(57)【要約】【課題】排水の二次処理水から再生水を安定的及び低コストに製造する。【解決手段】排水の二次処理水の流れに磁場を供給して生成されたヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を分離膜による固液分離に供して再生水を生成する。この方法の装置としての再生水製造装置８は、排水の二次処理水の流れに磁場を供給してヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を生成する磁場供給装置１０と、前記磁気処理水を分離膜によって固液分離処理して再生水を生成する膜分離装置１１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排水の二次処理水から再生水を製造する再生水製造方法であって、
排水の二次処理水の流れに磁場を供給して生成されたヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を分離膜による固液分離に供して再生水を生成する再生水製造方法。
【請求項２】
排水の二次処理水から再生水を製造する再生水製造装置であって、
排水の二次処理水の流れに磁場を供給してヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を生成する磁場供給手段と、
前記磁気処理水を分離膜によって固液分離処理して再生水を生成する膜分離手段と
を備えた再生水製造装置。
【請求項３】
前記磁場供給手段は、
前記二次処理水を流通させる配管部と、
この配管部内の前記二次処理水の流れに磁場を供給する一対の磁石部と
を備えた請求項２に記載の再生水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は下水等の排水の二次処理水から水資源として再生水を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工場の大規模化、人口集中など、水の利用箇所が集中する傾向にある。このことにより、地域的な水不足が顕在化し、安定した水資源の確保が求められている。
【０００３】
下水処理水は、流量と水質が比較的安定しているため、都市の新たな水源として活用できる可能性を秘めている。中近東のような干ばつ地域やシンガポールのような水道資源が乏しい地域では、大規模な下水処理水の再利用が検討、導入されている。下水処理水には低濃度ではあるものの難溶解性有機物が残存し、送水管内での微生物増殖による水質劣化や放流先の廃水性化等の問題を引き起こすことが報告されている。そこで、各種の分離膜を利用し、物理的に難溶解性有機物を除去して下水処理水を再利用する技術が注目されている。
【０００４】
しかしながら、分離膜は、膜の目詰まり（以下、ファウリング）という問題がある。長時間、ろ過を続けるため、膜の表面や内部に汚れ成分が付着、堆積し、膜間差圧が上昇する。ファウリング原因物質は、微生物が分泌するタンパク質や糖タンパク質、多糖などの菌体外高分子（ＥＰＳ：Extracellular polysaccharides）であると考えられる。また、膜表面にＥＰＳが堆積し、そこに微生物が付着、増殖してバイオフィルムを形成する場合もあり、更なる膜線流束の低下を招く場合もある。
【０００５】
そこで、ファウリング原因物質による目詰まりを解消する方法として、以下の技術が開発されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００６】
特許文献１の方法は、微量のオゾンでの原水中の微細固形物の表面形状を易凝集性に改質した後、凝集剤を添付して凝集させ、耐オゾン性の分離膜によってろ過する。
【０００７】
特許文献２の方法は、浄水場のろ過池の洗浄排水を膜ろ過して得られた処理水を洗浄水として再利用する。
【０００８】
特許文献３の方法は、原水中にオゾンを添加してファウリングの原因となる有機物を分解する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１７２５５１号公報
