(57)【要約】【課題】固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる、モジュール型の膜ろ過装置を備える液体処理装置および液体処理方法を提供する。【解決手段】ろ過膜３６を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体３４が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置１２と、マイクロウェーブ発生装置１４と、を備え、マイクロウェーブ発生装置１４により発生させたマイクロウェーブを粒状発光体３４に照射しながら、固形分を含む被処理液体を膜ろ過装置１２に通液させて、被処理液体の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１である。【選択図】図１
2018001133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置と、
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発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、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２】
請求項１に記載の液体処理装置であって、
前記ろ過膜が、セラミック膜であることを特徴とする液体処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体処理装置であって、
前記ろ過膜が、外圧式であることを特徴とする液体処理装置。
【請求項４】
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、
前記被処理液体中に懸濁系光触媒を添加する光触媒添加手段を備えることを特徴とする液体処理装置。
【請求項５】
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、ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置における前記粒状発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、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６】
請求項５に記載の液体処理方法であって、
前記ろ過膜が、セラミック膜であることを特徴とする液体処理方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の液体処理方法であって、
前記ろ過膜が、外圧式であることを特徴とする液体処理方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の液体処理方法であって、
前記被処理液体中に懸濁系光触媒を添加する光触媒添加工程をさらに含むことを特徴とする液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
固形分を含む液体の固液分離を行う方法として、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）等を用いた膜ろ過処理が浄水処理等で用いられる。精密ろ過膜や限外ろ過膜等の膜ろ過装置では被処理液体中の固形分の分離は可能であるが、有機物等の溶解成分の分離をすることができない。また、これら有機物成分は膜の目詰まりを起こすことが知られており、被処理液体中に有機物が高濃度で含まれると、膜の薬品洗浄が頻繁に必要となる場合がある。また、被処理液体中に細菌等の微生物が混入している場合、膜の材質によっては生物劣化が生じることがあり、所定の固液分離性能が得られない場合がある。
【０００３】
液体に含まれる細菌類の殺菌処理や有機物の酸化分解処理に紫外線（ＵＶ）ランプが用いられることがある。しかし、紫外線ランプは、ランプ自体の形状の制約や、電極が必須であることから、膜ろ過装置内に従来型の紫外線ランプを組み込むことは、装置構成の点からも、効率的な光照射の点からも極めて難しく、紫外線照射装置は膜ろ過装置とは別に単独で設置されることが一般的である。
【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０４９００４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる、モジュール型の膜ろ過装置を備え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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置と、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発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、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。
【０００９】
前記液体処理装置において、前記ろ過膜が、セラミック膜であることが好ましい。
【００１０】
前記液体処理装置において、前記ろ過膜が、外圧式であることが好ましい。
【００１１】
前記液体処理装置において、前記被処理液体中に懸濁系光触媒を添加する光触媒添加手段を備えることが好ましい。
【００１２】
