JP5237850B2 - 水処理方法及び機構 - Google Patents

Description

この発明は、生物処理によらず汚泥が殆ど出ない有用な水処理方法及び機構に関するものである。

従来より、排水処理技術に関して各種の提案がなされているが（例えば特許文献１）、ある液晶製造工場では次のような水処理が行われている。
すなわち、地域のポンプ場から工業用水として地下水が液晶製造工場へと送水されてくる。このうち半分強が工場内の工水処理設備に供給され、シリカやカルシウム・マグネシウムなどの成分が除去される。そして、純水製造・供給設備へと送られ超純水が製造される。工場へ供給された用水のうち半分弱は空調用冷却塔へと供給され、大気への蒸発により、冷房用の冷水を作る装置で発生する熱を放散し、その残余分は活性炭濾過をし更に純水で希釈して川へと放流される。
前記超純水は液晶の製造工程でのガラス基板の洗浄、スクラバー排気の洗浄、冷却水製造装置などに使用される。超純水の排水は排水回収設備へと回収され、前記純水製造・供給設備との間で循環・再利用がなされる。
この液晶製造工場では大量の超純水が使用されており、その排水中には現像廃液その他の有機化合物が含有されている。これらの有機排水は生物処理により浄化しているが、凝集汚泥が多く発生するという問題があった。
このような水処理に関する問題は前記液晶製造工場のみならず、スイミング・プールの水質管理や食品加工場の排水その他における各種の水に共通する課題であり、あらゆる産業分野にわたった普遍的なものである。
特開２００６−２８１１９４号公報

そこでこの発明は、従来のようには汚泥が発生しない水処理方法及び機構を提供しようとするものである。

前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
（１）この水処理方法は、有隔膜電流印加槽で塩素が溶存する水に電流を流してその陽極側から塩素ガスを発生せしめ（塩素ガス発生工程）、前記塩素ガスを回収して直接的又は間接的に被処理水に及ぼし汚れ評価指標を低減させる（汚れ評価指標低減工程）ようにしたことを特徴とする。
この水処理機構は、塩素が溶存する水に電流を流してその陽極側から塩素ガスを発生せしめる有隔膜電流印加槽を具備し、前記塩素ガスを回収して直接的又は間接的に被処理水に及ぼし汚れ評価指標を低減させるようにしたことを特徴とする。
前記塩素が溶存する水として、食塩水や次亜塩素酸ナトリウムが溶存する水を例示することができる。ここで、有隔膜電流印加槽で塩素が溶存する水（被処理水等）に電流を流すと陽極側が酸性雰囲気となり、塩素ガスを発生せしめることができる。前記塩素ガスを回収して直接的又は間接的に被処理水に及ぼし、その酸化作用により被処理水の汚れ評価指標を低減させることができる。

この水処理方法及び機構は、有隔膜電流印加槽の陽極側から発生する塩素ガスを大気中に開放せずに回収し被処理水に及ぼして汚れ成分の結合を化学的に切断していくことにより汚れ評価指標が低減されるので、生物処理の場合のような汚泥（微生物の死骸等）は発生しない。また、陰極側の被処理水中の塩素イオン等の陰イオンは隔膜を介して陽極側に電気的に吸引され分離低減することができる（陰イオン低減作用）。
ここで、前記有隔膜電流印加槽の陰極側に汚れ評価指標の低減後の被処理水を供給するようにすると、その残留塩素濃度を塩基性雰囲気下で低減させることができ、被処理水中の余分なイオン（塩素イオン等）を後工程で膜により分離除去する際に膜がいたみ難いようにしてそのライフを伸ばすことができる。
前記被処理水として工場系排水、飲食店系排水、一般家庭系排水、ＰＣＢその他の汚染土壌系排水、塗装工場その他のＶＯＣガスをスクラバー（scrubber、排ガス洗浄装置）により水中に置換した排水、プール水、浴場水などを例示することができ、何らかの浄化をする必要がある水は全て含まれるものであって、必ずしも捨てるものに限られるのではなく、工場系排水などのように浄化して再利用するものやプール水や浴場水のように浄化しつつ循環利用するものなども含まれるものとする。
また、被処理水中の汚れ成分として通常の有機成分（ホルムアルデヒドなど）や、ベンゼン、トルエン、ダイオキシン類、ＰＣＢなどの難分解性有機化合物、人体の皮膚表面などから溶出した汚れ成分、またアンモニア性窒素その他の無機成分を例示することができる。前記有隔膜電流印加槽には、食塩のような塩化物や次亜塩素酸を共存させて電気分解することができる。前記汚れ評価指標として、ＣＯＤ（化学的酸素要求量）やＴＯＣなどを例示することができる。

