JP4152925B2

JP4152925B2 - 水質浄化装置

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Publication number: JP4152925B2
Application number: JP2004199776A
Authority: JP
Inventors: 昭三岡本
Original assignee: 株式会社ビ−・シ−・オ−
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: JP2006021086A

Description

この発明は、湖沼、池などの水や一般家庭、工場、各種施設などから排出される水などについて、その水質を浄化するための水質浄化装置に関し、特にこの発明は、プラズマ放電を利用して水質の浄化をはかる水質浄化装置に関する。

従来、気体中で電極に高電圧をかけてプラズマ放電を起こさせることにより気体をプラズマ化し、その放電プラズマの中に有機溶剤などの有害物質を含む気体を導入して気体中の有機溶剤を分解除去するという浄化方法が提案されている。
この種の浄化装置として、針状やとげ状の放電極に対向させて平板状のアース電極を配置したものや、前記放電極を取り囲むようにしてダクト状のアース電極を配置したものなどが提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記放電極に高電圧を印加してプラズマ放電を起こさせると、例えば排気ガスを導入するダクト内の通路がプラズマ状態になり、この通路に導入される排気ガス中に含まれる有害物質が分解されて除去される。

特開平３−２７５１１９号公報

近年、上記した気体の浄化方法を水の浄化方法に応用する研究が進められ、水の中に配置した電極に高電圧をかけてプラズマ放電を起こさせ、その放電プラズマの作用により水中に反応性の強いラジカルを生じさせることにより、化学反応を誘起したり殺菌を行ったりして水質を浄化するという方法も提案されている。

しかしながら、上記した水質浄化方法を検討したところ、水中に発生するラジカルの総量が十分でなく、浄水処理の効率を一層高める工夫が必要であることが判明した。

この発明は、上記した問題に着目してなされたもので、水中に発生するラジカルの総量を増し、浄水処理の効率を高めた水質浄化装置を提供することを目的とする。

この発明による水質浄化装置は、被処理水を磁化処理する磁化処理部と磁化処理後の水の中でプラズマ放電を起こさせる放電処理部とを有し、前記磁化処理部に被処理水を導入して磁化処理部と放電処理部とを順に通過させることにより水質を浄化するようにしている。前記放電処理部は、水流路の上流および下流の各位置に通水性を有する塞ぎ板を配置して形成された放電処理室を少なくとも１つ備えている。前記放電処理室には、放電極と、放電極に対向するアース電極とが配置されるとともに、放電極およびアース電極にはパルス状の高電圧を印加する高電圧発生回路が接続されており、前記放電処理室の内部には水に浮遊した状態で電極間に介在させる多数の金属片が閉じ込められている。

上記した構成において、「金属片」は鉄やアルミニウムなどを用いることができ、その形状は定形であると不定形であるとを問わないが、放電処理室内を移動し得る程度の大きさおよび重量であることが望ましい。この金属片として金属材を切削することにより生ずる削り屑を用いるとよい。

この発明による浄化装置において、被処理水は磁化処理部に導入されて磁化処理され、水のクラスターが細分化される。クラスターが細分化された水はクラスターの隙間に酸素を取り込む作用が高く、水中の溶存酸素が増す。磁化処理後の水は放電処理部に送られる。放電処理部において磁化処理後の水の中でプラズマ放電を起こさせると、電極からの放出電子と酸素分子との衝突により酸素はラジカルに活性化される。この酸化活性の高いラジカルは微生物に対する殺菌処理能力に優れ、また、水中の着色物質を脱色したり、有機物を分解して除去したりする作用がある。殺菌などの能力を発揮したラジカルは水中の諸分子と結合して不活性な物質に変化する。

放電処理部の放電処理室では、放電極にパルス状の高電圧が印加されると、放電極とアース電極との間に金属片が介在しているので、電極と金属片との間および金属片と金属片との間に放電が発生する。金属片が放電処理室の全域に行き渡ると、放電が随所で発生し、放電処理室の全域にわたって放電プラズマが発生する。この場合、電極と金属片との間および金属片と金属片との間は微小な間隙であるので、金属片が介在しない場合と比較して低電圧でよく、また放電により流れる電流も小さいので、消費電力は小さい。放電処理室は塞ぎ板で塞がれているので、金属片が流出することはない。

