(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質にマイクロ波を発振して混在物を分離するマイクロ波分離処理手段を備え、このマイクロ波分離処理手段は、複数の周波数のマイクロ波がそれぞれ発振される３つの反応装置を有し、これら各反応装置の中央部分に前記物質が導通される導通パイプを前記マイクロ波が前記物質に対して所定角度をもって入射されるように配置したことを特徴とする物質処理システム。
【請求項２】
処理水中の浮遊物を除去するための浮遊物除去装置と、該処理水中に混入している水溶性有機物や微生物のコロイド粒子を水分子から分離させて凝集除去するとともに殺菌、脱臭および脱色を行うための凝集装置と、前記処理水にマイクロ波を発振してコロイド粒子と水分子とに分離するマイクロ波分離処理手段、前記マイクロ波を発振した後の処理水に超音波を発振して前記コロイド粒子を凝集させる超音波凝集処理手段および前記処理水に高周波を発振する脱臭処理手段をそれぞれ備えている凝集加速装置とを備え、前記マイクロ波分離処理手段は、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波がそれぞれ発振される３つの反応装置を有し、これら各反応装置の中央部分に前記処理水が導通される導通パイプを前記マイクロ波が前記処理水に対して３５ー〜４３ーの範囲の角度をもって入射されるように配置したことを特徴とする物質処理システム。
【請求項３】
バースト制御装置からのバースト制御信号に基づいて、バースト波形に変調されるとともにＯＮ、ＯＦＦ制御され、この変調後のマイクロ波信号を前記反応装置に発振させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の物質処理システム。
【請求項４】
前記バースト制御信号は、５００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの繰り返し周波数で、５％〜９５％のデューティ比の範囲で設定されるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の物質処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物質処理システムに係り、特に、河川や湖沼の水をはじめ畜産用排水や工業用排水等の高濃度排水、その他の水溶性有機物や微生物を含む液体、さらには、各種混雑物を含む気体、その他の物質を浄化するのに好適な物質処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から牛や豚等の糞尿を含んだ畜産用排水、あるいは洗浄液や工場廃液等の化学物質を含む工業用排水を浄化処理するシステムが提案されている。
【０００３】
このような液体の処理システムとして、本発明者は、液体中に含まれた水溶性有機物や微生物等のコロイド粒子を液体から除去することによって液体の浄化を行う特開２０００−２６３０５６号公報に記載されている物質処理システムを開発した。
【０００４】
この発明によれば、浄化を行う処理対象である処理水に対してマイクロ波分離処理手段により、マイクロ波を発振することにより、処理水に対して分子レベルでの振動あるいは回転エネルギを付与し、これにより、処理水中により微細な状態で混入しているコロイド粒子を水分子から分離させることができるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した公開公報に記載した物質処理システムによれば、マイクロ波分離処理手段により、処理水の濃度に応じて３００Ｍ〜１６ＧＨｚの周波数のマイクロ波、より効果的にコロイド粒子を分離する点に鑑みると２．４Ｇ〜１０．５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発振させる技術は開示されているものの、単にマイクロ波を発振させるだけでは、処理水に対してマイクロ波が反射して効率よくマイクロ波を吸収させることができず、また、処理水の水の各種分子サイズに対して効率よくマイクロ波のエネルギを吸収させることができないという問題を有している。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、処理水に対してマイクロ波を効率よく吸収させることができ、処理水中のコロイド粒子の分離、殺菌、窒素化合物等を効率よく行うことのできる物質処理システムを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に係る本発明の液体処理方法は、物質にマイクロ波を発振して混在物を分離するマイクロ波分離処理手段を備え、このマイクロ波分離処理手段は、複数の周波数のマイクロ波がそれぞれ発振される３つの反応装置を有し、これら各反応装置の中央部分に前記物質が導通される導通パイプを前記マイクロ波が前記物質に対して所定角度をもって入射されるように配置したことを特徴とするものである。
【０００８】
