JP5850329B2 - 流体浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物を含む浄化対象流体と、酸化剤との混合流体を加圧及び加熱しながら浄化対象流体中の有機物を酸化分解して浄化対象流体を浄化する流体浄化装置に関するものである。

従来より、し尿、下水、集落廃水、家畜糞尿、食品工場廃水などの廃水を浄化する方法としては、活性汚泥を用いた生物処理を行う方法が一般的に用いられてきた。ところが、この方法では、活性汚泥中の微生物の活動を妨げる高濃度有機溶剤廃水をそのままの濃度で処理したり、生物分解ができないプラスチック微粒子を含む廃水を処理したりすることができなかった。また、有機性の浮遊物質（Suspended Solids）を多く含む廃水では、活性汚泥の増殖が盛んになって、エアレーション量や余剰汚泥処理量の増加によるコストアップを引き起こすことから、予め浮遊物質を篩いや凝集沈殿などの物理化学的処理で除去しておく必要があった。

一方、近年、廃水と空気等の酸化剤との混合流体を加熱及び加圧しながら混合流体中の有機物を酸化分解して廃水を浄化する流体浄化装置の開発が行われるようになった。この種の流体浄化装置では、反応槽の中で廃水と酸化剤との混合流体を加熱及び加圧することで、混合流体中の有機物を化学的に酸化分解する。このような酸化分解においては、生物処理では不可能であった高濃度有機溶剤廃水やプラスチック微粒子含有廃水でも、浄化することができる。また、有機性の浮遊物質を多量に含む廃水であっても、多量の浮遊物質をほぼ完全に酸化分解して、その殆どを、水と、窒素ガスと、二酸化炭素とに分解することができる。

このような流体浄化装置における反応槽としては、特許文献１に記載の圧力バランス型反応槽が知られている。この圧力バランス型反応槽９００は、図１に示されるように、筒状の外円筒体９０１と、これの内側に配設された筒状の反応容器９０２とを具備する二重筒構造になっている。外円筒体９０１は、高圧に耐えるように十分に厚みのあるステンレス材からなるものである。また、反応容器９０２は、耐食性のあるニッケル合金からなるものである。外円筒体９０１の下蓋には、外円筒体９０１の内側における外円筒体９０１と反応容器９０２との間に形成される筒間空間に、酸化剤としての空気を圧送するための送気管９０３が貫通している。また、反応容器９０２は、その下端部を外円筒体９０１の下蓋に貫通させた状態で、下蓋によって片持ち支持されている。そして、反応容器９０２の自由端側にある反応容器上端壁には、流入管９０４を受け入れるための貫通口９０２ａが形成されている。外円筒体９０１の内側では、外円筒体９０１の外側から外円筒体上蓋を貫通して外円筒体９０１の内側に進入した流入管９０４の端部が、反応容器９０２の上端壁に設けられた貫通口９０２ａを通って反応容器９０２の内側に進入している。流入管９０４を経由して圧送されてくる廃水は、反応容器９０２の内部に流入した後、反応容器９０２内を外円筒体上蓋側から外円筒体下蓋側に向けて移動する。

かかる構成の圧力バランス型反応槽９００内において、酸化剤としての空気は次のように移動する。即ち、外円筒体９０１の下蓋に設けられた送気管９０３を経由して外円筒体９０１と反応容器９０２との間の筒間空間に圧送された空気は、その筒間空間内を下側から上側に向けて移動して外円筒体９０１の上蓋の付近に至る。上蓋の付近では、反応容器９０２の上端壁に設けられた貫通口９０２ａと、貫通口９０２ａよりも小径の流入管９０４との間に間隙が形成されている。そして、外円筒体９０１と反応容器９０２との間の筒間空間は、その間隙を介して反応容器９０２の内側の空間と連通している。筒間空間内において、外円筒体９０１の上蓋の付近まで移動した空気は、貫通口９０２ａと流入管９０４との間隙を通って反応容器９０２内に流入した後、廃水と混合されて、反応容器９０２内を上側から下側に向けて移動する。

外円筒体９０１と反応容器９０２との間の筒間空間と、反応容器９０２とは互いに連通していることから、筒間空間内の気圧と、反応容器９０２内における空気と廃水との混合流体の圧力とはほぼ同じになる。このため、反応容器９０２の内外の圧力差をほとんど発生させることなく、反応容器９０２内の混合流体に大きな圧力をかけることができる。これにより、高価なニッケル合金からなる反応容器９０２を厚みの小さな非耐圧仕様のものにして、低コスト化を実現することができる。

