WO2020045411A1 - 水処理装置 - Google Patents

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WO2020045411A1
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WO
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water
fine particles
microbubbles
filter medium
water treatment
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PCT/JP2019/033476
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ゆうこ 丸尾
廣田　達哉
藤田　浩史
太輔 五百崎
真治 西尾
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/24—Treatment of water, waste water, or sewage by flotation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/58—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/78—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with ozone

Definitions

  • the present disclosure relates to a water treatment device.
  • colloid particles such as clay, silt, organic matter, pathogenic bacteria, algae, and microorganisms, dissolved substances such as organic matter, hardness ions, and inorganic salts, and floating and suspended substances such as sand and leaves. .
  • colloid particles are representative of fine particles.
  • Colloidal particles are particles having a diameter of about 10 ⁇ 9 to 10 ⁇ 7 m. Therefore, colloidal particles cannot be separated from water by the conventional filtration using a granular filter medium, for example, sand filtration.
  • a granular filter medium for example, sand filtration.
  • filtration using a membrane filter medium requires more energy to separate colloid particles from water, is more likely to cause clogging, and has a higher running cost. Therefore, a water treatment apparatus is used which increases the particle diameter of the colloid particles by adding a coagulant and then removes the aggregate of the colloid particles having a larger diameter from water by filtration with a particulate filter medium.
  • An object of the present invention is to provide a water treatment apparatus capable of removing fine particles from water by using a filter medium without using a coagulant.
  • a water treatment apparatus is a water tank for temporarily storing water containing fine particles, and a bubble introduction unit for introducing microbubbles into the water containing the fine particles.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a water treatment device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a water treatment device according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which microbubbles adsorb fine particles.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining that microbubbles on which fine particles are adsorbed are separated from water by a particulate filter medium.
  • FIG. 5 is a graph of experimental results showing the relationship between the circulation time of water and the turbidity of water when fine particles are separated for each of different concentrations of added NaCl.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a water treatment device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a water treatment device according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which microbubbles adsorb fine particles.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining that microbubbles on which fine particles are adsorbed are separated from
  • FIG. 6 is a graph of the experimental results of Example 1 when activated carbon and garnet were used as granular filter media, and ozone was included in microbubbles to separate CaCO 3 particles having an average particle diameter of 4 ⁇ m from water.
  • FIG. 7 shows the experimental results of Comparative Example 1 when zeolite and Mn sand were used as granular filter media, and ozone was included in microbubbles to separate CaCO 3 particles having an average particle size of 4 ⁇ m.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a water treatment apparatus of Comparative Example 2 in which bubbles are introduced into an aeration tank via a Venturi tube.
  • FIG. 9 is a graph showing experimental results of Comparative Example 2 in which CaCO 3 particles having an average particle diameter of 4 ⁇ m are separated from water when ozone bubbles are introduced into a water treatment device via a Venturi tube.
  • the water treatment apparatus 100 of the present embodiment includes an aeration tank T and a filtration tank F.
  • a pump P is connected to a channel for guiding water from the aeration tank T to the filtration tank F.
  • the aeration tank T is a tank for introducing the microbubbles MB into the water stored therein and attaching the fine particles TU to the microbubbles MB.
  • the filtration tank F is a tank that contains the filter medium S therein and removes the microbubbles MB to which the fine particles TU adhere from the water flowing from the aeration tank T, that is, separates the water from the water.
  • the raw water W introduced into the aeration tank T is water containing turbidity, for example, water containing river water, groundwater, tap water, sewage, or drainage.
  • the turbid substance is a substance that is insoluble in raw water, (or a substance that is precipitated in raw water), for example, sand, clay, silt, iron oxide, calcium carbonate, hardly soluble It is a substance containing organic matter, pathogenic bacteria, algae, microorganisms, or insoluble inorganic salts (inorganic substances).
  • a turbidity sensor for measuring the turbidity of the water flowing out of the filtration tank F is provided. If the turbidity of the water flowing out of the filtration tank F is equal to or lower than a predetermined reference, the water is sent to the faucet as treated water via the on-off valve SV2. On the other hand, if the turbidity of the water flowing out of the filtration tank F is higher than the reference value, the water is returned to the aeration tank T via the on-off valve SV1.
  • the on-off valve SV1 and the on-off valve SV2 determine whether or not the value of the turbidity measured by the turbidity sensor is higher than a predetermined reference by a control unit (not shown).
  • the open / close state of each of the on-off valves SV1 and SV2 is controlled. Specifically, if the value of the turbidity measured by the turbidity sensor is higher than the reference value, the control unit opens the on-off valve SV1 and closes the on-off valve SV2. On the other hand, if the value of the turbidity measured by the turbidity sensor is not higher than the reference value, the control unit closes the on-off valve SV1 and opens the on-off valve SV2.
  • the fine particles TU (see FIGS. 1, 3, and 4) of the present embodiment contain at least colloid particles.
  • fine particles TU such as colloid particles adhere to the microbubbles MB. Therefore, the fine particles TU containing the colloid particles can be separated from the water in the filtration tank F together with the microbubbles MB. Therefore, according to the water treatment apparatus 100 of the present embodiment, the fine particles TU contained in the water can be removed without aggregating the fine particles TU using the flocculant.
  • Microbubbles MB do not include nanobubbles. Nanobubbles mean bubbles smaller than 1 ⁇ m. This is because the nanobubbles are so small that they cannot be removed in the filtration tank F.
  • Microbubbles MB do not include millibubbles. This is because the millibubbles are too large and immediately burst and disappear, and do not reach the filtration tank F. Millibubbles refer to bubbles having a diameter greater than 1 mm.
