JP6747876B2 - 液体処理装置および液体処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、固形分を含む液体の処理装置および処理方法に関する。

固形分を含む液体の固液分離を行う方法として、精密ろ過膜（ＭＦ膜）や限外ろ過膜（ＵＦ膜）等の平型ろ過膜を用いる浸漬型の膜ろ過処理が浄水処理等で用いられる。精密ろ過膜や限外ろ過膜等の浸漬型の膜ろ過装置では被処理液体中の固形分の分離は可能であるが、有機物等の溶解成分の分離をすることができない。また、これら有機物成分は膜の目詰まりを起こすことが知られており、被処理液体中に有機物が高濃度で含まれると、膜の薬品洗浄が頻繁に必要となる場合がある。平型ろ過膜の薬品洗浄を行う場合、一旦膜を浸漬槽から取出し、別の薬品洗浄槽に移送して薬品浸漬を行う必要があるため非常に手間がかかる。浸漬槽に膜が入った状態のまま薬品洗浄を行うこともあるが、その場合には薬品使用量が多量となり、ランニングコストが増加する。高圧洗浄により膜表面に蓄積した汚れを物理的に排除する方法もあるが、その場合も膜を１枚ずつ浸漬槽から取り出して洗浄する必要があるため、この方法も手間と時間を要する。また、被処理液体中に細菌等の微生物が混入している場合、膜の材質によっては生物劣化が生じることがあり、所定の固液分離性能が得られない場合がある。

液体に含まれる細菌類の殺菌処理や有機物の酸化分解処理に紫外線（ＵＶ）ランプが用いられることがある。しかし、紫外線ランプは、ランプ自体の形状の制約や、電極が必須であることから、膜ろ過装置内に従来型の紫外線ランプを組み込むことは、装置構成の点からも、効率的な光照射の点からも極めて難しく、紫外線照射装置は膜ろ過装置とは別に単独で設置されることが一般的である。

一方、紫外線照射装置の一つとしてマイクロウェーブ紫外線発光装置が知られている。例えば、粒状の無電極紫外線発光体に外部から２．４５ＧＨｚ等のマイクロウェーブを照射して、紫外線発光させるものがある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許第５０４９００４号公報

堀越 智、「光触媒コーティング無電極ランプによる被災地の汚染水浄化装置の開発に関する研究」、平成２６年３月、平成２５年度環境研究総合推進費補助金 研究事業 総合研究報告書

本発明の目的は、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる、浸漬型の膜ろ過装置を備える液体処理装置および液体処理方法を提供することにある。

本発明は、複数の平型ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する板状の発光体が前記各平型ろ過膜の間に設置された浸漬型の膜ろ過装置と、マイクロウェーブ発生手段と、を備え、前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う液体処理装置である。

前記液体処理装置において、前記平型ろ過膜が、セラミック膜であることが好ましい。

前記液体処理装置において、前記平型ろ過膜と前記発光体の下方から気体による曝気を行う曝気手段を備えることが好ましい。

また、本発明は、マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、複数の平型ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する板状の発光体が前記各平型ろ過膜の間に設置された浸漬型の膜ろ過装置における前記発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う処理工程を含む液体処理方法である。

前記液体処理方法において、前記平型ろ過膜が、セラミック膜であることが好ましい。

前記液体処理方法において、前記平型ろ過膜と前記発光体の下方から気体による曝気を行うことが好ましい。

本発明によれば、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる、浸漬型の膜ろ過装置を備える液体処理装置および液体処理方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る液体処理装置の一例を示す概略構成図である。 比較例で用いた液体処理装置を示す概略構成図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る液体処理装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。

本実施形態に係る液体処理装置１は、平型のろ過膜３６を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する板状等の発光体３４が内部に設置または充填された浸漬型の膜ろ過装置１２と、マイクロウェーブ発生手段として、マイクロウェーブ発生装置１４とを備える。液体処理装置１は、被処理液体を貯留するための被処理液槽１０と、処理液を貯留するための処理液槽１６とを備えてもよい。

