水処理装置及び方法
【課題】 原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができる水処理装置及び方法を提供する。更に、処理水の溶存オゾン濃度を低く維持することができる水処理装置及び方法を提供する。
【解決手段】 本発明による水処理装置(1)は、汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部(6)と、オゾン注入部(6)の下流側に接続された紫外線反応部(8)と、紫外線反応部(8)の下流側に接続された膜分離部(16)とを有する。紫外線反応部(8)では、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより、汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする。膜分離部(16)は、中間処理水を濾過する膜(14)を有し、それにより濁りを除去する。
【解決手段】 本発明による水処理装置(1)は、汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部(6)と、オゾン注入部(6)の下流側に接続された紫外線反応部(8)と、紫外線反応部(8)の下流側に接続された膜分離部(16)とを有する。紫外線反応部(8)では、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより、汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする。膜分離部(16)は、中間処理水を濾過する膜(14)を有し、それにより濁りを除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理装置及び方法に関し、更に詳細には、上水道、工業用水又は下水二次処理水の処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業排水、生活排水などによる水の汚染が進んでおり、水環境汚染が社会問題になっている。具体的には、上水用の水源である上流河川においては、農薬、ダイオキシン、環境ホルモンなどの難分解性の汚染物質が微量ながら含まれていることが指摘されている。また、河川の下流側においては、水の汚染が更に進んでおり、有機塩素系の洗剤、農薬、合成洗剤、染料など種々の化学物質による水の汚染が広がっている。更に、産業・生活廃棄物埋立地からの浸出水による水の汚染はきわめて深刻な社会問題となっている。
【０００３】
この様な背景のもと、水環境保全技術の開発が活発に行われている。例えば、活性炭処理、膜処理、オゾン処理、紫外線処理、生物学的な処理、促進酸化処理などの技術開発が行われている。
【０００４】
促進酸化処理（ＡＯＰ：Advanced Oxidation Process）は、オゾンと紫外線、あるいは、オゾンと過酸化水素を組み合わせた処理である。促進酸化処理装置の一例は、汚染物質を含む原水（非処理水）を受入れて貯蔵する原水槽と、原水槽内の原水を下流側に送出するためのポンプと、ポンプによって送出された原水に、オゾン発生装置により発生させたオゾンを注入するエジェクターと、エジェクターの下流側に接続され且つオゾンが注入された原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して処理水にする紫外線反応装置と、紫外線反応装置の下流側に配置され且つ余分なオゾンを分離して除去する気液分離槽と、気液分離槽からの処理水を排出する排出部とを有している。
このように構成された促進酸化処理装置では、オゾン発生装置により発生させたオゾンガスを、エジェクターによって原水中に溶解させ、オゾンが溶解した原水に紫外線を照射すると、オゾンよりも酸化力の強いラジカル種（ＯＨラジカル）が生成される。このＯＨラジカルにより、オゾンで処理できなかった難分解性の汚染物質などが分解される。
【０００５】
促進酸化処理は、オゾン処理に比べて、短時間で処理できること、処理水中のオゾン濃度が低いので後工程で活性炭処理を必要としないこと、排オゾン量を低減できること、及びそれらにより処理コストを低減できることにおいて優位性があり、有望視されている。
例えば、紫外線とオゾンによりトリクロロエチレンなどの有機塩素化合物を分解する方法（特許文献１参照）、オゾン、過酸化水素などと組み合わせた処理方法（特許文献２参照）、オゾン処理と過酸化水素水注入（または紫外線照射）とを併用して被処理水中の難分解性物質を分解する水処理方法（特許文献３参照）、被処理水にオゾンを注入しながら、紫外線を用いて被処理水中のオゾンをラジカル種化させ、被処理水中の難分解性物質を分解する水処理方法（特許文献４参照）等が知られている。
【０００６】
また、膜処理は、濾過精度に優れた処理である。特に、クリプトスポリジウムの対策に有効であり、上水や下水などの濁り除去に用いられている。膜処理において、濾過を継続して行っていると、膜処理に用いる膜の表面に原水中の有機物などの除去対象物質が付着し、膜孔の閉塞を引き起こすことがある。そのため、膜処理を行う場合、膜孔の閉塞を抑制したり除去したりするための対策が取られている。具体的には、原水にＰＡＣなどの凝集剤を加えて原水を前処理しておく対策、膜の濾過方向とは逆方向に濾過水、次亜塩素酸ソーダあるいはオゾン水を流して膜を逆流洗浄する対策（特許文献５参照）、気体状態のオゾンを用いて膜を逆流洗浄する対策（特許文献６参照）等が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１９１０９５号公報
【特許文献２】特開平１１−３３５７０号公報
【特許文献３】特開２００１−１４９９６４号公報
【特許文献４】特開２００１−９６２８４号公報
【特許文献５】特開平４−３１０２２０号公報
【特許文献６】特開昭６０−５８２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
促進酸化処理は、溶解性の物質の分解・除去は可能であるが、比較的粒径の大きな物質の分離機能を有していないので、濁りを除去することはできない。特に、濁りの程度の大きい原水を飲料水などの用途に供するためには、促進酸化処理だけでは不十分である。
また、促進酸化処理装置において、紫外線強度が低下すると、処理水中の溶存オゾン濃度が大きくなり、処理水は飲料水に適さない。
一方、膜処理は、濁りを除去することは可能であるが、色素や、農薬、ダイオキシン、環境ホルモンなどの難分解性の汚染物質を除去することはできない。
また、膜処理装置に用いられる精密濾過膜（ＭＦ）、限外濾過膜（ＵＦ）は、上述したように、ファウリング（閉塞）を引き起こすことがある。ファウリングが起こると、差圧を上昇させなければならないので、差圧の上昇を防止するために、定期的な薬液洗浄等を行うことが必要である。特に有機物の多い液は、ファウリングを起こしやすく、メンテナンスコスト及び膜交換コストの上昇を招いていた。
【０００９】
そこで、本発明は、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができる水処理装置及び方法を提供することにある。
また、本発明は、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができると共に、処理水の溶存オゾン濃度を低く維持することができる水処理装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による水処理装置は、汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部と、オゾン注入部の下流側に接続され、且つ、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応部と、紫外線反応部の下流側に接続され、中間処理水を濾過する膜を有する膜分離部と、を有することを特徴としている。
このように構成された水処理装置では、オゾン注入部によって原水に注入されたオゾンは、紫外線反応部において紫外線で照射されることによって、強い酸化力を有するＯＨラジカルに変換される。このＯＨラジカルにより、原水中の難分解性汚染物質を分解し、原水を中間処理水にする。中間処理水の濁りは、膜分離部の膜を通過する際に除去される。また、原水中に含まれる金属イオン、たとえばＦｅ、Ｍｎ、Ｃａイオンが、ＯＨラジカルの強い酸化力によって不溶性の酸化物となるので、かかる金属イオンを不溶性酸化物として膜分離部によって除去することができる。かくして、本発明による水処理装置は、上水・排水等の処理において、オゾン処理に比べ短時間で、色度・臭気・溶存微量有機成分を分解できるだけでなく、濁り成分も除去することができる。
【００１１】
また、本実施形態による水処理装置では、原水中にオゾンを一定濃度で溶解させた後すぐに紫外線照射することによってＯＨラジカルに変換しているので、中間処理水のオゾン濃度が低くなる。それにより、膜分離部の膜に、耐オゾン膜を使用する必要が無く、安価な膜を使用することができる。また、膜分離部へのオゾンの流入を著しく低減できるので、耐オゾン膜と同等のファウリング物質の除去を確保しつつ、膜のファウリング物質による差圧上昇を抑制すると共に、膜の劣化を抑制することが可能である。更に、排オゾンがきわめて少なくなるため、処理水の活性炭による後処理が不要になる。かくして、低コストで水処理を達成することができる。
