JP2010110703A - 紫外線水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
保護管や洗浄機構がなくても、消毒や不活化のために２５４ｎｍ付近の波長の紫外線を有効に利用できる紫外線水処理装置を提供する。
【解決手段】
紫外線ランプ１０と、紫外線ランプ１０の外側に設けられた壁面１２と、紫外線ランプ１０の上端よりも上方に設置され重力落下する被処理水を流す複数の供給口１４と、紫外線ランプ１０を壁面１２に固定支持する紫外線支持部材２２と、供給口から重力落下した被処理水を集水する集水部２６とを備え、重力落下する被処理水が紫外線ランプ１０及び壁面１２のいずれにも接触しない箇所に供給口１４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、浄水，中水，下水に用いられる紫外線水処理装置に関する。

大腸菌などの細菌類や病原性原虫のクリプトスポリジウムを消毒，不活化するため、紫外線水処理装置が普及しつつある。紫外線水処理装置において主要な機器は、紫外線ランプであり、通常は水銀をガラス管内に封入した放電管が用いられる。この放電管から照射される紫外線が大腸菌などのＤＮＡを損傷させることにより、消毒，不活化が可能となっている。一般的な紫外線水処理装置では、紫外線ランプと被処理水の間に石英ガラス製の保護管が設けられ、被処理水が直接紫外線ランプと接触しない構造となっている。

保護管は被処理水と接しているため、紫外線水処理装置を運転していると、次第に保護管の表面へ被処理水中の金属（鉄，マンガンなど）やカルシウムなどの無機物、あるいは有機物が付着し、これらの付着物に遮られて紫外線ランプからの紫外線が被処理水へ十分に届かなくなる。この付着を抑制するために、ワイパーなど物理的手段による保護管の自動洗浄機構が備えられることが多い。

しかし、自動洗浄機構があっても完全には付着物を除去することは困難である。その結果、保護管は数年ごとに交換する必要があり、そのためのメンテナンス費用が発生する。また、自動洗浄機構は構造が複雑で部品点数が多く、イニシャル費用やそのメンテナンス費用が発生する。紫外線ランプの発光に要する電力費やランプ交換費に対し、これらのメンテナンス費用やイニシャル費用は無視できない割合を占めており、これらの費用の低減が課題となっている。

この課題を解決するために、たとえば〔特許文献１〕に記載の対策技術が提案されている。〔特許文献１〕に記載の従来の技術は、長軸が鉛直方向に配置された紫外線ランプの外側に固体の円筒を設け、その円筒面に沿って被処理水を薄膜状に流下させる構造を有しており、保護管は備えていない。紫外線ランプから被処理水に達するまでに無機物や有機物が付着する部分が存在しないため、光量の低減が生じない特長を有する。

又、〔特許文献２〕には、反応容器内に配置された紫外線ランプと被処理供給手段と、被処理水取出口とガス供給口と取出口を備えた水処理装置において、被処理水を紫外線反応空間に霧状態に供給することが記載されている。

しかしながら、〔特許文献１〕に記載の従来の技術では、被処理水が壁面に接した状態で流下するため液膜の厚みが薄い薄膜となる。又、〔特許文献２〕に記載の従来の技術では、霧状態で供給しているので、実際は浮遊して保護管に付着する問題があり、紫外線の利用効率も低い。一般に消毒や不活化に有効な紫外線の波長は２５４ｎｍ付近であるが、この波長の紫外線は水中での減衰が小さい。したがって、被処理水の薄膜が薄いと或いは霧状態であると多くの光が有効に利用されず被処理水の薄膜を通過して壁面にまで達してしまう。これは、紫外線処理する対象が浄水や下水の二次処理水など低濁度、低色度の場合に顕著となる。

又、壁面が紫外線を完全に吸収する場合には、発生した紫外線の消毒，不活化に対する利用効率はきわめて低い場合がありえる。壁面が鏡面であり、紫外線を完全に反射する場合にはこの利用効率は向上するが、この鏡面には被処理水が常に接しているため、保護管の場合と同様に徐々に無機物や有機物が付着して光の反射率が低下することは避けられない。

