JP2014180628A - 水処理方法および水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】被処理水中のＣＯＤとＢＯＤを高度に除去することができる水処理方法および水処理システムを提供する。
【解決手段】被処理水１を前処理槽１１に導入する工程と、前処理槽１１から流出した前処理水２を生物反応槽２１に導入して生物処理水３を得る工程と、生物処理水３を濃縮手段３１によって濃縮し、濃縮水６を得る工程と、濃縮水６を酸化手段５１に導入して酸化処理することにより酸化分解水７を得る工程と、酸化分解水７を前処理槽１１に返送して被処理水１と接触させる工程とを有する水処理方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、生物学的処理と物理化学的処理を組み合わせた水処理方法および水処理システムに関し、特に、生物難分解性物質が含まれる被処理水であっても高度に分解・除去することが可能な水処理方法および水処理システムに関する。

従来、生物学的処理と物理化学的処理を組み合わせた水処理方法や水処理システムが知られており、例えば特許文献１には、被処理水を生物処理した後、逆浸透膜装置等を用いて濃縮水と透過水とに分離し、濃縮水を酸化処理した後、生物処理の被処理水として環流する方法が開示されている。

特開２００２−３０６９３０号公報

特許文献１に開示される方法によれば、濃縮水を酸化処理して生物処理することによりＣＯＤ（化学的酸素要求量）やＢＯＤ（生物学的酸素要求量）を除去することができる。しかし、濃縮水を酸化処理して得られた処理水中には、酸化性物質が残留している可能性があり、酸化性物質が残留した処理水を直接生物反応槽に返送すると、酸化性物質がいわば殺菌剤として作用して、生物反応槽中の微生物に悪影響を及ぼし、生物処理性能が低下するおそれがある。その結果として、ＣＯＤやＢＯＤの除去性能が低下することが懸念される。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被処理水中のＣＯＤとＢＯＤを高度に除去することができる水処理方法および水処理システムを提供することにある。

上記課題を解決することができた本発明の水処理方法とは、被処理水を前処理槽に導入する工程と、前処理槽から流出した前処理水を生物反応槽に導入して生物処理水を得る工程と、生物処理水を濃縮手段によって濃縮し、濃縮水を得る工程と、濃縮水を酸化処理して酸化分解水を得る工程と、酸化分解水を前処理槽に返送して被処理水と接触させる工程とを有するところに特徴を有する。本発明の水処理方法によれば、被処理水を生物処理して得られた生物処理水を濃縮および酸化処理することにより、被処理水中に含まれていた生物難分解性物質を効率的に分解してＢＯＤ化することができる。そして、酸化処理により得られた酸化分解水を再び生物処理を行うことにより、高度にＣＯＤとＢＯＤが除去された生物処理水を得ることができる。この際、酸化分解水を直接生物反応槽に返送するのではなく、生物反応槽の前段の前処理槽に返送して被処理水と接触させることにより、酸化分解水に残留していた酸化性物質が被処理水によって消費され、生物反応槽での生物処理への悪影響が抑えられる。また被処理水の一部が酸化分解水に残留していた酸化性物質によって酸化分解されることで、生物反応槽から流出する生物処理水のＣＯＤ濃度の低減も期待できる。

前処理槽では、被処理水にマイクロバブルを供給することが好ましい。前処理槽でマイクロバブルが供給されることにより、被処理水の分解が促進されたり、前処理槽に返送された酸化分解水に含まれていた酸化性物質の消費が促進され、その結果、生物反応槽において生物処理性能の向上が見込まれ、あるいは生物処理が好適に行われるようになる。

濃縮手段は、半透膜を備えたものであることが好ましい。濃縮手段が半透膜を備え、半透膜によって生物処理水を濃縮するものであれば、比較的少ないエネルギーで濃縮水を得ることができる。

生物処理水は、生物反応槽の槽内水を膜分離装置により固液分離することにより得ることが好ましい。生物反応槽の槽内水を膜分離装置により固液分離することにより、槽内水の汚泥濃度（微生物濃度）が高められ、生物反応槽のコンパクト化を図ることができる。また、得られる生物処理水は高度に固形分が除去されたものとなるため、濃縮工程において濃縮手段による濃縮を好適に行いやすくなるとともに、酸化処理工程においても溶解性の生物難分解性物質を効率的に分解することが可能となる。

本発明の水処理方法は、濃縮水を電気分解して電気分解水を得る工程をさらに有し、電気分解水を酸化処理して酸化分解水を得るようにしてもよい。濃縮水を電気分解することにより酸化剤を生成することができ、このように生成した酸化剤は酸化処理工程で使用される酸化剤を代用することができる。本発明の水処理方法では、溶質が処理系内を循環しているため、濃縮水を電気分解して酸化剤を生成させることにより、溶質濃度の上昇を抑えることができる。

酸化処理工程では、濃縮水を酸化剤の共存下で酸化触媒と接触させることにより酸化処理し、酸化分解水を得るようにしてもよい。酸化触媒を用いて酸化処理を行うことにより、濃縮水を効率的に酸化処理することができる。

本発明はまた、本発明の水処理方法に用いられる水処理システムも提供する。すなわち本発明の水処理システムは、被処理水が導入される前処理槽と、前処理槽から流出する前処理水の移送路と、前処理水の移送路に連通する生物反応槽と、生物反応槽から流出する生物処理水が導入され、当該生物処理水の溶質濃度を高めて濃縮水を得る濃縮手段と、濃縮水を酸化処理して酸化分解水を得る酸化手段とを有し、酸化分解水を前処理槽に移送する返送路が設けられているところに特徴を有する。本発明の水処理システムによれば、被処理水中のＣＯＤとＢＯＤを高度に除去することができる。前処理槽には、被処理水にマイクロバブルを供給するマイクロバブル発生装置が備えられていることが好ましい。濃縮手段は半透膜を備えていることが好ましい。生物反応槽には膜分離装置が設けられ、膜分離装置からの膜ろ過水が濃縮手段に導入されることが好ましい。濃縮水の移送路には、濃縮水を電気分解する電解装置が設けられてもよい。酸化手段としては、酸化剤供給手段と、酸化触媒を備えた触媒反応器が設けられてもよい。