前記放電処理部には種々の形態があるが、好ましい実施態様は、筒状体の両端部に通水性を有する塞ぎ板を配置して形成された放電処理室を複数備えたものであり、各筒状体は縦向きにして円陣に配置されている。この実施態様によると、放電処理部はコンパクトに構成でき、設置のために必要以上の大きな場所を必要としない。

好ましい実施態様の放電処理室は、下方から水が導入され、上方から水が導出されるようになっている。この実施態様によると、放電処理室内の金属片は水流により押し上げられて撹拌されるので、放電処理室の下部に堆積することがない。

好ましい実施態様の他の放電処理室は、下方から空気が導入されるようになっている。この実施態様によると、導入された空気は気泡となって放電処理室を上昇するので、気泡によって金属片が押し上げられて撹拌され、放電処理室の下部に堆積することがない。

この発明のさらに好ましい実施態様の水質浄化装置は、被処理水を磁化処理する磁化処理部と磁化処理後の水の中でプラズマ放電を起こさせる放電処理部との他に、放電処理後の水を濾過する濾過処理部をさらに有しており、前記磁化処理部に被処理水を導入して磁化処理部と放電処理部と濾過処理部とを順に通過させることにより水質を浄化するようにしている。
この実施態様の水質浄化装置では、放電処理後の水は濾過処理部でさらに濾過されるので、水質が一層向上する。

この発明によると、被処理水を磁化処理して水のクラスターを細分化するとともに、水の中でプラズマ放電を起こさせてラジカルを生成することにより水を活性化するので、水中に発生するラジカルの総量が増し、浄水処理の効率を高めることができる。
また、放電処理部の放電処理室では、多数の金属片を電極間に介在させているので、放電処理室の全域にわたってプラズマ放電を起こさせることができ、浄化処理の効率が一層向上する。また、放電により流れる電流も小さくなるので、低電圧化と低電力化とを実現できる。

図１は、この発明の一実施例である水質浄化装置を示している。
図示例の水質浄化装置は、磁化処理部１と放電処理部２と濾過処理部３とで構成されている。前記濾過処理部３は、図２に示す構造のタンク３０を備えており、濾過処理時にはタンク３０の内部に導入した水を濾過部材３１の上から下（図１で実線の矢印で示す。）へ通過させて濾過した後、タンク３０の外部へ導出させる。また、濾過部材３１の洗浄時にはタンク３０の内部の濾過部材３１の下方へ空気を導入しつつ濾過部材３１を撹拌翼７３により撹拌した状態でタンク３０の内部に導入した水を濾過部材３１の下から上（図１の点線の矢印で示す。）へ通過させる。

図示例の水質浄化装置は、水源Ｗよりポンプ４０により水を吸い上げる吸水管４１と、水源Ｗへ水を吐き出す２本の吐出管４２ａ，４２ｂと、切換弁４を介して吸水管４１や吐出管４２ａ，４２ｂをタンク３０に接続するための接続管４３ａ，４３ｂとを含んでいる。吸水管４１には、吸い上げた水に含まれるゴミを除去するためのフィルタ４４が介装されている。一方の吐出管４２ａには、吐き出す水に空気を導入して気泡を発生させるための吸気管５が接続されている。

前記切換弁４は、第１〜第５の各ポートＰ１〜Ｐ５を有する電磁五方弁により構成されている。第１ポートＰ１には吸水管４１が、第２、第３の各ポートＰ２，Ｐ３には接続管４３ａ，４３ｂが、第４、第５の各ポートＰ４，Ｐ５には吐出管４２ａ，４２ｂが、それぞれ接続されている。
この切換弁４は、電気信号により接続経路が切り替わるもので、電気信号がオフのときは第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とが接続されかつ第３ポートＰ３と第４ポートＰ４とが接続された濾過処理のための経路が形成される。また、電気信号がオンのときは第１ポートＰ１と第３ポートＰ３とが接続されかつ第２ポートＰ２と第５ポートＰ５とが接続された洗浄処理のための経路が形成される。

