JP6157763B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電で生じたオゾンおよびラジカル等を用いて、被処理水を処理する水処理装置および水処理方法に関するものである。

これまで、上下水の処理において、オゾンまたは塩素が広く用いられてきた。しかしながら、例えば、工業廃水および再利用水等には、オゾンまたは塩素では分解されない難分解性物質が含まれることがある。特に、ダイオキシン類およびジオキサン等の除去が、大きな課題となっている。

一部では、オゾン（Ｏ₃）と過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）または紫外線とを組み合わせることで、オゾンまたは塩素よりも活性の高いヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）を被処理水中で発生させ、難分解性物質の除去を行う方法が実用化されている。しかしながら、この方法は、装置コストおよび運転コストが非常に高く、あまり普及していない。

そこで、放電で発生させたＯＨラジカルを被処理水に直接作用させることで、高効率に難分解性物質を除去する方法が提案されている。具体的には、線状の高圧電極と、この高圧電極を囲う円筒状の接地電極との間にパルス電圧を印加することで、ストリーマー放電を形成するとともに、水滴状態の被処理水を上方からストリーマー放電空間に供給することで、被処理水を処理する水処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１における水処理装置は、処理室内の気体を吸引するとともに、被処理水を水滴化する前工程で、吸引した気体を被処理水中に気泡状にして供給する気体吸引供給手段を備えている。

従って、特許文献１における水処理装置によれば、ストリーマー放電空間で発生した短寿命のＯＨラジカルを、被処理水に効率よく作用させることができる。さらに、ストリーマー放電空間で発生するオゾンを無駄なく処理対象物質の分解に用いることができる。この結果、より効率よく処理対象物質を分解処理することができる。

また、線状の高圧電極と、この高圧電極を囲う円筒状の接地電極との間にパルス電圧を印加することで、ストリーマー放電を形成するとともに、水滴状態の被処理水を上方からストリーマー放電空間に供給することで、被処理水を処理する水処理装置において、水滴落下領域に絶縁材のグリッドを複数段形成する水処理装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

この非特許文献１における水処理装置によれば、ストリーマー放電空間で発生した短寿命のＯＨラジカルを、被処理水に効率よく作用させることができる。さらに、落下する水滴がグリッドと衝突することで落下速度が失われ、ストリーマー放電空間における水滴の滞在時間を延長することができる。このため、より高い分解効率と分解速度を実現した水処理装置を得ることができる。

ＷＯ２０１０／０５５７２９

T. Sugai et.al., "Increased Efficiency for Setting Insulation Grids for Water Treatment by Pulsed Power Discharge in Air Spraying Water Droplets",IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 19, pp. 2176-83, 2012.

しかしながら、上述の先行技術には、次のような課題がある。すなわち、特許文献１に示された従来の水処理装置は、リアクター１本あたりの水処理量を増加させるためにリアクターの高さを高くすると、水滴がリアクターの下方に進むにつれて、有機物の分解効率が低下してしまう問題がある。このため、高速な水処理と高効率な水処理を両立できないという課題がある。

また、非特許文献１に示された従来の水処理装置は、水滴が落下できるよう、グリッドの目を粗くする必要がある。このため、グリッドから落下する水滴の粒径が大きくなり、ＯＨラジカル等との反応面積が小さくなる。このため、効率的な処理が行われなくなるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、難分解性物質の分解や高濃度の有機汚れの除去を、高効率かつ高速に行うことができる水処理装置および水処理方法を得ることを目的とする。

本発明に係る水処理装置は、長手方向が鉛直方向として設けられた中心電極と、中心電極と軸を同じくし、中心電極を囲うように設けられた外周電極とを備え、中心電極と外周電極との間に高電圧を印加することで、中心電極と外周電極との間の放電空間に放電を形成するとともに、放電空間の上方から放電空間内に、被処理水を水滴状または水膜状として供給することで、被処理水を処理する水処理装置であって、外周電極に接続された再水滴化部をさらに備え、再水滴化部は、放電空間内を落下する被処理水の一部をトラップ水として捕捉し、捕捉されたトラップ水と、ガス配管を介して供給される酸素を含むガスとを混合させることによって再水滴化を行い、再水滴化によって形成された水滴を放電空間に噴出するものである。

また、本発明に係る水処理方法は、長手方向が鉛直方向として設けられた中心電極と、中心電極と軸を同じくし、中心電極を囲うように設けられた外周電極とを備え、中心電極と外周電極との間に高電圧を印加することで、中心電極と外周電極との間の放電空間に放電を形成するとともに、放電空間の上方から放電空間内に、被処理水を水滴状または水膜状として供給することで、被処理水を処理する水処理装置に適用される水処理方法であって、外周電極に接続された再水滴化部において、放電空間内を落下する被処理水の一部をトラップ水として捕捉する工程と、捕捉されたトラップ水と、ガス配管を介して供給される酸素を含むガスとを混合させることによって再水滴化を行う工程と、再水滴化によって形成された水滴を放電空間に噴出する工程とを有するものである。

