JP4972400B2 - 紫外線水殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、精製工程用および飲料水処理工程用の殺菌を目的とする水処理の分野に関する。

より正確には、本発明は、開水路における紫外線による水の殺菌に関する。

この技術では、殺菌すべき水が開水路の上部を通過し、その開水路の内部には１または数個のランプバンクが配置されていて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍ（通常２５４ｎｍ）の紫外線を照射し、これらのバンクは互いに平行な垂直モジュールとして編成され、各モジュールは水路内の殺菌すべき水の流れ方向に配置された石英クラッドによって保護されている１または数垂直列のＵＶランプから構成される。

これらのＵＶランプバンクは、水路を通過する水に全てのランプが沈むような形で、水路内に配置される。各モジュールは、ＵＶ光線透過性クラッド内にランプを保持する支持具を設けた梁により、しかるべき位置に保持される。ランプは通常、その長手方向軸が水路内の水流の方向に対して基本的に平行になるように配置される。したがって、水殺菌水路には、水路内に順々に配置される数個のランプバンクが備え付けられる。

開水路におけるこの紫外線殺菌技術は約２０年前から存在する。ＵＶランプの出力は、この技術が発展するにつれて、特に低圧ＵＶランプの技術により、増加してきたことから、各ランプバンクは、ますます大量の水を処理することができるようになっている。

この技術の短所の１つは、水が水路を通過する際に、水がランプバンクと接触する位置で、水頭損失が起こるという事実にある。ＵＶランプの技術が改良されたため、この水頭損失は、このタイプの技術の全体的効率を制限する因子になっている。

水がＵＶ殺菌水路を通過する際に水に観察されるこの水頭損失を減少させるため、これまでに２つのタイプの解決策が提案されている。

第１の解決策は、ＵＶランプの支持具を、水流が改善されるような形状にすることからなった。

もう一つの解決策は、ランプを保護する石英クラッド内部の支持具上に、ランプ取り付け手段を組み込むと同時に、連結具の流体抵抗が低くなるように連結具を設計すること、およびこれらの手段を超軽量構造の支持具と組み合わせることからなった。

これらの解決策には、それらが比較的高価であるという短所がある。

さらにこれらは、ランプを最適な距離にすることができず、それが各バンクの全体的効率を損ないうる。

反応器の全体的効率にとってランプの間隔は本質的に重要である。

特に、汚水を処理している場合は、紫外線の透過性が低い。実際問題として、このタイプの廃液は高い濃度を有するので、この透過性は水流の厚さ１ｃｍで５０％低下しうる。そのため、ＵＶ透過性が低い水の場合は特に、ＵＶ反応器ランプ間の距離が短いほど、それらの効率が向上する。しかし、これらＵＶランプ間の距離が減少するにつれて、水を通すことができるバンク内部の利用可能な空間が小さくなり、したがって圧力損失が高くなる。

数センチメートルの水頭損失は、数個のバンクから構成されるＵＶ設備の全体的効率に対して、破滅的な結果を持ちうる。実際問題として、この圧力損失が高くなりすぎると、第１バンクでの水位が上昇し、その結果、処理の不十分な細菌がその表面に凝集するということが起こりうる。

それと同時に、水流方向に沿った次のバンク内の上部ランプは、必ずしも冠水した状態ではなくなるかもしれない。しかしランプを沈めないことは極めて有害でありうる。なぜなら、それはランプの過熱を引き起こし、ランプの寿命をかなり縮めるからである。

したがってこの水頭損失の問題はとりわけ重要であると理解することができる。

本発明の目的の一つは、開水路におけるＵＶ線による従来の水殺菌設備で観察されるこの水頭損失の問題をある程度解決することができる簡潔な解決策を提示することである。

特に、本発明の目的の一つは、石英クラッドで保護された数個のＵＶランプを垂直列状に重ねることによって上述のように形成された殺菌モジュールの設計に、基本的な変更を加える必要がないような技術的解決策を提案することである。