【特許文献２】特開２００１−８７７６４号公報
【特許文献３】特開２００３−２８５０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１の方法は、オゾンの添加量が少ないため、分解が不十分でありまた凝集剤によって沈殿しない有機物が残存し、ファウリングを引き起こす可能性がある。
【００１１】
特許文献２の方法は、排水の性状が比較的良好であるが、排水に大量の有機物を含有する場合には、排水を膜ろ過すると膜面が排水中の有機物などによって短時間で閉塞し、排水処理設備の運転が不能となるおそれがある。
【００１２】
特許文献３の方法は、有機物を十分に分解するには大量のオゾンを必要とし、これに伴い多くの電力と多額のオゾン発生機のメンテナンス費用を要するので、ランニングコストが高くなる。
【００１３】
本発明は、以上の事情に鑑み、排水の二次処理水から再生水を安定的及び低コストに製造することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の再生水製造方法は、排水の二次処理水から再生水を製造する再生水製造方法であって、排水の二次処理水の流れに磁場を供給して生成されたヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を分離膜による固液分離に供して再生水を生成する。
【００１５】
本発明の再生水製造装置は、排水の二次処理水から再生水を製造する再生水製造装置であって、排水の二次処理水の流れに磁場を供給してヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を生成する磁場供給手段と、前記磁気処理水を分離膜によって固液分離処理して再生水を生成する膜分離手段を備える。
【００１６】
本発明によれば、磁気処理水に含まれるヒドロキシルラジカルによってファウリング原因物質が酸化分解される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、排水の二次処理水から再生水を安定的及び低コストに製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における二次処理水再利用システムのブロック構成図。
【図２】同実施形態における固液分離システムのブロック構成図。
【図３】同実施形態における磁場供給装置の概要図。
【図４】磁気処理水の全有機炭素濃度の経時的変化。
【図５】磁気処理水の無機体炭素濃度の経時的変化。
【図６】磁気処理水のｐＨの経時的変化。
【図７】磁気処理水の温度の経時的変化。
【図８】磁気処理水を分離膜によってろ過処理した際の流束と膜差圧の経時的変化。
【図９】二次処理水を分離膜によってろ過処理した際の流束と膜差圧の経時的変化。
【図１０】水道水を分離膜によってろ過処理した際の流束と膜差圧の経時的変化。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
一般的に広く利用されているヒドロキシルラジカルの発生方法として、オゾン−過酸化水素法やオゾン−紫外線法が知られている。これらの方法は、放電によって発生させたオゾンを水に溶解させてオゾン含有水を生成し、このオゾン含有水に過酸化水素または紫外線を供給してオゾンを分解させることにより、ヒドロキシルラジカルを発生させている。ヒドロキシルラジカルは、従来のオゾンや塩素よりも高い酸化ポテンシャルを有するので、有機物の炭素結合を切断することにより、有機物を分解して最終的に二酸化炭素まで無機化することができる。
【００２０】
下水処理場などにおける水処理の工程は、物理学的処理によって固形物や浮遊物を沈殿または浮上させて水中から除去する一次処理と、一次処理後、微生物を利用して下水中の有機物を生物学的に除去する二次処理からなり、二次処理後の処理水を二次処理水と呼ぶ。これら二つの処理工程で除去できない浮遊物、窒素、リン、有機物などは三次処理（高度処理）を行うこともある。そして、これら水処理工程を経て、消毒・滅菌し、処理水を河川や海へ放流する。
