JP6157764B1 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents

Abstract

被処理水（Ｗ）流す樋状の流路部（２）、流路部（２）の上方に被処理水（Ｗ）の流れる方向と直交する方向に間隔を置いて配設された複数の高圧電極（４）を有する高電圧部（３）、高電圧部（３）を周回して設けられた第１部材（６）および第２部材（７）を有する電界緩和部（５）とを備え、パルス電源（８）から高電圧部（３）および第１部材（６）および第２部材（７）に高電圧を印加することにより、高圧電極（４）と流路部（２）との間で放電を発生させ、生成されたオゾンやヒドロキシルラジカルなどの活性種を被処理水に溶解させて水処理を行う。

Description

この発明は、放電で生じた例えばオゾンやラジカルなどの活性種を用いて被処理水を処理する水処理装置、及び水処理方法に関する。

これまで上下水の処理において、一般にオゾンや塩素が用いられてきた。しかし、工業排水や再利用水等には、オゾンや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、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（Ｏ_３）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）や紫外線を組み合わせることで、Ｏ_３や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が、装置コスト、運転コストとも非常に高く、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検討されている。
このような水処理を行う水処理装置として、被処理水を内部に蓄えることが可能な反応容器と、被処理水に対して放電ラジカル処理を行うための放電を発生するピン状の電極とをそれぞれ有する階層化構成の処理手段と、電極に対して高電圧を印加する電源手段とを具備するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなラジカル処理システムによれば、ラジカルを利用し、水中に溶存する難分解性物質の分解効率を向上させることが可能になる。

特開２００７−３０７４８６号（第４〜５頁、図１）

従来の水処理装置は以上のように構成され、放電によって生成されたオゾン（Ｏ_３）やヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）などの活性種を被処理水に溶解させて、当該活性種により難分解性物質の分解を行う。そのため、被処理水を高速に処理するためには、被処理水の表面の広い領域に放電を均一に形成して、被処理水中への活性種の供給量を増加する必要がある。しかしながら、被処理水の表面の広い領域に放電を均一に形成するためにワイヤやリボンなどの長い形状を有する放電部を有する電極を用いた場合、電極の端部の電界が電極内側の電界よりも強くなるため、電極の端部に放電が集中してしまい、被処理水の表面に対して放電を均一に形成できないという課題があった。また、被処理水の表面の広い領域に放電を均一に形成するために複数の電極を配列した場合、配列の端に位置する電極の電界が配列内側に位置する電極の電界よりも強くなるため、配列の端に位置する電極に放電が集中してしまい、被処理水の表面に放電を均一に形成することができないという課題があった。また、反応容器が導電性材料で構成されている場合、反応容器と電極とが近接すると反応容器と電極との間で放電が生じる。反応容器と電極との間での放電を抑制するために反応容器と電極との間の距離を離す必要があるため、反応容器の壁面付近の被処理水の表面に放電を形成することができないという課題があった。また、反応容器と電極との間での放電を抑制するために、反応容器の壁に絶縁体を設けた場合でも、結露によって絶縁体の表面が導電性を帯びるため、反応容器と電極の間で放電が発生してしまい、被処理水の表面に対して放電を均一に形成できないという課題があった。また、被処理水中に接地電極を設けて反応容器を絶縁体で構成した場合、接地電極の範囲でしか放電が形成できず、被処理水の表面に対して放電を均一に形成できないという課題があった。その結果、従来の水処理装置では、被処理水中への活性種の供給量を増加することができず、被処理水を高速に処理することができないという問題点があった。

この発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、放電を均一に形成でき、被処理水を高速に処理することができる水処理装置を得ること、および被処理水を高速に処理することができる水処理方法を提供することを目的とする。

この発明に係る水処理装置においては、
被処理水が流れる流路部と高電圧が印加される電圧印加部との間に電界を形成し、前記電圧印加部と前記流路部との間に放電を発生させることにより水処理を行う水処理装置において、
前記電圧印加部の外周に前記流路部と対向して配置され、前記流路部との間に電界を形成する電界緩和部と、
前記電圧印加部と前記電界緩和部とに電圧を印加する電源とを備え、
前記電圧印加部は、前記被処理水の通流方向と直交する延在方向に延在する形状を有し、
前記電界緩和部は、前記延在方向における前記電圧印加部の両端部と対向するようにして設けられたものであり、
前記電圧の印加によって前記電界緩和部が形成する電界は、前記電圧の印加によって前記電圧印加部が形成する電界よりも小さくするものである。

この発明に係る水処理方法においては、
前記水処理装置を用いて水処理を行う水処理方法であって、
前記流路部に被処理水を通流しながら前記電圧印加部と前記流路部との間にて放電を形成し、前記被処理水を前記放電に接触させ、前記放電で生成された活性種を前記被処理水中に供給し、前記被処理水中に供給された前記活性種によって前記被処理水を処理するものである。

この発明に係る水処理装置は、流路部との間に放電を形成する電圧印加部が配置され、電圧印加部の外周に流路部に対向配置される電界緩和部が設けられているので、放電を均一に形成でき、被処理水を高速に処理することができる水処理装置を得ることができる。

