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JP2010022960A - 水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法 - Google Patents

水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法 Download PDF

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JP2010022960A
JP2010022960A JP2008188544A JP2008188544A JP2010022960A JP 2010022960 A JP2010022960 A JP 2010022960A JP 2008188544 A JP2008188544 A JP 2008188544A JP 2008188544 A JP2008188544 A JP 2008188544A JP 2010022960 A JP2010022960 A JP 2010022960A
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activated carbon
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JP2008188544A
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Kazuyuki Yamazaki
和幸 山嵜
Kazumi Nakajo
数美 中條
Koji Iwata
耕治 岩田
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Sharp Corp
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Abstract

【課題】有機フッ素化合物濃度が低くて、被処理水の量が多量であっても、低コストで、有機フッ素化合物の分解除去ができる水処理装置および水処理方法を提供すること。
【解決手段】有機フッ素化合物含有水を2段階で処理する。第1段階では、ナノバブルで有機フッ素化合物含有水を分解することによって生成した分解物を、固定された活性炭32,33,34で吸着処理する。第2段階では、第1段階で処理された処理水中の低濃度の有機フッ素化合物をナノバブルで分解して生成した分解物を、流動している活性炭67で吸着処理する。
【選択図】図1

Description

本発明は、水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法に関する。本発明は、特に、パーフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)およびパーフルオロオクタン酸(PFOA)の分解除去に使用されれば好ましい水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法に関する。
ダイオキシン同様、国際的に、有機フッ素化合物としてのパーフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)やパーフルオロオクタン酸(PFOA)の環境汚染が問題化しつつある。
有機フッ素化合物は化学的に安定な物質である。上記有機フッ素化合物は、耐熱性および耐薬品性の観点から優れた性質を有することから、各種界面活性剤、半導体製造における反射防止膜等産業用材料として広く用いられている。
しかしながら、上記有機フッ素化合物は、化学的に安定な物質であるが故に微生物分解がされにくい。また、微生物分解がされにくい故、環境中に放出されると環境汚染を引き起こす。
例えば、上記有機フッ素化合物としてのパーフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)やパーフルオロオクタン酸(PFOA)は、生態系での分解が進まないことから生態系への影響が懸念されている。すなわち、上記パーフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)やパーフルオロオクタン酸(PFOA)は、化学的に安定なため、熱分解させるためには、約1000℃以上の高温を必要とする。また、この分解法を回避しようにも、従来の微生物や従来の光触媒等による処理では分解が極めて困難である。
このような背景において、従来、PFOS、PFOA等難分解性有機フッ素化合物含有水の処理としては、燃焼方式や、高圧の超臨界方式がある。ここで、上記燃焼方式は、上述のように、非常な高温が必要不可欠であるから、燃料を消費して、地球温暖化を助長する。
また、半導体工場から排出される有機フッ素化合物含有排水中の有機フッ素化合物濃度は、その濃度がppbレベルの濃度で低い一方、その排水量は、1日あたり数十トンから数百トンにあり、非常に多いのが現状である。
ここで、従来技術は、有機フッ素化合物濃度が高濃度で排水量が少ない場合にしか適用できず、具体的には、排水量が、多くて1日数トンの場合にしか適用できないという課題がある。
また、河川水や湖水の水処理の場合、河川水や湖水の有機フッ素化合物濃度は、排水の場合よりもさらに低く、かつ、水量も更に多いから、従来の方法の使用は、事実上不可能である。
ここで、従来、ナノバブルの利用方法としては、特開2004−121962(特許文献1)に記載されているものがある。
この方法は、ナノバブルが有する浮力の減少、表面積の増加、表面活性の増大、局所高圧場の生成、静電分極の実現による界面活性作用、および、殺菌作用などの特性を活用している。より具体的には、それらが相互に関連することによって、汚れ成分の吸着機能、物体表面の高速洗浄機能、および、殺菌機能を向上させ、各種物体を高機能、低環境負荷で洗浄し、また、汚濁水の浄化を行っている。
また、ナノバブルの利用方法および装置としては、特開2003−334548(特許文献2)に記載されているものがある。
この方法は、液体中において、液体の一部を分解ガス化し、液体中で超音波を印加して、ナノ気泡を生成している。
また、オゾンマイクロバブルを利用する廃液の処理装置としては、特開2004−321959(特許文献3)に記載されているものがある。
この装置は、オゾンマイクロバブルを、ガス吹き出しパイプの開口部より処理槽内の廃液中に通気して、廃液の処理を行っている。
しかしながら、上述の文献等を参照しても、ナノバブルが、有機フッ素化合物の分解を行うことができるか否かですら、一切わからず、有機フッ素化合物を産業上利用できる方法で、分解除去できる方法が、知られていないというのが現状である。
特開2004−121962号公報 特開2003−334548号公報 特開2004−321959号公報
有機フッ素化合物の分解法としては、国際会議でも、1000℃以上の焼却しか方法が存在しないと考えられている。捕捉すると、有機フッ素化合物における化学構造式である炭素とフッ素の結合は、安定しているが故、強酸の中でも分解することがない。また、一般的な被処理水の浄化においては、活性炭吸着方式も存在するが、活性炭は、被処理水中に有機物が存在すれば、全ての有機物を吸着して、破過し易いから、活性炭を頻繁に取り替える必要があり、活性炭の交換に関係するランニングコストが非常に高い。したがって、効率が非常に悪く、現実的に活性炭吸着方式の採用は経済的に問題がある。
このような背景において、非常に安定な有機フッ素化合物は、環境中に放出されて、世界中をめぐり、はてには、世界中のあらゆる生物に濃縮してきた。例えば、有機フッ素化合物は、北極熊、アザラシ、鯨からも検出されて、国際的環境汚染の原因になっている。
したがって、有機フッ素化合物を、低コストで、産業上利用できる方法で、分解除去できる装置および方法を提供する意義は、非常に大きい。
このような背景において、上述のように、各工場から排出される有機フッ素化合物含有排水や、河川水、湖水においては、有機フッ素化合物濃度が低い一方、被処理水の量が、多量であるから、上記燃焼方式、および、上記高圧の超臨界方式の技術では、経済的な理由から、有機フッ素化合物の処理を行うことが不可能である。また、上記燃焼方式、および、上記高圧の超臨界方式は、建設費やランニングコストの面からも費用が高く、有機フッ素化合物の処理に適さない。
そこで、本発明の課題は、有機フッ素化合物濃度が低くて、被処理水の量が多量であっても、低コストで、有機フッ素化合物の分解除去ができる水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の水処理装置は、
第1ナノバブル発生機と、
第2ナノバブル発生機と、
上記第1のナノバブル発生機からのナノバブルが吐出され、かつ、そのナノバブルによって、有機フッ素化合物を含む有機フッ素化合物含有水中の上記有機フッ素化合物を分解することによって生成された炭素とフッ素の分解物を除去する前段分解部と、
上記前段分解部で処理された第1処理水が導入されると共に、上記第2ナノバブル発生機からのナノバブルが吐出され、かつ、そのナノバブルによって上記第1処理水中の上記有機フッ素化合物を分解することによって生成された炭素とフッ素の分解物を除去する後段分解部と
を備えることを特徴としている。
本発明によれば、有機フッ素化合物含有水に2段階でナノバブルバブルを吐出させて混合し、ナノバブルが有するラジカルによる酸化力を利用して、上記有機フッ素化合物の炭素とフッ素の結合を分解し、低分子した炭素とフッ素の分解物を2段階でガス化して換気除去することができる。すなわち、強固な炭素とフッ素の結合を第1段階で分解し、残存している低分子化した炭素とフッ素の分解物を、さらに第2段階での液相でガス化して除去することができる。
