JP3807413B2

JP3807413B2 - 殺菌処理方法および殺菌処理装置

Info

Publication number: JP3807413B2
Application number: JP2004160498A
Authority: JP
Inventors: 景義片倉; 昌宏栗原; 三雄武井; 晋一郎梅村; 健一川畑; 裕鱒沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JP2004283832A

Description

本発明は、水中の病原体を殺菌あるいは除去する殺菌処理方法および殺菌処理
装置に関し、更に詳しくは上水道に利用して好適で殻を有する病原原虫やその他
の細菌等を安全に殺菌あるいは除去することが可能な殺菌処理方法および装置に
関する。

現在、上水道における水の消毒は、塩素を利用して行われている。しかし、塩
素による消毒によれば、例えばクリプトスポリジウム等の病原原虫には殻を有す
るため殺菌としては効果がない。

殺菌効果を高めるには、強力な薬物を使用することが考えられるが、この場合
殺菌効果が得られたとしても環境を汚染する問題があり、人体に悪影響を及ぼす
問題があり、安易に使用できない。

本発明の目的は、環境を汚染することなく、例えばクリプトスポリジウム等の
ように殻を有する病原原虫あるいはそれ以外の細菌等を簡便に消毒・殺菌するこ

上記目的を達成するために、流体が通過する水路と、超音波を照射し、前記流体に含まれる微生物を殺滅する処理部を有する超音波装置において、前記処理部を、前記微生物が超音波波面の節のみを経由して通過することを禁止するようように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、飲用水中に含まれる細菌を環境に悪影響を及ぼすことなく、また簡便な方法で殺菌することができる効果を奏する。

浄水場あるいは自家用水道設備において、飲用水に超音波を照射し、超音波に
よる殺菌作用があることについては多くの報告がる。しかし、本発明者の知る限
りではクリプトポリジウム等のように殻を有する病原原虫の殺菌についての報告
は見受けられない。超音波による殺菌作用はキャビテーションによる機械的破壊
による場合と、超音波加熱による熱的効果による場合と、酸化作用等による化学
効果による場合があり、殺菌対象の細菌によりどの方法を取るか決め、最適設計
を行っているのが現状である。ここで、本発明者はクリプトポリジウム等のよう
に殻を有する病原体（病原原虫）の殺菌においては、殻を破壊することができれ
ば、水道水における残留塩素により菌を死滅することから、まず、機械的破壊に
よる処理を基本として考え、キャビテーションが重要な要素であることに気づい
た。このキャビテーションは、ポンプの回転翼により簡単に発生させることがで
きる。しかし、このようなキャビテーションによる効果的な殺菌は現実問題とし
て不可能である。その理由は、キャビテーションによる殺菌作用のメカニズムに
よる。つまりキャビテーションによる殺菌作用は、キャビテーション気泡の表面
に存在する細菌が、気泡が収縮消滅する時に、反対側から突進してきた液体分子
と激突することにより破壊されると考えられる。従って、この破壊メカニズムか
ら、気泡の面積が大きいほど殺菌効果が大きいことになる。ここで、通常のポン
プの回転翼等によるキャビテーションにより発生する気泡の大きさは半径１０セ
ンチメートル程度であり、面積は１０００立法センチメートル、体積は４０００
立法センチメートル程度である。ところで、同一の体積で、半径が１ミリメート
ルとなると、一個の面積が１／１００００となり、個数が１００００００倍とな
るため、面積は１００倍となる。このように、微小なキャビテーション気泡を発
生する技術が、効率的な殺菌のためには必須となる。

超音波によるキャビテーション気泡は、音圧が負の部分に発生することから、
波長以下の気泡直径となる。７．５ｋＨｚの超音波は、波長が２０ｃｍであるこ
とから、通常のポンプの回転翼等によるキャビテーションにより発生する半径１
０ｃｍよりも小さな気泡を発生することになる。従って、これ以上の周波数の超
音波によりキャビテーション気泡を発生させると、効率の良い殺菌が可能となる
。

ここで、２０ｋＨｚ以下の周波数においては、超音波による酸化作用が弱いこ
とが知られている「超音波技術便覧：日刊工業新聞社（新訂版）８５８頁」。従
って、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波を照射しキャビテーションを発生させる
と、キャビテーションによる細菌殻の機械的破壊と同時に、細菌内容物の酸化作
用による分解無毒化、溶存色素の脱色あるいは無臭化が可能となる。超音波の酸
化作用は、５００ｋＨｚ以上の周波数において、特に強力であることが知られて
いる。従って、５００ｋＨｚ以上の周波数の超音波を利用することが、脱色ある
いは脱臭等の付随的な目的において特に顕著な効果を示すことになる。

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。図１は本発明の殺菌処理装置の基本構成図である。図１において、１は水道管の水流路を示し、水道管の側面には超音波送波器２を含む超音波装置が配置してある。超音波送波器２は、水道管の一部に超音波を照射するものであり、該超音波は水流路１の一部に図示するような超音波波面８が生じるような周波数を有する。入路４からの飲料水は超音波照射領域３を通過する途中で超音波照射により殺菌され、出路５から飲用に供される。
斯る基本構成においては、超音波音場が干渉し、超音波波面８に示すように音圧の節が発生する。従って、この部分を通過する細菌は破壊されないで出力されることになる。

