水処理装置
【課題】消耗部材を必要としない方法によって自然水から溶存有機物を除去して一般生活用水を供給し、かつ除去した有機物を手間のかからない方法で回収して界面活性剤として供給することを目的とする。
【解決手段】浄水を供給するモードで運転する際は、酸性化槽２において自然水のｐＨを低下させることによって溶存有機物の酸性官能基をプロトン化して疎水性を増し、吸着槽６において巨大網目状構造を持つ疎水性樹脂に溶存有機物を可逆的に吸着させて除去する。有機物を回収するモードで運転する際は、吸着槽６にアルカリ性液を導入して有機物を脱着させる。その際、酸性化槽２に含まれる陽イオン交換樹脂はプロトン型に再生され、吸着槽６内の疎水性樹脂も再生される。
【解決手段】浄水を供給するモードで運転する際は、酸性化槽２において自然水のｐＨを低下させることによって溶存有機物の酸性官能基をプロトン化して疎水性を増し、吸着槽６において巨大網目状構造を持つ疎水性樹脂に溶存有機物を可逆的に吸着させて除去する。有機物を回収するモードで運転する際は、吸着槽６にアルカリ性液を導入して有機物を脱着させる。その際、酸性化槽２に含まれる陽イオン交換樹脂はプロトン型に再生され、吸着槽６内の疎水性樹脂も再生される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湖沼、河川、地下水をはじめとする自然水や上下水道、生活雑排水に含まれる有機物を除去し、また除去した有機物を有効利用することのできる水中有機物除去する水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
湿原、湖畔、河畔帯などは泥炭など堆積した植物遺体に富む部分から有機物を自然水中に溶解する。有機炭素濃度が５ｐｐｍを超える水は水道水の基準を満たさず、また有機炭素濃度が概ね１０ｐｐｍを超えると黄褐色に着色するため明るい色の繊維を汚すなどして生活用水としての用途が限られる。そのため、有機物を多く含む自然水を生活用水に用いるためには、活性炭や、半透膜を用いてろ過したり、微生物的または化学的な処理で有機物を分解したりするなど有機物の除去処理が必要である。
【０００３】
自然水から有機物を取り除く必要がある一方で、有機物を有効利用したいというニーズも存在する。自然水に溶存する有機物の大部分はフルボ酸、腐植酸などの腐植物質である。腐植物質とは、植物などが微生物により分解される無定形高分子の最終生成物である。フルボ酸、腐植酸の代表的な化学構造は、脂肪族の側鎖を持った芳香環と二重結合に富む骨格構造と、カルボキシル基、水酸基などの酸性官能基とを有している（非特許文献１参照）。すなわち、疎水的な骨格構造と親水的な官能基とを一つの分子中に持ち合わせる両親媒性物質であり、界面活性作用を有する。そのため、天然の化学成分のみからなるボディソープやシャンプーの原料として利用される（例えば、特許文献１参照）。それ以外にも腐植物質は、重金属イオンの毒性をキレート作用によって弱める作用や、金属表面の錆を除去する作用、植物の生長を促進する作用があり農業分野や水処理分野、一般工業分野において利用方法は多岐にわたる。
【０００４】
また、自然水から有機物を除去するための半透膜は高価な割に目詰まりしやすい。また、活性炭は有機物の吸着容量が大きいが、その表面に微生物が繁殖しやすく、また定期的に交換するための手間がかかるなどの問題がある。そのため、活性炭に光触媒を担持してＵＶ光によって分解する処理法（例えば、特許文献２参照）も開発されている。
【特許文献１】特許第３５７３４７号公報
【特許文献２】特開２０００−２０２４６８号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ａ, ｖｏｌ.９８３， １−２， ｐ．１−１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示される処理法においても、泥炭などから発生する腐植物質などの高分子有機物を完全に分解することは難しく、定期的な活性炭カートリッジの交換は避けられない。
【０００６】
湿原、湖畔、河畔などの湿地は植物および鳥類の生態にとって重要な環境であるにもかかわらず、埋め立てられて縮小しつつある。釧路湿原や尾瀬など代表的な湿原の場合は、観光やレクリエーション目的で訪れる人も多く、湿原に人工的な汚染物質など過大な負荷を与えないように適切な管理が要求される。２００５年に、湿原の保全を定めるラムサール条約に登録される日本の湿地が3倍近くに増えたことから、湿原に隣接する地区も含めて適切に保全、管理しつつ観光やレクリエーションに役立てることが望ましい。そのような観点から、溶存有機物を化学的に酸化分解処理する施設は湿地の近隣に作りにくい。
【０００７】
一方、腐植物質溶液を調製するためには、１．泥炭、落葉、腐植土など原料を集めること ２．原料から抽出すること ３．不純物を除き精製すること、が必要である。湿地や里山から原料を集めると生態系に過大な攪乱を与える恐れがある。原料からの抽出には、設備と手間と時間がかかる。精製の過程では、微粒子や原料に由来する多量の微生物を取り除くためにろ過設備や加熱設備が必要でありコストが高くつく。さらには抽出した腐植物質は通常液体状態で流通するため物流コストが高く、冷蔵のための保管コストがかかる。腐植物質が天然由来の有用資材であるにもかかわらず商業的に使われることが少ないのは以上のような原因によるところが大きい。
