CN104507875A - 水处理装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够抑制静电脱盐处理部的电极恶化并保持较高的水处理能力的水处理装置。水处理装置(1)包括：活性炭处理部(10)，总有机碳浓度为100mg/l以下的水流入到该活性炭处理部(10)，吸附并去除水中含有的有机物；以及静电脱盐处理部(100)，其在活性炭处理部(10)的下游侧具备被施加彼此相反极性的电压的一对电极(101、102)、流通路(105)、以及离子交换膜(104、105)，水中含有的离子吸附于被施加电压的电极(101、102)，并且对电极(101、102)施加与吸附离子时相反的电压，离子从电极(101、102)脱离。

Description

水处理装置
技术领域
本发明涉及一种用于对工业废水、从河流等获取的水进行净化处理的水处理装置。
背景技术
在来自设备的工业废水、生活废水中，含有油滴状态或乳剂状态的油分、在水中作为离子或分子状态而存在的有机物等大量有机物。对含有有机物的工业废水实施油分的分离或基于微生物的有机物的分解去除等净化处理。对净化处理后的处理水实施去除废水中所含有的离子的脱盐处理，处理水作为工业用水进行再利用。另外，在河流、湖泊等自然界的水中也含有有机物。也对从自然界获取的水实施净化处理。
作为脱盐处理装置，已知逆浸透膜式脱盐装置、静电脱盐处理装置(例如专利文献1)等。
逆浸透膜式脱盐装置在内部具有逆浸透膜(RO膜)。当含有离子的水流入到逆浸透膜式脱盐装置中时，逆浸透膜(RO膜)仅使水透过。透过逆浸透膜后的水(处理水)作为工业用水等进行再利用。由于在逆浸透膜的上游侧蓄积有无法通过逆浸透膜的离子，因此，形成离子浓缩而成的浓缩水。浓缩水从逆浸透膜式脱盐装置排出，排出到水处理装置1的系统外。
在逆浸透膜式脱盐装置的情况下，若增高处理水相对于流入水的比例，则浓缩水的水锈成分浓度达到饱和溶解度以上，析出结晶性的固体物(水锈)。作为以水锈的形式析出的物质，已知碳酸钙(CaCO3)、石膏(CaSO4)、氟化钙(CaF2)等。例如，若pH为7.3且水中的碳酸钙浓度为275mg/l，由于超过饱和溶解度，因此水锈析出。然而，在超过饱和溶解度后10分钟等短时间内，水锈不会析出，若放置一天等较长时间，则水锈会析出。在逆浸透膜式脱盐装置中，利用膜连续地去除离子成分，因此，在较高的水回收率的运转中，浓缩水侧的离子浓度非常高，长时间(一天以上)保持在饱和溶解度以上。因此，在逆浸透膜式脱盐装置的浓缩水侧，水锈析出。
图4是静电脱盐处理装置的概要图。静电脱盐处理装置100构成为具备对置的一对采用多孔质电极的正极101和负极102、以及使水能够在电极之间流通的流通路103。在正极101的流通路侧面设置有阴离子交换膜104，在负极102的流通路侧面设置有阳离子交换膜105。
利用静电脱盐处理装置100进行的脱盐处理通过以下工序实施。
(脱盐工序)
首先，以正极101为阳极、负极102为阴极的方式通电。即，对正极101和负极102施加极性彼此相反的电压。当水在通电后的电极间的流通路103中流通时，水中的负离子透过阴离子交换膜104，吸附于正极101的多孔部分101a。正离子透过阳离子交换膜105，吸附于负极102的多孔部分102a(图4(a))。去除离子后的水作为处理水而用于再利用等。
(再生工序)
经过规定时间后，以正极101为阴极、负极102为阳极的方式通电。即，向正极101以及负极102施加与离子吸附于电极时相反的电压。如此一来，所吸附的离子从正极101以及负极102释放，返回到流通路103中(图4(b))。
