(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１対の電極対を備えると共に、該電極対の両方の電極が液体に浸漬される様に配置され、上記電極対間に高電圧パルスを印加して電極間にストリーマ放電状態を形成させることによって、電極対間に存在する液体を改質する様に構成した液体の処理装置において、上記電極対はアノード側の棒電極とカソード側のリング状平板電極とを同芯上に配置したものであり、上記棒電極の近傍に、電界強度５００ｋＶ／ｃｍよりも大きい値に高められた領域が存在する様に構成したものであることを特徴とする液体の高電圧処理装置。
【請求項２】
電極対間に印加される高電圧パルスの電圧が１００ｋＶ以下であって、且つ前記棒電極の太さが１ｍｍφ以下である請求項１に記載の液体の高電圧処理装置。
【請求項３】
棒電極の先端が半球状に形成されたものである請求項２に記載の液体の高電圧処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、（１）下水処理場や屎尿処理場における下水処理過程、或は食品工場や化学工場の排水過程等から排出される有機性廃液の生物学的な好気性処理または嫌気性処理、（２）前記各工場の廃水（但し、有機性廃水以外をも含む）、清浄な純水を製造する過程における被処理水や上下水道および食品や飲料水の滅菌・殺菌処理、脱色処理、脱臭処理、或は（３）前記の各種液体の滅菌・殺菌処理、脱色処理、脱臭処理する際やゴミ焼却炉の浸出水の浸出の際等に現出されるダイオキシン、環境ホルモン、ＰＣＢ等の難分解物質を分解処理等に適用される液体の処理を実施する為に用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記（１）〜（３）に示した各種用途において、例えば液体中に含有される有害な細菌類を死滅させて該液体を清浄化する方法として、或は液体中に含有される細菌やその死骸等からなる汚損成分を減容化する為に、その汚損成分を好気的微生物が生化学的に処理しやすい状態に改質する方法として、上記液体に高電圧パルス放電処理および／または電界パルス印加を行なって液体を処理するいわゆる高電圧処理方法が知られている。本発明者らも、こうした高電圧処理方法およびその為の装置として、例えば特開平１１−２５３９９９号の様な技術を提案している。
【０００３】
図１は、本発明者らが先に提案した高電圧処理装置の構成例を模式的に示した図であり、この装置は対象とする液体（被処理液）が有機性廃液であって、その有機性廃液を生物学的に好気性処理する場合を想定したものである。
【０００４】
図１に示した装置において、まず活性汚泥槽（曝気槽）１に経路７から有機性廃液を導入し、該活性汚泥槽１中の活性汚泥と上記有機性廃液を混合しつつ曝気する。活性汚泥には好気性微生物が存在しており、該好気性微生物によって上記有機性廃液中の有機汚濁物質が二酸化炭素や水に分解処理され、また上記有機汚濁物質が微生物に同化されて活性汚泥が増殖する。
【０００５】
この処理された混合液は、経路８から沈澱装置２に導入されて上澄液２０と沈澱汚泥１０に固液分離され、該上澄液２０は処理済水として経路９から排出される。尚この処理済水は、放流先の排出基準に従って必要により高次処理（硝化脱窒素処理やオゾン処理等）されて放流される。
【０００６】
一方、上記沈澱汚泥１０の一部は、ポンプ１６によって返送経路１１から上記活性汚泥槽１に返送されて活性汚泥槽１における微生物源となると共に、沈澱汚泥１０の一部は、経路１２からポンプ１７によって改質装置１８の改質槽３に導入される。該改質装置１８は、改質槽３と電源４を備えており、該電源４に接続された棒電極（＋極）５と平板電極（−極）６が、改質槽３内の汚泥に浸漬する様にして平行に配設されている。改質槽３内部にある汚泥（沈澱装置２から導入された沈澱汚泥１０）は、電気的にはある所定の誘電率を示す誘電体とみなすことができ、上記一対の電極５，６間に誘電体が満たされた状態で電圧を加えて電極５，６に夫々正負の電荷を搬送すると、上記誘電体（汚泥）には電界が形成され、この電界の強さがある程度以上となったときに絶縁破壊を生じ、電極５，６間に放電が発生する。
【０００７】
上記の様にして電極５，６間に高電圧パルス放電処理することによって、沈澱汚泥は可溶化，低分子化（改質）する。即ち、高電圧パルス放電により沈澱汚泥中の微生物は死滅し、更に細胞破壊等により分解されて低分子の有機物や無機物が生成し、また微生物以外の有機物も低分子化されて、好気性微生物に易分解性の物質（以下、改質汚泥と称することがある）となる。
