(57)【要約】【課題】反応槽２０の清掃作業の手間を軽減することができる流体浄化装置を提供する。【解決手段】廃水Ｗと、酸化剤たる空気Ａとの混合流体を加熱及び加圧しながら、廃水Ｗ中の有機物を酸化反応によって分解して廃水Ｗを浄化する筒状の反応槽２０とを備える流体浄化装置において、反応槽２０における筒状の基材２０ａの内面に、基材２０ａよりも優れた耐食性を発揮する材料からなる耐食層２０ｂと、中間層２０ｃと、有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒相２０ｄとを積層し、耐食層２０ｂ及び触媒相２０ｄの両方に対して優れた固着性を発揮する材料で中間層２０ｃを構成した。【選択図】図６
2014136204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽を備える流体浄化装置において、
前記反応槽の内面に、有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒相を積層したことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項２】
浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽と、前記反応槽の中に配設されて有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒部材とを備える流体浄化装置において、
前記反応槽の槽内空間にて、前記反応槽の長手方向に延在した姿勢で１つだけ収まる大きさの筒状の形状で、前記触媒部材を構成したことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項３】
請求項１の流体浄化装置において、
筒状の基材の内周面に、前記基材よりも耐食性に優れた材料からなる耐食層と、前記耐食材に対して前記触媒相よりも優れた固着性を発揮し、且つ前記触媒相に対して前記耐食材よりも優れた固着性を発揮する材料からなる中間層と、前記触媒相とを順に積層したことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項４】
請求項２の流体浄化装置において、
前記触媒部材の形状を、前記反応槽の形状と同じにしたことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項５】
請求項３の流体浄化装置において、
前記耐食層の材料として、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、タンタル、イリジウム又はプラチナを用いたことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項６】
請求項３の流体浄化装置において、
前記基材として、ステンレス又はニッケル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。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかの流体浄化装置において、
前記触媒相の材料、あるいは、前記触媒部材の表面材料として、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、あるいはそれらのうちの少なくとも１つ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。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかの流体浄化装置において、
前記酸化剤として、空気、酸素、液体酸素、オゾン又は過酸化水素を前記反応槽に圧送する酸化剤圧送手段を設けたことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかの流体浄化装置において、
前記反応槽、又は前記反応槽から排出された浄化済み流体を搬送する搬送手段、の熱を熱エネルギーとして利用するために熱交換媒体で回収する熱交換器を設けたことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかの流体浄化装置において、
前記反応槽内の混合流体を、１００〜６００℃に加熱する加熱手段と、前記混合流体の圧力を２〜３０ＭＰａに維持する圧力維持手段とを設けたことを特徴とする流体浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽を備える流体浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、油など、微生物による分解速度が遅い難分解性有機物を多く含む廃水を処理することもできなかった。
【０００３】
一方、近年、処理対象流体としての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。これにより、生物処理では不可能であった高濃度有機溶剤廃水、プラスチック微粒子含有廃水、難分解性有機物含有廃水なども、良好に浄化することができる。
【０００４】
