JP2014004508A - 水処理装置及び凝集物形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凝集撹拌槽を用いず、従来の撹拌機を備えた凝集槽を用いる装置に対して、造水コスト（ランニングコスト）が低い水処理装置を提供する。
【解決手段】不純物を含む被処理水１を導入する取水部と、凝集剤タンク３に貯留した凝集剤溶液を被処理水１に添加する凝集部１０２と、凝集剤溶液の添加により被処理水１に生じた不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去部とを備えた水処理装置において、凝集部１０２には、流路断面積の異なる上流側配管１４及び下流側配管１５を設け、下流側配管１５の流路断面積は、上流側配管１４の流路断面積よりも大きくし、上流側配管１４には、凝集剤溶液を被処理水１に添加する凝集剤注入部１０を設ける。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、水処理装置及び凝集物形成方法に関する。

河川水などの自然水から飲料水や用水を製造する浄水技術は、凝集沈殿法などの化学的手法及び砂ろ過法などの物理的手法が考えられてきた。

ろ過法としては、精密ろ過膜（MF）や限外ろ過膜（UF）等も用いられ、より細かな不純物も除去可能である。この場合に、凝集剤を併用することにより、ろ過膜を通過する細かい不純物の粒径を大きくし、膜ろ過における不純物除去性能を向上することも行われている。

一方、近年、中東やアジアなどを初めとした世界各国で水不足が課題となっている。これに対応するため、海水を脱塩して飲料水や用水を製造する海水淡水化技術が注目され、実用化され始めている。海水淡水化の方法としては、海水を加熱して水分を蒸発させ、蒸気を冷却することにより、淡水を得る蒸発法が行われてきた。海水の塩分濃度や有機物濃度に影響を受けないメリットなどがあり、従来主流であった。

しかし、蒸発法は、エネルギー効率が悪く、コストがかかるため、より効率的な手法が望まれている。現在では、逆浸透膜（RO膜）を用いた膜ろ過により脱塩し、淡水を得る逆浸透法が主流になり始めている。

しかしながら、逆浸透法を用いた場合、海水中の有機物や無機物などの不純物がRO膜を汚染するため、ろ過性能が低下し、RO膜を交換する必要が生じる。これが装置の造水コストを増加させる要因となっている。

上記のRO膜の汚染防止には、RO膜に海水を通す前に、濁質物質、有機物等を除去する適切な前処理を行う必要がある。前処理の方法としては、浄水処理と同様に、UFやMFによる膜ろ過、活性炭などの吸着剤の利用、凝集剤の使用などが検討されている。

一般に、砂ろ過や膜ろ過による水処理においては、凝集剤を添加することにより、ろ過処理工程を効率化することができる。

排水処理や浄水処理における代表的な凝集剤としては、ポリ塩化アルミニウム（PAC）や塩化鉄などの多価の金属イオン（陽イオン）を利用した無機系凝集剤、多価イオンを有する水溶性の高分子を利用した有機系凝集剤（高分子凝集剤）などがある。これらは、水中に含まれる電荷を帯びた不純物を凝集沈殿により除去する。なお、無機系及び有機系のうち一方の凝集剤を適用しても十分な効果が得られない場合、無機系及び有機系の凝集剤を併用することにより、凝集効果を高めることができる場合がある。

上記のとおり、凝集剤は、大きくは無機系と有機系とに分類される。このうち、無機系凝集剤は、PACや塩化鉄などであり、有機系凝集剤は、カチオン系、アニオン系又はノニオン系の高分子である。現在では、様々な水質の水処理のために、数百種類にも及ぶ非常に多くの凝集剤が市販されている。

凝集剤は、処理する水の水質によって決定されるが、無機系凝集剤及び高分子凝集剤のいずれか一方を用いる場合が多い。一方で、両者を併用する場合もあり、一般に、無機系凝集剤だけで十分な凝集除去効果が得られない場合には、両者を併用することにより効果を高めることができるとされている。

水処理に凝集剤を適用する場合、一般には、凝集沈殿槽を設け、上澄みを利用する形で装置が構成されている。

特許文献１には、２種類の凝集剤を２つの凝集槽を用いて原水に添加する方法であって、それぞれ異なる水質指標に応じて凝集条件を制御する不純物の凝集方法が開示されている。

特許文献２には、無機凝集剤等の薬品が添加された水を圧送する移送配管の途中にその水が通過する孔を形成した弾性パッキンを有する撹拌混合器を用いた凝集反応装置が開示されている。

特許文献３には、垂直堰と、バタフライ弁状の可動ダンパと、傾斜堰とを組み合わせて配置した送水管を有する管内凝集処理装置が開示されている。

特許文献４には、懸濁水を圧送する移送配管と、移送配管に連なる移送配管よりも小径の細径配管とを有し、細径配管の断面積を、細径配管を流れる懸濁水の圧力に比例して増減させる面積可変手段を設けた凝集反応装置が開示されている。