しかしながら、この圧力バランス型反応槽９００では、反応容器９０２における長手方向の全域のうち、流入管９０４の先端付近の領域が特に高温になって、伸縮による金属疲労を引き起こし易いという問題があった。具体的には、流入管９０４の先端付近では、空気と混ざり合った有機物が加熱及び加圧されて急激に酸化分解されるのに伴って発熱する。廃水中の有機物濃度が高濃度であると、有機物の酸化分解に伴う発熱が流入管９０４の付近で多量且つ集中的に起こることから、流入管９０４の付近の混合流体が非常に高温になる。これにより、反応容器９０２における流入管先端付近の領域が特に高温になってしまうのである。また、同様の理由により、外円筒体９０１においても、流入管先端付近の領域が特に高温になって金属疲労を引き起こし易くなってしまう。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内筒体（例えば反応容器９０２）や外筒体（例えば外円筒体９０１）の熱伸縮による疲労を従来よりも抑えることができる流体浄化装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、筒状の外筒体の内側に筒状の内筒体を配設した二重構造を具備するとともに、浄化対象流体を前記内筒体の内部に流入させるために、自らの先端部を前記内筒体に対してその長手方向に沿って挿入している流入管と、酸化剤を前記外筒体と前記内筒体との間の筒間空間に導入するために前記外筒体に設けられた酸化剤導入口と、前記内筒体における長手方向の全域のうち、前記流入管の先端よりも後端側の領域に設けられた開口とを具備し、前記筒間空間内に導入された酸化剤を、前記開口から前記内筒体の内部に流入させた後、前記内筒体の内部の浄化対象流体と混合し、得られた混合流体を加熱及び加圧しながら、浄化対象流体中の有機物を酸化反応によって分解して浄化対象流体を浄化する反応槽を備える流体浄化装置において、前記流入管の長手方向に沿って並ぶ複数の流体排出口を、前記流入管の前記先端部に設けたことを特徴とするものである。

本発明では、流入管の先端部に設けられた複数の流体排出口からそれぞれ、流入管内の浄化対象流体が内筒体の内部に排出されて酸化剤と混ざり合う。それら流体排出口は、流入管の長手方向に沿って並んでおり、且つ、流入管の長手方向は、内筒体の長手方向に沿っている。このため、内筒体の長手方向において、互いに異なる複数の流体排出口の付近でそれぞれ、浄化対象流体中の有機物の急速な酸化分解が起こる。このように、有機物の急速な酸化分解を起こす位置を、内筒体の長手方向において複数に分散させることで、長手方向における１つの位置だけで有機物の急速な酸化分解を起こしていた従来に比べて、内筒体の局所的な発熱を抑えて、内筒体や外筒体の熱伸縮による疲労を抑えることができる。

特許文献１に記載の圧力バランス型反応槽を示す概略構成図。 実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図。 同流体浄化装置の反応槽の内筒を示す斜視図。 同反応槽を示す縦断面図。 同反応槽の流入管を示す平断面図。 同内筒を同流入管とともに示す平断面図。 変形例に係る流体浄化装置における縦型の反応槽の内筒及び流入管を示す縦断面図。

以下、本発明を適用した流体浄化装置の一実施形態について説明する。
まず、実施形態に係る流体浄化装置の基本的な構成について説明する。図２は、実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図である。実施形態に係る流体浄化装置は、原水タンク１、攪拌機２、原水供給ポンプ３、原水圧力計４、原水入口弁５、酸化剤圧送ポンプ６、酸化剤圧力計７、酸化剤入口弁８、熱交換器９、熱媒体タンク１０、熱交換ポンプ１１、出口圧力計１２、出口弁１３、気液分離器１４、反応槽２０、図示しない制御部などを備えている。

制御部は、漏電ブレーカー、マグネットスイッチ、サーマルリレーなどの組み合わせからなる給電回路を、攪拌機２、原水供給ポンプ３、酸化剤圧送ポンプ６、酸化剤圧送ポンプ６、熱交換ポンプ１１にそれぞれ個別に対応する分だけ有している。そして、プログラマブルシーケンサーからの制御信号によって給電回路のマグネットスイッチをオンオフすることで、それら機器に対する電源のオンオフを個別に制御する。

原水圧力計４、酸化剤圧力計７、出口圧力計１２はそれぞれ、圧力の検知結果に応じた値の電圧を出力する。また、反応槽２０の温度計２４は、温度の検知結果に応じた電圧を出力する。それらの測定機器から出力される電圧は、それぞれ図示しないＡ／Ｄコンバーターによって個別にデジタルデータに変換された後、センシングデータとしてプログラマブルシーケンサーに入力される。プログラマブルシーケンサーは、それらのセンシングデータに基づいて、各種の機器の駆動を制御する。

原水タンク１には、分子量の比較的大きな有機物を含む廃水Ｗが未処理の状態で貯留されている。廃水Ｗは、有機溶剤廃水、製紙工程で生ずる製紙廃水、及びトナー製造工程で生ずるトナー製造廃水のうち、少なくとも何れか１つからなるものである。製紙廃水やトナー製造廃水には、難分解性の有機物が含まれている可能性がある。

攪拌機２は、浄化対象流体としての廃水Ｗを撹拌することで、廃水中に含まれる浮遊物質（Suspended solids）を均等に分散せしめて、有機物濃度の均一化を図っている。原水タンク１内の廃水Ｗは、高圧ポンプからなる原水供給ポンプ３によって連続的に圧送されて、原水入口弁５を介して反応槽２０に高圧流入する。原水入口弁５は、逆止弁の役割を担っており、原水供給ポンプ３から圧送されてくる廃水Ｗについて、原水供給ポンプ３側から後述する反応槽２０側への流れを許容する一方で、逆方向の流れを阻止する。

反応槽２０は、外筒２１と、これの内部に配設された内筒２２とによる二重筒構造になっている。原水入口弁５を通過した廃水Ｗは、後述する流入管（図３の２６）を通って、反応槽２０の内筒２２の内部に流入する。