【０００８】
本発明は前記従来の課題を解決し、消耗部材を必要としない方法によって有機物が多く溶存した水から有機物を除去して一般生活用水を供給し、かつ除去した有機物を手間のかからない方法で濃縮して回収して利用に供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水処理装置は、原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とするものである。つまり、ｐＨ低下手段と、ｐＨ上昇手段が有機物を可逆的に吸脱着可能な吸着槽において有機物の吸脱着を制御するものである。そして、粗大な網目状構造を持った吸着剤を用いることによって、分子量が10万ダルトンを超える高分子物質である腐植物質でさえも脱着可能な状態で網目状構造の間に保持することが出来る(すなわち可逆性をもたせることができる)。また、ｐＨを変化させることによって腐植物質の酸性官能基の解離度を変化させて分子の親水性を変え、その結果吸着剤に対する親和性をコントロールして吸脱着が制御可能となる。そして、使い捨ての吸着カートリッジや半透膜などを用いずに自然水から有機物を除去でき、かつ手間をかけることなく腐植物質を濃縮して回収することが可能になる。回収した腐植物質溶液を界面活性剤として洗浄に用いれば、一般の洗剤のように水生環境に外部からの物質を負荷することがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水処理装置は、水の中に含まれる有機物の吸脱着を制御して、メンテナンス性のよい、水処理装置を実現可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とするものである。
【００１２】
そして、原水のｐＨを下げることによって、腐植物質の酸性官能基をプロトン化して疎水性を高め、疎水性の吸着剤に吸着させることができる。また、吸着槽にｐＨの高い溶液を供給することによって、腐植物質の酸性官能基を解離させて親水化し、疎水性の吸着剤から脱着させる。このように、ｐＨの変化によって有機物の吸脱着をコントロール可能にしたものである。
【００１３】
第２の発明は、疎水性マクロポーラス樹脂を吸着槽に内蔵した水処理装置である。粗大な網目状構造を持った吸着剤を用いることによって、分子量が10万ダルトンを超える腐植
物質の巨大分子でさえ脱着可能な状態で網目の間に吸着保持可能である。その結果、吸着剤が有機物で飽和してきたら、脱着して再生することが可能になる。
【００１４】
第３の発明は、ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段は少なくとも１対の電極と電圧印加手段で構成された水処理装置である。自然水は一般に１〜１０ｍM程度の溶存ミネラルを含有する。このミネラルを電解補助剤として、電解をおこなえば電気エネルギー以外に資材を消費せずに、吸脱着を制御するための酸とアルカリを生成可能である。その結果、酸やアルカリなどの資材を補給するための手間が不要となる。
【００１５】
第４の発明は、ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段は、プロトン型の陽イオン交換樹脂を内蔵する酸性化槽と、前記酸性化槽と半透膜を挟んで両隣に隣接する再生槽とを有し、前記再生槽に１対の電極を備えたものである。
【００１６】
湿地の水や地下水は２価の鉄イオンを数−数十ｐｐｍの濃度で含むことがあり、そのまま装置に導入すると陽極など酸化的な環境の部品回りで不溶性の３価鉄イオンとなり大量の水酸化物を沈殿させて（赤錆）流路を詰まらせる。また、２価鉄イオンを含まない場合でも、多価陽イオンが高ｐＨになる部品回りでスケールを形成することが予想される。そのようなリスクを除くために、原水はまずプロトン型の陽イオン交換槽を通過し、陽イオンは全てイオン交換樹脂に吸着されることとした。また、この操作によって原水のｐＨは約３まで低下する。シュウ酸などごく一部の例外を除き有機酸のカルボキシル基のｐＫａ値は３以上であり、腐植物質の平均的なｐＫａ値は４．５〜５．０の間である。したがって、腐植物質の大部分はｐＨ３においてほぼ完全にプロトン化しているため吸着される。陽イオン交換樹脂は水の電気分解によってプロトン型に再生される。
【００１７】
第５の発明は、吸着槽の側面に開口部を設け、前記吸着槽内の吸着剤の色を吸着槽外から視認可能な構成としたものである。開口部より吸着剤の吸着容量があるレベル以下にまで減少したことが確認できるので、吸着剤の再生が必要な容量が視認できた時点で有機物を脱着するモードで運転することによって吸着剤を再生処理する。
【００１８】
第６の発明は、吸着剤の色の変化を検知する検知手段を設け、前記検知手段に連動してｐＨ上昇手段を作用させる制御手段を備えたものである。これによって、吸着剤の吸着容量の残存量が、色の変化を検知することで自動的に検知される。吸着容量があるレベル以下にまで減少したことが確認できれば、自動的に脱着モードに切り替えて運転することによって吸着剤を再生処理できる。
【００１９】
