JP2013522021A - ガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

本発明はガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置に関し、ガス及び液状物質が前記気液反応装置上部の流入口から送入されると、相対的に軽いガスは前記気液反応装置上部の空間から捕集され、気液反応装置下部の排出口を通して排出されるまで一定時間の間、上部から流入・噴射される液体と反応することができるようにして、気体と液体との接触時間を増大させることによって反応効率が向上されて、水処理装置やガス洗浄装置の設置費用・運転費用などのコスト低減などを実現できるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置に関するものである。

Description

本発明はガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置に関し、ガス及び液状物質が前記気液反応装置上部の流入口から送入されると、相対的に軽いガスは前記気液反応装置上部の空間から捕集され、気液反応装置下部の排出口を通して排出されるまで一定時間の間、上部から流入・噴射される液体と反応させることによって気体と液体との接触時間延長、反応効率向上、水処理装置やガス洗浄装置の設置費・運転費などの原価低減などを実現できるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置に関するものである。

従来の気液反応装置は、多くの場合、軽いガス物質は気液反応装置下部、そして相対的に重い液体は上部に投入分散させて下降しながら上昇するガス物質と接触反応するか、汚染物質が含まれている水などで満たされた反応装置の下部からガスを送入させると送入されたガスが反応装置の上部を通して排出される仕組みとなっている。

従来のオゾン酸化反応装置は、汚染水で満たされた反応器下部から散気装置やベンチュウリなどのような気体混合装置を利用してオゾンを送入したり、オゾンの溶解度増加及び接触効率向上を図るために、酸化反応装置にオゾンを加圧・送入し、水中に多量を溶解させた後、加圧された汚染水を反応装置下部から送入したりすることでマイクロまたはナノメートルサイズで微細化したオゾン気泡を生成させて、浮上しながら反応させるＤＯＦ（溶存オゾン浮上、Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ Ｏｚｏｎｅ Ｆｌｏｔａｔｉｏｎ）工程を結び付けた常圧酸化反応装置が主流であった。

図１は、従来のオゾン酸化反応装置の使用例を示したもので、オゾンガスは散気装置やベンチュウリなどによって汚染物質が含まれている反応装置下部から微細気泡の形で送入される。送入されたオゾンガスが気泡の形で浮上する間、水中の汚染物質と反応した後、水面上を抜け出る未反応オゾンガスは、汚染物質とのそれ以上の反応が出来ず、上の方に排出される。そのため、オゾンガスを飽和濃度に近く溶解させるための多量のオゾンガス送入が必要となり、多くのオゾンガス消耗を起こす典型的なオゾン反応装置である。

従来のオゾン酸化反応装置では、汚染水で満たされた酸化反応装置下部からオゾンガスを送入すると、オゾンの水中溶解度が低いのでそのほとんどは気泡の形で存在する。また、オゾン気泡の浮上速度は大きさに比例して、大きければ大きい程水中で溜る時間が短くなるので汚染物質との接触時間が短くなる。

そういった理由から、オゾン気泡の大きさをマイクロまたはナノメートルサイズの気泡に作り、浮上速度を低下させることで反応時間を延長するＤＯＦ工程を適用した酸化反応装置を開発するに至った。前記ＤＯＦ工程のように、汚染水中にオゾンガスを送入するオゾン酸化反応装置は、オゾン気泡の大きさが酸化反応効率を決定する主な因子の一つである。

通常、酸化反応装置に送入されたオゾンは、水中に溜っている間だけ汚染物質と接触・反応することが出来る。そのため、水中にオゾンガスを送入する反応の場合は、オゾン気泡の大きさを小さくして浮上速度を低下することで水中に溜る時間を長くし、酸化反応装置の高さを高めたＤＯＦ工程は、散気装置やベンチュウリなどを使用するオゾン酸化方法に比べて多くの成果をあげたものの、オゾン気泡が浮上するにしたがって大きさが大きくなって、酸化装置のサイズを大きくするにも制限がある。

加圧下で連続的に行われる管型酸化反応装置の場合は、圧力に比例して多量のオゾンを水中に溶解して酸化反応を起こす方式を使用することによって、従来のオゾン酸化反応に比べて効率がアップした。しかしながら、酸化反応途中に消耗されるオゾンを補充するため、オゾンを溶存量以上に送入しなければならない反応の特性上、過剰送入されたガス状オゾンが管型酸化反応装置上部の方へ層分離し移動するので、再使用されず処理水と共に排出されてしまう。そのため、排出されたオゾンが水層から分離されないよう、ガス状オゾンをラインミキサー（Ｌｉｎｅ Ｍｉｘｅｒ）などのような混合装置を管型酸化反応装置の間の各所に設置し、反応経過によって管型酸化反応装置上部のガス状オゾンを水中に溶解して酸化反応効率を高めようとした。ただし、管型酸化反応装置内部でオゾンを微細気泡形態に作るには限界があり、それに送入されたオゾンが管型酸化反応装置に沿って汚染水と共に流されながら反応後に同時に排出されてしまう特性上、未反応オゾン発生量が多かった。

従来のオゾン酸化反応技術の効率向上のために使用されてきた二つの技術をまとめれば、そのひとつは、オゾンガスを加圧し汚染水と反応させた後、加圧された汚染水の圧力を取り除く過程で、微細気泡オゾンを発生させることで反応させるＤＯＦ（溶存オゾン浮上）工程を利用する技術である。又一つの技術は、オゾンと汚染水を加圧し管型反応装置へ送入した時、オゾンが汚染水と共に流されながらガス状オゾンが分離される問題点を解決するために、オゾン・汚染水混合攪拌装置を取り付けて反応させる加圧酸化反応装置で、効率が最も優れている技術であった。