この請求項１に記載の発明によれば、マイクロ波分離処理手段の各反応装置により、導通パイプを流れる物質に対して各周波数のマイクロ波を発振するようにしているので、マイクロ波が物質の分子に対してエネルギを付与し、分子レベルでの振動あるいは回転エネルギとなり、このマイクロ波により物質中に混入している混在物を分離させることができる。また、各マイクロ波が、物質に対して所定角度をもって入射されるようにしているので、マイクロ波を導通パイプを通る物質に対して反射せずに効率よく吸収させることができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、処理水中の浮遊物を除去するための浮遊物除去装置と、処理水中に混入している水溶性有機物や微生物のコロイド粒子を水分子から分離させて凝集除去するとともに殺菌、脱臭および脱色を行うための凝集装置と、前記処理水にマイクロ波を発振してコロイド粒子と液体分子とに分離するマイクロ波分離処理手段、前記マイクロ波を発振した後の液体に超音波を発振して前記コロイド粒子を凝集させる超音波凝集処理手段および前記処理水に高周波を発振する脱臭処理手段をそれぞれ備えている凝集加速装置とを備え、前記マイクロ波分離処理手段は、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波がそれぞれ発振される３つの反応装置を有し、これら各反応装置の中央部分に前記処理水が導通される導通パイプを前記マイクロ波が前記処理水に対して３５°〜４３°の範囲で入射されるように配置したことを特徴とするものである。
【００１０】
この請求項２に記載の発明によれば、マイクロ波分離処理手段の各反応装置により、導通パイプを流れる処理水に対して１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を発振するようにしているので、マイクロ波が水の分子に対してエネルギを付与し、分子レベルでの振動あるいは回転エネルギとなり、このマイクロ波により処理水中のより微細な状態で混入しているコロイド粒子を水分子から分離させることができる。
【００１１】
また、各マイクロ波が、処理水に対して３５°〜４３°の範囲で入射されるようにしているので、マイクロ波を導通パイプを通る処理水に対して反射せずに効率よく吸収させることができる。さらに、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を印加するようにしているので、水の分子サイズに応じたエネルギを吸収させることができ、エネルギ変換効率を著しく高めることができるものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、バースト制御装置からのバースト制御信号に基づいて、バースト波形に変調されるとともにＯＮ、ＯＦＦ制御され、この変調後のマイクロ波信号を前記反応装置に発振させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
この請求項３に記載の発明によれば、バースト制御装置からのバースト制御信号に基づいて、バースト波形に変調されるとともにＯＮ、ＯＦＦ制御され、この変調後のマイクロ波信号を反応装置に発振させるようにしているので、バースト変調されたマイクロ波を処理水に対して効率よく発振させることができる。
【００１４】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記バースト制御信号は、５００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの繰り返し周波数で、５％〜９５％のデューティ比の範囲で設定されるようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
この請求項４に記載の発明によれば、バースト制御信号を５００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの繰り返し周波数で、５％〜９５％のデューティ比の範囲で設定するようにしているので、適正にバースト変調されたマイクロ波を処理水に対して効率よく発振させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図１６を参照して説明する。
【００１７】
なお、本発明は、プール等の上水はもちろん、養豚や養牛等の畜産排水、工場廃液等の工業排水および廃油等種々の液体や各種気体等の物質を浄化する場合に利用が可能であるが、便宜上、以下の説明においては養豚排水または工業用排水等の水浄化処理システムを実施の一例として説明する。
【００１８】
図１から図６は本発明に係る物質処理システムの実施の一形態を示したもので、本実施形態における物質処理システムは、図１から図６に示すように、主として、処理水中の浮遊物を除去するための浮遊物除去装置７１と、処理水中に混入している水溶性有機物や微生物のコロイド粒子を水分子から分離させて凝集除去するとともに殺菌、脱臭および脱色を行うための凝集装置７２と、さらに前記コロイド粒子の凝集除去を加速するとともに殺菌や脱臭処理等を促進させるための凝集加速装置７３と、処理水中に残留する凝集物を強制的に沈殿させて除去するための第１沈殿装置７４ａおよび第２沈殿装置７４ｂと、凝集除去された凝集物から水分を除去して濃縮する濃縮装置７５と、これらの各タンクにおける種々の処理動作を制御するための集中制御装置７６とから構成されている。