【００１２】
本発明の実施形態において、好ましくは、紫外線反応部の上流側における原水中の溶存オゾン濃度が０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒの範囲にあり、膜分離部の上流側における中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満である。
原水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒよりも低いと、有機成分の分解性が低くなる。また、原水中の溶存オゾン濃度が１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒよりも高いと、オゾン発生コストが高く不経済である。また、処理水のオゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持することにより、処理水を飲料水に使用することも可能である。
【００１３】
本発明の実施形態において、好ましくは、紫外線反応部と前記膜分離部との間に追加の処理部が接続される。
追加の処理部は、例えば、中間処理水と気体とを分離する気液分離槽、溶解性の物質を分解するための反応槽、紫外線照射後にＯＨラジカルに変換されなかったオゾンの滞留時間を長くして汚染物質の分解を促進させる反応槽等である。
【００１４】
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能なコントローラを有し、コントローラが、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、膜への流入を閉鎖して膜による固液分離を停止させる。
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラと、コントローラに接続され且つ膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度を検出するオゾン濃度センサと、を有し、オゾン注入部は、コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持されるようにオゾン発生装置を制御する。
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラを有し、オゾン注入部は、コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、オゾン発生装置を停止させる。
このように構成された水処理装置では、ＯＨラジカルの生成に影響を与えるスケーリング等が早期に検出されるので、スケーリングへの対処を迅速に行うことができ、その結果、処理水の水質、特に、溶存オゾン濃度を安定的に維持することができる。
【００１５】
本発明の実施形態において、好ましくは、膜分離部の膜の材質がポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、又はセルロースである。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明による水処理方法は、汚染物質及び濁りを有する原水にオゾンを注入する工程と、オゾンが注入された原水に紫外線を照射して、オゾンをラジカル種に変換し、ラジカル種によって汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする工程と、中間処理水を膜によって濾過して、濁りを除去する工程と、を有することを特徴としている。
通常、オゾン処理の場合には、原水とオゾンとの接触時間を適宜とるケースがほとんどであるが、本発明の場合、オゾンを溶解させる、即ち、注入するのに要する時間は必要であるが、照射される紫外線によりオゾンから強い酸化力を有するＯＨラジカルを生じさせるので、原水とＯＨラジカルとの接触時間をオゾン処理に比べ短くできる。また、ＯＨラジカルが強い酸化力を有しているため、必要とされるオゾン量を削減することができると共に、処理後の溶存オゾン濃度を低減させることもできる。それと同時に、排オゾン量も削減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水処理装置及び方法によれば、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができる。
また、本発明の水処理装置及び方法によれば、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができると共に、処理水の溶存オゾン濃度を低く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の水処理装置の実施形態を説明する。図１は、本発明による水処理装置のシステム概略図である。
水処理装置１は、汚染物質及び濁りを含む原水を受入れて貯蔵する原水槽２と、原水槽２内の原水を下流側に送出する原水送出装置４である原水用ポンプと、送出された原水にオゾンを注入するオゾン注入部６と、オゾン注入部６の下流側に接続され且つオゾンが注入された原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応装置８と、紫外線反応装置８の下流側に配置され且つ紫外線反応装置８によって処理された中間処理水と気体とを分離する気液分離槽１０と、気液分離槽１０の下流側に配置され且つ気液分離槽１０からの中間処理水を下流側に送出する中間処理水送出装置１２である中間処理水用ポンプと、送出された中間処理水を濾過する膜１４を有する膜分離装置１６と、膜分離装置１６によって濾過された処理水を排出する排出部１８とを有している。
【００１９】
オゾン注入部６は、オゾンを発生させるオゾン発生装置２０と、オゾン発生装置２０により発生させたオゾンを、原水用ポンプ４により送出された原水に溶解させるオゾン溶解装置２２とを有している。オゾン発生装置２０は、本実施形態に適当なオゾン濃度を発生させることができるものであれば、高電圧あるいは二次電圧を用いるオゾン発生装置であってもよいし、水からオゾン水を作り出す電解式オゾン発生装置であってもよい。オゾン溶解装置２２は、ディフューザー、スタティクミキサー、エジェクター等の任意形式の気液溶解装置であるのがよく、オゾンを溶解するオゾン注入領域を構成する。
【００２０】
紫外線反応装置８は、ＡＯＰ反応槽の一種であり、例えば、紫外線反応塔である。紫外線反応装置８は、オゾン溶解装置２２で溶解されたオゾンを紫外線照射によってＯＨラジカルに変換する反応領域を構成する。なお、オゾンは、過酸化水素水との反応によってもＯＨラジカルに変換されるが、上水又は再生水の製造において、過酸化水素水の注入量の制御が難しく、過酸化水素水の管理が困難であり、未反応の過酸化水素水が残った処理水は飲料水として適さないので、本実施形態では、紫外線照射によるＯＨラジカルへの変換を採用する。
紫外線反応装置８は、石英ガラス又は透明フッ素で形成された内管２４及び外管２６を有する２重管構造になっている。内管２４の内側には、紫外線ランプ又は紫外線発光素子（ＬＥＤ）等の紫外線源２８が配置され、オゾンを溶解させた原水が、内管２４と外管２６との間を下方から上方に流れるように構成されている。紫外線の波長は、ＯＨラジカルへの変換効率が高い２５０ｎｍ前後であることが好ましい。紫外線の出力は、流入する原水の流量及び有機成分（ＴＯＣ）濃度により適宜設定される。
【００２１】
図２は、紫外線反応装置の第１の変形例の概略図である。第１の変形例の紫外線反応装置８’は、原水への紫外線透過量の低下を検出するために、紫外線反応装置８’の上部において、発光剤３０を塗布した領域が内管２４の外面２４ａに設けられ、紫外線により発光した発光剤３０の照度を検出するための光センサ３２が外管２６の内面２６ａに設けられている。光センサ３２は、例えば、三洋電機製のアモルファス光センサ又はそれと同等の機能を有する光センサであるのがよい。
【００２２】
図３は、紫外線反応装置の第２の変形例の概略図である。第２の変形例の紫外線反応装置８''は、発光剤３０及び光センサ３２の代わりに紫外線センサ３４を採用したこと以外、第１の変形例の紫外線反応装置８’と同様の構造を有している。従って、同様の構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。原水への紫外線透過量の低下を検出するために、紫外線反応装置８''の上部において、紫外線センサ３４が外管２６の内面２６ａに内管２４に向けられるように設けられている。紫外線センサ３４は、例えば、浜松ホトニクス社製の紫外線トロン又はそれと同等の機能を有する紫外線センサであるのがよい。
【００２３】
オゾン発生装置２０によって発生された余分なオゾン及び気液分離槽１０によって分離されたオゾンを処理する排オゾン処理装置３６が、オゾン発生装置２０とオゾン溶解装置２２との間の箇所、及び気液分離槽１０に接続されている。