これらの目的は、殺菌すべき水が方向Ｄに沿って流れる、紫外線による水殺菌設備内の開水路中に装備されるように設計された、紫外線による水殺菌装置に関する本発明によって達成され、前記装置は、前記方向Ｄに沿って長手方向に配置された複数のＵＶランプ形成手段と、互いに平行に配置された複数の垂直モジュールとを含み、前記複数のＵＶランプ形成手段は、それぞれが１つのＵＶランプと、ＵＶ光線透過材料で作られた保護クラッドと、これらの連結具とを含み、かつ前記複数のＵＶランプ形成手段は、前記複数の垂直モジュールに分配されており、前記複数の垂直モジュールの各モジュールは、上下に設置された少なくとも１列の前記ＵＶランプ形成手段を保持する上流側および下流側の２つの垂直支持形成手段と、この２つの垂直支持形成手段を下方に固定する梁とから構成されている水殺菌装置であって、前記上流側の垂直支持形成手段が前記方向Ｄに対して基本的に垂直なｎ個の平面内に配備され、ｎが１より大きいことを特徴とする。

本発明に関して、「上流」および「下流」という用語は、設備水路内の方向Ｄに沿った水流に対して定義されることに注意されたい。

上流支持手段は、対応するオフセットをランプ形成手段には伴わずに、オフセットさせることもできるだろうが、これらランプ形成手段の上流末端も、好ましくは、ｐ個の平面内に設置され、ｐはｎ以上である。

したがって本発明によれば、上流支持形成手段は、その全てが、水路内の水流方向に対して垂直な同じ平面内に存在するわけではない。それゆえに、この水は全ての上流支持手段と、したがって全てのランプ形成手段と、同時に出会うわけではなく、まずそれらの一部と出会い、次にそれらの少なくとも他の一部と出会う。したがって、水が殺菌装置と接触する時にその水に観察される水頭損失は、著しく減少する。

ランプ用上流支持形成手段のレイアウトは、これらの上流支持具が単一の平面ではなく数個の平面内に設けられるようなレイアウトであれば、全て本発明に包含されること、したがって、平面の数ｎは２もしくは３またはそれ以上でありうるということが注目されるだろう。

したがって本発明によれば、上流支持形成手段は互いにオフセットされる。これにより、水が殺菌装置を構成するモジュールと接触する時に、その水の減速を抑制することができる。

さらに、装置のランプ形成手段の上流支持形成手段を本発明に従って互いにオフセットさせる場合、ランプ形成手段に含まれるランプの上流末端は、好ましくは、単一の上流平面内に配置され、下流末端は単一の下流平面内に配置されることに注意されたい。したがって、異なるランプからの放射線が混ざり合う領域によって形成されるこれらランプ形成手段の有効領域は、減少しない。そのような特徴の一つによれば、ランプ形成手段にとって、ランプを保護する、紫外線透過材料で作られたクラッドは、従来技術によるものよりも長くする必要があるが、ランプそのものは同じ長さのままである。

上述のように、上流支持形成手段が配置される平面の数ｎは、２もしくは３またはそれ以上であってよいだろう。同様に、ランプ形成手段の末端が配置される平面の数ｐも、２もしくは３またはそれ以上であってよいだろう。しかし、好ましい一形式によれば、平面の数ｎは２であり、平面の数ｐも２であるだろう。

これら２つのオフセットされた平面は、その実施形態に応じて、異なる距離を有することもできるだろう。しかし、好ましい一形式によれば、この距離δは約５〜約３０ｃｍであるだろう。

また、本発明の上流支持形成手段が少なくとも２つの異なる平面内に設置される場合に、下流支持形成手段は単一の平面内または異なる平面内に配置されうることにも、注意されたい。しかし、好ましい実施形態によれば、上流支持形成手段をｎ個の平面内に設けた場合は、下流支持形成手段もｎ個の平面内に設ける。

先行技術を使って得ることができる水流と比較して、本発明では、殺菌装置内に、より良い水流が得られる。このより良い水流のおかげで、ランプ形成手段間の距離を小さくしても、同等に効率的な殺菌を達成することができる。実際問題として、異なるランプ形成手段の軸間の中心間距離は、約６〜１５ｃｍであってよいだろう。