この発明に係る水処理方法は、流路部との間に放電を形成する電圧印加部が配置され、電圧印加部の外周に流路部に対向配置される電界緩和部が設けられた水処理装置を用いて水処理を行うので、被処理水を高速に処理することができる水処理方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１である水処理装置の構成を示す構成図である。 図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、図２（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図である。 図３（ａ）は図１のＢ−Ｂ線の断面図、図３（ｂ）は高圧電極の断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態２である水処理装置の構成を示す構成図である。 図６（ａ）は図５のＡ−Ａ線の断面図、図６（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図である。 図５のＢ−Ｂ線の断面図である。 本発明の実施の形態３である水処理装置の構成を示す構成図である。 図９（ａ）は図８のＡ−Ａ線の断面図、図９（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図である。 図１０（ａ）は図８のＢ−Ｂ線の断面図、図１０（ｂ）は高圧電極の断面図である。

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は水処理装置の構成を示す構成図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、図２（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図、図３（ａ）は図１のＢ−Ｂ線の断面図、図３（ｂ）は高圧電極の断面図である。これらの図において、水処理装置１０は、流路部２と、高電圧部３と、電界緩和部５とを有し、流路部２の図１における左側方に配置されたパルス電源８から電力の供給を受ける。なお、図示していないが、流路部２と高電圧部３と電界緩和部５とは密閉あるいは半密閉の収容装置に収容されている。水処理装置１０において、被処理水Ｗは流路部２上を流れる間に放電によって処理される（詳細後述）。被処理水Ｗが流れる流路部２は、底板（流路）２ａ、一対の側壁２ｂ，２ｃを有する。底板２ａは平板状のものであり、被処理水Ｗが流れる方向（図１の線Ｂ−Ｂの向き）に延在され、この延在方向と直交する方向（図１のＡ−Ａ線の向き）の両端部に、一対の側壁２ｂ、２ｃが設けられ、底面が平らな断面矩形の樋状の形状を有している。流路部２は、導電性材料で構成する。特にステンレス鋼またはチタンなど、耐腐食性に優れた金属材料を用いることが望ましい。被処理水Ｗは、流路部２の底板２ａと側壁２ｂと側壁２ｃとによって形成される断面矩形の溝状部を流れる。

流路部２の上方には、電圧印加部としての高電圧部３が配置されている。高電圧部３は、流路部２の延在方向（図１のＢ−Ｂ線の向き）に等間隔に複数配置された高圧電極４を有している。高圧電極４は、図３（ｂ）に示すようにリボン形状、すなわち断面が長方形の薄板形状であり、平面部４ａ、側面部４ｂ、角部４ｄを有する。このように高圧電極４を薄板状に形成することにより、高圧電極４の機械強度を確保できる。流路部２と対向する平面部４ａは、所定方向である高圧電極４の延在方向に長くなっており、高圧電極４の延在方向と直交する方向の両側に角部４ｄを有する。角部４ｄは、アール加工により曲率半径ＲＡの断面円弧状となっている。なお、平面部４ａおよび両側の角部４ｄが、この発明における流路部２と対向する対向部４ｆである。

高圧電極４は導電性材料で構成する。特にステンレス鋼またはチタンなどの耐腐食性に優れた金属材料を用いることが望ましい。高圧電極４は、その延在方向が流路部２の延在方向（被処理水Ｗの流れる方向）と直交する方向（図１のＡ−Ａ線の向き）になるようにして、流路部２の底板２ａの上面に対して平行に、絶縁性保持部材（図示せず）によって流路部２の上方に、流路部２との間に気体層を形成するように流路部２との間に所定の間隔Ｇ（図２、図３参照）を設けて保持されている。すなわち、高圧電極４は、高圧電極４の対向部４ｆと底板２ａの上面との間隔Ｇが一定値になるようにして、かつ高圧電極４と流路部２との間に気体層を形成するようにして保持されている。高圧電極４は、絶縁保持部材によって流路部２と電気的に絶縁されている。

電界緩和部５は、各１対の電界緩和部材としての第１部材６および電界緩和部材としての第２部材７にて長方形の枠形に形成されている。第１部材６と第２部材７とは、電気的に接続されている。この長方形に形成された電界緩和部５にて高電圧部３の周囲を四方から囲むようにして配置されている。すなわち、電界緩和部５の第１部材６は、図３（ａ）に示すように、高電圧部３の流路部２の延在方向の両端部に位置する各高圧電極４と図３（ａ）における左右方向に所定の間隙を設けて対向するようにして配置されている。また、第２部材７は、図２（ａ）に示すように、高圧電極４すなわち高電圧部３の図１における左右の端部、すなわち複数本配設された高圧電極４の延在方向の両端部と間隙を設けて対向するようにして配置されている。第１部材６および第２部材７は導電性材料で構成する。特にステンレス鋼またはチタンなどの耐腐食性に優れた金属材料を用いることが望ましい。本実施の形態においては、第１部材６および第２部材７は、断面寸法が同じで、断面が長方形の中実の直方体（ステンレス鋼角材）が用いられている。第１部材６は、図２（ｂ）に示すように平面部６ａ、側面部６ｂおよび角部６ｄを有する。平面部６ａは所定方向である第１部材６の長さ方向（紙面に垂直な方向）が長くなっており、平面部６ａの辺縁に丸め部としての断面円弧状の角部６ｄが設けられている。角部６ｄの曲率半径ＲＢは、高圧電極４の角部４ｄの曲率半径ＲＡよりも大きくされている。なお、第１部材６の平面部６ａおよび両側の角部６ｄが、この発明における流路部２と対向する対向部６ｆである。