【００１９】
なお、処理する原水中に糞尿等の重量比の大きい固形物が含まれている場合には、前記浮遊物除去装置７１の前に、前処理手段としての遠心分離器やスクリーン（いずれも図示せず）を任意に配設し、糞尿を含む原水中から重量比の大きい固形物を遠心分離させて除去するようにすればよい。
【００２０】
つぎに、前記各装置の構成および作用についてより具体的に説明する。
【００２１】
前記浮遊物除去装置７１には、固形物が除去された原水を貯留する浮遊物除去タンク７８が配設されており、この浮遊物除去タンク７８には、図２から図４に示すように、正面側の側面に固形物が除去された原水が流入されるための原水流入パイプ７９が連結されており、図２の左側の側面に浮遊物が除去された後の処理水を次の処理へ移送するための第１移送パイプ８０ａが連結されている。前記原水流入パイプ７９には、原水を流入させる動力源である原水ポンプ８１が連結されており、また、前記浮遊物除去タンク７８の下方には、エアー吸込みパイプ８２が連結されているとともに、内側上方には複数の回転羽根（図示せず）が偏心回転するように配設されている。
【００２２】
また、前記エアー吸込みパイプ８２には、エアーコンプレッサー８３が取り付けられており、このエアーコンプレッサー８３からエアー吸込みパイプ８２を介して前記浮遊物除去タンク７８内に直径数十μｍ程度のエアーが吹き込まれるようになっており、このエアーの泡が原水中の浮遊物を吸着して一緒に浮上するようになっている。そして、水面まで浮上した浮遊物は回転羽根によりかき集められて、図示しない排出口から順次排出されて堆肥プラント（図示せず）へ搬送されるようになっている。
【００２３】
浮遊物除去処理装置において浮遊物の除去処理が行われた処理水は、第１移送パイプ８０ａを通って凝集装置７２へと移送される。
【００２４】
前記凝集装置７２には、図１から図３に示すように、浮遊物除去処理後の処理水を貯留する凝集タンク８４が配設されており、この凝集タンク８４内には、図１に示すように、帯電荷・細胞破壊処理手段８５たる交流高電圧電極８６が２つの陽極８６ａおよび１つの陰極８６ｂからなる、いわゆる３電極方式で配設されている。この交流高電圧電極８６は、通常、約６００ｋ〜１８００ｋＨｚの周波数であって２０ｋＶ以上の電圧を８ｍＡ〜１００ｍＡで約１０ｍｓ〜４０ｍｓの所定周期で切り換えて印加されるようになっており、本実施形態では、より効果的に帯電荷および細胞破壊を行う観点から、９７０ｋＨｚの周波数であって２５ｋ〜２８ｋＶの電圧を約８ｍＡ〜１２ｍＡで１２ｍｓの周期で印加するようになっている。なお、３電極方式により印加する電圧を所定の周期で切り換えるのは、交流高電圧電極８６の摩耗を防止するとともに凝集タンク８４内での帯電荷および細胞破壊の処理範囲を広げるためである。
【００２５】
また、前記交流高電圧電極８６の高電圧パルスの印加方法は、グロー放電方式またはアーク放電方式により行い、陽極８６ａと陰極８６ｂとをそれぞれ液面と水中、あるいは水中に配設するようになっている。本実施形態では、陽極８６ａと陰極８６ｂとを水中に配設しており、水中間において放電するようになっている。
【００２６】
なお、前記交流高電圧電極８６は、１セットのみを配設するようにしてもよいが、複数セット、本実施形態では２セットの交流高電圧電極８６が配設されており、処理水の濃度や水量、種類等に応じて最適な交流高電圧電極８６に任意に回路を切り換えることができるようになっている。
【００２７】
このように前記交流高電圧電極８６により処理水に高い周波数の高電圧を印加することにより、この高電圧により生じる電界が、処理水中の水溶性有機物および微生物のコロイド粒子および水分子を帯電荷させてコロイド粒子を凝集させ、さらに、処理水中の水溶性有機物および微生物の細胞を破壊して大腸菌等を死滅するようになっている。
【００２８】
ここで、本実施形態における水溶性有機物等のコロイド粒子を凝集させるメカニズムについて説明すると、コロイド粒子とは、液体中に分散する水溶性有機物の微粒子や微生物、微細藻類等の液体分子以外の物質のことをいい、図７に示すように、これらは液体中において水和安定状態や疎水コロイド準安定状態にある。したがって、水溶性有機物等のコロイド粒子を処理水から分離除去するには、水分子の親水基の結合エネルギ以上のエネルギを与えて親水基を切断して親水性コロイドを疎水化し、さらに疎水コロイド準安定状態を崩壊させてコロイド粒子を疎水化することで凝集させればよい。このため、本実施形態では、図８の化学式に示すように、高電圧パルスのエネルギにより陽極８６ａに生じたＯＨラジカルによって親水基を切断し、高電圧パルスにより生じる電界でコロイド粒子を帯電荷させて疎水コロイド準安定状態を崩壊して疎水化し、凝集させるようになっている。また、コロイド粒子が凝集して水分子から分離されることにより水分子の脱臭および脱色がなされるようになっている。
【００２９】
