するかを任意に切り替え可能に構成され、
前記二次処理部は、前記一次処理部で利用された気体からなるマイクロバブルを発生させる
ことを特徴とする。

このように構成された排水処理装置によれば、上述したオゾンの他に、酸素および空気を利用して、各気体の加圧溶解、およびマイクロバブル化を行うことができる。したがって、微生物処理による有機物や無機塩類の分解・吸収を行う排水処理装置としての利用も可能となり、特に、オゾンの利用もできることから、微生物処理とオゾンによる処理とを段階的に実施したり、微生物処理とオゾンによる処理との性能を比較したりすることも、容易に実施することができる。

また、請求項５に記載の排水処理装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の排水処理装置において、
前記ノズルは、
内部に、流体の入口側となる上流側流路から、複数の細径流路を経て、流体の出口側となる下流側流路に至る形態の流路が形成され、
前記上流側流路および前記下流側流路は、同一の軸線が中心線となる位置に形成された流路で、前記下流側流路は、前記細径流路側から離れるほど僅かに径が拡大する形態になっていて、
前記複数の細径流路は、いずれも前記上流側流路および前記下流側流路よりも径が細い流路で、前記上流側流路および前記下流側流路の中心線と同一軸線を対称軸とする回転対称な位置において、前記上流側流路および前記下流側流路の中心線と平行に延びる形態となっていて、
さらに、前記複数の細径流路に囲まれた位置には、前記複数の細径流路と平行に延びる案内穴が形成され、
前記調節弁は、円柱状の弁体と、前記弁体から突出する軸部とを備え、前記軸部は前記案内穴に挿し込まれて、前記案内穴内を軸方向に摺動可能な状態になっており、当該案内穴で前記軸部の摺動方向を規制することにより、前記調節弁が一軸方向に平行移動可能な構造になっており、しかも、スプリングによって、常に前記細径流路側に向かって付勢された状態になっていて、
前記上流側流路に導入される流体の圧力が上昇すると、前記複数の細径流路から流体が噴出する状態になり、この噴出する流体の圧力を受けて、前記調節弁が前記スプリングの
付勢力に抗して平行移動する構造になっている
ことを特徴とする。

このように構成された排水処理装置によれば、一次処理水を噴出するために設けられたノズルが、上述の如き特徴的構造になっているので、案内穴によって軸部の摺動方向が一軸方向のみに規制され、調節弁が流路に対して傾くことなく平行移動し、その移動に伴って、調節弁の外周部と下流側流路の内周面との間には均一な間隔の隙間が形成される。しかも、その均一な隙間を介して、内部流路の中心線を対称中心とする回転対称な位置に形成された複数の細径流路から噴出する一次処理液が反応槽内へと放出されるので、複数の細径流路から上記均一な隙間を経て出口側に至る下流側流路内では乱流が発生しにくくなり、均一なマイクロバブルを安定した状態で持続的に発生させることができる。

また、調節弁が流路に対して傾くことなく精密に平行移動できるので、既成の圧力調節弁等とは異なり、閉弁時にはガスケットを使用しなくても細径流路の出口側を調節弁で密閉できる。したがって、オゾンのような反応性の高い成分をノズル内に流通させても、ガスケットの位置ずれや変形といった問題を招くことはなく、こうしたガスケットの位置ずれや変形に伴う乱流の発生も防止できるので、この点でもマイクロバブルを効率良く発生させることができる。しかも、オゾンに曝される環境下であっても、ガスケットの劣化対策などは不要となり、ガスケットに関するメンテナンスを一切することなくノズルの性能を維持することができる。

加えて、請求項６に記載の排水処理装置用のノズルを利用すれば、上記請求項５に記載した通りの優れた性能を備えた排水処理装置を構成することができる。

排水処理装置の構成を示すブロック図。 ノズルの構造を示す図であり、(ａ)は、ノズルを流体の入口側から見た正面図、(ｂ)はＡ−Ａ線断面図、（ｃ）はノズル本体の断面図、（ｄ）は調節弁の断面図、（ｅ）は調節カバーの断面図、（ｆ）は調節カバーの正面図。 オレンジIIの吸光度を示すグラフ。 安息香酸ナトリウムの吸光度を示すグラフ。 気液比と乳化した水溶液が透明になるまでの時間との関係を示すグラフ。 溶存酸素量の時間変化を示すグラフ。 染料濃度と循環回数との関係を示すグラフ。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
［排水処理装置の構造］
図１は、本発明の一実施形態として例示する排水処理装置の構成図である。

この排水処理装置は、主な構成として、原水タンク１、気体供給装置３、加圧ポンプ５、アキュームレーター７、ノズル９、反応槽１１、気液分離槽１３などを備えている。
原水タンク１は、汚染原因物質を含有する原水が貯められる部分で、本実施形態においては、容量１００リットルのタンクを採用している。

この原水タンク１内の原水は、バルブ１５ａを開くことにより、系外へ排出することができる。また、バルブ１５ｂを開くことにより、加圧ポンプ５へと供給することができる。加圧ポンプ５への供給経路となる流路上にはストレーナー１７が設けられ、このストレーナー１７で原水中に含まれる異物を除去することにより、異物が加圧ポンプ５へ導入されるのを防止している。

