JP2007144340A - 廃水中の希薄な有機物の分解方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃水に含まれる希薄な有機物、特に農薬などの有害な有機物を微量に含んだ廃水中の当該有機物の分解方法及び装置に関し、大量の希薄廃水の無害化処理を行うことができるより経済的な上記方法及び装置を提供する。
【解決手段】廃水をオリフィスやノズルを用いて水中に高圧で噴射し、キャビテーションによる有機物分解効果を促すと同時にキャビテーションにより発生したＯＨラジカルを活用するために、噴射口の前方に二酸化チタンの反応層を配置し、二酸化チタンによる触媒効果をも分解に併せて利用する。容器内への高圧噴流の噴流中に二酸化チタン粒子を配置することにより反応場を拡大し、かつニ酸化チタン粒子の触媒効果を活かして廃水中の希薄な有機物を分解する。高圧噴流を生成させるためのポンプの圧力を従来方法より大幅に低くでき、処理装置の耐圧強度を半分以下に低減できる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、廃水に含まれる希薄な（溶存濃度の低い）有機物、特に農薬などの有害な有機物を微量に含んだ廃水中の当該有機物の分解方法及び装置に関するものである。

廃水の処理方法としては、微生物の有機物分解作用を利用した活性汚泥法が広く利用されているが、活性汚泥法では処理できない希薄な溶液中の有機物質の分解方法は、未だ確立されていないのが現状である。

そこで、厳格な処理が要求される廃水、例えば種籾消毒装置などから排出される農薬廃水の最終処理として、従来は活性炭による廃水中の残留農薬の除去が行われていた。しかし、活性炭を用いて廃水中の残留農薬の除去を行う方法では、活性炭の吸着能力が限界に達した時点で活性炭の再生処理又は新たな活性炭の供給が必要となる。そのため、処理コストが高いという問題があり、コスト低減が求められている。

近年、このような希薄溶液の処理方法として、二酸化チタンを用いる方法や高圧噴流時に発生するキャビテーション現象を利用する方法が提案されている。

二酸化チタン光触媒は、強い酸化還元作用があり、アルミナ等の担持体にコーティングし水質浄化にも用いられ、その有効性も明らかにされている。また、紫外線照射に代わり超音波を利用して二酸化チタン触媒による水処理を行う方法が提案されている。
科学技術振興事業団、「酸化チタン光触媒による簡易な水稲種子消毒農薬廃液処理法の開発」、［online] 、平成１４年８月１日、科学技術振興事業団報２４１号、［２００２年１０月２８日検索］、インターネット＜URL:http//www.jst.go.jp/pr/report/report241/01.html＞、 門倉伸行、外２名、「キャビテーションジェットによる揮発性有機化合物処理の基礎的検討」、土壌環境センター技術ニュース、社団法人土壌環境センター、２００２年９月 Ｎｏ.５、ｐ３３−３５

二酸化チタンを光触媒として作用させるには充分な光量の紫外線の照射が必須であり、多量の水処理を行う大型装置に適用することは困難である。また、二酸化チタン触媒と超音波を利用する方法においても、超音波を大型の触媒層に均一に照射することには技術的な困難がある。

一方、高圧で噴射される水流（以下「高圧噴流」と言う。）中に発生するキャビテーション現象を利用する方法は、大量処理が容易であるが、高圧噴流を生起させるには高い圧力が必要であり、耐圧力のある装置が必要である。高圧噴流のキャビテーションを利用する従来の処理方法では、、超高圧ポンプ（３５０ｋｇｆ／ｃｍ²）でないと効果が望めず、処理装置が大がかりかつ高価になる問題があった。

この発明は、このような従来技術の問題を解決して、大量の希薄廃水の無害化処理を行うことができるより経済的な方法及び装置を提供することを課題としている。

この発明は、農薬廃水、特に種籾処理後の廃水中の有機物を分解処理するシステムを得る研究の中でなされたもので、高圧噴流によるキャビテーションを利用した農薬廃水の処理試験において、高圧噴流中に二酸化チタン触媒を配置することによって、水流を生成するためのポンプ圧を低くしても分解処理性能が向上することを見出したことによりなされたものである。

すなわち本発明は、容器内への高圧噴流の噴流中に二酸化チタン粒子を配置することにより反応場を拡大し、かつニ酸化チタン粒子の触媒効果を活かして廃水中の希薄な有機物を分解する。高圧噴流を生成させるためのポンプの圧力は、従来方法（通常、３５０ｋｇｆ／ｃｍ²）より大幅に低い１５０ｋｇｆ／ｃｍ²で充分であり、処理装置の耐圧強度を半分以下に低減できる。

すなわち本発明は、活性炭を用いることなく二酸化チタンの触媒活性と高圧噴流によるキャビテーション現象を利用して、希薄系有機物の分解を行うものである。廃水をオリフィスやノズルを用いて水中に高圧で噴射し、キャビテーションによる有機物分解効果を促すと同時にキャビテーションにより発生したＯＨラジカルを活用するために、噴射口の前方に二酸化チタンの反応層を配置し、二酸化チタンによる触媒効果をも分解に併せて利用するものである。