本発明の水処理方法および水処理システムによれば、被処理水を生物処理して得られた生物処理水を濃縮および酸化処理することにより、被処理水中に含まれていた生物難分解性物質を効率的に分解してＢＯＤ化することができる。そして、酸化処理により得られた酸化分解水を再び生物処理を行うことにより、高度にＣＯＤとＢＯＤが除去された生物処理水を得ることができる。この際、酸化分解水を、生物反応槽の前段の前処理槽に返送して被処理水と接触させることにより、酸化分解水に残留していた酸化性物質が被処理水によって消費され、生物反応槽での生物処理への悪影響が抑えられる。また被処理水の一部が酸化分解水に残留していた酸化性物質によって酸化分解されることで、生物処理水のＣＯＤ濃度の低減も期待できる。

本発明の水処理方法のフロー図を表す。 本発明の水処理システムの一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。 本発明の水処理システムの他の一例を表す。

本発明は、生物学的処理と物理化学的処理を組み合わせた水処理方法および水処理システムに関する。本発明によれば、生物難分解性物質が含まれる被処理水であっても、物理化学的処理により生物難分解性物質を効率的に分解して、これを生物学的処理することで、高度に浄化された処理水を得ることができる。本発明の水処理方法および水処理システムについて図１を参照して下記に説明する。

本発明の水処理方法は、被処理水を前処理槽に導入する工程（前処理工程）と、前処理槽から流出した前処理水を生物反応槽に導入して生物処理水を得る工程（生物処理工程）と、生物処理水を濃縮手段によって濃縮し濃縮水を得る工程（濃縮工程）と、濃縮水を酸化処理して酸化分解水を得る工程（酸化処理工程）と、酸化分解水を前処理槽に返送して被処理水と接触させる工程（返送工程）とを有する。本発明の水処理方法は、特に、生物難分解性物質を含む被処理水の処理に適しており、具体的にはＢＯＤ（生物学的酸素要求量）よりも非常に高いＣＯＤ（化学的酸素要求量）を含む被処理水の処理に適している。

本発明の水処理方法では、まず被処理水を前処理槽に導入後、生物反応槽に導入して生物処理（生物学的処理）を行うが、被処理水に生物難分解性物質が含まれる場合は、生物処理によってこれらの物質を分解・除去することは難しい。従って、本発明の水処理方法では、生物処理水の少なくとも一部を濃縮して酸化処理することにより、生物難分解性物質を効率的に分解して生物易分解性物質に変換し、これを再び生物反応槽に返送して生物処理を行うことにより、高度にＣＯＤとＢＯＤが除去された生物処理水を得ることができる。ところでこのように処理する際、酸化処理を行うことにより酸化分解水が得られるが、酸化処理によって生物難分解性物質を分解するためには、多少過度な条件で酸化処理を行う必要があり、その結果、酸化分解水に酸化性物質が残留するおそれが出てくる。逆に多少温和な条件で酸化処理を行った場合は、生物難分解性物質を十分分解できないおそれがある。つまり、酸化分解率を高める点からは、酸化分解水に酸化性物質が多少残留せざるを得ないこととなる。しかし、このように酸化性物質が残留した酸化分解水を直接生物反応槽に返送すると、酸化性物質がいわば殺菌剤として作用して、生物反応槽中の微生物に悪影響を及ぼし、生物処理性能が低下するおそれがある。そこで、本発明の水処理方法では、酸化分解水を生物反応槽の前段の前処理槽に返送し、被処理水と接触させるようにしている。このように酸化分解水と被処理水とを接触させることにより、被処理水によって酸化分解水に含まれる酸化性物質が消費されるとともに、被処理水に含まれる生物難分解性物質の一部が酸化性物質により分解され、引き続く生物処理工程において効果的に生物処理を行うことができるようになる。以下、本発明の水処理方法の各工程について詳しく説明する。

前処理工程では、被処理水を前処理槽に導入する。本発明において処理対象となる被処理水は特に限定されない。被処理水には、有機物が含まれていてもよく、無機物が含まれていてもよい。なお、本発明の水処理方法は生物処理工程を有することから、被処理水は少なくとも有機物が含まれていることが好ましい。また、本発明の水処理方法は酸化処理工程を有することから、被処理水に難分解性有機物が含まれていても好適に処理することができる。本発明で用いられる被処理水としては、製鉄、鉄鋼、非鉄金属、機械、金属加工、めっき、塗装、セメント、石油等の工場からの排水；食品工場や製紙工場等からの排水；埋立浸出水；下水；し尿；畜産糞尿；厨房排水等が挙げられる。

被処理水が導入される前処理槽は、被処理水を保持できるものであれば特に限定されない。すなわち、前処理槽は特に設備が設けられていない単なる水槽であってもよい。前処理槽には、酸化処理工程で得られた酸化分解水が返送され、前処理槽において被処理水と酸化分解水が接触すればよい。なお、被処理水と酸化分解水との接触効率を高めるために、前処理槽には撹拌装置や散気装置が備えられていてもよい。また後述するように、前処理槽にマイクロバブル発生装置が備えられ、マイクロバブル発生装置によって被処理水にマイクロバブルが供給されてもよい。