  • the microbubbles MB preferably have a diameter of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. Further, the microbubbles MB more preferably have a diameter of 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the fine particles TU include at least colloid particles.
  • Colloidal particles are particles having a diameter of about 10 ⁇ 9 to 10 ⁇ 7 m.
  • the microbubble MB of the present embodiment may have any particle diameter as long as it can adsorb at least colloid particles.
  • the method of measuring the diameter of the microbubble MB may be a method of taking a picture of the microbubble MB flowing in water and estimating the diameter of the microbubble MB from the size of the microbubble MB present in the image data.
  • the diameter of the microbubble MB measured by any method may be used as long as it is generally considered that the diameter of the microbubble MB can be measured.
  • the method for measuring the particle size of the fine particles TU may be a method measured by flow distribution measurement such as laser diffraction scattering particle size measurement.
  • the diameter of the fine particle TU measured by any method may be used as long as it is generally considered that the method can measure the fine particle TU (see FIGS. 1, 3, and 4).
  • the aeration tank T temporarily stores water containing fine particles.
  • the aeration tank T includes a bubble introduction section I for introducing the microbubbles MB into water containing the fine particles TU.
  • the bubble introduction unit I of the present embodiment generates microbubbles MB by generating a water flow at a predetermined speed in a flow path having a predetermined shape.
  • the water flow at the predetermined speed may be a swirling flow.
  • water near the central axis of the swirling flow has a low pressure, and microbubbles are generated in the low-pressure water. Therefore, the microbubble MB is generated only by introducing the gas guided from the gas tank G to the bubble introduction section I into the swirling flow at a predetermined speed.
  • the aeration tank T includes an introduction part Fin for introducing the water flowing from the filtration tank F, and a derivation part Fout for leading out of the aeration tank T water containing microbubbles MB to which the fine particles TU are attached.
  • the filtration tank F is a water tank provided downstream of the aeration tank T.
  • the filtration tank F includes a filter medium S for removing microbubbles MB to which the fine particles TU are attached from water.
  • the filtration tank F allows the water from which the fine particles TU have been removed to flow out.
  • the filter medium S of the present embodiment is composed of a large number of granular filter mediums, and the particle diameter of the granular filter medium is 1 mm or less. Therefore, it is possible to reliably suppress the microbubbles MB to which the fine particles TU are attached from flowing out of the filtration tank F without being removed by the filter medium S.
  • the filter medium S of the present embodiment has a multilayer structure in which a plurality of layers of a large number of granular filter media are stacked.
  • the granular filter medium constituting the upper layer S1 of the multilayer structure has a larger particle diameter but a lower specific gravity than the granular filter medium constituting the lower layer S2 of the multilayer structure. According to this, when water passes through the multilayer structure from above to below, after passing through the granular filter medium having a large gap, which constitutes the upper layer S1, the water constitutes the lower layer S2, which has a small gap. It passes through the granular filter medium S2. Therefore, the microbubbles MB to which the fine particles TU have adhered can be effectively removed from the water.
  • the plurality of types of granular filter media constituting the multilayer structure are simply put into the filtration tank F, and naturally form the multilayer structure by their own weight. Therefore, it is easy to form a multilayer structure including the particulate filter medium in which the upper layer S1 has a larger particle diameter but a lower specific gravity than the lower layer S2. Further, it is preferable that the plurality of types of granular filter media constituting the above-described multilayer structure include at least two of activated carbon, garnet, and sand. These can easily satisfy the requirements for the above-mentioned multilayer structure in terms of specific gravity and particle diameter.
  • the fine particles TU can be removed from the water containing the fine particles TU such as the colloid particles by the filtration tank F without using the coagulant.
  • the microbubbles MB to which the fine particles TU are adhered float in the aeration tank T. Therefore, there is no generation of discarded water as compared with the conventionally used method of removing the fine particles TU in which the water containing the microbubbles MB to which the floating fine particles TU are attached flows out of the aeration tank T. Further, as compared with the above-described conventionally used method of removing fine particle TU, not only the fine particle TU but also a suspended substance having a size larger than that of the fine particle TU can be removed by the microbubble MB.
  • the water treatment apparatus 100 of the present embodiment is different from the water treatment apparatus 100 of the first embodiment in having a gas pump AP.
  • the bubble introduction unit I of the present embodiment introduces the gas sent from the gas tank G by the gas pump AP into the aeration tank T as microbubbles MB. Therefore, unlike the water treatment apparatus 100 of the first embodiment, it is not necessary to form a bubble introduction portion having a complicated shape for generating microbubbles MB by passage of a high-speed water flow or a high-speed swirling flow.
  • the bubble life is about several tens of seconds to several minutes. It is generally said that the surface of the microbubble MB is negatively charged. On the other hand, the fine particles TU contained in the water are slightly more positively charged than neutral. As a result, it is considered that the electrostatic repulsion between the microbubbles MB and the fine particles TU is weakened, and the fine particles TU are adsorbed on the surface of the microbubbles MB.
  • fine particles TU of the order of several ⁇ m are adsorbed on the surface of the microbubble MB.
  • the life of the microbubble MB is about several minutes, and the arrival time of water from the aeration tank T to the filtration tank F is several seconds. Therefore, the microbubbles MB on which the fine particles TU are adsorbed are introduced into the filtration tank F. At this time, turbid substances having a large particle diameter that have not been adsorbed by the microbubbles MB are also introduced into the filtration tank F.
  • the microbubbles MB and the large turbid matter are trapped by the voids in the filter medium S, which is the granular filter medium, in the filtration tank F.
  • the fine particles TU adsorbed on the microbubbles MB are captured by being adsorbed on the filter medium S as the microbubbles MB disappear.
