JP2013027827A

JP2013027827A - カルシウムスケール防止装置及び防止方法

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Publication number: JP2013027827A
Application number: JP2011166118A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Tamura; 典敏田村; Yuichi Otani; 裕一大谷
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: JP5875142B2

Abstract

【課題】薬剤費を低減し、運転コストを低く抑えたカルシウムスケール防止装置及び防止方法を提供する。
【解決手段】カルシウムイオンを含む溶液（最終処分場の浸出水Ｗ２等）をろ過するろ過機４と、ろ過機から排出された溶液を、カルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離する両性イオン交換樹脂５とを備えるカルシウムスケール防止装置。両性イオン交換樹脂を用いてカルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離し、各々の溶液を別々に処理する。カルシウムイオンを除去するために炭酸ナトリウム等を添加しなくとも、ＣａＳＯ₄によるスケールの発生を最小限に抑えることができ、運転コストを低減できる。ろ過機４を、両性イオン交換樹脂へのカルシウムイオンの供給配管、又はこの配管と両性イオン交換樹脂に再生水を供給する再生水供給配管との合流点Ｍの下流側の配管に配置することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カルシウムスケール防止装置及び防止方法に関し、特に、最終処分場やセメント製造工程等においてカルシウムに起因するスケールの発生を防止する装置及び方法に関する。

ごみ処分場等の最終処分場は、リサイクルが困難な廃棄物等を処分するための施設であるが、枯渇化の虞に鑑み、これまで最終処分場で処理されていた廃棄物等の有効利用が推進されている。例えば、都市ごみなどを焼却した際に発生する焼却灰は、近年、セメント原料としてリサイクルしている。都市ごみ焼却灰のうち、気体とともに運ばれ、集塵装置で回収される飛灰は、１０〜２０％の塩素分を含むため、水洗脱塩設備を用い、飛灰に含まれる水溶性塩素化合物を水洗除去した後、セメント原料として利用している（例えば、特許文献１参照）。

一方、セメント製造設備には、プレヒータの閉塞等の問題を引き起こす原因となる塩素を除去する塩素バイパス設備が用いられている。近年、上記焼却灰を含む廃棄物のセメント原料化又は燃料化によるリサイクルが推進され、廃棄物の処理量が増加するに従い、セメントキルンに持ち込まれる塩素等の揮発成分の量も増加し、塩素バイパスダストの発生量も増加している。そのため、塩素バイパスダストをすべてセメント粉砕工程で利用することができず、塩素バイパスダストについても水洗処理されていた（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１００２４３号公報特開２００１−１２９５１３号公報

しかし、最終処分場では、その浸出水に含まれるカルシウムイオン（Ｃａ²⁺）と、ＳＯ₄ ^2-から硫酸カルシウム（ＣａＳＯ₄）が生じ、浸出水の処理装置や後段の排水処理工程においてスケールとして装置に付着し、安定運転が阻害されるという問題があった。また、セメント製造工程における焼却灰や塩素バイパスダストの水洗ろ液についても、上記最終処分場の浸出水と同様の問題があった。

そのため、例えば、図６に示すように、最終処分場５０からの浸出水Ｗ１を沈砂・調整池５１に貯留し、沈砂・調整池５１から排出された浸出水Ｗ２からスケール発生の原因となるカルシウムや、有害な重金属を除去するために薬液反応槽５２で薬剤を添加し、ろ過装置５３でこれらを沈殿除去し、その後、ＣＯＤ処理及び懸濁物質（ＳＳ）の除去を経て、消毒後に放流する。

しかし、上記カルシウムの除去には、多量の炭酸ナトリウムや炭酸カリウムを添加する必要があり、これによって薬剤コストが嵩み、運転コストが高騰するという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、最終処分場等におけるスケールの付着による運転への悪影響を最小限に留め、薬剤コストを含む運転コストを低く抑えることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、カルシウムスケール防止装置であって、カルシウムイオンを含む溶液をろ過するろ過機と、該ろ過機から排出された溶液を、カルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離する両性イオン交換樹脂とを備えることを特徴とする。

そして、本発明によれば、両性イオン交換樹脂を利用してカルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離するため、従来のようにカルシウムイオンを除去するために炭酸ナトリウム等を添加しなくともＣａＳＯ₄等によるスケールの発生を最小限に抑えることができ、運転コストを大幅に低減することができる。