前処理槽からは前処理水が流出し、生物反応槽に導入される。前処理水は移送路を通じて生物反応槽に移送され、生物反応槽は前処理水の移送路に連通して設けられている。前処理水の移送路は、前処理槽から生物反応槽に前処理水が移送される際の前処理水の通路であればよく、管路や開渠、あるいは前処理槽と生物反応槽の仕切板に設けられた流路であってもよい。前処理水の移送路には、流量調整槽や沈殿槽等が設けられていてもよい。以下に説明する他の移送路あるいは返送路についても同様である。

生物処理工程では、前処理槽から流出した前処理水を生物反応槽に導入して生物処理水を得る。生物反応槽では生物処理が行われる。生物処理は、微生物の存在下で、生物反応槽に導入された前処理水を処理するものであればよく、好気性生物処理であることが好ましい。従って、生物反応槽は少なくとも好気槽を有していることが好ましい。

生物処理としては、活性汚泥法（膜分離活性汚泥法を含む）、担体法、固定床生物膜法等が挙げられる。生物反応槽は、被処理水の性状や所望する除去成分に応じて、好気槽や嫌気槽等を適宜組み合わせて構成すればよく、例えば、好気槽に嫌気槽および／または無酸素槽を組み合わせることにより、前処理水に含まれる炭素成分に加え、窒素成分および／またはリン成分を除去することができる。

前処理水を生物処理工程において生物処理することにより、前処理水中に含まれるＢＯＤが除去され、得られる生物処理水はＢＯＤが低減されたものとなる。生物処理工程で得られた生物処理水は、少なくとも一部が濃縮手段に導入されるが、残りの一部は処理水として系外に排出してもよい。生物処理水の系外への排出は生物処理水の水質に応じて適宜決めればよく、例えば、生物処理水の水質と放流水質基準を比較し、当該基準を満足するように生物処理水の系外への排出量を決めればよい。このとき、濃縮工程において、濃縮に伴って高度に浄化された分離水が得られる場合は、分離水による希釈効果も勘案して、生物処理水の系外への排出量を決定してもよい。なお、後述する濃縮水を処理水として系外に排出してもよい。

本発明の水処理方法では、生物処理水の全量を系外に排出することはなく、生物処理水の一部または全部を濃縮工程に供する。本発明の水処理方法は、特に生物難分解性物質を含む被処理水の処理に適しており、このような被処理水を処理した場合、生物処理工程で得られる生物処理水にはある程度の量のＣＯＤが残留し、生物処理水を全量そのまま系外に排出することは困難となりやすい。

生物反応槽には膜分離装置が設けられてもよい。この場合は、例えば、生物反応槽の槽内水を膜分離装置により固液分離して生物処理水を得ることとなり、膜分離装置からの膜ろ過水を生物処理水として濃縮手段に導入することとなる。生物反応槽の槽内水を膜分離装置により固液分離することにより、槽内水の汚泥濃度（微生物濃度）が高められ、生物反応槽のコンパクト化を図ることができる。また、得られる生物処理水は高度に固形分が除去されたものとなるため、これを濃縮工程に供することにより、濃縮手段による濃縮を好適に行いやすくなり、さらに後段の酸化処理工程においても溶解性の生物難分解性物質を効率的に分解することが可能となる。

膜分離装置は生物反応槽の槽外に設けられてもよい。この場合は、生物処理工程で得られた生物処理水を膜分離装置により固液分離して、膜分離装置からの膜ろ過水が濃縮手段に導入されることとなる。この場合も後段の濃縮工程において濃縮手段による濃縮を好適に行いやすくなり、またさらに後段の酸化処理工程においても溶解性の生物難分解性物質を効率的に分解することが可能となる。

膜分離装置は、膜ろ材を備え、生物反応槽の槽内水や生物処理水を固液分離できるものであればよい。膜ろ材の孔径は特に限定されないが、いわゆる精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）であることが好ましい。膜ろ材の形状は、中空糸膜、管状膜、平板状膜等、特に限定されない。膜を構成する素材も特に限定されず、例えば、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリオレフィン、塩素化ポリエチレン、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン等の有機膜；セラミックス（例えば、ムライト、アルミナ、ジルコニア）等の無機膜等が挙げられる。

生物処理水は、膜分離装置以外の固液分離手段（例えば、沈殿槽）によって固液分離され、固形分濃度が低減された生物処理水が濃縮工程に供されてもよい。固液分離手段により分離された固形分（汚泥等）は、例えば、系外に引き抜かれて、濃縮や脱水等の減容化処理が施される。

生物処理工程で得られた生物処理水は濃縮工程に導入され、濃縮手段により濃縮されることにより濃縮水が得られる。濃縮手段には生物処理水が導入される。生物処理水は、生物反応槽からの越流水であってもよく、膜分離装置によって固形分が分離されたものでもよい。生物処理水は、直接濃縮手段に供給してもよく、沈殿槽や流量調整槽を介して濃縮手段に供給してもよい。また濃縮手段が生物反応槽に浸漬設置され、生物反応槽中の生物処理水が濃縮手段に導入されてもよい。濃縮手段では、生物処理水の溶質濃度が高められ、濃縮水が得られる。

濃縮手段は、生物処理水の溶質濃度を高めることができるものであれば特に限定されず、半透膜を用いた濃縮装置（逆浸透膜装置、正浸透膜装置、ナノろ過膜装置、電気透析装置等）や、蒸発装置（加温蒸発法や減圧蒸発法等）、凍結濃縮装置（界面前進法や懸濁結晶法等）が挙げられ、これを組み合わせて多段階で濃縮処理することもできる。濃縮手段によって生物処理水よりも溶質濃度が高められた濃縮水が得られ、その結果、生物処理水に含まれていた生物難分解性物質（特に溶解性の生物難分解性物質）を後段の酸化処理工程で効率的に分解することができる。あるいは、酸化処理工程の前段に、濃縮水を電気分解して電気分解水を得る工程（電解工程）を設ける場合は、電解工程において、生物処理水の溶質を効率的に電気分解できるようになる。

