JP6630617B2

JP6630617B2 - 液体処理装置および液体処理方法

Info

Publication number: JP6630617B2
Application number: JP2016077192A
Authority: JP
Inventors: 友明宮ノ下; 俊朗國東; 晃大土田
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-04-07
Also published as: JP2017185460A

Description

本発明は、固形分を含む液体の処理装置および処理方法に関する。

固形分を含む液体の固液分離を行う方法として、粒状ろ材によるろ過処理が浄水処理等で行われる。一般的には、粒状ろ材としてアンスラサイトや硅砂等が用いられる。一方、紫外線殺菌または酸化処理には、紫外線（ＵＶ）を発生する紫外線ランプ等を用いた紫外線照射処理が行われる。

粒状ろ材によるろ過処理の際に紫外線照射処理を行おうとする場合、アンスラサイトや硅砂等の粒状ろ材は紫外線透過性を有さないため、粒状ろ材によるろ過装置の前段または後段に紫外線照射装置を設置する必要がある。

一方、紫外線照射装置の一つとしてマイクロウェーブ紫外線発光装置が知られている。例えば、粒状の無電極紫外線発光体に外部から２．４５ＧＨｚ等のマイクロウェーブを照射して、紫外線発光させるものがある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許第５０４９００４号公報

堀越智、「光触媒コーティング無電極ランプによる被災地の汚染水浄化装置の開発に関する研究」、平成２６年３月、平成２５年度環境研究総合推進費補助金研究事業総合研究報告書

本発明の目的は、固形分を含む液体の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる液体処理装置および液体処理方法を提供することにある。

本発明は、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材を充填した紫外線発光ろ材層を有する反応槽と、マイクロウェーブ発生手段と、を備え、前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記粒状ろ材に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記反応槽に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う、液体処理装置である。

前記液体処理装置において、前記粒状ろ材の沈降速度が、１０〜１００ｍ／ｈの範囲であることが好ましい。

前記液体処理装置において、前記紫外線発光ろ材層の下流部に後ろ過層を有することが好ましい。

前記液体処理装置において、前記粒状ろ材を逆流洗浄する逆流洗浄手段をさらに備えることが好ましい。

また、本発明は、マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材を充填した紫外線発光ろ材層を有する反応槽における前記粒状ろ材に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記反応槽に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う処理工程を含む、液体処理方法である。

前記液体処理方法において、前記粒状ろ材の沈降速度が、１０〜１００ｍ／ｈの範囲であることが好ましい。

前記液体処理方法において、前記紫外線発光ろ材層の下流部に後ろ過層を有することが好ましい。

前記液体処理方法において、前記粒状ろ材を逆流洗浄する逆流洗浄工程をさらに含むことが好ましい。

本発明によれば、固形分を含む液体の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる液体処理装置および液体処理方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る液体処理装置の一例を示す概略構成図である。比較例で用いた液体処理装置を示す概略構成図である。実施例１および比較例１における、通水時間と通水差圧の経時変化を示す図である。実施例１および比較例１における、逆洗ＬＶと展開率を示す図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る液体処理装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。

本実施形態に係る液体処理装置１は、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材を充填した紫外線発光ろ材層３８を有する反応槽１２と、マイクロウェーブ発生手段として、マイクロウェーブ発生装置１４とを備える。液体処理装置１は、原水を貯留するための原水槽１０と、処理液を貯留するための処理液槽１６と、凝集剤を注入するための凝集剤添加手段として凝集剤槽１８とを備えてもよい。

