(57)【要約】【課題】処理済水の品質の低下を防ぐための技術を提供する。【解決手段】本開示の水処理装置（１００）は、光反応槽（２）、分離槽（３）、光源（２１）、濾過膜（３１）、供給路（６）、移送路（７）、返送路（８）及び排出路（９）を備えている。供給路（６）は、光反応槽（２）に汚染水を供給するための流路である。移送路（７）は、光反応槽（２）から分離槽（３）にスラリー液を移すための流路である。返送路（８）は、分離槽（３）から光反応槽（２）にスラリー液を戻すための流路である。排出路（９）は、濾過膜（３１）を通じて処理済水を外部に排出するための流路である。返送路（８）におけるスラリー液の流量（ｖ３）に対する排出路（９）における処理済水の流量（ｖ４）の比率（ｖ４／ｖ３）を変更することによって光反応槽（２）における光触媒粒子の濃度（ｎ１）が調節される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留する第１槽と、
前記第１槽に接続され、前記第１槽に汚染水を供給するための流路である第１流路と、
前記第１槽の中の前記光触媒粒子に光を照射する光源と、
前記第１槽に接続された第２槽と、
前記第２槽の内部に配置された濾過膜と、
前記第１槽と前記第２槽とを接続しており、前記第１槽から前記第２槽に前記スラリー液を移すための流路である第２流路と、
前記第２槽と前記第１槽とを接続しており、前記第２槽から前記第１槽に前記スラリー液を戻すための流路である第３流路と、
前記第２槽に接続され、前記濾過膜を通じて処理済水を外部に排出するための流路である第４流路と、
を備え、
前記第３流路における前記スラリー液の流量に対する前記第４流路における前記処理済水の流量の比率を変更することによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度が調節される、水処理装置。
【請求項２】
前記第２流路又は前記第３流路に配置されたポンプをさらに備えた、請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記第４流路に配置されたポンプをさらに備えた、請求項１又は２に記載の水処理装置。
【請求項４】
前記比率を減少させることによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を上昇させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
前記比率を増加させることによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を低下させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項６】
前記第１槽に取り付けられ、前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を測定する濃度測定装置をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記濃度測定装置によって測定された前記光触媒粒子の濃度が閾値範囲に収まるように前記比率が調節される、請求項６に記載の水処理装置。
【請求項８】
光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留している第１槽に汚染水を供給することと、
前記第１槽の中の前記光触媒粒子に光を照射することと、
前記第１槽から前記第２槽に前記スラリー液を移すことと、
前記第２槽から前記第１槽に前記スラリー液を戻すことと、
前記第２槽に配置された濾過膜を通じて処理済水を外部に排出することと、
前記第２槽から前記第１槽へと戻される前記スラリー液の流量に対する前記第２槽から前記外部へと排出される前記処理済水の流量の比率を変更して前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を調節することと、
を含む、水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水処理装置及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光触媒を用いた水処理装置が提案されている。従来の水処理装置において、処理されるべき水に二酸化チタン粒子などの光触媒粒子が懸濁される。光触媒粒子を含む水が紫外線ランプの周囲を通過することによって水が処理される。
【０００３】
特許文献１に記載された水処理装置は、処理槽及び分離槽を備えている。処理槽に紫外線ランプが配置されている。分離槽に限外濾過膜が配置されている。浄化された水が処理槽から分離槽に移される。限外濾過膜の働きによって、二酸化チタン粒子が水から分離される。これにより、浄化された水が外部へと排出される。
【０００４】
特許文献２〜４にも光触媒を用いた水処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２１２５６１０号公報
【特許文献２】特許第５１１１６９０号公報
【特許文献３】特開平９−２９０１６５号公報
【特許文献４】特開２０００−２７１４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の水処理装置においては、運転中に光触媒粒子の濃度が変動して処理済水の品質が低下することがある。
【０００７】
本開示の目的は、処理済水の品質の低下を防ぐための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本開示は、
光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留する第１槽と、
前記第１槽に接続され、前記第１槽に汚染水を供給するための流路である第１流路と、
前記第１槽の中の前記光触媒粒子に光を照射する光源と、
前記第１槽に接続された第２槽と、
前記第２槽の内部に配置された濾過膜と、
前記第１槽と前記第２槽とを接続しており、前記第１槽から前記第２槽に前記スラリー液を移すための流路である第２流路と、
前記第２槽と前記第１槽とを接続しており、前記第２槽から前記第１槽に前記スラリー液を戻すための流路である第３流路と、
前記第２槽に接続され、前記濾過膜を通じて処理済水を外部に排出するための流路である第４流路と、
を備え、
