(57)【要約】【課題】低エネルギーで効率良く、溶剤やアルコールなどの低沸点有機物を含有する排水を処理する方法及び装置の提供。【解決手段】低沸点有機物を含有する排水を処理する方法であって、（１）当該排水の一部を蒸気にする工程、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする工程、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加える工程、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を加熱された酸化触媒に接触させて低沸点有機物を酸化処理する工程、（５）前記酸化触媒を通過した圧縮蒸気を、前記（１）工程において蒸気にならなかった排水を冷却水として使用する熱交換器にて熱交換することにより、低沸点有機物を蒸発分離すると共に凝縮水を製造する工程、及び（６）前記熱交換器により得られる熱を、前記（１）工程において前記排水の一部を蒸気にするための熱源とする工程を有することを特徴とする低沸点有機物含有排水の処理方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点有機物を含有する排水を処理する方法であって、（１）当該排水の一部を蒸気にする工程、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする工程、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加える工程、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を加熱された酸化触媒に接触させて低沸点有機物を酸化処理する工程、（５）前記酸化触媒を通過した圧縮蒸気を、前記（１）工程において蒸気にならなかった排水を冷却水として使用する熱交換器にて熱交換することにより、低沸点有機物を蒸発分離すると共に凝縮水を製造する工程、及び（６）前記熱交換器により得られる熱を、前記（１）工程において前記排水の一部を蒸気にするための熱源とする工程を有することを特徴とする低沸点有機物含有排水の処理方法。
【請求項２】
酸化剤が酸素であることを特徴とする請求項１に記載の低沸点有機物含有排水の処理方法。
【請求項３】
前記（１）工程から（６）工程が真空条件下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低沸点有機物含有排水の処理方法。
【請求項４】
低沸点有機物含有排水を処理するための装置であって、（１）低沸点有機物を含有する排水の一部を蒸発させて蒸気にする蒸発器、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする圧縮機、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加えるための酸化剤供給手段、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を酸化触媒存在下で酸化処理するための反応器、（５）当該反応器で処理された圧縮蒸気を熱交換するための熱交換器、（６）当該熱交換器により回収された熱を当該蒸発器の熱源とするための熱供給手段を備え、当該熱交換器が水平管蒸発器であることを特徴とする低沸点有機物含有排水処理装置。
【請求項５】
前記蒸発器、反応器及び熱交換器を真空にするための手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の低沸点有機物含有排水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低沸点有機物含有排水の処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶剤やアルコールなど低沸点の有機物を含有する排水を処理する方法としては、例えば生物処理が行われている。この方法は、エネルギーの消費量が少ないという利点がある一方で、生物分解のための条件、例えば炭素／窒素比率を維持するための栄養源の投与、微生物の繁殖のための温度、溶剤の濃度、場合によっては生物の馴養、を調整する必要があり、その維持管理には専門的な知識が要求されるため常に安定した処理を行うことが難しいという問題がある。また、処理に要する設備が大きいため処理設備を設置するための面積が非常に大きいという問題もある。
【０００３】
