JP5701648B2

JP5701648B2 - 水処理装置

Info

Publication number: JP5701648B2
Application number: JP2011050471A
Authority: JP
Inventors: 教信佐野; 基明今枝
Original assignee: 壽化工機株式会社
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: JP2012187443A

Description

本発明は、水処理装置に関し、詳細には、水に含まれる有機物および生物的に分解困難な有機物を処理する技術に関する。

従来、工場等の生産工程から排出される排水にはさまざまな成分が含まれており、近年ではこれらに対する処理技術が種々開発・応用され、環境への負荷の低減に役立っている。しかしながら、ある種の物質、特に生物分解が困難な有機化学物質（以下、「難分解性物質」と言う。）は通常の生物処理工程においても十分な分解がなされないため、そのまま公共水域に放流されることが多い。これらの難分解性物質は合成されたのもが大部分で、環境中に放出されると動植物に摂取されて体内濃縮を受け、更に、食物連鎖の結果ヒトの体内に蓄積し、健康被害を起こす可能性がある。そのため、例えば、特許文献１に記載のように、「生物分解」と「紫外線による酸化」を用いた水処理装置が提案されている。

また、水に含まれる不純物質の分離・分解技術には、従来、「沈殿・浮上」、「生物分解」、「活性炭吸着」、「化学的酸化」、及び「促進酸化」等が知られている。「沈殿・浮上」では、沈殿または浮上できるような比較的大きい粒子の分離は出来るが、溶解性の有機物は分離できない。また、「生物分解」では、好気的分解および嫌気的分解を行い、有機化合物の分解を行う。また、「活性炭吸着」では、活性炭により残留した有機物を吸着する。また、「化学的酸化」は、オゾン、塩素、過酸化水素などによる酸化分解であり、有機物の部分的な酸化が起きるものの、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）までの分解は困難である。また、「促進酸化」は、オゾンと過酸化水素の組み合わせ、または紫外線と上記酸化剤を組み合わせてＯＨラジカルを発生させ有機物を分解する方法で、Ｈ_２ＯやＣＯ_２までの分解が可能であり、通常の化学的酸化より更に強い酸化力を有する。

特開２０１０−２２１１７３号公報

しかしながら、上記の技術のうち、生物処理後に残留した分解困難な有機物ついては「活性炭吸着」または「化学的酸化」、「促進酸化」の処理が行われているが、設備費や維持費が高くなるという問題点があり、水処理装置の小型化やランニングコストの低減が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、生分解可能な有機物を完全に分解すること及び難分解性物質の分解を化学的な酸化と生物的な酸化分解との適切な組み合わせを実行できる水処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る水処理装置は、被処理水を貯水する原水槽と、前記原水槽から供給される前記被処理水を生物分解及び濾過して第一処理水を得る濾過槽と、前記濾過槽で濾過された前記第一処理水を貯溜する第一水槽と、前記第一水槽から供給される前記第一処理水に紫外線による酸化処理を行い第二処理水を得る紫外線酸化部と、前記紫外線酸化部で酸化された前記第二処理水を活性炭で濾過して最終処理水を得る活性炭濾過部と、前記紫外線酸化部で酸化された前記第二処理水の一部を前記濾過槽へ戻す第一循環路と、前記活性炭濾過部で濾過された前記最終処理水の一部を前記第一水槽へ戻す第二循環路とを備えたことを特徴とする。

この水処理装置では、第一循環路の循環により、紫外線酸化部で部分的な酸化を受けた有機物が濾過槽に生息する微生物に分解される効果がある。

また、第二循環路の循環により、残留する難分解性物質が比較的低濃度の場合に有効である。このことによる効果は以下の通りである。（１）活性炭濾過部の活性炭に吸着された有機物は活性炭内で増殖した微生物により分解される。（２）紫外線酸化部の酸化によって生成したＯＨラジカルにより活性炭に吸着された有機物がさらに酸化分解を受ける。第二循環路の循環を行うことにより、（１）（２）の効果が繰り返され有機物の分解が促進する。

