JP2011062675A - オゾン供給方法及びオゾン供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン供給量を変えず、しかもブロワーやコンプレッサー等の機器を別途用いることなく供給ガス総流量を増加させて、生物処理槽等に対してより均一にオゾンを供給する。
【解決手段】空気を原料としてオゾンを生成するオゾン発生装置４へは、プレ除湿機３で減湿され、その後さらに圧力スイング式吸着減湿装置２で減湿した後の原料空気が配管６によって供給される。オゾン発生装置４で生成されたオゾン含有ガスは、配管７から供給管８へと供給される。圧力スイング式吸着減湿装置２で吸着筒の吸着材の再生に使用された後の排気は、希釈配管１１から供給管８へと送られ、供給管８内でオゾン含有ガスを希釈する。希釈後のオゾン含有ガスが生物処理槽１内に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オゾン供給方法及びその装置に関するものである。

有機性排水の生物処理槽、有機性排水の流量調整槽（貯留槽）、排水等の生物処理で生成する余剰汚泥貯留槽、処理水の配管内において、微量のオゾンを供給することで、これら槽や配管での悪臭発生の抑制や、生物処理性能悪化の原因となる糸状菌増殖の抑制が達成できることが知られている。

このような目的に使用する空気原料のオゾン発生装置では、窒素酸化物由来の化合物の生成を防止するために、空気から水分を除去した乾燥空気（一般には露点温度が−５０℃以下）を原料ガスに用いている。このようにして生成されるオゾン濃度は通常０．５〜２％レベルである。一方、有機性排水の生物処理槽、流量調整槽、余剰汚泥貯留槽に供給する際、所期の効果を得るのに必要なオゾン含有空気量は、生物処理槽に供給されるばっき用の空気供給量（ばっき量）に比べてはるかに少なく、一般的にはばっき用の空気供給量の１／数十〜１／数百程度である。

前記した目的のためにオゾンを供給する場合、オゾン自体の供給量が前記したように少なく、かつ高濃度のオゾンをそのまま供給すると以下のような問題がある。
・微量のオゾン添加効果は、供給オゾンと汚泥との接触を薄く均一にすることが重要であるが、局所的に高濃度オゾンと排水有機成分が接触すると、一部のオゾンは有機成分の完全酸化あるいは有用な分解菌（汚泥）の不活化に消費されてしまう。
・送気量（ガス容積）が少ないと、広い槽内への均一な供給が難しくなる。

このような問題の解決策として、従来では以下の手法が採られている。
（１）空気ばっきをしている生物処理槽においては、空気ばっき系統にオゾン供給系を合流させることで、槽内に均一にオゾンを供給する（特許文献１）。
（２）希釈せずにオゾンを供給することで、局所的にオゾンが過剰消費されることによる全体への効果の低下を補うため、より多くのオゾンを供給する。
またその他、たとえば、空気（ブロワー送気あるいはコンプレッサーによる圧縮空気）を別途用意して、数倍程度にオゾンを希釈することで総供給ガス流量を増やし、それと共に、槽内に多くの給気ポイントをとることで、槽内に均一にオゾンを供給することも考えられる。

