JP5819135B2 - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光を利用して水処理を行う水処理方法および水処理装置に関する。

例えば水道水として用いる原水を浄水する過程において、原水中に存在する細菌やウィルスなどの微生物を除去するために、例えば塩素や次亜塩素酸などの塩素系化合物よりなる酸化剤の注入による塩素消毒が従来から行われている。
このような塩素消毒においては、被処理水に対して酸化剤の注入量を多くして遊離塩素の濃度を高くすれば、細菌などの微生物に対して高い不活化力が確保されるが、塩素の副生成物であるトリハロメタンなどの有害物質が生成されるという問題やカルキ臭が発生するという問題がある。また、被処理水に対して酸化剤の注入量を少なくして遊離塩素の濃度を低くすれば、上記問題は回避されるが、細菌などの微生物に対して高い不活化力が得られないという問題がある。

例えば特許文献１には、細菌に対する不活化効果をより高めるため、被処理水に対して、塩素系化合物などの酸化剤の存在下で、波長２５４ｎｍおよび波長１８５ｎｍの光を含む紫外光を照射することにより、被処理水中の細菌を死滅させる処理を行う水処理方法が開示されている。また、特許文献１には、波長２５４ｎｍの紫外光は、細菌の細胞壁および細胞膜を通過して核酸（ＤＮＡ）に直接作用し、核酸の結合を破壊することにより核酸を不活化させること、および、波長１８５ｎｍの紫外光は、被処理水中の遊離塩素に作用してラジカルを生成し、当該ラジカルによる酸化力によって細菌の細胞壁および細胞膜を損傷させることにより、細菌自体を死滅させることが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の水処理方法においては、酸化剤として塩素系化合物を用いた場合に、塩素系化合物の存在下で紫外光照射処理が行われることにより、遊離塩素に紫外光が照射され、これにより、トリハロメタンなどの有害物質が生成されるという問題がある。また、波長１８５ｎｍの紫外光は、水中での透過率が低く、細菌に対して十分な不活化効果が得られないという問題がある。

特開２０１０−２７９９０９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、酸化剤の使用量を低減しながらも、細菌やウィルスなどの微生物を不活化することができると共にトリハロメタンなどの有害物質の生成を抑制することができる水処理方法および水処理装置を提供することを目的とする。

本発明の水処理方法は、被処理水に対して、波長２００ｎｍ〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む、クリプトンクロライド（ＫｒＣｌ）エキシマランプより放射された紫外光を照射し、その後、酸化剤を供給することを特徴とする。

本発明の水処理方法においては、前記酸化剤が、塩素系化合物であることが好ましい。

本発明の水処理方法においては、前記被処理水が、遊離塩素を含まないものであることが好ましい。

本発明の水処理装置においては、被処理水が流通する流路に沿って、当該被処理水に波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光を照射する紫外光照射装置が設けられ、この紫外光照射装置より下流側に酸化剤を供給する酸化剤供給手段が設けられており、
前記紫外光照射装置が、光源としてクリプトンクロライド（ＫｒＣｌ）エキシマランプを備えることを特徴とする。

本発明の水処理装置においては、前記酸化剤供給手段は、塩素系化合物よりなる酸化剤を供給するものであることが好ましい。

本発明の水処理方法および水処理装置によれば、被処理水に対して、特定波長の紫外光を照射し、その後、酸化剤を供給することにより、酸化剤の使用量を低減しながらも、細菌やウィルスなどの微生物を不活化することができると共にトリハロメタンなどの有害物質の生成を抑制することができる。具体的には、被処理水に照射する紫外光が、微生物の細胞壁および細胞膜を構成する蛋白質の分解が可能である波長２４０ｎｍ以下、および、水中での透過率が確保される波長２００ｎｍ以上の光を少なくとも含むことから、酸化剤の使用量が少量であっても、効率的に細菌やウィルスなどの微生物を不活化することができ、その上、紫外光の照射終了後に酸化剤が供給されることから、遊離塩素に紫外光が照射されないので有害物質の生成を抑制することができる。

本発明の水処理方法および水処理装置は、後述する実験例からも明らかなように、酸化剤を供給する処理による微生物に対する不活化効果と、紫外光を照射する処理による微生物に対する不活化効果とを単に合計した効果に比べ、極めて高い微生物に対する不活化効果が得られる。

本発明の水処理装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 本発明の水処理装置に係る紫外光照射装置の光源として備えられるエキシマランプの構成の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 本発明の水処理方法における細菌やウィルスなどの微生物への作用を説明するための模式図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
なお、本発明において、「水処理」とは、細菌やウィルスなどの微生物を不活化することをいう。

