JP4691004B2

JP4691004B2 - 紫外線光による不活化処理方法

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Publication number: JP4691004B2
Application number: JP2006330331A
Authority: JP
Inventors: 伸次小林; 昌紀波多野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: JP2008142593A

Description

本発明は、紫外線を利用して細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物などを不活化する紫外線による不活化処理方法に関する。

従来から上下水道の殺菌・消毒・脱色、工業用水の脱臭・脱色、あるいはパルプの漂白、さらには医療機器の殺菌等を行うためにオゾンや塩素等の薬品が用いられてきた。近年、従来の塩素等の薬品による消毒装置に代って紫外線による消毒装置が用いられるようになった。この紫外線消毒装置では、紫外線を生成する光源として、紫外線発生効率の高さから主に水銀ランプが用いられている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１５６３５２号公報

しかし、水銀ランプを用いた場合、ランプが破損した場合の流出に備え、生物などに環境に影響を与えないように、２重ガラス管構造もしくは水銀を回収する装置が不可欠であった。そこで、このような水銀ランプに代る紫外線光源としてエキシマランプが近年用いられるようになった。このエキシマ光源を用いた場合、水銀ランプを用いた場合のように水銀の流出対策を行う必要がなく、装置が簡素化される。また、紫外線光の波長の関係から、水銀ランプより少ない紫外線照射量で細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物等の不活化処理が可能になる。

本発明の目的は、エキシマ光源から放射される紫外線光を被処理水に照射することにより効率的に消毒を行うこのとのできる紫外線光による不活化処理方法を提供することにある。

本発明の紫外線光による不活化処理方法は、放電媒体として、キセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体を充填しているエキシマランプで発生した紫外線光を、被処理水に対して少なくとも紫外線量１.０ｍＪ/cm ² 照射することで、被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化することを特徴とする。

また、本発明方法では、エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化するために、最も照射量の少ない被処理水への紫外線照射量が少なくとも１.０ｍＪ/cm²となるように紫外線光を照射する。

また、本発明方法では、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するために、被処理水に対し、キセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体を放電媒体として充填したエキシマランプで発生した紫外線光を、少なくとも紫外線量１.５ｍＪ/cm²照射する。

さらに、本発明方法では、エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するために、最も照射量の少ない被処理水への紫外線照射量が少なくとも１.５ｍＪ/cm²となるように紫外線光を照射する

本発明によれば、エキシマ光源から放射される紫外線光を被処理水に照射するので、高い安全性を維持しながら、紫外線光による不活性化の性能を飛躍的に向上することが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は紫外線殺菌装置を下水道施設に適用した場合の一実施の形態を示している。図1において、２は汚水調整池、３は最初沈殿池、５は曝気用のエアレーションタンク、６は最終沈殿池、８は塩素混和池、１１は紫外線消毒装置で、これらは下水処理場において下水の処理方向に沿って直列に配設され、連結されている。また、９は汚泥の濃縮タンク、１０は汚泥の脱水機で、汚泥濃縮タンク９は、最初沈殿池３及び最終沈殿池６の汚泥排出部と連結しており、また、その出口側は、脱水機１０の入り口側に連結している。

上記構成において、被処理水である下水は、汚水調整池２から、最初沈殿池３に送られ、ここで上澄みの下水と沈殿物の余剰汚泥４に分離される。上澄みの下水はエアレーションタンク５に送られ、ここで生物・薬品等の処理を受け最終沈殿池６に流入する。最終沈殿池６では上澄み水と沈殿物の余剰汚泥４に分離され、上澄み水は塩素混和池８に送られる。余剰汚泥４の一部はエアレーションタンク５に返送され、残りは濃縮タンク９に送られる。濃縮タンク９で濃縮された余剰汚泥４は脱水機（乾燥機）１０で更に水分を抜かれたのち、焼却もしくは肥料等に再生される。塩素混和池８を通過した水７は、紫外線消毒装置１１で消毒した後に、川や海等に放流される。塩素混和池８は、紫外線消毒装置１１が定期点検等で停止している場合、塩素の注入により消毒を行うために設置されている。

紫外線消毒装置１１は、図２で示すように、隣接する塩素混和池８との隔壁１５の下部に設けられた流路１２を通して被処理水を導入し、この被処理水を上向き流で流通させる紫外線処理槽１１ａを有する。この処理槽１１ａ内には紫外線光源１３が設けられ、処理槽１１ａ内を上向き流で流れる被処理水に紫外線を照射し、殺菌する。殺菌処理後の処理水は、川（放流溝）１４等に放流される。