図１の液体処理装置１において、被処理液槽１０の出口と膜ろ過装置１２の上部入口とは、ポンプ１８を介して被処理液配管２２により接続されている。平型のろ過膜３６の上部の処理液出口と処理液槽１６の入口とは、ポンプ２０を介して処理液配管２４により接続されている。膜ろ過装置１２の内部には、少なくとも１つの平型のろ過膜３６が設置され、空間（図１の例では例えば各ろ過膜３６の間）に少なくとも１つの板状等の発光体３４が設置されている。膜ろ過装置１２には、マイクロウェーブ発生手段として少なくとも１つのマイクロウェーブ発生装置１４が、膜ろ過装置１２の内部の発光体３４にマイクロウェーブを照射できるように設置されている。膜ろ過装置１２の内部の発光体３４およびろ過膜３６の下方には、曝気手段として、曝気装置４０が設置され、曝気装置４０はコンプレッサ３８の送気側と接続されている。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置１の動作について説明する。

マイクロウェーブ発生装置１４を起動させて、発生させたマイクロウェーブを膜ろ過装置１２内の発光体３４に照射しながら、被処理液槽１０からポンプ１８により、固形分を含む被処理液体が被処理液配管２２を通して、膜ろ過装置１２の上部入口から供給される。一方、ポンプ２０を起動させ、平型のろ過膜３６の内部を吸引する。これにより、膜ろ過装置１２において、ろ過膜３６により固形分を含む被処理液体の固液分離処理が行われるとともに、紫外線照射処理が行われる（処理工程）。ろ過膜３６を通った後の処理液は、ろ過膜３６の上部の処理液出口から排出され、処理液配管２４を通して処理液槽１６に移される。

固液分離処理では、ろ過膜３６によって被処理液体から固形分が分離される。これにより、処理液の濁度を低減することができる。

紫外線照射処理では、マイクロウェーブの照射により発光体３４から発光された紫外線によって、主に、細菌類の殺菌処理および紫外線の光酸化による有機物等の酸化分解処理が行われる。

ろ過膜３６および発光体３４の下方から気体による曝気を行うことが好ましい。例えばコンプレッサ３８および曝気装置４０を用いて例えば定期的に曝気による洗浄を行うことにより、ろ過膜３６の表面の洗浄とともに、発光体３４の洗浄も行うことができるため、汚れによる紫外線照射量の低下を抑制することが可能となる。

曝気に用いられる気体は、特に制限はないが、空気、窒素ガス等が挙げられ、コスト等の点から、通常は、空気である。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置により、浸漬型の膜ろ過装置において、固形分を含む液体の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができる。また、固液分離処理と紫外線照射処理をともに行うことにより、液体処理装置の設置面積を低減することができる。

浸漬型の膜ろ過装置１２において、例えば各ろ過膜３６の間にマイクロウェーブにより紫外線発光する板状等の発光体３４を設置し、膜ろ過装置１２の外部に発光体３４にマイクロウェーブを照射するマイクロウェーブ発生装置１４を設置し、被処理液体中の固形分の分離と紫外線による細菌類の殺菌処理および有機物等の酸化分解処理等の紫外線照射処理をともに行う。例えば各ろ過膜３６の間に紫外線発光する板状等の発光体３４を設置し、それを外部からのマイクロウェーブ照射により発光させることにより、殺菌処理および有機物の酸化分解処理等を効率よく達成できるため、紫外線照射装置と膜ろ過装置との組合せの従来型システムと比較して、ろ過膜の目詰まりや劣化を低減することができ、処理液質の向上も可能となる。特に平型のろ過膜３６の表面を紫外線照射することにより目詰まり物質の分解も可能となることから、従来システムでは必須であった薬品洗浄や高圧洗浄を行わなくてもよい。また、殺菌処理および酸化分解処理と固液分離処理とを１台の装置で賄うことができることから、従来型システムと比較して大幅な設置スペースの削減も可能となる。

処理対象となる被処理液体は、固形分を含む液体であればよく、特に制限はない。液体としては、例えば、水や、糖液等が挙げられる。固形分としては、例えば、懸濁物質等が挙げられる。処理対象となる被処理液体の濁度は、例えば０．１度以上１００度以下、色度は、例えば０．５度以上１００度以下、ＴＯＣは、例えば０．１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下、細菌数は、例えば、１００個／ｍＬ以上１００，０００個／ｍＬ以下である。

