JP4453052B2 - 水処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上水、下水、産業排水、ゴミ処理場浸出水、畜産排水、工業用排水、食品加工用排水、半導体等洗浄用排水、プール用水、船舶用バラスト用排水、河川・湖沼等の汚染水等における有機物、微生物、細菌類もしくはアンモニア含有水の処理を行う水処理装置に関する。
近年、用・排水中に含まれる有害あるいは不快な要因となる、有機物や細菌類の処理に、放電等により生成されるオゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を利用して水を浄化する処理方式が定着しつつある。
オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種は、それ自身がもつ強力な酸化力で水中に溶解している溶存性の有機物を酸化分解する作用があり、上下水のみならず産業用排水、プール用水、船舶用バラスト用排水等の各種用排水のＣＯＤ、脱色、脱臭、殺菌、有害な難分解性有機物等の除去手段として導入が広がりつつある。
オゾンを利用した一般的な処理方法としては、空気または高濃度酸素を放電空間に通気して気体オゾンを生成し、これを散気等により水中に溶解して除去対象物質に接触反応させるといったものである。しかし、この方法は電力効率が悪いこと、大型の装置、高いコスト等の問題がある。
こうした対策として、水中に設置した電極間で空気や酸素を積極的且つ効率的に曝気することによって微小気泡を発生させ、こうした水中内の気泡空間で放電を発生させるといった方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このときの水処理装置は図５のようになっている。図において、１は処理槽、２はガス供給手段、３は中空糸膜、４は高電圧電源、５は電極である。なお、中空糸膜３および電極５は水中に設置されている。微細孔をもつ中空糸膜３の両側に対向して設けた電極５に、直流、交流あるいはパルス状の高電圧を印加すると、中空糸膜３の微細孔によりできる微細気泡内で局部的なパルス放電が発生する。これにより、微細気泡中の酸素が発生している高密度のパルス放電に接触することにより、電気エネルギーによって励起されてオゾンが生成し、このオゾンが除去対象有機物に作用するといったものである。
また、前述のような電極間に積極的に曝気を行うのではなく、放電の核となる大きさの揃った微小気泡を放電空間全体に満遍なく効率良く発生させるといった方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
このときの水処理装置は図６のようになっている。図において、６は被処理水、７は高圧槽、８は酸素リッチガス、９は低圧槽、１０は処理水である。なお、前出の符号は省略した。高圧槽７内で水中に酸素リッチガス８を溶解させ、ついで減圧した低圧槽９内で溶解した酸素リッチガス８を水中に微細気泡として電極５間に発生させ、この微細気泡をパルス放電下に曝すことによって、オゾン及び／またはＯＨラジカル溶解量の高い高酸化性水を生成させるといったものである。
特開平５−３１９８０７
特開２００１−１０８０８
オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種は、それ自身がもつ強力な酸化力で水中に溶解している溶存性の有機物を酸化分解する作用があり、上下水のみならず産業用排水、プール用水、船舶用バラスト用排水等の各種用排水のＣＯＤ、脱色、脱臭、殺菌、有害な難分解性有機物等の除去手段として導入が広がりつつある。
オゾンを利用した一般的な処理方法としては、空気または高濃度酸素を放電空間に通気して気体オゾンを生成し、これを散気等により水中に溶解して除去対象物質に接触反応させるといったものである。しかし、この方法は電力効率が悪いこと、大型の装置、高いコスト等の問題がある。
こうした対策として、水中に設置した電極間で空気や酸素を積極的且つ効率的に曝気することによって微小気泡を発生させ、こうした水中内の気泡空間で放電を発生させるといった方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このときの水処理装置は図５のようになっている。図において、１は処理槽、２はガス供給手段、３は中空糸膜、４は高電圧電源、５は電極である。なお、中空糸膜３および電極５は水中に設置されている。微細孔をもつ中空糸膜３の両側に対向して設けた電極５に、直流、交流あるいはパルス状の高電圧を印加すると、中空糸膜３の微細孔によりできる微細気泡内で局部的なパルス放電が発生する。これにより、微細気泡中の酸素が発生している高密度のパルス放電に接触することにより、電気エネルギーによって励起されてオゾンが生成し、このオゾンが除去対象有機物に作用するといったものである。
また、前述のような電極間に積極的に曝気を行うのではなく、放電の核となる大きさの揃った微小気泡を放電空間全体に満遍なく効率良く発生させるといった方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
