JP2011045853A - 浄水処理装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】塩素消毒により消毒副生成物を生成する消毒副生成物前駆有機物を含有する水の浄水処理装置であって、凝集沈澱処理装置と、オゾン酸化処理装置と、活性炭吸着処理装置とを順次接続して有すると共に、該活性炭吸着処理装置に使用する活性炭が、ヤシ殻系材料を原料とする活性炭で、BET比表面積が1300±200m2/g、孔径2〜50nmのメソポア領域の細孔容積が0.15±0.05cm3/g、かつ50nm以上のマクロポア領域の細孔容積が0.40±0.10cm3/gである球状成形活性炭としたものであり、該装置には、凝集沈澱処理装置とオゾン酸化処理装置の間、及び/又は、活性炭吸着処理装置の後段に、砂ろ過装置を有することができる。
【選択図】図4
Description
しかしながら、ライフラインとしての水道水源確保等を目的としたダム湖の増加、及び水源の富栄養化の進行に伴い、カビ臭物質である2−メチルイソボルネオール、ジェオスミンなどを産出するPhormidium tenue、Anabaena spiroides var. crassa、Oscillatoria tenuis、Microcystis aeruginosaなどの藻類の異常繁殖、及びこれに伴う異臭味発生問題が生じ、通常処理では対応が難しくなった。
さらに、1970年代になると、水中のフミン酸などの有機物質と消毒剤の塩素剤の反応により生成される、発癌性物質であるトリハロメタン(クロロホルム、ブロモジクロロメタン、ジブロモクロロメタン、ブロモホルムの4物質の総称。以下、THMと称する)を始めとする、ハロ酢酸、抱水ハラールなどの消毒副生成物の問題が顕在化し、水道の安全性を揺るがせる大きな問題となった。塩素消毒時に塩素との反応によって上記のような消毒副生成物を生成する有機物は、消毒副生成物の前駆物質(precursor)と称され、この有機物を効率よく除去し、塩素消毒副生成物を低減する技術が求められるようになった。
高度浄水処理は、凝集処理+オゾン処理+BAC処理+後塩素の組合せを基本としたものである。まず、凝集処理による除濁と有機物質の粗除去、次いでオゾン処理により、残留有機物質の酸化分解及び低分子化・易生物分解化(biodegradable)を経て、BAC処理による残留有機物質の吸着除去及び生物分解が行われ、最終的に消毒副生成物の前駆物質となる有機物質をできるだけ減少させた後で塩素剤による消毒が行われる。
しかしながら、活性炭の能力を新炭なみに回復させるためには、3年程度毎の再生が好ましいと言われるにもかかわらず、実質的には、財政上の理由などから6〜8年経過後に行わざるを得ないことが多い。しかし、6〜8年後の再生では、吸着性能の回復、硬さの低化及び粒径の小粒化などの問題から再生収率が低下するため、使用済み炭は再生利用は行わずに廃棄し、新炭と交換するという方式を採る自治体が多くなっている。
このため、ヤシ殻系活性炭や木質系活性炭などの植物系活性炭と石炭系活性炭では、その製造工程における二酸化炭素排出量には大きな差があり、使用電力、燃料、水などのユーティリティーも勘案した試算では、石炭系活性炭製造時には、植物系活性炭製造時の約3〜5倍もの二酸化炭素が排出されることとなる。
しかしながら、ヤシ殻系粒状破砕活性炭については、我が国においても1970年代に実験的に検討されたこともあるが、細孔径2〜50nmの領域のメソポア、及び物質拡散速度に大きな影響を与える細孔径50nm以上の領域のマクロポアの発達が石炭系に劣っており、消毒副生成物の前駆物質となる有機物質の吸着除去性能が劣るため、高度浄水処理実施設に採用されることはなかった。また、欧州の高度浄水処理施設では、木材などを原料とした木質系粒状破砕活性炭が使用されるケースもあり、我が国においても実験的に検討されたこともあるが、硬度が低い、ヤシ殻系同様塩素消毒副生成物の前駆物質の吸着特性が低いなどの理由で、我が国の高度浄水処理実施設に採用されることはなかった。
前記浄水処理装置と方法において、砂ろ過装置は、凝集沈澱装置とオゾン酸化装置の間、及び、活性炭吸着処理装置の後段の両方に設けることができ、また、前記活性炭は、洗浄濁度が20度以下であり、さらに好ましくは洗浄濁度が15度以下のものが好適である。
「通水停止」→「水位低下」→「空気・水同時洗浄」→「水洗浄」→「捨水」→「通水再開」
