(57)【要約】少量の凝集剤で効率よく汚濁水中の不純物を除去することが可能な水浄化装置および水浄化方法である。汚濁水の導入側から順に、汚濁水を電気分解する電気分解槽（１）、電気分解された汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽（２）、汚濁水に凝集剤製造装置（７）より供給されるＦｅ３＋を混合して汚濁水中の不純物を凝集させる凝集槽（３）および凝集した不純物を浮上分離させる浮上分離槽（４）により構成し、電気分解槽（１）によって汚濁水を電気分解することにより汚濁水中のコロイド粒子のゼータ電位を低くし、その後、凝集槽（３）によってＦｅ３＋と混合することにより、コロイド粒子を中和するために添加するプラス帯電のＦｅ３＋の量を少なくすることができる。
2002026639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物の凝集分離を行う水浄化装置であって、前記汚濁水と凝集剤とを接触させる凝集槽の前段または後段に前記汚濁水を電気分解する電気分解槽を備えた水浄化装置。
【請求項２】
前記凝集剤として、第２鉄イオンを用いた請求の範囲第１項記載の水浄化装置。
【請求項３】
前記汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽を備えた請求の範囲第１項記載の水浄化装置。
【請求項４】
前記汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽を備えた請求の範囲第２項記載の水浄化装置。
【請求項５】
前記凝集槽の上流に水素イオン濃度指数を検出する手段を備え、同手段により検出した水素イオン濃度指数に基づいて前記ガス混合槽への炭酸ガスの供給量を調節する手段を備えた請求の範囲第３項記載の水浄化装置。
【請求項６】
前記凝集槽の上流に水素イオン濃度指数を検出する手段を備え、同手段により検出した水素イオン濃度指数に基づいて前記ガス混合槽への炭酸ガスの供給量を調節する手段を備えた請求の範囲第４項記載の水浄化装置。
【請求項７】
凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水を電気分解した後、前記凝集剤を加えることを特徴とする水浄化方法。
【請求項８】
凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水に前記凝集剤を加えた後、前記汚濁水を電気分解することを特徴とする水浄化方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば河川や湖池等の水を導入して水中の不純物を取り除く水浄化装置および水浄化方法に関する。
背景技術
河川や湖池等の汚濁水から不純物を除去する方法の１つとして、汚濁水に凝集剤として薬品を添加し、汚濁水中に含まれる不純物を対イオン効果により凝集沈殿させる化学的方法が知られている。汚濁水に懸濁している１０−９〜１０−６ｍの範囲の大きさの粒子はコロイドと呼ばれ、自然沈降や濾過などで簡単に分離できないため、前記の化学的方法は、このような微粒子を凝集させてある程度の大きさとして分離しようとするものである。
コロイド粒子は荷電しており、負に荷電している粒子の表面には正のイオンが特異吸着して、その外側にイオンの拡散層が形成され、粒子の移動によってこの拡散層とのすべり面に−２０〜−３０ｍＶのゼータ電位を生じている。このゼータ電位が粒子間に反発エネルギの大部分を生じさせ、エネルギ障壁をつくるので、凝集剤によってこのゼータ電位を中和することにより障壁ポテンシャルを小さくして粒子同士を吸着させる。
凝集剤は大別すると無機塩類、有機高分子化合物、凝集助剤に分類できる。よく用いられる無機塩類のうち、代表的なものは硫酸アルミニウム、塩基性塩化アルミニウム、硫酸第二鉄や塩化第二鉄である。無機塩類凝集剤を汚濁水中に添加して攪拌すると、凝集剤中のプラスに帯電した金属イオンが汚濁水中のコロイド粒子のマイナスのゼータ電位を中和して吸着する。
このようにコロイド粒子のゼータ電位の中和のために凝集剤を混合する場合、そのマイナスのゼータ電位に見合うだけの量のプラス帯電の金属イオンが必要である。したがって、汚濁水のマイナスのゼータ電位が大きいとこれに対応して反応させようとする金属イオンが大量に必要となるため、汚濁水中の不純物を取り除くために大量の凝集剤を添加することが必要になる。