（２）回収した前記塩素ガスを被処理水に直接及ぼすようにしてもよい（塩素ガスによる直接的な処理態様）。例えば回収した塩素ガスを被処理水に直接吹き込むことができる。吹き込まれた塩素ガスは、汚れ成分に遭遇して直接的に分解したり、被処理水中の水や水酸イオンと化合して次亜塩素酸となって汚れ成分である有機化合物等を酸化してその結合を切断していくことにより汚れ評価指標を低減させることができる。
（３）回収した前記塩素ガスにより生成させた次亜塩素酸又は／及び次亜塩素酸ナトリウムを被処理水に及ぼすようにしてもよい（塩素ガスによる間接的な処理態様）。例えば、塩素ガスと水や水酸イオンにより次亜塩素酸が生成した酸化能を有する水を生成させて、これを被処理水に作用させることができる。また、回収した塩素ガスと水酸化ナトリウムを合わせることにより次亜塩素酸ナトリウムを生成せしめ、この次亜塩素酸ナトリウムを被処理水に及ぼすようにすることができる。

（４）前記被処理水を電気分解し陽極酸化して有隔膜電流印加槽の陰極側に送るようにしてもよい。このように構成すると、電気分解によって被処理水を直接陽極酸化して汚れ評価指標を低減せしめることができると共に、陽極酸化によって被処理水中に生成した残留塩素を有隔膜電流印加槽の陰極側で低減することができる。
（５）前記有隔膜電流印加槽の陰極側の被処理水からＲＯ膜その他の分離膜によってイオンを分離するように構成すると、工業用水や飲料水などとして再利用することができる。
また、被処理水中に残存する残留塩素を活性炭触媒によって低減することができる。
（６）前記電気分解をする際に臭素が溶存するようにしてもよい。このように構成すると、電気分解の際の次亜塩素酸による酸化能の作用領域を、次亜臭素酸によって広いｐＨ範囲に拡大することができる。すなわち、次亜塩素酸の酸化能はｐＨ5.5で最大となりここを山の頂点として両側に向け減少していくが、臭素が共存すると次亜臭素酸が生成して酸化能の山の頂点をｐＨ5.5からｐＨ８程度まで引っ張って台形状に拡張することができる。つまり、臭化ナトリウム、臭化カリウム、次亜臭素酸などのように臭素を共存させておくと、有効塩素の活性領域を有効臭素によって中性領域からアルカリ性領域にまで拡大させることができる。
（７）前記被処理水は、水とプロトン性の両親媒性溶媒と非プロトン性の両親媒性溶媒と疎水性有機成分とを相溶させたものであることとしてもよい。
このように構成すると、汚れ成分が疎水性有機成分であって水に溶解し難い場合であっても水中に相溶させて浄化処理を行うことができる。すなわち、両親媒性溶媒としてプロトン性のものと非プロトン性のものを共に相溶させるようにすると、プロトン性の両親媒性溶媒（ＩＰＡなど）は疎水性有機成分（ベンゼンなど）側に疎水基が配位し水側にプロトン性の親水基（水酸基など）が配位することとなり、非プロトン性の両親媒性溶媒（ＤＭＳＯなど）は疎水性有機成分（ベンゼンなど）側に疎水基が配位し水側に非プロトン性の親水基（カルボニル酸素など）が配位することとなり、水側に配位する親水基はプロトン性か非プロトン性かのどちらかだけに偏ることはないので相互間の親和性が増大することとなり、疎水性有機成分と水との相溶性を向上させることができる。
具体的には、水とプロトン性の両親媒性溶媒（ＩＰＡなど）のみで（非プロトン性は配合せず）疎水性有機成分（ベンゼンなど）を相溶させようとするとなかなか相溶せずかなりの量の溶媒が必要となり、水と非プロトン性の両親媒性溶媒（ＤＭＳＯなど）のみで（プロトン性は配合せず）疎水性有機成分（ベンゼンなど）を相溶させようとするとなかなか相溶せずかなりの量の溶媒が必要となったが、両親媒性溶媒としてプロトン性のものと非プロトン性のものを共に相溶させることにより、これら溶媒の量が単独の場合より相対的に少ない場合でも疎水性有機成分を相溶させることができるようになった。この両親媒性溶媒は、疎水性有機成分を電気分解するため水中に導入するという意義の他に浄化されるべき有機成分としての一面を有しており、その量を少なくできると最終的な浄化度（例えばＣＯＤ量など）の向上に寄与することができる。
また、分子間力などにより会合していた疎水性有機成分（ベンゼンなど）相互間に両親媒性溶媒（ＩＰＡ、ＤＭＳＯなど）と水が介在し相溶させた状態で電気分解することとなり、会合していた疎水性有機成分の分子の相互間は分離・離反され元々の集合が細分化されていることとなり、疎水性有機成分の分子は酸化作用を周囲からダイレクトに受けて分子内の結合が分断されていくこととなる。両親媒性溶媒は電気分解時に水と疎水性有機成分との間に介在する助剤として作用し、疎水性有機成分は酸化作用を有効に及ぼしめられる。
ここで、前記両親媒性溶媒としてプロトン性のＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、エタノール、メタノール、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）、非プロトン性のＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）、ＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）などを例示することができ、これらプロトン性と非プロトン性とを適宜に組み合わせて使用することができる。
前記疎水性有機成分としてベンゼン、トルエン、キシレン、スチレンなどを例示することができる。また、土壌汚染が問題となっているダイオキシン類、ＰＣＢなどの難分解性有機化合物、人体の皮膚表面などから溶出した汚れ成分などを例示することができる。前記汚染された土壌を水とプロトン性の両親媒性溶媒と非プロトン性の両親媒性溶媒で洗浄し、この洗浄水を前記のようにして浄化することができる。