本発明によれば、被処理水が放電空間を通過する際に、水滴の形成と合一を繰返すことで、被処理水中の有機物濃度とオゾン等の酸化性物質濃度が均一化される。これにより、被処理水が放電空間の下方に進んでも、有機物の分解速度と分解効率が低下しない。さらに、ガスを用いて水滴を形成するため、小さな粒径の水滴が形成され、オゾン等酸化性物質との反応面積が大きくなる。この結果、難分解性物質の分解や高濃度の有機汚れの除去を、高効率かつ高速に行うことができる水処理装置および水処理方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る水処理装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る放電管の断面斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る再水滴化部の横断面図である。 本発明の実施の形態１に係る再水滴化部の縦断面図である。 本発明の実施の形態２に係る放電管の断面斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る再水滴化部の横断面図である。 本発明の実施の形態３に係る水処理装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る水処理装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る放電管の断面図である。 本発明の実施の形態５における図９に示した放電管を構成するユニット電極の断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る水処理装置を示す断面図である。水処理装置１１０は、水処理リアクター１００、被処理水タンク１、処理後水タンク２を備えて構成されている。水処理リアクター１００は、底部の水受け５０とその上部に水受け５０と気密接続された放電管６０とを備えて構成されている。

放電管６０は、長手方向が鉛直に設置された外周電極である円筒電極１０、円筒電極１０の上部と下部にそれぞれ備えられたリング形状の上部絶縁体１１と下部絶縁体１２、上部絶縁体１１および下部絶縁体１２にそれぞれ備えられ、外周から円筒電極１０の中心に向けて伸びる棒状の上部保持体１３および下部保持体１４、上部保持体１３と下部保持体１４の間に円筒電極１０と軸を同じくするように取り付けられた中心電極であるワイヤー電極１５を備えて構成されている。

円筒電極１０とワイヤー電極１５との間には空隙が存在し、この空隙が放電空間２５となっている。上部絶縁体１１と円筒電極１０と下部絶縁体１２の内部の空間は、鉛直方向に連なるように気密接続されている。上部絶縁体１１の最上部には、放電管６０を覆う天板１６が気密接続されている。また、天板１６の中心付近のワイヤー電極１５と軸を同じくする位置には、ノズル１７が鉛直下向きに取付けられている。

また、放電管６０には、長手方向に並ぶ３個の再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃが備えられている。水受け５０の上部には、吸気口２２が備えられている。また、吸気口２２には、循環配管２３が取り付けられている。さらに、循環配管２３には、ガス吸気部であるコンプレッサー２４が備えられている。

循環配管２３は、コンプレッサー２４の後段で２３ａ、２３ｂ、２３ｃの３系統に分岐されている。そして、分岐された循環配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃのそれぞれは、再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃと接続されている。

被処理水タンク１とノズル１７は、給水配管１８により接続されており、給水配管１８には、給水ポンプ１９が備えられている。

また、水受け５０の底部近傍と処理後水タンク２とは、排水配管２０により接続されている。さらに、排水配管２０には、排水ポンプ２１が備えられている。

上部絶縁体１１には導入端子２７が備えられ、高電圧電源２８とワイヤー電極１５が、導入端子２７を介して電線２９により接続されている。また、円筒電極１０は、電気的に接地されている。

水受け５０には、ガス供給口３０が形成されている。また、ガス供給口３０と酸素ガス供給源３１は、流量調節器３２を介して、ガス配管３３により接続されている。さらに、水受け５０の上部には、排気口３４が形成されている。また、排気口３４に繋がれた排気配管３５には、逆止弁３６が取り付けられている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る放電管６０の断面斜視図である。また、図３は、本発明の実施の形態１に係る再水滴化部４４の横断面図である。さらに、図４は、本発明の実施の形態１に係る再水滴化部４４の縦断面図である。以下、図２、図３、図４を用いて、本実施の形態１における具体的な水処理について説明する。

円筒電極１０には、再水滴化部４４が備えられている。本実施の形態１における再水滴化部４４は、円筒電極１０の外面を覆うリング形状の循環ガス流路５２と、円筒電極１０の内面に沿うように取り付けられたリング形状の絶縁体で構成される水滴形成部材４６（捕捉部材）とを備えて構成されている。

水滴形成部材４６は、ワイヤー電極１５と接触しないよう、所定の空隙を有して、円筒電極１０に取り付けられている。水滴形成部材４６の上面側は、中心付近が最も低くなるような傾斜面４７（収集部）を有している。そして、傾斜面４７の最低部から縦方向に、複数の水流路４８が形成されている。なお、水流路４８は、水滴形成部材４６の底部を貫通しないように形成されている。

水滴形成部材４６は、ガス流路４９を有している。そして、ガス流路４９は、水滴形成部材４６を外周から内周に向けて斜め下方に貫通するように形成されている。さらに、ガス流路４９は、水滴形成部材４６の内周に形成された噴出し口５４に通じている。ガス流路４９と水流路４８は、交差部５１において互いに交差している。

円筒電極１０には、管壁を貫通する複数の貫通孔５３が備えられている。貫通孔５３は、ガス流路４９と連なる位置に形成されており、循環ガス流路を流れるガスが、貫通孔５３からガス流路４９を通り、放電空間２５に抜ける構造となっている。また、ガス流路４９は、交差部５１において、その断面積が最も小さくなっている。

