JP2005193196A - 排水処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排水を濃縮して電気分解するとともに濃縮過程で発生する蒸発気体に含まれる有機化合物も酸化分解できるようにした排水の処理方法および装置を提供する。
【解決手段】 排水中に含まれる有機化合物の電気分解が行われる電解反応装置２０に、蒸発濃縮装置１０とガス処理触媒装置３０を組み合わせて排水処理装置を構成する。
蒸発濃縮装置１０で排水を蒸発濃縮し、濃縮水を電解反応装置２０で電気分解すると同時に、濃縮過程で生ずる蒸発気体をガス処理触媒装置３０に導いて、蒸発気体に含まれる有機化合物をガス処理触媒装置３０の触媒によって酸化分解する。有機化合物を含有した排水の処理を効率よく行うことができ、しかも濃縮の際に蒸発気体に含まれる有機物も略完全に酸化分解することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、有機化合物を含有している水の処理方法と処理装置に関する。特に、蒸発濃縮装置およびガス処理触媒装置を電解反応装置と組み合わせて、水に含まれる有機化合物を二酸化炭素、水などの無機化合物まで完全に分解処理することができる水処理方法および水処理装置に関する。

従来、有機化合物を含有している排水の処理に、電解反応装置を用いた電気分解によって排水に含まれる有機化合物を酸化分解することが行われている。電解反応装置の電極として様々な種類の電極が使用されるが、導電性ダイヤモンド電極の有効性が認められてきている。導電性ダイヤモンド電極は、電流密度を高くできることと、ヒドロキシラジカルの発生を利用した強力な酸化分解力を持っており（特許文献１、２参照）、有機性ＳＳを含んだ排水の処理も可能である。

特開平７−２９９４６７号公報 米国特許第５３９９２４７号明細書

しかしながら、現状では、大型（３０ｃｍ×３０ｃｍ程度）の導電性ダイヤモンド電極を製造することは困難であり、比較的小型のダイヤモンド電極を組み合わせて使用しなければならないという問題がある。従って、有機化合物を含んだ大量の排水のすべてを導電性ダイヤモンド電極によって、酸化分解しようとすると、電極枚数が極端に多くなり、電極費が莫大になるので工業的に実施することは不可能となる。また、排水中の有機化合物濃度が低くなると、電流効率の低下を招き、わずかな有機化合物を分解するのに大量のダイヤモンド電極を必要とするという問題がある。したがって、排水全量を導電性ダイヤモンド電極によって電解処理できず、他の排水処理手段と組み合わせる必要がある。このような課題を解決する手法として、蒸発濃縮法により、排水中の希薄な有機化合物の濃度を濃縮して、電流効率を高く維持するという対策が考えられる。しかしながら、この蒸発濃縮操作において、有機化合物の濃縮は行われるものの、濃縮過程で有機化合物が共沸化合物を形成して、気相として逸散していくものが無視できない程度に存在するという課題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、濃縮水に含まれる有機化合物とともに濃縮過程で発生する蒸気に含まれる有機化合物を分解できるようにした水処理方法および水処理装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の水処理方法は、有機化合物を含有する水を蒸発濃縮し、該蒸発濃縮により得られる濃縮水を電気分解して含有する有機化合物を分解するとともに、前記蒸発濃縮過程で生ずる蒸発気体をガス処理触媒装置に導いて、該蒸発気体に含まれる有機化合物をガス処理触媒装置の触媒によって酸化分解することを特徴とする。

なお、前記蒸発気体は、蒸発濃縮によって得られる凝縮水を１００〜３００℃に加熱することによって、有機化合物を含有した蒸発気体を積極的に生成して、触媒処理を行うのが好ましい。すなわち蒸発濃縮によって生成した蒸気を一旦凝縮させることでミストなどを捕捉し、これを加熱して蒸発させることで確実に蒸発気体化させることができる。なお、１００℃未満では蒸発気体化が不十分であり、３００℃を超えてもそれ以上に蒸発気体化は進まず無駄であるので、加熱温度は１００〜３００℃が望ましい。なお、さらに好適には下限を１５０℃、上限を２５０℃とするのがよい。
また、前記電気分解は、有機物分解量（ＴＯＣ）と電解面積の比を３０ｍｇ・ＴＯＣ／ｈ・ｃｍ^２以下で行うことが好ましい。特に、この条件は電解反応装置の電極にに導電性ダイヤモンド電極を用いた場合に有効である。該条件によって電解反応を効率よく行うことができる。上記比が３０ｍｇ・ＴＯＣ／ｈ・ｃｍ^２を超えると効率が低下する。