本願の請求項１の発明に係る廃水中の希薄な有機物の分解方法は、有機物を含んだ廃水を加圧ポンプ５で加圧してノズルないしオリフィス９を通過させることにより生成した噴流１１を二酸化チタン１３に向けて噴射し、この噴射水を再び前記加圧ポンプに吸引して噴射する循環を所定時間繰り返すことを特徴とする有機物の分解方法である。

また、上記方法を実施するのに好適な本願の請求項２の発明に係る廃水中の希薄な有機物の分解装置は、循環路１４を備えた処理槽８と、前記循環路に設けた加圧ポンプ５と、この加圧ポンプの吐出側に設けたノズルないしオリフィス９と、このノズルないしオリフィスからの噴流１１が衝突する位置に配置された少なくとも前記ノズルないしオリフィス側及び反ノズルないしオリフィス側に当該噴流が通過可能な壁面１６を備えた区画領域１０と、この区画領域に収容された二酸化チタン粒子１３とを備えた有機物の分解装置である。

なお循環路１４は、図１に示すようにパイプ配管で流れを拘束するものでも、また図３に示すように、処理槽８内に加圧ポンプ５を設置してその吐出口のノズル９と吸入口１８との間に自由流れの循環路１４を形成するものであってもよい。

この発明により、活性炭を用いないで大量の希薄廃水の処理が経済的に可能になるという効果がある。すなわち、紫外線や超音波で二酸化チタンの触媒作用を発揮させて廃水を処理する方法における大量の処理に適さないという問題が解決され、また、超高圧噴流を用いる従来方法に比較して処理装置の圧力を大幅に低減できると共に、二酸化チタンの触媒作用が併せて発揮されることにより、大量の希薄廃水の効率のよい処理が可能となった。

発明者らが行った試験によれば、この発明の方法により、高圧噴流の生成圧を二分の一以下に低減できた。また、メチレンブルー水溶液中のメチレンブルーの分解時間が、従来の超高圧噴流を用いる方法の二分の一以下に短縮された。この発明の方法によれば、従来の活性炭を用いる方法に比べて、処理コストを低減することが可能である。

高圧噴流によるキャビテーション現象を利用した廃水処理に二酸化チタンの触媒作用を利用することは、従来全く知られていない。そして、高圧噴流中に二酸化チタンを置くことにより希薄廃水の有機物分解作用が促進されること、特に、高圧水理由を生成するのに必要な圧力を大幅に低減できるという、全く予期できなかった効果が達成された。

以下、図面を参照してこの発明の一実施形態および実施例を説明する。図１は、この発明の分解装置の好ましい一例を示すブロック図で、１は処理中の廃水を収容する廃水タンク、２は循環ポンプ、３は循環する廃水を一時的に貯留するストレージタンク、４はストレージタンク内の廃水を加温するヒータ、５は加圧ポンプ、６は反応開始剤となる過酸化水素水の容器、７は過酸化水素水の供給ポンプ、８は処理槽、９は加圧ポンプ５の吐出配管が処理槽８に開口する部分に設けたノズル、１０はノズル９の噴流１１を遮るように設置した触媒容器、１２は触媒容器１０の反ノズル側に設けた衝突板、１３は触媒容器１０に収容された酸化チタン粒子、１４は循環路である。

触媒容器１０は、図２に示すように短円筒状の容器の両側の小口面をメッシュ構造の壁面１６としたもので、中に粒状の二酸化チタン１３が充填されている。メッシュ壁１６の網目は、勿論中の二酸化チタン粒子１３が流出しない大きさである。ノズル９からの噴流１１は、このメッシュ壁１６を通過して二酸化チタン粒子の充填層に衝突し、粒子の隙間を通って反対側のメッシュ壁から流出する。

循環ポンプ２は、廃水タンク１内の廃水を吸引してストレージタンク３に送る。送られた廃水はストレージタンク３内でヒータ４で加温され、加圧ポンプ５に吸引され、加圧されてノズル９に送られる。処理開始時には、加圧ポンプ５の吐出水に供給ポンプ７から反応開始剤容器６の過酸化水素水が添加される。加圧された廃水は、ノズル９から高速で噴射され、触媒容器１０のメッシュ壁１６を通して触媒容器１０内に流入し、二酸化チタン粒子１３に衝突して二酸化チタン粒子を激しく振動させる。この噴流の衝突及び粒子の振動により二酸化チタン粒子１３表面の広い範囲で局部的な圧力偏差が生じ、キャビテーションが発生する。噴流は、触媒容器１０を通過した後衝突板１２に衝突して拡散する。拡散した廃水は、循環路１４を通って廃水タンク１に戻る。