従来の石炭系粒状破砕活性炭を使用する浄水処理装置の場合、空気・水同時洗浄工程での活性炭摩耗が激しく、後段の水洗浄工程及び捨水工程を長くとる必要があったが、本発明の浄水処理装置の場合は、微粉炭の発生が少ないため水洗浄工程及び捨水工程を短縮することができ、このため洗浄水量を低減できる効果がある。
以上述べたように、本発明は、カーボン・ニュートラルである植物系材料を主原料としながら、石炭系粒状破砕活性炭に匹敵するレベルに、塩素消毒副生成物の前駆物質である有機物質の吸着能力が高く、細孔径2〜50nm領域のメソポア、及び物質拡散速度に大きな影響を与える細孔径50nm以上の領域のマクロポアが発達した、二酸化炭素排出負荷の小さい植物系活性炭、及び当該活性炭を用いた新しい浄水処理装置を提供するものであり、大きな環境貢献を果せる発明と言える。
ここで、BET比表面積及びメソポアの細孔容積はマイクロメトリックス社(販売:島津製作所株式会社)製の比表面積・細孔分布測定装置ASAP2010型により、マクロポアの細孔容積は島津製作所株式会社製の水銀ポロシメータ装置オートポアIV9500型により測定したものである。
洗浄濁度は、日本水道協会の規格であるJWWA A 103水道用ろ材試験方法に記載されている試験項目で、以下のような試験である。
風乾試料30gを共栓試薬瓶500mLに採り、精製水300mLを加えて密栓し、1分間150回の割合で、振り幅約15cmで1分間振り混ぜ、3分間静置する。次に、上液の約150mLを傾斜して採取し、濁度を測定する。
洗浄濁度は、本来はろ過砂を対象とした試験であり、アンスラサイト、マンガン砂などの微粉や色度が生じ易いろ材では適用外となっている。我が国の高度浄水処理に使用される石炭系粒状破砕活性炭の製造方法は、瀝青炭、亜瀝青炭を微粉砕後、灰分除去を行い、バインダーを添加して混錬成形し、これを破砕、粒度調整した後、炭化、水蒸気賦活したものである。したがって、外観は角張った形状をしているため、既存の高度浄水処理装置では、逆洗工程時に摩耗による微粉が発生し易く、洗浄時間が長いという欠点があった。
また、クロラミンを完全に分解するためにはいわゆる不連続点塩素処理が必要であるが、そのために消費される塩素量は経験的にアンモニア性窒素の8〜10倍程度とされていることから、塩素の使用量を節減するためにもアンモニア性窒素の除去は重要である。
飲料製品の製造に供される用水の製造は、たとえば1970年代であれば処理フローは浄水場と同様で、
取水⇒凝集沈殿⇒砂ろ過⇒活性炭吸着⇒消毒⇒脱塩素⇒処理水 を基本としていた。この場合、製造者は、pH、酸消費量、溶解塩類濃度、残留塩素濃度などについて水道水とは異なる管理基準を定めている。近年は、製品の多様化、消費者からの高い品質要求、安全安心の担保、原水取水源の水質悪化などへの対応が必要な背景を踏まえ、用水処理に膜分離技術が採用されることが増えている。最近設置された設備処理フローの例としては、
取水⇒RO膜処理⇒消毒⇒脱塩素⇒MF膜⇒処理水
などがあげられる。
新旧どのような処理を行うとしても、用水製造工程においては、望まれない物質の除去と共に、生物の繁殖によって引き起こされる汚染の防止が重要であるため、消毒用薬剤として次亜塩素酸ソーダが常用される。一方、用水が製品に加工される製造工程では製品品質を維持するため残留塩素を一定値以下に管理する必要があるため、製品化の前段で用水の脱塩素を行うために活性炭が使用される。
本発明に用いる活性炭(ヤシ殻系球状炭)は、石炭系とヤシ殻系何れの粒状破砕炭よりも洗浄濁度が小さいことが特徴であることから、脱塩素能力が従来品と同程度でこれを食品系の用水工程に活用することは上記問題の解決ないし改善のために有効な手段となる。
図4のフローの処理装置による有機物の除去性能について、従来装置(石炭系破砕炭:メソポア容積0.28cm3/g、マクロポア容積0.40cm3/g、BET比表面積1,070m2/g)と、本発明装置(ヤシ殻系球状炭A:水蒸気賦活条件は、900℃、水蒸気濃度40% as molで3時間、メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,320m2/g)、比較装置1(ヤシ殻系球状炭A−1:水蒸気賦活条件は850℃、水蒸気濃度30% as molで3時間、メソポア容積0.14cm3/g、マクロポア容積0.23cm3/g、BET比表面積1,070m2/g)、比較装置2(ヤシ殻系球状炭A−2:水蒸気賦活条件は850℃、水蒸気濃度40% as molで5時間、メソポア容積0.08cm3/g、マクロポア容積0.39cm3/g、BET比表面積1,080m2/g)、比較装置3(ヤシ殻系球状炭A−3:水蒸気賦活条件は950℃、水蒸気濃度40% as molで2時間、メソポア容積0.07cm3/g、マクロポア容積0.21cm3/g、BET比表面積1,240m2/g)との比較を実施した。有機物の指標である紫外部吸光度E260、総トリハロメタン生成能(THMFP)の通水倍数と除去率の推移の比較を図7及び図8に示す。