前記第３流路における前記スラリー液の流量に対する前記第４流路における前記処理済水の流量の比率を変更することによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度が調節される、水処理装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の技術によれば、処理済水の品質の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る水処理装置の構成図である。
【図２】図２は、制御器のブロック図である。
【図３】図３は、二酸化チタンの濃度と反応速度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける水の収支を示す図である。
【図５】図５は、返送路におけるスラリー液の流量ｖ３と光反応槽における光触媒粒子の濃度ｎ１との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、水処理装置を運転するために制御器において実行される処理を示すフローチャートである。
【図７Ａ】図７Ａは、流量調節を行うことなく水処理装置の運転を継続したときの光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度の変化を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、流量調節を行うことなく水処理装置の運転を継続したときの処理済水中の三価ヒ素の濃度の変化を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、本実施形態の水処理装置の光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度の変化を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本実施形態の水処理装置を用いて生成された処理済水中のアトラジンの濃度の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、変形例に係る水処理装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
光触媒を用いた水処理装置において、水処理の効率は、複数の要因によって低下する。１つの要因として、光触媒粒子の濃度が運転中に変動することが挙げられる。光触媒粒子の濃度には最適値が存在し、濃度が低すぎても高すぎても処理効率が低下する。水処理装置の運転前に光触媒粒子の濃度を最適値に設定したとしても、種々の現象によって光触媒粒子の濃度が変動する。例えば、光触媒粒子が濾過膜に堆積することによって光触媒粒子の濃度が低下する。光触媒粒子が槽の底部に沈殿及び堆積することによって光触媒粒子の濃度が低下することもある。濾過膜から光触媒粒子が剥離し、光触媒粒子の濃度が上昇することもある。水の流動によって光触媒粒子が槽の底部から巻き上げられ、光触媒粒子の濃度が上昇することもある。
【００１２】
光触媒粒子の濃度が運転中に変動すると、水処理装置の処理機能が低下する。水処理装置の処理機能が低下すると、汚染物質を十分に取り除くことができず、処理済水の品質が低下する。
【００１３】
従来の水処理装置においては、光触媒粒子の濃度を運転中に監視し、光触媒粒子の濃度を適切な値に保つための工夫はなされていない。
【００１４】
本開示の第１態様に係る水処理装置は、
光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留する第１槽と、
前記第１槽に接続され、前記第１槽に汚染水を供給するための流路である第１流路と、
前記第１槽の中の前記光触媒粒子に光を照射する光源と、
前記第１槽に接続された第２槽と、
前記第２槽の内部に配置された濾過膜と、
前記第１槽と前記第２槽とを接続しており、前記第１槽から前記第２槽に前記スラリー液を移すための流路である第２流路と、
前記第２槽と前記第１槽とを接続しており、前記第２槽から前記第１槽に前記スラリー液を戻すための流路である第３流路と、
前記第２槽に接続され、前記濾過膜を通じて処理済水を外部に排出するための流路である第４流路と、
を備えたものであり、
前記第３流路における前記スラリー液の流量に対する前記第４流路における前記処理済水の流量の比率を変更することによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度が調節される。
【００１５】
第１態様によれば、第１槽（光反応槽）における光触媒粒子の濃度が適切に調節されるので、第１槽において効率的な水処理が行われる。したがって、高品質の処理済水を生成し続けることができる。
【００１６】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る水処理装置は、前記第１槽と前記第２槽との間において、前記第２流路又は前記第３流路に配置されたポンプをさらに備えている。このポンプの働きによって、第１槽（光反応槽）から第２槽（分離槽）にスラリー液を移すことができる。
【００１７】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る水処理装置は、前記第４流路に配置されたポンプをさらに備えている。このポンプによって、処理済水を水処理装置の外部へと取り出すことができる。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係る水処理装置では、前記比率を減少させることによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を上昇させる。第４態様によれば、第１槽（光反応槽）における光触媒粒子の濃度が適正な範囲に調節される。
【００１９】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係る水処理装置では、前記比率を増加させることによって前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を低下させる。第５態様によれば、第１槽（光反応槽）における光触媒粒子の濃度が適正な範囲に調節される。
【００２０】
