(57)【要約】【課題】処理対象の地下水から少なくとも１，４−ジオキサンを効果的に除去することが可能な水処理装置を提供する。【解決手段】本発明の水処理装置は、活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更することを特徴としている。【選択図】図１
2018051503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、
前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、
前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
活性炭素繊維を含む吸着素子を収容した処理槽と、
前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子に地下水を通流させて前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させ、処理水を排出する水通流部と、
前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着するクリーンスチーム通気部と、
前記吸着素子による１，４−ジオキサンの吸着工程及び前記吸着素子に対する１，４−ジオキサンの脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更する制御手段と、を備えることを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
前記脱着工程では、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に付着した付着水を除去する脱水処理と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着処理とが行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の水処理装置。
【請求項４】
前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、吸脱着繰り返し周期を長くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水処置装置。
【請求項５】
前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、前記吸着工程にて吸着処理を行う地下水の単位時間当たりの水量を減少させ、かつ前記吸着処理の時間を長くすることで吸脱着繰り返し周期を長くすることを特徴とする請求項４に記載の水処置装置。
【請求項６】
前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、前記吸着工程にて吸着処理を行う地下水の単位時間当たりの水量は変更せず、かつ前記吸着工程において前記吸着処理後に待機時間をとることで吸脱着繰り返し周期を長くすることを特徴とする請求項４に記載の水処置装置。
【請求項７】
前記吸着素子の前記脱着工程が行われた部分を前記吸着工程を行う部分に移行させるとともに、前記吸着素子の前記吸着工程が行われた部分を前記脱着工程を行う部分に移行させる操作が繰り返し実施されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の水処置装置。
【請求項８】
前記吸着素子から１，４−ジオキサンを脱着させたクリーンスチームを、前記吸着素子に通流させる地下水との熱交換により凝縮して濃縮水とする熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水処置装置。
【請求項９】
前記吸着素子から除去した付着水を、再度、前記吸着素子に通流させるための返送ルートを備えることを特徴とする請求項３に記載の水処理装置。
【請求項１０】
前記吸着素子に対して、クリーンスチームを通気させる通気方向と、地下水を通流させる通流方向とが逆であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項１１】
前記吸着素子は、繊維径が１７μｍ〜４０μｍの活性炭素繊維で構成された不織布であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項１２】
前記有機物質は、１，４−ジオキサン以外にシス−１，２−ジクロロエチレン、トランス−１，２−ジクロロエチレン、ジクロロメタン、四塩化炭素、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン及び総トリハロメタンのいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の水処理装置と、
前記水処理装置にクリーンスチームを供給するクリーンスチーム発生装置と、を備えることを特徴とする水処理システム。
【請求項１４】
活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、
前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、
