JP5159271B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば上水道の脱臭、殺菌、下水道の殺菌、脱色、産業排水の有機物分解、原子力発電所での除染工程水や、界面活性剤排水などの酸化処理を行う水処理装置に関わり、特に被処理水中に含まれる成分の酸化反応にオゾンを用いる水処理技術に関する。

上下水道や諸産業の被処理水中の含有成分の酸化処理手段として、オゾンを用いる水処理技術が知られている。このオゾンを用いる水処理技術には、無声放電によって、酸素含有ガスからオゾンを生成させ、被処理水に導入し、被処理水に導入したオゾンおよび／またはヒドロキシラジカルなどのオゾン２次分解生成物の酸化力によって、酸化処理が行われる。

被処理水中へのオゾンの導入は、これまで、多孔板などの散気装置をオゾン反応槽中に配置し、オゾン含有ガスを散気装置に導入することで、オゾンの水中への溶解を行い被処理水中の含有成分の酸化処理を行ってきた。このオゾンの水中への溶解は、水中に導入されるオゾンガスと水との接触面積増加によって、オゾンの水中への溶解を促進することができる反面、大量のオゾン含有ガスの導入は、オゾン含有ガス製造負荷を増大させる課題があった。このため、従来から水処理におけるオゾン含有ガスの気泡を微細化する試みがなされてきた。

例えば、廃液が導入された爆気槽中でオゾン含有ガスを攪拌破砕する技術（特許文献１）、導入オゾンを有効に活用するため、反応槽水を水流循環によって攪拌し、同水流中へオゾン含有ガスを導入する技術（特許文献２）、及び、その際、オゾン含有ガスをマイクロバブル化する技術（特許文献３）が提案されている。

一方、非特許文献１には、水中に導入したガスの気泡径と気液比に関する例示があり、200μｍ以下の気泡径では１％以下の気液比となり、ガス導入量が小さくなること、及び、非特許文献２には、界面活性剤の添加によって気液比が２〜２０％の気液比となる気泡破砕技術が開示されている。

このことから、被処理水中に含有する諸成分が高濃度となる反応槽の被処理水導入部分に、ガスを導入する形態とすることが望ましい。その先行技術として、被処理水配管にオゾンガスを導入し、気泡をラインミキサで微細化し、微細気泡を反応槽に導入する技術（特許文献４）、ポンプ上流側でオゾン供給し、高圧ポンプで加圧オゾン水とし、多孔板で微細気泡を析出させる技術（特許文献５）、さらに、加圧過流ポンプにてオゾンと被処理水を反応槽へ導入する技術（特許文献６）等が提案されている。
特開2000−193789号公報 特開2004−321959号公報 特開2005−254136号公報 特開2002−254088号公報 特開2007−21393号公報 特開平9-122664号公報 A.Serizawa,他 Laminarizarion of Micro-bubble containing milky bubbly flow in a pipe, 3rd European-Japanese Two-Phase Flow Group meeting Certosa di Pontignano 21-27 September 2003 高木 周ほか、新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成14年度産業技術助成事業 研究成果報告書 「アクティブマイクロバブルによる高効率物質輸送技術の研究開発」 平成15年3月

しかしながら、上述した従来技術において、特許文献１に記載の爆気槽中に導入したオゾン含有ガスを攪拌破砕する技術では、爆気槽を別途備える必要があり装置構成が大型化すること、また、反応槽のサイズによっては、未破砕のオゾンガスが反応槽気相部へ移行する可能性があるため、導入オゾンを有効に利用できないという課題があり、また、特許文献２及び３に記載の反応槽水を水流循環によって攪拌し同水流中へオゾン含有ガスを導入および気泡破砕する技術では、水流中に導入されるガスの気泡径が小さくなりガス導入量が不足するという課題があった。