図１の液体処理装置１において、原水槽１０の出口と反応槽１２の上部入口とは、原水ポンプ２０、原水バルブ２６を介して原水配管５０により接続されている。反応槽１２の下部出口と処理液槽１６の入口とは、逆洗液バルブ３０、処理液バルブ３２を介して処理液配管５４により接続されている。処理液槽１６の下部出口と、処理液配管５４における逆洗液バルブ３０および処理液バルブ３２の間とは、逆洗ポンプ２２を介して逆洗液配管５６により接続されている。原水配管５０における原水バルブ２６と反応槽１２の上部入口との間には、逆洗排液バルブ２８を介して逆洗排液配管５２が接続されている。凝集剤槽１８の出口と、原水配管５０における原水ポンプ２０および原水バルブ２６の間とは、凝集剤ポンプ２４を介して凝集剤配管５８により接続されている。反応槽１２には、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材が充填された紫外線発光ろ材層３８が形成され、必要に応じて、紫外線発光ろ材層３８の下流部に、ろ過砂等が充填された後ろ過層３６と、支持砂利等が充填された支持層３４とが形成されていてもよい。反応槽１２には、マイクロウェーブ発生手段としてマイクロウェーブ発生装置１４が、紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材にマイクロウェーブを照射できるように設置されている。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置１の動作について説明する。

原水バルブ２６、逆洗液バルブ３０、処理液バルブ３２を開状態とし、逆洗排液バルブ２８を閉状態とし、マイクロウェーブ発生装置１４を起動させて、発生させたマイクロウェーブを紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材に照射しながら、原水槽１０から原水ポンプ２０により、固形分を含む被処理液体が原水として原水配管５０を通して、反応槽１２の上部入口から供給され、反応槽１２を下向流で通液される。これにより、紫外線発光ろ材層３８において、固形分を含む被処理液体の固液分離処理が行われるとともに、紫外線照射処理が行われる（処理工程）。通液後の処理液は、反応槽１２の下部出口から排出され、処理液配管５４を通して、一部または全部が処理液槽１６に移される。処理液は、一部または全部が処理液配管５４の例えば途中から系外に排出されてもよい。

固液分離処理では、紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材によって、被処理液体から固形分が分離される。紫外線発光ろ材層３８の下流部に１つ以上の後ろ過層３６を設けることにより、処理液の濁度をさらに低減することができる。

紫外線照射処理では、マイクロウェーブの照射により紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材から発光された紫外線によって、主に、細菌類の殺菌および紫外線の光酸化による有機物等の酸化分解処理が行われる。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置により、固形分を含む液体の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる。また、固液分離処理と紫外線照射処理をともに行うことにより、液体処理装置の設置面積を低減することができる。

処理対象となる被処理液体は、固形分を含む液体であればよく、特に制限はない。液体としては、例えば、水や、糖液等が挙げられる。固形分としては、例えば、懸濁物質等が挙げられる。処理対象となる被処理液体の濁度は、例えば０．５度以上１０度以下、色度は、例えば０．５度以上１０度以下、細菌数は、例えば、１００個／ｍＬ以上１００，０００個／ｍＬ以下である。

反応槽１２における被処理液体の通液方向は、通常は図１に示すような下向流であるが、上向流であってもよいし、横向流であってもよい。

マイクロウェーブ発生装置１４は、マイクロウェーブ（周波数：２．４５ＧＨｚ±０．０１ＧＨｚ）を発生することができるものであればよく、その構成は特に制限はない。例えば、真空管を用いるマグネトロン方式の他に、半導体を用いるソリッドステート方式等が挙げられる。マグネトロン方式の発振器は、家庭用から業務用の電子レンジに幅広く用いられており比較的安価に入手できる利点があり、ソリッドステート方式の発振器は、寿命が比較的長く、波長の安定性が良好である等の利点がある。

マイクロウェーブ発生装置１４の構成例として、例えば、図１に示すように、電源装置４０と、マイクロウェーブ発振器４２と、導波管４４と、スリースタブチューナ４６と、短絡器４８とを備える構成が挙げられる。

例えば、電源装置４０から供給された電源により、マイクロウェーブ発振器４２が発生したマイクロウェーブが、導波管４４を通り、紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材に照射される。スリースタブチューナ４６により、導波管４４におけるインピーダンス整合を調整することができる。

