JP2014046245A - 原水中のヒ素を除去する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着濾材や酸化剤、凝集剤等の薬品を一切使用することなく、高速濾過により原水を処理することが可能であり、また原水中の鉄分/ヒ素比率がFe²⁺/As³⁺=60未満の場合でも必要なヒ素除去能力が得られる原水中のヒ素を除去する方法を提供する。
【解決手段】原水供給管６に、一端部が連通し他端部に原水噴出口を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズル７と、濾材層２が収容された濾過槽５を備える水処理装置の濾材層の上方の空間を所定の水位まで原水で満たし、この原水中に原水混気ノズルの原水噴出口７ｂを位置させ、原水混気ノズルに原水を圧送し、エジェクター効果により空気を空気流入口１５から流入させて原水と混合することにより原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地下水等の原水中にヒ素が含有されている場合に、原水中に同時に含有されている鉄分または人工的に添加された鉄分を利用してヒ素を除去する方法に関する。

地下水等の原水中のヒ素を除去するためによく知られている方法として吸着濾材としての活性アルミナにヒ素を吸着させる方法がある。しかしながら高濃度のヒ素を除去する場合には、頻繁な濾材の再生または交換が必要となり、手間と費用が嵩むことになる。また濾材の再生時に用いる苛性ソーダ溶液にヒ素が移転し、苛性ソーダ溶液に高濃度のヒ素が含まれることになるので、その処理が必要となり、処理施設と費用が嵩むことになる。

原水中のヒ素を除去する方法としては膜濾過も有効な処理方法であるが、膜濾過は設置、運転ともにコストが高く、操作及び維持には高い技術が必要で、逆洗浄排水に薬品が含まれるなど、その取り扱いにも注意が必要となる。このためコストが非常に高く、操作及び維持管理が複雑すぎるという難点がある。

また、酸化剤(次亜塩素酸ナトリウムなど)の注入により鉄分を酸化させ、酸化した鉄分にヒ素を共沈させる共沈処理方法があるが、この鉄分の酸化を利用したヒ素の共沈処理は、原水中に鉄分が充分に含有され、鉄分/ヒ素の比率がFe²⁺/As³⁺=100程度、最低でも60以上含有されていない場合は、必要なヒ素除去性能が達成できない。また鉄濃度が高い場合(概ね10mg/L以上)には酸化剤の投与が多量に必要となったり、濾材の閉塞が頻繁になったり、濾材交換サイクルが短くなるなど、鉄分処理において問題点が発生する。

また原水濾過槽に送られた原水中に多量の空気を注入して攪拌することによる空気曝気により鉄分を酸化させて濾材表面に付着させ、この酸化鉄にヒ素を共沈させる共沈処理方法もあるが、この方法においても、原水中に鉄分が充分に含有され、鉄分/ヒ素の比率がFe²⁺/As³⁺=100程度、最低でも60以上含有されていない場合は、必要なヒ素除去性能が達成できない。また空気曝気による鉄分の酸化を利用したヒ素の共沈処理においては、原水中の他の含有物(シリカ,フミン等)によるシリカ鉄等の発生が生じ、これらシリカ鉄等の鉄分はコロイド状になり濾過砂層を通過してしまい、濾過砂の表面上に付着しないので、ヒ素が共沈せず、共沈処理の阻害要因となる。したがって、凝集剤を添加しない限り、濾過を遅く(例えば緩速濾過速度の範囲であるLV=5m/日程度)設定せねばならないなど、鉄分の処理において制約条件が多く、ヒ素および鉄分を効率的に除去することができない。

本発明は地下水等の原水に含まれるヒ素を除去するための上記従来の諸方法の問題点にかんがみなされたものであって、吸着濾材や酸化剤、凝集剤等の薬品を一切使用することなく、120〜500ｍ/日の高速濾過により原水を処理することが可能であり、また原水中の鉄分/ヒ素比率がFe²⁺/As³⁺=60未満の場合でも必要なヒ素除去能力を有する原水中のヒ素を除去する方法を提供しようとするものである。