そして、凝集したコロイド粒子は、当該処理により発生する窒素や二酸化炭素、酸素、水素等のガスとともに浮上し、これらのガスが拡散した後に沈降するようになっている。このため、前記凝集タンク８４の底には、図１に示すように、凝集物排出処理手段８８としてのネオジューム等の永久磁石８９が敷設されており、これの磁力によって帯電状態にある凝集物を吸引し、沈殿させるようになっている。
【００３０】
その後、前記凝集タンク８４の底部に集められた沈殿物は、底部に連結されている排出パイプ９３から濃縮装置７５へと排出されるようになっている。
【００３１】
一方、アオコ等の細胞や大腸菌等の菌類は、高電圧パルスにより発生したＯＨラジカルにより破壊され死滅するようになっている。
【００３２】
さらに、前記凝集タンク８４内には、酸化還元処理手段９１たる直流高電圧電極９２が、２つの陽極および１つの陰極９２ｂからなる３電極方式により配設されている。この直流高電圧電極９２は、約１８〜５５Ｖおよび約８０〜１６０Ｖの直流電圧を約３〜５０Ａで印加するようになっており、本実施形態では、より効果的に酸化還元反応を促進させる観点から約５５Ｖおよび約１００Ｖの直流電圧を約７〜１３Ａで印加するようになっている。また、この直流高電圧電極９２は、電極の摩耗防止および凝集タンク８４内での酸化還元処理を広範囲にわたって行う観点から、所定の周期で陽極および陰極９２ｂの極性を交互に切り換えて動作するようになっている。
【００３３】
この直流高電圧を印加することにより、処理水の酸化還元反応が促進されて帯電荷が進行するとともに、炭素成分を分解することにより誘電率を均等化させることができてより高電圧を印加させやすくなっている。
【００３４】
また、本実施形態では、前記凝集装置７２の交流高電圧電極８６および直流高電圧電極９２は、それぞれグラファイトにより形成されているが、これに限る必要はなく、例えば、陰極８６ｂ、９２ｂを石灰棒などのマグネシウム系の材質により形成しイオン媒体電極として使用するようにしてもよい。このような陰極８６ｂ、９２ｂを用いると、マグネシウムが処理水中に溶け出して凝集剤としての機能を発揮し、分離されたコロイド粒子の凝集作用をより促進させるようになる。
【００３５】
さらに、前記凝集装置７２の交流高電圧電極８６を白金とチタンとの合金材料により形成し、一方、直流高電圧電極９２を銅とタングステンとの合金材料により形成するようにしてもよい。このような電極材質を用いると、電極の摩耗を抑制しつつ電子の授受を通常よりも１０倍程度促進させることができるようになっている。
【００３６】
なお、本実施形態において、前記交流高電圧電極８６を白金とチタンとの合金材料により形成する場合には、重量や製造コストおよび取り扱いの容易性に鑑みて、白金とチタンの重量比をそれぞれ７：３となるようにしており、一方、前記直流高電圧電極９２を銅とタングステンとの合金材料により形成する場合には、同様の理由により、銅とタングステンの重量比をそれぞれ７：３となるようにしている。
【００３７】
また、前記凝集タンク８４には、図２の右側面に第２移送パイプ８０ｂが連結されており、この第２移送パイプ８０ｂを介して凝集処理後の処理水が次の凝集加速装置７３へと移送されるようになっている。
【００３８】
つぎに、凝集加速装置７３について説明する。
【００３９】
この凝集加速装置７３には、図１から図３および図５に示すように、凝集装置７２における凝集処理後の処理水を貯留する凝集加速タンク９５が配設されており、この凝集加速タンク９５の内部には、前述した凝集タンク８４の内部と同様に、帯電荷・細胞破壊処理手段８５たる交流高電圧電極８６および酸化還元処理手段９１たる直流高電圧電極９２が３電極方式で配設されており、継続的に分離凝集処理を行うようになっているとともに、さらに処理水中に混入する微細なコロイド粒子を分離凝集し、かつ、コロイド粒子自体の脱臭を行うため等に種々の処理手段が配設されている。
【００４０】
また、前記凝集加速タンク９５には、移送パイプ（図示せず）を介してマイクロ波分離処理手段９６が連結されている。
【００４１】
図９はこのマイクロ波分離処理手段の具体的な構成を示したもので、本実施形態においては、上下端部が小径となるテーパ状に形成された反応装置１を有しており、本実施形態においては、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波が発振される３つの反応装置１，１…が並列して配置されるようになっている。これら各反応装置１は、マイクロ波が外部に放射されることを防止するため、例えば、ステンレス等の金属から構成されており、この反応装置１の内部は、マイクロ波の周波数に対して自由空間とみなせる程度の大きさに形成されている。
【００４２】
また、これら各反応装置１は、所定角度に傾斜して配置されており、これら各反応装置１の中央部分には、例えば、フッ素樹脂等のマイクロ波の損失が少ない材料からなり凝集加速タンク９５からの処理水が導通される導通パイプ２が各反応装置１を貫通するように配設されている。各反応装置１の上端部には、それぞれ方向性変換器３が取付けられており、この方向性変換器３には、同軸導波管４を介してマイクロ波が供給されるようになっている。さらに、反応装置１の下端部には、方向性変換器３から発信されるマイクロ波を吸収する終端器５が取付けられている。そして、本実施形態においては、各反応装置１は、方向性変換器３から発信されるマイクロ波を導通パイプ２を通る処理水に対して、反射せずに効率よく吸収させるために３５°〜４３°の範囲で入射されるように傾斜されている。
