JP2011072905A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電によって発生するラジカル等の活性種を被処理水に効率よく作用させて、処理速度を向上させることができる水処理装置を提供する。
【解決手段】円筒状電極とこの円筒状電極の中心軸に沿って配置された線状電極との間に高電圧を印加することによって生じる放電空間内に噴射ノズルの複数の噴射孔72aから被処理水を水滴にして鉛直方向に噴射するとともに、前記複数の噴射孔72aを、円筒状電極の任意の水平断面において、円筒状電極の中心軸を始点とし前記水平断面に対する鉛直方向からの任意の噴射孔72aの投影位置を通過して円筒状電極の内壁面に達する全ての仮想線分Lが、他の噴射孔72aの投影位置を通過しないパターンに噴射孔72aを配置した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、上水、下水、排水等に含有される有機物、無機物、微生物を放電により発生するラジカル、オゾン等の活性種により分解処理する水処理装置に関する。

従来から、上水、下水、産業排水、プールなどの分野で、水中の有機物の酸化分解、殺菌、脱臭等の処理のためにオゾンが用いられている（特許文献１参照）。
しかしながら、オゾンは酸化力が弱く、親水化、低分子化はできても無機化することはできない。また、ダイオキシン等の難分解性有機物は分解できない。

そこで、処理能力を向上させるために、放電によりオゾンを発生させるとともに、オゾンより酸化力が強いOHラジカルやOラジカル等を発生させ、このオゾン及びラジカルを含む放電空間に被処理水を曝すことによって、オゾンだけでなく、ラジカルによっても酸化処理するようにした水処理装置が提案されている（特許文献２参照）。
しかし、ラジカルは寿命が短く、消滅しやすく、そのため効率が悪く、上記のような先に提案された水処理装置ではラジカルによる酸化作用を十分に発揮させることができない。

特開平９−２６７０９６号公報 特開２０００−２７９９７７号公報

本発明は、上記事情に鑑みて、放電によって発生するラジカル等の活性種を被処理水に効率よく作用させて、処理速度を向上させることができる水処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明にかかる水処理装置は、処理室内に、円筒状電極とこの円筒状電極の中心軸に沿って配置された線状電極とからなり、前記中心軸が鉛直線と平行である電極対を少なくとも１対有するとともに、各電極対の前記円筒状電極と線状電極との間に高電圧を印加することによって生じる放電空間内に電極対の上方に設けられた噴射ノズルの複数の噴射孔から被処理水を水滴状にして鉛直方向に噴射するようにした水処理装置であって、前記複数の噴射孔は、前記円筒状電極の任意の水平断面において、円筒状電極の前記中心軸を始点とし前記水平断面に対する鉛直方向からの任意の噴射孔の投影位置を通過して円筒状電極の内壁面に達する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過である配置の噴射孔を少なくとも１つ備えていることを特徴としている。

本発明の水処理装置において、複数の噴射孔は、仮想線分上に存在する噴射孔の数が増えるにしたがって、分解効率は低下するので、１つの噴射孔だけでなく、できるだけ多くの噴射孔が、上記全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過であるパターンで配置されていることが好ましく、全ての噴射孔が、上記全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過であるパターンで配置することが最も好ましい。

本発明において、噴射孔は、特に限定されないが、より処理効率が高くなることから、その円筒状電極の水平断面に対する投影位置が、線状電極近傍または円筒状電極の内壁面近傍に密となるように形成されていることが好ましい。

なお、円筒状電極の内壁面近傍とは、円筒状電極の中心軸を中心とする円筒半径の１／２径の仮想円筒と、円筒状電極の円筒内壁面とに囲まれた部分をいうが、円筒電極により近い位置に噴射孔が存在する方が好ましい。
一方、線状電極近傍とは、円筒状電極の中心軸を中心とする円筒半径の１／２径の仮想円筒と、線状電極の外周面とによって囲まれた部分をいうが、線状電極により近い位置に噴射孔が存在する方が好ましい。

噴射孔から噴射される水滴の径は、特に限定されないが、放電空間のプラズマに接触する体積あたりの表面積が大きくなり、処理効率が良くなるためで１５００μｍ以下であることが好ましい。

円筒状電極及び線状電極の材質は、導電性があり耐食性に優れたものであれば、特に限定されないが、ステンレス鋼、チタンが好適である。
円筒状電極及び線状電極は、処理効率を考慮して複数対備えていても構わない。

