JP3840843B2 - 水処理方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水中の微生物などを殺菌あるいは不活性化させる水処理方法及びその装置に関し、特にキャビテーション効果を利用する水処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャビテーション効果によって、水中の微生物などの殺菌あるいは不活性化が可能であることは一般によく知られている（例えば「超音波技術便覧（新訂版）：日刊工業新聞社、1991年、p.844−p.858」参照）。キャビテーションは超音波やプロペラの回転などに伴って液体が減圧されることにより液体中に気泡が発生する現象であり、この気泡が圧縮及び膨張したり圧壊したりする際に生じる熱作用や化学作用、また機械的破壊作用などにより、微生物などが殺菌あるいは不活性化されると考えられている。
【０００３】
このキャビテーション効果による殺菌作用は、薬剤の注入無しに殺菌効果が得られるため、水処理技術への適用が提案されている。例えばアメリカ合衆国特許4961860号では、薬剤を使わずに微生物などを殺菌する手法として、１５〜１５０ｋＨｚの超音波に伴うキャビテーションを利用する水処理装置が考案されている。この水処理装置はタンク内の水に超音波照射を行う構成になっており、水の入口と出口をタンクの下部及び上部にそれぞれ設け、超音波プローブの一端がタンク上部、他端が前記入口の近辺になるように配置され、前記入口から流入した水は前記出口から流出する間に必ず前記超音波プローブの近くを通過する構成になっている。
【０００４】
一方、上水道などにおいては塩素などによる消毒が広く行われているが、クリプトスポリジウムなどの塩素消毒では不活性化されにくい病原性原虫などの存在が知られていることから、これらを確実に不活性化させる水処理方法が望まれている。このクリプトスポリジウムは塩素などの浸透性が非常に悪いオーシストと呼ばれる殻を有しているため、殺菌にはこの殻を破壊することが有効である。ヨーロッパ公開特許567225号では、超音波によるキャビテーションによって前記殻の破壊によってクリプトスポリジウムの不活性化されたことが公示されている。
【０００５】
上述のようにキャビテーションの作用によれば薬剤の注入無しに微生物などの殺菌が可能であり、さらに塩素消毒のあまり有効でないクリプトスポリジウムなど病原性原虫の不活性化も可能であることから、キャビテーションの水処理への適用は大変有効であると思われる。水中にキャビテーションを発生させる手段は超音波照射に限られたものではなく、例えばアメリカ合衆国特許5494585号に示されているようにノズルを用いて発生させたキャビテーションによる水処理方法も公知となっている。また「トライボロジ（基礎と応用 ）：トライボロジ研究会編、幸書房、1976年、p.57−p.59」に記載されているように、流体で隔たれた小さい隙間を持つ二面の一方が高速振動することによってもキャビテーションが発生する。このキャビテーションの発生原因は前記二面間に挟まれた流体膜に生じる圧力であるが、この圧力の発生する現象は「スクイーズ膜効果」あるいは「絞り膜効果」と呼ばれ、一般に広く知られている（例えば、「トライボロジ（基礎と応用Ｉ）：トライボロジ研究会編、幸書房、1976年、p.70」参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
キャビテーションの発生には大きな圧力変動が必要であり、実用的には定在波音場や集束音場などが主に用いられる。例えば、超音波によるキャビテーションの作用を利用した洗浄槽浸漬型の超音波洗浄器などでは定在波音場が用いられることが多い。しかし、定在波音場においてはキャビテーションのよく発生する領域が主に音圧の腹付近であるため、洗浄槽中に場所による洗浄効果の斑、所謂「洗浄斑」が生じてしまう。同様の観点から超音波によるキャビテーションを利用した水処理装置を考えると、微生物などの処理効果が得られる領域とあまり得られない領域とが存在し、全体として処理能力が低下してしまう。特に、水を連続的に流しながら処理する場合には、微生物などがキャビテーションの作用を十分受けず、殺菌あるいは不活性化されないで処理領域を通過してしまう可能性がある。
【０００７】