さらに、特許文献４に記載の被処理水配管にオゾンガスを導入し、気泡を破砕し、微細気泡を利用する技術では、被処理水導入に用いるポンプ吐出圧によって、ポンプから気泡溶解促進手段の間の加圧作用を有効に利用できていない課題があり、また、特許文献５に記載のポンプ上流側でオゾン供給し、高圧ポンプで加圧オゾン水とし、多孔板にて微細気泡を析出させる技術では、高圧ポンプから多孔板間での加圧部で溶解しきらなかったオゾン気泡が蓄積した場合、多孔板を通じて、気泡含有ガスが排出されるため、十分なオゾンガスの破砕が行われないという課題があり、また、特許文献６に記載の加圧過流ポンプにてオゾンと被処理水を反応槽へ導入する技術では、導入経路が下方注入式となっており、また、流体圧調整部が反応槽内の下方注入管の端部に設けられているため、流体圧の調整が困難で、かつ、未破砕のオゾンが配管内に蓄積しやすくオゾン供給が不安定となる課題があった。

本件発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、高い供給圧を必要とすることなく、オゾン含有ガスを含んだ処理液を反応槽へ導入し、調圧部材によりオゾン含有ガスを破砕微細化することにより、被処理水中の含有成分の酸化処理を効率よく適切に運用することができる簡単な構造の水処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水処理装置は、上述した課題を解決するために、オゾン含有ガスを含んだ被処理水を少なくとも１つ以上の反応槽に導入し、前記反応槽において被処理水の少なくとも１種類以上の含有成分を酸化処理する水処理装置において、オゾン発生器で生成したオゾン含有ガスと被処理水を吸引しオゾン含有ガスを粗破砕して反応槽へ送出する加圧過流ポンプと、前記反応槽の下方に設けられ前記加圧過流ポンプで粗破砕されたオゾン含有ガスを含む処理水が導入されるベンチュリー管又は旋回流式の気泡破砕ノズルからなる調圧部材と、前記加圧過流ポンプと前記調圧部材との間に設けられ前記オゾン含有ガスを含んだ被処理水の加圧を行う加圧配管と、前記反応槽の貯水を循環させる少なくとも１つ以上の貯水循環経路と、前記貯水循環経路に設けられ、前記貯水とオゾン含有ガスを吸引し前記反応槽へ送出する循環加圧過流ポンプと、前記反応槽の下方に設けられたベンチュリー管又は旋回流式の気泡破砕ノズルからなる循環水調圧部材と、前記循環加圧過流ポンプと前記循環水調圧部材の間に設けられ前記オゾン含有ガスを含んだ貯水の加圧を行う循環加圧配管と、を具備し、前記循環加圧過流ポンプに導入する前記オゾン含有ガスは、反応槽排ガス中に含まれるオゾン含有ガスであることを特徴とする。

本発明に係る水処理装置によれば、簡単な構造の水処理装置により、高い供給圧を必要とすることなく適正量のオゾン含有ガスを含んだ処理液を反応槽へ安定的に供給し、調圧部材によりオゾン含有ガスを破砕微細化することにより、被処理水中の含有成分の酸化処理を効率よく適切に運用することができる。

本発明に係る水処理装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明に係る水処理装置は、上水道の脱臭、殺菌、下水道の殺菌、脱色、産業排水の有機物分解、原子力発電所での除染工程水や、界面活性剤排水などの酸化処理を行う水処理装置に適用される。

また、本発明に係る水処理装置で処理される被処理水の含有成分とは、有機物、無機物、微生物、又はイオンのいずれであってもよく、溶解オゾンおよび／またはヒドロキシラジカルなどの溶解オゾン副生成物と酸化反応を目的とするものが含有している水処理に適用する。

ここでいう酸化反応とは、酸化に伴う殺菌や、含有イオンの酸化還元状態の調整も含む。また、被処理水が、原子力発電所の除染工程水や、界面活性剤を含む洗浄水、洗濯廃液である場合、活性炭等の吸着剤を利用する水処理にて発生する、放射性物質を含む廃棄物の発生を抑制できるため、より好適である。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る水処理装置の構成図である。
本水処理装置はオゾン発生器２、加圧過流ポンプ３、加圧配管４、圧力計５、反応槽７、及び反応槽７の下方に設けられた調圧部材（気泡破砕ノズル）６から構成される。

図１において、被処理水１は、オゾン発生器２から発生するオゾン含有ガス２−１の混合吸引および排出を行う加圧過流ポンプ３に導入される。加圧過流ポンプ３では、被処理水１の送出と共に、オゾン含有ガス２−１の粗破砕が行われ、粗破砕されたオゾンは被処理水１に混合された状態で加圧配管４へ送出される。加圧配管４では、圧力計５にて圧力監視を行い、オゾン含有ガス２−１と被処理水１の混合流体が加圧される。

