JP2004188412A - 光触媒による廃水処理装置及び廃水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光触媒と処理液との接触確率を向上させて有機物を効果的に分解できる廃水処理装置を提供する。
【解決手段】有機物含有廃水と光触媒との混合液を霧状にする手段と、該霧状体に光を照射する手段と、該霧状体を回収する手段とから構成される廃水処理装置であって、光照射により該霧状体中の光触媒が有機物を分解することを特徴とする光触媒による廃水処理装置。この光触媒による廃水処理装置を用いて、有機物含有廃水を酸化分解処理してなる廃水処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、光触媒による廃水処理装置及び廃水処理方法に関する。

従来、塗装工場から排出される塗料廃水などの工業廃水、農業廃水、生活排水など有機物を多く含む廃水は、凝集分離（浮上又は沈殿）処理を行なった後、好気下で生物処理するのが一般的であった。しかしながら、生物処理では微生物が有機物を分解する能力に限界があり、この手法で難分解性の有機物、例えば窒素を含む水溶性有機物質はそのまま処理水中に残存したり、処理できたとしても非常に長時間処理する必要があるなどの問題があった。

そこで、廃水中に含まれる難分解性の有機物を、微生物が分解しやすいような物質に変換するために、オゾン分解法、フェントン法、ＵＶ照射法など種々の方法が開発されてきた。また廃水処理において光触媒処理を用いることも種々提案されている（例えば、特許文献１など）。これには光酸化触媒の存在化で紫外線及び／又は可視光線を照射して有機物を含有する廃水を酸化分解する処理方法が開示されている。しかしながら、この方法では光触媒との接触確率が低く、処理に多大な時間を要するという問題があった。

特開平８−１５５３０８号公報

本発明の目的は、光触媒と処理液との接触確率を向上させて有機物を効果的に分解できる廃水処理装置及び廃水処理方法を提供することにある。

本発明は、
１．有機物含有廃水と光触媒との混合液を霧状にする手段と、該霧状体に光を照射する手段と、該霧状体を回収する手段とから構成される廃水処理装置であって、光照射により該霧状体中の光触媒が有機物を分解することを特徴とする光触媒による廃水処理装置、
２．有機物含有廃水が、必要に応じて浮遊もしくは沈降分離する汚泥を分離除去された、透明もしくは半透明な処理水である１項記載の廃水処理装置、
３．有機物含有廃水と光触媒とを混合する手段を具備する１又は２項記載の廃水処理装置、
４．霧状にする手段が、回転霧化装置、又は超音波霧化装置による１項記載の廃水処理装置、
５．回収された霧状体からなる処理液から光触媒を分離する手段を具備する１項記載の廃水処理装置、
６．１ないし５のいずれか１項記載の光触媒による廃水処理装置を用いて、有機物含有廃水を酸化分解処理してなる廃水処理方法、
７．光触媒による廃水処理装置を複数設けて連結し、多段処理する６項記載の廃水処理方法、
８．光触媒による廃水処理装置で処理された処理水の少なくとも一部を還流希釈水とし、これを該処理装置に供給される前段処理水に混合し該前段処理水を希釈して該処理装置に供給する７項記載の廃水処理方法、
に関する。

本発明によれば、光触媒と廃水の混合液を霧化することによって、両者の接触確率を向上させることができ、従って塗料廃水などの工業廃水や農業廃水など、有機物含有廃水中に含まれる有機物を効果的に分解し、処理時間の短縮が可能である。

本発明において有機物含有廃水（以下、「有機廃水」と言うことがある）は、例えば工場や事業所から排出される工業廃水、農業廃水、生活排水などであり、特に工業廃水には塗料廃水を含む場合が挙げられる。該塗料廃水とは、例えば自動車などの各種塗装ライン、板金工場における塗装ブース水、塗料製造工場などから出る塗料成分を含んだ廃水や、各種工場における洗浄水などが挙げられる。該塗装廃水には一般的な生活排水や工業廃水に比較して難分解な高分子化合物を多く含む場合が多い。