原水供給ポンプ３の駆動による廃水Ｗの流入圧力は、原水入口弁５よりも上流側に配設された原水圧力計４によって検知されて、センシングデータとして制御部のプログラマブルシーケンサーに入力される。原水供給ポンプ３が駆動しているときの廃水Ｗの流入圧力と、内筒２２内の圧力とは、ほぼ同じになる。プログラマブルシーケンサーは、原水供給ポンプ３を駆動しているときに原水圧力計４から送られてくる圧力の検知結果に基づいて、内筒２２内の圧力の適否を判断する。

コンプレッサーからなる酸化剤圧送ポンプ６は、酸化剤として取り込んだ空気を、廃水Ｗの流入圧力と同程度の圧力まで圧縮しながら、酸化剤入口弁８を介して反応槽２０に送り込む。酸化剤入口弁８は、逆止弁の役割を担っており、酸化剤圧送ポンプ６から圧送されてくる空気について、酸化剤圧送ポンプ６側から反応槽２０側への流れを許容する一方で、逆方向の流れを阻止する。

反応槽２０内に圧送された空気は、外筒２１と内筒２２との間にある筒間空間に進入した後、内筒２２における長手方向の入口付近に流入する。そして、流入管によって内筒２２内に送り込まれた廃水Ｗと混合されて混合流体になる。

酸化剤圧送ポンプ６の駆動による空気の流入圧力は、酸化剤入口弁８よりも上流側に配設された酸化剤圧力計７によって検知されて、センシングデータとして制御部のプログラマブルシーケンサーに入力される。酸化剤圧力計７が駆動しているときの空気の流入圧力と、反応槽２０内の圧力とは、ほぼ同じになる。プログラマブルシーケンサーは、酸化剤圧送ポンプ６を駆動しているときに酸化剤圧力計７から送られてくる圧力の検知結果にも基づいて、反応槽２０内の圧力の適否を判断する。

酸化剤圧送ポンプ６の駆動による空気の圧送量は、廃水中の有機物を完全に酸化させるのに必要となる化学量論的な酸素量に基づいて決定されている。より詳しくは、廃水のＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand）、全窒素（ＴＮ）、全リン（ＴＰ）など、廃水Ｗ中の有機物濃度、窒素濃度、リン濃度などに基づいて、有機物の完全酸化に必要な酸素量が算出され、その結果に基づいて、空気の圧送量が設定されている。

空気の流入量の設定は作業員によって行われるが、廃水Ｗ中に含まれる有機物の種類が経時で安定しており、濁度、光透過度、電気伝導度、比重などの物性と、前述の酸素量との相関関係が比較的良好である場合には、その物性をセンサー等で検知した結果に基づいて、前述の制御範囲を自動で補正する処理を実施するように、プログラマブルシーケンサーを構成してもよい。

酸化剤としては、空気の他、酸素ガス、オゾンガス、過酸化水素水の何れか１つ、あるいは、それらの２種類以上を混合したもの、を用いることも可能である。内筒２２からの熱の放出を抑えるという観点からすると、空気、酸素ガス、オゾンガスなどの気体を用いることが好ましい。気体は、液体に比べて熱伝導率が低いことから、筒間空間内を気体で満たすことにより、気体を断熱材として機能させることができるからである。

図３に示されるように、内筒２２の外面には、内筒２２内の混合流体を加熱するためのヒーター２３が巻き付けられている。図２において、内筒２２内の混合流体は、ヒーター２３によって加熱されることで昇温することに加えて、有機物が酸化分解されることによる発熱によっても昇温する。廃水Ｗが有機物を高濃度に含むものである場合、多量の有機物が酸化分解される際の多量の発熱だけで、混合流体が所望の温度まで昇温することもある。この場合、装置の立ち上げ時のみ、ヒーター２３による加熱を行い、酸化分解が開始された後には、ヒーター２３に対する電源をオフにすることができる。

内筒２２内の混合流体に加える圧力としては、０．５〜３０Ｍｐａ（望ましくは５〜３０Ｍｐａ）の範囲を例示することができる。内筒２２内の圧力は、後述する出口弁１３によって調整される。出口弁１３は、内筒２２内の圧力が閾値よりも高くなると、自動で弁を開いて内筒２２内の混合流体を外部に排出することで、内筒２２内の圧力を閾値付近に維持する。

内筒２２内の混合流体の温度としては、１００〜７００℃（望ましくは２００〜５５０℃）を例示することができる。温度の調整は、上述したヒーターのオンオフによって行われる。なお、外筒２１の外周面にも熱交換器を設けた場合には、この熱交換器のオンオフによっても、内筒２２内の混合流体の温度を調整することが可能になる。

温度及び圧力の条件として、温度＝３７４．２℃以上、且つ、圧力＝２１．８ＭＰａ以上を採用した場合、水の臨界温度や臨界圧力をそれぞれ超え、且つ空気の臨界温度や臨界圧力もそれぞれ超える状態であるため、混合流体が液体と気体との中間的な性質を帯びる超臨界流体になる。かかる超臨界流体中では、有機物が良好に超臨界流体に溶解するとともに、空気に良好に接触することから、有機物の酸化分解が急激に進行する。

温度及び圧力の条件として、温度＝２００℃以上（望ましくは３７４．２℃以上）、且つ、圧力＝２１．８ＭＰａ未満（望ましくは１０ＭＰａ以上）の比較的高圧を採用して、内筒２２内で混合流体中の廃水を高温高圧蒸気にしてもよい。

