JP2018007768A - 流体処理装置および流体処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができる流体処理装置および流体処理方法を提供する。【解決手段】マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体２２を備える反応槽１０と、マイクロウェーブ発生装置１２と、を備え、マイクロウェーブ発生装置１２により発生させたマイクロウェーブを発光体２２に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理流体を反応槽１０に流通させて、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を行う流体処理装置１であり、反応槽１０において、発光体２２に対して被処理流体が内側を通る外照式が使用されている。【選択図】図１

Description

本発明は、有機物と細菌類とを含む液体や気体等の流体を処理する流体処理装置および流体処理方法に関する。

有機物を含む液体の酸化分解処理を行う方法としては、通常、波長１８５ｎｍの紫外線（ＵＶ）を発生する紫外線ランプ等を用いた紫外線照射処理が行われる。一方、細菌類を含む液体の殺菌処理を行う方法としては、通常、波長２５４ｎｍの紫外線を発生する紫外線ランプ等を用いた紫外線照射処理が行われる。

被処理液体中に処理対象となる有機物と細菌類とが混在する場合、一般的な中圧水銀紫外線ランプを用いれば波長１８５ｎｍと２５４ｎｍの紫外線が同時に出力されるが、一つのランプで有機物の酸化に必要な１８５ｎｍ線量と細菌類の殺菌に必要な２５４ｎｍ線量とを過不足なく照射することは困難である。

一方、紫外線照射装置の一つとしてマイクロウェーブ紫外線発光装置が知られている。例えば、粒状の無電極紫外線発光体に外部から２．４５ＧＨｚ等のマイクロウェーブを照射して、紫外線発光させるものがある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。このようなマイクロウェーブ紫外線発光装置において、粒状の無電極紫外線発光体を反応槽に充填して、そこに被処理液を通液させ、被処理液中の有機物の酸化や細菌類の殺菌を行う方法がある。

しかし、マイクロウェーブは水に吸収されやすく熱に変換されやすいため、無電極紫外線発光体を発光させるために過剰に出力を与える必要があり、エネルギー的に損失が大きい。このことから有機物と細菌類の両方を所定の除去率で除去して所定の濃度とするためには、いずれかの対象に対しては過剰な線量となるような装置設計となり、消費電力等からみても非効率的である。

特許第５０４９００４号公報

堀越 智、「光触媒コーティング無電極ランプによる被災地の汚染水浄化装置の開発に関する研究」、平成２６年３月、平成２５年度環境研究総合推進費補助金 研究事業 総合研究報告書

本発明の目的は、被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができる流体処理装置および流体処理方法を提供することにある。

本発明は、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体を備える反応槽と、マイクロウェーブ発生手段と、を備え、前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記発光体に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理流体を前記反応槽に流通させて、前記有機物の酸化分解処理とともに前記細菌類の殺菌処理を行い、前記反応槽において、前記発光体に対して前記被処理流体が内側を通る外照式が使用されている、流体処理装置である。

前記流体処理装置において、前記発光体は、真空紫外線および近紫外線を発光することが好ましい。

前記流体処理装置において、前記発光体が、発光する真空紫外線により酸素含有気体中の酸素を変化させてオゾンを発生させるオゾン発生手段として利用可能であることが好ましい。

前記流体処理装置において、前記オゾン発生手段により発生させたオゾンを用いて、前記反応槽の前段において前記被処理流体のオゾン処理を行う、または前記反応槽の後段において処理流体のオゾン処理を行うことが好ましい。

前記流体処理装置において、前記反応槽は、マイクロウェーブにより紫外線発光する中空管状発光体であることが好ましい。

また、本発明は、マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体を備える反応槽における前記発光体に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理流体を前記反応槽に流通させて、前記有機物の酸化分解処理とともに前記細菌類の殺菌処理を行う紫外線照射処理工程を含み、前記反応槽において、前記発光体に対して前記被処理流体が内側を通る外照式を使用する、流体処理方法である。

前記流体処理方法において、前記発光体は、真空紫外線および近紫外線を発光することが好ましい。

前記流体処理方法において、前記発光体が発光する真空紫外線により酸素含有気体中の酸素を変化させてオゾンを発生させることが好ましい。

前記流体処理方法において、発生させた前記オゾンを用いて、前記反応槽の前段において前記被処理流体のオゾン処理を行う、または前記反応槽の後段において処理流体のオゾン処理を行うことが好ましい。

前記流体処理方法において、前記反応槽は、マイクロウェーブにより紫外線発光する中空管状発光体であることが好ましい。

本発明によれば、被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができる流体処理装置および流体処理方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る流体処理装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る流体処理装置における反応槽の構成の一例を示す概略図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。 本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例を示す概略構成図である。 比較例１で用いた液体処理装置を示す概略構成図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る流体処理装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。

本実施形態に係る流体処理装置１は、反応槽自体の少なくとも一部がマイクロウェーブにより紫外線発光する発光体２２で形成された中空管状の反応槽１０と、マイクロウェーブ発生手段として、マイクロウェーブ発生装置１２とを備える。流体処理装置１は、被処理流体を貯留するための被処理流体槽や、処理流体を貯留するための処理流体槽を備えてもよい。