【０００８】
次に、改質装置１８において生成した上記改質汚泥を、返送経路１３から活性汚泥槽（好気性処理槽）１に返送する。該活性汚泥槽１内においては、上記改質汚泥を好気性微生物が餌として利用し分解する。
【０００９】
この様に汚泥を高電圧パルス放電および／または電界パルス印加処理により改質して活性汚泥槽１に返送するという様にして循環することにより、汚泥は減容化され、その結果余剰汚泥として排出される量が低減する。尚この余剰汚泥は、経路１５を介して系外に排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
通常、液体中に浸漬された電極間に高電圧を印加していくと、電極対間には相応の高電界が形成され、この高電界により、いわゆる一次なだれが形成される。この一次なだれのなだれ経路においては、電子と正イオンとの付着作用によって、いくらかの残留負イオン（負イオン群）が発生する。液体中の電荷量は、その残留負イオンと従前より存在している電荷との総和からなる所定量の空間電荷量となり、液体中の電界は、この空間電荷からなる電界と、そもそも電極対間に印加される高電圧の印加電界との合成からなる合成電界となる。
【００１１】
そして、上記合成電界が十分大きくなれば、一次なだれの進展中に光電離で生じた電子が、上記残留イオン群の重心に向って二次なだれとして成長する。上記一次なだれと二次なだれとにより、細い形状のプラズマが形成される。これがストリーマ(放電)と呼ばれる現象である。
【００１２】
このストリーマ放電は、必ずしも常時安定的な状態で維持されるものではなく、場合によっては別の放電状態に推移することもある。例えば、細いストリーマ放電から、陽光柱が電極対間に形成される様な別の放電の形態に推移することがある。こうした推移は、当然に上記ストリーマ放電が電極対間をどの様に伝播していくかに大きく依存している。
【００１３】
ところで、上記の様なストリーマ放電を形成させ、且つそのストリーマ放電を広域的に発生させる為には、電極対間に５００ｋＶ／ｃｍよりも大きな電界強度を生じさせることが必要となる。また、被処理物の液体の処理量を増加させるという要求に応えるには、電極対間の距離を広げさせることがその策として考えられるが、その電極対間の距離は上記の電界強度に影響を及ぼすので、電極間に印加する電圧を高めてやる必要性も生じてくることになる。
【００１４】
電極対間に印加する電圧を高めることは、相応の高電圧を出力可能な高電圧電源を準備することでもあるが、その出力が１５０ｋＶ程度、より厳密には１００ｋＶを超える電圧になると、高電圧電源中の樹脂等からなる絶縁物にマイクロコロナが発生し易くなるため、採用する絶縁物を制約したり、該高電圧電源のサイズを大きくする等の対策を講じる必要がある。この為、コスト的に不利となって経済性が悪くなるという問題がある。
【００１５】
本発明は上記の様な実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極対間に印加する電圧を所定値以下（例えば、１００ｋＶ以下）に抑えても十分な電界強度を電極対間に生じさせると共に、広域的な広がりを持った放電を形成し、高効率で経済的にも有利に液体を改質することのできる液体の高電圧処理装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成することのできた本発明の高電圧処理装置とは、少なくとも１対の電極対を備えると共に、該電極対の両方の電極が液体に浸漬される様に配置され、上記電極対間に高電圧パルスを印加して電極間にストリーマ放電状態を形成させることによって、電極対間に存在する液体を改質する様に構成した液体の処理装置において、上記電極対はアノード側の棒電極とカソード側のリング状平板電極とを同芯上に配置したものであり、上記棒電極の近傍に、電界強度５００ｋＶ／ｃｍよりも大きい値に高められた領域が存在する様に構成した点に要旨を有するものである。
【００１７】
本発明の高電圧処理装置においては、（１）電極対間に印加される高電圧パルスの電圧が１００ｋＶ以下であって、且つ前記棒電極の太さが１ｍｍφ以下であることや、（２）棒電極の先端が半球状に形成されたものであることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明は上記の如く構成されるが、要するに棒状の電極の太さを所定量以下にできるだけ細く設定することによって、電源電圧を所定量以上に上げなくても、電界強度が５００ｋＶ／ｃｍよりも大きく増大させると共に、ストリーマ放電が広域的に伸びる様にできたのである。また、こうした構成を採用することによって、低い電圧を供給する電源にできるだけでなく、ストリーマ放電が広域に広がることによって放電処理領域が広がり、単位エネルギー当たりの処理量が増え、エネルギー的な浪費が抑えられることになるのである。