尚、ラジカル(別名、フリーラジカル)とは、不対電子をもつ原子や分子、あるいは、イオンのことである。ラジカルは、通常反応性が高いために、生成するとすぐに他の原子や分子との間で酸化還元反応を起こし安定な分子やイオンとなる。このことから、ラジカルは、強い酸化力があり、強固な炭素とフッ素の結合を分解し、炭素とフッ素の化合物を低分子化し、更に、ガス化することができる。ナノバブル発生機によるナノバブルは、ラジカルすなわち酸化力が、マイクロバブルや、マイクロナノバブルと比較して、格段に強力である。
尚、本発明者は、ガス化した分解物の成分を、高度分析(GC-MS)により確認した。詳しくは、分解の結果生成したガス化を、高度測定装置にて捕集し、成分を確認した。ガス化した分解物としては、例えば、CF(CF)nH (ここで、n=3,4,5,6)(PFCガスの1種=パーフルオロカーボンと呼ばれる気体=温室効果ガス)があり、また、CF(CF)COOCH(ここで、m=5,6)があった。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々は、直列に接続された3つの気液混合気体せん断部を有する。
上記実施形態によれば、各ナノバブル発生機が3つの気液混合気体せん断部を有しているから、ナノバブルを大量に発生させることができる。
また、一実施形態では、
上記前段分解部および上記後段分解部の夫々は、上部と、その上部よりも鉛直方向下方に位置する下部とからなり、
上記第1ナノバブル発生機からのナノバブルは、上記前段分解部の上記下部に吐出されると共に、上記第2ナノバブル発生機からのナノバブルは、上記後段分解部の上記下部に吐出され、
上記前段分解部の上部は、上記前段分解部の上記下部で有機フッ素化合物が分解されることによって発生する上記分解物のガスを吸着処理する吸着処理部を有し、
上記後段分解部の上部は、上記後段分解部の上記下部で有機フッ素化合物が分解されることによって発生する上記分解物のガスを吸着処理する吸着処理部を有する。
上記実施形態によれば、前段分解部において、下部でナノバブルにより有機フッ素化合物を分解することによって発生するガスを、上部で吸着処理することができ、かつ、後段分解部において、下部でナノバブルにより有機フッ素化合物を分解することによって発生するガスを、上部で吸着処理することができる。
また、一実施形態では、
上記前段分解部の上記上部に空気を供給する前段上部空気供給部と、
上記前段分解部の上記下部に存在する液体を曝気する前段下部曝気部と、
上記後段分解部の上記下部に存在する液体を曝気する後段下部曝気部と
を備える。
尚、空気供給部としては、例えば、ファンや、ブロワーがある。
上記実施形態によれば、前段分解部上部に、前段上部空気供給部によって、新鮮な空気を供給でき、その結果、前段分解部の水面近くの蒸気圧が飽和した状態でなくなり、有機フッ素化合物の分解を促進できる。また、前段下部曝気部および後段下部曝気部で、液中を曝気することによって、液中に発生した分解物のガスを効率的に除去することができる。
また、一実施形態では、
上記前段分解部の上記吸着処理部は、活性炭収容部と、この活性炭収容部に収容された活性炭とを有し、
上記後段分解部の上記吸着処理部は、活性炭を含む水を散水する散水部を有する。
上記実施形態によれば、液中の有機物を、上記活性炭によって吸着処理することができる。また、分解物の濃度が低い、後段分解部において、液中に流動する活性炭を用いているから、後段分解部において、効率的に、分解物を吸着処理することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々は、
気液混合循環ポンプと、
気体の通過を制御する電動ニードルバルブを有する第1気体せん断部と、
第2気体せん断部と、
第3気体せん断部と
を有する。
上記実施形態によれば、第1気体せん断部でマイクロバブルを生成でき、第2気体せん断部で一部ナノバブルを生成でき、最終的に、第3気体せん断部でナノバブルを多量に生成することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記電動ニードルバルブを通過する空気の量は、1.2リットル/分以下である。
上記実施形態によれば、ナノバブルを大量に発生させることができる。空気の量が、必要以上に多いと、ナノバブルが発生しにくくなるのである。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部は、楕円形状もしくは真円形状であり、上記各第1気体せん断部の内面は、2以上の溝を有する。
上記実施形態によれば、上記各第1気体せん断部の内面が、2以上の溝を有しているから、マイクロバブル発生部での流体の旋回乱流を制御することができる。そして、空気のせん断を安定的に行うことができて、マイクロバブルを大量に発生させることができる。
また、一実施形態では、
上記溝の深さが、0.3mm〜0.6mmであり、上記溝の溝幅が0.8mm以内である。
上記実施形態によれば、マイクロバブル発生部での流体の旋回乱流を、更に精密に制御することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプにおいて、その気液混合循環ポンプの吐出配管の断面は、上記気液混合循環ポンプの吸い込み配管の断面よりも小さい。
上記実施形態によれば、空気のせん断を安定的に行うことができて、効率よくナノバブルを発生させることができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプは、その気液混合循環ポンプの出力が最大値に達した後に、気体の取り込みを行う。
最初から空気を気液混合循環ポンプに導入するとキャビテーションの原因となって、ポンプが損傷する可能性がある。ここで、キャビテーションとは、高速で流れる液体(水など)の中の圧力の低い部分が気化して、非常に短い時間に蒸気のポケットが生まれ、また非常に短時間でつぶれて消滅する現象のことをいう。
上記実施形態によれば、気液混合循環ポンプが、その気液混合循環ポンプの出力が最大値に達した後に、気体の取り込みを行うようになっているから、気液混合循環ポンプにおいて、キャビテーションが起こることがなくて、ポンプが損傷することがない。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプは、その気液混合循環ポンプが稼働してから60秒経過後に、気体の取り込みを行う。
上記実施形態によれば、気液混合循環ポンプの出力が最大に達した後に、気体の取り込みを行うことができる。気液混合循環ポンプの出力が最大に達するのに、60秒かからないからである。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部において、マイクロバブル発生部側面に対する気体流入管の入射角は、略18°である。
上記実施形態によれば、ナノバブル発生機において、空気のせん断を安定的に行うことができて、マイクロナノバブルを大量に発生させることができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部の厚みが、6mm以上12mm以下である。
上記実施形態によれば、運動エネルギーの損失を抑制できて、マイクロバブルを安定的かつ効率的に発生させることができる。
また、一実施形態では、
上記後段分解部の上記上部は、活性炭を含む水を充填する活性炭充填部を有する一方、上記後段分解部の上記下部は、曝気を行う後段下部曝気部を有する。
上記実施形態によれば、前段分解部の上部の活性炭で、分解によって生成された分解物を吸着処理でき、また、上記後段分解部の上記下部の曝気で、後段分解部内の液体を活性化することができる。また、上記実施形態によれば、上記後段分解部の上記下部の曝気で、活性炭を流動状態にすることができて、被処理水中の微量有機フッ素化合物と活性炭との接触を多くすることができる。
また、一実施形態では、
上記後段分解部の上記下部は、その下部の底面が略水平方向に広がっている状態で、水平面に対して30°以上の勾配を有する斜面を有する。
上記実施形態によれば、傾斜壁の設置により、活性炭全量を効果的に流動状態とすることができる。そして、活性炭と被処理水との接触効率を大きくすることができる。
また、一実施形態では、
上記後段下部曝気部は、
ブロワーと、
このブロワーに連結されると共に、上記後段分解部の上記下部に連通している空気撹拌用散気管と
を有し
上記活性炭充填部は、上記空気拡散用散気管の鉛直方向上方に位置する活性炭吸入管を有し、
上記後段分解部の上記上部は、活性炭を含む水を散水する散水部を有し、
上記活性炭吸入管で吸入された液体は、活性炭散水ポンプによって上記散水部に送られる。
上記実施形態によれば、後段分解部内を流動している活性炭を、活性炭散水ポンプと連結した活性炭吸込配管で吸込み、第2吸着箱の上部から活性炭を散水できると同時に、第2吸着箱の分解物ガスを散水している活性炭で吸着処理することができる。
尚、本発明において、分解物を2段階で換気除去する場合、例えば、第1段階で、ファンの換気による除去を行い、第2段階でブロワーより吐出する空気による除去を行う。通常、ブロワーは、水槽内の空気撹拌に利用され、当業者においては、ブロワーを、水槽内の分解物のガスの除去に利用するという思想は、存在していない。本発明者は、流動する活性炭を使用すれば、ブロワーから吐出する空気を用いて、効率よく、分解物を除去することができることを発見したのである。
