JP6409589B2 - 水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機物質を含有する被処理水から有機物質を除去することで当該水を清浄化する水処理装置に関し、特に、各種工場や研究施設等から排出される産業排水、最終処分場から排出される浸出水、地下水等から有機物質を効率的に除去することで当該水を清浄化する水処理装置に関する。

従来より、吸着材を用いて吸着による有機物質の除去（吸着工程）と吸着材の再生（脱着工程）を交互に行うことで、水中から有機物質を高効率で安定的に除去できる水処理装置が知られている。（例えば、特許文献１）。この水処理装置は、水の連続浄化を実現し、基本的には吸着材の交換が必要なく、有機物質を高効率で安定的に除去することができる。

前記水処理装置は、吸着材の充填された処理槽へ被処理水を供給することで吸着材と被処理水を接触させて、被処理水中の有機物質を吸着除去させるが、一部の被処理水は吸着材と接触せずに処理水へリークすることがある。そのため、高効率に有機物質を除去する際には、必要量以上の吸着材を充填する必要があったり、複数の水処理装置にて多段吸着処理する必要がある等の課題があった。

特開２００６−５５７１２号公報

本発明は、上記従来技術の改良を背景になされたもので、有機物質を含む水処理において、少ない吸着材充填量で、低コストに、高効率かつ安定的に有機物質を除去する水処理装置を提供することを課題とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、ついに本発明を完成するに到った。すなわち、本発明は、以下の通りである。
（１）吸着素子が収容された処理槽を少なくとも２槽以上有する水処理装置であって、
前記処理槽が、吸着素子に有機物質を含有する被処理水を接触させることで有機物質を吸着除去して処理水を排出する吸着槽、前記吸着槽から排出された処理水を接触させることで有機物質を吸着除去して第２処理水を排出する追吸着槽、および加熱ガスを該吸着素子に接触させることで吸着した有機物質を該吸着素子から脱着させる脱着槽、として繰返し機能し、
前記吸着槽として機能する処理槽と追吸着槽として機能する処理槽が、この順番で直列に通液される流路構成をとり、
前記吸着槽として機能した処理槽は、前記脱着槽として機能する処理槽に移行され、
最上流に配される前記追吸着槽として機能した処理槽は、前記吸着槽として機能する処理槽に移行する、
ことを特徴とする水処理装置。
（２）前記脱着槽として機能した処理槽に内蔵された吸着素子に付着した余剰の水を除去して除去水として排出する工程を有する（１）に記載の水処理装置。
（３）前記除去水が、被処理水へ返送されるように構成された（２）に記載の水処理装置。
（４）前記吸着素子が、活性炭、活性炭素繊維およびゼオライトからなる群から選ばれる少なくとも１の部材を含んでいる（１）〜（３）のいずれかに記載の水処理装置。

本発明による水処理装置は、基本的に吸着素子の交換の必要が無く、被処理水中の有機物質を高い効率で連続的に除去するとともに、従来の水処理装置と比べて少ない吸着素子充填量で、低コストに水処理ができる利点がある。

従来水処理装置のシステム構成図の一例である。 本発明の実施の形態における水処理装置のシステム構成図の一例である。 本発明の実施の形態における水処理装置のシステム構成図の一例である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す図の実施の形態においては、同一または対応する部分については、適宜省略し、その説明についても繰り返さないことにする。

図２は、本発明の実施形態における水処理装置のシステム構成図の１つである。

水処理装置は、吸着素子としての吸着材１１１、１２１および１３１がそれぞれ収容された第１処理槽１１０、第２処理槽１２０および第３処理槽１３０を有している。吸着材１１１、１２１および１３１は、被処理水を接触させることで被処理水に含有される有機物質を吸着する。したがって、水処理装置においては、吸着材１１１、１２１および１３１に被処理水を供給することで有機物質が吸着材１１１、１２１および１３１によって吸着され、これにより被処理水が清浄化されて処理水として排出されることになる。また、吸着材１１１、１２１および１３１は、水蒸気を接触させることで吸着した有機物質が脱着される。第１処理槽１１０、第２処理槽１２０および第３処理槽１３０から排出される水蒸気と脱着された有機物質を含むガスは、脱着ガスとして水処理装置外へ排出される。