特開２００８−２６４７２３号報 特開２００８−２００６４６号報 特開昭５９−１６２９０９号報 特開２００８−０００６３７号報

特許文献１に記載の凝集沈殿槽は、大規模な装置であるため、コスト増の要因になっている。よって、凝集槽を用いずに凝集処理を行うことができれば、コストメリットになると考えられる。具体的には、凝集沈殿槽の有する機能のうち、凝集剤の均一混合及びフロックの形成を、槽ではなく、水を圧送する配管内で行うことができることが望ましい。

特許文献２に記載の凝集反応装置は、配管内で凝集剤を混合することが可能であっても、粗大な凝集物を形成するためには改善の余地がある。凝集反応を促進させるための槽などを設ける構成は、コストメリットを得られるものではない。そのため、凝集剤の混合後、配管内で凝集物を更に成長させることができる機構が必要となる。

特許文献３に記載の管内凝集処理装置は、可動ダンパを有するものであり、構成が複雑である。

特許文献４に記載の凝集反応装置は、下流側で配管の径が小さくなるため、圧力損失が増大する点で改善の余地がある。

本発明は、装置構成の簡略化及び造水コスト（ランニングコスト）の低減の観点から、凝集槽を用いずに配管内で凝集剤の混合及び凝集物の形成を行う水処理装置及び凝集物形成方法を提供することを目的とする。

本発明の水処理装置は、不純物を含む被処理水を導入する取水部と、凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を被処理水に添加する凝集部と、凝集剤溶液の添加により被処理水に生じた不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去部とを備え、凝集部には、流路断面積の異なる上流側配管及び下流側配管を設け、下流側配管の流路断面積は、上流側配管の流路断面積よりも大きくし、上流側配管には、凝集剤溶液を被処理水に添加する凝集剤注入部を設けたことを特徴とする。

本発明の凝集物形成方法は、不純物を含む被処理水を導入する取水工程と、配管を流れる被処理水に凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を添加する凝集工程と、凝集剤溶液の添加により被処理水に生じた不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去工程とを備え、凝集工程は、被処理水に凝集剤溶液を添加した後、配管を流れる被処理水の流速を低下させることを特徴とする。

本発明によれば、凝集沈殿槽、又は凝集槽及び凝集反応槽を省略することができるため、装置構成を簡略化することができ、イニシャルコスト及びランニングコストを低減することができる。

実施例の水処理装置を示す概略構成図である。 凝集剤が１種類の場合の凝集部の配管を示す模式構成図である。 凝集剤が２種類の場合の凝集部の配管を示す模式構成図である。 凝集剤が２種類の場合の凝集部の配管を示す模式構成図である。 凝集物のフロックが形成される部位を示す模式構成図である。 凝集剤が１種類の場合の凝集部を示す模式図である。 凝集剤が２種類の場合の凝集部を示す模式図である。 凝集剤が２種類であってノズルを複数設けた場合の凝集部を示す模式図である。 凝集剤が２種類であっていずれも径の細い配管内に注入する場合の凝集部を示す模式図である。 凝集部の配管内の突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の形状及び配置を示す模式図である。 凝集部の配管内における突起部の形状及び配置を示す模式図である。

本発明は、不純物を凝集沈殿させ除去する凝集剤溶液を用いた水処理装置及び凝集物形成方法に関する。

凝集剤溶液は、無機系凝集剤と高分子凝集剤（有機系凝集剤）とを併用することが望ましい。また、無機系凝集剤と、イオン性高分子材料であるカチオン系、アニオン系若しくはノニオン系の高分子凝集剤、両極性高分子凝集剤などの有機系凝集剤とを混合した溶液である複合凝集剤溶液（水処理用複合凝集剤溶液）を用いてもよい。無機系凝集剤又は有機系凝集剤は、同種、異種に関わらず２種類以上を混合して用いてもよい。

以下、本発明の実施形態に係る水処理装置及び凝集物形成方法について説明する。

前記水処理装置は、不純物を含む被処理水を導入する取水部と、凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を被処理水に添加する凝集部と、凝集剤溶液の添加により被処理水に生じた不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去部とを備え、凝集部は、流路断面積の異なる上流側配管及び下流側配管を含み、下流側配管の流路断面積は、上流側配管の流路断面積よりも大きくし、上流側配管は、凝集剤溶液を被処理水に添加する凝集剤注入部を有する。

前記水処理装置において、下流側配管は、凝集剤溶液を被処理水に添加する凝集剤注入部を有することが望ましい。

前記水処理装置において、下流側配管は、凝集剤溶液を被処理水に添加する複数の凝集剤注入部を有することが望ましい。

前記水処理装置において、凝集剤溶液は、無機系凝集剤及び有機系凝集剤のうち少なくともいずれかを含む溶液であることが望ましい。

前記水処理装置において、上流側配管の凝集剤注入部で添加する凝集剤溶液は、無機系凝集剤を含むものであり、下流側配管の凝集剤注入部で添加する凝集剤溶液は、有機系凝集剤を含むものであることが望ましい。