円筒状電極と線状電極との間に印加される放電電圧は、ストリーマ放電が起きる電圧であれば特に限定されない。

さらに、本発明の水処理装置においては、円筒状電極と線状電極との間に高電圧を印加する高圧電源や、水を受けて貯める貯水槽と、この貯水槽に貯められた水を被処理水として被処理水供給手段に送るポンプとからなる被処理水循環構造を備えていてもよい。

上記のように、本発明にかかる水処理装置は、処理室内に、円筒状電極とこの円筒状電極の中心軸に沿って配置された線状電極とからなり、前記中心軸が鉛直線と平行である電極対を少なくとも１対有するとともに、各電極対の前記円筒状電極と線状電極との間に高電圧を印加することによって生じる放電空間内に電極対の上方に設けられた噴射ノズルの複数の噴射孔から被処理水を水滴状にして鉛直方向に噴射するようにしたので、水滴状になった被処理水は、円筒状電極と線状電極との間で生じる縦長の円筒状をした放電空間内を落下していき、その間に、放電によって発生するオゾン、ＯＨラジカル、Ｏラジカル等の活性種によって被処理水中に含まれる有機物が効率よく分解処理される。
しかも、本発明にかかる水処理装置は、円筒状電極の任意の水平断面において、円筒状電極の中心軸を始点とし前記水平断面に対する鉛直方向からの任意の噴射孔の投影位置を通過して円筒状電極の内壁面に達する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過である配置の噴射孔が少なくとも１つ存在するようにしたので、放電によって生じる高速電子が、各水滴に直接当たる確率が大きくなり、処理効率がより高くなる。
すなわち、円筒状電極の中心軸、すなわち、線状電極側からみて、水滴が立体的に重なると、高速電子が最初に当たった水滴によって消費されて、次の水滴に当たらない。
したがって、噴射孔の投影位置のみを通過する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過である噴射孔をできるだけ多く備えるパターンに複数の噴射孔を配置することが好ましく、全ての噴射孔が噴射孔の投影位置のみを通過する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過であるパターンに複数の噴射孔を配置することが最も好ましい。

本発明にかかる水処理装置の１つの実施の形態の断面図である。 図１の水処理装置の噴射ノズルの噴射部の平面図である。 図２の噴射孔部分の拡大図である。 実施例３，４の水処理装置の噴射孔のパターンを説明する図である。 実施例５，６の水処理装置の噴射孔のパターンを説明する図である。 図５の噴射孔のパターンを詳しく説明する拡大図である。 比較例１、２の水処理装置の噴射孔のパターンを説明する図である。 実施例１〜６及び比較例１，２で実施したインジゴカルミンの処理時間と分解効率との関係を示すグラフである。

以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる水処理装置の１つの実施の形態をあらわしている。

図１に示すように、この水処理装置１は、処理室２と、円筒状電極３と、線状電極４と、被処理水タンク５と、ポンプ６と、噴射ノズルであるシャワーノズル７と、被処理水供給ホース７１と、高圧電源である高電圧パルス発生装置８とを備えている。
処理室２は、例えば、アクリル樹脂等の絶縁材料で形成され、円筒状をした処理室本体２１と、処理室本体２１の下端を、通水孔２２ａ部分を除いて閉鎖するように設けられた下部蓋部２２とを備えている。
また、下部蓋部２２は、被処理水タンク５の開口を上から塞ぐように設けられている。
処理室本体２１内には、円筒状電極３及び線状電極４からなる１対の電極対が、円筒状電極３の中心軸が鉛直方向に向くように収容されている。

円筒状電極３は、例えば、ステンレス鋼製の網を円筒状に加工することによって得られ、外径が処理室本体２１の内径より少し小さくなっている。
線状電極４は、例えば、ステンレス鋼あるいはチタン製の線材で形成され、円筒状電極３の中心軸Ｏに沿うように設けられている。