このようにして廃水を浄化する流体浄化装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。この流体浄化装置は、有機物の酸化分解を促進するための触媒を反応槽の中に配設している。触媒は、蜂の巣状のハニカム構造になっている。そして、ハニカム構造における複数の管の中に受け入れた廃水と酸化剤との混合流体における有機物の酸化分解を促す。かかる構成によれば、ハニカム構造の触媒によって有機物の酸化分解を促すことで、難分解性の有機物でも良好に酸化分解することができる。
【０００５】
また、特許文献２には、混合流体を加圧及び加熱して有機物の酸化分解を生起せしめる反応槽の中に、顆粒状の触媒を充填した流体浄化装置が記載されている。この流体浄化装置では、粒状の触媒によって有機物の酸化分解を促すことで、難分解性の有機物でも良好に酸化分解することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らは、実験により、特許文献１に記載の流体浄化装置では、反応槽の清掃作業に手間を要するという問題を引き起こしてしまうことを見出した。具体的には、本発明者らは、特許文献１に記載の流体浄化装置と同様の構成の実験機を試作し、図１に示されるようなハニカム構造の触媒９５０を実験機の中に配設した。同図において、矢印Ｘ方向は、実験機内における混合流体の搬送方向を示している。実験機内で混合流体を矢印Ｘ方向に流しながら、混合流体中の有機物を酸化分解するランニングテストを行った。すると、時間経過とともに、触媒９５０に顆粒状の無機固形物が固着し始めた。この無機固形物は、廃水中に溶解されていたアルミナ、シリカ、ジルコニア、リンなどの無機物が高温高圧下で析出して触媒９５０の表面に固着したものである。図２に示されるように、無機固形物９６０は、触媒９５０の全域のうち、流体搬送方向（矢印Ｘ方向）の上流側の端面（以下、上流端面という）に集中的に固着する。触媒９５０の管内壁にも固着するが、その量は上流端面への固着量に比べるとかなり少なかった。図２に示される状態から更にランニングテストを続けると、図３に示されるように、触媒９５０の上流端面に固着した無機固形物９６０が触媒９５０に形成された複数の開口のそれぞれ中心に向けて成長していく。そして、図４に示されるように、複数の開口をそれぞれ閉塞して、触媒９５０内への混合流体の流通を遮断してしまう。特許文献１に記載の流体浄化装置では、このような閉塞の発生を回避するために、反応槽内の触媒の上流端面に固着した無機固形物を除去するという清掃作業を頻繁に行う必要が生じて、大きな手間を強いられてしまうのである。
【０００７】
また、特許文献２に記載の流体浄化装置においても、反応槽の清掃作業に手間を要するという問題を引き起こすと思われる。具体的には、顆粒状の触媒粒を充填した反応槽では、個々の触媒粒の間に形成される粒間空間に混合流体が流れる。廃水中に無機物が多く含まれていると、反応槽内に充填された無数の触媒粒のうち、流体搬送方向の最上流側に位置する触媒粒に対して無機固形物が集中的に固着して成長していく。そして、やがて、最上流側に位置する触媒粒の周囲の粒間空間を詰まらせてしまう。このため、最上流側の触媒粒に固着した無機固形物を除去するという清掃作業を頻繁に行う必要が生じて、大きな手間を強いられてしまうのである。
【０００８】
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、反応槽の清掃作業の手間を軽減することができる流体浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽を備える流体浄化装置において、前記反応槽の内面に有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒相を積層したことを特徴とするものである。
また、本発明は、浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽と、前記反応槽の中に配設されて有機物の酸化分解を促す触媒とを備える流体浄化装置において、前記反応槽の槽内空間に、その前記反応槽の長手方向に延在した姿勢で１つだけ収まる大きさの筒状の触媒部材を、前記触媒として配設したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、浄化対象流体が無機物を多く含んでいると、反応槽の内面に積層された触媒相、又は、反応槽の槽内空間に配設された触媒部材、の上流端面に無機固形物を固着させる。反応槽の内面に積層された触媒相や、反応槽の槽内空間に１つしか収まらない大きさの筒状の触媒部材の径は、従来のハニカム構造の触媒における複数の管のそれぞれの径や、顆粒状の触媒における粒間空間の径に比べて、遙かに大きい。このため、触媒相や触媒部材に固着した無機物によって反応槽や触媒部材の詰まりが発生するまでの期間は、従来のハニカム構造の触媒や顆粒状の触媒が詰まってしまう期間よりも遙かに長くなる。これにより、反応槽の保守作業の頻度が大きく低下することから、反応槽の保守作業の手間を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】反応槽内に配設されたハニカム構造の触媒を示す斜視図。
