JP2001225060A - 水処理方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 後工程における生物的処理手段の負荷低減
と、又環境上問題となる凝集剤をほとんど用いずに、分
子間力によって拘束水が結合している溶質物質を容易に
凝集分離できる水処理方法とその装置を提供すること。 【解決手段】 水溶性溶解物に分子間力によって結合し
ている拘束水を破壊若しくは分離するとともに、該拘束
水の再拘束を阻害する手段を、前記水溶液中に付与しな
がら排水処理を行うとともに、前記拘束水の再拘束を阻
害する手段が、直径１０μｍ以下の微細気泡群であり、
又前記拘束水を破壊若しくは分離する手段が、１０ＭＨ
ｚから１ＧＨｚの高周波、複数の周波数域にピーク値を
有する超音波若しくは０．１モル／リットル以上の塩化
物イオン、直径１０μｍ以下の微細気泡群若しくはこれ
らの組み合わせである事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固形物、微生物、
有機化合物のみならず水溶液中に溶解している有機系、
燐系、窒素系等の溶質物質も含めて積極的に除去若しく
は濃縮し得る水処理方法とその装置に係わり、特に、下
水道処理設備、屎尿処理設備、畜産排水処理設備、水産
加工排水処理設備、食品加工排水処理設備、洗浄排水処
理設備、工場排水処理設備、湖水浄化設備等に適用で
き、排水中に含まれている前記溶解物質を積極的に除去
して水浄化を行う処理方法、又、水溶液からの溶解物質
の濃縮精製プロセスに適用される水処理方法とその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、下水排水処理法としては、加
圧浮上分離方法や微生物による活性汚泥処理法が主流を
占めている。図１３はかかる従来の加圧浮上分離装置を
示し、図中１０１は加圧浮上法による排水処理槽を示
す。加圧浮上法は、排水処理槽１０１からの抜き出し水
の一部をポンプ１０４にて加圧タンク１０３に供給し、
加圧タンク１０３内にてコンプレッサ２０２で空気を加
圧溶解させて加圧水を生成し、その加圧水を排水処理槽
１０１下部から供給する。この時、加圧水の圧力が排水
処理槽１０１内で開放されることにより、加圧水内に溶
解していた空気が微細気泡として生成する。この気泡が
排水中に存在している浮遊懸濁物質と吸着し、気泡の浮
力で排水処理槽１０１上部に気泡と共に浮遊懸濁物質が
浮上してくることを利用して排水を浄化する方法であ
る。なお、浮上してきた懸濁物質は汚泥処理工程に回さ
れる。

【０００３】しかしながら、加圧浮上分離方法では、現
状１０μｍより大きな気泡しか形成出来ておらずこのた
めいわゆる固液分離は可能であるが、水中に溶解してい
る溶質の分離は出来なかった。即ち、加圧下で空気を水
に溶解させてから大気に開放すると、微細な気泡が発生
するが、その気泡は１０μｍより大きな気泡である故に
液体と固体の不連続界面に発生しやすい性質がある。即
ち、水中の懸濁物質と気泡の付着力は、その物質と水及
び空気との接触界面に作用する界面張力によって異な
り、一般には親水性の界面より疎水性の界面の方が空気
との接着力が大きい。このため前記加圧浮上分離方法で
は、水に溶解している親水性の物質、言い換えれば分子
間力によって拘束水が結合している溶質物質は除去でき
ず、水中に単に混合している状態の懸濁浮遊物質しか除
去できていない。

【０００４】従って、従来技術によれば、前記加圧浮上
分離法等で除去出来なかった微粒子、有機化合物、溶質
物質等の処理に対しては、図１３に記載しているよう
に、排水処理槽１０１の後工程に活性汚泥処理槽１０２
を設け、微生物による活性汚泥処理を用いている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記したように現状の
加圧浮上法では大き目の懸濁物質しか除去できず、排出
基準の指定項目であるＢＯＤ（生物化学的酸素消費
量）、ＣＯＤ（化学的酸素消費量）、ＳＳ（浮遊懸濁物
質）等の原因である微粒子、有機化合物、溶質物質等を
低減させることができない。そのため、予め凝集剤を添
加し大き目の懸濁物質まで固形物化してから加圧浮上法
が用いられる場合もあるが、環境保全の観点から凝集剤
は出来るだけ使用しないのが望ましく、管理も煩わし
い。

【０００６】このため現在では加圧浮上分離法と活性汚
泥法を組み合わせているが、活性汚泥法は微生物を利用
しているため処理能力が遅く、装置も大型化せざるを得
ないこと、また、微生物が対象であるために維持管理に
も手間が掛かる等の課題がある。さらに、処理後に排出
される残余活性汚泥の処分に対しても、最終処分場不足
等で社会問題化してきており、出来るだけ余剰活性汚泥
が出ない処理方法の開発が望まれている。

【０００７】本発明はかかる技術的課題に鑑み、後工程
における生物的処理手段の負荷低減と、又環境上問題と
なる凝集剤をほとんど用いずに、分子間力によって拘束
水が結合している溶質物質を容易に凝集分離できる水処
理方法とその装置を提供することを目的とする。又本発
明は、固形物、微生物、有機化合物のみならず水溶液中
に溶解している有機系、燐系、窒素系等の溶質物質も含
めて積極的に除去し得る水処理方法とその装置を提供す
ることにあり、特に、下水道処理設備、屎尿処理設備、
畜産排水処理設備、水産加工排水処理設備、食品加工排
水処理設備、洗浄排水処理設備、工場排水処理設備、湖
水浄化設備等に適用でき、又水溶液からの溶解物質の濃
縮精製プロセスに適用される水処理方法とその装置を提
供する事にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に至った経過を順
を追って説明する。例えば廃水処理方法において、排水
中に存在し除去対象となっている微細な固形物、微生
物、及び有機、リン酸系、溶質物質等の物質は、水より
誘電率が小さいこと。及び、水より小さな誘電率物質同
士には水溶液中で引力が作用することから、誘電率が小
さい気泡を排水中に形成すれば、排水中に存在する固形
物等は気泡に吸着するため、この気泡を凝集除去すれば
固形物分離が出来ることは加圧浮上分離法も同様であ
る。

