JP2018202322A

JP2018202322A - 光触媒反応を利用した水質浄化装置

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Publication number: JP2018202322A
Application number: JP2017110559A
Authority: JP
Inventors: 徹三小田; Tooru Mioda
Original assignee: NATURE KK
Current assignee: NATURE KK
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-05
Also published as: WO2018225339A1; JP6357712B1

Abstract

【課題】
本発明が解決しようとする課題は、紫外線透過効率の高い光触媒担持体容器であって、紫外線灯の電球交換と光触媒担持体のメンテナンスを容易に行え、かつ観賞魚用水槽のような小水量から池沼・湖沼のような大水量までの水質浄化を適用可能とした光触媒水質浄化装置を提供することである。
【解決手段】
本発明による水質浄化装置は、本体部がスプリングを２重構造にして支持部材に固定したカゴと、その中に光触媒の担持体を堆積し、前記カゴの中心部に水中紫外線灯を備える構成とした。光触媒担持体の洗浄は前記カゴを直接水洗するだけで済み、交換する場合も上部支持部材の穴から出し入れして容易に行うことができる。この水質浄化装置は筒型ケースの中に入れて使用することも、この筒型ケースをチューブで連結して使用することもできる。また、前記本体部のみフランジ付きの設置盤に取り付けて使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化チタン等の光触媒物質に紫外線を照射することで起こる光触媒反応により、池沼・湖沼におけるプランクトンの制御対策、観賞魚水槽、養殖魚水槽や養殖池における藻の制御、細菌・ウイルスの殺菌による魚病対策、あるいは船のバラスト水における外来種対策、更に飲料水における細菌・ウイルス・耐塩素原虫の殺菌処理、あるいはトリハロメタン等の有機物分解などにも利用できる、水質浄化装置に関する。

池沼・湖沼などの閉鎖性が強い水域に栄養塩類が蓄積された状態、いわゆる富栄養化が進行した状態になるとアオコや淡水赤潮が発生するようになり、大きな社会問題になっている。また、観賞魚水槽では、時間の経過に伴ってガラス壁面に藻が付いてくるようになり美観を損なるため、定期的なメンテナスンスが必要となり手間である。また、一つの水槽に多くの魚を入れて観賞すると病気が発生し易い。水産養殖においても同様の問題を抱えている。一方、外来種の越境移動が国際的にも問題になっており、２０１７年９月に船のバラスト水国際条約が発効されることになった。締約国にある船は条約発効後５年以内にバラスト水対策を講じなければならない。

池沼・湖沼、観賞魚水槽、水産養殖、バラスト水は、水量と水の性状に大きな違いがあるものの、問題点が水中のプランクトン及びバクテリアであることは共通しており、出来るだけトータルコストを抑えた水質浄化装置が求められる。
そこで近年期待されているのが光触媒を使った水質浄化装置である。

光触媒を使った水質浄化装置としては、これまでにも水面に浮かべた光触媒を含むシート状浮体で太陽光と人工光源との併用により反応を起こさせ湖沼等の水質浄化を行う装置（特許文献1）、光触媒機能を有する塊状を籠型容器に積み重ね太陽光線により反応を起こさせ貯水槽などの水質浄化を行う装置（特許文献２）、上部が開口した箱型接触槽内部に水中紫外線照射装置とその上部に光触媒物質をコーティングした担持体（を堆積した通水トレーを置き湖沼等の水質浄化を行う装置（特許文献3）などが提案されている。

特開２００３−２５１３４１公報特開２０１０−１９４４２４公報特開２０１６−０８３６２７公報

特許文献１の水処理装置は、被処理水の水量が少ない場合は、昼夜を問わず水処理ができるためそれなりに有効である。しかしながら、シート状浮体は光照射面を広げないと活性化される光触媒が少なくなるため、湖沼等の大水量の処理には装置の大型化が必要になる。その場合、水中の人工光源も大型化が必要で、紫外線透過能の高い石英ガラスのような高価なガラスが必要となり高コストである。また、一定規模以上の大きさになると強度の面からガラス厚を増すことが必要となり、紫外線の透過量が減少して光触媒反応が進まなくなる。更に、光触媒上に堆積してしまう蓄積物を超音波照射によって除去するとしているが、装置が大型化した場合、超音波発生装置の大型化も必要となるため高コストである。