【００４３】
また、図１０はマイクロ波分離処理手段の制御装置の実施形態を示したもので、この制御装置６は、それぞれ１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を発振するため３つの回路から構成されている。これら各回路は同様の構成であるため、以下、１０．５ＧＨｚのマイクロ波を発振する回路について説明する。
【００４４】
この制御装置６は、１０．５ＧＨｚのマイクロ波原信号を発振するマイクロ波発振回路７を有しており、このマイクロ波発振回路７から出力されるマイクロ波原信号は変調回路８に送られるようになっている。また、別途設けられたバースト制御装置９からバースト制御信号を変調信号生成部１０に出力し、この変調信号生成部１０によりバースト制御信号に基づいて変調信号を生成する。そして、変調信号生成部１０により生成された変調信号は変調回路８に出力され、この変調回路８により、マイクロ波原信号は、変調信号に応じてバースト波形に変調されるとともに、バースト信号に応じてＯＮ、ＯＦＦ制御されるようになっている。この変調後のマイクロ波信号は、電力増幅回路１１により増幅されて方向性結合器１２に送られ、方向性結合器１２に送られたマイクロ波信号の出力電力は、出力モニタ部１３により検出されて、直流電圧として集中制御装置７６に送られるようになっている。そして、方向性結合器１２に送られたマイクロ波信号は、サーキュレータ１４を介して反応装置１の内部に発振されるようになっている。
【００４５】
本実施形態においては、マイクロ波発振回路７における出力電圧は１０００ｍＶ〜１００００ｍＶとされ、このマイクロ波発振回路７から変調回路８を経て電力増幅回路１１に入力されたマイクロ波信号は、２Ｗまで増幅されるようになっている。また、バースト制御装置９から出力されるバースト制御信号は、５００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの繰り返し周波数で、５％〜９５％のデューティ比の範囲で設定されるようになっている。
【００４６】
図１１はマイクロ波信号の出力波形の一例を示したもので、マイクロ波信号は、一定周波数の信号が一定間隔毎に繰り返し出力される波形となるように制御されるようになっている。ここで、バースト繰り返し周波数ｆは、ｆ＝１／Ｂで表され、デューティ比Ｒは、Ｒ＝Ａ／Ｂで表される。
【００４７】
本実施形態においては、処理水に対してマイクロ波を印加することにより、マイクロ波が水の分子に対してエネルギを付与し、分子レベルでの振動あるいは回転エネルギとなる。そのため、このマイクロ波により処理水中のより微細な状態で混入しているコロイド粒子を水分子から分離するようになっている。さらに、本実施形態においては、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を印加するようにしているので、水の分子サイズに応じたエネルギを吸収させることができ、エネルギ変換効率を著しく高めることができるものである。
【００４８】
つぎに、前記マイクロ波分離処理手段９６には、移送パイプ（図示せず）を介して第１超音波凝集処理手段９９たる超音波ボックス１００が連結されており、この超音波ボックス１００に４０ｋ〜１２００ｋＨｚの周波数の超音波、より好ましくは９５０ｋＨｚの超音波を発振する振動子（図示せず）が配設されており、この振動子から発振される超音波のキャビテーション作用などにより処理水中の分離されたコロイド粒子を凝集させるとともに水分子から分散させるようになっている。
【００４９】
また、第１超音波凝集処理手段９９たる超音波ボックス１００には、ミキシング管等の細分帯電荷処理パイプ３０が連結されており、図１２に示すように、前記細分帯電荷処理パイプ３０の上下部には、ネオジューム板３１ａが配設されているとともに、前記細分帯電荷処理パイプ３０内には、約１１０００Ｇａｕｓｓの磁力のネオジューム素子３１ｂが埋設されたセラミックス材料からなるネオジューム素子羽根３２が配設されている。このネオジューム素子羽根３２は、螺旋状にねじられた平板により形成されており、例えば図１２に示すように、処理水が通過される方向に沿って羽根３２の幅方向端部にネオジューム素子３１ｂが「ＮＮＳＳＮＮＳＳ・・・」の順に交互に埋設されている。前記ネオジューム板３１ａ、前記ネオジューム素子３１ｂの磁界および前記ネオジューム素子羽根３２のミキシングの作用により、処理水中の水分子を細分化して負電子に帯電荷（イオン化）させるとともにコロイド粒子を細分化して正電子に帯電荷させてそれぞれ整列させるようになっている。このため、細分帯電荷処理手段２９では、同電位の分子を強力に吸着させてマイクロ波による分離凝集処理において除去しきれなかった、より微細な水溶性有機物を分離凝集処理しやすくするようになっている。なお、前記ネオジューム板３１ａを電磁石により形成するようにしてもよい。
【００５０】
