JP2003170176A - 液中イオンの除去方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した液中イオンの除去性能が得られると
ともに極めて小型化が可能な液中イオンの除去方法及び
装置を提供する。 【解決手段】 晶析法によって被処理水中の被除去イオ
ンを晶析反応で除去する方法において、２槽以上からな
る晶析反応槽の各々に被処理水及び被除去イオンと反応
するイオンを含む液又は／及び処理水の一部を供給し、
各槽で反応晶析させるに際し、第一晶析反応槽で発生さ
せた結晶核粒子を順次後段の槽に移送させ、後段の槽ほ
ど原水の供給量を多く、且つ平均粒径の大きな結晶核粒
子を流動させることを特徴とする液中イオンの除去方
法、及び装置。結晶核粒子を移送させる手段にエアリフ
トを用いることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液中から特定なイ
オンを除去あるいは回収する方法及び装置に係わり、特
に、リン酸イオン、カルシウムイオン、フッ素イオン、
炭酸イオン、硫酸イオンを化学反応の結果、粒度の揃っ
た難溶性の結晶を析出させることにより、安定した除去
性能を得る方法及び装置に関し、さらに装置をきわめて
小型化する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液中から特定なイオンを除去する
方法の一つとして晶析法が用いられてきた。晶析法は、
廃水中の特定のイオンと反応するイオンを薬品として添
加したり、ｐＨを変化させることで廃水中を過飽和状態
とし、特定イオンを含む結晶を析出させ分離する方法で
ある。

【０００３】晶析法の例を示すと、下水の２次処理水や
汚泥処理系からの返流水などの廃水（以下「原水」とも
いう）中のリン酸イオンを除去する場合には、カルシウ
ムを添加し、リン酸カルシウムやヒドロキシアパタイト
の結晶を析出させている。半導体工場の廃水にはフッ素
イオンを多く含んでいる場合が多く、このときは、同じ
カルシウム源を添加してフッ化カルシウムの結晶を析出
させている。地下水を原水とする用水、排水、ゴミ浸出
水からカルシウムイオンを除去する場合では、ｐＨを上
昇させたり、炭酸源を添加することで炭酸カルシウムの
結晶を析出させている。嫌気性消化汚泥のろ液や肥料工
場廃水など、液中にリン酸イオンとアンモニウムイオン
を含有している廃水では、マグネシウムを添加してリン
酸マグネシウムアンモニウム（以下、「ＭＡＰ」とい
う）の結晶を析出させている。

【０００４】反応方式は、完全混合方式や流動層方式が
用いられるが、固液分離性能を考慮すると後者の方式が
採用される場合が多い。流動層方式は、被処理水を上向
流で通水し、流動層内で流動している結晶核（生成物、
砂などの媒体）の表面で生成物を析出させることによっ
て、反応と固液分離を同時に行うことができる。この場
合、流動層内で流動している粒子は粒子径が大きい方が
沈降速度が速く、原水の上向流速度を速くすることがで
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】晶析現象は、結晶核の
発生が起こる核発生現象と結晶核の成長が起こる成長現
象からなる。一般に、難溶性塩の場合は、反応速度が速
く、成長現象よりも核発生現象が支配的となり、粗大な
結晶を得にくい。結晶核を大きく成長させるには、結晶
核の発生を少なくするために、過飽和度を低くする必要
がある。

【０００６】流動層方式で、反応槽内を上昇する液流速
（以下ＬＶという）は、反応槽内の結晶核粒径で決ま
る。結晶核の沈降速度はストークスの式、アレンの式な
どで求められるが、通常、流動化に適したＬＶは結晶核
沈降速度の１／１０程度である。粒径の小さな結晶核粒
子は、沈降速度が遅いためにＬＶを高くすることが難し
い。そのため、装置容積がきわめて大きくなる傾向があ
った。また、装置容積当たりの有効反応表面積が極めて
大きく、結晶成長が遅いなどの問題点もあった。