  • the filter medium S was washed during the backwashing of the filtration tank F, the fine particles TU, which was an object to be removed, were present in the water used for the backwashing. It was confirmed that it was done.
  • the removal performance of the fine particles TU was measured in a plurality of states where the amount of generated microbubbles MB was varied. It is said that when NaCl is added to water when microbubbles MB are generated, the gas-liquid interface of the microbubbles MB is stabilized, so that the generation amount and the life of the microbubbles MB are increased. Therefore, an experiment was conducted in which the fine particles TU and NaCl were added to water, and the fine particles TU were removed from the water using the water treatment apparatus 100 of the first embodiment shown in FIG. If the removal rate of the fine particles TU is increased by adding NaCl, it can be said that the microbubbles MB contribute to the removal of the fine particles TU.
  • Example 1 In the experiment of Example 1, the water treatment apparatus 100 of Embodiment 1 shown in FIG. 1 was used. Further, CaCO 3 particles having an average particle diameter of 4 ⁇ m are used as the fine particles TU.
  • the filter medium S two kinds of granular filter mediums, that is, garnet having a particle diameter of 0.35 mm and activated carbon having a particle size of 20 to 50 mesh were used. Among the commercially available filter media S, garnet and activated carbon have small particle diameters. In addition, the difference in the bulk density between garnet and activated carbon is large. Therefore, in the filtration tank F, the activated carbon and the garnet can easily form the filter material S having the above-mentioned multilayer structure. In general, the filter medium S having a multilayer structure has better filter medium performance than the filter medium S having a single layer structure.
  • FIG. 6 shows a graph of the experimental result of Example 1.
  • Ozone microbubbles were used as the microbubbles MB.
  • the turbidity decreased to 5 or less within 10 minutes, and finally decreased to 1 NTU or less. Since the turbidity reference value of water in Japan is 1 NTU or less and the turbidity reference value of WHO is 5 NTU or less, according to the water treatment apparatus 100 of Example 1, the water It can be seen that TU can be removed.
  • Comparative Example 1 In the experiment of Comparative Example 1, the water treatment apparatus 100 of Embodiment 1 shown in FIG. 1 was used. Thereby, the performance of the filter medium S when removing CaCO 3 particles having an average particle diameter of 4 ⁇ m as the fine particles TU from water was examined.
  • the filter medium S zeolite having a particle diameter of 0.1 mm to 0.5 mm and Mn sand having a particle diameter of 0.35 mm were used. Ozone microbubbles were used as the microbubbles MB.
  • FIG. 7 shows an experimental result when the fine particles TU were separated from water using the water treatment apparatus 100 of Comparative Example 1.
  • the time required for removal of the fine particles TU becomes longer, and the time required for the turbidity to decrease to 10 NTU or less becomes the second time Was more than three times the first time.
  • the separation performance of the fine particle TU is lower in the second experiment result than in the first experiment. It turned out to be.
  • the cause of the decrease in the separation performance of the fine particles TU is presumed to be the filter medium S.
  • the initial zeolite separation performance is high because zeolite fine particles having a particle diameter of 0.1 mm or less contained in zeolite function as a filter aid.
  • the zeolite fine particles are separated from the zeolite body and flow out of the filtration tank F, the filtration performance of the remaining zeolite body is reduced. From the results of the verification experiment of the reproducibility of the filtration performance shown in FIG. 7, it is clear that when zeolite is used as the filter medium S, the filtration performance decreases due to the outflow of the zeolite fine particles from the filter medium S. Was.
  • the combination of garnet and activated carbon of Example 1 is superior to the combination of zeolite and Mn sand of Comparative Example 1 in terms of reproducibility of filtration performance as to the material of the filter medium S.
  • zeolite is preferably not used as the filter medium S from the viewpoint that the separation performance of the fine particle TU is reduced.
  • the use of any two combinations of garnet, activated carbon, and Mn sand as the filter medium S is effective for removing the microbubbles MB to which the fine particles TU are attached.
  • Mn sand may be another type of sand filter medium.
  • FIG. 8 shows a water treatment apparatus 100 of Comparative Example 2 in which microbubbles MB containing ozone generated by the ozone generator O are generated by a venturi tube V and introduced into water in a flow path.
  • FIG. 9 shows an experimental result when the CaCO 3 particles were separated from water using the water treatment apparatus 100 shown in FIG.
  • the bubble size when the ozone bubble is introduced from the venturi tube V into the water flowing through the flow path is about several cm.
  • the time required to reduce the turbidity to 10 NTU or less is about 20 minutes. In other words, it can be seen that the use of millibubbles requires four times or more times to reduce the turbidity to the same value as compared to the case of using microbubbles MB.
  • Comparative Example 2 in which the aeration tank T and the filtration tank F in which bubbles of the order of several centimeters were introduced were only effective in the ordinary filtration by the filter medium S.
  • the turbidity did not finally decrease to 3 NTU, but as can be seen from the experimental results in Example 1 in FIG. In the water treatment apparatus 100 of FIG. 1, the turbidity finally decreased to 1 NTU or less.
  • Example 1 From the result that the turbidity finally reached is higher in Example 1 than in Comparative Example 2, it is understood that aerating the millibubbles has a greater effect of removing the fine particles T than aerating the microbubbles MB. . It is considered that the reason for this is that the millimeter-sized bubbles disappear in the aeration tank T because their lifetime is much shorter than that of the microbubbles MB.
  • introducing microbubbles MB into the aeration tank T of Example 1 has a higher effect of filtering the fine particles U with the filter medium S than introducing millibubbles into the aeration tank T of Comparative Example 2.
  • the water treatment apparatus 100 includes an aeration tank T and a filtration tank F.
