JP4901250B2

JP4901250B2 - 紫外線消毒装置

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Publication number: JP4901250B2
Application number: JP2006075632A
Authority: JP
Inventors: 清一村山; 法光阿部; 健志出; 真澄中楯; 彰森川; 孝浩相馬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2007245097A

Description

本発明は、例えば、浄水処理を行なう水処理施設で使用される紫外線消毒装置に関する。

近年、紫外線を照射して消毒する紫外線消毒は、上下水処理やプールなどの殺菌消毒処理、食品工業における水処理などの水処理全般において、水に含まれる病原性の微生物、特に最近ではウィルスの殺菌及び消毒を目的とした応用が推進されている。

紫外線消毒は、特に、浄水処理で問題となっている耐塩素性病原菌クリプトスポリジウムやジアルジアの対策として、非常に効果的な消毒方法である。クリプトスポリジウムやジアルジアは、従来の消毒技術である塩素消毒では不活化できないが、紫外線を僅かに照射するだけで不活化が可能である（例えば、非特許文献１を参照）。この非特許文献１には、クリプトスポリジウムやジアルジアの２log以上の不活化には、紫外線を10mJ/cm2以下の照射で有効であると記載されている。

紫外線消毒を行う場合に、消毒対象の目標不活化率に対して、必然的に必要な紫外線の照射量が決定される。紫外線の照射量を一定にした運用を行うと、環境状況によっては、
過剰な照射となることがある。紫外線の照射が過剰になると、紫外線の発光源である紫外線ランプの寿命が短くなり、かつ紫外線発光に要する電力を浪費する要因となる。

従って、従来の紫外線消毒装置により紫外線消毒を行う場合に、紫外線消毒装置を効率良く運用し、処理対象水の流入水量や、流入水中の紫外線透過率に応じて、適正な紫外線強度の制御を行なうことが必要である。従来では、流入水の濁質濃度に基づいて、照射する紫外線強度を適正に調整する方法が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２を参照）。
特開２０００−１８５２８０号公報特開２００４−２４９２０７号公報水道協会雑誌（２００４年６月）第７３巻第６号第６０頁

前述した紫外線強度の制御（調整）方法では、処理対象水の濁質濃度が非常に低いが、処理対象水中の溶存性の物質で、紫外線透過率に影響を及ぼす物質が存在する場合や、流入水量が少なすぎると、紫外線強度の調整範囲外となり、適正な紫外線照射が行なうことができないことがある。

特に、浄水処理における紫外線消毒の工程は、砂ろ過工程の後に置かれることが多く、処理対象水には濁質成分は殆ど残留していない。また、砂ろ過池が複数ある場合には、砂ろ過池の洗浄工程が入ると、砂ろ過処理水に変動が生じて、紫外線消毒装置への流入水量が大きく変動する場合がある。

従って、実用的な紫外線消毒においては、紫外線消毒装置への流入水量の変動、または処理水の溶存成分による紫外線透過率の低下に応じて、適切な紫外線照射量の制御を行なう紫外線消毒装置を実現することが重要な課題である。

本発明の目的は、処理対象水の流入水量の変動または紫外線透過率の低下に応じて適正な紫外線強度を確保し、適切な紫外線照射量の制御を実現できる紫外線消毒装置を提供することにある。

本発明の観点に従った紫外線消毒装置は、紫外線を照射して処理水の消毒を行う紫外線消毒装置において、複数の紫外線発光源と、処理対象水の流入量を検出する手段と、前記処理対象水においてフルボ様有機物の蛍光強度を標準とした相対蛍光強度を測定する手段と、前記処理対象水の流入量及び前記相対蛍光強度に基づいて、前記処理対象水の消毒に適正な紫外線強度を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された紫外線強度に基づいて、前記各紫外線発光源の点灯または消灯の制御を含み、前記各紫外線発光源による紫外線強度を調整する制御手段とを備えた構成である。

本発明によれば、処理対象水の流入水量の変動または紫外線透過率の低下に応じて適正な紫外線強度を確保し、適切な紫外線照射量の制御を実現できる紫外線消毒装置を提供できる。このような紫外線消毒装置であれば、結果として適正な紫外線強度を確保できるため、紫外線消毒装置の消費電力の省力化や、紫外線発光源である紫外線ランプなどの寿命を相対的に長くすることが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に関する紫外線消毒装置の構成を説明するためのブロック図である。

紫外線消毒装置は、紫外線モジュール１０と、紫外線モジュール制御システム（以下、コントローラと表記する場合がある）１３と、紫外線ランプ電源装置（以下単に電源装置と表記する場合がある）１４とを有する。

