JP4208727B2 - 廃水処理設備 - Google Patents

Description

本発明は、工場等から排出される産業廃水等の廃水を処理する廃水処理設備に関し、詳しくは、水に対する相対揮発度の低い低揮発性物質を含有している廃水を減容処理する廃水処理設備に関する。

廃水の減容化を目的とした従来の廃水処理設備としては、図４に示すように、ケーシング１Ａ内に、廃水Ｗを加熱して蒸発させる蒸発手段２と、蒸発した廃水蒸気Ｗ２に同伴して蒸留廃水Ｗ６側に移行しようとする有機溶剤等の物質を含有する廃水Ｗの飛沫を捕捉する飛沫捕捉手段Ｍとを設けて構成されている蒸留装置１があった。

しかしながら、従来設備としての蒸留装置１を用いて水に対する相対揮発度の低い低揮発性物質を含有している廃水Ｗの減容処理を行うと、飛沫捕捉手段Ｍにより飛沫同伴による低揮発性物質の蒸留側への移行は回避できるが、蒸発した低揮発性物質の蒸留側への移行は回避することができず、そのため、低揮発性物質を含有する廃水Ｗの減容を進めると、減容側の廃水Ｗ中の低揮発性物質濃度が上昇し、それに連れて低揮発性物質の蒸発量（すなわち、低揮発性物質の蒸留側への移行量）が増大し、蒸留側における蒸留廃水Ｗ６の低揮発性物質濃度が上昇してしまうので、蒸留廃水Ｗ６をそのまま放流や再利用することができず、その結果、全体として廃水Ｗの効率的な減容処理が実質的にされていないこととなる。
要するに、従来設備では、水に対する相対揮発度の低い低揮発性物質を含有している廃水Ｗの減容処理を行っても、減容処理が進み蒸留廃水Ｗ６の低揮発性物質濃度が上昇すると、蒸留廃水Ｗ６をそのまま放流又は再利用することができないので、そのため、蒸留廃水Ｗ６の低揮発性物質を除去するために、蒸留廃水Ｗ６をフィルタ処理や別途蒸留処理を行う必要があり、非効率的であると共に、設備コスト及び運転コストが嵩み、また、省エネの面においても不利であった。
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、合理的な改良をもって上記問題を効果的に解消する点にある。

本発明の第１特徴構成は、廃水処理装置に係り、その特徴は、
水に対する相対揮発度の低い低揮発性物質を含有している廃水を減容処理する廃水処理設備であって、
前記廃水を加熱して蒸発させる蒸発手段と、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気の一部を冷却凝縮させる冷却手段と、前記蒸発手段と前記冷却手段との間に冷却手段により凝縮させた分の凝縮廃水と蒸発手段により蒸発した廃水蒸気とを気液接触させて、蒸気中の低揮発性物質を捕捉して廃水に戻すための気液接触部とからなる蒸留装置を備え、
この蒸留装置に、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気のうち冷却手段を通過した通過蒸気を加圧凝縮させて液化する加圧・凝縮手段を設け、通過蒸気がその加圧・凝縮手段により凝縮される際に発生する凝縮熱を、蒸発手段における熱源として利用する構成にしてある点にある。

つまり、この構成であれば、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気の一部を冷却凝縮させる冷却手段を設けることで、廃水蒸気中の低揮発性物質（すなわち、高沸点物質）を凝縮し、蒸発手段と冷却手段との間に気液接触部を設けて、その冷却手段により凝縮させた分の凝縮廃水と蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気とを気液接触させることで、廃水蒸気中の低揮発性物質を凝縮廃水で捕捉しながら廃水に戻すことができ、また、気液接触部による気液接触で捕捉されなかった廃水蒸気中の低揮発性物質は上記のように冷却手段により凝縮されるので、冷却手段における低揮発性物質の凝縮作用と気液接触部における低揮発性物質の捕捉作用とが相俟って、廃水を蒸発させることによる減容により高濃度の低揮発性物質含有廃水を生成することができるとともに、蒸発減容により生成した蒸留廃水は低揮発性物質を含有しない又は低濃度で低揮発性物質を含有したものとなるので、設備全体としては廃水の減容処理を効率的に行っていることになる。そして、減容された高濃度の低揮発性物質含有廃水の焼却等の廃棄処理においても、減容してあるので廃棄処理コストを大幅に低廉化することができる。
また、廃水に含有されている物質が低揮発性物質のみであれば、減容処理により生成した蒸留廃水をそのまま放流又は再利用することもできるので、環境汚染問題についても有利なものにすることができる。