また、前記細分帯電荷処理パイプ３０には、図１３に示すように、脱臭処理パイプ３８が連結されており、この脱臭処理パイプ３８の外側を囲むようにして脱臭処理ボックス３７が配設されている。この脱臭処理パイプ３８の外側の上下位置には、それぞれＮ極とＳ極の極性を有する外部磁石３９ａが配設されているとともに、脱臭処理パイプ３８の軸心位置には棒状の内部磁石３９ｂが前記外部磁石３９ａの極性と反対の極性が対向するように配設されている。本実施形態では、前記外部磁石３９ａは電磁石により形成されており、前記内部磁石３９ｂは永久磁石により形成されている。さらに、前記脱臭処理パイプ３８の左右側面には、処理水の濃度に応じて３Ｍ〜３００ＭＨｚ、より効果的には１００ＭＨｚの周波数の超音波を発振する高周域超音波発振器４０が配設されている。
【００５１】
また、処理水は、前記脱臭処理パイプ３８においてミキシングあるいは振動されながら通過するようになっており、本実施形態では、脱臭処理パイプ３８内に配設された図示しないノズルから噴出されるとともに、このノズルの出口近傍に図示しない振動板が配設されており、この振動板に処理水が衝突することにより激しく振動するようになっている。これらの外部磁石３９ａおよび内部磁石３９ｂと高周域超音波発振器４０により、磁界と電界の合成効果が生じて、いわゆる電磁超音波が発生されるようになっており、この電磁超音波により処理水から悪臭、主としてコロイド粒子のアミノ酸を粉砕することによるコロイド粒子自体の臭気を除去するようになっている。
【００５２】
なお、このような電磁超音波による効果を増やすために、前記細分帯電荷処理手段２９の細分帯電荷処理パイプ３０に対しても、磁界中に電界を交互にかけて１ｋＷの出力で高周域の超音波を発振するようにしてもよい。
【００５３】
また、前記脱臭処理手段３７たる脱臭処理パイプ３８には、完全分離処理手段１０２たる高周波発生管１０３が連結されており、１００Ｍ〜５００ＭＨｚ、より好ましくは２７０ＭＨｚの周波数の電磁波をかけて高周波電界による誘導プラズマを発生させて処理水を最適に共振させることで水溶性有機物の吸着性を促進させるようになっている。この高周波電界による誘導プラズマによって水溶性有機物は水分子に再び溶け込むことがなくなり完全分離させるようになっている。
【００５４】
さらに、前記完全分離処理手段１０２たる高周波発生管１０３には、水分子細分化処理手段１０５たる細分化処理パイプ１０６が連結されている。この細分化処理パイプ１０６の上部と下部には、それぞれ約１００００Ｇａｕｓｓのネオジューム等の永久磁石が磁界形成体として埋設されており、強力な磁場が形成されている。この強力な磁力により、処理水が細分化処理パイプ１０６内を通過すると、水のクラスターをより細分化して活性化された、いわゆる活性水を生成するようになっている。
【００５５】
そして、前記水分子細分化処理手段１０５たる細分化処理パイプ１０６には、移送パイプ（図示せず）を介して前記凝集加速タンク９５が連結されており、前述の各処理を終えた処理水が再び凝集加速タンク９５内に流入されるようになっている。
【００５６】
また、前記凝集加速タンク９５内には、前述の交流高電圧電極８６および直流高電圧電極９２のほかに、第２超音波凝集処理手段１０８たる１００ｋＨｚ以下の超音波を発振する複数の超音波発振体１０９が配設されている。本実施形態の超音波発振体１０９は、それぞれ２８ｋＨｚ、４０ｋＨｚおよび４８ｋＨｚの周波数の縦波による超音波と１００ｋＨｚの周波数の横波による超音波を発振するようになっている。これらの超音波は、処理水の濃度により使い分けるようになっており、水溶性有機物を凝集するとともに、これらの凝集物と水分子とを分散させる役割を有している。
【００５７】
また、前記凝集加速タンク９５内の底部には、凝集物排出処理手段８８たるネオジューム等の永久磁石８９が敷設されており、流入された処理水のうち帯電状態にある凝集物が前記永久磁石８９の磁力により吸引されて底部に沈殿化するようになっている。
【００５８】
その後、前記凝集加速タンク９５の底部に集められた沈殿物は、底部に連結されている排出パイプ９３から濃縮装置７５へと排出されるようになっている。
【００５９】
なお、本実施形態では、製品化の都合上、マイクロ波分離処理手段９６、超音波凝集処理手段、細分帯電荷処理手段、脱臭処理手段、完全分離処理手段１０２および水分子細分化処理手段１０５が、それぞれ凝集加速タンク９５の外部に配設される構成となっているが、これらを凝集加速タンク９５の内部に配設するようにしてもよく、同等の効果を得ることができる。また、前記凝集加速タンク９５では、ポンプ等により処理水を順次循環させるようになっており、処理水の水量が多い場合には循環速度を高めて複数回循環させるようになっている。
【００６０】
つぎに、第１沈殿装置７４ａおよび第２沈殿装置７４ｂについて説明する。
【００６１】
第１沈殿装置７４ａは、第３移送パイプ８０ｃを介して前記凝集加速装置７３と連結されており、さらに第２沈殿装置７４ｂは第４移送パイプ８０ｄを介して前記第１沈殿装置７４ａと連結されている。これらの第１沈殿装置７４ａおよび第２沈殿装置７４ｂは、汚れのひどい原水を処理する場合に、より確実に処理水から水溶性有機物等の汚物を除去するために同等の構成を有する沈殿装置７４ａ，７４ｂを２台配設しているものであり、１台だけの沈殿装置７４でも充分効果を発揮するようになっている。
