特開 2022-185523 水処理装置および水処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022185523

(43)【公開日】2022-12-14

(54)【発明の名称】水処理装置および水処理方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/32 20060101AFI20221207BHJP

   C02F 1/78 20060101ALI20221207BHJP

   C02F 1/72 20060101ALI20221207BHJP

【ＦＩ】

C02F1/32

C02F1/78

C02F1/72 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021093268

(22)【出願日】2021-06-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「ブロード発光を有する水銀フリー深紫外線光源を用いた循環・再利用水処理システムの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】591141784

【氏名又は名称】学校法人大阪産業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100108523

【弁理士】

【氏名又は名称】中川 雅博

(74)【代理人】

【識別番号】100187931

【弁理士】

【氏名又は名称】澤村 英幸

(72)【発明者】

【氏名】高浪 龍平

【テーマコード（参考）】

4D037

4D050

【Ｆターム（参考）】

4D037AA08

4D037AA09

4D037AB03

4D037AB05

4D037AB16

4D037BA18

4D037CA12

4D050AA08

4D050AB13

4D050AB17

4D050BB02

4D050BC09

4D050BD04

4D050CA07

(57)【要約】

【課題】 水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能な水処理装置および水処理方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る水処理装置は、流路２内を流れる水に処理を行う水処理装置１００であって、流路２内の水ＤＷに紫外線を照射する発光管アレイ型光源装置１を備え、発光管アレイ型光源装置１は、希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生するように構成され、３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１のピーク波長を有する紫外線を発生する第１の発光管と、２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２のピーク波長を有する紫外線を発生する第２の発光管と、１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第３の波長帯域内に第３のピーク波長を有する紫外線を発生する第３の発光管とを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路内を流れる水に処理を行う水処理装置であって、
前記流路内の水に紫外線を照射する発光管アレイ型光源装置を備え、
前記発光管アレイ型光源装置は、
希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生するように構成され、
３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１のピーク波長を有する紫外線を発生する第１の発光管と、
２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２のピーク波長を有する紫外線を発生する第２の発光管と、
１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第３の波長帯域内に第３のピーク波長を有する紫外線を発生する第３の発光管とを含む、水処理装置。

【請求項2】

前記第３の発光管と空気との反応により発生したオゾンを前記流路の上流位置に供給する供給装置をさらに備えた、請求項１記載の水処理装置。

【請求項3】

紫外線を透過する材料により前記流路を構成する水処理管をさらに備え、
前記発光管アレイ型光源装置は、複数の前記第１の発光管、複数の前記第２の発光管および複数の前記第３の発光管がフレキシブル基板上に配置されるように構成され、
前記フレキシブル基板は、前記水処理管の外周面上に巻きつけられる、請求項１または２記載の水処理装置。

【請求項4】

前記複数の第１の発光管、前記複数の第２の発光管および前記複数の第３の発光管は、前記水処理管の上流から下流へ順に配置される、請求項３記載の水処理装置。

【請求項5】

前記第１の発光管は、３００ｎｍから４００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有し、
前記第２の発光管は、２２０ｎｍから３００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有し、
前記第３の発光管は、１６０ｎｍから１９０ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の水処理装置。

【請求項6】

前記第１の発光管は、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生するように構成され、
前記第２の発光管は、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生するように構成され、
前記第３の発光管は、希ガスのプラズマ発光により紫外線を発生するように構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載の水処理装置。

【請求項7】

流路内を流れる水に処理を行う水処理装置であって、
前記流路内の水に紫外線を照射する発光管アレイ型光源装置を備え、
前記発光管アレイ型光源装置は、
希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生するように構成され、
ＵＶＡを発生する第１の発光管と、
ＵＶＣを発生する第２の発光管と、
ＶＵＶを発生する第３の発光管とを含み、
前記ＵＶＡが前記ＶＵＶよりも前記流路の上流に照射されるように前記第１の発光管、前記第２の発光管および前記第３の発光管が配置される、水処理装置。

【請求項8】

前記発光管アレイ型光源装置は、前記ＵＶＡ、前記ＵＶＣおよび前記ＶＵＶが前記流路の上流から下流へ順に照射されるように前記第１の発光管、前記第２の発光管および前記第３の発光管が配置される、請求項７記載の水処理装置。

【請求項9】

流路内を流れる水に処理を行う水処理方法であって、
第１の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップと、
第２の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップと、
第３の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第３の波長帯域内に第３の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップとを含む、水処理方法。

