JP3646905B2

JP3646905B2 - 光触媒による水の浄化方法

Info

Publication number: JP3646905B2
Application number: JP1415497A
Authority: JP
Inventors: 克之片岡
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH10202254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末状光触媒、光および微生物を用いて水を高度に浄化する方法に関するものであり、特に、光反応工程にある粉末状光触媒を効果的に固液分離し、これを前記光反応工程に循環して再利用し、かつ微生物と光酸化の相乗効果により、水を高度に、かつ効率よく浄化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、粉末状光触媒による水処理方法が、実験室レベルで検討されてはいるものの、以下に記載する諸問題があり、実用化には至っていない。
▲１▼光触媒反応は、触媒粒子の表面にのみにおける光化学反応であるため、表面積の大きい粉末状の光触媒を用いる方法が、光触媒を各種担体に固定化する方法、あるいは顆粒状の光触媒を利用する方法より反応速度が著しく速く有利である。
しかし、「ゾルゲル法による２酸化チタン薄膜を用いた水中のトリクロロエチレンの光触媒分解」と題する最近の文献（水環境学会誌、第１７巻第５号、３２４〜３２９頁）によると「粉末光触媒を回収できず、実用化が困難である」旨の記載があること。
【０００３】
▲２▼粉末状光触媒は、ＵＦ膜、ＭＦ膜により膜分離できるが、膜分離のポンプ動力コストが高く、処理水量が多い場合には実用性がなく、また、膜モジュールのコストも高く、廃水処理に膜分離を利用する光触媒法は実用的でないこと。
▲３▼水中の有機汚染物質を光触媒だけで酸化分解しようとすると、多量の光量を要するため、紫外線ランプ等の光源に要する電力消費が大きくなり、コスト高になり過ぎること。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、光触媒反応を応用して水処理を行なう場合に、表面積の大きな粉末状の光触媒を利用する方法が、反応速度が著しく高く有利であることが知られながら、粉末状の光触媒の回収利用が困難か、若しくは出来た場合でも運転コストが高く、実用性に欠け、また、光触媒のみで有機汚染物質を酸化分解しようとすれば電力コストが大きくなり過ぎること等の不都合を解決して、粉末状の光触媒を膜を用いることなく容易に分離回収でき、分離した光触媒を永続的に再利用でき、光源に要するコストも大きく削減できる光触媒反応を応用した水処理方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、粉末状光触媒の合理的な回収手段を見出し、これを処理工程に循環し、永続的に再利用することにより上記課題を達成できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の構成よりなる。
（１）粉末状光触媒と水酸化鉄微粒子または水酸化アルミニウム微粒子の共存する光反応工程において原水を光照射処理した後、固液分離し、分離汚泥を前記光反応工程に循環し、分離水を生物膜により好気的条件下で生物処理することを特徴とする光触媒による水の浄化方法。
【０００６】
（２）粉末状光触媒と水酸化鉄微粒子または水酸化アルミニウム微粒子の共存する光反応工程において原水を光照射処理した後、生物膜により好気的条件下で生物処理し、生物処理水の一部を光反応工程に循環し、残余の生物処理水を凝集分離し、分離汚泥を光反応工程に循環することを特徴とする光触媒による水の浄化方法。
（３）粉末状光触媒と水酸化鉄または水酸化アルミニウムとの混合スラリに高分子凝集剤を添加して固液分離することを特徴とする前記（１）または（２）記載の光触媒による水の浄化方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の構成例を、また図２に本発明の他の構成例を示し、本発明の構成、作用を詳細に説明する。
図１は、光反応工程１、固液分離工程２、生物膜処理工程３の順になる処理系を示し、光反応工程１内には粉末状光触媒（例えば、酸化チタン、酸化亜鉛等）と、水酸化鉄または水酸化アルミニウムの好ましくは微粒子とが共存し、供給した原水と共に撹拌しながら図示しない光を照射する。
