(57)【要約】【課題】  従来の好気性生物処理等に比べて消費電力が小さく、生物処理では処理が困難であった排水中の可溶有機成分を効率良く低減させることができる新規排水処理法を提供する。【解決手段】  加圧された排水をノズルを介して噴射することによりキャビテーション気泡を発生させ、酸化剤の存在下で該キャビテーション気泡と可溶有機成分を接触させることにより、キャビテーションによる微細な気泡の崩壊時の衝撃力及び酸化剤の作用によって、排水中の可溶有機物質を効率よく低減する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力により排水中の可溶有機成分を分解する排水処理方法において、排水中にキャビテーション気泡を発生させ、かつ酸化剤の存在下で該キャビテーション気泡により排水中の可溶有機成分を分解することを特徴とする排水処理方法。
【請求項２】
加圧された排水をノズルを介して噴射することによりキャビーション気泡を発生させることを特徴とする請求項２記載の排水処理方法。
【請求項３】
添加する酸化剤がオゾンであることを特徴とする請求項１記載の排水処理方法。
【請求項４】
上記オゾンがパルプの漂白工程より排出される廃オゾンであることを特徴とする請求項２記載の排水処理方法。
【請求項５】
排水の固形分濃度が0.01ｍｇ／Ｌ以上5ｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡が崩壊するときの衝撃力により排水中の可溶有機成分を効率よく分解する排水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境規制は厳しくなる方向にあり、それに伴って排水処理技術に対する要求も高まっているのが現状である。従来から多く使用されている排水処理法としては、活性汚泥処理等といった好気性生物処理が挙げられるが、一般的に好気性生物処理は空気や酸素を供給するためのブロアに多大な電力を要することが問題になっている。
【０００３】
また、活性汚泥処理では、好気性微生物である汚泥の浮遊する生物処理槽内に排水を供給し、空気で曝気することにより、排水中に含まれる有機物が微生物の生物学的作用によって酸化分解される。しかし、有機物を生物学的に分解処理する際、増殖した微生物が汚泥として大量に発生することから、沈殿槽等で分離濃縮した余剰汚泥の一部を生物処理槽へ返送、残りは余剰汚泥として系外に排出する必要がある。系外に排出された余剰汚泥は濃縮・脱水した後、焼却や埋め立て等により処分されており、この余剰汚泥の処分にもコストがかかっている。この他にも、運転に用いられるBOD容積負荷が低く、設備が大きくなるために広い敷地を必要とすること等といった問題点も抱えている。
【０００４】
特開平11−330166号公報（特許文献１）では、活性汚泥処理の前段に、高負荷の有機物を含む排水を生物処理する場合に用いられる流動床法を設ける方法が示されている。ここでは、流動床法の後段に活性汚泥処理を設けただけでは、汚泥転換率が高く余剰汚泥の発生量も多くなるので、2段の活性汚泥処理を行って、余剰汚泥の発生量を低下することができるとされている。しかしながら、このように2段の活性汚泥処理を行うためには装置が大型化するという問題があった。また、この方法では、余剰汚泥を低減させることができるものの依然不十分であった。
【０００５】
特公平5−87320号公報（特許文献２）には、COD成分含有排水中で放電することにより、溶存空気（酸素）から水中で直接オゾンや活性酸素種（OHラジカル）を生成させ、あるいは促進剤としての紫外線を発生させて、生物的に分解され易い排水に変化させてから生物処理する方法が示されている。しかし、可溶有機成分の低減といった効果は不明瞭である。また、現実的には安定した水中放電を実現することが困難なため、実用化するまでには至っていない。
【０００６】
