JP2008207166A - 排水リサイクル方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スケールの付着を防止しつつ排水を処理し、多量の水を回収、リサイクルすることができる排水リサイクル方法の提供を目的とする。
【解決手段】 カルシウムイオンを含む排水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、炭酸カルシウムを生成する前処理ステップと、炭酸カルシウムを含む排水を濃縮装置に移送して蒸発濃縮を行う濃縮ステップと、濃縮装置で発生した蒸気を回収する回収ステップとを備える排水リサイクル方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、清掃工場の処理水や、廃棄物処分場における浸出水などの、カルシウムイオンを含む排水をリサイクルするための排水リサイクル方法に関する。

「21世紀は水の世紀」とも言われ、水の問題は、世界的な最重要課題の一つと言える。こうしたなか、使用後の水を処理してリサイクルするための技術の重要度が増してきている。

リサイクル可能な水を回収しようとするうえで、問題となることが多い現象のひとつに、カルシウム化合物からなるスケールの発生がある。すなわち、排水中に溶けているカルシウムイオンが、炭酸カルシウムや硫酸カルシウム等として配管等表面に付着し、さまざまな不具合を引き起こすのである。カルシウムイオンは、例えば清掃工場の処理水や、廃棄物処分場における浸出水などに高濃度に含まれており、こうした水を対象とした水のリサイクルを行ううえで、その影響を防止することは極めて重要である。

このような排水をリサイクルする方法としては、例えば、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法は、処分場の浸出水を、ｐＨ８〜９の範囲で調整しながら５体積％以下の二酸化炭素を含む排ガスを気液接触させ、液中のカルシウムイオンを除去しつつ、排ガスの熱により蒸発濃縮する。そして、蒸発成分をコンデンサにおいて凝縮し、閉鎖型処分場の散水用に再利用するものである。
特開２００５−１６１２２４号公報

ところが、上記特許文献１に開示された方法は、二酸化炭素と浸出水とを気液混合する槽と同じ槽内で浸出水を蒸発濃縮して、蒸気を回収するように構成していたため、二酸化炭素の供給による炭酸カルシウムの生成が十分でない状態で蒸発濃縮が進行する結果、残存するカルシウムイオンによる炭酸カルシウムスケールの付着が問題となるおそれがあった。また、この構成では、回収できる蒸気の量がごく限定的であり、リサイクル方法としての効果は大きくない。

そこで、本発明は、スケールの付着を防止しつつ排水を処理し、多量の水を回収、リサイクルすることができる排水リサイクル方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、カルシウムイオンを含む排水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、炭酸カルシウムを生成する前処理ステップと、炭酸カルシウムを含む排水を濃縮装置に移送して蒸発濃縮を行う濃縮ステップと、前記濃縮装置で発生した蒸気を回収する回収ステップとを備える排水リサイクル方法により達成される。

この排水リサイクル方法において、前記前処理ステップは、アルカリの注入により排水のｐＨ値を９より大きい値に維持して行われることが好ましい。この場合、前記濃縮装置で生成された濃縮水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、濃縮水のｐＨ値を調整するｐＨ調整ステップを更に備えることが好ましい。

また、前記濃縮ステップは、排水に含まれる炭酸カルシウムを種結晶として排水中のカルシウムイオンを接触させることにより、蒸発濃縮中に結晶成長させるステップを含むことができる。

また、前記濃縮装置は、加熱流体が通過する伝熱管を備え、該伝熱管の表面で排水を蒸発させるように構成されたものを好ましく用いることができる。

本発明の排水リサイクル方法によれば、スケールの付着を防止しつつ排水を処理し、多量の水を回収、リサイクルすることができる。また、排水と接触させる二酸化炭素含有ガスとして、例えば燃焼排ガスなどを利用することが可能であり、工場からの二酸化炭素排出量を効果的に低減することができる。

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排水リサイクル方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。

図１に示すように、排水処理装置１は、カルシウムイオンを含む排水を貯留する前処理槽１０と、前処理槽１０から供給された排水を蒸発濃縮する濃縮装置２０とを備えている。

前処理槽１０は、二酸化炭素含有ガスを排水中に導入する散気管１１を備えている。前処理槽１０に貯留された排水は、水酸化ナトリウム等のアルカリを供給することによりｐＨ値（水素イオン濃度）を調整可能であり、排水のｐＨ値は、ｐＨ計１２により測定することができる。また、前処理槽１０には、排水を撹拌する撹拌装置１３が設けられている。

