JP2014159008A - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素酸化物の排出を抑制可能な水処理装置を提供すること。
【解決手段】被処理水を収容する処理槽（１０）と、前記被処理水中に導入される気体に放電反応を生じさせることにより前記被処理水の処理を行う生成体を生成するとともに、前記気体に放電反応が生じたときに発生する窒素酸化物に放電反応を生じさせることにより当該窒素酸化物を分解する放電分解手段（１５）とを備える水処理装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種水を処理するための水処理装置に関するものである。

従来、空気を含有する気体に放電反応を生じさせて、当該気体から水処理に有効な各種ラジカル等を発生させる水処理装置が知られている。例えば、特許文献１には、被処理水を収容する処理槽と、前記被処理水中に導入された空気を含有する気体に放電反応を生じさせる放電手段とを備える水処理装置が開示されている。放電装置は、処理槽の両側に分かれて配置された一対の電極と、当該一対の電極に電気的に接続された電源とを備える。処理槽内には底部から空気を含有する気体（酸素リッチガス等）が吹き込まれ、当該気体は気泡となって被処理水中を浮上する。電源は、一対の電極に交流パルス電圧を印加し、それによって、被処理水中における一対の電極間に電場を生じさせる。被処理水中における一対の電極間を浮上する気泡には、前記電場が作用することによって気泡内放電が生じる。その結果、気泡から水処理に有効なヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）やオゾン、紫外線等が発生し、これらによって処理槽内の被処理水の処理（殺菌や消毒等）が行われる。

特許第４１０１９７９号公報

上記特許文献１のような水処理装置では、放電反応を生じさせる対象となる気体が空気を含んでいるため、前記電場の作用によって気泡内に放電が生じたときに前記ラジカル等とともに窒素酸化物が生成されるが、この窒素酸化物の排出は低減されることが望まれている。

本発明の目的は、被処理水を処理する際に発生する窒素酸化物の排出を抑制することである。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、被処理水を収容する処理槽と、前記被処理水中に導入される気体又は前記被処理水中に導入された気体に放電反応を生じさせることにより前記被処理水の処理を行う生成体を生成するとともに、前記気体に放電反応が生じたときに発生する窒素酸化物に放電反応を生じさせることにより当該窒素酸化物を分解する放電分解手段とを備える水処理装置を提供する。

本発明によれば、被処理水中に導入される気体又は被処理水中に導入された気体に放電反応が生じた際に生成される生成体（各種ラジカルやオゾン、紫外線等）による被処理水の有効な処理と、前記気体に放電反応が生じた際に生成された窒素酸化物の分解による当該窒素酸化物の排出の抑制との双方が達成される。具体的には、気体に放電反応が生じた際に生成された窒素酸化物に再度放電反応が生じることによって、窒素酸化物が窒素と酸素とに分解されるため、当該窒素酸化物の排出が抑制される。

この場合において、前記放電分解手段は、前記気体を前記処理槽外から前記被処理水中へ導入する導入流路と、この導入流路に配置された一対の放電用電極と、前記一対の放電用電極間を通る前記気体に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の放電用電極に印加する放電用電源とを有する放電手段と、前記窒素酸化物を前記処理槽外へ導出する導出流路と、この導出流路に配置された一対の分解用電極と、前記一対の分解用電極間を通る前記窒素酸化物に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の分解用電極に印加する分解用電源とを有する分解手段と、を備えていることが好ましい。

このようにすれば、放電用電源が印加する電圧、すなわち、一対の放電用電極間を通る気体に放電反応を生じさせるために必要な電圧と、分解用電極が印加する電圧、すなわち、一対の分解用電極間を通る窒素酸化物に放電反応を生じさせるために必要な電圧とをそれぞれ適切な電圧に管理することができる。

具体的に、前記導出流路は、大気中に開放されていることが好ましい。

このようすれば、窒素酸化物は、窒素及び酸素に分解された状態で大気中へ放出されるので、当該水処理装置からの窒素酸化物の排出が抑制される。

また、本発明において、前記放電分解手段は、両端が前記処理槽に接続され接続された循環流路と、この循環流路に配置された一対の放電用電極と、前記一対の放電用電極間を通る前記気体及び前記窒素酸化物に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の放電用電極に印加する放電用電源とを有することが好ましい。

このようにすれば、窒素酸化物が循環流路を介してこの水処理装置内を循環するので、当該水処理装置からの窒素酸化物の排出が抑制される。さらに、循環流路を通る窒素酸化物は、放電処理されて窒素及び酸素に分解されることから、窒素酸化物を分解するための専用の手段を別途設ける必要がないので、放電分解手段の構成が簡素化される。