内筒２２内においては、混合流体を高温且つ高圧の状態にすることで、混合流体中の有機物やアンモニア態窒素の酸化分解を促す。有機物やアンモニア態窒素が酸化分解された混合流体は、反応槽２０から排出される。そして、急激に冷却されたのち、出口弁１１３で減圧されてから、気液分離器１１４によって液体と気体に分離される。

図４は、反応槽２０を示す縦断面図である。内筒２２は、酸に強いチタン（Ｔｉ）からなる筒である。チタンからなるものに代えて、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、又はＰｄからなるものを用いてもよい。また、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＰｄのうち、少なくとも何れか１つを含む合金からなるものを用いてもよい。

外筒２３は、ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、インコネル６２５など、強度に優れた金属材からなる筒である。反応槽２０の内部の圧力は、０．５〜３０Ｍｐａ、望ましくは５〜３０Ｍｐａという高圧に制御される。このような高圧に耐え得るように、外筒２３の厚みは肉厚になっている。これに対し、内筒２２は、耐圧性よりも耐食性が求められることから、優れた耐食性を発揮するチタンが材料として採用されている。

原水供給ポンプ（図２の３）によって反応槽２０に向けて圧送される廃水Ｗは、原水入口弁（図２の５）を経由した後、原水入口弁の出口側に接続されている給送管１５に進入する。この給送管１５は、入口継手１７により、反応槽２０の入口側に設けられている流入管２６に接続されている。給送管１５から反応槽２０内に圧送された廃水Ｗは、反応槽２０において、流入管２６を通って内筒２２内に流入する。そして、内筒２０内のその長手方向に沿って図中左側から右側に向けて移動する。

一方、酸化剤導入ポンプ（図２の６）によって反応槽２０内に圧送された空気Ａは、外筒２１と内筒２２との間の筒間空間に流入する。そして、筒間空間をその長手方向に沿って図中右側から左側に向けて移動する。内筒２２は、図中左側の端部に、筒断面の中心線を中心とし、且つ筒内径とほぼ同じ径の先端開口を有している。廃水Ｗを内筒２２内に流入するための流入管２６の先端部は、この先端開口を通じて内筒２２内に挿入されている。流入管２６の先端部の外径は、内筒２２の内径よりも遙かに小さいため、内筒２２内においては、流入管２６の外周面と、内筒２２の内周面との間に間隙が形成されている。外筒２１と内筒２２との間の筒間空間の図中左端まで移動した空気Ａは、内筒２２よりも図中左側に回り込んだ後ｍ、その隙間を通って内筒２２内に進入する。

内筒２２内は、高圧であることに加えて、高温になっている。その温度は、１００〜７００℃、望ましくは２００〜５５０℃である。流体浄化装置の運転が開始されるときには、内筒２２内の廃水Ｗと空気Ａとの混合流体は、圧力がかけられているが、温度はそれほど高くなっていない。そこで、運転開始時には、プログラマブルシーケンサーがヒーター（図３の２３）を発熱させて、内筒２２内の混合流体の温度を２００〜５５０℃まで昇温させる。

内筒２２内において有機物の酸化分解が開始され、内筒２２内の混合流体の温度が高温に維持されるようになると、内筒２２と外筒２１との間の筒間空間内で、内筒２２の外周面やヒーター（２３）に接触しながら図中右側から左側に進む空気Ａが、内筒２２の外周面やヒーターからの熱伝導によって予備加熱されながら、内筒２２内に流入するようになる。

内筒２２内では、有機塩化物のクロロ基に由来する塩酸や、アミノ酸等のスルホニル基に由来する硫酸が発生して、内筒２２の内壁を強い酸性下におくことがある。このため、内筒２２には、耐食性に優れたチタンからなる筒が採用されているのである。但し、チタンは非常に高価な材料であるため、内筒２２の厚みを高圧に耐え得る値まで大きくすると、非常にコスト高になってしまう。そこで、内筒２２の外側に外筒２１を配設し、チタンよりも安価なステンレス等からなる外筒２１によって必要な耐圧性を発揮させるようにしている。内筒２２と外筒２１との間の筒間空間の圧力は圧送される空気Ａによって内筒２２内の圧力とほぼ同じ値になるため、肉薄のチタンからなる内筒２２に対しては、大きな圧力がかからないようになっている。

内筒２２の図中右側端部付近まで移動した混合流体（Ｗ＋Ａ）は、有機物や無機化合物がほぼ完全に酸化分解された状態になっている。内筒２２における流体搬送方向の下流側端部には、出口継手１８を介して、内筒２２内で浄化された混合流体を搬送するための搬送管１６が接続されている。有機物の酸化分解によって浄化された混合流体は、この搬送管１６に進入する。

搬送管１６内では、浄化された混合流体中の水分が冷却されて、超臨界状態、あるいは高温高圧蒸気状態、から液体状態に態様を変化させる。一方、混合流体中の酸素や窒素は、超臨界状態から気体状態に態様を変化させる。搬送管１６を通り過ぎた混合流体は、気液分離器１４によって処理水とガスとに分離され、処理液は処理液タンクに貯留される。また、ガスは大気中に放出される。