図１の流体処理装置１において、反応槽１０の入口１８には、被処理流体配管１４が接続され、反応槽１０の出口２０には、処理流体配管１６が接続されている。被処理流体配管１４の一端は被処理流体槽の出口に接続されてもよく、処理流体配管１６の一端は処理流体槽の入口に接続されてもよい。反応槽１０はそれ自体がマイクロウェーブにより紫外線発光する発光体２２で形成されている。反応槽１０には、マイクロウェーブ発生手段としてマイクロウェーブ発生装置１２が、紫外線発光体である発光体２２にマイクロウェーブを照射できるように設置されている。

流体処理装置１において、反応槽１０それ自体が、ピーク発光波長が異なる２種類以上の紫外線発光体で形成されていてもよい。例えば、図２（（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図）に示すように、中空管状の反応槽１０はそれ自体が発光体２２で形成され、発光体２２は、第１紫外線発光体２２ａと、第２紫外線発光体２２ｂとで構成されており、第１紫外線発光体２２ａと第２紫外線発光体２２ｂとの間には隔壁３４が設けられている。隔壁を設けてピーク発光波長の異なる２種類以上の発光体を用いることにより、処理対象物質に応じて適切な紫外線波長を適量照射することができる。図２の例では、反応槽１０の少なくとも一部は２つ以上の紫外線発光体で形成されているが、反応槽１０の少なくとも一部は１つの紫外線発光体で形成されていてもよいし、３つ以上の紫外線発光体で形成されていてもよい。図２の例では、反応槽１０の少なくとも一部は槽の周面方向に２つ以上の紫外線発光体で形成されているが、流体の流通方向に対して２つ以上の紫外線発光体により形成されていてもよい。また、図２の例では、反応槽１０の外周が発光体２２で形成されているが、反応槽１０の外周の一部が発光体により形成されていてもよい。

本実施形態に係る流体処理方法および流体処理装置１の動作について説明する。

図１の流体処理装置１において、マイクロウェーブ発生装置１２を起動させて、発生させたマイクロウェーブを紫外線発光体である反応槽１０の発光体２２（第１紫外線発光体２２ａおよび第２紫外線発光体２２ｂ）に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理液体等の被処理流体が被処理流体配管１４を通して、反応槽１０下部の入口１８から供給され、反応槽１０を上向流で流通される。これにより、反応槽１０において、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理が行われる（紫外線照射処理工程）。流通後の処理液等の処理流体は、反応槽１０上部の出口２０から処理流体配管１６を通して排出される。処理流体は、一部または全部が処理流体槽に貯留されてもよい。

紫外線照射処理では、マイクロウェーブの照射により紫外線発光体である反応槽１０の発光体２２から発光された紫外線によって、主に、細菌類の殺菌処理および紫外線の光酸化による有機物等の酸化分解処理が行われる。例えば、第１紫外線発光体２２ａから波長１８５ｎｍの紫外線が発光され、有機物等の酸化分解処理が行われ、第２紫外線発光体２２ｂから波長２５４ｎｍの紫外線が発光され、細菌類の殺菌処理が行われる。

このように、被処理流体を反応槽１０に流通する流体処理装置１において、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体２２で形成された反応槽１０において、被処理流体の紫外線による細菌類の殺菌処理および光酸化による有機物等の酸化分解処理を行うようにした。すなわち、被処理流体を反応槽１０に流通する流体処理装置１の反応槽１０において、紫外線発光体である発光体２２に対して被処理流体が内側を通る外照式を使用するようにした。これにより、被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができる。マイクロウェーブのエネルギーの一部を被処理流体の外側の発光体２２に当てて発光に使用することで、被処理流体の加熱が抑制され、電力エネルギー効率が高められる。また、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を行うことにより、流体処理装置の設置面積を低減することができる。反応槽１０自体が紫外線発光体であることから、反応槽の形状は自由に変えることができる。

また、被処理流体を反応槽１０に流通する流体処理装置１の反応槽１０において、発光体２２に対して被処理流体が内側を通る外照式を使用するようにして、上記の通り発光体として発光波長の異なる２種類以上を使用し、紫外線による細菌類の殺菌処理および光酸化による有機物の酸化分解処理をともに行うようにしてもよい。例えば、一方の発光体に波長２５４ｎｍの紫外線が発光される発光体を用い、もう一方の発光体に波長１８５ｎｍの紫外線が発光される発光体を用いれば、有機物の酸化に必要な１８５ｎｍ線量と細菌類の殺菌に必要な２５４ｎｍ線量とを過不足なく照射することが可能であり、有機物と細菌類の両方を所定の除去率で除去して所定の濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量となるような装置設計を行えばよく、消費電力等からみても効率的である。

発光体に対して被処理流体が外側を通る内照式の場合、被処理流体と発光体との接触効率が高いため、処理効率が高いが、被処理流体が発光体の発光により加熱されやすい。発光体に対して被処理流体が内側を通る外照式の場合、被処理流体が加熱されにくいが、被処理流体と発光体との接触効率が低いため、処理効率が低い。細菌類を優先的に処理したい場合は紫外線照射の他に加熱殺菌も有効であり、より迅速に殺菌処理することができる。例えば、紫外線照射とマイクロウェーブ加熱を併用して迅速に殺菌処理を行いたい場合等、被処理流体を加温したい場合は、反応槽１０の発光体２２により構成されない部分を多くすればよい。有機物を優先的に処理して、より良いエネルギー効率を求め、加熱を抑制したい場合は、反応槽１０の発光体２２により構成される部分を多くすればよい。