それと同時に、ランプ形成手段に大直径保護クラッドを設けて、それらの間を通過する水流が少なくなるようにすることもできるだろう。実際問題として、本発明によれば、これらクラッドの直径は、約２〜６ｃｍであってよいだろう。

異なるモジュール中の梁は、異なる平面内にある上流末端と、異なる平面内にある下流末端とを持ちうるが、これらの梁は、好ましくは、水路内の水流方向に対して横方向の同じ平面内に設けられた上流末端と、水路内の水流方向に対して横方向の同じ平面内に設けられた下流末端とを有するだろう。

また本発明は、殺菌すべき水が方向Ｄに沿って流れる開水路を含む、紫外線による水殺菌設備であって、上述したような装置を少なくとも１つは含むことを特徴とする任意の設備も包含する。

本発明と、本発明が有する様々な利点は、図面を参照して以下に記載する本発明の非限定的実施形態の説明を読めば、より容易に理解できるだろう。

図１を参照すると、水殺菌設備は、上部が開いているコンクリート水路１（または他の任意の材料、例えばステンレス鋼などで作られた水路）を含み、その中を殺菌すべき水が流れる。

本発明の水殺菌装置は、水路１内に、この水路を流れる水を殺菌するために装備される。

本発明の目的のために、この装置２は、互いに平行に配置された６個の殺菌モジュール３の集合体から構成される。この殺菌モジュールの集合体を当業者は慣習的に「バンク」という用語で呼んでいる。

各モジュールは、支持具５（１つの梁につき２つの支持具）が連結される梁４から構成され、２垂直列のランプ形成手段６を伴っている。

この非限定的実施形態例の場合、ランプの長さは約１５０ｃｍであり、その出力は１３０ＷＵＶＣ（ワットＵＶＣ。ここにＵＶＣは２００〜３００ｎｍの波長を有するＵＶである）である。

ランプ形成手段の中心間距離は９ｃｍであり、ランプを保護するクラッドの直径は３．５ｃｍである。

図１に下流横断面として示す設備を、図２および図３に縦断面として表す。矢印Ｄはこれらの図における水路内の水流方向を定めている。

図２は図１の平面ＡＡ’に沿った設備の断面図であり、図３は図１の平面ＢＢ’に沿った設備の断面図である。

図２および図３はモジュール３の側面図であり、このモジュールは、ＵＶランプ形成手段６を保持する２つの垂直支持具５（すなわち５、５’）に連結された水平な梁４を含む。従来技術に従って、これらのＵＶランプ形成手段６は、それぞれ、紫外線透過材料（この例では石英）で作られたクラッド６ｂで保護された、紫外線を放射するランプ６ａと、ランプの一端にある連結具（わかりやすくするために図には示していない）とから構成される。

従来どおり、各モジュール３は、梁４上およびそのモジュールのランプ形成手段６上にランプ６ａの長さに相当する移動距離に沿って摺動装備された掻き取り手段７も含む。このタイプの掻き取り手段７は、ランプ形成手段６のクラッドを清掃して、これらのクラッドが包含するランプから放射されるＵＶ線の拡散を減少させるうる不純物を除去するために、定期的に使用することができる。

本発明によれば、図２に示すモジュールの上流支持形成手段５は、図３に表すモジュールの上流支持形成手段を包含する平面Ｎ’とは異なる平面Ｎ内に設けられる。その結果、図２に示すモジュールのランプ形成手段６の上流末端は、図３に示すモジュール中のランプ形成手段６の上流末端が設置される平面Ｐ’とは異なる平面Ｐ内にある。

この実施形態に関して言えば、平面ＮおよびＮ’間の距離δは１５ｃｍである。

バンク２を形成する異なるモジュールの上流支持形成手段５は、平面Ｎ内および平面Ｎ’内に交互に設けられる。

図１を参照してさらに正確に述べると、ランプの垂直列３ａ、３ｂ、３ｅ、３ｆ、３ｉ、３ｊは、平面Ｎ内に設けられた上流支持形成手段を示し、一方、ランプの垂直列３ｃ、３ｄ、３ｇ、３ｈ、３ｋおよび３ｌは、平面Ｎ’内に設けられた上流支持形成手段を示す。