【０００９】次に、水より小さな誘電率の物が気泡に吸
着する機構について説明すると、水溶液中に溶解してい
る物質を粒子１とし、気泡を粒子２とする。ｅｒを水溶
液の比誘電率、ｅｒ１を粒子１の比誘電率、ｅｒ２を粒
子２の比誘電率、ａ１を粒子１の半径、ａ２を粒子２の
半径、rを粒子１と２の間の距離、ｋをボルツマン定
数、Ｔを水溶液の温度とすれば、粒子１と粒子２の間の
分極相互作用エネルギーＷ（ｒ）は数式１で書けること
が公知の事実として分かっている（参考文献：分子間力
と表面力（第二版）、イスラエルアチィヴィリ著、朝倉
書店、１９８６年）。

【数１】

【００１０】水の比誘電率ｅｒは７８.３（２５℃）、
粒子２の気泡の比誘電率ｅｒ２は１程度である。一方、
廃水処理の対象とする有機化合物の比誘電率はｅｒ１は
１０若しくはそれ以下（日本化学会編：化学便覧基礎編
II、ｐ５０６より引用）である。そのため、有機化合物
等の物質では数式１より分極相互作用エネルギーＷ
（ｒ）の符号はマイナスとなり、有機化合物と気泡との
間には引力が働くことがわかる。一方、有機化合物のみ
ならず、アンモニア等の窒素化合物や燐系化合物は一般
に水和状態で、水溶液中に溶解している場合が多く、こ
れらの溶質物質の周りには、拘束水と呼ばれる水分子が
分子間力で結合している状態である。

【００１１】従って気泡を排水中にバブリングしただけ
では、拘束水が結合している溶質や有機物の凝集分離が
出来ない。即ち拘束水は、自由水と異なり溶質物質によ
り動きが拘束されているために、前記溶質に結合してい
る先ず拘束水を破壊若しくは分離しなければ凝集でき
ず、そして更に前記溶質に結合している拘束水が破壊若
しくは分離された後においては、該溶質に拘束水の再拘
束を阻害する手段を付与しなければ該溶質を水溶液中よ
り凝集分離するのは困難である。

【００１２】そこで本発明は、前記拘束水の再拘束を阻
害する手段が、直径１０μｍ以下の微細気泡群であるこ
とを見出し、更に、前記拘束水を破壊若しくは分離する
手段として、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波、複数の
周波数域にピーク値を有する超音波若しくは０．１モル
／リットル以上の塩化物イオン、直径１０μｍ以下の微
細気泡群若しくはこれらの組み合わせである事を見出し
た。

【００１３】請求項１記載の発明は、かかる点に着目し
たものであり、分子間力によって拘束水と結合している
溶質を含んだ水溶液中より、前記溶質を分離する水処理
方法において、前記溶質に結合している拘束水を破壊若
しくは分離するとともに、該溶質に拘束水の再拘束を阻
害する手段を付与しながら該溶質を水溶液中より凝集分
離することを特徴とする水処理方法を提案する。

【００１４】請求項２記載の発明は、特に窒素、燐若し
くは有機系水溶性溶解物を、水溶液中より凝集分離する
廃水処理方法に適用されるもので、水溶性溶解物に分子
間力によって結合している拘束水を破壊若しくは分離す
るとともに、該拘束水の再拘束を阻害する手段を、前記
水溶液中に付与しながら該溶解物を水溶液中より凝集分
離することを特徴とする。

【００１５】そしてかかる発明は溶質の濃縮方法にも適
用される。即ち、請求項３記載の発明は、水溶液からの
溶解物質の濃縮を行う水処理方法において、水溶性溶解
物に分子間力によって結合している拘束水を破壊若しく
は分離するとともに、該拘束水の再拘束を阻害する手段
を、前記水溶液中に付与しながら該溶解物の濃縮を行う
ことを特徴とする。

【００１６】本発明を具体的に説明する。前記１）式で
示すように、排水中の、気泡の半径ａ２が小さいほど、
引力が増大することもわかる。気泡径が１００μｍの気
泡と、１０μｍの気泡、及び１μｍの気泡の場合を比較
すると、１００μｍの気泡の場合に比べ、１０μｍの気
泡では千倍も強い吸着力を持ち、１μｍの気泡の場合に
は百万倍も強い吸着力となる。このことから、水溶液中
に前記拘束水を破壊し且つ拘束水の再拘束を阻害するよ
うな微細な気泡を形成すれば、有機化合物のような水よ
り小さな比誘電率を持つ物質は気泡のまわりに引き付け
られ吸着した状態で凝集させることが可能となる。従っ
て、１０μｍ以下の微細な気泡を水溶液中に形成できれ
ば、その気泡に有機化合物等を吸着させながら凝集させ
ることは原理的に可能である。本発明では、この点に着
目し、１０μｍ以下の微細な気泡群を、溶解物質と吸着
させて、この気泡群と共に吸着した溶解物質を凝集分離
させれば、従来の加圧浮上法では除去できず、後工程の
活性汚泥処理法にて処理を行なっていた微細な固形物、
微生物、有機化合物、溶質物質の除去も可能になること
を知見したものである。

