(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入された原水を、複数の池に順次流通させて、これら各池を流通する過程で原水に溶解している異臭味物質を浄水として処理する浄水水処理方法において、
被処理水に次亜塩素酸塩を添加後、中圧紫外線ランプを使用して、紫外線照射量を１００〜２００ｍＪ／ｃｍ2の範囲とした紫外線照射処理を行い、
前記異臭味物質をｐＨ５．８〜８．６の範囲で分解することを特徴とする浄水処理方法。
【請求項２】
前記異臭味物質が、２−メチルイソボルネオールまたはジェオスミンである請求項１に記載の浄水処理方法。
【請求項３】
次亜塩素酸塩の添加により、遊離塩素濃度０．５〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲とする請求項１または２に記載の浄水処理方法。
【請求項４】
前記紫外線の照射装置を沈殿槽とろ過池の間に設置することを請求項１〜３のいずれか１項に記載の浄水処理方法。
【請求項５】
紫外線照射装置の直前において、遊離塩素濃度０．５〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲に調整する請求項４に記載の浄水処理方法。
【請求項６】
紫外線照射装置前段に連続式遊離塩素濃度測定機器を設ける請求項５に記載の浄水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浄水の処理方法に係り、特に、地表水や地下水等の原水から水道水および工業用水を生成する浄水処理において、原水中に含まれる溶解性有機物等を効果的に分解する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上水道はその原水を河川や湖沼等の地表水とする場合と、地下水とする場合とに大きく分けられる。特に地表水は外的因子の影響を受け易く、河川における工場排水に起因する微量有害物質汚染や、湖沼における藻類に起因する異臭味の発生など、近年水質汚濁が大きな問題となっている。汚染源である溶解性有機物は、従来プロセスである凝集沈殿、砂ろ過では充分な除去、分解が困難であることから、高度処理プロセスを追加して対策がなされる。代表的な高度処理には、オゾン処理、活性炭処理が挙げられ、既に多くの浄水場で導入されている。
【０００３】
藻類に起因する異臭味物質の主なものに２−メチルイソボルネオール、ジェオスミンがあり、いずれも水質基準は１０ｎｇ／Ｌである。水道統計より、９０％以上の施設で原水中の異臭味物質最高値は１０ｎｇ／Ｌ以下と報告されており、多くの施設でこの基準を下回っている。しかし、異臭味を感じる数値には個人差があり、５ｎｇ／Ｌの濃度でも感知される可能性があるため、多くの事業体では水質基準よりも厳しい自主基準を設け、極力ゼロに近づける対応を行っているのが現状である。
【０００４】
異臭味対策として有効なプロセスは前述のオゾン処理、活性炭処理が挙げられる。オゾン処理は高い分解効果を示し、季節変動への対応性も高いプロセスであるが、設備費用が高い点がデメリットである。また、粒状活性炭処理は高い除去効果を示すが、定期的な交換作業、変動に対する追従性の低さがデメリットである。粉末活性炭は流入濃度の変動に応じて注入量の変更が容易なことから、利便性の高いプロセスであるが、ろ過水へのリーク、注入作業の繁雑さ、粉塵対策等の問題に留意する必要がある。
【０００５】
また、異臭味物質を含む溶解性有機物の分解手法としては、促進酸化プロセスが知られている。促進酸化プロセスはオゾン、紫外線、酸化剤等を組み合わせ、酸化力の高い活性酸素を発生させることで分解を行う。多くの論文に報告がなされているが、高い分解率を達成するためには、長時間の反応、もしくは、オゾン、紫外線等の大量投与が必要となり、実用化されている分野は限定的であった。
以上のように、異臭味物質が水質基準である１０ｎｇ／Ｌ未満で原水に含まれる浄水施設にとって、既存の高度処理では維持管理性、経済性の観点から非効率的であり、よりリーズナブルな処理手法が求められていた。
【０００６】
この観点において、特許文献１には、殺藻や殺菌のための次亜塩素酸ナトリウムを注入する注入手段と、紫外線を照射する紫外線照射手段とを併用することが提案されている。また、非特許文献１には、次亜塩素酸を使用し低圧ランプ（２５４ｎｍ波長）を使用して紫外線照射することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６９０９７６号公報