【図２】同触媒の上流端面と、上流端面に固着した無機固形物とを示す拡大模式図。
【図３】同上流端面と、図２の状態よりも成長した無機固形物とを示す拡大模式図。
【図４】同触媒の管の入口を閉塞させた無機固形物を示す拡大構成図。
【図５】第１実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図。
【図６】同流体浄化装置の反応槽を示す縦断面図。
【図７】実験に使用された異構成反応槽を示す横断面図。
【図８】第２実施形態に係る流体浄化装置の反応槽を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した流体浄化装置の第１実施形態について説明する。
図５は、第１実施形態に係る流体浄化装置を示す概略構成図である。第１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などを備えている。また、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、ヒーター２３、固形物分離装置３０、反応槽温度計２４、酸化剤予備加熱器４３、原水予備加熱器４４なども備えている。更には、ガスクロマトグラフ４１、ＴＯＣ分析装置４２、図示しない制御部なども備えている。
【００１３】
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、各駆動系機器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、各駆動系機器に対する電源のオンオフを個別に制御する。
【００１４】
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。
【００１５】
原水タンク１には、有機物を含む浄化対象流体たる廃水Ｗが未浄化の状態で貯留されている。廃水Ｗには、難分解性の有機物が含まれている可能性がある。
【００１６】
攪拌機２は、原水タンク１内に貯留されている廃水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る。原水タンク１内の廃水Ｗは、原水供給ポンプ３によって反応槽２０に向けて連続的に圧送される。原水供給ポンプ３から送り出された廃水Ｗは、原水入口弁５に流入する。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から送り出される廃水Ｗについて、原水供給ポンプ３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。そして、原水入口弁５を通過した廃水Ｗは、原水予備加熱器４４によって予備加熱される。
【００１７】
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Ａ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に向けて送り出す。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Ａ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。酸化剤入口弁８を通過した空気Ａは、酸化剤予備加熱器４３によって予備加熱される。
【００１８】
原水予備加熱器４４によって予備加熱された廃水Ｗと、酸化剤予備加熱器４３によって予備加熱された空気Ａとは、途中で合流して混合流体になった後、反応槽２０内に送られる。
【００１９】
原水供給ポンプ３の駆動による廃水Ｗの送出圧力は、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。また、酸化剤圧送ポンプ６による空気Ａの送出圧力は、酸化剤入口弁８よりも上流側にある酸化剤圧力計７によって検知され、その検知結果がプログラマブルシーケンサーに入力される。廃水Ｗの送出圧力や、空気Ａの送出圧力は、反応槽２０内の圧力とほぼ同じになる。プログラマブルシーケンサーは、原水供給ポンプ３や酸化剤圧送ポンプ６を駆動しているときに原水圧力計４による検知結果や酸化剤圧力計７による検知結果に基づいて、反応槽２０の圧力の適否を判断する。
【００２０】
酸化剤圧送ポンプ６の駆動による空気の圧送量は、廃水Ｗ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る。そして、その結果に基づいて、空気の圧送量が設定されている。
【００２１】
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、次のようにしてもよい。即ち、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。
【００２２】
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。
【００２３】
反応槽２０の外周面は、反応槽２０内の混合流体を加熱するためのヒーター２３によって覆われている。反応槽２０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。
【００２４】