また、一実施形態では、
上記後段分解部の上記下部に、全有機炭素計を設置し、
上記全有機炭素計が計測した上記後段分解部の上記下部の前有機炭素濃度に基づいて、上記ブロワーの電動機と上記活性炭散水ポンプの電動機の回転速度を制御する。
上記実施形態によれば、上記後段分解部の上記下部に、全有機炭素計を設置しているから、上記後段分解部の上記下部において、全有機炭素量が高い場合に、水質が悪化していることを判断でき、この場合に、活性炭散水ポンプとブロワー両方の電動機において、回転数を増加させることにより、活性炭をより離散的な流動状態とすることができる。したがって、全有機炭素量濃度を低減できて、分解ガスの除去率を向上させることができる。尚、全有機炭素量濃度が低い場合において、分解ガスの除去率が高くなることを言うまでもない。
また、一実施形態では、
上記後段分解部の上記下部に、化学的酸素要求量計を設置し、
上記化学的酸素要求量計が計測した化学的酸素要求量に基づいて、上記ブロワーの電動機と上記活性炭散水ポンプの電動機の回転速度を制御する。
上記実施形態によれば、上記後段分解部の上記下部に、化学的酸素要求量計を設置しているから、上記後段分解部の上記下部において、化学的酸素要求量が高い場合に、水質が悪化していることを判断でき、この場合に、活性炭散水ポンプとブロワー両方の電動機において、回転数を増加させることにより、活性炭をより離散的な流動状態とすることができる。したがって、化学的酸素要求量濃度を低減できて、分解ガスの除去率を向上させることができる。尚、化学的酸素要求量濃度が低い場合において、分解ガスの除去率が高くなることを言うまでもない。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンガスである一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、空気である。
上記実施形態によれば、オゾンガスのナノバブルを生成できる。ここで、オゾンナノバブルは、強力な酸化作用を有するから、有機フッ素化合物を強力に酸化分解することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、酸素である一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、空気である。
上記実施形態によれば、酸素ガスのナノバブルを生成できる。ここで、酸素ナノバブルは、空気からなるナノバブルよりも酸化力が強いので、有機フッ素化合物を強力に酸化分解することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンであり、また、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンである。
上記実施形態によれば、酸化作用が強力なオゾンナノバブルを、2段階で使用しているから、有機フッ素化合物を強力に酸化分解することができる。
また、一実施形態では、
上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンである一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、酸素である。
上記実施形態によれば、第1段階で、オゾンナノバブルの強力な酸化作用により、また、第2段階で、酸素ナノバブルにより、効率的に有機フッ素化合物を強力に酸化分解することができる。尚、第1段階でのナノバブルを、オゾンナノバブルとしているのは、有機フッ素化合物の濃度が、第2段階よりも第1段階の方が高濃度だからである。
また、一実施形態では、
上記前段分解部の上記活性炭収容部に収容された上記活性炭はゼオライトであり、かつ、上記後段分解部の散水ノズルからの散水中に存在する活性炭がゼオライトである。
上記実施形態によれば、ゼオライトに、有機物を効率的に吸着できて、被処理水の浄化を効率的に行うことができる。
また、本発明の有機フッ素化合物含有水の水処理方法は、
有機フッ素化合物を含有する有機フッ素化合物含有水に、ナノバブルを吐出して混合して、ナノバブルが有するラジカルによる酸化力で、上記有機フッ素化合物において、炭素とフッ素との結合を分解して、上記有機フッ素化合物の分子量よりも小さい分子量の炭素とフッ素の分解物を生成し、
上記炭素とフッ素の分解物をガス化して除去することを特徴としている。
本発明によれば、有機フッ素化合物を効率的に分解除去することができる。
また、一実施形態では、
上記有機フッ素化合物含有水は、パーフルオロオクタンスルホン酸と、パーフルオロオクタン酸とのうちの少なくとも一方を含んでいる。
上記実施形態によれば、有害な、パーフルオロオクタンスルホン酸と、パーフルオロオクタン酸とのうちの少なくとも一方を、分解除去できる。
尚、難分解性有機フッ素化合物の代表が、PFOS(パーフルオロオクタンスルホン酸)やPFOA(パーフルオロオクタン酸)である。
国際的条約であるストックホルム条約で、PFOS(パーフルオロオクタンスルホン酸)の使用を全面的に禁止するか、制限付で認めるか議論されている。そして、ジュネーブ2009年5月での国際会議で結論がでる予定である。
その様な状況の中、無害化技術を実現できる本発明を、2008年10月の国際会議で報告すれば、環境に影響することなく、PFOSの管理が充分できる条件で、国際的にも、国内法においても、制限付でPFOSの使用が認められる可能性がある。このため、本発明は、非常に重要な意義を有している。
また、一実施形態では、
ナノバブルで有機フッ素化合物含有水中の有機フッ素化合物を分解することによって生成した分解物を、固定された活性炭で吸着処理し、
その後、ナノバブルで有機フッ素化合物が分解されて、分解物が上記固定された活性炭で吸着処理された後の第1処理水中の有機フッ素化合物を、ナノバブルで分解して、その分解によって生成した分解物を、上記第1処理水に流動させた活性炭で吸着処理する。
上記実施形態によれば、分解物の濃度が高い第1段階で固定された活性炭を用いる一方、分解物の濃度が低い第2段階で流動する活性炭を用いているから、有機フッ素化合物を効率良く分解除去できる。
また、一実施形態では、
上記有機フッ素化合物含有水中に、活性炭を添加し、その活性炭を、曝気撹拌によって流動状態とする。
上記実施形態によれば、有機フッ素化合物含有水中に、活性炭が、曝気撹拌によって流動しているから、被処理水中の微量有機フッ素化合物と活性炭との接触の頻度を多くすることができる。したがって、活性炭に、分解物のガスを、効率良く吸着させることができて、除去することができる。
また、一実施形態では、
有機フッ素化合物含有水中の有機フッ素化合物を、ナノバブルで、上記分解物に分解すると共に、その分解物を、ファンによって、ガス化して除去する第1処理を行い、
上記第1処理後を行った後の有機フッ素化合物含有水内の上記有機フッ素化合物を、ナノバブルで、上記分解物に分解すると共に、その分解物を、ブロワーから吐出する空気を用いて除去する。
上記実施形態によれば、分解物を、効率よく、除去することができる。
本発明の水処理装置および有機フッ素化合物含有水の水処理方法によれば、有機フッ素化合物を効率的に分解して除去することができる。
以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態の水処理装置の模式図である。
この水処理装置は、原水槽2、前段分解部としての前段分解吸着部83、および、後段分解部としての後段分解吸着部84を備える。
上記原水槽2には、流入配管1を通った有機フッ素化合物含有水が流入するようになっている。ここで、上記有機フッ素化合物含有水の例としては、各工場より排水される有機フッ素化合物含有排水や、有機フッ素化合物を微量含有している一般河川水や一般湖水等がある。
上記原水槽2には、原水ポンプ3が設置されている。上記原水ポンプ3は、有機フッ素化合物含有水を、前段分解吸着部83の第1分解部水槽63に移送している。
上記前段分解吸着部83は、上部としての分解物ガス吸着部21と、下部としての第1分解部水槽63とを有する。一方、上記後段分解吸着部84は、上部としての第2吸着箱58と、下部としての第2分解部水槽75とを有する。上記第1分解部水槽63と、第2分解部水槽75とは、出口水配管36で連通し、第1分解部水槽63から第2分解部水槽75に、前段分解吸着部83で処理された第1処理水が流れ込むようになっている。
上記原水ポンプ3を運転することによって、被処理水が、第1分解部水槽63内に移送導入される。また、上記原水ポンプ3の水流15と、第1ナノバブル発生機61の第3気体せん断部12から吐出するナノバブル流13によって、第1分解部水槽63内が攪拌されるようになっている。
上記前段分解部吸着部83の上部である分解物ガス吸着部21は、前段上部空気供給部としてのファン17と、第1吸着箱64を有し、第1吸着箱64は、排気煙突35、上部取出口24、中間部取出口23、および、下部取出口22を有する。上記前段分解吸着部83の下部である第1分解部水槽63の外部には、第1ナノバブル発生機61が設置されている。上記第1ナノバブル発生機61と、第1分解部水槽63とは、水配管9を介して連通し、ナノバブルが、水配管9を介して第1分解部水槽63に導入されるようになっている。上記第1分解部水槽63に導入された有機フッ素化合物含有水中のPFOS、PFOA等は、ナノバブル発生機61より吐出するナノバブルによって、酸化分解されるようになっている。