紫外線モジュール１０は、縦型でサイクロン方式（後述する）を併用し、固体と液体とを分離する固液分離機能を有する構造であり、処理対象水（原水）１が紫外線と効率良く接触するように構成されている。紫外線モジュール１０は、処理対象水１を内部に流入するための流入部１１と、紫外線消毒後の処理水２を外部に流出するための流出部１２を有する。

コントローラ１３は、紫外線透過率及び流入水量に基づいて、紫外線モジュール１０から適正な紫外線強度の紫外線照射を行なうための制御を実行する。具体的には、コントローラ１３は、紫外線モジュール１０に紫外線ランプの電源を供給する電源装置１４に対して、適正な紫外線強度を得るように指令を出力する。

コントローラ１３は、紫外線透過率計１５により測定される紫外線透過率を取得し、流量計１６から流入水量を取得する。紫外線透過率計１５は、流入水である処理対象水１の紫外線透過率を計測する。なお、紫外線透過率計１５の代わりに、紫外線吸光度計を使用してもよい。紫外線吸光度計は、処理対象水１の紫外線吸光度を計測する。また、紫外線透過率計１５の代わりに、蛍光分析計を使用してもよい。蛍光分析計は、紫外線透過率または紫外線吸光度を代替する蛍光強度を計測できる。

また、コントローラ１３は、紫外線モジュール１０の紫外線強度を測定する紫外線強度計１７からの出力値を取得する。コントローラ１３は、紫外線強度から紫外線ランプの強度（照度）を計測できる。

ここで、図４を参照して、サイクロン方式の紫外線モジュール１０の構造を説明する。

紫外線モジュール１０は、例えば円筒形の側面部２１を有する容器２０からなる。容器２０の外壁には、処理対象水の入口管２２（流入部１１）と、処理水の出口管２３（流出部１２）とが設けられている。入口管２２と出口管２３とは、それぞれの中心軸をずらして容器２０に接続されている。

容器２０の内側には、複数の紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆからなる紫外線発光源３０が設置されている。紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆは、側面部２１の中心軸と平行に設置される。石英管の内部は、ほぼ真空状態であり、水銀蒸気のみが存在する。このような状態の石英管の両電極間を高電圧放電させると、電子が水銀蒸気を励起させて紫外線を発するようになる。紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆには、処理対象水が直接接触しないようにするために保護管により包まれている。この保護管は、例えば石英ガラスにより形成されている。

このような紫外線モジュール１０において、処理対象水が入口管２２を通り、容器２０内に流入する。入口管２２は容器２０の内周の接線方向に沿って形成されているので、容器２０内に流入する処理対象水は、図４に示すように、旋回するようになる。このとき、処理対象水は、側面部２１の内壁側の流速が早くなるような旋回流となる。この際、紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆから、処理対象水に対して紫外線が照射される。

このようなサイクロン方式の構造であれば、処理対象水を流入させた場合、当該処理対象水を容器２０内で旋回させることができる。従って、処理対象水を、紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆに対して有効に接触させながら流すことができるため、処理対象水の全体に対して紫外線を均一に照射することが可能となり、紫外線の照射効率を高くすることができる。換言すれば、旋回流を生じさせるので、紫外線を無駄なく処理対象水全体に照射することができる。なお、紫外線としては、波長が例えば２５４ｎｍ近傍の紫外線を利用することにより、殺菌線として働き、処理対象水中の耐塩素微生物のクリプトスポリジウムや、他の微生物、大腸菌等の菌類、ウィルス、藻類等を不活化する。

以下、図１を参照して、本実施形態の紫外線消毒装置を使用した浄水プロセスの概略を説明する。

処理対象水（原水）１は、流水路３を経由して、流入部１１から紫外線モジュール１０の内部に流入する。紫外線モジュール１０の内部では、処理対象水１が旋回流を起こしながら、紫外線ランプ（図４に示す３０）と均一に接触しながら、紫外線が照射される。そして、紫外線消毒された処理水２は、中央にある流出部１２から外部に流出する。この紫外線消毒された処理水２は、塩混和槽４及び配水槽５を経由して別の施設に送られる。

ここで、紫外線モジュール１０は、万が一、内部の紫外線ランプが破損した場合、内部の水銀、或いはガラス片をサイクロン方式により回収し、処理水と分離除去する前述の固液分離機能を有している。

次に、本実施形態の紫外線消毒装置に関する原理を、図２、図３、図５から図８を参照して説明する。

本実施形態の紫外線消毒装置は、前述したように、処理対象水１に紫外線を照射し、消毒済みの処理水２を得るものである。本実施形態のサイクロン方式の紫外線消毒装置は、例えばインライン型紫外線消毒装置に含まれるものであり、紫外線モジュール１０を配管の途中に設置して使用するものである。

