(57)【要約】【課題】  蒸発濃縮による高品質な凝縮水の獲得と、濃縮された液中の有機物の処理を効率的に行える水処理方法と装置を提供する。【解決手段】  有機性成分を含む水を処理する方法において、前記被処理水を減圧蒸発濃縮２し、得られる凝縮水６を放流又は用水として再使用し、濃縮液４は、得られたままの温度でオゾンあるいはオゾンと過酸化水素の添加１１又は電解酸化１２により有機性成分を分解処理することとしたものであり、前記濃縮液中の有機性成分の分解処理は、該液温を４０℃以上に維持した状態で行うことができ、前記減圧蒸発濃縮は、自己蒸気圧縮型の装置を用いて行うのがよく、前記濃縮液中の有機成分の分解処理は、減圧蒸発濃縮と一緒に行うのがよく、該分解処理された濃縮液は、イオン交換、膜分離又は透析１４によって脱塩し、該脱塩後の液を前記減圧蒸発濃縮の被処理水側に戻すことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を減圧蒸発濃縮して凝縮水と濃縮液とを得、該得られる凝縮水を放流又は用水として再使用し、濃縮液は、得られたままの温度でオゾンあるいはオゾンと過酸化水素の添加又は電解酸化により、該濃縮液中の有機性成分を分解処理することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記濃縮液中の有機性成分の分解処理は、該液温を４０℃以上に維持した状態で行うことを特徴とする請求項１記載の水処理方法。
【請求項３】
前記減圧蒸発濃縮は、自己蒸気圧縮型の装置を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２記載の水処理方法。
【請求項４】
前記減圧蒸発濃縮に用いる蒸発モジュールには、有機高分子薄膜材料を用いることを特徴とする請求項１、２又は３記載の水処理方法
【請求項５】
前記電解酸化は、陽極又は陰陽両極に導電性ダイヤモンドを被覆した材料を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項６】
前記濃縮液中の有機成分の分解処理は、減圧蒸発濃縮と一緒に行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項７】
前記分解処理された濃縮液は、イオン交換、膜分離又は透析から選ばれた１以上の処理によって脱塩処理し、該脱塩後の液を前記減圧蒸発濃縮の被処理水側に戻すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項８】
被処理水を減圧蒸発濃縮する装置と、該装置からの凝縮水と濃縮液との流出流路と、該濃縮液中の有機性成分を、そのままの温度で分解処理するオゾンあるいはオゾンと過酸化水素の添加手段又は電解酸化装置からなる分解処理手段とを有することを特徴とする水処理装置。
【請求項９】
前記減圧蒸発濃縮装置が、自己蒸気圧縮型であることを特徴とする請求項８記載の水処理装置。
【請求項１０】
前記分解処理手段が、減圧蒸発濃縮装置と一体で構成されていることを特徴とする請求項８又は９記載の水処理装置。
【請求項１１】
前記分解処理された濃縮液の流出流路には、該濃縮液を脱塩処理するイオン交換、膜分離又は透析から選ばれた１以上の処理手段が配備され、該脱塩後の液を前記減圧蒸発濃縮装置の被処理水側に戻す流路を備えることを特徴とする請求項８、９又は１０記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有害物、有機物、微生物等を含む下水、し尿処理水、産業排水、用水、飲料水等を高効率に減圧蒸発濃縮によって処理する方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
減圧蒸発濃縮によって処理する従来の技術は、廃水処理装置へ流入する排水量の低減や排水処理設備の負荷低減を目的とするものであって、凝縮器の前段で、揮発性の有機物質を除去して水処理設備に対する負荷を低減しても、途中で除去された成分の処理が残され、比較的温度が高く排出される蒸発装置の持つ特徴を生かしきれていないと問題があった。
また、水の有効利用や既設排水処理設備の負荷低減を図って、原水の一部又は全部を蒸発濃縮するのみでは、質の高い再使用可能な用水が得られたり、排水処理設備へ移送する水量が減少するという利点はあるが、排水中の有機物や有害物の処理という観点からは、濃縮液中のＢＯＤやＣＯＤの量に変化がないために、大幅な効果は期待できない。また、濃縮によってその容積を減じた廃液を産廃処分するとしても、その処分費が新たな負担を生むことになる。このように、単に蒸発濃縮装置を通常の組み合わせで従来型の水処理装置前段に配置するだけでは、問題は解決されない。