処理水は、活性汚泥による生物処理では除去し切れないフェノールなどの難分解性の有機物もほぼ完全に酸化分解されたものであるため、浮遊物質や有機物は殆ど含まれていない。酸化し切れなかったごく僅かな無機物が含まれているだけである。そのままの状態でも、用途によっては工業用水として再利用することが可能である。また、限外濾過膜による濾過処理を施せば、ＬＳＩ洗浄液などに転用することも可能である。気液分離器１４によって分離されたガスは、二酸化炭素、窒素、及び酸素ガスを主成分とするものである。

図２において、搬送管１６の外壁には、熱交換器９が装着されている。熱交換器９の本体は、搬送管１６の外壁を覆う外管で構成され、外管と搬送管１６の外壁との間の空間を水などの熱交換流体で満たしている。そして、搬送管１６の外壁と熱交換流体との熱交換を行う。反応槽２０の運転時には、非常に高温の液体が搬送管１６の内部に流れるため、搬送管１６から熱交換器９内の熱交換流体に熱が移動して、熱交換流体が熱せられる。熱交換器９内における熱交換流体の搬送方向は、いわゆる向流型の熱交換を行うように、搬送管１６内の液体の搬送方向とは逆方向になっている。即ち、出口弁１３側から反応槽２０側に向けて熱交換流体を送っている。これは、熱媒体タンク１０内の熱交換流体を吸引しながら熱交換器９に送る熱交換ポンプ１１によって行われる。熱交換器９を通過して熱せられた熱交換流体は、図示しないパイプを通って発電機に送られる。発電機では、熱せられたことによって圧力を高めている熱交換流体を液体から気体の状態にするときに発生する気流によってタービンを回転させることで発電が行われる。

なお、熱交換器９を通過した熱交換流体の一部を分岐パイプによって流入管２６や原水タンク１まで搬送して、廃水Ｗの予備加熱に利用してもよい。

搬送管１６における出口弁１３の近傍には、搬送管１６の温度、又は搬送管１６内の液体の温度を検知する図示しない出口温度計が設けられている。制御部のプログラマブルシーケンサーは、出口温度計による検知結果を所定の上限温度以下にするように、熱交換ポンプ１１の駆動を制御する。具体的には、出口温度計による検知結果が所定の上限温度に達したときには、熱交換ポンプ１１の駆動量を増加して熱交換器９への熱交換流体の供給量を増やすことで、熱交換器９による冷却機能を高める。これにより、液体を上限温度以下の温度にした状態で、熱交換器９に流入させるようにする。

また、熱交換器９の近傍には、熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度を検知する図示しない熱交換温度計が設けられている。熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度は、所定の下限温度以上であることが望ましい。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、熱交換温度計による検知結果を所定の下限温度以下にするように、熱交換ポンプ１１の駆動を制御する。具体的には、熱交換温度計による検知結果が所定の下限温度まで低下したときには、熱交換ポンプ１１の駆動量を減少させて熱交換器９への熱交換流体の供給量を低下させる。これにより、熱交換器９を通った直後の熱交換流体の温度を上昇させるようにする。但し、出口温度計による検知結果に基づく熱交換ポンプ１１の駆動量の調整が、熱交換温度計による検知結果に基づく熱交換ポンプ１１の駆動量の調整よりも優先して行われる。このため、出口温度計による検知結果が所定の上限温度以上になっており、且つ、熱交換温度計による検知結果が所定の下限温度以下になっている場合には、前者の検知結果による駆動量の調整が優先されて、駆動量が増やされる。

廃水Ｗ中の有機物濃度が比較的高い場合には、有機物の酸化分解によって多量の熱が発生する。このため、運転初期にはヒーター２３を作動させるものの、有機物の酸化分解が開始された後には、有機物の酸化分解によって発生する熱により、廃水Ｗと空気Ａとの混合流体の温度を、所望の温度まで自然に昇温することができるようになる場合もある。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、外筒２１の温度を検知する温度計２４による検知結果が、所定の温度よりも高くなった場合には、加熱手段としてのヒーター２３をオフにする。これにより、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。

次に、実施形態に係る流体浄化装置の特徴的な構成について説明する。
図４において、反応槽２０の内筒２２の中に挿入されている、流入管２６の先端部には、流入管２６の長手方向に沿って並ぶ複数の流体排出口２６ａが設けられている。

図５は、流入管２６を示す平断面図である。流入管２６の先端部において、流入管２６の長手方向に複数の流体排出口２６ａをそれぞれ設けている位置（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５、Ｐ_６、Ｐ_７）では、それぞれ、流入管２６の断面方向で互いに対向する２つの流体排出口２６ａからなる排出口対が設けられている。

図６は、内筒２２を流入管２６とともに示す平断面図である。同図では、内筒２２内で、廃水Ｗを、３７４．２℃以上、２１．８ＭＰａ以上に加熱及び加圧して、液体状態から超臨界状態に変化させる例を示している。空気Ａは、反応槽の外部において、図示しない酸化剤入口弁（図２の８）を通過した時点で、内筒２２内と同じ圧力である２１．８ＭＰａ以上まで加圧される。空気Ａの臨界温度は、氷点下（−１４０．７℃）であり、臨界圧力は３．７２ＭＰａである。酸化剤圧送ポンプ（図２の６）で高圧状態で圧送されている空気Ａの温度は、０［℃］を超え、且つ臨界圧力を超えているため、空気Ａは、図示しない酸化剤入口弁を通過した時点で超臨界状態になる。そして、超臨界状態で内筒２２内に進入する。