これらの廃水には、それぞれの種類に応じて各種顔料、染料、有機樹脂、架橋剤、有機溶剤、界面活性剤、油脂、及びその他の有機成分が含まれるが、その組成や含有量については、廃水の種類や発生源となる工場や事業所、あるいは発生する時間帯によっても変動し、一定ではない。例えば塗装廃水の一例を挙げると、沈殿物１〜１００ｇ／リットル、ＣＯＤ_Ｍｎ１，０００〜１０，０００ｍｇ／リットル、ＴＯＣ１，０００〜１５，０００ｍｇ／リットル、ＢＯＤ１，０００〜５，０００ｍｇ／リットル及び有機溶剤１〜１０，０００ｍｇ／リットル程度であった。ここでＣＯＤ_Ｍｎは化学的酸素供給量を、ＴＯＣは全有機体炭素量を、またＢＯＤは生化学的酸素要求量を意味する。

上記有機物含有廃水は、分解効率を向上させる点から、必要に応じて浮遊もしくは沈降分離する汚泥を分離除去された、光透過可能な程度に透明もしくは半透明な処理水であることが望ましい。

汚泥の分離除去の方法としては、例えば凝集分離処理、電気分解処理などの公知のスラッジ処理方法などが挙げられる。

本発明において光触媒としては、従来公知のもの、例えば酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン−酸化ジルコニウム複合酸化物及び酸化珪素−酸化チタン複合酸化物等の酸化物等を用いることができ、特に酸化チタンが好適である。また、これらをアルミナ、シリカ、ジルコニア、酸化チタン、活性炭等から形成された多孔体、例えばシリカゲル等などに担持させて使用することもできる。

上記光触媒の形状は粉状、顆粒状、ゾル状など、いずれであってもよく、その結晶子径は、通常、１〜１００ｎｍ、好ましくは５〜５０ｎｍの範囲のものが適用できる。また光触媒担持体（例えば光触媒を細孔に担持する無機多孔質粒子など）としての大きさには特に制限なく、１０μｍ〜１０ｍｍ程度のものまで幅広く適用可能である。

本発明では有機物含有廃水と光触媒との混合液を霧状にする。霧状にする手段としては、微小液滴に霧化できる手法であれば特に制限なく従来公知の手法が適用可能であり、例えば回転霧化、超音波霧化などが挙げられる。

上記の通り本発明では、有機物含有廃水と光触媒の混合液を霧化することにより、光照射時も光触媒と廃水が常に接触した形を維持しながら廃水そのものによる光の吸収量も抑制し、光触媒反応が有効に作用する環境を与えることができる。また、一般に対象物質の大きさが小さいほど物質移動や化学反応そのものが促進されるが、本手法により有効に発現した光触媒機能の結果発生する酸化力の強いラジカルによる有機物の分解反応が、霧化液滴という小さな粒子に対しては促進される。

霧状体への光照射手段としては、紫外光及び／又は可視光領域の光を放射する光照射ランプであれば特に制限なく、例えば高圧水銀灯、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、ブラックライトなどが使用可能である。光照射時間や強度は、処理水中の有機物の濃度などによって適宜選択できる。該光照射により、霧状体中の光触媒が活性化し、その酸化作用によって有機物を酸化分解するものである。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１及び２は、本発明の実施の一形態を示す廃水処理装置の構成図である。図１及び２において、１は有機物含有廃水と光触媒との混合液の供給路、２は回転ベル型アトマイザー、３は霧化型リアクター、４は噴霧粒子、５は光照射装置、６は反射ミラー、７は処理水と光触媒を含む回収液の排出路、１５は混合ミキサー、１６は固液分離装置を夫々示す。

図１において、有機物含有廃水と光触媒との混合液は、供給路１を通じて霧化型リアクター３の入り口に設けられた回転ベル型アトマイザー２に供給される。回転ベル型アトマイザー２はベル制御装置１０によって霧化条件を制御され、該有機物含有廃水と光触媒との混合液を霧化型リアクター３内において噴霧する。