反応槽２０内の混合流体に加える圧力としては、０．５〜３０ＭＰａ（望ましくは２〜３０ＭＰａ）の範囲を例示することができる。反応槽２０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、反応槽２０内の圧力が閾値よりも高くなると、自動で弁を開いて反応槽２０内の混合流体を外部に排出することで、反応槽２０内の圧力を閾値付近に維持する。
【００２５】
反応槽２０内の混合流体の温度としては、１００〜６００℃（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２３のオンオフや、後述する熱交換器９の動作のオンオフによって行われる。
【００２６】
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。このため、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。
【００２７】
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、反応槽２０内で混合流体中の廃水を過熱水蒸気にしてもよい。
【００２８】
反応槽２０内の混合流体の温度は、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、反応槽２０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２３を発熱させて、反応槽２０内の混合流体の温度を２００〜５５０℃まで昇温させる。
【００２９】
反応槽２０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。反応槽２０内で反応槽２０の流体搬送方向の下流側端部まで移動した混合流体は、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。反応槽２０の下流側端部には、２つに分岐している配管を介して固形物分離装置３０が接続されている。なお、前述した２つに分岐している配管には、熱交換器９が装着されているが、これについては後に詳述する。
【００３０】
固形物分離装置３０は、第１分離系統と第２分離系統とを有している。そして、第１分離系統は、第１分岐弁３１、第１分離タンク３２、第１ドレン弁３３、第１仕切弁３４等から構成されている。また、第２分離系統は、第２分岐弁３５、第２分離タンク３６、第２ドレン弁３７、第２仕切弁３８等から構成されている。
【００３１】
第１分離系統と第２分離系統とは、交互に使用されるようになっている。第１分離系統が使用される場合には、第１分離系統の第１分岐弁３１及び第１仕切弁３４がそれぞれ開かれた状態で、第２分離系統の第２分岐弁３５及び第２仕切弁３８がそれぞれ閉じられる。これに対し、第２分離系統が使用される場合には、第２分離系統の第２分岐弁３５及び第２仕切弁３８がそれぞれ開かれた状態で、第１分離系統の第１分岐弁３１及び第１仕切弁３４が閉じられる。
【００３２】
第１分離系統内では、反応槽２０から送られてくる浄化済みの流体が第１分岐弁３１を経由して第１分離タンク３２内に進入する。そして、第１分離タンク３２内で、浄化済みの流体中の固形物が自重によってタンク底に向けて沈降する。このようにして固形物が分離された浄化済みの流体は、第１分離タンク３２から排出された後、第１仕切弁３４を経由してから、浄化流体搬送管１６に流入する。なお、第１分離タンク３２内における流体からの固形物の分離を良好に行う目的で、第１分離タンク３２の流体排出口にフィルターを設けてもよい。また、廃水Ｗ中に含まれている固形分が比較的少ない場合には、第１分離タンク３２や第２分離タンク３６の代わりに、フィルターだけを設けてもよい。
【００３３】
第１分離系統が使用されている場合、第２分離系統は、第２分岐弁３５及び第２仕切弁３８が閉じられていることから、反応槽２０→第１分離系統→浄化流体搬送管１６という経路から遮断された状態になっている。この状態で、第２分離タンク３６の直下に存在している第２ドレン弁３７を開くことにより、第２分離タンク３６の底に溜まった固形物を第２分離タンク３６内から排出することができる。このとき、第２分離タンク３６内の圧力は、固形物の排出に伴って低下するが、第２分離系統が前述の経路から遮断されていることから、前述の経路では高圧が維持される。このため、装置全体における浄化処理を停止させることなく、第２分離タンク３６内から固形物を除去することができる。
【００３４】
一方、第２分離系統が使用されている場合、第２分岐弁３５を経由した浄化済みの流体が第２分離タンク３６内に至って固形物の分離処理が施される。そして、第２分離タンク３６から排出された後、第２仕切弁３８を経由してから、浄化流体搬送管１６に流入する。また、第１分離系統では、第１ドレン弁３３が開かれることで、第１分離タンク３２内から固形物が排出される。
【００３５】
浄化流体搬送管１６内では、浄化済みの流体の水分が冷却されて、超臨界状態、あるいは過熱蒸気状態、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。浄化流体搬送管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る。