【００２０】
ところで、ストリーマ放電によって液体を改質するに当たっては、放電中に液体に対して漏れ電流が流れることがある。こうした漏れ電流はジュール損となり、被処理液の水温を上げるだけでなく、エネルギー的にも無駄である。しかし、本発明の構成を採用すれば、こうした漏れ電流についても減少させることができるのである。即ち、漏れ電流は電極間にかかる電位と電極の処理水への露出面積で決まるものであるので（電極近傍の電界強度には影響されない）、棒状のアノード電極の太さを細く設定することによって、処理水への露出面積が少なくなり、処理水への漏れ電流が減少し、上記の様な不都合が回避できたのである。
【００２１】
以下、本発明の構成および作用効果を、図面を用いてより具体的に説明するが、下記に示す構成は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
図２は、本発明の高電圧処理装置における電極の配置状態および放電状態の一例を示す概略説明図であり、図中２２は処理容器、２３は被処理液、２４は放電、２５は棒電極、２６はリング状の平板電極、２７は高電圧パルス電源を夫々示す。また図３は、図２に示した棒電極２５と平板電極２６の配置状態を上方から見た説明図である。この装置において、処理容器２２は、前記図１に示した改質槽３に相当するものである。
【００２３】
図２に示した装置構成では、アノード（陽極）側の棒電極２５とカソード（陰極）側の平板電極２６を同芯上に配置することによって、処理容器２２内の被処理液２３に対して立体的に放電できる様にしたものである。また、図２に示した装置構成においては、棒電極２５と平板電極２６からなる一対の電極対を設けた構成を示したが、電極対の数は２以上を設けることもできる。更に、図２に示した装置構成では、アノード側の棒電極２５とカソード側の平板電極２６の両方を被処理液に浸漬した構成を示してある。また、棒状電極２５は、図２に示した様にその先端から放電するように配置しても良いし、棒状の先端以外の場所から放電させる様に配置しても良い。
【００２４】
図２に示した高電圧処理装置において、アノード（陽極）側の棒電極２５の太さを変えたときに電極近傍に発生する電界強度がどの様に変化するかについて検討した。図４は、電極表面からの距離と電界強度の関係に及ぼす棒電極２５の太さの影響を示したグラフである。また、電極２５の太さを１ｍｍφとしたときの棒電極２５と平板電極２６間における電界強度の分布を図５（等電位面図）に、棒電極２５の太さを１０ｍｍφとしたときの棒電極２５と平板電極２６間における電界強度の分布を図６（等電位面図）に夫々示す。尚、いずれの場合も、高電圧パルス電源２７により印加電圧を７０ｋＶとしたものである。また、図５、６に付されている複数（２９本）の曲線は、等電位面を示すものであり、隣合う曲線の電位差（即ち、等電位面の電位差）は全て等しい（７０／３０ｋＶ）ものである。
【００２５】
これらの結果から明らかな様に、棒電極２５の太さをできるだけ細くすることが電界強度を高める上で有効であることが分かる。このことは、従来よりも低い電源電圧で、ストリーマを伸ばすことが可能になり、且つ広域的にも伸び易くなることを意味する。その結果、電源電圧からの供給電圧を、従来より低い電圧に抑えることができ、或は電源電圧を従来と同じとすると、ストリーマ放電が広域的に広がることで、放電処理領域が広がり、単位エネルギー当たりの処理量が増え、エネルギー的にも浪費が抑えられることになるのである。
【００２６】
図２に示した高電圧処理装置において、用いる高電圧パルス電源２７としては、サイズやコスト面からすれば、１００ｋＶ以下の電圧を供給できるものであることが好ましいのであるが、こうした電圧を印加した状態で必要とされる５００ｋＶ／ｃｍより大きい電界強度を達成する為には、アノード（陽極）側の棒電極２５の太さを１ｍｍφ以下とすることが好ましい。即ち、上記電極対２５，２６間に印加される高電圧パルスの電圧を１００Ｖ以下としたときに、アノード側の棒電極２５の太さを１ｍｍφ以下とすることによって、棒電極２５近傍の電界強度を５００ｋＶ／ｃｍより大きい電界強度に高めることができるのである。尚、棒電極２５と平板電極２６間の距離については、印加する電圧によって決定されるものであるので、印加する電圧の大きさを考慮して適宜設定すれば良い。