第１処理槽１１０、第２処理槽１２０および第３処理槽１３０には、被処理水の供給ライン、処理水の排出ライン、水蒸気の供給ライン、脱着ガスの排出ラインの配管が接続されており、各ラインにはバルブ等を用いて各処理槽に対して接続／非接続状態に切替えられる流路切替手段が接続された構成となっている。第１処理槽１１０、第２処理槽１２０および第３処理槽は、上述したバルブの開閉を操作することによって、順番に吸着槽、追吸着槽および脱着槽として機能する。
第１処理槽１１０が吸着槽として機能している場合には、第２処理槽１２０は追吸着槽として機能し、第３処理槽１３０は脱着槽として機能する。具体的には、被処理水が第１処理槽１１０へ供給された後、次いで第２処理槽１２０へ供給され、第２処理槽から清浄化された第２処理水が装置外へ排出されるように流路が確保される。その時、第３処理槽１３０には水蒸気が供給され、脱着ガスが第３処理槽１３０から排出される流路構成となる。
また、第２処理槽１２０が吸着槽として機能している場合には、第３処理槽１３０は追吸着槽として機能し、第１処理槽１１０は脱着槽として機能する。具体的には、被処理水が第２処理槽１２０へ供給された後、次いで第３処理槽１３０へ供給され、第３処理槽から清浄化された第２処理水が装置外へ排出されるように流路が確保される。その時、第１処理槽１１０には水蒸気が供給され、脱着ガスが第１処理槽１１０から排出される流路構成となる。
本実施の形態における水処理装置においては、吸着槽と追吸着槽と脱着槽とが経時的に切り替わるように構成されている。

図示しないが、水処理装置は追吸着槽から脱着槽に切替わった際に、吸着材１１１、１２１または１３１に付着する水分を脱水除去して除去水として排出してから、脱着を開始する装置の方が好ましい。吸着材１１１、１２１または１３１の付着水を事前に除去してから脱着を行う方が、脱着効率を高めることができる。付着水の除去手段は、自重抜き、圧縮空気・窒素・水蒸気などの高圧ガスでの高速パージ、真空ポンプなどを用いた吸引などの手段が使用できるが、特に限定しない。

また、前記除去水は被処理水へ返送され、再度処理されるような構成が好ましい。除去水を他の水処理装置で別途処理する必要がなくなる。

吸着材１１１、１２１および１３１としては、活性炭、活性炭素繊維およびゼオライトからなる群から選ばれる少なくとも１の部材を含むことが好ましい。吸着材１１１、１２１および１３１としては、粒状、粒体状、ハニカム状等の活性炭やゼオライトが利用できるが、活性炭素繊維を利用することがより好ましい。活性炭素繊維は、表面にミクロ孔を有する繊維状構造を有しているため、水との接触効率が高く、特に水中の有機物質の吸着速度が速くなり、他の吸着材に比べて極めて高い吸着効率を実現できる部材である。

吸着材１１１、１２１および１３１として利用可能な活性炭素繊維としては、特に限定されるものではないが、ＢＥＴ比表面積が７００〜２０００ｍ^２／ｇ、全細孔容積が０．４〜０．９ｃｍ^３／ｇ、平均細孔径が１７〜１８Åのものが好ましい。これは、ＢＥＴ比表面積が７００ｍ^２／ｇ未満、細孔容積が０．４ｍ^３／ｇ未満、平均細孔径が１７Å未満のものでは、有機物質の吸着量が低くなる。また、ＢＥＴ比表面積が２０００ｍ^２／ｇを超えるもの、全細孔容積が０．９ｍ^３／ｇを超えるもの、平均細孔径が１８Åを超えるものでは、細孔径が大きくなるため分子量の小さな物質等の吸着能力が低下したり、強度が弱くなったり、素材のコストが高くなって経済的に不利になったりする。

本発明の実施の形態では、脱着媒体は水蒸気を使用したが、蒸気圧、温度等は特に限定しない。また、加熱空気、加熱窒素などでも良く、使用する吸着材の耐熱温度や物性などに応じて適切な加熱ガスを選定すれば良い。

また、本発明の実施形態として、３つの処理槽を使用して説明したが、図３に示すように、２つの処理槽を用いた装置構成であっても良い。２つの処理槽を用いた装置構成の場合は、例えば、吸着素子として吸着材１１１および１２１がそれぞれ収容された第１処理槽１１０および第２処理槽１２０の２つの処理槽を使用した場合、第１処理槽１１０が吸着槽として機能している場合には、第２処理槽１２０は追吸着槽として機能する。第１処理槽が脱着槽へ切り替わった際、第２処理槽１２０は待機し、被処理水は一時貯水され、吸着除去は一時中断させる。第１処理槽１１０の脱着が完了すると、第２処理槽１２０は吸着槽として機能し、第１処理槽１１０は追吸着槽として機能する。この切り替えサイクルを繰り返す構成でも良い。また、図示しないが、処理槽を４つ以上としても良く、この場合は追吸着槽として機能する処理槽が増え、より排水と吸着材の接触効率が高まる構成となる。