図１は、本発明の水処理装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
この水処理装置１０は、被処理水Ｗａが流通する流路Ｒに沿って設けられた、当該被処理水に波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光ＵＶを照射する紫外光照射装置１２と、流路Ｒにおいて紫外光ＵＶが照射された被処理水Ｗｂが貯留される混和槽１４と、混和槽１４内に貯留された被処理水Ｗｂに酸化剤Ｏを供給する酸化剤供給手段１３とが備えられている。

本実施例においては、処理水Ｗａは、塩素系化合物よりなる酸化剤によって塩素消毒処理されていないもの、具体的には遊離塩素が含まれないもの、または、遊離塩素が含まれていても極めて少量のものとされる。

流路Ｒは、互いに同軸上に配置された円筒状の外管１１Ａおよび円筒状の内管１１Ｂよりなる流路管１１において、当該外管１１Ａの内周面と内管１１Ｂの外周面との間に形成された円筒状空間によって形成される。

流路管１１を構成する外管１１Ａは、特に限定されないが、例えばステンレス鋼よりなるものである。
流路管１１を構成する内管１１Ｂは、波長２００〜２４０ｎｍの光を透過するものよりなればよく、例えば石英ガラスよりなるものである。
流路管１１の外管１１Ａには、ポンプＰ₁ により汲み上げられた被処理水Ｗａが流路Ｒに流入される流入口１１１と、流路Ｒにおいて紫外光照射装置１２により紫外光ＵＶが照射された被処理水（以下、「紫外光処理水」ともいう。）Ｗｂが連結路Ｃに流出される流出口１１２とが設けられている。

流路Ｒを流通する被処理水Ｗａの流速は、例えば０．１〜３００ｃｍ／ｓｅｃが好ましい。

紫外光照射装置１２は、流路管１１を構成する内管１１Ｂの内部に管軸に沿って配置されている。
紫外光照射装置１２は、波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光を放射する光源を備えたものであり、この光源としては、例えばエキシマランプ、特にクリプトンクロライド（ＫｒＣｌ）エキシマランプが好ましい。
なお、波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光とは、ピーク波長が少なくとも波長２００〜２４０ｎｍの範囲に有するものをいう。

紫外光照射装置１２により被処理水Ｗａに照射する紫外光ＵＶの照射量は、例えば５〜２００ｍＪ／ｃｍ² が好ましい。
また、紫外光照射装置１２の光放射面から内管１１Ｂの内周面までの距離ｄは、例えば０．１〜１０ｃｍが好ましい。

図２は、本発明の水処理装置に係る紫外光照射装置の光源として備えられるエキシマランプの構成の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
このエキシマランプ３５は、エキシマ用ガスが気密に封入された放電空間Ｓを形成する放電容器３６を有する。
放電容器３６は、互いに対向するそれぞれ矩形状の上壁部分３６ａおよび下壁部分３６ｂと、上壁部分３６ａおよび下壁部分３６ｂの周縁部を連結する４つの側壁部分３６ｃよりなる扁平な箱型のものであって、全体が例えば石英ガラスよりなるものである。

放電容器３６における上壁部分３６ａの外面（図２（ｂ）において上面）には、網状の一方の電極３７が設けられ、当該放電容器３６における下壁部分３６ｂの外面（図２（ｂ）において下面）には、網状の他方の電極３８が設けられており、一方の電極３７および他方の電極３８の各々は、高周波電源（図示せず）に接続されている。

放電容器３６内に封入されるエキシマ用ガスとしては、波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光を放射するエキシマを生成し得るもの、具体的にはクリプトン（Ｋｒ）と塩素（Ｃｌ）との混合ガスが挙げられる。このようなＫｒとＣｌとの混合ガスをエキシマ用ガスとして用いると、波長２２２ｎｍにピークを有する光が放射される。
エキシマ用ガスの封入圧は、例えば１０〜１００ｋＰａである。

本発明においては、紫外光照射装置は、光源として波長２００〜２４０ｎｍの励起光を放射する蛍光ランプを用いてもよい。このような蛍光ランプとしては、例えば上記エキシマランプ３５における放電容器３６において、蛍光体を含む蛍光体層が放電容器３６の内表面、すなわち上壁部分３６ａ、下壁部分３６ｂおよび側壁部分３６ｃの内面に形成されてなるものとされる。