次に、上水施設や飲料水の殺菌に適用した場合の実施の形態を図３により説明する。

図３は、地下水や表流水等を簡易的に飲料水とするための水処理システムに使われるユニット型の紫外線消毒装置３１を示す。図３において、２３は沈殿槽で、下部側面から導入された被処理水を上部側面に設けた排出口に向って上向き流で流し、沈殿物を底部から排出する。２５は濾過器で、その内部には同心的に設けられた筒状の活性炭フィルター２６が設けられている。そして、流量計２４を有する管路により、上部から導入された被処理水を、活性炭フィルター２６により濾過した後、下部側面の排出口より次段に向けて排出する。２８は紫外線照射用のリアクタ（紫外線処理槽）で、紫外線透過率計２７を有する管路により下部側面から導入された被処理水を、上部側面に設けられた排出口に向って上向き流で流す。

このリアクタ２８内には立て向きに保護管３０及び放電管２９とからなる紫外線光源１３が縦向きに設けられ、上向き流で流れる被処理水に紫外線を照射し、殺菌する。

図２及び図３において使用されている紫外線光源１３は基本的同じものであるが、具体的構成が示されている図３を用いて説明する。この紫外線光源１３は保護管３０及び放電管２９から成る。保護管３０は、紫外線を透過可能な材質で強固に作られており、被処理水中の固形物などから、その内部に設けられた放電管２９を保護する。放電管２９は、保護管３０内に設けられており、紫外線を透過可能な誘電体による円筒状の容器と、容器の周囲（通常は両端部）に互いに離間して配置された一対の電極とを有する。上記容器内には、エキシマ分子を形成する放電ガスが充填されており、前記一対の電極間に交流電圧もしくはパルス電圧を印加することにより、前記容器内部に放電を起こさせて紫外線光を発生させる。

紫外線光源１３の放電管２９となる容器内に充填されたエキシマ分子を形成する放電ガスとしては、クリプトン（Ｋｒ）およびキセノン（Ｘｅ）のいずれか一つ以上の希ガスと、フッ素(Ｆ)、ヨウ素（Ｉ）、塩素（Ｃｌ）及び臭素（Ｂｒ）のいずれか一つ以上のハロゲン又はこれらハロゲンを供給するハロゲン化合物とを含む混合気体を主成分とする放電ガスを充填する。

このような構成の紫外線消毒（滅菌）装置１１、３１では、紫外線光源１３におけるエキシマ放電により紫外線を発生させ、その紫外線を被処理水に照射するので、被処理水に対する殺菌を効果的に行うことができる。

ところで、このようなエキシマ放電による紫外線光源１３では、放電管２９に充電されたエキシマ分子を形成する放電ガスの成分により波長帯域幅が異なる。図４は放電ガスを構成する希ガスとハロゲンとの各組合せにおける紫外線光の波長帯域を示しており、横軸に波長、縦軸に相対強度をとっている。

図４（ａ）は、放電ガスが、クリプトン（Ｋｒ）と塩素（Ｃｌ）とを混合したＫｒＣｌの場合のエキシマ放電による紫外線の波長の相対強度分布を示している。図示のように、２２２ｎｍ付近がピーク波長であり、その近くも比較的高い値を示す。同図（ｂ）は、キセノン（Ｘｅ）と塩素（Ｃｌ）とを混合したＸｅＣｌガスの場合を示し、３０８ｎｍ付近がピーク波長であり、その近くも比較的高い値を示している。同図（ｃ）は、キセノン（Ｘｅ）と臭素（Ｂｒ）とを混合したＸｅＢｒガスの場合を示し、２８２ｎｍ付近がピーク波長でありその近くも比較的高い値を示している。同図（ｄ）は、クリプトン（Ｋｒ）と塩素（Ｃｌ）とを混合したＫｒＣｌガスの場合を示し、２２２ｎｍ付近がピーク波長でありその近くも比較的高い値を示している。同図（ｅ）は、キセノン（Ｘｅ）とヨウ素（Ｉ）とを混合したＸｅＩガスの場合を示し、２５３ｎｍ付近がピーク波長でありその近くも比較的高い値を示している。同図（ｆ）は、クリプトン（Ｋｒ）とフッ素（Ｆ）とを混合したＫｒＦガスの場合を示し、２４８ｎｍ付近がピーク波長でありその近くも比較的高い値を示している。同図（ｇ）は、従来の低圧水銀ランプから放射される紫外線光の波長を示しており、２５４ｎｍのほぼ一点がピーク波長となる。