撹拌は、特に制限されないが、空気曝気による場合には酸素の供給と撹拌が同時になされるのでより好ましく、光の照射は、光反応工程１に図示しない紫外線ランプを設置するか、太陽光によるか何れの手段も用いることができ、何れにしても光が均一に照射されるように設定する。
【０００８】
光触媒微粒子の懸濁濃度範囲は、５００〜１０，０００ｍｇ／リットル、好ましくは、２，０００〜６，０００ｍｇ／リットルであり、水酸化鉄または水酸化アルミニウムの微粒子の懸濁濃度範囲は、光触媒微粒子の懸濁濃度範囲と同程度でよく、また、水酸化鉄は弱い光触媒作用を示すので、より好ましい。
光反応工程１に水酸化鉄または水酸化アルミニウムの微粒子を共存させる方法としては、運転開始当初において、原水に塩化鉄、ポリ硫酸鉄、硫酸アルミニウム等の無機凝集剤を添加し、水酸化鉄または水酸化アルミニウムのフロック状微粒子を生成させる方法が簡単で、好適である。なお、所定量のフロック状微粒子が生成した後は、無機凝集剤の添加を停止することができる。
【０００９】
上記のように、水酸化鉄または水酸化アルミニウムのフロックと光触媒微粒子を共存させると、光触媒微粒子は単独粒子としては存在できず、水酸化鉄または水酸化アルミニウムのフロックに吸着した複合粒子となって、懸濁状で流動するが、このような複合粒子の形態になっても光触媒としての効果は何ら変わるところがない。
光反応工程１に供給した原水１１中に含まれる種々の有機物、例えばフミン系統のＣＯＤ、農薬、有機塩素化合物等による難生物分解性有機物は、所定の時間滞留する過程で、上記複合粒子形態の光触媒の存在下における光化学酸化反応による酸化で、易生物分解性有機物に変換され、その際に有機物の一部は炭酸ガス、水に酸化分解される。
【００１０】
光反応工程１で、光酸化により変換された易生物分解性有機物を含むスラリ状の光反応工程処理液１２に高分子凝集剤２１を添加して撹拌し、固液分離工程２に移行すると、撹拌によりスラリを構成した微粒子は速やかに粒径の大きなフロックに成長しているので、急速な固液分離が生じ、フロックを含まない清澄処理水が得られる。高分子凝集剤２１としては、アニオン系、ノニオン系および両性系いずれの系のものでも適用でき、具体例としては、エバグロースＡ１５３（アニオン）、エバグロースＮ８００（ノニオン）、エバグロースＢ３００（両性）（荏原製作所（株））等が挙げられる。
【００１１】
なお、光触媒粒子単独に、上記各系の高分子凝集剤２１を添加しても効果的なフロック形成は起こらず、分散状態の光触媒粒子が大量に残留し、清澄な処理水は得られない。即ち、酸化チタン等の粉末状光触媒を効果的にフロック形成させるための条件として、水酸化鉄または水酸化アルミニウムのフロックの共存が不可欠であり、この理由として、水酸化鉄または水酸化アルミニウムのフロックの界面に、高分子凝集剤との架橋反応を起こす表面水酸基が多量に存在するのに対し、光触媒粒子は結晶性であるため、表面水酸基が少なく、高分子凝集剤との架橋反応が起き難いためではないかと考えられる。
【００１２】
固液分離工程２で得られた固液分離工程処理水１３は、次いで生物膜処理工程３に移行し、光反応工程１で変換した易生物分解性有機物を、空気の吹き込みによる好気的条件下において、生物膜で処理して生物学的に分解除去する。生物膜処理工程３に利用できる生物膜処理としては、生物濾過、流動媒体生物処理およびハニカム接触材生物処理等が挙げられる。なお、好気的生物膜による処理以外の生物処理、例えば活性汚泥処理は、活性汚泥粒子が光酸化工程に流入してしまい、液側のＣＯＤ除去効果を著しく阻害するので採用できない。
【００１３】
上記の生物膜処理により得られる生物処理水１４をそのまま処理水１６とすることなく、光反応工程１に循環させることによりＣＯＤ除去効果を向上させることが好ましい。この理由として、易生物分解性有機物を生物処理工程にて分解したあとの未分解難生物分解性有機物に、より多くの、光触媒による光酸化反応を作用させることが可能になるためと考えられる。一方、生物処理水１４を光反応工程１に循環しない場合には、光酸化により変換され、微生物学的に容易に分解除去できる易生物分解性有機物に対してもなお光反応が及ぶことから、無駄な光化学反応が多くなり、不必要に光エネルギ−を消費することになるので好ましくない。
【００１４】
固液分離工程２において沈降した光触媒粒子を含む固液分離汚泥１５は、返送光触媒として光反応工程１に返送して再利用する。複合粒子に吸着した高分子凝集剤２１は、光触媒による強力な酸化反応により、高分子の鎖が切断され、更に酸化される結果、光触媒複合粒子の界面が更新され、再び流出スラリに新たな高分子凝集剤が添加されると、フロック形成が効果的に進むことになる。
