(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業廃液等の溶液の溶媒分離濃縮方法において、
前記産業廃液等の低濃度水溶液より水分を凍結濃縮させる凍結濃縮による１段目の溶媒濃縮を行い、該凍結濃縮により得られた高濃度水溶液より水分を加熱により蒸気化して分離させる、蒸気再圧縮濃縮による２段目の濃縮を行い、最終濃縮・減容を行なうとともに、上記凍結濃縮により得られた凍結氷は蓄氷器を介して負荷との熱交換による冷熱利用を図り、前記蒸気再圧縮濃縮により得られた蒸気熱を高濃度水溶液の加熱源として利用したことを特徴とする溶液の溶媒分離濃縮方法。
【請求項２】
前記凍結濃縮において、凍結分離の直前の氷表面を解氷水で洗浄することにより解氷水純度の向上を可能としたことを特徴とする請求項１記載の溶液の溶媒分離濃縮方法。
【請求項３】
前記蒸気再圧縮濃縮において、凝縮液は１段目の濃縮により得られた高濃度水溶液との間の熱交換により降温した後、吸着剤を介して臭気及び特定成分の除去を可能としたことを特徴とする請求項１記載の溶液の溶媒分離濃縮方法。
【請求項４】
低濃度水溶液を貯留し１段目濃縮により高濃度水溶液が得られるまで濃縮液を循環させる循環水槽と、該循環水槽より低濃度水溶液の供給を受け凍結濃縮する製氷室と、該製氷室に凍結用冷熱及び脱氷用温熱を供給する冷凍機と、凍結氷を分離した凍結氷の氷水を貯留して外部へ冷熱及び解氷水を供給する蓄氷器とを含む凍結濃縮装置と、
前記循環水槽に貯留された１段目の濃縮済の高濃度水溶液を加熱して蒸発させる凝縮器と、該凝縮器より蒸発した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、圧縮蒸気を凝縮するとともに凝縮器の加熱をする加熱器と、凝縮液より臭気や特定成分を吸着する吸着器とを含む蒸気再圧縮濃縮装置より構成したことを特徴とする溶液の溶媒濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水溶液の分離および濃縮に関するもので、特に産業廃液の排水処理工程における省水・省エネルギ改善を図るべく最終濃縮・減容を可能にした溶液の溶媒分離濃縮方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来産業廃液の排水処理方法としては、有機物含有量の多い廃液に対して図２の微生物処理、無機物含有量の多い廃液には図３の焼却処理が主たる処理方法として使用されてきた。さらに廃液の濃縮、特に廃水の濃縮には、例えば図４の方法が使用されていた。
【０００３】
図２は有機物廃液の微生物分解による排水処理法を示したものである。原液５０を微生物分解槽５１に貯留し、貯留した原液の上澄み液は許容値以下の成分濃度が確認されれば、外部に排出され外部排水５３が行なわれる。残された汚泥沈殿物５２は燃焼５４の燃焼処理がされるか、または肥料や廃棄物固形燃料（ＲＤＦ）等として有効利用５５がされている。
【０００４】
図３は原廃液５６を直接燃焼炉５７で燃焼させる廃液の直接燃焼処理方法を示したものである。当然のことながら多量の水分を含有するため、多量の燃料が必要となる。水分は水蒸気となり燃焼ガス５８として大気中に放出され、残された固形物５９は灰となり最終処分される。
【０００５】
図４に示される方法は、直接燃焼処理法の燃料を減少させるために、原廃液を加熱しながら蒸発水分を真空ポンプ等で大気放出することにより廃液濃度をある程度上昇させ、その後に燃焼炉で燃焼させる真空濃縮燃焼処理方法である。
即ち、原廃液６０は濃縮槽６１で加熱により発生した蒸発水分を真空ポンプ６２により吸引大気放出させ、高濃度の廃液を焼却炉６３で焼却して、固形物（灰）６４の排出と燃焼ガス６５の大気放出を可能にしている。
上記の場合、濃縮処理場と燃焼処理場との距離が離れている場合は、特に濃縮・減容化により運搬費用がある程度低減されることになる。
【０００６】
上記図３、図４に示された産業廃液の排水処理方法は、多量の燃料消費、排気ガスおよび炭酸ガスの発生、運搬費用（主に燃料費）の発生、処理排水の放出等省エネルギー、省水および環境保全の観点から好ましからざる結果を引き起こしている。