【００６２】
図１、図３、図５、図６、図１４および図１５に示すように、これらの第１沈殿装置７４ａおよび第２沈殿装置７４ｂには、凝集加速装置７３で処理された処理水が貯留される第１沈殿タンク１１１ａおよび第２沈殿タンク１１１ｂがそれぞれ配設されており、これらの内部には、凝集物沈殿処理手段１１３たる格子状の電気的分離膜１１４が上下方向に複数枚配設されている。この電気的分離膜１１４の格子の升目は、１辺が約１〜５ｍｍに形成されており、高電圧パルス発生器１１５により、各升目には５ｍＡ〜３０ｍＡの電流が流れ、１０ｋ〜６０ｋＶ、より好ましくは２０ｋＶの高電圧が印加されるようになっている。これらの電気的分離膜１１４は、各沈殿タンク１１１ａ，１１１ｂの下方から流入される処理水の帯電荷された凝集物を吸着して上方へ通過するのを妨げ、これらの凝集物を排出する際には、電極の極性を切り換えて凝集物を下方に落とすようにして急速に沈殿させるようになっている。
【００６３】
また、前記第１沈殿タンク１１１ａおよび第２沈殿タンク１１１ｂの底部には、ネオジューム等の永久磁石８９が敷設されており、強制的に沈殿される帯電荷された凝集物を確実に吸着して排出パイプ９３を介して堆肥プラントへ排出するようになっている。
【００６４】
さらに、前記第２沈殿タンク１１１ｂには、図１に示すように、前記浮遊物除去タンク７８と連通する希釈用移送パイプ１１６が連結されており、本実施形態で処理した処理水の一部を前浮遊物除去タンク７８に流入させるようになっている。この処理後の水は、いわゆる活性水と呼ばれ、水分子が帯電荷状態にあるため、原水に混入されると酸化還元反応を起こして汚れを分解する性質を有している。本実施形態では、第２沈殿装置７４ｂで処理した後の処理水を浮遊物除去タンク７８に混入させるようになっているが、凝集装置７２で処理した直後の処理水の方がより水分子が帯電荷されているため、効果的に酸化還元反応による汚れの分解を促進することができる。したがって、例えば、河川の水を凝集装置７２で処理しておき、予め原水に混入させて一次処理を行っておけば、よりその後の処理が簡単になり処理能力を向上させることができるようになる。
【００６５】
つぎに、前記濃縮装置７５について説明する。
【００６６】
この濃縮装置７５には、図１に示すように、濃縮タンク７５ａが配設されており、前述した各タンクと排出パイプ９３により連結されている。この濃縮タンク７５ａは、各タンクの処理により生じる凝集物を回収して水分を除去し、堆肥プラントにおいて堆肥化処理しやすくするようになっている。凝集物から水分を除去する手段としては、脱水器等の公知の手段を用いるようになっている。
【００６７】
つぎに、集中制御装置７６について説明する。
【００６８】
前記集中制御装置７６は、図１６のブロック図に示すように、浮遊物除去装置７１におけるエアーの吹込みや回転羽根の回転を制御する浮遊物除去装置制御部１１７と、凝集装置７２における交流高電圧電極８６および直流高電圧電極９２で印加する電圧の大きさや印加周波数等を制御する凝集装置制御部１１８と、凝集加速装置７３における交流高電圧電極８６および直流高電圧電極９２で印加する電圧の大きさ等の制御や、マイクロ波分離処理手段９６で発振されるマイクロ波の出力の制御や、第１超音波凝集処理手段９９で発振される４０ｋ〜１２００ｋＨｚの周波数の超音波の出力の制御や、脱臭処理手段で発振される３Ｍ〜３００ＭＨｚの周波数の超音波の出力の制御や、完全分離処理手段１０２で発振される１００Ｍ〜５００ＭＨｚの高周域電磁波の出力の制御や、第２超音波凝集処理手段１０８で発振される２８ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、４８ｋＨｚおよび１００ｋＨｚの周波数の超音波の出力制御や、処理水の回遊速度等の制御を行うための凝集加速装置制御部１１９と、第１沈殿装置７４ａおよび第２沈殿装置７４ｂにおける１０ｋ〜６０ｋＶの電圧の印加や切り換え等を制御する第１沈殿装置制御部１２０および第２沈殿装置制御部１２１と、濃縮装置７５における脱水処理の制御等を行う濃縮装置制御部１２２とを有している。これらの各制御部は、集中制御盤１２３の各スイッチ（図示せず）により容易に制御操作できるようになっており、通常時には自動制御されている。
【００６９】
したがって、本発明の実施形態によれば、集中制御装置７６を用いた簡単な操作により原水に含まれる水溶性有機物や微生物を凝集分離および殺菌して迅速かつ確実に除去できるとともに、この処理に伴って脱臭および脱色をも行い、さらに極めて細分化された水分子からなる活性水であって安定的な水を生成することができるため、この活性水をそのまま放流することはもちろんのこと、動物の飲料水や植物に与える水として利用すれば、動植物の成長に著しく効果的である。
【００７０】
また、水処理に必要な設備を小規模化することができるとともに消費電力を少なくできるため、イニシャルコストおよびランニングコストを低廉化できる。
【００７１】