また、上記水処理装置では、前記紫外線酸化部へ供給される前記第一処理水へ酸化剤を投入する酸化剤供給部を備えても良い。この場合には、紫外線酸化部で酸化剤と紫外線によって生成したＯＨラジカルにより活性炭に吸着された有機物がさらに酸化分解を受けることができる。

また、上記水処理装置では、前記紫外線酸化部は前記第一処理水が注入される反応槽を備え、当該反応槽内に筒形の石英ジャケットを設け、前記石英ジャケット内に低圧水銀灯と外部から空気を供給する空気供給管とを設け、さらに、前記石英ジャケット内で前記低圧水銀灯と前記空気が接触して生成するオゾンを含有する空気を前記反応槽の下部から前記第一処理水に放出するオゾン化空気管を備えても良い。低圧水銀灯の発する主な紫外線は２５４nmであり、この場合には、さらに酸化剤と反応して、ＯＨラジカルを生成する（このＯＨラジカルが有機物を分解する）。また、この低圧水銀灯は、１８５nmの紫外線も発し、この紫外線は酸素（空気）との接触によりオゾンを生成することができる。

水処理装置１の構成を示すフローシートである。紫外線酸化搭５の構造を示す縦断面図である。

以下、本発明の水処理装置の一実施形態である水処理装置１について、図面に基づいて説明する。先ず、図１を参照して、水処理装置１の構成を説明する。水処理装置１は、被処理水が貯水される原水槽２と、原水槽２から供給される被処理水を生物分解及び濾過して第一処理水を得る濾過槽３と、濾過槽３で濾過された第一処理水が貯水される第一水槽４と、第一水槽４とから供給される第一処理水を紫外線で酸化する紫外線酸化搭５と、紫外線酸化搭５で酸化された第二処理水を活性炭で濾過する活性炭搭６（活性炭濾過部に相当）と、活性炭搭６で濾過された最終処理水を貯水する処理水槽７と、酸化剤を供給する酸化剤供給部６２とを備えている。

また、原水槽２と濾過槽３とは第一給水管２１により接続され、第一給水管２１には、原水槽２から濾過槽３へ被処理水を送る第一ポンプ２２が設けられている。また、濾過槽３と第一水槽４とは第二給水管３３により接続され、第二給水管３３には、第二ポンプ３４が設けられている。また、第一水槽４と紫外線酸化搭５とは、第三給水管４１により接続され、第三給水管４１には、第三ポンプ４２が設けられている。

紫外線酸化搭５には、第四給水管５１が接続され、第四給水管５１は、途中から第五給水管５２と第六給水管５３とに分岐し、第五給水管５２の先は濾過槽３に接続され、第六給水管５３の先は活性炭搭６に接続されている。また、第五給水管５２には、バルブ５４が設けられ、第六給水管５３にもバルブ５５が設けられている。第四給水管５１と第五給水管５２とバルブ５４とで第一循環路を構成する。

活性炭搭６には、第七給水管５６が接続され、第七給水管５６は、途中から第八給水管５７と第九給水管５８とに分岐し、第八給水管５７の先は第一水槽４に接続され、第九給水管５８の先は処理水槽７に接続されている。また、第八給水管５７には、バルブ５９が設けられ、第九給水管５８にもバルブ６０が設けられている。第七給水管５６と第八給水管５７とバルブ５９とで第二循環路を構成する。また、酸化剤供給部６２には酸化剤供給管６３が接続され、酸化剤供給部６２に内蔵された酸化剤が第三給水管４１に供給されて紫外線酸化搭５に送り込まれるようになっている。

次に、上記各構成の詳細を説明する。原水槽２は、被処理水である原水の供給源（図示せず）に接続され、原水を貯水する。原水槽２に貯水された原水は第一ポンプ２２により第一給水管２１を介して濾過槽３へ送られる。