【非特許文献１】ヤンガン  フォン（Ｙａｎｇａｎｇ  Ｆｅｎｇ）らによる報告「２５４ｎｍ紫外線を使用した水溶性遊離塩素種の光分解」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（２００７）２７７頁〜２８４頁）
【非特許文献２】Ｊ．Ｆｕら「Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ４−ｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｌ  ｂｙ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ／ｓｏｄｉｕｍ  ｈｙｐｏｃｈｌｏｒｉｔｅ  ａｎｄ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ／ｏｚｏｎａｔｉｏｎ」ウォーターサイエンスアンドテクノロジー（Ｗａｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ｗａｔｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ−ＷＳＴＷＳ  Ｖｏｌ.９  Ｎｏ.５  ｐｐ６０１−６０９、  ＩＷＡ  ２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１（特許第４６９０９７６号公報）の方法では、主に消毒を目的として、副生成物の発生を抑制するために、前段、中段及び後段と３段階で次亜塩素酸ナトリウムの注入及び紫外線照射を行なっている。しかし、この方法において使用する紫外線ランプの仕様については示されていない。紫外線照射量に関する条件も記載されていない。
一方、特許文献１で引用されている特開２００４−１８８２７３では、紫外線照射量は１００ｍＪ／ｃｍ2以下を想定していると思われる。また、特許文献１では紫外線照射量のほか、次亜塩素酸ナトリウム注入量、すなわち遊離塩素濃度も不明である。さらに、これらの発明が“副生成物抑制”をポイントの一つに挙げていることから、一般的な遊離塩素濃度と同等、ないしはそれ以下と想定される。以上のことからして、従来の発明においては異臭味物質に代表される溶解性有機物の分解について改良しようとする発想を見出すことができない。
【０００９】
他方、非特許文献１によれば、紫外線と次亜塩素酸の組み合わせは公知であることが判る。しかし、従来の処理方法においては、処理能力はさほど高くない。
【００１０】
本発明が解決しようとする主たる課題は、浄水処理設備に設備コストの上昇を極力抑制しながら、異臭味物質に代表される溶解性有機物の分解処理効果の高い浄水の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】
【００１１】
この課題を解決するための本発明は、次の通りである。
〔請求項１記載の発明〕
導入された原水を、複数の池に順次流通させて、これら各池を流通する過程で原水に溶解している異臭味物質を浄水として処理する浄水水処理方法において、
被処理水に次亜塩素酸塩を添加後、中圧紫外線ランプを使用して、紫外線照射量を１００〜２００ｍＪ／ｃｍ2の範囲とした紫外線照射処理を行い、
前記異臭味物質をｐＨ５．８〜８．６の範囲で分解することを特徴とする浄水処理方法。
【００１２】
（作用効果）
本発明によると、浄水処理設備に設備コストの上昇を極力抑制しながら、異臭味物質の分解処理効果の高い浄水の処理が可能となる。以下、その理由などについて詳説する。
【００１３】
次亜塩素酸塩は水溶液中において、次亜塩素酸〔化学式：ＨＣｌＯ〕、及び、次亜塩素酸イオン〔化学式：ＣｌＯ-〕の形態で存在し、その比率は水溶液のｐＨに依存している。本発明では、下式に示すように紫外線と次亜塩素酸の組み合わせによる促進酸化プロセスを意図しているため、次亜塩素酸塩である限り、塩の種類が分解効率に基本的に影響を与えることはなく、したがって、次亜塩素酸ナトリウムのほかに次亜塩素酸カリウム、次亜塩素酸カルシウムなどを用いてもよい。以下において、次亜塩素酸ナトリウムの例について説明し、他の塩についての説明は省略する。
ＨＣｌＯ  ＋  ｈν（紫外線）  →  ・ＯＨ  ＋  ・Ｃｌ
・ＯＨ  ＋  ＨＣｌＯ  →  Ｈ2Ｏ  ＋  ・ＣｌＯ
【００１４】
藻類に起因する異臭味物質の主なものに２−メチルイソボルネオール（以下２−ＭＩＢと略記する。）がある。
