JP4265043B2

JP4265043B2 - 光触媒を用いた水処理方法及び装置

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Publication number: JP4265043B2
Application number: JP24673899A
Authority: JP
Inventors: 伸彦久保田; 栄福永; 岳遠藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001070935A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒を用いた水処理方法及び装置に係わり、特に難分解性有機物を含む水の処理に用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の微生物、オゾン、紫外線あるいは過酸化水素等を用いた排水処理では十分に分解することができない難分解性有機物を処理する技術として、特開平１０−５２６９３号公報に記載の技術がある。この技術は、過酸化水素やオゾン等の酸化剤を排水（原水）に添加して酸化分解槽に送り込み、該酸化分解槽において酸化剤を光励起することによって難分解性有機物を酸化分解するものである。この技術では、酸化分解槽から取り出された処理水の一部によって原水を希釈することにより、酸化分解槽における原水の光透過率を高めて酸化剤を効率良く光励起する方法が採用されている。
【０００３】
また、光触媒を用いた水処理方法として、特開平１−１１９３９４号公報及び特開平９−１７４０６７号公報に開示された技術がある。これらの技術は、粉末状光触媒を酸化剤としてし尿等の処理対象原水（原水）に添加し、粉末状光触媒を光励起することによって有機物を酸化分解するものである。例えば、特開平１−１１９３９４号公報に開示の技術では、粉末状光触媒を効率良く光励起するために、原水に空気を供給することにより粉末状光触媒を攪拌する方法が採用されている。特開平９−１７４０６７号公報に開示の技術では、分解処理後の処理水に高分子凝集剤を添加することにより、粉末状光触媒を処理水から効率良く分離する方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来技術は、難分解性有機物あるいは有機物の酸化分解に長い処理時間を必要とするため、原水の処理量に一定の限界があった。したがって、酸化分解による水処理の用途が限定されていた。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）酸化分解の処理時間を短縮する。
（２）処理量の増大を図る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光触媒を用いた水処理方法に係わる第１の手段として、光触媒によって処理対象原水中の有機物を酸化分解する水処理方法において、前記処理対象原水に粒子状の光触媒を混合した混合水を酸化分解槽内で強制循環させながら光触媒の励起光を照射するという手段を採用する。
【０００７】
光触媒を用いた水処理方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、混合水を旋回流として強制循環させるという手段を採用する。
【０００８】
光触媒を用いた水処理方法に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、光触媒を多孔質粒子とするという手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、光触媒を用いた水処理装置に係わる第１の手段として、光触媒によって処理対象原水中の有機物を酸化分解する水処理装置において、隔壁によって複数の領域に分割されると共に、各領域に粒子状の光触媒が前記処理対象原水に混合された混合水を貯留する酸化分解槽と、各領域間で混合水を強制循環させる循環手段と、各領域において混合水に光触媒の励起光を照射する励起光源とを具備する手段を採用する。
【００１０】
光触媒を用いた水処理装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、混合水を旋回流として強制循環させる旋回手段を具備する手段を採用する。