このように、〔特許文献１〕，〔特許文献２〕に記載の従来の技術では、消毒や不活化を目的とする２５４ｎｍ付近の波長の紫外線を有効に利用できない問題が発生する。

特許第４０９０２４１号公報 特開２００１−２３２３５９号公報

本発明の目的は、保護管や洗浄機構がなくても、消毒や不活化のために２５４ｎｍ付近の波長の紫外線を有効に利用できる紫外線水処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の紫外線水処理装置は、紫外線ランプと、紫外線ランプの外側に設けられた壁面と、紫外線ランプの上端よりも上方に設置され柱状又は平板形状で重力落下する被処理水を流す複数の供給口と、紫外線ランプを壁面に固定支持する紫外線支持部材と、供給口から重力落下した被処理水を集水する集水部とを備え、重力落下する被処理水が前記紫外線ランプ及び壁面のいずれにも接触しない箇所に前記供給口が設けられているものである。

本発明によれば、紫外線水処理装置のイニシャル費用とメンテナンス費用を低減することができ、消毒や不活化のため紫外線を有効に利用できる。

本発明の各実施形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態である紫外線水処理装置の構成を示す斜視図である。

本実施形態の紫外線水処理装置は、円筒型の壁面１２の上部に平板１３が取付けられ、平板１３には２つの供給口１４が設けられ、供給口１４には被処理水を流すための配管１５が設けられている。壁面１２の下部には円錐形状の集水部２６が設けられ、集水部２６には排水口２０が設けられている。

壁面１２の内側には、上下方向の２箇所の円周方向の複数箇所に紫外線ランプ支持材２２が取付けられている。紫外線ランプ支持材２２は、球状の固定部と棒状の支持部で構成され、球状の支持部は紫外線ランプ１０にも設けられており、紫外線ランプ１０は、紫外線ランプ支持部材により、壁面１２と平行となるように配置されている。

紫外線ランプ１０には、電源ケーブル２４が接続され、平板１３から外部に取り出され、外部から電源供給ができるようになっている。供給口１４は、壁面１２と紫外線ランプ１０の間で、供給口１４から流下する被処理水が、紫外線ランプ支持材２２に当らない位置に設けられており、供給口１４から流下する被処理水が集水部２６に当るまでは、他の部材に接触しないようになっている。

このように構成されているので、流入する被処理水１８は、紫外線ランプ１０よりも鉛直方向上部に位置する供給口１４から流入し、重力により鉛直下方へ落下する。上述したように、供給口１４は、紫外線ランプ１０および壁面１２から一定の距離を置いた箇所に設けられ、落下する被処理水１８は紫外線ランプ１０，壁面１２のいずれとも接触しない。又、落下する被処理水１８は、紫外線ランプ１０を固定している紫外線ランプ支持材２２にも接触しない。紫外線ランプ１０に電力を供給するための電源ケーブル２４は、上述したように設けられ、紫外線ランプ支持材２２と同様に落下する被処理水１８と接触しない。

紫外線ランプ１０は電源装置から給電されることにより紫外線を放射し、落下する被処理水１８を消毒，不活化する。紫外線ランプ１０より下方に達した被処理水１８は、集水部２６によって集められ、排水口２０として流出する。

固体表面に接するとそこで液体は広がってしまうが、本実施形態の構成のように、被処理水１８が、供給口１４から流出してから集水部２６に達するまで固体表面と接しない場合は、液体の分子同士が表面張力で引っ張り合うため、途中で固体に接する場合に比べて液柱の形状は大きくは変化しない。

その結果として、被処理水供給口１４を十分に大きくすることによって、紫外線が通過する液中距離が長くなるような太くて厚みのある水柱を得ることができる。消毒や不活化に効果が大きい波長２５４ｎｍ近辺の紫外線は水中での減衰が小さいため、この構造により紫外線が通過する液中距離を長くすることで有効利用される割合を増大することができる。

また、被処理水１８は紫外線ランプ１０と接触しないため、紫外線ランプ１０の表面に無機物や有機物は付着せず、それら付着物に起因する被処理水１８への光量低下の問題は生じない。また、保護管は不要であり、自動洗浄機構も不要となるため、装置のイニシャル費用および保護管の交換によって生じるメンテナンス費用を低減できる。