在流通路103中充分蓄积被释放的离子后、或在释放离子的同时，向流通路103供给水。如此一来，含有离子的水从流通路103排出，正极101以及负极102再生为未吸附有离子的状态(图4(c))。排出的水作为浓缩水而回收。
在上述再生工序中，即使超过饱和溶解度，例如，若在10分钟以内的短时间内进行再生工序，则脱盐工序在水锈析出前开始，不会达到饱和溶解度，防止水锈析出。通过该特性，静电脱盐处理装置与逆浸透膜式脱盐装置相比具有能够获得更高的水回收率(能够再利用的水的回收率)的优势。
在静电脱盐处理装置中，为了使更多的离子吸附于电极，优选电极表面积较大。因此，作为电极，使用以活性炭这样单位容积的表面积较大的炭作为主要成分的多孔性材料。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-70947号公报(段落[0002]、[0011]、图1)
如上所述，已知在通过静电脱盐处理装置对进行油分分离、基于微生物的处理后的水进行处理的情况下，脱盐性能随时间经过而急剧恶化。这种恶化在逆浸透膜式脱盐装置中基本不会出现。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于提供一种水处理装置，该水处理装置能够抑制静电脱盐处理装置的电极恶化，保持较高的水处理能力。
用于解决课题的手段
本发明的发明人们认为，脱盐性能恶化的原因在于，即使是能够通过普通的油分分离以及微生物处理而实现的水质，对于应用于静电脱盐处理来说，有机物的去除也不够充分。
在残留于水中的有机物中，有以离子状态存在的物质和作为分子而存在的物质。例如，在水中含有醋酸、蚁酸等电解质的有机物、苯酚、苯等非电解质的有机物等。另外，在自然界的水中含有腐植酸等。有机物离子在如图4(a)那样通过通电的电极之间时透过离子交换膜，吸附于电极表面。另外，分子状的有机物因扩散而透过离子交换膜，通过分子间力而吸附于电极表面。上述的以炭为主要成分的电极具有与水处理用活性炭类似的特性，不可逆地吸附有机物。即，这些有机物即使在图4(b)的工序中被施加逆电压也难以从电极脱离，大部分仍残留于电极上。由于附着有有机物的部分无法在静电脱盐时吸附离子，因此导致电极的有效面积减少。
鉴于上述情况，本发明的一实施方式所涉及的水处理装置包括：活性炭处理部，总有机碳浓度为100mg/l以下的水流入到该活性炭处理部，吸附并去除所述水中含有的有机物；以及静电脱盐处理部，其在所述活性炭处理部的下游侧具备被施加彼此相反极性的电压的一对电极、位于该电极之间且所述水能够流通的流通路、以及设置于各个所述电极的所述流通路侧的离子交换膜，在所述水流过施加了电压的所述电极之间时，所述水中含有的离子吸附于所述电极，从所述水中去除所述离子，并且对所述电极施加与吸附所述离子时相反的电压，所述离子从所述电极脱离，对所述电极进行再生。
一般，利用生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)对水质进行管理。然而，由于BOD、COD因有机物的种类有别而灵敏度不同，因此，不一定与水中的有机物的绝对值成比例。另一方面，在本发明中，利用总有机碳浓度(TOC)进行管理。总有机碳浓度是利用碳的量表示水中的能够氧化的有机物的总量的指标，与水中含有的有机物量表现出良好的相关性。通过将TOC用作指标，能够实施与应当处理的水中的有机物量相应的处理。