マイクロウェーブの照射は、紫外線発光ろ材層３８のある１方向から行ってもよいし、２方向以上の複数方向から行ってもよい。反応槽１２の径が大きくなると（例えば、３０ｃｍ以上）、マイクロウェーブが中心部まで到達しない場合があるので、紫外線発光ろ材層３８に対して２方向以上の複数方向から照射を行うことが好ましい。

紫外線発光ろ材層３８の粒状ろ材は、マイクロウェーブにより紫外線発光するものであればよく、特に制限はない。粒状ろ材としては、例えば、石英製やテフロン（登録商標）樹脂製であって、球形状や、円筒の両端を球状にしたカプセル形状等の容器に、水銀ガス、水素ガス、キセノンガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、塩素ガス、重水素ガス等の、マイクロウェーブにより紫外線発光する放電ガスを所定の封入圧で封入した無電極紫外線発光カプセル等が挙げられる。放電ガスを封入した無電極紫外線発光カプセルに、マイクロウェーブを照射することにより、ガスが励起され、紫外線を発光する。また、カプセルの比重を調整するために、このカプセルの両端または一端に、カプセルと同様の材料で形成した中空または中実の突起状の比重調整部を設けてもよい。

粒状ろ材が球形状の場合、最大径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましい。粒状ろ材が円筒の両端を球状にしたカプセル形状の場合、径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましく、高さは、例えば、２．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり、４．０ｍｍ〜８．０ｍｍの範囲であることが好ましい。

比重調整部の径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましく、高さは、例えば、２．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり、４．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

粒状ろ材の沈降速度は、１０〜１００ｍ／ｈの範囲であることが好ましく、３０〜５０ｍ／ｈの範囲であることがより好ましい。粒状ろ材の沈降速度が１０ｍ／ｈ未満であると、または、１００ｍ／ｈを超えると、後述する逆流洗浄工程において、粒状ろ材が上向流中で１５〜３０体積％といった適切な展開率とならず、懸濁物質等で覆われた粒状ろ材を効果的に洗浄することができない場合がある。例えば、カプセルに比重調整部を設けて、沈降速度を調整すればよい。

後ろ過層３６は、１層でもよく、２層以上から構成してもよい。紫外線発光ろ材層３８の下流部に後ろ過層３６を設けることにより、処理液の濁度をさらに低減することができ、例えば濁度を０．１度以下とすることも可能となる。

後ろ過層３６を構成するろ過材としては、例えば、アンスラサイト、硅砂、ガーネット、イルミナイト等のろ過砂等が挙げられる。

支持層３４は、紫外線発光ろ材層３８または後ろ過層３６を支持する層である。

支持層３４を構成する支持材としては、例えば、支持砂利、有孔ブロック等が挙げられる。

例えば反応槽１２からの処理液の排出量が低下する等の場合には、反応槽１２内を逆流洗浄（逆洗）してもよい。例えば、原水バルブ２６、処理液バルブ３２を閉状態とし、逆洗液バルブ３０、逆洗排液バルブ２８を開状態とし、逆洗ポンプ２２を起動させることにより、処理液槽１６中の処理液が逆洗液として逆洗液配管５６、処理液配管５４を通して、反応槽１２下部より上向流にて通液される。逆洗排液は、反応槽１２上部より逆洗排液配管５２を通して排出される（逆流洗浄工程）。この場合、処理液槽１６、逆洗ポンプ２２、逆洗液配管５６、処理液配管５４等が逆流洗浄手段として機能することになる。

上記の通り、粒状ろ材の沈降速度を１０〜１００ｍ／ｈの範囲とすることにより、上向流での逆流洗浄において、粒状ろ材を洗浄効果の高い展開率１５〜３０体積％とすることができる。粒状ろ材が上向流中で１５〜３０体積％といった適切な展開率となっていないと、懸濁物質等で覆われた粒状ろ材を効果的に洗浄することができない場合がある。