なお濃縮工程では、濃縮水を得る際に水が分離され、この際、溶質濃度が低減された分離水が得られる。分離水は、濃縮手段の種類や操作条件にもよるが、高純度の水として得ることもできる。分離水は系外に排出され、系外に排出した分離水は環境中に放流してもよく、あるいは他用途（例えば、プロセス用水等）に再利用してもよい。

濃縮手段は、半透膜を備えたものであることが好ましく、半透膜によって生物処理水を濃縮するものであることが好ましい。例えば、半透膜を備えた濃縮手段が、逆浸透膜装置、正浸透膜装置、またはナノろ過膜装置である場合、濃縮手段は、半透膜を備え、当該半透膜を挟んで生物処理水が導入される一次側とその反対側の二次側を有し、一次側に導入された生物処理水中の水が二次側に浸透することで一次側の生物処理水の溶質濃度が高められるものであることが好ましい。半透膜は、少なくとも水分子が透過し、一定の大きさ以上の分子やイオンが透過しない膜であれば特に限定されず、公知の半透膜を用いることができる。半透膜の構成材料や半透膜の形状等は特に限定されない。半透膜の構成材料としては、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリスルホン等が挙げられ、半透膜の形状としては、中空糸膜、スパイラル膜、チューブラ膜等が挙げられる。濃縮手段として逆浸透膜装置やナノろ過膜装置等の半透膜を備えた装置を用いれば、比較的少ないエネルギーで濃縮水を得ることができる。

半透膜を備えた濃縮手段として逆浸透膜装置やナノろ過膜装置を用いる場合は、半透膜の一次側に生物処理水が存在し、二次側に透過水が存在するようにし、一次側を加圧することにより、一次側から二次側に水を浸透させ、一次側の生物処理水を濃縮することができる。なお、濃縮手段として逆浸透膜装置やナノろ過膜装置を用いる場合は、生物処理水に汚泥等の固形分が含まれると、装置の詰まりが発生して、安定して処理することが困難となるおそれがある。従って、生物反応槽の槽内水や生物処理水を膜分離装置により固液分離して得られた膜ろ過水を、逆浸透膜装置やナノろ過膜装置の一次側に導入することが好ましい。

半透膜を備えた濃縮手段として正浸透膜装置を用いる場合は、半透膜の一次側に生物処理水が存在し、二次側に生物処理水よりも高浸透圧の高張溶液が存在するようにし、生物処理水と高張溶液の浸透圧差を利用して一次側から二次側に水を浸透させ、一次側の生物処理水を濃縮することができる。高張溶液は、溶質が溶解した水溶液であり、生物処理水よりも高い浸透圧を示すものであれば、特に限定されない。等温条件では、高張溶液が生物処理水よりも高浸透圧であることは、高張溶液が生物処理水よりも高い溶質濃度（モル濃度）を有することを意味する。高張溶液としては、例えば、塩類、糖類、水溶性高分子等の水溶液や、海水や塩湖水等のかん水等を用いることができる。なお、正浸透膜装置を用いる場合、半透膜の一次側から二次側に水が浸透することにより高張溶液が希釈されるが、水で希釈された高張溶液を逆浸透処理により濃縮して溶質濃度を高めて、再び正浸透膜装置の二次側に供給してもよい。正浸透膜装置により処理する場合は、処理対象水に含まれる固形分の濃度や大きさに対する許容範囲が広く、汚泥等の固形分が含まれる生物処理水を処理しても装置の詰まりが起こりにくい。従って、正浸透膜装置を生物反応槽に浸漬設置して、生物反応槽の槽内水（生物処理水）を濃縮してもよい。あるいは、生物反応槽に連通して濃縮槽を設け、濃縮槽に導入された生物処理水に正浸透膜装置を浸漬設置して、生物処理水を濃縮して濃縮水を得てもよい。

半透膜を備えた濃縮手段として電気透析装置を用いる場合は、陽極と陰極の間に陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を交互に並べて形成した小部屋に生物処理水を流通させ、電極に電圧を印加することで生物処理水中のイオンを移動させて濃縮水を得ることができる。

濃縮手段として凍結濃縮装置を用いる場合は、生物処理水中の水と溶質との凝固点の差を利用して、氷結晶を析出させて分離することにより、生物処理水の溶質濃度を高めることができる。特に、生物処理水を凍結濃縮装置の被処理液流路に一定方向に流し、当該流路の壁面を冷却して被処理液流路の壁面に氷結晶を順次形成し成長させることで生物処理水を濃縮することができる界面前進凍結濃縮装置が好適に利用される。

濃縮工程で得られた濃縮水は酸化処理工程に供され、濃縮水を酸化処理することにより酸化分解水が得られる。酸化処理は酸化手段によって行われ、濃縮水が移送路を通じて酸化手段に移送される。濃縮水の移送路は濃縮水が移送されるものであればよく、例えば、濃縮手段に連通して設けられたり、濃縮手段が浸漬設置された水槽（例えば、生物反応槽や濃縮槽）に連通して設けられる。酸化手段は、濃縮水の移送路に連通して設けられている。濃縮水を酸化処理することにより、濃縮水に含まれる生物難分解性物質を分解して生物易分解性物質に変換することができる。すなわち、酸化処理工程では、濃縮水に含まれる生物難分解性のＣＯＤをＢＯＤに変換することができる。そして、ＢＯＤ化された酸化分解水を再び生物反応槽に返送して生物処理を行うことにより、高度にＣＯＤとＢＯＤが除去された処理水が得られる。