処理対象となる被処理流体は、有機物と細菌類とを含む液体や、有機物と細菌類とを含む気体等の流体であればよく、特に制限はない。液体としては、例えば、水や、糖液等が挙げられる。気体としては、空気、酸素等の酸素含有気体や、窒素等が挙げられる。有機物としては、例えば、四塩化炭素、トリクロロエチレン、１，４−ジオキサン等が挙げられ、細菌類としては、例えば、大腸菌、レジオネラ菌、ブドウ球菌等が挙げられる。

処理対象となる被処理液体の有機物濃度は、例えば０．０１ｍｇ／Ｌ以上１０ｍｇ／Ｌ以下、一般細菌数は、例えば、１０個／ｍＬ以上１００，０００個／ｍＬ以下、大腸菌数は、例えば、１ＣＦＵ／ｍＬ（ＣＦＵ＝Colony Forming Unit）以上１，０００ＣＦＵ／ｍＬ以下、色度は、例えば０．５度以上１００度以下である。被処理気体の有機物濃度は、例えば揮発性有機物濃度で１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下である。

反応槽１０における被処理流体の流通方向は、通常は図１に示すような上向流であるが、下向流であってもよいし、横向流であってもよい。

本実施形態に係る流体処理方法および流体処理装置１において、上記の通り、中空管状の反応槽１０は、流体の流通方向に対して２つ以上の発光体により形成されていてもよい。その場合、発光体が、被処理流体の流通方向に対して、発光波長が短い波長から順次長い波長となるように形成されていることが好ましい。これにより、有機物の酸化分解処理と細菌類の殺菌処理を効率よく行うことができる。例えば、被処理流体の流通方向に対して、発光波長が短い波長から順次長い波長となるように発光体が形成され、第１の紫外線発光体から波長１８５ｎｍの紫外線が発光されて、有機物等の酸化分解処理が行われ、第２の紫外線発光体から波長２５４ｎｍの紫外線が発光されて、細菌類の殺菌処理が行われることが好ましい。

発光体２２において、発光波長の異なる２つ以上の発光体で構成される場合、その構成比率は、特に制限はなく、被処理流体の性状等に応じて、適宜変更すればよい。発光波長の異なる２つ以上の発光体を用い、その構成比率を適宜変更することにより、有機物、細菌類の両方を所定の除去率あるいは所定の処理流体濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量とすることができ、消費電力からみても効率的である。

発光体２２の発光波長は、処理対象となる有機物と細菌類の種類等に応じて、適宜選択すればよく、特に制限はない。有機物の酸化分解処理には、通常、波長１８５±０．１ｎｍや２２０±０．１ｎｍの紫外線を発生する発光体が用いられ、細菌類の殺菌処理には、通常、波長２５４±０．７ｎｍや２６０±０．７ｎｍの紫外線を発生する発光体が用いられる。

反応槽１０におけるマイクロウェーブを照射する面を構成する材質としては、紫外線を透過する材質であればよく特に制限はないが、例えば、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、セラミックス等が挙げられる。

隔壁３４を構成する材質としては、マイクロウェーブの吸収が少ない性質を有する材料であればよく、特に制限はない。隔壁３４を構成する材質としては、例えば、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、セラミックス等が挙げられる。製作のしやすさ等の点から、反応槽１０と同じ材質であることが好ましい。

マイクロウェーブ発生装置１２は、マイクロウェーブ（周波数：例えば、２．４５０ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ、５．８００ＧＨｚ±０．０７５ＧＨｚ、２４．１２５ＧＨｚ±０．１２５ＧＨｚ）を発生することができるものであればよく、その構成は特に制限はない。例えば、真空管を用いるマグネトロン方式の他に、半導体を用いるソリッドステート方式等が挙げられる。マグネトロン方式の発振器は、家庭用から業務用の電子レンジに幅広く用いられており比較的安価に入手できる利点があり、ソリッドステート方式の発振器は、寿命が比較的長く、波長の安定性が良好である等の利点がある。

マイクロウェーブ発生装置１２の構成例として、例えば、図１に示すように、電源装置２４と、マイクロウェーブ発振器２６と、導波管２８と、スリースタブチューナ３０と、短絡器３２とを備える構成が挙げられる。

例えば、電源装置２４から供給された電源により、マイクロウェーブ発振器２６が発生したマイクロウェーブが、導波管２８を通り、発光体２２に照射される。スリースタブチューナ３０により、導波管２８におけるインピーダンス整合を調整することができる。

マイクロウェーブの照射は、発光体２２のある１方向から行ってもよいし、２方向以上の複数方向から行ってもよい。反応槽１０の径が大きくなると（例えば、３０ｃｍ以上）、反対方向まで到達しない場合があるので、発光体２２に対して２方向以上の複数方向から照射を行うことが好ましい。

