JP2013163147A - 水処理方法、及び水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中の溶存有機物を酸化分解する水処理において、装置や操作を複雑化することなく、生成したＯＨラジカルを被処理水に対して長時間安定して供給し、被処理水中の溶存有機物を効率的に酸化分解する。
【解決手段】実施形態の水処理方法は、水中の溶存有機物を酸化分解する水処理方法であって、反応槽中に前記溶存有機物を含む被処理水を導入するステップと、前記反応槽内においてＯＨラジカルを生成するステップとを具える。さらに、前記反応槽中の、前記被処理水の導入側である上流側から下流側の複数の箇所において、前記ＯＨラジカルの生成量を計測するステップを具える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、水処理方法、及び水処理装置に関する。

従来、上水、下水、産業排水、プールなどの分野で、水中の有機物の酸化分解、殺菌、脱臭等の処理のためにオゾンが用いられている。しかしながら、オゾンは酸化力が弱く、親水化、低分子化はできても無機化することはできない。また、ダイオキシンや１，４−ジオキサン等の難分解性有機物は分解できない。

したがって、上述のような難分解性有機物を分解するに際しては、オゾンよりも酸化力の強いＯＨラジカルを用い、酸化分解することが一般的になっている（特許文献１）。一方、ＯＨラジカルは非常に不安定な物質であって、短時間で消滅してしまうために寿命が短く、ＯＨラジカルを用いた有機物の酸化分解は効率が悪いという問題があった。

このような問題に鑑みて、特許文献２には、被処理水をシャワーノズルから水滴化して、反応槽内の円筒状電極と線状電極との間で生じる放電場内に供給するとともに、反応槽内に混合気体供給手段から酸素を２５〜９０容量％含む混合気体を充満させて被処理水中の有機物を分解処理する技術が開示されている。この技術よれば、上記放電場において生成するＯＨラジカルを適宜水滴化した被処理水と接触させることができるため、ＯＨラジカルの寿命が短いことを考慮しても、ＯＨラジカルと被処理水との接触効率を向上させることができるため、難分解性有機物の酸化分解を従来に比して向上させることができる。

しかしながら、上記技術においては、反応槽上部にシャワーノズルを設けたり、円筒状電極及び線状電極を設けたりしなければならず、装置構成が複雑化するとともに、操作方法が複雑化するという問題があった。

特開２０００−２７９９７７号 特開２０１１−１６１４１２号

本発明は、水中の溶存有機物を酸化分解する水処理において、装置や操作を複雑化することなく、生成したＯＨラジカルを被処理水に対して長時間安定して供給し、被処理水中の溶存有機物を効率的に酸化分解することを目的とする。

実施形態の水処理方法は、水中の溶存有機物を酸化分解する水処理方法であって、反応槽中に前記溶存有機物を含む被処理水を導入するステップと、前記反応槽内においてＯＨラジカルを生成するステップとを具える。さらに、前記反応槽中の、前記被処理水の導入側である上流側から下流側の複数の箇所において、前記ＯＨラジカルの生成量を計測するステップを具える。

第１の実施形態における水処理装置の概略構成を示す図である。 第２の実施形態における水処理装置の概略構成を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における水処理装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態における水処理装置１０は、反応槽１１と、反応槽１１内に配設した紫外線光源１２とを含む。また、反応槽１１の下部には溶存有機物を含む被処理水を導入するための導入口１１Ａが設けられており、反応槽１１の上部には溶存有機物を含む被処理水を外部に排出するための排水口１１Ｂが設けられている。この場合、被処理水は、反応槽１１の下方（上流側）から上方（下流側）に向けて流れるようになるので、紫外線光源１２は、反応槽１１内において、被処理水の上流側から下流側に向けた方向に沿って配置されることになる。

なお、紫外線光源１２は、図示しない紫外線ランプが防水ケース内に配置されるようにして構成されており、紫外線ランプに対する図示しない配線等も、防水ケースと一体になった配管内を通じて反応槽１１の外部に取り出され、図示しない所定の電源と接続されている。