ここで、紫外線照射により細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物を不活化する場合、ＤＮＡの紫外線吸収率が最も高い２６０nm近辺が最も有効である。上述の放電ガスを充填したエキシマランプは、成分によりピーク波長に多少の違いはあるが、紫外線発生の帯域幅が広く、ピーク波長がほぼ一点の水銀ランプに比べ有効である。

不活化に必要な紫外線照射量は光源の種類、細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物の種類、要求不活性率によって異なる。

表１は、図２で示した下水処理施設を対象とした場合、上述した放電ガスの各組合せによるエキシマランプにより紫外線照射し、大腸菌の不活化に必要な照射量をバイオアッセイ（生物検定法）により求め、従来の水銀ランプによる紫外線照射の場合と比較して示している。

すなわち、表１は、大腸菌を９０％、９９％、９９．９％に不活化する場合に必要な紫外線照射量をそれぞれ示している。

このように、大腸菌を不活化するために必要な紫外線の波長は、エキシマランプの種類（放電ガスの成分）に応じて異なるので、大腸菌を不活性化する程度（９０％、９９％、９９．９％）に応じて必要な照度を確保すればよい。

すなわち、被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表１で示す各波長に応じて紫外線量１.０〜４.０ｍＪ/cm²照射すればよい。

また、被処理水中の大腸菌を少なくとも９９％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表１で示す各波長に応じて紫外線量２.０〜８.０ｍＪ/cm²照射すればよい。

さらに、被処理水中の大腸菌を少なくとも９９.９％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表１で示す各波長に応じて紫外線量４.０〜１５ｍＪ/cm²照射すればよい。

日本の下水処理の場合、大腸菌を９９.９％以上の不活化することが求められているので、紫外線照射量は、上述のように、表１で示す各波長に応じて紫外線量４.０〜１５ｍＪ/cm²となる。

また、表１の中で、最も不活化効率の高いキセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体（ＸｅＢｒ）を放電媒体として充填したエキシマランプを用いた場合についてみると、被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化するために、被処理水に対して、上記エキシマランプで発生した紫外線光を、少なくとも紫外線量１.０ｍＪ/cm²照射すればよいことになる。

ここで、紫外線光は、下水の場合、図２で示した紫外線消毒装置１１の紫外線処理槽１１ａ内を上向き流で流れる被処理水に対して、紫外線光源１３から照射される。この場合、紫外線処理槽１１ａ内を流れる被処理水に対して均一に紫外線が照射されることはない。すなわち、紫外線光源１３を構成する放電管の配置構成や紫外線処理槽１１ａの形状により、紫外線処理槽１１ａ内のどの部分を流れたかにより紫外線光の照射量に差が生じる。図５は、紫外線処理槽内で被処理水が受けた紫外線光の照射量分布を表している。

図５において、横軸は被処理水が受けた紫外線光の照射量、縦軸は被処理水量を示している。この例では、１１０ｍＪ/cm²の紫外線光を光源から照射した場合、紫外線処理槽を流通した被処理水のうち、２５ｍＪ/cm²の照射量を受けた被処理水が水量：１００で最も多く、次が、４０ｍＪ/cm²の照射量を受けた被処理水が水量：約１００であり、以下、各照射量ごとの水量分布が示されている。これら縦軸で示される各水量の積分値が処理槽内で紫外線を照射された全水量となる。

このように、エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない（図の例では２０ｍＪ/cm²）被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化するために、この被処理水が少なくとも１.０ｍＪ/cm²の紫外線量の照射を受けるように、紫外線光源１３の紫外線発生量およびその配置構成などを設定する。

表２は、図３で示した地下水や表流水等を簡易的に飲料水とするための水処理システムでのクリプトスポロジウムの不活性化について、表１と同様の手法で測定した値を示している。

すなわち、表２は、表１と同じ放電ガスの各組合せによるエキシマランプを、図３の紫外線光源１３として用い、リアクタ２８内を流れる被処理水に紫外線照射した場合の、クリプトスポリジウムの不活化に必要な照射量をバイオアッセイ（生物検定法）によりそれぞれ求め、従来の水銀ランプによる紫外線照射の場合と共に示している。この表１では、クリプトスポリジウムを９９％、９９．９％、９９．９９％に不活化する場合に必要な紫外線照射量をそれぞれ示している。