膜ろ過装置１２は、平型のろ過膜（平型ろ過膜）をろ過槽内の被処理液体に浸漬する浸漬型の膜ろ過装置であればよく、特に制限はない。

膜ろ過装置１２におけるマイクロウェーブを照射する面を構成する材質としては、マイクロウェーブを透過する材質であればよく特に制限はないが、例えば、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、セラミックス等が挙げられる。

膜ろ過装置１２における被処理液体の供給は、通常は図１に示すように膜ろ過装置１２の上部からであるが、膜ろ過装置１２の下部からであってもよい。

ろ過膜３６は、固形分の分離処理を行うことができる平型のろ過膜であればよく、特に制限はない。ろ過膜３６としては、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、大孔径膜（ＬＰ膜）等が挙げられる。

ろ過膜３６の材質としては、例えば、有機膜または無機膜が挙げられる。有機膜としては、例えば、酢酸セルロース（ＣＡ）膜、ポリエチレン（ＰＥ）膜、ポリプロピレン（ＰＰ）膜、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）膜、ポリスチレン（ＰＳ）膜、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）膜、ポリビリニデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜等が挙げられる。無機膜としては、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア等のセラミック膜等が挙げられる。紫外線耐性や強度等の観点から無機膜が好ましく、セラミック膜がより好ましい。

マイクロウェーブ発生装置１４は、マイクロウェーブ（周波数：例えば、２．４５０ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ、５．８００ＧＨｚ±０．０７５ＧＨｚ、２４．１２５ＧＨｚ±０．１２５ＧＨｚ）を発生することができるものであればよく、その構成は特に制限はない。例えば、真空管を用いるマグネトロン方式の他に、半導体を用いるソリッドステート方式等が挙げられる。マグネトロン方式の発振器は、家庭用から業務用の電子レンジに幅広く用いられており比較的安価に入手できる利点があり、ソリッドステート方式の発振器は、寿命が比較的長く、波長の安定性が良好である等の利点がある。

マイクロウェーブ発生装置１４の構成例として、例えば、図１に示すように、電源装置２６と、マイクロウェーブ発振器２８と、導波管３０と、スリースタブチューナ３２と、を備える構成が挙げられる。

例えば、電源装置２６から供給された電源により、マイクロウェーブ発振器２８が発生したマイクロウェーブが、導波管３０を通り、膜ろ過装置１２内の発光体３４に照射される。スリースタブチューナ３２により、導波管３０におけるインピーダンス整合を調整することができる。マイクロウェーブ発生装置１４は、導波管３０の膜ろ過装置１２を挟んだ対抗側に短絡器（図示せず）を備えていてもよい。

マイクロウェーブの照射は、膜ろ過装置１２のある１方向から行ってもよいし、２方向以上の複数方向から行ってもよい。膜ろ過装置１２の幅が大きくなると（例えば、５０ｃｍ以上）、マイクロウェーブが中心部まで到達しない場合があるので、膜ろ過装置１２に対して２方向以上の複数方向から照射を行うことが好ましい。

発光体３４は、マイクロウェーブにより紫外線（例えば、波長１００ｎｍ〜４００ｎｍの光）発光するものであればよく、紫外線以外に可視光線（例えば、波長４００ｎｍ〜７８０ｎｍの光）や赤外線（例えば、波長７８０ｎｍ〜１ｍｍの光）の発生有無による制限は特にない。発光体３４としては、例えば、紫外線の吸収が小さい石英製やテフロン（登録商標）樹脂等のフッ素樹脂製であって、球形状や、円筒の両端を球状にしたカプセル形状等の容器に、水銀ガス、水素ガス、キセノンガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、塩素ガス、フッ素ガス、重水素ガス等の、マイクロウェーブにより紫外線発光する放電ガスを所定の封入圧で封入した無電極紫外線発光カプセル、板形状等の容器に上記放電ガスを所定の封入圧で封入した無電極紫外線発光板状発光体等が挙げられる。放電ガスを封入した無電極紫外線発光カプセルや無電極紫外線発光板状発光体に、マイクロウェーブを照射することにより、ガスが励起され、紫外線を発光する。放電ガスや封入圧を適宜選択することにより、発光波長を調整することができる。また、カプセルの比重を調整するために、このカプセルの両端または一端に、カプセルと同様の材料で形成した中空または中実の突起状の比重調整部を設けてもよい。