また、キャビテーション効果を利用した水処理装置においては、水を流しながら連続的に処理する場合、キャビテーションの作用を与えられる処理時間などが処理領域の大きさや水の流量などの処理条件に依存する。したがって、水処理の用途に応じて、前記処理条件の設定ができると都合がよい。
【０００８】
本発明の第一の目的は、キャビテーション効果を利用した水処理方法及びその装置において、微生物などにより高い確率でキャビテーションによる処理効果を与える手段を提供することにある。
【０００９】
本発明の第二の目的は、キャビテーション効果を利用した水処理方法及びその装置において、上記第一の目的の達成によって提供される手段を有し、且つ水を連続的に流しながら処理する手段を提供することにある。
【００１０】
本発明の第三の目的は、キャビテーション効果を利用した水処理方法及びその装置において、上記第一及び第二の目的の達成によって提供される手段を有し、且つ処理領域の大きさの変更や水の流量調整などの設定が可能な手段を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明における水処理装置は、膜状の水の中にキャビテーションを発生させることを特徴とする。本発明における水処理装置は、前記キャビテーションを発生させる手段が、水の処理領域を形成する壁面のうち少なくとも一組の対抗する二面を近接して配置させ、前記二面間に水の膜を形成し、前記二面のうち少なくとも一方の面が超音波振動するよう構成される。本発明における水処理装置は、前記膜の厚さあるいは前記二面間の距離は、前記超音波振動の周波数における水の１／４波長よりも小さくなるよう構成される。前記超音波振動をする面は、その一部あるいは全体が面外方向に振動すればよい。これらの構成により、上記第一の目的が達成される。
【００１２】
本発明における水処理装置は、少なくとも一つの水の流路を備え、前記水の流路は少なくとも一つの入路と少なくとも一つの出路を備え、前記入路から流入した全ての水が上記二面間を通過して前記出路から流出するように上記二面が配置され、上記二面のうち少なくとも一方の面を超音波振動させるための手段を有することを特徴とする。このような構成により、上記第二の目的が達成される。
【００１３】
本発明における水処理装置は、上記入路と上記出路に水の配管及び別の上記装置を連結させるための手段が備えられている。本発明における水処理装置は、上記装置を複数個、特に並列に連結するよう構成される。本発明における水処理装置は、上記装置を通過する水の流量乃至は圧力を制御できるよう構成される。これらの構成により、上記第三の目的が達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明による最も基本的な水処理装置の一実施の形態を示す断面図である。図１において、１１０は少なくとも一つの超音波振動子（図示しない）を含む超音波振動系で、この超音波振動系１１０はその出力端面１１１が水２０の入った容器１０の底面１１と平行に、且つ超音波振動系１１０から発生される超音波の周波数における水の１／４波長より小さい間隙をもって配置されるよう、フランジ１によって容器１０に固定されている。超音波振動系１１０に接続された図示されていない駆動電源によって、超音波振動系１１０には機械的な振動が励起され、出力端面１１１は３０のような超音波振動を行う。この際、出力端面１１１と容器底面１１に挟まれた水２０の膜２１には膜厚方向の圧縮及び膨張が繰返し与えられ、膜２１内に大きな変動圧力が発生する。
【００１６】
ここで、前記のような膜内にどのような変動圧力が発生するかについて説明する。水の密度及び粘性係数をそれぞれρ及びμ、静水圧をｐ₀とし、水の円形膜（半径ａ、膜厚ｈ）がその厚さ方向に変位片振幅ξ、角周波数ωの同相振動を受けるとすると、前記膜内に発生する変動圧力の絶対値｜ｐ｜の分布が次式で与えられる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