前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更することを特徴とする水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物質として少なくとも１，４−ジオキサンを含有する地下水から１，４−ジオキサンを除去する水処理装置、水処理システム及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水から有機物質を除去する装置として、粒状活性炭のなど吸着材を使用した吸着式水処理装置が知られている（例えば特許文献１参照）。これは、吸着材が充填された充填槽へ処理対象の被処理水を通水することで、被処理水中の有機物質を吸着除去するシンプルな水処理装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１７１３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の水処理装置は、被処理水を一定期間通水し、吸着材の吸着能力が飽和に達すると、吸着材を新品へと交換するもしくは一旦装置から吸着材を取り出して再生する必要があり、連続浄化ができないという課題がある。これに対して、吸着材の交換や再生の頻度を少なくするために、多量の吸着材を充填させ、長期間吸着（被処理水の通水）を行うと、吸着材は微生物の繁殖や固形物の付着などによって、目詰まりや寿命が縮まるために、定期的な清掃や逆洗浄が必要になり、その労力やコストが増えるという課題がある。
【０００５】
また、粒状活性炭では、水中の有機物質の中でも１，４−ジオキサンの吸着量が小さいという課題がある。ここで、食品製造に使用する食品製造用水として地下水を用いる場合には、「食品、添加物等の規格基準」に定められている「食品製造用水」の基準に適合することが求められるが、近年、上記規格基準が改正されて今まで以上に厳しい基準となり、特に、１，４−ジオキサンを多く取り除くことが水処理装置に求められている。しかし、従来の水処理装置では、水から１，４−ジオキサンを効果的に取り除くことができないという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされ、その目的は、地下水から１，４−ジオキサンを効果的に除去できる吸着材を使用し、かつ、基本的に吸着材の目詰まりと交換のない水処理装置、水処理システム及び水処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明は以下の構成からなる。
【０００８】
（１）活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更することを特徴とする水処理装置。
（２）活性炭素繊維を含む吸着素子を収容した処理槽と、前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子に地下水を通流させて前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させ、処理水を排出する水通流部と、前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着するクリーンスチーム通気部と、前記吸着素子による１，４−ジオキサンの吸着工程及び前記吸着素子に対する１，４−ジオキサンの脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更する制御手段と、を備えることを特徴とする水処理装置。
（３）前記脱着工程では、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に付着した付着水を除去する脱水処理と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着処理とが行われることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の水処理装置。
（４）前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、吸脱着繰り返し周期を長くすることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の水処置装置。
（５）前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、前記吸着工程にて吸着処理を行う地下水の単位時間当たりの水量を減少させ、かつ前記吸着処理の時間を長くすることを特徴とする前記（４）に記載の水処置装置。
（６）前記制御手段は、処理対象の地下水量の減少又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度の減少に伴い、前記吸着工程にて吸着処理を行う地下水の単位時間当たりの水量は変更せず、かつ前記吸着工程において前記吸着処理後に待機時間をとることで吸脱着繰り返し周期を長くすることを特徴とする前記（４）に記載の水処置装置。
（７）前記吸着素子の前記脱着工程が行われた部分を前記吸着工程を行う部分に移行させるとともに、前記吸着素子の前記吸着工程が行われた部分を前記脱着工程を行う部分に移行させる操作が繰り返し実施されることを特徴とする前記（１）から（６）のいずれか１項に記載の水処置装置。
（８）前記吸着素子から１，４−ジオキサンを脱着させたクリーンスチームを、前記吸着素子に通流させる地下水との熱交換により凝縮して濃縮水とする熱交換器をさらに備えることを特徴とする前記（１）から（７）のいずれかに記載の水処置装置。
（９）前記吸着素子から除去した付着水を、再度、前記吸着素子に通流させるための返送ルートをさらに備えることを特徴とする前記（３）に記載の水処理装置。
（１０）前記吸着素子に対して、クリーンスチームを通気させる通気方向と、地下水を通流させる通流方向とが逆であることを特徴とする前記（１）から（９）のいずれかに記載の水処理装置。
（１１）前記吸着素子は、繊維径が１７μｍ〜４０μｍの活性炭素繊維で構成された不織布であることを特徴とする前記（１）から（１０）のいずれかに記載の水処理装置。
（１２）前記有機物質は、１，４−ジオキサン以外にシス−１，２−ジクロロエチレン、トランス−１，２−ジクロロエチレン、ジクロロメタン、四塩化炭素、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン及び総トリハロメタンのいずれか一つ以上を含むことを特徴とする前記（１）から（１１）のいずれかに記載の水処理装置。
（１３）前記（１）から（１２）のいずれかに記載の水処理装置と、前記水処理装置にクリーンスチームを供給するクリーンスチーム発生装置と、を備えることを特徴とする水処理システム。