気体供給装置３は、空気、酸素、およびオゾン、以上３種の気体を加圧ポンプ５へ供給可能な装置で、空気を送出するコンプレッサー３ａ、空気中から特定成分だけを吸脱着することによって酸素を選択的に取り出す酸素ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）３ｂ
、および酸素の供給を受けてオゾンを発生させるオゾン発生器３ｃを備えている。

コンプレッサー３ａから送出される空気は、上述の通り、加圧ポンプ５へ供給される他、酸素ＰＳＡ３ｂにも供給される。また、酸素ＰＳＡ３ｂから送出される酸素は、上述の通り、加圧ポンプ５へ供給される他、オゾン発生器３ｃにも供給される。なお、本実施形態において、コンプレッサー３ａは、２リットル／ｍｉｎの空気送出能力を有するものであり、オゾン発生器３ｃは、５ｇ／ｈのオゾン発生能力を有するものである。

気体供給装置３から送出される各種気体は、いずれもバルブ１５ｃ、１５ｄ、１５ｅを経て加圧ポンプ５へと流入する。この流入経路上には、フローメーター１９ａが設けられ、気体供給装置３からの気体の供給量を測定できるようになっている。なお、バルブ１５ｄは逆流を阻止するために設けられた逆止弁であり、バルブ１５ｅは電気的に開閉制御可能な電磁弁である。

加圧ポンプ５は、原水タンク１から導入される原水に対して気体供給装置３から供給される気体を加圧溶解させるとともに、その流体をさらに下流側へと圧送する装置で、本実施形態においては、旋回式加圧ポンプを採用している。気体供給装置３からは、例えばオゾンが供給され、この場合、オゾンが加圧ポンプ５内で加圧溶解されると、溶解したオゾンが原水中の汚染原因物質と反応し、汚染原因物質が分解されることになる。

この加圧ポンプ５から送出される流体は、逆止弁となるバルブ１５ｆを経てアキュームレーター７へと流入する。この流入経路上には、フローメーター１９ｂが設けられ、加圧ポンプ５からの流体の供給量を測定できるようになっている。

アキュームレーター７は、加圧ポンプ５から送出される気液混在流体の僅かな圧力変動を吸収するバッファとして機能するとともに、その気液混在流体から気体と液体を分離する気液分離装置としても機能するものである。

このアキュームレーター７には、自動排気弁７ａが取り付けられ、アキュームレーター７内の圧力が過剰に上昇した場合は、自動排気弁７ａから圧力を逃がすことができる仕組みになっている。また、バルブ１５ｈを介して圧力計２１が取り付けられ、アキュームレーター７内の圧力を監視できるように構成してある。なお、アキュームレーター７内の液体は、バルブ１５ｉを開くことにより、系外へ排出することができる。

なお、これら原水タンク１、気体供給装置３、加圧ポンプ５、およびアキュームレーター７などで構成された部分が、本発明でいう一次処理部に相当する。
ノズル９は、アキュームレーター７から供給される液体を反応槽１１内へと噴出するもので、本実施形態において、反応槽１１には、３個のノズル９が取り付けられている。詳しくは、後述する実験の中で明らかになるが、ノズル９は反応槽１１内においてマイクロバブルを発生させるために設けられたものであり、このノズル９から液体が噴出されると、反応槽１１に貯まる液体中においてマイクロバブルが発生する。

例えば、気体供給装置３からオゾンが供給された場合には、既に説明した通り、オゾンが加圧ポンプ５内で加圧溶解され、溶解したオゾンが原水中の汚染原因物質を分解することになるが、一部のオゾンは液相中に溶存したままノズル９から噴出され、このようなオゾンが、反応槽１１中においてマイクロバブル化する。こうして発生したマイクロバブルオゾンは、反応槽１１中においてさらに汚染原因物質と反応し、汚染原因物質が分解されることになる。

反応槽１１は、ノズル９から噴出される液体が貯まる容器で、本実施形態においては、高さ１１５０ｍｍ、２０リットルの円筒状透明容器が採用されている。反応槽１１内の液体は、バルブ１５ｊを開くことにより、原水タンク１へと戻すことができる。これにより、原水タンク１から、加圧ポンプ５、アキュームレーター７、ノズル９、反応槽１１を経て原水タンク１へと戻る循環流路が構成されることになる。

また、反応槽１１内の液体は、バルブ１５ｋを開くことにより、系外へ排出することができる。さらに、反応槽１１内の液体は、バルブ１５ｌを開くことにより、気液分離槽１
３へと送出することができる。

なお、これらノズル９、および反応槽１１などで構成された部分が、本発明でいう二次処理部に相当する。
気液分離槽１３は、反応槽１１から導入される気液混在流体を気体と液体とに分離する容器で、本実施形態においては、反応槽１１と同様な、高さ１１５０ｍｍ、２０リットルの円筒状透明容器が採用されている。気液分離槽１３内の気体は、バルブ１５ｎを開くことにより、系外へ排出することができる。