例えば、出力端面１１１の形状及び寸法が半径１５ｍｍの円形で、容器底面１１と２ｍｍの隙間をもって平行に配置され、この円形出力端面がその面の法線方向に周波数２８ｋＨｚで同相振動することを考える。前記円形出力端面と容器底面１１の間に挟まれた水の円形膜内に発生する変動圧力の半径方向分布を、前記円形出力端面の変位片振幅ξをパラメータにとって計算すると図２のようになる。図２において、縦軸は前記円形膜内に発生する変動圧力の絶対値｜ｐ｜を静水圧ｐ₀で、横軸は半径方向位置ｒを膜半径ａでそれぞれ正規化したものを表しており、３１〜３３の曲線は変位片振幅ξがそれぞれ０.１、０.５及び１.０μｍの場合の変動圧力分布を示している。変動圧力の大きさが破線３４で表される静水圧よりも大きい位置では、負圧側で真空状態となり、キャビテーション効果を引き起こす主たる要因となる気泡が発生する条件を満たしている。図２から明らかなように、変位片振幅が０．５μｍ程度の大きさであれば、変動圧力分布が曲線３２のようになり、前記円形膜の断面積の約８割弱が気泡の発生条件を満たすことになる。なお、２８ｋＨｚの周波数における水の１／４波長は約１３ｍｍであり、前記膜厚の２ｍｍより十分大きいので、膜厚方向に定在波は生じず、膜厚方向の圧力分布はほとんど一様とみなせる。即ち、このときの前記膜内に発生する変動圧力は、上述のスクイーズ膜効果によるものである。
【００１９】
次に、キャビテーションによって水中の微生物などが殺菌あるいは不活性化されるメカニズムについて説明する。流体の流れや音波などが原因となって流体が減圧され、これによって生じた気泡が圧壊する際、数百気圧とも言われる衝撃圧が発生し、水中の微生物などの一部はこの衝撃圧によって物理的に破壊される。また前記気泡内ではヒドロキシラジカルなども生成され、これによって水中の微生物などは酸化作用を受け、殺菌あるいは不活性化される。したがって、より確実な水処理を行うには前記気泡が処理領域中にまんべんなく発生することが好ましい。上記の実施の形態では、出力端面１１１が容器底面１１から遠ざかったとき膜２１内の圧力が下がり、真空状態になるなどして膜２１内に気泡が発生し、さらに出力端面１１１が容器底面１１に接近するときの圧力上昇によって前記気泡が圧壊する。
【００２０】
本発明によれば、キャビテーションの発生領域が水の膜内になり、前記膜内の大部分の領域を比較的簡単に気泡の発生の条件を満たす領域となるようにすることができる。また、膜厚方向に定在波を生じさせないようにしたので、前記気泡は膜厚方向にまんべんなく発生あるいは分散する。したがって、前記膜内の微生物などは高い確率でキャビテーションの作用を受けることになり、確実な殺菌あるいは不活性化が可能となる。
【００２１】
図３は本発明による水処理装置の他の実施の形態を示す断面図であり、図１と同じ部分は同符合を使用している。本実施の形態では、超音波振動系１１０の出力端に振動板１２０が取り付けられ、振動板１２０と容器底面１１によって水の膜２２が形成されている点が図１の実施の形態と異なる。振動板１２０は、例えば１２１で表されるように屈曲振動し、膜２２に膜厚方向の圧縮及び膨張を繰返し与える。このような構成によれば、上記殺菌の確実性を損なわずに、広い処理領域を確保することができる。
【００２２】
図４は本発明による水を連続的に流しながら処理する水処理器の一実施の形態を示す断面図であり、図１と同じ部分は同符合を使用している。本実施の形態において、処理器１００ａは軸と垂直な方向に軸方向の振動変位とほぼ同勢力の振動変位を発生することができ、１３１のような振動モードを有する短円柱１３０が超音波振動系１１０の出力端に結合され、短円柱１３０と同心円状に配置された円筒４０の内面４１と短円柱１３０の側面１３２によって、超音波の周波数における水の１／４波長より小さいリング状の間隙が形成されるように構成されている。また、円筒４０の一端は閉口端であり、他の一端もフランジ１と水密に結合され、円筒４０の側部には、上記リング状の隙間を隔てて、水の入路５１ａ及び出路５１ｂがそれぞれ設けられている。
【００２３】
入路５１ａから流入した全ての水は、上記リング状の間隙を通過し、この際、短円柱１３０の側面１３２によって超音波振動を受ける。これによって、膜状に形成された水にはキャビテーションが生じ、前記膜内に存在する微生物などは殺菌あるいは不活性化され、処理された水は出路５１ｂから排出される。このように、水の通過する過程において全ての水を膜状に形成し、且つ前記膜内にキャビテーションを発生させる手段を設けることによって、水を連続的に流しながら、確実に微生物などを殺菌あるいは不活性化することができる。なお、水の流路上に形成される間隙の形状は、上記リング状の間隙に限らないことは言うまでもない。
【００２４】