一方、低沸点有機物を燃焼処理する方法も知られている。排水を蒸発させ、蒸気を凝縮させて凝縮水を得、この凝縮水に酸化剤又は還元剤を添加して有機物を分解処理する方法が提案されている（特開平１１−３０９４８４号公報）。この方法では、加熱により蒸発した蒸気を冷却して液体である凝縮水を得、この凝縮水を１６０℃程度に再加熱して酸化処理する。このような処理では、加熱、冷却、再加熱を行うため、熱エネルギーの損失が多い。また、凝縮水を加熱条件下で酸化触媒に通すためには、加熱による凝縮水の気化を防止する必要があり、１．６ＭＰａ程度の高圧条件が必要となる。その結果、この方法では、加熱や加圧のための工程や装置が必要となってコストが高いという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低エネルギーで効率良く、溶剤やアルコールなどの低沸点有機物を含有する排水を処理する方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、低沸点有機物を含有する排水から低沸点有機物を蒸発分離して、当該低沸点有機物を含む水蒸気を圧縮機により圧縮蒸気とし、該圧縮蒸気に酸化剤を添加してから酸化触媒にて加熱酸化し、加熱酸化により得られる熱を前記圧縮蒸気を製造するための熱源とすることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、下記の低沸点含有排水処理方法及び装置に係るものである。
項１．低沸点有機物を含有する排水を処理する方法であって、（１）当該排水の一部を蒸気にする工程、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする工程、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加える工程、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を加熱された酸化触媒に接触させて低沸点有機物を酸化処理する工程、（５）前記酸化触媒を通過した圧縮蒸気を、前記（１）工程において蒸気にならなかった排水を冷却水として使用する熱交換器にて熱交換することにより、低沸点有機物を蒸発分離すると共に凝縮水を製造する工程、及び（６）前記熱交換器により得られる熱を、前記（１）工程において前記排水の一部を蒸気にするための熱源とする工程を有することを特徴とする低沸点有機物含有排水の処理方法。
項２．酸化剤が酸素であることを特徴とする項１に記載の低沸点有機物含有排水の処理方法。
項３．前記（１）工程から（６）工程が真空条件下であることを特徴とする項１又は２に記載の低沸点有機物含有排水の処理方法。
項４．低沸点有機物含有排水を処理するための装置であって、（１）低沸点有機物を含有する排水の一部を蒸発させて蒸気にする蒸発器、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする圧縮機、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加えるための酸化剤供給手段、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を酸化触媒存在下で酸化処理するための反応器、（５）当該反応器で処理された圧縮蒸気を熱交換するための熱交換器、（６）当該熱交換器により回収された熱を当該蒸発器の熱源とするための熱供給手段を備え、当該熱交換器が水平管蒸発器であることを特徴とする低沸点有機物含有排水処理装置。
項５．前記蒸発器、反応器及び熱交換器を真空にするための手段を備えたことを特徴とする項４に記載の低沸点有機物含有排水処理装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
１．低沸点有機物含有排水の処理方法
本発明の低沸点有機物含有排水の処理方法は、（１）当該排水の一部を蒸気にする工程、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする工程、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加える工程、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を加熱された酸化触媒に接触させて低沸点有機物を酸化処理する工程、（５）前記酸化触媒を通過した圧縮蒸気を、前記（１）工程において蒸気にならなかった排水を冷却水として使用する熱交換器にて熱交換することにより、低沸点有機物を蒸発分離すると共に凝縮水を製造する工程、及び（６）前記熱交換器により得られる熱を、前記（１）工程において前記排水の一部を蒸気にするための熱源とする工程を有することを特徴とする。
【０００８】
（１）低沸点有機物を含有する排水の一部を蒸気にする工程
本工程において、排水には、低沸点有機物が含有される。低沸点有機物は沸点が２００℃以下、好ましくは５０〜１５０℃、さらに好ましくは７０〜９０℃の有機物である。低沸点有機物としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、エチレングリコールなどのアルコール類やその他の各種溶剤、好適にはイソプロピルアルコールを挙げることができる。また、排水中に含まれる有機物の含有量は、本発明処理方法によって処理できる限り特に制限されないが、ＴＯＣ（総有機体炭素）で０．０１〜１０重量％、好適には０．１〜１重量％である。具体的には、沸点８２．４℃のイソプロピルアルコールをＴＯＣで１０００ｐｐｍ程度含んだ半導体製造工場の排水等が挙げられる。
【０００９】