また、気液分離槽１３内の液体は、バルブ１５ｍを開くことにより、系外へ排出することができる。なお、バルブ１５ｍは、電気的に開閉制御可能な電磁弁で、水位検出センサ２３ａ、２３ｂで気液分離槽１３内の水位を検出し、気液分離槽１３内の水位が両センサ間の範囲内に収まるように、バルブ１５ｍの開閉が自動制御される仕組みになっている。

以上のような構成の他、この排水処理装置には、オゾンモニター２５が設けられ、気体供給装置３から加圧ポンプ５に至る経路上の観測点２７において、オゾン濃度を測定可能となっている。なお、このオゾンモニター２５は、オゾン濃度の測定箇所を変更することもでき、例えば、アキュームレーター７、気液分離槽１３などから放出されるオゾンの濃度を測定することもできる。

また、電源元スイッチ３１、ポンプ起動スイッチ３３、および気体供給装置スイッチ３５を備え、電源元スイッチ３１をオンにすることで１００Ｖ電源に接続され、ポンプ起動スイッチ３３、および気体供給装置スイッチ３５で、加圧ポンプ５、および気体供給装置スイッチ３５を、それぞれ独立に作動制御できるように構成されている。

［ノズルの構造］
次に、ノズル９の構造について説明する。
図２(ａ)は、ノズル９を流体の入口側から見た正面図、図２(ｂ)は、図２(ａ)中に示したＡ−Ａ線での断面図、図２（ｃ）はノズル本体の断面図、図２（ｄ）は調節弁の断面図、図２（ｅ）は調節カバーの断面図、図２（ｆ）は調節カバーの正面図である。

ノズル９は、ノズル本体４１と、ノズル本体４１に嵌め込まれた調節弁４３と、ノズル本体４１の外周に螺合した調節カバー４５と、調節弁４３と調節カバー４５との間に介装されたスプリング４７とを備えている。

これらの内、ノズル本体４１には、流体の入口側となる上流側流路５１から、複数（本実施形態の場合は４つ）の細径流路５３を経て、流体の出口側となる下流側流路５５に至る形態の内部流路が形成されている。

上流側流路５１および下流側流路５５は、同一の軸線が中心線となる位置に形成された断面円形の流路で、下流側流路５５の方は、細径流路５３側から離れるほど僅かに径が拡大する形態になっている。

また、複数の細径流路５３は、いずれも上流側流路５１および下流側流路５５よりも格段に径が細い断面円形の流路で、上流側流路５１および下流側流路５５の中心線を対称中心とする回転対称な位置（本実施形態の場合は９０度回転対称な４箇所）において、上流側流路５１および下流側流路５５の中心線と平行に延びる形態となっている。

さらに、複数の細径流路５３に囲まれた位置には、複数の細径流路５３と平行に延びる案内穴５７が形成されている。この案内穴５７も断面円形の穴で、この案内穴５７は、そ
の中心線が上流側流路５１および下流側流路５５の中心線と同一軸線となる位置に形成されている。なお、ノズル本体４１の外周の一部には雄ねじ部５９が設けられ、この雄ねじ部５９に調節カバー４５を螺合させることができる。

調節弁４３は、円柱状の弁体６１と、弁体６１から突出する軸部６３と、軸部６３とは反対側の位置において弁体６１から突出する凸部６５とを備えている。軸部６３は案内穴５７に挿し込まれて、案内穴５７内を軸方向に摺動可能な状態になっており、このような案内穴５７で軸部６３の摺動方向を規制することにより、調節弁４３が一軸方向に平行移動可能な構造になっている。また、凸部６５の外周には、スプリング４７が嵌め込まれている。

調節カバー４５は、ノズル本体４１との間に内部空間を形成する空洞部７１を有し、この空洞部７１から調節カバー４５の外周側へと貫通する複数（本実施形態の場合は４つ）の開口部７３が形成されている。また、空洞部７１内には凸部７５が設けられ、この凸部７５の外周には、スプリング４７が嵌め込まれている。なお、空洞部７１に連続する部分の内周には雌ねじ部７９が設けられ、この雌ねじ部７９でノズル本体４１の雄ねじ部５９に螺合する構造になっている。

スプリング４７は、ステンレス製のもので、いくらか圧縮させた状態で調節弁４３と調節カバー４５との間に介装され、これにより、調節弁４３は、常に細径流路５３側に向かって付勢された状態になっている。

以上のように構成されたノズル９において、上流側流路５１に導入される流体の圧力が上昇すると、複数の細径流路５３から流体が噴出する状態になり、この噴出する流体の圧力を受けて、調節弁４３がスプリング４７の付勢力に抗して平行移動する（以下、この移動方向を往動方向ともいう）。このとき、調節弁４３は、軸部６３の摺動方向が案内穴５７によって規制されるため、移動方向に対する傾きを変化させることなく往動方向へ平行移動する。