第７の発明は、原水供給手段の流路の途中に植物性有機物を供給する有機物供給槽を備えたものである。湿原から得られる水は、季節や天候によって有機物の含有濃度に変動を示す。したがって、時期によっては洗浄のために十分な量の腐植物質溶液が回収されないことがある。そのような場合、原水を供給する流路の途中、または枝分かれした流路の上流に、溶存有機物を添加する目的で植物性有機物を水に浸るような状態で収める。そのようにして添加された溶存有機物を元に、時期によらず安定した量の腐植物質溶液を供給することが出来る。また、添加する植物性有機物によっては使用者の好みに合う香りを回収される有機物に付与することも可能である。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第1の実施の形態における水処理装置の模式図を示すものである。
【００２１】
図１において、原水供給手段１の上流方向の先端は湿原から流れる川、湖沼、井戸、みずたまりなどの水中に浸される。これより供給される原水はｐＨ低下手段であり、かつｐＨ上昇手段である酸性化槽２、前記酸性化槽２と半透膜４を介して隣接する再生槽２ａ、
２ｂを通過し、バルブ１０ａを通過して吸着槽６へ供給され、バルブ１０ｂの接続により排水して生活用水として使用されるよう配管へ供給される。また、必要に応じてバルブ１０ａは再生化槽２をから供給される水の流路を溶存有機物を収納するリザーバー１１へ接続するように接続調整して、脱着し貯められた溶存有機物をバルブ１０ｃにより排出して利用できる構成である。
【００２２】
吸着槽６の側面には一部開口部７を設けてあり、吸着槽６内の吸着剤の状態を外部から視認できる構成となっている。また、制御手段９は再生槽２ａ、２ｂに設けた電極へ電圧を印加する電圧印加手段５の制御と、吸着槽６の吸着剤の状態を色で検知する検知手段８の制御とを行う。
【００２３】
原水供給管１から導入された原水は、プロトン型の陽イオン交換樹脂で満たされた酸性化槽２を通過することでｐＨ３程度まで酸性化される。ｐＨ３以下では溶存有機物の持つカルボキシル基および水酸基の大部分はプロトン化されて負電荷を失うために、疎水化する。
【００２４】
通常、バルブ10aは酸性化槽２と吸着槽６とを接続するように開かれていて、プロトン化して疎水化した溶存有機物は吸着槽６に導入される。バルブ１０ｂはその際下向きに開かれていて、吸着槽６を通過した水は排水され、洗濯、風呂、トイレ用水、洗車など一般的な生活用水として使用可能である。吸着槽６には疎水性樹脂ＤＡＸ−８（ＳＰＥＬＣＯ社）やＸＡＤ樹脂（ＲＯＨＭ＆ＨＡＡＳ社）が充填され、疎水性相互作用によってプロトン型の溶存有機物を吸着する。これらの疎水性樹脂は、適度な疎水性を持ちまた巨大網目状構造を持っているため、溶存有機物を可逆的に吸脱着するという特長がある。したがって、吸着した有機物のカルボキシル基をアルカリ条件下で解離させて親水化することによって、吸着槽が再生可能である。そのため、吸着剤を入れ替える必要がなくランニングコストを抑えることが出来る。また、下記に示すような自動再生機構を備えることによって、吸着槽が有機物で飽和する前に自動的に再生してメンテナンスの手間を大幅に減らすことが可能である。
【００２５】
酸性化槽２内で原水から陽イオンを受け取って部分的に中和された陽イオン交換樹脂は、電極３および電圧印加手段５によって間欠的に再生されてプロトン型になる。約３Ｖ以上の直流電圧の印加によって酸性化槽２内の水分子は次の化学反応(１)によってＨ+とＯＨ−に解離して（１）、Ｈ＋の一部は陽イオン交換樹脂によって保持されたミネラル陽イオンを置換する。
Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ− (１)
陽イオンおよびＨ+は陰極３ｂ側に引き寄せられ、半透膜４を通過して電極近辺に移動する。その際、陽極３a側では次の酸化反応（２）が、陰極３ｂ側では還元反応（３）が起こる。
２ＯＨ−→Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２＋２ｅ− (２)
２Ｈ２Ｏ+２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ− （３）
上記酸性化槽２の再生を行う際に吸着槽６の再生も同時に行う。バブル１０ｂは陰極３ｂ側の槽と吸着槽とを連絡するように開けられ、陰極３ｂ側で得られたアルカリ性液は吸着槽６に通常使用時とは逆向きに導入される。その際、バブル１０ａは、脱着した溶存有機物をリザーバー１１に流すように開けられる。必要な際にバルブ１０ｃを開いて、リザーバーに貯められた溶存有機物を用いることが出来る。溶存有機物の界面活性作用を活かして、洗剤用途に用いることが可能である。また、脱着直後の溶存有機物は陰極３ｂで得られたアルカリ電解水を溶媒として酸化還元電位が低いため、金属を錆びさせない作用があり、農機具など金属部分を含む被洗浄物を洗うのに適している。
【００２６】
吸着槽の開口部７には透明な耐圧ガラス板がはめ込んであり、吸着剤の色が外部から判
別できる。疎水性が高くて吸着しやすい有機物は一般に腐植物質であり、その化学構造は二重結合に富むため茶褐色を呈する。吸着剤そのものが白色のため、吸着剤のうち飽和した部分は茶褐色となり色彩的に判別できる。原水から有機物を十分に除去しつづけるためには、吸着剤の入り口から１／３が飽和した時点で吸着剤を再生するべきである。開口部７の外側で、かつ吸着槽６の入り口から１／３の箇所に設けた色彩を検知する検知手段８によって吸着剤の色の変化を検知して飽和程度を判別し、再生が必要なタイミングを検知して制御手段９によって上記電解を開始して酸性化槽２と吸着槽６の再生を行なう。