加圧配管４で加圧された被処理水１およびオゾン含有ガス２−１は反応槽７の下方に設けられた調圧部材６から排出される時に、減圧され、加圧溶解オゾンが析出し、未破砕のオゾン含有ガスが破砕され、微細化したオゾン気泡（オゾンマイクロバブル）となって反応槽７へ導入される。一方が加圧過流ポンプ３に接続された加圧配管４の他端部は、調圧部材６にほぼ水平に又は上方に位置する調圧部材６に対して傾斜して接続されている。これにより、加圧過流ポンプで未破砕のオゾンが、配管内に蓄積することを防止し、オゾンガスを安定的に供給することを可能とする。

反応槽７では、被処理水１の少なくとも１つ以上の含有成分の酸化が行われる。反応槽７は、反応槽７内にて内部分割等を行ったり、また反応槽本体を直接多段構造としてもよい。反応後の被処理水１は、処理水８として、また排ガス９が、反応槽から排出される。

オゾン発生器２は、無声放電や沿面放電といった、酸素含有ガスの放電処理によってオゾンを生成する技術を用いればよく、また、目的とする反応や、ガス供給量等の制約に応じて、任意にオゾンガス濃度を選定すればよい。

加圧過流ポンプ３から調圧部材６への経路は、反応槽７に対し、並列多段に配してもよい。加圧過流ポンプ３から排出される、オゾン含有ガス２−１を含む被処理水１は、加圧配管４で加圧されるが、この加圧は、加圧過流ポンプ３や、反応槽７での被処理水１中の含有成分の酸化時間、オゾン含有ガス２−１のオゾン濃度等を考慮して設定するが、過剰な加圧は、水処理装置におけるポンプ動力負荷が増大するため、１MPa以下とすることが好ましい。

次に本第１の実施形態に係る水処理装置の作用効果について説明する。
被処理水１とオゾン含有ガス２−１は、加圧過流ポンプ３にて吸引によって導入されることから、被処理水１とオゾン含有ガス２−１の高い供給圧を必要としないため、被処理水１とオゾン含有ガス２−１の加圧操作や他の加圧手段を必要としない。このため、反応原料の導入時の装置負荷を軽減した水処理が行える。

加圧過流ポンプ３では、オゾン含有ガス２−１の粗破砕気泡を含んだ被処理水１が、加圧配管４に送られるため、加圧配管４では、破砕気泡によるオゾンの加圧溶解が行われる。一方、未破砕の気泡分は、加圧配管４の調圧部材６によって、気泡の微細化が行われるため、未破砕の気泡の微細化と、加圧配管４での加圧溶解オゾン分析出の、２つの効果によって、導入したオゾン含有ガス２−１を効率よく微細な気泡にし、反応槽７へ供給することができる。

ここで、種々の物質を含む被処理水１に対するオゾン含有ガス２−１の供給量は、調圧部材６出口における気泡径と、被処理水１の成分と、加圧過流ポンプ３にて送液可能な流量に合わせて設定すればよく、本実施形態では気液比を２〜１０％とすることで、過剰なオゾン供給を抑制し、安定に微細な気泡を反応槽７へ供給することができる。

また、反応槽７へ供給するオゾン含有ガスの気泡径は200μｍ以下、より望ましくは100μｍ以下の気泡径となるよう、オゾンガス導入部と気泡破砕ノズルを選定すればよい。

前記調圧部材６として、通常、気泡破砕ノズルが用いられる。この調圧部材６は、気液混合流となる加圧配管４の出口水中に含まれる加圧過流ポンプ３の未破砕気泡の破砕と、加圧配管４での加圧を行うもので、加圧過流ポンプ３の流速と、加圧配管４での加圧範囲に併せて選定すればよいが、連続通水可能で、内部での流体差圧をつけられ、被処理水１に含まれる固形分の析出がしにくい構造のものを選定することが望ましく、例えばベンチュリー管などの衝撃波、キャビテーション生成するノズルや、旋回流式ノズルなどを用いることで、加圧配管４での昇圧と、加圧配管４に導入される未破砕オゾン含有ガスの気泡破砕が行われ、反応槽７におけるオゾン利用が効率的に行える。