また、本発明の実施の形態における水処理装置から排出される脱着ガスの処理方法については特に限定しないが、触媒酸化装置、直接燃焼装置、蓄熱式燃焼装置、または廃液燃焼装置などの燃焼装置、活性汚泥装置などの生物処理、促進酸化装置など化学処理などが挙げられ、脱着媒体や脱着ガス組成に応じて適切な方法を選定すれば良い。

本発明の被処理水に含まれる有機物質は、特に限定されないが、アセトン、１，４−ジオキサン、２−メチル−１，３−ジオキソラン、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、エタノール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、酢酸、フェノール、アクリロニトリル、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエチレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。

以上の図２および図３を用いて説明した水処理装置の構成にすることにより、有機物質を吸着させる処理槽として、吸着槽と追吸着槽を設けることで、排水のリークを防ぎ、吸着材の吸着性能を有効に活用することができるので、図１に示す従来水処理装置と比較して、少ない吸着材充填量で装置設計でき、充填量が抑えられた分の脱着熱量を削減でき、低コストで水処理が可能となる。

以上において説明した本発明の実施の形態の特徴的な構成は、相互に組み合わせることが可能である。

また、以上において説明した本発明の実施の形態においては、ポンプやファン等の流体搬送手段やストレージタンク等の流体貯留手段などの構成要素を特に示すことなく説明を行なったが、これら構成要素は必要に応じて適宜の位置に配置すればよい。

このように、今回開示した上記各実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

評価は下記の方法によりおこなった。
（ＢＥＴ比表面積）
ＢＥＴ比表面積は、液体窒素の沸点（−１９５．８℃）雰囲気下、相対圧力０．０〜０．１５の範囲で上昇させたときの試料への窒素吸着量を数点測定し、ＢＥＴプロットにより試料単位質量あたりの表面積（ｍ^２／ｇ）を求めた。
（有機物質除去効果）
被処理水は１，４−ジオキサン１０００ｍｇ／Ｌを含む水とした。５００時間運転後の水処理装置の入出の１，４−ジオキサン濃度を測定し、除去効果を確認した。
（有機物質濃度評価）
各水およびガスをガスクロマトグラフ法により分析し測定した。

［参考例１］
システムとしては、図２に示す実施の形態を使用した。
水処理装置に、吸着材としてＢＥＴ比表面積１８５０ｍ２／ｇの活性炭素繊維を重量０．１３ｋｇの吸着素子を充填し（吸着素子合計充填量：０．３９ｋｇ）、１，４−ジオキサン１０００ｍｇ／Ｌを含有する被処理水を９０Ｌ／ｈになるように導入し、処理水を得た。

次に、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給して吸着材の付着水を除去（脱水）した後、除去水は水処理装置の被処理水へ返送した。続いて、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給し脱着を実施した。脱着に使用した水蒸気および吸着材から脱着された１，４−ジオキサンは凝縮器にて液化され濃縮水として回収した。脱水および脱着に使用した水蒸気量は、９６０ｇ／ｈであった。吸着時間は２０ｍｉｎとして切替サイクルとした。その際の処理水中の１，４−ジオキサン濃度は、０．００５ｍｇ／Ｌ以下まで除去が可能であった。また、濃縮水は水量７００ｍＬ／ｈであった。

表１に示すように、本参考例の水処理装置により浄化された水は、５００時間後でも、０．３９ｋｇの吸着素子で、処理水中の１，４−ジオキサン濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以下で処理が可能であった。また、表２に示すように、本参考例にて使用した水蒸気量の合計は９６０ｇ／ｈ、濃縮水量は７００ｍL／ｈであった。

［実施例２］
システムとしては、図３に示す実施の形態を使用した。
水処理装置に、吸着材としてＢＥＴ比表面積１８５０ｍ^２／ｇの活性炭素繊維を重量０．１９ｋｇの吸着素子を充填し（吸着素子合計充填量：０．３８ｋｇ）、１，４−ジオキサン１０００ｍｇ／Ｌを含有する被処理水を９０Ｌ／ｈになるように導入し、処理水を得た。

次に、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給して吸着材の付着水を除去（脱水）した後、除去水は水処理装置の被処理水へ返送した。続いて、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給し脱着を実施した。脱着に使用した水蒸気および吸着材から脱着された１，４−ジオキサンは凝縮器にて液化され濃縮水として回収した。脱水および脱着に使用した水蒸気量は、９４０ｇ／ｈであった。なお、脱水・脱着工程中は、被処理水を一時貯水し、吸着工程時に供給される被処理水と混合して処理を行った。吸着時間は２０ｍｉｎとして切替サイクルとした。その際の処理水中の１，４−ジオキサン濃度は、０．００５ｍｇ／Ｌ以下まで除去が可能であった。また、濃縮水は水量６８０ｍＬ／ｈであった。