【００２７】
なお、一部の有機物はアルカリ条件においても吸着槽６から十分には脱着しない。２ヶ月に一度、バルブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを再生時の方向に開けた状態でエタノールを流路に流すことによって、吸着槽６をより完全に再生することとする。その際、酸性化槽２および吸着槽６の中で気泡が発生することを防ぐために、９９％の工業用エタノールを初めは半分の濃度で、次に希釈せずに、最後にまた半分の濃度で流すこととする。
【００２８】
本発明の実施の形態に記載の水処理装置は、ｐＨ低下手段であり、かつｐＨ上昇手段である酸性化槽２と前記酸性化槽２の両側に半透膜４を介して隣接する再生槽２ａ、２ｂと、吸着槽６を有して、その接続を状態を変えるだけで原水から有機物を除去するモードと、吸着した有機物を利用のために回収するモードとを切り替えて運転することが可能である。すなわち、その結果、使い捨ての吸着カートリッジや半透膜などを用いずに自然水から有機物を除去でき、かつ手間をかけることなく腐植物質を濃縮して回収することが可能になる。回収した腐植物質溶液を界面活性剤として洗浄に用いれば、一般の洗剤のように水生環境に外部からの物質を負荷することがない。
【００２９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における水処理装置の模式図を示すものである。ただし、水処理装置の上流部分のみを示すもので、図２よりも下流部分は実施の形態１と同じ構成であり、説明中でもちいる符号は、実施の形態１と同様のものを用いて、ここでは図示を省略する。
【００３０】
図２において、原水供給手段１の上流方向の先端は湿原から流れる川、湖沼、井戸、みずたまりなどの水中に浸される。揚水ポンプ１２の作用によって、原水は枝分かれ配管１５に供給される。枝分かれ配管１５の一部に石英製のセル１６があり紫外線ランプによって構成される光源１７とフォトメーター１８によって、２６０ｎｍの波長の吸光度が測定される。２６０ｎｍにおける吸光度は溶存有機物濃度と比例関係にあるため、吸光度から溶存有機物濃度を推定することができる。制御部１９は、溶存有機物濃度がある一定の値を下回った際に、原水が有機物供給槽２０を通過するような方向にバルブ１３が開くような制御をおこなう。フォトメーター１８によって測定する波長は２６０ｎｍ以外でもよく、一般には２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長が選ばれる。可視光域の波長を選ぶこともできるが、その場合はセル１６をガラス製として、光源１７はタングステンランプなどとする。有機物供給槽２０に落ち葉や泥炭などの植物性有機物を詰めることによって常に十分に十分な量の腐植物質溶液を回収することが可能である。また、有機物供給槽２０に、クロモジの葉やハーブなど芳香のする植物体や使用後の茶葉、コーヒー滓、ミカンの皮などを供給することによって、回収する腐植物質溶液に好ましい香りを付与することが可能である。また、テルペン類を含有するヒバやヒノキ、ツガ、カラマツの木部やシキミの葉などを供給すれば抗菌性成分を付与した腐植物質溶液を回収することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
農産物の集荷場などにおいて、界面活性作用のある腐植物質溶液を農産物の一次洗浄に用いれば、洗剤や石鹸よりも安全性の高い方法で土壌粒子汚れを効率的に洗浄することが可能である。また、有機物の除去された処理水を最終次洗浄に用いることができて、一つ
の水処理装置によってより高度な洗浄が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１における水処理装置の構成図
【図２】実施の形態２における水処理装置上流部分の構成図
【符号の説明】
【００３３】
１ 原水供給手段
２ 酸性化槽（ｐＨ低下手段、ｐＨ上昇手段）
２ａ、２ｂ 再生槽（ｐＨ低下手段、ｐＨ上昇手段）
３ 電極
４ 半透膜
５ 電圧印加手段
６ 吸着槽
７ 開口部
８ 検知手段
９ 制御手段
２０ 有機物供給槽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湖沼、河川、地下水をはじめとする自然水や上下水道、生活雑排水に含まれる有機物を除去し、また除去した有機物を有効利用することのできる水中有機物除去する水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
湿原、湖畔、河畔帯などは泥炭など堆積した植物遺体に富む部分から有機物を自然水中に溶解する。有機炭素濃度が５ｐｐｍを超える水は水道水の基準を満たさず、また有機炭素濃度が概ね１０ｐｐｍを超えると黄褐色に着色するため明るい色の繊維を汚すなどして生活用水としての用途が限られる。そのため、有機物を多く含む自然水を生活用水に用いるためには、活性炭や、半透膜を用いてろ過したり、微生物的または化学的な処理で有機物を分解したりするなど有機物の除去処理が必要である。
【０００３】