本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つに係る水処理装置は、前記第１槽に取り付けられ、前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を測定する濃度測定装置をさらに備えている。第６態様によれば、水処理装置の運転中において、第１槽（光反応槽）における光触媒粒子の濃度を正確に測定することができる。
【００２１】
本開示の第７態様において、例えば、第６態様に係る水処理装置では、前記濃度測定装置によって測定された前記光触媒粒子の濃度が閾値範囲に収まるように前記比率が調節される。第７態様によれば、光触媒粒子の濃度が適切に調節されるので、第１槽（光反応槽）において効率的な水処理が行われる。したがって、高品質の処理済水を生成し続けることができる。
【００２２】
本開示の第８態様に係る水処理方法は、
光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留している第１槽に汚染水を供給することと、
前記第１槽の中の前記光触媒粒子に光を照射することと、
前記第１槽から前記第２槽に前記スラリー液を移すことと、
前記第２槽から前記第１槽に前記スラリー液を戻すことと、
前記第２槽に配置された濾過膜を通じて処理済水を外部に排出することと、
前記第２槽から前記第１槽へと戻される前記スラリー液の流量に対する前記第２槽から前記外部へと排出される前記処理済水の流量の比率を変更して前記第１槽における前記光触媒粒子の濃度を調節することと、
を含むものである。
【００２３】
第８態様によれば、第１槽（光反応槽）における光触媒粒子の濃度が適切に調節されるので、第１槽において効率的な水処理が行われる。したがって、高品質の処理済水を生成し続けることができる。
【００２４】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態の水処理装置１００は、光反応槽２、分離槽３、供給路６、移送路７、返送路８及び排出路９を備えている。供給路６は光反応槽２に接続されている。移送路７及び返送路８によって、光反応槽２及び分離槽３が互いに接続されている。排出路９は分離槽３に接続されている。供給路６を通じて、水処理装置１００の外部から光反応槽２に汚染水が供給される。排出路９を通じて、分離槽３から水処理装置１００の外部へと処理済水が排出される。
【００２６】
水処理装置１００は、さらに、濃度測定装置４、圧力計５、導入ポンプ１１、導入流量計１２、制御器１３、圧縮機１９、光源２１、水位計２２、濾過膜３１、循環ポンプ７１、循環流量計７２、濾過ポンプ８１及び濾過流量計８２を備えている。
【００２７】
＜光反応槽２＞
光反応槽２は、汚染水導入口２３、第１排出口２４及び第１導入口２５を有する。汚染水導入口２３に供給路６が接続されている。第１排出口２４に移送路７が接続されている。第１導入口２５に返送路８が接続されている。光反応槽２は、金属、樹脂などの耐食性材料で作られている。光反応槽２には、光源２１及び水位計２２が取り付けられている。光反応槽２は「第１槽」とも表記される。
【００２８】
光反応槽２は、光触媒粒子及び水を含むスラリー液を貯留する。導入ポンプ１１を動作させると、汚染水導入口２３を通じて光反応槽２に不純物を含む汚染水が導入される。「不純物」は、人に有害な物質を意味する。不純物は、例えば、３価ヒ素などのヒ素、６価クロムなどのクロムを含む金属、臭素酸などのハロゲン化物、医薬品に含まれる有機物、農薬に含まれる有機物、又は、微生物を含む物質である。汚染水は、不純物が溶解しているスラリー液である。
【００２９】
光触媒粒子は、光源２１から光を受け付け、汚染水に含まれた不純物を処理する。汚染水は、第１処理済水に変化する。第１処理済水は、光触媒粒子、処理された不純物及び水を含むスラリー液であり、第１排出口２４を通じて移送路７に排出される。処理された不純物には、酸化還元反応によって生じたイオン、及び、分解生成物が含まれる。汚染水に含まれた不純物を除去することには、不純物を酸化還元反応によって無毒化することが含まれる。不純物が有機物である場合、その不純物を分解し、無毒化された不純物を含む水溶液を生成することも、汚染水に含まれた不純物を除去することに含まれる。
【００３０】
光反応槽２には、返送路８及び第１導入口２５を通じて、分離槽３からスラリー液が戻される。このスラリー液は、第１処理済水から第２処理済水が分離されることによって生成されたスラリー液であり、光触媒粒子及び水を含んでいる。
【００３１】
光触媒粒子は、例えば、二酸化チタン粒子、酸化亜鉛粒子、酸化タングステン粒子又は酸化鉄粒子である。これらから選ばれる１種又は２種以上が水処理装置１００に使用されうる。これらの光触媒粒子は、ゼオライト粒子などの支持体に担持されていてもよい。光触媒粒子は、汚染水に含まれた不純物を光触媒反応によって除去する。
【００３２】
光触媒粒子の光触媒反応について詳細に説明する。例えば、二酸化チタンに紫外線の波長範囲を有する光が照射されると、励起電子と正孔とが生成される。正孔と水分子とが反応すると、強い酸化力を持つＯＨラジカル（活性酸素）が生成される。励起電子又は活性酸素は、不純物の酸化還元反応を引き起こす。これにより、医薬品に含まれた有機物、農薬に含まれた有機物、微生物などの有害物質が分解される。あるいは、有害金属が除去されやすい状態に変化する。例えば、活性酸素は、３価ヒ素を５価ヒ素に変化させる。５価ヒ素は、吸着剤に吸着されやすい。励起電子は、６価クロムを３価クロムに変化させる。３価クロムは、沈殿によって除去されやすい。光触媒粒子に光が照射されたときに起こる光触媒反応によって不純物が処理される。有害金属は、除去されやすい状態に変化した後、吸着工程、沈殿工程などの別の工程において除去される。
【００３３】
光触媒粒子は、上記の例に限定されない。水処理装置１００の内部を流動することができ、かつ、光触媒反応によって不純物を処理できる限り、他の公知の光触媒粒子も使用されうる。
【００３４】
＜光源２１＞
光源２１は、例えば、低圧水銀ランプ、中圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、エキシマランプ、キセノンランプ、太陽光、ブラックライト又はＬＥＤである。本実施形態において、光源２１は、光反応槽２の内部に配置されている。光源２１は、光反応槽２の上面から下面まで延びる円柱の形状を有する。光源２１は、光反応槽２の中の光触媒粒子に紫外線を照射する。紫外線の波長範囲は、例えば、２００〜４００ｎｍである。光源２１は、単色光を出力してもよいし、連続光を出力してもよい。
