排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法
【課題】排水中に存在する有機物を低エネルギーで効果的に分解することができる排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法を提供する。
【解決手段】被処理水を一方向に流動させる流動槽１２と、被処理水がその間を通過可能に前記流動槽１２内に配置された光触媒繊維１４と、紫外線を照射可能な紫外線照射部１６と、前記流動槽１２内に設けられ、前記光触媒繊維１４に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部１６を収容する紫外線照射部収容部１８とを備えた紫外線酸化装置であって、前記紫外線照射部収容部１８は、被処理水が紫外線照射部収納部１８内を流動可能に構成され、被処理水は、紫外線照射部収容部１８内を流動した後に、前記流動槽１２に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置である。
【解決手段】被処理水を一方向に流動させる流動槽１２と、被処理水がその間を通過可能に前記流動槽１２内に配置された光触媒繊維１４と、紫外線を照射可能な紫外線照射部１６と、前記流動槽１２内に設けられ、前記光触媒繊維１４に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部１６を収容する紫外線照射部収容部１８とを備えた紫外線酸化装置であって、前記紫外線照射部収容部１８は、被処理水が紫外線照射部収納部１８内を流動可能に構成され、被処理水は、紫外線照射部収容部１８内を流動した後に、前記流動槽１２に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水に含まれる有機物を分解するための排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排水の再生利用が進められており、再生利用をするために、生物処理による排水中に含まれる有機物の分解が行われている。しかし、上記生物による排水処理は、処理施設の大型化及び処理時間の長時間化は否めない。そのため、排水中に含まれる有機物を効果的に分解、浄化できる排水処理装置が求められている。
【０００３】
有機物を含む排水の処理方法としては、例えば特許文献１に、水に紫外線を照射することによって水中に存在する不要な有機物を酸化分解する水浄化装置が示されている。通常、紫外線照射によって水中の有機物を分解させるためには、高出力の紫外線ランプを使用したり、多くの紫外線ランプを使用したりして、多くのエネルギーを必要とする。特許文献１においては、分解に要するエネルギーを節約するために、処理水中の有機物濃度をモニタリングし、この濃度に応じて紫外線ランプの出力を可変する。しかし、それでも紫外線照射による酸化分解に多大なエネルギーが必要であるという問題を有する。
【０００４】
また、特許文献２には、光触媒を利用して水中の不要な有機物を分解する装置が示されている。この装置は、光触媒機能を有する繊維からなる平板状不織布に平行となるように設置された紫外線ランプから、その平板状不織布に１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射することにより、排水中に含まれる有機物質を分解するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１９８２７９号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／０６３７３７ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、排水中に含まれる有機物の種類によっては、有機物が上記波長の紫外線を吸収するために、紫外線ランプから放射される紫外線が光触媒に十分に照射されず、分解効率が悪くなるという問題点がある。つまり、光触媒を十分に機能させるためには、光触媒に十分な紫外線を照射する必要があるが、水中に含まれる有機物によって紫外線が吸収されるため、光触媒を機能させるために、過大なエネルギーの紫外線照射を行う必要がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであって、排水中に存在する有機物を低エネルギーで効果的に分解することができる排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、排水処理装置に２反応工程を設け、まず、紫外線分解反応工程での紫外線照射によって、光触媒への紫外線照射の妨げとなる有機物の濃度を光触媒の機能発現上問題ない程度まで低減させ、次いで、光触媒分解反応工程において光触媒を利用して残存する有機物を分解することにより、低エネルギーで効率的に排水処理が可能であることを見出した。このとき、紫外線分解反応工程において紫外線が照射される液相長を短くすることにより、光触媒を機能させる紫外線を透過させ、光触媒分解反応工程にも同一紫外線照射手段を利用することで更なる低エネルギーで効率的な排水処理が可能となる。
【０００９】
すなわち、本発明は、被処理水を一方向に流動させる流動槽と、被処理水がその間を通過可能に前記流動槽内に配置された光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、前記流動槽内に設けられ、前記光触媒繊維に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部を収容する紫外線照射部収容部とを備え、前記紫外線照射部収容部は、被処理水が紫外線照射部収納部内を流動可能に構成され、被処理水は、紫外線照射部収容部内を流動した後に、前記流動槽に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置である。
【００１０】
本発明に係る排水処理装置において、前記紫外線照射部収容部は、紫外線照射部を収容する内管と、該内管を覆う外管とを備え、前記内管と外管との間を被処理水が流れるように構成されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る排水処理装置は、被処理水を貯留可能に構成され、前記紫外線照射部収容部内に連通する第１供給槽と、被処理水を貯留可能に構成され、前記流動槽内に連通する第２供給槽とをさらに備え、前記第１供給槽内の被処理水は、第１供給槽と紫外線照射部収容部内を循環可能に構成され、前記第２供給槽内の被処理水は、第２供給槽と流動槽内を循環可能に構成され、第１供給槽内の被処理水を第２供給槽内に供給可能に構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る排水処理装置において、第１供給槽と第２供給槽のうち少なくとも一方に酸化剤添加手段を備えることが好ましく、酸化剤添加手段は、過酸化水素、オゾン、及び次亜塩素酸ソーダのうち少なくとも１つを添加できることが好ましい。このように酸化剤添加手段を設けることにより、より低エネルギーで効率的に排水処理が可能となる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係る排水処理装置において、内管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることが好ましく、外管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることが好ましく、内管と外管の径方向の間隔が１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る排水処理装置において、紫外線照射部は、内管内に紫外線ランプを備えることが好ましく、紫外線ランプが、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射できることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る排水処理装置において、前記光触媒繊維が、酸化チタンを表面に有する光触媒繊維の不織布であることが好ましく、前記光触媒繊維の不織布が、平板状に形成された平板状不織布であり、前記平板状不織布は、その面が排水の流動方向に対して交わるように配置されていることが好ましく、前記光触媒繊維は、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とＴｉを含む金属化合物相（第２相）との複合酸化物の繊維からなり、第２相を構成する金属酸化物のＴｉの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維であることが好ましく、加えて、前記光触媒繊維の表面に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１以上の金属が担持されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、被処理水がその間を通過可能な光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、該紫外線照射部を収容し被処理水が内部を流動可能な紫外線照射部収容部とを有する流動槽内を流動する被処理水中に含まれる有機物を酸化分解処理する排水処理方法であって、被処理水に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で被処理水が前記紫外線照射部収容部内を流動する紫外線分解反応工程と、前記光触媒繊維に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で、前記紫外線照射部収容部内を流動した被処理水が前記光触媒繊維の間を通過する光触媒分解反応工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明によれば、排水中に存在する有機物を低エネルギーで効果的に分解することができる排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る排水処理装置の概念断面図である。