自然水から有機物を取り除く必要がある一方で、有機物を有効利用したいというニーズも存在する。自然水に溶存する有機物の大部分はフルボ酸、腐植酸などの腐植物質である。腐植物質とは、植物などが微生物により分解される無定形高分子の最終生成物である。フルボ酸、腐植酸の代表的な化学構造は、脂肪族の側鎖を持った芳香環と二重結合に富む骨格構造と、カルボキシル基、水酸基などの酸性官能基とを有している（非特許文献１参照）。すなわち、疎水的な骨格構造と親水的な官能基とを一つの分子中に持ち合わせる両親媒性物質であり、界面活性作用を有する。そのため、天然の化学成分のみからなるボディソープやシャンプーの原料として利用される（例えば、特許文献１参照）。それ以外にも腐植物質は、重金属イオンの毒性をキレート作用によって弱める作用や、金属表面の錆を除去する作用、植物の生長を促進する作用があり農業分野や水処理分野、一般工業分野において利用方法は多岐にわたる。
【０００４】
また、自然水から有機物を除去するための半透膜は高価な割に目詰まりしやすい。また、活性炭は有機物の吸着容量が大きいが、その表面に微生物が繁殖しやすく、また定期的に交換するための手間がかかるなどの問題がある。そのため、活性炭に光触媒を担持してＵＶ光によって分解する処理法（例えば、特許文献２参照）も開発されている。
【特許文献１】特許第３５７３４７号公報
【特許文献２】特開２０００−２０２４６８号公報
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ Ａ, ｖｏｌ.９８３， １−２， ｐ．１−１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示される処理法においても、泥炭などから発生する腐植物質などの高分子有機物を完全に分解することは難しく、定期的な活性炭カートリッジの交換は避けられない。
【０００６】
湿原、湖畔、河畔などの湿地は植物および鳥類の生態にとって重要な環境であるにもかかわらず、埋め立てられて縮小しつつある。釧路湿原や尾瀬など代表的な湿原の場合は、観光やレクリエーション目的で訪れる人も多く、湿原に人工的な汚染物質など過大な負荷を与えないように適切な管理が要求される。２００５年に、湿原の保全を定めるラムサール条約に登録される日本の湿地が3倍近くに増えたことから、湿原に隣接する地区も含めて適切に保全、管理しつつ観光やレクリエーションに役立てることが望ましい。そのような観点から、溶存有機物を化学的に酸化分解処理する施設は湿地の近隣に作りにくい。
【０００７】
一方、腐植物質溶液を調製するためには、１．泥炭、落葉、腐植土など原料を集めること ２．原料から抽出すること ３．不純物を除き精製すること、が必要である。湿地や里山から原料を集めると生態系に過大な攪乱を与える恐れがある。原料からの抽出には、設備と手間と時間がかかる。精製の過程では、微粒子や原料に由来する多量の微生物を取り除くためにろ過設備や加熱設備が必要でありコストが高くつく。さらには抽出した腐植物質は通常液体状態で流通するため物流コストが高く、冷蔵のための保管コストがかかる。腐植物質が天然由来の有用資材であるにもかかわらず商業的に使われることが少ないのは以上のような原因によるところが大きい。
【０００８】
本発明は前記従来の課題を解決し、消耗部材を必要としない方法によって有機物が多く溶存した水から有機物を除去して一般生活用水を供給し、かつ除去した有機物を手間のかからない方法で濃縮して回収して利用に供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水処理装置は、原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とするものである。つまり、ｐＨ低下手段と、ｐＨ上昇手段が有機物を可逆的に吸脱着可能な吸着槽において有機物の吸脱着を制御するものである。そして、粗大な網目状構造を持った吸着剤を用いることによって、分子量が10万ダルトンを超える高分子物質である腐植物質でさえも脱着可能な状態で網目状構造の間に保持することが出来る(すなわち可逆性をもたせることができる)。また、ｐＨを変化させることによって腐植物質の酸性官能基の解離度を変化させて分子の親水性を変え、その結果吸着剤に対する親和性をコントロールして吸脱着が制御可能となる。そして、使い捨ての吸着カートリッジや半透膜などを用いずに自然水から有機物を除去でき、かつ手間をかけることなく腐植物質を濃縮して回収することが可能になる。回収した腐植物質溶液を界面活性剤として洗浄に用いれば、一般の洗剤のように水生環境に外部からの物質を負荷することがない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水処理装置は、水の中に含まれる有機物の吸脱着を制御して、メンテナンス性のよい、水処理装置を実現可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の発明は、原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とするものである。
【００１２】