【特許文献１】特開２００２−１９２１７３号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記従来技術に鑑み、蒸発濃縮による高品質な凝縮水の獲得と、濃縮された液中の有機物あるいは有害物の処理を効率的に行うことができる水処理方法と装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明では、被処理水を減圧蒸発濃縮して凝縮水と濃縮液とを得、該得られる凝縮水を放流又は用水として再使用し、濃縮液は、得られたままの温度でオゾンあるいはオゾンと過酸化水素の添加又は電解酸化により、該濃縮液中の有機性成分を分解処理することを特徴とする水処理方法としたものである。
前記水処理方法において、濃縮液中の有機性成分の分解処理は、該液温を４０℃以上に維持した状態で行うことができ、前記減圧蒸発濃縮は、自己蒸気圧縮型の装置を用いて行うのがよく、該装置に用いる蒸発モジュールには、有機高分子薄膜材料を用いることができ、前記電解酸化は、陽極又は陰陽両極に導電性ダイヤモンドを被覆した材料を用いることができ、また、前記濃縮液中の有機成分の分解処理は、減圧蒸発濃縮と一緒に行うのがよく、該分解処理された濃縮液は、イオン交換、膜分離又は透析から選ばれた１以上の処理によって脱塩し、該脱塩後の液を前記減圧蒸発濃縮の被処理水側に戻すことができる。
【０００５】
また、本発明では、被処理水を減圧蒸発濃縮する装置と、該装置からの凝縮水と濃縮液との流出流路と、該濃縮液中の有機性成分をそのままの温度で分解処理するオゾンあるいはオゾンと過酸化水素の添加手段又は電解酸化装置からなる分解処理手段とを有することを特徴とする水処理装置としたものである。
前記水処理装置において、減圧蒸発濃縮装置は、自己蒸気圧縮型を用いるのがよく、前記分解処理手段は、減圧蒸発装置と一体で構成するのがよく、また、前記分解処理された
濃縮液の流出流路には、該濃縮液を脱塩処理するイオン交換、膜分離又は透析から選ばれた１以上の処理手段が配備され、該脱塩後の液を前記減圧蒸発濃縮装置の被処理水側に戻す流路を備えることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によりコンパクトな装置で水の再利用が図れ、既設水処理装置の負荷を大幅に低減し、最終処分費用を大幅に低減することを可能にすると共に装置の腐食を防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明では、濃縮液温が、４０℃を下回らない条件下で酸化処理を施す。薬剤を使用する酸化手法、例えばオゾンや過酸化水素などによる酸化反応は、温度が１０℃上昇することにより、その反応速度がおよそ２倍になる特性があり、熱交換して低温となる前にこのような反応工程を組み込むことは、蒸発装置の特性を有利な形で生かす方法である。
蒸発濃縮装置としては、自己蒸気圧縮式の蒸発装置を用いる。蒸発濃縮装置には、多重効用法と自己蒸気圧縮法が省エネルギー的な蒸発濃縮装置として主に用いられている。廃蒸気などがある場合は、多重効用が有利であるが、装置のコンパクトさ、運転の容易さという点で自己蒸気圧縮法が有利である。
【０００８】
また、有機物の分解処理手法としては、オゾン添加、オゾン−過酸化水素併用、電解酸化法のいずれかを用いる。これらはいずれも、鉄塩を加えるフェントン法のように、最終放流液中の塩類濃度を上昇せしめる成分の添加をしていないので、排液の質の悪化を伴わないと同時に、蒸発操作における重要因子である沸点上昇を生じないので、蒸発装置内に添加しても問題を生じない方法である。また、紫外線を併用することは、濃縮液の光透過度の問題で使用不可である。
蒸発を生じる伝熱部材は、有機高分子薄膜で構成する。温度の高い状態で酸化剤を加えることにより、蒸発装置の重要部材である伝熱管をステンレス材などで構成すると、腐食の問題が懸念される。一般的に、このような金属部材の肉厚は、１．２ｍｍ程度である。腐食を回避するために、例えば、ポリエチレンフィルムを袋状に成形した伝熱モジュールを使用することが可能である。ポリエチレンは、熱伝導度において鉄材の３０分の１程度でしかないが、その厚みを４０μｍとすることで、ほとんど鉄材と同等の局所熱伝達率を達成する。その上、軽量で安価でモジュール化することにより、交換容易と言う利点を持つ。