【図２】本実施形態に係る紫外線反応部、光触媒反応部の概念断面図である。
【図３】光触媒カートリッジの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明に係る排水処理装置の実施形態について説明する。本実施形態に係る排水処理装置は、図１及び２に示すように、上下方向に３つの槽に分離された流動槽本体１０と、流動槽本体１０の中段の第１流動槽１２内に被処理水が通過可能に配置された光触媒カートリッジ１４と、紫外線を照射可能な紫外線照射ランプ１６と、第１流動槽１２内に設けられ、紫外線照射ランプ１６を収容する紫外線照射ランプ収容部材１８と、排水などの被処理水が貯留された第１供給槽２０と、被処理水に紫外線照射ランプ１６による紫外線分解反応処理が施された被処理水が貯留された第２供給槽２２とを備えている。
【００２０】
流動槽本体１０は、略直方体状に形成されており、下段に配置された第２流動槽２４と、中段に配置された第１流動槽１２と、上段に配置された第３流動槽２６とを備えている。第１流動槽１２の上流側には、被処理水が流入可能な流入口２８が設けられ、下流側には、光触媒カートリッジ１４による光触媒分解反応処理が施された処理水が排出可能な流出口３０が設けられている。また、第２流動槽２４の上流側には、被処理水が流入可能な流入口３２が設けられ、第３流動槽２６の下流側には、紫外線分解反応処理が施された被処理水が排出可能な流出口３４が設けられている。
【００２１】
光触媒カートリッジ１４は、被処理水の流動方向に対して垂直に交わる面の全域に亘って、流動方向に沿って１１個並列した状態で第１流動槽１２内に設置されている。各光触媒カートリッジ１４は、図３に示すように平板状不織布１４Ａと一対の金網１４Ｂ、１４Ｂとからなり、平板状不織布１４Ａが一対のステンレス製の金網１４Ｂ、１４Ｂに狭持されている。このように金網１４Ｂ、１４Ｂをサポート材として用いてカートリッジ状にすることにより、光触媒機能が劣化した平板状不織布１４Ａを容易に取り換えることができる。多段の光触媒カートリッジを枠体等を用いて連結構造とすることにより、脱着を容易にすることができる。本実施形態において、光触媒カートリッジを１１個としたが、求められる水質等に応じて、任意にその数を決定することができ、例えば１〜５０個とすることができる。また、本実施形態においては、光触媒カートリッジ１４として平板状不織布１４Ａを第１流動槽１２に固定したが、他の手段により設置してもよい。さらに、本実施形態において、各光触媒カートリッジ１４は、その面が水の流動方向に垂直に交わるように設置したが、流動する水が効率良く平板状不織布１４Ａを通過すれば良く、例えば流動方向に対して１０°前後、好ましくは５°前後、傾いて設置されても良い。
【００２２】
紫外線照射ランプ１６は、円柱状に形成されており、その外表面には、円筒状のカバー部材（図示省略）が設けられている。このカバー部材は、２５０〜２６０ｎｍだけでなく、１８０〜１９０ｎｍのピーク波長を透過する材質、例えば、合成石英からなる。一般的な低圧水銀ランプは、本来、１８５ｎｍと２５４ｎｍの２つの波長を有するが、通常のカバー部材の素材であるガラスが短波長の紫外線を透過しないため、２５４ｎｍの波長のみを照射する。本実施形態に係る排水処理装置において、紫外線照射ランプ１６は、上述のようにカバー部材の素材を特殊なものにすることによって、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍにピーク波長を有する紫外線を照射可能に構成されている。紫外線照射ランプ１６から照射される紫外線は、１８０〜１９０ｎｍ、好ましくは１８５ｎｍにピーク波長を有し、かつ、２５０〜２６０ｎｍ、好ましくは２５４ｎｍにピーク波長を有する。
【００２３】
紫外線照射ランプ収容部材１８は、第１流動槽１２内の各光触媒カートリッジ１４の各間に並列して５個ずつ、計５０個設置されている。各紫外線照射ランプ収容部材１８は、円筒状の外管１８Ａ及び内管１８Ｂからなる二重管から構成されており、２５０〜２６０ｎｍだけでなく、１８０〜１９０ｎｍのピーク波長を９０％以上透過する材質、例えば、合成石英からなる。外管１８Ａと内管１８Ｂの径方向の間隔は、１〜１０ｍｍであることが好ましく、特に３〜８ｍｍであることが好ましい。これら紫外線照射ランプ収容部材１８の下端は、いずれも第１流動槽１２の底面を貫通して第２流動槽２４内まで至っており、上端は、いずれも第１流動槽１２の上面を貫通して第３流動槽２６内まで至っており、流入口３２から第２流動槽２４内に流入された被処理水が、各紫外線照射ランプ収容部材１８の外管１８Ａと内管１８Ｂの間を通って第３流動槽２６まで流動するよう構成されている。このように外管１８Ａと内管１８Ｂの間を流動する際に、紫外線照射ランプ１６からの紫外線が被処理水に照射され、有機物などをある程度分解することができる。本実施形態において、紫外線照射ランプ収容部材１８は、円筒状に形成したが、それに限定されず、長手方向に延びる形状であればよい。紫外線照射ランプ１６の数は、求められる水質や被処理水中に含まれる不要な有機物の量等に応じて決定される。本実施形態において、内管１８Ｂは、円筒状に形成したが、紫外線照射ランプ１６が中心に配置できる形状であればよい。
【００２４】
第１供給槽２０は、その上方に設けられた酸化剤添加部３６と、第１供給槽２０内底面近傍に設けられた空気注入部３８とを備えており、それぞれから被処理水に過酸化水素水、次亜塩素酸ソーダなどの酸化剤が添加され、空気が注入されるよう構成されている。酸化剤の供給量は、図示しないコンピュータにより制御されている。また、第１供給槽２０は、第１循環路４０を介して第２流動槽２４の流入口３２に連通しており、また第２循環路４２を介して第３流動槽２６の流出口３４に連通している。第１循環路４０には、ポンプ４４及びオゾン供給部４６が設けられており、ポンプ４４によって第１供給槽２０内の被処理水を第２流動槽２４の流入口３２まで流動させ、その際にオゾン供給部４６から被処理水にオゾンを注入できるように構成されている。また、第１流動路４０のオゾン供給部４６よりも下流側には、バルブ４８が設けられており、このバルブ４８から第３循環路５０が分岐し、この第３循環路５０は、第２供給槽２２に連通している。
【００２５】
第２供給槽２２は、その上方に設けられた酸化剤添加部５２と、第２供給槽２２内底面近傍に設けられた空気注入部５４とを備えており、それぞれから被処理水に過酸化水素水、次亜塩素酸ソーダなどの酸化剤が添加され、空気が注入されるよう構成されている。酸化剤の供給量は、図示しないコンピュータにより制御されている。また、第２供給槽２２は、第４循環路５６を介して第１流動槽１２の流入口２８に連通しており、また第５循環路５８を介して第１流動槽１２の流出口３０に連通している。第４循環路５６には、ポンプ６０及びオゾン供給部６２が設けられており、ポンプ６０によって第２供給槽２２内の被処理水を第１流動槽１２の流入口２８まで流動させ、その際にオゾン供給部６２から被処理水にオゾンを注入できるように構成されている。
【００２６】
空気注入部３８、５４は、第１供給槽２０及び第２供給槽２２の下部からエアレーション方式でバブリング可能な装置である。空気供給量は、被処理水２００Ｌ／ｍｉｎに対して、２００〜５００Ｌ／ｍｉｎであることが好ましく、３５０Ｌ／ｍｉｎであることがさらに好ましい。バブリングした水中の溶存酸素量は、飽和率で５０〜１００％であることが好ましい。また、この空気注入部３８、５４とともに、又はそれに代えてマイクロバブル発生装置を用いて空気を供給してもよい。一般にマイクロバブルの発生方法としては、加圧溶解式、エジェクタ式、キャビテーション式、及び旋回式があるが、マイクロバブルの発生方法としては、加圧溶解式、及びエジェクタ式が好ましい。マイクロバブルの特性は生成した気泡の直径と生成量に左右されるため、比較的大量かつ微細な気泡を生成できる加圧溶解式の発生方法が特に好ましい。発生したマイクロバブルの直径は３０μｍ以下であることが好ましい。マイクロバブル発生装置でマイクロバブルを発生した水中の溶存酸素量は飽和率で８０〜１５０％であることが好ましい。マイクロバブルの自己加圧効果によって溶存酸素の飽和量以上の酸素を溶存させることができる。
【００２７】