特開2001−225060号公報（特許文献３）では、キャビテーションを用いた水処理法について報告されている。しかし、この技術から得られる効果は、キャビテーションを利用して溶質から拘束水を分離し、その再拘束を防ぐことにより、凝集剤をほとんど用いずに溶質物質を容易に凝集分離できることであって、直接的に溶存有機物の低減を行うものではない。また、キャビテーションの発生方法を超音波振動子に限定しているため、可溶有機物の低減といった観点から見ると、効果の度合いは極めて不明瞭である。
【０００７】
特開2005−305398号公報（特許文献４）では、廃液を加圧して噴射することによりキャビテーションを発生させる有機性廃棄物の処理装置について記載されている。しかし、この装置により得られる効果は、渦流中心のキャビテーションを崩壊させることにより発生した衝撃力を利用して、食品廃棄物廃液に浮遊する細胞を破壊殺菌するものであり、可溶有機物質の低減についての効果は不明瞭である。
【０００８】
特開2002−126730号公報（特許文献５）では、キャビテーションを利用して半導体製造工程における洗浄排水を処理する方法について記載されている。ここでは、排水を加圧して噴射することによりキャビテーションを発生させると共に、キャビテーション発生手段の前後においてラジカル発生促進手段を設け、低エネルギーで排水中の可溶有機成分を分解する方法が示されている。しかし、処理液の噴射時の圧力が低いため、この方法で処理できる排液の負荷は低く、可溶有機成分を分解する効果は不十分であった。
【０００９】
【特許文献１】特開平11−330166号公報
【特許文献２】特公平5−87320号公報
【特許文献３】特開2001−225060号公報
【特許文献４】特開2005−305398号公報
【特許文献５】特開2002−126730号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の好気性生物処理が抱える高いブロア消費電力や余剰汚泥処分、広い敷地の確保等を必要としない排水処理技術、さらに排水の種類に対して汎用性があり、排水中の可溶有機成分を効率良く低減させることができる新しい排水処理技術が望まれていた。本発明は、従来の好気性生物処理等に比べて消費電力が小さく、生物処理では処理が困難であった排水中の可溶有機物質を効率良く低減させることができる新規排水処理法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、加圧された排水をノズルを介して噴射することによりキャビテーション気泡を発生させ、かつ酸化剤の存在下で該キャビテーション気泡により排水中の可溶有機成分を処理することにより、キャビテーション気泡の崩壊時の衝撃力及び酸化剤の作用によって、排水中の可溶有機物質を効率よく低減できることを見出した。さらには、酸化剤として、パルプの漂白工程で未反応のまま排出された廃オゾンを利用することによって、廃オゾン処理設備や処理コストを不要とできることを見出した。
【００１２】
キャビテーションは、加藤の成書（加藤洋治編著、新版キャビテーション 基礎と最近の進歩、槇書店、1999）にあるように、キャビテーション気泡の崩壊時に数μｍオーダーの局所的領域に数ＧＰａに及ぶ高衝撃圧を発生し、また気泡崩壊時に断熱圧縮により微視的にみると数千℃に温度が上昇する。その結果、キャビテーションを発生した場合には温度上昇を伴う。これらのことから、キャビテーションは流体機械に損傷、振動、性能低下などの害悪をもたらす面があり、解決すべき技術課題とされてきた。近年、キャビテーションについて研究が急速的に進み、キャビテーション噴流の力学的パラメーターを操作因子として、キャビテーションの発生領域や衝撃圧まで高精度に制御できるようになった。その結果、気泡の崩壊衝撃力を制御することにより、その強力なエネルギーを有効活用させることが期待されはじめている。従って、流体力学的パラメーターに基づく操作、調整を行うことでキャビテーションを高精度に制御することが可能となった。