次に、本発明の水処理装置は、有機化合物を含有する水を蒸発濃縮する蒸発濃縮装置と、該蒸発濃縮装置で濃縮された濃縮水を電気分解する電解反応装置と、前記蒸発濃縮装置で得られる蒸発気体を酸化分解するガス処理触媒装置とを備えることを特徴とする。

なお、前記蒸発濃縮装置は、蒸発濃縮によって発生する蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で得られる凝縮水を加熱して蒸発気体を得る凝縮水加熱器とを有しているものとすることができる。本発明で用いる蒸発濃縮装置は、排水を加熱して水分を蒸発させることによって有機物の濃縮を図るものであり、本発明としては特定の構成に限定されない。一般的には加熱源として蒸気を用いるが、本発明としては加熱源が蒸気に限定されるものでもない。また、排水の加熱に際しては真空環境において排水を蒸発させることもできる。

また、前記電解反応装置に備える電極には、白金などの金属電極を用いることもできるが、導電性ダイヤモンド電極が好ましい。導電性ダイヤモンド電極は、陽極、陰極の一方、バイポーラ電極を備える場合には、陽極、陰極、バイポーラ電極のいずれかに用いる物としても良く、また、全ての電極をダイヤモンド電極で構成しても良い。
なお、上記電解反応装置と蒸発濃縮装置との間では、濃縮水を循環させて処理をするものとすれば、一つの電解槽で連続に効率よく、水中の有機物を電気分解処理することができる。

前記ガス処理触媒装置は、酸化物、過酸化物あるいは水酸化物の担体に、遷移金属、ＩＢ族あるいはＩＩＢ族金属を担持させた触媒を備えることができる。
さらに、前記ガス処理触媒装置は、セラミック、発泡金属あるいは発泡合金からなる担体に、ＶＩＩＩ族貴金属を担持させた触媒を備えすることができる。

すなわち、本発明の水処理方法および水処理装置によれば、水に含まれる有機化合物を蒸発濃縮によって濃縮することで、電流密度を高く維持しながら電気分解することができる。有機化合物は、蒸発濃縮操作時において気相側へと逸散する。特に電気分解と蒸発濃縮との間で水を循環させる場合には、有機化合物の低分子化によって該有機化合物が気相側に移行しやすい。しかし、蒸発濃縮によって得られる蒸発気体に含まれる有機化合物については、ガス処理触媒装置の触媒によって効率的に酸化分解することができる。

ところで、自動車の排ガス処理や石油化学プラントでの有機物精製プロセスでガス処理触媒が多用されていて、これらのガス処理触媒は、ゼオライトなどの酸化物固体担体表面にＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕなどの貴金属を担持させた触媒処理が報告されている（特開２００３−０２４７４７号公報参照）。また、これらの触媒の他にはＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＯなどのセラミックを用いたセラミックハニカム状の担体、Ｆｅ−Ｎｉ−ＣｒあるいはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金によるメタルリボンまたはメタルハニカム状の担体もしくはＮｉ−Ｃｒ合金などによる発泡金属担体にＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕなどの貴金属を担持させた触媒処理が知られている（特開平１０−０２８８７３号公報参照）。このような触媒を本発明でも使用することができ、ガス処理触媒装置を蒸発濃縮装置の後段に配置することで、気相として逸散する有機化合物をガス処理触媒装置で略完全に酸化分解することができる。

本発明で使用する触媒は、さらに、担体として酸化物を用いることもでき、通常は、ゼオライト、酸化チタンあるいはヒドロキシアパタイトなどを用いるのが望ましく、水酸化カルシウムなどの水酸化物であっても良い。さらに、過酸化カルシウムなどの過酸化物であっても良い。担持させる金属としては、Ｐｔ、Ｒｈ、ＲｕなどのＶＩＩＩ族に属する金属およびＶ（バナジウム）などの遷移金属や、ＣｕやＺｎなどのＩＢ族あるいはＩＩＢ族に属する金属を用いるのが望ましい。