次に、図１〜図４を用いて、本実施の形態１における水処理動作を説明する。酸素ガス供給源３１から供給された酸素ガスは、ガス配管３３を通り、流量調節器３２によって所定の流量に調節された後、ガス供給口３０から水受け５０内に供給される。

排気配管３５からは、供給された酸素ガスと同量の流量で、ガスが外部に排気される。ここで、逆止弁３６により、排気配管３５内のガスの流れは、水受け５０から外部に向かう一方向に制限されている。

コンプレッサー２４を駆動させることで、吸気口２２から水処理リアクター１００内のガスが吸引され、循環配管２３を通り、再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃに供給される。

一方、給水ポンプ１９を駆動させることで、被処理水タンク１内の被処理水３が吸引され、給水配管１８を通ってノズル１７に供給される。被処理水３は、ノズル１７によって水滴化され、上部絶縁体１１、円筒電極１０、下部絶縁体１２の内部を落下し、水受け５０内に溜め水５として溜まる。

このとき、ノズル１７から落下する水滴４の一部は、円筒電極１０の内壁に付着し、水膜４５を形成しながら流下し、再水滴化部４４ａの水滴形成部材４６の傾斜面４７を流れ落ちて、トラップ水５５となる。

また、ノズル１７により形成された水滴４の一部は、円筒電極１０内部を落下する過程で、水滴形成部材４６の上面に衝突し、傾斜面４７を伝わって流下することで、トラップ水５５となる。

そして、トラップ水５５は、水流路４８を流れ落ち、ガス流路４９を流れる循環ガス８によって、交差部５１を経由して、噴出し口５４から水滴状に噴出される。

このとき、ガス流路４９は、交差部５１において、その断面積が最も小さくなっている。このため、ベンチュリー効果によって水流路４８に負圧が発生し、トラップ水５５が吸引される。この結果、トラップ水５５と循環ガス８とが混合して、水滴化される。

以下、放電管６０内を落下する被処理水３は、その一部が再水滴化部４４ｂ、４４ｃにおいても、再水滴化部４４ａと同様に、捕捉と再水滴化を繰り返すこととなる。その後、被処理水３は、水受け５０に到達し、溜め水５として溜め置かれ、排水ポンプ２１によって排水配管２０を通って、処理後水タンク２に搬送され、処理後水６となる。

ここで、放電管６０内を被処理水３が落下する過程で、高電圧電源２８を動作させ、ワイヤー電極１５にパルス状の高電圧を印加すると、ワイヤー電極１５と円筒電極１０との間の放電空間２５で放電７が形成され、ＯＨラジカル、Ｏ₃等の酸化性粒子が生成される。その結果、放電管６０内を落下する被処理水３の中の有機物が、ＯＨラジカル、Ｏ₃等の酸化性粒子と反応して分解されることで水処理が行われる。

次に、本実施の形態１に示す水処理装置によって、被処理水３の水処理が行われる原理を説明する。ここでは、有機物の分解を例にとって説明するが、放電で生じるＯ₃やＯＨラジカルが、除菌、脱色、脱臭にも有効であることは、周知の事実である。

ワイヤー電極１５にパルス電圧を印加することで、放電空間２５で放電７が生じる。このとき、酸素分子（Ｏ₂）、水分子（Ｈ₂Ｏ）が高エネルギーの電子と衝突し、下式（１）、下式（２）の解離反応が生じる。ここで、ｅは、電子、Ｏは、原子状酸素、Ｈは、原子状水素、ＯＨは、ＯＨラジカルである。
ｅ ＋ Ｏ₂ → ２Ｏ （１）
ｅ ＋ Ｈ₂Ｏ → Ｈ ＋ ＯＨ （２）

上式（１）で発生した原子状酸素の多くは、下式（３）の反応により、オゾン（Ｏ₃）となる。ここで、Ｍは、反応の第三体であり、気中のあらゆる分子や原子を表す。
Ｏ ＋ Ｏ₂ ＋ Ｍ → Ｏ₃ （３）

また、上式（２）で生じたＯＨラジカルの一部は、下式（４）の反応により、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）となる。
ＯＨ ＋ ＯＨ → Ｈ₂Ｏ₂ （４）

上式（１）〜（４）の反応で生成された酸化性粒子（Ｏ、ＯＨ、Ｏ₃、Ｈ₂Ｏ₂）は、下式（５）により水滴４と水膜４５の表面の有機物と反応して、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水に酸化分解する。ここで、Ｒは、処理対象となる有機物である。
Ｒ ＋ （Ｏ、ＯＨ、Ｏ₃、Ｈ₂Ｏ₂）
→ ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ （５）

一方、上式（３）と上式（４）で生じたＯ₃とＨ₂Ｏ₂の一部は、下式（６）、下式（７）により、水滴４と水膜４５の表面から被処理水３に溶解する。ここで、（ｌ）は、液相を意味する。
Ｏ₃ → Ｏ₃（ｌ） （６）
Ｈ₂Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ₂（ｌ） （７）

さらに、Ｏ₃（ｌ）とＨ₂Ｏ₂（ｌ）の反応により、下式（８）の通り、水中でＯＨラジカルが生成される。
Ｏ₃（ｌ） ＋ Ｈ₂Ｏ₂（ｌ） → ＯＨ（ｌ） （８）

上式（６）〜（８）で生成されたＯ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）、ＯＨ（ｌ）は、下式（９）に従って、水中反応により有機物を分解する。
Ｒ ＋（Ｏ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）、ＯＨ（ｌ））
→ ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ （９）