【請求項10】

前記第１の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生することを含み、
前記第２の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生することを含み、
前記第３の発光ピークを有する紫外線を前記流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマ発光により紫外線を発生することを含む、請求項９記載の水処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水処理装置および水処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

国内外における豊富な水源を有しない陸上養殖では、輸送コストの削減等のために、水の循環率を向上させることが望ましい。また、食品工場では、残渣由来の有機性水質汚染物質および殺菌用の次亜塩素酸ナトリウムの排出基準を満たすために、洗浄水の再利用を進める必要がある。そのため、陸上養殖場および食品工場では、水の循環および再利用の要求が高くなっている。水の循環および再利用の際の殺菌等のために紫外線を用いた水処理装置が用いられる。紫外線を発生するためには、低圧水銀ランプが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－３９８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、近年、条約等により水銀の使用が制限されている。そこで、水銀を用いずに水銀ランプを用いた水処理装置と同等以上の水の浄化性能を有する水処理装置および水処理方法の開発が要求されている。

【0005】

本発明の目的は、水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能な水処理装置および水処理方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本発明の一局面に従う水処理装置は、流路内を流れる水に処理を行う水処理装置であって、流路内の水に紫外線を照射する発光管アレイ型光源装置を備え、発光管アレイ型光源装置は、希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生するように構成され、３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１のピーク波長を有する紫外線を発生する第１の発光管と、２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２のピーク波長を有する紫外線を発生する第２の発光管と、１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第３の波長帯域内に第３のピーク波長を有する紫外線を発生する第３の発光管とを含む。

【0007】

その水処理装置においては、第１のピーク波長、第２のピーク波長および第３のピーク波長を有する紫外線が流路内の水に照射される。この場合、第１の発光管、第２の発光管および第３の発光管は、希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生する。それにより、第１の波長帯域、第２の波長領域および第３の波長領域における紫外線は、それぞれブロードな発光特性を有する。第１のピーク波長を有する紫外線は、比較的長波長を有する。それにより、第１の波長帯域の紫外線により、紫外線波長に吸収を持つ抗生物質等の有機化合物を効率的に低分子化すること、色素成分を分解すること、藻類の増殖を抑制すること、および光回復現象による細菌の再増殖を抑制することが可能になる。また、第２のピーク波長を有する紫外線および第３のピーク波長を有する紫外線は短波長を有するので、促進酸化の作用を有する。それにより、第２の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質を低分子化および無機化すること、並びにＤＮＡおよびＲＮＡの損傷による細菌類を不活化することが可能となる。さらに、第３の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質をさらに低分子化および無機化することが可能となる。これらの結果、水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能となる。

【0008】

（２）水処理装置は、第３の発光管と空気との反応により発生したオゾンを流路の上流位置に供給する供給装置をさらに備えてもよい。

【0009】

この場合、第３の発光管から発生される紫外線は短い波長帯域を有するので、空気と反応することによりオゾンが発生する。上記の構成によれば、オゾンが流路の上流位置に供給されることにより、オゾンが水に混合される。その結果、オゾンに紫外線が照射されることにより、水内に活性酸素が生じる。この活性酸素により非選択的な分解が行われる促進酸化の作用が生じる。したがって、有機化合物の分解効率が向上する。また、オゾン発生器を別途設ける必要がないので、省スペースかつ安価な水処理装置を製造することが可能になる。

【0010】

（３）水処理装置は、紫外線を透過する材料により流路を構成する水処理管をさらに備え、発光管アレイ型光源装置は、複数の第１の発光管、複数の第２の発光管および複数の第３の発光管がフレキシブル基板上に配置されるように構成され、フレキシブル基板は、水処理管の外周面上に巻きつけられてもよい。

【0011】

この場合、フレキシブル基板を水処理管の外周面に巻き付けることにより、水処理管内の水に複数の第１の発光管、複数の第２の発光管および複数の第３の発光管により発生された紫外線が照射される。また、第１、第２および第３の発光管の発光原理は同じであり、発光管に封入するガスまたは蛍光体の種類を変更することにより異なる波長帯域の紫外線を照射することができる。したがって、容易かつ安価に製造できかつ簡単な構成を有する水処理装置により水の浄化性能を改善することが可能である。