【００２４】
膜分離装置１６の膜１４は、ＵＦ膜またはＭＦ膜等である。膜の形状は、平膜、中空糸膜、管状膜、スパイラル等のいずれでもよい。図１に示す膜分離装置１６は、膜１４に中間処理水を加圧供給して濾過する加圧型であり、この場合、中間処理水に溶解している気体を除去（脱気）するための曝気装置３８が、膜分離装置１６の上流側、例えば、気液分離槽１０に設けられるのがよい。加圧型の膜分離装置１６の作動及び停止は、中間水処理水用ポンプ１２（加圧ポンプ）の作動及び停止によって行われる。なお、膜分離装置１６は、膜１４を水槽内に浸漬させ、中間処理水を吸引透過させる浸漬吸引型であってもよく、その場合、膜１４の洗浄のための曝気装置（図示せず）が、膜分離装置１６内に設けられ、中間処理水を吸引する吸引ポンプ（図示せず）が膜分離装置１６の下流側に設けられる。吸引型の膜分離装置１６の作動及び停止は、上記吸引ポンプの作動及び停止によって行われる。膜１４の材質は、通常の水処理に使用される材質であれば特に限定されず、セラミックス、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化エチレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、ポリアミド、セルロース等の任意の材質が使用可能である。本実施形態では、膜分離装置１６に流入する中間処理水のオゾン濃度が低いため、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セルロース等の、オゾン耐性は低いが比較的廉価な材質を使用してもよい。膜１４の孔径は、ＵＦ膜単位からＭＦ膜単位の孔径域であることが好ましい。膜１４の濾過流量を大きくするときには、ＭＦ膜を用いることが好ましい。膜１４の孔径は０．００１〜２μｍが好ましく、０．０５〜１μｍがより好ましい。
【００２５】
原水用ポンプ４とオゾン注入部６との間には、流量計４０が設けられている。また、中間処理水用ポンプ１２と膜分離装置１６との間、及び膜分離装置１６と排出部１８との間にはそれぞれ、圧力計４２、４４が設けられている。また、気液分離槽１０と膜分離装置１６ととの間には、オゾン濃度検出器であるオゾン濃度モニター４６が接続されている。オゾン濃度モニター４６は、例えば、本実施形態に適当な範囲のオゾン濃度が計測できるものであれば特に限定されず、例えば、荏原実業（株）製のＥＬ−６００Ｑ又はＥＬ−６００Ｓである。
【００２６】
また、水処理装置１は、コントローラ４８を有している。コントローラ４８は、紫外線源２８が通電状態にあるかないかを監視することができるように、紫外線源２８に接続されている。また、コントローラ４８は、原水用ポンプ４、オゾン発生装置２０、光センサ３２、紫外線センサ３４、中間処理水用ポンプ１２、オゾン濃度モニター４６、気液処理槽１０内の曝気装置３８等に接続されている。
紫外線反応塔８、気液分離槽１０及び膜分離装置１６には、ドレン５０が設けられている。
【００２７】
次に、本発明による水処理装置の動作を説明する。
汚染物質及び濁りを含み且つ原水槽２に貯蔵された原水を、原水用ポンプ４によってオゾン注入部６に送出する。オゾン発生装置２０によって発生させたオゾンを、オゾン溶解装置２２によって原水に溶解させる。原水に溶解されるオゾン濃度は、原水中に含有する有機成分濃度（ＴＯＣ濃度）により異なるが、好ましくは、０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒ、更に好ましくは、０．１〜１０ｍｇ／ｌｉｔｅｒである。
オゾンが溶解された原水は、紫外線反応装置８に流入し、紫外線の照射を受ける。それにより、原水中のオゾンが、ＯＨラジカルに変換される。このＯＨラジカルにより、原水中の溶解物質が分解・除去され、中間処理水になる。ＯＨラジカルは、オゾンよりも酸化力が強いので、従来のオゾン処理で分解できなかった難分解性汚染物質も分解される。
中間処理水は、気液分離槽１０に送られ、ＯＨラジカルに変換されなかったオゾンが、排オゾン処理装置３６に送られ処理される。オゾンが除去された中間処理水のオゾン濃度は、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒであることが好ましい。
中間処理水は、中間処理水用ポンプ１２によって、膜分離装置１６に送られる。膜分離装置１６によって、比較的粒径の大きな物質が濾過され、即ち、固液分離され、濁りが除去される。
【００２８】
また、紫外線源２８が通電状態にないこと、例えば、紫外線ランプが切れたことを、コントローラ４８が検出したとき、コントローラ４８は、例えば、原水用ポンプ４、中間処理水用ポンプ１２、及び／又はオゾン発生装置２０を停止させる。原水用ポンプ４を停止させた場合には、水処理装置１全体への給水が停止し、その結果、紫外線反応塔８への給水も停止する。中間処理水用ポンプ１２を停止させた場合には、膜分離装置１６への中間処理水の供給が停止する。再立ち上げ時にオゾン濃度の高い処理水が膜分離装置１６に流入することを防止するために、ドレン５０に付属する弁を開放して、オゾン濃度の高い処理水をドレン５０から排水するのがよい。また、給水が停止したとき、オゾン発生装置２０からのオゾンが上流側に向かって逆流することを防止するために、オゾン発生装置２０を停止させることが好ましい。また、膜分離装置１６が加圧型である本実施形態の場合、中間処理水用ポンプ１２を停止させることによって中間処理水の供給を停止したが、膜分離装置が吸引型であれば、膜分離装置１６の下流側に配置された吸引ポンプ（図示せず）を停止させればよい。それにより、オゾン濃度の高い処理水が排出されることを防止し、システムの安全と飲料水に適した水質を確保する。
【００２９】
水処理装置１の実際の稼動中、カルシウムなどの金属成分の析出（スケーリング）などにより、内管２４が汚れ、紫外線反応装置８内における紫外線透過率又は紫外線透過量が低下することがある。この場合、紫外線反応装置内の紫外線源が通常通り作動していても、紫外線反応装置８から出てきた中間処理水のオゾン濃度が上昇する。内管２４等の紫外線反応装置８内の汚れは、酸などで定期的に洗浄する必要がある。
コントローラ４８が、紫外線反応装置８’、８''内の光センサ３２又は紫外センサ３４により、紫外線透過率の所定の低下を検出したら、上述した紫外線源２８が通電状態にないときと同様、原水用ポンプ４、中間処理水用ポンプ１２、及び／又はオゾン発生装置２０を停止させるのがよい。水処理装置１を停止させた後、紫外線反応装置８’、８''内を洗浄する。また、多くの場合、紫外線反応装置８’、８''においてスケーリングが生じている場合、その後段に位置する膜分離装置１６でもスケーリングが生じているおそれがある。そのため、紫外線反応装置８’、８''の薬液洗浄と同時に、膜分離装置１６の薬液洗浄を行うことが好ましい。
スケーリングなどによる紫外線透過率の低下の時期を検出することができるので、薬液による洗浄のタイミングの決定を適切に行うことができ、原水への紫外線照射強度を適切に維持することができる。その結果、水処理装置１全体の運転を安定化させることができる。
【００３０】
コントローラ４８は、オゾン濃度モニター４６によって膜分離装置１６の上流側直前の溶存オゾン濃度が所定濃度（例えば、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ）以上になったことを検出したとき、オゾン発生装置２０を制御して、上記溶存オゾン濃度が所定濃度以下になるようにオゾン発生装置２０からの吹き込みオゾン量を低減させるのがよい。変形例として、膜分離装置１６が加圧型の場合、気液分離層１０の内部に設けられた曝気装置３８を作動させることによって、溶解しているオゾンを曝気させてもよいし、膜分離装置１６が浸漬型の場合、その内部に設けられた曝気装置（図示せず）を作動させることによって溶解しているオゾンを曝気させてもよい。
【００３１】
また、紫外線反応装置での紫外線照射により、原水が殺菌されるので、膜分離部の膜上における微生物による汚染が低減される。
【００３２】
〔実施例１〕
色度２６ｕｎｉｔｓ（ＡＰＨＡ法準拠）及び有機成分（ＴＯＣ）濃度２．４ｍｇ／ｌｉｔｅｒの生物処理水（原水）を、図１に示す本発明による水処理装置１で処理した。オゾン発生装置２０で発生させたオゾンを、原水用ポンプ４の圧力により作動するエジェクター２２によって原水に溶解し、紫外線反応塔８に２．６ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎで流入させた。この時、オゾン発生装置２０（住友精密工業（株）製）で発生させたオゾンガスの濃度は１０ｇ／ｍ3であり、オゾンガスの吹き込み量は０．５ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎであった。また、紫外線反応塔８の上流側直前の原水中のオゾン濃度は０．２５ｍｇ／ｌｉｔｅｒであった。紫外線反応塔は約５ｌｉｔｅｒの容積を有し、その処理時間は、約２ｍｉｎであった。
