JP2013031802A

JP2013031802A - 水処理装置

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Publication number: JP2013031802A
Application number: JP2011168941A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Horikiri; 茂俊堀切; Yoshihiro Inamoto; 吉宏稲本; Kazuhiro Niwa; 和裕丹羽; Tomohiro Kuroba; 智宏黒羽; Yoshikazu Tashiro; 義和田代
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-14

Abstract

【課題】対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置において、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能な水処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の電極のうち少なくとも一つの電極は複数の貫通孔を有する形状とし、前記複数の電極を少なくとも一対対向させて配置した電極部３と、前記電極部３に気泡４を供給するための気泡供給手段として多孔体５およびエアーポンプ６とを有し、前記電極間に前記気泡供給手段から供給された気泡４を含む気液混合体を強制的に導入させる気液導入手段を設けた構成にしたことにより、対向配置している電極間に効率よく気泡を導入することが可能となるので、電極間の広い範囲で放電が行われ、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能になるという効果を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置であって、水道水、井戸水、河川水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置に関するものである。

従来、対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置として、被処理水中に配設された電極間に気泡を導入または生成して、電極間にて放電を行い、被処理水の処理を行うものが知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

特許文献１では、電極間に気泡を導入することで、微細気泡内で局部的なパルス放電が発生し、微細気泡中の酸素がオゾンへと励起される液中オゾン発生器が記載されている。

また、特許文献２では、電極間に気泡を導入することに加えて、電極部の構造について、一方の電極を頂点部分に気体の排出口を有する円錐形とし、他方の電極を気体の注入口を有する形状とすることで、効率よく処理が行われるような工夫がなされている。

特開平５−３１９８０７号公報特許第４０４１２２４号公報

しかしながら、このような従来の水処理装置においては、放電領域を大きくとることを目的に電極間距離を大きくした場合は、印加電圧が大きくなり、それに伴い、消費電力が増大してしまう。また、印加電圧や消費電力を小さくすることを目的に電極間距離を小さくした場合は、放電領域が小さくなり、それに伴い、水処理能力が低くなってしまう。したがって、消費電力低減と、水処理能力の向上とを両立させるためには、電極間距離を小さくした電極を複数配置するなど、複雑な装置構成とする必要があった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能な水処理装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、複数の電極のうち少なくとも一つの電極は複数の貫通孔を有する形状とし、前記複数の電極を少なくとも一対対向させて配置した電極部と、前記電極部に気泡を供給するための気泡供給手段とを有し、前記電極間に前記気泡供給手段から供給された気泡を含む気液混合体を強制的に導入させる気液導入手段を設けたことを特徴としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、複数の電極のうち少なくとも一つの電極は複数の貫通孔を有する形状とし、前記複数の電極を少なくとも一対対向させて配置した電極部と、前記電極部に気泡を供給するための気泡供給手段とを有し、前記電極間に前記気泡供給手段から供給された気泡を含む気液混合体を強制的に導入させる気液導入手段を設けた構成にしたことにより、対向配置している電極間に効率よく気泡を導入できるので、電極間の広い範囲で放電が行われ、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能になるという効果を得ることができる。

本発明の水処理装置における電極部分の概略構成図本発明の実施の形態１における気液導入手段の電極部詳細図本発明の実施の形態２における気液導入手段の電極部詳細図本発明の実施の形態３における気液導入手段の電極部詳細図本発明の実施の形態４における気液導入手段の電極部詳細図本発明の実施の形態５における電極部詳細図

本発明の請求項１記載の水処理装置は、対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置であって、被処理水の流入口と流出口を有する水処理槽内に、複数の電極のうち少なくとも一つの電極は複数の貫通孔を有する形状とし、前記複数の電極を少なくとも一対対向させて配置した電極部と、前記電極部に気泡を供給するための気泡供給手段とを有し、前記電極間に前記気泡供給手段から供給された気泡を含む気液混合体を強制的に導入させる気液導入手段を設けたことを特徴としたものである。これにより、電極間を通過する気液混合体の量を増大させることができるので、電極間の広い範囲で放電が行われ、また、電極間に気泡が存在しない場合に比べて低い電圧で放電することができるので、消費電力を抑えつつ、有機物の分解や微生物の殺菌などの水処理能力が向上するという効果を奏する。