そして、下流側流路５５の内周面は細径流路５３側から離れるほど僅かに径が拡大する形態になっていることから、上記のように調節弁４３が往動方向へ平行移動すると、調節弁４３の外周部と下流側流路５５の内周面との間の隙間が拡大する。このとき、調節弁４３は、上述の通り、移動方向に対する傾きを変化させることなく往動方向へ平行移動するので、上記隙間は、弁体６１の外周部全周に渡る範囲で均一に拡大することになる。そのため、複数の細径流路５３から噴出された流体が、弁体６１の外周に形成される隙間を通過する際には、弁体６１の外周部全周に渡る範囲において流体が均一に流れる状態となる。

このように構成されたノズル９に対し、本実施形態の排水処理装置においては、オゾンなどの気体が加圧溶解された一次処理水が供給される。このような一次処理水がノズル９に供給されると、上流側流路５１内で高圧状態にある一次処理水は、複数の細径流路５３から噴出される。その結果、噴出された一次処理水は、弁体６１の外周に形成される隙間を通過し、空洞部７１を経て開口部７３から放出されるまでの間に減圧され、この減圧された液相中にはマイクロバブルが発生することになる。

ここで、仮に弁体６１に傾きがあったとすると、弁体６１の外周部全周に渡る範囲に均一な隙間が形成されないため、この場合、マイクロバブルをうまく発生させることができず、二次処理部での効果に悪影響を及ぼすおそれがあるが、上記弁体６１は軸部６３と案内穴５７によって確実に一軸方向へ平行移動する構造としてあるので、マイクロバブルを効率良く発生させることができる。

また、この種の圧力調節弁においては、柔軟性のある易変形材料で形成されたガスケットを設けることで、閉弁時の密閉性を確保するのが一般的であるが、このノズル９においては、上記弁体６１を軸部６３と案内穴５７によって確実に一軸方向へ平行移動する構造とし、弁体６１の端面をぴったりと複数の細径流路５３の出口側に密接させることができる構造としたので、そのような易変形材料で形成されたガスケットを設けなくてもよい。

したがって、オゾンのような反応性の高い成分をノズル９内に流通させても、ガスケットの位置ずれや変形といった問題を招くことはなく、こうしたガスケットの位置ずれや変形に伴う乱流の発生も防止できるので、この点でもマイクロバブルを効率良く発生させることができるノズルとなる。しかも、ガスケットの劣化対策などは不要となり、ガスケットに関するメンテナンスを一切することなくノズルの性能を維持することができる。

［性能試験］
上記排水処理装置の性能を調べるため、次のような性能試験を実施した。
（１）試験用の排水処理装置
まず、試験用の排水処理装置として、次の４種の排水処理装置を用意した。

《排水処理装置Ａ》
先に説明した通りの構成すべてを備える排水処理装置(以下、実施例１という）。
《排水処理装置Ｂ》
上述した排水処理装置Ａではアキュームレーター７が設けてあったが、排水処理装置Ｂではアキュームレーター７を取り外し、加圧ポンプ５から送出されたオゾンガス含有一次処理水が、直接ノズル９から反応槽１１へと送り込まれる構成とした（以下、実施例２という）。

排水処理装置Ａの場合、加圧ポンプ５で溶解させることができなかったガス分はアキュームレーター７で分離されるが、排水処理装置Ｂの場合は、加圧ポンプ５で溶解させることができなかったオゾンガスは、気体のまま一次処理水とともに反応槽１１へ送り込まれることになる。

《排水処理装置Ｃ》
上述した排水処理装置Ａにおいては加圧ポンプ５へオゾンを導入していたが、排水処理装置Ｃでは、加圧ポンプ５へはオゾンを導入せず、その代わりに、オゾンを反応槽１１の底部へと導入する配管を設け、反応槽１１の底部に設置した散気管からオゾンを数ミリレベルの気泡として発生させるように構成した（以下、比較例という）。

なお、処理対象となる原水については、加圧ポンプ５から反応槽１１へ供給した。
《排水処理装置Ｄ》
上述した排水処理装置Ａにおいては、原水タンク１に汚染原因物質を含有する水を入れてあったが、排水処理装置Ｄにおいては、原水タンク１に汚染原因物質を含有しない水を入れて、その水に対して加圧ポンプ５でオゾンを加圧溶解させ、その溶解オゾン含有水をアキュームレーター７経由でノズル９から反応槽１１へ噴出するように構成した。そして、汚染原因物質を含有する水については、別の配管から反応槽１１の底部へと供給し、ノズル９から噴出されるマイクロバブルと接触させるようにした（以下、参考例という）。

この排水処理装置Ｄでは、汚染原因物質が加圧ポンプ５内でオゾンと接触することはなく、反応槽１１内でのみマイクロバブルオゾンと接触する。したがって、一次処理部における溶解オゾンの効果を排除し、二次処理部におけるマイクロバブルオゾンの効果だけを検証することができる。
（２）汚染原因物質含有水のモデルとその分析方法
汚染原因物質含有水のモデルとしては、染料を含有する水を利用して、その脱色率から排水処理性能を検証した。