ここで用いられる回転ベル型アトマイザーは、通常、回転ベル状カップ外周に噴霧目的の液体を供給し、数千〜数万回転で回転するベル状カップの遠心力とシェーピングエアと呼ばれる吐出状態を制御するためのエア流により、幅広い粘性の液体を微粒化可能であり、このため工業塗装ラインにおいて塗料の霧化塗装によく使用されるものである。

有機物含有廃水と光触媒との混合液は、通常の塗料の粘性に比べ十分に低い粘度であるため（例えば光触媒酸化チタンを約１０ｗｔ％含む有機物含有廃水はフォードカップ＃４で１０秒前後の粘度）、十分な霧化状態を容易に実現することができる。例えば、該混合液の粘度がイワタカップ９〜１０秒の場合、回転数３０，０００〜３５，０００ｒｐｍ、シェーピングエア圧０．１〜０．２ＨＰａ（１〜２ｋｇｆ／ｍ^２）で１分間に１００〜２００ｃｃの吐出が可能である。この回転霧化の代わりに超音波霧化を適用する場合においても同様に、有機物含有廃水と光触媒との混合液では十分な霧化状態を得ることが可能である。

図１において、霧化型リアクター３内には光照射装置５が設置され、さらに光照射による分解を促進するために反射ミラー６が設置されている。光照射装置５は、ランプ１１とコントローラ１２とからなり、通常、ランプ１１は、石英ガラスなどの材質からなる透明な保護カバー１３によって保護されている。該霧化型リアクター３内において、噴霧粒子４は、ランプ１１によって光照射を受ける。

光照射を受けた噴霧粒子４は反応器３の下部に蓄積・回収される。回収液は排出路７から霧化型リアクター３の外に排出される。

排出路７から排出された回収液は、例えば図２のように、固液分離装置１６において、処理水２０と光触媒２１とに分離され、該処理水２０は次工程に供される。一方、該光触媒２１はポンプ１７によって混合ミキサー１５に送られ、該混合ミキサー１５において有機物含有廃水２２と混合され、図１のような霧化型リアクター３において酸化分解に使用される。

固液分離による処理水２０と光触媒２１との分離は、必ずしも乾燥した粉末状の光触媒として回収する必要はなく、遠心分離機による脱水や、回転円筒型脱水機、パイプの内側に膜を設置したチューブラー型モジュール、スクリュープレス方式（円筒状のストレーナの内部で特殊形状のスクリューが回転し、圧搾・移送しながら脱水する方式）などにより、光触媒と処理水との混合物であるスラリーと、脱水した処理水とに分離するだけでよく、得られたスラリーを光触媒２１としてフィードバックすることができる。

本発明では、処理時間の短縮の観点から、図３や図４に示すように、図２の廃水処理装置を１ユニットとして（これを「光触媒ユニット」と言うことがある）、複数設けて連結し、多段処理してもよい。各光触媒ユニットから排出される処理水２０の少なくとも一部を還流希釈水として用いることができる。

具体的に、図３では、光触媒ユニットを複数設けて直列に連結し、有機廃水からスラッジ分離処理された処理水を初期必要希釈水を含む希釈槽において希釈して１段目の光触媒ユニットに供給し、その後各段の光触媒ユニットから排出される処理水の少なくとも一部を還流希釈水として希釈槽に供し、順次酸化分解処理を行なうものである。各光触媒ユニット内では図２のように混合ミキサー１５において光触媒と混合した混合液１として霧化型リアクター３に導かれる。図３において、Ｉ_０、Ｉ_２、Ｉ_３及びＩ_４は、還流希釈水の水量（リットル／分）を、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４は夫々の槽における処理水の滞留時間（反応時間）、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及びＶ_４は夫々の槽の大きさ（リットル）を示し、これらは下記関係にある。