発光体３４が球形状の場合、最大径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましい。発光体３４が円筒の両端を球状にしたカプセル形状の場合、径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましく、高さは、例えば、２．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり、４．０ｍｍ〜８．０ｍｍの範囲であることが好ましい。

比重調整部の径は、例えば、１．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲であることが好ましく、高さは、例えば、２．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり、４．０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることが好ましい。

発光体３４の発光波長は、処理対象となる有機物と細菌類の種類等に応じて適宜選択すればよく、特に制限はない。有機物の酸化分解処理を主に行う場合には、通常、波長１８５±０．１ｎｍや２２０±０．１ｎｍの紫外線を発生する発光体が用いられ、細菌類の殺菌処理を主に行うには、通常、波長２５４±０．７ｎｍや２６０±０．７ｎｍの紫外線を発生する発光体が用いられる。

発光体３４として、発光波長の異なる２種類以上の発光体を用いてもよい。発光波長の異なる２種類以上の発光体の設置比率は、特に制限はなく、被処理液体の液質等に応じて、適宜変更すればよい。マイクロウェーブは水に吸収されやすいため、発光体に過剰に出力を与える場合があり、エネルギー的に損失が大きい。発光波長の異なる２種類以上の発光体を用い、その設置比率を適宜変更することにより、有機物、細菌類の両方を所定の除去率あるいは所定の処理液濃度とするために、いずれの対象に対しても適切な線量とすることができ、消費電力からみても効率的である。

発光体３４が板形状の場合、幅は、例えば、５０ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲であり、高さは、例えば、５０ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲であり、厚みは、例えば、５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲であるが、用いる平型のろ過膜３６の大きさ等に基づいて設定すればよく、特に制限はない。

被処理液体が膜ろ過装置１２に供給される前に、被処理液体に懸濁系光触媒が添加されてもよい。被処理液体中に懸濁系光触媒を添加した場合は、紫外線酸化に加えて、光触媒による促進酸化も起きるため、さらなる処理液質の向上、膜目詰まりや劣化の抑制が可能となる。なお、添加された懸濁系光触媒は、膜ろ過装置１２において固液分離される。懸濁系光触媒の添加は、被処理液槽１０において行われてもよいし、被処理液配管２２において行われてもよいし、被処理液槽１０と膜ろ過装置１２との間に別途、中間槽を設けて、中間槽において行われてもよいし、膜ろ過装置１２において直接行われてもよい。

懸濁系光触媒としては、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等の無機系光触媒等が挙げられる。

懸濁系光触媒の添加量は、例えば、１０〜１０，０００ｍｇ／Ｌの範囲である。

例えば膜ろ過装置１２からの処理液の排出量が低下する等の場合には、膜ろ過装置１２内を逆流洗浄（逆洗）してもよい。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置は、浄水処理、下水処理、工業用水処理、排水処理等における固液分離と、紫外線殺菌、紫外線酸化処理等の紫外線照射処理とをともに行う場合に適用することができ、特に、浄水処理に好適に適用することができる。

本実施形態に係る液体処理方法および液体処理装置により、例えば濁度で１．５度以上、色度で３．０度以上、ＴＯＣで２．０ｍｇ／Ｌ以上、細菌数で２，０００個／ｍＬ以上の被処理液の液質を、例えば濁度で０．１度以下、色度で０．５度以下、ＴＯＣで１．０ｍｇ／Ｌ以下、細菌数で１個／ｍＬ以下の処理液とすることができる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１および比較例１＞
実施例１では図１の液体処理装置１を用い、比較例１では図２に示す液体処理装置３を用いた。図２の液体処理装置３は、被処理液槽５０と、紫外線照射装置５２と、平型のろ過膜５８を有する膜ろ過装置５４と、処理液槽５６と、コンプレッサ６０と、曝気管６２とを備える。