在实际的工业废水中，生物处理等处理后的有机物浓度因原水的水质有别而变动。在工业废水的情况下，假设存在水质恶化至TOC为1500mg/l左右的可能性。这样，利用普通的生物处理对有机物浓度较高的水进行处理后的水质的极限为TOC50～100mg/l。
在本发明的水处理装置中，在静电脱盐处理部的前段设置活性炭处理部。对有机物含量进行管理后的总有机碳浓度在100mg/l以下的水流入到活性炭处理部。在活性炭处理部中，水中含有的有机物吸附于活性炭，从水中去除。在由活性炭处理部实施的处理中，无论流入到活性炭处理部的水的水质如何，都能够将处理后的水中含有的有机物含量稳定地降低至极低的值。因此，若通过静电脱盐处理部对由活性炭处理部处理后的水进行处理，能够大幅降低吸附于电极的有机物量，能够抑制电极的离子吸附面积的减少。其结果是，能够延长静电脱盐处理部的电极寿命，能够长期维持良好的脱盐处理性能。
从自然界获取的水与工业废水相比有机物量较少，但从长期来看存在静电脱盐处理部的性能降低的可能性。如上所述，本发明的水处理装置能够在水中将有机物量稳定地降低至极低的值，因此，即使在处理从自然界获取的水的情况下，也能够长期维持较高的处理性能。
在上述方案中，若从所述活性炭处理部排出总有机碳浓度为20mg/l以下的水，则输送至静电脱盐处理部的有机物量变得非常低，因此，能够进一步抑制脱盐处理性能的降低，故而优选。
在上述发明中，优选为，在所述活性炭处理部的上游侧，具备通过微生物对所述水中的所述有机物进行分解去除的生物处理部、以及对所述水中的所述有机物进行氧化处理的氧化处理部中的至少一者。
特别是在对来自设备的废水、生活废水进行处理的情况下，在原水中含有大量的有机物。因此，优选为，将生物处理部以及氧化处理部设置于活性炭处理部的上游，实施使总有机碳浓度达到100mg/l以下的预处理。
发明效果
在本发明的水处理装置中，通过在静电脱盐处理部的前段配置活性炭处理部，将降低了总有机碳浓度的水向静电脱盐处理部供给，由此，能够大幅降低向脱盐处理部的电极附着的有机物的量。其结果是，能够抑制电极的离子吸附面积的减少，抑制脱盐性能降低。
附图说明
图1是水处理装置的一例的框图。
图2是对水处理装置的脱盐部的一例进行说明的概要图。
图3是示出对有机物含量不同的水进行静电脱盐处理的情况下的电极的有效容量的老化的曲线图。
图4是静电脱盐处理装置的概要图。
具体实施方式
图1是水处理装置的一例的框图。水处理装置1从上游侧起具备预处理部2以及脱盐部3。预处理部2是通过生物处理对有机物进行分解的生物处理部、通过氧化处理对有机物进行分解的氧化处理部、以及它们的组合中的任一者。
在对来自设备的废水、生活废水进行处理的情况下，预处理部2具备分离出废水中的油分的油分离器、使重金属、漂浮颗粒凝结沉淀的分离部。油分离器以及分离部设置于生物处理部的上游侧。在对从河流等自然界获取的水进行处理的情况下，也可以省略油分离器、分离部。
生物处理部通过微生物对水中的有机物进行分解处理。生物处理部采用使用膜分离活性污泥法的处理装置(MBR：Membrane Bio-Reactor)、使用生物膜法的处理装置(BFR：Bio-Film Reactor)、将曝气槽与沉淀槽组合而成的结构等。生物处理部也可以采用将MBR与BFR组合而成的结构。在采用将曝气槽与沉淀槽组合而成的结构的情况下，为了防止脱盐部3的脱盐装置中的堵塞，在沉淀槽之后设置过滤器等过滤装置。
在MBR中，将具有0.1μm左右的孔的膜浸渍于生物反应槽中的水中。在生物反应槽中的水中存在有微生物，微生物对水中的有机物进行分解。生物反应槽中的有助于污泥处理的微生物最小为0.25μm左右。因此，生物反应槽中的水通过上述膜被固液分离为水和微生物，仅水从MBR排出。