PFOS、PFOA等は化学的に安定な物質であると考えられている。もっと一般的には、炭素とフッ素とを有する構造がある化合物は、従来の方法では、分解できないと考えられている。しかし、本発明者は、これらの安定な物質であっても、ナノバブルを用いて、時間をかければ、ナノバブルが生成するラジカルによる酸化作用によって、分解することができることを発見した。尚、ラジカルは、通常反応性が高いために、生成するとすぐに他の原子や分子との間で酸化反応を起こし、安定な分子やイオンになる性質を有する。
次に、上記第1ナノバブル発生機61のメカニズムを詳細に説明する。上記第1ナノバブル発生機61は、気液混合循環ポンプ5と、第1気体せん断部6と、第2気体せん断部8と、第3気体せん断部12と、電動ニードルバルブ11と、それらを連結する配管から構成されている。
ナノバブルは、大きくは、第1段階と、第2段階とを経て、製造される。
第1段階においては、第1気体せん断部6において、流体力学的に圧力を制御し、負圧形成部分から気体を吸入し、その吸入した気体および水を、高速流体運動させて、負圧部を形成し、マイクロバブルを発生させる。より解かりやすく簡単に説明すると、水と空気を効果的に自給混合溶解し、圧送することにより、マイクロバブル白濁水を生成する。
次に、第2段階においては、第2気体せん断部8と第3気体せん断部12において、空気および水を、高速流体運動させて、負圧部を形成し、有用物質含有マイクロバブルを発生させる。第1段階において生成したマイクロバブル白濁水を、第2気体せん断部8と第3気体せん断部12に、水配管を通じて導入し、流体運動としてせん断することによって、マイクロバブルからナノバブルを発生させる。
以下、より詳しく、第1段階および第2段階について説明する。
(第1段階)
第1ナノバブル発生機61に使用している気液混合循環ポンプ5は、揚程40m以上(すなわち、4kg/cmの高圧)の高揚程のポンプである。すなわち、第1気体せん断部6を有する気液混合循環ポンプ5は、高揚程のポンプであり、かつ、トルクが安定している2ポール(ポンプには、2ポールと4ポールがあり、2ポールのポンプが、トルクが安定しています。)型のポンプである。
また、上記気液混合循環ポンプ5は、圧力の制御が必要である。この圧力の制御は、例えば、上記高揚程のポンプの回転数を回転数制御器(一般的にはインバーターと呼ばれています。)で制御することで行われる。ポンプの回転速度の制御によって、目的にあった圧力を生成することで、バブルサイズが纏まったマイクロバブルを製造することができる。
次に、上記第1気体せん断部6を有する気液混合循環ポンプ5のマイクロバブル発生のメカニズムについて説明する。上記第1気体せん断部6において、マイクロバブルを発生させるために、液体および気体の混相旋回流を発生させ、第1気体せん断部6の中心部に高速旋回させる気体空洞部を形成する。次に、この空洞部を圧力で竜巻状に細くして、より高速で旋回する回転せん断流を発生させる。この空洞部に気体としての空気(オゾン、炭酸ガス、窒素ガス、酸素ガス、の場合もあるが、本発明では、単に空気としたが、目的によって、他の気体を選定しても良い。)を、マイナス圧(負圧)を利用して、自動的に供給する。さらに、切断粉砕しながら混相流を回転する。この切断・粉砕は、装置出口付近における内外の気液二相流体の旋回速度差により起きる。この旋回の回転速度は、500〜600回転/秒である。
すなわち、上記第1気体せん断部6において、流体力学的に圧力を制御することで、負圧形成部分から気体を吸入し、高揚程ポンプで高速流体運動させて、負圧部を形成し、有用物質含有マイクロバブルを発生させる。より解かりやすく簡単に説明すると、第1段階では、高揚程ポンプで水と空気を効果的に自給混合溶解し、圧送することにより、マイクロバブル白濁水を製造する。
尚、気液混合循環ポンプ5の運転は、シーケンサー(表示せず)の信号により制御する。上記第1気体せん断部6の内部形状は、一般的には、楕円形であり、更に好ましくは、真円形であり、この場合、せん断の効果を、最大にできる。更には、内部は、内部摩擦を小さくする為に鏡面仕上げされている。また、上記第1気体せん断部6の内部に、流体の旋回乱流を制御するために、溝深さ0.3mm〜0.6mm、溝幅0.8mm以内の溝を設けている。
(第2段階)
上記第1気体せん断部6を有する気液混合循環ポンプ5で、発生させたマイクロバブルを、第2気体せん断部8に水配管を通じて圧送するが、第2気体せん断部8と、第3気体せん断部12においては、第1段階後、さらに、配管サイズを細くする。このようにして、流体を、高速流体運動させて、流体の流れを、竜巻状に細くして、より高速で旋回する回転せん断流を発生させる。このようにして、マイクロバブルからナノバブルを発生させると同時に、超高温の極限反応場を生成する。
上記第2気体せん断部8と、第3気体せん断部12を設置している理由は、ナノバブル量をより多く発生させるためであり、気体せん断部を3段階で構成する方が、気体せん断部を1段階で構成する場合よりも、ナノバブルを、多量に発生させることができるからである。
すなわち、超高温の極限反応場が形成されると、局部的に高温高圧状態となり、不安定なフリーラジカル(別名ラジカル)ができ、それと同時に熱が発生する。上記第2気体せん断部8および第3気体せん断部12の夫々は、一般的には、ステンレス製であり、その形状は、楕円形、好ましくは、真円形である。また、上記第2気体せん断部8と第2気体せん断部12には、小孔が開いており、その吐出口径は、4mm〜9mmが最適である。
次に、第1段階での「高速流体運動」について説明する。
上記第1気体せん断部6において、マイクロバブルを発生させるために、「高速流体運動」を行う。
詳しくは、先ず、ポンプのインペラと呼ばれている羽を超高速で回転させる。このようにして、液体および気体の混相旋回流を発生させて、第1気体せん断部6の中心部に高速旋回させる気体空洞部を形成する。
次に、この空洞部を圧力で竜巻状に細くして、より高速で旋回する回転せん断流を生成する。この空洞部に気体としての空気(オゾン、炭酸ガス、窒素ガス、酸素ガスの場合もある。)を供給し、さらに、上記回転せん断流に、気体としての空気を供給した混相流を、切断粉砕しながら回転する。この切断・粉砕は、装置出口付近における内外の気液二相流体の旋回速度差により起きる。上記回転速度は、500〜600回転/秒である。
尚、上記第1気体せん断部6を構成する金属の厚みが薄いと、気液混合循環ポンプ5が運転されることにより、振動が発生して、この振動が伝播により外部に伝達する。すなわち、流体運動エネルギーの一部が、振動のエネルギーになって失われ、そのことが、必要な高速流動運動、すなわち、高速旋回のエネルギーとせん断エネルギーを低下させる。上記第1気体せん断部6を構成する金属の厚みを、6mm〜12mmの範囲に収めると、この現象を効果的に抑制できる。
次に、「流体運動としてせん断すること」について説明する。
上記第1気体せん断部6を有する気液混合循環ポンプ5で、発生させたマイクロバブルを、第2気体せん断部8と第3気体せん断部12に水配管を通じて圧送する。このとき、上記第2気体せん断部8と第3気体せん断部12においては、第1段階後さらに、配管サイズを細くして、流体の流れを、高速に、かつ、竜巻状に細くして、より高速で旋回する回転せん断流を発生させる。
次に、「負圧形成部分」について、説明する。「負圧形成部分」とは、装置出口付近における内外の気液二相流体の旋回速度差により発生する。上述のように、この旋回の回転速度は、500〜600回転/秒である。
次に「負圧部」について説明する。
「負圧部」とは、気体・液体混合物中で、周りと比較して圧力が小さな領域をさす。
以上が、第1ナノバブル発生機61のメカニズムである。
尚、第1ナノバブル発生機61を基本的に構成している気液混合循環ポンプ5、第1気体せん断部6、第2気体せん断部8、および、第3気体せん断部12のセットは、市販されているものならば、如何なるメーカーのものも使用できる。例えば、株式会社:協和機設の商品(具体的商品名:バビダスHYK型)を使用することができる。
ここで3種類のバブルについて説明する。
先ず、通常のバブル(気泡)とは、水の中を上昇して、ついには表面でパンとはじけて消滅するバブルを指す。
これに対し、マイクロバブルは、直径が、50ミクロン(μm)以下の微細気泡で、水中で縮小していき、ついには消滅(完全溶解)してしまうバブルを指す。
一方、ナノバブルは、マイクロバブルよりさらに小さいバブル(直径が1ミクロン以下の100〜200nm)でいつまでも水の中に存在することが可能なバブルである。
また、マイクロナノバブルとは、マイクロバブルとナノバブルとが混合したバブルである。
上記第1ナノバブル発生機61は、第1分解部水槽63内にナノバブルを吐出させて、ナノバブル流13を形成する。そして、形成されたナノバブル流13と、原水ポンプ3からの吐出水である水流15とが合流して、大きな水流となって、この水流で、第1分解部水槽63内の被処理水を撹拌する。
そして、上記第1分解部水槽63内の被処理水が撹拌されることにより、被処理水中の有機フッ素化合物(PFOS、PFOA等)がナノバブルのラジカルの酸化作用により、分解されて低分子の有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)になる。また、低分子の有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)は、ガス化して第1分解部水槽63の水面近くまで上昇する。
本発明者は、次に示す現象を発見した。
すなわち、上記第1分解部水槽63の水面近くの気相の状態が、飽和蒸気(気液両相が共存する状態や飽和蒸気が存在する状態)状態であれば、被処理水中の有機フッ素化合物(PFOS、PFOA等)は、ナノバブルが存在していても、分解されて低分子の有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)に変化しにくい。すなわち、分解物ガス38が発生しにくい状態となる。