特開２００６−３１４９１１号公報

しかしながら前記従来技術では、以下のような課題がある。
まず前記（１）については、オゾン発生装置から供給されるオゾン含有空気量と比べて、ばっき空気量は数十倍以上と非常に多く、混合されたオゾン含有空気は槽内に短時間で一様に供給される反面、給気量が多くなると気泡が大きくなり短時間で槽外へ放出される。そのためオゾンと水との接触時間が非常に短く、かつ希釈率が高くオゾン濃度が非常に低くなっているため溶解効率が低くなる。つまり、供給オゾン量に対する有効利用率が下がることから、結果的により大量のオゾンを生成する装置が必要となり、設備コスト、ランニングコスト共に高くなる。しかも排オゾンの処理負荷も増えるために、排オゾン処理コストも高くなるという問題もある。
また前記（２）については、高濃度オゾンによりオゾンとの接触部において汚泥や有機物質（ＴＯＣ，ＣＯＤ，ＢＯＤ）との強い酸化分解反応が生じることによるオゾンの消費量が増加するため、供給槽内全体にオゾンの効果を行き渡らせるためにはより多くのオゾンの供給が必要となり、（１）と同様に、オゾン発生装置コストおよび運転コストの増加が課題となる。また生物処理槽への供給においては、高濃度なオゾンガスが供給されることから、槽内へのオゾンガス吹き出し付近では排水内へのオゾン溶解量が多くなり、悪玉菌である糸状菌ばかりか、排水処理に有用な菌までがダメージを受け、処理性能の低下リスクが高くなる。
その他、希釈ガス供給用の設備を別途設けて希釈する方法は、ブロワーあるいはコンプレッサーが新たに必要となり、設備コストが上昇すると共に、これら機器の電力が余計にかかることから、運転コストも上昇するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、オゾン供給量を変えず、しかもブロワーやコンプレッサー等の機器を別途設けることなく、オゾン含有供給ガス総流量を増加させることで、槽や配管内に対してより均一にオゾンを供給することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明のオゾン供給方法は、空気を原料としてオゾンを生成するオゾン発生装置を用いて、有機性排水または有機性汚泥が存在する槽または配管内に対して、オゾンを供給する方法であって、前記空気を圧力スイング式吸着減湿装置で減湿した後、前記オゾン発生装置に供給し、前記吸着式減湿装置の吸着材の再生に使用された後の排気を、希釈ガスとして前記オゾン発生装置の下流側で、前記オゾンに混合させて希釈オゾンガスを生成し、当該希釈オゾンガスを、前記槽または配管内に供給することを特徴としている。

オゾン発生装置では、原料ガスとして水分を含む空気を用いると、窒素酸化物由来の化合物を発生させ放電部に蓄積することで発生部の閉塞及び発生量の低下を招くことから、その対策として、減湿装置により水分を排除した乾燥空気を原料ガスとして使用される。そしてより低露点の乾燥空気を得るためには、圧力スイング式吸着減湿装置が多く使用される。この圧力スイング式吸着減湿装置は、たとえばシリカゲルなどの吸着材を充填した吸着筒を複数有し（通常は２筒が一般的である）、一の吸着筒内に、原料空気をコンプレッサー等で加圧して押し込み、吸着筒内部の吸着材で原料空気中の水分を吸着、除去し、そのようにして減湿処理された空気を吸着筒から送出する一方、他の吸着筒に対しては、プレ除湿された空気を吸着除湿時より低い圧力（例えば、吸着時０．５〜０．８ＭＰａに対して、再生時０．１ＭＰａ）で給気することで、吸着材中の水分を蒸発させて、当該他の吸着筒から排気するようになっている。そして一の吸着筒の減湿能力が低下すると、流路を切り替えて、当該他の吸着筒で減湿処理を行なうようにして、連続処理を行なうことができる。そして吸着材の再生に供した加圧空気は、従来はそのまま排気として大気中に放出されている。圧力スイング式以外では、温度スイング式吸着減湿装置が使用される。本方式では、吸着水分の脱離による吸着塔の再生用空気の温度を昇温することで、圧力スイング式での圧力低下による脱離効果に、温度上昇による脱離効果が加算されるため、より短時間でより多くの水分の脱離が可能となる。除湿・再生のフロー・制御等は圧力スイング式と同じである。その効果としては、吸着塔の吸着・脱離の切り替え頻度を低減できる。
ただし、装置コストとしては昇温機能追加分が上昇する。