このようにして、水路を通過する水における水頭損失は、上流支持形成手段の位置が互いにオフセットされているせいで、少なくなっている。

上流支持形成手段５’も、オフセットされた平面Ｎ１およびＮ１’内に設けられる。

全てのランプ形成手段６が全てのモジュール内で同じ長さであることに注意されたい。その結果として、それらの下流末端も、図２および図３からわかるように、互いにオフセットされた平面Ｐ１およびＰ１’内に設置される。

しかし、ランプ形成手段６の効率を最適化するために、全てのランプ６ａは同じ長さであり、全てがその全長にわたって互いに平行である。したがって、それらの上流末端は同じ平面Ｐ２内にあり、下流末端は同じ平面Ｐ２’内にある。その結果、ランプ形成手段６は非対称構造を有することになる。というのも、ランプの末端とそれらを保護する石英クラッドの末端の間の距離は、上流末端と下流末端とで同じではないからである。

図２、図３および図４からわかるように、異なるランプモジュール６の梁４の上流末端および下流末端は、同じ平面Ｐ３およびＰ３’内にある。

上述の設備を使って水を殺菌した。

図１〜４に示す設備と全く同じ出力の非オフセットランプ形成手段を有する従来技術による設備を、同じ水で試験した。

モジュールの下流側でのある基準に対する水面の高さｈ２を、モジュールの上流側での同じ基準に対する水面の高さｈ１から差し引くことによって、本発明による設備および従来技術による設備で観察される水頭損失（ＰｄＣ）を測定した（ＰｄＣ＝ｈ１−ｈ２）。これらの測定は、どちらの場合も（本発明の場合も先行技術の場合も）、設備への一定入力水流量（１７２．５ｍ³／時および１８０ｍ³／時）を使って行ない、次に可変流量を使って行なった。各装置に付き数回の測定を異なる時間に行なった。

結果を以下の表１〜６に示す。

表１は、先行技術による設備（言い換えると支持形成手段にオフセットを一切伴わない設備）を使って、１７２．５ｍ³／時の一定流量で得られた結果に関する。

９回行なった読取りから平均して、観察された水頭損失は２．３９ｃｍ±０．２８ｃｍである。

表２は、本発明による設備（言い換えると支持形成手段のオフセットを示す設備）を使って、やはり１７２．５ｍ³／時の一定流量で得られた結果に関する。

８回行なった読取りから平均して、観察された水頭損失は１．６２ｃｍ±０．３０ｃｍであり、これは先行技術での値より４７％良い。

本発明による設備を１８０ｍ³／時の水流でも試験した。観察された水頭損失結果を下記表３に示す。

７回行なった読取りから平均して、観察された水頭損失は１．１６ｃｍ±０．１１ｃｍである。

先行技術による設備および本発明による設備を可変入力流量Ｑでも試験した。

表４および表５に、可変入力流量を使って、それぞれ先行技術による設備（オフセットされていないモジュール）および本発明による設備（オフセットされたモジュール）で観察された水頭損失を示す。これらの試験中は、設備の下流側での水位を変動させた。

表４および表５のデータを図５のグラフに示す。これらのデータの多項式補間を行なったところ、本発明の利点が曲線の形で明示される。本発明の応用時に収集したデータの曲線表示は、先行技術による設備を使って収集されたデータの曲線表示よりも、明らかに下にあり、水頭損失の有意な減少を示す。

表６および表７に、可変入力流量を使って、それぞれ先行技術による設備（オフセットされていないモジュール）および本発明による設備（オフセットされたモジュール）で観察された水頭損失を示す。これらの試験中は、設備の下流側での水位をほぼ一定に保った。