被処理液体が反応槽１２に供給される前に、被処理液体に凝集剤が添加されてもよい。被処理液体中の固形分の粒径が細かい等の場合には、被処理液体に凝集剤を添加することにより、処理液の濁度をより低減することができる。例えば、原水配管５０において、凝集剤槽１８から凝集剤ポンプ２４により凝集剤を添加すればよい。凝集剤の添加は、原水槽１０において行われてもよいし、原水槽１０と反応槽１２との間に別途、中間槽を設けて、中間槽において行われてもよい。

凝集剤としては、例えば、ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ）、塩化第二鉄、ポリ硫酸鉄等の無機系凝集剤等が挙げられる。

凝集剤の添加量は、例えば、１．０〜３０ｍｇ／Ｌの範囲である。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置は、浄水処理、下水処理、工業用水処理、下水処理、排水処理等における固液分離と、紫外線殺菌、紫外線酸化処理等の紫外線照射処理とをともに行う場合に適用することができ、特に、浄水処理に好適に適用することができる。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置により、例えば濁度で１．５度以上、色度で３．０度以上、細菌数で２，０００個／ｍＬ以上の被処理水の水質を、例えば濁度で０．１度以下、色度で０．４度以下、細菌数で１個／ｍＬ以下の処理水とすることができる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１，２および比較例１＞
実施例１，２では図１の液体処理装置１を用い、比較例１では図２に示す液体処理装置３を用いた。図２の液体処理装置３は、原水槽７０と、反応槽７２と、処理液槽７４と、凝集剤槽７６と、原水ポンプ７８と、逆洗ポンプ８０と、凝集剤ポンプ８２と、原水バルブ８４と、逆洗排液バルブ８６と、逆洗液バルブ８８と、処理液バルブ９０とを備える。反応槽７２には、下から支持層９２、後ろ過層９４、アンスラサイト層９６が形成されている。

以下の装置仕様、通水条件で試験を行った。
［反応槽］
・反応槽本体：圧力式ろ過塔、φ２００ｍｍ×Ｈ３，０００ｍｍ
・通水条件：ろ過速度１０ｍ／ｈ（０．３ｍ^３／ｈ）、凝集剤（ポリ塩化アルミニウム（ＰＡＣ））注入率５ｍｇ／Ｌ、有効差圧３０ｋＰａ
・ろ層構成：
（比較例１）
アンスラサイト層：有効径１．０ｍｍ、均等係数１．４、層高３００ｍｍ
後ろ過層（硅砂層）：有効径０．７ｍｍ、均等係数１．４、層高４００ｍｍ
支持層：砂利、層高４００ｍｍ
（実施例１，２）
紫外線発光ろ材層：紫外線発光粒状ろ材径（φ）２ｍｍ×高さ（Ｌ）５ｍｍ、層高３００ｍｍ
後ろ過層（硅砂層）：有効径０．７ｍｍ、均等係数１．４、層高４００ｍｍ
支持層：砂利、層高４００ｍｍ

［紫外線発光粒状ろ材（無電極紫外線発光カプセル）の詳細］
・サイズ：ガス封入部径（φ）２ｍｍ×高さ（Ｌ）３ｍｍ＋比重調整部径（φ）２ｍｍ×高さ（Ｌ）２ｍｍ
・材質：石英
・封入ガス：水銀ガス、封入圧力１０Ｐａ
・沈降速度：３５ｍ／ｈ

［逆洗装置］
・処理液槽：０．３ｍ^３
・逆洗ポンプ：仕様３ｍ^３／ｈ、逆洗ＬＶ３５〜４５ｍ／ｈ（１．１〜１．４ｍ^３／ｈ）×１０ｍｉｎ

［マイクロウェーブ発生装置］
・電源装置：３００Ｗ（３０〜３００Ｗ可変式）
・マイクロウェーブ発振器：マグネトロン
・周波数：２．４５ＧＨｚ
・導波管：Ｌ４００ｍｍ×Ｗ２００ｍｍ×Ｈ３００ｍｍ、アルミニウム製
・チューナー：スリースタブ方式