（１４）活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更することを特徴とする水処理方法。
【０００９】
なお、本発明の水処理装置の制御手段をコンピュータに実行させるプログラム及びそれを記録した記憶媒体、あるいは、本発明の水処理方法をコンピュータに実行させるプログラム及びそれを記録した記憶媒体も、本発明の範疇に含まれる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水処理装置、水処理システム及び水処理方法によれば、基本的に吸着材の交換の必要がなく、地下水中の１，４−ジオキサンを高い効率で除去することができる。また、吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着するためのガスとしてクリーンスチームを用いているので、処理水を食品製造に使用する食品製造用水や飲料水などの用途に用いることができる。さらに、地下水の揚水量（処理対象の地下水量）に応じて、吸着工程及び脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を変更することで、単位時間当たりの吸着素子の脱着回数を減らすことができる。その結果、吸着素子の脱着処理に要するクリーンスチームの量を減らすことができ、クリーンスチームの製造に要する消費電力及び消費水量を減らすことができるので、装置全体として省エネルギーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の水処理装置を備えた水処理システムの概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態の水処理装置を備えた水処理システムの概略構成図である。
【図３】吸脱着繰り返し周期の１サイクルを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る水処理装置は、活性炭素繊維を含む吸着素子に地下水を通流させ、前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させて処理水を排出する吸着工程と、前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて、前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着する脱着工程と、を順に繰り返し実行し、前記吸着工程及び前記脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更する構成のものである。
【００１３】
また、本発明に係る水処理装置は、以下の構成のものと言うこともできる。つまり、水処理装置は、活性炭素繊維を含む吸着素子を収容した処理槽と、前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子に地下水を通流させて前記吸着素子に地下水中の少なくとも１，４−ジオキサンを吸着させ、処理水を排出する水通流部と、前記処理槽に接続され、前記処理槽内の前記吸着素子にクリーンスチームを通気させて前記吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着するクリーンスチーム通気部と、前記吸着素子による１，４−ジオキサンの吸着工程及び前記吸着素子に対する１，４−ジオキサンの脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、前記吸着素子に通流させる処理対象の地下水量又は地下水中の１，４−ジオキサン濃度に応じて変更する制御手段と、を備える構成のものである。
【００１４】
ここで、クリーンスチームとは、食品製造や食品加工に使用可能な程度まで汚染物質が除かれた蒸気を指す。以下で説明する実施形態では、クリーンスチームとして、ボイラーからの蒸気を耐圧容器内で飽和熱水へ液相化することにより、蒸気に含まれる汚染物質を液中に留め易くし、飽和熱水を再度気相化することにより汚染物質を分離した蒸気を用いている。また、処理対象とは、吸着素子に通流する（処理槽に導入する）という意味で用いている。
【００１５】
本発明に係る水処理装置は、上記構成により、吸着素子の交換を必要とすることがなく、処理対象の地下水に含まれる１，４−ジオキサンを効果的に除去する水処理を行うことができる。また、吸着素子に吸着された１，４−ジオキサンを脱着するためのガスとしてクリーンスチームを用いているので、処理水を食品製造に使用する食品製造用水や飲料水などの用途に用いることができる。さらに、地下水の揚水量（処理対象の地下水量）に応じて、吸着工程及び脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を変更することで、単位時間当たりの吸着素子の脱着回数を減らすことができる。その結果、吸着素子の脱着処理に要するクリーンスチームの量を減らすことができ、クリーンスチームの製造に要する消費電力及び消費水量を減らすことができるので、装置全体として省エネルギーを実現できる。以下、本発明に係る水処理装置の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１６】
［実施形態１］