濃縮装置２０は、内部を加熱流体が通過する複数の伝熱管２１と、貯留された排水を伝熱管２１の表面に散布するノズル２２とを備えており、内部を真空ポンプ（図示せず）により減圧した状態で、循環ライン２３を介して排水を循環させることにより、伝熱管２１の表面で排水を加熱蒸発させるように構成されている。濃縮装置２０で発生した蒸気は、凝縮器３０に案内されて凝縮水となり、受水槽３１に貯留される。

濃縮装置２０において循環濃縮された排水は、脱水機３３に供給されて炭酸カルシウムが分離された後、ｐＨ調整槽３４に供給される。ｐＨ調整槽３４は、排水中に燃焼排ガスを導入可能に構成されており、燃焼排ガスの導入量を制御することにより、排水のｐＨ値を所望の値まで低下させることができる。

次に、以上の構成を備える排水処理装置を用いて、排水をリサイクルする方法を説明する。

まず、前処理槽１０にリサイクルの対象となる排水を貯留し、散気管１１から二酸化炭素含有ガスを放出して排水と接触させる。

前処理槽１０に貯留される排水は、例えば清掃工場において通常は下水道に放流される処理水などを挙げることができるが、カルシウムイオンを含むものであれば特に限定されず、他の工場排水や処分場における浸出水などであってもよい。また、二酸化炭素含有ガスとしては、例えば清掃工場における焼却炉や発電設備、或いは火力発電所などから排出される燃焼排ガスを挙げることができる。このような前処理を行うことにより、排水中のカルシウムイオンと炭酸イオンとが反応して炭酸カルシウムが生成される。

散気管１１から放出される二酸化炭素含有ガスとしては、工場内で発生する二酸化炭素を有効活用して排出量を低減する観点から、上記のように燃焼排ガスを好ましく利用することができるが、燃焼排ガス以外であってもよい。また、炭酸ガスのみを前処理槽１０に供給してもよい。

炭酸カルシウムの生成中は、撹拌装置１３を作動させてｐＨ計１２の測定値をモニタリングしながら、前処理槽１０内にアルカリ（例えば、水酸化ナトリウム水溶液）を適宜供給することにより、排水のｐＨ値を制御する。このｐＨ値は、炭酸カルシウムが生成される条件であればよく、例えば８以上とすることができるが、低すぎると炭酸カルシウム結晶が生じにくくなり、カルシウムイオンと炭酸カルシウム結晶との比率の低下につながる。このため、清掃工場排水など一般的な排水の場合、後述する実施例からも明らかなように、ｐＨ値は９より大きいことが好ましく、９．５以上がより好ましい。ｐＨ値の上限は特に存在しないが、受水槽３１内の水のｐＨ値が高くなるおそれがあることを考慮すれば、例えば１１以下であることが好ましい。排水のｐＨ調整を行うためのアルカリの供給は、バッチ処理で行ってもよく、或いは連続処理で行ってもよい。

こうして、排水中の大部分のカルシウムイオンが反応して炭酸カルシウムが生成され、その炭酸カルシウムを含む排水が、連続的に濃縮装置２０に供給される。後述する実施例５に示すように、前処理槽１０に供給された排水に対して、ｐＨ調整を行いつつ滞留時間を十分に確保することにより、前処理槽１０において、排水中のカルシウムイオンをほとんど（９９．９％以上）除去することが可能である。この99.9%除去率の一つの要因として、カルシウムイオンと炭酸ガス反応の場合、緩衝作用によりpHが安定化することが考えられる。

濃縮装置２０においては、排水が循環ライン２３を介して循環され、伝熱管２１を通過する加熱流体との熱交換により加熱蒸発する。伝熱管２１に供給される加熱流体は、例えば清掃工場の場合、発電用の蒸気タービンの排蒸気を利用することが可能であるが、これに限定されるものではなく、例えば、濃縮装置２０で発生した蒸気を圧縮ブロワにより伝熱管２１に導くように構成することや、ガスエンジン、ガスタービンコージェネレーションやボイラーからの蒸気を用いることもできる。熱交換後の流体は、復水タンク３２に貯留される。

濃縮装置２０に供給された排水には、カルシウムイオンが僅かに残存しているため、排水の蒸発濃縮に伴いスケールが発生するおそれがある。ところが、排水に含まれる炭酸カルシウムが種結晶となることにより、排水中のカルシウムイオンを種結晶に接触させて、種結晶の表面上で結晶成長させることができるので、伝熱管２１へのスケールの付着を防止することができる。このように、前処理工程で生成された炭酸カルシウムを種結晶として利用することにより、濃縮装置２０に種結晶を別途添加することなく種晶効果を生じさせることが可能である。