具体的には、染料濃度および脱色率の定量には、紫外可視光分光光度計（日立製作所株式会社製Ｕ−１８００）を使用し、測定を行った。使用した染料はオレンジII（分子量３５０）で、下記［化１］のような分子構造を持つ物質である。

オレンジIIは、発色団としてアゾ基（−Ｎ＝Ｎ−）を持つ化合物で、図３に示すように、４８８ｎｍの波長に吸光度を持つ。また、染料のオレンジIIよりもオゾンに対する反応性の低い物質として、安息香酸ナトリウム（Ｃ₇Ｈ₅Ｏ₂Ｎａ）を選び、試験に使用した。
安息香酸ナトリウムの定量には、図４に示すように、２２４．５ｎｍの吸光度を利用して測定した。

溶存酸素量の測定には、溶存酸素計（東亜ＤＫＫ製ＤＯ−２４Ｐ Ｏ〜１９ｍｇ−Ｏ２／Ｌ）を利用した。
また、ガス中のオゾン濃度の測定には、オゾン濃度計（荏原実業株式会社製、ＥＧ−５５０、０〜６０ｍｇ・Ｏ３／Ｌ）２台を使用し、データロガーと接続して連続測定した。

水溶液中の溶解オゾン量は、インジゴカルミン法を利用して測定した。インジゴカルミンは、やや紫がかった青色に着色することのできる着色料である。常温では暗紫青（暗紫褐色）の粒または粉末状の固体で、無臭である。分子式はＣ₁₆Ｈ₈Ｎ₂Ｎａ₂Ｏ₈Ｓ₂、分子
量４６６である。溶解したオゾン中にこの試薬を添加し、試薬の残存濃度を波長６００ｎｍの吸光度で測定し、残存濃度から溶解オゾン量を算出した。
（３）試験結果
（３．１）排水処理装置の処理能力の確認
上記排水処理装置Ａ（実施例１）を使用し、供給ガス（空気）量と液量とを変化させ、そのときのマイクロバブルの発生状況を観察した。測定条件および反応槽の観察結果を、表１に示す。

表１より、Ｇ／Ｌ＝０．０４３〜０．１１まで白く乳化し、大量のマイクロバブルを含むガスが発生していることが確かめられた。Ｇ／Ｌ＞０．１１では、投入したガスの一部がアキュームレーター７およびノズル９で完全に微細気泡にならずに、ミリサイズレベルの気泡が発生することが明らかになった。

以上のことから、排水処理装置Ａでは、Ｇ／Ｌ＝０．０７８〜０．１１で良好なマイクロバブルを発生することが確かめられた。常圧基準の気体の体積分率は、最適条件で９．７％であった。
（３．２）排水処理装置の適性の確認および溶存酸素量の測定
排水処理装置の適性を確認するため、まず、マイクロバブルの滞留時間を確認した。

一般にマイクロバブルは気泡体積が微細であるため上昇速度が遅く、長時間水液中に滞留し続ける特徴を有する。マイクロバブルの上昇速度は、通常、次のストークス式で示される。

例えば、直径１０μｍの気泡は１分間に３ｍｍ程度の上昇速度で、直径５０μｍの気泡は７５ｍｍ／ｍｉｎ、１００μｍの気泡は、３００ｍｍ／ｍｉｎとなる。
反応槽１１内の水溶液が乳化した後に、ガスと液の供給を停止し、乳化したマイクロバブル水が透明な液に変わるまでの時間を測定したところ、乳化した水溶液が８分後には透明な液に変化した。一般には水溶液が透明になっても、１０μｍ程度のマイクロバブルは残存していると言われている。

図５には、気液比を変化させたときの乳化した水溶液が透明になるまでの時間を測定した結果を示す。図５からは、Ｇ／Ｌ＝０．１１のときが、乳化時間が最も長く、微細気泡が多く発生したと結論できる。

また、この時の溶存酸素量を測定すると、図６に示すように溶存酸素量は乳化時には１２ｍｇ／Ｌであったが、乳化が消え透明になると９．４ｍｇ／Ｌに減少しほぼ一定になった。

このときの水温は１８℃で溶存酸素量は９．２ｍｇ／Ｌであることから僅かに過飽和になっており、この原因は、液中に残存しているマイクロバブルによる影響と推定される。
以上から、Ｇ／Ｌ＝０．１１前後の操作条件でマイクロバブルが最大に発生して白く乳化することが明らかになった。また、水溶液が透明になっても１０μｍ程度のマイクロバブルが存在していることが推定された。

なお、図６には、排水処理装置Ｃ（比較例）により、散気管方式で空気をエアレーションした結果も示すが、この時は８．５ｍｇ／Ｌとなり、飽和溶存酸素量以下の値になった。この時の気泡径は５〜９ｍｍφであった。
（３．３）溶解オゾン量の測定および排水処理装置の比較
排水処理装置Ａ（実施例１）、排水処理装置Ｂ（実施例２）、および排水処理装置Ｃ（比較例）について、溶解オゾン量ならびに溶解オゾン転化率を測定した。その結果を表２に示す。