このときの水処理装置は図６のようになっている。図において、６は被処理水、７は高圧槽、８は酸素リッチガス、９は低圧槽、１０は処理水である。なお、前出の符号は省略した。高圧槽７内で水中に酸素リッチガス８を溶解させ、ついで減圧した低圧槽９内で溶解した酸素リッチガス８を水中に微細気泡として電極５間に発生させ、この微細気泡をパルス放電下に曝すことによって、オゾン及び／またはＯＨラジカル溶解量の高い高酸化性水を生成させるといったものである。
しかしながら、いずれの方法についても以下のような共通の問題がある。
放電空間を形成するための微細気泡を生成するために、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備が付随されている。同時に水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備が必要であることが容易に予測されるなど、コンパクト化、低コスト化は極めて困難である。
また、微細化された気泡中の圧力は、ほぼ大気圧と同等か、それよりも高い圧力となっている。このため、放電空間を形成するときの放電開始電圧が高く、高電圧印加が必要であるため受電設備が大規模になる。
なお、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を主とする化学的な作用のみに期待できる方法であり、被処理水中に浮遊物等が混在する場合には効果が制限されるといったようことも懸念される。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放電空間をより容易に形成することができ、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種による化学的な作用と同時に、破砕等の物理的な作用も有したコンパクトで、低コストの水処理装置を提供することを目的とする。
放電空間を形成するための微細気泡を生成するために、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備が付随されている。同時に水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備が必要であることが容易に予測されるなど、コンパクト化、低コスト化は極めて困難である。
また、微細化された気泡中の圧力は、ほぼ大気圧と同等か、それよりも高い圧力となっている。このため、放電空間を形成するときの放電開始電圧が高く、高電圧印加が必要であるため受電設備が大規模になる。
なお、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を主とする化学的な作用のみに期待できる方法であり、被処理水中に浮遊物等が混在する場合には効果が制限されるといったようことも懸念される。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放電空間をより容易に形成することができ、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種による化学的な作用と同時に、破砕等の物理的な作用も有したコンパクトで、低コストの水処理装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明はつぎのようにしている。
請求項１に記載の発明は、被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプと、前記加圧ポンプの後段に、キャビテーションバブル発生ノズルと電極を備え、前記被処理水を通水する通水管路からなる水処理装置であって、
前記キャビテーションバブル発生ノズルは、オリフィス形状を有し、前記通水管路内の通水方向上流側に設けられており、前記被処理水が前記オリフィスの最収縮部を通過直後、圧力が降下した領域において、沸騰現象によりキャビテーションバブルを発生させ、
前記電極は、高圧側の電極と接地側の電極が対向して成り、前記キャビテーションバブル発生ノズルの下流側の前記キャビテーションバブルが発生する空間に設けられており、前記電極間に高電圧を印加することにより、前記キャビテーションバブルが発生する空間に放電プラズマを形成するものである。
請求項２に記載の発明は、前記電極を、線形状、棒形状、平板形状のうち同形状を含む二つを組み合わせたもの、線形状または棒形状のものと螺旋形状のものとを組み合わせたもののいずれかとしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記電極を前記キャビテーションバブル発生ノズルの先端部の周囲に配置したものと、それに対向させて前記通水管路内に配置したものとからなるものである。
請求項４に記載の発明は、前記電極の表面に突起を形成したものである。
請求項５に記載の発明は、前記加圧ポンプの電動機とポンプを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、前記電動機の回転シャフトとポンプの回転シャフトを絶縁材料によるＶベルトもしくは絶縁材料を介して接続するものである。
請求項７に記載の発明は、通水時において、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段の圧力、もしくは前記キャビテーションバブル発生ノズル前後の差圧を監視する圧力監視装置を設置するものである。
請求項８に記載の発明は、前記被処理水の導電率を監視する導電率計を設置するものである。