濃縮装置２０で濃縮される排水の濃縮倍率は、下水排除基準の各項目が基準値を満たすことを考慮して適宜設定可能である。具体的には、下水排除基準の各項目（例えば、ＳＳ、フッ素、ＢＯＤ、全窒素など）の基準値が、排水測定データの年間最大値の何倍であるかをそれぞれ算出し、最も低い倍率で基準値に達する項目を特定して、この倍率から安全率を考慮して目標濃縮倍率（例えば５倍）を設定することができる。

濃縮装置２０で生成された蒸気は、凝縮器３０において凝縮水となり、受水槽３１に回収される。この凝縮水は、現状上水が用いられている用途（洗浄、冷却、散水用途等）に再利用することができる。一方、濃縮装置２０で生成された濃縮水は、脱水機３３において炭酸カルシウムが分離され、ｐＨ調整槽３４に供給される。

ｐＨ調整槽３４は、前処理槽１０と同様に、二酸化炭素含有ガスを濃縮水に導入する散気管３４１と、濃縮水のｐＨ値を測定するｐＨ計３４２と、濃縮水を撹拌する撹拌装置３４３とを備えており、ｐＨ調整槽３４に供給された濃縮水のｐＨ値をｐＨ計３４２により検出しながら散気管３４１から二酸化炭素含有ガスを供給することにより、下水排除基準を満たすｐＨ値となるように調整する。ｐＨ調整槽３４で使用する二酸化炭素含有ガスについても、前処理槽１０と同様に、工場内で発生する燃焼排ガスなどを使用することができ、工場から排出される二酸化炭素の更なる低減を図ると同時に、下水排除基準も容易に満たすことができる。

ｐＨ調整後の濃縮水は、下水放流される。ｐＨ調整槽３４の下流側には熱交換器３５が設けられており、ｐＨ調整槽３４から排出された濃縮水の温度が例えば４５℃より高い場合には、熱交換器３５において冷却することにより、下水放流時の温度に関する下水排除基準を容易に満足することができる。熱交換器３５における冷却水としては、例えば、受水槽３１に貯留されている回収水をクーリングタワー３６で冷却したものを使用することができる。本実施形態においては、上記のように濃縮装置２０における伝熱管２１へのスケール付着を効果的に防止して、排水の蒸発効率を良好に維持することができるので、実際に濃縮される排水の濃縮倍率と目標濃縮倍率との誤差を軽減することができ、この点からも、下水排除基準値を満たしつつ放流量を低減することが容易である。

以下、実施例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１：CO2ガス吹き込みによる炭酸カルシウム形成効果の確認
工場より受領した放流水（カルシウムイオン濃度：約６０ｍｇ／Ｌ）を用いて試験を行い、CO2ガス吹込みによる炭酸カルシウム形成効果を確認した。

試験は5Lの容器を用いてバッチ式にて行い、アルカリの注入によりpHを約10に維持した状態で、CO2ガス（99.99%）を一定速度で吹き込みながら、経時的に採取した液中のカルシウムイオン濃度を測定した。

試験水は試験開始時には透明であったが、ガス吹き込みにともなって、次第に白色の固形分が析出する様子が観察された。液中のカルシウムイオン濃度測定結果を図２に示す。吹き込みにともなってカルシウムイオン濃度が低下することが確認でき、炭酸カルシウムの種結晶が形成できていることが示唆された。

実施例２：排水のｐＨ値がカルシウム残存率に与える影響
初期カルシウムイオン濃度を約1,000mg/Lに調製した清掃工場排水を用いて試験を行った。制御pH値をpH8.5〜11の間（8.5, 9.0, 9.5, 10.0, 10.5, 11.0）でCO2を含んだガス（空気：15L/min + CO2ガス：1.5L/min）の吹き込みを行い、液中のカルシウムイオン残存濃度を測定した。カルシウムイオン残存濃度が10mg/Lを下回るまで、吹き込みを行った（ただし、pH8.5は60分後、10mg/Lに達する前に打ち切り）。この結果を図３に示す。

図３に示すように、CO2の吹き込みにともない、固形分が生じ、液中のカルシウムイオン濃度は低下した。制御pH値9.5以上の条件では、濃度低下速度はほぼ同じであった。一方、pH9.0、および、pH8.5の条件では、制御pH値9.5以上のときと比較すると、イオン濃度低下速度が顕著に低下することが分かった。pH値が9以下であっても炭酸カルシウムが生成されるため、本発明の効果を奏することができるが、反応速度の低下は、処理時間の長期化、装置サイズの大型化につながり、コスト増要因となる。したがって、CO2吹き込み槽における制御pHの値は、9より大きいことが望ましく、9.5以上とすることがより望ましい。