【００１７】すなわち本発明は、微細な気泡を排水中に
形成すれば、排水中に存在する従来の加圧浮上法で取り
きれなかった微生物のみならず、有機化合物、窒素、リ
ン酸系等の溶質物質を拘束水に抗して吸着させ、凝集除
去することが出来る。

【００１８】直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ気
泡群とともに、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波、複数
の周波数域にピーク値を有する超音波若しくは０．１モ
ル／リットル以上の塩化物イオン若しくはこれらを組み
合わせると効果的である。

【００１９】この理由は、１０μｍ以下の微細な気泡
は、排水中の微細な固形物、微生物、有機化合物、溶質
物質と吸着するが、気泡サイズが小さいために浮力が小
さく浮上してくるのに時間を要するが、超音波による疎
密波や高周波を利用し音圧により気泡を移動させること
により、気泡に吸着した溶解物質の濃縮分離を効率よく
行なうことが出来る。そしてこの場合、前記高周波は、
１０ＭＨｚから１ＧＨｚの周波数域の高周波が好まし
く、又超音波は例えば定在波と進行波を組み合わせ、複
数の周波数域にピーク値を有する超音波が好ましい。又
このような物理的手段を用いなくても０．１モル／リッ
トル以上の塩化物イオンを含んだ状態で微細気泡を発生
するようにしてもよい。

【００２０】請求項６記載の発明は、直径１０μｍ以下
の微細な気泡を含んだ気泡群を発生させる手段として、
超音波印加による生じるキャビテーションにより微細な
気泡を発生させることを特徴とする。すなわち、非常に
微細な気泡がキャビテーションによって形成され、その
気泡が超音波の音圧によって集められて凝集される。

【００２１】又０．１モル／リットル以上の塩化物イオ
ンを含んだ状態で微細気泡を発生する手段として、請求
項７〜９記載の発明を提案する。即ち、請求項７記載の
発明は、直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ気泡群
を発生させる手段として、０．１モル／リットル以上の
塩化物イオンを含んだ水溶液を、前記水溶液の水処理部
内に供給しつつ、該塩化物イオンを含んだ水溶液中に濾
過板を介して空気を吹き込み前記水処理部内に気泡群を
形成することを特徴とする。

【００２２】請求項８記載の発明は、直径１０μｍ以下
の微細な気泡を含んだ気泡群を発生させる手段として、
前記水溶液の水処理部内に電極板を設け、０．１モル／
リットル以上の塩化物イオンを含んだ水溶液を前記電極
板間に供給しながら、前記電極板に電圧を印加させて電
気分解を起こして気泡群を形成することを特徴とする。

【００２３】更に請求項９記載の発明は、直径１０μｍ
以下の微細な気泡を含んだ気泡群を発生させる手段とし
て、０．１モル／リットル以上の塩化物イオンを含んだ
水溶液に空気を加圧溶解させた加圧水を、前記水溶液の
水処理部内に供給し、加圧浮上法にて気泡群を形成する
ことを特徴とする。

【００２４】前記夫々の発明は、０．１モル／リットル
以上の塩化物イオンが共存する水溶液中では、微細な気
泡が形成され易いことを利用して直径１０μｍ以下の気
泡が多く含まれる微細気泡群を発生させ得ることを実験
にて確かめたものである。

【００２５】そしてこのような塩化物イオンを用いた場
合は、請求項１０に記載のように、前記水溶液の水処理
部の後段に脱塩処理部を設け、該脱塩処理部にて塩化物
イオンが濃縮排出された水溶液を塩化物イオンを含んだ
水溶液として用いるのがよい。

【００２６】かかる発明によれば、塩化物イオンを含ん
だ水溶液として再利用することで、塩化物イオンを系内
に循環させて繰り返し使用する事が出来る。尚脱塩装置
としては逆浸透膜法や電気透析法等により塩濃度を凝集
できるものを使用すればよい。又脱塩装置後の浄化水
は、放流または浄化水として再利用される。

【００２７】請求項１１記載の発明は、前記水溶液中
に、直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ気泡群とと
もに、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波を印加すること
で、気泡群と水溶液中の溶質物質との吸着作用を向上さ
せる事を特徴とする。

【００２８】かかる発明は、水処理部内に１０ＭＨｚか
ら１ＧＨｚの高周波を印加することにより、水溶液中で
の溶解物のまわりに存在している水和の水分子（拘束
水）を壊し、水和で緩和されている溶解物に電気双極子
を露出させることで気泡との吸着力をより大きくし、分
離効率を高めるものである。

【００２９】請求項１２〜１６記載の発明は前記発明を
好適に実施するための装置に関する発明で、請求項１２
記載の発明において、分子間力によって拘束水と結合し
ている窒素、燐若しくは有機系水溶性溶解物等の溶質を
含んだ水溶液中より、前記溶質を分離若しくは濃縮を行
う水処理装置において、前記水溶液が貯留されている貯
留槽内で、前記溶質に結合している拘束水を破壊若しく
は分離するとともに、該貯留槽内に前記溶質に拘束水の
再拘束を阻害する手段を付与しながら該溶質を水溶液中
より凝集分離若しくは該溶質を含む溶解物の濃縮を行う
ことを特徴とする。