紫外線反応塔８によって処理された中間処理水を気液分離槽１０に流入させ、気液分離後、中間処理水用ポンプ１２によって膜分離装置１６に送出して濾過した。膜分離装置１６の膜モジュール１４（三菱レイヨン・エンジニアリング株式会社製の１０インチモジュール）は、孔径０．１μｍのＰＥ製であり、膜面積は３．７４ｍ2であった。濾過方法は、デッドエンド濾過法を採用した。膜分離装置１６の上流側と下流側との差圧は、１３ｋＰａであった。
得られた処理水の水質は、色度３ｕｎｉｔｓ（ＡＰＨＡ法準拠）であり、有機成分濃度（ＴＯＣ濃度）１．８ｍｇ／ｌｉｔｅｒであった。１００時間連続運転したあとにおいても、上記差圧は１３ｋＰａであり、特に差圧の上昇は見られなかった。また膜分離装置１６に流入する中間処理水のオゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に抑えることができた。それにより、使用した膜モジュールの強度は、初期値（４００g／fil）を維持したままであった。
【００３３】
〔実施例２〕
実施例１の装置の紫外線反応塔８の代わりに、図２に示す変形例の紫外線反応塔８’を用いて水処理を行った。紫外線反応塔８'は、紫外線ランプ２８より発せられた紫外線で発光する発光剤３０と、発光剤３０によって発光した光を検出する光センサ３２とを有している。
実施例１と同様に連続運転したところ、半年程度で光センサ３２の値が低下し、紫外線反応塔８’内での紫外線透過量が低下したので、紫外線反応塔８’への給水及び膜分離装置１６への中間処理水の供給を自動で停止させた。その際、膜分離装置１６へ流入する中間処理水の溶存オゾン濃度をオゾン濃度センサ４４で計測した。連続運転初期において０．０３ｍｇ／ｌｉｔｅｒであったオゾン濃度が０．１０ｍｇ／ｌｉｔｅｒを示していた。すぐに、紫外線反応塔８’及び膜分離装置１６をクエン酸で薬液洗浄し、その廃液を紫外線反応塔８’及び膜分離装置１６のドレンより排出した。紫外線透過量が連続運転初期の量に戻ったことを確認した上で、水処理装置１を再運転した。膜分離装置１６に流入する中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満となった。この結果、膜１４の２次側の処理水にオゾンの流出などを起こすことなく、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３４】
〔実施例３〕
実施例１の装置の紫外線反応塔８の代わりに、図３に示す変形例の紫外線反応塔８''を用いて水処理を行った。紫外線反応塔８''は、紫外線センサ３４を有している。
実施例１と同様に連続運転したところ、紫外線反応塔８''内の紫外線透過量が徐々に低下した。その際のオゾン濃度モニター１４による中間処理水内の溶存オゾン濃度は、０．３ｍｇ／ｌｉｔｅｒを示した。原水中に含まれるリン酸カルシウムが原因で、紫外線反応塔８''でスケーリングを起こしていると考えられたので、水処理装置１を停止させ、紫外線反応塔８''及び膜分離装置１６を、実施例２と同様、薬液洗浄した。それにより、初期の紫外線透過量に戻すことができた。薬液洗浄後、再運転を行い、膜１４の２次側の処理水にオゾンの流出などを起こすことなく、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３５】
〔実施例４〕
実施例１と同様に連続運転したところ、紫外線反応塔８から排出された中間処理水の溶存オゾン濃度が０．２５ｍｇ／ｌｉｔｅｒとなった。排水部１８へのオゾンの流出を防ぐために、紫外線反応塔８から排出された中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満となるように、オゾン発生装置２０のオゾン吹き込み量をコントローラ４８により自動で調整した。紫外線ランプ２８に異常が見られず、原水中のリン酸カルシウムなどでスケーリングを引き起こしたと考えられたので、水処理装置１を停止させ、紫外線反応塔８及び膜分離装置１６を、実施例２と同様、薬液洗浄した。それにより、初期の紫外線透過量に戻すことができた。運転を再開し、所定のオゾン量を吹き込むことによって原水を紫外線で処理し、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
上述した実施形態では、紫外線反応装置だけによって溶解性の物質を分解したが、紫外線反応装置８と気液分離槽１０との間に、溶解性の物質を分解するための反応槽を追加の処理部として設けてもよい。反応槽は、例えば、紫外線反応塔で分解できない又は残留した溶解性の物質（分解の過程で生じた比較的低分子量の炭化水素、アルデヒド類、ケトン類、あるいはＯＨラジカルの生成過程でわずかに生じた過酸化水素等）を除去する触媒、イオン交換樹脂、活性炭等を含むことができる。
また、分解性能を高めるために、紫外線反応装置８でＯＨラジカルに変換できるオゾンの量よりも過剰なオゾンをオゾン注入装置によって注入して反応を促進させ、膜分離装置１６の手前に、オゾンを除去する曝気装置を設けて、過剰なオゾンを除去してもよい。
また、紫外線反応装置８の出口における水質等に応じて適宜反応槽を追加してもよい。
【００３７】
また、紫外線の照射が停止したり、紫外線反応装置８内の紫外線透過量が低下したりするなどの状態になると、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ以上の溶存オゾン濃度を有する処理水が排出部１８に流出することになり、処理水は飲料水として適さない。必要に応じて、紫外線照射後にＯＨラジカルに変換されなかったオゾンの滞留時間を長くして汚染物質の分解を促進させる追加の処理部として反応槽を設けると共に、中間処理水の溶存オゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満にするようにオゾンを反応槽内で曝気してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による水処理装置のシステム概略図である。
【図２】紫外線反応装置の第１の変形例の概略図である。
【図３】紫外線反応装置の第２の変形例の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 水処理装置
６ オゾン注入装置
８ 紫外線反応装置
１０ 気液分離槽
１４ 膜
１６ 膜分離装置
２０ オゾン発生装置
３０ 発光剤
３２ 光センサ
３４ 紫外線センサ
４６ オゾン濃度モニター
４８ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理装置及び方法に関し、更に詳細には、上水道、工業用水又は下水二次処理水の処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業排水、生活排水などによる水の汚染が進んでおり、水環境汚染が社会問題になっている。具体的には、上水用の水源である上流河川においては、農薬、ダイオキシン、環境ホルモンなどの難分解性の汚染物質が微量ながら含まれていることが指摘されている。また、河川の下流側においては、水の汚染が更に進んでおり、有機塩素系の洗剤、農薬、合成洗剤、染料など種々の化学物質による水の汚染が広がっている。更に、産業・生活廃棄物埋立地からの浸出水による水の汚染はきわめて深刻な社会問題となっている。
【０００３】
この様な背景のもと、水環境保全技術の開発が活発に行われている。例えば、活性炭処理、膜処理、オゾン処理、紫外線処理、生物学的な処理、促進酸化処理などの技術開発が行われている。
【０００４】
促進酸化処理（ＡＯＰ：Advanced Oxidation Process）は、オゾンと紫外線、あるいは、オゾンと過酸化水素を組み合わせた処理である。促進酸化処理装置の一例は、汚染物質を含む原水（非処理水）を受入れて貯蔵する原水槽と、原水槽内の原水を下流側に送出するためのポンプと、ポンプによって送出された原水に、オゾン発生装置により発生させたオゾンを注入するエジェクターと、エジェクターの下流側に接続され且つオゾンが注入された原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して処理水にする紫外線反応装置と、紫外線反応装置の下流側に配置され且つ余分なオゾンを分離して除去する気液分離槽と、気液分離槽からの処理水を排出する排出部とを有している。
このように構成された促進酸化処理装置では、オゾン発生装置により発生させたオゾンガスを、エジェクターによって原水中に溶解させ、オゾンが溶解した原水に紫外線を照射すると、オゾンよりも酸化力の強いラジカル種（ＯＨラジカル）が生成される。このＯＨラジカルにより、オゾンで処理できなかった難分解性の汚染物質などが分解される。
【０００５】
促進酸化処理は、オゾン処理に比べて、短時間で処理できること、処理水中のオゾン濃度が低いので後工程で活性炭処理を必要としないこと、排オゾン量を低減できること、及びそれらにより処理コストを低減できることにおいて優位性があり、有望視されている。
例えば、紫外線とオゾンによりトリクロロエチレンなどの有機塩素化合物を分解する方法（特許文献１参照）、オゾン、過酸化水素などと組み合わせた処理方法（特許文献２参照）、オゾン処理と過酸化水素水注入（または紫外線照射）とを併用して被処理水中の難分解性物質を分解する水処理方法（特許文献３参照）、被処理水にオゾンを注入しながら、紫外線を用いて被処理水中のオゾンをラジカル種化させ、被処理水中の難分解性物質を分解する水処理方法（特許文献４参照）等が知られている。