【００３５】
光触媒粒子の材料が二酸化チタンである場合、光源２１は、光触媒粒子に紫外線の波長範囲を有する光を照射することによってＯＨラジカルを発生させる。ＯＨラジカルは、除去対象物と反応することによって、汚染水から不純物を除去する。
【００３６】
光源２１は、光反応槽２の外部に配置されていてもよい。この場合、光源２１から発せられた光は、光反応槽２を透過して、光反応槽２の中の光触媒粒子に向かって照射される。光反応槽２が紫外線透過性を有する材料で作られている場合、この構成が採用されうる。あるいは、光源２１から発せられた光は、光反応槽２の上方から光反応槽２の中の光触媒粒子に向かって照射される。光反応槽２の上部が開放されている場合、この構成が採用されうる。
【００３７】
＜分離槽３＞
分離槽３は、第１室３ａ、第２室３ｂ、第２導入口３２、第２排出口３３及び処理済水排出口３４を有する。分離槽３の内部には濾過膜３１が配置されている。第１室３ａは濾過膜３１によって囲まれた空間である。第２室３ｂは濾過膜３１によって囲まれていない空間である。第２導入口３２に移送路７が接続されている。第２排出口３３に返送路８が接続されている。処理済水排出口３４に排出路９が接続されている。移送路７を通じて、光反応槽２から分離槽３にスラリー液（第１処理済水）が導入される。スラリー液は、分離槽３の第２室３ｂに貯留される。分離槽３も、金属、樹脂などの耐食性材料で作られている。分離槽３は「第２槽」とも表記される。
【００３８】
濾過膜３１は、例えば、中空糸膜又は平膜であり、光触媒粒子よりも小さい直径の複数の孔を有する。濾過膜３１によって、分離槽３の内部空間が第１室３ａと第２室３ｂとに分割されている。
【００３９】
第１室３ａは、分離槽３の内部空間の一部であって、濾過膜３１によって囲まれた空間である。処理済水排出口３４が第１室３ａに向かって開口している。第２室３ｂは、分離槽３の内部空間の一部であって、濾過膜３１によって囲まれていない空間である。第２導入口３２及び第２排出口３３が第２室３ｂに向かって開口している。
【００４０】
濾過ポンプ８１を動作させると、第１室３ａが減圧される。濾過膜３１は、第２室３ｂに貯留された第１処理済水を濾過して光触媒粒子と第２処理済水とに分離する。第２処理済水は、濾過膜３１を通過した水であって、光触媒粒子を含まない処理済水である。濾過膜３１の働きによって、光触媒粒子が第２室３ｂに残留する。第１室３ａには濾過膜３１を通過した第２処理済水が貯留される。第２処理済水は、処理済水排出口３４及び排出路９を通じて、水処理装置１００の外部に処理済水として排出される。
【００４１】
第２室３ｂに光触媒粒子が残留する。詳細には、光触媒粒子を含むスラリー液が第２室３ｂに貯留される。このスラリー液は、第１処理済水から第２処理済水を分離することによって生成され、光触媒粒子を高い濃度で含む。第２排出口３３を通じて、分離槽３から返送路８にスラリー液が排出される。
【００４２】
分離槽３では、濾過膜３１を用いた濾過が行われる。これにより、第１処理済水から第２処理済水が取り出される。第１処理済水に濾過膜３１を浸漬させた状態で濾過ポンプ８１を動作させて第１室３ａを減圧すると、第２処理済水が第１室３ａに吸引される。第１処理済水に含まれた光触媒粒子の粒径が濾過膜３１の孔の直径よりも大きいので、光触媒粒子は、濾過膜３１を透過できず、第２室３ｂに残留する。
【００４３】
＜供給路６及び排出路９＞
供給路６及び排出路９は、それぞれ、光反応槽２及び分離槽３に接続されている。供給路６に導入ポンプ１１及び導入流量計１２が配置されている。供給路６は、光反応槽２に汚染水を供給するための流路である。排出路９に濾過ポンプ８１及び濾過流量計８２が配置されている。排出路９は、濾過膜３１を通じて処理済水（第２処理済水）を外部に排出するための流路である。供給路６及び排出路９のそれぞれは、少なくとも１つの配管によって構成されている。
【００４４】
＜移送路７及び返送路８＞
移送路７は、光反応槽２の第１排出口２４と分離槽３の第２導入口３２とを接続している。移送路７は、光反応槽２から分離槽３にスラリー液（第１処理済水）を移すための流路である。移送路７には循環ポンプ７１及び循環流量計７２が配置されている。循環ポンプ７１を動作させると、移送路７を通じて、光反応槽２の第１排出口２４から分離槽３の第２導入口３２へと第１処理済水が移される。移送路７は、少なくとも１つの配管によって構成されている。
【００４５】
返送路８は、光反応槽２の第１導入口２５と分離槽３の第２排出口３３とを接続している。返送路８は、分離槽３から光反応槽２にスラリー液を戻すための流路である。分離槽３の水位は、光反応槽２の水位を上回るように調整されている。返送路８を通じて、分離槽３の第２排出口３３から光反応槽２の第１導入口２５へとスラリー液が戻される。返送路８は、少なくとも１つの配管によって構成されていてもよいし、光反応槽２と分離槽３とを隔てる壁に設けられた孔あってもよい。
【００４６】
供給路６は「第１流路」とも表記される。移送路７は「第２流路」とも表記される。返送路８は「第３流路」とも表記される。排出路９は「第４流路」とも表記される。
【００４７】
＜導入ポンプ１１＞
導入ポンプ１１は、供給路６に配置されている。導入ポンプ１１の働きによって、汚染水が汚染水導入口２３を通じて光反応槽２に導入される。導入ポンプ１１は、供給路６における汚染水の流量（単位：リットル／分）を変更できるポンプでありうる。導入ポンプ１１は、例えば、チューブポンプである。チューブポンプは、弾力性を有するチューブと、そのチューブを変形させるローラとを備えている。ローラの回転速度（ｒｐｍ）を変更することによって、チューブから押し出される液体の流量を調節することができる。
【００４８】
＜循環ポンプ７１＞
循環ポンプ７１は、移送路７に配置されている。循環ポンプ７１の働きによって、第１処理済水は、第１排出口２４を通じて光反応槽２から排出され、第２導入口３２を通じて分離槽３に導入される。循環ポンプ７１は、移送路７における第１処理済水の流量（単位：リットル／分）を変更できるポンプでありうる。循環ポンプ７１として、導入ポンプ１１と同じ構造を有するチューブポンプが使用されうる。循環ポンプ７１によって、移送路７における第１処理済水の流量を調節できる。
【００４９】
＜濾過ポンプ８１＞