なお、本発明の第３特徴構成として、前記蒸留装置の気液接触部を、複数の受皿部材を棚段状に配設した棚段式構造又は充填材層を配設した充填式構造にしてもよい。

つまり、この構成であれば、冷却手段により凝縮され、気液接触部を介して廃水に戻る凝縮廃水が、気液接触部において廃水蒸気と対向流をなす状態で段階的又は連続的に気液接触するので、気液接触部における低揮発性物質濃度は蒸発手段側ほど高くなり、冷却手段側ほど低くなる。そして、廃水蒸気と共に蒸留側に移行する可能性のある廃水飛沫は、気液接触部において最も冷却手段側に位置する低揮発性物質濃度の最も低い部分（棚段式構造では最上段の受皿部材、充填式構造では充填層の最上部分）の凝縮廃水の飛沫となることから、このような棚段式又は充填式の気液接触部を設けることにより、廃水蒸気に伴って蒸留側に移行する廃水飛沫による低揮発性物質の蒸留側への移行も効果的に抑制することができるとともに、廃水飛沫が蒸留側に移行しても蒸留廃水を低揮発性物質濃度の低いものに維持することができる。

また、本発明の第１特徴構成では、前記蒸留装置に、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気のうち冷却手段を通過した通過蒸気を加圧凝縮させて液化する加圧・凝縮手段を設け、通過蒸気がその加圧・凝縮手段により凝縮される際に発生する凝縮熱を、蒸発手段における熱源として利用する構成にしてあるから、次の利点もある。

つまり、この構成であれば、冷却手段を通過した低揮発性物質を含まない又は低揮発性物質の濃度の低い通過蒸気を凝縮する手段として加圧凝縮する加圧・凝縮手段を用いることで、凝縮熱を発生させることができ、その凝縮熱を無駄にすることなく蒸発手段における熱源として有効利用することで、設備全体としての運転コストを低廉化することができる。

本発明の第２特徴構成は、第１特徴構成の実施に好適な構成であり、その特徴は、
前記蒸留装置において蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気のうち冷却手段を通過した高揮発性物質を含有する通過蒸気を凝縮させることにより摘出蒸留された蒸留廃水を、高揮発性物質と水とに分離するための分留装置を設けてある点にある。

つまり、蒸留装置で低揮発性物質と水に対する相対揮発度の高い高揮発性物質とを含有する廃水を減容処理すると、蒸発手段により蒸発した廃水蒸気中の低揮発性物質（すなわち、高沸点物質）は前述のように冷却手段により凝縮され気液接触部を介して効率的に廃水に戻るが、高揮発性物質（すなわち、低沸点物質）は冷却手段を通過する廃水蒸気（通過蒸気）と共に蒸留側に移行する。
このことに対し、この通過蒸気を凝縮させ、高揮発性物質を含有する蒸留廃水を高揮発性物質と水とに分離するための分留装置を設けて、この蒸留廃水を高揮発性物質と水とに分離し減容処理することで、全体として最終的に、比較的少量の高濃度の低揮発性物質含有廃水と、比較的少量で高純度の高揮発性物質含有廃水と、比較的大量の水とを容易に生成することができ、設備全体として、低揮発性物質及び高揮発性物質を含有する廃水の減容処理を効率的に行うことができる。
なお、ここでいう水とは、低揮発性物質や高揮発性物質を含まない、又は、低揮発性物質や高揮発性物質を放流や再利用可能な程度に含有している清浄度の高い水のことをいう。