従来のオゾン酸化反応装置の効率向上のためには、微細気泡が浮上する距離、即ち、反応装置の高さが高いほど接触時間が長くなるものの、マイクロまたはナノメートルサイズで送入されたオゾンでも浮上しながら互いに合体し、気泡の大きさが大きくなって浮上速度が速まるので、酸化反応装置サイズを無限に増やして接触時間を延長するにも限界がある。また、排出される未反応オゾンを再度送入する方式は、オゾンを加圧する別途のポンプシステムと反応装置を必要とし、コストアップや手間で再使用することが難しく、高濃度の未反応オゾンを環境基準値以下に分解・廃棄するので、多量のオゾンガス消耗が発生した。

また、オゾンと汚染水を加圧し溶存オゾン量を増やした管路型反応装置の場合は、圧力に比例して溶解度が増すが、送入されたオゾンと汚染水は反応装置に沿って流されながらガス状オゾンが分離される。そのため、汚染水と再度混合させるラインミキサーなどの攪拌装置を管路型反応装置に何カ所か取り付けることによって送入したオゾンの再使用を図ったが、オゾンガスを微細気泡化するには限界があり、反応装置内部のオゾンガスの大きさは比較的大きい気泡形態で存在しており汚染水と共に排出されるので、接触時間の延長のためには反応装置の長さを延さなければならないなど、未反応オゾン発生をおさえるには限界があった。

前記場合の加圧状態の汚染水は、オゾンガスと混合された状態で排出されるので、後工程で溶存オゾン浮上（ＤＯＦ）工程を適用する場合、ガス状オゾンは大きい気泡を形成し速く浮上する。そのため、生成された微細気泡たちは自身の浮上速度で浮上できず、大きい気泡たちによって同伴上昇するなど、ＤＯＦ工程効率が急激に低下する問題点のため、気液分離装置を経てからＤＯＦ工程を適用する問題点がある。

こういう理由から、従来のオゾン酸化反応装置は、オゾンガスが酸化反応に使用される効率が低いので、一定の酸化反応効率を得るためには、実際の酸化反応に必要なオゾン量よりずっと多い量のオゾンを送入しなければならない。したがって、高価のオゾン発生器容量を増やさなければならなくなり、設置費や維持管理費などをアップさせる問題点があった。

また、廃棄される未反応オゾン量が多いため、オゾン酸化装置設置についてはそれだけ高価のオゾン発生装置を大容量に設計せざるを得なく、また廃棄される未反応オゾンを分解するためにはビックサイズの廃オゾン分解装置容量設置を要するなど、コストアップの問題点があった。

本発明は、前記問題点を認識した上に案出されたもので、本発明の目的は、従来のオゾン酸化反応装置に利用される気液反応装置に送入されたオゾンが十分に使用されないまま廃棄される酸化反応装置の構造的な問題点を解決するために、汚染物質との接触反応を繰り返すことで未反応オゾン発生量低減と汚染物質除去効率の極大化を実現させることが可能なガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明によるガス捕集型気液反応装置は、内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置において、ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧し、前記上部流入口から流入させる。ガスは、前記捕集空間上部から捕集され、順次に下部方向に満たされ、前記下部流出口を通して排出される。液体は、前記上部流入口から噴射され、前記捕集空間上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出される仕組みで構成されることを特徴とする。

また、本発明によるガス捕集型気液反応装置は、前記気液反応装置が複数個の直列または並列接続されることを特徴とする。

また、本発明によるガス捕集型気液反応装置を利用した水処理装置は、内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置と、前記気液反応装置の前記下部流出口に接続される気液分離装置を含めるが、前記気液反応装置は、ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧し、前記上部流入口から流入させる。ガスは前記捕集空間の上部から捕集され、順次に下部方向に満たされ、前記下部流出口通して排出されるが、液体は前記上部流入口から噴射され、前記捕集空間の上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出される仕組みで構成される。ただし、前記ガスはオゾンガスであり、前記液体は汚染物質が含まれている汚染水でなっていて、処理水が前記下部流出口を通して排出される構成となっており、前記気液分離装置は、加圧された前記処理水の圧力を取り除きながら前記処理水での未反応オゾンガスを分離することを特徴とする。

また、本発明によるガス捕集型気液反応装置を利用した水処理装置は、前記捕集空間には金属、セラミック、高分子樹脂材質のうちいずれか一つ以上でなっている充填物が充填されたことを特徴とする。

また、本発明によるガス捕集型気液反応装置を利用した水処理装置は、前記気液分離装置から排出・廃棄される未反応オゾンを低減するために、前記気液分離装置の流出口に接続される廃オゾン分解装置を加える。ただし、前記廃オゾン分解装置は、流入口及び流出口を有する円筒型反応装置で、内部に紫外線ランプが挿入・保護される石英管と未反応オゾンをＯＨラジカルに切り替えて、汚染物質と反応させることで取り除く高度酸化工程反応によって未反応オゾンと未反応汚染物質を処理できるよう、前記石英管の外部周りに充填された紫外線と二酸化チタンを主成分とする光触媒を含めた構成となっていることを特徴とする。

また、ガス捕集型気液反応装置を利用したガス浄化装置は、内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置を利用したガス浄化装置において、前記気液反応装置は、ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧し、前記上部流入口から流入させる。ガスは、前記捕集空間の上部から捕集され、順次に下部方向に満たされ、前記下部流出口を通して排出される。液体は、前記上部流入口から噴射され、前記捕集空間の上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出される仕組みで構成される。ただし、前記ガスは汚染物質が含まれている汚染ガスであり、前記液体は浄化液でなっていて、前記汚染ガスは前記捕集空間上部から捕集され、下部方向に前記下部流出口まで満たされ、前記浄化液は前記捕集空間に捕集された汚染ガス層に分散・下降すると同時に、前記汚染ガスと前記浄化液とが反応しながら前記下部流出口を通して浄化処理された浄化ガスと共に排出されることを特徴とする。