【００３０】この場合、前記拘束水の再拘束を阻害する
手段が、直径１０μｍ以下の微細気泡群であるのがよい
ことも、又前記拘束水を破壊若しくは分離する手段が、
１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波、複数の周波数域にピ
ーク値を有する超音波若しくは０．１モル／リットル以
上の塩化物イオン、直径１０μｍ以下の微細気泡群若し
くはこれらの組み合わせであるのが良いことも既述済み
である。

【００３１】そして更に、直径１０μｍ以下の微細な気
泡を含んだ気泡群を発生させる手段が、超音波印加によ
る生じるキャビテーションにより微細な気泡を発生させ
る手段、０．１モル／リットル以上の塩化物イオンを含
んだ水溶液を、前記水溶液の水処理部内に供給しつつ、
該塩化物イオンを含んだ水溶液中に濾過板を介して空気
を吹き込み前記水処理部内に気泡群を形成する手段、前
記水溶液の水処理部内に電極板を設け、０．１モル／リ
ットル以上の塩化物イオンを含んだ水溶液を前記電極板
間に供給しながら、前記電極板に電圧を印加させて電気
分解を起こして気泡群を形成する手段、０．１モル／リ
ットル以上の塩化物イオンを含んだ水溶液に空気を加圧
溶解させた加圧水を、前記水溶液の水処理部内に供給
し、加圧浮上法にて気泡群を形成する手段のいずれか１
若しくは複数の組み合わせであることも既述されてお
り、更に請求項１６に記載のように、直径１０μｍ以下
の微細な気泡を含んだ気泡群を発生させる手段が、０．
１モル／リットル以上の塩化物イオンを含んだ水溶液を
前記貯留槽の下部に供給し、該塩化物イオン水溶液貯留
部に気泡発生用の物理的手段を付与して行われるととも
に、前記貯留槽の後段に脱塩処理槽を設け、該脱塩処理
槽にて塩化物イオンが濃縮排出された水溶液を前記貯留
槽の下部に再供給することを特徴とする事も既述済みで
ある。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定
的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定
する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

【００３３】上記本発明を実証するために行なった実験
について図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、超
音波によるキャビテーションを利用して微細な気泡を形
成し、さらに、定在波を形成させることにより超音波に
よる音圧にて、気泡と共に溶解物質を凝集できることを
実証した実験装置の概要図である。図中１は実験対象水
溶液２が注入されている円筒状のガラス管で、ガラス管
１の上端は開放されており、下端は実験対象水溶液２が
こぼれないようガラス、または、ゴム膜等で封じて閉塞
されている。４はシャーレ状の容器で超音波伝達用とし
ての水３が満たされており、該水３に前記ガラス管底部
が浸付けされている。５は超音波振動子で、前記容器の
底部に接触配置されている。６は超音波発振電源、７は
前記ガラス管１上部側面に設けた超音波センサーであ
る。

【００３４】かかる装置により次のような実験を行っ
た。超音波振動子５を底部に装着した容器４内に、超音
波伝達用としての水３を入れ、その中に、実験対象水溶
液２を入れたガラス管１を設置する。実験で使用したガ
ラス管１の内径は２０ｍｍφであり、超音波発振電源６
から超音波振動子５に、周波数３８ｋＨｚの正弦波を６
０Ｗの出力で供給した。実験対象水溶液２として、有機
化合物の一つである１０重量％の砂糖水を入れ超音波を
印加した。印加と同時に水溶液中には屈折率の異なる部
分が発生し濃度の違いが屈折率の違いとして目視でき
た。分離した部分は比較的安定しており超音波を止めて
も形状を維持していた。

【００３５】実験結果の一例を図２に示す。図２には、
超音波印加によってガラス管１内に形成された定在波の
節部(水溶液高さ略４／５の位置と略２／５の位置)に砂
糖分子が濃縮されていることが分かる。定在波の節に相
当する部分と腹に相当する部分から溶液を採取し、有機
炭素計（島津製作所製ＴＯＣ-５００）を用いて溶液中
に含まれる炭素量を測定したところ、節部分が腹部分に
比較して３割程度、炭素量が増加していた。この結果
は、溶液中の砂糖が節部分に濃縮したことを意味する。
なお、超音波を停止した直後に、節部分から非常に微細
な気泡が上昇していくのが観測された。脱気した水溶液
ではこのような凝集分離現象が観測できないことから、
非常に微細な気泡がキャビテーションによって形成さ
れ、その気泡が超音波の音圧によって集められて凝集さ
れたことが分かる。

【００３６】図３に図１のガラス管１の側部に設けた超
音波センサにて計測した超音波周波数のスペクトル図を
示す。発振周波数は３８ｋＨｚであるが、発振周波数３
８ｋＨｚ以外にも強度が小さい高調波である５７ｋＨ
ｚ、７６ｋＨｚ，９５ｋＨｚのピーク波形信号が現れて
いることが分かる。これらは３８ｋＨｚの定在波と該定
在波の反射共鳴に起因して生成される進行波の組み合わ
せにより、５７ｋＨｚ、７６ｋＨｚ，９５ｋＨｚのピー
ク波形信号が現れるものと推定される。また、既知の実
験で３８ｋＨｚだけのスペクトルでは分離現象が起こり
にくいことを確認している。

