WO2007138773A1 - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

　空気または酸素ガスを供給する設備が不要で、化学的および物理的な相乗作用による水処理効果が高く、コンパクトで安価な且つ信頼性の高い水処理装置を得る。 　本発明の水処理装置は、被処理水（６）の通水管路（１３）内に設けた電極（５）に高電圧を印加して処理を行うもので、電極（５）の前段近傍に設けられ通水管路（１３）内にオリフィスを有し、この最収縮部の後段で被処理水（６）にキャビテーションによるバブルを発生させるキャビテーションバブル発生ノズル（１２）と、このキャビテーションバブル発生ノズル（１２）の前段に被処理水（６）を一定の圧力で送給する加圧ポンプ（１１）とを設けた構造である。

Description

明 細 書

水処理装置

技術分野

[0001] 本発明は、上水、下水、産業排水、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、細菌類もしくはアンモニア含有水の処 理を行う水処理装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、用 *排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ゃ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。

オゾンゃ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 排水、プール用水、船舶用バラスト用排水等の各種用排水の 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。

こうした対策として、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小気泡を発生させ、こうした水中内の気泡空間で放電を発生 させるとレ、つた方法が提案されてレ、る（例えば、特許文献 1参照）。

このときの水処理装置は図 5のようになっている。図において、 1は処理槽、 2はガス 供給手段、 3は中空糸膜、 4は高電圧電源、 5は電極である。なお、中空糸膜 3およ び電極 5は水中に設置されている。微細孔をもつ中空糸膜 3の両側に対向して設け た電極 5に、直流、交流あるいはパルス状の高電圧を印加すると、中空糸膜 3の微細 孔によりできる微細気泡内で局部的なパルス放電が発生する。これにより、微細気泡 中の酸素が発生している高密度のノ^レス放電に接触することにより、電気工ネルギ 一によつて励起されてオゾンが生成し、このオゾンが除去対象有機物に作用するとい つたものである。

また、前述のような電極間に積極的に曝気を行うのではなぐ放電の核となる大きさ の揃った微小気泡を放電空間全体に満遍なく効率良く発生させるといった方法も提 案されている (例えば、特許文献 2参照）。

このときの水処理装置は図 6のようになっている。図において、 6は被処理水、 7は 高圧槽、 8は酸素リッチガス、 9は低圧槽、 10は処理水である。なお、前出の符号は 省略した。高圧槽 7内で水中に酸素リッチガス 8を溶解させ、ついで減圧した低圧槽 9内で溶解した酸素リッチガス 8を水中に微細気泡として電極 5間に発生させ、この微 細気泡をパルス放電下に曝すことによって、オゾン及び Zまたは OHラジカル溶解量 の高い高酸化性水を生成させるといったものである。

特許文献 1 :特開平 5— 319807

特許文献 2：特開 2001— 10808

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

し力、しながら、いずれの方法についても以下のような共通の問題がある。

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、低コストィ匕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ぐ高電圧印加 が必要であるため受電設備が大規模になる。

なお、オゾンゃ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 レ、つたようことも懸念される。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放電空間をより容易に形 成することができ、オゾンゃヒドロキシラジカル等の活性種による化学的な作用と同時 に、破砕等の物理的な作用も有したコンパクトで、低コストの水処理装置を提供する ことを目的とする。

課題を解決するための手段

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、被処理水の通水管路内に対向させて設けた電極間に 高電圧を印加して処理を行う水処理装置において、前記被処理水中にキヤビテーシ ヨンバブルを発生させるキヤビテーシヨンバブル発生ノズルを前記電極の前段近傍に 配置し、前記被処理水を一定の圧力で送給する加圧ポンプを前記キヤビテーシヨン バブル発生ノズノレの前段に配置したものである。

請求項 2に記載の発明は、前記電極を、線形状、棒形状、平板形状のうち同形状 を含む二つを組み合わせたもの、線形状または棒形状のものと螺旋形状のものとを 組み合わせたもののレ、ずれかとしたものである。

請求項 3に記載の発明は、前記電極を前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレの先 端部の周囲に配置したものと、それに対向させて前記通水管路内に配置したものと からなるものである。

請求項 4に記載の発明は、前記電極の表面に突起を形成したものである。

請求項 5に記載の発明は、前記加圧ポンプの電動機とポンプを絶縁材料ベース に一定の絶縁間隔をおいて配置するとともに、前記電動機の回転シャフトとポンプの 回転シャフトを絶縁材料による Vベルトもしくは絶縁材料を介して接続するものである 請求項 7に記載の発明は、通水時において、前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズ ルの前段の圧力、もしくは前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレ前後の差圧を監視 する圧力監視装置を設置するものである。