マイクロウェーブ発生装置の電源装置の投入電力を、実施例１では３０Ｗに設定し、実施例２では６０Ｗに設定した。原水と処理液の水質（濁度、色度、一般細菌数）を表１に示す。濁度および色度は、日本電色製、ＷＡ６０００型（濁度測定は積分球式、色度測定は３９０ｎｍ透過光測定法式）を用いて、一般細菌数は、培地培養法（標準寒天培地を用いて３６±１℃で２４±２時間培養し、コロニー数を測定）で測定した。

濁度、色度は従来法の比較例１の処理液と、実施例１，２の処理液で、ほぼ同等であったが、一般細菌数は比較例１では４００個／ｍＬに対して、実施例１では２０個／ｍＬ、実施例２では＜１個／ｍＬとなった。マイクロウェーブ発生装置への投入電力の違いによって紫外線発光粒状ろ材からの紫外線強度が変化し、殺菌力に差がついたと考えられる。

実施例１および比較例１における、通水時間と通水差圧の経時変化を図３に示す。実施例１および比較例１ともに通水差圧３０ｋＰａで逆洗（ＬＶ=３７．５ｍ／ｈ×１０ｍｉｎ）を実施した。通水差圧３０ｋＰａで逆洗を行っており、実施例１、比較例１ともに通水差圧が回復している。

実施例１および比較例１における、逆洗ＬＶとろ材展開率の関係を図４に示す。水温２０℃において、展開率２０〜３０％となる逆洗ＬＶは、実施例１、比較例１ともに３７．５ｍ／ｈであった。

実施例の液体処理装置により、固形分を含む液体の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができた。また、実施例のように、固液分離処理と紫外線照射処理（紫外線殺菌および紫外線光酸化）をともに行うことにより、液体処理装置の設置面積が低減した。

１，３液体処理装置、１０，７０原水槽、１２，７２反応槽、１４マイクロウェーブ発生装置、１６，７４処理液槽、１８，７６凝集剤槽、２０，７８原水ポンプ、２２，８０逆洗ポンプ、２４，８２凝集剤ポンプ、２６，８４原水バルブ、２８，８６逆洗排液バルブ、３０，８８逆洗液バルブ、３２，９０処理液バルブ、３４，９２支持層、３６，９４後ろ過層、３８紫外線発光ろ材層、４０電源装置、４２マイクロウェーブ発振器、４４導波管、４６スリースタブチューナ、４８短絡器、５０原水配管、５２逆洗排液配管、５４処理液配管、５６逆洗液配管、５８凝集剤配管、９６アンスラサイト層。

Claims

マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材を充填した紫外線発光ろ材層を有する反応槽と、
マイクロウェーブ発生手段と、
を備え、
前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記粒状ろ材に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記反応槽に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことを特徴とする液体処理装置。
請求項１に記載の液体処理装置であって、
前記粒状ろ材の沈降速度が、１０〜１００ｍ／ｈの範囲であることを特徴とする液体処理装置。
請求項１または２に記載の液体処理装置であって、
前記紫外線発光ろ材層の下流部に後ろ過層を有することを特徴とする液体処理装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体処理装置であって、
前記粒状ろ材を逆流洗浄する逆流洗浄手段をさらに備えることを特徴とする液体処理装置。
マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状ろ材を充填した紫外線発光ろ材層を有する反応槽における前記粒状ろ材に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記反応槽に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う処理工程を含むことを特徴とする液体処理方法。
請求項５に記載の液体処理方法であって、
前記粒状ろ材の沈降速度が、１０〜１００ｍ／ｈの範囲であることを特徴とする液体処理方法。
請求項５または６に記載の液体処理方法であって、
前記紫外線発光ろ材層の下流部に後ろ過層を有することを特徴とする液体処理方法。
請求５〜７のいずれか１項に記載の液体処理方法であって、
前記粒状ろ材を逆流洗浄する逆流洗浄工程をさらに含むことを特徴とする液体処理方法。