在BFR的内部设置有支承体，该支承体在表面上形成有微生物的膜。在支承体表面的微生物与含有有机物的水接触时，微生物对水中的有机物进行分解处理。
在采用将MBR与BFR组合而成的结构的情况下，根据水中的有机物量(COD)来控制MBR以及BFR的运转。例如，在水中的COD低的情况下，仅使MBR运转。在COD的变动增大的情况下，使MBR与BFR同时工作。
氧化处理部通过对有机物进行氧化分解而将氧化物从水中去除。在本实施方式的水处理装置中，作为氧化处理方法，采用臭氧处理、紫外线处理、次氯酸钠处理、过氧化氢处理。上述处理可以单独实施，也可以组合多种进行处理。
氧化处理部设置于活性炭处理部10的上游侧。
在臭氧处理的情况下，将由臭氧产生器生成的臭氧供给至氧化处理部。通过氧化处理部的水中的有机物利用臭氧被氧化分解。
在紫外线处理的情况下，在氧化处理部中设置有紫外线灯。向通过氧化处理部的水照射紫外线，利用紫外线对有机物进行氧化分解。
在次氯酸钠处理的情况下，将次氯酸钠供给至氧化处理部。通过氧化处理部的水中的有机物利用次氯酸钠被氧化分解。
在过氧化氢处理的情况下，将过氧化氢供给至氧化处理部。通过氧化处理部的有机物利用过氧化氢被氧化分解。
图2是对水处理装置的脱盐部3的一个实施方式进行说明的概要图。
脱盐部3具备活性炭处理部10和静电脱盐处理部100。脱盐部3还可以具有逆浸透膜式脱盐装置。
活性炭处理部10收容在内部填充有活性炭的填充槽11。在本实施方式中使用的活性炭是水处理用活性炭。从生物处理部输送的水从活性炭处理部10的上部供给至内部，透过填充槽11从活性炭处理部10的下部排出。
在本实施方式中，静电脱盐处理部100采用与图4的静电脱盐处理装置相同的结构。静电脱盐处理部100在活性炭处理部10的下游设置有一个或多个。如图2所示，在多个静电脱盐处理部100的情况下，多个静电脱盐处理部100以相对于水流并行的方式配置，但多个静电脱盐处理部100也可以采用串行配置、或串行与并行组合的配置。
脱盐部3也可以在活性炭处理部10的上游侧具备罐(未图示)，所述罐暂时贮存来自生物处理部的水，并将规定量的水向静电脱盐处理部100输送。
在脱盐部3的活性炭处理部10的上游侧、以及活性炭处理部10与静电脱盐处理部100之间，分别设置有对水中的总有机碳浓度(TOC)进行测量的有机物量测量部12、13。
以下，对使用上述的水处理装置进行水处理的顺序进行说明。以下，列举在水处理装置中设置油分离器以及分离部来对工业废水进行处理的情况进行说明。
预处理部2接收原水(废水)。在来自设备的废水、生活废水的情况下，作为有机成分，除油滴、乳剂状态的油分以外，在水中还含有以分子状态存在、作为离子而存在的有机物(醋酸、蚁酸、苯酚等)。
油分离器去除原水中的油分。在分离部中，向废水中投入螯合剂，使重金属类物质螯合而不溶解。在分离部中，通过向废水中投入凝结剂，使重金属类螯合物、漂浮颗粒等凝结之后沉淀，从而将重金属类物质以及漂浮颗粒从废水中去除。
在采用设置生物处理部的结构的情况下，将去除油分、重金属类物质以及漂浮颗粒后的废水输送至生物处理部。在生物处理部中，对上述的醋酸、蚁酸、腐植酸、苯酚等有机物进行分解。
在采用设置氧化处理部的结构的情况下，向废水实施紫外线照射。或者将含有臭氧的水、次氯酸钠水、以及过氧化氢水供给至废水中。由此，对上述的醋酸、蚁酸、腐植酸、苯酚等有机物进行氧化分解。
有机物量测量部12测量利用活性炭处理部10进行处理前的废水中的TOC。对于TOC，有通过在线计量仪器进行测量的方法、以及取水进行分析的方法。在本实施方式中，生物处理等预处理的结果为，流入活性炭处理部10之前的水中的TOC在100mg/l以下。