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、ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置における前記粒状発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、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。
【００１３】
前記液体処理方法において、前記ろ過膜が、セラミック膜であることが好ましい。
【００１４】
前記液体処理方法において、前記ろ過膜が、外圧式であることが好ましい。
【００１５】
前記液体処理方法において、前記被処理液体中に懸濁系光触媒を添加する光触媒添加工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる、モジュール型の膜ろ過装置を備える液体処理装置および液体処理方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】比較例で用いた液体処理装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
本実施形態に係る液体処理装置１は、ろ過膜３６を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体３４が内部に充填されたモジュール型の膜ろ過装置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、被処理液体を貯留するための被処理液槽１０と、処理液を貯留するための処理液槽１６とを備えてもよい。
【００２１】
図１の液体処理装置１において、被処理液槽１０の出口と膜ろ過装置１２の下部入口とは、ポンプ１８を介して被処理液配管２０により接続されている。膜ろ過装置１２の上部の処理液出口と処理液槽１６の入口とは、処理液配管２２により接続されている。膜ろ過装置１２の濃縮液出口と、被処理液槽１０とは、循環配管２４により接続されている。膜ろ過装置１２の内部には、少なくとも１つのろ過膜３６が設置され、空間に少なくとも１つの粒状発光体３４が充填されている。膜ろ過装置１２には、マイクロウェーブ発生手段として少なくとも１つのマイクロウェーブ発生装置１４が、膜ろ過装置１２の内部の粒状発光体３４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。被処理液槽１０の上部には、被処理液体中に懸濁系光触媒を添加する光触媒添加手段として光触媒添加配管３８が接続されていてもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
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膜ろ過装置１２内の粒状発光体３４に照射しながら、被処理液槽１０からポンプ１８により、固形分を含む被処理液体が被処理液配管２０を通して、膜ろ過装置１２の下部入口から内部に供給される。これにより、膜ろ過装置１２において、ろ過膜３６により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）。ろ過膜３６を通った後の処理液は、膜ろ過装置１２の上部の処理液出口から排出され、処理液配管２２を通して処理液槽１６に移される。膜ろ過装置１２からの濃縮液は、循環配管２４を通して被処理液槽１０に循環されてもよい。
【００２４】
固液分離処理では、ろ過膜３６によって被処理液体から固形分が分離される。これにより、処理液の濁度を低減することができる。
【００２５】
紫外線照射処理では、マイクロウェーブの照射により粒状発光体３４から発光された紫外線によって、主に、細菌類の殺菌処理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。
【００２６】
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、モジュール型の膜ろ過装置において、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。
【００２７】
モジュール内部にマイクロウェーブにより紫外線発光する粒状発光体３４を充填し、モジュール外部に粒状発光体３４にマイクロウェーブを照射するマイクロウェーブ発生装置１４を設置し、被処理液体中の固形分の分離と紫外線による細菌類の殺菌処理および有機物等の酸化分解処理等の紫外線照射処理をともに行う。モジュール内部に高密度に紫外線発光する粒状発光体３４を充填させ、それを外部からのマイクロウェーブ照射により発光させることにより、殺菌処理および有機物の酸化分解処理等を効率よく達成できるため、紫外線照射装置と膜ろ過装置との組合せの従来型システムと比較して、ろ過膜の目詰まりや劣化を低減することができ、処理液質の向上も可能となる。また、殺菌処理および酸化分解処理と固液分離処理とを１台の装置で賄うことができることから、従来型システムと比較して大幅な設置スペースの削減も可能となる。
【００２８】
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０．１度以上１００度以下、色度は、例えば０．５度以上１００度以下、ＴＯＣは、例えば０．１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下、細菌数は、例えば、１００個／ｍＬ以上１００，０００個／ｍＬ以下である。
【００２９】
膜ろ過装置１２は、モジュール型の膜ろ過装置であり、円筒状等の筒状の容器（ケーシング）に密閉されたろ過膜を膜ろ過装置内部のろ過槽に有する加圧型の膜ろ過装置であればよく、特に制限はない。