ただし、紫外線ランプ１０が万一損傷した場合には、内部に含まれる水銀やガラス片が処理水とともに流出しないようにするため、たとえば底を閉じた保護管を紫外線ランプ１０の周囲に設けることも良い。この場合も、被処理水１８は集水部２６へ達するまでにこの保護管には接触しないように被処理水供給口１４を設けることが必要である。

紫外線水処理装置を長期間使用している間に、集水部２６に達した被処理水１８が微小な水滴を発生し、その水滴が上昇して紫外線ランプ１０に付着する可能性がある。この場合には、紫外線ランプ１０表面でその水滴が蒸発し、溶解していたイオンや濁質成分が紫外線ランプ１０表面に付着し、被処理水１８へ与えられる光量が低下することがありえる。これを防止するためには、たとえば紫外線ランプ１０の表面に接して薄膜を形成するように純水あるいは超純水を別途上部から連続的に供給することが考えられる。この他に、交換が容易で安価な薄い樹脂の筒を紫外線ランプ１０の外側に備えることが考えられる。

このように、本実施形態の構成をとることで、従来の装置では必要であった石英ガラス製の保護管と自動洗浄機構が不要となる。その結果、イニシャル費用の低減，メンテナンス費用の低減という利点を得ることができる。又、被処理水１８が落下する際の水柱を太くできるため、壁面１２に接して薄膜状となり流下する場合に比べて紫外線の有効利用率を高めることが可能となる。

図２は、本実施形態の供給口１４の箇所における横断面図である。流入する被処理水１８は、被処理水の供給口１４から重力落下する。供給口１４が複数個ある場合には、その設置位置を紫外線ランプ１０から等距離（ｄ）となるように設置することが望ましい。

図２（ａ）は、上述したように、供給口１４が２箇所の場合の例であり、図２（ｂ）は、供給口１４を周方向に増やして８箇所設置した場合の例である。

このように、複数の供給口１４を紫外線ランプ１０から等距離となるように設置するこれにより、供給口１４位置が等距離と異なる場合より、消毒，不活化性能のばらつきを小さくすることができる。

紫外線ランプ１０の光量が十分大きい場合は、消毒，不活性性能のばらつきの影響は小さくなり、紫外線の有効利用率を高めたい場合には、被処理水の供給口１４を同心円状に複数段配置することも有効である。

図３は、本実施形態の供給口１４の変形例である供給口箇所における断面図であり、図４は、重力落下する被処理水の形状を示す斜視図である。

図３に示すように、被処理水の供給口１４は、一定の幅を有するリング型の形状であり、ここから重力落下する被処理水１８は、図４で示すように、内側に空気層を有する円筒状となる。

消毒，不活化性能のばらつきを低減するためには、被処理水の供給口１４の形状は真円であることが望ましい。また、紫外線の有効利用の点から、リング型の形状の供給口１４が複数個、同心円状に備えられていてもよい。

又、図２で示したような複数個の供給口１４と、図３で示すリング型の供給口１４を併用しても良い。

一般に、空気中から水中へ光が入射する際には反射が起きる。より効率よく被処理水１８の消毒，不活化処理を行なうためには、水面における反射をできるだけ低減することが望ましい。そのためには光の入射角が０度、すなわち水面に対して垂直に光が入射するのが理想的である。

図４で示すリング型の形状の水柱に、中心部から外側に向かって放射される紫外線は水面に対して垂直に入射するため、図２で示す形状の被処理水１８の水柱よりも反射が少なく、紫外線の利用効率をより高めることが可能となる。

ただし、被処理水をリング型の形状にした場合は、図１で示した形状の紫外線ランプ支持材２２に被処理水が接触してしまうため、紫外線ランプ１０は、装置上部の蓋である平板１３に固定する、あるいは平板１３から垂下させる必要がある。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態である紫外線水処理装置の供給口１４の箇所における横断面図である。

本実施形態では、壁面１２を紫外線が反射する鏡面としている。紫外線ランプ１０から放射された紫外線は被処理水１８に到達し、一部は水面で反射し、残りは水中へ入射する。水中を通過した紫外線は再び気中へ出て行く。壁面１２が紫外線を吸収する場合には、気中へ出て行く光および水面で反射した光はそこで熱エネルギーに変換され散逸する。壁面１２が鏡面であれば、これらの光を再度水柱へ与えることができるため、エネルギーの損失を低減でき、紫外線の利用効率を高めることができる。