これは技術的作用効果の安定性を保持することが可能であることを示しており、従来このように流体機械で自然発生的に生じる制御不能の害悪をもたらすキャビテーションではなく、制御されたキャビテーションによって発生する気泡を積極的に排水に導入し、そのエネルギーを有効利用することが本発明の特徴である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、従来の好気性生物処理等に比べて消費電力が小さく、生物処理では処理が困難であった排水中の可溶有機物質を効率良く低減させることができる。さらには、廃オゾンを利用することにより、従来必要であった廃オゾンの処理設備や処理コストを不要とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の処理対象となる可溶性有機成分を含む排水については、製紙系排水や化学系排水を初めとした広い濃度範囲の排水が対象とされ、特に限定されるものではないが、ノズルでの詰まり等を考慮すると、できるだけ異物の少ないものが好ましい。特に、製紙系排水や化学系排水は、生物処理では困難な可溶有機成分を含有するため好ましい。このうち、製紙系排水とは、パルプ及び／または紙の製造工程にて発生する排水をいい、具体的には、パルプ及び／または紙の製造工程にて発生する白水、用水、工水、再用水、工業用水、洗浄機の洗浄後の水、搾水機（例えば、ＤＮＴウォッシャー、エキストラクター、スクリュープレスなど）の搾水、フローテーターのフロスまたはリジェクト、加圧浮上装置のスカム及びアクセプト、シャワー水、フェルトなどの洗浄水、原料の希釈水、また、これらの水を浮上分離、泡沫分離、沈降分離、膜分離、遠心分離、凝集分離など分離処理した後の水等が挙げられる。ここで、パルプの製造工程で発生する排水には、リグニン、ヘミセルロース等が含まれ、紙の製造工程で発生する排水には、でんぷん、サイズ剤、填料、染料等が含まれる。
【００１５】
処理対象となる排水中の固形分濃度は、0.01ｍｇ／Ｌ〜10ｇ／Ｌが好ましく、0.1ｍｇ／Ｌ〜5ｇ／Ｌがより好ましい。すなわち、0.01ｍｇ／Ｌ未満である場合や10ｇ／Ｌを超える場合、処理効率が悪いため好ましくない。
【００１６】
本発明において、加圧された排水をノズルを介して噴射することによりキャビテーション気泡をを発生させる、すなわち、排水自体を液体噴流としてノズルを介して噴射させることによって可溶有機成分とキャビテーション気泡を効果的に接触させることができる。また、液体噴流が噴流をなす流体は、流動状態であれば液体、気体、粉体等の固体の何れでもよく、またそれらの混合物であってもよい。更に必要であれば上記の流体に、新たな流体として、別の流体を加えることができる。上記流体と新たな流体は、均一に混合して噴射してもよいが、別個に噴射してもよい。
【００１７】
液体噴流とは、液体または液体の中に固体粒子や気体が分散あるいは混在する流体の噴流であり、本発明においては無機粒子のスラリーや気泡を含む液体噴流も該当する。ここで云う気体は、キャビテーションによる気泡を含んでいてもよい。
【００１８】
キャビテーションは液体が加速され、局所的な圧力がその液体の蒸気圧より低くなったときに発生するため、流速及び圧力が特に重要となる。このことから、キャビテーション状態を表わす基本的な無次元数、キャビテーション数（Cavitation Number）σは次の数式１のように定義される（加藤洋治編著、新版キャビテーション基礎と最近の進歩、槇書店、1999）。
【００１９】
【数１】
2008253860.tif 000002
（p∞：一般流の圧力、U∞：一般流の流速、pv：流体の蒸気圧、ρ：流体の密度）