【０００６】
また、膜処理は、濾過精度に優れた処理である。特に、クリプトスポリジウムの対策に有効であり、上水や下水などの濁り除去に用いられている。膜処理において、濾過を継続して行っていると、膜処理に用いる膜の表面に原水中の有機物などの除去対象物質が付着し、膜孔の閉塞を引き起こすことがある。そのため、膜処理を行う場合、膜孔の閉塞を抑制したり除去したりするための対策が取られている。具体的には、原水にＰＡＣなどの凝集剤を加えて原水を前処理しておく対策、膜の濾過方向とは逆方向に濾過水、次亜塩素酸ソーダあるいはオゾン水を流して膜を逆流洗浄する対策（特許文献５参照）、気体状態のオゾンを用いて膜を逆流洗浄する対策（特許文献６参照）等が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６２−１９１０９５号公報
【特許文献２】特開平１１−３３５７０号公報
【特許文献３】特開２００１−１４９９６４号公報
【特許文献４】特開２００１−９６２８４号公報
【特許文献５】特開平４−３１０２２０号公報
【特許文献６】特開昭６０−５８２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
促進酸化処理は、溶解性の物質の分解・除去は可能であるが、比較的粒径の大きな物質の分離機能を有していないので、濁りを除去することはできない。特に、濁りの程度の大きい原水を飲料水などの用途に供するためには、促進酸化処理だけでは不十分である。
また、促進酸化処理装置において、紫外線強度が低下すると、処理水中の溶存オゾン濃度が大きくなり、処理水は飲料水に適さない。
一方、膜処理は、濁りを除去することは可能であるが、色素や、農薬、ダイオキシン、環境ホルモンなどの難分解性の汚染物質を除去することはできない。
また、膜処理装置に用いられる精密濾過膜（ＭＦ）、限外濾過膜（ＵＦ）は、上述したように、ファウリング（閉塞）を引き起こすことがある。ファウリングが起こると、差圧を上昇させなければならないので、差圧の上昇を防止するために、定期的な薬液洗浄等を行うことが必要である。特に有機物の多い液は、ファウリングを起こしやすく、メンテナンスコスト及び膜交換コストの上昇を招いていた。
【０００９】
そこで、本発明は、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができる水処理装置及び方法を提供することにある。
また、本発明は、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができると共に、処理水の溶存オゾン濃度を低く維持することができる水処理装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明による水処理装置は、汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部と、オゾン注入部の下流側に接続され、且つ、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応部と、紫外線反応部の下流側に接続され、中間処理水を濾過する膜を有する膜分離部と、を有することを特徴としている。
このように構成された水処理装置では、オゾン注入部によって原水に注入されたオゾンは、紫外線反応部において紫外線で照射されることによって、強い酸化力を有するＯＨラジカルに変換される。このＯＨラジカルにより、原水中の難分解性汚染物質を分解し、原水を中間処理水にする。中間処理水の濁りは、膜分離部の膜を通過する際に除去される。また、原水中に含まれる金属イオン、たとえばＦｅ、Ｍｎ、Ｃａイオンが、ＯＨラジカルの強い酸化力によって不溶性の酸化物となるので、かかる金属イオンを不溶性酸化物として膜分離部によって除去することができる。かくして、本発明による水処理装置は、上水・排水等の処理において、オゾン処理に比べ短時間で、色度・臭気・溶存微量有機成分を分解できるだけでなく、濁り成分も除去することができる。
【００１１】
また、本実施形態による水処理装置では、原水中にオゾンを一定濃度で溶解させた後すぐに紫外線照射することによってＯＨラジカルに変換しているので、中間処理水のオゾン濃度が低くなる。それにより、膜分離部の膜に、耐オゾン膜を使用する必要が無く、安価な膜を使用することができる。また、膜分離部へのオゾンの流入を著しく低減できるので、耐オゾン膜と同等のファウリング物質の除去を確保しつつ、膜のファウリング物質による差圧上昇を抑制すると共に、膜の劣化を抑制することが可能である。更に、排オゾンがきわめて少なくなるため、処理水の活性炭による後処理が不要になる。かくして、低コストで水処理を達成することができる。
【００１２】
本発明の実施形態において、好ましくは、紫外線反応部の上流側における原水中の溶存オゾン濃度が０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒの範囲にあり、膜分離部の上流側における中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満である。
原水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒよりも低いと、有機成分の分解性が低くなる。また、原水中の溶存オゾン濃度が１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒよりも高いと、オゾン発生コストが高く不経済である。また、処理水のオゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持することにより、処理水を飲料水に使用することも可能である。
【００１３】
本発明の実施形態において、好ましくは、紫外線反応部と前記膜分離部との間に追加の処理部が接続される。
追加の処理部は、例えば、中間処理水と気体とを分離する気液分離槽、溶解性の物質を分解するための反応槽、紫外線照射後にＯＨラジカルに変換されなかったオゾンの滞留時間を長くして汚染物質の分解を促進させる反応槽等である。
【００１４】
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能なコントローラを有し、コントローラが、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、膜への流入を閉鎖して膜による固液分離を停止させる。
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラと、コントローラに接続され且つ膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度を検出するオゾン濃度センサと、を有し、オゾン注入部は、コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持されるようにオゾン発生装置を制御する。
本発明の実施形態において、好ましくは、更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラを有し、オゾン注入部は、コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、オゾン発生装置を停止させる。
このように構成された水処理装置では、ＯＨラジカルの生成に影響を与えるスケーリング等が早期に検出されるので、スケーリングへの対処を迅速に行うことができ、その結果、処理水の水質、特に、溶存オゾン濃度を安定的に維持することができる。
【００１５】
本発明の実施形態において、好ましくは、膜分離部の膜の材質がポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、又はセルロースである。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明による水処理方法は、汚染物質及び濁りを有する原水にオゾンを注入する工程と、オゾンが注入された原水に紫外線を照射して、オゾンをラジカル種に変換し、ラジカル種によって汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする工程と、中間処理水を膜によって濾過して、濁りを除去する工程と、を有することを特徴としている。
通常、オゾン処理の場合には、原水とオゾンとの接触時間を適宜とるケースがほとんどであるが、本発明の場合、オゾンを溶解させる、即ち、注入するのに要する時間は必要であるが、照射される紫外線によりオゾンから強い酸化力を有するＯＨラジカルを生じさせるので、原水とＯＨラジカルとの接触時間をオゾン処理に比べ短くできる。また、ＯＨラジカルが強い酸化力を有しているため、必要とされるオゾン量を削減することができると共に、処理後の溶存オゾン濃度を低減させることもできる。それと同時に、排オゾン量も削減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水処理装置及び方法によれば、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができる。