そして、原水のｐＨを下げることによって、腐植物質の酸性官能基をプロトン化して疎水性を高め、疎水性の吸着剤に吸着させることができる。また、吸着槽にｐＨの高い溶液を供給することによって、腐植物質の酸性官能基を解離させて親水化し、疎水性の吸着剤から脱着させる。このように、ｐＨの変化によって有機物の吸脱着をコントロール可能にしたものである。
【００１３】
第２の発明は、疎水性マクロポーラス樹脂を吸着槽に内蔵した水処理装置である。粗大な網目状構造を持った吸着剤を用いることによって、分子量が10万ダルトンを超える腐植
物質の巨大分子でさえ脱着可能な状態で網目の間に吸着保持可能である。その結果、吸着剤が有機物で飽和してきたら、脱着して再生することが可能になる。
【００１４】
第３の発明は、ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段は少なくとも１対の電極と電圧印加手段で構成された水処理装置である。自然水は一般に１〜１０ｍM程度の溶存ミネラルを含有する。このミネラルを電解補助剤として、電解をおこなえば電気エネルギー以外に資材を消費せずに、吸脱着を制御するための酸とアルカリを生成可能である。その結果、酸やアルカリなどの資材を補給するための手間が不要となる。
【００１５】
第４の発明は、ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段は、プロトン型の陽イオン交換樹脂を内蔵する酸性化槽と、前記酸性化槽と半透膜を挟んで両隣に隣接する再生槽とを有し、前記再生槽に１対の電極を備えたものである。
【００１６】
湿地の水や地下水は２価の鉄イオンを数−数十ｐｐｍの濃度で含むことがあり、そのまま装置に導入すると陽極など酸化的な環境の部品回りで不溶性の３価鉄イオンとなり大量の水酸化物を沈殿させて（赤錆）流路を詰まらせる。また、２価鉄イオンを含まない場合でも、多価陽イオンが高ｐＨになる部品回りでスケールを形成することが予想される。そのようなリスクを除くために、原水はまずプロトン型の陽イオン交換槽を通過し、陽イオンは全てイオン交換樹脂に吸着されることとした。また、この操作によって原水のｐＨは約３まで低下する。シュウ酸などごく一部の例外を除き有機酸のカルボキシル基のｐＫａ値は３以上であり、腐植物質の平均的なｐＫａ値は４．５〜５．０の間である。したがって、腐植物質の大部分はｐＨ３においてほぼ完全にプロトン化しているため吸着される。陽イオン交換樹脂は水の電気分解によってプロトン型に再生される。
【００１７】
第５の発明は、吸着槽の側面に開口部を設け、前記吸着槽内の吸着剤の色を吸着槽外から視認可能な構成としたものである。開口部より吸着剤の吸着容量があるレベル以下にまで減少したことが確認できるので、吸着剤の再生が必要な容量が視認できた時点で有機物を脱着するモードで運転することによって吸着剤を再生処理する。
【００１８】
第６の発明は、吸着剤の色の変化を検知する検知手段を設け、前記検知手段に連動してｐＨ上昇手段を作用させる制御手段を備えたものである。これによって、吸着剤の吸着容量の残存量が、色の変化を検知することで自動的に検知される。吸着容量があるレベル以下にまで減少したことが確認できれば、自動的に脱着モードに切り替えて運転することによって吸着剤を再生処理できる。
【００１９】
第７の発明は、原水供給手段の流路の途中に植物性有機物を供給する有機物供給槽を備えたものである。湿原から得られる水は、季節や天候によって有機物の含有濃度に変動を示す。したがって、時期によっては洗浄のために十分な量の腐植物質溶液が回収されないことがある。そのような場合、原水を供給する流路の途中、または枝分かれした流路の上流に、溶存有機物を添加する目的で植物性有機物を水に浸るような状態で収める。そのようにして添加された溶存有機物を元に、時期によらず安定した量の腐植物質溶液を供給することが出来る。また、添加する植物性有機物によっては使用者の好みに合う香りを回収される有機物に付与することも可能である。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第1の実施の形態における水処理装置の模式図を示すものである。
【００２１】
図１において、原水供給手段１の上流方向の先端は湿原から流れる川、湖沼、井戸、みずたまりなどの水中に浸される。これより供給される原水はｐＨ低下手段であり、かつｐＨ上昇手段である酸性化槽２、前記酸性化槽２と半透膜４を介して隣接する再生槽２ａ、
２ｂを通過し、バルブ１０ａを通過して吸着槽６へ供給され、バルブ１０ｂの接続により排水して生活用水として使用されるよう配管へ供給される。また、必要に応じてバルブ１０ａは再生化槽２をから供給される水の流路を溶存有機物を収納するリザーバー１１へ接続するように接続調整して、脱着し貯められた溶存有機物をバルブ１０ｃにより排出して利用できる構成である。
【００２２】
吸着槽６の側面には一部開口部７を設けてあり、吸着槽６内の吸着剤の状態を外部から視認できる構成となっている。また、制御手段９は再生槽２ａ、２ｂに設けた電極へ電圧を印加する電圧印加手段５の制御と、吸着槽６の吸着剤の状態を色で検知する検知手段８の制御とを行う。
【００２３】
原水供給管１から導入された原水は、プロトン型の陽イオン交換樹脂で満たされた酸性化槽２を通過することでｐＨ３程度まで酸性化される。ｐＨ３以下では溶存有機物の持つカルボキシル基および水酸基の大部分はプロトン化されて負電荷を失うために、疎水化する。
【００２４】