発明者はそのように従来大気中に放出していた再生後の加圧空気に着目し、これを利用して希釈用ガスのための機器、設備を不要としたものである。しかも、希釈ガス供給のためのエネルギーも、元々圧力スイング式吸着減湿装置に必要なポンプやコンプレッサーによる送気圧をそのまま用いることができるので、格別専用のエネルギーは不要であり、オゾンと適切な混合が可能となり、また有機性排水または有機性汚泥が存在する槽または配管内に対して、そのまま必要な所定の供給圧力（たとえば０．１ＭＰａ以上）で、供給することが可能となっている。

そして本発明によれば、そのようにして再生に用いた後の排気を希釈ガスとして前記オゾンに混合させて希釈オゾンガスを生成し、当該希釈オゾンガスを、有機性排水の処理槽や配管に供給するようにしたので、オゾン自体の供給量を変えずに供給ガス総流量を増加させ、槽や配管内に対してより均一にオゾンを供給することができる。なお再生後の空気は、その露点温度がオゾン発生装置に供給する乾燥空気よりもかなり高くなっているが、本発明では、オゾン発生装置の下流側で混合させるようにしているので、水分によるオゾン発生への障害は発生しない。

なお本発明で使用するオゾン発生装置は、放電式、紫外線照射式等、各種のタイプを使用できるが、放電式の方が効率はよい。また本発明における圧力スイング式吸着減湿装置には、さらに再生空気を加熱後に吸着筒に送る機能を付加した、いわゆる圧力温度スイング式吸着減湿装置も含まれるものである。

本発明のオゾン供給装置は、空気を原料としてオゾンを生成するオゾン発生装置を用いて、有機性排水または有機性汚泥が存在する槽または配管内に対して、オゾンを供給する装置であって、原料空気を減湿した後の空気を、前記オゾン発生装置に対して供給する圧力スイング式減湿装置と、前記オゾン発生装置によって生成されたオゾンと、前記圧力スイング式減湿装置の吸着材の再生に使用された後の排気とが、混合されて前記槽または配管内に対して供給される供給路と、を有することを特徴としている。この場合、前記排気の混合量を可変とする流量調整装置を有していれば、より好ましい。流量調整装置としては，たとえば三方弁が最も簡易であり，その他マスフローコントローラも用いることができる。

本発明のオゾン供給装置においては、前記圧力スイング式減湿装置の前段に、プレ減湿装置を有していてもよい。このプレ減湿装置により、圧力スイング式減湿装置での減湿処理の負荷が軽減され、圧力スイング式減湿装置における吸着筒切り替えサイクルを長くすることができる。

本発明によれば、オゾン供給量を変えず、しかもブロワーやコンプレッサー等の機器を別途用いることなく、供給ガス総流量を適度に増加させて、有機性排水または有機性汚泥が存在する槽や配管内に対してより均一にオゾンを供給することが可能である。

実施の形態にかかるオゾン供給装置の構成の概要を模式的に示した説明図である。 図１のオゾン供給装置に使用した圧力スイング式減湿装置の構成の概要を模式的に示した説明図である。 図１のオゾン供給装置によって生物処理槽に対して希釈オゾンガスを供給した場合の容積負荷に対する処理水のＢＯＤの変化を、希釈しない場合、オゾンを添加しない場合とを比較して示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかるオゾン供給装置の概要を示しており、本実施の形態は、空気ばっきによる生物処理槽１に対して希釈オゾンガスを供給する装置して構成されている。

このオゾン供給装置は、圧力スイング式吸着減湿装置２、および圧力スイング式吸着減湿装置２の前段に設けられたプレ減湿機３、圧力スイング式吸着減湿装置２から供給される減湿された空気を原料として、オゾンを発生させるオゾン発生装置４を有している。

プレ減湿機３は、コンプレッサー３１と冷却器３２とを有し、取り入れた原料空気をコンプレッサー３１によって加圧するとともに、冷却器３２によって冷却減湿して、圧力スイング式吸着減湿装置２へ配管５を通じて供給する。冷却器３２によって、たとえば露点温度が−１０℃まで冷却減湿された際に発生する凝縮水は、プレ減湿機３から排出される。