前記水処理装置において、上流側配管は、内壁面に突起部を有することが望ましい。

前記水処理装置において、下流側配管は、内壁面に突起部を有することが望ましい。

前記水処理装置において、突起部は、内壁面の周方向又は流路方向に複数が配置されていることが望ましい。

前記水処理装置において、突起部は、円柱形状又は三角錐状であることが望ましい。

前記水処理装置は、さらに、被処理水と凝集剤溶液との混合液にアルカリ性水溶液又は酸性水溶液を添加して混合液の水素イオン濃度を調整するpH調整部を含むことが望ましい。

前記水処理装置は、さらに、被処理水から凝集物を除去した水に含まれる塩類を除去する脱塩部を含むことが望ましい。

前記水処理装置において、被処理水は海水であることが望ましい。

前記凝集物形成方法は、不純物を含む被処理水を導入する取水工程と、配管を流れる被処理水に凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を添加する凝集工程と、凝集剤溶液の添加により被処理水に生じた不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去工程とを備え、凝集工程は、被処理水に凝集剤溶液を添加した後、配管を流れる被処理水の流速を低下させる。

前記凝集物形成方法において、凝集剤溶液は、無機系凝集剤及び有機系凝集剤のうち少なくともいずれかを含む溶液であることが望ましい。

前記凝集物形成方法において、凝集剤溶液は、無機系凝集剤を含む第一の溶液と、有機系凝集剤を含む第二の溶液であり、第一の溶液と、第二の溶液とをこの順で被処理水に添加することが望ましい。

前記凝集物形成方法において、被処理水中に乱流を発生させることが望ましい。

前記凝集物形成方法において、乱流は、被処理水が流れる配管の内壁面に設けた突起部によって発生させることが望ましい。

前記凝集物形成方法において、被処理水は海水であることが望ましい。

なお、無機系凝集剤及び有機系凝集剤は、水溶液に溶解していることが望ましいが、無機系凝集剤及び有機系凝集剤の飽和溶液に更に無機系凝集剤及び有機系凝集剤を固体のまま分散した溶液を用いてもよい。この場合、当該溶液を被処理水に添加すると、被処理水が溶媒となるため、固体成分を溶解することができる。また、無機系凝集剤及び有機系凝集剤は、水又は海水に溶解するカプセルに封入されていてもよい。さらに、無機系凝集剤と有機系凝集剤とが別々のカプセルに封入されていてもよい。

無機系凝集剤は、３価の金属イオンを含むことが望ましい。また、有機系凝集剤は、アニオン性高分子を含むことが望ましい。

複合凝集剤溶液においては、水素イオン濃度が3以下であることが望ましい。

被処理水は、逆浸透（RO）に供給可能な水であればよく、海水、河川水、地下水又は下水でもよい。このうち、特に、海水が望ましい。

以下、前記水処理用複合凝集剤溶液を用いる水処理装置について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、水処理装置の構成の概略を模式的に示した図である。

本図においては、水処理装置１００は、取水部１０１、凝集部１０２、pH調整部１０５、凝集物除去部１０３及び脱塩部１０４を含む構成である。pH調整部１０５は、凝集部１０２の上流側に設置してもよい。さらに、pH調整部１０５を凝集部１０２の上流側と下流側の両方に設置してもよい。被処理水５１は海水である。被処理水５１は、取水部１０１、凝集部１０２、pH調整部１０５、凝集物除去部１０３及び脱塩部１０４を順に通過する過程で不純物が除去され、淡水となる。

なお、本図に示す水処理装置１００は、凝集物形成方法のフローチャートとみなすこともできる。すなわち、凝集物形成方法においては、取水部１０１を取水工程と、凝集部１０２を凝集工程と、pH調整部１０５をpH調整工程と、凝集物除去部１０３を凝集物除去工程と、脱塩部１０４を脱塩工程とみなすことができる。

以下、各部の詳細について説明する。

（取水部）
図１に示す取水部１０１は、被処理水を水処理装置内に引き込む役割を担う。ポンプの種類は、非容積（ターボ形）ポンプ、容積ポンプ、その他特殊ポンプなど、特に限定されるものではない。具体的には、マグネットポンプ、プランジャーポンプ、スクリューポンプ、ダイヤフラムポンプ、ディフューザポンプ、ギヤポンプ、ねじポンプ、ピストンポンプ、ロータリーポンプ、チューブポンプ、水中ポンプなどが挙げられる。上記した以外のポンプでも使用可能である。

（凝集部）
図１に示す凝集部１０２は、配管に凝集剤を注入（添加）する方式を採用している。すなわち、凝集部１０２は、凝集槽５を用いず、配管を流れる被処理水１に複合凝集剤９を直接添加して処理する方式である。