酸化手段は、濃縮水の溶質を酸化できるものであれば特に限定されず、紫外線照射、酸化剤（例えば、オゾン、塩素系酸化剤、過酸化水素等）添加、超臨界処理、亜臨界処理、湿式酸化等が挙げられる。また、紫外線照射とオゾンや過酸化水素等の酸化剤添加とを組み合わせた促進酸化処理や、過酸化水素と鉄触媒とを組み合わせたフェントン酸化処理等を採用してもよい。

酸化剤添加による酸化処理は、濃縮水を、酸化剤の共存下で酸化触媒と接触させる方法であってもよい。この場合、酸化手段として、酸化剤供給手段（例えば、酸化剤貯留槽とポンプの組み合わせ）と、酸化触媒を備えた触媒反応器が設けられることとなる。酸化触媒を用いて酸化処理を行うことにより、濃縮水を効率的に酸化処理することができる。

触媒による酸化処理は、常温常圧近辺（例えば、温度は０℃〜８０℃の範囲、圧力は５０ｋＰａ〜１５０ｋＰａ（絶対圧）の範囲）で反応させる方法であってもよいし、高温高圧（例えば、温度は８０℃〜３７０℃の範囲、圧力は濃縮水が液相を保持する領域）で反応させる触媒湿式酸化法であってもよい。また酸化処理を効率的に行う点から、酸化触媒は触媒反応器に充填されて層形成していることが好ましい。酸化触媒は公知の酸化触媒を用いればよいが、例えば、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ニッケル、タングステン、銅、銀、金、白金、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、珪素、スズ、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、チタン等の金属やその酸化物あるいはそれらの合金、複合酸化物からなる触媒を用いることができる。触媒の形状は、ペレット状、粒状、粉末状、リング状、ハニカム状に形成されたものがよく、またこれらを多孔質セラミックス、活性炭、ゼオライト等の担体に保持させてもよい。

塩素系酸化剤としては、次亜塩素酸塩、亜塩素酸、塩素酸、二酸化塩素等が挙げられる。塩素系酸化物は水処理において多用されており、扱いが容易である。

酸化剤は、濃縮水を電気分解することにより発生させてもよい。この場合、本発明の水処理方法は、濃縮水を電気分解して電気分解水を得る工程をさらに有し、酸化処理工程で電気分解水を酸化処理することにより酸化分解水を得ることとなる。濃縮水を電気分解するには電解装置を設ければよい。この場合、電解装置は、酸化剤供給手段と見なすことができる。電解装置は、濃縮水の移送路に設ければよく、酸化手段は電解装置の下流側（後段）に設けられることとなる。

例えば、濃縮水に塩化物イオンが含まれる場合は、濃縮水を電気分解することにより、酸化剤として次亜塩素酸を含む電気分解水が得られる。また、濃縮水にマンガン酸が含まれる場合は、電気分解により、酸化剤として過マンガン酸を含む電気分解水が得られる。塩化物イオンは河川水に普通に含まれ、マンガンは地下水に含まれるため、濃縮水を電気分解することにより酸化剤を生成することができる。そして、電気分解により生成した酸化剤は、濃縮水に含まれる生物難分解性物質の分解に消費される。本発明の水処理方法では、溶質が処理系内を循環（すなわち、前処理槽、生物反応槽、濃縮手段、酸化手段の間を循環）しているため、濃縮水を電気分解して酸化剤を生成させることにより、溶質濃度の上昇を抑えることができる。

酸化処理工程で得られた酸化分解水は、前処理槽に返送して被処理水と接触させる（返送工程）。すなわち、酸化手段に連通して、酸化分解水を前処理槽に移送する返送路が設けられている。酸化分解水には、酸化処理工程で加えられた、あるいは生成した酸化物に由来する酸化性物質が残留し、酸化分解水を前処理槽に返送して被処理水と接触させることにより、酸化性物質が被処理水と反応して、被処理水に含まれる生物難分解性物質が酸化分解して生物易分解性物質に変換することができる。このように変換された生物易分解性物質は、引き続く生物処理工程において生物処理され、得られる生物処理水のＣＯＤ濃度を下げることができる。また、酸化分解水を直接生物反応槽に返送しないことにより、生物反応槽中の微生物が酸化性物質によって一部が死滅したりすることが避けられる。そのため、酸化処理工程において、多少過酷な条件で酸化処理を行うことにより、濃縮水に含まれる生物難分解性物質の分解率を高めることが可能となる。

酸化分解水に残留する酸化性物質としては、酸化処理工程で使用した酸化剤の他に、次亜塩素酸や過マンガン酸等が挙げられるが、次亜塩素酸や過マンガン酸は、上記に説明したように電気分解によって生成し得るし、当然のことながら、次亜塩素酸塩や過マンガン酸塩を酸化剤として添加することによっても酸化分解水に残留し得る。また過マンガン酸は、マンガンがオゾンと反応することによって生成し得るし、過酸化水素添加と紫外線照射の組み合わせによっても生成し得る。

前処理槽では、被処理水（被処理水には酸化分解水が加わっている）にマイクロバブルを供給することが好ましい。すなわち、前処理槽にはマイクロバブル発生装置が備えられていることが好ましい。この際、マイクロバブル発生装置からは、空気等の酸素含有ガスを供給すればよい。

マイクロバブル発生装置は公知の装置を用いればよい。マイクロバブルを発生させる方法としては、水流や機械撹拌により渦流を発生させ、発生した渦流を利用して気泡を細分化する気液二相流旋回方式や、加圧状態でガスを被処理水に溶解させた後に減圧することにより、被処理水に溶解したガスをマイクロバブルとして再気化させる加圧溶解方式の、大きく２つの方法が知られており、いずれの方式を採用してもよい。