前記構成によって、本発明によるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置は、オゾンガスや汚染ガスのようなガスを気液反応装置に送入した場合、処理水と共に排出される従来の酸化反応装置と違って軽いガスは密度差によって気液反応装置上部の方に集まる特性を利用したガス−液体反応装置である。

送入されるガスがオゾンガスである水処理装置の場合は、オゾンガスと汚染水とを気液反応装置上部に送入し、下部を通して排出させる形態で、気液反応装置内部には相対的に軽いオゾンガスが捕集されるし、送入される汚染水は捕集されたガスと一定時間の間、持続的に反応した後、排出される。したがって、気液反応装置に送入されたガスが設定反応圧力に飽和される量だけ汚染水に溶解されて残ったガス状態のガスが、反応経過によって消耗される量だけ水中に再溶解されやすい手段を提供するとともに、送入されたガスが汚染水と共に流されず反応装置内部に捕集され、汚染水と持続的に反応使用された後、処理水と共に排出される。そのため、ガス及び汚染水の接触時間の延長による反応効率向上は勿論、未反応ガスの画期的な低減と高価のオゾンガス発生装置及び廃オゾンガス分解装置容量の減少による設置費及び運転費などの原価低減を実現できる長所を有する。同じ方法で、ガス洗浄装置の場合も、汚染ガスと洗浄液の接触時間延長による洗浄能力向上で設置費及び運転費などの原価低減を実現できる長所を有する。

従来のオゾン酸化反応装置の場合、送入されたオゾンの一部のみ酸化反応に使用されるため、ほとんどが未反応オゾンとして廃棄される問題点がある。だが、本発明ではオゾン酸化反応工程の効率を高めており、反応終了後、大気に排出される廃ガス中に含まる未反応オゾン量を低減することはつまり送入オゾンの使用効率向上を意味することなので、高価のオゾン発生器容量の低減によるコスト低減効果が非常に大きい。

また、本発明のガス捕集型気液反応装置は、ガス状オゾンを気液反応装置上部に捕集し、下部流出口を抜け出るまで持続的に汚染水と反応する構造となっているので、前記気液反応装置の容量とオゾン送入量によってオゾンの滞溜時間即ち、接触時間を調節することができる。

加えて、反応装置を加圧し溶存オゾン濃度を高めることで、常圧でのように反応させることができ、未反応オゾン発生の極小化と酸化反応効率の大幅な向上が出来るとの長所があるので、従来のオゾン酸化反応装置の根本的な問題点である低い反応効率や低いオゾン使用効率の問題点が解決できる。

軽いオゾンは酸化反応装置下部から送入され、上部を通して排出される方式の従来のオゾン酸化反応装置を利用した水処理装置を示す構成図である。 本発明によるガス捕集型気体−液体反応装置とこれを利用した水処理装置を示す構成図である。 ガス捕集型気液反応装置が多重設置された気液反応装置とこれを利用する 水処理装置を示す構成図である。

以下には、図面に図示した実施例を参考にして、本発明によるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置についてもっと詳細に説明する。

図２は、本発明によるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置を示す構成図であり、図３はガス捕集型気液反応装置が多重設置された気液反応装置とこれを利用した水処理装置を示す構成図である。

本発明による気液反応装置１１０は、内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口１１１及び下部流出口１１２を備えており、ガスと液体を加圧ポンプ５０によって１〜１５気圧で加圧し、上部に流入口１１１と下部に流出口１１２を有するタワー型気液反応装置１１０の上部流入口１１１を通してガスと液体を流入させる。そうすると、軽いガスは、前記気液反応装置１１０の上部から捕集され下部流出口１１２まで満たされた後、前記流出口１１２を通して排出され、液体は、流入口１１１から噴射され前記気液反応装置１１０の上部捕集空間に捕集されたガス層に接触しながらガスと反応した後、気液反応装置１１０の下部流出口１１２から排出されることを特徴とする。

前記特徴を有する気体捕集型気液反応装置は、水処理装置並びにガス浄化装置として利用される。即ち、前記ガスがオゾンガスで、前記液体が汚染物質が含まれている汚染水である場合は、前記気体捕集型気液反応装置として利用されるものであり、前記ガスが汚染物質が含まれている汚染ガスで、前記液体が浄化液である場合の気体捕集型気液反応装置は、ガス浄化装置として利用される。図面は、本発明による気体捕集型気液反応装置が水処理装置として利用される例を図示したものである。

通常、気体状態のオゾンは水中に溶存状態で存在する汚染物質と直接反応するよりも、汚染水の中に溶解され、溶存オゾン形態となって、水中に溶解されている汚染物質と反応する。そのため、酸化反応効率を高めるための条件の第一は、汚染水中の溶存 オゾン量を増やすこと、第二は、溶存オゾンが汚染物質と反応して消耗されるとガス状態のガス状オゾンが再度水中に溶解されやすい反応装置構造がオゾン酸化反応効率向上の重要な因子だと言える。したがって、本発明では、前述の２つの条件を満たすオゾン酸化反応装置を提供しようとする。

本発明は、反応装置に送入されたオゾンが設定反応温度及び圧力で飽和濃度だけ溶解されて残ったガス状態のガスが、反応経過によって消耗される量だけ水中に再溶解されやすい手段を提供するとともに、送入されたオゾンが汚染水と共に流されず、反応装置内部に捕集され、一定時間の間、汚染水と持続的に反応使用された後、汚染水と共に排出されるようにする。それによって、溶存オゾン量の増大によるオゾン酸化反応効率向上は勿論、未反応オゾンを画期的に低減し、高価のオゾン発生装置及び廃オゾン分解装置の容量を減らすことによって原価低減を図ることの出来るオゾンガス捕集型気液反応装置に関するものである。