以上に述べたように、本実施の形態１による被処理水３中の有機物の分解は、上式（５）に示した反応による水滴４と水膜４５の表層の有機物の分解と、上式（９）に示した反応による水中での有機物の分解、の双方によって進行すると考えられる。

次に、本実施の形態１による水処理装置で、難分解性物質の分解、および高濃度の有機汚れの除去を高効率かつ高速に行うことができる理由を説明する。

水滴４が放電空間２５を落下する際、または水膜４５が円筒電極１０の内壁を流下する際、水滴４と水膜４５の表層の有機物が、上式（５）の反応によって分解される。この結果、水滴４と水膜４５の表層の有機物が減少し、ＯＨラジカル等の酸化性物質と有機物の反応頻度が低下し、ＯＨ等の酸化性物質が無効消費される割合が増大する。

また、水滴４と水膜４５の中の有機物は、上式（９）の反応によっても分解される。しかしながら、Ｏ₃（ｌ）やＨ₂Ｏ₂（ｌ）の水中での拡散は、遅いため、水滴４と水膜４５の表層近傍にＯ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）、ＯＨ（ｌ）が集中的に分布し、水滴４の内部や水膜４５の深部に広がらない。

このため、水滴４が放電空間２５を落下し始めた直後、または水膜４５が円筒電極１０の内壁を流下し始めた直後に、表面近傍の有機物が分解されると、水滴４と水膜４５の表層においては、Ｏ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）、ＯＨ（ｌ）濃度が高くなり、有機物濃度が低くなり、逆に、水滴４の内部や水膜４５の深部においては、Ｏ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）、ＯＨ（ｌ）濃度が低くなり、有機物濃度が高くなる。このため、いずれの領域でも、上式（５）、（９）の反応頻度が低下し、水処理の効率が低下する。

一方、本実施の形態１においては、ノズル１７で形成された水滴４と水膜４５は、再水滴化部４４ａに到達するまでの間に、上式（５）と上式（９）の反応により、表面近傍の有機物が分解される。次に、水滴４の一部と水膜４５が再水滴化部４４ａの傾斜面４７に衝突することで、トラップ水５５として、他の水滴と合一する。この過程で、有機物、Ｏ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）が撹拌されて濃度が均一化され、トラップ水５５の全体で、上式（９）の反応が生じるようになる。

さらに、再水滴化部４４ａで形成された新たな水滴４は、有機物濃度が均一化されて再び放電空間２５に供給される。このため水滴の表面に新たな有機物が現れ、上式（５）の反応が再び活発に生じるようになり、有機物の分解が進行する。以下、再水滴化部４４ｂ、４４ｃを通過する際にも、同様の過程を繰り返す。

すなわち、本実施の形態１においては、被処理水３が放電空間２５を落下する際、水滴の形成と合一が繰り返される。そして、その都度、Ｏ₃（ｌ）、Ｈ₂Ｏ₂（ｌ）が撹拌されて均一化されることに加え、水滴４の表面に新たな有機物が現れる。その結果、ＯＨラジカル等の酸化性物質の無効消費が抑制され、上式（５）と上式（９）による有機物の分解が効率的に生じる。

ここで、水膜状に流下する被処理水中の有機物の分解効果は、水滴状に落下する被処理水中の有機物の分解効果に比べて、悪い。これは、同じ体積の水で比較した場合、水膜４５の表面積は、水滴４の表面積と比べて小さく、上式（５）〜（７）の反応の頻度が低くなるためである。

一方、本実施の形態１では、図３に示すように、再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃにおいて、円筒電極１０の内壁を流下する水膜４５は、全て捕捉された後、放電空間２５に水滴状に噴出される。このため、有機物の分解効率が低い水膜４５が、有機物の分解効率が高い水滴４に変形されることにより、全体としての水処理効率が高まる。

また、同じ体積の水で比較した場合、水滴４の寸法（水滴の径）が小さいほど、表面積が大きくなり、より効率的に有機物が分解される。すなわち、径の大きな水滴４が少数あるより、径の小さな水滴４が多数ある方が、水処理の効率を高めることができる。

本実施の形態１によれば、再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃにおいて、トラップ水５５は、循環ガス８によって水滴化される。このため、例えば、非特許文献１にあるように、グリッドに捕捉された被処理水３が重力によって落下する場合と比較して、より小さな径の水滴４を形成することができ、水処理の効率が向上する。

また、図１に示すように、本実施の形態１では、再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃにおいて、水滴は、斜め下方に噴出される。このため、水滴が垂直落下する場合と異なり、横方向への移動が伴うことになる。この結果、水滴が垂直落下する場合と比較して、放電空間２５内での移動距離が長くなり、ＯＨラジカル等の酸化性物質と、より多く接触することになり、有機物の分解が迅速に進む。

また、水滴４が斜め下方に噴出されるため、その一部は、ワイヤー電極１５に衝突して付着する。このため、放電で温度が上昇したワイヤー電極１５が、水滴４の付着により冷却される効果が得られる。これにより、高い放電電力を投入した場合であっても、ワイヤー電極１５の破断を防ぎ、長時間安定的に装置を稼働させることができる。