ポンプ６は、被処理水タンク５内の被処理水Ｗを、被処理水供給ホース７１を介してシャワーノズル７に送るようになっている。

シャワーノズル７は、被処理水供給ホース７１を介して送られてきた被処理水Ｗを円筒状電極３の上部開口に向かって小さな水滴Ｍとして鉛直線に沿うように噴射するようになっている。
また、シャワーノズル７は、図２及び図３に示すように、平板状をした噴射部７２を備え、この噴射部７２に、多数の噴射孔７２ａが穿設されている。
各噴射孔７２ａは、円筒状電極３の任意の水平断面（以下、「投影面」と記す）に各噴射孔７２ａを投影したとき、各噴射孔７２ａの投影位置を通過する円筒状電極３の中心軸Ｏを始点とし円筒状電極３の内壁面に達する全ての仮想線分Ｌ（なお、図３では、噴射孔７２ａの投影位置の中心を通る一部の仮想線分Lのみを記している）が、それぞれ他の噴射孔７２ａの投影位置を非通過となるパターンで鉛直線に平行に穿設されている。
すなわち、投影面上にある無数の仮想線分は、いずれも２つ以上の噴射孔７２ａの投影位置を通過することがない。
また、噴射孔７２ａは、投影面での投影位置が円筒状電極３の内周面近傍のリング状部分にのみ設けられている。

高電圧パルス発生装置８は、例えば、以下のように動作する。
高圧直流電源からの電流が抵抗を介してコンデンサに供給され、コンデンサが充電される。目標電圧までコンデンサが充電された後、トリガ回路からの高電圧のトリガパルスによりトリガトロンギャップスイッチがオン状態になる。このとき、コンデンサに充電された電荷がパルストランスの１次側に流れ込み、相互インダクタンスにより２次側にパルス状の誘起電圧が発生する。

すなわち、高圧パルス発生装置８は、このようにしてパルストランスの２次側に生じた高電圧パルスが、接地電極である円筒状電極３と高圧印加電極である線状電極４と間に印加されて、円筒状電極３と線状電極４との間でストリーマ放電を起こすようになっている。

この水処理装置１は、上記のようになっており、被処理水タンク５に有機物等を含む被処理水Ｗを仕込むとともに、高電圧パルス発生装置８によって、円筒状電極３と線状電極４との間に、高電圧をパルス状に印加し、円筒状電極３内に線状電極４から円筒状電極３に向かって放電し、見かけ上、上下方向に円柱状となったストリーマ放電空間を形成する。
そして、ポンプ６を駆動させて、被処理水タンク５内の被処理水Ｗを、ホース７１を介してシャワーノズル７に送り、噴射部７２の噴射孔７２ａから円筒状電極３の円筒内近傍に向かって噴射することによって被処理水Ｗを循環しながら処理するようになっている。

すなわち、ストリーマ放電によって、オゾン、ＯＨラジカル、Ｏラジカル等の活性種が放電空間内に発生し、シャワーノズル７から噴射された水滴Ｍが円筒状電極３内の円筒状をした放電空間内を落下していく間にこれら活性種に接触し、各水滴Ｍ中の有機物が効率よく酸化分解処理される。
また、各噴射孔７２ａの投影面に対する鉛直方向の投影位置が、投影面上で円筒状電極３の中心軸を始点とし円筒状電極３の内壁面に達する仮想線分Ｌが２つ以上の噴射孔７２ａの投影位置を通過しないパターンとなるように噴射孔７２ａが設けられているので、すなわち、円筒状電極３内を垂直方向に落下する各水滴が、円筒状電極３の中心軸に沿って配置される線状電極４からみて、オーバーラップすることがないので、放電によって生じる高速電子が確実に各水滴にあたり、処理効率がより高くなる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施の形態では、高電圧パルス発生装置を備えていたが、高電圧パルス発生装置は市販のものを別途用意するようにしても構わない。
上記の実施の形態では、処理室がアクリル樹脂で形成されていたが、ストリーマ放電によって発生する活性種に対しての耐久性を備えたものが好ましく、例えば、金網入りの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）でも構わない。