従来のオゾン酸化反応装置とガス洗浄装置は、送入するガス状物質が液状物質より軽いため、一般的には、ガス状物質を下部から送入して反応装置上部を通して排出されるし、重い液状物質は上部から送入して下部を通して排出されるということは同じである。しかし、ガス洗浄装置の場合は、送入するガス量が液状物質に比べて相対的に多く、通常、液状物質を簡単なポンプ操作で循環させることによって繰り返して使用する方式でガス状物質の浄化処理を行う。その反面、オゾン酸化反応装置の場合は、ガス洗浄装置とは逆に、送入するオゾンガス量が相対的に汚染水より少ないという点と汚染水内部へオゾンガスを送入して浮上・反応させた後、液状物質を浄化処理し、未反応オゾンを上部を通して排出されるか、捕集・分解させて廃棄するという点が異なっている。

オゾンガスを気泡形態としてオゾン酸化反応装置下部から送入して、汚染水中に浮上しながら反応した後、上部を通して排出される方式は、汚染物質及び接触頻度の調節や酸化反応装置上部に捕集されたオゾンの再使用が難しいため、オゾンの使用効率が極めて低かった。

こうした問題点を解決するために、本発明はガス洗浄装置で液状物質が循環を繰り返しながらガス状の中に含まれている汚染物質を取り除くことと同じ考え方で、気液反応装置１１０に送入されたオゾンを持続的に使用できる方法を求めるために、気液反応装置１１０上部流入口１１１からオゾンガスと汚染水とを共に送入し、気液反応装置１１０下部流出口１１２を通して排出させる方法を採用した。初めには汚染水のみ流出口１１２を通して排出されたが、気液反応装置１１０の下部流出口１１２までオゾンガスで満たされると、汚染水とオゾンガスとが排出される構造の気液反応装置１１０を構成した。

相対的に軽いオゾンガスは、気液反応装置１１０の上部流入口１１１から閉ざされて、下部流出口１１２に至るまで反応時間が経つにつれ、次第にガス状のオゾンが捕集されるようになり、オゾンガスは気液反応装置１１０の下部流出口１１２まで満たされる前には汚染水のみ下部流出口１１２を通して排出される気液反応装置１１０が構成される。

一方、上部流入口１１１からオゾンと共に送入された汚染水は、気液反応装置１１０上部に捕集されたオゾンガス層での液滴形態や酸化反応装置の内部捕集空間に充填されている充填物１１４表面に形成された薄い水膜形態で流されるとともにオゾンガスと反応しながら、気液反応装置１１０の下部流出口１１２を通して排出される。そのため、オゾンガスは、気液反応装置１１０を抜け出るまで汚染水による接触反応を繰り返すようになる。

前記気液反応装置１１０に送入されたオゾンガスは、気液反応装置１１０下部に取り付けられている流出口１１２を通して排出される時までは前記反応装置内部に捕集・流入される汚染水中の汚染物質と持続的に反応するようになる。したがって、前記気液反応装置１１０の下の方へ下降するほど汚染物質との接触頻度が高まり、上部にあるオゾンより多くの量が消耗されるので、濃度は相対的に低くなる。

本発明は、前記のオゾンガス捕集型気液反応装置１１０は、送入されたオゾンを繰り返して汚染物質と反応出来るよう考案したものである。即ち、酸化反応効率の極大化と未反応オゾン発生量の最小化を図って、オゾン発生器容量及び廃オゾン分解装置１８０容量の減少で高まった酸化反応効率を利用してコンパクトに構成したオゾン酸化反応システムを通じて、設置費及び維持管理費を低減できるガス捕集型気液反応装置１１０とこれを利用した水処理方法に関するものである。

前記ガス捕集型気液反応装置１１０上部流入口１１１から送入されるオゾンガスと汚染水のうち、相対的に少量で軽いオゾンは、前記気液反応装置１１０上部に捕集され、先に送入されたオゾンを下部へ押し流して、上部には常に新たに送入された高濃度のオゾンが存在するようになる。汚染水は、捕集されたオゾンガス層を通過するとともに反応しながらオゾンを消耗して、前記気液反応装置１１０容量を越えるオゾンガスのみ下部流出口１１２を通して排出される。

即ち、上部には汚染水との接触頻度が低いため高濃度オゾンが存在し、下の方へ下降するほど相対的に反応頻度が高まり、オゾン消耗量が増えて低濃度オゾンが存在するようになる。結局、気液反応装置１１０下部の方へ下降するほどオゾンと汚染物質との接触頻度が高まるので、気液反応装置１１０サイズが大きくなるほどオゾンの気液反応装置１１０内部での滞溜時間が延びるようになる。したがって、滞溜時間が延びれば汚染物質との接触頻度が高まるので、送入されたオゾンの全量を反応させることができ、気液反応装置１１０の配置方法や容量及びオゾン送入量でオゾンの滞溜時間即ち、反応参与時間を調整できる長所がある。

言い換えれば、前記気液反応装置１１０上部から送入されたオゾンガスは、気液反応装置１１０の下部の方へ下降するとともに汚染物質との反応を繰り返しながら消耗されていき、下部流出口１１２を通して排出されるオゾンガスの濃度が低くなる。こうした特徴を利用して、酸化反応装置容量と汚染水送入量などを調節して酸化反応装置で反応した後、排出されるオゾンガスを１００％に近く反応に活用することができるため、従来のオゾン酸化反応装置の１０−３０％以下と言った低い活用度に比べて格段の高効率を達成でき、未反応オゾン排出量を大幅に低減することができる。

本発明の気液反応装置１１０は、ガス洗浄装置で汚染されたガス中に洗浄液を繰り返し送入して汚染物質を取り除き、汚染されたガスを浄化処理するようにオゾンガスと汚染水との接触を繰り返すことによって未反応状態のオゾンガスを最小化できる高効率のオゾン酸化反応装置である。

