JP2015097975A - 液面プラズマ放電を利用した水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動する処理槽内の処理水を、液面プラズマ放電により効率よく浄化処理する。【解決手段】この発明は、内部に処理水２を収容し、処理水中と処理水の液面２ａ上の気相空間６とに該液面２ａを挟んで設置した陰電極７と、陽電極８との間にプラズマ放電をさせることにより、上記処理水２を浄化処理する反応槽１を備えた水処理装置を改良するものである。上記気相空間６を外部に対して密閉された空間とし、反応槽１に処理水２を供給する導入部３側に処理水２にオゾン又は酸素の少なくとも何れかを含んだガスを供給して反応槽１内に上記ガスを含む気相空間６を形成させる気液混合器１４を設けている。上記反応層１は処理水２を導入する導入部３と処理水２を排出する排出部４以外は密閉された容器であり、処理水２の導入部側と排出部側を結ぶ横方向の軸心を有する筒状体からなり、該筒状体の上部の気相空間６に一方の電極を１個又は複数個設けている。【選択図】図１

Description

この発明は、各種産業排水や湖沼の水処理や飲用水、工業用水の確保に際し、水質を浄化するために使用する液面プラズマ放電を利用した水処理装置に関する。

一般に上記のような産業排水や湖沼、河川の水質浄化のための水処理には濾過や化学処理が広く使用されている。
これに対し、水中又は液面に対して空間を介してプラズマ放電を行うことにより、Ｏ₃，ＯＨラジカルを発生させ、これらによって水質を浄化する技術が公知である（特許文献１，同２）。

特開２００６−０２１０８６号公報（図５） 特開２０００−２８８５４７号公報（図１）

上記特許文献１，２の処理技術は、処理水内にオゾンやＯＨラジカル（hidoroxy:radical）を発生させて処理水を反応させ、殺菌，有機物や化学物質の分解等を行うので、化学薬品等を添加するものに比して処理が簡単で、余分な有害廃棄物を発生させないという利点がある。

しかし、特許文献１のものは処理槽内の処理水中に陰陽両電極が浸されているためＯ₃の発生効率が低く且つ水質の汚染度が高い場合は高出力の電源が必要である。一方特許文献２の技術は、気相空間を介して液面に対して放電するため、求められる電源出力への影響が少ないが、気相空間が外部に対して開放されているために、発生したオゾンやＯＨラジカルが外気の影響を受け又は外部に放散される欠点がある。

また反応槽がいずれも縦軸方向に設置されるために流動する液面に対して、より広い空間を確保して処理水に対する効率的な放電効果を得るという課題に対しては機能が不十分である。

上記課題を解決するために本発明の装置は、第１に、内部に処理水２を収容し、処理水中と処理水の液面２ａ上の気相空間６とに該液面２ａを挟んで設置した陰電極７と、陽電極８との間にプラズマ放電をさせることにより、上記処理水２を浄化処理する反応槽１を備えた水処理装置において、上記気相空間６を外部に対して密閉された空間とし、反応槽１に処理水２を供給する導入部３側に処理水２にオゾン又は酸素の少なくとも何れかを含んだガスを供給して反応槽１内に上記ガスを含む気相空間６を形成させる気液混合器１４を設けてなることを特徴としている。

第２に、反応層１が処理水２を導入する導入部３と処理水２を排出する排出部４以外は密閉された容器であることを特徴としている。

第３に、反応槽１が処理水２の導入部側と排出部側を結ぶ横方向の軸心を有する筒状体からなり、該筒状体の上部の気相空間６に一方の電極を１個又は複数個設けたことを特徴としている。

第４に、陽電極８と液面２ａとの間に所定高さの空間を形成し、両電極７，８間の放電がストリーマ放電であることを特徴としている。

第５に、処理水２の導入部３となる供給管内にバブリングを行いながらガス供給を行う気液混合器１４を設け、該気液混合器１４が供給管内の処理水２にベンチュリー効果を生じさせるベンチュリー部にガス供給部を開口してなることを特徴としている。