請求項９に記載の発明は、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段または後段に過酸化水素を注入する過酸化水素注入手段を設けたものである。
請求項１０に記載の発明は、前記電極が対向する通水管路の空間に、紫外線を照射する手段を設けたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記加圧ポンプまたは前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段に、水中の溶存酸素を富化させる溶存酸素富化手段を設けたものである。
請求項１に記載の発明は、被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプと、前記加圧ポンプの後段に、キャビテーションバブル発生ノズルと電極を備え、前記被処理水を通水する通水管路からなる水処理装置であって、
前記キャビテーションバブル発生ノズルは、オリフィス形状を有し、前記通水管路内の通水方向上流側に設けられており、前記被処理水が前記オリフィスの最収縮部を通過直後、圧力が降下した領域において、沸騰現象によりキャビテーションバブルを発生させ、
前記電極は、高圧側の電極と接地側の電極が対向して成り、前記キャビテーションバブル発生ノズルの下流側の前記キャビテーションバブルが発生する空間に設けられており、前記電極間に高電圧を印加することにより、前記キャビテーションバブルが発生する空間に放電プラズマを形成するものである。
請求項２に記載の発明は、前記電極を、線形状、棒形状、平板形状のうち同形状を含む二つを組み合わせたもの、線形状または棒形状のものと螺旋形状のものとを組み合わせたもののいずれかとしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記電極を前記キャビテーションバブル発生ノズルの先端部の周囲に配置したものと、それに対向させて前記通水管路内に配置したものとからなるものである。
請求項４に記載の発明は、前記電極の表面に突起を形成したものである。
請求項５に記載の発明は、前記加圧ポンプの電動機とポンプを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、前記電動機の回転シャフトとポンプの回転シャフトを絶縁材料によるＶベルトもしくは絶縁材料を介して接続するものである。
請求項７に記載の発明は、通水時において、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段の圧力、もしくは前記キャビテーションバブル発生ノズル前後の差圧を監視する圧力監視装置を設置するものである。
請求項８に記載の発明は、前記被処理水の導電率を監視する導電率計を設置するものである。
請求項９に記載の発明は、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段または後段に過酸化水素を注入する過酸化水素注入手段を設けたものである。
請求項１０に記載の発明は、前記電極が対向する通水管路の空間に、紫外線を照射する手段を設けたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記加圧ポンプまたは前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段に、水中の溶存酸素を富化させる溶存酸素富化手段を設けたものである。
請求項１に記載の発明によると、圧送水はオリフィスの最収縮部を通過直後、急激な圧力降下により無数の小さなキャビテーションバブルが発生する。このため、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備は不要である。また、この気泡は短時間で自然消滅し、被処理水中に気泡が残留することがないため、脱気や排ガス処理設備が不要となる。このようにコンパクト且つ安価なコストでの装置の提供が可能となる。また、微細化したキャビテーションバブルは大気圧以下で生じているため、放電開始電圧は低く、受電設備の小規模化が可能であり、装置の信頼性向上にもつながる。さらには、キャビテーションバブル崩壊時に発生する衝撃力が作用するなど、物理的な相乗効果が大いに期待される装置となる。
請求項２に記載の発明によると、電極の構造や組み合わせを水質や水量に応じて最適化するため、安定した放電空間が形成されて処理効率が向上する。
請求項３に記載の発明によると、電極を設置した部分は、被処理水がオリフィス最収縮部を通過した直後であるため、通水管路内で最も減圧され、且つキャビテーションバブルの発生が促進される。このため、より低い放電開始電圧で放電が発生する。また、電極間を被処理水が通過するときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水の送給圧力を低下させて流量を増加させることができるようになり処理効率が向上する。
請求項４に記載の発明によると、電極表面の突起構造により放電形成を促し、処理効率が向上する。
請求項５に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加圧ポンプのポンプの電位差が高電圧になった際、電動機における低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