ここで、キャビテーション数が大きいということは、その流れ場がキャビテーションを発生し難い状態にあるということを示す。特にキャビテーション噴流のようなノズルあるいはオリフィス管を通してキャビテーションを発生させる場合は、ノズル上流側圧力p1、ノズル下流側圧力p2、、試料水の飽和蒸気圧pvから、キャビテーション数σは下記式（２）のように書きかえることができ、キャビテーション噴流では、p1、p2、pv間の圧力差が大きく、p1≫p2≫pvとなることから、キャビテーション数σはさらに以下のように近似することができる（H. Soyama, J. Soc. Mat. Sci. Japan, 47(4)， 381 1998）。
【００２０】
【数２】
2008253860.tif 000003
本発明におけるキャビテーションの条件は、上述したキャビテーション数σが0.001以上0.5以下であることが望ましく、0.003以上0.2以下であることが好ましく、0.01以上0.1以下であることが特に好ましい。キャビテーション数σが0.001未満である場合、キャビテーション気泡が崩壊する時の周囲との圧力差が低いため効果が小さくなり、0.5より大である場合は、流れの圧力差が低くキャビテーションが発生し難くなる。
【００２１】
本発明において、容器内の排水に対して、ノズルを通じて噴射液を噴射して液体噴流によるキャビテーションを発生させる。その際に、噴射液の圧力（上流側圧力）は0.01ＭＰａ以上30ＭＰａ以下であることが望ましく、0.7ＭＰａ以上15ＭＰａ以下であることが好ましく、2ＭＰａ以上10ＭＰａ以下であることが特に好ましい。上流側圧力が0.01ＭＰａ未満では下流側圧力との間で圧力差を生じ難く作用効果は小さい。また、30ＭＰａより高い場合、特殊なポンプ及び圧力容器を必要とし、消費エネルギーが大きくなることからコスト的に不利である。一方、容器内の圧力（下流側圧力）は静圧で0.01ＭＰａ以上、0.5ＭＰａ以下が好ましく、0.05ＭＰａ以上0.3ＭＰａ以下が特に好ましい。また、容器内の圧力と噴射液の圧力との圧力比は0.001〜0.5の範囲が好ましい。
【００２２】
また、噴射液の噴流の速度は1ｍ／秒以上200ｍ／秒以下の範囲であることが望ましく、20ｍ／秒以上100ｍ／秒以下の範囲であることが好ましい。噴流の速度が1ｍ／秒未満である場合、圧力低下が低く、キャビテーションが発生し難くいため、その効果は弱い。一方、200ｍ／秒より大きい場合、高圧を要し特別な装置が必要であり、コスト的に不利である。
【００２３】
本発明で使用するポンプの種類としては、プランジャーポンプが好ましい。また、高圧発生源には多段遠心ポンプ等を用いても良いが、軸封が難しいうえ保守性に劣る。さらに、高速回転であることからバランスを取りにくく、安定した処理が難しいというデメリットがある。
【００２４】
本発明で使用するノズルは、開口径がφ0.5〜5.0ｍｍであることが好ましい。ノズルの開口径がφ0.5ｍｍより小さい場合、ノズルの開口部に異物等が詰まり易いうえ、一定圧力における処理量が少なく処理効率が低くなる。一方、φ5.0ｍｍより大きい場合、キャビテーションの発生効率が低く、処理によって得られる効果も小さい。ただし、ノズルの開口部は必ずしも丸穴である必要はなく、処理対象やメンテナンスの容易さを考慮してスリット状にすることも可能である。
【００２５】
本発明におけるキャビテーション発生場所としてはタンクなど任意の容器内もしくは配管内を選ぶことができるが、これらに限定するものではない。また、ワンパスで処理することも可能であるが、必要回数だけ循環することによって更に効果を増大できる。さらに複数の発生手段を用いて並列で、あるいは順列で処理することができる。
【００２６】
キャビテーションを発生させるための噴射は、大気開放の容器の中でなされても良いが、キャビテーションをコントロールするために圧力容器の中でなされるのが好ましい。
【００２７】