図１は、工場等から排出される産業廃水等の廃水Ｗを減容して処理する廃水処理設備の実施形態を示し、この廃水Ｗには、水に対して揮発性の高い高揮発性物質の一例であるイソプロピルアルコールと、水に対して揮発性の低い低揮発性物質の一例であるエチレングリコールとがそれぞれ１％濃度で含有されている。

１は廃水Ｗを蒸発させて低揮発性物質であるエチレングリコールの濃度を上昇させる減容処理を行うための蒸留装置、１Ａは蒸留装置１のケーシングで、ケーシング１Ａ内の底部に廃水Ｗを貯留する廃水貯留部１ａを形成している。

２は貯留廃水Ｗ１を加熱しケーシング１Ａ内で蒸発させるための蒸発手段で、蒸発手段２は廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１を導入して熱源と熱交換させて加熱する熱交換器Ｈの採熱部２ａと、熱交換器Ｈにおいて加熱された貯留廃水Ｗ１を散水噴霧して蒸発させる噴霧蒸発器２ｂとから構成されている。

３は蒸発手段２により蒸発させた廃水蒸気Ｗ２（イソプロピルアルコールを含むとともに少量のエチレングリコールも含む）の一部をケーシング１Ａ内の天井部において冷却して凝縮させるための冷却手段である分縮器３で、ケーシング１Ａ内の噴霧蒸発器２ｂと分縮器３の冷却部３ａとの間には、冷却部３ａでの冷却凝縮によりエチレングリコール濃度が高くなった凝縮廃水Ｗ３とケーシング１Ａ内を上昇してくる廃水蒸気Ｗ２とを気液接触させて、廃水蒸気Ｗ２中のエチレングリコールを捕捉し廃水貯留部１ａに戻す凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度を上昇させるための気液接触部４が設けられている。

気液接触部４は、凝縮廃水Ｗ３を受ける複数の受皿部材であるトレイ４Ａを棚段状に配設した棚段式構造になっており、各トレイ４Ａの底部には孔４ａが多数穿設されていて、これら孔４ａを蒸発手段２により蒸発させた廃水蒸気Ｗ２が通過して、各トレイ４Ａ内の凝縮廃水Ｗ３と廃水蒸気Ｗ２とが気液接触することで、廃水蒸気Ｗ２中のエチレングリコールがトレイ４Ａ内の凝縮廃水Ｗ３に移行し、エチレングリコール濃度がさらに上昇した凝縮廃水Ｗ３は、各トレイ４Ａから溢水する形態で、順次下段のトレイ４Ａに降下して最終的には廃水貯留部１ａに戻る構成になっている。

蒸留装置１のケーシング１Ａ内の冷却部３ａを通過した高揮発性物質であるイソプロピルアルコールを含有する通過蒸気Ｗ４は、集気ダクト５を通って加圧手段である圧縮機６に導かれ、通過蒸気Ｗ４は圧縮機６によって圧縮されて高温・高圧の通過蒸気Ｗ４である加圧蒸気Ｗ５となる。

そして、この高揮発性物質を含有する高温の加圧蒸気Ｗ５を、凝縮手段である熱交換器Ｈの放熱部７を通過させて、熱交換器Ｈの採熱部２ａを通過する貯留廃水Ｗ１と熱交換させることで凝縮し、蒸留廃水Ｗ６を生成する。
つまり、加圧蒸気Ｗ５を凝縮する際に発生する高温凝縮熱を熱源に利用して熱交換器Ｈで貯留廃水Ｗ１を加熱し蒸発させている。