【００２１】
本発明は、二次処理水の磁気処理によって生成されたヒドロキシルラジカルを利用して二次処理水から再生水を安定的及び低コストに製造する。
【００２２】
以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
［本実施形態の二次処理水再利用システムの構成］
図１に例示された本実施形態の二次処理水再利用システム１は、実線矢印のフローで示した既存の下水処理システムにおいて、点線矢印のフローで示した二次処理水を水資源として再利用する再生水製造システムが備えられている。
【００２４】
二次処理水再利用システム１を構成する各装置について説明する。
【００２５】
スクリーン２は、系外から供給された排水に含まれる固形成分を除去する。
【００２６】
固形成分除去装置３は、前記固形成分よりもさらに細かな固形成分を除去する。
【００２７】
最初沈殿槽４は、前記排水を静置させて固形成分と上澄み液とに固液分離する。この上澄み液は一次処理水として生物処理槽５に供される。最初沈殿槽４内にて濃縮された固形成分は系外の汚泥処理施設に移送される。
【００２８】
生物処理槽５は、最初沈殿槽４から供された一次処理水に含まれる汚濁物質を活性汚泥によって生物学的に酸化分解する。一方、生物処理槽５内の活性汚泥を含む懸濁液は同槽５からの越流によって最終沈殿槽６に移行する。
【００２９】
最終沈殿槽６は、生物処理槽５から供された活性汚泥を含む懸濁液を静置させて活性汚泥と上澄み液とに固液分離する。この上澄み液は二次処理水として消毒槽７に供される。また、この二次処理水の一部は再生水製造装置８に供される。一方、最終沈殿槽６内にて沈殿濃縮された活性汚泥は生物処理槽５に返送される。また、この活性汚泥の一部は余剰汚泥として前記汚泥処理施設に移送される。
【００３０】
消毒槽７は、二次処理水をオゾン、塩素剤等によって滅菌した後に系外に放流する。
【００３１】
再生水製造装置８は、二次処理水の流れに磁場を供給して生成したヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を分離膜による固液分離に供して再生水を生成する。
【００３２】
逆浸透膜処理装置９は、再生水に含まれる溶解成分（金属類、有機物、無機物等）、細菌類、ウイルス類等を逆浸透膜によって除去する。この高度処理された再生水は、例えば、農業用水、工業用水等として再利用される。
【００３３】
ところで、下水には多種多様の有機物が含まれており、これらの有機物にはラジカルスカベンジャー（遊離基捕捉剤）も含まれる。例えば、リグニン由来物質やポリフェノール類などの植物由来物質は高いラジカルスカベンジャー能を有しており、一部のオリゴ糖などの糖成分にもラジカルスカベンジャー能があることが知られている。
【００３４】
ラジカルスカベンジャーが存在する下水試料に磁場を与えても、磁場によって生成したヒドロキシルラジカルがラジカルスカベンジャーに捕捉され、ファウリング原因物質の分解効率が低減する。
【００３５】
そこで、二次処理におけるラジカルスカベンジャー能の変化について調査した。
【００３６】
ラジカルスカベンジャーの除去能力はDPPH（ジフェニルピクリルヒドラジル）法によって測定できる。本測定法では、人工のラジカル物質であるDPPHに対するスカベンジャー能を分光光度計によって測定する。測定手順を以下に示した。
【００３７】
DPPHはエタノール溶液に溶かすと紫色を呈するので、この溶液にラジカルスカベンジャーを含む下水試料を加えると、DPPHラジカルが消費されて溶液の色が薄くなる。この原理に基づき、ラジカルスカベンジャーを含む下水試料の添加する前後における吸光度を測定すれば、下水試料に含まれるラジカルスカベンジャー能を測定できる。
【００３８】
以下に具体例を説明する。
【００３９】