濾過ポンプ８１は、排出路９に配置されている。濾過ポンプ８１は、例えば、チューブポンプである。濾過ポンプ８１は、例えば、排出路９における処理済水（第２処理済水）の流量が一定になるように制御される。濾過ポンプ８１として、導入ポンプ１１と同じ構造を有するチューブポンプが使用されうる。濾過ポンプ８１によって、処理済水を水処理装置１００の外部へと取り出すことができる。
【００５０】
濾過ポンプ８１を動作させると第１室３ａの圧力が下がる。第１室３ａの圧力が第２室３ｂの圧力を下回ると、第１処理済水に含まれた水が第２処理済水として濾過膜３１を通過する。第１処理済水に含まれた光触媒粒子は第２室３ｂに残留する。つまり、濾過ポンプ８１は、第２処理済水を第１室３ａに吸引する。濾過ポンプ８１が第１室３ａを減圧し続けると、第２処理済水は、処理済水排出口３４及び排出路９を通じて、水処理装置１００の外部へと排出される。
【００５１】
濾過膜３１の孔の大きさは、光触媒粒子を通さない大きさであれば特に限定されない。濾過膜３１の孔径（平均孔径）が大きすぎると光触媒粒子が濾過膜３１を透過する。濾過膜３１の孔径が小さすぎると濾過時に大きい吸引圧力が必要であり、濾過ポンプ８１に必要以上の負荷がかかる。これらを考慮すると、濾過膜３１の孔の大きさは、例えば、１０〜２００ｎｍの範囲にある。濾過膜３１の平均孔径は、例えば、バブルポイント法によって測定される。
【００５２】
＜圧縮機１９＞
圧縮機１９は、水処理装置１００の運転中において、光反応槽２及び分離槽３に空気の泡を供給する。空気の泡は、光反応槽２及び分離槽３に貯留されたスラリー液を撹拌し、光触媒粒子が沈殿することを防いだり、光触媒がヒドロキシラジカルを発生させるために必要な酸素を供給したりする。圧縮機１９は、分離槽３の濾過膜３１に向けて空気の泡を供給できる。空気の泡によって、濾過膜３１の表面から光触媒粒子が取り除かれる。
【００５３】
＜圧力計５＞
圧力計５は、濾過膜３１と濾過ポンプ８１との間において排出路９に配置されている。圧力計５によって濾過圧力が監視される。「濾過圧力」は排出路９における処理済水の圧力である。濾過圧力によって濾過膜３１に目詰まり等の問題が発生したことを検出できる。例えば、濾過膜３１に目詰まりが発生すると、流量を維持するために濾過圧力が大幅に上昇する。
【００５４】
＜流量計１２，７２及び８２＞
導入流量計１２は、供給路６に配置されている。本実施形態では、導入ポンプ１１と汚染水導入口２３との間に導入流量計１２が位置している。導入流量計１２によって、供給路６における汚染水の流量が検出される。循環流量計７２は、移送路７に配置されている。本実施形態では、循環ポンプ７１と第２導入口３２との間に循環流量計７２が位置している。循環流量計７２によって、移送路７におけるスラリー液（第１処理済水）の流量が検出される。濾過流量計８２は、排出路９に配置されている。本実施形態では、濾過ポンプ８１と水処理装置１００の外部との間に濾過流量計８２が位置している。濾過流量計８２によって、排出路９における処理済水（第２処理済水）の流量が検出される。流量計１２，７２及び８２の種類は特に限定されない。流量計１２，７２及び８２として、電磁式流量計、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、超音波式流量計などの公知の流量計を用いることができる。
【００５５】
＜水位計２２＞
水位計２２は、光反応槽２の内部に配置されており、光反応槽２におけるスラリー液の水位を検出する。水位計２２の種類は特に限定されない。水位計２２は、接触式の水位計であってもよいし、非接触式の水位計であってもよい。接触式の水位計として、フロート式水位計及び静電容量式水位計が挙げられる。非接触式の水位計として、超音波式水位計が挙げられる。
【００５６】
＜濃度測定装置４＞
濃度測定装置４は、光反応槽２に取り付けられ、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を測定する。濃度測定装置４によれば、水処理装置１００の運転中において、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を正確に測定することができる。
【００５７】
濃度測定装置４は、セル４０、光源４１、照度計４２及び制御回路４３を備えている。セル４０が光反応槽２に連通しており、スラリー液がセル４０に流入する。光源４１及び照度計４２は、セル４０に取り付けられており、セル４０の中のスラリー液を介して互いに向かい合っている。光源４１から照度計４２に向かって光が照射され、照度計４２よって透過光の強度Ｉが検出される。制御回路４３は、透過光の強度Ｉに基づき、光触媒粒子の濃度を算出する。
【００５８】
ランベルト・ベールの法則によると、透過光の強度Ｉは、入射光の強度Ｉ0、モル吸光係数ε、媒質のモル濃度ｃ及び媒質の長さＬを用い、下記式（１）で表される。透過光の強度Ｉを測定することによって、媒質のモル濃度ｃを算出することができる。
【００５９】
Ｉ＝Ｉ0・ｅｘｐ（−εｃＬ）・・・（式１）
【００６０】
制御回路４３は、例えば、プロセッサ、メモリ、入出力インターフェースなどを備えたマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路４３は、所定の濃度決定基準を参照し、照度計４２によって検出された透過光の強度Ｉを用いて、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を算出する。所定の濃度決定基準の例は、吸光度と濃度との関係を表した関係式、又は、吸光度と濃度との関係が記述された参照テーブルである。吸光度は、透過光の強度Ｉと入射光の強度Ｉ0とを用いて算出される。制御回路４３は、関係式又は参照テーブルを用い、吸光度に対応する濃度を算出する。所定の濃度決定基準の他の例は、透過光の強度と濃度との関係を表した関係式、又は、透過光の強度と濃度との関係が記述された参照テーブルである。
【００６１】
算出されたモル濃度ｃは、光反応槽２における光触媒粒子の濃度としてそのまま扱われてもよい。あるいは、モル濃度ｃ（ｍｏｌ／リットル）は、他の単位の濃度（ｍｇ／リットル）に換算されてもよい。
【００６２】
制御回路４３の機能は、制御器１３に集約させてもよい。さらに、制御回路４３が制御器１３の機能の一部を担っていてもよい。
【００６３】
＜制御器１３＞