この第１実施形態に係る水処理装置によれば、簡単な構造の水処理装置により、高い供給圧を必要とすることなく適正量のオゾン含有ガスを含んだ処理液を反応槽へ安定的に供給し、調圧部材によりオゾン含有ガスを破砕微細化することにより、被処理水中の含有成分の酸化処理を効率よく適切に運用することができる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る水処理装置の構成図である。
第１の実施形態に係る水処理装置において、オゾンマイクロバブルの気泡径が小さい場合は、気泡の反応槽７における気泡上昇速度が小さくエアリフト効果による攪拌機能が小さい。

そのために、本第２の実施形態に係る水処理装置は、反応槽７に攪拌機能を取り付けたもので、反応槽７の貯水の一部を反応槽循環水１０として循環させる少なくとも１経路以上の貯水循環経路１６を設けるとともに、排ガス９の一部を循環ガス１２として吸引し反応槽循環水１０と混合する循環加圧過流ポンプ１１と、循環加圧過流ポンプ１１出口に設けられ循環ガス１２と反応槽循環水１０を加圧する循環加圧配管１３と、圧力計１４と、反応槽７に接続され循環加圧配管１３の調圧を行う循環水調圧部材（循環気泡破砕ノズル）１５と、から構成される。

本第２の実施形態に係る水処理装置によれば、反応槽７の貯水の一部を反応槽循環水１０として循環することと、その循環に循環加圧過流ポンプ１１を用い、前記循環加圧過流ポンプ１１に排ガス９のオゾン含有ガスを導入することで、反応槽７の攪拌と同時にオゾン含有ガスの追加供給を行う。また、循環加圧配管１３ではオゾンの粗破砕と、循環加圧配管１３における加圧溶解が行われ、さらに、循環気泡破砕ノズル１５により、気泡の微細化と未破砕のオゾン含有ガスの破砕・微細化を促進することができる。

また、この循環加圧ポンプ１１に供給するオゾン含有ガスを、反応槽７の排ガス９を循環排ガス１２として利用することで、オゾン発生器２で発生したオゾン含有ガス２−１から排出される排ガス９中に含まれるオゾン量を低減することができる。

この第２の実施形態に係る水処理装置によれば、オゾン排ガスを循環排ガスとして利用するとともに、貯水の一部を循環させる循環機構を反応槽に取り付けることにより、高い供給圧を必要とすることなく適正量のオゾン含有ガスを含んだ処理液を反応槽へ安定的に供給し、調圧部材及び攪拌機能によりオゾン含有ガスをさらに効率よく破砕微細化することが可能となり、その結果、被処理水中の含有成分の酸化処理をさらに効率よく適切に運用することができる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る水処理装置の構成図である。
反応槽７に導入されたオゾンマイクロバブルによる酸化作用は、溶解オゾンによる直接酸化の他に、難分解な有機物などを酸化処理するケースでは溶解オゾンから副生成するヒドロキシラジカルが作用する反応を用いる場合があり、前者が主体の場合は、高いオゾン溶解性を確保することが望ましいが、後者の場合、ヒドロキシラジカルとの反応速度が高い環境で、反応槽７を運用することが望ましい。

また、界面活性剤などのガス導入処理を行った際に発泡性のある成分が含有している場合、反応槽内での発泡を抑制する処理が行われることが望ましい。
そのために、本第３の実施形態に係る水処理装置は反応槽７に、反応槽を取り巻く配管と温度制御装置からなる調温装置２０を配備したものである。

調温装置２０での設定温度は、被処理水１の酸化処理対象含有成分の反応性を事前に確認の上決定すればよく、好ましくは水の蒸発潜熱によるエネルギー損失を抑制する観点から、95℃以下で運用することが望ましい。

本第３の実施形態に係る水処理装置によれば、難分解な有機物を含有し、その分解を行う際にも被処理水１に導入するオゾン含有ガスを効率よく利用でき、被処理水中の含有成分の酸化処理をさらに効率よく適切に運用することができる。

［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態に係る水処理装置の構成図である。
図４に示された水処理装置が上記第２の実施形態に係る水処理装置（図２）と異なる点は、反応槽７の循環水配管経路に薬液注入装置３０を設けたこと、及び同経路上の循環水調圧部材１５の下流側に微細気泡破砕器３１を配置したことである。