【００３７】以上の実験事実から、定在波を形成する周
波数より高い周波数成分でキャビテーションを起こし直
径１０μｍ以下の気泡が多く含まれる微細気泡群を発生
させると、その気泡は、水溶液に溶解している有機化合
物、この実験では砂糖分子と吸着するため、その塊を定
在波を形成する音圧、この実験では３８ｋＨｚの超音波
で節部に凝集させることにより、水溶液に溶解した溶質
物質であっても凝集分離可能であることが知見された。
なお、本実験例では、砂糖水を用いたがエタノール等の
アルコール水、食塩水でも同様な凝集分離作用があるこ
とを確認している。また、定在波を形成する周波数とし
て、１００ｋＨｚでも同様な現象が起こることを確認し
ており、周波数帯に対しては制限が無いため、通常超音
波として利用される２０ＫＨｚ〜５００ＫＨｚの範囲を
利用することが望ましい。

【００３８】図４は、上記原理を適用した超音波による
排水処理装置の概略図を示したものである。図中１１は
排水処理槽、１２は該処理槽１１底部に設けた凝集部抜
き取り口で定在波の節部と対応する位置に凝集部抜き取
り口１２を設けるのがよい。１３は処理槽１１側壁下部
に設けた排水口、５は処理槽１１側壁両側に設けた一対
の超音波振動子、６は超音波発振電源である。超音波発
振電源にて、図３に示したような複数の振動数を持った
高周波を発生、増幅させて超音波振動子５に印加する。
尚、超音波振動子５は、図示したように対面に向き合わ
せた状態で配置してもよく、又１個でもよいが、処理槽
１１内に定在波だけではなく、うなりによって生成され
る波の進行性分もあわせて混在されるのが良い。

【００３９】かかる構成において、超音波振動子５を側
面に装着した排水処理槽１１に処理すべき原水を供給し
て満水にした状態で、超音波発振電源６により超音波振
動子５を振動させ、排水処理槽１１内に超音波に基づく
キャビテーションによる微細な気泡と定在波、及びうな
りによって生成される進行性分を形成させる。これによ
り、定在波節部に凝集した溶解物質を凝集部抜き取り口
１２から抜き取り、汚泥処理工程に給送する。

【００４０】一方、前記溶解物質が除去された水溶液は
排水口１３から装置外に排出して後段側の浄化装置で排
水浄化を行なう。なお、本装置を多段にすることにより
原水の浄化性能を上げることができ、後段側の負担軽減
につながる。

【００４１】図５は、超音波印加でキャビテーションに
より気泡を作成し、溶液を濃縮し溶解物を分離する装置
図を示す。（ａ）は超音波振動子５を処理塔２３底部に
取り付けた場合、（ｂ）は超音波振動子５を処理塔２３
側面両側に取り付けた場合の概略図を示したものであ
る。図中２４はタンク、２２は反射板で、超音波振動子
５を処理塔２３底部に取り付けた（ａ）の場合は、塔上
部に下向きで超音波振動子５と対抗配置し、又超音波振
動子５を処理塔２３側面両側に取り付けた（ｂ）の場合
は、塔中央部に垂直方向に上下に配置し、超音波振動子
５と対抗配置している。

【００４２】かかる構成において、タンクに供給された
処理液の一部を処理塔２３に導いた後、該処理塔２３内
の底部若しくは側面一側に、超音波振動子５を設置し、
超音波発振電源６を用いて振動させ、超音波２１を印加
する。水溶液中に超音波が印加されたことにより、水溶
液中にキャビテーションにより微細な気泡が生成すると
ともに、対抗配置した反射板により超音波が繰り返し反
射され、超音波振動子５と反射板２２の間でさらに圧力
の疎密部分が増幅され、気泡が生成しやすくなる。な
お、反射板２２はキャビテーションが発生するような状
況下が作り出されれば必ずしも必須要件ではない。

【００４３】そしてキャビテーション等により生成され
た気泡は溶解物を吸着させ浮上してくるため、オーバフ
ロー型の貯留部で、処理塔２３の上部で浮上した気泡と
溶質物質を集め汚泥処理工程に回し、一方浄化された処
理液は処理塔２３下部の排出口２５から排水として抜き
取ることにより排水浄化が行なえる。

【００４４】また、本発明人等はイオン濃度が高い水溶
液、特に塩化物イオン濃度が高い場合には水溶液中に微
細な気泡が形成されることに着眼した。淡水に比べ海水
の方が微細な気泡が形成されることは公知の事実であ
る。実際に、空気をバブリングしながら塩濃度を濃くし
ていくと微細な気泡が形成され水溶液が白濁してくるこ
とが分かる。１０μｍ以下の気泡形成は、目視で確認出
来ないため図６(Ａ)、(Ｂ)に示す実験手順で行なった。

【００４５】実験は先ず、図６(Ａ)に示すように、容器
３１内に塩化物イオン濃度を調整した蒸留水３２を入
れ、ボールフィルタ３３にて空気ボンベ３４より空気を
バブリングし、その後、図６(Ｂ)に示すように、液面上
部に窒素ガス３６をフローしながら水溶液の溶存酸素濃
度を計測し、脱酸素過程を観測した。もし、非常に微細
な気泡が空気バブリングにより形成され溶解していれ
ば、溶存酸素濃度の減少に伴い、水溶液中に滞留してい
る微細な気泡から酸素の再溶解が起こるため脱酸素速度
が遅くなるはずである。

【００４６】より具体的に説明するに、図６(Ａ)に示す
ように、塩としてはＮａＣｌを用い予め塩濃度を調整し
た蒸留水：２５０ｃｃを攪拌子３５にて攪拌しながら、
キノシタボールフィルタＧ４（木下理化学工業（株）
製）３３を介して空気ボンベ３４より空気を３００ＣＣ
／ｍｉｎでバブリングする。その後、バブリングを停止
し、(Ｂ)に示すように、窒素ガス３６を３００ＣＣ／ｍ
ｉｎで液面に供給し、溶存酸素濃度の時間的な減少傾向
を計測する。