また、本発明の水処理装置及び方法によれば、原水の難分解性の汚染物質及び濁りを低コストで除去することができると共に、処理水の溶存オゾン濃度を低く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の水処理装置の実施形態を説明する。図１は、本発明による水処理装置のシステム概略図である。
水処理装置１は、汚染物質及び濁りを含む原水を受入れて貯蔵する原水槽２と、原水槽２内の原水を下流側に送出する原水送出装置４である原水用ポンプと、送出された原水にオゾンを注入するオゾン注入部６と、オゾン注入部６の下流側に接続され且つオゾンが注入された原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応装置８と、紫外線反応装置８の下流側に配置され且つ紫外線反応装置８によって処理された中間処理水と気体とを分離する気液分離槽１０と、気液分離槽１０の下流側に配置され且つ気液分離槽１０からの中間処理水を下流側に送出する中間処理水送出装置１２である中間処理水用ポンプと、送出された中間処理水を濾過する膜１４を有する膜分離装置１６と、膜分離装置１６によって濾過された処理水を排出する排出部１８とを有している。
【００１９】
オゾン注入部６は、オゾンを発生させるオゾン発生装置２０と、オゾン発生装置２０により発生させたオゾンを、原水用ポンプ４により送出された原水に溶解させるオゾン溶解装置２２とを有している。オゾン発生装置２０は、本実施形態に適当なオゾン濃度を発生させることができるものであれば、高電圧あるいは二次電圧を用いるオゾン発生装置であってもよいし、水からオゾン水を作り出す電解式オゾン発生装置であってもよい。オゾン溶解装置２２は、ディフューザー、スタティクミキサー、エジェクター等の任意形式の気液溶解装置であるのがよく、オゾンを溶解するオゾン注入領域を構成する。
【００２０】
紫外線反応装置８は、ＡＯＰ反応槽の一種であり、例えば、紫外線反応塔である。紫外線反応装置８は、オゾン溶解装置２２で溶解されたオゾンを紫外線照射によってＯＨラジカルに変換する反応領域を構成する。なお、オゾンは、過酸化水素水との反応によってもＯＨラジカルに変換されるが、上水又は再生水の製造において、過酸化水素水の注入量の制御が難しく、過酸化水素水の管理が困難であり、未反応の過酸化水素水が残った処理水は飲料水として適さないので、本実施形態では、紫外線照射によるＯＨラジカルへの変換を採用する。
紫外線反応装置８は、石英ガラス又は透明フッ素で形成された内管２４及び外管２６を有する２重管構造になっている。内管２４の内側には、紫外線ランプ又は紫外線発光素子（ＬＥＤ）等の紫外線源２８が配置され、オゾンを溶解させた原水が、内管２４と外管２６との間を下方から上方に流れるように構成されている。紫外線の波長は、ＯＨラジカルへの変換効率が高い２５０ｎｍ前後であることが好ましい。紫外線の出力は、流入する原水の流量及び有機成分（ＴＯＣ）濃度により適宜設定される。
【００２１】
図２は、紫外線反応装置の第１の変形例の概略図である。第１の変形例の紫外線反応装置８’は、原水への紫外線透過量の低下を検出するために、紫外線反応装置８’の上部において、発光剤３０を塗布した領域が内管２４の外面２４ａに設けられ、紫外線により発光した発光剤３０の照度を検出するための光センサ３２が外管２６の内面２６ａに設けられている。光センサ３２は、例えば、三洋電機製のアモルファス光センサ又はそれと同等の機能を有する光センサであるのがよい。
【００２２】
図３は、紫外線反応装置の第２の変形例の概略図である。第２の変形例の紫外線反応装置８''は、発光剤３０及び光センサ３２の代わりに紫外線センサ３４を採用したこと以外、第１の変形例の紫外線反応装置８’と同様の構造を有している。従って、同様の構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。原水への紫外線透過量の低下を検出するために、紫外線反応装置８''の上部において、紫外線センサ３４が外管２６の内面２６ａに内管２４に向けられるように設けられている。紫外線センサ３４は、例えば、浜松ホトニクス社製の紫外線トロン又はそれと同等の機能を有する紫外線センサであるのがよい。
【００２３】
オゾン発生装置２０によって発生された余分なオゾン及び気液分離槽１０によって分離されたオゾンを処理する排オゾン処理装置３６が、オゾン発生装置２０とオゾン溶解装置２２との間の箇所、及び気液分離槽１０に接続されている。
【００２４】
膜分離装置１６の膜１４は、ＵＦ膜またはＭＦ膜等である。膜の形状は、平膜、中空糸膜、管状膜、スパイラル等のいずれでもよい。図１に示す膜分離装置１６は、膜１４に中間処理水を加圧供給して濾過する加圧型であり、この場合、中間処理水に溶解している気体を除去（脱気）するための曝気装置３８が、膜分離装置１６の上流側、例えば、気液分離槽１０に設けられるのがよい。加圧型の膜分離装置１６の作動及び停止は、中間水処理水用ポンプ１２（加圧ポンプ）の作動及び停止によって行われる。なお、膜分離装置１６は、膜１４を水槽内に浸漬させ、中間処理水を吸引透過させる浸漬吸引型であってもよく、その場合、膜１４の洗浄のための曝気装置（図示せず）が、膜分離装置１６内に設けられ、中間処理水を吸引する吸引ポンプ（図示せず）が膜分離装置１６の下流側に設けられる。吸引型の膜分離装置１６の作動及び停止は、上記吸引ポンプの作動及び停止によって行われる。膜１４の材質は、通常の水処理に使用される材質であれば特に限定されず、セラミックス、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化エチレン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルフォン、ポリアミド、セルロース等の任意の材質が使用可能である。本実施形態では、膜分離装置１６に流入する中間処理水のオゾン濃度が低いため、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、セルロース等の、オゾン耐性は低いが比較的廉価な材質を使用してもよい。膜１４の孔径は、ＵＦ膜単位からＭＦ膜単位の孔径域であることが好ましい。膜１４の濾過流量を大きくするときには、ＭＦ膜を用いることが好ましい。膜１４の孔径は０．００１〜２μｍが好ましく、０．０５〜１μｍがより好ましい。
【００２５】
原水用ポンプ４とオゾン注入部６との間には、流量計４０が設けられている。また、中間処理水用ポンプ１２と膜分離装置１６との間、及び膜分離装置１６と排出部１８との間にはそれぞれ、圧力計４２、４４が設けられている。また、気液分離槽１０と膜分離装置１６ととの間には、オゾン濃度検出器であるオゾン濃度モニター４６が接続されている。オゾン濃度モニター４６は、例えば、本実施形態に適当な範囲のオゾン濃度が計測できるものであれば特に限定されず、例えば、荏原実業（株）製のＥＬ−６００Ｑ又はＥＬ−６００Ｓである。
【００２６】
また、水処理装置１は、コントローラ４８を有している。コントローラ４８は、紫外線源２８が通電状態にあるかないかを監視することができるように、紫外線源２８に接続されている。また、コントローラ４８は、原水用ポンプ４、オゾン発生装置２０、光センサ３２、紫外線センサ３４、中間処理水用ポンプ１２、オゾン濃度モニター４６、気液処理槽１０内の曝気装置３８等に接続されている。
紫外線反応塔８、気液分離槽１０及び膜分離装置１６には、ドレン５０が設けられている。
【００２７】
次に、本発明による水処理装置の動作を説明する。
汚染物質及び濁りを含み且つ原水槽２に貯蔵された原水を、原水用ポンプ４によってオゾン注入部６に送出する。オゾン発生装置２０によって発生させたオゾンを、オゾン溶解装置２２によって原水に溶解させる。原水に溶解されるオゾン濃度は、原水中に含有する有機成分濃度（ＴＯＣ濃度）により異なるが、好ましくは、０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒ、更に好ましくは、０．１〜１０ｍｇ／ｌｉｔｅｒである。
オゾンが溶解された原水は、紫外線反応装置８に流入し、紫外線の照射を受ける。それにより、原水中のオゾンが、ＯＨラジカルに変換される。このＯＨラジカルにより、原水中の溶解物質が分解・除去され、中間処理水になる。ＯＨラジカルは、オゾンよりも酸化力が強いので、従来のオゾン処理で分解できなかった難分解性汚染物質も分解される。
中間処理水は、気液分離槽１０に送られ、ＯＨラジカルに変換されなかったオゾンが、排オゾン処理装置３６に送られ処理される。オゾンが除去された中間処理水のオゾン濃度は、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒであることが好ましい。
中間処理水は、中間処理水用ポンプ１２によって、膜分離装置１６に送られる。膜分離装置１６によって、比較的粒径の大きな物質が濾過され、即ち、固液分離され、濁りが除去される。
【００２８】