濾過槽３は、第一給水管２１を介して原水槽２の下流側に接続されている。濾過槽３は、工場排水等の原水に対して、化学的な酸化処理を行うための前処理である生物処理を行う。具体的には、被処理水である原水に含まれる難分解性物質を処理するには、まず生物的に分解可能な成分を効率よく分解する必要がある。有機物を効率よくかつ低コストで分解するには、まず生分解可能な有機物を生物分解反応においてほぼ完全に分解することが重要である。なぜなら、他の分解方法に比べて生物分解法が最もランニングコストが低いからである。

図１に示すように、濾過槽３の底には散気管３２が設けられ、散気管３２は図示外の空気ポンプから供給される空気を排出して濾過槽３内を攪拌する。また、濾過槽３内には、濾過膜ユニット３１が設けられ、濾過膜ユニット３１で濾過された第一処理水が第二給水管３３を介して第二ポンプ３４により第一水槽４へ送られる。尚、濾過膜ユニット３１は、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ；メンブレン・バイオ・リアクター）により生物処理を行う。従って、濾過槽３は、生物反応槽と濾過槽を兼ねている。濾過槽３内で、十分に分解した排水を、濾過槽３に浸漬した濾過膜ユニット３１で濾過する。濾過膜ユニット３１の濾過膜は１μm以下の孔径を持っており、濾過槽３で生成した生物汚泥や懸濁物質を完全に分離する。このため、濾過槽３内には高濃度の汚泥が蓄積され、それに比例して高濃度の微生物が保持される。そのぶん生分解反応が促進され高度に生分解された透明な濾過水が得られる。また、濾過膜ユニット３１において完全に懸濁物質が分離されるので通常の活性汚泥法のように沈殿処理が不要である。また、濾過槽３には、第五給水管５２が接続され、紫外線酸化搭５で酸化された第二処理水の一部が還流される。

第一水槽４は、濾過槽３で生物処理された第一処理水を貯水すると共に、活性炭搭６で濾過された最終処理水の一部が還流される。紫外線酸化搭５では、濾過槽３で生物処理された第一処理水に対して化学的な酸化を行う。

紫外線酸化搭５での酸化処理の一例を以下に説明する。難分解性物質を分解するには化学的な酸化が必要であるが、これらの物質が酸化される時、分子形状のままでの酸化から分子の切断が起こり、ついにはＨ_２ＯとＣＯ_２までに分解される。このことを、難分解性物質の一つであるエチレングリコールを例にとって説明する。エチレングリコールの酸化分解は次のような順序でＨ_２ＯとＣＯ_２に分解される。
ＯＨＣＨ_２−ＣＨ_２ＯＨ＋Ｏ_２→ ２ＨＣＯＯＨ＋Ｏ_２→ ２Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２

しかしながら、化学的な酸化によってＨ_２Ｏ、ＣＯ_２まで分解するには多量の酸化剤とエネルギーが必要である。上記の反応式からもわかるように、有機物の酸化は分子内酸化を経て−ＣＯＯＨ基を持つカルボン酸、すなわち有機酸を生成する。通常の有機酸が生体内で容易に分解することを考えれば、化学的酸化によってＨ_２Ｏ、ＣＯ_２までの完全な酸化を行わずとも、その中間体までの酸化を行い、そのあと生物分解を行うのがランニングコストを低く出来ることは自明である。このことより、難分解性物質の分解には、化学的な酸化と生物的な酸化分解の適切な組み合わせが重要である。

第一水槽４に貯水された第一処理水は第三ポンプ４２で吸引され、酸化剤供給部６２から酸化剤供給管６３を介して送られる酸化剤が加えられて、紫外線酸化搭５へ送られる。このとき加えられる酸化剤の一例としては、オゾン、過酸化水素、次亜塩素酸ナトリウムがある。酸化剤の添加方法については、酸化剤の種類により異なり、以下のようになる。