【0012】

（４）複数の第１の発光管、複数の第２の発光管および複数の第３の発光管は、水処理管の上流から下流へ順に配置されてもよい。

【0013】

この場合、水処理管内を流れる水に対して、まず、上流位置で紫外線波長に吸収を持つ抗生物質等の有機化合物の低分子化、色素成分の分解、藻類の増殖の抑制、および光回復現象の抑制が行われる。次に、中流位置で第２の波長帯域の紫外線による有機化合物の副生成物質の低分子化および無機化、並びにＤＮＡおよびＲＮＡの損傷による細菌類の不活化が行われる。その後、下流位置で第３の波長帯域の紫外線による有機化合物の副生成物質のさらなる低分子化および無機化が行われる。それにより、流路内を流れる水の透明度を改善した後に、有機化合物の低分子化（分解）を進めることができるので、水の浄化作用が効率的に行われる。

【0014】

（５）第１の発光管は、３００ｎｍから４００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有し、第２の発光管は、２２０ｎｍから３００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有し、第３の発光管は、１６０ｎｍから１９０ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有してもよい。

【0015】

この場合、流路を流れる水に１６０ｎｍ～４００ｎｍの広い範囲の紫外線が照射されるので、分解効率が向上する。

【0016】

（６）第１の発光管は、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生するように構成され、第２の発光管は、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生するように構成され、第３の発光管は、希ガスのプラズマ発光により紫外線を発生するように構成されてもよい。

【0017】

この場合、第１の波長帯域内の第１のピーク、第２の波長帯域内の第２のピークおよび第３の波長帯域内の第３のピークをそれぞれ有する紫外線を容易に発生することができる。

【0018】

（７）本発明の他の局面に従う水処理装置は、流路内を流れる水に処理を行う水処理装置であって、流路内の水に紫外線を照射する発光管アレイ型光源装置を備え、発光管アレイ型光源装置は、希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生するように構成され、ＵＶＡを発生する第１の発光管と、ＵＶＣを発生する第２の発光管と、ＶＵＶを発生する第３の発光管とを含み、ＵＶＡがＶＵＶよりも流路の上流に照射されるように第１の発光管、第２の発光管および第３の発光管が配置されてもよい。

【0019】

その水処理装置においては、ＵＶＡが照射された後にＶＵＶが照射されることにより、少なくとも特定の抗生物質の分解率が向上する。

【0020】

（８）発光管アレイ型光源装置は、ＵＶＡ、ＵＶＣおよびＶＵＶが流路の上流から下流へ順に照射されるように第１の発光管、第２の発光管および第３の発光管が配置されてもよい。

【0021】

上流位置でＵＶＡに吸収を持つ抗生物質等の有機化合物の低分子化、色素成分の分解、藻類の増殖の抑制、および光回復現象の抑制が行われる。次に、中流位置でＵＶＣによる有機化合物の副生成物質の低分子化および無機化、並びにＤＮＡおよびＲＮＡの損傷による細菌類の不活化が行われる。その後、下流位置でＶＵＶによる有機化合物の副生成物質のさらなる低分子化および無機化が行われる。それにより、流路内を流れる水の透明度を改善した後に、有機化合物の低分子化（分解）を進めることができるので、水の浄化作用が効率的に行われる。

【0022】

（９）本発明のさらに他の局面に従う水処理方法においては、流路内を流れる水に処理を行う水処理方法であって、第１の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップと、第２の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップと、第３の発光管を用いて希ガスのプラズマを利用した発光により１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第３の波長帯域内に第３の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップとを含んでもよい。

【0023】

その水処理方法においては、第１の波長帯域の紫外線により、紫外線波長に吸収を持つ抗生物質等の有機化合物を効率的に低分子化すること、色素成分を分解すること、藻類の増殖を抑制すること、および光回復現象による菌の再増殖を抑制することが可能になる。また、第２の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質を低分子化および無機化すること、並びにＤＮＡおよびＲＮＡの損傷による細菌類を不活化することが可能となる。さらに、第３の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質をさらに低分子化および無機化することが可能となる。これらの結果、水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能となる。

【0024】

（１０）第１の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生することを含み、第２の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマを利用した蛍光体発光により紫外線を発生することを含み、第３の発光ピークを有する紫外線を流路内を流れる水に照射するステップは、希ガスのプラズマ発光により紫外線を発生することを含んでもよい。

【0025】

この場合、第１の波長帯域内の第１のピーク、第２の波長帯域内の第２のピークおよび第３の波長帯域内の第３のピークをそれぞれ有する紫外線を容易に発生することができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】一実施の形態に係る水処理装置の模式的斜視図である。