図２に示すように、制御器１３は、演算回路５０、判定回路５１、記憶回路５２及び送受信回路５３を有する。制御器１３は、導入ポンプ１１、光源２１、圧縮機１９、循環ポンプ７１、濾過ポンプ８１などの機器を制御する。制御器１３は、導入流量計１２、循環流量計７２及び濾過流量計８２に電気的に接続されている。流量計１２，７２及び８２の検出信号が制御器１３に入力される。検出信号に基づき、制御器１３は、供給路６における流量、移送路７における流量及び排出路９における流量を特定する。
【００６４】
制御器１３は、例えば、半導体集積回路によって構成されたマイクロコンピュータである。演算回路５０及び判定回路５１は、例えば、マイクロコンピュータのプロセッサユニット６０である。
【００６５】
演算回路５０は、水処理装置１００を運転するためのプログラムを実行する。記憶回路５２は、例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及び大容量ストレージを含む。揮発性メモリの例は、プログラムのワークエリアとして利用されるランダムアクセスメモリである。不揮発性メモリの例は、プログラムが記憶されたリードオンリーメモリである。大容量ストレージの例は、ハードディスクドライブ又はフラッシュメモリである。
【００６６】
送受信回路５３は、制御器１３と濃度測定装置４との間のデータの送受信に使用される回路である。濃度測定装置４は、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を測定し、制御器１３に送信する。また、送受信回路５３は、ポンプなどの機器に制御信号を出力するための回路であり、流量計などの機器から検出信号を取得するための回路である。
【００６７】
判定回路５１は、光反応槽２における光触媒粒子の濃度が閾値範囲に収まっているかどうかを判定する。閾値範囲は、第１閾値と第２閾値とによって定められた範囲である。第１閾値は、光反応槽２における光触媒粒子の濃度の下限値を規定する。第２閾値は、光反応槽２における光触媒粒子の濃度の上限値を規定する。第１閾値及び第２閾値は、水処理装置１００を運転するためのプログラムに記述されており、記憶回路５２に記憶されている。
【００６８】
図３のグラフは、二酸化チタンの濃度（ｍｇ／リットル）と反応速度ｋ（ｍｉｎ-1）との関係を示している。図３のグラフから理解できるように、光触媒粒子の濃度が第１閾値Ｔ１と第２閾値Ｔ２との間に収まっていると高い反応速度（ｋ＞０．９）が達成される。第１閾値Ｔ１は、高い浄化性能が得られない下限濃度である。第２閾値Ｔ２は、高い浄化性能が得られない上限濃度である。第１閾値Ｔ１及び第２閾値Ｔ２は、光触媒の種類、水に含まれた汚染物質の種類、水の温度など応じて適切に定められるべきである。光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１は、例えば、０．１ｇ／リットル〜４ｇ／リットルの範囲に調節される。この場合、第１閾値Ｔ１が０．１ｇ／リットルであり、第２閾値Ｔ２が４ｇ／リットルである。
【００６９】
次に、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を調節する方法を説明する。
【００７０】
図４に示すように、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１は、供給路６における汚染水の流量ｖ１、移送路７におけるスラリー液の流量ｖ２、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３、排出路９における処理済水の流量ｖ４、光反応槽２の容積Ｍ１、分離槽３の容積Ｍ２、及び、光触媒粒子の平均濃度αを用い、下記式（２）で表される。「平均濃度α」は、光触媒粒子が光反応槽２及び分離槽３に平均的に分散していると仮定した場合の濃度を意味する。平均濃度αは、光触媒粒子の総重量（単位：ｇ）を光反応槽２の容積Ｍ１と分離槽３の容積Ｍ２との合計（単位：リットル）で割ることによって求められる。
【００７１】
ｎ１＝α（Ｍ１＋Ｍ２）／（Ｍ１＋（（ｖ４／ｖ３）＋１）Ｍ２）・・・（２）
【００７２】
式（２）において、容積Ｍ１及びＭ２は定数である。流量の比率（ｖ４／ｖ３）が変化すれば、光反応槽２の光触媒粒子の濃度ｎ１も変化する。返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３に対する排出路９における処理済水の流量ｖ４の比率（ｖ４／ｖ３）を変更することによって、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１が調節されうる。
【００７３】
図５のグラフは、式（２）の計算結果を示しており、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３と光触媒粒子の濃度ｎ１との関係を示している。グラフの横軸が流量ｖ３を表している。グラフの縦軸が濃度ｎ１を表している。図５のグラフを得る過程の計算においては、以下の条件を使用した。ただし、本開示は、これらの選択された値に限定されない。
【００７４】
Ｍ１：６リットル
Ｍ２：８リットル
ｖ４：１リットル／ｍｉｎ
α  ：２ｇ／リットル
【００７５】
図５のグラフから理解できるように、流量ｖ３が増加、すなわち、比率（ｖ４／ｖ３）が減少すると濃度ｎ１が上昇する。流量ｖ３が減少、すなわち、比率（ｖ４／ｖ３）が増加すると、濃度ｎ１が低下する。
【００７６】
本実施形態では、濃度ｎ１が第１閾値Ｔ１を下回ると比率（ｖ４／ｖ３）を減少させ、濃度ｎ１が第２閾値Ｔ２を上回ると比率（ｖ４／ｖ３）を増加させる。濃度測定装置４によって測定された光触媒粒子の濃度ｎ１が閾値範囲に収まるように比率（ｖ４／ｖ３）が調節される。光触媒粒子の濃度ｎ１が適切に調節されるので、光反応槽２において効率的な水処理が行われる。したがって、高品質の処理済水を生成し続けることができる。
【００７７】
水処理装置１００において、ｖ３＋ｖ４＝ｖ２の関係が成立する。そのため、式（２）は、流量ｖ２，ｖ３及びｖ４から選ばれる２つの流量によって表現可能である。
【００７８】
次に、水処理装置１００の運転について説明する。
【００７９】
図６のフローチャートは、水処理装置１００を運転するために制御器１３において実行される処理を示している。水処理装置１００の光反応槽２及び分離槽３は、光触媒粒子を含む所定量のスラリー液で予め満たされている。
【００８０】