本実施形態に係る排水処理装置において、光触媒カートリッジ１４の平板状不織布１４Ａは、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とチタンを含む金属酸化物相（第２相）との複合酸化物相からなるシリカ基複合酸化物繊維であって、第２相を構成する金属酸化物のチタンの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大している光触媒繊維からなる。
【００２８】
光触媒繊維の表面は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうちの１以上が担持されていてもよい。担持方法は、特に限定されないが、例えば担持される金属イオンが含まれる液と光触媒繊維とを接触させながら、第２相を構成する金属酸化物のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することによって、担持させることができる。
【００２９】
第１相は、シリカ成分を主体とする酸化物相であり、非晶質であっても結晶質であってもよく、またシリカと固溶体あるいは共融点化合物を形成し得る金属元素あるいは金属酸化物を含有してもよい。シリカと固溶体を形成し得る金属元素（Ａ）としては、例えば、チタン等が挙げられる。シリカと固溶体を形成し得る金属酸化物の金属元素（Ｂ）としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、ホウ素、亜鉛、ニッケル、マンガン、マグネシウム、及び鉄等が挙げられる。
【００３０】
第１相は、シリカ基複合酸化物繊維の内部相を形成しており、力学的特性を負担する重要な役割を演じている。シリカ基複合酸化物繊維全体に対する第１相の存在割合は４０〜９８重量％であることが好ましく、目的とする第２相の機能を十分に発現させ、なお且つ高い力学的特性をも発現させるためには、第１相の存在割合を５０〜９５重量％の範囲内に制御することがさらに好ましい。
【００３１】
一方、第２相は、チタンを含む金属酸化物相であり、光触媒機能を発現させる上で重要な役割を演じるものである。金属酸化物を構成する金属としては、チタンが挙げられる。この金属酸化物は、単体でもいいし、その共融点化合物やある特定元素により置換型の固溶体を形成したもの等でも良いが、チタニアであることが好ましい。第２相は、シリカ基複合酸化物繊維の表層相を形成しており、シリカ基複合酸化物繊維の第２相の存在割合は、金属酸化物の種類により異なるが、２〜６０重量％が好ましく、その機能を十分に発現させ、また高強度をも同時に発現させるには５〜５０重量％の範囲内に制御することがさらに好ましい。第２相のチタンを含む金属酸化物の結晶粒径は１５ｎｍ以下が好ましく、特に１０ｎｍ以下が好ましい。
【００３２】
第２相に含まれる金属酸化物のチタンの存在割合は、シリカ基複合酸化物繊維の表面に向かって傾斜的に増大しており、その組成の傾斜が明らかに認められる領域の厚さは表層から５〜５００ｎｍの範囲に制御することが好ましいが、繊維直径の約１／３に及んでもよい。尚、第１相及び第２相の「存在割合」とは、第１相を構成する金属酸化物と第２相を構成する金属酸化物全体、即ちシリカ基複合酸化物繊維全体に対する第１相の金属酸化物及び第２相の金属酸化物の重量％を示している。
【００３３】
本実施形態に係る排水処理装置において、平板状不織布１４Ａ上の平均紫外線強度は、１〜１０ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましく、さらに２〜８ｍＷ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。平板状不織布１４Ａ表面での紫外線強度が１〜１０ｍＷ／ｃｍ２であると、２つの紫外線成分による水処理を高効率に行うことができる。このような範囲にするには、紫外線照射ランプ１６と平板状不織布１４Ａとの距離等を適当な範囲になるようにすればよい。ここで、平均紫外線強度は、不織布表面の中央部から端部までの複数個所の紫外線強度を測定し、これらの値を平均して平均紫外線強度とすることができる。
【００３４】
上記のような傾斜構造を有する光触媒繊維は、既知の方法によって製造することができ、例えばＷＯ２００９／６３７３７号公報に記載の方法に基づいて製造することができる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る排水処理装置の動作について説明する。先ず、ポンプ４４を稼働することによって、第１循環路４０を介して第１供給槽２０内の被処理水を第２流動槽２４内に供給する。第２流動槽２４内に供給された被処理水は、紫外線照射ランプ収容部材１８の外管１８Ａ及び内管１８Ｂの間を通って第３流動槽２６まで流動し、その際に紫外線照射ランプ１６による紫外線分解反応処理が施される。次いで、第３流動槽２６内の被処理水は、第２循環路４２を介して第１供給槽２０まで流動し、第１供給槽２０→第２流動槽２４→第３流動槽２６→第１供給槽２０と循環する。この循環の際、第１供給槽２０内の被処理水には、酸化剤添加部３６から適宜酸化剤が添加され、空気注入部３８から空気が注入され、第１循環路４０を流動する被処理水には、オゾン供給部４６からオゾンが供給される。そして、所定の時間、循環されると、バルブ４８が作動し、被処理水は、第３循環路５０を介して第２供給槽２２に流動する。
【００３６】
被処理水が第２供給槽２２に溜められると、ポンプ６０を稼働して、第４循環路５６を介して第２供給槽２２内の被処理水を第１流動槽１２内に供給し、第１流動槽１２内を流動させる。この際、被処理水に紫外線照射ランプ１６からの紫外線が照射された光触媒カートリッジ１４による光触媒分解反応処理が施される。次いで、第１流動槽１２内の被処理水は、第５循環路５８を介して第２供給槽２２まで流動し、第２供給槽２２→第１流動槽１２→第２供給槽２２と循環する。この循環の際、第２供給槽２２内の被処理水には、酸化剤添加部５２から適宜酸化剤が添加され、空気注入部５４から空気が注入され、第４循環路５６を流動する被処理水には、オゾン供給部６２からオゾンが供給される。また、第２供給槽２２→第１流動槽１２→第２供給槽２２の循環と同時に、第１供給槽２０→第２流動槽２４→第３流動槽２６→第１供給槽２０の循環を行なっても良い。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明に係る排水処理装置の実施例を説明する。
【００３８】
（製造例１）
５リットルの三口フラスコに無水トルエン２．５リットルと金属ナトリウム４００ｇとを入れ窒素ガス気流下でトルエンの沸点まで加熱し、ジメチルジクロロシラン１リットルを１時間かけて滴下した。滴下終了後、１０時間加熱還流し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、まずメタノールで洗浄した後、水で洗浄して、白色粉末のポリジメチルシラン４２０ｇを得た。このポリジメチルシラン２５０ｇを、水冷還流器を備えた三口フラスコ中に仕込み、窒素気流下、４２０℃で３０時間加熱反応させて数平均分子量が１２００のポリカルボシランを得た。
【００３９】
上記方法により合成されたポリカルボシラン１６ｇにトルエン１００ｇとテトラブトキシチタン６４ｇを加え、１００℃で１時間予備加熱させた後、１５０℃までゆっくり昇温して５時間反応させて変性ポリカルボシランを合成した。この変性ポリカルボシランに意図的に低分子量の有機金属化合物を共存させる目的で５ｇのテトラブトキシチタンを加えて、変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物を得た。
【００４０】
この変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物をトルエンに溶解させた後、メルトブロー紡糸装置に仕込み、内部を十分に窒素置換してから昇温してトルエンを留去させて、１８０℃で紡糸を行った。紡糸した不織布を、空気中、段階的に１５０℃まで加熱し不融化させた後、１２００℃の空気中で１時間焼成を行い、光触媒繊維としてチタニア／シリカ繊維を得た。
【００４１】
製造例１によって得られた光触媒繊維は、第１相の存在割合が８０重量％、第２相の存在割合が２０重量％であった。存在割合は、蛍光Ｘ線分析によって求めた。第２相に含まれるチタニアの結晶粒子の粒子径は、８ｎｍであった。粒子径は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡観察）によって求めた。光触媒繊維表面から、３００ｎｍの深さで金属酸化物のチタンの存在割合が傾斜していた。傾斜の深さは、オージェ電子分光分析によって求めた。
【００４２】
（製造例２）
製造例１によって得られた酸化チタン／シリカ繊維不織布をパラジウム濃度２．５ｐｐｍのパラジウムメッキ液（パラデックス：田中貴金属（株）製）内に浸漬し、波長が３５１ｎｍの紫外線を４ｍＷ／ｃｍ２の強度で４時間照射した。照射後、繊維を取出し、水洗、さらに乾燥を行うことによって、製造例２に係るパラジウム担持酸化チタン／シリカ繊維不織布を得た。重量測定の結果から、パラジウム担持量は、０．０５重量％であった。
【００４３】
（実施例１）