【００１１】
光触媒を用いた水処理装置に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、光触媒を多孔質粒子とするという手段を採用する。
【００１２】
光触媒を用いた水処理装置に係わる第４の手段として、上記第１の手段において、酸化分解槽のある領域に光触媒を分離した水を排出できる膜フィルタを設け、他の領域には励起光源を設けるという手段を採用する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる光触媒を用いた水処理方法及び装置の一実施形態について説明する。
【００１４】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における水処理装置の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は当該側面図におけるＡ−Ａ線矢視図である。これらの図において、符号１は酸化分解槽、２は空気供給装置（循環手段）、３は隔壁、４は旋回板（旋回手段）、５は紫外線ランプ（励起光源）、６は区画壁、７はガス排出管、またＸは混合水である。
【００１５】
酸化分解槽１は、図１（ｂ）に示すように中空円筒状に形成され、その中心軸線が垂直となる姿勢で配置されている。この酸化分解槽１の下部側面には排水（処理対象原水）が流入する原水流入口１ａが、上部側面には処理水を排出する排出口１ｂが、また底面中央部には圧縮空気が供給される気体噴出口１ｃがそれぞれ設けられている。このような酸化分解槽１は、原水流入口１ａから流入する排水に粒状の光触媒Ｐを混合して混合水Ｘとして貯留する。
【００１６】
上記排水は、難分解性有機物等の各種有機物Ｕを含むものである。光触媒Ｐは、例えばサブミクロンオーダーの粒径を有する粒状の酸化チタン（ＴｉＯ₂）であり、表面に多数の微細孔を有する多孔質粒子として形成されたものである。本実施形態では、励起光として紫外線を用いるので、当該紫外線によって効果的に励起されるアナターゼ型の結晶構造の酸化チタンを用いる。
【００１７】
空気供給装置２は、上記気体噴出口１ｃに所定圧力の圧縮空気を供給するものであり、当該圧縮空気によって酸化分解槽１内の混合水Ｘを強制循環させるものである。隔壁３は、図１（ｂ）に示すように、上記酸化分解槽１よりも直径が短い無底の中空円筒状に形成され、その中心軸線が酸化分解槽１の中心軸線と同一となるように酸化分解槽１内に配置されている。酸化分解槽１の内部空間は、この隔壁３によって中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとに分割されている。
【００１８】
ここで、気体噴出口１ｃは、底面中央部に設けられているので、中心領域Ｋtにおいて混合水Ｘは、圧縮空気の作用によって酸化分解槽１の底部から上部に流れる上昇流となると共に、外周領域Ｋgでは上部から底部に向けて流れる下降流となる。すなわち、酸化分解槽１内の混合水Ｘは、矢印で示すように、隔壁３によって形成された中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとの間を巡回する巡回流となる。
【００１９】
旋回板４は、図示するように、隔壁３の内側と外側及び酸化分解槽１の内壁に所定方向に向けてそれぞれ複数設けられており、上記中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとを循環する混合水Ｘを旋回流とするためのものである。例えば、この図の場合、隔壁３の内側に設けられた各旋回板４は、隔壁３の法線方向に対して右側に所定角度だけ傾斜して設けられているので、中心領域Ｋtにおいて混合水Ｘは、時計方向に旋回して底部から上部に流れる。また、外周領域Ｋgにおける混合水Ｘは、旋回板４が酸化分解槽１の内壁の法線方向に対して右側に所定角度だけ傾斜し、かつ隔壁３の外側の法線方向に対して左側に所定角度だけ傾斜して設けられているので、反時計方向に旋回して上部から底部に向けて流れる。
【００２０】