第２部材７は、同様に、図２（ｂ）に示す如く平面部７ａ、側面部７ｂおよび角部７ｄを有する。平面部７ａは所定方向である第２部材７の長さ方向が長くなっており、平面部７ａの辺縁に丸め部としての断面円弧状の角部７ｄが設けられている。角部７ｄの曲率半径ＲＢは、高圧電極４の角部４ｄの曲率半径ＲＡよりも大きくされている。第２部材７の平面部７ａおよび両側の角部７ｄが、この発明における流路部２と対向する対向部７ｆである。角部４ｄや角部６ｄ、７ｄのアール加工は、市販品の材料をそのまま使えれば加工しないで使用するし、要すれば機械加工を行って所定の寸法にする。図２および図３を参照して、電界緩和部５は、図示しない絶縁性保持部材によって流路部２の上方に、流路部２との間に気体層を形成するように流路部２との間に所定の間隔Ｇを設けて保持されている。電界緩和部５は、絶縁保持部材によって、流路部２と電気的に絶縁されている。

流路部２の側方に、パルス電源８が設置されている。パルス電源８は、一方の端子が高電圧部３および電界緩和部５に接続線９にて接続され、他方の端子が流路部２に接続されるともに共通に接地されている。流路部２と高電圧部３（高圧電極４）との間にパルス電源８から高電圧を印加することで、流路部２と高電圧部３との間に放電を発生させる。

次に、水処理装置１０の動作について説明する。外部から流路部２に被処理水Ｗを供給する。このとき、被処理水Ｗは、流路部２の底板２ａの上であって側壁２ｂ，２ｃの間を流れる。ここで、高電圧部３および第１部材６および第２部材７と流路部２との間には、気体層が形成されている。すなわち、被処理水の厚さＷａは高電圧部３および第１部材６および第２部材７と被処理水Ｗとの間に気体層が形成されるように調整される。つまり、被処理水の厚さＷａは、高電圧部３（および第１部材６および第２部材７）と流路部２との間隔Ｇよりも小さい。このとき、パルス電源８を動作させ、高電圧部３および電界緩和部５（第１部材６および第２部材７）にパルス状の高電圧を印加し、高圧電極４と流路部２との間に放電Ｐを発生させる。被処理水Ｗは、流路部２を流れる過程で、高圧電極４で形成された放電Ｐの下を通過する。このとき放電Ｐによって形成された活性種が被処理水Ｗに溶解し、その結果、被処理水Ｗに対して難分解性物質の除去などの水処理が行われる。放電は、主にグロー放電ないしストリーマ放電である。

次に、本実施の形態１に示す水処理装置１０によって、被処理水Ｗの処理が行われる原理を説明する。なお、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Ｏ_３やＯＨラジカルが、除菌や脱色、脱臭にも有効であることは、周知である。
高電圧部３と流路部２との間に供給される気体層を形成する気体としては、空気、酸素、希ガス（アルゴン、ネオン）などが用いられる。高電圧部３にパルス電圧を印加することで、高電圧部３と流路部２との間に形成される気体層、あるいは気体層と被処理水Ｗとの界面で放電が生じる。このとき、酸素分子（Ｏ_２）、水分子（Ｈ_２Ｏ）が高エネルギーの電子と衝突し、（１）式、（２）式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＋Ｏ_２→２Ｏ （１）
ｅ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ＋ＯＨ （２）
（１）式で発生した原子状酸素の一部は、（３）式によりオゾン（Ｏ_３）となる。ここで、Ｍは反応の第三体であり、気体中のあらゆる分子又は原子を表わす。
Ｏ＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３ （３）
また、（２）式で生じたＯＨラジカルの一部は、（４）式の反応により過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）となる。
ＯＨ＋ＯＨ→Ｈ_２Ｏ_２ （４）
そして、（１）〜（４）式の反応で生成されたＯ、ＯＨ、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２などの酸化性の活性種は、（５）式の反応により、被処理水Ｗ中の有機物を二酸化炭素（ＣＯ_２）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、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２）→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ （５）

一方、（３）式と（４）式とで生じたＯ_３及びＨ_２Ｏ_２の一部は、（６）式と（７）式とにより、被処理水Ｗの表面から被処理水Ｗに溶解する。ここで（ｌ）は液相を意味する。
Ｏ_３→Ｏ_３（ｌ） （６）
Ｈ_２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ_２（ｌ） （７）
さらに、Ｏ_３（ｌ）とＨ_２Ｏ_２（ｌ）との反応により、（８）式の通り水中でＯＨラジカルが生成される。
Ｏ_３（ｌ）＋Ｈ_２Ｏ_２（ｌ）→ＯＨ（ｌ） （８）
（６）から（８）式で生成されたＯ_３（ｌ）、Ｈ_２Ｏ_２（ｌ）、及びＯＨ（ｌ）は、（９）式により、水中反応で有機物を分解する。
Ｒ＋（Ｏ_３（ｌ）、ＯＨ（ｌ）、Ｈ_２Ｏ_２（ｌ））→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ （９）
以上に述べたように、本実施の形態１による被処理水Ｗ中の有機物の分解は、反応（５）による被処理水Ｗの表面の有機物の分解と、反応（９）による被処理水Ｗの水中での有機物の分解の双方によって進行する。