固液分離工程２から光反応工程１に返送される光触媒粒子を含む固液分離汚泥１５と、生物膜処理工程３から光反応工程１に循環される生物処理水１４のそれぞれが安定した性状になり、系が平衡状態になった時点において、生物処理水１４の一部を処理水１６として系外に引き出すことが好ましい。
【００１５】
図２は本発明の他の構成例を示し、各工程の流れを光反応工程１、生物膜処理工程３、固液分離工程２の順に組み替えた構成のものであり、光反応工程１の処理水１２を、ＳＳによる閉鎖が起きない流動媒体または固定生物接触材を備える生物膜処理工程３に供給して、光反応工程１において生成した易生物分解性有機物を、空気２２吹き込みによる好気的条件下において生物学的に分解除去し、生物処理水１４（光触媒粒子を含む）の一部を光反応工程１に循環し、残余の処理水１４に高分子凝集剤２１を添加して固液分離工程２に供給し、光触媒複合粒子を固液分離して、光触媒複合粒子を含む固液分離汚泥１５を光反応工程１に返送し、分離した清澄水を処理水１６として系外に引き出す。なお、高分子凝集剤２１の添加を光反応工程１の処理水１２に行なっても処理効果には変わりはない。
本発明は上記の如く、固液分離工程２において沈降した固液分離汚泥１５と生物膜処理工程３の生物処理水１４の一部を共に光反応工程１に循環して、残留する光触媒を永続的に再利用することにより、効率のよい水処理が達成される。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例により制限されるものではない。
実施例１
し尿処理施設（し尿を無希釈で生物学的脱窒素処理した後、凝集分離する方式）の凝集沈殿処理水（ＳＳ１１ｍｇ／リットル、ＣＯＤ８７ｍｇ／リットル、色度１３０度）を図１の処理態様に準じ、以下の処理条件により本発明の効果を検証した。
設定項目および処理条件を表１にまとめる。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１に示す処理条件により、３ケ月間（日）連続処理試験を実施した結果、粉末光触媒は効果的に沈降分離でき、最終処理水の水質は安定してＳＳ４ｍｇ／リットル、ＣＯＤ１．４ｍｇ／リットル、色度ゼロの高度処理水が得られた。また、試験の実施中において、光触媒および水酸化鉄の補給は不要であった。
【００１９】
比較例１
実施例１において、生物膜処理工程を削除した以外は、供試水他の条件を実施例１と同一の処理条件として処理試験を実施した。
試験の結果、沈降分離槽処理水のＣＯＤが２０．８ｍｇ／リットルと著しく悪化した。
【００２０】
比較例２
実施例１において、水酸化鉄を共存させずに高分子凝集剤を添加し、その他の条件を実施例１と同様にして処理試験を実施した。
試験の結果、最終処理水のＳＳが５５０〜７６０ｍｇ／リットルに悪化し、光触媒を効果的に固液分離できなかった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、固液分離コストが高い膜分離法を用いることなく、粉末状光触媒を簡単に、かつ低コストで固液分離でき、分離した粉末状光触媒を光反応工程に循環することにより、永続的に再利用できるので、粉末状光触媒の補給を著しく軽減して効率のよい水処理が出来、その上、光触媒を無機凝集剤で凝集分離する方法と異なり、余剰な汚泥が発生しないので汚泥処理を不要とし、処理コストを軽減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す工程図。
【図２】本発明の他の実施例を示す工程図。
【符号の説明】
１光反応工程
２固液分離工程
３生物膜処理工程
１１原水
１２光反応工程処理水
１３固液分離工程処理水
１４生物膜処理工程処理水
１５固液分離汚泥
１６処理水
２１高分子凝集剤
２２空気

Claims

粉末状光触媒と水酸化鉄微粒子または水酸化アルミニウム微粒子の共存する光反応工程において原水を光照射処理した後、固液分離し、分離汚泥を前記光反応工程に循環し、分離水を生物膜により好気的条件下で生物処理することを特徴とする光触媒による水の浄化方法。
粉末状光触媒と水酸化鉄微粒子または水酸化アルミニウム微粒子の共存する光反応工程において原水を光照射処理した後、生物膜により好気的条件下で生物処理し、生物処理水の一部を光反応工程に循環し、残余の生物処理水を凝集分離し、分離汚泥を光反応工程に循環することを特徴とする光触媒による水の浄化方法。
粉末状光触媒と水酸化鉄または水酸化アルミニウムとの混合スラリに高分子凝集剤を添加して固液分離することを特徴とする請求項１または２記載の光触媒による水の浄化方法。