紫外線モジュール１０の内部には、図２に示すように、複数の紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆからなる紫外線発光源３０が設けられている。処理対象水１は、各紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆの隙間を旋回して流れることにより、紫外線照射を受けて消毒される。

ここで、図１に示すような浄水プロセスにおいて、紫外線消毒装置は、例えば、処理対象水１に含まれる耐塩素性病原菌クリプトスポリジウムなどを消毒処理する。一般的に、処理対象水１は、浄水プロセスにおける砂ろ過工程の処理水である。

コントローラ１３は、紫外線モジュール１０に処理対象水１が流入する前に、流量計１６により測定された流入水量を取得する。同様に、コントローラ１３は、流入する前に、水質計器１５０により測定された蛍光強度を取得する。ここで、図１では、紫外線透過率計１５を使用した場合を説明したが、これに代わり、水質計器１５０を使用する場合について説明する。また、コントローラ１３は、紫外線強度計１７から紫外線モジュール１０の紫外線ランプによる紫外線強度を取得する。紫外線強度計１７は、複数箇所に設置されている場合が多い。

ここで、水質計器１５０は、波長３３０〜３６０nmの間の光を励起光として用い、波長４１０〜４４０nmの間にある光を蛍光として受光し、その強度を蛍光強度として出力する。この蛍光強度は、キニーネ硫酸塩二水和物の０．１Ｎの硫酸溶液の５０ppbを１００とした相対蛍光強度として表現される。

コントローラ１３は、流量計１６からの流入水量及び水質計器１５０からの蛍光強度に基づいて、処理対象水１の流入水変動に応じた適正な紫外線強度を得るように、電源装置１４に指令を出力する。電源装置１４は、コントローラ１３からの指令に応じて、紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆの点灯と消灯の制御を含む電力供給制御を実行する。

相対蛍光強度は、フルボ様有機物の蛍光強度を測定した測定結果に基づいて、紫外線の波長２６０nmの紫外線（ＵＶ）吸光度（Ｅ２６０と表記する場合がある）と強い相関関係にある。具体的には、相対蛍光強度と紫外線吸光度は、図３に示すような相関特性を示す。

このような相関関係から、水質計器１５０からの蛍光強度から紫外線吸光度、換言すれば紫外線透過率（例えば波長２５４nm）を測定することができる。紫外線透過率は、浄水プロセスでの砂ろ過水レベルの水になると、９０％以上と高いため、実際の計器の精度上の問題から直接的に計測するのは困難である。そこで、本実施形態では、感度の高い相対蛍光強度を用いることで、紫外線透過率を間接的に測定している。即ち、紫外線消毒装置の消毒性能に関わる流入水中の紫外線透過を妨げる要因を計測できることになる。

コントローラ１３は、流入水量と相対蛍光強度とに基づいて、紫外線モジュール１０に流入される処理対象水１に対して、消毒に有効となる適正な紫外線強度を演算する。この演算結果に従って、コントローラ１３は、紫外線モジュール１０において適正な紫外線強度を得るように電源装置１４に指令を出力する。電源装置１４は、紫外線モジュール１０での各紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆの強度を許容範囲内で変更することにより、紫外線強度を調整することになる。

但し、紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆの強度調整は、定格の強度を１００％とした場合に、通常では、５０％程度の制御しか対応できない。従って、コントローラ１３は、紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆの強度調整で対応できない範囲の場合には、選択した紫外線ランプを消灯させる指令を電源装置１４に出力する。この場合、後述するように、コントローラ１３は、紫外線モジュール１０の内部構造と、処理対象水１の旋回流れ状況に従って、消灯させる紫外線ランプを選択する。

以上要するに、本実施形態の紫外線消毒装置は、処理対象水１の流入変動に応じて適切な紫外線強度を確保し、結果として紫外線照射に要する消費電力の省力化や、紫外線ランプの延命化を実現することができる。

更に、図５から図８を参照して、本実施形態のサイクロン方式の紫外線消毒装置におけるコントローラの制御方法を具体的に説明する。

ここでは、処理対象水１の流量が１，５００ｍ^３／日の規模のサイクロン式紫外線消毒装置を想定する。サイクロン式は、前述したように、旋回流により紫外線ランプ３０Ａ〜３０Ｆと処理対象水１との接触効率を高めると同時に、その旋回流を利用したサイクロンの原理により、固液分離機能を実現した構造である。これにより、高い消毒効果を維持し、万が一、紫外線ランプが破損した場合のランプガラス片やランプ内部の水銀などを除去できる安全性の高い紫外線消毒装置を実現できる。