発光体２２は、マイクロウェーブにより紫外線（例えば、波長１００ｎｍ〜２００ｎｍ未満の真空紫外線、２００ｎｍ〜４００ｎｍの近紫外線を含む）発光するものであればよく、紫外線以外に可視光線（例えば、波長４００ｎｍ〜７８０ｎｍの光）や赤外線（例えば、波長７８０ｎｍ〜１ｍｍの光）の発生有無による制限は特にない。発光体２２としては、例えば、紫外線の吸収が小さい石英製やテフロン（登録商標）樹脂等のフッ素樹脂製であって、円筒形状、四角筒等の多角筒形状等の中空管状の容器に、水銀ガス、水素ガス、キセノンガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、塩素ガス、フッ素ガス、重水素ガス等の、マイクロウェーブにより紫外線発光する放電ガスを所定の封入圧で封入した無電極紫外線発光中空管状発光体等が挙げられる。

本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例の概略を図３に示し、その構成について説明する。

本実施形態に係る流体処理装置３は、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体３８を備える反応槽３６と、マイクロウェーブ発生手段として、マイクロウェーブ発生装置１２とを備える。流体処理装置３は、被処理流体を貯留するための被処理流体槽や、処理流体を貯留するための処理流体槽を備えてもよい。

図３の流体処理装置３において、反応槽３６の入口１８には、被処理流体配管１４が接続され、反応槽３６の出口２０には、処理流体配管１６が接続されている。被処理流体配管１４の一端は被処理流体槽の出口に接続されてもよく、処理流体配管１６の一端は処理流体槽の入口に接続されてもよい。反応槽３６の少なくとも一部は、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体として面状発光体である中空管状発光体３８が被覆されている。反応槽３６には、マイクロウェーブ発生手段としてマイクロウェーブ発生装置１２が、中空管状発光体３８にマイクロウェーブを照射できるように設置されている。

流体処理装置３において、中空管状発光体３８は、ピーク発光波長が異なる２種類以上の紫外線発光体で構成されていてもよい。図３に示すように、例えば、中空管状発光体３８は、第１紫外線発光体３８ａと、第２紫外線発光体３８ｂとで構成されている。ピーク発光波長の異なる２種類以上の発光体を用いることにより、処理対象物質に応じて適切な紫外線波長を適量照射することができる。図３の例では、中空管状発光体３８は２つ以上の紫外線発光体で構成されているが、中空管状発光体３８は１つの紫外線発光体で構成されていてもよいし、３つ以上の紫外線発光体で構成されていてもよい。図３の例では、反応槽３６の少なくとも一部は槽の周面方向に２つ以上の紫外線発光体で被覆されているが、流体の流通方向に対して２つ以上の紫外線発光体により被覆されていてもよい。また、図３の例では、反応槽３６の外周が中空管状発光体３８で被覆されているが、反応槽３６の外周の一部が少なくとも１つの面状の発光体により被覆されていてもよい。

本実施形態に係る流体処理方法および流体処理装置３の動作について説明する。

図３の流体処理装置３において、マイクロウェーブ発生装置１２を起動させて、発生させたマイクロウェーブを中空管状発光体３８（第１紫外線発光体３８ａおよび第２紫外線発光体３８ｂ）に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理液体等の被処理流体が被処理流体配管１４を通して、反応槽３６下部の入口１８から供給され、反応槽３６を上向流で流通される。これにより、反応槽３６において、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理が行われる（紫外線照射処理工程）。流通後の処理流体は、反応槽３６上部の出口２０から処理流体配管１６を通して排出される。処理流体は、一部または全部が処理流体槽に貯留されてもよい。

紫外線照射処理では、マイクロウェーブの照射により中空管状発光体３８から発光された紫外線によって、主に、細菌類の殺菌処理および紫外線の光酸化による有機物等の酸化分解処理が行われる。例えば、第１紫外線発光体３８ａから波長１８５ｎｍの紫外線が発光され、有機物等の酸化分解処理が行われ、第２紫外線発光体３８ｂから波長２５４ｎｍの紫外線が発光され、細菌類の殺菌処理が行われる。

このように、被処理流体を反応槽３６に流通する流体処理装置３において、反応槽３６を、マイクロウェーブにより紫外線発光する中空管状発光体３８で被覆し、被処理流体の紫外線による細菌類の殺菌処理および光酸化による有機物等の酸化分解処理を行うようにした。すなわち、被処理流体を反応槽３６に流通する流体処理装置３の反応槽３６において、中空管状発光体３８に対して被処理流体が内側を通る外照式を使用するようにした。これにより、被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができる。マイクロウェーブのエネルギーの一部を被処理流体の外側の中空管状発光体３８に当てて発光に使用することで、被処理流体の加熱が抑制され、電力エネルギー効率が高められる。また、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を行うことにより、流体処理装置の設置面積を低減することができる。

また、被処理流体を反応槽３６に流通する流体処理装置３の反応槽３６において、中空管状発光体３８に対して被処理流体が内側を通る外照式を使用するようにして、上記の通り発光体として発光波長の異なる２種類以上を使用し、紫外線による細菌類の殺菌処理および光酸化による有機物の酸化分解処理をともに行うようにしてもよい。例えば、一方の発光体に波長２５４ｎｍの紫外線が発光される発光体を用い、もう一方の発光体に波長１８５ｎｍの紫外線が発光される発光体を用いれば、有機物の酸化に必要な１８５ｎｍ線量と細菌類の殺菌に必要な２５４ｎｍ線量とを過不足なく照射することが可能であり、有機物と細菌類の両方を所定の除去率で除去して所定の濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量となるような装置設計を行えばよく、消費電力等からみても効率的である。