処理条件
・活性炭層高:2500mm
・活性炭粒度:有効径−1.2mm、均等係数−1.3
・空間速度[SV]:5.2/h(線速度[LV]13m/h)
・活性炭流入水水質:紫外部吸光度E260−0.029〜0.082Abs.
総トリハロメタン生成能THMFP−0.017〜0.035mg/L
図4のフローの処理装置による有機物の除去性能について、従来装置(石炭系破砕炭:メソポア容積0.28cm3/g、マクロポア容積0.40cm3/g、BET比表面積1,070m2/g)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭A:水蒸気賦活条件は900℃、水蒸気濃度40% as molで3時間、メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,320m2/g)、比較装置(ヤシ殻破砕炭:メソポア容積0.05cm3/g、マクロポア容積0.15cm3/g、BET比表面積1,240m2/g)との比較を実施した。有機物の指標である紫外部吸光度E260、総トリハロメタン生成能(THMFP)の通水倍数と除去率の推移の比較を図9及び図10に示す。
・活性炭層高:2500mm
・活性炭粒度:有効径−1.2mm、均等係数−1.3
・空間速度[SV]:5.2/h(線速度[LV]13m/h)
・活性炭流入水水質:紫外部吸光度E260−0.037〜0.095Abs.
総トリハロメタン生成能THMFP−0.016〜0.038mg/L
図5のフローの処理装置による有機物の除去性能について、従来装置(石炭系破砕炭:メソポア容積0.26cm3/g、マクロポア容積0.38cm3/g、BET比表面積1,050m2/g)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭B:メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.32cm3/g、BET比表面積1,280m2/g)、比較装置(ヤシ殻破砕炭:メソポア容積0.06cm3/g、マクロポア容積0.16cm3/g、BET比表面積1,220m2/g)との比較を実施した。有機物の指標である紫外部吸光度E260、総トリハロメタン生成能(THMFP)の通水倍数と除去率の推移の比較を図11及び図12に示す。
処理条件
・活性炭層高:2700mm
・活性炭粒度:平均径−1.0mm、均等係数−1.7
・空間速度[SV]:5.8/h(線速度[LV]15.7m/h)
・活性炭流入水水質:紫外部吸光度E260−0.016〜0.034Abs.
総トリハロメタン生成能THMFP−0.009〜0.023mg/L
図6のフローの処理装置による有機物の除去性能について、従来装置(石炭系破砕炭:メソポア容積0.25cm3/g、マクロポア容積0.33cm3/g、BET比表面積1,030m2/g)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭C:メソポア容積0.13cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,300m2/g)、比較装置(ヤシ殻破砕炭:メソポア容積0.04cm3/g、マクロポア容積0.11cm3/g、BET比表面積1,250m2/g)との比較を実施した。有機物の指標である紫外部吸光度E260、総トリハロメタン生成能(THMFP)の通水倍数と除去率の推移の比較を図13及び図14に示す。
処理条件
・活性炭層高:2100mm
・活性炭粒度:有効径−0.4mm、均等係数−1.4
・空間速度[SV]:7.1/h(線速度[LV]14.9m/h)
・活性炭流入水水質:紫外部吸光度E260−0.036〜0.068Abs.