また、反応槽１１内の上流、中流及び下流の３箇所、具体的には紫外線光源１２の下部、中部及び上部において、ＯＨラジカル生成量の計測手段１６，１７及び１８が設けられている。

ＯＨラジカル生成量の第１の計測手段１６は、開口部１６１Ａが紫外線光源１２側を向いて配置された配管１６１、配管１６１に設けられたバルブ１６２、配管１６１の端部に設けられた貯留槽１６３、貯留槽１６３の下部に設けられた排水管１６４及び排水管１６４に設けられたバルブ１６５を有している。

ＯＨラジカル生成量の第２の計測手段１７は、開口部１７１Ａが紫外線光源１２側を向いて配置された配管１７１、配管１７１に設けられたバルブ１７２、配管１７１の端部に設けられた貯留槽１７３、貯留槽１７３の下部に設けられた排水管１７４及び排水管１７４に設けられたバルブ１７５を有している。

同様に、ＯＨラジカル生成量の第３の計測手段１８は、開口部１８１Ａが紫外線光源１２側を向いて配置された配管１８１、配管１８１に設けられたバルブ１８２、配管１８１の端部に設けられた貯留槽１８３、貯留槽１８３の下部に設けられた排水管１８４及び排水管１８４に設けられたバルブ１８５を有している。

なお、第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８において、ＯＨラジカルの生成量の計測は、貯留槽１６３、１７３及び１８３で試薬や放電等を用いて行う。

本実施形態では、反応槽１１内の３箇所においてＯＨラジカルの生成量を計測すべく、３つの計測手段を設けているが、計測箇所は多いほど好ましく、４つ以上の計測手段を設けることもできる。

また、反応槽１１内の紫外線光源１２の下方には、配管１５を介して反応槽１１内にＯＨラジカルの原料となるオゾンを分散導入するための散気管１４が配設されている。あるいは、オゾンの代わりに過酸化水素水を反応槽１１の前に加えても良い。

本実施形態では、オゾンあるいは過酸化水素と紫外線との反応によりＯＨラジカルを形成するので、ＯＨラジカルの生成点は紫外線光源１２の表面近傍となる。したがって、生成するＯＨラジカルの量を正確に計測するには、計測手段１６，１７及び１８の配管１６１、１７１及び１８１それぞれの開口部１６１Ａ，１７１Ａ及び１８１Ａが、紫外線光源１２の表面から上記範囲内に位置するようにする。

なお、図１に示す水処理装置１０の各構成要素は、酸などに対して高い耐性を有するステンレス材やフッ素系樹脂などから構成する。

次に、図１に示す水処理装置１０を用いた水処理方法について説明する。
最初に、反応槽１１の導入口１１Ａから反応槽１１内に溶存有機物を含む被処理水を導入する。次いで、配管１５を介してオゾンあるいは過酸化水素水を導入し、散気管１４によって反応槽１１内に分散導入する。次いで、反応槽１１内に配置された紫外線光源１２を点灯し、反応槽１１内に導入したオゾンあるいは過酸化水素と紫外線とを反応させ、ＯＨラジカルを生成する。

なお、オゾンと紫外線との反応によるＯＨラジカルの生成は、以下の反応式による。
Ｏ_３＋Ｈ_２Ｏ＋ｈｖ（紫外線）→Ｈ_２Ｏ_２＋Ｏ_２
Ｈ_２Ｏ_２＋ｈｖ（紫外線）→２ＯＨ・（ＯＨラジカル）

また、オゾンは汎用の方法、例えば酸素ガスの放電処理等によって得ることができる。

一方、過酸化水素と紫外線との反応によるＯＨラジカルの生成は、以下の反応式による。
Ｈ_２Ｏ_２＋ｈｖ（紫外線）→２ＯＨ・（ＯＨラジカル）

次いで、反応槽１１に対して配備した第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８によって、反応槽１１内の、被処理水の上流側から下流側に向けて生成されるＯＨラジカルの量を計測する。ＯＨラジカルは、自身の濃度の二乗に比例して密度が低下する。すなわち、ＯＨラジカルの密度が高いほど、ＯＨラジカルの消滅速度が速くなるため寿命が短くなり、その寿命は約１００μ秒程度であると言われている。