オゾンの場合は、オゾンがガス体であるので、第三ポンプ４２後の第三給水管４１にエジェクター（図示外）を設け、これによって生ずる負圧を利用して吸引させる方法、または、紫外線酸化搭５内に、散気管を配しこれより紫外線酸化搭５内にオゾンを供給する方法が考えられる。これらの方法は気体の供給であるので紫外線酸化搭５での気液混合により攪拌効果が十分にできる。

一方、過酸化水素や次亜塩素酸ナトリウムの場合は液体であるので紫外線酸化搭５内で十分な混合がなされない可能性がある。このことを解決する手段として以下のように二つの方法が考えられる。第一の方法としては、紫外線酸化搭５の底部に散気管を設けこれより空気を供給し槽内を攪拌する方法が考えられる。

第二の方法としては以下の方法が考えられる。図２に示すように、紫外線酸化搭５は、円筒形の密閉された反応筒７０（反応槽に相当）の上部に第三給水管４１が接続され第一処理水が注入され、反応筒７０の下部に酸化された第二処理水が排出される第四給水管５１が接続されている。また、紫外線酸化搭５の内に円筒形の石英ジャケット７１を設けて、当該石英ジャケット７１内に放電管７３と空気供給管７２を設け、放電管７３には電源７６を接続し、空気供給管７２には、上部７２Ａから空気を供給し、放電管７３の下方から空気を吐き出す。放電管７３と接触して生成するオゾンを含有する空気（図２に示す矢印）をオゾン化空気管７４により、紫外線酸化搭５の下部に設けた散気管７５から反応筒７０内に放出して拡散する。この方法は、特に１８５nmの紫外線を発する低圧水銀灯を用いる場合に有効である。

尚、放電管７３の一例としては、低圧水銀灯を用いる。この低圧水銀灯の発する主な紫外線は２５４nmであり、この波長には殺菌効果があり、さらに酸化剤と反応して、ＯＨラジカルを生成する（このＯＨラジカルが有機物を分解する）。また、この低圧水銀灯は、１８５nmの紫外線も発し、この紫外線は酸素（空気）との接触によりオゾンを生成する。従って、石英ジャケット７１内でオゾン化された空気をオゾン化空気管７４により取り出し、これを紫外線酸化搭５の反応筒７０内に吹き込むことにより撹拌効果を与え、かつＯＨラジカルを発生させ酸化を助けることができる。

次に、活性炭搭６について説明する。活性炭搭６内には、第二処理水を濾過して最終処理水にする活性炭が充填されている。また、活性炭搭６には、第二処理水を流入する第六給水管５３と、最終処理水が流出する第七給水管５６が接続されているが、通常は、図１に示すように、活性炭搭６の上部に第六給水管５３を接続し、下部に第七給水管５６を接続して、活性炭搭６の上から下へ第二処理水を流入させる。この場合には、前段の紫外線酸化搭５でオゾンや空気との接触で残ったガスが活性炭内に蓄積する。これを取り除くために定期的な逆流洗浄を行う。一方、活性炭搭６の下部に第六給水管５３を接続し、上部に第七給水管５６を接続して、活性炭搭６の下から上へ第二処理水を流入させるようにしても良い。この場合には、活性炭搭６内の活性炭層が流動状態になるので、活性炭層内にガスが蓄積しないため逆流洗浄の必要がない。