【図2】図１の第１の光源の模式的展開図である。

【図3】図１の第１の光源のＡ－Ａ線断面図である。

【図4】図３の第１の光源のＢ－Ｂ線断面図である。

【図5】図１の発光管アレイ型光源装置の分光放射特性を示す図である。

【図6】実施例１および比較例における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図7】実施例１および比較例における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図8】光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。

【図9】光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。

【図10】光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。

【図11】光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。

【図12】４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図13】４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図14】４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図15】４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。

【図16】光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。

【図17】実施例３における４種類のテトラサイクリン類の分解率の測定結果を示す図である。

【図18】実施例４における４種類のテトラサイクリン類の分解率の測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の一実施の形態に係る水処理装置および水処理方法について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0029】

（１）水処理装置の構成
図１は、一実施の形態に係る水処理装置の模式的斜視図である。図２は、図１の第１の光源の模式的展開図である。図３は、図１の第１の光源のＡ－Ａ線断面図である。図４は、図３の第１の光源のＢ－Ｂ線断面図である。

【0030】

図１に示すように、水処理装置１００は、発光管アレイ型光源装置１、水処理管２、空冷兼遮蔽管３およびオゾン注入装置４を備える。発光管アレイ型光源装置１は、シート状の第１の光源１０Ａ、シート状の第２の光源１０Ｂおよびシート状の第３の光源１０Ｃを含む。第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃは、水処理管２の上流位置ＵＰから下流位置ＤＰに向かってこの順に配置され、水処理管２の外周面に巻き付けられる。水処理管２は、例えば、紫外線を透過可能な合成樹脂により円筒形状に形成される。水処理管２の上流位置ＵＰ側には、散気孔２ａが設けられる。本実施の形態において、水処理管２の内部の流路には、上流位置ＵＰから下流位置ＤＰに向かう方向に被処理水ＤＷが流れる。被処理水ＤＷは、高分子の抗生物質、有機性の水質汚濁物質、藻類、および細菌類等を含む。

【0031】

空冷兼遮蔽管３は、第１～第３の光源１０Ａ～１０Ｃの発光により発生する熱を空冷し、第１～第３の光源１０Ａ～１０Ｃにより発生される紫外線の漏洩を防止するとともに、第３の光源１０Ｃにより発生される紫外線により生成されるオゾンを効率的に回収するために設けられる。本実施の形態では、空冷兼遮蔽管３は、第１～第３の光源１０Ａ～１０Ｃの外周面を被覆するように設けられるが、空冷兼遮蔽管３がオゾンを発生する第３の光源１０Ｃの外周面のみを被覆するように設けられてもよい。水処理管２と空冷兼遮蔽管３との間の空間のうち少なくとも第３の光源１０Ｃの下流側は封止される。

【0032】

オゾン注入装置４は、回収管４ａおよびポンプ４ｂを含む。回収管４ａの一端は、空冷兼遮蔽管３の下流側の端面に接続され、回収管４ａの他端は、水処理管２の散気孔２ａに接続される。回収管４ａには、ポンプ４ｂが介挿される。ポンプ４ｂは、フレキシブル基板１１と水処理管２との間の気体を回収管４ａを通して水処理管２の散気孔２ａに導く。

【0033】

第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃには、それぞれ交流電源１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃにより交流電圧が印加される。それにより、第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃは、それぞれ異なる波長帯域を有する紫外線を発生する。

【0034】

図２に示すように、第１の光源１０は、フレキシブル基板１１、複数の発光管１２および一対の電極１３ａ，１３ｂを含む。フレキシブル基板１１は、可撓性を有する樹脂により形成される。一対の電極１３ａ，１３ｂは、フレキシブル基板１１の一面に形成される。一対の電極１３ａ，１３ｂがフレキシブル基板１１のスリット状の面に形成されてもよい。

【0035】

複数の発光管１２の各々は、楕円形状、長円形状または円形状の断面を有するガラス管により構成される。各発光管１２の内部には、放電ガスが封入される。放電ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、もしくはキセノン等の希ガスである。放電ガスが２種類の希ガスの混合ガスであってもよい。本実施の形態では、キセノンが用いられる。発光管１２の内面には、蛍光体層（図示せず。）が形成されてもよい。放電ガスまたは蛍光体層に含まれる蛍光体の種類により発光管１２から発生される紫外線の波長が異なる。フレキシブル基板１１に形成された一対の電極１３ａ，１３ｂ上に複数の発光管１２が複数列に並ぶように配置される。各発光管１２は、例えば２ｍｍ程度の直径を有する。複数の発光管１２を小さい間隔でかつ任意の長さでフレキシブル基板１１上に配列することができるので、均一かつ連続的に紫外線を照射することが可能な面光源が実現される。