請求項６に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加圧ポンプのポンプ及び電動機の電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
請求項７に記載の発明によると、キャビテーションバブル発生の安定化を図り、通水状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出することにより、即座に高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。これにより、安全かつ安定した処理を行うことができ、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。
請求項８に記載の発明によると、被処理水の水質変動等により導電率が上昇し、安定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止して、安全かつ安定した処理を行うことができ、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。
請求項９に記載の発明によると、過酸化水素と放電により生成したオゾンにより、ヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上する。
請求項１０に記載の発明によると、紫外線と放電により生成したオゾンにより、ヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上する。
請求項１１に記載の発明によると、放電により高濃度のオゾンやヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、更なる処理効率の向上が期待できる。
請求項２に記載の発明によると、電極の構造や組み合わせを水質や水量に応じて最適化するため、安定した放電空間が形成されて処理効率が向上する。
請求項３に記載の発明によると、電極を設置した部分は、被処理水がオリフィス最収縮部を通過した直後であるため、通水管路内で最も減圧され、且つキャビテーションバブルの発生が促進される。このため、より低い放電開始電圧で放電が発生する。また、電極間を被処理水が通過するときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水の送給圧力を低下させて流量を増加させることができるようになり処理効率が向上する。
請求項４に記載の発明によると、電極表面の突起構造により放電形成を促し、処理効率が向上する。
請求項５に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加圧ポンプのポンプの電位差が高電圧になった際、電動機における低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
請求項６に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加圧ポンプのポンプ及び電動機の電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
請求項７に記載の発明によると、キャビテーションバブル発生の安定化を図り、通水状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出することにより、即座に高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。これにより、安全かつ安定した処理を行うことができ、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。
請求項８に記載の発明によると、被処理水の水質変動等により導電率が上昇し、安定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止して、安全かつ安定した処理を行うことができ、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。
請求項９に記載の発明によると、過酸化水素と放電により生成したオゾンにより、ヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上する。
請求項１０に記載の発明によると、紫外線と放電により生成したオゾンにより、ヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上する。
請求項１１に記載の発明によると、放電により高濃度のオゾンやヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、更なる処理効率の向上が期待できる。
１ 処理槽
２ ガス供給手段
３ 中空糸膜
４ 高電圧電源
５、５ａ、５ｂ 電極
５ａ’ 突起
６ 被処理水
７ 高圧槽
８ 酸素リッチガス
９ 低圧槽
１０ 処理水
１１ 加圧ポンプ
１１ａ 電動機
１１ｂ ポンプ
１２ キャビテーションバブル発生ノズル
１３ 通水管路
１４ 高電圧電源
１５ 高電圧絶縁トランス
１６ 圧力監視装置
１７ 導電率計
１８ 過酸化水素注入手段
１９ 溶存酸素富化手段
２０ 紫外線照射手段
２ ガス供給手段