【００３６】
気液分離器１４によって分離された気体は、その組成がガスクロマトグラフ４１によって検知される。ガスクロマトグラフ４１により、未分解の物質が検出された場合、ガスクロマトグラフ４１からの出力信号を受けるプログラマブルシーケンサーが警報を発する。また、気液分離器１４によって分離された液体は、そのＴＯＣ（総有機性炭素）濃度がＴＯＣ分析装置４２によって検知される。ＴＯＣ分析装置４２により、閾値を超える濃度の総有機性炭素が検出された場合には、ＴＯＣ分析装置４２からの出力信号を受けるプログラマブルシーケンサーが警報を発する。
【００３７】
浄化済みの水は、活性汚泥による生物処理では除去し切れないごく低分子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、窒素ガス、及び酸素を主成分とするものである。
【００３８】
熱交換器９は、反応槽２０から固形物分離装置３０に向けて延びる、２つに分岐している配管（以下、２分岐配管という）に装着されている。熱交換器９の本体は、浄化流体搬送管１６の外面を覆う外管で構成され、外管と浄化流体搬送管１６の外面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、２分岐配管の外面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２分岐配管の内部に流れるため、２分岐配管から熱交換器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、２分岐配管内の液体の搬送方向とは逆方向になっている。即ち、反応槽２０側から固形物分離装置３０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。
【００３９】
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熱エネルギー利用設備に送られる。熱エネルギー利用施設の一例として、発電機を例示することができる。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原水予備加熱器４４や酸化剤予備加熱器４３に送って、廃水Ｗや空気Ａの予備加熱に利用してもよい。
【００４０】
２分岐配管の入口近傍には、２分岐配管の温度、又は２分岐配管内の流体の温度を検知する図示しない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が所定の数値範囲内に維持されるように、熱交換ポンプ１１の駆動を制御する。具体的には、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。これに対し、温度計による検知結果が所定の下限温度に達したときには、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減らすことで、熱交換器９による冷却機能を低下させる。かかる構成では、熱交換量を適切に調整して２分岐配管内の液体の温度を一定範囲に維持することができる。なお、熱交換器９を、２分岐配管に取り付けることに加えて、あるいは代えて、反応槽２０に取り付けてもよい。
【００４１】
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、反応槽２０の温度を検知する反応槽温度計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。
【００４２】
次に、第１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６は、反応槽２０を示す縦断面図である。反応槽２０は、筒状の基材２０ａと、基材２０ａの内周面に被覆された耐食層２０ｂと、これの上に被覆された中間層２０ｃと、これの上に被覆された触媒相２０ｄとを有している。
【００４３】
基材２０ａは、耐圧性に優れた金属材料からなる。第１実施形態に係る流体浄化装置では、その金属材料として、ステンレスス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）、インコネル６２５又はニッケル合金が用いられている。反応槽２０の内部の圧力は、０．５〜３０［Ｍｐａ］、望ましくは２〜３０［Ｍｐａ］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、基材２０ａの厚みは肉厚になっている。
【００４４】
耐食層２０ｂは、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、タンタル、又はプラチナを用いた耐食性に優れた材料からなる。反応槽２０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、混合流体を強酸性にすることがある。場合によっては、ごく短時間のうちに基材２０ａの金属を溶かしてしまうほど、強い酸性になることもある。基材２０ａの金属が溶けると、高圧に耐えきれずに破裂するおそれがでてくる。そこで、基材２０ａの内壁を耐食性に優れた耐食層２０ｂで覆っている。この耐食層２０ｂにより、基材２０ａが解けてしまうことを防止することができる。