ｔ_１＝Ｖ_１／（Ｉ_０＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）

また図４では、各段の光触媒ユニットの入り口に夫々混合装置を設置し、各段の光触媒ユニットで処理された処理水の少なくとも一部を還流希釈水として、その前段の光触媒ユニットで処理された処理水と該混合装置において混合して適宜希釈し、順次光触媒酸化分解処理を行なうものである。各光触媒ユニット内では図２のように混合ミキサー１５において光触媒と混合した混合液１として霧化型リアクター３に導かれるものである。

いずれの図においても、処理水のＴＯＣレベルと排出目標ＴＯＣレベルにより、これら数値は変動する。各光触媒酸化処理槽について滞留時間（反応時間）を十分に大きくとりたい場合はＶが大きい装置が必要となるか又は、流量Ｉが小さい（処理速度が小さい）ことになる。逆に処理スピード（流量Ｉ）を大きくした場合は、滞留時間は短くなって、格段における排出水のＴＯＣレベルが高くなり、従って段数が多く必要となる。

次いで図５において本発明方法の実施の一形態を示すフロー図を示す。図５において、３１は有機廃水、３２は電気分解処理槽、３３は図２に示す光触媒による廃水処理装置（あるいは図３または図４に示す廃水処理装置）、３４は再処理用の返送水、３５は電気分解処理水、３６は光触媒酸化処理水、を夫々示す。

図５の方法では、まず、上記塗装廃水３１を電解槽３２に供給して電気分解処理を行なう。電気分解処理は、供給された廃水に電解質を投入・溶解し、その水槽内に複数の電極を適当な間隔に配置して、電極間に通電し電気分解を行なうものである。これによって廃水が凝集化するものである。

本発明では上記電解槽３２が、アルミ電極を具備し、さらに電解質として硝酸ナトリウム、塩化ナトリウムを使用することが好適である。

上記電気分解処理条件は、通常、塗装廃水中の塗料固形分濃度が２０，０００ｍｇ／リットルに対して電解質濃度（例えば、硝酸ナトリウムの場合）が約０．０１〜０．０５ｍｏｌ／リットルとなるように電解質溶液を塗装廃水に攪拌混合して行なうのが適当である。

上記電気分解処理によって、浮遊もしくは沈降分離する汚泥は分離除去される。分離された汚泥は脱水処理されスラッジとなる。

次いで本発明では、上記で得られた電解処理水３５を光触媒による廃水処理装置３３に供給し、槽内で紫外線により活性化した光触媒材の酸化作用により、電界処理水３５中の有機物をさらに酸化分解処理する。光触媒による廃水処理装置は上述の図３や図４のように多段処理とすることが望ましい。

上記光触媒酸化処理により浄化された処理水３６は、ＣＯＤ_Ｍｎ３００ｍｇ／リットル以下のレベルまで浄化されれば、一般の下水にそのまま排出され、そうでなければ光触媒酸化処理後の処理水を返送水３４として、再度、電解槽３２に供給し、繰り返し電気分解処理、光触媒酸化処理を行なうことができる。また、ＣＯＤ_Ｍｎ1０ｍｇ／リットル以下という河川放流に必要なレベルまで分解する必要がある場合は、光触媒ユニットの段数をさらに増加させることで対応することもできる。

また図６に示すように、必要に応じて、上記で得られた光触媒酸化処理水３６を生物反応槽３７に供給する、及び／又は促進酸化処理槽３９に供給して浄化処理することもできる。

生物処理は、活性汚泥法や担体投入型生物処理法などの従来公知の方法で行なうことができる。生物処理後の処理水中に含まれる活性汚泥などの懸濁物は分離され、分離された汚泥は生物反応槽３７に返送される。

上記生物処理により浄化された処理水３８は、ＣＯＤ_Ｍｎ３００ｍｇ／リットル以下のレベルまで（河川放流に必要なレベルまで分解する必要がある場合は、ＣＯＤ_Ｍｎ1０ｍｇ／リットル以下まで）浄化されれば、そのまま排出され、そうでなければ生物処理後の処理水を返送水３４として、再度、電解槽３２あるいは光触媒による廃水処理槽３３に供給し、繰り返し電気分解処理、光触媒酸化処理及び生物処理を行ない、上記レベルまで浄化することが望ましい。