一方、廃水Ｗは、反応槽の外部において、図示しない原水入口弁（図２の５）を通過した時点で、内筒２２内と同じ圧力である２１．８ＭＰａ以上（水の臨界圧力と同等以上の圧力）まで加圧される。水の臨界温度は、非常に高温であり（３７４．２℃）、この時点で臨界温度に達していない廃水Ｗは、まだ液体状態のままである。流入管２６内の廃水Ｗは、臨界圧力と同等以上の圧力まで加圧されるものの、液体状態のままで流入管２６の先端部まで搬送されてくる。そして、位置Ｐ_１、位置Ｐ_２、位置Ｐ_３、位置Ｐ_４、位置Ｐ_５、位置Ｐ_６、位置Ｐ_７（位置については図５参照）おいてそれぞれ、流体排出口２６ａから管外部に向けて突出する。突出部分（以下、「廃水Ｗの排出口突出部分」という）は、図示のように、表面張力によって球状の形状になる。

内筒２２内においては、超臨界状態の空気Ａが流入管２６の後端側から先端側に向けて（内筒の先端側から後端側に向けて）移動する。この空気Ａは、既に説明したように、外筒（２１）と内筒（２２）との間の筒間空間で予備加熱されているため、水の臨界温度と同等以上の温度まで昇温している。流入管２６の流体排出口２６ａから突出した球状の「廃水Ｗの排出口突出部分」は、空気Ａに触れて臨界温度以上に加熱されることで、図中矢印Ｓで示されるように、液体状態から超臨界状態に変化する。このとき、液体状態のときに比べて体積を大きく増加させながら、超臨界状態の空気Ａと積極的に混ざり合う。超臨界状態の水は、物質の溶解能力が極めて高いことから、廃水Ｗ中に含まれている有機物や無機物は、超臨界状態の水に速やかに溶解する。そして、空気Ａに接触しながら、速やかに酸化分解される。このような現象が、位置Ｐ_１、位置Ｐ_２、位置Ｐ_３、位置Ｐ_４、位置Ｐ_５、位置Ｐ_６、位置Ｐ_７の付近でそれぞれ発生する。

かかる構成では、有機物の急速な酸化分解を起こす位置を、内筒２２の長手方向において複数に分散させることで、長手方向における１つの位置だけで有機物の急速な酸化分解を起こしていた従来に比べて、内筒２２の局所的な発熱を抑えて、内筒２２や外筒（２１）の熱伸縮による疲労を抑えることができる。

図５に示したように、流入管２６の先端部においては、長手方向における位置Ｐ_１、位置Ｐ_２、位置Ｐ_３、位置Ｐ_４、位置Ｐ_５、位置Ｐ_６、位置Ｐ_７でそれぞれ、互いに管断面方向で対向する２つの流体排出口２６ａからなる排出口対を設けている。かかる構成では、内筒２２の円周方向において、少なくとも流体排出口２６ａを２つ設けて、有機物の急速な酸化分解を起こす位置を少なくとも２つに分散させることで、円周方向においても、内筒２２や外筒２１の局所的な発熱を抑えることができる。

また、実施形態に係る流体浄化装置においては、図示のように、流入管２６の先端を塞いでいる。かかる構成では、管先端から廃水Ｗを突出させないことで、流入管２６の外周面に対して長手方向に沿って複数設けた流体排出口２６ａからそれぞれ、廃水Ｗを確実に排出することができる。

なお、廃水Ｗを内筒２２の中で超臨界状態にする例について説明したが、上述したような高温高圧状態にしてもよい（圧力については、水の臨界圧力未満）。この場合、「廃水Ｗの排出口突出部分」は、空気Ａに触れることで高温高圧蒸気状態になって、流体排出口２６ａの付近で体積を大きく増加させながら、有機物を空気Ａ中に分散させる。空気Ａ中に分散した有機物は、高温高圧の条件下で急速に酸化分解される。

図６において、内筒２２の長手方向における全域のうち、流体搬送方向の下流側の領域には、管状の触媒２５が内筒２２の径方向に複数重ねた状態で配設されている。この触媒２５は、廃水Ｗ中に含まれている有機物やアンモニア態窒素の酸化分解を促進する材料からなる。かかる材料としては、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ｔｉ又はＭｎを例示することができる。また、それらのうち、少なくとも何れか１つを含む化合物でもよい。廃水Ｗ中に含まれる有機物の殆どは、内筒２２の長手方向における前半の領域で酸化分解されるが、前半の領域を通過しても酸化分解されない有機物やアンモニア態窒素は、この触媒２５によって酸化分解が促進される。かかる構成では、難分解性の有機物が廃水Ｗ中に含まれていても、それを完全に酸化分解することができる。また、アンモニア態窒素が廃水Ｗ中に多量に含まれていても、それを完全に酸化分解することができる。

廃水Ｗの有機物濃度が非常に高い場合には、内筒２２内で廃水Ｗ中有の有機物の酸化分解によって発生する熱量が、新たに内筒２２内に流入してくる廃水Ｗや空気Ａを所望の温度まで昇温させるのに必要な熱量を上回ることもある。この場合、そのままでは、内筒２２、外筒２１、内筒２２内の混合流体の温度がそれぞれ上昇の一途を辿ってしまう。そこで、制御部のプログラマブルシーケンサーは、温度計（２４）による検知結果が、所定の上限温度よりも高くなった場合には、原水供給ポンプ（３）によって原水Ｗを内筒２２内に送る給送速度を低下させるか、あるいは、原水供給ポンプの駆動を一時的に停止させる処理を実施する。このとき、酸化剤圧送ポンプ６も、駆動速度を低下させるか、駆動を一時停止させる。これにより、内筒２２や外筒２１の過剰な昇温を防止することができる。