【０００７】
ところで、上記図４に示す濃縮法以外に食品工業で使用されている凍結濃縮法と蒸気再圧縮濃縮法がある。
図５にはジュースの濃縮に従来から使用されてきている凍結濃縮法が示してある。原液ジュース６６の中の水分を凍結濃縮装置６７により凍結除去し、濃縮された残液が濃縮ジュース６８として使用されるようにし、凍結除去した水分を排水６９として処理するようにしている。
この場合は加熱蒸発による品質変化を避けることが出来るため、香気の逸散が少なく成分変化が殆ど無く加熱を伴わない濃縮法としてコーヒー、ビール等の分野で利用されてきている。
なお、凍結濃縮の場合、濃縮の進行に伴い氷結温度も低下し溶液粘度も増加し、濃縮液と氷晶の分離や氷晶に付着した濃縮液の回収が困難になる問題がある。
【０００８】
図６には、ビールの麦汁煮沸釜による蒸気再圧縮濃縮法が示されている。これは従来の煮沸釜による直接加熱により麦汁より発生する臭気を含んだ水蒸気を大気中に放出する従来の麦汁の煮沸濃縮法を改善したもので、濃縮釜として機能する麦汁煮沸釜７０より発生する蒸気を蒸気圧縮機７１を介して圧縮昇温させ、昇温された高圧高温蒸気を前記麦汁煮沸釜７０の加熱用蒸気として加熱器７４を介して再利用するので、従来の煮沸釜に比較し投入エネルギ量は大幅に削減される。
加熱器７４に供給された蒸気は内部で次第に凝縮され、供給蒸気の全量が凝縮され排水７３として外部へ放出される。蒸気再圧縮濃縮法は従来法に比べて、加熱に要するエネルギーが１／４程度まで削減されるといわれ、さらに従来法の臭気による環境汚染の問題がなくなるなどの利点がある。
【０００９】
上記図５、図６に示す濃縮法は、廃液の濃縮にも利用可能であることは周知の事実であったが、設備面、積設備コスト、操作性等から利用される状態に至っていない状況である。
しかし、一方、昨今の水不足や河川・湖沼・地下水の汚染は、淡水の保全対策が切迫した重大局面にあることを示している。一方、地球温暖化防止のための省エネルギー対策も待ったなしの状況にある。廃液の排水処理法についても従来の単純な燃焼処理ではエネルギーと水資源の浪費および大気汚染を引き起こすため、早急な対策が望まれている状況である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、省水・省エネルギ改善を図るべく最終濃縮・減容を可能にした溶液の溶媒分離濃縮方法とその装置の提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するための手段として考えられた本発明の特徴は、凍結濃縮装置の後に蒸気再圧縮濃縮装置を配設したところにある。重要なことはこの配設順序であり、蒸気再圧縮濃縮装置の後に凍結濃縮装置を配置した構成では期待される効果が得られない。即ち、廃液濃度のより低い低濃度水溶液で凍結濃縮を行い、凍結濃縮により高濃度となった濃縮水溶液に蒸気再圧縮濃縮を行うようにしたものである。
【００１２】
そこで、本発明の溶液の溶媒分離濃縮方法は、
産業廃液等の溶液の溶媒分離濃縮方法において、
前記産業廃液等の低濃度水溶液より水分を凍結濃縮させる凍結濃縮による１段目の溶媒濃縮を行い、該凍結濃縮により得られた高濃度水溶液より水分を加熱により蒸気化して分離させる、蒸気再圧縮濃縮による２段目の濃縮を行い、最終濃縮・減容を行なうとともに、上記凍結濃縮により得られた凍結氷は蓄氷器を介して負荷との熱交換による冷熱利用を図り、前記蒸気再圧縮濃縮により得られた蒸気熱を高濃度水溶液の加熱源として利用したことを特徴とする。
【００１３】
上記請求項１記載の発明は、産業廃液等の溶液の溶媒分離濃縮方法において、濃縮処理により出来るだけ排水等の溶液に含まれている水分を除去するため、水分を多量に含んだ低濃度水溶液を凍結濃縮により１段目の濃縮を行い、ついで前記濃縮により高濃度になった濃縮水溶液については蒸気再圧縮濃縮により２段目の濃縮を行い、最終濃縮液までの濃縮をして出来るだけの減容を図ったものである。