請求項 8に記載の発明は、前記被処理水の導電率を監視する導電率計を設置する ものである。

請求項 9に記載の発明は、前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレの前段または後 段に過酸化水素を注入する過酸化水素注入手段を設けたものである。 請求項 10に記載の発明は、前記電極が対向する通水管路の空間に、紫外線を照 射する手段を設けたものである。

請求項 11に記載の発明は、前記加圧ポンプまたは前記キヤビテーシヨンバブル発 生ノズノレの前段に、水中の溶存酸素を富化させる溶存酸素富化手段を設けたもので ある。

発明の効果

請求項 1に記載の発明によると、圧送水はオリフィスの最収縮部を通過直後、急激 な圧力降下により無数の小さなキヤビテーシヨンバブルが発生する。このため、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は不要である。ま た、この気泡は短時間で自然消滅し、被処理水中に気泡が残留することがないため 、脱気ゃ排ガス処理設備が不要となる。このようにコンパ外且つ安価なコストでの装 置の提供が可能となる。また、微細化したキヤビテーシヨンバブルは大気圧以下で生 じているため、放電開始電圧は低ぐ受電設備の小規模化が可能であり、装置の信 頼性向上にもつながる。さらには、キヤビテーシヨンバブル崩壊時に発生する衝撃力 が作用するなど、物理的な相乗効果が大いに期待される装置となる。

請求項 2に記載の発明によると、電極の構造や組み合わせを水質や水量に応じて 最適化するため、安定した放電空間が形成されて処理効率が向上する。

請求項 3に記載の発明によると、電極を設置した部分は、被処理水がオリフィス最収 縮部を通過した直後であるため、通水管路内で最も減圧され、且つキヤビテーシヨン バブルの発生が促進される。このため、より低い放電開始電圧で放電が発生する。ま た、電極間を被処理水が通過するときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水の送 給圧力を低下させて流量を増加させることができるようになり処理効率が向上する。 請求項 4に記載の発明によると、電極表面の突起構造により放電形成を促し、処理 効率が向上する。

請求項 5に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加圧 ポンプのポンプの電位差が高電圧になった際、電動機における低圧電源系統経由 の地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。

請求項 6に記載の発明によると、電極への高電圧印加時に被処理水を経由して加 圧ポンプのポンプ及び電動機の電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の 地絡を防止し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。

請求項 7に記載の発明によると、キヤビテーシヨンバブル発生の安定化を図り、通水 状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出することにより、即座に高電圧の印加 もしくは装置の停止を行う。これにより、安全かつ安定した処理を行うことができ、信頼 性の高い装置を提供することが可能となる。

請求項 8に記載の発明によると、被処理水の水質変動等により導電率が上昇し、安 定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止して、安全かつ安定した 処理を行うことができ、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。

請求項 9に記載の発明によると、過酸化水素と放電により生成したオゾンにより、ヒド ロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上 する。

請求項 10に記載の発明によると、紫外線と放電により生成したオゾンにより、ヒドロ キシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の分解効果が向上す る。

請求項 11に記載の発明によると、放電により高濃度のオゾンゃヒドロキシラジカル 等の活性種の生成が促され、更なる処理効率の向上が期待できる。

図面の簡単な説明

[0006] [図 1]本発明の実施例 1を示す水処理装置の概略構成図

[図 2]本発明の実施例 2を示す電極部分の断面図

[図 3]本発明の実施例 2を示す他の電極部分の断面図

[図 4]本発明の実施例 3を示す水処理装置の概略構成図

[図 5]従来の水処理装置を示す概略図

[図 6]従来の他の水処理装置を示す概略図

符号の説明

[0007] 1 処理槽

2 ガス供給手段

3 中空糸膜 4 高電圧電源

5、 5a、 5b 電極

5a' 突起

6 被処理水

7 高圧槽

8 酸素リッチガス

9 低圧槽

10 処理水

11 加圧ポンプ

11a 電動機

l ib ポンプ

12 キヤビテーシヨン発生ノズノレ

13 通水管路

14 高電圧電源

15 高電圧絶縁トランス

16 圧力監視装置

17 導電率計

18 過酸化水素注入手段

19 溶存酸素富化手段

20 紫外線照射手段

発明を実施するための最良の形態

[0008] 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。

実施例 1

[0009] 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ある。図において、 1 1 は加圧ポンプ、 12はキヤビテーシヨン発生ノズル、 13は通水管路、 14は高電圧電源 、 15は高電圧絶縁トランス、 16は圧力監視装置、 17は導電率計である。なお、前出 の符号や説明は省略する。

本発明が特許文献 1および特許文献 2と異なる主要な部分は、被処理水を一定の 圧力で送給する加圧ポンプ 11と、キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレを配設しており