なお、外筒２１の外周面の温度を検知させるように温度計（２４）を配設した例について説明したが、筒間空間内の空気Ａの温度、内筒２２の外周面の温度、又は、内筒２２内の混合流体の温度を検知させるように、温度計（２４）を配設してもよい。

また、筒の長手方向を水平方向に沿わせる横型の姿勢で反応槽（２０）を配設した例について説明したが、筒の長手方向を鉛直方向に沿わせる縦型の姿勢や、筒の長手方向を鉛直方向や水平方向から傾けた傾斜方向に沿わせる傾斜型の姿勢で、反応槽（２０）を配設してもよい。

図７は、縦型の反応槽における内筒２２及び流入管２６を示す縦断面図である。図示しない外筒と、内筒２２との間の筒間空間に導入された空気Ａは、筒間空間内を鉛直方向下方から上方に向けて移動する。そして、内筒２２の上端にある先端開口から内筒２２の内部に進入した後、図中矢印で示されるように、鉛直方向上方から下方に向けて移動する。

流入管２６は、その先端を鉛直方向下方に向ける姿勢で配設されている。そして、流入管２６の先端部に設けられた複数の流体排出口は、鉛直方向上方から下方に向けて並んでいる。内筒２２内を鉛直方向上方から下方に向けて移動する空気Ａは、個々の流体排出口との対向位置を通過する際に、流体排出口から球状に突出している「廃水Ｗの排出口突出部分」に接触して、それを液体状態から超臨界状態又は高温高圧蒸気状態に変化させる。そして、廃水Ｗ中の有機物と混ざり合って、有機物の酸化分解に寄与する。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［態様Ａ］
筒状の外筒体（例えば外筒２１）の内側に筒状の内筒体（例えば内筒２２）を配設した二重構造を具備するとともに、浄化対象流体（例えば廃水Ｗ）を前記内筒体の内部に流入させるために、自らの先端部を前記内筒体に対してその長手方向に沿って挿入している流入管（例えば流入管２６）と、酸化剤（例えば空気Ａ）を前記外筒体と前記内筒体との間の筒間空間に導入するために前記外筒体に設けられた酸化剤導入口と、前記内筒体における長手方向の全域のうち、前記流入管の先端よりも後端側の領域に設けられた開口とを具備し、前記筒間空間内に導入された酸化剤を、前記開口から前記内筒体の内部に流入させた後、前記内筒体の内部の浄化対象流体と混合し、得られた混合流体を加熱及び加圧しながら、浄化対象流体中の有機物を酸化分解して浄化対象流体を浄化する反応槽（例えば反応槽２０）を備える流体浄化装置において、前記流入管の長手方向に沿って並ぶ複数の流体排出口（例えば流体排出口２６ａ）を、前記流入管の前記先端部に設けたことを特徴とするものである。

［態様Ｂ］
態様Ｂは、態様Ａにおいて、前記流入管の長手方向に複数の前記流体排出口をそれぞれ設けている位置で、それぞれ、前記流入管の断面方向で互いに対向する２つの流体排出口からなる排出口対を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、既に説明したように、内筒体の周方向において、少なくとも流体排出口を２つ設けて、有機物の急速な酸化分解を起こす位置を少なくとも２つに分散させることで、周方向においても、内筒体や外筒体の局所的な発熱を抑えることができる。

［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ｂにおいて、前記流入管の先端を塞いだことを特徴とするものである。かかる構成では、既に説明したように、流入管の先端から浄化対象流体を突出させないことで、流入管の周面に対して長手方向に沿って複数設けた流体排出口からそれぞれ、浄化対象流体を確実に排出することができる。

［態様Ｄ］
態様Ｄは、態様Ａ〜Ｃの何れかにおいて、浄化前の浄化対象流体を前記流入管の前記先端部に向けて圧送する浄化前流体圧送手段（例えば原水供給ポンプ３）と、前記内筒体内の混合流体の温度、前記内筒体の温度、又は前記外筒体の温度を検知する温度検知手段（例えば温度計２４）と、前記温度検知手段による検知結果に基づいて、前記浄化前流体圧送手段の駆動を制御する制御手段（例えばプログラマブルシーケンサー）とを設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、既に説明したように、廃水Ｗ中に有機物が極めて高濃度に含まれることに起因する内筒２２や外筒２１の過剰な昇温の発生を回避することができる。

［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ｄにおいて、酸化剤を前記酸化剤導入口に向けて圧送する酸化剤圧送手段（例えば、酸化剤圧送ポンプ６）を設けるとともに、前記温度検知手段による検知結果に基づいて、前記酸化剤圧送手段の駆動を制御する処理を実施するように、前記制御手段を構成したことを特徴とするものである。かかる構成では、既に説明したように、浄化前流体圧送手段の駆動速度を低速にしている際、あるいは、浄化前流体圧送手段の駆動を一時停止している際に、酸化剤圧送手段を通常通りに駆動してしまうことによる無駄な酸化剤の消費を回避することができる。