前記磁化処理部１は、図３および図４に示す構成の磁化処理装置１０によって構成されており、ポンプ４０の下流に配置されている。磁化処理装置１０を構成する管状体１１は吸水管４１の中間に介装される。
この磁化処理装置１０は、一端に流入口１１ａ、他端に流出口１１ｂを有する管状体１１と、この管状体１１に外付けされる複数個の磁界発生器１４とから成る。前記管状体１１は長さ中央部が磁化処理領域となっており、通路１２の縦方向の通路幅ｙが横方向の通路幅ｘより十分に大きな扁平な断面矩形状に形成されている。前記管状体１１の側壁面１３Ｒ，１３Ｌは狭い通路幅ｘを隔てて対向しており、この対向する側壁面１３Ｒ，１３Ｌに複数個の磁界発生器１４が取り付けられる。

各磁界発生器１４は、ケース体１５の内部に磁極の向きを揃えて複数の永久磁石１６が積層状態で装填されたものであり、異なる磁極Ｎ，Ｓが互いに向き合うように各磁界発生器１４が管状体１１の外周面にそれぞれ取り付け固定される。

前記放電処理部２は、図５に示す構成のプラズマ放電装置２０によって構成されており、磁化処理部１の下流位置に配置されている。
図示例のプラズマ放電装置２０は、ガラス製または合成樹脂製の筒状体２１により構成されており、筒状体２１の内部は導入管２９ａより導入された水を通過させて導出管２９ｂへ導出する水流路２２になっている。導入管２９ａおよび導出管２９ｂは吸水管４１の中間に介装される。

前記筒状体２１の上端および下端の各開口は塞ぎ板２３により塞がれて放電処理室２５が形成されている。各塞ぎ板２３には導入管２９ａおよび導出管２９ｂが挿入される挿入孔２４がそれぞれ形成されている。

前記放電処理室２５には、筒状体２１の中心を通る棒状の放電極２６と、筒状体２１の内周面に沿うアース電極２７とが設けられ、アース電極２７は接地されている。放電極２６はステンレス棒をもって構成され、また、アース電極２７はステンレスメッシュをもって構成されている。放電処理室２５には多数の金属片２８が電極２６，２７間に介在するように各塞ぎ板２３により閉じ込められている。この実施例では金属片２８として鉄などの金属材を切削することにより生じる削り屑を用いているが、薄い金属板を任意の形状に破断したものなどを用いてもよい。放電極２６およびアース電極２７にはパルス状の高電圧を印加する高電圧発生回路６が接続されている。

前記高電圧発生回路６は、図示していないが、商用電源入力をトランスにより例えば１０〜２０ｋＶに昇圧し、整流回路および平滑回路を経て得られた直流電圧を機械スイッチによって所定の周波数（例えば２４０ヘルツ）のパルス状の高電圧を生成する。
なお、この実施例では、単一の筒状体２１をもってプラズマ放電装置２０を構成しているが、後述する実施例のように、複数本の筒状体を並列に設けてプラズマ放電装置２０を構成してもよい。

図１および図２に戻って、前記濾過処理部３のタンク３０は中空の円筒体であり、上部と下部とには前記接続管４３ａ，４３ｂがそれぞれ接続される連結部３４ａ，３４ｂが突設してある。上部の連結部３４ａには、濾過部材３１の洗浄時に濾過部材３１がタンク３０の外部へ流出しないように通水性ネット３５が被せてある。

タンク３０の内部の下方位置には、通水性を有するステンレス製の底板３６，３７が配備されている。第１の底板３６には濾過部材３１の外径より小さい径の孔が、第２の底板３７にはトルマリンの粒３８の外径より小さい径の孔が、それぞれ多数個設けてある。第１の底板３６の板面中央には、撹拌装置７の駆動軸７２の下端部を支持する軸受部３９が形成されている。

タンク３０の内部の第１の底板３６上には、多数個の濾過部材３１がその上方に空間を残して所定の高さＨＬまで充填されている。各濾過部材３１は活性炭を含有する合成樹脂成形体である。また、タンク３０の内部の第２の底板３７上には、多数個のトルマリンの粒３８が充填されている。このトルマリンの粒３８はマイナスイオンを発生させるためのものである。なお、前記吸気管５にもトルマリンの粒が充填されたマイナスイオン発生器５１が設けてある。
タンク３０には濾過部材３１を撹拌するための撹拌装置７が組み込まれている。この撹拌装置７は、タンク３０の上面に固定された駆動源としてのモータ７１と、モータ７１により回転駆動される駆動軸７２と、駆動軸７２の外周面に固定された撹拌翼７３とで構成されるものである。