実験により、低圧紫外線ランプと中圧紫外線ランプの両方で次亜塩素酸ナトリウムと組み合わせた促進酸化プロセスの検討を行った。結果を図１に示す。紫外線照射量、遊離塩素濃度が同一であるにもかかわらず、低圧紫外線ランプを使用した系では２−ＭＩＢ分解率が著しく低い値を示した。
【００１５】
この結果は図２に示す波長分布の差に起因すると考えられ、この点からも低圧紫外線ランプに対して中圧紫外線ランプを使用するのが望ましい。すなわち、図２によれば、低圧紫外線ランプの場合においては、約２５４ｎｍの単色紫外線を発生するのに対し、中圧紫外線ランプの場合には、少なくとも２００ｎｍ〜３００ｎｍの広い範囲において、特に約２４０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲において種々の波長の紫外線を出力するが故に、２−ＭＩＢ分解率が高まるものと考えられる。
【００１６】
さらに、非特許文献２におけるＦｉｇ３をそのまま引用する。添付の図６において次亜塩素酸を示すＨＯＣｌと付記された各波長の紫外線吸収割合を示す波形線（実線グラフ）にみられるように、低圧紫外線ランプが発光する２５４ｎｍにおいても紫外線吸収があるものの、２４０ｎｍ辺りが吸収のピークであり、また２６０ｎｍ以上でもある程度吸収がみられることから、広い波長で発光する中圧紫外線ランプの方がより効率的にヒドロキシラジカルを生成していると考えられる。特に本発明が好ましく適用できる低い遊離塩素濃度とする場合、紫外線ランプ種による効率の差が２−ＭＩＢ分解率に対し大きな影響を示していると考えられる。
しかも、図６に示された、ＨＯＣｌの波長毎の紫外線吸収特性と、低圧、中圧紫外線ランプのスペクトル形状データのみから、当業者が、本発明が明らかにする低圧、中圧紫外線ランプ種の差が、結果として２−ＭＩＢ分解率について数十ポイントの著しい差をもたらすことを予見することはできないと思われる。
【００１７】
中圧紫外線ランプは低圧紫外線ランプと比べ、高出力かつコンパクトである。よって、必要紫外線照射量が低い耐塩素性原虫類対策を目的とする場合においても、中圧紫外線ランプを備えた装置は低圧紫外線ランプを備えた装置の１／３以下の設置面積となる。促進酸化プロセスに適用する場合、必要照射量が数倍となることから、この差はさらに大きくなる。例として、日量１５万ｍ3程度の浄水施設に適用した場合、低圧紫外線ランプを備えた装置では２００本程度のランプが必要であるのに対し、中圧紫外線ランプを備えた装置では１０本程度で対応が可能である。この結果、中圧紫外線ランプを備えた装置は１／１０程度の設置面積となり、ランプ交換等、維持管理性の点でも圧倒的に優位となる。
【００１８】
他方で、図４に、紫外線単独照射（次亜塩素酸ナトリウム等の薬剤を添加しない条件）における紫外線照射量と２−ＭＩＢ分解率の相関を示す。５００ｍＪ／ｃｍ2を超える照射でも２−ＭＩＢは全く分解されておらず、紫外線単独での分解能は極めて低いことが確認された。したがって、わずかな濃度であっても、次亜塩素酸ナトリウム併用が重要であることが判る。
また、本発明者らによる図３に示す結果によれば、紫外線照射量と２−ＭＩＢ分解効果に正の相関関係がある。紫外線照射量が５０ｍＪ／ｃｍ2以下の条件では２−ＭＩＢ分解効果が不十分であることから、少なくとも紫外線照射量は１００ｍＪ／ｃｍ2以上が望ましいことが判る。一方、対象水質によっては、紫外線照射量とある種の副生成物生成量とは、正の相関があるため、紫外線照射量を適正な値に設定する必要がある。図５に遊離塩素１．０ｍｇ／Ｌの条件における、紫外線照射量と臭素酸生成濃度の関係を示す。臭化物イオン濃度が０．０１ｍｇ／Ｌ未満の条件では、紫外線照射量に関わらず、臭素酸生成は見られなかった。これに対し、臭化物イオンを０．５ｍｇ／Ｌに調整した系では、紫外線照射量５００ｍＪ／ｃｍ2において、臭素酸生成が確認された。ただし、この臭化物イオン０．５ｍｇ／Ｌという値は一般的な浄水施設で見られる値ではなく、また、生成した臭素酸も水質基準（０．０１ｍｇ／Ｌ）以下である。以上のように、２−ＭＩＢ分解能力と、副生成物抑制の両方を満足するためには、図３、図５の結果からして、紫外線照射量の設定範囲は１００〜２００ｍＪ／ｃｍ2とすることが適当である。
さらに、被処理水に次亜塩素酸塩を添加後、中圧紫外線ランプを使用して、紫外線照射量を１００〜２００ｍＪ／ｃｍ2の範囲とすることにより、一般的な浄水処理において想定される中性域においては、異臭味物質の分解率を４０％以上とすることができ、ｐＨが５．８〜８．６の広い範囲においても、異臭味物質の高い分解率を維持することができる。