  • the aeration tank T is a water tank for temporarily storing water containing fine particles TU.
  • the aeration tank T includes a bubble introduction section I for introducing the microbubbles MB into water containing the fine particles TU.
  • the aeration tank T causes the fine particles TU to adhere to the microbubbles MB.
  • the filtration tank F is a water tank provided downstream of the aeration tank T.
  • the filtration tank F includes a filter medium S for removing the microbubbles MB to which the fine particles TU are attached from water.
  • the filtration tank F allows the water from which the fine particles TU have been removed to flow out. According to this, the fine particles TU can be removed from the water containing the fine particles TU such as the colloid particles by the filter medium S without using the coagulant.
  • the filter medium S is composed of a large number of granular filter mediums, and the particle diameter of the granular filter medium is preferably 1 mm or less. According to this, it is possible to reliably prevent the microbubbles MB to which the fine particles TU have adhered from flowing out of the filtration tank F without being removed by the filter medium S.
  • the filter medium S has a multilayer structure in which a plurality of layers of granular filter media are stacked.
  • the granular filter medium S1 constituting the upper layer of the multilayer structure has a larger particle diameter than the granular filter medium S2 constituting the lower layer of the multilayer structure, the specific gravity may be smaller. According to this, the microbubbles MB to which the fine particles TU have adhered can be effectively removed from the water.
  • the microbubble MB may contain ozone O 3 . According to this, the fine particles TU can be efficiently adsorbed. In addition, a bactericidal effect can be exhibited.
  • the fine particles TU include colloid particles, and in the aeration tank T, at least the colloid particles may adhere to the microbubbles MB. According to this, at least the colloid particles can be removed.
  • the water treatment apparatus 100 of the present embodiment does not include a water treatment apparatus that aggregates fine particles using a flocculant.

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Abstract

微粒子を含む水を一時的に貯留する水槽であって、微粒子を含む水にマイクロバブルを導入するバブル導入部を含み、マイクロバブルに微粒子を付着させる曝気槽と、　曝気槽の下流に設けられた水槽であって、微粒子が付着したマイクロバブルを水から除去する濾材を含み、微粒子が除去された水を流出させる濾過槽と、を備えた、水処理装置である。濾材は多数の粒状濾材から構成され、粒状濾材の粒子径は１ｍｍ以下であることが好ましい。

Description

水処理装置
　本開示は、水処理装置に関するものである。
　水中の汚染物質には様々なものが存在する。具体的には、粘土、シルト、有機物、病原菌、藻、および微生物等のコロイド粒子、有機物、硬度イオン、および無機塩等の溶解物質、ならびに、砂および葉等の浮上・懸濁物質等がある。