また、前記気液導入手段を、上流側電極の貫通孔の大きさが、下流側電極の貫通孔の大きさよりも大きくすることにより構成するようにしてもよい。これにより、被処理水に気泡が含まれた気液混合体は、下流側電極に衝突した後に電極間に導入されることで、電極間を通過する気液混合体の量を増大させることができ、また、電極間で対流が生じ、気液混合体の電極間での接触時間が長くなるので、水処理能力の高効率化が図れるという効果を奏する。

また、前記気液導入手段を、下流側電極の外周部に気液が通過する開口部を設けることにより構成するようにしてもよい。これにより、外周部近傍の電極間に確実に気液混合体が導入されることになるので、すべての電極間で有効に水処理が行われるという効果を奏する。

また、前記気液導入手段を、上流側電極の貫通孔端部を下流側電極側に曲げることにより構成するようにしてもよい。これにより、上流側電極の凹部内への気液混合体の流入により、電極間を通過する際の抵抗を小さくできるので、上流側電極の貫通孔端部先端と下流側電極との間の電極間距離も小さくすることができ、印加電圧が低くてすむことによる消費電力低減と水処理能力の向上が図れるという効果を奏する。また、下流側電極部で気液混合体の衝突後速やかに放電が行われること、電極間での対流が生じやすくなることにより、水処理性能の高効率化が図れる。また、異物の電極間への詰りも抑制される。

また、前記気液導入手段を、上流側電極は貫通孔を有する形状、下流側電極は平板形状、前記下流側電極を流路の壁面に密着させるか、或いは、流路壁面と兼ねるか、することにより構成するようにしてもよい。これにより、貫通孔を未処理のまま通過する流量が減少するので、水処理性能の高効率化が図れるという効果を奏する。

また、前記気液導入手段を、電極部の下流側流路の断面積を電極部流路の断面積よりも小さくすることにより構成するようにしてもよい。これにより、電極部の下流側流路の断面積が小さくなる部分で対流が生じ、電極間でも同様に対流が生じるようになるので、電極間での接触効率が向上し、水処理性能の高効率化が図れるという効果を奏する。

また、上流側電極と前記気泡供給手段とを一体とし、下流側電極に対向しない壁を気泡の通過がない気泡遮断壁とする構成としてもよい。これにより、気泡が直接かつ確実に電極間に供給されるので、放電が確実に行われ、水処理性能の高効率化が図れるとういう効果を奏する。さらに、電極部と気泡供給手段を有する水処理部のスペースが小さくてすむので、水処理装置の小型化が図れるという効果を奏する。

また、前記電極のいずれか一方の表面が誘電体でコーティングされている構成としてもよい。これにより、火花放電により大電流が一気に流れて電気系統が破損することを防止することができ、安定してプラズマ放電を形成させることができるという効果を奏する。さらに、電極の導電体部が放電により消耗することがないので、電極の長寿命化、導電体材料溶出に伴う被処理水の成分変化がないという効果を奏する。さらに、電極同士の短絡を防止できるので、印加電圧や消費電力が小さくなるよう、電極間距離を可能な限り小さく設定することができるという効果を奏する。

また、前記気泡供給手段は、エゼクター方式、超音波方式、高速回転体による方式、のいずれかの方式によりマイクロバブルを生成する構成としてもよい。これにより、電極間で放電を行い、水処理を行うのに最適な径の気泡を生成することができるので、水処理性能の高効率化が図れるという効果を奏する。