TOC在100mg/l以下的废水流入到脱盐部3的活性炭处理部10。在废水通过活性炭处理部10的填充槽11的期间，残留于废水中的上述醋酸、蚁酸、腐植酸、苯酚等有机物吸附于活性炭表面而被去除。相对于处理前的TOC，利用活性炭处理部10进行处理后的水的TOC降低至1/3～1/5左右。
有机物量测量部13测量利用活性炭处理部10进行处理后的废水中的总有机碳浓度。在本实施方式中，利用活性炭处理部10进行处理后的水中的TOC在20mg/l以下，更优选为10mg/l以下。
从活性炭处理部10排出的废水输送至静电脱盐处理部100。在静电脱盐处理部100中，实施以图4进行说明的脱盐处理。通过进行脱盐处理，贮存于流通路105的水作为含有高浓度离子的浓缩水从静电脱盐处理部100排出并回收。正极101以及负极102再生为未吸附有离子的状态。
图3是示出以相同的条件对有机物含量不同的水进行静电脱盐处理的情况下的、电极的有效容量的老化的曲线图。在该图中，横轴为经过天数，纵轴为有效容量。有效容量定义为将使用前的电极的有效容量设为100％时的、能够吸附于电极的离子的比例。
在图3中，有机物量A流入静电脱盐处理部的水中时的TOC为10mg/l，有机物量B流入静电脱盐处理部的水中时的TOC为20mg/l。对于有机物量C、D，在TOC超过20mg/l的情况下，与有机物量C相比，有机物量D的TOC较高。
如图3所示，在有机物量C、D的情况下，有效容量急剧降低，能够理解为脱盐处理能力在短时间内降低。即，在流入到静电脱盐处理部的水中的有机物量多的情况下，为了维持高处理性能，需要以短周期进行电极维护等，处理效率降低。
另一方面，在有机物量A、B的情况下，有效容量缓慢地降低。根据该结果能够理解，如果在静电脱盐处理部的上游侧设置活性炭处理部，在通过活性炭处理部中的处理使水中的TOC降低至20mg/l以下之后进行静电脱盐处理，则抑制了静电脱盐处理部的电极的有效离子吸附面积的降低，能够长期保持较高的水处理能力。
附图标记说明
1  水处理装置
2  预处理部
3  脱盐部
10  活性炭处理部
11  填充层
12、13  有机物量测量部
100  静电脱盐处理部
101  正极
102  负极
103  流通路
104  阴离子交换膜
105  阳离子交换膜

Claims (3)

1.一种水处理装置，包括：
活性炭处理部，总有机碳浓度为100mg/1以下的水流入到该活性炭处理部，吸附并去除所述水中含有的有机物；以及
静电脱盐处理部，其在所述活性炭处理部的下游侧具备被施加彼此相反极性的电压的一对电极、位于该电极之间且所述水能够流通的流通路、以及设置于各个所述电极的所述流通路侧的离子交换膜，在所述水流过施加了电压的所述电极之间时，所述水中含有的离子吸附于所述电极，从所述水中去除所述离子，并且对所述电极施加与吸附所述离子时相反的电压，所述离子从所述电极脱离，对所述电极进行再生。
2.根据权利要求1所述的水处理装置，其中，
从所述活性炭处理部排出总有机碳浓度为20mg/1以下的水。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的水处理装置，其中，
在所述活性炭处理部的上游侧，具备通过微生物对所述水中的所述有机物进行分解去除的生物处理部、以及对所述水中的所述有机物进行氧化处理的氧化处理部中的至少一者。
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