排水の一部を蒸気にし、排水から低沸点有機物を分離するためには、排水に含有される低沸点有機物の蒸発に適した温度に排水を加温する。例えばイソプロピルアルコール含有排水の場合、該排水を５０〜９０℃、好適には約７０℃に加温する。この工程は、加熱される温度における飽和真空下で行うことにより、当該温度で排水は蒸発し、蒸発蒸気には水と共に蒸発した低沸点有機物が含まれる。得られた蒸気は次の工程で圧縮されて圧縮蒸気となる。
【００１０】
また、低沸点有機物を含有する排水を予め６０℃程度に加熱する工程を、本工程の前に設定することも可能である。
【００１１】
さらに、本工程において、蒸気にならなかった排水を、（５）工程において使用される熱交換器の冷却液とすることも可能である。
【００１２】
（２）蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする工程
本工程では、低沸点有機物を含む蒸気を圧縮する。圧縮された蒸気には次の工程で酸化剤が添加される。
【００１３】
（３）圧縮蒸気に酸化剤を加える工程
本工程では、低沸点有機物を含む圧縮蒸気に酸化剤を加える。酸化剤としては、好適には酸素が用いられるが、空気等を使用することも可能である。酸化剤の添加量は特に制限されないが、ＴＯＣ１００００ｐｐｍの圧縮蒸気１ｋｇに対し、５０〜１００ＮＬ使用される。
【００１４】
酸化剤に空気を使用すると、酸化処理後の蒸気中に、窒素などの反応に使用されない物質が、非凝縮性ガスとして残る傾向がある。酸化剤として酸素を使用すると非凝縮性ガスの生成が抑制される。非凝縮性ガスは、後の工程で使用する熱交換器において伝熱阻害の原因となり、伝熱係数を低下させる。この傾向は特に水平管蒸発器において顕著である。このため、非凝縮性ガスの量が多いと、熱交換器における伝熱面積を多くする必要がある。したがって、酸化剤として酸素を使用すると、熱交換器、特に水平管蒸発器の伝熱面積を小さくできより有利である。
【００１５】
（４）圧縮蒸気及び酸化剤を加熱された酸化触媒に接触させて低沸点有機物を酸化処理する工程
本工程では、酸化剤を加えられた、低沸点有機物を含む圧縮蒸気を酸化触媒と接触させて、低沸点有機物をＣＯ２、Ｈ２Ｏ等に酸化分解する。酸化触媒としては、白金担持セラミックが好適に使用されるが、パラジウム、ロジウム又はこれらの混合体を白金等に担持させた触媒も使用することも可能である。酸化処理の温度は、１００〜３００℃、好適には１５０〜２００℃程度である。
【００１６】
（５）酸化触媒を通過した圧縮蒸気を、前記（１）工程において蒸気にならなかった排水を冷却水として使用する熱交換器にて熱交換することにより、低沸点有機物を蒸発分離すると共に凝縮水を製造する工程
本工程では、酸化処理を受けた高温の圧縮蒸気を熱交換器にて熱交換することにより、（ｉ）圧縮蒸気に含まれる低沸点有機物を蒸発分離し、（ｉｉ）圧縮蒸気に含有される水を冷却して凝縮水を製造する。熱交換器としては水平管蒸発器が好適である。水平管蒸発器は、圧縮蒸気が水平管蒸発器の水平管内を通り、伝熱管内で蒸気が凝縮する伝熱形態であることから、蒸気側の圧力損失を小さくできる。このため、圧縮機のヘッド（揚程）を小さくでき、圧縮機を駆動する動力を低下することが可能となる。また、水平管蒸発器は、伝熱管外での蒸発により沸騰伝熱となるため、伝熱特性が極めて優れている。
【００１７】
製造される凝縮水中の有機物含有量はＴＯＣで０．０５〜０．１ｐｐｍ程度となり、排水基準値を十分にクリアしており、排出することが可能であることはもちろんのこと、高純度水として再利用が可能なレベルである。
【００１８】
また、熱交換器にて処理された圧縮蒸気から発生する気体（ＣＯ２、Ｏ２等）は、外部へ排出される。
【００１９】
（６）前記熱交換器により得られる熱を、前記（１）工程において前記排水の一部を蒸気にするための熱源とする工程
圧縮蒸気の熱交換により発生する蒸気は、前記（１）に記載の工程において蒸気を得るための熱源として利用される。これにより、前記（１）に記載の工程にかかるエネルギーを節約できる。
【００２０】
なお、本発明の処理方法は真空下で行われることが好ましい。
【００２１】
２．低沸点有機物含有排水処理装置
本発明の低沸点有機物含有排水処理装置は、（１）低沸点有機物を含有する排水の一部を蒸発させて蒸気にする蒸発器、（２）当該蒸気を圧縮して圧縮蒸気とする圧縮機、（３）当該圧縮蒸気に酸化剤を加えるための酸化剤供給手段、（４）当該圧縮蒸気及び当該酸化剤を酸化触媒存在下で酸化処理するための反応器、（５）当該反応器で処理された圧縮蒸気を冷却するための熱交換器、（６）当該熱交換器により回収された熱を前記蒸発器の熱源とするための熱供給手段を備え、当該熱交換器が水平管蒸発器であることを特徴とする。
【００２２】
前記排水は、蒸発器に供給されて、排水中に含まれる低沸点有機物と共に、排水の一部が蒸発し、６８〜７２℃程度の蒸気となる。蒸発器としては、公知の蒸発器が使用可能であり、好適には蒸留塔を使用できる。蒸留塔塔底には６８〜７２℃程度の処理液が残存しており、原液と熱交換されることにより、４０〜４５℃に冷却され、装置外に排出される。
【００２３】
前記蒸発器で発生した蒸気は圧縮機により圧縮される。圧縮機としては、ブロワー、エゼクタ、ベーパーコンプレッション式ヒートポンプ等を使用でき、好適にはブロワーである。
【００２４】