マイクロバブルは通常の気泡と比べて気泡径が小さく、一般に発生時の気泡直径が１μｍ以上１００μｍ以下であるとされている。そのため、被処理水に供給されたマイクロバブルは通常の気泡と比べて上昇速度が遅く、逆に、被処理水中のマイクロバブルは自然溶解によって縮小し、やがて消滅（圧壊）する。マイクロバブルは消滅時にヒドロキシラジカル等のフリーラジカルを発生することが知られており、このフリーラジカルを利用して被処理水に含まれる生物難分解性物質を分解することができる。この際、酸化性物質は、フリーラジカルと協働して促進酸化反応を起こしたり、あるいはフリーラジカルによって不活性化され、結果的に酸化性物質の消費が促進されることとなる。つまり、酸化性物質を含む被処理水にマイクロバブルを供給することにより、被処理水の分解が促進されたり、酸化分解水に含まれていた酸化性物質の消費が促進されることとなる。その結果、後段の生物処理工程で、生物処理性能の向上が見込まれ、あるいは生物処理が好適に行われるようになる。

次に、本発明の水処理方法と水処理システムの構成例について、図面を参照して説明する。なお、本発明は、図面に示した実施態様に限定されるものではない。

図２には、本発明の水処理システムの第１実施態様を示した。図２に示した水処理システムは、被処理水１が導入される前処理槽１１と、前処理槽１１から流出する前処理水２の移送路１６と、前処理水２の移送路１６に連通する生物反応槽２１と、生物反応槽２１から流出する生物処理水３が導入され、生物処理水３の溶質濃度を高めて濃縮水６を得る濃縮手段３１と、濃縮水６を酸化処理して酸化分解水７を得る酸化手段５１，５２と、酸化分解水７を前処理槽１１に移送する返送路５４とを有する。図２に示した水処理システムでは、濃縮手段３１として逆浸透膜装置が設けられ、酸化手段５１，５２として、酸化剤供給手段５２と、酸化触媒を備えた触媒反応器５１が設けられている。また、生物反応槽２１と濃縮手段３１とに連通して調整槽２５が設けられ、さらに、濃縮水６の移送路３２にも調整槽３３が設けられている。

被処理水１はまず前処理槽１１に導入され、次いで、前処理槽１１から流出した前処理水２が生物反応槽２１に導入される。生物反応槽２１は散気装置２２を備えた好気槽２１ａを有し、生物反応槽２１で前処理水２が生物処理されて生物処理水３が得られる。生物処理水３は生物反応槽２１から越流して調整槽２５に導入され、調整槽２５に導入された生物処理水３は、一部が処理水４として系外に排出され、他部が逆浸透膜装置３１に供給される。逆浸透膜装置３１は半透膜を挟んで一次側と二次側を有し、生物処理水３は逆浸透膜装置３１の一次側に導入され、一次側を加圧することにより、生物処理水３に含まれる水が半透膜の一次側から二次側に浸透し、濃縮水６が得られる。一方、逆浸透膜装置３１の二次側からは高度に浄化された分離水５が得られる。逆浸透膜装置３１の一次側から流出した濃縮水６は、移送路３２を通って移送され、触媒反応器５１に導入される。触媒反応器５１には酸化剤供給手段５２により酸化剤（例えば、次亜塩素酸や過酸化水素）が供給され、酸化触媒の存在下で濃縮水６と接触させることにより、濃縮水６中のＣＯＤが分解されてＢＯＤ化され、酸化分解水７が得られる。酸化分解水７は、返送路５４を通じて前処理槽１１に返送され、被処理水１と接触させる。これにより、酸化分解水７に残留していた酸化性物質が被処理水１によって消費され、生物反応槽２１での生物処理への悪影響が抑えられる。また被処理水１の一部が酸化分解水７に残留していた酸化性物質によって酸化分解されることで、生物反応槽２１から流出する生物処理水３のＣＯＤ濃度の低減も期待できる。なお、第１実施態様では、逆浸透膜装置３１の替わりにナノろ過膜装置を使用してもよい。

図３には、本発明の水処理システムの第２実施態様を示した。第２実施態様の水処理システムは、前処理槽にマイクロバブル発生装置を設けている点と、生物反応槽を嫌気槽と好気槽とで構成し、好気槽に膜分離装置を設けている点で、第１実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第１実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図３に示した水処理システムは、前処理槽１１にマイクロバブル発生装置１２が設けられている。マイクロバブル発生装置１２は前処理槽１１内に浸漬して設けられ、空気導入管１５がマイクロバブル発生装置１２に接続しているとともに、ポンプ１４が備えられた循環流路１３が前処理槽１１とマイクロバブル発生装置１２とに連通して設けられている。循環流路１３を通じて前処理槽１１の槽内水がマイクロバブル発生装置１２に供給されることにより、空気導入管１５から空気がマイクロバブル発生装置１２に導入され、その結果、空気がマイクロバブル発生装置１２内で剪断されて微細化し、前処理槽１１内の槽内水に空気のマイクロバブルが供給される。

図３に示した水処理システムでは、前処理槽１１に被処理水１とともに酸化分解水７が導入され、ここにマイクロバブルが供給されることにより、被処理水１の分解が促進されたり、酸化分解水７に含まれていた酸化性物質の消費が促進され、その結果、生物反応槽２１において生物処理性能の向上が見込まれ、あるいは生物処理が好適に行われるようになる。

図３に示した水処理システムは、生物反応槽２１が嫌気槽２１ｂと好気槽２１ａとで構成されている。前処理槽１１から流出した前処理水２は、生物反応槽２１の嫌気槽２１ｂにまず導入され、その後好気槽２１ａに導入され、好気槽２１ａの槽内汚泥が嫌気槽２１ｂに返送されている。このように生物反応槽２１の汚泥（微生物）を好気槽２１ａと嫌気槽２１ｂとの間を循環させることにより、リン蓄積菌の増殖環境が整えられ、前処理水２中のリンがリン蓄積菌によって高度に除去されるようになる。この際、リン蓄積菌は嫌気槽２１ｂで前処理水２中のＢＯＤを取り込んで増殖するため、前処理槽１１で被処理水１が酸化分解水７と接触してＢＯＤ化されることにより、このＢＯＤが生物反応槽２１でのリン除去のために有効に利用されるようになる。