【００１９】
〔請求項２記載の発明〕
前記異臭味物質が、２−メチルイソボルネオールまたはジェオスミンである請求項１に記載の浄水処理方法。
【００２０】
（作用効果）
異臭味物質が、２−メチルイソボルネオールまたはジェオスミンであるので、中性域及びｐＨが５．８〜８．６の広い範囲において、異臭味物質のより高い分解率を維持することができる。
【００２１】
〔請求項３記載の発明〕
次亜塩素酸塩の添加により、遊離塩素濃度０．５〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲とする請求項１または２に記載の浄水処理方法。
【００２２】
（作用効果）
前述のように、図３により、遊離塩素濃度と２−ＭＩＢ分解効果に正の相関関係がある。しかし、遊離塩素濃度と一部の副生成物生成量にも正の相関があるため、複合的に検討し、遊離塩素濃度を設定する必要がある。図３などの実験結果より、紫外線照射量を適正な値に保つことで、遊離塩素濃度が２．０ｍｇ／Ｌ以下の条件では副生成物の生成は無視できる水準である。一方で、遊離塩素濃度は給水栓末端で０．１ｍｇ／Ｌ以上を確保することが水質基準で示されており、上限値の制約はないが、おいしい水の要件として０．４ｍｇ／Ｌという数値が定められており、この数値に近づけることが望ましい。以上より、後塩素での残留塩素濃度制御を安定的に行うために、遊離塩素濃度は０．１〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲であることが望ましい。
【００２３】
〔請求項４記載の発明〕
前記紫外線の照射装置を沈殿槽とろ過池の間に設置することを請求項１〜３のいずれか１項に記載の浄水処理方法。
【００２４】
（作用効果）
紫外線処理は被処理水の紫外線透過率が高い程、高い効果を発揮することから、ろ過池後段に設置することが一般的である。一方で、ろ過池の次には通常塩素混和池があり、残留塩素濃度を厳密に管理し、配水している。当該プロセスでは次亜塩素酸ナトリウムを添加する操作を含むことから、ろ過池後段に設置した場合、塩素混和池における残留塩素濃度制御を複雑にすることが懸念される。これより、ろ過池後段を除き、最も紫外線透過率が高いことが期待できる沈殿槽とろ過池の中間に設置することが、分解効率と残留塩素濃度管理の両方を満足させるプロセスとして適当である。
【００２５】
〔請求項５記載の発明〕
紫外線照射装置の直前において、遊離塩素濃度０．５〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲に調整する請求項４に記載の浄水処理方法。
【００２６】
〔請求項６記載の発明〕
紫外線照射装置前段に連続式遊離塩素濃度測定機器を設ける請求項５に記載の浄水処理方法。
【００２７】
（作用効果）
有機物等の共存下で遊離塩素を添加した場合、トリハロメタンが生成する虞れがある。遊離塩素濃度が高いほど、また、有機物と遊離塩素との接触時間が長いほど、トリハロメタンの生成リスクが高まることから、当該プロセス用の遊離塩素濃度調整は極力紫外線照射装置の直前とすることが適当である。また、遊離塩素濃度の調整を適切に行うために、連続式の遊離塩素濃度計を紫外線照射装置前段に設置することが望ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、浄水処理設備に設備コストの上昇を極力抑制しながら、異臭味物質の分解処理効果の高い浄水の処理方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実験結果を示す説明図である。
【図２】ランプが発生する波長スペクトル線である。
【図３】実験結果を示す説明図である。
【図４】実験結果を示す説明図である。
【図５】実験結果を示す説明図である。
【図６】吸収特性のグラフである。
【図７】他の物質の分解効率を示す説明図である。
【図８】従来の処理フロー例の概要図である。
【図９】本発明の処理フロー例の概要図である。
【図１０】実験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
浄水方法としては、原水水質、浄水水質の管理目標、浄水施設の規模、運転制御及び維持管理技術の管理水準などにより、消毒のみの方式、緩速濾過方式、急速濾過方式、膜濾過方式、あるいはこれらに高度浄水処理を組み合わせたものを使用できる。特に、緩速濾過方式又は急速濾過方式に対し、本発明の次亜塩素酸ナトリウム添加、中圧紫外線ランプを使用した紫外線照射を好適に適用できる。