次に、本実施の形態１に示す水処理装置１０によって、高電圧部３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成する原理を説明する。パルス電源８から高電圧部３と電界緩和部５とに高電圧が印加されたとき、高圧電極４および電界緩和部５と、流路部２との間に電界が形成される。このとき、高電圧部３と電界緩和部５とは同じ電位であるため、高電圧部３と電界緩和部５とが対向する空間の電位の勾配は小さくなる。すなわち、図２（ａ）に示すように、高圧電極４の延在方向の両端部と第２部材７との間の空間の電位の勾配が小さくなる。また、図３（ａ）に示すように、流路部２の延在方向の両端部に位置する各高圧電極４と第１部材６との間の空間の電位の勾配が小さくなる。電界は電位の勾配で定義されるため、高電圧部３と電界緩和部５とが対向する空間の電界は小さくなる。高電圧部３の端部の電界は電界緩和部５の電位によって緩和されるため、高圧電極４の流路部２と対向する平面部４ａに均一で強い電界が形成される。その結果、高圧電極４と流路部２との間に均一な放電Ｐが形成される。一方、電界緩和部５では、第１部材６および第２部材７の流路部２と対向する角部６ｄ，７ｄの曲率半径ＲＢが、高圧電極４の流路部２と対向する角部４ｄの曲率半径ＲＡよりも大きく、第１部材６の流路部２と対向する対向部６ｆ（平面部６ａおよび両側の角部６ｄ）の電界並びに第２部材７の流路部２と対向する対向部７ｆ（平面部７ａおよび両側の角部７ｄ）の電界が高圧電極４の流路部２と対向する対向部４ｆ（平面部４ａおよび両側の角部４ｄ）の電界よりも小さくなる。

つまり、第１部材６および第２部材７の流路部２と対向する対向部６ｆ，７ｆの最大電界強度が、高電圧部３の流路部２と対向する平面部４ａの中央部の最大電界強度よりも小さくなっているため、第１部材６および第２部材７と流路部２との間には放電Ｐが発生しない。従って、第１部材６および第２部材７によって高電圧部３の端部の電界を緩和することで高電圧部３の端部に放電Ｐが集中することなく、高電圧部３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成することができ、放電によって生成される活性種の量を増やすことができ、活性種の被処理水中への供給量を増加することができる。

以上で説明した通り、本実施の形態１においては、電界緩和部５によって高電圧部３の端部の電界を緩和し、高電圧部３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成する。その結果、広い面積で放電Ｐと被処理水Ｗとが接触し、被処理水Ｗを高速に処理することができる。さらに、流路部２を導電性材料で構成した場合でも、側壁２ｂ，２ｃの近傍まで高電圧部３を設けることができるので、被処理水Ｗのより広い表面で放電Ｐを形成することができるため、被処理水Ｗを高速に処理することができる。また、流路部２に導電性材料を適用できるため、流路部２の製造コストを抑制する効果も得ることができる。

なお、本実施の形態１では、放電形成にパルス電源８を用いた。しかしながら、本発明に適用される電源は、安定して放電が形成できれば、必ずしもパルス電源である必要はなく、例えば、交流電源または直流電源であってもよい。
また、パルス電源８から出力される電圧の極性、電圧波高値、繰り返し周波数、パルス幅などは、高圧電極４や流路部２の構造、気体層のガス種等の諸条件に応じて、適宜決定することができる。一般に、電圧波高値は１ｋＶ〜５０ｋＶが望ましい。これは、１ｋＶ未満では安定した放電が形成されず、また、５０ｋＶ超とするためには、電源の大型化および電気絶縁の困難化により、製造コストや保守コストが著しく増加するためである。
また、繰り返し周波は、１０ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ−ｐｅｒ−ｓｅｃｏｎｄ）以上、１００ｋｐｐｓ以下とすることが望ましい。これは、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、１００ｋｐｐｓよりも大きくすると、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Ｗの流量または被処理水Ｗに含まれる成分や濃度に応じて、電圧波高値、繰り返し周波数、パルス幅を調整するようにしても良い。

流路部２は、導電性材料で構成され、パルス電源８の接地側の端子に接続されている。つまり、流路部２は放電Ｐを生成するための接地電極の役割を有している。流路部２を接地電極とすることで、高電圧部３および被処理水Ｗに対して接地電極の面積を広く確保することができるため、高電圧印加時において被処理水Ｗ内での電圧降下の分布を改善し、高電圧部３と流路部２との間に形成される電界を均一化することができる。

高圧電極４は、本実施の形態では、リボン形状の高圧電極４を用いたが、必ずしもリボン形状である必要はない。高圧電極４としては、例えば、ワイヤ、板材に多数の針やねじを櫛の歯状に固定したもの、メッシュ状の板材、パンチングメタルなどを適宜用いることができる。なお、リボン形状は、他の形状と比較して、機械強度を確保することができ、高圧電極４の耐久性を向上できるため好ましい。また、高圧電極４の流路部２と対向する角部４ｄの曲率半径ＲＡの大きさおよび平面部４ａの幅は、高圧電極４の流路部２と対向する対向部４ｆに低い電圧で強い電界を形成するために、機械加工が可能な範囲で小さくすることが好ましい。一般に、角部４ｄの曲率半径ＲＡの大きさおよび平面部４ａの幅としては、１ｍｍ以下とすることが好ましい。曲率半径ＲＡの大きさや平面部４ａの幅を１ｍｍよりも大きい値にすると、放電形成にそれに応じて高い電圧が必要となる。

また、本実施の形態における水処理装置１０では、被処理水Ｗの流量または被処理水Ｗに含まれる成分や濃度に応じて、高圧電極４の本数や高圧電極４同士の間隔を適宜変更することが可能である。また、高圧電極４と流路部２との間隔Ｇは任意に決めることができる。ただし、間隔Ｇは、１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下とするのが好適である。１ｍｍ未満だと、正確な高さを規定するのが困難となり、逆に５０ｍｍよりも大きくすると、放電形成に非常に高い電圧が必要となるためである。