上記本発明の課題を解決するため、本発明者等は鋭意研究と実験を重ねた結果、鉄分とヒ素が含まれた地下水等の原水を、原水供給管に一端部が連通し、他端部に原水噴出孔を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズルを通過させることにより、従来の方法とちがい曝気することなく、原水中の溶存酸素を飽和状態にすることができ、原水中にシリカ等が含まれていてもコロイド状のシリカ鉄等を発生することなく、溶存鉄分はオキシ水酸化鉄となり濾材表面に被膜を形成し、この被膜が触媒となり水酸化第二鉄が生成され濾材表面に付着し、この際、ヒ素が吸着処理されることを見出して本発明に到達した。また、ヒ素を処理するに際し鉄分濃度が足りない場合は、鉄分を人工的に注入し鉄分量を調整し、ヒ素の処理ができることも見出した。

すなわち、本発明の目的を達成する原水中のヒ素を除去する方法は、原水供給管に一端部が連通し、他端部に原水噴出口を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズルと、濾材層が収容された濾過槽を備える水処理装置の該濾材層の上方に該原水混気ノズルの原水噴出口が位置するように該原水混気ノズルを配置し、該原水混気ノズルに該原水送水管から原水を圧送し、エジェクター効果により空気を該空気流入口から流入させて原水と混合することにより原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材層の濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させることを特徴とするものである。

本発明の一側面において、原水中のヒ素を除去する方法は、原水供給管に一端部が連通し、他端部に原水噴出口を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズルと、濾材層が収容された濾過槽を備える水処理装置の該濾材層の上方の該濾過槽内の空間を所定の水位まで原水で満たし、該濾過槽内の原水中に該原水混気ノズルの原水噴出口が位置するように該原水混気ノズルを配置し、該原水混気ノズルに該原水送水管から原水を圧送し、エジェクター効果により空気を該空気流入口から流入させて原水と混合することにより原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材層の濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させることを特徴とするものである。

本発明の他の側面においては、上記構成に加えて、原水中の鉄/ヒ素比率がFe^２＋/As^３＋=60未満の場合に、原水中に人工的に鉄分を添加することにより、鉄/ヒ素比率をヒ素除去のために最適の比率に調整した上でヒ素除去作業を行うことを特徴とする原水中のヒ素を除去する方法が提供される。

本発明によれば、原水混気ノズルに原水送水管から原水を圧送し、エジェクター効果により空気を該空気流入口から流入させて原水と混合することにより原水混気ノズル中において原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材層の濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させることによって、従来のような曝気処理を必要とすることなく溶存酸素を飽和状態にすることができ、原水にシリカ等が含まれていてもコロイド状のシリカ鉄を生じることなく鉄分を酸化させることができる。

本発明によれば、吸着濾材や酸化剤、凝集剤等の薬品を一切使用することなく、120〜500ｍ/日の高速濾過により原水を処理することが可能であり、また原水中の鉄分/ヒ素比率がFe²⁺/As³⁺=60未満の場合でも必要なヒ素除去能力を発揮することができるので、ランニングコストを節約することができ、高効率で原水中のヒ素を除去することができる。

また本発明によれば、原水中の鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60未満の場合に、原水中に人工的に鉄分を添加することにより、鉄/ヒ素比率をヒ素除去のために最適の比率に調整した上でヒ素除去作業を行うことができ、鉄分によるヒ素吸着高率を高めることができる。

本発明の方法を実施するための水処理装置の１例を模式的に示す概略図である。 同水処理装置において使用する原水混気ノズルの１例を示す斜視図である。

以下添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１において、水処理装置１は、主たる構成要素として、濾材層２を収容した濾過槽５、原水送水管６、原水混気ジェットノズル７、濾過水取出し管と逆洗水供給管を兼ねる集配水管１３を備える。