また、水の流れを下から上の向きとし、電極部の下部より気泡を供給する構成としてもよい。これにより、気液混合体内の気泡が流路内で偏りが生じることなく均一化されるので、電極間での放電も均一に行われるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、円筒状の水処理槽１内に、貫通孔２を有する２つの電極を、水の流れに対して垂直に、流路の断面積を満たすように、対向して配置させている。

気泡４は、気泡供給手段である多孔体５およびエアーポンプ６により生成される。

また、気泡４は、水の流れを下から上の向きとし、貫通孔２を有し、対向して配置させた２つの電極で構成される電極部３の下部から水処理槽１内の流路に供給される。この構成により、気液混合体内の気泡が流路内で偏りが生じることなく均一化されるので、電極間での放電も均一に行われる。

さらに、気泡４の原料としては、大気中の空気、高純度の酸素、オゾンなどが使用できるが、好ましくは高純度の酸素、オゾンである。

電極部３は、高電圧電源７と電気的に接続され、電極間に高電圧パルスを印加できる構成としている。

図２は、気液導入手段を、上流側電極３０の貫通孔の大きさが、下流側電極３５の貫通孔の大きさよりも大きいことにより構成し、且つ、下流側電極３５の外周部に気液が通過する開口部８を設けることにより構成した場合の電極部詳細図を示している。

上流側電極３０および下流側電極３５は、内部の導電体３ａを誘電体３ｂでコーティングして構成されている。この誘電体のコーティングにより、電極間の火花放電により急激に大電流が流れて電源回路などが破壊されることを防止することができ、安定してプラズマを形成することができる。また、導電体３ａが放電により消耗することがないので、電極の長寿命化が期待でき、導電体３ａの金属材料溶出に伴う被処理水の成分変化がない。また、電極同士の短絡を防止できるので、印加電圧や消費電力が小さくなるよう、電極間距離を可能な限り小さく設定することができる。

誘電体３ｂについて、コーティング方法は、ゾルゲル法による無機酸化被膜を形成させる方法が好ましく、また材料は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₂などが使用できるが、比誘電率などの観点から、好ましくはＢａＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂である。

導電体３ａは、流通させる被処理水による酸化や、放電に伴う酸化、高温による劣化に耐えられるような材料で構成する必要がある。例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅および銅合金などの金属を用いることができるが、好ましくはステンレス鋼やチタンである。

電極間距離は、印加電圧や消費電力を小さくする目的では、可能な限り接近させて小さくするとよく、また、放電領域を大きくする目的では、大きくするとよいので、被処理水中に含まれる処理対象物である有機化合物や微生物などの濃度、分解性をあらかじめ定めておき、最適な電極間距離を設定する必要があり、好ましくは０．０５から５０ｍｍである。パッシェンの法則より印加電圧が最小となる電極間距離は数μｍから数十μｍであるが、０．０５ｍｍより小さくすると、放電領域が小さくなり、水処理可能な流量が低下することに加えて、被処理水中に含まれる成分によっては電極間での目詰りの発生頻度が増大してしまう。また、電極間距離を５０ｍｍより大きくすると、放電に必要な印加電圧が１００ｋＶ程度以上となり、高電圧電源７が大型且つ高コストになってしまう。

開口部８の水処理槽１の外壁からの距離Ｌは、開口部８を通過する際の流路断面積を、外周部の電極間を通過する際の流路断面積と同等以上になるように設定するとよく、好ましくは、電極間距離と同等の０．０５から５０ｍｍである。

図２において、被処理水に気泡４を含んだ気液混合体は、下流側電極３５に衝突した後に電極間に導入され、電極間で放電が行われる。これにより、放電箇所が多数存在する電極間に効率よく気泡を導入することができるので、電極間に気泡が存在しない場合に比べて低い電圧で放電することができ、消費電力が抑えられる。

電極間での放電は、高電圧電源７により電極間に高電圧が印加されることにより行われる。この放電により、オゾンやヒドロキシラジカルなどの活性種が生成され、被処理水の有機物の分解や微生物の殺菌が行われる。