こうした気液反応装置１１０につき、オゾンガスを反応装置内部に捕集して酸化反応を行うとの意味から、オゾンガス捕集型気液反応装置１１０と名付けた。

前記ガス捕集型気液反応装置１１０上部から流入されたオゾンガスは、気液反応装置１１０上部から下部まで満たされて下部流出口１１２を通して排出されるまで、気液反応装置１１０内部に溜っている。その反面、汚染水は気液反応装置１１０上部で下部へ向けてオゾンガスと反応しながら下部流出口１１２を通して流出されるか、汚染水移送ポンプによって再度２次・３次オゾンガス捕集型気液反応装置１２０、１３０上部流入口１２１、１３１に循環される形として構成することができ、再度前段階の気体−液体酸化反応装置へ還流し循環・反応をすることができる。したがって、汚染水中の汚染物質と前記気液反応装置１１０、１２０、１３０内部に捕集されたオゾンガスを繰り返して反応させることができる点から、画期的な反応効率向上と未反応オゾン低減を実現できる利点がある。

前記気液反応装置１１０下部流出口１１２を通して排出されるオゾンの濃度が高い場合は、反応器の高さと直径を調整し、反応器容積を増やして、オゾンガスの滞溜時間を延すことで接触反応回数を増やしたり、図３のように反応器を直列接続して多重反応させたりしてオゾン酸化反応効率を上げることができる。

前記気液反応装置１１０、１２０、１３０内部の捕集空間に充填物１１４を充填して、汚染水が上部から下部に向けて充填物表面に水膜を形成しながら流されるため、オゾンガスは水膜形態の汚染水と十分に反応できる接触面積を提供し、結果的に反応効率が向上できる。

もし、前記気液反応装置内部に空隙の小さい充填物１１４を充填した場合は、充填物１１４自身の体積のため気液反応装置１１０内部空間を占め、捕集されるオゾン量が少ないので、反応に参与する時間即ち、滞溜時間が短く、排出口を通して排出されてしまう。したがって、オゾンと汚染物質との反応表面積及び分散性向上のために充填する充填物の効果よりも、酸化反応効率向上の目的は達成出来ず、むしろ半減することになる。

前記気液反応装置１１０に充填される充填物１１４は、上部から送入される汚染水が気液反応装置１１０内部を片寄った流れを分散させ、充填物１１４の表面に薄い膜を形成し充填物１１４の外表面積だけ反応表面積を増やす効果があるため、周囲のオゾンガスと反応しやすくさせる。結果的に、充填物１１４の外表面積ガ大きいほど反応表面積が大きくなるわけで、充填物１１４の種類と様子によって外表面積が変わり、また酸化反応効率も変わることができる。

前記気液反応装置１１０に充填される充填物１１４の材質は、汚染水とオゾンガスに腐食しない金属材質のチタンやステンレススチールなどで、セラミック材質が適している。高分子樹脂は一般的なガス洗浄装置でよく使用されるが、長期にかけて酸化力の強いオゾンガスに露出すると老化されるのでオゾンガスに比較的安定しているとされるテフロン（登録商標）系のフッ素樹脂材質が適している。

前記充填物１１４を気液反応装置１１０内部に充填する場合、充填物１１４と充填物１１４の間の空間即ち、空隙量は気液反応装置１１０内部に捕集できるオゾンガス量と同じなので、充填物１１４の空隙率の高いものを使用すれば気液反応装置１１０内部でオゾンガス捕集量を増やすことが出来る。

また、充填物１１４の形状によって外表面積が変わるので、表面積の大きい形状を使用した方が良い。前記充填物は、直径１０ｍｍ以下のチタンまたはステンレススチール材質のワイヤを円筒型スプリング形態に加工した充填物１１４を使用すれば空隙率８０％以上と非常に高く、反応表面積も大きい。

前記円筒型スプリング形状に加工した充填物１１４を気液反応装置１１０内部に充填する場合は、個別充填物１１４の有しているスプリング弾性によって互いに捕まり合う効果があって、充填物１１４を堅く固定する効果もある。

図３のように、ガス捕集型気液反応装置１１０を直列に複数個設置した場合、前記気液反応装置１１０下部流出口１１２を通して排出される汚染水を移送ポンプ１５０ａによってオゾンガスと共に次の２次気液反応装置１２０上部の流入口１２１へ移送し反応される。同じ方法で、３次気液反応装置１３０での酸化反応を多重に行い続けることで未反応オゾン量を最小化することができる。

本発明では、オゾンガス捕集型酸化反応装置流入口１１１に接続された加圧ポンプ５０と流出口１１２の弁１６０を利用して、前記気液反応装置１１０に圧力を加えて常圧より高い圧力で反応を行うことができる。そのため、ヘンリーの法則に基づき、圧力が高まった分だけ溶存オゾン量が増大した状態で常圧下でのような同じ方法で加圧された状態で反応が行われるので、酸化反応効果がもっと優れている。

本発明のガス捕集型気液反応装置１１０上部流入口１１１に先に送入されたオゾンは、次第に下の方へ押し流されながら、送入される汚染水とより多く接触するようになって、下部に下降するほどオゾン濃度が低くなるため、下部流出口１１２を通して排出されるオゾンの濃度は、相対的に上部に存在するオゾンの濃度より低くなる。もし、下部流出口１１２を通して排出されるオゾンの濃度が高い場合は、前記気液反応装置１１０の高さと直径を調整し気液反応装置の容積を増大することで、オゾンガスの気液反応装置１１０内部での汚染水との接触時間を延したり、前記オゾンガス捕集型気液反応装置１１０を多重に直列接続することによってオゾンガスと汚染水との接触時間を延したりして、オゾン酸化反応効率を上げれば未反応オゾン発生量を減らすことができる。

こうした観点から、気液反応装置１１０容量とオゾン送入量によってオゾンと汚染水との接触時間を調節出来る特徴は、送入オゾン全量にたいして反応させられるとの長所を持たせ、従来のオゾン酸化反応装置における未反応オゾン過多発生の問題が解決できる。