図５は、サイクロン式紫外線モジュール１０の外観を示す図である。

図５に示すように、上部に設けられた流入管１１より、１，５００ｍ^３／日の処理対象水１が紫外線モジュール１０内に流入する。紫外線モジュール１０内には、例えば５０Ｗの複数本の紫外線ランプが縦に配置されている。処理対象水１は、内部を旋回流により上部から下部へ流れる。この場合、下部である凸の逆円錐型の部分で、サイクロン原理により固液分離がなされて、固形分は下部に集積する。処理対象水１は、内部中央から上部の流出管１２から外部に流出していく。

紫外線による病原菌の消毒・殺菌・不活化は、処理対象水１が内部を通過する間に受ける紫外線の照射量（＝照度（mW/cm2）×照射時間（s））に依存する。内部への流入水量が少なくなると、内部での滞留時間が長くなるため、必要な紫外線ランプの照度は小さくて良い。即ち、紫外線ランプの発光を弱くするか、点灯させる紫外線ランプを減らしても良い。その指標は、紫外線モジュール１０への流入量または流出量の計測値を利用する。

ところで、紫外線が水中を透過する際、処理対象水１の濁質や、溶解性の物質で紫外線を吸収する物質が存在すると、病原菌の消毒・殺菌・不活化の阻害要因となる。阻害要因の指標としては、流入水の濁度、紫外線吸光度（Ｅ２６０）、及び当該Ｅ２６０と強い相関関係にある相対蛍光強度（励起光345nm、蛍光425nm）などが利用できる。また、紫外線モジュール１０内で、紫外線ランプから離れた位置で計測する紫外線照度の値で、阻害要因を含めた実際の照度を捉えて指標にすることができる。

次に、コントローラ１３の制御内容である紫外線ランプの照度調整、あるいは点灯または消灯させる紫外線ランプの本数の決定について説明する。

この決定は、照度分布解析と流動解析の結果に基づいて行なわれる。照度分布解析ではランバートベールの法則を用いて、図６に示すように、紫外線ランプ３０の表面の紫外線（ＵＶ）照度を算出する。さらに、図７に示すように、紫外線ランプ３０から垂直方向に離れた場所での減衰を考慮したＵＶ照度を算出する。この照度分布解析の結果により、紫外線モジュール１０の内部のどの点を通ると、処理対象水１がどの程度の紫外線を照射されるのかを把握することができる。

次に、流動解析により、流入水量を条件として与え、紫外線モジュール１０内の流速分布を求め、照度分布解析結果から紫外線照射量分布を算出する。この流動解析演算には、例えば、有限体積法を用いた定常解析を用い、乱流モデルとしてはk-εモデルを使用する。これにより、流入水量に応じた必要な紫外線照度を算出する。図８に、流入水量に応じた点灯する紫外線ランプの本数を示す。図８に示すように、病原菌の消毒・殺菌・不活化に必要な最低照射量と紫外線阻害要因の影響毎に、点灯する紫外線ランプを決定する。

また、紫外線ランプの点灯、消灯で制御せずに、ランプ照度を調整する方法の場合には、流入量に応じて必要となる紫外線ランプ1本当たりの照度を、前述の照度分布解析と流動解析により予め求めておく。そして、紫外線モジュール１０内で、紫外線ランプから離れた位置で計測する紫外線照度を指標として、紫外線照度を調整する。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に関する図であり、コントローラ１３の制御方法の具体例を示す。なお、紫外線消毒装置の構成及び作用は、図１及び図２を参照して説明した第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

浄水プロセスでは、図９に示すように、処理対象水の取水、着水、凝集沈殿、砂ろ過などのプロセスを経て、本実施形態の紫外線消毒の処理プロセスに移行する。このような浄水プロセスにおいて、需要変化に応じて取水流量を変化させることが行なわれている。従って、紫外線消毒装置に対する処理対象水の流入量も、浄水プロセスの取水流量に応じて変化する。この場合、取水流量を、日々の取水計画により事前に把握することができる。

本実施形態のコントローラ１３は、事前に把握した紫外線消毒装置への処理対象水の流入水量から、紫外線ランプを消灯から点灯させる時、ウォーミングアップの時間分早めに点灯するように制御する。即ち、紫外線ランプの中には、点灯してから安定に紫外線を照射するまでの時間を要するランプがある。