この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
被処理水中の汚れ成分の結合を化学的に切断していくことにより汚れ評価指標が低減されるので、従来の生物処理のような汚泥（微生物の死骸等）は発生しない水処理方法及び機構を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に示すように、この実施形態では、被処理水（Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドとモノエタノールアミンを含有する有機排水）は原水槽１に貯留せしめられ、この原水槽１からポンプＰにより第１反応槽２へと送られる（流量140ｃｃ／分）。前記原水槽１と第１反応槽２との間の配管には、食塩水３がポンプＰにより合流せしめられる。第１反応槽２のＣＯＤは、約300ｐｐｍであった。ここで、食塩水の代わりに次亜塩素酸ナトリウム水を用いてもよい。なお図中、Ｓは水位センサー、Ｖはバルブを示す。
この水処理機構は、食塩が溶存する水（食塩濃度約１〜30％）に電流（電流密度約１〜80Ａ／ｄｍ^２）を流してその陽極側から塩素ガス４を発生せしめる有隔膜電流印加槽５を具備する。この有隔膜電流印加槽５で食塩が溶存する水に電流を流すと、陽極側が酸性雰囲気（ｐＨ１〜３程度）となり塩素ガス４が発生する。一方、陰極側は塩基性雰囲気となる（ｐＨ12〜14程度）。この陽極側水は循環させておらず、流入した分は一方通行で槽内でストップするようにしている。

そして、陽極側で発生した前記塩素ガス４は気密性を担保して回収し直接的、間接的に被処理水に及ぼし、その酸化作用により被処理水のＣＯＤを低減させるようにしている。
すなわち第一に、回収した前記塩素ガス４を被処理水に直接及ぼすようにしている。具体的には、有隔膜電流印加槽５の陽極側で発生した塩素ガス４をエアポンプＡＰにより配管を介して被処理水に吹き込み、第１反応槽２でよく混合させるようにしている（被処理水は一定時間滞留される）。吹き込まれた塩素ガスは、汚れ成分（有機化合物）に遭遇して直接分解せしめ、また被処理水中の水や水酸イオンと化合して次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）となって汚れ成分を攻撃してその結合を切断していくことによりＣＯＤを低減させる。

第二に、回収した前記塩素ガス４により次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）や次亜塩素酸を生成させ、この次亜塩素酸ナトリウム等を処理水に及ぼすようにしている。すなわち、回収した塩素ガスを次亜塩素酸生成槽６（水酸化ナトリウム水溶液を貯留しておく）に導入することにより次亜塩素酸ナトリウムを生成せしめ、この次亜塩素酸ナトリウムをポンプＰにより配管を介して被処理水に及ぼし、第１反応槽２でよく混合させるようにしている（被処理水は一定時間滞留される）。ここで、前記次亜塩素酸生成槽６へは、有隔膜電流印加槽５の陰極側の処理水の一部を補充できるようにしている。この次亜塩素酸生成槽６で、補充された陰極側のアルカリ水と塩素ガスとが化合し次亜塩素酸が生成することとなる。

そして、前記第１反応槽２で塩素ガスにより直接的、間接的に分解された被処理水を無隔膜の電解槽７に送り、この電解槽７で電気分解（陽極酸化）してＣＯＤを低減せしめ（電流密度約１〜80Ａ／ｄｍ^２）、有隔膜電流印加槽５に送るようにしている。すなわち被処理水のＣＯＤは、塩素ガス自体、塩素ガスに起因する次亜塩素酸、電解陽極酸化のそれぞれにより低減せしめられる。
ところで、電解槽７における電気分解によって被処理水中に残留塩素（Ｃｌ_２、ＨＯＣｌ）が生成しＣＯＤが低減されるが、この残留塩素を既述の有隔膜電流印加槽５の陰極側で低減するようにしている。すなわち、前記有隔膜電流印加槽５の陰極側に被処理水を供給すると、その残留塩素濃度を塩基性雰囲気下で低減させることができる。なお、被処理水の一部は陽極側へと還流するようにしている。