圧力スイング式吸着減湿装置２は、第１の吸着筒２１の系統と、第２の吸着筒２２との系統を有している。そしてプレ減湿機３から供給されたプレ減湿後の空気は、各々の系統へと切り替え可能になっている。またかかる切り替えは、吸着減湿される空気と、再生に用いられる空気の系統との各々に対して可能であり、吸着減湿される空気の系統切り替えは、三方弁２３によって行なわれ、再生に用いられる空気の系統は三方弁２４によって行なわれる。図２中、圧力スイング式吸着減湿装置２内の配管系等において、太線で示したものは減湿処理系統を示し、細線で示したものは再生処理系統を示している。

第１の吸着筒２１と第２の吸着筒２２とは、同一構成であり、その内部にシリカゲル等の水分吸着材が充填されており、コンプレッサー３１によって、例えば０．４〜０．８Ｍｐａ程度に加圧された原料空気を、吸着減湿してたとえば露点温度が−４０℃〜−７０℃まで減湿処理を行なう。

そのようにして露点温度がさらに下げられた原料空気は、配管６を通じてオゾン発生装置４へと送られる。第１の吸着筒２１、第２の吸着筒２２から配管６への供給切り替えは、各々の吸着筒出口側に設けられたバルブ２５、２６の操作によって行なわれる。

一方、第１の吸着筒２１で減湿処理が行なわれている間は、他の吸着筒である第２の吸着筒２２では再生処理が行なわれ、また第２の吸着筒２２で減湿処理が行なわれている間は、他の吸着筒である第１の吸着筒２１では吸着筒内の吸着材に対して再生処理が行なわれる。この場合、再生系統には、減圧機能を有するバルブ２７が、三方弁２４の上流側に設けられており、これによってコンプレッサー３１によって加圧された空気は、０．１Ｍｐａ程度に減圧されて、再生処理が行なわれる。再生処理後の空気は、希釈配管１１へと送られる。第１の吸着筒２１、第２の吸着筒２２から希釈配管１１への供給切り替えは、三方弁２８によって行なわれる。

オゾン発生装置４は、配管６を通じて、減圧機能を有したバルブ３３により、０．１Ｍｐａ程度に減圧された減湿処理後の原料空気を原料ガスとしてオゾンを生成する。オゾン発生装置４としては、放電式、紫外線照射方式等、種々のタイプを使用することができるが、本発明においては、効率のよい放電式の発生装置が適している。オゾン発生装置４で生成されたオゾンは残余の原料空気と共に、配管７を通じて供給管８へと送られる。

一方、圧力スイング式吸着減湿装置２から出た再生処理後の空気は、配管１１を通じて、三方弁１２を通じて供給管８へと供給可能になっている。この三方弁１２の切り替え操作によって、一部を系外に排気可能である。供給管８に流れる再生後の空気の流量も、三方弁１２の開度によって調整される。

前記したような三方弁１２の開度調整は、たとえば配管７を流れるガス中のオゾン濃度に基づいて行なうことができ、それに基づいて所望の希釈度、流量を算出して、供給管８に混合する再生処理後の空気の流量から三方弁１２の開度が制御される。もちろん予め配管７を流れるガス中のオゾン濃度、所望の希釈度が判明している場合には、試運転時に開度調整しておいてもよい。

生物処理槽１は、好気性微生物の働きによって有機性排水を活性汚泥処理するための処理槽であり、好気性環境を維持するために、ポンプ４１によって取り入れた空気を、槽内に配置した第１の散気管４２によって槽内に放出して排水をばっきするようになっている。そして供給管８を通じて流れる希釈オゾンガスは、第２の散気管４３によって、槽内に供給されるようになっている。