なお、排水処理装置Ａ，Ｂとも、オゾンガスを旋回式の加圧ポンプ５で加圧（０．５〜０．６ＭＰａ）するとともに、強い剪断力でオゾンガスを微細化している。オゾンガスは加圧下で一部は水中に溶解し、残りの溶解しないオゾンは微細化され、水中に共存する。これらのオゾンガスは、排水処理装置Ａの場合は、アキュームレーター７で気液分離され、溶解オゾン水および微細オゾンガスのみが反応槽１１に供給され、反応槽１１底部のノズル９で常圧に減圧された時に溶解オゾンが発泡してマイクロバブルを発生する原理となっている。

表２から、排水処理装置Ａの場合、水中に溶解したオゾン量は２．９５ｍｇ／Ｌであり、供給したオゾンの６０％が溶解オゾンに移行することがわかる。一方、排水処理装置Ｃの場合、散気管方式であることから、溶解オゾン量は１．８４ｍｇ／Ｌであり、供給したオゾンの３０％しか水中に溶解していない。

また、排水処理装置Ｂの場合、アキュームレーター７が取り外されているが、この場合、溶解オゾン量は２．００ｍｇ／Ｌであり、供給したオゾンの４９％が溶解オゾンに移行
した。

したがって、排水処理装置Ｂでも、散気管方式の排水処理装置Ｃよりは効果が高いと言えるが、アキュームレーター７による気液分離を行えば、反応槽１１底部のノズル９において気泡発生に対する外乱を与えず、良質なマイクロバブルを発生させる効果があることが明らかになった。

次に、オレンジII水溶液の脱色実験を行った結果を表３に示す。

オレンジIIの濃度は２７ｐｐｍ、供給オゾン濃度は３５ｍｇ／Ｌとした。排水処理装置Ａ（実施例１）における脱色率は４８％であった。このときの反応槽１１出口のオゾンガス濃度は０．０２ｍｇ／Ｌ、出口の溶解オゾン濃度は＜０．０１ｍｇ／Ｌで、供給したオゾンガスのほぼ全量がオレンジIIの脱色反応に使用された。

一方、排水処理装置Ｃ（比較例）は、散気管方式であることが原因で、脱色率が７％と低い値となった。この理由は、散気管方式では気泡径が５〜９ｍｍφと大きいため、オゾン気泡として通過した分があるためである。反応槽１１出口のオゾンガス濃度は２．１ｍｇ／Ｌであった。

以上のことから、マイクロバブルオゾンを発生させる排水処理装置Ａ（実施例１）の方が、散気管方式の排水処理装置Ｃ（比較例）より、格段に性能が良いことが明らかになった。
（３．４）高濃度廃水（５００ｐｐｍ）の処理
高濃度廃水の処理に関する実験結果を次に示す。

予備実験から、排水処理装置Ａ（実施例１）では、供給したオゾンガスの８３％がオレンジIIの脱色に使われ、残りの１３％がアキュームレーター７の出口からの放出および配管ないし反応槽１１内においてオゾンガスの分解（２Ｏ₃→３Ｏ₂）というかたちで消費されることが明らかになった。

したがって３５ｍｇ／Ｌのオゾンガスによって分解できるオレンジIIは、本実験条件では約１０ｐｐｍである。このことから、５００ｐｐｍの染料排水を１０ｐｐｍまで分解するには、４９０／１０＝４９となり、約４９回染料排水を循環すればよいことになる。

そこで、オレンジIIの初期濃度４０ｐｐｍとし、確かめた結果を図７に示す。タンクに貯蔵したオレンジIIを１２Ｌおよび２０Ｌとし、循環回数で整理した結果を示すが、初期量１２Ｌの時は３回、初期量２０Ｌの時は３回で、出口染料濃度１０ｐｐｍ以下が達成された。

以上から、５００ｐｐｍの染料排水に対しても、排水処理装置Ａ（実施例１）で十分対応できることが明らかになった。
（３．５）反応効率の改善と大型装置設計のためのデータ取得
（３．５．１）排水処理装置Ａの各部分における溶解オゾン濃度と染料の分解率測定
反応効率の改善および大型装置の設計のため、排水処理装置Ａ（実施例１）の各部分における溶解オゾン濃度と染料の分解率を測定してみた。

この検討は、表３において、アキュームレーター出口のオゾンガス濃度が０．２３ｍｇ／Ｌと低く、また、表２において溶解オゾン転化率が６０％と高い値を示したからである。表４に各箇所における染料排水をサンプリングした結果を示す。

表４から、オゾンガスを供給した場合、加圧ポンプ５の出口におけるオレンジIIの分解率が高いことがわかる。反応槽１１出口では溶解オゾン濃度はほぼ０ｍｇ／Ｌであったことから、供給したオゾンの大部分が加圧ポンプ５の中で染料と反応していることが明らかになった。つまり、オゾンを加圧溶解させる加圧ポンプ５（本発明でいう一次処理部に相当する構成）が、マイクロバブルを発生させる前の段階で、染料の分解効果を発揮している。