３ 中空糸膜
４ 高電圧電源
５、５ａ、５ｂ 電極
５ａ’ 突起
６ 被処理水
７ 高圧槽
８ 酸素リッチガス
９ 低圧槽
１０ 処理水
１１ 加圧ポンプ
１１ａ 電動機
１１ｂ ポンプ
１２ キャビテーションバブル発生ノズル
１３ 通水管路
１４ 高電圧電源
１５ 高電圧絶縁トランス
１６ 圧力監視装置
１７ 導電率計
１８ 過酸化水素注入手段
１９ 溶存酸素富化手段
２０ 紫外線照射手段
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１を示す水処理装置の概略構成図である。図において、１１は加圧ポンプ、１２はキャビテーションバブル発生ノズル、１３は通水管路、１４は高電圧電源、１５は高電圧絶縁トランス、１６は圧力監視装置、１７は導電率計である。なお、前出の符号や説明は省略する。
本発明が特許文献１および特許文献２と異なる主要な部分は、被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプ１１と、キャビテーションバブル発生ノズル１２を配設しており、該キャビテーションバブル発生ノズル１２の後段近傍において、通水管路内に一定の間隔で対向させた電極を設置している点である。特許文献１および特許文献２のような空気または酸素ガスを供給する設備や、供給されたガスを微細気泡化するための設備は付随しておらず、水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備も付随しない。また、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を主とする化学的な作用のみに期待するものでなく、キャビテーションバブル崩壊時に生じる衝撃力による物理的な作用との相乗効果により、圧倒的に処理効率を向上させることを可能とするものである。
本発明が特許文献１および特許文献２と異なる主要な部分は、被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプ１１と、キャビテーションバブル発生ノズル１２を配設しており、該キャビテーションバブル発生ノズル１２の後段近傍において、通水管路内に一定の間隔で対向させた電極を設置している点である。特許文献１および特許文献２のような空気または酸素ガスを供給する設備や、供給されたガスを微細気泡化するための設備は付随しておらず、水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス処理設備も付随しない。また、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種を主とする化学的な作用のみに期待するものでなく、キャビテーションバブル崩壊時に生じる衝撃力による物理的な作用との相乗効果により、圧倒的に処理効率を向上させることを可能とするものである。
つぎに、本実施例の動作について説明する。
(1)被処理水６は加圧ポンプ１１により一定の圧力で配管中途部に配設されたキャビテーションバブル発生ノズル１２に送給される。キャビテーションバブル発生ノズル１２はオリフィス形状を有しており最収縮部を通過直後、この後段近傍では急激な圧力低下が生じる。そのとき液体の飽和蒸気圧以下になった領域では沸騰現象が生じ、無数の小さなキャビテーションバブルが発生する。
なお、加圧ポンプ１１により圧送するときの水圧は被処理水の水質等にもよるが、概々0.1〜1.5MPaの範囲で設定するのが良い。
(2)キャビテーションバブル発生ノズル１２の後段近傍には、通水管路１３内に一定の間隔で対向させてステンレス製の平板構造からなる電極５を設置している。陽極側（もしくは高圧側）の放電面は図中に示すような突起５ａ’を設けた構造にすることにより、放電開始電圧を降下することができ、安定した放電空間を形成することができる。本空間を該キャビテーションバブルが通過する際、高電圧電源１４から高周波の正弦状波形、パルス波形もしくは矩形等の高電圧を印加することにより、該キャビテーションバブル中に含まれる蒸気や酸素が高密度の電気エネルギーによって励起され、ヒドロキシラジカルやオゾン等の活性種が生成される。これらは速やかに被処理水中に溶け込み、処理対象有機物と効果的に反応し、これを分解する。同時に放電空間に形成される強力な電界や紫外線により、微生物や菌類の殺菌も可能となる。なお、電極間距離は３０ｍｍ以下が好ましい。適切な印加電圧・周波数は、電極間距離、被処理水の水質や流速、あるいは水圧等に影響されるが、１０ｋＶ以下、１０ｋＨｚ以下において設定するのが良い。また、本実施例ではステンレス製の電極としたが、この表面を無機絶縁材料等でコーティングする等、材質や構成は特に制限されない。
(3)キャビテーションバブルは流速が減じて圧力が増加した箇所で消滅するが、急激に気泡が縮むため、気泡内に衝撃力が生じる。この衝撃力により被処理水中に混在する浮遊物や微生物等を粉砕することができる。
前述した(2)および(3)の現象が同空間で生じる際、それらの相乗作用により除去対象とする有機物を強力且つ効率的に処理し、清浄な処理水１０を得ることができる。