以下に、本発明の具体的な実施例を比較例と対比させて説明する。
（実施例１）
図１に示す水処理装置１を用い、以下の実験条件で精製水にインジゴカルミンが２０ｐｐｍの濃度で含まれる被処理水を処理し、紫外可視分光光度計（島津製作所社製商品名ＵＶｍｉｎｉ−１２４０）を用いて６１０ｎｍでの被処理水の吸光度の経時変化、すなわち、濃度変化を調べた。
〔実験条件〕
被処理水量：５．１リットル
被処理水の噴射速度（循環速度）：７Ｌ/分
パルス電圧：２０ｋV
放電回数：２５０回/秒
円筒状電極３のメッシュ：１０メッシュ
円筒状電極３の内径：３９．５ｍｍ
円筒状電極３の長さ（中心軸方向の長さ）：３００ｍｍ
円筒状電極３の材質：ステンレス鋼
線状電極４の直径：０．２８ｍｍ
線状電極４の材質：ステンレス鋼
シャワーノズル７の噴射部から円筒状電極３までの距離：２００mm
シャワーノズル７は、図２に示すように、噴射部となるステンレス鋼製の直径１４０mmの円板の中心より半径１０mmの円周と、半径２０ｍｍの円周との間で直径０．４mmの噴射孔７２ａを３．８mmの間隔で均等に、かつ、図３に示すように、各噴射孔７２ａの投影位置を通過する全ての仮想線分Ｌがそれぞれ他の噴射孔７２ａの投影位置を通らないパターンとなるように、噴射孔７２ａを６０個垂直に設けた。

（実施例２）
線状電極としてチタン製のものを用いた以外は、実施例１と同様にして、濃度変化を調べた。

（実施例３）
図４に示すように、噴射孔７２ａを直径１４０mmの円板の中心より直径４０ｍｍの仮想円に囲まれた部分において、直径３２ｍｍの仮想円（図示せず）上に直径０．４ｍｍの１５個の噴射孔７２ａを扇角２４°のピッチで設けた。また、直径２４ｍｍの仮想円（図示せず）上に直径０．４ｍｍの１５個の噴射孔７２ａを直径３２ｍｍの仮想円上の噴射孔７２ａに対して６°ずれた状態で扇角２４°のピッチで設けた。
同様に、外側の仮想円上の噴射孔７２ａに対して６°ずれた状態で直径１６ｍｍの仮想円上及び直径８ｍｍの仮想円上に１５個ずつの噴射孔７２ａを設けた。
すなわち、図４に示すように、６０個の噴射孔７２ａを上記のパターンで、垂直に設けた以外は、実施例１と同様にして、濃度変化を調べた。
なお、図４に示すＬは、各噴射孔７２ａの中心を通る仮想線分である。

（実施例４）
線状電極としてチタン製のものを用いた以外は、実施例３と同様にして、濃度変化を調べた。

（実施例５）
図５に示すように、噴射孔７２ａを直径１４０mmの円板の中心より直径２０ｍｍの仮想円の内側において、直径１６ｍｍの仮想円（図示せず）上に直径０．４ｍｍの１５個の噴射孔７２ａを扇角２４°のピッチで設けた。また、直径１２ｍｍの仮想円（図示せず）上に直径０．４ｍｍの１５個の噴射孔７２ａを直径１６ｍｍの仮想円上の噴射孔７２ａに対して６°ずれた状態で扇角２４°のピッチで設けた。
同様に、外側の仮想円上の噴射孔７２ａに対して６°ずれた状態で直径８ｍｍの仮想円上及び直径４ｍｍの仮想円上に１５個ずつの噴射孔７２ａを設けた。
なお、この実施例５においては、図６に示すように、最も中心軸Ｏ側に設けられた
噴射孔７２ａの投影位置を通る全ての仮想線分は実線で示す仮想線分Ｌａと仮想線分Ｌａとの間の扇形部分に存在し、中心軸Ｏから２段目に設けられた噴射孔７２ａの投影位置を通る全ての仮想線分は破線で示す仮想線分Ｌｄと仮想線分Ｌｄとの間の扇形部分に存在し、中心軸Ｏから３段目に設けられた噴射孔７２ａの投影位置を通る全ての仮想線分は二点鎖線で示す仮想線分Ｌｃと仮想線分Ｌｃとの間の扇形部分に存在し、中心軸Ｏから４段目に設けられた噴射孔７２ａの投影位置を通る全ての仮想線分は一点鎖線で示す仮想線分Ｌｂと仮想線分Ｌｂとの間の扇形部分に存在する。
したがって、この実施例５においては、最も中心軸Ｏ側に設けられた噴射孔７２ａの投影位置を通る仮想線分Ｌの一部が中心軸Ｏから２段目あるいは中心軸Ｏから４段目に設けられた噴射孔７２ａの投影位置を通る。すなわち、一部の仮想線分Ｌが２つの噴射孔７２ａの投影位置を通るようになっている。
なお、図５に示すＬは、各噴射孔７２ａの中心を通る仮想線分である。

