JP5862167B2 - 閉鎖系空間用の水回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、閉鎖系空間で生じる尿、生活排水などの排水を処理して水を回収する水回収装置に関するものである。詳しくは、本発明は、核シェルター、災害避難所、宇宙ステーションまたは月・火星ミッションの有人宇宙船、月面基地などの閉鎖系空間にて用いるのに好適な水回収装置に関する。

閉鎖系空間で生じる排水から水を回収する方法として、特開２００６−０９５５２６にパーベーパレーションによる方法が記載されている。しかしながら、尿、生活排水などの排水にはアンモニア等の揮発性成分が含まれていることがあり、回収水にこの揮発成分が混入するおそれがある。また、排水が硬度成分を含んでいると、パーベーパレーション膜にスケール障害がおこる。また、排水がタンパクなどの有機物を含んでいると、ファウリングが起こったりして膜蒸留性能が低下する。なお、パーベーパレーション法はエネルギー消費量が大きい。

特開２０１０−１１９９６３には、閉鎖系空間で生じた排水を生物処理した後、膜分離処理し、次いで蒸留又は凍結して水を回収する方法が記載されている。しかしながら、生物処理法では、運転条件が適正値を外れると微生物が失活し易い。微生物は、失活してしまうと元に戻らない。また、活性汚泥は、有機物の１／３〜１／２を汚泥としてしまうため、汚泥という貴重な水を含んだ廃棄物が発生する。

特開２００６−０９５５２６ 特開２０１０−１１９９６３

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、高回収率にて、また、低消費エネルギーにて、安定して水を回収することができる閉鎖系空間用水回収装置を提供することを目的とする。

本発明の閉鎖系空間用の水回収装置は、閉鎖系空間内で生じた人体排出水及び／又は生活排水にアルカリを添加して、硬度成分を析出させて分離する硬度成分粗取り装置と、該硬度成分粗取り装置からの水をさらに硬度成分除去処理する軟化装置と、軟化装置の処理水中の有機成分を分解する有機成分分解装置と、該有機成分分解装置からの水を電気透析して脱塩水、酸及びアルカリを生じさせる電気透析装置とを有するものである。

本発明装置は、該電気透析装置で生じたアルカリを前記硬度成分粗取り装置にて前記排水に添加するように構成されてもよい。

本発明装置は、前記硬度成分粗取り装置は、硬度成分を遠心分離、晶析操作又は膜分離にて分離するように構成されてもよい。

上記の有機成分分解装置は、導電性ダイアモンドを電極とするダイアモンド電極電解装置であってもよい。白金電極などの一般工業電解向けの電極を使用した電解装置では、尿素など有機物種によって分解できないものもあるが、ダイアモンド電極電解装置を用いることにより、尿素も分解可能となる。

本発明装置では、上記有機成分分解装置として、ダイアモンド電極電解装置と、触媒分解装置とを備えてもよい。

本発明装置は、前記電気透析装置で生じた酸を吸収液とするアンモニア吸収装置を備えてもよい。

本発明では、閉鎖系空間で生じた排水にアルカリを添加して硬度成分を析出させて粗取りする。これにより、後段の各機器におけるスケール障害が防止（制御を含む。）される。

なお、好ましくは、このアルカリとして、後段の電気透析装置で生じたものを用いる。

この硬度成分を粗取りした水をさらに脱塩処理することにより、後段機器におけるスケール障害が防止される。

本発明では、上記のようにして硬度成分が除去された水を有機成分分解装置にて処理し、有機物や尿素その他の窒素化合物を分解処理する。この分解処理により生じた有機酸、アンモニア、無機イオンなどを脱塩装置で分離する。この脱塩装置としては、３室式の電気透析装置が好適である。この３室式の電気透析装置は、陽極と陰極の間に酸室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、バイポーラ膜、酸室、アニオン交換膜、脱塩室カチオン交換膜を繰り返し配列した構造を有する。ここで生じたアルカリは前述したように、硬度成分粗取り装置に用いることができる。また、酸は被処理水から発生するアンモニアの吸収や処理水のｐＨ調整に用いることができる。なお、電気透析で生じた酸、アルカリは軟化装置の再生に用いることもできる。さらには、析出させたスケールを溶解するのに用いることもできる。

有機成分を分解する装置として、導電性ダイアモンド電極を有する電解装置を用いてもよい。この電解装置での電解で生じた次亜塩素酸を利用して、タンパク等の有機物や尿素を触媒存在下で分解し、後段のイオン除去工程で除去できる有機酸、アンモニア等のイオンに変換することができる。なお、このダイアモンド電極による電解工程でアンモニアの一部が分解されＮ_２ガスとなる。

上記の各処理が施された水を電気再生式脱塩装置あるいは逆浸透膜装置へ導入して更に脱塩することにより、飲用できる水が得られる。また、このときに生じる濃縮水を電気透析装置入口に返送して再度処理することができる。