したがって、ＯＨラジカルの生成量を計測するに際しては、第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８のバルブ１６２，１７２及び１８２を開とし、配管１６１，１７１及び１８１、並びに貯留槽１６３，１７３及び１８３を常に反応槽１１内の被処理水が充填された状態とする。このため、貯留槽１６３，１７３及び１８３には、上記被処理水が常に充填された状態となっているので、生成量の計測箇所である貯留槽１６３，１７３及び１８３に被処理水を導入する間に、ＯＨラジカルが消滅してしまうようなことがない。結果として、反応槽１１内の第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８が配置された位置における、ＯＨラジカルの生成量を正確に計測することができる。

ＯＨラジカルの生成量を計測するに際しては、各計測手段のバルブ１６２，１７２及び１８２を閉とした後、直ちに貯留槽１６３，１７３及び１８３に試薬を添加し、その色調を図示しない計測器でモニタリングした後、別途保存している色調データとＯＨラジカルの生成量との相関グラフに基づいて、ＯＨラジカルの生成量を導出する。また、貯留槽１６３，１７３及び１８３に電圧印加し、その発光度合いを図示しない計測器でモニタリングした後、別途保存している発光強度とＯＨラジカルの生成量との相関グラフに基づいて、ＯＨラジカル量を導出する。

上記試薬としては、p-ニトロジメチルアニリン、ルミノール等を挙げることができる。

なお、ＯＨラジカルの生成点は、上述したように、紫外線光源１２の表面近傍である。したがって、生成するＯＨラジカルの量を正確に計測するには、計測手段１６，１７及び１８の配管１６１、１７１及び１８１それぞれの開口部１６１Ａ，１７１Ａ及び１８１Ａが、紫外線光源１２の表面から上記範囲内に位置するようにする。

本実施形態の場合、ＯＨラジカルの原料となるオゾンあるいは過酸化水素は、反応槽１１の下方から導入しているので、一般には、紫外線光源１２の下方におけるオゾンあるいは過酸化水素の濃度が高く、紫外線光源１２の上方におけるオゾンあるいは過酸化水素の濃度は低くなっている。したがって、ＯＨラジカルの生成量も紫外線光源１２の下方で多く、紫外線光源１２の上方で少なくなっている。

このため、反応槽１１内に導入した被処理水内の溶存有機物を効率的に酸化分解し、被処理水を効率的に処理するためには、計測したＯＨラジカル生成量の内、最も少ないＯＨラジカル生成量を基準にして、ＯＨラジカルの生成量を制御する。すなわち、計測した最も少ないＯＨラジカル生成量が、目的とするＯＨラジカルの生成量以上となるように、ＯＨラジカルの生成量を制御する。具体的には、紫外線光源１２の強度を増大させたり、反応槽１１内に導入するオゾンあるいは過酸化水素の量を増大させたりして、計測したＯＨラジカル生成量が目的とするＯＨラジカル生成量以上となるようにする。

なお、第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８における貯留槽１６３，１７３及び１８３でＯＨラジカルの生成量を計測した後は、これら貯留槽内に溜まっている計測後の被処理水を、バルブ１６４，１７４及び１８４を開とし、排水管１６５，１７５及び１８５から外部に放出する。次いで、これらのバルブを閉とした後、バルブ１６２，１７２及び１８２を開とし、次回のＯＨラジカル生成量の計測のため、反応槽１１内の被処理水を各計測手段の配管１６１，１７１及び１８１、並びに貯留槽１６３，１７３及び１８３内に充填しておく。