また、紫外線源２８が通電状態にないこと、例えば、紫外線ランプが切れたことを、コントローラ４８が検出したとき、コントローラ４８は、例えば、原水用ポンプ４、中間処理水用ポンプ１２、及び／又はオゾン発生装置２０を停止させる。原水用ポンプ４を停止させた場合には、水処理装置１全体への給水が停止し、その結果、紫外線反応塔８への給水も停止する。中間処理水用ポンプ１２を停止させた場合には、膜分離装置１６への中間処理水の供給が停止する。再立ち上げ時にオゾン濃度の高い処理水が膜分離装置１６に流入することを防止するために、ドレン５０に付属する弁を開放して、オゾン濃度の高い処理水をドレン５０から排水するのがよい。また、給水が停止したとき、オゾン発生装置２０からのオゾンが上流側に向かって逆流することを防止するために、オゾン発生装置２０を停止させることが好ましい。また、膜分離装置１６が加圧型である本実施形態の場合、中間処理水用ポンプ１２を停止させることによって中間処理水の供給を停止したが、膜分離装置が吸引型であれば、膜分離装置１６の下流側に配置された吸引ポンプ（図示せず）を停止させればよい。それにより、オゾン濃度の高い処理水が排出されることを防止し、システムの安全と飲料水に適した水質を確保する。
【００２９】
水処理装置１の実際の稼動中、カルシウムなどの金属成分の析出（スケーリング）などにより、内管２４が汚れ、紫外線反応装置８内における紫外線透過率又は紫外線透過量が低下することがある。この場合、紫外線反応装置内の紫外線源が通常通り作動していても、紫外線反応装置８から出てきた中間処理水のオゾン濃度が上昇する。内管２４等の紫外線反応装置８内の汚れは、酸などで定期的に洗浄する必要がある。
コントローラ４８が、紫外線反応装置８’、８''内の光センサ３２又は紫外センサ３４により、紫外線透過率の所定の低下を検出したら、上述した紫外線源２８が通電状態にないときと同様、原水用ポンプ４、中間処理水用ポンプ１２、及び／又はオゾン発生装置２０を停止させるのがよい。水処理装置１を停止させた後、紫外線反応装置８’、８''内を洗浄する。また、多くの場合、紫外線反応装置８’、８''においてスケーリングが生じている場合、その後段に位置する膜分離装置１６でもスケーリングが生じているおそれがある。そのため、紫外線反応装置８’、８''の薬液洗浄と同時に、膜分離装置１６の薬液洗浄を行うことが好ましい。
スケーリングなどによる紫外線透過率の低下の時期を検出することができるので、薬液による洗浄のタイミングの決定を適切に行うことができ、原水への紫外線照射強度を適切に維持することができる。その結果、水処理装置１全体の運転を安定化させることができる。
【００３０】
コントローラ４８は、オゾン濃度モニター４６によって膜分離装置１６の上流側直前の溶存オゾン濃度が所定濃度（例えば、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ）以上になったことを検出したとき、オゾン発生装置２０を制御して、上記溶存オゾン濃度が所定濃度以下になるようにオゾン発生装置２０からの吹き込みオゾン量を低減させるのがよい。変形例として、膜分離装置１６が加圧型の場合、気液分離層１０の内部に設けられた曝気装置３８を作動させることによって、溶解しているオゾンを曝気させてもよいし、膜分離装置１６が浸漬型の場合、その内部に設けられた曝気装置（図示せず）を作動させることによって溶解しているオゾンを曝気させてもよい。
【００３１】
また、紫外線反応装置での紫外線照射により、原水が殺菌されるので、膜分離部の膜上における微生物による汚染が低減される。
【００３２】
〔実施例１〕
色度２６ｕｎｉｔｓ（ＡＰＨＡ法準拠）及び有機成分（ＴＯＣ）濃度２．４ｍｇ／ｌｉｔｅｒの生物処理水（原水）を、図１に示す本発明による水処理装置１で処理した。オゾン発生装置２０で発生させたオゾンを、原水用ポンプ４の圧力により作動するエジェクター２２によって原水に溶解し、紫外線反応塔８に２．６ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎで流入させた。この時、オゾン発生装置２０（住友精密工業（株）製）で発生させたオゾンガスの濃度は１０ｇ／ｍ3であり、オゾンガスの吹き込み量は０．５ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎであった。また、紫外線反応塔８の上流側直前の原水中のオゾン濃度は０．２５ｍｇ／ｌｉｔｅｒであった。紫外線反応塔は約５ｌｉｔｅｒの容積を有し、その処理時間は、約２ｍｉｎであった。
紫外線反応塔８によって処理された中間処理水を気液分離槽１０に流入させ、気液分離後、中間処理水用ポンプ１２によって膜分離装置１６に送出して濾過した。膜分離装置１６の膜モジュール１４（三菱レイヨン・エンジニアリング株式会社製の１０インチモジュール）は、孔径０．１μｍのＰＥ製であり、膜面積は３．７４ｍ2であった。濾過方法は、デッドエンド濾過法を採用した。膜分離装置１６の上流側と下流側との差圧は、１３ｋＰａであった。
得られた処理水の水質は、色度３ｕｎｉｔｓ（ＡＰＨＡ法準拠）であり、有機成分濃度（ＴＯＣ濃度）１．８ｍｇ／ｌｉｔｅｒであった。１００時間連続運転したあとにおいても、上記差圧は１３ｋＰａであり、特に差圧の上昇は見られなかった。また膜分離装置１６に流入する中間処理水のオゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に抑えることができた。それにより、使用した膜モジュールの強度は、初期値（４００g／fil）を維持したままであった。
【００３３】
〔実施例２〕
実施例１の装置の紫外線反応塔８の代わりに、図２に示す変形例の紫外線反応塔８’を用いて水処理を行った。紫外線反応塔８'は、紫外線ランプ２８より発せられた紫外線で発光する発光剤３０と、発光剤３０によって発光した光を検出する光センサ３２とを有している。
実施例１と同様に連続運転したところ、半年程度で光センサ３２の値が低下し、紫外線反応塔８’内での紫外線透過量が低下したので、紫外線反応塔８’への給水及び膜分離装置１６への中間処理水の供給を自動で停止させた。その際、膜分離装置１６へ流入する中間処理水の溶存オゾン濃度をオゾン濃度センサ４４で計測した。連続運転初期において０．０３ｍｇ／ｌｉｔｅｒであったオゾン濃度が０．１０ｍｇ／ｌｉｔｅｒを示していた。すぐに、紫外線反応塔８’及び膜分離装置１６をクエン酸で薬液洗浄し、その廃液を紫外線反応塔８’及び膜分離装置１６のドレンより排出した。紫外線透過量が連続運転初期の量に戻ったことを確認した上で、水処理装置１を再運転した。膜分離装置１６に流入する中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満となった。この結果、膜１４の２次側の処理水にオゾンの流出などを起こすことなく、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３４】
〔実施例３〕
実施例１の装置の紫外線反応塔８の代わりに、図３に示す変形例の紫外線反応塔８''を用いて水処理を行った。紫外線反応塔８''は、紫外線センサ３４を有している。
実施例１と同様に連続運転したところ、紫外線反応塔８''内の紫外線透過量が徐々に低下した。その際のオゾン濃度モニター１４による中間処理水内の溶存オゾン濃度は、０．３ｍｇ／ｌｉｔｅｒを示した。原水中に含まれるリン酸カルシウムが原因で、紫外線反応塔８''でスケーリングを起こしていると考えられたので、水処理装置１を停止させ、紫外線反応塔８''及び膜分離装置１６を、実施例２と同様、薬液洗浄した。それにより、初期の紫外線透過量に戻すことができた。薬液洗浄後、再運転を行い、膜１４の２次側の処理水にオゾンの流出などを起こすことなく、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３５】
〔実施例４〕
実施例１と同様に連続運転したところ、紫外線反応塔８から排出された中間処理水の溶存オゾン濃度が０．２５ｍｇ／ｌｉｔｅｒとなった。排水部１８へのオゾンの流出を防ぐために、紫外線反応塔８から排出された中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満となるように、オゾン発生装置２０のオゾン吹き込み量をコントローラ４８により自動で調整した。紫外線ランプ２８に異常が見られず、原水中のリン酸カルシウムなどでスケーリングを引き起こしたと考えられたので、水処理装置１を停止させ、紫外線反応塔８及び膜分離装置１６を、実施例２と同様、薬液洗浄した。それにより、初期の紫外線透過量に戻すことができた。運転を再開し、所定のオゾン量を吹き込むことによって原水を紫外線で処理し、目標レベルの処理水質にすることができた。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
上述した実施形態では、紫外線反応装置だけによって溶解性の物質を分解したが、紫外線反応装置８と気液分離槽１０との間に、溶解性の物質を分解するための反応槽を追加の処理部として設けてもよい。反応槽は、例えば、紫外線反応塔で分解できない又は残留した溶解性の物質（分解の過程で生じた比較的低分子量の炭化水素、アルデヒド類、ケトン類、あるいはＯＨラジカルの生成過程でわずかに生じた過酸化水素等）を除去する触媒、イオン交換樹脂、活性炭等を含むことができる。