総トリハロメタン生成能THMFP−0.014〜0.031mg/L
図4のフローの処理装置による有機物の除去性能について、従来装置(石炭系破砕炭:メソポア容積0.28cm3/g、マクロポア容積0.40cm3/g、BET比表面積1,070m2/g)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭A:メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,320m2/g)、比較装置1(ヤシ殻・木質混合系球状炭A:メソポア容積0.08cm3/g、マクロポア容積0.33cm3/g、BET比表面積1,160m2/g)、比較装置2(木質系球状炭A:メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.33cm3/g、BET比表面積1,060m2/g)との比較を実施した。有機物の指標である紫外部吸光度E260、総トリハロメタン生成能(THMFP)の通水倍数と除去率の推移の比較を図15及び図16に示す。
処理条件
・活性炭層高:2500mm
・活性炭粒度:有効径−1.2mm、均等係数−1.3
・空間速度[SV]:5.2/h(線速度[LV]13m/h)
・活性炭流入水水質:紫外部吸光度E260−0.037〜0.095Abs.
総トリハロメタン生成能THMFP−0.016〜0.038mg/L
本発明ヤシ殻系球状活性炭A(メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,320m2/g、有効径1.2mm、均等係数1.3)、本発明ヤシ殻系球状活性炭B(メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.32cm3/g、BET比表面積1,280m2/g、平均径1.0mm、均等係数1.7)と従来の石炭系破砕炭(メソポア容積0.28cm3/g、マクロポア容積0.40cm3/g、BET比表面積1,070m2/g、有効径1.2mm、均等係数1.3)の洗浄濁度測定例を図17及び表3に示す。浄水場の活性炭吸着設備における逆洗工程は、水抜き/水・空気混合洗浄/水洗/捨水の手順を踏むが、下記データは新炭充填時における逆洗時の状況を模したものといえる。この試験結果では、本発明活性炭は石炭系破砕炭に比べ濁度の排出量が6回の積算で概ね1/3程度に低減された。なお、JWWA A 103水道用ろ材試験方法に記載されている試験方法では濁度標準列と比較して視認する視覚法で濁度を決定するものであるが、本発明の実施例のおいては、より精密な測定法である積分球式濁度計を使用し、光学的手法により計測を行った。
図4のフローの処理装置による従来装置(石炭系粒状破砕炭:メソポア容積0.28cm3/g、マクロポア容積0.40cm3/g、BET比表面積1,070m2/g、有効径1.2mm、均等係数1.3)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭A:メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.35cm3/g、BET比表面積1,320m2/g、有効径1.2mm、均等係数1.3)における逆洗の比較を図18に示す。
図18に示すとおり、従来装置(石炭系粒状破砕炭)は濁度0.1度以下になるまでに捨水時間30分を要したが、本発明装置(ヤシ殻系球状炭)は微粉の発生が少なく20分で達した。これにより、本発明装置(ヤシ殻系球状炭A)は従来装置(石炭系粒状破砕炭)と比較し逆洗水量をおよそ2/3に削減する事が出来る事を確認した。
図5のフローの処理装置による従来装置(石炭系粒状破砕炭:メソポア容積0.26cm3/g、マクロポア容積0.38cm3/g、BET比表面積1,050m2/g、平均径1.0mm、均等係数1.7)と本発明装置(ヤシ殻系球状炭B:メソポア容積0.12cm3/g、マクロポア容積0.32cm3/g、BET比表面積1,280m2/g、平均径1.0mm、均等係数1.7)における逆洗の比較を図19に示す。