タンク３０の下方にはタンク３０の内部の濾過部材３１の下方位置へ空気を導入するための空気導入装置８が配置されている。
空気導入装置８は、エアーコンプレッサー８１と、エアーコンプレッサー８１からの圧縮空気をタンク３０の内部へ導入する送気管８２と、送気管８２の先端に接続されたノズル装置８３とから成る。濾過部材３１の洗浄時にノズル装置８３からタンク３０内に導入された空気は洗浄水の中で気泡となって濾過部材３１を押し上げる。

上記した構成の濾過処理部３は、制御装置３３により動作が一連に制御される。すなわち、制御装置３３は濾過処理時には切換弁４への電気信号をオフにして濾過処理のための経路を形成する。濾過処理時は撹拌装置７とエアーコンプレッサ８１は駆動させない。濾過部材３１の洗浄時には切換弁４への電気信号をオンにして洗浄処理のための経路を形成し、撹拌装置７とエアーコンプレッサ８１を駆動する。
なお、磁化処理部１に用いた磁化処理装置１０は、吸水管４１のみならず、図１において一点鎖線で示すように、２本の吐出管４２ａ，４２ｂ、接続管４３ａ，４３ｂ、および吸気管５にも設けてもよい。

図６および図７はこの発明の他の実施例である水質浄化装置を示している。
図示例の水質浄化装置は、磁化処理部１と放電処理部２と図示しない濾過処理部とで構成されている。この実施例の磁化処理部１も図１の実施例と同様の磁化処理装置１０によって構成されており、図示しないポンプの下流位置に配置されている。図示しない濾過処理部も図１および図２に示した構成のものであり、ここでは磁化処理部１および濾過処理部についてはその説明を省略する。なお、濾過処理部は必要に応じて用いればよく、必要なければ省略してもよい。

前記放電処理部２は、複数本（図示例では６本）の筒状体２１Ａ〜２１Ｆを縦向きの状態で６０度等角の各位置に円陣に配置して構成されている。６本の筒状体２１Ａ〜２１Ｆは支持台９上に一体に支持されている。前記支持台９は、六角形状をなす上下の支持フレーム９０，９１を備え、各支持フレーム９０，９１は４本の脚９２により水平に支持されている。各支持フレーム９０，９１の６０度等角の各位置には保持板９３がそれぞれ取り付けてあり、各筒状体２１Ａ〜２１Ｆを上下の保持板９３によって保持している。

図８は、６本の筒状体２１Ａ〜２１Ｆを展開して模型的に表すとともに、ひとつの筒状体２１Ａについて内部構造を示したものである。各筒状体２１Ａ〜２１Ｆの内部は水流路２２となっており、各水流路２２の上流および下流の各位置、すなわち、筒状体２１Ａ〜２１Ｆの上下２カ所ににそれぞれ通水性のある塞ぎ板２３を設けて放電処理室２５を形成している。なお、放電処理室２５の構成は図４に示したものと同様であり、ここでは対応する構成に同じ符号を付することで説明を省略する。

各筒状体２１Ａ〜２１Ｆの下端側は磁化処理部１に連通し、各筒状体２１Ａ〜２１Ｆの上端側は図示しない濾過処理部に連通する。なお図中、９５Ａ〜９５Ｆは磁化処理後の水を各筒状体２１Ａ〜２１Ｆへ導入するための吸水管４１からの分岐管である。また、９６Ａ〜９６Ｆは各筒状体２１Ａ〜２１Ｆより放電処理後の水を濾過処理部へ導出するための吸水管４１への集水管である。

各筒状体２１Ａ〜２１Ｆの下部には、放電処理室２５へ下方より空気を送り込むための空気導入管９７Ａ〜９７Ｆが接続されている。各空気導入管９７Ａ〜９７Ｆは図示しない送風機構に接続されている。各空気導入管９７Ａ〜９７Ｆより各筒状体２１Ａ〜２１Ｆへ導入された空気は気泡となって上昇し、放電処理室２５において金属片２８を押し上げる。金属片２８は水流と気泡の作用により放電処理室２５の内部に行き渡り、下部に堆積することがない。