ＯＨラジカルで処理された後の処理水は、反応槽１１の排出口１１Ｂから外部に排出され、必要に応じて、浄化処理等が行われ、排水として河川等に放出される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、水中の溶存有機物を酸化分解する水処理において、装置や操作を複雑化することなく、生成したＯＨラジカルを被処理水に対して長時間安定して供給し、被処理水中の溶存有機物を効率的に酸化分解して処理することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態における水処理装置の概略構成を示す図である。
図１に示す水処理装置１０においては、被処理水中の溶存有機物を酸化処理するＯＨラジカルを、オゾンあるいは過酸化水素と紫外線との反応を通じて生成したが、本実施形態では、ＯＨラジカルをオゾン及び過酸化水素の反応を通じて生成する。したがって、本実施形態における水処理装置２０は、図２に示すように、反応槽１１内に紫外線光源１２が配設されておらず、配管１５からオゾンを、散気管１４を通じて反応槽１１内に分散導入するように構成されている。なお、その他の構成については図１に示す水処理装置１０と同じであるので説明を省略する。

図２に示す水処理装置２０を用いた水処理方法は次のようにして行う。
最初に、反応槽１１の導入口１１Ａから反応槽１１内に溶存有機物を含む被処理水を導入する。次いで、配管１５を介してオゾンを導入し、散気管１４によって反応槽１１内に分散導入する。反応槽１１内に導入したオゾン及び過酸化水素は、以下のような反応を通じて、ＯＨラジカルを生成する。

また、オゾンは汎用の方法、例えば酸素ガスの放電処理等によって得ることができる。オゾン自体も不安定な物質であって、放置しておくと、元の酸素に戻ってしまうので、上記放電処理等を行う装置は、オゾンを導入する配管１５の途中であって、なるべく反応槽１１に近い箇所に配置する。

次いで、反応槽１１に対して配備した第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８によって、反応槽１１内の、被処理水の上流側から下流側に向けて生成されるＯＨラジカルの量を計測する。上述のように、ＯＨラジカルは、自身の濃度の二乗に比例して密度が低下し、ＯＨラジカルの消滅速度が速くなるため寿命が短くなる。

したがって、ＯＨラジカルの生成量を計測するに際しては、第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８のバルブ１６２，１７２及び１８２を開とし、配管１６１，１７１及び１８１、並びに貯留槽１６３，１７３及び１８３を常に反応槽１１内の被処理水が充填された状態とする。このため、貯留槽１６３，１７３及び１８３には、上記被処理水が常に充填された状態となっているので、生成量の計測箇所である貯留槽１６３，１７３及び１８３に被処理水を導入する間に、ＯＨラジカルが消滅してしまうようなことがない。結果として、反応槽１１内の第１の計測手段１６、第２の計測手段１７及び第３の計測手段１８が配置された位置における、ＯＨラジカルの生成量を正確に計測することができる。

ＯＨラジカルの生成量を計測するに際しては、各計測手段のバルブ１６２，１７２及び１８２を閉とした後、直ちに貯留槽１６３，１７３及び１８３に試薬を添加し、その色調を図示しない計測器でモニタリングした後、別途保存している色調データとＯＨラジカルの生成量との相関グラフに基づいて、ＯＨラジカルの生成量を導出する。また、貯留槽１６３，１７３及び１８３に電圧印加し、その発光度合いを図示しない計測器でモニタリングした後、別途保存している発光強度とＯＨラジカルの生成量との相関グラフに基づいて、ＯＨラジカル量を導出する。

上記試薬としては、p-ニトロジメチルアニリン、ルミノール等を挙げることができる。

なお、本実施形態において、ＯＨラジカルの生成点は、反応槽１１の全体に亘るので、計測手段１６，１７及び１８の配管１６１、１７１及び１８１それぞれの開口部１６１Ａ，１７１Ａ及び１８１Ａは、例えば、反応槽１１の中央に位置するようにする。

本実施形態においても、ＯＨラジカルの原料となるオゾンあるいは過酸化水素は、反応槽１１の下方から導入しているので、一般には、反応槽１１の下方におけるＯＨラジカルの濃度が高く、反応槽１１の上方におけるＯＨラジカルの濃度は低くなっている。

