JP2005230689A - 排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路、部材および排水中に含まれる窒素・燐の除去方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 排水中の燐との接触により水酸化アパタイトを生成する燐吸着剤を、加熱により液状化した窒素浄化剤を介して、水路本体に固定して成る。燐吸着剤は、カルシウム分を多く含んだ石炭灰、火山灰あるいは高炉溶融スラグ、廃棄物溶融スラグ、あるいは石炭灰由来の人工ゼオライトから成る粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成する。窒素浄化剤は、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤である。
【選択図】 図1
Description
そこで、下水道の整備や処理方式の改善等により、外部からの流入負荷を低減する方法が採られている。処理方式の改善例として、窒素については生物学的な硝化・脱窒法、燐については物理化学的方法として薬品凝集、吸着・イオン交換、晶石等の方法がある。
・鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とする水質浄化用多孔質石材および水質浄化方法(例えば、特許文献1参照。)や水質浄化および水中成分の回収方法(例えば、特許文献2参照。)。
・セメント100重量部に対して、水70〜150重量部およびシリカ分とアルミナ分を主成分とする粉状ないし粒状の鉱物材5〜50重量部からなるセメントスラリーを形成し、これを常圧高温養生と高圧高温養生とを順次行って硬化・多孔質構造にするとともに、シリカ分とアルミナ分を主成分とする粉状ないし粒状の鉱物材の水熱反応によってゼオライト類似物を生成して成る吸着材(例えば、特許文献4参照。)。
・高機能性セラミックボールであって、シリカおよびアルミナを骨格として、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の含有量の総和が12重量%以上であり、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を骨格の隙間に保持する汚水処理用セラミックボールおよびその製造方法(例えば、特許文献6参照。)。
・微粉炭燃焼法および流動床燃焼法由来の石炭灰を簡易な物理的処理(造粒ペレット化)によって各種有害物質の吸着剤として有効利用する研究(例えば、非特許文献2参照。)。
特許文献3では、フライアッシュを原料として使用しているため、比重が小さく、設置や回収が困難である。
特許文献5では、燐吸着後の再生に430〜600℃で焼成する必要があり、莫大な費用がかかる。
特許文献7は、人工骨材を製造する発明であり、排水中の燐や窒素を除去するものではない。
特許文献8では、水中あるいは土中の窒素除去法としては非常に優れた発明であるが、燐の除去に関しては効果がない。また、使用後の燐吸着剤の回収・再生については考慮していない。
非特許文献2では、その組成成分から燐吸着剤として使用できることは容易に推測できるが、従来の吸着剤は何らかの構造物に担持させないと、流下するため、処理槽内に充填するなどの方法によらなければならないが、これでは、限られた効果しかなく、装置が大掛かりとなる。
そこで、本発明者は、保持手段として脱窒機能を有する窒素浄化剤とカルシウムを多く含む燐吸着剤とを組み合わせることによって、従来の問題点を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
請求項2に係る発明は、請求項1記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、燐吸着剤は、カルシウム分を多く含んだ石炭灰、火山灰あるいは高炉溶融スラグ、廃棄物溶融スラグ、あるいは石炭灰由来の人工ゼオライトから成る粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1ないし請求項3の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、窒素浄化剤は、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤であることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1ないし請求項5の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、窒素浄化剤は、炭素数が10〜24、融点が30℃〜90℃で被処理排水の水温より高く、温度上昇によりその粘性が低下し、常温で長期間に渡って周囲に水素イオンを放出し、水中の有機炭素濃度を0.1〜100mg/lの範囲で上昇する性質を有することを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項1ないし請求項7の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、水路本体は、窒素浄化剤を回収する回収装置を備えていることを特徴とする。
請求項10に係る発明は、請求項9記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、燐吸着剤は、カルシウム分を多く含んだ石炭灰、火山灰あるいは高炉溶融スラグ、廃棄物溶融スラグ、あるいは石炭灰由来の人工ゼオライトから成る粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする。
請求項12に係る発明は、請求項9ないし請求項11の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、窒素浄化剤は、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤であることを特徴とする。
請求項14に係る発明は、請求項9ないし請求項13の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、窒素浄化剤は、炭素数が10〜24、融点が30℃〜90℃で被処理排水の水温より高く、温度上昇によりその粘性が低下し、常温で長期間に渡って周囲に水素イオンを放出し、水中の有機炭素濃度を0.1〜100mg/lの範囲で上昇する性質を有することを特徴とする。
請求項16に係る発明は、請求項1ないし請求項8の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路に、窒素や燐を含んだ排水を流通することを特徴とする。