図２Ａは、凝集部の配管を示す模式構成図である。

本図において、凝集部１０２は、被処理水１が流れる配管１４（上流側配管）に複合凝集剤保管槽３（凝集剤タンク）からノズル１０（凝集剤注入部）を介して複合凝集剤９を直接注入するようにしてある。ポンプ１１によって複合凝集剤９の注入量を調節することもできるようになっている。符号１３は、被処理水１の流れの向きを表している。

なお、凝集部１０２は、被処理水１の量を計測するための流量計を有し、流入量及び流出量の両方または片方を計測する。計測した被処理水１の流量から凝集剤添加量をポンプ１１の吐出量で制御する制御機構を有することが望ましい（図示せず）。また、ポンプ１１ではなく、凝集剤保管槽３に設置した液面計（図示せず）により凝集剤添加量を制御してもよい。

本図においては、凝集物を効率よく生じさせるため、下流側の配管１５（下流側配管）の直径（流路断面積）を配管１４の直径（流路断面積）よりも大きくしてある。配管１４と配管１５との接続部には、逆テーパを設けてある。

図２Ｂは、凝集部の配管を示す模式構成図である。

本図の凝集部１５２においては、凝集剤を注入する部位を２か所設けてある。

本図においては、配管６４及び配管６５が接続されている。下流側の配管６５の直径は、配管６４の直径よりも大きくしてある。配管６４と配管６５との接続部には、逆テーパを設けてある。

被処理水１が流れる配管６４には、凝集剤保管槽５３からノズル６０を介して凝集剤５９を直接注入するようにしてある。ポンプ６１によって凝集剤５９の注入量を調節することもできるようになっている。符号６３は、被処理水１の流れの向きを表している。

なお、凝集部１５２は、被処理水１の量を計測するための流量計を有し、流入量及び流出量の両方または片方を計測する。計測した被処理水１の流量から凝集剤添加量をポンプ６１の吐出量で制御する制御機構を有することが望ましい（図示せず）。また、ポンプ６１ではなく、凝集剤保管槽５３に設置した液面計（図示せず）により凝集剤添加量を制御してもよい。

一方、配管６５には、凝集剤保管槽７３からノズル７０を介して凝集剤７９を直接注入するようにしてある。ポンプ７１によって凝集剤７９の注入量を調節することもできるようになっている。

なお、凝集部１５２は、被処理水１の量を計測するための流量計を有し、流入量及び流出量の両方または片方を計測する。計測した被処理水１の流量から凝集剤添加量をポンプ６１の吐出量で制御する制御機構を有することが望ましい（図示せず）。また、ポンプ６１ではなく、凝集剤保管槽７３に設置した液面計（図示せず）により凝集剤添加量を制御してもよい。

凝集剤５９と凝集剤７９とは、異なる種類のものを用いてもよく、むしろその方が好ましい。例えば、凝集剤５９を無機系凝集剤（第一の溶液）とし、凝集剤７９を有機系凝集剤（第二の溶液）としてもよい。

このような組み合わせにより、凝集部１５２の上流側である配管６４で無機系凝集剤を添加して金属イオン等の不純物をコロイド状とし、次に、凝集部１５２の下流側である配管６５で有機系凝集剤を添加してコロイド状の不純物をフロック状に変化させて除去しやすくすることができる。

図２Ｃは、凝集部の配管を示す模式図である。

本図の凝集部１５２においては、配管６４及び配管６５の構成は図２Ｂと同様に下流側の配管６５の直径が上流側の配管６４よりも太くしてある。本図においては、凝集剤を注入する部位を２箇所設けてあり、２箇所の凝集剤注入部位はいずれも上流側で直径の細い配管６４に接続されている。被処理水６３が流れる配管６４には、配管６４の上流部で凝集剤保管槽５３からノズル６０を介して凝集剤５９を、配管６４の下流部で凝集剤保管槽７３からノズル７０を介して凝集剤７９を、それぞれ添加する。

（pH調整部）
図１に示すpH調整部１０５は、凝集剤を添加した被処理水（混合液）に酸性又はアルカリ性のpH調整液を注入することにより、被処理水（混合液）の水素イオン濃度（pH）を調整するものである。

図２Ａに示す複合凝集剤９は強酸性であることが望ましいため、複合凝集剤９を添加した後の被処理水は酸性になることが多く、通常、pH調整液はアルカリ性溶液を用いる。具体的には、水酸化ナトリウム水溶液などである。

一方、凝集剤の添加量や被処理水の液性などから、凝集剤を添加した後の被処理水がアルカリ性となることも想定される。その場合、pH調整液は酸性溶液を用いる。具体的には、塩酸水溶液などである。

pH調整部１０５には、もう一つの保管槽を設置して、アルカリ性溶液及び酸性溶液を準備してもよい。さらに、pH調整部１０５は、被処理水の液性を検出して自動で最適量の酸性溶液又はアルカリ性溶液を注入するようにすることも可能である。なお、pHは、pH調整部１０５にて中性に調整する。ここで、本明細書において中性とは、pH6〜8をいう。

pH調整部１０５は、図１に示す被処理水５１が海水の場合、海水の一部を電気分解することによって得られる水酸化ナトリウムを利用することも可能である。これは、薬液を使用しないという点で望ましい。