なお、リン蓄積菌によって生物反応槽２１でリン除去を行う場合、図３に示すように前処理槽１１で被処理水１にマイクロバブルを供給したり、曝気をすることにより、生物反応槽２１でのリン蓄積菌の働きを高く維持することが可能となる。この場合、前処理槽１１で生物学的に被処理水１中の低級脂肪酸が分解され、その結果、生物反応槽２１でリン蓄積菌のリン摂取能力を高く維持することができるようになる。

図３に示した水処理システムはまた、生物反応槽２１に膜分離装置２３が設けられている。図３では、膜分離装置２３が槽内水に浸漬設置されている。膜分離装置２３はろ液取出側をポンプで吸引することにより膜ろ過水を生物処理水３として得ることができ、膜分離装置２３からの膜ろ過水が濃縮手段（逆浸透膜装置）３１に導入されている。このように生物反応槽２１の槽内水を膜分離装置２３により固液分離して生物処理水３を得ることにより、高度に固形分濃度が低減された生物処理水３を得ることができる。また、生物処理水３の固形分濃度が低減することにより、濃縮手段（逆浸透膜装置）３１での濃縮や酸化手段（触媒反応器）５１での酸化処理を好適に行いやすくなる。

膜分離装置２３を槽内水に浸漬設置する場合、膜分離装置２３は好気槽２１ａに設けることが好ましい。この際、膜分離装置２３の下方に散気装置２２を設置することで、膜表面がクロスフロー洗浄され、膜分離処理を好適に行いやすくなる。

図４には、本発明の水処理システムの第３実施態様を示した。第３実施態様の水処理システムは、生物反応槽を好気槽から構成している点と、濃縮水の移送路に電解装置を設けている点で、第２実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第２実施態様に関する説明と重複する部分の説明と生物反応槽に係る説明を省く。

図４に示した水処理システムでは、濃縮水６の移送路３２に電解装置５３が設けられている。濃縮水６を電解装置５３で電気分解することにより酸化剤を生成することができ、このように生成した酸化剤は、酸化手段（触媒反応器）５１で使用される酸化剤を代用することができる。図４では、触媒反応器５１に接続して酸化剤供給手段５２が設けられているが、図４に示した水処理システムでは酸化剤供給手段５２は必ずしも設けられなくてもよい。

図５には、本発明の水処理システムの第４実施態様を示した。第４実施態様の水処理システムは、前処理槽にマイクロバブル発生装置を設けている点と、生物反応槽に連通して濃縮槽を設け、濃縮槽に濃縮手段と固液分離装置を設け、固液分離装置からの膜ろ過水を酸化手段に供給している点で、第１実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第１実施態様に関する説明と重複する部分の説明とマイクロバブル発生装置に係る説明を省く。

図５に示した水処理システムでは、生物反応槽２１に連通して濃縮槽４１が設けられ、生物反応槽２１から流出した生物処理水３が濃縮槽４１に導入されている。濃縮槽４１には濃縮手段４３が浸漬設置されるとともに、膜分離装置５０が浸漬設置されており、膜分離装置５０からの膜ろ過水が濃縮水６として得られる。

図５に示した水処理システムでは、濃縮手段４３として正浸透膜装置が設けられている。濃縮槽４１には、正浸透膜装置４３と膜分離装置５０の下方に散気装置４２が設けられ、それぞれの膜表面が散気装置４２によってクロスフロー洗浄されるようになっている。正浸透膜装置４３は、半透膜を挟んで一次側と二次側を有し、生物処理水３は正浸透膜装置４３の一次側に導入され、二次側には生物処理水３よりも高浸透圧の高張溶液４９が導入される。正浸透膜装置４３では、生物処理水３と高張溶液４９の浸透圧差を利用して一次側から二次側に水を浸透させることにより生物処理水３が濃縮され、このように濃縮された生物処理水３を膜分離装置５０で固液分離することにより、濃縮水６が得られる。濃縮水６は移送路３２を通って、酸化手段（触媒反応器）５１に導入される。また、濃縮水６の一部は処理水４として系外に排出されてもよい。

図５に示した水処理システムでは、高張溶液４９を循環利用し、高張溶液４９から分離水５を取り出すために、逆浸透膜装置４４がさらに設けられている。逆浸透膜装置４４は半透膜を挟んで一次側と二次側を有し、正浸透膜装置４３の半透膜の二次側流出部と逆浸透膜装置４４の半透膜の一次側流入部とに連通して第１流路４５が設けられ、逆浸透膜装置４４の半透膜の一次側流出部と正浸透膜装置４３の半透膜の二次側流入部とに連通して第２流路４６が設けられている。正浸透膜装置４３の二次側から流出した高張溶液４９は、第１流路４５を通って、逆浸透膜装置４４の一次側に移送される。逆浸透膜装置４４では、高張溶液４９が半透膜の一次側に存在することとなり、一方、半透膜の二次側には、高張溶液４９よりも低浸透圧の分離水５が存在している。逆浸透膜装置４４では、半透膜の一次側を加圧することにより、高張溶液４９中の水を半透膜の一次側から二次側に浸透させて分離水５を得る。その結果、高張溶液４９は逆浸透膜装置４４で水が除去されて、溶質濃度が高められる。溶質濃度が高められ、逆浸透膜装置４４の半透膜の一次側から流出した高張溶液４９は、第２流路４６を通って、正浸透膜装置４３の半透膜の二次側に移送される。つまり、正浸透膜装置４３では生物処理水３の水が浸透して高張溶液４９が希釈されるが、正浸透膜装置４３から流出した高張溶液４９は逆浸透膜装置４４に導入されることにより溶質濃度が高められ、溶質濃度が高められた高張溶液４９が逆浸透膜装置４４から正浸透膜装置４３に返送されることとなる。