本発明においては、排水の処理前後もしくはノズル部にて、酸化剤を添加する。酸化剤とは、オゾン、酸素、過酸化水素、塩素等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。このうち、オゾンは酸化ポテンシャルが高く、可溶有機成分の分解効果が高いため、好ましい。特に、パルプの漂白工程で未反応のまま排出された廃オゾンを使用することが好ましい。すなわち、従来はパルプの製造工程で未反応のまま排出された廃オゾンを、オゾン処理設備で分解後に排出する必要があったが、本発明でこの廃オゾンを使用することにより、廃オゾン処理設備及び処理コストを不要とすることができる。その他、本発明での処理後に未反応のまま排出された未利用オゾンを用いることもできる。
【００２８】
オゾンの添加量としては10〜10000ｍｇ／Ｌが好ましい。すなわち、10ｍｇ／Ｌより少ない場合はキャビテーションとの相乗効果も小さくなり、10000ｍｇ／Ｌよりも多い場合は添加量に対する十分な効果が得られないうえ、装置自体の腐食も懸念される。
【００２９】
本発明では、液体の噴射圧力を高めることで、噴射液の流速が増大し、これに伴って圧力が低下し、より強力なキャビテーションが発生する。更に被噴射液を収める容器内を加圧することで、キャビテーション気泡が崩壊する領域の圧力が高くなり、気泡と周囲の圧力差が大きくなるため気泡は激しく崩壊し、衝撃力も大となる。キャビテーションは液体中の気体の量に影響され、気体が多過ぎる場合は気泡同士の衝突と合一が起こるため崩壊衝撃力が他の気泡に吸収されるクッション効果を生じるため衝撃力が弱まる。従って、溶存気体と蒸気圧の影響を受けるため、その処理温度は5℃以上70℃以下であることが好ましく、特に10℃以上60℃以下であることが好ましい。一般には、融点と沸点の中間点で衝撃力が最大となると考えられることから、水溶液の場合、50℃前後が好適であるが、それ以下の温度であっても、蒸気圧の影響を受けないため、上記の範囲であれば高い効果が得られる。
【００３０】
本発明においては、界面活性剤を添加することでキャビテーションを発生させるために必要なエネルギーを低減することができる。使用する界面活性剤としては、公知または新規の界面活性剤、例えば、脂肪酸塩、高級アルキル硫酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、高級アルコール、アルキルフェノール、脂肪酸などのアルキレンオキシド付加物などの非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤などが挙げられる。これらの単一成分からなるものでも2種以上の成分の混合物でも良い。添加量は噴射液及び／または被噴射液の表面張力を低下させるために必要な量であればよい。
【００３１】
［作用］
本発明により、排水中の可溶有機物質が低減する理由としては、次の理由が考えられる。キャビテーションにより生じる微細な気泡の崩壊時には局所的領域強力なエネルギーが発生する。従って、微細な気泡が可溶有機成分の近傍で崩壊する際、その衝撃力が可溶有機物質の結合を切って、低分子化するもの考えられる。また、酸化剤の酸化作用により、可溶有機成分の分解が促進されるものと考えられる。特に、酸化剤としてオゾンを添加した場合、キャビテーションにより生じる微細気泡の崩壊時に、オゾン気泡が微細化され、液中での滞留時間が長くなくなることにより、可溶有機生物を分解する効果が向上すると考えられる。また、キャビテーション気泡の崩壊時の衝撃力は強力であることから、機械的攪拌によりオゾン気泡を微細化する方法より、効率よくオゾンを分散することができるため、消費電力を小さくすることができると考えられる。
【実施例】
【００３２】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００３３】
［実施例１］
製紙工場から採取したマシン系排水（CODMn：195ｍｇ／Ｌ)を、図１に示されるキャビテーション噴流式装置を用いて、直径1.5ｍｍのノズルを介して噴射し、ノズル部からオゾンを140ｍｇ／Ｌとなるよう添加し、30分処理を行った。その際、噴射液の圧力（上流圧）は7ＭＰａ（噴流の流速70ｍ／秒）被噴射容器の圧力（下流圧）は0.1ＭＰａであった。