図１は、本発明に係る水処理装置を備えた水処理システムの一実施形態の概略構成を示している。本実施形態の水処理システムＳは、水処理装置１００と、水処理装置１００にクリーンスチームを供給するクリーンスチーム発生装置４０と、を備えている。さらに、本実施形態の水処理システムＳは、純水を製造する純水製造装置５０を備えている。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の水処理装置１００は、吸着材として吸着素子１１，１２をそれぞれ収容した複数の処理槽１０，２０と、各処理槽１０，２０内に地下水を導入するための地下水導入ラインＬ１（水通流部）と、各処理槽１０，２０内にクリーンスチームを供給するためのクリーンスチーム供給ラインＬ３（クリーンスチーム通気部）と、を備えている。また、本実施形態の水処理装置１００は、各処理槽１０，２０内の吸着素子１１，１２により清浄化された後の水である処理水を排出するための処理水導出ラインＬ２（水通流部）と、各処理槽１０，２０内に供給されたクリーンスチームを排出するためのクリーンスチーム排出ラインＬ４（クリーンスチーム通気部）と、クリーンスチーム排出ラインＬ４から分岐して地下水導入ラインＬ１に還流する循環ラインＬ５（返送ルート）と、クリーンスチーム排出ラインＬ４から排出される１，４−ジオキサンを含む脱着ガスを冷却して凝縮する凝縮器３０と、をさらに備えている。
【００１８】
なお、本実施形態の水処理装置１００は、吸着素子１１，１２を収容した処理槽１０，２０を複数備えている。そして、ダンパーやバルブなどを用いて各ラインＬ１〜Ｌ５を制御し、地下水を導入・排出する経路、クリーンスチームを供給・排出する経路を適宜切り替えることで、吸着工程を行う処理槽と、脱着工程を行う処理槽とに分けられている。これにより、吸着工程をどちらかの処理槽の吸着素子により連続して行うことが可能であり、いずれかの処理槽（例えば処理槽１０）にて吸着素子により地下水の清浄化（吸着処理）が行われている間、他の処理槽（例えば処理槽２０）では吸着素子の再生化（脱水処理及び脱着処理）を行うことが可能である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の水処理装置１００は、それぞれ吸着素子１１，１２を内部に収容した処理槽１０，２０を２つ備えている。なお、吸着素子１１，１２及び処理槽１０，２０の数は限定されない。後述する各処理槽１０，２０内における吸着工程及び脱着工程は、各バルブＶ１〜Ｖ１０の開閉操作を行い、地下水を導入・排出する経路、クリーンスチームを供給・排出する経路を適宜切り替えることで行われる。
【００２０】
各処理槽１０，２０には、地下水導入ラインＬ１がそれぞれバルブＶ１，Ｖ２を介して接続されている。また、各処理槽１０，２０には、処理水導出ラインＬ２がそれぞれバルブＶ３，Ｖ４を介して接続されている。
【００２１】
水処理装置１００は、地下水導入ラインＬ１により各処理槽１０，２０内に地下水を供給して各処理槽１０，２０内の吸着素子１１，１２に地下水を所定時間通流させることで、地下水に含まれる少なくとも１，４−ジオキサンを吸着する吸着処理（吸着工程）が行われる。地下水に１，４−ジオキサン以外にも有機物質が含まれている場合には、吸着工程では、その有機物質も吸着される。これにより、地下水が清浄化される。清浄化された後の処理水は、処理水導出ラインＬ２より各処理槽１０，２０の外部に排出される。
【００２２】
吸着素子１１，１２は、活性炭素繊維を含んでいる。活性炭素繊維は、表面に微細な細孔を均一に多数有しているので、地下水中の１，４−ジオキサンの極めて高い除去効率を実現できる。活性炭素繊維は、原料である繊維を不織布などのシート状の構造体に加工し、炭化・賦活して得ることができる。
【００２３】
活性炭素繊維は、繊維径が１７μｍ〜４０μｍであることが好ましい。繊維径が１７μｍ以上とすることで、クリーンスチームを通気させる際の吸着素子１１，１２の圧力損失を低減させることができ、繊維表面の付着水量を減らして、脱着効率を向上させることができるからである。一方、繊維径が４０μｍを越えると、上述の脱着効率の向上効果は期待できるが、繊維径が大きくなることにより、地下水中の吸着物質（１，４−ジオキサン）と吸着素子１１，１２との接触効率が低下するために、吸着性能が低下するからである。
【００２４】
活性炭素繊維の原料となる繊維は、特に限定されるものではないが、例えばフェノール系繊維、セルロース系繊維、アクリロニトリル系繊維、ピッチ系繊維などが好ましい。中でも、フェノール系繊維は、炭化・賦活後の活性炭素繊維の収率が高く、繊維強度が強い点でさらに好ましい。
【００２５】
フェノール系繊維としては、フェノール樹脂に脂肪酸アミド類、リン酸エステル類、セルロース類よりなる群から選択される少なくとも１種の化合物（配合物）を混合した混合物を紡糸して得られるフェノール系繊維を原糸としてもよい。これにより、さらに繊維強度を高めることができる。
【００２６】
吸着素子１１，１２に用いられる活性炭素繊維の物性は、特に限定されるものではないが、吸着素子１１，１２の吸着量や強度、コストなどを考慮すると、ＢＥＴ比表面積が９００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇで、細孔容積が０．４ｃｍ３／ｇ〜０．９ｃｍ３／ｇで、平均細孔経が１４Å〜１８Åであることが好ましい。
【００２７】
本実施形態では、処理対象の地下水に含まれる処理対象物質は、１，４−ジオキサンを例に説明しているが、以下の有機物質についても、本実施形態の水処理装置１００は同様の除去効果がある。例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、アクロレインなどのアルデヒド類、メチルエチルケトン、ジアセチル、メチルイソブチルケトン、アセトンなどのケトン類、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、酢酸ブチルなどのエステル類、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、ブタノールなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのグリコール類、酢酸、プロピオン酸などの有機酸、フェノール類、トルエン、キシレン、シクロヘキサンなどの芳香族有機物質、ジエチルエーテル、アリルグリシジルエーテルなどのエーテル類、アクリロニトリルなどの二トリル類、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、エピクロロヒドリンなどの塩素有機物質、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の有機物質、ポリ塩化ジベンゾパラジオキシン (PCDD)、ポリ塩化ジベンゾフラン (PCDF)、ダイオキシン様ポリ塩化ビフェニル (DL-PCB)などのダイオキシン類、テトラサイクリン、オセルタミビル、リン酸オセルタミビル、ベザフィブラート、トリクロサンなどの抗生物質、ベザフィブラート、フェノフィブラートなどの抗脂血症剤成分、ジクロフェナク、サリチル酸、アセトアミノフェンなどの解熱鎮痛剤成分、カルバマゼピンなどの抗てんかん剤成分、フミン酸、フルボ酸などのフミン物質、ヘキサメチレンテトラミン、ジオスミン、２−メチルイソボルネオールなどを一例として挙げることができる。本実施形態の水処理装置１００が処理する地下水に含まれる処理対象物質は、これらのうちの１種類あるいは複数種類であってもよい。