また、本実施の形態では、第１部材６および第２部材７は断面長方形の中実のステンレス鋼角材を用いたが、流路部２と対向する平面部６ａ，７ａの両側の角部６ｄ，７ｄの曲率半径ＲＢが、高圧電極４の流路部２に対向する平面部４ａの両側の角部４ｄの曲率半径ＲＡよりも大きければよく、第１部材６および第２部材７の断面形状は必ずしも長方形である必要はない。第１部材６および第２部材７としては、例えば、直方体、断面が円形や楕円形のロッド、球や楕円体を連結したもの、流路部２に対向する側に凸部を有する放物面状の断面を有する平板、これらを組合せた形状のもの等を適宜用いることができる。また、第１部材６および第２部材７は、中空であったり、表面の全体もしくは一部がメッシュ構造であったりしてもよい。中空や、表面がメッシュ構造の場合、第１部材６および第２部材７を軽量化することができ、第１部材６および第２部材７の図示しない絶縁性保持部材の製造コストを抑制できる。

また、本実施の形態では、各１対の第１部材６および第２部材７は、それぞれ一つの直方体の部材を用いたが、流路部２と対向する平面部６ａ，７ａの辺縁の角部６ｄ，７ｄの曲率半径ＲＢが、高圧電極４の流路部２に対向する平面部４ａの辺縁の角部４ｄの曲率半径ＲＡよりも大きければよく、第１部材６および第２部材７は必ずしも一つの部材で構成されている必要はない。第１部材６および第２部材７の形状として、例えば、図４に示すように、それぞれ離間して配置された複数の円柱、球、直方体等の部材からなる構造とすることができる。複数の部材からなる第１部材６および第２部材７を用いることで、第１部材６および第２部材７を軽量化することができ、第１部材６および第２部材７の図示しない絶縁性保持部材の製造コストを抑制することができる。また、高圧電極４の製造ばらつきに応じて、各部分部材５０と流路部２の間隔を調整することができるため、高圧電極４および水処理装置１０の製造コストを抑制することができる。

また、本実施の形態では、各１対の第１部材６および第２部材７は、同一の直方体の部材を用いたが、異なる形状の部材を適用することができる。例えば、第２部材７は流路部２の側壁２ｂ、２ｃと近接して配置される。一方、第１部材６は流路２ａと対向して配置される。したがって、流路部２と第１部材６との距離は、流路部２と第２部材７との距離よりも大きくなる。つまり、第１部材６と流路部２との間の電界は、第２部材７と流路部２との間の電界よりも小さくなる。したがって、第１部材６の角部６ｄに必要な曲率半径は、第２部材７の角部７ｄに必要な曲率半径よりも小さい。このように、第１部材６と第２部材とでは必要な曲率半径が異なるため、必要な曲率半径に応じて第１部材および第２部材の形状をそれぞれ変更することができる。第１部材６の曲率半径を第２部材の曲率半径よりも小さくすることで、第１部材６を薄片化することができる。第１部材６を薄片化することで、第１部材６および第２部材７の図示しない絶縁性保持部材の製造コストを抑制できる。

また、高圧電極４と第１部材６および第２部材７との間隔は、高圧電極４や第１部材６（および第２部材７）の構造、気体層のガス種等の諸条件に応じて適宜決定することができる。一般に、高圧電極４と第１部材６および第２部材７との間隔は、隣り合う高圧電極４同士の間隔よりも小さくなるようにすると、第１部材６および第２部材７がより効果的に機能する。
また、本実施の形態では、高電圧部３の外周部を周回するように、被処理水Ｗの流れと直交する方向に一対の第１部材６を設け、被処理水Ｗの流れに沿う方向に一対の第２部材７を設けたが、第１部材６または第２部材７は、どちらか一方のみを設けることも可能である。つまり、第１部材６あるいは第２部材７は、高電圧部３の一部の端部に配置してもよい。例えば、本実施の形態の場合、隣り合う高圧電極４の間隔が、高電圧部３と流路部２との間隔Ｇよりも広い場合は、被処理水Ｗの流れに沿う方向に配置される一対の第１部材６を省略することができる。

また、本実施の形態では、高電圧部３および第１部材６および第２部材７は、接続線９を介してパルス電源８に並列に接続されているが、パルス電源８に対して高電圧部３と電界緩和部５とを直列に接続することもできる。なお、第１部材６と第２部材７とは、電気的に接触された状態で組み立てられている。

さらに、本実施の形態では、高電圧部３および第１部材６および第２部材７を個別に作製しているが、高電圧部３および第１部材６および第２部材７を一体化して作製することもできる。高電圧部３および第１部材６および第２部材７を例えば一体成型することで、隣り合う高圧電極４の間隔や高電圧部３と第１部材６および第２部材７と間の間隔を高精度に調整することができる。つまり、高圧電極４の流路部２と対向する平面部４ａの電界を高精度に調整することができるため、容易に均一な放電を得ることができる。また、高電圧部３と第１部材６および第２部材７とを一体成型することで、部品数を減らすことができ、水処理装置１０の耐久性を向上させたり、更に製造コストを抑制することもできる。
なお、本実施の形態に示す水処理装置１０では、流路部２の側方にパルス電源８を設けたが、接続線９を延長することで、流路部２と離れた位置にパルス電源８を設けることもできる。また、流路部２、高電圧部３、電界緩和部５を密閉あるいは半密閉の収容装置に収容し、収容装置の外にパルス電源８を設けることで、被処理水Ｗの飛沫や蒸気、また放電によって生じた酸化性粒子によってパルス電源８が劣化することを防ぐことができる。