以上のように、本発明によれば、被処理水を処理する際に発生する窒素酸化物の排出を抑制することができる。

本発明の第一実施形態の水処理装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第二実施形態の水処理装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第三実施形態の水処理装置の構成の概略を示す図である。 本発明の第四実施形態の水処理装置の構成の概略を示す図である。 放電手段の変形例を示す図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態の水処理装置について、図１を参照しながら説明する。この水処理装置は、船舶のバラスト水、各種工場や事業所での排水、上下水の処理場の水、飲料水等の被処理水の殺菌や、被処理水中の微生物等の殺滅などを行うために用いられる装置である。

図１に示されるように、この水処理装置は、被処理水を収容する処理槽１０と、放電分解手段１５とを備えている。

処理槽１０は、被処理水を収容するものであり、船舶のバラストタンクや、排水が貯留されるプール等が該当する。

本実施形態の放電分解手段１５は、放電手段２０と、分解手段３０とを有する。

放電手段２０は、気体を処理槽１０外から被処理水中へ導入する導入流路２４と、この導入流路２４に配置された一対の放電用電極２１と、一対の放電用電極２１に配線２２を介して電圧を印加する放電用電源２３とを有する。

導入流路２４は、所定の空間を取り囲む筒状に形成されており、処理槽１０の上壁１０ａに形成された貫通孔に挿入された状態で、かつ、その下部が処理槽１０内の被処理水中に浸る状態で上壁１０ａに固定されている。導入流路２４は、絶縁材料により形成されている。導入流路２４には接続流路２５が接続されており、この接続流路２５には、導入流路２４に気体を吐出するポンプ２６が設けられている。導入流路２４の下端には、気体が被処理水中に導入されたときに生じる気泡Ｂを細分化させる気泡細分化部２７が取り付けられている。気泡細分化部２７は、多孔板やメッシュ状（網状）の部材からなる。この気泡細分化部２７は、導入流路２４から被処理水中に放出される気泡Ｂを、１００μｍ以下の気泡径を有するいわゆるマイクロバブルの状態にする。

一対の放電用電極２１は、導入流路２４内の空間に互いに離間した状態で対向配置されている。より具体的には、一対の放電用電極２１は、導入流路２４の軸方向と直交する方向（径方向）に互いに離間した状態で導入流路２４の内面に沿うように対向配置されている。

放電用電源２３は、一対の放電用電極２１間でプラズマ放電を生じさせる電圧を一対の放電用電極２１に印加する。本実施形態では、この放電用電源２３として、直流電源が用いられている。

次に、この放電手段２０で生じる放電反応について説明する。

放電用電源２３により電圧が印加されている状態の一対の放電用電極２１間を気体が通過するとき、この気体はプラズマ放電処理される。具体的には、気体に含まれる酸素が電子（ｅ）の供給を受け、以下の反応式（１）のように反応する。

Ｏ_２＋２ｅ→２・Ｏ＋２ｅ・・・（１）

上記反応式（１）の放電反応により酸素ラジカル（・Ｏ）が生成される。また、放電反応時には、紫外線も発生する。生成された酸素ラジカル（・Ｏ）は、以下の反応式（２）に示すように、気体中に含まれる水分（Ｈ_２Ｏ）と反応してヒドロキシラジカル（・ＯＨ）を発生させる。

・Ｏ＋Ｈ_２Ｏ→２・ＯＨ・・・（２）

また、反応式（１）に基づいて生成された酸素ラジカルは周囲の酸素と反応し、それによってオゾン（Ｏ_３）が生成される。また、例えば、酸素ラジカルと水とが反応することによって過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が生成されることもある。このようにして、放電手段２０は、気体に放電反応を生じさせることにより生成体を生成する。放電手段２０により生成された生成体である酸素ラジカル、ヒドロキシラジカル、紫外線、オゾン及び過酸化水素は、いずれも、殺菌効果及び微生物等の殺滅効果を有する。特に、ヒドロキシラジカルは、活性酸素と呼ばれる分子種のうちで最も反応性が高く、最も強い酸化力を有しているため、殺菌及び微生物等の殺滅に非常に高い効力を発揮する。

そして、上記放電反応時には、以下の反応式（３）に示すように、窒素酸化物も発生する。

Ｎ_２＋ｘＯ_２→２ＮＯ_Ｘ・・・（３）

一般に、窒素酸化物は、人体や環境に有害であることから、適切に分解処理されることが望まれている。

分解手段３０は、上記放電反応時に発生した窒素酸化物を分解する手段である。この分解手段３０は、窒素酸化物を処理槽外へ導出する導出流路３４と、この導出流路３４に配置された一対の分解用電極３１と、一対の分解用電極３１に配線３２を介して電圧を印加する分解用電源３３とを有する。