【０００９】
電解酸化を行う場合には、電極の片方（陽極）又は両方に導電性ダイヤモンドを被覆した材料を用いる。従来の貴金属電極で行う陽極酸化反応では、その表面の性状から酸化分解の効率は低い。
これに対して、導電性多結晶ダイヤモンドを被覆した電極の場合は、その特性からほとんど対象を選ばずに酸化分解を行えると共に、酸素ガスなどの発生を伴うことなく効率的に酸化が行える。
蒸発装置の蒸発室と濃縮液の分解を行う槽は、一体に構成する。これにより液温を十分に生かしきれると同時に、蒸発装置の濃縮槽を分解反応槽と兼ねることができ、装置をコンパクトに構成できる。
【００１０】
酸化処理された濃縮液は、必要に応じ熱回収を行った後、イオン交換、透析、膜分離操作を、単独あるいはこれらを組み合わせて塩類を除去した後、再び蒸発装置の原水入口側に戻す。酸化分解処理された濃縮液は、そのままでは有機成分濃度は低減されても、当初含まれていた塩類等は濃縮された状態で液中に残存している。塩類濃度によってはそのまま放流可能であるが、蒸発装置に導入される排液側に、酸化処理後の濃縮液の持つ熱を熱交換により回収することにより、省エネルギーが図れる。
また、イオン交換等により塩類を除去して再び蒸発装置に戻すことにより、蒸発装置で問題となる塩類による沸点上昇を回避でき、残された有機成分も再度濃縮酸化を受け、再利用可能な水として得ることができる。
【００１１】
次に、本発明の実施の形態を図１に示す。図１は、本発明の水処理装置の一例を示すフロー構成図である。図１において、蒸発装置２は自己蒸気圧縮式で、蒸発モジュール３表面で蒸発した蒸気を圧縮ファン１に導入し、圧縮によって蒸気の温度上昇を行わしめて、この昇温後の蒸気をモジュール３内部に導き、モジュール３の内外面に温度差を作って、自身の蒸気が持つ熱量を再び自身の蒸発に用いると言うものである。
モジュール３内部に導かれて熱を与え凝縮液となった水は、凝縮水タンク８に蓄えられ、供給液と熱交換器１７で熱を交換して、凝縮液ポンプ１０で排出される。この凝縮液は、いわゆる蒸留水で再び用水として再利用することが可能である。
真空ポンプ５は、蒸発装置内を減圧状態に保ち、蒸発温度を低下せしめる役目を持つと共に、機内に漏入する空気や、排水中に含まれて装置内でガスとなって出てくる成分を、機外に排出する役目もある。
【００１２】
蒸発装置の液溜め４に滞留する液は、循環ポンプ６によって循環し、モジュール３の表面を常にぬらして蒸発の効率化を図っている。
液溜め４内の液は、濃縮を受けて塩類や有機物が濃縮状態で、かつ蒸発温度（一般に４０〜８０℃）に保たれている。ここに、例えば酸化剤１１としてオゾンを添加すると、その温度と対象成分が高濃度にあることから、効率良く酸化分解反応が行われる。
また電解酸化を用いる場合には、必要面積を有する陰極，陽極を液に浸漬し、所要の直流電圧を電極間に印可することにより有機成分の酸化分解が行われる。
液溜め４から必要に応じて液を濃縮液ポンプ７で引き抜き、そのまま放流あるいは産廃処分するか、脱塩装置１４で塩類を除去して放流あるいは原水槽１５に戻し、液溜め４の液位に順じて供給される新たな原水と混合して、再び蒸発装置２に投入される。この方法により、原水は塩類と再利用可能な凝縮水に完全に分離され、後段の水処理設備の負荷を大幅に低減すると共に、水の有効利用を図れる。
【００１３】
多重効用型では、複数の蒸発室が直列に連なり、最終工程で真空ポンプと冷却による蒸気の凝縮により発生する真空状態を利用して、各蒸発室の圧力が段階的な負圧に設定され運転される。これに伴い、各蒸発室の圧力に見合った飽和温度での蒸発となるので、温度も段階的に後段に向かって低下する。
この方式では、廃熱源がある場合など有利で効率も高いが、多段の操作となるために装置が複雑で運転も煩雑となる。
一方、自己蒸気圧縮型では、蒸発室から発生した蒸気自身が圧縮装置で圧縮され、断熱圧縮の原理で昇温し、これを蒸発モジュールの加熱側に供給することで自身が失った蒸発潜熱を回収することができるので、熱効率が高い。また蒸発室は一室で構成されるので構造が簡単になり運転操作も容易である。
蒸発室圧力は、漏洩空気や発生ガスを排除するためだけの小さな真空ポンプで減圧状態にすることができ、蒸発を促進することができる。操作条件は、機種によって異なるが液の温度で４０℃から９５℃である。