前記有隔膜電流印加槽５の陰極側に通した処理後の被処理水は、還元剤（重亜流酸ナトリウム）８をポンプＰで注入して第２反応槽９（被処理水は一定時間滞留される）でよく混合させて残留塩素濃度をより低減せしめ、次の活性炭触媒槽10で更に残留塩素を除去し第３反応槽11（被処理水は一定時間滞留される）を経て、ＲＯ膜その他の脱塩膜12によってイオンを分離する。最終的にＣＯＤは５ｐｐｍ以下となった。この最終処理水の一部は、配管を通じて第１反応槽２の前にフィード・バックして循環させられるようにしている。すなわち、最終処理水のフィード・バック経路13はそのまま原水槽１へと送られるようにし、フィード・バック経路14は既述の塩素ガス４を混合させて第１反応槽２へと送られるようにしている。
なお、被処理水にアンモニア性窒素も含有されている場合、次亜塩素酸によって最終的に窒素ガスに分解されるものと推測された。

次に、この実施形態の水処理機構の使用状態を説明する。
この水処理方法は、有隔膜電流印加槽５で食塩が溶存する水に電流を流してその陽極側から塩素ガス４を発生せしめ、前記塩素ガス４を回収して直接的、間接的に被処理水に及ぼしＣＯＤを低減させると共に、前記有隔膜電流印加槽５の陰極側にＣＯＤの低減後の被処理水を供給してその残留塩素濃度を低減させるようにしている。
この水処理方法及び機構は、有隔膜電流印加槽５の陽極側から発生する塩素ガス４を大気中に開放せずに回収し被処理水に及ぼして汚れ成分の結合を化学的に切断していくことによりＣＯＤが低減されるので、生物処理の場合のような汚泥（微生物の死骸等）は発生しないという利点がある。

また、有隔膜電流印加槽５の陰極側にＣＯＤの低減後の被処理水を供給してその残留塩素濃度を低減させるようにしたので、被処理水中の余分なイオン（塩素イオンやナトリウムイオン等）を膜等により分離除去する際に膜等がいたみ難いようにしてそのライフを伸ばすことができるという利点がある。
さらに、ＣＯＤ低減後の被処理水を前記有隔膜電流印加槽５の陰極側に供給し、陰極側の被処理水中の塩素イオン等の陰イオンは隔膜を介して陽極側に電気的に吸引され移行していき分離・低減することができるという利点がある。
そのうえ、有隔膜電流印加槽５の陽極側で塩素ガス４を発生させ、ＣＯＤ低減後の被処理水を陰極側に供給して陰イオンを分離・低減させるようにしたので、有隔膜電流印加槽５の陽極側と陰極側とを巧妙に活用することができるという利点がある。

ところで、生物処理では被処理水のＣＯＤの濃度が基準の濃度よりも高い場合は栄養過多となって事実上微生物による処理は不可能となるが、この発明によると電解槽７での印加電流を増大させることによって濃度変化に容易に対応することができるので、広い範囲の被処理水に適応することができる。
また、被処理水の処理量が増大した場合、生物処理ではピットを増設する必要があり、その工事のためには多額の費用が必要となるが、この発明によると有隔膜電流印加槽や電解槽の追加など生物処理よりも低廉な費用で対応することができる。

従来の生物処理のようには汚泥が発生しないことによって、種々の工場用水、飲料水のみならず、スイミング・プールの水質管理、梅・うどんその他の食品加工場の排水、地下水その他のあらゆる産業分野にわたった普遍的な用途に適用することができる。

この発明の水処理機構の実施形態を説明するシステム・フロー図。

４ 塩素ガス
５ 有隔膜電流印加槽

Claims (2)

1. 有隔膜電流印加槽で塩素が溶存する水に電流を流してその陽極側から塩素ガスを発生せしめ、前記塩素ガスを回収して直接的又は間接的に被処理水に及ぼし汚れ評価指標を低減させるようにし、前記被処理水は、水とプロトン性の両親媒性溶媒と非プロトン性の両親媒性溶媒と疎水性有機成分とを相溶させたものであることを特徴とする水処理方法。
2. 塩素が溶存する水に電流を流してその陽極側から塩素ガスを発生せしめる有隔膜電流印加槽を具備し、前記塩素ガスを回収して直接的又は間接的に被処理水に及ぼし汚れ評価指標を低減させるようにし、前記被処理水は、水とプロトン性の両親媒性溶媒と非プロトン性の両親媒性溶媒と疎水性有機成分とを相溶させたものであることを特徴とする水処理機構。