逆に言えば、上記第1分解部水槽63の水面近くの気相の状態が、飽和蒸気(気液両相が共存する状態)状態でなければ、分解物ガス38は、よく発生して、被処理水中の有機フッ素化合物(PFOS、PFOA等)は、ナノバブルが存在する状態で、酸化分解されて低分子の有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)に変化する。
第1実施形態では、図1に示すように、ファン17により、吸込み口16より、絶えず新鮮な空気を、第1吸着箱64の下部に導入しているから、第1分解部水槽63の水面近くの気相の状態が、飽和蒸気(気液両相が共存する状態)状態になることを回避できる。
したがって、効果的に、被処理水中の有機フッ素化合物(PFOS、PFOA等)を分解でき、かつ、分解の結果生成したCF(CF)3H等多数の低分子有機フッ素化合物を、連続的にガス化して、分解物ガス38とでき、第1吸着箱64に充填されている下部活性炭32、中間部活性炭33、上部活性炭34に吸着させることができる。
被処理水中の有機フッ素化合物(PFOS、PFOA等)は、前段下部曝気部および後段下部曝気部としてのブロワー71からの吐出空気が空気配管70を通過して、散気管85から吐出して、気泡86を形成して、曝気状態にある時も、ファン17の運転時と同様に酸化分解されて低分子の有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)に変化する。上記ブロワー71から吐出する空気による換気除去も、ファン17による換気除去と同様の効果を発揮するのである。そして、両方による換気除去によって、PFOS、PFOA等有機フッ素化合物の分解を格段に促進するようになっている。
尚、下部活性炭32、中間部活性炭33、上部活性炭34は、それぞれの活性炭収容部である下部活性炭収容容器29、中間部活性炭収容容器30、上部活性炭収容容器31に収容されている。上記下部活性炭32、中間部活性炭33、上部活性炭34としては、例えば、クラレケミカル株式会社の粒状活性炭商品名クラレコール(気相用)を使用することができる。上記下部活性炭32、中間部活性炭33、上部活性炭34、下部活性炭収容容器29、中間部活性炭収容容器30、および、上部活性炭収容容器31は、吸着処理部を構成している。
上記下部活性炭32、中間部活性炭33、上部活性炭34における活性炭の代替として、各種吸着物質が考えられるが、有機フッ素化合物の種類や、濃度によっては、ゼオライトでも、適合する場合がある。
上記下部活性炭収容容器29、中間部活性炭収容容器30、上部活性炭収容容器31の夫々は、それぞれの固定穴あき台である下部固定穴あき台26、中間部固定穴あき台27、上部固定穴あき台28に設置されている。上記活性炭収容容器29,30,31と、固定穴あき台26,27,28とは、発生したガスが、活性炭と効率よく接触する様に、多数の小さな穴を有している。
破過状態すなわち寿命が来た活性炭は、収容容器のまま、それぞれの取出口である下部取出口22、中間部取出口23、上部取出口24から取り出されて、新品の活性炭と取り替えられるようになっている。
上記下部取出口22、中間部取出口23、上部取出口24は、すべてフランジ状態であるから、ボルトを緩めて蓋をはずし、活性炭収容容器を容易に取り出すことができる。そして、使用済の活性炭は、セメント工場に持ち込まれて、燃料汚泥として、有効利用される。
尚、前段分解部吸着部83は、下部が、正確には、規模の大きい第1分解部水槽63と、規模の小さい水槽37とから構成されている。上記水槽37は、単に、第2ナノバブル発生機73の吸込み配管44が設置されている被処理水の貯留槽の役目をしている。
上記水槽37を出た被処理水は、後段分解吸着部84の下部である第2分解部水槽75に導入される。尚、後段分解吸着部84は、上部の第2排気煙突59を有する第2吸着箱58と下部である第2分解部水槽75から構成されている。上記第2分解部水槽75の外部には、ブロワー71が設置され、ブロワー71からの空気を、空気配管70と散気管69を介して吐出させることにより、第2分解部水槽75内に充填された活性炭67を流動させるようになっている。上記活性炭67としては、例えば、クラレケミカル株式会社の粒状活性炭商品名クラレコール(液相用)を採用することができる。
上記活性炭67は、比重が1よりも大きいので、弱い曝気では第2分解部水槽底部68に沈降してしまうので、活性炭67が沈降しないレベルの曝気空気が必要不可欠である。
上記活性炭67が沈降しないレベルの曝気空気は、水槽容量あたり、50m/時間/m以上の空気量となる。そして、この空気量は、上記活性炭67が沈降しないで流動すると同時に、水中の微量有機フッ素化合物の分解物ガス(PFCガス=パーフルオロカーボンガス)を確実に、水面まで移動させて、かつ、大量の空気で換気除去することができる。
上記散気管69の上部には、活性炭吸込み管43が設置されている。散水ポンプ41が運転されることによって、散気管69の曝気空気で流動した状態の活性炭67が、活性炭吸込配管43から吸込まれて、水配管55を通過して、被処理水と活性炭67の混合物が、散水部としての散水ノズル56から散水されるようになっている。上記散水ノズル56および散水ノズル56から散水される被処理水と活性炭67の混合物とは、吸着処理部を構成している。
上記活性炭67が第2吸着箱58の上部散水ノズル56から散水されることによって、微量有機フッ素化合物としての微量PFOSやPFOAの分解物である低分子有機フッ素化合物(CF(CF)3H等多数)を吸着処理するようになっている。
尚、上記第2分解部水槽75が、傾斜壁66を有しているのは、活性炭67を、曝気空気が吐出する散気管69の近くに自然に沈降させて、集めるためである。このようにすることで、活性炭67を曝気空気で効率的に流動させることができる。また、上記第2ナノバブル発生機73の構成は、第1ナノバブル発生機61と全く同様であり、ナノバブル発生のメカニズムも全く同様である。
すなわち、第2ナノバブル発生機73を基本的に構成している気液混合循環ポンプ45、第1気体せん断部46、第2気体せん断部48と第3気体せん断部52のセットは、市販されているものならば、如何なるメーカーのものであっても良いが、本実施形態では、具体的には、株式会社:協和機設の商品(具体的商品名:バビダスHYK型)を第1ナノバブル発生機61と同様に採用している。
この実施形態の装置では、被処理水は、処理水74となって系外に排出されるようになっている。一方、ガスとしての排気も、第2処理ガス60となって、系外に排出されるようになっている。尚、第2分解部水槽75内を流動する活性炭67としては、例えば、クラレケミカル株式会社の球状活性炭商品名クラレコールを採用することができる。
上記第1実施形態の水処理装置によれば、有機フッ素化合物を、ナノバブルの酸化力を利用して分解しているから、炭素数が少なくなった分解物を、ガス化することができる。
また、上記第1実施形態の水処理装置によれば、分解物としてのガスを液相内及び液相(水面)表面から常時除去しているから、有機フッ素化合物を、有機フッ素化合物をナノバブルの酸化力を利用して、効率的に分解することができる。
また、上記第1実施形態の水処理装置によれば、分解物を吸着する活性炭を、分解物の濃度が高い第1段階では、固定状態の活性炭で吸着処理する一方、分解物の濃度が低い第2段階では、散水状態の活性炭で吸着処理しているから、有機フッ素化合物の除去効果を格段に向上させることができる。本発明者は、特に、上記第2段階において、活性炭を流動状態にすることによって、活性炭の触媒作用を格段に向上させることができて、除去すべき物質の濃度が低くても、その除去すべき物質を効率的に吸着除去できることを発見したのである。
また、上記第1実施形態の水処理装置によれば、第1分解部水槽63と、第1分解部水槽63からの液体を導入する第2分解部水槽75とを有し、両方の水槽にナノバブル発生機を設置し、かつ、第2分解部水槽75には、活性炭を流動させているから、有機フッ素化合物の処理効果を格段に向上させることができる。
また、上記第1実施形態の水処理装置によれば、一次処理された微量有機フッ素化合物含有水を処理する後段分解吸着部84を、上部である第2吸着箱58と、下部である第2分解部水槽75とから構成し、更に、下部を、ナノバブルによる分解部として活性炭を流動させる構成にし、また、上部を、分解物としてのガスを活性炭に吸着させるように、活性炭を散水させるようにしたから、有機フッ素化合物の処理効率を格段に向上させることができる。
また、上記第1実施形態の水処理装置によれば、PFOS、PFOA等有機フッ素化合物含有水中のPFOA、PFOSをナノバブルの酸化力を活用して分解しているから、強固な炭素とフッ素の結合を切断できて、分解物の殆どの炭素数を、4、5、6または7にすることができる。また、分解物としてのガスを2段階の活性炭で吸着処理して、無害化することができる。このことは、分解物のガス成分を活性炭に捕集して、高度分析(GC-MS=ガスクロマトグラフー質量分析)した調査によって、確認されている。
(第2実施形態)
図2は、本発明の第2実施形態の水処理装置の模式図である。
第2実施形態の水処理装置は、第1ナノバブル発生機161に吸い込まれる気体が、オゾンである点が、第1ナノバブル発生機61に吸い込まれる気体が空気である第1実施形態の水処理装置と異なる。