【００２８】
図１において、各処理槽１０，２０には、クリーンスチーム供給ラインＬ３がそれぞれバルブＶ５，Ｖ６を介して接続されている。クリーンスチーム供給ラインＬ３は、クリーンスチーム発生装置４０にも接続されている。さらに、各処理槽１０，２０には、クリーンスチーム排出ラインＬ４がバルブＶ７，Ｖ８を介して接続されている。クリーンスチーム排出ラインＬ４は、バルブＶ９を介して凝縮器３０にも接続されている。
【００２９】
吸着工程後、水処理装置１００は脱着工程を行うが、この脱着工程では、まず、クリーンスチーム供給ラインＬ３により各処理槽１０，２０内にクリーンスチームを供給して各処理槽１０，２０内の吸着素子１１，１２にクリーンスチームを所定時間通気させることで、各吸着素子１１，１２に付着した付着水を除去する脱水処理が行われる。各吸着素子１１，１２は、付着した付着水がクリーンスチームの通流により除去されて乾いた状態となることにより、その後のクリーンスチームによる１，４−ジオキサンの脱着処理を容易にすることができる。
【００３０】
脱水処理において各処理槽１０，２０内に供給されるクリーンスチームは、不純物を含まないあるいはほとんど含まない純粋な蒸気（「ピュアスチーム」と呼ばれるものも含む。）であり、例えば純水や超純水などの精製水を沸騰させたものである。脱水処理において各処理槽１０，２０内に供給されるクリーンスチームの温度は、例えば１００℃〜１４０℃である。脱水処理にて脱水された付着水はクリーンスチームとともにクリーンスチーム排出ラインＬ４より各処理槽１０，２０の外部に排出される。このとき、付着水は、バルブＶ９の閉操作かつバルブＶ１０の開操作により循環ラインＬ５より地下水導入ラインＬ１に還流され、再び吸着素子１１，１２に通流させるために各処理槽１０，２０内に導入される。これにより、工程数を省略することができるので、効率的である。
【００３１】
脱着工程では、脱水処理後、次に、クリーンスチーム供給ラインＬ３によりにより各処理槽１０，２０内にクリーンスチームを供給して各処理槽１０，２０内の吸着素子１１，１２にクリーンスチームを所定時間通気させることで、各吸着素子１１，１２に吸着した少なくとも１，４−ジオキサンを除去する脱着処理が行われる。吸着素子１１，１２に１，４−ジオキサン以外の有機物質も吸着された場合には、その有機物質も脱着される。脱着処理において各処理槽１０，２０内に供給されるクリーンスチームの温度は、例えば１００℃〜１４０℃である。脱着処理にて脱着された１，４−ジオキサンはクリーンスチームとともに脱着ガスとしてクリーンスチーム排出ラインＬ４より各処理槽１０，２０の外部に排出され、凝縮器３０にて凝縮される。１，４−ジオキサン以外の有機物質も脱着された場合には、脱着ガスにはその有機物質も含まれる。
【００３２】
凝縮器３０は、脱着ガスを冷却する装置であれば、脱着ガスの冷却方法は特に限定されない。例えば、冷却水、工業用水、冷水、ブラインなどの冷媒と脱着ガスとを間接的に接触させて、熱交換により脱着ガスを液化凝縮させる装置（熱交換器）を用いることができる。本実施形態では、冷媒として処理対象の地下水を用いており、地下水は凝縮器３０にて脱着ガスとの熱交換後、処理槽１０，２０にて吸着処理される。冷媒として地下水を用いることで、脱着ガスを冷却するための冷媒を別途用いる必要がなく、効率的である。
【００３３】
クリーンスチーム発生装置４０は、例えばステンレス製の配管６０を介して純水製造装置５０に接続されている。クリーンスチーム発生装置４０としては、特に限定されるものではなく、食品分野や医療分野などで用いられている従来から公知の装置、例えば、ボイラーで発生させた一般蒸気を熱源として、ステンレス製の熱交換器でクリーンスチームを発生させるリボイラーの様式のものなど、を用いることができる。
【００３４】
純水製造装置５０は、水から不純物を取り除いて純水を製造する装置である。純水を製造する原料となる水は、例えば水道水などを用いることができる。純水製造装置５０としては、特に限定されるものではなく、例えば、フィルター、活性炭、イオン交換樹脂、ＲＯ膜（逆浸透膜）、蒸留器、ＥＤＩなどの従来から公知の手段あるいはこれらの手段の２種以上の組み合わせにより、純水を製造することができる。純水は、製法により水質は異なるが、純度が１００％に近い水が好ましく、例えば、電気抵抗率が０．１ＭΩ・ｃｍ以上１５ＭΩ・ｃｍ以下の水が好ましい。
【００３５】
本実施形態の水処理装置１００においては、処理対象の地下水量に応じて、吸着素子１１，１２による１，４−ジオキサンの吸着工程及び吸着素子１１，１２に対する１，４−ジオキサンの脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を変更できるように、運転制御されている。つまり、例えば処理水を食品製造用水として使用する場合、処理水の使用量は例えば時間ごとあるいは日ごとに変動するので、その都度、地下水の揚水量（処理対象の地下水量）に変動が生じる。そこで、地下水の揚水量（処理対象の地下水量）に応じて、前記吸脱着繰り返し周期を変更することで、後述するように、単位時間当たりの吸着素子１１，１２の脱着回数を減少させることができる。その結果、吸着素子１１，１２の脱着処理（さらには脱水処理）に要するクリーンスチームの使用量を減らすことができ、クリーンスチーム発生装置４０での消費電力及び消費水量を減らすことができるので、省エネルギーを実現している。