電極間に印加される電圧波形は、高電圧の矩形波、三角波、正弦波などを用いることができ、好ましくは、高電圧パルスとするのがよい。高電圧パルスにすることで、無駄に消費される電力を抑制することができる。

高電圧電源７により印加する電圧の大きさは、電極の形状・大きさ、処理対象物、要求される処理能力によって変わるため一概には決められないが、装置の大きさや安全性、電源の動作効率を考慮すると、好ましくは１から１００ｋＶである。

高電圧電源７の制御方法として、電極部の上流側、下流側のいずれか一方の流路中に配設した濁度センサー、導電率センサー、流量センサーの出力信号に応じて、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦ時間、高電圧パルスの幅、印加電圧の大きさを調整するようにしてもよい。これにより、要求される処理能力に合わせて、最適な放電が行われるので、無駄に消費される電力を抑制することができる。

このような構成によれば、電極間を通過する気液混合体の量を増大させることができるので、電極間の広い範囲での放電が行われ、また、電極間に気泡が存在しない場合に比べて低い電圧で放電することができるので、消費電力を抑えつつ、有機物の分解や微生物の殺菌などの水処理能力が向上するという効果が得られる。また、電極間で対流が生じ、気液混合体の電極間での接触時間が長くなるので、水処理能力の高効率化が図れる。

なお、実施の形態１では、水処理槽１の形状を円筒状としたが、流路断面が多角形である角筒状としてもよく、その作用効果に差異を生じない。

また、気泡供給手段として多孔体５およびエアーポンプ６を用いたが、エゼクター方式、超音波方式、高速回転体などによる方式によりマイクロバブルを生成する構成としてもよい。この構成により、電極間で放電を行い、水処理を行うのに最適な径の気泡を生成することができるので、水処理性能の高効率化が図れる。

また、エアーポンプ６にかえて、圧縮気体を密閉したガスボンベを用いてもよく、その作用効果に差異を生じない。

また、複数の電極を一対対向させて配置した構成としたが、これらの電極対を複数重ねた構成にしてもよい。これにより、処理流量を増やすことができるので、水処理性能の高効率化が図れる。

（実施の形態２）
図３において、図１および図２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３は、気液導入手段を、上流側電極３１の貫通孔端部を下流側電極３５側に曲げることにより構成した場合の電極部詳細図を示している。

図３において、実施の形態１の図２との違いは、上流側電極の貫通孔端部を下流側電極側に曲げることのみで、その他の構成は図２と同一である。

このような構成によれば、上流側電極の凹部内への気液混合体の流入により、実施の形態１に比べ電極間を通過する際の抵抗を小さくできるので、上流側電極の貫通孔端部先端と下流側電極との間の電極間距離も小さくすることができ、印加電圧が低くてすむことによる消費電力低減と水処理能力の向上が図れるという効果が得られる。また、下流側電極部で気液混合体の衝突後速やかに放電が行われること、電極間での対流が生じやすくなることにより、水処理性能の高効率化が図れる。また、異物の電極間への詰りも抑制される。

（実施の形態３）
図４において、図１および図２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４は、気液導入手段を、上流側電極３０は貫通孔を有する形状、下流側電極３６は平板形状、前記下流側電極３６を流路の壁面に密着させるか、或いは、流路壁面と兼ねるか、することにより構成した場合の水処理槽１１とその内部の電極部の詳細図を示している。

図４において、気泡供給手段９は、エゼクター方式としている。エゼクター方式とすることにより、電極間で放電を行い、水処理を行うのに最適な径の気泡を生成することができるので、水処理性能の高効率化が図れる。

このような構成によれば、実施の形態１、２の複数の電極のすべてを通過する方法に比べて、貫通孔２を未処理のまま通過する流量がなく、その分、電極間を通過する流量が増えるので、水処理性能の高効率化が図れるという効果が得られる。

なお、実施の形態３では、気泡供給手段としてエゼクター方式を用いたが、超音波方式、高速回転体などによる方式によりマイクロバブルを生成する構成としてもよく、その作用効果に差異を生じない。