電解反応装置で使用する導電性ダイヤモンド電極は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒ等の導電性金属材料を基盤とし、これらの基盤の表面に導電性ダイヤモンド薄膜を析出させたものや、シリコンウエハ等の半導体材料を基盤とし、このウエハ表面に導電性ダイヤモンド薄膜を合成させたもの、さらに、基盤を用いない条件で板状に析出合成した導電性多結晶ダイヤモンドを挙げることができる。また、導電性ダイヤモンドは必ずしも、結晶性を有するものである必要はなく、非晶質であっても良い。

なお、導電性ダイヤモンド薄膜は、ダイヤモンド薄膜の合成の際にボロン、窒素、リンあるいは硫黄などの所定量をドープして導電性を付与したものであり、通常はボロンドープしたものが一般的である。これらのドープ量は、少なすぎると技術的意義が発生せず、多すぎてもドープ効果が飽和するため、ダイヤモンド薄膜の炭素量に対して、５０〜２０，０００ｐｐｍの範囲のものが適している。

電解反応装置において、導電性ダイヤモンド電極は、通常は板状のものを使用するが、網目構造物を板状にしたものも使用できる。また、炭素粉末などにダイヤモンドをコーティングした粉末を電解液によって流動させて、流動床を構成することもできる。さらに、三次元構造の基質にダイヤモンド粉末を担持させ、高表面積を有する固定床を構成し、反応速度を大きくすることもできる。

導電性ダイヤモンド電極は、従来の白金等の金属電極に比べると、電位窓が極めて広く水の電気分解による水素発生や酸素発生を抑えながら目的の有機化合物のみを選択的に電気分解することができる。

この導電性ダイヤモンド電極を用いて行う電解処理は、導電性ダイヤモンド電極表面の電流密度を１０〜１００，０００Ａ／ｍ^２とし、処理する水をダイヤモンド電極面と平行方向に、通水線速度を１０〜１０，０００ｍ／ｈで接触処理させることが望ましい。
また、電解反応装置の槽内の温度は通常、１０〜９５℃の温度で処理するのが望ましい。
また、電解反応の際には、電解質として特に限定はないが、硫酸イオンを含んだ化合物を添加するのが望ましい。電解質濃度としては、０．１Ｍから０．５Ｍ程度が適当である。

以上説明したように、本発明の水処理方法によれば、有機化合物を含有する水を蒸発濃縮し、該蒸発濃縮により得られる濃縮水を電気分解して含有する有機化合物を分解するとともに、前記蒸発濃縮過程で生ずる蒸発気体をガス処理触媒装置に導いて、該蒸発気体に含まれる有機化合物をガス処理触媒装置の触媒によって酸化分解するので、水を濃縮しながら効率よく電解処理できるとともに濃縮によって生ずる気相中に含まれる有機化合物を触媒によって効率よく分解でき、全体として有機化合物を含有した水の処理を効率よく、かつ確実に行うことができる。

また、本発明の水処理装置によれば、有機化合物を含有する水を蒸発濃縮する蒸発濃縮装置と、該蒸発濃縮装置で濃縮された濃縮水を電気分解する電解反応装置と、前記蒸発濃縮装置で得られる蒸発気体を酸化分解するガス処理触媒装置とを備えるので、上記方法を確実に行うことができる。なお、電解反応装置に導電性ダイヤモンド電極を使用した場合には、効率的な電解を行えるため、電極の枚数を減らして電解反応装置を小型化することができ、経済的なメリットが大きい。

以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１は、本発明を実施した排水処理装置の構成を表している。該排水処理装置は、蒸発濃縮装置１０と、電解反応装置２０と、ガス処理触媒装置３０とを備えている。

蒸発濃縮装置１０は、濃縮槽１１と、蒸発した上記を凝縮させる凝縮器１２と、凝縮器１２から供給される凝縮水を加熱するための凝縮水加熱器１３とを備えている。凝縮水加熱器１３は、ヒータなどにより構成することができる。また、凝縮器１２の構成は本発明としては特に限定されるものではなく、蒸気を凝縮させて凝縮水が得られる物であればよい。また、本発明としては、凝縮器を介すことなく、直接に蒸気を蒸発濃縮装置１０から取り出してガス処理触媒装置に導入することも可能である。