【００４７】Ｎａｃｌ濃度０〜１.０ｍｏｌ／ｌの水溶
液に対し測定した結果を図６(Ｃ)に示す。本グラフ図よ
り明らかなように、Ｎａｃｌ濃度が０.２ｍｏｌ／ｌを
超えた時点から水溶液からの脱酸素速度が遅くなってき
ており、塩濃度濃くなるほど顕著になってきていること
が分かる。これは、目に見えないような微細な気泡が空
気バブリングにより水溶液内に形成され、脱酸素過程に
伴い、気泡から水溶液側に酸素の再溶解が起こるため
に、脱酸素過程が遅くなって観測されたことによる。従
って、塩化物イオン濃度０.２ｍｏｌ／ｌ以上の水溶液
を利用すれば、微細な気泡形成が出来る。

【００４８】図７は、バブリングによって直径１０μｍ
以下の微細な気泡を形成する装置の概略図を示したもの
である。排水処理槽１０１内下部に塩化物イオン含有水
２０３の貯留部２１０を設け、該貯留部２１０に０．１
モル／リットル以上の塩化物イオン含有水２０３を供給
し、そこにコンプレッサ２０２からの空気を、貯留部２
１０底面に設けたろ過板２０１を介して供給することに
より直径１０μｍ以下の気泡が多く含まれる微細気泡群
が形成されるものである。

【００４９】図８は、電気分解によって直径１０μｍ以
下の微細気泡群を形成する装置の概略図を示したもので
ある。排水処理槽１０１内下部に塩化物イオン含有水２
０３の貯留部２１０を設け、該貯留部２１０に０．１モ
ル／リットル以上の塩化物イオン含有水２０３を供給す
るとともに、該貯留部２１０に一対の電極２０５を対面
配置し、電源２０６から直流または交流電圧を印加する
ことにより電気分解を起こして直径１０μｍ以下の気泡
が多く含まれる微細気泡群を形成するものである。

【００５０】図９は、加圧法によって直径１０μｍ以下
の微細な気泡を形成する装置の概略図を示したもので、
０．１モル／リットル以上の塩化物イオンを含有した水
２０３を加圧タンク１０３に供給し、コンプレッサ２０
２にて空気を加圧溶解させた加圧水を排水処理槽１０１
下部に供給することにより、直径１０μｍ以下の気泡が
多く含まれる微細気泡群を形成させるものである。

【００５１】図７、図８、図９で排水処理槽１０１内に
形成された気泡は、処理水内に溶解している微細な固形
物、微生物、有機化合物、溶質物質等と結合し、上昇し
ていくことにより分離浄化され、オーバフロー部２１７
を介して汚泥処理工程に送られる。

【００５２】図１０は、図９の装置に脱塩装置を加えた
装置の概略図を示す。排水処理装置１０１で処理された
水溶液を脱塩装置２０７に導き、脱塩装置２０７にて水
溶液内の塩を分離し、塩を除去された水溶液は排水と
し、塩が濃縮された水溶液は、塩化物イオンが０．１モ
ル／リットル以上含有した水２０３として前記系内で再
利用するものである。塩化物イオン含有水２０３は、加
圧タンク１０３にてコンプレッサ２０２による空気で加
圧され、加圧水として排水処理槽１０１に供給される。
塩化物イオンを含んだ加圧水は排水処理槽１０１で圧力
が開放されるために、直径１０μｍ以下の気泡が多く含
まれる微細気泡群が形成され、該微細な気泡に吸着する
有機物や溶質分子を除去することができる。

【００５３】脱塩装置としては逆浸透膜法や電気透析法
等により塩濃度を凝集できるものを使用すればよい。又
脱塩装置後の浄化水は、放流または浄化水として再利用
される。図１０の脱塩装置を加えた装置には、加圧法に
よる場合を示したが、図７のバブリング法、図８の電気
分解法の場合にも同様に適用できることは当然である。
尚、装置外に出る脱塩装置２０７からの排水における塩
濃度と、処理槽１０１に入る処理水における塩濃度を同
程度のものとし、脱塩装置２０７における０．１モル／
リットル以上の塩化物イオン含有水２０３の塩化物イオ
ン濃度をコントロールすれば、装置立上げ時を除き、外
部から塩を供給することなく塩濃度を系内で高く保持で
きるため、処理能力を一定に維持することが出来る。

【００５４】なお、０．１モル／リットル以上の塩化物
イオン含有水２０３に海水も利用でき、放流に関しても
許され得る場所に対しては、脱塩装置２０７を設けずに
海水をそのまま利用することも可能である。この場合に
は、図７、図８、図９に示す装置構成が直接適用でき
る。

【００５５】次に、水溶液中に溶解している溶質物質の
周りには、拘束水と呼ばれる水分子が吸着しており、こ
の拘束水は、自由水と異なり溶質物質により動きが拘束
されていることは前記した通りであるが、本発明人ら
は、有機物化合物の場合には、１０ＭＨｚから１ＧＨｚ
の高周波を拘束水が吸収することを見出した。

【００５６】図１２に図１０の加圧法を適用した場合を
例に、高周波印加を併用した場合の構成図を示す。本実
施例においては、排水処理槽１０１内に対面配置して一
対の高周波電極２０８を設置し、高周波電源２０９によ
り、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波を排水処理槽１０
１内部の溶質物質に照射し、溶質物質まわりの拘束水の
構造を破壊して、溶質物質自身の電気双極子を顕にする
ことで気泡との吸着を加速させ分離効率を加速するもの
である。