紫外線ランプ５は、図示するように、中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとに各々複数設けられ、有機物Ｕ及び粒子状の光触媒Ｐを含む混合水Ｘに紫外線（励起光）を照射する。この紫外線照射によって光触媒Ｐは励起され、その表面に接触した有機物Ｕを酸化分解する。区画壁６は、ラッパ状に形成され、その中央部が上記ガス排出管７に支持されることにより酸化分解槽１の上部中央部に混合水Ｘに対して没水状態に設けられている。この区画壁６は、中心領域Ｋtを上昇してきた混合水Ｘを外周領域Ｋgに向けて跳ね返すと共に、酸化分解槽１の上部に混合水Ｘが対流しない無対流領域Ｋmを形成する。
【００２１】
上記排出口１ｂは、無対流領域Ｋmに設けられ、混合水Ｘの上澄み液を処理水として外部に排出する。さらに、ガス排出管７は、酸化分解槽１の上部中央部に設けられ、当該酸化分解槽１内で発生したガス（例えば二酸化炭素ＣＯ₂）を外部に排出するものである。
【００２２】
次に、このように構成された水処理装置の作用について詳しく説明する。
本水処理装置では、酸化分解槽１の下部の原水流入口１ａから排水（処理対象原水）を酸化分解槽１内に順次連続的に流入させ、酸化分解槽１内で当該排水に粒状の光触媒Ｐと混合して混合水Ｘとする。そして、充分に酸化分解処理された排水を酸化分解槽１の上部の排出口１ｂから処理水として外部に排出する。この酸化分解槽１への排水の流入から処理水として外部に排水されるまでの間に、排水は以下のように処理される。
【００２３】
すなわち、酸化分解槽１内に隔壁３が設けされているので、中心領域Ｋtに位置する混合水Ｘは、気体噴出口１ｃから噴出される圧縮空気によって上昇流となって上昇し、続いて区画壁６によって反射されて外周領域Ｋgを下降流となって下降し、酸化分解槽１の底面によって反射されると共に圧縮空気の作用によって再び中心領域Ｋtを上昇する。つまり、混合水Ｘは、隔壁３によって区画された中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとの間を巡回流として繰り返し巡回することになる。
【００２４】
そして、この循環に際して、上記上昇流は、隔壁３の内側と外側また酸化分解槽１の内壁に設けられた旋回板４の作用によって進行方向に向かって時計方向に旋回する旋回流となると共に、下降流は進行方向に向かって反時計方向に旋回する旋回流となる（進行方向を無視した場合には、上昇流と下降流の旋回方向は同一である）。混合水Ｘは、このように酸化分解槽１内を巡回かつ旋回することによって有機物Ｕと光触媒Ｐとが均一に攪拌され、光触媒Ｐの表面に有機物Ｕが接触する機会が大きくなる。しかも、光触媒Ｐは多数の微細孔を有する多孔質粒子として形成されており、通常の粒子に比較して表面積が大きいので、光触媒Ｐの表面に有機物Ｕが接触する割合がさらに大きくなる。
【００２５】
このように光触媒Ｐの表面に有機物Ｕがより良好に接触する状態において、紫外線ランプ５から放射された紫外線が光触媒Ｐに照射されるので、該光触媒Ｐの光励起によって接触状態の有機物Ｕが効率良く酸化分解される。また、紫外線ランプ５は、中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとに備えられ、紫外線の照射死角が形成されないように酸化分解槽１内の全領域で紫外線が混合水Ｘに照射されるので、励起状態の光触媒Ｐによって有機物Ｕが効率良く酸化分解される。
【００２６】
そして、有機物Ｕが酸化分解されることによって混合水Ｘ中に発生する二酸化炭素（ＣＯ₂）等のガスは、ガス排出管７を介して外部に排気され、十分な酸化分解によって比重が軽くなった混合水Ｘは、上記中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとを循環する間に徐々に無対流領域Ｋmに溜まり、その上澄み液が処理水として排出口１ｂから外部に排水される。この際、混合水Ｘ中の光触媒Ｐは、比重が比較的重いため無対流領域Ｋmに侵入することがないので、十分に酸化分解された有機物Ｕのみを含む混合水Ｘが排出口１ｂから排水される。
【００２７】
本実施形態によれば、有機物Ｕを効率良く酸化分解することができるので、混合水Ｘの処理時間を従来よりも短縮することが可能であり、また無対流領域Ｋmに溜まった混合水Ｘの上澄み液を処理水として排水するので処理水の回収効率が良い。したがって、混合水Ｘの処理量を従来よりも増大させることができる。
【００２８】
〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態における水処理装置の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は当該側面図におけるＢ−Ｂ線矢視図である。なお、以下の説明では、上記第１実施形態と同一の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
符号１Ａは本実施形態の酸化分解槽である。この酸化分解槽１Ａは、上部側面に設けられた原水流入口１ａ’から排水（処理対象原水）を流入させ、膜フィルタ８を介して処理水のみを分離排水する点で上記第１実施形態の酸化分解槽１と相違している。この膜フィルタ８を用いることにより粒状の光触媒Ｐが添加された混合水Ｘから当該光触媒Ｐを除く処理水のみを選択分離し、配水管９を介して外部に排水する。図示するように、膜フィルタ８は、その中心軸線が隔壁３の中心軸線と概略一致するように中心領域Ｋtの中心に配置される。
【００３０】
この膜フィルタ８としては、上述したサブミクロン・オーダーの粒径の光触媒Ｐを透過させないセラミックフィルタやメンブレンフィルタ（例えば中空糸膜）等が採用される。なお、本酸化分解槽１Ａでは、上述した無対流領域Ｋmを形成する必要がないので、区画壁６が設けられていない。また、紫外線ランプ５は、外周領域Ｋgのみに設置されている。
【００３１】
このように構成された本実施形態においても、混合水Ｘは、旋回を伴った巡回流として中心領域Ｋtと外周領域Ｋgとを循環し、光触媒Ｐと有機物Ｕとが十分に攪拌される。そして、この循環の間に紫外線が常時照射されるので、有機物Ｕは励起状態の光触媒Ｐによって極めて効率良く酸化分解される。そして、十分に酸化分解された混合水Ｘは、膜フィルタ８によって光触媒Ｐを除いて選択抽出され、配水管９を介して処理水として排水される。
【００３２】
本実施形態によれば、混合水Ｘを短時間で効率良く酸化分解することができるのみならず、膜フィルタ８を用いることにより混合水Ｘから光触媒Ｐ以外の成分を確実に選択抽出して排水することができるので、酸化分解槽１Ａ内の光触媒Ｐの量はより確実に初期状態の量を維持することが可能であり、よって光触媒Ｐの量の管理が容易である。
【００３３】
〔第３実施形態〕
図３は、第３実施形態における水処理装置の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は当該側面図におけるＣ−Ｃ線矢視図である。なお、以下の説明では、上記第１及び第２実施形態と同一の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
符号１Ｂは本実施形態の酸化分解槽である。この酸化分解槽１Ｂは、上部側面に設けられた原水流入口１ａ”から排水（処理対象原水）を流入させ、膜フィルタ８を介して処理水のみを分離排水する点で上記第２実施形態の酸化分解槽１Ａと類似しているが、図示するように内部が平板状の隔壁３Ａによって２分されている。すなわち、隔壁３Ａは、直立円筒状の酸化分解槽１Ｂ内を中心軸線に沿って左右に２分するように配置され、当該酸化分解槽１Ｂ内を反応領域Ｋ1と回収領域Ｋ2とに区画している。
【００３５】
上記反応領域Ｋ1の略中心部には、紫外線ランプ５が酸化分解槽１Ｂの中心軸線に沿って複数配置され、回収領域Ｋ2の略中心部には、膜フィルタ８が同じく酸化分解槽１Ｂの中心軸線に沿って配置されている。また、気体噴出口１ｃ’が膜フィルタ８の下方に位置するように形成され、空気供給装置２から圧縮空気が供給されるようになっている。
【００３６】
このように形成された本実施形態では、矢印で示すように圧縮空気の作用によって反応領域Ｋ1と回収領域Ｋ2との間を混合水Ｘが循環する。この循環によって混合水Ｘ内の光触媒Ｐが均一に攪拌し、反応領域Ｋ1において紫外線が照射されて有機物Ｕが酸化分解される。そして、十分に酸化分解された混合水Ｘは、回収領域Ｋ2の膜フィルタ８によって光触媒Ｐを除いて選択抽出され、配水管９を介して処理水として排水される。
【００３７】