図５は、図４で示した形状の水柱が生成している場合の例であり、紫外線ランプ１０から放射された紫外線（ｉ）が水柱へ入り、透過光として紫外線（ｉｉ）が壁面１２に当たって反射し、壁面からの反射光としての紫外線（ｉｉｉ）が再度被処理水１８へ与えられる。

（第３の実施の形態）
図６，図７は、本発明の第３の実施の形態の集水部２６の横断面図である。上方に設置した供給口１４から重力により落下する被処理水１８は集水部２６に達する。集水部２６に達した時点で、被処理水１８は、主にその落差に相当する運動エネルギーを有しているが、集水部２６の形状によってはそのエネルギーによって水滴を気中に発生させる場合がある。この水滴が上方向へ移動することで、紫外線ランプ１０あるいは鏡面とした壁面１２に水滴由来の無機物や有機物が付着し、発生した光が有効に利用されなくなる。

この対策の一つとして、集水部２６を紫外線ランプ１０や鏡面とした壁面１２よりも相当鉛直下方に離して設置し、発生した気泡が紫外線ランプ１０やその近傍の壁面１２にまで達しない構造とする方法がある。

他の対策としては、図６，図７で示すように集水部２６に勾配をつけて水滴の発生を抑制する方法がある。

図６，図７で示すように、集水部２６の勾配を水平面からの角度θであらわすこととすると、角度θが０°に近いほど水滴は発生しやすく、角度θが９０°に近いほど水滴は発生しにくい。角度θが４５°以上となると、落下して集水部２６との衝突により変化した被処理水１８の運動量の鉛直上方向の成分がなくなるため、水滴の発生率が減り、紫外線ランプ１０や壁面１２を汚染する割合が激減する。したがって、角度θは４５°以上，９０°未満であることが望ましい。

図７で示すように、集水部２６の形状は、縦断面としてみて滑らかな曲線、あるいは折れ線状に勾配を段階的に変化させてもよい。いずれの場合においても、重要となるのは落下する被処理水１８が接触する箇所の勾配であり、その点での角度θが水平面に対して４５°以上９０°未満であれば水滴の発生は抑制でき。光量低下の原因となるのを防ぐことができる。

（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態である紫外線水処理装置の斜視図である。

本実施形態の紫外線水処理装置は、平板状の壁面４２の上部に直方体状の給水口４４が平行して２つ設けられ、給水口４４には被処理水４８を流すための配管が設けられている。壁面４２の下部には三角柱形状の集水部５２が設けられ、集水部５２の底部には排水口５０が設けられている。

壁面４２の内側には、水平方向に配置された紫外線ランプ４０が設置され、図示しない紫外線ランプ支持部材で固定支持されており、紫外線ランプ４０は、紫外線ランプ支持部材により、壁面４２と平行となるように配置されている。

紫外線ランプ１０には、図示しない電源ケーブルが接続され、外部から電源供給ができるようになっている。給水口４４は、壁面４２と紫外線ランプ４０の間で、供給口４４から流下する被処理水が、紫外線ランプ４０と紫外線ランプ支持部材に当らない位置に設けられており、給水口４４から流下する被処理水が集水部２６に当るまでは、他の部材に接触しないようになっている。

本実施形態では、紫外線ランプ４０の周囲で落下する被処理水４８は平板形状を有する。図８では、紫外線ランプ４０の両側で被処理水４８が落下するようになっているが、装置の大きさの制約などがある場合には、片側で被処理水１８を落下させ、他方は鏡面の壁面としてもよい。また、図８では紫外線ランプ４０は長軸が水平方向となるように設置しているが、紫外線ランプ４０は長軸が鉛直方向、あるいは斜め方向に配置してもよい。紫外線ランプ４０は、複数本備えても良い。さらに大規模化する場合には、図８に示す「平板形状水柱−紫外線ランプ−平板形状水柱」の配列を複数列設けて、「平板形状水柱−紫外線ランプ−平板形状水柱−紫外線ランプ−平板形状水柱」のように構成してもよい。

（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態である紫外線水処理装置の斜視図である。本実施形態では、紫外線ランプ１０の下端と集水部２６との間に水滴が含有した空気の取込口２８が設けられ、その上方、図９に示す例では、紫外線ランプ１０の上端と平板１３との間に空気供給口３２が設けられる。空気供給口３２にはブロワ３０から空気が供給される。