　前述の汚染物質の中でも、コロイド粒子は微粒子の代表的なものである。コロイド粒子は、直径が１０－９～１０－７ｍ程度の大きさの粒子のことである。そのため、従来から用いられてきた粒状濾材による濾過、たとえば、砂濾過では、コロイド粒子を水から分離することができない。粒状濾材による濾過と比較して、膜状濾材による濾過は、水からのコロイド粒子の分離に必要なエネルギーが高く、また、目詰まりを生じ易く、さらに、ランニングコストが高い。したがって、凝集剤を加えてコロイド粒子の粒子径を増大させた後に、粒状濾材による濾過によって水から径が大きくなったコロイド粒子の塊を除去する水処理装置が用いられている。
国際公開２０１０／１１００６５号
　しかしながら、上記した凝集剤を用いて凝集させたコロイド粒子等の微粒子の塊を水から粒状濾材によって除去する濾過方法によれば、凝集剤が消耗品として必要である。また、凝集剤には、人体に対して有害なものも多く存在する。そのため、凝集剤を用いることなく、コロイド粒子のような微粒子を水から粒状濾材によって除去することができる手段の開発が期待されている。
　本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、凝集剤を用いることなく、微粒子を水から濾材によって除去することができる水処理装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水処理装置は、微粒子を含む水を一時的に貯留する水槽であって、前記微粒子を含む前記水にマイクロバブルを導入するバブル導入部を含み、前記マイクロバブルに前記微粒子を付着させる曝気槽と、前記曝気槽の下流に設けられた水槽であって、前記微粒子が付着した前記マイクロバブルを前記水から除去する濾材を含み、前記微粒子が除去された前記水を流出させる濾過槽と、を備えている。
図１は、実施の形態１の水処理装置を示す模式図である。 図２は、実施の形態２の水処理装置を示す模式図である。 図３は、マイクロバブルが微粒子を吸着した状態を示す模式図である。 図４は、微粒子が吸着されたマイクロバブルが粒状濾材によって水から分離されることを説明するための図である。 図５は、異なった添加濃度のＮａＣｌのそれぞれごとに微粒子の分離を行ったときの水の循環時間と水の濁度との関係を示す実験結果のグラフである。 図６は、活性炭およびガーネットを粒状濾材として用いて、オゾンをマイクロバブルに含めて、平均粒子径４μｍのＣａＣＯ３粒子を水から分離したときの実施例１の実験結果のグラフである。 図７は、ゼオライトおよびＭｎ砂を粒状濾材として用いて、オゾンをマイクロバブルに含めて、平均粒子径４μｍのＣａＣＯ３粒子を分離したときの比較例１の実験結果である。 図８は、バブルがベンチュリー管を経由して曝気槽内へ導入される比較例２の水処理装置の模式図である。 図９は、オゾンバブルがベンチュリー管を経由して水処理装置へ導入された場合に、平均粒子径４μｍのＣａＣＯ３粒子が水から分離される比較例２の実験結果を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら、各実施の形態の水処理装置を説明する。以下の複数の実施の形態においては、同一の参照符号が付された部分同士は、図面上における形状に多少の相違があっても、特段の記載がない限り、互いに同一の機能を有するものとする。
　（実施の形態１）
　図１を用いて、実施の形態１の水処理装置１００を説明する。
　図１に示されるように、本実施の形態の水処理装置１００は、曝気槽Ｔおよび濾過槽Ｆを備えている。曝気槽Ｔから濾過槽Ｆへ水を導く流路にはポンプＰが接続されている。曝気槽Ｔは、その内部に貯留されている水にマイクロバブルＭＢを導入し、マイクロバブルＭＢに微粒子ＴＵを付着させるための槽である。濾過槽Ｆは、その内部に濾材Ｓを含み、曝気槽Ｔから流れ込んできた水から微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを除去、すなわち水から分離するための槽である。
　本実施の形態において、曝気槽Ｔに導入される原水Ｗは、濁質を含む水であって、例えば、河川水、地下水、上水、下水、または排水等を含む水である。また、一般に、濁質とは、原水に対して不溶である物質、(または原水中に析出している物質)であって、例えば、砂、粘土、シルト、酸化鉄、炭酸カルシウム、難溶解性有機物、病原菌、藻、微生物、または不溶性の無機塩（無機物質）等を含む物質である。
　図示されていないが、濾過槽Ｆから流れ出た水の濁度を測定する濁度センサが設けられている。濾過槽Ｆから流れ出た水は、その濁度が所定の基準以下であれば、開閉弁ＳＶ２を経由して処理済の水として蛇口まで送られる。一方、濾過槽Ｆから流れ出た水は、その濁度が基準値よりも高ければ、開閉弁ＳＶ１を経由して曝気槽Ｔまで戻される。開閉弁ＳＶ１および開閉弁ＳＶ２は、濁度センサによって測定された濁度の値が図示されていない制御部によって所定の基準より高いかどうかを判定される。その判定結果に基づいて、開閉弁ＳＶ１および開閉弁ＳＶ２のそれぞれの開閉状態が制御される。具体的には、濁度センサによって測定された濁度の値が基準値よりも高ければ、制御部は、開閉弁ＳＶ１を開き、かつ、開閉弁ＳＶ２を閉じる。一方、濁度センサによって測定された濁度の値が基準値よりも高くなければ、制御部は、開閉弁ＳＶ１を閉じ、かつ、開閉弁ＳＶ２を開く。
　本実施の形態の微粒子ＴＵ（図１、図３、図４参照）は、少なくともコロイド粒子を含んでいる。曝気槽Ｔにおいては、コロイド粒子等の微粒子ＴＵがマイクロバブルＭＢに付着する。そのため、コロイド粒子を含む微粒子ＴＵをマイクロバブルＭＢとともに、濾過槽Ｆで水から分離することができる。したがって、本実施の形態の水処理装置１００によれば、凝集剤を用いて微粒子ＴＵを凝集させることなく、水に含まれる微粒子ＴＵを除去することができる。