導出流路３４は、所定の空間を取り囲む筒状に形成されており、その下端が処理槽１０の上壁１０ａに固定されている。導出流路３４の上端は、大気中に開放されている。この導出流路３４は、絶縁材料により形成されている。

一対の分解用電極３１は、導出流路３４内に互いに離間した状態で対向配置されている。より具体的には、一対の分解用電極３１は、導出流路３４の軸方向と直交する方向（径方向）に互いに離間した状態で導出流路３４の内面に沿うように対向配置されている。

分解用電源３３は、一対の分解用電極３１間を通る気体にプラズマ放電反応を生じさせる電圧を一対の分解用電極３１に印加する。本実施形態では、この分解用電源３３として、直流電源が用いられている。

次に、この分解手段３０で生じる放電反応について説明する。

分解用電源３３により電圧が印加されている状態の一対の分解用電極３１間を窒素酸化物が通過するとき、この窒素酸化物に以下の反応式（４）に示す放電反応が生じる。

ＮＯ_Ｘ→Ｎ_２＋ｘＯ_２・・・（４）

このようにして、分解手段３０は、窒素酸化物を窒素と酸素とに分解する。

つまり、放電分解手段１５は、被処理水中に導入される空気を含有する気体に放電反応を生じさせることにより被処理水を処理可能な生成体（各種ラジカルやオゾン、紫外線等）を生成するとともに、気体に放電反応が生じたときに発生する窒素酸化物に放電反応を生じさせることにより当該窒素酸化物を分解する。

次に、本実施形態の水処理装置の駆動動作について説明する。

放電用電源２３によって一対の放電用電極２１に電圧が印加された状態でポンプ２６が駆動されて気体が一対の放電用電極２１間へ送られると、そこで気体に放電反応が生じる。その結果、上記生成体が生成されるとともに窒素酸化物が発生する。

これら生成体及び窒素酸化物は、気泡細分化部２７を経由して被処理水中に放出され、多数の気泡Ｂとなって被処理水中に拡散する。このとき、生成体（酸素ラジカル、ヒドロキシラジカル、紫外線、オゾン及び過酸化水素）により、被処理水が殺菌されるとともに被処理水に含まれる微生物等が殺滅される。

その後、窒素酸化物を含有する気体が導出流路３４に導かれる。このとき、窒素酸化物は、分解用電源３３によって電圧が印加された状態の一対の分解用電極３１間で窒素と酸素とに分解され、これら窒素及び酸素が大気中に放出される。

以上説明したように、本実施形態の水処理装置によれば、被処理水中に導入される気体に放電反応が生じた際に生成される生成体（各種ラジカルやオゾン、紫外線等）による被処理水の有効な処理と、気体に放電反応が生じた際に生成される窒素酸化物の分解による当該窒素酸化物の排出の抑制との双方が達成される。具体的には、気体に放電反応が生じた際に生成された窒素酸化物に再度放電反応が生じることによって、窒素酸化物が窒素と酸素とに分解されるため、当該窒素酸化物の排出が抑制される。

また、本実施形態の放電分解手段１５は、放電手段２０と分解手段３０とを有するので、放電用電源２３が印加する電圧、すなわち、一対の放電用電極２１間を通る気体に放電反応を生じさせるために必要な電圧と、分解用電源３３が印加する電圧、すなわち、一対の分解用電極３１間を通る窒素酸化物に放電反応を生じさせるために必要な電圧とをそれぞれ適切な電圧に管理することができる。

そして、導出流路３４は、大気中に開放されているが、窒素酸化物は、窒素及び酸素に分解された状態で大気中へ放出されるので、当該水処理装置からの窒素酸化物の排出が抑制される。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態について、図２を参照しながら説明する。なお、この第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の放電分解手段１５は、循環流路２８と、一対の放電用電極２１と、配線２２を介して一対の放電用電極２１に電圧を印加する放電用電源２３とを有する。なお、循環流路２８以外の構成は、第一実施形態と同様である。

循環流路２８は、所定の空間を取り囲む筒状に形成されており、両端が処理槽１０に接続されている。より具体的には、循環流路２８は、その一端が被処理水中に浸り、かつ、その他端が処理水に浸らない状態で上壁１０ａに固定されている。一対の放電用電極２１は、循環流路２８内の空間に設けられており、ポンプ２６は、循環流路２８に設けられている。また、気泡細分化部２７は、循環流路２８の一端に取り付けられている。