【0036】

複数の発光管１２の各々は、一対の電極１３ａ，１３ｂに接続される。一対の電極１３ａ，１３ｂに図１の交流電源１４Ａにより交流電圧が印加されることにより各発光管１２内に放電ガスのプラズマが生成される。プラズマにより蛍光体層が励起されることにより蛍光体の種類に応じた波長帯域の紫外線が発生する。

【0037】

図３および図４に示すように、第１の光源１０Ａのフレキシブル基板１１は、水処理管２の外周面に巻き付けられる。複数の発光管１２は、水処理管２の外周面とフレキシブル基板１１との間に位置する。本実施の形態では、複数の発光管１２が水処理管２の軸方向に平行に延びるように第１の光源１０Ａが配置される。発光管１２から発生された紫外線ＵＶは、水処理管２を透過して流路を流れる被処理水ＤＷに照射される。

【0038】

図１の第２の光源１０Ｂの構成は、各発光管１２内の放電ガスまたは蛍光体層に含まれる蛍光体の種類が異なる点を除いて、第１の光源１０Ａの構成と同様である。本実施の形態では、図１の第３の光源１０Ｃには、蛍光体層が形成されない。そのため、第３の光源１０Ｃは、ガス放電のプラズマ発光により紫外線を発生する。図１の第３の光源１０Ｃの構成は、各発光管１２内に蛍光体層が形成されない点および各発光管１２内の放電ガスに含まれる蛍光体の種類が異なる点を除いて、第１の光源１０Ａの構成と同様である。なお、第１～第３の光源１０Ａ～１０Ｃにおいては、共通の１つのフレキシブル基板１１が設けられてもよい。

【0039】

図５は、図１の発光管アレイ型光源装置１の分光放射特性を示す図である。なお、図５においては、３つのスペクトルがそれぞれのピーク値（ピーク強度）を１．０として正規化されている。図５の縦軸は、相対発光強度であり、横軸は波長である。

【0040】

第１の光源１０Ａは、３００ｎｍよりも長く４００ｎｍ以下の第１の波長帯域内に第１のピーク波長Ｐ１を有する紫外線を発生する。第１のピーク波長Ｐ１は、例えば３２０～３７０ｎｍであり、本実施の形態では３５０ｎｍである。第１の波長帯域のスペクトルは、ブロードに広がっている。それにより、少なくとも３００ｎｍから４００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有する。また、第１の波長帯域のスペクトルは、例えば５０ｎｍ以上の半値幅を有する。

【0041】

第２の光源１０Ｂは、２００ｎｍよりも長く３００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第２のピーク波長Ｐ２を有する紫外線を発生する。第２のピーク波長Ｐ２は、例えば２４０～２８０ｎｍであり、本実施の形態では２６０ｎｍである。第２の波長帯域のスペクトルも第１の波長帯域のスペクトルと同様に、ブロードに広がっている。それにより、少なくとも２２０ｎｍから３００ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有する。また、第２の波長帯域のスペクトルは、例えば５０ｎｍ以上の半値幅を有する。

【0042】

第３の光源１０Ｃは、１００ｎｍよりも長く２００ｎｍ以下の第２の波長帯域内に第３のピーク波長Ｐ３を有する紫外線を発生する。第３のピーク波長Ｐ３は、例えば１６０ｎｍ～１９０ｎｍであり、本実施の形態では１７２ｎｍである。第３の波長帯域のスペクトルも第１および第２の波長帯域のスペクトルと同様に、ブロードに広がっている。それにより、少なくとも１６０ｎｍから１９０ｎｍまでの波長帯域にわたって０よりも高い発光強度を有する。また、第３の波長帯域のスペクトルは、例えば１０ｎｍ以上の半値幅を有する。

【0043】

例えば、第１の光源１０Ａとして、ＵＶＡ（紫外線Ａ波）を発生する光源を用いてもよい。ＵＶＡは、例えば、３１５ｎｍ～４００ｎｍのピーク波長を有する。第２の光源１０Ｂとして、ＵＶＣ（紫外線Ｃ波）を発生する光源を用いてもよい。ＵＶＣは、例えば、２００ｎｍ～２８０ｎｍのピーク波長を有する。第３の光源１０Ｃとして、ＶＵＶ（真空紫外線）を発生する光源を用いてもよい。ＶＵＶは、例えば、１０～２００ｎｍのピーク波長を有する。