また、本実施の形態１では、循環ガス８を再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃに供給することで、水滴４を形成している。従って、別途のガスを用意する必要がない。このため、酸素ガス供給源３１から供給する酸素ガス量は、有機物の分解によって消費される分と、被処理水３への溶解によって消費される分を補うだけでよく、ガスコストを増加させることなく、効率的かつ高速な水処理を行うことができる。

さらに、本実施の形態１では、再水滴化に別途のガスを供給しない。このため、供給された酸素ガスが放電空間２５に長時間滞在することになり、オゾンガス濃度が高まる。ここで、上式（６）のオゾン溶解反応は、オゾンガス濃度が高いほど進行する。このことから、結果的に溶存オゾン濃度（Ｏ₃（ｌ））も高まり、上式（９）による有機物の分解が、高速かつ効率的に生じる。

さらに、本実施の形態１では、循環ガス８中に、放電７で生成されたオゾン等の酸化性粒子が含まれている。従って、再水滴化部４４で水滴を形成する際に、酸化性粒子を含む循環ガス８と被処理水３とが接触し、オゾンの被処理水３への溶解が促進される。これにより、高速かつ効率的な水処理を行うことができる。

なお、本実施の形態１においては、ノズル１７によって水滴４を形成している。しかしながら、水滴４の形成手段は、ノズル１７に限定されない。例えば、水滴４の形成手段として、シャワーヘッドを用いることもできるし、超音波噴霧や静電噴霧を用いることもできる。

また、形成される水滴の粒径に特に制限はない。しかしながら、一般的には、粒径が小さいほど気液界面の面積が増加して、水処理が高速かつ効率的に進行する。

一方、粒径の小さい水滴を形成するには、粒径の大きな水滴を形成する場合と比較して、より高いエネルギーが必要になる。このため、水滴の粒径は、水処理の効率と速度を勘案して適宜決定することが好ましい。

また、本実施の形態１において、ワイヤー電極１５を用いているが、この材質や線径は、高電圧電源２８の仕様と水処理装置１１０の稼働率、さらに被処理水３の水質に応じて、適宜決定することができる。例えば、ワイヤー電極１５の線形を細くすると、電界が集中して、より低い電圧で放電を形成でき、この結果、高電圧電源２８に求められる性能を緩和できる。

一方、線形を細くすると、破断の可能性が高まる。この結果、ワイヤー電極１５を頻繁に交換することが必要となり、メンテナンスコストの増加や装置稼働率の低下を引き起こす。

また、ワイヤー電極１５の材質としては、耐食性に優れるステンレスやチタンが望ましいが、コストと寿命を考慮して適宜選定するとよい。また、中心電極は、本実施の形態１のようにワイヤー形状である必要はなく、例えば、ロッド形状、突起を有するロッド形状、ネジ形状等を用いることもできる。

また、本実施の形態１において、水処理リアクター１００内に酸素ガスを供給したが、供給ガスは、酸素に限定されるものではない。酸素を含むガス中であれば、上式（１）〜（９）の反応が生じるため、水処理を行うことが可能である。例えば、酸素とアルゴン等の希ガスの混合ガスを、水処理リアクター１００内に供給するガスとして用いることができる。

希ガスを混合させると、一般的に、放電の形成に必要な電圧が低下する。このため、高電圧電源２８から出力される電圧を低減でき、装置価格の低減につなげることができる。また、酸素と窒素の混合ガス、特に、空気を用いれば、ガス供給源は必要なくなり、大気雰囲気で水処理を行うことができる。

ただし、放電によるオゾンの生成速度は、ガス中の酸素濃度が高いと大きくなる。このため、一般に酸素濃度が高いほど、水処理の速度が向上する。従って、ガスのコストと水処理速度とを勘案して、ガスの組成を決定することが望ましい。

また、本実施の形態１においては、再水滴化部４４を３個備えているが、この数に制限はなく、１個以上備えていれば、本発明の効果が得られる。一般的には、再水滴化部４４の数が多いほど水滴の形成と合一が高い頻度で繰り返されるため、水処理の効率と速度が向上する。その一方で、再水滴化部４４の数を過剰にすると、その効果は、飽和する傾向を示す。従って、再水滴化部４４の数は、被処理水３の流量、放電管６０の高さ、水滴４の粒径等を考慮して決めるのが望ましい。

また、本実施の形態１において、水処理リアクター１００内の圧力は、被処理水３の供給と排水が容易となるように、大気圧近傍にすることが望ましい。しかしながら、水処理リアクター１００内の圧力は、必要に応じて、陽圧、あるいは陰圧にすることもできる。水処理リアクター１００内を陽圧にした場合には、外部からの空気の混入が抑制され、雰囲気を管理しやすくなる。

また、水処理リアクター１００内を陰圧にした場合には、比較的低い電圧で放電が形成されるようになり、高電圧電源２８の小型化や簡素化が可能となる。また、圧力が低いほど放電が広がりやすいため、広い領域で被処理水３が放電７と接するようになり、水処理効率と速度が向上する。