電解反応装置２０は、電解槽２１内に陽極２１ａ、陰極２１ｂ、バイポーラ電極２１ｃが設置され、図示されていない電源から前記陽極２１ａおよび陰極２１ｂに電圧が印加されて、電解槽２１内の液(排水)を電気分解できるようになっている。なお、好適にはこれら電極にはダイヤモンド電極を用い、少なくとも陽極および陰極の一方または両方はダイヤモンド電極によって構成する。なお、バイポーラ電極２１ｃの枚数は適宜数とすることができ、上記電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃを１セットして電解反応槽２１に複数セット設けるようにしてもよい。なお、本発明としてはバイポーラ電極を有しないもので電解反応槽を構成することもできる。
ガス処理触媒装置３０は、触媒塔３１を有し、内部に触媒３２が設置されている。該触媒３２としては、酸化物、過酸化物あるいは水酸化物の担体に、遷移金属、ＩＢ族あるいはＩＩＢ族金属を担持させたものや、セラミック、発泡金属あるいは発泡合金からなる担体に、ＶＩＩＩ族貴金属を担持させたものを用いる。

前記蒸発濃縮装置１０の前段には、有機化合物含有排水１が供給される貯留槽２が設置されている。貯留槽２には、貯留した排水を撹拌する撹拌装置３と、貯留した排水に電解質を添加する電解質供給器４とが設けられている。貯留槽２の排水側は、排水送液管５を通して蒸発濃縮装置１０に接続されている。

蒸発濃縮装置１０は、蒸発濃縮によって濃縮した濃縮水を排水する側に、濃縮水送液管１５が接続されており、該濃縮水送液管１５の他端側は電解槽２１の入水側に接続されている。電解槽２１では、電気分解を行った濃縮水を排水する側に濃縮水返流管２２が接続されており、該濃縮水返流管２２の他端は前記蒸発濃縮装置１０に接続されている。
蒸発濃縮装置１０では、前記したように蒸発濃縮によって発生する蒸気が凝縮器１２に導入されており、凝縮器１２から排出された凝縮水が凝縮水加熱器１３に供給されている。凝縮水加熱器１３の出口側には、蒸発気体供給管１４が接続されており、該蒸発気体供給管１４の他端側はガス処理触媒装置３０の触媒塔３１に接続されており、ガス処理触媒装置３０の排気側には、排気管３３が接続されている。

以上のように構成された排水処理装置において、有機化合物を含有する排水１が貯留槽２に供給される。該貯留槽２においては撹拌装置３によって該排水が撹拌され、所望により電解質供給器４によって好適には０．１〜０．５Ｍの濃度で電解質が添加される。なお、電解質の供給を不要とするものであってもよい。
前記貯留槽２からは、排水送液管５を通して蒸発濃縮装置２０の濃縮槽２１に排水が供給されて蒸発濃縮される。濃縮処理がされた濃縮水は、濃縮水送液管１５によって電解反応装置２０の電解槽２１に導入される。電解槽２１に導入された濃縮水は、各電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ間を好適には１０〜１０，０００ｍ／ｈの通水線速度によって通水し、濃縮水返流管２２を通して蒸発濃縮装置１０に返流されるように循環する。この際に電解槽２１では、陽極２１ａ、陽極２１ｂに通電され、バイポーラ電極２１ｃ…２１ｃにも電位が生じる。この際の電極表面の電流密度は１０〜１００，０００Ａ／ｍ^２とするのが望ましい。上記通電によって電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ相互の間を通過する上記濃縮水に含まれる有機化合物が電気分解される。なお、電解時の処理水の温度は１０〜９５℃とするのが望ましい。また前記電気分解では、有機物分解量（ＴＯＣ）と電解面積の比を３０ｍｇ・ＴＯＣ／ｈ・ｃｍ^２以下で行うのが望ましい。

一方、蒸発濃縮装置１３で蒸発濃縮に際し蒸発した蒸気は、一旦凝縮器１２で凝縮され、その凝縮水が凝縮水加熱器１３によって好適には１００〜３００℃で加熱される。この加熱によって凝縮水が再度蒸発し、その蒸発気体は蒸発気体供給管１４を通してガス処理触媒装置３０の触媒塔３１に供給される。触媒塔３１では、導入された蒸発気体が内部の触媒３２に触れながら移動して、触媒塔３１に接続した排気管３３を通して外部へ放出される。蒸発気体に含まれる有機化合物は、前記触媒３２に触れながら酸化分解される。排気管３３を通して排出される排気には有機化合物が殆ど含まれない状態になる。
上記一連の処理を繰り返すことにより有機化合物を含有する水を効率よく分解処理することができ、外部系への有機化合物の排出も殆どない状態にすることができる。
上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜変更することが可能である。