実施の形態２．
図５〜図７は、実施の形態２を示すものであり、図５は水処理装置の構成を示す構成図、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ線の断面図、図６（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図、図７は図５のＢ−Ｂ線の断面図である。これらの図において、水処理装置２０は、電圧印加部としての高電圧部１３を有する。高電圧部１３は、複数の高圧電極１４を有する。高圧電極１４は、断面円形のワイヤ状のステンレス鋼線で形成され（後述の図６（ｂ）の第１部材１６および第２部材１７と同じ）、流路部２の上方にあって、その長さ方向が流路部２の延在方向と直交する方向（図５におけるＡ−Ａ線の向き）になるようにして、流路部２の延在方向に等間隔に複数配置されている。高圧電極１４の流路部２と対向する対向部１４ａは、断面円形の線材の下半分の部分である。高圧電極１４は、流路部２に対して平行に、図示しない絶縁性保持部材によって流路部２の上方に流路部２との間に気体層を形成するように間隔Ｇを設けて保持されている。すなわち、高圧電極１４と流路部２との間隔Ｇが一定値になるようにして、かつ間に気体層を形成するようにして保持されている。

電界緩和部１５は、高圧電極１４と同じ断面円形（図６（ｂ）参照）のワイヤ（線材）を用いた一対の電界緩和部材としての第１部材１６と一対の電界緩和部材としての第２部材１７とを組み合わせて長方形に形成されている。第１部材１６と第２部材１７とは、電気的に接続されている。電界緩和部１５は、高電圧部１３の上方に配置されている。すなわち、電界緩和部１５の第１部材１６は、図７に示すように、高圧電極１４すなわち高電圧部１３の上方にあって、高電圧部１３の流路部２の延在方向の両端部に位置する高圧電極１４と図７における上下方向に所定の間隙を設けて対向するようにして配置されている。また、第２部材１７は、図６（ａ）に示すように、高圧電極１４すなわち高電圧部１３の上方にあって、複数本配設された高圧電極１４の流路部２の延在方向と直交する方向の両端部と所定の間隙を設けて対向するようにして配置されている。電界緩和部１５は、高電圧部１３と同電位に保持されている。第１部材１６および第２部材１７の流路部２と対向する対向部１６ａ、対向部１７ａは、断面円形のワイヤの下半分の部分である。電界緩和部１５が高電圧部１３の図６（ａ）における上方に設けられているため、電界緩和部１５と流路部２との間隔が、高電圧部１３と流路部２との間隔Ｇよりも大きくなっている。すなわち、電界緩和部１５は、高電圧部１３より流路部２から遠い位置に配置されている。また、電界緩和部１５と高圧電極１４との間隔は、隣り合う高圧電極１４同士の間隔よりも小さくなるようにして配置されている。第１部材１６および第２部材１７は、図示しない絶縁性保持部材によって保持されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

次に、本実施の形態に示す水処理装置２０によって、高電圧部１３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成する原理を説明する。パルス電源８から高電圧部１３および第１部材１６および第２部材１７に高電圧が印加されたとき、高圧電極１４および第１部材１６および第２部材１７と、流路部２との間に電界が形成される。このとき、高電圧部１３の端部の電界は第１部材１６および第２部材１７の電位によって緩和されるため、高圧電極１４の流路部２と対向する対向部１４ａに均一で強い電界が形成される。その結果、高圧電極１４と流路部２との間に均一な放電Ｐが発生する。一方、第１部材１６および第２部材１７では、第１部材１６および第２部材１７と流路部２との間隔が、高圧電極１４と流路部２との間隔よりも大きく、第１部材１６および第２部材１７の対向部１６ａ，１７ａの電界が高圧電極１４の対向部１４ａに形成される電界よりも小さくなるため、第１部材１６および第２部材１７と流路部２との間には放電Ｐが発生しない。従って、第１部材１６および第２部材１７によって高圧電極１４の端部の電界を緩和することで高電圧部１３の端部に放電Ｐが集中することなく、高電圧部１３と流路部２との間に均一な放電Ｐを発生させて、生成される活性種の量を増やすことができ、活性種の被処理水中への供給量を増加することができる。

以上においては、電界緩和部１５を高電圧部１３の上方に流路部２からの距離が高電圧部３よりも遠い位置に設けたものを示した。このように、流路部２側から見て、高電圧部１３と電界緩和部１５との一部が重なり合う配置とすることで、高電圧部１３の広がり（大きさ）をより広くして高電圧部１３が流路部２と対向する面積を増加することができるため、被処理水Ｗの表面の広い領域に放電を均一に形成することができる。なお、流路部２側から見て、高電圧部１３と電界緩和部１５とが重なりあわず、かつ電界緩和部１５が高電圧部１３よりも高い位置すなわち高電圧部１３よりも流路部２から離れた位置にあるようにしてもよい。このとき、電界緩和部１５と高圧電極１４との間隔は、隣り合う高圧電極１４同士の間隔および高圧電極１４と流路部２との間隔よりも小さくなるようにされている。また、重なりあわないように電界緩和部１５を高電圧部１３の外形寸法よりも大きくし、かつ電界緩和部１５が高電圧部１３よりも高い位置すなわち高電圧部１３よりも流路部２から離れた位置にあるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、第１部材１６および第２部材１７は高圧電極１４と同じ寸法の断面円形のワイヤを用いたが、高圧電極１４と同じ形状でなくてもよい。第１部材１６および第２部材１７としては、例えば、中空の丸管、直方体、断面が円形や楕円形のロッド、球や楕円体を連結したもの、流路部２側に凸部を有する放物面状の断面を有した平板、針状の放電部を櫛の歯状に設けたもの、これらを組合せた形状のものなどを用いることができる。