そして、凍結濃縮において、凍結分離により得られた凍結氷を貯留する氷蓄器を介しての凍結氷の潜熱や顕熱による冷熱利用と、後記するように凍結氷を凍結分離前にその表面を清浄水により洗浄した後解氷した解氷水は工業用水や中水として利用を可能とし、
また、蒸気再圧縮濃縮において得られた凝縮水は後記するように吸着により有害成分を除去し、工業用水や中水としての有効利用を可能にしている。
【００１４】
また、請求項１記載の凍結濃縮において、凍結分離の直前の氷表面を解氷水で洗浄することにより解氷水純度の向上を可能としたことを特徴とする。
【００１５】
上記請求項２記載の発明は、凍結濃縮の製氷室における製氷熱交換器の伝熱面表面への結氷後の脱氷において、その直前に氷結面を洗浄する洗浄工程を設けることにより、脱氷した氷面を洗浄して解氷水の清浄化を図るようにしたものである。
上記清浄化を図ることにより、凍結氷からはその表面から有害成分が除去され、除去され清浄化された凍結氷からは前記したように工業用水や中水としての有効利用を図ることができる。
【００１６】
また、請求項１記載の蒸気再圧縮濃縮において、凝縮液は１段目の濃縮により得られた高濃度水溶液との間の熱交換により降温して、吸着剤を介して臭気及び特定成分の効率的除去を可能としたことを特徴とする。
【００１７】
上記請求項３記載の発明は、蒸気再圧縮濃縮における凝縮液には有害な特定成分や臭気を含んでいるため、１段目濃縮が終了した低温の高濃度水溶液との間で熱交換により凝縮液の液温を低下させて吸着剤による吸着可能の状態にして、特定成分と臭気の除去を行なわせ、該除去により工業用水や中水としての利用を可能にしている。
【００１８】
上記請求項１、請求項２、請求項３記載の発明を使用した溶液の溶媒分離濃縮装置は、
産業廃水の排水処理装置において、
低濃度水溶液を貯留し１段目濃縮により高濃度水溶液が得られるまで濃縮液を循環させる循環水槽と、該循環水槽より低濃度水溶液の供給を受け凍結濃縮する製氷室と、該製氷室に凍結用冷熱及び脱氷用温熱を供給する冷凍機と、凍結氷を分離した凍結氷を貯留して外部へ冷熱及び解氷水を供給する蓄氷器とを主構成要素とする凍結濃縮装置と、
前記循環水槽に貯留された１段目の濃縮済の高濃度水溶液を加熱して蒸発させる凝縮器と、該凝縮器より蒸発した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、圧縮蒸気を凝縮するとともに凝縮器の加熱をする加熱器と、凝縮水より臭気や特定成分を吸着する吸着器と、を主構成要素とする蒸気再圧縮濃縮装置より構成したことを特徴とする。
【００１９】
濃縮を進めて循環水槽内の水溶液濃度が所定濃度になったときは、水溶液の循環と冷熱の供給を停止させ凍結を終了させる。この場合、製氷中の氷表面は常時原廃液の散布水が触れているため相当汚れているが、氷内部の純度は相当高い。解氷水の純度を向上させるためには前記凍結終了時、脱氷直前の結氷面に清浄な解氷水を散布して、氷表面を洗浄し洗浄水は循環水槽に還流させる。しかる後に冷凍機の運転を脱氷運転に切り替えて凍結分離を行い蓄氷器への通路を開き、凍結分離した凍結氷は前記通路を介して蓄氷器へ流入するようにしてある。
斯くして、蓄氷槽における解氷水純度は向上し理想的な清浄氷が得られることになる。
【００２０】
蒸気再圧縮濃縮装置で得られる凝縮液中には水に比べて、より沸点の低い有害な媒質が含有されている可能性があり、場合によっては臭気成分を含んでいることがある。このため、凝縮液より凝縮水を取り出す直前に吸着材中を通過させることにより、前記有害成分を除去するようにしてある。従来の方法では凝縮水はそのまま外部に放出されていた。一般に凝縮水の溶液温度の低いほど吸着材の吸着効果は大きくなるので、吸着効果と省エネルギーの観点から、熱交換器を介して蒸気再圧縮濃縮装置への凍結濃縮装置よりの高濃度水溶液を昇温させるとともに、取り出される吸着処理前の凝縮液の温度を低下させることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の溶液の溶媒分離濃縮装置の概略の構成を示す図である。
【００２２】