【０００７】一方で、粒径の比較的大きな結晶は、ＬＶ
を高くすることが可能であり、装置当たりの処理量を多
くすることができる。しかし、装置当たりの有効反応表
面積が小さく、結晶粒子が過大成長しやすい。結晶粒子
が過大成長すると、やがて流動しにくくなる。結晶粒子
が流動しなくなると原水の偏流なとにより反応効率が低
下し、処理水質が悪くなるなどの問題が生じる。再び流
動させるには、ＬＶを高めるとよい。各槽の原水の供給
量を増加させてＬＶを高めることができるが、それとと
もに薬品の添加量も増加させる必要があり、また、供給
量を増加させるタイミングの制御が煩雑になるなどの問
題点がある。

【０００８】このような問題点を解決するために、最近
提案された結晶方法では、成長した結晶粒子を抜き出
し、比較的粒径の小さな結晶核粒子を添加する方法が提
案されている。しかしこの場合も、別途結晶核添加設備
が必要となり、結晶核粒子の選定、分離（選別）、添加
等操作を必要とする欠点がある。過大成長した結晶を粉
砕して利用することも考えられるが、工程が増加する煩
わしさがある。

【０００９】粒径の小さな結晶核粒子と大きな結晶粒子
を同一の反応槽に共存させた場合、粒径の小さな結晶核
にあわせてＬＶを抑えなければならず、装置容積が極め
て大きくなるという問題点があった。また、ＬＶを抑え
た結果、粒径の大きな結晶粒子の流動が悪くなり、処理
水質が悪くなるという問題点もあった。この場合、反応
槽底部の断面積を小さくすることでＬＶを高めることが
できるが、結局、装置上部の断面積は粒径の小さな結晶
核粒子に合わせる必要があり、装置の小型化にはつなが
らない。

【００１０】本発明は、このような従来の課題に鑑みて
なされたものであり、安定した液中イオンの除去性能が
得られるとともに、極めて小型化が可能な液中の除去方
法及び装置を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の手段を
用いることによって、上記の課題を解決することができ
た。 （１）晶析法によって被処理水中の被除去イオンを晶析
反応で除去する方法において、２槽以上からなる晶析反
応槽の各々に被処理水及び被除去イオンと反応するイオ
ンを含む液又は／及び処理水の一部を供給し、各槽で反
応晶析させるに際し、第一晶析反応槽で発生させた結晶
核粒子を順次後段の槽に移送させ、後段の槽ほど原水の
供給量を多く、且つ平均粒径の大きな結晶粒子を流動さ
せることを特徴とする液中イオンの除去方法。 （２）結晶核粒子を移送させる手段にエアリフトを用い
ることを特徴とする前記（１）記載の液中イオンの除去
方法。 （３）晶析法によって被処理水中の被除去イオンを除去
する装置において、２槽以上からなる晶析反応槽の各々
に、被処理水供給管及び被除去イオンと反応するイオン
を含む液の供給管を接続し、且つ各槽に発生させた結晶
核粒子を順次後段の槽に移送させるためのエアリフト管
を設置したことを特徴とする液中イオンの除去装置。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
にして詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するた
めの全図において、同一機能を有する構成要素は同一符
号を付けて説明する。図１は、本発明を実施する処理系
の一形態を示し、反応槽１は第一晶析反応槽２、第二晶
析反応槽３、第三晶析反応槽４からなる。各晶析反応槽
は図１のように分離していても、図２のように反応槽１
の中に各晶析反応槽を入れてもよい。

【００１３】以下、図１に基づいて説明する。原水５の
供給管、薬品６あるいは／及び処理水７の一部の循環水
８の供給管、及び空気９の供給管は各晶析反応槽の底部
に接続してある。晶析反応槽の底部から原水５を上向流
で通水することで、各晶析反応槽内に存在する結晶核を
液流速のみで流動させることができる。流動層方式以外
の反応方式によるために、原水及び薬品を晶析反応槽上
部に供給する必要がある場合には、原水及び薬品６の供
給管を晶析反応槽上部に接続してもよい。結晶核粒子を
流動させる手段は液の上昇流速のほかに、機械的攪拌、
エア攪拌などがある。エアリフト管１０は、各晶析反応
槽２、３、４の上部から反応槽内に挿入してある。エア
リフト管１０の底部には気泡捕集傘１１を設けてある。
エアリフト管１０内に空気を直接吹き込む場合は、気泡
捕集傘１１を設けなくてもよい。なお、処理水７の一部
は循環水８として薬品６を添加後各晶析反応槽２、３、
４の底部へ供給されるように構成されている。循環水８
の使用により、晶析反応槽内を通る液量を増すことがで
き、晶析反応槽内の液の上昇流速を大きくすることがで
きる。