［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ａ〜Ｅの何れかにおいて、前記内筒体として、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｈもしくはＰｄ、又はそれらのうち少なくとも１つを含む合金からなるものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、所望の耐食性を内筒体に発揮させることができる。

［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ａ〜Ｆの何れかにおいて、前記外筒体として、ステンレス、ニッケル、又は、少なくともステンレスもしくはニッケルを含む合金からなるものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成においては、所望の高圧条件に耐え得る耐圧性を、外筒体に発揮させることができる。

［態様Ｈ］
態様Ｈは、態様Ａ〜Ｇの何れかにおいて、有機物又はアンモニア態窒素の酸化分解を促進する触媒を、前記内筒体の中に配設したことを特徴とする流体浄化装置。かかる構成では、難分解性の有機物が浄化対象流体中に含まれていても、それを良好に酸化分解することができる。また、アンモニア態窒素が浄化対象流体中に多量に含まれていても、それを良好に酸化分解することができる。

［態様Ｉ］
態様Ｉは、態様Ｈにおいて、前記触媒として、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ｔｉ及びＭｎのうち、少なくとも何れか１つの元素を含む化合物からなるものを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、触媒に対して、有機物やアンモニア体窒素の酸化分解触媒性能を発揮させることができる。

［態様Ｊ］
態様Ｊは、態様Ａ〜Ｉの何れかにおいて、前記酸化剤として、酸素ガス、オゾンガス、空気、又は過酸化水素水を用いることを特徴とするものである。かかる構成では、酸化剤を流体の状態で反応槽に供給することができる。

３：原水供給ポンプ（浄化前流体圧送手段）
６：酸化剤圧送ポンプ（酸化剤圧送手段）
２０：反応槽
２１：外筒（外筒体）
２２：内筒（内筒体）
２３：ヒータ（加熱手段）
２４：温度計（温度検知手段）
２５：触媒
２６：流入管
２６ａ：流体排出口
Ｗ：廃水（浄化対象流体）
Ａ：空気（酸化剤）

特開２００１−１７０３３４号公報

Claims (10)

1. 筒状の外筒体の内側に筒状の内筒体を配設した二重構造を具備するとともに、浄化対象流体を前記内筒体の内部に流入させるために、自らの先端部を前記内筒体に対してその長手方向に沿って挿入している流入管と、酸化剤を前記外筒体と前記内筒体との間の筒間空間に導入するために前記外筒体に設けられた酸化剤導入口と、前記内筒体における長手方向の全域のうち、前記流入管の先端よりも後端側の領域に設けられた開口とを具備し、前記筒間空間内に導入された酸化剤を、前記開口から前記内筒体の内部に流入させた後、前記内筒体の内部の浄化対象流体と混合し、得られた混合流体を加熱及び加圧しながら、浄化対象流体中の有機物を酸化反応によって分解して浄化対象流体を浄化する反応槽を備える流体浄化装置において、
   前記流入管の長手方向に沿って並ぶ複数の流体排出口を、前記流入管の前記先端部に設けたことを特徴とする流体浄化装置。
2. 請求項１の流体浄化装置において、
   前記流入管の長手方向に複数の前記流体排出口をそれぞれ設けている位置で、それぞれ、前記流入管の断面方向で互いに対向する２つの流体排出口からなる排出口対を設けたことを特徴とする流体浄化装置。
3. 請求項２の流体浄化装置において、
   前記流入管の先端を塞いだことを特徴とする流体浄化装置。
4. 請求項１乃至３の何れかの流体浄化装置において、
   浄化前の浄化対象流体を前記流入管の前記先端部に向けて圧送する浄化前流体圧送手段と、
   前記内筒体内の混合流体の温度、前記内筒体の温度、又は前記外筒体の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度検知手段による検知結果に基づいて、前記浄化前流体圧送手段の駆動を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする流体浄化装置。
5. 請求項４の流体浄化装置において、
   酸化剤を前記酸化剤導入口に向けて圧送する酸化剤圧送手段を設けるとともに、
   前記温度検知手段による検知結果に基づいて、前記酸化剤圧送手段の駆動を制御する処理を実施するように、前記制御手段を構成したことを特徴とする流体浄化装置。
6. 請求項１乃至５の何れかの流体浄化装置において、
   前記内筒体として、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｈもしくはＰｄ、又はそれらのうち少なくとも１つを含む合金からなるものを用いたことを特徴とする流体浄化装置。
7. 請求項１乃至６の何れかの流体浄化装置において、
   前記外筒体として、ステンレス、ニッケル、又は、少なくともステンレスもしくはニッケルを含む合金からなるものを用いたことを特徴とする流体浄化装置。
8. 請求項１乃至７の何れかの流体浄化装置において、
   有機物又はアンモニア態窒素の酸化分解を促進する触媒を、前記内筒体の中に配設したことを特徴とする流体浄化装置。
9. 請求項８の流体浄化装置において、
   前記触媒として、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｅ、Ｔｉ及びＭｎのうち、少なくとも何れか１つの元素を含む化合物からなるものを用いたことを特徴とする流体浄化装置。
10. 請求項１乃至９の何れかの流体浄化装置において、
    前記酸化剤として、酸素ガス、オゾンガス、空気、又は過酸化水素水を用いることを特徴とする流体浄化装置。

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