試料２ｍＬとエタノール２ｍＬと０．５ｍＭのDPPHエタノール溶液１ｍＬとを試験管中で混合し、混合直後と３０分後に５１７ｎｍで吸光度測定を行った。また、試料の色が測定結果に与える影響を考慮し、DPPHエタノール溶液の代わりにエタノールを加えたものを用意し、これを各下水試料の色ブランクとした。また、コントロールは下水試料の代わりに０．１Ｍ酢酸緩衝液を加えた。試料のラジカルスカベンジャー能は以下の式によって算出した。
【００４０】
試料のラジカルスカベンジャー能［％］＝［（Control_OD0）−｛（試料_OD30）−（試料色ブランク_OD）｝］／（Control_OD30）×１００
OD0：５１７ｎｍにおける試料の初期吸光度
OD30：５１７ｎｍにおける試料の反応３０分後の吸光度
色ブランクが不要な下水試料のラジカルスカベンジャー能は以下の式によって算出した。
【００４１】
下水試料のラジカルスカベンジャー能［％］＝｛（Control_OD0）−（試料_OD30）｝／（Control_OD30）×１００
そして、ラジカルスカベンジャーの標準物質であるBHA（ブチルヒドロキシアニソール）の濃度とラジカルスカベンジャー能との関係を示す検量線を予め作成し、この検量線を用いて試料のラジカルスカベンジャー能をBHA濃度に換算した。
【００４２】
表１は既存の下水処理システムにおける一次処理水及び二次処理水のラジカルスカベンジャー能並びに生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）の相対値を示す。同表においては、一次処理水の値と二次処理水の値の比により算出される一次処理水及び二次処理水の相対濃度ラジカルスカベンジャー能並びに相対生物学的酸素要求量値（相対ＢＯＤ値）を示した。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
以上のことから、二次処理を行うことでラジカルスカベンジャー能が大きく低減することが判明した。すなわち、生物処理槽５の活性汚泥によってＢＯＤ成分とともにラジカルスカベンジャーを分解できる。このことから、ヒドロキシルラジカルを利用した再生水を安定的及び低コストで製造するためには、一次処理水を二次処理させた後に磁気処理を施すことが好ましく、下水二次処理水に対して磁気処理を施すことにより、効率的なファウリング原因物質の分解除去が可能となる。
【００４５】
［本実施形態の再生水製造装置の構成］
図２及び図３を参照して再生水製造装置８の具体的な構成について説明する。
【００４６】
再生水製造装置８は、二次処理水の流れに磁場を供給してヒドロキシルラジカルを含んだ磁気処理水を生成する磁場供給装置１０と、前記磁気処理水を分離膜によって固液分離処理して再生水を生成する膜分離装置１１とを備える。
【００４７】
磁場供給装置１０は、二次処理水を膜分離装置１１に供給する供給配管部２１に具備されて当該二次処理水を流通させる配管部３１と、この配管部３１の外周面に付帯されて配管部３１内の二次処理水の流れに磁場を供給する一対の磁石部３２とを備える。この一対の磁石部３２は配管部３１を介して一方の磁石部３２のＮ極が他方の磁石部３２のＳ極と対向して配置されている。
【００４８】
磁場供給装置１０の配管材質は、磁力の供給の障害とならない材質とすることが必要である。具体的には、磁場を供給する領域となる図３に示された面積Ｓ1に対応する配管部３１は、塩ビ管などの樹脂管であることが望ましいが、樹脂管以外であっても磁力を遮断しないものであれば使用できる。
【００４９】
磁石部３２としては、強力な磁場を有するネオジウム磁石が適するが、磁場供給装置１０の設計において、後述の式（１）及び式（２）に基づき算出される磁力の強さを満たせば、ネオジウム磁石以外のサマコバ磁石、フェライト磁石などの他の磁石を適用してもよい。さらに、再生水を低コストで製造する点で、磁石として永久磁石を使用することが好ましいが、電磁石などを適用できる。
【００５０】