本実施形態の水処理装置では、ポンプ２６が駆動されて気体が一対の放電用電極２１間に至ると、そこで気体に放電反応が生じ、生成体及び窒素酸化物が発生する。その後、窒素酸化物は、循環流路２８の他端側から当該循環流路２８内に流入して一対の放電用電極２１間に至り、そこで放電処理されることにより窒素と酸素とに分解される。

本実施形態の水処理装置によれば、窒素酸化物が循環流路２８を介してこの水処理装置内を循環するので、当該水処理装置からの窒素酸化物の排出が抑制される。さらに、循環流路２８を通る窒素酸化物は、放電処理されて窒素及び酸素に分解されることから、窒素酸化物を分解するための専用の手段を別途設ける必要がないので、放電分解手段１５の構成が簡素化される。つまり、本実施形態の放電分解手段１５は、一対の放電用電極２１が第一実施形態の一対の分解用電極３１を兼ね、放電用電源２３が第一実施形態の一対の分解用電源３３を兼ねた構成となっている。

（第三実施形態）
本発明の第三実施形態について、図３を参照しながら説明する。この第三実施形態の第一実施形態と異なる点は、放電手段２０の構成である。なお、この第三実施形態についても、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の放電手段２０は、導入流路２４と、一対の放電用電極２１と、配線２２を介して一対の放電用電極２１に電圧を印加する放電用電源２３とを有する。導入流路２４の下端には、内部に気体室２９ａを形成する気泡化手段２９が接続されている。気泡化手段２９は、気体室２９ａを取り囲む形状の絶縁性の壁部を有する。導入流路２４内は気体室２９ａ内につながっている。気泡化手段２９の壁部は、気体の通過を許容しつつ液体の通過を許容しない多孔質性の材質、より具体的には、多孔質性のセラミック材により形成されている。なお、接続流路２５及びポンプ２６の構成は、第一実施形態と同様である。

本実施形態では、一対の放電用電極２１のうちの一方は気体室２９ａ内に配置され、他方は被処理水中に配置されている。一対の放電用電極２１間に電圧が印加されることにより、気体室２９ａにプラズマが発生する。プラズマの発生により生成された生成体（各種ラジカルやオゾン、紫外線等）は、気泡化手段２９の壁部を通じて被処理水中へ放出される。このとき、気泡化手段２９により生成体を含む気体はマイクロバブルである無数の気泡とされる。本実施形態の放電用電源２３は、一対の放電用電極２１間に高周波の高圧パルス（数十ｋＶ程度のパルス電圧）を印加する。

水処理装置では、一対の放電用電極２１のうち被処理水中に配置される一方の電極と、気泡化手段２９との間にて気泡が電界の影響を受けることにより、気泡中にて各種ラジカルが繰り返し生成される。その結果、被処理水をより効果的に殺菌処理することができる。また、気体室２９ａにてプラズマ放電を発生させることから、水中にて発生させる場合に比べて、放電用電極２１に付与する電力を抑えることができる。被処理水の処理により発生した窒素酸化物は導出流路３４に導かれ、一対の分解用電極３１間で窒素と酸素とに分解された後、処理槽１０外へ排出される。

以上のように、本実施形態の水処理装置においても、第一実施形態と同様の効果が得られる。

（第四実施形態）
本発明の第四実施形態について、図４を参照しながら説明する。この第四実施形態の第一実施形態と異なる点は、放電手段２０の構成である。なお、この第四実施形態についても、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の放電手段２０は、一対の放電用電極２１と、配線２２を介して一対の放電用電極２１に電圧を印加する放電用電源２３とを有する。

本実施形態の一対の放電用電極２１は、略水平に、かつ、互いに上下方向に離間した状態で被処理水中に対向配置されている。一対の放電用電極２１は、多数の孔を有する平坦な部材、例えばメッシュ状（網状）の平らな部材からなる。

放電用電源２３は、例えば数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数の高電圧パルスを一対の放電用電極２１に印加する。放電用電源２３は、一対の放電用電極２１のうちの下側の電極に負電位を生じさせるとともに上側の電極に正電位を生じさせる高電圧パルスを一対の放電用電極２１に印加する。