製造例１で得られた酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を用いて、図３に示される平板状不織布１４Ａを含む光触媒カートリッジ１４を作成し、図１に示される排水処理装置を作製した。ただし、酸化剤添加部３６、５２及びオゾン供給部４６、６２は設けなかった。用いた紫外線照射ランプ１６は、ヘレウス社製ＮＩＱ２０１／１０７ＸＬであり、内管１８Ｂとしては合成石英が使用されている。出力は２００Ｗであり、この紫外線照射ランプ１６を５０本使用した。紫外線照射ランプ１６から放射される波長は、２５４ｎｍと１８５ｎｍの両方である。紫外線照射ランプ１６間の距離は５０ｍｍとし、紫外線照射ランプ１６と光触媒カートリッジ１４の距離は２５ｍｍとした。平板状不織布１４Ａ表面の平均紫外線強度は１０ｍＷ／ｃｍ２であった。紫外線強度は浜松フォトニクス社製ＵＶ ＰＯＷＥＲ ＭＥＴＥＲを用いて測定した。
【００４４】
被処理水は、フェノールをイオン交換水で溶解し、１００ｐｐｍのフェノール水溶液とした。このフェノール水溶液の紫外線吸収率（２５４ｎｍ）は、５０％であった。以下、紫外線吸収率は、島津製作所製紫外可視光分光光度計（ＵＶ−２４５０）を使用し、石英製セルを用いて光路長１０ｍｍで測定した。第１供給槽２０では空気注入部３８から計３５０Ｌ／ｍｉｎの空気エアレーションを発生させ、一方、第２供給槽２２では空気注入部５４から計２００Ｌ／ｍｉｎの空気エアレーションを発生させた。さらに第１供給槽２０では、図示しないマイクロバブル発生装置からマイクロバブルを６０Ｌ／ｍｉｎで発生させた。各供給槽における処理溶液中の平均溶存酸素飽和率は第１供給槽２０で１１０％、第２供給槽２２で８０％であった。溶存酸素量はＨＯＲＩＢＡ製Ｄ−５０溶存酸素計を用いて測定し、飽和溶存酸素量は温度と水中の溶存酸素量から算出した。
【００４５】
前記フェノール水溶液１０００Ｌを１６７Ｌ／ｍｉｎの速度で前記排水処理装置に供給して循環処理を行った。紫外線分解反応処理を１０パス行い、処理された液をバルブを開放して第１供給槽２０から第２供給槽２２に送液し、光触媒分解反応処理を１０パス行った。前記排水処理装置では、１０００Ｌのフェノール水溶液を１６７Ｌ／ｍｉｎで循環処理しており、６．０分で全溶液１０００Ｌが処理される処理時間を便宜上、１パスと定義する。実施例１においては、まず紫外線分解反応処理を１０パス行い（処理時間は６０分）、次に光触媒分解反応処理を１０パス行い（処理時間は６０分）、本排水処理装置全体で１２０分処理を行った。
【００４６】
（実施例２）
製造例２に記載の方法で得られたパラジウム担持酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を用いた以外は、実施例１と同様の条件で検討を行った。
【００４７】
（実施例３）
第１供給槽２０及び第２供給槽２２に酸化剤添加部３６、５２をそれぞれ設置し、各供給槽に過酸化水素を添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討した。過酸化水素は濃度１０％の水溶液を用いて、添加量は第１供給槽２０で６７．５ｍｌ／ｍｉｎ、第２供給槽２２で７．５ｍｌ／ｍｉｎとした。
【００４８】
（実施例４）
第１供給槽２０及び第２供給槽２２に酸化剤添加部３６、５２をそれぞれ設置し、各供給槽に次亜塩素酸ソーダを添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討を行った。次亜塩素酸ソーダは濃度１０％の水溶液を用いて、添加量は第１供給槽２０で４５ｍｌ／ｍｉｎ、第２供給槽２２で５ｍｌ／ｍｉｎとした。
【００４９】
（実施例５）
第１循環路４０及び第４循環路５６にオゾン供給部４６、６２をそれぞれ設置し、紫外線分解反応処理、光触媒分解反応処理での処理中にオゾンを添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討を行った。使用したオゾン供給部４６、６２のオゾン生成能力は第１循環路４０で１５００ｍｇ／ｈ、第４循環路５６で２５０ｍｇ／ｈである。
【００５０】
（比較例１）
図１に示す製造例１の方法で得られた酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を設置しない以外は、実施例１と同様の条件で検討を行った。
【００５１】
（比較例２）
図１に示す、外管１８Ａを具備せず、紫外線分解反応処理を行わない以外は、実施例１と同様の検討を行った。
【００５２】
以上の結果を表１に示す。表１中、パス回数は合計パス回数である。
【００５３】
【表１】
【００５４】
本発明に係る排水処理装置は、優れた有機物分解性能を示し、さらに酸化剤を添加することにより、極めて効率的な分解性能を示すことが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１２ 第１流動槽（流動槽）
１４ 光触媒カートリッジ（光触媒繊維）
１６ 紫外線照射ランプ（紫外線照射部）
１８ 紫外線照射ランプ収容部（紫外線照射部収容部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水に含まれる有機物を分解するための排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排水の再生利用が進められており、再生利用をするために、生物処理による排水中に含まれる有機物の分解が行われている。しかし、上記生物による排水処理は、処理施設の大型化及び処理時間の長時間化は否めない。そのため、排水中に含まれる有機物を効果的に分解、浄化できる排水処理装置が求められている。
【０００３】
有機物を含む排水の処理方法としては、例えば特許文献１に、水に紫外線を照射することによって水中に存在する不要な有機物を酸化分解する水浄化装置が示されている。通常、紫外線照射によって水中の有機物を分解させるためには、高出力の紫外線ランプを使用したり、多くの紫外線ランプを使用したりして、多くのエネルギーを必要とする。特許文献１においては、分解に要するエネルギーを節約するために、処理水中の有機物濃度をモニタリングし、この濃度に応じて紫外線ランプの出力を可変する。しかし、それでも紫外線照射による酸化分解に多大なエネルギーが必要であるという問題を有する。
【０００４】
また、特許文献２には、光触媒を利用して水中の不要な有機物を分解する装置が示されている。この装置は、光触媒機能を有する繊維からなる平板状不織布に平行となるように設置された紫外線ランプから、その平板状不織布に１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射することにより、排水中に含まれる有機物質を分解するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１９８２７９号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／０６３７３７ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、排水中に含まれる有機物の種類によっては、有機物が上記波長の紫外線を吸収するために、紫外線ランプから放射される紫外線が光触媒に十分に照射されず、分解効率が悪くなるという問題点がある。つまり、光触媒を十分に機能させるためには、光触媒に十分な紫外線を照射する必要があるが、水中に含まれる有機物によって紫外線が吸収されるため、光触媒を機能させるために、過大なエネルギーの紫外線照射を行う必要がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであって、排水中に存在する有機物を低エネルギーで効果的に分解することができる排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、排水処理装置に２反応工程を設け、まず、紫外線分解反応工程での紫外線照射によって、光触媒への紫外線照射の妨げとなる有機物の濃度を光触媒の機能発現上問題ない程度まで低減させ、次いで、光触媒分解反応工程において光触媒を利用して残存する有機物を分解することにより、低エネルギーで効率的に排水処理が可能であることを見出した。このとき、紫外線分解反応工程において紫外線が照射される液相長を短くすることにより、光触媒を機能させる紫外線を透過させ、光触媒分解反応工程にも同一紫外線照射手段を利用することで更なる低エネルギーで効率的な排水処理が可能となる。
【０００９】
すなわち、本発明は、被処理水を一方向に流動させる流動槽と、被処理水がその間を通過可能に前記流動槽内に配置された光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、前記流動槽内に設けられ、前記光触媒繊維に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部を収容する紫外線照射部収容部とを備え、前記紫外線照射部収容部は、被処理水が紫外線照射部収納部内を流動可能に構成され、被処理水は、紫外線照射部収容部内を流動した後に、前記流動槽に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置である。
【００１０】