実施例３：濃縮処理によるスケールの付着状況および処理水質の確認
実施例１のバッチ試験でCO2ガスを吹き込んで炭酸カルシウムを形成したあとの水を原水とし、エバポレータを用いて濃縮処理（倍率5.5倍）を行って、ガラス表面へのスケールの付着状況および蒸留水と濃縮水（ろ過後）の水質を確認した。この結果を表１に示す。

ガラス表面への付着はほとんどなく、種結晶形成による効果が示唆された。また、濃縮水は放流基準のうち唯一pHが9.67と上限を超えていたが、pH調整のみ行えば放流可能であると考えられた。

実施例４：想定システムにおけるランニングコストメリットの試算
ここまでの結果をもとに、ランニングメリットの計算を行った。ここでは、蒸発濃縮装置の熱源としては蒸気タービン排気を利用すること、また、カルシウムとの反応、および濃縮水のpH調整用の炭酸供給源としては、排ガスを利用することとし、それぞれランニング費用追加には含めないこととした。一例として、放流水のCaイオン濃度を1,400mg/L、濃縮倍率を5倍とした場合の計算例を、表２に示す。

トータルのランニングメリットは、放流水の量が多くなるほど大きくなり、例えば処理量が500m3/日である場合、年間8,435万円程度のコスト削減が可能である。

実施例５：前処理槽におけるカルシウムイオン除去効果の確認
初期カルシウムイオン濃度を約1,000mg/Lに調製した排水を、滞留時間が４時間程度となるように前処理槽に供給し、排水のｐＨ値を約10.5に調整しつつ、連続的に二酸化炭素含有ガスの吹き込み処理（ＣＯ２：0.5L/min、Ａｉｒ:15L/min）を行い、排水中のカルシウムイオン濃度を検出した。この結果を図４に示す。なお、前処理槽に貯留される排水の量は、約150Ｌとした。また、排水のｐＨ調整は、ｐＨメータと連動させたＰＩＤ制御による液状苛性ソーダ自動添加装置を用いて、市販されている２５％濃度の液状苛性ソーダを添加して行った。

図４に示すように、全試験期間（約７０時間）にわたって、排水のカルシウムイオン濃度は、1mg/L以下に概ね維持されており、前処理槽において99.9%以上のカルシウムイオンを安定的に除去できることを確認した。

なお、カルシウムイオンを除去後の排水を濃縮装置に連続的に供給したところ、濃縮装置においてもカルシウムイオン濃度を1mg/L以下に維持しながら安定した濃縮運転が可能であった。この結果、図５に示すように、（ａ）運転開始前の伝熱管表面と、（ｂ）運転終了後の伝熱管表面との間に状態変化は見られず、伝熱管にスケールを付着させることなく運転可能であることを確認した。

本発明の一実施形態に係る排水リサイクル方法に用いる排水処理装置の概略構成図である。 一実施例の測定結果を示す図である。 一実施例の測定結果を示す図である。 一実施例の測定結果を示す図である。 一実施例において、濃縮装置の運転前後における伝熱管表面の様子を示す図である。

符号の説明

１ 排水処理装置
１０ 前処理槽
１１ 散気管
１２ ｐＨ計
１３ 撹拌装置
２０ 濃縮装置
２１ 伝熱管
２２ ノズル
２３ 循環ライン
３０ 凝縮器
３１ 受水槽
３２ 復水タンク
３３ 脱水機
３４ ｐＨ調整槽

Claims (5)

1. カルシウムイオンを含む排水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、炭酸カルシウムを生成する前処理ステップと、
   炭酸カルシウムを含む排水を濃縮装置に移送して蒸発濃縮を行う濃縮ステップと、
   前記濃縮装置で発生した蒸気を回収する回収ステップとを備える排水リサイクル方法。
2. 前記前処理ステップは、アルカリの注入により排水のｐＨ値を９より大きい値に維持して行われる請求項１に記載の排水リサイクル方法。
3. 前記濃縮装置で生成された濃縮水を二酸化炭素含有ガスと接触させて、濃縮水のｐＨ値を調整するｐＨ調整ステップを更に備える請求項２に記載の排水リサイクル方法。
4. 前記濃縮ステップは、排水に含まれる炭酸カルシウムを種結晶として排水中のカルシウムイオンを接触させることにより、蒸発濃縮中に結晶成長させるステップを含む請求項１から３のいずれかに記載の排水リサイクル方法。
5. 前記濃縮装置は、加熱流体が通過する伝熱管を備え、該伝熱管の表面で排水を蒸発させるように構成されている請求項１から４のいずれかに記載の排水リサイクル方法。