次に、本発明の実施例を説明する。
図１に示す装置を用いて以下の条件で有機化合物を含んだ排水を処理したところ、下記に示すように有機物濃度（ＴＯＣ）＝７００ｍｇ／Ｌの排水を処理水濃度（ＴＯＣ）＝２５ｍｇ／Ｌにまで分解でき、本発明の有効性が確認された。

排水の性状及び流量：有機物濃度（ＴＯＣ）＝７００ｍｇ／Ｌ
流入温度＝２５℃
流量＝１５ｍ^３／ｄａｙ
添加電解質：硫酸ナトリウム０．１Ｍ

電解反応装置
電極：ボロンドープダイヤモンド電極（ドープ量ボロン５，０００ｐｐｍ）
電極枚数：陽極３０枚、陰極６枚（ＴＯＣ／電解面積＝３０ｍｇ・ＴＯＣ／ｈ・ｃｍ^２ ）
電流密度＝２５Ａ／ｄｍ^２ 電極間電圧＝１０Ｖ
電解槽温度＝６０℃ 処理水濃度（ＴＯＣ）＝２５ｍｇ／Ｌ
通液線速度＝２，０００ｍ／ｈ

蒸発濃縮装置
出口温度＝１８０℃（凝縮水加熱温度）

ガス処理触媒装置
ガス処理触媒：白金担持メタルハニカム触媒
排気側の有機物濃度評価：
既知の流量の排気ガスを触媒装置の後段に設置した所定の容量の吸収液の中に通して、吸収液中のＴＯＣ濃度を測定した。

本発明の実施形態の排水処理装置の構成図である。

符号の説明

１ 有機化合物含有排水
２ 貯留槽
４ 電解質供給器
５ 排水送液管
１０ 蒸発濃縮装置
１１ 濃縮槽
１２ 凝縮器
１３ 凝縮水加熱器
１５ 濃縮水送液管
２０ 電解反応装置
２１ 電解槽
２１ａ 陽極
２１ｂ 陰極
２１ｃ バイポーラ電極
２２ 濃縮水返流管
３０ ガス処理触媒装置
３１ 触媒塔
３２ 触媒
３３ 排気管

Claims (8)

1. 有機化合物を含有する水を蒸発濃縮し、該蒸発濃縮により得られる濃縮水を電気分解して含有する有機化合物を分解するとともに、前記蒸発濃縮過程で生ずる蒸発気体をガス処理触媒装置に導いて、該蒸発気体に含まれる有機化合物をガス処理触媒装置の触媒によって酸化分解することを特徴とする水処理方法。
2. 前記蒸発気体は、蒸発濃縮によって得られる凝縮水を１００〜３００℃に加熱して得られるものであることを特徴とする請求項１記載の水処理方法。
3. 前記電気分解は、有機物分解量（ＴＯＣ）と電解面積の比を３０ｍｇ・ＴＯＣ／ｈ・ｃｍ^２以下で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の水処理方法。
4. 有機化合物を含有する水を蒸発濃縮する蒸発濃縮装置と、該蒸発濃縮装置で濃縮された濃縮水を電気分解する電解反応装置と、前記蒸発濃縮装置で得られる蒸発気体を酸化分解するガス処理触媒装置とを備えることを特徴とする水処理装置。
5. 前記蒸発濃縮装置は、蒸発濃縮によって発生する蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で得られる凝縮水を加熱して蒸発気体を得る凝縮水加熱器とを有していることを特徴とする請求項４記載の水処理装置。
6. 前記電解反応装置に備える電極が、導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする請求項５記載の水処理装置。
7. 前記ガス処理触媒装置は、酸化物、過酸化物あるいは水酸化物の担体に、遷移金属、ＩＢ族あるいはＩＩＢ族金属を担持させた触媒を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の排水処理装置。
8. 前記ガス処理触媒装置は、セラミック、発泡金属あるいは発泡合金からなる担体に、ＶＩＩＩ族貴金属を担持させた触媒を備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の水処理装置。

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