第2実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第2実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第2実施形態では、第1ナノバブル発生機161に自動的に吸い込まれる気体が、オゾンガスである一方、第2ナノバブル発生機73で自動的に吸込まれる気体は、空気である。
空気よりもオゾンガスの方が、酸化力がある。ここで、第2実施形態では、第1ナノバブル発生機261からオゾンナノバブルを吐出させることができるから、被処理水中の対照物である有機フッ素化合物をより効率よく酸化分解することができる。
第2実施形態の水処理装置は、濃度が高い有機フッ素化合物含有水を浄化するのに優れている。第2実施形態の水処理装置は、濃度が高い有機フッ素化合物含有水を浄化する場合、第1ナノバブル発生機61で気体としてオゾンガスを用い、高濃度有機フッ素化合物含有水を強力な酸化力で、酸化分解する。そして、残っている微量の有機フッ素化合物含有水を、第2ナノバブル発生機73に空気を導入して空気ナノバブルで酸化分解する。
オゾンナノバブルは、オゾンと比較して、オゾンが水中に滞留する持続時間が短時間である一方、1ヶ月以上と長く酸化力を維持することができる。また、オゾンも酸化力があり、また、ナノバブルも発生するラジカルによる酸化力があるので、両方の性質を有するオゾンナノバブルは、相乗効果によって、酸化力が格段に向上して、被処理水中の高濃度有機フッ素化合物などの対象物を酸化分解することができるのである。
(第3実施形態)
図3は、本発明の第3実施形態の水処理装置の模式図である。
第3実施形態の水処理装置は、第1ナノバブル発生機261に吸い込まれる気体が、酸素である点が、第1ナノバブル発生機61に吸い込まれる気体が空気である第1実施形態の水処理装置と異なる。
第3実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第3実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第3実施形態では、第1ナノバブル発生機261に自動的に吸い込まれる気体が、酸素である一方、第2ナノバブル発生機73で自動的に吸込まれる気体は、空気である。
空気よりも酸素の方が、酸化力がある。ここで、第2実施形態では、第1ナノバブル発生機361から酸素ナノバブルを吐出させることができるから、被処理水中の対照物である有機フッ素化合物をより効率よく酸化分解することができる。
また、酸素は、オゾンと異なって生物に対する有害性が少ない一方、生物を活性化する働きがあるから、有機フッ素化合物を除去後の処理水を、微生物培養や魚介類等を飼育するのに使用する場合に、空気ナノバブルやオゾンナノバブルよりも酸素ナノバブルを使用する方が好ましい。ただし、空気よりも酸素ガスの方が、ランニングコストが上昇する欠点もある。
(第4実施形態)
図4は、本発明の第4実施形態の水処理装置の模式図である。
第4実施形態の水処理装置は、第1ナノバブル発生機361に吸い込まれる気体が、オゾンであり、かつ、第2ナノバブル発生機373に吸い込まれる気体が、オゾンである点が、第1ナノバブル発生機61で吸い込まれる気体が、空気であり、かつ、第2ナノバブル発生機73で吸い込まれる気体が、空気である第1実施形態の水処理装置と異なる。
第4実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第4実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第4実施形態では、第1ナノバブル発生機361に自動的に吸い込まれる気体がオゾンであり、第2ナノバブル発生機373で自動的に吸込まれる気体もオゾンである。
第4実施形態の水処理装置によれば、酸化作用が強力なオゾンナノバブルを、2段階に発生させることができる。したがって、この2段階に発生させたオゾンナノバブルにより、有機フッ素化合物の分解効率を格段に向上させることができる。
(第5実施形態)
図5は、本発明の第5実施形態の水処理装置の模式図である。
第5実施形態の水処理装置は、第1ナノバブル発生機461に吸い込まれる気体が、オゾンであり、かつ、第2ナノバブル発生機473に吸い込まれる気体が、酸素である点が、第1ナノバブル発生機61で吸い込まれる気体が、空気であり、かつ、第2ナノバブル発生機73で吸い込まれる気体が、空気である第1実施形態の水処理装置と異なる。
第5実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第5実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第5実施形態の水処理装置によれば、空気よりもオゾンガスの方が、酸化力があるので、第1実施形態と比較して、第1ナノバブル発生機461から吐出した、第1段階のオゾンナノバブルによって、被処理水中の有機フッ素化合物等対照物を強力に酸化分解することができる。
オゾンが水中に滞留する持続時間が短時間であるのに対し、オゾンナノバブルは、1ヶ月以上と長く酸化力を維持できる。また、オゾンも酸化力があり、また、ナノバブルも発生するラジカルによる酸化力があるので、オゾンナノバブルは、相乗的に酸化力が増強し、被処理水中の高濃度有機フッ素化合物含有水等対象物を効率的に酸化分解することができる。
一方、上記第2ナノバブル発生機73は、酸素ナノバブルを生成するようになっている。第2段階では、空気よりも酸化力のある酸素ナノバブルを製造して、微量の有機フッ素化合物を酸化分解するようになっている。
(第6実施形態)
図6は、本発明の第6実施形態の水処理装置の模式図である。
第6実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第6実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第6実施形態の水処理装置においては、後段分解吸着部584内の第2分解部水槽75の上部に、TOC計576(全有機炭素計)が設置されている。また、後段分解吸着部584の下部の外部には、TOC調節計78やシーケンサー79が設置されている。
第6実施形態の水処置装置によれば、TOC計576、TOC調節計78、および、シーケンサー79を有しているから、これらの機器を用いて後段分解吸着部584の水質に基づく合理的な運転を行うことできる。
第6実施形態では、TOC計576で、後段分解吸着部584のTOC濃度を検査し、TOC濃度が予め定められた濃度以上上昇すれば、TOC計(全有機炭素計)576からTOC調節計78に信号が送られ、さらにシーケンサー79のプログラムによって、ブロワー71や散水ポンプ41の電動機の回転数が増加して、散気管69からの吐出空気量の増加や、散水ノズル56からの『活性炭と水の混合物72』が増加して、第2分解部水槽75のTOC濃度を下げることができるようになっている。
(第7実施形態)
第7実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置の構成部と同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略することにする。また、第7実施形態の水処理装置では、第1実施形態の水処理装置と共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第1実施形態の水処理装置と異なる構成、作用効果および変形例についてのみ説明を行うことにする。
第7実施形態では、
第7実施形態の水処理装置においては、後段分解吸着部684内の第2分解部水槽75の上部に、COD計80(化学的酸素要求量計)が設置されている。また、後段分解吸着部684の下部の外部には、COD調節計81やシーケンサー79が設置されている。
第7実施形態の水処置装置によれば、COD計80、COD調節計81、および、シーケンサー79を有しているから、これらの機器を用いて後段分解吸着部684の水質に基づく合理的な運転を行うことできる。
第6実施形態では、COD計80で、後段分解吸着部684のCOD濃度を検査し、COD濃度が予め定められた濃度以上上昇すれば、COD計(全有機炭素計)80からCOD調節計81に信号が送られ、さらにシーケンサー79のプログラムによって、ブロワー71や散水ポンプ41の電動機の回転数が増加して、散気管69からの吐出空気量の増加や、散水ノズル56からの『活性炭と水の混合物72』が増加して、第2分解部水槽75のCOD濃度を下げることができるようになっている。
(試験結果)
以下、本発明の水処理装置の性能を、例として、第1実施形態の水処理装置を用いた試験結果により示す。
(実験結果)
本発明者は、第1実施形態の水処理装置を製造した。ここで、原水槽2の容量を、0.3m、第1分解部水槽63の容量を、約1.0m、第2分解部水槽75の容量を、約1.5m、分解物ガス吸着部21の容量を、約1.5m、第2吸着箱58の容量を、約1.0mとした。
また、上記第1分解部水槽63には、クラレケミカル株式会社の粒状活性炭商品名クラレコールGA(気相用)を配置し、また、第2分解部水槽75には、クラレケミカル株式会社の粒状活性炭商品名クラレコールKW(液相用)を配置した。
また、第1ナノバブル発生機61および第2ナノバブル発生機73として、気液混合循環ポンプ5及び気液混合循環ポンプ45の電動機がそれぞれ3.7KWから構成される株式会社協和機設のHYK型をそれぞれ使用した。
また、新鮮空気を分解物ガス吸着部21に常時供給するためのファン17として、テラル株式会社のシロッコファンCLF5−RS型0.75KWを選定した。