　本実施の形態のマイクロバブルＭＢとは、一般的には発生時の直径が１μｍ～１０００μｍ（＝１ｍｍ）までの大きさの気泡のことを意味する。マイクロバブルＭＢには、ナノバブルは含まれない。ナノバブルは、１μｍより小さい気泡を意味する。ナノバブルは、非常に小さいため、濾過槽Ｆで除去され得ないためである。また、マイクロバブルＭＢには、ミリバブルは含まれない。ミリバブルは、大き過ぎるので、直ぐに破裂して消失するため、濾過槽Ｆまで到達しないからである。ミリバブルは、１ｍｍより大きな径を有する気泡を意味する。なお、マイクロバブルＭＢは、１μｍ～１００μｍの径を有していることが好ましい。また、マイクロバブルＭＢは、１μｍ～５０μｍの径を有していることがさらに好ましい。
　微粒子ＴＵ（図１、図３、図４参照）は、少なくともコロイド粒子を含む。コロイド粒子とは、直径が１０－９～１０－７ｍ程度の大きさの粒子の径を有する粒子である。本実施の形態のマイクロバブルＭＢは、少なくともコロイド粒子を吸着できるものであれば、その粒子径はいかなるものであってもよい。
　マイクロバブルＭＢの径の測定方法は、水中を流れるマイクロバブルＭＢの写真を撮り、画像データ中に存在するマイクロバブルＭＢの大きさからマイクロバブルＭＢの径を推定する方法等であってもよい。一般にマイクロバブルＭＢの径を測定できると考えられている方法であれば、いかなる方法によって測定されたマイクロバブルＭＢの径が用いられてもよい。
　微粒子ＴＵの粒子径の測定方法は、レーザ回折散乱法粒度測定等の流動分布計測によって測定される方法等であってもよい。一般に微粒子ＴＵ（図１、図３、図４参照）を測定できると考えられている方法であれば、いかなる方法によって測定された微粒子ＴＵの径が用いられてもよい。
　図１に示されるように、曝気槽Ｔは、微粒子を含む水を一時的に貯留している。曝気槽Ｔは、微粒子ＴＵを含む水にマイクロバブルＭＢを導入するバブル導入部Ｉを含んでいる。本実施の形態のバブル導入部Ｉは、所定の形状を有する流路に所定の速度の水流を生じさせることによってマイクロバブルＭＢを発生させる。
　所定の速度の水流は、旋回流であってもよい。この場合、旋回流の中心軸の近傍の水が低圧となり、その低圧の水の中でマイクロバブルが発生する。したがって、ガスタンクＧからバブル導入部Ｉへ導かれるガスが所定の速度の旋回流に導入されるだけで、マイクロバブルＭＢが発生する。
　したがって、本実施の形態の水処理装置１００によれば、マイクロバブルＭＢの発生のためにガスを送り出すガスポンプを必要としない。
　曝気槽Ｔ内の水においては、マイクロバブルＭＢに微粒子ＴＵが付着する。曝気槽Ｔは、濾過槽Ｆから流れてきた水を導入する導入部Ｆｉｎと、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを含む水を曝気槽Ｔから導出する導出部Ｆｏｕｔとを含んでいる。
　濾過槽Ｆは、曝気槽Ｔの下流に設けられた水槽である。濾過槽Ｆは、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを水から除去する濾材Ｓを含む。濾過槽Ｆは、微粒子ＴＵが除去された水を流出させる。
　本実施の形態の濾材Ｓは多数の粒状濾材から構成され、当該粒状濾材の粒子径は１ｍｍ以下である。そのため、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢが濾材Ｓによって除去されることなく濾過槽Ｆから流出してしまうことを確実に抑制することができる。
　本実施の形態の濾材Ｓは、多数の粒状濾材による層が複数積層された複層構造で構成されている。複層構造のうちの上側の層Ｓ１を構成する粒状濾材が、複層構造の下側の層Ｓ２を構成する粒状濾材に比較して、粒子径が大きいが、比重が小さい。これによれば、水が、複層構造を上方から下方へ通過する場合、上側の層Ｓ１を構成する、隙間の大きい粒状濾材を通過した後に、下側の層Ｓ２を構成する、隙間の小さい粒状濾材Ｓ２を通過する。そのため、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを水から効果的に除去することができる。また、複層構造を構成する複数種類の粒状濾材は、濾過槽Ｆ内に投入されるだけで、それらの自重により、自然に前述の複層構造を構成する。そのため、上側の層Ｓ１が下側の層Ｓ２に比較して粒子径が大きいが比重が小さい粒状濾材を含む複層構造の形成が容易である。また、前述の複層構造を構成する複数種類の粒状濾材は、活性炭、ガーネット、および砂のうちの少なくとも２つを含むことが好ましい。これらは、比重と粒子径とが前述の複層構造の要件を容易に満たすことができる。
　本実施の形態の水処理装置１００によれば、凝集剤を用いることなく、濾過槽Ｆによってコロイド粒子のような微粒子ＴＵを含む水から微粒子ＴＵを除去することができる。
　前述の水処理装置１００によれば、曝気槽Ｔ内において、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを浮上させる。そのため、浮上した微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを含む水を曝気槽Ｔの外部へ流出させる従来から利用されてきた微粒子ＴＵの除去方法に比較して、捨て水の発生がない。また、前述の従来から利用されてきた微粒子ＴＵの除去方法に比較して、微粒子ＴＵだけでなく、微粒子ＴＵよりもサイズの大きい懸濁物質も、マイクロバブルＭＢによって除去することができる。
　（実施の形態２）
　図２を用いて、本実施の形態の水処理装置１００を説明する。
　図２に示されるように、本実施の形態の水処理装置１００は、実施の形態１の水処理装置１００と比較して、ガスポンプＡＰを有していることが異なる。本実施の形態のバブル導入部Ｉは、ガスタンクＧからガスポンプＡＰによって送り込まれたガスをマイクロバブルＭＢとして曝気槽Ｔ内に導入する。そのため、実施の形態１の水処理装置１００のように、高速水流の通過、または、高速旋回流によってマイクロバブルＭＢを発生させる複雑な形状のバブル導入部を形成することを必要としない。
　（原理）
　次に、マイクロバブルと濾過とを用いた微粒子の水からの分離のメカニズムを説明する。