濾過槽５に濾過されるべき地下水を供給する鋼管等からなる原水送水管６は送水ポンプ（図示せず）に接続されており、この送水ポンプは、必要により受水槽（図示せず）を介して原水の水源から原水を供給され、所定の流速で原水送水管６に原水を供給する。

原水送水管６は濾材層２の表面と平行な面上に延長するようにして濾過槽５の一端部の上方に配設されている。

原水送水管６から垂直に分岐するようにして、１本ないし複数本（図示の実施形態においては２本）の原水混気ノズル７が設けられている。各ノズル７の上流側の端部７ａは、内部が原水送水管６に連通するようにして原水送水管６に嵌め込まれており、下流側の端部には原水をジェット水流として噴出する原水噴出口７ｂが形成されている。原水混気ノズル７の内径はたとえば3〜30ｍｍ程度が好適である。

各原水混気ノズル７には、両端部の間に図２に示すようにそれぞれ１個の空気導入口１５が設けられている。空気導入口１５の内径はたとえば１〜１０ｍｍ程度が好適である。

濾過槽５内において、濾材層２はその表面が原水混気ノズル７の原水噴出口７ｂと所定の間隔をおいて原水混気ノズル７の下方に配置されている。

濾材層２の濾材として濾過砂（粒径約0.6mm）が好適である。濾材層２はジェットノズルから供給されたジェット流として供給される原水中の酸化物フロックその他の異物を捕捉することにより原水を濾過する機能を果たすとともに鉄バクテリアその他の微生物が生息し原水中の鉄、マンガンを酸化して吸着する機能を果たすものである。オキシ水酸化鉄の自触媒作用により鉄は主として濾材層２の上層部の表面に皮膜化し（濾材層の表面から200ｍｍ程度の部分に最も多い）、マンガンは主として生物処理により濾材層２の下層部の濾過砂表面に皮膜化する（濾材層の表面から500〜800ｍｍ程度の部分に最も多い）。

濾材層２を支持砂利層１７により支持する。支持砂利層１７は上層から順に小粒径層、中粒径層、大粒径層の複数層からなるように構成することが好ましいがこれに限るものではない。

濾過槽５の支持砂利層１７の中心部には集配水管１３が水平方向に配置されている。本実施形態においては、集配水管１３は濾材層４により濾過された水を取り出すための濾過水取出し管と濾材層４に逆洗水を供給するための逆洗水供給管を兼用している。なお、濾過水取出し管と逆洗水供給管は上記の例に限らず、別個の濾過水取出し管と逆洗水供給管を設けるようにしてもよい。濾過層５の上部には逆洗時にオーバーフローした排水するために排水口１２が設けられている。

濾材層２の上方の濾過層５内の空間は所定の水位で原水で満たされており、濾過層５内の濾材層２の上方の原水中に原水混気ノズル７の原水噴出口７ｂが位置し、原水混気ノズル７に空気流入口１５は原水の水面上の大気中に開放されるように原水の水位を調整する。

次に図１の実施形態にかかる水処理装置の動作について説明する。
原水濾過時には、濾材層２の表面上の水の水深を所定の深さに維持しつつ送水ポンプから原水送水管６を介して原水混気ノズル７に原水を供給し、ノズル７における水の流速をたとえば1.5〜3リットル/分とすることにより原水をジェット水流とする一方ノズル７内に開口する空気流入口１５から原水混気ノズル７内に空気がエジェクター効果によりたとえば流速0.5〜1リットル/分で吸気され、原水と混合することにより原水中の溶存酸素を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分すなわち溶解性第一鉄イオンを濾材(主として濾材層２の上層部)の表面にオキシ水酸化鉄皮膜として付着させる。このオキシ水酸化鉄皮膜が触媒となり、溶解性第一鉄イオンの酸化を促進し、水酸化第二鉄を形成し、この水酸化第二鉄がヒ素を吸着する。鉄の酸化後も充分な溶存酸素は好気性バクテリアを活性化し、マンガン成分は主として濾過層２の下層部に形成する濾過砂の粒子の表面で生物処理により捕捉される。またアンモニア態窒素は、硝化菌により、亜硝酸態窒素および硝酸態窒素に硝化される。こうしてこれらの不溶性成分およびその他の異物が濾材層２により濾過された濾過水は濾過水取出し管として機能する集配水管１３から外部に取出される。