８は圧縮機６からの加圧蒸気Ｗ５を熱交換器Ｈの放熱部７に導くとともに、放熱部７における放熱により凝縮された蒸留廃水Ｗ６を蒸留装置１から排出するための排出路である。

９は蒸留装置１において蒸留生成されたイソプロピルアルコールを含有する蒸留廃水Ｗ６を、高純度のイソプロピルアルコールとエチレングリコール濃度及びイソプロピルアルコール濃度が放流又は再利用可能な程度である高清浄水Ｗ７とに分離するための分留装置である。

図２は蒸留装置１により蒸留生成された蒸留廃水Ｗ６におけるエチレングリコール濃度を示すグラフであり、実線が本実施形態の廃水処理設備（気液接触部４及び分縮器３を設けた蒸留装置１）による蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度を示し、破線が、図４に示す従来設備（飛沫捕捉手段Ｍのみを設けた蒸留装置１）による蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度を示している。

図２に示すように、従来設備では、エチレングリコール濃度１％の貯留廃水Ｗ１を蒸発させたとき、蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度は約２００ｐｐｍであるが、貯留廃水Ｗ１の減容が進んで貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度が１０％になったときには、蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度は約２，０００ｐｐｍとなってしまうのに対し、本実施形態の廃水処理設備では、分縮器３による凝縮率（＝凝縮量／蒸発量）を１０％とした場合、エチレングリコール濃度１％の貯留廃水Ｗ１を蒸発させたとき、蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度は約０．２ｐｐｍとなり、貯留廃水Ｗ１の減容が進んで貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度が１０％になったときでも、蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度は約２．２ｐｐｍにしかならない。

そして、図３は、飛沫同伴により通過蒸気Ｗ４と共に蒸留側に移行する可能性のある気液接触部４の最上段トレイ４Ａにおける凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度を示すグラフで、実線が本実施形態の最上段トレイ４Ａにおける凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度を示し、破線が気液接触部４及び飛沫捕捉手段Ｍを設けず、蒸発手段２と冷却手段である分縮器３とを設けた蒸留装置１（図５参照。）における飛沫同伴により通過蒸気Ｗ４と共に蒸留側に移行する可能性のある廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度を示しており、例えば、分縮器３による分縮率が１０％の場合、本実施形態では、エチレングリコール濃度１％の貯留廃水Ｗ１を蒸発させたときの最上段トレイ４Ａの凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度は約１０ｐｐｍとなり、貯留廃水Ｗ１の減容が進んで貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度が１０％になったときでも、最上段トレイ４Ａの凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度は約１００ｐｐｍとなる。これに対して、図５に示す蒸留装置では、エチレングリコール濃度１％の貯留廃水Ｗ１を蒸発させたときの廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度は約１０，０００ｐｐｍとなり、貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度が１０％になったときは、約１００，０００ｐｐｍとなる。
すなわち、本実施形態の最上段トレイ４Ａにおける凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度と、図５に示す蒸留装置における廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度との比較において、本実施形態の最上段トレイ４Ａにおける凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度は、図５に示す蒸留装置における廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１のエチレングリコール濃度の約１／１０００であることから、本実施形態と図５に示す蒸留装置とにおいて同程度の飛沫同伴が発生する場合、気液接触部４を設けた本実施形態によれば、図５に示す蒸留装置に飛沫捕捉効率９９．９％の飛沫捕捉手段Ｍを設けた構成（図６参照。）と同等の効果を得ることとなる。