この水処理装置１０においては、酸化剤供給手段１３および混和槽１４が紫外光照射装置１２の下流側に設けられている。
具体的には、混和槽１４は、流路管１１の流出口１１２から流出した紫外光処理水Ｗｂが通過する連結路Ｃを介して配置されており、酸化剤供給手段１３は、混和槽１４内に貯留された紫外光処理水Ｗｂに酸化剤Ｏが供給されるよう、混和槽１４の直上位置に配置されている。この酸化剤供給手段１３においては、酸化剤Ｏを滴下することにより、当該酸化剤Ｏが紫外光処理水Ｗｂに供給される構成とされている。

酸化剤供給手段１３により紫外光処理水Ｗｂに供給される酸化剤Ｏは、微生物を構成する核酸を分解することのできるものであれば特に限定されず、例えば、塩素、次亜塩素酸および次亜塩素酸塩（例えば、次亜塩素酸ナトリウムなど）などの塩素系化合物、オゾン、ハロゲン化物などを用いることができる。
本発明においては、酸化剤としては、特に塩素、次亜塩素酸および次亜塩素酸塩の遊離残留塩素やクロラミンなどの結合残留塩素を用いることが好ましい。

酸化剤Ｏの供給量は、例えば１〜２ｍｇ／Ｌが好ましい。

このような水処理装置１０においては、例えば以下のような水処理が行われる。
被処理水Ｗａは、ポンプＰ₁ により汲み上げられ、流路管１１の流入口１１１から流路Ｒに流入され、流路Ｒを軸方向に流通しながら、紫外光照射装置１２から放射される紫外光ＵＶが照射される（紫外光照射工程）。紫外光ＵＶが照射された紫外光処理水Ｗｂは、流路管１１の流出口１１２から連結路Ｃに流出され、連結路Ｃを通過して、混和槽１４に貯留されて、酸化剤供給手段１３により酸化剤Ｏが供給される（酸化剤供給工程）。その後、紫外光処理水Ｗｂと酸化剤Ｏとが混和槽１４内で撹拌処理され、撹拌処理が施された被処理水（以下、「酸化剤処理水」ともいう。）Ｗｃは、ポンプＰ₂ により汲み上げられる。
水処処理が達成された酸化剤処理水Ｗｃは、例えば水道水などとして利用される。
なお、本発明においては、紫外光照射工程と酸化剤供給工程とは、連続的に行われても、所定の時間間隔が設けられていてもよい。

以上のように、本発明によれば、紫外光照射工程後に酸化剤供給工程が行われることにより、被処理水Ｗａに照射する紫外光ＵＶが、微生物の細胞壁および細胞膜を構成する蛋白質の分解が可能である波長２４０ｎｍ以下、および、水中での透過率が確保される波長２００ｎｍ以上の光を少なくとも含むことから、酸化剤Ｏの使用量が少量であっても、効率的に細菌やウィルスなどの微生物を不活化することができ、その上、紫外光処理水Ｗｂに対して、紫外光ＵＶの照射終了後に酸化剤Ｏが供給されることから、遊離塩素に紫外光が照射されないので有害物質の生成を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明の水処理装置においては、被処理水に泥や砂などが含まれている場合、紫外光照射装置より上流側に泥や砂を凝集沈殿させる沈殿槽が設けられていてもよい。
また例えば、本発明の水処理装置においては、酸化剤供給手段により供給される酸化剤は、核酸を分解するためのものであるが、例えば水道水の原水の水処理を行う場合においては、水処理が施された被処理水は、長距離の水道管を流通することから、その流通期間中に、残留した微生物が繁殖する可能性があるため、微生物の繁殖を抑制する目的で、酸化剤供給手段（以下、「第１の酸化剤供給手段」という。）より下流側に別途、第２の酸化剤供給手段が設けられていてもよい。このような構成においては、第１の酸化剤供給手段と第２の酸化剤供給手段とに用いられる酸化剤は、同一のものであっても異なるものであってもよい。

以下、波長２００〜２４０ｎｍの紫外光照射処理および酸化剤供給処理の組み合わせ処理による効果を確認する実験を行った。

〔実験例１：酸化剤供給処理〕
シャーレ内にｐＨ７．０のリン酸緩衝液２１０ｍＬ（液温２０℃）を投入し、さらに、大腸菌ファージＭＳ２（以下、単に「ＭＳ２」という。）１０⁷ 〜１０⁸ 個／ｍＬを投入し、撹拌してサンプルを作製した。このサンプルに対して、濃度が０．１〜０．６ｍｇ／Ｌとなるよう次亜塩素酸ナトリウム水溶液の供給処理（以下、「処理（ａ）」ともいう。）を行った。処理前後のＭＳ２濃度および残留塩素濃度を測定した。得られたＭＳ２濃度を用いて下記式（１）により求められる不活化率とその対数値を算出した。結果を表１に示す。なお、ＭＳ２濃度は重層寒天培地法により測定し、残留塩素濃度は、ＤＰＤ吸光度法により測定した。
式（１）：不活化率＝（処理後のＭＳ２濃度）／（処理前のＭＳ２濃度）