通常、バルブ10aは酸性化槽２と吸着槽６とを接続するように開かれていて、プロトン化して疎水化した溶存有機物は吸着槽６に導入される。バルブ１０ｂはその際下向きに開かれていて、吸着槽６を通過した水は排水され、洗濯、風呂、トイレ用水、洗車など一般的な生活用水として使用可能である。吸着槽６には疎水性樹脂ＤＡＸ−８（ＳＰＥＬＣＯ社）やＸＡＤ樹脂（ＲＯＨＭ＆ＨＡＡＳ社）が充填され、疎水性相互作用によってプロトン型の溶存有機物を吸着する。これらの疎水性樹脂は、適度な疎水性を持ちまた巨大網目状構造を持っているため、溶存有機物を可逆的に吸脱着するという特長がある。したがって、吸着した有機物のカルボキシル基をアルカリ条件下で解離させて親水化することによって、吸着槽が再生可能である。そのため、吸着剤を入れ替える必要がなくランニングコストを抑えることが出来る。また、下記に示すような自動再生機構を備えることによって、吸着槽が有機物で飽和する前に自動的に再生してメンテナンスの手間を大幅に減らすことが可能である。
【００２５】
酸性化槽２内で原水から陽イオンを受け取って部分的に中和された陽イオン交換樹脂は、電極３および電圧印加手段５によって間欠的に再生されてプロトン型になる。約３Ｖ以上の直流電圧の印加によって酸性化槽２内の水分子は次の化学反応(１)によってＨ+とＯＨ−に解離して（１）、Ｈ＋の一部は陽イオン交換樹脂によって保持されたミネラル陽イオンを置換する。
Ｈ２Ｏ→Ｈ＋＋ＯＨ− (１)
陽イオンおよびＨ+は陰極３ｂ側に引き寄せられ、半透膜４を通過して電極近辺に移動する。その際、陽極３a側では次の酸化反応（２）が、陰極３ｂ側では還元反応（３）が起こる。
２ＯＨ−→Ｈ２Ｏ＋１／２Ｏ２＋２ｅ− (２)
２Ｈ２Ｏ+２ｅ−→Ｈ２＋２ＯＨ− （３）
上記酸性化槽２の再生を行う際に吸着槽６の再生も同時に行う。バブル１０ｂは陰極３ｂ側の槽と吸着槽とを連絡するように開けられ、陰極３ｂ側で得られたアルカリ性液は吸着槽６に通常使用時とは逆向きに導入される。その際、バブル１０ａは、脱着した溶存有機物をリザーバー１１に流すように開けられる。必要な際にバルブ１０ｃを開いて、リザーバーに貯められた溶存有機物を用いることが出来る。溶存有機物の界面活性作用を活かして、洗剤用途に用いることが可能である。また、脱着直後の溶存有機物は陰極３ｂで得られたアルカリ電解水を溶媒として酸化還元電位が低いため、金属を錆びさせない作用があり、農機具など金属部分を含む被洗浄物を洗うのに適している。
【００２６】
吸着槽の開口部７には透明な耐圧ガラス板がはめ込んであり、吸着剤の色が外部から判
別できる。疎水性が高くて吸着しやすい有機物は一般に腐植物質であり、その化学構造は二重結合に富むため茶褐色を呈する。吸着剤そのものが白色のため、吸着剤のうち飽和した部分は茶褐色となり色彩的に判別できる。原水から有機物を十分に除去しつづけるためには、吸着剤の入り口から１／３が飽和した時点で吸着剤を再生するべきである。開口部７の外側で、かつ吸着槽６の入り口から１／３の箇所に設けた色彩を検知する検知手段８によって吸着剤の色の変化を検知して飽和程度を判別し、再生が必要なタイミングを検知して制御手段９によって上記電解を開始して酸性化槽２と吸着槽６の再生を行なう。
【００２７】
なお、一部の有機物はアルカリ条件においても吸着槽６から十分には脱着しない。２ヶ月に一度、バルブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを再生時の方向に開けた状態でエタノールを流路に流すことによって、吸着槽６をより完全に再生することとする。その際、酸性化槽２および吸着槽６の中で気泡が発生することを防ぐために、９９％の工業用エタノールを初めは半分の濃度で、次に希釈せずに、最後にまた半分の濃度で流すこととする。
【００２８】
本発明の実施の形態に記載の水処理装置は、ｐＨ低下手段であり、かつｐＨ上昇手段である酸性化槽２と前記酸性化槽２の両側に半透膜４を介して隣接する再生槽２ａ、２ｂと、吸着槽６を有して、その接続を状態を変えるだけで原水から有機物を除去するモードと、吸着した有機物を利用のために回収するモードとを切り替えて運転することが可能である。すなわち、その結果、使い捨ての吸着カートリッジや半透膜などを用いずに自然水から有機物を除去でき、かつ手間をかけることなく腐植物質を濃縮して回収することが可能になる。回収した腐植物質溶液を界面活性剤として洗浄に用いれば、一般の洗剤のように水生環境に外部からの物質を負荷することがない。
【００２９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における水処理装置の模式図を示すものである。ただし、水処理装置の上流部分のみを示すもので、図２よりも下流部分は実施の形態１と同じ構成であり、説明中でもちいる符号は、実施の形態１と同様のものを用いて、ここでは図示を省略する。
【００３０】