発光体に対して被処理流体が外側を通る内照式の場合、被処理流体と発光体との接触効率が高いため、処理効率が高いが、被処理流体が発光体の発光により加熱されやすい。中空管状発光体３８に対して被処理流体が内側を通る外照式の場合、被処理流体が加熱されにくいが、被処理流体と発光体との接触効率が低いため、処理効率が低い。細菌類を優先的に処理したい場合は紫外線照射の他に加熱殺菌も有効であり、より迅速に殺菌処理することができる。例えば、紫外線照射とマイクロウェーブ加熱を併用して迅速に殺菌処理を行いたい場合等、被処理流体を加温したい場合は、反応槽３６の発光体３８により覆わない部分を多くすればよい。有機物を優先的に処理して、より良いエネルギー効率を求め、加熱を抑制したい場合は、反応槽３６の発光体３８により覆う部分を多くすればよい。

本実施形態に係る流体処理方法および流体処理装置３において、上記の通り、反応槽３６は、流体の流通方向に対して２つ以上の中空管状発光体により被覆されていてもよい。その場合、中空管状発光体が、被処理流体の流通方向に対して、発光波長が短い波長から順次長い波長となるように被覆されていることが好ましい。これにより、有機物の酸化分解処理と細菌類の殺菌処理を効率よく行うことができる。例えば、被処理流体の流通方向に対して、発光波長が短い波長から順次長い波長となるように中空管状発光体が被覆され、第１の中空管状発光体から波長１８５ｎｍの紫外線が発光されて、有機物等の酸化分解処理が行われ、第２の中空管状発光体から波長２５４ｎｍの紫外線が発光されて、細菌類の殺菌処理が行われることが好ましい。

中空管状発光体３８において、発光波長の異なる２つ以上の中空管状発光体を被覆する場合、その被覆比率は、特に制限はなく、被処理流体の性状等に応じて、適宜変更すればよい。発光波長の異なる２つ以上の中空管状発光体を用い、その被覆比率を適宜変更することにより、有機物、細菌類の両方を所定の除去率あるいは所定の処理流体濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量とすることができ、消費電力からみても効率的である。

発光体３８は、マイクロウェーブにより紫外線（例えば、波長１００ｎｍ〜２００ｎｍ未満の真空紫外線、２００ｎｍ〜４００ｎｍの近紫外線を含む）発光するものであればよく、紫外線以外に可視光線（例えば、波長４００ｎｍ〜７８０ｎｍの光）や赤外線（例えば、波長７８０ｎｍ〜１ｍｍの光）の発生有無による制限は特にない。面状発光体としては、例えば、紫外線の吸収が小さい石英製やテフロン（登録商標）樹脂等のフッ素樹脂製であって、面状や、円筒形状、四角筒等の多角筒形状等の中空管状発光体の容器に、水銀ガス、水素ガス、キセノンガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、塩素ガス、フッ素ガス、重水素ガス等の、マイクロウェーブにより紫外線発光する放電ガスを所定の封入圧で封入した無電極紫外線発光面状発光体等が挙げられる。

本発明の実施形態に係る流体処理装置の他の例の概略を図４に示し、その構成について説明する。

本実施形態に係る流体処理装置５は、マイクロウェーブにより真空紫外線を含む紫外線を発光する発光体５４を備える反応槽５６と、マイクロウェーブ発生手段として、マイクロウェーブ発生装置１２とを備える。流体処理装置５は、被処理流体を貯留するための被処理流体槽や、処理流体を貯留するための処理流体槽を備えてもよい。

図４の流体処理装置５において、反応槽５６の入口１８には、被処理流体配管１４が接続され、反応槽５６の出口２０には、処理流体配管１６が接続されている。被処理流体配管１４の一端は被処理流体槽の出口に接続されてもよく、処理流体配管１６の一端は処理流体槽の入口に接続されてもよい。反応槽５６の少なくとも一部は、マイクロウェーブにより真空紫外線を含む紫外線を発光する発光体として面状発光体である中空管状発光体５４が被覆されている。反応槽５６には、マイクロウェーブ発生手段としてマイクロウェーブ発生装置１２が、中空管状発光体５４にマイクロウェーブを照射できるように設置されている。

流体処理装置５において、反応槽５６を収容する筐体５０の内部の空洞部がオゾン発生部５２となっている。オゾン発生部５２の酸素含有気体入口４４には、酸素含有気体配管４０が接続され、オゾン出口４６には、オゾン配管４２がポンプ４８を介して接続されている。中空管状発光体５４は、中空管状発光体５４から発生する真空紫外線がオゾン発生部５２に流通される酸素含有気体に照射できるように設置されている。