第６に、気相空間６内に気相空間側の電極８を囲うスカート部１２を設け、スカート部１２の内面に対し沿面放電をさせる機構としたことを特徴としている。

第７に、処理水２を排水する排出部４の下流側に濾過材を収容してなる濾過装置を接続したことを特徴としている。

本発明は上記のように構成される結果以下のような効果を奏する。
１．処理対象水（処理水）に酸素又はオゾンを含んだ気体を供給して気相空間を形成し、液面と電極間でプラズマ放電をさせるので、ガスとして供給されるオゾン又は高湿度空間内でのプラズマ放電によって生じるオゾンにより殺菌，脱色，脱臭等の浄化処理を行う他、連続的に発生するＯＨラジカルにより処理水内の有機物や化学物質の分解による無害化や菌類、藻類等も死滅させることができる。

２．反応槽及び気相空間が外部に対して密閉されているので、気相空間は常に高湿度で又はさらに高濃度の酸素を含む雰囲気が形成され、流動する処理水の反応処理に必要なＯ₃を効率良く大量に生成することができる。
また反応槽は軸線を横方向に設置した筒状体からなるので、横長に気相空間の形成ができるため、ここに複数の電極を設置し、又は横長の気相空間に沿って電極を放電することにより、反応槽内を下流に向って流動する処理水に対してより効率の高いプラズマ放電ができる利点がある。

３．Ｏ₃及びＯＨラジカルによる反応処理なので、余剰廃棄物が少なく経費の節減になるほか、処理のための薬剤を使用する必要性が少ないため二次汚染の防止ができる。また処理装置は強力な反応が期待でき、構造も簡単で小型化が可能なのでコスト負担も少なくて済むほか、既存の各種水処理装置に低コストで付加できる利点がある。

４．気相空間内の放電電極をスカート部で囲むことにより、スカート部の内面で沿面放電を行わせるので、Ｏ₃の発生量を増大させ、処理水の反応力を高めることができる。

５．反応槽の下流側に濾過装置を接続することによって、反応槽での反応生成物を捕集できるので、処理水の浄化を高め、処理済の浄化水供給による処理対象となる環境浄化への再利用効果も期待できる。

６．処理水内に酸素又はオゾンをバブリングし、さらに放電電極と気相空間を介した液面との間でプラズマ放電させることにより、放電用の電源出力を節減できる。

本発明の装置の概要を示す説明図である。 本発明の装置を従来の水処理装置に付設した実施例を示す説明図である。 本発明装置を湖沼又は貯水池等に直接設置した場合の説明図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は処理前のクリーニング排水の原水と処理後３０分，６０分経過した処理水及び６０分経過後の処理水をゼオライトを用いた濾過装置で濾過したものをそれぞれ示す。 （Ａ）〜（Ｄ）は、処理前の他のクリーニング排水の原水と処理後３０分，６０分経過した処理水及び６０分経過後の処理水をゼオライトを用いた濾過装置で濾過したものをそれぞれ示す。

図１に示す本発明の装置は、横長の絶縁体である円筒形の透明アクリル管（６０mm×３００mm）からなる反応槽１を水平方向に設置し、その上流端に処理水２の導入部（供給管）３が、下流端には排出部（管）４が軸心に沿って取付けられ、全体が密閉構造になっている。

導入部３からは未処理水が供給され（この例では８ l／min）、排出部４からは処理済水が排出され、処理水２は、反応槽１内の上部に気相空間６が例えば２０mm前後の高さで形成されるように水位が調整される。

反応槽１内の処理水中の底部側には、ステンレス（ＳＵＳ）鋼板等からなる電極（陰電極）７が水平方向に設置され、気相空間６内の断面中央には１個又は複数個（この例では２個）外部上方より垂直下向き方向に電極（陽電極）８が設置されている。陽電極８はプラグ９を介して取付けられ、パルス電源（出力２０Ｈｚ、ＤＣ１５０Ｖ、入力電圧ＡＣ１００Ｖ）１０に、並列接続された２基の高電圧発生コイル１１を介して陽電極側に接続され、例えばそれぞれ２０ｋｖで入力される。高電圧発生コイル１１の陰電極側はそれぞれ前記陰電極７側に接続されている。

陽電極８はこの例では０．８mm程度のステンレス鋼又はアルミからなる棒状電極が使用され、液面２ａとの間隔は２０mm前後に設定されている。そして該陽電極８の外周には透明なアクリル管（絶縁体）よりなるスカート部１２が同心的に且つ下向きに開放して設置され、陽電極からの放電は液面２ａに対して行われるほか、スカート部１２の内面に対し沿面放電として行われる。