以上により、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備は不要となる。また、キャビテーションバブルは短時間で消滅し、被処理水中に気泡が残留することがないため、脱気や排ガス処理設備は不要である。このようにコンパクト且つ安価なコストでの装置の提供が可能となる。また、微細化したキャビテーションバブルは大気圧以下で生じているため、放電開始電圧は低く、受電設備の小規模化が可能であり、装置の信頼性も向上する。
また、本装置の信頼性や安全性を向上し、安定した処理を行うために（４）〜（６）の構成にしている。
(4)加圧ポンプ１１は電動機１１ａとポンプ１１ｂを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、電動機１１ａの回転シャフトとポンプ１１ｂの回転シャフトを絶縁材料によるＶベルトもしくは絶縁材料を介して接続するようにしている。さらに、加圧ポンプの駆動電源は、高電圧絶縁トランス１５を中継して電源を供給している。これにより、電極５への高電圧印加時に被処理水６を経由して加圧ポンプ１１のポンプ１１ｂまたは電動機１１ａの電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
(5)キャビテーションバブル発生ノズル１２の前段、もしくは前後の差圧を監視する圧力監視装置１６を設置しており、通水状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出して、即座に高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。
(6)被処理水６の導電率を監視する導電率計１７を設置しており、被処理水１２の水質変動等により導電率が上昇した際には高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。これにより、安定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止することができる。
(1)被処理水６は加圧ポンプ１１により一定の圧力で配管中途部に配設されたキャビテーションバブル発生ノズル１２に送給される。キャビテーションバブル発生ノズル１２はオリフィス形状を有しており最収縮部を通過直後、この後段近傍では急激な圧力低下が生じる。そのとき液体の飽和蒸気圧以下になった領域では沸騰現象が生じ、無数の小さなキャビテーションバブルが発生する。
なお、加圧ポンプ１１により圧送するときの水圧は被処理水の水質等にもよるが、概々0.1〜1.5MPaの範囲で設定するのが良い。
(2)キャビテーションバブル発生ノズル１２の後段近傍には、通水管路１３内に一定の間隔で対向させてステンレス製の平板構造からなる電極５を設置している。陽極側（もしくは高圧側）の放電面は図中に示すような突起５ａ’を設けた構造にすることにより、放電開始電圧を降下することができ、安定した放電空間を形成することができる。本空間を該キャビテーションバブルが通過する際、高電圧電源１４から高周波の正弦状波形、パルス波形もしくは矩形等の高電圧を印加することにより、該キャビテーションバブル中に含まれる蒸気や酸素が高密度の電気エネルギーによって励起され、ヒドロキシラジカルやオゾン等の活性種が生成される。これらは速やかに被処理水中に溶け込み、処理対象有機物と効果的に反応し、これを分解する。同時に放電空間に形成される強力な電界や紫外線により、微生物や菌類の殺菌も可能となる。なお、電極間距離は３０ｍｍ以下が好ましい。適切な印加電圧・周波数は、電極間距離、被処理水の水質や流速、あるいは水圧等に影響されるが、１０ｋＶ以下、１０ｋＨｚ以下において設定するのが良い。また、本実施例ではステンレス製の電極としたが、この表面を無機絶縁材料等でコーティングする等、材質や構成は特に制限されない。
(3)キャビテーションバブルは流速が減じて圧力が増加した箇所で消滅するが、急激に気泡が縮むため、気泡内に衝撃力が生じる。この衝撃力により被処理水中に混在する浮遊物や微生物等を粉砕することができる。
前述した(2)および(3)の現象が同空間で生じる際、それらの相乗作用により除去対象とする有機物を強力且つ効率的に処理し、清浄な処理水１０を得ることができる。
以上により、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備は不要となる。また、キャビテーションバブルは短時間で消滅し、被処理水中に気泡が残留することがないため、脱気や排ガス処理設備は不要である。このようにコンパクト且つ安価なコストでの装置の提供が可能となる。また、微細化したキャビテーションバブルは大気圧以下で生じているため、放電開始電圧は低く、受電設備の小規模化が可能であり、装置の信頼性も向上する。
また、本装置の信頼性や安全性を向上し、安定した処理を行うために（４）〜（６）の構成にしている。
(4)加圧ポンプ１１は電動機１１ａとポンプ１１ｂを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、電動機１１ａの回転シャフトとポンプ１１ｂの回転シャフトを絶縁材料によるＶベルトもしくは絶縁材料を介して接続するようにしている。さらに、加圧ポンプの駆動電源は、高電圧絶縁トランス１５を中継して電源を供給している。これにより、電極５への高電圧印加時に被処理水６を経由して加圧ポンプ１１のポンプ１１ｂまたは電動機１１ａの電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。