流体処理装置５において、中空管状発光体５４は、ピーク発光波長が異なる２種類以上の紫外線発光体で構成されてもよく、少なくとも一方が真空紫外線を発光する発光体であればよい。図４に示すように、例えば、中空管状発光体５４は、第１紫外線発光体５４ａと、第２紫外線発光体５４ｂとで構成されている。ピーク発光波長の異なる２種類以上の発光体を用いることにより、処理対象物質に応じて適切な紫外線波長を適量照射することができる。図４の例では、中空管状発光体５４は２つ以上の紫外線発光体で構成されているが、中空管状発光体５４は真空紫外線を発光する１つの紫外線発光体で構成されていてもよいし、少なくとも１つが真空紫外線を発光する３つ以上の紫外線発光体で構成されていてもよい。図４の例では、反応槽５６の少なくとも一部は槽の周面方向に２つ以上の紫外線発光体で被覆されているが、流体の流通方向に対して２つ以上の紫外線発光体により被覆されていてもよい。また、図４の例では、反応槽５６の外周が中空管状発光体５４で被覆されているが、反応槽５６の外周の一部が真空紫外線を発光する少なくとも１つの面状の発光体により被覆されていてもよい。

本実施形態に係る流体処理方法および流体処理装置５の動作について説明する。

図４の流体処理装置５において、マイクロウェーブ発生装置１２を起動させて、発生させたマイクロウェーブを中空管状発光体５４（第１紫外線発光体５４ａおよび第２紫外線発光体５４ｂ）に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理液体等の被処理流体が被処理流体配管１４を通して、反応槽５６下部の入口１８から供給され、反応槽５６を上向流で流通される。これにより、反応槽５６において、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理が行われる（紫外線照射処理工程）。流通後の処理流体は、反応槽５６上部の出口２０から処理流体配管１６を通して排出される。処理流体は、一部または全部が処理流体槽に貯留されてもよい。

一方、マイクロウェーブ発生装置１２を起動させて、発生させたマイクロウェーブを中空管状発光体５４（第１紫外線発光体５４ａおよび第２紫外線発光体５４ｂ）に照射しながら、酸素含有気体が、酸素含有気体配管４０を通して酸素含有気体入口４４からオゾン発生部５２に供給される。オゾン発生部５２において、酸素含有気体に真空紫外線を含む紫外線が照射され、酸素を変化させてオゾンを発生させる（オゾン発生工程）。この場合、真空紫外線を発光する発光体５４が、オゾン発生手段として利用されることになる。発生したオゾンを含む気体は、ポンプ４８によりオゾン出口４６からオゾン配管４２を通して排出される。

流体処理装置５では、被処理流体が紫外線発光体と接触しない箇所を利用して、発光する真空紫外線により酸素含有気体中の酸素を変化させてオゾンを発生させるオゾン発生装置としての役割を併せ持つようにした。このように、発光体より発光する真空紫外光（Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：ＶＵＶ）により、酸素含有気体中の酸素をオゾンに変換させることが可能である。発生したオゾン含有気体をポンプ等により捕集し、利用できるようにしたことで、紫外線発光体を、紫外線照射処理装置およびオゾン発生装置の役割を持つようにした。また、図１のように反応槽自体の少なくとも一部をマイクロウェーブにより真空紫外線を含む紫外線を発光する発光体で形成することにより、紫外線発光体を、反応槽、紫外線照射処理装置およびオゾン発生装置の役割を持つようにしてもよい。

流体処理装置５において、オゾン発生部５２において発生させたオゾンを用いて、例えば図５に示すように、反応槽５６の前段において被処理流体のオゾン処理を行ってもよいし、例えば図６に示すように、反応槽５６の後段において処理流体のオゾン処理を行ってもよい。

図５の流体処理装置５では、オゾン配管４２はポンプ４８を介して被処理流体配管１４に接続され、反応槽５６の前段において被処理流体のオゾン処理を行うことができるようになっている。被処理流体配管１４の途中に別途、オゾン処理槽を設けて、オゾン処理槽においてオゾン発生部５２において発生させたオゾンを用いて被処理流体のオゾン処理を行ってもよい。

図６の流体処理装置５では、オゾン配管４２はポンプ４８を介して処理流体配管１６に接続され、反応槽５６の後段において処理流体のオゾン処理を行うことができるようになっている。処理流体配管１６の途中に別途、オゾン処理槽を設けて、オゾン処理槽においてオゾン発生部５２において発生させたオゾンを用いて処理流体のオゾン処理を行ってもよい。

このような構成により、被処理流体または処理流体のオゾン処理を行う場合、オゾン発生装置を別途準備しなくてもよい。少なくとも１つの発光体で紫外線による細菌類の殺菌処理および紫外線の光酸化による有機物等の酸化分解処理が行えるようになり、またオゾン発生装置として生成したオゾンを利用することで、処理流体の性状への効果はさらに増す。

オゾン原料の酸素含有気体としては、酸素を含有する気体であればよく、特に制限はないが、例えば、乾燥空気、湿度を含む空気等の空気や、高濃度酸素、純酸素等が挙げられ、コスト等の点から、乾燥空気、湿度を含む空気等の空気が好ましい。

本実施形態に係る上記流体処理装置１，３，５および上記流体処理方法は、浄水処理、下水処理、工業用水処理、排水処理等の液体や、排ガス処理、空気浄化処理等における気体等の流体における紫外線による有機物の酸化分解処理と細菌類の殺菌処理とをともに行う場合に適用することができ、特に、浄水処理に好適に適用することができる。