凝集のために多くの凝集剤を添加すると、この凝集剤を添加した分だけ凝集沈殿物の量も多くなり、凝集沈殿物の回収作業の手間も増えることになる。また、凝集剤の種類によっては自然界に影響を及ぼすものもあるため、その使用量はできるだけ少量とするのが好ましい。
そこで、本発明は、少量の凝集剤で効率よく汚濁水中の不純物を除去することが可能な水浄化装置および水浄化方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の水浄化装置は、凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物の凝集分離を行うものであって、汚濁水と凝集剤とを接触させる凝集槽の前段または後段に汚濁水を電気分解する電気分解槽を備えたものである。また、本発明の水浄化方法は、凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、汚濁水を電気分解した後、凝集剤を加えるか、あるいは、汚濁水に凝集剤を加えた後、汚濁水を電気分解することを特徴とする。
本発明によれば、汚濁水中のコロイド粒子のゼータ電位が電気分解によってゼロに近づくため、コロイド粒子のゼータ電位を低くすることができる。したがって、ゼータ電位が低くなったコロイド粒子を中和するために添加するプラス帯電の凝集剤の量を少なくすることができ、効率よく汚濁水中の不純物を凝集することが可能となる。
汚濁水を電気分解する電気分解槽は、汚濁水の水質すなわち汚濁水中の不純物の種類に応じて凝集槽の前段または後段のいずれかに配置するのがよい。電気分解槽を凝集槽の前段に配置し、汚濁水を電気分解した後に凝集剤を加えて凝集させるのが基本であるが、電気分解槽を凝集槽の後段に配置し、汚濁水に凝集剤を加えた後に電気分解しても上記のように汚濁水中のコロイド粒子のゼータ電位を低くして、少ない凝集剤によって効率良く汚濁水中の不純物を凝集することが可能である。
ここで、凝集剤としては、鉄、アルミニウム、銅や亜鉛などの金属板を電気分解により溶解させた金属イオンであって、汚濁水に溶存する不純物の成分に応じて適したものを用いることができるが、特に、第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）を用いることが望ましい。
Ｆｅ３＋はＦｅ２＋と比較して安定しており、酸化して赤茶色のＦｅＯとなりやすいＦｅ２＋のように被処理水を着色することが少ない。また、鉄は人体への悪影響もないため、Ｆｅ３＋は凝集に利用されずに排出されても無害である。
また、本発明の水浄化装置は、汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽を備えたものとすることが望ましい。汚濁水に対して炭酸ガスを混合して汚濁水の水素イオン濃度指数を最も凝集しやすい値へと調整することにより、より効率よく汚濁水中のコロイド粒子を凝集し除去することが可能となる。
また、本発明の水浄化装置は、凝集槽の上流に水素イオン濃度指数を検出する手段を備え、同手段により検出した水素イオン濃度指数に基づいてガス混合槽への炭酸ガスの供給量を調節する手段を備えた構成とすることが望ましい。これにより、汚濁水に対して混合する炭酸ガスの供給量を自動調節して水素イオン濃度指数を一定に保ち、より効率よく安定して汚濁水中のコロイド粒子を除去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
図１は本発明の実施の形態における水浄化装置の構成を示すブロック図である。図において、本実施形態における浄化装置は主に、汚濁水の導入側から順に、汚濁水を電気分解する電気分解槽１、電気分解された汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽２、汚濁水に凝集剤を混合して汚濁水中の不純物を凝集させる凝集槽３および凝集した不純物を浮上分離させる浮上分離槽４によって構成される。