本実施形態は、比較的小規模な排水処理設備用であり、酸化分解槽１Ｂの容積は上記酸化分解槽１，１Ａに比較して小さなものになっている。しかし、混合水Ｘを巡回流とすることにより光触媒Ｐを均一に攪拌させ、光触媒Ｐの表面に有機物Ｕが接触し易い状態を実現しているので、従来に比較して混合水Ｘを短時間で効率良く酸化分解することができる。また、膜フィルタ８の使用によって酸化分解槽１Ａ内の光触媒Ｐの量を確実に初期状態の量に維持することができるので、光触媒Ｐの量の管理が容易である。
【００３８】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記各実施形態では循環手段として空気供給装置２を採用したが、スクリュウ等を用いて混合水Ｘを強制循環させるようにしても良い。
（２）上記各実施形態では旋回手段として旋回板４を採用したが、スクリュウ等を気体噴出口１ｃの位置に設けることにより中心領域Ｋtの混合水Ｘを旋回流とすることができる。また、旋回手段を設けることなく、巡回流のみによる攪拌でも良い。
【００３９】
（３）さらに、上記第１実施形態において、無対流領域Ｋmに膜フィルタ８を複数設けることにより、処理水を酸化分解槽１から排出するようにしても良い。このような手段を採用することにより、光触媒Ｐが処理水とともに排出されることを確実に防止することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる光触媒を用いた水処理方法及び装置によれば、以下のような効果を奏する。
（１）請求項１あるいは請求項４記載の発明によれば、有機物を含む処理対象原水に粒子状の光触媒を混合した混合水を酸化分解槽内で強制循環させながら光照射するので、粒子状の光触媒及び有機物が均一に攪拌され、光触媒の表面に有機物が接触する状態をより効果的に実現することができる。したがって、有機物が効率良く酸化分解されるので、処理対象原水の処理時間を従来よりも短縮することが可能であり、この結果、処理対象原水の処理量を従来よりも増大させることができる。
【００４１】
（２）請求項２あるいは請求項５記載の発明によれば、混合水を旋回流として強制循環させるので、光触媒及び有機物をさらに均一に攪拌させることが可能であり、よって有機物をさらに効率良く酸化分解することができる。
【００４２】
（３）請求項３あるいは請求項６記載の発明によれば、光触媒を多孔質粒子とするので、一般的な粒子の光触媒に比較して表面積が増大する。したがって、光触媒の表面に有機物が接触する機会が増大するので、有機物をさらに効率良く酸化分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１……酸化分解槽
１ａ，１ａ’，１ａ”……原水流入口
１ｂ……排出口
１ｃ，１ｃ’……気体噴出口
２……空気供給装置（循環手段）
３，３Ａ……隔壁
４……旋回板（旋回手段）
５……紫外線ランプ（励起光源）
６……区画壁
７……ガス排出管
８……膜フィルタ
９……配水管
Ｋg……外周領域
Ｋm……無対流領域
Ｋt……中心領域
Ｋ1……反応領域
Ｋ2……回収領域
Ｐ……光触媒
Ｕ……有機物
Ｘ……混合水

Claims

光触媒によって処理対象原水中の有機物を酸化分解する水処理方法であって、
酸化分解槽内を中心領域と外周領域とに分割する中空円筒状の隔壁を酸化分解槽内に設け、隔壁の内側と外側及び酸化分解槽の内壁に設けられた複数の旋回板によって前記処理対象原水に粒子状の光触媒を混合した混合水を中心領域及び外周領域において時計方向あるいは反時計方向に旋回する旋回流として中心領域と外周領域との間を強制循環させながら光触媒の励起光を照射することを特徴とする光触媒を用いた水処理方法。
光触媒を多孔質粒子とすることを特徴とする請求項１記載の光触媒を用いた水処理方法。
光触媒によって処理対象原水中の有機物を酸化分解する水処理装置であって、
中空円筒状の隔壁によって中心領域と外周領域とに分割されると共に、中心領域及び外周領域に粒子状の光触媒が前記処理対象原水に混合された混合水を貯留する酸化分解槽（１）と、
中心領域と外周領域との間で混合水を強制循環させる循環手段（２）と、
中心領域と外周領域において混合水に光触媒の励起光を照射する励起光源（５）と、
前記隔壁の内側と外側及び酸化分解槽の内壁に設けられ、混合水を中心領域及び外周領域において時計方向あるいは反時計方向に旋回させる複数の旋回板（４）と
を具備することを特徴とする光触媒を用いた水処理装置。
光触媒を多孔質粒子とすることを特徴とする請求項３記載の光触媒を用いた水処理装置。