【0044】

（２）水処理装置１００の動作および効果
次に、図１～図４の水処理装置１００の動作を説明する。水処理管２内の流路を被処理水ＤＷが流れる状態で、交流電源１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃにより第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃにそれぞれ交流電圧が印加される。それにより、第１の光源１０Ａから第１のピーク波長Ｐ１を有する紫外線が発生され、第２の光源１０Ｂから第２のピーク波長Ｐ２を有する紫外線が発生され、第３の光源１０Ｃから第３のピーク波長Ｐ３を有する紫外線が発生される。第１のピーク波長Ｐ１を有する紫外線、第２のピーク波長Ｐ２を有する紫外線および第３のピーク波長Ｐ３を有する紫外線は、水処理管２を透過して流路を流れる被処理水ＤＷに順次照射される。

【0045】

この場合、第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃの発光管１２は、希ガスのプラズマを利用した発光により紫外線を発生する。それにより、第１の波長帯域における第１のピーク波長Ｐ１を有する紫外線のスペクトル、第２の波長領域における第２のピーク波長Ｐ２を有する紫外線および第３の波長領域における第３のピーク波長Ｐ３を有する紫外線のスペクトルは、それぞれブロードな発光特性を有する。

【0046】

第１のピーク波長Ｐ１を有する紫外線は、比較的長波長を有する。それにより、第１の波長帯域の紫外線により、紫外線波長に吸収を持つ抗生物質等の有機化合物を低分子化すること、色素成分を分解すること、藻類の増殖を抑制すること、および光回復現象による細菌の再増殖を抑制することが可能になる。また、第２のピーク波長Ｐ２を有する紫外線および第３のピーク波長Ｐ３を有する紫外線は短波長を有するので、被処理水ＤＷに対して促進酸化の作用を有する。それにより、第２の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質を低分子化および無機化すること、並びにＤＮＡおよびＲＮＡの損傷による細菌類を不活化することが可能となる。さらに、第３の波長帯域の紫外線により、有機化合物の副生成物質をさらに低分子化および無機化することが可能となる。これらの結果、水銀を用いることなく水の浄化性能の改善が可能となる。

【0047】

後述するように、本実施の形態に係る水処理装置１００によれば、テトラサイクリン類の抗生物質の分解率が高い。したがって、本実施の形態に係る水処理装置１００によれば、低圧水銀ランプを用いた水処理装置と同等以上の抗生物質の分解率が得られる。それにより、水銀を用いることなく、殺菌効率および抗生物質等の分解効率を改善することが可能となる。

【0048】

これらの結果、水の浄化性能の改善が可能となるので、例えば陸上養殖場および食品工場での被処理水の循環および再利用が促進される。

【0049】

また、第３の光源１０Ｃの発光管１２から発生される短波長の紫外線により冷却用空気からオゾンが生成される。第３の光源１０Ｃにおいて生成されたオゾンは、空冷兼遮蔽管３およびオゾン注入装置４により水処理管２の上流位置ＵＰの散気孔２ａから水処理管２の流路内に供給され、被処理水ＤＷに混合される。それにより、紫外線およびオゾンの併用で発生する活性酸素により被処理水ＤＷの非選択的な分解が行われる。その結果、被処理水ＤＷの分解効率がさらに向上する。

【0050】

（３）実施例１
実施例１では、図２～図４に示された第１の光源１０Ａと同様の構造を有する光源１０－３を用いて１０種類の抗生物質の分解率を測定した。なお、光源１０－３は、後述する図１０に示されるように、ピーク波長（中心波長２６０ｎｍ）を有する紫外線を発生する。以下の表１に示す１０種類の抗生物質をそれぞれ１ｍｇ／Ｌ含有する混合水溶液をそれぞれ別個の石英セルに充填し、光源１０－３により石英セル内の混合溶液に紫外線を照射するバッチ試験を行った。

【0051】

比較例では、光源ＬＭＩを用いて１０種類の抗生物質の分解率を測定した。光源ＬＭＩは、有効波長２５４ｎｍの紫外線を発生する低圧水銀ランプである。実施例１と同様に、表１に示す１０種類の抗生物質をそれぞれ１ｍｇ／Ｌ含有する混合水溶液をそれぞれ別個の石英セルに充填し、光源ＬＭＩにより石英セル内の混合溶液に紫外線を照射するバッチ試験を行った。