本発明に係る排水処理装置において、前記紫外線照射部収容部は、紫外線照射部を収容する内管と、該内管を覆う外管とを備え、前記内管と外管との間を被処理水が流れるように構成されていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る排水処理装置は、被処理水を貯留可能に構成され、前記紫外線照射部収容部内に連通する第１供給槽と、被処理水を貯留可能に構成され、前記流動槽内に連通する第２供給槽とをさらに備え、前記第１供給槽内の被処理水は、第１供給槽と紫外線照射部収容部内を循環可能に構成され、前記第２供給槽内の被処理水は、第２供給槽と流動槽内を循環可能に構成され、第１供給槽内の被処理水を第２供給槽内に供給可能に構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る排水処理装置において、第１供給槽と第２供給槽のうち少なくとも一方に酸化剤添加手段を備えることが好ましく、酸化剤添加手段は、過酸化水素、オゾン、及び次亜塩素酸ソーダのうち少なくとも１つを添加できることが好ましい。このように酸化剤添加手段を設けることにより、より低エネルギーで効率的に排水処理が可能となる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係る排水処理装置において、内管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることが好ましく、外管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることが好ましく、内管と外管の径方向の間隔が１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る排水処理装置において、紫外線照射部は、内管内に紫外線ランプを備えることが好ましく、紫外線ランプが、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射できることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る排水処理装置において、前記光触媒繊維が、酸化チタンを表面に有する光触媒繊維の不織布であることが好ましく、前記光触媒繊維の不織布が、平板状に形成された平板状不織布であり、前記平板状不織布は、その面が排水の流動方向に対して交わるように配置されていることが好ましく、前記光触媒繊維は、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とＴｉを含む金属化合物相（第２相）との複合酸化物の繊維からなり、第２相を構成する金属酸化物のＴｉの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維であることが好ましく、加えて、前記光触媒繊維の表面に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１以上の金属が担持されていることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、被処理水がその間を通過可能な光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、該紫外線照射部を収容し被処理水が内部を流動可能な紫外線照射部収容部とを有する流動槽内を流動する被処理水中に含まれる有機物を酸化分解処理する排水処理方法であって、被処理水に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で被処理水が前記紫外線照射部収容部内を流動する紫外線分解反応工程と、前記光触媒繊維に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で、前記紫外線照射部収容部内を流動した被処理水が前記光触媒繊維の間を通過する光触媒分解反応工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明によれば、排水中に存在する有機物を低エネルギーで効果的に分解することができる排水処理装置及びそれを用いた排水処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る排水処理装置の概念断面図である。
【図２】本実施形態に係る紫外線反応部、光触媒反応部の概念断面図である。
【図３】光触媒カートリッジの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明に係る排水処理装置の実施形態について説明する。本実施形態に係る排水処理装置は、図１及び２に示すように、上下方向に３つの槽に分離された流動槽本体１０と、流動槽本体１０の中段の第１流動槽１２内に被処理水が通過可能に配置された光触媒カートリッジ１４と、紫外線を照射可能な紫外線照射ランプ１６と、第１流動槽１２内に設けられ、紫外線照射ランプ１６を収容する紫外線照射ランプ収容部材１８と、排水などの被処理水が貯留された第１供給槽２０と、被処理水に紫外線照射ランプ１６による紫外線分解反応処理が施された被処理水が貯留された第２供給槽２２とを備えている。
【００２０】
流動槽本体１０は、略直方体状に形成されており、下段に配置された第２流動槽２４と、中段に配置された第１流動槽１２と、上段に配置された第３流動槽２６とを備えている。第１流動槽１２の上流側には、被処理水が流入可能な流入口２８が設けられ、下流側には、光触媒カートリッジ１４による光触媒分解反応処理が施された処理水が排出可能な流出口３０が設けられている。また、第２流動槽２４の上流側には、被処理水が流入可能な流入口３２が設けられ、第３流動槽２６の下流側には、紫外線分解反応処理が施された被処理水が排出可能な流出口３４が設けられている。
【００２１】
光触媒カートリッジ１４は、被処理水の流動方向に対して垂直に交わる面の全域に亘って、流動方向に沿って１１個並列した状態で第１流動槽１２内に設置されている。各光触媒カートリッジ１４は、図３に示すように平板状不織布１４Ａと一対の金網１４Ｂ、１４Ｂとからなり、平板状不織布１４Ａが一対のステンレス製の金網１４Ｂ、１４Ｂに狭持されている。このように金網１４Ｂ、１４Ｂをサポート材として用いてカートリッジ状にすることにより、光触媒機能が劣化した平板状不織布１４Ａを容易に取り換えることができる。多段の光触媒カートリッジを枠体等を用いて連結構造とすることにより、脱着を容易にすることができる。本実施形態において、光触媒カートリッジを１１個としたが、求められる水質等に応じて、任意にその数を決定することができ、例えば１〜５０個とすることができる。また、本実施形態においては、光触媒カートリッジ１４として平板状不織布１４Ａを第１流動槽１２に固定したが、他の手段により設置してもよい。さらに、本実施形態において、各光触媒カートリッジ１４は、その面が水の流動方向に垂直に交わるように設置したが、流動する水が効率良く平板状不織布１４Ａを通過すれば良く、例えば流動方向に対して１０°前後、好ましくは５°前後、傾いて設置されても良い。
【００２２】
紫外線照射ランプ１６は、円柱状に形成されており、その外表面には、円筒状のカバー部材（図示省略）が設けられている。このカバー部材は、２５０〜２６０ｎｍだけでなく、１８０〜１９０ｎｍのピーク波長を透過する材質、例えば、合成石英からなる。一般的な低圧水銀ランプは、本来、１８５ｎｍと２５４ｎｍの２つの波長を有するが、通常のカバー部材の素材であるガラスが短波長の紫外線を透過しないため、２５４ｎｍの波長のみを照射する。本実施形態に係る排水処理装置において、紫外線照射ランプ１６は、上述のようにカバー部材の素材を特殊なものにすることによって、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍにピーク波長を有する紫外線を照射可能に構成されている。紫外線照射ランプ１６から照射される紫外線は、１８０〜１９０ｎｍ、好ましくは１８５ｎｍにピーク波長を有し、かつ、２５０〜２６０ｎｍ、好ましくは２５４ｎｍにピーク波長を有する。
【００２３】
紫外線照射ランプ収容部材１８は、第１流動槽１２内の各光触媒カートリッジ１４の各間に並列して５個ずつ、計５０個設置されている。各紫外線照射ランプ収容部材１８は、円筒状の外管１８Ａ及び内管１８Ｂからなる二重管から構成されており、２５０〜２６０ｎｍだけでなく、１８０〜１９０ｎｍのピーク波長を９０％以上透過する材質、例えば、合成石英からなる。外管１８Ａと内管１８Ｂの径方向の間隔は、１〜１０ｍｍであることが好ましく、特に３〜８ｍｍであることが好ましい。これら紫外線照射ランプ収容部材１８の下端は、いずれも第１流動槽１２の底面を貫通して第２流動槽２４内まで至っており、上端は、いずれも第１流動槽１２の上面を貫通して第３流動槽２６内まで至っており、流入口３２から第２流動槽２４内に流入された被処理水が、各紫外線照射ランプ収容部材１８の外管１８Ａと内管１８Ｂの間を通って第３流動槽２６まで流動するよう構成されている。このように外管１８Ａと内管１８Ｂの間を流動する際に、紫外線照射ランプ１６からの紫外線が被処理水に照射され、有機物などをある程度分解することができる。本実施形態において、紫外線照射ランプ収容部材１８は、円筒状に形成したが、それに限定されず、長手方向に延びる形状であればよい。紫外線照射ランプ１６の数は、求められる水質や被処理水中に含まれる不要な有機物の量等に応じて決定される。本実施形態において、内管１８Ｂは、円筒状に形成したが、紫外線照射ランプ１６が中心に配置できる形状であればよい。