電気分解槽１は、ステンレス鋼、白金や炭素等によって形成した電極を備え、この電極に電気量を制御するコントローラ（図示せず）を介して直流電流を通電するものである。ただし、マイナス電極については、通電により溶出しないようにその表面をチタニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ハフニウム等のコート剤によりコーティングしておく。このような電気分解槽１に導入された汚濁水は、電気分解によってその汚濁水中に含まれるコロイド粒子のゼータ電位がゼロへと近づく。このとき、コントローラによって電極へ通電する電気量を制御して、ゼータ電位が弱いマイナス値となるようにする。
ガス混合槽２には、炭酸ガス（ＣＯ２）の供給量を調節可能な炭酸ガス供給装置５が接続され、電気分解槽１によって電気分解された汚濁水のｐＨが高い場合に、この炭酸ガス供給装置５により供給された炭酸ガスを混合する。また、ガス混合槽２の下流であって凝集槽３の上流には、水素イオン濃度指数（ｐＨ）を検出するｐＨセンサ６が設けられており、このｐＨセンサ６の出力は炭酸ガス供給装置５へ入力されている。炭酸ガス供給装置５は、ｐＨセンサ６の入力値（ｐＨ）に基づいてガス混合槽２への炭酸ガスの供給量を自動調節することによって、ｐＨセンサ６により検出する汚濁水のｐＨを５．３〜８に調節する。
凝集槽３には、鉄（Ｆｅ）電極を電解して高速酸化させることにより凝集剤としての第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）を得る凝集剤製造装置７が接続される。ここで、図２および図３を参照しながら凝集剤製造装置７について詳細に説明する。図２は図１に示す凝集剤製造装置７の概略構成図、図３は図２の鉄イオン反応槽１３の構造を示し、（ａ）は内部平面図、（ｂ）は内部側面図である。
凝集剤製造装置７は、水に酸素を高濃度に溶解させた酸素溶解水を製造する高濃度酸素水製造装置１１、製造した酸素溶解水を被処理水としての原水と混合して酸素濃度を調整する酸素水調整槽１２、電解により鉄電極から鉄イオンを溶出させ酸素溶解水中の酸素と接触させて凝集剤を得る鉄イオン反応槽１３、および高濃度酸素水製造装置１１と鉄電極への通電量を制御する制御手段としてのコントロールパネル１４によって構成される。
高濃度酸素水製造装置１１は、酸素ボンベ（図示せず）より供給する酸素を直径０．０１〜０．０５ｍｍの小さな気泡として原水より取り込んだ水中に溶存させ、酸素溶解水とする装置である。酸素を微細化気泡とすることで水中への酸素の溶解効率が良くなり、酸素濃度は一般の水中への酸素の溶解量１０〜１５ｐｐｍよりも非常に大きな数値を示し、この高濃度酸素水製造装置１１によって酸素濃度２０〜５０ｐｐｍの酸素溶解水が得られる。
酸素水調整槽１２は、高濃度酸素水製造装置１１によって得られた酸素溶解水を原水と混合し、酸素濃度を調整するための槽である。この酸素水調整槽１２によって酸素濃度を調整した酸素溶解水は、次段の鉄イオン反応槽１３へと供給される。
鉄イオン反応槽１３には、図３に示すように、鉄（Ｆｅ）製の板状の電極としての複数枚の電極板１６を、酸素溶解水の流れ方向に対して垂直方向に並設したものであり、それぞれの電極板１６の表面は酸素溶解水の流れ方向に対して平行となっている。電極板１６の間隔は約１０ｍｍであり、それぞれの電極板１６には、１枚毎に交互にプラス・マイナスの異なる極性となるように電圧を加える。
電極板１６の酸素溶解水の流れ方向の前面には、酸素水調整槽１２より流入する酸素溶解水をそれぞれの電極板１６間に平均的に流入させるための調整板１７を備える。さらに、電極板１６の酸素溶解水の流れ方向の後面には、全面に均一に孔が形成されたパンチング板１８が設けられ、また、電極板１６の下流側には、水中のＦｅ３＋の濃度を検出する鉄イオン濃度センサ１９ａ、水中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１９ｂを設けている。
コントロールパネル１４は、鉄イオン濃度センサ１９ａにより検出したＦｅ３＋の濃度に基づき、高濃度酸素水製造装置１１から酸素水調整槽１２への酸素溶解水の供給量、高濃度酸素水製造装置１１により製造する酸素溶解水の酸素濃度、電極板１６間への直流電圧（ＤＣＶ）の通電量、および、電極板１６間への酸素溶解水の通水量を制御するものである。