図５は本発明による水を連続的に流しながら処理する水処理器の他の実施の形態を示す断面図であり、図４と同じ部分は同符合を使用している。本実施の形態では、図４における短円柱１３０の３倍の長さを有する円柱１４０が超音波振動系１１０に結合されている点と、入路５１ａ及び出路５１ｂに別の前記処理器や配管などを連結するための連結器２ａ及び２ｂがそれぞれ備えられている点が図４の実施の形態と異なる。処理器１００において、円柱１４０は１４１で表されるような振動モードを示し、図４の処理器１００ａと比較して処理領域の拡大が実現される。円柱１４０の長さは、短円柱１３０の長さのほぼ整数倍であればよく、当然のことながら、円柱１４０の長さが長いほど処理時間も長くできる。
【００２５】
図６は、上記処理器１００を並列に複数個連結させた構成の一実施の形態を示す斜視図である。図６において、並列に配列された各処理器１００の入路５１ａ及び出路５１ｂには、連結器２ａ’及び２ｂ’を備えた配管５２ａ及び５２ｂがそれぞれ連結されている。なお以下では、１００のような処理器を単位とし、それらを複数個連結することによって構成される２００ａのような部分を処理モジュールと呼ぶ。上述したように、処理器１００の水の入路５１ａ及び出路５１ｂに他の上記処理器や配管などを連結するための連結器２ａ及び２ｂをそれぞれ設けたので、複数個の処理器１００を連結することにより、処理領域の拡大、即ち処理をする水の流量を増やしたり、処理時間を長くしたりすることなどが可能となる。さらに、各処理器ごとに交換が可能となるので、保守の面でも有利である。
【００２６】
上記２００ａのような処理モジュールにおいて、水を連続的に流して処理する場合には、前記処理モジュールを通過する前後で圧力差が必要であり、配管５２ａにおける水の圧力は配管ｂにおける水の圧力よりも高くしなければならない。このため、処理領域の拡大のみを行うのであれば、処理モジュール内の処理器１００の配列は直列でもよいが、この場合には、並列に連結した場合よりも大きな前記圧力差が必要となる。一方、静水圧が高くなるほどキャビテーションの発生が始まるときの圧力（キャビテーション閾値）は大きくなり、キャビテーションが生じにくくなることが一般に知られている。したがって、処理器１００を直列に連結した場合には、特に水の上流側に配置される処理器１００内でキャビテーションが生じにくくなってしまう可能性がある。以上のことから、上記処理モジュール内の処理器１００の配列は並列に連結する方が好ましい。
【００２７】
図７は、上記処理器１００を並列に複数個連結させた処理モジュールの他の実施の形態を示す斜視図であり、図６と同じ部分は同符合を使用している。本実施の形態は、９個の処理器１００を並列に連結した処理モジュール２００ｂと各処理器の入路及び出路に分岐して連結された配管５２ａ及び５２ｂから構成されている。図７に示した処理モジュール２００ｂのように、配管５２ａ及び５２ｂを様々に分岐させ、あるいはその形状を様々に変化させることによって、処理モジュール内の処理器１００は立体的に配置することができる。このような構成によって、設置スペースに応じた処理モジュールの据付けが可能となる。また上述したように、処理器ごとの交換も容易にできる。なお、処理器１００の個数や配管５２ａ及び５２ｂの形状や分岐のさせ方などは、本実施例に限られたものでないことは言うまでもない。
【００２８】
図８は、上記のような処理モジュールを含んだ水処理装置の一実施例を示す構成図である。処理される水は、バルブ３ａを通してタンク５に貯められ、配管５３の途中に設けられた送水ポンプ６１によって流量調整弁４に送られる。流量調整弁４では、決められた水の流量のみを配管５２ａに通し、超過した水はバイパス管５４を通ってタンク５に戻される。配管５２ａは処理モジュール２００に連結され、処理モジュール２００に送られた水はここで処理され、配管５２ｂ及びバルブ３ｂを通して排水される。このような構成によって、処理モジュール２００を通過する水の流量が制御可能になり、処理モジュール据付け後も処理時間などの処理条件を変更することができる。処理モジュール２００を通過する水の流量を制御する別の例として、真空ポンプ６２を処理モジュール２００とバルブ３ｂとの間に設置することにより、処理モジュール２００を通過する前後で水に圧力差を生じさせ、水の流量を制御してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、膜状の水の中にキャビテーションを発生させ、前記膜の厚さ方向にまんべんなくキャビテーション効果が発揮されるようにしたので、微生物などの殺菌及び不活性化の効率を著しく改善できる。