オゾン発生装置としても利用可能な流体処理装置５は、色素等の着色成分等を含む被処理流体の処理に好適に適用することができる。この場合、着色成分を含む被処理流体は、着色成分を含まない場合に比べて紫外線を透過しにくいので、反応槽の前段で被処理流体のオゾン処理を行い、着色成分の含有量を低減してから、紫外線照射処理を行うことが好ましい。オゾン発生装置としても利用可能な流体処理装置は、着色成分を含む被処理流体以外にも、アンモニア、カビ等の臭気成分を含む被処理流体や、凝集沈殿処理後の濁度成分を含む凝集沈殿処理水にも好適に適用することができる。

本実施形態に係る上記流体処理装置１，３および上記流体処理方法により、例えば有機物濃度で０．０１ｍｇ／Ｌ以上、細菌数で１０個／ｍＬ以上、大腸菌数で１ＣＦＵ／ｍＬ以上の被処理液体の液質を、例えば有機物濃度で０．０５ｍｇ／Ｌ以下、細菌数で１個／ｍＬ未満、大腸菌数で１ＣＦＵ／ｍＬ未満（不検出）の処理液とすることができる。本実施形態に係る上記流体処理装置５および上記流体処理方法により、例えば有機物濃度で０．０１ｍｇ／Ｌ以上、細菌数で１０個／ｍＬ以上、大腸菌数で１ＣＦＵ／ｍＬ以上、色度で１０度以上であり、臭気成分を含有する被処理液体の液質を、例えば有機物濃度で０．０５ｍｇ／Ｌ以下、細菌数で１個／ｍＬ未満、大腸菌数で１ＣＦＵ／ｍＬ未満（不検出）、色度で１度以下であり、臭気成分が低減された処理液とすることができる。また、例えば揮発性有機物濃度で１０ｐｐｍ以上の有機物含有気体を０．１ｐｐｍ未満まで処理することができる。有機物の酸化分解処理により活性炭等の吸着物質を使用しなくても処理することができる。気体、液体の状態を問わず有機物の処理ができるので、処理装置へは気体のみ、液体のみ、そのいずれかを通過させても有機物の分解処理ができる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１，２および比較例１＞
実施例１では、図１に示す流体処理装置１（反応槽１０それ自体が、ピーク発光波長が異なる２種類の紫外線発光体で構成されている（外照式））で、実施例２では、図１に示す流体処理装置１にオゾン発生機能を持たせたもの（反応槽１０それ自体が、ピーク発光波長が異なる２種類の紫外線発光体で構成されている（外照式）＋オゾン発生機能）で、比較例１では、図７に示す液体処理装置７（反応槽６０の紫外線発光層６２に充填された、１種類の粒状発光体６４（内照式））で、有機物として１，４−ジオキサンを含む被処理液の処理を行った。

以下の装置仕様、通水条件で試験を行った。
［反応槽］
・反応槽本体：４００ｍＬ、材質 石英ガラス製
・通水条件：上向流、流量４００ｍＬ／ｍｉｎで通水
・紫外線発光体構成：
（比較例１）
反応槽に紫外線発光粒状発光体を２００ｍＬ充填
紫外線発光粒状発光体を内照式で照射
（実施例１）
第１紫外線発光体および第２紫外線発光体で構成された反応槽を外照式で照射
（実施例２）
第１紫外線発光体および第２紫外線発光体で構成された反応槽を外照式で照射
第１紫外線発光体かつ非水接触面よりオゾンを生成させ、生成したオゾンをポンプで捕集し処理水へ適用
オゾン原料の酸素含有気体として乾燥空気を供給

［紫外線発光粒状発光体（無電極紫外線発光カプセル）の詳細］
・サイズ：ガス封入部 径（φ）５ｍｍ×高さ（Ｌ）１０ｍｍ
・材質：石英
・封入ガス：水銀ガス、封入圧力５０，０００Ｐａ
・ピーク波長：１８５ｎｍ

［反応槽の詳細］
・サイズ：ガス封入部 径（φ）６０ｍｍ×高さ（Ｌ）１８０ｍｍ（内部に５ｍｍ板状隔壁）
・材質：石英
・第１紫外線発光体
封入ガス：水銀ガス、封入圧力５０，０００Ｐａ
ピーク波長：１８５ｎｍ
・第２紫外線発光体
封入ガス：水銀ガス、封入圧力１０Ｐａ
ピーク波長：２５４ｎｍ

［マイクロウェーブ発生装置］
・電源装置：３００Ｗ（３０〜３００Ｗ可変式） 投入電力２００Ｗ
・マイクロウェーブ発振器：マグネトロン
・周波数：２．４５ＧＨｚ
・導波管：Ｌ４００ｍｍ×Ｗ２００ｍｍ×Ｈ３００ｍｍ、アルミニウム製
・チューナー：スリースタブ方式