しかし、この結果は、反応槽１１入口におけるオゾン濃度が低いため、反応槽１１におけるマイクロバブルの効果を十分に表していない。そのため、マイクロバブルによる反応槽１１における分解効率を調べるため、さらに次の実験を実施した。
（３．５．２）反応槽１１におけるマイクロバブルオゾンによる低減効果
反応槽１１におけるマイクロバブルオゾンの効果を明らかにするため、排水処理装置Ｄ（参考例）を使って実験を行った。排水処理装置Ｄにおいて、加圧ポンプ５には水を供給し、染料の供給位置を反応槽１１の下部に変えた理由は、上述の結果（表４参照）から、排水処理装置Ａ（実施例１）では、加圧ポンプ５での染料の分解率が高いため、オゾンが消費してしまい、マイクロバブルによる染料分解効果を正しく評価できないためである。

表５に、ガス流量および水量を変化させたときのオレンジIIの脱色率を示す。

オゾンガスを水でマイクロバブル化してから反応槽１１に供給したところ、反応槽１１出口のオゾンガス濃度は０．３〜０．５ｍｇ／Ｌと低く、オゾンガスが有効にオレンジIIの脱色に寄与しており、マイクロバブルオゾンによって染料を分解できることが確かめられた。
（３．５．３）安息香酸ナトリウムの分解特性
上記実験で使用した染料のオレンジIIは、比較的分解しやすい染料である。そこで、オレンジIIよりオゾンに対する分解特性が低い安息香酸ナトリウムを使用し、排水処理装置Ａ（実施例１）で分解特性を調べた。結果を表６に示す。

表６には、ガス流量および水量を変化させた結果を示すが、この範囲では安息香酸ナトリウムの分解率にほとんど影響を与えず、２６〜２８％が分解した。
アキュームレーター７の出口のオゾンガス濃度は約０．９ｍｇ／Ｌで、安息香酸ナトリウムのほとんどが加圧ポンプ５の中で分解している。

しかし、反応槽１１出口のオゾンガス濃度は０．１ｍｇ／Ｌ以下で、反応槽１１出口の溶解オゾン量は０．１０〜０．１２ｍｇ／Ｌとなっていることから、マイクロバブルオゾンによる反応槽１１における分解も起こっていることが確認された。
（４）まとめ
以上説明した実験により、下記の点が明らかになった
〔１〕 マイクロバブルが発生する最適なガス量／水量比Ｇ／Ｌ＝０．１１であった。このときは反応槽１１の内部は白く乳化し、乳化状態が消滅するまでの時間は約９分間であった。水溶液が透明になっても、溶存酸素量はその温度の飽和溶存酸素量よりも高い値を示し、数〜十数μｍのマイクロバブルが存在している可能性を示した。

〔２〕 排水処理装置Ａ（実施例１）と排水処理装置Ｃ（比較例）の溶解オゾン量を比較したところ、散気管方式の排水処理装置Ｃの溶解オゾン量は１．８４ｍｇ／Ｌで溶解オゾンへの転化率は３０％であった。一方、排水処理装置Ａの溶解オゾン量は２．９５ｍｇ／Ｌで溶解オゾンへの転化率は６０％と、散気管方式の約２倍の値を示し、排水処理装置Ａの優位性が明らかになった。

〔３〕 排水処理装置Ａ（実施例１）ではオゾン発生量が染料の分解の律速となっていることが明らかになった。本実験条件では、３５ｍｇ／Ｌのオゾン発生濃度に対して最適条件のＧ／Ｌを選ぶと、約１０ｐｐｍの染料が分解した。この結果、５００ｐｐｍの染料を１０ｐｐｍ以下にするには、染料溶液を約４９回循環させる必要がある。初期濃度４０ｐｐｍの染料を使用し確かめたところ、ほぼ３回の染料循環で１０ｐｐｍ以下になることを確かめた。

〔４〕 排水処理装置Ａ（実施例１）では、オゾンガスを加圧ポンプ５に供給し、高速回転域の加圧（０．５〜０．６ＭＰａ）条件で、供給したオゾンの９０％以上が水中に溶解することがわかり、この部分で大部分の染料が反応して分解することが明らかになった。オゾンガスを高速剪断域で加圧溶解させることは、排水処理装置Ａの重要な特長であると思われる。また、排水処理装置Ｄ（参考例）での試験で、溶解オゾン／マイクロバブルオゾンによって染料を反応槽１１で高い効率で分解することも確かめられた。以上のことから、性能を向上させるためには、高濃度オゾンを排水処理装置Ａ（実施例１）や排水処理装置Ｂ（実施例２）に供給し、旋回式の加圧ポンプ５で積極的にオゾンを溶解させて有機物を分解させる（すなわち、一次処理を行う）とともに、さらに、反応槽１１において溶解オゾンおよびマイクロバブルオゾンによって分解させる（すなわち、二次処理を行う）ことが、汚染原因物質を分解する上で有効であると考えられる。