上記の濾過作業を継続し、時間がたつにつれて、濾材層２に目詰まりが生じたときは、濾材層２の上層部の洗浄を目的とする部分洗浄または濾材層全層の洗浄を目的とする全体洗浄のいずれかを行うことにより、生物濾床にダメージを与えることなく、効果的な洗浄が行うことができる。

ここで、全体洗浄とは、短時間の一般的な逆洗で濾材層２全層の洗浄を行う一般的な強力逆洗で主に生物濾床の洗浄が目的で行うものである。全体洗浄は、生物濾床にダメージを与えない頻度で行う。これに対して、部分洗浄は、上層のみを洗浄し、上向流で濾材層２の上層部の沈殿物を排出するもので、濾材層２の上層部中濾材に付着した鉄およびヒ素の洗浄除去を目的とする洗浄である。

部分洗浄、全体洗浄の具体的方法としては、本出願人の出願にかかる特開２０１０−２６４３３４号公報および特開２０１０−０１１１１６号公報に記載されている方法を使用することができる。

本発明によれば、原水中の鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60未満の場合に、原水中に人工的に鉄分を添加することにより、鉄/ヒ素比率をヒ素除去のために最適の比率に調整した上でヒ素除去作業を行うことができる。このため、図１において、原水混気ノズル７よりも上流側の原水送水管６に開閉弁２１を介して鉄分供給源２０を接続し、常時は弁２１を閉じておき、原水中に人工的に鉄分を添加する必要がある場合は、弁２１を開いて鉄分供給源２０から所要量の鉄分を原水中に供給することにより鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60以上の所望の値に高めることにより鉄分によるヒ素吸着高率を高めることができる。

日本国厚生労働省の水道水質基準による原水中の鉄の許容含有量は0.3ｍｇ/ｌ以下であり、原水中のヒ素の許容含有量は0.0１ｍｇ/ｌ以下であるので、原水中の鉄とヒ素の含有量がそれぞれこの許容含有量の範囲内に入るとともに、鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60以上となるように所望のヒ素除去効果を奏することが可能である。なお、水道水質基準による鉄とヒ素の上記許容含有量から、鉄/ヒ素比率はFe^２＋/As^３＋=30を満たせば充分であるので、Fe^2+/As³⁺=60未満でも、原水中の鉄とヒ素の含有量がそれぞれ上記許容含有量を満たすならば人工的に鉄分を添加する必要はない。

このように濾材層の洗浄の工夫により濾過速度は高速(LV=120〜500m/日)としても、濾材層閉塞の問題は発生せず、濾材交換も必要がない。そのため、鉄分の添加による処理性能の低下は起こらない。

また、本装置では酸化剤を使用しないため、現水中に含有される好気性バクテリアが原水混気ノズルを通過する際に得た豊富な溶存酸素により活発になり、同じく原水が含有しているマンガンが酸化マンガンとなり濾過砂に捕捉されるほか、亜硝酸態窒素及び硝酸態窒素は硝化作用により処理される。

なお、上記実施形態においては、濾過槽内の原水中に原水混気ノズルの原水噴出口を位置させており、この実施形態がもっとも好ましいものであるが、原水混気ノズルの原水噴出口を濾過槽内の原水の水面からはなれて上方に位置するように配置しても、原水中の溶存鉄分の酸化に必要な溶存酸素は原水混気ノズル中で飽和状態に達するので、充分な鉄分酸化効果を挙げることができる。