(5)キャビテーションバブル発生ノズル１２の前段、もしくは前後の差圧を監視する圧力監視装置１６を設置しており、通水状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出して、即座に高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。
(6)被処理水６の導電率を監視する導電率計１７を設置しており、被処理水１２の水質変動等により導電率が上昇した際には高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。これにより、安定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止することができる。
図２および図３は本発明の実施例２を示す電極部分の断面図である。本実施例は電極５の配置例について説明したものである。図２は線形または棒状の電極５ａ(陽極もしくは高圧側)および線を螺旋状にした電極５ｂ（陰極もしくは接地側）を、同間隔で対になるように配置したものである。電極５を本構造のように配置することにより、円形断面の配管内に容易に形成することができるとともに、放電の生成効率も良く、高い水処理効果が得られる。なお、本実施例では陰極側（もしくは接地側）の電極５ｂを螺旋状にしたが、メッシュ状のものでも同じ効果が得られる。
図３はキャビテーションバブル発生ノズル１２の先端部に、流路を妨げないように環形状の電極５ｂ（陰極もしくは接地側）を接続し、それと対向して通水管路１３内に平板の電極５ａ(陽極もしくは高圧側)を一定の間隔で配置したものである。上記電極を設置した部分は、被処理水６がオリフィス最収縮部を通過した直後であるため、通水管路１３内で最も減圧され、且つキャビテーションバブルの発生が促進される。このため、より低い放電開始電圧で放電が発生する。また、電極間を被処理水が通過するときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水６の送給圧力を低下させて流量を増加させることができるようになり処理効率が向上するといった効果が得られる。また、キャビテーションバブル発生ノズル１２のオリフィス部分の材質については、通常はセラミックスや樹脂等の絶縁材料とするが、ステンレス等の金属材料を用いて電極を兼ねることも可能である。なお、本実施例では電極５ａを陽極側（もしくは高圧側）、電極５ｂを陰極側（もしくは接地側）としたが、逆に配置することもできる。
図３はキャビテーションバブル発生ノズル１２の先端部に、流路を妨げないように環形状の電極５ｂ（陰極もしくは接地側）を接続し、それと対向して通水管路１３内に平板の電極５ａ(陽極もしくは高圧側)を一定の間隔で配置したものである。上記電極を設置した部分は、被処理水６がオリフィス最収縮部を通過した直後であるため、通水管路１３内で最も減圧され、且つキャビテーションバブルの発生が促進される。このため、より低い放電開始電圧で放電が発生する。また、電極間を被処理水が通過するときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水６の送給圧力を低下させて流量を増加させることができるようになり処理効率が向上するといった効果が得られる。また、キャビテーションバブル発生ノズル１２のオリフィス部分の材質については、通常はセラミックスや樹脂等の絶縁材料とするが、ステンレス等の金属材料を用いて電極を兼ねることも可能である。なお、本実施例では電極５ａを陽極側（もしくは高圧側）、電極５ｂを陰極側（もしくは接地側）としたが、逆に配置することもできる。
図４は本発明の実施例３を示す水処理装置の概略構成図である。本実施例は本発明の水処理装置にラジカル生成促進機能を付加した概略構成図である。図において、１８は過酸化水素注入手段、１９は溶存酸素富化手段、２０は紫外線照射手段である。その他の構成は、実施例１とほぼ同等な構成である。
過酸化水素注入手段１８は、加圧ポンプ１１の前段または後段から過酸化水素を適正量注入するようにしたものであり、紫外線照射手段２０は、電極５間の放電空間に３００ｎｍ以下の短波長紫外線を直接照射するようにしている。また、溶存酸素富化手段１９は、加圧ポンプ１１の前段の貯留槽等（図示せず）において、高濃度酸素曝気等により被処理水中の溶存酸素濃度を高めるようにしたものである。このような構成により、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果や更なる処理効率の向上が可能となる。
このように、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備、且つ脱気や排ガス処理設備が不要になる。微細化したキャビテーションバブルは大気圧以下で生じているため放電開始電圧が低く、装置の信頼性も高い。また、キャビテーションバブル崩壊時に発生する衝撃力が作用するなど、物理的な相乗効果も大いに期待できる。さらにはヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上するといった、コンパクトで安価な且つ信頼性の高い水処理装置を提供することができる。