【００１４】
一般に温度が高い方が蒸発速度は高いが液の性質などによって操作条件が決定される。
蒸発室の圧力は、液の温度に対する飽和圧力となる。一例として、６０℃の場合蒸発室圧力はおよそ２００ｍＢａｒとなる。
水中の有機物に酸化剤を加えてその分解を行う場合、液温が１０℃高いと、反応速度はおよそ２倍になるといわれている。蒸発装置で濃縮された時点での液の温度は、ほぼその運転操作温度になっているので、この時点で直ちにあるいは大きな温度低下を生じないうちに酸化反応を行うことが有効である。さらに、蒸発室下部に形成される濃縮液槽に直接
酸化剤を加えるか、あるいは、この部分を電解槽として使用すれば、装置全体としてコンパクトなものとなりさらに有効である。
酸化剤添加法のひとつに、鉄塩を併用するフェントン法があるが、この場合、鉄塩に起因する無機塩が液中に残留することになり、最終処分を必要とする物質重量が増加する。また、減圧蒸発法では、液の沸点上昇が大きな障害となることがあるので、無機塩が液中に残存するフェントン法は好ましくない。
【００１５】
排液によっては、原液の段階で酸性あるいは腐食性を有するケースが多々ある。また、酸化反応の過程で中間あるいは副生成物として有磯酸や無機酸を生じることも考えられ、塩素イオンの存在下では、条件次第で液中の塩素イオンから塩素ガスを生じる可能性もある。
このような、場合には、金属性の躯体や伝熱モジュールを用いることは、腐食という点で深刻な問題を生じる恐れが大きいので、躯体をＦＲＰ製としたり内面をガラスやゴムあるいはポリテトラフルオロエチレンなどでライニングし、配管部品などをポリプロピレンやポリエチレンなどで用意することで、腐食に対処することができる。特に、性能に大きく関連する伝熱モジュールは、ポリエチレンのフィルムを用いることで、金属性伝熱管同等の性能を確保できる。
【００１６】
一般に使われる蒸発装置のステンレス製伝熱管の肉厚は１．２ｍｍで、その熱伝導率は１４ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃であるのに対し，ポリエチレンの熱伝導率は０．５１ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃と低いが、フィルムの肉厚の薄さ（４０μｍ）を考慮すると、ほぼ同等の局所伝熱係数となる。さらに、ポリエチレンはその重量の軽さ、耐食性、安さという利点を生かし、袋状にしたものを数多く重ねて綴じるように構成することで、コンパクトな装置で大きな伝熱面積を獲得できる。
ポリエチレンなど高分子材料は、耐熱性において金属材料に劣るため、運転温度は６５℃に制限されるが、その温度に対応する飽和圧力に維持することにより、容易に蒸発を継続でき、温度が低い分は伝熱面積の多さで、これをカバーするに余りある容量を持たせることができる。
濃縮液温度を４０〜６５℃に選ぶことによって、蒸発濃縮操作も酸化分解反応もコンパクトな装置で効率よく行うことができる。
【実施例】
【００１７】
実施例１
図１の装置により、食品産業廃水を被処理水として、有機成分の分解を電解酸化で行った処理例である。
処理条件は、次のとおりである。
フィード原水量：６００Ｌ／ｈ
フィードＣＯＤ濃度：１８０ｍｇ／Ｌ（固形物ろ過分離後）
フィード温度：２８℃
蒸発装置；自己蒸気圧縮式
蒸発運転温度：６０℃
蒸発運転圧力：２００ｍＢａｒ
濃縮倍率：１０．０
有機成分分解手段；電解酸化
電極、陽極（アノード）：ダイヤモンド電極
陰極（カソード）：チタン
面積（陽極基準）：３ｍ２
電解印加電圧：１０Ｖ
電流密度：１２０ｍＡ／ｃｍ２
その結果は、次のとおりであった。
凝縮液量：５６５Ｌ／ｈ
凝縮温度（熱交換後）：３２℃
凝縮ＣＯＤ濃度：６ｍｇ／Ｌ
濃厚塩類（脱塩処理後）：３５ｋｇ／ｈ
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の水処理装置の一例を示すフロー構成図。
【符号の説明】
【００１９】
１：圧縮ファン、２：蒸発装置本体、３：蒸発モジュール、４：濃縮液貯槽、５：真空ポンプ、６：循環ポンプ、７：濃縮液ポンプ、８：凝縮液タンク、９：フィードポンプ、１０：凝縮液ポンプ、１１：酸化剤、１２：電解酸化装置、１３：直流電源、１４：脱塩装置、１５：原水槽、１６：原水、１７：熱交換器
【図１】
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