図２において、原水供給手段１の上流方向の先端は湿原から流れる川、湖沼、井戸、みずたまりなどの水中に浸される。揚水ポンプ１２の作用によって、原水は枝分かれ配管１５に供給される。枝分かれ配管１５の一部に石英製のセル１６があり紫外線ランプによって構成される光源１７とフォトメーター１８によって、２６０ｎｍの波長の吸光度が測定される。２６０ｎｍにおける吸光度は溶存有機物濃度と比例関係にあるため、吸光度から溶存有機物濃度を推定することができる。制御部１９は、溶存有機物濃度がある一定の値を下回った際に、原水が有機物供給槽２０を通過するような方向にバルブ１３が開くような制御をおこなう。フォトメーター１８によって測定する波長は２６０ｎｍ以外でもよく、一般には２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長が選ばれる。可視光域の波長を選ぶこともできるが、その場合はセル１６をガラス製として、光源１７はタングステンランプなどとする。有機物供給槽２０に落ち葉や泥炭などの植物性有機物を詰めることによって常に十分に十分な量の腐植物質溶液を回収することが可能である。また、有機物供給槽２０に、クロモジの葉やハーブなど芳香のする植物体や使用後の茶葉、コーヒー滓、ミカンの皮などを供給することによって、回収する腐植物質溶液に好ましい香りを付与することが可能である。また、テルペン類を含有するヒバやヒノキ、ツガ、カラマツの木部やシキミの葉などを供給すれば抗菌性成分を付与した腐植物質溶液を回収することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
農産物の集荷場などにおいて、界面活性作用のある腐植物質溶液を農産物の一次洗浄に用いれば、洗剤や石鹸よりも安全性の高い方法で土壌粒子汚れを効率的に洗浄することが可能である。また、有機物の除去された処理水を最終次洗浄に用いることができて、一つ
の水処理装置によってより高度な洗浄が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１における水処理装置の構成図
【図２】実施の形態２における水処理装置上流部分の構成図
【符号の説明】
【００３３】
１ 原水供給手段
２ 酸性化槽（ｐＨ低下手段、ｐＨ上昇手段）
２ａ、２ｂ 再生槽（ｐＨ低下手段、ｐＨ上昇手段）
３ 電極
４ 半透膜
５ 電圧印加手段
６ 吸着槽
７ 開口部
８ 検知手段
９ 制御手段
２０ 有機物供給槽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
吸着槽は疎水性マクロポーラス樹脂を内蔵した請求項１記載の水処理装置。
【請求項３】
ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段が、少なくとも１対の電極と、電圧印加手段とで構成された請求項１または２記載の水処理装置。
【請求項４】
ｐＨ低下手段は、
プロトン型の陽イオン交換樹脂を内蔵する酸性化槽と、前記酸性化槽と半透膜を挟んで両隣に隣接する再生槽とを有し、前記再生槽に１対の電極を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
吸着槽の側面に開口部を設け、前記吸着槽内の吸着剤の色を吸着槽外から視認可能な構成とした請求項１から４のいずれか1項に記載の水処理装置。
【請求項６】
吸着剤の色の変化を検知する検知手段を設け、前記検知手段に連動してｐH上昇手段を作用させる制御手段を備えた請求項１から５のいずれか1項に記載の水処理装置。
【請求項７】
原水供給手段の流路の途中に植物性有機物を供給する有機物供給槽を備えた請求項１から６のいずれか1項に記載の水処理装置。
【請求項１】
原水を供給する原水供給手段と、前記原水供給手段より供給された水のｐＨを低下させるｐＨ低下手段と、前記ｐＨ低下手段によりｐＨ低下した水に含まれる有機物を吸着するための吸着槽と、前記吸着槽で吸着された有機物の脱着を制御するためのｐＨ上昇手段とを備え、前記吸着槽は粗大網目構造の吸着剤を有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
吸着槽は疎水性マクロポーラス樹脂を内蔵した請求項１記載の水処理装置。
【請求項３】
ｐＨ低下手段とｐＨ上昇手段が、少なくとも１対の電極と、電圧印加手段とで構成された請求項１または２記載の水処理装置。
【請求項４】
ｐＨ低下手段は、
プロトン型の陽イオン交換樹脂を内蔵する酸性化槽と、前記酸性化槽と半透膜を挟んで両隣に隣接する再生槽とを有し、前記再生槽に１対の電極を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
吸着槽の側面に開口部を設け、前記吸着槽内の吸着剤の色を吸着槽外から視認可能な構成とした請求項１から４のいずれか1項に記載の水処理装置。
【請求項６】
吸着剤の色の変化を検知する検知手段を設け、前記検知手段に連動してｐH上昇手段を作用させる制御手段を備えた請求項１から５のいずれか1項に記載の水処理装置。
【請求項７】
原水供給手段の流路の途中に植物性有機物を供給する有機物供給槽を備えた請求項１から６のいずれか1項に記載の水処理装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−８６８５２（Ｐ２００８−８６８５２Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６７６２０（Ｐ２００６−２６７６２０）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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