ステップＳ１において、各種機器を始動させる。具体的には、圧縮機１９を始動し、光反応槽２及び分離槽３に空気を送り、スラリー液を撹拌する。循環ポンプ７１を始動し、スラリー液を光反応槽２及び分離槽３の内部で循環させる。光源２１を点灯させ、汚染水が光反応槽２に導入されたら光触媒による酸化還元反応が直ちに起こるように準備する。
【００８１】
次に、ステップＳ２において、導入ポンプ１１を始動して光反応槽２に汚染水を導入する。汚染水は、例えば、外部の容器から光反応槽２に導入される。光反応槽２の中のスラリー液に向けて光源２１から紫外線が照射されているので、汚染水の処理が直ちに行われる。光触媒粒子の光触媒反応によって、汚染水に含まれた不純物が分解され、汚染水は、第１処理済水に変化する。
【００８２】
次に、ステップＳ３において、濾過ポンプ８１を始動させる。第１処理済水は、循環ポンプ７１によって分離槽３に送られる。濾過ポンプ８１を始動させると、分離槽３の第１室３ａが減圧される。第１室３ａが減圧されると、水が濾過膜３１を透過して第１室３ａに移り、光触媒粒子は濾過膜３１を透過できず第２室３ｂに残留する。処理済水は、濾過ポンプ８１に吸い込まれ、排出路９を通じて、水処理装置１００の外部に排出される。分離槽３の第２室３ｂには、光触媒粒子を高い濃度で含むスラリー液（濃縮水）が残留する。スラリー液は、返送路８を通じて、分離槽３の第２室３ｂから光反応槽２へと戻される。
【００８３】
本実施形態において、供給路６における汚染水の流量ｖ１は、排出路９における処理済水の流量ｖ４に等しい。この場合、流量ｖ３を変更するだけで、比率（ｖ４／ｖ３）を変更することができる。また、水処理装置１００の運転中において、汚染水の流量ｖ１及び処理済水の流量ｖ４は一定である。流量ｖ１及びｖ４の調節が必須でない場合、供給路６及び排出路９の構成を簡素化できる。
【００８４】
次に、ステップＳ４において、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１を測定する。現在の濃度ｎ１は、濃度測定装置４によって測定され、制御器１３に送信される。
【００８５】
ステップＳ５において、濃度ｎ１が第１閾値Ｔ１以上であるかどうかを判断する。濃度ｎ１が第１閾値Ｔ１よりも小さい場合、ステップＳ６において、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３を増加させる。具体的には、循環ポンプ７１の回転数を増加させる。循環ポンプ７１の回転数を増加させると、移送路７におけるスラリー液の流量ｖ２が増加する。移送路７におけるスラリー液の流量ｖ２は、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３に等しいので、流量ｖ２が増加すると流量ｖ３も増加する。図５を参照して説明したように、流量ｖ３が増加すると、比率（ｖ４／ｖ３）が減少し、濃度ｎ１が上昇する。これにより、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１が適正な範囲に調節される。
【００８６】
ステップＳ５において、濃度ｎ１が第１閾値Ｔ１以上である場合、ステップＳ７において、濃度ｎ１が第２閾値Ｔ２以下であるかどうかを判断する。濃度ｎ１が第２閾値Ｔ２よりも大きい場合、ステップＳ８において、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３を減少させる。具体的には、循環ポンプ７１の回転数を減少させる。循環ポンプ７１の回転数を減少させると、移送路７におけるスラリー液の流量ｖ２が減少する。移送路７におけるスラリー液の流量ｖ２は、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３に等しいので、流量ｖ２が減少すると流量ｖ３も減少する。図５を参照して説明したように、流量ｖ３が減少すると、比率（ｖ４／ｖ３）が増加し、濃度ｎ１が低下する。これにより、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１が適正な範囲に調節される。
【００８７】
次に、ステップＳ９において、水処理装置１００の運転を継続するかどうかを判断する。例えば、水処理装置１００の運転スイッチがオフされた場合、ステップＳ１０において、各種機器を停止させ、水処理装置１００の運転を停止させる。それ以外の場合には、ステップＳ４〜ステップＳ８の処理を繰り返し実行する。ステップＳ４〜Ｓ９の処理（機能回復処理）を継続することによって、連続的な水処理が行われる。
【００８８】
循環ポンプ７１の回転数を調節することによって、光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１は、第１閾値Ｔ１と第２閾値Ｔ２との間の範囲に維持される。光触媒粒子の濃度ｎ１が適切に調節されるので、光反応槽２において効率的な水処理が行われる。したがって、高品質の処理済水を生成し続けることができる。処理済水における汚染物質の濃度は常に基準値を下回る。
【００８９】
本実施形態によれば、光反応槽２の液体中（スラリー液）に分散している光触媒粒子に励起光（紫外線）が照射される。この方式は、光反応槽の内壁に固定された光触媒粒子に励起光を照射する方式に比べ、１０倍以上の高い反応効率を達成できる。光触媒粒子の濃度ｎ１が低すぎると光触媒反応の発生数が減少し、反応効率が低下する。光触媒粒子の濃度ｎ１が高すぎるとスラリー液の光透過率が低下し、反応効率が低下する。光反応槽２における光触媒粒子の濃度ｎ１は、望ましくは、０．１ｇ／リットル〜４ｇ／リットルの範囲にある。
【００９０】
本実施形態の水処理装置１００によれば、光触媒粒子を用いた水処理において、処理済水の品質が高いレベルに維持されうる。不適切な濃度のまま水処理を続けると、処理済水における汚染物質の濃度が基準濃度を超えることがある。
【００９１】
図７Ａのグラフは、流量調節を行うことなく水処理装置の運転を継続したときの光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度の変化を示している。図７Ａのグラフにおいて、横軸は、運転開始からの経過時間を表す。縦軸は、光触媒粒子の濃度を表す。図７Ａのグラフから理解できるように、流量調節を行わない場合、光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度は徐々に低下した。
【００９２】