【００３６】
具体的に説明すると、地下水導入ラインＬ１に例えば電磁式流量計などの流量計Ｓ１を設置して、単位時間当たりの処理対象の地下水量を測定する。処理対象の地下水量に変動が生じると、ポンプＰを制御して、処理槽１０，２０の吸着素子１１，１２に通流させる単位時間当たりの地下水の通水量を調整し、地下水の通水量は流量計Ｓ２を用いて測定し、地下水の通水量に応じて所望の１，４−ジオキサンの吸着性能を得られる吸着時間となるように吸脱着繰り返し周期を決定し、決定された吸脱着繰り返し周期に応じて、バルブＶ１〜Ｖ１０の開閉操作を行うことができるコンピュータなどの制御手段７０を設置して、水処理装置１００を制御する。
【００３７】
例えば、処理対象の地下水量が減少した場合、吸着素子１１，１２への地下水の通水量を下げ、その分、吸着素子１１，１２による吸着時間を長くして吸脱着繰り返し周期を長くすることで、吸着素子１１，１２による１，４−ジオキサンの吸着性能を維持したまま、単位時間当たりの吸着素子１１，１２の脱着回数が減少する。また、処理対象の地下水量が減少した場合、吸着素子１１，１２への地下水の通水量を変更せず、かつ、吸着工程において吸着素子１１，１２による吸着時間も変更しないまま吸着処理後に待機時間をとって吸脱着繰り返し周期を長くすることで、吸着素子１１，１２による１，４−ジオキサンの吸着性能を維持したまま、単位時間当たりの吸着素子１１，１２の脱着回数が減少する。ここで、脱着処理では、吸着素子１１，１２に対して、毎回同じ量のクリーンスチームを供給することになる。例えば、吸着素子１１，１２の重量が１０ｋｇであり、その２倍の重量のクリーンスチームを脱着処理に使用する場合、脱着処理では常に１回当たり２０ｋｇのクリーンスチームを使用することになる。吸着時間を長くする、あるいは、吸着処理後に待機時間をとり、単位時間当たりの脱着回数を減らすことで、クリーンスチームの使用量を削減することができるうえ、クリーンスチーム発生装置４０にてクリーンスチームを製造するために必要な消費電力及び消費水量を減らすことができるので、水処理装置１００全体で、省エネルギー（低コスト）を実現することができる。吸着素子１１，１２への地下水の通水量や吸脱着繰り返し周期は、処理すべき地下水の量や所望の１，４−ジオキサンの吸着性能を達成できる条件に基づき、制御手段７０により変更制御される。
【００３８】
以上、図１を用いて説明した本実施形態の水処理システムＳ及び水処理装置１００では、説明の簡略のため、ポンプやファンなどの流体搬送手段やストレージタンクなどの流体貯留手段などの構成要素を示していないが、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。
【００３９】
［実施形態２］
図２は、本発明に係る水処理装置を備えた水処理システムの他の実施形態の概略構成を示している。なお、本実施形態の水処理システムＳ’は、水処理装置１００と、水処理装置１００にクリーンスチームを供給するクリーンスチーム発生装置４０と、純水を製造する純水製造装置５０とを備えていて、基本的な構成は、上述した実施形態１で説明した水処理システムＳの構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。
【００４０】
一方で、本実施形態の水処理システムＳ’は、実施形態１の水処理システムＳに対して、以下の通り、水処理装置１００の制御方法が異なる。つまり、実施形態１の水処理システムＳでは、水処理装置１００は、処理対象の地下水量に応じて１サイクルの吸脱着繰り返し周期を変更できるように運転制御されるのに対して、本実施形態では、水処理装置１００は、処理対象の地下水の１，４−ジオキサン濃度に応じて、吸着素子１１，１２による１，４−ジオキサンの吸着工程及び吸着素子１１，１２に対する１，４−ジオキサンの脱着工程を１回ずつ実行する１サイクルの吸脱着繰り返し周期を変更できるように運転制御される。つまり、例えば処理水を食品製造用水として使用する場合、処理水の１，４−ジオキサン濃度は季節などで変動する。そこで、地下水の１，４−ジオキサン濃度に応じて、前記吸脱着繰り返し周期を変更することで、後述するように、単位時間当たりの吸着素子１１，１２の脱着回数を減少させることができる。その結果、吸着素子１１，１２の脱着処理（さらには脱水処理）に要するクリーンスチームの使用量を減らすことができ、クリーンスチーム発生装置４０での消費電力及び消費水量を減らすことができるので、省エネルギーを実現している。
【００４１】
具体的に説明すると、地下水導入ラインＬ１に例えば全有機体炭素計（ＴＯＣ計）やヘッドスペース−ガスクロマトグラフ質量分析装置などの濃度計Ｃを設置して、単位時間当たりの処理対象の１，４−ジオキサン濃度を測定する。処理対象の１，４−ジオキサン濃度に変動が生じると、ポンプＰを制御して、処理槽１０，２０の吸着素子１１，１２に通流させる単位時間当たりの地下水の通水量を調整し、地下水の通水量は流量計Ｓを用いて測定し、地下水の通水量に応じて所望の１，４−ジオキサンの吸着性能を得られる吸着時間となるように吸脱着繰り返し周期を決定し、決定された吸脱着繰り返し周期に応じて、バルブＶ１〜Ｖ１０の開閉操作を行うことができるコンピュータなどの制御手段７０を設置して、水処理装置１００を制御する。
【００４２】
例えば、処理対象の１，４ージオキサン濃度が減少した場合、吸着素子１１，１２による吸着時間を長くして吸脱着繰り返し周期を長くすることで、吸着素子１１，１２による１，４−ジオキサンの吸着性能を維持したまま、単位時間当たりの吸着素子１１，１２の脱着回数が減少する。例えば、吸着素子１１，１２の重量が１０ｋｇであり、その２倍の重量のクリーンスチームを脱着処理に使用する場合、脱着処理では常に１回当たり２０ｋｇのクリーンスチームを使用することになる。吸着時間を長くして、単位時間当たりの脱着回数を減らすことで、クリーンスチームの使用量を削減することができるうえ、クリーンスチーム発生装置４０にてクリーンスチームを製造するために必要な消費電力及び消費水量を減らすことができるので、水処理装置１００全体で、省エネルギー（低コスト）を実現することができる。吸着素子１１，１２への地下水の通水量や吸脱着繰り返し周期は、処理すべき地下水の量や所望の１，４−ジオキサンの吸着性能を達成できる条件に基づき、制御手段７０により変更制御される。