また、本実施の形態１において、再水滴化部４４から噴出される水滴の方向は、必ずしも図２のように斜め下方を向く必要はなく、任意に設定することができる。例えば、ガス流路４９を水滴形成部材４６の外周側で低く、中心側で高くなるような傾斜を設けて形成すれば、噴出し口５４から噴き出される水滴４は、斜め上方を向くことになる。

この場合、形成された水滴は、一度斜め上方に進んだ後、重力により落下するという挙動を取ることになり、下方に向けて噴出した場合と比べて、放電管６０内における滞在時間が延長する。これにより、水処理効率と速度が向上する。

なお、本実施の形態１において、高電圧電源２８からパルス電圧を出力して放電７を形成した。しかしながら、安定して放電が形成できる限りにおいては、必ずしもパルス電圧である必要はなく、例えば、交流電圧や、直流電圧であってもよい。また、パルス電圧の極性、電圧波高値、繰返し周波数、パルス幅などは、電極構造やガス種等の諸条件に応じて、適宜決定することができる。

一般的に、電圧波高値は、１ｋＶ〜５０ｋＶが望ましい。電圧波高値が１ｋＶ未満では、安定した放電が形成されず、また、電圧波高値が５０ｋＶを超えるようにするには、電源の大型化や電気絶縁の困難化により、コストが著しく増加するためである。

また、繰返し周波数は、１０ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）〜１００ｋｐｐｓとすることが望ましい。繰返し周波数が１０ｐｐｓ未満では、十分な放電電力を投入するために非常に高い電圧が必要となり、逆に、繰返し周波数が１００ｋｐｐｓを超えるようにすると、水処理の効果が飽和し、電力効率が低下するためである。また、被処理水３の流量や処理対象物質の濃度に応じて、電圧、パルス幅、パルス繰返し周波数を調整するようにしてもよい。

また、本実施の形態１においては、再水滴化部４４に循環ガス８を供給することでトラップ水５５を水滴化した。しかしながら、再水滴化部４４に供給するガスは、必ずしも循環ガスである必要はない。例えば、酸素ガス供給源３１からの酸素ガスを、ガス供給口３０から供給するのではなく、再水滴化部４４から供給するようにしてもよい。または、再水滴化部４４に供給するガス源を別途用意して用いてもよい。

しかしながら、酸化性粒子を含む循環ガス８と被処理水３とが接触して、オゾンの被処理水３への溶解が促進される効果や、ガスの使用量を削減して低コストで効率的かつ高速な水処理を行う効果は、循環ガスを用いることで得られる。従って、本実施の形態１のように、循環ガス８を用いて再水滴化部４４において水滴４を形成することが、より好適である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る放電管６０の断面斜視図である。また、図６は、本発明の実施の形態２に係る再水滴化部４４の横断面図である。先の実施の形態１と比較すると、本実施の形態２は、再水滴化部４４の構成が異なる。図５および図６において、本実施の形態２における再水滴化部４４は、循環ガス流路５２、貫通孔５３、および捕捉部材である反し板５８を備えて構成されている。

円筒電極１０には、外周を貫通するように、複数の貫通孔５３が、同一高さの円周上に形成されている。円筒電極１０の内側の貫通孔５３の直下に、反し板５８が備えられている。ここで、反し板５８は、ワイヤー電極１５と接触しないように、空隙を介して配置されている。循環ガス流路５２は、円筒電極１０の外周から貫通孔５３を覆うように備えられており、円筒電極１０と気密接続されている。その他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

次に、図５および図６を用いて本実施の形態２における水処理動作を説明する。円筒電極１０内を落下する水滴４の一部と水膜４５は、収集部である反し板５８の上面で捕捉され、トラップ水５５となって反し板５８の上に溜まる。ここで、循環ガス８を、循環ガス流路５２から貫通孔５３を通って円筒電極１０の内部に向けて流す。これにより、トラップ水５５は、循環ガス８と混合して弾き飛ばされ、水滴となって円筒電極１０の中を落下する。その他の動作は、先の実施の形態１と同様である。

本実施の形態２によれば、被処理水３の水滴形成と合一の繰返しを、先の実施の形態１よりも簡素な構成で実現できる。この結果、先の実施の形態１と同様に、高効率かつ高速な水処理が達成される。

なお、本実施の形態２において、反し板５８は、図５および図６のように、必ずしも水平に取り付ける必要はない。例えば、反し板５８の上面が円筒電極１０の外周側で低く、中心側で高くなるような傾斜を有していてもよい。この場合には、再水滴化部４４で形成される水滴は、斜め上方に向けて噴出され、より長時間、放電管６０の内部に存在することになる。これにより、水処理の効率と速度を高めることができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る水処理装置を示す断面図である。本実施の形態３は、水処理リアクター１００が、３本の放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、１つの水受け５０を備えて構成されている点が、先の実施の形態１と異なる。図７において、被処理水タンク１から繋がる給水配管１８が、３系統（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）に分岐されており、それぞれが放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃに接続されている。

つまり、それぞれの放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、被処理水タンク１に対して並列的に接続されている。また、放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、それぞれ循環ガス流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃが備えられており、いずれも、円筒電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃを覆うように備えられている。

また、循環配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃが、それぞれ循環ガス流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃと接続されており、循環配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、いずれも水受け５０に繋がる循環配管２３と繋がっている。