　バブルサイズがマイクロメートルオーダーになるとバブル寿命は数１０秒～数分程度である。また、マイクロバブルＭＢの表面は一般的には負に帯電していると言われている。
一方で水中に含まれる微粒子ＴＵは中性よりもわずかに正に帯電している。その結果、マイクロバブルＭＢと微粒子ＴＵの静電反発力が弱くなり、微粒子ＴＵがマイクロバブルＭＢの表面に吸着されると考えられる。
　マイクロバブルＭＢによる微粒子ＴＵの除去のプロセスは、次のようなものである。
　図３に示されるように、マイクロバブルＭＢの表面に数μｍオーダーの微粒子ＴＵが吸着される。マイクロバブルＭＢの寿命が数分程度であり、かつ、曝気槽Ｔから濾過槽Ｆまでへの水の到達時間が数秒である。そのため、微粒子ＴＵが吸着したマイクロバブルＭＢが濾過槽Ｆへ導入される。このとき、マイクロバブルＭＢに吸着されなかった粒子径の大きい濁質も濾過槽Ｆに導入される。
　図４に示されるように、マイクロバブルＭＢおよびサイズの大きい濁質は、濾過槽Ｆ内の粒状濾材たる濾材Ｓ中の空隙によって捕捉される。マイクロバブルＭＢに吸着された微粒子ＴＵは、マイクロバブルＭＢの消失とともに、濾材Ｓに吸着されることによって捕捉される。濾過槽Ｆの逆流洗浄のときに濾材Ｓを洗浄したところ、除去すべき対象物である微粒子ＴＵが逆流洗浄に使用された水に存在していたことから、濾材Ｓにより微粒子ＴＵが水から除去されたことが確かめられた。
　マイクロバブルＭＢと濾過による微粒子ＴＵの分離のメカニズムを確かめるためにマイクロバブルＭＢの発生量を異ならせた複数の状態で微粒子ＴＵの除去性能を測定した。マイクロバブルＭＢの発生時にＮａＣｌを水に添加すると、マイクロバブルＭＢの気液界面が安定化されるため、マイクロバブルＭＢの発生量および寿命が増加すると言われている。そこで、水に微粒子ＴＵおよびＮａＣｌを加えて、図１に示される実施の形態１の水処理装置１００を用いて、水から微粒子ＴＵを除去する実験を行った。ＮａＣｌを加えることで、微粒子ＴＵの除去速度が増加すれば、マイクロバブルＭＢが微粒子ＴＵの除去に寄与していると言える。
　図５に示される実験結果から、水にＮａＣｌを添加した方が水にＮａＣｌを添加しないときに比べて、微粒子ＴＵの除去に要する時間は短くなっていることが分かる。さらに、ＮａＣｌ濃度の増加とともに、微粒子ＴＵの除去に要する時間は短くなり、最終的に到達する濁度も低下していることが分かる。
　以上から、図５の実験結果に基づいて、水にＮａＣｌを加えた場合には、水にＮａＣｌを加えない場合に比較して、次の２つのことが分かる。それらは、水にＮａＣｌを添加すると、微粒子ＴＵを水から除去する性能が向上すること、および、水に添加されるＮａＣｌの量が増加するにつれて、水から微粒子ＴＵを除去する性能が徐々に向上することである。この図５に示された実験結果から、マイクロバブルＭＢが水からの微粒子ＴＵの除去に寄与しており、マイクロバブルＭＢの発生量および寿命を増加させることによって、水から微粒子ＴＵを除去するために要する時間を短縮できることが確認された。
　（実施例１）
　実施例１の実験においては、図１に示される実施の形態１の水処理装置１００を用いた。また、微粒子ＴＵとして平均粒子径４μｍのＣａＣＯ３粒子が用いられる。また、濾材Ｓとしては、２種の粒状濾材、すなわち粒子径０．３５ｍｍのガーネットおよび２０－５０ｍｅｓｈの活性炭を用いた。市販の濾材Ｓの内で、ガーネットおよび活性炭は、粒子径が小さい。その上、ガーネットと活性炭のかさ密度はその差が大きい。したがって、濾過槽Ｆの中で活性炭とガーネットが前述の複層構造の濾材Ｓを容易に形成することができる。複層構造の濾材Ｓは、一般に、単層構造の濾材Ｓに比較して、濾材性能において優れている。
　図６には、実施例１の実験結果のグラフが示されている。マイクロバブルＭＢとしては、オゾンマイクロバブルが用いられた。図６から分かるように、１０分以内で濁度が５以下に低下し、最終的に濁度が１ＮＴＵ以下に低下した。日本の上水の濁度基準値は１ＮＴＵ以下であり、ＷＨＯの濁度基準値は５ＮＴＵ以下であることから、実施例１の水処理装置１００によれば、所定の要件を満たす程度まで、微粒子ＴＵを除去することが可能であることが分かる。
　（比較例１）
　比較例１の実験においては、図１に示される実施の形態１の水処理装置１００を用いた。それにより、微粒子ＴＵとしての平均粒子径４μｍのＣａＣＯ３粒子を水から除去するときの濾材Ｓの性能の良否の検討を行った。濾材Ｓとしては、粒子径０．１ｍｍ－０．５ｍｍのゼオライトおよび粒子径０．３５ｍｍのＭｎ砂を用いた。マイクロバブルＭＢとしては、オゾンマイクロバブルを用いた。
　図７には、比較例１の水処理装置１００を用いて微粒子ＴＵを水から分離したときの実験結果が示されている。図７に示されるように、１回目の実験結果と２回目の実験結果とを比べると、微粒子ＴＵの除去に要する時間が長くなり、濁度１０ＮＴＵ以下に低下する時間に関しては、２回目の時間が１回目の時間の３倍以上になっていた。この図７に示される実験結果から、水からの微粒子ＴＵの分離の実験の再現性がなく、２回目の実験結果のほうが１回目の実験より微粒子ＴＵの分離性能が低下しているという課題が存在していることが明らかになった。この微粒子ＴＵの分離性能の低下の原因は濾材Ｓであると推測される。ゼオライトを濾材Ｓとして用いるときには、ゼオライト中に含まれる粒子径０．１ｍｍ以下のゼオライト微粒子が濾過助剤として機能するために初期のゼオライトの分離性能は高い。しかしながら、ゼオライト微粒子が、ゼオライト本体から分離され、濾過槽Ｆの外部に流出すると、残存するゼオライト本体の濾過性能は低下する。図７に示される濾過性能の再現性の検証実験の結果から、ゼオライトを濾材Ｓとして用いた場合には、濾材Ｓからのゼオライト微粒子の流出に起因した濾過性能の低下が生じることが明らかとなった。