【００４３】
なお、１サイクルの吸脱着繰り返し周期を、処理対象の地下水量及び地下水中の１，４−ジオキサン濃度の両方に応じて制御してもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態についてそれぞれ説明したが、上述した各実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないため、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。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全ての変更を含むものであり、よって、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４５】
例えば、上述した各実施形態では、水処理装置１００は、吸着素子が複数（図１では２つ）の処理槽にそれぞれ収容され、吸着工程を行う部位（処理槽）と脱着工程を行う部位（処理槽）とを交互に切り替える、前記吸着素子の前記脱着工程が行われた部分を前記吸着工程を行う部分に移行させるとともに、前記吸着素子の前記吸着工程が行われた部分を前記脱着工程を行う部分に移行させる操作が繰り返し実施されることで、吸着素子による吸着工程が連続して行われる構成となっている。しかし、吸着素子を回転可能とし、吸着素子の回転により、吸着工程で１，４−ジオキサンを吸着した吸着素子の部位を脱着工程へ移行させるようにし、脱着工程で１，４−ジオキサンが脱着された吸着素子の部位を吸着工程へ移行させる操作を繰り返し実施するように水処理装置１００を構成することによっても、水処理装置１００として吸着素子による吸着工程を連続して行うことが可能である。
【００４６】
また、必ずしも吸着素子による吸着工程が連続して行われるように水処理装置１００を構成する必要はなく、処理槽を１つとし、脱着工程中は処理槽への地下水の供給を一時的にストップしてタンクなどに貯水し、脱着工程後の吸着工程で一時的に貯水された地下水も併せて吸着処理する構成としてもよい。
【実施例】
【００４７】
以下に本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例では、実施形態１で説明した水処理システムＳを用いた。なお、評価は下記の方法により行った。
【００４８】
（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（ｍ２／ｇ）を求めた。
【００４９】
（細孔容積）
細孔容積は、相対圧０．９５における窒素ガスの気体吸着法により測定した。
【００５０】
（平均細孔径）
平均細孔径は、以下の式で求めた。
ｄｐ＝４００００Ｖｐ／Ｓ（ただし、ｄｐ：平均細孔径（Å）、Ｖｐ：細孔容積（ｃｃ／ｇ）、Ｓ：ＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）である。）
【００５１】
（処理条件及び設計条件）
本発明の実施例の説明にあたり、地下水の１，４−ジオキサン濃度は０．２ｍｇ／Ｌ、水温は１７℃、吸着素子への通水量を２２０Ｌ／ｈとした場合の処理条件において、地下水中の１，４−ジオキサンの処理性能として、地下水中の１，４−ジオキサン除去率を９０％以上確保できる水処理装置の設計条件を以下に示す。水処理装置は、図１に示す実施形態１の通りに吸着素子をそれぞれ有する処理槽を２つ備えた構成とし、吸着素子は、平均細孔径が１７．２（Å）、ＢＥＴ比表面積が２０５０ｍ２／ｇ、全細孔容積が０．８７ｍ３／ｇの活性炭素繊維の不織布を２０ｋｇ積層したものを用いた。また、脱水処理及び脱着処理で使用するクリーンスチームは０．１ＭＰａ、１２０℃の条件で一定速度で供給した。吸脱着繰り返し周期は、図３に示す通り、吸着工程が２０ｍｉｎ、脱着工程が２０ｍｉｎ（自重抜き時間：５ｍｉｎ、脱水時間：３ｍｉｎ、脱着時間：９ｍｉｎ、待機時間：３ｍｉｎ）とした。脱着工程後に排出される脱着ガスは、図１に示す通り、地下水にて間接的に液化凝縮され、濃縮水として排出される。この設計条件における使用冷却水（脱着ガスの冷却水）は０ｍ３／ｈ、クリーンスチームの使用量は１．５ｋｇ／ｈ、濃縮水量は１．７Ｌ／ｈであった。濃縮水は、産廃で二次処理されるものとした。冷却水単価は１０円／ｍ３、クリーンスチーム単価は４円／ｋｇ、産廃単価は２０円／Ｌとすると、単位処理水量当りの冷却水コストは０円／ｍ３、クリーンスチームコストは２７円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは１５５円／ｍ３となった。
【００５２】
（１，４−ジオキサンの除去効果）
各処理槽の入口及び出口の１，４−ジオキサン濃度をヘッドスペース−ガスクロマトグラフ質量分析法により定量した。水処理における１，４−ジオキサンの除去率（％）は、１００−（処理水中の１，４−ジオキサン濃度／処理対象の地下水中の１，４−ジオキサン濃度）×１００とした。
【００５３】
［実施例１］
上述の設計条件において、処理対象の地下水量の減少に伴い、吸着素子への通水量を１１０Ｌ／ｈに低下した場合に、脱着工程の待機時間を２３ｍｉｎに変更して脱着工程を吸着工程とともに４０ｍｉｎとする吸脱着繰り返し周期の操作条件に変更する制御を導入した。上述の制御においても、設計条件と同等（除去率が９０％以上）の地下水中の１，４−ジオキサンの処理性能を実現できるうえで、上記の制御により、吸脱着繰り返し周期が長くなり、吸着素子に対する単位時間当たりの脱着回数が減るため、クリーンスチームの使用量が０．７５ｋｇ／ｈとなり、設計条件に対して５０％以上削減でき、濃縮水量も０．８５Ｌ／ｈ以下と設計条件に対して２倍以上の濃縮が可能であった。一方で、単位処理水量当たりの冷却水コストは０円／ｍ３、クリーンスチームコストは２７円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは１５５円／ｍ３となり、設計条件とほぼ同じコストでの処理を維持できた。