［変形例等］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、オゾンを利用して染料の分解を行う実験例を示したが、上記排水処理装置は、空気や高濃度酸素を発生させることもできるので、微生物処理による有機物や無機塩類の分解・吸収を行う排水処理装置としての利用も可能である。特に、オゾンの利用ができるので、微生物処理とオゾンによる処理とを段階的に実施したり、微生物処理とオゾンによる処理との性能を比較したりするなど、多目的に使用することができる。

また、上記実施形態では、汚染原因物質のモデルとして染料を例示したが、オゾンによる酸化分解ができる汚染原因物質であれば、本発明の排水処理装置での処理が可能である。

具体例を挙げれば、例えば、製菓、製パン、給食など食品製造業で発生する含蛋白廃水、機械部品、機械修理工場などの含油排水、養豚、養鶏、酪農などから発生する含りん排水等のように、未処理あるいは十分な処理をせずに排水されているケースは多々あるので、これらの排水を対象に、本発明の排水処理装置で処理を行うことにより、水質浄化を図り、環境保全に貢献することができる。

１・・・原水タンク、３・・・気体供給装置、３ａ・・・コンプレッサー、３ｂ・・・酸素ＰＳＡ、３ｃ・・・オゾン発生器、５・・・加圧ポンプ、７・・・アキュームレーター、７ａ・・・自動排気弁、９・・・ノズル、１１・・・反応槽、１３・・・気液分離槽、１５ａ〜１５ｎ・・・バルブ、１７・・・ストレーナー、１９ａ，１９ｂ・・・フローメーター、２１・・・圧力計、２３ａ，２３ｂ・・・水位検出センサ、２５・・・オゾンモニター、３１・・・電源元スイッチ、３３・・・ポンプ起動スイッチ、３５・・・気体供給装置スイッチ、４１・・・ノズル本体、４３・・・調節弁、４５・・・調節カバー、４７・・・スプリング、５１・・・上流側流路、５３・・・細径流路、５５・・・下流側流路、５７・・・案内穴、５９・・・雄ねじ部、６１・・・弁体、６３・・・軸部、６５・・・凸部、７１・・・空洞部、７３・・・開口部、７５・・・凸部、７９・・・雌ねじ部。

Claims (6)

1. 汚染原因物質を含有する原水に対し、オゾンを加圧溶解させることにより、前記汚染原因物質の含有率が前記原水よりも低下した一次処理水を生成する一次処理部と、
   前記一次処理部での加圧溶解時に圧力が上昇した状態にある前記一次処理水を、ノズルから反応槽内へと噴出させて、噴出前の液相中で溶解した状態にあったオゾンを、噴出後の液相中でマイクロバブル化することにより、前記汚染原因物質の含有率が前記一次処理水よりも低下した二次処理水を生成する二次処理部と
   を備えたことを特徴とする排水処理装置。
2. 前記二次処理部で生成された二次処理水を、再び前記一次処理部による処理対象とするため、前記一次処理部へと循環させる循環流路
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排水処理装置。
3. 前記一次処理部は、前記原水に対してオゾンを加圧溶解させた後、前記原水に溶解しなかった一部のオゾンを含むガス分と、前記原水にオゾンが溶解してなる前記一次処理水とを気液分離装置で分離して、分離された前記一次処理水を、前記二次処理部において前記ノズルから前記反応槽内へと噴出させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排水処理装置。
4. 前記一次処理部は、前記原水に対して加圧溶解させる気体として、オゾンの他に酸素および空気を利用可能で、オゾン、酸素、および空気の内、いずれの気体を利用するかを任意に切り替え可能に構成され、
   前記二次処理部は、前記一次処理部で利用された気体からなるマイクロバブルを発生させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の排水処理装置。
5. 前記ノズルは、
   内部に、流体の入口側となる上流側流路から、複数の細径流路を経て、流体の出口側となる下流側流路に至る形態の流路が形成され、
   前記上流側流路および前記下流側流路は、同一の軸線が中心線となる位置に形成された流路で、前記下流側流路は、前記細径流路側から離れるほど僅かに径が拡大する形態になっていて、
   前記複数の細径流路は、いずれも前記上流側流路および前記下流側流路よりも径が細い流路で、前記上流側流路および前記下流側流路の中心線と同一軸線を対称軸とする回転対称な位置において、前記上流側流路および前記下流側流路の中心線と平行に延びる形態となっていて、
   さらに、前記複数の細径流路に囲まれた位置には、前記複数の細径流路と平行に延びる案内穴が形成され、
   前記調節弁は、円柱状の弁体と、前記弁体から突出する軸部とを備え、前記軸部は前記案内穴に挿し込まれて、前記案内穴内を軸方向に摺動可能な状態になっており、当該案内穴で前記軸部の摺動方向を規制することにより、前記調節弁が一軸方向に平行移動可能な構造になっており、しかも、スプリングによって、常に前記細径流路側に向かって付勢された状態になっていて、
   前記上流側流路に導入される流体の圧力が上昇すると、前記複数の細径流路から流体が噴出する状態になり、この噴出する流体の圧力を受けて、前記調節弁が前記スプリングの付勢力に抗して平行移動する構造になっている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の排水処理装置。
6. 請求項５に記載の排水処理装置が備える排水処理装置用のノズル。

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