また、分解性能を高めるために、紫外線反応装置８でＯＨラジカルに変換できるオゾンの量よりも過剰なオゾンをオゾン注入装置によって注入して反応を促進させ、膜分離装置１６の手前に、オゾンを除去する曝気装置を設けて、過剰なオゾンを除去してもよい。
また、紫外線反応装置８の出口における水質等に応じて適宜反応槽を追加してもよい。
【００３７】
また、紫外線の照射が停止したり、紫外線反応装置８内の紫外線透過量が低下したりするなどの状態になると、０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ以上の溶存オゾン濃度を有する処理水が排出部１８に流出することになり、処理水は飲料水として適さない。必要に応じて、紫外線照射後にＯＨラジカルに変換されなかったオゾンの滞留時間を長くして汚染物質の分解を促進させる追加の処理部として反応槽を設けると共に、中間処理水の溶存オゾン濃度を０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満にするようにオゾンを反応槽内で曝気してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による水処理装置のシステム概略図である。
【図２】紫外線反応装置の第１の変形例の概略図である。
【図３】紫外線反応装置の第２の変形例の概略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 水処理装置
６ オゾン注入装置
８ 紫外線反応装置
１０ 気液分離槽
１４ 膜
１６ 膜分離装置
２０ オゾン発生装置
３０ 発光剤
３２ 光センサ
３４ 紫外線センサ
４６ オゾン濃度モニター
４８ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部と、
前記オゾン注入部の下流側に接続され、且つ、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応部と、
前記紫外線反応部の下流側に接続され、中間処理水を濾過する膜を有する膜分離部と、を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記紫外線反応部の上流側における原水中の溶存オゾン濃度が０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒの範囲にあり、前記膜分離部の上流側における中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満である、請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記紫外線反応部と前記膜分離部との間に追加の処理部が接続される、請求項１又は２に記載の水処理装置。
【請求項４】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能なコントローラを有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記膜への流入を閉鎖して前記膜による固液分離を停止させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラと、
前記コントローラに接続され且つ前記膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度を検出するオゾン濃度検出器と、を有し、
前記オゾン注入部は、前記コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持されるように前記オゾン発生装置を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項６】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラを有し、
前記オゾン注入部は、前記コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記オゾン発生装置を停止させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記膜分離部の膜の材質がポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、又はセルロースである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項８】
汚染物質及び濁りを有する原水にオゾンを注入する工程と、
オゾンが注入された原水に紫外線を照射して、オゾンをラジカル種に変換し、ラジカル種によって汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする工程と、
中間処理水を膜によって濾過して、濁りを除去する工程と、を有することを特徴とする水処理方法。
【請求項１】
汚染物質及び濁りを含む原水にオゾンを注入するオゾン注入部と、
前記オゾン注入部の下流側に接続され、且つ、オゾンを注入した原水に紫外線を照射することにより汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする紫外線反応部と、
前記紫外線反応部の下流側に接続され、中間処理水を濾過する膜を有する膜分離部と、を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記紫外線反応部の上流側における原水中の溶存オゾン濃度が０．０５〜１００ｍｇ／ｌｉｔｅｒの範囲にあり、前記膜分離部の上流側における中間処理水中の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満である、請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記紫外線反応部と前記膜分離部との間に追加の処理部が接続される、請求項１又は２に記載の水処理装置。
【請求項４】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能なコントローラを有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記膜への流入を閉鎖して前記膜による固液分離を停止させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラと、
前記コントローラに接続され且つ前記膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度を検出するオゾン濃度検出器と、を有し、
前記オゾン注入部は、前記コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記膜分離部の上流側直前における中間処理水の溶存オゾン濃度が０．０５ｍｇ／ｌｉｔｅｒ未満に維持されるように前記オゾン発生装置を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項６】
更に、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出可能であるコントローラを有し、
前記オゾン注入部は、前記コントローラに接続されたオゾン発生装置を有し、
前記コントローラは、紫外線の照射が停止したこと、又は、前記紫外線反応部内の紫外線透過量が減少したことを検出したとき、前記オゾン発生装置を停止させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記膜分離部の膜の材質がポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、又はセルロースである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項８】
汚染物質及び濁りを有する原水にオゾンを注入する工程と、
オゾンが注入された原水に紫外線を照射して、オゾンをラジカル種に変換し、ラジカル種によって汚染物質を分解して、原水を中間処理水にする工程と、
中間処理水を膜によって濾過して、濁りを除去する工程と、を有することを特徴とする水処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２１４０８（Ｐ２００７−２１４０８Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０８６９５（Ｐ２００５−２０８６９５）
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【出願人】（０００１７６７４１）三菱レイヨン・エンジニアリング株式会社 (90)
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【出願人】（０００１７６７４１）三菱レイヨン・エンジニアリング株式会社 (90)
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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