次に、本発明のポイントを説明する。紫外線酸化搭５における酸化剤と紫外線による酸化処理の方法は、酸化剤量と紫外線ランプ本数を多くし滞留時間を長くとれば有機物の殆どをＨ_２Ｏ、ＣＯ_２まで分解できるが、設備コストやランニングコストの増大で実用化が困難である。このことを解決する手段として、本実施の形態の水処理装置１では、以下のような方法を講ずる。先ず、図１に示すように紫外線酸化搭５で酸化処理された第二処理水の一部または大部分を第四給水管５１、バルブ５４及び第五給水管５２（第一循環路）により濾過槽３へ戻すようにする。この循環により、紫外線酸化搭５で部分的な酸化を受けた有機物が濾過槽３に生息する微生物に分解される効果がある。この方法は、残留する難分解性物質が比較的濃度の高い場合に有効である。難分解性物質が紫外線酸化により部分的な酸化を受けると生分解性が向上するため、微生物量の多い濾過槽３へ返送して分解するものである。

また、図１に示すように、活性炭搭６から排出される最終処理水の一部または大部分を第七給水管５６、バルブ５９及び第八給水管５７により、第一水槽４に戻すようにする（第二循環路）。この場合には、残留する難分解性物質が比較的低濃度の場合に有効である。このことによる効果は以下の通りである。
（１）活性炭に吸着された有機物は活性炭内で増殖した微生物により分解される。
（２）酸化剤と紫外線によって生成したＯＨラジカルにより活性炭に吸着された有機物がさらに酸化分解を受ける。
（３）循環を行うことにより、（１）（２）の効果が繰り返され有機物の分解が促進する。これらの効果により有機物分解と共に活性炭そのものの再生が起きるため、吸着容量が増大し活性炭の寿命が著しく延びる。

上記２種類の循環は、残留有機物が多ければ多いほど原水流入に対する循環比を大きくする必要があるが、通常は１：１〜１：１０の範囲が好ましい。尤も、流入水の有機物濃度が極めて低い時は循環を行う必要がない。尚、循環比の調整は、第二処理水の濾過槽３への循環はバルブ５４及びバルブ５５の開度の割合を変えることにより行う。また、最終処理水の第一水槽４への循環はバルブ５９及びバルブ６０の開度の割合を変えることにより行う。バルブ５４及びバルブ５５の開度の調整による第五給水管５２への流量：第六給水管５３への流量比は、一例として、９：１〜０：１０程度の範囲で残留有機物の量に応じて調整すれば良い。また、バルブ５９及びバルブ６０の開度の調整による第八給水管５７への流量：第九給水管５８への流量比は、一例として、５：１〜０：５程度の範囲で残留有機物の量に応じて調整すれば良い。

次に、上記水処理装置１を使用した実験結果を表１として説明する。難分解性物質としては、ジエチレングリコールを使用した。
（１）処理条件
・原水組成：ジエチレングリコール２００ppm水溶液、pH約6、ＴＯＣ(有機炭素、Total Organic Carbon)４５ppm
・通水条件：１０Ｌ／ｈ
・濾過槽３：２５０Ｌ、活性汚泥が約５０００ppmに保たれている。濾過面積０．５ｍ²
・紫外線酸化搭５：容量５Ｌ、４０Ｗ低圧水銀灯
・活性炭搭６：活性炭充填量１０Ｌ
・酸化剤：オゾン、注入量１００ppm

（２）処理結果
酸化剤のあるなし、循環のあるなしについて比較した結果を示す。
但し、第一循環路（循環（１））、第二循環路（循環（２））とも循環水量は４０Ｌ／ｈであった。

上記表１に示すように、酸化剤を加えず、第一循環路（循環（１））、第二循環路（循環（２））とも循環水量無しの場合（ＲＵＮ−１）は、ジエチレングリコールの除去率が３３％と低いが、酸化剤を加えて、第一循環路（循環（１））、第二循環路（循環（２））とも循環水量が４０Ｌ／ｈの場合（ＲＵＮ−３）は、ジエチレングリコールの除去率が９６％と高いことが分かる。また、酸化剤を加えて、第一循環路（循環（１））のみの場合（ＲＵＮ−２）でも、ジエチレングリコールの除去率が８２％と高く有効であることが分かる。