高濃度酸素水製造装置１１から酸素水調整槽１２への酸素溶解水の供給量の調整は、高濃度酸素水製造装置１１と酸素水調整槽１２との間に設けた電磁バルブ２０ａの開度を制御することにより行う。高濃度酸素水製造装置１１により製造する酸素溶解水の酸素濃度の調整は、酸素濃度センサ１９ｂによって検出した酸素濃度に基づき、高濃度酸素水製造装置１１への酸素の供給量や原水の取り込み量を制御することにより行う。電極板１６間への酸素溶解水の通水量の調整は、酸素水調整槽１２と鉄イオン反応槽１３との間に設けた電磁バルブ２０ｂの開度を制御することにより行う。
上記構成の凝集剤製造装置７によれば、高濃度酸素水製造装置１１によって得られた酸素濃度２０〜５０ｐｐｍの酸素溶解水と原水とは酸素水調整槽１２によって混合され、酸素濃度が調整された後の酸素溶解水は鉄イオン反応槽１３へと流入する。鉄イオン反応槽１３へ流入した酸素溶解水は、調整板１７によってそれぞれの電極板１６の間に均一に流入する。
一方、鉄イオン反応槽１３では、電極板１６に加えられた電圧によって電極板１６からＦｅが溶出し、Ｆｅ２＋やＦｅ３＋が発生する。ここで、２０〜５０ｐｐｍの高濃度の酸素が溶存した酸素溶解水が酸素水調整槽１２より供給されることによって、Ｆｅ２＋は高速酸化され、より安定なＦｅ３＋の状態にまで完全に酸化される。
また、この凝集剤製造装置７では、電極板１６の下流のＦｅ３＋の濃度に基づき、コントロールパネル１４によって、このＦｅ３＋の濃度が最大となるように酸素溶解水の供給量、酸素溶解水の酸素濃度、電極間の通電量または電極間への通水量を制御し、さらにこのＦｅ３＋の濃度が最大の状態を維持するように制御することによって、効率よくＦｅ３＋を得ることが可能である。
さらに、電極として自然界に大量にあって安価なＦｅを用いることにより、装置の製造コスト及びランニングコストを抑えることが可能であり、また、酸素を水に溶解させることによって水の電気伝導率が上がるため、電極板１６の電解に必要な電圧量を減らすことが可能となっている。したがって、電源として太陽電池を使用することが可能であり、酸素溶解水を用いた凝集剤製造装置７は省エネルギである。
図１に戻って、凝集槽３では、ガス混合槽２から導入された汚濁水に凝集剤製造装置７から供給されたＦｅ３＋が混合されることによって汚濁水中のコロイド粒子は凝集し、フロックが形成される。ガス混合槽２から導入された汚濁水は、Ｆｅ３＋によって最も効率的に凝集が行われるｐＨ（５．３〜６．５）に調節されており、またゼータ電位が低いため、これを中和するのに必要なＦｅ３＋の量は少なくて良く、最も効率のよい凝集が可能である。浮上分離槽４では、凝集槽３によって形成されたフロックを加圧浮上等の方法により浮上分離させることにより不純物を除去した浄化水を得る。
上記構成の水浄化装置では、電気分解槽１へ導入された汚濁水は電気分解によって、その汚濁水中に含まれるコロイド粒子のゼータ電位がプラスマイナスゼロへと近づき、弱いマイナス値となる。この低いゼータ電位のコロイド粒子を含む汚濁水は、ガス混合槽２に導入され炭酸ガス供給装置５によって炭酸ガスが混合され、ｐＨ５．３〜８に調節される。
次の凝集槽３では、凝集剤製造装置７によって供給されたＦｅ３＋を混合することによって凝集を行うが、ガス混合槽２から導入される汚濁水中のコロイド粒子のゼータ電位が低いことに加え、汚濁水がＦｅ３＋によって最も凝集効率がよいｐＨ５．３〜８に保たれているため、凝集剤製造装置７によって供給するＦｅ３＋が少量でも十分に凝集する。この凝集によって形成されたフロックは浮上分離槽４によって除去され、浄化水が排出される。
こうして得られた浄化水は、凝集剤としてＦｅ３＋を使用したものであるため着色されておらず、また、Ｆｅ３＋が凝集に利用されずに排出されても人体への悪影響がない。また、本発明によれば、浄化に必要なＦｅ３＋の必要量が少なくてよいため、加える凝集剤（Ｆｅ３＋）の量を少なくした極めてランニングコストの低い水浄化装置が得られる。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、電気分解槽１は凝集槽３の前段に配置した例について説明したが、図４に示すように、凝集槽３の後段に配置することも可能である。
この場合、凝集槽３で凝集剤（Ｆｅ３＋）が加えられ、電気分解槽１で電気分解された汚濁水は、凝集槽３で始まった凝集作用が浮上分離槽４でも継続する。浮上分離槽４では、凝集によって形成されたフロックが浮上中にさらに大きく成長する。したがって、電気分解槽１を凝集槽３の後段に配置し、汚濁水に凝集剤（Ｆｅ３＋）を加えた後に電気分解しても、前述のように汚濁水中のコロイド粒子のゼータ電位を低くして、少ない凝集剤により効率良く汚濁水中の不純物を凝集することが可能となる。