（実施例６）
線状電極としてチタン製のものを用いた以外は、実施例５と同様にして、濃度変化を調べた。

（比較例１）
図７に示すように、外側の仮想円上の噴射孔７２ａと内側の仮想円上の噴射孔７２ａとが６°ずれず、仮想線分Ｌが４つの噴射孔７２ａをそれぞれ通るようにした以外は、実施例３と同様にして、濃度変化を調べた。
なお、図７に示すＬは、各噴射孔７２ａの中心を通る仮想線分である。

（比較例２）
線状電極としてチタン製のものを用いた以外は、比較例１と同様にして、濃度変化を調べた。

上記実施例１〜６及び比較例１，２で得られた濃度変化のデータから分解効率を演算し、その結果を、表１及び図８に示した。
なお、分解効率は、以下の演算式で求めた。
分解効率（％）＝濃度低下率（％）÷消費電力（Ｗ）
なお、上記濃度低下率（％）は、（インジゴカルミン初期濃度（２０ｐｐｍ）と処理時間ｔ分後のインジゴカルミン濃度（ｐｐｍ）との差を、インジゴカルミン初期濃度で除することによって求めた値である。
上記消費電力（Ｗ）は、処理開始から処理時間ｔ分後までの円筒状電極及び線状電極間の電圧波形および電流波形の積を積分して放電エネルギーを求め、この放電エネルギーに周波数を乗ずることによって求めた値である。

上記表１及び図８から、複数の噴射孔を、その円筒状電極の水平断面に対する鉛直方向からの各噴射孔の投影位置を通るとともに、前記水平断面上で円筒状電極の前記中心軸から円筒状電極の内壁面に達する複数本の仮想線分のうち、少なくともいずれか１本の仮想線分が、１つ噴射孔の投影位置のみを通るパターンに配置すれば、より分解効率が向上することがわかる。
さらに、全体に均等に噴射孔７２ａを配置するよりも、円筒状電極３の近傍あるいは線状電極４の近傍に密に設ければより分解効率が向上することがよくわかる。

本発明の水処理装置は、特に限定されないが、例えば、有機物を含む排水の浄化、汚染水の殺菌などに用いることができる。

１ 水処理装置
２ 処理室
３ 円筒状電極
４ 線状電極
５ 被処理水タンク
６ ポンプ
７ シャワーノズル（噴霧ノズル）
７２ 噴射部
７２ａ 噴射孔
８ 高電圧パルス発生装置（高圧電源）
Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ 仮想線分
Ｗ 被処理水
Ｍ 水滴

Claims (4)

1. 処理室内に、円筒状電極とこの円筒状電極の中心軸に沿って配置された線状電極とからなり、前記中心軸が鉛直線と平行である電極対を少なくとも１対有するとともに、
   各電極対の前記円筒状電極と線状電極との間に高電圧を印加することによって生じる放電空間内に電極対の上方に設けられた噴射ノズルの複数の噴射孔から被処理水を水滴状にして鉛直方向に噴射するようにした水処理装置であって、
   前記複数の噴射孔は、前記円筒状電極の任意の水平断面において、円筒状電極の前記中心軸を始点とし前記水平断面に対する鉛直方向からの任意の噴射孔の投影位置を通過して円筒状電極の内壁面に達する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過である配置の噴射孔を少なくとも１つ備えていることを特徴とする水処理装置。
2. 処理室内に、円筒状電極とこの円筒状電極の中心軸に沿って配置された線状電極とからなり、前記中心軸が鉛直線と平行である電極対を少なくとも１対有するとともに、
   各電極対の前記円筒状電極と線状電極との間に高電圧を印加することによって生じる放電空間内に電極対の上方に設けられた噴射ノズルの複数の噴射孔から被処理水を水滴状にして鉛直方向に噴射するようにした水処理装置であって、
   前記複数の噴射孔は、前記円筒状電極の任意の水平断面において、円筒状電極の前記中心軸を始点とし前記水平断面に対する鉛直方向からの任意の噴射孔の投影位置を通過して円筒状電極の内壁面に達する全ての仮想線分が、他の噴射孔の投影位置を非通過であるパターンで配置されていることを特徴とする水処理装置。
3. 噴射孔は、その円筒状電極の水平断面に対する投影位置が、線状電極近傍または円筒状電極の内壁面近傍に密となるように形成されている請求項１または請求項２に記載の水処理装置。
4. 噴射孔から噴射される水滴の径が１５００μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の水処理装置。

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