また、特許文献２の光触媒機能を有する塊状を籠型容器に積み重ね太陽光線により反応を起こさせる方式では、プランクトン等により濁った水では水中に紫外線が透過しにくいので光触媒反応が低下する、天候により紫外線透過量が変動するため浄化能力が安定しない、夜間は浄化能力が全くない、溶存酸素が欠乏した水では光触媒反応が起こらない等の問題がある。

一方、特許文献3の上部が開口した箱型接触槽内部に水中紫外線照射装置とその上部に光触媒物質をコーティングした担体を堆積した通水トレーを置き湖沼等の水質浄化を行う方式は、水質浄化能において問題はないが、装置がある程度大型になるため光触媒物質をコーティングした担持体のメンテナスンスが容易ではなく、観賞用水槽には使えず、水中紫外線照射装置の電球交換が容易ではない等の問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、紫外線透過効率の高い光触媒担持体容器であって、紫外線灯の電球交換と光触媒担持体のメンテナンスを容易に行え、かつ観賞魚用水槽のような小水量から池沼・湖沼のような大水量までの水質浄化を適用可能とし、しかも淡水から海水まで問題なく利用できる光触媒水質浄化装置を提供することである。

本発明者は、当初単体での使用を考え観賞魚用水槽に使用できるものを開発しようと試みたのだが、容器から取り出した水質浄化装置本体を設置盤に多数取り付けて使用することでダム貯水池等の大水量の水を処理でき、また紫外線灯の電球交換を極めて容易に行え、光触媒物質をコーティングした担持体のメンテナンスも容易で、淡水でも海水でも利用可能であり、かつ大量生産が可能であることを見出し、これに基づいて以下のような水質浄化装置を発明するに至った。

本発明による水質浄化装置は、本体部がスプリングを２重構造にして支持部材に固定したカゴと、その中に光触媒の担持体（二酸化チタン等をコーティングした水質浄化剤）を堆積し、前記カゴの中心部に水中紫外線灯を備える構成とした。水中紫外線灯は前記本体部の上部中央から差し込み式に入っているだけなので、メンテナンスや交換を簡単に行うことが出来る。また、光触媒担持体の洗浄は前記カゴを直接水洗するだけで済み、交換する場合も容易に行うことができる構造となっている。
この水質浄化装置を単体で使用する場合、前記本体部はステンレス製あるいは耐紫外線力の強い樹脂製の筒型ケースの中に入れ、水中ポンプから送られてきた水が取水口から入り、送水口へと移動する間に光触媒反応による水質浄化が行われる。このような構造にする理由は紫外線が数ミリ単位の至近距離から照射されるため、水による減衰を受けないで光触媒物質を励起させて水質浄化を行うことができるからである。一方、この筒型ケースはチューブで連結して使用することもでき、連結方式は直列でも並列でも可能である。また、大量の水を処理する場合、前記本体部のみフランジ付きの設置盤に取り付けて使用することができる。

前記本体部は、水中紫外線灯のサイズより長さが異なる。

前記本体部に使用するスプリングには、耐海水性ステンレスを使用することが好ましい。

前記本体部の支持部材には、耐紫外線樹脂を使用することが好ましい。

前記水中紫外線灯には、LED紫外線灯を使用することが好ましい。

前記筒型ケースには、ステンレス又は耐紫外線樹脂を使用することが好ましい。

前記光触媒の担持体には、二酸化チタンをコーティングすることが好ましい。

前記光触媒の担持体のコーティング方式は、対象水域の性質に合わせて有機・無機のバインダーを使い分けるのが好ましい。

前記光触媒の担持体には、ガラスやセラミック製の球体であることが好ましい。

前記水質浄化装置を多数配置して貯水池等の水面に設置する場合は、浮力体を備えることが好ましい。

前記水質浄化装置を多数配置して貯水池等の水面に設置する場合は、集水装置として水中ミキサーを使用する事が好ましい。

前記水質浄化装置を多数配置して貯水池等の水面を移動しながら浄化する場合、自走式の移動手段を設置することが好ましい。

前記水質浄化装置を多数配置して貯水池等の水面を移動しながら浄化する場合、太陽光発電器、蓄電器、整流器を備えることが好ましい。

前記水質浄化装置を多数配置して貯水池等の水面を移動しながら浄化する場合、植物プランクトンが高密度に分布する水層を察知するためクロロフィルセンサーを設置することが好ましい。