なお、本実施形態においては、凝集剤として凝集剤製造装置７により製造したＦｅ３＋を使用しているが、汚濁水に溶存する不純物の成分に応じてアルミニウム、銅や亜鉛等の金属板を電気分解により溶解させた金属イオンを使用することが可能であり、この場合においても電気分解槽１によって汚濁水中に含まれるコロイド粒子のゼータ電位が低くなり、プラスマイナスゼロへと近づくため、これに供給するこれらの金属イオンが少量でも汚濁水中の不純物を効率良く凝集することが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明に係る水浄化装置および水浄化方法は、河川や湖池等の汚濁水に凝集剤を加えて不純物を凝集除去する水浄化装置および水浄化方法として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態における水浄化装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す凝集剤製造装置の概略構成図である。図３は、図２の鉄イオン反応槽の構造を示し、（ａ）は内部平面図、（ｂ）は内部側面図である。図４は、本発明の別の実施の形態における水浄化装置の構成を示すブロック図である。
【図１】
2002026639.tif 000003
【図２】
2002026639.tif 000004
【図３】
2002026639.tif 000005
【図４】
2002026639.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成14年1月16日(2002.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物の凝集分離を行う水浄化装置であって、前記汚濁水と凝集剤とを接触させる凝集槽の前段または後段に前記汚濁水を電気分解する電気分解槽と、前記汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽とを備えた水浄化装置。
【請求項２】
（補正後）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物の凝集分離を行う水浄化装置であって、前記汚濁水と凝集剤とを接触させる凝集槽の前段または後段に前記汚濁水を電気分解する電気分解槽を備え、前記凝集剤として、第２鉄イオンを用いた水浄化装置。
【請求項３】
削除
【請求項４】
前記汚濁水に炭酸ガスを混合するガス混合槽を備えた請求の範囲第２項記載の水浄化装置。
【請求項５】
（補正後）前記凝集槽の上流に水素イオン濃度指数を検出する手段を備え、同手段により検出した水素イオン濃度指数に基づいて前記ガス混合槽への炭酸ガスの供給量を調節する手段を備えた請求の範囲第１項記載の水浄化装置。
【請求項６】
前記凝集槽の上流に水素イオン濃度指数を検出する手段を備え、同手段により検出した水素イオン濃度指数に基づいて前記ガス混合槽への炭酸ガスの供給量を調節する手段を備えた請求の範囲第４項記載の水浄化装置。
【請求項７】
（補正後）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水を電気分解した後、炭酸ガスを混合し、前記凝集剤を加えることを特徴とする水浄化方法。
【請求項８】
（補正後）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水に炭酸ガスを混合し、前記凝集剤を加えた後、前記汚濁水を電気分解することを特徴とする水浄化方法。
【請求項９】
（追加）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水を電気分解した後、前記凝集剤として第２鉄イオンを加えることを特徴とする水浄化方法。
【請求項１０】
（追加）凝集剤の対イオン効果により汚濁水中の不純物を凝集分離する水浄化方法であって、前記汚濁水に前記凝集剤として第２鉄イオンを加えた後、前記汚濁水を電気分解することを特徴とする水浄化方法。
【国際調査報告】
2002026639.tif 000007
2002026639.tif 000008
2002026639.tif 000009
2002026639.tif 000010