【００４５】
触媒相２０ｄは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、あるいはそれらのうちの少なくとも１つを含む化合物などといった、有機物の酸化分解を促進する材料からなる。また、中間層２０ｃは、耐食層２０ｂに対して触媒相２０ｄよりも優れた固着性を発揮し、且つ触媒相２０ｄに対して耐食層２０ｂよりも優れた固着性を発揮する材料からなる。第１実施形態に係る流体浄化装置では、耐食層の材料としてチタンを用い、且つ、触媒相２０ｄの材料としてパラジウムを用いている。そして、中間層２０ｃの材料として、チタンに対してパラジウムよりも優れた固着性を発揮しつつ、パラジウムに対してチタンよりも優れた固着性を発揮する金を用いている。耐食層２０ｂと触媒相２０ｄとの間に中間層２０ｃを介在させることで、耐食性に優れた材料からなる耐食層２０ｂの上に、有機物の酸化分解の触媒性に優れた材料からなる触媒相２０ｄを長期間に渡って安定して固着させ続けることができる。これにより、触媒相２０ｄの脱落による触媒能力の喪失を回避することができる。
【００４６】
基材２０ａの内周面に対して耐食層２０ｂを被覆する方法としては、爆発圧接法を例示することができる。爆発圧接法は、異なる材質を、爆薬の爆発力によって高速で衝突させてそれら材質を強固に結合させる加工技術である。また、耐食層２０ｂに対しては、触媒相２０ｄを直接被覆してもよい。この場合、触媒相２０ｄの材料を、ＣＶＤ法、含浸法、還元法、めっき法、溶射法などの加工法によって耐食層２０ｂの表面に積層する。但し、触媒相２０ｄの脱落を防止するために、中間層２０ｃを設けることがより望ましい。
【００４７】
同図において、直線の矢印は、廃水Ｗと空気Ａとの混合流体の搬送方向を示している。触媒相２０ｄの流体搬送方向における上流端面Ｓには、反応槽２０と、反応槽２０に向けて混合流体を送り込むための図示しない送込管とを連結させるためのカップリングのパッキンが押し当てられる。このため、基本的には、送込管によって反応槽２０に向けて送られてくる混合流体が上流端面Ｓにぶつかることはない。但し、パッキンや反応槽２０の寸法誤差によっては、筒の半径方向において上流端面Ｓの一部がパッキンよりも中心側に突き出して、その突き出した箇所（以下、突き出し箇所という）に混合流体がぶつかることも考えられる。このようにして混合流体がぶつかったとしても、その混合流体はまだ反応槽２０内に進入していないことに起因して所定の温度まで昇温していないことから、無機固形物をそれほど析出させていない。このため、突き出し箇所に対する無機固形物の固着はあまり起こらない。また、ごく僅かな無機固形物が固着していくとしても、その成長速度は非常に遅い。加えて、反応槽２０の流体搬送方向の上流端における触媒相２０ｄの内径は、従来のハニカム構造の触媒における複数の管の径や、従来の顆粒状の触媒における粒間空間の径に比べて、遙かに大きい。このため、触媒相２０ｄの内壁に固着した無機物によって反応槽２０に詰まりが発生するまでの期間は、従来のハニカム構造の触媒や顆粒状の触媒が詰まってしまう期間よりも遙かに長くなる。これにより、反応槽２０の清掃作業の頻度が大きく低下することから、反応槽２０の清掃作業の手間を軽減することができる。
【００４８】
本発明者らは、第１実施形態に係る流体浄化装置と同様の構成の試験装置を用意した。また、第１実施形態に係る流体浄化装置の反応槽２０とは異なる構成の反応槽（以下、異構成反応槽という）を用意した。図７に示されるように、異構成反応槽２００は、筒状の基材２００ａと、これの内周面に被覆された耐食層２００ｂとを具備している。異構成反応槽２００の内部には、チューブ状の形状をしたチューブ触媒２０１が７本だけ配設されているチューブ触媒２０１の径は、異構成反応槽２００の内径の１／３よりもやや小さい値になっている。
【００４９】
本発明者らは、試験装置を様々な条件に設定してランニングテストを行った。浄化対象流体としては、１０ｗｔ％以上の固形分を含有する有機性廃水（以下、原水という）を用いた。そして、試験装置によって浄化された浄化水のＣＯＤ（化学的酸素要求量）を測定し、その値について河川放流排出基準を満たしているか否かを調べた。更に、無機固形物の固着による触媒の詰まりの有無を調べた。この実験結果を次の表１に示す。
【表１】
2014136204.tif 000003
【００５０】
表１に示されるように、実験番号１、２、３、４、５、６のランニングテストにおいては、それぞれ、反応槽として、第１実施形態に係る流体浄化装置の反応槽２０と同様の触媒相を設けたものを用いた。これに対し、実験番号７のランニングテストにおいては、反応槽として、上述した異構成反応槽２００を用いた。触媒相を設けた反応槽を用いた実験番号１、２、３、４、５、６のランニングテストでは、触媒相の内壁に無機固形物が固着したものの、固着領域が内壁全域に渡っていて、入口における集中的な固着が発生しなかった。このため、反応槽を無機固形物で詰まらせることはなかった。これに対し、触媒として、図７に示される７本の触媒チューブ２０１を用いた実験番号７のランニングテストでは、７本の触媒チューブ２０１のうち、真ん中の１本の入口が無機固形物の固着によって完全に詰まってしまった。また、残りの６本においても、上流端面に無機固形物が集中的に固着していたことから、更にランニングテストを続ければ、それらも無機固形物で詰まらせてしまうことが明白であった。この実験結果から、第１実施形態に係る流体浄化装置のように、触媒相を設けた反応槽において、無機固形物による詰まりを有効に抑え得ることが立証された。