図２はその問題点を考慮してなされ、水道管の水流路がクランク状となるように構成し、このクランク部の横幅の広い部分を照射領域３ー１とし、該領域に超音波を照射して超音波波面８ー１のように水の流れ方向と直交するように照射を行う構成としたものである。この構成によれば、細菌が、音圧の腹を通過することになり、細菌の破壊をより効果的に行なうことができる。
図３は殺菌もれを更に改善した本発明の他の実施例を示す模式図である。図３において、水道管の水流路を２つの水流路１ー２、１ー３とし、それぞれの水流路の一部に水流路の径より大きい径を有する貯水槽６ー１、６ー２を設け、該貯水槽の側面にそれぞれ超音波送波器２、２を配置し、該送波器を切り替えて駆動する構成としている。１８ａは入路４からの水を水流路１ー２または１ー３のいずれか一方に導くための流路切り替え弁であり、また１８ｂは貯水槽６ー１、６ー２のいずれか一方の水を出路５に導く流路切り替え弁である。弁１８ａにより例えば水流路１ー２が選択された場合には、弁１８ｂは貯水槽６ー２を選択する方向に切り替えられる。またこのとき、水流路１ー２側の貯水槽６ー１に超音波を照射して殺菌処理を行い、その間は他方の殺菌済みの水流路１ー３側の貯水槽６ー２から飲用水を出路５に導かれる。

図４は図３の貯水槽６ー１あるいは貯水槽６ー２自体を複数の容器７ー１、７
ー２で構成した場合の例である。図４において、貯水槽６ー１の水はポンプ２０
により２つの容器７ー１、７ー２間に入れ替えられる。この入れ替え流路２１の
部分（図では底面部に対向する部分）に照射領域３が生じるように超音波送波器
２を配置し、殺菌処理を行えるようにする。このようにすると、超音波照射後の
液体が照射前の液体から分離されるため、更に効率良い殺菌が可能となる。ポン
プ２０は往復運動が可能である。

図５は上述した飲料水殺菌処理装置における殺菌処理状況を監視する技術を説
明するための構成図である。図５において、９ー１、９ー２は水道管の流路１の
外周部に配置された一対の電極を示し、該電極９ー１、９ー２は流路に電界を印
可するものである。ここで、交流電界を印可すると、生存細菌１０は生理活性の
ため帯電していることから、図の矢印１１に示すような蛇行運動を行う。一方超
音波で破壊された細菌の残骸１２は生理活性が失われるために電気的に中性とな
り、図の矢印１３で示すような直線運動を行う。このような印可電界に対する反
応の差を水路内に配置された監視装置１４により観測することにより、生存細菌
の存在を確認することが可能である。

ここで、図６に示すように、電極９ー１、９ー２に直流電界を印可すると、生
存細菌１０は生理活性のため帯電していることから、矢印１５に示すような軌道
変化が発生する。一方破壊された細菌の残骸１２は電気的に中性であり、矢印１
６に示すような直線運動を行う。そこで図示のように水道管の流路に分取用の流
路１７を設けた構成とすることにより、生存細菌のみを高濃度にて分取すること
が可能となる。このようにして分離した細菌を、培養部１８において培養養殖し
てから、生存細菌の有無を判定部１９により判定可能な構成とすることにより、
殺菌処理完了の判定精度を向上することが可能となる。このような生存細菌の消
滅を確認することにより、超音波照射を終了させるように構成とすると、エネル
ギーの有効利用が図れる。

図７は図１〜図４に示す超音波による殺菌処理技術と図６に示す技術を組み合
わせた一例を示す図である。即ち、図７は流路１の一部にサイドにくぼんだよう
な空洞の突き出し部を設け、該空洞部に生存細菌が入り込むように流路１７を設
け、その高濃度で生存細菌を含む部分の流路１７に超音波送波器２を配置し、該
流路に超音波を照射させる構成としたものであり、斯る構成によれば、効率的な
エネルギー利用が期待できる。

本発明の殺菌処理装置の基本構造を示す図。図１の改良例を示す図。本発明の他の実施例を示す図。図３の貯水槽の一例を示す図。電界による生存細菌検出方式の説明図。直流電界による生存細菌検出方式の説明図。生存細菌分取いよる高効率超音波照射構成の説明図。

符号の説明

１・・・流路、２・・・超音波送波器、３・・・超音波照射領域、４・・・流路
入り口、５・・・流路出口、６・・・貯水槽、７・・・容器、９・・・電極、１
４・・・観察装置、１７・・・分取用流路、１８・・・弁、１９・・・判定部、
２１・・・入れ替え流路、
２２・・・培養部。

Claims

流体が通過する水路と、キャビテーションを発生する程度の強度を有する超音波を発生するように構成されている照射装置を備え該照射装置から超音波を照射し、前記流体に含まれる微生物を殺滅する処理部を有する超音波装置において、
前記処理部を、前記微生物が超音波波面の腹面を通過するようように構成することを特徴とする超音波装置。
前記処理部内の前記超音波波面の節面を、流体の流れ方向と直交するように構成することを特徴とする請求項１記載の超音波装置。
前記流体が、殺菌成分を含む液体であることを特徴とする請求項１記載の超音波装置。
請求項１に記載の超音波装置であって、超音波装置はさらに貯水槽を複数個有する構成とし、該複数の貯水槽を順次切り替えて使用するように構成することを特徴とする超音波装置。