請求項18に係る発明は、請求項9ないし請求項15の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材に、窒素や燐を含んだ排水を流通することを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態に係る排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路を示す。
本実施形態に係る水路1は、排水を流通させるための各種の排水管、排水路を意味する。
そして、その水路本体2の内面には、燐吸着剤3が、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤(以下、窒素浄化剤と称する)4によって固定されている。
普通灰よりもCaO、SO3が著しく多く、自硬性を有する。
普通灰よりもSiO2、Al2O3が少ない。
普通灰よりも塩基度が大きい。
pHが10〜12程度である。
このように流動床灰は、普通灰とは異なった性質を有するので、普通灰とは異なる利用が可能である。カルシウム分が多く、自硬性があるという流動床灰の特徴に着目し、これを加圧成形して得られる高強度の粒状物を燐吸着剤3として使用する。流動床灰は加圧成形し、これを養生することで高強度の流動床灰粒状物が得られ、流動床灰に含まれる重金属類の溶出を防止することができる。燐吸着剤3は以下のような機能をもつ。
3HPO4 2-+5Ca2++4OH-→Ca5(OH)(PO4)3+3H2O
加圧成形と水和反応で高強度になっているものの、微視的に見ると多くの空隙(細孔)を有している。このため脱窒菌や硝化細菌の一部が生息可能である。一般的な砂の吸水率(3.5%)の6〜10倍の吸水率を持つ。
窒素浄化剤4は水素供与体であり、嫌気条件下、微生物によって分解されて気体状水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し得る有機化合物である。水素供与体は、有機酸、有機酸塩、アルコールおよびタンパク質・バイオサーファクタントより成る群から選ばれる1種または2種以上で構成されている。また、窒素浄化剤4は、炭素数が10〜24、融点が30℃〜90℃で被処理排水の水温より高く、温度上昇によりその粘性が低下し、常温で長期間に渡って周囲に水素イオンを放出し、水中の有機炭素濃度を0.1〜100mg/lの範囲で上昇する性質を有する。
先ず、加温により粘性が低下した窒素浄化剤4を水路本体2の内面に拡散後、固形化する前に燐吸着剤3を散布する。散布後、温度が低下するとともに、両者が水路本体2の内面に固定化される。周辺の温度は通常5〜40℃の範囲であり、窒素浄化剤4は徐々に冷却され、融点以下となった時点で固形化する。このとき混在している燐吸着剤3の一部に含浸し、同時に固定される。
また、一層目を固定化した後に、二度目、三度目の散布、固定を行い、何層にも重ねて施工することが可能である。
窒素浄化剤4の散布方法としては、液状にした窒素浄化剤4を圧送ポンプ(注入ポンプ)等で注入する。その他のコンプレッサー等を用いて強制的に散布することも可能である。
次に、斯くして構成された本実施形態に係る水路1の作用を図2に基づいて説明する。
例えば、窒素や燐を含む排水の水路として、本実施形態に係る水路1を敷設する。そして、排水を流す。
一方、燐吸着剤3では、表面に燐を吸着し、カルシウムと反応して水酸化アパタイトに変化する。
そして、時間が経過するとともに燐吸着能の小さくなった燐吸着剤3は、図2において点線で囲んで示すように、窒素浄化剤4の消失に伴い、排水5とともに流れる。これに伴い下層の新たな燐吸着剤3が排水5と接触し新たに燐を吸着する。
また、本実施形態によれば、燐吸着剤3は、窒素浄化剤4により固定されているので、例えば、燐吸着剤3の一部しか排水5に接触しておらず、燐吸着剤3の延命化が図れる。また、燐吸着剤3の細孔中に窒素浄化剤4が一部含浸し、脱窒菌や硝化菌の増殖が容易である。燐吸着剤3の細孔中に窒素浄化剤4が一部含浸し、窒素浄化剤4と排水5との接触面積が大きくなる。
流路の底に置かれた1個の物体に働く流体の力Fは、下式で表される。
F=Cd×A×1/2×ρ×(Vr)2
ただし、A=α1×d2、Cd:物体の抵抗係数、A:断面積、ρ:流体の密度、Vr:速度差(流体の速度)、α1:物体の形状係数、d:粒径で示される。
τ0=ρ×g×R×i
ただし、g:重力加速度、R:径深、I:底の勾配
この摩擦応力τ0に断面積CSをかけたものが燐吸着剤3に働く力となる。この断面積CSについては図3に示すように一様ではなく、窒素浄化剤4の消失に伴い、増加する。窒素浄化剤4が固形化に伴って、燐吸着剤3を担持する保持力はこの摩擦応力に耐えうる力である。
また、本実施形態に係る水路1では、移動した燐吸着剤3を下流側で回収することを示唆したが、その具体的な手段として、例えば、図4に示すように、水路1の途中に回収用管6を設け、この回収用管6にて移動した燐吸着剤3を回収することができる。この場合、燐吸着剤3は密度が高いため、水の移動に伴い移動可能となった燐吸着剤3が集まりやすい水路を構成することができる。
また、回収した燐吸着剤の再生方法としては、農業分野や工業分野等で広く一般的に使用することができる。また、公知の処理法によることも可能である。
先ず、二次処理水を用いた試験結果を示す。
実験条件:下水の二次処理水に燐酸を添加
固定方法:300ml容三角フラスコに窒素浄化剤10gを添加した後(窒素浄化剤添加系)、80℃に加熱する。窒素浄化剤が液状になっていることを確認し、燐吸着剤を所定量添加し、10℃で冷却する。12時間冷却した後、100mlの二次処理水を添加する。100rpm、25℃で往復振盪し、72時間後の全窒素濃度と燐酸態燐濃度を測定する。試験系列は以下の通り。
燐吸着剤(石炭焚き流動床炉より発生する燃焼灰からなる粒径2cmの流動床灰粒状物)
〈結果〉
図6に示すように、窒素浄化剤により、72時間で水中の全窒素濃度が約70%低減された。また、燐についても約70%低減された。また、燐吸着剤の使用により、100%近い燐の除去が確認された。ただし、単なる吸着による影響が無視できないため、カラムを用いた試験を行った。
実験条件:下水の二次処理水
固定方法:カラム内に燐吸着剤(粒径3cm)を詰めた後、60℃に加熱し液状となった窒素浄化剤を流し込み、攪拌後、10℃で冷却する。礫(粒径3cm)を充填したカラムを比較対象として用いた。
燐吸着剤(石炭焚き流動床炉より発生する燃焼灰からなる粒径2cmの流動床灰粒状物)
水温:15℃
カラム容量:1.6l
全水量:10l
流量:90ml/min
〈結果〉
加熱後、液状となった窒素浄化剤により燐吸着剤を固定化したカラムに下水二次処理水を循環させたところ、5日後に全窒素、硝酸性窒素ならびに燐酸態燐のすみやかな除去が認められた。図7に示すように、礫充填カラムと比較して、窒素および燐の除去能が高いことを確認できた。
2 水路本体
3 燐吸着剤
4 窒素浄化剤
5 排水
6 回収用管
7 部材
8 金網
Claims (18)