本発明における、図３のようにオゾンガス捕集型気液反応装置１１０を多重設置した場合、１次反応装置下部を通して排出される排ガスオゾンは、汚染水加圧ポンプ５０によって移動される汚染水と共に自然に２次気液反応装置１２０上部流入口１２１へ移送可能となり、各気液反応装置１１０、１２０、１３０の間に別途の移送ポンプ１５０ａ、１５０ｂが無くとも加圧ポンプ５０で移送される汚染水によるオゾンガスの移送も可能となる。

この場合は気体−液体反応装置１１０に自然に圧力かけられて、より多くのオゾンガスが汚染水中に溶解され、オゾン量が増加した状態で、気液反応装置１１０内部に加圧された状態で捕集されたオゾンガスと繰り返し反応でき、汚染物質の酸化反応効率を一層上げることができる。したがって、汚染物質の除去効率が劇的に高まり、オゾン酸化反応システムをコンパクト化することができ、また、設置費及び運転費低減が実現できるようになる。

前記の場合のように、オゾン気液反応装置１１０を直列に多重設置し、加圧ポンプ５０のみで運転する場合、酸化反応システムが自然に加圧されて運転することができ、また、オゾンガス捕集型気液反応装置１１０下部流出口１１２の排出弁を調整し、酸化反応システムを任意圧力で設定することで運転することができる。即ち、汚染水中の溶存オゾン濃度を高めることで反応させることができ、また、酸化反応効率を高めることができる。

また、未反応オゾンガスの発生量が少ないため、未反応オゾンを分解のための別途の廃オゾン分解装置１８０設置を必要としなく、設置する場合でもその規模を最小化する長所がある。

また、オゾンガスと汚染水とを気液反応装置１１０で１〜１５気圧で加圧して反応させる場合、送入されたオゾンガスが加圧力に比例して溶解されて反応を終了した後、処理水を常圧下の気液分離装置１７０下部から送入して圧力差によって水中に溶存されていた未反応オゾンガスがマイクロまたはナノメートルサイズの微細気泡で浮上しながら処理水中の未反応汚染物質と再反応させるＤＯＦ工程を適用することができる。

また、前記気液分離装置１７０の流出口１７１を通して排出・廃棄される未反応オゾンと未反応汚染物質の量を減らすか、汚染物質の分解効率をあげるために気液反応装置１１０の流出口１１２と気体−液体分離装置１７０流入口１７２を接続する管路上に設置する。ただし、流入口及び流出口を有する管型反応装置内部に短波長紫外線ＵＶ−Ｃまたは全波長領域の紫外線を放出する紫外線ランプが挿入・保護される石英管と管型反応装置との間の空間に、二酸化チタンを主成分とする光触媒が充てんされている管型反応装置を設置して、処理水が光触媒の間を通過しながら未反応オゾンと紫外線及び光触媒によって生成されたＯＨラジカル（Ｈｙｄｒｏｘｙ ｒａｄｉｃａｌ）によって汚染物質を分解する高度酸化工程反応を結び付けることができる。前記ＯＨラジカルは、酸化力がオゾンより一層強力なので、オゾンによって分解されにくい難分解性汚染物質を効果的に分解する特性がある。

本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置１１０は、上部にオゾン及び汚染物質が含まれている汚染廃水が流入される流入口１１１が取り付けられており、下部にはオゾンと酸化反応した後、排出される処理水と未反応オゾンを含むガスが排出される流出口１１２が取り付けられている円筒型反応器である。前記気液反応装置１１０内部は空にするか前記気液反応装置１１０下部に、充填物１１４の流出を防ぐ充填物サポーター上に充填する。また、前記充填物１１４はオゾンガスによる酸化や汚染物質などによる腐食を起こさないセラミック、ステンレススチールやチタンのような金属、フッ素樹脂材質の使用で圧力損失を最小化できるよう、大きい空隙率と大きい表面積が保持できるものとする。

前記充填物１１４の形態は、１ｍｍ以上のメッシュ網を１層以上積層した形態とか直径１〜１０ｍｍのワイヤを円筒型に作ったスプリング形態のものを充填して使用する場合、非常に高い空隙率と広い表面積を保持することができ、メッシュまたはスプリング形態固有の弾性によって充填物１１４を気液反応装置内部に固定しやすい長所がある。

前記気液反応装置１１０上部に接続される加圧ポンプ５０は、ピストンポンプまたはプロコンポンプ形態とか遠心ポンプまたはウェスコポンプ形態でもいい。だが、オゾンガスが汚染水と共に吸入・加圧され移送されるような吸入力を有するポンプ類を使用すれば、オゾンガスを吸入端５０ａに水と共に送入することができ、別途のオゾン加圧が不必要な利点があるので、気液反応装置１１０を構成するのに便利である。

吸入力を持たないポンプ類は、少量のオゾンの場合は吸入端５０ａから汚染水と共に送入することができるが、オゾン送入量が多い場合は、ポンプ稼動上の問題があり、オゾン加圧ポンプ３１によって加圧ポンプ５０後端５０ｂから送入させるか前記加圧ポンプ５０より少ない容量で吸入力を有するピストンポンプまたはプロコンポンプなどを使用してオゾンガスを汚染水と共に加圧ポンプ後端から送入する方法も可能である。

前記気液反応装置１１０側面部には、液柱計１１３を取り付ければ気液反応装置１１０内部のオゾンガス捕集量や酸化反応進行結果を確認するのに役立つ。

前記ガス気液反応装置１１０下部流出口１１２には、排出流量を調節する流量調節弁１６０を取り付ければ流量調節が可能であり、前記気液反応装置１１０の圧力を加圧ポンプ５０モーター回転数調節用インバーターに設定しておけば、流量調節弁１６０操作によって排出量が変わっても気液反応装置１１０の圧力をポンプ回転数調節によって一定に保持しながら反応を行うことができる。