〔実験例２：低圧水銀ランプ照射処理〕
実験例１において、処理（ａ）に代えて、サンプルに対して、ピーク波長が２５４ｎｍおよび１８５ｎｍに有する低圧水銀ランプによる紫外光の照射処理（以下、「処理（ｂ）」ともいう。）を行ったことの他は同様にして、ＭＳ２の不活化率の対数値を算出した。結果を表１に示す。なお、サンプル表面と低圧水銀ランプの光放射面との距離を３８．９ｃｍとし、また、低圧水銀ランプの照射量を２４．３ｍＪ／ｃｍ² および５８．３２ｍＪ／ｃｍ² とした。

〔実験例３：クリプトンクロライド（Ｋｒ−Ｃｌ）エキシマランプ照射処理〕
実験例１において、処理（ａ）に代えて、サンプルに対して、ピーク波長が２２２ｎｍに有するＫｒ−Ｃｌエキシマランプによる紫外光の照射処理（以下、「処理（ｃ）」ともいう。）を行ったことの他は同様にして、ＭＳ２の不活化率の対数値を算出した。結果を表１に示す。なお、サンプル表面とＫｒ−Ｃｌエキシランプの光放射面との距離を４８．９ｃｍとし、また、Ｋｒ−Ｃｌエキシマランプの照射量を１３．６ｍＪ／ｃｍ² 、２４．４８ｍＪ／ｃｍ² および２７．２ｍＪ／ｃｍ² とした。

以上の実験例１〜３により、処理（ａ）〜（ｃ）（単独処理）について、単独処理による不活化率の対数値の合計値、すなわち処理（ａ）および処理（ｂ）の不活化率の対数値の合計値（Ｘ）、並びに、処理（ａ）および処理（ｃ）の処理の不活化率の対数値の合計値（Ｘ）を求めた。結果を表１に示す。

〔実験例４：低圧水銀ランプ照射処理の後、酸化剤供給処理〕
実験例１において、処理（ａ）に代えて、サンプルに対して、処理（ｂ）の後、処理（ａ）を行った（以下、「処理（ｄ）」ともいう。）ことの他は同様にして、ＭＳ２の不活化率の対数値を算出した。結果を表２に示す。

〔実験例５：Ｋｒ−Ｃｌエキシマランプ照射処理の後、酸化剤供給処理〕
実験例１において、処理（ａ）に代えて、サンプルに対して、処理（ｃ）の後、処理（ａ）を行った（以下、「処理（ｅ）」ともいう。）ことの他は同様にして、ＭＳ２の不活化率の対数値を算出した。結果を表２に示す。

以上の実験例４および５により、処理（ｄ）および処理（ｅ）の処理（組み合わせ処理）について、相乗効果を求めた。具体的には、相乗効果は、単独処理による不活化率の対数値の合計値（Ｘ）に対する組み合わせ処理の不活化率の対数値（Ｙ）の比率により求めた。結果を表２に示す。
なお、表１および表２に示すＣｔ値は、残留塩素濃度と接触時間（酸化剤投入後１分間経過後）との積である。このＣｔ値と不活化率の対数値とは比例関係にあることが知られている。

以上の結果より、本発明に係る処理（ｅ）（Ｋｒ−Ｃｌエキシマランプ照射後、酸化剤供給）については、当該処理（ｅ）に係る不活化率の対数値（Ｙ）は、処理（ａ）（酸化剤供給）および処理（ｃ）（Ｋｒ−Ｃｌエキシマランプ照射）の不活化率の対数値の合計値（Ｘ）に比べて大きく、従って、より高い不活化効果が得られることが確認された。また、紫外光の照射量が大きくなるに従って、不活化効果も大きくなることが確認された。
以上のように、本発明の水処理方法は、酸化剤を供給する処理による微生物に対する不活化効果と、特定波長の紫外光を照射する処理による微生物に対する不活化効果とを単に合計した効果に比べ、極めて高い不活化効果が得られ、従って、酸化剤を供給する処理と特定波長の紫外光を照射する処理との相乗作用により、高い不活化効果が得られることが確認された。