実施の形態３．
図８〜図１０は、実施の形態３を示すものであり、図８は水処理装置の構成を示す構成図、図９（ａ）は図８のＡ−Ａ線の断面図、図９（ｂ）は第１部材および第２部材の断面図、図１０（ａ）は図８のＢ−Ｂ線の断面図、図１０（ｂ）は高圧電極の断面図である。これらの図において、水処理装置３０は、電圧印加部としての高電圧部２３を有する。高電圧部２３は複数の高圧電極２４を有する。高圧電極２４は、図１０（ｂ）に示すように刃状の断面形状を有する対向部２４ａを有する。そして、高圧電極２４は、流路部２の延在方向（被処理水Ｗの流れに沿う方向）（図８におけるＢ−Ｂ線の向き）に等間隔に複数配置されて構成されている。高圧電極２４は、流路部２の上方にあって、流路部２の延在方向と直交する方向（図８におけるＡ−Ａ線の向き）に流路部２に対して平行に、図示しない絶縁性保持部材によって保持されている。すなわち、高圧電極２４と流路部２との間隔Ｇが一定値になるようにして、かつ間に気体層を形成するようにして保持されている。

高電圧部２３の周囲には、高電圧部２３と同電位に保持された電界緩和部２５が配置されている。電界緩和部２５は、一対の電界緩和部材としての第１部材２６および一対の電界緩和部材としての第２部材２７にて長方形に形成されている。第１部材２６および第２部材２７は、電気的に接続されている。第１部材２６および第２部材２７は、同じ寸法の断面長方形の中実の直方体（ステンレス鋼製の角材）（図９（ｂ）参照）が用いられている。第１部材２６の流路部２と対向する平面部２６ａおよび両側の角部２６ｄ、並びに高電圧部２３と反対側の側面部２６ｂを、覆うようにして断面アングル状の絶縁層２９が設けられている。第２部材２７は、第１部材２６と同じ直方体が用いられており、同様に第２部材２７の流路部２と対向する平面部２７ａおよび両側の角部２７ｄ、並びに高電圧部２３と反対側の側面部２７ｂを、覆うようにして断面アングル状の絶縁層２９が設けられている。また、電界緩和部２５は、高圧電極２４の対向部２４ａの端部と第２部材２７の側面とが接する（密着する）ようにして配置されている。また、絶縁層２９と流路部２との間隔は、高電圧部２３と流路部２との間隔よりも小さくなっている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。なお、平面部２６ａおよび両側の角部２６ｄが、この発明における流路部２と対向する対向部２６ｆであり、平面部２７ａおよび両側の角部２７ｄが、この発明における流路部２と対向する対向部２７ｆである。

次に、本実施の形態に示す水処理装置３０によって、高電圧部２３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成する原理を説明する。パルス電源８から高電圧部２３と電界緩和部２５とに高電圧が印加されたとき、高圧電極２４および第１部材２６および第２部材２７と、流路部２との間に電界が形成される。このとき、被処理水Ｗが流れる最上流側および最下流側にある高圧電極２４の電界は隣接する第１部材２６の電位によって緩和されるため、高圧電極２４の流路部２と対向する対向部２４ａに均一で強い電界が形成される。その結果、高圧電極２４と流路部２との間に均一な放電Ｐが発生する。一方、第１部材２６の流路部２と対向する平面部２６ａに絶縁層２９が設けられているため、絶縁層２９の内部で電圧降下が生じ、絶縁層２９の流路部２と対向する面の電界が高圧電極２４の流路部２と対向する対向部２４ａの電界よりも小さくなる。従って、絶縁層２９と流路部２との間には放電Ｐが形成されない。また、パルス電源８から印加される電圧が単極性の場合は、絶縁層２９の表面に電荷が蓄積されるため、絶縁層２９と流路部２の間の電界がより抑制され、放電Ｐが発生しにくくなる。

同様に、高圧電極２４の長さ方向（図８の左右方向）の端部の電界は第２部材２７の電位によって緩和されるため、高圧電極２４の流路部２と対向する対向部２４ａに均一で強い電界が形成される。その結果、高圧電極２４と流路部２との間に均一な放電Ｐが発生する。一方、第２部材２７の流路部２と対向する平面部２７ａに絶縁層２９が設けられているため、絶縁層２９の内部で電圧降下が生じ、絶縁層２９の流路部２と対向する面の電界が高圧電極２４の流路部２と対向する対向部２４ａの電界よりも小さくなる。従って、絶縁層２９と流路部２との間には放電Ｐが形成されない。また、パルス電源８から印加される電圧が単極性の場合は、絶縁層２９の表面に電荷が蓄積されるため、絶縁層２９と流路部２の間の電界がより抑制され、放電Ｐが発生しにくくなる。従って、電界緩和部２５によって高電圧部２３の端部の電界を緩和することで高電圧部２３の端部に放電Ｐが集中することなく、高電圧部２３と流路部２との間に均一な放電Ｐを形成することができ、放電によって生成される活性種の量を増やすことができ、活性種の被処理水中への供給量を増加することができる。