過酸化水素注入手段１８は、加圧ポンプ１１の前段または後段から過酸化水素を適正量注入するようにしたものであり、紫外線照射手段２０は、電極５間の放電空間に３００ｎｍ以下の短波長紫外線を直接照射するようにしている。また、溶存酸素富化手段１９は、加圧ポンプ１１の前段の貯留槽等（図示せず）において、高濃度酸素曝気等により被処理水中の溶存酸素濃度を高めるようにしたものである。このような構成により、オゾンやヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果や更なる処理効率の向上が可能となる。
このように、空気または酸素ガスを供給する設備や、気泡を微細化するための設備、且つ脱気や排ガス処理設備が不要になる。微細化したキャビテーションバブルは大気圧以下で生じているため放電開始電圧が低く、装置の信頼性も高い。また、キャビテーションバブル崩壊時に発生する衝撃力が作用するなど、物理的な相乗効果も大いに期待できる。さらにはヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上するといった、コンパクトで安価な且つ信頼性の高い水処理装置を提供することができる。
本発明の水処理装置は、微生物や細菌類の不活化に絶大な効果が見込まれる。特にオゾン等の化学的な処理のみでは大きな効果が期待できなかった、クリプトスポリジウム等のオゾン耐性微生物や、近年問題視されているバラスト水の殺菌処理などにも有効である。
また、水処理に限定せず、ＰＣＢの分解や薬品の無害化処理等、その他多用な液体について、キャビテーションバブル発生ノズルの後段において被処理液体の飽和蒸気圧以下まで圧力を低下させ、キャビテーションバブルが発生するものについては処理することができ、幅広い分野での適用が可能である。
また、水処理に限定せず、ＰＣＢの分解や薬品の無害化処理等、その他多用な液体について、キャビテーションバブル発生ノズルの後段において被処理液体の飽和蒸気圧以下まで圧力を低下させ、キャビテーションバブルが発生するものについては処理することができ、幅広い分野での適用が可能である。
Claims (11)
- 被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプと、
前記加圧ポンプの後段に、キャビテーションバブル発生ノズルと電極を備え、前記被処理水を通水する通水管路からなる水処理装置であって、
前記キャビテーションバブル発生ノズルは、オリフィス形状を有し、前記通水管路内の通水方向上流側に設けられており、前記被処理水が前記オリフィスの最収縮部を通過直後、圧力が降下した領域において、沸騰現象によりキャビテーションバブルを発生させ、
前記電極は、高圧側の電極と接地側の電極が対向して成り、前記キャビテーションバブル発生ノズルの下流側の前記キャビテーションバブルが発生する空間に設けられており、前記電極間に高電圧を印加することにより、前記キャビテーションバブルが発生する空間に放電プラズマを形成することを特徴とする水処理装置。 - 前記電極は、線形状、棒形状、平板形状のうち同形状を含む二つを組み合わせたもの、線形状または棒形状のものと螺旋形状のものとを組み合わせたもののいずれかであることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記電極は、前記キャビテーションバブル発生ノズルの先端部の周囲に配置したものと、それに対向させて前記通水管路内に配置したものとからなることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記電極の表面に突起を形成したことを特徴とする請求項３記載の水処理装置。
- 前記加圧ポンプの電動機とポンプを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、前記電動機の回転シャフトとポンプの回転シャフトを絶縁材料によるＶベルトもしくは絶縁材料を介して接続することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記加圧ポンプの駆動電源は、高電圧絶縁トランスを中継して電源を供給することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 通水時において、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段の圧力、もしくは前記キャビテーションバブル発生ノズル前後の差圧を監視する圧力監視装置を設置することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記被処理水の導電率を監視する導電率計を設置することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段または後段に、過酸化水素を注入する過酸化水素注入手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記電極が対向する通水管路の空間に、紫外線を照射する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
- 前記加圧ポンプまたは、前記キャビテーションバブル発生ノズルの前段に、水中の溶存酸素を富化させる溶存酸素富化手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
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