本実施形態の制御方法であれば、ウォーミングアップの時間分早めに点灯するように制御するため、取水流量の多い時間帯には、短時間で効果的な紫外線の強度を確保することができる。一方、取水流量の少ない時間帯には、通常の時間で紫外線ランプを点灯させる制御により、消費電力を相対的に節約することができ、かつ紫外線ランプの使用時間を削減して寿命を延ばすことができる。即ち、取水流量の変動に応じて、紫外線ランプの点灯時間を制御することにより、適切な紫外線照射、消費電力の省力化、紫外線ランプの延命化を実現することができる。

［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に関する図である。同図（Ａ）は側面図であり、同図（Ｂ）は正面図である。なお、紫外線消毒装置の他の構成及び作用は、図１及び図２を参照して説明した第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態の紫外線照射装置は、図１に示す縦型の紫外線モジュール１０に対して、横型の旋回流を利用する紫外線モジュール１０である。この紫外線モジュール１０では、処理対象水の流入部１１と、流出部１２とが並列に設けられている。このような横型の紫外線モジュール１０であっても、処理対象水１と紫外線ランプ３０とは効率良く接触し、処理対象水１に対して均一に紫外線を照射することができる。

［第４の実施形態］
図１１は、第４の実施形態に関する図である。本実施形態の紫外線消毒装置は、図２に示す第１の実施形態の装置に対して、水質計器１５及び流量計１６が、消毒された処理水２の流出部１２に設けられた構成である。

コントローラ１３は、紫外線モジュール１０に処理対象水１が流入した後に、流量計１６により測定された流出水量を取得する。同様に、コントローラ１３は、水質計器１５０により測定された流出される処理水２の蛍光強度を取得する。このような構成においても、紫外線消毒装置の作用効果は、基本的に前述の第１の本実施形態の場合と同様であるため、説明を省略する。

なお、各実施形態において、紫外線モジュール１０の旋回流の構造によっては、流入される処理対象水と紫外線ランプとの接触効率は、紫外線ランプ毎に異なる場合が生じる。この場合は、処理対象水の流れ解析を行うことで、どの紫外線ランプが消灯すると、全体の照射量がどの程度下がるか事前に把握しておく必要がある。これにより、消灯させるべき紫外線ランプを特定することが望ましい運用に繋がる。

また、本発明は、インラインタイプの紫外線消毒装置に限るものではなく、開水路型の紫外線消毒装置にも適用可能である。また、紫外線ランプは市販の２５４nmの紫外線を発光する低圧水銀ランプでも構わない。さらに、高出力低圧水銀ランプや中圧水銀ランプなどを、紫外線発光源３０として使用してもよい。また、紫外線モジュールとしては、サイクロン方式以外でもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する紫外線消毒装置の構成を説明するためのブロック図。本実施形態に関する紫外線消毒装置の原理を説明するための図。本実施形態に関する相対蛍光強度と紫外線吸光度の相関特性を示す図。本実施形態に関するサイクロン方式の構造を説明するための図。本実施形態に関するサイクロン式紫外線モジュールの外観を示す図。本実施形態に関する照度分布解析を説明するための図。本実施形態に関する照度分布解析を説明するための図。本実施形態に関する流入水量に応じた点灯する紫外線ランプの本数を決定するための具体例を示す図。第２の実施形態に関する紫外線消毒装置の制御方法を説明するための図。第３の実施形態に関する紫外線モジュールの構造を説明するための図。第４の実施形態に関する紫外線消毒装置の構成を説明するための図。

符号の説明

１…処理対象水、２…処理水、１０…紫外線モジュール、
１１…流入部、１２…流出部、
１３…紫外線モジュール制御システム（コントローラ）、
１４…紫外線ランプ電源装置（電源装置）、１５…紫外線透過率計、１６…流量計、
１７…紫外線強度計、３０…紫外線発光源、３０Ａ〜３０Ｆ…紫外線ランプ、
１５０…水質計器。

Claims

紫外線を照射して処理水の消毒を行う紫外線消毒装置において、
複数の紫外線発光源と、
処理対象水の流入量を検出する手段と、
前記処理対象水においてフルボ様有機物の蛍光強度を標準とした相対蛍光強度を測定する手段と、
前記処理対象水の流入量及び前記相対蛍光強度に基づいて、前記処理対象水の消毒に適正な紫外線強度を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された紫外線強度に基づいて、前記各紫外線発光源の点灯または消灯の制御を含み、前記各紫外線発光源による紫外線強度を調整する制御手段と
を具備したことを特徴とする紫外線消毒装置。
流入した前記処理対象水を旋回流させて、前記各紫外線発光源と接触する構造と、
固体と液体とを分離する構造と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の紫外線消毒装置。