、該キヤビテーシヨンバブル発生ノズルの後段近傍において、通水管路内に一定の 間隔で対向させた電極を設置してレ、る点である。特許文献 1および特許文献 2のよう な空気または酸素ガスを供給する設備や、供給されたガスを微細気泡化するための 設備は付随しておらず、水中に未溶解の気泡を脱気する設備や、脱気後の排ガス 処理設備も付随しない。また、オゾンゃ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するものでなぐキヤビテーシヨンバブル崩壊時に生じる衝撃力 による物理的な作用との相乗効果により、圧倒的に処理効率を向上させることを可能 とするものである。

つぎに、本実施例の動作について説明する。

(1)被処理水 6は加圧ポンプ 11により一定の圧力で配管中途部に配設されたキヤビテ ーシヨン発生ノズル 12に送給される。キヤビテーシヨン発生ノズル 12はオリフィス形状 を有しており最収縮部を通過直後、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、無数の小さなキヤ ビテーシヨンバブルが発生する。

なお、加圧ポンプ 11により圧送するときの水圧は被処理水の水質等にもよるが、概 々0.1〜1.5MPaの範囲で設定するのが良レ、。

(2)キヤビテーシヨン発生ノズル 12の後段近傍には、通水管路 13内に一定の間隔で 対向させてステンレス製の平板構造からなる電極 5を設置している。陽極側 (もしくは 高圧側）の放電面は図中に示すような突起 5a'を設けた構造にすることにより、放電 開始電圧を降下することができ、安定した放電空間を形成することができる。本空間 を該キヤビテーシヨンバブルが通過する際、高電圧電源 14から高周波の正弦状波形 、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、該キヤビテーシヨンパブ ル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、処理対象有機物と効果的に反応し、これを分解する。同時に放電空間に形成 される強力な電界や紫外線により、微生物や菌類の殺菌も可能となる。なお、電極間 距離は 30mm以下が好ましい。適切な印加電圧 ·周波数は、電極間距離、被処理水 の水質や流速、あるいは水圧等に影響される力 10kV以下、 10kHz以下において 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力 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。

(3)キヤビテーシヨンバブル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に混在 する浮遊物や微生物等を粉砕することができる。

前述した (2)および (3)の現象が同空間で生じる際、それらの相乗作用により除去対 象とする有機物を強力且つ効率的に処理し、清浄な処理水 10を得ることができる。 以上により、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 は不要となる。また、キヤビテーシヨンバブルは短時間で消滅し、被処理水中に気泡 が残留することがないため、脱気ゃ排ガス処理設備は不要である。このようにコンパク ト且つ安価なコストでの装置の提供が可能となる。また、微細化したキヤビテーシヨン バブルは大気圧以下で生じているため、放電開始電圧は低ぐ受電設備の小規模 化が可能であり、装置の信頼性も向上する。

また、本装置の信頼性や安全性を向上し、安定した処理を行うために (4)〜(6)の構 成にしている。

(4)加圧ポンプ 11は電動機 1 laとポンプ 1 lbを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔を おいて配置するとともに、電動機 11aの回転シャフトとポンプ l ibの回転シャフトを絶 縁材料による Vベルトもしくは絶縁材料を介して接続するようにしている。さらに、加圧 ポンプの駆動電源は、高電圧絶縁トランス 15を中継して電源を供給している。これに より、電極 5への高電圧印加時に被処理水 6を経由して加圧ポンプ 11のポンプ l ib または電動機 11aの電位差が高電圧になった際、低圧電源系統経由の地絡を防止 し、装置の破損や人体への感電を防止することができる。

(5)キヤビテーシヨンバブル発生ノズル 12の前段、もしくは前後の差圧を監視する圧 力監視装置 16を設置しており、通水状態に異常が生じた際には圧力の変動を検出 して、即座に高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。

(6)被処理水 6の導電率を監視する導電率計 17を設置しており、被処理水 12の水質 変動等により導電率が上昇した際には高電圧の印加もしくは装置の停止を行う。これ により、安定した放電の発生及び処理が不能になることを未然に防止することができ る。

実施例 2

[0011] 図 2および図 3は本発明の実施例 2を示す電極部分の断面図である。本実施例は 電極 5の配置例について説明したものである。図 2は線形または棒状の電極 5a (陽極 もしくは高圧側)および線を螺旋状にした電極 5b (陰極もしくは接地側）を、同間隔で 対になるように配置したものである。電極 5を本構造のように配置することにより、円形 断面の配管内に容易に形成することができるとともに、放電の生成効率も良ぐ高い 水処理効果が得られる。なお、本実施例では陰極側 (もしくは接地側）の電極 5bを螺 旋状にした力 メッシュ状のものでも同じ効果が得られる。