本実施の形態は、以上のように構成されており、生物処理槽１に対してオゾンを供給する場合、圧力スイング式吸着減湿装置２によって生成された低露点の空気を原料ガスとしてオゾン発生装置４によって発生させたオゾン含有ガスに、圧力スイング式吸着減湿装置２から排出された再生処理後の空気が、希釈ガスとして供給管８に混入して希釈オゾンガスが生成される。そして当該希釈オゾンガスが、第２の散気管４３によって、槽内に供給される。これによって、オゾン自体の供給量を変えることなく、しかも専用のブロワーやコンプレッサー等の機器を用いることなくオゾンを含有した供給ガスの総流量を増加させて、槽内に供給することができる。したがって、高濃度オゾン供給による槽内での無駄なオゾン消費を防止できるとともに、従来よりも、より均一にオゾンを供給することが可能である。

本実施の形態では、従来そのまま捨てていた再生後の空気量は、一般的にプレ除湿機３から供給される全給気量の４０％であることから、再生後の空気を全て希釈用に供した場合には、希釈された後のオゾン含有空気量は６０％→１００％と約１．７倍に増加し、オゾンガス濃度は６０％に低下する。もちろん給気量を減湿処理用と再生用とに分ける比率は、各吸着筒の能力、並びに供給圧力、供給空気量等、さらには生物処理槽１の状況等によって、任意に設定してもよい。またそれに応じて、三方弁１２の操作や弁の開閉度合いを調整して、希釈濃度を制御するようにしてもよい。かかる場合、圧力スイング式吸着減湿装置２内に、減湿処理用と再生用とに分ける比率を調整するバルブを適宜設置するようにしてもよい。

なお、再生処理後の空気は、水分脱離処理により露点温度がオゾン発生装置４への供給空気よりもかなり高くなっているが、オゾン発生装置４の下流側で合流させるため水分による障害は発生しない。

以下、本実施の形態にかかるオゾン供給装置を使用しての具体的効果を説明し、オゾン希釈の有効性と、希釈用ガス流体として圧力スイング式吸着減湿装置の再生処理後の空気を利用することの有効性について説明する。図３は、図１の生物処理槽１に対して容積負荷に対する処理水のＢＯＤ（Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ：生物化学的酸素要求量）の変化を示し、オゾン無添加の場合、オゾンを希釈しない場合（すなわち圧力スイング式吸着減湿装置２からの再生処理後の空気を供給管８に混入しない場合）、オゾンを希釈した場合（すなわち圧力スイング式吸着減湿装置２からの再生処理後の空気を供給管８に混入して１．７倍に希釈した場合）の各々について調べた結果を示す。図のグラフ中、縦軸はＢＯＤ約４００ｍｇ／リットルの排水を処理した処理水のＢＯＤ値で、目標水質は２０ｍｇ／リットルである。横軸には１日当たり１ｍ^３の処理槽で処理したＢＯＤ総量を示しており、高いほど処理水量が多いことを意味する。

なお有機性排水の活性汚泥処理において微量のオゾンを活性汚泥処理槽に供給することによって処理性能の向上、余剰汚泥の削減、汚泥沈降性の改善効果が得られることを発明者らはすでに確認している。

図３に示した結果を見ると、オゾン無添加の空気ばっき処理では、容積負荷が０．４〜０．５ｋｇＢＯＤ／（ｍ^３・ｄ）辺りで目標水質レベルを超えており、処理能力が不足していることがわかる。一方、希釈無しのオゾン添加では、０．７ｋｇＢＯＤ／（ｍ^３・ｄ）まで目標水質を維持し、処理能力が大幅に向上している。これに対して、同じオゾン量で、本実施の形態にしたがって、１．７倍に希釈して槽内に供給した場合は、さらに処理能力は向上し、０．８ｋｇＢＯＤ／（ｍ^３・ｄ）まで向上している。