（実施の形態４）
図５において、図１および図２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５は、気液導入手段を、電極部の下流側流路の断面積を電極部の上流側流路の断面積よりも小さくすることにより構成した場合の電極部詳細図を示している。

図５において、電極部の下流側流路の断面積を小さくする手段として、仕切板１０を配設させている。

電極部流路に対する電極部下流側流路の断面積比は、電極の形状・大きさ、処理対象物、要求される処理能力、装置構成により許容される圧力損失により、最適に設定する必要がある。

このような構成によれば、電極部下流側流路の断面積が小さくなる部分で対流が生じることで、実施の形態１の図２に比べて、電極間で発生する対流量、すなわち対流（時間）が長くなるので、電極間での接触効率が向上し、水処理性能の高効率化が図れる。

（実施の形態５）
図６において、図１および図２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６は、上流側電極を気泡供給手段と一体とした気泡供給手段付電極３２とし、下流側電極３５に対向しない壁を気泡の通過がない気泡遮断壁１２とした場合の電極部詳細図を示している。

上流側電極である気泡供給手段付電極３２は、その内部を多孔体とし、気泡が通過するように構成している。

また、気泡供給手段付電極３２において、下流側電極３５に対向しない壁を気泡の通過がない気泡遮断壁１２としている。

このような構成によれば、気泡が直接かつ確実に電極間に供給されるので、放電が確実に行われ、水処理性能の高効率化が図れる。また、上流側電極と気泡供給手段とを一体にすることで電極部と気泡供給手段を有する水処理部のスペースが小さくてすむので、水処理装置の小型化が図れる。

本発明にかかる水処理装置は、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能になるという効果が得られるものであり、水道水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置として有用である。

１水処理槽
２貫通孔
３電極部
３ａ導電体
３ｂ誘電体
４気泡
５多孔体
６エアーポンプ
７高電圧電源
８開口部
９気泡供給手段
１０仕切板
１１水処理槽
１２気泡遮断壁
３０上流側電極
３１上流側電極
３２気泡供給手段付電極
３５下流側電極
３６下流側電極

Claims

対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置であって、
被処理水の流入口と流出口を有する水処理槽内に、
複数の電極のうち少なくとも一つの電極は複数の貫通孔を有する形状とし、前記複数の電極を少なくとも一対対向させて配置した電極部と、
前記電極部に気泡を供給するための気泡供給手段とを有し、
前記電極間に前記気泡供給手段から供給された気泡を含む気液混合体を強制的に導入させる気液導入手段を設けたことを特徴とする水処理装置。
前記気液導入手段を、上流側電極の貫通孔の大きさが、下流側電極の貫通孔の大きさよりも大きくすることにより構成する請求項１に記載の水処理装置。
前記気液導入手段を、下流側電極の外周部に気液が通過する開口部を設けることにより構成する請求項１または２に記載の水処理装置。
前記気液導入手段を、上流側電極の貫通孔端部を下流側電極側に曲げることにより構成する請求項２または３に記載の水処理装置。
前記気液導入手段を、上流側電極は貫通孔を有する形状、下流側電極は平板形状、前記下流側電極を流路の壁面に密着させるか、或いは、流路壁面と兼ねるか、することにより構成する請求項１に記載の水処理装置。
前記気液導入手段を、電極部の下流側流路の断面積を電極部流路の断面積よりも小さくすることにより構成する請求項１から５のいずれか一項に記載の水処理装置。
上流側電極と前記気泡供給手段とを一体とし、下流側電極に対向しない壁を気泡の通過がない気泡遮断壁とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の水処理装置。
前記電極のいずれか一方の表面が誘電体でコーティングされていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の水処理装置。
前記気泡供給手段は、エゼクター方式、超音波方式、高速回転体による方式、のいずれかの方式によりマイクロバブルを生成するものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の水処理装置。
水の流れを下から上の向きとし、電極部の下部より気泡を供給することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の水処理装置。