処理前後の排水のCODMnをＪＩＳ  Ｋ−０１０２に従って測定し、CODMn減少率を求めた。また、各波長（波長:254ｎｍ,270ｎｍ,440ｎｍ)の吸収で示される色度を測定し、色度減少率を求めた。なお、254nmの色度は炭化水素、270ｎｍの色度は芳香族炭化水素、440ｎｍの色度は濁度を表す。
【００３４】
［実施例２］
製紙工場から採取したマシン系排水（CODMn：200ｍｇ／Ｌ)を用い、上流圧を0.5ＭＰａ、下流圧を0.01ＭＰａにした以外は、実施例1と同様に処理を行った。
【００３５】
［比較例１］
製紙工場から採取したマシン系排水（CODMn：220ｍｇ／Ｌ)を用い、オゾンの代わりに空気を1.0Ｌ／minとなるように添加した以外は、実施例１と同様に処理を行った。
【００３６】
［比較例２］
製紙工場から採取したマシン系排水（CODMn：210ｍｇ／Ｌ)を用い、キャビテーション噴流式装置を用いる代わりに、木下式ボールフィルター（Ｇ４）を用いてオゾンを水中に分散させた以外は、実施例１と同様に処理を行った。
【００３７】
［実施例３］
製紙工場から採取したパルプ系排水（CODMn：365ｍｇ／Ｌ)を使用した以外は、実施例１と同様に処理を行った。処理前後の排水のCODMnを測定し、CODMn及減少率を求めた。
【００３８】
［実施例４］
製紙工場から採取したパルプ系排水（CODMn：390ｍｇ／Ｌ)を使用し、上流圧を0.5ＭＰａ、下流圧を0.01ＭＰａにした以外は、実施例３と同様に処理を行った。
【００３９】
［比較例３］
製紙工場から採取したパルプ系排水（CODMn：385ｍｇ／Ｌ)を使用し、オゾンの代わりに空気を1.0Ｌ／minとなるように添加した以外は、実施例３と同様に処理を行った。
【００４０】
［比較例４］
製紙工場から採取したパルプ系排水（CODMn：400ｍｇ／Ｌ）キャビテーション噴流式装置を用いる代わりに、木下式ボールフィルター（Ｇ４）を用いてオゾンを水中に分散させた以外は、実施例４と同様に処理を行った。
【００４１】
実施例１、２、比較例１、２におけるCODMn除去率、各波長（波長:254ｎｍ,270ｎｍ,440ｎｍ）の吸収で示される色度の減少率を表１に示した。
【００４２】
【表１】
2008253860.tif 000004
実施例３、４、比較例３、４におけるCODMn除去率の吸収で示される色度の減少率を表１に示した。
【００４３】
【表２】
2008253860.tif 000005
表1、２の結果から、製紙工場から採取したマシン系排水(CODMn:195〜220ｍｇ／Ｌ)をノズルを介して排水中に噴射しキャビテーション気泡を発生させ、同時にオゾンを含む気体を添加した場合において、高いCODMn除去効果が見られた。また、表２の結果から、製紙工場から採取したパルプ系排水(CODMn:365〜400ｍｇ／Ｌ)を用いた場合も同様の結果であった。一方、オゾンを含む気体を添加しなかった場合、さらには、キャビテーション処理装置を用いずにオゾンを含む気体を添加した場合には、CODMn除去効果は低かった。
また、表１の結果から、炭化水素(254ｎｍ)、芳香族炭化水素(270ｎｍ)、濁度(440ｎｍ)のいずれにおいても、製紙工場から採取した排水をノズルを介して排水中に噴射しキャビテーション気泡を発生させ、同時にオゾンを含む気体を添加した場合の分解性が最も効果的であった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例で使用したキャビテーション噴流式装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：試料タンク
２：ノズル
３：キャビテーション噴流セル
４：プランジャポンプ
５：上流側圧力制御弁
６：下流側圧力制御弁
７：上流側圧力計
８：下流側圧力計
９：給水弁
１０：循環弁
１１：排水弁
１２：温度センサー
１３：ミキサー
【図１】
2008253860.tif 000006