以下の装置仕様、通水条件で試験を行った。
［通水条件］
通水量：４０Ｌ／ｈ
［装置構成］
（比較例１）
紫外線照射装置：ＤＮライティング社製、低圧紫外線ランプ（ＳＧＬ１０００Ｎ）、 ランプ波長１８５ｎｍ、２５４ｎｍ
膜ろ過装置：浸漬型平膜ろ過装置
平型ろ過膜（材質：セラミックＭＦ膜）２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍ ４枚（等間隔になるようにろ過槽内に配置）
ろ過槽本体：３００ｍｍ×３００ｍｍ×Ｈ７５０ｍｍ
（実施例１）
膜ろ過装置：浸漬型平膜ろ過装置
平型ろ過膜（材質：セラミックＭＦ膜）２５０ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍ ４枚（等間隔になるようにろ過槽内に配置）
ろ過槽本体：３００ｍｍ×３００ｍｍ×Ｈ７５０ｍｍ、材質 テフロン（登録商標）製
紫外線発光板状発光体を各ろ過膜間に１枚ずつ計３枚設置

［紫外線発光板状発光体（無電極紫外線発光板状発光体）の詳細］
・サイズ：ガス封入部 ２００ｍｍ×４００ｍｍ×２０ｍｍ
・材質：石英
・封入ガス：水銀ガス、封入圧力１０Ｐａ
・ピーク波長：１８５ｎｍ、２５４ｎｍ

［マイクロウェーブ発生装置］
・電源装置：３００Ｗ（３０〜３００Ｗ可変式）
・マイクロウェーブ発振器：マグネトロン
・周波数：２．４５ＧＨｚ
・導波管：Ｌ４００ｍｍ×Ｗ５５ｍｍ×Ｈ１０９ｍｍ、アルミニウム製
・チューナー：スリースタブ方式

マイクロウェーブ発生装置の電源装置の投入電力を６０Ｗに設定した。被処理液体と処理液の水質（濁度、色度、ＴＯＣ）、膜間差圧上昇速度を表１に示す。濁度および色度は、日本電色製、ＷＡ６０００型（濁度測定は積分球式、色度測定は３９０ｎｍ透過光測定法式）を用いて測定した。ＴＯＣは、ＴＯＣ計（島津製作所製、ＴＯＣ５００型）を用いて燃焼式で測定した。実験結果を表１に示す。

このように、実施例の浸漬型の膜ろ過装置を備える液体処理装置において、固形分を含む液体の分離処理とともに紫外線照射処理を行うことができた。

固液分離処理と紫外線殺菌処理、紫外線酸化分解処理をともに行うことにより処理装置の設置面積を約３０％削減することができた。また、ろ過膜の目詰まりや劣化を低減することができ、処理液質（色度、ＴＯＣ）の向上も可能となった。

１，３ 液体処理装置、１０，５０ 被処理液槽、１２，５４ 膜ろ過装置、１４ マイクロウェーブ発生装置、１６，５６ 処理液槽、１８，２０ ポンプ、２２ 被処理液配管、２４ 処理液配管、２６ 電源装置、２８ マイクロウェーブ発振器、３０ 導波管、３２ スリースタブチューナ、３４ 発光体、３６，５８ ろ過膜、３８，６０ コンプレッサ、４０，６２ 曝気管。

Claims (6)

1. 複数の平型ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する板状の発光体が前記各平型ろ過膜の間に設置された浸漬型の膜ろ過装置と、
   マイクロウェーブ発生手段と、
   を備え、
   前記マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを前記発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行うことを特徴とする液体処理装置。
2. 請求項１に記載の液体処理装置であって、
   前記平型ろ過膜が、セラミック膜であることを特徴とする液体処理装置。
3. 請求項１または２に記載の液体処理装置であって、
   前記平型ろ過膜と前記発光体の下方から気体による曝気を行う曝気手段を備えることを特徴とする液体処理装置。
4. マイクロウェーブ発生手段により発生させたマイクロウェーブを、複数の平型ろ過膜を有し、マイクロウェーブにより紫外線発光する板状の発光体が前記各平型ろ過膜の間に設置された浸漬型の膜ろ過装置における前記発光体に照射しながら、固形分を含む被処理液体を前記膜ろ過装置に通液させて、前記被処理液体の前記固形分の固液分離処理とともに紫外線照射処理を行う処理工程を含むことを特徴とする液体処理方法。
5. 請求項４に記載の液体処理方法であって、
   前記平型ろ過膜が、セラミック膜であることを特徴とする液体処理方法。
6. 請求項４または５に記載の液体処理方法であって、
   前記平型ろ過膜と前記発光体の下方から気体による曝気を行うことを特徴とする液体処理方法。