反応槽７に導入されたオゾンマイクロバブルによる酸化作用促進や、反応槽７の出口水の要求水質に併せた水質調整を行うため、薬液注入３０では、ｐH調整剤や、溶解オゾンから副生成するヒドロキシラジカル生成促進のための過酸化水素水を導入する。なお、これらは独立に供給することが望ましく、また、反応槽７に直接供給してもよいが、ｐH調整剤を供給する場合は、反応槽７の貯水を取水・モニターして、その供給量をコントロールすることが望ましい。

また、循環水調圧部材１５から排出されるオゾンマイクロバブル含有水出口に配置される微細気泡破砕器３１は、マイクロバブルを圧壊によりさらに微細化し、ヒドロキシラジカル生成を促進する。微細気泡破砕器３１は、衝撃波や超音波などの物理的なエネルギー付加を行う形態を任意に選定できる。

本第４の実施の形態に係る水処理装置によれば、酸化反応にヒドロキシラジカルを必要とする難分解な有機物の分解を行う際にも被処理水１に導入するオゾン含有ガスを効率よく利用すると同時に、微細気泡破砕器によるさらなる微細化と、反応槽７の混合攪拌及び薬液の注入によって、被処理水中の含有成分の酸化処理をさらに効率よく適切に運用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る水処理装置の構成図。 本発明の第２の実施形態に係る水処理装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る水処理装置の構成図。 本発明の第４の実施形態に係る水処理装置の構成図。

符号の説明

１…被処理水、２…オゾン発生器、２−１…オゾン含有ガス、３…加圧過流ポンプ、４…加圧配管、５…圧力計、６…調圧部材（気泡破砕ノズル）、７…反応槽、８…処理水、９…排ガス、１０…反応槽循環水、１１…循環加圧過流ポンプ、１２…循環ガス、１３…循環加圧配管、１４…循環圧力計、１５…循環水調圧部材（気泡破砕ノズル）、１６…貯水循環経路、２０…調温装置、３０…薬液注入装置、３１…微細気泡破砕器。

Claims (8)

1. オゾン含有ガスを含んだ被処理水を少なくとも１つ以上の反応槽に導入し、前記反応槽において被処理水の少なくとも１種類以上の含有成分を酸化処理する水処理装置において、
   オゾン発生器で生成したオゾン含有ガスと被処理水を吸引しオゾン含有ガスを粗破砕して反応槽へ送出する加圧過流ポンプと、前記反応槽の下方に設けられ前記加圧過流ポンプで粗破砕されたオゾン含有ガスを含む処理水が導入されるベンチュリー管又は旋回流式の気泡破砕ノズルからなる調圧部材と、前記加圧過流ポンプと前記調圧部材との間に設けられ前記オゾン含有ガスを含んだ被処理水の加圧を行う加圧配管と、
   前記反応槽の貯水を循環させる少なくとも１つ以上の貯水循環経路と、前記貯水循環経路に設けられ、前記貯水とオゾン含有ガスを吸引し前記反応槽へ送出する循環加圧過流ポンプと、前記反応槽の下方に設けられたベンチュリー管又は旋回流式の気泡破砕ノズルからなる循環水調圧部材と、前記循環加圧過流ポンプと前記循環水調圧部材の間に設けられ前記オゾン含有ガスを含んだ貯水の加圧を行う循環加圧配管と、を具備し、
   前記循環加圧過流ポンプに導入する前記オゾン含有ガスは、反応槽排ガス中に含まれるオゾン含有ガスであることを特徴とする水処理装置。
2. 前記加圧配管は、水平に又は傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
3. 前記被処理水中に含まれる成分は、イオン分、無機物、有機物又は微生物であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の水処理装置。
4. 前記反応槽に２〜１０％のオゾン含有ガスを含んだ被処理水を導入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水処理装置。
5. 前記少なくとも１つ以上の反応槽に調温機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水処理装置。
6. 前記被処理水は、原子力発電所の除染工程水又は界面活性剤含有の排水であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水処理装置。
7. 前記反応槽にｐH調整剤又は過酸化水素水からなる薬液を添加することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水処理装置
8. 前記循環水調圧部材の下流側に微細気泡破砕器を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の水処理装置。

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