また、放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃのそれぞれに備えられたワイヤー電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、高電圧電源２８（図示せず）に対して並列に接続されている。また、円筒電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、いずれも電気的に接地されている。その他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

次に、図７を用いて、本実施の形態３における水処理動作を説明する。被処理水タンク１中の被処理水３は、給水ポンプ１９によって輸送され、給水配管１８、および１８ａ、１８ｂ、１８ｃを通って、並列に設けられた放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃのそれぞれに、水滴状として供給される。このとき、高電圧電源２８（図示せず）を駆動させて、ワイヤー電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃに高電圧パルス電圧を印加することで、放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃ内において放電を形成させる。

さらに、コンプレッサー２４を動作させ、水受け５０内のガスを吸引し、吸引したガスを循環ガス流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃを通って放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃに供給することで、被処理水３の水滴化を行う。再水滴化部の詳細、およびその他の動作は、先の実施の形態１と同様である。

本実施の形態３によれば、１台の高電圧電源２８に対して並列的に接続された３本の放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃそれぞれに、放電を形成することができる。この結果、先の実施の形態１のように放電管が１本の場合と比べて、水処理の速度が向上する。

また、１台のコンプレッサー２４に対して、３系統の循環配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃおよび循環ガス流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃが接続されている。このため、コンプレッサー２４を駆動させることで、３本の放電管６０ａ、６０ｂ、６０ｃそれぞれで被処理水３の水滴化を行うことができる。従って、例えば、先の実施の形態１に示す水処理装置を３台用いる場合と比較して、大幅に装置の簡素化を図ることができる。

また、本実施の形態３によれば、循環ガス流路５２ａ、５２ｂ、５２ｃが、円筒電極１０ａ、１０ｂ、１０ｃを覆うように備えられており、二重管構造となっている。このため、放電管１本につき、再水滴化部４４は、３個備えられているが、先の実施の形態１と異なり、循環配管２３は、１本ずつでよく、装置構成が簡素化される。

なお、図７において、循環配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、コンプレッサー２４に対して直列的に接続されているが、循環配管２３を３系統に分岐して、コンプレッサー２４に対して並列的に接続するようにしてもよい。すなわち、循環ガス流路５２ａと５２ｂと５２ｃが、配管によって繋がっていて、一つの連なる空間を形成していればよい。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る水処理装置を示す断面図である。本実施の形態４では、吸気口２２が円筒電極１０の最上部近傍に備えられている。また、吸気口２２とコンプレッサー２４との間の循環配管２３には、気液分離器５６が備えられている。そして、気液分離器５６の気体出口は、コンプレッサー２４と繋がれており、気液分離器５６の液体出口は、ドレイン配管５７と繋がれている。さらに、ドレイン配管５７は、水受け５０と接続されている。その他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

次に、本実施の形態４における水処理動作を説明する。コンプレッサー２４を動作させることで、放電管６０の内部のガスを吸気する。この際、吸気口２２からガスとともに被処理水３を吸引してしまう場合がある。しかしながら、本実施の形態４においては、気液分離器５６によって被処理水３が分離され、ドレイン配管５７を通って水受け５０に送られる。

一方、気液分離器５６によって分離されたガスは、コンプレッサー２４を通って循環ガス８として再水滴化部４４ａ、４４ｂ、４４ｃに送られる。その他の動作は、先の実施の形態１と同様である。

本実施の形態４によれば、吸気口２２が円筒電極１０の最上部近傍に形成されている。このため、放電管６０内のガスの流れは、再水滴化部４４ｃ、４４ｂ、４４ａから吸気口２２へ向けた上方向の流れとなる。この結果、ガスの流れは、落下する被処理水３とは対向流となり、放電管６０内のオゾン等と被処理水３との接触が促進され、水処理の速度と効率を向上させることができる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係る放電管６０の断面図である。また、図１０は、本発明の実施の形態５における図９に示した放電管６０を構成するユニット電極７０の断面図である。

図９において、放電管６０は、ボルト７３で縦方向に締結された４個のユニット電極７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、ユニット電極７０ａの上に取り付けられた上部絶縁体１１、ユニット電極７０ｄの下に取り付けられた下部絶縁体１２、および上部絶縁体１１に組みつけられた上部保持体１３と下部絶縁体１２に組みつけられた下部保持体１４とで保持されたワイヤー電極１５、を備えて構成されている。

図１０において、ユニット電極７０は、金属で構成される円筒管部７１、円筒管部の上下端に備えられた締結部７２、円筒管部の内側に形成された水滴形成部材４６、および円筒管部７１を外周から覆うように取り付けられた循環ガス流路５２、を備えて構成されている。再水滴化部４４は、水滴形成部材４６と循環ガス流路５２により構成されている。

本実施の形態５においては、それぞれが再水滴化部４４と円筒管部７１を備える複数のユニット電極７０を締結することで、放電管６０を形成している。このため、先の実施の形態１のように、１本の円筒電極１０によって放電管６０を形成する場合と比較して、組立てが容易になり、量産性が向上する。

また、ユニット電極７０の取付け数は、適宜決めることができる。このため、被処理水３中の分解対象有機物の種類や濃度に応じて、最適な放電管６０の高さを形成することができる。