以上の構成を有する水処理装置１によれば、以下の効果を奏する。即ち、紫外線酸化後の処理水は難分解性有機物が部分的な酸化を受けるだけで、Ｈ_２ＯとＣＯ_２までには分解されず、生分解が可能な状態になっている場合が大部分なので、これを濾過槽３（活性汚泥槽）へ返送して生物分解するのがコスト上メリットがある。一方、活性炭搭６で分解する場合は、活性炭内に棲息する微生物量に限界があるので出来るだけ低い濃度の排水に適する。微生物による分解は溶存酸素を必要とするので、常温での溶存酸素は約１０ppmであることから、この濃度の酸素が消費される範囲内の有機物濃度が適当である。

尚、本発明の水処理装置は上記実施形態に限らず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。例えば、ｐＨの調整は以下のようにすれば良い。有機物の分解が進行するとｐＨが変化する。炭水化物が酸化されると有機物を生成するためｐＨが下がる。一方アミン類はアンモニアを遊離するのでｐＨが上昇する。従って、濾過槽３や活性炭搭６では、生物分解が進行しているので、ｐＨは中性付近に調整する。

また、紫外線酸化搭５の後に気液分離を行うようにしても良い。オゾンなどの気体を吹き込んだ状態で、そのまま活性炭搭６へ流入させると、上向流型の活性炭搭６では、気泡により活性炭が浮遊、混和し系外に流出する場合がある。一方、下向流の場合でも活性炭搭６内に気泡が蓄積し、急激な濾過圧差圧の上昇が起きる場合がある。従って、紫外線酸化搭５の後の第四給水管５１に気液分離機構を設けて、液体のみ活性炭搭６へ流入させるようにしても良い。また、反応筒７０や石英ジャケット７１は、必ずしも円筒形に限られず、反応筒７０や石英ジャケット７１は角型の筒等でも良い。

１水処理装置
２原水槽
３濾過槽
４第一水槽
５紫外線酸化搭（紫外線酸化部）
６活性炭搭（活性炭濾過部）
７処理水槽
２１第一給水管
２２第一ポンプ
３１濾過膜ユニット
３２散気管
３３第二給水管
３４第二ポンプ
４１第三給水管
４２第三ポンプ
５１第四給水管
５２第五給水管
５３第六給水管
５４バルブ
５５バルブ
５６第七給水管
５７第八給水管
５８第九給水管
５９バルブ
６０バルブ
６２酸化剤供給部
６３酸化剤供給管
７０反応筒
７１石英ジャケット
７３放電管
７４オゾン化空気管
７５散気管

Claims

被処理水を貯水する原水槽と、
前記原水槽から供給される前記被処理水を生物分解及び濾過して第一処理水を得る濾過槽と、
前記濾過槽で濾過された前記第一処理水を貯溜する第一水槽と、
前記第一水槽から供給される前記第一処理水に紫外線による酸化処理を行い第二処理水を得る紫外線酸化部と、
前記紫外線酸化部で酸化された前記第二処理水を活性炭で濾過して最終処理水を得る活性炭濾過部と、
前記紫外線酸化部で酸化された前記第二処理水の一部を前記濾過槽へ戻す第一循環路と、
前記活性炭濾過部で濾過された前記最終処理水の一部を前記第一水槽へ戻す第二循環路と
を備えたことを特徴とする水処理装置。
前記紫外線酸化部へ供給される前記第一処理水へ酸化剤を投入する酸化剤供給部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
前記紫外線酸化部は、
前記第一処理水が注入される反応槽を備え、
当該反応槽内に筒形の石英ジャケットを設け、
前記石英ジャケット内に低圧水銀灯と外部から空気を供給する空気供給管とを設け、
さらに、前記石英ジャケット内で前記低圧水銀灯と前記空気が接触して生成するオゾンを含有する空気を前記反応槽の下部から前記第一処理水に放出するオゾン化空気管を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理装置。