導入部３内にはガス供給管１３が交差して開口するように接続され、その開口部はベンチュリー管を用いた気液混合器１４が設けられ、ガス供給管１３はオゾナイザ等のオゾン発生器，酸素富化装置，酸素発生装置等のガス発生装置１６に接続されて、気液混合器１４にオゾン，酸素を供給する。ガス供給管の外部端はフィルター等を介して外気に開放され、外部から空気を吸引して供給するものであってもよい。

上記のような機構により、反応槽１には流入処理水とともにオゾン又は酸素を含むガスがバブリングを伴って混合され、流入した処理水中及び気相空間６内では陽電極８から陰電極７に向って液面放電又は水中放電が行われる。

その結果、水中にオゾン供給がない場合でもＯ₃，Ｈ₂Ｏ₂（過酸化水素），ＯＨが発生し、バブリングやオゾン自体による浄化（殺菌，脱臭，脱色等）のほかに、この発明で主として期待している水中のＯ₃によって生じるＯＨラジカルによる強力な酸化作用，殺菌作用，藻等の植物を死滅させる作用等による処理水の浄化が行われ、気液混合器１４よりＯ₃が供給される場合は、上記のＯＨの発生がさらに促進されることになる。

上記のような反応処理後も処理水中には、反応による生成物が残存するため、この生成物がイオン交換によって除去すべきものである場合は、ゼオライト等のイオン交換作用を持つ濾過材を用いた濾過装置でイオン交換及び濾過作用による浄化を行う。また単に固液分離のみで足りる生成物の場合は、活性炭や木炭による濾過装置で浄化できる。

また、本装置による反応処理を妨げる固体等を含む処理水に対しては、本装置の上流側にこれらを捕集する濾過装置を設置すれば足りる。
尚、上記の例では、水平方向の反応槽１の軸心に対して直交方向に陽電極８を設けたが、横方向の気相空間６に対し、軸心方向に沿って陽電極８を水平に配置することも可能であり、この場合は反応槽１内の処理水の流れに沿って略全長にわたって放電電極を配置できる利点があり、この場合沿面放電を促すスカート部（いずれも図示しない）は、水平方向の電極の前後両側に下端を開放端として断面を上下方向に配置することが望ましい。

また上記実施例の説明中に記した寸法や出力値等の数値は、発明者が実験装置として製作したものの例であり、実際の実施に当たっては、求められる処理能力や処理対象物等によって変更されるものであって、これらの数値に限定されるものではない。

図４，図５は上記の装置を用いて業務用洗濯の使用済洗濯水を処理した場合の浄化程度を示す写真である。図４は色素を含む洗濯水の浄化結果、図５は色素を含まない洗濯水の浄化結果であり、いずれも（Ａ）が処理前の水，（Ｂ）が３０分循環処理した水，（Ｃ）が６０分循環処理した水，（Ｄ）が６０分処理後の水をゼオライト濾材を用いた濾過装置で濾過処理したものを示す。
上記によればいずれも（Ａ）から（Ｃ）に至る過程で明らかに透明度が高まり、本装置が優れた浄化能力を発揮していることを示している。

図２は従来の水の浄化処理装置に本発明の処理装置を付設した場合の例を示している。
この例では湖沼３１の水質浄化を行うもので、主として水の汚濁やアオコ等の藻類を除去することを目的としている。湖沼の水３２はポンプＰ₁により循環処理槽３３に収容され、ここからポンプＰ₂によって３方弁３４を介して砂等の粗い固体を捕集する濾過機３６，曝気槽３７，吸着濾過機である木炭槽３８，ゼオライト槽３９に順次送られて処理される。

また循環処理槽３３に入りきらない水は隣接した一時貯水槽４１に貯水され、この水は必要に応じストレーナー４２，ゼオライト使用の濾過機４３等で粗処理されて、ポンプＰ₃により湖沼３１に散水ノズル４４により散水放出され又は濾過機逆洗用等として他に送水される。一時貯水槽４１の水は通常はこの他上記濾過機３６に送られて順次処理される。

木炭槽３８，ゼオライト槽３９の底部にはエアブロー４６によりバブリングが行われるほか、曝気槽３７，木炭槽３８，ゼオライト槽３９内の水は、浄化の度合によりドレン管４７を介して放出又は他の用途に利用することができる。