また、前記気液反応装置１１０を１個以上直列に設置する場合、それぞれの気液反応装置１１０の間にインラインポンプ１５０ａ、１５０ｂを設置すれば個別気液反応装置１１０にかけられる圧力を一定に調節しながら運転することができる。そして、１個の加圧ポンプ５０で運転する場合、各気液反応装置１１０後端に行くほど圧力が増加される形で運転できる。

前記気液反応装置１１０の最後端の流量調節弁１６０は、気液分離装置１７０下部流入口１７２に接続させることによって、処理水が気体−液体分離装置１７０を通して未反応オゾンガスを含んだ廃ガスとから分離されて貯蔵容器へ移送されるか、循環ポンプ１５０によって前記気液反応装置１１０流入口１１１へ還流されるかして、汚染水中の汚染物質の濃度を調節できるようにする。

前記気液分離装置では、気液反応装置１１０に常圧以上の圧力下で反応した場合は、未反応オゾンが微細気泡からなって浮上される溶存オゾン浮上（ＤＯＦ）工程によって、未反応オゾンが処理水中残余汚染物質ともう一度反応することが出来る。

また、汚染水中の浮遊物質を取り除く必要性のある場合、未反応オゾンが溶存されている加圧状態の処理水のみを汚染水貯蔵槽１０または別途の前処理反応槽下部に送入できるよう、前記気液分離装置１７０前端に別途の気液分離装置を設置する。そうすれば、ガス状未反応オゾンが大きい気泡形態で送入され、微細気泡浮上速度より速く浮上して、ＤＯＦ工程効率低下問題を起こさないようにするため過剰送入されたオゾンガスを分離して、汚染水中に含まれている浮遊物質除去を目的とする前処理反応槽などで加圧された処理水の一部を送入することで溶存オゾン浮上（ＤＯＦ）工法を効率的に適用することができる。

また、汚染水中の浮遊物質を取り除く必要性のある場合、前記気液分離装置１７０前端に、別途の気液分離装置を設置することで、ガス状未反応オゾンが大きい気泡形態でＤＯＦ反応槽に送入され、微細気泡浮上速度より速く浮上して、ＤＯＦ工程効率低下問題を起こさないようにするため、未反応オゾンガスと処理水とを分離できるようにする。未反応オゾンが溶存されている加圧状態の処理水を加圧ポンプ５０前端の汚染水貯蔵槽１０または別途の前処理反応槽下部へ送入できるようにして生成されたマイクロまたはナノメートルサイズの微細気泡によって汚染水中の汚染物質と反応させるとか浮遊物質の付着・浮上を取り除く目的での溶存オゾン浮上（ＤＯＦ）工法を効率的に適用することができる。

前記気液分離装置１７０は、下部に未反応オゾンガスと処理水が流入される処理水流入口１１１が取り付けられるし、前記気液分離装置１７０上部に近い側面部には処理水が流出される処理水流出口１７３が取り付けられる。また、前記気液分離装置１７０上部には未反応オゾンが排出される廃オゾン流出口１７１が取り付けられるし、前記廃オゾン流出口１７１には未反応オゾンを分解する廃オゾン分解反応装置１８０が取り付けられる。

前記廃オゾン分解反応装置１８０は、流入口及び流出口を有する円筒型反応装置で、中心部に石英管で保護される紫外線ランプがあり、石英管外部周りには二酸化チタンを主成分とする光触媒コ―ティング処理された担体が充填されている。また、紫外線が照射される光触媒層を未反応オゾンが通過する時、酸素によって光酸化分解され、大気に排出される。

通常、オゾンは２００ｎｍ以下の短波長紫外線によって生成されるが、２５４ｎｍ紫外線で分解され、紫外線が照射される光触媒によっても分解される特性を利用すれば、オゾンを効果的に分解・処理することができる。

本発明は、図３のように気液反応装置１１０が直列に接続されている場合は、１次反応を経たオゾンと汚染物質が、１次気液反応装置１１０と同じ方法で２次気液反応装置１２０及び３次気液反応装置１３０での同じ反応を経ながら流入されるオゾン濃度が、前記各気液反応装置１１０、１２０、１３０を通過するたびにオゾン濃度が低くなった状態で反応するという点を除いては相違点が無い。また、オゾンガスが多重の気液反応装置を経ちながら繰り返し反応することによって未反応オゾン量が大幅に低減でき、オゾンの使用効率や汚染物質除去反応効率も向上する。

また、気液反応装置１１０を通して排出される加圧状態の処理水を常圧状態の気液分離装置１７０下部から送入して、マイクロまたはナノメートルサイズで微細化したオゾン気泡を処理水に浮上させて、未反応オゾンが処理水中の汚染物質ともう一度反応させるＤＯＦ工程も適用することができるし、気液分離装置１７０流出口１７１に接続された前記廃オゾン分解反応装置１８０は、流入口及び流出口を有する円筒型反応装置で、中心部に石英管で保護される紫外線ランプがあり、石英管外部周りには二酸化チタンを主成分とする光触媒が充填されている。また、紫外線が照射される光触媒層を未反応オゾンが通過しながら光酸化分解され、無害な酸素にして大気中に排出される。

また、流入口及び流出口を有する円筒型反応装置で、中心部に石英管で保護される紫外線ランプがあり、石英管外部周りに二酸化チタンを主成分とする光触媒が充填されている高度酸化反応装置を、前記気液分離装置流入口１７２前端に取り付ける。そうすれば、紫外線が照射される光触媒層を処理水が通過しながら、未反応オゾンと紫外線、紫外線、光触媒反応によって生成された水酸基ラジカル（ＯＨ−Ｒａｄｉｃａｌ、Ｈｙｄｒｏｘｙ ｒａｄｉｃａｌ）のため、オゾンの酸化力に分解されにくい難分解性汚染物質を分解する高度酸化工程（ＡＯＰ、Ａｄｖａｎｃｅ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ）反応を結び付けることで、汚染物質の除去効率を向上するとともに未反応オゾンと汚染物質を取り除くことができる。