また、pH調整部１０５は、図１に示すように、凝集部１０２の下流側に隣接して設置し、複合凝集剤を添加し、一様に分散した直後にpH調整を行うことが望ましい。

（凝集物除去部）
図１に示す凝集物除去部１０３は、凝集剤の添加により生成した凝集物を除去するものであり、主にろ過により実施される。ろ過の方式は、砂ろ過、マルチメディアフィルタろ過、精密ろ過、限外ろ過などが挙げられる。なお、デカンテ―ション等による上澄み回収や磁気分離など、ろ過ではなくとも凝集物の除去が可能な方法であれば、いずれの方式も凝集物除去部１０３に適用可能である。

（脱塩部）
図１に示す脱塩部１０４は、被処理水中に含まれる塩類を除去し、淡水化するものである。脱塩の方式は、逆浸透（RO）膜法など、半透膜を用いた部が一般的である。また、これらの膜は、様々な材質や形状が考案されているが、本発明は材質や形状に制限されず、脱塩機能を有するものであれば、本図の脱塩部１０４に適用することが可能である。

（複合凝集剤）
図２Ａに示す複合凝集剤９は、無機系凝集剤、高分子凝集剤、有機低分子凝集剤その他の凝集剤を少なくとも２種類以上含有している。これらの凝集剤は、混合した際に凝集物を形成せず、透明かつ均一な溶液であることが望ましい。もちろん、複合化せずに凝集剤を単独で１種類用いても良い。

具体的な凝集剤は下記のとおりである。

無機系凝集剤は、ポリ塩化アルミニウム（PAC）、硫酸バンド、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウムなどが挙げられる。高分子凝集剤としては、ポリアクリルアミド系凝集剤、ポリスルホン酸系凝集剤、ポリアクリル酸系凝集剤、ポリアクリル酸エステル系凝集剤、ポリアミン系凝集剤、ポリメタクリル酸凝集剤などが挙げられる。また、有機系の低分子凝集剤（凝結剤）等も複合凝集剤に使用可能である。

なお、上記の凝集剤は、代表的な凝集剤であり、本発明においてはこれらに限定されることはなく、凝集剤として機能する金属イオン、イオン性高分子、イオン性有機化合物などであれば用いることが可能である。

さらに、高分子凝集剤の分子量にも制限はない。特に、カチオン系凝集剤とアニオン性凝集剤をと複合化した複合凝集剤９は、水中の負電荷および正電荷を有する不純物の両者を凝集除去可能であることから望ましい。また、カチオン系凝集剤とアニオン系凝集剤との組成比を変えることにより各々の水に対して最適な凝集作用を発現させることができる。

さらに、カチオン系凝集剤とアニオン性高分子とを用いる場合、凝集物を形成せずに両者を一液として安定的に保持するためには、水溶液を酸性にし、アニオン性高分子に有する酸性基の解離を妨げ、イオン化を抑制する必要がある。なお、本明細書において酸性とは、pHが6未満であることをいう。また、複合凝集剤９は、その安定性の観点から、pH3以下が好ましく、その性能の観点からは、pH2以下が好ましい。

複合凝集剤９を作製する際の順序に制限はないが、アニオン性高分子と無機系凝集剤との相互作用を抑制する観点から、アニオン性高分子凝集剤水溶液を塩酸水溶液などで酸性にした後、無機系凝集剤を添加することが好ましい。

（凝集物の生成）
図３は、凝集部の配管において凝集物が生成した状態を示したものである。図２Ａと重複する記載については省略する。

図３においては、配管１４に被処理水１を流した状態で、複合凝集剤保管槽３から配管１４に設けたノズル１０を介して複合凝集剤９を直接注入する。この被処理水１が細い配管１４から太い配管１５に流れ込み、被処理水１中の複合凝集剤９が拡散するとともに流速が低下した状態で凝集物２０が発生する。このため、配管１５の長さは、凝集物２０の生成反応が終了するまで被処理水１が滞留することができる程度であることが望ましい。

図４Ａは、凝集剤が１種類の場合の凝集部を示す模式図である。

本図は、図２Ａ及び図３に対応するものであり、ノズル１０が配管１４の１か所に設けてある。

図４Ｂは、凝集剤が２種類の場合の凝集部を示す模式図である。

本図は、図２Ｂに対応するものであり、ノズル６０が配管６４の１か所に、ノズル７０が配管６５の１か所に設けてある。

配管１４の構造や配管１４の壁面に工夫をすることにより、効率よく凝集物２０を発生させることができる。例えば、ノズルの数を増やすこと、配管１４の内壁に突起を設けること、配管１４の太さを段階的に細くすることなどの工夫が挙げられる。