廃水中の希薄な有機物は、廃水がノズル９から噴射されて二酸化チタン粒子１３に衝突したとき発生するキャビテーションと二酸化チタン１３の触媒作用により分解される。循環ポンプ２及び加圧ポンプ５で廃水タンク１内の廃水が繰返しノズル９から噴射されて二酸化チタン粒子１３に衝突することにより、廃水中の希薄な有機物が分解されてゆき、所定時間経過すると廃水中の有機物が分解除去され、清澄な排水が得られる。

図３は、この発明の分解装置の好ましい他の例を示すブロック図で、加圧ポンプ５として水中ポンプを用い、これを処理槽８内に設置した例を示したもので、９は加圧ポンプ５の吐出口に一体に設けたノズル、１８は加圧ポンプ５の吸入口である。図３の噴流１１、触媒容器１０、二酸化チタン粒子１３は、図１で説明したものと同様であり、廃水の循環路１４は、処理槽８内に生ずる自由な流れよって形成されている。

図１のブロック図に示した装置を用い、試験用の模擬廃水としてメチレンブルー水溶液を用いた試験結果を以下に示す。試験に供した装置には、循環路１４を流れる廃水の流量を計測する流量計２０、過酸化水素水の供給量を計測する流量計２１、処理槽８内の廃水温度を計測する水温計２２及び加圧ポンプ５の吐出圧を計測する圧力計２３を設けた。

廃水タンク１内に所定濃度の所定量のメチレンブルー水溶液を入れ、循環ポンプ２を運転して、循環する液の濃度を均一にしてから、試験を開始した。このときの循環水量は８００リットル／ｈとし、吐出圧力１４．７Ｍｐａ（１５０ｋｇｆ／ｃｍ²）、ノズル９の噴射口の直径は１．２ｍｍとした。また、反応開始剤としての過酸化水素水(３１％)の添加量は、１０ｍリットル／ｍｉｎ．とした。メチレンブルーの分解の評価は、所定時間毎に模擬廃水を採取し、分光光度計で６６０ｎｍの透過度の変化により評価した。二酸化チタン粒子としては、１２００℃で焼成した直径２ｍｍの球状の粒子を使用した。

図４に二酸化チタン触媒量を変化させたときのメチレンブルー水溶液の透過率を測定した結果を示す。横軸は処理時間、縦軸は採取した処理途中の模擬廃液の光透過度であり、処理前の透過度をゼロとした透過殿改善割合を％で示してある。このときの、循環水量は８００リットル／ｈ、７．７５％過酸化水素水の添加量は、１０ｍリットル／ｍｉｎである。また、使用する二酸化チタン粒子の量は、０ｇ（二酸化チタンを使用しないで噴流のみで分解）、３７５ｇ、７５０ｇ、１１２５ｇ、１５００ｇの５段階の場合について試験を行った。図４より、二酸化チタンが全くない場合には、分解現象は発現せず、その量の増加と共に分解が進行していることが判る。このことから、噴流を利用した希薄な有機物の分解に二酸化チタンの触媒機能の発現が顕著であることが確認できる。

図５は、処理中の廃水の温度を４０度、６０度及び８０度としたときの希薄溶液中のメチレンブルーの分解結果を経過時間を横軸とし、図４と同様に測定した光透過度を縦軸にして示した図である。有効な分解作用を発現させるためには、７０度以上の温度で処理することが好ましいことが示されている。

以上の試験によりこの発明の以下の作用効果を確認することができた。
Ａ．従来より低い圧力での廃液の噴流と二酸化チタン触媒によるメチレンブルーの効果的な分解が確認できた。
Ｂ．高圧噴射のキャビテーションを利用したメチレンブルーの分解処理に二酸化チタン粒子の存在が極めて有効であることが確認できた。
Ｃ．分解は温度依存性が大きく、処理中における廃水の加温処理が必要である。

この発明の好ましい実施形態の一例を示すブロック図 二酸化チタン粒子を充填した触媒容器の一部破壊斜視図 この発明の好ましい実施形態の他の例を示すブロック図 二酸化チタンの量と分解の進行との関係を示したグラフ 温度と分解の進行との関係を示したグラフ

符号の説明

８ 処理槽
５ 加圧ポンプ
９ ノズル
10 区画領域
11 噴流
13 二酸化チタン
14 循環路
16 壁面

Claims (2)

1. 有機物を含んだ廃水を加圧ポンプ(5)で加圧してノズルないしオリフィス(9)を通過させることにより生成した噴流(11)を二酸化チタン(13)に向けて噴射し、この噴射水を再び前記加圧ポンプに吸引して噴射する循環を所定時間繰り返すことを特徴とする、廃水中の希薄な有機物の分解方法。
2. 循環路(14)を備えた処理槽(8)と、前記循環路に設けた加圧ポンプ(5)と、この加圧ポンプの吐出側に設けたノズルないしオリフィス(9)と、このノズルないしオリフィスからの噴流(11)が衝突する位置に配置された少なくとも前記ノズルないしオリフィス側及び反ノズルないしオリフィス側に当該噴流が通過可能な壁面(16)を備えた区画領域(10)と、この区画領域に収容された二酸化チタン粒子(13)とを備えた、廃水中の希薄な有機物の分解装置。

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