以上、本実施形態であれば、工場等から排出された廃水Ｗは、蒸留装置１のケーシング１Ａの底部に形成された廃水貯留部１ａに流入した後、蒸発手段２である熱交換器Ｈの採熱部２ａにおいて加熱され、噴霧蒸発器２ｂより散水噴霧されることで蒸発して、廃水蒸気Ｗ２となってケーシング１Ａ内を上昇する。
そして、廃水蒸気Ｗ２をその上昇過程で通過する気液接触部４において、ケーシング１Ａ内の上部に設けられた分縮器３の冷却部３ａで冷却凝縮された凝縮廃水Ｗ３と気液接触させて、廃水蒸気Ｗ２中のエチレングリコールを凝縮廃水Ｗ３に移行させ、気液接触部４を通過してケーシング１Ａの上部に達した廃水蒸気Ｗ２の一部は、分縮器３により凝縮されて気液接触部４の各トレイ４Ａに溜まり、廃水蒸気Ｗ２との気液接触を繰り返しながら、各トレイ４Ａを溢水して廃水貯留部１ａに戻る。
分縮器３の冷却部３ａを通過したイソプロピルアルコールを高濃度で含有する通過蒸気Ｗ４は、集気ダクト５を通って圧縮機６において加圧されて加圧蒸気Ｗ５となり、その加圧蒸気Ｗ５を、熱交換器Ｈの放熱部７を通過させることで熱交換器Ｈの採熱部２ａを通過する貯留廃水Ｗ１と熱交換させて凝縮し、その後、熱交換により凝縮したイソプロピルアルコールを含有する蒸留廃水Ｗ６を、分留装置９において高純度のイソプロピルアルコールと放流又は再利用可能な程度にエチレングリコール及びイソプロピルアルコールを含有する高清浄水Ｗ７とに分離する。

つまり、このように構成にした廃水処理装置であれば、蒸留装置１において、廃水貯留部１ａの貯留廃水Ｗ１を蒸発手段２により蒸発させ、その廃水蒸気Ｗ２中の低揮発性物質であるエチレングリコールを分縮器３の冷却部３ａにより凝縮させて廃水貯留部１ａに戻す行程を繰り返し行うことで、廃水貯留部１ａにおいて廃水Ｗ（貯留廃水Ｗ１）を減容してエチレングリコール濃度を上昇させるとともに、更に気液接触部４において分縮器３により凝縮させた凝縮廃水Ｗ３と蒸発手段２により蒸発させた廃水蒸気Ｗ２とを気液接触させることで、廃水蒸気Ｗ２中のエチレングリコールを捕捉して、廃水蒸気Ｗ２のエチレングリコール濃度を低減し、凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度を上昇させることで、より効率的な廃水Ｗの減容を行うことができ、よって、減要していない大容量の廃水を焼却等により廃棄するのに比べて、その廃棄処理コストを低廉化することができる。

また、分縮器３の冷却部３ａを通過した通過蒸気Ｗ３の飛沫同伴により蒸留側へ移行する可能性のある気液接触部４の最上段トレイ４Ａ中の凝縮廃水Ｗ３のエチレングリコール濃度も大きく低減することができるので、飛沫同伴により気液接触部４の最上段トレイ４Ａ中の凝縮廃水Ｗ３が蒸留側に移行しても、蒸留廃水Ｗ６のエチレングリコール濃度上昇を効果的に抑制することができる。

そして、通過蒸気Ｗ４を圧縮機６で圧縮して高温の加圧蒸気Ｗ５にして、その加圧蒸気Ｗ５を凝縮手段である熱交換器Ｈの放熱部７において凝縮し、その凝縮の際に発生する高温凝縮熱を熱交換器Ｈの採熱部２ａにおける熱源として有効的に利用して貯留廃水Ｗ１を加熱して蒸発させることで、設備全体としての運転コストを低廉化することができる。

更に、分留装置９において、貯留廃水Ｗ１との熱交換により降温した高揮発性物質であるイソプロピルアルコールを含有する蒸留廃水Ｗ６を、高純度のイソプロピルアルコールと放流又は再利用可能な程度にエチレングリコールやイソプロピルアルコールを含有する高清浄水Ｗ７とに分離生成することができるので、生成された高清浄水Ｗ７を放流又は再利用することができ、環境汚染問題について有利なものにすることができる。
〔別実施形態〕
次に別実施形態を列記する。