【００１４】各晶析反応槽２、３、４の上部には処理水
流出管１２を設置してある。各晶析反応槽を流出した処
理水７に原水５中の被除去イオンあるいは／及び被除去
イオンと反応するイオンあるいは化合物が残留している
場合は、各晶析反応槽の処理水流出管１２をそれぞれ前
記各同一反応槽の底部及び／又は後段の反応槽に接続し
てもよい。各晶析反応槽２、３、４は、原水５中の被除
去イオンと、被除去イオンと反応するイオンあるいは化
合物と反応させることで被除去イオン濃度を低下させ
る。最適な反応ｐＨは生成させる物質によって異なる
が、いずれの場合もｐＨが大きく変化しないように、各
反応槽２、３、４内でｐＨ調整するとよい。

【００１５】第一晶析反応槽２は、原水５中の被除去イ
オンを反応させることにより結晶核を発生させる。発生
したばかりの結晶核粒子は非常に微細であるが、十分低
いＬＶを保つことにより結晶核粒子を流出させず同反応
槽内に滞留させる。結晶核粒子表面で晶析が起こると結
晶核粒子は成長し、次第にＬＶが十分低くなっている関
係で、結晶核の沈降速度が非常に速くなるという状態に
なる。過大成長した結晶粒子は流動しなくなり、沈降し
て第一晶析反応槽２の底部に溜まる。この成長した結晶
粒子をスラリ１５としてエアリフト管１０で間欠的に第
二晶析反応槽３へ送る。

【００１６】第二以降の晶析反応槽３、４では、前段で
成長した結晶核粒子を移送させた後、原水５を通水す
る。原水５の供給は、結晶核を発生しない程度の過飽和
度となるようにすることで、結晶核の成長を支配的にす
る。晶析が進むにつれ、再びＬＶに比べ結晶粒子の沈降
速度が非常に速くなる。このような粒径が増大した結晶
粒子を流動させるために、後段の反応槽ほど液の上昇流
速が大きくなるようにされている。各晶析反応槽に原水
を導入する際に、後段の晶析反応槽ほど原水の供給量を
多くするとこの条件が達成しやすくなり、好ましい。こ
のように成長した結晶粒子を後段に移送し、更に成長さ
せる。最終段の晶析反応槽より結晶粒子を抜き出すこと
で製品結晶とする。

【００１７】各晶析反応槽２、３、４に供給する原水５
の割合は、粒径の小さな結晶核粒子が流動している槽ほ
ど少なくする。すなわち、晶析量を少なくする。例え
ば、３段の晶析反応槽を用いた場合において各晶析反応
槽で結晶核粒子の粒径を２倍（体積は２³＝８倍）にす
ることを考えると、前段反応槽から移送させる結晶核量
は後段反応槽に移送させる結晶核量に比べ１／８でよ
く、すなわち、前段反応槽の晶析量は後段反応槽の晶析
量の１／８でよい。この場合、第一晶析反応槽２の供給
量を１Ｑとすると、第二晶析反応槽３の供給量は８Ｑ、
第三晶析反応槽４の供給量は６４Ｑとなる。

【００１８】発明の課題に記述したように、粒径の小さ
な結晶核粒子は、沈降速度が遅いためにＬＶを高くする
ことが難しい。そのため、反応槽の容積がきわめて大き
くなる傾向があった。また、粒径の異なる結晶核粒子を
同一の反応槽で流動させる場合にも、粒径の小さな結晶
核粒子の沈降速度に合わせてＬＶを設定しなければなら
なく、反応槽の容積が大きくなる傾向にあった。本発明
によると、各粒径ごとに適したＬＶで流動させることが
でき、また、粒径の小さな結晶粒子ほど通水量を少なく
することが可能であり、装置の小型化に大きく貢献す
る。また、本発明では、第一晶析反応槽２で結晶核を生
成させて、それを成長させ製品結晶とするため、純粋な
結晶を得ることができる。