また、上記第1分解部水槽63と第2分解部水槽75に空気を吐出する為のブロワー71として、新明和工業株式会社のルーツブロワーARH32型0.75 KWを使用した。
そして、水処理装置の原水槽2に有機フッ素化合物含有水を導入して、第1分解部水槽63に設置してある第1ナノバブル発生機61、分解物ガス吸着部21の外部に設置してあるファン17を運転し、続いて、第2分解部水槽75に設置してある第2ナノバブル発生機73、第2分解部水槽75の外部に設置してあるブロワー71を運転した。
運転を開始して、12日後の原水槽2と第2分解部水槽75の出口の処理水74の濃度を比較した。
尚、活性炭、ナノバブル発生機、各槽の容積、ポンプ、ブロワー等として、他の物および条件で試験をした場合においても、この試験と、同様の効果が得られることを確認している。
[表1](液相分析結果)
Figure 2010022960
[表2](処理ガス分析結果)
Figure 2010022960
(分析結果の考察)
本発明の水処理装置によれば、表1に示すように、液相のPFOSについて、原水槽2の濃度と比較して、処理水74の濃度を急激に低くすることができる。定量的には、除去率90%を実現することができる。
また、液相総フッ素量の処理水74における濃度が格段に低くできて、フッ素化合物を、効率的に分解できて、分解物を、気相に放出することができる。
また、本発明の水処理装置によれば、表1に示すように、硫酸イオンを確認できたことから、液相のPFOSを、効率的に分解できる。
また、本発明の水処理装置によれば、表2に示すように、気相中のPFOS濃度が非常に低いから、PFOSは、ミストとして飛散しているのではなく、分解されている。したがって、本発明の水処理装置によれば、PFOSを、効率的に分解できる。
また、本発明の水処理装置によれば、表2に示すように、分解物として、パーフルオロカーボン等分解物が検出されていない。したがって、これらの有害な物質を、吸着剤の活性炭(分解物ガス吸着部21と第2吸着箱58の活性炭)に吸着させて確実に処理することができる。
尚、本発明者は、上記試験の他にも、多数、様々な試験を行い、特許請求の範囲に記載の発明の全てが、上述に記載の優れた作用効果を奏することを確認している。
以下に、これらの試験のうちの一部を開示し、それらの試験から確認できる事項について説明する。
[表3](液相分析結果)
Figure 2010022960
上記表3は、一実施形態の装置であって、気相空気をファンで入れ替えた場合、または、液相を曝気した場合における、液相としての第1分解部水槽63の分析結果を示す表である。
表3に示すように、6日後の濃度において、PFOS濃度が1/10以下に急激に減少している。また、PFOS等総フッ素量も減少し、PFOSが分解して発生する硫酸イオンが増加している。
このことから、気相空気をファンで入れ替えるか、又は、液相を曝気すると、PFOSの分解を格段に促進することができる。
[表4]
Figure 2010022960
上記表4は、気相としての分解物ガス吸着部21の第1排気煙突35の分析結果(分解物ガス吸着部21に活性炭を充填しない場合)を示す試験結果である。
表4に示すように、液相PFOSは、ミストとして気相に飛散していない。また、液相PFOSは、分解してCF3(CF2)3H、CF3(CF2)4H等に変化している。
このことから、分解したCF3(CF2)3H、CF3(CF2)4H等を除去できれば、PFOSを効率的に除去できる。本発明では、活性炭によって、これらの分解物質を、吸着除去できるから、PFOSを効率的に除去できる。
[表5]
Figure 2010022960
上記表5は、気相としての分解物ガス吸着部21の排気煙突35の分析結果(分解物ガス吸着部21に活性炭を充填した場合)を示す表である。
表5に示すように、液相PFOSは、ミストとして気相に飛散していない。また、表4の結果より、液相PFOSは、分解してCF3(CF2)3H、CF3(CF2)4H等に変化しているが、表5の結果は、これらの分解物が、活性炭で略完全に吸着除去できることを示している。したがって、有機フッ素化合物含有水をナノバブルで酸化分解できると共に、ガス化した分解物を活性炭で吸着処理でき、難分解性有機フッ素系化合物としてのPFOS、PFOA等を確実に無害化することができる。
[表6]
Figure 2010022960
上記表6は、気相空気をファンで入れ替えしない場合、すなわち、空気を入れ替えるべき、ファンが設置されていない場合、または、液相が曝気されていない場合における、液相としての第1分解部水槽63の分析結果を示す表である。
この試験は、第1分解部水槽63の上部開口を、ガラス板で塞ぐことにより、第1分解部水槽63内の気相空気の入れ替えを防止して行った。
表6に示すように、この試験では、PFOS濃度が減少していない。また、PFOS等総フッ素量も減少していない。また、PFOSが分解して発生する遊離硫酸イオンも増加していない。
したがって、この結果から、気相の空気を入れ替えないと、PFOSを分解させることができないことがわかり、飽和したPFOS分解物の蒸気を除去しないと、PFOSの分解は進行しないことがわかる。
本発明によれば、第2分解部水槽75では、多量の空気を吐出するブロワーによる曝気を行っているから、PFOSの分解物による飽和状態が発生することを防止できて、PFOSの分解を、新たなファンによる換気が無くても進行させることができる。
したがって、以上の記載から明らかなように、本発明によれば、有機フッ素化合物含有水をナノバブルで酸化分解し、かつ、ガス化した分解物を例えば活性炭で吸着処理しているから、難分解性有機フッ素系化合物としてのPFOS、PFOA等を、確実に無害化できるのである。
本発明の第1実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第2実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第3実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第4実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第5実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第6実施形態の水処理装置の模式図である。 本発明の第7実施形態の水処理装置の模式図である。
符号の説明
1 流入配管
2 原水槽
3 原水ポンプ
4 吸込み配管
5 気液混合循環ポンプ
6 第1気体せん断部
7 水配管
8 第2気体せん断部
9 水配管
10 空気配管
11 電動ニードルバルブ
12 第3気体せん断部
13 ナノバブル流
14 水配管
15 水流
16 吸込み口
17 ファン
18 吐出ダクト
19 ダクトフランジ
20 分解部
21 分解物ガス吸着部
22 下部取出口
23 中間部取出口
24 上部取出口
25 水面
26 下部固定穴あき台
27 中間部固定穴あき台
28 上部固定穴あき台
29 下部活性炭収納容器
30 中間部活性炭収納容器
31 上部活性炭収納容器
32 下部活性炭
33 中間部活性炭
34 上部活性炭
35 第1排気煙突
36 出口水配管
37 水槽
38 分解物ガス
39 新鮮空気の流れ
40 傾斜壁
41 散水ポンプ
42 水配管
43 活性炭吸込配管
44 吸込み配管
45 第2気液混合循環ポンプ
46 第1気体せん断部
47 水配管
48 第2気体せん断部
49 水配管
50 空気配管
51 電動ニードルバルブ
52 第3気体せん断部
53 ナノバブル流
54 水流
55 水配管
56 散水ノズル
57 目クラフランジ
58 第2吸着箱
59 第2排気煙突
60 第2処理ガス
61,161,261,461 第1ナノバブル発生機
62 水流
63 第1分解部水槽
64 第1吸着箱
65 第1処理ガス
66 傾斜壁
67 活性炭
68 第2分解部水槽底部
69 散気管
70 空気配管
71 ブロワー
72 活性炭と水の混合物
73,373,473 第2ナノバブル発生機
74 処理水
75 第2分解部水槽
77 信号線
78 TOC(全有機炭素)調節計
79 シーケンサー
80 COD(化学的酸素要求量)計
81 COD(化学的酸素要求量)調節計
82 分解物ガス
83 前段分解吸着部
84,584,684 後段分解吸着部
85 散気管
86 気泡
576 TOC計(全有機炭素計)

Claims (29)

  1. 第1ナノバブル発生機と、
    第2ナノバブル発生機と、
    上記第1のナノバブル発生機からのナノバブルが吐出され、かつ、そのナノバブルによって、有機フッ素化合物を含む有機フッ素化合物含有水中の上記有機フッ素化合物を分解することによって生成された炭素とフッ素の分解物を除去する前段分解部と、
    上記前段分解部で処理された第1処理水が導入されると共に、上記第2ナノバブル発生機からのナノバブルが吐出され、かつ、そのナノバブルによって上記第1処理水中の上記有機フッ素化合物を分解することによって生成された炭素とフッ素の分解物を除去する後段分解部と
    を備えることを特徴とする水処理装置。
  2. 請求項1に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々は、直列に接続された3つの気液混合気体せん断部を有することを特徴とする水処理装置。
  3. 請求項1または2に記載の水処理装置において、
    上記前段分解部および上記後段分解部の夫々は、上部と、その上部よりも鉛直方向下方に位置する下部とからなり、