【００５４】
［実施例２］
上述の設計条件において、処理対象の地下水量の減少に伴い、吸着素子への通水量を５５Ｌ／ｈに低下した場合に、脱着工程の待機時間を６３ｍｉｎに変更して脱着工程を吸着工程とともに８０ｍｉｎとする吸脱着繰り返し周期の操作条件に変更する制御を導入した。上述の制御においても、設計条件と同等（除去率が９０％以上）の地下水中の１，４−ジオキサンの処理性能を実現できるうえで、上記の制御により、吸着素子に対する単位時間当たりの脱着回数が実勢例１よりもさらに減るため、クリーンスチームの使用量が０．４ｋｇ／ｈとなり、設計条件に対して７０％以上削減でき、濃縮水量も０．４５Ｌ／ｈ以下と設計条件に対して３．７倍以上の濃縮が可能であった。一方で、単位処理水量当たりの冷却水コストは０円／ｍ３、クリーンスチームコストは２９円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは１６３円／ｍ３となり、設計条件とほぼ同じコストでの処理を維持できた。
【００５５】
［比較例１］
上述の設計条件において、本発明における制御を導入しなかった場合に、設計条件記載の処理条件から、処理対象の地下水量の減少に伴い、吸着素子への通水量を１１０Ｌ／ｈに低下した場合には、クリーンスチームの使用量は１．５ｋｇ／ｈ、濃縮水量は１．７Ｌ／ｈ以下であり、実施例１と比較して、２倍のクリーンスチームの使用量が必要であり、２倍の量の濃縮水が排出された。また、単位処理水量当たりの冷却水コストは０円／ｍ３であるが、クリーンスチームコストは５４円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは３０９円／Ｌとなり、設計条件の約２倍のコストを要した。
【００５６】
［比較例２］
上述の設計条件において、本発明における制御を導入しなかった場合に、設計条件記載の処理条件から、処理対象の地下水量の減少に伴い、吸着素子への通水量を５５Ｌ／ｈに低下した場合には、クリーンスチームの使用量は１．５ｋｇ／ｈ、濃縮水量は１．７Ｌ／ｈ以下であり、実施例１と比較して、２倍のクリーンスチームの使用量が必要であり、２倍の量の濃縮水が排出された。また、単位処理水量当たりの冷却水コストは０円／ｍ３であるが、クリーンスチームコストは１０９円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは６１８円／Ｌとなり、設計条件の約４倍のコストを要した。
【００５７】
［比較例３］
上述の設計条件において、処理対象の地下水量の減少に伴い、吸着素子への通水量を１１０Ｌ／ｈに低下した場合に、待機時間を２３ｍｉｎに変更して脱着工程を吸着工程とともに４０ｍｉｎとする吸脱着繰り返し周期の操作条件に変更する制御を導入した。しかし、脱着ガスを冷却するための冷却水として、冷却塔から供給される冷却水(水温３２℃)を使用し、処理対象の地下水は、脱着ガスとの熱交換を行うことなく、直接吸着素子へ通流させた。上記の制御により、吸着素子に対する単位時間当たりの脱着回数が減るため、クリーンスチームの使用量が０．７５ｋｇ／ｈとなり、設計条件に対して５０％以上削減でき、濃縮水量も０．８５Ｌ／ｈ以下と設計条件に対して２倍以上の濃縮が可能であった。しかし、冷却水の使用量は０．４ｍ３／ｈであった。そのため、クリーンスチームコストは２７円／ｍ３、濃縮水の二次処理コストは１５５円／ｍ３と設計条件とほぼ同じコストである一方で、単位処理水量当たりの冷却水コストは３６円／ｍ３となり、設計条件以上のコストを要した。
【００５８】
以上の結果から、実施例１，２は、比較例１，２と比べて、クリーンスチームの使用量が少なく、濃縮水量も少ないことが分かる。よって、本発明における制御を導入した実施例１，２では、本発明における制御を導入しなかった比較例１，２に比べて、脱着処理に必要なエネルギーが低減できるうえ、濃縮水の処理エネルギーを低減できることが確認される。よって、水処理装置全体で、省エネルギー（低コスト）にて水処理が可能であることが確認される。また、実施例１，２は、本発明における制御を導入することで、処理対象の地下水量が変動しても、設計条件とほぼ同じコストでの処理を実現できることが確認された。
【００５９】
さらに、実施例１，２は、比較例３と比べて、脱着ガスを冷却するための冷却水として、処理対象の地下水を用いることで、冷却水の使用量を削減できることが分かる。よって、低コストにて水処理が可能であることが確認される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明による水処理装置、水処理システム及び水処理方法は、例えば食品製造に使用する食品製造用水を製造する目的で、地下水中から１，４−ジオキサンを除去する装置、システム及び方法に好適に利用することができ、産業界に大いに寄与できる。
【符号の説明】
【００６１】
１０    処理槽
１１    吸着素子
１２    吸着素子
２０    処理槽
３０    凝縮器
４０    クリーンスチーム発生装置
５０    純水製造装置
７０    制御手段
１００  水処理装置
Ｌ１    地下水導入ライン（水流通部）
Ｌ２    処理水排出ライン（水流通部）
Ｌ３    クリーンスチーム供給ライン（クリーンスチーム通気部）
Ｌ４    クリーンスチーム排出ライン
Ｌ５    還流ライン（返送ルート）
Ｖ１〜Ｖ１０  バルブ
Ｓ，Ｓ’  水処理システム
【図１】
2018051503.tif 000003
【図２】
2018051503.tif 000004
【図３】
2018051503.tif 000005