【００２４】
第１供給槽２０は、その上方に設けられた酸化剤添加部３６と、第１供給槽２０内底面近傍に設けられた空気注入部３８とを備えており、それぞれから被処理水に過酸化水素水、次亜塩素酸ソーダなどの酸化剤が添加され、空気が注入されるよう構成されている。酸化剤の供給量は、図示しないコンピュータにより制御されている。また、第１供給槽２０は、第１循環路４０を介して第２流動槽２４の流入口３２に連通しており、また第２循環路４２を介して第３流動槽２６の流出口３４に連通している。第１循環路４０には、ポンプ４４及びオゾン供給部４６が設けられており、ポンプ４４によって第１供給槽２０内の被処理水を第２流動槽２４の流入口３２まで流動させ、その際にオゾン供給部４６から被処理水にオゾンを注入できるように構成されている。また、第１流動路４０のオゾン供給部４６よりも下流側には、バルブ４８が設けられており、このバルブ４８から第３循環路５０が分岐し、この第３循環路５０は、第２供給槽２２に連通している。
【００２５】
第２供給槽２２は、その上方に設けられた酸化剤添加部５２と、第２供給槽２２内底面近傍に設けられた空気注入部５４とを備えており、それぞれから被処理水に過酸化水素水、次亜塩素酸ソーダなどの酸化剤が添加され、空気が注入されるよう構成されている。酸化剤の供給量は、図示しないコンピュータにより制御されている。また、第２供給槽２２は、第４循環路５６を介して第１流動槽１２の流入口２８に連通しており、また第５循環路５８を介して第１流動槽１２の流出口３０に連通している。第４循環路５６には、ポンプ６０及びオゾン供給部６２が設けられており、ポンプ６０によって第２供給槽２２内の被処理水を第１流動槽１２の流入口２８まで流動させ、その際にオゾン供給部６２から被処理水にオゾンを注入できるように構成されている。
【００２６】
空気注入部３８、５４は、第１供給槽２０及び第２供給槽２２の下部からエアレーション方式でバブリング可能な装置である。空気供給量は、被処理水２００Ｌ／ｍｉｎに対して、２００〜５００Ｌ／ｍｉｎであることが好ましく、３５０Ｌ／ｍｉｎであることがさらに好ましい。バブリングした水中の溶存酸素量は、飽和率で５０〜１００％であることが好ましい。また、この空気注入部３８、５４とともに、又はそれに代えてマイクロバブル発生装置を用いて空気を供給してもよい。一般にマイクロバブルの発生方法としては、加圧溶解式、エジェクタ式、キャビテーション式、及び旋回式があるが、マイクロバブルの発生方法としては、加圧溶解式、及びエジェクタ式が好ましい。マイクロバブルの特性は生成した気泡の直径と生成量に左右されるため、比較的大量かつ微細な気泡を生成できる加圧溶解式の発生方法が特に好ましい。発生したマイクロバブルの直径は３０μｍ以下であることが好ましい。マイクロバブル発生装置でマイクロバブルを発生した水中の溶存酸素量は飽和率で８０〜１５０％であることが好ましい。マイクロバブルの自己加圧効果によって溶存酸素の飽和量以上の酸素を溶存させることができる。
【００２７】
本実施形態に係る排水処理装置において、光触媒カートリッジ１４の平板状不織布１４Ａは、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とチタンを含む金属酸化物相（第２相）との複合酸化物相からなるシリカ基複合酸化物繊維であって、第２相を構成する金属酸化物のチタンの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大している光触媒繊維からなる。
【００２８】
光触媒繊維の表面は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうちの１以上が担持されていてもよい。担持方法は、特に限定されないが、例えば担持される金属イオンが含まれる液と光触媒繊維とを接触させながら、第２相を構成する金属酸化物のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することによって、担持させることができる。
【００２９】
第１相は、シリカ成分を主体とする酸化物相であり、非晶質であっても結晶質であってもよく、またシリカと固溶体あるいは共融点化合物を形成し得る金属元素あるいは金属酸化物を含有してもよい。シリカと固溶体を形成し得る金属元素（Ａ）としては、例えば、チタン等が挙げられる。シリカと固溶体を形成し得る金属酸化物の金属元素（Ｂ）としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、ホウ素、亜鉛、ニッケル、マンガン、マグネシウム、及び鉄等が挙げられる。
【００３０】
第１相は、シリカ基複合酸化物繊維の内部相を形成しており、力学的特性を負担する重要な役割を演じている。シリカ基複合酸化物繊維全体に対する第１相の存在割合は４０〜９８重量％であることが好ましく、目的とする第２相の機能を十分に発現させ、なお且つ高い力学的特性をも発現させるためには、第１相の存在割合を５０〜９５重量％の範囲内に制御することがさらに好ましい。
【００３１】
一方、第２相は、チタンを含む金属酸化物相であり、光触媒機能を発現させる上で重要な役割を演じるものである。金属酸化物を構成する金属としては、チタンが挙げられる。この金属酸化物は、単体でもいいし、その共融点化合物やある特定元素により置換型の固溶体を形成したもの等でも良いが、チタニアであることが好ましい。第２相は、シリカ基複合酸化物繊維の表層相を形成しており、シリカ基複合酸化物繊維の第２相の存在割合は、金属酸化物の種類により異なるが、２〜６０重量％が好ましく、その機能を十分に発現させ、また高強度をも同時に発現させるには５〜５０重量％の範囲内に制御することがさらに好ましい。第２相のチタンを含む金属酸化物の結晶粒径は１５ｎｍ以下が好ましく、特に１０ｎｍ以下が好ましい。
【００３２】
第２相に含まれる金属酸化物のチタンの存在割合は、シリカ基複合酸化物繊維の表面に向かって傾斜的に増大しており、その組成の傾斜が明らかに認められる領域の厚さは表層から５〜５００ｎｍの範囲に制御することが好ましいが、繊維直径の約１／３に及んでもよい。尚、第１相及び第２相の「存在割合」とは、第１相を構成する金属酸化物と第２相を構成する金属酸化物全体、即ちシリカ基複合酸化物繊維全体に対する第１相の金属酸化物及び第２相の金属酸化物の重量％を示している。
【００３３】
本実施形態に係る排水処理装置において、平板状不織布１４Ａ上の平均紫外線強度は、１〜１０ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましく、さらに２〜８ｍＷ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。平板状不織布１４Ａ表面での紫外線強度が１〜１０ｍＷ／ｃｍ２であると、２つの紫外線成分による水処理を高効率に行うことができる。このような範囲にするには、紫外線照射ランプ１６と平板状不織布１４Ａとの距離等を適当な範囲になるようにすればよい。ここで、平均紫外線強度は、不織布表面の中央部から端部までの複数個所の紫外線強度を測定し、これらの値を平均して平均紫外線強度とすることができる。
【００３４】
上記のような傾斜構造を有する光触媒繊維は、既知の方法によって製造することができ、例えばＷＯ２００９／６３７３７号公報に記載の方法に基づいて製造することができる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る排水処理装置の動作について説明する。先ず、ポンプ４４を稼働することによって、第１循環路４０を介して第１供給槽２０内の被処理水を第２流動槽２４内に供給する。第２流動槽２４内に供給された被処理水は、紫外線照射ランプ収容部材１８の外管１８Ａ及び内管１８Ｂの間を通って第３流動槽２６まで流動し、その際に紫外線照射ランプ１６による紫外線分解反応処理が施される。次いで、第３流動槽２６内の被処理水は、第２循環路４２を介して第１供給槽２０まで流動し、第１供給槽２０→第２流動槽２４→第３流動槽２６→第１供給槽２０と循環する。この循環の際、第１供給槽２０内の被処理水には、酸化剤添加部３６から適宜酸化剤が添加され、空気注入部３８から空気が注入され、第１循環路４０を流動する被処理水には、オゾン供給部４６からオゾンが供給される。そして、所定の時間、循環されると、バルブ４８が作動し、被処理水は、第３循環路５０を介して第２供給槽２２に流動する。
【００３６】
被処理水が第２供給槽２２に溜められると、ポンプ６０を稼働して、第４循環路５６を介して第２供給槽２２内の被処理水を第１流動槽１２内に供給し、第１流動槽１２内を流動させる。この際、被処理水に紫外線照射ランプ１６からの紫外線が照射された光触媒カートリッジ１４による光触媒分解反応処理が施される。次いで、第１流動槽１２内の被処理水は、第５循環路５８を介して第２供給槽２２まで流動し、第２供給槽２２→第１流動槽１２→第２供給槽２２と循環する。この循環の際、第２供給槽２２内の被処理水には、酸化剤添加部５２から適宜酸化剤が添加され、空気注入部５４から空気が注入され、第４循環路５６を流動する被処理水には、オゾン供給部６２からオゾンが供給される。また、第２供給槽２２→第１流動槽１２→第２供給槽２２の循環と同時に、第１供給槽２０→第２流動槽２４→第３流動槽２６→第１供給槽２０の循環を行なっても良い。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明に係る排水処理装置の実施例を説明する。