【００１９】本発明では、結晶核を後段に移送させる手
段としてエアリフト１０を用いることが好ましい。エア
リフト１０を用いることで、本発明のように多段に移送
手段を設置しなければならない場合、設置費用を低減さ
せることができ、また、弁の開閉のみで結晶核の移送を
することができるので、きわめて安定した連続運転が可
能となる。また、各晶析反応槽２、３、４内で粒径の大
きな結晶核粒子のみを選択的に移送させることが可能で
あり、しかもその操作は非常に簡単である。なお、空気
は、結晶粒子を移送するときのみ間欠的に吹き込んでも
よいし、移送時以外は粒子が後段に移送しないような程
度で常時吹き込んでもよい。常時吹き込む場合、エアリ
フト管内での結晶粒子による閉塞を防ぐことができる。
また、移送時以外はエアリフト効果によって上昇した結
晶粒子を常時同一の晶析反応槽の上部、又は中部に戻し
てもよい。こうすることで、晶析反応槽内の結晶粒子の
循環流が起こり、均一な粒径の結晶粒子が得られる。本
発明の装置を用いることにより、装置容積を小さくする
ことが可能であり、また、製品結晶の純度が高く、エア
リフト１０による移送手段を用いると運転方法が容易な
液中のイオン除去方法および装置を提供することができ
た。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明を実施例により更に具体的に
説明するが、本発明は、この実施例により限定されるも
のではない。

【００２１】実施例１ ＵＡＳＢ（上向流嫌気性スラッジブランケット装置）の
処理水を用いて、図３に示す処理系で脱リン処理を行っ
た。反応槽は第一晶析反応槽２と第二晶析反応槽３から
なる。各装置の大きさは、第一晶析反応槽２が直径１０
ｃｍ、高さ３ｍ（円筒状）、第二晶析反応槽３が直径２
５ｃｍ、高さ３ｍ（円筒状）とした。ＵＡＳＢの処理水
に必要に応じてリン酸１カリウムと塩化アンモニウムを
添加し、所定の濃度となるように、リン濃度とアンモニ
ア濃度を調整した。以下、調整した液を原水とする。第
一晶析反応槽２は結晶核を生成させ、十分低いＬＶを保
つことで結晶核を滞留、成長させた。第二晶析反応槽３
は第一晶析反応槽２で発生及び成長させた結晶核粒子を
更に成長させた。原水および処理水の一部は、各晶析反
応槽底部より上向流で通水し、また、塩化マグネシウム
の添加とｐＨを８．５に調整することでＭＡＰ粒子表面
でＭＡＰを晶析させた。原水の通水量は第一晶析反応槽
が１ｍ³／ｄ、第二晶析反応槽が１０ｍ³／ｄとした。処
理水質は第一晶析反応槽と第二晶析反応槽の処理水をあ
わせたものである。各晶析反応槽の通水条件を第１表に
示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】約３０日通水させた原水と処理水の平均水
質を第２表に示す。原水のＴ−Ｐ１１０ｍｇ／リットル
に対し、処理水のＴ−Ｐは１５ｍｇ／リットルであり、
リンの回収率は８６％であり良好に回収された。

【００２４】

【表２】

【００２５】成長したＭＡＰ粒子の抜き出しは以下の手
順で行った。抜き出し頻度は５日に１度とした。 （１）第二晶析反応槽から成長したＭＡＰ粒子の抜き出
し 外径４０ｍｍのエアリフト管を用いて、空気量３０ＮＬ
／ｍｉｎで抜き出した。なお、抜き出し中は原水の供給
は止め、循環水のみ通水した。 （２）第一晶析反応槽から第二晶析反応槽に成長したＭ
ＡＰ粒子の移送 空気弁を第一晶析反応槽に切り替えて、同じく外径４０
ｍｍのエアリフト管を用いて、空気量３０ＮＬ／ｍｉｎ
で抜き出した。なお、抜き出し中は第二晶析反応槽同様
に原水の供給は止め、循環水のみ通水した。 （３）原水通水 原水を再び通水開始した。

【００２６】第一晶析反応槽から第二晶析反応槽に移送
したＭＡＰ粒子の平均粒径は０．２８〜０．３５ｍｍで
あった。第二晶析反応槽のＭＡＰ粒子は、第一晶析反応
槽から移送した平均粒径０．２８〜０．３５のものが
０．４３〜０．５２ｍｍまで成長した。エアリフトを用
いることにより容易に結晶の抜き出しができた。