このように構成しているので、紫外線処理装置内の気相において、空気の流れは下降流となり、集水部２６において発生した水滴は、この空気の下降流によって下方向の力を受けて取込口２８から流出する。これにより、紫外線ランプ１０および壁面１２に水滴が付着することを防ぐことができる。

図９に示す例では、ブロワ３０を空気供給口３２に接続したが、紫外線ランプ１０から集水部２６に向けて空気の下降流が生じるように、空気供給口３２は大気開放とし、ブロワ３０を取込口２８に接続して空気を吸引してもよい。

このように、本実施形態では、紫外線ランプ１０周辺に空気の下降流が生じることになるので、これによって紫外線ランプ１０を冷却する効果も得られる。紫外線ランプ１０は、一般に、温度が高くなると紫外線の発生効率が低下する。空気の下降流で紫外線ランプ１０の表面温度を適切に調整することにより、より高効率の紫外線水処理装置を得ることができる。

取込口２８の箇所あるいはその管内において流出する風の温度を計測し、その温度から紫外線ランプ１０の表面の温度を推算してブロワの風量を調整できるように構成してもよく、この構成により、原水温度や気温の変動が生じても、より高効率な紫外線処理装置を得ることが可能となる。

以上述べたように、各実施形態によれば、紫外線水処理装置のイニシャル費用とメンテナンス費用を低減することができ、消毒や不活化のため紫外線を有効に利用できる。又、運転停止時の汚染や凍結による紫外線ランプの破損などの問題も生じないという効果がある。又、空気を流せばランプ表面温度を下げる効果があり、発光効率が冬場でも良いという効果がある。

本発明の第１の実施の形態である紫外線水処理装置の構成を示す斜視図。 本実施形態の被処理水の供給口箇所における横断面図。 本実施形態の被処理水の供給口箇所における横断面図。 本実施形態の重力落下する被処理水の形状例を示す斜視図。 本発明の第２の実施の形態である紫外線水処理装置の供給口箇所における横断面図。 本発明の第３の実施の形態である紫外線水処理装置の集水部の縦断面図。 本実施形態である紫外線水処理装置の集水部の縦断面図。 本発明の第４の実施の形態である紫外線水処理装置の構成を示す斜視図。 本発明の第５の実施の形態である紫外線水処理装置の構成を示す斜視図。

符号の説明

１０ 紫外線ランプ
１２ 壁面
１４ 供給口
１８ 被処理水
２０ 排水口
２２ 紫外線ランプ支持材
２４ 電源ケーブル
２６ 集水部
２８ 取込口
３０ ブロワ
３２ 空気供給口

Claims (6)

1. 紫外線ランプと、該紫外線ランプの外側に設けられた壁面と、前記紫外線ランプの上端よりも上方に設置され柱状又は平板形状で重力落下する被処理水を流す複数の供給口と、前記紫外線ランプを前記壁面に固定支持する紫外線支持部材と、前記供給口から重力落下した被処理水を集水する集水部とを備え、前記重力落下する被処理水が前記紫外線ランプ及び壁面のいずれにも接触しない箇所に前記供給口が設けられている紫外線水処理装置。
2. 前記複数の供給口のそれぞれが紫外線ランプの発光面から等距離に配置されている請求項１に記載の紫外線水処理装置。
3. 前記紫外線ランプは長軸が鉛直方向に配置され、前記供給口の形状が紫外線ランプを中心とした円形状に形成されている請求項１に記載の紫外線水処理装置。
4. 前記壁面を紫外線が反射される鏡面とした請求項１から３のいずれかに記載の紫外線水処理装置。
5. 前記集水部は、重力落下した被処理水と接触する箇所の角度が水平面に対して４５度以上９０度未満となる形状に形成されている請求項１から４のいずれかに記載の紫外線水処理装置。
6. 前記紫外線ランプの下端と前記集水部との間に水滴が含有した空気の取込口が設けられ、前記紫外線ランプの上端より上方に空気供給口が設けられ、該空気供給口又は前記取込口にブロワが接続されている請求項１から５のいずれかに記載の紫外線水処理装置。

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