【００５１】
実験番号５、６のランニングテストでは、処理水の水質（ＣＯＤ）が河川放流基準を満足できなかったのに対し、他のランニングテストでは河川放流基準を満足した。実験番号５、６のランニングテストにおける反応温度が３００℃以下であるのに対し、他のランニングテストにおける反応温度が４００℃以上であることから、河川放流基準を満足するためには、反応温度を４００℃以上にすることが望ましい。
【００５２】
次に、第２実施形態に係る流体浄化装置について説明する。なお、以下に特筆しない限り、第２実施形態に係る流体浄化装置の構成は、第１実施形態と同様である。
図８は、第２実施形態に係る流体浄化装置の反応槽２０を示す縦断面図である。第２実施形態に係る流体浄化装置では、触媒部材として、反応槽２０と別体に構成したものを用いている。具体的には、反応槽２０は、基材２０ａと、これの内周面に被覆された耐食層２０ｂとを具備しているが、中間層や触媒相を具備していない。その代わりに、触媒部材２１を反応槽２０内に配設している。
【００５３】
反応槽２０は、円筒形状になっている。そして、反応槽２０内に配設された触媒部材２１も、円筒形状になっている。更に、触媒部材２１の大きさは、反応槽２０の槽内空間にて、反応槽２０の長手方向に延在した姿勢で１つだけ収まる大きさになっている。
【００５４】
触媒部材２１は、円筒状の基材２１ａと、これの外周面に被覆された触媒相２１ｂと、基材２１ａの内周面に被覆された触媒相２１ｂとを具備している。気合い２１ａは、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金などの材料からなる。また、触媒相２１ｂは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒなどからなり、ＣＶＤ法、含浸法、還元法、めっき法、溶射法などの加工法によって基材２１ａの外周面や内周面に被覆されたものである。
【００５５】
反応槽２０の槽内空間に１つしか収まらない大きさの触媒部材２１の径は、従来のハニカム構造の触媒における複数の管の径や、顆粒状の触媒における粒間空間の径に比べて、遙かに大きい。このため、触媒部材２１の上流端面に固着した無機固形物が触媒部材２１の径中心に向けて成長して触媒部材２１の入口を閉塞させるまでの期間は、従来のハニカム構造の触媒や顆粒状の触媒を詰まらせてしまう期間よりも遙かに長くなる。これにより、反応槽２０の触媒部材２１に固着した無機固形物を除去するという清掃作業の実施頻度が大きく低下することから、反応槽２０の清掃作業の手間を軽減することができる。
【００５６】
本発明者らは、第２実施形態に係る流体浄化装置と同様の構成の試験装置を用意し、これを様々な条件に設定してランニングテストを行った。この実験結果を次の表２に示す。
【表２】
2014136204.tif 000004
【００５７】
表２に示されるように、実験番号８、９、１０、１１の何れにおいても、反応槽として、第２実施形態に係る流体浄化装置の反応槽２０と同様の触媒部材を設けたものを用いた。そして、何れのランニングテストにおいても、触媒部材の内壁に無機固形物が固着したものの、固着領域が内壁全域に渡っていて、触媒部材の入口における集中的な固着が発生しなかった。このため、触媒部材を無機固形物で詰まらせることはなかった。この実験結果から、第２実施形態に係る流体浄化装置のように、触媒部材を設けた反応槽において、無機固形物による詰まりを有効に抑え得ることが立証された。
【００５８】
実験番号１０、１１のランニングテストでは、処理水の水質（ＣＯＤ）が河川放流基準を満足できなかったのに対し、他のランニングテストでは河川放流基準を満足した。実験番号１０、１１のランニングテストにおける反応温度が３００℃以下であるのに対し、他のランニングテストにおける反応温度が４００℃以上であることから、河川放流基準を満足するためには、反応温度を４００℃以上にすることが望ましい。
【００５９】
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］
態様Ａは、浄化対象流体（例えば廃水Ｗ）と、酸化剤（例えば空気Ａ）との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筒状の反応槽（例えば反応槽２０）とを備える流体浄化装置において、前記反応槽の内面に、有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒相（例えば触媒相２０ｄ）を積層したことを特徴とするものである。
【００６０】
［態様Ｂ］
態様Ｂは、浄化対象流体と、酸化剤との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筒状の反応槽と、前記反応槽の中に配設されて有機物の酸化分解を促す材料からなる触媒部材（例えば触媒部材２１）とを備える流体浄化装置において、前記反応槽の槽内空間にて、前記反応槽の長手方向に延在した姿勢で１つだけ収まる大きさの筒状の形状で、前記触媒部材を構成したことを特徴とするものである。