【００３０】
膜ろ過装置１２におけるマイクロウェーブを照射する面を構成する材質としては、マイクロウェーブを透過する材質であればよく特に制限はないが、例えば、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、セラミックス等が挙げられる。
【００３１】
膜ろ過装置１２における被処理液体の供給は、通常は図１に示すように膜ろ過装置１２の下部からであるが、膜ろ過装置１２の上部からであっても、側面からであってもよい。
【００３２】
ろ過膜３６は、固形分の分離処理を行うことができる加圧型のろ過膜であればよく、特に制限はない。ろ過膜３６としては、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、大孔径膜（ＬＰ膜）等が挙げられる。
【００３３】
ろ過膜３６の材質としては、例えば、有機膜または無機膜が挙げられる。有機膜としては、例えば、酢酸セルロース（ＣＡ）膜、ポリエチレン（ＰＥ）膜、ポリプロピレン（ＰＰ）膜、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）膜、ポリスチレン（ＰＳ）膜、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）膜、ポリビリニデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜等が挙げられる。無機膜としては、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア等のセラミック膜等が挙げられる。紫外線耐性や強度等の観点から無機膜が好ましく、セラミック膜がより好ましい。
【００３４】
ろ過膜３６の形態としては、チューブラ膜、中空糸膜等が挙げられ、内圧式では粒状発光体３４を中空糸内に設置することは困難である等の点から、チューブラ膜が好ましい。
【００３５】
ろ過膜３６の通水方式は、内圧式、外圧式いずれの方式でもよいが、粒状発光体３４を効率よく配置できる点においては外圧式が好ましい。
【００３６】
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：例えば、２．４５０ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ、５．８００ＧＨｚ±０．０７５ＧＨｚ、２４．１２５ＧＨｚ±０．１２５ＧＨｚ）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。
【００３７】
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２６と、マイクロウェーブ発振器２８と、導波管３０と、スリースタブチューナ３２と、を備える構成が挙げられる。
【００３８】
例えば、電源装置２６から供給された電源により、マイクロウェーブ発振器２８が発生したマイクロウェーブが、導波管３０を通り、膜ろ過装置１２内の粒状発光体３４に照射される。スリースタブチューナ３２により、導波管３０におけるインピーダンス整合を調整することができる。マイクロウェーブ発生装置１４は、導波管３０の膜ろ過装置１２を挟んだ対抗側に短絡器（図示せず）を備えていてもよい。
【００３９】
マイクロウェーブの照射は、膜ろ過装置１２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。膜ろ過装置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、膜ろ過装置１２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。
【００４０】
粒状発光体３４は、マイクロウェーブにより紫外線（例えば、波長１００ｎｍ〜４００ｎｍの光）発光するものであればよく、紫外線以外に可視光線（例えば、波長４００ｎｍ〜７８０ｎｍの光）や赤外線（例えば、波長７８０ｎｍ〜１ｍｍの光）の発生有無による制限は特にない。粒状発光体３４としては、例えば、紫外線の吸収が小さい石英製やテフロン（登録商標）樹脂等のフッ素樹脂製であって、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、フッ素ガス、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。放電ガスや封入圧を適宜選択することにより、発光波長を調整することができる。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。
【００４１】
粒状発光体３４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。粒状発光体３４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。
【００４２】
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。
【００４３】
粒状発光体３４の発光波長は、処理対象となる有機物と細菌類の種類等に応じて適宜選択すればよく、特に制限はない。有機物の酸化分解処理を主に行う場合には、通常、波長１８５±０．１ｎｍや２２０±０．１ｎｍの紫外線を発生する粒状発光体が用いられ、細菌類の殺菌処理を主に行うには、通常、波長２５４±０．７ｎｍや２６０±０．７ｎｍの紫外線を発生する粒状発光体が用いられる。
【００４４】