【００３８】
（製造例１）
５リットルの三口フラスコに無水トルエン２．５リットルと金属ナトリウム４００ｇとを入れ窒素ガス気流下でトルエンの沸点まで加熱し、ジメチルジクロロシラン１リットルを１時間かけて滴下した。滴下終了後、１０時間加熱還流し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、まずメタノールで洗浄した後、水で洗浄して、白色粉末のポリジメチルシラン４２０ｇを得た。このポリジメチルシラン２５０ｇを、水冷還流器を備えた三口フラスコ中に仕込み、窒素気流下、４２０℃で３０時間加熱反応させて数平均分子量が１２００のポリカルボシランを得た。
【００３９】
上記方法により合成されたポリカルボシラン１６ｇにトルエン１００ｇとテトラブトキシチタン６４ｇを加え、１００℃で１時間予備加熱させた後、１５０℃までゆっくり昇温して５時間反応させて変性ポリカルボシランを合成した。この変性ポリカルボシランに意図的に低分子量の有機金属化合物を共存させる目的で５ｇのテトラブトキシチタンを加えて、変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物を得た。
【００４０】
この変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物をトルエンに溶解させた後、メルトブロー紡糸装置に仕込み、内部を十分に窒素置換してから昇温してトルエンを留去させて、１８０℃で紡糸を行った。紡糸した不織布を、空気中、段階的に１５０℃まで加熱し不融化させた後、１２００℃の空気中で１時間焼成を行い、光触媒繊維としてチタニア／シリカ繊維を得た。
【００４１】
製造例１によって得られた光触媒繊維は、第１相の存在割合が８０重量％、第２相の存在割合が２０重量％であった。存在割合は、蛍光Ｘ線分析によって求めた。第２相に含まれるチタニアの結晶粒子の粒子径は、８ｎｍであった。粒子径は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡観察）によって求めた。光触媒繊維表面から、３００ｎｍの深さで金属酸化物のチタンの存在割合が傾斜していた。傾斜の深さは、オージェ電子分光分析によって求めた。
【００４２】
（製造例２）
製造例１によって得られた酸化チタン／シリカ繊維不織布をパラジウム濃度２．５ｐｐｍのパラジウムメッキ液（パラデックス：田中貴金属（株）製）内に浸漬し、波長が３５１ｎｍの紫外線を４ｍＷ／ｃｍ２の強度で４時間照射した。照射後、繊維を取出し、水洗、さらに乾燥を行うことによって、製造例２に係るパラジウム担持酸化チタン／シリカ繊維不織布を得た。重量測定の結果から、パラジウム担持量は、０．０５重量％であった。
【００４３】
（実施例１）
製造例１で得られた酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を用いて、図３に示される平板状不織布１４Ａを含む光触媒カートリッジ１４を作成し、図１に示される排水処理装置を作製した。ただし、酸化剤添加部３６、５２及びオゾン供給部４６、６２は設けなかった。用いた紫外線照射ランプ１６は、ヘレウス社製ＮＩＱ２０１／１０７ＸＬであり、内管１８Ｂとしては合成石英が使用されている。出力は２００Ｗであり、この紫外線照射ランプ１６を５０本使用した。紫外線照射ランプ１６から放射される波長は、２５４ｎｍと１８５ｎｍの両方である。紫外線照射ランプ１６間の距離は５０ｍｍとし、紫外線照射ランプ１６と光触媒カートリッジ１４の距離は２５ｍｍとした。平板状不織布１４Ａ表面の平均紫外線強度は１０ｍＷ／ｃｍ２であった。紫外線強度は浜松フォトニクス社製ＵＶ ＰＯＷＥＲ ＭＥＴＥＲを用いて測定した。
【００４４】
被処理水は、フェノールをイオン交換水で溶解し、１００ｐｐｍのフェノール水溶液とした。このフェノール水溶液の紫外線吸収率（２５４ｎｍ）は、５０％であった。以下、紫外線吸収率は、島津製作所製紫外可視光分光光度計（ＵＶ−２４５０）を使用し、石英製セルを用いて光路長１０ｍｍで測定した。第１供給槽２０では空気注入部３８から計３５０Ｌ／ｍｉｎの空気エアレーションを発生させ、一方、第２供給槽２２では空気注入部５４から計２００Ｌ／ｍｉｎの空気エアレーションを発生させた。さらに第１供給槽２０では、図示しないマイクロバブル発生装置からマイクロバブルを６０Ｌ／ｍｉｎで発生させた。各供給槽における処理溶液中の平均溶存酸素飽和率は第１供給槽２０で１１０％、第２供給槽２２で８０％であった。溶存酸素量はＨＯＲＩＢＡ製Ｄ−５０溶存酸素計を用いて測定し、飽和溶存酸素量は温度と水中の溶存酸素量から算出した。
【００４５】
前記フェノール水溶液１０００Ｌを１６７Ｌ／ｍｉｎの速度で前記排水処理装置に供給して循環処理を行った。紫外線分解反応処理を１０パス行い、処理された液をバルブを開放して第１供給槽２０から第２供給槽２２に送液し、光触媒分解反応処理を１０パス行った。前記排水処理装置では、１０００Ｌのフェノール水溶液を１６７Ｌ／ｍｉｎで循環処理しており、６．０分で全溶液１０００Ｌが処理される処理時間を便宜上、１パスと定義する。実施例１においては、まず紫外線分解反応処理を１０パス行い（処理時間は６０分）、次に光触媒分解反応処理を１０パス行い（処理時間は６０分）、本排水処理装置全体で１２０分処理を行った。
【００４６】
（実施例２）
製造例２に記載の方法で得られたパラジウム担持酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を用いた以外は、実施例１と同様の条件で検討を行った。
【００４７】
（実施例３）
第１供給槽２０及び第２供給槽２２に酸化剤添加部３６、５２をそれぞれ設置し、各供給槽に過酸化水素を添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討した。過酸化水素は濃度１０％の水溶液を用いて、添加量は第１供給槽２０で６７．５ｍｌ／ｍｉｎ、第２供給槽２２で７．５ｍｌ／ｍｉｎとした。
【００４８】
（実施例４）
第１供給槽２０及び第２供給槽２２に酸化剤添加部３６、５２をそれぞれ設置し、各供給槽に次亜塩素酸ソーダを添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討を行った。次亜塩素酸ソーダは濃度１０％の水溶液を用いて、添加量は第１供給槽２０で４５ｍｌ／ｍｉｎ、第２供給槽２２で５ｍｌ／ｍｉｎとした。
【００４９】
（実施例５）
第１循環路４０及び第４循環路５６にオゾン供給部４６、６２をそれぞれ設置し、紫外線分解反応処理、光触媒分解反応処理での処理中にオゾンを添加した以外は、実施例２と同様の条件で検討を行った。使用したオゾン供給部４６、６２のオゾン生成能力は第１循環路４０で１５００ｍｇ／ｈ、第４循環路５６で２５０ｍｇ／ｈである。
【００５０】
（比較例１）
図１に示す製造例１の方法で得られた酸化チタン／シリカ繊維からなる不織布を設置しない以外は、実施例１と同様の条件で検討を行った。
【００５１】
（比較例２）
図１に示す、外管１８Ａを具備せず、紫外線分解反応処理を行わない以外は、実施例１と同様の検討を行った。
【００５２】
以上の結果を表１に示す。表１中、パス回数は合計パス回数である。
【００５３】
【表１】
【００５４】
本発明に係る排水処理装置は、優れた有機物分解性能を示し、さらに酸化剤を添加することにより、極めて効率的な分解性能を示すことが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１２ 第１流動槽（流動槽）
１４ 光触媒カートリッジ（光触媒繊維）
１６ 紫外線照射ランプ（紫外線照射部）
１８ 紫外線照射ランプ収容部（紫外線照射部収容部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を一方向に流動させる流動槽と、
被処理水がその間を通過可能に前記流動槽内に配置された光触媒繊維と、
紫外線を照射可能な紫外線照射部と、
前記流動槽内に設けられ、前記光触媒繊維に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部を収容する紫外線照射部収容部とを備え、
前記紫外線照射部収容部は、被処理水が紫外線照射部収納部内を流動可能に構成され、
被処理水は、紫外線照射部収容部内を流動した後に、前記流動槽に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置。
【請求項２】
紫外線照射部収容部は、紫外線照射部を収容する内管と、該内管を覆う外管とを備え、前記内管と外管との間を被処理水が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
【請求項３】
被処理水を貯留可能に構成され、前記紫外線照射部収容部内に連通する第１供給槽と、被処理水を貯留可能に構成され、前記流動槽内に連通する第２供給槽とをさらに備え、