以下に実施例を挙げて、本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置を適用して浄化処理できる水処理方法について説明する。

（実施例１）
汚染水を生物学的処理方法で環境基準値以下に浄化して放流する下水処理場または廃水処理場の放流水を、本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置を使用して悪臭、色、細菌を除去するなどの浄化処理をして、都心河川維持用水、農業用水、工場工業用水、建物重水などに再使用する方法。

（実施例２）
河川水を上水源とする浄水場の場合、新物質使用量の増大と産業の高度化による水質汚染増加で、浄水場へ流入される従来の浄水方法で浄化されにくい１、４−Ｄｉｏｘａｎｅなどの多様な難分解性有機物質を前記オゾンガス捕集型気液反応装置で浄化処理する方法。

（実施例３）
汚染されたガスを下部から、洗浄液を上部から送入する従来の汚染ガス洗浄装置の代わりに、本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置に、オゾンではない汚染されたガスを、汚染水ではない洗浄液を使用する方法で汚染されたガスを浄化処理する方法。

（実施例４）
生物学的処理方法で分解されにくい難分解性汚染物質を、本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置を利用して前記汚染水の還流比を高めるとか、高濃度オゾンを送入する方法で浄化処理する方法。

（実施例５）
逆浸透膜（ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｔｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ）のような分離膜を利用して汚染水を浄化処理する工程で、前端に本発明のオゾンガス捕集型気液反応装置を設置して分離膜浄水工程の効率向上に使用する方法。

前記構成を有する本発明は、気体と液体との接触時間延長や反応効率向上によって水処理装置及びガス洗浄装置の設置費・運転費などの原価低減を実現できるガス捕集型気液反応装置とこれを利用した水処理装置並びにガス浄化装置を提供する。

１０ 汚染水貯蔵槽
３０ オゾン発生装置
３１ オゾンガス加圧ポンプ
５０ 加圧ポンプ
１１０ １次ガス捕集型気液反応装置
１２０ ２次ガス捕集型気液反応装置
１３０ ３次ガス捕集型気液反応装置
１１１、１２１、１３１ ガス捕集型気液反応装置流入口
１１２、１２２、１３２ ガス捕集型気液反応装置流出口
１１３ レベルゲージ
１１４ 充填物
１４０ 酸化反応装置
１５０ 循環ポンプ
１６０ 流量調節弁
１７０ 気液分離装置
１８０ 廃オゾン分解装置
２００ 処理水貯蔵槽

Claims (6)

1. 内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置において、
   ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧し、前記上部流入口から流入させ、ガスは、前記捕集空間の上部から捕集されて順次に下部方向に満たされて、前記下部流出口を通して排出され、液体は、前記上部流入口から噴射されて、前記捕集空間の上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出されるように構成されることを特徴とするガス捕集型気液反応装置。
2. 前記気液反応装置は、複数個が直列または並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載のガス捕集型気液反応装置。
3. 内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置と、前記気液反応装置の前記下部流出口に接続される気液分離装置とを含み、
   前記気液反応装置は、ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧して、前記上部流入口から流入させ、ガスは前記捕集空間の上部から捕集されて、順次に下部方向に満たされて、前記下部流出口を通して排出され、液体は前記上部流入口から噴射されて、前記捕集空間の上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出されるように構成され、前記ガスはオゾンガスであり、前記液体は汚染物質が含まれている汚染水からなり、前記下部流出口を通して処理水が排出されるように構成され、
   前記気液分離装置は、加圧された前記処理水の圧力を取り除きながら前記処理水から未反応オゾンガスを分離することを特徴とするガス捕集型気液反応装置を利用した水処理装置。
4. 前記の捕集空間には金属、セラミックス、高分子樹脂材質のうちのいずれか一つ以上からなる充填物が充填されたことを特徴とする請求項３に記載のガス捕集型気液反応装置を利用した水処理装置。
5. 前記気液分離装置から排出廃棄される未反応オゾンを減少させることができるように、前記気液分離装置の流出口に接続される廃オゾン分解装置をさらに含み、
   前記廃オゾン分解装置は、流入口及び流出口を有する円筒状反応装置に、内部に紫外線ランプが挿入保護される石英管と、未反応オゾンをＯＨラジカルに切り替えて汚染物質と反応させることで取り除く高度酸化工程反応によって未反応オゾンと未反応汚染物質を処理することができるように、前記石英管の外部周りに充填された紫外線と二酸化チタンを主成分とする光触媒とを含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の気液反応装置を利用した水処理装置。
6. 内部に上下方向に長く捕集空間を形成し、上部及び下部にそれぞれ前記捕集空間と連通される上部流入口及び下部流出口を備えている気液反応装置を利用したガス浄化装置において、
   前記気液反応装置は、ガスと液体を加圧ポンプによって１〜１５気圧で加圧して、前記上部流入口から流入させ、ガスは前記捕集空間の上部から捕集されて順次に下部方向に満たされて、前記下部流出口を通して排出され、液体は前記上部流入口から噴射されて、前記捕集空間の上部に捕集されたガス層でガスと接触反応しながら前記下部流出口を通して排出されるよう構成され、前記ガスは、汚染物質が含まれている汚染ガスであり、前記液体は浄化液からなり、前記汚染ガスは、前記捕集空間の上部から捕集されて、下部方向に前記下部流出口まで満たされ、前記浄化液は前記捕集空間に捕集された汚染ガス層に分散されて下降すると同時に前記汚染ガスと前記浄化液が反応しながら前記下部流出口を通して浄化処理された浄化ガスと共に排出されることを特徴とするガス捕集型気液反応装置を利用したガス浄化装置。

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