図１に示す水質浄化装置において、ポンプ４０により水源Ｗより吸い上げられた被処理水は磁化処理部１の磁化処理装置１０に導入され、管状体１１の磁化処理領域を通過するときに磁界発生器１４からの磁界の作用を受けて磁化処理され、水のクラスターが細分化される。クラスターが細分化された水はクラスターの隙間に酸素を取り込む作用が高く、水中の溶存酸素が増す。磁化処理後の水は放電処理部２のプラズマ放電装置２０に送られる。プラズマ放電装置２０の放電処理室２５では磁化処理後の水の中でプラズマ放電を起こさせ、放電極２６からの放出電子と酸素分子との衝突により酸素がラジカルに活性化される。この酸化活性の高いラジカルは微生物に対する殺菌処理能力に優れ、また、水中の着色物質を脱色したり、有機物を分解して除去したりする作用がある。殺菌などの能力を発揮したラジカルは水中の諸分子と結合して不活性な物質に変化する。

前記放電処理室２５では、放電極２６に高電圧発生回路６によってパルス状の高電圧が印加されるが、放電極２６とアース電極２７との間に多数の金属片２８が介在しているので、放電極２６とアース電極２７との間において、電極２６，２７と金属片２８との間および金属片２８と金属片２８との間に放電が発生する。金属片２８が放電処理室２５の全域に行き渡るとき、放電は放電処理室２５内の随所で発生し、放電処理室２５の全域にわたって放電プラズマが発生する。この場合、電極２６，２７と金属片２８との間および金属片２８と金属片２８との間は微小な間隙であるので、金属片２８が介在しない場合と比較して低電圧でよく、また放電により流れる電流も小さいので、消費電力は小さい。放電処理室２５は両端が塞ぎ板２３で塞がれているので、金属片２８が流出することはない。

放電処理後の水は切換弁４を経て濾過処理部３のタンク３０の内部へ送られる。タンク３０の内部では、水は濾過部材３１を上から下へ通過する際に濾過され、異物や異臭が吸着されて除去される。濾過された水は底板３６，３７を通過してタンク３０の下方へ導かれ、接続管４３ｂから切換弁４を経て吐出管４２ａに至り、水源Ｗへ放出される。
上記した作用は、図６〜図８に示した第２の実施例においても同様であり、ここでは第２の実施例についての作用の説明を省略する。

この発明の一実施例である水質浄化装置の構成を示す説明図である。濾過処理部のタンクの内部構造を示す断面図である。磁化処理装置の外観を示す正面図である。図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。プラズマ放電装置の構成を示す断面図である。他の実施例の構成を示す正面図である。図６の実施例の平面図である。図６の実施例の構成を模型的に表した一部を破断した正面図である。

符号の説明

１磁化処理部
２放電処理部
３濾過処理部
６高電圧発生回路
２１，２１Ａ〜２１Ｆ筒状体
２２水流路
２３塞ぎ板
２５放電処理室
２６放電極
２７アース電極
２８金属片

Claims

被処理水を磁化処理する磁化処理部と磁化処理後の水の中でプラズマ放電を起こさせる放電処理部とを有し、前記磁化処理部に被処理水を導入して磁化処理部と放電処理部とを順に通過させることにより水質を浄化するようにした水質浄化装置であって、
前記放電処理部は、水流路の上流および下流の各位置に通水性を有する塞ぎ板を配置して形成された放電処理室を少なくとも１つ備え、前記放電処理室には、放電極と、放電極に対向するアース電極とが配置されるとともに、放電極およびアース電極にはパルス状の高電圧を印加する高電圧発生回路が接続されており、前記放電処理室の内部には水に浮遊した状態で電極間に介在させる多数の金属片が閉じ込められて成る水質浄化装置。
前記放電処理部は、筒状体の両端部に通水性を有する塞ぎ板を配置して形成された放電処理室を複数備え、各筒状体は縦向きにして円陣に配置されて成る請求項１に記載された水質浄化装置。
前記放電処理室は、下方から水が導入され、上方から水が導出される請求項１または２に記載された水質浄化装置。
前記放電処理室は、下方から空気が導入される請求項１〜３のいずれかに記載された水質浄化装置。
請求項１〜４のいずれかに記載された水質浄化装置であって、
前記放電処理部を通過して放電処理された水を濾過する濾過処理部をさらに有している水質浄化装置。