表６および表７のデータを図６のグラフに示す。これらのデータの多項式補間を行なったところ、ここでも本発明によってもたらされる利点が示される。

最後に、本発明は、又、微生物が受ける線量の分布をさらに一層均一にすることにより、設備の殺菌効率を向上させていることに注目されるだろう。

ある設備の、本発明に係る殺菌装置の位置での横断面図である。 図１に記載する設備のＡＡ’縦断面図である。 図１に記載する設備のＢＢ’縦断面図である。 図１に示す設備の平面図である。 先行技術に係る設備および図１〜４による設備で観察される水頭損失のグラフである。 先行技術に係る設備および図１〜４による設備で観察される水頭損失のグラフである。

Claims (11)

1. 殺菌すべき水が方向Ｄに沿って流れる、紫外線による水殺菌設備内の開水路（１）中に装備されるように設計された、紫外線による水殺菌装置であって、
   前記装置は、前記方向Ｄに沿って長手方向に配置された複数のＵＶランプ形成手段（６）と、互いに平行に配置された複数の垂直モジュール（３）とを含み、
   前記複数のＵＶランプ形成手段（６）は、それぞれが１つのＵＶランプ（６ａ）と、ＵＶ光線透過材料で作られた保護クラッド（６ｂ）と、これらの連結具とを含み、かつ前記複数のＵＶランプ形成手段（６）は、前記複数の垂直モジュール（３）に分配されており、
   前記複数の垂直モジュールの各モジュールは、上下に設置された少なくとも１列の前記ＵＶランプ形成手段（６）を保持する上流側および下流側の２つの垂直支持形成手段（５、５’）と、この２つの垂直支持形成手段（５、５’）を下方に固定する梁（４）とから構成されている、水殺菌装置において、
   前記上流側の垂直支持形成手段（５’）が、前記方向Ｄに対して垂直なｎ個の独立した平面（Ｎ、Ｎ’、Ｎ’’など）内に配備され、ｎが１より大きいことを特徴とする水殺菌装置。
2. 前記ＵＶランプ形成手段（６）の上流末端が、前記方向Ｄに対して垂直なｐ個の独立した平面（Ｐ、Ｐ’）内に設置され、ｐがｎ以上である、請求項１に記載の紫外線による水殺菌装置。
3. 前記ＵＶランプ形成手段（６）の全てのＵＶランプ（６ａ）が、単一の上流平面（Ｐ２）内に設置された上流末端と、単一の下流平面（Ｐ２’）内に設置された下流末端とを有する、請求項１または２に記載の紫外線による水殺菌装置。
4. ｎおよびｐが２である、請求項２又は３に記載の紫外線による水殺菌装置。
5. 前記方向Ｄに対して垂直な２つの平面（Ｎ、Ｎ’）が、互いに５ｃｍ〜３０ｃｍの距離だけ離れている、請求項４に記載の紫外線による水殺菌装置。
6. 前記ＵＶランプ形成手段（６）が全て同じ長さを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の紫外線による水殺菌装置。
7. 前記ＵＶランプ形成手段（６）の中心間距離が６〜１５ｃｍである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の紫外線による水殺菌装置。
8. 前記ＵＶランプ形成手段（６）のそれぞれが、ＵＶ光線透過材料で作られた直径２〜６ｃｍの保護クラッド（６ｂ）を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の紫外線による水殺菌装置。
9. 前記モジュールの梁（４）がいずれも同じ長さを持ち、かつ単一の上流平面（Ｐ３）内に設置された上流末端と、単一の下流平面（Ｐ３’）内に配置された下流末端とを有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の紫外線による水殺菌装置。
10. 前記下流側の垂直支持形成手段（５）が、前記方向Ｄに対して垂直なｎ個の平面（Ｎ１、Ｎ１’）内に配備され、ｎが１より大である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の紫外線による水殺菌装置。
11. 殺菌すべき水が方向Ｄに沿って流れる開水路（１）を含む紫外線による水殺菌設備であって、ＵＶランプ形成手段（６）の上流側の垂直支持形成手段（５’）が前記方向Ｄに対して垂直なｎ個の独立した平面（Ｎ、Ｎ’）内に配備され、ｎが１より大きい、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つは含む、水殺菌設備。

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