以下、例を挙げて説明する。

図４Ｃは、ノズルの数を増やした場合を示したものである。

本図においては、配管６５に複数のノズル７０が設けてある。これにより、ノズル７０から供給される有機系の凝集剤と被処理水に含まれる不純物との接触確率を増加させることができる。

図４Ｄは、凝集剤が２種類で、かつ、２種類の凝集剤の注入点が両方とも径の小さい配管の場合の凝集部を示す模式図である。

本図は、図２Ｃに対応するものであり、ノズル６０、７０が配管６４の２か所に設けてある。配管６４の構造や配管６４の壁面に工夫をすることにより、効率よく凝集物２０を発生させることができる。なお、本図の場合、２種類の凝集剤の注入点の間隔を凝集剤の種類により最適化する必要がある。

図５Ａは、図４Ａに示す配管１４に突起部を設けた例であり、凝集剤が１種類の場合である。本図においては、配管１４の１か所に設けたノズル１０の下流側に複数の突起部１２０が設けてある。

本図において、突起部１２０は、円柱形状とし、配管１４の流路方向に直交する向きに設置してある。これにより、配管１４の内部に被処理水の乱流を発生させることができ、被処理水と凝集剤とを十分に混合した上で、太い配管１５に流入させて低流速とすることにより、凝集物のフロックを発生させ、フロックの径を増大させることができる。

図５Ｂは、図４Ｂに示す配管６４に突起部を設けた例であり、凝集剤が２種類の場合である。

本図においては、ノズル６０が配管６４の１か所に、ノズル７０が配管６５の１か所に設けてあり、配管６４の１か所に設けたノズル６０の下流側に複数の突起部１２０が設けてある。これにより、配管６４の内部に被処理水の乱流を発生させることができ、被処理水とノズル６０から供給する無機系の凝集剤とを十分に混合した上で、太い配管６５に流入させて低流速とし、ノズル７０から有機系の凝集剤を更に注入することにより、凝集物のフロックを発生させ、フロックの径を増大させることができる。

凝集物の形成には、被処理水の管内流速が影響し、流速が遅い方が有利であると考えられる。しかしながら、流速を遅くしすぎると凝集物が管内に滞ることや凝集剤が混合しない等の問題が生じることがあるため、被処理水や凝集剤水溶液の粘度などから最適な被処理水の流速を決める必要がある。

なお、最適な流速の決定方法は、処理水の水質から決定する。主な水質としては、次のものが挙げられる。濁度、懸濁物質濃度（SS）、全有機炭素濃度（TOC）、SDIなどである。また、より簡単に調べるには、凝集物の形状や大きさから判断してもよい。さらに、撹拌槽を用いた場合の最適条件における撹拌速度から流速を見積もることもできる。これは、配管直径比率を設計に利用できる。

図５Ｃは、図５Ａの例に更に突起部を加えた例であり、凝集剤が１種類の場合である。

本図においては、配管１５にも複数の突起部１２１が設けてある。突起部１２１も、円柱形状とし、配管１５の流路方向に直交する向きに設置してある。

これにより、配管１５の内部においても被処理水の乱流の発生を促進することができ、被処理水と凝集剤とを十分に混合することにより、凝集物のフロックを発達させ、フロックの径を増大させることができる。

図５Ｄは、図５Ｂの例に更に突起部を加えた例であり、凝集剤が２種類の場合である。

本図においては、配管６５にも複数の突起部１２１が設けてある。突起部１２１も、円柱形状とし、配管６５の流路方向に直交する向きに設置してある。

これにより、配管６５の内部においても被処理水の乱流の発生を促進することができ、ノズル７０から有機系の凝集剤を更に注入することができるため、被処理水と凝集剤とを十分に混合することができ、凝集物のフロックを発達させ、フロックの径を増大させることができる。

図５Ｅは、図４Ｄに示す配管に突起部を設けた例であり、凝集剤が２種類の場合である。

本図においては、ノズル６０、７０が配管６４に２か所設けてあり、配管６４に設けたノズル６０及び７０の下流側に各々複数の突起部１２０が設けてある。これにより、配管６４の内部に被処理水の乱流を発生させることができ、被処理水とノズル６０、７０から供給する２種類の凝集剤とを十分に混合した上で、太い配管６５に流入させて低流速とし、凝集物２０を発生させ、かつ、フロック径を増大させることができる。

図５Ｆは、図５Ｅの例に更に突起部を加えた例であり、凝集剤が２種類の場合である。

本図においては、径の太い配管６５にも複数の突起部１２１が設けてある。

図５Ｇは、図５Ａに示す突起部１２０の変形例を示したものである。本図は、被処理水の流路方向に直交する断面を示している。

本図において、突起部１２０は、三角錐状とし、配管１４の流路方向に直交する向きに設置してある。また、突起部１２０は、配管１４の周方向に分布するように配置してある。

図５Ｈは、被処理水の流路方向に直交する断面における突起部の配置を示したものである。

本図において、突起部２２０は、円柱形状とし、配管１４の流路方向に直交する向きに設置してある。また、突起部２２０は、配管１４の周方向に分布するように配置してある。

なお、突起部２２０の形状は、これらに限定されるものではなく、突起部２２０の先端部が半球形状とすれば異物の引っかかりを防止することができる。さらに、突起部２２０の向きは、配管の流路方向に直交する方向よりも当該流路方向に傾けた方向とすることにより、更に異物が引っかかりにくい構成とすることができる。