また、ろ過機でカルシウムイオンを含む溶液をろ過した後、両性イオン交換樹脂を通過させるため、両性イオン交換樹脂自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止することができ、両性イオン交換樹脂の安定した動作を維持することができる。

また、上記カルシウムスケール防止装置において、前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管に前記ろ過機を備えることができ、これによって、原水（カルシウムイオンを含む溶液）のスケール付着性に直接対応することができる。

上記カルシウムスケール防止装置において、前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管と、該両性イオン交換樹脂に再生水を供給する再生水供給配管との合流点の下流側の配管に前記ろ過機を備えることができる。これによって、再生水によってろ過機を洗浄することができ、ろ過機の長期安定運転を図ることができる。

上記カルシウムスケール防止装置において、前記ろ過機には除去する粒子の最大径を１０μｍ以下に設定したものを採用することができる。ろ過機にフィルター式を採用した場合は、粒子が通過する穴の口径を１０μｍ以下にしたものとすることができる。砂ろ過機を採用した場合は、ろ材とろ過機を通過する該溶液の速度を調整して、除去する粒子の最大径を１０μｍ以下にしたものを採用することができる。

また、本発明は、カルシウムスケール防止方法であって、カルシウムイオンを含む溶液をろ過し、ろ過した後の溶液を両性イオン交換樹脂に通過させ、カルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離することを特徴とする。本発明によれば、上記発明と同様に、ＣａＳＯ₄等によるスケールの発生を最小限に抑えることができて運転コストを大幅に低減することができると共に、両性イオン交換樹脂自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止して両性イオン交換樹脂の安定した動作を維持することができる。

上記カルシウムスケール防止方法において、前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管にろ過機を設置し、該ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以下に制御することができる。これにより、原水のスケール付着性に直接対応することができ、ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以下に制御すること、すなわちろ過機に容量の大きいものを設置することで、ろ過機の長期運転を確保することができる。

上記カルシウムスケール防止方法において、前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管と、該両性イオン交換樹脂に再生水を供給する再生水供給配管との合流点の下流側の配管にろ過機を設置し、該ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以上に制御することができる。これにより、再生水によってろ過機を洗浄してろ過機の長期安定運転を確保すると共に、ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以上に制御すること、すなわちろ過機に容量の小さいものを設置することで、原水と再生水とが混合して分離性能（ろ過性能）が低下するのを防止することができる。

以上のように、本発明によれば、最終処分場等におけるスケールの付着による運転への悪影響を最小限に留め、薬剤コストを含む運転コストを低く抑えることなどが可能となる。

本発明にかかるカルシウムスケール防止装置の第１の実施形態を用いた最終処分場の浸出水処理システムを示すフローチャートである。図１に示す最終処分場の浸出水処理システムに用いられる両性イオン交換樹脂の動作を説明するための概略図である。図２に示す両性イオン交換樹脂の運転例を示すグラフである。図１に示す最終処分場の浸出水処理システムの実施例を示すフローチャートである。本発明にかかるカルシウムスケール防止装置の第２の実施形態を用いた最終処分場の浸出水処理システムを示すフローチャートである。従来の最終処分場の浸出水処理システムの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、本発明を最終処分場におけるカルシウムスケールの防止に用いた場合を例にとって説明する。

図１は、本発明にかかるカルシウムスケール防止装置の第１の実施形態を用いた最終処分場の浸出水処理システム（以下、「処理システム」と略称する）を示し、この処理システム１は、最終処分場２からの浸出水Ｗ１を貯留する調整槽３と、調整槽３からの浸出水Ｗ２をろ過するろ過機４と、ろ過機４から排出された溶液Ｌ１を、カルシウムイオン濃度の高い溶液（以下「カルシウム含有水」という）Ｌ３と、カルシウムイオン濃度が低くＳＯ₄ ^2-濃度の高い溶液（以下「ＳＯ₄含有水」という）Ｌ４とに分離する両性イオン交換樹脂５と、両性イオン交換樹脂５に供給する再生水Ｌ２を貯留する再生水タンク６と、両性イオン交換樹脂５から排出されたカルシウム含有水Ｌ３及びＳＯ₄含有水Ｌ４を各々貯留するカルシウム含有水タンク７、ＳＯ₄含有水タンク８と、重金属除去装置９と、ＣＯＤ処理装置１０とを備える。