表１に示すように、本実施例の水処理装置により浄化された水は、５００時間後でも、０．３８ｋｇの吸着素子で、処理水中の１，４−ジオキサン濃度が０．００５ｍｇ／Ｌ以下で処理が可能であった。また、表２に示すように、本実施例にて使用した水蒸気量の合計は９４０ｇ／ｈ、濃縮水量は６８０ｍＬ／ｈであった。

[比較例１]
システムとしては、図１に示す実施の形態を使用した。
水処理装置に、吸着材としてＢＥＴ比表面積１８５０ｍ^２／ｇの活性炭素繊維を重量０．２ｋｇの吸着素子を充填し（吸着素子合計充填量：０．４ｋｇ）、１，４−ジオキサン１０００ｍｇ／Ｌを含有する被処理水を９０Ｌ／ｈになるように導入し、処理水を得た。

次に、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給して吸着材の付着水を除去（脱水）した後、除去水は水処理装置の被処理水へ返送した。続いて、１２０℃の水蒸気を吸着材に供給し脱着を実施した。脱着に使用した水蒸気および吸着材から脱着された１，４−ジオキサンは凝縮器にて液化され濃縮水として回収した。脱水および脱着に使用した水蒸気量は、９６０ｇ／ｈであった。吸着時間は２０ｍｉｎとして切替サイクルとした。その際の処理水中の１，４−ジオキサン濃度は、０．０５ｍｇ／Ｌであった。また、濃縮水は水量７００ｍＬ／ｈであった。

表１に示すように、本比較例の水処理装置により浄化された水は、０．４ｋｇの吸着素子で、処理水中の１，４−ジオキサン濃度が０．０５ｍｇ／Ｌであり、参考例１および実施例２と比べて処理水中の１，４−ジオキサン濃度が１０倍以上高かった。

[比較例２]
比較例１の水処理装置の処理水を比較例１と同一の水処理装置で再処理を行った。その結果、表１に示すように、本比較例の水処理装置により浄化された水は、処理水中の１，４−ジオキサン濃度は０．００５ｍｇ／Ｌ以下であり、参考例１および実施例２と同一の処理性能を示したが、使用した吸着素子の量は０．８ｋｇと実施例１および２と比較して２倍以上必要とした。また、表２に示すように、本比較例にて使用した水蒸気量の合計は１８２０ｇ／ｈと参考例１および実施例２と比べて２倍以上必要とし、濃縮水量についても１４００ｍＬ／ｈと参考例１および実施例２と比べて２倍以上排出量が多く、濃縮水を別途処理するコストが高くなる結果となった。

本発明による水処理装置は、基本的に吸着素子の交換の必要が無く、被処理水中の有機物質を高い効率で連続的に除去するとともに、従来の水処理装置と比べて少ない吸着素子充填量で、低コストに水処理ができる利点があり産業界への寄与大である。

１１０：第１処理槽
１１１：吸着材
１２０：第２処理槽
１２１：吸着材
１３０：第３処理槽
１３１：吸着材

Claims (4)

1. 吸着素子が収容された処理槽を２槽備えた水処理装置であって、
   前記各処理槽が、吸着素子に有機物質を含有する被処理水を接触させることで有機物質を吸着除去して処理水を排出する吸着槽、前記吸着槽から排出された処理水を接触させることで有機物質を吸着除去して第２処理水を排出する追吸着槽、および加熱ガスを該吸着素子に接触させることで吸着した有機物質を該吸着素子から脱着させる脱着槽、のいずれかとして機能し、
   前記吸着槽として機能する処理槽と前記追吸着槽として機能する処理槽が、この順番で直列に通液される流路構成をとり、
   一方の処理槽が吸着槽として機能している間は、他方の処理槽は追吸着槽として機能し、
   一方の処理層が脱着槽として機能している間は、他方の処理槽は待機状態となり、かつ被処理水は貯水され、
   一方の処理槽が追吸着槽として機能している間は、他方の処理槽は吸着槽として機能し、
   一方の処理槽が待機状態である間は、他方の処理槽は脱着槽として機能し、かつ被処理水は貯水され、
   前記各処理槽のうち、吸着漕として機能した処理槽は脱着漕に移行され、脱着槽として機能した処理槽は追吸着槽に移行され、かつ、追吸着槽として機能した処理槽は待機状態に移行され、かつ、待機状態の処理槽は吸着槽に移行される、
   ことを特徴とする水処理装置。
2. 前記脱着槽として機能した処理槽は、当該処理槽に収容された吸着素子に付着した余剰の水を除去して除去水として排出してから、前記脱着漕として機能する処理槽に移行される、請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記除去水が、被処理水へ返送されるように構成された請求項２に記載の水処理装置。
4. 前記吸着素子が、活性炭、活性炭素繊維およびゼオライトからなる群から選ばれる少なくとも１の部材を含んでいる請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。