【００２７】
上述の如く、本発明の高電圧処理装置においては、アノード側の棒電極２５の太さをできるだけ細くすることによって上記の効果を達成するものであるが、該棒電極２５の先端を半球状に形成することは、本発明の効果をより一層高める上で好ましい。この理由を、図面を用いて説明する。
【００２８】
図７は、アノード／カソード間の電界強度を説明する為の図であり、この図では長さが無限に近い半径ａ（ｍ）の棒状アノードを、内径Ｌ（ｍ）の円筒状のカソードに挿入した状態を示したものである。図示した状態において、電界強度が０となるときのアノード中心からの距離をｒ、アノード／カソード間の電位差をＶとしたとき、アノード／カソード間の電界強度Ｅ（ｒ）は、下記（１）式の様に表されることになる。
Ｅ（ｒ）＝［Ｖ／ｌｏｇ（Ｌ／ａ）］・（１／ｒ）      ……（１）
【００２９】
ここで、前記図２に示した装置を用い、アノード径：０．２５（ｍｍ）、カソード内径：２５（ｍｍ）とし、棒電極２５の先端を半球状にして電界強度を実際に測定（シミュレーション）した。このときの、電極表面からの距離と電界強度の関係を図８に示す。尚、図８には、上記（１）式に基づいて簡易計算した場合の結果についても示した。
【００３０】
この結果から明らかな様に、簡易計算した場合に比べてシミュレーションした場合の方が高い値を示していることが分かる。これは、簡易計算の場合には、棒電極２５の先端の形状を考慮していないからであると考えられた。即ち、棒電極２５の先端を半球状にすることは、電界強度を高める上で有効であることが分かる。
【００３１】
本発明者らは、前記図２に示す装置において棒状電極２５の太さを変え、図９に示す高電圧パルス（図中Ｌ１：１００ｋＶ、Ｌ２：１μ秒）をアノード側に印加したときの放電状態について確認した。このとき、平板電極２６の内径は５０ｍｍとし、棒状電極２５の太さを１ｍｍφまたは１０ｍｍφとした。その結果、棒状電極２５の太さが１ｍｍφのときには、アノード近傍の電界強度が５００ｋＶより大きくなって広域的なストリーマ放電が達成されていたが、棒状電極２５の太さが１０ｍｍφのときには、アノード近傍の電界強度が５００ｋＶ以下となって良好なストリーマ放電が得られていなかった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、電極対間に印加する電圧を例えば１００ｋＶ以下に抑えても十分な電界強度を電極対間に生じさせると共に、広域的な広がりを持った放電を形成し、高効率で経済的にも有利に液体を改質することのできる液体の高電圧処理装置が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明者らが先に提案した高電圧処理装置の構成例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の高電圧処理装置における電極の配置状態および放電状態の一例を示す概略説明図である。
【図３】棒電極２５と平板電極２６の配置状態を図２の上方から見た平面図である。
【図４】電極表面からの距離と電界強度の関係に及ぼす棒電極２５の太さの影響を示したグラフである。
【図５】電極２５の太さを１ｍｍφとしたときの棒電極２５と平板電極２６間における電界強度の分布を示す等電位面図である。
【図６】棒電極２５の太さを１０ｍｍφとしたときの棒電極２５と平板電極２６間における電界強度の分布を示す等電位面図である。
【図７】アノード／カソード間の電界強度を説明する為の図である。
【図８】棒電極の先端を半球状にして電界強度を測定したときの、電極表面からの距離と電界強度の関係を示すグラフである。
【図９】放電状態を確認したときに印加した高電圧パルスの波形図である。
【符号の説明】
１  活性汚泥槽
２  沈澱装置
３  改質槽
４  電源
５  棒電極
６  平板電極
７，８，９，１２，１５，２１  経路
１０  沈澱汚泥
１１，１３，２２  返送経路
１６，１７，１９  ポンプ
１８  改質装置
２０  上澄液
２２  処理容器
２３  被処理液
２４  放電
２５  棒電極
２６  平板電極
２７  高電圧パルス電源
【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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