曝気槽３７の気泡は消泡タンク４８により水に戻され、エアはブロアー４９によって外気に放出され、水分はドレン管５１によって排出される。またゼオライト槽３９の水位は、水位調整部５２により一定に調整され、調整の余剰水は循環処理槽３３に戻される。

上記ゼオライト槽３９によって処理された処理水はポンプＰ₄により本発明装置２０の導入部３に送られるが、ポンプＰ₄の下流側には処理水中に残存する固体を予め捕集するカートリッジ式フィルターを備えた濾過機５２が設けられており、プラズマ放電処理に適した前処理が行われる。本発明装置２０による処理水の浄化（反応）処理は既に述べた工程を経て処理される。

本発明者等は上記実施例の装置を用いて本年６月〜７月の１ヶ月間、愛知県西尾市内の自動車ディーラーの工場排液の再利用用貯水池での水の浄化実験を行った。
その結果従来の水処理装置の処理水に対して、目視によるも明らかに透明度の高い、高い浄化効果が得られたことを確認した。

図３は湖における別の水質浄化の実施例を示し、この例では湖６１の水６２に対し、本発明の装置を直接設置したもので、湖水面（Ｗ・Ｌ）台船６３（浮島でも可）に本発明の装置２０を設置し、ポンプＰ₄により湖水を汲み上げて直接反応槽１内に導入して処理するものである。
またこの例では反応槽１の下流側にゼオライト（活性炭でも良い）を濾材とした濾過機６４を付設して固体の捕集を行っている。

上記装置で処理した浄化水は、図示するように散水ノズル４４で湖水に散水しながら（酸素供給をしながら）戻すことにより、湖水の一層の浄化が実現でき、この場合は特にアオコ等の藻類の除去に有効である。
また上記散水処理と併行し又はこれに代ってドレン管６６により浄化水を湖水内又は湖底に注水することにより、湖水の浄化を実現することができ、この方法では溶存酸素の豊富な浄化水を湖底に供給することにより湖底の浄化が行われる効果がある。

１ 反応槽
２ 処理水
２ａ 液面
３ 導入部
４ 排出部
６ 気相空間
７ 陰電極
８ 陽電極
１４ 気液混合器
６４ 濾過機（装置）
Ｐ₄ ポンプ

Claims (7)

1. 内部に処理水（２）を収容し、処理水中と処理水の液面（２ａ）上の気相空間（６）とに該液面（２ａ）を挟んで設置した陰電極（７）と、陽電極（８）との間にプラズマ放電をさせることにより、上記処理水（２）を浄化処理する反応槽（１）を備えた水処理装置において、上記気相空間（６）を外部に対して密閉された空間とし、反応槽（１）に処理水（２）を供給する導入部（３）側に処理水（２）にオゾン又は酸素の少なくとも何れかを含んだガスを供給して反応槽（１）内に上記ガスを含む気相空間（６）を形成させる気液混合器（１４）を設けてなる液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
2. 反応層（１）が処理水（２）を導入する導入部（３）と処理水（２）を排出する排出部（４）以外は密閉された容器である請求項１に記載に液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
3. 反応槽（１）が処理水（２）の導入部側と排出部側を結ぶ横方向の軸心を有する筒状体からなり、該筒状体の上部の気相空間（６）に一方の電極を１個又は複数個設けた請求項１又は２の何れかに記載の液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
4. 陽電極（８）と液面（２ａ）との間に所定高さの空間を形成し、両電極（７），（８）間の放電がストリーマ放電である請求項１乃至３の何れかに記載の液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
5. 処理水（２）の導入部（３）となる供給管内にバブリングを行いながらガス供給を行う気液混合器（１４）を設け、該気液混合器（１４）が供給管内の処理水（２）にベンチュリー効果を生じさせるベンチュリー部にガス供給部を開口してなる請求項１乃至４の何れかに記載の液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
6. 気相空間（６）内に気相空間側の電極（８）を囲うスカート部（１２）を設け、スカート部（１２）の内面に対し沿面放電をさせる機構とした請求項１乃至５の何れかに記載の液面プラズマ放電を利用した水処理装置。
7. 処理水（２）を排水する排出部（４）の下流側に濾過材を収容してなる濾過装置を接続した請求項１乃至７の何れかに記載の液面プラズマ放電を利用した水処理装置。