マイクロウェーブ発生装置の電源装置の投入電力を、２００Ｗに設定した。被処理液と処理液の水質（１，４−ジオキサン濃度、大腸菌数、一般細菌数、色度、アンモニア臭気）を表１に示す。１，４−ジオキサン濃度は、固相抽出−ガスクロマトグラフ−質量分析法（スチレンジビニルベンゼン共重合体および活性炭固相カラムを用いて濃縮および抽出し、ガスクロマトグラフ−質量分析計（ＧＣ：ＨＰ６８９０ ＨＥＷＬＥＴＴ ＰＡＣＫＡＲＤ製、ＭＳ：５９７３Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｇｉｌｅｎｔ製）で測定）で測定した。大腸菌数は、特定酵素基質培地法（ピルビン酸添加ＸＧａｌ−ＭＵＧ培地（日水製薬製）を用いて３６±１℃で、２６±１時間培養した後、紫外線ランプにより波長３６６ｎｍの紫外線を照射し、蛍光の有無および比色液と比較）で測定した。一般細菌数は、標準寒天培地法（標準寒天培地（栄研化学製）を用いて３６±１℃で２４±２時間培養し、コロニー数を測定）で測定した。色度は、日本電色製、ＷＡ６０００型（３９０ｎｍ透過光測定法式）を用いて測定した。アンモニア臭気は、臭気判定士資格を持つ者による官能試験により行った。

比較例１では、処理液の１，４−ジオキサン濃度は０．１１ｍｇ／Ｌであり、一般細菌が２３個／ｍＬ残留し、色度およびアンモニア臭気が残留した。実施例２（紫外線発光体＋オゾン）は全ての項目が定量下限値以下であり、不検出であった。実施例１（紫外線発光体のみ）では１，４−ジオキサン濃度は０．０８ｍｇ／Ｌであり、一般細菌が１２個／ｍＬまで低減できたが、色度およびアンモニア臭気は比較例１とほぼ同等の結果となった。実施例２の装置により生成したオゾンを捕集し、処理水へ適用することで紫外線処理とオゾン処理をともに行うことができた。

このように、被処理流体中に有機物と細菌類とが混在する場合でも、有機物の酸化分解処理とともに細菌類の殺菌処理を効率的に行うことができた。一つの反応槽で紫外線による有機物の酸化分解処理と細菌類の殺菌処理を効率的に行えるようなった。

１，３，５ 流体処理装置、７ 液体処理装置、１０，３６，５６，６０ 反応槽、１２ マイクロウェーブ発生装置、１４ 被処理流体配管、１６ 処理流体配管、１８ 入口、２０ 出口、２２ 発光体（中空管状発光体）、２２ａ 第１紫外線発光体、２２ｂ 第２紫外線発光体、２４ 電源装置、２６ マイクロウェーブ発振器、２８ 導波管、３０ スリースタブチューナ、３２ 短絡器、３４ 隔壁、３８，５４ 発光体（中空管状発光体）、３８ａ，５４ａ 第１紫外線発光体、３８ｂ，５４ｂ 第２紫外線発光体、４０ 酸素含有気体配管、４２ オゾン配管、４４ 酸素含有気体入口、４６ オゾン出口、４８ ポンプ、５０ 筐体、５２ オゾン発生部、６２ 紫外線発光層、６４ 粒状発光体。

Claims (10)

1. マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体を備える反応槽と、
   マイクロウェーブ発生手段と、
   を備え、
   前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記発光体に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理流体を前記反応槽に流通させて、前記有機物の酸化分解処理とともに前記細菌類の殺菌処理を行い、
   前記反応槽において、前記発光体に対して前記被処理流体が内側を通る外照式が使用されていることを特徴とする流体処理装置。
2. 請求項１に記載の流体処理装置であって、
   前記発光体は、真空紫外線および近紫外線を発光することを特徴とする流体処理装置。
3. 請求項２に記載の流体処理装置であって、
   前記発光体が、発光する真空紫外線により酸素含有気体中の酸素を変化させてオゾンを発生させるオゾン発生手段として利用可能であることを特徴とする流体処理装置。
4. 請求項３に記載の流体処理装置であって、
   前記オゾン発生手段により発生させたオゾンを用いて、前記反応槽の前段において前記被処理流体のオゾン処理を行う、または前記反応槽の後段において処理流体のオゾン処理を行うことを特徴とする流体処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体処理装置であって、
   前記反応槽は、マイクロウェーブにより紫外線発光する中空管状発光体であることを特徴とする流体処理装置。
6. マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、マイクロウェーブにより紫外線発光する発光体を備える反応槽における前記発光体に照射しながら、有機物と細菌類とを含む被処理流体を前記反応槽に流通させて、前記有機物の酸化分解処理とともに前記細菌類の殺菌処理を行う紫外線照射処理工程を含み、
   前記反応槽において、前記発光体に対して前記被処理流体が内側を通る外照式を使用することを特徴とする流体処理方法。
7. 請求項６に記載の流体処理方法であって、
   前記発光体は、真空紫外線および近紫外線を発光することを特徴とする流体処理方法。
8. 請求項７に記載の流体処理方法であって、
   前記発光体が発光する真空紫外線により酸素含有気体中の酸素を変化させてオゾンを発生させることを特徴とする流体処理方法。
9. 請求項８に記載の流体処理方法であって、
   発生させた前記オゾンを用いて、前記反応槽の前段において前記被処理流体のオゾン処理を行う、または前記反応槽の後段において処理流体のオゾン処理を行うことを特徴とする流体処理方法。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の流体処理方法であって、
    前記反応槽は、マイクロウェーブにより紫外線発光する中空管状発光体であることを特徴とする流体処理方法。

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