調整槽３は、最終処分場２のごみ層を浸透した雨水等の浸出水Ｗ１を集め、浸出水Ｗ１の水質、水量の変化を抑えて均一化を図るために備えられ、その前段には、土砂を沈降分離する沈砂槽等が備えられる。

ろ過機４は、調整槽３からの浸出水Ｗ２をろ過するため、浸出水Ｗ２を両性イオン交換樹脂５に供給する配管に配置され、浸出水Ｗ２を直接ろ過する。このろ過機４は、砂ろ過機を採用した場合は、除去する粒子の最大径が１０μｍ以下になるように、砂等のろ材の最大径が２．０ｍｍ以下、最小径が０．１５ｍｍ以上で、ろ過機４を通過する浸出水Ｗ２の速度が１００〜２００ｍ／日の比較的大型のろ過機とすることができる。

両性イオン交換樹脂５は、ろ過機４から排出された溶液Ｌ１に含まれるカルシウムを除去するために備えられる。両性イオン交換樹脂とは、母体を架橋ポリスチレン等とし、同一官能基鎖中に四級アンモニウム基とカルボン酸基等を持たせて、陽イオン陰イオンの両方とイオン交換をさせる機能を持たせた樹脂である。例えば、三菱化学株式会社製の両性イオン交換樹脂、ダイヤイオン（登録商標）、ＡＭＰ０３を用いることができる。この両性イオン交換樹脂５は、水溶液中の電解質と非電解質の分離を行うことができるとともに、電解質の相互分離を行うこともできる。

重金属除去装置９は、ＳＯ₄含有水Ｌ４に含まれる鉛等の重金属を除去するために備えられ、薬液反応槽、フィルタープレス等一般的に用いられる装置を利用することができる。

ＣＯＤ処理装置１０は、重金属除去装置９において重金属が除去されたＳＯ₄含有水Ｌ４のＣＯＤを低下させるために備えられ、一般的な浄化槽等を利用することができる。

次に、上記構成を有する処理システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。

最終処分場２の浸出水Ｗ１を調整槽３に集めて水質、水量の変化を抑えた後、調整槽３からの浸出水Ｗ２をろ過機４でろ過する。これにより、両性イオン交換樹脂５自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止する。

次に、ろ過した溶液Ｌ１を両性イオン交換樹脂５に供給し、溶液Ｌ１をカルシウム含有水Ｌ３とＳＯ₄含有水Ｌ４とに分離する。図２に示すように、この両性イオン交換樹脂５は、バッチ処理を連続的に行うものであって、予め水を充填し（図２（ａ））、その後、ろ過機４より両性イオン交換樹脂５に溶液Ｌ１を導入し、次に両性イオン交換樹脂５の再生を行うための再生水（工水）Ｌ２を導入する（図２（ｂ））。すると、図２（ｃ）に示すように、まずＳＯ₄含有水Ｌ４が排出され、その後、カルシウム含有水Ｌ３が時間経過とともにこの順序で排出される。両性イオン交換樹脂５から排出されたＳＯ₄含有水Ｌ４及びカルシウム含有水Ｌ３は、各々ＳＯ₄含有水タンク８及びカルシウム含有水タンク７に一旦貯留する。

次に、カルシウム含有水タンク７に貯留したカルシウム含有水Ｌ３を放流する。一方、ＳＯ₄含有水タンク８に貯留したＳＯ₄含有水Ｌ４は、重金属除去装置９を用いて重金属を除去し、さらにＣＯＤ処理装置１０でＣＯＤを低減した後、放流する。

以上のように、本実施の形態によれば、浸出水Ｗ２をろ過機４及び両性イオン交換樹脂５を介してカルシウム含有水Ｌ３と、ＳＯ₄含有水Ｌ４とに分離した後、各々を別々に処理するため、従来のようにカルシウムを除去するための炭酸ナトリウム等を添加せずにＣａＳＯ₄によるスケールの発生を最小限に抑えることができ、運転コストを大幅に低減することができる。

また、予めろ過機４で浸出水Ｗ２をろ過し、両性イオン交換樹脂５自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止しているため、両性イオン交換樹脂５の安定した動作を維持することができる。ここで、ろ過機４によって浸出水Ｗ２を直接ろ過しているため、浸出水Ｗ２のスケール付着性に直接対応することができると共に、ろ過機４を通過する浸出水Ｗ２の速度を２００ｍ／日以下に制御すること、すなわちろ過機４に容量の大きいものを設置することで、ろ過機４の長期運転を確保することができる。