また、濃縮水を酸、アルカリの状態にし、酸、アルカリ液とすることにより、液状態が維持され、閉鎖系空間外への排出が容易となる。

実施の形態に係る水回収装置のブロック図である。 実施の形態に係る水回収装置のブロック図である。 電気透析装置の模式的な断面図である。 電気再生式脱塩装置の模式的な断面図である。

以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。

図１は第１の実施の形態に係る閉鎖系空間向け排水処理装置のブロック図である。

この排水処理装置は、宇宙ステーション等で使用した排水または人体排出水、空気中の水蒸気を凝縮させた水等の被処理水にアルカリを添加して硬度成分を析出させて粗取りする硬度成分粗取り装置１と、硬度成分粗取り装置１からの水をイオン交換処理する軟化装置２と、該軟化装置２からの水中の有機物や尿素その他の窒素化合物を分解するダイアモンド電極電解装置３と、残留有機成分を触媒と接触させて分解する触媒分解装置４と、触媒分解装置４からの水を電気透析処理して酸、アルカリを生成させつつ粗脱塩水を製造する電気透析装置５と、この粗脱塩水を更に脱塩する電気再生式脱塩装置６とを具備するものである。

硬度成分粗取り装置１では、電気透析装置５からのアルカリを添加して硬度成分を析出させ、この析出した硬度成分を遠心分離、晶析装置又は膜分離により除去するものが好適である。該軟化装置２としては、Ｎａ形の強酸性カチオン交換樹脂、もしくは弱酸性カチオン交換樹脂を備えたものが好適である。

この実施の形態においては、硬度成分粗取り装置１及び軟化装置２において硬度成分を除去するため、電気透析装置５や電気再生式脱塩装置６のイオン交換膜の目詰まりが防止される。また、イオン交換膜をファウリングさせるたんぱく質などの有機物はダイアモンド電極電解装置３及び触媒分解装置４で分解される。

該電気透析装置５で造られた酸は、最終脱塩水のｐＨ調整や、アルカリに調整された液から発生するアンモニアの吸収に利用することができる。また、アルカリは被処理水のｐＨを高くして硬度成分析出させるために使用される。この実施の形態においては、電気透析装置５で生じたアルカリを硬度成分粗取り装置１に添加して硬度成分の凝集、晶析に利用しているので、専用のアルカリ源が不要である。

この実施の形態においては、電気透析装置５や電気再生式脱塩装置６で除去できない尿素をダイアモンド電極電解装置３及び触媒分解装置４でアンモニアと炭酸に分解している。

この実施の形態における不純物除去の反応機構の詳細は次の通りである。

硬度成分粗取り装置１におけるアルカリ添加による硬度成分除去反応は次の通りである。

ＣａＸ、ＭｇＸ、ＹＰＯ_４、Ｙ_２ＣＯ_３、ＮＨ_４Ｘ ＋ ＹＯＨ
→ ＣａＣＯ_３＋ Ｍｇ（ＯＨ）_２ ＋ ＮＨ_４ＭｇＰＯ_４
ここで
Ｘ：Ｃｌ⁻、ＳＯ_４ ^２−などの陰イオン
Ｙ：Ｎａ^＋、ＮＨ_４ ^＋などの陽イオン

イオン交換による軟化反応は次の通りである。
ＣａＸ、ＭｇＸ ＋ Ｒ−Ｎａ → Ｒ＝Ｃａ、Ｒ＝Ｍｇ ＋ ＮａＸ
ここで
Ｒ−：イオン交換樹脂交換基

ダイアモンド電極電解、触媒分解では以下の反応により有機物、尿素が分解される。

有機物 →（酸化）→ 有機酸、ＣＯ_２
尿素 → ＮＨ_４ ^＋ ＋ＣＯ_３ ^２−
２ＮＨ_３ ＋ ３ＨＣｌＯ → Ｎ_２ ＋ ３Ｈ_２Ｏ ＋ ３ＨＣｌ
この反応で生じた次亜塩素酸を利用して、タンパク等の有機物や尿素を分解し、後段のイオン除去工程で除去可能な有機酸、アンモニア等のイオンに交換することができる。

なお、触媒分解装置４の触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどを用いることができるが、これに限定されない。触媒分解装置４の操作温度は常温〜３５０℃程度が好適である。

電気透析装置では次の反応が進行する。
ＸＹ → ＨＸ（酸） ＋ ＹＯＨ（アルカリ）

なお、３室式の電気透析装置での反応を図３に模式的に図示する。この３室式の電気透析装置は、陽極と陰極の間に酸室、アニオン交換膜、脱塩室、カチオン交換膜、バイポーラ膜、酸室、アニオン交換膜、脱塩室カチオン交換膜を繰り返し配列した構造を有する。図３の通り、被処理水中の陰イオンＸ及び陽イオンＹがアニオン膜又はカチオン膜を透過して陽極室又は陰極室に移動し、脱塩水が生産される。前述の通り、電気透析により生じたアルカリ溶液は硬度成分粗取り装置１へ送られ、硬度成分析出に利用される。酸溶液は生産水のｐＨ調整や軟化装置の再生剤として利用される。なお、電解で発生する酸性ガス及びアルカリ性ガスの吸収装置を具備する場合、この電気透析装置５で生じた酸溶液及びアルカリ溶液を利用することができる。