さらに、本実施形態においては、処理水に対してマイクロ波を印加することにより、処理水中のより微細な状態で混入しているコロイド粒子を水分子から分離させることができる。また、１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を印加することにより、水の分子サイズに応じたエネルギを吸収させることができ、エネルギ変換効率を著しく高めることができるので、処理水の殺菌効果を高めることができるとともに、炭素のガス化、タンパク質の分解、窒素化合物の分解を効率よく行うことができる。
【００７２】
さらに、前述した実施形態においては、水処理システムを構成する各処理手段について説明したが、各処理手段は水処理システムとしてだけではなく、単独の処理装置としても使用することが可能であり、単独であっても各処理の効果を発揮することができるものである。
【００７３】
また、前記実施形態においては、液体である水の処理システムについて説明したが、他の液体、気体等、混在物が混入している物質であれば、いずれの物質に対しても適用することができるものである。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べたように請求項１に係る物質処理システムによれば、マイクロ波分離処理手段の各反応装置により、導通パイプを流れる物質に対して各周波数のマイクロ波を発振するようにしているので、マイクロ波が物質の分子に対してエネルギを付与し、分子レベルでの振動あるいは回転エネルギとなり、このマイクロ波により物質中に混入している混在物を分離させることができる。また、各マイクロ波が、物質に対して所定角度をもって入射されるようにしているので、マイクロ波を導通パイプを通る物質に対して反射せずに効率よく吸収させることができる。
【００７５】
また、請求項２に記載の発明によれば、マイクロ波分離処理手段の各反応装置により、導通パイプを流れる処理水に対して１０．５ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、１３ＧＨｚの各周波数のマイクロ波を発振するようにしているので、マイクロ波が水の分子に対してエネルギを付与し、分子レベルでの振動あるいは回転エネルギとなり、このマイクロ波により処理水中のより微細な状態で混入しているコロイド粒子を水分子から分離させることができる。また、各マイクロ波が、処理水に対して３５°〜４３°の範囲で入射されるようにしているので、マイクロ波を導通パイプを通る処理水に対して反射せずに効率よく吸収させることができる。さらに、水の分子サイズに応じたエネルギを吸収させることができ、エネルギ変換効率を著しく高めることができる。
【００７６】
また、請求項３に記載の発明によれば、バースト制御装置からのバースト制御信号に基づいて、バースト波形に変調されるとともにＯＮ、ＯＦＦ制御され、この変調後のマイクロ波信号を反応装置に発振させるようにしているので、バースト変調されたマイクロ波を処理水に対して効率よく発振させることができる。
【００７７】
さらに、請求項４に記載の発明によれば、バースト制御信号を５００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの繰り返し周波数で、５％〜９５％のデューティ比の範囲で設定するようにしているので、適正にバースト変調されたマイクロ波を処理水に対して効率よく発振させることができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る物質処理システムの実施形態を示すフロー図
【図２】本発明に係る物質処理システムの実施形態の主要部を示す正面図
【図３】図２の平面図
【図４】図２の左側面図
【図５】図２の右側面図
【図６】図２の背面図
【図７】本実施形態における凝集装置および凝集加速装置によりコロイド粒子が分離凝集されるメカニズムを示す説明図
【図８】本実施形態における凝集装置および凝集加速装置出の処理により発生するＯＨラジカルの発生を示す化学式
【図９】本実施形態におけるマイクロ波分離処理手段を示す概略構成図
【図１０】本実施形態におけるマイクロ波分離処理手段の制御装置を示すブロック図
【図１１】本実施形態におけるマイクロ波分離処理手段の制御装置によるマイクロ波の出力波形を示すグラフ
【図１２】本実施形態における細分帯電荷処理手段の要部を示す説明図
【図１３】本実施形態における脱臭処理手段の要部を示す説明図
【図１４】本実施形態における第１沈殿装置および第２沈殿装置の主要部を示す説明図
【図１５】本実施形態における第１沈殿装置および第２沈殿装置の電気的分離膜を示す説明図
【図１６】本実施形態における集中制御装置を示すブロック図
【符号の説明】
１  反応装置
２  導通パイプ
３  方向性変換器
４  同軸導波管
５  終端器
６  制御装置
７  マイクロ波発振回路
９  バースト制御装置
１０  変調信号生成部
１３  方向性結合器
１４  サーキュレータ
７２  凝集装置
７３  凝集加速装置
７４ａ  第１沈殿装置
７４ｂ  第２沈殿装置
９６  マイクロ波分離処理手段
９９  第１超音波凝集処理手段
１０２  完全分離処理手段
１０８  第２超音波凝集処理手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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