上述の実施形態では、廃水の一例として、水に対して相対揮発度の低い低揮発性物質の一例であるエチレングリコールと水に対して相対揮発度の高い高揮発性物質の一例であるイソプロピルアルコールとを含有した廃水Ｗを挙げたが、低揮発性物質を含有する廃水であればよい。

また、低揮発性物質は、水に対して相対揮発度の低い物質であればエチレングリコールに限るものではなく、また、高揮発性物質も水に対して相対揮発度の高い物質であれば、イソプロピルアルコールに限るものではない。

上述の実施形態では、蒸発手段２である熱交換器Ｈの採熱部２ａの熱源として、通過蒸気Ｗ４を加圧凝縮させる際に発生する高温凝縮熱を利用する構成にしていたが、この構成に限らず、熱源は種々のものであってよい。

また、蒸発手段２は、貯留廃水Ｗ１を熱交換器Ｈの採熱部２ａにおいて加圧蒸気Ｗ５の高温凝縮熱と熱交換させて加熱した後、噴霧蒸発器２ｂから散水噴霧させることで蒸発させる構成にしてあるが、加圧蒸気Ｗ５を凝縮させる放熱部７を噴霧蒸発器２ｂの下方に設けて、散水した貯留廃水Ｗ１を加熱して蒸発させる構成にしてもよい。

上述の実施形態では、気液接触部４の構成として、多数の孔４ａを形成した複数のトレイ４Ａを棚段状に配設した、所謂、棚段多孔板式を採用したが、これに限るものではなく、棚段泡鐘式、充填式、濡壁式など種々の構成を採用することができる。

本発明の実施形態を示す廃水処理設備の構造図 蒸発による低揮発性物質の蒸留側への移行阻止性能を表すグラフ 飛沫同伴による低揮発性物質の蒸留側への移行阻止性能を表すグラフ 従来の廃水処理設備に用いられている蒸留装置の構造図 本発明との比較例としての蒸留装置の構造図 本発明との比較例としての蒸留装置の構造図

符号の説明

１ 蒸留装置
２ 蒸発手段
３ 冷却手段
４ 気液接触部
４Ａ 受皿部材
６ 加圧手段
７ 凝縮手段
９ 分留装置
Ｗ 廃水
Ｗ２ 廃水蒸気
Ｗ３ 凝縮廃水
Ｗ４ 通過蒸気
Ｗ５ 通過蒸気
Ｗ６ 蒸留廃水
Ｗ７ 水

Claims (3)

1. 水に対する相対揮発度の低い低揮発性物質を含有している廃水を減容処理する廃水処理設備であって、
   前記廃水を加熱して蒸発させる蒸発手段と、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気の一部を冷却凝縮させる冷却手段と、前記蒸発手段と前記冷却手段との間に冷却手段により凝縮させた分の凝縮廃水と蒸発手段により蒸発した廃水蒸気とを気液接触させて、蒸気中の低揮発性物質を捕捉して廃水に戻すための気液接触部とからなる蒸留装置を備え、
   この蒸留装置に、蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気のうち冷却手段を通過した通過蒸気を加圧凝縮させて液化する加圧・凝縮手段を設け、通過蒸気がその加圧・凝縮手段により凝縮される際に発生する凝縮熱を、蒸発手段における熱源として利用する構成にしてある廃水処理設備。
2. 前記蒸留装置において蒸発手段により蒸発させた廃水蒸気のうち冷却手段を通過した高揮発性物質を含有する通過蒸気を凝縮させることにより摘出蒸留された蒸留廃水を、高揮発性物質と水とに分離するための分留装置を設けてある請求項１記載の廃水処理設備。
3. 前記蒸留装置の気液接触部を、複数の受皿部材を棚段状に配設した棚段式構造又は充填材層を配設した充填式構造にしてある請求項１又は２記載の廃水処理設備。

Images