本発明による水質浄化装置は、殺菌灯を使用することより効果的に光触媒反応を行うことができるので、アオコなどのプランクトンを死滅・分解あるいは不活化させることができる。

また、本発明による水質浄化装置は、殺菌灯を使用することより効果的に光触媒反応を行うことができるので、水中の細菌・ウイルス・耐塩素原虫などを死滅・分解あるいは不活化させることができる。

また、本発明による水質浄化装置は、本体部のカゴに光触媒の担持体を堆積することで、本体ごと取り出して光触媒への汚れの付着等のメンテナンスを容易に行うことができる。

また、本発明による水質浄化装置は、筒型ケースの中に本体を入れて使用するだけでなく、本体部のみでも使用できるので、大きなコストダウンができる。

また、本発明による水質浄化装置は、筒型ケースの内に本体を入れて使用する場合、自給式エアレーション装置としての効果も期待できる。

また、本発明の水質浄化装置は、対象水に求められる水質に応じて複数個連結して使用できる。

また、光触媒は有害化学物質の分解作用、有機物分解作用、細菌やウイルスへの殺菌作用があることが知られている。従って、本発明の水質浄化装置はこれらに関する水質汚染防止対策、あるいは衛生学的な対策としての利用する事もできる。

また、本発明による水質浄化装置を使用すれば、観光やレクリエーションの場として利用されている池沼、湖沼において、その観光資源としての価値、レクリエーションの場としての価値を維持することができ、経済的効果が大きい。

また、本発明による水質浄化装置を観光やレクリエーションの場として利用されている池沼、湖沼において複数個使用すれば、装置が発する光によって夜間には星座を描くこともできる等、付加価値を提供することができる。

また、本発明による水質浄化装置を赤潮の防除対策として利用すれば、水産養殖や漁業への経済的損失を回避できる。

また、本発明による水質浄化装置を船のバラスト水対策に使用すれば、従来の装置よりも省エネルギーに水質改善が行える。

以上のように、本発明による水質浄化装置では、光触媒に付着した汚れのメンテナンスが容易に行え、かつ水中紫外線灯の交換も簡単で、組み合わせにより小水量の水からダム貯水池のような大水量の水までを浄化でき、更に淡水でも海水でも使用可能な水質浄化装置を提供することができる。

本発明における水質浄化装置の全体図図1に示すスプリング2重構造カゴの構造図本発明の第１実施形態である筒型容器に入れて使用する側面図本発明の第１実施形態の使用状態を示す説明図本発明の第２実施形態である筒型容器を連結して使用する全体図本発明の第３実施形態を説明する上面図と断面図アオコを含む植物プランクトンの制御実験結果殺菌効果試験、化学物質分解性試験結果

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。

最初に、本発明の水質浄化装置１の構成を説明する。図１は、本発明における水質浄化装置の３Ｄイメージ図を示している。スプリングを２重構造にして支持部材に固定したカゴ２と、その中に光触媒の担持体３（二酸化チタン等をコーティングした水質浄化剤）を堆積し、前記カゴ２の中心部に水中紫外線灯４を備える構成となっている。水中紫外線灯４は前記水質浄化装置１の上部中央から挿入するだけなので、メンテナンスや交換を簡単に行うことが出来る。
図２は、前記水質浄化装置のスプリング製のカゴ２の構成を示す３Ｄイメージ図である。

まず、本発明の第１実施形態について説明する。図３は、本発明の第１実施形態による筒形ケース５に水質浄化装置１を入れて使用する場合の３Ｄイメージ図の正面図である。なお、図１、２と同じ符号を付している部分は水質浄化装置１の構成部分と同じ構造、機能を有する部分であるため、説明を省略する。水中ポンプで送られてきた被処理水は筒形ケース５に付けられた取水口６から入り、送水口７に送水される間に光触媒反応によって浄化される。