- 排水中の燐との接触により水酸化アパタイトを生成する燐吸着剤を、加熱により液状化した窒素浄化剤を介して、水路本体に固定して成ることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記燐吸着剤は、カルシウム分を多く含んだ石炭灰、火山灰あるいは高炉溶融スラグ、廃棄物溶融スラグ、あるいは石炭灰由来の人工ゼオライトから成る粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記燐吸着剤は、石炭焚き流動床炉より発生する燃焼灰から成る流動床灰粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1ないし請求項3の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記窒素浄化剤は、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤であることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項3記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記流動床灰粒状物は、前記焼却灰原粉に、水または海水を加えて練り混ぜた後、ロールプレス機にて加圧成形して得られた粒状物または粒状物を破砕して得られる破砕物であることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1ないし請求項5の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記窒素浄化剤は、炭素数が10〜24、融点が30℃〜90℃で被処理排水の水温より高く、温度上昇によりその粘性が低下し、常温で長期間に渡って周囲に水素イオンを放出し、水中の有機炭素濃度を0.1〜100mg/lの範囲で上昇する性質を有することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1ないし請求項6の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記水路本体には、網状体が配されており、温度上昇により液状化した前記窒素浄化剤により前記燐吸着剤とともに固定されていることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 請求項1ないし請求項7の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路において、前記水路本体は、前記燐吸着剤を回収する回収装置を備えていることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路。
- 排水中の燐との接触により水酸化アパタイトを生成する燐吸着剤と、
加熱により液状化する窒素浄化剤と、
固定用資材とを有し、
前記燐吸着剤は、加熱により液状化した前記窒素浄化剤によって前記固定用資材に固定されている
ことを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。 - 請求項9記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記燐吸着剤は、カルシウム分を多く含んだ石炭灰、火山灰あるいは高炉溶融スラグ、廃棄物溶融スラグ、あるいは石炭灰由来の人工ゼオライトから成る粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項9記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記燐吸着剤は、石炭焚き流動床炉より発生する燃焼灰から成る流動床灰粒状物であり、排水中の燐との接触により、不溶性の水酸化アパタイトを生成することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項9ないし請求項11の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記窒素浄化剤は、被処理排水の水温より高い温度の融点を有し、微生物により分解されて水素と有機酸あるいは微生物が利用可能な有機物とを生成し脱窒を促進する有機炭素系水質浄化剤であることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項11記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記流動床灰粒状物は、前記焼却灰原粉に、水または海水を加えて練り混ぜた後、ロールプレス機にて加圧成形して得られた粒状物または粒状物を破砕して得られる破砕物であることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項9ないし請求項13の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記窒素浄化剤は、炭素数が10〜24、融点が30℃〜90℃で被処理排水の水温より高く、温度上昇によりその粘性が低下し、常温で長期間に渡って周囲に水素イオンを放出し、水中の有機炭素濃度を0.1〜100mg/lの範囲で上昇する性質を有することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項9ないし請求項14の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材において、前記固定用資材は、金網、植生マット、ポット、コンクリート製の側溝、プラスチック製のプレート、筒状のカラムであることを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材。
- 請求項1ないし請求項8の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する水路に、窒素や燐を含んだ排水を流通することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐の除去方法。
- 請求項9ないし請求項15の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材を排水の流路を形成する水路本体に固定した水路に、窒素や燐を含んだ排水を流通することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐の除去方法。
- 請求項9ないし請求項15の何れか記載の排水中に含まれる窒素・燐を除去する部材に、窒素や燐を含んだ排水を流通することを特徴とする排水中に含まれる窒素・燐の除去方法。
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