以下、複合凝集剤に用いる無機系凝集剤及び有機系凝集剤をそれぞれ、３価の塩化鉄、ポリアクリル酸とした場合の凝集剤の作用について説明する。

pHが5以上の場合、ポリアクリル酸は、水溶液中においてイオン化しやすい。すなわち、ポリアクリル酸を構成するカルボキシル基の水素イオンが解離してイオン化した官能基が多くなっている。一方、塩化鉄は、溶解して塩化物イオンと鉄イオンとに解離している。このため、イオン化したカルボキシル基と鉄イオンとが静電的相互作用によって結合しやすくなっている。また、鉄イオンは、pHが高いため、水酸化鉄となって沈殿する傾向がある。

この複合凝集剤の水溶液に有機物を不純物として含む海水等を混合しても、遊離している鉄イオンが少ないため、酸性糖類を構成するカルボキシル基と鉄イオンとが結合する頻度が低くなり、不純物が凝集しにくい。

一方、pHが3以下の場合、ポリアクリル酸は、水溶液中においてイオン化しにくい。すなわち、ポリアクリル酸を構成するカルボキシル基の水素イオンが解離しにくく、イオン化した官能基が少なくなっている。一方、塩化鉄は、溶解して塩化物イオンと鉄イオンとに解離しているが、ポリアクリル酸がイオン化しにくいため、鉄イオンと静電的相互作用による結合を生じにくくなっている。また、鉄イオンは、pHが低いため、水酸化鉄となりにくくなっている。

この複合凝集剤の水溶液に有機物の不純物を含む海水等を混合した場合、遊離している鉄イオンが多く、ポリアクリル酸と鉄イオンとの静電的相互作用が弱いため、カルボキシル基を有する有機物と鉄イオンとが結合する頻度が高くなり、不溶性の沈殿物が生じやすくなる。

pHを7程度に調節すると、ポリアクリル酸のカルボキシル基がイオン化して鉄イオンに静電的相互作用を及ぼして沈殿物の凝集が促進される。

次に、実施例及び比較例について具体的に説明する。

なお、配管の構成及び凝集剤の添加位置、処理水の水質に関しては、表１及び２にまとめた。

（実施例１）
本実施例は、図１に示す構成である。

図１に示すように、取水部１０１で被処理水である海水５１を水処理装置１００内の引き込んだ後、凝集部１０２で凝集剤を添加した後、pH調整部１０５で被処理水のpHを6.5〜7.0に調整し、凝集物を生成した。続いて、凝集物除去部１０３で被処理水から凝集物を除去した。最後に、脱塩部１０４で被処理水中の塩類を除去し、淡水を得た。

表１及び２に示す全有機炭素濃度（TOC）及び懸濁物質濃度（SS）の除去率は、凝集物除去部１０３と脱塩部１０４との間で測定した。

なお、凝集剤は、無機系凝集剤として塩化鉄を用い、高分子凝集剤としてポリカルボン酸を用いた。それぞれの濃度は0.1wt%に調製した。取水部１０１においては、水中ポンプを用いた。pH調整部１０５においては、1Mに調製した水酸化ナトリウム水溶液を用いて被処理水のpH調整を行った。凝集物除去部１０３においては砂ろ過とUFとを用い、脱塩部１０４においてはRO膜を用いた。なお、水質評価は、砂ろ過後の処理水で実施した。

図４Ｂに示す構成とした。すなわち、凝集部１０２の配管には、直径の異なる配管を２種類用いた。直径（内径）の比は１：３とした。図４Ｂの配管６４のノズル６０からは無機系凝集剤の水溶液を、配管６５のノズル７０からは高分子凝集剤の水溶液をそれぞれ添加した。このとき、配管６４内と配管６５内とを流れる被処理水の流速の比は、９：１であった。

全有機炭素濃度（TOC）及び顕濁物質濃度（SS）を除去することができれば、後段システムの脱塩部１０４（具体的にはRO膜）への負荷を低減できる。負荷低減を図ることにより、部品の交換費などを低減でき、造水コストを下げることができる。

本実施例のように上記２項目を80%以上除去することにより、後段への負荷を４／５にできると試算でき、現状求められている造水コストをクリアし、実用上、大きな意義がある。

（実施例２〜４）
実施例１と同様な構成で、直径（内径）の比のみ変更し、１：２、１：４または１：５とした。凝集剤の添加方法も同様に実施した。このとき、各条件での被処理水の流速は、配管の直径の比が１：２、１：４、１：５の場合に配管６４と配管６５内とを流れる被処理水の流速の比は、各々４：１、１６：１、２５：１であった。