次に、上記処理システム１に用いたカルシウムスケール防止装置及び防止方法の実施例について説明する。ろ過機４として、口径１０μｍのカートリッジフィルターを用い、ろ過機４を通過する浸出水Ｗ２の速度を５９ｍ／日に制御すると共に、両性イオン交換樹脂５として、上述の三菱化学株式会社製の両性イオン交換樹脂、ダイヤイオンＡＭＰ０３を用い、原水として、表１に示す化学成分を有する最終処分場２の浸出水Ｗ２をろ過機４及び両性イオン交換樹脂５に通液し、再生水Ｌ２として浸出水Ｗ２の２倍の量の新水を通液した。通液量と、両性イオン交換樹脂５を通過した処理液に含まれる各成分の濃度の関係及びその際の処理システム１における水バランスを各々表２、図３及図４に示す。図４において、楕円中の数字が各水の重量比を示す。尚、表１、表２及び図３では、測定した電気伝導度をＣｌ^-濃度に換算して示している。

表２及び図３において、通水量／原水量０．１４〜１．４３までがＳＯ₄含有水Ｌ４、通水量／原水量１．４３以降がカルシウム含有水Ｌ３となる。同表及びグラフより明らかなように、ＳＯ₄含有水Ｌ４には、ＳＯ₄ ^2-に加え、Ｃｌ^-及びＮａ⁺を回収することができるとともに、Ｐｂ²⁺、ＣＯＤ及びＮＨ₄ ⁺についてもＳＯ₄含有水Ｌ４の方に分離することができるため、カルシウム含有水Ｌ３については、これらの除去設備が不要となり、設備コスト及び運転コストを低く抑えることができる。

また、このときの水バランスは、図４に示すように、重量０．６７の溶液Ｌ１と重量１．３３の再生水Ｌ２を両性イオン交換樹脂５に供給すると、重量１のカルシウム含有水Ｌ３と重量１のＳＯ₄含有水Ｌ４とが発生し、各々別々に処理して放流する。

次に、本発明にかかるカルシウムスケール防止装置の第２の実施形態を用いた処理システムについて、図５を参照しながら説明する。

この処理システム１１は、最終処分場２からの浸出水Ｗ１を貯留する調整槽３と、調整槽３からの浸出水Ｗ２をろ過するろ過機１４と、ろ過機１４から排出された溶液Ｌ５を、カルシウムイオン濃度の高い溶液（以下「カルシウム含有水」という）Ｌ６と、カルシウムイオン濃度が低くＳＯ₄ ^2-濃度の高い溶液（以下「ＳＯ₄含有水」という）Ｌ７とに分離する両性イオン交換樹脂５と、ろ過機１４に供給する再生水Ｌ２を貯留する再生水タンク６と、両性イオン交換樹脂５から排出されたカルシウム含有水Ｌ６及びＳＯ₄含有水Ｌ７を各々貯留するカルシウム含有水タンク７、ＳＯ₄含有水タンク８と、重金属除去装置９と、ＣＯＤ処理装置１０とを備える。両性イオン交換樹脂５〜ＣＯＤ処理装置１０については、上記第１の実施形態における処理システム１と同様の構成を有する。

ろ過機１４は、調整槽３からの浸出水Ｗ２をろ過するため、浸出水Ｗ２の供給配管と、再生水Ｌ２の供給配管との合流点Ｍの下流側の配管に配置され、浸出水Ｗ２をろ過すると共に、再生水Ｌ２によってろ過機１４を洗浄する。このろ過機１４は、砂ろ過機を採用した場合は、除去する粒子の最大径が１０μｍ以下になるように、砂等のろ材の最大径が２．０ｍｍ以下、最小径が０．３ｍｍ以上で、ろ過機１４を通過する浸出水Ｗ２及び再生水Ｌ２の速度が２００〜５００ｍ／日の比較的小型のろ過機を採用することができる。

次に、上記構成を有する処理システム１１の動作について、図５を参照しながら説明する。

最終処分場２の浸出水Ｗ１を調整槽３に集めて水質、水量の変化を抑えた後、調整槽３からの浸出水Ｗ２及び再生水タンク６からの再生水Ｌ２をろ過機１４でろ過し、両性イオン交換樹脂５自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止する。