【0052】

実施例１で用いた光源１０－３と比較例で用いた光源ＬＭＩとは、異なる出力を有するため、波長２５４ｎｍの積算照度が２００ｍＪ／ｃｍ２になるように各セルに紫外線を照射した。

【0053】

各抗生物質の分解率の測定には、液体クロマトグラフタンデム質量分析計（ＬＣ／ＭＳ／ＭＳ）を用いた。ＬＣ／ＭＳ／ＭＳは、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）と三連四重極型質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）とが組合わせられた装置であり、１段目の四重極マスフィルタＱ１および２段目の四重極マスフィルタＱ３を有する。

【0054】

表１に１０種類の抗生物質とそれぞれの測定条件とが示される。

【0055】

【表1】

【0056】

表１に示されるように、１０種類の抗生物質として、スルファジメトキシン（ＳＤＭＸ）、アンピシリン（ＡＰＭ）、チアンフェニコール（ＴＰ）、フロルフェニコール（ＦＦ）、リンコマイシン（ＬＣＭ）、テトラサイクリン（ＴＣ）、ドキシサイクリン（ＤＯＸＹ）、オキシテトラサイクリン（ＯＴＣ）、クロロテトラサイクリン（ＣＴＣ）、およびエリスロマイシン（ＥＭ）を用いた。かっこ内に各抗生物質の略語を記す。以下、各抗生物質を略語を用いて特定する。表１には、液体クロマトグラフにおける各抗生物質の保持時間、質量分析計におけるイオン化法、１段目の四重極マスフィルタＱ１で選択される分子のｍ／ｚ（質量電荷比）、および２段目の四重極マスフィルタＱ３で選択される分子のｍ／ｚが示される。イオン化法としては、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）が用いられる。

【0057】

１０種類の抗生物質のうちＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣは、テトラサイクリン類である。

【0058】

図６および図７は、実施例１および比較例における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。図６に示されるように、ＡＰＭ、ＴＰ、ＦＦ、ＬＣＭおよびＥＭの分解率は、光源１０－３を用いた実施例１と光源ＬＭＩを用いた比較例とで、ほぼ同等の値が得られた。図６の結果から、光源ＬＭＩ（低圧水銀ランプ）から光源１０－３への代替が可能であることがわかる。

【0059】

図７に示されるように、ＳＤＭＸの分解率については、光源ＬＭＩを用いた比較例が光源１０－３を用いた実施例１よりも高い値を示したが、テトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）については、光源１０－３を用いた実施例１が光源ＬＭＩを用いた比較例よりも高い値が得られた。図７の結果から、光源１０－３を用いることにより光源ＬＭＩ（低圧水銀ランプ）を用いるよりもテトラサイクリン類の分解率が大幅に向上することがわかる。

【0060】

（４）実施例２
実施例２では、図２～図４に示された第１の光源１０Ａと同様の構造を有する４種類の光源を用いて表１に示される１０種類の抗生物質の分解率を測定した。４種類の光源は、それぞれ異なるスペクトルを有する紫外線を発生するように構成される。ここで、４種類の光源を１０－１，１０－２，１０－３，１０－４と呼ぶ。

【0061】

図８～図１１は、４種類の光源により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。図８に示すように、光源１０－１は、３５０ｎｍおよび２６０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する。光源１０－１においては、３５０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する発光管（図２および３の発光管１２参照。）と２６０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する発光管とが交互に配列されている。

【0062】

図９に示すように、光源１０－２においては、２７５ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する複数の発光管が配列されている。図１０に示すように、光源１０－３は、２６０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する複数の発光管が配列されている。図１１に示すように、光源１０－４においては、２６０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する発光管と１７２ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する発光管とが交互に配列されている。

【0063】

図１２および図１３は、４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。図１２および図１３の例では、各抗生物質への紫外線の照射時間は、全て１３０秒で固定した。

【0064】

図１２に示されるように、ＥＭ以外の４種類の抗生物質（ＡＭ、ＳＤＭＸ、ＴＰおよびＦＦ）の分解率は、短波長の紫外線を照射した場合に高くなる傾向にある。

【0065】

図１３に示されるように、ＬＣＭを除いて、テトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率は、短波長の紫外線を照射した場合に高くなるとともに、長波長の紫外線を照射した場合も比較的高くなる。

【0066】

図１４および図１５は、４種類の光源を用いた場合の実施例２における１０種類の抗生物質の分解率の測定結果を示す図である。図１４および図１５の例では、２５４ｎｍを基準として各抗生物質への紫外線の積算照度を固定した。