図 3はキヤビテーシヨンバブル発生ノズル 12の先端部に、流路を妨げないように環 形状の電極 5b (陰極もしくは接地側）を接続し、それと対向して通水管路 13内に平 板の電極 5a (陽極もしくは高圧側)を一定の間隔で配置したものである。上記電極を 設置した部分は、被処理水 6がオリフィス最収縮部を通過した直後であるため、通水 管路 13内で最も減圧され、且つキヤビテーシヨンバブルの発生が促進される。このた め、より低い放電開始電圧で放電が発生する。また、電極間を被処理水が通過する ときの管路抵抗を小さくできるため、被処理水 6の送給圧力を低下させて流量を増加 させることができるようになり処理効率が向上するといつた効果が得られる。また、キヤ ビテーシヨン発生ノズル 12のオリフィス部分の材質については、通常はセラミックスや 樹脂等の絶縁材料とする力 ステンレス等の金属材料を用いて電極を兼ねることも可 能である。なお、本実施例では電極 5aを陽極側 (もしくは高圧側）、電極 5bを陰極側 (もしくは接地側）としたが、逆に配置することもできる。

実施例 3

[0012] 図 4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。本実施例は本発 明の水処理装置にラジカル生成促進機能を付加した概略構成図である。図におい て、 18は過酸化水素注入手段、 19は溶存酸素富化手段、 20は紫外線照射手段で ある。その他の構成は、実施例 1とほぼ同等な構成である。

過酸化水素注入手段 18は、加圧ポンプ 11の前段または後段から過酸化水素を適 正量注入するようにしたものであり、紫外線照射手段 20は、電極 5間の放電空間に 3 OOnm以下の短波長紫外線を直接照射するようにしている。また、溶存酸素富化手 段 19は、加圧ポンプ 11の前段の貯留槽等（図示せず）において、高濃度酸素曝気 等により被処理水中の溶存酸素濃度を高めるようにしたものである。このような構成に より、オゾンゃヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解性有機物等の 分解効果ゃ更なる処理効率の向上が可能となる。

このように、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 、且つ脱気ゃ排ガス処理設備が不要になる。微細化したキヤビテーシヨンバブルは 大気圧以下で生じているため放電開始電圧が低ぐ装置の信頼性も高い。また、キヤ ビテーシヨンバブル崩壊時に発生する衝撃力が作用するなど、物理的な相乗効果も 大いに期待できる。さらにはヒドロキシラジカル等の活性種の生成が促され、難分解 性有機物等の分解効果が向上するといつた、コンパ外で安価な且つ信頼性の高い 水処理装置を提供することができる。

産業上の利用可能性

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 リジゥ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 体にっレ、て、キヤビテーシヨン発生ノズノレの後段にぉレ、て被処理液体の飽和蒸気圧 以下まで圧力を低下させ、キヤビテーシヨ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。

Claims

請求の範囲

[1] 被処理水の通水管路内に対向させて設けた電極間に高電圧を印加して処理を行 う水処理装置において、

前記被処理水中にキヤビテーシヨンバブルを発生させるキヤビテーシヨンバブル発生 ノズノレを前記電極の前段近傍に配置し、前記被処理水を一定の圧力で送給する加 圧ポンプを前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズルの前段に配置したことを特徴とす る水処理装置。

[2] 前記電極は、線形状、棒形状、平板形状のうち同形状を含む二つを組み合わせた もの、線形状または棒形状のものと螺旋形状のものとを組み合わせたもののレ、ずれ 力であることを特徴とする請求項 1記載の水処理装置。

[3] 前記電極は、前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレの先端部の周囲に配置したも のと、それに対向させて前記通水管路内に配置したものとからなることを特徴とする 請求項 1記載の水処理装置。

[4] 前記電極の表面に突起を形成したことを特徴とする請求項 3記載の水処理装置。

[5] 前記加圧ポンプの電動機とポンプを絶縁材料ベースに一定の絶縁間隔をおいて 配置するとともに、前記電動機の回転シャフトとポンプの回転シャフトを絶縁材料によ る Vベルトもしくは絶縁材料を介して接続することを特徴とする請求項 1記載の水処 理装置。

[6] 前記加圧ポンプの駆動電源は、高電圧絶縁トランスを中継して電源を供給すること を特徴とする請求項 1記載の水処理装置。

[7] 通水時において、前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレの前段の圧力、もしくは 前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズル前後の差圧を監視する圧力監視装置を設置 することを特徴とする請求項 1記載の水処理装置。

[8] 前記被処理水の導電率を監視する導電率計を設置することを特徴とする請求項 1 記載の水処理装置。

[9] 前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズルの前段または後段に、過酸化水素を注入 する過酸化水素注入手段を設けたことを特徴とする請求項 1記載の水処理装置。

[10] 前記電極が対向する通水管路の空間に、紫外線を照射する手段を設けたことを特 徴とする請求項 1記載の水処理装置。

前記加圧ポンプまたは、前記キヤビテーシヨンバブル発生ノズノレの前段に、水中の 溶存酸素を富化させる溶存酸素富化手段を設けたことを特徴とする請求項 1記載の 水処理装置。