実験例１

深井戸からの原水についての実証試験
実証実験サイトでは深井戸を水源とし、揚水された原水に含まれる鉄とヒ素の含有量を計測したところ、鉄の含有量に対し、ヒ素含有量の割合はFe²⁺/As³⁺≒30となっており、従来のヒ素除去方法である空気曝気法によりヒ素を共沈させるに最低限必要とされる鉄分量(Fe²⁺/As³⁺=60)を満たしていない。

そこで、本発明の方法により、人工的に鉄分(硫酸鉄FeSO_４・7H_２O)を添加し、ヒ素除去の実証試験をパイロットプラントで６日間にわたり行った。

その結果を次表１に示す。なお、表１および表２において、左側の番号は容器に採取した検体の番号を示すものである。

実験の結果、本発明の方法により、鉄の除去率は、98%以上と高い性能を発揮することがわかった。空気曝気法による場合一般的に鉄/ヒ素の割合Fe²⁺/As³⁺=100程度必要で、最低でも60は必要とされているヒ素除去において、本発明の方法によれば60未満でも空気曝気法と同等以上の高いヒ素除去率を得られており、60未満でも処理できることが解った。

また鉄分の添加が可能なことにより最適なFe²⁺/As³⁺比率を自在に設定できることも特徴である。

本実証試験では短い期間であったため、ヒ素除去率は80%程度に留まっているが、以下に述べる実験例２の実験により、Fe²⁺/As³⁺比率が58〜116の範囲で97%以上の高い除去率が確認できている。

実験例２

イオン鉄を付加した人工原水によるテーブル実験
井戸水を想定して、残留塩素を活性炭、溶存酸素を亜硫酸ナトリウム(Na₂SO₃)で除去した水道水に、イオン鉄成分として硫酸第一鉄(FeSO₄・7H_２O)、ヒ素成分として三酸化二ヒ素(As₂O₃)を加えた人工原水を使用してテスト装置で実験を行った。その結果を次表２に示す。

鉄、ヒ素ともに95%以上の除去率を示し、良好な結果となっている。

一般的にヒ素が酸化鉄と共沈するためには、鉄/ヒ素の比率がFe²⁺/As³⁺=60〜100程度が必要であると認識されているが、本実験により、鉄/ヒ素の比率がFe²⁺/As³⁺=60以下の場合でも高い除去性能が得られることがわかった。

Claims (2)

1. 原水供給管に一端部が連通し、他端部に原水噴出口を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズルと、濾材層が収容された濾過槽を備える水処理装置の該濾材層の上方に該原水混気ノズルの原水噴出口が位置するように該原水混気ノズルを配置し、該原水混気ノズルに該原水送水管から原水を圧送し、エジェクター効果により空気を該空気流入口から流入させて原水と混合することにより原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材層の濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させ原水中のヒ素を除去、原水中の鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60未満の場合には、原水中に人工的に鉄分を添加することにより、鉄/ヒ素比率をヒ素除去のために最適の比率に調整した上でヒ素除去作業を行うことを特徴とする原水中のヒ素を除去する方法。
2. 原水供給管に一端部が連通し、他端部に原水噴出口を備え、両端部の間に空気流入口が開口している原水混気ノズルと、濾材層が収容された濾過槽を備える水処理装置の該濾材層の上方の該濾過槽内の空間を所定の水位まで原水で満たし、該濾過槽内の原水中に該原水混気ノズルの原水噴出口が位置するように該原水混気ノズルを配置し、該原水混気ノズルに該原水送水管から原水を圧送し、エジェクター効果により空気を該空気流入口から流入させて原水と混合することにより原水中の溶存酸素濃度を飽和状態とし、この溶存酸素の酸化力により原水中の溶存鉄分を水酸化第二鉄として濾材層の濾材の表面に付着させ、この水酸化第二鉄にヒ素を吸着させ、原水中のヒ素を除去、原水中の鉄/ヒ素比率がFe^2+/As³⁺=60未満の場合には、原水中に人工的に鉄分を添加することにより、鉄/ヒ素比率をヒ素除去のために最適の比率に調整した上でヒ素除去作業を行うことを特徴とする原水中のヒ素を除去する方法。

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