【0067】

表２に、４種類の光源１０－１～１０－４および光源ＬＭＩ（低圧水銀ランプ）の積算照度の条件を示す。

【0068】

【表2】

【0069】

表２には、参考として低圧水銀ランプの積算照度の条件が示される。

【0070】

図１４に示されるように、５種類の抗生物質（ＥＭ、ＡＭ、ＳＤＭＸ、ＴＰおよびＦＦ）の分解率の波長別の差は比較的小さい。図１５に示されるように、ＬＣＭを除いて、テトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率は、短波長の紫外線を照射した場合および長波長の紫外線を照射した場合に比較的高い。

【0071】

これらの結果から、テトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率は、短波長だけでなく長波長の紫外線を用いた場合にも高くなることがわかる。

【0072】

（５）実施例３および実施例４
実施例３および実施例４では、図２～図４に示された第１の光源１０Ａと同様の構造を有する２種類の光源を用いてテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率を測定した。２種類の光源のうち一方の光源としては、実施例２における光源１０－４を用いた。光源１０－４は、図１１に示すように、１７２ｎｍのピーク波長および２６０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する。２種類の光源のうち他方の光源としては、光源１０－５を用いた。図１６は、光源１０－５により発生される紫外線のスペクトルを示す図である。光源１０－５は、図１６に示すように、３５０ｎｍのピーク波長を有する紫外線を発生する。光源１０－４，１０－５による紫外線の照射時間は、いずれも１１０秒である。

【0073】

実施例３では、光源１０－５および光源１０－４をこの順に用いて４種類の抗生物質の分解率を測定した。実施例４では、光源１０－４および光源１０－５をこの順に用いて４種類の抗生物質の分解率を測定した。

【0074】

図１７は、実施例３における４種類のテトラサイクリン類の分解率の測定結果を示す図である。図１８は、実施例４における４種類のテトラサイクリン類の分解率の測定結果を示す図である。

【0075】

実施例３によると、図１７に示すように、光源１０－５による紫外線の照射後のテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）分解率は、それぞれ９．４％、０．２％、２２．４％、および２８．０％となった。その後、光源１０－４による紫外線の照射後のテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率は、それぞれ９３．１％、９５．３％、９３．６％、および９６．２％となった。実施例３における最終的な分解率の平均値は、９４．５％であった。

【0076】

一方、実施例４によると、図１７に示すように、光源１０－４による紫外線の照射後のテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）分解率は、それぞれ８７．４％、８７．１％、８６．１％、および８７．６％となった。その後、光源１０－５による紫外線の照射後のテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）の分解率は、それぞれ９１．５％、８７．１％、９１．４％、および８７．８％となった。実施例４における最終的な分解率の平均値は、８９．８％であった。

【0077】

このように、４種類のテトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）のすべてについて、実施例３における最終的な分解率は、実施例４における最終的な分解率よりも向上した。実施例３の最終的な分解率の平均値は、実施例４の最終的な分解率の平均値に比べて４．７％向上した。

【0078】

これらの結果から、テトラサイクリン類（ＴＣ、ＤＯＸＹ、ＯＴＣおよびＣＴＣ）は、長波長の紫外線を照射した後に短波長の紫外線を照射することにより、効率的に分解されることがわかる。

【0079】

（６）他の実施の形態
上記実施の形態では、第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃが上流から下流へ順に水処理管２の外周面に巻き付けられているが、１つの光源に第１の光源１０Ａ、第２の光源１０Ｂおよび第３の光源１０Ｃの複数の発光管１２が順に配列されてもよい。この場合、３種類の発光管１２がフレキシブル基板１１上に配列される。

【0080】

（７）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明する。上記実施の形態では、第１の光源１０Ａの複数の発光管１２が第１の発光管の例であり、第２の光源１０Ｂの複数の発光管が第２の発光管の例であり、第３の光源１０Ｃの複数の発光管が第３の発光管の例であり、空冷兼遮蔽管３およびオゾン注入装置４が供給装置の例である。

【符号の説明】

【0081】

１…発光管アレイ型光源装置，２…水処理管，２ａ…散気孔，３…空冷兼遮蔽管，４…オゾン注入装置，４ａ…回収管，４ｂ…ポンプ，１０Ａ…第１の光源，１０Ｂ…第２の光源，１０Ｃ…第３の光源，１０－１，１０－２，１０－３，１０－４，１０－５…光源，１１…フレキシブル基板，１２…発光管，１３ａ，１３ｂ…電極，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…交流電源，１００…水処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】