なお、本発明において、ガス吸気部は、コンプレッサーに限定されるものではなく、例えば、ブロアやポンプ等であってもよい。また、本発明において水滴とは、気中に存在する液体状態の水分子の集合体を意味し、その粒径および数密度は、特に限定されるものではない。

また、本発明に置いて、捕捉部材である水滴形成部材４６と反し板５８の材料に制限はないが、ガラス、セラミック、樹脂等の絶縁体で形成することが好ましい。捕捉部材を金属等の導電性材料で形成した場合、ワイヤー電極１５との距離が近くなり、局所的に強い放電が形成され、水処理の効率が低下することがあるためである。

Claims (10)

1. 長手方向が鉛直方向として設けられた中心電極と、
   前記中心電極と軸を同じくし、前記中心電極を囲うように設けられた外周電極と
   を備え、前記中心電極と前記外周電極との間に高電圧を印加することで、前記中心電極と前記外周電極との間の放電空間に放電を形成するとともに、前記放電空間の上方から前記放電空間内に、被処理水を水滴状または水膜状として供給することで、前記被処理水を処理する水処理装置であって、
   前記外周電極に接続された再水滴化部をさらに備え、
   前記再水滴化部は、前記放電空間内を落下する前記被処理水の一部をトラップ水として捕捉し、捕捉された前記トラップ水と、ガス配管を介して供給される酸素を含むガスとを混合させることによって再水滴化を行い、再水滴化によって形成された水滴を前記放電空間に噴出する
   水処理装置。
2. 前記中心電極と、前記外周電極と、前記外周電極の下方に設けられて、前記放電空間内を落下した処理後の前記被処理水を溜める水受けとを含んで構成される水処理リアクターと、
   前記水処理リアクターから前記酸素を含むガスを吸気し、ガス配管を介して前記再水滴化部に供給するガス吸気部と
   をさらに備える請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記水処理リアクターから前記酸素を含むガスを吸気するための吸気口が、前記再水滴化部よりも上部の前記外周電極に設けられている
   請求項２に記載の水処理装置。
4. １対の前記中心電極と前記外周電極、および１個以上の前記再水滴化部を含んで構成される放電管を並列的に接続してなる複数の放電管を備え、
   前記複数の放電管が前記水受けに対して気密接続されており、
   前記水処理リアクターから前記酸素を含むガスを吸気するための吸気口が、前記水受けに設けられており、
   前記複数の放電管に対応した再水滴化部のそれぞれは、前記ガス吸気部により前記吸気口および前記ガス配管を介して給気された前記酸素を含むガスと、前記捕捉された被処理水とを混合させることによって再水滴化を行い、再水滴化によって形成された水滴を前記放電空間に噴出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の水処理装置。
5. 前記再水滴化部は、前記再水滴化によって形成された前記水滴を、前記鉛直方向に対して傾斜した方向で、前記放電空間に噴出する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の水処理装置。
6. 前記再水滴化部は、
   前記外周電極の内面に沿って設けられた捕捉部材と、
   前記外周電極の外面に沿って備えられたガス流路と
   を有し、
   前記外周電極は、前記ガス流路から連なる貫通孔が形成されており、
   前記再水滴化部は、
   前記捕捉部材により、前記放電空間内を落下する前記被処理水の一部を前記トラップ水として捕捉し、
   前記ガス配管を介して供給される前記酸素を含むガスを、前記ガス流路と前記貫通孔を介して前記放電空間に供給し、前記トラップ水と前記酸素を含むガスとを混合させることによって前記再水滴化を行う
   請求項１から５のいずれか１項に記載の水処理装置。
7. 前記捕捉部材は、
   前記トラップ水を収集する収集部と、
   前記収集部から下方に向けて伸長する水流路と
   を有し、
   前記再水滴化部は、前記水流路と前記ガス流路が交差した交差部において、前記トラップ水と前記酸素を含むガスとを混合させることによって前記再水滴化を行う
   請求項６に記載の水処理装置。
8. 前記ガス流路は、前記交差部において、断面積が最小となっている
   請求項７に記載の水処理装置。
9. 円筒形状の円筒管部と、
   前記円筒管部の両端に備えられた締結部と、
   前記円筒管部の内面に取り付けられた前記捕捉部材と、
   前記円筒管部の外面に取り付けられた前記ガス配管と
   を有して構成されるユニット電極を前記鉛直方向に複数接続することで、前記外周電極と前記再水滴化部を形成する
   請求項６から８のいずれか１項に記載の水処理装置。
10. 長手方向が鉛直方向として設けられた中心電極と、
    前記中心電極と軸を同じくし、前記中心電極を囲うように設けられた外周電極と
    を備え、前記中心電極と前記外周電極との間に高電圧を印加することで、前記中心電極と前記外周電極との間の放電空間に放電を形成するとともに、前記放電空間の上方から前記放電空間内に、被処理水を水滴状または水膜状として供給することで、前記被処理水を処理する水処理装置に適用される水処理方法であって、
    前記外周電極に接続された再水滴化部において、
    前記放電空間内を落下する前記被処理水の一部をトラップ水として捕捉する工程と、
    捕捉された前記トラップ水と、ガス配管を介して供給される酸素を含むガスとを混合させることによって再水滴化を行う工程と、
    前記再水滴化によって形成された水滴を前記放電空間に噴出する工程と
    を有する水処理方法。

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