次に、ろ過した溶液Ｌ５を両性イオン交換樹脂５に供給し、溶液Ｌ５をカルシウム含有水Ｌ６とＳＯ₄含有水Ｌ７とに分離する。両性イオン交換樹脂５から排出されたＳＯ₄含有水Ｌ７及びカルシウム含有水Ｌ６は、各々ＳＯ₄含有水タンク８及びカルシウム含有水タンク７に一旦貯留する。

次に、カルシウム含有水タンク７に貯留したカルシウム含有水Ｌ６を放流する。一方、ＳＯ₄含有水タンク８に貯留したＳＯ₄含有水Ｌ７は、重金属除去装置９を用いて重金属を除去し、さらにＣＯＤ処理装置１０でＣＯＤを低減した後、放流する。

以上のように、本実施の形態によれば、浸出水Ｗ２をろ過機１４及び両性イオン交換樹脂５を介してカルシウム含有水Ｌ６と、ＳＯ₄含有水Ｌ７とに分離した後、各々を別々に処理するため、従来のようにカルシウムを除去するための炭酸ナトリウム等を添加せずにＣａＳＯ₄によるスケールの発生を最小限に抑えることができ、運転コストを大幅に低減することができる。

また、予めろ過機１４で浸出水Ｗ２を再生水Ｌ２と共にろ過し、両性イオン交換樹脂５自体にカルシウムスケールが付着して樹脂が固結することを防止しているため、両性イオン交換樹脂５の安定した動作を維持することができる。ここで、ろ過機１４に再生水Ｌ２を供給してろ過機１４を洗浄することで、ろ過機１４の長期安定運転を確保すると共に、ろ過機１４を通過する浸出水Ｗ２及び再生水Ｌ２の速度を２００ｍ／日以上に制御すること、すなわちろ過機１４に容量の小さいものを設置することで、浸出水Ｗ２と再生水Ｌ２とが混合して分離性能（ろ過性能）が低下するのを防止することができる。

尚、上記実施の形態においては、本発明にかかるカルシウムスケール防止装置及び防止方法を最終処分場の浸出水処理システムに適用した場合を例示したが、この浸出水処理システム以外にも、焼却灰やセメント製造工程で得られる塩素バイパスダストを水洗して得られたろ液、海水から塩を回収する塩回収設備の排水等、カルシウムイオンとＳＯ₄ ^2-やシュウ酸イオン等を含む溶液であって、カルシウムイオンに起因するスケールが発生する虞のある溶液であれば本発明を適用することができる。

１最終処分場の浸出水処理システム
２最終処分場
３調整槽
４ろ過機
５両性イオン交換樹脂
６再生水タンク
７カルシウム含有水タンク
８ＳＯ₄含有水タンク
９重金属除去装置
１０ＣＯＤ処理装置
１１最終処分場の浸出水処理システム
１４ろ過機

Claims

カルシウムイオンを含む溶液をろ過するろ過機と、
該ろ過機から排出された溶液を、カルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離する両性イオン交換樹脂とを備えることを特徴とするカルシウムスケール防止装置。
前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管に前記ろ過機を備えることを特徴とする請求項１に記載のカルシウムスケール防止装置。
前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管と、該両性イオン交換樹脂に再生水を供給する再生水供給配管との合流点の下流側の配管に前記ろ過機を備えることを特徴とする請求項１に記載のカルシウムスケール防止装置。
前記ろ過機で除去する粒子の最大径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のカルシウムスケール防止装置。
カルシウムイオンを含む溶液をろ過し、
ろ過した後の溶液を両性イオン交換樹脂に通過させ、カルシウムイオン濃度の低い溶液と、カルシウムイオン濃度の高い溶液とに分離することを特徴とするカルシウムスケール防止方法。
前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管にろ過機を設置し、該ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以下に制御することを特徴とする請求項５に記載のカルシウムスケール防止方法。
前記両性イオン交換樹脂に前記カルシウムイオンを含む溶液を供給する供給配管と、該両性イオン交換樹脂に再生水を供給する再生水供給配管との合流点の下流側の配管にろ過機を設置し、該ろ過機を通過する該溶液の速度を２００ｍ／日以上に制御することを特徴とする請求項５に記載のカルシウムスケール防止方法。