電気再生式脱塩装置では、図４に模式的に示すように、脱塩室に導入された被処理水中の陰イオンＸ及び陽イオンＹがアニオン膜又はカチオン膜を透過して濃縮室又は電極室に移動することにより、脱塩室から脱塩された生産水が取り出される。濃縮水は電気透析装置５の流入側に返送される。脱塩室及び濃縮室にはイオン交換樹脂が充填され、電極室には導電体が充填されている。

これらのダイアモンド電極電界装置、触媒分解装置、電気透析装置、電気再生式脱塩装置などからは、化学反応により水素、酸素、塩素などのガスが発生するが、脱気膜や遠心分離などで、適宜、気液分離することが好ましい。

図２は別の実施の形態に係る排水処理装置のブロック図である。

この実施の形態は、図１の水回収装置において、電気再生式脱塩装置の代わりに逆浸透膜装置７を設置したものであり、その他の構成は図１と同一であり、同一符号は同一装置を示している。

この実施の形態では、電気透析装置５で粗脱塩した被処理水を逆浸透膜装置７で更に脱塩する。この逆浸透膜装置７に導入される被処理水は、前段の各装置１〜４で予め処理され、スケール原因となる硬度成分やファウリング原因となるタンパクなど有機物は除去されているため、逆浸透膜の目詰まりが防止される。

逆浸透膜装置７の濃縮水は図１の実施の形態と同様に、電気透析装置５の入口へ戻される。

なお、アンモニアの除去率向上のため、電気透析装置５で生成した酸を逆浸透膜装置７への流入水に添加し、そのｐＨを弱酸性に調整しても良い。

上記図１，２の水回収装置によれば、簡単な構成により生活排水や人体排出水から不純物を取り除くことができるため、宇宙ステーションなどの閉鎖系空間における生命維持装置に適している。

本発明の閉鎖系空間において、被処理水の発生の水源となる主なものは尿、空気中の水蒸気、生活排水である。これらの水質は異なるため、本発明の水回収装置で処理するに当たり、必要に応じてそれぞれの水種を単独で処理しても良いし、それらを予め混合して処理しても良い。また、処理工程の途中から特定の水種の被処理水を合流させることも可能である。これらの処理方法は処理効率を考慮して決めることが望ましい。

一般的に前記被処理水のうち、スケール成分は尿に最も多く含まれるため、第一段階での硬度成分の除去は尿のみを処理対象とし、有機成分分解工程前に空気中の水蒸気の凝縮水を合流させて処理することにより、各工程における被処理水の水量を無駄に増やすこともなく、効率的に処理できるので望ましい。

本発明によれば、スケール発生による目詰まり、有機物によるファウリング等を懸念することなく、また、蒸発のような多量のエネルギーを消費することなく、人間の生命維持に不可欠な水を再利用することが出来、核シェルターや宇宙などの閉鎖系空間において人間の長期滞在が可能となる。

１ 硬度成分粗取り装置
２ 軟化装置
３ ダイアモンド電極電解装置
４ 触媒分解装置
５ 電気透析装置
６ 電気再生式脱塩装置
７ 逆浸透膜装置

Claims (7)

1. 閉鎖系空間内で生じた人体排出水及び／又は生活排水にアルカリを添加して、硬度成分を析出させて分離する硬度成分粗取り装置と、
   該硬度成分粗取り装置からの水をさらに硬度成分除去処理する軟化装置と、
   該軟化装置の処理水中の有機成分を分解する有機成分分解装置と、
   該有機成分分解装置からの水を電気透析して脱塩水、酸及びアルカリを生じさせる電気透析装置と
   を有する閉鎖系空間用の水回収装置。
2. 請求項１において、該電気透析装置で生じたアルカリを前記硬度成分粗取り装置にて前記排水に添加することを特徴とする水回収装置。
3. 請求項１又は２において、前記硬度成分粗取り装置は、硬度成分を遠心分離、晶析操作又は膜分離により分離することを特徴とする水回収装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、該有機成分分解装置が導電性ダイアモンドを電極とするダイアモンド電極電解装置であることを特徴とする水回収装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記有機成分分解装置として、ダイアモンド電極電解装置と、触媒分解装置とを備えたことを特徴とする水回収装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記電気透析装置で生じた酸を吸収液とするアンモニア吸収装置を備えたことを特徴とする水回収装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、前記電気透析装置からの脱塩水をさらに脱塩処理する電気再生式脱塩装置又は逆浸透膜装置を備えることを特徴とする水回収装置。

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