磁場供給装置１０の磁場効果を評価する指標として、殺菌効果の指標であるＣｔ値を導入した。すなわち、殺菌効果の評価において、殺菌効果が殺菌剤の濃度と接触時間によって変わることから、Ｃｔ値（＝濃度［ｍｇ／Ｌ］×接触時間［ｍｉｎ］）を利用した。
【００５１】
そこで、Ｃｔ値に相当する磁場効果の評価指標がＨｔ値であると定義すると、被処理水容積に供給される磁場は対象物殺菌剤の濃度に相当し、Ｈｔ値は以下の式（１）によって表すことができる。
【００５２】
Ｈｔ＝（Ｂ・Ｓ1／Ｖ）×ｔ  …（１）
Ｖ：被処理水量［ｍ3］
Ｂ：磁場の磁束密度
Ｓ1：磁束密度Ｂの磁場を供給する面積［ｍ2］
ｔ：磁石と被処理水との接触時間すなわち磁束密度Ｂの磁場の供給時間［ｍｉｎ］
ここで、容器に磁石と被処理水とを投入して回分処理を行う場合、面積Ｓ1［ｍ2］は被処理水が磁石と接している実面積であると定義すると、被処理水量Ｖと磁石の磁束密度Ｂとから式（１）によって磁石と被処理水の接触時間ｔにおけるＨｔ値を計算できる。
【００５３】
また、図３に示した配管部３１内に被処理水を流通させて連続処理する場合、被処理水の流れ方向に沿う磁石部３２の長さをＬ［ｍ］、磁束密度Ｂの磁場の供給面積をＳ1［ｍ2］、配管部３１内の横断面積をＳ2［ｍ2］、被処理水流量をＱ［ｍ3／ｍｉｎ］とする。このとき、磁石部３２の磁場の供給時間ｔ［ｍｉｎ］は被処理水が配管部３１内を区間Ｌだけ移動する時間に相当する。被処理水量Ｖ［ｍ3］は被処理水流量Ｑ［ｍ3/ｍｉｎ］と供給時間ｔ［ｍｉｎ］との積となる。
【００５４】
すなわち、供給時間ｔ＝Ｌ／（Ｑ／Ｓ2）、被処理水量Ｖ＝Ｑ×ｔとなり、式（１）は以下の式（２）のようにＱをパラメータとした式で示される。
【００５５】
Ｈｔ＝（Ｂ・Ｓ1／Ｖ）×ｔ
＝［（Ｂ・Ｓ1）／（Ｑ×ｔ）］×ｔ
＝Ｂ・Ｓ1／Ｑ  …（２）
以上の磁場供給装置１０によれば、配管部３１内の二次処理水の流れに磁石部３２から磁場が供給されると、磁石部３２の磁力線に対して垂直に二次処理水が流れる際にファラデーの電磁誘導の法則に従い電流が誘導される。これにより、配管部３１内の液相においてヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）が生成する。このヒドロキシルラジカルは、酸化力が強く、前記液相に含まれる糖質や脂質、蛋白質等のＥＰＳの酸化分解に供される。つまり、配管部３１内の磁場に二次処理水が通過する過程で酸化力の強いヒドロキシルラジカルが生成し、このヒドロキシルラジカルによってＥＰＳが酸化分解される。以上のように二次処理水が膜分離装置１１に供給される過程でファウリング原因物質が分解される。
【００５６】
膜分離装置１１は、磁気処理水を貯留する膜処理槽１２内に具備される膜モジュール１３と、この膜モジュール１３を介して前記磁気処理水を吸引して膜モジュール１３から導入したろ過処理水を再生水として再生水槽１４に移送するポンプＰ１とを備える。さらに、膜モジュール１３の逆洗時に再生水槽１４内の再生水を膜モジュール１３に供給するポンプＰ２を備える。
【００５７】
膜モジュール１３は例えば周知の形態のセラミック膜からなる分離膜を備える。ろ過処理時には図２に記載の実線矢印で示したポンプＰ１を介した供給ラインにより膜モジュール１３からろ過処理水が再生水槽１４に供給される。一方、膜モジュール１３の逆洗時には同図に記載の点線矢印で示したポンプＰ２を介した供給ラインにより再生水槽１４から再生水が膜モジュール１３に供給される。
【００５８】
膜モジュール１３は、セラミック膜に限定することなく、セラミック膜以外の無機膜や有機膜等を適用できる。尚、長期にわたり安定したろ過性能と処理水質の維持を実現するためには、堅ろうで物理的・化学的な耐久性が高いセラミック膜が好ましい。
【実施例】
【００５９】
以下に再生水製造装置８の実施例について説明する。
【００６０】
１Ｌの二次処理水に磁束密度３００ｍＴの磁石を浸漬させてプロペラ型攪拌器によって攪拌した場合のＴＯＣ（全有機炭素濃度）、ＩＣ（無機体炭素濃度）、ｐＨ、温度の経時的変化をブランク（磁石を浸漬させない場合）の結果と共に磁場の供給時間による水質の変化を図４〜図７に各々示した。