【００３２】
急速濾過方式に本発明法を適用した例について説明する。図８は急速濾過方式の代表例を示したものであり、原水１０を着水井１１に取込み、その後、凝集沈殿池１２に移行させ、適宜の薬品を加えて凝集沈殿処理する。さらに、急速濾過池１３において濾過処理し、後塩素３３を添加し浄水池１４に貯留し、送水施設１５に送り、最終的にエンドユーザーに配水するものである。前塩素３１、及び中間塩素３２は流入水質等の条件に応じ、添加の有無、及び添加量が判断される。
【００３３】
本発明においては、図９に示すように、たとえば凝集沈殿池１２と（急速）濾過池１３との間に、次亜塩素酸塩添加手段２１、及び中圧紫外線ランプを使用した紫外線照射手段２２を設ける。
【００３４】
そして、被処理水に次亜塩素酸塩添加手段２１により次亜塩素酸ナトリウムを添加した後、点灯時の水銀蒸気圧が４０〜４００ｋＰａの中圧紫外線ランプを使用した紫外線照射手段２２により紫外線照射処理する。
この場合において、紫外線照射量としては１００〜２００ｍＪ／ｃｍ2の範囲とするのが望ましい。
【００３５】
また、次亜塩素酸ナトリウムの添加により、好適には紫外線照射手段２２の直前において遊離塩素濃度を、０．５〜１．０ｍｇ／Ｌの範囲とするのが好ましい。この場合において、主に遊離塩素濃度の調整には、被処理水量に対する次亜塩素酸ナトリウムの添加量を調整することにより行なうことができる。さらに、紫外線照射手段２２の直前に連続式遊離塩素濃度測定器２３を設け、その測定信号に基づき次亜塩素酸塩添加手段２１による次亜塩素酸ナトリウム添加量を調節することができる。
【００３６】
本発明によれば、図１〜図５に示した結果からも処理効果の高い浄水の処理方法であることが明らかであろう。
【００３７】
本発明方法は、日本における浄水施設に好適に適用できる。すなわち、日本においては、浄水処理での水道水のｐＨ範囲は５．８〜８．６であり、９０％以上が６．７以上の範囲にある。
図１０は、紫外線と次亜塩素酸ナトリウムを組み合わせた促進酸化プロセスの  ｐＨ５、７、９における２−ＭＩＢの分解率を示した実験結果である。図１０の結果からして、一般的な浄水処理において想定される中性域、すなわちｐＨ７においても分解率は４０％を示しており、紫外線照射量等の条件を最適化することにより、ｐＨが５．８〜８．６の範囲において、十分実用に足る異臭味物質等の分解効率の水準であることが確認された。
なお、実験は浄水場の沈殿池流出部から採取した水を用いて行なったものである。採取した水のｐＨは７．２〜７．５の範囲であったため、実験においては硫酸及び水酸化ナトリウムを用い、該当のｐＨに調整した後、促進酸化に供したものである。
【００３８】
前述の非特許文献１及び２では、酸性域のｐＨでないと、促進酸化効果が低いことなどを開示している。図１０が示すｐＨが低いほど、分解能が高いという結果は、非特許文献１、２の開示内容と一致した。他方、図１０の結果は、中性域において、十分実用に足る異臭味物質等の分解効率の水準であることも併せて示している。
【００３９】
かくして、本発明は、非特許文献１、２が示す実験室レベルの装置下での特性や傾向の探知を超えて、現実の浄水施設において異臭味物質等の分解を主たる目的とし、多くの浄水施設で用いられている次亜塩素酸塩を酸化剤として採用しつつ、中圧紫外線ランプを使用した紫外線照射処理を行なえば、中性域において実用上十分な異臭味物質等の分解能力を示すものであることが判った、ことに依拠しているのである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
上記例は、２−ＭＩＢの分解例であるが、本発明は、図７に示すように、ジェオスミン、１，４ジオキンサン、総ＴＨＭあるいは農薬類（代表例としてシマジンを示している）についても、高い分解効率を示すものである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…原水、１１…着水井、１２…凝集沈殿池、１３…（急速）濾過池、１４…浄水池、１５…送水施設、２１…次亜塩素酸塩添加手段、２２…紫外線照射手段、２３…連続式遊離塩素濃度測定器、３１，３２，３３…塩素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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