【００５７】そしてかかる装置に基づくシミュレーショ
ン実験として、有機化合物の一つとして、グルコース水
溶液を使用し行なった。測定は同軸プローブを試料溶液
に投入し、そこから高周波を印加し、試料溶液の印加し
た高周波の吸収を測定した。印加周波数は、４００ＭＨ
ｚを用い入射パワーとして１Ｗから１００Ｗまで変化さ
せて実験した。実験結果は図１１に示すように、グルコ
ースの濃度が高くなるに連れ吸収量が増加していること
が分かる。また、入射パワーの増大とともに吸収量が減
少したのは、グルコース周囲の拘束水が破壊されたため
である。自由水の吸収は約１８ＧＨｚにあるため、数１
００ＭＨｚの高周波は多量に存在する自由水にそれほど
吸収されることなく、溶質物質の拘束水のみを小さな電
力で狙い撃ちできる。

【００５８】

【発明の効果】以上記載の如く本発明によれば、後工程
における生物的処理手段の負荷低減と、又環境上問題と
なる凝集剤をほとんど用いずに、分子間力によって拘束
水が結合している溶質物質を容易に凝集分離できる水処
理方法とその装置を提供することが出来、特に、固形
物、微生物、有機化合物のみならず水溶液中に溶解して
いる有機系、燐系、窒素系等の溶質物質も含めて積極的
に除去し得る水処理方法とその装置を提供出来る。

【００５９】この結果、下水道処理設備、屎尿処理設
備、畜産排水処理設備、水産加工排水処理設備、食品加
工排水処理設備、洗浄排水処理設備、工場排水処理設
備、湖水浄化設備等の排水処理設備のみならず、水溶液
からの溶解物質の濃縮精製プロセスにも適用出来る。そ
して本発明を廃水処理設備に適用した場合は、活性汚泥
法等の装置に変わる排水浄化方法を提供出来るのみなら
ず、装置がコンパクトとともに残余活性汚泥の固形廃棄
物量も低減され、屎尿処理等では肥料等への再利用化も
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理を示す実験装置の概略図であ
る。

【図２】 図１で行った砂糖水溶液の濃縮分離状態を示
す概要図である。

【図３】 図１の実験装置に取り付けた超音波センサ出
力の周波数スペクトル図である。

【図４】 本発明の第１実施形態に係る超音波による排
水処理装置の概要図である。

【図５】 本発明の第２実施形態に係る超音波による排
水処理装置の概要図である。

【図６】 塩濃度差による脱気試験概略図で、図６
(Ａ)、(Ｂ)は実験装置、図６(Ｃ)はその実験結果を示す
グラフ図である。

【図７】 本発明の第２実施形態に係るバブリング法に
よる排水処理装置の概要図である。

【図８】 本発明の第２実施形態に係る電気分解法によ
る排水処理装置の概要図である。

【図９】 本発明の第２実施形態に係る加圧水による排
水処理装置の概要図である。

【図１０】 本発明の第２実施形態に係る脱塩装置を加
えた加圧水による排水処理装置の概要図である。

【図１１】 グルコースと蒸留水に夫々の高周波吸収試
験結果を示すグラフ図である。

【図１２】 本発明の第２実施形態に係る高周波併用し
た加圧水による排水処理装置の概要図である。

【図１３】 従来技術に係るに係る加圧浮上法による排
水処理装置の概要図である。

【符号の説明】

１ ガラス管 ２ 実験対象水溶液 ３ 超音波伝達用としての水 ４ 容器 ５ 超音波振動子 ６ 超音波発振電源 ７ 超音波センサ １１ 排水処理装置 １２ 凝集部抜き取り口 ２１ 超音波進行方向 ２２ 反射板 ２３ 処理塔 ２４ タンク １０１ 排水処理槽 １０２ 活性汚泥処理槽 １０３ 加圧タンク ２０１ ろ過板 ２０２ コンプレッサ ２０３ 塩化物イオン含有水 ２０５ 電気分解用電極 ２０６ 電源 ２０７ 脱塩装置 ２０８ 高周波電極 ２０９ 高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 龍原 潔 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 菅田 清 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者 山下 一郎 横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重 工業株式会社横浜研究所内 Ｆターム(参考） 4D037 AA05 AA11 AB02 AB03 AB11 AB12 AB15 BA02 BA03 BA26 BB04 BB05 BB09 CA04 CA07 CA08