第１実施形態により水質浄化を行う方式では、上面の支持部材開口部から空気を取り込み送水する事ができるので、エアレーションを別途行わなくて済む。

図４は、本発明の第１実施形態による筒形ケース５に水質浄化装置１を入れて使用する場合の、観賞魚用水槽に設置した際のイメージ図である。水質浄化装置１は水槽側面の内部あるいは外部にフック付のカゴに入れて固定される。被処理水は水中ポンプで送られ、水質浄化装置１で浄化され水槽に戻る循環方式である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、本発明の第２実施形態による筒形ケースをホースで連結させた場合の３Ｄイメージ図である。一度の通水で有害物質の処理や無菌水を作る場合などは、このように連結させて処理能力を高めて行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図６は、本発明の第３実施形態による水質浄化装置１を設置盤１１に複数設置してフロート１３で浮上させて使用する場合の上面図と断面図である。装置の中心部表層に水中ミキサー１２を設置し、下方に向けて水流を起こすと表層水の密度流が発生して、設置盤に複数設置された水質浄化装置１を通過する間に水質浄化が行える。ダム湖などの大水量の浄化にも利用できる。

前記の第３実施形態による方式では、自然の水流を利用することもできる。また、スクリュー等を取り付け自走式で使用することもできる。

図７は、60L水槽で行ったアオコを含む植物プランクトンの制御実験結果を示したものである。
実験開始からわずかな時間で植物プランクトンは激減し、光合成色素であるクロロフィルaも激減していることが分かる。なお、クロロフィルaは分解するとフェオフィチンaに変化するが、クロロフィルaとして分析される。しかし、実験終了時のクロロフィルaの値が光触媒試験区では激減していることから、フェオフィチンaも分解していることが示唆される。

図８は、光触媒による水質浄化実験データである。大腸菌群数は数時間で消滅し、シマジンやホルムアルデヒドも４８時間の試験で大きく値が減少しており、化学物質も分解できていることが示される。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、家庭用の観賞魚水槽に使用でき、メンテナンス頻度を低減することができる。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、池沼・湖沼・河川・水路、あるいは内湾域などの海域などの自然水域、又は水産養殖、更には上水・下水処理場における水質浄化装置として広く利用することができる。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、水道で問題となっている耐塩素性原虫であるクリプトスポリジウム、ジアルジア対策に極めて有効である。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、原水中のトリハロメタン生成能、浄水処理に伴って発生するトリハロメタンを分解する効果も期待できる。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、汚染地下水のＶＯＣ対策としても利用できる。

本発明の実施形態による水質浄化装置は、微量であればＰＣＢ等の難分解性有機化学物質を含む水に対しても有効であるため、広く産業界に利用できる。

１水質浄化装置本体
２筒形ケース
３スプリング二重構造のカゴ
４光触媒担持体
５水中紫外線灯
６取水口
７送水口
８底部支持部材
９上部支持部材
10 連結ホース
11 設置盤
12 水中ミキサー
13 フロート

Claims

スプリングを２重構造にして支持部材に固定した通液性カゴと、前記カゴ内部に堆積した光触媒をコーティングした担持体と、前記カゴの中心部には水中紫外線灯を備え、被処理水が前記カゴ内を通過する間に光触媒反応によって水質浄化が行えることを特徴とする水質浄化装置。
前記水質浄化装置は取水口と送水口を備えた筒型ケース内部に入れて使用できるだけでなく、前記筒形ケースから出してフランジ付き盤に取り付けても使用できることを特徴とする請求項１記載の水質浄化装置。
前記筒型ケース内部に入れて使用する場合、取水口と送水口をホースで連結させても使用可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の水質浄化装置。
フランジ付き盤に取り付けて水質浄化を行う場合、自然の流れを利用する方式、人工的に流を発生させる方式、又は自走により流を発生させる方式、が利用できることを特徴とする請求項１又は２記載の水質浄化装置。