なお、第１流路４５には調整槽４７が設けられ、第２流路４６には調整槽４８が設けられることが好ましい。このように調整槽４７，４８を設けることにより、正浸透膜処理と逆浸透膜処理が互いに独立することなり、各処理を安定して行えるようになる。また、調整槽４８には、正浸透膜装置４３に返送する高張溶液４９の溶質濃度を調整するために、溶質添加手段が備えられていることが好ましい。

図５に示した水処理システムでは、高張溶液４９を正浸透膜装置４３と逆浸透膜装置４４との間を循環させることにより、正浸透膜装置４３に供給する高張溶液４９の溶質濃度を所望程度に高く維持して、正浸透処理を安定して行うことができるようになる。また、高張溶液４９は、基本的に正浸透膜装置４３と逆浸透膜装置４４の間の閉じた系を循環しているため、不純物等の混入が防止され、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）や活性炭等による前処理を行うことなく逆浸透処理を比較的簡便に行うことが可能となる。

図６には、本発明の水処理システムの第５実施態様を示した。第５実施態様の水処理システムは、濃縮手段を生物反応槽に設け、固液分離装置からの膜ろ過水を酸化手段に直接供給している点で、第３実施態様の水処理システムとは異なる。なお下記の説明で、第３実施態様に関する説明と重複する部分の説明を省く。

図６に示した水処理システムでは、生物反応槽２１に膜分離装置２３が浸漬設置されるとともに、濃縮手段４３が浸漬設置されており、膜分離装置２３からの膜ろ過水が濃縮水６として得られる。生物反応槽２１に導入された前処理水２は、生物反応槽２１で生物処理されることにより生物処理水３が得られ、生物処理水３は濃縮手段４３で濃縮されて膜分離装置２３で固液分離されることにより、濃縮水６が得られる。図６に示した水処理システムでは、濃縮手段４３として正浸透膜装置が設けられている。正浸透膜装置およびその付帯設備については、上記の説明と同じである。濃縮水６は移送路３２を通って、酸化手段（触媒反応器）５１に導入される。また、濃縮水６の一部は処理水４として系外に排出されてもよい。図６に示した水処理システムでは、コンパクトなシステム構築が可能となる。

本発明は、製鉄、鉄鋼、非鉄金属、機械、金属加工、めっき、塗装、セメント、石油等の工場からの排水；食品工場や製紙工場等からの排水；埋立浸出水；下水；し尿；畜産糞尿；厨房排水等の処理に用いることができる。

１： 被処理水
２： 前処理水
３： 生物処理水
５： 分離水
６： 濃縮水
７： 酸化分解水
１１： 前処理槽
１２： マイクロバブル発生装置
２１： 生物反応槽
２３，５０： 膜分離装置
３１： 濃縮手段（逆浸透膜装置）
４１： 濃縮槽
４３： 濃縮手段（正浸透膜装置）
５１： 酸化手段（触媒反応器）
５２： 酸化手段（酸化剤供給手段）
５３： 電解装置
５４： 返送路

Claims (12)

1. 被処理水を前処理槽に導入する工程と、
   前記前処理槽から流出した前処理水を生物反応槽に導入して生物処理水を得る工程と、
   前記生物処理水を濃縮手段によって濃縮し、濃縮水を得る工程と、
   前記濃縮水を酸化処理して酸化分解水を得る工程と、
   前記酸化分解水を前記前処理槽に返送して前記被処理水と接触させる工程とを有することを特徴とする水処理方法。
2. 前記前処理槽で、被処理水にマイクロバブルを供給する請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記濃縮手段は半透膜を備えたものである請求項１または２に記載の水処理方法。
4. 前記生物反応槽の槽内水を膜分離装置により固液分離して前記生物処理水を得る請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理方法。
5. 前記濃縮水を電気分解して電気分解水を得る工程をさらに有し、
   前記電気分解水を酸化処理して前記酸化分解水を得る請求項１〜４のいずれか一項に記載の水処理方法。
6. 前記濃縮水を、酸化剤の共存下で酸化触媒と接触させることにより酸化処理し、前記酸化分解水を得る請求項１〜５のいずれか一項に記載の水処理方法。
7. 被処理水が導入される前処理槽と、
   前記前処理槽から流出する前処理水の移送路と、
   前記前処理水の移送路に連通する生物反応槽と、
   前記生物反応槽から流出する生物処理水が導入され、当該生物処理水の溶質濃度を高めて濃縮水を得る濃縮手段と、
   前記濃縮水を酸化処理して酸化分解水を得る酸化手段とを有し、
   前記酸化分解水を前記前処理槽に移送する返送路が設けられていることを特徴とする水処理システム。
8. 前記前処理槽には、被処理水にマイクロバブルを供給するマイクロバブル発生装置が備えられている請求項７に記載の水処理システム。
9. 前記濃縮手段は半透膜を備えたものである請求項７または８に記載の水処理システム。
10. 前記生物反応槽には膜分離装置が設けられ、膜分離装置からの膜ろ過水が前記濃縮手段に導入される請求項７〜９のいずれか一項に記載の水処理システム。
11. 前記濃縮水の移送路に、前記濃縮水を電気分解する電解装置が設けられている請求項７〜１０のいずれか一項に記載の水処理システム。
12. 前記酸化手段として、酸化剤供給手段と、酸化触媒を備えた触媒反応器が設けられている請求項７〜１１のいずれか一項に記載の水処理システム。

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