本発明においては、以上のような効果が得られる理由としては、以下のように推測される。
図３に示すように、細菌やウィルスなどの微生物２０は、核酸（ＤＮＡ）２３と、この核酸２３を取り囲む、蛋白質よりなる細胞膜２２および細胞壁２１とから構成されている（図３（ａ）参照）。このような微生物２０が存在する被処理水に対して、蛋白質の分解が可能な波長２４０ｎｍ以下の紫外光を照射することにより、蛋白質の一部または全部を分解し、これにより、微生物２０の細胞壁２１および細胞膜２２が損傷し（図３（ｂ）参照）、その後、酸化剤を供給することにより、損傷された細胞壁２１や細胞膜２２の亀裂から酸化剤が流入し、核酸２３が分解されると考えられる（図３（ｃ）参照）。
従って、波長２００〜２４０ｎｍの紫外光を先に照射することによって予め蛋白質を分解し、その後、核酸を分解する酸化剤を投入することよって損傷された細胞壁や細胞膜の亀裂から酸化剤が流入し、効率的に核酸を分解することができたものと考えられる。

なお、蛋白質は、アミノ酸がペプチド結合により重合したものであり、このアミノ酸にはトリプトファンやチロシンなどが含まれており、これらは、波長２２０ｎｍの近傍において紫外光の吸収スペクトルのピークがあることから、紫外光としては、ピーク波長が波長２２０ｎｍ±１０の範囲内にある光を利用することが好ましい。

一方、比較例に係る処理（ｄ）（低圧水銀ランプ照射後、酸化剤供給）については、当該処理（ｄ）に係る不活化率の対数値（Ｙ）は、処理（ａ）（酸化剤供給）および処理（ｂ）（低圧水銀ランプ照射）の不活化率の対数値の合計値（Ｘ）と比べても、大きな差はなく、従って、高い不活化効果が得られないことが確認された。また、紫外光の照射量を大きくしても高い不活化効果が得られないことが確認された。これは、低圧水銀ランプから放射される紫外光は、波長２５４ｎｍと波長１８５ｎｍを含む光であるが、波長２５４ｎｍは、蛋白質を殆ど分解することができず、また、波長１８５ｎｍは水中での透過率が低いことから蛋白質にほとんど到達していないものと推測されるからである。

本発明の水処理方法は、例えば、水道水の原水の水処理、ペットボトルの洗浄水の水処理、半導体などの化学薬品洗浄用の純水精製過程における水処理、下水の水処理、船舶のバラスト水の水処理、空気清浄機の水処理、水族館や養殖場等における水生生物用の水処理などとして用いることができる。なお、被処理水に遊離塩素が含有された状態で、紫外光を照射すると、トリハロメタンなどの有害物質が生成されるおそれがあることから、紫外光が照射される前の被処理水は、水中の鉄およびマンガンを酸化させる目的で塩素注入が行なわれた、いわゆる前塩素処理されたものであって、遊離塩素を含まないものであることが好ましい。ここで、遊離塩素を含まないものとは、例えば水源地が周囲の環境によって原水に遊離塩素が混入することがあるので、水道水の原水として利用される程度に、極めて少量の遊離塩素を含むものであってもよく、人為的に遊離塩素を含ませていないものをいう。従って、水道水の原水の水処理に用いられることが好ましい。

１０ 水処理装置
１１ 流路管
１１Ａ 外管
１１Ｂ 内管
１１１ 流入口
１１２ 流出口
１２ 紫外光照射装置
１３ 酸化剤供給手段
１４ 混和槽
２０ 微生物
２１ 細胞壁
２２ 細胞膜
２３ 核酸
３５ エキシマランプ
３６ 放電容器
３６ａ 上壁部分
３６ｂ 下壁部分
３６ｃ 側壁部分
３７ 一方の電極
３８ 他方の電極
Ｃ 連結路
Ｏ 酸化剤
Ｐ₁ ，Ｐ₂ ポンプ
Ｒ 流路
Ｓ 放電空間
ＵＶ 紫外光
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ 被処理水

Claims (5)

1. 被処理水に対して、波長２００ｎｍ〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む、クリプトンクロライド（ＫｒＣｌ）エキシマランプより放射された紫外光を照射し、その後、酸化剤を供給することを特徴とする水処理方法。
2. 前記酸化剤が、塩素系化合物であることを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記被処理水が、遊離塩素を含まないものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水処理方法。
4. 被処理水が流通する流路に沿って、当該被処理水に波長２００〜２４０ｎｍの光を少なくとも含む紫外光を照射する紫外光照射装置が設けられ、この紫外光照射装置より下流側に酸化剤を供給する酸化剤供給手段が設けられており、
   前記紫外光照射装置が、光源としてクリプトンクロライド（ＫｒＣｌ）エキシマランプを備えることを特徴とする水処理装置。
5. 前記酸化剤供給手段は、塩素系化合物よりなる酸化剤を供給するものであることを特徴とする請求項４に記載の水処理装置。