    上記第1ナノバブル発生機からのナノバブルは、上記前段分解部の上記下部に吐出されると共に、上記第2ナノバブル発生機からのナノバブルは、上記後段分解部の上記下部に吐出され、
    上記前段分解部の上部は、上記前段分解部の上記下部で有機フッ素化合物が分解されることによって発生する上記分解物のガスを吸着処理する吸着処理部を有し、
    上記後段分解部の上部は、上記後段分解部の上記下部で有機フッ素化合物が分解されることによって発生する上記分解物のガスを吸着処理する吸着処理部を有することを特徴とする水処理装置。
  4. 請求項3に記載の水処理装置において、
    上記前段分解部の上記上部に空気を供給する前段上部空気供給部と、
    上記前段分解部の上記下部に存在する液体を曝気する前段下部曝気部と、
    上記後段分解部の上記下部に存在する液体を曝気する後段下部曝気部と
    を備えることを特徴とする水処理装置。
  5. 請求項3または4に記載の水処理装置において、
    上記前段分解部の上記吸着処理部は、活性炭収容部と、この活性炭収容部に収容された活性炭とを有し、
    上記後段分解部の上記吸着処理部は、活性炭を含む水を散水する散水部を有することを特徴とする水処理装置。
  6. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々は、
    気液混合循環ポンプと、
    気体の通過を制御する電動ニードルバルブを有する第1気体せん断部と、
    第2気体せん断部と、
    第3気体せん断部と
    を有することを特徴とする水処理装置。
  7. 請求項6に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記電動ニードルバルブを通過する空気の量は、1.2リットル/分以下であることを特徴とする水処理装置。
  8. 請求項6または7に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部は、楕円形状もしくは真円形状であり、上記各第1気体せん断部の内面は、2以上の溝を有することを特徴とする水処理装置。
  9. 請求項8に記載の水処理装置において、
    上記溝の深さが、0.3mm〜0.6mmであり、上記溝の溝幅が0.8mm以内であることを特徴とする水処理装置。
  10. 請求項6から9までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプにおいて、その気液混合循環ポンプの吐出配管の断面は、上記気液混合循環ポンプの吸い込み配管の断面よりも小さいことを特徴とする水処理装置。
  11. 請求項6から10までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプは、その気液混合循環ポンプの出力が最大値に達した後に、気体の取り込みを行うことを特徴とする水処理装置。
  12. 請求項6から11までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記気液混合循環ポンプは、その気液混合循環ポンプが稼働してから60秒経過後に、気体の取り込みを行うことを特徴とする水処理装置。
  13. 請求項6から12までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部において、マイクロバブル発生部側面に対する気体流入管の入射角は、略18°であることを特徴とする水処理装置。
  14. 請求項6から13までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機および上記第2ナノバブル発生機の夫々の上記第1気体せん断部の厚みが、6mm以上12mm以下であることを特徴とする水処理装置。
  15. 請求項3から14までのいずれか1項に記載の水処理装置において、
    上記後段分解部の上記上部は、活性炭を含む水を充填する活性炭充填部を有する一方、上記後段分解部の上記下部は、曝気を行う後段下部曝気部を有することを特徴とする水処置装置。
  16. 請求項15に記載の水処置装置において、
    上記後段分解部の上記下部は、その下部の底面が略水平方向に広がっている状態で、水平面に対して30°以上の勾配を有する斜面を有することを特徴とする水処理装置。
  17. 請求項15または16に記載の水処理装置において、
    上記後段下部曝気部は、
    ブロワーと、
    このブロワーに連結されると共に、上記後段分解部の上記下部に連通している空気撹拌用散気管と
    を有し
    上記活性炭充填部は、上記空気拡散用散気管の鉛直方向上方に位置する活性炭吸入管を有し、
    上記後段分解部の上記上部は、活性炭を含む水を散水する散水部を有し、
    上記活性炭吸入管で吸入された液体は、活性炭散水ポンプによって上記散水部に送られることを特徴とする水処理装置。
  18. 請求項17に記載の水処理装置において、
    上記後段分解部の上記下部に、全有機炭素計を設置し、
    上記全有機炭素計が計測した上記後段分解部の上記下部の前有機炭素濃度に基づいて、上記ブロワーの電動機と上記活性炭散水ポンプの電動機の回転速度を制御することを特徴とする水処理装置。
  19. 請求項17に記載の水処置装置において、
    上記後段分解部の上記下部に、化学的酸素要求量計を設置し、
    上記化学的酸素要求量計が計測した化学的酸素要求量に基づいて、上記ブロワーの電動機と上記活性炭散水ポンプの電動機の回転速度を制御することを特徴とする水処理装置。
  20. 請求項6に記載の水処置装置において、
    上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンガスである一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、空気であることを特徴とする水処理装置。
  21. 請求項6に記載の水処理装置において、
    上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、酸素である一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、空気であることを特徴とする水処理装置。
  22. 請求項6に記載の水処置装置において、
    上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンであり、また、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンであることを特徴とする水処理装置。
  23. 請求項6に記載の水処置装置において、
    上記第1ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体が、オゾンである一方、上記第2ナノバブル発生機の上記電動ニードルバルブより導入される気体は、酸素であることを特徴とする水処理装置。
  24. 請求項5に記載の水処理装置において、
    上記前段分解部の上記活性炭収容部に収容された上記活性炭はゼオライトであり、かつ、上記後段分解部の散水ノズルからの散水中に存在する活性炭がゼオライトであることを特徴とする水処理装置。
  25. 有機フッ素化合物を含有する有機フッ素化合物含有水に、ナノバブルを吐出して混合して、ナノバブルが有するラジカルによる酸化力で、上記有機フッ素化合物において、炭素とフッ素との結合を分解して、上記有機フッ素化合物の分子量よりも小さい分子量の炭素とフッ素の分解物を生成し、
    上記炭素とフッ素の分解物をガス化して除去することを特徴とする有機フッ素化合物含有水の水処理方法。
  26. 請求項25に記載の有機フッ素化合物含有水の水処理方法において、
    上記有機フッ素化合物含有水は、パーフルオロオクタンスルホン酸と、パーフルオロオクタン酸とのうちの少なくとも一方を含んでいることを特徴とする有機フッ素化合物含有水の水処理方法。
  27. 請求項25または26に記載の有機フッ素化合物含有水の水処理方法において、
    ナノバブルで有機フッ素化合物含有水中の有機フッ素化合物を分解することによって生成した分解物を、固定された活性炭で吸着処理し、
    その後、ナノバブルで有機フッ素化合物が分解されて、分解物が上記固定された活性炭で吸着処理された後の第1処理水中の有機フッ素化合物を、ナノバブルで分解して、その分解によって生成した分解物を、上記第1処理水に流動させた活性炭で吸着処理することを特徴とする有機フッ素化合物含有水の水処理方法。
  28. 請求項25から27のいずれか1項に記載の有機フッ素化合物含有水の水処理方法において、
    上記有機フッ素化合物含有水中に、活性炭を添加し、その活性炭を、曝気撹拌によって流動状態とすることを特徴とする有機フッ素化合物含有水の水処理方法。
  29. 請求項25から28までのいずれか1項に記載の有機フッ素化合物含有水の水処理方法において、
    有機フッ素化合物含有水中の有機フッ素化合物を、ナノバブルで、上記分解物に分解すると共に、その分解物を、ファンによって、ガス化して除去する第1処理を行い、
    上記第1処理後を行った後の有機フッ素化合物含有水内の上記有機フッ素化合物を、ナノバブルで、上記分解物に分解すると共に、その分解物を、ブロワーから吐出する空気を用いて除去することを特徴とする有機フッ素化合物含有水の水処理方法。
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