図１に見るように、本発明の溶液の溶媒分離濃縮装置は凍結濃縮装置１０と蒸気再圧縮濃縮装置２０とよりなり、凍結濃縮装置に原廃液１０ａを流入させ１段目の濃縮を行い、ついで蒸気再圧縮濃縮装置２０で２段目の濃縮を行い凝縮水２６を取り出すようにしたものである。
【００２３】
上記凍結濃縮装置１０は、循環水槽１１と、製氷機１２と、冷凍機１３と、蓄氷器１４とより構成する。
上記循環水槽１１に貯留された原廃液１０ａを含む低濃度水溶液は、内蔵する散水ノズル１２ｃを介して製氷機１２を経由して循環させ、該製氷機１２に内蔵する製氷熱交換器１３ａで冷凍機１３より冷ブライン／温ブラインの供給を受けて凍結濃縮を行なわせ、凍結氷は蓄氷器１４に貯留し、濃縮水は循環水槽１１に還流する構成にしてある。
【００２４】
上記製氷機１２は、上底に散水ノズル１２ｃを備えその下に平板状の製氷熱交換器１３ａを内蔵し、下底に傾斜状金網１２ｄを設けた製氷室１２ａと、前記傾斜金網１２ｄを上底に持つ一時貯留槽１２ｆとより構成し、
前記製氷熱交換器１３ａには別途設けた冷凍機１３より製氷時には冷ブラインを供給させ、解氷時には温ブラインを供給させるとともに蓄氷器１４より解氷水を供給させる構成にしてある。
そして、製氷室１２ａの下部には氷取出し開閉扉１２ｅを設け、結氷面の洗浄終了後の脱氷時には前記傾斜状金網１２ｄに落下した凍結氷を前記開閉扉１２ｅを介して蓄氷器１４に流入蓄氷させるようにしてある。
なお、上記散水ノズル１２ｃは、製氷時には前記循環水槽１１より低濃度水溶液を前記製氷熱交換器１３ａの伝熱面に散布して薄板状の氷を形成させ、解氷時には蓄氷器１４より解氷水を凍結面に散布して結氷面の洗浄と液脱を行なうようにしてある。なお、洗浄時は洗浄水が蓄氷器１４に流入しないように前記氷取出し開閉扉１２ｅは閉鎖状態に置く構成とする。
【００２５】
上記構成により、原廃液１０ａは循環水槽１１よりの低温の高濃度水溶液２０ａの冷熱の供給を受けた原水冷却器１１ａにより冷却され循環水槽１１に流入貯留される。貯留された原廃液の低濃度水溶液はポンプＰ１、弁Ｖ３を経由後、製氷室１２ａ内の散水ノズル１２ｃを介して製氷熱交換器１３ａの平板状伝熱面に散布する。散布された原廃液は冷凍機１３より供給された冷ブラインにより前記伝熱面上に薄板状凍結氷を作る。一定の氷厚になるまで散布を続け濃縮水は下部の傾斜状金網１２ｄを経由一時貯留槽１２ｆに貯留された後循環水槽１１へ貫流する。
【００２６】
上記薄板状凍結氷が一定厚さに到達すると、前記弁Ｖ３の閉鎖、ポンプＰ１の運転停止により原廃液の循環を停止させるとともに、冷凍機１３の運転を脱氷運転に切り替え冷ブラインの供給を断ち凍結を終了させるとともに、弁Ｖ４を解放し蓄氷器１４より解氷水を導入して前記散水ノズル１２ｃより結氷面に散布して表面を洗浄して付着した汚泥を除去し、除去終了とともに温ブラインを供給させ製氷熱交換器１３ａの伝熱面より凍結氷の凍結分離を起こさせる。
凍結分離を起こした凍結氷は、前記伝熱面より落下し下部の傾斜状金網１２ｄに補足される。補足された凍結氷が一定量に達すると開閉扉１２ｅを開き該開閉扉を経由して蓄氷器１４に流入蓄氷させる。
【００２７】
上記凍結氷を蓄氷する蓄氷器１４においては、凍結氷の潜熱を解氷熱交換器１５を介して外部へ供給する冷却器１５ａが設けられている。また、前記蓄氷器１４の顕熱は、冷却器１５ｂを介して冷却器１５ａ同様外部へ冷熱を供給する。
これによって冷却器１５ａ、１５ｂは空調用の他、一般のプロセス用としても利用可能である。なお、解氷水１６は前記したように冷却器１５ｂを経由して顕熱を外部供給したのち清浄液として排出され、工業用水や中水として利用可能にしてある。
【００２８】
上記蒸気再圧縮濃縮装置２０は、凝縮器２１と蒸気圧縮機２２と加熱器２３と凝縮液２４のタンクと吸着器２５とを含む構成とする。
即ち、前記循環水槽１１内でより高濃度となった低温の高濃度水溶液２０ａは原廃液１０ａを冷却する原水冷却器１１ａおよび凝縮液を冷却する凝縮水冷却器２４ａを通過後に蒸気再圧縮濃縮装置における凝縮器２１に送られる。送り込まれた高濃度水溶液２０ａは凝縮器２１内部の加熱器２３により加熱され蒸発する。蒸発させられた蒸気は蒸気圧縮機２２に送られる。蒸気圧縮機２２で加圧昇温された蒸気は前記加熱器２３内に送られる。加熱器２３により高濃度水溶液２０ａは蒸発し、自身は内部で凝縮していく。凝縮液２４のタンクに貯留された比較的高温の凝縮液はポンプＰ９により、凝縮水冷却器２４ａに送られ冷却された後、吸着器２５を通過 中に臭気および有害成分を効率的に吸着除去された後、工業用 水や中水として有効利用されるようにしてある。