また、本実施の形態では、絶縁層２９と流路部２との間隔は、高電圧部２３と流路部２との間隔Ｇよりも小さく、また、高圧電極２４の対向部２４ａの長さ方向の端部と第２部材２７の側面とは接して（密着して）いる。このため、結露や飛沫などによって高圧電極２４に液滴が形成されたとしても、液滴は重力や放電形成で生じた衝撃波などによって高圧電極２４と第２部材２７との接触部を介して下方の絶縁層２９に移動し、絶縁層２９から流路部２に滴下するため、高圧電極２４から液滴が滴下する場合に生じるスパーク（火花）の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、第１部材２６および第２部材２７の流路部２と対向する平面部２６ａ，２７ａおよび高電圧部２３と反対側の側面部２６ｂ，２７ｂの表面に絶縁層２９を設けたが、これに限られるものではなく、絶縁層２９は少なくとも第１部材２６および第２部材２７の流路部２と対向する対向部２６ｆ，２７ｆに形成されていればよい。また、絶縁層２９を設けることで、第１部材２６および第２部材２７の耐腐食性を向上させることができる。また、第１部材２６および第２部材２７の表面全体を絶縁層２９で被覆することもできる。第１部材２６および第２部材２７の表面全体を絶縁層２９で被覆することで、第１部材２６および第２部材２７と絶縁層２９との界面の露出をなくすことができ、界面での腐食などによる第１部材２６および第２部材２７からの絶縁層２９の剥離を抑制することができる。

絶縁層２９はセラミックスや樹脂などの絶縁性材料で構成することができる。特にガラスやフッ素樹脂など耐腐食性に優れた絶縁性材料を用いることが望ましい。また、絶縁層２９の比誘電率が小さいほど、絶縁層２９内での電圧降下が大きくなるため、比誘電率が小さい材料が好適である。絶縁層２９の厚みは、絶縁層２９の材料や第１部材２６および第２部材２７の構造等の諸条件に応じて適宜決定することができる。一般に、絶縁層２９の厚みとしては、０．１ｍｍ〜１０ｍｍが望ましい。これは、０．１ｍｍ未満では、加工組み立て時の傷等によって絶縁機能が失われる可能性が高く、また、１０ｍｍ以上の場合は、溶射や吹き付けなどの一般的な手法で第１部材２６および第２部材２７に絶縁層２９を形成することが困難であり、絶縁層２９を形成するための製造コストが増加するためである。なお、絶縁性材料からなる板材などをねじ止めなどの機械的方法により第１部材２６および 第２部材２７に取り付けて絶縁層２９とすることもできる。また、絶縁層２９は複数の絶縁材料からなる多層構造とすることができる。また、多層構造のうちの一層を気体とすることもできる。気体は比誘電率がほぼ１であり、気体内での電圧効果が大きくなるため、絶縁層２９による放電抑制効果を大きくすることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、上述した各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

Claims (11)

1. 被処理水が流れる流路部と高電圧が印加される電圧印加部との間に電界を形成し、前記電圧印加部と前記流路部との間に放電を発生させることにより水処理を行う水処理装置において、
   前記電圧印加部の外周に前記流路部と対向して配置され、前記流路部との間に電界を形成する電界緩和部と、
   前記電圧印加部と前記電界緩和部とに電圧を印加する電源とを備え、
   前記電圧印加部は、前記被処理水の通流方向と直交する延在方向に延在する形状を有し、
   前記電界緩和部は、前記延在方向における前記電圧印加部の両端部と対向するようにして設けられたものであり、
   前記電圧の印加によって前記電界緩和部が形成する電界は、前記電圧の印加によって前記電圧印加部が形成する電界よりも小さい水処理装置。
2. 前記電界緩和部は、前記電圧印加部と電気的に接続され、同電位に保たれたものである請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記電界緩和部と前記流路部との間隔が、前記電圧印加部と前記流路部との間隔よりも大きいものである請求項１または請求項２に記載の水処理装置。
4. 前記電界緩和部と前記電圧印加部が接して設けられ、前記電界緩和部と前記流路部との間隔が、前記電圧印加部と前記流路部との間隔以下に設けられたものである請求項１に記載の水処理装置。
5. 前記電界緩和部は、前記流路部と最も近接する対向部が、所定方向の長さが長くされた平面部と前記所定方向と直交する方向の両端部に角が丸められた丸め部を有するものである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水処理装置。
6. 前記電界緩和部は、断面円形の線材あるいは中空材で形成されたものである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水処理装置。
7. 前記電界緩和部は、前記流路部と対向する対向部に絶縁層が設けられたものである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水処理装置。
8. 前記電圧印加部は、複数の高圧電極で構成され、前記電圧印加部は、前記高圧電極が前記通流方向に互いに間隔を設けて複数配置されたものである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水処理装置。
9. 前記電界緩和部は、前記電圧印加部の前記通流方向の両端に位置する前記高圧電極と対向するようにして設けられたものである請求項８に記載の水処理装置。
10. 前記高圧電極が、薄板状のものである請求項８又は請求項９に記載の水処理装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の水処理装置を用いて行う水処理方法であって、前記流路部に前記被処理水を通流しながら前記電圧印加部と前記流路部との間にて放電を形成し、前記被処理水を前記放電に接触させ、前記放電で生成された活性種を前記被処理水中に供給し、前記被処理水中に供給された前記活性種によって前記被処理水を処理する水処理方法。

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