【００３０】
本発明によれば、水が通過する過程において、全ての水が膜状に形成され、前記膜内でキャビテーションを発生させるようにしたので、上記殺菌の確実性を損なわずに、水を連続的に流しながら処理できる。
【００３１】
本発明によれば、少なくとも一つの水の入路と少なくとも一つの水の出路を備え、前記入路から流入した全ての水が膜状に形成され、前記膜内でキャビテーションを発生させる手段を有する水の処理器を複数個連結できるようにしたので、処理領域の拡大などが可能となり、水を連続的に流しながら十分な処理時間をもたせることができる。また、上記複数個の処理器は各処理器ごとの交換が可能となり、設備の保守にも都合がよい。さらに、上記複数個の処理器は様々な配列が可能となるので、設置スペースに合わせて装置を据付けることができる。
【００３２】
本発明によれば、上記処理器を通過する水の流量や圧力を制御できるようにしたので、上記処理器の据付け後も水の流量や処理時間などの処理条件が変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による最も基本的な水処理装置の一実施の形態を示した断面図である。
【図２】処理領域となる水の膜内に発生する変動圧力の一例を示した圧力分布図である。
【図３】本発明による水処理装置の他の実施の形態を示した断面図である。
【図４】水を連続的に流して処理する水処理器の一実施の形態を示した断面図である。
【図５】水を連続的に流して処理する水処理器の他の実施の形態を示した断面図である。
【図６】上記処理器を直列に複数個連結した水処理部の一実施の形態を示した斜視図である。
【図７】上記処理器を直列に複数個連結した水処理部の他の実施の形態を示した斜視図である。
【図８】本発明による水を連続的に流して処理する水処理装置の構成図である。
【符号の説明】
１…フランジ。２ａ、２ｂ、２ｂ’…連結器。３ａ、３ｂ…バルブ。４…流量調整弁。５…タンク。１０…容器。１１…容器底面。２０…水。２１…超音波振動系の出力端面と容器底面による水の膜。２２…振動板と容器底面による水の膜。３０…超音波振動系の出力端面の振動変位。３１…変位振幅０．１μｍのときの変動圧力分布。３２…変位振幅０．５μｍのときの変動圧力分布。３３…変位振幅１．０μｍのときの変動圧力分布。３４…静水圧。４０…円筒。４１…円筒の内面。５１ａ、５１ａ’、５１ｂ、５１ｂ’…水の入路乃至は出路。５２ａ、５２ｂ、５３…配管。５４…バイパス管。６１…送水ポンプ。６２…真空ポンプ。１００、１００’、１００ａ…水処理器。１１０…超音波振動系。１１１…超音波振動系の出力端面。１２０…振動板。１２１…振動板の振動モード。１３０…短円柱。１３１…短円柱の振動モード。１３２…短円柱の側面。１４０…円柱。１４１…円柱の振動モード。１４２…円柱の側面。２００、２００ａ、２００ｂ…処理モジュール。

Claims (6)

1. 処理される水を保有する容器と、超音波振動子とを有し、前記容器は、処理のために水が満たされたとき、該水の処理領域中に近接して対向する二面の壁面で挟まれた膜状の水の領域を形成するように構成され、前記対向する二面の壁面のうち少なくとも一方は、前記超音波振動子で駆動され、上記膜状の水の厚さは、上記超音波振動子の駆動周波数における水の１／４波長よりも小さいことを特徴とする水処理装置。
2. 上記二面の壁面間の距離は、上記超音波振動子の駆動周波数における水の１／４波長よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記容器は少なくとも一つの入路と少なくとも一つの出路を備え、前記入路から流入した水が前記対向する二面の壁面間を通過して前記出路から流出するように特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
4. 上記入路と上記出路に水の配管及び別の上記処理器を連結させるための手段が備えられていることを特徴とする請求項３に記載の水処理装置。
5. 上記二面の壁面間を通過する水の流量もしくは圧力を制御する手段を有することを特徴とする請求項３に記載の水処理装置。
6. 請求項３に記載の水処理装置を並列に複数個連結してなる水処理システム。

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