本実施形態では、処理槽１０の底壁１０ｂに導入流路２４が固定されている。導入流路２４は、その一端がポンプ２６の吐出口に接続され、その他端が処理槽１０の底壁１０ｂに固定されている。ポンプ２６から吐出された気体は、導入流路２４を通じて処理槽１０内の被処理水中に多数の気泡Ｂとなって放出される。被処理水中に放出される気泡Ｂは、マイクロバブルである。被処理水中に放出された多数の気泡Ｂは、被処理水中を浮上して一対の放電用電極２１のうちの下側の電極に到達し、当該下側の電極の網目（孔）を通って一対の放電用電極２１間に至る。一対の放電用電極２１間に供給された気泡Ｂは、さらに浮上し、上側の電極に向かって移動する。

本実施形態では、被処理水中に放出された気泡Ｂが下側の電極に接触又は近接したときに、当該下側の電極から電子（ｅ）の供給を受ける。放電用電極２１間において、電子が供給された気泡内では、上記反応式（１）〜（３）に示される放電反応が繰り返し生じる。これにより、各種ラジカルが継続的に生成され、被処理水をより効果的に殺菌処理することができる。被処理水の処理により発生した窒素酸化物は導出流路３４に導かれ、一対の分解用電極３１間で窒素と酸素とに分解された後、処理槽１０外へ排出される。

以上のように、本実施形態の水処理装置においても、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、第一実施形態では、放電手段２０の一対の放電用電極２１が導入流路２４の空間内に配置された構成、すなわち、一対の放電用電極２１が気体に曝された構成が示されているが、図５に示されるように、一対の放電用電極２１は、絶縁材料からなる導入流路２４内に埋め込まれてもよい。この場合、放電用電源２３としては、高周波交流電源が用いられる。高周波交流電源は、一対の放電用電極２１間で放電を生じさせる高周波交流電圧を一対の放電用電極２１に印加する。放電用電源２３により一対の放電用電極２１に電圧が印加されたとき、一対の放電用電極２１間の導入流路２４内の空間において無声放電（バリア放電）が発生する。無声放電によっても、上記プラズマ放電と同様に、導入流路２４内を通る気体から酸素ラジカル、オゾン及び紫外線が生成される。また、無声放電の場合には、一対の放電用電極２１間で電荷が移動しないため、一対の放電用電極２１の消耗が抑制される。以上のことは、第一実施形態の分解手段３０、第二実施形態の放電分解手段１５、第三実施形態の分解手段３０、第四実施形態の分解手段３０についても同様である。なお、一対の放電用電極２１のうち一方の電極のみが絶縁材料にて覆われてもよい。

また、上記各実施形態では、窒素酸化物を分解する例が示されているが、分解の対象はこれに限られない。例えば、一対の放電用電極２１間を通る気体に硫黄が含まれる場合、この気体に放電反応が生じたときに硫黄酸化物が発生するが、この硫黄酸化物も分解手段３０により分解される。さらに、分解手段３０は、一酸化炭素や二酸化炭素の分解も可能である。

１０ 処理槽
１５ 放電分解手段
２０ 放電手段
２１ 一対の放電用電極
２３ 放電用電源
２４ 導入流路
２８ 循環流路
３０ 分解手段
３１ 一対の分解用電極
３３ 分解用電源
３４ 導出流路
Ｂ 気泡（マイクロバブル）

Claims (4)

1. 被処理水を収容する処理槽と、
   前記被処理水中に導入される気体又は前記被処理水中に導入された気体に放電反応を生じさせることにより前記被処理水の処理を行う生成体を生成するとともに、前記気体に放電反応が生じたときに発生する窒素酸化物に放電反応を生じさせることにより当該窒素酸化物を分解する放電分解手段とを備える水処理装置。
2. 請求項１に記載の水処理装置において、
   前記放電分解手段は、
   前記気体を前記処理槽外から前記被処理水中へ導入する導入流路と、この導入流路に配置された一対の放電用電極と、前記一対の放電用電極間を通る前記気体に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の放電用電極に印加する放電用電源とを有する放電手段と、
   前記窒素酸化物を前記処理槽外へ導出する導出流路と、この導出流路に配置された一対の分解用電極と、前記一対の分解用電極間を通る前記窒素酸化物に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の分解用電極に印加する分解用電源とを有する分解手段と、を備えている水処理装置。
3. 請求項２に記載の水処理装置において、
   前記導出流路は、大気中に開放されている水処理装置。
4. 請求項１に記載の水処理装置において、
   前記放電分解手段は、両端が前記処理槽に接続され接続された循環流路と、この循環流路に配置された一対の放電用電極と、前記一対の放電用電極間を通る前記気体及び前記窒素酸化物に放電反応を生じさせる電圧を当該一対の放電用電極に印加する放電用電源とを有する水処理装置。

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