（実施例５）
実施例１と同様な構成で、被処理水を工業排水とした。凝集剤の添加方法も同様に実施した。

（実施例６〜８）
本実施例では、図４Ａ、図４Ｃまたは図４Ｄに示す構成とした。すなわち、凝集部１０２の配管には、直径の異なる配管を２種類用い、凝集剤は直径の細い部分に滴下した。

（実施例９〜１４）
本実施例では、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅまたは図５Ｆに示す構成とした。すなわち、凝集部１０２の配管には、直径の異なる配管を２種類用い、凝集剤は直径の細い部分に滴下した。

（比較例１〜３）
実施例１と同様な構成で、配管直径（内径）の比のみ変更し、１：１．５、１：１、２：１とした。凝集剤の添加方法も同様に実施した。

（比較例４）
比較例２と同様な配管構成で、凝集剤添加位置を変更し、上流部に２か所添加箇所を設けた。

（比較例５）
比較例４と同様な構成及び凝集剤添加位置で、上流及び下流の配管内に突起部を設けた。

１：被処理水、３、５３、７３：複合凝集剤保管槽、１４、１５、６４、６５：配管、９、５９、７９：凝集剤、１０、６０、７０：ノズル、１１、６１、７１：ポンプ、２０：凝集物、５１：海水、１００：水処理装置、１０１：取水部、１０２、１５２：凝集部、１０３：凝集物除去部、１０４：脱塩部、１０５：pH調整部、１２０、１２１、２２０：突起部。

Claims (18)

1. 不純物を含む被処理水を導入する取水部と、凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を前記被処理水に添加する凝集部と、前記凝集剤溶液の添加により前記被処理水に生じた前記不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去部とを備え、前記凝集部は、流路断面積の異なる上流側配管及び下流側配管を含み、前記下流側配管の流路断面積は、前記上流側配管の流路断面積よりも大きくし、前記上流側配管は、前記凝集剤溶液を前記被処理水に添加する凝集剤注入部を有することを特徴とする水処理装置。
2. 前記下流側配管は、前記凝集剤溶液を前記被処理水に添加する凝集剤注入部を有することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
3. 前記下流側配管は、前記凝集剤溶液を前記被処理水に添加する複数の凝集剤注入部を有することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
4. 前記凝集剤溶液は、無機系凝集剤及び有機系凝集剤のうち少なくともいずれかを含む溶液であることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
5. 前記上流側配管の前記凝集剤注入部で添加する前記凝集剤溶液は、無機系凝集剤を含むものであり、前記下流側配管の前記凝集剤注入部で添加する前記凝集剤溶液は、有機系凝集剤を含むものであることを特徴とする請求項２記載の水処理装置。
6. 前記上流側配管は、内壁面に突起部を有することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
7. 前記下流側配管は、内壁面に突起部を有することを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
8. 前記突起部は、前記内壁面の周方向又は流路方向に複数が配置されていることを特徴とする請求項６記載の水処理装置。
9. 前記突起部は、円柱形状又は三角錐状であることを特徴とする請求項６記載の水処理装置。
10. さらに、前記被処理水と前記凝集剤溶液との混合液にアルカリ性水溶液又は酸性水溶液を添加して前記混合液の水素イオン濃度を調整するpH調整部を含むことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
11. さらに、前記被処理水から前記凝集物を除去した水に含まれる塩類を除去する脱塩部を含むことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
12. 前記被処理水は海水であることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
13. 不純物を含む被処理水を導入する取水工程と、配管を流れる前記被処理水に凝集剤タンクに貯留した凝集剤溶液を添加する凝集工程と、前記凝集剤溶液の添加により前記被処理水に生じた前記不純物を含む凝集物を除去する凝集物除去工程とを備え、前記凝集工程は、前記被処理水に前記凝集剤溶液を添加した後、前記配管を流れる前記被処理水の流速を低下させることを特徴とする凝集物形成方法。
14. 前記凝集剤溶液は、無機系凝集剤及び有機系凝集剤のうち少なくともいずれかを含む溶液であることを特徴とする請求項１３記載の凝集物形成方法。
15. 前記凝集剤溶液は、無機系凝集剤を含む第一の溶液と、有機系凝集剤を含む第二の溶液であり、前記第一の溶液と、前記第二の溶液とをこの順で前記被処理水に添加することを特徴とする請求項１３記載の凝集物形成方法。
16. 前記被処理水中に乱流を発生させることを特徴とする請求項１３記載の凝集物形成方法。
17. 前記乱流は、前記被処理水が流れる前記配管の内壁面に設けた突起部によって発生させることを特徴とする請求項１６記載の凝集物形成方法。
18. 前記被処理水は海水であることを特徴とする請求項１３記載の凝集物形成方法。

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