前記圧縮機により圧縮された蒸気には酸化剤が添加される。酸化剤としては酸素が好適であるが、空気等も使用可能である。
【００２５】
酸化剤が添加された圧縮蒸気は、酸化触媒を充填した反応器に供給される。圧縮蒸気中の有機物は酸素と反応し、熱の発生を伴いながら炭酸ガスと水になる。反応器としては、通常、ハニカム構造の酸化触媒を充填した簡単な構造のものが使用される。酸化触媒としては白金担持セラミックが好適であるが、パラジウム、ロジウム又はこれらの混合体を白金等に担持させた触媒も使用することも可能である。反応器は、酸化反応を生じさせるためにヒータで１５０℃程度に加熱される。
【００２６】
反応器から出る蒸気は、熱交換器に供給されて凝縮水が製造される。また、酸化反応により生じた炭酸ガスや余剰の酸素は真空ポンプにより熱交換器外部へ排出される。本発明の装置において、当該熱交換器は水平管蒸発器である。水平管蒸発器とは、伝熱管内に蒸気を導入し、伝熱管外に液を散布させて、管内凝縮、管外沸騰の熱交換の形態をとるものをいう。本発明の装置では、前記真空ポンプにより減圧状態が保たれているが、特に水平管蒸発器は伝熱管が水平に配置されているため非凝縮性ガスが滞留しにくく、蒸発器全体を均一な真空度に維持しやすい。水平管蒸発器で発生した蒸気は排水の一部を蒸発させるための蒸発器に供給され、当該蒸発器の熱源として利用される。
【００２７】
なお、前記蒸発器、反応器及び熱交換器を真空にするための手段としては、好ましくは真空ポンプが使用される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、低沸点有機物の燃焼熱を効果的に利用するため、外部から熱エネルギーを最小限とすることが可能であり、低沸点有機物含有排水を効率的に処理することができる。また、本発明の装置では水平管蒸発器を利用するため、圧縮蒸気の通過抵抗が低下するため、処理効率が向上する。
【００２９】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明の特徴を一層明確にする。但し、本発明の範囲は実施例の範囲に限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
図１に示す装置を用いて低沸点有機物含有排水の処理を行った。この装置では、低沸点有機物含有排水を予熱するための排水熱交換器（１）を有し、排水熱交換器（１）は配管を介して蒸留塔（２）に接続されている。低沸点含有排水は排水熱交換器で予熱された後、蒸留塔に供給され、一部が低沸点有機物を含む蒸気となる。
【００３１】
蒸留塔（２）で発生した蒸気は配管を介してブロワー（３）に供給されて圧縮蒸気となる。圧縮蒸気には酸化剤供給系（４）によって酸素が供給され、圧縮蒸気及び酸素は配管を介して反応器（５）へ供給される。
【００３２】
反応器（５）は、管材を用いた筒状の簡単な構造のものである。管材には、酸化触媒として白金を担持したハニカムセラミック成形体が充填されている。管材は、酸化反応を生じさせるためにヒータ（６）によって１５０℃程度に加熱され、圧縮蒸気中の有機物は酸素と反応し、熱の発生を伴いながら炭酸ガスと水に分解される。
【００３３】
反応器（５）から出る蒸気は配管を介して水平管蒸発器（７）に供給される。蒸気は水平管蒸発器（７）によって凝縮され、凝縮水が製造される。また、蒸気中の炭酸ガスや酸素等は真空ポンプ（８）によって外部へ排出される。さらに、水平管蒸発器（７）において得られる熱は蒸留塔（２）に供給されて熱源として利用される。
【００３４】
なお、蒸留塔（２）内は、真空ポンプ（８）によって、塔内に滞留している液の飽和真空度の真空に保持されている。
【００３５】
この装置を使用して、イソプロピルアルコールを０．３重量％含有する純水を原水として１２５０ｋｇ／Ｈｒの速度で処理した。原水を排水熱交換器（１）で約６０℃に加温し、蒸留塔（２）の塔頂に供給した。蒸留塔は、同径が３５０ｍｍ、２５ｍｍのポールリングが３ｍの高さに充填されているものである。塔頂からは７０℃程度のイソプロピルアルコールを含有する蒸気を１９７ｋｇ／Ｈｒの速度で取り出し、該蒸気をブロワー（３）で圧縮した。
【００３６】
圧縮蒸気に１０ｋｇ／Ｈｒの速度で酸素を供給し、反応器（５）へ導入した。圧縮蒸気中のイソプロピルアルコールは、炭酸ガスと水蒸気に分解される。反応器（５）で処理された蒸気は４５０℃程度となり、これを水平管蒸発器（７）に導入した。水平管蒸発器（７）は、水平管式管内凝縮、管外沸騰式であり、凝縮部の最後部より炭酸ガス及び余剰酸素を真空ポンプ（８）によって外部へ排出し、凝縮水をポンプにより取り出した。
【００３７】
蒸留塔（２）塔底の液は、排水熱交換器（１）に供給された後、ポンプで排出される。この液のイソプロピルアルコール濃度は１ｐｐｍ以下であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  排水熱交換器
２  蒸留塔
３    ブロワー
４  酸化剤供給系
５  反応器
６  ヒーター
７  水平管蒸発器
８  真空ポンプ
９  ポンプ
【図１】
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