前記第１供給槽内の被処理水は、第１供給槽と紫外線照射部収容部内を循環可能に構成され、
前記第２供給槽内の被処理水は、第２供給槽と流動槽内を循環可能に構成され、第１供給槽内の被処理水を第２供給槽内に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理装置。
【請求項４】
第１供給槽と第２供給槽のうち少なくとも一方に酸化剤添加手段を備えることを特徴とする請求項３記載の排水処理装置。
【請求項５】
酸化剤添加手段は、過酸化水素、オゾン、及び次亜塩素酸ソーダのうち少なくとも１つを添加できることを特徴とする請求項４記載の排水処理装置。
【請求項６】
内管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載の排水処理装置。
【請求項７】
外管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることを特徴とする請求項２乃至６いずれか記載の排水処理装置。
【請求項８】
紫外線照射部は、内管内に紫外線照射ランプを備えることを特徴とする請求項２乃至７いずれか記載の排水処理装置。
【請求項９】
紫外線照射ランプが、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射できることを特徴とする請求項８記載の排水処理装置。
【請求項１０】
内管と外管の径方向の間隔が１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項２乃至９いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１１】
光触媒繊維が、酸化チタンを表面に有する光触媒繊維の不織布であること特徴とする請求項１乃至１０いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１２】
光触媒繊維の不織布が、平板状に形成された平板状不織布であり、前記平板状不織布は、その面が排水の流動方向に対して交わるように配置されていることを特徴とする請求項１１記載の排水処理装置。
【請求項１３】
光触媒繊維は、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とＴｉを含む金属化合物相（第２相）との複合酸化物の繊維からなり、第２相を構成する金属酸化物のＴｉの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維であることを特徴とする請求項１乃至１２いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１４】
光触媒繊維の表面に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１以上の金属が担持されていることを特徴とする請求項１乃至１３いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１５】
被処理水がその間を通過可能な光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、該紫外線照射部を収容し被処理水が内部を流動可能な紫外線照射部収容部とを有する流動槽内を流動する被処理水中に含まれる有機物を酸化分解処理する排水処理方法であって、
被処理水に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で被処理水が前記紫外線照射部収容部内を流動する紫外線分解反応工程と、
前記光触媒繊維に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で、前記紫外線照射部収容部内を流動した被処理水が前記光触媒繊維の間を通過する光触媒分解反応工程とを備えたことを特徴とする排水処理方法。
【請求項１】
被処理水を一方向に流動させる流動槽と、
被処理水がその間を通過可能に前記流動槽内に配置された光触媒繊維と、
紫外線を照射可能な紫外線照射部と、
前記流動槽内に設けられ、前記光触媒繊維に紫外線を照射可能に、前記紫外線照射部を収容する紫外線照射部収容部とを備え、
前記紫外線照射部収容部は、被処理水が紫外線照射部収納部内を流動可能に構成され、
被処理水は、紫外線照射部収容部内を流動した後に、前記流動槽に導入されるよう構成されていることを特徴とする排水処理装置。
【請求項２】
紫外線照射部収容部は、紫外線照射部を収容する内管と、該内管を覆う外管とを備え、前記内管と外管との間を被処理水が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の排水処理装置。
【請求項３】
被処理水を貯留可能に構成され、前記紫外線照射部収容部内に連通する第１供給槽と、被処理水を貯留可能に構成され、前記流動槽内に連通する第２供給槽とをさらに備え、
前記第１供給槽内の被処理水は、第１供給槽と紫外線照射部収容部内を循環可能に構成され、
前記第２供給槽内の被処理水は、第２供給槽と流動槽内を循環可能に構成され、第１供給槽内の被処理水を第２供給槽内に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の排水処理装置。
【請求項４】
第１供給槽と第２供給槽のうち少なくとも一方に酸化剤添加手段を備えることを特徴とする請求項３記載の排水処理装置。
【請求項５】
酸化剤添加手段は、過酸化水素、オゾン、及び次亜塩素酸ソーダのうち少なくとも１つを添加できることを特徴とする請求項４記載の排水処理装置。
【請求項６】
内管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載の排水処理装置。
【請求項７】
外管が、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍの波長を９０％以上透過することができることを特徴とする請求項２乃至６いずれか記載の排水処理装置。
【請求項８】
紫外線照射部は、内管内に紫外線照射ランプを備えることを特徴とする請求項２乃至７いずれか記載の排水処理装置。
【請求項９】
紫外線照射ランプが、１８０〜１９０ｎｍと２５０〜２６０ｎｍとにピーク波長を有する紫外線を照射できることを特徴とする請求項８記載の排水処理装置。
【請求項１０】
内管と外管の径方向の間隔が１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項２乃至９いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１１】
光触媒繊維が、酸化チタンを表面に有する光触媒繊維の不織布であること特徴とする請求項１乃至１０いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１２】
光触媒繊維の不織布が、平板状に形成された平板状不織布であり、前記平板状不織布は、その面が排水の流動方向に対して交わるように配置されていることを特徴とする請求項１１記載の排水処理装置。
【請求項１３】
光触媒繊維は、シリカ成分を主体とする酸化物相（第１相）とＴｉを含む金属化合物相（第２相）との複合酸化物の繊維からなり、第２相を構成する金属酸化物のＴｉの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維であることを特徴とする請求項１乃至１２いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１４】
光触媒繊維の表面に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）及びスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１以上の金属が担持されていることを特徴とする請求項１乃至１３いずれか記載の排水処理装置。
【請求項１５】
被処理水がその間を通過可能な光触媒繊維と、紫外線を照射可能な紫外線照射部と、該紫外線照射部を収容し被処理水が内部を流動可能な紫外線照射部収容部とを有する流動槽内を流動する被処理水中に含まれる有機物を酸化分解処理する排水処理方法であって、
被処理水に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で被処理水が前記紫外線照射部収容部内を流動する紫外線分解反応工程と、
前記光触媒繊維に前記紫外線照射部から紫外線を照射させた状態で、前記紫外線照射部収容部内を流動した被処理水が前記光触媒繊維の間を通過する光触媒分解反応工程とを備えたことを特徴とする排水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２０６０４８（Ｐ２０１２−２０６０４８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４７３９（Ｐ２０１１−７４７３９）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（００００００２０６）宇部興産株式会社 (2,022)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]