【００２７】比較例１ ＵＡＳＢの処理水を用いて、図４に示す処理系で脱リン
処理を行った。反応槽はカラム下半分が直径２５ｃｍ、
上半分が３６ｃｍのものを用いた。ＵＡＳＢの処理水に
必要に応じてリン酸１カリウムと塩化アンモニウムを添
加し、所定の濃度となるように、リン濃度とアンモニア
濃度を調整した。以下、調整した液を原水とする。原水
および処理水の一部は、反応槽底部より上向流で通水
し、また、塩化マグネシウムの添加とｐＨを８．５に調
整することにより砂およびＭＡＰ粒子表面でＭＡＰを晶
析させた。原水の通水量は１１ｍ³／ｄとした。なお、
結晶核の添加は行わなかった。反応槽の通水条件を第３
表に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】約３０日通水させた原水と処理水の平均水
質を第４表に示す。原水のＴ−Ｐ１００ｍｇ／リットル
に対し、処理水のＴ−Ｐは３５ｍｇ／リットルであり、
リンの回収率は６５％であった。結晶の抜き出しは５日
に１回、カラム底部より抜き出した。抜き出したＭＡＰ
結晶の粒径は０．１０〜０．３ｍｍであり、微細であっ
た。また、粒径分布は非常にばらついていた。実施例１
の場合、装置の断面積の合計は０．０５７ｍ²であるの
に対し、比較例１の装置断面積は０．１０２ｍ²と約２
倍であるにもかかわらず、処理水質が悪く、また、回収
した結晶の分布もばらついていた。

【００３０】

【表４】

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、装置容積を小さくする
ことが可能であり、また、製品結晶の純度が高く、エア
リフトによる移送手段を用いることにより、運転方法が
容易な液中のイオン除去方法および装置を提供すること
ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液中イオン除去装置の原理を説明する
分離槽式工程系統図である。

【図２】本発明の液中イオン除去装置の原理を説明する
同一反応槽内収容式工程系統図である。（ａ）は平面
図、（ｂ）は線Ａ−Ａについての断面図である。

【図３】本発明の実施例で使用した液中イオン除去装置
の概略構成図である。

【図４】従来の一槽式の液中イオン除去装置の一例を示
す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 反応槽 ２ 第一晶析反応槽 ３ 第二晶析反応槽 ４ 第三晶析反応槽 ５ 原水 ６ 薬品 ７ 処理水 ８ 循環水 ９ 空気（供給管） １０ エアリフト管 １１ 気泡捕集傘 １２ 処理水排出管 １３ 結晶核粒子 １５ 結晶粒子スラリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｄ 9/02 ６０１ Ｂ０１Ｄ 9/02 ６０１Ａ ６０１Ｃ ６０１Ｅ ６０２ ６０２Ｅ ６０３ ６０３Ｅ ６０４ ６０４ ６０５ ６０５ ６０７ ６０７Ａ ６０８ ６０８Ｂ ６０９ ６０９Ｚ ６１４ ６１４ ６１８ ６１８Ａ ６２２ ６２２ (72)発明者 三浦 友紀子 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 片岡 克之 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 4D038 AA08 AB24 AB36 AB40 AB45 AB48 AB54 AB55 AB59 BB13

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 晶析法によって被処理水中の被除去イオ
   ンを晶析反応で除去する方法において、２槽以上からな
   る晶析反応槽の各々に被処理水及び被除去イオンと反応
   するイオンを含む液又は／及び処理水の一部を供給し、
   各槽で反応晶析させるに際し、第一晶析反応槽で発生さ
   せた結晶核粒子を順次後段の槽に移送させ、後段の槽ほ
   ど原水の供給量を多く、且つ平均粒径の大きな結晶粒子
   を流動させることを特徴とする液中イオンの除去方法。
2. 【請求項２】 結晶核粒子を移送させる手段にエアリフ
   トを用いることを特徴とする請求項１記載の液中イオン
   の除去方法。
3. 【請求項３】 晶析法によって被処理水中の被除去イオ
   ンを除去する装置において、２槽以上からなる晶析反応
   槽の各々に、被処理水供給管及び被除去イオンと反応す
   るイオンを含む液の供給管を接続し、且つ各槽に発生さ
   せた結晶核粒子を順次後段の槽に移送させるためのエア
   リフト管を設置したことを特徴とする液中イオンの除去
   装置。