このため、反応槽１１内に導入した被処理水内の溶存有機物を効率的に酸化分解し、被処理水を効率的に処理するためには、計測したＯＨラジカル生成量の内、最も少ないＯＨラジカル生成量を基準にして、ＯＨラジカルの生成量を制御する。すなわち、計測した最も少ないＯＨラジカル生成量が、目的とするＯＨラジカルの生成量以上となるように、ＯＨラジカルの生成量を制御する。具体的には、反応槽１１内に導入するオゾン及び過酸化水素の量を増大させて、計測したＯＨラジカル生成量が目的とするＯＨラジカル生成量以上となるようにする。なお、その他の操作は、第１の実施形態の場合と同様であるので説明を省略する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、水中の溶存有機物を酸化分解する水処理において、装置や操作を複雑化することなく、生成したＯＨラジカルを被処理水に対して長時間安定して供給し、被処理水中の溶存有機物を効率的に酸化分解して処理することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０ 水処理装置
１１ 反応槽
１２ 紫外線光源
１４ 散気管
１５ 配管
１６ 第１の計測手段
１７ 第２の計測手段
１８ 第３の計測手段

Claims (7)

1. 水中の溶存有機物を酸化分解する水処理方法であって、
   反応槽中に前記溶存有機物を含む被処理水を導入するステップと、
   前記反応槽内においてＯＨラジカルを生成するステップと、
   前記反応槽中の、前記被処理水の導入側である上流側から下流側の複数の箇所において、前記ＯＨラジカルの生成量を計測するステップと、
   を具えることを特徴とする、水処理方法。
2. 前記ＯＨラジカルは、前記反応槽内において、前記被処理水の上流側から下流側の方向に沿って配置した紫外線光源から発せられる紫外線と、オゾン及び過酸化水素の少なくとも一方とを反応させることによって生成することを特徴とする、請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記ＯＨラジカル生成量の計測は、前記反応槽における前記被処理水の上流側から下流側の前記複数の箇所において、それぞれ開口部が前記紫外線光源に向くようにして配置した複数の採水管及びこれら複数の採水管それぞれに配置された貯留槽を用い、前記複数の採水管を介して前記複数の貯留槽に導入された前記被処理水中の前記ＯＨラジカルの量を計測することによって行うことを特徴とする、請求項２に記載の水処理方法。
4. 前記反応槽内で生成する前記ＯＨラジカルの生成量は、前記複数の箇所で計測された前記ＯＨラジカルの最低量を基準として制御することを特徴とする、請求項３に記載の水処理方法。
5. 水中の溶存有機物を酸化分解する水処理装置であって、
   前記溶存有機物を含む前記被処理水をＯＨラジカルによって酸化分解するための反応槽と、
   前記反応槽内において前記ＯＨラジカルを生成するためのＯＨラジカル生成手段と、
   前記反応槽中の、前記被処理水の導入側である上流側から下流側の複数の箇所において、前記ＯＨラジカルの生成量を計測するためのＯＨラジカル生成量計測手段と、
   を具えることを特徴とする、水処理装置。
6. 前記ＯＨラジカル生成手段は、前記反応槽内において、前記被処理水の上流側から下流側の方向に沿って配置した紫外線光源であって、
   前記紫外線光源から発せられる紫外線と、オゾン及び過酸化水素の少なくとも一方とを反応させることによって前記ＯＨラジカルを生成することを特徴とする、請求項５に記載の水処理装置。
7. 前記ＯＨラジカル生成量計測手段は、前記反応槽における前記被処理水の上流側から下流側の前記複数の箇所において、それぞれ開口部が前記紫外線光源に向くようにして配置した複数の採水管及びこれら複数の採水管それぞれに配置された貯留槽を含み、
   前記ＯＨラジカルの生成量の計測は前記複数の採水管を介して前記複数の貯留槽に導入された前記被処理水中の前記ＯＨラジカルの量を計測することによって行うことを特徴とする、請求項６に記載の水処理装置。

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