粒状発光体３４として、発光波長の異なる２種類以上の粒状発光体を用いてもよい。発光波長の異なる２種類以上の粒状発光体の充填比率は、特に制限はなく、被処理液体の液質等に応じて、適宜変更すればよい。マイクロウェーブは水に吸収されやすいため、粒状発光体に過剰に出力を与える場合があり、エネルギー的に損失が大きい。発光波長の異なる２種類以上の粒状発光体を用い、その充填比率を適宜変更することにより、有機物、細菌類の両方を所定の除去率あるいは所定の処理液濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量とすることができ、消費電力からみても効率的である。
【００４５】
被処理液体が膜ろ過装置１２に供給される前に、被処理液体に、例えば光触媒添加配管３８を通して懸濁系光触媒が添加されてもよい。被処理液体中に懸濁系光触媒を添加した場合は、紫外線酸化に加えて、光触媒による促進酸化も起きるため、さらなる処理液質の向上、膜目詰まりや劣化の抑制が可能となる。なお、添加された懸濁系光触媒は、膜ろ過装置１２において固液分離される。懸濁系光触媒の添加は、被処理液槽１０において行われてもよいし、被処理液配管２０において行われてもよいし、被処理液槽１０と膜ろ過装置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。
【００４６】
懸濁系光触媒としては、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等の無機系光触媒等が挙げられる。
【００４７】
懸濁系光触媒の添加量は、例えば、１０〜１０，０００ｍｇ／Ｌの範囲である。
【００４８】
例えば膜ろ過装置１２からの処理液の排出量が低下する等の場合には、膜ろ過装置１２内を逆流洗浄（逆洗）等の洗浄を行ってもよい。
【００４９】
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、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。
【００５０】
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、ＴＯＣで２．０ｍｇ／Ｌ以上、細菌数で２，０００個／ｍＬ以上の被処理液の液質を、例えば濁度で０．１度以下、色度で０．５度以下、ＴＯＣで１．０ｍｇ／Ｌ以下、細菌数で１個／ｍＬ以下の処理液とすることができる。
【実施例】
【００５１】
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。
【００５２】
＜実施例１および比較例１＞
実施例１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、被処理液槽５０と、紫外線照射装置５２と、ろ過膜５８を有する膜ろ過装置５４と、処理液槽５６とを備える。
【００５３】
以下の装置仕様、通水条件で試験を行った。
［通水条件］
通水量：４０Ｌ／ｈ
［装置構成］
（比較例１）
紫外線照射装置：ＤＮライティング社製、低圧紫外線ランプ（ＳＧＬ１０００Ｎ）  ランプ波長１８５，２５４ｎｍ
膜ろ過装置：外圧式チューブラ膜ろ過装置
チューブラ膜（材質：セラミックＭＦ膜）φ１０ｍｍ×Ｈ１０００ｍｍ  １０本
ろ過槽本体：φ８０ｍｍ×Ｈ１２００ｍｍ
（実施例１）
膜ろ過装置：外圧式チューブラ膜ろ過装置
チューブラ膜（材質：セラミックＭＦ膜）φ１０ｍｍ×Ｈ１０００ｍｍ  １０本
ろ過槽本体：φ８０ｍｍ×Ｈ１２００ｍｍ、材質  テフロン（登録商標）製
紫外線発光粒状発光体をろ過槽内の空間に２．２Ｌ充填
【００５４】
［紫外線発光粒状発光体（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）５ｍｍ×高さ（Ｌ）１０ｍｍ
・材質：石英
・封入ガス：水銀ガス、封入圧力１０Ｐａ
・ピーク波長：１８５ｎｍ，２５４ｎｍ
【００５５】
［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×Ｗ５５ｍｍ×Ｈ１０９ｍｍ、アルミニウム製
・チューナー：スリースタブ方式
【００５６】
マイクロウェーブ発生装置の電源装置の投入電力を６０Ｗに設定した。被処理液体と処理液の水質（濁度、色度、ＴＯＣ）、膜間差圧上昇速度を表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）を用いて測定した。ＴＯＣは、ＴＯＣ計（島津製作所製、ＴＯＣ５００）を用いて燃焼式で測定した。実験結果を表１に示す。
【００５７】
【表１】
2018001133.tif 000003
【００５８】
このように、実施例のモジュール型の膜ろ過装置を備える液体処理装置において、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができた。
【００５９】
固液分離処理と紫外線殺菌処理、紫外線酸化分解処理をともに行うことにより処理装置の設置面積を約４０％削減することができた。また、ろ過膜の目詰まりや劣化を低減することができ、処理液質（色度、ＴＯＣ）の向上も可能となった。
【符号の説明】
【００６０】
１，３  液体処理装置、１０，５０  被処理液槽、１２，５４  膜ろ過装置、１４  マイクロウェーブ発生装置、１６，５６  処理液槽、１８  ポンプ、２０  被処理液配管、２２  処理液配管、２４  循環配管、２６  電源装置、２８  マイクロウェーブ発振器、３０  導波管、３２  スリースタブチューナ、３４  粒状発光体、３６，５８  ろ過膜、３８  光触媒添加配管、５２  紫外線照射装置。
【図１】
2018001133.tif 000004
【図２】
2018001133.tif 000005