JP4813443B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、上水、下水、産業廃水、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、アンモニア含有水等における用・廃水の処理を、キャビテーション気泡に高電圧を印加して行う水処理装置に関する。

近年、用・廃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廃水、プール用水、船舶用バラスト用廃水等の各種用廃水の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。この対策として、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細気泡を発生させ、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）。しかしながら、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なことも懸念されている。
このようなことから、通水管路内にキャビテーション気泡を発生させ、この微細な気泡を利用して放電プラズマを形成し、水処理を行う装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このときの水処理装置は図７のようになっている。
図７は、従来の水処理装置を示す概略構成図である。図において、１は被処理水、２はポンプ、３はキャビテーション発生部、４は高圧側電極、５は接地側電極、６は対電極、７は高周波を発生する高電圧電源、８は処理水である。
キャビテーション発生部３は、本体３ａとノズル３ｂからなる。本体３ａは通常、絶縁体からなるが、導電体からなる場合は高圧側電極４を絶縁体で浮かせる。
被処理水１はポンプ２により一定の圧力でキャビテーション発生部３に加圧送給される。キャビテーション発生部３の管路内に設置されたノズル３ｂはベンチュリ−状の縮小構造を有しており、最縮小部を通過直後、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気泡が発生する。本体３ａ内のノズル後段近傍には、高圧側電極４と接地側電極５を対向させた対電極６が設置されている。この対電極６の間には該キャビテーション気泡が発生しており、高電圧電源７から正弦状波形、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、対電極６の間の通水管路空間にはプラズマ放電が形成される。この放電空間では、キャビテーション気泡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１の中に溶け込み、被処理有機物等と効果的に反応してこれを分解することにより清浄な処理水８が得られる。また、キャビテーション気泡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の被処理有機物等を粉砕等の相乗作用を得ることができるといったものである。
特開平５−３１９８０７ 池英昭、吐合一徳、平林和也 キャビテーション気泡内放電の基礎特性 日本オゾン協会年次講演会講演集 pp127-130 2007年6月

ところが、被処理水の通水量を増大する場合、通水管の管径を拡大する必要があり、これに伴って対電極の間隔を広げなければならない。対電極間隔を広げるにつれて電極間に印加する放電開始電圧を高めることが必要となる。送給される被処理水の圧力を高めるにつれて、またはノズルに近いほど、ノズル後段における通水管路内の圧力は低下して放電開始電圧が低くなる傾向にある。印加電圧を操作することにより対電極の間隔を一定値まで広げることが可能であるが、運用効率上電極の間隔を広げることは限界がある。このように従来技術では、通水量が制限されるため、単位装置において通水量の規模を拡大することが困難であるといった問題がある。
そこで、本発明はキャビテーション気泡に高電圧を印加して行う水処理装置の電極の形状や配置を工夫することにより、通水量が大きく効率の高い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、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、高低差やポンプ等により用水や廃水等の被処理水を加圧送給する加圧部と、その後段に設けられ通水管路の内径を縮小させたノズルを有し、キャビテーション気泡を発生させるキャビテーション発生部と、前記キャビテーション発生部の下流部近傍に設けた高圧側電極及び接地側電極からなる対電極とを備え、前記対電極間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させることにより、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行う水処理装置において、前記高圧側電極及び前記接地側電極は、金属製のリング形状であり、前記高圧側電極及び前記接地側電極間の前記管路の表面上に沿面放電が形成されるように前記管路の内面に沿って隣り合うように離間して配置したものである。
請求項２に記載の発明は、前記対電極を前記通水管路面上の通水方向に間隔を設けて配置したものである。
請求項３に記載の発明は、前記対電極を通水管路面に配置した線状電極と、誘電体を介して前記通水管の本体に埋め込んだ面状電極で構成したものである。
請求項４に記載の発明は、前記対電極を前記ノズル直後の通水管路面上に配した面状または線状電極と、前記ノズルの先端部に配した面または線状電極で構成したものである。

請求項１から請求項４に記載の発明によると、従来技術のようにノズル最収縮部後段のキャビテーション気泡が発生空間に対向して設置した対電極間のギャップ間で放電プラズマを形成するものではなく、通水管路の路面上に沿って沿面放電が形成される。通水管路の内部円周上全体で沿面放電が形成されるので放電の範囲が拡大し、効率良く水処理を行うことができる。
このため、被処理水の通水量に応じて対電極間の距離を広げる必要がなく、通水量の範囲を拡大することが可能となる。