【００６１】
特に、図４，図５はＴＯＣ，ＩＣの初発濃度に対する比の経時的な変化に基づき水質変化を評価している。すなわち、図４のグラフにおける縦軸の数値は、ＴＯＣの初発濃度値ＴＯＣ０に対するＴＯＣ値の比率を示す。同様に、図５のグラフにおける縦軸の数値は、ＩＣの初発濃度値ＩＣ０に対するＩＣ値の比率を示す。
【００６２】
本試験において使用した磁石は、ネオジウム磁石（縦２ｃｍ×横２ｃｍ、厚さｔ＝５ｍｍ）であり、二次処理水と直接接触しないようにビニール袋に入れて、試験容器の底部に置いた。そして、この試験容器内に１Ｌの二次処理水を投入した。
【００６３】
本試験における磁場効果Ｈｔは、式（１）に基づき、ｔをパラメータとした次式となる。Ｈｔ＝（Ｂ・Ｓ1／Ｖ）×ｔ＝０.１２×ｔ
図４〜図７に各々示されたＴＯＣ，ＩＣ，ｐＨ，温度の経時的変化によると、磁気処理によって二次処理水のＴＯＣの減少、ｐＨの上昇が顕著となることが認められた。一方、ＩＣ、温度の経時的変化はブランクの結果と顕著な差は認められなかった。これらの結果は二次処理水の磁気処理によって生成したヒドロキシルラジカルが菌体外ポリマーを酸化分解したことを示唆するものであると考察される。尚、実用上、磁場の供給時間としては０．５〜２０秒程度であることが望ましいことも本試験において確認された。
【００６４】
また、二次処理水を４８時間磁気処理した磁気処理水をセラミック膜ろ過装置に供した。流束（Ｆｌｕｘ）を３．１ｍ3／ｍ2／日、温度を２０℃、ろ過時間を９．５分、逆洗時間の０．５分の処理条件のもとで前記膜ろ過装置を運転した。さらに、比較例として、磁気処理していない二次処理水、水道水のそれぞれを同処理条件のもとでセラミック膜ろ過装置に供した。
【００６５】
図８〜図１０に磁気処理水、二次処理水、水道水の各々を前記処理条件のもとで前記膜ろ過装置に供給した際の流束と膜差圧（ＴＭＰ）の経時的変化を示した。
【００６６】
水道水はろ過処理時及び逆洗時において１２０分経過しても膜差圧の上昇が認められなかった。また、二次処理水は逆洗時において膜差圧の上昇を防止できなった。
【００６７】
これに対して、磁気処理水はろ過処理時においてファウリング発生までの時間が二次処理水の約２倍に延ばすことができた。また、流束とろ過時間、逆洗時間を調整することにより、磁気処理水をさらに長時間安定的にろ過処理できることが確認された。
【００６８】
被処理水を連続的に磁気処理する磁場供給装置１０の設計にあたり、回分処理の試験結果から所望する水質に対応するＨｔ値を算出すれば、このＨｔ値と式（２）とから再利用水として要求される被処理水量Ｖを導き出せる。この被処理水量Ｖに基づき、配管径、磁石（磁束密度、大きさ）を選定すれば、磁場供給装置１０の基本仕様計が決定できる。
【００６９】
また、実際の連続処理においては、被処理水量の水質変動が想定されるので、被処理水量を調整することでファウリング原因物質の除去率を調整し、再生水の水質の安定化が可能となる。
【００７０】
以上の説明から明らかなように本実施形態の再生水製造装置８によれば排水の二次処理水から再生水を安定的及び低コストに製造できる。特に、再生水製造装置８における磁場供給装置１０は、オゾン−過酸化水素法やオゾン−紫外線法等の他のヒドロキシルラジカル発生法の装置と比べても、装置構成が簡素に実現可能となるので、ヒドロキシルラジカルを含んだ処理水を低コストに生成できる。
【符号の説明】
【００７１】
１…二次処理水再利用システム
８…再生水製造装置
１０…磁場供給装置（磁場供給手段）、３１…配管部、３２…磁石部
１１…膜分離装置（膜分離手段）
【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】
2016203099.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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