促進酸化処理は、オゾン処理、過酸化水素処理、及び紫外線処理とを組み合わせることで中間生成物にオゾンより酸化力の高いＯＨラジカルを生成させ、より酸化反応を進行させる技術であり、通常、紫外線とオゾン、或いはオゾンと過酸化水素などのように、オゾン処理、過酸化水素処理、及び紫外線処理のいずれか２つを組み合わせた２元系処理でもよいし、３つ全てを組み合わせた３元系処理であっても良い。オゾンや過酸化水素の注入量や紫外線照射量などは処理水中の有機物濃度によって適宜選択することができ、通常、槽内の溶存オゾン濃度が５０〜１３０ｇ／ｍ^３、過酸化水素濃度が５〜３０ｍｇ／Ｌ／Ｈ程度の条件が適当である。

上記促進酸化処理により浄化された処理水４０は、ＣＯＤ_Ｍｎ３００ｍｇ／リットル以下のレベルまで（河川放流に必要なレベルまで分解する必要がある場合は、ＣＯＤ_Ｍｎ1０ｍｇ／リットル以下まで）浄化されれば、そのまま排出され、そうでなければ促進酸化処理後の処理水を返送水３４として、再度、電解槽３２あるいは光触媒による廃水処理槽３３に供給し、繰り返し電気分解処理、光触媒酸化処理及び促進酸化処理を行ない、上記レベルまで浄化することが望ましい。

本発明では、さらに必要に応じて、光触媒酸化処理水３６を生物反応槽３７に供給後、促進酸化処理槽３９に供給する、或いは光触媒酸化処理水３６を促進酸化処理槽３９に供給後、生物反応槽３７に供給する、などの工程を適宜選択することも可能である。

本発明の廃水処理装置の一形態を示す概略図である。 本発明の廃水処理装置の一形態を示す概略図である。 本発明の廃水処理方法を示す説明図である。 本発明の廃水処理方法を示す別の説明図である。 本発明方法の実施の一形態を示すフロー図である。 本発明方法の実施の一形態を示すフロー図である。

符号の説明

１ 有機物含有廃水と光触媒との混合液の供給路
２ 回転ベル型アトマイザー
３ 霧化型リアクター
４ 噴霧粒子
５ 光照射装置
６ 反射ミラー
７ 処理水と光触媒を含む回収液の排出路
１０ ベル制御装置
１５ 混合ミキサー
１６ 固液分離装置
１７ ポンプ

Claims (8)

1. 有機物含有廃水と光触媒との混合液を霧状にする手段と、該霧状体に光を照射する手段と、該霧状体を回収する手段とから構成される廃水処理装置であって、光照射により該霧状体中の光触媒が有機物を分解することを特徴とする光触媒による廃水処理装置。
2. 有機物含有廃水が、必要に応じて浮遊もしくは沈降分離する汚泥を分離除去された、透明もしくは半透明な処理水である請求項１記載の廃水処理装置。
3. 有機物含有廃水と光触媒とを混合する手段を具備する請求項１又は２記載の廃水処理装置。
4. 霧状にする手段が、回転霧化装置、又は超音波霧化装置による請求項１記載の廃水処理装置。
5. 回収された霧状体からなる処理液から光触媒を分離する手段を具備する請求項１記載の廃水処理装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光触媒による廃水処理装置を用いて、有機物含有廃水を酸化分解処理してなる廃水処理方法。
7. 光触媒による廃水処理装置を複数設けて連結し、多段処理する請求項６記載の廃水処理方法。
8. 光触媒による廃水処理装置で処理された処理水の少なくとも一部を還流希釈水とし、これを該処理装置に供給される前段処理水に混合し該前段処理水を希釈して該処理装置に供給する請求項７記載の廃水処理方法。
   

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