【００６１】
［態様Ｃ］
態様Ｃは、態様Ａにおいて、筒状の基材（例えば基材２０ａ）の内周面に、前記基材よりも耐食性に優れた材料からなる耐食層（例えば耐食層２０ｂ）と、前記耐食材に対して前記触媒相よりも優れた固着性を発揮し、且つ前記触媒相に対して前記耐食材よりも優れた固着性を発揮する材料からなる中間層（例えば中間層２０ｃ）と、前記触媒相とを順に積層したことを特徴とするものである。かかる構成では、耐食層と触媒相との間に中間層を介在させることで、触媒相の脱落を有効に抑えることができる。
【００６２】
［態様Ｄ］
態様Ｄは、態様Ｂにおいて、前記触媒部材の形状を、前記反応槽の形状と同じにしたことを特徴とするものである。かかる構成では、触媒部材の形状を反応槽の形状と異なるものにする場合に比べて、触媒部材の径をより大きくした状態で触媒部材を反応槽の中に配設することができることから、触媒部材の清掃作業の頻度をより低くすることができる。
【００６３】
［態様Ｅ］
態様Ｅは、態様Ｃにおいて、前記耐食層の材料として、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、タンタル、イリジウム又はプラチナを用いたことを特徴とするものである。かかる構成では、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、タンタル、イリジウム又はプラチナからなる耐食層により、基材の腐食を有効に抑えることができる。
【００６４】
［態様Ｆ］
態様Ｆは、態様Ｃ又はＥにおいて、前記基材として、ステンレス又はニッケル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、ステンレス又はニッケル合金からなる基材によって反応槽に優れた耐圧性を発揮させることができる。
【００６５】
［態様Ｇ］
態様Ｇは、態様Ａ〜Ｆの何れかにおいて、前記触媒相の材料、あるいは、前記触媒部材の表面材料として、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、あるいはそれらのうちの少なくとも１つ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、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｒ、あるいはそれらのうちの少なくとも１つを含む化合物の触媒作用により、有機物の酸化分解を良好に促すことができる。
【００６６】
［態様Ｈ］
態様Ｈは、態様Ａ〜Ｇの何れかにおいて、前記酸化剤として、空気、酸素、液体酸素、オゾン又は過酸化水素を前記反応槽に圧送する酸化剤圧送手段を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、反応槽内で浄化対象流体を空気、酸素、液体酸素、オゾン又は過酸化水素と混合して浄化対象流体中の有機物の酸化分解を可能にすることができる。
【００６７】
［態様Ｉ］
態様Ｉは、態様Ａ〜Ｈの何れかにおいて、前記反応槽、又は前記反応槽から排出された浄化済み流体を搬送する搬送手段、の熱を熱エネルギーとして利用するために熱交換媒体で回収する熱交換器（例えば熱交換器９）を設けたことを特徴とするものである。かかる構成では、有機物の酸化分解によって反応槽内で発生した熱を、熱エネルギーとして取りだして有効利用することができる。
【００６８】
［態様Ｊ］
態様Ｊは、態様Ａ〜Ｉの何れかにおいて、前記反応槽内の混合流体を、１００〜６００℃に加熱する加熱手段と、前記混合流体の圧力を２〜３０ＭＰａに維持する圧力維持手段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、混合流体を高温高圧に加熱加圧することで、混合流体中の有機物の酸化分解を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００６９】
Ｗ：廃水（浄化対象流体）
Ａ：空気（酸化剤）
３：原水供給ポンプ（圧力維持手段の一部）
６：酸化剤圧送ポンプ（酸化剤圧送手段）
９：熱交換器
１３：出口弁（圧力維持手段の一部）
２０：反応槽
２０ａ：基材
２０ｂ：耐食層
２０ｃ：中間層
２０ｄ：触媒相
２１：触媒部材
２３：ヒーター（加熱手段）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特開２００１−２０５２７９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１７８６号公報
【図１】
2014136204.tif 000005
【図２】
2014136204.tif 000006
【図３】
2014136204.tif 000007
【図４】
2014136204.tif 000008
【図５】
2014136204.tif 000009
【図６】
2014136204.tif 000010
【図７】
2014136204.tif 000011
【図８】
2014136204.tif 000012