図19に示すとおり、従来装置(石炭系粒状破砕炭)は濁度0.1度以下になるまでに捨水時間30分を要したが、本発明装置(ヤシ殻系球状炭)は微粉の発生が少なく20分で達した。これにより、本発明装置(ヤシ殻系球状炭B)は従来装置(石炭系粒状破砕炭)と比較し逆洗水量をおよそ2/3に削減する事が出来る事を確認した。
図4の処理フローにおいて、本発明球状活性炭と従来の市販石炭系粒状破砕炭について、アンモニア性窒素の硝化性能を比較した結果を図20に示す。試験時の水温は室温である。
また、表4は各活性炭の性状を示すものである。
表5は、本発明のヤシ殻球状炭A、B、ヤシ殻系破砕炭、石炭系粒状破砕炭の4者の脱塩素能力を評価した結果である。脱塩素能力の評価は、ドイツ規格DIN19603に従い塩素濃度の半減層厚で行った。以下の手順で通水カラム入り口の塩素濃度が半減するのに必要は活性炭層厚(Gg)を測定した。層厚は薄いほど塩素分解能の高いことを示す。
1) 粒状活性炭を蒸留水で煮沸処理し湿潤状態で外気との接触を断ち、内径役40m
mのガラスカラムに約10cm高さに充填する。
2) 塩素化合物及びアンモニア性窒素の含まれない蒸留水に次亜塩素酸ソーダを添加
し、有効塩素濃度を約5mg/lに調整する。pHは7.0〜7.5とする。
3) 充填カラムに調整した塩素溶液を室温において線速度36m/hで30分間通水
する。
4) 29分目の処理水と流入水の塩素濃度を同時に測定する。
Gg=0.301×t / log(u/V)
Gg:粒状活性炭の脱塩素半値幅(半減層厚)cm
t:活性炭層厚 cm
u:流入水の塩素濃度 mg/l
V:29分目の処理水の塩素濃度 mg/l
表6は上記4銘柄の活性炭の洗浄濁度測定例である。本発明球状炭の洗浄濁度発生は破砕炭に比べ大幅に少なかった。
Claims (4)
- 塩素消毒により消毒副生成物を生成する消毒副生成物前駆有機物を含有する水の浄水処理装置であって、凝集沈澱処理装置と、砂ろ過装置と、オゾン酸化処理装置と、活性炭吸着処理装置とを順次接続して有すると共に、該活性炭吸着処理装置に使用する活性炭が、ヤシ殻系材料を原料とする活性炭で、BET比表面積が1300±200m2/g、孔径2〜50nmのメソポア領域の細孔容積が0.15±0.05cm3/g、かつ50nm以上のマクロポア領域の細孔容積が0.40±0.10cm3/gである球状成形活性炭であることを特徴とする浄水処理装置。
- 塩素消毒により消毒副生成物を生成する消毒副生成物前駆有機物を含有する水の浄水処理装置であって、凝集沈澱処理装置と、オゾン酸化処理装置と、活性炭吸着処理装置と、砂ろ過装置とを順次接続して有すると共に、該活性炭吸着処理装置に使用する活性炭が、ヤシ殻系材料を原料とする活性炭で、BET比表面積が1300±200m2/g、孔径2〜50nmのメソポア領域の細孔容積が0.15±0.05cm3/g、かつ50nm以上のマクロポア領域の細孔容積が0.40±0.10cm3/gである球状成形活性炭であることを特徴とする浄水処理装置。
- 塩素消毒により消毒副生成物を生成する消毒副生成物前駆有機物を含有する水の浄水処理方法であって、該被処理水を、凝集沈澱工程と、砂ろ過工程と、オゾン酸化工程と、活性炭吸着工程とを順次通して処理するに際し、該活性炭吸着工程に使用する活性炭が、ヤシ殻系材料を原料とする活性炭で、BET比表面積が1300±200m2/g孔径2〜50nmのメソポア領域の細孔容積が0.15±0.05cm3/g、かつ50nm以上のマクロポア領域の細孔容積が0.40±0.10cm3/gである球状成形活性炭であることを特徴とする浄水処理方法。
- 塩素消毒により消毒副生成物を生成する消毒副生成物前駆有機物を含有する水の浄水処理方法であって、該被処理水を、凝集沈澱工程と、オゾン酸化工程と、活性炭吸着工程と、砂ろ過工程とを順次通して処理するに際し、該活性炭吸着工程に使用する活性炭が、ヤシ殻系材料を原料とする活性炭で、BET比表面積が1300±200m2/g孔径2〜50nmのメソポア領域の細孔容積が0.15±0.05cm3/g、かつ50nm以上のマクロポア領域の細孔容積が0.40±0.10cm3/gである球状成形活性炭であることを特徴とする浄水処理方法。
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