このように、同じオゾン供給処理においても、希釈した方がより高いオゾン添加効果があることが確認できた。なお同じオゾン量を添加する場合、高濃度よりも、ある程度希釈した方がより高いオゾン添加効果が得られるメカニズムは完全には解明していないが、以下の理由の何れかと推察される。
（１）供給水槽内において、希釈しないオゾン含有ガスの供給では、供給ガス流量が少ないため水槽内広範囲において散気注入することが難しく、結果的に局所的な効果になってしまう。
（２）有機性排水の活性汚泥処理へのオゾン添加では、オゾン添加量を適正値よりも多くしていくと次第に殺菌効果が顕在化し始め、活性汚泥の活性度が低下していくことを確認している。一方、オゾンに対する活性汚泥構成微生物の耐性においては、活性汚泥処理のトラブル元の悪玉菌である糸状菌と他の有効な菌では、糸状菌の方がオゾン耐性が低く、より不活性化しやすいことが分かっている。つまり、より低濃度のオゾン添加では有効な菌にはダメージを与えなく糸状菌に対しては繁殖を抑制するのに対して、高濃度オゾンの供給においては局所的に糸状菌と一緒に有効な菌にもダメージを与えることから、結果的に槽内全体では有効菌のダメージ増加と、これにオゾンが消費されることによる糸状菌の抑制効果の低下が起こっている。

なお前記実施の形態は、空気ばっきによる生物処理槽１に対して希釈オゾンガスを供給する例として挙げたが、これに限らず本発明は、排水処理装置の流量調整槽、無酸素槽、汚泥貯留槽、処理水送水配管に対して、オゾンを供給する際にも適用できる。さらにまた本発明は、オゾンを利用した浄水処理システム、中水処理システム、難分解性物質含有水処理システムにおいても適用でき、オゾンを利用した脱臭方法、装置、さらには液中、気中のオゾン殺菌システムに対しても適用することが可能である。

本発明は、有機性排水の生物処理槽、有機性排水の流量調整槽（貯留槽）、さらには排水等の生物処理で生成する余剰汚泥貯留槽等に対して、所定量のオゾンを供給して処理する際に有用である。

１ 生物処理槽
２ 圧力スイング式吸着減湿装置
３ プレ除湿機
４ オゾン発生装置
５、６、７ 配管
８ 供給管
１１ 希釈配管
１２、２３、２４、２８ 三方弁
２１ 第１の吸着筒
２２ 第２の吸着筒
２７ バルブ
３１ コンプレッサー
３２ 冷却器
４１ ポンプ
４２ 第１の散気管
４３ 第２の散気管

Claims (4)

1. 空気を原料としてオゾンを生成するオゾン発生装置を用いて、有機性排水または有機性汚泥が存在する槽または配管内に対して、オゾンを供給する方法であって、
   前記空気を圧力スイング式吸着減湿装置で減湿した後、前記オゾン発生装置に供給し、
   前記圧力スイング式吸着式減湿装置の吸着材の再生に使用された後の排気を、希釈ガスとして前記オゾン発生装置の下流側で、前記オゾンに混合させて希釈オゾンガスを生成し、
   当該希釈オゾンガスを、前記槽または配管内に供給することを特徴とする、オゾン供給方法。
2. 空気を原料としてオゾンを生成するオゾン発生装置を用いて、有機性排水または有機性汚泥が存在する槽または配管内に対して、オゾンを供給する装置であって、
   原料空気を減湿した後の空気を、前記オゾン発生装置に対して供給する圧力スイング式減湿装置と、
   前記オゾン発生装置によって生成されたオゾンと、前記圧力スイング式減湿装置の吸着材の再生に使用された後の排気とが、混合されて前記槽または配管内に対して供給される供給路と、を有することを特徴とする、オゾン供給装置。
3. 前記排気の混合量を可変とする流量調整装置を有することを特徴とする、請求項２に記載のオゾン供給装置。
4. 前記圧力スイング式減湿装置の前段に、プレ減湿装置を有することを特徴とする、請求項２または３に記載のオゾン供給装置。

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