【００２９】
本実施例は特許請求の範囲に示される構成と特徴を有するものであり、製氷機における製氷構造、凝縮器における濃縮構造等装置構造を規定するものではなく、例示に過ぎない。
また、本発明は産業廃液の廃水処理に限らず一般的の溶液の溶媒分離濃縮にも有効である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の第一の効果は、凍結濃縮装置と蒸気再圧縮濃縮装置を直列に配置し、凍結濃縮された廃液をさらに蒸気再圧縮濃縮装置で濃縮することにより、従来方式より格段の濃度に濃縮された廃液を燃焼による最終処理に回すことができる。これにより、従来方式に比べて格段の省エネルギーが可能となる。単純加熱濃縮方式に比べて、凍結濃縮工程および蒸気再圧縮濃縮工程からなる本方式は同量の水分を除去するため必要なエネルギーを概略１／４程度に低減することができる。
【００３１】
本発明の第二の効果は冷熱利用である。凍結濃縮装置で分離された凍結氷の潜熱及び顕熱を空調・冷却などの冷熱源として利用可能である。従来の単純燃焼方式では燃焼熱は全て無駄に大気中に放出されていたが、冷凍濃縮方式では冷凍工程への投入エネルギーの４倍（冷凍機の成績係数の値は４以上となる）以上の冷熱が得られることは非常に大きな特徴である。
【００３２】
本発明の第三の効果は省水効果である。冷凍工程で得られた解氷水の純度は相当高いため、中水、洗浄水、工業用水として十分利用可能であり、上水使用量の減少が可能となり、これによる環境破壊の心配もない。さらに、蒸気再圧縮濃縮装置で得られる凝縮水も純度が高く、解氷水同様に再利用できる。排水から分離された水が全て利用できるという省水効果は従来方式に比べて大きな特徴である。４倍濃縮の場合、原廃液容積の７５％相当の上水が利用可能となり、省水効果は抜群である。
【００３３】
本発明の第四の効果は環境保全への寄与である。省エネルギーによる大気汚染および二酸化炭素の低減効果および分離水の利用による淡水保全効果は、今後の環境保全に重要な貢献が期待できる。
【００３４】
本発明の第五の効果は原廃液発生事業所において顕著なものとなる。従来原廃液を発生する事業所では発生原液をそのまま中間処理業者の事業所に運び込んでいたが、本発明の装置を原廃液発生事業所内に設置することにより、事業所から排出される原液発生量および処理費用を激減させることが可能となり、省水・省エネルギー・環境保全の観点からも優れた企業活動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の溶液の溶媒分離濃縮装置一例を示す概略構成図である。
【図２】  微生物分解による排水処理方法を示す図である。
【図３】  廃液の直接燃焼処理方法を示す図である。
【図４】  廃液の真空濃縮燃焼処理方法を示す図である。
【図５】  凍結濃縮方法の一例を示すジュースの濃縮工程を示す図である。
【図６】  蒸気再圧縮濃縮方法の一例を示す麦汁煮沸釜における濃縮工程を示す図である。
【符号の説明】
１０  凍結濃縮装置
１１  循環水槽
１２  製氷機
１２ａ  製氷室
１３  冷凍機
１３ａ  製氷熱交換器
１４  蓄氷器
１５  解氷熱交換器
１６  解氷水
２０  蒸気再圧縮濃縮装置
２１  凝縮器
２２  蒸気圧縮機
２３  加熱器
２４  凝縮液
２５  吸着器
２６  凝縮水
【図１】
0004121682.tif 000002
【図２】
0004121682.tif 000003
【図３】
0004121682.tif 000004
【図４】
0004121682.tif 000005
【図５】
0004121682.tif 000006
【図６】
0004121682.tif 000007