　以上から、濾材Ｓの材質については、実施例１のガーネットおよび活性炭の組合せのほうが、比較例１のゼオライトおよびＭｎ砂の組合せよりも、濾過性能の再現性という観点で優れていることが分かる。また、ゼオライトは、微粒子ＴＵの分離性能の低下が生じる観点から、濾材Ｓとして使用しないことが好ましいことが分かる。また、濾材Ｓとしてガーネット、活性炭、およびＭｎ砂のいずれか２つの組合せを用いることは、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢの除去に有効であることが分かる。ただし、Ｍｎ砂は、他の種類の砂濾材であってもよいと考えられる。
　（比較例２）
　図８は、オゾン発生装置Ｏで発生したオゾンを含むマイクロバブルＭＢが、ベンチュリー管Ｖによって発生させられ、流路の水に導入される比較例２の水処理装置１００を示している。図９は、図８に示される水処理装置１００を用いて、ＣａＣＯ３粒子を水から分離したときの実験結果を示している。オゾンバブルをベンチュリー管Ｖから流路を流れる水に導入したときのバブルサイズは、数ｃｍ程度である。図９から、ミリバブルを用いて場合、濁度を１０ＮＴＵ以下に減少させるために要する時間は２０分程度である。つまり、ミリバブルを用いた場合、マイクロバブルＭＢを用いた場合に比べて、濁度を同一の値まで低下させるために、４倍以上の時間を必要とすることが分かる。
　より具体的に言うと、数ｃｍオーダーのバブルが導入される曝気槽Ｔと濾過槽Ｆとを組合せた比較例２によれば、濾材Ｓによる通常の濾過の効果しかなかった。図９の比較例２の実験結果から分かるように、図８の水処理装置１００では、濁度は最終的に３ＮＴＵまで低下しなかったが、図６の実施例１の実験結果から分かるように、図１の水処理装置１００では、濁度は最終的に１ＮＴＵ以下まで低下した。この実施例１のほうが比較例２よりも最終的に到達する濁度が高いという結果から、ミリバブルを曝気するほうがマイクロバブルＭＢを曝気するよりも微粒子Ｔの除去の効果が大きいことが理解される。この理由は、ミリサイズのバブルは、マイクロバブルＭＢに比べて寿命がはるかに短いために、曝気槽Ｔにおいて消失するからであると考えられる。
　以上から、実施例１の曝気槽ＴにマイクロバブルＭＢを導入するほうが、比較例２の曝気槽Ｔにミリバブルを導入するよりも、濾材Ｓで微粒子Ｕが濾過される効果が高いことが分かる。
　以下、実施の形態の水処理装置１００の特徴的構成およびそれにより得られる効果を説明する。
　（１）　水処理装置１００は、曝気槽Ｔおよび濾過槽Ｆを備えている。曝気槽Ｔは、微粒子ＴＵを含む水を一時的に貯留する水槽である。曝気槽Ｔは、微粒子ＴＵを含む水にマイクロバブルＭＢを導入するバブル導入部Ｉを含んでいる。曝気槽Ｔは、マイクロバブルＭＢに微粒子ＴＵを付着させる。濾過槽Ｆは、曝気槽Ｔの下流に設けられた水槽である。濾過槽Ｆは、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを水から除去する濾材Ｓを含む。濾過槽Ｆは、微粒子ＴＵが除去された水を流出させる。これによれば、凝集剤を用いることなく、コロイド粒子のような微粒子ＴＵを含む水から微粒子ＴＵを濾材Ｓによって除去することができる。
　（２）　濾材Ｓは多数の粒状濾材から構成され、粒状濾材の粒子径は１ｍｍ以下であることが好ましい。これによれば、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢが濾材Ｓによって除去されることなく濾過槽Ｆから流出してしまうことを確実に抑制することができる。
　（３）　濾材Ｓは、多数の粒状濾材による層が複数積層された複層構造で構成されていることが好ましい。複層構造のうちの上側の層を構成する粒状濾材Ｓ１が、複層構造の下側の層を構成する粒状濾材Ｓ２に比較して、粒子径が大きいが、比重が小さくてもよい。これによれば、微粒子ＴＵが付着したマイクロバブルＭＢを水から効果的に除去することができる。
　（４）　マイクロバブルＭＢは、オゾンＯ３を内包していてもよい。これによれば、微粒子ＴＵを効率的に吸着することができる。また、殺菌効果を発揮することができる。
　（５）　微粒子ＴＵは、コロイド粒子を含み、曝気槽Ｔにおいては、少なくともコロイド粒子がマイクロバブルＭＢに付着してもよい。これによれば、少なくともコロイド粒子を除去することができる。
　（６）　本実施の形態の水処理装置１００は、凝集剤を用いて微粒子を凝集させる水処理装置を除いたものである。
　特願２０１８－１６１４２０（出願日：２０１８年８月３０日）の全内容は、ここに援用される。
　本実施形態によれば、凝集剤を用いることなく、微粒子を水から濾材によって除去できる水処理装置を提供することができる。
　１００　水処理装置
　Ｆ　濾過槽
　Ｉ　バブル導入部
　ＭＢ　マイクロバブル
　Ｓ　濾材
　Ｓ１　複層構造のうちの上側の層
　Ｓ２　複層構造のうちの下側の層
　Ｔ　曝気槽

Claims (6)

  1. 　微粒子を含む水を一時的に貯留する水槽であって、前記微粒子を含む前記水にマイクロバブルを導入するバブル導入部を含み、前記マイクロバブルに前記微粒子を付着させる曝気槽と、
    　前記曝気槽の下流に設けられた水槽であって、前記微粒子が付着した前記マイクロバブルを前記水から除去する濾材を含み、前記微粒子が除去された前記水を流出させる濾過槽と、を備えた、水処理装置。
  2. 　前記濾材は多数の粒状濾材から構成され、前記粒状濾材の粒子径は１ｍｍ以下である、請求項１に記載の水処理装置。
  3. 　前記濾材は、多数の粒状濾材による層が複数積層された複層構造で構成されており、
    　前記複層構造のうちの上側の層を構成する粒状濾材が、前記複層構造の下側の層を構成する粒状濾材に比較して、粒子径が大きいが、比重が小さい、請求項１または２に記載の水処理装置。
  4. 　前記マイクロバブルは、オゾンを内包する、請求項１～３のいずれか１項に記載の水処理装置。
  5. 　前記微粒子は、コロイド粒子を含み、
    　前記曝気槽においては、少なくとも前記コロイド粒子が前記マイクロバブルに付着する、請求項１～４のいずれか１項に記載の水処理装置。
  6. 　凝集剤を用いて前記微粒子を凝集させる水処理装置を除く、請求項１～５のいずれか１項に記載の水処理装置。
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