図７Ｂのグラフは、流量調節を行うことなく水処理装置の運転を継続したときの処理済水中の三価ヒ素の濃度の変化を示している。図７Ｂのグラフにおいて、横軸は、運転開始からの経過時間を表す。縦軸は、三価ヒ素の濃度を表す。図７Ｂのグラフから理解できるように、運転を開始した時点において、三価ヒ素の濃度は基準値以下であった。運転を続けると三価ヒ素の濃度は徐々に上昇し、水道水として定められた基準値（水道水基準値上限）を超えた。光触媒粒子の濃度の低下に伴って三価ヒ素の処理能力（汚染物質の除去能力）が低下したと考えられる。三価ヒ素以外の汚染物質も同じ傾向を示すことが予測される。
【００９３】
他方、図８Ａのグラフは、本実施形態の水処理装置の光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度の変化を示している。図８Ａのグラフから理解できるように、比率（ｖ４／ｖ３）の調節によって、光反応槽及び分離槽のそれぞれにおける光触媒粒子の濃度は一定値に保たれていた。
【００９４】
図８Ｂのグラフは、本実施形態の水処理装置を用いて生成された処理済水中のアトラジン（農薬成分）の濃度の変化を示している。図８Ｂのグラフから理解できるように、処理済水におけるアトラジンの濃度も概ね一定値に保たれていた。
【００９５】
本実施形態の水処理装置１００によれば、水道水基準値を満たす処理済水を継続的に製造することができる。
【００９６】
（変形例）
光反応槽２における光触媒粒子の濃度は、所定の最適濃度Ｐに収斂するように調節されてもよい。図３に示すように、最適濃度Ｐは、最も高い反応速度ｋが達成される濃度である。図６のフローチャートのステップＳ５〜ステップＳ８に代えて、以下の処理が実行されてもよい。すなわち、現在の濃度ｎ１が最適濃度Ｐよりも小さい場合、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３を増加させる。流量ｖ３が増加すると、比率（ｖ４／ｖ３）が減少し、濃度ｎ１が上昇する。現在の濃度ｎ１が最適濃度Ｐよりも大きい場合、返送路８におけるスラリー液の流量ｖ３を減少させる。流量ｖ３が減少すると、比率（ｖ４／ｖ３）が増加し、濃度ｎ１が低下する。これにより、濃度ｎ１が常に最適濃度Ｐに近い値に保たれる。
【００９７】
濾過ポンプ８１は、濾過ポンプ制御器を有していてもよい。濾過ポンプ制御器は、排水路９に配置され、濾過流量計８２から流量ｖ４に関する情報を取得する。流量ｖ４が一定に保たれるように、濾過ポンプ制御器によって濾過ポンプ８１の回転数が制御されうる。
【００９８】
図９に示すように、移送路７に代えて、返送路８に循環ポンプ７１が配置されていてもよい。循環流量計７２も返送路８に配置されていてもよい。図９に示すように、変形例に係る水処理装置１０２は、水処理装置１００の構成に加え、分離槽３に取り付けられた水位計６２をさらに備えている。水位計６２は、分離槽３の内部に配置されており、分離槽３におけるスラリー液の水位を検出する。水位計６２として、水位計２２と同じ種類のものを使用できる。水処理装置１０２においては、光反応槽２における水位及び分離槽３における水位をそれぞれ一定に保つために、水位計２２及び６２の検出結果に応じてポンプ１１及びポンプ８１が制御される。
【００９９】
流量ｖ３を調節する方法は、循環ポンプ７１の回転数を調節することに限定されない。水処理装置１００は、例えば、移送路７及び返送路８から選ばれる少なくとも１つに配置された流量調整弁を備えていてもよい。循環ポンプ７１が回転数を変更できるポンプでなかったとしても、流量調整弁の開度を変更することによって、流量ｖ３を変更することができる。つまり、水処理装置１００は、移送路７及び返送路８から選ばれる少なくとも１つに配置された機構であって、流量ｖ３を調節するための機構を有していてもよい。流量ｖ３を調節するための機構の例には、循環ポンプ７１、流量調整弁などが含まれる。
【０１００】
本実施形態において、光反応槽２は単一の槽である。ただし、光反応槽２は、複数の槽によって構成されていてもよい。複数の槽は、少なくとも１つの流路によって互いに接続される。
【０１０１】
制御器１３は、１つのチップ上に集積された半導体回路によって構成されていてもよいし、複数のチップの組み合わせによって構成されてもよい。図７に示す処理の全てがソフトウェアによって実現されることは必須ではなく、その一部が専用のハードウェア回路によって実現されてもよい。
【０１０２】
濃度測定装置４は分離槽３に取り付けられていてもよい。この場合、濃度測定装置４によって分離槽３における光触媒粒子の濃度を測定できる。光反応槽２と分離槽３の両方に濃度測定装置４が取り付けられていてもよい。ただし、光触媒反応は光反応槽２で起こるので、光反応槽２における光触媒粒子の濃度を直接測定することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本明細書に開示された技術は、光触媒を用いた水処理方法及び光触媒を用いた水処理装置に有用である。本明細書に開示された技術は、特に、家庭用の浄水設備又は公共用の浄水設備に有用である。本開示の技術によれば、飲料水、廃水、内陸河川水、湖沼水などの水に含まれた不純物を実用的な時間で継続的に除去することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
２  光反応槽
３  分離槽
４  濃度測定装置
６  供給路
７  移送路
８  返送路
９  排出路
１０  導入ポンプ
１２  導入流量計
１３  制御器
２１  光源
２２  水位計
２３  汚染水導入口
２４  第１排出口
２５  第１導入口
３１  濾過膜
３２  第２導入口
３３  第２排出口
３４  処理済水排出口
６２  水位計
７１  循環ポンプ
７２  循環流量計
８１  濾過ポンプ
８２  濾過流量計
１００  水処理装置
【図１】
2018187543.tif 000003
【図２】
2018187543.tif 000004
【図３】
2018187543.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2018187543.tif 000009
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2018187543.tif 000011
【図８Ｂ】
2018187543.tif 000012
【図９】
2018187543.tif 000013