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分子間力によって拘束水と結合している
   溶質を含んだ水溶液中より、前記溶質を分離する水処理
   方法において、 前記溶質に結合している拘束水を破壊若しくは分離する
   とともに、該溶質に拘束水の再拘束を阻害する手段を付
   与しながら該溶質を水溶液中より凝集分離することを特
   徴とする水処理方法。
2. 【請求項２】 窒素、燐若しくは有機系水溶性溶解物
   を、水溶液中より凝集分離する水処理方法において、 水溶性溶解物に分子間力によって結合している拘束水を
   破壊若しくは分離するとともに、該拘束水の再拘束を阻
   害する手段を、前記水溶液中に付与しながら該溶解物を
   水溶液中より凝集分離することを特徴とする水処理方
   法。
3. 【請求項３】 水溶液からの溶解物質の濃縮を行う水処
   理方法において、 水溶性溶解物に分子間力によって結合している拘束水を
   破壊若しくは分離するとともに、該拘束水の再拘束を阻
   害する手段を、前記水溶液中に付与しながら該溶解物の
   濃縮を行うことを特徴とする水処理方法。
4. 【請求項４】 前記拘束水の再拘束を阻害する手段が、
   直径１０μｍ以下の微細気泡群であることを特徴とする
   請求項１、２、３記載の水処理方法。
5. 【請求項５】 前記拘束水を破壊若しくは分離する手段
   が、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波、複数の周波数域
   にピーク値を有する超音波若しくは０．１モル／リット
   ル以上の塩化物イオン、直径１０μｍ以下の微細気泡群
   若しくはこれらの組み合わせである事を特徴とする請求
   項１、２、３記載の水処理方法。
6. 【請求項６】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ
   気泡群を発生させる手段として、超音波印加により生じ
   るキャビテーションにより微細な気泡を発生させること
   を特徴とする請求項４記載の水処理方法。
7. 【請求項７】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ
   気泡群を発生させる手段として、０．１モル／リットル
   以上の塩化物イオンを含んだ水溶液を、前記水溶液の水
   処理部内に供給しつつ、該塩化物イオンを含んだ水溶液
   中に濾過板を介して空気を吹き込み前記水処理部内に気
   泡群を形成することを特徴とする請求項４記載の水処理
   方法。
8. 【請求項８】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ
   気泡群を発生させる手段として、前記水溶液の水処理部
   内に電極板を設け、０．１モル／リットル以上の塩化物
   イオンを含んだ水溶液を前記電極板間に供給しながら、
   前記電極板に電圧を印加させて電気分解を起こして気泡
   群を形成することを特徴とする請求項４記載の水処理方
   法。
9. 【請求項９】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含んだ
   気泡群を発生させる手段として、０．１モル／リットル
   以上の塩化物イオンを含んだ水溶液に空気を加圧溶解さ
   せた加圧水を、前記水溶液の水処理部内に供給し、加圧
   浮上法にて気泡群を形成することを特徴とする請求項４
   記載の水処理方法。
10. 【請求項１０】 前記水溶液の水処理部の後段に脱塩処
    理部を設け、該脱塩処理部にて塩化物イオンが濃縮排出
    された水溶液を塩化物イオンを含んだ水溶液として用い
    ることを特徴とする請求項７、８。９記載の水処理方
    法。
11. 【請求項１１】 前記水溶液中に、直径１０μｍ以下の
    微細な気泡を含んだ気泡群とともに、１０ＭＨｚから１
    ＧＨｚの高周波を印加することで、気泡群と水溶液中の
    溶質物質との吸着作用を向上させる事を特徴とする請求
    項１、２，３記載の水処理方法。
12. 【請求項１２】 分子間力によって拘束水と結合してい
    る窒素、燐若しくは有機系水溶性溶解物等の溶質を含ん
    だ水溶液中より、前記溶質を分離若しくは濃縮を行う水
    処理装置において、 前記水溶液が貯留されている貯留槽内で、前記溶質に結
    合している拘束水を破壊若しくは分離するとともに、該
    貯留槽内に前記溶質に拘束水の再拘束を阻害する手段を
    付与しながら該溶質を水溶液中より凝集分離若しくは該
    溶質を含む溶解物の濃縮を行うことを特徴とする水処理
    装置。
13. 【請求項１３】 前記拘束水の再拘束を阻害する手段
    が、直径１０μｍ以下の微細気泡群であることを特徴と
    する請求項１２記載の水処理装置。
14. 【請求項１４】 前記拘束水を破壊若しくは分離する手
    段が、１０ＭＨｚから１ＧＨｚの高周波、複数の周波数
    域にピーク値を有する超音波若しくは０．１モル／リッ
    トル以上の塩化物イオン、直径１０μｍ以下の微細気泡
    群若しくはこれらの組み合わせである事を特徴とする請
    求項１２記載の水処理装置。
15. 【請求項１５】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含ん
    だ気泡群を発生させる手段が、超音波印加により生じる
    キャビテーションにより微細な気泡を発生させる手段、
    ０．１モル／リットル以上の塩化物イオンを含んだ水溶
    液を、前記水溶液の水処理部内に供給しつつ、該塩化物
    イオンを含んだ水溶液中に濾過板を介して空気を吹き込
    み前記水処理部内に気泡群を形成する手段、前記水溶液
    の水処理部内に電極板を設け、０．１モル／リットル以
    上の塩化物イオンを含んだ水溶液を前記電極板間に供給
    しながら、前記電極板に電圧を印加させて電気分解を起
    こして気泡群を形成する手段、０．１モル／リットル以
    上の塩化物イオンを含んだ水溶液に空気を加圧溶解させ
    た加圧水を、前記水溶液の水処理部内に供給し、加圧浮
    上法にて気泡群を形成する手段のいずれか１若しくは複
    数の組み合わせである請求項１３，若しくは１４記載の
    水処理装置。
16. 【請求項１６】 直径１０μｍ以下の微細な気泡を含ん
    だ気泡群を発生させる手段が、０．１モル／リットル以
    上の塩化物イオンを含んだ水溶液を前記貯留槽の下部に
    供給し、該塩化物イオン水溶液貯留部に気泡発生用の物
    理的手段を付与して行われるとともに、前記貯留槽の後
    段に脱塩処理槽を設け、該脱塩処理槽にて塩化物イオン
    が濃縮排出された水溶液を前記貯留槽の下部に再供給す
    ることを特徴とする請求項１３若しくは１４記載の水処
    理装置。