このように、クリプトスポリジウムを不活化するために必要な紫外線の波長は、エキシマランプの種類（放電ガスの成分）に応じて異なるので、クリプトスポリジウムを不活性化する程度（９９％、９９．９％、９９．９９％）に応じて必要な照度を確保すればよい。

すなわち、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表２で示す各波長に応じて紫外線量１.５〜７．５ｍＪ/cm²照射すればよい。

また、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９．９％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表２で示す各波長に応じて紫外線量３．５〜１５ｍＪ/cm²照射すればよい。

さらに、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９.９９％不活化するためには、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表２で示す各波長に応じて紫外線量７〜３０ｍＪ/cm²照射すればよい。

日本では、飲料水の水処理の場合、塩素注入と併用されるが、クリプトスポリジウムは塩素処理の効果が低いため、９９.９９％以上の不活化が紫外線照射装置に求められている。したがて、紫外線照射量は、上述のように、表２で示す各波長に応じて紫外線量７.０〜３０ｍＪ/cm²となる。

また、表２の中で、最も不活化効率の高いキセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体（ＸｅＢｒ）を放電媒体として充填したエキシマランプを用いた場合についてみると、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するために、被処理水に対しは、で発生した紫外線光を、少なくとも紫外線量１.５ｍＪ/cm²照射すればよいことになる。

ここで、紫外線光は、上水の場合、図３で示した紫外線消毒装置３１のリアクタ２８内を上向き流で流れる被処理水に対し、紫外線光源１３から照射される。この場合も、リアクタ２８内を流れる被処理水に対して均一に紫外線が照射されることはなく、図５で示したような、被処理水が受けた紫外線光の照射量分布が生じる。

したがって、エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するためには、この被処理水が少なくとも１.５ｍＪ/cm²の紫外線量の照射を受けるように、紫外線光源１３の紫外線発生量およびその配置構成などを設定する。

これらの結果、被処理水に対し、エキシマランプで発生した紫外線光を、表１及び表２で示したかくエキシマランプに対応して、紫外線量１.０〜３０ｍＪ/cm²照射することで、細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物を９０％以上不活化することができる。

本発明に係る紫外線発生装置によれば、ランプが破損した場合の水銀流出の危険を回避できる。また、エキシマランプによる紫外線光源からの紫外線光を照射することで、細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物の不活化処理が可能になる。また、従来使われてきた水銀ランプより少ない紫外線照射量で細菌、ウィルス、酵母、糸状菌及び原生動物の不活化処理が可能になる。さらに、紫外線照射量に分布がある場合、最も紫外線照射量の少ない被処理水に対しても不活化必要な紫外線照射量を確保することにより安定的な不活化性能を得ることが可能になる。

本発明が適用される下水施設の構成例を示す処理系統図である。本発明による紫外線光による不活化処理方法が適用される図１で示した紫外線消毒装置の構成例を示す断面図である。本発明による紫外線光による不活化処理方法が適用される、上水用紫外線消毒装置の構成例を示す構成図である。各種の放電ガスが用いられたエキシマランプから放射される紫外線光の波長と、従来の低圧水銀ランプからの紫外線光の波長とをそれぞれ示す波形図である。紫外線処理槽内で被処理水が受ける紫外線照射量の分布を示す図である。

符号の説明

１１、３１紫外線消毒装置
１１ａ，２８紫外線処理槽
１３紫外線光源
２９放電管
３０保護管

Claims

放電媒体として、キセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体を充填しているエキシマランプで発生した紫外線光を、被処理水に対して少なくとも紫外線量１.０ｍＪ/cm ² 照射することで、被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化することを特徴とする紫外線光による不活化処理方法。
エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない被処理水中の大腸菌を少なくとも９０％不活化するために、前記最も照射量の少ない被処理水への紫外線照射量が少なくとも１.０ｍＪ/cm ² となるように紫外線光を照射することを特徴とする請求項１に記載の紫外線光による不活化処理方法。
放電媒体として、キセノン（Ｘｅ）−臭素（Ｂｒ）混合気体を充填しているエキシマランプで発生した紫外線光を、被処理水に対して少なくとも紫外線量１.５ｍＪ/cm ² 照射することで、被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化することを特徴とする紫外線光による不活化処理方法。
エキシマランプから放射される紫外線光の照射量に分布がある場合、最も照射量の少ない被処理水中のクリプトスポリジウムを少なくとも９９％不活化するために、前記最も照射量の少ない被処理水への紫外線照射量が少なくとも１.５ｍＪ/cm ² となるように紫外線光を照射することを特徴とする請求項３に記載の紫外線光による不活化処理方法。