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、（ａ）は側断面図、（ｂ）はＡ−Ａ‘線における断面図である。図２は対電極の部分拡大図である。図において、各部の符号は従来例と同じである。配置や構造が異なる電極について説明する。高圧側電極４と接地側電極５はステンレス製のリング形状とし、これを本体３ａの管路内の内面に通水方向に所定の距離を隔てて設けている。
本発明が従来例と異なる主要な部分は次の通りである。従来例では、キャビテーション気泡が発生する３次元空間において放電を形成するように対電極を配置している。これに対して、本発明では高圧側電極４と接地側電極５からなる対電極６をキャビテーション発生部３の本体３ａの通水管路面上に配置しており、通水管路面上において沿面放電を形成するようにしている。また、これら対電極６を通水管路の内部円周上に配置している点である。
このため、通水量（被処理水の流量）に応じて対電極間の距離を広げる必要がないので、通水量の範囲を拡大することができるとともに、通水管路の内部円周上全体で沿面放電が形成されるので放電の範囲が拡大し、効率良く水処理を行うことが可能となる。

本実施例の動作について説明する。
キャビテーション気泡の発生機構については、従来例と同様であり、キャビテーション気泡は激しい攪拌により通水管路の内周沿面に形成された放電に接触することにより、キャビテーション気泡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、キャビテーション気泡やキャビテーション気泡の消滅に伴う激しい乱流により均一に拡散され、被処理有機物等と効果的に反応してこれを分解することにより清浄な処理水が得られる。また、キャビテーション気泡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の被処理有機物等を粉砕等の相乗作用を得ることができる。
なお、ポンプ２により圧送するときの水圧は被処理水１の水質等にもよるが、概ね０．１〜１．５ＭＰａの範囲で設定するのが良い。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。

図３は本発明の実施例２を示す水処理装置の概略構成図、図４は図３のＢ−Ｂ‘線における断面図、図５は電極部分の拡大側断面図である。本実施例は対電極６の配置を改良したものである。
図において、１０は誘電体である。その他の符号は実施例１と同じである。本実施例では、線状の高圧側電極４を本体３ａの通水管路面に円周方向に配置した誘電体９上に配置するとともに、誘電体９を介して、本体３ａの内部または外周部に高圧側電極よりも幅の広い面状の接地側電極５を配置したものである。本構成により、線状電極の両側端部から面状電極の誘電体との接触面に沿って誘電体表面に沿面放電が形成される。

図６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。
高圧側電極４をノズル３ｂの後段直後の本体３ａの通水管路面に配置し、接地側電極５をノズル３ｂの先端に配置したものである。
本構成によれば、ノズル３ｂの後段直後の最も圧力が降下する部分において、ノズル３ｂの出口面に沿って放電が形成される。
このように、通水管路面の円周上において沿面放電が形成されるので、通水量（被処理水の流量）に応じて対電極間の距離を広げる必要がなく、通水量の範囲を拡大することができる。また、放電の範囲が拡大されるため、効率良く水処理を行うことできる。

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。

本発明の実施例１を示す水処理装置の概略構成図 図１における電極の部分拡大側断面図 本発明の実施例２を示す水処理装置の概略構成図 図２のＢ−Ｂ‘線における断面図 図２における電極の部分拡大側断面図 本発明の実施例３を示す水処理装置の概略構成図 従来の水処理装置を示す概略構成図

符号の説明

１ 被処理水
２ ポンプ
３ キャビテーション発生部
３ａ 本体
３ｂ ノズル
４ 高圧側電極
５ 接地側電極
６ 対電極
７ 高電圧電源
８ 処理水
９ 誘電体

Claims (4)

1. 高低差やポンプ等により用水や廃水等の被処理水を加圧送給する加圧部と、その後段に設けられ通水管路の内径を縮小させたノズルを有し、キャビテーション気泡を発生させるキャビテーション発生部と、前記キャビテーション発生部の下流部近傍に設けた高圧側電極及び接地側電極からなる対電極とを備え、前記対電極間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させることにより、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行う水処理装置において、
   前記高圧側電極及び前記接地側電極は、金属製のリング形状であり、前記高圧側電極及び前記接地側電極間の前記管路の表面上に沿面放電が形成されるように前記管路の内面に沿って隣り合うように離間して配置したことを特徴とする水処理装置。
2. 前記対電極は、前記通水管路面上の通水方向に間隔を設けて配置したことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
3. 前記対電極は、通水管路面に配置した線状電極と、誘電体を介して前記通水管の本体に埋め込んだ面状電極で構成したことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
4. 前記対電極は、前記ノズル直後の通水管路面上に配した面状または線状電極と、前記ノズルの先端部に配した面または線状電極で構成し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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